PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Vakuumtechnik

Vakuumtechnik Schraubenspindelvakuumpumpen Potential von Oberflächenstrukturen zur Reduktion von Vakuumspaltströmungen Sven Brock, Heiko Pleskun, Gero Polus, Jannis Saelzer, Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dirk Biermann, Prof. Dr.-Ing. Andreas Brümmer Kurzfassung In diesem Artikel wird ein patentierter Ansatz zur strömungsmechanischen und thermodynamischen Verbesserung von Schraubenspindelvakuumpumpen vorgestellt [Brü21]. Diese Maschinen gehören zu der Gruppe der rotierenden Verdrängervakuumpumpen und weisen zwei parallele Rotoren auf, die das Gas entlang der Rotorachsen fördern. Die verschlungene Geometrie der Rotoren bildet während der Rotation Kammern, die auf der Seite des Saugstutzens entstehen und dort Fluid aufnehmen. Anschließend wandern die Kammern entlang der Rotorachsen, bis sie ihr Volumen auf der Druckseite verringern und so das enthaltende Fluid in den Hochdruckstutzen, in der Regel zur Atmos phäre, befördern. Als Hauptverlustmechanismus derartiger Maschinen sind die betriebsbedingten Spalte identifiziert, durch die das Fluid in entgegengesetzte Richtung strömen kann. Eine Minimierung dieser Spaltströmungen erfolgt in der Regel durch die Wahl einer möglichst geringeren Spalthöhe. Da die Verringerung der Spalthöhe durch die Betriebssicherheit infolge von Fertigungstoleranzen und Wärmedehnungen begrenzt ist, konzentriert sich diese Studie auf die Reduktion von Spaltmassenströmen durch Oberflächenstrukturen ohne gleichzeitige Verringerung der Spalthöhe. Diese Strukturen weisen eine Profiltiefe auf, die deutlich geringer als die Spalthöhe zwischen Gehäuse und Rotor ist. Das Hauptziel besteht darin, die Reflexionseigenschaften von Mole külen im Bereich verdünnter Gasströmungen, in denen die Teilchen-Wand-Interaktion dominiert, gezielt zu manipulieren. Die strategische Anordnung und Beschaffenheit dieser Oberflächenstrukturen zielen darauf ab, eine verstärkte Rückstreuung der Moleküle entgegen der Strömungsrichtung zu bewirken. Hierdurch soll ein reduzierter Spaltmassenstrom erreicht werden, ohne die Betriebssicherheit der Maschine zu gefährden. Saugvermögen im Fein- oder Hochvakuumbereich eingesetzt [Jou18]. Die wichtigste Kenngröße für SSVPs ist das effektive Saugvermögen S eff , das den Volumenstrom auf der Niederdruckseite beschreibt. Der niedrigste Einleitung erreichbare Druck, der in einem Rezipienten mit einer Vakuumpumpe Schraubenspindelvakuumpumpen (SSVP) (siehe Abb. 1) haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen, weil sie in der Lage sind, technisch sauberes Vakuum erzeugen zu können und gleichzeitig eine gute Toleranz gegenüber Schmutzpartikeln und geringen Flüssigkeitsmengen aufweisen. Da konstruktionsbedingt nur wenige Maschinenteile benötigt werden, ist der Montage- und Wartungsaufwand dieser Maschinen vergleichsweise gering. Zusammen mit ihrem hohen Saugvermögen (bis zu S eff = 2500 m³/h) sind diese Maschinen besonders für industrielle Zwecke interessant. Sie bieten Ansaugdrücke von p saug = 0,1 Pa bis zum Atmosphärendruck p at und sind somit im Grob- und Feinvakuum angesiedelt. In vielen Anwendungen ohne äußere Leckage erreicht werden kann, wird als Enddruck bezeichnet [Jou18]. Die maschinenbeschreibende Kennlinie ist die so genannte Saugvermögenskurve, die das Saugvermögen als Funktion des Ansaugdrucks beschreibt, wobei der Hochdruck dem Atmosphärendruck entspricht. In Messungen haben Dreifert und Müller beobachtet, dass die Saugvermögenskurve einer SSVP maßgeblich durch das Spiel zwischen den Rotoren und dem umschließenden Gehäuse (dem so genannten Gehäusespalt) beeinflusst wird. So ist in Abb. 2 zu erkennen, dass bereits eine zehnprozentige Änderung der Spalthöhe eine signifikante Kennlinienänderung bewirkt, die umso größer ist, je niedriger der Ansaugdruck ist [Dre14]. Dementsprechend ist eine Minimierung des werden sie als Vorvakuumpumpen in schädlichen Gehäusespaltmassenstroms Kombination mit Roots-Pumpen oder anderen Vakuumpumpen für hohe für die Effizienz der Maschine essentiell, wobei die Verringerung der Abb. 1: Prinzipielle Darstellung eine Schraubenspindelvakuumpumpe (SSVP) 46 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024

Vakuumtechnik Schraubenspindelvakuumpumpen Abb. 2: Saugvermögenskurve einer Schraubenspindelvakuumpumpe mit unterschiedlichen Gehäusespalthöhen [Dre14] Spalthöhe Grenzen in Bezug auf die Betriebssicherheit hat, da das Spiel abzüglich der Fertigungstoleranzen, möglicher Schwingungen und insbesondere Wärmedehnung für einen reibungsfreien Betrieb gewährleistet sein muss. Generell steigt das Saugvermögen der Maschine zunächst mit sinkendem Ansaugdruck an, bis ein Maximum – das so genannte nominale Saugvermögen – erreicht ist. Anschließend sinkt das Saugvermögen bei weiterer Druckabsenkung bis auf null und der Enddruck der Maschine ist erreicht. Da bei immer kleinerem Druck immer weniger Masse in die Maschine gelangt, stellt sich bei diesem Druck ein Gleichgewicht zwischen angesaugtem Massenstrom und dem Massenstrom, der durch die Spalte zurückgelangt ein, so dass die Maschine effektiv nichts mehr fördert und somit eine weitere Druckabsenkung verhindert wird. Die Charakteristik des zunächst steigenden Saugvermögens ist mit den strömungsmechanischen Eigenschaften innerhalb der Spalte begründet. Bei hohem Ansaugdruck ist die Moleküldichte sehr groß, so dass ein Teilchen sehr häufig mit anderen Teilchen kollidiert, bis es auf eine Berandung (Rotor und Gehäuse) stößt. Auf diese Art und Weise sind der Impuls- und Ener gietransport durch intermolekulare Stöße dominiert und das Fluid bewegt sich als Kontinuum fort. Bei einer Druckabsenkung sinkt auch die Moleküldichte, so dass ein Teilchen eine größere Strecke zurücklegen kann, bis es mit einem anderen Teilchen kollidiert. Somit nimmt der Anteil an Teilchen-Wand-Kollisionen zu, was zu einem erhöhten Einfluss der Reibung führt. Wenn der Druck so niedrig ist, dass die Anzahl der intermolekularen Stöße gegenüber der Teilchen-Wand-Kollisionen vernachlässigbar ist, spricht man von einer molekularen Strömung. Ein qualitativer Verlauf des normierten Massenstroms durch einen luftdurchströmten Spalt ist in Abb. 3 dargestellt. Die Normierung ist so gewählt, dass ein normierter Massenstrom von eins einer isentropen verblockten Düsenströmung entspricht. Die Spalthöhe ist zu h = 0,3 mm gewählt und für die Umgebungstemperatur wird T = 293 K angenommen. Dabei zeigt sich, dass der normierte Massenstrom bei anfänglicher Kontinuumsströmung mit sinkendem Eintrittsdruck deutlich abnimmt, bis ein Minimum erreicht wird und anschließend bei weiterer Druckabsenkung hin zur molekularen Strömung wieder asymptotisch ansteigt. Durch den größeren Anteil der Teilchen-Wand- Interaktionen steigt auch der Einfluss einer relativen Wandbewegung auf den Massenstrom. Eine solche Wandbewegung wird durch die Drehbewegung der Rotoren hervorgerufen. Die rote Line ergibt sich dementsprechend durch eine Wandbewegung in Strömungsrichtung, die grüne Linie für eine Wandbewegung entgegen der Strömungsrichtung und die schwarze Linie beschreibt eine rein druckgetriebene Strömung mit statischen Berandungen. Um die großen Druckverhältnisse über der Maschine (z. B. p at /p saug =10 5 ) zu realisieren, weisen die Rotoren eine deutlich größere Umschlingung auf, als herkömmliche Schraubenmaschinen in Überdruckanwendungen. Dadurch wird eine Art Mehrstufigkeit mit mehreren gekapselten Arbeitskammern in axialer Richtung erzielt, was zu einer Verringerung des Druckverhältnisses zwischen einzelnen Arbeitskammern führt. Um durchgehende Spaltverbindungen von der Hochdruck- zur Niederdruckseite zu vermeiden, ist die Zähnezahl auf maxi mal zwei, bei manchen Pro- Abb. 3: Schematischer Verlauf des normierten Massenstroms durch einen Gehäusespalt einer Schraubenvakuumpumpe als Funktion des Eintrittsdrucks und der Einfluss von relativ bewegten Berandungen PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024 47