EP3161317B1 - Vakuumpumpen-system - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a vacuum pump system.
- Vacuum pumps and vacuum pump systems are often used to evacuate chambers in a short time. This is done using dry compressing vacuum pumps such as screw pumps, claw pumps or multi-stage roots pumps. If necessary, oil-sealed vacuum pumps such as rotary slide pumps or barrier slide pumps can also be used. Frequently, several pumps are arranged in series and / or parallel to one another in order to be able to pump large gas volumes in short periods of time.
- Typical applications are lock chambers such as those provided in coating plants.
- the lock chamber has to be pumped down from atmospheric pressure to a transfer pressure in short periods of time. This usually takes place in periods of 20 seconds to 120 seconds to a transfer pressure of 0.1 mbar to 10 mbar.
- a valve which is arranged between the lock chamber and the vacuum pump system, can then be closed. The valve is closed for an idle time that is about one to ten times the pumping time.
- the vacuum pump system must be very large.
- the high pumping speed of the pump systems is not necessary during the idle time or during the hold time. This leads to a high power consumption and thus a high energy consumption.
- a screw pump is used to evacuate a chamber such as a lock chamber or a process chamber
- a gap is provided between the rotor elements of the screw and the housing, which, since it is a dry-compressed vacuum pump, does not contain a lubricant is sealed.
- the gap height depends in particular on the rotor temperature. Since the medium to be conveyed always flows back through the gap, the optimum delivery rate of the pump is only achieved when the operating temperature is reached and thus with a very small gap. As soon as a target pressure is achieved in a process chamber, it would be possible, depending on the type of pump, to reduce the speed of the pump and thus the pump output or, if necessary, even to switch off the pump.
- Vacuum pump can be operated again immediately with full pump power when a target pressure in the process chamber is exceeded in order to avoid an undesired increase in the pressure in the process chamber and excessive pressure fluctuations in the process chamber.
- the pump In the case of lock chambers, the pump must preferably be kept at the nominal speed, otherwise it would first have to be accelerated at the end of the idle time. This would increase the time of the pumping process.
- a vacuum pump system with the features of the preamble of claim 1 is shown in DE 690 00 990 described.
- the object of the invention is to create a vacuum pump system in which, on the one hand, a high, in particular, maximum delivery capacity of the vacuum pump or the vacuum pump system can be ensured in different operating states and, on the other hand, the energy consumption can be reduced.
- the vacuum pump system according to the invention for evacuating a chamber which is in particular a lock or process chamber, has a main vacuum pump.
- the inlet of the main vacuum pump which is a screw pump, can be connected directly or indirectly to the chamber to be evacuated, with a switchable valve optionally being arranged in a connection line between the inlet of the main vacuum pump and the chamber to be evacuated.
- An auxiliary vacuum pump is connected downstream of the main vacuum pump in the conveying direction.
- the main vacuum pump has an outlet area on the outlet side, which is in particular a chamber or a space. A main outlet on the one hand and an inlet of the auxiliary vacuum pump on the other hand are connected to this outlet area. The outlet of the auxiliary vacuum pump is then connected to the main outlet.
- the auxiliary vacuum pump is a Roots, claw or side channel pump.
- a Roots pump has the advantage that it only consumes very little energy during the holding time.
- the pumping speed of the auxiliary vacuum pump is according to the invention less than 1 10 the pumping speed of the main vacuum pump. This results in a high internal compression of the overall pump (main pump and auxiliary pump) and thus low power consumption.
- a non-return valve is arranged in the main outlet.
- This check valve is arranged in the flow direction in the main outlet before the outlet of the auxiliary vacuum pump opens into the main outlet.
- the check valve can be a mechanical or a controllable or switchable check valve.
- the main vacuum pump which is a screw pump
- the auxiliary vacuum pump which is a Roots, claw or side channel pump, in particular a Roots pump
- the pumps are connected to a common drive motor. This can reduce manufacturing and energy costs.
- At least one delivery element of the main vacuum pump and at least one delivery element of the auxiliary vacuum pump are arranged on a common shaft.
- both delivery elements of the main vacuum pump are arranged on a common shaft with one of the two delivery elements of the auxiliary vacuum pump. This results in a very compact and energy-saving design.
- the drive motor drives one of the two shafts and synchronous driving of the second shaft is ensured via an interposed gear or directly intermeshing gearwheels.
- the main vacuum pump preferably has an internal compression which is> 2 and particularly preferably> 3.
- the auxiliary vacuum pump preferably has little or no internal compression, which is in particular ⁇ 2. It is particularly preferred that the auxiliary vacuum pump has no or at least almost no internal compression. This simplifies production; Always compressing the auxiliary pump is not very worthwhile due to the large gradation to the main pump.
- the drawing shows a schematic sectional view of a preferred embodiment of the vacuum pump system according to the invention.
- a screw pump 12 is arranged in a common housing 10.
- the screw pump 12 has two screw-shaped rotor elements 18, each arranged on a rotor shaft 14, 16.
- the two rotor shafts 16, 18 protrude through an intermediate wall 20 of the housing and each carry a rotor element 22 of a Roots pump 24.
- the shaft 14 on the left in the drawing is also connected to an electric drive motor 26.
- the electric motor 26 drives the shaft 14.
- the shaft 16 is driven via gears 28 which are each connected to one of the two shafts 14, 16.
- An inlet 30 of the main vacuum pump 12 is connected, for example, via a connecting line 31 to a chamber to be evacuated, not shown.
- the screw pump 12 then conveys the medium into an outlet region 32 or an outlet chamber 32. From this the medium passes through the main outlet 34.
- a check valve 36 is also arranged in the main outlet 34.
- a small volume of medium is sucked in through an inlet 38 of the auxiliary vacuum pump 24 and expelled through an outlet 40 of the auxiliary vacuum pump.
- the outlet 40 is connected to the main outlet 34, the connection taking place in the flow direction in the main outlet 34 downstream of the check valve 36.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Vakuumpumpen-System.
- Vakuumpumpen und Vakuumpumpen-Systeme werden häufig eingesetzt, um Kammern in kurzer Zeit zu evakuieren. Dies erfolgt unter Verwendung von trockenverdichtenden Vakuumpumpen wie beispielsweise Schraubenpumpen, Klauenpumpen oder Multi-Stage-Roots-Pumpen. Gegebenenfalls können auch ölgedichtete Vakuumpumpen wie Drehschiebepumpen oder Sperrschiebepumpen verwendet werden. Häufig werden auch mehrere Pumpen in Reihe und/oder parallel zueinander angeordnet, um in kurzen Zeiträumen große Gasvolumina pumpen zu können.
- Typische Anwendungen sind Schleusenkammern, wie sie beispielsweise in Beschichtungsanlagen vorgesehen sind. Die Schleusenkammer muss hierbei in kurzen Zeiträumen von Atmosphärendruck auf einen Übergabedruck abgepumpt werden. Dies erfolgt üblicherweise in Zeiträumen von 20 Sekunden bis 120 Sekunden auf einen Übergabedruck von 0,1 mbar bis 10 mbar. Im Anschluss kann ein Ventil, das zwischen der Schleusenkammer und dem Vakuumpumpen-System angeordnet ist, geschlossen werden. Das Ventil ist über eine Leerlaufzeit, die etwa das Ein- bis Zehnfache der Abpumpzeit beträgt, geschlossen.
- Eine weitere typische Anwendung sind große Prozesskammern, wie sie beispielsweise zur Wärmebehandlung oder Veredelung von Metallen verwendet werden. In diesem Anwendungsfall sind typische Abpumpzeiten 2 Minuten bis 30 Minuten. Nach der Abpumpzeit ist die Prozesskammer auf dem gewünschten niedrigen Druckniveau. Es fließt jedoch weiterhin ein relativ niedriger Prozessgasstrom, so dass kontinuierlich ein kleiner Gasstrom abgegrenzt werden muss. Hierbei handelt es sich um die Haltezeit, die ungefähr das Zweifache bis Zehnfache der Abpumpzeit beträgt.
- Sowohl bei Schleusenkammern als auch bei entsprechend großen Prozesskammern ist es zur Realisierung kurzer Abpumpzeiten erforderlich, dass das Vakuumpumpensystem sehr groß dimensioniert ist. Während der Leerlaufzeit bzw. während der Haltezeit sind die großen Saugvermögen der Pumpsysteme jedoch nicht notwendig. Dies führt zu einer hohen Stromaufnahme und somit einem hohen Energieverbrauch.
- Wird beispielsweise eine Schraubenpumpe zur Evakuierung einer Kammer wie einer Schleusenkammer oder einer Prozesskammer eingesetzt, so besteht die Problematik, dass zwischen den Rotorelementen der Schraube und dem Gehäuse ein Spalt vorgesehen ist, der, da es sich um eine trockenverdichtete Vakuumpumpe handelt, nicht durch ein Schmiermittel abgedichtet ist. Die Spalthöhe hängt hierbei insbesondere von der Rotortemperatur ab. Da durch den Spalt stets ein Rückströmen des zu fördernden Mediums erfolgt, wird die optimale Förderleistung der Pumpe erst bei Erreichen der Betriebstemperatur und somit bei einem sehr geringen Spalt erzielt. Sobald ein Solldruck in einer Prozesskammer erzielt ist, wäre es je nach Pumptyp möglich, die Drehzahl der Pumpe und somit die Pumpleistung zu reduzieren oder gegebenenfalls die Pumpe sogar auszuschalten. Dies hat jedoch den Nachteil, dass, sobald der Druck in der Prozesskammer den Solldruck wieder übersteigt, zunächst die Pumpe wieder auf Betriebstemperatur gebracht werden muss, bevor die volle Pumpleistung erzielt wird. Dies würde zu nicht akzeptablen Druckschwankungen in der Prozesskammer führen. Es ist erforderlich, dass die Vakuumpumpe bei Überschreiten eines Solldrucks in der Prozesskammer unmittelbar wieder mit voller Pumpleistung betrieben werden kann, um ein ungewolltes Ansteigen des Drucks in der Prozesskammer und zu starke Druckschwankungen in der Prozesskammer zu vermeiden.
- Bei Schleusenkammern muss die Pumpe vorzugsweise auf Nenndrehzahl gehalten werden, da sie sonst zum Ende der Leerlaufzeit erst beschleunigt werden müsste. Dies würde den Abpumpvorgang zeitlich verlängern.
- Die Problematik, dass die Pumpe aufgrund von Dichtspalten auf Betriebstemperatur gehalten werden muss, um ein maximales Fördervolumen zu gewährleisten, besteht auch bei anderen trockenverdichtenden Vakuumpumpen, wie Klauenpumpen, Roots-Pumpen und dergleichen.
- Zur Reduzierung des Energieverbrauchs von Pumpen und Pumpensystemen während der Leerlauf- bzw. Haltezeit sind unterschiedliche Lösungsansätze bekannt:
Es besteht die Möglichkeit, Vakuumpumpen mit hohem eingebauten Volumenverhältnis einzusetzen. Die technisch realisierbaren Volumenverhältnisse sind jedoch durch die Fertigungstechnik, den Bauaufwand und durch Anforderungen an die Robustheit und Dichtheit der Pumpstufen beschränkt. Insbesondere kann hierdurch nur eine geringe Reduzierung der Energieaufnahme erzielt werden. Zudem sind Lösungen erforderlich, die beim Abpumpvorgang auf hohe innere Verdichtung eine Überkompression vermeiden. - Des Weiteren ist eine Kombination von Vorvakuumpumpen mit den in Reihe geschalteten Roots-Pumpen bekannt. Durch diese Lösung kann ein großes Volumenverhältnis der gesamten Pumpkombination erreicht werden. Nachteilig ist allerdings, dass die Roots-Pumpe bei hohen Ansaugdrücken von beispielsweise ca. 100 mbar und mehr, nur wenig Unterstützung für die Vorpumpe liefert. Dies liegt darin begründet, dass ansonsten ein sehr großer Motor an der Roots-Pumpe installiert werden müsste und die Pumpe thermisch stark belastet würde.
- Ein Vakuumpumpen-System mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in
DE 690 00 990 beschrieben. - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vakuumpumpen-System zu schaffen, bei dem in unterschiedlichen Betriebszuständen einerseits eine hohe insbesondere maximale Förderleistung der Vakuumpumpe, bzw. des Vakuumpumpen-Systems gewährleistet werden kann und andererseits der Energieverbrauch reduziert werden kann.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Vakuumpumpen-System gemäß Anspruch 1.
- Das erfindungsgemäße Vakuumpumpen-System zur Evakuierung einer Kammer, bei der es sich insbesondere um eine Schleusen- oder Prozesskammer handelt, weist eine Hauptvakuumpumpe auf. Der Einlass der Hauptvakuumpumpe, bei der es sich um eine Schraubenpumpe handelt, ist mit der zu evakuierenden Kammer mittelbar oder unmittelbar verbindbar, wobei gegebenenfalls in einer Verbindungsleitung zwischen dem Einlass der Hauptvakuumpumpe und der zu evakuierenden Kammer ein schaltbares Ventil angeordnet sein kann. Mit der Hauptvakuumpumpe ist in Förderrichtung nachgeordnet eine Hilfsvakuumpumpe verbunden. Die Hauptvakuumpumpe weist auslassseitig einen Auslassbereich auf, bei dem es sich insbesondere um eine Kammer bzw. einen Raum handelt. Mit diesem Auslassbereich sind einerseits ein Hauptauslass und andererseits ein Einlass der Hilfsvakuumpumpe verbunden. Der Auslass der Hilfsvakuumpumpe ist sodann mit dem Hauptauslass verbunden.
- Bei der Hilfsvakuumpumpe handelt es sich um eine Roots-, Klauen- oder Seitenkanalpumpe. Insbesondere das Vorsehen einer Roots-Pumpe hat den Vorteil, dass diese während der Haltezeit nur eine sehr geringe Energieaufnahme aufweist.
-
- Um ein Zurückströmen von Medium, das von der Hilfsvakuumpumpe in den Hauptauslass gepumpt wurde, zurück in den Auslassbereich der Hauptvakuumpumpe zu vermeiden, ist in dem Hauptauslass ein Rückschlagventil angeordnet. Dieses Rückschlagventil ist in Strömungsrichtung in dem Hauptauslass angeordnet, bevor in den Hauptauslass der Auslass der Hilfsvakuumpumpe einmündet. Bei dem Rückschlagventil kann es sich um ein mechanisches oder auch um ein regel- bzw. schaltbares Rückschlagventil handeln.
- Vorzugsweise sind die Hauptvakuumpumpe, bei der es sich um eine Schraubenpumpe handelt, und die Hilfsvakuumpumpe, bei der es sich um eine Roots-, Klauen oder Seitenkanalpumpe, insbesondere um eine Roots-Pumpe handelt, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Hierdurch ist eine sehr kompakte Bauweise möglich. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Pumpen mit einem gemeinsamen Antriebsmotor verbunden sind. Hierdurch können Herstellungs- und Energiekosten reduziert werden.
- Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zumindest ein Förderelement der Hauptvakuumpumpe und zumindest ein Förderelement der Hilfsvakuumpumpe auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
- Da als Hauptvakuumpumpe eine Schraubenpumpe vorgesehen ist und wenn als Hilfsvakuumpumpe eine Roots-Pumpe vorgesehen ist, ist es besonders bevorzugt, dass beide Förderelemente der Hauptvakuumpumpe mit jeweils einem der beiden Förderelemente der Hilfsvakuumpumpe auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Hierdurch ist eine sehr kompakte und energiesparende Bauweise realisiert. Besonders bevorzugt ist es hierbei wiederum, dass der Antriebsmotor eine der beiden Wellen antreibt und über ein zwischengeschaltetes Getriebe oder unmittelbar ineinander greifende Zahnräder ein synchrones Antreiben der zweiten Welle gewährleistet ist.
- Die Hauptvakuumpumpe weist vorzugsweise eine innere Verdichtung auf, die >2 und besonders bevorzugt >3 ist. Die Hilfsvakuumpumpe weist vorzugsweise keine oder eine sehr geringe innere Verdichtung auf, die insbesondere <2 ist. Besonders bevorzugt ist es, dass die Hilfsvakuumpumpe keine oder zumindest annähernd keine innere Verdichtung aufweist. Dies vereinfacht die Fertigung; eine immer Verdichtung der Hilfspumpe ist aufgrund der großen Abstufung zur Hauptpumpe wenig lohnenswert.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.
- Die Zeichnung zeigt eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vakuumpumpen-Systems.
- In der schematischen Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in einem gemeinsamen Gehäuse 10 eine Schraubenpumpe 12 angeordnet. Die Schraubenpumpe 12 weist zwei jeweils auf einer Rotorwelle 14, 16 angeordnete schraubenförmige Rotorelemente 18 auf.
- Die beiden Rotorwellen 16, 18 ragen durch eine Zwischenwand 20 des Gehäuses hindurch und tragen jeweils ein Rotorelement 22 einer Roots-Pumpe 24.
- Die in der Zeichnung linke Welle 14 ist ferner mit einem elektrischen Antriebsmotor 26 verbunden.
- Der Elektromotor 26 treibt die Welle 14 an. Die Welle 16 wird über Zahnräder 28, die jeweils mit einer der beiden Wellen 14, 16 verbunden sind, angetrieben.
- Ein Einlass 30 der Hauptvakuumpumpe 12 ist beispielsweise über eine Verbindungsleitung 31 mit einer nicht dargestellten, zu evakuierenden Kammer verbunden. Die Schraubenpumpe 12 fördert das Medium sodann in einen Auslassbereich 32 bzw. eine Auslasskammer 32. Aus dieser gelangt das Medium durch den Hauptauslass 34. In dem Hauptauslass 34 ist ferner ein Rückschlagventil 36 angeordnet.
- Insbesondere im Haltebetrieb wird ein geringes Volumen an Medium durch einen Einlass 38 der Hilfsvakuumpumpe 24 angesogen und durch einen Auslass 40 der Hilfsvakuumpumpe ausgestoßen. Der Auslass 40 ist mit dem Hauptauslass 34 verbunden, wobei die Verbindung in Strömungsrichtung in dem Hauptauslass 34 hinter dem Rückschlagventil 36 erfolgt.
Claims (10)
- Vakuumpumpen-System zur Evakuierung einer Kammer, insbesondere einer Schleusen- oder Prozesskammer, mit
einer als Schraubenpumpe ausgebildeten Hauptvakuumpumpe (12), deren Einlass (30) mit der zu evakuierenden Kammer verbindbar ist, einer der Hauptvakuumpumpe (12) in Förderrichtung nachgeordneten Hilfsvakuumpumpe (24),
wobei die Hauptvakuumpumpe (12) einen Auslassbereich (32) aufweist, der einerseits mit einem Hauptauslass (34) und andererseits mit einem Einlass (38) der Hilfsvakuumpumpe (24) verbunden ist und
wobei ein Auslass (40) der Hilfsvakuumpumpe mit dem Hauptauslass (34) verbunden ist
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hilfsvakuumpumpe (24) als Roots-, Klauen- oder Seitenkanalpumpe ausgebildet ist, und
das Saugvermögen der Hilfsvakuumpumpe (24) kleiner als - Vakuumpumpen-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptauslass (34) ein Rückschlagventil (36) angeordnet ist, das ein Zurückströmen von Medium in den Auslassbereich (32) verhindert.
- Vakuumpumpen-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (40) der Hilfsvakuumpumpe (24) in Strömungsrichtung nach dem Rückschlagventil (36) mit dem Hauptauslass (34) verbunden ist.
- Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptvakuumpumpe (12) und die Hilfsvakuumpumpe (24) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind.
- Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptvakuumpumpe (12) und die Hilfsvakuumpumpe (24) mit einem gemeinsamen Antriebsmotor (26) verbunden sind.
- Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Förderelement (18) der Hauptvakuumpumpe (12) und zumindest ein Förderelement (22) der Hilfsvakuumpumpe (24) auf einer gemeinsamen Welle (14, 16) angeordnet ist.
- Vakuumpumpen-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptvakuumpumpe (12) und die Hilfsvakuumpumpe (24) jeweils zwei Förderelemente (18, 22) aufweisen, wobei die beiden Förderelemente (18) der Hauptvakuumpumpe (12) mit jeweils einem der beiden Förderelemente (22) der Hilfsvakuumpumpe (24) auf jeweils einer gemeinsamen Welle (14, 16) angeordnet sind.
- Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, in Kombination mit dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (26) eine der beiden Wellen (14) antreibt.
- Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptvakuumpumpe (12) eine innere Verdichtung von mindestens >2 aufweist.
- Vakuumpumpen-System nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsvakuumpumpe (24) eine innere Verdichtung von weniger als 2, insbesondere aber keine innere Verdichtung aufweist.
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