DE102006039529A1

DE102006039529A1 - Verfahren zur Abreaktion selbstentzündlicher Stäube in einer Vakuumpumpvorrichtung

Info

Publication number: DE102006039529A1
Application number: DE200610039529
Authority: DE
Inventors: Uwe ZÖLLIG; Thomas Dr. Dreifert
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2008-03-06
Also published as: JP2010501766A; WO2008022916A1; EP2054626B1; CN101535651A; RU2009110263A; EP2054626A1; CN101535651B; US20100086883A1

Abstract

In eine Vakuumpumpvorrichtung, in die ein Prozessgas (38), das reaktive Partikel (40) enthalten kann, eingesaugt wird, wird kontrolliert über einen Sauerstoffeinlass (26, 26a, 26b) Sauerstoff in Form von Luft oder reinem Sauerstoff zugeführt. Dadurch erfolgt in dem Kompressionsraum (24) eine kontrollierte Oxidation, so dass die Stäube im Falle einer plötzlichen Belüftung sich nicht entzünden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abreaktion selbstentzündlicher Stäube in einer trockenverdichtenden Vakuumpumpvorrichtung sowie eine entsprechende Vakuumpumpe.
Bei metallurgischen und verschiedenen anderen Prozessen, die im Vakuum ablaufen, entstehen häufig Partikel oder Feinstäube, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer großen Oberfläche so reaktiv sind, dass sie sich beim Kontakt mit Umgebungsluft selbst entzünden, wobei sie mit dem Luftsauerstoff abreagieren. Solche Prozesse sind beispielsweise das Czochalsky-Verfahren zur Herstellung von Silzium-Einkristallen oder das Schmelzen und Entgasen von Stählen. Im ersten Fall entsteht Siliziumoxid (SiO) und im zweiten Fall entstehen metallische Feinstäube, wie z. B. Magnesiumstaub. Die Staub-Partikel werden in die Vakuumpumpe eingesaugt, die das für den Prozess erforderliche Vakuum erzeugt. Bei ölgedichteten Vakuumpumpen werden die Staubpartikel von dem Schmierstoff aufgenommen und nicht aus der Pumpe ausgetragen. Da die Partikel zumeist sehr hart sind und zusammen mit dem Öl wie ein Schleifmittel wirken, führt dies häufig zu starkem Verschleiß innerhalb der Vakuumpumpe. Bei trockenverdichtenden Vakuumpumpen, wie z. B. Schraubenvakuumpumpen, besteht dagegen die Gefahr, dass durch die starke Reaktion bei plötzlichem Sauerstoffkontakt Explosionen entstehen. In beiden Fällen werden die Anlagen daher mit aufwendigen Staubfiltern versehen, die den Staub vor der Vakuumpumpe ausfiltern. Die Stäube sammeln sich innerhalb des Staubfilters, wodurch allerdings die Explosionsgefahr aber nicht beseitigt wird. Bei trockenverdichtenden Pumpen ist auch eine Akkumulation von Stäuben auspuffseitig der Vakuumpumpe möglich.
Die Stäube stellen auch ein Sicherheitsrisiko für das Wartungspersonal der Anlagen dar, da bei einer fehlerhaften Bedienung oder einen ungeplanten Anlagenbelüftung eine Entzündung der Stäube nicht ausgeschlossen werden kann. Eine solche Entzündung kann sogar im Filter oder in der Verrohrung auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abreaktion selbstentzündlicher Stäube in einer trockenverdichtenden Vakuumpumpe anzugeben, bei welchem eine kontinuierliche Oxidation der reaktiven Stäube innerhalb der Vakuumpumpe erfolgt, wodurch die Vakuumpumpe als solche vereinfacht und das Arbeiten an der Vakuumpumpe sicherer gemacht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1 definiert. Hiernach wird der Vakuumpumpvorrichtung während des Betriebes kontinuierlich dosiert Sauerstoff zugeführt, wodurch eine Oxidation des Staubes bewirkt wird.
Die Erfindung sieht eine gezielte Abreaktion oxidierbarer Stäube in der Vakuumpumpe vor. So wird beispielsweise Siliziumoxid (SiO) zu Siliziumdioxid (SiO₂) oxidiert und Metalle werden zu Metalloxiden oxidiert. Da von der Vakuumpumpe im Wesentlichen Gas gefördert wird und der absolute Massenstrom an Staub pro Zeiteinheit relativ gering ist, stellt dieses Verfahren eine Möglichkeit dar, die reaktiven Stäube kontinuierlich und kontrolliert abreagieren zu lassen. Eine unkontrollierte Entzündung der Stäube wird sicher verhindert. Die Sauerstoffzufuhr kann in Form von reinem Sauerstoff oder in Form von Luft erfolgen. Durch die Zufuhr von Sauerstoff wird das Saugvermögen der Vakuumpumpe nur unwesentlich beeinträchtigt. Die pro Zeiteinheit in die Vakuumpumpe eingetragene Staubmenge ist so gering, dass sie mit einem relativ geringen Luft-Gasballast kontinuierlich verbrannt wird, ohne dass diese Verbrennung Schäden an der Pumpe hervorruft. Die Partikel, welche die Pumpe druckseitig wieder verlassen, sind sämtlich abreagiert. Eine Abscheidung von Stäuben kann somit mit üblichen Staubfiltern druckseitig erfolgen, ohne dass die Gefahr unkontrollierter Reaktionen besteht. Dies ermöglicht eine einfachere und kostengünstigere Installation der Vakuumpumpe. Eventuelle Ansammlungen von Stäuben in der auspuffseitigen Verrohrung sind sicherheitstechnisch unbedenklich, da nicht mehr reaktiv.
Das zugeführte sauerstoffhaltige Gas kann an geeigneter Stelle in die Vakuumpumpvorrichtung eingeführt werden, beispielsweise in den Schöpfraum am Pumpeneintritt, im Verlauf des Kompressionsraums oder am Pumpenaustritt.
Die Erfindung betrifft ferner eine trockenverdichtende Vakuumpumpvorrichtung mit mindestens einem angetriebenen Kompressionsorgan und einem Gehäuse mit Pumpeneintritt und Pumpenaustritt. Die Vakuumpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mindestens einen Sauerstoffeinlass mit einem Drosselventil zum Regulieren des Einlassquerschnittes aufweist.
Als trockenverdichtende Vakuumpumpvorrichtung kommen in Betracht: Schraubenpumpen, Klauenpumpen, Roots-Pumpen, Turboverdichter, Seitenkanalverdichter, trockenverdichtende Drehschieberpumpen und andere.
Die Vakuumpumpvorrichtung kann aus einer einzigen Vakuumpumpe bestehen oder auch aus mehreren in Reihe geschalteten Pumpen, von denen jede eine Pumpenstufe bildet. Der Sauerstoff kann auch in eine Reaktionskammer, die sich zwischen zwei Pumpenstufen befindet, eingeleitet werden. In diesem Fall ist ein Reaktionsraum vorgesehen. Als Reaktionsraum kann auch eine Rohrleitung dienen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind Temperatur- oder Drucksensoren zur Überwachung der Reaktion in der Vakuumpumpvorrichtung vorgesehen.
Ein Verfahren zum Reinigen der Vakuumpumpvorrichtung und der Zuleitungen von Stäuben kann darin bestehen, dass nach Ende des Prozesses die Zufuhr von Prozessgas beendet wird und weiterhin ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, z. B. Luft, durch die Pumpvorrichtung gefördert wird.
Schließlich kann der für die Oxidation erforderliche Sauerstoff auch im Sperrgas einer Wellendichtung enthalten sein. In diesem Fall strömt der Sauerstoff dosiert aus der Wellendichtung in einen Pumpenraum oder eine Leitung der Pumpvorrichtung.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt, durch den Kompressionsraum einer Vakuumpumpe,
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von 1 und
3 eine schematische Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 1 ist eine Vakuumpumpe in Form einer Schraubenpumpe vorgesehen. Diese weist ein langgestrecktes Gehäuse 10 auf, in dem zwei Schraubenrotoren 12, 14 gegensinnig zueinander drehbar gelagert sind. Jeder Schraubenrotor weist einen schraubenförmig angeordneten Zahn 16, 18, dessen Steigung von dem Pumpeneintritt 20 zum Pumpenaustritt 22 hin stetig abnimmt, wie in 1 erkennbar ist. Hierdurch verkleinert sich die bei drehenden Schraubenrotoren in axialer Richtung wandernde Arbeitskammer vom Pumpeneintritt 20 zum Pumpenaustritt 22 hin. Zwischen dem Pumpeneintritt und dem Pumpenaustritt befindet sich der Kompressionsraum 24.
Der Pumpeneintritt 20 bildet den Schöpfraum, der an die zu evakuierende Einrichtung angeschlossen wird. In diesen Schöpfraum wird das Prozessgas 38 eingesaugt. Es enthält Partikel 40 in Form nicht-oxidierter Stäube.
Der Pumpeneintritt 20 ist mit einem seitlich an das Gehäuse 10 angesetzten Sauerstoffeinlass 26 verbunden, der mit einem Drosselventil 28 versehen ist. Das Drosselventil 28 kann auf unterschiedliche Drosselquerschnitte eingestellt werden, um die Sauerstoffzufuhr zu regulieren. Der Sauerstoff kann reiner Sauerstoff sein oder Bestandteil eines Gasgemisches sein, z. B. von Luft.
Die Stäube reagieren in dem Pumpengehäuse 10 in kontrollierter Weise mit dem zugeführten Sauerstoff, sobald sich während der Verdichtung ein für die Reaktion erforderlicher Sauerstoffpartialdruck einstellt. Eine alternative Ausführungsform des Sauerstoffeinlasses ist mit 26a bezeichnet. Der Sauerstoffeinlass 26a befindet sich im mittleren Bereich der Länge des Kompressionsraums 24, und zwar mittig zwischen den beiden zusammengreifenden schraubenförmigen Zähnen 16, 18.
Eine dritte Alternative bildet der Sauerstoffeinlass 26b, der am Pumpenaustritt 22 angeordnet ist.
Bei den Sauerstoffeinlässen 26, 26a erfolgt jeweils eine Ansaugung des Sauerstoffs bzw. der Außenluft, weil dort ein Vakuum vorhanden ist. Der Sauerstoffeinlass 26b ist hingegen am Pumpenaustritt 22 vorgesehen, wo Atmosphärendruck herrscht. Daher muss eine angesetzte Sauerstoffquelle einen Überdruck haben. In jedem Fall ist ein Drosselventil 28 an dem Sauerstoffeinlass vorgesehen.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Pumpe mit dem Pumpeneinlass 20, in den das Prozessgas 38 eingesaugt wird. Der Sauerstoffeinlass 26 befindet sich hier an dem Ansaugstutzen des Pumpeneinlasses 20.
Die vollen Kügelchen stellen in 3 die nicht-oxidierten Partikel dar und die Hohlkügelchen die oxidierten Partikel. Die Oxidation erfolgt in dem Kompressionsraum 24 in Abhängigkeit davon, welcher der Sauerstoffeinlässe 26, 26a, 26b geöffnet ist.
Die Wellen zum Drehen der Schraubenrotoren sind in 3 mit 30 bezeichnet.

Claims

Verfahren zur Abreaktion selbstentzündlicher Stäube in einer trockenverdichtenden Vakuumpumpvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumpumpvorrichtung während des Betriebes kontinuierlich dosiert Sauerstoff zugeführt wird, wodurch eine Oxidation des Staubes (40) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Sauerstoff am Eintritt (20) der Vakuumpumpvorrichtung oder in den Zuleitungen der Vakuumpumpe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Sauerstoff im Verlauf eines Kompressionsraums (24) der Vakuumpumpvorrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Sauerstoff im Verlauf von oder zwischen mindestens zwei Kompressionsräumen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Sauerstoff am Austritt (22) oder in den Abgasleitungen der Vakuumpumpvorrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Sauerstoff über ein einstellbares bzw. regelbares Drosselventil (28) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Reinigen der Pumpvorrichtung sowie der Zuleitungen von Stäuben und zur vollständigen Abreaktion der Stäube, die Zufuhr von zu verdichtendem Prozessgas (38) beendet wird und weiterhin ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, z. B. Luft, durch die Pumpvorrichtung gefördert wird.
Trockenverdichtende Vakuumpumpvorrichtung mit mindestens einem angetriebenen Kompressionsorgan und einem Gehäuse (10) mit Pumpeneintritt (20) und Pumpenaustritt (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) oder eine der daran angeschlossenen Leitungen mindestens einen Gas- bzw. Sauerstoffeinlass (26, 26a, 26b) mit einem Drosselventil (28) zum Regulieren des Einlassquerschnittes aufweist.
Vakuumpumpvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen zur Überwachung der Reaktion der Oxidation vorgesehen sind, insbesondere in Form von Temperatursensoren bzw. Drucksensoren in demjenigen Raum, in welchem die Oxidation erfolgt.