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Wie funktioniert eine Diffusionspumpe?

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Diffusionspumpen (siehe Abb. 2.44) bestehen im Wesentlichen aus einem Pumpengehäuse (3) mit gekühlter Wand (4) und einem drei-, vier- oder fünfstufigen Düsensystem (A - D). Das Öl, das als Pumpenflüssigkeit dient, befindet sich im Kessel (2) und wird von dort aus durch eine Elektroheizung (1) verdampft. Der Pumpenflüssigkeitsdampf strömt durch die Steigleitungen und tritt mit Überschallgeschwindigkeit aus den ringförmigen Düsen (A - D) aus. Danach weitet sich der so geformte Strahl wie ein Schirm aus und erreicht die Wand, an der die Pumpenflüssigkeit kondensiert. Das flüssige Kondensat fließt als dünner Film entlang der Wand nach unten und kehrt schließlich in den Kessel zurück. Aufgrund dieser Ausbreitung des Strahls ist die Dampfdichte relativ gering. Die Diffusion von Luft oder anderen gepumpten Gasen (oder Dämpfen) in den Strahl ist so schnell, dass der Strahl trotz seiner hohen Geschwindigkeit nahezu vollständig mit dem Fördermedium gesättigt wird. Daher haben Diffusionspumpen über einen großen Druckbereich ein hohes Saugvermögen. Dieses ist praktisch konstant über den gesamten Betriebsbereich der Diffusionspumpe (≤ 10^-3mbar), da die Luft bei diesen niedrigen Drücken den Strahl nicht beeinflussen kann, sodass ihr Verlauf ungestört bleibt. Bei höheren Einlassdrücken ändert sich der Verlauf des Strahls. Dadurch sinkt das Saugvermögen, bis es bei ca. 10^-1 mbar unmessbar klein wird.

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Abb. 2.44 Betriebsmodus einer Diffusionspumpe.

Heizung
Boiler/Dampferzeuger
Pumpengehäuse
Kühlrohre
Hochvakuumflansch
Gasmoleküle
Dampfstrahl
Anschluss für Vorvakuum
A-, B-, C-, D-Düse

Der Vorvakuumdruck beeinflusst auch den Dampfstrahl und wird schädlich, wenn sein Wert einen bestimmten kritischen Grenzwert überschreitet. Diese Grenze wird als maximaler Gegendruck oder kritischer Vordruck bezeichnet. Die Kapazität der gewählten Vorpumpe muss so sein, dass die Menge des von der Diffusionspumpe abgelassenen Gases abgepumpt wird, ohne dass ein Gegendruck aufgebaut wird, der dem maximalen Gegendruck nahe kommt oder diesen sogar überschreitet.

Der erzielbare Enddruck hängt von der Konstruktion der Pumpe, dem Dampfdruck der verwendeten Pumpenflüssigkeit, der maximal möglichen Kondensation der Pumpenflüssigkeit und der Sauberkeit des Behälters ab. Darüber hinaus sollte das Rückfließen der Pumpenflüssigkeit in den Behälter durch geeignete Leitbleche oder Kühlfallen so weit wie möglich reduziert werden.

Entgasung des Pumpenöls – verhindert Verunreinigungen

Bei Öldiffusionspumpen muss die Pumpenflüssigkeit entgast werden, bevor sie in den Kessel zurückgeleitet wird. Beim Erhitzen des Pumpenöls können in der Pumpe Zersetzungsprodukte entstehen. Verunreinigungen aus dem Behälter können in die Pumpe gelangen oder von Anfang an in der Pumpe zurückgehalten werden. Diese Bestandteile der Pumpenflüssigkeit können den durch eine Diffusionspumpe erzielbaren Enddruck erheblich verschlechtern, wenn sie nicht vom Behälter ferngehalten werden. Aus diesem Grund muss die Pumpenflüssigkeit von diesen Verunreinigungen und absorbierten Gasen gereinigt werden.

Dies ist die Funktion des Entgasungsbereichs, durch den das zirkulierende Öl kurz vor dem Wiedereintritt in den Kessel fließt. Im Entgasungsbereich entweichen die flüchtigsten Verunreinigungen. Die Entgasung erfolgt durch die sorgfältig kontrollierte Temperaturverteilung in der Pumpe. Die kondensierte Pumpenflüssigkeit, die als dünner Film an den gekühlten Wänden entlang läuft, wird auf eine Temperatur von ca. 130 °C (266 °F) unter der niedrigsten Diffusionsstufe angehoben, damit die flüchtigen Komponenten verdampfen und von der Vorpumpe entfernt werden können. Daher besteht die wieder verdampfende Pumpenflüssigkeit nur aus den weniger flüchtigen Bestandteilen des Pumpenöls.

Saugvermögen einer Diffusionspumpe

Die Größe des spezifischen Saugvermögens S einer Diffusionspumpe – d. h. das Saugvermögen pro Flächeneinheit der tatsächlichen Einlassfläche – hängt von mehreren Parametern ab, einschließlich der Position und Abmessungen der Hochvakuumstufe, der Geschwindigkeit des Dampfes der Pumpenflüssigkeit und der mittleren molekularen Geschwindigkeit c- des abgepumpten Gases (siehe Gleichung 1.17). Mit Hilfe der kinetischen Gastheorie wird das maximal erreichbare spezifische Saugvermögen bei Raumtemperatur an der Pumpenluft auf S_max= 11,6 l · s^-1· cm^-2 berechnet. Dies ist die spezifische (molekulare)Strömungsleitfähigkeit der Einlassfläche der Pumpe, die einer Öffnung der gleichen Oberfläche ähnelt (siehe Gleichung 1.30). Im Allgemeinen haben Diffusionspumpen ein höheres Saugvermögen für leichtere Gase als für schwerere Gase.

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(1.17)

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(1.30)

Zur Charakterisierung der Wirksamkeit einer Diffusionspumpe wird der so genannte HO-Faktor definiert. Dies ist das Verhältnis zwischen dem tatsächlich erhaltenen spezifischen Saugvermögen und dem theoretisch maximal möglichen spezifischen Saugvermögen. Bei Diffusionspumpen von Leybold werden optimale Werte erreicht (von 0,3 bei den kleinsten und bis zu 0,55 bei den größeren Pumpen).

Öldiffusionspumpen von Leybold

Die verschiedenen Öldiffusionspumpen von Leybold unterscheiden sich durch folgende Konstruktionsmerkmale (siehe Abb. 2.45).

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Abb. 2.45 Diagramm mit dem Konstruktionsprinzip einer Diffusionspumpe.

Vorvakuumanschlussflansch
Zentrierring mit Vorvakuum-Luftleitblech
Düsenbaugruppe
Kühlwasseranschluss
Hochvakuumanschlussflansch
Düsenhutdampfsperre
Pumpengehäuse
Elektrischer Anschlusskasten
Blechverkleidung zum Heizen

Serie DIP

Bei diesen Pumpen wird durch die außergewöhnliche Heizkonstruktion ein Verdampfungsprozess für die Pumpenflüssigkeit erreicht, der praktisch frei von Stößen ist, was zu einem sehr konstanten Saugvermögen im Zeitverlauf führt. Der Heizkörper ist ein internes Bauteil und besteht aus Heizpatronen, in die auf Wärmeleitplatten gelötete Leitungen eingeführt werden. Die Leitungen aus Edelstahl sind horizontal in das Pumpengehäuse eingeschweißt und befinden sich über dem Ölstand. Die Wärmeleitplatten aus Kupfer sind nur teilweise in die Pumpenflüssigkeit eingetaucht. Die Teile der Wärmeleitplatten sind so bemessen, dass das Pumpenmedium intensiv, aber ohne Siedeverzüge verdampfen kann. Die Teile der Wärmeleitplatten oberhalb des Ölstands liefern dem Dampf zusätzliche Energie. Aufgrund der speziellen Konstruktion des Heizsystems können die Heizpatronen sogar bei noch heißer Pumpe ausgetauscht werden.
Die DIP-Pumpen sind mit vier Strahldüsen ausgestattet und eignen sich zum Pumpen in einem Druckbereich von 10^-2 bis 10^-8 mbar.

Serie DIJ

Die DIJ-Serie verfügt über ein weiter verbessertes Design für Anwendungen, bei denen ein hohes Saugvermögen in Kombination mit hohen Gasdurchsätzen in einem Druckbereich von 5 x 10^-1 bis 10^-7 mbar erforderlich ist. Das Heizungsdesign mit Leitplatten wurde von der DIP-Serie übernommen, aber weiter verbessert. Anstelle einer Rohrausführung, bei der Heizpatronen in Edelstahlrohre eingeführt werden, werden DIJ-Pumpen mit Flansch geliefert. Die Heizpatronen sind sicher und leckdicht im Heizbehälter montiert und direkt in die Pumpenflüssigkeit eingetaucht. Diese Konstruktion ermöglicht eine weitere Verbesserung der Erwärmung der Pumpenflüssigkeit sowie eine vereinfachte Wartung. Der Strahldüsenblock umfasst eine zusätzliche Ejektorstufe, die zu einer höheren Vorvakuumdruckstabilität und einem erhöhten Gasdurchsatz führt. Da das Diffusionspumpenprinzip auf beheiztem Öl basiert, gibt es bei diesen Pumpen ein großes Problem. Ungefähr 80 % der in die Pumpe eingebrachten Energie wird in die Umgebung abgegeben. Die DIJ-Serie ist mit einem Isoliermantel um den Heizbehälter ausgestattet, der ihn von der Umgebung trennt und zu einer verbesserten Aufheizzeit und einer höheren Energieaufnahme führt.

Check out the video below to see a pumping animation of an oil diffusion pump in action

Pumpenflüssigkeiten

Welches Öl wird in Diffusionspumpen verwendet?

Die geeigneten Pumpenflüssigkeiten für Öldiffusionspumpen sind Mineralöle und Silikonöle. An diese Öle werden hohe Anforderungen gestellt, die nur durch spezielle Flüssigkeiten erfüllt werden können. Deren Eigenschaften, wie Dampfdruck, thermische und chemische Beständigkeit, insbesondere gegenüber Luft, bestimmen die Wahl des Öls, das in einem bestimmten Pumpentyp oder zur Erreichung eines bestimmten Endvakuums verwendet werden soll. Der Dampfdruck der in Dampfpumpen verwendeten Öle ist niedriger als der von Quecksilber. Organische Pumpenflüssigkeiten sind im Betrieb empfindlicher als Quecksilber, da sich die Öle durch langfristige Luftzufuhr zersetzen können. Silikonöle halten jedoch länger anhaltenden, häufigen Luftzufuhren in die Betriebspumpe stand.

Das übliche Mineralöl, das Leybold für Diffusionspumpen anbietet, ist LVO500. Dieses Mineralöl besteht aus Fraktionen eines hochwertigen Basisprodukts (siehe unseren Katalog), das mit besonderer Sorgfalt destilliert wurde. LVO 500 ist unser Standard-Diffusionspumpenöl für Anwendungen im Hochvakuum mit einer guten thermischen Stabilität.

Um eine optimale Leistung zu erzielen, bietet Leybold LVO521 an (siehe unseren Katalog), eine hochreine Silikonöllösung, die ein spezielles Silikon enthält, damit Sie die beste Leistung Ihrer Pumpe in Anwendungen mit Hoch- und Ultrahochvakuum erzielen können. Es hat eine hohe thermische Stabilität und ist äußerst widerstandsfähig gegenüber Oxidation und Zersetzung.

Für Öldampfstrahlpumpen bietet Leybold LVO540 an (siehe unseren Katalog), ein spezielles Kohlenwasserstofföl. Es verfügt über eine längere Lebensdauer und verbesserte Temperaturstabilität, ist thermisch und chemisch äußerst beständig und zeichnet sich durch einen hohen Oxidationswiderstand aus. Es sorgt für das erforderliche hohe Saugvermögen der Dampfstrahlpumpen im Mittelvakuumbereich.

Kühlung von Diffusionspumpen

Die Heizleistung, die kontinuierlich für die Verdampfung der Pumpenflüssigkeit in Treibmittelpumpen bereitgestellt wird, muss durch effiziente Kühlung abgeführt werden. Die zum Abpumpen der Gase und Dämpfe erforderliche Energie ist minimal. Die Außenwände des Gehäuses von Diffusionspumpen werden gekühlt, im Allgemeinen mit Wasser. Kleinere Öldiffusionspumpen können jedoch auch mit einem Luftstrom gekühlt werden, da eine niedrige Wandtemperatur für die Effizienz nicht so entscheidend ist wie bei Quecksilberdiffusionspumpen. Öldiffusionspumpen können mit Wandtemperaturen von 30 °C (86 °F) gut arbeiten, während die Wände von Quecksilberdiffusionspumpen auf 15 °C (59 °F) gekühlt werden müssen. Um die Pumpen vor der Gefahr eines Ausfalls des Kühlwassers zu schützen – sofern die Kühlwasserschlange nicht durch eine thermisch betriebene Schutzschaltung gesteuert wird – sollte eine Wasserkreislaufüberwachung im Kühlwasserkreislauf installiert werden; so wird die Verdampfung der Pumpenflüssigkeit von den Pumpenwänden vermieden.

Kann Quecksilber in Diffusionspumpen verwendet werden?

Quecksilber kann als Pumpenflüssigkeit verwendet werden. Es handelt sich um ein chemisches Element, das sich während der Verdampfung weder zersetzt noch stark oxidiert, wenn Luft zugeführt wird. Bei Raumtemperatur hat es jedoch einen vergleichsweise hohen Dampfdruck von 10^-3 mbar. Wenn niedrigere maximale Gesamtdrücke erreicht werden sollen, sind Kühlfallen mit flüssigem Stickstoff erforderlich. Mit Hilfe dieser Pumpen können mit Quecksilberdiffusionspumpen maximale Gesamtdrücke von 10^-10 mbar erreicht werden. Da Quecksilber, wie bereits erwähnt, giftig ist und eine Gefahr für die Umwelt darstellt, wird es heutzutage kaum noch als Pumpenflüssigkeit verwendet.

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