DE112020003410T5

DE112020003410T5 - Pumpenaggregat

Info

Publication number: DE112020003410T5
Application number: DE112020003410.0T
Authority: DE
Inventors: Christophe Santi; Eric MANDALLAZ; Thibaut Bourrilhon
Original assignee: Pfeiffer Vacuum SAS
Current assignee: Pfeiffer Vacuum SAS
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2022-04-07
Also published as: US20220299030A1; US11815096B2; FR3098869B1; JP2022541763A; WO2021008834A1; FR3098869A1; TW202120792A; KR20220035090A; CN114144572A

Abstract

Pumpenaggregat (1) mit einer Vorvakuumpumpe (2) und einer Roots-Vakuumpumpe (3), die in Reihe und in Strömungsrichtung (G) der gepumpten Gase stromaufwärts der Vorvakuumpumpe (2) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass:- die Roots-Vakuumpumpe (3) drei Pumpstufen (B1 - B3) aufweist, in denen Rotoren (10) so konfiguriert sind, dass sie durch einen Motor (M2) der Roots-Vakuumpumpe (3) gleichzeitig in Drehung versetzt werden, und- das Verhältnis des durch die erste Pumpstufe (T1) der Vorvakuumpumpe (2) in Strömungsrichtung (G) der gepumpten Gase erzeugten Durchsatzes zu dem durch die letzte Pumpstufe (T3) der Vorvakuumpumpe (2) erzeugten Durchsatz kleiner oder gleich vier ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Pumpenaggregat mit einer Vorvakuumpumpe und einer Roots-Vakuumpumpe, die in Reihe und stromaufwärts der Vorvakuumpumpe geschaltet ist.
Vorvakuumpumpen weisen mehrere in Reihe geschaltete Pumpstufen auf, in denen ein zu pumpendes Gas zwischen einer Saug- und einer Druckseite zirkuliert. Unter den bekannten Vorvakuumpumpen wird zwischen Drehkolbenpumpen, die auch als „Roots“-Pumpen bekannt sind und die zwei oder drei Drehkolben aufweisen, und Klauenpumpen, die auch als „Claw“-Pumpen bekannt sind, unterschieden.
Die Vorvakuumpumpen umfassen zwei Rotoren mit identischen Profilen, die sich innerhalb eines Stators in entgegengesetzter Richtung drehen. Bei der Drehung wird das zu pumpende Gas in dem durch die Rotoren und den Stator erzeugten Volumen eingeschlossen und durch die Rotoren zur nächsten Stufe und dann Schritt für Schritt zur Druckseite der Vakuumpumpe bewegt. Der Betrieb erfolgt ohne jeden mechanischen Kontakt zwischen den Rotoren und dem Stator, sodass in den Pumpstufen kein Öl verwendet werden muss.
Zur Erhöhung der Pumpleistung, insbesondere des Durchsatzes, wird im Allgemeinen eine Roots-Vakuumpumpe (im Englischen auch als „Roots Blower“ bekannt) verwendet, die in Reihe und stromaufwärts der Vorvakuumpumpe geschaltet ist. Der durch die Roots-Vakuumpumpe erzeugte Durchsatz kann etwa das Zwanzigfache des durch die Vorvakuumpumpe erzeugten Durchsatzes betragen. Diese Vakuumpumpe umfasst in der Regel eine oder auch zwei Pumpstufen sowie einen Motor, um die Rotoren mit einer Drehfrequenz, die in der Regel höher als die des Motors der Vorvakuumpumpe ist, in Drehung zu versetzen.
Die Vorvakuumpumpe ist in der Regel die erste Komponente des Pumpenaggregats, die ausfällt. Sie ist auch die teuerste Komponente. Tatsächlich sind die Vorvakuumpumpen zahlreichen Beanspruchungen ausgesetzt, insbesondere thermischen und mechanischen, da sie für das höchste Verdichtungsverhältnis sorgen, mit dem sich niedrige Endvakuumdrücke (bei Abwesenheit von gepumpten Strömen) und zufriedenstellende Pumpgeschwindigkeiten zur ausreichenden Entlastung der Roots-Vakuumpumpen erreichen lassen.
Um dieses hohe Verdichtungsverhältnis zu gewährleisten, weisen Vorvakuumpumpen eine hohe Anzahl an Pumpstufen auf, in den meisten Fällen zwischen fünf und sieben. Sie müssen außerdem so gestaltet sein, dass kontrollierte Laufspiele zwischen den Rotoren und mit dem Stator gewährleistet sind.
Da ferner die Drücke der durch die Vorvakuumpumpen gepumpten Gase viel höher als in den Roots-Vakuumpumpen sind, ist die Gefahr von Korrosionsangriffen bei den Vorvakuumpumpen größer, insbesondere in den letzten Pumpstufen.
Darüber hinaus ist es schwierig, die Frequenzen der Vakuumpumpen zu optimieren, um Energie zu sparen. Es ist bekannt, die Drehfrequenz in Wartephasen, die auch als Endvakuumphasen bezeichnet werden, zu senken, um den Stromverbrauch der Vakuumpumpe zu reduzieren. Allerdings kann die Frequenz aller Pumpstufen der Vorvakuumpumpe nur gleichzeitig geändert werden, da die Rotoren von ein und demselben Motor angetrieben werden. Eine zu starke Reduzierung der Drehfrequenz der Vorvakuumpumpe kann einen erheblichen Verlust der Pumpleistung zu Folge haben. Die Wirksamkeit ist somit begrenzt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Pumpenaggregat bereitzustellen, das einen der Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise behebt.
Zu diesem Zweck besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Pumpenaggregats mit einer Vorvakuumpumpe und einer Roots-Vakuumpumpe, die in Reihe und in Strömungsrichtung der gepumpten Gase stromaufwärts der Vorvakuumpumpe geschaltet ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass:

- die Roots-Vakuumpumpe drei Pumpstufen aufweist, in denen Rotoren so konfiguriert sind, dass sie durch einen Motor der Roots-Vakuumpumpe gleichzeitig in Drehung versetzt werden, und
- das Verhältnis des durch die erste Pumpstufe der Vorvakuumpumpe in Strömungsrichtung der gepumpten Gase erzeugten Durchsatzes zu dem durch die letzte Pumpstufe der Vorvakuumpumpe erzeugten Durchsatz kleiner oder gleich vier ist.

Das Verhältnis ist beispielsweise kleiner oder gleich drei, zum Beispiel gleich zwei.
Durch Verwendung einer Roots-Vakuumpumpe mit drei Pumpstufen wird eine Pumpstufe der Vorvakuumpumpe nach dem Stand der Technik auf die Ebene der Roots-Vakuumpumpe „verlagert“. Die erste Pumpstufe der Vorvakuumpumpe wird zur letzten Pumpstufe der Roots-Vakuumpumpe. Dadurch kann sie sich insbesondere schneller drehen, da sie durch den Motor der Roots-Vakuumpumpe angetrieben wird.
Durch diese Verlagerung der Pumpstufe kann das Verdichtungsverhältnis der Vorvakuumpumpe und folglich die Beanspruchung der Vorvakuumpumpe erheblich reduziert werden, da diese Beanspruchung zum Teil auf die Roots-Vakuumpumpe übertragen wird. Dadurch können die Zeiträume zwischen den Wartungen der Vorvakuumpumpe verlängert werden. Da die Roots-Vakuumpumpe mit niedrigerem Druck arbeitet, ist diese Beanspruchung weniger kritisch.
Insbesondere kann durch ein niedriges Verdichtungsverhältnis die auf die Wellen wirkende Biegebeanspruchung reduziert werden. Es ist somit möglich, den Achsabstand zwischen den Wellen, die die Rotoren tragen, zu verringern, wodurch sich wiederum der Platzbedarf der Vorvakuumpumpe reduzieren lässt. Mit einer kleineren Vorvakuumpumpe lassen sich Kosteneinsparungen erzielen, da sie weniger Material benötigt und die Kosten für die Oberflächenbehandlung, z. B. Vernickelung, sowie die Transportkosten, insbesondere auf dem Luftweg, reduziert werden.
Außerdem ergibt sich ein hohes Anlaufmoment bei der Wiederinbetriebnahme einer angehaltenen Vorvakuumpumpe, insbesondere beim Pumpen von Arten, die sich auf den beweglichen Teilen der Vorvakuumpumpe absetzen können.
Ein niedriges Verdichtungsverhältnis der Vorvakuumpumpe ermöglicht zudem die Verwendung eines Motors mit geringer Leistung.
Die Verringerung der thermischen und mechanischen Beanspruchung aufgrund des niedrigen Verdichtungsverhältnisses der Vorvakuumpumpe verbessert zudem die Zuverlässigkeit der Vorvakuumpumpe. Dadurch lässt sich die Drehfrequenz erhöhen, beispielsweise, um stärkere Gasströme durch die Vorvakuumpumpe aufzunehmen oder um die Abmessungen der Pumpstufen und damit den Platzbedarf der Vorvakuumpumpe zu reduzieren.
Eine solche Vorvakuumpumpe mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis ist kein Standard. Sie ist spezifisch für ein Pumpenaggregat, da sie nicht eigenständig wie eine herkömmliche Vorvakuumpumpe betrieben werden kann, sondern eigens für den Betrieb stromabwärts einer erfindungsgemäßen dreistufigen Roots-Vakuumpumpe ausgelegt ist.
Das Pumpenaggregat kann ferner eines oder mehrerer der im Folgenden beschriebene Merkmale aufweisen, allein oder in Kombination.
Die Vorvakuumpumpe weist beispielsweise zumindest drei Pumpstufen auf, beispielsweise drei bis fünf, wie beispielsweise drei oder vier, in denen Rotoren so konfiguriert sind, dass sie durch einen Motor der Vorvakuumpumpe gleichzeitig in Drehung versetzt werden können.
Der durch die erste Pumpstufe der Vorvakuumpumpe erzeugte Durchsatz ist beispielsweise kleiner oder gleich 500 m³/h und beträgt beispielsweise zwischen 200 m³/h und 300 m³/h.
Der durch die erste Pumpstufe der Roots-Vakuumpumpe erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise mehr als das Zehnfache, beispielsweise mehr als das Zwanzigfache, des durch die erste Pumpstufe der Vorvakuumpumpe erzeugten Durchsatzes.
Nach einem Ausführungsbeispiel beträgt der durch die erste Pumpstufe der Roots-Vakuumpumpe erzeugte Durchsatz beispielsweise mehr als 5.000 m³/h, beispielsweise 6.000 m³/h.
Nach einem Ausführungsbeispiel beträgt der durch die erste Pumpstufe der Roots-Vakuumpumpe erzeugte Durchsatz beispielsweise zwischen 2.100 m³/h und 3.500 m³/h. Der durch die zweite Pumpstufe der Roots-Vakuumpumpe erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise zwischen 447 m³/h und 744 m³/h. Der durch die dritte (und letzte) Pumpstufe der Roots-Vakuumpumpe erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise zwischen 298 m³/h und 496 m³/h.
Der durch die erste Pumpstufe der Vorvakuumpumpe erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise zwischen 248 m³/h und 298 m³/h. Der durch die zweite Pumpstufe der Vorvakuumpumpe erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise zwischen 124 m³/h und 149 m³/h. Der durch die dritte Pumpstufe der Vorvakuumpumpe erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise zwischen 124 m³/h und 149 m³/h.
Nach einem Ausführungsbeispiel weist das Pumpenaggregat ein Gestell auf, das die Roots-Vakuumpumpe und die Vorvakuumpumpe übereinander trägt, wobei die Vorvakuumpumpe über der Roots-Vakuumpumpe angeordnet ist. Durch die räumliche Anordnung der Roots-Vakuumpumpe unter der Vorvakuumpumpe wird der Schwerpunkt des Pumpenaggregats abgesenkt, wodurch ihr insbesondere eine bessere Stabilität verliehen wird.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Pumpenaggregat 1 ein Gestell auf, das die Roots-Vakuumpumpe und die Vorvakuumpumpe übereinander trägt, wobei die Roots-Vakuumpumpe über der Vorvakuumpumpe angeordnet ist.
Der Motor der Vorvakuumpumpe kann so konfiguriert sein, dass er variabel ist, um eine hohe Drehfrequenz, beispielsweise von mehr als 100 Hz, und/oder eine niedrige Drehfrequenz, beispielsweise von weniger als 50 Hz, und eine nominale Drehfrequenz zwischen der hohen Drehfrequenz und der niedrigen Drehfrequenz zu erzeugen. Tatsächlich ist es möglich, die Drehfrequenz der Vorvakuumpumpe stärker zu reduzieren, um Energie zu sparen, insbesondere in den Wartephasen bei Endvakuum, ohne einen Verlust an Pumpleistung zu riskieren, da diese durch das hohe Verdichtungsverhältnis der dreistufigen Roots-Vakuumpumpe gewährleistet wird. Die Vorvakuumpumpe kann somit über ein breites Spektrum von Drehfrequenzen betrieben werden, wodurch einerseits große Gasströme mit hoher Drehfrequenz aufgenommen werden können und andererseits der Stromverbrauch bei Nullströmen oder vernachlässigbaren Strömen mit niedriger Drehfrequenz reduziert wird.
Nach einem Ausführungsbeispiel weist das Pumpenaggregat eine Umgehungsleitung auf, die eine Druckseite der Roots-Vakuumpumpe mit einer Druckseite der Vorvakuumpumpe verbindet, wobei die Umgehungsleitung mit einer Ventilvorrichtung versehen ist, die so konfiguriert ist, dass sie sich öffnet, wenn der Saugdruck der Roots-Vakuumpumpe über einem Druckschwellenwert liegt.
Der Druckschwellenwert beträgt beispielsweise zwischen 400 mbar und 600 mbar, beispielsweise 500 mbar.
Die Ventilvorrichtung weist beispielsweise ein Rückschlagventil auf.
Die Umgehungsleitung bietet somit einen Weg zur Umgehung der Vorvakuumpumpe beim Pumpen von Gasen unter hohem Druck, beispielsweise bei Drücken über 500 mbar. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Roots-Vakuumpumpe eine dritte Pumpstufe aufweist. Diese dritte Stufe mit geringem Durchsatz ermöglicht es, dass die Roots-Vakuumpumpe über einen längeren Zeitraum allein arbeiten kann, ohne zu versagen. Ein solches Pumpenaggregat, das die Hochdruck-Vorpumpe umgeht, ermöglicht eine Erhöhung der Hochdruckpumpgeschwindigkeit sowie eine Verringerung des Stromverbrauchs und der für den Druckabbau erforderlichen Zeit. Diese Ausführungsform findet insbesondere beim zyklischen Pumpen von Schleusen zum Be- und Entladen von Substraten Anwendung (im Englischen als „loak lock“ bezeichnet).
Die Verringerung der mechanischen und thermischen Beanspruchung der Vorvakuumpumpe kann es außerdem ermöglichen, den Stator der Pumpstufen der Vorvakuumpumpe aus zwei Halbschalen zu fertigen, die sich auf einer Verbindungsfläche zusammenfügen, die durch die Achsen der die Rotoren tragenden Wellen verläuft. Die Montage einer solchen Pumpe ist deutlich schneller, und das Risiko einer Fehlausrichtung der einzelnen Statorelemente wird verringert. Durch die Reduzierung der Montagezeit der Vorvakuumpumpe können die Kosten gesenkt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer besonderen aber keinesfalls einschränkenden Ausführungsform der Erfindung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine sehr schematische Ansicht eines Pumpenaggregats nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 eine schematische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel einer Vorvakuumpumpe zeigt, in der nur die für den Betrieb notwendigen Elemente dargestellt sind.
3 ein ähnliches Schema wie das aus 1 für ein zweites Ausführungsbeispiel des Pumpenaggregats.
4 ein ähnliches Schema wie das aus 1 für ein drittes Ausführungsbeispiel des Pumpenaggregats.

In den Figuren haben identische Elemente dieselben Bezugszeichen.
Die folgenden Ausführungsformen sind Beispiele. Wenngleich sich die Beschreibung auf eine oder mehrere Ausführungsformen bezieht, bedeutet dies nicht notwendigerweise, dass sich jede Bezugnahme auf dieselbe Ausführungsform bezieht oder dass die Merkmale nur für eine einzige Ausführungsform gelten. Einfache Merkmale verschiedener Ausführungsformen können auch kombiniert oder ausgetauscht werden, um andere Ausführungsformen zu erhalten.
Als „erzeugter Durchsatz“ ist der Hubraum definiert, der dem zwischen den Rotoren und dem Stator der Vakuumpumpe erzeugten Volumen entspricht, multipliziert mit der Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde.
Als „Grenzdruck“ oder „Endvakuum“ ist der Mindestdruck definiert, der sich für eine Pumpvorrichtung ergibt, wenn kein Strom von zu pumpendem Gas in die Vakuumpumpe eingespritzt wird.
Als Vorvakuumpumpe ist eine volumetrische Vakuumpumpe definiert, die so konfiguriert ist, dass sie mit Hilfe von zwei Rotoren ein zu pumpendes Gas bei atmosphärischem Druck ansaugt, fördert und dann wieder ausstößt. Die Rotoren werden von zwei Wellen getragen, die durch einen Motor der Vorvakuumpumpe in Drehung versetzt werden. Bei den Rotoren kann es sich um Roots-, Claw- oder Schneckenrotoren handeln.
Als Roots-Vakuumpumpe (im Englischen auch „Roots Blower“), ist eine volumetrische Vakuumpumpe definiert, die so konfiguriert ist, dass sie mit Hilfe von zwei Roots-Rotoren ein zu pumpendes Gas ansaugt, fördert und dann wieder ausstößt. Die Roots-Vakuumpumpe ist stromaufwärts einer Vorvakuumpumpe und mit dieser in Reihe geschaltet. Die Rotoren werden von zwei Wellen getragen, die durch einen Motor der Roots-Vakuumpumpe in Drehung versetzt werden.
Die Roots-Vakuumpumpe unterscheidet sich von der Vorvakuumpumpe hauptsächlich durch größere Abmessungen der Pumpstufen aufgrund der höheren Pumpkapazitäten, durch größere Spieltoleranzen und dadurch, dass die Roots-Vakuumpumpe nicht bei atmosphärischem Druck ausstößt, sondern in Reihenschaltung stromaufwärts einer Vorvakuumpumpe verwendet werden muss.
Unter „stromaufwärts“ ist ein Element zu verstehen, das in Bezug auf die Strömungsrichtung der gepumpten Gase vor einem anderen Element angeordnet ist. Im Gegensatz dazu ist unter „stromabwärts“ ein Element zu verstehen, das in Bezug auf die Strömungsrichtung der gepumpten Gase hinter einem anderen Element angeordnet ist, wobei das stromaufwärts angeordnete Element unter einem niedrigeren Druck steht als das stromabwärts angeordnete Element mit einem höheren Druck.
Die Begriffe „über“ und „unter“ sind in Bezug auf die Anordnung der Elemente eines auf dem Boden stehenden Pumpenaggregats definiert.
1 zeigt ein erstes beispielhaftes Pumpenaggregat 1.
Das Pumpenaggregat 1 weist eine Vorvakuumpumpe 2 und eine Roots-Vakuumpumpe 3 auf.
Die Vorvakuumpumpe 2 ist eine mehrstufige Vakuumpumpe, die so konfiguriert ist, dass sie die zu pumpenden Gase bei atmosphärischem Druck fördert.
Die Vorvakuumpumpe 2 weist zumindest drei Pumpstufen auf, beispielsweise drei bis fünf, wie beispielsweise drei oder vier Pumpstufen T1, T2, T3 (drei in 1 und 2), die zwischen einer Saugseite 4 und einer Druckseite 5 der Vorvakuumpumpe 2 in Reihe geschaltet sind und in denen ein zu pumpendes Gas zirkulieren kann.
Jede Pumpstufe T1 - T3 ist durch eine Verdichtungskammer ausgebildet, die in einem Stator 6 der Vorvakuumpumpe 2 angeordnet ist, wobei die Verdichtungskammer einen jeweiligen Einlass und einen jeweiligen Auslass aufweist. Die aufeinanderfolgenden Pumpstufen T1 - T3 sind hintereinander in Reihe durch jeweilige Zwischenstufenkanäle 7 verbunden, die den Auslass (bzw. die Druckseite) der vorhergehenden Pumpstufe mit dem Einlass (bzw. der Saugseite) der nachfolgenden Stufe verbinden (siehe 2). Der Einlass der ersten Pumpstufe T1, auch Niederdruckstufe genannt, steht mit der Saugseite 4 der Vorvakuumpumpe 2 in Verbindung, und der Auslass der letzten Pumpstufe T3, auch druckseitige Stufe genannt, steht mit der Druckseite 5 der Vorvakuumpumpe 2 in Verbindung.
Die Vorvakuumpumpe 2 weist außerdem zwei Rotoren 10 auf, die sich in die Pumpstufen T1 - T3 erstrecken. Die Wellen der Rotoren 10 werden durch einen Motor M1 der Vorvakuumpumpe 2 angetrieben, beispielsweise auf der Seite der Niederdruckstufe T1 (1). Die Rotoren 10 der Pumpstufen T1 - T3 werden durch den Motor M1 der Vorvakuumpumpe 2 gleichzeitig in Drehung versetzt.
Die in 2 dargestellten Rotoren 10 sind „Roots“-Rotoren (mit einem Querschnitt in Form einer Acht oder einer Bohne). Selbstverständlich gilt die Erfindung auch für andere Arten trockener mehrstufiger Vorvakuumpumpen, beispielsweise vom „Claw“-Typ oder vom Spiral- oder Schraubentyp oder von einem ähnlichen Prinzip einer volumetrischen Vakuumpumpe.
Die Rotoren 10 sind winkelversetzt und werden so angetrieben, dass sie sich in der Verdichtungskammer jeder Stufe T1 - T3 synchron in entgegengesetzter Richtung drehen. Bei der Drehung wird das über den Einlass angesaugte Gas in dem durch die Rotoren 10 und den Stator 6 erzeugten Volumen eingeschlossen und dann durch die Rotoren 10 zur nächsten Stufe bewegt (die Strömungsrichtung der gepumpten Gase ist in 1 und 2 durch die Pfeile G dargestellt).
Die Vorvakuumpumpe 2 wird als „trocken“ bezeichnet, da sich im Betrieb die Rotoren 10 innerhalb des Stators 6 ohne jeglichen mechanischen Kontakt mit dem Stator 6 drehen, wodurch in den Pumpstufen T1 - T3 kein \Öl verwendet werden muss.
Die Roots-Vakuumpumpe 3 ist in Reihe und in Strömungsrichtung G der gepumpten Gase stromaufwärts der Vorvakuumpumpe 2 geschaltet.
Die Roots-Vakuumpumpe 3 weist drei Pumpstufen B1, B2, B3 auf (1), die zwischen einer Saugseite 11 und einer Druckseite 12 der Roots-Vakuumpumpe 3 in Reihe geschaltet sind und in denen ein zu pumpendes Gas zirkulieren kann.
Wie bei der Vorvakuumpumpe 1 ist jede Pumpstufe B1 - B3 der Roots-Vakuumpumpe 3 durch eine Verdichtungskammer ausgebildet, die einen jeweiligen Einlass und einen jeweiligen Auslass umfasst. Die aufeinanderfolgenden Pumpstufen B1 - B3 sind hintereinander in Reihe durch jeweilige Zwischenstufenkanäle verbunden, die den Auslass (bzw. die Druckseite) der vorhergehenden Pumpstufe mit dem Einlass (bzw. der Saugseite) der nachfolgenden Stufe verbindet. Der Einlass der ersten Pumpstufe B1, auch Niederdruckstufe genannt, steht mit der Saugseite 11 der Roots-Vakuumpumpe 3 in Verbindung, und der Auslass der dritten und letzten Pumpstufe B3, auch druckseitige Stufe genannt, steht mit der Druckseite 12 der Roots-Vakuumpumpe 3 und folglich mit der Saugseite 4 der Vorvakuumpumpe 2 in Verbindung.
Die Roots-Vakuumpumpe 3 weist außerdem zwei Rotoren 10 auf, die sich in die Pumpstufen B1 - B3 erstrecken. Die Wellen der Rotoren 10 werden durch einen Motor M2 der Roots-Vakuumpumpe 3 angetrieben, beispielsweise auf der Seite der druckseitigen Stufe B3 (1). Die Rotoren 10 der Pumpstufen B1 - B3 werden durch den Motor M2 der Roots-Vakuumpumpe 3 gleichzeitig in Drehung versetzt.
Die Rotoren 10 der Roots-Vakuumpumpe 3 sind „Roots“-Rotoren (mit einem Querschnitt in Form einer Acht oder einer Bohne), wie in der Darstellung der Vorvakuumpumpe 2 in 2 gezeigt.
Die Roots-Vakuumpumpe 3 ist ebenfalls eine sogenannte „trockene“ Vakuumpumpe.
Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die Roots-Vakuumpumpe 3 über der Vorvakuumpumpe 2 angeordnet. Sie wird beispielsweise durch ein Gestell 8 des Pumpenaggregats 1 getragen, das auch die Vorvakuumpumpe 2 trägt, wobei das Gestell 8 außerdem Füße 8a und/oder Rollen 8b aufweisen kann, so dass die beiden Vakuumpumpen 2, 3 zusammen räumlich übereinander bewegt und gelagert werden können.
Die Pumpstufen B1 - B3, T1 - T3 der beiden Vakuumpumpen 2, 3 weisen ein mit den Pumpstufen abnehmendes (oder gleichbleibendes) Volumen, d. h. ein gepumptes Gasvolumen, auf, wobei die erste Pumpstufe B1 den höchsten erzeugten Durchsatz aufweist und die letzte Pumpstufe T3 den niedrigsten erzeugten Durchsatz aufweist. Der Abgabedruck der Vorvakuumpumpe 2 ist der atmosphärische Druck. Die Vorvakuumpumpe 2 kann außerdem einen Schalldämpfer 9 am Auslass der letzten Pumpstufe T3 auf der Druckseite 5 aufweisen, wie in 1 dargestellt.
Ferner ist das Verhältnis des durch die erste Pumpstufe T1 der Vorvakuumpumpe 2 in Strömungsrichtung G der gepumpten Gase erzeugten Durchsatzes zu dem durch die letzte Pumpstufe T3 der Vorvakuumpumpe 2 erzeugten Durchsatz kleiner oder gleich vier, beispielsweise kleiner oder gleich drei. Es ist beispielsweise gleich zwei. Eine solche Vorvakuumpumpe 2 ist kein Standard. Sie ist spezifisch für ein Pumpenaggregat 1, da sie nicht eigenständig wie eine herkömmliche Vorvakuumpumpe betrieben werden kann, sondern eigens für den Betrieb stromabwärts einer erfindungsgemäßen Roots-Vakuumpumpe 3 mit drei Pumpstufen B1, B2, B3 ausgelegt ist.
Der durch die erste Pumpstufe T1 der Vorvakuumpumpe 2 erzeugte Durchsatz ist beispielsweise kleiner oder gleich 500 m³/h und beträgt beispielsweise zwischen 200 m³/h und 300 m³/h.
Der durch die erste Pumpstufe B1 der Roots-Vakuumpumpe 3 erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise mehr als das Zehnfache, beispielsweise mehr als das Zwanzigfache, des durch die erste Pumpstufe T1 der Vorvakuumpumpe 2 erzeugten Durchsatzes.
Nach einem Ausführungsbeispiel beträgt der durch die erste Pumpstufe B1 der Roots-Vakuumpumpe 3 erzeugte Durchsatz beispielsweise mehr als 5.000 m³/h, beispielsweise 6.000 m³/h.
Nach einem Abstufungsbeispiel des Pumpenaggregats 1 beträgt in der Roots-Vakuumpumpe 3 der durch die erste Pumpstufe B1 der Roots-Vakuumpumpe 3 erzeugte Durchsatz beispielsweise zwischen 2.100 m³/h und 3.500 m³/h; der durch die zweite Pumpstufe B2 der Roots-Vakuumpumpe 3 erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise zwischen 447 m³/h und 744 m³/h und der durch die dritte und letzte Pumpstufe B3 der Roots-Vakuumpumpe 3 erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise zwischen 298 m³/h und 496 m³/h.
In der Vorvakuumpumpe 2 beträgt der durch die erste Pumpstufe T1 der Vorvakuumpumpe 2 erzeugte Durchsatz beispielsweise zwischen 248 m³/h und 298 m³/h. Der durch die zweite Pumpstufe T2 der Vorvakuumpumpe 2 erzeugte Durchsatz beträgt beispielsweise zwischen 124 m³/h und 149 m³/h. Der durch die dritte Pumpstufe T3 der Vorvakuumpumpe 2 erzeugte Durchsatz entspricht beispielsweise dem der zweiten Pumpstufe T2 und beträgt beispielsweise zwischen 124 m³/h und 149 m³/h.
Bei diesem Beispiel ist das Verhältnis des durch die erste Pumpstufe T1 der Vorvakuumpumpe 2 erzeugten Durchsatzes zu dem durch die letzte Pumpstufe T3 erzeugten Durchsatz somit gleich 2.
Durch Verwendung einer Roots-Vakuumpumpe 3 mit drei Pumpstufen B1, B2, B3 wird eine Pumpstufe der Vorvakuumpumpe nach dem Stand der Technik auf die Ebene der Roots-Vakuumpumpe 3 „verlagert“. Die erste Pumpstufe der Vorvakuumpumpe wird zur letzten Pumpstufe der Roots-Vakuumpumpe 3. Das bedeutet, dass sie sich insbesondere schneller drehen kann, da sie durch den Motor M2 der Roots-Vakuumpumpe 3 angetrieben wird.
Durch diese Verlagerung der Pumpstufe können das Verdichtungsverhältnis der Vorvakuumpumpe 2 und folglich die Beanspruchung der Vorvakuumpumpe 2 erheblich reduziert werden, da diese Beanspruchung zum Teil auf die Roots-Vakuumpumpe 3 übertragen wird. Dadurch können die Zeiträume zwischen den Wartungen der Vorvakuumpumpe 2 verlängert werden. Da die Roots-Vakuumpumpe 3 mit niedrigerem Druck arbeitet, ist diese Beanspruchung weniger kritisch.
Insbesondere kann durch ein niedriges Verdichtungsverhältnis die auf die Wellen wirkende Biegebeanspruchung reduziert werden. Es ist somit möglich, den Achsabstand zwischen den Wellen, die die Rotoren 10 tragen, zu verringern, wodurch sich wiederum der Platzbedarf der Vorvakuumpumpe 2 reduzieren lässt. Mit einer kleineren Vorvakuumpumpe 2 lassen sich Kosteneinsparungen erzielen, da sie weniger Material benötigt und die Kosten für die Oberflächenbehandlung, z. B. Vernickelung, sowie die Transportkosten, insbesondere auf dem Luftweg, reduziert werden.
Außerdem ergibt sich ein hohes Anlaufmoment bei der Wiederinbetriebnahme der angehaltenen Vorvakuumpumpe, insbesondere beim Pumpen von Arten, die sich auf den beweglichen Teilen der Vorvakuumpumpe 2 absetzen können.
Ein niedriges Verdichtungsverhältnis der Vorvakuumpumpe 2 ermöglicht zudem die Verwendung eines Motors M1 mit geringer Leistung.
Die Verringerung der thermischen und mechanischen Beanspruchung aufgrund des niedrigen Verdichtungsverhältnisses der Vorvakuumpumpe 1 verbessert zudem die Zuverlässigkeit der Vorvakuumpumpe 2. Dadurch lässt sich die Drehfrequenz erhöhen, um beispielsweise stärkere Gasströme durch die Vorvakuumpumpe 2 aufzunehmen oder um die Abmessungen der Pumpstufen und damit den Platzbedarf der Vorvakuumpumpe 2 zu reduzieren.
Außerdem ist es aufgrund der Stufenaufteilung des Pumpenaggregats 1 einfacher, die Frequenz der beiden Vakuumpumpen 2, 3 zu verändern, um den Energieverbrauch zu senken. Tatsächlich ist es möglich, die Drehfrequenz der Vorvakuumpumpe 2 stärker zu reduzieren, ohne einen Verlust der Pumpleistung bei Endvakuum zu riskieren, da diese durch das hohe Verdichtungsverhältnis der dreistufigen Roots-Vakuumpumpe 3 gewährleistet wird.
Der Motor M1 der Vorvakuumpumpe 2 kann hierzu so konfiguriert sein, dass er variabel ist, um eine hohe Drehfrequenz, beispielsweise von mehr als 100 Hz, und/oder eine niedrige Drehfrequenz, beispielsweise von weniger als 50 Hz, und eine nominale Drehfrequenz zwischen der hohen Drehfrequenz und der niedrigen Drehfrequenz zu erzeugen, wobei die zuvor beschriebenen erzeugten Durchsätze und Verhältnisse für die nominale Drehfrequenz definiert sind.
Die Vorvakuumpumpe 2 kann somit über ein breites Spektrum von Drehfrequenzen betrieben werden, wodurch einerseits große Gasströme mit hoher Drehfrequenz aufgenommen werden können und andererseits der Stromverbrauch bei Nullströmen oder vernachlässigbaren Strömen mit niedriger Drehfrequenz reduziert wird.
Außerdem kann ein niedriges Verdichtungsverhältnis ermöglichen, dass ein Stator 6 der Pumpstufen T1, T2, T3 der Vorvakuumpumpe 2 zumindest teilweise aus zwei Halbschalen 6b, 6c ausgeführt wird, die entlang einer durch die Wellenachsen verlaufenden Verbindungsfläche S zusammengefügt werden (siehe beispielsweise 2). Der Stator 6 aller Pumpstufen der Vorvakuumpumpe ist beispielsweise aus zwei Halbschalen ausgeführt. Nach einem weiteren Beispiel ist nur der Stator der zwei oder drei letzten Pumpstufen T2, T3 aus zwei Halbschalen 6b, 6c ausgeführt.
Die Montage einer solchen Pumpe ist deutlich schneller, und das Risiko einer Fehlausrichtung der einzelnen Statorelemente wird verringert. Durch die Reduzierung der Montagezeit der Vorvakuumpumpe 2 können die Kosten gesenkt werden.
3 zeigt ein zweites beispielhaftes Pumpenaggregat 1.
Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem vorherigen dadurch, dass hier die Roots-Vakuumpumpe 3 unter der Vorvakuumpumpe 2 angeordnet ist.
Da die drei Pumpstufen B1 - B3 der Roots-Vakuumpumpe 3 aufgrund des größeren erzeugten Volumens der Roots-Vakuumpumpe 3 und gegebenenfalls aufgrund des kleineren Achsabstands der Vorvakuumpumpe 2 einen größeren Platzbedarf als die Vorvakuumpumpe 2 aufweisen, wird die Roots-Vakuumpumpe 3 zur größten und schwersten Komponente des Pumpenaggregats 1.
Durch die räumliche Anordnung der Roots-Vakuumpumpe 3 unter der Vorvakuumpumpe 2 wird der Schwerpunkt des Pumpenaggregats 1 abgesenkt, wodurch ihr insbesondere eine bessere Stabilität verliehen wird.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Pumpenaggregats 1.
Bei diesem Beispiel weist das Pumpenaggregat 1 eine Umgehungsleitung 13 auf, die eine Druckseite 12 der Roots-Vakuumpumpe 3 mit einer Druckseite 5 der Vorvakuumpumpe 2 verbindet. Die Umgehungsleitung 13 ist mit einer Ventilvorrichtung 14 versehen, die so konfiguriert ist, dass sie sich öffnet, wenn der Saugdruck 11 der Roots-Vakuumpumpe 3 über einem Druckschwellenwert liegt.
Der Druckschwellenwert beträgt beispielsweise zwischen 400 mbar und 600 mbar, beispielsweise 500 mbar.
Die Ventilvorrichtung 14 weist beispielsweise ein Rückschlagventil auf. Das Rückschlagventil ermöglicht die automatische Umgehung der Vorvakuumpumpe 2 am Tarierschwellenwert des Rückschlagventils. Der Tarierschwellenwert ist so eingestellt, dass sich das Rückschlagventil öffnet, wenn der Saugdruck 11 der Roots-Vakuumpumpe 3 über dem Druckschwellenwert liegt.
Nach einem weiteren Beispiel weist die Ventilvorrichtung 14 ein Ventil auf, das steuerbar ist, beispielsweise anhand einer Information, die für einen hohen Druck des zu pumpenden Gases repräsentativ ist, wie beispielsweise ein Signal von einem Drucksensor.
Die Umgehungsleitung 13 bietet somit einen Weg zur Umgehung der Vorvakuumpumpe 2 beim Pumpen der Gase unter hohem Druck, beispielsweise bei Drücken über 500 mbar. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Roots-Vakuumpumpe 3 eine dritte Pumpstufe B3 aufweist. Die dritte und letzte Pumpstufe B3 mit geringem Durchsatz ermöglicht es, dass die Roots-Vakuumpumpe 3 über einen längeren Zeitraum ohne Vorvakuumpumpe arbeiten kann, ohne zu versagen. Ein solches Pumpenaggregat 1, das die Hochdruck-Vorpumpe umgeht, ermöglicht eine Erhöhung der Hochdruckpumpgeschwindigkeit sowie eine Verringerung des Stromverbrauchs und der für den Druckabbau erforderlichen Zeit.
Diese Ausführungsform findet insbesondere beim zyklischen Pumpen von Schleusen zum Be- und Entladen von Substraten Anwendung (im Englischen als „loak lock“ bezeichnet). In an sich bekannter Weise öffnet sich eine Be- und Entladeschleuse bei atmosphärischem Druck zum Beladen mit zumindest einem Substrat und zum Entladen des Substrats nach dem Evakuieren in eine Prozesskammer. Bei jeder Beladung mit Substraten muss daher der Druck in der Schleuse gesenkt und dann wieder erhöht werden. Die Be- und Entladeschleusen werden insbesondere bei der Herstellung von Flachbildschirmen oder Photovoltaiksubstraten oder bei der Herstellung von Halbleitersubstraten verwendet.

Claims

Pumpenaggregat (1) mit einer Vorvakuumpumpe (2) und einer Roots-Vakuumpumpe (3), die in Reihe und in Strömungsrichtung (G) der gepumpten Gase stromaufwärts der Vorvakuumpumpe (2) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass: - die Roots-Vakuumpumpe (3) drei Pumpstufen (B1 - B3) aufweist, in denen Rotoren (10) so konfiguriert sind, dass sie durch einen Motor (M2) der Roots-Vakuumpumpe (3) gleichzeitig in Drehung versetzt werden, und - das Verhältnis des durch die erste Pumpstufe (T1) der Vorvakuumpumpe (2) in Strömungsrichtung (G) der gepumpten Gase erzeugten Durchsatzes zu dem durch die letzte Pumpstufe (T3) der Vorvakuumpumpe (2) erzeugten Durchsatz kleiner oder gleich vier ist.
Pumpenaggregat (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis kleiner oder gleich drei ist.
Pumpenaggregat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorvakuumpumpe (2) drei bis fünf Pumpstufen aufweist, beispielsweise drei oder vier Pumpstufen (T1 - T3), in denen Rotoren (10) so konfiguriert sind, dass sie durch einen Motor (M1) der Vorvakuumpumpe (2) gleichzeitig in Drehung versetzt werden.
Pumpenaggregat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die erste Pumpstufe (T1) der Vorvakuumpumpe (2) erzeugte Durchsatz kleiner oder gleich 500 m³/h ist, beispielsweise zwischen 200 m³/h und 300 m³/h beträgt.
Pumpenaggregat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die erste Pumpstufe (B1) der Roots-Vakuumpumpe (3) erzeugte Durchsatz mehr als das Zehnfache, beispielsweise mehr als das Zwanzigfache, des durch die erste Pumpstufe (T1) der Vorvakuumpumpe (2) erzeugten Durchsatzes beträgt.
Pumpenaggregat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die erste Pumpstufe (T1) der Vorvakuumpumpe (2) erzeugte Durchsatz zwischen 248 m³/h und 298 m³/h beträgt, der durch die zweite Pumpstufe (T2) der Vorvakuumpumpe (2) erzeugte Durchsatz zwischen 124 m³/h und 149 m³/h beträgt und der durch die dritte Pumpstufe (T3) der Vorvakuumpumpe (2) erzeugte Durchsatz zwischen 124 m³/h und 149 m³/h beträgt.
Pumpenaggregat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gestell (8) aufweist, das die Roots-Vakuumpumpe (3) und die Vorvakuumpumpe (2) übereinander trägt, wobei die Vorvakuumpumpe (2) über der Roots-Vakuumpumpe (3) angeordnet ist.
Pumpenaggregat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gestell (8) aufweist, das die Roots-Vakuumpumpe (3) und die Vorvakuumpumpe (2) übereinander trägt, wobei die Roots-Vakuumpumpe (3) über der Vorvakuumpumpe (2) angeordnet ist.
Pumpenaggregat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (M1) der Vorvakuumpumpe (2) so konfiguriert ist, dass er variabel ist, um eine hohe Drehfrequenz und/oder eine niedrige Drehfrequenz und eine nominale Drehfrequenz zwischen der hohen Drehfrequenz und der niedrigen Drehfrequenz zu erzeugen.
Pumpenaggregat (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Drehfrequenz mehr als 100 Hz beträgt und die niedrige Drehfrequenz weniger als 50 Hz beträgt.
Pumpenaggregat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Umgehungsleitung (13) aufweist, die eine Druckseite (12) der Roots-Vakuumpumpe (3) mit einer Druckseite (5) der Vorvakuumpumpe (2) verbindet, wobei die Umgehungsleitung (13) mit einer Ventilvorrichtung (14) versehen ist, die so konfiguriert ist, dass sie sich öffnet, wenn der Saugdruck (11) der Roots-Vakuumpumpe (3) über einem Druckschwellenwert liegt.
Pumpenaggregat (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (6) der Pumpstufen (T1, T2, T3) der Vorvakuumpumpe (2) zumindest teilweise durch zwei Halbschalen (6b, 6c) ausgebildet ist, die sich auf einer Verbindungsfläche (S) zusammenfügen, die durch die Achsen der die Rotoren (10) tragenden Wellen verläuft.