Wie entsteht eigentlich Vakuum? – Teil 2

Nachgefragt bei Prof. Dr. Günter Bräuer / 21.6.2019

Prof. Dr. Günter Bräuer, Institutsleiter des Fraunhofer IST
© Fraunhofer IST, Florian Kleinschmidt, BestPixels.de

Prof. Dr. Günter Bräuer, Institutsleiter des Fraunhofer IST

»Wind ist Luft, die es eilig hat.« In der Erdatmosphäre fließen Luftströme von Hochdruckgebieten zu Niederdruckgebieten, wir erleben sie als Winde, Stürme oder Orkane. Die Corioliskraft formt sie zu Wirbeln.

Betrachten wir entsprechend der nebenstehenden Abbildung unten zwei Behälter, die durch ein Leitungselement miteinander verbunden sind und in denen unterschiedliche Drücke herrschen. Durch das Leitungselement fließt, falls die Druckdifferenz durch entsprechendes Nachführen von Gas in den Behälter 1 aufrechterhalten wird, ein konstanter Gasstrom (pV-Durchfluss) qpV.

qpV ~ p1 – p2 = Δp  (1)

oder

qpV = L · Δp  (2)

 

© Fraunhofer IST

Strömung zwischen zwei verbundenen Behältern, in denen Drücke p1 und p2 mit p1 > p2 herrschen.

L ist der Leitwert des Verbindungselements. Seine Einheit ist l/s. Gleichung (2) stellt das »Ohmsche Gesetz der Vakuumtechnik« dar, das in Analogie zum Ohmschen Gesetz der Elektrotechnik gilt, wenn man den Gasstrom qpV durch den elektrischen Strom I, die Druckdifferenz Δp durch die elektrische Spannung U und den Strömungsleitwert L durch den elektrischen Leitwert G (G = 1/R = I/U) ersetzt.

Bei der Parallelschaltung von Rohren addieren sich dann die Einzelleit-werte zum Gesamtleitwert (3), bei der Reihenschaltung addieren sich die Kehrwerte der Einzelleitwerte zum Kehrwert des Gesamtleitwerts (4).

LGes = L1 + L2 + L3 + … + Ln  (3)

1/LGes = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + … + 1/Ln  (4)

Vakuumpumpen reduzieren die Gasdichte und damit den Gasdruck in einem vorgegebenen Volumen. Dazu existieren zwei Strategien:

  • Beförderung an die atmosphärische Luft
  • Bindung an eine Wand, die Teil der Begrenzung des auszupumpenden Volumens ist

Für die erste Variante nutzt man Kompressionspumpen, für die zweite Kondensations- und Getterpumpen.

Die verschiedenen Druckbereiche vom Grobvakuum (103 – 100 mbar) bis zum Ultrahochvakuum (< 10-7 mbar) werden durch eine Vielfalt von Pumpentypen abgedeckt, eine Übersicht gibt z. B. die DIN 28400.

Neben dem Saugvermögen (vgl. Newsletter 2/2018) ist das Kompressionsverhältnis einer Vakuumpumpe, d. h. ihre Fähigkeit, abzupumpende Gase zu komprimieren, eine wichtige Kenngröße. Im Grob- und Feinvakuumbereich bis etwa 10-2 mbar setzt man überwiegend Drehschieberpumpen ein. Von der Hochvakuumseite eindringendes Gas wird in einem sich periodisch vergrößernden und verkleinernden Schöpfraum verdichtet und über ein Auspuffventil an die Atmosphäre befördert. Das Kompressionsverhältnis einer Drehschieberpumpe liegt bei etwa 105, daraus ergibt sich der erreichbare Enddruck. Typische Werte für das Saugvermögen liegen bei 50 m3/h.

Wälzkolben- oder Rootspumpen sind trockenlaufende Verdrängerpumpen, die oft in Verbindung mit Drehschieberpumpen eingesetzt werden, in dieser Kombination lassen sich Enddrücke bis etwa 10-3 mbar erreichen. Im Pumpengehäuse »rollen« sich zwei gleiche symmetrische Rotoren, die in Form einer »8« gestaltet sind, gegeneinander ab und schieben auf diese Weise ein bestimmtes Gasvolumen von der Niederdruck- zur Hochdruckseite. Aufgrund konstruktionsbedingter Spalte zwischen den Rotoren ist das Kompressionsverhältnis auf etwa 102 begrenzt.

Treibmittelpumpen ebnen den Weg vom Fein- zum Hochvakuum. Ihr Funktionsprinzip beruht auf einem Impulsübertrag auf die Gasmoleküle. Dabei tritt ein gasförmiges oder flüssiges Treibmittel mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse in den Gasraum ein.

Vielleicht haben manche unter den Lesern die Wirkungsweise einer Treibmittelpumpe schon im täglichen Leben beobachten können, nämlich beim Duschen in einer Einheit mit Vorhang. Ist der Brausekopf im oberen Bereich angeordnet und strömt das Wasser unter hohem Druck aus, so entsteht in dem Volumen, das der Vorhang abgrenzt, ein leichter Unterdruck, und der Vorhang zieht sich nach innen. Nach dem gleichen Prinzip arbeiten die Wasserstrahlpumpe und auch die Öldiffusionspumpe, letztere werden wir in der nächsten Ausgabe behandeln.

Abschließend noch einige Worte zur Wasserstrahlpumpe. Viele kennen sie wahrscheinlich aus dem Schulunterricht oder vom Studium. Für die Erzeugung von Vakua in großen industriellen Anlagen ist sie allerdings weniger geeignet. Physikalische Gesetzmäßigkeiten limitieren den Enddruck, den man mit einer Wasserstrahlpumpe erreichen kann. Wie man vielleicht in der Schule gelernt hat, ist der Siedepunkt des Wassers abhängig vom Luftdruck (Wasser siedet auf der Zugspitze bei niedrigeren Temperaturen als an der Nordsee). Der Dampfdruckkurve des Wassers kann man entnehmen, dass z. B. bei einem Druck von 12 mbar 10°C »kaltes« Wasser bereits kocht (15°C bei 17 mbar). Damit liegt der mit Wasserstrahlpumpen erreichbare Enddruck bei Werten in dieser Größen-ordnung. Auch das Saugvermögen ist mit 0,1 – 1 m3/h gegenüber den oben beschriebenen Kompressionspumpen eher bescheiden.

Im kommenden Beitrag werden wir diskutieren, mit welchen Pumpentypen wir Hoch- und Ultrahochvakuum erzeugen.