Basisinleiding tot vacuümpompen en vacuümapparatuur

1 Classificatie en toepassing van vacuümgebieden

Vacuüm wordt ingedeeld op basis van de drukgrootte. Elke orde van grootteverbetering van het vacuumniveau correspondeert met een lagere dichtheid van gasmoleculen en een zuiverdere fysische omgeving, waardoor alle toepassingsgebieden worden bestreken, van conventionele industriële processen tot geavanceerd fundamenteel natuurkundig onderzoek.

• Ruwweg vacuüm (10⁵ ~ 10² Pa) Toepassingen: materiaalhandhaving met behulp van industriële zuignappen, vacuümverpakking van levensmiddelen, vacuümvormen, ruwweg vacuümfiltratie en andere algemene civiele en licht-industriële processen.
• Middelvacuüm (10² ~ 10⁻¹ Pa) Toepassingen: vacuümgloeien, vacuümgevriesdroogde materialen, vacuümdistillatie en zuivering in de chemische industrie, vacuümimpregnatie van werkstukken.
• Hoogvacuüm (10⁻¹ ~ 10⁻⁵ Pa) Toepassingen: optische en magnetron-sputtercoating, elektronenmicroscopisch onderzoek, vacuüm-metallurgische smelting, fabricage van halfgeleiderapparaten.
• Ultra-Hoogvacuüm (UHV, ＜ 10⁻⁵ Pa) Toepassingen: oppervlaktefysieke analyse (SEM/XPS), deelversnellerkamers, simulatie van de ruimteomgeving voor de lucht- en ruimtevaart, vacuümkamers voor kernfusieapparatuur.
• Extreem hoog vacuüm (XHV, ＜ 10⁻⁹ Pa) Toepassingen: instrumenten voor het detecteren van zwaartekrachtsgolven, baanbrekende fundamentele natuurkundige experimenten, onderzoek naar extreem zuivere oppervlakten, productie van ultraprecisie-instrumenten.

2 Algemene classificatiekader voor vacuümpompen

Als kernapparatuur voor vacuümopwekking worden vacuümpompen ingedeeld op basis van drie dimensies: werkingprincipe, werkdomp-drukgebied en afdichtings-/smeermiddel. Bij de keuze van een model is een uitgebreide beoordeling vereist van eisen ten aanzien van schoonheid, doelvacuüm-niveau, pompsnelheid en productiekosten.

2.1 Classificatie op basis van werkingprincipe

• Gasverplaatsingspompen Gas wordt continu vervoerd via mechanische beweging en vertegenwoordigt de meest gebruikte categorie in de industrie. Het is onderverdeeld in verdringingspompen (roterende-vleugelpompen, zuigerpompen) en impuls-overdrachtspompen (turbomoleculaire pompen, straalpompen).
• Absorptiepompen Gasmoleculen worden geïmmobiliseerd via cryogene adsorptie of chemische reacties zonder continu gasafvoer, voornamelijk ingezet in UHV- en XHV-omgevingen. Typische types zijn cryopompen en sputter-ionenpompen.

2.2 Classificatie op basis van het werkdrukgebied

• Voorpompen / ruimpompen evacueren de atmosferische druk om een initiële ruimvacuüm te creëren en vormen de basisunit van alle vacuümsystemen.
• Hoofdpompen leveren het hoogvacuüm / ultra-hoogvacuüm dat vereist is voor technologische processen en fungeren als de primaire vacuümbron van de apparatuur.
• Versterkingspompen worden in serie geïnstalleerd tussen voorpompen en hoofdpompen om de pompefficiëntie in het middenvacuümgebied te verbeteren; Roots-pompen zijn het representatieve type.

2.3 Classificatie op basis van afdichting en smeringsmedium

• Oliegevulde vacuümpompen : Vacuümolie zorgt voor afdichting en smering en kenmerkt zich door een grote pompsnelheid en lage aanschafkosten. Het nadeel is de terugstroming van olie-damp, wat olie-nevelafscheiders vereist. Geschikt voor toepassingen in de metallurgie, mechanische bewerking en andere gebieden met geen strenge eisen ten aanzien van schoonheid.
• Droge vacuümpompen : Olievrije afdichting en smering elimineert olie-dampverontreiniging volledig en vereenvoudigt het onderhoud na gebruik. Ze zijn de voorkeurskeuze voor processtappen met hoge schoonheidseisen, zoals halfgeleiderproductie, farmaceutische productie en precieze coating.

3 Gangbare verdringingsvacuümpompen

3.1 Oliegevulde draai-vlakpompen

3.1.1 Werkingsprincipe en opbouw

Belangrijke componenten bestaan uit een stator, een excentrische rotor en elastische lamellen. Een gespecialiseerde vacuümolie vult de pompkamer en vormt een oliefilm om mechanische spelingen af te dichten en smering te bieden. De rotatie veroorzaakt een centrifugale beweging van de lamellen, waardoor opeenvolgende zuig-, compressie- en uitlaatcycli worden voltooid. Twee-traps roterende lamellenpompen maken gebruik van seriescompressie om een superieure einddruk te bereiken in vergelijking met één-trapsmodellen. Accessoire gasballastklep: Droge lucht wordt in de compressiekamer gevoerd om de partiële druk van waterdamp te verlagen, waardoor condensatie van damp en verontreiniging van de olie worden voorkomen bij processen met een hoge waterdampconcentratie.

3.1.2 Prestatiekenmerken

De pompsnelheid blijft stabiel over een breed drukbereik en neemt geleidelijk af naarmate de ingangsdruck daalt. Twee-trapsunits bereiken een einddruk van 10⁻³~10⁻⁴ Pa en zijn daarom de primaire apparatuur voor ruwe en middelmatige vacuümtoepassingen, evenals standaard voorpompen voor hoogvacuümsystemen.

3.1.3 Toepassingen en selectiecriteria

• Typische toepassingen: Voorpompen voor alle hoogvacuümsystemen, vulpompen voor koelmiddelen in koelapparatuur, vacuümgevriesdroogde voeding, vacuümverpakking van elektronische componenten, basiscoatingprocessen.
• Selectiecriteria: Effectieve pompsnelheid (bepaalt de evacuatiemoment), uiteindelijke druk, gasballastconfiguratie, olenevelafscheidingseenheid.
• Operationele beperkingen: Koudevallen of moleculaire zeven moeten worden geïnstalleerd om olieachterstroming te blokkeren bij processtappen waarbij zuiverheid essentieel is; voorfilters zijn verplicht bij gasstromen met stof; corrosieve en brandbare/explosieve gassen kunnen niet direct worden gepompt zonder voorbehandelingseenheden.

3.2 Roots-pompen (versterkingspompen)

3.2.1 Werkprincipe

Een paar figuur-achtvormige rotoren binnen de pompkamer draaien synchroon in tegengestelde richting, aangedreven door precisietandwielen zonder fysiek contact, waardoor gas wordt vervoerd via periodieke volumewijzigingen. Er vindt geen interne compressie plaats binnen het pomplichaam; het uitlaatdrukverschil wordt volledig geleverd door voorpompen (roterende-vlakpompen of droge pompen), waardoor Roots-pompen altijd in serie moeten werken met voorpompen als een pompset. Een interne overloopklep ontlast automatisch de druk wanneer het drukverschil de ingestelde drempel overschrijdt, om oververhitting en klemmen van de rotoren te voorkomen. Elke Roots-pomp heeft een kritieke compressieverhouding; er treedt gasachterstroming op wanneer de werkelijke drukverhouding deze limiet overschrijdt.

3.2.2 Prestatiekenmerken

Handhaaft een stabiele, grote pompsnelheid binnen het middelvacuumbereik van 10³~10⁻² Pa, wat de algehele pompefficiëntie van gecombineerde vacuümsystemen aanzienlijk verhoogt als standaardversterkingsapparatuur.

3.2.3 Toepassingen en selectiecriteria

• Typische toepassingen: Vacuüm-metallurgische smelting, optische/elektronische vacuümcoating, vacuümhittebehandeling van werkstukken, snelle evacuatie van grote vacuümkamers.
• Selectievereisten: De pompsnelheidsverhouding van de Roots-pomp ten opzichte van de voorpomp wordt aanbevolen op 5:1 tot 10:1; het start- en continu bedrijfsdrukverschil moet strikt worden gecontroleerd; bij hoogvermogenscontinu bedrijf wordt waterkoeling toegepast, terwijl luchtcoeling voldoende is bij lichte tot matige belasting.

3.3-serie droge vacuümpompen (olie-vrije schone pompen)

Droge pompen werken zonder oliegebaseerde afdichting of smering en elimineren daardoor volledig olie-dampverontreiniging; zij zijn daarom geschikt voor toepassingen met hoge schoonheidseisen, zoals halfgeleiderproductie, farmaceutische productie en precisie-analyseinstrumenten. Hieronder staan vier veelgebruikte typen:

• Klauwpompen Gas wordt in meerdere stadia gecomprimeerd door een paar niet-contacteerende, klauwvormige rotoren. Kenmerkend is de stabiele werking, de tolerantie voor kleine hoeveelheden stofdeeltjes en de optionele stikstofspoeling voor explosiebeveiliging; geschikt voor 24-uurs continu ruw pompen in ruwe en middelmatige vacuümtoepassingen.
• Schroogdroge pompen Twee schroefrotoren grijpen in elkaar om isothermische compressie te realiseren, waardoor hoge compressieverhoudingen in één trap worden bereikt met directe uitlaat naar de atmosfeer. De pompkavities kunnen worden bekleed met corrosiebestendige materialen om processtromen met damp en corrosieve gassen te verwerken; veel toegepast in halfgeleideretching, CVD-dunnefilmdepositie, fotovoltaïsche coating en farmaceutische gevriesdroging.
• Scroll-droge pompen De relatieve baanbeweging tussen vaste en draaiende scrollplaten vormt continue compressiekamers. Het compacte ontwerp, lage geluidsniveau en trillingen en de lage foutencijfer maken scrollpompen ideaal voor laboratoriummassaspectrometers, heliumlekdetectoren en andere kleine precisie-instrumenten.
• Meertapsdry Roots-pompen Meerdere paren Roots-rotoren zijn in serie geschakeld voor trapsgewijze gascompressie, waardoor een grote pompsnelheid en directe uitlaat naar atmosferische druk worden bereikt; deze pompen worden veel gebruikt in grootschalige industriële productielijnen voor halfgeleiders en fotovoltaïsche cellen.

4 Impuls-overdracht vacuümpompen (hoofdpompen voor hoogvacuüm)

4.1 Turbomoleculaire pompen

4.1.1 Werkingsprincipe

Meertraps hogesnelheids roterende rotorbladen en stationaire statorbladen zijn afwisselend geplaatst. De rotoren draaien met tienduizenden omwentelingen per minuut en overdragen impuls aan gasmoleculen via botsingen om gerichte gastoestroom te genereren. De meeste commerciële ontwerpen maken gebruik van een samengestelde turbine-Holweck-constructie om een evenwicht te bereiken tussen hoge pompsnelheid en hoge compressieverhouding. De compressieverhoudingen zijn zeer hoog voor zware gassen zoals argon, maar relatief laag voor lichte gassen (waterstof, helium), wat vereist dat een voorvacuümpomp wordt gebruikt voor de initiële evacuatie. Er zijn twee lagerconfiguraties beschikbaar: kostenefficiënte mechanische lagers die worden gesmeerd met vet/oliepennen, en geavanceerde volledig magnetische zweeflagers met contactloze werking, lage trillingen en een langere levensduur.

4.1.2 Toepassingen en selectierichtlijnen

Uiterst vacuüm bereikt waarden van 10⁻² tot 10⁻⁹ Pa. Olievrije en schone turbomoleculaire pompen vormen de kernpomp voor hoogvacuümprocessen, zoals PVD-coating in de halfgeleiderindustrie, transmissie- en scanningelektronenmicroscopie, massaspectrometrie en ruimtesimulatiekamers voor de lucht- en ruimtevaart. Belangrijke selectieoverwegingen: afstemming van de voorpompdebietcapaciteit, beperking van de maximale ingangsdruk om overbelasting te voorkomen, waterkoeling voor modellen met hoog vermogen, trillingsisolatie en magnetische afscherming tijdens de installatie. Directe blootstelling aan atmosferische druk is verboden, aangezien dit permanente schade aan de turbinebladen veroorzaakt.

4.2 Oliediffusiepompen

4.2.1 Werkprincipe

Siliconenolie of polyfenylether als werkfluïdum wordt verhit om supersonische gerichte dampstralen te genereren, die gasmoleculen meenemen en comprimeren via viskeuze botsingen voor het pompen. Fractionering met meervoudige spuitmonden onderdrukt het terugstromen van olie. Het ontbreken van bewegende mechanische onderdelen zorgt voor stabiele werking, lage onderhoudskosten, een grote pompsnelheid en een hoge kosteneffectiviteit. Het belangrijkste nadeel is het terugstromen van olievapour, wat koudevallen of hoogwaardige afsluitplaten vereist om vacuümkamers te beschermen.

4.2.2 Toepassingen en selectierichtlijnen

Bereikt een ultieme vacuüm van 10⁻⁶ tot 10⁻⁹ Pa en wordt veel gebruikt voor decoratieve coating op grote oppervlakten, coating van optische lenzen, vacuümhittebehandelingsovens en grote ruimtesimulatiekamers voor de lucht- en ruimtevaart. Selectiecriteria: overeenkomst met de nominale diameter van de kamer, geïntegreerd temperatuurregelsysteem; een Roots-rotatieveerpompenset is vereist als voorvacuümpomp om een voorvacuüm onder de 10 Pa te handhaven. Siliconenolie wordt bij voorkeur gebruikt voor toepassingen met hoog vacuüm, terwijl minerale olie beperkt is tot industriële processen met lagere eisen. Trend in de industrie: turbomoleculaire droge pompen vervangen geleidelijk olie-diffusiepompen in precisieproductielijnen voor halfgeleiders, maar olie-diffusiepompen blijven onvervangbaar voor kamers met groot volume en industriële processen met matige schoonheidseisen vanwege hun hoge pompsnelheid en economische voordelen.

4.3 Stoomstraalpompen

Hogedrukstoom wordt via een Laval-mondbuis omgezet in een supersone straalstroom, die het doelgas aanzuigt en mengt om pompen te realiseren. Omdat jetpompen geen bewegende mechanische onderdelen bevatten, kenmerken ze zich door een uiterst lage foutfrequentie en kunnen ze gasstromen direct verwerken die deeltjes, corrosieve media en brandbare/ontvlambare stoffen bevatten. Door meervoudige trappen in serie te schakelen kan een ruim vacuüm van honderden pascal worden bereikt. Belangrijke toepassingen omvatten vacuümdistillatie in de petrochemie, vacuümrefining van gesmolten staal in de metallurgie, grootschalige vacuüm droogprocessen voor materialen en vacuümsystemen voor elektriciteitscentrales. Selectieparameters: stoomdruk en -verbruik, koelwaterdebiet, en op maat gemaakte pompconstructiematerialen afhankelijk van de corrosiviteit van het gas en de verwerkingscapaciteit.

5 Opslagpompen voor ultrahoog vacuüm

5.1 Cryopompen

5.1.1 Werkingsprincipe

Een G-M-cryocooler genereert tweetraps cryogene koelplaten: de primaire trap (50–80 K) vangt waterdamp en koolwaterstoffen op; de secundaire trap (10–15 K) condenseert stikstof, zuurstof en argon. Op de secundaire koelplaten aangebrachte geactiveerde koolstof adsorbeert lichte gassen zoals waterstof en helium via fysische adsorptie. Zodra de koelplaten verzadigd zijn met geadsorbeerd gas, worden ze verhit tot 100–200 °C om te regenereren en het pompcapaciteit te herstellen, met een olievrij bedrijf en geen terugstroming gedurende de gehele cyclus.

5.1.2 Toepassingen en bedrijfsspecificaties

Ultieme vacuüm bereikt 10⁻⁹ Pa en wordt toegepast bij ionenimplantatie in halfgeleiders, magnetron-sputteren, optische verdampingscoating, kernfusie en oppervlaktefysica-onderzoek. Voorafgaand aan het opstarten moeten voorpompen de kamer tot onder 1 Pa ontluften en het vacuümsysteem volledig drogen; direct opstarten onder hoge druk met veel waterdamp leidt tot bevriezing van de koudkop en blijvende schade.

5.2 Sputter-ionenpompen

5.2.1 Werkingsprincipe

Penningontlading wordt opgewekt onder orthogonale elektromagnetische velden om gasmoleculen te ioniseren. Hogenergetische ionen beïnvloeden titaniumkathodes om verse actieve titaniumfilms te sputteren. Reactieve gassen vormen stabiele verbindingen via chemische reactie met de titaniumfilms, terwijl waterstof en andere lichte gassen worden opgesloten in de titaniumkristalroosters. Zonder roterende mechanische onderdelen leveren ionenpompen trillingsvrije werking met een volledig metalen, olievrije afdichting en een uiterst lange onderhoudsvrije continu bedrijfstijd. Beperking: Lage pompsnelheid voor edelgassen (He, Ar), wat vereist dat ze in combinatie worden gebruikt met titaniumsublimatiepompen of cryopompen.

5.2.2 Toepassingen en selectierichtlijnen

Ultrahoge vacuüm kan worden bereikt tot 10⁻¹¹ Pa, geschikt voor elektronenmicroscopen, deeltjesversnellers, XPS/AES-oppervlakteanalyseinstrumenten en onderzoeksinstallaties voor extreem hoog vacuüm. Ingebouwde permanente magneten genereren strooivelden, wat veilige installatieafstanden van precisie-elektronenbundelapparatuur vereist. Voorafgaande evacuatie tot 10⁻² Pa is verplicht bij het opstarten. Direct pompen van stof en koolwaterstofdamp is verboden om elektrodevergiftiging en storing te voorkomen.

5.3 Titaniumsublimatiepompen (TSP) en niet-vervluchtigende getterpompen (NEG)

Beide fungeren als hulp-pompen voor UHV/XHV-systemen en worden veelal gecombineerd met ionenpompen en cryopompen:

• Titaniumsublimatiepompen (TSP) : Titaniumdraden of -korrels worden met een hoge stroom verwarmd zodat titaniumatomen sublimeren en een adsorptiefilm vormen op koude wanden om reactieve gassen te binden. Werken intermittenterwijze met periodieke regeneratie; kunnen geen methaan of edelgassen pompen.
• Niet-vervluchtigende getterpompen (NEG) de Zr-V-Fe-legering wordt geactiveerd bij 400–450 °C om poreuze structuren te vormen, waardoor chemische adsorptie van waterstof, koolmonoxide, koolstofdioxide en waterdamp bij kamertemperatuur mogelijk is. Trillingsvrij en olievrij, met een uitgebreide levensduur; ondoeltreffend voor methaan en edelgassen. Belangrijkste toepassingen: Synchrotronstralingopslagringen, deeltjesversnellers en hoogwaardige halfgeleiderapparatuur, gebruikt voor de bouw van schone UHV/XHV-systemen en om stabiele bundelkwaliteit en experimentele betrouwbaarheid te garanderen.

6 Algemene selectiemethode voor vacuümpompen

De keuze van een vacuümpomp kan niet uitsluitend gebaseerd worden op het gewenste vacuümpeil; een meerdimensionele, gecombineerde beoordeling is vereist:

• Gewenst vacuümpeil : Kies combinaties van hoofdpomp en voorpomp op basis van de indeling in grof-/medium-/hoog-/ultra-hoogvacuüm van technologische processen.
• Reinheidsnormen : Droogpompen, cryopompen en ionenpompen hebben prioriteit voor halfgeleiders, farmacie en precisieanalyse; oliegevulde zuigerpompen en oliegediffundeerde pompen zijn toegestaan voor metallurgie, verpakking en grootschalige industriële coating met minder strenge schoonheidseisen.
• Procesgasomstandigheden : Zuigerpompen met gasballast voor stromen met een hoog waterdampgehalte; voorfilters voor gassen met stofdeeltjes; corrosievaste schroefdroogpompen voor corrosieve media; integratie van cryopompen bij hoge inertgasbelasting; explosiebeveiligde assemblages met stikstofspuiling voor brandbare en explosieve media.
• Afpasning van pompsnelheid : Een groter kamervolume en lekpercentage vereisen een hogere pompsnelheid; er moet een pompsnelheidsverhouding van 5:1 tot 10:1 worden gehandhaafd tussen Roots-boosterpompen en voorpompen; turbomoleculaire pompen en cryopompen vereisen een afgestemde doorvoercapaciteit van de voorpomp.
• Investerings- en onderhoudskosten oliegevulde roterende-vleugelpompen bieden een lage initiële kosten voor kortdurende, intermitterende bedrijfsvoering; droge pompen zijn optimaal voor langdurige, continue, schone productie; olie-diffusiepompen zijn kosteneffectief voor grote kamers met matige schoonheidsvereisten; scroll-droge pompen zijn geschikt voor kleine laboratoriumapparatuur.

Samenvattend zijn vacuümtechnologieën gebaseerd op gecombineerde configuraties van diverse pomptypes om de volledige industriële keten te bestrijken, van basisproductie tot geavanceerd fundamenteel onderzoek. Voortdurende verbeteringen van het vacuümniveau en de milieuschoonheid drijven technologische vernieuwingen in sectoren als productie, materiaalkunde, halfgeleiders, ruimtevaart en fundamentele fysica.