Grundlagen Vakuum
Die Vakuumerzeugung bei Schraubenpumpen beruht auf dem Gastransport in spaltgedichteten Kammern.
Schraubenpumpen haben sich neben anderen Anwendungsbereichen auch für die Vakuumerzeugung etabliert. Ihre Bauweise ermöglicht die Erzeugung von tiefem Vakuum und Prozesse ohne Kontamination durch Öl oder Abrieb. Neue weiterentwickelte Schraubenpumpentechnologien erfüllen sogar zusätzliche Anforderungen wie eine hohe Chemiebeständigkeit und eine hohe Kondensatverträglichkeit für den Einsatz im Labor.
Vakuumtechnologie ist aus heutigen Forschungs- und Analyselaboren nicht mehr wegzudenken. Zahlreiche Prozesse wie Filtrieren, Verdampfen oder Trocknen können erst mit Vakuum als wichtigem Hilfsmittel effizient und schonend durchgeführt werden. Spezifische Anforderungen an Vakuumgeräte werden von der jeweiligen Anwendung bestimmt. Was bedeutet das konkret?
Der kontinuierliche Trend zu hoher Produktreinheit und sauberer Prozessführung resultiert in erhöhten Ansprüchen an die Anwendungen im Labor. In diesem Fall tragen ölfreie und trockenlaufende Pumpentechnologien zum kontaminationsfreien Betrieb bei. Sie benötigen keine Betriebsmittel (z.B. zur Dichtung), die in den Prozess gelangen könnten. Zusätzlich verbessern sie die Effizienz und Nachhaltigkeit, da wartungsbedingte Ölwechsel und -emissionen sowie Altölentsorgung entfallen. Für Prozesse mit aggressiven Gasen und Dämpfen ist zudem eine hohe Chemiebeständigkeit eine weitere Grundvoraussetzung. In diesem Fall sind zusätzlich chemiebeständige Pumpentechnologien notwendig, die den reibungslosen und dauerhaften Betrieb ermöglichen.
Welche Vakuumpumpen erfüllen diese beiden genannten Anforderungen – Ölfreiheit und Chemiebeständigkeit? Trockenlaufende Chemie-Membranpumpen haben sich bereits seit den 1980er Jahren in Laboren etabliert. Sie ermöglichen Vakua bis ca. 1 mbar, was jedoch nicht für alle Prozesse ausreichend ist. Für noch tieferes, sauberes Vakuum gibt es trockenlaufende Schraubenvakuumpumpen, kurz Schraubenpumpen. Diese sind auch für Prozessdrücke bis ins tiefe Feinvakuum von 10-3 mbar geeignet. Die ursprünglichen Industriepumpen waren jedoch lange Zeit nicht für den Labormaßstab und auch nicht in besonders chemiebeständiger Bauweise erhältlich. Die Lösung: Neuere Entwicklungen bei Schraubenpumpen erlauben heute den angepassten Einsatz dieser Vakuumtechnik auch im Labor.
Funktionsweise der Schraubenpumpe
Ansicht von oben: Gegensinnig drehende Spindeln transportieren das eingeschlossene Gasvolumen zum Auslass der Schraubenpumpe.
Schraubenpumpen für die Vakuumerzeugung gehören zur Gruppe der trockenlaufenden Pumpen und arbeiten nach dem rotierenden Verdrängungsprinzip, wie beispielsweise auch Wälzkolbenpumpen. Herkunft dieses Prinzips ist die Archimedische Schraube, ursprünglich eine Wasserhebeanlage der Antike mit rotierender Schnecke als Transport- und Hubeinheit. Die heutigen Schraubenpumpen zur Vakuumerzeugung transportieren Gas anstatt Wasser und in ihrem Innern befinden sich anstatt einer Schraube gleich zwei rotierende Verdrängerkörper bzw. Rotoren. Deswegen gehört die Schraubenpumpe zu den zweiwelligen Rotationsverdrängerpumpen. Aufgrund ihres Aussehens werden diese Rotoren Schrauben, Spiralen oder auch Spindeln genannt.
Die Vakuumerzeugung von Schraubenpumpen beruht auf dem Gastransport in spaltgedichteten Kammern: Die zwei rotierenden Spindeln greifen berührungslos ineinander und bilden zusammen mit dem sie umschließenden Stator mehrere Kammern. Deren sehr enge Spaltmaße liegen im Mikrometer-Bereich. Während die Spindeln synchron in entgegengesetzter Drehrichtung rotieren, transportieren die Kammern das Gas: Es entsteht ein Massenstrom längs zur Spindelachse vom Einlass auf der Saugseite zum Auslass auf der Druckseite. Aufgrund der dabei entstehenden Wärme benötigen Schraubenpumpen eine Temperaturregelung durch Kühlflüssigkeit oder Kühlluft, damit sich die Spaltmaße nicht verändern. Denn der mögliche Enddruck ist hauptsächlich von den Spaltmaßen im warmen Betriebszustand und strömungsmechanischen Eigenschaften bestimmt. Das Saugvermögen ist dagegen unter anderem durch die Größe der Spindeln und ihre Drehgeschwindigkeit bestimmt, was wiederum die generelle Dimension der Pumpe bedingt. Es gilt: Je größer das gewünschte Saugvermögen, desto größer die Pumpe.
Allgemeine Vorteile von Schraubenpumpen
Trockenlaufende Schraubenpumpen zur Vakuumerzeugung sind in Bereichen wie Chemie, Pharmazie oder Halbleiterfertigung bereits verbreitet. Die Ölfreiheit ist ein wesentlicher Vorteil. Außerdem sind Schraubenpumpen durch die große Variabilität im Absaugdruck und eine hohe Bandbreite an Saugvermögen vielseitig einsetzbar. Der Ansaugdruck variiert je nach Pumpenmodell zwischen Umgebungsdruck und 10-3 mbar. Deswegen gibt es Schraubenpumpen sowohl für Anwendungen im Grobvakuum (bis 1 mbar) als auch im Feinvakuum (bis 10-3 mbar). Zusätzlich sind sie als Vorpumpen für Turbomolekularpumpen und für weitere Einsatzgebiete im Zusammenhang mit Hoch- und Ultrahochvakuumtechnik geeignet. Das Saugvermögen von Schraubenpumpen reicht je nach Anwendungsbereich von mehreren m³/h bis zu mehreren tausend m³/h.
Schraubenpumpen zeichnen sich auch durch ihren geringen Wartungsaufwand aus. Die Spindeln greifen berührungsfrei ineinander. Dadurch kann Abrieb und Verschleiß erst gar nicht entstehen. Sie enthalten zudem keine Dichtungen im Arbeitsraum, die sich abnutzen könnten. Zusätzlich benötigen Schraubenpumpen auch keine Betriebsmittel wie Öl im Arbeitsraum.
Darüber hinaus gibt es weitere unterschiedliche Merkmale wie beispielsweise die Steigung der Spindeln, wodurch das Betriebsverhalten an die gewünschte Aufgabe angepasst werden kann. Sind alle Kammern in einer Spindel gleich groß, so spricht man von einer Pumpe mit konstanter Steigung. Bei Varianten mit variabler Steigung nimmt das Kammervolumen nimmt zum Auslass hin ab, was in einem Kompressionsverhalten resultiert. Schraubenpumpen mit variabler Steigung verbessern zwar die thermodynamischen Eigenschaften; es entsteht weniger Wärme- und Geräuschentwicklung. Jedoch haben Schraubenpumpen mit konstanter Steigung eine höhere Kondensatverträglichkeit, was für Prozesse mit Lösemitteln vorteilhaft ist.
Weiterentwickelte Schraubenpumpe von VACUUBRAND
Absolut ölfreie Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10C mit hoher Chemiebeständigkeit und Kondensatverträglichkeit
Mit der neuen Schraubenpumpe von VACUUBRAND ist es gelungen, die allgemeinen Vorteile dieser vielseitigen Pumpentechnologie durch gezielte konstruktive Weiterentwicklungen speziell für den Einsatz im Labor noch zu ergänzen. Die trockenlaufende Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10C ist für Anwendungen und Prozesse konzipiert, die besonders chemiebeständige, kondensatverträgliche und absolut ölfreie Vakuumpumpen erfordern:
- Trocknung
- Destillation
- Wärmebehandlung
- Schlenk Line
- Gefriertrocknung
- Entgasung
- Beschichtung
- und viele mehr
Hohe Chemiebeständigkeit: Damit die neu konzipierte Schraubenpumpe VACUU·PURE 10C besonders robust gegenüber aggressiven Gasen und Dämpfen ist, verwenden wir hauptsächlich chemikalienbeständige Kunststoffe. Diese weisen eine hervorragende Beständigkeit gegenüber den meisten gängigen Chemikalien auf. Sie schützen die stark exponierten Komponenten wie Spindeln und Stator im Innern der Pumpe, die in direktem Kontakt mit den gepumpten Chemikalien stehen. Dabei ist entscheidend, dass es sich nicht nur um dünne Beschichtungen, sondern um dickwandige Ummantelungen mit robustem PEEK-Kunststoff handelt. Dadurch kann bei vielen Prozessen eine Kühlfalle zum Schutz der Schraubenpumpe entfallen.
Hohe Kondensatverträglichkeit: Bei der Entwicklung der Schraubenpumpe VACUU·PURE haben wir uns für eine konstante Steigung der Spindeln entschieden. Dies führt zu einer hohen Kondensatverträglichkeit zum Beispiel bei feuchten Anwendungen oder Verwendung von Lösemitteln. Durch einen integrierten Regenerationsmodus kann die Vakuumpumpe nach Prozessende zudem schnell getrocknet werden, was den effektiven Probendurchsatz erhöht.
100% Ölfreiheit: Für absolut saubere Prozesse und reine Produkte haben wir VACUU·PURE mit fliegend gelagerten Spindeln und magnetischem Getriebe konstruiert. Durch die fliegende Lagerung sind bei gleichzeitig hochpräziser Ausrichtung der Spindeln unterstützende Lager im Arbeitsraum nicht nötig – und damit auch keine Schmiermittel, die sonst in den Vakuumprozess gelangen könnten. Das magnetische Getriebe kommt ebenfalls komplett ohne Ölschmierung aus, unerwünschte Reaktionen mit Prozessmedien oder Rückdiffusion in den Arbeitsraum sind dadurch ausgeschlossen.
Ein weiterer Vorteil der neuen Schraubenpumpe VACUU·PURE ist die Luftkühlung, die einen Kühlwasseranschluss überflüssig macht und so zusätzliche Flexibilität beim Einsatzort gibt.
Produktvariante für nicht-korrosive Prozesse:
Bei der trockenlaufenden und abriebfreien Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10 steht das partikel- und kohlenwasserstofffreie Vakuum im Vordergrund. Mit dieser Eigenschaft deckt die Schraubenpumpe weitere Anwendungsgebiete ab:
- Analytik
- Vorvakuum für Turbomolekularpumpen
- Regeneration von Kryopumpen
- und viele mehr
