4.9 Turbomolekularpumpen

4.9.1 Aufbau / Funktionsprinzip

Die Turbomolekularpumpe wurde 1958 von Dr. W. Becker im Hause Pfeiffer Vacuum entwickelt und patentiert. Turbomolekularpumpen gehören zu den kinetischen Vakuumpumpen. Der Aufbau ist dem einer Turbine ähnlich. In einem Gehäuse rotiert ein mehrstufiger, turbinenartiger Rotor mit beschaufelten Scheiben. Als Beschaufelung wird die Gesamtheit der Schaufeln einer Turbine oder eines Verdichters bezeichnet. Zwischen den Rotorscheiben sind ebenfalls beschaufelte Statorscheiben mit ähnlicher Geometrie spiegelverkehrt angeordnet.

Lagerung

Bei einer Lagerung der Rotoren mit zwei Kugellagern müssen wegen der Schmierstoffe beide Lager auf der Vorvakuumseite angeordnet werden. Dies bedeutet eine lediglich einseitige (fliegende) Lagerung des Rotors mit seiner großen Masse.

Demgegenüber hat die Hybridlagerung Vorteile bezüglich der Rotordynamik. Hybridlagerung bedeutet den Einsatz zweier Lagerungskonzepte in einer einzigen Pumpe. Ein mit Öl geschmiertes Kugellager sitzt am Wellenende auf der Vorvakuumseite und auf der Hochvakuumseite ein wartungs- und verschleißfreies Permanentmagnet-lager, das den Rotor radial zentriert. Das Öl zur Schmierung des vorvakuumseitigen Lagers ist dabei in einem Betriebsmittelspeicher gebunden. Ein kleines trockenes Fanglager ist innerhalb des Magnetlagerstators angeordnet. Ein Wellenzapfen dreht sich bei normalem Betrieb frei innerhalb dieses Lagers. Bei starken radialen Stößen stabilisiert das Fanglager den Rotor und dreht sich dabei nur kurzzeitig. Bei Unwucht des Rotors erzeugt die Lagerung an beiden Wellenenden wesentlich geringere Vibrationskräfte als bei fliegender Lagerung. Die Belastung der Lager ist bei einer Hybridlagerung also deutlich geringer. Außerdem entfällt bei einer Hybridlagerung das größere der beiden Lager auf der Antriebswelle, das aufgrund seiner Baugröße nur begrenzte Rotordrehzahlen zuließe.

In großen Pumpen ab einem Flanschdurchmesser von 100 mm werden alternativ sogenannte 5-Achsen-Magnetlagerungen verwendet [24]. Der Rotor wird durch eine digitale elektronische Regelung über Wegsensoren und Elektromagnete in der Schwebe gehalten. Dazu werden die oben gezeigten Freiheitsgrade der Bewegung eines Turborotors permanent überwacht und in Echtzeit nachgeregelt. Wegen des fehlenden mechanischen Kontaktes zwischen Rotor und Gehäuse sind die von der Pumpe erzeugten Vibrationen sehr gering. Der Rotor dreht sich um seine eigene Trägheitsachse. Dadurch wird eine eventuelle Unwucht durch einseitige Beschichtung oder Erosion (z. B. durch Plasmaätzen) innerhalb weiter Grenzen ausgeglichen.

Neben der auch vorvakuumseitigen Ölfreiheit ist die Verschleiß- und Wartungsfreiheit ein weiterer Vorteil. Bei Stromausfall werden die Magnetlager elektrisch aus der Rotationsenergie der Pumpe gespeist. So können minutenlange Stromausfälle problemlos überbrückt werden. Bei länger dauernden Ausfällen der Spannungsversorgung kommt der Rotor erst bei sehr niedriger Drehzahl über den Einsatz eingebauter Fanglager sicher zum Stillstand. Auch bei Betriebsstörungen wird der Rotor mithilfe der Fanglager ohne Schaden bis zum Stillstand abgebremst.

Motoren / Antriebsgeräte

Zum Antrieb der Rotoren benutzt man kollektorlose Gleichstrommotoren, die mit elektronischen Antriebs-geräten Rotationsfrequenzen bis zu 1.500 Hz (90.000 U · min^-1) ermöglichen. Damit werden die zum Pumpen der Gase erforderlichen Schaufelgeschwindigkeiten erreicht.

Die Antriebsgeräte sind heute oft direkt an die Pumpen angebaut. Die Stromversorgung erfolgt mit 24, 48 oder 72 Volt Gleichspannung, erzeugt von externen oder in die Pumpenelektronik integrierten Netzteilen.

4.9.1.1 Funktionsprinzip Turbomolekularpumpe

Die Pumpwirkung einer Anordnung aus Rotor- und Statorschaufeln beruht auf der Impulsübertragung von den schnell rotierenden Schaufeln auf die zu pumpenden Gasmoleküle. Moleküle, die auf die Schaufeln treffen, werden dort adsorbiert und verlassen nach einer gewissen Zeit die Schaufel wieder. Dabei addiert sich die Schaufelgeschwindigkeit zur thermischen Molekülgeschwindigkeit. Damit die durch die Schaufel übertragene Geschwindigkeitskomponente nicht durch Stöße mit anderen Molekülen verloren geht, muss Molekularströmung in der Pumpe herrschen, d. h., die mittlere freie Weglänge muss größer sein als der Schaufelabstand.

Bei kinetischen Pumpen stellt sich beim Fördern von Gas ein Gegendruck ein, der eine Rückströmung verursacht. Das Saugvermögen ohne Gegendruck wird mit S₀ bezeichnet. Das Saugvermögen nimmt mit steigendem Gegendruck ab und erreicht den Wert 0 beim maximalen Kompressionsverhältnis K₀.

Kompressionsverhältnis

Das Kompressionsverhältnis, K₀ genannt, kann nach Gaede [25] abgeschätzt werden. Für optisch dichte Schaufelstruktur (Abbildung 4.22) gilt:

\bar{c} mittlere Molekülgeschwindigkeit [m · s^-1]
v Umfangsgeschwindigkeit [m · s^-1]

Die geometrischen Verhältnisse sind Abbildung 4.22 entnommen. Der Faktor g liegt zwischen 1 und 3 [26]. Man sieht aus dieser Gleichung, dass K₀ exponentiell mit der Schaufelgeschwindigkeit v ansteigt und ebenso mit

Deshalb ist z. B. das Kompressionsverhältnis für Stickstoff wesentlich höher als für Wasserstoff.

Saugvermögen

Das Saugvermögen S₀ ist proportional der Ansaugfläche A nd der mittleren Umlaufgeschwindigkeit der Schaufeln v, also der Drehzahl. Unter Berücksichtigung des Schaufelwinkels α erhält man:

Berücksichtigt man den Eintrittsleitwert des Flansches

sowie den optimalen Schaufelwinkel von 45°, erhält man das effektive Saugvermögen S_eff einer Turbopumpe für schwere Gase (Molekulargewicht > 20) näherungsweise nach der folgenden Formel:

Dividiert man das effektive Saugvermögen durch die beschaufelte Eintrittsfläche der obersten Scheibe und berücksichtigt noch den durch die Schaufeldicke versperrten Bereich durch den Faktor df ≈ 0,9, erhält man das maximale spezifische Saugvermögen einer Turbopumpe für z. B. Stickstoff (Kurve in Abbildung 4.23):

In Abbildung 4.23 ist auf der Y-Achse das spezifische Saugvermögen in l · s^-1 · cm^-2 und auf der X-Achse die mittlere Schaufelgeschwindigkeit v=\pi\cdot f\cdot(R_{a}+R_{i}) . Geht man von diesem Punkt senkrecht nach oben, so zeigt der Schnittpunkt mit der Kurve das maximale spezifische Saugvermögen der Pumpe S_A. Multipliziert man diesen Wert mit der beschaufelten Fläche der Eingangsscheibe: A=(R_{a}^2-R_{i}^2)\cdot\pi erhält man das Saugvermögen der Pumpe und kann dies mit den Katalogangaben vergleichen.

Die in Abbildung 4.23 eingetragenen Punkte sind aus Messwerten der angegebenen Pumpen von Pfeiffer Vacuum ermittelt. Punkte weit oberhalb der Kurve sind physikalisch nicht möglich.

Die so ermittelten Saugvermögen sagen noch nichts über die Werte für leichte Gase aus, z. B. für Wasserstoff. Wird eine Turbopumpe auf niedrigen Enddruck ausgelegt, werden Pumpstufen mit verschiedenen Schaufelwinkeln verwendet und die Abstufung wird auf maximales Saugvermögen für Wasserstoff optimiert. So erhält man Pumpen mit ausreichenden Kompressionsverhältnissen sowohl für Wasserstoff (etwa 1.000) als auch für Stickstoff. Wegen des hohen Partialdrucks von Stickstoff in der Luft sollte das Kompressionsverhältnis rund 10⁹ betragen. Bei reinen Turbomolekularpumpen braucht man wegen der Molekularströmung Vorvakuumdrücke von etwa 10^-2 mbar.

4.9.1.2 Funktionsprinzip Holweckstufe

Die Holweckstufe (Abbildung 4.26) ist eine mehrstufige Gaede`sche Molekularpumpe mit schraubenförmig aufgewickeltem Pumpkanal. Durch die Drehung des Rotors erhalten die in den Pumpkanal eintretenden Gasmoleküle eine Vorzugsgeschwindigkeit in Richtung des Kanals. Rückströmverluste entstehen durch Spalten zwischen den Stegen, die die Holweckkanäle voneinander trennen, und dem Rotor. Die Spaltweiten müssen klein gehalten werden, um die Rückströmung zu minimieren. Als Rotor einer Holweckstufe benutzt man zylindrische Hülsen (1), die um schraubenförmige Kanäle im Stator (2) rotieren. Durch Anordnung von Statoren sowohl außerhalb als auch innerhalb des Rotors kann man leicht zwei Holweckstufen in eine Pumpe integrieren. Dies bedeutet, dass die geförderten Gasteilchen außen am Rotor durch die Statorkanäle und anschließend innen am Rotor durch weitere Statorkanäle wieder nach oben transportiert werden, von wo sie dann in einem Sammelkanal zur Vorpumpe gelangen. Moderne Turbopumpen weisen teilweise mehrere dieser „gefalteten“ Holweckstufen auf.

Das Saugvermögen S₀ der Holweckstufen ist gleich:

Hierbei ist b⋅h der Kanalquerschnitt und v⋅cosα die Geschwindigkeitskomponente in Kanalrichtung.

Das Kompressionsverhältnis steigt mit der Kanallänge L und der Geschwindigkeit v⋅cosα [4]

Die nach dieser Formel ermittelten Werte werden in realen Holweckstufen nicht erreicht, da die Rückströmung aus dem Nachbarkanal über den Steg das Kompressionsverhältnis drastisch mindert und dieser Einfluss in der Formel 4-13 nicht berücksichtigt wird.

Zum Aufbau eines Turbopumpstands mit Membranpumpen mit einem Enddruck zwischen 0,5 und 5 hPa werden Turbopumpen heute mit Holweckstufen ausgerüstet. Man nennt solche Pumpen Turbodragpumpen. Da man zur Erzeugung niedriger Basisdrücke wegen der hohen Vorverdichtung der Turbopumpe für die Holweckstufen nur noch kleine Saugvermögen braucht, kann man die Förderkanäle und besonders die Kanalhöhe sowie die Abstände zu den Rotoren sehr klein halten und so die Molekularströmung noch bis in den Bereich 1 hPa erhalten. Gleichzeitig werden die Kompressionsverhältnisse für Stickstoff um den erforderlichen Faktor 10³ erhöht. Man erkennt in Abbildung 4.27 die Verschiebung der Kompressionsverhältniskurven um etwa zwei Zehnerpotenzen hin zu höherem Druck.

Bei Turbopumpen, die auf hohen Gasdurchsatz ausgelegt sind, wird ein Kompromiss aus Gasdurchsatz, Vorvakuumverträglichkeit und Partikeltoleranz eingegangen und die Spaltabstände in den Holweckstufen etwas größer dimensioniert.

4.9.1.3 Pumpeigenschaften von Turbopumpen

Gaslasten

Die Gaslasten (Formel 1-16), die man mit einer Turbomolekularpumpe fördern kann, steigen im Bereich konstanten Saugvermögens proportional zum Druck an. Im abfallenden Ast des Saugvermögens können die maximal geförderten Gaslasten weiter ansteigen, erreichen jedoch thermisch bedingte Grenzen, die auch von der Größe der Vorpumpe abhängen. Die maximal zulässigen Gaslasten sind weiter abhängig von der Pumpentemperatur (Kühlung bzw. auch beheizte Pumpen) und der Gasart. Problematisch ist das Fördern schwerer Edelgase, da sie bei Stößen auf den Rotor viel Verlustleistung erzeugen und wegen ihrer geringen spezifischen Wärme nur wenig davon zum Gehäuse hin abführen.

Durch herstellerseitige Messung der Rotortemperatur können gasartabhängige Prozessfenster zum sicheren Betrieb der Turbopumpen empfohlen werden. In den technischen Daten der Turbopumpen sind die maximal zulässigen Gaslasten bei Nenndrehzahl für die Gasarten Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Argon und CF₄ angegeben. Eine Reduzierung der Drehzahl erlaubt höhere Gasdurchsätze.

Die Pumpen der HiPace-Serie mit Saugvermögen > 1.000 l · s^-1 sind mit einer Rotortemperaturüberwachung ausgestattet und schützen sich selbst vor Überhitzung.

Vorvakuumverträglichkeit

Unter der Vorvakuumverträglichkeit versteht man den maximalen Druck auf der Vorvakuumseite der Turbomolekularpumpe, bei dem die Kompression der Pumpe absinkt. Dieser Wert wird im Rahmen der Messungen zur Bestimmung der Kompressionsverhältnisse nach

ISO 21360-1:2012 durch Erhöhung des Vorvakuumdrucks ohne Gaseinlass auf der Saugseite ermittelt. Die maximale Vorvakuumverträglichkeit ist in den technischen Daten der Turbomolekularpumpen immer für Stickstoff angegeben.

Basisdruck, Enddruck, Restgas

Man unterscheidet bei Vakuumpumpen zwischen Enddruck und Basisdruck (siehe auch Abschnitt 4.1.3). Während der Basisdruck p_b von der Pumpe unter den in den Messvorschriften angegebenen Bedingungen in der vorgeschriebenen Zeit erreicht werden muss, kann der Enddruck p_e wesentlich tiefer liegen. Der Basisdruck wird bei sauberen Bedingungen und metallischer Abdichtung im HV-Bereich nach 48 Stunden Ausheizen erreicht. Bei Pumpen mit Aluminiumgehäuse ist der Basisdruck angegeben, der ohne Ausheizen mit sauberen FKM- Dichtungen erreicht wird.

Pumpen in Korrosivgasausführung haben wegen der Beschichtung der Rotoroberfläche eine höhere Desorp-tionsrate, die vorübergehend zu höheren Basisdrücken führen kann.

Der Enddruck ergibt sich durch Division des Vorvakuumdrucks durch das Kompressionsverhältnis.

Ob er erreicht wird, hängt von der Größe und Sauberkeit der Apparatur und der Pumpe sowie von den Ausheiz-bedingungen ab. Nach extremem Ausheizen (bis über 300 °C) findet man im Restgas nur noch H₂, CO und CO₂. Diese Gase sind im Metall des Rezipienten gelöst und treten permanent aus. Ein typisches Restgasspektrum einer sauberen, ausgeheizten Apparatur zeigt Abbildung 4.28.

Bei der verwendeten Vorpumpe sollte in regelmäßigen Abständen der Gasballast eingeschaltet werden, um eine Anreicherung von Wasserstoff im Vorvakuumbereich zu verhindern. In vielen Fällen wird der sich tatsächlich einstellende Enddruck durch die Desorptionsbedingungen auf der Hochvakuumseite der Turbopumpe und deren Saugvermögen bestimmt und nicht durch die Kompressionsverhältnisse der verwendeten Pumpen.

4.9.2 Anwendungshinweise Turbopumpen sind zur Erzeugung sauberer Vakua im Bereich 10^-3 bis 10^-10 hPa geeignet. Durch ihr hohes Kompressionsverhältnis sperren sie möglicherweise zurückdiffundierendes Drehschieberpumpenöl aus der Vorvakuumleitung zuverlässig vom Rezipienten ab. Die Modelle mit Edelstahlgehäusen und CF-Flanschen sind ausheizbar. Damit sind diese Pumpen ideal für Anwendungen in Forschung & Entwicklung geeignet, in denen Ultrahochvakuum erreicht werden muss.

Turbopumpen können zum Evakuieren großer Behälter mit Drehschieberpumpen als Vorpumpen betrieben werden. Für Turbodragpumpen reichen schon zweistufige Membranpumpen als Vorpumpen zur Vakuumerzeugung aus. Wegen ihres geringen Saugvermögens benötigen Membranpumpen jedoch lange Zeit, um größere Behälter auszupumpen. Auch ist der Gasdurchsatz dieser Pumpenkombination durch die Membranpumpe stark eingeschränkt. Eine derartige Kombination ist jedoch eine sehr kostengünstige Lösung für einen trockenen Pumpstand. Er findet oft Anwendung bei differenziell gepumpten Massenspektrometern und weiteren Aufgabenstellungen aus Analytik, Forschung & Entwicklung. Werden im Vorpumpenbereich größere Saugvermögen benötigt, empfehlen sich die mehrstufigen Wälzkolbenpumpen der ACP-Serie, bzw. bei chemischen Vakuumprozessen der Halbleiter- oder Solartechnik die prozesstauglichen Vorpumpen.

Pumpstände aus Vorpumpe und Turbopumpe kommen ohne Ventile aus. Man schaltet beide Pumpen gleich- zeitig ein. Sobald die Vorpumpe den notwendigen Vor-vakuumdruck erreicht hat, beschleunigt die Turbopumpe schnell auf ihre Nenndrehzahl und evakuiert mit ihrem hohen Saugvermögen den Behälter in kurzer Zeit auf einen Druck p < 10^-4 hPa. Kurzzeitige Stromausfälle werden durch die hohe Drehzahl des Rotors überbrückt. Bei längeren Stromausfällen kann nach Unterschreiten einer Mindestdrehzahl des Rotors die Pumpe und auch der Rezipient automatisch geflutet werden.
Die Effekte, die beim Auspumpen von Behältern eine Rolle spielen, sind in Kapitel 2 beschrieben, ebenso Fragen der Dimensionierung sowie die Berechnung von Auspumpzeiten.

Auspumpen von Schleusenkammern

Das Auspumpen von Schleusenkammern verlangt definitiv ein sauberes Handling beim Umlagern von Teilen, die in einem Vakuumprozess behandelt werden. Werden die Objekte von Atmosphärendruck eingeschleust, sollte die Kammer zunächst über eine Bypass-Leitung vorevakuiert werden. Danach wird die laufende Turbopumpe zwischen Vorpumpe und Kammer über Ventile zugeschaltet.

Anwendungen in der Analytik

In Analysegeräten werden heute in vielen Fällen Massenspektrometer eingesetzt. Oft werden Flüssigkeiten injiziert und in der Eingangskammer des Vakuumsystems verdampft. Die Herabsetzung des Drucks erfolgt in mehreren Stufen, wobei die einzelnen Kammern durch Blenden voneinander getrennt sind. Da man an jeder Kammer pumpen muss, versucht man, durch geschickte Kombination von Vorpumpen und Turbopumpen die Gasströme über Anzapfungen an der Turbopumpe zusammenzuführen. Für Serienanwendungen werden speziell modifizierte Turbopumpen mit Anzapfungen verwendet. Neben der in Kapitel 4.9.3 beschriebenen SplitFlow 50 sind kunden-spezifische Sonderlösungen erhältlich.

Auch Helium-Lecksucher werden mit Turbopumpen ausgerüstet. Man verwendet hier oft das Gegenstromprinzip (siehe Kapitel 7.2.1), bei dem ein Massenspektrometer auf der Hochvakuumseite der Pumpe angeordnet ist. Wegen des geringeren Kompressionsverhältnisses der Turbopumpe für Helium im Vergleich zu Stickstoff oder Sauerstoff wirkt die Pumpe als selektiver Filter für Helium.

Pumpen hoher Gaslasten in Vakuumprozessen

Beim Pumpen hoher Gaslasten bei Vakuumprozessen hat die Turbopumpe zwei Vorteile: Sie erzeugt zu Beginn eines Prozessschrittes ein sauberes Vakuum und kann anschließend Prozessgas ohne schädliche Rückströmung abpumpen. Beim zweiten Schritt steht die Aufrechterhaltung eines bestimmten Drucks, bei dem der gewünschte Vakuumprozess ablaufen soll, im Vordergrund. Dabei werden die Gasdurchsätze und der Arbeitsdruck durch die Anwendung bestimmt, d. h., dass ein bestimmtes Saugvermögen bei einem bestimmten Gasdurchsatz gefordert wird. Außerdem soll ein sauberes Zwischen-vakuum beim Wechsel des Objektes in kurzer Zeit erreicht werden. Da diese Forderungen widersprüchlich sind, wird eine Turbopumpe ausreichender Größe für den geforderten Gasdurchsatz und das geforderte Zwischenvakuum gewählt. Der Prozessdruck wird über ein Eingangsventil (z. B. Schmetterlingsventil) geregelt. Ein Beispiel für die Dimensionierung eines solchen Pumpstandes finden Sie in Kapitel 2. Die in den technischen Daten angegebenen maximal zulässigen Gaslasten sind als zulässige Dauerlasten zu verstehen. Dies gilt unter den Voraussetzungen, dass eine ausreichende Kühlung gemäß Spezifikation sichergestellt und der Vorvakuumdruck entsprechend unterhalb der maximalen Vorvakuumverträglichkeit abgestimmt ist.

Pumpen korrosiver und abrasiver Stoffe

Für das Pumpen von korrosiven Gasen müssen Maßnahmen getroffen werden, die insbesondere den Motor- bzw. Lagerbereich und den Rotor vor Korrosion schützen. Hierzu werden alle Oberflächen, die Korrosivgas ausgesetzt sind, mit einer Beschichtung versehen oder aus Materialien gefertigt, die einem Angriff dieser Gase widerstehen. In den Motor- und Lagerbereich des Vorvakuums wird über ein spezielles Sperrgasventil ein definierter Inertgasstrom in den Motorraum eingelassen. Von dort strömt das Gas über Labyrinthdichtungen in den Vorvakuumbereich, vermischt sich mit dem Korrosivgas und wird zusammen mit diesem von der Vorpumpe abgepumpt. Bei Pumpen mit Glockenrotor (z. B. ATH M-Serie) kann das Sperrgas auf der innenliegenden Seite der Holweckstufe zusätzlich eine Konvektionskühlung darstellen und durch Temperatursenkung das nutzbare Prozessfenster erweitern. Auch bei nicht-korrosiven, aber staubbelasteten Prozessen stellt Sperrgas einen wirksamen Schutz von Lager- und Motorregion dar.

Bei Staubanfall können sich die Schaufeln des Turbo-rotors mechanisch abnutzen, was im Reparaturfall zum Austausch des Rotors führen kann. Ebenso ist mit Ablagerungen in der Pumpe zu rechnen, die kürzere Serviceintervalle an der Pumpe zur Folge haben. Besonders ist darauf zu achten, dass Ablagerungen in der Pumpe nicht mit Luftfeuchtigkeit auf aggressive Stoffe reagieren. Deshalb sind die Pumpen nur mit trockenen Inertgasen zu belüften und im Servicefall mit abgeschlossenem Vor- und Hochvakuumflansch auszurüsten. Turbopumpen für diese Anwendungsfälle sind entweder klassische Turbopumpen ohne Holweckstufe oder Turbopumpen mit einer Holweckstufe, die einen Kompromiss aus Vorvakuumverträglichkeit und Partikeltoleranz darstellt. Staubablagerungen in der Holweckstufe und nachfolgendes Blockieren des Rotors können durch eine Vergrößerung der Spaltabstände zwischen Rotor und Stator in der Holweckstufe vermindert werden. Bei einer Turbopumpe der ATH M-Serie etwa werden nach Langzeit-betrieb in einer Sputteranwendung mit Partikelbelastung nicht-haftende Stäube in erster Linie im Sammelkanal nahe des Vorvakuumflanschs beobachtet. Die Holweckstufe ist noch sauber und die Pumpe noch funktionsfähig.

4.9.3 Portfolioüberblick

Als führender Hersteller von Turbomolekularpumpen bietet Pfeiffer Vacuum mechanisch gelagerte und aktiv magnetisch gelagerte Baureihen an. Im Portfolio findet der Anwender Modelle, die auf hohen Gasdurchsatz oder niedrigen Enddruck ausgelegt sind, Pumpen mit minimalen Vibrationen sowie Pumpen mit zusätzlichen Anzapfungen (SplitFlow).

4.9.3.1 Mechanisch gelagerte Turbopumpen

Bei den mechanisch gelagerten Turbopumpen HiPace® mit ölgeschmiertem Kugellager auf der Vorvakuumseite und Permanentmagnetlager auf der Hochvakuumseite unterscheidet man folgende Baureihen:

Die Tabelle 4.21 enthält die Kenndaten der Standardpumpen mit Hybridlagerung. Alle anderen Baureihen sind Modifikationen dieser Standardmodelle und haben im Wesentlichen die gleichen Kenndaten.

Die Basisdrücke der Standardpumpen mit ISO-K- Flanschen sind: p_b < 1 · 10^-7 hPa. Mit den Pumpen mit CF-Flanschen erreicht man nach Ausheizen Basisdrücke p_b < 5 · 10^-10 hPa.

4.9.3.2 Aktiv magnetgelagerte Turbopumpen

Die Tabelle 4.22 enthält die Kenndaten der Turbopumpen mit aktiver Magnetlagerung.

Es gibt auch bei diesen Pumpen:

4.9.3.3 Antriebsgeräte und Zubehör

Zum Betrieb der Turbopumpen stehen für unterschiedliche Anwendungen vielfältige Bedienungs-, Anzeige- und Antriebsgeräte sowie umfangreiches Zubehör zur Verfügung.

Die im folgenden Text verwendete Nummerierung bezieht sich auf Abbildung 4.31.

Die Turbopumpen (1a) sind in der Regel mit einem angebauten Antriebsgerät versehen (1b), die Gleichspannungsspeisung erfolgt beispielsweise über ein Einschubnetzteil (2a) mit Bedien- und Anzeigegerät (2b). Daneben stehen auch Einbaunetzteile zur Verfügung. Mit einem USB-Konverter (5b) kann man auch einen PC (5a) an die Schnittstelle RS-485 anschließen und Programmier- sowie Schaltfunktionen ausführen sowie Statusanzeigen übertragen. Profibus-DP- und DeviceNet-Konverter ermöglichen die Einbindung der Pumpen in Anlagensteuerungen. Die wichtigsten Schaltfunktionen können auch über einen Fernbedienungsstecker durch externe Signale erfolgen, daneben können einige Statusanzeigen über Relaisausgänge abgenommen werden.

Neben den Betriebsgeräten stehen auch unterschiedliche Zubehörteile für besondere Einsatzzwecke zur Verfügung.

An einige Netzgeräte DCU kann man eine Vakuummessröhre anschließen und so neben den Informationen über die Turbopumpe auch den Druck anzeigen.

Mithilfe der Relaisbox „Vorpumpe“ (6) verwandelt sich das Netzteil DCU (2a) in eine Pumpstandsteuerung, mit der Turbopumpe (1a) und Vorpumpe gleichzeitig eingeschaltet werden können.

Zur Pumpenkühlung können wahlweise ein Ventilator (4) oder bei hoher Gaslast eine Wasserkühlung (3) angebaut werden.

Ein elektrisches Flutventil (8) belüftet die Turbopumpe beim Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl. Bei kurzzeitigem Stromausfall bleibt das Flutventil geschlossen und das Vakuum erhalten. Der Pumpstand startet sofort wieder bei Wiederkehr der Netzspannung. Voraussetzung ist allerdings eine Vorpumpe mit Sicherheitsventil, das bei Stromausfall automatisch schließt.

Für UHV-Anwendungen kann eine Heizung (9) an die Pumpe angeschlossen werden, die nach Vorwahl und Erreichen einer bestimmten Drehzahl automatisch eingeschaltet und bei Drehzahlabfall ausgeschaltet wird.

Für Korrosivgaspumpen sind elektromagnetische Sperrgasventile (7b) mit angepassten Durchsätzen sowie Sperrgasdrosseln (7a) für Pumpen verschiedener Baugrößen lieferbar.