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Vieweg+Teubner Verlag Weitere Titel dieses Verlages anzeigen
Erläuterung einiger häufiger verwendeten Abkürzungen | XXIX | |
Glossar | XXXI | |
1 | Die Geschichte der Vakuumphysik und Vakuumtechnik | 1 |
Literatur ........................................... | ||
2 | Anwendungen und Aufgaben der Vakuumtechnik | 19 |
Literatur | 27 | |
3 | Gasgesetze und kinetische Gastheorie | 29 |
3.1 | Beschreibung des Gaszustandes | 29 |
3.1.1 | Zustandsgrößen | 29 |
3.1.2 | Mengengrößen | 33 |
3.1.3 | Zustandsgieichung des idealen Gases | 35 |
3.1.4 | Gemisch verschiedener Gase | 37 |
3.2 | Kinetische Gastheorie | 39 |
3.2.1 | Modell vor Stellung | 39 |
3.2.2 | Wanddruck als Folge von Teilchenstößen | 39 |
3.2.3 | Geschwindigkeitsverteilung von Maxwell und Boltzmann | 41 |
3.2.4 | Flächenstoßrate und Effusion | 44 |
3.2.5 | Größe der Gasteilchen, freie Weglänge | 46 |
3.3 | Transporteigenschaften von Gasen | 50 |
3.3.1 | Druckabhängigkeit | 50 |
3.3.2 | Transport von Reibungskräften in Gasen und Viskosität | 51 |
3.3.3 | Wärmetransport in Gasen und Wärmeleitfähigkeit | 55 |
3.3.4 | Diffusion | 63 |
3.4 | Reale Gase | 65 |
3.4.1 | Zustandsgieichungen | 65 |
3.4.2 | Eigenschaften der Gasteilchen und Verhalten des Gases | 70 |
3.5 | Dämpfe | 75 |
3.5.1 | Sättigungsdampfdruck | 75 |
3.5.2 | Verdampfungsrate | 79 |
Literatur | 82 | |
Strömung von Gasen | 83 | |
4.1 | Strömungsarten, Begriffsdefinitionen | 83 |
4.1.1 | Charakterisierung von Strömungen, Knudsenzahl, Reynoldszahl | 83 |
4.1.2 | Gasstrom, Saugleistung, Saugvermögen | 87 |
4.1.3 | Strömungswiderstand, Strömungsleitwert | 91 |
4.1.4 | Effektives Saugvermögen einer Vakuumpumpe | 93 |
4.2 | Reibungsfreie viskose Strömung, Gasdynamik | 94 |
4.2.1 | Erhaltungssätze | 94 |
4.2.2 | Allmähliche Querschnittsänderung: isentrope Zustandsänderung | 96 |
4.2.3 | Kritische Strömung | 99 |
4.2.4 | Verblockung bei kleinem Auslassdruck | 101 |
4.2.5 | Kontraktion bei Einströmung in Blende und Rohr | 103 |
4.2.6 | Beispiele zur Düsenströmung | 103 |
4.2.7 | Gerader und schräger Verdichtungsstoß | 108 |
4.2.8 | Lavaldüse, Ausströmung bei Gegendruck | 110 |
4.2.9 | Strömung um eine Ecke (Prandtl-Meyer) | 113 |
4.3 | Reibungsbehaftete viskose Leitungsströmung | 116 |
4.3.1 | Laminare und turbulente Strömung durch eine Leitung | 116 |
4.3.2 | Leitungsströmung von Luft | 121 |
4.3.3 | Lufteinströmung in einen Kessel, Beispiele | 122 |
4.3.4 | Rohr in der Ansaugleitung einer Pumpe, Beispiele | 129 |
4.3.5 | Strömung durch Leitungen mit nicht-kreisförmigem Querschnitt | 132 |
4.3.6 | Gasartabhängigkeit der Strömung | 134 |
4.4 | Molekulare Strömung im Hoch-und Ultrahochvakuum | 135 |
4.4.1 | Strömungsform, Begriffe, Durchlaufwahrscheinlichkeit | 135 |
4.4.2 | Molekulare Strömung durch Blende | 139 |
4.4.3 Molekulare Strömung durch Leitung | ||
gleichbleibenden Querschnitts | 141 | |
4.4.4 | Molekulare Strömung durch Kreisrohr | 144 |
4.4.5 | Molekulare Strömung durch Leitungen einfachen Querschnitts | 145 |
4.4.6 | Rohrbogen und Rohrknie | 147 |
4.4.7 | Hintereinanderschaltung von Rohr und Blende | 150 |
4.4.8 | Hintereinanderschaltung von Bauelementen | 151 |
4.4.9 | Molekularströmung durch konisches Kreisrohr (Trichter) | 154 |
4.4.10 | Bauelement in der Ansaugleitung einer Pumpe | 155 |
4.5 | Strömung im gesamten Druckbereich | 156 |
4.5.1 | Kennzeichnung der Strömung | 156 |
4.5.2 | Strömung durch dünne Kreisblende | 156 |
4.5.3 | Strömung durch langes Kreisrohr | 159 |
4.6 | Strömung bei Temperaturdifferenz, thermische Effusion, Transpiration | 164 |
4.7 | Messung von Strömungsleitwerten | 168 |
4.7.1 | Notwendigkeit der Messung | 168 |
4.7.2 | Messung des charakteristischen Leitwerts (Eigenleitwert) | 168 |
4.7.3 | Berechnung des reduzierten Leitwerts (Einbauleitwert) | 169 |
4.7.4 | Messung des reduzierten Leitwerts | 170 |
Literatur .............................................. | ||
5 Analytische und numerische Berechnungen | ||
von stationären Flüssen verdünnter Gase | 173 | |
5.1 | Grundkonzept | 173 |
5.1.1 | Die Parameter Knudsenzahl und Gasverdünnung | 173 |
5.1.2 | Makroskopische Größen | 174 |
5.1.3 | Lunktion der GeschwindigkeitsVerteilung | 174 |
5.1.4 | Globales Gleichgewicht | 176 |
5.1.5 | Lokales Gleichgewicht | 176 |
5.1.6 | Kinetische Boltzmanngleichung | 177 |
5.1.7 | Transportkoeffizienten | 179 |
5.1.8 Modellgleichungen............................Igl | ||
5.1.9 | Wechselwirkung zwischen Gas und Oberfläche | 182 |
5.2 | Berechnungsmethoden von Gasströmen | 185 |
5.2.1 | Allgemeine Bemerkungen | 185 |
5.2.2 | Die deterministische Methode | 185 |
5.2.3 | Wahrscheinlichkeitsmethoden | 187 |
5.3 | Geschwindigkeitsschlupf und Temperatursprung | 189 |
5.3.1 | Viskoser Schlupfkoeffizient | 189 |
5.3.2 | Der Koeffizient des thermischen Schlupfs | 190 |
5.3.3 | Der Koeffizient für den Temperatursprung | 192 |
5.4 | Impuls-und Wärmetransport durch verdünnte Gase | 193 |
5.4.1 | Ebene Couette-Strömung | 193 |
5.4.2 | Zylindrische Couette-Strömung | 196 |
5.4.3 | Wärmetransport zwischen zwei Platten | 200 |
5.4.4 | Wärmestrom zwischen zwei koaxialen Zylindern | 202 |
5.5 | Gasströme durch lange Rohre | 206 |
5.5.1 | Begriffe | 206 |
5.5.2 | Molekularer Strömungsbereich | 207 |
5.5.3 | Schlupfströmung | 208 |
5.5.4 | Strömung im Übergangsgebiet | 210 |
5.5.5 | Strömung bei beliebigen Druck-und Temperaturdifferenzen | 215 |
5.5.6 | Variable Querschnitte | 220 |
5.5.7 | Thermomolekulares Druckverhältnis | 221 |
5.6 | Durchfluss durch Blenden | 224 |
5.7 | Modellierung einer Holweckpumpe | 226 |
Literatur | 228 | |
6 | Sorption und Diffusion | 233 |
6.1 | Sorptionsphänomene und deren Bedeutung - Begriffe und Terminologie | 233 |
6.2 | Adsorptions-und Desorptionskinetik | 239 |
6.2.1 | Adsorptionsrate | 239 |
6.2.2 | Desorptionsrate | 239 |
6.2.3 | Hobsons Modell einer Auspumpkurve | 243 |
6.2.4 | Mono-Schicht-Adsorptionsisothermen | 245 |
6.2.5 Mehr schicht-Adsorption | ||
und Brunauer-Emmett-Teller-(BET-)lsotherme | 248 | |
6.2.6 | Mono-Zeit | 250 |
6.2.7 | Absorption, Diffusion und Ausgasung | 251 |
6.3 | Permeation | 256 |
Literatur | 259 | |
7 | Verdrängerpumpen | 261 |
7.1 | Einleitung und Übersicht | 261 |
7.2 | Oszillationsverdrängerpumpen | 264 |
7.2.1 | Kolbenpumpen | 265 |
7.2.2 | Membranpumpen | 266 |
7.2.2.1 | Aufbau und Funktionsweise | 267 |
7.2.2.2 | Saug vermögen und Enddruck | 268 |
7.2.2.3 | Gasballast | 270 |
7.2.2.4 | Antriebskonzepte | 270 |
7.2.2.5 | Enddruck | 271 |
7.2.2.6 Gasartabhängigkeit des Saugvermögens | ||
und des Enddrucks | 271 | |
7.2.2.7 | Drehzahlabhängigkeit des Enddrucks | 271 |
7.2.2.8 | Konstruktionsprinzipien | 273 |
7.2.2.9 | Anwendung von Membranpumpen im Chemielabor | 274 |
7.2.2.10 Membranpumpen als Vorpumpen | ||
für Turbomolekularpumpen | 275 | |
7.2.2.11 Membranpumpen in Kombination | ||
mit anderen Vakuumpumpen | 278 | |
7.3 | Einwellige Rotationsverdrängerpumpen | 279 |
7.3.1 | Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen | 279 |
7.3.1.1 | Aufbau und Funktionsweise | 280 |
7.3.1.2 | Betriebseigenschaften und Auslegung | 281 |
7.3.1.3 | Bauarten | 284 |
7.3.1.4 | Pumpstände mit Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen | 287 |
7.3.1.5 | Hinweise für den wirtschaftlichen Betrieb | 288 |
7.3.2 | Drehschieberpumpen | 291 |
7.3.2.1 | Wirkungsweise und Aufbau | 292 |
7.3.2.2 | Trocken laufende Drehschieberpumpen | 293 |
7.3.2.3 | Ölgeschmierte Drehschieberpumpen | 294 |
7.3.2.4 | Frischöl geschmierte Drehschieberpumpe | 296 |
7.3.2.5 | Betriebsverhalten und Hinweise | 297 |
7.3.2.6 | Kennlinien, Kenndaten | 300 |
7.3.3 | Sperrschieberpumpen | 301 |
7.3.3.1 | Wirkungsweise und technischer Aufbau | 301 |
7.3.3.2 | Vergleich zwischen Dreh-und Sperrschieberpumpen | 305 |
7.3.4 | Trochoidenpumpen | 305 |
7.3.5 | Scroll-Pumpen | 307 |
7.3.5.1 | Das Verdichtungsprinzip | 307 |
7.3.5.2 | Aufbau | 308 |
7.3.5.3 | Anwendungen und Vorteile | 309 |
7.4 | Zweiwellige Rotationsverdrängerpumpen | 310 |
7.4.1 | Schraubenpumpen | 310 |
7.4.1.1 | Wirkungsweise und technischer Aufbau | 311 |
7.4.1.2 | Wärmeverhalten und technische Hinweise | 317 |
7.4.2 | Drehzahnpumpen | 319 |
7.4.2.1 | Verdichtungsprinzip | 320 |
7.4.2.2 | Vergleich mit Wälzkolbenpumpen | 323 |
7.4.2.3 Mehrstufige Drehzahnpumpen | ||
und Pumpkombinationen | 324 | |
7.4.2.4 | Drehzahlregelung | 325 |
7.4.2.5 | Anwendungsgebiete | 325 |
7.4.3 | Wälzkolbenpumpen (Roots-Pumpen) | 326 |
7.4.3.1 | Wirkungsweise | 326 |
7.4.3.2 | Technischer Aufbau | 327 |
7.4.3.3 | Theoretische Grundlagen | 329 |
7.4.3.4 | Der effektive Gasstrom | 329 |
7.4.3.5 | Kompressionsverhältnis Kq bei Nulldurchsatz | 329 |
7.4.3.6 Effektives Kompressionsverhältnis | ||
und volumetrischer Wirkungsgrad | 331 | |
7.4.3.7 Abstufung des Saugvermögens | ||
Vorpumpe/Wälzkolbenpumpe | 332 | |
7.4.3.8 | Saugvermögen und Enddruck | 336 |
7.4.3.9 | Installation und Betriebshinweise | 338 |
7.5 | Spezifische Eigenschaften ölgedichteter Verdrängerpumpen | 338 |
7.5.1 | Saugvermögen und erreichbarer Enddruck | 338 |
7.5.1.1 | Saugvermögen und Endpartialdruck | 338 |
7.5.1.2 | Enddruck und Ölauswahl | 339 |
7.5.2 | Ölrückströmung | 343 |
7.6 | Grundlagen Verdrängerpumpen | 344 |
7.6.1 | Abpumpen von Dämpfen und Gasballast | 344 |
7.6.2 | Leistungsbedarf | 348 |
7.6.2.1 | Isotherme Kompression | 349 |
7.6.2.2 | Adiabatische Kompression | 350 |
7.6.2.3 | Polytrope Kompression | 350 |
7.6.2.4 | Kompressionsleistung | 351 |
7.7 | Betriebs- und Sicherheitshinweise | 352 |
7.7.1 | Aufstellung | 352 |
7.7.2 | An-und Abstellen, Saugstutzenventile | 353 |
7.7.3 | Auswahl der Pumpen und Arbeitshinweise | 354 |
7.7.4 | Sicherheitstechnische Hinweise | 355 |
7.8 | Spezifisches Zubehör für Verdrängerpumpen | 357 |
7.8.1 | Sorptionsfallen | 357 |
7.8.2 | Sicherheitsventile | 358 |
7.8.3 | Ölfilter und Ölreinigung | 360 |
7.8.4 | Auspuff-Filter (Ölnebelabscheider) | 361 |
7.8.5 | Staubfilter | 362 |
Literatur | 364 | |
Kondensatoren | 369 | |
8.1 | Kondensationsvorgänge im Vakuum | 369 |
8.1.1 | Grundlagen | 369 |
8.1.2 | Kondensation reiner Dämpfe | 371 |
8.1.3 | Kondensation von Gas-Dampf-Gemischen | 375 |
8.1.4 | Kühlmittel | 378 |
8.2 | Bauarten von Kondensatoren | 379 |
8.2.1 | Oberflächenkondensatoren für Flüssigkeitskondensation | 379 |
8.2.2 | Mischkondensatoren | 381 |
8.2.3 | Kondensataustrag | 383 |
8.2.4 | Oberflächenkondensatoren für Feststoffkondensation | 384 |
8.3 | Integration von Kondensatoren in Vakuumsysteme | 385 |
8.3.1 | Kondensatoren in Kombination mit Vakuumpumpen | 385 |
8.3.2 | Regelung | 388 |
8.4 | Berechnungsbeispiele | 389 |
Literatur | 392 | |
9 | Treibmittelpumpen | 393 |
9.1 | Einleitung, Übersicht | 393 |
9.2 | Flüssigkeitsstrahlpumpen | 395 |
9.3 | Dampfstrahl-Vakuumpumpen | 397 |
9.3.1 | Aufbau und Wirkungsweise | 398 |
9.3.2 | Leistungsdaten, Betriebsverhalten und Regelung | 399 |
9.3.3 | Mehrstufige Dampf strahl-Vakuumpumpen | 403 |
9.3.4 | Organische Dämpfe als Treibmedium | 406 |
9.4 | Diffusionspumpen | 407 |
9.4.1 | Aufbau und Arbeitsweise | 407 |
9.4.2 | Treibmittel | 412 |
9.4.3 | Dampfsperren (Baffles) und Fallen | 413 |
9.4.4 | Fraktionieren, Entgasen | 414 |
9.4.5 | Betriebshinweise | 416 |
9.4.6 | Saugvermögen, Vorvakuumbeständigkeit, Hybridpumpen | 416 |
9.4.7 Berechnung der Funktionsgrößen von Diffusions- und | ||
Dampfstrahlpumpen anhand eines einfachen Pumpenmodells | 419 | |
9.5 | Vergleich Diffusionspumpen - Dampfstrahlpumpen | 427 |
Literatur | 429 | |
10 | Molekular-und Turbomolekularpumpen | 431 |
10.1 | Einleitung | 431 |
10.2 | Molekularpumpen | 434 |
10.2.1 | Gaedepumpstufe | 434 |
10.2.2 | Holweckstufe | 438 |
10.2.3 | Siegbahnstufe | 439 |
10.3 | Physikalische Grundlagen der Turbomolekularpumpstufen | 440 |
10.3.1 | Pumpmechanismus | 440 |
10.3.2 | Saugvermögen und Kompressionsverhältnis | 441 |
10.3.3 | Statistische und Gaedesche Betrachtung des Pumpeffekts | 442 |
10.3.4 | Wärmehaushalt | 446 |
10.4 | Technik von Turbomolekularpumpen | 449 |
10.4.1 | Aufbau und Wirkungsweise | 449 |
10.4.2 | Turbomolekularpumpenrotoren | 450 |
10.4.2.1 | Rotorgestaltung | 450 |
10.4.2.2 | Rotormaterialien und mechanische Anforderungen | 452 |
10.4.3 | Sicherheitsanforderungen | 452 |
10.4.4 | Lagerung von Turbomolekularpumpenrotoren | 453 |
10.4.4.1 | Welle mit zwei Kugellagern | 454 |
10.4.4.2 | Welle mit Permanentmagnetlager und Kugellager | 455 |
10.4.4.3 | Magnetlagerung | 455 |
10.4.5 | Antriebe und Bedienung | 457 |
10.4.6 | Heizung und Kühlung | 458 |
10.4.7 | Sonderausführungen | 458 |
10.5 | Leistungsdaten von Turbomolekularpumpen | 460 |
10.5.1 | Saug vermögen | 460 |
10.5.2 | Kompressionsverhältnis, Enddruck und Basisdruck | 461 |
10.5.3 | Auspumpzeiten von Behältern | 463 |
10.5.4 | Pumpen hoher Gaslasten | 464 |
10.6 | Betrieb und Wartung von Turbomolekularpumpen | 466 |
10.6.1 | Wahl der Vorpumpe | 466 |
10.6.2 | Allgemeine Hinweise | 466 |
10.6.3 | Einschalten | 466 |
10.6.4 | Erreichen des Basisdruckes | 466 |
10.6.5 | Betrieb in Magnetfeldern | 467 |
10.6.6 | Belüften | 467 |
10.6.7 | Wartung | 467 |
10.7 | Anwendungen | 468 |
Literatur | 470 | |
11 | Sorptionspumpen | 473 |
11.1 | Einleitung | 473 |
11.2 | Adsorptionspumpen | 475 |
11.2.1 | Wirkungsweise | 475 |
11.2.2 | Aufbau | 477 |
11.2.3 | End vakuum und Saug vermögen | 478 |
11.2.3.1 | Enddruck mit einer Adsorptionspumpe | 478 |
11.2.3.2 | Enddruck mit zwei oder mehr Adsorptionspumpen | 480 |
11.2.4 | Arbeits-und Betriebshinweise | 481 |
11.3 | Getter | 483 |
11.3.1 | Wirkungsweise und Getterarten | 483 |
11.3.2 | NEG-Pumpen | 484 |
11.3.2.1 | Grundlagen der Volumengetter/NEG | 484 |
11.3.2.2 | Aufbau von NEG-Pumpen | 489 |
11.3.2.3 | Saugvermögen und Getterkapazität | 490 |
11.3.2.4 | Anwendung von NEG-Pumpen | 492 |
11.3.2.5 | Sicherheits-und Betriebshinweise | 492 |
11.3.3 | Verdampferpumpen | 494 |
11.3.3.1 | Materialien der Verdampfer | 494 |
11.3.3.2 | Saugvermögen | 495 |
11.3.3.3 | Getterkapazität | 498 |
11.3.3.4 | Aufbau der Verdampfergetterpumpen | 499 |
11.4 | Ionenzerstäuberpumpen | 504 |
11.4.1 | Wirkungsweise | 504 |
11.4.2 | Technischer Aufbau (Diodentyp) | 509 |
11.4.3 | Saugvermögen | 509 |
11.4.4 | Die differentielle Diodenpumpe | 512 |
11.4.5 | Die Triodenpumpe | 513 |
11.4.6 | Lineare Zerstäuberpumpen (Distributed ion pump) | 516 |
11.4.7 | Restgasspektrum | 516 |
11.4.8 | Arbeitstechnik | 517 |
11.5 | Die Orbitronpumpe | 519 |
Literatur | 520 | |
12 | Kryotechnik und Kryopumpen | 523 |
12.1 | Einleitung | 523 |
12.2 | Kühl verfahren | 524 |
12.2.1 | Gaskälteverfahren | 525 |
12.2.1.1 | Stirling-Verfahren | 527 |
12.2.1.2 | Gifford-McMahon-Verfahren | 528 |
12.2.1.3 | Pulsrohr-Verfahren | 530 |
12.2.2 | Kryostate mit flüssigen Kältemitteln | 532 |
12.2.3 | Messung tiefer Temperaturen | 533 |
12.3 | Arbeitsprinzipien von Kryopumpen | 533 |
12.3.1 | Gaskondensation | 536 |
12.3.2 | Kryosorption | 539 |
12.3.2.1 | Feste Adsorptionsmittel | 541 |
12.3.2.2 | Kryotrapping | 544 |
12.4 | Auslegung von Kryopumpen | 544 |
12.4.1 | Kryotechnisch konstruktive Merkmale | 544 |
12.4.1.1 | Strahlung | 546 |
12.4.1.2 | Wärmeleitung | 549 |
12.4.2 | Vakuumtechnisch konstruktive Merkmale | 552 |
12.4.3 | Konstruktionsprinzipien | 554 |
12.4.3.1 | Bad-Kryopumpen | 555 |
12.4.3.2 | Refrigerator-Kryopumpen | 555 |
12.5 | Kenngrößen einer Kryopumpe | 561 |
12.5.1 | Startdruck | 561 |
12.5.2 | Enddruck | 562 |
12.5.3 | Saugvermögen | 563 |
12.5.4 | Standzeit | 564 |
12.5.5 | Kapazität (maximale Gasaufnahme) | 565 |
12.5.6 | Cross-over-Wert | 565 |
12.5.7 | Maximal zulässiger pV-Durchfluß | 566 |
12.5.8 | Beständigkeit gegen thermische Strahlung | 566 |
12.5.9 | Regeneration | 567 |
12.5.10 | Leistungsvergleich | 569 |
12.6 | Anwendungsbeispiele | 570 |
12.6.1 | Kryopumpen mit Zwangskühlung durch superkritisches Helium | 570 |
12.6.2 | Kombinierte Refrigerator/Flüssig-Kryopumpen | 572 |
12.6.3 | Kryopumpen mit zwangsgeführter Flüssigkühlung | 573 |
12.6.4 | Kryopumpen in Großforschungsanwendungen | 575 |
12.6.5 | Kryopumpen in industriellen Anlagen | 575 |
12.6.6 | Entwicklungstendenzen für die Kryopumpe | 575 |
Literatur | 576 | |
Vakuummessgeräte für Totaldruck | 579 | |
13.1 | Einleitung | 579 |
13.2 | Mechanische Vakuummeter | 581 |
13.2.1 | Prinzip und Einteilung | 581 |
13.2.2 | Plattenfedervakuummeter | 582 |
13.2.3 | Kapselfedervakuummeter (Messbereich lkPa-100kPa) | 582 |
13.2.4 | Röhrenfedervakuummeter (Messbereich lkPa-100kPa) | 583 |
13.2.4.1 | Quarz-Bourdon-Vakuummeter | 584 |
13.2.5 | Membranvakuummeter | 585 |
13.2.5.1 Membranvakuummeter mit mechanischer Anzeige | ||
(Messbereich 0,1 kPa-100kPa) | 585 | |
13.2.5.2 | Membranvakuummeter mit elektrischem Umformer | 586 |
13.2.5.3 Membranvakuummeter nach dem piezo-resistiven | ||
Prinzip | 587 | |
13.2.5.4 | Piezo-elektrische Vakuummeter | 589 |
13.2.5.5 | Resonanz-Membranvakuummeter | 589 |
13.2.5.6 | Kapazitätsvakuummeter | 591 |
13.2.5.7 | Thermische Transpiration | 594 |
13.2.6 | Druckschalter und Druckregler | 596 |
13.3 | Gasreibungsvakuummeter (Spinning Rotor Gauge) | 598 |
13.3.1 | Messanordnung und Messprinzip | 599 |
13.3.2 | Bremsung durch Gasreibung | 600 |
13.3.3 | Durchführung der Messung | 605 |
13.3.4 | Erweiterung des Messbereichs zu höheren Drücken | 606 |
13.3.5 | Messunsicherheit | 607 |
13.4 | Direkte elektrische Druckmessumformer | 608 |
13.5 | Wärmeleitungsvakuummeter | 608 |
13.5.1 | Prinzip | 608 |
13.5.2 | Wärmeleitungsvakuummeter mit konstanter Drahttemperatur | 612 |
13.5.3 | Wärmeleitungsvakuummeter mit konstanter Heizung | 616 |
13.5.4 | Thermoelementvakuummeter (Thermocouple) | 617 |
13.5.5 | Thermistoren | 618 |
13.5.6 | Hinweise zur Verwendung von Wärmeleitungsvakuummetern | 618 |
13.6 | Gasflussmessgeräte | 620 |
13.7 | Ionisationsvakuummeter | 623 |
13.7.1 | Prinzip und Einteilung | 623 |
13.7.2 | Geschichtliche Entwicklung der Ionisationsvakuummeter | 624 |
13.7.3 | Ionisationsvakuummeter mit Emissionskathode | 626 |
13.7.3.1 | Messprinzip | 626 |
13.7.3.2 Aufbau der Emissionskathoden- | ||
Ionisationsvakuummeter | 629 | |
13.7.3.3 | Konzentrische Triode | 629 |
13.7.3.4 | Feinvakuum-Ionisationsvakuummeter | 630 |
13.7.3.5 | lonisationsvakuummeter nach Bayard und Alpert | 632 |
13.7.3.6 | Extraktor-Ionisationsvakuummeter | 636 |
13.7.3.7 | Andere Glühkathoden-Ionisationsvakuummeter | 639 |
13.7.3.8 Betriebshinweise für Emissionskathoden- | ||
Ionisationsvakuummeter | 640 | |
13.7.4 Ionisationsvakuummeter | ||
mit gekreuzten elektromagnetischen Feldern | 641 | |
13.7.4.1 | Penning-Vakuummeter | 641 |
13.7.4.2 | Magnetron und invertiertes Magnetron | 646 |
13.7.5 Vergleichende Betrachtung zwischen den beiden Arten | ||
von Ionisationsvakuummetern | 648 | |
13.7.6 | Allgemeine Hinweise | 650 |
13.8 | Kombinationsmessgeräte | 654 |
Literatur | 655 | |
14 | Partialdruckmessgeräte und Leckdetektoren | 661 |
14.1 | Einleitung | 661 |
14.2 | Partialdruckmessgeräte (Massenspektrometer) | 662 |
14.2.1 | Ionenquellen | 667 |
14.2.1.1 | Offene Ionenquelle OIS | 668 |
14.2.1.2 | Geschlossene Ionenquellen | 670 |
14.2.1.3 | Crossbeam-Ionenquelle | 671 |
14.2.2 | Heizfaden-Materialien | 672 |
14.2.3 | Ionenquellenbedingte Artefakte im Massenspektrum | 673 |
14.2.4 | Massen-Analysatoren | 675 |
14.2.4.1 | Quadrupol-Massenanalysator | 675 |
14.2.4.2 | Miniaturisierte Quadrupol-Massenspektrometer | 679 |
14.2.4.3 | Magnetische Sektorfeld Massenspektrometer | 681 |
14.2.5 | Ionendetektoren | 685 |
14.2.5.1 | Faraday-Detektor | 685 |
14.2.5.2 | Sekundärelektronen-Vervielfacher | 685 |
14.2.5.3 | SEV mit diskreten Dynoden | 687 |
14.2.5.4 | SEV mit kontinuierlicher Dynode | 689 |
14.2.5.5 | Microchannel Plate Detektor | 689 |
14.2.6 | Steuersoftware für Massenspektrometer | 691 |
14.2.6.1 Analoger Scan, Ionenstrom in Abhängigkeit | ||
von der Masse | 691 | |
14.2.6.2 | Messung ausgewählter Massenzahlen | 692 |
14.2.6.3 | Lecksuch-Modus | 692 |
14.2.7 | Weitere Einsatzmöglichkeiten von Massenspektrometern | 693 |
14.3 | Partialdruckmessung mit optischen Methoden | 693 |
14.4 | Leckdetektoren | 696 |
14.4.1 | Grundprinzipien und geschichtliche Entwicklung | 696 |
14.4.2 | Heliumleckdetektoren | 696 |
14.4.2.1 Anforderungen und Grundfunktion | ||
bei der Vakuumlecksuche | 696 | |
14.4.2.2 | Heliumsektorfeldmassenspektrometer | 697 |
14.4.2.3 | Einlassdruck von Heliumleckdetektoren | 699 |
14.4.2.4 | Zeitverhalten von Heliumleckdetektoren | 700 |
14.4.2.5 | Arbeitsprinzipien von Heliumleckdetektoren | 700 |
14.4.2.6 | Schnüffeleinrichtungen für Heliumleckdetektoren | 706 |
14.4.2.7 Anwendungsfelder der massenspektrometrischen | ||
Heliumleckdetektoren | 706 | |
14.4.3 | Kältemittelleckdetektoren | 707 |
14.4.3.1 | Aufbau und Funktion | 707 |
14.4.3.2 | Anwendungsfelder | 708 |
14.4.4 | Prüflecks | 709 |
14.4.4.1 | Permeationslecks | 709 |
14.4.4.2 | Leitwertlecks | 709 |
14.4.4.3 | Praktische Ausführungen von Prüflecks | 710 |
14.4.5 | Messeigenschaften und Kalibrierung von Leckdetektoren | 711 |
14.4.5.1 Leckdetektoren als Prüfmittel im Sinne | ||
der DIN/ISO 9001 | 711 | |
14.4.5.2 | Unsicherheit der Kalibrierung | 711 |
14.4.6 | Leckdetektoren mit anderen Sensorprinzipien | 712 |
14.4.6.1 | Heliumschnüffler mit Quarzglasmembrane | 712 |
14.4.6.2 | Halogenleckdetektoren mit Alkali-Ionen-Sensor | 713 |
14.4.6.3 | Halogenleckdetektoren mit Infrarot-Sensor | 714 |
Literatur | 714 | |
15 | Kalibrierungen und Normen | 719 |
15.1 | Einleitung | 719 |
15.2 | Kalibrierung von Vakuummessgeräten | 722 |
15.2.1 | Primärnormale | 722 |
15.2.1.1 | Flüssigkeitsmanometer | 724 |
15.2.1.2 | Kompressionsmanometer nach McLeod | 727 |
15.2.1.3 | Drehkolbenmanometer und Druckwaagen | 729 |
15.2.1.4 | Statisches Expansionsverfahren | 732 |
15.2.1.5 | Kontinuierliches Expansions verfahren | 738 |
15.2.1.6 | Sonstige Primärnormale | 746 |
15.2.2 | Das Vergleichsmessverfahren | 746 |
15.2.3 | Kapazitäts Vakuummeter | 748 |
15.2.4 | Gasreibung s vakuummeter | 752 |
15.2.5 | Ionisationsvakuummeter | 755 |
15.3 | Kalibrierungen von Partialdruckmessgeräten | 757 |
15.4 | Kalibrierungen von Testlecks | 760 |
15.5 | Normen für die Bestimmung von Kenngrößen von Vakuumpumpen | 763 |
Literatur | 767 | |
16 | Werkstoffe | 773 |
16.1 | Anforderungen und Überblick über die Werkstoffe | 773 |
16.2 | Werkstoffe der Vakuumtechnik | 775 |
16.2.1 | Metalle | 775 |
16.2.1.1 | Die wichtigsten Metalle und Metalllegierungen | 776 |
16.2.2 | Technische Gläser | 780 |
16.2.2.1 | Allgemeines | 780 |
16.2.2.2 | Eigenschaften der wichtigsten Gläser | 783 |
16.2.3 | Keramische Werkstoffe | 785 |
16.2.3.1 | Allgemeines | 785 |
16.2.3.2 Eigenschaften der wichtigsten keramischen | ||
Werkstoffe | 785 | |
16.2.3.3 | Keramik in der Vakuumtechnik | 786 |
16.2.3.4 | Verbindungstechnologien für Keramiken mit Metallen | 787 |
16.2.3.5 | Zeolithe | 787 |
XXIII | ||
16.2.4 | Kunststoffe | 787 |
16.2.4.1 | Allgemeines | 787 |
16.2.4.2 | Eigenschaften der wichtigsten Kunststoffe | 787 |
16.2.5 | Vakuumfette | 789 |
16.2.6 | Öle | 790 |
16.2.7 | Kühlmittel | 790 |
16.3 | Gasdurchlässigkeit und Gasabgabe von Werkstoffen | 791 |
16.3.1 | Allgemeines | 791 |
16.3.2 | Gasdurchlässigkeit | 791 |
16.3.2.1 | Gasdurchlässigkeit von Metallen | 793 |
16.3.2.2 | Gasdurchlässigkeit von Gläsern und Keramiken | 793 |
16.3.2.3 | Gasdurchlässigkeit von Kunststoffen | 794 |
16.3.3 | Gasabgabe | 796 |
16.3.3.1 | Allgemeines | 796 |
16.3.3.2 | Sättigungsdampfdruck | 796 |
16.3.3.3 Desorption von der Oberfläche, Gasdiffusion | ||
aus dem Materialinnern und Richtwerte | ||
für die Gasabgabe | 798 | |
16.3.3.4 | Diffusion aus dem Inneren | 799 |
16.3.3.5 | Richtwerte für die Gesamtgasabgaberate | 803 |
Literatur | 803 | |
17 | Bauelemente der Vakuumtechnik und ihre Verbindungen | 805 |
17.1 | Einleitung | 805 |
17.2 | Vakuumgerechtes Konstruieren und Fügen | 806 |
17.2.1 | Auslegung | 806 |
17.2.2 Dimensionierung von Vakuumbehältern | ||
und Berechnungsbeispiele | 808 | |
17.2.3 | Doppel wandige B ehälter | 811 |
17.2.4 | Besonderheiten der Konstruktion von Vakuumbauteilen | 811 |
17.2.5 | Schweißverbindungen | 812 |
17.2.6 | Lötverbindungen | 814 |
17.2.7 | Klebeverbindungen | 816 |
17.2.8 | Sonstige Fügetechniken | 816 |
17.3 Optimierung des Ausgasverhaltens durch Oberflächenbehandlung | ||
und Reinigung | 819 | |
17.3.1 | Methoden der Oberflächenbehandlung und ihre Wirkungsweise | 819 |
17.3.2 | Reinigungsverfahren für Vakuumbauteile | 821 |
17.3.3 | Partikelarme Vakuumbauteile | 824 |
17.4 | Verbindungsstandards und ihre Funktionsprinzipien | 824 |
17.4.1 | KF-und ISO-Verbindungen | 825 |
17.4.2 | CF Verbindungen | 827 |
17.4.3 | Spannketten für UHV-Verbindungen | 828 |
17.4.4 | Dichtungen | 828 |
17.5 | Bauelemente der Vakuumtechnik | 835 |
17.5.1 Mechanische, elektrische und optische Durchführungen; | ||
Gas- und Flüssigkeitsdurchführungen | 835 | |
17.5.1.1 | Mechanische Durchführungen | 835 |
17.5.1.2 | Durchführungen für Drehbewegungen | 835 |
17.5.1.3 | Manipulatoren | 837 |
17.5.1.4 | Elektrische Durchführungen | 838 |
17.5.1.5 | Optische Durchführungen | 839 |
17.5.1.6 | Durchführungen für Flüssigkeiten und Gase | 841 |
17.5.2 | Flexible Verbindungselemente | 841 |
17.5.2.1 | Spiralverstärkte Schläuche aus PVC | 841 |
17.5.2.2 | Metallbälge und-Schläuche | 842 |
17.5.3 | Sichtfenster | 844 |
17.5.4 | Absperrorgane (Ventile) | 846 |
Literatur | 852 | |
18 | Vakuumsysteme | 855 |
18.1 | Elektronische Anbindung von Vakuumsystemen | 855 |
18.1.1 Überwachung durch Prozesssensoren | ||
und automatisierte Datenauswertung | 855 | |
18.1.1.1 | Anforderungen und Anwendungen | 855 |
18.1.2 | Integrationslösungen | 858 |
18.1.2.1 | ASCII-Protokolle | 858 |
18.1.2.2 | Standardisierte Bussysteme | 858 |
18.1.2.3 | Sensor-Integration nach SECS-und HSMS-Standard | 859 |
18.1.2.4 | Prozessdatenanalyse | 861 |
18.2 | Berechnung von Vakuumsystemen | 864 |
18.2.1 | Analytische und numerische Berechnung | 864 |
18.2.2 | Berechnung mit Netzwerken | 865 |
18.2.3 | End-und Arbeitsdruck in Vakuumsystemen | 867 |
18.2.3.1 | Enddruck | 867 |
18.2.3.2 | Arbeitsdruck | 868 |
18.3 | Druckregelung | 872 |
18.4 | Arbeitstechnik im Grobvakuum | 873 |
18.4.1 | Überblick | 873 |
18.4.2 | Aufbau einer Grobvakuumanlage oder -apparatur | 875 |
18.4.3 | Pumpen, Art und Saugvermögen | 875 |
18.4.4 | Pumpstände für Grobvakuum | 877 |
18.4.5 | Druckmessung im Grob Vakuum | 878 |
18.4.6 | Druck und Auspumpzeit im Grobvakuum | 878 |
18.4.7 | Belüften | 883 |
18.5 | Arbeitstechnik im Feinvakuum | 885 |
18.5.1 | Überblick | 885 |
18.5.2 | Aufbau einer Feinvakuum-Apparatur | 885 |
18.5.3 | Pumpen: Art und Saug vermögen | 885 |
18.5.4 | Druckmessung | 886 |
18.5.5 | Auspumpzeit und Enddruck | 886 |
18.5.6 | Belüften | 892 |
18.5.7 | Feinvakuumpumpstände | 892 |
18.6 | Arbeitstechnik im Hochvakuum | 895 |
18.6.1 | Pumpen: Art und Saug vermögen | 895 |
18.6.2 | Reinigung der Vakuummeter | 895 |
18.6.3 | Hochvakuumpumpstände | 897 |
18.6.3.1 | Hochvakuumpumpstand mit Diffusionspumpe | 897 |
18.6.3.2 | Hochvakuumpumpstand mit Turbomolekularpumpe | 904 |
18.6.3.3 | Der vollautomatische Hochvakuumpumpstand | 906 |
18.6.4 | Auspumpzeit und Belüften | 908 |
18.7 | Arbeitstechnik im Ultrahochvakuum | 910 |
18.7.1 | Überblick | 910 |
18.7.2 | UHV-Pumpen: Betriebshinweise | 911 |
18.7.2.1 | Adsorptionspumpen | 911 |
18.7.2.2 | Ionenzerstäuberpumpen | 911 |
18.7.2.3 | Titanverdampferpumpen | 912 |
18.7.2.4 | Turbomolekularpumpen | 913 |
18.7.2.5 | Kryopumpen | 913 |
18.7.2.6 | Volumengetter-(NEG-)Pumpen | 914 |
18.7.3 | Druckmessung | 914 |
18.7.4 | Auspumpzeit, Enddruck und Evakuierungstechnik | 914 |
18.7.5 | Belüften | 915 |
18.7.6 | Ultrahochvakuum-Systeme | 915 |
18.7.7 | Ultrah och vakuum- (UH V-) B auelemente | 916 |
18.7.8 | Ultrahochvakuum- (UH V-) Pump stände | 916 |
18.7.8.1 | Ultrahochvakuum-(UHV-)Großanlagen | 920 |
Literatur | 921 | |
19 | Lecksuchtechniken | 923 |
19.1 | Überblick | 923 |
19.1.1 | Vakuumlecksuche | 924 |
19.1.2 | Überdrucklecksuche | 924 |
19.1.3 | Prüfgasverteilung vor einem Leck in der Atmosphäre | 925 |
19.1.4 | Messergebnisse mit der Schnüffelmethode | 926 |
XXVII | ||
19.1.5 | Prüfgase | 927 |
19.1.5.1 | Helium | 928 |
19.1.5.2 | Andere Edelgase als Helium | 928 |
19.1.5.3 | Wasserstoff H2 | 928 |
19.1.5.4 | Methan CH4 | 928 |
19.1.5.5 | Kohlendioxid C02 | 928 |
19.1.5.6 | Schwefelhexailuorid SF6 | 929 |
19.2 | Eigenschaften von Lecks | 929 |
19.2.1 | Leckrate, Einheiten | 929 |
19.2.2 | Leckarten | 930 |
19.2.3 | Eigenschaften von Porenlecks | 931 |
19.2.3.1 | Permeationslecks | 933 |
19.2.3.2 | Virtuelle Lecks in Vakuumkammern | 934 |
19.2.3.3 | Flüssigkeitslecks | 934 |
19.3 | Überblick über die Lecksuchverfahren (siehe auch DIN EN 1779) | 935 |
19.3.1 | Allgemeine Hinweise zur Dichtheitsprüfung | 935 |
19.3.2 | Verfahren ohne Prüfgas (Druckprüfungen) | 937 |
19.3.2.1 | Allgemeines | 937 |
19.3.2.2 | Druckabfallmessung | 938 |
19.3.2.3 | Druckanstiegsmessung | 938 |
19.3.2.4 | Sonstige Verfahren | 939 |
19.3.3 | Prüfgas verfahren ohne Helium | 940 |
19.3.3.1 | Allgemeines | 940 |
19.3.3.2 | Vakuumlecksuche mit Prüfgasen außer Helium | 940 |
19.3.3.3 | Überdrucklecksuche mit Prüfgasen außer Helium | 942 |
19.4 | Lecksuchverfahren mit Heliumleckdetektoren | 943 |
19.4.1 | Eigenschaften des Heliumleckdetektors | 943 |
19.4.2 | Prüfung von Komponenten | 944 |
19.4.2.1 | Prüfablauf, integrale Prüfung | 944 |
19.4.2.2 | Vorgehen zur Lecklokalisierung | 945 |
19.4.3 | Prüfung von Vakuumanlagen | 947 |
19.4.3.1 | Allgemeines zum Teilstromverfahren | 948 |
19.4.3.2 | Anschlusspunkte des Lecksuchers an der Anlage | 949 |
19.4.3.3 | Nachweisempfindlichkeit und Ansprechzeit | 951 |
19.4.4 | Überdruck-(Schnüffel-)Lecksuche mit dem Heliumleckdetektor | 953 |
19.4.4.1 | Integrales Verfahren (total oder partiell) | 953 |
19.4.4.2 | Lecklokalisierung mit dem Schnüffler | 954 |
19.5 | Lecksuchverfahren mit anderen Prüfgasen | 955 |
19.5.1 | Allgemeines | 955 |
19.5.2 | Schnüffellecksuche an Kälte-/Klimaanlagen | 955 |
XXVIII | ||
19.6 | Industrielle Dichtheitsprüfung von Bauteilen in der Serienfertigung | 956 |
19.6.1 | Allgemeines | 956 |
19.6.2 | Industrielle Prüfung von Serienbauteilen | 956 |
19.6.2.1 Hüllenverfahren für Vakuumkomponenten | ||
(Methode Al in DIN EN 1779) | 956 | |
19.6.2.2 Vakuumkammerverfahren für Überdruckbauteile | ||
(Methode B6 in DIN EN 1779) | 957 | |
19.6.3 Prüfung von hermetisch verschlossenen Komponenten durch | ||
Drucklagerung („Bombing", Methode B5 in DIN EN 1779) | 959 | |
19.6.4 Prüfung von Lebensmittelverpackungen | ||
in der Folienprüfkammer | 960 | |
Literatur | 961 | |
20 | Anhang | 963 |
20.1 | Tabellen | 964 |
20.2 | Diagramme | 1010 |
20.3 | Größen und Einheiten | 1031 |
20.3.1 | Physikalische Größe | 1031 |
20.3.2 | Größengleichung. Kohärente Einheiten | 1032 |
20.3.3 | Zugeschnittene Größengleichung | 1032 |
20.3.4 | Zahlenwertgleichung | 1033 |
Produktmatrix | 1035 | |
Bezugsquellenverzeichnis | 1037 | |
Sachverzeichnis | 1041 | |
Sachverzeichnis
3-Phasen-Asynchronmotoren, 457
A
Abkleben, 954
Abkleben mit Folie, 945
Ablenkwinkel, 115
Absorption, 234, 251, 483, 736
Absorptionsmethoden, 693
Absperrorgane, 846
Achslänge, 147
Adsorbat, 233
Adsorbens, 233
Adsorbentien, 541
Adsorption, 483
Adsorptionsenergie, 233
Adsorptionsisotherme Mehrschicht, 248
Adsorptionsisothermen
Monoschicht, 245
Adsorptionsphasengleichgewicht, 539
Adsorptionspumpen, 473, 911
Aufbau, 477
Enddruck, 478
Enddruck mit zwei, 480
Wirkungsweise, 475
Adsorptionsrate, 239
Adsorptionsstromdichte, 239
Adsorptionsverhalten, 506
Adsorptionswärme, 233
Akkommodationsfaktor, 57
Akkommodationskoeffizient, 182, 184, 604
Akkomodationskoeffizient
Energie, 182
Aktivierungsenergie, 233
Aktivkohle, 541
Alkali-Ionen-Messzelle, 942
Alkali-Ionen-Sensor, 707, 713
Alpert, 625
Aluminium, 778
Amerikanische Vakuumgesellschaft, 764
Ammoniak, 943
Amontons, 6, 35
Gesetz, 35
Analogie
elektrische und vakuumtechnische Größe, 865
Analytik, 468
Anlagenlecksuche, 949
Ansprechzeit, 951
Drosselventil, 949
Empfindlichkeit, 951
Anlagensteuerung, 858
Anlaufströmung, 116
Anlaufzeit, 946
Ansprechzeit, 700, 704, 707, 951
Arbeitsdruck, 868
Arbeitsmethoden mit Vakuumsystemen, 855
Arbeitstechnik Feinvakuum, 885
Grobvakuum, 873
Hochvakuum, 895
Ultrahochvakuum, 910
Arrhenius-Plot, 77
ASCII-Protokolle, 858
ATEX 95, 355
ATEX 137,356
Atmosphäre, 30, 966
Atom, 34
Atommasse
relative, 35
Atommassen-Konstante, 34
Auflösungsvermögen, 664 1041
Sachverzeichnis