Pumpen lassen sich grob nach drei Techniken einteilen:
Verdrängerpumpen verwenden einen Mechanismus, um einen Hohlraum wiederholt auszudehnen, Gase aus der Kammer einströmen zu lassen, den Hohlraum abzudichten und in die Atmosphäre abzuführen. Momentum-Transfer-Pumpen, auch Molekularpumpen genannt, verwenden Hochgeschwindigkeitsstrahlen aus dichter Flüssigkeit oder mit hoher Geschwindigkeit rotierende Schaufeln, um Gasmoleküle aus der Kammer zu stoßen. Entrapment-Pumpen fangen Gase in einem festen oder adsorbierten Zustand ein. Dazu gehören Kryopumpen, Getter und Ionenpumpen.
Für niedrige Vakua sind Verdrängerpumpen am effektivsten. Momentum-Transfer-Pumpen in Verbindung mit einer oder zwei Verdrängerpumpen sind die gängigste Konfiguration, um hohe Vakua zu erreichen. In dieser Konfiguration dient die Verdrängerpumpe zwei Zwecken. Erstens erzeugt sie ein Grobvakuum in dem zu evakuierenden Behälter, bevor die Impulstransferpumpe zur Erreichung des Hochvakuums eingesetzt werden kann, da Impulstransferpumpen nicht bei atmosphärischem Druck zu pumpen beginnen können. Zweitens unterstützt die Verdrängerpumpe die Impulstransferpumpe, indem sie die Ansammlung von verdrängten Molekülen in der Hochvakuumpumpe auf ein niedriges Vakuum evakuiert. Um Ultrahochvakuum zu erreichen, können Entrapment-Pumpen eingesetzt werden, die jedoch eine regelmäßige Regenerierung der Oberflächen erfordern, die Luftmoleküle oder Ionen einschließen. Aus diesem Grund kann ihre verfügbare Betriebszeit bei niedrigem und hohem Vakuum inakzeptabel kurz sein, was ihre Verwendung auf Ultrahochvakuum beschränkt. Pumpen unterscheiden sich auch in Details wie Herstellungstoleranzen, Dichtungsmaterial, Druck, Durchfluss, Zulassung oder Nichtzulassung von Öldampf, Wartungsintervalle, Zuverlässigkeit, Toleranz gegenüber Staub, Toleranz gegenüber Chemikalien, Toleranz gegenüber Flüssigkeiten und Vibrationen.
VerdrängerpumpeBearbeiten
Ein Teilvakuum kann durch Vergrößerung des Volumens eines Behälters erzeugt werden. Um eine Kammer unendlich lange zu evakuieren, ohne dass ein unendliches Wachstum erforderlich ist, kann ein Teil des Vakuums wiederholt verschlossen, abgesaugt und wieder ausgedehnt werden. Dies ist das Prinzip einer Verdrängerpumpe, z. B. der manuellen Wasserpumpe. Im Inneren der Pumpe dehnt ein Mechanismus einen kleinen versiegelten Hohlraum aus, um dessen Druck unter den der Atmosphäre zu senken. Aufgrund des Druckunterschieds wird etwas Flüssigkeit aus der Kammer (oder dem Brunnen in unserem Beispiel) in den kleinen Hohlraum der Pumpe gedrückt. Der Hohlraum der Pumpe wird dann von der Kammer abgedichtet, zur Atmosphäre hin geöffnet und wieder auf eine winzige Größe zusammengepresst.
Für die meisten industriellen Anwendungen werden kompliziertere Systeme verwendet, aber das Grundprinzip der zyklischen Volumenentnahme ist das gleiche:
- Drehschieberpumpe, die gebräuchlichste
- Membranpumpe, keine Ölverschmutzung
- Flüssigkeitsring hohe Beständigkeit gegen Staub
- Kolbenpumpe, schwankendes Vakuum
- Scroll-Pumpe, trockene Pumpe mit höchster Drehzahl
- Schraubenpumpe (10 Pa)
- Wankelpumpe
- Außenflügelpumpe
- Wälzkolbengebläse, auch Boosterpumpe genannt, hat das höchste Saugvermögen, aber ein niedriges Verdichtungsverhältnis
- Mehrstufige Wälzkolbenpumpe, die mehrere Stufen kombiniert und ein hohes Saugvermögen bei besserem Verdichtungsverhältnis bietet
- Toepler-Pumpe
- Kolbenpumpe
Der Basisdruck eines gummi- und kunststoffgedichteten Kolbenpumpensystems beträgt typischerweise 1 bis 50 kPa, während eine Scroll-Pumpe 10 Pa (im Neuzustand) erreichen kann und eine Drehschieber-Ölpumpe mit einer sauberen und leeren Metallkammer leicht 0 erreichen kann.1 Pa erreichen kann.
Eine Verdränger-Vakuumpumpe bewegt bei jedem Zyklus das gleiche Gasvolumen, so dass ihr Saugvermögen konstant ist, sofern es nicht durch Rückströmung überwunden wird.
Momentum-Transfer-PumpeBearbeiten
In einer Momentum-Transfer-Pumpe werden Gasmoleküle von der Vakuumseite zur Auslassseite beschleunigt (die normalerweise durch eine Verdrängerpumpe auf einem reduzierten Druck gehalten wird). Impulstransferpumpen sind nur unterhalb eines Drucks von etwa 0,1 kPa möglich. Aufgrund der Gesetze der Strömungslehre fließt Materie bei verschiedenen Drücken unterschiedlich. Bei Atmosphärendruck und leichtem Vakuum interagieren die Moleküle miteinander und drücken auf ihre Nachbarmoleküle, was als viskoser Fluss bezeichnet wird. Wenn sich der Abstand zwischen den Molekülen vergrößert, interagieren die Moleküle häufiger mit den Wänden der Kammer als mit den anderen Molekülen, und das Molekularpumpen wird effektiver als das Verdrängungspumpen. Dieser Zustand wird im Allgemeinen als Hochvakuum bezeichnet.
Molekularpumpen überstreichen einen größeren Bereich als mechanische Pumpen und tun dies häufiger, wodurch sie ein viel höheres Saugvermögen erreichen. Dies geschieht jedoch auf Kosten der Abdichtung zwischen dem Vakuum und dem Auslass. Da keine Dichtung vorhanden ist, kann ein geringer Druck am Auslass leicht zu einem Rückfluss durch die Pumpe führen; dies wird als Strömungsabriss bezeichnet. Im Hochvakuum hingegen haben Druckgradienten kaum Auswirkungen auf die Flüssigkeitsströme, und Molekularpumpen können ihr volles Potenzial ausschöpfen.
Die beiden Haupttypen von Molekularpumpen sind die Diffusionspumpe und die Turbomolekularpumpe. Beide Arten von Pumpen blasen Gasmoleküle aus, die in die Pumpe diffundieren, indem sie den Gasmolekülen einen Impuls verleihen. Diffusionspumpen blasen die Gasmoleküle mit Öl- oder Quecksilberstrahlen aus, während Turbomolekularpumpen das Gas mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsventilatoren ausstoßen. Beide Pumpen werden abgewürgt und pumpen nicht mehr, wenn sie direkt an den Atmosphärendruck abgegeben werden, so dass sie an ein geringeres Vakuum abgegeben werden müssen, das durch eine mechanische Pumpe erzeugt wird.
Wie bei Verdrängerpumpen wird der Basisdruck erreicht, wenn Leckage, Ausgasung und Rückströmung der Pumpendrehzahl entsprechen, aber jetzt wird es viel schwieriger, Leckage und Ausgasung auf ein Niveau zu minimieren, das mit der Rückströmung vergleichbar ist.
Regenerative PumpeEdit
Regenerative Pumpen nutzen das Wirbelverhalten der Flüssigkeit (Luft). Die Konstruktion basiert auf einem Hybridkonzept aus Kreiselpumpe und Turbopumpe. In der Regel besteht sie aus mehreren Sätzen von senkrechten Zähnen auf dem Rotor, die wie bei einer mehrstufigen Kreiselpumpe Luftmoleküle in stationären Hohlrillen umwälzen. Sie können einen Druck von 1×10-5 mbar (0,001 Pa) erreichen (wenn sie mit einer Holweck-Pumpe kombiniert werden) und direkt zum Atmosphärendruck entlüften. Beispiele für solche Pumpen sind Edwards EPX (technisches Papier) und Pfeiffer OnTool™ Booster 150. Sie wird manchmal auch als Seitenkanalpumpe bezeichnet. Aufgrund der hohen Pumpleistung vom Atmosphärendruck zum Hochvakuum und der geringeren Verschmutzung, da das Lager auf der Auslassseite installiert werden kann, wird dieser Pumpentyp bei der Lastsperre in Halbleiterherstellungsprozessen eingesetzt.
Dieser Pumpentyp leidet unter dem hohen Stromverbrauch (~1 kW) im Vergleich zur Turbomolekularpumpe (<100W) bei niedrigem Druck, da die meiste Energie verbraucht wird, um den Atmosphärendruck wieder herzustellen. Dies kann durch eine kleine Pumpe um fast das Zehnfache reduziert werden.
EinschlusspumpeEdit
Eine Einschlusspumpe kann eine Kryopumpe sein, die kalte Temperaturen nutzt, um Gase in einen festen oder adsorbierten Zustand zu kondensieren, eine chemische Pumpe, die mit Gasen reagiert, um einen festen Rückstand zu erzeugen, oder eine Ionenpumpe, die starke elektrische Felder nutzt, um Gase zu ionisieren und die Ionen in ein festes Substrat zu treiben. Ein Kryomodul nutzt die Kryopumpe. Andere Typen sind die Sorptionspumpe, die nicht verdampfende Getterpumpe und die Titansublimationspumpe (eine Art verdampfender Getter, der wiederholt verwendet werden kann).
Andere TypenBearbeiten
- Venturi-Vakuumpumpe (Aspirator) (10 bis 30 kPa)
- Dampfejektor (Vakuum hängt von der Anzahl der Stufen ab, kann aber sehr niedrig sein)