Welche Vakuumpumpen sind für das Abpumpen von trockenen Gasen geeignet?

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Bei Trockenverfahren, bei denen ein nicht kondensierbares Gasgemisch (z. B. Luft) abgepumpt werden soll, ist die zu verwendende Pumpe eindeutig durch den erforderlichen Betriebsdruck und die abzupumpende Gasmenge gekennzeichnet. Die Auswahl des erforderlichen Betriebsdrucks wird in diesem Abschnitt behandelt. Die Auswahl der erforderlichen Pumpe wird auf der Seite Auswahl einer Pumpengröße erläutert.
Jede der verschiedenen Pumpen hat einen charakteristischen Arbeitsbereich, in dem sie einen besonders hohen Wirkungsgrad hat. Daher werden die am besten geeigneten Pumpen für den Einsatz in den folgenden einzelnen Druckbereichen beschrieben. Bei jedem Trockenvakuumprozess muss der Behälter zuerst evakuiert werden. Es ist durchaus möglich, dass die dafür eingesetzten Pumpen von denen abweichen, die die optimale Wahl für einen Prozess sind, der bei bestimmten Betriebsdrücken durchgeführt wird. In jedem Fall ist insbesondere der Druckbereich zu berücksichtigen, in dem der Arbeitsprozess überwiegend stattfindet.

Grobvakuum (1013 bis 1 mbar)

Der übliche Arbeitsbereich von Drehpumpen liegt unter 80 mbar. Bei höheren Drücken haben diese Pumpen eine sehr hohe Leistungsaufnahme (siehe Abb. 2.11) und einen hohen Ölverbrauch. Wenn also Gase über längere Zeiträume über 80 mbar abgepumpt werden sollen, sollten insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen Strahlpumpen, Wasserringpumpen oder trockenlaufende Mehrschieberpumpen verwendet werden. Drehschieber- und Drehkolbenpumpen eignen sich besonders zum Abpumpen von Behältern von atmosphärischem Druck auf Drücke unter 80 mbar, sodass sie kontinuierlich bei niedrigen Drücken arbeiten können. Wenn große Gasmengen bei Einlassdrücken unter 40 mbar auftreten, wird der Anschluss einer Rootspumpe in Reihe empfohlen. Dann kann für das erforderliche Vorpumpen-Saugvermögen des jeweiligen Prozesses eine viel kleinere Drehschieber- oder Drehkolbenpumpe eingesetzt werden.

Fig . 2.11 Motor power of a rotary plunger pump (pumping speed 60 m3/h) as a function of intake pressure and operating temperature. The curves for gas ballast pumps of other sizes are similar.

Abb. 2.11 Motorleistung einer Drehkolbenpumpe (Saugvermögen 60 m³/h) in Abhängigkeit von Einlassdruck und Betriebstemperatur. Die Kurven für Gasballastpumpen anderer Größen sind ähnlich.

1 Betriebstemperaturkurve 1 – 32 °C (89 °F)
2 Betriebstemperaturkurve 2 – 40 °C (104 °F)
3 Betriebstemperaturkurve 3 – 60 °C (140 °F)
4 Betriebstemperaturkurve 4 – 90 °C (194 °F)
5 Theoretische Kurve für adiabatische Kompression
6 Theoretische Kurve für isotherme Kompression

Mittelvakuum (1 bis 10-3 mbar)

Wenn ein Vakuumbehälter nur auf Drücke im Mittelvakuumbereich evakuiert werden soll, vielleicht auf den erforderlichen Gegendruck für Diffusions- oder Ionenzerstäuberpumpen, dann sind ein- und zweistufige Drehpumpen für Drücke bis 10^-1 mbar bzw. 10^-3 mbar ausreichend. Die Auswahl des geeigneten Pumpentyps ist wesentlich schwieriger, wenn es sich um Mittelvakuumprozesse handelt, bei denen Gase oder Dämpfe kontinuierlich entstehen und abgepumpt werden müssen. An dieser Stelle soll ein wichtiger Hinweis gegeben werden. Das Saugvermögen aller Rotationspumpen fällt in der Nähe des erreichbaren Enddrucks schnell ab. Daher sollte der niedrigste Grenzwert für den normalen Betriebsdruckbereich dieser Pumpen der sein, bei dem das Saugvermögen immer noch etwa 50 % des Nennsaugvermögens beträgt.

Zwischen 1 und 10^-2 mbar bei Beginn der Entstehung großer Gasmengen haben Rootspumpen mit Drehpumpen als Vorpumpe optimale Pumpeigenschaften. Für diesen Druckbereich reicht eine einstufige Drehpumpe aus, wenn der Hauptbetriebsbereich über 10^-1 mbar liegt. Liegt er zwischen 10^-1 und 10^-2 mbar, wird eine zweistufige Vorpumpe empfohlen. Unter 10^-2 mbar nimmt das Saugvermögen einstufiger Rootspumpen in Kombination mit zweistufigen Drehpumpen als Vorpumpe ab. Zwischen 10^-2 und 10^-4 mbar haben zweistufige Rootspumpen (oder zwei einstufige Rootspumpen in Reihe) mit zweistufigen Drehpumpen als Vorpumpen jedoch immer noch ein sehr hohes Saugvermögen. Allerdings ist dieser Druckbereich der übliche Betriebsbereich für Dampfstrahlpumpen. Diese sind die wirtschaftlichsten Pumpen für diesen Druckbereich. Als Vorpumpen eignen sich einstufige rotierende Verdrängerpumpen. Wenn ein sehr geringer Wartungsaufwand und ein ventilloser Betrieb von Vorteil sind (d. h. wenn kleine Gefäße in kurzen Betriebszyklen auf etwa 10^-4 mbar gepumpt oder große Gefäße wochenlang unbeaufsichtigt auf diesem Druck gehalten werden sollen), sind die bereits erwähnten zweistufigen Rootspumpen mit zweistufigen Drehpumpen als Vorpumpen die geeignete Kombination. Obwohl eine solche Kombination nicht so wirtschaftlich arbeitet wie die entsprechende Dampfstrahlpumpe, kann sie viel länger ohne Wartung auskommen.

Hochvakuum (10-3 bis 10-7 mbar)

Diffusions-, Ionenzerstäuber- und Turbomolekularpumpen arbeiten normalerweise im Druckbereich unter 10^-3 mbar. Wenn der Arbeitsbereich während eines Prozesses schwankt, müssen unterschiedliche Pumpensysteme an das Gefäß angebracht werden. Es gibt auch spezielle Diffusionspumpen, die die typischen Eigenschaften einer Diffusionspumpe (niedriger Enddruck, hohes Saugvermögen im Hochvakuumbereich) mit den hervorragenden Eigenschaften einer Dampfstrahlpumpe (hoher Durchsatz im Mittelvakuumbereich, hoher kritischer Gegendruck) kombinieren. Wenn der Arbeitsbereich zwischen 10^-2 und 10^-6 mbar liegt, sind diese Diffusionspumpen besonders zu empfehlen.

Ultrahochvakuum (< 10-7 mbar)

Zur Erzeugung von Drücken im Ultrahochvakuumbereich werden Ionenzerstäuber- und Sublimationspumpen sowie Turbomolekularpumpen und Kryopumpen in Kombination mit geeigneten Vorpumpen eingesetzt. Welche Pumpe am besten für einen bestimmten UHV-Prozess geeignet ist, hängt von verschiedenen Bedingungen ab (weitere Informationen finden Sie auf der Seite über ölfreies Vakuum).

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