Vakuumpumpe
Vakuumpumpen dienen dem Zweck, technisch ein Vakuum zu erzeugen. Dabei unterscheidet man die Vakuumpumpen nach dem von ihnen erzeugten Vakuum und nach ihrer Technik.
Grundprinzip
Vakuumpumpen werden je nach 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). 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.
Unterschiedliche Pumpentypen weisen funktionsgemäß verschiendene Einsatzbereiche auf. Um geringe Vakuumdrücke zu erzielen benötigt man oft (beispielsweise für Drücke kleiner 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 Verdrängervakuumpumpen als Vorpumpe und einer Wälzkolbenvakuumpumpe.
Bauarten
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, dass 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 ("Trockenläufer") 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. Diese Technik wird vor allen Dingen mit Drehschieber- und Drehkolbenpumpen umgesetzt, sie werden meist zur Erzeugung von Grob- und Feinvakua eingesetzt.
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.
Molekularpumpe
Bei Molekularpumpen, erfunden 1913 von Gaede, nutzt man die Überlegung, dass ein auf eine Wand fallendes Molekül nicht sofort reflektiert wird, sondern eine gewisse Verweilzeit an dieser Wand besitzt. Bewegt sich nun die Wand innerhalb dieser Verweilzeit, wird die Geschwindigkeit der Wand der Geschwindigkeitsverteilung der reflektierten Moleküle überlagert, eine Strömung entsteht.
Realisiert wird die Pumpe durch ein starres kreisförmiges Behältnis und einer konzentrischen Rotorscheibe in der Mitte. Der Ansaug- bzw. Vorvakuumstutzen liegt 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 m), um eine Rückströmung zu vermeiden. Der Rezipient nimmt also im Idealfall den langen Weg durch die Pumpe.
Ein Problem dieser Pumpen war das häufige Festfressen wegen des extrem dünnen Spalts und die kleine Förderleistung. Diese Probleme wurden durch die Erfindung der Turbomolekularpumpe beseitigt.
Turbomolekularpumpe (TMP)
Die Turbomolekularpumpe, 1956 von W. Becker 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 die 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 Umlaufgeschwindigkeiten der Rotoren liegen in der Größenordnung von Umdrehungen pro Minute. Die Pumpleistung liegt im Bereich einiger hundert Liter pro Sekunde! Turbomolekularpumpen nutzt man mit einem vorgeschalteten Vorvakuum zur Erzeugung von Ultrahochvakua.
Abgebildet ist eine einflutige TMP; oben sieht man den Ansaugstutzen, die Rotor- und Statorblätter, unten links den Abgang zum Vorvakuum.
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 () und Ultrahochvakua ().
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.