-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Pumpensystem zum Absaugen von Luft
oder Prozessgasen aus einem geschlossenen Gefäß, bestehend aus einer Drehkolbenpumpe
und einer zur dieser in Reihe geschalteten Schraubenpumpe, wobei
die Einlassseite der Drehkolbenpumpe an das zu evakuierende Gefäß angeschlossen
ist.
-
Mit
derartigen Pumpensystemen wird der Druck in dem geschlossenen Gefäß, der zunächst bei
Atmosphärendruck
liegt, auf Werte unterhalb von 0,1 mbar, z.B. auf 0,05 mbar gesenkt.
(dieser und alle folgenden Druckwerte sind absolute Werte). Zwei hintereinander
geschaltete Pumpen sind deswegen notwendig, weil eine einzelne Pumpe
nur dann in einer relativ kurzen Zeit den gewünschten Unterdruck erzeugen
kann, wenn sie eine sehr hohe Förderleistung
aufweist. Eine solche Pumpe wäre
sehr aufwendig und teuer. Die bekannten Systeme weisen daher zwei über eine
Verbindungsleitung miteinander verbundenen Pumpen auf, wobei die
eine Pumpe eine hohe Förderleistung
aufweist, während
die andere Pumpe in der Lage ist, einen geringen Druck zu erzeugen.
In einer typischen Ausführung
handelt es sich bei der einen Pumpe um eine Drehkolbenpumpe und
bei der anderen Pumpe um eine trocken laufende Schraubenpumpe, auch
Schraubenverdichter genannt.
-
Nachteilig
bei einer zweistufigen Anordnung ist es, dass die Drehkolbenpumpe,
bei der es sich um eine voluminetrische Pumpe handelt, gegen den Druck
am Einlass der Schraubenpumpe fördert.
Das in der Verbindungsleitung zur Schraubenpumpe vorhandene Gas
strömt
in den Arbeitsraum der Drehkolbenpumpe, sobald sich dessen Auslasssteuerkante öffnet. Das
dort vorhandene Gas wird dadurch komprimiert und erwärmt, was
zu einer Erwärmung
der Drehkolbenpumpe führt.
Durch die damit bewirkte Wärmedehnung
der Bauteile der Pumpe kann es zu Klemmeffekten kommen. Insbesondere
können
sich bei einer Drehkolbenpumpe die Drehkolben festfressen. Dieser
Effekt ist umso größer, je
höher der
Druck ist, gegen den die Drehkolbenpumpe fördert. Zusätzlich kommt es zu einer Erwärmung der
Schraubenpumpe, da ihr ein erwärmtes
Gas zugeführt
wird Dies ist besonders dann nachteilig, wenn es sich um eine trocken
laufende Schraubenpumpe handelt. Um deren Wirkungsgrad hoch zu halten,
weisen solche Pumpen eine hohe Passgenauigkeit der ineinander greifenden
Schrauben auf, so dass diese sich sofort verkeilen, wenn eine Wärmedehnung
auftritt.
-
Um
dies zu vermeiden, geht man in zwei Phasen vor. In der ersten Phase
arbeitet zunächst nur
die Schraubenpumpe, bis ihr Ausgangsdruck bei ca. 40 mbar liegt.
Dabei läuft
die Drehkolbenpumpe ohne eigenen Antrieb mit. Erst dann wird in
einer zweiten Phase die Drehkolbenpumpe zugeschaltet, so dass von
nun an die beiden Pumpen gemeinsam arbeiten, bis der gewünschte Ausgangsdruck – das ist
der Druck in dem zu evakuierenden Gefäß – von z.B. 0,05 mbar erreicht
ist, der allein mit einer trocken laufenden Schraubenpumpe nicht
zu erreichen wäre. Die
Drehkolbenpumpe wird somit erst dann zugeschaltet, wenn der Druck
in der Verbindungsleitung so klein ist, dass der oben beschriebene
Erwärmungseffekt
nicht ins Gewicht fällt.
Wie ohne weiteres ersichtlich, führt
diese Verfahrensweise dazu, dass der Pumpvorgang relativ lange dauert,
da in der ersten Phase lediglich die Schraubenpumpe arbeitet und
die Förderleistung
der Drehkolbenpumpe nicht genutzt wird.
-
Die
Erfindung beruht somit auf dem Problem, ein Pumpensystem zu schaffen,
bei dem mit geringem Aufwand in einem zu evakuierenden Gefäß relativ
rasch ein Unterdruck von wenigstens 0,1 mbar, vorzugsweise 0,05
mbar geschaffen werden kann.
-
Zur
Lösung
des Problems sieht die Erfindung vor, dass ein Pumpensystem gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 derart ausgebildet ist, dass die Drehkolbenpumpe mit
einer Kühlung
versehen ist.
-
Diese
Kühlung
ermöglicht
es, die Drehkolbenpumpe schon in der ersten Phase zu betreiben. Die
Kühlung
verhindert, dass sich die Pumpe zu stark erwärmt und damit betriebsuntauglich
wird. Die Kühlung
ermöglicht
es somit, dass beide Pumpen von Anfang an gemeinsam arbeiten können, wodurch
die Förderleistung über dem
gesamten Pumpvorgang relativ hoch liegt. Der zu erzielende Unterdruck
kann somit relativ rasch erreicht werden. Eine Kühlung ist zwar mit weiteren
Anschaffungs- und Betriebskosten verbunden, diese liegen aber noch
deutlich unter dem, was für
eine leistungsfähigere
Schraubenpumpe ausgegeben werden müsste.
-
Die
Kühlung
kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es kann daran gedacht werden,
das Pumpengehäuse
zu kühlen.
Dies ist allerdings sehr aufwendig und die Kühlwirkung erreicht nicht unbedingt die
rotierenden Teile der Pumpe, die am ehesten dazu neigen, aufgrund
einer Wärmedehnung
zu blockieren. Die Erfindung sieht daher vor, dass in den Arbeitsraum
bzw. in die Arbeitsräume
der Drehkolbenpumpe ein gekühltes
Gas eingeleitet wird. Dazu sind der oder die Arbeitsräume der
Drehkolbenpumpe mit einer Zuleitung für ein gekühltes Gas verbunden. Dadurch
wird der Druck in den Arbeitsräumen, bevor
sich die Auslasssteuerkante öffnen,
angehoben. Insbesondere wenn der neue Druck dem Druck in der Verbindungsleitung
entspricht, kann kein Gas aus der Verbindungsleitung in die Drehkolbenpumpe zurückströmen, wenn
die Verbindungsleitung mit dem jeweiligen Arbeitsraum in Verbindung
gebracht wird. Die geringe Temperatur des eingeleiteten Gases verhindert,
dass die mit der Einleitung einhergehende Komprimierung des Gases
im Arbeitsraum zu dessen Erwärmung
führt.
Es stellt sich somit eine Arbeitstemperatur von unter 300° ein, die
ohne weiteres von Drehkolbenpumpen vertragen wird.
-
Am
einfachsten zweigt die Zuleitung von der Verbindungsleitung zwischen
der Drehkolben- und Schraubenpumpe ab, d.h. als Kühlgas wird
somit das Gas genommen, das aus dem zu evakuierenden Gefäß entnommen
worden ist. Damit stellt sich gleichzeitig auch eine automatische
Regelung ein. Solange der Druck in der Verbindungsleitung noch hoch
ist, steht dort viel Gas zur Verfügung, das ausreichend gekühlt genügend Wärmeenergie
aufnehmen kann, um eine entsprechende Kühlung des Gases im Auslass
der Drehkolbenpumpe zu bewirken. Wenn der Druck in der Verbindungsleitung
sinkt, steht zwar nicht mehr soviel Kühlmedium zur Verfügung, gleichzeitig
ist jedoch der Aufwärmeffekt
nicht mehr so hoch, so dass auch nur wenig Kühlmedium benötigt wird.
Außerdem
wird durch die Verbindung der Zuleitung mit der Verbindungsleitung
bewirkt, dass der Druck in den Arbeitskammern auf den in der Verbindungsleitung
herrschenden Druck angehoben wird, wodurch er gerade so hoch ist,
dass das Zurückströmen von
Gas aus der Verbindungsleitung verhindert wird.
-
Die
Kühlung
des Gases kann an zwei Stellen erfolgen, nämlich zum einen in der Zuleitung
selbst, zum anderen in der Verbindungsleitung vor der Abzweigung
der Zuleitung. Die erste Schaltung hat den Vorteil, dass Kondensat,
das sich in dem gekühlten Abschnitt
der Zuleitung bildet, nicht in die Verbindungsleitung und damit
auch nicht zur Schraubenpumpe gelangt. Das Kondensat wird vielmehr
in die Arbeitsräume
der Drehkolbenpumpe gelangen, wo es aufgrund der dort herrschenden,
höheren
Temperaturen wieder verdampft. In dieser Form gelangt es zur Schraubenpumpe,
ohne dass es dort Schäden anrichten
kann. Die zweite Schaltung hat den Vorteil, dass das abzusaugende
Gas gekühlt
zur Schraubenpumpe gelangt, wodurch dort höhere Saugleistungen bei ansonsten
gleichen Betriebswerten zu erreichen sind.
-
Die
Zuleitungen münden
nahe dem Auslass in den oder die Arbeitsräume der Drehkolbenpumpe. Dies
hat den Vorteil, dass die Druckaufladung nahe dem Auslass erfolgt
und so eine effektive Barriere gegen ein Zurückströmen von Gas aus der Verbindungsleitung
errichtet wird. Außerdem
wird vermieden, dass das zugeleitete Gas bei geöffneten Einlasssteuerkanten
in das zu evakuierende Gefäß einströmt. Typischerweise
besteht eine Drehkolbenpumpe aus zwei Drehkolben, die im Pumpengehäuse je einen
Arbeitsraum einzuschließen
vermögen. Für eine solche
Konstruktion der Drehkolbenpumpe ist vorgesehen, dass die Zuleitung
sich vor der Drehkolbenpumpe in zwei Teilleitungen aufteilt, die
jeweils in einen Arbeitsraum tangential zur Drehkolbenachse einmünden. Durch
das tangentiale Einströmen
wird eine innige Vermischung mit dem Gas in den Arbeitsräumen erreicht.
-
Bei
der Bemessung der Saugleistung der Drehkolbenpumpe ist darauf zu
achten, dass das Verhältnis
des Gesamtmassenstroms zum Kühlgasmassenstrom
beim Startausgangsdruck zwischen 7 und 11 liegt und beim Endausgangsdruck
zwischen 1 und 2 liegt und während
des Abpumpens entsprechende Zwischenwerte einnimmt. Anders ausgedrückt: So
lange der Druck der Drehkolbenpumpe noch relativ hoch liegt, ist
es besonders wichtig, das Gas zu kühlen und eher eine geringere
Förderleistung
wegen der Zumischung des gekühlten
Gases hinzunehmen. Bei geringen Enddrücken, in denen – wie oben
erläutert – die Erwärmung nicht
mehr so groß ist,
wird die Zumischung von Kühlgas
heruntergefahren, so dass sich eine höhere effektive Förderleistung
der Pumpe einstellt.
-
Beim
Betrieb der Anlage ist nicht auszuschließen, dass die Drehkolbenpumpe
mehr Gas fördert
als von der Schraubenpumpe abgesaugt werden kann. Um hier eine Druckerhöhung in
der Verbindungsleitung zwischen den beiden Pumpen zu unterbinden,
was wiederum zu einer erhöhten
Wärmebelastung
führen
würde,
schließt
an die Verbindungsleitung eine Überströmleitung
mit einer Rückschlagklappe
zur Atmosphäre
hin an. Der Druck, bei dem die Rückschlagklappe öffnet, kann
fest eingestellt oder aber dem Fortschritt beim Abpumpen angepasst
werden.
-
Im
Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels
die Erfindung näher
erläutert
werden. Dazu zeigen
-
1 ein
erstes Fließschema
für ein
Pumpensystem,
-
2 ein
zweites Fließschema,
-
3 einen
Querschnitt durch eine Drehkolbenpumpe mit zwei Zuleitungsanschlüssen.
-
Zunächst wird
auf die 1 Bezug genommen. Das Pumpensystem
ist zweistufig ausgelegt. Es besteht aus einer Drehkolbenpumpe 1 und
einer Schraubenpumpe 2, die häufig auch als Schraubenverdichter
bezeichnet wird. Die beiden Pumpen 1, 2 sind hintereinander
in einer Saugleitung 3 eingesetzt, die von einem zu evakuierenden
Gefäß 4 zur
Atmosphäre
(Atm) führt.
Die Drehkolbenpumpe 1 wird von einem Motor 5 über eine
Getriebe 6 angetrieben, die Schraubenpumpe 2 unmittelbar
von einem weiteren Motor 7. Die Saugseite der Drehkolbenpumpe 1 ist unmittelbar
mit dem zu evakuierenden Gefäß verbunden
und mündet
in eine Verbindungsleitung 8, die zur Saugseite der Schraubenpumpe 2 führt, deren Auslass über eine
Rückschlagklappe 9 und
einen Schalldämpfer 10 mit
der Atmosphäre
verbunden ist.
-
Weiterhin
ist der Einlass der Drehkolbenpumpe 1 mit einem sperrbaren
Spülgasanschluss 11 verbunden.
Zur Kühlung
der Drehkolbenpumpe 1 ist eine Zuleitung 12 vorgesehen,
die von der Verbindungsleitung 8 abzweigt und in die Arbeitsräume der Drehkolbenpumpe 1 einmündet. In
Strömungsrichtung
vor dem Abzweig der Zuleitung 12 ist in der Verbindungsleitung 8 ein
Kühler 13 eingesetzt,
der in diesem Ausführungsbeispiel
mittels eines motorbetriebenen Ventilators 14 luftgekühlt ist.
Das in die Zuleitung 12 eintretende bzw. zur Schraubenpumpe 2 geleitete
Gas wird damit gekühlt.
Vor und hinter dem Kühler 13 zweigt
von der Verbindungsleitung 8 eine Überströmleitung 15 ab, in
der sich eine Rückschlagklappe 16 befindet.
-
Die
Schraubenpumpe 2 kann über
einen weiteren luftgekühlten
Kühlkreis 17 zusätzlich gekühlt werden.
Die Anlage weist diverse Drucksensoren 18 sowie Temperatursensoren 19 auf.
Insbesondere der Temperatursensor 19 zwischen dem Kühler 13 und der
Schraubenpumpe 2 kann zur Steuerung des Ventilators 14 des
luftgekühlten
Kühlers 13 herangezogen
werden.
-
Wie
schon im allgemeinen Teil erläutert,
werden zum Evakuieren des Gefäßes 4 beide
Pumpen 1, 2 gleichzeitig eingeschaltet, wobei
durch die Kühlwirkung
des Kühlers 13 gekühltes Gas
in die Zuleitung 12 zur Drehkolbenpumpe 1 zurückgeleitet
wird, so dass deren Arbeitstemperatur unter 300° bleibt. Sollte die Drehkolbenpumpe 1 mehr
Gas fördern,
als von der Schraubenpumpe 2 weitergefördert werden kann, so entweicht
das überschüssige Gas über die Überströmleitung 15 und
die Rückschlagklappe 16 zur
Atmosphäre.
Mit dieser zweistufigen Anordnung können Drücke von kleiner 0, 05 mbar
in dem zu evakuierenden Gefäß erreicht
werden. Obwohl die beiden Pumpen 1, 2 gegenüber bekannten
Geräten nicht
stärker
dimensioniert sind, kann dieser Unterdruck wesentlich schneller
als bisher erreicht werden.
-
2 zeigt
eine etwas andere Ausführung der
Erfindung. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Kühler 13 in
der Zuleitung 12 eingesetzt ist und die Verbindungsleitung 8 selbst
nicht gekühlt
ist.
-
Weiterhin
ist hier ein wassergekühlter
Kühler 13 vorgesehen.
Dazu ist ein Wasserkreislauf 20 installiert, der gleichzeitig
der Kühlung
der Schraubenpumpe 2 dient. Die Art der Kühlung ist
aber unabhängig
von der Anordnung des Kühlers 13.
So kann auch bei der Ausführung
nach 1 eine Wasserkühlung und
bei der Ausführung
nach 2 eine Luftkühlung vorgesehen
werden.
-
Zur
Verdeutlichung des Anschlusses der Saugleitung 3 an die
Drehkolbenpumpe 1 zeigt die 3 einen
Querschnitt durch eine solche Pumpe. In einem langgestreckten Pumpengehäuse 30,
das einen aus zwei sich überschneidenden
Zylindern gebildeten Pumpenraum 31 einschließt, drehen
sich zwei Drehkolben 32, 33, deren Querschnitte
die Form eines Ovales mit eingeschnürten Flanken haben. Dadurch
können
sie sich aneinander abwälzen
und mit den Innenwänden
des Pumpenraumes je einen Arbeitsraum 36, 37 einschließen. Im Übergang
der beiden Zylinder befindet sich auf der einen Seite ein Einlass 34 und
auf der anderen Seite ein Auslass 35. An der Seite des
Auslasses 35 laufen tangential zwei Kanäle 38, 39 in
den Pumpenraum 31 ein. Diese sind mit der Zuleitung 12 verbunden.
Die Arbeitsräume 36, 37 stehen
damit mit der Zuleitung 12 in Verbindung, so dass sich
das aus dem Einlass 34 in die Arbeitsräume 36, 37 gelangende
Gas mit gekühltem Gas
aus der Zuleitung 12 mischt. Am Auslass 35 steht
damit ein gekühltes
Gas zur Verfügung,
dessen Druck in etwa dem Druck in der Verbindungsleitung entspricht.
-
- 1
- Drehkolbenpumpe
- 2
- Schraubenpumpe
- 3
- Saugleitung
- 4
- Gefäß
- 5
- Motor
- 6
- Getriebe
- 7
- Motor
- 8
- Verbindungsleitung
- 9
- Rückschlagklappe
- 10
- Schalldämpfer
- 11
- Spülgasanschluss
- 12
- Zuleitung
- 13
- Kühler
- 14
- Ventilator
- 15
- Überströmleitung
- 16
- Rückschlagklappe
- 17
- Kühlkreis
- 18
- Drucksensor
- 19
- Temperatursensor
- 20
- Wasserkreislauf
- 30
- Gehäuse
- 31
- Pumpenraum
- 32
- Drehkolben
- 33
- Drehkolben
- 34
- Einlass
- 35
- Auslass
- 36
- Arbeitsraum
- 37
- Arbeitsraum
- 38
- Kanal
- 39
- Kanal