Vakuumpumpen: Arten, Anwendungen und Funktionsweise

Eine Vakuumpumpe ist ein Gerät, das Gas-Moleküle aus einem abgeschlossenen Behälter oder einer Kammer entfernt und so ein teilweises oder vollständiges Vakuum erzeugt. Vakuumpumpen werden in verschiedenen Industrien und Forschungsbereichen wie Raumfahrt, Elektronik, Metallurgie, Chemie, Medizin und Biotechnologie weit verbreitet eingesetzt. Vakuumpumpen können auch für Anwendungen wie Vakuumpackung, Vakuumformen, Vakuumbeschichtung, Vakuumentrocknung und Vakuumsfiltration verwendet werden.

In diesem Artikel erklären wir, was Vakuumpumpen sind, wie sie funktionieren, welche ihre Hauptmerkmale und -arten sind und welche gängigen Anwendungen es gibt.

Was ist eine Vakuumpumpe?

Eine Vakuumpumpe wird definiert als ein Gerät, das den Druck innerhalb einer Kammer oder eines Behälters reduziert, indem es Gas-Moleküle daraus entfernt. Der erreichte Vakuumgrad einer Vakuumpumpe hängt von mehreren Faktoren ab, wie dem Design der Pumpe, dem Typ des gepumpten Gases, dem Volumen der Kammer, der Temperatur des Gases und der Leckrate des Systems.

Die erste Vakuumpumpe wurde 1650 von Otto von Guericke erfunden. Er demonstrierte sein Gerät, indem er zwei Hälften entlüftete und dann zusammenfügte. Er zeigte, dass sogar Teams von Pferden sie aufgrund des atmosphärischen Drucks nicht trennen konnten. Später verbesserten Robert Boyle und Robert Hooke Guerickes Design und führten Experimente zu den Eigenschaften des Vakuums durch.

Welche Hauptmerkmale hat eine Vakuumpumpe?

Es gibt drei Hauptmerkmale, die eine Vakuumpumpe charakterisieren:

• Austrittsdruck

• Vakuumgrad

• Pumpendurchfluss

Austrittsdruck

Der Austrittsdruck ist der Druck, der am Ausgang der Pumpe gemessen wird. Er kann gleich oder niedriger als der atmosphärische Druck sein. Verschiedene Vakuumpumpen sind für unterschiedliche Austrittsdrücke ausgelegt. Normalerweise haben Pumpen, die zur Erzeugung eines hohen Vakuums dienen, einen niedrigen Austrittsdruck. Zum Beispiel ist für die Erzeugung eines sehr hohen Vakuums von 10-4 oder 10-7 Torr (eine Druckeinheit) ein sehr niedriger Austrittsdruck der Pumpe erforderlich.

Einige Hochvakuum-Pumpen benötigen eine Rückstau-Pumpe, um vor ihrem Betrieb einen niedrigen Austrittsdruck zu erhalten. Die Rückstau-Pumpe kann eine andere Art von Vakuumpumpe oder ein Kompressor sein. Der Druck, der durch die Rückstau-Pumpe erzeugt wird, wird als Rückstaudruck oder Vorverdichtungsdruck bezeichnet.

Vakuumgrad

Der Vakuumgrad ist der minimale Druck, den eine Vakuumpumpe innerhalb einer Kammer oder eines Behälters erzeugen kann. Er wird auch als Enddruck oder Basisdruck bezeichnet. Theoretisch ist es unmöglich, ein absolutes Vakuum (Null-Druck) innerhalb einer Kammer zu erzeugen, aber praktisch ist es möglich, einen sehr niedrigen Druck von etwa 10-13 Torr oder niedriger zu erzeugen.

Der Vakuumgrad, den eine Vakuumpumpe erreicht, hängt von mehreren Faktoren ab, wie dem Design der Pumpe, dem Typ des gepumpten Gases, dem Volumen der Kammer, der Temperatur des Gases und der Leckrate des Systems.

Pumpendurchfluss

Der Pumpendurchfluss wird definiert als die Rate, mit der eine Pumpe Gas-Moleküle aus einer Kammer oder einem Behälter bei einem gegebenen Druck entfernen kann. Er wird in Einheiten von Volumen pro Zeit gemessen, wie Liter pro Sekunde (L/s), Kubikfuß pro Minute (CFM) oder Kubikmeter pro Stunde (m3/h). Der Pumpendurchfluss wird auch als Saugkapazität oder Durchsatz bezeichnet.

Der Pumpendurchfluss hängt von mehreren Faktoren ab, wie dem Design der Pumpe, dem Typ des gepumpten Gases, dem Druckunterschied zwischen Ein- und Austritt der Pumpe und der Leitfähigkeit des Systems.

Welche Arten von Vakuumpumpen gibt es?

Es gibt viele Arten von Vakuumpumpen, die auf dem Markt erhältlich sind. Sie können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: positive Verdränger-Pumpen und kinetische Pumpen.

Positive Verdränger-Pumpen

Positive Verdränger-Pumpen arbeiten, indem sie ein festes Volumen an Gas am Eintritt einfangen und es dann zum Austritt auf einen höheren Druck komprimieren. Sie können geringe bis mittlere Vakuumpunkte (bis 10-3 Torr) erzeugen. Einige Beispiele für positive Verdränger-Pumpen sind:

• Rotationskolbenpumpen

• Kolbenpumpen

• Membranpumpen

• Schraubenspindelpumpen

• Scrollpumpen

• Roots-Gebläse

Rotationskolbenpumpen

Rotationskolbenpumpen sind eine der häufigsten Arten von positiven Verdränger-Pumpen.

Sie bestehen aus einem zylindrischen Rotor mit radialen Kolben, die sich beim Drehen des Rotors im Stator ein- und ausfahren. Die Kolben teilen den Raum zwischen Rotor und Stator in Kammern, deren Volumen sich ändert, während sie vom Eintritt zum Austritt bewegt werden. Wenn eine Kammer vom Eintritt zum Austritt bewegt wird, fängt sie Gas bei niedrigem Druck ein und komprimiert es dann auf hohen Druck, bevor es zum Austritt freigegeben wird.

Rotationskolbenpumpen können entweder ölgefüllt oder trocken sein.

Ölgefüllte Rotationskolbenpumpen verwenden Öl als Schmierstoff und Dichtmittel zwischen den Kolben und dem Stator. Das Öl hilft auch, das System abzukühlen und einige Gas-Moleküle zu entfernen. Trockene Rotationskolbenpumpen verwenden kein Öl, sondern verlassen sich auf andere Materialien oder Beschichtungen, um Reibung und Verschleiß zwischen den Kolben und dem Stator zu reduzieren.

Rotationskolbenpumpen können Vakuumpunkte bis 10-3 Torr mit Pumpendurchflüssen von 0,5 bis 1000 L/s erzeugen.

Kolbenpumpen

Kolbenpumpen sind eine weitere Art von positiven Verdränger-Pumpen, die einen oder mehrere Kolben verwenden, um Gas in Zylindern zu komprimieren. Die Kolben bewegen sich vor und zurück in Zylindern, die Ventile an beiden Enden haben, um den Gasfluss zu steuern. Während ein Kolben nach vorn bewegt wird, drückt er Gas aus einem Ende seines Zylinders, während er Gas durch ein Eintrittsventil aus dem anderen Ende einsaugt. Während er nach hinten bewegt wird, schließt er sein Eintrittsventil, während er sein Austrittsventil öffnet, um das komprimierte Gas freizugeben.

Kolbenpumpen können einstufig oder mehrstufig sein. Einstufige Kolbenpumpen haben nur einen Zylinder pro Kolben, während mehrstufige Kolbenpumpen zwei oder mehr Zylinder in Reihe pro Kolben haben. Mehrstufige Kolbenpumpen können höhere Vakuumpunkte als einstufige Kolbenpumpen erzeugen, indem sie das Gas mehrmals komprimieren, bevor sie es freigeben.

Kolbenpumpen können Vakuumpunkte bis 10-3 Torr mit Pumpendurchflüssen von 1 bis 1000 L/s erzeugen.

Membranpumpen

Membranpumpen sind eine weitere Art von positiven Verdränger-Pumpen, die flexible Membranen verwenden, um Gas in Kammern zu komprimieren. Die Membranen sind an Stangen angebracht, die durch einen Elektromotor oder einen exzentrischen Cam vor und zurück bewegt werden. Während eine Membran nach vorn bewegt wird, drückt sie Gas aus ihrer Kammer durch ein Austrittsventil, während sie Gas aus einer anderen Kammer durch ein Eintrittsventil einsaugt. Während sie nach hinten bewegt wird, schließt sie ihr Austrittsventil, während sie ihr Eintrittsventil öffnet, um den Gasfluss zu ermöglichen.

Membranpumpen sind trockene Pumpen, die keine Öle oder anderen Flüssigkeiten als Schmierstoffe oder Dichtmittel verwenden. Sie sind geeignet, korrosive, brennbare oder empfindliche Gase zu pumpen, die nicht durch Öl kontaminiert werden dürfen. Sie können auch in jeder Orientierung ohne Beeinträchtigung ihrer Leistung betrieben werden.

Membranpumpen können Vakuumpunkte bis 10-3 Torr mit Pumpendurchflüssen von 0,1 bis 100 L/s erzeugen.

Schraubenspindelpumpen

Schraubenspindelpumpen sind eine weitere Art von positiven Verdränger-Pumpen, die zwei ineinandergreifende Schrauben verwenden, um Gas in Kammern zu komprimieren. Die Schrauben drehen sich in entgegengesetzter Richtung in zylindrischen Gehäusen, die Ein- und Austrittsporte an beiden Enden haben. Während die Schrauben rotieren, bewegen sie das Gas entlang ihrer Fäden vom Eintritt zum Austritt, wobei sie sein Volumen reduzieren und seinen Druck erhöhen.

Schraubenspindelpumpen können entweder ölgefüllt oder trocken sein. Ölgefüllte Schraubenspindelpumpen verwenden Öl als Schmierstoff und Dichtmittel zwischen den Schrauben und den Gehäusen. Das Öl hilft auch, das System abzukühlen und einige Gas-Moleküle zu entfernen. Trockene Schraubenspindelpumpen verwenden kein Öl, sondern verlassen sich auf andere Materialien oder Beschichtungen, um Reib