DE102014223841A1

DE102014223841A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Gegenstrom-Leckdetektion

Info

Publication number: DE102014223841A1
Application number: DE102014223841.2A
Authority: DE
Inventors: Werner Grosse Bley; Hjalmar Bruhns
Original assignee: Inficon GmbH Deutschland
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-25
Also published as: TW201625911A

Abstract

Gegenstrom-Leckdetektionsvorrichtung mit einem mit einem Prüfling verbindbaren Einlass (12), einer mit dem Einlass (12) verbundenen ersten Hochvakuumpumpe (14), die eine Turbomolekularpumpstufe (16), deren Saugseite direkt mit dem Einlass (12) verbunden ist, und eine Molekularpumpstufe (18), deren Saugseite über einen Zwischeneinlass (36) mit der Druckseite der Turbomolekularpumpstufe (16) verbunden ist, aufweist, einem Gasdetektor (26), einer mit dem Gasdetektor (26) verbundenen zweiten Hochvakuumpumpe (28), die eine Turbomolekularpumpstufe (30) aufweist, deren Saugseite mit dem Gasdetektor (26) verbunden ist, einer Vorvakuumpumpe (22), deren Saugseite gasleitend jeweils mit der Druckseite der ersten Hochvakuumpumpe (14) und mit der Druckseite der zweiten Hochvakuumpumpe (28) verbunden ist, wobei in dem Gasleitungsweg (20) zwischen der Vorvakuumpumpe (22) und der ersten Hochvakuumpumpe (14) ein erstes Ventil (24) und in dem Gasleitungsweg (34) zwischen der Vorvakuumpumpe (22) und der zweiten Hochvakuumpumpe (28) ein zweites Ventil (35) vorgesehen ist, wobei ein Gasleitungsweg (40) den Zwischeneinlass (36, 38) der ersten Hochvakuumpumpe (14) mit der Druckseite der Turbomolekularpumpstufe (30) der zweiten Hochvakuumpumpe (28) verbindet und ein drittes Ventil (42) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gegenstrom-Leckdetektion.
Die Leckdetektion nach dem Gegenstromprinzip ist allgemein in DE 16 48 648 C3 beschrieben. Dabei wird an den Einlass einer Turbomolekularpumpe ein Prüfbehälter angeschlossen. In dem Prüfbehälter kann sich der auf ein Leck zu prüfende Prüfling befinden. Der Prüfling ist dabei mit einem Prüfgas, zum Beispiel Helium, gefüllt. Die Druckseite der Turbomolekularpumpe ist mit einer Vorvakuumpumpe verbunden. An einen Zwischeneinlass zwischen der Turbomolekularpumpe und der Vorvakuumpumpe ist die Druckseite einer weiteren Turbomolekularpumpe angeschlossen, welche den Gasdetektor in Form eines Massenspektrometers evakuiert. Die beiden Turbomolekularpumpen werden derart betrieben, dass aus dem Prüfbehälter abgezogenes Prüfgas dem Massenspektrometer zugeführt wird, während der Prüfbehälter und das Massenspektrometer unter Zuhilfenahme der Vorvakuumpumpe evakuiert werden.
In EP 1 620 706 B1 ist eine Anordnung zur Gegenstrom-Lecksuche beschrieben, bei der die den Prüfbehälter evakuierende Hochvakuumpumpe ungedrosselt und ohne ein Ventil direkt mit dem Einlass des Lecksuchgeräts und dem mit dem Einlass verbundenen Prüfbehälter verbunden ist. Dadurch ist das Saugvermögen für Helium am Einlass erhöht und die Ansprechzeit für das Prüfgas auch bei Anschluss von Prüflingen mit großem Volumen reduziert.
Bei einer solchen direkten Verbindung zwischen dem Einlass und der mit dem Einlass verbundenen Hochvakuumpumpe ohne ein Ventil kann aber das in der atmosphärischen Luft enthaltene oder durch Detektion großer Leckagen zugeführte Helium zu einer Verunreinigung der mit dem Einlass verbundenen Hochvakuumpumpe mit Prüfgas führen. Dadurch würde im Massenspektrometer eine Untergrundanzeige erzeugt, welche die Nachweisgrenze für das Prüfgas begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gegenstrom-Leckdetektion mit hohem Saugvermögen am Prüfling zu schaffen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die den Einlass der Leckdetektionsvorrichtung evakuierende Hochvakuumpumpe eine mindestens zweistufige Hochvakuumpumpe mit einer Turbomolekularpumpstufe und einer Molekularpumpstufe. Der Auslass der Turbomolekularpumpstufe ist mit dem Einlass der Molekularpumpstufe verbunden. Der Auslass der Molekularpumpstufe ist mit dem Einlass einer Vorvakuumpumpe verbunden. Zwischen der Molekularpumpstufe und der Turbomolekularpumpstufe ist ein Zwischenanschluss geschaffen, von dem der Gasleitungsweg zur Gegenstrompumpe und zum Massenspektrometer abgezweigt wird. Entsprechend ist denkbar, dass auch die zweite Hochvakuumpumpe (Gegenstrompumpe) eine Hochvakuumpumpe mit einer Turbomolekularpumpstufe und einer Molekularpumpstufe ist. Die Turbomolekularpumpstufe ist auf ihrer Saugseite mit dem Massenspektrometer und auf ihrer Druckseite mit der Saugseite der Molekularpumpstufe verbunden. Die Druckseite der Molekularpumpstufe ist dann mit der Vorvakuumpumpe verbunden. Zwischen die beiden Pumpstufen der zweiten Hochvakuumpumpe ist dann der Gasleitungsweg vom Zwischenanschluss der ersten Hochvakuumpumpe geführt.
Die mit der jeweiligen Turbomolekularpumpstufe verbundene Molekularpumpstufe hindert in der Motorwicklung akkumuliertes Prüfgas (typischerweise Helium) daran, in die Turbomolekularstufe und damit weiter in das Massenspektrometer zurückzuströmen. Eine Untergrundanzeige im Massenspektrometer wird dadurch signifikant reduziert, obwohl die erste Hochvakuumpumpe direkt, das heißt ohne Ventil und/oder ohne zusätzliche Drossel, mit dem Einlass des Leckdetektors verbunden ist, um ein hohes Saugvermögen am Einlass zu erzielen.
Die erste Hochvakuumpumpe ist von der Vorvakuumpumpe durch ein erstes Ventil getrennt. Die zweite Hochvakuumpumpe ist von der Vorvakuumpumpe durch ein zweites Ventil getrennt. In dem Gegenstrom-Gasleitungsweg, der die erste Hochvakuumpumpe mit der zweiten Hochvakuumpumpe verbindet, ist ein drittes Ventil vorgesehen. Die Ventile sind unabhängig voneinander separat betätigbar. Bei geöffnetem zweitem Ventil wird mit Hilfe der Vorvakuumpumpe und der zweiten Hochvakuumpumpe das Massenspektrometer evakuiert, wenn das erste und dritte Ventil geschlossen sind. Um einen mit dem Einlass verbundenen Prüfbehälter zu evakuieren, wird das zweite Ventil geschlossen und das erste Ventil geöffnet, während die erste Hochvakuumpumpe gestartet wird. Die erste Hochvakuumpumpe und die Vorvakuumpumpe evakuieren dann den mit dem Einlass verbundenen Prüfbehälter. Der abgepumpte Gasstrom wird durch das zweite und dritte Ventil von dem Massenspektrometer ferngehalten.
Wenn die erste Hochvakuumpumpe vollständig hochgelaufen ist und der Druck am Zwischenanschluss ausreichend klein ist, wird das dritte Ventil geöffnet, sodass das von dem Einlass angesaugte, gegebenenfalls Prüfgas enthaltende Gas im Gegenstrom über das geöffnete dritte Ventil und die Turbomolekularpumpstufe der zweiten Hochvakuumpumpe in den Gasdetektor gelangt. Zugleich wird auch das zweite Ventil wieder geöffnet, damit das Gas über die gegebenenfalls vorhandene Molekularpumpstufe der zweiten Hochvakuumpumpe und die Vorvakuumpumpe abgepumpt wird.
Sämtliche Ventile sind dann geöffnet. Die Molekularpumpstufen verhindern ein Rückströmen des Prüfgases. Ein Rückströmen könnte insbesondere im Fall von Helium zu einer Untergrundanzeige im Massenspektrometer führen. Das rückströmende Prüfgas führt zu einem nicht aus dem Prüfbehälter stammenden Störsignal. Dieses Störsignal überlagert das Messsignal aus dem Prüfbehälter. Baut sich das Störsignal langsam ab, wird damit der Nachweis von Leckagen ähnlicher Größenordnung im Prüfbehälter unmöglich.
Vorzugsweise handelt es sich bei jeder Molekularpumpstufe um eine Holweck-Stufe.
Im Folgenden wird anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Leckdetektionsvorrichtung weist einen Einlass 12 auf, der gasleitend mit der Saugseite einer ersten Hochvakuumpumpe 14 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Einlass 12 und der ersten Hochvakuumpumpe 14 ist direkt, das heißt ohne eine zusätzliche Drossel, damit das maximale Saugvermögen am Einlass 12 erreicht wird.
Die erste Hochvakuumpumpe 14 ist eine zweistufige Hochvakuumpumpe mit einer Turbomolekularpumpstufe 16 und einer Molekularpumpstufe 18 in Form einer Holweck-Stufe. Die Saugseite der Turbomolekularpumpstufe 16 ist mit dem Einlass 12 verbunden. Die Druckseite der Turbomolekularpumpstufe 16 ist mit der Saugseite der Molekularpumpstufe 18 verbunden. Die Druckseite der Molekularpumpstufe 18 bildet den Auslass der ersten Hochvakuumpumpe 14 und ist über einen ersten Gasleitungsweg 20 gasleitend mit einer Vorvakuumpumpe 22 verbunden. In dem ersten Gasleitungsweg 20 ist zwischen der Vorvakuumpumpe 22 und der ersten Hochvakuumpumpe 14 ein erstes Ventil 24 angeordnet.
Als Gasdetektor 26 wird ein Massenspektrometer verwendet. Das Massenspektrometer ist mit der Saugseite einer zweiten Hochvakuumpumpe 28 verbunden. Die zweite Hochvakuumpumpe 28 entspricht der ersten Hochvakuumpumpe 14. Es handelt sich um eine zweistufige Hochvakuumpumpe mit einer Turbomolekularpumpstufe 30 und einer Molekularpumpstufe 32 in Form einer Holweck-Stufe. Die Saugseite der Turbomolekularpumpstufe 30 bildet den Einlass der zweiten Hochvakuumpumpe 28 und ist gasleitend mit dem Massenspektrometer 26 verbunden. Die Druckseite der Turbomolekularpumpstufe 30 ist mit der Saugseite der Molekularpumpstufe 32 verbunden. Die Druckseite der Molekularpumpstufe 32 bildet den Auslass der zweiten Hochvakuumpumpe 28 und ist gasleitend über einen zweiten Gasleitungsweg 34 mit der Vorvakuumpumpe 22 verbunden. In dem Gasleitungsweg 34 ist ein zweites Ventil 35 vorgesehen.
In dem Gasleitungsweg zwischen der Turbomolekularpumpstufe 16 und der Molekularpumpstufe 18 der ersten Hochvakuumpumpe 14 ist ein Zwischenanschluss 36 vorgesehen. Ein entsprechender Zwischeneinlass 38 ist zwischen der Turbomolekularpumpstufe 30 und der Molekularpumpstufe 32 der zweiten Hochvakuumpumpe 28 vorgesehen.
Die beiden Zwischenanschlüsse 36, 38 der beiden Hochvakuumpumpen 14, 28 sind gasleitend durch einen dritten Gasleitungsweg 40 miteinander verbunden. Der Gasleitungsweg 40 weist ein drittes Ventil 42 auf und bildet den Gegenstrompfad, durch welchen durch den Einlass 12 angesaugtes Gas dem Massenspektrometer 26 zur Analyse zugeführt wird.
Die beiden Molekularpumpstufen 18, 32 behindern ein Rückströmen von Prüfgas in die Turbomolekularpumpstufen 16, 30 und in das Massenspektrometer 26. Ein Störsignal aufgrund einer entsprechenden Verunreinigung, die insbesondere im Falle von Helium als Prüfgas durch das in natürlicher Luft vorhandene Helium entsteht, ist vermieden.
Beim Betrieb der Gegenstrom-Leckdetektionsvorrichtung ist das Prüfvolumen an den Einlass 12 angeschlossen. Das erste Ventil 24 und das dritte Ventil 42 sind geschlossen. Das zweite Ventil 35 ist geöffnet. Die erste Hochvakuumpumpe, die auch als Booster-Turbomolekularpumpe bezeichnet werden kann, läuft nicht. Die zweite Hochvakuumpumpe 28, die auch als Gegenstrom-Turbomolekularpumpe bezeichnet werden kann, und die Vorvakuumpumpe 22 laufen. Das Massenspektrometer 26 ist evakuiert und betriebsbereit.
Zum Starten des Abpumpzyklus wird zunächst das zweite Ventil 35 geschlossen und das erste Ventil 24 geöffnet und die erste Hochvakuumpumpe 14 wird gestartet. Gas fließt dann aus dem Prüfvolumen durch den Einlass 12, durch die beiden Stufen 16, 18 der ersten Hochvakuumpumpe 14 und durch die Vorvakuumpumpe 22. Zur Optimierung des Abpumpvorgangs sind Bypass-Varianten und zusätzliche Ventile denkbar, die hier nicht beschrieben sind.
Sobald der mit dem Einlass verbundene Prüfling oder Prüfbehälter evakuiert und der Druck am Zwischenanschluss 36 vor dem dritten Ventil 42 ausreichend klein ist, wird das dritte Ventil 42 geöffnet. Das durch den Einlass 12 angesaugte Gas, welches gegebenenfalls Helium als Prüfgas enthält, strömt dann über den Gegenstrom-Gasleitungsweg 40 in das Massenspektrometer 26. Zugleich wird auch das zweite Ventil 35 wieder geöffnet, um das Gas über die Molekularpumpstufe 32 abzupumpen.
Insgesamt ermöglicht es die Erfindung, dass die Booster-Turbomolekularpumpe 14 bei Atmosphärendruck anlaufen kann und ihr volles Saugvermögen am Einlass 12 zur Verfügung steht. Aufgrund ihrer Kompression verhindert die Molekularpumpstufe 18 (Holweck-Stufe) ein Rückströmen von Prüfgas (Helium) aus dem Vorvakuum in das Massenspektrometer 26. Die Leckdetektionsvorrichtung wird somit durch die beiden Molekularpumpstufen 18, 32 in einen Analysebereich und in einen möglicherweise verunreinigten Bereich getrennt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1648648 C3 [0002]
EP 1620706 B1 [0003]

Claims

Gegenstrom-Leckdetektionsvorrichtung mit einem mit einem Prüfling verbindbaren Einlass (12), einer mit dem Einlass (12) verbundenen ersten Hochvakuumpumpe (14), die eine Turbomolekularpumpstufe (16), deren Saugseite direkt mit dem Einlass (12) verbunden ist, und eine Molekularpumpstufe (18), deren Saugseite über einen Zwischeneinlass (36) mit der Druckseite der Turbomolekularpumpstufe (16) verbunden ist, aufweist, einem Gasdetektor (26), einer mit dem Gasdetektor (26) verbundenen zweiten Hochvakuumpumpe (28), die eine Turbomolekularpumpstufe (30) aufweist, deren Saugseite mit dem Gasdetektor (26) verbunden ist, einer Vorvakuumpumpe (22), deren Saugseite gasleitend jeweils mit der Druckseite der ersten Hochvakuumpumpe (14) und mit der Druckseite der zweiten Hochvakuumpumpe (28) verbunden ist, wobei in dem Gasleitungsweg (20) zwischen der Vorvakuumpumpe (22) und der ersten Hochvakuumpumpe (14) ein erstes Ventil (24) und in dem Gasleitungsweg (34) zwischen der Vorvakuumpumpe (22) und der zweiten Hochvakuumpumpe (28) ein zweites Ventil (35) vorgesehen ist, wobei ein Gasleitungsweg (40) den Zwischenanschluss (36) der ersten Hochvakuumpumpe (14) mit der Druckseite der Turbomolekularpumpstufe (30) der zweiten Hochvakuumpumpe (28) verbindet und ein drittes Ventil (42) aufweist.
Gegenstrom-Leckdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hochvakuumpumpe (28) eine Molekularpumpstufe (32) aufweist, deren Saugseite mit der Druckseite der Turbomolekularpumpstufe (30) der zweiten Hochvakuumpumpe und gasleitend mit dem dritten Ventil (42) verbunden ist und deren Druckseite gasleitend über das zweite Ventil (35) mit der Vorvakuumpumpe (22) verbunden ist.
Gegenstrom-Leckdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1 der 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Molekularpumpstufe (18, 32) der ersten Hochvakuumpumpe (14) und/oder der zweiten Hochvakuumpumpe (28) eine Holweck-Stufe ist.
Gegenstrom-Leckdetektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Ventile (24, 35, 42) jeweils einzeln und getrennt voneinander steuerbar sind.
Gegenstrom-Leckdetektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdetektor (26) ein Massenspektrometer ist.
Verfahren zur Gegenstrom-Leckdetektion mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: Betreiben der zweiten Hochvakuumpumpe (28) bei geöffnetem zweitem Ventil (35) und geschlossenem erstem (24) und drittem Ventil (42), Schließen des zweiten Ventils (35), Öffnen des ersten Ventils (24) und Starten der ersten Hochvakuumpumpe (14), Öffnen des zweiten (35) und des dritten Ventils (42), sobald der Druck am Zwischenanschluss (36) der ersten Hochvakuumpumpe (14) einen Druck erreicht, bei dem durch den Einlass (12) angesaugtes Gas über den das dritte Ventil (42) enthaltenden Gasleitungsweg (40) (Gegenstromleitung) zu dem Gasdetektor (26) gelangt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einlass (12) der Turbomolekularpumpstufe (16) der ersten Hochvakuumpumpe (14) angesaugtes Gas durch die Turbomolekularpumpstufe (30) der zweiten Hochvakuumpumpe (28) dem Gasdetektor (26) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Molekularpumpstufe (18) der ersten Hochvakuumpumpe (14) ein Rückströmen von der Druckseite der Molekularpumpstufe (18) in die Gegenstromleitung (40) zum Zwischenanschluss (38) der zweiten Hochvakuumpumpe (14) verhindert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Molekularpumpstufe (32) der zweiten Hochvakuumpumpe (28) ein Rückströmen von Gas von der Druckseite der Molekularpumpstufe (32) der zweiten Hochvakuumpumpe (28) in den Gasdetektor (26) verhindert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüfgas Helium verwendet wird.