DE202015004596U1

DE202015004596U1 - Vakuumpumpensystem

Info

Publication number: DE202015004596U1
Application number: DE202015004596.0U
Authority: DE
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2015-09-21
Anticipated expiration: 2025-06-27
Also published as: KR20180026369A; EP3280915A1; JP2018518623A; WO2016207106A1; JP6775527B2; US20180112666A1; CN107850062A

Abstract

Vakuumpumpensystem (4, 5, 6) mit einer Mehrzahl von Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62), die in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind und jeweils mit einer Einlassseite an eine Kammer (40, 50, 60) angeschlossen sind, mit einer Auslassleitung (41, 51, 61), die an die Auslassseite der Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) angeschlossen ist und einer Zwischenleitung (42, 52), die die Einlassseite von wenigstens einer Vakuumpumpe (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) mit der Auslassleitung (41) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Abpumpzeit alle Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) parallel geschaltet sind und während einer Leerlaufzeit die Einlassseite wenigstens eine der Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) als eine Vorpumpe

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vakuumpumpensystem zur Evakuierung einer Kammer, insbesondere einer Prozess- oder Schleusenkammer.
Vakuumpumpensysteme zur regelmäßigen Evakuierung von großen Kammern sind aus dem Stand der Technik bekannt, 1. Häufig werden dafür Vakuumpumpen, welche trocken verdichtend arbeiten, verwendet. Dies sind in der Regel Kombinationen aus Vorpumpen, wie Schraubenpumpen, Klauenpumpen oder Multi-Stage-Roots-Pumpen, und dazu in Reihe angeordneten Roots-Pumpen. Bei großen Pumpensystemen werden mehrere Pumpen und mehrere Roots-Pumpen parallel geschaltet.
Typischerweise werden solche Pumpensysteme in Schleusenkammern, beispielsweise Loadlock oder Unloadlock, z. B. in Beschichtungsanlagen verwendet. In diesen Anlagen muss eine Kammer in kurzer Zeit, z. B. Abpumpzeit 20 Sekunden bis 120 Sekunden, vom Atmosphärendruck auf einen Übergabedruck von typischerweise etwa 0,1 mbar bis 10 mbar, herunter gepumpt werden. Im Anschluss daran wird eine Vakuumpumpe durch ein Ventil an der Einlassseite von der zu evakuierenden Kammer getrennt und läuft für einige Zeit, typischerweise ein- bis zehnfache Abpumpzeit, im Enddruckbetrieb.
Weitere typische Applikationen sind große Prozesskammern zur Wärmebehandlung oder Veredelung von Metallen. In diesem Fall sind typische Abpumpzeiten 2 bis 30 Minuten. Danach muss weiterhin ein niedriger Gasfluss abgepumpt werden, der jedoch wesentlich kleiner ist als der zur Realisierung der Abpumpzeit nötige Gasfluss. Eine typische Haltezeit für diesen Betriebsdruck beträgt, die zwei- bis zehnfache Abpumpzeit.
In solchen Applikationen muss das Vakuumpumpensystem zur Realisierung der kurzen Abpumpzeit sehr groß dimensioniert werden. Während einer Leerlaufzeit bzw. während einer Haltezeit sind große Saugvermögen der Pumpensysteme jedoch nicht notwendig. Daraus resultiert, dass während der Leerlauf- bzw. während der Haltezeit eine unnötig hoher Energieumsatz der Pumpe erforderlich wird.
Zur Reduzierung einer hohen Stromaufnahme von Pumpensystemen während der Leerlauf- bzw. Haltezeit sind verschiedene Lösungsansätze bekannt.
Einige Pumpensysteme mit Vor- und/oder Roots-Pumpen werden zeitweise abgeschaltet. Nachteilig ist in diesem Fall, dass die Pumpen kalt werden, was sich negativ auf die Lebensdauer der Komponenten auswirkt. Auch können Beläge verkleben und die Rotoren blockieren. Bei kurzen Leerlauf- bzw. Haltezeiten müssen die Pumpen häufig neu beschleunigt werden, was mehr Strom kostet und sehr stark dimensionierte Motoren erfordert. Das Abschalten von Pumpen ist deshalb unüblich.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass auf der Auslassseite jeder Vorpumpe eine zusätzliche kleinere Hilfspumpe in Reihe angeordnet ist, 3. Dies kann z. B. eine Ejektorpumpe oder eine andere kleinere Vorpumpe sein. Parallel zur Hilfspumpe muss in der Regel noch ein Schaltventil oder Rückschlagventil mit ausreichendem Querschnitt angeordnet werden, um zu hohe Drücke zwischen Vor- und Hilfspumpen während der Abpumpzeit zu vermeiden. Nachteilig an diesen Lösungen ist die hohe Zahl zusätzlicher Pumpen. Außerdem können sehr kleine Hilfspumpen, wie beispielsweise Ejektorpumpen, den Auslassdruck der Vorpumpe nicht schnell genug reduzieren, um bei kurzer Leerlauf- bzw. Haltezeit ausreichende Stromeinsparungen zu erzielen. Auch benötigen die Hilfspumpen Energie zum Betrieb.
Eine weitere Lösung, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist, dass auf der Auslassseite der Vorpumpen eine kleine Zahl weiterer großer Vorpumpen als große Hilfspumpen angeordnet sein können, 2. Diese werden über ein Rohrleitungssystem zu den Vorpumpen in Reihe geschaltet. Auch in diesem Fall muss in der Regel parallel zur Hilfspumpe noch mindestens ein Ventil mit ausreichendem Querschnitt angeordnet werden, um zu hohe Drücke zwischen Vor- und Hilfspumpen während der Abpumpzeit zu vermeiden. Nachteilig an dieser Lösung sind die zusätzlichen Anschaffungs- und Betriebskosten sowie der Raumbedarf für die Hilfspumpen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Pumpensystem bereitzustellen, welches zu dem weniger Strom, insbesondere während der Leerlauf- und Haltezeiten aufnimmt.
Diese Aufgabe wird mit einem Pumpensystem mit einer Mehrzahl von Vakuumpumpen gelöst, die in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind und jeweils mit einer Einlassseite an einer Kammer angeschlossen sind, 4. Das Pumpensystem weist zudem eine Auslassleitung auf, die an die Auslassseite der Vakuumpumpen angeschlossen ist. Weiterhin weist das Pumpensystem eine Zwischenleitung auf, die die Einlassseite von wenigstens einer der Vakuumpumpen mit der Auslassseite verbindet. Während einer Abpumpzeit sind alle Vakuumpumpen parallel geschaltet und während einer Leerlauf- und/oder Haltezeit wird wenigstens einer der Vakuumpumpen als eine Vorpumpe in Reihe zu den anderen Vakuumpumpen geschaltet.
Durch die Parallelschaltung aller Vorpumpen eines Pumpensystems während der Abpumpzeit steht das volle Sauvermögen für den Abpumpvorgang zur Verfügung. Das Vakuumpumpensystem weist zudem Umschaltmittel sowohl in Verbindungen zwischen den Einlassseiten zu den Kammern auf als auch in einer Zwischenleitung. Diese Umschaltmittel können beispielsweise Ventile umfassen. Während einer Leerlauf- bzw. Haltezeit kann so eine der Vakuumpumpen als eine Vorpumpe in Reihe zu den anderen Vakuumpumpen geschaltet werden. Dies wird durch entsprechende Schaltung der Umschaltmittel realisiert, indem diese die Verbindung so blockieren oder freigeben, dass die Vakuumpumpen zueinander entsprechend anders in Reihe oder parallel angeordnet werden. Dadurch wird der Auslassdruck der Vakuumpumpen schnell abgesenkt und der Stromverbrauch deutlich verringert. Die Pumpen laufen jedoch weiter, so dass sie ohne Zeitverlust für den nächsten Abpumpzyklus genutzt werden können.
Ein Abschalten bestimmter Pumpen ist somit nicht nötig, so dass die Pumpen warm bleiben und weiterhin voll einsatzfähig. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Antriebe nicht für ein häufiges Beschleunigen ausgelegt werden müssen und keine zusätzlichen Pumpen erforderlich sind. Ein zusätzlicher Aufwand für das erfindungsgemäße Pumpensystem beschränkt sich lediglich auf relativ klein dimensionierte Rohrleitungen und Umschaltmittel, beispielsweise Ventile, sowie Modifikationen an einer Pumpensteuerung.
Durch den reduzierten Energieumsatz des Pumpensystems werden die Pumpen relativ kalt betrieben, so dass die Lebensdauer üblicher Verschleißteile signifikant erhöht wird, beispielsweise Öl, Lager, Dichtungen, Leistungselektronik im Antrieb. Weiterhin wird durch diesen reduzierten Energieumsatz durch reduzierte Abwärme auch die Kosten für die Klimatisierung des Aufstellorts und die Kühlung der Pumpen reduziert. Durch den verringerten Druck im Auslass während des Betriebs wird weiter die Kondensation von Dämpfen in den Pumpen vermieden, womit Korrosionsschäden verringert werden können.
Im Falle, dass wenigstens eine Vakuumpumpe als eine Vorpumpe in Reihe geschaltet wird, kann ein sehr niedriger End- bzw. Arbeitsdruck erreicht werden. So können besondere Prozessschritte ohne zusätzliche Pumpen möglich gemacht werden. Beispielsweise ist so eine Lecksuche in der Anlage vor dem eigentlichen Prozessbetrieb möglich, da eine Lecksuche üblicherweise einen niedrigen Arbeitsdruck erfordert. Während einer erfindungsgemäß realisierten Leerlauf- bzw. Haltezeit sinkt auch der Schallpegel eines Pumpensystems ab, weil die meisten Pumpen bei reduzierter Last geringere Geräuschemissionen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Pumpensystem ermöglicht eine hohe Redundanz, weil der Ausfall einzelner Pumpen in einem derartigen Verbund eine Fortsetzung des Prozesses ermöglicht. So können alle Pumpen auch ohne Hilfspumpen ihre Aufgabe erfüllen. Weiterhin können auch mehrere Pumpen so eingebunden werden, dass sie als Hilfspumpe einsetzbar sind. Neben einer Reduktion des Stromverbrauchs und damit verringerten Betriebskosten wird auch die CO2-Bilanz für eine solche erfindungsgemäße Applikation verbessert.
Für den erfindungsgemäß beschriebenen Betrieb ist es besonders bevorzugt, dass die Vakuumpumpen, welche als Vorpumpen in Reihe geschaltet werden sollen, bestimmte technische Voraussetzungen erfüllen. Besonders bevorzugt ist dabei, dass diese Vakuumpumpen so abgedichtet sind, dass sie mit stark reduzierten Auslassdrücken ohne Gas- oder Ölleckage sicher arbeiten können. Besonders bevorzugt sind dabei Auslassdrücke der Vorpumpen bei Leerlauf bzw. Haltebetrieb in einem Bereich von 10 mbar bis 500 mbar. Darüber hinaus ist besonders bevorzugt, dass das thermische Verhalten der Pumpen den Betrieb bei stark reduziertem Auslassdruck sicher ermöglicht. Dieser Aspekt betrifft besonders die Spalthöhen, die Ölviskosität und die Lagerschmierung.
Weiterhin ist besonders bevorzugt, dass ölgeschmierte Räume gegenüber einem Arbeitsraum so abgedichtet sind, dass auch bei sehr schnellen Zyklen keine starke Ölverschleppung stattfindet. Weiterhin sollen Wellendichtungen bevorzugterweise so ausgestaltet sein, dass sie durch die schnell wechselnden Druckdifferenzen nicht vorzeitig verschleißen. Eine Möglichkeit diesbezüglich ist die Verwendung von Ausgleichsleitungen zwischen ölgeschmierten Räumen und dem Arbeitsraum, die einen Ölabscheider aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den nachfolgenden Figuren angegeben. Die daraus hervorgehenden jeweiligen Merkmale sind jedoch nicht auf einzelne Figuren oder Ausgestaltungen beschränkt. Vielmehr können ein oder mehrere Merkmale der obigen Beschreibung mit einzelnen oder mehreren Merkmalen der Figuren zusätzlich zu Weiterbildungen kombiniert werden.
Es zeigen:
1 bis 3 Ausführungsformen gemäß Beispielen aus dem Stand der Technik, und
4 bis 6 erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele.
Aus 1 geht ein Vakuumpumpensystem 1 hervor mit einer Schleusenkammer 10 und parallel geschalteten Pumpen P1–P5, welche jeweils mit der Schleusenkammer an ihrer Einlassseite verbunden sind. Weiterhin weist das Vakuumpumpensystem 1 Ventile V1–V5 auf, wodurch die Verbindung von den Pumpeneinlässen der Pumpen P1–P5 zu der Schleusenkammer 10 getrennt werden können. Das dargestellte Vakuumpumpensystem ist aus dem Stand der Technik bekannt. Während einer Abpumpzeit sind die Ventile V1–V5 geöffnet. Die Pumpen P1–P5 nehmen während der Abpumpzeit sehr viel Strom auf und laufen bei voller Drehzahl. Der Druck in der Schleusenkammer sinkt dabei kontinuierlich.
Während einer Leerlaufzeit werden die Ventile V1–V5 geschlossen und die Pumpen P1–P5 laufen bei voller Drehzahl, wobei die Stromaufnahme der des Betriebs bei einem Enddruck im Wesentlichen entspricht und weiterhin relativ hoch ist. Der Druck in der Schleusenkammer ist dabei gleich einem Übergabedruck.
Während einer Haltezeit sind die Ventile V1–V5 geöffnet und die Pumpen P1–P5 arbeiten dabei bei einem niedrigen Arbeitsdruck.
Das in 2 dargestellte Vakuumpumpensystem ist aus dem Stand der Technik bekannt. Das Pumpensystem ist dabei um eine relativ groß dimensionierte Hilfspumpe P26 erweitert sowie um die Rückschlagventile CV1–CV5 (Check Valve: Rückschlagventil, CV).
Die parallel geschalteten Pumpen P21–P25 sind dabei mit einer Kammer 20 verbunden. Während einer Abpumpzeit sind sowohl die Ventile V21–V25 als auch die Rückschlagventile CV21–CV25 geöffnet. Der Einlassdruck der zusätzlichen Hilfspumpe P26 ist dabei in etwa gleich dem Auslassdruck der Hilfspumpe.
Während einer Leerlaufzeit werden die Ventile V21–V25 geschlossen. In der Folge schließen auch die Rückschlagventile CV21–CV25. Der Einlassdruck der Hilfspumpe P26 ist in diesem Betrieb wesentlich kleiner als der Auslassdruck der Hilfspumpe P26.
Aus 3 geht eine aus dem Stand der Technik bekannte Konfiguration eines Vakuumpumpensystems für eine Schleusenkammer 30 mit kleinen Hilfspumpen P33 und P34 hervor. Für die Hilfspumpen kann dabei beispielsweise eine Ejektorpumpe ausgewählt sein.
Während einer Abpumpzeit sind die Ventile V31 und V32 sowie die Rückschlagventile CV31 und CV32 geöffnet. Die Einlassdrücke der Hilfspumpen P33 und P34 sind dabei in etwa gleich zu den Auslassdrücken der Hilfspumpen P33 und P34.
Während einer Leerlaufzeit des Pumpensystems 3 sind die Ventile V31 und V32 geschlossen.
Die Rückschlagventile CV31 und CV32 sind während einer Leerlaufzeit ebenfalls geschlossen. Die Auslassdrücke der Hilfspumpen P33 und P34 sind während der Leerlaufzeit wesentlich größer als die Einlassdrücke dieser Hilfspumpen P33 und P34.
4 bis 6 zeigen erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Vakuumpumpensystems.
Das Vakuumpumpensystem gezeigt in der 4 weist fünf parallel geschaltete Vakuumpumpen P41, P42, P43, P44, P45 auf. Die Einlässe der Vakuumpumpen P41, P42, P43, P44, P45 sind mit einer Vakuumkammer 40 verbunden. Zwischen der jeweiligen Vakuumpumpe P41, P42, P43, P44, P45 ist ein Ventil V41, V42, V43, V44, V45 vorgesehen. Die Auslassseite der Pumpen P41, P42, P43, P44, P45 sind über Rückschlagventile CV41, CV42, CV43, CV44, CV45 mit einem gemeinsamen Auslass 41 verbunden.
In einer Verbindungsleitung 42, in der ein Ventil V46 angeordnet ist, lässt sich im Ausführungsbeispiel des Vakuumpumpensystems der 4 die Pumpe P41 in Reihe schalten zu den Pumpen P42, P43, P44, P45.
Die Vakuumpumpe P41, die als Vor- und als Hilfspumpe eingesetzt werden soll, kann generell kleiner ausgelegt werden als die anderen Vakuumpumpen. So wird die Stromaufnahme im Leerlauf bzw. im Haltebetrieb weiter verringert. Aus 4 geht ein Vakuumpumpensystem hervor, bei dem während einer Abpumpzeit die Ventile V41–V45 geöffnet sind und das Ventil V46 geschlossen ist. Des Weiteren sind die Rückschlagventile CV41–CV45 während der Abpumpzeit geöffnet.
Während der Leerlaufzeit sind die Ventile V41–V45 geschlossen, V46 ist geöffnet. Das Rückschlagventil CV41 ist in diesem Betrieb gegebenenfalls offen, solange das Pumpensystem von der Pumpe P41 evakuiert wird. Danach wird es geschlossen. Die Rückschlagventile C42–C45 sind im Leerlaufbetrieb geschlossen. Die Reduktion der Stromaufnahme im Leerlauf beträgt in einigen Ausführungsbeispielen bis zu 40%. Insbesondere kann die beschriebene Reihenschaltung der Vakuumpumpe als Vorpumpe auch verwendet werden, um die Förderung leichter Gase zu verbessern. Weiterhin kann diese Pumpenschaltung auch verwendet werden, um den Kammerdruck oder den Prozessfluss zu regeln. Dabei sorgt die Hilfspumpe für ein sicheres Erreichen des Arbeitsdruckbereichs. Die Vorpumpen können dann in einem sehr weiten Drehzahlbereich sicher geregelt werden.
5 stellt eine Minimalkonfiguration für Schleusenkammern dar. Exemplarisch ist in dem Ausführungsbeispiel der 5 ein Pumpensystem gewählt mit lediglich zwei Vakuumpumpen P51, P52. Diese weisen eine gemeinsame Einlassleitung auf, die über ein Ventil V52 mit einer Vakuumkammer 50 verbunden ist. Lediglich der Auslass der Vakuumpumpe P52 ist über ein Rückschlagventil CV51 mit dem gemeinsamen Auslass 51 verbunden. Der Auslass der Pumpe P51 ist unmittelbar mit dem gemeinsamen Auslass 51 verbunden. Über eine zusätzliche Leitung 52, in der ein Ventil V51 angeordnet ist, welche vom Auslass der Pumpe P52 zum Einlass der Pumpe P51 führt, kann in der Leerlaufzeit die Pumpe P51 die andere Pumpe 52 von beiden Seiten evakuieren. In dem Beispiel der 5 können die Pumpen P51 und P52 jedoch nicht in Reihe geschaltet werden.
6 zeigt analog zur 5 eine minimale Konfiguration für Prozesskammern. Während der Haltezeit ist V61 geöffnet, so dass P62 und P61 von beiden Seiten evakuiert wird. Während der Abpumpzeit wird V61 geschlossen, so dass die Prozesskammer in kurzer Zeit evakuiert werden kann. In beiden Ausgestaltungen der Vakuumpumpensysteme 5 und 6 könnten parallel zu den Pumpen P52 und P62 weitere Pumpen angeordnet und entsprechend betrieben werden.
Die hier beschriebenen Lösungen könnten für Kombinationen mit zwei und mehr Vorpumpen realisiert werden. Die Anzahl und Größe der Pumpen kann jeweils frei an die Applikation angepasst werden. Die Roots-Pumpen in Reihe zu den Vorpumpen beeinflussen die Lösungen prinzipiell nicht. Deshalb wurden sie in den Beispielen nicht dargestellt.

Claims

Vakuumpumpensystem (4, 5, 6) mit einer Mehrzahl von Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62), die in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind und jeweils mit einer Einlassseite an eine Kammer (40, 50, 60) angeschlossen sind, mit einer Auslassleitung (41, 51, 61), die an die Auslassseite der Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) angeschlossen ist und einer Zwischenleitung (42, 52), die die Einlassseite von wenigstens einer Vakuumpumpe (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) mit der Auslassleitung (41) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Abpumpzeit alle Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) parallel geschaltet sind und während einer Leerlaufzeit die Einlassseite wenigstens eine der Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) als eine Vorpumpe
Vakuumpumpensystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass während der Leerlaufzeit die Vakuumpumpe, deren Einlassseite mit der Auslassseite der verbleibenden Vakuumpumpen verbunden ist, in Reihe zu den anderen Vakuumpumpen geschaltet ist.
Vakuumpumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassseite der Vakuumpumpe über ein Rückschlagventil (CV41, CV42, CV43, CV44, CV45, CV51, CV61) mit der Auslassleitung (41, 51, 61) verbunden ist.
Vakuumpumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor jeder der Vakuumpumpen (P41, P42, P43, P44, P45, P51, P52, P61, P62) ein Ventil (V41, V42, V43, V44, V45, V52) angeordnet ist sowie insbesondere ein weiteres Ventil (V46, V51, V61) in der Zwischenleitung (42) zur Steuerung einer Parallel- und Reihenschaltung der einzelnen Vakuumpumpen (V41, V42, V43, V44, V45) miteinander.
Vakuumpumpensystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine der Vakuumpumpen, deren Einlassseite im Leerlauf mit der Auslassseite der verbleibenden Vakuumpumpen verbunden wird und insbesondere in Reihe zu den anderen Vakuumpumpen geschaltet ist, kleiner dimensioniert ist als die anderen Vakuumpumpen.