Vakuum wird in einer Vielzahl industrieller Fertigungsprozesse eingesetzt, darunter Verpackung, Abfüllung, Trocknung, Entgasung und Pick-and-Place, um nur einige zu nennen. Eine industrielle Vakuumpumpe dient zur Erzeugung, Verbesserung und Aufrechterhaltung des Vakuums in diesen Prozessen. Es gibt viele Arten industrieller vacuum technology, die dieser Artikel näher beleuchtet. Um zu verstehen, welche Vakuumart für Sie und Ihre Anwendung am besten geeignet ist, ist es wichtig, die Funktionen, Vorteile und Funktionsweise der jeweiligen Technologie zu verstehen. Dieser Artikel untersucht die gängigsten Arten industrieller Vakuumpumpen, ihre Funktionsweise und ihre optimalen Einsatzmöglichkeiten.
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Grundlegendes Funktionsprinzip einer industriellen Vakuumpumpe
Das grundlegende Funktionsprinzip einer industriellen Vakuumpumpe bleibt unabhängig vom Technologietyp gleich.
Vakuumpumpen entfernen Luftmoleküle (und andere Gase) aus der Vakuumkammer (oder der Auslassseite bei einer in Reihe geschalteten Pumpe mit höherem Vakuum). Mit sinkendem Druck in der Kammer wird es zunehmend schwieriger, weitere Moleküle zu entfernen. Daher muss ein industrielles Vakuumsystem (Abb. 1)
Sie müssen in der Lage sein, über einen Teil eines außergewöhnlich großen Druckbereichs, typischerweise bis zu 10 -9 Torr, zu arbeiten. Um dies zu erreichen, werden in einem Standard-Vakuumsystem verschiedene Pumpentypen eingesetzt, die jeweils einen Teil des Druckbereichs abdecken und zeitweise in Reihe geschaltet sind.
Druckbereiche von industriellen Vakuumsystemen
Industrielle Vakuumsysteme können in die folgenden Druckbereichsgruppen eingeteilt werden:
- Grob-/Niedrigvakuum: 1000 bis 1 mbar / 760 bis 0,75 Torr
- Fein-/Mittelvakuum: 1 bis 10 -3 mbar / 0,75 bis 7,5 -3 Torr
- Hochvakuum: 10 -3 bis 10 -7 mbar / 7,5 -3 bis 7,5 -7 Torr
- Ultrahochvakuum: 10 -7 bis 10 -11 mbar / 7,5 -7 bis 7,5 -11 Torr
- Extrem hohes Vakuum: < 10 -11 mbar / < 7,5 -11 Torr
Verschiedene Pumpentypen für diese Vakuumbereiche können dann in Primärpumpen (Vorvakuumpumpen), Boosterpumpen und Sekundärpumpen (Hochvakuumpumpen) unterteilt werden: Hoch-, Sehrhoch- und Ultrahochvakuumdruckbereiche.
Es gibt zwei grundlegende Kategorien von Vakuumpumpen: Gastransferpumpen und Einfang- oder Auffangpumpen:
Gastransferpumpen
Transferpumpen fördern Gasmoleküle entweder durch Impulsaustausch (kinetische Wirkung) oder Verdrängung. Es wird die gleiche Anzahl an Gasmolekülen aus der Pumpe ausgestoßen wie in sie eintreten, und der Gasdruck liegt beim Ausstoß leicht über dem atmosphärischen Druck. Das Kompressionsverhältnis ist das Verhältnis des Austrittsdrucks (Auslass) zum niedrigsten erreichten Druck (Einlass).
Kinetische Transferpumpen
Kinetische Transferpumpen nutzen Hochgeschwindigkeitsschaufeln oder eingeführten Dampf, um Gas zum Auslass zu leiten. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Impulsübertragung. Diese Pumpentypen erreichen hohe Kompressionsverhältnisse bei niedrigem Druck, verfügen aber typischerweise nicht über abgedichtete Volumina.
Verdrängung
Pumpen, die ein Gasvolumen mechanisch einfangen und durch die Pumpe bewegen, werden als Verdrängerpumpen bezeichnet. Oftmals mehrstufig auf einer einzigen Antriebswelle aufgebaut, wird das isolierte Volumen bei höherem Druck auf ein kleineres Volumen komprimiert und schließlich das komprimierte Gas entweder in die Atmosphäre oder in die nächste Pumpe ausgestoßen. Um ein höheres Vakuum und eine höhere Durchflussrate zu erreichen, werden oft zwei Transferpumpen in Reihe geschaltet.
Wie bereits erwähnt, werden Verdrängervakuumpumpen zur Erzeugung von Unterdruck eingesetzt. Diese Art von Vakuumpumpe dehnt einen Hohlraum aus und ermöglicht das Entweichen von Gasen aus der abgedichteten Umgebung oder Kammer. Anschließend wird der Hohlraum verschlossen und in die Atmosphäre entlüftet. Das Prinzip einer Verdrängervakuumpumpe besteht darin, durch Volumenausdehnung eines Behälters ein Vakuum zu erzeugen. Beispielsweise dehnt ein Mechanismus bei einer manuellen Wasserpumpe einen kleinen abgedichteten Hohlraum aus, um ein tiefes Vakuum zu erzeugen. Durch den Druck wird etwas Flüssigkeit aus der Kammer in den kleinen Hohlraum der Pumpe gedrückt. Anschließend wird der Hohlraum der Pumpe von der Kammer abgedichtet, zur Atmosphäre geöffnet und anschließend wieder auf eine winzige Größe zusammengedrückt. Ein weiteres Beispiel für Verdrängervakuumpumpen ist die Ausdehnung des Brustkorbs ähnlich einem Zwerchfellmuskel, wodurch sich das Lungenvolumen vergrößert. Diese Ausdehnung führt zur Entstehung eines Teilvakuums und reduziert den Druck, der dann mit durch den atmosphärischen Druck eingepresster Luft gefüllt wird. Beispiele für Verdrängervakuumpumpen sind Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen und Roots-Gebläse, die in verschiedenen Branchen häufig zur Erzeugung von Vakuum in engen Räumen eingesetzt werden.
Einschlusspumpen
Pumpen, die Gasmoleküle an Oberflächen im Vakuumsystem einfangen, werden nicht überraschend als Capture- oder Entrapment-Pumpen bezeichnet. Diese Pumpen arbeiten mit geringeren Durchflussraten als Vakuumpumpen, z. B. Transferpumpen, können jedoch ein extrem hohes Vakuum von bis zu 10-12 Torr erzeugen. Capture-Pumpen arbeiten mit kryogener Kondensation, Ionenreaktion oder chemischer Reaktion und haben keine beweglichen Teile, wodurch ein ölfreies Vakuum entsteht.
Die auf chemischen Reaktionen basierenden Entrapmentpumpen arbeiten effektiver, da sie normalerweise im Behälter platziert werden, wo das Vakuum benötigt wird.
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Luftmoleküle bilden einen dünnen Film, der durch den Pumpenbetrieb entfernt wird und eine chemische Reaktion an den Innenflächen der Pumpe auslöst. Einschlusspumpen werden zusammen mit Verdrängervakuumpumpen und Impulstransfervakuumpumpen zur Erzeugung von Ultrahochvakuum eingesetzt.
Was sonst?
Die große Produkt- und Verfahrensvielfalt zeigt, dass Hochvacuum technology in zahlreichen industriellen Anwendungen sowie in Forschung und Medizin eine bedeutende Rolle spielt. So ist vacuum technology beispielsweise für die Sterilisation medizinischer Geräte sowie den Einsatz von Röntgenröhren im Hochvakuum von entscheidender Bedeutung.
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