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Vakuumpumpen

Trends im Bereich Vakuumpumpen – Einsatzbreite der Vakuumtechnik wächst beständig

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Was tut sich auf dem Gebiet der Vakuumpumpen? PROCESS hat aktuellen Trends und neuen Entwicklungen nachgespürt. Sicher ist: Die Produktion „leerer Räume“ ist und bleibt attraktiv.

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Blick in eine Vakuumpumpstands-Fertigung. Der Markt für Vakuumkomponenten – weltweit sind das etwa 4,5 Milliarden US-Dollar – wächst Jahr für Jahr.
Blick in eine Vakuumpumpstands-Fertigung. Der Markt für Vakuumkomponenten – weltweit sind das etwa 4,5 Milliarden US-Dollar – wächst Jahr für Jahr.
( Bild: Pfeiffer Vaccuum )

Der Einsatz von Vakuum zählt zu den klassischen Querschnittstechnologien. Mit Vakuum wird in Industrie und Gewerbe verpackt, getrocknet, gesaugt und positioniert. Manche verfahrenstechnische Prozesse laufen unter Vakuum ab, weil ein geringer Druck bei temperaturempfindlichen Produkten von Vorteil ist. Und in einer Vakuumkolonne ist selbst das Auftrennen azeotropischer Gemische möglich.

Doch zunächst muss das Vakuum erst einmal erzeugt werden: die Vakuumpumpen haben ihren großen Auftritt. Dabei gilt es, im Vorfeld einige wichtige Fragen zu klären. In welchem Volumen muss welcher Enddruck in welcher Zeit erreicht werden? Sind anwendungsspezifische Parameter zu berücksichtigen? Und welches Verdichtungsprinzip eignet sich am besten für eine spezifische Anwendung? Eine Antwort auf diese Fragen erfordere unterschiedlichste Lösungsansätze, betont Busch Vakuumpumpen und Systeme.

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Auch Vacuubrand sieht das so: Schnelligkeit und Leistungsfähigkeit, Geschwindigkeit und Qualität der Prozesse würden maßgeblich bestimmt durch die eingesetzten Vakuumquellen, d.h. durch die Art und Weise der Vakuumerzeugung und -regelung. Gut für jene Hersteller, die eine möglichst breite Produktpalette anbieten.

Zur besseren Übersicht teilt die Branche Vakuumtechnik in vier Druckbereiche ein:

  • Grobvakuum: von 103 bis 1 mbar (z.B. für die Vakuumverpackung);
  • Feinvakuum: von 1 bis 10–3 mbar (z.B. zur dekorativen Beschichtung);
  • Hochvakuum: von 10–3 bis 10–7 mbar (z.B. für Dünnschichtsolaranlagen und für Geräte zur Umweltanalyse);
  • Ultrahochvakuum: von 10–7 bis 10–12 mbar (z.B. für die Weltraumsimulation oder wissenschaftliche Forschung).

Der bedeutendste Anwendungsbereich der Vakuumtechnik ist mit einem Anteil von rund 40 Prozent die Halbleiterindustrie. Die Chiphersteller arbeiten im Hochvakuumbereich zwischen 10–3 und 10–7 mbar. Nur in dieser reinen Atmosphäre können bei der Dotierung hundertprozentige Schaltkreise hergestellt werden.

Zu den relativ neuen Anwendern zählt die derzeit international boomende Solarbranche mit ihrem Hunger nach Wafern, dem Trägermaterial für die Modulproduktion. Der Bereich der Oberflächenbeschichtung und -veredelung hat in der Vakuumtechnik bislang einen Anteil von knapp neun Prozent.

Wachstum bei Turbopumpen erwartet

Für das Grob- und Feinvakuum kommen, so Pfeiffer Vacuum, vor allem Drehschieber- und Wälzkolbenpumpen sowie „Trockene Pumpen“ zum Einsatz. Für die Erzeugung eines Hoch- und Ultrahochvakuums stehen Turbomolekularpumpen zur Verfügung. Turbopumpen – die wichtigste Produktgruppe bei Pfeiffer Vacuum und von diesem Unternehmen „erfunden“ – gibt es in vielen Varianten: von der kleinsten und kompaktesten Pumpe der Welt mit einem Saugvermögen von 11 l/s für die Analytikindustrie bis zur großen 3000-l-Pumpe, die vor allem in der Beschichtungs- und Halbleiterindustrie verwendet wird.

Das Unternehmen setzt denn auch speziell bei Turbopumpen auf zunehmende Geschäfte: „Mit dem Neubau des Logistikzentrums, das im Sommer 2008 fertig gestellt wird, dem anschließenden Umbau der Vorpumpenproduktion und einem Anbau für die Turbopumpenfertigung bereiten wir uns auf weiteres Wachstum vor. Wir werden 2008 insgesamt 5,6 Millionen Euro in den Umbau investieren. 2009 werden weitere Investitionen folgen“, so der Vorstandsvorsitzende Manfred Bender. Damit sieht er „ganz klar die Weichen für den Standort Deutschland gestellt“. Aus verschiedenen Gründen mache es aus Sicht des Unternehmens keinen Sinn, diesen Standort, an dem man technologisch und qualitativ hochwertige Produkte entwickle und fertige, in Frage zu stellen.

Direkt innen wassergekühlte Schrauben

Das koreanische Unternehmen Dongbang offeriert trockenlaufende Schraubenvakuumpumpen der Baureihe EVAP. Die patentierte, einzigartige Konstruktion mit direkt innen wassergekühlten Schrauben habe besondere Vorteile bei chemischen, petrochemischen und pharmazeutischen Anwendungen (Verdampfung, Kondensation, Gefriertrocknung, Destillation, Deodorierung, Entgasung, Absorption, Imprägnierung), betont der Hersteller. Hermetic ist in vielen europäischen Ländern exklusiv verantwortlich für Vermarktung, Reparatur und Service dieser Vakuumpumpen.

Zur Funktionsweise: Die EVAP ist eine einstufige, trockenlaufende, berührungslos arbeitende Schraubenvakuumpumpe. Zwei parallel angeordnete Schrauben drehen in gegenläufiger Richtung, Synchronräder positionieren diese Schrauben gegeneinander. Zwischen den Rotoren und zwischen Rotor und dem Gehäuse ist ein definierter Spaltabstand vorgesehen. Die Pumpenkammer ist öl- und wasserfrei. Die Antriebsleistung wird zur Antriebswelle über eine Kupplung übertragen. Alle mit dem Gas in Berührung stehenden Teile sind mit einer speziellen Beschichtung korrosionsgeschützt. Die Konstruktion mit Kühlwasser im Inneren der Schrauben weist folgende Vorteile auf:

  • keine Wärmeausdehnung der Schrauben;
  • keine Aufwärmphase, um an das Endvakuum zu gelangen, niedrige Oberflächentemperatur;
  • keine Vercrackung an der Druckseite, weil die Oberflächentemperatur unter 150 °C bleibt;
  • wegen der niedrigen Oberflächentemperatur keine Beschädigung der Beschichtung.

Vakuumpumpen in der Biofuel-Produktion

Ein interessanter Einsatzbereich für Vakuumpumpen ist die Biofuel-Produktion. Dies gelte sowohl für Biokraftstoffe der ersten wie der zweiten Generation, wie Dr. Marinella Varallo, Edwards General Manager Industrial Sales erläutert: „Für das gesamte Ausgangsmaterial der ersten und der zweiten Generation kann Edwards Vakuum-Ausrüstung zur Methanol-Rückgewinnung und Ethanol-Reinigung liefern. Das umfasst die traditionelle Flüssigkeitsringpumpen-Technologie ebenso wie trockenlaufende Pumpen der CDX-Baureihe für die Produktion der Biokraftstoffe. Die CDX bietet bei ihrer Nutzung erhebliche Vorteile, die der Idee der Biokraftstoff-Industrie entsprechen: geringerer Energieverbrauch, kein Verbrauch von Wasser, zudem benötigen sie auch weniger Platz. Edwards bietet Systeme an, die nicht um Wasser und Energie in der Biokraftstoffproduktion konkurrieren.“

Kurz beleuchtet: Weitere interessante Entwicklungen

Chemievakuumpumpen für schwierige Fälle:

Die Chemievakuumpumpen-Familie der NT-Baureihe setzt nach Überzeugung von Vacuubrand Maßstäbe bezüglich Leistungsfähigkeit, Laufruhe, Wartungsfreundlichkeit und Design. Gleichzeitig erreichen sie die Standfestigkeit und Zuverlässigkeit der Vorgängermodelle – und dies auch bei schwierigen Anwendungen in Chemie und Pharmazie. Komplettiert wird die Baureihe durch Vakuumsysteme und Chemiepumpstände mit elektronischer Vakuumregelung mithilfe des Vakuumcontrollers CVC 3000.

Schmierung im Arbeitsraum überflüssig:

Die berührungslos arbeitenden Schraubenrotoren der S-VSI Twister von Gardner Denver machen eine Schmierung im Arbeitsraum überflüssig. Das heißt: keine Kosten für die Entsorgung von kontaminiertem Öl. Die optimierten Schrauben-Rotoren haben einen variablen Steigungsverlauf und werden über ein Getriebe synchronisiert. Als weitere Eigenschaften der Neuentwicklung führt der Hersteller die kurzen Evakuierungszeiten, die niedrige Verdichtungswärme, die hohe Wasserdampfverträglichkeit und das gute Saugvermögen auf. Unter Wirtschaftlichkeitsaspekten sind der hohe Wirkungsgrad und die variable Drehzahl wichtig. Als Endvakuum erreicht die Pumpe 0,1 mbar.

Trockenlaufende Membranpumpen:

Trockenlaufende Vakuumpumpen für den Grob- und Feinvakuumbereich spielen in Forschung, Labor und Industrie eine bedeutende Rolle. In allen Bereichen kommen Membranpumpen von Ilmvac zum Einsatz. Mit den verfügbaren unterschiedlichen Typen sei hinsichtlich Saugvermögen und Enddruck stets eine anwendungstechnisch optimale und wirtschaftliche Lösung verfügbar, zeigt sich der Anbieter überzeugt. Die Membranpumpen gibt es in verschiedenen Materialausführungen für chemische und physikalische Prozesse, mit geregeltem oder ungeregeltem Unterdruck, mit einem Saugvermögen von 0,3 bis 16 m3/h und Enddrücken von 75 bis <1 mbar. Auch Atex-konforme Versionen sind verfügbar.

Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen:

Zwei komplette Reihen von Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen hat Busch auf den Markt gebracht. Dolphin-Pumpen gibt es als einstufige Version in Blockbauweise (Dolphin LC) und in Grundplattenbauweise in einstufiger oder zweistufiger Ausführung (Dolphin LA und LB). Mit diesen neuen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen werden Saugvermögen von 25 bis 5100 m³/h abgedeckt. Dolphin-Vakuumpumpen erreichen einen Enddruck bis zu 33 mbar. In Kombination mit einem Gasstrahler kann der Enddruck bis auf 8 mbar gesenkt werden. Durch ihre robuste Bauweise sind diese Pumpen für den harten Dauerbetrieb in Anwendungen der Chemie und der Erdöl- und Pharmaindustrie ausgelegt.

Auch Sterling Sihi bietet Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen an: Die Pumpen stehen in ein- und zweistufiger Ausführung mit einem Saugvermögen von bis 12 000 m3/h und Ansaugdrücken im Bereich von 33 bis 1013 mbar zur Verfügung. Die Neuentwicklung der LPH-X Baureihe kann für 50 oder 60 Hz eingesetzt werden. Zusätzlich zu den bekannten Vorteilen von Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen, z.B. eine isotherme Verdichtung, ein ölfreies Vakuum, ein geräuscharmer Betrieb und eine hohe Anwendungsflexibilität, zeichne sich die LPH-X Baureihe u.a. durch diese Merkmale aus:

  • modulare Konstruktion (einfache De- und Montage und niedrige Ersatzteilhaltungskosten);
  • kompaktes Design (spart Platz);
  • nur wenige Komponenten (hohe Verfügbarkeit und kurze Lieferzeiten);
  • einfacher Wellendichtungsaustausch (kurze Instandhaltungszeiten).

Hochleistungs-Kryopumpen:

Im April hat Oerlikon Leybold Vacuum erstmals am Standort Dresden produzierte Kryopumpen mit einem Saugvermögen von 60 000 l/s an einen Kunden in Indien ausgeliefert. Diese Leistung stellt nach eigenen Angaben alle anderen bekannten Hochvakuumpumpen in den Schatten. Mit einem Flanschdurchmesser von 1,4 m beeindruckt diese Pumpe auch in ihren äußeren Abmessungen. Kryopumpen (Coolvac) werden für Anwendungen in der Vakuumbeschichtungstechnik, für Vakuumöfen, für physikalische Laboratorien und aktuell auch für die Weltraumsimulation genutzt. Die Kryopumpe nutzt den physikalischen Effekt, dass sich Gase auf extrem kalten Oberflächen einfrieren oder binden lassen. In der Kryopumpe werden dazu Temperaturen bis unter zehn Kelvin (–253 °C) erzeugt.

Fazit: Die Produktion „Leerer Räume“ bleibt attraktiv, der Markt für Vakuumkomponenten – weltweit sind das etwa 4,5 Milliarden Dollar – wächst Jahr für Jahr; allein von 2004 bis 2006 um jährlich acht Prozent, so Dr. Stephen Ormrod, Sprecher der Arbeitsgruppe der Internationalen Vakuumstatistik (ISVT). Interessant: Nahezu die Hälfte dieses Marktvolumens liegt in Asien.

Der Autor ist redaktioneller Mitarbeiter bei PROCESS.

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