Wie funktioniert eine Drehschieberpumpe?
Funktionsprinzipien von ölabgedichteten Drehpumpen
Eine Verdrängerpumpe ist in der Regel eine Vakuumpumpe, bei der das zu fördernde Gas mithilfe von Kolben, Rotoren, Schiebern, Ventilen oder Ähnlichem angesaugt und ggf. verdichtet und dann abgelassen wird. Der Pumpvorgang wird durch die Drehbewegung des Kolbens in der Pumpe beeinflusst. Es muss zwischen ölabgedichteten und trockenen Verdrängerpumpen unterschieden werden. Durch den Einsatz von Dichtöl kann ein einstufiges, hohes Verdichtungsverhältnis von bis zu 105 erreicht werden. Ohne Öl ist die „innere Undichtheit“ deutlich größer und das erreichbare Verdichtungsverhältnis ist entsprechend geringer, und liegt etwa bei 10.
Wie in der Klassifizierungstabelle 2.1 gezeigt, umfassen die ölabgedichteten Verdrängerpumpen Drehschieber- und Drehkolbenpumpen in ein- und zweistufiger Ausführung sowie einstufige Trochoidpumpen, die heute nur noch von historischem Interesse sind. Diese Pumpen sind alle mit einer Gasballastfunktion ausgestattet, die 1935 erstmals ausführlich von Gaede beschrieben wurde. Innerhalb der vorgegebenen technischen Grenzen erlaubt die Gasballastfunktion das Abpumpen von Dämpfen (insbesondere Wasserdampf) ohne Kondensation der Dämpfe in der Pumpe.
Tabelle 2.1 Klassifizierung von Vakuumpumpen
Drehschieberpumpen (TRIVAC B, TRIVAC E, SOGEVAC)
Drehschieberpumpen (siehe Abb. 2.6) bestehen aus einem zylindrischen Gehäuse (Pumpenring) (1), in dem sich ein exzentrisch aufgehängter und geschlitzter Rotor (2) in Pfeilrichtung dreht. Der Rotor hat Flügel (16), die in der Regel durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrückt werden, aber auch durch Federn, sodass die Flügel in das Gehäuse gleiten. Gas, das durch den Einlass (4) einströmt, wird von den Flügeln voran gedrückt und schließlich durch das ölabgedichtete Auslassventil (12) aus der Pumpe ausgestoßen.
Abb. 2.6 Querschnitt einer einstufigen Drehschieberpumpe (TRIVAC B)
- Einlass
- Schmutzfänger
- Rückschlagventil
- Einlasskanal
- Flügel
- Pumpenkammer
- Rotor
- Öffnung, Anschluss für Inertgasballast
- Auslasskanal
- Auslassventil
- Feder
- Nebelabscheider
- Öffnung; Anschluss für Ölfilter
Die TRIVAC B-Serie (Abb. 2.6) hat nur zwei um 180° versetzte Flügel. Die Flügel werden durch die Zentrifugalkräfte nach außen gedrückt, ohne dass Federn zum Einsatz kommen. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen erfordert dies möglicherweise die Verwendung eines dünneren Öls. Die Pumpen verfügen über eine Zahnradölpumpe für die Druckschmierung. Die TRIVAC B-Serie ist mit einem besonders zuverlässigen Rückschlagventil ausgestattet; eine horizontale oder vertikale Anordnung für die Ein- und Auslassöffnungen. Das Ölstandschauglas und der Gasballaststellantrieb befinden sich alle auf derselben Seite des Ölkastens (benutzerfreundliches Design). In Kombination mit dem TRIVAC BCS-System kann sie mit einem sehr umfangreichen Zubehörsortiment ausgestattet werden, das vor allem für Anwendungen in der Halbleiterindustrie entwickelt wurde. Der Ölbehälter der Drehschieberpumpe und auch der der anderen ölabgedichteten Verdrängerpumpen dient der Schmierung und Abdichtung sowie dem Auffüllen von Toträumen und Schlitzen. Er führt die Wärme der Gasverdichtung ab und dient somit der Kühlung. Das Öl sorgt für eine Abdichtung zwischen Rotor und Pumpenring. Diese Teile sind entlang einer geraden Linie (Zylindermantellinie) beinahe in Kontakt. Um die Ölabdichtungsfläche zu vergrößern, ist ein sogenannter Dichtungskanal in den Pumpenring integriert (siehe Abb. 2.4). Das sorgt für eine bessere Abdichtung und ermöglicht ein höheres Verdichtungsverhältnis oder einen niedrigeren Enddruck.
Sehen Sie sich das folgende Video an, um eine Animation einer TRIVAC B-Drehschieberpumpe in Aktion zu sehen
Leybold TRIVAC B - Function principles
Druckbereiche von Drehschieberpumpen
Leybold stellt unterschiedliche Serien von Drehschieberpumpen her, die speziell für diverse Anwendungen wie hohen Ansaugdruck, niedrigen Enddruck oder Anwendungen in der Halbleiterindustrie geeignet sind. Eine Zusammenfassung der wichtigsten Merkmale dieser Serien finden Sie in Tabelle 2.2. Die TRIVAC-Drehschieberpumpen werden als zweistufige Pumpen (TRIVAC D) hergestellt (siehe Abb. 2.7). Mit den zweistufigen ölabgedichteten Pumpen können im Vergleich zu den entsprechenden einstufigen Pumpen niedrigere Betriebs- und Enddrücke erreicht werden. Der Grund dafür ist, dass bei einstufigen Pumpen das Öl zwangsläufig mit der Außenatmosphäre in Berührung kommt, aus der Gas aufgenommen wird, das teilweise zur Vakuumseite entweicht, wodurch der erreichbare Enddruck eingeschränkt wird. Bei den ölabgedichteten zweistufigen Verdrängerpumpen von Leybold wird der vakuumseitigen Stufe (Stufe 1 in Abb. 2.7) bereits entgastes Öl zugeführt. Der Enddruck liegt fast im Hochvakuumbereich, die niedrigsten Betriebsdrücke liegen im Bereich zwischen Mittel-/Hochvakuum. Hinweis: Der Betrieb der sogenannten Hochvakuumstufe (Stufe 1) mit nur sehr wenig oder gar keinem Öl führt trotz des sehr niedrigen Enddrucks in der Praxis zu beträchtlichen Schwierigkeiten und beeinträchtigt den Betrieb der Pumpe erheblich.
Abb. 2.4 Anordnung des Dichtungsdurchgangs in Drehschieberpumpen, auch bekannt als Duo-Dichtung. Konstanter, minimaler Abstand a für den gesamten Dichtungsdurchgang b
Abb. 2.7 Schematischer Querschnitt einer zweistufigen Drehschieberpumpe
I Hochvakuumstufe
II Zweite Vorvakuumstufe
a – Ventilanschlag
b – Blattfeder des Ventils
Tabelle 2.2 Bereiche von Drehvakuumpumpen
Drehkolbenpumpen (E-Pumpen)
Abb. 2.9 zeigt eine Schnittdarstellung einer Drehkolbenpumpe vom Typ Einblockpumpe. Hier bewegt sich ein Kolben (2), der von einem in Pfeilrichtung drehenden Exzenter (3) bewegt wird, an der Kammerwand entlang. Das abzupumpende Gas strömt durch die Einlassöffnung (11) in die Pumpe und gelangt durch den Einlasskanal des Schieberventils (12) in die Pumpenkammer (14). Das Schieberventil bildet eine Einheit mit dem Kolben und gleitet zwischen der drehbaren Ventilführung im Gehäuse hin und her (Scharnierstange 13). Das in die Pumpe gesaugte Gas gelangt schließlich in die Verdichtungskammer (4). Während sich der Kolben dreht, komprimiert er diese Gasmenge, bis sie durch das ölabgedichtete Ventil (5) ausgestoßen wird. Wie bei den Drehschieberpumpen dient der Ölbehälter zur Schmierung, Abdichtung, Füllung der Toträume und Kühlung. Da die Pumpenkammer durch den Kolben in zwei Räume geteilt wird, schließt jede Umdrehung einen Arbeitszyklus ab (siehe Abb. 2.10). Rotationskolbenpumpen werden als ein- und zweistufige Pumpen hergestellt. Bei vielen Vakuumprozessen kann die Kombination einer Rootspumpe mit einer einstufigen Drehkolbenpumpe mehr Vorteile bieten als eine zweistufige Drehkolbenpumpe allein. Wenn eine solche Kombination oder eine zweistufige Pumpe nicht ausreicht, wird der Einsatz einer Rootspumpe in Verbindung mit einer zweistufigen Pumpe empfohlen. Das gilt nicht für Kombinationen aus Drehschieberpumpen und Rootspumpen.
Abb. 2.9 Querschnitt einer einstufigen Drehkolbenpumpe
- Gehäuse
- Zylinderkolben
- Exzenter
- Verdichtungskammer
- Ölabgedichtetes Druckventil
- Ölstandschauglas
- Gasballastkanal
- Abluftbehälter
- Gasballastventil
- Schmutzfänger
- Einlass
- Schieberventil
- Scharnierstange
- Pumpenkammer (Luft strömt ein)
Abb. 2.10 Betriebszyklus einer Drehkolbenpumpe
- Oberer Totpunkt
- Schlitz im Saugkanal des Schieberventils wird freigegeben – Beginn der Saugperiode
- Unterer Totpunkt – der Schlitz im Saugkanal ist völlig frei und angesaugtes Gas (Pfeil) gelangt frei in die Pumpenkammer (schattiert dargestellt)
- Der Schlitz im Saugkanal wird durch Schwenken der Scharnierstange wieder geschlossen – Ende der Saugperiode
- Oberer Totpunkt – maximaler Abstand zwischen drehendem Kolben und Stator
- Kurz vor Beginn der Verdichtungsperiode wird die Gasballastöffnung durch die Vorderseite des rotierenden Kolbens freigegeben – Beginn des Gasballasteinlasses
- Gasballastöffnung ist völlig frei
- Ende des Gasballasteinlasses
- Ende der Pumpperiode
Motorleistung von Drehschieber- und Drehkolbenpumpen
Die Motoren, die mit den Drehschieber- und Drehkolbenpumpen geliefert werden, liefern bei einer Umgebungstemperatur von 12 °C (53,6 °F) und bei Verwendung unserer Spezialöle ausreichend Leistung, um den maximalen Leistungsbedarf (bei ca. 400 mbar) zu decken. Innerhalb des tatsächlichen Betriebsbereichs der Pumpe muss das Antriebssystem der Warmlaufpumpe nur etwa ein Drittel der vorhandenen Motorleistung versorgen (siehe Abb. 2.11).
Abb. 2.11 Motorleistung einer Drehkolbenpumpe (Saugvermögen 60 m3/h) in Abhängigkeit von Ansaugdruck und Betriebstemperatur. Die Kurven für Gasballastpumpen anderer Größen sind ähnlich.
- Betriebstemperaturkurve 1 – 32 °C (89 °F)
- Betriebstemperaturkurve 2 – 40 °C (104 °F)
- Betriebstemperaturkurve 3 – 60 °C (140 °F)
- Betriebstemperaturkurve 4 – 90 °C (194 °F)
- Theoretische Kurve für adiabatische Kompression
- Theoretische Kurve für isotherme Kompression
Grundlagen der Vakuumtechnik
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Referenzen
- Vakuumsymbole
- Glossar der Einheiten
- Verweise und Quellen
Vakuumsymbole
Eine Übersicht der Symbole, die in der Vakuumtechnik häufig für Diagramme mit Pumpentypen und Pumpensystemkomponenten verwendet werden
Glossar der Einheiten
Eine Übersicht der Maßeinheiten in der Vakuumtechnik, die Bedeutung der Symbole und die modernen Pendants historischer Maßeinheiten
Verweise und Quellen
Verweise, Quellen und weiterführende Literatur zu den Grundlagen der Vakuumtechnik
