Olipa kyse elintarvike- tai lääketeollisuudesta, kemian- ja prosessitekniikasta, metalli- tai autoteollisuudesta: useiden teollisuudenalojen eri valmistusprosesseissa vaaditaan ilmakehän painetta huomattavasti alhaisempaa kaasunpainetta. Paineeseen -700 mbar (300 mbar abs.) saakka puhutaan alipaineesta. Absoluuttisen 300 mbarin paineen alapuolella alkaa tyhjiöalue, joka jaetaan alku-, keski-, suur- ja ultrasuurtyhjiöön (ks. taulukko).
Tyhjiötekniikassa työskennellään absoluuttisilla painearvoilla, jotka ilmoitetaan millibaareina (mbar). Lisuke ”absoluuttinen” tarkoittaa, että painetieto viittaa absoluuttiseen täydelliseen tyhjiöön. Täydellisen tyhjiön absoluuttinen paine on 0,0000 mbar. Tyhjiötekniikassa ilmoitetaan aina absoluuttinen paine, joten lisäys ”abs.” voi yleensä jäädä pois.Laitteistoissa on mahdollista muodostaa alku-, keski- ja suurtyhjiö taloudellisesti vain silloin, kun käytetään ns. pumppuasemia. Tyhjiöpumppuyksiköt suorittavat tehtävänsä vähintään kaksivaiheisesti. Tällöin esipumput ja kiertomäntäkompressorit työskentelevät yhdessä. Aerzener Maschinenfabrik GmbH, joka on valmistanut kiertomäntäkompressoreita vuodesta 1868 lähtien, on vuodesta 1940 alkaen valmistanut myös erityisiä, tyhjiön tuottamiseen tarkoitettuja kiertomäntäkompressoreita. Siten AERZEN kuuluu tämän tekniikan pioneereihin. Lisäksi yritys on nykyään myös maailman johtava valmistaja, jonka tuotevalikoimaan kuuluu suuri määrä alipaine- ja tyhjiökompressoreita. Menestyksen perustana on tekninen osaaminen, huipputarkka valmistus, jatkuva tuotekehitys, kokenut henkilökunta ja jatkuva, intensiivinen dialogi asiakkaiden kanssa. Alipaineen tuottamiseksi aina abs. alipaineeseen 500 mbar saakka AERZEN toimittaa Delta Blower G5 -rakennesarjan kiertomäntäkompressoreita. Vasta kehitetyt Delta Hybrid -rakennesarjan kiertomäntä-ruuvikompressorit tuottavat alipainetta jopa paineeseen 300 mbar abs. asti. Alipaineet paineeseen 500 mbar abs. tai 300 mbar abs. saakka saavutetaan jo yhdessä vaiheessa.
Sitä vastoin paineet, jotka ovat alle 300 mbar abs., voidaan tuottaa ainoastaan kaksivaiheisesti niin sanotussa pumppuyksikössä esipumpun ja tyhjiökiertomäntäkompressorin yhteistoiminnan avulla. Näin käyttäjän vaatima tilavuusvirta, ns. toimintapiste, saavutetaan varmasti. Ensimmäisessä vaiheessa esipumppu alentaa säiliössä tai tilassa olevan väliaineen paineen esityhjiöön, esim. 200 mbar abs. Sen jälkeen toisena vaiheena käynnistyy tyhjiökiertomäntäkompressori, joka jatkaa yhteistoimintaa esipumpun kanssa ja saavuttaa vaaditun lopputyhjiön tai tilavuusvirran. Tyhjiölaitteiston tuleva käyttäjä (esim. terästehdas Kiinassa) ilmoittaa pumppuyksikön valmistajalle (esim. saksalainen laitteistovalmistaja) kaikki tarvittavan laitteiston olennaiset parametrit:
Sen jälkeen pumppuyksikön valmistaja valitsee yhdessä AERZENin kanssa soveltuvan esipumpun ja tyhjiökompressorin.
Mahdollisia esipumppujärjestelmiä aina käyttötapauksen mukaan ovat vesirengaspumput, öljyvoidellut kiertoluistityhjiöpumput tai säädettävät hammaspumput neutraaleille kaasuille. Kemianteollisuuden erityisen korkealaatuisissa sovelluksissa voidaan prosessikaasujen poistoon tarvita myös kalliita ruuvityhjiöpumppuja. AERZENillä on pitkäaikainen alan kokemus ja tietoa erilaisten esipumppujärjestelmien mitoituksesta. AERZEN neuvoo pumppuyksikön valmistajaa optimaalisen esipumppujärjestelmän valinnassa ja valitsee tiiviissä yhteistyössä hänen kanssaan optimaalisen AERZEN-tyhjiökiertomäntäkompressorin. Jotta pumppuyksikön käyttäjän vaatimat parametrit täytetään, esipumppu ja AERZEN-tyhjiökompressori on mukautettu toisiinsa parhaalla mahdollisella tavalla energian ja lämpötalouden suhteen.
Kuvassa 1 näkyy teoreettisena laskelmana esipumpun (oranssi viiva) ja GMa-rakennesarjan AERZEN-tyhjiökompressorin (vihreä viiva) yhteistoiminta kaksivaiheisena ratkaisuna. Tyhjäksipumppausajan lyhentämiseksi mahdollisia ovat myös useampivaiheiset ratkaisut, joissa käytetään esipumppua ja useampia peräjälkeen työskenteleviä tyhjiökompressoreita. X-akselilla esitetään esipumpun ja tyhjiökompressorin paineenvaihteluvälit, y-akselilla tilavuusvirrat. Tässä esimerkissä esipumppu aloittaa ensin yksin. Kun on saavutettu 200 mbarin abs. paineen tyhjiö, käynnistyy AERZEN-tyhjiökompressori. Vihreä imukyvyn käyrä nousee nyt voimakkaasti 1 mbarin kohdalla olevaan toimintapisteeseen asti. Toimintapisteessä yhdistelmän imukyky on n. 1750 m³/h. Tässä teoreettisessa laskelmassa aluksi esiintyvää kahta termisesti kriittistä paineenvaihteluväliä voidaan korjata muuttamalla mitoitusohjelman parametreja, jotta tätä esimerkkiä varten valittu esipumpun ja AERZEN-tyhjiökompressorin yhdistelmä varmistaa vaaditun toimintapisteen, tässä esimerkissä 1 mbar, ja jotta sitä voidaan käyttää menestyksekkäästi tässä yhdistelmässä. Näin menettelemällä pumppuyksikön valmistaja ja AERZEN täyttävät käyttäjän antamat pumppuyksikön parametrit huomioimalla termiset rajat ja käyttämällä esipumpun ja tyhjiökompressorin parasta mahdollista yhdistelmää. AERZEN tarjoaa…
Esipumpun ja tyhjiökompressorin oikean yhdistelmän optimaalinen valinta takaa kustannuksiltaan edullisen pumppuyksikön sekä pitkäaikaisen ja taloudellisen käytön suurimmalla mahdollisella energiatehokkuudella.
Rakennesarjan mHV etuilmanpäästöllä varustetut tyhjiökompressorit (ns. etuilmanpäästökompressorit) AERZEN toimittaa 11 eri kokona teoreettisille nimellisimutilavuusvirroille 250 – 61'000 m³/h. Niiden suurin sallittu paine-ero riippuu vallitsevasta lämpökuormituksesta. Etuilmanpäästöpuhaltimia käytetään pääasiassa alkutyhjiö- ja alipainealueella esipumppuina tai alipainelohkoina ilmakehän paineeseen verrattuna suurten paine-erojen saavuttamiseksi yhdessä vaiheessa sekä suuriin puristussuhteisiin alkutyhjiöalueelle p2/p1 = 5 saakka. Rakennesarjan mHV etuilmanpäästökompressoreita suositaan tapauksissa, joissa pyritään jatkuvaan käyttöön ilman ylikuumenemisongelmia. Sitä varten kolmannen imukanavan kautta johdetaan aggregaattiin painepuolelta ulkoilmaa tai jo jäähdytettyä kaasua ilman ylimääräisiä venttiilejä, säätimiä tms. Käytettäessä jäähdytettyä kaasua se jäähdytetään ensin esipumpun ja etuilmanpäästökompressorin väliin asennetussa kaasu-/ilma- tai kaasu-/vesijäähdyttimessä. Etuilmanpäästökompressoreiden kotelolaipat on varustettu O-rengastiivisteillä ja tyhjiökompressoreiden voitelutapana on roiskeöljyvoitelu. Kompressoria voidaan käyttää suoralla kytkinkäytöllä moottorilla tai hammasvaihteella, ja paine-eron ollessa riittävän vähäinen myös kapeakiilahihnakäytöllä. Puhallustila tiivistetään yhdistetyillä roiskerengas-suorakulma-labyrinttitiivisteillä, käyttöakseli kaksinkertaisilla radiaalitiivisterenkailla ja rasvasululla.
Rakennesarjan HV ilmajäähdytteiset kompressorit tyhjiöalueelle 200–10-3 mbar toimitetaan 12 rakennekokona teoreettisille nimellisimutilavuusvirroille 180 – 97'000 m³/h (kierrosluku 3'000 – 3'600 min-1). GMa-rakennemuodon virtaussuunta on pystysuuntainen, rakennemuodon GLa vaakasuuntainen virtaussuunta mahdollistaa erityisen kompaktin rakenteen. Kumpaakin rakennemuotoa käytetään mm. pinnoitustekniikassa, kemian- ja prosessitekniikassa, metallurgiassa, pakkausteollisuudessa, keskustyhjiölaitteistoissa, heliumin puristuksessa ja heliumvuotojen paikannuslaitteissa, lamppujen ja putkien valmistuksessa, aurinkoenergiatekniikassa sekä autoteollisuudessa. Erikoissovelluksia varten ilmajäähdytteisissä, roiskeöljyvoidelluissa kompressoreissa voidaan käyttää erikoistiivisteitä ja -materiaaleja esim. valuosille ja kiertomännille. Kompressorit työskentelevät IE3-rakennemuodon vakiokäyttömoottoreidensa ansiosta erittäin energiatehokkaasti, ja niitä voi käyttää useilla markkinoilla, mm. myös USA:ssa, Kanadassa ja Venäjällä. Lisäksi ne soveltuvat taajuusmuuttajakäyttöön. Moottorit on laipoitettu suoraan kompressoreihin. Erityinen roiskerengas-suorakulmarengas-labyrinttitiiviste estää öljyn tunkeutumisen laakeritilasta puhallustilaan. Lisäksi on asennettu suurikokoinen neutraali tila, joka sisältää lauhdekanavat. Neutraalin tilan tiivistystä voidaan parantaa tiivistekaasulla. HV-rakennesarjan tyhjiökompressoreiden ainutlaatuinen piirre on se, että ne voidaan vaihtoehtoisesti rakentaa myös ATEX-hyväksynnän 94/9/EY mukaisiksi. Niiden paineiskun kesto on enintään 13 bar, ohivirtausrakennelmia ei tarvita, ja ainoina tyhjiökompressoreina ne on hyväksytty 0-tilaluokkaan (sisäisesti) ja ulkoisesti lämpötilaluokkaan T4. Prosessiturvallisuuden lisäämiseksi on mahdollista kytkeä valvontamahdollisuus pois päältä paineen alittaessa 50 mbar.
CM- (aggressiivisille kaasuille) ja HM (neutraaleille kaasuille) -rakennesarjan jatkuvaan käyttöön soveltuvat AERZEN-kompressorit kapseloidulla moottorilla mahdollistavat erittäin lyhyet tyhjäksipumppausajat, ja niitä käytetään suurtyhjiötekniikassa tyhjiöalueella 200–10-5 mbar. Kompressoreiden käyttö on hermeettinen, koska käyttöakseli on tiivistetty integroidulla kapseloidulla moottorilla ilman yhdyskäytävää ympäristöön. Kierroslukunopeuden lähes kaksinkertaistuessa arvoon 6 000–7 200 min-1 rakennekoon pysyessä samana saavutetaan erittäin lyhyet, sekunneissa mitattavat tyhjäksipumppausjaksot, mikä nopeuttaa käyttäjän tuotantoprosesseja huomattavasti. Vaikka tehon edelleen lisäämiseksi pumppuyksikköön integroidaan kaksi esipumppua ja tyhjiökompressori kapseloidulla moottorilla, kokonaisaggregaatin rakenne säilyy edelleen erittäin kompaktina – huomattava etu monikertaisissa laitteistoissa, joissa on useita pumppuyksiköitä. AERZEN-tyhjiökompressorit kapseloidulla moottorilla voidaan toimittaa
Niitä käytetään teollisuudessa tarvittavan tyhjiön tuottamiseen mm. kemian- ja prosessitekniikassa, kelmujen ja lasin päällystyksessä, vedyn poistossa, heliumvuotojen paikannuslaitteissa ja kaikkialla, missä vuotoja on ehdottomasti vältettävä. Lisäksi näitä kompressoreita käytetään puolijohdeteollisuudessa, mikroelektroniikassa, litteiden kuvaruutujen valmistuksessa, laserteknologiassa ja aurinkotekniikassa. Kompressorien virtaussuunta voi olla pysty- tai vaakasuuntainen. Vakiovarusteisen vesijäähdytyksen ansiosta ne soveltuvat käyttöön puhdastilaolosuhteissa. Suuri mekaaninen kuormitettavuus (enintään 230 mbar) lyhentää tyhjäksipumppausaikoja. Taajuusmuuttajan käyttö mahdollistaa suuren säätöalueen (1:5) ja siten pienempien kompressorikokojen käyttämisen tarvittaessa. Erilaisilla verkkokäyttöön tai jaksottaiseen ja jatkuvaan käyttöön tarkoitetuilla moottorivaihtoehdoilla voidaan ratkaista yksilöllisesti erityiset käyttötapaukset.
Johtopäätös: Tyhjiön tuottamiseen tarkoitetun pumppuyksikön optimaalista mitoitusta varten ei ole olemassa vakioratkaisua, koska esipumpun ja tyhjiökiertomäntäkompressorin suorituskykyparametrien on oltava optimaalisesti toisiinsa mukautettuja. Vain silloin pumppuyksikkö saavuttaa käyttäjän vaatimat parametrit ja annetun toimintapisteen. Ihanteellinen ratkaisu voidaan tästä syystä saavuttaa vain, kun tarvittavan tyhjiökompressorin toimittava AERZEN ja pumppuyksikön valmistaja, joka ostaa sekä esipumpun että tyhjiökompressorin, tekevät tiivistä yhteistyötä. Laajan ohjelmiston avulla AERZEN tarkistaa pumppuyksikön valmistajan suunnitteleman tai määräämän pumppuyhdistelmän, joka koostuu esipumpusta ja AERZEN-tyhjiökompressorista. ”Kiinnitämme erityistä huomiota termisesti kriittisten paineenvaihteluvälien välttämiseen ja energian kannalta parhaiden porrastussuhteiden saavuttamiseen. AERZENin mottona on, että "pumpun valmistajan kanssa neuvotellaan sekä prosessityhjiösovellukseen että koko pumppuyksikköyhdistelmän suunnitteluun liittyvissä asioissa”.
Kirjoittaja: Norbert Barlmeyer, paineilmatekniikkaan erikoistunut toimittaja, Bielefeld
