DE4331589A1 - Vakuumpumpsystem - Google Patents

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 S_2i-S_5i die "inneren" Saugvermögen ohne Verluste, die sich nach bekannten Regeln berechnen lassen, unter S_i 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 Q_i 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 Q_i (i<1) alle aus Q_i 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 C_i,i+1 des zu pumpenden Systems. Zusammen mit den für die Funktion des Systems notwendigen Drücken p_i 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 P_2-5 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.