Wie funktioniert eine Membranpumpe?

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Membranvakuumpumpen sind oszillierende Verdrängerpumpen. Sie gehören zur Familie der Gastransfer-Vakuumpumpen. Aufgrund ihres Leistungsumfangs fallen sie in die Kategorie des Grobvakuums. Sie sind in Laboren wichtig, wo ein Druck von nur wenigen mbar benötigt wird. Das führt dazu, dass sie unter anderem in chemischen Laboren für pharmazeutische oder medizinische Prozesse eingesetzt werden.

Funktionsweise

Membranvakuumpumpen sind ein- oder mehrstufige trockenverdichtende Vakuumpumpen (es werden Membranpumpen mit bis zu vier Stufen hergestellt). Dabei wird eine kreisförmige Membran zwischen einem Pumpenkopf und der Gehäusewand gespannt (Abb. 2.1). Sie wird mit Hilfe einer Pleuelstange und eines Exzenters oszillierend bewegt. Die Pump- oder Kompressionskammer, deren Volumen sich periodisch vergrößert und verkleinert, bewirkt die Pumpwirkung. Die Ventile sind so angeordnet, dass sie in der Phase, in der das Volumen der Pumpenkammer zunimmt, zur Ansaugleitung hin offen sind. Während der Verdichtung ist die Pumpenkammer mit der Auslassleitung verbunden. Die Membran sorgt für eine hermetische Abdichtung zwischen der Getriebe- und Pumpenkammer, so dass dieser Bereich frei von Öl und Schmiermitteln bleibt (trockenverdichtende Vakuumpumpe). Die Membran und Ventile sind die einzigen Komponenten, die mit dem zu pumpenden Medium in Berührung kommen. Wenn die Membran mit PTFE (Teflon) beschichtet ist und die Ein- und Auslassventile aus einem hochfluorierten Elastomer gefertigt sind, wie bei der DIVAC von Leybold, ist es möglich, aggressive Dämpfe und Gase abzupumpen. Diese Pumpen sind daher gut für Vakuumanwendungen in Chemielaboren geeignet.

Abb. 2.1 Schaubild zum Aufbau einer Membranpumpenstufe.

1) Gehäusedeckel 2) Ventile 3) Deckel 4) Membranteller 5) Membran 6) Membranstützscheibe 7) Pleuelstange 8) Exzenterscheibe

Vorteile von Membranpumpen

In letzter Zeit haben Membranpumpen hauptsächlich aus Umweltschutzgründen immer mehr an Bedeutung gewonnen. Sie sind Alternativen zu Wasserstrahlvakuumpumpen, da Membranpumpen kein Abwasser erzeugen. Insgesamt können mit einer Membranvakuumpumpe bis zu 90 % der Betriebskosten im Vergleich zu einer Wasserstrahlpumpe eingespart werden. Im Gegensatz zu Drehschieberpumpen ist die Pumpenkammer von Membranpumpen vollständig ölfrei. Konstruktionsbedingt sind keine ölgetauchten Wellendichtungen erforderlich.

Einschränkungen von Membranpumpen

Aufgrund der begrenzten elastischen Verformbarkeit der Membran wird nur ein vergleichsweise niedriges Saugvermögen erreicht. Bei diesem Pumpprinzip verbleibt ein Volumen am oberen Totpunkt, dem sogenannten „Totraum“, von wo aus die Gase nicht in die Abgasleitung geleitet werden können. Die am Abgasdruck verbleibende Gasmenge dehnt sich beim nachfolgenden Saughub in die sich ausdehnende Pumpenkammer aus und füllt sie dadurch, sodass mit dem Ansaugdruck die Menge des einströmenden neuen Gases immer weiter abnimmt. Daher verschlechtert sich der volumetrische Wirkungsgrad kontinuierlich. Membranvakuumpumpen können kein höheres Verdichtungsverhältnis als das Verhältnis zwischen „Totraum“ und dem maximalen Volumen der Pumpenkammer erreichen. Bei einstufigen Membranvakuumpumpen beträgt der erreichbare Enddruck ca. 80 mbar. Zweistufige Pumpen wie die DIVAC von Leybold können ca. 10 mbar erreichen (siehe Abb. 2.2), dreistufige Pumpen erreichen ca. 2 mbar und vierstufige Membranpumpen ca. 5 bis·10^-1 mbar.

Abb. 2.2 Funktionsprinzip einer zweistufigen Membranpumpe. Öffnen und Schließen der Ventile, Weg und Pumpmechanismus während der vier aufeinander folgenden Phasen einer Umdrehung der Pleuelstange (a - d)

Kompatibilität mit anderen Pumpen und Anwendungen

Membranpumpen, die einen derart niedrigen Enddruck erreichen wie die drei- und vierköpfigen Membranpumpen, eignen sich als Vorpumpen für Turbomolekularpumpen mit vollständig integrierten Molekularschleppstufen (Compound- oder Weitbereich-Turbomolekularpumpen). Auf diese Weise erhält man ein absolut ölfreies Pumpensystem, was für Messanordnungen mit Massenspektrometriesystemen und Lecksucher von großer Bedeutung ist. Im Gegensatz zu Drehschieberpumpen bietet diese Kombination von Pumpen für Lecksucher den Vorteil, dass in der Membranpumpe natürlich kein Helium gelöst wird, wodurch ein möglicher Aufbau eines Heliumhintergrunds vollständig vermieden wird. Das Endvakuum der ölabgedichteten Drehschieber- oder Scrollpumpen ist jedoch erheblich besser als das der 4-Kopf-Membranpumpen.

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