PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Vakuumtechnik
Schraubenspindelvakuumpumpen
Entsprechend wird ein Teilchen, dass
auf der rechten Seite die zyklische
Randbedingung kreuzt auf der linken
Seite wieder initialisiert und andersherum.
Die untere Wand weist eine
Wandgeschwindigkeit von U = 10 m/s
in positive x-Richtung auf. In der in
grün dargestellten Referenzebene
wird der Massenstrom bestimmt, indem
die Summe der Teilchenmassen
in positive x-Richtung abzüglich der
Summe der Teilchenmassen, welche
die Ebene innerhalb eines Zeitschritts
in negativer Richtung kreuzen, berechnet
und anschließend durch den
Zeitschritt geteilt wird:
Gl. 1
Unabhängig vom Druckbereich kann
der Massenstrom
für eine reine
Couette-Strömung mit technisch
glatten Wänden über
Gl. 2
bestimmt werden, wobei ρ die Dichte
und A = h b die Querschnittsfläche
des Kanals ist [Ple22a, Ple22b].
Abb. 8: Domain zur DSMC-Simulation einer
reinen Couette-Strömung durch einen Kanal
mit einseitiger strukturierter Oberflächenbeschaffenheit
Abb. 9: Massenstrom einer Couette-Strömung
durch einen Kanal mit Oberflächenstrukturen
bezogen auf den Massenstrom
durch einen Kanal mit glatten Wänden als
Funktion des Drucks p für verschiedene
Profilwinkel α = β
In Abb. 9 ist entsprechend der simulierte
Massenstrom einer Cou ette-
Strömung für verschiedene Profilwinkel
α = β bezogen auf den
Massenstrom einer glatten Wand mit
gleicher Spalthöhe als Funktion des
Druckes für Luft bei T = 293 K dargestellt.
Die Fehlerbalken zeigen die maximale
statistische Unsicherheit der
Ergebnisse an. Es zeigt sich, dass - wie
bereits bei der druckgetriebenen Strömung
- auch bei einer Scherströmung
eine Reduktion des Massenstroms
trotz gleicher minimaler Spalthöhe
mittels Oberflächenstrukturen erzielt
werden kann. Der Effekt ist umso größer,
je kleiner der Druck ist, wohingegen
der Effekt bei großen Drücken
verschwindet. Auch hier lässt sich für
Profilwinkel α = β = 30° die größte Einsparung
von knapp 30 % erzielen.
Zusammenfassung und Ausblick
Die theoretischen Untersuchungen legen
nahe, dass eine mikroskopische
Oberflächenstruktur im Bereich niedriger
Drücke eine deutliche Reduktion
von bis zu 30 % der Spaltmassenströme
in Vakuumpumpen erzielt werden
kann, ohne dass die Betriebssicherheit
gefährdet wird. Einerseits kann
dies bei gleicher Spalthöhe dazu genutzt
werden, dass die Maschine bei
niedrigeren Ansaugdruckbereichen
ein deutlich besseres Saugvermögen
aufweist, wie die Messergebnisse von
Dreifert und Müller in Bezug auf die
Änderung der Spalthöhe zeigen. Andererseits
könnte die Idee von Kösters
und Eickhoff verfolgt werden, mit der
die Spalthöhe auf der Niederdruckseite
der Maschine vergrößert wird,
um eine Überkompression bei hohen
Ansaugdrücken zu reduzieren. Da die
Oberflächenstruktur insbesondere bei
niedrigen Ansaugdrücken eine deutlich
größere Drosselwirkung hervorruft,
bei hohen Ansaugdrücken aber
kaum einen Effekt zeigt, kann somit
eine Überkompression verringert werden,
ohne dass die Maschine bei niedrigen
Ansaugdrücken schlechter wird.
Aufgrund des großen Verbesserungspotenzials
werden in einem aktuellen
kooperativen Forschungsprojekt
vom Fachgebiet Fluidtechnik und
dem Institut für spanende Fertigung
an der Technischen Universität Dortmund
die Anwendbarkeit von Oberflächenstrukturen
in verdünnten
Gasströmungen näher untersucht.
In dem Zuge wird eine Optimierung
der Strukturform vorgenommen,
um zum einen eine möglichst große
Drosselwirkung zu erzielen und zum
anderen eine effiziente Fertigung zu
ermöglichen. Eine zentrale Herausforderung
bei der Fertigung ist die
geringe Profiltiefe der Strukturformen
– es wird von der Mikrozerspanung
gesprochen. Hierbei können
die Abmessungen der Grate in der
Größenordnung der Strukturformen
liegen. Aus diesem Grund wird mit
Hilfe einer Finiten-Elemente Spanbildungssimulation
ein Sonderwerkzeug
entwickelt, wodurch verschiedene
geometrische Anpassungen am
Werkzeug zur Minimierung der Gratbildung
simulativ untersucht werden
können. Im Anschluss werden die
vielversprechendsten Werkzeugvarianten
gefertigt und eingesetzt, um
Proben mit den identifizierten Oberflächenstrukturen
zu präparieren.
Diese werden zum einen messtechnisch
ausgewertet, wodurch eine Validierung
der Spanbildungssimulation
ermöglicht wird und zum anderen auf
einem Vakuumversuchsstand eingesetzt,
in welchem die Drosselwirkung
untersucht werden kann.
Acknowledgements
Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) – Projektnummer
513663608.
Literaturverzeichnis
[Bir94] Bird, G. A.: Molecular gas dynamics
and the direct simulation of
gas flows (Clarendon Press, Oxford,
1994).
[Brü21] Brümmer, B.; Pleskun, H.:
Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung
verdünnter Gasströmungen
mit Hilfe von Rauheiten aufweisenden
Oberflächen, insbesondere
an Vakuumpumpen, MEMS, Patent,
DE 102021002290, 2021.
[Dre14] Dreifert, T.; Müller, R.: Screw
Vacuum pumps - The state of the art:
International Conference on Screw
machines 2014: VDI-Berichte 2228, S.
29-42 (VDI-Verlag, 2014).
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