DE102014112870A1

DE102014112870A1 - Trockenlaufender Vakuumpumpstand und Steuerverfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102014112870A1
Application number: DE102014112870.2A
Authority: DE
Inventors: Hubert Engmann
Original assignee: ILMVAC GmbH
Current assignee: Gardner Denver Thomas GmbH
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2015-03-12
Also published as: DE202013104111U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen trockenlaufenden Vakuumpumpstand zur Erzeugung eines Vakuums. Der Pumpstand umfasst eine Klauenpumpe (1), die mit ihrer Saugseite an einen Evakuierungsbereich (2) angeschlossen ist; eine Membranpumpe (4), die mit ihrer Saugseite an die Druckseite der Klauenpumpe (1) angeschlossen ist und gegen den an ihrer Druckseite anliegenden Atmosphärendruck fördert; sowie eine Bypassleitung (6) mit einem Bypassventil (7), welches eine geöffnete und eine geschlossene Stellung besitzt. Bei geöffnetem Bypassventil (7) wird die Membranpumpe (4) überbrückt, sodass die Klauenpumpe (1) gegen Atmosphärendruck fördert. Bei geschlossenem Bypassventil (7) wird in die Saugseite der Membranpumpe (4) gefördert. Das Bypassventil (7) schließt, sobald ein vorgegebener Grobvakuumdruck an der Saugseite der Klauenpumpe (1) erreicht ist. Die Klauenpumpe ist eine einstufige Klauenpumpe (1) mit einem Kompressionsverhältnis K0 größer als 80. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuerverfahren zum Betrieb eines trockenlaufenden Vakuumpumpstands.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen trockenlaufenden Vakuumpumpstand zur Erzeugung eines Feinvakuums in einem Evakuierungsbereich. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuerverfahren zum Betrieb eines Vakuumpumpstands.
In modernen technologischen Prozessen werden zunehmend abgeschlossene Bereiche bzw. Räume benötigt, in denen ein Vakuum erzeugt werden muss, beispielsweise um in einer Vorrichtung oder während eines Herstellungsschrittes eine hohe Reinheit der umgebenden Atmosphäre zu ermöglichen. Dafür genügt häufig nicht die Herstellung eines Grobvakuums sondern es wird ein sogenanntes Feinvakuum angestrebt, bei welchem ein Druck im Bereich von 1 bis 10 mbar^–3 herrscht.
Um in einem Evakuierungsbereich ein Feinvakuum herzustellen, muss zunächst ein größeres Volumen durch Abpumpen der enthaltenen Luft oder anderer Gase evakuiert werden und nach Erreichen des gewünschten Unterdrucks das erzeugte Feinvakuum über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden. Im Rahmen technologischer Abläufe soll die anfängliche Evakuierung eines zunächst z. B. unter Atmosphärendruck stehenden Evakuierungsbereiches möglichst schnell erfolgen, während für die Aufrechterhaltung des hergestellten Feinvakuums nachfolgend nur noch ein geringer Energieeinsatz angestrebt wird. Gleichzeitig soll eine Verunreinigung des Evakuierungsbereiches durch Rückströmung aus dem Pumpensystem vermieden werden, so dass ölgedichtete Vakuumpumpen nicht verwendbar sind.
Aus dem Stand der Technik sind zwar unterschiedliche Vakuumpumpen bekannt, die für verschiedene Druck- und Volumenbereiche optimiert sind, jedoch sind keine Pumpen verfügbar, die sowohl eine hohe Volumenleistung bei geringem Energieeinsatz zeigen als auch dauerhaft ein Feinvakuum in einem Evakuierungsbereich aufrechterhalten können, bei gleichzeitiger Vermeidung einer Verschmutzungsgefahr. Für die beschriebenen Anwendungsfelder werden daher Kombinationen aus mehreren Pumpen, sogenannte Pumpstände verwendet. Allerdings zeigen auch solche bekannten Pumpstände weiterhin Nachteile, insbesondere in Bezug auf die Herstellungskosten, die Wartungsaufwendungen und die Betriebssicherheit.
Aus der DE 10 2010 009 083 A1 ist eine Vakuumpumpe mit einer ersten Pumpstufe und einer zweiten Pumpstufe bekannt. Die beiden Pumpstufen sind hintereinander geschaltet und die erste Pumpstufe ist vakuumseitig, die zweite Pumpstufe druckseitig angeordnet. Die zweite Pumpstufe ist mit mindestens einer Membranpumpeinheit ausgeführt und so dimensioniert, dass die zweite Pumpstufe mindestens 20% des Saugvermögens der Vakuumpumpe bei Atmosphärendruck bereitstellt. Die erste Pumpstufe ist mit mindestens einer Schraubenpumpeneinheit ausgeführt. Als besonderer Vorteil der Verwendung einer Schraubenpumpe im Vergleich zu Roots- oder Klauenpumpen wird in dieser Druckschrift die mögliche hohe Verdichtung der Schraubenpumpen genannt. Tatsächlich zeigt sich allerdings, dass mit Schraubenpumpen keine ausreichend hohen Kompressionsverhältnisse erreichbar sind, jedenfalls wenn Aufbauten mit einer konstanten Steigung der Schraubengänge verwendet werden, um die Gesamtkosten gering zu halten.
Die DE 602 00 493 T2 beschreibt ein Vakuumpumpsystem mit einer mehrstufigen trockenlaufenden Primärpumpe, die als Roots- oder Klauenpumpe gestaltet sein kann und deren Einlassseite mit einer Vakuumkammer verbunden ist. Darüber hinaus ist eine Zusatzpumpe vorgesehen, deren Einlass mit dem Auslass der Primärpumpe verbunden ist und deren Auslass gegen den Atmosphärendruck fördert. Ebenso besitzt das Vakuumpumpsystem eine Vorevakuierungsleitung parallel zur Zusatzpumpe und ausgerüstet mit einem Rückschlagventil, welches die von der Primärpumpe kommenden Gase durchlässt. Bei der Zusatzpumpe handelt es sich ebenfalls um eine trockenlaufende Pumpe, die auf einen Rotor verzichten soll. Vorzugsweise wird als Zusatzpumpe eine Membranpumpe eingesetzt. Praktische Untersuchungen haben allerdings gezeigt, dass bei der Reihenschaltung herkömmlicher Klauen- und Membranpumpen ein Feinvakuum allenfalls dann aufgebaut und dauerhaft aufrechterhalten werden kann, wenn wie beschrieben mehrstufige Primärpumpen eingesetzt werden. Dies führt zu einem insgesamt teuren Pumpstand.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von der DE 602 00 492 T2 darin einen verbesserten trockenlaufenden Vakuumpumpstand bereitzustellen, der preiswert aufgebaut werden kann, lediglich zwei einstufig ausgelegte Pumpen benötigt, ein Feinvakuum herstellen kann und für einen energieeffizienten Einsatz im industriellen Bereich konzipiert ist. Außerdem soll ein Steuerverfahren zum Betrieb des Pumpstands angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Vakuumpumpstand gelöst, der eine Klauenpumpe und eine Membranpumpe besitzt. Die Saugseite der Klauenpumpe ist an den Evakuierungsbereich angeschlossen, während die Membranpumpe mit ihrer Saugseite an die Druckseite der Klauenpumpe angeschlossen ist und gegen Atmosphärendruck fördert. Außerdem ist eine Bypassleitung vorgesehen, die ein Bypassventil besitzt, welches im geöffneten Zustand die Membranpumpe überbrückt, so dass die Druckseite der Klauenpumpe in diesem Betriebsmodus gegen Atmosphärendruck fördert. Der Vakuumpumpstand ist erfindungsgemäß derart gesteuert, dass das Bypassventil schließt, sobald ein vorgegebener Grobvakuumdruck an der Saugseite der Klauenpumpe erreicht ist. Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Klauenpumpe eine einstufige Klauenpumpe ist mit einem Kompressionsverhältnis K₀ größer 80, vorzugsweise größer 100.
Die Kombination einer einstufigen Klauenpumpe mit einem entsprechend hohen Kompressionsverhältnis in Verbindung mit einer Membranpumpe gestattet erstmals den Aufbau eines trockenlaufenden Vakuumpumpstandes mit einstufiger Primärpumpe für die Erzielung eines Feinvakuums, insbesondere im Bereich kleiner 1 mbar.
Als wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Pumpstandes werden unter anderem angesehen, dass ein Feinvakuumbereich bei hohem Saugvermögen und niedrigen Ansaugdrücken erreichbar ist, wobei der modulare Aufbau des Pumpstandes geringe Herstellungskosten zur Folge hat und eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall in Bezug auf Förderleistung und Energieeffizienz gestattet. Der Pumpstand kann chemiebeständig ausgeführt werden und es genügt im Regelfall eine Luftkühlung der verwendeten Pumpen.
Um die genannten Kompressionsverhältnisse der Klauenpumpe zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Spaltflächen im Kompressionsraum sehr klein zu halten, insbesondere mit veredelten Oberflächen auszuführen. Vorzugsweise wird dafür eine Lackschicht aufgebracht, die zu einer entsprechenden Oberflächengüte führt. Ein solcher Lack kann nach dem Zusammenbau der Klauenpumpe in den Förderraum eingebracht werden, so dass er sich bei einer ersten Inbetriebnahme auf den Spaltoberflächen verteilt und damit das Spaltmaß weiter verringert. Grundsätzlich sind bereits bei der Herstellung der Klauenpumpe sehr geringe Spaltmaße vorzusehen, um das oben genannte Kompressionsverhältnis erreichen zu können.
Generell definiert das Kompressionsverhältnis K₀ das maximale Druckverhältnis zwischen Ausstoßdruck p₂ und Saugdruck p₁ (K₀ = p₂/p₁). Die benötigten Kompressionsverhältnisse werden beispielsweise durch Klauenpumpen der Serie C-VLR (z. B. C-VLR 60) erreicht, die von der Firma Gardener Denver Schopfheim GmbH unter der Marke „Elmo Rietschle“ angeboten werden. Natürlich können auch andere Klauenpumpen eingesetzt werden, soweit sie das genannte Kompressionsverhältnis erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorgegebene Grobvakuumdruck, bei welchem das Bypassventil schließt, im Bereich von 200 mbar bis 50 mbar, vorzugsweise im Bereich von 120 mbar bis 80 mbar eingestellt.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann zwischen der Saugseite der Klauenpumpe und dem Evakuierungsbereich eine Wälzkolbenpumpe zwischengeschaltet sein. Auf diese Weise lässt sich die anfängliche Förderleistung weiter erhöhen, so dass das gewünschte Feinvakuum insgesamt noch schneller erreicht werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines trockenlaufenden Vakuumpumpstands gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der erfindungsgemäße trockenlaufende Vakuumpumpstand umfasst mindestens zwei Pumpen. Zunächst ist eine einstufige Klauenpumpe 01 vorgesehen, deren Saugseite an einen Evakuierungsbereich 02 angeschlossen ist, in welchem ein Feinvakuum erzeugt werden soll. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die Saugseite der Klauenpumpe 01 mittelbar über eine weitere Pumpe an den Evakuierungsbereich 02 angeschlossen werden. Die Druckseite der Klauenpumpe 01 ist z. B. über eine Vakuumleitung 03 mit der Druckseite einer Membranpumpe 04 gekoppelt. Die Membranpumpe 04 fördert mit ihrer Druckseite gegen den Atmosphärendruck, der beispielsweise in einem Auslassbereich 05 herrscht.
Weiterhin ist im Vakuumpumpstand eine Bypassleitung 06 vorgesehen, in welcher ein Bypassventil 07 eingeschaltet ist. Die Bypassleitung 06 verläuft parallel zur Membranpumpe 04, so dass sie diese bei geöffnetem Bypassventil 07 überbrückt. Bei geöffnetem Bypassventil 07 koppelt die Bypassleitung 06 damit die Druckseite der Klauenpumpe 01 gegen den im Auslassbereich 05 herrschenden Atmosphärendruck.
Die übliche Betriebsweise des erfindungsgemäßen Vakuumpumpstandes lässt sich wie folgt beschreiben: Um ausgehend von einem im Evakuierungsbereich 02 herrschenden Atmosphärendruck dort ein Feinvakuum zu erzeugen, wird zunächst mindestens die Klauenpumpe 01 in Betrieb genommen, wobei gegebenenfalls auch gleichzeitig die Membranpumpe 04 gestartet werden kann. Das Bypassventil 07 ist vorerst geöffnet, so dass die Bypassleitung 06 die Membranpumpe 04 kurzschließt. Die Klauenpumpe 01 fördert mit hoher Förderleistung Gas aus dem Evakuierungsbereich gegen Atmosphärendruck. Bei Erreichen eines vorgegebenen Grobvakuums im Evakuierungsbereich, beispielweise im Bereich von 200 mbar bis 50 mbar, wird das Bypassventil 07 geschlossen. Die Ansteuerung des Bypassventils kann bei bekanntem Fördervolumen zeitgesteuert oder in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck im Evakuierungsbereich 02 erfolgen.
Zur weiteren Evakuierung des Evakuierungsbereichs 02 arbeiten nun bei geschlossenem Bypassventil sowohl die Klauenpumpe 01 als auch die Membranpumpe 04, bis das Feinvakuum im Evakuierungsbereich 02 erreicht ist. Je nach Anwendungsfall kann der Pumpstand kontinuierlich weiterbetrieben werden, um das Feinvakuum aufrecht zu halten, oder es genügt eine intermittierende Betriebsweise.
Durch das hohe Kompressionsverhältnis bei der gewählten einstufigen Klauenpumpe ist erstmals die Reihenschaltung mit einer Membranpumpe zu einem Pumpstand gelungen, der mit nur zwei jeweils einstufig aufgebauten Pumpen die Erzeugung eines Feinvakuums gestattet. Gleichzeitig kann die hohe Förderleistung der Klauenpumpe voll genutzt werden, indem anfänglich die Membranpumpe mit der Bypassleitung überbrückt wird, so dass der Gasstrom nicht durch die rückstauende Membranpumpe geleitet werden muss.
Bezugszeichenliste

01: einstufige Klauenpumpe
02: Evakuierungsbereich
03: Vakuumleitung
04: Membranpumpe
05: Auslassbereich
06: Bypassleitung
07: Bypassventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010009083 A1 [0005]
DE 60200493 T2 [0006]
DE 60200492 T2 [0007]

Claims

Trockenlaufender Vakuumpumpstand zur Erzeugung eines Vakuums, umfassend: – eine Klauenpumpe (1), die mit ihrer Saugseite an einen Evakuierungsbereich (2) angeschlossen ist; – eine Membranpumpe (4), die mit ihrer Saugseite an die Druckseite der Klauenpumpe (1) angeschlossen ist und gegen den an ihrer Druckseite anliegenden Atmosphärendruck fördert; – eine Bypassleitung (6) mit einem Bypassventil (7), welches eine geöffnete und eine geschlossene Stellung besitzt; wobei bei geöffnetem Bypassventil (7) die Membranpumpe (4) überbrückt wird, sodass die Klauenpumpe (1) gegen Atmosphärendruck fördert und bei geschlossenem Bypassventil (7) in die Saugseite der Membranpumpe (4) fördert, und wobei das Bypassventil (7) schließt, sobald ein vorgegebener Grobvakuumdruck an der Saugseite der Klauenpumpe (1) erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Klauenpumpe eine einstufige Klauenpumpe (1) ist mit einem Kompressionsverhältnis K₀ größer als 80.
Vakuumpumpstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionsverhältnis K₀ der einstufigen Klauenpumpe (1) gleich oder größer als 100 beträgt.
Vakuumpumpstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung des genannten Kompressionsverhältnisses der Klauenpumpe (1) die Spaltflächen, die entlang der Rotoren der Klauenpumpe (1) ausgebildet sind, veredelte Oberflächen aufweisen.
Vakuumpumpstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lackschicht diese Oberflächenveredelung bildet.
Vakuumpumpstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Grobvakuumdruck im Bereich von 200 mbar bis 50 mbar eingestellt ist.
Vakuumpumpstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Saugseite der Klauenpumpe (1) und dem Evakuierungsbereich (2) eine Wälzkolbenpumpe zwischengeschaltet ist.
Vakuumpumpstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er der Erzeugung eines Feinvakuums dient.
Vakuumpumpstand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klauenpumpe (1) und die Membranpumpe (4) jeweils einen Saugstutzen auf ihrer Saugseite und einen Druckstutzen auf ihrer Druckseite besitzen.
Vakuumpumpstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Evakuierungsbereich einen Vakuumbereich aus der folgenden Liste umfasst: – eine Bearbeitungskammer einer Anlage; – einen Reinraum; – eine Messkammer; – eine Beschichtungskammer; – einen Abschnitt einer Produktionsanlage für Mikrochips; – eine Feinvakuumdestillationsanlage; – eine Sublimationsanlage; – eine Gefriertrocknungsanlage.
Steuerverfahren zum Betrieb eines trockenlaufenden Vakuumpumpstands, insbesondere eines Vakuumpumpstands gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, folgende Schritte umfassend: – Öffnen eines Bypassventils (07), welches in einer Bypassleitung (06) liegt, die zwischen der Saugseite und der Druckseite einer Membranpumpe (04) verläuft; – Inbetriebnahme mindestens einer Klauenpumpe (01), die mit ihrer Saugseite an einen Evakuierungsbereich (02) angeschlossen ist, um Gas aus dem Evakuierungsbereich zu fördern; – Schließen des Bypassventils (07), bei Erreichen eines vorgegebenen Grobvakuums im Evakuierungsbereich; – Inbetriebnahme der Membranpumpe (04) und weitere Evakuierung des Evakuierungsbereichs (02), bis ein vorgegebenes Feinvakuum im Evakuierungsbereich (02) erreicht ist.