Vakuumpumpe
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Vakuumpumpen dienen dem Zweck, technisch ein Vakuum zu erzeugen. Dabei unterscheidet man die Vakuumpumpen nach dem von ihnen erzeugten Vakuum und nach ihrer Technik.
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[Bearbeiten] Grundprinzip
Vakuumpumpen werden je nach ihrem physikalischen Wirkprinzip in Gastransfervakuumpumpen und in gasbindende Vakuumpumpen eingeteilt. Gastransfervakuumpumpen transportieren Teilchen entweder in einem geschlossenen Arbeitsraum (Verdrängervakuumpumpen) oder durch Impulsübertragung auf die Teilchen (z. B. durch Stöße). Einige Pumpen benötigen molekulare Strömung andere laminare Strömung. Bei den Verdrängerpumpen haben sich aus Gründen der Herstellbarkeit, Kosten, Zuverlässigkeit bei einigen Bauarten Varianten etabliert, die die molekulare Strömung zur Abdichtung zwischen Rotor und Stator verwenden und höher drehen als andere Verdrängerpumpen. Treibmittelpumpen verwenden entweder die Reibung der laminaren Strömung, b.z.w. sind um reibungserhöhende Turbulenzen bemüht, oder nutzen die Tatsache aus, dass sich molkülare Strömungen ungehindert durchdringen. Turbinen mit laminarer Strömung werden verwendet, um die Luft aus einem PC-Gehäuse zu saugen oder in Form einer Spiro-Pumpe in der Vakuumtechnik. Wegen ihrer hohen Saugleistung wird im Vakuumbereich aber hauptsächlich die molekulare Variante verwendet.
Unterschiedliche Pumpentypen weisen funktionsgemäß verschiendene Einsatzbereiche auf. Um niedrige Vakuumdrücke zu erzielen benötigt man oft (beispielsweise für Drücke p < 10−3 mbar) zwei Pumpstufen. Die erste Pumpe (z. B. eine Drehschieberpumpe) erzeugt ein Vorvakuum und wird häufig als Vorpumpe bezeichnet, die nächste ist dann mit dem Rezipienten verbunden. Typische Pumpenkombinationen bestehen beispielsweise aus einer Verdrängervakuumpumpe als Vorpumpe und einer Turbomolekular-Vakuumpumpe. Weil beim Komprimieren das Volumen sinkt, können immer mehrere Pumpen über Röhren, in denen laminare Strömung herrscht, von einer Vorpumpe gepumpt werden. Automatische Ventile, Kessel und Druckmesser sorgen dabei für Sicherheit und ermöglichen der Vorpumpe Pausen.
[Bearbeiten] Bauarten
Typische Vertreter der Gastransferpumpen sind beispielsweise Membranpumpen, Hubkolbenvakuumpumpen, Drehschieberpumpen, Sperrschiebervakuumpumpen, Wälzkolbenpumpen, Schraubenvakuumpumpen, Molekularpumpen, Turbomolekularpumpen oder auch Flüssigkeitsstrahlpumpe. Gasbindende Vakuumpumpen erzielen ihre Pumpwirkung indem sie Teilchen an Festkörperoberflächen binden – dieser Vorgang wird allgemein als Sorption bezeichnet – und folglich den Druck im Rezipienten vermindern. Zu den gasbindenden Vakuumpumpen gehören unter anderem Getterpumpen, Kryopumpen oder auch Adsorptionspumpen.
[Bearbeiten] Verdrängerpumpe
Gemeinsames Kennzeichen aller Verdrängermaschinen ist ein gekapselter (abgeschlossener) Arbeitsraum, dessen Größe sich während des Arbeitsspiels zyklisch ändert. Das Arbeitsspiel einer Verdrängervakuumpumpe lässt sich unterteilen in die drei Arbeitsspielphasen: Ansaugen, Transportieren (Verdichten) und Ausschieben. Die Ansaug- und Ausschiebephase werden dabei auch als niederdruckseitiger (ND-) und hochdruckseitiger (HD-) Ladungswechsel bezeichnet. Bei Verdrängerpumpen tritt das im Rezipienten enthaltene Gas in den durch Kolben, Rotoren oder Schieber gebildeten Arbeitsraum ein, der Arbeitsraum wird abgeschlossen, das Gas wird eventuell verdichtet und dann ausgestoßen. Die mechanischen Elemente innerhalb nasslaufender Pumpen sind gegeneinander durch eine Flüssigkeit, meist Öl, abgedichtet. Bei einer Flüssigkeitsringpumpe kommt auch Wasser als Dichtmedium zum Einsatz. In den letzten Jahren ist allerdings ein Trend zu trockenlaufenden Maschinenbauarten ("Trockenläufern") zu verzeichnen, bei denen im Bereich des Arbeitsraums auf Hilfsfluide verzichtet wird. Hiermit wird eine Verunreinigung des Arbeitsmediums vermieden. Zudem entsteht ein geringer Wartungsaufwand und die Kosten für die Entsorgung der Hilfsflüssigkeiten entfallen.
- Folgende Pumpen werden mit Öl geschmiert: Drehschieberpumpe, Sperrschieberpumpe, Trochoidenpumpe
- Folgende Pumpen werden mit PTFE gedichtet: Scrollpumpe, Kolbenpumpe, Schraubenpumpe
- Folgende Pumpen verwenden einen Luftspalt: Drehkolbenpumpe (z.B. die Klauenpumpe)
- Folgende Pumpen werden mit einer elastischen Membran gedichtet: Die Kolbenpumpe, die dann Membranpumpe heißt.
Sie werden meist zur Erzeugung von Grob- und Feinvakua eingesetzt.
[Bearbeiten] Treibmittelpumpe
Bei den Treibmittelpumpen wird Dampf oder eine Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen. Gerät ein Gasteilchen in diesen Teilchenstrom, so wird die Impulsrichtung des Treibmittelstroms auf das Teilchen übertragen, welches dadurch in einen Raum höheren Drucks transportiert wird. Damit das Treibmittel selbst nicht in den Rezipienten gelangt, wird es an den gekühlten Außenwänden der Pumpe kondensiert. Dieser Aufbau wird meist mit Ölstrahlpumpen realisiert, bei denen das Öl entweder flüssig oder dampfförmig (Öldiffusionspumpe) ist, sie erzeugen Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuum.
Für einfache Anwendungen kann eine Wasserstrahlpumpe eingesetzt werden, deren Enddruck durch den Dampfdruck von Wasser gegeben ist.
[Bearbeiten] Molekularpumpe
Bei Molekularpumpen, von Gaede 1913 erfunden, nutzt man die Annahme, dass ein auf eine Wand fallendes Molekül nicht direkt reflektiert wird, sondern zwischen Adsorption und Desorption eine gewisse Verweilzeit auf der Wand verbringt. Bewegt sich nun die Wand innerhalb dieser Verweilzeit, wird die Umlaufgeschwindigkeit der Wand der isotropen Geschwindigkeitsverteilung der desorbierenden Molekül überlagert. Die Teilchen besitzen also nach dem Verlassen der Wand eine Vorzugsrichtung, es entsteht also eine Strömung.
Realisiert wird das Pumpenprinzip durch ein starres kreisförmiges Behältnis und einer Rotorscheibe in der Mitte. Der Ansaugstutzen (Einlass) und der Vorvakuumstutzen (Auslass) liegen in einem Winkel von etwa 90° an dem Behältnis an. Der Abstand zwischen Außenwand und Rotor ist innerhalb dieser 90°-Anordnung viel kleiner als in den restlichen 270° Außenwinkel (ca. 10−5 m), um eine Rückströmung zu vermeiden. Die Gasmoleküle treten durch den Ansaugstutzen in die Pumpe ein, adsorbieren auf dem schnelldrehenden Rotor, bekommen dadurch einen Vorzugsrichtung mit und desorbieren wenig später vom Rotor und verlassen die Pumpe im Idealfall durch den Vorvakuumstutzen.
Probleme dieses Pumpenprinzips sind das häufige Festfressen wegen des teilweise extrem dünnen Spalts zwischen Rotor und der Gehäusewand und die kleine Förderleistung. Diese Probleme wurden durch die Erfindung der Turbomolekularpumpe beseitigt.
[Bearbeiten] Turbomolekularpumpe (TMP)
Die Turbomolekularpumpe, 1956 von W. Becker bei der Firma Pfeiffer Vacuum erfunden und anfangs auch „Neue Molekularpumpe“ genannt, arbeitet zwar nach dem Grundprinzip der Gaedeschen Molekularpumpe, ist aber gleichzeitig auch eine völlige Neukonzipierung derselben. Sie besteht aus einer Anordnung von mehreren statischen, spitzwinkligen Schaufelrädern in welche die ebenfalls spitzwinkligen aber beweglichen Räder des Rotors ähnlich wie bei einer Turbine eingreifen. Durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit liegt die Geschwindigkeit der Rotorblätter ungefähr in der Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der Gasmoleküle.
Die Pumpwirkung beruht darauf, dass den Atomen und Teilchen ein zusätzlicher Impuls aus dem System Stator-Rotorscheibe hinaus zugeführt wird. Von der Atomsorte hängt es ab, ob dieser zusätzliche Impuls zum Verlassen des Rezipienten ausreicht. Kleine Atome haben zum Beispiel bei Raumtemperatur eine sehr hohe Geschwindigkeit, so dass über die Pumpe nur ein kleiner zusätzlicher Impuls übertragen wird. Deswegen ist das Kompressionsvermögen für Wasserstoff bei allen Molekularpumpen deutlich schlechter als für normale Luftmoleküle.
Je nach Bauweise unterscheidet man zwischen ein- und zweiflutigen TMP. Die Drehzahl der Rotoren liegt in der Größenordnung von einigen 10.000 min−1 (Umdrehungen pro Minute). Die Pumpleistung variert je nach Typ von drei bis zu mehreren tausend Liter pro Sekunde. Turbomolekularpumpen nutzt man mit einem vorgeschalteten Vorvakuum zur Erzeugung von Ultrahochvakuum.
Abgebildet ist eine einflutige TMP; oben sieht man den Ansaugstutzen, die Rotor- und Statorblätter, unten links den Abgang zum Vorvakuum.
[Bearbeiten] Kryopumpe
An einer (beispielsweise mit flüssigem Helium, Wasserstoff oder Stickstoff) gekühlten Oberfläche kondensieren die meisten Gase aus, daher wird diese Pumpe auch Kondensationspumpe genannt. Im Gegensatz zu praktisch allen anderen bekannten Vakuumpumpen erreichen die Kryopumpen ihre theoretische Saugleistung.
Erst bei Wandtemperaturen von unter ca. 80 K spricht man von Kryopumpen.
Die Kryopumpe dient zum Erzeugen von Hochvakua (p < 10−3 mbar) und Ultrahochvakua (p < 10−7 mbar).
[Bearbeiten] Sorptionspumpe
Durch Physisorption scheidet sich das Gas an frischen, unbedeckten Oberflächen ab. Die Fläche mit dem Sorptionsmittel muss ständig erneuert werden. Als Sorptionsmittel werden Zeolithe bzw. Aktivkohle verwendet.
Falls die Schicht durch Aufdampfen eines Metalls gebildet wird, spricht man von Getterpumpen. Bei der Ionengetterpumpe wird das Gas durch Elektronenstöße ionisiert und durch ein elektrisches Feld zum Sorptionsmittel getrieben. Diese Pumpen erfordern ein gutes Vorvakuum und dienen zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums.
Eine viel eingesetzte Variante der Ionengetterpumpe ist die Orbitronpumpe; um eine möglichst große Anzahl von Restgaspartikeln zu ionisieren, umlaufen die Elektronen eine zentral angeordnete, stabförmige Anode, die von einer zylindrischen Kathode umgeben ist.
[Bearbeiten] Anwendungsbeispiele in der Praxis
- In Luftfahrzeugen basieren zahlreiche Cockpitinstrumente auf Kreiseltechnik. Da Kreisel zur Erzeugung einer höchstmöglichen Stabilität auf beträchtliche Drehzahlen gebracht werden müssen, hat man ein Vakuum zu erzeugen. Aus Redundanzgründen werden in Flugzeugen oft zwei unabhängige Vakuumpumpen eingebaut. Ein Ausfall einer einzig vorhandenen Vakuumpumpe kann bei Flügen ohne Sicht nach außen (Instrumentenflug) zu der gefährlichen Situation führen, dass für die sichere Flugdurchführung obligatorische Instrumente inkorrekt anzeigen. Dieser Zustand kann "schleichend" eintreten. In modernen Luftfahrzeugen wird oft auf eine Vakuumpumpe als Kreiselantrieb verzichtet. Stattdessen bedient man sich elektrischer Antriebe.
- Als weitere Anwendung der Vakuumtechnik in der Luftfahrt hat sich bei modernen Passagierflugzeugen das Abwassersystem etabliert. Abwässer aus den Toiletten werden durch einen Unterdruck abtransportiert. Dazu evakuiert eine typischerweise als Radialgebläse ausgeführte Vakuumpumpe das ganze Abwassersystem nach Bedarf.
Dies geschieht zumeist nur in Bodennähe, da auf Reiseflughöhe die Kabine durch abgezweigte Tubinenluft auf dem Druck der Erdoberfläche gehaltenen wird. Die Differenz des außen vorherrschenden geringen Atmosphärendrucks und des Kabinendruckes presst dann die Abwässer in das Abwassersystem.
