Turbomolekular-Vakuumpumpen

Bei magnetisch gelagerten Turbopumpen kommt eine 5-achsige Magnetlagerung zum Einsatz, um den Rotor schwebend zu lagern, ohne physischen Kontakt zwischen Rotor und Pumpengehäuse. Diese auch als aktive Magnetlagerung bekannte Technik basiert auf Elektromagnetismus: Sie nutzt die Kräfte von Elektromagneten in Kombination mit Abstandssensoren, um den Rotor zu stabilisieren und in Bewegung zu setzen. Ein digitales elektronisches Steuerungssystem passt das elektromagnetische Feld durch die verbauten Magnete in Echtzeit an, um den Rotor im Zentrum und im Gleichgewicht zu halten. Diese aktive Stabilisierung gleicht Unwucht aus und minimiert Schwingungen.

Da der Rotor das Pumpengehäuse nicht berührt, gibt es keine mechanische Reibung, wodurch keine Schmierung nötig ist und die Pumpe ölfrei betrieben werden kann. Magnetisch gelagerte Turbopumpen eignen sich ideal für Hoch- und Ultrahochvakuumanwendungen in der Halbleiterproduktion, Beschichtung sowie Forschung und Entwicklung.

Die fortschrittliche Magnetlagerungstechnologie bietet mehrere Vorteile.

Turbopumpen mit Hybridlagerung kombinieren zwei Lagerkonzepte in einer Pumpe. Auf der Vorvakuumseite schützt ein Keramikkugellager den Rotor vor externen Schwingungen. Dieser Lagertyp findet sich auch in mechanischen Turbopumpen wie der HiPace 10 Neo, was die Pumpe zu einer zuverlässigen Option für Aufgaben wie mobile Vakuumexperimente macht.

Auf der Hochvakuumseite hält eine Permanentmagnet-Lagerung den Rotor in Schwebe ohne Kontakt zum Pumpengehäuse, wie bei magnetisch gelagerten Turbopumpen. Diese Kombination bietet eine robuste Rotorlageranordnung für die extrem hohen Drehzahlen bei der Ultrahochvakuumerzeugung von bis zu 10^-11 hPa (mbar). Obwohl das Kugellager minimal geschmiert ist, erzeugt die Pumpe ein ölfreies Vakuum, da sich das Kugellager auf der Vorvakuumseite befindet und somit von der Hochvakuumseite der Pumpe getrennt ist. Durch dieses Konstruktionsmerkmal und das Verdichtungsverhältnis des Turborotors wird eine Verunreinigung der Vakuumkammer durch Öl vermieden. Turbopumpen mit Hybridlagerung sind eine zuverlässige Lösung für eine Vielzahl von Prozessen, darunter analytische Anwendungen, Forschung und Entwicklung sowie Weltraumsimulation.

Turbopumpen mit Hybridlagerung bieten eine Vielzahl von Vorteilen:

Turbopumpen gehören zu den kinetischen Vakuumpumpen. Sie bewegen das Fördermedium, indem sie die Moleküle in Pumprichtung beschleunigen. Die Turbomolekular-Vakuumpumpe wurde entwickelt, um etwas zu erreichen, was zuvor als nahezu unmöglich galt – Vakuum von so großer Reinheit, dass es neue Möglichkeiten in Wissenschaft und Technologie eröffnet. 1958 erfand Dr. Willi Becker, Wissenschaftler bei Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions, die allererste Turbopumpe. Dank ihrer bahnbrechenden Technologie können diese Vakuumpumpen Hochvakuum, Ultrahochvakuum und sogar extrem hohes Vakuum von bis zu 10^-11 hPa (mbar) erreichen.

Heute werden Turbopumpen eingesetzt, um neue Erkenntnisse in der Forschung zu erlangen, von der Simulation des Vakuums im Weltraum in der Astrophysik bis hin zur Materialprüfung in extremen Umgebungen. In der Halbleiterproduktion sorgen diese speziellen Vakuumpumpen für die ultrareinen, kontrollierten Umgebungen, die für die Produktion von Mikrochips erforderlich sind. Die Zahl der möglichen Anwendungen für Turbopumpen in den verschiedenen Branchen ist nahezu endlos.

Im Grunde arbeitet eine Turbomolekular-Vakuumpumpe nach dem Prinzip der Übertragung von Bewegungsenergie. Das Design ähnelt dem einer Turbine: Ein mehrstufiger Rotor mit Scheiben rotiert in einem Gehäuse. Zwischen den Rotorscheiben befinden sich spiegelverkehrte, beschaufelte Statorscheiben, die eine Reihe von Stufen bilden, die Gasmoleküle verdichten und transportieren. Die Rotoren der Turbopumpe drehen sich mit einer Drehzahl von bis zu 90.000 Umdrehungen pro Minute (U/min). Das ist weit mehr als die Triebwerke eines Jumbojets, die nur mit maximal 30.000 U/min rotieren.

Turbomolekularpumpen benötigen eine Vorpumpe, um effektiv zu arbeiten. Die Turbopumpe ist für die Erzeugung von Hoch- und Ultrahochvakuum zuständig, kann jedoch keine Gase direkt auf Atmosphärendruck abführen. Daher ist sie auf eine Vorpumpe angewiesen, um einen ausreichend niedrigen Druck am Auslass aufrechtzuerhalten und einen stabilen und effizienten Betrieb zu gewährleisten.

Vakuumerzeugung von Turbopumpen – erklärt in drei Schritten

Moderne Turbopumpen können Drehzahlen von bis zu 90.000 U/min erreichen. Die Bewegungsenergie ist entsprechend hoch, was im Falle einer Fehlfunktion dazu führen kann, dass innerhalb von Sekundenbruchteilen extreme Kräfte auf das Pumpengehäuse und die Verankerung wirken. Um die Sicherheit Ihrer Prozesse und Ausrüstung zu gewährleisten, hat Pfeiffer in Zusammenarbeit mit dem TÜV Rheinland eine Sicherheitszertifizierung entwickelt, die einen doppelten Schutz vor überhöhter Drehzahl zur Vermeidung mechanischer Ausfälle umfasst.

Zudem wird das Außengehäuse der Turbopumpen im Rahmen der Zertifizierung einer Prüfung unterzogen, um die Widerstandsfähigkeit des Rotors gegenüber der Bewegungsenergie zu testen. Die Turbopumpen von Pfeiffer sind zudem nach den Normen UL 61010 und Semi S2 zertifiziert, was sicherstellt, dass die Ausrüstung die strengen Anforderungen an Sicherheit und Leistung in Labor- und Industrieumgebungen sowie in Halbleiterfabriken erfüllt.

Turbomolekular-Vakuumpumpen von Pfeiffer sind mit Hybridlagerung, mechanischer Lagerung sowie magnetischer Lagerung erhältlich und bieten mehrere Vorteile:

Das Hybridlager wurde vor mehr als 40 Jahren von Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions erfunden. Es besteht aus einer permanentmagnetischen Lagerung und einem Keramikkugellager.

Auf der Hochvakuumseite der Pumpe hält eine Magnetlagerung den Rotor ohne physischen Kontakt in Schwebe, wodurch Reibung minimiert und Verschleiß vermieden wird. Auf der Vorvakuumseite stabilisieren Keramikkugellager den Rotor sowohl in radialer als auch in axialer Richtung und machen ihn widerstandsfähig gegen starke Erschütterungen, z. B. beim Belüften auf Atmosphärendruck oder bei externen Vibrationen. Obwohl das Kugellager minimal geschmiert ist, erzeugt die Pumpe ein ölfreies Vakuum, da sich das Kugellager auf der Vorvakuumseite befindet und somit von der Hochvakuumseite der Pumpe getrennt ist. Durch dieses Konstruktionsmerkmal und das Verdichtungsverhältnis des Turborotors wird eine Verunreinigung der Vakuumkammer durch Öl vermieden. Das zirkulierende Schmiermittel nimmt zudem die während des Betriebs der Kugellager erzeugte Wärme auf.

Turbopumpen mit Hybridlagerung eignen sich für eine Vielzahl von Prozessen, darunter analytische Anwendungen, Forschung und Entwicklung sowie Weltraumsimulation.

Bei magnetisch gelagerten Turbopumpen kommt eine 5-achsige Magnetlagerung zum Einsatz, um den Rotor schwebend zu lagern, ohne physischen Kontakt zwischen Rotor und Pumpengehäuse. Diese Lagertechnik basiert auf Elektromagnetismus: Sie nutzt die Kräfte von Elektromagneten in Kombination mit Abstandssensoren, um den Rotor zu stabilisieren und in Bewegung zu setzen. Elektromagnetische Lager werden auch als „aktive Magnetlager“ bezeichnet, da die Position des Rotors überwacht und kontinuierlich angepasst wird. Dies sorgt für einen verschleißfreien, vibrationsarmen Betrieb, indem Unwucht automatisch ausgeglichen wird. Dadurch ist ein wartungs- und schmiermittelfreier Betrieb über die gesamte Lebensdauer gewährleistet.

Magnetlager eignen sich daher besonders für Anwendungen, bei denen ein geringer Verschleiß, saubere und trockene Bedingungen sowie hohe Saugvermögen erforderlich sind – wie in der Hoch- und Ultrahochvakuumerzeugung für Halbleiterfertigung, Beschichtung sowie Forschung und Entwicklung.

Der Rotor einer Turbopumpe dreht mit bis zu 90.000 Umdrehungen pro Minute. Bei solchen Drehzahlen kann die geringste Unwucht erhebliche Auswirkungen auf den Betrieb und die Sicherheit der Pumpe haben. Die präzise Wuchtung des Rotors ist daher sowohl für die Laufruhe des Rotors als auch für einen jahrelangen beschädigungsfreien Betrieb der Turbopumpe entscheidend.

Um diese Herausforderung zu lösen, hat Pfeiffer das Laser-Balancing entwickelt und patentiert, eine Technologie, die ein hochpräzises Auswuchten des Rotors ermöglicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die das Anbringen von Gewichten oder das Bohren von Löchern erfordern, wird beim Laser-Balancing Material mittels Laser von bestimmten Bereichen des Rotors abgetragen.

Dieser Prozess wird während der Produktion automatisiert durchgeführt, was sowohl die Genauigkeit als auch die Wiederholbarkeit erhöht. Laser-Balancing erhöht die Auswuchtqualität von Turbopumpenrotoren um 20 % im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Dies führt zu geringeren Vibrations- und Geräuschniveaus und erhöht die Gesamtleistung der Pumpe. Diese Vorteile sind besonders wertvoll in vibrationsempfindlichen Anwendungen wie der Elektronenmikroskopie.

Turbopumpen mit Hybridlagerung kombinieren Kugel- und Magnetlager. Dank des berührungslosen Betriebs der permanentmagnetischen Lagerung erfordern Turbopumpen mit Hybridlagerung nur minimale Wartung. Diese Lagertechnologie sorgt dafür, dass der Rotor auf einer Seite der Pumpe ohne physischen Kontakt in Schwebe gehalten wird, wodurch Reibung und Verschleiß minimiert werden. In jeder Vakuumpumpe gibt es jedoch Bauteile, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Bei Turbomolekular-Vakuumpumpen mit Hybridlagerung sollten die Betriebsmittel und Kugellager je nach Design und Baugröße der Turbopumpe nach vier bis fünf Jahren ausgetauscht werden. Solche Wartungsarbeiten verhindern Beeinträchtigungen durch weit fortgeschrittenen Verschleiß sowie Ausfälle oder irreparable Schäden an der Pumpe.

Um mehr über unser Serviceangebot für Turbopumpen zu erfahren, besuchen Sie unsere Serviceseite.

Pfeiffer gilt als einer der führenden Hersteller von Turbomolekular-Vakuumpumpen:

1. Wegweisende Innovation: Pfeiffer erfand und patentierte 1958 die erste Turbomolekular-Vakuumpumpe.

2. Umfangreiches Produktportfolio: Pfeiffer bietet ein komplettes Sortiment an Turbomolekular-Vakuumpumpen, einschließlich mechanisch gelagerter und hybridgelagerter Turbopumpen. Dieses umfassende Portfolio bietet für verschiedene Anwendungen und Branchen jeweils passende Lösungen.

3. Hochwertige Fertigung: Pfeiffer ist bekannt für technische Exzellenz und stellt sicher, dass alle Produkte die höchsten Standards in Bezug auf Qualität und Zuverlässigkeit erfüllen. Unsere Turbopumpen sind so konzipiert, dass sie hohen Drehzahlen und hoher Bewegungsenergie effizient standhalten und gewährleisten so hervorragende Leistung und Langlebigkeit.

4. Kundenorientierter Ansatz: Pfeiffer bietet stets außergewöhnlichen Kundenservice. Um sicherzustellen, dass unsere Kunden die bestmöglichen Vakuumlösungen und die bestmögliche Unterstützung erhalten, bieten wir umfassende Schulungen für Betreiber sowie Produktservices mit Wartung, die genau auf die Turbopumpen-Technologie zugeschnitten ist.

Eine Vorpumpe ist eine spezielle Art von Vakuumpumpe, die in Kombination mit einer Hochvakuumpumpe, wie z. B. einer Turbomolekular-Vakuumpumpe, betrieben wird. Sie reduziert den Druck in einem System, sodass die Hochvakuumpumpe betrieben werden kann, und kann als „Starthilfe“ für die Hauptpumpe angesehen werden.

Die Vorpumpe ist die erste Stufe in einem Vakuumsystem. Sie ist dafür verantwortlich, das System und die Vakuumkammer von Atmosphärendruck auf ein Niveau zu evakuieren, das niedrig genug ist, um einen effektiven Betrieb der Hochvakuumpumpe zu ermöglichen.

Es ist wichtig, dass die Vorpumpe über ein ausreichend hohes Saugvermögen verfügt, um den Anforderungen der Hochvakuumpumpe gerecht zu werden. Typische Vorvakuumpumpen sind beispielsweise Drehschieber-, Membran- und Scroll-Vakuumpumpen. Optional können Vakuum-Booster in das Vorvakuumsystem integriert werden, wenn ein höheres Saugvermögen erforderlich ist.

Warum benötigen Turbopumpen eine Vorpumpe?
Turbomolekular-Vakuumpumpen gehören zur Kategorie der kinetischen Vakuumpumpen, die Gasmoleküle mittels Impulsübertragung vom Einlass bis zum Auspuff bewegen. Dabei handelt es sich um Hochleistungspumpen, die extrem niedrige Drücke, d. h. Hoch- oder sogar Ultrahochvakuum, erzeugen können. Um ein Zurückströmen der geförderten Gase vom Auspuff der Turbopumpe zur Vakuumkammer zu vermeiden, ist eine Vorpumpe erforderlich, um die Moleküle durch die Vorvakuumleitung auszustoßen.

Die Vorpumpe und die Turbopumpe werden in der Regel gleichzeitig gestartet und evakuieren gemeinsam das Vakuumsystem. Wenn die Turbopumpe direkt an der Vakuumkammer angeschlossen ist (siehe Abbildung), evakuiert die Vorpumpe das System durch die Turbopumpe.

Sobald ein bestimmtes Vorvakuumlevel erreicht ist, arbeitet die Turbopumpe mit voller Drehzahl und erzeugt Hoch- bis Ultrahochvakuum. Selbst dann läuft die Vorpumpe weiter und saugt die von der Hochvakuumpumpe geförderten Gasmoleküle ab. Dadurch wird sichergestellt, dass die Turbopumpe ihren Betriebsdruck aufrechterhalten kann und nicht überhitzt.

Die Vorpumpe erfüllt mehrere wichtige Aufgaben zugleich: