EP3392509B1 - Vakuumsystem zur erzeugung von zumindest einem hochvakuum in einem rezipienten - Google Patents

Vakuumsystem zur erzeugung von zumindest einem hochvakuum in einem rezipienten Download PDF

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EP3392509B1
EP3392509B1 EP18167650.3A EP18167650A EP3392509B1 EP 3392509 B1 EP3392509 B1 EP 3392509B1 EP 18167650 A EP18167650 A EP 18167650A EP 3392509 B1 EP3392509 B1 EP 3392509B1
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EP
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pump
vacuum
recipient
vacuum system
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Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
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    • F05D2270/00—Control
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    • F05D2270/65—Pneumatic actuators

Definitions

  • the invention relates to a vacuum system for generating at least one high vacuum in a recipient with at least one final vacuum pump for generating at least the high vacuum and a backing pump for generating at least a fine vacuum and with an operation-dependent controlled valve device for pressure-tight sealing of the recipient in the event of a malfunction, wherein the recipient, final vacuum pump, backing pump and valve means are connected in series with each other via a pressure-tight connection line and wherein the operating-dependent controlled valve device has at least a first valve with a first delay device, to which a time constant is adjustable, to maintain the high vacuum in the recipient during a malfunction, which is arranged between the final vacuum pump and the backing pump.
  • the recipient is a vacuum-tight chamber made of glass or, as a rule, stainless steel, in which after evacuation of the gases contained there is a technical vacuum with the aid of vacuum pumps.
  • a technical vacuum In contrast to an ideal particle-free vacuum is a technical vacuum with residual particles with technical Means reachable.
  • the vacuum chamber can also be heated or deep-frozen.
  • the fine vacuum FV (1 to 10 -3 hPa (mbar)) is followed by the high vacuum HV (10 -3 to 10 -7 hPa (mbar)).
  • This is followed by ultrahigh vacuum UHV (10 -7 to 10 -12 hPa (mbar)) and extremely high vacuum XHV ( ⁇ 10 -12 hPa (mbar)).
  • a common application for a high vacuum recipient is mass spectrometry, a method of mass determination of atoms or molecules for characterizing chemical compounds, such as those needed in biochemistry, geology, and climatology.
  • the required for the operation of a mass spectrometer high vacuum is produced today usually by the series connection of a turbomolecular pump with a rotary vane pump.
  • the turbomolecular pump generates the end vacuum in the recipient as the final vacuum pump on its suction side and the rotary vane pump as a backing pump on its suction side, the fine vacuum on the discharge side of the turbomolecular pump.
  • the rotary vane pump works against the atmospheric pressure.
  • the vacuum pump In the event of a power failure, the vacuum pump is vented via the opening solenoid valve and at the same time the recipient is closed by the closing spring valve, so that the high vacuum in the recipient is maintained during malfunction. After the return of the current, the solenoid valve is first closed, so that the ventilation of the vacuum pump is stopped. Only when the vacuum pump has returned to its operating state, the spring valve for the recipient is opened again. Similar is from the DD 271 545 A1 known, which describes the arrangement of a special valve device with a spring valve and its own venting valve between the recipient and rotary vane pump, the pressure-tight manner in a power failure, the recipient and the rotary vane pump is aerated as quickly as possible.
  • New high vacuum for CCD camera 2 by HR Sufer (retrieved on the internet on 22.04.2017 under the URL http://www.harpoint-observatory.com/deutsch/publikationen/ippoevakuie-rung.pdf ) is known to evacuate the vacuum chamber of a CCD camera as a recipient again in a laboratory setup, when the factory-implemented high vacuum has subsided.
  • the renewed high vacuum is generated in two stages by means of a turbomolecular pump as a final vacuum pump and an oil-lubricated rotary vane pump as a backing pump.
  • a simple high-vacuum solenoid valve is located directly behind the recipient, which is immediately closed in the event of a malfunction.
  • Recipient, solenoid valve, final vacuum pump and backing pump are connected in series via a branchless pressure-tight connection line.
  • the solenoid valve is electrically connected to the alarm output of the control electronics of the turbomolecular pump. Since the turbomolecular pump works almost frictionless in a high vacuum, it needs a certain amount of time in the event of a power failure until it loses its full speed and thus the high vacuum. Therefore, the closing time of the solenoid valve to prevent back diffusion into the recipient is quite sufficient.
  • the solenoid valve is first closed and the two vacuum pumps are started up. After approx. 20 min. Operating time, the solenoid valve is then opened and high vacuum generated in the recipient. Since in the prior art is a one-time process for permanently achieving the high vacuum in the CCD camera, such a long delay time to the opening the solenoid valve can be accepted. In addition, contaminants that could penetrate into the turbomolecular pump directly behind the recipient via the rotary vane pump until the solenoid valve opens, could enter the recipient when the solenoid valve opens, which can either increase the pumping time to reach the final vacuum or even lead to contamination ,
  • a vacuum system is known in which is determined by a pressure-dependent computing unit, whether the vacuum system can be transferred while maintaining the vacuum in the recipient in a power-saving standby mode in which the final vacuum pump and the backing pump are turned off.
  • the arithmetic unit continuously checks its internal pressure via a pressure sensor on the recipient. If this is correct, the arithmetic unit generates a control command for switching off a main switch, whereby at the same time the two pumps are switched off and two valves, which are arranged as seen from the recipient in front of the pumps, are closed.
  • the arithmetic unit detects that the pressure in the recipient is in the process of being inadmissible, it generates a second control command for switching on the main switch, which at the same time starts the pumps again and opens the valves. In the event of a power failure during pump operation, the arithmetic unit can not generate a control command to close the valves. The valves remain open, the pumps stop and the vacuum in the recipient breaks down. The valve between the recipient and the final vacuum pump is required to compensate for automatic venting of the final vacuum pump during shutdown, so that the vacuum in the recipient is maintained even in stand-by mode.
  • a vacuum system according to the preamble of claim 1 is known, which serves to generate a high vacuum.
  • the vacuum system comprises a recipient, a final vacuum pump for generating the final vacuum, a backing pump for Generation of a fine vacuum and an operation-dependent controlled valve device for pressure-tight sealing of the recipient in a malfunction.
  • recipient, Endvakuumpumpe, backing pump and valve means are connected via a pressure-tight connection line with each other in series.
  • the operating-dependent controlled valve device has a valve with a delay device to which a time constant is adjustable. The valve is disposed between the final vacuum pump and the backing pump.
  • the known vacuum system operates as an active system consistently pressure dependent. Pressure-changing malfunctions, such as a mechanical or contamination-related partial or full failure of the backing pump are detected by a capacitive pressure sensor, which is arranged in the connecting line between the Endvakuumpumpe and the valve, and processed in a control device. If an undesired increase in pressure occurs, the valve is already open. Upon reaching an error threshold value, the control device generates a control command which overrides the applied control command for opening the valve and actively closes the valve after the correspondingly adjusting time delay.
  • the valve is opened again by a control command after a time delay which is set constant at the deceleration device in which the backing pump evacuates the connection line to the valve.
  • the known vacuum system is thus an active system and always requires a power supply for its correct functioning. In the event of a power failure, it can not operate because control commands can not be generated for the valve. The vacuum system remains in its state in the event of a power failure.
  • the claimed vacuum system according to the invention is characterized in that at a power failure as a malfunction, at least the first valve without control automatically closed instantaneously and after elimination of the power failure with the time delay adjustable at the first delay means time constant automatically opens, the Endvakuumpumpe and the backing pump run before the first valve is opened, and that at least the final vacuum pump does not have its own venting valve.
  • the connecting line between the recipient, final vacuum pump, backing pump and valve device is designed without branches.
  • no pressure sensors are provided which operate only under power supply and generate additional delays. Therefore, the claimed vacuum system can not respond to malfunctions with induced pressure fluctuations, but faster to a power failure.
  • the valve closes abruptly automatically, ie automatically without control command, and thus protects not only the recipient, but also the Endvakuumpumpe, which does not have its own ventilation valve in the invention. Both in the recipient and in the final vacuum pump, the prevailing high vacuum is reliably maintained for several hours or during the entire power failure. If the power failure is over, become a recipient and final vacuum pump not released immediately.
  • the safety system of the vacuum system according to the invention can be designed as a simple, cost-effective block, which consists only of the valve and a simple timer. Such a block is particularly well suited for retrofitting existing vacuum systems.
  • Ventilation of the final vacuum pump and / or the backing pump is not mandatory in the invention.
  • the first valve is also designed as a vent valve of Endvakuumpumpe, the ventilation function is suppressed in case of power failure.
  • the backing pump is then taken out of operation first, so that when venting the Endvakuumpumpe no contamination from the backing pump can diffuse.
  • the operation-dependent controlled valve means comprises a second valve with a second delay means which is arranged on the side remote from the final vacuum pump side of the backing pump and closed in case of power failure without delay and after elimination of the power failure with a time delay Time constant is opened, whereby the backing pump does not have its own vent valve.
  • the time delay is set at the second delay device on the second valve. This may also be, for example, a commercially available timer.
  • it is ensured that in case of power failure in the backing pump, the pre-vacuum is maintained, so that after power return, the entire vacuum system is ready for use immediately. Aeration of the Pre-vacuum pump is also not mandatory.
  • the second valve is also designed as a vent valve of the backing pump, wherein the ventilation function is suppressed in case of power failure. Aeration is thus - as with the final vacuum pump - only outside of a power failure, for example during a maintenance operation possible. During an unwanted power failure, however, the vacuum is kept safe and not ventilated.
  • both the final vacuum pump and the backing pump are provided with fast-closing valves and both vacuum pumps do not have their own ventilation valves, the invention can safely guarantee the high vacuum in the recipient in the event of a sudden power failure and thus the fastest possible start of operation after the end of the power failure. This achieves the shortest possible interruption in operation of a current measurement, for example in a mass spectrometer as a recipient, which saves time and costs for the operator of the vacuum system. It is conceivable that the operator of the power failure initially takes no notice.
  • the final vacuum pump and finally into the recipient can take place until the vacuum pumps are fully started again, it is provided in the invention to open the valves after the return of the current with a time delay.
  • the time constant for the time delay of the first delay device of the first valve and / or the second delay device of the second valve are set in a range between 8s and 12s, in particular 10 s.
  • the backing pump is vented in the event of power failure, it makes sense if the two vacuum pumps initially 8s to 12s, in particular 10 s run before the first valve is opened and the connection to the final vacuum pump releases , Pending contamination in the backing pump or on first valve can be sucked so before opening the first valve before the Endvakuumpumpe first from the backing pump. If the backing pump has also been closed by the second valve in the event of a power failure, it will not be possible for any contaminants to enter and to be present before the second valve. So that they are not sucked into the backing pump during the restart, it makes sense here, too, that both vacuum pumps only run for 8 seconds to 12 seconds, in particular 10 seconds, before then both valves are opened.
  • time constants for setting the delay time at the two valves are readily possible. These can be longer, but also shorter or even different on both valves. Furthermore, it is preferred and advantageous if both delay devices are integrated in a common control device. Then, for example, with a common timer as part of the valve device, the opening time of the first and the second valve is controlled.
  • An occurring interference signal then automatically triggers the first valve. This is closed suddenly and ensures the high vacuum in the recipient. This also applies to the second valve, if this is also connected to the alarm output of the final vacuum pump and / or the backing pump.
  • the pneumatic support can ensure a particularly rapid closure of the valves in the event of a sudden power failure and thus a particularly good preservation of the high vacuum in the recipient.
  • the solenoid valves are kept open by the current flow.
  • the final vacuum pump is formed by a turbomolecular pump.
  • a turbomolecular pump In a molecular pump, the effect is exploited that particles impinging on a wall remain for a short time between adsorption and desorption on the wall.
  • the turbomolecular pump is a dry-running gas transfer pump, which consists of a single or multi-stage alternating arrangement of inclined baffles as stators, between which run rotors with inclined rotor blades. The speed of the rotor blades is approximately on the order of the average thermal velocity of the gas molecules to be evacuated.
  • the pumping action results from the fact that pulses of an axial component are added to the atoms and particles present while they are being maintained on the inclined surfaces.
  • the backing pump is designed as a wet-running rotary vane pump, in particular oil-sealed.
  • This is a wet-running displacement pump, which consists of a hollow cylinder as a stator in which rotates a further cylinder as a rotor, which is guided by an eccentric along the housing wall.
  • the piston is connected to a hollow slide, which is pivotally mounted in the housing and divides the crescent-shaped working space into a suction side and a pressure side.
  • the vacuum pump is filled with oil, which ensures its lubrication and serves to seal the pump chamber and the pressure valve. In the event of a power failure, however, oil mist may diffuse into the vacuum area and lead to undesirable contamination. Further explanations on the execution of the vacuum system and its components claimed with the invention can be found in the exemplary embodiments explained below.
  • a two-stage vacuum system 01 which serves to generate a high vacuum P vac in a recipient 02 .
  • the recipient 02 vacuum chamber
  • the recipient 02 is part of a mass spectrometer, not shown, with which the composition of ice cores is to be analyzed.
  • a final vacuum pump 03 is connected, for example, a turbomolecular pump 04 .
  • the end vacuum pump 03 On its suction side, the end vacuum pump 03 generates the high vacuum P vac , which prevails in the interior of the recipient 02 .
  • On its discharge side is a pressure P before a fine vacuum (pre-vacuum), which is generated by an upstream roughing pump 05 .
  • pre-vacuum fine vacuum
  • this is an oil-sealed rotary vane pump 06 .
  • This operates between the pressures P before on its suction side and the ambient pressure P a on its ejection side.
  • an operation-dependent controlled valve device 07 is arranged for the pressure-tight closing of the recipient 02 in the event of a power failure. All components Recipient 02, final vacuum pump 03 , backing pump 05 and valve device 07 are over a branchless pressure-tight connection line 08 connected in series with each other.
  • the prevailing pressure gradient is indicated by the arrows (pumping direction).
  • connection line 08 ensures that the high vacuum P vac is reliably maintained in the event of a power failure and is not ventilated via branching connection lines, for example to further pressure chambers with lock functions.
  • Other vacuum systems 01 can also be configured in three or more stages, depending on the application and the performance of the vacuum pumps 03 , 05 used.
  • the operation-dependent controlled valve device 07 has at least a first valve 09 with a first delay device 10 .
  • This first valve 09 is arranged in the unbranched connection line 08 between the Endvakuumpumpe 03 and the backing pump 05 .
  • This first valve 09 serves to protect the recipient 02 during a power failure by, for example, in a power failure, the recipient 02 is closed pressure-tight and thus prevents the high vacuum P vac is destroyed in its interior. This is in fact normally the case during a power failure and thus when the pumping operation ceases: the final vacuum pump 03 is slowly vented via a special venting valve to prevent oil mist from backing off from the backing pump 05 .
  • the Endvakuumpumpe 03 does not have its own vent valve. Existing ventilation valves can be easily replaced by blind plugs.
  • the pressure-tight sealed first valve 09 ensures that no oil mist can penetrate into the final vacuum pump 03 .
  • the first valve 09 is automatically closed.
  • it is for example electrically connected via an electrical line 11 to the alarm output 24 of the end vacuum pump 03 .
  • a warning signal is generated at the alarm output of the final vacuum pump because the pump is running due to a power failure slows down to the style, this signal leads to the immediate closing of the first valve 09.
  • a second electrical line 12 indicated by dashed lines that a triggering alarm signal can also come from the backing pump 05 .
  • both vacuum pumps 03 , 05 are observed in their respective operating state.
  • the first valve 09 can also receive its closing command directly from the power failure.
  • the first valve 09 is a first electro-pneumatically operated solenoid valve 13 which is open under power during operation. In the event of a power failure, an electromagnetically attracted circuit board automatically drops and generates a pneumatic pulse which causes the solenoid valve 13 to close immediately.
  • the operation-dependent controlled valve device 07 has a second valve 14 with a second delay means 15 , which is arranged on the side remote from the Endvakuumpumpe 03 side of the backing pump 05 .
  • This second valve 14 can be seen in complete analogy to the first valve 09 described above, wherein now also the backing pump 05 does not have its own venting valve. Existing ventilation valves can be easily replaced by blind plugs.
  • the second valve 14 fulfills the same function as the first valve 09 , but it is assigned to the backing pump 05 . In this embodiment, therefore, additionally prevents the fine vacuum P before at a power failure fails. After power return so also the backing pump 05 can go back into operation faster.
  • the second valve 14 is then opened again via the second delay device 15 after a delay time T VZ2 .
  • the second delay time T VZ2 is again in a range of 10 s and is thus synchronous with the delay time T VZ1 of the first valve 09.
  • it can also be larger or smaller, as required.
  • the second valve 14 is controlled via a third electrical line 16 , which is connected to the alarm output 25 of the backing pump 05 . Indicated is an (additional or alternative) activation via a fourth electrical line 17 , which in turn comes from the alarm output of Endvakuumpumpe 03 . Likewise, however, can be done again direct control.
  • the second valve 14 is a second electro-pneumatic solenoid valve 18.
  • the Fig. 3 shows a further embodiment of the invention, in which the first valve 09 is formed as a first vent valve 19 for the Endvakuumpumpe 03 and the second valve 14 as a second vent valve 20 for the backing pump 05 .
  • the first vent valve 19 is pressure-tightly connected via a first vent line 21 to the end vacuum pump 03 .
  • the second vent valve 20 is pressure-tightly connected via a second vent line 22 to the backing pump 05 .
  • first valve 09 is formed as a first vent valve 19 and the backing pump 05 has its own vent valve.
  • the function of the ventilation is activated in the two valves 09 , 14 but only for purposes in which deliberately the fine vacuum or the pre-vacuum is to be abandoned, for example, for replacement purposes of the two vacuum pumps 03 , 05 or for opening purposes of the recipient 02.
  • an operation-dependent controlled valve device 07 which includes both the first and second valves 09 , 14 in the additional Function as aeration valves 19 , 20 and the two delay devices 10 , 15 includes.
  • a central control unit 23 all signals can be detected and corresponding control commands can be generated easily, quickly and reliably.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumsystem zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum in einem Rezipienten mit zumindest einer Endvakuumpumpe zur Erzeugung von zumindest dem Hochvakuum und einer Vorvakuumpumpe zur Erzeugung von zumindest einem Feinvakuum und mit einer betriebsabhängig gesteuerten Ventileinrichtung zum druckdichten Verschließen des Rezipienten bei einer Betriebsstörung, wobei Rezipient, Endvakuumpumpe, Vorvakuumpumpe und Ventileinrichtung über eine druckdichte Verbindungsleitung miteinander in Reihe geschaltet sind und wobei zur Erhaltung des Hochvakuums im Rezipienten während einer Betriebsstörung die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung zumindest ein erstes Ventil mit einer ersten Verzögerungseinrichtung, an der eine Zeitkonstante einstellbar ist, aufweist, das zwischen der Endvakuumpumpe und der Vorvakuumpumpe angeordnet ist.
  • In der Vakuumtechnik ist der Rezipient eine vakuumdichte Kammer aus Glas oder in der Regel Edelstahl, in der nach Absaugen der enthaltenen Gase mit Hilfe von Vakuumpumpen ein technisches Vakuum herrscht. Im Gegensatz zu einem idealen partikelfreien Vakuum ist ein technisches Vakuum mit Restpartikeln mit technischen Mittel erreichbar. Zur Erzeugung extremer technischer Vakua kann die Vakuumkammer auch hochgeheizt oder tiefgekühlt werden. An das Feinvakuum FV (1 bis 10-3 hPa (mbar)) schließt sich das Hochvakuum HV (10-3 bis 10-7 hPa (mbar)) an. Es folgen Ultrahochvakuum UHV (10-7 bis 10-12 hPa (mbar)) und extrem hohes Vakuum XHV (< 10-12 hPa (mbar)). Eine häufige Anwendung für einen Rezipienten mit einem Hochvakuum ist die Massenspektrometrie, ein Verfahren zur Massebestimmung von Atomen oder Molekülen zur Charakterisierung von chemischen Verbindungen, wie sie beispielsweise in der Biochemie, Geologie und Klimatologie benötigt wird. Das zum Betrieb eines Massenspektrometers erforderliche Hochvakuum wird heute in der Regel durch die Reihenschaltung einer Turbomolekularpumpe mit einer Drehschieberpumpe erzeugt. Dabei erzeugt die Turbomolekularpumpe als Endvakuumpumpe auf ihrer Ansaugseite das Endvakuum im Rezipienten und die Drehschieberpumpe als Vorvakuumpumpe auf ihrer Ansaugseite das Feinvakuum auf der Ausstoßseite der Turbomolekularpumpe. Auf ihrer Ausstoßseite arbeitet die Drehschieberpumpe gegen den Atmosphärendruck.
  • Bei einem Hochvakuum befinden sich nur noch sehr wenige, nämlich 1013 bis 109 Moleküle in 1 cm3 Volumen. Daher ist es technisch sehr aufwändig und zeitlich sehr langwierig, ein derart qualitativ hochwertiges Vakuum zu erzeugen. Der Normalfall bei einer Betriebsstörung des Vakuumsystems, insbesondere bei einem Funktionsausfall der Vakuumpumpen durch einen Stromausfall oder durch eine Verschmutzung oder Beschädigung, besteht in der Auflösung des Vakuums durch langsames vollständiges oder teilweises Belüften der Vakuumkammer. Nach Behebung der Betriebsstörung muss aber der zeitaufwändige Prozess zur Erreichung eines erneuten Vakuums in der Vakuumkammer durchfahren werden. Gegebenenfalls müssen auch die Vakuumkammer und ihre Peripherie zunächst gereinigt werden, wenn Materiepartikel aus den Pumpen oder der Umgebung in den Rezipient rückdiffundiert sind. Dies alles sind extrem unerwünschte Störungen in einem Messbetrieb. Dementsprechend ist es erstrebenswert und von großem Vorteil, ein erzeugtes Vakuum in einer Vakuumkammer auch bei einer Betriebsstörung des Vakuumsystems aufrechtzuerhalten. Dafür werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen angeboten.
    • Stand der Technik
  • Als Alternative zur vollständigen oder auch teilweisen Belüftung des Rezipienten bei einer Betriebsstörung wird im Stand der Technik unter anderem vorgeschlagen, die Vakuumpumpen zu belüften. Erreichen diese Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck, können dann Wasser- oder Ölnebel oder -dämpfe bei nasslaufenden Vakuumpumpen und Gase bei mit Gasballast arbeitenden Vakuumpumpen nicht in den Rezipienten eingesogen werden. Ohne Vorsehen weiterer Ventile wird dabei zwangsläufig dann aber auch der Rezipient belüftet. Eine Belüftung des Rezipienten wird vermieden gemäß der DE 38 17 581 A1 , die eine spezielle Ventileinrichtung mit einem Magnetventil und einem Federventil mit Puffervolumen zwischen dem Rezipienten und der Vakuumpumpe offenbart. Bei einem Stromausfall wird die Vakuumpumpe über das sich öffnende Magnetventil belüftet und gleichzeitig der Rezipient über das sich schließende Federventil verschlossen, sodass das Hochvakuum im Rezipienten während er Betriebsstörung erhalten bleibt. Nach Rückkehr des Stroms wird zunächst das Magnetventil geschlossen, sodass die Belüftung der Vakuumpumpe beendet wird. Erst, wenn die Vakuumpumpe wieder ihren Betriebszustand erreicht hat, wird das Federventil für den Rezipienten wieder geöffnet. Ähnliches ist aus der DD 271 545 A1 bekannt, die die Anordnung einer speziellen Ventileinrichtung mit einem Federventil und einem eigenen Belüftungsventil zwischen Rezipient und Drehschieberpumpe beschreibt, über die bei einem Stromausfall der Rezipient druckdicht verschlossen und die Drehschieberpumpe möglichst schnell belüftet wird. Nach Rückkehr des Stroms wird die Belüftung der Drehschieberpumpe verschlossen und der Rezipient erst wieder geöffnet, wenn zwischen Rezipient und Drehschieberpumpe nahezu der gleiche Druck herrscht. In beiden Fällen handelt es sich um spezielle und relativ aufwändige technische Konstruktionen eines Vakuum-Sicherheitsventils mit einem elektromechanischen Antrieb.
  • Weiterhin ist es beispielsweise aus der DE 100 48 210 B4 oder der DE 199 29 519 A1 bekannt, eine Vorvakuumpumpe sowohl als Vorstufe für eine Endvakuumpumpe hinter einem Rezipienten als auch direkt für einen parallelen Vorrezipienten in einem gemeinsamen Aufbau einzusetzen, wie er beispielsweise für Schleusungsvorgänge in den Rezipienten benötigt wird. Dazu ist ein Magnetventil zwischen der Endvakuumpumpe und der Vorvakuumpumpe angeordnet. Dieses riegelt die Endvakuumpumpe und damit den Rezipienten druckdicht ab, wenn die Vorvakuumpumpe für den Vorrezipienten arbeitet.
  • Weiterhin ist es aus der Veröffentlichung. "Neues Hochvakuum für CCD-Kamera 2" von H.R. Schäfer (im Internet abgerufen 22.04.2017 unter der URL http://www.harpoint-observatory.com/deutsch/publikationen/kameraevakuie-rung.pdf) bekannt, in einem Laboraufbau die Vakuumkammer einer CCD-Kamera als Rezipienten erneut zu evakuieren, wenn das herstellerseitig implementierte Hochvakuum nachgelassen hat. Das erneute Hochvakuum wird zweistufig mittels einer Turbomolekularpumpe als Endvakuumpumpe und einer ölgeschmierten Drehschieberpumpe als Vorvakuumpumpe erzeugt. Um bei einem Stromausfall oder einer sonstigen Betriebsstörung der beiden Vakuumpumpen ein Verschmutzen des Rezipienten zu vermeiden, ist direkt hinter dem Rezipienten ein einfaches Hochvakuum-Magnetventil angeordnet, das bei einer Betriebsstörung sofort geschlossen wird. Rezipient, Magnetventil, Endvakuumpumpe und Vorvakuumpumpe sind über eine abzweiglose druckdichte Verbindungsleitung miteinander in Reihe geschaltet. Das Magnetventil ist elektrisch mit dem Alarmausgang der Steuerelektronik der Turbomolekularpumpe verbunden. Da die Turbomolekularpumpe im Hochvakuum nahezu reibungsfrei arbeitet, braucht sie bei einem Stromausfall eine gewisse Zeit, bis sie die volle Drehzahl und damit das Hochvakuum verliert. Daher ist die Schließzeit des Magnetventils zur Vermeidung von Rückdiffusion in den Rezipienten völlig ausreichend. Zur erneuten Evakuierung wird das Magnetventil zunächst geschlossen und die beiden Vakuumpumpen hochgefahren. Nach ca. 20 min. Betriebszeit wird das Magnetventil dann geöffnet und Hochvakuum im Rezipienten erzeugt. Da es sich im Stand der Technik um einen einmaligen Vorgang zur dauerhaften Erreichung des Hochvakuums in der CCD-Kamera handelt, kann eine derart lange Verzögerungszeit bis zur Öffnung des Magnetventils durchaus in Kauf genommen werden. Außerdem könnten Kontaminierungen, die bis zum Öffnen des Magnetventils direkt hinter dem Rezipienten über die Drehschieberpumpe in die Turbomolekularpumpe vordringen konnten, beim Öffnen des Magnetventils in den Rezipienten gelangen, was entweder zu einer Verlängerung der Pumpzeit bis zum Erreichen des Endvakuums oder sogar zu Verschmutzungen führen kann.
  • Aus der JP 5 512106 B2 ist ein Vakuumsystem bekannt, bei dem mittels einer Recheneinheit druckabhängig ermittelt wird, ob das Vakuumsystem unter Erhaltung des Vakuums im Rezipienten in einen stromsparenden Stand-by-Modus überführt werden kann, in dem die Endvakuumpumpe und die Vorvakuumpumpe abgeschaltet sind. Die Recheneinheit überprüft dazu über einen Drucksensor am Rezipienten fortlaufend seinen Innendruck. Ist dieser vorschriftsmäßig, erzeugt die Recheneinheit einen Steuerbefehl zum Abschalten eines Hauptschalters, wodurch zeitgleich die beiden Pumpen abgeschaltet und zwei Ventile, die vom Rezipienten aus gesehen jeweils vor den Pumpen angeordnet sind, geschlossen werden. Stellt die Recheneinheit durch laufende Messungen des Drucks im Rezipienten fest, dass dieser unzulässig ansteigt, generiert sie einen zweiten Steuerbefehl zum Anschalten des Hauptschalters, wodurch zeitgleich die Pumpen wieder anlaufen und die Ventile geöffnet werden. Im Falle eines Stromausfalls während des Pumpenbetriebs kann die Recheneinheit keinen Steuerbefehl zum Schließen der Ventile generieren. Die Ventile bleiben offen, die Pumpen stoppen und das Vakuum im Rezipienten baut sich ab. Das Ventil zwischen dem Rezipienten und der Endvakuumpumpe ist erforderlich, um eine automatische Belüftung der Endvakuumpumpe beim Abschalten zu kompensieren, sodass auch im Stand-by-Modus das Vakuum im Rezipienten erhalten bleibt.
  • Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik wird in der DE 199 13 593 A1 beschrieben. Hieraus ist ein Vakuumsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, das der Erzeugung von einem Hochvakuum dient. Das Vakuumsystem umfasst einen Rezipienten, eine Endvakuumpumpe zur Erzeugung des Endvakuums, eine Vorvakuumpumpe zur Erzeugung eines Feinvakuums und eine betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung zum druckdichten Verschließen des Rezipienten bei einer Betriebsstörung. Dabei sind Rezipient, Endvakuumpumpe, Vorvakuumpumpe und Ventileinrichtung über eine druckdichte Verbindungsleitung miteinander in Reihe geschaltet. Zur Erhaltung des Hochvakuums im Rezipienten während einer Betriebsstörung weist die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung ein Ventil mit einer Verzögerungseinrichtung auf, an der eine Zeitkonstante einstellbar ist. Das Ventil ist zwischen der Endvakuumpumpe und der Vorvakuumpumpe angeordnet. Das bekannte Vakuumsystem arbeitet als aktives System durchgängig druckabhängig. Druckverändernde Betriebsstörungen, wie beispielsweise ein mechanisch- oder verschmutzungsbedingter Teil- oder Vollausfall der Vorvakuumpumpe, werden von einem kapazitiven Drucksensor, der in der Verbindungsleitung zwischen der Endvakuumpumpe und dem Ventil angeordnet ist, detektiert und in einer Steuereinrichtung verarbeitet. Wenn ein ungewollter Druckanstieg auftritt, ist das Ventil bereits geöffnet. Die Steuereinrichtung erzeugt bei Erreichen eines Fehlerschwellenwerts einen Steuerbefehl, der den anliegenden Steuerbefehl zum Öffnen des Ventils übersteuert und das Ventil nach der sich entsprechend einstellenden Zeitverzögerung aktiv schließt. Detektiert der Drucksensor einen Druckwert, der wieder unterhalb des Fehlerschwellenwerts liegt, wird nach einer an der Verzögerungseinrichtung konstant eingestellten Zeitverzögerung, in der die Vorvakuumpumpe die Verbindungsleitung zum Ventil evakuiert, das Ventil wieder durch einen Steuerbefehl geöffnet. Das bekannte Vakuumsystem ist somit ein aktives System und benötigt für seine korrekte Funktionsweise immer eine Stromzufuhr. Bei einem Stromausfall kann es nicht agieren, weil keine Steuerbefehle für das Ventil generiert werden können. Das Vakuumsystem verharrt in seinem Zustand bei Stromausfall.
    • Aufgabenstellung
  • Ausgehend von dem zuvor erläuterten nächstliegenden Stand der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, das eingangs beschriebene gattungsgemäße Vakuumsystem so weiterzubilden, dass es für einen professionellen Messaufbau mit dauerhaften Messkampagnen geeignet ist und die druckdichte Aufrechterhaltung von einem im Rezipienten herrschenden Hochvakuum bei einem Stromausfall als Betriebsstörung mit einem Ausfall der Vakuumpumpen sicher gewährleistet. Dabei sollen einfache und handelsübliche Mittel eingesetzt werden. Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
  • Das beanspruchte Vakuumsystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Stromausfall als Betriebsstörung zumindest das erste Ventil ohne Steuerbefehl unverzögert automatisch geschlossen und nach Behebung des Stromausfalls zeitverzögert mit der an der ersten Verzögerungseinrichtung einstellbaren Zeitkonstante automatisch geöffnet wird, wobei die Endvakuumpumpe und die Vorvakuumpumpe laufen, bevor das erste Ventil geöffnet wird, und dass zumindest die Endvakuumpumpe kein eigenes Belüftungsventil aufweist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Vakuumsystem ist die Verbindungsleitung zwischen Rezipient, Endvakuumpumpe, Vorvakuumpumpe und Ventileinrichtung abzweiglos ausgebildet. Insbesondere sind keine Drucksensoren vorgesehen, die nur unter Stromzufuhr arbeiten und zusätzliche Verzögerungen erzeugen. Deshalb kann das beanspruchte Vakuumsystem zwar nicht auf Betriebsstörungen mit hervorgerufenen Druckschwankungen reagieren, dafür aber umso schneller auf einen Stromausfall. Dabei schließt das Ventil schlagartig automatisch, d.h. ohne Steuerbefehl selbsttätig, und schützt damit nicht nur den Rezipienten, sondern auch die Endvakuumpumpe, die bei der Erfindung kein eigenes Belüftungsventil aufweist. Sowohl im Rezipienten als auch in der Endvakuumpumpe wird zuverlässig über mehrere Stunden bzw. während des gesamten Stromausfalls das herrschende Hochvakuum aufrechterhalten. Ist der Stromausfall beendet, werden Rezipient und Endvakuumpumpe nicht sofort wieder freigegeben. Dies erfolgt erst nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung, sodass sichergestellt ist, dass sich die Vorvakuumpumpe bereits wieder im Betriebszustand befindet. Die Zeitverzögerung wird an der ersten Verzögerungseinrichtung am ersten Ventil eingestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine handelsübliche Zeitschaltuhr handeln. Somit kann das Sicherheitssystem des erfindungsgemäßen Vakuumsystems als einfacher, kostengünstiger Block ausgebildet sein, der lediglich aus dem Ventil und einer einfachen Zeitschaltuhr besteht. Ein derartiger Block eignet sich besonders gut für die Nachrüstung von bestehenden Vakuumsystemen.
  • Eine Belüftung der Endvakuumpumpe und/oder der Vorvakuumpumpe ist bei der Erfindung nicht zwingend erforderlich. Für bestimmte Betriebszustände unabhängig vom Normalbetrieb, beispielsweise einer Wartung mit einer Belüftung des Rezipienten, ist es gemäß einer ersten Fortbildung der Erfindung aber bevorzugt und vorteilhaft, wenn das erste Ventil auch als Belüftungsventil der Endvakuumpumpe ausgebildet ist, wobei die Belüftungsfunktion bei Stromausfall unterdrückt ist. Bei solchen Betriebszuständen wird dann zunächst die Vorvakuumpumpe aus dem Betrieb genommen, sodass beim Belüften der Endvakuumpumpe keine Verschmutzungen von der Vorvakuumpumpe eindiffundieren können.
  • Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung ein zweites Ventil mit einer zweiten Verzögerungseinrichtung aufweist, das auf der von der Endvakuumpumpe abgewandten Seite der Vorvakuumpumpe angeordnet ist und bei Stromausfall unverzögert geschlossen und nach Behebung des Stromausfalls zeitverzögert mit einer einstellbaren Zeitkonstante geöffnet wird, wobei auch die Vorvakuumpumpe kein eigenes Belüftungsventil aufweist. Die Zeitverzögerung wird an der zweiten Verzögerungseinrichtung am zweiten Ventil eingestellt. Hierbei kann es sich ebenfalls beispielsweise um eine handelsübliche Zeitschaltuhr handeln. Bei dieser Ausgestaltung wird sichergestellt, dass bei Stromausfall auch in der Vorvakuumpumpe das Vorvakuum erhalten bleibt, sodass nach Stromrückkehr das gesamte Vakuumsystem sofort wieder betriebsbereit ist. Eine Belüftung der Vorvakuumpumpe ist ebenfalls nicht zwingend erforderlich. Um aber auch bei dieser Variante die Belüftung der Vorvakuumpumpe für spezielle Betriebszustände ermöglichen zu können, ist es gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung vorteilhaft und bevorzugt, wenn das zweite Ventil auch als Belüftungsventil der Vorvakuumpumpe ausgebildet ist, wobei die Belüftungsfunktion bei Stromausfall unterdrückt ist. Eine Belüftung ist damit - wie bei der Endvakuumpumpe - nur außerhalb eines Stromausfalls, beispielsweise bei einem Wartungsvorgang möglich. Während eines unerwünschten Stromausfalls hingegen wird das Vakuum sicher gehalten und nicht belüftet.
  • Werden sowohl die Endvakuumpumpe als auch die Vorvakuumpumpe mit schnell schließenden Ventilen versehen und besitzen beide Vakuumpumpen keine eigenen Belüftungsventile, so kann mit der Erfindung bei einem plötzlichen Stromausfall das Hochvakuum im Rezipienten und damit die schnellstmögliche Betriebsaufnahme nach Beendigung des Stromausfalls sicher garantiert werden. Damit wird die kürzestmögliche Betriebsunterbrechung einer laufenden Messung beispielsweise in einem Massenspektrometer als Rezipienten erreicht, was für den Betreiber des Vakuumsystems Zeit und Kosten spart. Dabei ist es denkbar, dass der Betreiber von dem Stromausfall zunächst überhaupt keine Kenntnis nimmt. Um nach Stromrückkehr automatisch zu gewährleisten ist, dass keine Rückdiffusion in die Vorvakuumpumpe, die Endvakuumpumpe und schlussendlich in den Rezipienten erfolgen kann, bis die Vakuumpumpen wieder vollständig angelaufen sind, ist bei der Erfindung vorgesehen, die Ventile nach Rückkehr des Stroms zeitverzögert zu öffnen. Dabei ist es gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Zeitkonstante bei der Zeitverzögerung der ersten Verzögerungseinrichtung des ersten Ventils und/oder der zweiten Verzögerungseinrichtung des zweiten Ventils in einem Bereich zwischen 8s und 12s, insbesondere 10 s, eingestellt sind. Wenn nur die Endvakuumpumpe durch das erste Ventil abgedichtet ist, die Vorvakuumpumpe bei Stromausfall aber belüftet wird, ist es sinnvoll, wenn die beide Vakuumpumpen zunächst 8s bis 12s, insbesondere 10 s, laufen, bevor das erste Ventil geöffnet wird und die Verbindung zur Endvakuumpumpe freigibt. Anstehende Verschmutzungen in der Vorvakuumpumpe oder am ersten Ventil können so vor Öffnen des ersten Ventils vor der Endvakuumpumpe zunächst von der Vorvakuumpumpe abgesaugt werden. Wenn auch die Vorvakuumpumpe durch das zweite Ventil bei Stromausfall geschlossen wurde, können keine Verschmutzungen eindringen und maximal vor dem zweiten Ventil anstehen. Damit diese beim Wiederanlauf aber nicht in die Vorvakuumpumpe eingesogen werden, ist es auch hier sinnvoll, dass beide Vakuumpumpen erst 8s bis 12s, insbesondere 10 s, laufen, bevor dann beide Ventile geöffnet werden. Andere Zeitkonstanten zur Einstellung der Verzögerungszeit an den beiden Ventilen sind ohne weiteres möglich. Diese können länger, aber auch kürzer oder auch an beiden Ventilen unterschiedlich sein. Weiterhin ist es bevorzugt und vorteilhaft, wenn beide Verzögerungseinrichtungen in einer gemeinsamen Steuereinrichtung integriert sind. Dann wird beispielswiese mit einer gemeinsamen Zeitschaltuhr als Teil der Ventileinrichtung die Öffnungszeit des ersten und des zweiten Ventils gesteuert.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ventile mit speziellen Konstruktionen zur Umsetzung ihrer besonderen Funktionen, beispielsweise Vakuumpumpe belüften und Rezipient abdichten, bekannt. Bei der Erfindung hingegen können besonders vorteilhaft und bevorzugt einfache Magnetventile eingesetzt werden, die elektropneumatisch betrieben werden. Bei Magnetventilen handelt es sich um kommerziell beziehbare Ventile ohne Sonderkonstruktionen. Bei einer elektropneumatischen Betätigung wird ein elektrisches Signal in ein pneumatisches Signal umgewandelt. Diese Ventile besitzen ein direkt betätigtes Ventil, das nach Eingang eines elektrischen Signals eine pneumatische Betätigung ansteuert. Der große Vorteil bei einer pneumatischen Betätigung ist die extrem kurze Schließzeit solcher Ventile. Im Falle eines Stromausfalls ist es bei der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft, wenn zumindest das erste Ventil elektrisch mit einem Alarmausgang der Endvakuumpumpe und/oder der Vorvakuumpumpe verbunden ist. Ein auftretendes Störsignal löst dann automatisch das erste Ventil aus. Dieses wird schlagartig geschlossen und sichert das Hochvakuum im Rezipienten. Dies gilt auch für das zweite Ventil, wenn dieses auch mit dem Alarmausgang der Endvakuumpumpe und/oder der Vorvakuumpumpe verbunden ist. Dadurch und durch die pneumatische Unterstützung kann eine besonders schnelle Schließung der Ventile bei einem plötzlichen Stromausfall und damit eine besonders gute Erhaltung des Hochvakuums im Rezipienten gewährleistet werden. Im Betriebsfall werden die Magnetventile durch den Stromfluss offengehalten.
  • Weiterhin ist es bei der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Endvakuumpumpe von einer Turbomolekularpumpe gebildet ist. Bei einer Molekularpumpe wird der Effekt ausgenutzt, dass auf eine Wandung auftreffende Teilchen eine kurze Zeit zwischen Adsorption und Desorption an der Wandung verharren. Bei der Turbomolekularpumpe handelt es sich um eine trockenlaufende Gastransferpumpe, die aus einer ein- oder mehrstufig abwechselnden Anordnung von schrägstehenden Leitblechen als Statoren besteht, zwischen denen Rotoren mit schrägstehenden Rotorblättern laufen. Die Geschwindigkeit der Rotorblätter liegt ungefähr in der Größenordnung der mittleren thermischen Geschwindigkeit der zu evakuierenden Gasmoleküle. Die Pumpwirkung resultiert nun daraus, dass den vorhandenen Atomen und Teilchen während ihres Verharrens auf den schrägen Flächen Impulse mit einer axialen Komponente zugefügt werden. Dadurch werden sie durch den Pumpenraum und damit aus dem Rezipienten herausbefördert. Weiterhin ist es bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Vorvakuumpumpe als nasslaufende Drehschieberpumpe, insbesondere ölgedichtet, ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich nasslaufende Verdrängerpumpe, die aus einem Hohlzylinder als Stator besteht, in dem ein weiterer Zylinder als Rotor rotiert, der von einem Exzenter entlang der Gehäusewand geführt wird. Der Kolben ist mit einem hohlen Schieber verbunden, welcher schwenkbar im Gehäuse gelagert ist und den sichelförmigen Arbeitsraum in eine Saugseite und eine Druckseite aufteilt. Die Vakuumpumpe ist mit Öl gefüllt, das deren Schmierung gewährleistet und zur Abdichtung des Pumpenraums und des Druckventils dient. Bei Stromausfall kann es aber dazu kommen, dass Ölnebel in den Vakuumbereich diffundieren und zu unerwünschten Verschmutzungen führen. Nähere Erläuterungen zur Ausführung des mit der Erfindung beanspruchten Vakuumsystems und seinen Komponenten sind den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
    • Ausführungsbeispiele
  • Nachfolgend werden das Vakuumsystem zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum in einem Rezipienten nach der Erfindung und seine vorteilhaften Modifikationen anhand der schematischen Figuren zum besseren Verständnis der Erfindung noch weitergehend erläutert. Dabei zeigt die
    • Fig. 1
    den schematischen Aufbau eines zweistufigen Vakuumsystems mit einem Ventil,
    Fig. 2
    den schematischen Aufbau eines zweistufigen Vakuumsystems mit zwei Ventilen und
    Fig. 3
    den schematischen Aufbau eines zweistufigen Vakuumsystems mit zwei Ventilen, die gleichzeitig als Belüftungsventile fungieren.
  • In der Fig. 1 ist ein zweistufiges Vakuumsystem 01 dargestellt, das der Erzeugung eines Hochvakuums Pvac in einem Rezipienten 02 dient. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rezipient 02 (Vakuumkammer) Teil eines nicht weiter dargestellten Massenspektrometers, mit dem die Zusammensetzung von Eisbohrkernen analysiert werden soll. An den Rezipienten 02 ist eine Endvakuumpumpe 03 angeschlossen, beispielsweise eine Turbomolekularpumpe 04. Auf ihrer Ansaugseite erzeugt die Endvakuumpumpe 03 das Hochvakuum Pvac, das im Inneren des Rezipienten 02 herrscht. Auf ihrer Ausstoßseite steht ein Druck Pvor eines Feinvakuums (Vorvakuum) an, der von einer vorgeschalteten Vorvakuumpumpe 05 erzeugt wird. Hier handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine ölgedichtete Drehschieberpumpe 06. Diese arbeitet zwischen den Drücken Pvor auf ihrer Ansaugseite und dem Umgebungsdruck Pa auf ihrer Ausstoßseite. Zwischen der Endvakuumpumpe 03 und der Vorvakuumpumpe 05 ist eine betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung 07 zum druckdichten Verschließen des Rezipienten 02 bei einem Stromausfall angeordnet. Alle Komponenten Rezipient 02, Endvakuumpumpe 03, Vorvakuumpumpe 05 und Ventileinrichtung 07 sind über eine abzweiglose druckdichte Verbindungsleitung 08 miteinander in Reihe geschaltet. Das herrschende Druckgefälle wird durch die Pfeile (Pumprichtung) angedeutet. Durch die Linearität der Verbindungsleitung 08 ist sicher gewährleistet, dass bei Stromausfall das Hochvakuum Pvac sicher aufrechterhalten wird und nicht über abzweigende Verbindungsleitungen, beispielsweise zu weiteren Drucckammern mit Schleusenfunktionen, belüftet wird. Andere Vakuumsysteme 01 können auch drei- oder mehrstufig ausgebildet sein, je nach Einsatzfall und Leistungsfähigkeit der eingesetzten Vakuumpumpen 03, 05.
  • In der Fig. 1 ist weiterhin schematisch dargestellt, dass zur Erhaltung des Hochvakuums im Rezipienten 02 während eines Stromausfalls die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung 07 zumindest ein erstes Ventil 09 mit einer ersten Verzögerungseinrichtung 10 aufweist. Dieses erste Ventil 09 ist in der unverzweigten Verbindungsleitung 08 zwischen der Endvakuumpumpe 03 und der Vorvakuumpumpe 05 angeordnet. Dieses erste Ventil 09 dient dem Schutz des Rezipienten 02 während eines Stromausfalls, indem es beispielsweise bei einem Stromausfall den Rezipienten 02 druckdicht geschlossen wird und so verhindert, dass das Hochvakuum Pvac in seinem Inneren zerstört wird. Dies ist nämlich normalerweise bei einem Stromausfall und damit bei einem Aufhören des Pumpbetriebs der Fall: über ein spezielles Belüftungsventil wird die Endvakuumpumpe 03 langsam belüftet, um zu vermeiden, dass Ölnebel von der Vorvakuumpumpe 05 zurückschlagen. Bei dem Vakuumsystem 01 nach der Erfindung weist hingegen die Endvakuumpumpe 03 kein eigenes Belüftungsventil auf. Vorhandene Belüftungsventile können einfach durch Blindstopfen ersetzt werden. Das druckdicht verschlossene erste Ventil 09 sorgt dafür, dass keine Ölnebel in die Endvakuumpumpe 03 eindringen können.
  • Bei einem Stromausfall wird das erste Ventil 09 automatisch geschlossen. Dazu ist es beispielsweise über eine elektrische Leitung 11 mit dem Alarmausgang 24 der Endvakuumpumpe 03 elektrisch verbunden. Wird am Alarmausgang der Endvakuumpumpe ein Warnsignal generiert, weil sich der Pumpenlauf durch Stromausfall bis zum Stilstand verlangsamt, führt dieses Signal zum sofortigen Schließen des ersten Ventils 09. Weiterhin ist durch eine zweite elektrische Leitung 12 gestrichelt angedeutet, dass ein auslösendes Alarmsignal auch von der Vorvakuumpumpe 05 kommen kann. Dadurch werden beide Vakuumpumpen 03, 05 in ihrem jeweiligen Betriebszustand beobachtet. Das erste Ventil 09 kann seinen Schließbefehl aber auch direkt durch den Stromausfall erhalten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem ersten Ventil 09 um ein erstes elektropneumatisch betriebenes Magnetventil 13, das im Betriebsfall unter Strom offen ist. Bei einem Stromausfall fällt eine elektromagnetisch angezogene Schaltplatte automatisch ab und erzeugt einen pneumatischen Impuls, der zum sofortigen Schließen des Magnetventils 13 führt.
  • Nach Behebung der Betriebsstörung, also nach Rückkehr des Stroms, tritt die Verzögerungseinrichtung 10 in Aktion. Sie ist mit einer Verzögerungszeit TVZ1 eingestellt und bestimmt den Zeitpunkt, wann das Ventil 09 wieder öffnen darf. In der Regel reicht ein Zeitraum von 8s bis 12s aus, um sicher zu gewährleisten, dass die Vakuumpumpen 03, 05 wieder ordnungsgemäß arbeiten. Wird das Ventil 09 also wieder bei TVZ1 = 10s geöffnet, ist sicher gewährleistet, dass keine Ölnebel aus der Vorvakuumpumpe 05 in die Endvakuumpumpe 03 gelangen, weil die Vorkauumpumpe 05 die Ölnebel wieder bereits in Richtung Umgebungsdruck Pa abpumpt.
  • In der Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung aufgezeigt, bei der die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung 07 ein zweites Ventil 14 mit einer zweiten Verzögerungseinrichtung 15 aufweist, das auf der von der Endvakuumpumpe 03 abgewandten Seite der Vorvakuumpumpe 05 angeordnet ist. Dieses zweite Ventil 14 ist in völliger Analogie zu dem oben beschriebenen ersten Ventil 09 zu sehen, wobei nunmehr auch die Vorvakuumpumpe 05 kein eigenes Belüftungsventil aufweist. Vorhandene Belüftungsventile können einfach durch Blindstopfen ersetzt werden. Das zweite Ventil 14 erfüllt die gleiche Funktion wie das erste Ventil 09, allerdings ist es der Vorvakuumpumpe 05 zugeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird also zusätzlich verhindert, dass das Feinvakuum Pvor bei einem Stromausfall ausfällt. Nach Stromrückkehr kann also auch die Vorvakuumpumpe 05 schneller wieder in den Betrieb gehen. Entsprechend wird dann über die zweite Verzögerungseinrichtung 15 nach einer Verzögerungszeit TVZ2 das zweite Ventil 14 wieder geöffnet. Dabei liegt die zweite Verzögerungszeit TVZ2 wieder in einem Bereich von 10s und ist damit synchron mit der Verzögerungszeit TVZ1 des ersten Ventils 09. Sie kann aber auch größer oder kleiner sein, je nach Bedarfsfall.
  • Angesteuert wird das zweite Ventil 14 über eine dritte elektrische Leitung 16, die mit dem Alarmausgang 25 der Vorvakuumpumpe 05 verbunden ist. Angedeutet ist eine (zusätzliche oder alternative) Aktivierung über eine vierte elektrische Leitung 17, die wiederum vom Alarmausgang der Endvakuumpumpe 03 kommt. Ebenso kann aber wiederum eine direkte Ansteuerung erfolgen. Bei dem zweiten Ventil 14 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um ein zweites elektropneumatisches Magnetventil 18.
  • Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, bei der das erste Ventil 09 als ein erstes Belüftungsventil 19 für die Endvakuumpumpe 03 und das zweite Ventil 14 als ein zweites Belüftungsventil 20 für die Vorvakuumpumpe 05 ausgebildet ist. Dazu ist das erste Belüftungsventil 19 über eine erste Entlüftungsleitung 21 mit der Endvakuumpumpe 03 druckdicht verbunden. Weiterhin ist das zweite Belüftungsventil 20 über eine zweite Belüftungsleitung 22 mit der Vorvakuumpumpe 05 druckdicht verbunden. Ebenso ist es möglich, dass nur erste Ventil 09 als erstes Belüftungsventil 19 ausgebildet ist und die Vorvakuumpumpe 05 über ein eigenes Belüftungsventil verfügt. Die Funktion der Belüftung wird bei den beiden Ventilen 09, 14 aber nur für solche Zwecke aktiviert, in denen bewusst das Feinvakuum bzw. das Vorvakuum aufgegeben werden soll, beispielsweise zu Austauschzwecken der beiden Vakuumpumpen 03, 05 oder zu Öffnungszwecken des Rezipienten 02.
  • Desweiteren ist in der Fig. 3 eine betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung 07 gezeigt, die sowohl das erste und zweite Ventil 09, 14 in der zusätzlichen Funktion als Belüftungsventile 19, 20 als auch die beiden Verzögerungseinrichtungen 10, 15 umfasst. Insbesondere in einer zentralen Steuereinheit 23 können alle Signale erfasst und entsprechend Steuerbefehle einfach, schnell und zuverlässig generiert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 01
    Vakuumsystem
    02
    Rezipient
    03
    Endvakuumpumpe
    04
    Turbomolekularpumpe
    05
    Vorvakuumpumpe
    06
    Drehschieberpumpe
    07
    Ventileinrichtung
    08
    Verbindungsleitung
    09
    erstes Ventil
    10
    erste Verzögerungseinrichtung
    11
    erste elektrische Leitung
    12
    zweite elektrische Leitung
    13
    erstes Magnetventil
    14
    zweites Ventil
    15
    zweite Verzögerungseinrichtung
    16
    dritte elektrische Leitung
    17
    vierte elektrische Leitung
    18
    zweites Magnetventil
    19
    erstes Belüftungsventil
    20
    zweites Belüftungsventil
    21
    erste Belüftungsleitung
    22
    zweite Belüftungsleitung
    23
    zentrale Steuereinheit
    24
    Alarmausgang von 03
    25
    Alarmausgang von 05
    Pvac
    Hochvakuum
    Pvor
    Feinvakuum
    Pa
    Atmosphärendruck
    TVZ1
    Zeitkonstante von 10
    TVZ2
    Zeitkonstante von 15

Claims (12)

  1. Vakuumsystem (01) zur Erzeugung von zumindest einem Hochvakuum (Pvac) in einem Rezipienten (02) mit zumindest einer Endvakuumpumpe (03) zur Erzeugung von zumindest dem Hochvakuum (Pvac) und einer Vorvakuumpumpe (05) zur Erzeugung von zumindest einem Feinvakuum (Pvor) und mit einer betriebsabhängig gesteuerten Ventileinrichtung (07) zum druckdichten Verschließen des Rezipienten (02) bei einer Betriebsstörung, wobei Rezipient (02), Endvakuumpumpe (03), Vorvakuumpumpe (05) und Ventileinrichtung (07) über eine druckdichte Verbindungsleitung (08) miteinander in Reihe geschaltet sind und wobei zur Erhaltung des Hochvakuums (Pvac) im Rezipienten (02) während einer Betriebsstörung die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung (07) zumindest ein erstes Ventil (09) mit einer ersten Verzögerungseinrichtung (10), an der eine Zeitkonstante (TVZ1) einstellbar ist, aufweist, das zwischen der Endvakuumpumpe (03) und der Vorvakuumpumpe (05) angeordnet ist, wobei die Verbindungsleitung (08) abzweiglos ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Endvakuumpumpe (03) kein eigenes Belüftungsventil aufweist, und dass das Vakuumsystem (01) so eingestellt ist, dass bei einem Stromausfall als Betriebsstörung zumindest das erste Ventil (09) ohne Steuerbefehl unverzögert automatisch geschlossen und nach Behebung des Stromausfalls zeitverzögert mit der an der ersten Verzögerungseinrichtung (10) einstellbaren Zeitkonstante (TVZ1) automatisch geöffnet wird, wobei die Endvakuumpumpe (03) und die Vorvakuumpumpe (05) laufen, bevor das erste Ventil (09) geöffnet wird.
  2. Vakuumsystem (01) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste Ventil (09) auch als Belüftungsventil (19) der Endvakuumpumpe (03) ausgebildet ist, wobei die Belüftungsfunktion bei Stromausfall unterdrückt ist.
  3. Vakuumsystem (01) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die betriebsabhängig gesteuerte Ventileinrichtung (07) ein zweites Ventil (14) mit einer zweiten Verzögerungseinrichtung (15) aufweist, das auf der von der Endvakuumpumpe (03) abgewandten Seite der Vorvakuumpumpe (05) angeordnet ist und bei Stromausfall unverzögert geschlossen und nach Behebung des Stromausfalls zeitverzögert mit einer an der zweiten Verzögerungseinrichtung (15) einstellbaren Zeitkonstante (TVZ2) geöffnet wird, wobei auch die Vorvakuumpumpe (05) kein eigenes Belüftungsventil aufweist.
  4. Vakuumsystem (01) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zweite Ventil (09) auch als Belüftungsventil (20) der Vorvakuumpumpe (05) ausgebildet ist, wobei die Belüftungsfunktion bei Stromausfall unterdrückt ist.
  5. Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zeitkonstante (TVZ1) der ersten Verzögerungseinrichtung (10) des ersten Ventils (09) in einem Bereich zwischen 8s und 12s eingestellt ist.
  6. Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zeitkonstante (TVZ2) der zweiten Verzögerungseinrichtung (15) des zweiten Ventils (14) in einem Bereich zwischen 8s und 12s eingestellt ist.
  7. Vakuumsystem (01) nach Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Verzögerungseinrichtung (10) und die zweite Verzögerungseinrichtung (15) in einer gemeinsamen Steuereinrichtung (23) zusammengefasst sind.
  8. Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zumindest erste Ventil (09) als pneumatisch gesteuertes Magnetventil (13) ausgebildet ist.
  9. Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest das erste Ventil (09) elektrisch mit einem Alarmausgang (24) der Endvakuumpumpe (03) und/oder mit einem Alarmausgang (25) der Vorvakuumpumpe (05) verbunden ist.
  10. Vakuumsystem (01) nach Anspruch nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Endvakuumpumpe (03) als trockenlaufende Turbomolekularpumpe (04) ausgebildet ist.
  11. Vakuumsystem (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorvakuumpumpe (05) als nasslaufende Drehschieberpumpe (06) ausgebildet ist.
  12. Vakuumsystem (01) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die nasslaufende Drehschieberpumpe (06) mit Öl gedichtet ist.
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