DE102017004066A1

DE102017004066A1 - Vakuumsystem zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum in einem Rezipienten

Info

Publication number: DE102017004066A1
Application number: DE102017004066.4A
Authority: DE
Inventors: Lutz Schönicke
Original assignee: Alfred Wegener Lnstitut Helmholtz Zentrum fur Polar und Meeresforschung; Alfred-Wegener-Lnstitut Helmholtz-Zentrum fur Polar- und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Lnstitut Helmholtz Zentrum fur Polar und Meeresforschung; Alfred-Wegener-Lnstitut Helmholtz-Zentrum fur Polar- und Meeresforschung
Priority date: 2017-04-23
Filing date: 2017-04-23
Publication date: 2018-10-25
Also published as: EP3392509B1; EP3392509A1

Abstract

Um einen Rezipienten im Hochvakuum zu betreiben, wird in der Regel ein zweistufiges Vakuumsystem mit einer Endvakuumpumpe und einer Vorvakuumpumpe eingesetzt. Bei einer Betriebsstörung, insbesondere einem Stromausfall, werden die Vakuumpumpen langsam belüftet. Es können störende Rückdiffusionen, insbesondere von nasslaufenden, speziell ölgedichteten Vorvakuumpumpen, auftreten, außerdem wird der Rezipient belüftet. Säuberungsarbeiten und erneutes Aufbauen des Hochvakuums sind aber zeit- und kostenaufwändig. Erfindungsgemäß wird zwischen Endvakuumpumpe (03) und Vorvakuumpumpe (05) ein erstes Ventil (09) vorgesehen, das bei einem Stromausfall schlagartig geschlossen wird und das Hochvakuum (Pvac) und die Endvakuumpumpe (03) über Stunden sichert. Nach Stromrückkehr wird das erste Ventil (03), bei dem es sich um ein elektropneumatisches Magnetventil (13) handeln kann, erst nach einer an einer Verzögerungseinrichtung (10) einstellbaren Zeitverzögerung (T_VZ1) wieder geöffnet, sodass dann ein sicherer Pumpenbetrieb gewährleistet ist, der Rückdiffusionen und Belüftungen verhindert. Als Modifikation kann analog an der Vorvakuumpumpe (05) ein zweites Ventil (14) vorgesehen sein. Derartige Rezipienten (01) werden beispielsweise in der Massenspektrometrie zur Materialanalyse im Zusammengang mit Klimaforschung eingesetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumsystem zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum in einem Rezipienten mit zumindest einer Endvakuumpumpe zur Erzeugung von zumindest dem Hochvakuum und einer Vorvakuumpumpe zur Erzeugung von zumindest einem Feinvakuum und mit einer betriebsabhängig gesteuerten Ventileinrichtung zum druckdichten Verschließen des Rezipienten bei einer Betriebsstörung, wobei Rezipient, Endvakuumpumpe, Vorvakuumpumpe und Ventileinrichtung über eine abzweiglose druckdichte Verbindungsleitung miteinander in Reihe geschaltet sind
In der Vakuumtechnik ist der Rezipient eine vakuumdichte Kammer aus Glas oder in der Regel Edelstahl, in der nach Absaugen der enthaltenen Gase mit Hilfe von Vakuumpumpen ein technisches Vakuum herrscht. Im Gegensatz zu einem idealen partikelfreien Vakuum ist ein technisches Vakuum mit Restpartikeln mit technischen Mittel erreichbar. Zur Erzeugung extremer technischer Vakua kann die Vakuumkammer auch hochgeheizt oder tiefgekühlt werden. An das Feinvakuum FV (1 bis 10^-3 hPa (mbar)) schließt sich das Hochvakuum HV (10^-3 bis 10^-7 hPa (mbar)) an. Es folgen Ultrahochvakuum UHV (10^-7 bis 10^-12 hPa (mbar)) und extrem hohes Vakuum XHV (< 10^-12 hPa (mbar)). Eine häufige Anwendung für einen Rezipienten mit einem Hochvakuum ist die Massenspektrometrie, ein Verfahren zur Massebestimmung von Atomen oder Molekülen zur Charakterisierung von chemischen Verbindungen, wie sie beispielsweise in der Biochemie, Geologie und Klimatologie benötigt wird. Das zum Betrieb eines Massenspektrometers erforderliche Hochvakuum wird heute in der Regel durch die Reihenschaltung einer Turbomolekularpumpe mit einer Drehschieberpumpe erzeugt. Dabei erzeugt die Turbomolekularpumpe als Endvakuumpumpe auf ihrer Ansaugseite das Endvakuum im Rezipienten und die Drehschieberpumpe als Vorvakuumpumpe auf ihrer Ansaugseite das Feinvakuum auf der Ausstoßseite der Turbomolekularpumpe. Auf ihrer Ausstoßseite arbeitet die Drehschieberpumpe gegen den Atmosphärendruck.
Bei einem Hochvakuum befinden sich nur noch sehr wenige, nämlich 10¹³ bis 10⁹ Moleküle in 1 cm³ Volumen. Daher ist es technisch sehr aufwändig und zeitlich sehr langwierig, ein derart qualitativ hochwertiges Vakuum zu erzeugen. Der Normalfall bei einer Betriebsstörung des Vakuumsystems, insbesondere bei einem Funktionsausfall der Vakuumpumpen durch einen Stromausfall oder durch eine Verschmutzung oder Beschädigung, besteht in der Auflösung des Vakuums durch langsames vollständiges oder teilweises Belüften der Vakuumkammer. Nach Behebung der Betriebsstörung muss aber der zeitaufwändige Prozess zur Erreichung eines erneuten Vakuums in der Vakuumkammer durchfahren werden. Gegebenenfalls müssen auch die Vakuumkammer und ihre Peripherie zunächst gereinigt werden, wenn Materiepartikel aus den Pumpen oder der Umgebung in den Rezipient rückdiffundiert sind. Dies alles sind extrem unerwünschte Störungen in einem Messbetrieb. Dementsprechend ist es erstrebenswert und von großem Vorteil, ein erzeugtes Vakuum in einer Vakuumkammer auch bei einer Betriebsstörung des Vakuumsystems aufrechtzuerhalten. Dafür werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen angeboten.
Stand der Technik
Als Alternative zur vollständigen oder auch teilweisen Belüftung des Rezipienten bei einer Betriebsstörung wird im Stand der Technik unter anderem vorgeschlagen, die Vakuumpumpen zu belüften. Erreichen diese Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck, können dann Wasser- oder Ölnebel oder -dämpfe bei nasslaufenden Vakuumpumpen und Gase bei mit Gasballast arbeitenden Vakuumpumpen nicht in den Rezipienten eingesogen werden. Ohne Vorsehen weiterer Ventile wird dabei zwangsläufig dann aber auch der Rezipient belüftet. Eine Belüftung des Rezipienten wird vermieden gemäß der DE 38 17 581 A1 , die eine spezielle Ventileinrichtung mit einem Magnetventil und einem Federventil mit Puffervolumen zwischen dem Rezipienten und der Vakuumpumpe offenbart. Bei einem Stromausfall wird die Vakuumpumpe über das sich öffnende Magnetventil belüftet und gleichzeitig der Rezipient über das sich schließende Federventil verschlossen, sodass das Hochvakuum im Rezipienten während er Betriebsstörung erhalten bleibt. Nach Rückkehr des Stroms wird zunächst das Magnetventil geschlossen, sodass die Belüftung der Vakuumpumpe beendet wird. Erst, wenn die Vakuumpumpe wieder ihren Betriebszustand erreicht hat, wird das Federventil für den Rezipienten wieder geöffnet. Ähnliches ist aus der DD 271 545 A1 bekannt, die die Anordnung einer speziellen Ventileinrichtung mit einem Federventil und einem eigenen Belüftungsventil zwischen Rezipient und Drehschieberpumpe beschreibt, über die bei einem Stromausfall der Rezipient druckdicht verschlossen und die Drehschieberpumpe möglichst schnell belüftet wird. Nach Rückkehr des Stroms wird die Belüftung der Drehschieberpumpe verschlossen und der Rezipient erst wieder geöffnet, wenn zwischen Rezipient und Drehschieberpumpe nahezu der gleiche Druck herrscht. In beiden Fällen handelt es sich um spezielle und relativ aufwändige technische Konstruktionen eines Vakuum-Sicherheitsventils mit einem elektromechanischen Antrieb.
Weiterhin ist es beispielsweise aus der DE 100 48 210 B4 oder der DE 199 29 519 A1 bekannt, eine Vorvakuumpumpe sowohl als Vorstufe für eine Endvakuumpumpe hinter einem Rezipienten als auch direkt für einen parallelen Vorrezipienten in einem gemeinsamen Aufbau einzusetzen, wie er beispielsweise für Schleusungsvorgänge in den Rezipienten benötigt wird. Dazu ist ein Magnetventil zwischen der Endvakuumpumpe und der Vorvakuumpumpe angeordnet. Dieses riegelt die Endvakuumpumpe und damit den Rezipienten druckdicht ab, wenn die Vorvakuumpumpe für den Vorrezipienten arbeitet.
Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik wird in der Veröffentlichung. „Neues Hochvakuum für CCD-Kamera 2“ von H.R. Schäfer (im Internet abgerufen 22.04.2017 unter der URL http://www.harpoint-observatory.com/deutsch/publikationen/kameraevakuierung.pdf) beschrieben. Hieraus ist es bekannt, in einem Laboraufbau die Vakuumkammer einer CCD-Kamera als Rezipienten erneut zu evakuieren, wenn das herstellerseitig implementierte Hochvakuum nachgelassen hat. Das erneute Hochvakuum wird zweistufig mittels einer Turbomolekularpumpe als Endvakuumpumpe und einer ölgeschmierten Drehschieberpumpe als Vorvakuumpumpe erzeugt. Um bei einem Stromausfall oder einer sonstigen Betriebsstörung der beiden Vakuumpumpen ein Verschmutzen des Rezipienten zu vermeiden, ist direkt hinter dem Rezipienten ein einfaches Hochvakuum-Magnetventil angeordnet, das bei einer Betriebsstörung sofort geschlossen wird. Rezipient, Magnetventil, Endvakuumpumpe und Vorvakuumpumpe sind über eine abzweiglose druckdichte Verbindungsleitung miteinander in Reihe geschaltet. Das Magnetventil ist elektrisch mit dem Alarmausgang der Steuerelektronik der Turbomolekularpumpe verbunden. Da die Turbomolekularpumpe im Hochvakuum nahezu reibungsfrei arbeitet, braucht sie bei einem Stromausfall eine gewisse Zeit, bis sie die volle Drehzahl und damit das Hochvakuum verliert. Daher ist die Schließzeit des Magnetventils zur Vermeidung von Rückdiffusion in den Rezipienten völlig ausreichend. Zur erneuten Evakuierung wird das Magnetventil zunächst geschlossen und die beiden Vakuumpumpen hochgefahren. Nach ca. 20 min. Betriebszeit wird das Magnetventil dann geöffnet und Hochvakuum im Rezipienten erzeugt. Da es sich im Stand der Technik um einen einmaligen Vorgang zur dauerhaften Erreichung des Hochvakuums in der CCD-Kamera handelt, kann eine derart lange Verzögerungszeit bis zur Öffnung des Magnetventils durchaus in Kauf genommen werden. Außerdem könnten Kontaminierungen, die bis zum Öffnen des Magnetventils direkt hinter dem Rezipienten über die Drehschieberpumpe in die Turbomolekularpumpe vordringen konnten, beim Öffnen des Magnetventils in den Rezipienten gelangen, was entweder zu einer Verlängerung der Pumpzeit bis zum Erreichen des Endvakuums oder sogar zu Verschmutzungen führen kann.
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem zuvor erläuterten nächstliegenden Stand der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, das gattungsgemäße Vakuumsystem zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum in einem Rezipienten mit zumindest einer Endvakuumpumpe zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum und einer dieser vorgeschalteten Vorvakuumpumpe zur Erzeugung von zumindest einem Feinvakuum und mit einer betriebsabhängig gesteuerten Ventileinrichtung zum druckdichten Verschließen des Rezipienten bei einer Betriebsstörung, so weiterzubilden, dass es für einen professionellen Messaufbau mit dauerhaften Messkampagnen geeignet ist und die druckdichte Aufrechterhaltung von einem im Rezipienten herrschenden Hochvakuum bei einer Betriebsstörung mit einem Ausfall der Vakuumpumpen sicher gewährleistet. Dabei sollen einfache und handelsübliche Mittel eingesetzt werden. Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Das beanspruchte Vakuumsystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhaltung des Hochvakuums im Rezipienten während einer Betriebsstörung die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung zumindest ein erstes Ventil mit einer ersten Verzögerungseinrichtung aufweist, das zwischen der Endvakuumpumpe und der Vorvakuumpumpe angeordnet ist und bei einer Betriebsstörung unverzögert automatisch geschlossen und nach Behebung der Betriebsstörung zeitverzögert mit einer an der ersten Verzögerungseinrichtung einstellbaren Zeitkonstante automatisch geöffnet wird, wobei zumindest die Endvakuumpumpe kein eigenes Belüftungsventil aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Vakuumsystem umfasst die Ventileinrichtung ein erstes Ventil, das hinter der Endvakuumpumpe angeordnet ist. Bei einer Betriebsstörung wird dieses Ventil automatisch geschlossen und schützt damit nicht nur den Rezipienten, sondern auch die Endvakuumpumpe, die bei der Erfindung kein eigenes Belüftungsventil aufweist. Sowohl im Rezipienten als auch in der Endvakuumpumpe wird zuverlässig über mehrere Stunden bzw. während der gesamten Betriebsstörung, beispielsweise einem Stromausfall, das herrschende Hochvakuum aufrechterhalten. Ist die Betriebsstörung beendet, werden Rezipient und Endvakuumpumpe nicht sofort wieder freigegeben. Dies erfolgt erst nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung, sodass sichergestellt ist, dass sich die Vorvakuumpumpe bereits wieder im Betriebszustand befindet. Die Zeitverzögerung wird an der ersten Verzögerungseinrichtung am ersten Ventil eingestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine handelsübliche Zeitschaltuhr handeln. Eine Belüftung der Endvakuumpumpe und/oder der Vorvakuumpumpe ist nicht zwingend erforderlich. Für bestimmte Betriebszustände unabhängig vom Normalbetrieb, beispielsweise einer Wartung mit einer Belüftung des Rezipienten, ist es gemäß einer ersten Fortbildung der Erfindung aber bevorzugt und vorteilhaft, wenn das erste Ventil auch als Belüftungsventil der Endvakuumpumpe ausgebildet ist, wobei die Belüftungsfunktion bei einer Betriebsstörung unterdrückt ist.. Bei solchen Betriebszuständen wird dann zunächst die Vorvakuumpumpe aus dem Betrieb genommen, sodass beim Belüften der Endvakuumpumpe keine Verschmutzungen von der Vorvakuumpumpe eindiffundieren können.
Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung ein zweites Ventil mit einer zweiten Verzögerungseinrichtung aufweist, das auf der von der Endvakuumpumpe abgewandten Seite der Vorvakuumpumpe angeordnet ist und bei einer Betriebsstörung unverzögert geschlossen und nach Behebung der Betriebsstörung zeitverzögert mit einer einstellbaren Zeitkonstante geöffnet wird, wobei auch die Vorvakuumpumpe kein eigenes Belüftungsventil aufweist. Die Zeitverzögerung wird an der zweiten Verzögerungseinrichtung am zweiten Ventil eingestellt. Hierbei kann es sich ebenfalls beispielsweise um eine handelsübliche Zeitschaltuhr handeln. Bei dieser Ausgestaltung wird sichergestellt, dass beispielsweise bei einem Stromausfall als Betriebsstörung auch in der Vorvakuumpumpe das Vorvakuum erhalten bleibt, sodass nach Stromrückkehr das gesamte Vakuumsystem sofort wieder betriebsbereit ist. Eine Belüftung der Vorvakuumpumpe ist ebenfalls nicht zwingend erforderlich. Um aber auch bei dieser Variante die Belüftung der Vorvakuumpumpe für spezielle Betriebszustände ermöglichen zu können, ist es gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung vorteilhaft und bevorzugt, wenn das zweite Ventil auch als Belüftungsventil der Vorvakuumpumpe ausgebildet ist, wobei die Belüftungsfunktion bei einer Betriebsstörung unterdrückt ist. Eine Belüftung ist damit - wie bei der Endvakuumpumpe - nur außerhalb einer Betriebsstörung, beispielsweise bei einem Wartungsvorgang möglich. Während einer unerwünschten Betriebsstörung hingegen wird das Vakuum sicher gehalten und nicht belüftet.
Werden sowohl die Endvakuumpumpe als auch die Vorvakuumpumpe mit schnell schließenden Ventilen versehen und besitzen beide Vakuumpumpen keine eigenen Belüftungsventile, so kann mit der Erfindung bei einem plötzlichen Stromausfall das Hochvakuum im Rezipienten und damit die schnellstmögliche Betriebsaufnahme nach Beendigung des Stromausfalls sicher garantiert werden. Damit wird die kürzestmögliche Betriebsunterbrechung einer laufenden Messung beispielsweise in einem Massenspektrometer als Rezipienten erreicht, was für den Betreiber des Vakuumsystems Zeit und Kosten spart. Dabei ist es denkbar, dass der Betreiber von einer solchen Betriebsstörung zunächst überhaupt keine Kenntnis nimmt. Um nach Stromrückkehr automatisch zu gewährleisten ist, dass keine Rückdiffusion in die Vorvakuumpumpe, die Endvakuumpumpe und schlussendlich in den Rezipienten erfolgen kann, bis die Vakuumpumpen wieder vollständig angelaufen sind, ist bei der Erfindung vorgesehen, die Ventile nach Aufhebung der Betriebsstörung zeitverzögert zu öffnen. Dabei ist es gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Zeitkonstante bei der Zeitverzögerung der ersten Verzögerungseinrichtung des ersten Ventils und/oder der zweiten Verzögerungseinrichtung des zweiten Ventils in einem Bereich zwischen 8s und 12s, insbesondere 10 s, eingestellt sind. Wenn nur die Endvakuumpumpe durch das erste Ventil abgedichtet ist, die Vorvakuumpumpe im Störungsfall aber belüftet wird, ist es sinnvoll, wenn die beide Vakuumpumpen zunächst 8s bis 12s, insbesondere 10 s, laufen, bevor das erste Ventil geöffnet wird und die Verbindung zur Endvakuumpumpe freigibt. Anstehende Verschmutzungen in der Vorvakuumpumpe oder am ersten Ventil können so vor Öffnen des ersten Ventils vor der Endvakuumpumpe zunächst von der Vorvakuumpumpe abgesaugt werden. Wenn auch die Vorvakuumpumpe durch das zweite Ventil im Störungsfall geschlossen wurde, können keine Verschmutzungen eindringen und maximal vor dem zweiten Ventil anstehen. Damit diese beim Wiederanlauf aber nicht in die Vorvakuumpumpe eingesogen werden, ist es auch hier sinnvoll, dass beide Vakuumpumpen erst 8s bis 12s, insbesondere 10 s, laufen, bevor dann beide Ventile geöffnet werden. Andere Zeitkonstanten zur Einstellung der Verzögerungszeit an den beiden Ventilen sind ohne weiteres möglich. Diese können länger, aber auch kürzer oder auch an beiden Ventilen unterschiedlich sein. weiterhin ist es bevorzugt und vorteilhaft, wenn beide Verzögerungseinrichtungen in einer gemeinsamen Steuereinrichtung integriert sind sind. Dann wird beispielswiese mit einer gemeinsamen Zeitschaltuhr als Teil der Ventileinrichtung die Öffnungszeit des ersten und des zweiten Ventils gesteuert.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ventile mit speziellen Konstruktionen zur Umsetzung ihrer besonderen Funktionen, beispielsweise Vakuumpumpe belüften und Rezipient abdichten, bekannt. Bei der Erfindung hingegen können besonders vorteilhaft und bevorzugt einfache Magnetventile eingesetzt werden, die elektropneumatisch betrieben werden. Bei Magnetventilen handelt es sich um kommerziell beziehbare Ventile ohne Sonderkonstruktionen. Bei einer elektropneumatischen Betätigung wird ein elektrisches Signal in ein pneumatisches Signal umgewandelt. Diese Ventile besitzen ein direkt betätigtes Ventil, das nach Eingang eines elektrischen Signals eine pneumatische Betätigung ansteuert. Der große Vorteil bei einer pneumatischen Betätigung ist die extrem kurze Schließzeit solcher Ventile. Im Falle eines Stromausfalls ist es bei der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft, wenn zumindest das erste Ventil elektrisch mit einem Alarmausgang der Endvakuumpumpe und/oder der Vorvakuumpumpe verbunden ist. Ein auftretendes Störsignal löst dann automatisch das erste Ventil aus. Dieses wird schlagartig geschlossen und sichert das Hochvakuum im Rezipienten. Dies gilt auch für das zweite Ventil, wenn dieses auch mit dem Alarmausgang der Endvakuumpumpe und/oder der Vorvakuumpumpe verbunden ist. Dadurch und durch die pneumatische Unterstützung kann eine besonders schnelle Schließung der Ventile bei einem plötzlichen Stromausfall und damit eine besonders gute Erhaltung des Hochvakuums im Rezipienten gewährleistet werden. Im Betriebsfall werden die Magnetventile durch den Stromfluss offengehalten.
Weiterhin ist es bei der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Endvakuumpumpe von einer Turbomolekularpumpe gebildet ist. Bei einer Molekularpumpe wird der Effekt ausgenutzt, dass auf eine Wandung auftreffende Teilchen eine kurze Zeit zwischen Adsorption und Desorption an der Wandung verharren. Bei der Turbomolekularpumpe handelt es sich um eine trockenlaufende Gastransferpumpe, die aus einer ein- oder mehrstufig abwechselnden Anordnung von schrägstehenden Leitblechen als Statoren besteht, zwischen denen Rotoren mit schrägstehenden Rotorblättern laufen. Die Geschwindigkeit der Rotorblätter liegt ungefähr in der Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der zu evakuierenden Gasmoleküle. Die Pumpwirkung resultiert nun daraus, dass den vorhandenen Atomen und Teilchen während ihres Verharrens auf den schrägen Flächen Impulse mit einer axialen Komponente zugefügt werden. Dadurch werden sie durch den Pumpenraum und damit aus dem Rezipienten herausbefördert. Weiterhin ist es bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Vorvakuumpumpe als nasslaufende Drehschieberpumpe, insbesondere ölgedichtet, ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich nasslaufende Verdrängerpumpe, die aus einem Hohlzylinder als Stator besteht, in dem ein weiterer Zylinder als Rotor rotiert, der von einem Exzenter entlang der Gehäusewand geführt wird. Der Kolben ist mit einem hohlen Schieber verbunden, welcher schwenkbar im Gehäuse gelagert ist und den sichelförmigen Arbeitsraum in eine Saugseite und eine Druckseite aufteilt. Die Vakuumpumpe ist mit Öl gefüllt, das deren Schmierung gewährleistet und zur Abdichtung des Pumpenraums und des Druckventils dient. Bei einer Betriebsstörung kann es aber dazu kommen, dass Ölnebel in den Vakuumbereich diffundieren und zu unerwünschten Verschmutzungen führen. Nähere Erläuterungen zur Ausführung des mit der Erfindung beanspruchten Vakuumsystems und seinen Komponenten sind den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Figurenliste
Nachfolgend werden das Vakuumsystem zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum in einem Rezipienten nach der Erfindung und seine vorteilhaften Modifikationen anhand der schematischen Figuren zum besseren Verständnis der Erfindung noch weitergehend erläutert. Dabei zeigt die

1 den schematischen Aufbau eines zweistufigen Vakuumsystems mit einem Ventil,
2 den schematischen Aufbau eines zweistufigen Vakuumsystems mit zwei Ventilen und
3 den schematischen Aufbau eines zweistufigen Vakuumsystems mit zwei Ventilen, die gleichzeitig als Belüftungsventile fungieren.

In der 1 ist ein zweistufiges Vakuumsystem 01 dargestellt, das der Erzeugung eines Hochvakuums P_vac in einem Rezipienten 02 dient. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rezipient 02 (Vakuumkammer) Teil eines nicht weiter dargestellten Massenspektrometers, mit dem die Zusammensetzung von Eisbohrkernen analysiert werden soll. An den Rezipienten 02 ist eine Endvakuumpumpe 03 angeschlossen, beispielsweise eine Turbomolekularpumpe 04. Auf ihrer Ansaugseite erzeugt die Endvakuumpumpe 03 das Hochvakuum P_vac , das im Inneren des Rezipienten 02 herrscht. Auf ihrer Ausstoßseite steht ein Druck P_vor eines Feinvakuums (Vorvakuum) an, der von einer vorgeschalteten Vorvakuumpumpe 05 erzeugt wird. Hier handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine ölgedichtete Drehschieberpumpe 06. Diese arbeitet zwischen den Drücken Pvor auf ihrer Ansaugseite und dem Umgebungsdruck Pa auf ihrer Ausstoßseite. Zwischen der Endvakuumpumpe 03 und der Vorvakuumpumpe 05 ist eine betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung 07 zum druckdichten Verschließen des Rezipienten 02 bei einer Betriebsstörung angeordnet. Alle Komponenten Rezipient 02, Endvakuumpumpe 03, Vorvakuumpumpe 05 und Ventileinrichtung 07 sind über eine abzweiglose druckdichte Verbindungsleitung 08 miteinander in Reihe geschaltet. Das herrschende Druckgefälle wird durch die Pfeile (Pumprichtung) angedeutet. Durch die Linearität der Verbindungsleitung 08 ist sicher gewährleistet, dass im Störungsfall das Hochvakuum P_vac sicher aufrechterhalten wird und nicht über abzweigende Verbindungsleitungen, beispielsweise zu weiteren Druckkammern mit Schleusenfunktionen, belüftet wird. Andere Vakuumsysteme 01 können auch drei- oder mehrstufig ausgebildet sein, je nach Einsatzfall und Leistungsfähigkeit der eingesetzten Vakuumpumpen 03, 05.
In der 1 ist weiterhin schematisch dargestellt, dass zur Erhaltung des Hochvakuums im Rezipienten 02 während einer Betriebsstörung die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung 07 zumindest ein erstes Ventil 09 mit einer ersten Verzögerungseinrichtung 10 aufweist. Dieses erste Ventil 09 ist in der unverzweigten Verbindungsleitung 08 zwischen der Endvakuumpumpe 03 und der Vorvakuumpumpe 05 angeordnet. Dieses erste Ventil 09 dient dem Schutz des Rezipienten 02 während einer Betriebsstörung, indem es beispielsweise bei einem Stromausfall den Rezipienten 02 druckdicht geschlossen wird und so verhindert, dass das Hochvakuum P_vac in seinem Inneren zerstört wird. Dies ist nämlich normalerweise bei einem Stromausfall und damit bei einem Aufhören des Pumpbetriebs der Fall: über ein spezielles Belüftungsventil wird die Endvakuumpumpe 03 langsam belüftet, um zu vermeiden, dass Ölnebel von der Vorvakuumpumpe 05 zurückschlagen. Bei dem Vakuumsystem 01 nach der Erfindung weist hingegen die Endvakuumpumpe 03 kein eigenes Belüftungsventil auf. Vorhandene Belüftungsventile können einfach durch Blindstopfen ersetzt werden. Das druckdicht verschlossene erste Ventil 09 sorgt dafür, dass keine Ölnebel in die Endvakuumpumpe 03 eindringen können.
Bei einer Betriebsstörung wird das erste Ventil 09 automatisch geschlossen. Dazu ist es beispielsweise über eine elektrische Leitung 11 mit dem Alarmausgang 24 der Endvakuumpumpe 03 elektrisch verbunden. Wird am Alarmausgang der Endvakuumpumpe ein Warnsignal generiert, weil sich der Pumpenlauf verlangsamt (beispielsweise Stromausfall, Verschmutzung oder Funktionsstörung), führt dieses Signal zum sofortigen Schließen des ersten Ventils 09. Weiterhin ist durch eine zweite elektrische Leitung 12 gestrichelt angedeutet, dass ein auslösendes Alarmsignal auch von der Vorvakuumpumpe 05 kommen kann. Dadurch werden beide Vakuumpumpen 03, 05 in ihrem jeweiligen Betriebszustand beobachtet, und es können auch einseitige Betriebsstörungen berücksichtigt werden, die nicht durch einen Stromausfalls verursacht wurden. Das erste Ventil 09 kann seinen Schließbefehl aber auch anderweitig, beispielsweise direkt durch den Stromausfall erhalten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem ersten Ventil 09 um ein erstes elektropneumatisch betriebenes Magnetventil 13, das im Betriebsfall unter Strom offen ist. Bei einem Stromausfall fällt eine elektromagnetisch angezogene Schaltplatte automatisch ab und erzeugt einen pneumatischen Impuls, der zum sofortigen Schließen des Magnetventils 13 führt.
Nach Behebung der Betriebsstörung, in der Regel also nach Rückkehr des Stroms, tritt die Verzögerungseinrichtung 10 in Aktion. Sie ist mit einer Verzögerungszeit T_VZ1 eingestellt und bestimmt den Zeitpunkt, wann das Ventil 09 wieder öffnen darf. In der Regel reicht ein Zeitraum von 8s bis 12s aus, um sicher zu gewährleisten, dass die Vakuumpumpen 03, 05 wieder ordnungsgemäß arbeiten. Wird das Ventil 09 also wieder bei T_VZ1 = 10s geöffnet, ist sicher gewährleistet, dass keine Ölnebel aus der Vorvakuumpumpe 05 in die Endvakuumpumpe 03 gelangen, weil die Vorkauumpumpe 05 die Ölnebel wieder bereits in Richtung Umgebungsdruck Pa abpumpt.
In der 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung aufgezeigt, bei der die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung 07 ein zweites Ventil 14 mit einer zweiten Verzögerungseinrichtung 15 aufweist, das auf der von der Endvakuumpumpe 03 abgewandten Seite der Vorvakuumpumpe 05 angeordnet ist. Dieses zweite Ventil 14 ist in völliger Analogie zu dem oben beschriebenen ersten Ventil 09 zu sehen, wobei nunmehr auch die Vorvakuumpumpe 05 kein eigenes Belüftungsventil aufweist. Vorhandene Belüftungsventile können einfach durch Blindstopfen ersetzt werden. Das zweite Ventil 14 erfüllt die gleiche Funktion wie das erste Ventil 09, allerdings ist es der Vorvakuumpumpe 05 zugeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird also zusätzlich verhindert, dass das Feinvakuum P_vor bei einem Stromausfall ausfällt. Nach Stromrückkehr kann also auch die Vorvakuumpumpe 05 schneller wieder in den Betrieb gehen. Entsprechend wird dann über die zweite Verzögerungseinrichtung 15 nach einer Verzögerungszeit T_VZ2 das zweite Ventil 14 wieder geöffnet. Dabei liegt die zweite Verzögerungszeit T_VZ2 wieder in einem Bereich von 10s und ist damit synchron mit der Verzögerungszeit T_VZ1 des ersten Ventils 09. Sie kann aber auch größer oder kleiner sein, je nach Bedarfsfall.
Angesteuert wird das zweite Ventil 14 über eine dritte elektrische Leitung 16, die mit dem Alarmausgang 25 der Vorvakuumpumpe 05 verbunden ist. Angedeutet ist eine (zusätzliche oder alternative) Aktivierung über eine vierte elektrische Leitung 17, die wiederum vom Alarmausgang der Endvakuumpumpe 03 kommt. Ebenso kann aber wiederum eine direkte Ansteuerung erfolgen. Bei dem zweiten Ventil 14 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um ein zweites elektropneumatisches Magnetventil 18.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, bei der das erste Ventil 09 als ein erstes Belüftungsventil 19 für die Endvakuumpumpe 03 und das zweite Ventil 14 als ein zweites Belüftungsventil 20 für die Vorvakuumpumpe 05 ausgebildet ist. Dazu ist das erste Belüftungsventil 19 über eine erste Entlüftungsleitung 21 mit der Endvakuumpumpe 03 druckdicht verbunden. Weiterhin ist das zweite Belüftungsventil 20 über eine zweite Belüftungsleitung 22 mit der Vorvakuumpumpe 05 druckdicht verbunden. Ebenso ist es möglich, dass nur erste Ventil 09 als erstes Belüftungsventil 19 ausgebildet ist und die Vorvakuumpumpe 05 über ein eigenes Belüftungsventil verfügt. Die Funktion der Belüftung wird bei den beiden Ventilen 09, 14 aber nur für solche Zwecke aktiviert, in denen bewusst das Feinvakuum bzw. das Vorvakuum aufgegeben werden soll, beispielsweise zu Austauschzwecken der beiden Vakuumpumpen 03, 05 oder zu Öffnungszwecken des Rezipienten 02.
Desweiteren ist in der 3 eine betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung 07 gezeigt, die sowohl das erste und zweite Ventil 09, 14 in der zusätzlichen Funktion als Belüftungsventile 19, 20 als auch die beiden Verzögerungseinrichtungen 10, 15 umfasst. Insbesondere in einer zentralen Steuereinheit 23 können alle Signale erfasst und entsprechend Steuerbefehle einfach, schnell und zuverlässig generiert werden.
Bezugszeichenliste

01: Vakuumsystem
02: Rezipient
03: Endvakuumpumpe
04: Turbomolekularpumpe
05: Vorvakuumpumpe
06: Drehschieberpumpe
07: Ventileinrichtung
08: Verbindungsleitung
09: erstes Ventil
10: erste Verzögerungseinrichtung
11: erste elektrische Leitung
12: zweite elektrische Leitung
13: erstes Magnetventil
14: zweites Ventil
15: zweite Verzögerungseinrichtung
16: dritte elektrische Leitung
17: vierte elektrische Leitung
18: zweites Magnetventil
19: erstes Belüftungsventil
20: zweites Belüftungsventil
21: erste Belüftungsleitung
22: zweite Belüftungsleitung
23: zentrale Steuereinheit
24: Alarmausgang von 03
25: Alarmausgang von 05
P_vac: Hochvakuum
P_vor: Feinvakuum
Pa: Atmosphärendruck
T_VZ1: Zeitkonstante von 10
T_VZ2: Zeitkonstante von 15

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3817581 A1 [0004]
DD 271545 A1 [0004]
DE 10048210 B4 [0005]
DE 19929519 A1 [0005]

Claims

Vakuumsystem (01) zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum (P_vac) in einem Rezipienten (02) mit zumindest einer Endvakuumpumpe (03) zur Erzeugung von zumindest dem Hochvakuum (Pvac) und einer Vorvakuumpumpe (05) zur Erzeugung von zumindest einem Feinvakuum (P_vor) und mit einer betriebsabhängig gesteuerten Ventileinrichtung (07) zum druckdichten Verschließen des Rezipienten (01) bei einer Betriebsstörung, wobei Rezipient (01), Endvakuumpumpe (03), Vorvakuumpumpe (05) und Ventileinrichtung (07) über eine abzweiglose druckdichte Verbindungsleitung (08) miteinander in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhaltung des Hochvakuums (P_vac) im Rezipienten (02) während einer Betriebsstörung die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung (07) zumindest ein erstes Ventil (09) mit einer ersten Verzögerungseinrichtung (10) aufweist, das zwischen der Endvakuumpumpe (03) und der Vorvakuumpumpe (05) angeordnet ist und bei einer Betriebsstörung unverzögert automatisch geschlossen und nach Behebung der Betriebsstörung zeitverzögert mit einer an der ersten Verzögerungseinrichtung (10) einstellbaren Zeitkonstante (T_VZ1) automatisch geöffnet wird, wobei zumindest die Endvakuumpumpe (03) kein eigenes Belüftungsventil aufweist.
Vakuumsystem (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (09) auch als Belüftungsventil (19) der Endvakuumpumpe (03) ausgebildet ist, wobei die Belüftungsfunktion bei einer Betriebsstörung unterdrückt ist.
Vakuumsystem (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung (07) ein zweites Ventil (14) mit einer zweiten Verzögerungseinrichtung (15) aufweist, das auf der von der Endvakuumpumpe (03) abgewandten Seite der Vorvakuumpumpe (05) angeordnet ist und bei einer Betriebsstörung unverzögert geschlossen und nach Behebung der Betriebsstörung zeitverzögert mit einer an der zweiten Verzögerungseinrichtung (15) einstellbaren Zeitkonstante (T_VZ2) geöffnet wird, wobei auch die Vorvakuumpumpe (05) kein eigenes Belüftungsventil aufweist.
Vakuumsystem (01) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (09) auch als Belüftungsventil (20) der Vorvakuumpumpe (05) ausgebildet ist, wobei die Belüftungsfunktion bei einer Betriebsstörung unterdrückt ist..
Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante (T_VZ1) der ersten Verzögerungseinrichtung (10) des ersten Ventils (09) in einem Bereich zwischen 8s und 12s eingestellt ist.
Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante (T_VZ2) der zweiten Verzögerungseinrichtung (15) des zweiten Ventils (14) in einem Bereich zwischen 8s und 12s eingestellt ist.
Vakuumsystem (01) nach Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verzögerungseinrichtung (10) und die zweite Verzögerungseinrichtung (15) in einer gemeinsamen Steuereinrichtung (23) zusammengefasst sind.
Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest erste Ventil (09) als pneumatisch gesteuertes Magnetventil (13) ausgebildet ist.
Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Ventil (09) elektrisch mit einem Alarmausgang (24) der Endvakuumpumpe (03) und/oder mit einem Alarmausgang (25) der Vorvakuumpumpe (05) verbunden ist.
Vakuumsystem (01) nach Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Endvakuumpumpe (03) als trockenlaufende Turbomolekularpumpe (04) ausgebildet ist.
Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorvakuumpumpe (05) als nasslaufende Drehschieberpumpe (06) ausgebildet ist.
Vakuumsystem (01) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die nasslaufende Drehschieberpumpe (06) mit Öl gedichtet ist.