4.5 Mehrstufige Wälzkolbenpumpen – Vakuumerzeugung

4.5.1 Aufbau / Funktionsprinzip

Ein- und mehrstufige Wälzkolbenpumpen sind technisch trocken laufende Rotationsverdränger-Vakuumpumpen. Sie werden auch als Rootspumpe oder Rootsgebläse bezeichnet. Die Reihe der in diesem Kapitel vorgestellten mehrstufigen Wälzkolbenpumpen wird ACP-Reihe (Adixen Clean Pump) genannt.

In der Pumpe drehen sich zwei gegenläufig synchron laufende Rotoren (1) berührungslos in einem Gehäuse (2) (Abbildung 4.9). Die Rotoren haben die Form einer „Acht“ und sind voneinander und vom jeweiligen Stator durch einen engen Spalt getrennt. Auf den Wellen der Rotoren sitzen vier bis sechs Rotorpaare. Die einzelnen Rotorräume sind durch Statorscheiben mit Gasdurchlass voneinander getrennt. Das geförderte Gas wird von der Ansaugöffnung (3) zur Auslassöffnung (4) transportiert.

Eine Welle wird durch einen Motor (5) angetrieben. Die Synchronisation der anderen Welle erfolgt über ein Zahnradpaar (6) im Getrieberaum. Die Schmierung beschränkt sich auf den vom Schöpfraum (7) durch Wellendichtungen (8) abgetrennten Getrieberaum sowie gekapselte Niederdruck- und Hochdrucklager (9).

Da im Schöpfraum keine Reibung auftritt, kann die Wälzkolbenpumpe mit hoher Drehzahl bis zu 6.000 U · min^-1 betrieben werden. Die symmetrische Massenverteilung der Rotoren um die Wellenachse erlaubt zudem eine einwandfreie dynamische Auswuchtung, sodass die Pumpe trotz hoher Drehzahlen sehr ruhig läuft.

4.5.2 Anwendungshinweise

Trockene, luftgekühlte mehrstufige Wälzkolbenpumpen der ACP-Reihe bieten durch ihre Bauform und ihre Leistungsparameter oft die Möglichkeit, ölgeschmierte Drehschieberpumpen im verfügbaren Saugvermögensbereich direkt zu ersetzen.

Vorteile der mehrstufigen Wälzkolbenpumpen:

Dämpfe

Ohne zusätzliche Maßnahmen besteht bei ölfreien Pumpen durch ihre vergleichsweise niedrige Betriebstemperatur die Gefahr der Kondensation innerhalb der Pumpe. Ähnlich wie bei Drehschieberpumpen können die mehrstufigen Wälzkolbenpumpen mit einem Gasballastventil ausgestattet werden, um die Wasserdampfverträglichkeit und die Wasserdampfkapazität der Pumpe zu erhöhen. Eine Kondensatbildung innerhalb der Pumpe resultiert in einer Erhöhung des Enddrucks, führt zu Korrosion und schlimmstenfalls zum Totalausfall der Pumpe.

ACP-Pumpen können ohne Gasballast Medien mit einer Feuchtigkeit bis zu 5 % fördern. Mit dem Gasballast der Standardpumpe beträgt die Wasserdampfverträglichkeit 10 hPa und die Wasserdampfkapazität 100 g · h^-1. Mit einem erhöhten Gasballastdurchsatz in speziellen Versionen der Pumpen (CV, Condensable Vapors) können je nach Umgebungstemperatur Wasserdampfverträglichkeiten um 100 hPa und Wasserdampfkapazitäten von 700 bis 1.000 g · h^-1 erreicht werden.

Ähnlich wie bei Drehschieberpumpen gilt: Vor dem Abpumpen von Dämpfen sollte die Pumpe mindestens eine halbe Stunde mit Gasballast warmgelaufen sein. Die höhere Temperatur des Pumpenblocks reduziert die Kondensation. Weitere Maßnahmen zur Reduzierung der Kondensation sind ein möglichst geringer Auslassdruck und eine getrennte Abscheidung der Kondensate. Staudruck am Auslass durch eine vertikale Abgasführung muss vermieden werden. Falls eine Absaugung vorhanden ist, sollte der Auslass daran angeschlossen werden.

Stäube und Partikel

Die mehrstufigen Wälzkolbenpumpen der ACP-Serie können durch unkontrollierten Eintrag größerer Partikel im schlimmsten Fall verblocken und einen Totalausfall erleiden. Daher werden bei staubbeladenen Prozessen oder z. B. in der Glasverarbeitung zum Schutz vor Bruch einlassseitig Filter installiert.

Korrosive Gase

Die Pumpen der ACP-Reihe eignen sich nicht für das Abpumpen von großen Mengen korrosiver Gase. Für diese Aufgabe stehen mehrstufige Wälzkolbenpumpen für Korrosivgasprozesse der Halbleiter-, Solar- und Beschichtungstechnik zur Verfügung (siehe Kapitel 4.6).

Trotzdem können mit Pumpen der ACP-Reihe mindestens Spuren korrosiver Gase gefördert werden. Dazu werden Versionen mit Inertgasspülung eingesetzt, bei denen die Lager durch einen Inertgasvorhang geschützt und Prozessgase durch Inertgaseinlass in einer der Pumpstufen verdünnt werden.

Leckrate

Die hohe Dichtheit macht die mehrstufige Wälzkolbenpumpe zur perfekten Lösung für Langzeitanwendungen und Gaskreisläufe mit teuren Gasen (⁴He, ³He, isotopenmarkierte Gase).

Leichte Gase und Hochvakuum

Die mehrstufigen Wälzkolbenpumpen haben ein Auslassventil zum Schutz des Schöpfraums vor Rückdiffusion von Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff, was in Korrosivgasanwendungen chemische Reaktionen in der Pumpe nach sich ziehen würde. Dieses Ventil muss in Anwendungen, in denen Vakuum erzeugt werden soll, in periodischen Abständen geöffnet werden (z. B. durch Gasballast), um die Ansammlung und Rückdiffusion leichter Gase zu verhindern.

Bereits ein leichter Unterdruck am Auspuff oder der Einsatz von Gasballast genügt, um auch einen permanenten Gasdurchsatz von Helium, z. B. in einem Verdampfer-'kryostaten, mit annähernd denselben Leistungsdaten wie Stickstoff oder Luft zu fördern.

In Anwendungen, in denen sich der Einsatz von Schleppgas verbietet (z. B. in Kreislaufanwendungen), muss am Auslass der Pumpe Unterdruck herrschen.

4.5.3 Portfolioüberblick ACP

Die ACP ist eine luftgekühlte, trockene mehrstufige Wälzkolbenpumpe für Anwendungen im Grob- und Feinvakuumbereich. Die Saugvermögen der Produktreihe reichen von 14 bis 37 m³ · h^-1. Es werden Enddrücke unter 0,1 hPa erreicht. Saugvermögen und erreichbarer Enddruck sind von der am Frequenzkonverter gewählten Drehzahl abhängig.

Unabhängig vom Modell kann die ACP in ihrem jeweiligen Arbeitsbereich bei jedem Arbeitsdruck kontinuierlich betrieben werden.

Die ACP-Pumpen können durch Zugabe von Gasballast bzw. Sperrgas an unterschiedlichen Stellen der Pumpe unterschiedlich konfiguriert und auf eine Vielzahl von Anwendungen optimiert werden.

4.5.3.1 Mehrstufige Wälzkolbenpumpen, luftgekühlt

Die in Tabelle 4.14 gezeigten Ausführungen sind sowohl mit dreiphasigem als auch mit einphasigem Netzanschluss verfügbar. Unabhängig von Netzspannung und -frequenz sind alle Pumpen mit einem Frequenzumrichter ausgerüstet.

4.5.3.2 ZubehörPartikelfilter (IPF)

Wenn prozessbedingt Stäube und Partikel anfallen, muss der Pumpe ein Partikelfilter vorgeschaltet werden, um ein Verblocken der Pumpe zu verhindern. Entsprechend dem Anschlussflansch der Pumpe stehen verschiedene Ausführungen zur Verfügung. Die effektive Maschenweite der Filter beträgt 25 µm. Auf Anfrage stehen weitere Filtertypen und andere Maschenweiten zur Verfügung.

Schalldämpfer (ES)

Der auslassseitige Schalldämpfer ES 25S reduziert den Geräuschpegel der Pumpen speziell bei hohen Arbeitsdrücken nahe dem atmosphärischen Druck. Er hat keinen Einfluss auf den Geräuschpegel der Pumpe nahe dem Enddruck.

Schallschutzhauben (NRC und SEK)

Schallschutzhauben reduzieren den Schalldruck der ACP-Pumpen auch bei Betriebsdrücken nahe dem Enddruck. Hauben des Typs NRC reduzieren den Schalldruck um etwa 5 bis 6 dB(A) und beschränken die maximale Umgebungstemperatur auf 35 °C. Hauben des Typs SEK reduzieren den Schalldruck um etwa 10 dB(A) und beschränken die maximale Umgebungs-temperatur auf 30 °C.