Vakuumerzeugung

Das Funktionsprinzip einstufiger Wälzkolbenpumpen entspricht dem in Kapitel 4.5 beschriebenen Funktionsprinzip mehrstufiger Pumpen. In der Wälzkolbenvakuumpumpe drehen sich zwei gegenläufig synchron laufende Rotoren (4) berührungslos in einem Gehäuse (Abbildung 4.16). Die Rotoren haben die Form einer „Acht“ und sind gegeneinander und vom Stator durch einen engen Spalt getrennt. Die Wirkungsweise entspricht einer Zahnradpumpe mit je einem Zahnrad mit zwei Zähnen, die Gas von der Ansaugöffnung (3) zur Auslassöffnung (12) fördert. Eine Welle wird durch einen Motor (1) angetrieben. Die Synchronisation der anderen Welle erfolgt über ein Zahnradpaar (6) im Getrieberaum. Die Schmierung beschränkt sich auf die beiden vom Schöpfraum (8) durch Labyrinthdichtungen (5) mit Kolbenringen abgetrennten Lager- und Getrieberäume. Da im Schöpfraum keine Reibung auftritt, kann die Wälzkolbenvakuumpumpe mit hoher Drehzahl betrieben werden (1.500 – 3.000 U · min^-1). Das Fehlen hin- und hergehender Massen erlaubt zudem eine einwandfreie dynamische Auswuchtung, sodass die Wälzkolbenvakuumpumpe trotz hoher Drehzahlen sehr ruhig läuft.

Aufbau

Die Lager der Rotorwellen sind in den beiden Seitenteilen angeordnet. Auf der einen Seite sind sie als Festlager, auf der anderen mit verschiebbarem Innenring ausgeführt, um die ungleichen Wärmedehnungen zwischen Gehäuse und Kolben zu ermöglichen. Die Schmierung der Lager erfolgt mit Öl, das durch Spritzscheiben zu den Lagern und Zahnrädern gefördert wird. Die Durchführung der Antriebswelle nach außen wird bei den Standardausführungen mit durch Sperröl überlagerten Radialwellendichtringen aus FKM abgedichtet. Zur Schonung der Welle laufen die Dichtringe auf einer Schonbuchse, die bei Verschleiß ausgewechselt werden kann. Wenn eine hermetische Abdichtung nach außen erforderlich ist, kann die Pumpe auch über eine Permanentmagnetkupplung mit Spaltrohr angetrieben werden. Man erreicht hiermit Leckageraten Q_l <10^-6 Pa m³s^-1.

Vorpumpen

Als ölgeschmierte Vorpumpen werden ein- oder zweistufige Drehschieber- oder Sperrschieberpumpen verwendet. Als trockene Vorpumpen können Schraubenpumpen oder mehrstufige Wälzkolbenpumpen eingesetzt werden. Solche Pumpkombinationen sind einsetzbar für alle Anwendungen mit hohem Saugvermögen im Grob- und Feinvakuumbereich. Auch Flüssigkeitsringpumpen kann man als Vorpumpen verwenden.

Gasumlaufgekühlte Wälzkolbenpumpen

Um Wälzkolbenvakuumpumpen gegen Atmosphärendruck arbeiten zu lassen, gibt es Modelle ohne Überströmventil mit Gaskühlung (Abbildung 4.17). Hierbei wird Gas, das aus dem Auslassflansch (6) durch einen Kühler (7) strömt, in der Mitte des Schöpfraumes (4) wieder eingelassen. Der künstlich erzeugte Gasstrom kühlt die Pumpe so, dass sie gegen Atmosphärendruck verdichten kann. Die Steuerung des Kaltgaseintritts erfolgt durch die Wälzkolben, sodass keine zusätzlichen Ventile erforderlich sind. Eine thermische Überlastung ist selbst bei Betrieb auf Enddruck ausgeschlossen.

Abbildung 4.17 zeigt eine gasumlaufgekühlte Wälzkolbenvakuumpumpe im Querschnitt. Die Förderrichtung des Gases ist senkrecht von oben nach unten, sodass vom Saugstrom mitgerissene flüssige oder feste Partikel nach unten abfließen können. In Phase I wird durch Drehung der Kolben (1) und (2) der Raum (3) geöffnet. In diesen strömt durch den Saugflansch (5) das Gas mit dem Druck p₁. In Phase II wird der Raum 3 sowohl gegen den Saug- als auch gegen den Druckflansch abgeschlossen. Durch Drehung der Kolben wird in Phase III die Einlassöffnung (4) für das Kühlgas freigegeben. Der Raum (3) wird auf den Auslassdruck p₂ gefüllt und das Gas in Richtung Druckflansch befördert. Bei der Drehbewegung der Wälzkolben ändert sich das Schöpfvolumen zunächst nicht. Die Kompression des Gases erfolgt durch das einströmende Kühlgas. Nun dreht der Wälzkolben weiter (Phase IV) und schiebt dadurch das jetzt komprimierte Gas mit dem Druck p₂ über den Kühler (7) zur Auslassseite zurück (Phase V).

Gasgekühlte Wälzkolbenpumpen können im Ansaugdruckbereich von 130 bis 1.013 hPa eingesetzt werden. Da sie kein Schmiermittel im Schöpfraum haben, stoßen sie keinen Ölnebel aus und verschmutzen das Fördermedium nicht. Durch Hintereinanderschalten zweier solcher Pumpen kann der Enddruck auf 20 bis 30 hPa gesenkt werden. In Kombination mit weiteren Wälz- kolbenvakuumpumpen lässt sich der Enddruck bis in den Feinvakuumbereich verringern.

Das Kompressionsverhältnis wird durch zwei Effekte negativ beeinflusst:

• Durch die Rückströmung in den Spalten zwischen den Kolben und dem Gehäuse

• Durch Gas, das sich durch Adsorption an die Kolben-oberflächen der Auslassseite anlagert und nach der Drehung zur Saugseite hin wieder desorbiert

Bei Auslassdrücken von 10^-2 bis 1 hPa herrscht in den Dichtspalten Molekularströmung, was wegen der niedrigen Leitwerte zu geringer Rückströmung führt. Die durch Adsorption zurückgeförderte Gasmenge, die relativ hoch ist im Verhältnis zum gepumpten Gasstrom, reduziert jedoch das Kompressionsverhältnis.

Im Bereich 1 bis 10 hPa ist K₀ am größten, da wegen des niedrigen Einlassdruckes in den Dichtspalten der Pumpe noch Molekularströmung herrscht und deshalb die Rückströmung gering ist. Da der Gastransport durch Adsorption druckunabhängig ist, fällt er gegenüber dem durch das Saugvermögen transportierten, druckproportionalen Gasstrom weniger ins Gewicht.

Bei Drücken über 10 hPa stellt sich in den Spalten Laminarströmung ein und deren Leitwerte vergrößern sich stark, was zu abnehmenden Kompressionsverhältnissen führt. Dieser Effekt macht sich besonders bei gasgekühlten Wälzkolbenpumpen bemerkbar, die nur etwa ein Kompressionsverhältnis von K₀ = 10 erreichen.

Die Spaltweiten haben einen großen Einfluss auf das Kompressionsverhältnis. Sie dürfen aber wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Kolben und Gehäuse bestimmte Mindestwerte nicht unterschreiten, um ein Anlaufen der Kolben zu vermeiden.

Wegen der geringen Kompressionsverhältnisse müssen Wälzkolbenpumpen zur Vakuumerzeugung immer als Pumpkombinationen betrieben werden. Die erreichbaren Enddrücke hängen vom Enddruck der gewählten Vorpumpe ab. Wegen des Gastransportes durch Adsorption ist der Einsatz von Wälzkolbenpumpen im Bereich unter 10^-4 hPa nicht mehr sinnvoll. Wie sich Saugvermögen und Enddruck von Pumpständen mit verschiedenen Vorpumpen verhalten, zeigt Abbildung 4.19. Die Kennlinien zeigen, dass das Saugvermögen der Vorpumpe um den Faktor 8 vergrößert und der Enddruck einer solchen Pumpenkombination um den Faktor 15 gegenüber der Vorpumpe verkleinert wird.

Flüssigkeitsringvakuumpumpen

Beim Absaugen von Dämpfen, die das Vorpumpenöl chemisch angreifen und zersetzen oder einen so niedrigen Dampfdruck haben, dass trotz Gasballast eine Kondensation in der Vorpumpe nicht vermieden werden kann, stellt die Flüssigkeitsringvakuumpumpe eine geeignete Lösung dar. Sie erreicht jedoch nur einen Enddruck, der durch den Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit bestimmt ist. Wird Wasser von 15 °C verwendet, kann man an der Flüssigkeitsringvakuumpumpe einen Enddruck von etwa 20 hPa erwarten, wobei sie dann schon im Kavitationsbereich arbeitet. Kavitation tritt nahe dem Enddruck der Pumpe auf. Dabei verdampft das Betriebsmittel auf der Saugseite und auf der Druckseite kollabieren die Dampfblasen schlagartig. Dies führt auf Dauer zur Zerstörung der Pumpe. Eine durch Luftzugabe kavitationsfrei arbeitende Flüssigkeitsringvakuumpumpe erreicht etwa 25 bis 30 hPa Enddruck und eine Kombination aus Wälzkolben- und Flüssigkeitsringvakuumpumpe etwa 1 hPa. Beim Absaugen umweltschädigender Stoffe darf die Flüssigkeitsringvakuumpumpe nicht mit Frischwasser betrieben werden. Es muss dann ein geschlossener Kreislauf vorgesehen werden, bei dem eine geeignete Betriebsflüssigkeit zum Entzug der Verdichtungswärme über einen gekühlten Wärmetauscher geleitet wird.

Flüssigkeitsringvakuumpumpe mit Gasstrahler

Die Kombination von Wälzkolbenvakuumpumpe, Gasstrahler und Flüssigkeitsringvakuumpumpe erreicht einen Enddruck von 0,2 hPa. Sollen kleinere Drücke erreicht werden, muss eine weitere Wälzkolbenvakuumpumpe vorgeschaltet werden.

Gasumlaufgekühlte Wälzkolbenvakuumpumpen

Da Wälzkolbenvakuumpumpen technisch trocken arbeiten, bietet ihr ausschließlicher Einsatz eine Lösung, wenn Pumpen mit flüssigkeitsgedichtetem Schöpfraum ausscheiden.

Einsatzgebiete:

• Absaugen und Verdichten von Helium an Kryostaten

• Absaugen und Verdichten von SF₆

• Saubere Rückgewinnung von Gasen und Dämpfen verschiedenster Art bei verfahrenstechnischen Prozessen, z. B. Destillation

• Auspumpen von Molekularsieben u. a.

• Abpumpen und Fördern von giftigen Stoffen in geschlossenen Systemen

• Auspumpen von Behältern mit sehr großem Volumen

Wälzkolbenpumpstände mit gasumlaufgekühlten Wälzkolbenpumpen lassen sich mit sehr unterschiedlicher Saugcharakteristik ausbilden. Im Extremfall kann man über den gesamten Druckbereich von 1.000 hPa bis 10^-3 hPa ein nahezu konstantes Saugvermögen erreichen, wobei die einzelnen Pumpenstufen im Verhältnis 2:1 bis 3:1 abgestuft sein können. Dazu müssen allerdings die Wälzkolbenvakuumpumpen mit entsprechend starken Motoren ausgerüstet werden. Anstelle der Überströmventile sind zur Atmosphäre hin Auslassventile vorzusehen.

Schraubenpumpen

Mit den Schraubenpumpen HeptaDry steht eine komplette Baureihe von technisch trockenen Pumpen mit einem Saugvermögen von 100 bis 600 m³ · h^-1 zur Verfügung. Als Einzelpumpe (siehe auch Kapitel 4.4) deckt sie einen großen Druckbereich im Grob- und Feinvakuum ab. Aufgrund ihrer inneren Verdichtung kann sie mit relativ niedriger Antriebsleistung dauerhaft im gesamten Ansaugdruckbereich von 0,1 bis 1.000 hPa arbeiten. In Kombination mit den OktaLine Wälzkolbenpumpen lassen sich sogar Enddrücke von 5 · 10^-3 hPa erreichen.

Mehrstufige Wälzkolbenpumpen

Mit den mehrstufigen Wälzkolbenpumpen der ACP-Reihe stehen kompakte Pumpstände mit einem Saugvermögen bis zu 285 m³ · h^-1 zur Verfügung. Die Kombination aus ACP-Vorpumpe und Wälzkolbenpumpe erreicht Enddrücke bis zu 5 · 10^-3.

Wälzkolbenpumpstände in Korrosivgasausführung sind in Kapitel 4.6 beschrieben.

Wälzkolbenpumpen werden in mehreren Varianten angeboten:

• Standardpumpen mit Wellendichtringen und Graugussgehäuse

• Hermetisch dichte Standardpumpen mit Magnet-kupplung und Graugussgehäuse (M-Reihe)

• Gasumlaufgekühlte Wälzkolbenpumpen mit Wellendichtringen (G-Reihe) oder mit Magnetkupplung

• Wälzkolbenpumpen für explosionsgefährdete Umgebungen und zum Fördern explosiver Gase (ATEX-Reihe)

4.7.3.1 Standardpumpen

Die Kennwerte der Standardpumpen sind in Tabelle 4.19 angegeben. Sie gelten auch für alle anderen Baureihen. Die maximalen Differenzdrücke werden durch die Überströmventile bestimmt. Sie sind bei der ATEX-Reihe kleiner als bei den anderen Baureihen, um die Temperaturanforderungen der ATEX-Richtlinie zu erfüllen. Ihr Gehäuse wird aus Grauguss GG gefertigt und ist mit 100 kPa Überdruck geprüft. Die Abdichtung gegen Atmosphäre erfolgt über Radialwellendichtringe. Die Standardpumpe zeichnet sich durch eine robuste und kompakte Bauweise sowie durch ein hohes Kompressionsverhältnis aus, das auch bei kleinen Vorpumpen zu hohem Saugvermögen der Pumpkombination führt und so kurze Auspumpzeiten ermöglicht. Die senkrechte Förderrichtung macht sie weitgehend unempfindlich gegen Staub- und Flüssigkeitsanfall.

4.7.3.2 Standardpumpen mit Magnetkupplung

Die M-Reihe ist für Prozesse einsetzbar, die höchste Ansprüche an Dichtheit und längste Serviceintervalle stellen. Sie entspricht weitestgehend der Standard-Reihe, zeichnet sich jedoch zusätzlich durch eine hermetisch dichte Magnetkupplung anstelle von Radialwellendicht-ringen aus. Sie arbeitet somit praktisch verschleißfrei. Die integrale Leckrate der Pumpe ist kleiner als 1 · 10^-6 Pa · m³ · s^-1. Ölaustritt kann somit ausgeschlossen werden und es findet auch kein Austausch zwischen Prozessgas und Umgebung statt. Standardpumpen der M-Reihe sind für alle in Tabelle 4.19 angegebenen Anwendungen geeignet, darüber hinaus aber auch einsetzbar in der Industrie / Chemie zum Pumpen toxischer Gase sowie bei Reinstgasanwendungen: z. B. für CVD- und PVD-Prozesse in der Beschichtung, zum Evakuieren von Schleusen- oder Transferkammern und bei der Herstellung von Flachbildschirmen. Erhältlich ist die M-Reihe in den Größen 250 m³ · h^-1 bis 6.000 m³ · h^-1.

4.7.3.3 Pumpen in ATEX-Ausführung

Für Prozesse in explosionsgefährdeter Umgebung oder zum Evakuieren von explosiven Gasen steht die Baureihe ATEX zur Verfügung.

Pumpen der ATEX-Reihe sind mit Saugvermögen von 500 m³ · h^-1 bis 4.000 m³ · h^-1 erhältlich. Sie sind PTFE-gedichtet und aus Sphäroguss GGG 40.3 gefertigt. Sie erfüllen die Explosionsschutzanforderungen nach der Richtlinie 94/9/EG, Gerätekategorie 3G, Gerätegruppe IIB, Temperaturklasse T3 X.

Zum sicheren Betrieb der Pumpen sind grundsätzlich zusätzliche Maßnahmen oder Komponenten vorgeschrieben, z. B.: An- und Abfahrvorschriften, spezielle Vorvakuumpumpen, Flammendurchschlagsicherungen und Drucksensoren. Die gesamte Anlage muss nach den entsprechenden Ex-Schutz-Vorschriften ausgelegt und betrieben werden.

4.7.3.4 Gasumlaufgekühlte Wälzkolbenpumpen

Gasumlaufgekühlte Wälzkolbenpumpen können ohne Vorpumpe betrieben werden. Große Druckbereiche und sehr hohe Differenzdrücke sind der ideale Einsatzfall für diesen Pumpentyp. Der kontinuierliche Einsatz bei hohen Druckdifferenzen ist möglich, da das durch Verdichtung aufgeheizte Gas druckseitig gekühlt und teilweise wieder in den Schöpfraum zurückgeführt wird. Damit können in Kombination mit Gaskühlern Anwendungen bis Atmosphärendruck realisiert werden. Gasumlaufgekühlte Wälzkolbenpumpen sind in den Größen 500 m³· h^-1 (18,5 kW Antriebsleistung) bis 8.000 m³· h^-1 (200 kW Antriebsleistung) verfügbar.

Für alle Wälzkolbenpumpen der Baureihe OktaLine werden als Zubehör Splitterschutzeinsätze angeboten.

Als Schmiermittel stehen folgende Öle zur Schmierung des Getriebes und der Lager zur Verfügung (Tabelle 4.11):

• Mineralöl P3 (Gebinde von 0,5 l bis 200 l)

• Perfluorpolyether F5 (Gebinde von 0,5 l bis 50 l)

• Diesteröl D1 (Gebinde von 0,5 l bis 200 l)

Vorsicht: Die Öle dürfen untereinander nicht vermischt werden. Die Pumpen sind bei Auslieferung mit einer dieser Ölsorten vorbereitet.

Da viele Wälzkolbenpumpen in Pumpkombinationen eingebaut werden, ist die Integration folgender Zubehörteile bei Bedarf möglich:

• Elektrische Steuerungen

• Messausrüstungen für Temperatur und Druck

• Einrichtungen zur Druckregelung

• Wärmetauscher und Kondensatoren

• Schalldämmkapselungen für Innen- und Außenaufstellungen

• Schalldämpfer

• Staubabscheider

• Spüleinrichtungen

• Schwingungsisolation

• Flüssigkeitsabscheider

• Getrieberaumabsaugung

• Sperrgasversorgung

Messanschlüsse

Bei vielen Wälzkolbenvakuumpumpen besteht die Möglichkeit, an der Saug- und Druckseite der Pumpe Messanschlüsse zu nutzen. Hierzu können z. B. die vorhandenen Verschlussschrauben durch ISO-KF-Einschraub-Kleinflansche ersetzt werden. Dies ermöglicht den Anschluss von entsprechenden Temperatur- und Druckaufnehmern zur Überwachung der Pumpe.

Sperrgasanschluss

Beim Fördern von Lösungsmitteln bzw. von reaktiven Gasen besteht die Gefahr einer starken Verdünnung des Schmiermittels durch Kondensation. Reaktive Gase oder Dämpfe können zusätzlich Teile des Getrieberaumes angreifen. Durch den Einlass eines Sperrgases im Bereich der Wellendurchführung zwischen Arbeits- und Getrieberaum kann diese Gefahr weitgehend vermieden werden. Als Sperrgas werden Inertgase, meist Stickstoff (N²), verwendet.

Getrieberaumabsaugung

Bei allen Prozessen, bei denen große Wälzkolbenvakuum- pumpstände in kurzen Taktzeiten bestimmte Drücke erreichen sollen (Schnellevakuierung), ist es zweckmäßig, die Getrieberäume der Wälzkolbenvakuumpumpe mit einer separaten Vakuumpumpe über je einen Ölabscheider auszupumpen. Dadurch wird eine Strömung des Gases aus dem Getrieberaum in den Schöpfraum vermieden und der gewünschte Arbeitsdruck kann schneller erreicht werden. Ob ein Anschluss der Getrieberäume zur Vorvakuumseite der Wälzkolbenpumpe hin möglich ist, hängt vom gewünschten Arbeitsdruck ab.

Spüleinrichtung

Bei Prozessen, in denen sich in den Schöpfräumen Beläge bilden, kann eine Spüleinrichtung eingesetzt werden. Die Ausführung dieser Einrichtung wird mit dem Kunden individuell je nach Anforderung abgestimmt. Die Spülung bei Standardpumpen erfordert den Einsatz von Sperrgas, sodass die Spülflüssigkeit nicht in die Lager- bzw. Getrieberäume gelangen kann.

Oberflächenschutz

Für den Fall, dass die abzupumpenden Medien korrosiv sind, können die produktberührenden Teile mit einem beständigen Oberflächenschutz versehen werden. Das plasmapolymere Dünnschichtsystem besteht aus einer Haftvermittlerschicht, einer Korrosionsschutzschicht und einer Antihaftbeschichtung. Die Schichtdicke beträgt weniger als 1 µm. Als kurzfristiger Oberflächenschutz, z. B. für Lagerhaltung und Transport, kann der Schöpfraum auf Wunsch phosphatiert, mit Stickstoff geflutet und vakuumdicht verschlossen werden.

Dichtungen

Wälzkolbenvakuumpumpen werden standardmäßig mit O-Ringen aus FKM ausgerüstet. Für Sonderanwendungen können alle Pumpen mit den für den entsprechenden Anwendungsfall erforderlichen O-Ringen bzw. Dichtungswerkstoffen ausgestattet werden.

Pfeiffer Vacuum bietet Standardwälzkolbenpumpstände mit ölgeschmierten einstufigen und zweistufigen Drehschieberpumpen sowie mit einer Auswahl an ölfreien Pumpen an. Für weitergehende Informationen beachten Sie bitte Kapitel 3.1.

Zusätzlich zu den Standardpumpständen legt die Pfeiffer Vacuum-Systemgruppe kundenspezifische Pumpstände (Wälzkolbenpumpstände und Turbopumpstände) aus und fertigt diese.