Definition Was ist eigentlich eine Vakuumpumpe?

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Nomen est omen: Vakuumpumpen erzeugen ein Vakuum – allerdings auf ganz unterschiedliche Weise. Nach welchen Kriterien werden Vakuumpumpen unterschieden, welche Bauarten gibt es und wo kommen sie zum Einsatz? Antworten auf diese Fragen und einen Überblick dieser sehr vielseitigen Technologie finden Sie hier.

Wenn wir von „Vakuum“ sprechen, meinen wir zumeist einen luftleeren Raum. Der Begriff leitet sich aus dem lateinischen „vacuus“ für „leer“ ab. Aber: Es gibt kein vollkommenes Vakuum, also einen Raum, in dem sich nichts befindet. Was dürfen wir dann darunter verstehen? Gemäß DIN 28400-1 (Vakuumtechnik; Benennung und Definitionen; Allgemeine Benennungen) handelt es sich um ein Vakuum, sobald der Druck in einem Raum geringer ist als 300 mbar.

Technisch gesehen werden Gaszustände, deren Druck kleiner ist als der Druck der Atmosphäre, als Vakuum bezeichnet. Hierbei wird unterschieden zwischen:

• Grobvakuum (1000 bis 1 mbar)

• Feinvakuum (1 bis 10^-3 mbar)

• Hochvakuum (10^-3 bis 10^-7 mbar) und

• Ultrahochvakuum (10^-7 bis 10^-11 mbar)

Die erste funktionsfähige Vakuumpumpe – eine Kolben- bzw. Luftpumpe – entstand bereits 1649 und wurde von Otto von Geuricke gebaut.

Industrielle Vakuumpumpen haben im Grunde immer die gleiche Funktionsweise, ganz unabhängig von der jeweils verwendeten Technologie: Sie entfernen Luftmoleküle oder andere Gase aus einer Vakuumkammer oder aus der Auslassseite der Pumpe, falls diese für ein höheres Vakuum in Reihe geschaltet ist. Mit steigendem Druck in der Vakuumkammer wird es zunehmend schwieriger, weitere Moleküle zu entfernen. Daher ist es für industrielle Vakuumpumpen erforderlich, sie in einem sehr großen Druckbereich betreiben zu können.

Wie werden Vakuumpumpen eingeteilt?

Streng genommen ist eine Vakuumpumpe keine Pumpe, sondern ein Verdichter. Gemäß ihrem physikalischen Wirkprinzip lassen sich Vakuumpumpen einteilen in:

• Gasbindende Vakuumpumpen – diese Vakuumpumpen sind zeitlich uneingeschränkt einsatzfähig

• Gastransfervakuumpumpen (auch gasfördernde Pumpen genannt) – diese Pumpen besitzen eine limitierte Gasaufnahmekapazität und müssen nach einer bestimmten Einsatzzeit regeneriert werden.

Das grundlegende Funktionsprinzip gasbindender Vakuumpumpen:
Gasbindende Pumpen arbeiten nach dem Prinzip der Sorption und binden Gasmoleküle auf Oberflächen im Vakuumsystem. Hierdurch verringert sich der Druck im sogenannten Rezipienten. Hiermit ist in der Vakuumtechnik ein Behälter oder Gefäß gemeint, in dem durch das Absaugen der enthaltenen Gase mit Hilfe geeigneter Pumpen ein Vakuum entsteht. Damit das Vakuum stabil bleibt, wird ein Rezipient so abgedichtet, dass kein Flüssigkeits- oder Gasaustausch mit der Umgebung stattfindet.

Bauarten gasbindender Vakuumpumpen sind u. a.:

• Adsorptionspumpen (Sorptionspumpen) – Sorptionspumpen nutzen Aktivkohle oder sogenannte Zeolithe, damit das zu evakuierende Gas sich an der Oberfläche im Pumpeninneren abscheidet. Das Sorptionsmittel muss ständig erneuert werden.

• Getterpumpen – Falls in einer Vakuumpumpe die Schicht mit Sorptionsmittel durch Aufdampfen eine Metalls gebildet wird, spricht man von Getterpumpen. Varianten solcher Pumpen, wie etwa die Ionengetterpumpe dienen zum Erzeugen eines Ultrahochvakuums.

• Kryopumpen (Kondensationspumpen) – Sie binden gasförmige Substanzen (etwa flüssiges Helium, Wasserstoff oder Stickstoff) beispielsweise durch Kryokondensation an den Kaltflächen im Inneren der Pumpe. Daher werden solche Pumpen auch als Kondensationspumpen bezeichnet. Kryotechnik wird zur Erzeugung tiefer Temperaturen eingesetzt und deckt einen Temperaturbereich unterhalb von ca. –150 °C ab. Kryopumpen dienen zur Erzeugung eines Hochvakuums oder Ultravakuums.

Das grundlegende Funktionsprinzip von Gastransfervakuumpumpen:
Gastransfervakuumpumpen transportieren Teilchen (Moleküle) entweder in einen geschlossenen Arbeitsraum (Verdrängerpumpen) oder durch Impulsübertragung auf die Teilchen (kinetische Transferpumpen). Für ihre Funktion benötigen diese Bauarten entweder eine laminare oder molekulare Strömung. Zu den Gastransfervakuumpumpen bzw. gasfördernden Pumpen gehören z. B.:

• Wälzkolbenpumpen

• Flüssigkeitsstrahlpumpen

• Hubkolbenvakuumpumpen

• Membranpumpen

• Turbomolekularpumpen

• Schraubenvakuumpumpen

• Drehschieberpumpen

Die unterschiedlichen Pumpentypen lassen sich je nach Funktionsweise für verschiedenste Einsatzbereiche nutzen. Um z. B. niedrige Vakuumdrücke zu erzielen, sind in den meisten Fällen zwei Pumpstufen erforderlich, wobei die erste Pumpe (etwa eine Drehschieberpumpe) ein Vorvakuum erzeugt und die zweite Pumpe dann mit dem Rezipienten verbunden wird. Typische Pumpenkombinationen bestehen in diesem Zusammenhang etwa aus einer Verdrängerpumpe als Vorpumpe und einer Turbomolekularvakuumpumpe.

Bauarten und Funktionsweisen im Detail

Nachfolgend werden einige der weiter oben genannten Bauarten bzw. Technologien von Gastransfervakuumpumpen sowie deren Arbeitsweise näher beschrieben.

So funktioniert eine Verdrängerpumpe:
Pumpen, die mechanisch ein Gasvolumen absperren und es durch die Pumpe fördern, werden als Verdrängerpumpen bezeichnet. Sie bestehen aus einem gekapselten und somit abgeschlossenen Arbeitsraum, der sich im Wesentlichen aus Kolben, Rotoren oder Schieber zusammensetzt. Während des sogenannten Arbeitsspiels ändert sich zyklisch die Größe des Arbeitsraums.

Das Arbeitsspiel lässt sich in folgende Arbeitsphasen unterteilen:

• Ansaugen

• Transportieren (Verdichten)

• Ausschieben und

• Druckwechsel.

Niedrigerer Druck entsteht beim Ansaugen und Transportieren von Gasen, höherer Druck beim Ausschieben und beim Druckwechsel. Die Ansaug- und Ausschiebephase wird daher auch als niederdruckseitiger bzw. hochdruckseitiger Ladungswechsel bezeichnet.

Die Funktionsweise: Bei Verdrängerpumpen tritt das im Rezipienten enthaltene Gas in den Arbeitsraum ein, der daraufhin verschlossen wird. Dabei verdichtet sich das Gas und wird anschließend wieder ausgestoßen.

Zu den Verdrängerpumpen gehören z. B. die bereits genannten Wälzkolbenpumpen sowie Sperrschieber- und Drehschieberpumpen.

So funktioniert eine Strahlpumpe:
Zu den Gastransfervakuumpumpen, die nach dem Prinzip der Impulsübertragung von Teilchen arbeiten, zählen z. B. Flüssigkeitsstrahlpumpen, auch Treibmittel- oder Strahlpumpen genannt.

Die Funktionsweise. Bei diesen Pumpen wird Dampf oder eine Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse ausgestoßen. Gerät ein Gasteilchen in diesen Teilchenstrom, dann überträgt sich die Impulsrichtung des Treibmittelstroms auf das Teilchen, wodurch es in eine Zone mit höherem Druck innerhalb der Pumpe transportiert wird. Damit das Treibmittel, also der Dampf oder die Flüssigkeit, selbst nicht in den Rezipienten gelangt, wird es an den gekühlten Außenwänden der Pumpe kondensiert.

Diese Funktionsweise wird zumeist mit Ölstrahlpumpen realisiert. Die Pumpen werden entweder mit flüssigem oder dampfförmigem Öl betrieben und können ein Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuum erzeugen.

So funktioniert eine Molekular- bzw. Turbomolekularpumpe:
Die Molekularpumpe wurde 1913 von dem Physiker Wolfgang Max Paul Gaede erfunden. Molekularpumpen haben ein rundes Gehäuse, in dem sich eine schnell drehende Rotorscheibe befindet. Darüber hinaus integrieren sie einen Ansaugstutzen als Einlass und einem Vorvakuumstutzen als Auslass.

Die Funktionsweise: Gasmoleküle treten durch den Ansaugstutzen in die Pumpe ein, adsorbieren auf dem schnell drehenden Rotor (haften am Rotor an), bekommen hierdurch eine Vorzugsrichtung und desorbieren wenig später vom Rotor (lösen sich vom Rotor) und treten durch den Vorvakuumstutzen aus. Turbomolekularpumpen haben abwechselnd angeordnete Rotoren und Statoren.

Da die Rotoren sehr hohe Drehzahlen erreichen können (z. B. bis zu 90.000 U/min), lässt sich mit diesen Lösungen eine sehr hohe Pumpleistung erzielen.

Die Vor- und Nachteile nass- und trockenlaufender Vakuumpumpen

Bei den verschiedensten Technologien bzw. Bauarten von Vakuumpumpen wird prinzipiell zwischen unterschieden zwischen

• nasslaufenden und

• trockenlaufenden Pumpen

Die Unterscheidung hängt davon ab, ob das Gas während des Verdichtungsprozesses einem flüssigen Medium ausgesetzt ist oder nicht.

Der Nachteil nasslaufender Pumpen: Die Schmierung und/oder Abdichtung nasslaufender Pumpen erfolgt mithilfe von Öl oder Wasser. Solche Medien können jedoch das Gas verunreinigen. Daher ist eine regelmäßige Wartung solcher Pumpen erforderlich.

Der Vorteil trockenlaufender Pumpen: Bei ihnen besteht die Gefahr einer Verunreinigung nicht, da hier im Bereich des Pumpenarbeitsraumes auf Hilfsmedien verzichtet wird und stattdessen z. B. Dichtungen aus PTFE zum Einsatz kommen. Auf diese Weise lassen sich Verunreinigung des Arbeitsmediums vermeiden. Damit wird der Wartungsaufwand geringer und auch die Kosten für die Entsorgung der Hilfsmedien entfallen. Allerdings sind auch trockenlaufende Pumpen nicht komplett ölfrei, da die Pumpengetriebe und Lager geschmiert werden müssen. Diese können jedoch nicht auf die Verdichterseite einer Vakuumpumpe gelangen.

Potenzielle Anwendungsbereiche von Vakuumpumpen

Vakuumpumpen sind in vielen Bereichen von Produktion, Verfahrenstechnik, Handling, Labor, Lebensmitteltechnik, Medizintechnik und den Maschinenbau nicht mehr wegzudenken. Ob Grob-, Fein-, Hoch- oder Ultrahochvakuum, viele Erzeugnisse könnten ohne den Einsatz solcher Geräte nicht hergestellt werden. Hier nur kleine Auswahl möglicher Anwendungen:

• Fertigung von Modulen für PV-Anlagen

• Handling z. B. von Kartonagen, Glasscheiben, Metallblechen etc. mittels Vakuumheber,

• exakte Dosierung von flüssigen und pastösen Medien,

• Trocknungs- und Frischhalteprozesse in der Lebensmitteltechnik, die Filtration verschiedenster Substanzen z. B. in der Pharma- und Medizintechnik

• die Erzeugung reiner Druckluft für Labor- und Medizinanwendungen

• der Betrieb von Keramiköfen z. B. in der Schmuckindustrie,

• der Herstellung von Mikrochips,

• der Betrieb von Abwassersystemen im Flug- und Schienenverkehr

Hersteller von Vakuumpumpen

• Atlas Copco

• Bevap

• Bis Vakuumtechnik

• Bürkle

• Dirojet

• Druck & Temperartur Leitenberger

• Dürr Technik

• Edur Pumpenfabrik

• Ehrler & Beck

• Flowserv

• Finken Vakuumtechnik

• Gardner Denver

• Gebr. Becker

• Heidolph Instruments

• Hyco Vakuumtechnik

• Leybold

• Morauf Armaturen Service

• Nitto Kohki Europe

• Pfeiffer Vacuum

• Volkmann

• Westfalia Wärmetechnik

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: www.leybold.com, www.chemie.de, www.maschinenbau-wissen.de, www.gardnerdenver.com, www.pfeiffer-vacuum.com, www.wikipedia.org

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