Kinetische Simulation einer scheibenförmigen Molekularpumpe (Siegbahn)

Die numerische Simulation von Vakuumpumpen ist ein leistungsfähiger Ansatz, um Leistungsmerkmale vorherzusagen und Pumpendesigns zu optimieren. Dadurch lassen sich kostspielige Prototypen und Versuchsaufbauten vermeiden. Unter den verschiedenen Vakuumpumpentechnologien zeichnen sich Turbomolekularpumpen, insbesondere in Kombination mit scheibenförmigen Molekularpumpen (Siegbahn), durch ihre hohe Effizienz im Transitions-Strömungsbereich aus. Die folgende Anwendungsstudie zeigt, wie die in PICLas implementierte Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)-Methode effektiv zur Simulation, Analyse und Verbesserung der Leistung von scheibenförmigen Molekularpumpen eingesetzt werden kann, um tiefere Einblicke in deren Betriebsverhalten und Optimierungspotenzial zu gewinnen.

Gitterdiskretisierung und Setup

Bei der experimentellen Konfiguration handelt es sich um eine einstufige, scheibenförmige Molekularpumpe (Siegbahn) für den Transitions-Strömungsbereich. Das System besteht aus einem gerillten Rotor (Typ II) und ebenen Statoren, die sich sowohl oberhalb als auch unterhalb des Rotors befinden. Der mit zehn Nuten versehene Rotor ermöglicht die Nutzung der Rotationssymmetrie innerhalb einer 36°-Scheibe.

Die Simulation wurde in einem Rotationsbezugssystem mit molekularem Stickstoff durchgeführt. Die diskretisierte Geometrie ist oben dargestellt. Weitere experimentelle und geometrische Details sind der Arbeit von Kwon et al. (2004) zu entnehmen. Zu den Randbedingungen gehören ein fester Auslassdruck sowie ein konstanter Massenstrom am Einlass. Für die Gas-Oberflächen-Wechselwirkung wird eine vollständige diffuse Reflexion und eine vollständige thermische Akkommodation angenommen. Die Simulation wird bei verschiedenen Austrittsdrücken und Massenströmen durchgeführt: 13,35 Pa, 26,65 Pa und 40 Pa, kombiniert mit einem Massenstrom von 0 sccm, 10 sccm, 30 sccm und 60 sccm pro Druckstufe. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors beträgt 24.000 Umdrehungen pro Minute. Ein Simulationsergebnis in Bezug auf den Oberflächendruck ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Vergleich mit experimentellen Messungen

Experimentelle Messungen wurden von Kwon et al. (2004) an zwei verschiedenen Stellen durchgeführt: am Einlass (p1,in) und am Auslass (p2,out). Die am Einlass gemessenen Drücke werden im Folgenden mit den Simulationsergebnissen verglichen und zeigen eine gute Übereinstimmung. Zu beachten ist jedoch, dass die Genauigkeit der Simulationsergebnisse stark vom Akkomodationskoeffizienten der Oberfläche abhängt. Dieser ist eine Funktion des Oberflächenmaterials, seiner Endtemperatur und der Gaszusammensetzung.

Zusammenfassend können mithilfe vorhersagender Simulationen neue Konzepte untersucht und detaillierte Einblicke in die Pumpmechanismen im Transitions-Strömungsbereich gewonnen werden. Neben der Simulation einzelner schraubenförmiger (Holweck) und scheibenförmiger Molekularpumpen (Siegbahn) ist auch die Simulation mehrerer Stufen innerhalb einer Turbomolekularpumpe möglich.