DE19645104A1

DE19645104A1 - Vakuumerzeugungs-Anlage

Info

Publication number: DE19645104A1
Application number: DE1996145104
Authority: DE
Inventors: Hedwig Lismont
Original assignee: Hedwig Lismont
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: DE19645104B4

Description

I Oberbegriff

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumerzeugungs-Anlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Die bezeichnete Behälter sind als Pufferbehälter zu sehen, in den mittels einer Vakuumpumpe gewisse Drücke erzeugt worden sind, bevor sie mit dem Prozeßraum in Verbindung gebracht werden. Das Vakuum im Prozeßraum wird durch Druckausgleich zwischen Behälter und Prozeßraum erzeugt. Daher eignet sich dieses Prinzip besonders für getaktete Prozesse in dem bei jedem Takt erneut ein bestimmter Druck im Prozeßraum erzeugt werden soll und hierzu nur ein Bruchteil der Gesamttaktzeit zur Verfügung steht.

II Stand der Technik

Für verschiedene getaktete Prozesse muß bei jedem Zyklus in einem Prozeßraum einen Unterdruck oder ein Vakuum erzeugt werden oder müssen Gase abgeführt werden. Hierfür steht in der Regel nur ein Teil der Zykluszeit zur Verfügung oder ist sogar dieser Vorgang mit taktbestimmend.

Um diese Nachteile zu vermeiden müssen Pumpen mit hoher Absaugkapazität und entsprechend aufwendige Vakuumanlagen angewandt werden, um auf dem direkten Weg dem Prozeßraum abzusaugen.

Alternativ werden Vakuumpumpen in Kombination mit einem Vakuum-Pufferbehälter benutzt. Bei einem großen Verhältnis Taktzeit zu verfügbare Absaugzeit kann in manchen Fällen dann eine kleinere Vakuumpumpe eingesetzt werden. Die Pumpe erzeugt in dem Fall fast während der gesamten Taktzeit ein Vakuum im Pufferbehälter. Der Prozeßraum wird anschließend während einer begrenzten Zeit mit dem Pufferbehälter in Verbindung gebracht.

III Problem

Um mit einem Pufferbehälter oder parallel geschaltete Pufferbehälter innerhalb bestimmte Zeiträume genügende Vakuum- oder Absaugwerte in einem Prozeßraum zu erreichen, müssen, relativ zum Prozeßraum, große Pufferbehälter eingesetzt und tiefe Vakuumwerte im Behälter erreicht werden.

Dieses führt wiederum zu aufwendigen Anlagen.

Bei steigende Pufferbehältervolumina und Vakuumansprüche, müssen auch immer größere Pumpen eingesetzt werden um diese Behälter auf den nötigen Unterdruck zu bringen. Ab einer gewissen Grenze gehen daher die Vorteile dieser Behältertechnik gegenüber dem direkten Absaugen, mittels einer Vakuumpumpe, verloren.

IV Anwendungsgebiete

Als Beispiele solcher Anwendungen sei erwähnt:

- Vakuum Druck- und Spritzguß
- Elektronenstrahlschweißen
- Helium-Lecktest
- Beschichtungsverfahren
- . . . .

V Lösung, erreichte Vorteile

Der Erfindung liegt dem Problem zugrunde, diese genannte Nachteile zu verringern.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen weiterhin insbesondere darin, daß:

- gleiche Vakuumwerte im Prozeßraum mit einem Bruchteil des Pufferbehältervolumens erreicht werden können. Hierdurch kann die Vakuumpumpe und Teile der Anlage kleiner dimensioniert werden. Dieses resultiert wiederum in Einsparungen bei den Anlagenkosten und in Energieeinsparungen;
- bei vergleichbaren Anlagen, in kürzerer Zeit das benötigte Vakuum erzeugt werden kann oder in gleicher Zeit ein tieferes Vakuum erreicht wird;
- stabilere Prozeßverhältnisse sich einstellen. Die erreichte Enddrücke im Prozeßraum sind unempfindlicher gegen Störeinflüsse und zeigen daher eine geringere Streubreite;
- durch Druck- und gegebenenfalls Temperaturmessungen in den Behältern, ein aussagekräftiges Prozeßkontrolle- und Qualitätssicherungssystem ermöglicht wird;
- die Wahl der Zahl und Dimensionierung der Behälter sowie die in den Behältern erzeugten Drücke, erweiterte Möglichkeiten einer Prozeß- und Anlagenoptimierung darstellen.

VI Ausführungsbeispiel für das Vakuum-Druckgießen, Skizzen VI. 1. Prinzipsbeschreibung

Im nachfolgenden wird das Prinzip eines Vakuumverfahrens beschrieben, indem, anstelle einer direkten Absaugung eines Prozeßraumes mittels einer Vakuumpumpe oder eines auf Unterdruck gebrachten Einzelbehälters, der Prozeßraum in zwei getrennten Stufen mit zwei verschiedenen auf Unterdruck gebrachten Behältern in Verbindung gebracht wird (Anlage 1).

Wir stellen das Gesamtvolumen der Behälter als V dar. Der um den λ Faktor kleinere Prozeßraum hat daher als Volumen V/λ. Beide Behälter haben über den Verteilerfaktor x dann die Volumina V.x und V.(1-x). Die Behälter sind vom Prozeßraum durch die Ventile v₁ und v₂ getrennt, und werden zur Pumpe durch Ventile v₃ und v₄ abgesperrt. A ist die Vakuumpumpe.

Prozeßablauf 1. Erzeugung des Unterdruckes im Prozeßraum

Die auf Unterdrücke gebrachten Behälter p₁ und p₂ werden auf eine solche Weise nacheinander mit dem Prozeßraum in Verbindung gebracht, daß beide Behälter nie gleichzeitig mit dem Prozeßraum in Verbindung stehen.

Zuerst wird der Behälter 1 über das Ventil v₁ mit dem Prozeßraum in Verbindung gebracht. Bei genügend lange Öffnungszeit des Ventils wird sich ein Gleichgewichtsdruck einstellen, der sich aus die Volumina der beiden Räume und die in den Räumen bestehenden Anfangsdrücke errechnen läßt. Wir nennen den erreichbaren Gleichgewichtsdruck nach dieser ersten Phase P_b. Nachdem dieser Vorgang beendet ist, wird das Ventil v₁ wieder geschlossen. Jetzt wird der Prozeßraum (auf Druck p_b) mit dem Behälter 2 (auf Druck p₂) über das Ventil v₂ in Verbindung gebracht. Auch hier stellt sich letztendlich - analog zu der ersten Phase - ein Gleichgewichtsdruck P₂. Am Ende dieser Phase wird das Ventil v₂ wieder geschlossen.

2. Vakuumziehen der Pufferbehälter 1 und 2

Für diese Vorgänge steht die weitere Prozeßzeit des Hauptverfahrens (z. B. Druckguß) zur Verfügung. Grundsätzlich kann nach dem Schließen des Ventils v₁ der Pufferbehälter 1 über das Ventil v₃ mit der Vakuumpumpe verbunden werden. Während einer Zeit t₁ verringert die Vakuumpumpe der Druck im Behälter 1 von Pb auf p₁ (bei stabilen Prozeßverhältnissen!!).

Das Ventil v₃ wird geschlossen. Nach Öffnung des Ventils v₄ bringt die Vakuumpumpe den Behälter 2 von Druck P_c auf p₂. Hierzu braucht die Pumpe eine Zeit t₂.

Damit stabile Prozeßverhältnisse eingehalten werden können muß die Summe der Zeiten t₁ und t₂ wesentlich kleiner sein als die Taktzeit des Hauptprozesses.

VI. 2. Erste Ergebnisse einer mathematischen Modellierung. Vorteile zur Einbehältertechnik 1. Gleichgewichtsbedingungen

In Abhängigkeit von p₁, p₂, λ und x können die erreichbaren Enddrücke im Prozeßraum berechnet werden. Es ist deutlich, daß durch das wiederholte inVerbindung bringen vom Prozeßraum mit Behältern auf Unterdruck eine Potenzierung des erreichbaren Enddruckes erfolgt.

Als Beispiel für 2 Behälter: λ = 30, p₁ = p₂ = 0, x = 0,5

Enddruck
Einbehältersystem	⇒ 32 mbar
Zweibehältersystem	⇒ 4 mbar
Faktor	8

Im Umkehrfall kann ein gleicher Enddruck mit einem Bruchteil des sonst benötigten Gesamtbehältervolumens erreicht werden (im vorherigen Beispiel ≈ 3,5fach kleineres Volumen).

Sehr tiefe Drücke sind mit der Einbehältertechnik praktisch unerreichbar. Zum Erreichen eines Unterdruckes von 4 mbar, müßte das Behältervolumen einen λ-Wert von etwa 250 aufweisen (z. B. 2500 Liter für einen Prozeßraum von 10 Liter). Hierzu wäre eine Vakuumpumpe mit entsprechend großer Leistung erforderlich.

2) Nicht-Gleichgewichtsbedingungen und Störungsfaktoren

In Anlage 2 sind einige der Faktoren aufgezeigt, die beim Entwurf einer solchen Vakuumanlage von Bedeutung sind. Als wichtigste Störungsgrößen ist die im System vorhandene Leckage und die entstehenden Gase zu nennen.

In der Regel wird auch die Dimensionierung der Verbindungskanäle und des Ventils dazu führen, daß der Gleichgewichtsdruck zwischen Prozeßraum und Pufferbehälter innerhalb der dazu verfügbaren Zeit nicht erreicht wird.

Anhand eines Rechenbeispiels wird aufgezeigt inwieweit sich Ein- und Mehrbehältersysteme in dieser Hinsicht (Nicht-Gleichgewichtsbedingungen) unterscheiden (Anlage 3). Bei der annährenden Berechnung wurde davon ausgegangen, daß:

- Keine Leckage und/oder entstehende Gase vorhanden sind.
- Als Absaugzeit zum Prozeßraum hin, 3 Sek. zur Verfügung stehen.
- Als Zeit zum Vakuumziehen der Pufferbehälter wurde einheitlich 40 Sek. angenommen.
- - Die Größe des Prozeßraumes beträgt 10 l.
- - Das Einbehältervolumen beträgt 400 l.
- - Als Mehrbehältersystem wurden 2 Behälter mit jeweils 100 l Volumen gewählt.
- - Beim Ventil wurde von einer mittleren Durchflußmenge von 25 l/Sek. ausgegangen.
- - Die Vakuumpumpe hat eine Absaugleistung von 60 m³/h und erreicht einen Enddruck von 15 mbar.

Rechenweise

Um die Stabilität des Verfahrens zu beurteilen, wurde von einem Anfangsdruck von 1000 mbar in allen Behältern und im Prozeßraum ausgegangen. Bei den aufeinanderfolgenden Prozeßzyklen pendeln sich dann allmählich den unter stabilen Prozeßverhältnissen erreichbaren Druck im Prozeßraum, sowie die Druckverhältnisse in den Behältern ein. Dieses Verhalten ist ein Maßstab für die Prozeßstabilität (Empfindlichkeit an Störungen, Leckage, usw.).

Die Berechnungen wurden mit einem Nicht-Gleichgewichtsalgorithmus errechnet (Behälter).

Ergebnisse

Faktor
- Das Gesamtbehältervolumen des Zweibehältersystems beträgt die Hälfte des Einbehältersystems (400 l ↔ 200 l)	2 ×
- Ein stabiler Prozeß wird doppelt so schnell erreicht wie bei dem Einbehältersystem (4. Iteration ↔ 2. Iteration).	2 ×
- Der erreichte Unterdruck im Prozeßraum, bereinigt um den Enddruck der Vakuumpumpe, ist bei dem Zweibehältersystem um das 2,3fache tiefer.	2,3 ×
Gesamtbeurteilung Faktor	9,2 ×

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß

- beim Zweibehältersystem der Enddruck der Vakuumpumpe zu einem wesentlichen Teil an dem erreichbaren Unterdruck beiträgt. Die Wahl einer Pumpe mit einem Enddruck besser als 5 mbar erscheint in diesem Fall daher als wünschenswert.
- das Mehrbehältersystem λ zuläßt, in einem optimaleren Druckverhältnisbereich, bezugnehmend auf die Durchflußmenge des Ventils, zu arbeiten. Eine zu große Druckdifferenz zwischen den Behältern und dem Prozeßraum führt zu geringen Durchflußmengen im Ventil (adiabatisches Expansionsverhalten der Luft).

VI. 3 Möglichkeiten/Ausblick

Die Vorteile und Möglichkeiten der Mehrbehältertechnik werden, wie im vorhergehenden aufgezeigt, gesehen in:

- Das Erreichen gleicher Vakuumwerte in einem Prozeßraum durch Anwendung von Pufferbehältern mit einem Bruchteil des benötigten Behältervolumen in der Einbehältertechnik. Hierdurch können die Vakuumpumpe und die Teile der peripheren Anlage kleiner dimensioniert werden. Dieses ergibt wiederum Energieeinsparungen und Verringerung der Anlagenkosten.
- Das schnellere Erzeugen eines benötigten Vakuums bei vergleichbaren Anlagen, oder das Erzeugen eines tieferen Vakuums in vergleichbarer Zeit.
- Stabilere Prozeßverhältnisse. Die erreichten Enddrücke im Prozeßraum sind unempfindlicher gegen Störungseinflüsse und zeigen daher eine geringere Streubreite.
- Die Möglichkeit einer Prozeßkontrolle. Durch Druck- und gegebenenfalls Temperaturmessungen in den Behältern können Aussagen zu Prozeßparametern und Störungsvariablen erarbeitet werden.
- Weitere Optimierungsmöglichkeiten durch geschickte Dimensionierung, Parameterwahl und Anzahl der Behälter. Dieses kann sowohl im Hinblick auf mögliche Störungsvariablen (Leckrate . . .) als auch im Hinblick auf einer Optimierung der Anlagenkosten und Betriebskosten geschehen.

In Zusammenhang mit einer Anwendung beim Vakuumdruckgußverfahren, sind folgende Vorteile besonders hervorzuheben:

- Machbarkeit von einer neuen Generation großflächigen Gußteilen, ohne daß hierfür riesige Behältervolumina, entsprechende Investitionen oder größeren Platzbedarf in Betracht gezogen werden müssen. (Beispiel Alumetall 5000 l Behälter!!).
- Unproblematischer Einsatz von Großkolben (z. B. Magnesium).
- Energieeinsparung.

Insbesondere die Machbarkeit von tieferen Vakuumwerten in Druckguß kann dazu führen, daß bisher unerreichbare Material- und Teilequalitäten in diesem Verfahren ins Auge gefaßt werden können.

Eine Umentwicklung der Druckgußtechnik wird als möglicher Quantensprung in der Gießtechnik als weitere Konsequenz gesehen. In dieses neue Gießverfahren bildet das Vakuumprozeß einen wesentlichen Bestandteil.

Claims

1. Vakuumerzeugungsanlage mit einem Prozeßraum und einem ersten mit dem Prozeßraum verbindbaren Pufferbehälter sowie mit wenigstens einer Vakuumpumpe, die zur Evakuierung des Pufferbehälters und/oder des Prozeßraums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zweiter Pufferbehälter vorgesehen ist, der unabhängig von dem ersten Pufferbehälter mit dem Prozeßraum verbindbar ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Pufferbehältern eine gemeinsame Vakuumpumpe zugeordnet ist.

3. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumpumpe in Abhängigkeit von einer Steuerung mit jeweils einem oder mehreren Pufferbehältern verbunden werden kann.

4. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Evakuierungsvorganges die Pufferbehälter nicht miteinander verbunden werden können.

5. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina des Prozeßraumes und der Pufferbehälter etwa im Verhältnis 1 : 10 : 10 stehen.