grundlagen der vakuumtechnik

Grundlagen der Vakuumtechnik

GRUNDLAGEN

dVS = dt

Grund_Titel 20.06.2001 14:28 Uhr Seite 1


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Grundlagen der Vakuumtechnikberarbeitet und zusammengestellt vonDr. Walter Umrathunter Mitwirkung von

Dr. Hermann Adam , Alfred Bolz, Hermann Boy, Heinz Dohmen, Karl Gogol, Dr. Wolfgang Jorisch, Walter Mnning, Dr. Hans-Jrgen Mundinger, Hans-Dieter Otten, Willi Scheer, Helmut Seiger, Dr. Wolfgang Schwarz, Klaus Stepputat, Dieter Urban, Heinz-Josef Wirtzfeld, Heinz-Joachim Zenker

vorwort.qxd 20.06.2001 12:55 Uhr Seite 1

VorwortSeit dem letzten unvernderten Nachdruck der Grundlagen der Vakuumtechnik im Jahre 1987 gab es einerseits bei LEYBOLD eine Reihe von Neuentwicklungen auf diesem Gebiet, wie z.B. dietrockenlaufende Chemiepumpe ALLex, das Kryopumpen-SystemCOOLVAC-FIRST mit Schnellregenerierung, magnetgelagerte Turbo-Molekularpumpen, A-Serie Vakuummeter, die Massenspektro-meter-Transmitter TRANSPECTOR und XPR, Leckdetektoren der UL-Serie, den Leckdetektor ECOTEC 500 fr Kltemittel und beliebigeandere Gase und andererseits wurden in der nun vorliegenden neuenAusgabe der Grundlagen einige Abschnitte viel ausfhrlicher behan-delt als in der alten Version (Restgasanalyse bei niedrigen Drcken, das Messen niedriger Drcke, Druckberwachung, Drucksteuerung undDruckregelung, Lecks und Lecksuche). Neu aufgenommen wurden die Abschnitte Beschichtungsme- und Regelgerte und Anwendungender Vakuumtechnik fr Beschichtungsverfahren. Natrlich war dasAusbildungszentrum Vakuumtechnik von LEYBOLD Kln bei der Zusammenstellung der Unterlagen und der Neufassung vieler Abschnitte auf die Hilfe von Kollegen angewiesen, bei denen ich michhier ausdrcklich bedanken mchte nicht zuletzt bei der AbteilungKommunikation, fr die professionelle Vorbereitung zum Druck. Leiderkonnte Herr Dr. H. Adam, der seinerzeit die allererste Version derGrundlagen zusammengestellt hat, den Druck dieser Auflage nichtmehr erleben. Obwohl schon lange in Pension, hat er noch bis knappvor seinem Tode an den Korrekturen dieser Auflage mitgearbeitet.

Ich hoffe, da dieses Heft in gleicher Weise Anklang findet, wie die alteVersion.

Dr. Walter UmrathKln, im Mrz 1997

Vorwort

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1. VakuumphysikFormelzeichen,Einheiten undDefinitionen . . . . . . . . . . . . . 9

1.1 Vakuumtechnische Grundbegriffe 9

1.2 Die atmosphrische Luft . . . . . . . 12

1.3 Die Gasgesetze und Modellvorstellungen . . . . . . . . . . 12

1.3.1 Kontinuumstheorie . . . . . . . . . . . 121.3.2 Kinetische Gastheorie . . . . . . . . . 13

1.4 Die Druckbereiche der Vakuumtechnik und ihre Charakterisierung . . . . . . . . . . . . 13

1.5 Strmungsarten und Strmungsleitwerte . . . . . . . . . . . 13

1.5.1 Strmungsarten . . . . . . . . . . . . . 131.5.2 Berechnung von

Strmungsleitwerten . . . . . . . . . . 151.5.3 Leitwerte von Rohrleitungen

und ffnungen . . . . . . . . . . . . . . . 151.5.4 Leitwerte anderer Bauelemente . . 16

2. Vakuumerzeugung . . . . . . . 172.1 Vakuumpumpen:

bersicht ber die verschiedenen Arten von Vakuumpumpen . . . . . . 17

2.1.1 Oszillationsverdrnger-Vakuumpumpen . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1.1 Membranpumpen . . . . . . . . . . 172.1.2 Flssigkeitsgedichtete

Rotations-Verdrngerpumpen . . . . 192.1.2.1 Flssigkeitsringvakuumpumpen 192.1.2.2 lgedichtete Rotations-

Verdrngerpumpen . . . . . . . . . . . 192.1.2.2.1 Drehschieberpumpen

(TRIVAC A, TRIVAC B, TRIVAC E, SOGEVAC) . . . . . . . . . . 19

2.1.2.2.2 Sperrschieberpumpen (E-Pumpen) . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.2.2.3 Trochoidenpumpen . . . . . . . . 222.1.2.2.4 Der Gasballast . . . . . . . . . . . 222.1.3 Trockenlaufende

Rotations-Verdrngerpumpen . . . . 252.1.3.1 Wlzkolbenpumpen

(Rootspumpen) . . . . . . . . . . . . . . 252.1.3.2 Klauenpumpen . . . . . . . . . . . . 292.1.3.2.1 Klauenpumpen mit innerer

Verdichtung fr die Halbleiter-industrie (DRYVAC-Reihe) . . . . . 31

2.1.3.2.2 Klauenpumpen ohne innere Verdichtung fr die Chemie (ALLex) . . . . . . . 33

2.1.4 Zubehr zu Rotations-Verdrngerpumpen . . . . . . . . . . . 36

2.1.5 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . 362.1.6 Treibmittelpumpen . . . . . . . . . . . 382.1.6.1 l-Diffusionspumpen . . . . . . . . 392.1.6.2 l-Dampfstrahlpumpen . . . . . . 412.1.6.3 Treibmittel . . . . . . . . . . . . . . . . 422.1.6.4 Treibmittelrckstrmung

und ihre Unterdrckung(Dampfsperren, Baffle) . . . . . . . . . 43

2.1.6.5 Wasserstrahl- und Wasserdampfstrahlpumpen . . . . . 44

2.1.7 Turbo-Molekularpumpen . . . . . . 452.1.8 Sorptionspumpen . . . . . . . . . . . 492.1.8.1 Adsorptionspumpen . . . . . . . . 492.1.8.2 Verdampferpumpen . . . . . . . . . 502.1.8.3 Ionen-Zerstuberpumpen

(IZ-Pumpen) . . . . . . . . . . . . . . . . 502.1.8.4 Massivgetterpumpen

(NEG-Pumpen) . . . . . . . . . . . . . . 522.1.9 Kryopumpen . . . . . . . . . . . . . . . 532.1.9.1 Arten von Kryopumpen . . . . . . 532.1.9.2 Kaltkopf und dessen

Arbeitsweise . . . . . . . . . . . . . . . . 542.1.9.3 Die Refrigerator-Kryopumpe . . . 552.1.9.4 Bindung von Gasen

an Kaltflchen . . . . . . . . . . . . . . . 552.1.9.5 Saugvermgen und

Lage der Kaltflchen . . . . . . . . . . 562.1.9.6 Kenngren einer Kryopumpe . 57

2.2 Auswahl des Pumpverfahrens . . . 592.2.1 bersicht ber die

gebruchlichsten Vakuumverfahren 592.2.2 Abpumpen von Gasen

(trockene Prozesse) . . . . . . . . . . . 602.2.3 Abpumpen von Gasen

und Dmpfen (nasse Prozesse) . . 612.2.4 Trocknungsprozesse . . . . . . . . . 632.2.5 Erzeugung lfreier

(kohlenwasserstoffreier) Vakua . . . 642.2.6 Ultrahochvakuum:

Arbeitstechnik . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.3 Dimensionierung der Vakuumanlage undBestimmung der Pumpengre . . 65

2.3.1 Evakuieren eines Vakuumbehlters (ohne zustzlichen Gas- oder Dampfanfall) . . . . . . . . . . . . 66

2.3.1.1 Evakuieren eines Behlters im Grobvakuumbereich . . . . . . . . 66

2.3.1.2 Evakuieren eines Behlters im Hochvakuumbereich . . . . . . . . 67

2.3.1.3 Evakuieren eines Behlters im Feinvakuumbereich . . . . . . . . . 67

2.3.2 Wahl der geeigneten Vorpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.3.3 Ermittlung von Auspumpzeiten aus Nomogrammen . . . . . . . . . . . 69

2.3.4 Evakuieren eines Behlters bei Anfall von Gasen und Dmpfen 70

2.3.5 Pumpendimensionierung bei Trocknungsprozessen . . . . . . . 70

2.3.6 Flansche und ihre Abdichtungen . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.3.7 Auswahl geeigneter Ventile . . . . . 722.3.8 Gasschleusen und

Verschuventile . . . . . . . . . . . . . . 74

3. Vakuummessung,-berwachung,-steuerung und -regelung . . . . . . . . . . . 74

3.1 Grundstzliches zum Messen niedriger Drcke . . . . . . 75

3.2 Vakuummeter mit gasartunab-hngiger Druckanzeige . . . . . . . . 76

3.2.1 Feder-Vakuummeter . . . . . . . . . . 763.2.2 Membran-Vakuummeter . . . . . . . 763.2.2.1 Kapselfeder-Vakuummeter . . . . 763.2.2.2 DIAVAC Membran-

Vakuummeter . . . . . . . . . . . . . . . 763.2.2.3 Przisions-Membran-

Vakuummeter . . . . . . . . . . . . . . . 773.2.2.4 Kapazitive Vakuummeter . . . . . 773.2.3 Flssigkeits- (Quecksilber-)

Vakuummeter . . . . . . . . . . . . . . . 783.2.3.1 U-Rohr-Vakuummeter . . . . . . . 783.2.3.2 Kompressions-Vakuum-

meter (nach McLeod) . . . . . . . . . . 78

3.3 Vakuummeter mit gasartabhngiger Druckanzeige . 79

3.3.1 Reibungs-Vakuummeter (VISCOVAC) . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.3.2 Wrmeleitungs-Vakuummeter . . 803.3.3 Ionisations-Vakuummeter . . . . . 823.3.3.1 Ionisations-Vakuummeter

mit kalter Kathode(Penning-Vakuummeter) . . . . . . . 82

3.3.3.2 Ionisations-Vakuummeter mit Glhkathode . . . . . . . . . . . . . . 83

3.4 Justieren, Eichen und Kalibrieren; DKD, PTB, Nationale Standards . . . . . . . . . . 85

3.4.1 Beispiele fr fundamentale Druckmemethoden als Standardverfahren zum Kalibrieren von Vakuummetern . . . 86

3.5 Druckberwachung, -steuerung und -regelungin Vakuumbehltern . . . . . . . . . . 87

3.5.1 Grundstzliches zur Druckber-wachung und -steuerung . . . . . . . 87

Inhaltsverzeichnis

5


3.5.2 Automatische Sicherung, berwachung und Steuerung von Vakuumanlagen . . . . . . . . . . . 88

3.5.3 Druckregelung und -Steuerung in Grob- und Feinvakuumanlagen . . . . . . . . 89

3.5.4 Druckregelung in Hoch- und Ultrahochvakuumanlagen . . . 92

3.5.5 Anwendungsbeispiele mit Membranreglern . . . . . . . . . . 92

4. Massenspektrometrische Gasanalyse bei niedrigen Drcken . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.2 Geschichtliches . . . . . . . . . . . . . . 94

4.3 Das Quadrupol-Massenspektrometer (TRANSPECTOR) . . . . . . . . . . . . . 94

4.3.1 Aufbau des Sensors . . . . . . . . . . 954.3.1.1 Die normale (offene)

Ionenquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.3.1.2 Das Quadrupol-Trennsystem . . . 964.3.1.3 Das Nachweissystem

(Detektor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.4 Gaseinla und Druckanpassung . 974.4.1 Dosierventil . . . . . . . . . . . . . . . 974.4.2 Druckwandler . . . . . . . . . . . . . . 974.4.3 Geschlossene Ionenquelle . . . . . 984.4.4 AGM (Aggressiv gas monitor) . . 98

4.5 Massenspektrometrische Kenngren (Spezifikationen) . . . 98

4.5.1 Linienbreite . . . . . . . . . . . . . . . 984.5.2 Massenbereich . . . . . . . . . . . . . 984.5.3 Empfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . 1004.5.4 Kleinster nachweisbarer

Partialdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.5.5 Kleinstes nachweisbares

Partialdruckverhltnis . . . . . . . . . . 1004.5.6 Linearittsbereich . . . . . . . . . . . 1004.5.7 Angaben ber Oberflchen

und Ausheizbarkeit . . . . . . . . . . . . 101

4.6 Auswertung von Spektren . . . . . . 1014.6.1 Ionisierung und grundstzliche

Probleme der Gasanalyse . . . . . . . 1014.6.2 Partialdruckmessung . . . . . . . . . 1034.6.3 Qualitative Gasanalyse . . . . . . . . 1044.6.4 Quantitative Gasanalyse . . . . . . . 105

4.7 Software fr Prozeanwendungen . . . . . . . . . . 106

4.7.1 Standard/DOS Software SQX fr Einzelgerte (1 PC + 1 MS) . . . 106

4.7.2 Multiplex/DOS Software MQX (1 PC + 1...8 MS) . . . . . . . . 106

4.7.3 Prozeorientierte Software Transpector-Ware . . . . . . . . . . . . . 106

4.7.4 Entwicklungssoftware Transpector-View . . . . . . . . . . . . . 106

4.8 Partialdruckregelung . . . . . . . . . . 106

4.9 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5. Lecks und Lecksuche . . . . 1085.1 Leckarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.2 Leckrate, Leckgre, Massenstrom1085.2.1 Die Helium-Standard-

Leckrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.2.2 Umrechnungsformeln . . . . . . . . 110

5.3 Begriffe und Definitionen . . . . . . 110

5.4 Lecksuchmethoden ohne Lecksuchgert . . . . . . . . . . 111

5.4.1 Druckanstiegsprfung . . . . . . . . 1125.4.2 Druckabfallprfung . . . . . . . . . . 1125.4.3 Dichtheitsprfung mit

gasartabhngigen Vakuummetern . 1135.4.4 Blasen-Tauchprfung

(Bubble-Test) . . . . . . . . . . . . . . . 1135.4.5 Blasen-Sprhprfung . . . . . . . . . 1135.4.6 Blasen-Vakuumboxprfung . . . . 1135.4.7 Krypton 85 Prfung . . . . . . . . 1135.4.8 Der Hochfrequenzvakuumprfer . 1135.4.9 Prfung mit chemischen

Reaktionen und Farbeindringprfung114

5.5 Lechdetektoren (LD) und ihre Arbeitsweisen . . . . . . . . 114

5.5.1 Halogen-Leckdetektoren (HLD 4000, D-Tek) . . . . . . . . . . . 114

5.5.2 Leckdetektoren mit Massenspektrometern (MS) . . . . . 115

5.5.2.1 Die Funktionsweise eines Leckdetektors mit MS . . . . . 115

5.5.2.2 Nachweisgrenze, Untergrund, Gasspeicherung im l (Gasballast), gleitende Nullpunkt-unterdrckung . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.5.2.3 Kalibrieren von Leckdetektoren, Prflecks . . . . . . 117

5.5.2.4 Leckdetektoren mit Quadrupol-MS (ECOTEC 500) . 118

5.5.2.5 Helium-Leckdetektoren mit 180-Sektorfeld-MS (UL 100 Plus, UL 200, UL 400, UL 500) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.5.2.6 Hauptstrom- und Gegenstrom-Leckdetektor . . . . . . 119

5.5.2.7 Teilstrombetrieb . . . . . . . . . . . 1205.5.2.8 Anschlu an Vakuumanlagen . . 1205.5.2.9 Zeitkonstante . . . . . . . . . . . . . 121

5.6 Grenzwerte/Spezifikationen des Leckdetektors . . . . . . . . . . . . 121

5.7 Lecksuchtechniken mit Helium-Leckdetektoren . . . . . . . . 122

5.7.1 Sprhtechnik (Lokale Dichtheitsprfung) . . . . . . 122

5.7.2 Schnffeltechnik (Lokale Dichtheitsprfung nach der berdruckmethode) . . . . 122

5.7.3 Hllentests (Integrale Dichtheitsprfung) . . . . . . . . . . . . . 122

5.7.3.1 Hllentest mit Helium-berdruck im Prfling . . . . . . . . . 123

a) Hllentest mit Konzentrationsmessung und anschlieenderLeckratenberechnung . . . . . . . . . 123

b) Direkte Messung der Leckrate mit dem LD (massive Hlle) . . . . . . . . . . . . . . 123

5.7.3.2 Hllentest mit Prfling unter Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . 123

a) Hlle = Plastikzelt . . . . . . . . . . . 123b) Massive Hlle . . . . . . . . . . . . . . . 1235.7.4 Bombing-Test, Drucklagerung

123

5.8 Industrieelle Dichtheitsprfung . . . . . . . . . . . . 123

6. Beschichtungsme- und Regelgerte . . . . . . . . . . . . . 124

6.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.2 Grundlagen der Schichtdickenmessung mit Schwingquarzen . . . . . . . . . . 124

6.3 Die Form der Schwingquarzkristalle . . . . . . . . . 125

6.4 Die Periodenmessung . . . . . . . . . 126

6.5 Die Z-Match Technik . . . . . . . . . . 126

6.6 Der aktive Oszillator . . . . . . . . . . 127

6.7 Der Mode-Lock Oszillator . . . . . . 128

6.8 Auto-Z Match Technik . . . . . . . . . 128

6.9 Schichtdickenregelung . . . . . . . . 129

6.10 Leybold-Inficon Gertevarianten . 131

Inhaltsverzeichnis

6


7. Anwendungen der Vakuum-Beschichtungs-verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 132

7.1 Vakuumbeschichtungstechnik . . . 132

7.2 Beschichtungsquellen . . . . . . . . . 1327.2.1 Thermische Verdampfer

(Schiffchen etc.) . . . . . . . . . . . . . 1327.2.2 Elektronenstoverdampfer

(Elektronenkanonen) . . . . . . . . . . 1337.2.3 Kathodenzerstubung

(Sputtern) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.2.4 Chemische Dampfabscheidung

(PVD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.3 Vakuumbeschichtungs-verfahren/Anlagentypen . . . . . . . 134

7.3.1 Teilebeschichtung . . . . . . . . . . . 1347.3.2 Bandbeschichtung . . . . . . . . . . . 1357.3.3 Optische Schichten . . . . . . . . . . 1367.3.4 Glasbeschichtung . . . . . . . . . . . 1367.3.5 Anlagen fr die Herstellung von

Datenspeichern . . . . . . . . . . . . . . 137

8. Betriebshinweise frVakuumapparaturen . . . . . 139

8.1 Fehlerursachen bei nicht- oder zu sptem Erreichen des gewnschten Enddruckes . . . 139

8.2 Verschmutzung von Vakuum-behltern und ihre Beseitigung . . 139

8.3 Allgemeine Hinweise fr Vakuumpumpen und Vakuummegerte . . . . . . . . 139

8.3.1 lgedichtete Rotations-verdrngerpumpen(Dreh- und Sperrschieberpumpen) 139

8.3.1.1 lverbrauch, lverschmutzung, lwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8.3.1.2 Wahl des Pumpenls beim Abpumpen aggressiver Dmpfe . . 140

8.3.1.3 Manahmen beim Abpumpen verschiedener chemischer Sub-stanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8.3.1.4 Betriebsfehler bei Gasballast-pumpen; mgliche Fehlerquellen bei Nichterreichen des geforderten Enddruckes . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

8.3.2 Wlzkolbenpumpen (Rootspumpen) . . . . . . . . . . . . . . 142

8.3.2.1 Allgemeine Betriebshinweise, Aufstellung und Inbetriebnahme . . 142

8.3.2.2 lwechsel, Wartungsarbeiten . . 1428.3.2.3 Hinweise bei Betriebsstrungen 1438.3.3 Turbo-Molekularpumpen . . . . . . 143

8.3.3.1 Allgemeine Betriebshinweise . . 1438.3.3.2 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . 1438.3.4 Diffusions- und

Dampfstrahlpumpen . . . . . . . . . . . 1448.3.4.1 Treibmittelwechsel und

Reinigen der Pumpe . . . . . . . . . . . 1448.3.4.2 Betriebsfehler bei Diffusions-

und Dampfstrahlpumpen . . . . . . . 1448.3.5 Adsorptionspumpen . . . . . . . . . . 1448.3.5.1 Verringerung der

Adsorptionskapazitt . . . . . . . . . . 1448.3.5.2 Auswechseln des

Molekularsiebes . . . . . . . . . . . . . . 1458.3.6 Titan-Verdampferpumpen . . . . . . 1458.3.7 Ionenzerstuberpumpen . . . . . . . 145

8.4 Hinweise zum Arbeiten mit Vakuummetern . . . . . . . . . . . 145

8.4.1 Hinweise zum Einbau von Vakuummeter-Mesystemen 145

8.4.2 Verschmutzungen des Me-systems und ihre Beseitigung . . . 145

8.4.3 Einflu magnetischer und elektrischer Felder . . . . . . . . . . . 146

8.4.4 Verbindungen, Netzgerte, Mesysteme . . . . . . . . . . . . . . . 146

9. Tabellen, Formeln, Nomogramme, Diagramme, Bildzeichen . . . . . . . . . . . . . . 147

Tab I Die gesetzlichen Druckenheiten, sowie das Torr und ihre Umrechnung . . 147

Tab II Umrechnung von Druckeinheiten . . . . . . . . 147

Tab III Mittlere freie Weglnge . . . . . 147Tab IV Wichtige gaskinetische

Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . 147Tab V Wichtige Zahlenwerte . . . . . . 148Tab VI Saugvermgenseinheiten

und ihre Umrechnung . . . . . . 148Tab VII Umrechnung von(a,b) pV-Durchflu- und

Massendurchflu-Einheiten . . 148Tab VIII Zusammensetzung

der atmosphrischen Luft . . . 149Tab IX Druckbereiche der

Vakuumtechnik und ihre Charakterisierung . . . . . 149

Tab X Gasabgabe von Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . 149

Tab XI Nennweiten und Innendurch-messer von Rohren und ffnungen mit Kreisquerschnitt(nach PNEUROP) . . . . . . . . . 149

Tab XII Einige gebruchliche Lsungsmittel . . . . . . . . . . . 149

Tab XIII Sttigungsdampfdruck und Dampfdichte von Wasser . . . 150

Tab XIV Explosionsklassenvon Fluiden . . . . . . . . . . . . . 151

Tab XV Chemische Bestndigkeit gebruchlicher gummi-elastischer Dichtungs-werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . 152

Tab XVI Bildzeichen der Vakuumtechnik . . . . . . . . . . . 153

Tab XVII Temperaturvergleichs- und Umrechnungstabelle . . . . . . . 155

Abb. 9.1 Abhngigkeit der Mittleren freien Weglnge vom Druck p fr verschiedene Gase bei 20C . . . . . . . . . . . 155

Abb. 9.2 Gaskinetisches Diagramm fr Luft und 20C . . . . . . . . . 155

Abb. 9.3 Abnahme des Luftdruckes und nderung der Temperatur mit der Entfernung von der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Abb. 9.4 nderung der Gaszusammen-setzung der Atmosphremit der Entfernung von der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Abb. 9.5 Leitwerte von Rohren blicher Nennweiten mit Kreisquerschnitt fr Laminarstrmung . . . . . . . . . 156

Abb.9.6 Leitwerte von Rohren blicher Nennweiten mitKreisquerschnitt fr Molekularstrmung . . . . . . . 156

Abb. 9.7 Nomogramm zur Ermittlungder Auspumpzeit tp eines Behlters im Grobvakuumgebiet . . . . . . . . 157

Abb. 9.8 Nomogramm zur Ermittlung der Leitwerte von Rohren mitkreisfrmigem Querschnitt fr Luft bei 20C im Gebiet der Molekularstrmnung . . . 158

Abb. 9.9 Nomogramm zur Ermittlung der Leitwerte von Rohrleitungen im gesamten Druckgebiet . . . 159

Abb. 9.10 Ermittlung der Auspumpzeit im Feinvakuumgebiet unter Bercksichtigung der Gas-abgabe von den Wnden . . . 160

Abb.9.11 Sttigungsdampfdruck verschiedener Stoffe . . . . . . . 161

Abb. 9.12 Sttigungsdampfdruck von Treibmitteln fr l- und Queck-silber-Treibmittelpumpen . . . 161

Inhaltsverzeichnis

7


Abb. 9.13 Sttigungsdampfdruck vakuumtechnisch wichtiger Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Abb. 9.14 Dampfdruck von nicht-metallischen Dichtungs-mitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

Abb. 9.15 Sttigungsdampfdruck von Substanzen bei sehrniedrigen Temperaturen . . . . 162

Abb 9.16 Gebruchliche Arbeitsbereiche von Vakuumpumpen . . . . . . 162

Abb. 9.16a Mebereiche gebruchlicher Vakuummeter . . . . . . . . . . . . 163

Abb 9.17 Spezifischer Rauminhalt von Wasserdampf . . . . . . . . 164

Abb 9.18 Elektrische Durchbruch-spannung fr Luft (Paschenkurve) . . . . . . . . . . 164

Abb 9.19 Phasendiagramm von Wasser . . . . . . . . . . . . . 165

10. Die gesetzlichen Einheiten in der Vakuumtechnik . . . 166

10.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

10.2 Alphabetische Liste von Gren, Formelzeichen und Einheiten, die in der Vakuumtechnik und ihren Anwendungen hufig vorkommen 166

10.3 Anmerkungen zur alphabetischen Liste des Abschnittes 10.2 . . . . . 169

10.4 Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17010.4.1 SI Basiseinheiten . . . . . . . . . . 17010.4.2 Abgeleitete kohrente

SI-Einheiten mit besonderen Namen und Einheitenzeichen . . . . 170

10.4.3 Atomphysikalische Einheiten . . . 17010.4.4 Abgeleitete, nicht kohrente

SI-Einheiten mit besonderen Namen und Einheitenzeichen . . . . 170

11. Vakuumtechnisch wichtige nationale und internationaleNormen und Empfehlungen . . . . . . . . . . . 171

11.1 In der Vakuumtechnik besonders zu beachtende nationale und internationale Normen und Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . 171

12. Literaturverzeichnis . . . . . 176

13. Stichwortverzeichnis . . . . 185

Inhaltsverzeichnis

8


1. Gren, derenFormelzeichen, Einheiten und Definitionen (Vergleiche DIN 28400, Teil 1,1990, DIN 1314 und DIN 28402)

1.1 VakuumtechnischeGrundbegriffe

Druck p (mbar) von Fluiden (Gasen, Flssigkeiten). (Gre:Druck; Formelzeichen: p; Einheit: Millibar;Einheitenzeichen: mbar). Der Druck ist nachDIN 1314 definiert als Quotient von Normal-kraft auf die Flche und Inhalt dieser Flche(Flchenbezogene Kraft). Wenn auch dasTorr als Einheit fr den Druck nicht mehrverwendet wird (siehe Abschnitt 10), so solldennoch kurz die Anschaulichkeit dieserDruckeinheit erwhnt werden: 1 Torr ist der-jenige Gasdruck, der eine Quecksilbersulebei 0C um 1 mm zu heben vermag. (Dernormale Atmosphrendruck betrgt 760Torr oder 760 mm Hg). Der Druck p kanndurch Indices nher gekennzeichnet werden:

Absoluter Druck pabsIn der Vakuumtechnik wird stets der abso-lute Druck angegeben, so da der Indexabs im allgemeinen entfallen kann.

Totaldruck ptDer Totaldruck in einem Behlter setzt sichaus der Summe der Partialdrcke (Teildrk-ke) aller darin befindlichen Gase und Dmp-fe zusammen.

Partialdruck piDer Partialdruck eines bestimmten Gasesoder Dampfes ist derjenige Druck, den die-ses Gas bzw. dieser Dampf haben wrde,wenn sie allein im Behlter vorhandenwren. Wichtiger Hinweis: Unter Partialdruck ineinem Gas-Dampf-Gemisch wird ins-besondere in der Grobvakuumtechnik oftdie Summe der Partialdrcke aller im Ge-misch vorhandenen, nicht kondensierbarenKomponenten verstanden; zum Beispiel beidem Partialenddruck einer Drehschie-berpumpe.

Sttigungsdampfdruck psDer Druck des gesttigten Dampfes heitSttigungsdampfdruck ps. Bei einem gege-benem Stoff ist ps eine Funktion der Tem-peratur.

Dampfdruck pdAnteiliger Druck der bei Temperatur vonflssigem Stickstoff (LN2) kondensierbarenDmpfe.

Normdruck pnUnter Normdruck pn versteht man nachDIN 1343 den Druck pn = 1013,25 mbar.

Enddruck pendDer in einem Vakuumbehlter erreichbareniedrigste Druck, der sogenannte Enddruckpend, wird nicht nur vom Saugvermgen derPumpe, sondern auch von dem Dampf-druck pd der in der Pumpe verwendetenSchmier-, Dichtungs- und Treibmittel mit-bestimmt. Wird ein Behlter beispielswei-se lediglich mit einer lgedichteten Ver-drngerpumpe evakuiert, so wird der er-reichbare Enddruck in erster Linie durchden Dampfdruck des verwendeten Pum-penls, je nach Sauberkeit des Behltersauerdem noch durch die von den Behl-terwnden abgegebenen Dmpfe und na-turgem auch von der Dichtheit des Vaku-umbehlters bestimmt.

Umgebungsdruck pamboder Atmosphrendruck (absolut)

berdruck pe(Index aus dem Englischen: excessive)

pe = pabs pamb

Dabei bedeuten positive Werte von pe ber-druck und negative Unterdruck.

Arbeitsdruck parbBeim Evakuieren eines Behlters werdenaus diesem Gase und/oder Dmpfe ent-fernt. Dabei verstehen wir unter Gas Mate-rie in gasfrmigem Zustand, die bei der Be-triebstemperatur nicht kondensierbar ist.Dampf ist ebenfalls Materie in gasfrmigemZustand, die aber bei den herrschendenTemperaturen kondensierbar ist. Gesttig-ter Dampf schlielich ist Materie, die beider herrschenden Temperatur als Gas mitder flssigen Phase des gleichen Stoffesim Gleichgewicht steht. Eine strenge Un-terscheidung zwischen Gasen und Dmp-fen wird an den folgenden Textstellen nurdann gemacht, wenn es zum Verstndniserforderlich ist.

Teilchenanzahldichte n (cm-3)Die volumenbezogene Anzahl n der Gasteil-chen ist nach der kinetischen Gastheorie

vom Druck p und der thermodynamischenTemperatur T abhngig gem

p = n k T (1.1)

n. . . Teilchenanzahldichtek. . . Boltzmann-Konstante.

Bei einer bestimmten Temperatur ist dem-nach der Druck eines Gases lediglich vonder Teilchenanzahldichte, nicht aber vonder Gasart abhngig. Die Art eines gasfr-migen Teilchens wird unter anderem durchseine Masse mT charakterisiert.

Gasdichte (kg m-3, g cm-3)Das Produkt aus Teilchenanzahldichte nund Teilchenmasse mT ist die Gasdichte :

= n mT (1.2)

Das ideale GasgesetzZwischen der Masse mT eines Gasteilchensund der molaren Masse M dieses Gasesbesteht die Beziehung

M = NA mT (1.3)

Die Avogadro-Konstante NA gibt an, wievielGasteilchen in einem Mol Gas enthaltensind. Darber hinaus ist sie der Proportio-nalittsfaktor zwischen Gaskonstante R undBoltzmann-Konstante k:

R = NA k (1.4)

Aus den vorstehenden Gleichungen (1.1)bis (1.4) folgt unmittelbar der Zusammen-hang zwischen dem Druck p und der Gas-dichte eines idealen Gases

p = R TM

(1.5)

In der Praxis wird hufig ein bestimmtesabgeschlossenes Volumen V betrachtet, indem sich das Gas unter einem bestimmtenDruck p befindet. Ist m die Masse desGases, die sich in dem Volumen befindet,so ist

=mV

(1.6)

Aus Gleichung (1.5) folgt damit unmittelbardie Allgemeine Zustandsgleichung fr idea-le Gase

p V = m R T = R TM (1.7)

Hier ist der Quotient m/M die Anzahl der imVolumen V befindlichen Mole .

Vakuumphysik

9

Grundlagen 20.06.2001 12:13 Uhr Seite 9

Fr m/M = 1, also fr 1 Mol gilt die ein-fachere Form:

p V = R T (1.7a)

Das folgende Zahlenbeispiel mge, unterBenutzung der Zahlenwerte in Tabelle IV(Abschnitt 9), den Zusammenhang zwi-schen Masse des Gases und Druck beiGasen mit unterschiedlicher molarer Masseveranschaulichen. In einem 10-Liter Volu-men sei bei 20C

a) 1g Heliumb) 1g Stickstoff

enthalten. Bei Verwendung der Gleichung(1.7) ergibt sich dann mit V = 10 , m = 1g, R = 83,14 mbar ` mol1 K1, T= 293 K (20C)

im Falle a) mit M = 4 g mol1 (einatomi-ges Gas):

im Falle b) mit M = 28 g mol1 (zweiato-miges Gas):

Hieraus ergibt sich, paradox erscheinend,da eine bestimmte Masse eines leichtenGases einen hheren Druck ausbt als diegleiche Masse eines schwereren Gases. Be-rcksichtigt man jedoch, da bei gleicherGasdichte (siehe Gleichung 1.2) mehr Teil-chen eines leichten Gases (groes n, klei-nes m) vorhanden sind als beim schwerenGas (kleines n, groes m), so wird das Er-gebnis verstndlich, weil fr die Hhe desDruckes bei gleicher Temperatur (sieheGleichung 1.1) nur die Teilchenanzahldich-te n magebend ist.

Hauptaufgabe der Vakuumtechnik ist, dieTeilchenanzahldichte n in einem vorgege-benen Volumen V zu verringern. Bei kon-stanter Temperatur kommt dies immer einerErniedrigung des Gasdruckes p gleich. Esmu an dieser Stelle aber ausdrcklich dar-auf hingewiesen werden, da sich eineDruckerniedrigung (unter Beibehaltung desVolumens) nicht nur durch eine Verringe-rung der Teilchenanzahldichten n sondern(gem Gleichung 1.5) auch durch Ernied-rigung der Temperatur T bei gleichbleiben-der Gasdichte erreichen lt. Dieser wichti-

mbar=

=

86,5

pg mbar mol K K

K g mol=

1 83 14 293

10 28

1 1

1

,

`

`

mbar=

=

605

pg mbar mol K K

K g mol=

1 83 14 293

10 4

1 1

1

,

`

`

ge Sachverhalt mu immer dann berck-sichtigt werden, wenn im Volumen V nichtberall die gleiche Temperatur herrscht.

In der Vakuumtechnik werden die folgen-den wichtigen Begriffe hufig benutzt:

Volumen V ( , m3, cm3)Mit Volumen wird a) der rein geometrische, meist vorgege-bene, ausrechenbare Rauminhalt eines Va-kuumbehlters oder einer ganzen Vakuum-anlage einschlielich der Leitungen undVerbindungsrume bezeichnet.b) das druckabhngige Volumen einesGases oder Dampfes, das z.B. durch einePumpe gefrdert oder durch ein Sorptions-mittel sorbiert wird.

Volumendurchflu (Volumenstrom) qv( /s, m3/h, cm3/s )Volumendurchflu bezeichnet das Volumendes pro Zeiteinheit durch ein Leitungsele-ment bei dem jeweils herrschenden Druckund der jeweils herrschenden Temperaturstrmenden Gases. Dabei mu man sichklar machen, da je nach Druck und Tem-peratur die Anzahl der gefrderten Teilchenbei gleichem Volumendurchflu verschie-den ist.

Saugvermgen S ( /s, m3/h, cm3/s )Das Saugvermgen einer Pumpe ist derVolumendurchflu durch die Ansaugff-nung der Pumpe.

(1.8a)

Bleibt S whrend des Pumpvorganges kon-stant, so kann man statt des Differential-quotienten den Differenzenquotienten set-zen:

(1.8b)

(Eine Umrechnungstabelle fr die verschie-denen Einheiten des Saugvermgens be-findet sich in Abschnitt 9, Tabelle VI).

Gasmenge (pV-Wert), ( mbar )Die Menge eines Gases kann man durchseine Masse oder sein Gewicht in den b-lichen Masse- oder Gewichtseinheiten an-geben. In der vakuumtechnischen Praxisist jedoch das Produkt pV oft interessan-ter als Masse oder Gewicht einer Gasmen-ge. Es hat die Dimension einer Energie und

S Vt

=

S dVdt

=

wird in Millibar Liter (mbar ) angegeben(Gleichung 1.7). Bei Kenntnis von Gasartund Temperatur lt sich an Hand von Glei-chung 1.7b die Masse m der Gasmengeaus dem Produkt pV errechnen:

(1.7)

(1.7b)

In der Praxis spricht man meistens, nichtganz richtig, von der Gasmenge p Veines bestimmten Gases. Diese Angabe istunvollstndig: stillschweigend wird dabeidie Gastemperatur T, meist die Zimmertem-peratur (293 K), als bekannt vorausgesetzt.

Beispiele: Die Masse von 100 mbar `Stickstoff (N2) bei Zimmertemperatur (ca.300 K) ist:

Analog dazu bei T = 300 K:

Die pro Zeiteinheit durch ein Leitungsele-ment strmende Gasmenge kann man entsprechend den beiden oben beschriebe-nen Begriffen fr Gasmengen auf zweier-lei Weise angeben und zwar als:

Massendurchflu qm (kg/h, g/s), auch Massenstrom genannt,wobei dies die zeitbezogene Masse einesGases ist, die durch ein Leitungselementstrmt

oder als

pV-Durchflu qpV (mbar ` s1), auch pV-Strom genannt.Der pV-Durchflu ist das Produkt ausDruck und Volumen einer durch ein Lei-tungselement strmenden Gasmenge divi-diert durch die Zeit, also:

( )q

p Vt

d p VdtpV

=

=

qmtm

=

70 1 31 10 1mbar Ar g Ar = ` ,

1 1 28 1023

2mbar O g O = ` ,

mmbar g mol

mbar mol K K=

100 28

83 300

1

1 1`

`

g g=

=

=

2800300 83

0 113,

m p V MR T

=

p V mM

R T =

Vakuumphysik

10


Der pV-Strom ist ein Ma fr den Massen-strom des Gases, wobei die Temperatur an-zugeben ist.

Saugleistung einer Pumpe qpVDie Saugleistung einer Pumpe ist entwedergleich dem Massendurchflu durch die An-saugffnung der Pumpe:

(1.9)

oder gleich dem pV-Durchflu durch dieAnsaugffnung der Pumpe:

(1.10)

meist angegeben in mbar s1. Hierin istp der Druck auf der Ansaugseite derPumpe. Sind p und V auf der Ansaugseiteder Pumpe konstant, so ist die Sauglei-stung dieser Pumpe durch die einfache Be-ziehung

qpV = p S (1.10a)

gegeben, wobei S das Saugvermgen die-ser Pumpe beim Ansaugdruck p ist.

(Die Saugleistung einer Pumpe wird viel-fach auch mit Q bezeichnet)

Der Begriff der Saugleistung ist in der Pra-xis von groer Bedeutung und darf nichtmit dem Saugvermgen verwechselt wer-den! Die Saugleistung ist die von derPumpe in der Zeiteinheit abtransportierteGasmenge in mbar /s; das Saugvermgenist die von der Pumpe in der Zeiteinheit zurVerfgung gestellte Transportkapazitt inm3/h oder /s.

Die Saugleistung ist wichtig fr die Bestim-mung der Gre einer Vorpumpe im Ver-hltnis zur Gre einer in Reihe geschalte-ten Hochvakuumpumpe um sicherzustel-len, da das von der Hochvakuumpumpegefrderte Gas sicher von der Vorvakuum-pumpe bernommen werden kann(siehe Abschnitt 2.32).

Strmungsleitwert L ( s1)Der pV-Durchflu durch ein beliebiges Lei-tungselement, z.B. Rohr- oder Schlauchlei-tungen, Ventile, Dsen, ffnungen in einerWand zwischen zwei Behltern usw., ist ge-geben durch

qpV = L(p1 p2) = p L (1.11)

Hierin ist p = (p1 p2) die Differenz derDrcke am Ein- und Ausgang des Leitungs-

qp V

tpV =

qmtm

=

elementes. Der Proportionalittsfaktor Lwird als Strmungsleitwert oder kurz alsLeitwert bezeichnet. Er ergibt sich aus derGeometrie des Leitungselementes und istin einigen Fllen einfacher Anordnungen er-rechenbar (siehe Abschnitt 1.5)

Im Gebiet des Hoch- und Ultrahochvaku-ums ist L eine druckunabhngige Konstan-te, im Gebiet des Grob- und Feinvakuumsaber eine vom Druck abhngige Gre. In-folgedessen mu die Berechnung von L frdie Leitungselemente in den einzelnenDruckbereichen getrennt durchgefhrt wer-den (nheres hierber siehe Abschnitt 1.5)

In Anlehnung an die Definition des Volu-mendurchflusses kann man auch sagen:Der Leitwert L ist der Volumendurchfludurch ein Leitungselement. Die Gleichung(1.11) kann man als Ohmsches Gesetzder Vakuumtechnik bezeichnen, in demqpV dem Strom, p der Spannung und Ldem elektrischen Leitwert entspricht. InAnalogie zum Ohmschen Gesetz der Elek-trizittslehre ist der Strmungswiderstand

als reziproker Wert des Stmungsleitwerteseingefhrt worden. Die Gleichung (1.11) ltsich dann umschreiben in:

(1.12)

Daraus folgt unmittelbar fr die Serien-schaltung:

Wges = W1 + W2 + W3 . . . (1.13)

Bei Parallelschaltung gilt:

(1.13a)

Leckrate qL (mbar s1)Nach der obigen Definition ist es ohneweiteres verstndlich, da die Gre einerGasstrmung durch Lecks, also durchunerwnschte Leitungselemente, auch inmbar s1 angegeben wird. Eine Leckratewird oft unter der Bedingung gemessenoder angegeben, da auf der einen Seitedes Lecks Atmosphrendruck und auf deranderen Vakuum (p

Gasteilchen im Mittel zwischen zwei Zu-sammensten mit anderen Teilchen zu-rcklegt, die sogenannte mittlere freie Weg-lnge , werden als Funktion der mittlerenTeilchengeschwindigkeit c, des Teilchen-durchmessers 2r und der Teilchenanzahl-dichte n in sehr guter Nherung wiefolgt beschrieben:

(1.16)

mit (1.17)

und (1.18)

Hiernach ist die mittlere freie Weglnge der Teilchenanzahldichte n und damit, ge-m Gleichung (1.1), dem Druck p umge-kehrt proportional. Bei konstanter Tempera-tur T gilt daher fr jedes Gas die Beziehung

p = const (1.19)

Zur Berechnung der mittleren freien Weg-lnge fr beliebige Drcke bei verschie-denen Gasen dienen die Tabelle III sowiedas Diagramm 9.1 im Abschnitt 9. An glei-cher Stelle sind die wichtigsten Gleichun-gen der Gaskinetik fr die Vakuumtechnikzusammengestellt (Tabelle IV).

Flchenstorate zA (cm2 s1) und Bedeckungszeit (s)Zur Kennzeichnung des Druckzustandes imUltrahochvakuum-Bereich wird hufig dieZeitdauer angegeben, die zum Aufbau einermonomolekularen oder monoatomarenSchicht auf einer gasfreien Oberflcheunter der Voraussetzung bentigt wird, dajedes Teilchen auf der Oberflche haftenbleibt. Diese Bedeckungszeit hngt eng mitder sogenannten Flchenstorate zA zusam-men. Bei einem ruhenden Gas gibt die Fl-chenstorate die Anzahl der Teilchen an, dieje Zeit- und Flcheneinheit auf die Oberfl-che im Vakuumbehlter auftreffen:

(1.20)

Ist a die Anzahl der fr ein bestimmtes Gasaufnahmefhigen Oberflchenpltze je Fl-cheninhalt, so ist die Bedeckungszeit

(1.21) = =

az

an cA

4

z n cA =4

( )

=

1

2 2 2n r

c k Tm

R TMT

=

=

8 8

z c=

Volumen-Storate zV (cm3 s1)Dies ist das Produkt aus Storate z undhalber Teilchenanzahldichte n, da der Zu-sammensto von zwei Teilchen nur als einSto zu zhlen ist:

(1.21a)

1.2 Die atmosphrische Luft

Jede auf der Erde befindliche Vakuumanla-ge enthlt vor ihrem Auspumpen Luft undist whrend ihres Betriebes stets von Luftumgeben. Daher ist es notwendig, die phy-sikalischen und chemischen Eigenschaftender atmosphrischen Luft zu kennen.

Die Atmosphre besteht aus einer Reihevon Gasen, zu denen in der Nhe der Erd-oberflche noch Wasserdampf hinzu-kommt. Der Druck der Luftatmosphre wirdauf Meeresniveau bezogen. Die durch-schnittliche Hhe diese Druckes betrgt1013 mbar (gleich der frher verwendetenphysikalischen Atmosphre). In der TabelleVIII, Abschnitt 9 ist die Zusammensetzungder Normalatmosphre mit einer relativenFeuchtigkeit von 50% bei einer Temperaturvon 20C angegeben. Vakuumtechnisch istbei der Zusammensetzung der Luft beson-ders zu beachten:

a) Der je nach Feuchtigkeitsgehalt in derLuft enthaltene Wasserdampf, der bei einemAuspumpen einer Vakuumanlage eine be-sondere Rolle spielt (siehe Abschnitt 2.2.3).

b) Der erhebliche Anteil des EdelgasesArgon, der in Zusammenhang mit Aus-pumpvorgngen durch Sorptionspumpenzu beachten ist (siehe Abschnitt 2.1.8).

c) Trotz des geringen Gehaltes von nuretwa 5ppm (parts per million) Helium in derLuft macht sich dieses Edelgas besondersbei solchen Ultrahochvakuum-Anlagen be-merkbar, die mit Viton gedichtet sind oderaus Glas bzw. Quarz bestehen. Helium ver-mag durch diese Stoffe in mebarer Mengezu diffundieren.

Mit der Hhe ber der Erdoberflche nimmtder Druck der atmosphrischen Luft ab(siehe Abb 9.3 in Abschnitt 9). In etwa 100km Hhe besteht Hochvakuum, oberhalb400 km Ultrahochvakuum. Auch die Zu-sammensetzung der Luft ndert sich mitder Entfernung von der Erdoberflche(siehe Abb. 9.4 in Abschnitt 9).

z n zV = 2

1.3 Die Gasgesetze und Modell-vorstellungen

1.3.1 Kontinuumstheorie:

Modellvorstellung: Gas ist giebar undstrmt hnlich wie eine Flssigkeit (Fluid).Die Kontinuumstheorie und die folgendeZusammenstellung der Gasgesetze beruhtauf Erfahrung und kann alle Vorgnge inGasen in der Nhe des Atmosphrendruk-kes erklren. Erst als es gelang, Gase durchimmer bessere Vakuumpumpen so sehr zuverdnnen, da die mittlere freie Wegln-ge weit ber die Gefabmessungen an-stieg, waren weitergehende Annahmenntig, die schlielich zur kinetischen Gas-theorie gefhrt haben. Die kinetische Gas-theorie gilt im gesamten Druckgebiet, dieKontinuumstheorie stellt den (historisch l-teren) Sonderfall der Gasgesetze fr atmo-sphrische Bedingungen dar.

Zusammenstellung der wichtigsten Gas-gesetze (Kontinuumstheorie)

Gesetz von Boyle-Mariotte

p V = konst.

fr T = konstant (isotherm)

Gesetz von Gay-Lussac (Charles)

fr p = konstant (isobar)

Gesetz von Amonton

fr V = konstant (isochor)

Gesetz von Dalton

Gesetz von Poisson

p V = konst

(adiabatisch)

Gesetz von Avogadro

mV

mV

M M11

2

21 2: :=

p ptotalii=

p p t= + 0 1( )

V V t= + 0 1( )

Vakuumphysik

12


Allgemeine Gasgleichung

auch: Zustandsgleichung fr ideale Gase(aus der Kontinuumstheorie)

Van der Waals-Gleichung

a, b = Konstante (Binnendruck, Kovolumen)Vm = molares Volumen oder Molvolumenauch: Zustandsgleichung fr reale Gase

Clausius-Clapeyronsche Gleichung

L = Verdampfungswrme,T = VerdampfungstemperaturVm,d, Vm,fl = Molvolumen von Dampf

bzw. Flssigkeit

1.3.2 Kinetische Gastheorie

Nach dem Siegeszug der atomistischenWeltanschauung verbunden mit demZwang die Vorgnge in stark verdnntenGasen zu erklren (wo die Kontinuums-theorie versagt) wurde die KinetischeGastheorie entwickelt. Mit ihrer Hilfe kannnicht nur die allgemeine Gasgleichung aufanderem Weg hergeleitet werden, sondernauch viele andere Gaskinetische Grenwie Stozahlen, mittlere freie Weglnge,Wiederbedeckungszeit, Diffusionskonstan-te und viele andere Gren berechnet wer-den.

Modellvorstellungen/Grundannahmen:

1. Atome/Molekle sind punktfrmig,2. Krfte unter diesen werden nur bei

Sten bertragen, 3. die Ste sind elastisch, 4. molekulare Unordnung.

Ein besonders vereinfachtes Modell stammtvon Krnig: In einem Wrfel sind N Teil-chen, die zu je 1/6 mit der Geschwindigkeitc auf die Wrfelflchen zufliegen; ist dieKantenlnge des Wrfels 1 cm so sind inihm n Teilchen (Teilchenanzahldichte); proZeiteinheit erreichen n c t/6 Moleklejede Wand, wo die Impulsnderung je Mo-lekl wegen der Richtungsnderung um180 gleich 2 mT c ist. Die Summe der

L T dpdT

V Vm d m fl

= ( ), ,

( ) ( )p aV

V b R Tm

m+ = 2

p V mM

R T R T = =

Impulsnderungen aller auftreffenden Mo-lekle ergibt die auf diese Wand wirkendeKraft bzw. den pro Flcheneinheit auf dieWand wirkenden Druck.

mit

wird daraus

Allgemeine Gasgleichung(aus der kinetische Gastheorie)

Ersetzt man c2 durch c2, so ergibt ein Ver-gleich dieser beiden allgemeinen Gas-gleichungen:

oder

Der Klammerausdruck auf der linken Seiteist die Bolzmann-Konstante k, der auf derrechten Seite ein Ma fr die mittlere kine-tische Energie der Molekle:

Bolzmann-Konstante

Mittlere kinet. Energie der Molekle

also

In der Form gibt die Gasgleichung eine gas-kinetische Deutung der Temperatur!

Die Teilchenmasse ist

darin ist NA die Avogadro-Konstante (fr-her: Loschmidtsche Zahl).

Avogadro-Konstante

NA = 6,022 1023 mol1

Fr 1 Mol ist und

V = Vm = 22,414 `(Molvolumen);

mTM

=1

m MN

Masse molTeilchen molT A

= = //

p V n k T N E kin = = 23

E kinmT c=

2

2

km

TR

MJK

=

= 13810 23, .

p V NmT R

MT N

mT c =

=

( ) ( )23 2

2

p V mM

R T N mT c = = 13

2

p V N mT c = 13

2

n NV

=

n c mT c n c mT p62 1

32 = =

Damit ergibt sich bei Normalbedingungen(Tn = 273,15 K und pn = 1013,25 mbar) ausder Allgemeinen Gasgleichung

fr die Allgemeine Gaskonstante

1.4 Die Druckbereiche derVakuumtechnik und ihreCharakterisierung

(siehe hierzu auch Tabelle IX in Abschnitt 9)In der Vakuumtechnik ist es blich, dengroen Druckbereich, der mehr als 16 Zeh-nerpotenzen umfat, in einzelne, kleinereBereiche zu unterteilen, die man im all-gemeinen wie folgt begrenzt:

Grobvakuum (GV) 1000 1 mbarFeinvakuum (FV) 1 103 mbarHochvakuum (HV) 103 107 mbarUltrahochvakuum (UHV) 107 (1014) mbar

Dieser Einteilung haftet natrlich eine ge-wisse Willkr an. So bezeichnet vor allemder Chemiker das ihn interessierende Ge-biet zwischen 100 und 1 mbar hufig alsZwischenvakuum und manch ein Technikerspricht im gesamten Vakuumbereich nichtvon Vakuum, sondern von Unterdruck. Dieoben aufgefhrten Druckbereiche lassensich aber recht gut durch Betrachtung gas-kinetischer Zusammenhnge und nach Artder Gasstmungen unterscheiden. Auchdie Arbeitstechnik in den verschiedenen Be-reichen ist unterschiedlich.

1.5 Strmungsarten undStrmungsleitwerte

In der Vakuumtechnik treten hauptschlich3 Strmungsarten auf: Die viskose oderKontinuumsstrmung, die Molekularstr-mung und als bergang zwischen diesenbeiden die Knudsenstrmung.

1.5.1 Strmungsarten

Viskose- oder KontinuumsstrmungSie kommt fast ausschlielich im Grobva-kuum vor. Den Charakter dieser Strmung

R mbar molK

mbarmol K

=

=

=

1013 25 22 427315

8314

1, ,,

,

`

`

p V mM

R T =

Vakuumphysik

13


bestimmen die Wechselwirkungen der Teil-chen untereinander, daher spielt die innereReibung, die Viskositt der strmendenSubstanz, eine groe Rolle. Treten Wirbelbeim Strmungsvorgang auf, so sprichtman von turbulenter Strmung, findetein Gleiten verschiedener Schichten desstrmenden Mediums gegeneinanderstatt, so nennt man die Strmung lami-nar.

Eine laminare Strmung in kreiszylindri-schen Rohren mit parabolischer Geschwin-digkeitsverteilung heit PoiseuillescheStrmung. Dieser Spezialfall kommt in derVakuumtechnik besonders hufig vor. Vis-kose Strmung liegt generell dann vor,wenn die mittlere freie Weglnge der Teil-chen sehr viel kleiner als der Durchmesserder Leitung ist: 2200 istdie Strmung turbulent, fr Re < 2200 la-minar.

Bei der viskosen Strmung ist das Phno-men der verblockten Strmung zu beach-ten (auch kurz als Verblockung bezeichnet).Es spielt beim Belften und Evakuiereneines Vakuumbehlters und bei Lecks eineRolle:

Gas strmt immer dann, wenn eine Druck-differenz p = (p1 p2) > 0 vorhanden ist.Die Gasstromstrke, d.h. die zeitbezogene,strmende Gasmenge steigt mit zuneh-mender Druckdifferenz an. Im Falle der vis-kosen Strmung jedoch nur so lange, bisdie ebenfalls ansteigende Strmungs-geschwindigkeit die Schallgeschwindigkeiterreicht hat. Dies ist bei einer bestimmten,als kritisch bezeichneten Druckdifferenzder Fall:

(1.22)

Ein weiterer Anstieg von p > pkrit fhrt zukeinem weiteren Anstieg des Gasstromes;dieser ist verblockt. Die Theorie der Gas-

p pppkrit krit

=

1

2

11

dynamik liefert fr Luft bei 20C den kriti-schen Wert

(1.23)

Das Diagramm in Abb 1.1 stellt schema-tisch das Belften eines evakuierten Behl-ters durch eine Wandffnung (Belftungs-ventil) mit Umgebungsluft von p = 1000mbar dar. Fr die kritische Druckdifferenzergibt sich gem obiger Angaben pkrit =1000 (1 0,528) mbar 470 mbar; d.h. frp > 470 mbar verblockte Strmung, frp < 470 mbar Abnahme des Gasstromes.

MolekularstrmungDie Molkularstrmung ist im Hoch- und Ul-trahochvakuumbereich vorherrschend. Indiesen Bereichen knnen sich die Teilchenohne gegenseitige Behinderung frei bewe-gen. Molekularstrmung liegt vor, wenn diemittlere freie Wegstrecke eines Teilchenssehr viel grer als der Durchmesser derLeitung ist: >> d.

KnudsenstrmungDer bergang von viskoser Strmung zurmolekularen Strmung ist die Knudsen-strmung. Sie herrscht im Feinvaku-umgebiet vor: d.Das Produkt aus dem Druck p und demRohrdurchmesser d fr ein bestimmtesGas bei einer bestimmten Temperatur kannals charakteristische Gre fr die ver-

pp krit

2

10528

= ,

schiedenen Strmungsarten dienen. FrLuft bei 20C bestehen unter Verwendungder Zahlenwerte aus Tabelle III im Abschnitt9 folgend quivalente Beziehungen:

Grobvakuum Viskose Strmung

p d > 6,0 101 mbar cm

Feinvakuum Knudsen-Strmung

6 101 > p d > 1,3 102 mbar cm

Hoch- und Ultrahochvakuum- Molekularstrmung

p d < 1,3 102 mbar cm

Im Gebiet der viskosen Strmung ist dieVorzugsrichtung der Geschwindigkeit allerGasmolekle gleich der makroskopischenStrmungsrichtung des Gases. Eine der-artige Ausrichtung wird dadurch erzwun-gen, da die Gasteilchen dicht gepackt sindund untereinander weit hufiger zusam-menstoen als mit den Begrenzungswn-den der Apparatur. Die makroskopische Ge-schwindigkeit des Gases ist eine Gruppen-geschwindigkeit und ist nicht identischmit der Thermischen Geschwindigkeitder Gasmolekle.

Im Gebiet der Molekularstrmung berwie-gen dagegen Ste der Teilchen auf dieWnde. Durch Reflexion, aber auch durchDesorption nach einer gewissen Verweil-zeit auf den Behlterwnden, kann ein Gas-teilchen im Hochvakuumbereich jede belie-bige Richtung erlangen, von einer Str-mung im makroskopischen Sinn kann nichtmehr gesprochen werden.

Es wre wenig sinnvoll, wollte man dieVakuumdruckbereiche in Abhngigkeit vonden jeweiligen geometrischen Betriebs-bedingungen festlegen. Die Grenzen dereinzelnen Druckbereiche (siehe Tabelle IX inAbschnitt 9) sind so gewhlt worden, dabei normal dimensionierten Laboranlagenim Grobvakuum die Ste der Gasteilchenuntereinander, im Hoch- und Ultrahoch-vakuum dagegen die Ste der Gasteilchenauf die Behlterwnde berwiegen.

> d2

d d100 2

<

Im Hoch- und Ultrahochvakuumbereich istdie Beschaffenheit der Wnde eines Vaku-umbehlters von ausschlaggebender Be-deutung, denn unterhalb 103 mbar befin-den sich durchwegs mehr Gasmolekle aufden Oberflchen als im Gasraum selbst.Nimmt man an, da sich auf der Innenwandeiner evakuierten Kugel von 1`Volumeneine monomolekulare adsorbierte Schichtbefindet, so ist das Verhltnis der Anzahlder adsorbierten Teilchen zur Anzahl derfreien Teilchen im Raum:

bei 1 mbar 102bei 106 mbar 10+4bei 1011 mbar 10+9

Aus diesem Grund dient zur Charakterisie-rung des Ultrahochvakuums und zur Ab-grenzung diese Bereiches gegen den Hoch-vakuumbereich die Bedeckungszeit (sieheAbschnitt 1.1). Die Bedeckungszeit betrgtim Hochvakuum nur Bruchteile von Sekun-den, im Ultrahochvakuum dagegen Minu-ten und Stunden. Gasfreie Oberflchen las-sen sich daher nur unter Ultrahochvakuum-Bedingungen herstellen und ber lngereZeitrume aufrecht erhalten.

Mit dem Druck ndern sich noch weiterephysikalische Eigenschaften. So sind unteranderem die Wrmeleitfhigkeit und die in-nere Reibung von Gasen im Feinvaku-umgebiet sehr stark vom Druck abhngig.Im Grob- und Hochvakuumgebiet dagegensind diese beiden Eigenschaften nahezudruckunabhngig.

Daher ist es verstndlich, da nicht nurdie Pumpen, die man zur Erzeugung vonDrcken in den unterschiedlichen Vaku-umbereichen braucht, unterschiedlich sind,sondern auch die zur Messung der Drckeverwendbaren Vakuummeter. Eine ber-sichtliche Zuordnung von Pumpen undMegerten fr die einzelnen Druckberei-che ist in Abb. 9.16. und 9.16a im Abschnitt9 aufgefhrt.

1.5.2 Berechnung vonStrmungsleitwerten

Das zum Evakuieren eines Behlters oderzum Durchfhren eines Prozesses in einerVakuumanlage erforderliche effektive Saug-vermgen stimmt nur dann mit dem kata-logmig angegebenen Saugvermgen derverwendeten Pumpe (oder des Pumpenag-

gregates) berein, wenn die Pumpe direktmit dem Behlter oder der Anlage verbun-den ist. Dies ist praktisch nur sehr seltenmglich. Fast immer ist die Zwischenschal-tung eines Rohrleitungssystems erforder-lich, das Ventile, Abscheider, Khlfallenusw. enthlt. Dieses stellt einen Str-mungswiderstand dar, der zur Folge hat,da das effektive Saugvermgen Seff stetskleiner ist als das Saugvermgen S derPumpe oder der Pumpenkombination. Umalso am Behlter ein bestimmtes effektivesSaugvermgen zu gewhrleisten, mu mandas Saugvermgen der Pumpe entspre-chend hher whlen. Der Zusammenhangzwischen S und Seff ist durch folgende va-kuumtechnische Grundgleichung gegeben:

(1.24)

L ist der gesamte Strmungsleitwert desRohrsystems, der sich aus den Einzelwer-ten der verschiedenen in Serie liegendenBauteile (Ventile, Dampfsperren, Abschei-der usw.) zusammensetzt:

(1.25)

Gleichung (1.24) sagt, da nur im FalleL = (also Strmungswiderstand W = O)S = Seff wird. Zur Berechnung der LeitwerteL fr Rohrleitungen stehen dem Vakuum-techniker eine Reihe brauchbarer Glei-chungen zur Verfgung; die Leitwerte vonVentilen, Khlfallen, Abscheidern undDampfsperren mssen in der Regel durchVersuche bestimmt werden.

Generell ist zu beachten, da der Leitwerteines vakuumtechnischen Bauteiles keines-wegs einen konstanten, druckunabhngi-gen Wert hat, sondern sehr stark von derArt der Strmung (Strmungskontinuum,Molekularstrmung; siehe unten) unddamit vom Druck abhngt. Bei der Verwen-dung von Leitwertzahlen in vakuumtech-nischen Berechnungen ist daher stets dar-auf zu achten, da in einem bestimmtenDruckgebiet nur die dort gltigen Leitwer-te verwendet werden.

1.5.3 Leitwerte von Rohrleitungenund ffnungen

Leitwerte hngen auer vom Druck und derArt des strmenden Gases auch noch vonder Querschnittsform der Leitung (z.B.

1 1 1 1 1

1 2 3L L L L Ln= + + + . . .

1 1 1S S Leff

= +

kreisfrmiger Querschnitt, elliptischer Quer-schnitt), von deren Lnge sowie davon ab,ob die Rohrleitung gestreckt ist oder Krm-mungen aufweist. Daher kommt es, da zurBercksichtigung der praktisch vorkom-menden, gebruchlichen Flle verschiede-ne Gleichungen erforderlich sind, von denenjede nur fr einen bestimmten Bereich an-wendbar ist. Dies ist bei Berechnungen stetszu beachten.

a) Leitwert fr eine gerade, nicht zu kurzeRohrleitung der Lnge l mit Kreisquer-schnitt vom Durchmesser d fr das Druck-gebiet der Laminar-, Knudsen- und Mole-kularstrmung, gltig fr Luft von 20 C(Knudsen-Gleichung):

(1.26)

mit

d = Rohr-Innendurchmesser in cml = Rohrlnge in cm (l 10 d !)p1 = Druck am Rohranfang (in Strmungs-

richtung) in mbarp2 = Druck am Rohrende (in Strmungs-

richtung) in mbar

Schreibt man (1.26) in der Form

(1.26a)

mit (1.27)

so kann man aus dem Verlauf der Funktionf (d p) die beiden wichtigen Grenzflle ab-leiten:

Grenzfall der laminaren Strmung(d p > 6 101 mbar cm):

(1.28a)

Grenzfall der Molekularstrmung(d p < 102 mbar cm) :

(1.28b)Ldl

s= 12 13

, /`

Ldl p s= 1354

` /

( )f d pd p d p

d p =

+ + +

1 203 2 101 237

3 2 2,78

( )Ldl f d p= 12 13

,

pp p

=+1 22

L dl

p

dl

d pd p

s

= +

+ + +

135

12 1 1 1921 237

4

3, /`

Vakuumphysik

15


Im Gebiet der Molekularstrmung ist derLeitwert unabhngig vom Druck!

Im bergangsgebiet 102 < d p < 6 101mbar cm mu die vollstndige Knudsen-Gleichung (1.26) verwendet werden. Leit-werte gerader Rohre blicher Nennweitensind in den Diagrammen der Abb. 9.5 (La-minarstrmung) sowie der Abb. 9.6 (Mo-lekularstrmung) in Abschnitt 9 angege-ben. Weitere Nomogramme zur Leitwert-bestimmung siehe ebenfalls Abschnitt 9(Abb. 9.8 und 9.9).

b) Leitwerte L einer ffnung A (A in cm2):Fr den Fall des Strmungskontinuums (vis-kose Strmung) gelten fr Luft und 20C mitp2/p1 = nach Prandtl die Gleichungen:

fr 0,528 (1.29)

fr 0,528 (1.29a)

und fr 0,03 (1.29b)

= 0,528 ist fr Luft das kritische Druck-verhltnis

Fr < 0,528 ist die Strmung verblockt,der Gasstrom also konstant. Fr den Fallder Molekularstrmung (Hochvakuum) gilt ebenfalls fr Luft

Lmol = 11,6 A /s (A in cm2) (1.30)

pp

krit

2

1

L A svisk = 20`

L Asvisk

=

201

`

LA

svisk = 76 6 1 10,712 0,288,

`

In Abb. 1.3 sind zustzlich die auf die Fl-che A bezogenen Saugvermgen S*visk undS*mol einer ffnung in Abhngigkeit von = p2/p1 angegeben. Die angegebenenGleichungen gelten fr Luft bei 20 C. Indie hier nicht angegebenen, allgemeinenGleichungen geht die molare Masse desstrmenden Gases ein. Beim Arbeiten mit

anderen Gasen sind die fr Luft angegebe-nen Leitwerte mit den Faktoren der Tabelle1.1 zu multiplizieren.

Nomographische Bestimmung von LeitwertenDie Leitwerte von Rohrleitungen und ff-nungen fr Luft und andere Gase lassensich auf nomographischem Wege ermit-teln. Es ist nicht nur die Ermittlung des Leit-wertes einer Rohrleitung bei vorgegebenenWerten fr Durchmesser, Lnge und Druckmglich, sondern auch die Dimensionie-rung des erforderlichen Rohrdurchmesserseiner Leitung, wenn ein Pumpsatz beivorgegebenem Druck und vorgegebenerLnge der Leitung ein bestimmtes effekti-ves Saugvermgen erreichen soll oder dieBestimmung der maximal zulssigen Rohr-lnge, wenn die brigen Parameter bekanntsind. Die erhaltenen Werte gelten natrlichnicht fr turbulente Strmungen. In Zwei-felsfllen sollte die Reynoldszahl Re (sieheAbschnitt 1.5.1) durch die nherungswei-se gltige Beziehung

(1.31)

abgeschtzt werden. qpV = S p ist darindie Durchfluleistung in mbar /s, d derDurchmesser der Rohrleitung in cm.

Eine Zusammenstellung von Nomogram-men, die sich in der Praxis bewhrt haben,ist in Abschnitt 9 enthalten.

1.5.4 Leitwerte andererBauelemente

Wenn die Leitung Kniestcke oder Bgen(z.B. Eckventile) hat, knnen diese dadurchbercksichtigt werden, da eine grere ef-

Re = 15 qdpV

Vakuumphysik

16

Abb. 1.2Strmung eines Gases durch eine ffnung (A) bei hohenDrcken (viskoser Strmung)

Abb.1.3Fchenbezogene Leitwerte L*visk und L*mol sowie flchen-bezogene Saugvermgen S*visk und L*mol einer ffnung Ain Abhngigkeit vom Druckverhltnis p2 /p1 fr Luft von20C

Gas (20 C) Molekularstrmung Laminarstrmung

Luft 1,00 1,00

Sauerstoff 0,947 0,91

Neon 1,013 1,05

Helium 2,64 0,92

Wasserstoff 3,77 2,07

Kohlendioxid 0,808 1,26

Wasserdampf 1,263 1,73

Tabelle 1.1Umrechnungsfaktoren (siehe Text)

` s1 cm2


fektive Lnge leff der Rohrleitung angenom-men wird, die sich folgendermaen ab-schtzen lt:

(1.32)

mit

laxial : axiale Lnge der Leitung (in cm)leff : effektive Lnge der Leitung (in cm)d : Innendurchmesser der Leitung (in cm) : Winkel des Knies (in Winkel )

Leitwerte von Dampfsperren, Khlfallen,Adsorptionsfallen und Ventilen sind fr denBereich der Molekularstrmung bei dentechnischen Daten dieser Bauteile im Kata-log aufgefhrt. Bei hheren Drcken, d. h.also im Bereich der Knudsen- und der la-minaren Strmung, haben Ventile etwa dengleichen Leitwert wie Rohrleitungen ent-sprechender Nennweiten und axialen Ln-gen. Fr Eckventile mu bei der Leitwert-Berechnung ein Kniestck bercksichtigtwerden.

Bei Staubfiltern, die oft zum Schutze vonGasballast- und Wlzkolbenpumpen ver-wendet werden, ist katalogmig die Dros-selung in % bei verschiedenen Drckenaufgefhrt. Andere Bauelemente, nament-lich die Abscheider und Kondensatoren,sind so konstruiert, da sie das Saug-vermgen nicht nennenswert drosseln.

Als Faustregel zur Dimensionierung vonVakuumleitungen gilt: Die Leitungen ms-sen mglichst kurz und weit sein. Siemssen wenigstens den gleichen Quer-schnitt haben wie der Saugstutzen derPumpe. Ist es wegen besonderer Umstn-de nicht mglich, die Saugleitung krzer zumachen, so empfiehlt es sich, wo immerdies aus konstruktiven und wirtschaftlichenGrnden mglich ist, eine kleine Wlzkol-benpumpe in die Saugleitung einzuschal-ten. Diese wirkt dann wie eine Frderpum-pe, die den Leitungswiderstand herabsetzt.

l l deff axial= + 133

180,

2. Vakuumerzeugung2.1. Vakuumpumpen: bersicht

ber die verschiedenenArten von Vakuumpumpen

Um in einem bestimmten gaserflltenVolumen die Gasdichte und damit (sieheGleichung 1.5) den Gasdruck zu verringern,mssen Gasteilchen aus dem Volumen ent-fernt werden: hierzu dienen Vakuumpum-pen. Grundstzlich unterscheidet man zweiGruppen von Vakuumpumpen:

a) solche, die ber eine oder mehrere Kom-pressionsstufen die Gasteilchen aus demauszupumpenden Volumen entfernenund in die atmosphrische Luft befr-dern (Kompressionspumpen). Die Fr-derung der Gasteilchen erfolgt durchVerdrngen oder Impulsbertragung;

b) Vakuumpumpen, welche die zu entfer-nenden Gasteilchen an einer festenWand, die oft einen Teil der Begrenzungdes auszupumpenden Volumens aus-macht, kondensieren oder auf andereWeise (z. B. chemisch) binden.

Eine dem heutigen Stand der Technik undden praktischen Anwendungen gemeEinteilung unterscheidet folgende Pumpen-typen, von denen die ersten drei Gruppenzu den Kompressionspumpen zhlen, dierestlichen zwei Gruppen zu den Kondensa-tions- und Getterpumpen:

1. Pumpen, die durch periodisch sich ver-grernde und verkleinernde Schpf-rume arbeiten (Drehschieberpumpenund Sperrschieberpumpen, frher auchTrochoidenpumpen);

2. Pumpen, die bei gleichbleibendemSchpfraum Gasmengen von der Nie-derdruck- auf die Hochdruckseite trans-portieren (Wlzkolben- und Turbo-Mo-lekularpumpen);

3. Pumpen, deren Pumpwirkung im we-sentlichen durch Diffusion von Gasen in einen gasfreien Dampfstrahl hoher Ge-schwindigkeit zustande kommt (Treib-mittelpumpen);

4. Pumpen, die Dmpfe durch Kondensie-ren abpumpen (Kondensatoren), fernerPumpen, die sogenannte Permanent-gase durch Kondensation bei sehr tiefenTemperaturen abpumpen (Kryopum-pen);

5. Pumpen, die durch Adsorption oder Ab-sorption Gase an weitgehend gasfreienOberflchen binden oder in ihnen ein-lagern (Sorptionspumpen).

Eine bersicht ber diese Gruppen vonVakuumpumpen gibt das Schema der Ta-belle 2.1.

2.1.1 Oszillationsverdrnger-Vakuumpumpen

2.1.1.1 Membranpumpen

Membranpumpen gewinnen in letzter Zeitunter anderem aus Umweltaspekten an Be-deutung. Sie sind eine Alternative zu Was-serstrahlvakuumpumpen, da sie kein Ab-wasser produzieren. Insgesamt kann eineMembranvakuumpumpe bis zu 90% Be-triebskosten im Vergleich zu einer Wasser-strahlpumpe einsparen. Gegenber Dreh-schieberpumpen ist der Schpfraum vlligfrei von l. Konstruktionsbedingt werdenauch keine lberlagerten Simmerringe be-ntigt. Membranvakuumpumpen sind ein-oder mehrstufige, trockenverdichtende Va-kuumpumpen (es werden bis zu vierstufi-ge Menbranpumpen gebaut). Dabei wirdeine Membran mit ihrem ueren Umfangzwischen Pumpenkopf und Gehusewandeingespannt (Abbildung 2.1). Sie wirddurch ein Pleuel ber einen Exzenter oszil-lierend bewegt. Der sich abwechselnd ver-grernde und verkleinernde Schpf- bzw.Kompressionsraum bewirkt den Pumpvor-gang. Die Ventile sind so angeordnet, dawhrend der Vergrerung des Schpfrau-mes eine Verbindung zur Ansaugleitung be-steht. Beim Verdichten ist der Arbeitsraummit der Auspuffleitung verbunden. DieMembran trennt den Getrieberaum herme-tisch vom Frderraum ab, so da dieser freivon l und Schmiermitteln bleibt (trocke-ne Vakuumpumpe). Membran und Ventilesind die einzigen Teile, die mit dem zu pum-penden Medium in Kontakt kommen. Be-schichtet man die Membran mit PTFE undfertigt Ein- und Auslaventil aus einemhochfluorierten Elastomer wie z.B. bei derDIVAC von LEYBOLD, so kann man aggres-sive Dmpfe und Gase abpumpen. Sie istdeshalb vor allem fr vakuumtechnischeAnwendungen im Chemielabor geeignet.

Bedingt durch die begrenzte elastische De-formierbarkeit der Membran ergibt sich einvergleichsweise geringes Saugvermgen.Bei diesem Pumprinzip verbleibt am oberen

Vakuumerzeugung

17

axiale Lnge


Totpunkt des Kolbens ein Restvolumen, dersogenannte schdliche Raum. Aus die-sem knnen die Gase nicht in die Auspuf-fleitung befrdert werden. Die unter demAuspuffdruck bleibende Gasmenge expan-diert whrend des folgenden Saughubes inden sich vergrernden Arbeitsraum undfllt ihn aus, so da bei abnehmenden An-saugdruck immer weniger neues Gas ein-strmen kann. Der volumetrische Wir-kungsgrad verschlechtert sich aus diesemGrund laufend. Membranvakuumpumpenknnen deshalb kein greres Verdich-tungsverhltnis erzielen, als das Verhltnisvon maximalen Arbeitsraum zu schdli-chem Raum. Der Enddruck liegt bei ein-stufigen Membranvakuumpumpen bei etwa80 mbar, bei zweistufigen Pumpen, wie derDIVAC von LEYBOLD bei etwa 10 mbar(siehe Abb. 2.2), bei dreistufigen bei etwa2 mbar und bei vierstufigen Membranpum-

Vakuumerzeugung

18

Tabelle 2.1Schematische Einteilung der Vakuumpumpen

(1) Gehusedeckel, (2) Ventile, (3) Kopfdeckel (4) Membranscheibe,

(5) Membrane,(6) Membransttzscheibe, (7) Pleuel, (8) Exzenterscheibe

Abb. 2.1Schematische Darstellung des Aufbaues einer Membran-pumpenstufe (Vacuubrand)

Abb. 2.2Veranschaulichung der Funktionsweise einer zweistufigenMembranpumpe (Vacuubrand)

ffnen und Schlieen der Ventile, Frderweg und Frdermechanismus invier aufeinanderfolgenden Phasen einer Pleuelumdrehung (ad)

a)

b)

c)

d)

IN EX

1. Stufe 2. Stufe

AdsorptionspumpeTreibmittel-vakuumpumpe

Treibmittelstrahl-vakuumpumpe

Flssigkeitsstrahl-vakuumpumpe

Gasstrahl-vakuumpumpe

Dampfstrahl-vakuumpumpe

Diffusionspumpe

SelbstreinigendeDiffusionspumpe

FraktionierendeDiffusionspumpe

Diffusions-ejektorpumpe

Mechanischekinetische

Vakuumpumpe

Gasring-vakuumpumpe

Turbo-vakuumpumpe

Axial-vakuumpumpe

Radial-vakuumpumpe

Molekular-vakuumpumpe

Turbo-Molekularpumpe

Rotations-verdrnger-

vakuumpumpe

Flssigkeits-gedichtete

Vakuumpumpe

Flssigkeitsring-vakuumpumpe

Drehschieber-vakuumpumpe

Vielzellen-vakuumpumpe

Kreiskolben-vakuumpumpe

Sperrschieber-vakuumpumpe

trockenlaufendeVakuumpumpe

Wlzkolben-vakuumpumpe

Klauenvakuumpumpe

Scrollpumpe

Oszillations-verdrnger-

vakuumpumpe

Membran-vakuumpumpe

Hubkolben-vakuumpumpe

Ionentransferpumpe

Getterpumpe

Massivgetterpumpe

Sublimations-(Verdampfer-)

pumpe

Ionengetterpumpe

Ionenverdampferpumpe

Ionen-Zerstuberpumpe

Kryopumpe

Kondensator

Vakuumpumpe(Funktionsprinzip)

KinetischeVakuumpumpe

GasbindendeVakuumpumpe

Gastransfer-vakuumpumpe

Verdrnger-vakuumpumpe


pen etwa bei 5 101 mbar. Membranpum-pen mit so niedrigem Enddruck eignen sichals Vorpumpen fr Turbo-Molekularpum-pen mit baulich integrierter Schraubenstu-fe (Compound- oder Wide-Range-Turbo-Molekularpumpen, wie z.B. die TURBOVAC55 von LEYBOLD). Auf diese Weise erhltman ein absolut lfreies Pumpsystem, wasfr Meanordnungen wie Massenspetro-meter-Systeme und Leckdetektoren sehrwichtig ist. Im Gegensatz zur Drehschie-berpumpe hat diese Pumpenkombinationfr Leckdetektoren den Vorteil, da in einerMembranpumpe naturgem kein Heliumim l gelst und damit auch kaum Gerte-untergrund verursacht werden kann.

2.1.2 Flssigkeitsgedichtete Rotations-Verdrngerpumpen

2.1.2.1 Flssigkeitsringvakuumpumpen

Aufgrund des Pumpprinzips und des ein-fachen Aufbaus eignen sich Flssigkeits-ring-Vakuumpumpen besonders zum Fr-dern von Gasen und Dmpfen, die auch ge-ringe Mengen von Flssigkeiten enthaltenknnen. Wasserdampf-gesttigte Luft oderandere Gase mit kondensierbaren Dampf-anteilen knnen ohne weiteres gefrdertwerden. Konstruktionsbedingt sind Flssig-keitsringpumpen unempfindlich gegen Ver-unreinigungen des Frderstromes. Die er-reichbaren Ansaugdrcke liegen zwischenAtmosphrendruck und Dampfdruck derverwendeten Betriebsflssigkeit. Fr Was-ser von 15C ist ein Betriebsdruck von etwa33 mbar erreichbar. Eine typische Anwen-dung von Wasserringvakuumpumpen istdie Turbinenentlftung von Dampfturbinenin Kraftwerken. Flssigkeitsringvakuum-pumpen (Abb.2.3) sind Rotations-Verdrn-gerpumpen, die zur Frderung des abzu-saugenden Gases eine Betriebsflssigkeitfr den whrend des Betriebes rotierendenFlssigkeitsring bentigen. Das in ein zy-lindrisches Gehuse eingebaute (Schaufel)-Laufrad ist exzentrisch im Gehuse ange-ordnet. Im abgeschalteten Zustand ist diePumpe etwa zur Hlfte mit Betriebsflssig-keit gefllt. Axial sind die durch die Schau-feln gebildeten Zellen des Laufrades durchSteuerscheiben begrenzt und abgedich-tet. Diese Steuerscheiben sind mit Saug-und Druckschlitzen versehen, die zu denentsprechenden Pumpstutzen fhren. Nach

dem Einschalten rotiert das exzentrisch imGehuse angeordnete Laufrad; dabei bildetsich ein mitlaufender, konzentrisch zumPumpengehuse rotierender Flssigkeits-ring, der an der engsten Stelle zwischenLaufradachse und Gehusewand die Lauf-radkammern voll ausfllt und sich mit fort-schreitender Drehung wieder aus den Kam-mern zurckzieht. Durch die Leerung derKammern wird das Gas angesaugt, durchdie anschlieende Fllung erfolgt die Ver-dichtung. Die jeweiligen Grenzen des An-saug- bzw. Ausschubvorganges werdendurch die Geometrie der ffnungen in denSteuerscheiben bestimmt.

Zustzlich zur Verdichtungsarbeit ber-nimmt die Betriebsflssigkeit noch dreiweitere wichtige Aufgaben: 1. Abfhren derVerdichtungswrme, 2. Aufnahme vonFlssigkeiten und Dmpfen (Kondensat)und 3. die Abdichtung zwischen Laufradund Gehuse.

2.1.2.2 lgedichtete Rotations-Verdrngerpumpen

Unter einer Verdrnger-Vakuumpumpe ver-steht man allgemein eine Vakuumpumpe,die das zu frdernde Gas mit Hilfe von Kol-ben, Rotoren, Schiebern, Ventilen u. a. an-saugt, eventuell verdichtet und dann aus-stt. Der Pumpvorgang kommt durch eineDrehbewegung des Kolbens im Innern derPumpe zustande. Man unterscheidet l-berlagerte und trockenlaufende Verdrn-gerpumpen. Durch lberlagerung der be-wegten Teile lassen sich in einer Stufe hoheKompressionsverhltnisse bis etwa 105 er-zielen. Bei fehlender lberlagerung ist dieinnere Undichtheit erheblich grer und

die erreichbare Kompression entsprechendgeringer, etwa 10.

Wie der Pumpenstammbaum in Tabelle 2.1zeigt, gehren zu den lgedichteten Ver-drngerpumpen unter anderem Drehschie-ber- und Sperrschieberpumpen in ein- undzweistufigen Ausfhrungen sowie einstufi-ge Trochoidenpumpen (Kreiskolbenpum-pen), die heute allerdings nur noch histo-rische Bedeutung haben. Diese Pumpensind alle mit einer Gasballasteinrichtungausgerstet, die erstmals von Gaede(1935) angegeben wurde (nhere Beschrei-bung siehe 2.1.2.2.4). Die Gasballastein-richtung ermglicht innerhalb angegebenertechnischer Grenzen das Abpumpen vonDmpfen (insbesondere von Wasser-dampf), ohne da sie beim Kompressions-vorgang in der Pumpe kondensieren.

2.1.2.2.1 Drehschieberpumpen (TRIVAC A, TRIVAC B, TRIVAC E, SOGEVAC)

Drehschieberpumpen (siehe Abb. 2.5 und2.6) bestehen aus einem zylindrischen Ge-huse (Pumpenring) (1), in dem sich einexzentrisch gelagerter, geschlitzter Rotor(2) in Richtung des Pfeiles dreht. Der Rotorenthlt meist durch Fliehkraft, aber auchdurch Federn auseinander gedrckte Schie-ber (16), die an der Gehusewand entlanggleiten und dabei die an der Saugffnung(4) eingedrungene Luft vor sich herschie-ben, um sie schlielich durch das lberla-gerte Auspuffventil (12) aus der Pumpeauszustoen.

Die historisch ltere TRIVAC A-Pumpenrei-he (Abb. 2.5) von LEYBOLD hat drei radiale,um 120 versetzt angeordnete Schieber. DieTRIVAC B Pumpenreihe (Abb. 2.6) hat nurzwei um 180 versetzte Schieber. In beiden

Vakuumerzeugung

19

Abb. 2.3Flssigkeitsringvakuumpumpe, schematisch (Siemens)

Abb. 2.4Ankeranlage bei Drehschieberpumpen.

Konstanter, minimaler Abstand a ber die ganze Ankeranlage b

1 Rotor2 Rotorwelle

5 Flssigkeitsring6 Flexibler Auslakanal

3 Gehuse4 Ansaugkanal


Fllen werden die Schieber ohne Federdurch Fliehkraft nach auen gedrckt, wasbei niedrigen Umgebungstemperatureneventuell dnnflssigeres l erfordert. DieA-Reihe hat eine Differenzdruckschmierung,die B-Reihe eine Druckumlaufschmierungmit Zahnradlpumpe. Die TRIVAC B-Reihezeichnet sich zustzlich durch ein beson-ders zuverlssiges Saugstutzenventil, durchAnsaug- und Auspuffstutzen mit horizonta-lem oder vertikalem Abgang und eine be-dienerfreundlicher Anordnung von lschau-glas und Gasballastventilbettigung an dergleichen Seite des lkastens aus. Mit demTRIVAC BCS-System hat sie zustzlich einesehr umfangreiche Zubehrpalette, die vorallem fr die Halbleiterindustrie konzipiertwurde. Der lvorrat der Drehschieberpum-pe, aber auch der anderen lberlagertenVerdrngerpumpen dient der Schmierungund Abdichtung, aber auch zum Ausfllenschdlicher Rume und Spalte sowie zumAbfhren der Kompressionswrme, also zurKhlung. Das l dichtet zwischen Rotor(auch Anker genannt) und Pumpenring.Diese beiden Teile berhren sich fastlngs einer Geraden (Zylindermantellinie).

Vakuumerzeugung

20

TRIVAC A TRIVAC B TRIVAC BCS TRIVAC E SOGEVAC

Schieber je Stufe 3 2 2 2 3 (tangential)

1 1,5 1,6 1,2 16 25Saugvermgen 2 4 4 8 16 25 2,5 40 100

[m3/h] 8 16 16 25 40 65 5 10 180 28030 60 40 65 585 1200

Ankeranlage ja ja ja ja nein

Enddruck, einstufig < 2 102 < 2 102 < 2 102 < 5 101[mbar]

Enddruck, zweistufig < 2,5 104 < 1 104 < 1 104 < 1 104 [mbar]

lversorgung Druckdifferenz Zahnradpumpe Zahnradpumpe Exzenterpumpe Druckdifferenz

Spalte bei allen Typen vergleichbar : etwa 0,01 bis 0,05 mm

Lager / Schmierung Gleitring / l Gleitring / l Gleitring / l Kugel / Fett Kugel / l

besondere hydropneumat. medienberhrende zahlreiches preiswertEigenschaften Saugstutzenventil Teile beschichtet Zubehr

Medien kein Ammoniak sauber bis aggressiv und sauber bis sauberleichte Partikel korrossiv leichte Partikel

Haupteinsatz- Allzweck- Allzweck- Halbleiter- Allzweck- Verpackungs-Gebiete Einsatz Einsatz Industrie Einsatz industrie

Abb. 2.5Schnitt durch eine einstufige Drehschieberpumpe(TRIVAC A)

Abb. 2.6Schnitt durch eine einstufige Drehschieberpumpe(TRIVAC B)

1 Pumpengehuse, 2 Rotor, 3 lstandsglas, 4 Ansaugkanal, 5 Saugstutzenventil, 6 Schmutzfnger, 7 Ansaugstutzen, 8 Gasballastventilverschlu-

kappe,

9 Auspuffstutzen, 10 Nebenlufteintritt fr Ge-

ruschdmpfung, 11 lfilter, 12 Auspuffventil, 13 Auspuffkanal, 14 Gasballastkanal, 15 leinspritzung, 16 Schieber

1 Ansaugstutzen, 2 Schmutzfnger, 3 Saugstutzenventil, 4 Saugkanal, 5 Schieber, 6 Schpfraum, 7 Rotor,

8 Blende; Anschlu fr Inert-Gasballast,

9 Auspuffkanal,10 Auspuffventil, 11 Formfilter, 12 Federbgel,13 Blende; Anschlu fr lfilter

Tabelle 2.2Drehschieberpumpenreihen


Um die lgedichtete Flche zu vergrern,wird bei manchen Pumpen eine sogenann-te Ankeranlage in den Pumpenring einge-arbeitet (siehe Abb. 2.4). Dadurch wird einebessere Abdichtung und damit eine hhereKompression bzw. ein niedrigerer Enddruckerreicht. Von LEYBOLD werden verschie-dene Drehschieberpumpenreihen gefertigt,die unterschiedlichen Anwendungsfllenbesonders angepat sind, wie z.B. hoherAnsaugdruck, tiefer Enddruck oder Anwen-dung in der Halbleiterindustrie. Eine Zu-sammenstellung der hervorstechendstenEigenschaften dieser Pumpenreihen ist inder Tabelle 2.2 gegeben. Die TRIVAC-Dreh-schieberpumpen werden als einstufigeTRIVAC-S-Pumpen und als zweistufigeTRIVAC-D-Pumpen gefertigt (siehe Abb.2.7).

Mit zweistufigen lberlagerten Pumpenlassen sich niedrigere Arbeits- und End-drcke erzielen als mit entsprechenden ein-stufigen Pumpen. Der Grund liegt darin, dabei einstufigen Pumpen das l zwangslu-fig mit der ueren Atmosphre in Berh-rung kommt, von dort Gas aufnimmt, daswhrend des lumlaufs, wenn auch nur teil-weise, vakuumseitig entweicht und somitden erreichbaren Enddruck begrenzt. In denvon LEYBOLD gefertigten zweistufigen l-berlagerten Verdrngerpumpen wird dervakuumseitigen Stufe (Stufe 1 in Abb. 2.7)bereits vorentgastes l zugefhrt: Der End-druck liegt nun nahezu im Hochvakuum, dieniedrigsten Arbeitsdrcke liegen an derGrenze Feinvakuum / Hochvakuum. Anmer-kung: Die sogenannte Hochvakuumstufe(Stufe 1) mit nur ganz wenig l oder ber-

haupt lfrei laufen zu lassen, kann in derPraxis trotz des sehr niedrigen Enddruckeszu erheblichen Schwierigkeiten fhren undbeeintrchtigt die Pumpen erheblich.

2.1.2.2.2 Sperrschieberpumpen (E-Pumpen)

Abb. 2.9 zeigt den Schnitt durch eine Sperr-schieberpumpe in Einblockbauart. Bei ihrgleitet ein Kolben (2), der von einem sich inPfeilrichtung drehenden Exzenter (3) mit-genommen wird, lngs der Gehusewand.

Vakuumerzeugung

21

Abb. 2.7Schnitt durch eine zweistufige Drehschieberpumpe, schematisch

Abb. 2.8aSchnitt durch eine zweistufige Drehschieberpumpe (TRIVAC E)

Abb. 2.8bSOGEVAC Pumpe SV 300 mit drei tangentialen Schiebern

I Hochvakuumstufe, II Vorvakuumstufe

1 Gehuse, 2 zylindrischer Kolben,3 Exzenter, 4 Kompressionsraum, 5 lberlagertes Druckventil, 6 lstandglas 7 Gasballastkanal, 8 Auspufftopf,

9 Gasballastventil, 10 Schmutzfnger,11 Ansaugstutzen, 12 Sperrschieber,13 Sperrschieberlager, 14 Schpfraum

(Luft strmt ein).

Abb. 2.9Schnitt durch eine einstufige Sperrschieberpumpe (Einblockbauart).


Das abzusaugende Gas strmt durch denAnsaugstutzen (11) in die Pumpe und ge-langt durch den Saugkanal des Sperrschie-bers (12) in den Schpfraum (14). DerSchieber bildet mit dem Kolben eine Einheitund gleitet zwischen den im Gehuse dreh-baren Lamellen (Sperrschieberlager 13) hinund her. Das abgesaugte Gas befindet sichschlielich im Kompressionsraum (4). Beider Drehung komprimiert der Kolben dieseGasmenge, bis sie durch das lberlagerteVentil (5) ausgestoen wird. Der lvorratdient, wie bei den Drehschieberpumpen, zurSchmierung, Abdichtung, Schadraumfl-lung und Khlung. Da der Schpfraumdurch den Kolben in zwei Rume unterteiltist, wird bei jeder Umdrehung ein Arbeit-stakt beendet (Arbeitszyklus siehe Abb.2.10). Auch Sperrschieberpumpen werdenein- und zweistufig gefertigt. Bei zahlrei-chen Vakuumprozessen kann die Kombina-tion einer Wlzkolbenpumpe mit einer ein-stufigen Sperrschieberpumpe vorteilhaftersein als eine zweistufige Sperrschieber-pumpe. Reicht fr den Proze eine derarti-ge Kombination oder eine zweistufigePumpe nicht aus, so empfiehlt sich hufigdie Verwendung einer Wlzkolbenpumpe inVerbindung mit einer zweistufigen Pumpe.Dies gilt nicht fr Kombinationen mitDrehschieberumpen und Wlzkolbenpum-pen.

MotorleistungDie zu den Dreh- und Sperrschieberpum-pen gelieferten Motoren reichen bei Umge-bungstemperaturen von 12 C und Verwen-dung unserer Spezialle fr das Maximumder Antriebsleistung (bei etwa 400 mbar)

aus. Im eigentlichen Arbeitsgebiet derPumpen erfordert der Antrieb der warm-gelaufenen Pumpen nur etwa ein Drittel derinstallierten Motorleistung (s. Abb. 2.11).

2.1.2.2.3 TrochoidenpumpenDie Trochoidenpumpen gehren zu den so-genannten Kreiskolbenpumpen, die (siehebersicht Tab. 2.1) wiederum zu den Ro-tationspumpen zu zhlen sind. Bei Kreis-kolbenmaschinen luft der Schwerpunktdes Kolbens auf einer Kreisbahn um dieDrehachse (daher der Name Kreiskolben-maschinen). Eine Kreiskolbenpumpe istdaher, im Gegensatz z. B. zur Sperrschie-berpumpe dynamisch vllig auswuchtbar.Dies hat den Vorteil, da auch grerePumpen erschtterungsfrei laufen undohne Fundament aufgestellt werden kn-nen. Auerdem kann man derartige Pum-pen schneller laufen lassen als Sperrschie-berpumpen (siehe unten). Das Schpfvolu-men, bezogen auf das Bauvolumen dassogenannte spezifische Bauvolumen istbei der Trochoidenpumpe etwa doppelt sogro wie das spezifische Bauvolumen einerSperrschieberpumpe. Grere Sperrschie-berpumpen laufen mit einer Drehzahl vonn = 500 min1. Die Trochoidenpumpe kannauch bei greren Einheiten mit n = 1000min1 laufen. Sie ist damit etwa viermalkleiner als eine Sperrschieberpumpe glei-chen Saugvermgens und luft vllig er-schtterungsfrei. Leider stehen den physi-kalisch-technischen Vorteilen groe ferti-gungstechnische Nachteile gegenber, soda Trochoidenpumpen heute von LEYBOLDnicht mehr gebaut werden. Ein Funktions-schema zeigt das Schnittbild in der Abb.2.12.

2.1.2.2.4 Der GasballastDie bei den Dreh- und Sperrschieberpum-pen sowie Trochoidenpumpen verwendeteGasballsteinrichtung erlaubt es, nicht nurPermanentgase, sondern auch grereMengen kondensierbarer Dmpfe abzu-pumpen.

Durch die Gasballasteinrichtung (sieheAbb. 2.13) wird eine Kondensation vonDmpfen im Schpfraum der Pumpe ver-mieden. Wenn Dmpfe angesaugt werden,knnen diese nur bis zu ihrem Sttigungs-dampfdruck bei der Temperatur derPumpe komprimiert werden: Wird z.B. nurWasserdampf bei einer Pumpentempera-tur von 70 C abgesaugt, so kann der

Vakuumerzeugung

22

Abb. 2.10Arbeitszyklus einer Sperrschieberpumpe (Kolbenstellungen 1 9)

1 Oberer Totpunkt, 2 Der Schlitz am Saugkanal des Schiebers wird freigegeben, Beginn der

Ansaugperiode 3 Unterer Totpunkt, Der Schlitz am Saugkanal ist ganz frei. Das abzusau-

gende Gas tritt frei in den Schpfraum (schraffiert gezeichnet), 4 Der Schlitz am Saugkanal wird durch die Lamellen wieder verschlos-

sen. Ende der Ansaugperiode

5 Oberer Totpunkt, maximaler Rauminhalt des Schpfraumes, 6 Kurz vor Beginn der Kompressionsperiode gibt die Stirnflche des

Pumpenkolbens die Gasballastffnung frei, 7 Gasballastffnung ist ganz frei, 8 Ende des Gasballasteinlasses, 9 Ende der Pumpperiode

Abb. 2.11Abhngigkeit der Antriebsleistung des Motors einer Sperr-schieberpumpe (Saugvermgen 60 m3/h) von Ansaug-druck und der Betriebstemperatur. Kurven von Gasbal-lastpumpen anderer Gren verlaufen entsprechend.

1 Betriebstemperatur Kurve 1 32C,2 Betriebstemperatur Kurve 2 40C, 3 Betriebstemperatur Kurve 3 60C, 4 Betriebstemperatur Kurve 4 90C,

5 Theoretische Kurve fr adia-batische Kompression

6 Theoretische Kurve fr iso-therme Kompression


Dampf nur bis zu 312 mbar (Sttigungs-dampfdruck des Wassers bei 70 C (sieheTab. XIII in Abschn. 9) komprimiert wer-den. Bei weiterer Kompression konden-siert der Wasserdampf, ohne da seinDruck steigt: Es entsteht kein berdruckin der Pumpe, das Auspuffventil wird nichtgeffnet, sondern der Wasserdampf bleibtals Wasser in der Pumpe und emulgiertmit dem Pumpenl. Damit verschlechternsich die Schmiereigenschaften des Pum-penles sehr schnell ja, die Pumpe kann,wenn sie zuviel Wasser aufgenommen hat,sogar festlaufen. Die 1935 von WolfgangGaede entwickelte Gasballasteinrichtungverhindert eine mgliche Kondensationdes Dampfes in der Pumpe durch folgen-

de sinnvolle Manahme: Bevor der eigent-liche Kompressionsvorgang beginnt, wird(siehe Abb. 2.13) in den Schpfraum einegenau dosierte Luftmenge (der Gasbal-last) eingelassen, nmlich gerade so viel,da das Kompressionsverhltnis in derPumpe auf max. 10:1 erniedrigt wird. Nunknnen die abgesaugten Dmpfe, bevorihr Kondensationspunkt erreicht ist, zu-sammen mit dem Gasballast komprimiertund aus der Pumpe ausgestoen werden.Der Partialdruck der angesaugten Dmp-fe darf allerdings einen gewissen Wertnicht berschreiten; er mu so niedrigsein, da bei einer Kompression um denFaktor 10 die Dmpfe bei der Arbeitstem-

peratur der Pumpe noch nicht kondensie-ren knnen. Im Falle des Abpumpensvon Wasserdampf wird dieser kritischeWert als Wasserdampfvertrglichkeit be-zeichnet.

In der Abb. 2.14 ist der Pumpvorgang ineiner Drehschieberpumpe mit und ohneGasballasteinrichtung beim Absaugen kon-densierbarer Dmpfe schematisch darge-stellt.

Voraussetzung fr ein Abpumpen vonDmpfen bleiben immer 2 Dinge:

1) Pumpe mu Betriebstemperatur haben2) Gasballastventil mu offen sein

Vakuumerzeugung

23

Abb. 2.12 Schnitt durch eine Trochoidenpumpe

1 mit Antriebswelle verbundenes Zahnrad, 2 am Kolben befestigtes Zahnrad, 3 Elliptischer Kolben, 4 Gehuse-Innenwand, 5 Antriebswelle, 6 Exzenter

Abb. 2.13Arbeitsvorgnge innerhalb einer Drehschieberpumpe mit Gasballasteinrichtung

Abb 2.14 Veranschaulichung des Pumpvorganges in einer Drehschieberpumpe mit (rechts) und ohne (links) Gasballasteinrichtungbeim Absaugen kondensierbarer Dmpfe

a) Ohne Gasballast:1) Die Pumpe ist an das schon fast luftleere Gef angeschlossen

(ca. 70 mbar). Sie mu also fast nur Dampfteilchen frdern.2) Der Schpfraum ist vom Gef getrennt. Die Verdichtung beginnt.3) Der Inhalt des Schpfraumes ist schon so weit verdichtet, das sich der

Dampf zu Trpfchen kondensiert, es beginnt in der Pumpe zuregnen. berdruck ist noch nicht erreicht.

4) Erst jetzt erzeugt die restliche Luft den erforderlichen berdruck undffnet das Auspuffventil, doch der Dampf ist bereits kondensiert und dieTrpfchen sind in der Pumpe niedergeschlagen.

b) Mit Gasballast1) Die Pumpe ist an das schon fast luftleere Gef angeschlossen

(ca. 70 mbar). Sie mu also fast nur Dampfteilchen frdern.2) Der Schpfraum ist vom Gef getrennt. Jetzt ffnet das Gasbalast-

ventil, wodurch der Schpfraum zustzlich von auen mit Luft, demGasballast, gefllt wird.

3) Das Auspuffventil wird aufgedrckt, Dampf und Gasteilchen werdenausgetsoen: Der erforderliche berdruck wurde durch die zustzlicheGasballstluft schon sehr frh erreicht. Es kam also gar nicht erst zueiner Kondensation

4) Die Pumpe stt weiter Luft und Dampf aus.

12 Ansaugen25 Komprimieren34 Gasballasteinla56 Ausfrdern


(Die Pumpentemperatur erhht sich bei ge-ffnetem Gasballastventil um etwa 10C;vor dem Abpumpen von Dmpfen sollte diePumpe eine halbe Stunde mit geffnetemGasballastventil warmlaufen).

Gleichzeitiges Abpumpen von Gasen undDmpfenWerden aus einer Vakuum-Apparaturgleichzeitig Permanentgase und konden-sierbare Dmpfe abgepumpt, so reicht oft-mals der Anteil der abgesaugten Per-manentgase aus, um eine Kondensationdes Dampfes im Innern der Pumpe zu ver-hindern. Welche Dampfmenge in diesemFall ohne Kondensation in der Pumpe ab-gepumpt werden kann, berechnet man ausfolgender Beziehung:

(2.1)

Hierin ist:p0 = der Partialdruck des ange-

saugten DampfespL = der Partialdruck der ange-

saugten PermanentgasepD,Stt = der Sttigungsdampfdruck

der angesaugten, dampffr-migen Substanz, der von derTemperatur abhngt (sieheAbb. 2.15)

pverd = paus + pVentil + pAuspuffilterpaus = der Druck in der Auspufflei-

tungpVentil = Druckverlust im Auspuffven-

til; er betrgt je nach Pum-pentyp und Betriebsbedin-gungen 0,2 . . 0,4 bar

pAuspuffilter = Druckverlust im Auspuffilter0 . . 0,5 bar

Beispiel 1:Mit einer Drehschieberpumpe, der ein l-nebelfilter nachgeschaltet ist, werde ein Ge-misch aus Wasserdampf und Luft abge-pumpt. Der Berechnung nach Gleichung 2.1werden folgende Zahlenwerte zugrunde ge-legt:

paus = 1 bar; pVentil + pAuspuffilter = 0,35 bar;

Pumpentemperatur 70 CSomit:

pverd = 1,35 bar;pd,Stt (H2O) = 312 mbar (Tabelle Xlll in Abschn. 9)

pp p

ppLD Stt

verd

0

0 +< ,

Gem Gleichung 2.1:

Der Druck des Wasserdampfanteils darfmax. 23 % des Druckes des abgesaugtenWasserdampf-Luftgemisches betragen.

Beispiel 2:Mit einer Sperrschieberpumpe soll Essig-sure abgepumpt werden. Es sei:paus = 1,1 bar (Bercksichtigung der

Rohrleitungswiderstnde)pVentil = 0,25 barpAuspuffilter = 0,15 bar

(Druckverlust im lnebel-abscheider)

Somit: pverd = 1,5 bar.

Durch Regelung der Khlung werden Pum-pen- und ltemperatur auf 100 C einge-stellt. Der Sttigungsdruck betrgt gemAbb. 2.15: pD,Stt = 500 mbar.

Gem Gleichung (2.1)

Der Essigsureanteil mu bei den gemach-ten Annahmen weniger als 1/3 des gesamten Gemisches betragen.

Das angefhrte Verhltnis von mindestensdrei Teilen Permanentgasen auf ein TeilWasserdampf (25 %) kann natrlich nurein Anhaltspunkt sein. Da eine Rotations-pumpe ihre Arbeitstemperatur erst nach ei-niger Zeit erreicht, empfiehlt es sich, beiAnfahrprozessen immer das Gasballastven-til zu ffnen.

pp p

D Essigsure

Essigsure L

, .

.

,,+

= < =0 51 5

13

p H Op H O p

D

D L

( )( )

,22

3121350

0 23+

< =

Aus Gleichung (2.1) ergibt sich fr den zu-lssigen Partialdruck pD des angesaugtenDampfes die Ungleichung

(2.2)

Sie lt erkennen, da ohne besondereManahmen, wie z. B. den Gasballast, kon-densierbare Dmpfe ohne Permanentgas-anteil (pL = O) nicht abgepumpt werdenknnen. Im Falle des Betriebes mit Gasbal-last berechnet sich der zulssige Dampf-partialdruck des kondensierbaren Anteilszu (2.3)

Hierin ist:B. . . In den Schpfraum der Pumpe pro

Zeiteinheit eingelassenes Luftvolu-men, bezogen auf 1013 mbar, kurzGasballast genannt

S. . . Saugvermgen der Pumpe (meistkann hierfr das Nennsaugver-mgen der betreffenden Vakuum-pumpe genommen werden)

pV. . . Druck im Auspuffstutzen der PumpepDS. . .Sttigungsdampfdruck des Dampfes

bei der Betriebstemperatur derPumpe

pDB Partialdruck des im Gasballast ent-haltenen kondensierbaren Anteils

pL. . . Permanentgaspartialdruck am An-saugstutzen der Pumpe.

Gleichung 2.3 lt erkennen, da bei Ver-wendung von Gasballas

grundlagen der vakuumtechnik

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