Alles over Vacuüm en Vacuümpompen

Vacuüm, een term die vaak wordt geassocieerd met de uitgestrekte ruimte, is in de techniek en wetenschap een essentieel concept met talloze toepassingen. In de kern verwijst het naar een ruimte waarin de druk aanzienlijk lager is dan de omgevingsdruk, of zelfs nagenoeg nul. Het creëren en handhaven van zo'n lage druk, ook wel onderdruk genoemd, vereist gespecialiseerde apparatuur: de vacuümpomp. Deze pompen zijn de stille krachtpatsers achter een breed scala aan processen, van de productie van alledaagse objecten tot geavanceerd wetenschappelijk onderzoek.

Wat is Vacuüm?

De meest fundamentele definitie van een vacuüm of luchtledige is een ruimte die vrij is van lucht of enig ander gas. In zo'n ideale situatie zou de druk precies 0 pascal (Pa) bedragen. In de praktijk is een 'perfect' vacuüm echter extreem moeilijk, zo niet onmogelijk, te bereiken. Daarom spreken we in de techniek van vacuüm wanneer de druk in een ruimte lager is dan de atmosferische druk. Deze onderdruk kan variëren van bijna 0 Pa tot net onder de 100.000 Pa (1 bar, de standaard atmosferische druk op zeeniveau).

Om de grootte of het 'niveau' van een vacuüm te kwantificeren, wordt het ingedeeld in verschillende klassen, gebaseerd op de absolute druk die wordt bereikt. De eenheid pascal (Pa) is de SI-eenheid voor druk, maar in de vacuümtechniek wordt ook vaak de verouderde eenheid torr (gelijk aan ongeveer 1 millimeter kwik, mm Hg) gebruikt.

De Vier Klassen van Vacuüm

Afhankelijk van de bereikte druk onderscheiden we vier hoofdklassen van vacuüm:

• Laag of Grof Vacuüm: Dit omvat drukken van de atmosferische druk (ongeveer 10⁵ Pa of 1000 mbar) tot 10² Pa (1 mbar). Dit niveau is relatief eenvoudig te bereiken en wordt vaak gebruikt voor processen die geen extreem lage drukken vereisen, zoals het afzuigen van lucht uit verpakkingen of het voorbereiden van systemen voor diepere vacuümprocessen.
• Midden- of Fijn Vacuüm: Hier spreken we van drukken tussen 10² Pa en 10^-1 Pa (0,001 mbar). Dit bereik is al aanzienlijk lager dan atmosferische druk en wordt toegepast in processen zoals vacuümdrogen, destillatie en sommige coatingsprocessen.
• Hoog Vacuüm: Drukken van 10^-1 Pa tot 10^-5 Pa vallen onder hoog vacuüm. Op dit niveau zijn er al veel minder gasmoleculen aanwezig. Toepassingen zijn onder andere de productie van vacuümbuizen, halfgeleiders, metallisatie en diverse wetenschappelijke experimenten waar zuivere omstandigheden cruciaal zijn.
• Ultrahoog Vacuüm (UHV): Dit is het meest extreme vacuüm, met drukken lager dan 10^-5 Pa. In sommige gespecialiseerde systemen kunnen zelfs drukken van 10^-11 mbar of lager worden bereikt. UHV is essentieel voor geavanceerd onderzoek in de oppervlaktefysica, deeltjesversnellers, en de productie van extreem zuivere materialen, waar zelfs de kleinste verontreiniging door gasmoleculen onacceptabel is.

Toepassingen van Vacuümpompen

De veelzijdigheid van vacuüm maakt vacuümpompen onmisbaar in een breed scala aan industriële en wetenschappelijke sectoren. De mogelijkheid om gassen te verwijderen of een gecontroleerde atmosfeer te creëren, opent de deuren naar talloze processen die anders onmogelijk zouden zijn. Hieronder enkele belangrijke toepassingsgebieden:

• Elektrische Lampen en Vacuümbuizen: Voor de productie van gloeilampen, fluorescentielampen en de nu minder gangbare vacuümbuizen (bijvoorbeeld kathodestraalbuizen in oude televisies) is een vacuüm cruciaal. Het voorkomt oxidatie van de gloeidraad en verbetert de efficiëntie en levensduur van het apparaat.
• Gasbeheer: Vacuümpompen worden gebruikt wanneer een apparaat moet worden bijgevuld met een specifiek gas (bijvoorbeeld inert gas in lampen of speciale gasmengsels in sensoren) of wanneer een gasmengsel volledig moet worden geëvacueerd om een zuivere omgeving te creëren.
• Mechanische Aandrijving en Servo's: In voertuigen speelt vacuüm een belangrijke rol. In dieselauto's genereert een pomp, vaak aangesloten op de nokkenas, vacuüm voor diverse systemen. Benzineauto's benutten het vacuüm dat als bijproduct van de motorinlaat ontstaat om als servo te dienen voor het rempedaal, wat de remkracht aanzienlijk verhoogt.
• Luchtvaart: In vliegtuigen is de vacuümbron essentieel voor de aandrijving van gyroscopen in diverse vluchtinstrumenten. Om te voorkomen dat een elektrisch defect leidt tot volledig verlies van instrumentatie, worden controledashboards vaak uitgerust met zowel elektrisch als vacuüm aangedreven instrumenten, wat de veiligheid verhoogt.
• Voedselverpakking: Vacuümverpakkingen verlengen de houdbaarheid van voedsel aanzienlijk door zuurstof te verwijderen, wat de groei van bacteriën en schimmels remt.
• Medische en Farmaceutische Industrie: Voor sterilisatieprocessen, het hanteren van gevoelige materialen, en in laboratoriumapparatuur zoals vriesdrogers.
• Halfgeleiderindustrie: De productie van microchips en andere elektronische componenten vereist extreem zuivere vacuümomstandigheden om verontreiniging te voorkomen en de integriteit van de delicate structuren te waarborgen.
• Coating en Metallisatie: Processen zoals PVD (Physical Vapor Deposition) en CVD (Chemical Vapor Deposition) die dunne lagen materiaal aanbrengen, vinden plaats onder vacuüm om zuiverheid en hechting te optimaliseren.
• Chemische Processen: Vacuüm wordt gebruikt in destillatie, droogprocessen en filtratie om de verdampingstemperatuur te verlagen, wat energie bespaart en temperatuurgevoelige stoffen beschermt.

Soorten Vacuümpompen

De wereld van vacuümpompen is divers, met elk type ontworpen voor specifieke toepassingen en vacuümniveaus. De keuze van de juiste pomp hangt af van factoren zoals de gewenste druk, de aard van de te verpompen gassen (bijvoorbeeld droog, vochtig, corrosief), de capaciteit en de operationele kosten. Hieronder bespreken we de meest voorkomende typen vacuümpompen.

Zelfaanzuigende Centrifugaalpompen (Voor Vloeistoffen, Niet Primair voor Vacuüm)

Hoewel de term 'vacuümpomp' hierin voorkomt, is het belangrijk op te merken dat zelfaanzuigende centrifugaalpompen primair zijn ontworpen voor het verpompen van vloeistoffen en niet voor het creëren van vacuüm in gassystemen. Ze werken door middel van een draaiend rad (waaier) dat vloeistof door centrifugale krachten verplaatst. Een essentieel kenmerk is dat ze vloeistof niet kunnen aanzuigen als de rotor niet al omringd is met vloeistof. Dit maakt ze ongeschikt voor het evacueren van gassen uit een droog systeem om een vacuüm te genereren. Ze worden echter wel gebruikt in vloeistofcircuits die deel uitmaken van grotere systemen die indirect met vacuüm te maken kunnen hebben, bijvoorbeeld als spervloeistofpomp in vloeistofringpompen.

Vloeistofringvacuümpompen

Vloeistofringvacuümpompen zijn robuuste en betrouwbare vacuümpompen die zowel enkel- als dubbeltraps verkrijgbaar zijn. Hun werkingsprincipe is gebaseerd op een excentrisch geplaatste waaier in een pomphuis, die een ring van vloeistof (meestal water, maar ook olie, glycol of oplosmiddelen) creëert. De schoepen van de waaier duwen het gas in de ruimtes tussen de schoepen en de vloeistofring. Door de excentrische plaatsing worden deze ruimtes groter (aanzuig) en kleiner (compressie), waardoor gas wordt aangezogen en vervolgens via de afvoer wordt geperst.

Voordelen:

• Eenvoudige constructie met weinig bewegende, contactvrije onderdelen, wat resulteert in minimale slijtage en een lange levensduur.
• Laag geluidsniveau.
• Uitermate geschikt voor het verpompen van grote volumes dampen, condenseerbare gassen en zelfs kleine hoeveelheden vloeistoffen zonder verlies van capaciteit of mechanische betrouwbaarheid.
• Als water als spervloeistof wordt gebruikt, wordt het afgezogen gas 'schoon gewassen', wat resulteert in 100% olievrije en koolstofvrije uitgeblazen lucht.
• Kan vacuüm lager dan 33 mbar(a) bereiken, en in combinatie met ejectoren en/of vacuümboosters zelfs lager dan 1 mbar(a).

Nadelen:

• Vereist een spervloeistof die continu moet worden aangevoerd en eventueel moet worden afgevoerd of gerecirculeerd. Dit kan leiden tot waterverbruik of de noodzaak van een koelsysteem.

Rootsblowers (Vacuümboosters)

Een Rootscompressor, of Rootsblower, is een positieve verdringingspomp voor gassen die vaak wordt ingezet als vacuümbooster of als eerste trap in combinatie met een klassieke vacuümpomp (backing pomp). Ze werken door twee roterende lobben (vroeger twee, nu meestal drie) die gas tussen zich insluiten en transporteren. De lobben draaien contactvrij, wat slijtage minimaliseert.

Voordelen:

• Drielobbige uitvoeringen produceren minder geluid dan tweelobbige.
• Zeer energie-efficiënt in het ruwe vacuümsegment (tussen 80 mbar en 0,01 mbar), met een laag energieverbruik bij een hoge opbrengst.
• Verhogen de pompsnelheid en het uiteindelijke vacuüm van de backing pomp aanzienlijk.

Nadelen:

• Drielobbige modellen zijn duurder in aanschaf.
• Kunnen niet zelfstandig een diep vacuüm creëren en moeten altijd in serie worden geplaatst met een andere pomp (bijv. een oliegesmeerde schottenpomp of vloeistofringvacuümpomp) die als backing pomp fungeert.

Membraanvacuümpompen (Diafragmacompressoren)

De membraanvacuümpomp is een variant van de zuigercompressor, maar in plaats van een zuiger met zuigerringen wordt de compressie van het gas verzorgd door het heen en weer bewegen van een flexibel membraan. Dit membraan wordt aangedreven door een kruk-drijfstangmechanisme.

Voordelen:

• Alleen het membraan en het pomphuis komen in contact met het afgepompte gas, wat deze constructie uitermate geschikt maakt voor het verpompen van corrosieve of gevaarlijke gassen.
• Produceert olievrije perslucht of vacuüm, wat essentieel is voor toepassingen waar zuiverheid van het gas cruciaal is (bijv. in laboratoria, medische apparatuur).
• Laag onderhoud door het ontbreken van wrijvingsonderdelen in de gasstroom.

Nadelen:

• Lagere capaciteit en minder diep vacuüm dan veel andere pomptypen.

Palettenpompen (Schottenpompen) voor Lage Vacuümniveaus

Schottenpompen, ook wel palettenpompen genoemd, zijn veelgebruikte pompen voor het genereren van vacuüm. Ze bestaan uit een excentrisch geplaatste rotor in een pomphuis. In de rotor zijn schotten (paletten) geplaatst die door veren, hydraulische druk of centrifugaalkracht naar buiten worden gedrukt tegen de stator (het pomphuis). Tijdens het roteren vormen de rotor, de stator en twee schotten kamers die afwisselend groter (aanzuig) en kleiner (compressie) worden, waardoor lucht of gas wordt verpompt.

Voordelen:

• Redelijk rendement en in staat om redelijk lage drukken te bereiken.
• Relatief gunstig in aanschaf en onderhoud.
• Compacte constructie.

Nadelen:

• Vaak oliegesmeerd, wat betekent dat de uitgeblazen lucht oliedampen kan bevatten, tenzij speciale olievrije versies worden gebruikt.
• Minder geschikt voor extreem diepe vacuüms.

Zuigerpompen

Zuigercompressoren zijn een veelvoorkomend type compressor dat ook voor vacuümdoeleinden kan worden ingezet. Ze werken door een heen en weer bewegende zuiger in een cilinder die het gas comprimeert of evacueert. De inlaat- en uitlaatkleppen controleren de gasstroom.

Voordelen:

• Robuust en betrouwbaar.
• Goede efficiëntie voor middelgrote vacuümniveaus.

Nadelen:

• Het grootste nadeel is de aanwezigheid van olie in de geproduceerde uitlaatlucht, wat ze ongeschikt maakt voor toepassingen die een olievrij proces vereisen.
• Hoger geluidsniveau en meer trillingen dan sommige andere typen.

Waterstraalpompen voor Hogere Vacuümniveaus

Een waterstraalpomp is een zeer eenvoudige vacuümpomp, vaak gebruikt in laboratoria. Het principe berust op het Venturi-effect en de wet van Bernoulli. Een straal water spuit uit een smal straalstuk in een bredere afvoerbuis. Hierdoor ontstaat een onderdruk in de holle ruimte aan de zijkant, waardoor lucht wordt meegezogen.

Voordelen:

• Zeer eenvoudig van constructie en gebruik.
• Geen bewegende delen, dus minimale slijtage.
• Goedkoop in aanschaf.

Nadelen:

• Vereist veel water, omdat het direct op de kraan wordt aangesloten.
• Het bereikbare vacuüm is niet erg hoog (meestal rond de dampdruk van water, ca. 15-20 mbar bij kamertemperatuur).
• Beperkt in toepassingen tot eenvoudige laboratoriumprocessen zoals het afzuigen van filters of het creëren van een licht vacuüm.

Stoomejectoren

Een injector of ejector, vaak een stoomejector genoemd, is een pomp die eveneens gebruikmaakt van het Venturi-effect, vergelijkbaar met de waterstraalpomp, maar dan met stoom of een ander gas als motorfluïdum. Een hogesnelheidsstraal van stoom creëert een lage drukzone, waardoor procesgas wordt aangezogen en vervolgens met de stoom wordt afgevoerd.

Voordelen:

• Robuust en betrouwbaar, met geen bewegende delen.
• Geschikt voor grote gasvolumes en corrosieve of gevaarlijke gassen, omdat er geen mechanisch contact is.
• Kan zeer diepe vacuüms bereiken, vooral in meertrapsconfiguraties.

Nadelen:

• Vereist een bron van hogedrukstoom of een ander motorfluïdum.
• Hoger energieverbruik dan mechanische pompen voor vergelijkbare prestaties.

Zijkanaalventilatoren

De zijkanaalventilator werkt volgens het impulsprincipe. Een snel draaiende waaier geeft snelheidsenergie af aan het gas, wat wordt omgezet in een drukverschil. Luchtmoleculen worden door de schoepen van de waaier in het zogenaamde zijkanaal geduwd, wat een spiraalvormige beweging van de lucht in het ventilatorhuis veroorzaakt. De aan- en afvoer van lucht gebeurt via een geluiddemper die het geluidsniveau aanzienlijk reduceert.

Eigenschappen en Voordelen:

• Contactvrije compressie: Geen slijtage van interne delen.
• Droge olievrije compressie: Geen oliecontaminatie van het procesgas.
• Trillingsarme werking en zeer laag geluidsniveau.
• Toepasbaar als zowel vacuümpomp als blower.
• Capaciteiten tot 2000 m³/uur.
• Drukverschillen van 0 tot 600 mbar.
• Directgekoppelde elektromotor voor efficiëntie en compactheid.
• Uitgevoerd in aluminium: laag gewicht en hoge corrosiebestendigheid.

Nadelen:

• Minder geschikt voor zeer diepe vacuüms (meestal tot midden-vacuüm).

Ionisatiesputterpompen (Ionengetterpompen)

Ionisatiesputterpompen, ook wel ionengetterpompen genoemd, zijn gespecialiseerde pompen die worden gebruikt om ultrahoog vacuüm te bereiken en te handhaven. Ze werken door gasmoleculen te ioniseren en vervolgens de ionen te sputteren (versnellen) naar een metalen gasbinder (getter-materiaal), meestal titanium. De gasmoleculen worden chemisch of fysisch aan het getter-oppervlak gebonden, waardoor ze uit de gasfase worden verwijderd.

Voordelen:

• Kunnen extreem lage drukken behalen, tot wel 10^-11 mbar onder ideale condities.
• Geen bewegende delen, wat resulteert in trillingsvrije en olievrije werking.
• Zeer geschikt voor het handhaven van UHV in gesloten systemen.

Nadelen:

• Relatief lage pompsnelheid vergeleken met mechanische pompen, vooral bij hogere drukken.
• Niet geschikt als primaire pomp; vereisen een backing pomp om eerst een hoog vacuüm te creëren.
• Beperkte capaciteit voor het omgaan met grote hoeveelheden gas.

Vergelijking van Vacuümpompen

De keuze voor de juiste vacuümpomp is cruciaal en hangt af van de specifieke eisen van de toepassing. Onderstaande tabel geeft een beknopt overzicht van de kenmerken van de besproken pomptypen:

Veelgestelde Vragen over Vacuüm en Pompen

1. Wat is het verschil tussen absoluut en technisch vacuüm?

Absoluut vacuüm is een theoretische toestand waarin er absoluut geen gasmoleculen aanwezig zijn, wat resulteert in een druk van 0 pascal. Technisch vacuüm daarentegen verwijst naar elke druk die lager is dan de atmosferische druk. In de praktijk is absoluut vacuüm onhaalbaar; we werken altijd met technisch vacuüm, dat in verschillende klassen wordt ingedeeld afhankelijk van hoe dicht het de 0 Pa nadert.

2. Waarom zijn er zoveel verschillende typen vacuümpompen?

De diversiteit aan vacuümpompen komt voort uit de uiteenlopende eisen van verschillende toepassingen. Geen enkele pomp is geschikt voor alle vacuümniveaus of alle soorten gassen. Factoren zoals de benodigde einddruk, de pompsnelheid, de aard van het te verpompen medium (droog, nat, corrosief), de behoefte aan olievrije processen, en de bedrijfskosten bepalen welke pomp het meest geschikt is voor een specifieke taak.

3. Wat betekent 'backing pomp' en waarom is die nodig?

Een 'backing pomp' is een voorvacuümpomp die wordt gebruikt in combinatie met een hoog- of ultrahoogvacuümpomp (zoals Rootsblowers, ionisatiesputterpompen of turbomoleculaire pompen). Deze dieper-vacuümpompen kunnen pas effectief werken wanneer de druk in het systeem al tot een bepaald (lager) niveau is gebracht door de backing pomp. De backing pomp creëert het initiële vacuüm, waarna de hoofd-vacuümpomp het systeem verder kan evacueren tot het gewenste, zeer lage drukniveau.

4. Zijn olievrije vacuümpompen altijd beter?

Niet noodzakelijk 'beter' in alle opzichten, maar olievrije vacuümpompen zijn essentieel voor toepassingen waar elke vorm van oliecontaminatie van het proces of het product onacceptabel is. Denk hierbij aan de halfgeleiderindustrie, farmaceutische productie, medische apparatuur of analytische instrumenten. Voor minder gevoelige toepassingen kunnen oliegesmeerde pompen kosteneffectiever zijn en hogere prestaties bieden voor hun prijsklasse, maar ze vereisen wel regelmatiger onderhoud en de uitlaatlucht moet soms worden gefilterd.

5. Welke rol speelt de 'spervloeistof' in vloeistofringvacuümpompen?

De spervloeistof (meestal water) in een vloeistofringvacuümpomp vormt een dynamische ring die als afdichting en compressiemedium fungeert. Door de rotatie van de waaier wordt de vloeistof tegen de wand van het pomphuis geslingerd, waardoor een ring ontstaat. De excentrische plaatsing van de waaier zorgt ervoor dat de ruimtes tussen de schoepen en de vloeistofring afwisselend groter en kleiner worden, waardoor gas wordt aangezogen, gecomprimeerd en afgevoerd. De spervloeistof helpt ook bij het koelen van de pomp en het afvangen van condens of deeltjes uit de gasstroom.

Als je andere artikelen wilt lezen die lijken op Alles over Vacuüm en Vacuümpompen, kun je de categorie Verf bezoeken.