Funktionen von Öl in Drehschieber-Vakuumpumpen: Abdichtung, Schmierung und Kühlung

Wenn eine ölabgedichtete Drehschieber-Vakuumpumpe bei 5 mbar stehen bleibt, anstatt auf ihren Nennenddruck von etwa 0,5 mbar abzusinken, prüft ein erfahrener Techniker das Öl, bevor er die Flügel, den Motor oder die Kupplung berührt. Bei dieser Pumpenkonstruktion ist Öl ein Arbeitselement innerhalb der Pumpenkammer und kein Schmiermittel, das an den Rändern verklumpt, und das Vakuummeter ist normalerweise der erste Ort, an dem sich eine fehlerhafte Ölfunktion zeigt.

Wenn Sie verstehen, was das Öl tatsächlich bewirkt, lassen sich Ölauswahl, Zustandsüberwachung und Wechselintervalle viel einfacher verteidigen – unabhängig davon, ob Sie Pumpen kaufen oder diese rund um die Uhr betreiben.

Wohin das Öl tatsächlich in die Pumpe gelangt

Eine Drehschieber-Vakuumpumpe ist eine Verdrängermaschine. Ein exzentrischer Rotor dreht sich in einem zylindrischen Stator, und Flügel, die in durch den Rotor geschnittenen Schlitzen gleiten, unterteilen den Rotor-Stator-Raum in Kammern, die am Einlass wachsen und zum Auslass hin kleiner werden. Da es keine Kolbenringe oder dynamischen Dichtungen gibt, auf die man sich verlassen kann, ist die Maschine darauf angewiesen, dass Abstände von nur Hundertstel Millimetern effektiv geschlossen bleiben – und Öl, das kontinuierlich in die Pumpkammer geleitet wird, ist das, was sie schließt. Sobald es drin ist, wandert es zu vier kritischen Lücken:

• die Schaufelspitzen drücken gegen die Statorwand,
• die Flügelenden gleiten in den Rotorschlitzen,
• der halbmondförmige Spalt zwischen Rotor und Stator,
• der Auslassventilsitz, der zwischen den Kompressionszyklen gegen Vakuum geschlossen bleiben muss.

1. Der Ölfilm dichtet die Schaufelspitze gegen die Statorwand ab.
2. Öl dichtet den größten Spalt auf der Saugseite des Rotors ab.
3. Öl überflutet den schmalen Halbmond, wo der Rotor den Stator fast berührt.

Das gleiche Flügelzellenprinzip funktioniert auch bei Überdruck: Es ist das Herzstück des Drehschiebergebläses, das saubere Luft bei der Wasseraufbereitung und im Niederdruck-Pneumatikbetrieb bewegt, wo die Anforderungen an die Dichtung weitaus geringer sind. Unter Vakuum wird die identische Geometrie unnachgiebig – jede Lücke, die der Ölfilm nicht überbrücken kann, erscheint direkt als verlorener Enddruck.

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Die vier Funktionen von Öl in einer Drehschieber-Vakuumpumpe

Versiegelung

Versiegelung is the function that makes vacuum possible. The oil film between vane tip and stator is only microns thick, yet it holds back a pressure difference of up to roughly 1,000 mbar between adjacent chambers. If the film breaks, gas slips backward from the compression side to the inlet side; the pump keeps turning while the needle refuses to fall. Oil also keeps the exhaust valve seated until chamber pressure exceeds it.

Schmierung

Jeder Flügel gleitet aus seinem Schlitz und gleitet zweimal pro Umdrehung mit echter Gleitgeschwindigkeit an der Statorwand entlang. Die Ölschicht ersetzt den Metall-zu-Metall-Kontakt durch Flüssigkeitsreibung, sorgt dafür, dass der Schaufel- und Schlitzverschleiß vorhersehbar bleibt und dient auch den Rotorlagern und Wellendichtungen. Geht der Ölstand einer Pumpe zur Neige, kündigt sie das Problem hörbar an – ein Rasseln oder Klopfen – lange bevor sie festsitzt.

Kühlung

Öl absorbiert die Wärme der Gaskompression und transportiert sie zum Pumpengehäuse oder bei größeren Modellen zu einem externen oder wassergekühlten Kreislauf und löscht die heißeste Stelle in der Maschine: das durch das Ventil austretende Druckgas. Aus diesem Grund wird die Ölgehäusetemperatur als Gesundheitsindikator betrachtet, wobei viele Hersteller maximale Gehäusetemperaturen im Bereich von 80–95 °C angeben. Wo bereits Anlagenwasserkreisläufe vorhanden sind, sorgt ein Umlaufkühlsystem dafür, dass die Öltemperatur – und damit die Ölviskosität – über lange Betriebszyklen hinweg stabil bleibt.

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Korrosionsschutz

Schließlich trägt jede Innenfläche einen Ölfilm, der Kondensat und aggressive Dämpfe vom blanken Metall fernhält. Dies ist nach einem Nassbetrieb oder einer Abschaltung am wichtigsten: Restwasser kondensiert, wenn sich der Druck ausgleicht, und eine ungeschützte Pumpe kann über Nacht rosten und beim nächsten Start ihre Flügel lösen.

Was Vakuumpumpenöl von gewöhnlichem Öl unterscheidet

Die Eigenschaft, die am meisten zählt, ist der Dampfdruck, nicht die Hochdruckzusätze. Wenn eine Pumpe für einen Druck von 0,01 mbar ausgelegt ist, muss das Öl selbst bei Betriebstemperatur unter diesem Dampfdruck bleiben, sonst gibt die Pumpe Öldampf ab und zieht nie nach unten. Spezielle Drehschieberöle sind daher hochraffinierte Mineralqualitäten, am häufigsten ISO VG 46 bis VG 68, wobei Feinvakuumvarianten weiter destilliert werden, bis ihr Dampfdruck um Größenordnungen unter dem Nennenddruck der Pumpe liegt.

Die Viskosität zieht in die entgegengesetzte Richtung. Zu dünnflüssiges Öl verliert bei Betriebstemperatur die Dichtwirkung; Zu dickes Öl lässt die Flügel beim Kaltstart träge werden, erhöht die Leistungsaufnahme und überlastet den Abgasölnebelabscheider. Synthetische Typen – Ester oder Perfluorpolyether für aggressive Chemikalien – verlängern die Wechselintervalle und widerstehen der Oxidation, und das zu einem um ein Vielfaches höheren Preis.

Das Gasballastventil arbeitet direkt mit dem Öl. Bei feuchtem Betrieb gelangt durch das Öffnen des Ballasts etwas Luft in die Kompressionsstufe, so dass Wasserdampf durch den Auspuff austritt, bevor er im Öl kondensiert – der Standardschutz gegen die unten beschriebene milchige Emulsion, allerdings auf Kosten eines etwas höheren erreichbaren Enddrucks.

Wie sich Pumpenöl verschlechtert – und was jeder Ausfall kostet

Das Öl in einer Drehschieberpumpe lebt im Prozess: Alles, was der Einlass aufnimmt, kommt damit in Kontakt. Vier Verschlechterungsmuster verursachen die meisten Serviceeinsätze im Zusammenhang mit Öl:

• Wasserdampf bildet eine bräunliche bis milchige Emulsion. Emulgiertes Öl verliert zunächst seine Dichtfähigkeit, so dass der Enddruck Tage vor dem Auftreten mechanischer Symptome ansteigt.
• Lösungsmittel und Kohlenwasserstoffe verdünnen das Öl, verdünnen die Dichtungen und erhöhen den Rückstrom in die Kammer.
• Staub und Verschleißpartikel wirken als Läpppaste zwischen Leitschaufeln und Stator und beschleunigen Schlitzverschleiß und Riefenbildung.
• Oxidation und Lack durch anhaltende Überhitzung machen die Flügel klebrig und erhöhen das Anlaufdrehmoment.

Die praktische Reaktion ist eher routinemäßig als heroisch. Überprüfen Sie wöchentlich den Ölstand und die Ölfarbe durch das Schauglas, lassen Sie den Gasballast nach nassen Chargen laufen, wechseln Sie das Öl heiß, damit schwebende Verunreinigungen zurückbleiben, und ersetzen Sie den Ölnebelabscheider in den im Handbuch angegebenen Intervallen. Erwarten Sie den ersten Wechsel frühzeitig – üblicherweise innerhalb der ersten 100 bis 500 Betriebsstunden, während eine neue Pumpe Einlaufpartikel abstößt – und dann in Intervallen von etwa 1.000 bis 4.000 Stunden, je nach Ölqualität und Prozessreinheit. Gemessen an einem festsitzenden Flügelsatz oder einem beschädigten Stator ist ein Ölwechsel der günstigste Punkt im Wartungsplan.

Wenn der Prozess ohne Öl besser läuft

Alles, was Öl in der Pumpe gut macht, definiert seine Schwäche an der Vakuumgrenze: Im Gasweg ist immer eine Spur Öl vorhanden, sei es als Rückstrom in die Kammer oder als Nebel im Auslass. Bei Lebensmittelverpackungen, pharmazeutischer Gefriertrocknung, Elektronik und Laborinstrumenten stellen diese Spuren ein Kontaminationsrisiko und dauerhafte Betriebskosten dar.

Es gibt zwei Antworten. Die erste hält die ölabgedichtete Pumpe und verwaltet das Öl mit Nebelabscheidern, Ölrückführungssystemen und Adsorptionsfallen. Beim zweiten Verfahren wird das Öl vollständig aus der Pumpkammer entfernt: Eine Roots-Vakuumpumpe betreibt eine trockene Pumpkammer mit Getriebe- und Lagerschmierung, die außerhalb des Vakuumraums isoliert ist, weshalb sie häufig als Trockenverstärker gegenüber einer ölgedichteten Vorvakuumpumpe eingesetzt wird. Wir untersuchen diesen Kompromiss, wenn wir die Leistung einer Roots-Vakuumpumpe mit einer Drehschieberpumpe in realen Anwendungen vergleichen. Bei großen Trockendurchflüssen lohnt es sich auch zu prüfen, ob ölfreie Schraubenmaschinen direkt Vakuumaufgaben übernehmen können.

Roots-Vakuumpumpe als Trockenbooster Mit einer Förderleistung von 0,6 bis 713,8 m3/min, einer trockenen Pumpkammer und isolierter Getriebeschmierung steigert diese Wälzkolbenpumpe große Fördermengen im Vergleich zu einer ölgedichteten Vorvakuumpumpe, wenn Produktsauberkeit oder Ölwartungskosten ausschlaggebend sind. Produkt anzeigen →

Als Hersteller sowohl von Roots-Vakuumpumpeneinheiten als auch von Flügelzellenmaschinen sehen wir, dass diese Entscheidung weniger durch Technologiepräferenzen als vielmehr durch zwei Zahlen entschieden wird: wie sauber das Produkt bleiben muss und wie hoch die Ölwartungskosten pro Jahr sind.

Eine praktische Öl-Checkliste

Öl ist in einer Drehschieber-Vakuumpumpe das Dichtungselement, das Schmiermittel, das Kühlmittel und die Korrosionsbarriere zugleich und somit das wichtigste Verbrauchsmaterial der Pumpe. Verwalten Sie es entsprechend:

• Verwenden Sie nur die im Pumpenhandbuch angegebene Ölsorte; Substitution ist eine falsche Ökonomie auf Vakuumebene.
• Überprüfen Sie wöchentlich den Ölstand und die Farbe und protokollieren Sie gleichzeitig den Enddrucktrend.
• Lassen Sie den Gasballast nach nassen oder lösungsmittelreichen Chargen laufen, um Kondensat auszuspülen.
• Wechseln Sie das Öl warm und wechseln Sie damit auch den Ölnebelabscheider.
• Behandeln Sie milchiges, dunkles oder schaumiges Öl als einen Zustand, der unbedingt untersucht werden muss, und nicht als Hinweis für den nächsten Monat.

Auf diese Weise wird das Ölsystem zu einer günstigen Versicherung und nicht zu einer wiederkehrenden Sorge. Wenn Sie Vakuumgeräte für die Tissue-Produktion, den Einsatz in Abwasseranlagen oder einen anderen kontinuierlichen Prozess spezifizieren und eine zweite Meinung zur Auswahl oder ölbezogenen Wartungsplanung wünschen, unterstützt unser Technikteam Kunden von der Modellauswahl über die Installation bis hin zum Rückbesuchsservice – eine Gewohnheit, die auf drei Jahrzehnten Erfahrung mit Roots- und Flügelzellenmaschinen basiert.