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Project description - Contact person - Cooperation / Funding

Wissen­schaft­liche Problemstellung

Der Ein­satz von Vakuumpumpen in der Fertigung von Halb­lei­tern, der Metallurgie, der chemischen Ver­fah­rens­tech­nik, aber auch in For­schung und Ent­wick­lung stellt steigende An­for­de­run­gen sowohl an das Vakuum selbst als auch an den Prozeß durch den es er­reicht wer­den soll. In zunehmendem Maße wird für viele vakuumtechnischen An­wen­dungen die Reinheit des Vakuum gefordert, das heißt eine geringst mögliche Kontamination des Arbeitsfluides. Die geforderte Reinheit ist mit dem Verzicht auf Hilfsmedien wie Kühl-/Schmierstoffe gleichzusetzen und führt somit zu der Forderung nach trockenlaufenden Vakuumpumpen in denen kein verdampfungsfähiges Hilfsmedium in Kontakt mit dem Arbeitsfluid treten kann. Im Laufe der letzten Jahre hat dieses Anforderungsprofil des Marktes zunehmend an Be­deu­tung ge­won­nen. Den hieraus resultierenden Bedarf gilt es auf Herstellerseite durch neu zu entwickelnde trockenlaufende Rotationsverdränger-Vakuumpumpen zu decken.

Der Verzicht auf direkt kühlende, dichtende oder schmierende Me­di­en bewirkt zu­nächst unbefriedigende Betriebseigenschaften der trocken-, im Vergleich zur nasslaufenden Vakuumpumpe, was sich in Form einer Gefährdung der Betriebssicherheit durch unzulässig hohe thermomechanische Be­las­tung oder durch eine Verringerung im Saugvermögen oder im erreichbaren Enddruck äußern kann. Beim Verzicht auf direkt in Kontakt zum Arbeitsgas stehenden Kühl- und Dichtmedien muß da­her nach Wegen gesucht wer­den, die Betriebssicherheit einer thermisch hochbelasteten Maschine zu gewährleisten.Da die Minimierung der Spaltmassenströme der Forderung nach möglichst geringen Spalthöhen etwa gleichkommt, die Betriebssicherheit aufgrund der zu erwartenden thermischen Dehnung des Rotors aber nach „Spalthöhenreserven“ verlangt, ergibt sich für den Entwickler ein Optimierungsproblem. Er muss von den Kaltspalthöhen der Vakuumpumpe auf die Spalthöhen im stationären Dauerbetrieb schließen kön­nen. Dehnen sich Rotor und Gehäuse im Laufe des Betriebes un­ter­schied­lich aus, verändern sich die Spalthöhen, wodurch der Arbeitspunkt zu anderen Saugvermögen oder Ansaugdrücken ver­schoben wird. Dieses führt wiederum zu einer geänderten thermischen Be­las­tung der Vakuumpumpe durch das Fördermedium. Der in Bild 1 skizzierte Problemkreis bei der Auslegung trockenlaufender Vakuumpumpen ent­steht.Ursächlich für die hohen auftretenden Gastemperaturen ist die Entropieerzeugung durch oszillierende Luftmassen beim druckseitigen Ladungswechsel. Der Druck in der ausschiebenden Arbeitskammer ist i. d. R. geringer als der atmosphärisch anliegende, so dass bereits verdrängtes Gas zu­rück in die Maschine strömt, dabei Entropie erzeugt und wieder ausgeschoben wird. Die hier auftretende Erwärmung erhöht sich bei niedrigeren Ansaugdrücken. Gleichzeitig verschlechtert sich aufgrund des geringeren ge­för­der­ten Gasmassenstroms die Fähigkeit die entstehende Wärme direkt mit dem Arbeitsfluid abzuführen. Die sich im stationären Betrieb einstellende Gasaustrittstemperatur ist somit eine direkte Funktion des Ansaugdruckes. Im the­o­re­tisch­en adiabaten Grenzfall kann bei Nullförderung im Punkt des erreichbaren Enddruckes keine Wärme mehr über das Arbeitsfluid abgeführt wer­den. In der realen diabaten Maschine wer­den aber, unabhängig davon ob sie über eine Gehäuse- oder so­gar eine Rotorkühlung verfügt, auftretende Erwärmungen immer in ein thermodynamisches Gleichgewicht führen. Das heißt, die über Wärmeübergang, -leitung und -strahlung abgeführte Energie wird in diesem stationären Betriebspunkt der Verdrängerarbeit der Rotoren entsprechen. Das vereinfachte Energieflussbild einer Verdränger-Vakuumpumpe ist Bild 2 zu entnehmen.Um in der Entwicklungsphase einer Vakuumpumpe schon Aus­sa­gen über die Temperaturproblematik, das Betriebsverhalten und die Betriebssicherheit einer Maschine treffen zu kön­nen, ist es not­wen­dig, die Wärmedehnung der Rotoren und des Gehäuses aufgrund der thermischen Be­las­tung durch das Fördermedium ein­schät­zen zu kön­nen. Die rechnerische Vorausbestimmung des thermodynamischen Gleichgewichtszustandes ist hierfür eine grund­le­gen­de Voraussetzung, stößt aber aufgrund nicht bekannter Gastemperaturen und nur unvollständig bekannter Wärmeübergangsmechanismen an Grenzen.

Forschungsziel und Lösungsweg

Das über­geord­nete Ziel des For­schungs­pro­jek­tes ist die realitätsnahe Abbildung des Betriebsverhaltens trockenlaufender Vakuumpumpen. Der Lösungsweg gliedert sich in 3 Teilschritte.Der erste Schritt besteht aus der Ent­wick­lung und Implementierung von Wärmeübergangsmodellen für ein innerhalb der Gruppe der zweiwelligen Rotationsverdränger-Vakuumpumpen allgemein übertragbares Simulationsprogramm zur Abbildung der thermodynamischen Prozessführung. Als Ergebnisgrößen liefert es sowohl die Zustandsgrößenverläufe des Fördermediums als auch die arbeitsspielabhängigen Randbedingungen (Cauchy, Neumann oder Dirichlet) für die Be­rech­nung der thermischen Verformung durch die Finite-Elemente-Methode (FEM). Zur Ent­wick­lung dieser Module des Simulationsprogramms ist es not­wen­dig, bekannte Wärmeübergangsmodelle und die zugehörigen Nusselt-Gleichungen aus dem Hochdruckbereich unter Anpassung der druck- und temperaturabhängigen Stoff­eigen­schaften auf Teilabschnitte der Vakuumpumpe (Arbeitskammern, Maschinenspalte, Druckstutzen) zu übertragen. Die An­wen­dung dieser Modelle auf den für den Wärmehaushalt wich­ti­gen Auslassbereich erfordert zusätzlich eine vereinfachte Modellierung der strömungstechnischen Vorgänge beim druckseitigen Ladungswechsel. Um festzustellen, ob und unter welchen Be­din­gun­gen die im Überdruckbereich verifizierten Nusselt-Gleichungen für die thermodynamische Simulation einer Vakuumpumpe verwendbar sind, muss das Simulationsprogramm (KaSim) die Mög­lich­keit bieten, unterschiedliche Wärmeübergangsmodelle anzuwenden und getrennt voneinander un­ter­su­chen zu kön­nen.Am Bei­spiel einer vorhandenen Vakuumpumpe wird in ei­nem zwei­ten Schritt die Sensibilität der Be­rech­nung der thermischen Verformung durch die FE-Methode hinsichtlich der Wärmeübergangskoeffizienten festgestellt. Hierzu ist es not­wen­dig die durch die thermodynamische Simulation erzeugten drehwinkelabhängigen Randbedingungen auf das FE-Netz der Bei­spiel-Vakuumpumpe zu legen, die berechneten Wer­te zu variieren und die Auswirkung dieser Variation auf die Dehnung und die Oberflächentemperaturen der Rotoren und des Gehäuses zu analysieren. Für die aus­ge­wähl­ten Maschine wird der skizzierte Problemkreis auf Simulationsebene geschlossen, d.h. die veränderten Spaltgeometrien und Oberflächentemperaturen sind die Eingangsgrößen einer erneuten thermodynamischen Simulation. Durch die geschlossene Arbeitsweise dieses Simulationssystems ist es mög­lich, das Betriebsverhalten eines stationären Arbeitspunktes iterativ realitätsnah abzubilden. Die Verifikation oder Widerlegung einzelner Modelle erfordert eine möglichst um­fas­sen­de messtechnische Erfassung des Betriebsverhaltens der realen Bei­spiel-Maschine, Bild 3. Hierzu zählen neben der Messung globaler Betriebsparameter (Leistung, Saugvermögen, etc.) in be­son­de­rer Weise die Messung von Oberflächentemperaturen (Thermographieaufnahmen, Temperaturmessungen der Gehäuseinnenwand), die Messung mittlerer Gastemperaturen, die messtechnische Erfassung der Gehäusespalthöhe, sowie ins­be­son­de­re die Wärmebilanzierung der Kühlkreisläufe.

This project was supported by AiF.