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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