Kinetische Simulation einer Holweck-Molekularpumpe

Numerische Simulationen von Vakuumpumpen können genutzt werden, um die Pumpleistung neuer Konzepte vorherzusagen und bestehende Produkte zu optimieren, ohne dass teure Versuchskampagnen und Prototypen erforderlich sind. Molekularpumpen sind eine von mehreren Vakuumpumpentechnologien, die auf dem Markt erhältlich sind. Der im Folgenden vorgestellte Anwendungsfall wird mit der Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Methode in PICLas untersucht.

Bei diesem Fall handelt es sich um eine einstufige schraubenförmige (Holweck) Molekularpumpe im Übergangsbereich. Der Rotor hat einen Durchmesser von 169 mm und eine Höhe von 41 mm. Der Simulationsbereich erstreckt sich 11 mm unterhalb (Auslass) und 5 mm oberhalb des Rotors (Einlass). Der Abstand zum äußeren Statorzylinder beträgt 0,5 mm. Es gibt sechs Kanäle, was die Ausnutzung der Rotationssymmetrie mit einem 60° Kuchenstück ermöglicht. Die diskretisierte Geometrie ist auf der linken Seite dargestellt.

Die experimentellen Messungen aus der Literatur wurden von Kim et al. (2008) an fünf verschiedenen Punkten entlang des äußeren Statorzylinders durchgeführt. Die Druckmessungen wurden mit den Simulationsergebnissen verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung festgestellt werden kann. Somit können prädiktive Simulationen durchgeführt werden, um neue Konzepte zu untersuchen und detaillierte Einblicke in die Pumpmechanismen im Übergangsbereich zu gewinnen. Neben einer einzelnen Stufe können mit PICLas auch eine scheibenförmige Molekularpumpe (Siegbahn) sowie mehrere Stufen innerhalb einer Turbomolekularpumpe simuliert werden.