Hochkompressions-Turbopumpen: Funktionsprinzip und Einsatz
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Ein großer Meilenstein in der Geschichte von Pfeiffer Vacuum war die Erfindung der Turbopumpe im Jahr 1955. Seither arbeiten rund 3.400 Angestellte des Unternehmens daran, die Vakuumtechnik immer weiter zu verbessern. Zuletzt gelang dies durch die Erfindung der Laser Balancing Technologie. Diese sorgt für eine noch längere Lebensdauer und deutlich geringere Vibrationen und Schallemissionen. Doch von vorne: Auf welcher Grundlage basiert das Funktionsprinzip der klassischen Turbopumpe? Und wie wählen Sie die richtige (Vor-)Pumpe für Ihre Anwendung aus?
Die Erfindung der Turbopumpe
Im Jahr 1955 wurde die erste Turbopumpe erfunden. Dr. Willi Becker war zu diesem Zeitpunkt seit 13 Jahren Leiter des technischen Labors bei der Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik GmbH (heute Pfeiffer Vacuum). Ihn beschäftigte die Frage, wie bei Öldiffusionspumpen die Rückströmung des Öls ins Pumpgehäuse verhindert werden konnte. Dazu verwendete er ein Baffle in Form eines rotierenden Fächerrads. Mit Hilfe dieses Aufbaus strömten Gaspartikel ohne signifikante Leitwertverluste in Richtung des Druckgradienten. In umgekehrter Richtung wurden rückströmende Ölmoleküle durch das rotierende Fächerrad reflektiert. Dadurch konnten die Moleküle nicht auf die Hochvakuumseite gelangen.
In weiteren Untersuchungen bemerkte Dr. Becker, dass dieser Aufbau nicht nur die Ölrückströmung der Diffusionspumpe verringerte, er erzeugte auch einen niedrigeren Totaldruck. Daraufhin wandte er eine Rotor-Stator-Kombination sowie mehrere hintereinandergeschaltete Pumpstufen an. Für seinen Aufbau verwendete er die doppelflutige Variante – einen Rotor, der riemengetrieben eine Drehzahl von 16.000 U/min erreichte. Mit einem Gewicht von 62 kg und einem Saugvermögen von 900 m3/h wurde die Pumpe 1956 zum Patent angemeldet und war Vorläufer aller heutigen Turbopumpen. 1958 wurde sie am internationalen Vakuumkongress in Namur, Belgien, zum ersten Mal vorgestellt. Ohne diese Erfindung wäre unser modernes Leben undenkbar – denn ohne Turbopumpen sind viele Fertigungsschritte zur Herstellung von Halbleitern sowie unzählige Beschichtungsprozesse nicht möglich.
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Dr. Willi Becker, 1958 im Labor der Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik GmbH (heute Pfeiffer Vacuum)
Funktionsprinzip und Kompressionsverhältnis
Wie funktioniert eine Turbopumpe?
Die Impulsübertragung der schnell rotierenden Schaufeln auf die zu pumpenden Gasmoleküle stellt den Grundstein für die Pumpwirkung der Anordnung aus Rotor- und Statorschaufeln dar. Moleküle, die auf die Schaufeln treffen, werden dort adsorbiert und verlassen die Schaufel nach kurzer Zeit wieder. Die Schaufelgeschwindigkeit v addiert sich dabei zur thermischen Molekülgeschwindigkeit c. In der Pumpe muss Molekularströmung herrschen. Andernfalls würde die durch die Schaufel übertragene Geschwindigkeitskomponente durch Stöße mit anderen Molekülen verloren gehen. Die mittlere freie Weglänge T muss daher größer sein als die Kanalhöhe h. Während des Förderns von Gas entsteht bei kinetischen Pumpen ein Gegendruck, der eine Rückströmung verursacht. S0 bezeichnet das Saugvermögen ohne Gegendruck. Es nimmt mit steigendem Gegendruck ab und erreicht beim maximalen Kompressionsverhältnis K den Wert 0.
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Abbildung 1: Funktionsprinzip der Turbopumpe
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Anordnung aus Rotor- und Statorschaufeln
Kompressionsverhältnis
Abgeschätzt werden kann das Kompressionsverhältnis K0 nach Gaede [1]. Für die optisch dichte Schaufelstruktur (Abbildung 1) gilt die Gaede‘sche Formel:
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Gaede‘sche Formel
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