4.9.1.2 Funktionsprinzip Holweckstufe

Die Holweckstufe (Abbildung 4.26) ist eine mehrstufige Gaede`sche Molekularpumpe mit schraubenförmig aufgewickeltem Pumpkanal. Durch die Drehung des Rotors erhalten die in den Pumpkanal eintretenden Gasmoleküle eine Vorzugsgeschwindigkeit in Richtung des Kanals. Rückströmverluste entstehen durch Spalten zwischen den Stegen, die die Holweckkanäle voneinander trennen, und dem Rotor. Die Spaltweiten müssen klein gehalten werden, um die Rückströmung zu minimieren. Als Rotor einer Holweckstufe benutzt man zylindrische Hülsen (1), die um schraubenförmige Kanäle im Stator (2) rotieren. Durch Anordnung von Statoren sowohl außerhalb als auch innerhalb des Rotors kann man leicht zwei Holweckstufen in eine Pumpe integrieren. Dies bedeutet, dass die geförderten Gasteilchen außen am Rotor durch die Statorkanäle und anschließend innen am Rotor durch weitere Statorkanäle wieder nach oben transportiert werden, von wo sie dann in einem Sammelkanal zur Vorpumpe gelangen. Moderne Turbopumpen weisen teilweise mehrere dieser „gefalteten“ Holweckstufen auf.

Das Saugvermögen $S_0$ der Holweckstufen ist gleich:

Hierbei ist $b \cdot h$ der Kanalquerschnitt und $v \cdot \mbox{cos}\alpha$ die Geschwindigkeitskomponente in Kanalrichtung.

Das Kompressionsverhältnis steigt mit der Kanallänge L und der Geschwindigkeit $v \cdot \mbox{cos}\alpha$ [4]

Die nach dieser Formel ermittelten Werte werden in realen Holweckstufen nicht erreicht, da die Rückströmung aus dem Nachbarkanal über den Steg das Kompressionsverhältnis drastisch mindert und dieser Einfluss in der Formel 4-13 nicht berücksichtigt wird.

Zum Aufbau eines Turbopumpstands mit Membranpumpen mit einem Enddruck zwischen 0,5 und 5 hPa werden Turbopumpen heute mit Holweckstufen ausgerüstet. Man nennt solche Pumpen Turbodragpumpen. Da man zur Erzeugung niedriger Basisdrücke wegen der hohen Vorverdichtung der Turbopumpe für die Holweckstufen nur noch kleine Saugvermögen braucht, kann man die Förderkanäle und besonders die Kanalhöhe sowie die Abstände zu den Rotoren sehr klein halten und so die Molekularströmung noch bis in den Bereich 1 hPa erhalten. Gleichzeitig werden die Kompressionsverhältnisse für Stickstoff um den erforderlichen Faktor 10³ erhöht. Man erkennt in Abbildung 4.27 die Verschiebung der Kompressionsverhältniskurven um etwa zwei Zehnerpotenzen hin zu höherem Druck.

Abbildung 4.27: Kompressionsverhältnisse von reinen Turbo- und Turbodragpumpen

Bei Turbopumpen, die auf hohen Gasdurchsatz ausgelegt sind, wird ein Kompromiss aus Gasdurchsatz, Vorvakuumverträglichkeit und Partikeltoleranz eingegangen und die Spaltabstände in den Holweckstufen etwas größer dimensioniert.