De moleculaire luchtpomp van Wolfgang Gaede
Op de 80e verjaardag van het overlijden van Wolfgang Gaede Door Guido Pfefferle en Gerhard Voss
De interne werking van een moleculaire luchtpomp in historische beelden
Wolfgang Gaede overleed op 24 juni 1945 in München. Met dit artikel herdenken de auteurs de 80e verjaardag van zijn overlijden en publiceren ze voor het eerst afbeeldingen van de interne werking van een moleculaire luchtpomp van de opvolgers van E. Leybold.
Het octrooi van de moleculaire vacuümpomp van Gaede
Keizerlijk Octrooibureau [Berlijn] - Octrooi nr. 239213 Dr. Wolfgang Gaede in Freiburg im Breisgau - Roterende vacuümpomp - Geoctrooieerd in het Duitse Rijk vanaf 3 januari 1909
De titel van octrooi nr. 239213 klinkt in eerste instantie misschien niet bijzonder spectaculair. Achter de naam " Rotating Vacuum Pump " schuilt echter een echte mijlpaal in vacuümtechnologie: de moleculaire luchtpomp.
In de bovengenoemde octrooispecificatie schrijft Wolfgang Gaede: "De moleculaire luchtpomp maakt uitsluitend gebruik van de wrijving tussen het gepompte gas en een snel bewegend vast oppervlak om het gas te transporteren. Het gebruik van een 'afdichtvloeistof', zoals kwik of olie, is niet nodig. " In de huidige terminologie betekent dit: de moleculaire luchtpomp van Wolfgang Gaede was 's werelds eerste droge compressievacuümpomp.
Afbeelding 1 [3] toont links de moleculaire luchtpomp die door Leybold is gebouwd volgens het octrooi van Gaede. Hier wordt een röntgenbuis geëvacueerd. Uiteraard wordt een draaischuifpomp van Leybold gebruikt als voorvacuümpomp.
Het werkingsprincipe van de moleculaire luchtpomp
In zijn proefschrift [1] introduceerde Wolfgang Gaede de term "externe wrijving van gassen", die de interactie van gasmoleculen met een snel bewegend vast oppervlak beschrijft. Zijn moleculaire luchtpomp werkt op basis van dit principe. Een schematische weergave van het werkingsprincipe van de pomp is te vinden in de Preliminary Communication on a New High-Vacuum Pump, gepubliceerd in 1912 door E. Leybold's Nachfolger [2].
De in [2] opgenomen 'figuur 2' wordt in dit artikel als figuur 2 weergegeven. Het gaat vergezeld van de volgende originele tekst: "Er worden groeven van diepte b en breedte a in de cilinder A gesneden, die om de as a draait. Op een afstand h ' is A omsloten door een cilindrische behuizing B. Aan de ene kant is een lamellenkam C, die is bevestigd aan behuizing B, steekt uit in de groeven." [In figuur 1 (links) wordt gas getransporteerd van n naar m wanneer rotor A met hoge snelheid rechtsom rond as a draait. Er treedt een ongewenst verlies in gasstroom op wanneer gas terugstroomt van m naar n door de opening tussen C en A. In de technische uitvoering van de pomp mag deze opening daarom niet meer dan enkele honderdsten van een millimeter breed zijn.] [Om het best mogelijke hoogvacuüm te verkrijgen, moet het gas aanzienlijk worden gecomprimeerd tussen de pompinlaat (hoogvacuümzijde) en de uitlaat (voorvacuümzijde). Dit wordt gerealiseerd door het volgende principe:] "De afzonderlijke groeven zijn in serie geschakeld, zodat opening m aansluit op n₁, m₁ op n₂ enzovoort. Hierdoor neemt de gasdruk continu af vanaf de uiteinden van de rotor naar het midden toe."
Het technische ontwerp van Leybold
Figuur 3 [3] toont het technische ontwerp van de moleculaire luchtpomp van Leybold in een lengtedoorsnede langs de rotoras a. De behuizing B, gearceerd weergegeven in Figuur 3, ondersteunt de bovenste constructie K en is er 'luchtdicht' aan bevestigd. De rotor A, die uit een massieve messing cilinder bestaat, is vast verbonden met de as a. In de messing cilinder zijn groeven D gefreesd, waarin de lamellenkam C (donkere arcering) uitsteekt. Bovendien geeft S de inlaat van de pomp aan aan de hoogvacuümzijde, terwijl H de poelie aanduidt die wordt gebruikt om de as a aan te drijven. Het is de moeite waard om op te merken dat het ware geheim van de pomp in de bovenste constructie K ligt. Deze bevat een complex systeem van gasdistributiekanalen – waarvan er geen tekeningen of foto's bestaan.
Een blik in de Leybold-pomp
Om de interne werking van de moleculaire luchtpomp te onderzoeken, hebben we eerst de vier schroeven verwijderd waarmee de bovenste eenheid K vastzit. Zodra deze was losgedraaid, kon de eenheid van behuizing B worden getild – en we waren echt verrast. Er zat geen pakking tussen het geheel en de behuizing, alleen messing op messing met een beetje vet.
Figuur 4 toont zowel de onderzijde van de omgekeerde bovenconstructie K als de bovenzijde van behuizing B. We gaan de onderzijde van K in figuur 6 nader bekijken. Aan de bovenkant van Bis een reeks sleuven te zien die met de binnenkant van B verbonden zijn – en dus ook met de groeven in de rotor. Bovendien is de lamellenkam C aan de bovenzijde van B gemonteerd, parallel aan de lengteas van de pomp. De gaten voor de bevestigingsschroeven zijn ook te zien in afbeelding 4. Na het verwijderen van de componenten E, F, G en H zoals weergegeven in afbeelding 3, konden we rotor A verwijderen en meten. Volgens onze metingen heeft deze een diameter van 100,00 + 0,01 mm. Om de interactie tussen de lamellenkam en de rotor te demonstreren, hebben we de kam, gefreesd uit één stuk messing, in de groeven van de rotor gestoken. Dit is meer in detail te zien in Figuur 5.
Voor de werking van het mechanisme zoals weergegeven in figuur 2 zijn fijne mechanische precisie en reproduceerbaarheid binnen honderdsten van een millimeter absoluut noodzakelijk. Leybold was al in 1912 in staat om dit precisieniveau te bereiken.
Met figuur 6, die de onderkant van de bovenste constructie K in detail toont, komen we dichter bij de 'geheime' interne werking van de moleculaire luchtpomp. Met behulp van een metaalreinigingsvloeistof hebben we de interne kanalen getraceerd.
Hierdoor konden we het complexe traject van het gas tussen de hoogvacuüm- (HV) en voorvacuümzijde (FV) in detail volgen: de inlaat aan de hoogvacuümzijde (HV-connector S, linksboven in Afb. 6) is aangesloten op positie 1 in Fig. 6. Van daaruit transporteert de rotor het gas naar positie 2 aan de rechterkant. Dit betekent dat de rotor – gezien vanaf de gelabelde zijde van K ( E. Leybold's Nachfolger, Coeln en Berlin, German Imperial Patent ) - linksom moet draaien.
Door het zichtbare kanaal gevuld met zachtsoldeer gaat het gas van 2 rechts naar 2 links, dan via de rotor naar 3 rechts, via een kanaal in K naar 3 links, door de rotor naar 6 rechts, via een kanaal in K naar 6 links, door de rotor naar 4 rechts, via een kanaal in K naar 4 links, door de rotor naar 7 rechts, via een kanaal in K naar 7 links, door de rotor naar 5 rechts, via een kanaal in K naar 5 links, door de rotor naar 8 rechts en ten slotte via een kanaal in K naar 8 links, van waaruit het de ringvormige groef (FV-positie) bereikt die verbonden is met de voorvacuümpomp.
Excuses voor de lange uitleg, maar na 113 jaar moest het opgeschreven en gedocumenteerd worden. Zo konden we experimenteel de uitspraak van Wolfgang Gaede bevestigen dat het gas vanuit het midden van de pomp wordt afgezogen. De exacte structuur van het interne kanaalsysteem in K kan waarschijnlijk alleen niet-destructief worden bepaald met behulp van röntgenstralen. Het is belangrijk op te merken dat de groef die verbonden is met de voorvacuümpomp het binnenste hoogvacuümgebied in een ring omsluit.
Dit ontwerp zorgt ervoor dat elke luchtlekkage uit de omgeving (1000 mbar) naar de groef (0,1 mbar) wordt opgevangen door de hulpvacuümpomp. Het drukverschil tussen de ringvormige groef en positie 1 is gewoonlijk 10.000 keer kleiner dan het drukverschil tussen de omgevingsatmosfeer en de groef. Hierdoor is de lekkage van de groef naar positie 1 veel kleiner dan van de omgeving in de groef. Samengevat: de ringvormige groef beschermt het hoogvacuümgebied tegen luchtlekkage uit de omgevingsatmosfeer.
Epilogue
Leybold heeft het geluk dat twee originele moleculaire luchtpompen in het Gaede Archief bewaard blijven. Deze gelukkige omstandigheid inspireerde het idee om een van de pompen weer in goede staat te brengen. Dit is met succes bereikt, maar er moet nog werk worden gedaan om de werking van de pomp volledig te optimaliseren.
Referenties
[1] Wolfgang Gaede Habilitation Thesis: The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau, 1912 [2] Voorlopige communicatie over een nieuwe hoogvacuümpomp (moleculaire luchtpomp) volgens Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Keulen a[m] Rh[ein], 1912 [3] Special Price List No. VI on Molecular Air Pumps volgens Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Keulen a[m] Rh[ein], 1912
Opgesteld door:
Guido Pfefferle
E-mail voor prototyping en gereedschap: guido.pfefferle@leybold.com
Dr. Gerhard Voss
Gaede Archief Keulen
Gerelateerde artikelen
