Vakuumerzeugung: Vorstellung verschiedener Pumpen und Probleme

Transkript

1 Vakuumerzeugung: Vorstellung verschiedener Pumpen und Probleme Fabian Schmid-Michels Universität Bielefeld Vertiefender Vortrag im F&O 2 Tutorium 21. November / 30

2 Überblick 1 Einführung Motivation 2 Transport- und Förderpumpen Verdrängerpumpen Treibmittelpumpen Molekularpumpen 3 Speicherpumpen Getterpumpen Ionengetterpumpen Kryopumpen 2 / 30

3 Wofür Vakuum? Analytische Industrie Halbleiterherstellung Beschichtung Verfahrenstechnik und Chemie Forschung und Entwicklung 3 / 30

4 Barometrische Höhenformel: p = p 0 exp ( gρ 0h V0p0 ) 4 / 30

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8 Verdrängerpumpen Das zu fördernde Gas wird mit Hilfe von Kolben, Rotoren, Schiebern etc. angesaugt, verdichtet und ausgestoÿen. Wichtigste Vertreter dieser Pumpenart: Drehschieberpumpen Membranpumpen 8 / 30

9 Drehschieberpumpen Abbildung: Prinzip einer Drehschieberpumpe 9 / 30

10 Drehschieberpumpen Enddruck: ca bis 10 3 mbar Saugvermögen von 3m 3 /h bis 1600 m 3 /h möglich Vorteile robust, langlebig, betriebssicher, preiswert Nachteile Fette oder Stäube werden vom Öl aufgenommen Wartungsaufwand erhöht sich Kohlenwasserstoe aus dem Öl kontaminieren das Vakuum (unerwünscht bei manchen Anwendungen) Lösung trocken laufende Drehschieberpumpen 10 / 30

11 Membranpumpen Abbildung: Prinzip einer Membranpumpe 11 / 30

12 Membranpumpen Enddruck: max mbar Saugvermögen max. 20m 3 /h Vorteile Ölfrei Nachteile physikalisch begrenzter Enddruck geringes Saugvermögen Verbesserung dieser Nachteile durch Parallel- oder Serienschaltung mehrerer Pumpen möglich 12 / 30

13 Wälzkolbenpumpen (Roots-Pumpen) Abbildung: Prinzip einer Wälzkolbenpumpe 13 / 30

14 Wälzkolbenpumpen (Roots-Pumpen) Abbildung: Pump-Phasen einer Wälzkolbenpumpe 14 / 30

15 Wälzkolbenpumpen Enddruck: max mbar Saugvermögen 200 bis 1000 m 3 /h Vorteile nahezu Ölfrei (nur Lager und Zahnräder geschmiert) Nachteile Benötigt eine Vorpumpe 15 / 30

16 Treibmittelpumpen Ein schnell bewegtes Treibmittel (üssig, gas- oder dampörmig) wird zur Förderung das abzupumpenden Gases benutzt. Bekannt: Wasserstrahl-Vakuumpumpen (Chemie-Praktikum) 16 / 30

17 Diusionspumpen Problem: Rückdiusion des Treibmittels ins Vakuum (unerwünscht) 17 / 30

18 Molekular- und Turbomolekularpumpen Mechanischer Impulsübertrag auf die Gasteilchen in Auslassrichtung der Pumpe. Impulsübertrag durch eine sich schnell bewegende Wand oder Rotorschaufeln. 18 / 30

19 Turbomolekularpumpen Abbildung: physikalisches Prinzip einer Turbomolekularpumpe 19 / 30

20 Turbomolekularpumpen Enddruck: bis zu mbar Saugvermögen 200 bis 1000 m 3 /h Vorteile schnell einsatzbereit kontinierliche Förderung hoher Gaslasten möglich Nachteile Benötigt eine Vorpumpe Saugvermögen für schwere Gase durch erhöhten Wärmeübertrag vermindert 20 / 30

21 Sorptionspumpen (Speicherpumpen) Abbildung: Bezeichnungsschema der Sorptionsvorgänge 21 / 30

22 Sorptionspumpen Abbildung: Einteilung der Sorptionspumpen nach Ihren Sorptionsprinzip 22 / 30

23 Kommerziell wichtigste Sorptionspumpen Ionengetterpumpen, insb. Ionenzerstäuberpumpen Kryopumpen 23 / 30

24 Getterpumpen Die Wirkung der Getterstoe beruht auf der Gasaufnahme durch: Adsorption (Anlagerung der Gasmoleküle an der Oberäche) Absorption (Lösen der Gasmoleküle im Feststo) chemische Bindung 24 / 30

25 Getterpumpen: Volumengetterpumpen (NEG) NEG = Non Evaporable Getter Gase werden durch chemische Reaktion gebunden je gröÿer die Oberäche, desto eektiver Problem: Edelgase und andere chemisch relativ passive Gase wie Methan können nicht gepumpt werden. Ionengetterpumpen 25 / 30

26 Verdampferpumpen Material wird durch Hitze verdampft Material setzt sich auf kälteren Oberächen ab Frische Oberäche nimmt viel Gas auf Hat jeder zu Hause! Fernsehröhre 26 / 30

27 Ionengetterpumpen Ionengetterpumpen haben zusätzlich eine Elektrodenanordnung, mit der Gasteilchen ionisiert und durch eine Beschleunigungsspannung in die Getteroberäche geschossen werden. 27 / 30

28 Ionengetterpumpe Vorteile Enddruck sehr gut UHV-Erzeugung Vibrationsfrei Nach auÿen völlig abgeschlossen Verglichen mit anderen UHV Pumpen bestes Verh. Energieverbrauch zu Saugvermögen Nachteile Gettermeterial verbraucht sich mit der Zeit 28 / 30

29 Kryopumpen griechisch kryos = Kälte Kryotechnik: T < 120K Bei hinreichend kleinen Temperaturen kondesieren alle Gase - auÿer Helium - als feste Phase Vakuum-Erzeugung möglich Problem: Begrenzte Kapazität, Pumpe muss beim Erreichen dieser Grenze regeneriert werden (aufheizen, Kondensat entfernen, wieder abkühlen) Anwendungsgebiete: Kernfusionsforschung, Raumfahrttechnik, Teilchen-Beschleuniger, Speicherringe 29 / 30

30 Quellen Vielen Dank für die Aufmerksamkeit K. Jousten (Hrsg.) Wutz Handbuch Vakuumtechnik - Theorie und Praxis Viewig Verlag, 9. Au., 2006 Pfeier Vacuum The Vacuum Technology Book Vol. 1 Pfeier Vacuum GmbH, September / 30