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. Technisch gesehen sind Vakuumpumpen eigentlich keine Pumpen, sondern Verdichter. Die erste Vakuumpumpe wurde 1649 in Form einer Kolbenpumpe von Otto von Guericke gebaut.

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. Typische Vertreter der Gastransferpumpen sind beispielsweise Membranpumpen, Hubkolbenvakuumpumpen, Drehschieberpumpen, Sperrschiebervakuumpumpen, Wälzkolbenpumpen, Schraubenvakuumpumpen, Molekularpumpen, Turbomolekularpumpen oder auch Flüssigkeitsstrahlpumpen.

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 verschiedene 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 Pumpe ist dann mit dem Rezipienten verbunden. Typische Pumpenkombinationen bestehen beispielsweise aus einer Verdrängervakuumpumpe als Vorpumpe und einer Turbomolekular-Vakuumpumpe. Weil beim Komprimieren der Luft deren Volumen sinkt, können immer mehrere Pumpen (der zweiten Stufe) über Röhren, in denen laminare Strömung herrscht, von einer Vorpumpe (der ersten Stufe) gepumpt werden. Automatische Ventile, Kessel und Druckmesser sorgen dabei für Sicherheit und ermöglichen der Vorpumpe Pausen.

Bauarten

In der Gruppe Verdrängerpumpen haben sich aus Gründen der Fertigung, der Betriebskosten und der Zuverlässigkeit bei einigen Bauarten Varianten etabliert, die zur Abdichtung zwischen Rotor und Stator die molekulare Strömung verwenden und höhere Drehzahlen als andere Verdrängerpumpen erreichen.

Bei Treibmittelpumpen (Strahlpumpen) verwendet man entweder die Reibung der laminaren Strömung, bzw. man ist um reibungserhöhende Turbulenzen bemüht oder nutzt den Umstand aus, dass sich molekulare Strömungen ungehindert durchdringen.

Turbinen mit laminarer Strömung werden verwendet, um z. B. 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.

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 vier Arbeitsspielphasen: Ansaugen, Transportieren (Verdichten), Ausschieben und Druckwechsel. Die Ansaug- und Ausschiebephase wird dabei auch als niederdruckseitiger (ND-) bzw. 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. Hierdurch wird eine Verunreinigung des Arbeitsmediums vermieden. Zudem entsteht ein geringerer 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 Pumpe wird mit einer elastischen Membran gedichtet: die Kolbenpumpe, die dann Membranpumpe heißt.

Sie werden meist zur Erzeugung von Grob- und Feinvakua eingesetzt.

Sperrschieberpumpe

Sperrschieberpumpe

Eine klassische Sperrschieberpumpe ist eine Vakuumpumpe zur Erzeugung von Feinvakuum. Sie besteht aus einem Hohlzylinder (Stator), in dem ein weiterer Zylinder (Rotor) rotiert, der von einem Exzenter entlang der Gehäusewand geführt wird. Der Kolben ist mit einem hohlen Schieber verbunden, welcher schwenkbar im Gehäuse gelagert ist und den sichelförmigen Arbeitsraum in eine Saug- und eine Druckseite einteilt. Das eigentliche Pumpengehäuse ist mit Öl überlagert und befindet sich in einem mit Öl gefüllten Außengehäuse. Das Öl gewährleistet die Schmierung und dient zur Abdichtung des Pumpenraums und des Druckventils.

Strahlpumpe

Bei den Strahlpumpen, auch Treibmittelpumpen genannt, wird Dampf oder Flüssigkeit durch eine geeignete Düse im Innern der Pumpe mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen. Wird ein Gasteilchen von diesem Teilchenstrom erfasst, so wird die Impulsrichtung des Treibmittelstroms auf das Teilchen übertragen, welches dadurch in eine Zone höheren Drucks innerhalb der Pumpe transportiert wird. Dort ist der Ausgang der Pumpe angeordnet. Falls es die Druckverhältnisse erfordern, wird hier eine Vorpumpe angeschlossen, die den weiteren Transport des Gases übernimmt.

Für einfache Anwendungen kann eine Wasserstrahlpumpe eingesetzt werden, deren Enddruck durch den Dampfdruck von Wasser gegeben ist.

Damit dampfförmiges 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.

Molekularpumpe

Bei Molekularpumpen, von Gaede 1913 erfunden, nutzt man die Tatsache, dass ein auf eine Wand fallendes Molekül nicht sofort 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 Moleküle überlagert. Die Teilchen besitzen daher nach dem Verlassen der Wand eine Vorzugsrichtung, es entsteht somit eine Strömung.

Realisiert wird das Pumpenprinzip durch ein starres, kreisförmiges Behältnis und eine 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. 5 Mikrometer, um eine Rückströmung zu vermeiden. Die Gasmoleküle treten durch den Ansaugstutzen in die Pumpe ein, adsorbieren auf dem schnell drehenden Rotor, bekommen dadurch eine Vorzugsrichtung mit, 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.

Turbomolekularpumpe (TMP)

Schnitt durch Turbomolekularpumpe

Die Turbomolekularpumpe, 1956^[1] oder 1957^[2] von Willi Becker (1919–1986) bei der Firma Pfeiffer Vacuum erfunden^[3][4] 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 ein- oder mehrstufig abwechselnden Anordnung von Statoren (Leitblechen), zwischen welchen Rotoren ähnlich wie bei einer Turbine laufen. Die Geschwindigkeit der Rotorblätter liegt ungefähr in der Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Die Pumpwirkung beruht nicht wie bei anderen Turbinen auf aerodynamischen Zusammenhängen, daher weicht die Formgebung von jenen ab.

Die Pumpwirkung resultiert vielmehr daraus, dass den Atomen und Teilchen Impulse mit einer axialen Komponente zugefügt werden. Ob dieser zusätzliche Impuls zum Verlassen des Rezipienten ausreicht, hängt dabei von der Teilchenmasse und damit von der Atomsorte ab. Leichte Moleküle haben zum Beispiel bei Raumtemperatur eine sehr hohe Geschwindigkeit, sodass über die Pumpe nur ein kleiner zusätzlicher Impuls übertragen wird. Deswegen ist das Kompressionsvermögen für Wasserstoff bei allen Molekularpumpen deutlich schlechter als für die anderen schwereren Bestandteile der Luft.

Je nach Bauweise unterscheidet man zwischen ein- und zweiflutigen TMP. Die Drehzahl der Rotoren liegt in der Größenordnung von einigen 10.000 bis zu 100.000/min, beispielsweise bei ähnlichem Modell wie rechts abgebildet eine 'Bereitschaftdrehzahl' von ca. 30.000/min und normale Arbeitsdrehzahl von ca. 51.000/min. Die Pumpleistung variiert je nach Typ von drei bis zu mehreren tausend Litern pro Sekunde. Turbomolekularpumpen nutzt man mit einem vorgeschalteten Vorvakuum zur Erzeugung von Ultrahochvakuum, da die Pumpe sich sonst wegen der Luftreibung zu stark erhitzen würde beziehungsweise die Motorleistung nicht ausreichen würde.

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 ihr theoretisches Saugvermögen.

Erst bei Wandtemperaturen von unter ca. 120 K spricht man von Kryopumpen.

Die Kryopumpe dient der Erzeugung von Hochvakua (p < 10⁻³ mbar) und Ultrahochvakua (p < 10⁻⁷ mbar).

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 vieleingesetzte 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.

Erzeugung eines Ultrahochvakuums

In der angewandten Physik bedient man sich mehrerer Pumpentypen, um ein Ultrahochvakuum zu erzeugen. Zunächst wird mit mechanisch wirkenden Pumpen (Drehschieberpumpe, Membranpumpe, Scrollpumpe) ein Vordruck im Rezipienten im Bereich von 10^-2 bis 10^-3 mbar erzeugt. Abhängig von der Größe des Rezipienten und der Pumpleistung der Pumpen dauert dies im Normalfall einige Minuten. Als nächstes erzeugen Turbomolekularpumpen in einem mindestens mehrere Stunden dauernden Prozess ein Hochvakuum im Druckbereich von ungefähr 10^-7 mbar. Dieser Druck lässt sich nicht mehr ohne weitere Hilfsmittel verringern aufgrund ständiger Desorption von adsorbiertem Wasser und anderen Verbindungen mit niedrigem Dampfdruck innerhalb der Kammer, und das auch bei unendlich lang andauernder Pumpleistung. Diese Desorptionsprozesse werden beschleunigt, wenn nun die Kammer durch direkte Heizung der Kammerwände und indirekte thermische Erwärmung der inneren Oberflächen auf eine Temperatur gebracht wird, die mindestens über dem Siedepunkt von Wasser, möglichst aber deutlich höher liegt. Wichtigstes Kriterium der Temperaturhöhe ist die Temperaturbeständigkeit der eingebauten Komponenten, wie zum Beispiel der Ventil-Dichtungen, der Transfersysteme, der elektrischen Verbindungen sowie der Sichtfenster. Übliche Ausheiztemperaturen liegen zwischen 130 und über 200 °C. Das nun in hohem Maße desorbierende Wasser wird während des Ausheizens mittels der Turbomolekularpumpen größtenteils abgepumpt, ebenso wie eventuelle Kohlenstoff-Kontaminationen. Dieser Prozess dauert minimal 24 Stunden; bei Kammern mit vergleichsweise komplex angeordneten inneren Oberflächen durch angebaute Apparaturen wird üblicherweise nach zwei bis drei Tagen die Heizung heruntergefahren. Zum Erreichen des Ultrahochvakuums werden nun nichtmechanische Pumpen zum Einsatz gebracht. Eine Ionengetterpumpe pumpt durch Ionisation und Einfangen der Restgasmoleküle in Titanröhrchen in einem Druckbereich von 10^-7 mbar bis 10^-10 mbar. Hier zeigt sich, dass die Pumpleistung nur dann ausreichend ist, wenn das Ausheizen vorher den Restgasdruck ausreichend vermindert hat. Eine Titansublimationspumpe arbeitet über thermisch in die Kammer verteiltem Titandampf, der sich durch eine hohe chemische Reaktivität auszeichnet und Restgasatome an sich und die (kalte) Kammerwand bindet, sodass sich folglich der Restgasdruck weiter vermindert. Der mit diesem oben beschriebenen Verfahren minimal erreichbare Restgasdruck liegt im Bereich von 10^-11 mbar. Durch Kältefallen am unteren Teil der Kammer kann nun ebenfalls ein statistisch signifikanter Teil des Restgases temporär gebunden werden und der Kammerdruck auf ungefähr 10^-12 mbar - kurzfristig bei optimaler Funktion aller beteiligten Komponenten - gesenkt werden.

Anwendungsbeispiele in der Praxis

• In Luftfahrzeugen basieren zahlreiche Cockpitinstrumente auf Kreiseltechnik. Da Kreisel zur Erzeugung einer höchstmöglichen Stabilität einerseits auf beträchtliche Drehzahlen gebracht werden müssen, andererseits der Antrieb ohne Beeinträchtigung durch Reaktionskräfte erfolgen sollte, bedient man sich zum Antrieb eines Vakuums. Aus Gründen der Sicherheit werden in Flugzeugen oft zwei unabhängige Vakuumpumpen eingebaut. Ein Ausfall einer einzigen vorhandenen Vakuumpumpe kann bei Flügen ohne Sicht nach außen (Instrumentenflug) zu der gefährlichen Situation führen, dass für die sichere Flugdurchführung obligatorische Instrumente falsch 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 Turbinenluft auf dem Druck der Erdoberfläche gehalten wird. Die Differenz des außen vorherrschenden geringen Atmosphärendrucks und des Kabinendruckes presst dann die Abwässer in das Abwassersystem.
• Der Probenraum bei einem Elektronenmikroskop wird evakuiert, damit die Elektronen auf dem Weg von der Elektronenquelle zur untersuchenden Probe nicht von Luftmolekülen behindert werden. Gleiches gilt auch für das Innere einer Elektronenstrahlröhre (z.B. in Fernsehgeräten, CRT-Monitoren etc.).
• Massenspektrometer benötigen zum Betrieb ein Hochvakuum.
• Für die Molekularstrahlepitaxie wird ein Ultrahochvakuum benötigt, damit der Molekularstrahl nicht durch Stöße mit Restgasatomen abgelenkt wird und um eine Verunreinigung der herzustellenden Schichten zu vermeiden.
• Bei der Herstellung von Glühlampen werden die Glaskolben evakuiert, bevor das Schutzgas eingefüllt wird.
• Als Bremssystem bei der Eisenbahn
• Erzeugung von Unterdruck für den Bremskraftverstärker von PKW und leichten LKW.
• Festhalten und/oder transportieren von flächigen Werkstücken oder Bauteilen mit Hilfe eines Sauggreifers
• Weitere Anwendungsbeispiele siehe: Eigenschaften des Vakuums

Einzelnachweise