Handbuch Vakuumtechnik: Theorie und Praxis

762 Pages·2000·30.116 MB·German

by  Max Wutz, Hermann Adam, Wilhelm Walcher, Karl Jousten (auth.)

Vakuum-Systeme -
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MaxWutz
Hermann Adam
Wilhelm Walcher
Karl Jousten
Handbuch Vakuumtechnik
Aus dem Programm ____________- --.....
Physikalische Technik
Staubabscheidung mit Schlauchfiltern
und Taschenfiltern
von F. Löffler, H. Dietrich und W. Flatt
Ingenieurakustik
von H. Henn, G. R. Sinambari und M. Fallen
Praktische Oberflächentechnik
von K.-P. Müller
Handbuch Vakuumtechnik
von M. Wutz, H. Adam, W. Walcher und K. Jousten
Vakuumtechnik Aufgabensammlung
von H. Adam, H. K. Hartmann und W. Schwarz
Tribologie Handbuch
von H. Czichos und K.-H. Habig
Prozeßrechnerstrukturen
von W. Motsch
Prozeßinformatik
von E. Schnieder
vieweg ________________- ----'
MaxWutz
Hermann Adam
Wilhelm Waleher
Karl Jousten
Handbuch
Vakuumtechnik
Theorie und Praxis
Mit 417 Abbildungen und 74 Tabellen
7., erweiterte Auflage
~
vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erhältlich.
Bis zur 5. Auflage erschien das Buch unter dem Titel Theorie und Praxis der Vakuumtechnik und
wurde ab der 2. Auflage bearbeitet von Prof. Dr.-Ing Dr. rer. nat. h.c. Wilhelm Wa\cher, Marburg,
und Dr. phi\. Hermann Adamt, Köln.
1. Auflage 1965
2., vollständig neubearbeitete Auflage 1982
3., überarbeitete und ergänzte Auflage 1986
4., verbesserte Auflage 1988
5., vollständig bearbeitete und erweiterte Auflage 1992
6., durchgesehene und verbesserte Auflage 1997
7., erweiterte Auflage November 2000
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 2000
Softcover reprint ofthe hardcover 7th edition 2000
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer.
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Technische Redaktion: Hartmut Kühn von Burgsdorff
Konzeption und Layout des Umschlags: U1rike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-322-99948-1 ISBN 978-3-322-99947-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-99947-4
Vorwort
Im Vorwort zur 1965 erschienen Ersten Auflage der "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik"
kennzeichnete Max Wutz Zweck und Ziel seines Buches mit folgenden Worten:
"Das vorliegende Buch will das Vakuumgebiet, soweit es sich um das Erzeugen, Messen
und Aufrechterhalten erniedrigter Drücke sowie um die dazu benötigte Arbeitstechnik
handelt, möglichst geschlossen darstellen. Es wendet sich an alle, die Experimente, Prozes
se oder sonstige Arbeiten unter Vakuum ausführen. Die Darstellung berücksichtigt in
gleicher Weise die theoretischen Grundlagen wie auch die Anforderungen der Praxis.
Diesem Zweck dient auch die große Anzahl von erläuternden numerischen Beispielen."
Diese Zielsetzung wurde auch - nachdem das Buch mehr als ein Jahrzehnt vergriffen war
nach dem Ausscheiden von Max Wutz bei der vollständigen Neubearbeitung in der zweiten
und ebenso in den folgenden Auflagen beibehalten, wobei jeweils die bedeutenden Weiter
entwicklungen sowohl auf den Grundlagengebieten als auch bei den anwendungsbezogenen
Techniken Berücksichtigung fanden: die Methoden zur Messung der Strömungsleitwerte von
Bauelementen (Kap. 4); die trocken laufenden Vakuumpumpen für den ganzen Grobvakuum
bereich (Klauenpumpen) (Kap. 5); die Compound-(Hybrid-)Turbomolekularpumpe (Kap.7);
die Volumengetter (NEG) und die Volumengetterpumpe (Kap. 8); weitere industrielle Anwen
dungen der (Refrigerator)-Kryopumpe (Kap. 10); Kapazitive Druckmessung und Gegenstrom
Lecksuch-Prinzip mit modifizierter Turbomolekularpumpe (Kap. 11); Reinigen von vakuum
technischen Werkstoffen und Bauelementen sowie von Vakuumbehältern (Kap. 14); Automa
tisierung von Hochvakuumpumpständen, UHV- Großanlagen (Kap. 15), sowie eine dem derzei
tigen Stand entsprechende Liste vakuumtechnisch wichtiger nationaler und internationaler
Normen.
Das Buch hat sich damit zu einem Standardwerk der Praxis und Theorie des Vakuumgebietes
entwickelt und ist zu einem griffbereiten Arbeitsmittel in Ausbildung und Anwendung, im
Forschungs-und Entwicklungslabor, sowie in der industriellen Fertigung geworden. Es erfüllt
die Funktion eines Handbuches, was wir im Obertitel dieser sechsten Auflage zum Ausdruck
gebracht haben.
Die ursprüngliche, von den Benutzern des Buches günstig aufgenommene Konzeption, die
insbesondere durch die Aufnahme zahlreicher Rechenbeispiele gekennzeichnet ist, ist erhalten
geblieben. Dem besonderen Anliegen der Herausgeber Symbole, Einheiten und Nomenklatur
den internationalen und nationalen Empfehlungen und Gesetzen anzupassen, wurde nach wie
vor Rechnung getragen. Die jedem Kapitel angefügten, teilweise recht umfangreichen Literatur
verzeichnisse wurden immer wieder ergänzt.
Um der gestiegenen Bedeutung des Werkes besonders im Praxisalltag gerecht zu werden, wurde
ein eigener Bezugsquellennachweis geschaffen, mit dessen Hilfe nun das Auffinden geeigneter
Lieferanten für Pumpen, Meßgeräte, Kondensatoren, Lecksuchgeräte, Pumpstände, Bauele
mente, Vakuumzubehör und Sonderanfertigungen erleichtert wird.
Die Herausgeber danken all denen, die Hinweise auf Fehler und notwendige Ergänzungen
gegeben haben, und nicht zuletzt dem Verlag für die professionelle Betreuung über mehr als drei
Jahrzehnte.
Hermann Adamt
Wilhelm Waleher
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .. ...... ..... .... ..... ...... ................. .................................... ..... ........... .................... 1
1.1 Die Entwicklung der Vakuumtechnik ................................................................. 1
1.2 Bedeutung und Aufgabe der heutigen Vakuumtechnik ...... ................................ 5
1.3 Literatur .............................................................................................................. 8
2 Gasgesetze, Grundlagen der kinetischen Gastheorie und Gasdynamik .... 10
2.1 Die Zustandsgrößen eines Gases .. ...................... .......... .............. ........................ 10
2.2 Mengengrößen, mengenbezogene Größen .......................................................... 12
2.3 Die Gesetze des idealen Gases ............................................................................ 14
2.3.1 Einkomponentige Gase ........................................................................ 14
2.3.2 Gasgemische (Mehrkomponentige Gase) ............................................ 18
2.4 Grundlagen der kinetischen Theorie der Materie, insbesondere im
gasförmigen Zustand .......................................................................................... 20
2.4.1 Grundlagen des Modells des idealen Gases ............ ............................. 20
2.4.2 Das vereinfachte Modell von Krönig ................ ...... ...... ....................... 20
2.4.3 Häufigkeitsverteilung (Wahrscheinlichkeitsverteilung)
der Geschwindigkeiten (Geschwindigkeitsverteilung) ......................... 22
2.4.4 Geschwindigkeitsmittelwerte ............................................................... 25
2.4.5 Wandstromdichte (=Flächenstoßrate, DIN 28 400) und Effusion ........ 25
2.4.6 Gleichverteilung der Energie. Wärmekapazität gasförmiger und
fester Stoffe ......................................................................................... . 27
2.4.7 Mittlere freie Weglänge. Stoßrate ...................................................... .. 28
2.5 Transportvorgänge ............................................................................................. . 31
2.5.1 Diffusion ............................................................................................. . 31
2.5.2 Innere Reibung in Gasen ...................................................................... 32
2.5.3 Wärmeleitung in Gasen ........................................................................ 35
2.5.3.1 Wärmeleitfähigkeit, Definition .......................................... 35
2.5.3.2 Wärmeleitfähigkeit ............................................................. 36
2.5.3.3 Vergleich der Wärmeleitfähigkeit mit der dynamischen
Viskosität ..................... .............. ...... .......... ............... ... ...... 39
2.5.3.4 Wärmeleitung in der Zylindergeometrie bei niedrigen
Drücken .............................................................................. 39
2.5.3.5 Nachbemerkung ................................................................. 40
2.6 Dämpfe. Verdampfung und Kondensation ......................................................... 40
2.6.1 Dampfdruck ......................................................................................... 40
2.6.2 Zustandsgleichung ............................................................................... 41
2.6.3 Flächenbezogene Verdampfungsrate ................................................... 42
2.7 Gasdynamik ........................................................................................................ 45
2.7.1 Anwendungsbereich ............................................................................. 45
2.7.2 Bernoulli-Gleichung ............................................................................ 45
2.7.3 Kritische Größen, Schallgeschwindigkeit, Machzahl.......................... 50
2.7.4 Eindimensionale Strömung .................................................................. 52
2.7.5 Der Verdichtungsstoß .......................................................................... 53
2.7.6 Hugoniot-Gleichung ............................................................................ 55
VI
Inhaltsverzeichnis
2.7.7 Das Ruhedruckverhältnis Po / Po ........................................................ 56
2.7.8 Der schräge Verdichtungs stoß ............................................................. 57
2.7.9 Strömungsformen in und hinter Lavaldüsen bei verschiedenen
"Gegendrücken PA" ............................................................................. 57
2.7.10 Zweidimensionale Strömung um eine Ecke (Prandtl-Meyer) .............. 59
2.8 Literatur ............................................................................................................... 61
3 Sorption und Desorption ........................................................................................ . 62
3.1 Sorptionsphänomene und deren Bedeutung; Begriffe und Terminologie .......... . 62
3.2 Adsorptions-und Desorptionskinetik ................................................................ . 64
3.2.1 Adsorptionsrate ................................................................................... . 64
3.2.2 Desorptionsrate ................................................................................... . 64
3.2.3 Mono-Schieht-Adsorption; Langmuirsche Adsorptionstherme .......... . 67
3.2.4 Mono-Zeit ........................................................................................... . 68
3.2.5 Mehr-Schicht-Adsorption; Brunauer-Emmett-Teller-
(BET-) Isotherme ................................................................................ . 69
3.3 Praktische Hinweise zu Adsorption und Desorption ......................................... . 70
3.4 Absorption, Okklusion ....................................................................................... . 70
3.5 Ausgasung ......................................................................................................... . 71
3.6 Literatur .............................................................................................................. . 75
4 Strömungsvorgänge ................................................................................................. 76
4.1 Übersieht, Kennzeichnung der Strömung durch Vakuumbereich ...................... . 76
4.2 Gasstrom, Saugleistung, Saugvermögen ............................................................ . 78
4.3 Rohrleitung als Strömungswiderstand ............................................................... . 80
4.4 Das effektive Saugvermögen einer Vakuumpumpe ........................................... . 82
4.5 Strömung im Grobvakuumbereieh ..................................................................... . 83
4.5.1 Reibungsfreie Strömung ..................................................................... . 83
4.5.1.1 Strömung durch Düse und Blende .................................... .. 83
4.5.1.2 Düse oder Blende in der Ansaugleitung einer Pumpe ...... .. 86
4.5.2 Rohrströmung mit Reibung ................................................................ .. 88
4.5.2.1 Kennzeichnung der Reibungsströmung ............................. . 88
4.5.2.2 Formeln für die Gasstromstärke durch ein Rohr .............. .. 89
4.5.2.3 Gasstrom durch ein Rohr; Rohrleitung als
Pumpwiderstand ................................................................ . 92
4.5.2.4 Unrunde Querschnitte ....................................................... . 100
4.5.3 Andere Gase als Luft .......................................................................... . 101
4.6 Strömung im Hoch-und Ultrahochvakuumbereich .......................................... .. 102
4.6.1 Kennzeiehnung der Molekularströmung ............................................. . 102
4.6.2 Molekularströmung durch eine Blende .............................................. .. 106
4.6.3 Molekularströmung durch gerade Rohre gleichbleibenden
Querschnitts ........................................................................................ . 109
4.6.3.1 Allgemeine Betrachtungen ................................................ . 109
4.6.3.2 Rohr mit kreisförmigem Querschnitt (Index K) ............... .. 111
4.6.3.3 Rohr mit rechteckigem Querschnitt
(Index R, Bild 4.18a) ......................................................... . 112
4.6.3.4 Enger Spalt zwischen rechteckigen Platten
(Index Sp, Bild 4.19a) ....................................................... . 116
VII
Inhaltsverzeichnis
4.6.3.5 Rohr mit elliptischem Querschnitt (Index E) ...................... 117
4.6.3.6 Vergleich der Rohre mit rechteckigem, elliptischem
und kreisförmigem Querschnitt bei gleicher Querschnitts-
fläche .................................................................................. 117
4.6.3.7 Rohr mit Dreieck-Querschnitt (Index~) ..... .......... ............. 118
4.6.3.8 Koaxial-Rohr (Raum zwischen zwei konzentrischen
Zylindern (Index KA, Bild 4.21a) ...................................... 119
4.6.4 Molekularströmung durch andere Bauteile eines Vakuum-
Leistungssystems ................................................................................. 122
4.6.4.1 Durchlaufwahrscheinlichkeit für Rohre mit Blenden ......... 122
4.6.4.2 Gestufte Rohre einschließlich Blenden und
Zwischenkesseln ................................................................ 123
4.6.4.3 Rohrknie und Rohrbogen ................................................... 126
4.6.4.4 Konische Rohre .................................................................. 126
4.6.4.5 Komponenten ..................................................................... 127
4.6.4.6 Pumpe als "Leitung": Durchlaufwahrscheinlichkeit
der Pumpe .......................................................................... 127
4.7 Strömung im Feinvakuum .................................................................................. 128
4.7.1 Kennzeichnung der Strömung im Feinvakuumbereich ........................ 128
4.7.2 Rohrströmungim Feinvakummbereich ................................................ 129
4.8 Strömung bei Temperaturdifferenz zwischen zwei Kesseln/
Rezipienten/Gefäßen. Thermische Effusion ............... ..... ...... ..... ............. ........... 131
4.9 Messung von Strömungsleitwerten ..................................................................... 133
4.9.1 Notwendigkeit der Messung ................................................................ 133
4.9.2 Molekularer Strömungsbereich ............................................................ 133
4.9.2.1 Kennleitwert (charakteristischer Leitwert, Eigenleit-
wert) und Einbauleitwert ........... ...... ..... ..... .......... ..... .......... 133
4.9.2.2 Meßanordnung ................................................................... 134
4.9.2.3 Leitwertmessung an Ventilen ............................................. 137
4.9.2.4 Ähnlichkeitsbetrachtungen ................................................. 138
4.9.3 Messung von Leitwerten im gesamten Vakuumbereich ....................... 138
4.10 Literatur .............................................................................................................. 140
5 Verdrängerpumpen ................................................................................................... 142
5.0 Übersicht ............................................................................................................. 142
5.1 Oszillations-Verdrängerpumpen ... ............................ ..... ...... ..... ....... ................... 143
5.2 Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen ....................................................................... 144
5.2.1 Wirkungsweise und technischer Aufbau .............................................. 145
5.2.2 Arbeitsbereich und Saugvermögen ...................................................... 146
5.2.3 Zwei-und mehrstufige Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen ................... 148
5.2.4 Kombination mit einer Gasstrahlpumpe .............................................. 149
5.2.5 Allgemeine Betriebshinweise .............................................................. 150
5.3 Ölgedichtete Rotations-Vakuumpumpen ............................................................ 151
5.3.1 Drehschieberpumpen ........................................................................... 152
5.3.1.1 Wirkungsweise und technischer Aufbau ............................ 152
5.3.2 Sperrschieberpumpen ........................................................................... 155
5.3.2.1 Wirkungsweise und technischer Aufbau ............................ 155
5.3.2.2 Massenausgleich ................................................................ 159
5.3.3 Weitere technische Hinweise ............................................................... 162
VIII
Inhaltsverzeichnis
5.3.4 Trochoidenpumpen .............................................................................. 162
5.3.4.1 Wirkungsweise ................................................................... 163
5.3.4.2 Technischer Aufbau ........................................................... 164
5.3.4.3 Vergleich mit anderen Verdrängerpumpen ........................ 164
5.3.5 Saugvermögen und erreichbarer Enddruck ölgedichteter
Verdrängerpumpen .............................................................................. 165
5.3.5.1 Saugvermögen und Enddruck ohne Öleinfluß
(Endpartialdruck) ............................................................... 165
5.3.5.2 Saugvermögen und Enddruck mit Öleinfluß
(Endtotaldruck) .................................................................. 167
5.3.6 Abpumpen von Dämpfen - Gasballast ................................................ 169
5.3.7 Ölrückströmung ................................................................................... 173
5.3.8 Leistungsbedarf .................................................................................... 174
5.3.8.1 Isotherme Kompression ...................................................... 175
5.3.8.2 Adiabatische Kompression ................................................. 175
5.3.8.3 Polytrope Kompression ...................................................... 176
5.3.8.4 Kompressionsleistung ........................................................ 176
5.3.9 Betriebshinweise .................................................................................. 178
5.3.9.1 Aufstellung und elektrischer Anschluß .............................. 178
5.3.9.2 An-und Abstellen, Saugstutzenventile .............................. 179
5.3.9.3 Auswahl der Pumpen und Arbeitshinweise ........................ 180
5.3.9.4 Öl filter und Ölreinigung ..................................................... 182
5.3.9.5 Auspuff-Filter (Ölnebelabschneider) .................................. 183
5.3.9.6 Staubfilter ........................................................................... 184
5.4 Wälzkolbenpumpen (Rootspumpen) .................................................................. 185
5.4.1 Wirkungsweise ..................................................................................... 186
5.4.2 Technischer Aufbau ............................................................................. 187
5.4.3 Theoretische Grundlagen ..................................................................... 188
5.4.3.1 Der effektive Gasstrom ...................................................... 189
5.4.3.2 Kompressionsverhältnis Ko bei Nulldurchsatz ................... 190
5.4.3.3 Effektives Kompressionsverhältnis und
volumetrischer Wirkungsgrad ............................................ 191
5.4.4 Abstufung des Saugvermögens VorpumpelWälzkolbenpumpe ........... 194
5.4.4.1 Abstufung bei niedrigen Ansaugdrücken ........................... 195
5.4.4.2 Abstufung bei hohen Ansaugdrücken ................................ 195
5.4.5 Saugvermögen und Enddruck .............................................................. 197
5.4.5.1 Saugvermögen und Enddruck mit ölgedichteten
Vorpumpen ................................... ............... ............ ...... ..... 197
5.4.5.2 Saugvermögen und Enddruck mit
Flüssigkeitsringvakuumpumpen als Vorpumpen ............... 199
5.4.5.3 Mehrstufige Pumpkombinationen ...................................... 200
5.4.6 Leistungsbedarf .................................................................................... 202
5.4.7 Installation und Betriebshinweise ........................................................ 203
5.4.8 Auswahl der Pumpen und Arbeitshinweise ......................................... 204
5.5 Trocken verdichtende Vorpumpen ..................................................................... 206
5.5.1 Notwendigkeit von "Trockenläufem" .................................................. 206
5.5.2 Konstruktionsprinzipien ....................................................................... 206
5.5.3 Hubkolben-Trockenläufer .................................................................... 206
5.5.4 Klauenpumpen (Drehzahnpumpen) ..................................................... 207
IX