PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

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