Revision y limpieza de la bomba.

 

 Fundamento de una bomba turbomolecular.

Una bomba de vacío turbomolecular es poco mas o menos como parte de la turbina de un avión pero en pequeño y girando a altas revoluciones. Su construcción es muy similar, la bomba presente se compone de 10 juegos de paletas móviles (rotor) y otros tantos juegos de paletas fijas (estator). Tanto las paletas móviles como las fijas están orientadas para que las moléculas presentes a la entrada ( área de baja presión) sean lanzadas progresivamente hacia el área de alta presión (salida) donde son extraídas por una bomba auxiliar. En estas bombas las paletas actúan como si fuesen raquetas de tenis, y cuando una molécula de gas se interpone en su trayectoria la impulsan en dirección al área de alta presión. Para que una bomba de este tipo sea eficaz, su velocidad lineal tiene que ser igual o superior que la velocidad de las moléculas que es del orden de 450 m/s. Para conseguir esto las paletas de una de estas bombas con un diámetro de giro de 6 cm tiene que alcanzar las 60.000 revoluciones por minuto. Para bombas mayores basta con 40.000 rpm.

Estas bombas tiene forzosamente que trabajar en vacío por dos razones, primero para que el gas se comporte en forma molecular y segundo porque se necesitarían varios kilovatios para poder hacer girar estas bombas a la presión atmosférica.

 Para que las bombas tubo pueden mantener estos regímenes de revoluciones tan altos se requieren varias sofisticaciones mecánicas. No pueden funcionar con motores con escobillas, los rozamientos tienen que ser mínimos, la vibración de todo el cuerpo móvil debe ser mínima, no pueden desprenderse gases y no pueden producir calor en el interior porque al estar en el vacío terminarían por quemarse.

Para conseguir estas características el rotor de las bombas esta construido a partir de una única pieza de titanio o aleaciones de aluminio muy resistentes. El peso se reduce al mínimo y se equilibran dinámicamente para que no exista ningún desplazamiento del centro de masas. Debido a que las paletas no deben soportar muchos esfuerzos se hacen tremendamente delicadas y finas. Para reducir los rozamientos se emplean cojinetes cerámicos, que no necesitan engrase y aguantan temperaturas mucho mas altas que los metálicos. Algunas bombas grandes en vez de emplear rodamientos cerámicos emplean levitación magnética, de manera que mantienen el conjunto rotor en su posición sin contacto mecánico con ningún otro material, de esta manera reducen los rozamientos al mínimo y sin necesidad de lubricación.

El motor que mueve las paletas es solidario y coaxial con estas, por lo tanto el motor debe proporcionar las mismas revoluciones que necesita el rotor. No pueden emplearse por supuesto sistemas de engranajes para aumentar la velocidad. Además hay que considerar que el diseño de estos dispositivos debe ser estanco.

Estas bombas se mueven mediante un motor asincrono con rotor en jaula de ardilla. El estator esta formado por tres pares de devanados desplazados 120 grados de manera que al ser excitados por una corriente trifasica generan un campo magnético rotatorio que arrastra al rotor.

Es sabido que los motores en jaula de ardilla en vacío el rotor gira a las mismas revoluciones que el campo magnético (suponiendo un solo par de polos por fase) y por lo tanto a la frecuencia de alimentación. Cuando se le exige esfuerzo, al motor las revoluciones del rotos bajan y se produce un deslizamiento, el par de estos motores es proporcional al deslizamiento.

Como se ha dicho la velocidad de giro es la de la frecuencia de alimentación, asi es que si alimentásemos uno de estos motores a 50 Hz de la red no conseguiríamos mas que una velocidad de rotación de 50 revoluciones por segundo que equivalen a 3000 rpm. Como necesitamos 60.000 rpm tenemos que emplear una frecuencia 20 veces mayor, 1000 Hz, pero a esta frecuencia el para no produciría fuerza ni para vencer los rozamientos de los rodamientos, así es que se alimente a 1200, esperando que el rotor alcance al menos las 60.000 rpm.

La energía cinética del conjunto motor- rotor de estas bombas es muy alta debido a su alto numero de revoluciones. Como se sabe esta energía cinética es función de la masa, del radio equivalente de masas y del cuadrado de la velocidad angular. Como la velocidad angular es 25 veces superior a la de un motor convencional su energía cinética será 625 veces mayor, lo que significa que tanto en el arranque como la parada será mucho mas dificultosa. Suponiendo una relacion potencia / momento de inercia de dos motores iguales, debido al alto numero de revoluciones una bomba turbo tardara 625 veces mas tiempo en alcanzar su regimen normal de revoluciones que un motor convencional. Como promedio una bomba turbo suele tardar en alcanzar ese régimen un minuto.

El problema del arranque.

Alimentado una bomba de estas características directamente con 1200 Hz, lo único que conseguiríamos es calentar los devanados. Es decir tendría tan poco par que no arrancaría. Además cuando el deslizamiento (diferencia de velocidad entre el campo magnético y el rotor) es muy grande el consumo es muy alto ya que los devanados se comportan como si estuviesen en cortocircuito. Por ello estos motores se arrancan a una frecuencia relativamente baja ( de 1500 a 5000 rpm) y se aceleran, cambiando la frecuencia , paulatinamente a el régimen máximo de revoluciones. Este cambio debe realizarse empleando el menor tiempo posible, para que la bomba entre a funcionar cuanto antes, pero en la posición de máximo par, para que el rotor acelere lo mas posible y no "se pierda". Es decir que no caiga en una situación de bajisimo par que le impida acelerar hasta alcanzar el máximo de revoluciones.

Para conseguir el máximo de rendimiento algunas bombas tienen un tacómetro en el rotor y mediante un circuito se controla que la frecuencia de alimentación se adelante una cantidad adecuada a la del rotos de manera que se trabaje siempre en la zona de máximo par. La bomba en cuestión no dispone de tacómetro pero hay una forma de saber cuando la cosa anda bien.

Efectivamente, cuando el rotor esta enganchado al campo magnético del estator el consumo de corriente es mínimo. Y la zona de máximo para se encuentra cuando el consumo de corriente es entre un 20 y un 50% superior a la mínima. Si el consumo excede estas cifras es que el rotor se esta perdiendo y conviene bajar la frecuencia de excitación.

El problema del frenado.

Si cuando la bomba esta al máximo régimen de revoluciones en el vacío eliminamos la excitación el rotor puede estar girando libremente durante cerca de media hora. Esto no seria ningún problema salvo que tratemos de poner de nuevo la bomba en marcha. Si dejamos que entre aire la bomba se parará en pocos minutos. Aun así resulta conveniente frenar la bomba lo antes posible. Para ello lo mejor es bajar la frecuencia de excitación del máximo al mínimo en el menor tiempo posible. Estos parece trivial pero no lo es. Si quitamos la excitación toda la energía cinética del rotor se emplea en seguir girando y no tiene ningún efecto secundario. Pero si bajamos la frecuencia de la excitación por debajo de la de giro el motor comienza a generar corriente y eso hace que aparezcan sobretensiones en la excitación que si no están previstas destruyan los circuitos.

El problema de las sobrecargas.

Todos sabemos que si bloqueamos el eje de un motor la corriente que absorbe es mucho mayor y en pocos minutos los devanados se pueden quemar. En el caso de las bombas turbo, una entrada repentina de gas a la cámara de vacío puede provocar una sobrecarga del motor y una perdida repentina de revoluciones. Esta sobrecarga además de un excesivo consumo de corriente puede sacar a la bomba de su punto de enganche y definitivamente perderse, es decir no conseguir acelerar de nuevo la bomba. Por ello es conveniente que en caso de sobrecarga la frecuencia de excitación baje enganchada con el giro del rotor, de esta manera se disminuye el consumo y se posibilita que el rotor de nuevo se acelere en cuanto la sobrecarga desaparezca.

 Revisión y limpieza.

Cuando recibí mi primera bomba, y abrí la caja en que me la enviaban y estupor recorrió mi cuerpo. El vendedor en un intento de agradarme había limpiado cuidadosamente la bomba sumergiéndola en gasoil. Apestaba a gasoil y en vacío nada que huele, huele bien. Si necesitaba una excusa para desarmarla y verla por dentro ya la tenia y por triplicado. Me voy a permitir una sugerencia, cuando en vacío se emplee un liquido para limpiar hay que ser muy radical, o se emplea algo que se evapore muy rápidamente o se emplea algo que no se evapore. Si se vapora rapidamente con un poco de ayuda desaparecerá enseguida. Pero justamente el gasoil esta en el sitio intermedio asi que me vi obligado gustosamente a destripar el invento.

En la imagen anterior se ve la bomba, encima tiene conectado un medidor de vacío del tipo de cátodo frío. Entremedias unos adaptadores de paso QF63 al medidor. La conexión a la bomba mecánica se realiza con tubo de inox corrugado como se ve parcialmente abajo a la izquierda.

 

 Aquí se ve la bomba parcialmente desarmada. Se aprecian los alabes del rotos. Obsérvese que son muy finos y delicados para aligéralos todo lo posible.

 

Los alabes del estator retirados de la bomba mientras se están secando después de pasar por la limpieza en seco.

 

 Profesor Frank de Copenhague.