Wie funktioniert eine Roots-Vakuumpumpe?

Wer in Branchen wie der Halbleiterfertigung, der Vakuumbeschichtung oder der großtechnischen chemischen Verarbeitung tätig ist, kennt wahrscheinlich Roots-Vakuumpumpen – oft auch „Roots-Gebläse“ oder „Vakuumverstärker“ genannt. Diese Pumpen sind unverzichtbar, wenn es darum geht, große Gasmengen schnell im mittleren Vakuumbereich zu bewegen. Doch eines ist klar: Sie funktionieren nicht allein. Schauen wir uns genauer an, wie diese Pumpen arbeiten und warum sie fast immer Teil eines Teams sind.

Das Kernkonzept: Positive Verdrängung ohne innere Kompression

Anders als Pumpen, die Gas intern komprimieren, bevor sie es ausstoßen, arbeitet eine Roots-Pumpe nach einem anderen Prinzip. Es handelt sich um eine rotierende Verdrängerpumpe, die Gas transportiert, anstatt es intern zu komprimieren. Man kann sie sich weniger wie einen Kompressor vorstellen, sondern eher wie eine Hochgeschwindigkeitspumpe, die zufällig ein Vakuum erzeugt, da der Einlass mit einer Kammer und der Auslass mit einer Vorförderpumpe verbunden ist.

Hauptkomponenten

Achterrotoren: Zwei symmetrisch geformte Rotoren – üblicherweise mit zwei oder drei Rotorblättern – die im Querschnitt einer Acht ähneln. Sie sind auf parallelen Wellen montiert und drehen sich in entgegengesetzte Richtungen.

Steuerzahnräder: Diese außerhalb der Pumpenkammer angeordneten Präzisionszahnräder synchronisieren die Rotoren, sodass diese eine exakte Phasenausrichtung beibehalten, ohne sich jemals zu berühren.

Gehäuse (Stator): Das Gehäuse, das die Rotoren umschließt, weist extrem geringe Toleranzen auf – typischerweise nur wenige Zehntel Millimeter.

Einlass- und Auslassöffnungen: Hier tritt das Gas ein und hier aus; in der Pumpenkammer befinden sich keine Ventile.

Schritt für Schritt: Der Betriebszyklus

Hier die mechanische Abfolge, während sich die Rotoren mit Drehzahlen zwischen 1.500 und 3.000 Umdrehungen pro Minute drehen.

Phase 1: Ansaugen (Gas strömt ein)

Durch die gegenläufige Rotation der Rotoren lösen sich die Nocken auf der Einlassseite voneinander. Dadurch entsteht ein sich vergrößerndes Volumen zwischen den Rotorflanken und der Gehäusewand. Dieses vergrößerte Volumen senkt den Druck und saugt Gas aus der Prozesskammer an. Da keine Ventile vorhanden sind, erfolgt dieser Vorgang kontinuierlich und gleichmäßig.

Phase 2: Einschließen (Isolieren des Gases)

Sobald die Rotorspitzen die Einlasskante passieren, bildet sich ein kleines Gaspolster zwischen den beiden Rotoren und den Gehäusewänden. Die Rotoren selbst berühren sich nicht – die Abdichtung basiert auf mikroskopisch kleinen Spaltmaßen im Mikrometerbereich. Deshalb können Roots-Pumpen mit hohen Drehzahlen ohne internen Verschleiß betrieben werden: Es findet kein Metall-auf-Metall-Kontakt in der Pumpenkammer statt.

Phase 3: Transport (Bewegen des Gases)

Und jetzt wird es interessant. Anders als Kolbenpumpen, die Gas drücken, transportiert die Roots-Pumpe das eingeschlossene Gas einfach entlang des Gehäuseumfangs von der Einlass- zur Auslassseite. Die Rotoren fungieren dabei wie Förderbänder für die Gaspakete.

Phase 4: Entladung (Abgas)

Wenn die rotierenden Flügel das eingeschlossene Volumen zum Auslass hin öffnen, geschieht etwas Wichtiges: Hochdruckgas aus der Vorförderleitung strömt zurück in die Pumpenkammer. Dieser Rückstrom komprimiert das eingeschlossene Gas nahezu augenblicklich. Anschließend drücken die rotierenden Flügel das nun komprimierte Gas zur Vorförderpumpe.

Das entscheidende Konzept: Keine interne Kompression

Dieses Rückflussphänomen ist das charakteristische Merkmal von Roots-Pumpen. Da sie keine interne Kompression aufweisen – das eingeschlossene Volumen verringert sich beim Fördern nicht – verlässt das Gas die Kammer mit annähernd dem gleichen Druck, mit dem es eingetreten ist. Die eigentliche Kompression erfolgt extern auf zwei Arten:

Durch Rückfluss: Sobald sich die Auslassöffnung öffnet, strömt unter hohem Druck stehendes Gas von der Auslassseite zurück in die Pumpenkammer und komprimiert das eingeschlossene Gas.

An der Vorpumpe: Die nachgeschaltete Pumpe komprimiert das Gas tatsächlich auf Atmosphärendruck.

Deshalb benötigen Roots-Pumpen immer eine Vorförderpumpe (Schraubenpumpe, Schneckenpumpe oder Flüssigkeitsringpumpe). Sie können nicht direkt in die Atmosphäre fördern – der Druckunterschied wäre zu hoch und würde zu Überhitzung und Fressen führen.

Wärmemanagement: Das Problem der Rotorausdehnung

Hier liegt die eigentliche technische Herausforderung bei Roots-Pumpen. Im Betrieb erhitzen sich die Rotoren extrem. Und da sie sich in einer vakuumisolierten Umgebung drehen, sind sie im Vergleich zum Gehäuse schwer zu kühlen.

Das Problem: Dehnen sich die Rotoren aufgrund von Hitze stärker aus als das Gehäuse, blockieren sie. Dies begrenzt den maximalen Differenzdruck, den die Pumpe bewältigen kann – typischerweise 50 bis 130 mbar bei Standardausführungen.

Die Lösungen:

1. Überlaufventile (Bypassventile): Die meisten Roots-Pumpen verfügen über eingebaute Ventile, die sich öffnen, sobald die Druckdifferenz einen zulässigen Grenzwert überschreitet. Diese Ventile leiten einen Teil des Abgases zurück zum Einlass, wodurch die Druckdifferenz begrenzt und eine thermische Überlastung verhindert wird. Dank dieser cleveren Funktion kann die Roots-Pumpe direkt neben der Vorförderpumpe gestartet werden, was die Evakuierung vom Atmosphärendruck deutlich beschleunigt.

2. Gasgekühlte Ausführungen: Für Anwendungen, die eine Kompression gegen die Atmosphäre erfordern, nutzen einige Roots-Pumpen eine Gaskühlung. Dabei wird gekühltes Abgas (nach Durchlaufen eines externen Kühlers) zurück in die Verdichtungskammer geleitet. Dieser künstlich erzeugte Gasstrom führt Wärme ab und ermöglicht so höhere Druckdifferenzen.

Verdichtungsverhältnis und Leistung

Roots-Pumpen erreichen keine so hohen Verdichtungsverhältnisse wie andere Pumpentypen. Typische Leerlaufverdichtungsverhältnisse (K₀) liegen je nach Druck zwischen 5 und 70. Der Grund dafür ist folgender:

Bei hohen Drücken (laminare Strömung): Gas tritt durch die Spalten im Rotorgehäuse zurück. Je höher der Druck, desto größer die Leckage.

Bei niedrigen Drücken (Molekularströmung): Gasmoleküle, die auf der Auslassseite an den Rotoroberflächen adsorbiert sind, desorbieren, wenn sich diese Oberflächen zur Einlassseite drehen, wodurch das Gas effektiv zurückgepumpt wird.

Das bedeutet, dass Roots-Pumpen im Druckbereich von 1 bis 10 hPa am effektivsten sind, da dort die Kompressionsverhältnisse ihren Höchstwert erreichen. Unterhalb von 10⁻⁴ hPa sind sie unpraktisch, da das adsorbierte Gas den Förderstrom übersteigt.

Warum eine Roots-Pumpe verwenden?

Trotz dieser Einschränkungen sind Roots-Pumpen unverzichtbar für:

Hohe Pumpgeschwindigkeiten: Sie bewegen enorme Gasmengen im groben bis mittleren Vakuumbereich (Atmosphärendruck bis hinunter zu etwa 10⁻³ hPa).

Sauberer, trockener Betrieb: Kein Öl oder Dichtungsmittel in der Pumpenkammer bedeutet keine Kontamination Ihres Prozesses.

Partikeltoleranz: Die berührungslose Bauweise bewältigt Staub und Partikel besser als Pumpen mit geringem Abstand.

Kombinationssysteme: In Kombination mit der passenden Vorförderpumpe – Schraubenpumpe für allgemeine Anwendungen, Schraubenpumpe für trockene Anwendungen, Flüssigkeitsringpumpe für schmutzige oder nasse Prozesse – bilden sie vielseitige Pumpstationen.

Gängige Systemkonfigurationen

Roots-Pumpen findet man typischerweise in folgenden Kombinationen:

Wurzeln + Schraube: Die am häufigsten verwendete Konfiguration für allgemeine Vakuumanwendungen bis hinunter zu 10⁻² hPa.

Roots + Liquid Ring: Ideal für nasse, schmutzige Prozesse oder beim Umgang mit Dämpfen, die Öl verunreinigen würden.

Wurzeln + Schraube: Vollständig trockene Systeme für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Sauberkeit, aggressive Medien oder Reinheit.

Mehrstufige Wurzeln: Mehrere in Reihe geschaltete Roots-Pumpen können ohne andere Pumpentypen ein mittleres Vakuum erreichen.

Zusammenfassung

Eine Roots-Vakuumpumpe ist eine berührungslose Drehkolbenpumpe, die mit synchronisierten Achterrotoren Gas vom Einlass zum Auslass transportiert. Die Kompression erfolgt nicht intern, sondern durch Rückströmung und eine externe Vorvakuumpumpe. Dank ihrer Fähigkeit, große Gasmengen sauber und leise zu fördern, ist sie die bevorzugte Vorvakuumpumpe für mittlere Vakuumanwendungen. Sie muss jedoch stets mit einer Vorvakuumpumpe kombiniert werden, die die abschließende Kompression auf Atmosphärendruck übernimmt.

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