CH640311A5

CH640311A5 - Verfahren und vorrichtung zur evakuierung eines rezipienten.

Info

Publication number: CH640311A5
Application number: CH773978A
Authority: CH
Inventors: Guenter Reich
Original assignee: Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg
Priority date: 1977-07-20
Filing date: 1978-07-18
Publication date: 1983-12-30
Also published as: GB2001393B; DE2732696A1; US4172477A; FR2398199B1; FR2398199A1; GB2001393A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Evakuierung eines Rezipienten mit einer Pumpeinrichtung, bestehend aus einer über ein erstes Ventil an den Rezipienten angeschlossenen Vorvakuumpumpe und einer dazu parallel über ein zweites Ventil und eine Kühlfalle an den Rezipienten angeschlossenen Fein- oder Hochvakuumpumpe, vorzugsweise einer Diffusionspumpe. Ausserdem betrifft die Erfindung eine für die Durchführung dieses Betriebsverfahrens geeignete Vorrichtung.

Bei der Vakuumerzeugung ist es bekannt (Leybold-Her-aeus Firmenschrift 70/AO 15.1.1. «Grundlagen der Vakuumtechnik, Berechnungen und Tabellen»), mehrere Pumpen mit verschiedenen Wirkungsweisen zu verwenden, welche jeweils für bestimmte Druckbereiche besonders gut geeignet sind. Die Evakuierung erfolgt dann in der Weise, dass zunächst mit einer ersten Pumpe (Vorpumpe) ein Druck erzeugt wird, der an der oberen Grenze des Arbeitsbereiches einer nächsten Pumpenstufe liegt. Dann erfolgt die Zuschaltung der zweiten Pumpstufe (z.B. Feinvakuumpumpe) und in der Regel die Abschaltung der ersten Pumpstufe. Als dritte Pumpstufe kann auch noch eine Hochvakuumpumpe folgen.

Ein aus der genannten Literaturstelle bekanntes Beispiel für eine mehrstufige Pumpeinrichtung besteht aus einer ein-oder zweistufigen rotierenden Pumpe, die mit einer Diffusionspumpe zusammenwirkt. Der Arbeitsbereich von Diffusionspumpen liegt im allgemeinen unter 0,2 mbar. Es ist deshalb notwendig, mit der Vorpumpe auf diesen Druck zu evakuieren, bevor die Umschaltung auf die Diffusionspumpe vorgenommen werden kann. Das Erreichen dieses Druckes kann aber relativ lange dauern, weil in diesem Druckbereich die Gasabgabe von den inneren Oberflächen des Vakuumsystems bereits eine erhebliche Rolle spielt. Dabei handelt es sich in der Regel um kondensierbare Gase, die bei höheren Drücken auf den Oberflächen niederschlagen und dort aufgrund von Absorptionskräften festgehalten werden. In höheren Druckbereichen (über 50 mbar) spielt deshalb die Gasabgabe kaum eine Rolle, so dass der Druckverlauf - logarithmisch gegen die Zeit aufgetragen - einer Geraden entspricht. Unterhalb 50 mbar beeinflusst jedoch die Gasabgabe den Druckverlauf immer stärker, so dass er von der Geraden abweicht, und zwar zu längeren Zeiten hin. Ausserdem nimmt in diesem Druckbereich die Leistungsfähigkeit der rotierenden Pumpe bereits ab.

Weiterhin ist es aus der bereits erwähnten Literaturstelle bekannt, den Hochvakuumpumpen, insbesondere den Diffusionspumpen, eine Kühlfalle vorzuschalten, die auf relativ niedriger Temperatur, beispielsweise auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff, gehalten wird. Diese Kühlfalle hat nicht nur den Zweck zu verhindern, dass Öldämpfe der Diffusionspumpe in das Vakuumsystem dringen; die Kühlfalle hat darüber hinaus ein grosses Saugvermögen für z.B. bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes kondensierende Gase, so dass die im Vakuumsystem vorhandenen kondensierbaren Gase (z.B. Wasserdampf) von dieser Kondensationspumpe abgesaugt werden. Dadurch ergibt sich, dass in den Pumpbereichen, in denen die Gasabgabe von den inneren Oberflächen bereits eine Rolle spielt, der Druck zwischen der Kühlfalle und der Diffusionspumpe niedriger ist als der Druck im Rezipienten. Bei der Verwendung einer Kühlfalle kann deshalb der Übergang von der Vorpumpe auf die nachfolgende Fein- oder Hochvakuumpumpe nach kürzerer Pumpzeit vorgenommen werden, wodurch sich die Pumpzeit infolge der früheren Zuschaltung der Fein- oder Hochvakuumpumpe reduzieren würde. Ein solches Verfahren ist insbesondere dann von grossem Vorteil, wenn bei der Durchführung von Dichtheitsprüfungen eine Testkammer ständig wieder möglichst schnell evakuiert werden muss, und zwar bis zu einem Druck, der so niedrig ist, dass die Dichtheitskontrollen mit Hilfe von Massenspektrometern erfolgen können, welche einen Druck kleiner als 10-4 mbar benötigen.

In diesem Sinne wäre es naheliegend, den Wert des Druckes, bei dem die Umschaltung vorgenommen wird, auf einen höheren Wert zu verschieben, um den beschriebenen Vorteil zu erreichen. Dieses Verfahren ist aber im allgemeinen nicht möglich, da die erwähnte Abweichung des tat2

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sächlichen Evakuierungsverlaufs von einer Geraden in den Druckbereichen, in denen die Gasabgabe eine erhebliche Rolle spielt, nicht reproduzierbar ist. Der Evakuierungsverlauf hängt von vielen Parametern, wie Luftfeuchtigkeit, Sauberkeit des Systems sowie des Prüflings, Oberflächengrösse, Temperatur und dgl. ab. Die durch die Verwendung einer Kühlfalle mögliche Verkürzung der Gesamtpumpzeit durch frührere Zuschaltung der Fein- oder Hochvakuumpumpe wurde deshalb bisher nicht genutzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Evakuierung eines Rezipienten mit einer Pumpeinrichtung, bestehend aus einer über ein erstes Ventil an den Rezipienten angeschlossene Vorvakuumpumpe und einer dazu parallel über ein zweites Ventil und eine Kühlfalle an den Rezipienten angeschlossenen Feinoder Hochvakuumpumpe, vorzugsweise eine Diffusionspumpe, vorzuschlagen, mit dem eine erhebliche Reduzierung der Pumpzeit erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird folgendes vorgeschlagen: In an sich bekannter Weise wird zu Beginn der Evakuierung das erste Ventil (zur Vorvakuumpumpe hin) geöffnet, während das zweite Ventil noch geschlossen bleibt, so dass die Evakuierung zunächst nur mit Hilfe der Vorvakuumpumpe erfolgt; während dieser Pumpphase wird mit Hilfe eines Mikroprozessors eine Zeit gemessen, in der eine bestimmte vorgegebene Druckabsenkung erreicht wird; z.B. mit Hilfe des Mikroprozessors wird dann durch Extrapolation automatisch in Abhängigkeit von dieser Druck-Zeit-Charakteri-stik ein Zeitpunkt t2 errechnet, zu dem ohne Berücksichtigung kondensierbarer Gase im Rezipienten ein Druck erreicht sein würde, der die Zuschaltung der Fein- oder Hochvakuumpumpe ermöglicht; zu diesem Zeitpunkt t2 wird dann die Fein- oder Hochvakuumpumpe über das zweite Ventil zugeschaltet. Das Zuschalten der zweiten Pumpstufe erfolgt also zu einem Zeitpunkt, zu dem im Rezipienten wegen des Vorhandenseins der kondensierbaren Gase ein Druck herrscht, der die Zuschaltung der Fein- oder Hochvakuumpumpe an sich noch nicht zulassen würde. Da jedoch der Fein- oder Hochvakuumpumpe die Kühlfalle vorgelagert ist und die kondensierbaren Gase von der Kühlfalle abgesaugt werden, kann die Zuschaltung der Fein- oder Hochvakuumpumpe bereits erfolgen. Wesentlich ist dabei, dass es auf diese Weise möglich ist, unabhängig von dem jeweiligen Zustand und der Grösse des Behälters die Zuschaltung der zweiten Pumpstufe jeweils zum frühesten Zeitpunkt vorzunehmen, so dass jeweils die minimal notwendige Pumpzeit erreicht werden kann. Wird z.B. in der Phase der Vorevakuierung von einem Mikroprozessor die Zeit gemessen, die vergeht, bis der Druck von 1000 auf 100 mbar gesunken ist, dann kann mit Hilfe des Mikroprozessors durch Extrapolation des bekannten linearen Verlaufs der Druck-Zeit-Charakteristik der Zeitpunkt festgelegt v/erden, zu dem z.B. ein Druck von 10~2 mbar erreicht sein würde, wenn keine kondensierbaren Gase vorhanden wären. Das ist in diesem Beispiel das Fünffache der Zeit, die die Vorvakuumpumpe benötigt, um den Rezipienten von 1000 auf 100 mbar zu evakuieren. Nach dieser automatisch von den Mikroprozessoren oder Minicomputern berechneten Zeit kann die Fein- oder Hochvakuumpumpe ohne Gefahr zugeschaltet werden, da die Kühlfalle die den höheren Druck im Rezipienten erzeugenden kondensierbaren Gase aufnimmt und dadurch die zweite Pumpstufe vor zu hohen Drücken schützt. Falls drei Pumpstufen vorgesehen sind, also z.B. eine Vorpumpe, eine Feinvakuumpumpe und eine Hochvakuumpumpe, dann kann natürlich die Zuschaltung der dritten Pumpstufe in analoger Weise realisiert werden. Mit Hilfe des Mikroprozessors kann in Abhängigkeit von der gemessenen Druck-Zeit-Charakteristik ein weiterer Zeitpunkt t3 errechnet werden, zu dem - ohne Berück -

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sichtigung kondensierbarer Gase - ein Druck erreicht sein würde, der die Zuschaltung einer dritten, ebenfalls über die (oder eine andere) Kühlfalle und ein drittes Ventil an den Rezipienten angeschlossenen dritten Pumpfstufe ermöglicht. Zu diesem Zeitpunkt t3 wird dann die dritte Pumpstufe, die z.B. eine Hoch- oder Ultrahochvakuumpumpe sein kann, zugeschaltet. Auch diese Zuschaltung erfolgt dann zum frühest möglichen Zeitpunkt.

In ähnlicher Weise kann auch die Zuschaltung eines Lecksuchers zum frühest möglichen Zeitpunkt vorgenommen werden. Der Mikroprozessor berechnet dann den Zeitpunkt, zu dem ohne Berücksichtigung kondensierbarer Gase die Zuschaltung des Lecksuchers möglich ist. Zu diesem Zeitpunkt kann dann die Zuschaltung des durch die Kühlfalle geschützten Lecksuchers erfolgen, obwohl im Rezipienten noch ein höherer Druck herrscht. Dabei ist lediglich zu berücksichtigen, dass mit der vorangegangenen Zuschaltung der Hochvakuumpumpe ein geändertes Saugvermögen auftreten kann, so dass sich die Steilheit des linearen Verlaufs der Druck-Zeit-Charakteristik im Moment des Zuschaltens der Hochvakuumpumpe ändert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten von Ausführungsarten der Erfindung sollen anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine mit zwei Pumpen ausgerüstete Evakuierungseinrichtung. In der Fig. 2 ist ein Diagramm dargestellt. Daran soll das erfmdungsgemässe Betriebsverfahren erläutert werden.

Der zu evakuierende Rezipient ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet. Über ein erstes Ventil 2 ist an diesem Rezipienten die Vorvakuumpumpe 3 angeschlossen, die z.B. als Drehkolbenvakuumpumpe ausgebildet ist. Über ein weiteres Ventil 4 ist parallel dazu die Kühlfalle 5 und - sich daran anschliessend - die vorzugsweise als Diffusionspumpe ausgebildete Hochvakuumpumpe 6 angeschlossen. Der Diffusionspumpe ist noch die als Drehkolbenpumpe ausgebildete Vorvakuumpumpe 7 zugeordnet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Diffusionspumpe 6 an die Vorvakuumpumpe 3 anzu-schliessen.

Mit der dargestellten Einrichtung soll die Lecksuche an Prüflingen durchgeführt werden, die in den Rezipienten 1 eingebracht werden. Als Lecksuchdetektor ist an die Kühlfalle 5 ein Lecksuchdetektor 8 angeschlossen, mit dem im Falle eines Lecks die Registrierung des durch das Leck dringenden Testgases erfolgt. Es besteht auch die Möglichkeit, den Detektor 8 an die Leitung zwischen der Kühlfalle 5 und der Hochvakuumpumpe 6 anzuschliessen. Bei Verwendung einer Diffusionspumpe als Hochvakuumpumpe ist dann jedoch eine weitere Kühlfalle vor der Diffusionspumpe erforderlich. Zwischen der Kühlfalle 5 und der Diffusionspumpe 6 ist noch ein weiteres Ventil 9 vorgesehen. Dieses kann während der eigentlichen Lecksuche geschlossen werden, wenn die Lecksuche nach dem Ansammlungsprinzip durchgeführt werden soll, d.h., wenn die gesamte aus dem Rezipienten 1 während der Lecksuche ausströmende Gasmenge dem Detektor 8 zugeführt werden soll. Schliesslich ist dem Leckdetektor 8 noch das Ventil 9a vorgelagert. Dieses ermöglicht eine spätere Zuschaltung des Lecksuchers zu einem dafür geeigneten Druck.

Zur Messung des Druckes im Rezipienten 1 ist das Messinstrument 10 vorgesehen. Dieses liefert den Druckwerten entsprechende elektrische Signale, die einem Minicomputer oder Mikroprozessor 11 zugeführt werden. Mit Hilfe der von diesem Prozessor gelieferten Signale erfolgt über eine Steuereinrichtung 12 die Steuerung der Ventile 2 und 4 und - falls wie beim für die Lecksuche geeigneten Ausführungsbeispiel vorgesehen - der Ventile 9 und 9a.

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Das erfindungsgemässe Betriebsverfahren zur Evakuierung des Rezipienten 1 wird anhand des in Fig. 2 dargestellten Diagramms erläutert. In diesem Diagramm ist der Druck in mbar logarithmisch gegen die Zeit t eingetragen.

Nachdem z.B. in den Rezipienten 1 ein Prüfling eingebracht ist, wird der Rezipient 1 geschlossen. Während dieser Zeit sind beide Ventile 2 und 4 zunächst geschlossen. Dann beginnt z.Zt. ti bei einem Druck im Rezipienten von ca. 1000 mbar die Evakuierung des Rezipienten 1 mit Hilfe der Vorvakuumpumpe 3, indem das Ventil 2 geöffnet wird. Während dieser ersten Pumpphase verläuft der Druck entsprechend dem linearen Teil der Kurve 13 in Fig. 2. Mit Hilfe des Mikroprozessors 11 wird die Zeit tv gemessen, die notwendig ist, um den Druck im Rezipienten 1 z.B. von 1000 auf 100 mbar zu senken. Diese Zeit wird mit einem bestimmten Faktor multipliziert, und zwar beim vorliegenden Fall beispielsweise mit dem Faktor fünf. Dadurch ergibt sich ein Zeitpunkt tn, zu dem mit Hilfe der Vorvakuumpumpe 3 ein Druck von 10"2 mbar erreicht sein würde, wenn keine kondensierbaren Gase im Vakuumsystem vorhanden wären. Das entspricht einem Evakuierungsvorgang, der der strichpunktierten Verlängerung 14 des geraden Teiles der Kurve 13 entspricht. Tatsächlich weicht jedoch der Druck im Rezipienten bei etwa 1 mbar von der Geraden ab, und zwar etwa dem gekrümmten Teil der Kurve 13 entsprechend. Diese Abweichung ist jedoch nicht reproduzierbar und kann bei jedem Pumpvorgang anders verlaufen. Zur Zeit 5 x tv liefert der Mikroprozessor 11 an die Steuereinheit 12 ein Signal, das bewirkt, dass die Kühlfalle 5 mit der Diffusionspumpe 6 zugeschaltet werden, d.h., dass die Ventile 4 und 9 geöffnet und gegebenenfalls das Ventil 2 geschlossen werden. Ist das Ventil 9 nicht vorhanden, dann reicht es aus, wenn das Ventil 4 geöffnet wird. Obwohl im Rezipienten 1 zum Zeitpunkt t2 = 5xt. noch ein für die Diffusionspumpe 6 zu hoher Druck herrscht, kann bereits ihre Zuschaltung vorgenommen werden, da der zu hohe Druck allein von den im Rezipienten 1 noch vorhandenen kondensierbaren Gasen bestimmt ist. Diese werden jedoch in der Kühlfalle 5 absorbiert, so dass der in den dahinter befindlichen Leitungen bestehende Druck ausreichend niedrig ist.

Bisher erfolgte die Zuschaltung der Hochvakuumpumpe erst zum Zeitpunkt t2, der je nach Verlauf der Kurve 13 s erheblich später liegt. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht deshalb eine erhebliche Reduzierung der Pumpzeit.

Die Zuschaltung des Lecksuchers 8 kann bei 10~2 mbar noch nicht vorgenommen werden, wenn die Lecksuche mit io Hilfe eines Massenspektrometers erfolgt. Das Ventil 9a bleibt deshalb zum Zeitpunkt der Öffnung der Ventile 4 und 9 noch geschlossen. Bleibt das Saugvermögen nach Zuschaltung der Hochvakuumpumpe zum Zeitpunkt tz gleich, dann ist ein für die Zuschaltung des Massenspektrometer-Lecksuchers geeig-ls neter Druck ohne Berücksichtigung kondensierbarer Gase zum Zeitpunkt ti = 7xtv erreicht. Auch dieser Zeitpunkt kann vom Mikroprozessor 11 berechnet werden, so dass mit Hilfe der Steuereinrichtung 12 durch Öffnung des Ventils 9a die Zuschaltung des Lecksuchers 8 zum frühest-möglichen Zeit-20 punkt vorgenommen werden kann, obwohl im Rezipienten 1 noch ein höherer Druck herrscht.

Ändert sich das Saugvermögen durch die vorherige Zuschaltung der Hochvakuumpumpe 6, dann verändert sich die Steigung des linearen Verlaufs der Druck-Zeit-Charakte-25 ristik. Wird das Saugvermögen grösser, dann wird der Verlauf steiler. In der Fig. 2 ist ein Beispiel dafür eingezeichnet und mit 14' bezeichnet. Die Kurve 14' bestimmt einen Zeitpunkt t' l, zu dem dann die Zuschaltung des Lecksuchdetektors 8 vorgenommen werden kann.

30 Es ist also immer möglich, aufgrund der Kenntnis der Zeit tv und dem Verhältnis der Saugvermögen der verschiedenen Pumpenstufen diejenigen Zeitpunkte genau vorauszuberechnen, zu denen einerseits die Zuschaltung einer Fein-und/oder Hochvakuumpumpe und - im Falle einer Leck-35 suche - die Zuschaltung des Lecksuchdetektors vorgenommen werden können. Das geschieht jeweils zum frühestmöglichen Zeitpunkt, so dass erhebliche Zeiteinsparungen erzielt werden können.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Evakuierung eines Rezipienten mit einer Pumpeinrichtung, bestehend aus einer über ein erstes Ventil an den Rezipienten angeschlossenen Vorvakuumpumpe und einer dazu parallel über ein zweites Ventil und eine Kühlfalle an den Rezipienten angeschlossenen Fein- oder Hochvakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Evakuierung das erste Ventil (2) geöffnet wird, während das zweite Ventil (4) noch geschlossen ist, so dass die Evakuierung zunächst nur mit Hilfe der Vorpumpe (3) erfolgt, dass dabei mit Hilfe eines Mikroprozessors (11) eine Zeit gemessen wird, in der eine bestimmte vorgegebene Druckabsenkung erreicht wird, dass in Abhängigkeit von dieser Druck-Zeit-Charakteristik durch Extrapolation automatisch ein Zeitpunkt t2 errechnet wird, zu dem - ohne Berücksichtigung kondensierbarer Gase - im Rezipienten (1) ein Druck erreicht sein würde, der die Zuschaltung der Fein- oder Hochvakuumpumpe (6) ermöglicht, und dass zu diesem Zeitpunkt t2 die Fein- oder Hochvakuumpumpe (6) über das zweite Ventil (4) zugeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Druck-Zeit-Charakteristik ein weiterer Zeitpunkt errechnet wird, zu dem - ohne Berücksichtigung kondensierbarer Gase - ein Druck erreicht sein würde, der die Zuschaltung einer dritten, ebenfalls über die Kühlfalle und ein drittes Ventil an den Rezipienten angeschlossenen dritten Pumpfstufe ermöglicht und dass zu diesem Zeitpunkt die dritte Pumpstufe zugeschaltet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Pumpeinrichtung mit einer über ein erstes Ventil an einen Rezipienten angeschlossenen Vorvakuumpumpe und einer dazu parallel über ein zweites Ventil und eine Kühlfalle an den Rezipienten angeschlossenen Fein- oder Hochvakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung einer bestimmten Zeit tv, in der eine vorgegebene Druckabsenkung im Rezipienten (1)

erfolgt, sowie zur Berechnung eines bestimmten Zeitpunktes t; für die Zuschaltung der zweiten Pumpstufe durch Multiplikation der Zeit tv mit einem bestimmten Faktor ein Mikroprozessor (11) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (12) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit der vom Mikroprozessor (11) gelieferten Signale die Ventile (2,4) steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung Bestandteil einer Lecksucheinrichtung ist, und dass ein Lecksuchdetektor (8) an die Leitung zwischen Kühlfalle (5) und Hochvakuumpumpe (6) über ein Ventil (9a) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung Bestandteil einer Lecksucheinrichtung ist und dass ein Detektor (8) über ein Ventil (9a) an die Kühlfalle (5) angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kühlfalle (5) und der Fein- oder Hochvakuumpumpe (6) ein weiteres Ventil (9) vorgesehen ist.