Umbau des Vakuumsystems eines Kolbenmanometers zum Erreichen kürzerer Zykluszeiten und geringerer Wärmebelastung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung und Problemstellung

2. Vakuumtechnische Grundlagen
2.1 Druck
2.1.1 Zustand der Gase
2.1.2 Zustandsgrößen und Mengengrößen
2.2 Zustandsgleichung idealer Gase
2.3 Sorption, Diffusion und Permeation
2.4 Vakuum und Vakuumphysik
2.5 Vakuumpumpen
2.6 Vakuummesung

3. Ist-Zustand
3.1 Bisherige Verbesserungen
3.2 Aufbau der Anlage
3.2.1 Kolbenmanometer
3.2.2 Drehschieberpumpe und Wälzkolbenpumpe
3.2.3 Druckmessgerät und Durchflussmessgerät
3.2.4 Messdom
3.2.5 Rohrleitungssystem
3.3 Auspumpkurven
3.4 Saugvermögen und Leitwert

4. Veränderungen an der Anlage
4.1 Konstruktive Veränderungen am Kolbenmanometer
4.1.1 Dichtungssitz des Elektromotorengehäuses
4.1.2 Verlegung des E-Motors aus dem Glockenvolumen heraus
4.1.3 Bearbeitung der Ringfläche der Vakuumglocke
4.1.4 Permanentlauf der Drehschieberpumpe
4.1.5 Verrohrung des Kolbenmanometers
4.2 Verlegung des Kolbenmanometer und der Vakuumpumpen

5. Zusammenfassung

6. Ausblick

Anhang
1. Literaturverzeichnis
2. Abbildungsverzeichnis
3. Diagrammverzeichnis
4. Werkstattskizze Abdichtung des Elektromotorgehäuses
5. Werkstattskizze Verlegung des Elektromotors
6. Messprogramm Auspumpkurven und Saugvermögen
7. Übersicht über die Bauformen der Vakuumpumpen
8. Diagramme Gasabgabestromdichte und Permeationskonstanten

1. Einleitung und Problemstellung

Im Rahmen meiner Diplomarbeit im Studiengang Maschinenbau am Fachbereich Maschinenbau, Mikrotechnik, Energie- und Wärmetechnik an der Fachhochschule Giessen-Friedberg soll eine Anlage zum Kalibrieren von Druckmessgeräten verbessert werden.

Diese Anlage besteht im Prinzip aus einem Drehkolbenmanometer, oftmals auch als Druckwaage bezeichnet, den zugehörigen Vakuumpumpen und einem Rohrleitungssystem, um die zu kalibrierenden Messgeräte anzuschließen.

Im Kalibrierbetrieb wird ein häufiges erneutes Evakuieren der Vakuumglocke erforderlich, um die verschiedenen Massestücke, welche auf das Zylinder-Kolben-System innerhalb der Glocke aufgesetzt werden, auszutauschen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2: Kolbenmanometer-Pumpstand

Um einen zügigen Kalibrierbetrieb zu gewährleisten, sollen Evakuierzeiten kurz sein.

Die eigentliche Aufgabe bestand darin, das Auspumpverhalten der Vakuumglocke zu untersuchen und möglichst zu verbessern.

Dabei spielt das Erkennen und Ausmerzen von Ausgasraten und die Beseitigung von Strömungslecks eine entscheidende Rolle.

Ebenso sollte die Wärmeabgabe der Vakuumpumpen minimiert werden, um die Umgebungstemperatur, des das Kolbenmanometer und die zu kalibrierenden Messgeräte ausgesetzt sind, konstant zu halten.

Diese Untersuchungen wurden im Labor für Vakuumtechnik des Fachbereichs MNI unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. Wolfgang Jitschin an der Fachhochschule Giessen-Friedberg durchgeführt.

2. Vakuumtechnische Grundlagen

2.1 Druck

Die physikalische Größe Druck ist definiert als Quotient aus Normalkraft und zugehöriger Fläche, auf die diese Kraft wirkt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Maßeinheit des Druckes p ist das Pascal (benannt nach dem französischen Physiker Blaise Pascal). Der Druck von einem Pascal entsteht, wenn auf eine Fläche von 1 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Kraft F=1N senkrecht einwirkt.

Eine andere gebräuchliche Druckeinheit ist das Bar. Der tausendste Teil desselben, 1 mbar, wird heute in der Vakuumtechnik gern als Maßeinheit für Druck benutzt.

1 mbar = 100 Pa

1 bar = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenPa

2.2 Zustand der Gase

2.2.1 Zustandsgrößen und Mengengrößen

Der Zustand eines Gases wird durch die Zustandsgrößen Volumen Druck und Temperatur beschrieben. Die Menge eines Gases wird durch eine der Mengengrößen Masse, Teilchenzahl oder Stoffmenge angegeben.

Volumen V

Das Volumen des Gases wird vom Volumen V des Behälters bestimmt.

Druck p

( siehe vorherige Seite ! )

Temperatur T

Im stationären Zustand nimmt das Gas in einem Behälter die gleiche Temperatur an wie der Behälter selbst.

Masse m

Die Menge eines Gases kann auf verschiedene Weisen angegeben werden.

Die Einheit der Masse m im internationalen Einheitensystem (SI) ist das kg (Kilogramm).

Teilchenanzahl N

Da ein Gas aus vielen einzelnen Gasteilchen besteht, kann man eine Gasmenge durch die Anzahl der einzelnen Teilchen angeben. Man nennt diese dimensionslose Größe Teilchenanzahl N.

Stoffmenge v

Eine praktische Angabe der Menge eines Gases ist die sog. Stoffmenge v. Diese erhält man durch Normierung der tatsächlichen Menge eines Stoffes auf eine bestimmte Bezugsmenge, die im Internationalen Einheitensystem (SI) das Mol ist.

2.2.2 Zustandsgleichung idealer Gase

Bei konstanter Temperatur ist das Produkt aus Druck und Volumen konstant. (Boyle-Mariottesches-Gesetz)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten feste Gasmenge bei Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine Temperaturänderung eines Gases führt zu einer Druckänderung. Ebenso wurde herausgefunden, dass bei fester Gasmenge das Produkt Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenmit steigender Temperatur linear zunimmt. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Damit ergibt sich die Zustandsgleichung des idealen Gases:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten bei fester Gasmenge

2.3 Sorption, Diffusion und Permeation

Sorption

Je kleiner die Drücke sind, die in einem Vakuumraum erreicht werden, um so mehr machen sich Fremdstoffe an der inneren Oberfläche der Gefäßwand und der Einbauten beim Evakuieren störend bemerkbar, da die Fremdstoffe allmählich von der Oberfläche freigesetzt werden.

Man sollte daher immer darauf achten, dass die Oberflächen sich vor dem Auspumpvorgang in einem sauberen Zustand befinden.

In molekularer Sicht versteht man unter Sorption die Austauschvorgänge von andersartigen Teilchen an den festen und flüssigen Grenzflächen der Vakuumräume.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3: Modell zur Sorption [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Diffusion

Ist innerhalb einer Substanz die Dichteverteilung eines Gases inhomogen, so setzt eine Wanderung von Stellen höherer Dichte nach Stellen geringerer Dichte ein. Diesen Vorgang nennt man Diffusion.

Permeation

Der Durchgang von Gasen durch feste Stoffe nennt man Permeation.

Dies könnte durchaus auch bei dem zu untersuchenden Kolbenmanometer an verschiedenen Stellen der Konstruktion der Fall sein und somit mitunter eine Erklärung für den verbleibenden Restdruck in der Vakuumglocke sein.

Der Vorgang der Permeation besteht aus drei Schritten:

1. Adsorption (Anlagerung) eines Moleküls auf der Außenseite (Hochdruckseite)
2. Diffusion durch das Material
3. Desorption (Wegfliegen) eines Moleküls auf der Innenseite (Niederdruckseite)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4: Schema der Permeation

2.4 Vakuum und Vakuumphysik

Definition Vakuum nach DIN 28400, Teil 1

Vakuum ist der Zustand eines Gases, dessen Teilchenanzahl geringer ist als die der Atmosphäre an der Erdoberfläche.

Da die Teilchenanzahldichte innerhalb gewisser Grenzen zeit- und auch ortsabhängig ist, kann eine allgemeine obere grenze des Vakuums nicht angegeben werden.

Aber in den meisten Fällen in der Praxis kann man den Zustand eines Gases als Vakuum bezeichnen, dessen Druck geringer ist als der Atmosphärendruck, d.h. der am jeweiligen Ort herrschende Luftdruck.

Die Vakuumphysik umfasst alle physikalischen Grundlagen, die erforderlich sind, um Vakuum zu erzeugen oder aufrechtzuerhalten, Drücke, Partialdrücke, Gasströmungen oder andere physikalische Größen im Vakuum zu messen, oder um Vakuum für unterschiedliche Zwecke anzuwenden.Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5 Vakuumpumpen

Die bei dem zu untersuchenden Kolbenmanometer eingesetzten Vakuumpumpen, eine Wälzkolbenvakuumpumpe und eine Drehschiebervakuumpumpe, gehören beide zur Gruppe der Rotationsverdrängerpumpen. Die Verdrängerpumpen sind die wichtigsten und am meisten verbreiteten Pumpen der Vakuumtechnik.

Einen Überblick dazu verschafft auch eine Übersicht der Vakuumpumpen im Anhang an diese Arbeit.

Die wichtigsten Kenngrößen der Vakuumpumpen sind das Saugvermögen S und die Saugleistung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Das Saugvermögen S stellt den Volumenstrom der Gase dar, die aus einem Vakuumgefäß durch die arbeitende Vakuumpumpe entfernt werden. Da das Gasvolumen vom Druck abhängt, bezeichnet man in der Praxis als Saugvermögen den Quotienten aus der Druckunabhängigen pV-Stromstärke und einem Gleichgewichtsdruck, der an einer bestimmten Stelle in einem normierten Prüfaufbau gemessen wird.

Die Saugleistung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ist der pV-Durchfluss des gepumpten Gases, die wie das Saugvermögen mit einem genormten Prüfdorn gemessen wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eigentlich müsste man, um die strömende Gasmenge durch einen Querschnitt exakt zu bestimmen, den Stoffmengendurchfluss Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenoder den Massendurchfluss Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten angeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wälzkolbenvakuumpumpe

Die Wälzkolbenpumpe ist eine trockene Vakuumpumpe und arbeitet im Schöpfraum ohne Wandreibung. Somit wird der Verschleiß minimiert und es ist vergleichsweise eine recht hohe Saugleistung auch bei geringem Vakuum zu erreichen.

Sie ist mit z.B. einer Drehschiebervakuumpumpe als Vorpumpe einsetzbar für alle möglichen Anwendungen im Grob- und Feinvakuumbereich, wenn große Saugvermögen erreicht werden sollen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5: Funktionsschema einer Wälzkolbenpumpe Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Drehschiebervakuumpumpe

Die Drehschiebervakuumpumpe ist eine meist ölüberlagerte Verdrängerpumpe mit einem Pumpsystem als zentrale Arbeitseinheit. Diese besteht aus einem Zylinder mit nach außen geführten Stutzen, welche zum Ansaugen und Ausstoßen der zu fördernden Gase dienen.

Im Inneren der Pumpe befindet sich ein zum Zylinder exzentrisch angeordneter Rotor mit Schlitzen, in denen Schieber mit Druckfedern eingepasst sind.

Die an der Zylinderwand entlang gleitenden Schieber teilen den freien Innenraum in Arbeitskammern. Während einer Rotordrehung vergrößert sich das Kammervolumen von Null bis zum maximalen Volumen und verkleinert sich danach wieder kontinuierlich bis auf den Minimalwert.

Durch das Vergrößern und Verkleinern der sichelförmigen Kammern des Arbeitsraumes wird der eigentliche Pumpvorgang bewirkt.

Mit der Verkleinerung des Kammervolumens erfolgt die Kompression der eingeschlossenen Gase.

Der Kompressionsdruck muss so stark sein, dass der Gasdruck größer als der Öffnungsdruck des Auslassventils wird. Dieser ist in etwa 200 mbar größer als der Atmosphärendruck.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 6: Funktionsprinzip einer Dreh-

schieberpumpe Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.6 Vakuummessung

Mit Vakuum bezeichnet man einen Druckbereich, der sich von weniger alsAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mbar bis zu etwa 500 mbar erstreckt, also eine Ausdehnung von mehr als 16 Zehnerpotenzen hat.

Es gibt daher keine Messgeräte, die in der Lage sind, den gesamten Messbereich mit der gewünschten Genauigkeit zu erfassen.

Der Messbereich ist nach DIN 28400 in die Bereiche Grobvakuum, Feinvakuum, Hochvakuum, Ultrahochvakuum und extrem hohes Vakuum gegliedert.

Diese sind im folgenden Diagramm auszugsweise dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 7: Diagramm Unterteilung des Vakuumbereichs in Grob- bis Ultrahochvakuum

nach DIN 28400 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine Möglichkeit, um den Totaldruck im Vakuumbereich zu messen, ist die Kraftwirkung, die der Druck auf eine Fläche ausübt. Eine weitere sind die druckabhängigen Eigenschaften der Gase. Man kann z.B. die innere Reibung, die Wärmeleitung, molekulare Impulsübertragung oder die Gasionisation verwenden.

Kolbenmanometer, Flüssigkeitsmanometer und Deformationsmanometer messen die Kraft des Gasdrucks unmittelbar.

Somit gehören diese Geräte zu den Mechanischen Manometern.

Das physikalische Prinzip der Wärmeleitung wird bei den Wärmeleitungsvakuummetern verwendet.

Im Hochvakuumbereich kommen in den häufigsten Fällen die Ionisationsvakuummeter zum Einsatz.

Diese Geräte nutzen die Druckabhängigkeit der Gasionisation durch entweder den Elektronenstoß, durch die Feldionisation oder durch die Wechselwirkung von Gasen mit ionisierender Strahlung.

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