Ciência e Tecnologia do Vácuo

Aula 6

Princípios de bombeamento• As bombas de vácuo são baseadas em um ou mais dos seguintes

princípios:– Compressão / Expansão do gás:

• Bombas a pistão, coluna líquida, rotativas e root´s– Arraste por efeito viscoso:

• Bombas de ejeção de vapor– Arraste por efeito de difusão:

• Bombas de difusão de vapor– Arraste molecular:

• Bombas moleculares– Efeitos de ionização

• Bombas iônicas– Sorção Física e Química

• Bombas de sorção, criogênicas, e aprisionamento

Parâmetros e classificação• A seleção (escolha) da bomba ou do princípio de

bombeamento a ser utilizado é definido por seus parâmetros específicos:

• Os principais parâmetros são:– A pressão mínima– O intervalo de pressões– A velocidade de bombeamento– A pressão de exaustão

• Em ultra alto vácuo dois outros parâmetros são considerados:– Seletividade– Tipo de gás residual

Pressão Mínima e Intervalo de pressões

• A menor pressão que pode ser alcançada por uma bomba na sua “boca” é determinada tanto pelo seu vazamento interno como pela pressão de vapor dos fluidos utilizados na bomba.

• A pressão mínima determina o intervalo no qual o bombeamento dos vários tipos de bomba são efetivos

Pressão Mínima e Intervalo de pressões

Velocidade de Bombeamento• O intervalo de pressão de uma única bomba significa o intervalo

no qual a velocidade de bombeamento (S) da bomba pode ser considerado útil.

• A velocidade de bombeamento das bombas não é constante, mas uma função da pressão.

• A curva de velocidade de bombeamento vs. pressão de bombas mostra que a partir da pressão atmosférica a velocidade diminui com a diminuição da pressão (bombas mecânicas) e para alguns sistemas a velocidade aumenta, atinge um máximo e depois diminui com a diminuição da pressão.

Velocidade de Bombeamento

Pressão de exaustão

• A pressão de exaustão é a pressão que deve ser mantida na saída de exaustão de gás para que a bomba possa ser operada.

• Por esse ponto de vista as bombas de vácuo podem (grosseiramente) ser dividida em três classes de Bombas que :– Expelem gás para a atmosfera (mecânicas)– Expelem gás em pressões sub-atmosféricas (roots, difusora)– Imobilzam gases e vapores dentro do próprio sistema e não requerem

exaustão (sorção, ionização)

Bombas MecânicasLíquidas

• Apenas como abordagem histórica as bombas líquidas mais famosas são:– Sprengel– Water ejector

Bombas a Pistão

• As bombas à pistão são análogas às bombas de pressurização comuns (pneu de bicibleta).

Bomba de Anel de Água

• Water ring pump:

Bomba Rotativa de Palhetas(Mecânica)

• Descrição da bomba:• Este tipo de bomba é o

mais utilizado na indústria e na ciência para produção de pressões na faixa de 10-2 a 10-3 mbar

Bomba Rotativa de Palhetas(Mecânica)

• 4 estágios de bombeamento.

• Rotação típica - 300 a 700 rpm

• Faixa de pressões - 10-2 a 10-3 mbar

Bomba Rotativa de Palhetas

• A menor pressão que se pode atingir com uma bomba mecânica é determinada pelo fato de que o gás é comprimido em um pequeno volume, chamado de “volume morto”, assim como na bomba à pistão, ao lado.

Bomba Rotativa de Palhetas• A vedação entre a saída e

entrada de gás, depende da distância de separação entre o rotor e o estator, que é da ordem de 0,025 mm.

• A vedação da bomba se dá por contínua circulação de óleo que também a lubrifica.

• A pressão mínima é limitada por:– vazamentos entre entrada e saída– degaseificação do óleo

lubrificante– evaporação do óleo lubrificante

Bomba Rotativa de Palhetas2 estágios

• A bomba de 2 estágios aumenta o desempenho por utilizar 2 setores de bombeamento conectados em série.

• O 1º estágio é o de alto vácuo, que é bombeado pelo 2º estágio, ou de baixo vácuo.

• A diferença de pressão entre a entrada de gás na bomba e sua saída (no 1º estágio) é menor do que se a pressão fosse a atmosférica.

Bomba Rotativa de Palhetas2 estágios - Velocidade de bombeamento

Gás Ballast• Quando uma bomba mecânica for

utilizada para bombear uma atmosfera que contenha vapores condensáveis, como vapor de água, ocorre a condensação do vapor devido ao aumento da pressão no setor de compressão da bomba.

• A água condensada mistura-se ao óleo de lentamente será evaporada prejudicando o vácuo final do sistema, além de contaminá-lo.

Gás Ballast•A pressão final com gás ballast aberto é mais alta, mas considerando que após atingida a pressão final o mesmo deve ser fechado a pressão atingirá o limite previsto sem gás ballast...

Óleos das bombas rotativas• A função do óleo de uma bomba é:

– Vedar– Lubrificar– Refrigerar– Proteger de corrosão

• Propriedades:– Óleos minerais– Pressão de vapor menor do que 10-4 mbar– Baixa adsorção de água– Viscosidade adequada– Pouco nocivo à saúde humana

Bombas Root´s

Bombas Root´s• Bombas mecânicas livres de

óleo• Dois rotores rodam

sincronizados por engrenagens

• Rotores rodam em direções opostas num estator

• Não há contato entre rotores e estator

• A separação entre rotores e rotor estator é da ordem de 0,1 mm

Bombas Root´s• O gás é aprisionado entre os

rotores e o estator e é então transferido

• A frequência de rotação típica é de 1400 a 4000 rev/min

• Devido ao grande espaço entre rotor e estator o fluxo de gás reverso (gas leakage) é grande

• Este fluxo é governado pela diferença de pressão entre entrada e saída (razão de compressão)

Bombas Root´s• Exaustão para a atmosfera

gera uma razão de 3,5:1, o que permite uma pressão mínima de ~300 mbar

• Para se obter pressões menores do que 300 mbar as bombas roots devem operar em série com bombas rotativas

• Pressões de 0.05 mbar podem ser obtidas

Bombas Root´s

• A velocidade de bombeamento das Root´s está no intervalo de 150 a 50.000 m3/h

• O intervalo de pressão é situado desde 10 até 10-3 mbar

• A maior velocidade de bombeamento ocorre entre 1 e 10-2 mbar

A combinação entre root´s e rotativas permite remover grandes volumes de gás no intervalo de vácuo médio

Bombas Root´s

coloque no modo apresetar slides para ver a animação

Bombas Root´s

• As engrenagens e mancais localizam-se fora do estator principal

• a vedação do eixo é feita com retentores

• O torque é aplicado aos rotores através de uma junta hidrocinética

Bombas Root´sA junta hidrocinética é hoje em dia

utilizada devido ao:1. Super aquecimento dos rotores

em grandes cargas de gás em altas taxas de compressão; os rotores podem aquecer a ponto de tocarem uns com os outros ou com as paredes, podendo travar a bomba

2. Ao torque que na rotação máxima torna-se muito elevado acima de 10 mbar de pressão de entrada e o rotor pode travar

Bombas Root´s

Bombas Root´s

Bombas Difusoras

Bombas Difusoras• Este tipo de bomba é o mais utilizado em todo o

mundo para a produção de alto vácuo• Inventada em 1913, é usada na indústria e na ciência• Apesar de ser famosa para bombeamento em alto

vácuo, se utilizada adequadamente (fluidos modernos e acessórios) pode atingir 10-10 mbar

• As vantagens da bomba difusora são:– Alta velocidade de bombeamento para todos os tipos de

gases– Baixo custo por unidade de velocidade de bombeamento se

comparada com outro tipo de bomba usado para o mesmo intervalo de vácuo

Bombas Difusoras• Esta bomba necessita do

auxílio de uma bomba de exaustão (rotativa) em série

• Exemplo simples de bomba difusora ao lado

Bombas DifusorasUma bomba de vácuo difusora a óleo é um equipamento

composto de um corpo cilíndrico, com duas aberturas, uma ligada à câmara a ser evacuada e outra por onde o gás bombeado é expelido (Figura 1). No seu interior é montada uma torre de difusão (castelo), que fica em contato com a base da bomba e que por sua vez é aquecida por uma resistência elétrica. Um óleo, de baixa pressão de vapor preenche a base da bomba e, ao ser aquecido, evapora por dentro do castelo sendo ejetado por difusores dispostos ao longo do mesmo. Bombas mecânicas são geralmente usadas para o pré-bombeamento da bomba difusora tendo a tarefa de diminuir a quantidade de moléculas oxidantes, ao mesmo tempo que gera uma diferença de pressão entre o interior e o exterior do castelo.

Bombas DifusorasEsta diferença de pressão é a responsável pela ejeção de

moléculas de óleo pelos difusores que propositalmente as direciona para a base da bomba. As moléculas de óleo possuem elevado peso molecular e são ejetadas com altas velocidades, transferindo assim grande quantidade de momento às partículas de gás do entorno do castelo. As partículas do gás que são empurradas para a base da bomba difusora são sugadas pela bomba mecânica. Após sucessivas transferências de momento as moléculas de óleo perdem energia cinética e, para que o processo de bombeamento não cesse, estas devem ser coletadas e imobilizadas na parede interna da bomba, para que não contribuam com a elevação da pressão do sistema de vácuo.

Bombas Difusoras

É por esse motivo que a parede do corpo da bomba deve ser refrigerada. Ao colidir com a parede fria as moléculas do óleo, que são de baixa pressão de vapor, condensam e com o sucessivo acúmulo escorrem de volta para o fundo da bomba, tornando o processo cíclico. A refrigeração da parede da bomba difusora é realizada externamente pela circulação de água em serpentinas enroladas na parede ou construindo-se bombas com paredes duplas.

Bombas Difusoras

Fluxo de retorno (back-streaming)•Em qualquer sistema de vácuo onde uma câmara é conectada

diretamente a uma bomba difusora, conectada e bombeada em série por uma bomba rotativa, a pressão na câmara alcançará o equilíbrio e a operação continuada de bombeamento não reduzirá mais a pressão do sistema.

•A pressão estará limitada pela degaseificação da câmara.•Esse limite é também devido à presença de vapor de óleo

advindo da bomba difusora: Back-streaming – moléculas de vapor originadas no bico ejetor

Fracionamento do óleo• O óleo das bombas possuem

diferentes pesos moleculares• Nos diferentes estágios o óleo

mais pesado afunda e com o tempo migra para o estágio central (vasos comunicantes)

• As moléculas de óleo mais pesadas são mais eficientes no bombeamento

• A pressão final na estágio central é então diminuída pelo fracionamento do óleo

“Cold Cap”•Redução de “back streaming”

Pressão crítica de “Backing”• A PCB é a máxima pressão

permitida entre a bomba difusora e a bomba de exaustão

• Esta linha é também conhecida como backing line ou foreline

• Se a PCB é excedida o bombeamento é prejudicado e torna-se ineficiente

• A PCB não deve ultrapassar 10-1 mbar

Fluidos• A pressão final que se pode obter com bomba difusora

é determinada pela pressão de vapor do fluido da bomba.

• Os fatores a serem considerados para escolha do fluido da bomba são:Pressão de vaporEstabilidade térmica (alto aquecimento no boiler)Quimicamente inerteToxicidadeViscosidadeCusto

Fluidos

Armadilhas para Difusora• O back streaming é quantificado como a quantidade de fluido (em

miligramas) que atravessam a boca da bomba por unidade de tempo.• Como exemplo, nas difusoras modernas esta quantidade pode ser de 8x10-5

mg/cm2.min• Atingindo uma câmara com área superficial de 2 m2 seria equivalente ao

crescimento de um filme de óleo com taxa de 8 nm por dia, o que para muitas aplicações é inconcebível

• Isso é minimizado e mesmo suprimido se uma armadilha é utilizada

• Baffle: Uma armadilha adicional logo na entrada da bomba difusora, refrigerada a

água, contribui para diminuição da pressão final

• Trap de nitrogênio líquido Uma armadilha colocada acima do baffle que

Baffle

• Uma armadilha adicional logo na entrada da bomba difusora, refrigerada a água, contribui para diminuição da pressão final

• A refrigeração se dá com água fria (ou mesmo à temperatura ambiente) de modo a permitir que o óleo condensado possa gotejar de volta para o interior da bomba

•Não requer manejo especial

Trap de N2 Líquido

• Uma armadilha colocada acima do baffle que à temperatura de -196 ºC retém moléculas do óleo que porventura atravessem o baffle.

• É capaz ainda de reter moléculas de vapores cuja temperatura de condensação seja superior a -196 ºC (O2, CO, CO2, H2O...)

• Requer cuidados especiais no manejo do sistema• Não deve ser usado em sistemas sem baffle pois retém (congela)

todo óleo que o atinge, diminuindo o nível de fluido na bomba difusora.de

• O reservatório necessita ser periodicamente reabastecido devido à evaporação do nitrogênio líquido

Trap de N2 Líquido

Sistema de Vácuo

• Um sistema de vácuo é uma associação entre diferentes tipos de bombas de vácuo

• Associa-se bombas para se conseguir controlar:PressãoVelocidade de bombeamento

Sistema de Vácuo

• Para pressões de alto vácuo o sistema mais comum é a associação de bomba difusora com bomba mecânica (rotativa de palhetas).

• O uso de baffle e trap é altamente recomendado para diminuir o back streaming

inlet

outlet

Operação de Sistema de Vácuo

Sistema Difusora + Mecânica• Pode ser utilizado em três modos distintos:

1. sem válvulas (registros)2. com 2 válvulas3. com 3 válvulas

Sem válvulas

Sem válvulas1. Condição inicial do sistema: bomba mecânica e difusora desligadas; medidores

desligados e todo sistema à pressão atmosférica2. Bombeamento:

a) Ligar a bomba mecânica checando a pressão no “backing line” (não deve ser superior à 0,1 mbar)

b) Ligar circulação de água para refrigeração da bomba difusora e ligar sua resistência de aquecimento

c) Após estabilização da bomba difusora (20 a 30 min) ligar o medidor de alto vácuod) A pressão da câmara deverá apresentar-se a caminho de alto vácuo (10-4 a 10-6 mbar)

3. A principal desvantagem desse sistema é quando se deseja retornar a pressão da câmara para a atmosférica. O seguinte e único procedimento deve ser seguido:

a) Desligar o medidor de alto vácuob) Desligar a bomba difusora e aguardar esfriar (20 a 30 min)c) Desligar a bomba mecânica (só após a difusora ter esfriado)

4. Operações em que se deseja retornar com frequência à pressão atmosférica os tempos de aquecimento e resfriamento podem ser intoleráveis. O back streaming durante os períodos de transição poder ser extremamente elevado

2 válvulas

2 válvulas1. Válvulas fechadas;2. Ligar bomba de “backing”, ligar sensor de baixo vácuo da linha para

checar a pressão da linha (0,1 mbar)3. Ligar a água de refrigeração e a difusora4. Enquanto a difusora entra em regime estacionário, abrir a válvula

“roughing” para bombear a câmara (se a tubulação que conecta a mecânica à câmara for curta e se a mesma for bombeada por tempos longos, poderá ocorrer back streaming com o óleo da mecânica)

5. Quando a difusora se encontrar no regime estacionário e a pressão da câmara for de no mínimo 0,1 mbar, a válvula roughing é fechada e se abre a válvula de alto vácuo

6. Liga-se o sensor de alto vácuo7. A pressão da câmara deve começar a diminuir para casa dos 10 -4 a 10-6

mbar

2 válvulasSe for necessário ou se desejar quebrar o vácuo da câmara (troca de amostra, etc...) a bomba difusora poderá continuar operando, mas deve-se seguir o procedimento:

1. Fechar a válvula de alto vácuo;2. Abrir a válvula de admissão de gás (é recomendável desligar todos os sensores, de

baixo e de alto vácuo)3. Após a operação desejada, fecha-se a válvula de admissão de gás e abre-se a

válvula roughing (liga-se o sensor de baixo vácuo)4. Aguarda-se a pressão atingir pelo menos 0,1 mbar;5. Abre-se a válvula de alto vácuo para bombear o sistema até alto vácuo (liga-se o

sensor de alto vácuo)6. A principal desvantagem desse sistema é o custo de uma bomba mecânica

adicional7. A principal vantagem é que a backing line da bomba difusora nunca terá sua

pressão elevada

3 válvulas

3 válvulas

Procedimento:

1) Fechar RV

2) Abrir BV, aguardar pressão de 0,1 mbar

3) Abrir HV, ligar sensor de alto vácuo

3 válvulas

Bombas Turbomoleculares

Bomba Turbo Molecular• Uma bomba turbo funciona por transferência de momento das suas lâminas

rotativas para as moléculas do gás

• Um conjunto de lâminas rodam através de outro conjunto que permanece imóvel

• A rotação das bombas turbo está no intervalo desde 15.000 a 90.000 rev/min

• Estas bombas são concebidas para trabalharem em regime molecular

• Bombas turbo são mais eficientes para gases de alto peso molecular, devido às suas baixas velocidades

• A razão de compressão pode chegar a 109 para N2 e 103 para H2

Razão de comressão = pressão da entrada / pressão na saída

Razão de Compressão

Bomba Turbo Molecular• Basicamente a ação de bombeamento da bomba turbo consiste da interação

entre uma superfície que se move e as moléculas do gás.• Quando uma molécula colide com uma superfície em movimento ela

adquire uma componente adicional na sua velocidade, na mesma direção de movimento da lâmina.

• Para que as lâminas de fato atinjam moléculas muito rápidas, sua velocidade deve ser próxima da velocidade das moléculas senão as moléculas passarão pela região do rotor sem colidirem

• Para um rotor rodando a 60.000 rev/min e com uma lâmina de 7,5 cm de diâmetro a velocidade da extremidade será de ~236 m/s

• Para comparação a velocidade média das moléculas de nitrogênio a 20ºC é de 470 m/s, enquanto as de hidrogênio é de 1900 m/s

• Portanto moléculas mais leves são mais difíceis de serem bombeadas pela bomba turbo, com alto grau de back streaming

Bomba Turbo Molecular

• Bombas turbo requerem bombeamento adicional para expulsão dos gás bombeado

• Para se bombear gases com baixo peso molecular a pressão da linha de backing deve ser menor do que 10-2 mbar

• Bombas Turbomoleculares são bombas limpas, secas, não possuem óleo ! ! !

Bomba Turbo Molecular

• Configuração das bombas turbo:• Fluxo simples, Fluxo duplo

Bomba Turbo Molecular• Como nesse tipo de bomba a rotação é elevada a vedação do

eixo terá elevado atrito, ainda que lubrificado, tendo sua vida útil reduzida (manutenção periódica = 20.000h de operação)

• Nas bombas modernas (e caras!!) não há ligação entre o eixo e o exterior da bomba, uma vez que a bomba é levitada magneticamente

• Consegue-se então: Zerar o atrito Não há necessidade de lubrificação (sem óleo no sistema) Baixo ruído e vibração Sem necessidade de refrigeração

Sistema Turbo + mecânica

Bomba Turbo MolecularOperação

• O tempo para atingir o regime estacionário de operação ocorre quando a bomba atinge sua rotação máxima, e esse tempo varia entre 2 a 5 min,

• Portanto mesmo para sistemas no qual se deseja ventilar a câmara periodicamente, esse tipo de sistema não necessita de válvulas que interliguem as bombas nem a câmara

• Essa bomba não pode operar em rotação plena sob pressões acima de 1 mbar, ou seja, sempre é necessário que a câmara seja pré bombeada pela mecânica antes de se ligar a turbo, e para ventilar a câmara é necessário que a turbo tenha reduzido sua rotação até praticamente parada

Bomba Turbo MolecularOperação

• Esse pré vácuo na câmara pode ser feito usando a bomba turbo (ainda desligada) como duto de conexão mecânica / câmara

• É aconselhável o uso de trap de água refrigerada ou nitrgênio líquido entre a turbo e a mecânica para evitar o back streaming da mecânica para a turbo e consequentemente para a câmara

• Se algum objeto sólido entrar pela bomba quando em plena operação é risco de quebra imediato ! ! !

Tchau ! ! !