4.1 Pumpprinzipien und Leistungsdaten von Vakuumpumpen

4.1.1 Einteilung der Vakuumpumpen

Bei Vakuumpumpen unterscheidet man gasfördernde und gasbindende Vakuumpumpen. Während Erstere zeitlich unbeschränkt einsatzfähig sind, haben Letztere eine beschränkte Gasaufnahmekapazität und müssen nach einem bestimmten, anwendungsabhängigen Rhythmus regeneriert werden.

Gasfördernde Pumpen, auch Gastransferpumpen genannt, werden eingeteilt in Verdrängerpumpen und kinetische Vakuumpumpen. Verdrängerpumpen fördern Gas aus abgesperrten Räumen in die Atmosphäre oder in eine nachgeschaltete Pumpstufe. Kinetische Pumpen fördern das Gas durch Beschleunigung in Pumprichtung. Dies geschieht entweder durch mechanischen Antrieb oder durch einen gerichteten Dampfstrahl, der am Ende der Pumpstrecke kondensiert wird. Gasbindende Vakuumpumpen binden das Gas entweder durch Physisorption bei Raumtemperatur oder tieferen Temperaturen oder aber durch Chemisorption an reinen Oberflächen. Die Chemisorption wird technisch durch sogenannte Getterpumpen realisiert, in denen durch Verdampfen bzw. Su-blimieren oder Zerstäuben (Sputtern) immer wieder reine Getteroberflächen erzeugt werden. Ionisiert man die zu bindenden Gasteilchen in einer Ionen-Getter-Pumpe vor der Wechselwirkung mit einer Getteroberfläche, können sie gleichzeitig die Getteroberfläche durch Sputtern reinigen und vom zerstäubten Material begraben werden. Sogenannte nicht verdampfbare Getter (Non Evaporable Getter, NEG) bestehen aus sehr reaktiven Legierungen von vorwiegend Zirconium oder Titan und besitzen eine sehr große spezifische Oberfläche. Durch Mikroporen können Gase auch in die tieferen Schichten des Gettermaterials eindringen und dort als stabile chemische Verbindungen gebunden werden.

Abbildung 4.1: Übersicht Vakuumpumpen

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4.1.2 Saugvermögen und Saugleistung

Das Saugvermögen

S_0=\frac{dV}{dt}

(Formel 1-17) ist der mittlere Volumenstrom durch den Querschnitt der Ansaugöffnung einer Vakuumpumpe. Es wird im Saugvermögensdiagramm in Abhängigkeit vom Ansaugdruck der Pumpe aufgetragen. Als Nennsaug-vermögen wird das durch die Geometrie der Pumpe maximal erreichbare Saugvermögen bezeichnet. Die Bestimmung des Saugvermögens ist in der Basisnorm ISO 21360-1 : 2012 beschrieben. Das Saugvermögen wird in m³ · s^-1 angegeben. Gebräuchlich sind auch die Einheiten m³ · h^-1, l · s^-1 und l · min^-1.

Die Saugleistung

q_{pV}=S\cdot p=\frac{dV}{dt}\cdot p

(Formel 1-16) gibt den Gasdurchsatz durch eine Vakuumpumpe in Abhängigkeit vom Ansaugdruck an. Sie wird in Pa · m³ · s^-1 oder hPa · l · s^-1 = mbar · l · s^-1 angegeben. Bei Pumpständen aus gasfördernden Pumpen ist die Saugleistung aller in Reihe geschalteten Pumpen gleich.

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4.1.3 Enddruck und Basisdruck

Der Enddruck pe ist der niedrigste Wert, dem sich der Druck einer blindgeflanschten Vakuumpumpe unter definierten Randbedingungen ohne Gaseinlass asymptotisch nähert. Arbeitet eine Pumpe beim Enddruck, so ist das nutzbare Saugvermögen null, da sie nur ihre eigenen Rückströmverluste fördert. Der Enddruck ist ein theoretischer Wert. Anstelle des Enddrucks wird heute der Basisdruck angegeben. Die Bedingungen zum Erreichen des Basisdrucks sind in der Norm ISO 21360-1:2012 angegeben. Da der Basisdruck in einer vorgeschriebenen Zeit erreicht werden muss, liegt er meistens höher als der Enddruck.

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4.1.4 Kompressionsverhältnis

K_0=\frac{p_{outlet}}{p_{inlet}}

Formel 4-1: Kompressionsverhältnis

Man misst das Kompressionsverhältnis bei blind geflanschtem Saugstutzen (wegen der Nullförderung als K_0 bezeichnet) durch Gaseinlass auf der Auslassseite, sofern nicht gegen den konstanten Atmosphärendruck ausgestoßen wird.

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4.1.5 Saugvermögen von hintereinander geschalteten Pumpstufen

Betrachten wir eine Vakuumpumpe mit dem Nennsaugvermögen S₀ und dem Kompressionsverhältnis K₀. Die Pumpe hat Rückströmverluste über Spalte mit dem Leitwert L_R. Der Eingangsdruck sei p_ein und der Auslassdruck sei p_aus. Auf der Auslassseite sei eine weitere Pumpe mit dem Saugvermögen S_v angeschlossen. Wir haben es also z. B. mit einem Wälzkolben- oder Turbopumpstand zu tun.

Der gesamte Pumpstand mit dem Saugvermögen S fördert die Gasmenge

q_{pV}=p_{inlet}\cdot S=p_{outlet}\cdot S_{b}=S_0\cdot p_{inlet}-C_{R}(p_{outlet}-p_{inlet})

Formel 4-2: Gasstrom Pumpkombination

Für den Rückströmleitwert L_R gilt mit L_R<<S₀

C_{R}=\frac{S_0}{K_0}

Formel 4-3: Rückströmleitwert

und für das reale Kompressionsverhältnis

C_{R}=\frac{p_{inlet}}{p_{outlet}}=\frac{S}{S_{b}}

Formel 4-4: Reales Kompressionsverhältnis

Daraus folgt mit obigen Formeln für das Saugvermögen S eines zweistufigen Pumpstandes

S=\frac{S_0}{1-\frac{1}{K_0}+\frac{S_0}{K_0\cdot S_{b}}}

Formel 4-5: Rekursionsformel Saugvermögen

Diese Formel kann man als Rekursionsformel beim Hintereinanderschalten von mehreren Pumpstufen verwenden, indem man mit dem Saugvermögen S_V der letzten Stufe beginnt und K₀ und S₀ der davorliegenden Stufe einsetzt.

4.1.6 Gasballast

Als Gasballast bezeichnet man eine Einrichtung, durch die Luft oder ein anderes nicht kondensierendes Gas in eine Vakuumpumpe eingelassen wird. Fördert die Pumpe Dampf, der in der Pumpe bei den vorkommenden Temperaturen ohne Gasballast kondensieren würde, so ermöglicht der Gasballast eine Öffnung des Auslassventils, bevor Dampfkondensation eintritt. Der Dampf wird mit dem Ballastgas ausgestoßen. Als Ballastgas werden atmosphärische Luft sowie speziell ausgewählte Inert- oder Prozessgase verwendet. Durch den Einsatz des Gasballasts steigt der erreichbare Basisdruck einer Vakuumpumpe geringfügig an. Deshalb wird bei Vakuumpumpen mit Gasballasteinrichtung der Basisdruck generell sowohl mit als auch ohne Gasballast angegeben.

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4.1.7 Wasserdampfverträglichkeit / Wasserdampfkapazität

Die Wasserdampfverträglichkeit p_w ist der höchste Wasserdampfdruck, mit dem eine Vakuumpumpe unter normalen Umgebungsbedingungen (20 °C, p₀ = 1.013 hPa) reinen Wasserdampf dauernd ansaugen und fördern kann. Sie kann aus Saugvermögen, Gasballastmenge, Luftfeuchtigkeit und Sättigungsdampfdruck bei der vorhandenen Pumpentemperatur berechnet werden.

p_{W}=\frac{q_{pV,\,Ballast}\cdot(p_{S}-p_{a})}{S\cdot(\alpha\cdot p_0-p_{S})}

Formel 4-6: Wasserdampfverträglichkeit

p^W Water vapor tolerance
q^pV,Ballast Gas ballast flow
S Pumping speed of pump
p^S Saturation vapor pressure of water vapor at exhaust gas temperature
p^a Partial pressure of water vapor in the air
p⁰ Atmospheric pressure
α Correction factor, dimensionless

Der Korrekturfaktor trägt der Tatsache Rechnung, dass zum Öffnen des Auslassventils ein Druck größer als der Atmosphärendruck erforderlich ist. In unserem Beispiel kann αα als 1,1 angenommen werden.

Die Wasserdampfverträglichkeit hat die Dimension eines Drucks und wird in hPa angegeben.

Die Bestimmung der Wasserdampfverträglichkeit über ein indirektes Verfahren ist in der DIN 28426 beschrieben. Die Wasserdampfverträglichkeit steigt bei höherer Auspufftemperatur der Pumpe und größerer Gasballastmenge q_pV,\,Ballast. Sie sinkt bei höherem Umgebungsdruck.

Ohne Gasballast ist eine Vakuumpumpe mit einer Auspufftemperatur unter 100 °C nicht in der Lage, auch nur geringe Mengen reinen Wasserdampfs zu fördern. Wird trotzdem Wasserdampf ohne Gasballast gepumpt, so löst sich das Kondensat im Pumpenöl. Als Folge davon steigt der Basisdruck und das Kondensat kann zu Korrosionsschäden führen.

Die Wasserdampfkapazität ist die größte Wassermenge, die eine Vakuumpumpe je Zeiteinheit unter den Umgebungsbedingungen von 20 °C und 1.013 hPa in Form von Wasserdampf dauernd ansaugen und fördern kann.

q_{m,\,water}=p_{W}\cdot S\cdot M\cdot(RT)^{-1}

Formel 4-7: Wasserdampfkapazität

q^m,water Water vapor capacity
M Molar mass of wate
R General gas constant
T Absolute temperature

Die Wasserdampfkapazität wird in g · h^-1 angegeben. Es handelt sich also um einen Wasserdampf-Massenstrom. Als Formelzeichen ist oftmals auch c_W (Water Vapor Capacity) gebräuchlich.

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4.1.8 Sperrgas

Beim Pumpen von korrosivem Prozessgas besteht die Gefahr, dass dieses Teile der Pumpe angreift. Um dieser Gefahr zu begegnen, müssen empfindliche Teile durch einen kontinuierlichen Inertgasstrom geschützt werden. Zu diesem Zweck wird ein spezielles Gaseinlasssystem in die Pumpen eingebaut, durch das Gas an definierten Stellen in das Pumpsystem strömt. Bei Turbomolekularpumpen müssen vor allem die Lager und der Motorraum geschützt werden. Der Einlass von Sperrgas in den Motorraum schützt dabei sowohl vor chemischen Reaktionen aggressiver Gase mit nicht korrosionsfesten Bestandteilen des Schmiermittels oder der Lager als auch vor dem Eindringen von Stäuben und Partikeln in den Schmiermittelraum und damit der Vermengung mit dem Schmiermittel. Auch bei schmiermittelfreien Turbopumpen empfiehlt sich der Einsatz von Sperrgas zum Schutz der Motoren und der Verhinderung des Partikeleintrags, was z. B. zu einem Kontakt zwischen Welle und Notlagern führen könnte.

Bei prozesstauglichen ölfreien Vorpumpen wird zusätzlich zum Sperrgas für die Lager noch Spülgas in einzelne Stufen der Prozesspumpe eingeblasen. Über Druckregler vor kalibrierten Düsen oder über Durchflussregler (MFC = Mass Flow Controller) wird der prozessabhängige Spülgasdurchfluss eingestellt und über Druckmessfühler und -schalter sowie Durchflussmesser kontinuierlich überwacht.