Im Vergleich: Kolbenpumpen und Schrauben-Vakuumpumpen

Kolbenpumpen und Schrauben-Vakuumpumpen sind zwei gängige Pumpentypen, die zur Erzeugung des erforderlichen Vakuums in industriellen und Laborumgebungen eingesetzt werden. Wenngleich beide ihre Vorteile haben, so bieten Schrauben-Vakuumpumpen in vielen Anwendungen, von der Verpackung bis hin zum Züchten von Siliziumkristallen für Solarzellen, doch eine höhere Leistung. Die Wahl der richtigen Vakuumtechnologie hat entscheidenden Einfluss auf die Betriebs- und Kosteneffizienz.

Funktionsweise von Schrauben-Vakuumpumpen

Eine Schrauben-Vakuumpumpe ist eine Verdrängungspumpe, die Luft oder andere Gase aus einer abgedichteten Umgebung entfernt, um Vakuum zu erzeugen. Sie arbeitet mit zwei Schraubenrotoren, die gegenläufig in einem zylindrischen Gehäuse rotieren. Das Fördermedium gelangt über den Einlass in die Vakuumpumpe und wird in Kammern zwischen dem Zylinder und den Doppelschrauben eingeschlossen. Durch ihre Drehung bewegen die Rotoren das Fördermedium in Richtung Auslass. Während dieses Prozesses wird der für das Fördermedium zur Verfügung stehende Raum (Volumen) reduziert, da die Kammergröße kontinuierlich abnimmt. Dadurch wird das Fördermedium bis zu seinem kleinstmöglichen Volumen verdichtet. Anschließend wird es durch den Auslass ausgestoßen.

Während dieses Prozesses berühren sich die Schraubenrotoren weder gegenseitig noch das Pumpengehäuse, sodass Verschleiß minimiert wird und kein Schmiermittel wie Öl nötig ist.

Funktionsweise von Kolbenpumpen

Wie Schrauben-Vakuumpumpen arbeiten auch Kolbenpumpen nach dem Verdrängungsprinzip. Sie waren ursprünglich für die effiziente Förderung von Wasser und anderen Flüssigkeiten unter Druck vorgesehen, hauptsächlich für den landwirtschaftlichen und häuslichen Einsatz zur Entnahme von Wasser aus Brunnen oder Flüssen. Sie können jedoch auch Vakuum erzeugen.

Die Pumpe selbst besteht aus einem Zylinder, in dem sich ein Kolben hin- und herbewegt. Auf jeder Seite des Zylinders befindet sich ein Ventil – eines zum Ansaugen, eines zum Ausstoßen. Der Kolben ist mit einer Zugstange verbunden, die wiederum an einer Kurbelwelle befestigt ist. Die Kurbelwelle wird von einem Elektromotor angetrieben und rotiert, wodurch sich der Kolben bewegt.

Die Vakuumerzeugung beginnt mit dem Ansaughub, bei dem sich der Kolben zurückbewegt. Dadurch vergrößert sich das Volumen im Zylinder. Mit zunehmendem Volumen sinkt der Druck im Zylinder und die Gasmoleküle haben mehr Bewegungsspielraum. Der Druck im Zylinder ist nun niedriger als der des zu evakuierenden Behälters. Da Gase von Bereichen mit höherem Druck in Bereiche mit niedrigerem Druck strömen, wird die Luft bzw. das Gas im Behälter in den Zylinder gesaugt.

Sobald der Kolben das Ende seines Hubwegs erreicht hat, schließt sich das Saugventil und das Fördermedium wird im Zylinder eingeschlossen. Der Kolben bewegt sich dann in die entgegengesetzte Richtung, wodurch sich das Zylindervolumen verringert und das Fördermedium verdichtet wird. Durch die Verdichtung nimmt das Fördermedium an Druck zu und wird schließlich durch das Auslassventil ausgestoßen. Durch wiederholtes Hin- und Herbewegen des Kolbens evakuiert die Pumpe kontinuierlich Luft bzw. Gas aus dem Behälter und erzeugt so Vakuum.

Arten von Kolbenpumpen

Im Gegensatz zu Vakuumpumpen sind Kolbenpumpen nicht für die Erzeugung eines konstant hohen Vakuumniveaus optimiert, können aber für Grob- bis Feinvakuum gut funktionieren. Für einen gleichmäßigeren Durchfluss können Pumpen mit mehreren Kolben und Zylindern verwendet werden. Einfachwirkende Kolbenpumpen verfügen über ein Ventil an jedem Ende, an dem das Gas nach dem oben beschriebenen Prinzip angesaugt und ausgestoßen wird. Mit jedem Zyklus des Kolbens wird Vakuum erzeugt, indem Gas während des Ansaughubs angesaugt und während des darauffolgenden Ausstoßhubs verdichtet und ausgestoßen wird.

DoppeltwirkendeKolbenpumpen hingegen erzeugen sowohl beim Vor- als auch beim Rückwärtshub des Kolbens Vakuum. Bei dieser Auslegung ist der Zylinder in zwei Kammern unterteilt, eine auf jeder Seite des Kolbens. Beide Kammern verfügen jeweils über ein Saug- und ein Auslassventil.

Wenn sich der Kolben zurückbewegt, vergrößert sich das Volumen in Kammer A. Gleichzeitig nimmt der Kammerdruck ab, und Gase aus dem gepumpten Behälter werden durch das Saugventil angesaugt. In Kammer B verläuft der Prozess umgekehrt. Das heißt, beim Rückwärtshub des Kolbens wird das zuvor gepumpte Gas verdichtet und durch das Auslassventil ausgestoßen. Bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens sind die Rollen der Kammern dann umgekehrt. Sprich: Gas wird in Kammer B angesaugt, und das gepumpte Gas in Kammer A verdichtet und ausgestoßen. Diese Auslegung ist effizienter, da die Evakuierung sowohl beim Rückwärts- als auch beim Vorwärtshub erfolgt, was zu einem gleichmäßigeren Durchfluss führt.

Typische Anwendungen

Schrauben-Vakuumpumpen und Kolbenpumpen unterscheiden sich nicht nur in ihrem Funktionsprinzip, sondern auch in ihren Anwendungen. Kolbenpumpen können oft nicht das für bestimmte Prozesse erforderliche Vakuumniveau erreichen. Sie eignen sich für den Betrieb in rauen Umgebungen mit schwankenden Temperaturen und für Fördermedien, die abrasive Stoffe wie Sand enthalten können. Einschlägige Anwendungen sind beispielsweise die Wärmebehandlung in der Produktion von Verbundmaterial, die Vakuumdestillation in der chemischen und pharmazeutischen Industrie oder das Vakuumschmelzen in der Metallurgie.

Schrauben-Vakuumpumpen hingegen können ein hohes Vakuumniveau erzeugen. Damit eignen sie sich ideal zum Beispiel für die Stahlentgasung, Gefriertrocknungsprozesse in der Lebensmittelindustrie oder verschiedene Anwendungen in der Produktion von Lithium-Batterien. Sie sind in verschiedenen Auslegungen verfügbar und können an verschiedene Branchen angepasst werden – auch an solche, die eine saubere, kontaminationsfreie Umgebung erfordern, wie die Halbleiterproduktion.

Vorteile von Schrauben-Vakuumpumpen

Energieeffizienz

Schrauben-Vakuumpumpen sind energieeffizienter in Vakuumanwendungen, in denen es für Kolbenpumpen schwierig wird. Kolbenpumpen, die ursprünglich für die Förderung von Flüssigkeiten im Hochdruckbereich entwickelt wurden, können bei der Erzeugung von Vakuum Energie verschwenden. Die Gründe dafür liegen in der zur Aufrechterhaltung des Vakuums erforderlichen mechanischen Bewegung des Kolbens sowie in Reibung und Wärmeverlust. Daher werden Kolbenpumpen häufig im Aussetzbetrieb eingesetzt. Das bedeutet, dass sie in Intervallen ein- und ausgeschaltet werden, z. B. bei der Verpackung oder beim Heben und Handhaben, wenn nur kurzzeitig Vakuum benötigt wird. Schrauben-Vakuumpumpen hingegen erzeugen Vakuum durch Rotation, was einen effizienteren Dauerbetrieb ermöglicht. So können Energieverluste minimiert und ein konstanteres Vakuumniveau aufrechterhalten werden.

Vakuumpumpen von Busch sind auf maximale Energieeffizienz ausgelegt. Sie können mit ECOTORQUE, dem variablen Drehzahlantrieb (VSD) von Busch, ausgestattet werden. Diese Option ist auch für COBRA trockene Schrauben-Vakuumpumpen erhältlich. Durch die Anpassung der Drehzahl der Vakuumpumpe an die tatsächlichen Prozessanforderungen können mit ECOTORQUE Energieeinsparungen von bis zu 50 % erzielt werden. Damit ist dieses Feature die ideale Wahl für Unternehmen aller Branchen, die die Energiekosten senken und die Betriebseffizienz verbessern möchten.

Wartung

Schrauben-Vakuumpumpen haben in der Regel einen geringeren Wartungsbedarf als Kolbenpumpen. Kolbenpumpen enthalten mehr mechanische Bauteile, wie Zylinderlaufbuchsen und Lager, die mit der Zeit verschleißen. Schrauben-Vakuumpumpen bieten eine längere Lebensdauer, insbesondere bei Anwendungen, in denen die Vakuumpumpe im Dauereinsatz ist und wartungsbedingte Stillstandszeiten minimiert werden müssen. Die Schraubenrotoren in der Vakuumpumpe berühren sich weder gegenseitig noch das Zylindergehäuse. Diese berührungsfreie Verdichtung des Fördermediums führt zu keinerlei Verschleiß der beweglichen Teile. Bei COBRA trockenen Schrauben-Vakuumpumpen werden die Wartungskosten auf ein Minimum reduziert, da nur das Getriebeöl in regelmäßigen Abständen gewechselt werden muss.

Betriebskosten

Kolbenpumpen benötigen eine konstante Ölversorgung, um eine ordnungsgemäße Schmierung der beweglichen Teile und Dichtung zwischen Kolben und Zylinderwänden zu gewährleisten sowie die während des Betriebs entstehende Wärme abzuleiten. Aus diesem Grund installieren viele Kunden eine spezielle Ölleitung, damit sie nicht kontinuierlich Öl nachfüllen müssen. Dies führt jedoch zu höheren Betriebskosten aufgrund der hohen Ölmengen, die verbraucht werden. COBRA trockene Schrauben-Vakuumpumpen von Busch benötigen kein Öl im Verdichtungsraum, sodass diese Kosten eingespart werden.

Schalldruckpegel

Durch die Hin- und Herbewegung von Kolbenpumpen entstehen oftmals erhebliche Geräusch- und Vibrationsniveaus. In Umgebungen, in denen Lärmschutz und minimale Vibrationen wichtig sind, kann dies problematisch sein.

COBRA trockene Schrauben-Vakuumpumpen arbeiten bei einem deutlich geringeren Schalldruckpegel von ca. 69 dB(A), vergleichbar mit der Lautstärke eines gewöhnlichen Staubsaugers. Je nach Baugröße kann eine Kolbenvakuumpumpe dagegen bis zu 85 dB(A) erreichen, was der Lautstärke direkt an einer viel befahrenen Straße entspricht.

Betriebssicherheit

Kolbenpumpen werden hauptsächlich verwendet, um Flüssigkeiten oder Gase durch die Hin- und Herbewegung eines Kolbens in einem Zylinder zu fördern. Sie sind nicht für die Aufrechterhaltung eines hohen Vakuumniveaus im Dauerbetrieb optimiert, können aber für die Erzeugung von Grob- bis Feinvakuum, z. B. für das Vakuumformen oder -verpacken, gut funktionieren.

Schrauben-Vakuumpumpen von Busch sind für ihre lange Lebensdauer bekannt und bieten über lange Zeit Effizienz und Betriebssicherheit bei jedem Vakuumniveau. COBRA trockene Schrauben-Vakuumpumpen sind für anspruchsvolle Umgebungen wie die Stahlentgasung ausgelegt. Sie zeichnen sich durch eine äußerst hohe Dampf- und Partikelverträglichkeit aus, die eine unveränderte Leistung in anspruchsvollen industriellen Anwendungen gewährleistet.