Glossar der Vakuumtechnik
Die wichtigsten Fachbegriffe rund um Vakuumpumpen, Druck und Dichtheit, jeweils kurz erklärt und mit der Seite verlinkt, die das Thema ausführlich behandelt.
Druck und Vakuumbereiche
Absolutdruck
Auch: Druck absolut
Druck, gemessen vom idealen Vakuum (null) aus; er ist deshalb nie negativ. Der Normaldruck auf Meereshöhe beträgt 1013,25 mbar absolut. In der Vakuumtechnik rechnet man fast immer mit dem Absolutdruck, weil er nicht von Wetter und Höhe abhängt.
Mehr dazu: Druckeinheiten im Überblick
Dampfdruck
Auch: Sättigungsdampfdruck
Der Druck, bei dem eine Flüssigkeit oder ein Feststoff bei gegebener Temperatur mit seinem eigenen Dampf im Gleichgewicht steht. Fällt der Umgebungsdruck darunter, siedet oder sublimiert der Stoff; Wasser hat bei 20 °C einen Dampfdruck von etwa 23 mbar. Deshalb senkt Vakuum den Siedepunkt, und deshalb bremst Feuchtigkeit das Evakuieren.
Mehr dazu: Dampfdrucktabelle Wasser
Mikron und Torr
Auch: Mikron, Millitorr, mTorr, Torr
Ein Torr ist 1/760 einer Normatmosphäre, also 133,3 Pa oder 1,333 mbar. Ein Mikron (Quecksilbersäule) ist ein Tausendstel Torr, auch Millitorr genannt, und entspricht etwa 0,00133 mbar. In der Kältetechnik, vor allem in den USA, sind Mikron die übliche Einheit beim Evakuieren; 500 Mikron sind ein gängiger Zielwert.
Mehr dazu: Torr in mbar
Partialdruck
Der Anteil eines einzelnen Gases am Gesamtdruck eines Gemischs; die Partialdrücke aller Gase ergeben zusammen den Gesamtdruck (Daltonsches Gesetz). In Vakuumanlagen sind Partialdrücke oft wichtiger als der Gesamtdruck, wenn es um Wasserdampf, Sauerstoff oder ein Prozessgas geht. Vakuumöfen arbeiten zum Beispiel häufig mit einem geregelten Partialdruck von Argon oder Stickstoff, damit Legierungselemente nicht verdampfen.
Mehr dazu: Vakuumöfen
Relativdruck (Unterdruck)
Auch: Unterdruck, Überdruck
Druck, gemessen relativ zur umgebenden Atmosphäre. Vakuum erscheint dann als negativer Wert, etwa −0,8 bar. Mehr als rund −1013 mbar sind auf Meereshöhe nicht möglich, in der Höhe entsprechend weniger; für tiefes Vakuum ist der Relativdruck deshalb ungeeignet.
Mehr dazu: Vakuum-Umrechner (absolut und relativ)
Tripelpunkt
Die einzige Kombination aus Druck und Temperatur, bei der ein Stoff gleichzeitig fest, flüssig und gasförmig vorliegt. Bei Wasser liegt sie bei 6,1 mbar (611,7 Pa) und 0,01 °C. Unterhalb dieses Drucks gibt es kein flüssiges Wasser, Eis geht direkt in Dampf über; darauf beruht die Gefriertrocknung.
Mehr dazu: Gefriertrocknung
Vakuumbereiche
Auch: Grobvakuum, Feinvakuum, Hochvakuum, Ultrahochvakuum, UHV
Nach dem Absolutdruck unterscheidet man Grobvakuum (Atmosphärendruck bis 1 mbar), Feinvakuum (1 bis 10⁻³ mbar), Hochvakuum (10⁻³ bis 10⁻⁸ mbar) und Ultrahochvakuum (unter 10⁻⁸ mbar), angelehnt an ISO 3529-1. Jeder Bereich braucht andere Pumpen und Messgeräte, weil sich das Verhalten des Gases von Bereich zu Bereich ändert.
Mehr dazu: Vakuumbereiche
Pumpenleistung
Abpumpzeit
Auch: Evakuierungszeit
Die Zeit, um eine Kammer von einem Anfangs- auf einen Zieldruck zu evakuieren. Im Grobvakuum gilt t = (V/S)·ln(p₀/p₁), mit dem Kammervolumen V und dem effektiven Saugvermögen S. In der Nähe des Zieldrucks bremsen Ausgasung und Lecks, sodass reale Abpumpzeiten meist länger sind als diese Abschätzung.
Mehr dazu: Abpumpzeit-Rechner
Effektives Saugvermögen
Das Saugvermögen, das unter Berücksichtigung der Verbindungsleitung tatsächlich an der Kammer ankommt. Es ergibt sich aus 1/S_eff = 1/S + 1/C, mit dem Saugvermögen S der Pumpe und dem Leitwert C der Leitung. Eine enge oder lange Leitung kann das effektive Saugvermögen auf einen Bruchteil des Nennwerts senken, vor allem bei Molekularströmung.
Mehr dazu: Leitwert-Rechner
Enddruck
Auch: Endvakuum, Basisdruck
Der niedrigste Druck, den eine Pumpe mit verschlossenem Ansaugstutzen und ohne Gaslast erreicht. Reale Anlagen bleiben darüber, weil Lecks, Ausgasung und der Leitwert der Leitungen hinzukommen. Typische Werte sind etwa 10⁻³ mbar für eine zweistufige Drehschieberpumpe und 10⁻⁹ bis 10⁻¹⁰ mbar für eine Turbomolekularpumpe.
Mehr dazu: Vakuumpumpen-Arten im Vergleich
Gasballast
Auch: Wasserdampfverträglichkeit
Eine kleine, gezielte Luftzufuhr in die Verdichtungsstufe einer ölgedichteten Pumpe. Dadurch öffnet das Auslassventil, bevor Dämpfe wie Wasser ihren Kondensationsdruck erreichen, und sie verlassen die Pumpe, statt sich im Öl zu sammeln. Die Wasserdampfverträglichkeit gibt an, wie viel Wasserdampf die Pumpe so verarbeiten kann; der Preis ist ein etwas höherer Enddruck.
Mehr dazu: So funktioniert die Drehschieberpumpe
Gasdurchsatz (pV-Durchfluss)
Auch: pV-Durchfluss, pV-Strom
Die Gasmenge, die pro Zeiteinheit strömt, angegeben als Druck mal Volumenstrom (Q = p·S), meist in mbar·l/s oder Pa·m³/s. Anders als das Saugvermögen ist der Gasdurchsatz im stationären Zustand an jeder Stelle einer Leitung gleich. Leckraten und Gaslasten haben dieselbe Einheit und lassen sich so direkt vergleichen.
Mehr dazu: Leckrate und Durchsatz umrechnen
Gaslast
Der gesamte Gasstrom, der in eine Vakuumanlage gelangt und abgepumpt werden muss: Lecks, Ausgasung, Permeation durch Dichtungen und gegebenenfalls Prozessgas. Im Gleichgewicht stellt sich der Druck dort ein, wo das effektive Saugvermögen die Gaslast ausgleicht (p = Q/S_eff). Die Gaslast zu senken ist oft günstiger als eine größere Pumpe.
Mehr dazu: Abpumpzeit-Rechner
Kompressionsverhältnis
Das Verhältnis von Auslass- zu Ansaugdruck einer Pumpe für ein bestimmtes Gas, wenn kein Gas durch die Pumpe strömt. Es bestimmt, wie tief eine Pumpe bei gegebenem Vorvakuum kommt. Turbomolekularpumpen verdichten schwere Gase wie Stickstoff sehr stark, leichte Gase wie Wasserstoff und Helium dagegen weit weniger; deshalb dominieren diese im Restgas.
Mehr dazu: So funktioniert die Turbomolekularpumpe
Saugvermögen
Auch: Volumenstrom, Nennsaugvermögen
Das Gasvolumen, das eine Pumpe pro Zeiteinheit fördert, gemessen beim Druck am Ansaugstutzen, in m³/h oder l/s (1 l/s = 3,6 m³/h). Der Nennwert gilt im Hauptarbeitsbereich der Pumpe und fällt zum Enddruck hin ab. Zusammen mit dem Kammervolumen bestimmt es, wie schnell eine Anlage evakuiert werden kann.
Mehr dazu: Abpumpzeit-Rechner
Vorpumpe
Auch: Vorvakuumpumpe, Vorvakuum, Vorvakuumbeständigkeit
Eine Pumpe, die das Gas einer Hochvakuumpumpe, etwa einer Turbomolekular- oder Diffusionspumpe, übernimmt und zur Atmosphäre ausstößt; meist evakuiert sie die Kammer auch vor. Die Hochvakuumpumpe arbeitet nur, solange ihr Auslass unter dem kritischen Vorvakuumdruck (Vorvakuumbeständigkeit) bleibt. Typische Vorpumpen sind Drehschieber-, Scroll-, Schrauben- und Membranpumpen.
Mehr dazu: So funktioniert die Turbomolekularpumpe
Gasströmung
Knudsen-Zahl und Strömungsformen
Auch: Knudsen-Zahl, viskose Strömung, Molekularströmung, Übergangsströmung, Knudsenströmung
Die Knudsen-Zahl Kn ist die mittlere freie Weglänge geteilt durch eine charakteristische Abmessung wie den Rohrdurchmesser. Unter Kn = 0,01 ist die Strömung viskos: Die Moleküle stoßen vor allem miteinander und bewegen sich als Strom. Über 0,5 liegt Molekularströmung vor: Die Moleküle treffen vor allem auf die Wände und bewegen sich unabhängig; dazwischen liegt die Übergangs- oder Knudsenströmung. Leitwert und Pumpenverhalten ändern sich zwischen diesen Bereichen grundlegend.
Mehr dazu: Rechner für freie Weglänge und Knudsen-Zahl
Leitwert
Auch: Strömungsleitwert
Ein Maß dafür, wie leicht Gas durch ein Rohr, Ventil oder eine Öffnung strömt, in l/s; der Kehrwert des Strömungswiderstands. Bei viskoser Strömung steigt er mit dem Druck, bei Molekularströmung ist er druckunabhängig und wächst bei langen Rohren mit der dritten Potenz des Durchmessers. Zu enge Leitungen gehören zu den häufigsten Gründen, warum eine Pumpe hinter ihren Daten zurückbleibt.
Mehr dazu: Leitwert-Rechner
Mittlere freie Weglänge
Die durchschnittliche Strecke, die ein Gasmolekül zurücklegt, bevor es mit einem anderen Molekül zusammenstößt. Sie ist umgekehrt proportional zum Druck: Für Luft bei Raumtemperatur beträgt sie bei 1 mbar etwa 0,07 mm, bei 10⁻³ mbar etwa 6,6 cm. Der Vergleich mit der Größe von Rohr oder Kammer zeigt, welche Strömungsform vorliegt.
Mehr dazu: Rechner für die mittlere freie Weglänge
Lecks und Gasquellen
Ausgasung
Auch: Ausgasen, Desorption
Die Abgabe von Gas aus Oberflächen und Werkstoffen im Inneren einer Vakuumanlage: adsorbiertes Wasser, in Metallen gelöste Gase sowie Dämpfe aus Kunststoffen und Elastomeren. In nicht ausgeheizten Anlagen dominiert Wasserdampf und bestimmt, wie schnell Hochvakuum erreicht wird. Saubere Oberflächen, geeignete Werkstoffe und Ausheizen verringern sie.
Mehr dazu: Vakuumbereiche
Ausheizen
Auch: Ausheizung
Das Erhitzen einer Vakuumkammer und ihrer Bauteile während des Pumpens, typischerweise auf 150–250 °C, um adsorbiertes Wasser und andere Gase von den Oberflächen zu lösen. Es verkürzt die Zeit bis zum Hochvakuum und ist für Ultrahochvakuum unverzichtbar. Alle Bauteile, Dichtungen und Messröhren müssen für die Ausheiztemperatur geeignet sein.
Mehr dazu: Vakuumbereiche
Druckanstiegstest
Auch: Druckanstiegsmessung, Standtest
Eine einfache Dichtheitsprüfung: Die evakuierte Kammer wird von der Pumpe abgesperrt und der Druckanstieg über die Zeit aufgezeichnet. Ein Anstieg, der abflacht, deutet auf Ausgasung oder verdampfende Feuchtigkeit hin, ein gleichmäßiger, linearer Anstieg auf ein Leck. Mit dem Kammervolumen multipliziert ergibt der Druckanstieg die gesamte Leckrate; in der Kältetechnik heißt dieselbe Prüfung Standtest.
Mehr dazu: Leckrate im Vakuumofen
Helium-Lecksuche
Auch: Helium-Lecksucher, Schnüffeln, Schnüffelsonde
Das Standardverfahren, um kleine Lecks zu finden und zu messen, mit Helium als Prüfgas und einem darauf abgestimmten Massenspektrometer. Beim Vakuumverfahren wird Helium von außen auf das evakuierte Teil gesprüht und der Lecksucher misst, was eindringt; beim Schnüffelverfahren wird das Teil mit Helium gefüllt und außen mit einer Sonde abgetastet. Das Vakuumverfahren ist deutlich empfindlicher; beide liefern direkt die Leckrate.
Mehr dazu: Leckrate-Umrechner
Leckrate
Die Gasmenge, die pro Zeiteinheit durch ein Leck strömt, meist in mbar·l/s, Pa·m³/s, Torr·l/s oder sccm. In einer abgesperrten Kammer lässt sie sich aus dem Druckanstieg bestimmen: Leckrate = Volumen × Druckanstieg ÷ Zeit. Zulässige Werte reichen von etwa 10⁻² mbar·l/s im Grobvakuum bis 10⁻¹⁰ mbar·l/s und weniger in UHV-Anlagen.
Mehr dazu: Leckrate-Umrechner
Virtuelles Leck
Gas, das in einem Hohlraum innerhalb der Vakuumanlage eingeschlossen ist, langsam entweicht und sich wie ein Leck verhält, obwohl es keine Verbindung nach außen gibt. Typische Ursachen sind von einer Schraube verschlossene Sacklöcher, Doppelschweißnähte und Spalte hinter Dichtungen. Ein Lecksucher findet außen nichts; virtuelle Lecks vermeidet man deshalb konstruktiv, etwa mit belüfteten Schrauben.
Komponenten und Messgeräte
Ionisationsvakuummeter
Auch: Heißkathode, Kaltkathode, Bayard-Alpert, Penning-Vakuummeter, invertiertes Magnetron
Das Standardmessgerät für Hoch- und Ultrahochvakuum: Es ionisiert Gasmoleküle und misst den Ionenstrom, der proportional zur Gasdichte ist. Heißkathoden-Ausführungen (Bayard-Alpert) nutzen einen geheizten Glühfaden als Elektronenquelle und reichen bis etwa 10⁻¹⁰ mbar; Kaltkathoden-Ausführungen (Penning, invertiertes Magnetron) arbeiten mit einer Entladung im Magnetfeld und haben keinen Faden, der durchbrennen kann. Die Anzeige hängt von der Gasart ab und ist normalerweise auf Stickstoff kalibriert.
Mehr dazu: Vakuummessgeräte
Kapazitives Membranvakuummeter
Auch: Kapazitätsmanometer, CDG
Ein Messgerät, bei dem der Druck eine dünne Membran auslenkt und die Auslenkung als Kapazitätsänderung gemessen wird. Da es die Kraft pro Fläche direkt misst, ist die Anzeige unabhängig von der Gasart und auf Bruchteile eines Prozents genau. Jeder Messkopf deckt etwa vier Dekaden ab, sodass zwischen Atmosphärendruck und etwa 10⁻⁵ mbar unterschiedliche Köpfe eingesetzt werden.
Mehr dazu: Vakuummessgeräte
Kühlfalle
Auch: Kondensator, Dampffalle
Eine gekühlte Fläche zwischen Kammer und Pumpe, an der Dämpfe wie Wasser oder Lösemittel kondensieren, bevor sie die Pumpe erreichen. Gekühlt wird mit einer Kältemaschine oder mit flüssigem Stickstoff (−196 °C). Sie schützt das Pumpenöl, erhöht das effektive Saugvermögen für Dämpfe und nimmt im Gefriertrockner fast das gesamte Wasser auf.
Mehr dazu: Gefriertrocknung
Ölnebelabscheider
Auch: Abluftfilter, Auspufffilter
Ein Filter am Auslass einer ölgedichteten Pumpe, etwa einer Drehschieberpumpe, der den feinen Ölnebel im Abgas auffängt. Das abgeschiedene Öl läuft in die Pumpe oder einen Behälter zurück; das hält den Arbeitsplatz sauber und senkt den Ölverbrauch. Ein zugesetztes Filterelement erhöht den Auslassdruck und sollte in den vom Hersteller genannten Intervallen getauscht werden.
Mehr dazu: So funktioniert die Drehschieberpumpe
Pirani-Vakuummeter
Auch: Wärmeleitungsvakuummeter, Pirani
Ein Wärmeleitungsvakuummeter: Ein beheizter Draht gibt Wärme an das umgebende Gas ab, und je niedriger der Druck, desto weniger. Es deckt kostengünstig etwa Atmosphärendruck bis 10⁻⁴ mbar ab und ist das verbreitetste Messgerät für Grob- und Feinvakuum. Da Gase Wärme unterschiedlich gut leiten, hängt die Anzeige von der Gasart ab und ist meist auf Stickstoff oder Luft kalibriert.
Mehr dazu: Vakuummessgeräte
Wälzkolbenpumpe
Auch: Roots-Pumpe, Roots-Gebläse, Booster
Eine trockene Pumpe mit zwei achtförmigen Kolben, die gegenläufig rotieren, ohne sich oder das Gehäuse zu berühren. Sie verdichtet nicht innerhalb der Pumpe und kann nicht gegen Atmosphäre fördern, arbeitet also immer mit einer Vorpumpe. Im Bereich von etwa 1 bis 10⁻³ mbar vervielfacht sie das Saugvermögen der Vorpumpe und ist deshalb an Gefriertrocknern, Öfen und Beschichtungsanlagen verbreitet.
Mehr dazu: Vakuumpumpen-Arten im Vergleich