DE19913593B4

DE19913593B4 - Gesteuerter Pumpstand

Info

Publication number: DE19913593B4
Application number: DE1999113593
Authority: DE
Inventors: Günter Frenzel; Hubert Engmann
Original assignee: ILMVAC GmbH
Current assignee: Gardner Denver Thomas GmbH
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: DE19913593A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Pumpstandes, welcher zur Erzeugung eines Hochvakuums eine Hochvakuumpumpe und eine Vorpumpe umfaßt, die folgenden Schritte umfassend:
a) Inbetriebnahme der Vorpumpe (11), um die Gesamtanordnung zu evakuieren und einen vorbestimmten Vordruck aufzubauen;
b) Inbetriebnahme der Hochvakuumpumpe (14), um einen vorbestimmten Enddruck aufzubauen;
c) Überwachung des Vordrucks (15) am Ausgang der Hochvakuumpumpe;
d) Schließen eines Ventils (16), welches zwischen der Vorpumpe und der Hochvakuumpumpe angeordnet ist, wenn der Vordruck einen unteren Schwellenwert unterschrei- tet;
e) Abschaltung der Vorpumpe (17), wenn des Ventil geschlossen ist;
f) Wiederinbetriebnahme der Vorpumpe (19), wenn der Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet;
g) Öffnen des Ventils (21), um den Vordruck am Ausgang der Hochvakuumpumpe zu senken;
h) Rückkehr zum Schritt c) und zyklisches Fortsetzen des Verfahrens;
dadurch gekennzeichnet, daß:
i) der Vordruck am Ausgang der Hochvakuumpumpe mit einem Drucksensor überwacht wird;
j) nach...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pumpstand zur Erzeugung eines Vakuums mit einer Hochvakuumpumpe und einer Vorpumpe, die für die Hochvakuumpumpe einen niedrigen Vordruck bereitstellt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Pumpstandes, welcher zur Erzeugung eines Hochvakuums eine Hochvakuumpumpe und eine Vorpumpe umfaßt.
In der Technik sind verschiedenste Pumpenanordnungen bekannt. Sogenannte Pumpstände umfassen eine oder mehrere Pumpen und die zugehörige Steuerungstechnik. Die jeweils einzusetzende Pumpe wird unter anderem anhand der gewünschten Druckanforderungen, der Fördermenge und des zu pumpenden Mediums bestimmt.
In der Vakuumtechnik ist es bekannt, daß zur Erzeugung eines Hochvakuums (oder eines Ultrahochvakuums) in einer gegebenen Gesamtanordnung eine Hochvakuumpumpe mit einer Vorpumpe kombiniert wird. Die jeweiligen physikalisch-technischen Wirkprinzipien der Vorpumpe haben aber zur Folge, daß mit der Vorpumpe in vertretbarer Zeit nur ein Grobvakuumm, ggf. ein Feinvakuum, erzeugt werden kann. Wenn dieser Zustand erreicht ist, greift die üblicherweise in Reihe mit der Vorpumpe geschaltete Hochvakuumpumpe aktiv in den Evakuierungsvorgang ein. Die bekannten Hochvakuumpumpen sind in der Lage, ein Hoch- bzw. Ultra-Hochvakuum innerhalb eines Rezipienten zu erzeugen. Für den Betrieb dieser Hochvakuumpumpen ist es aber erforderlich, daß die Ausgangsseite nicht unmittelbar an den Atmosphärendruck gekoppelt ist, sondern einem wesentlich geringeren Vordruck unterliegt. Dieser Vordruck wird von der Vorpumpe erzeugt.
Bei derartigen Anordnungen nach dem Stand der Technik ist es erforderlich, daß die Vorpumpe während der gesamten Betriebszeit des Pumpstandes arbeitet, um den Vordruck kontinuierlich an dem Ausgang der Hochvakuumpumpe bereitzustellen. Dies hat zur Folge, daß die Vorpumpe einen erheblichen Energiebetrag verbraucht, obwohl nur sehr geringe Mengen des Restgases aus dem Evakuierungsvolumen abzusaugen sind. Da bei industriellen Anwendungen und in Laboraufbauten das gewünschte Vakuum häufig über einen relativ langen Zeitraum aufrecht erhalten werden soll, unterliegt bei entsprechenden Pumpständen auch die Vorpumpe hohen Anforderungen aufgrund der langen, ununterbrochenen Betriebszeiten. Es ergeben sich geringere Standzeiten für die Vorpumpe, die relativ hohe Wartungskosten zur Folge haben.
Ein weiteres Problem bei bekannten Pumpständen zur Erzeugung eines Hochvakuums besteht darin, daß bei einem fehlerbedingten Ausfall der Vorpumpe der Druck im Evakuierungsraum ansteigen kann, ohne daß rechtzeitig Maßnahmen zur Aufrechterhaltung des Vakuums eingeleitet werden können.

Die in der US 5,039,280 gezeigte Pumpenanordnung umfaßt eine Reihenschaltung aus einer Hochvakuum- und einer Vorpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums innerhalb eines Rezipienten. Zwischen dem druckseitigen Ausgang der Hochvakuumpumpe und der Vorpumpe ist dabei ein Ventil und ein passiver Tank als Puffervolumen angeordnet. Ein Zu- bzw. Abschalten der Pumpen erfolgt bei Erreichen eines jeweils charakteristischen Wertes für die Stromaufnahme der Antriebsmotoren beider Pumpen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Steuerung eines Pumpstandes anzugeben, durch welches die genannten Nachteile vermieden werden. Außerdem soll die Erfindung einen Pumpstand bereitstellen, der dieses Verfahren realisieren kann. Insbesondere ist es wünschenswert, die notwendige Betriebszeit der Vorpumpe zu reduzieren, um einerseits Energie einzusparen und andererseits die Lebensdauer der Vorpumpe zu erhöhen. Weiterhin soll es ermöglicht werden, den passiven Tank zwischen Hochvakuum- und Vorpumpe einzusparen, um einerseits das Bauvolumen des Pumpstandes zu verringern und andererseits die Betriebssicherheit und die Regelgeschwindigkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch dass im angefügten Anspruch 1 angegeben Verfahren sowie den im Anspruch 7 genannten Pumpstand gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß die Vorpumpe nach der Bereitstellung des für den Betrieb der Hochvakuumpumpe benötigten Vordrucks abgeschaltet werden kann. Nach einer Erstevakuierung der Gesamtanordnung kann bei gut abgedichteten Gesamtanlagen die zur Aufrechterhaltung des Vakuums erforderliche Pumpleistung allein von der Hochvakuumpumpe bereitgestellt werden. Gerade bei Anlagen, die über längere Zeit betrieben werden, kommt es dadurch zu einer deutlichen Reduzierung der erforderlichen Laufzeit der Vorpumpe und damit zur Erhöhung der Lebensdauer der Vorpumpe. Während des Betriebs wird die Vorpumpe nur dann aktiviert, wenn der am Ausgang der Hochvakuumpumpe erforderliche Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet. Durch die abhängige Steuerung des zwischen der Vorpumpe und der Hochva kuumpumpe angeordneten Ventils ist außerdem ein Anstieg des Vordrucks aufgrund von Undichtigkeiten im Bereich der Vorpumpe ausgeschlossen. Durch die deutlich kürzeren Betriebszeiten der Vorpumpe wird auch die Geräuschemission der Anlage stark verringert.

Bei einer vorteilhaften Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ventil auch dann geschlossen, wenn der Vordruck einen Fehlerschwellenwert überschreitet. Dies bietet den Vorteil, daß der Hochvakuumabschnitt von dem Grob- bzw. Feinvakuumabschnitt der Gesamtanordnung abgetrennt werden kann, sobald aufgrund eines Leckes oder eines anderen Fehlers die Vorpumpe nicht mehr in der Lage ist, den nötigen Vordruck aufrechtzuerhalten. Dadurch kann zumindest über einen gewissen Zeitraum ein starker Druckanstieg im Hochvakuumabschnitt verhindert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens liegt zwischen der Wiederinbetriebnahme der Vorpumpe im Schritt f) und dem Öffnen des Ventils im Schritt g) eine vorbestimmte Zeitdauer. Diese Zeitdauer ist derart bestimmt, daß bei einer gegebenen Saugleistung der Vorpumpe das Totvolumen zwischen der Vorpumpe und dem Ventil evakuiert werden kann und in diesem Bereich der benötigte Vordruck eingestellt wird, bevor das Ventil geöffnet und damit die Verbindung zur Ausgangsseite der Hochvakuumpumpe hergestellt wird. Dadurch ist sichergestellt, daß ein sprunghafter Druckanstieg am Ausgang der Hochvakuumpumpe vermieden wird, der ggf. zu einer Betriebsstörung der Hochvakuumpumpe führen könnte bzw. einen unerwünschten Druckanstieg im Hochvakuumabschnitt hervorruft.

Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung dient auch ein Pumpstand, umfassend ein schaltbares Ventil zwischen Hochvakuumpumpe und Vorpumpe; einen Drucksensor, der den am Ausgang der Hochvakuumpumpe anliegenden Vordruck bestimmt; und eine Steuereinheit, die basierend auf dem Vordruck die Vorpumpe einschaltet und das Ventil öffnet, wenn der Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet. Mit einem derartigen Pumpstand kann das oben beschriebene Verfahren vorteilhaft durchgeführt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Pumpstandes zeichnet sich dadurch aus, daß das schaltbare Ventil ein elektromagnetisches Vakuumventil ist. Bei abgewandelten Ausführungsformen können auch pneumatisch oder hydraulisch betätigte Ventile zum Einsatz kommen.

Ebenso ist es zweckmäßig, wenn der Drucksensor ein kapazitiv wirkender Drucksensor ist, da dies eine einfache und zuverlässige Messung und eine ausreichend schnelle Meßwertverarbeitung durch die Steuereinheit ermöglicht.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Pumpstandes, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung gegeben wird. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Pumpstandes;
2a ein Flußdiagramm, welches erste Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
2b ein Flußdiagramm, welches weitere Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
3 ein Flußdiagramm, welches Schritte einer Fehlerüberwachungsroutine gemäß einer abgewandelten Ausführungsform des in 2 abgebildeten Verfahrens zeigt.
1 zeigt das Blockschaltbild eines Pumpstandes zur Erzeugung eines Hochvakuums. Der Pumpstand besteht aus einer Vorpumpe 1, bei der es sich um eine Feinvakuumpumpe handeln kann. Auf die spezielle Bauform der Vorpumpe kommt es nicht an. Vielmehr ergibt sich diese aus dem gewünschten Einsatzfall. Weiterhin umfaßt der Pumpstand eine Hochvakuumpumpe 2, die im Zusammenwirken mit der Vorpumpe 1 in einem Evakuierungsraum 3 ein Hockvakuum erzeugen soll. Im Strömungskanal zwischen der Vorpumpe 1 und der Hochvakuumpumpe 2 ist ein schaltbares Ventil 4 angeordnet, welches im geschlossenen Zustand die Verbindung zwischen Vorpumpe und Hochvakuumpumpe trennt, wobei hohe Anforderungen an die Abdichtung beispielsweise durch ein elektromagnetisches Vakuumventil erfüllt werden können. Die Hochvakuumpumpe 2 ist beispielsweise eine Turbomolekularpumpe, die zu ihrem Betrieb an der Ausgangsseite einen gegenüber der Atmosphäre verringerten Vordruck benötigt. Dieser Vordruck liegt beispielsweise im Bereich von 10³ bis 1 Pa (Pascal). Der Vordruck, der sich im Strömungskanal zwischen der Hochvakuumpumpe 2 und dem Ventil 4 einstellt, wird von einem Sensor 5 gemessen. Der Sensor 5 ist beispielsweise ein kapazitiver Drucksensor. Schließlich ist in dem Pumpstand eine Steuereinheit 6 vorgesehen, die einerseits das Meßsignal vom Drucksensor 5 empfängt und andererseits Steuersignale zumindest an das Ventil 4 und die Vorpumpe 1 abgibt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein weiteres Signal von der Steuereinheit 6 an eine Alarmsignalisierungseinheit 7 abgegeben. Außerdem können wie dargestellt Meßwertaufbereitungseinheiten 8 vorgesehen sein, die das vom Drucksensor 5 erzeugte Meßsignal konditionieren.
2a und 2b zeigen einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches z.B. von der in 1 gezeigten Anordnung ausgeführt wird. Das Verfahren beginnt im Schritt 10 und setzt im Schritt 11 die Vorpumpe in Betrieb. Um die Gesamtanordnung zu evakuieren wird im Schritt 12 das Ventil geöffnet. Im Schritt 13 wird überprüft, ob der für die Inbetriebnahme der Hochvakuumpumpe nötige Arbeitsdruck (Vordruck) bereits erreicht ist. Mit erreichen des Vordrucks sind die notwendigen Betriebsbedingungen für die Hochvakuumpumpe gegeben, so daß diese im Schritt 14 in Betrieb genommen wird. Auf den Zeitpunkt der ersten Inbetriebnahme der Hochvakuumpumpe kommt es hinsichtlich der Erfindung jedoch nicht an.
Sobald von dem Drucksensor bestimmt wird, daß der Vordruck einen unteren Schwellenwert unterschreitet (im Schritt 15), wird im Schritt 16 das Ventil geschlossen und nachfolgend im Schritt 17 die Vorpumpe abgeschaltet. Im weiteren Verlauf wird wiederum von dem Drucksensor ständig der Vordruck überprüft. Solange der Vordruck unterhalb eines oberen Schwellenwertes liegt, bleibt die Betriebsweise unverändert. Sofern jedoch im Schritt 18 festgestellt wird, daß der Vordruck den oberen Schwellenwert überschreitet, wird die Vorpumpe erneut in Betrieb genommen (Schritt 19). Die Zeitverzögerung im Schritt 20 dient der erneuten Evakuierung des zwischen dem Ventil und der Vorpumpe liegenden Totvolumens.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform könnte auch ein weiterer Drucksensor vorgesehen sein, der den in diesem Abschnitt vorhandenen Druck bestimmt, so daß die Zeitverzögerung durch eine Drucksteuerung ersetzt wird.
Sobald das Totvolumen evakuiert ist, wird im Schritt 21 das Ventil erneut geöffnet. Die Routine springt dann zum Schritt 15 zurück, in welchem der Vordruck wiederum hinsichtlich der Unterschreitung des unteren Schwellenwertes überprüft wird.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm gezeigt, anhand dessen die Verfahrensschritte erläutert werden, die bei einer abgewandelten Ausführungsform ausgeführt werden. Die in 3 dargestellten Verfahrensschritte werden im wesentlichen parallel zu den Verfahrensschritten in 2 ausgeführt, um nach Möglichkeit zu jedem Zeitpunkt eine potentielle Fehlersituation zu erkennen und darauf angemessen zu reagieren. Diese Fehlerüberwachungsroutine startet im Schritt 30. Unter Auswertung des vom Drucksensor gelieferten Meßwerts wird im Schritt 31 überprüft, ob der Vordruck erreicht wurde, der zum Betrieb der Hochvakuumpumpe erforderlich ist. Sofern dies noch nicht der Fall ist, wurde der eigentliche Betriebszustand noch nicht eingenommen, d. h. das gewünschte Hochvakuum ist noch nicht aufgebaut. Sobald der eingestellte Vordruck erreicht wurde, geht die Fehlerbehandlungsroutine davon aus, daß sich die Gesamtanlage im normalen Betriebszustand befindet und entweder mit dem Aufbau des Hochvakuums begonnen wird oder dieses bereits erzeugt wurde. Somit kann nun im Schritt 32 geprüft werden, ob der Vordruck einen bestimmten Fehlerschwellenwert überschreitet. Ist dies nicht der Fall, so arbeitet die Gesamtanordnung normal. Sobald der Vordruck den Fehlerschwellenwert überschreitet, welcher derart eingestellt ist, daß er ausreichend oberhalb des oberen Schwellenwertes liegt, ist daraus abzuleiten, daß der Vordruck ansteigt, obwohl bei normaler Betriebsart die arbeitende Vorpumpe diesen reduzieren müßte. Eine solche Situation kann eintreten, wenn beispielsweise die Vorpumpe defekt ist oder im Bereich stromabwärts des Ventils ein Leck vorhanden ist. Um den Hochvakuumabschnitt und die Hochvakuumpumpe gegen diesen fehlerbedingten Druckanstieg zu schützen, veranlaßt die in 3 gezeigte Routine das Schließen des Ventils im Schritt 33. Der dafür von der Steuereinheit zu generierende Befehl ist so ausgelegt, daß er einen ggf. aus der in 2 gezeigten Routine resultierenden Befehl zum Öffnen des Ventils übersteuert. Auf diese Weise kann der registrierte Fehler zumindest über einen bestimmten Zeitraum durch weiteren Betrieb der Hochvakuumpumpe ausgeglichen werden, da der Druckanstieg stromabwärts des Ventils nicht auf den Hochvakuumabschnitt einwirkt. Im Schritt 34 wird zusätzlich ein Alarmsignal generiert, mit welchem beispielsweise das Bedienpersonal auf den festgestellten Fehler aufmerksam gemacht werden kann. Sobald nach einer Fehlerbehebung im Schritt 35 festgestellt wird, daß der Vordruck den Fehlerschwellenwert unterschreitet, kann im Schritt 36 das Ventil wieder geöffnet werden und die Fehlerroutine springt zum Schritt 32 zurück, um die normale Fehlerüberwachung fortzusetzen.
Die dargestellten Verfahrensschritte lassen sich in bekannter Weise durch eine Schaltlogik realisieren, es kann aber auch ein Mikroprozessor eingesetzt werden, der durch ein angepaßtes Datenverarbeitungsprogramm gesteuert wird.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Pumpstandes, welcher zur Erzeugung eines Hochvakuums eine Hochvakuumpumpe und eine Vorpumpe umfaßt, die folgenden Schritte umfassend: a) Inbetriebnahme der Vorpumpe (11), um die Gesamtanordnung zu evakuieren und einen vorbestimmten Vordruck aufzubauen; b) Inbetriebnahme der Hochvakuumpumpe (14), um einen vorbestimmten Enddruck aufzubauen; c) Überwachung des Vordrucks (15) am Ausgang der Hochvakuumpumpe; d) Schließen eines Ventils (16), welches zwischen der Vorpumpe und der Hochvakuumpumpe angeordnet ist, wenn der Vordruck einen unteren Schwellenwert unterschrei- tet; e) Abschaltung der Vorpumpe (17), wenn des Ventil geschlossen ist; f) Wiederinbetriebnahme der Vorpumpe (19), wenn der Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet; g) Öffnen des Ventils (21), um den Vordruck am Ausgang der Hochvakuumpumpe zu senken; h) Rückkehr zum Schritt c) und zyklisches Fortsetzen des Verfahrens; dadurch gekennzeichnet, daß: i) der Vordruck am Ausgang der Hochvakuumpumpe mit einem Drucksensor überwacht wird; j) nach der Wiederinbetriebnahme der Vorpumpe im Schritt f) und vor dem Öffnen des Ventils im Schritt g) das Totvolumen zwischen Vorpumpe und Ventil erneut evakuiert wird; und k) das Ventil unbedingt geschlossen wird (33), wenn der Vordruck einen Fehlerschwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt j) während einer vorbestimmten Zeitdauer ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt j) ausgeführt wird, bis durch einen weiteren Drucksensor bestimmt wird, daß das Totvolumen bis auf einen vorgegebenen Druck evakuiert wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: Abgabe eines Alarmsignal (34), wenn der Vordruck den Fehlerschwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen Schwellenwert und dem unteren Schwellenwert ein Druckunterschied von etwa 10² bis 10³ Pa besteht .
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerschwellenwert etwa 10² bis 10³ Pa oberhalb des oberen Schwellenwerts liegt.
Pumpstand zur Erzeugung eines Vakuums, umfassend: – eine Hochvakuumpumpe (2); – einer Vorpumpe (1), die für die Hochvakuumpumpe einen bestimmten Vordruck bereitstellt – ein schaltbares Ventil (4) zwischen Hochvakuumpumpe und Vorpumpe; – eine Steuereinheit (6), die basierend auf dem Vordruck die Vorpumpe einschaltet und das Ventil öffnet, wenn der Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet; dadurch gekennzeichnet, daß – ein Drucksensor (5) am Ausgang der Hochvakuumpumpe angeordnet ist, um den dort anliegenden Vordruck zu bestimmen; und – zwischen Vorpumpe (1) und Hochvakuumpumpe (2) nur das schaltbare Ventil (4) und notwendige Verbindungsleitungen angeordnet sind, um das Totvolumen zwischen den Pumpen möglichst klein zu halten.
Pumpstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (6) das Ventil (4) schließt, wenn vom Drucksensor ein Vordruck oberhalb eines Fehlerschwellenwerts bestimmt wird.
Pumpstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltbare Ventil ein elektromagnetische Vakuumventil ist.
Pumpstand nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor ein kapazitiv wirkender Drucksensor ist.
Pumpstand nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochvakuumpumpe eine Turbomolekularpumpe ohne oder mit Grobvakuumstufe ist und die Vorpumpe entsprechend eine Fein- bzw. Grobvakuumpumpe ist.
Pumpstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Feinvakuumpumpe bereitgestellte Vordruck im Bereich von 10³ bis 1 Pa liegt.