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Vakuum kommt in einer Vielzahl von industriellen Fertigungsprozessen zum Einsatz, wie Verpackung, Abfüllung, Trocknung, Entgasung, Bestückung und vielen mehr. Eine industrielle Vakuumpumpe wird zur Erzeugung, Optimierung und Beibehaltung von Vakuum in diesen Prozessen eingesetzt. Es sind viele Arten von industriellen Vakuumtechnologien verfügbar, mit denen sich dieser Artikel befasst. Um zu verstehen, welche Art von Vakuum für Sie und Ihre Anwendung am geeignetsten ist, ist es entscheidend, die Merkmale, Vorzüge und Funktionsweisen jeder Technologie zu verstehen. Dieser Artikel befasst sich mit den gängigsten Arten von industriellen Vakuumpumpen, ihrer Funktionsweise und den besten Anwendungen für die jeweilige Pumpe.
Alle industriellen Vakuumpumpen haben unabhängig von der verwendeten Technologie die gleiche Funktionsweise.
Vakuumpumpen entfernen Luftmoleküle (und andere Gase) aus der Vakuumkammer (oder der Auslassseite im Fall einer Pumpe für ein höheres Vakuum, die in Reihe geschaltet ist). Mit dem Steigen des Drucks in der Kammer wird das Entfernen zusätzlicher Moleküle zunehmend schwieriger. Deshalb muss ein industrielles Vakuumsystem (Abb. 1) in einem außerordentlich großen Druckbereich betrieben werden können, normalerweise von 1 bis 10-6 Torr / 1,3 bis 13,3 mBar Druck. In Forschungs- und wissenschaftlichen Anwendungen wird dieser Bereich noch auf 10-9 Torr oder niedriger ausgeweitet. Um dies zu erreichen, werden in einem Standard-Vakuumsystem verschiedene Typen von Pumpen eingesetzt, von denen jede einen Teil des Druckbereichs abdeckt und die zu bestimmten Zeiten auch in Serie betrieben werden.
Industrielle Vakuumsysteme lassen sich in die folgenden Druckbereiche einteilen:
Verschiedene Typen an Pumpen für diese Vakuumbereiche können dann in primäre (Vor-)Pumpen, Verstärkerpumpen und sekundäre (Hochvakuum-)Pumpen aufgeteilt werden: Hohe, sehr hohe und extrem hohe Vakuumdruckbereiche.
Es gibt zwei grundlegende Kategorien von Vakuumpumpen: Gasfördernde und gasbindende Pumpen (Abbildung 1).
Transferpumpen fördern Gasmoleküle entweder über Impulsaustausch (Kinetische Wirkung) oder positive Verdrängung. Dieselbe Anzahl an Gasmolekülen, die in die Pumpe eindringt, wird auch ausgestoßen, und das Gas befindet sich beim Ausstoßen leicht über atmosphärischem Druck. Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen Auslassdruck und dem niedrigsten erreichten Druck (Einlass).
Kinetische Transferpumpen nutzen Hochgeschwindigkeitsflügel oder Dampfzufuhr, um das Gas zum Auslass zu leiten, und machen sich so das Prinzip des Impulsübertrags zunutze. Diese Pumpentypen können hohe Verdichtungsverhältnisse bei niedrigen Drücken erreichen, haben jedoch normalerweise kein geschlossenes Volumen.
Pumpen, die mechanisch ein Gasvolumen absperren und es durch die Pumpe fördern, werden als Verdrängerpumpen bezeichnet. Sie werden oft auf mehrere Stufen auf einer einzelnen Antriebswelle ausgelegt und das isolierte Volumen wird zu einem kleineren Volumen mit höherem Druck verdichtet. Das verdichtete Gas wird schließlich in die Atmosphäre oder die nächste Pumpe abgelassen. Für ein höheres Vakuum und eine höhere Förderleistung werden oft zwei Transferpumpen in Serie betrieben.
Wie bereits erwähnt, werden Verdränger-Vakuumpumpen zum Erzeugen niedriger Vakua eingesetzt. Diese Art von Vakuumpumpe dehnt einen Hohlraum aus und erlaubt dem Gas, aus der geschlossenen Umgebung oder Kammer zu entweichen. Danach wird der Hohlraum abgedichtet und das Gas wird in die Atmosphäre abgelassen. Das Prinzip hinter der Verdränger-Vakuumpumpe ist die Erzeugung eines Vakuums durch die Ausdehnung des Volumens eines Behälters. In einer manuellen Wasserpumpe zum Beispiel dehnt ein Mechanismus einen kleinen abgedichteten Hohlraum aus, um ein tiefes Vakuum zu erzeugen. Aufgrund des Drucks wird etwas Flüssigkeit aus der Kammer in den kleinen Hohlraum der Pumpe gedrückt. Danach wird der Hohlraum der Pumpe von der Kammer abgedichtet, zur Atmosphäre hin geöffnet und das Volumen wieder verkleinert. Ein weiteres Beispiel für Verdränger-Vakuumpumpen ist ähnlich wie die Ausdehnung der Brusthöhle durch das Zwerchfell, wodurch das Lungenvolumen erhöht wird. Durch diese Ausdehnung wird der Druck verringert und ein Teilvakuum erzeugt, das dann mit über atmosphärischen Druck hineingedrückter Luft gefüllt wird. Beispiele für Verdrängerpumpen sind Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen und Walzkolbengebläse, die in verschiedenen Branchen zum Erzeugen von Vakuum in beengten Räumen eingesetzt werden.
Pumpen, die Gasmoleküle auf Oberflächen im Vakuumsystem binden, sind unter der wenig überraschenden Bezeichnung „gasbindende Pumpen“ bekannt. Diese Pumpen werden mit einer geringeren Förderleistung als Vakuumpumpen wie z. B. Transferpumpen betrieben, doch sie können ein extrem hohes Vakuum bereitstellen, bis zu 10-12 Torr. Gasbindende Pumpen nutzen kryogene Kondensation, ionische Reaktion oder chemische Reaktionen und haben keine beweglichen Teile, wodurch sie ein ölfreies Vakuum erzeugen.
Gasbindende Pumpen, die chemische Reaktionen nutzen, erreichen eine höhere Leistung, da sie normalerweise in dem Behälter platziert werden können, in dem ein Vakuum erforderlich ist. Luftmoleküle erzeugen einen dünnen Film, der entfernt wird, wenn durch den Pumpenbetrieb eine chemische Reaktion an der Innenfläche der Pumpe ausgelöst wird. Gasbindende Pumpen werden neben Verdränger-Vakuumpumpen und kinetischen Pumpen zum Erzeugen eines extrem hohen Vakuums eingesetzt.
Vakuumpumpentechnologien werden entweder als nasslaufend (geschmiert) oder trockenlaufend (ölfrei) bezeichnet, je nachdem, ob das Gas während des Verdichtungsprozesses Öl oder Wasser ausgesetzt ist.
Nasslaufende Pumpen schmieren und/oder dichten sich selbst mithilfe von Öl oder Wasser ab; diese Flüssigkeit kann das geförderte Gas verunreinigen. Wohingegen trockenlaufende Vakuumpumpen keine Flüssigkeit im geförderten Gas aufweisen, da sie sich auf ein präzises Spiel zwischen den rotierenden und statischen Bauteilen der Pumpe, Dichtungen aus trockenem Polymer (PTFE) oder eine Membran verlassen, um den Pumpmechanismus vom Gas zu trennen und gute Abdichtung sicherzustellen.
Doch auch trockenlaufende Pumpen sind nicht komplett ölfrei, da Öl oder Schmierfett oft in den Pumpengetrieben und Lagern zum Einsatz kommt. Diese werden von der Vakuum-Verdichtungsseite getrennt gehalten. Trockenlaufende Pumpen mindern das Risiko für Verunreinigungen und Ölnebel. Sie haben ebenso Umweltvorteile, da kein Öl entsorgt werden muss, wie bei geschmierten Pumpen.
Zentrifugalpumpen sind hydraulisch betriebene Maschinen, die sich durch ihre Fähigkeit auszeichnen, Energie über Fliehkräfte auf Fluide zu übertragen (insbesondere auf Flüssigkeiten). Ihr Hauptzweck ist die Förderung von Fluiden über einen Druckanstieg. Zentrifugalpumpen können verschieden aufgebaut sein, doch ihre Funktionsweise und Strömungsdynamik-Eigenschaften sind immer gleich.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen ähneln einer Drehschieberpumpe, mit dem Unterschied, dass die Schieber ein integraler Teil des Rotors sind und einen rotierenden Flüssigkeitsring verwirbeln, um die Kompressionskammer abzudichten. Sie sind von Natur aus reibungsarm, da der Rotor das einzige bewegliche Teil ist. Gleitwiderstand beschränkt sich auf die Wellendichtungen. Flüssigkeitsringpumpen werden normalerweise über einen Induktionsmotor angetrieben.
Flüssigkeitsringsysteme können entweder ein- oder mehrstufig sein.
Mehr über Flüssigkeitsring-Technologie erfahren
Drehklauen-Vakuumpumpen erzeugen effizient und kostengünstig ein kontaktloses Vakuum. Dies ist möglich aufgrund des Prinzips der internen Verdichtung in der Drehklauen-Bauform. Die Klauen-Vakuumpumpen basieren auf einem statischen Verdichtungssystem. Im Gegensatz zu Drehkolben-Bauformen wird die Verdichtung intern durch Volumenkontraktion erreicht.
Eine Klauenpumpe besteht aus zwei Rotoren. Sie drehen sich in einem Verdichtergehäuse in entgegengesetzte Richtungen und lassen nur einen geringen Spalt, ohne einander zu berühren. Sie werden über ein Präzisionsgetriebe synchronisiert. Während sich die Klaue über den Ansauganschluss und den axialen Ansaugkanaleingang bewegt, wird das Gas in die Verdichtungskammer gesaugt. Das Gas wird in der Verdichtungskammer vorverdichtet und dann abgelassen.
Eine Schrauben-Vakuumpumpe besteht aus zwei parallelen schraubenförmigen Rotoren, wobei eine Schraube ein Rechts-, die andere ein Linksgewinde aufweist. Beide Schrauben drehen sich reibungsfrei und mit sehr engem Spalt im Verdichtergehäuse.
Sie werden über ein Präzisionsgetriebe synchronisiert. Durch die spezielle Form der Schrauben werden mit dem Verdichtergehäuse Verdichtungskammern gebildet. Infolge der gegenläufigen Rotation beider Schrauben wird die mit dem Sauganschluss verbundene Kammer vergrößert und das Gas in die Verdichtungskammer transportiert. Anschließend wird die Kammer axial von der Saugseite zur Druckseite geschoben (Pfeil).
Bei Modellen mit variabler Steigung wird das Gas bei jedem Steigungswechsel komprimiert und vor dem nächsten Steigungswechsel abgekühlt, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Auf der Druckseite wird die Kammer gegen die axiale Gehäusewand geschoben und das Volumen wird reduziert, bis die Stirnfläche der Schraube den Druckkanal öffnet und das vorverdichtete Gas durch den Druckanschluss abgelassen wird. Die Kühlung erfolgt durch eine wassergekühlte Aussenkammer. Bei einigen Pumpengrößen kann zusätzliches Kühlgas in die Pumpe eingeführt werden.
Mehr über Schraubenpumpen erfahren
Bei Seitenkanalgebläsen ist das Laufrad direkt auf der Motorwelle montiert, um eine kontaktfreie Verdichtung zu gewährleisten. Das Gas wird durch den Eingang eingesaugt. Beim Eintritt in den Seitenkanal beschleunigt das rotierende Laufrad das Gas in die Drehrichtung. Die Zentrifugalkraft in den Blättern des Flügelrads beschleunigt das Gas nach außen und der Druck erhöht sich.
Jede Umdrehung fügt kinetische Energie hinzu, was zu einem weiteren Druckanstieg entlang des Seitenkanals führt. Der Seitenkanal verengt sich am Rotor, hebt das Gas von den Blättern des Flügelrads und leitet es durch den Ausgangsschalldämpfer ab, wo es aus der Pumpe austritt.
Elmo Rietschle Seitenkana