Grundgedanke Strömungen Pumpen Überblick Quellen. Vakuum. Erzeugung. Gerd Hofmann
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- Edwina Arnold
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1 Vakuum Erzeugung Gerd Hofmann Physikalisch-Astronomische Fakultät Friedrich-Schiller-Universität Jena 4. Juni 2009 Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
2 Inhalt Grundgedanke Strömungen Viskose Strömung Molekulare Strömung Strömungstechnische Größen Pumpen Einteilung Mechanische Pumpen Kinetische Pumpen Kondensations- und Sorptionspumpen Überblick Quellen Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
3 Grundgedanke Druck p freie Weglänge Λ Teilchenanzahl N [hpa] [m] [m 3 ] (N 2 bei T = 295 K [2]) Reduzieren der Teilchenanzahl Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
4 Teilchentransport - Strömung Strömungsarten Charakterisiert durch die Knudsenzahl Kn = Λ/d Viskose Strömung Kn 1 Molekulare Strömung Kn 1 Knudsenströmung Kn 1 Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
5 Viskose Strömung L p 1 d p 2 Λ d innere Reibung, Viskosität, Gas als Kontinuum Parabolische Geschwindigkeitsverteilung in Rohren Grobvakuumbereich hpa Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
6 Molekulare Strömung L p 1 d p 2 Λ d keine innere Reibung & Viskosität, einzelne Teilchen Strömung ist wahrscheinlichkeitsverteilt Hoch/Ultrahochvakuumbereich < hpa Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
7 Strömungsleitwert C s L p 1 d p 2 Q pv Gasmengendurchfluss: Analogie zur Elektronik: Q pv = p V t I = Q t = 1 R U = C s (p 1 p 2 ) Abhängigkeit des Leitwertes: d C s L C s Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
8 Saugvermögen Pumpe S P p R Q R C s Q pv Q P p P Saugvermögen der Pumpe: Saugleistung der Pumpe: effektives Saugvermögen: S P = V t Q P = p V = S P p P t 1 = S eff S P C s Herleitung Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
9 Saugvermögen vs. Leitwert S eff /S P C s /S P Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
10 Saugvermögen vs. Leitwert S eff /S P Leitwert C s groß halten durch kurze Leitungen mit großem Querschnitt! C s /S P Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
11 Pumpen - Einteilung Mechanische Pumpen (positive discplament pumps) Grob- bis Feinvakuum, Gas als Kontinuum (Kn < 1) mechanische Bewegungen und synchrone Ventilsteuerung bewegen mit hoher Widerholrate kleine Volumina unter geringer Kompression vom Einlass zum Auslass, der Rezipient wird leer gesaugt Drehschieber-, Rootspumpe, allg. Pumpen mit beweglichen Membranen, Klauen, Schrauben oder Schnecken mit veränderlichem Schöpfvolumen Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
12 Pumpen - Einteilung Kinetische Pumpen (momentum transfer pumps) Fein- bis Hochvakuum, Gas geht vom Kontinuum zu einzelnen Teilchen über Gasteilchen erhalten durch schnelle Flüssigkeitsströme oder Oberflächen eine Geschwindigkeitskomponente Richtung Auslass Diffusions-, Turbomolekularpumpe Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
13 Pumpen - Einteilung Kondensations- und Sorptionspumpen (capture pumps) ab Hochvakuum, Gas als einzelne Teilchen (Kn > 1) zufällig ankommende Gasteilchen werden physisch oder chemisch fest an die Oberfläche gebunden Kryo- und Sorptionspumpen, Ionengetterpumpen Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
14 Mechanische Pumpen Drehschieberpumpe Saugvermögen 3 l/s Endruck hpa Verunreinigung des Rezipienten durch Dichtöl kein Vorvakuum nötig Details (Quelle: Kück [4]) Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
15 Kinetische Pumpen Turbopumpe 1. Hochvakuumflansch 2. Rotorscheibe 3. Statorscheibe 4. Elektromotor 5. elektrische Verbindung 6. Ölversorgung 7. Rotorlager (Quelle: Kück [4]) Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
16 Kinetische Pumpen Turbopumpe Saugvermögen mehrere 100 l/s Endruck hpa keine Verunreinigung durch Öl Vorvakuum nötig (Quelle: Kück [4]) Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
17 Kondensations- und Sorptionspumpen Kryopumpe Saugvermögen einige 1000 l/s Endruck < hpa Vorkauum nötig Kühlung nötig begrenzte Kapazität (Quelle: Demtröder [3]) Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
18 Überblick Mit sinkendem Druck ändern sich die physikalischen Eigenschaften eines Gases: viskose Strömung geht über in molekulare Strömung Kontinuum wird zu einzelenen Teilchen Bedingt unterschiedliche technische Umsetzungen der Vakuumerzeugung: Grobvakuum: Mechanische Pumpen (z. B. Drehschieberpumpe) Feinvakuum: Kinetische Pumpen (z. B. Turbopumpe) Hoch-/Ultrahochvakuum: Kondensations-/Sorptionspumpen (z. B. Kryopumpe) Kurze Leitungen mit großem Querschnitt für gutes Saugvermögen Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
19 Quellen Buch, Siegfried: Einführung in die Allgemeine Vakuumtechnik. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart, Chambers, Austin: Modern Vacuum Physics. CRC Press, Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik, Band 1 - Mechanik und Wärme. Springer-Verlag, Berlin, vierte Auflage, Kück, H.: Vakuum Pumpen. Stuttgart, Umrath, Walter: Grundlagen der Vakuumtechnik. Oerlikon, Leybold Vacuum GmbH, Köln, Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
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21 Herleitung des effektives Saugvermögen Saugleistung der Pumpe: Q P = S P p P Gasmengenfluss aus Rezipient: Q R = S eff p R wegen Kontinuität gilt: Q P = Q R = Q pv = C s (p R p P ) sodass: S P p P = S eff p R = C s (p R p P ) und: 1 C s = 1 S eff 1 S P 1 S eff = 1 S P + 1 C s p R p P = C s S eff (p R p P ) C s S P (p R p P ) zurück zu Saugvermögen Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
22 Drehschieberpumpe (Quelle: Kück [4]) zurück zu Drehschieberpumpe Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
23 Rootspumpe t (Quelle: Kück [4]) zurück zu Mechanische Pumpen Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
24 Ionengetterpumpe (Quelle: Demtröder [3]) zurück zu Kondensations- und Sorptionspumpen Gerd Hofmann (FSU Jena) Vakuum - Erzeugung 4. Juni / 22
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