Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung und Problemstellung  1

2.  Vakuumtechnische Grundlagen  3

Druck   3

Zustand  der Gase  3

Zustandsgr  ößen und Mengengrößen  3

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Zustandsgleichung  idealer Gase  4

2.3  Sorption, Diffusion und Permeation  5

2.4  Vakuum und Vakuumphysik  6

2.5  Vakuumpumpen  7

2.6  Vakuummesung  9

3.  Ist-Zustand  12

3.1  Bisherige Verbesserungen  12

3.2  Aufbau der Anlage  12

3.2.1  Kolbenmanometer  12

3.2.2  Drehschieberpumpe und Wälzkolbenpumpe  15

3.2.3  Druckmessgerät und Durchflussmessgerät  16

3.2.4  Messdom  18

3.2.5  Rohrleitungssystem  18

3.3  Auspumpkurven  20

3.4  Saugvermögen und Leitwert  22

4.  Veränderungen an der Anlage  26

4.1  Konstruktive Veränderungen am Kolbenmanometer  26

4.1.1  Dichtungssitz des Elektromotorengehäuses  27

4.1.2  Verlegung des E-Motors aus dem Glockenvolumen heraus.  28

4.1.3  Bearbeitung der Ringfläche der Vakuumglocke  30

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4.1.4  Permanentlauf der Drehschieberpumpe  31

4.1.5  Verrohrung des Kolbenmanometers  32

4.2  Verlegung des Kolbenmanometer und der Vakuumpumpen  33

5.  Zusammenfassung  35

6.  Ausblick  36

Anhang   

1.  Literaturverzeichnis  A1

2.  Abbildungsverzeichnis  A2

3.  Diagrammverzeichnis  A4

4.  Werkstattskizze Abdichtung des Elektromotorgehäuses  A5

5.  Werkstattskizze Verlegung des Elektromotors  A6

6.  Messprogramm Auspumpkurven und Saugvermögen  A7

7.  Übersicht über die Bauformen der Vakuumpumpen  A8

8.  Diagramme Gasabgabestromdichte und Permeationskonstanten  A9

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1. Einleitung und Problemstellung

Im Rahmen meiner Diplomarbeit im Studiengang Maschinenbau am Fachbereich Maschinenbau, Mikrotechnik, Energie- und Wärmetechnik an der Fachhochschule Giessen-Friedberg soll eine Anlage zum Kalibrieren von Druckmessgeräten verbessert werden.

Diese Anlage besteht im Prinzip aus einem Drehkolbenmanometer, oftmals auch als Druckwaage bezeichnet, den zugehörigen Vakuumpumpen und einem Rohrleitungssystem, um die zu kalibrierenden Messgeräte anzuschließen. Im Kalibrierbetrieb wird ein häufiges erneutes Evakuieren der Vakuumglocke erforderlich, um die verschiedenen Massestücke, welche auf das Zylinder-Kolben-System innerhalb der Glocke aufgesetzt werden, auszutauschen.

Bild 1: Kolbenmanometer-Messstand

Um einen zügigen Kalibrierbetrieb zu gewährleisten, sollen Evakuierzeiten kurz sein.

Die eigentliche Aufgabe bestand darin, das Auspumpverhalten der Vakuumglocke zu untersuchen und möglichst zu verbessern. Dabei spielt das Erkennen und Ausmerzen von Ausgasraten und die Beseitigung von Strömungslecks eine entscheidende Rolle.

Ebenso sollte die Wärmeabgabe der Vakuumpumpen minimiert werden, um die Umgebungstemperatur, des das Kolbenmanometer und die zu kalibrierenden Messgeräte ausgesetzt sind, konstant zu halten. Diese Untersuchungen wurden im Labor für Vakuumtechnik des Fachbereichs MNI unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. Wolfgang Jitschin an der Fachhochschule Giessen-Friedberg durchgeführt.

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2. Vakuumtechnische Grundlagen 2.1 Druck

Die physikalische Größe Druck ist definiert als Quotient aus Normalkraft und zugehöriger Fläche, auf die diese Kraft wirkt.

Die Maßeinheit des Druckes p ist das Pascal (benannt nach dem französischen Physiker Blaise Pascal). Der Druck von einem Pascal entsteht, wenn auf eine Fläche von 1 ² m die Kraft F=1N senkrecht einwirkt.

Eine andere gebräuchliche Druckeinheit ist das Bar. Der tausendste Teil desselben, 1 mbar, wird heute in der Vakuumtechnik gern als Maßeinheit für Druck benutzt.

2.2 Zustand der Gase

2.2.1 Zustandsgrößen und Mengengrößen

Der Zustand eines Gases wird durch die Zustandsgrößen Volumen Druck und Temperatur beschrieben. Die Menge eines Gases wird durch eine der Mengengrößen Masse, Teilchenzahl oder Stoffmenge angegeben. Volumen V

Das Volumen des Gases wird vom Volumen V des Behälters bestimmt. Druck p ( siehe vorherige Seite ! ) Temperatur T

Im stationären Zustand nimmt das Gas in einem Behälter die gleiche Temperatur an wie der Behälter selbst.

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Masse m

Die Menge eines Gases kann auf verschiedene Weisen angegeben werden. Die Einheit der Masse m im internationalen Einheitensystem (SI) ist das kg (Kilogramm).

Teilchenanzahl N

Da ein Gas aus vielen einzelnen Gasteilchen besteht, kann man eine Gasmenge durch die Anzahl der einzelnen Teilchen angeben. Man nennt diese dimensionslose Größe Teilchenanzahl N.

Stoffmenge v

Eine praktische Angabe der Menge eines Gases ist die sog. Stoffmenge v. Diese erhält man durch Normierung der tatsächlichen Menge eines Stoffes auf eine bestimmte Bezugsmenge, die im Internationalen Einheitensystem (SI) das Mol ist.

2.2.2 Zustandsgleichung idealer Gase

Bei konstanter Temperatur ist das Produkt aus Druck und Volumen konstant. (Boyle-Mariottesches-Gesetz)

feste Gasmenge bei p = ⋅ T = . const V . const

Eine Temperaturänderung eines Gases führt zu einer Druckänderung. Ebenso wurde herausgefunden, dass bei fester Gasmenge das Produkt V p ⋅ mit steigender Temperatur linear zunimmt. [ ]

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Damit ergibt sich die Zustandsgleichung des idealen Gases:

2.3 Sorption, Diffusion und Permeation Sorption

Je kleiner die Drücke sind, die in einem Vakuumraum erreicht werden, um so mehr machen sich Fremdstoffe an der inneren Oberfläche der Gefäßwand und der Einbauten beim Evakuieren störend bemerkbar, da die Fremdstoffe allmählich von der Oberfläche freigesetzt werden.

Man sollte daher immer darauf achten, dass die Oberflächen sich vor dem Auspumpvorgang in einem sauberen Zustand befinden.

In molekularer Sicht versteht man unter Sorption die Austauschvorgänge von andersartigen Teilchen an den festen und flüssigen Grenzflächen der Vakuumräume.

Diffusion

Ist innerhalb einer Substanz die Dichteverteilung eines Gases inhomogen, so setzt eine Wanderung von Stellen höherer Dichte nach Stellen geringerer Dichte ein. Diesen Vorgang nennt man Diffusion.

Permeation

Der Durchgang von Gasen durch feste Stoffe nennt man Permeation.

Dies könnte durchaus auch bei dem zu untersuchenden Kolbenmanometer an verschiedenen Stellen der Konstruktion der Fall sein und somit mitunter eine Erklärung für den verbleibenden Restdruck in der Vakuumglocke sein. Der Vorgang der Permeation besteht aus drei Schritten:

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1. Adsorption (Anlagerung) eines Moleküls auf der Außenseite (Hochdruckseite) 2. Diffusion durch das Material

3. Desorption (Wegfliegen) eines Moleküls auf der Innenseite (Niederdruckseite)

2.4 Vakuum und Vakuumphysik

Definition Vakuum nach DIN 28400, Teil 1

Vakuum ist der Zustand eines Gases, dessen Teilchenanzahl geringer ist als die der Atmosphäre an der Erdoberfläche.

Da die Teilchenanzahldichte innerhalb gewisser Grenzen zeit- und auch ortsabhängig ist, kann eine allgemeine obere grenze des Vakuums nicht angegeben werden.

Aber in den meisten Fällen in der Praxis kann man den Zustand eines Gases als Vakuum bezeichnen, dessen Druck geringer ist als der Atmosphärendruck, d.h. der am jeweiligen Ort herrschende Luftdruck.

Die Vakuumphysik umfasst alle physikalischen Grundlagen, die erforderlich sind, um Vakuum zu erzeugen oder aufrechtzuerhalten, Drücke, Partialdrücke,

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Gasströmungen oder andere physikalische Größen im Vakuum zu messen, oder um Vakuum für unterschiedliche Zwecke anzuwenden.[ ]

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2.5 Vakuumpumpen

Die bei dem zu untersuchenden Kolbenmanometer eingesetzten Vakuumpumpen, eine Wälzkolbenvakuumpumpe und eine Drehschiebervakuumpumpe, gehören beide zur Gruppe der Rotationsverdrängerpumpen. Die Verdrängerpumpen sind die wichtigsten und am meisten verbreiteten Pumpen der Vakuumtechnik. Einen Überblick dazu verschafft auch eine Übersicht der Vakuumpumpen im Anhang an diese Arbeit.

Die wichtigsten Kenngrößen der Vakuumpumpen sind das Saugvermögen S und die Saugleistung pv q .

Das Saugvermögen S stellt den Volumenstrom der Gase dar, die aus einem Vakuumgefäß durch die arbeitende Vakuumpumpe entfernt werden. Da das Gasvolumen vom Druck abhängt, bezeichnet man in der Praxis als Saugvermögen den Quotienten aus der Druckunabhängigen pV-Stromstärke und einem Gleichgewichtsdruck, der an einer bestimmten Stelle in einem normierten Prüfaufbau gemessen wird. Die Saugleistung pV q ist der pV-Durchfluss des gepumpten Gases, die wie das

Saugvermögen mit einem genormten Prüfdorn gemessen wird.

Eigentlich müsste man, um die strömende Gasmenge durch einen Querschnitt exakt zu bestimmen, den Stoffmengendurchfluss = / oder den Δ Δ t v q V Massendurchfluss angeben. Δ Δ = / t m q m

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