PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Vakuumtechnik

Vakuumtechnik Schraubenspindelvakuumpumpen filen sogar auf eins begrenzt. Eine innere Verdichtung wird in der Regel sukzessiv über eine Verringerung des Kammervolumens durch eine Änderung der Rotorsteigung, neuerdings aber auch durch die Verwendung von konischen Rotoren vorgenommen [Moe23]. Der Vorteil gegenüber der Verdichtung gegen eine Endplatte ist eine gleichmäßigere Verdichtung entlang des Rotors und somit eine bessere Wärmeverteilung in der Maschine. Weiterhin können Drosselverluste durch die Vermeidung von Steuerkanten verringert werden [Jou18]. Eine Herausforderung bei der inneren Verdichtung der Maschinen ist, dass die Maschine sehr große Druckbereiche abdecken muss. Im Nennbetrieb wäre eine sehr große innere Verdichtung wünschenswert, was zum einen den Energieaufwand, zum anderen aber möglicherweise auch die Baugröße verringern würde. So wird bei einer großen ansaugenden Kammer viel Masse aufgenommen, die dann auf ein kleines Volumen verdichtet und anschließend auf der Hochdruckseite bei geringer Steigung ausgeschoben werden kann. Bei hohen Ansaugdrücken, insbesondere beim Anfahren der Maschine, wenn ein Rezipient initial evakuiert werden muss, führt dies jedoch zu einer erheblichen Überverdichtung und somit zu Temperaturspitzen, vor allem aber zu einer erhöhten Leistungsaufnahme und somit zu einem hohen Drehmoment. Dies kann zum Beispiel mit einem Überdruckventil vermieden werden, was jedoch einen gewissen Wartungsaufwand zur Folge hat. Um eine große innere Verdichtung bei gleichzeitigem Verzicht auf ein Überdruckventil zu gewährleisten, schlagen Kösters und Eickhoff vor, den Gehäusespalt auf der Niederdruckseite der Maschine absichtlich größer auszuführen [Kös06]. Dabei soll ausgenutzt werden, dass die Spaltsituation im Bereich niedriger Ansaugdrücke deutlich verbessert wird (siehe Abb. 3). Die Idee ist also, dass beim Anfahren mehr Masse zurückströmt, wodurch eine Überkompression verringert oder verhindert wird und man dennoch eine leistungsstarke Maschine erhält, da die Spalte bei sinkendem Druck dichter werden. In diesem Artikel wird ein Ansatz zogen auf die Reflexionsstelle nicht vorgestellt, mit dem der Gehäusespaltmassenstrom der Maschine im tistisch verteilt sind. Es wird daher da- definiert, da die Rauheitsspitzen sta- niedrigen Druckbereich deutlich reduziert werden kann, ohne die Spalt- in der Rauheitsstruktur beliebig viele von ausgegangen, dass das Teilchen höhe zu verringern und somit die Betriebssicherheit zu beeinträchtigen. Zeit verbringt, um energetisch im Kollisionen durchführt, dabei genug Dadurch, dass bei verdünnten Gasströmungen die Teilchen-Wand-Inter- und anschließend in eine beliebige Gleichgewicht mit der Wand zu sein aktionen dominieren, soll durch eine Richtung von der Wand weg gestreut mikroskopische Oberflächenstruktur wird. Der Ausfallswinkel ist somit unabhängig vom Einfallswinkel, wobei die Streurichtung der Moleküle beeinflusst werden, so dass diese eine die Teilchen im Mittel senkrecht zur größere Wahrscheinlichkeit haben, Wand gestreut werden. Das Ergebnis ist die so genannte Kosinusvertei- entgegen der Strömungsrichtung reflektiert zu werden. lung, die in Abb. 4 schematisch dargestellt ist. Auf dieser Basis können Teilchen-Wand-Interaktion mathematische Modelle zur Berechnung des Massenstroms hergeleitet Die gängigste Annahme von Teilchen-Wand-Interaktionen mit tech- viele technische Oberflächen in guter werden, die mit Messergebnissen für nisch glatten Oberflächen ist die so Übereinstimmung sind [Jou18]. genannte diffuse Streuung. Im Gegensatz zur spiegelnden Reflexion, che wie in Abbildung 5 schematisch Die Idee ist nun, dieser Oberflä- bei der das Molekül nach dem Prinzip Einfallswinkel gleich Ausfallswin- durch das die Moleküle eine größe- dargestellt ein Muster aufzuprägen, kel seinen gesamten Tangentialimpuls und seine Energie vor dem Stoß entgegengesetzte Richtung zurückre Wahrscheinlichkeit haben, in die beibehält, liegt bei der diffusen Streuung die Modellvorstellung zugrun- Λ des Musters soll dabei viel kleiner gestreut zu werden. Die Profiltiefe de, dass die Oberfläche im Verhältnis sein als die Spalthöhe h, aber immer zum Moleküldurchmesser sehr rau noch groß im Verhältnis zum Moleküldurchmesser, so dass die loka- ist, da Rauheitsspitzen in der Regel in Mikrometern angegeben werden und le Oberflächenstruktur im Verhältnis zum einzelnen Teilchen als rau der Moleküldurchmesser in der Größenordnung Angström immer noch charakterisiert wird. Bei üblichen etwa vier Potenzen kleiner ist. Damit Spalthöhen in der Größenordnung ist der genaue Normalenvektor be- h ≈ 0,1 – 0,3 mm ist die Profiltiefe in Abb. 4: Diffuse Wandstreuung an einer technisch glatten Oberfläche 48 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024

Vakuumtechnik Schraubenspindelvakuumpumpen Simulation und Modellierung Abb. 5: Streuung eines Moleküls an einer Wand mit Oberflächenstruktur der Größenordnung Λ ≈ 1– 30 µm anzusiedeln. Ausgehend davon, dass messer, so dass lokal die Annahme sentlich größer als der Moleküldurch- das Oberflächenmuster eine Rauheit einer diffusen Streuung gilt. Am Beispiel des Dreiecksprofils werden hier aufweist, welche deutlich kleiner als die Profiltiefe ist, ist diese noch we- die Profilwinkel α und β definiert. Der Einfluss von Oberflächenstrukturen auf den Massenstrom von Spaltströmungen wird mithilfe der Direct-Simulation Monte-Carlo (DSMC) Methode untersucht. Dies ist ein statistisches Simulationsverfahren für Strömungen auf Basis von Molekularbewegungen und -Interaktionen. Eine Besonderheit des Verfahrens ist, dass ein simuliertes Teilchen eine Vielzahl von identischen Molekülen repräsentiert, die zeitgleich identische Bewegungen durchführen. Weiterhin sind die Teilchenbewegung und die Teilchenkollision voneinander entkoppelt, so dass in einem Zeitschritt zunächst alle Teilchen entlang ihrer Flugbahn bewegt und dann mithilfe statistischer Methoden Kollisionen der Teilchen untereinander durchgeführt werden. Die kollidierenden Teilchen erhalten so unter Einhaltung der Impuls- und Energieerhaltung veränderte Geschwindigkeits- More Than You Expect 10 -3 hPa – 10 -6 hPa 10 -7 hPa – 10 -13 hPa < 100 hPa 1.013 hPa – 10 -2 hPa Nutzen Sie die optimale Technologie für alle Vakuumbereiche Ihr Mehrwert ■ Technologisch: Pumpen zur Vakuumerzeugung von Grobvakuum bis Ultrahochvakuum ■ Präzise: Vakuummess- und Analysegeräte ■ Nachhaltig: Pumpen mit energieeffizienten IPM-Motoren und Standby-Funktion ■ ■ ■ Sicher: Lecksucher und Dichtheitsprüfgeräte Umfangreich: Komplettsortiment mit Kammern, Komponenten und Ventilen Individuell: Kundenspezifische Vakuumlösungen Pfeiffer Vacuum GmbH Germany T +49 6441 802-0 www.pfeiffer-vacuum.com PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024 49