PuK - 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
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