DE19645104B4

DE19645104B4 - Verfahren zur Durchführung eines Prozesses in einem mit Unterdruck beaufschlagten Prozessraum

Info

Publication number: DE19645104B4
Application number: DE1996145104
Authority: DE
Inventors: Hedwig Lismont
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: DE19645104A1

Abstract

Verfahren zur Durchführung eines Prozesses in einem mit Unterdruck beaufschlagten Prozessraum mit folgenden Verfahrensschritten:
a) Verbinden eines ersten auf einem Unterdruck befindlichen Behälters (1) mit dem Prozessraum durch Öffnen eines Ventils (v1);
b) Schließen des Ventils (v1);
c) Verbinden eines zweiten auf einem Unterdruck befindlichen Behälters (2) mit dem Prozessraum durch Öffnen eines Ventils (v2);
d) Schließen des Ventils (v2);
e) Durchführung des Prozesses in dem Prozessraum;
f) Evakuieren der Behälter (1 und 2).

Description

I. Oberbegriff
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durhführung eines Prozesses in einem mit unterdruck beaufschlagten Prozessraum. Die bezeichneten 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 zischen 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 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 ein 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 den 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 geschalteten Pufferbehältern innerhalb bestimmten 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 steigenden 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 seien erwähnt:

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

V. Lösung, erreichte Vorteile
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, diese genannten 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 Prozesskontroll- 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. Prinzipbeschreibung
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 (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 1 und 2 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 langer Öffnungszeit des Ventils wird sich ein Gleichgewichtsdruck einstellen, der sich aus den Volumina der beiden Räume und den in den Räumen bestehenden Anfangsdrucken errechnen lässt. Wir nennen den erreichbaren Gleichgewichtsdruck nach der 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) das Ventil v₂ in Verbindung gebracht. Auch hier stellt sich letztendlich – analog zu der ersten Phase – ein Gleichgewichtsdruck p_c. Am Ende diese Phase wird das Ventil v₂ wieder geschlossen.
2. Vakuumziehen der Pufferbehälter 1 und 2
Für diesen Vorgang 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 den Druck im Behälter 1 von p_b auf p₁ (bei stabilen Prozessverhältnissen).
Das Ventil v₃ wird geschlossen. Nach der 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.
V1. 2. Erste Ergebnisse einer mathematischen Modellierung. Vorteile zur Einbehältertechnik
1. Gleichgewichtsbedingungen
In Abhängigkeit von p₁, p₂, λ und x könne die erreichbaren Enddrücke im Prozessraum berechnet werden. Es ist deutlich, dass durch das wiederholte in Verbindung bringen vom Prozessraum mit Behältern auf Unterdruck eine Potenzierung des erreichbaren Enddrucks erfolgt.

Als Beispiel für 2 Behälter: λ = 30, p = 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 ≈ 3,5-fach kleineres Volumen).
Sehr tiefe Drücke sind mit der Einbehältertechnik praktisch unerreichbar. Zum Erreichen eines Unterdrucks von 4 mbar müsste das Behältervolumen einen λ-Wert von etwa 250 aufweisen (z. B. 2.500 l für eine Prozessraum von 10 l). Hierzu wäre eine Vakuumpumpe mit entsprechend großer Leistung erforderlich.
2. Nicht-Gleichgewichtsbedingungen und Störungsfaktoren
In 2 sind einige der Faktoren aufgezeigt, die beim Entwurf einer solchen Vakuumanlage von Bedeutung sind. Als wichtigste Störungsgrößen sind 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 wir aufgezeigt inwieweit sich Ein- und Mehrbehältersysteme in dieser Hinsicht (Nicht-Gleichgewichtsbedingungen) unterscheiden (Tabelle 1). Bei der näheren 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 wurden 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.

TABELLE 1
Rechenweise:
Um die Stabilität des Verfahrens zu beurteilen, wurde von einem Anfangsdruck von 1.000 mbar in allen Behältern und im Prozessraum ausgegangen. Bei den aufeinanderfolgenden Prozesszyklen pendeln sich dann allmählich der unter stabilen Prozessverhältnissen erreichbare 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:
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass

– beim Zweibehältersystem der Enddruck der Vakuumpumpe zu einem wesentlichen Teil an dem erreichbaren Unterdruck beiträgt;
– 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 tiefen 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 eine Optimierung der Anlagenkosten und Betriebskosten geschehen.

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

– Machbarkeit einer neuen Generation großflächiger Gussteile, ohne dass hierfür riesige Behältervolumina, entsprechende Investitionen oder größerer Platzbedarf in Betracht gezogen werden müssen. (Beispiel Alumetall 5000 I Behälter!!).
– Unproblematischer Einsatz von Großkolben (z. B. Magnesium).
– Energieeinsparung.

Insbesondere die Machbarkeit von tiefen 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 Gusstechnik als weitere Konsequenz gesehen. In diesem neuen Gussverfahren bildet der Vakuumprozess einen wesentlichen Bestandteil.

Claims

Verfahren zur Durchführung eines Prozesses in einem mit Unterdruck beaufschlagten Prozessraum mit folgenden Verfahrensschritten: a) Verbinden eines ersten auf einem Unterdruck befindlichen Behälters (1) mit dem Prozessraum durch Öffnen eines Ventils (v1); b) Schließen des Ventils (v1); c) Verbinden eines zweiten auf einem Unterdruck befindlichen Behälters (2) mit dem Prozessraum durch Öffnen eines Ventils (v2); d) Schließen des Ventils (v2); e) Durchführung des Prozesses in dem Prozessraum; f) Evakuieren der Behälter (1 und 2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte e) und f) zumindest teilweise gleichzeitig ablaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren getaktet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Behälter (1) nach dem Schritt b) über ein Ventil (v3) mit einer Vakuumpumpe verbunden wird und dass der zweite Behälter (2) nach dem Schritt d) und nach Schließen des Ventils (v3) durch Öffnen eines Ventils (v4) mit einer Vakuumpumpe verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (1 und 2) gleich groß sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Evakuieren des ersten Behälters (1) für eine Zeit t1 vorgenommen wird, dass das Evakuieren des zweiten Behälters (2) für eine Zeit t2 vorgenommen wird, und dass die Summe der Zeiten t1 und t2 kürzer ist als die Prozessdauer des Schrittes e).
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina des Prozessraums und der Behälter (1 und 2) im Verhältnis 1:10:10 zueinander stehen.