Eine Roots-Vakuumpumpe arbeitet nach einem einfachen, aber hocheffektiven Prinzip. Ihr interner Mechanismus befördert Gas von einem Einlass zu einem Auslass, ohne es in der Pumpenkammer zu komprimieren. Dieser Vorgang beruht auf der synchronisierten Bewegung mehrerer Schlüsselkomponenten, die perfekt aufeinander abgestimmt sind.
Der vierstufige Betriebszyklus
Der Pumpvorgang erfolgt in einem kontinuierlichen, vierstufigen Zyklus, der sich tausendfach pro Minute wiederholt. Moderne Rotoren erreichen Drehzahlen von 3.000 bis 6.000 Umdrehungen pro Minute. Diese hohe Drehzahl ermöglicht es der Pumpe, große Gasmengen sehr schnell zu fördern.
Einlass: Durch die gegenläufige Drehung der beiden Rotoren öffnet sich am Pumpeneinlass ein Hohlraum. Gas aus der Vakuumkammer strömt in dieses sich ausdehnende Volumen.
Isolation: Die Spitze eines Rotorflügels passiert die Einlassöffnung. Dadurch wird ein bestimmtes Gasvolumen zwischen dem Rotor und dem Pumpengehäuse eingeschlossen.
Transfer: Die eingeschlossene Gasblase wird anschließend durch die Innenseite des Gehäuses zum Auslass befördert. Ein wesentliches Merkmal der Roots-Vakuumpumpe ist, dass sie dieses Gas während des Transfers nicht komprimiert. Dieser berührungslose, ölfreie Betrieb macht sie unempfindlich gegenüber geringen Mengen an Staub oder Wasserdampf.
Abgas: Der Rotor dreht sich weiter und gibt das Gaspolster am Auslass frei. Das Gas dehnt sich dann in die Abgasleitung aus, wo es von einer Vorförderpumpe aus dem System entfernt wird. Dieser Zyklus wiederholt sich, wodurch kontinuierlich Gas vom Einlass zum Auslass transportiert und der Systemdruck gesenkt wird.
Hinweis: Obwohl Roots-Pumpen für viele Gase hocheffizient sind, ist ihre Saugfähigkeit bei sehr leichten Gasen wie Wasserstoff im Vergleich zu anderen Pumpentypen geringer.
Wichtige Komponenten und ihre Funktionen
Die zuverlässige Funktion einer Roots-Pumpe hängt von einigen wenigen, mit hoher Präzision konstruierten kritischen Bauteilen ab.
Rotoren: Die Pumpe verfügt über zwei ineinandergreifende, gelappte Rotoren (oft in Form einer Acht). Die Form bzw. das Profil dieser Lappen beeinflusst die Leistung direkt. Unterschiedliche Bauformen bieten Kompromisse zwischen Fördergeschwindigkeit und Effizienz. Spiralrotoren tragen beispielsweise zur Reduzierung von Druckpulsationen und Betriebsgeräuschen bei.

Gehäuse: Dies ist der äußere Körper, der die Rotoren umschließt. Es ist so konstruiert, dass es den Druckunterschieden zwischen dem Vakuumsystem und der Atmosphäre standhält. Das für Gehäuse und Rotoren verwendete Material hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Kosten ab.

Steuerzahnräder: Die außerhalb der Pumpenkammer befindlichen Steuerzahnräder sind unerlässlich. Sie synchronisieren die beiden Rotoren und gewährleisten so, dass diese sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, ohne sich jemals zu berühren oder das Gehäuse zu erreichen. Diese Synchronisierung ist grundlegend für den berührungslosen Betrieb der Pumpe.

Wellendichtungen: Dichtungen verhindern das Eindringen von Luft in die Vakuumkammer und die Verunreinigung des Prozesses durch Schmierstoffe. Die Wahl der Dichtung hängt vom erforderlichen Vakuumniveau und der jeweiligen Anwendung ab.

Die Bedeutung präziser Abstände

Der Begriff „Spiel“ bezeichnet die winzigen, berechneten Spalte zwischen den Rotoren und zwischen den Rotoren und dem Gehäuse. Diese Spalte sind das Geheimnis des Erfolgs der Pumpe. Sie ermöglichen es den Rotoren, sich reibungslos mit hohen Drehzahlen zu drehen, was viele Vorteile bietet:
Schneller Start
Geringer Stromverbrauch
Hohe Pumpgeschwindigkeit
Niedrige Betriebs- und Wartungskosten
Diese Toleranzen müssen jedoch exakt eingehalten werden. Im Betrieb erzeugt die Pumpe Wärme. Diese Wärme führt zur Ausdehnung der Metallkomponenten, einem Vorgang, der als thermische Ausdehnung bekannt ist. Durch die Ausdehnung von Rotor und Gehäuse verringern sich die Toleranzen zwischen ihnen.
Warnung: Sind die Spaltmaße aufgrund von Wärmeausdehnung oder fehlerhafter Montage zu gering, können die Rotoren miteinander oder mit dem Gehäuse in Kontakt kommen. Dies führt zu Reibung, Bauteilschäden, erhöhter Motorbelastung und kann zum Festfressen der Pumpe führen. Umgekehrt ermöglichen zu große Spaltmaße, dass Gas vom Auslass zurück zum Einlass strömt, was die Pumpeneffizienz stark reduziert.
Durch eine sachgemäße Konstruktion und Materialauswahl wird sichergestellt, dass eine Roots-Vakuumpumpe über ihren gesamten Betriebstemperaturbereich optimale Spaltmaße beibehält und somit eine zuverlässige und effiziente Leistung erbringt.