DE4331589C2 - Vakuumpumpsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumpumpsystem nach dem Oberbegriff des 1. Patent­ anspruches.

Zur Gasanalyse müssen die zu untersuchenden Substanzen, welche gasförmig oder in Form von Flüssigkeiten vorliegen, in einen für das Analysegerät spezifischen gas­ förmigen Zustand gebracht werden. Dies geschieht in der Regel in einem System von miteinander verbundenen Vakuumkammern. In diesen wird die Substanz, wel­ che entweder schon in gasförmigem Zustand eingelassen wird oder als Flüssigkeit durch entsprechenden Druck oder mit anderem Verfahren in den gasförmigen Zu­ stand gebracht wird, in verschiedenen Stufen auf den Arbeitsdruck des Analyse­ gerätes reduziert. Das System von Vakuumkammern besteht aus mehreren Zwi­ schenstufen, die durch Blenden von einander getrennt sind. In den einzelnen Kam­ mern 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 bereit stellen. In der Regel sind dazu Pumpen verschiedener Wirkungsweise und mit verschiedener Antriebsart notwendig. In niederen Druckbe­ reichen werden Pumpkombinationen benötigt (z. B. Turbomolekularpumpen mit Vorpumpen). Solche Anlagen sind sehr aufwändig. Sie haben einen großen Platz­ bedarf und ziehen hohe Kosten nach sich.

In der US 4,919,599 ist ein Vakuumpumpsystem dargestellt, welches aus einer mehrstufigen Turbomolekularpumpe mit Rotor- und Statorscheiben besteht. In Richtung Vorvakuumseite ist eine nachgeschaltete Pumpstufe vorhanden, deren Rotor sich auf der gleichen Welle befindet wie der Rotor der Turbomolekularpumpe. Zusätzlich ist eine weitere, gegen Atmosphäre ausstoßende Pumpstufe dargestellt. Diese ist jedoch nicht als trockene Pumpstufe gekennzeichnet. Das beschriebene Pumpsystem ist für den Einsatz an Lecksuchgeräten ausgelegt. Für den Einsatz bei mehrstufigen Gaseinlasssystemen, bestehend aus mehreren mit einander verbun­ denen Kammern, ist dieses Pumpsystem nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein effektiv arbeitendes Vakuumpumpsystem für Gas­ einlasssysteme vorzustellen, welches weniger aufwändig ist, geringere Kosten verur­ sacht und weniger Platzbedarf erfordert.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspru­ ches gelöst. Die Ansprüche 2-14 stellen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.

Eine mehrstufige Turbomolekularpumpe, wie sie im Oberbegriff angeführt ist, wird beschrieben in "Vakuum in der Praxis" (1991) Nr. 1, S. 28-30.

Der Arbeitsdruck von Turbomolekularpumpen ist nach höheren Drücken hin be­ grenzt, da sie nur im molekularen Strömungsgebiet voll wirksam sind. Daher arbeiten sie nur in Kombination mit Vorvakuumpumpen. Diese sind in der Regel zweistufige Drehschieberpumpen. In den letzten Jahren ist es gelungen, den Arbeitsbereich von Turbomolekularpumpen nach höheren Drücken hin zu erweitern, in dem man im Anschluss an die Turbomolekularpumpe z. B. eine Molekularpumpe nach Art einer Holweckpumpe anbringt. Dadurch wird es möglich, den Aufwand zur Erzeugung des Vorvakuums nach Pumpengröße und Enddruck zu verringern. Insbesondere bietet sich die Möglichkeit, ölgedichtete Vorvakuumpumpen durch trockene Pumpen, z. B. Membranpumpen, zu ersetzen. Diese haben sich besonders dort bewährt, wo ein ölfreies Vakuum gefordert wird.

Durch den Einsatz von kompakten Pumpsystemen, etwa nach dem Oberbegriff des 1. Patentanspruches, ergeben sich neue Aufgabenstellungen. Das Problem der Di­ mensionierung von Druckverhältnissen und Saugvermögen, welche für die einzelnen Vakuumkammern erforderlich sind, konnte durch den Einsatz von separaten Pumpen für die jeweilige Vakuumkammer individuell gelöst werden. Durch den Einsatz eines Kompaktpumpsystems ist dies nicht mehr möglich. Hier muss durch exakte Dimen­ sionierung und Anordnung der Sauganschlüsse erreicht werden, dass Rückwirkun­ gen zwischen Eingang und Ausgang der einzelnen Pumpstufen soweit vermindert werden, dass die Funktion der einzelnen Stufen des Gaseinlasssystems nicht be­ einträchtigt wird. Dies wird durch die Dimensionierung entsprechend dem kennzeich­ nenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst.

Die Sauganschlüsse werden mit Anschlussflanschen über ein Leitungssystem ver­ bunden. Um die Verbindungen zwischen den einzelnen Vakuumkammern und den Anschlussflanschen leicht herzustellen, können diese z. B. in einer Ebene mit dem Hochvakuumflansch angeordnet werden. Auch eine rechtwinklige Anordnung an Oberseite und Seitenflächen eines beispielsweise quaderförmigen Pumpengehäuses ist möglich.

Der Vergleich verschiedener Molekularpumpstufen ergab, dass eine Holweckpumpe - besonders für hohe Gasdurchsätze - deutliche Vorteile gegenüber anderen Bau­ arten, u. a. in Bezug auf die vakuumtechnischen Daten in Verbindung mit den geo­ metrischen Abmessungen, aufweist.

Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung und zur Dimensionierung und Positionie­ rung der verschiedenen Bauteile, insbesondere der Pumpstufen, werden mit Hilfe des folgenden Formalismus die Drücke zwischen den einzelnen Pumpstufen und deren Kompressionsverhältnisse mittels der Gaslasten und Übergangsleitwerte zwi­ schen 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 Splitflowpumpe in einem Analysegerät am Bei­ spiel einer Mehrkammeranordnung. Das Messgas wird hier von Atmosphärendruck über eine Kapillare in die von einer Vorpumpe 2 ausgepumpte erste Kammer einge­ lassen. Die Pumpstufen 3, 4 und 5 pumpen die sich aus den Übergangsleitwerten C₂₃, C₃₄ und C₄₅ ergebenden 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 Matrixgleichung (1) der folgende pumpencharakteristische Zusammenhang zwischen den einströmenden 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 einströmenden 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 abgepump­ ten 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 Gleichung (1) und (2) erlaubt die Berechnung der Druckver­ hältnisse 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 notwendigen Vorgaben.

Mit den Gleichungen (3), (4), (5) und (6) liegen nun alle Kammerdrücke P_2-5 fest.

Aus diesem Formalismus ergeben sich Anleitungen zur optimalen Gestaltung und Dimensionierung des Pumpsystems in Bezug auf die vakuumtechnischen Daten. Beispielsweise wird - wie aus Gleichung (5) ersichtlich - das Druckverhältnis K₃₄, welches 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 Druckverhältnis 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 der­ art gestaltet, dass die Rückströmung entgegen der Pumprichtung stark vermindert wird. Dazu wird die Kanaltiefe an der Stelle des Sauganschlusses reduziert. Da die Holweckstufe aber an ihrer Eingangsseite ein ausreichend hohes Saugvermögen aufweisen muss, um die von der letzten Pumpstufe der Turbomolekularpumpe geför­ derte 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 werden.

An der Stelle des Sauganschlusses muss die Holweckstufe zusätzlich Gasmengen aufnehmen. Um das Saugvermögen in Pumprichtung an die größere Gasmenge anzupassen, muss die Kanaltiefe von dieser Stelle an in Pumprichtung wieder ver­ größert werden.

Die in den Ansprüchen 6 und 7 angeführten Maßnahmen dienen der Erhöhung der Leitwerte C₃-C₅ und damit einer Verbesserung der Saugvermögen S₂-S₅, was wiederum als Ergebnis des obigen Formalismus zu einer Erhöhung der Druckver­ hältnisse 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 stän­ dige elastische Verformung der den Schöpfraum abdichtenden Membranen begrenzt ist. Um jedoch die Vorteile der Membranpumpe auch bei Vakuumsystemen zu nut­ zen, deren Betriebsdauer über der Lebensdauer von Membranpumpen liegt, ist es sinnvoll, diese in Intervallen zu betreiben, wie in Anspruch 10 dargelegt.

Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass Druckschwankungen, die durch den Inter­ vallbetrieb auftreten, die Funktionsweise des Gesamtsystems nicht beeinträchtigen. Dazu muss die Pumpstufe, an deren Ausgang die Membranpumpe angeschlossen ist, wie in Anspruch 11 ausgedrückt, ein ausreichend hohes Druckverhältnis aufwei­ sen.

Die Steuerung des Intervallbetriebes, d. h. das Ein- und Abschalten der Membran­ pumpe, muss in Abhängigkeit des Vorvakuumdruckes geschehen. Ein Maß für den Vorvakuumdruck ist in bestimmten Grenzen die Strom- bzw. Leistungsaufnahme der Turbomolekularpumpe. 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 Erfindung bezieht sich jedoch auch auf jede Art einer trocke­ nen Vorpumpe.

Zur Vermeidung von kondensierten Anteilen im Pumpsystem sind Absorptions- und/­ oder Kondensationsmittel zwischen den Pumpstufen und den Stufen des Gaseinlass­ systems vorgesehen.

An Hand der Abbildung soll die Erfindung am Beispiel eines vierstufigen Gaseinlass­ systems näher erläutert werden.

Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Pumpsystems in Verbindung mit ei­ nem Gaseinlasssystem.

Abb. 2 zeigt das Beispiel einer praktischen Ausführungsform der ersten Pumpein­ heit 4.

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 Gasanalyse­ gerät 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 Turbomolekular­ pumpe 5 und aus einer Molekularpumpe 6, z. B. einer solchen der Bauart nach Holweck. Die einzelnen Stufen dieser Pumpeinheit sind insofern mit einander ver­ bunden, als sie sich in einem gemeinsamen Gehäuse befinden und die Rotoren auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Dadurch ist es möglich, diese gesamte erste Pumpeinheit mit einem gemeinsamen Motor zu betreiben, welcher durch eine Antriebselektronik 7 angetrieben wird.

Weiterhin ist eine gegen Atmosphäre ausstoßende trockene Vakuumpumpe 8 mit Steuereinheit 12 vorhanden. Diese Steuereinheit ist in die Antriebselektronik 7 für die erste Pumpeinheit 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 Auslass­ druckniveau an der Stelle 11 definiert. Mit 13 ist eine Sorptions- oder Kondensations­ einrichtung bezeichnet, welche sich zwischen einer Pumpstufe und einer Stufe des Gaseinlasssystems befindet.

In Abb. 2 ist die Pumpeinheit 4 als Kombination einer zweistufigen Turbomolekular­ pumpe 5a, 5b und einer Holweckpumpe 6 dargestellt. Die Sauganschlüsse 9 sind mit Anschlussflanschen 15, 16 und 17 verbunden, welche in der gleichen Ebene ange­ ordnet sind wie der Hochvakuumflansch 14. Zur Erhöhung der Leitwerte und somit der Saugvermögen an den Stellen der Sauganschlüsse 9 sind Ringkanäle 18 vorge­ sehen, welche eine offene Verbindung zwischen den Sauganschlüssen und dem Pumpenraum herstellen.

In Abb. 3 ist ein Ausschnitt aus der nachgeschalteten Pumpstufe 6, welche als Hol weckpumpe ausgebildet ist, dargestellt. Der Ausschnitt zeigt die Stelle, an welcher einer der Sauganschlüsse 9 in den Kanal 19 der Holweckpumpe mündet. Der rotie­ rende Teil ist mit 20 bezeichnet. Die Pumprichtung ist mit Pfeilen angedeutet. An der Stelle, an der der Sauganschluss 9 in den Kanal 19 der Holweckpumpe mündet, ist dieser in entgegengesetzter Pumprichtung in seiner Tiefe reduziert, um dann zur Ein­ gangsseite 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 mit seriell ge­ schalteten Vakuumkammern (1), wobei das Pumpsystem aus einer mehrstu­ figen Turbomolekularpumpe (5) mit Rotor- und Statorscheiben mit einer oder mehreren in Richtung Vorvakuumseite nachgeschalteten Pumpstufen (6) be­ steht, deren Rotoren sich auf der gleichen Welle befinden wie der Rotor der Turbomolekularpumpe und so eine erste Pumpeinheit bilden, und mit einer weiteren, gegen Atmosphärendruck ausstoßenden trockenen Pumpstufe (8), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Pumpstufen Saugan­ schlüsse (9) vorgesehen sind, die in Bezug auf die Druckverhältnisse 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 Vakuumkammern (1) des Gaseinlasssystems, welche mit der Stelle (11) des Auslassdruckniveaus und der Stelle (10) des Einlassdruckniveaus 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 angeordnet sind wie der Hochvakuuman­ schluss (14).

3. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauganschlüsse (9) mit Anschlussflanschen (15, 16, 17) verbunden sind, welche rechtwinklig zu dem Hochvakuumflansch (14) angeordnet sind.

4. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeich­ net, dass die nachgeschaltete Pumpstufe (6) eine Molekularpumpe nach Art einer Holweckpumpe ist.

5. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeich­ net, 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 Sauganschlusses so ausgebildet ist, dass die Tiefe des Kanals (19) in Richtung zur Seite niedrigeren Druckes hin reduziert ist und sich dann zur Eingangsseite (21) der Pumpstufe hin wieder so weit vergrößert, dass die Gasmenge der vorhergehenden Stufe aufgenom­ men werden kann.

7. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Kanals von der Stelle des Sauganschlusses an in Pumprichtung größer ist als in entgegengesetzter Richtung.

8. Vakuumpumpsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stelle des Sauganschlusses, welcher zwischen den beiden Stufen (5a und 5b) der Turbomolekularpumpe sich befindet, fest­ stehende Leitschaufeln angebracht sind, welche so gestaltet sind, dass sie den Gasstrom in die Richtung der Pumpkanäle der Turbomolekularpumpe 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 Verbindung zwischen dem Pumpenraum und dem Sauganschluss herstellt.

10. Vakuumpumpsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ge­ gen 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 Intervallbetriebes der letzteren auftreten, unter einer für das Gaseinlasssystem spezifischen Grenze bleiben.

12. Vakuumpumpsystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die gegen Atmosphärendruck ausstoßende Pumpe bei Über schreiten eines vorgewählten Wertes des Stromes oder der Leistung des An­ triebsmotors der ersten Pumpeinheit (4) eingeschaltet und bei Unterschreiten 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 der Pumpstufe (8) Bestandteil der Antriebselektronik (7) der ersten Pumpein­ heit (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 Gaseinlasssystems sich befinden, von kondensierten Anteilen befreit werden.