Come fare una buona camera a vuoto

Una camera a vuoto è un involucro rigido da cui l’aria e altri gas vengono rimossi da una pompa da vuoto. Ciò si traduce in un ambiente a bassa pressione all’interno della camera, comunemente indicato come “vuoto”. Un ambiente sotto vuoto consente ai ricercatori, ad esempio di condurre esperimenti di fisica o di testare dispositivi meccanici che devono operare nello spazio esterno oppure per effettuare processi come l’essiccazione sotto vuoto o il rivestimento sotto vuoto. In questo articolo vedremo come realizzare una camera a vuoto a partire da una pompa da vuoto commerciale a basso costo.

Le camere a vuoto sono generalmente costituite da metalli che possono o meno schermare i campi magnetici esterni applicati. Quelle didattiche usano invece materiali trasparenti. Tuttavia, solo alcuni materiali sono adatti per il vuoto. I materiali comunemente utilizzati sono: acciaio inossidabile, alluminio, acciaio dolce, ottone, ceramica ad alta densità, vetro, acrilico. La resistenza, la pressione e la permeabilità sono fattori da considerare per la scelta del materiale della camera.

Le camere a vuoto hanno spesso più aperture, coperte da flange (pezzi che permettono l’accoppiamento meccanico di altri pezzi mediante viti o bulloni) per il vuoto, per consentire l’installazione di strumenti o finestre nelle pareti della camera. Nelle applicazioni da basso a medio vuoto, queste sono sigillate con anelli a “o” in elastomero. Nelle applicazioni con vuoto più elevato, le flange hanno bordi a lama di coltello, che si tagliano nella guarnizione di rame quando la flangia viene fissata.

Per quanto riguarda invece le pompe da vuoto, pompe di tipo diverso sono in grado di rimuovere quantità variabili di aria dal contenitore (o campana, nel caso di quelle didattiche), fornendo diversi livelli di vuoto. Le pompe più potenti saranno in grado di aspirare fino a ottenere un vuoto quasi completo. Per la quasi totalità degli esperimenti scientifici di un dilettante, una pompa da vuoto a due stadi (che arriva fino a ≈0,01 mbar) o una più economica monostadio (che arriva fino a ≈0,05 mbar) è ottima.

Percentuali di vuoto e letture corrispondenti attese sul manometro.

Tuttavia, se non avete necessità di fare il vuoto in una camera grande e vi basta arrivare a una pressione di circa 1/10 di quella atmosferica (che è di 1010 mbar = 1 atm = 760 mmHg), potete orientarvi verso un sistema meno complicato da gestire, considerato pure che le pompe da vuoto a uno o a due stadi commerciali (usate dagli installatori di impianti di aria condizionata, e che trovate qui) di solito usano un olio speciale, per cui richiedono manutenzione, oltre a essere rumorose. Perciò, di seguito illustreremo entrambi i tipi di camera a vuoto.

Una camera a vuoto fai-da-te  per vuoti non elevati

Molti rivenditori, sia online che al dettaglio, vendono pompe e camere per vuoto a basso costo e di alta qualità che possono essere molto più affidabili e sicure rispetto al costruirne una tu stesso. Diversi test possono essere completati in una camera con una pompa efficace e un basso tasso di perdita. I vasetti a campana o i barattoli di vetro di molti prodotti alimentari sono spesso usati per esperimenti condotti in classe o da hobbisti che hanno bisogno solo di un vuoto di bassa qualità.

Non usate mai dei comuni barattoli per realizzare camere a vuoto spinto.

Per costruire una camera a vuoto usando un barattolo di vetro, pratica un foro nel coperchio del barattolo con le forbici. Rendilo appena grande abbastanza da adattarsi a un tappo di gomma. Inserisci poi il tappo di gomma nella parte superiore del barattolo. Dopodiché, crea un foro attraverso il tappo di gomma usando un punteruolo o un cacciavite. Allarga il foro praticato nel tappo finché non ottieni un foro abbastanza grande da inserirvi l’ugello (o il tubo) della pompa da vuoto che userai.

Spremi una colla adesiva ad azione rapida in modo continuo lungo e all’interno dello spazio tra il tappo di gomma e il coperchio del barattolo di vetro per formare una chiusura ermetica. Metti l’oggetto o la sostanza su cui hai intenzione di sperimentare nel barattolo. Avvita saldamente il coperchio sulla parte superiore del barattolo. Posiziona l’ugello della pompa da vuoto nel barattolo attraverso il tappo. Infine, succhia l’aria dal vaso usando una pompa da vuoto per vuoto non elevato.

Una semplicissima pompa da vuoto a siringa fatta con 3 valvole.

Se il contenitore in cui fare il vuoto è molto piccolo, si può usare a tale scopo una pompa a siringa auto-costruita, basata sull’impiego di una siringa molto grande (almeno 150 ml). L’ideale sarebbe che il contenitore in cui si vuole fare il vuoto sia di volume uguale o inferiore a quello della siringa. A seconda del volume relativo del contenitore e della siringa, si può raggiungere un livello di vuoto compreso fra 200 mbar e 15 mbar, ovvero si può estrarre fra l’80% e il 98,5% dell’aria.

Per realizzare una pompa da vuoto a siringa, oltre alla siringa avrai bisogno di: 2 valvole unidirezionali; 2 connettori a T per tubo; un contatore di gocce; una valvola di rilascio del vuoto (ad es. una minuscola valvola per sistemi di acquario o il tappo per l’ago della siringa); un tubicino di silicone. L’alternativa, naturalmente, è quella di trovare una pompa a siringa (o il relativo kit) in vendita su Internet, oppure di optare per un tipo di pompa da vuoto diversa, sebbene non per il vuoto spinto.

Un esempio di kit già pronto di pompa a siringa venduto negli Stati Uniti.

Una volta che ti sarai procurato questo materiale, allarga un’estremità del tubicino di silicone con le forbici o le pinzette, poiché difficilmente quello che troverai sarà perfettamente adatto alla punta della siringa. Colloca il tubo allargato sulla punta della siringa e fissalo con del nastro adesivo. Taglia il tubicino così fissato alla distanza minima (≈1 cm) per collegarvi l’ingresso centrale del connettore a T. Collega poi entrambe le valvole ai lati della “T” con altrettanti piccoli pezzi di tubo.

Nota che le valvole unidirezionali devono far passare l’aria in una direzione, quindi ci sarà una valvola di ingresso e una valvola di uscita. A questo punto collega il tubicino alla valvola di ingresso e un’altra estremità al secondo connettore a T. Non ti resta ora che collegarlo a una piccola camera a vuoto con un mini-barattolo con coperchio metallico. Puoi farlo con un sistema fatto con tappo in gomma e colla – come quello descritto in precedenza – oppure usare un contagocce, che ora vedremo.

Smonta il contagocce e prendine la parte in plastica. Pratica un foro nel tappo del contenitore e attacca questa parte del contagocce in esso con colla a caldo o con saldatura a freddo. A questo non rimane da fare che il sistema di rilascio del vuoto.  Infatti, non puoi aprire la camera a vuoto con il vuoto all’interno perché non ce la faresti, quindi hai bisogno di un sistema di rilascio del vuoto. E sarà posizionato sull’ultimo tubo della seconda T (che è quella vicino alla camera, non alla pompa).

La connessione della seconda T alla camera con un raccordo.

Ci sono diversi modi per per realizzare questo sistema di rilascio del vuoto. Il primo è usando un contagocce in silicone, schiacciato con una graffetta. In tal caso, basta premere il contagocce con la graffetta prima di pompare e togliere quest’ultima per rilasciare il vuoto. Il secondo è usare l’ago di una siringa, tagliato e riempito di colla (vogliamo che sia solo uno spinotto). Basterà rimuoverlo per rilasciare il vuoto. Infine, un terzo modo è quello di usare la valvola impiegata nel sistema di un acquario.

Una camera a vuoto fai-da-te per vuoti più spinti

In questa parte dell’articolo illustreremo la realizzazione di una camera a vuoto per creare un vuoto più spinto (fino a 0,05-0,01 mbar). Per creare questo tipo di camera a vuoto, occorre usare una pompa da vuoto molto più potente e una camera di materiale opportuno. Infatti se usiamo una comune campana o contenitore di vetro, quasi certamente imploderà sotto la pressione negativa, scagliando poi i frammenti in tutte le direzioni, con evidenti conseguenze per sperimentatore e spettatori.

Una camera a vuoto fai-da-te realizzata con una pentola e un compressore da frigo.

Pertanto, se vogliamo usare queste pompe così potenti – che sono simili a quelle impiegate per le camere a vuoto usate a scopo didattico nelle scuole e nelle università – una prima possibilità è quella di acquistare una campana specificamente progettata per sopportare determinati livelli di vuoto spinto. Una seconda possibilità è quella di realizzare una camera assai più resistente usando una pentola di metallo e un coperchio di vetro di opportuno spessore, tipo quello usato per i grandi acquari.

In generale, per realizzare una camera a vuoto di questo tipo, avete bisogno di una camera, di raccordi, di una valvola, di opportuni sigillanti, di un vacuometro e di una pompa da vuoto commerciale. Un barattolo di vetro, oppure una struttura “tutto vetro” tipo acquario, non sono adatti in generale come contenitore per questo tipo di progetto – sebbene permettano di vedere e filmare chiaramente quello che succede nella camera da tutti gli angoli – ma ci sono molte altre opzioni disponibili.

La principale prevede l’uso di una pentola di metallo usando un coperchio di vetro spesso realizzato ad hoc (realizzarlo in acrilico può far diventare il progetto abbastanza costoso). Se vuoi fare prima e risparmiare, prendi su Amazon la camera, il sigillante, la pompa da vuoto e poi su siti più specializzati (tipo ad es. turntex.com, per intendersi) acquista un kit idraulico completo per camere a vuoto. Avrai bisogno di prendere anche un vacuometro, ma un sito specializzato ha anche quello.

Un kit commerciale completo di camera a vuoto. Ne trovate di simili qui.

Volevo solo sottolineare che questo può essere un progetto pericoloso e che la tua sicurezza dipende completamente da te. Se non ti senti sicuro di fare qualcosa, non farlo o prendi precauzioni di sicurezza extra. Ho visto molte persone fabbricare camere sottovuoto da vasetti di sottaceti correndo rischi del tutto inopportuni e ho scelto questo progetto con pentola coperta da un cristallo spesso proprio perché è assai più sicuro, essendo il vetro usato spesso almeno il triplo di quello di un barattolo di vetro.

Il coperchio di vetro della pentola avrà bisogno di uno spessore di almeno 5-6 mm e di due fori, uno per l’ingresso del tubo proveniente dalla pompa da vuoto e uno per il misuratore di pressione negativa, o vacuometro. Assicuratevi di lasciare spazio sufficiente tra i due fori per far ruotare la maniglia sulla valvola, che dovrà essere adatta allo scopo, cioè del tipo a sfera. Potrete chiedere al vetraio cui commissionate il vetro di realizzare i fori del diametro opportuno per i raccordi che userete.

Per sigillare saldamente l’ingresso e il vacuometro sul coperchio, è possibile fare una sigillatura con un foglio di silicone o con colla epossidica per i dadi in ottone sul lato inferiore del coperchio. Se scegli la colla, usa un po’ di carta vetrata per irruvidire l’area, dopo averla pulita con un solvente. Passa i raccordi in ottone attraverso i fori, serrali senza stringere troppo i dadi e applica con attenzione resina epossidica attorno al dado e al coperchio. Potrebbe essere necessario fare più applicazioni.

Il metodo descritto nel testo, illustrato per un coperchio metallico anziché di vetro.

Alcune campane a vuoto didattiche hanno sulla base su cui poggiano una guarnizione che fornisce una tenuta adeguata. Altre richiedono l’applicazione di grasso per fornire una tenuta completa tra la piastra di base e la campana. Nel nostro caso, taglieremo dal foglio di silicone un cerchio abbastanza grande da coprire la parte superiore della camera e debordante di qualche millimetro, e poi taglieremo via la parte interna, per lasciare una perfetta corona anulare in silicone fra il vetro e la pentola.

Per ritagliare correttamente e facilmente la corona, tracceremo prima su di essa due cerchi di dimensioni opportune (uno un po più grande e uno un po’ più piccolo del diametro della pentola) con un compasso, dopodiché taglieremo il silicone con forbici opportune, prima in maniera grossolana, e poi più precisa. Se il tuo coperchio non è concavo, potresti usare questo stesso  tipo di sigillatura per l’ingresso del tubo e per l’indicatore della pompa del vuoto, al posto della colla epossidica.

Se non si è acquistato il kit idraulico della camera, è necessario assemblare tutti i raccordi e gli adattatori assicurandosi di applicare nastro in teflon su tutte le aree filettate (comprese quelle del vacuometro e dell’ingresso del tubo da vuoto sul coperchio della pentola). A questo punto, tutto dovrebbe essere completamente connesso, sigillato e pronto all’uso. Prima di accendere la prima volta la pompa da vuoto puoi prendere alcune precauzioni, ad es. mettendo una barriera tra te e la camera.

Un vacuometro con indicazione espressa in pollici di mercurio (inHg)

Come pompa da vuoto, possiamo usare una pompa monostadio o a due stadi. La prima ci permetterà di raggiungere un vuoto dell’ordine di 0,05 mbar (pari grosso modo a 5/100.000 della pressione atmosferica al livello del mare, che è di 1013 mmbar), sufficiente per la quasi totalità delle esperienze di uno scienziato dilettante, mentre la seconda arriverà a circa 0,01 mbar (per cui la differenza fra i due tipi non è enorme, mentre quella di prezzo sì). Potete trovare delle buone pompe monostadio qui.

Alcune pompe sono abbastanza potenti, quando sono in funzione, che possono spostarsi sul tavolo. Le pompe da vuoto commerciali sono comuni perché usate dagli installatori di pompe di calore, e la maggior parte di esse richiedono, per il loro funzionamento, dell’olio, che di solito viene fornito con la pompa o può essere ordinato come parte di ricambio. Le pompe per il vuoto che richiedono olio possono essere conservate con l’olio nella pompa, ma l’olio dovrebbe essere cambiato ogni anno.

Il cambio annuale dell’olio è un compito semplice, che manterrà questo pesante apparecchio in funzione per molti anni a venire. Raccomandiamo una pompa da vuoto a 2 stadi con manometro solo per coloro che hanno bisogno di fare un vuoto quasi completo o che utilizzano una pompa abbastanza spesso. Invece, raccomandiamo una pompa da vuoto senza olio (oilless) – più facile da conservare e da rimettere in funzione – per coloro che usano una pompa in laboratorio meno frequentemente.

Schema di una tipica pompa da vuoto commerciale a olio.

Un consiglio, tenete d’occhio il livello dell’olio della pompa del vuoto e scaricate e cambiate l’olio contaminato. Accertatevi di usare “Olio per pompe ad alto vuoto” come normale olio per il vuoto e non altre soluzioni di “rimedi casalinghi” (ad es. olio motore, olio vegetale, etc.), che non consentono alla pompa di continuare a funzionare correttamente. Ovviamente, assicurati di avere la giusta quantità di olio e di saper spegnere correttamente la pompa da vuoto prima di usarla la prima volta.

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