PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

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