Bomba de vacío HiPace 300 M. Fuente.
Los 10 errores más comunes al utilizar bombas de vacío turbomoleculares y cómo evitarlos
Las bombas de vacío turbomoleculares, también conocidas como turbobombas, son el núcleo de muchos procesos de alta tecnología, desde la fabricación de semiconductores hasta los laboratorios de investigación. Sin embargo, incluso pequeños errores en su configuración o funcionamiento pueden provocar costosos tiempos de inactividad, daños en el equipo o un fallo completo de la bomba de vacío. En este artículo, analizaremos los diez inconvenientes más comunes y cómo superarlos.
1. Dimensionamiento incorrecto de las tuberías de alto vacío
El diseño de las tuberías y válvulas de alto vacío debe ajustarse al caudal nominal de la bomba de alto vacío. De lo contrario, se producirán pérdidas considerables en el caudal efectivo debido a una conductividad desfavorable.Para ilustrar el efecto que puede tener una tubería de alto vacío con un diseño incorrecto, este es un ejemplo que utiliza una turbobomba con un caudal nominal de 260 l/s, aire como medio bombeado y una tubería de vacío con una longitud de 250
mm: si se utiliza una tubería de vacío mucho más pequeña que el diámetro de la brida de la turbobomba (DN 100 (100 mm)), el caudal efectivo disminuirá. Una línea de vacío DN 25 (25 mm) solo generará unos 7,4 l/s al final de la línea. Si se utiliza el mismo diámetro que la turbobomba, el caudal efectivo aumentará a 170 l/s.
Incluso una turbobomba con un tamaño de brida de DN 320 (320 mm) y un caudal nominal de 3200 l/s solo ofrecería aproximadamente 7,6 l/s al final de una línea de vacío de tamaño DN 25. Esto significa que esta bomba de vacío turbomolecular, que es doce veces más grande que la bomba de vacío en el primer ejemplo en términos de caudal nominal, en realidad no ofrece prácticamente ningún beneficio adicional.
2. Conexión de vacío rígida
La mayoría de las aplicaciones requieren una conexión rígida entre la brida de alto vacío de la turbobomba y la cámara para una instalación segura y sostenible. Sin embargo, en tales casos, es importante dejar flexible la conexión de la línea de vacío previo o el extremo inferior de la turbobomba. Una conexión rígida significa que el alojamiento de la bomba de vacío no puede expandirse cuando se expone al calor. Esto provocará tensiones en el material, que se acumularán en niveles inadmisibles que, en última instancia, pueden causar fallos por tensión.Un método de montaje rígido tiene otras desventajas: el rotor no puede oscilar libremente y el desequilibrio residual mínimo existente puede provocar un posible fallo del rodamiento y daños en el rotor con el tiempo.
3. Vibración incontrolada de frecuencias resonantes
Las bombas de vacío turbomoleculares están equilibradas para garantizar un funcionamiento con pocas vibraciones y una vida útil óptima de los rodamientos. Sin embargo, durante el arranque normal, todas las turbobombas pasan por ciertas frecuencias de resonancia. Si estas frecuencias alcanzan la frecuencia de resonancia de la cámara de vacío o de todo el sistema, su amplitud aumenta significativamente. Este fenómeno natural hace que la bomba de vacío vibre y genere niveles sonoros más altos de lo habitual. Aunque este efecto en sí mismo es normal y no es el resultado de ningún problema con la turbobomba, es mejor evitar las frecuencias que la activan para detener cualquier daño causado por las vibraciones que se produzcan. Por lo tanto, es aconsejable determinar la frecuencia natural del sistema y discutir estos valores con el fabricante de la bomba de vacío para ver cómo se pueden evitar las vibraciones. Esto puede llevarse a cabo mediante refuerzos, como montajes o almohadillas de amortiguación de vibraciones entre la bomba de vacío y la cámara de vacío, pesos adicionales, cambios en la velocidad nominal de la turbobomba o modificaciones de diseño.4. Conexión insuficiente entre la brida de entrada y la cámara de vacío
Las turbobombas almacenan una enorme cantidad de energía mecánica, comparable a la energía de una turbobomba en caída libre desde 300 m. En caso de colisión del rotor, esta energía se libera en cuestión de milisegundos y genera un par considerable. Un diseño inadecuado de la cámara de vacío o una fijación incorrecta de la turbobomba pueden provocar la deformación de la cámara y, en el peor de los casos, la torsión o incluso el desgarre de la turbobomba de la brida.Las pruebas realizadas por los fabricantes de bombas turbo han revelado que el diseño ideal de la conexión de brida es ISO-F. La bomba de vacío turbomolecular no puede rotar en una brida ISO-F gracias a sus orificios ranurados y, para ISO-CF, a los orificios de los tornillos de fijación. Los fabricantes ofrecen kits de montaje que contienen el número adecuado de abrazaderas o tornillos de fijación en la calidad de material requerida, así como anillos de centraje adecuados. Solo así se garantiza que, en caso de choque, la conexión permanezca intacta y hermética. Los valores de par se pueden encontrar en el manual de instrucciones de la turbobomba y deben respetarse estrictamente.
5. Protección insuficiente contra cuerpos extraños
Los cuerpos extraños que caigan en el rotor de la turbobomba pueden causar daños irreparables. Para evitarlo, se recomienda instalar una protección contra astillas o una pantalla de protección en la brida de entrada de la turbobomba. Aunque esto protegerá la bomba de vacío de los residuos, tiene el efecto secundario de la pérdida de conductancia. Esto provoca una reducción del caudal de hasta un 30 %, dependiendo del tipo de gas. Otra solución es, si es posible, colocar la turbobomba en posición invertida sobre la cámara, ya que los objetos extraños caerán por gravedad. Sin embargo, se debe tener cuidado para garantizar que la bomba de vacío sea adecuada para su funcionamiento al revés. Si este tipo de instalación no es posible, la bomba de vacío se puede montar en una pieza en T con un ángulo de montaje lateral de 90°. El puerto de refuerzo debe apuntar hacia abajo.6. Horneado de la bomba de vacío a temperaturas excesivas
En algunas aplicaciones, el sistema y la turbobomba deben someterse a una condición para lograr parámetros de proceso óptimos, incluida una repetibilidad mejorada, una carga de gas residual reducida y una eficiencia de la bomba de alto vacío. Un medio de acondicionamiento es el horneado. Al calentar la turbobomba, es importante respetar las temperaturas máximas de la brida de entrada especificadas por el fabricante. Estos suelen estar entre 100 y 120 °C. Superar la temperatura permitida provocará el sobrecalentamiento de la bomba de vacío y puede provocar daños en los rodamientos o los rotores. Durante el horneado, la refrigeración por agua es obligatoria. El período de horneado debe ser de al menos 6 horas.7. Superación de la presión de bomba primaria máxima permitida
Las bombas de vacío turbomoleculares que tienen etapas de alta compresión adicionales junto con las etapas turbo pueden soportar presiones de bomba primaria superiores a 30 hPa (mbar). Sin embargo, las bombas de vacío de etapa turbo puras con una sola etapa de compresión turbomolecular normalmente solo pueden tolerar 2-3 hPa (mbar). Los límites varían en función del medio bombeado. Excederlos puede sobrecalentar el rotor y toda la turbobomba, lo que puede provocar daños o incluso un fallo total debido a una fricción excesiva del gas y a una disipación del calor insuficiente.Una turbobomba no puede funcionar contra la presión atmosférica y, por lo tanto, siempre funciona en combinación con una bomba primaria en su zona de escape. Esta bomba de vacío, normalmente una bomba de vacío de paletas rotativas o una bomba de vacío en seco, reduce la presión de bomba primaria de atmosférica a vacío medio o pobre. Si esta bomba primaria no funciona correctamente y no está equipada con una válvula de seguridad de alto vacío, la turbobomba se ventilará a través de la línea de descarga. Esto puede provocar la contaminación de la turbobomba y del sistema conectado causada por partículas de aceite de la bomba primaria. Además, puede ejercer una tensión mecánica sobre el rotor que gira rápidamente. Si se conecta una cámara de vacío más grande a la bomba de vacío turbomolecular, la entrada de aire a través de la línea de descarga puede hacer que el rotor se levante, un fenómeno llamado «efecto helicóptero», y desencadenar una colisión del rotor. Para evitarlo, los fabricantes ofrecen válvulas de seguridad, integradas en las bombas primarias correspondientes o como soluciones independientes que aíslan la turbobomba y la cámara en caso de que se produzca un fallo en la bomba primaria. Estas válvulas se cierran en milisegundos en caso de fallo y pueden activarse mediante un sensor de presión o una señal de fallo de la bomba de vacío.
8. La bomba de vacío y el sistema no se ventilan o se ventilan incorrectamente
Las bombas de vacío turbomoleculares generan un vacío muy limpio y sin hidrocarburos gracias a su excelente compresión y a sus propiedades de diseño únicas. Sin embargo, después de apagar la turbobomba o todo el sistema de vacío, la igualación de la presión del lado de vacío previo al lado de alto vacío puede hacer que los contaminantes y las partículas de aceite vuelvan a la turbobomba si no se toman las precauciones necesarias. Si no se instala ninguna válvula o compuerta en el lado de alto vacío, esta contaminación continuará en el interior del equipo. Una forma de evitarlo es ventilar la turbobomba con gas seco, como nitrógeno o aire libre de aceite, creando un gradiente de presión positiva desde el lado de alto vacío hacia el lado de refuerzo. Este gradiente controlado evita que los contaminantes se arrastren aguas arriba durante la igualación de presión y también diluye cualquier vapor residual, lo que reduce sus presiones parciales para que no puedan migrar hacia la turbobomba.Para reducir aún más el riesgo de contaminación o incluso posibles daños, se requiere una válvula de seguridad de alto vacío en la bomba primaria para evitar que el aire entre en la zona de escape cuando se detenga la bomba primaria, como se indica en el punto 7 de referencia. La electrónica de accionamiento de la turbobomba ofrece modos inteligentes para una purga de aire segura a una velocidad determinada en combinación con la válvula de purga de aire adecuada. Dado que la relación de compresión de una turbobomba también depende de la velocidad, el momento óptimo para iniciar la ventilación es cuando la velocidad de la turbobomba ha descendido a aproximadamente el 50 % del valor nominal. En redes inestables con fallos frecuentes de la alimentación eléctrica, se recomienda utilizar lo que se conoce como válvula de purga de aire por fallo de alimentación eléctrica, que ventila automáticamente la bomba de vacío y la detiene correctamente en caso de fallo de la alimentación eléctrica.
9. Protección inadecuada contra campos magnéticos, radiación y fuentes de calor excesivo
Los campos magnéticos generan corrientes de Foucault en el rotor de una turbobomba en funcionamiento que trabajan en contra de su rotación. La energía necesaria para este efecto hace que el motor consuma más corriente de su conexión eléctrica. Esto puede provocar que el rotor se sobrecaliente rápidamente. Los campos magnéticos máximos permitidos para la bomba de vacío se especifican en los manuales de instrucciones en militesla (mT). Si se superan estos valores, la bomba de vacío debe protegerse con tapas adecuadas o, si se conoce la distribución del campo magnético, disponerse de forma diferente.Los neutrones y la radiación gamma de intensidad y duración variables se producen en aceleradores de partículas. Esta radiación destruye los transistores de alimentación eléctrica, los diodos y los componentes electrónicos, que suelen ser elementos esenciales de la electrónica de accionamiento. Para evitar esto, los componentes electrónicos deben retirarse de la zona afectada, lo que requiere que la electrónica de accionamiento remoto se instale a una distancia segura de la radiación a través de un cable de conexión.
En condiciones de vacío, la transferencia de calor se realiza principalmente mediante radiación térmica. En los casos en los que la aplicación requiera superficies calientes o muy calientes, como en ciertos procesos de recubrimiento para la protección contra el desgaste, el rotor de la turbobomba necesita protección visual contra estas superficies calientes, como una pantalla protectora. De lo contrario, este calor inducido no se disipará lo suficiente y puede provocar el sobrecalentamiento del rotor. Por lo tanto, es necesario un apantallado adecuado, ya que esto puede causar daños graves.
10. Incumplimiento de las precauciones del proceso
Es esencial seleccionar una bomba de vacío turbomolecular adecuada para el proceso y asegurarse de que esté bien preparada. Por ejemplo, para los procesos corrosivos, especialmente en la industria de los semiconductores, hay varias precauciones que deben tomarse para que la turbobomba quede protegida.El motor y los rodamientos deben estar protegidos con un gas barrier, como nitrógeno. Esto crea un sellado limpio y a presión positiva entre el lado del proceso de la bomba y los componentes internos sensibles, lo que evita que los gases corrosivos se difundan hacia la bomba de vacío turbomolecular. Sin embargo, debe respetarse la presión del gas de sellado especificada en el manual de instrucciones. Además, se debe tener en cuenta la carga de gas adicional a la hora de diseñar la bomba primaria. El uso del lubricante sintético adecuado para bombas turbomoleculares con rodamientos de bolas evita la oxidación. Además, es conveniente utilizar materiales anticorrosión como recubrimientos de níquel o cerámica en los rotores.
Algunos procesos, como la deposición química de vapor (CVD), son propensos a la formación de depósitos. Esto puede provocar desequilibrios, vibraciones u obstrucciones debido a la condensación en el interior de la bomba de vacío, lo que puede provocar fallos de funcionamiento o incluso una colisión del rotor. Si es posible, la bomba de vacío turbomolecular debe instalarse boca abajo para que el polvo no pueda entrar tan fácilmente en la bomba de vacío. También tiene sentido instalar una placa deflectora para evitar que el polvo caiga directamente en la bomba de vacío en funcionamiento. La modificación de la bomba de vacío turbomolecular con sistemas opcionales de gestión de la temperatura evita o minimiza las obstrucciones y ofrece un mejor tiempo de actividad.