DE4331589A1 - Vakuumpumpsystem - Google Patents
VakuumpumpsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Vakuum-Pumpsystem nach dem Ober
begriff des ersten Patentanspruches.
Zur Gasanalyse müssen die zu untersuchenden Substanzen, wel
che gasförmig oder in Form von Flüssigkeiten vorliegen, in
einen für das Analysegerät spezifischen, gasförmigen Zustand
gebracht werden. Dies geschieht in der Regel in einem System
von miteinander verbundenen Vakuumkammern. In diesen wird
die Substanz, welche entweder schon in gasförmigem Zustand
eingelassen wird oder als Flüssigkeit durch entsprechenden
Druck oder mit anderem Verfahren in den gasförmigen Zustand
gebracht wird, in verschiedenen Stufen auf den Arbeitsdruck
des Analysegerätes reduziert. Das System von Vakuumkammern
besteht aus mehreren Zwischenstufen, die durch Blenden von
einander getrennt sind. In den einzelnen Kammern herrschen
unterschiedliche - durch das Analyseverfahren vorgegebene -
Drücke.
Bei herkömmlichen Systemen werden die Vakuumkammern jeweils
einzeln mit Vakuumpumpen oder Pumpsystemen versehen, welche
den erforderlichen Druck und das Saugvermögen bereitstellen.
In der Regel sind dazu Pumpen verschiedener Wirkungsweise
und mit verschiedener Antriebsart notwendig. In niederen
Druckbereichen werden Pumpkombinationen benötigt (z. B. Tur
bomolekularpumpen mit Vorpumpen). Solche Anlagen sind sehr
aufwendig. Sie haben einen großen Platzbedarf und ziehen
hohe Kosten nach sich.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein effektiv arbeitendes Vaku
umpumpsystem für Gasanalysesysteme vorzustellen, welches we
niger aufwendig ist, geringere Kosten verursacht und weniger
Platzbedarf erfordert.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des er
sten Patentanspruches gelöst. Die Ansprüche 2-12 stellen
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Der Arbeitsdruck von Turbomolekularpumpen ist nach höheren
Drücken hin begrenzt, da sie nur im molekularen Strömungs
gebiet voll wirksam sind. Daher arbeiten sie nur in Kombina
tion mit Vorvakuumpumpen. Diese sind in der Regel zweistufi
ge Drehschieberpumpen. In den letzten Jahren ist es gelun
gen, den Arbeitsbereich von Turbomolekularpumpen nach höhe
ren Drücken hin zu erweitern, indem man im Anschluß an die
Turbomolekularpumpe z. B. eine Molekularpumpe nach Art einer
Holweck-Pumpe anbringt. Dadurch wird es möglich, den Aufwand
zur Erzeugung des Vorvakuums nach Pumpengröße und Enddruck
zu verringern. Insbesondere bietet sich die Möglichkeit, öl
gedichtete Vorvakuumpumpen durch trockene Pumpen, z. B. Mem
branpumpen, zu ersetzen. Diese haben sich besonders dort be
währt, wo ein ölfreies Vakuum gefordert wird.
Durch den Einsatz von kompakten Pumpsystemen, etwa nach dem
Oberbegriff des ersten Patentanspruches, ergeben sich neue
Aufgabenstellungen. Das Problem der Dimensionierung von Druck
verhältnissen und Saugvermögen, welche für die einzelnen Va
kuumkammern erforderlich sind, konnte durch den Einsatz von
separaten Pumpen für die jeweilige Vakuumkammer individuell
gelöst werden. Durch den Einsatz eines Kompakt-Pumpsystems
ist dies nicht mehr möglich. Hier muß durch exakte Dimensio
nierung und Anordnung der Sauganschlüsse erreicht werden, daß
Rückwirkungen zwischen Eingang und Ausgang der einzelnen Pump
stufen soweit vermindert werden, daß die Funktion der einzel
nen Stufen des Gaseinlaßsystems nicht beeinträchtigt wird.
Dies wird durch die Dimensionierung entsprechend dem kenn
zeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst.
Die Sauganschlüsse werden mit Anschlußflanschen über ein
Leitungssystem verbunden. Um die Verbindungen zwischen den
einzelnen Vakuumkammern und den Anschlußflanschen leicht
herzustellen, können diese zum Beispiel in einer Ebene mit
dem Hochvakuumflansch angeordnet werden. Auch eine recht
winklige Anordnung an Oberseite und Seitenflächen eines
beispielsweise quaderförmigen Pumpengehäuses ist möglich.
Der Vergleich verschiedener Molekularpumpstufen ergab, daß
eine Holweckpumpe - besonders für hohe Gasdurchsätze - deut
liche Vorteile gegenüber anderen Bauarten u. a. in Bezug auf
die vakuumtechnischen Daten in Verbindung mit den geometri
schen Abmessungen aufweist.
Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung und zur Dimensio
nierung und Positionierung der verschiedenen Bauteile ins
besondere der Pumpstufen werden mit Hilfe des folgenden
Formalismus die Drücke zwischen den einzelnen Pumpstufen
und deren Kompressionsverhältnisse mittels der Gaslasten
und Übergangsleitwerte zwischen den Kammern berechnet.
Daraus ergeben sich die Pumpenkenndaten, die nach an sich
bekannten Verfahren die Auslegung der Pumpe erlauben.
Das gezeigte Schema beschreibt die typische Anwendung eines
erfindungsgemäßen Pumpsystems, einer sogenannten Split Flow
Pumpe in einem Analysegerät am Beispiel einer Mehrkammer-
Anordnung. Das Meßgas wird hier von Atmosphärendruck über
eine Kapillare in die von einer Vorpumpe 2 gepumpte erste
Kammer eingelassen. Die Pumpstufen 3, 4 und 5 pumpen die
sich aus den Übergangsleitwerten C23, C34 und C45 ergeben
den Gasströme Q3, Q4 und Q5 ab.
Versteht man unter S2i-S5i die "inneren" Saugvermögen ohne
Verluste, die sich nach bekannten Regeln berechnen lassen,
unter Si die durch die Verlustleitwerte C2-C5 verminderten
"äußeren" effektiven Saugvermögen und unter K023, K034 und
K045 die inneren Druckverhältnisse bei Nulldurchsatz über
den Stufen 3, 4 und 5, so läßt sich gemäß der Matrixglei
chung (1) der folgende pumpencharakteristische Zusammenhang
zwischen den ein strömenden Gasmengen Q3-Q5 und den Drücken
P3-P5 in den Kammern angeben.
Dabei spielt die Herkunft der Gasströme Qi keine Rolle. Bei molekularer Strömung läßt sich für jede Gasart in einem ein
strömenden Gemisch eine solche Gleichung aufstellen, da die
einzelnen Komponenten nicht wechselwirken.
Betrachtet man nur den Fall, daß die Flüsse Qi (i<1) alle
aus Qi hervorgehen, wie im Schema dargestellt, dann nehmen
in der Regel die Druckniveaus und abgepumpten Gasströme von
Kammer zu Kammer stark ab (P2 » P3 » P4 » P5 und Q1 » Q2 » Q3 » Q4
»Q5). Es ergibt sich folgender einfache Zusammenhang:
Die Kombination von Gl. (1) und (2) erlaubt die Berechnung
der Druckverhältnisse K23, K34 und K45 zwischen den Kammern
bei gegebenen Leitwerten Ci,i+1 des zu pumpenden Systems.
Zusammen mit den für die Funktion des Systems notwendigen
Drücken pi und den daraus errechneten Saugvermögen ergeben
sich die für den Entwurf der einzelnen Stufen der Pumpe not
wendigen Vorgaben.
Mit den Gleichungen (3) , (4), (5) und (6) liegen nun alle
Kammerdrücke P2-5 fest.
Aus diesem Formalismus ergeben sich Anleitungen zur optima
len Gestaltung und Dimensionierung des Pumpsystems in Bezug
auf die vakuumtechnischen Daten. Beispielsweise wird - wie
aus Gleichung (5) ersichtlich - das Druckverhältnis K34, wel
ches sich in Betrieb zwischen den Kammern 3 und 4 einstellt,
u. a. durch die Größe K034 bestimmt. Diese Größe kann durch
konstruktive Maßnahmen beeinflußt werden. Um das Druckver
hältnis K34 groß zu machen, muß auch K034 möglichst groß
sein. Dies wird erreicht, indem man entsprechend der Lehre
des Anspruchs 4 die Kanaltiefe der Holweckstufe in Höhe des
entsprechenden Sauganschlusses derart gestaltet, daß die Rück
strömung entgegen der Pumprichtung stark vermindert wird. Da
zu wird die Kanaltiefe an der Stelle des Sauganschlusses re
duziert. Da die Holweckstufe aber an ihrer Eingangsseite ein
ausreichend hohes Saugvermögen aufweisen muß, um die von der
letzten Pumpstufe der Turbomolekularpumpe geförderte Gasmenge
aufnehmen zu können, muß an dieser Stelle eine entsprechend
große Kanaltiefe vorhanden sein. Daraus ergibt sich, daß sich
die Kanaltiefe von der Stelle des Sauganschlusses entgegen der
Pumprichtung bis zur Eingangsseite hin kontinuierlich oder
stufenweise vergrößert. Durch Variation der Kanaltiefe können
Druckniveaus an anderen Stellen des Pumpsystems gesteuert wer
den.
An der Stelle des Sauganschlusses muß die Holweckstufe zu
sätzlich Gasmengen aufnehmen. Um das Saugvermögen in Pump
richtung an die größere Gasmenge anzupassen, muß die Kanal
tiefe von dieser Stelle an in Pumprichtung wieder vergrößert
werden.
Die in den Ansprüchen 6 und 7 angeführten Maßnahmen dienen
der Erhöhung der Leitwerte C3 bis C5 und damit einer Ver
besserung der Saugvermögen S2 bis S5, was wiederum als Er
gebnis des obigen Formalismus zu einer Erhöhung der Druck
verhältnisse K23, K34 und K45 führt.
Wie oben bereits erwähnt, ist es in bestimmten Anwendungen
sinnvoll, die gegen Atmosphärendruck ausstoßende Pumpe als
Membranpumpe auszubilden.
Membranpumpen haben jedoch den Nachteil, daß ihre Lebensdauer
durch die ständige elastische Verformung der den Schöpfraum
abdichtenden Membranen begrenzt ist. Um jedoch die Vorteile
der Membranpumpe auch bei Vakuumsystemen zu nutzen, deren
Betriebsdauer über der Lebensdauer von Membranpumpen liegt,
ist es sinnvoll, diese in Intervallen zu betreiben, wie in
Anspruch 8 dargelegt.
Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß Druckschwankungen,
die durch den Intervallbetrieb auftreten, die Funktions
weise des Gesamtsystems nicht beeinträchtigen. Dazu muß die
Pumpstufe, an deren Ausgang die Membranpumpe angeschlossen
ist, wie in Anspruch 9 ausgedrückt, ein ausreichend hohes
Druckverhältnis aufweisen.
Die Steuerung des Intervallbetriebes, d. h. das Ein- und Ab
schalten der Membranpumpe, muß in Abhängigkeit des Vorvaku
umdruckes geschehen. Ein Maß für den Vorvakuumdruck ist in
bestimmten Grenzen die Strom- bzw. Leistungsaufnahme der Tur
bomolekularpumpe. Dadurch ergibt sich eine elegante Methode
zur Steuerung, da über die Antriebselektronik diese Größen
leicht zugänglich sind.
Für eine Pumpstufe, welche gegen Atmosphäre ausstößt,
ist die Membranpumpe als Beispiel genannt. Die Erfin
dung bezieht sich jedoch auch auf jede Art einer troc
kenen Vorpumpe.
Zur Vermeidung von kondensierten Anteilen im Pumpsystem
sind Absorptions- und/oder Kondensationsmittel zwischen
den Pumpstufen und den Stufen des Gasanalysesystems vor
gesehen.
An Hand der Abbildung soll die Erfindung am Beispiel ei
nes 4-stufigen Gaseinlaßsystems näher erläutert werden.
Die Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Pump
systems in Verbindung mit einem Gaseinlaßsystem.
Die Abb. 2 zeigt das Beispiel einer praktischen Ausfüh
rungsform der ersten Pumpeinheit 4.
Die Abb. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Abb. 2 an der Stelle,
an welcher der Saugstutzen in die Holweckpumpe mündet.
Ein aus mehreren Kammern 1 bestehendes Gaseinlaßsystem für
ein Gasanalysegerät 2 mit einem Gaseinlaß 3 wird durch ein
Vakuumpumpsystem evakuiert. Das Vakuumpumpsystem besteht
in diesem Beispiel aus einer ersten Pumpeinheit 4. Diese
Pumpeinheit setzt sich zusammen aus einer mehrstufigen Tur
bomolekularpumpe 5 und aus einer Molekularpumpe 6, z. B. ei
ner solchen der Bauart nach Holweck. Die einzelnen Stufen
dieser Pumpeinheit sind insofern miteinander verbunden, als
sie sich in einem gemeinsamen Gehäuse befinden, und die Ro
toren auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Dadurch ist
es möglich, diese gesamte erste Pumpeinheit mit einem gemein
samen Motor zu betreiben, welcher durch eine Antriebselektro
nik 7 angetrieben wird.
Weiterhin ist eine gegen Atmosphäre ausstoßende, trockene
Vakuumpumpe 8 mit Steuereinheit 12 vorhanden. Diese Steuer
einheit ist in die Antriebselektronik 7 für die erste Pump
einheit 4 integriert. Zwischen den einzelnen Stufen der
Pumpeinheit 4 und zwischen dem ersten Pumpsystem und der
gegen Atmosphäre ausstoßenden Pumpe 8 sind Sauganschlüsse
9 angebracht. Am Beispiel der mittleren Stufe der ersten
Pumpeinheit wird das Einlaßdruckniveau an der Stelle 10
und das Auslaßdruckniveau an der Stelle 11 definiert. Mit
13 ist eine Sorptions- oder Kondensationseinrichtung be
zeichnet, welche sich zwischen einer Pumpstufe und einer
Stufe des Gasanalysesystems befindet.
In Abb. 2 ist die Pumpeinheit 4 als Kombination einer 2-stu
figen Turbomolekularpumpe 5a, 5b und einer Holweckpumpe 6
dargestellt. Die Sauganschlüsse 9 sind mit Anschlußflanschen
15, 16, 17 verbunden, welche in der gleichen Ebene angeord
net sind wie der Hochvakuumflansch 14. Zur Erhöhung der Leit
werte und somit der Saugvermögen an den Stellen der Saugan
schlüsse 9 sind Ringkanäle 18 vorgesehen, welche eine offene
Verbindung zwischen den Sauganschlüssen und dem Pumpenraum
herstellen.
In Abb. 3 ist ein Ausschnitt aus der nachgeschalteten Pump
stufe 6, welche als Holweckpumpe ausgebildet ist, dargestellt.
Der Ausschnitt zeigt die Stelle, an welcher einer der Saugan
schlüsse 9 in den Kanal 19 der Holweckpumpe mündet. Der ro
tierende Teil ist mit 20 bezeichnet. Die Pumprichtung ist
mit Pfeilen angedeutet. An der Stelle, an der der Saugan
schluß 9 in den Kanal 19 der Holweckpumpe mündet, ist dieser
in entgegengesetzter Pumprichtung in seiner Tiefe reduziert,
um dann zur Eingangsseite 21 hin wieder größer zu werden.
Vom Sauganschluß in Pumprichtung ist die Kanaltiefe größer
als in entgegengesetzter Richtung.
Claims (14)
1. Vakuumpumpsystem für ein mehrstufiges Gaseinlaßsystem (1),
bestehend aus einer mehrstufigen Turbomolekularpumpe (5)
mit Rotor- und Statorscheiben mit einer oder mehreren in
Richtung Vorvakuumseite nachgeschalteten Pumpstufen (6)
deren Rotoren sich auf der gleichen Welle befinden wie
der Rotor der Turbomolekularpumpe und so eine erste Pump
einheit bilden und mit einer weiteren gegen Atmosphären
druck ausstoßenden, trockenen Pumpstufe (8), dadurch ge
kennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Stufen Saugan
schlüsse (9) vorgesehen sind, die in Bezug auf die Druck
verhältnisse und Saugvermögen der einzelnen Pumpstufen so
dimensioniert und angeordnet sind, daß Rückströmungen von
der Stelle (11) des Auslaßdruckniveaus zu der Stelle (10)
des Einlaßdruckniveaus innerhalb einer Pumpstufe klein
sind gegenüber dem Gasstrom zwischen denjenigen Vakuum
kammern, welche mit der Stelle des Auslaßniveaus und der
des Einlaßniveaus verbunden sind.
2. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sauganschlüsse (9) mit Anschlußflanschen (15, 16,
17) verbunden sind, welche in der gleichen Ebene angeord
net sind wie der Hochvakuumanschluß (14).
3. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sauganschlüsse (9) mit Anschlußflanschen (15, 16,
17) verbunden sind, welche rechtwinklig zu dem Hochvakuum
flansch (14) angeordnet sind.
4. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete Pumpstufe
(6) eine Molekularpumpe nach der Art einer Holweckpumpe
ist.
5. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die nachgeschaltete Pumpstufe
(6) eine Molekularpumpe nach der Art von Gaede ist.
6. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Profil der Holweckpumpstufe in Höhe des Saugan
schlusses so ausgebildet ist, daß die Kanaltiefe (19) in
Richtung zur Seite niedrigeren Druckes hin reduziert ist
und sich dann zur Eingangsseite (21) der Pumpstufe hin
wieder soweit vergrößert, daß die Gasmenge der vorher
gehenden Stufe aufgenommen werden kann.
7. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanaltiefe von der Stelle des Sauganschlusses an
in Pumprichtung größer ist als in entgegengesetzter Rich
tung.
8. Vakuumpumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle des Sauganschlus
ses, welcher zwischen den beiden Stufen (5a und 5b) der
Turbomolekularpumpe sich befindet, feststehende Leit
schaufeln angebracht sind, welche so gestaltet sind, daß
sie den Gasstrom in die Richtung der Pumpkanäle der Tur
bomolekularpumpe lenken.
9. Vakuumpumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse an einer oder
mehreren Stellen in Höhe der Sauganschlüsse von einem
Ringkanal (18) umgeben ist, welcher eine offene Verbin
dung zwischen dem Pumpenraum und dem Sauganschluß her
stellt.
10. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die gegen Atmosphärendruck ausstoßende Pumpstufe (8)
in Intervallen betrieben wird.
11. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpstufe, welche an die gegen Atmosphärendruck
ausstoßende Pumpstufe angrenzt, so gewählt wird, daß die
Druckschwankungen, welche in Folge des Intervallbetrie
bes der letzteren auftreten, unter einer für das Gasana
lysesystem spezifischen Grenze bleiben.
12. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, da
durch gekennzeichnet, daß die gegen Atmosphärendruck
ausstoßende Pumpe bei Überschreiten eines vorgewählten
Wertes des Stromes oder der Leistung des Antriebsmotors
der ersten Pumpeinheit (4) eingeschaltet und bei Unter
schreiten eines zweiten vorgewählten Wertes abgeschaltet
wird.
13. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12)
für den Intervallbetrieb Bestandteil der Antriebselek
tronik (7) der ersten Pumpeinheit (4) ist.
14. Vakuumpumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die zu pumpenden Gasströme
durch Sorptions- und/oder Kondensationseinrichtungen (13) ,
welche an einer oder mehreren Stellen zwischen Pumpstufen
und Stufen des Gasanalysesystems sich befinden, von kon
densierten Anteilen befreit werden.
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