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Vakuum

Die Drehschieberpumpe als Vorpumpe für Massenspektrometer

| Autor/ Redakteur: Steffen Herrmann* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Um das notwendige Vakuum für Massenspektrometer zu erreichen, werden Turbomolekularpumpen eingesetzt. Für die Erzeugung des Vorvakuums kombiniert man diese mit einer Drehschieberpumpe. Lesen Sie im Beitrag, warum dies die optimale Paarung ist.

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Abb.1: Pumpprinzip einer Drehschieberpumpe (Ausschnitt)
Abb.1: Pumpprinzip einer Drehschieberpumpe (Ausschnitt)
(Bild: Pfeiffer Vacuum)

Die Auswahl der richtigen Vakuumausrüstung spielt eine entscheidende Rolle bei der Ergebnisqualität einer Analyse. Ein sehr breites Anwendungsfeld in der Gasanalyse finden Gaschromatographen mit Massenspektrometerkopplung (GC/MS). Sie werden beispielsweise in der Pharmazie, der Lebensmittelchemie oder der Untersuchung von Proben im Rahmen von Dopingkontrollen eingesetzt.

Nachteilig bei GC/MS-Geräten ist die Tatsache, dass alle zu untersuchenden Substanzen in die Gasphase überführt, das heißt verdampft werden müssen. Ist dies aufgrund der Empfindlichkeit der Proben nicht möglich, muss auf andere Geräte wie zum Beispiel LC/MS-Systeme zurückgegriffen werden.

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Damit die Analyse der Ionen der Proben nicht durch Einflüsse der Luft gestört wird, herrschen im Massenspektrometer Drücke im molekularen Strömungsbereich. Zur Erzeugung dieser Drücke ist ein leistungsstarkes Vakuumsystem notwendig.

Die im Prozess erforderlichen Hochvakuumbedingungen erzeugen Turbomolekularpumpen. Da diese Pumpen nicht gegen atmosphärischen Druck ausstoßen können, benötigen sie zur Funktion eine Vorvakuumpumpe. Die Vorpumpe senkt den Druck, je nach Bauart der Turbomolekularpumpe, auf einen Bereich zwischen einem und 10-2 hPa ab.

Für diese Aufgabe werden seit langer Zeit kostengünstige und zuverlässige Drehschieberpumpen eingesetzt. Ihr Funktionsprinzip ist ein seit Jahrzehnten bewährtes und optimiertes System zur Vakuumerzeugung.

Das Funktionsprinzip von Drehschieberpumpen

Drehschieberpumpen bestehen aus einem Stator, in dem ein Rotor exzentrisch gelagert ist. In den Rotor sind radial zwei oder mehr Schieber eingesetzt, die bei der Drehung des Rotors auf der Statorwand entlanggleiten. Durch die dadurch entstehende Vergrößerung des Schöpfraumes wird Gas angesaugt. Bei der weiteren Drehung des Rotors wird dieses Volumen durch die Verkleinerung des Raums komprimiert und ausgestoßen. Drehschieberpumpen für die Anforderungen der Analytik sind in der Regel ölgedichtet. Das heißt, dass Rotor und Stator zum Teil ölüberlagert sind, um die Spalte zwischen Rotor, Stator und Schiebern zu dichten; dies ist notwendig, um die erforderlichen niedrigen Drücke zu erreichen. Neben der Dichtfunktion dient das Öl zur Abfuhr von Kompressionswärme, zur Schmierung der Lager und zum Transport von Verunreinigungen aus dem Pumpsystem heraus.

Einstufige Konstruktionen erreichen Enddrücke im Bereich von 10-2 hPa. Die möglichen Arbeitsdrücke liegen etwa eine Größenordnung darüber, da die Saugvermögenskennlinie der Drehschieberpumpe im Bereich nah des Enddrucks sehr steil ist. Müssen tiefere Arbeitsdrücke erreicht werden, bieten sich zweistufige Pumpen an, bei denen zwei Pumpstufen in Reihe geschaltet werden. Dadurch sind Enddrücke von bis zu 5 x 10-4 hPa möglich.

Um auch Dämpfe fördern zu können, besitzen die meisten Drehschieberpumpen eine Gasballasteinrichtung. Durch diese kann eine kleine Menge Luft oder Stickstoff in die Kompressionsphase eingelassen werden. Auf diese Weise wird der Kondensationspunkt des Pumpmediums angehoben. Dies vermeidet die Bildung von Flüssigkeit innerhalb der Pumpe, was schädlich für das Öl sein kann.

Mit dem umfangreichen Zubehör sind Drehschieberpumpen an viele Prozesse anpassbar. Ein Ölnebelfilter am Auspuff scheidet kleinste Öltröpfchen ab, die bei hohen Gasdurchsätzen aus dem Pumpenauspuff mitgerissen werden. Weiterhin sind Adsorptionsfallen am Einlass der Pumpe gebräuchlich, die zum einen Stoffe aus dem Fördermedium vor der Pumpe abscheiden, zum anderen aber auch das Zurückströmen von Öldämpfen aus der Pumpe verhindern.

Drehschieberpumpen werden wegen ihrer Robustheit sehr geschätzt. Oft überdauern sie die Lebensdauer der Analysegeräte, da außer dem Ölwechsel nur wenige Wartungsarbeiten erforderlich sind. Auch der Anschaffungspreis und die Fähigkeit, nahezu alle Gase mit der gleichen Pumpgeschwindigkeit zu pumpen, tragen dazu bei, dass Drehschieberpumpen jetzt und in Zukunft eine breite Anwendungsbasis in der Analytik haben werden.

* S. Herrmann: Pfeiffer Vacuum, 35614 Aßlar

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