WO2005019744A1 - Vakuumvorrichtung - Google Patents

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WO2005019744A1
WO2005019744A1 PCT/EP2004/007763 EP2004007763W WO2005019744A1 WO 2005019744 A1 WO2005019744 A1 WO 2005019744A1 EP 2004007763 W EP2004007763 W EP 2004007763W WO 2005019744 A1 WO2005019744 A1 WO 2005019744A1
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Dirk Schiller
Holger Dietz
Gerhard Wilhelm Walter
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Definitions

  • the invention relates to a vacuum device which has a plurality of cryopumps for generating vacuum.
  • Such vacuum devices have a plurality of cryopumps, which are usually connected in parallel to one another and are connected to one or more vacuum spaces. Furthermore, the vacuum device has a compressor device with which the refrigerant, usually helium, is compressed. The compressed refrigerant is conveyed to the cryopumps via medium supply lines, expands in the cryopump and is then returned to the compressor device via medium return lines. Possibly. cleaning devices are provided in the medium line to clean the medium of oil or other contaminants, for example. This keeps contamination of the medium away from the cryopumps.
  • the cryopumps used are usually two-stage cryopumps that operate according to the Gifford McMahon principle.
  • a piston possibly a common piston, is usually provided for each stage within the cryopump. With each piston stroke, refrigerant is transported and the two stages are cooled accordingly. For example, radiant heat or other temperature influences can cause individual pumps to heat up.
  • radiant heat or other temperature influences can cause individual pumps to heat up.
  • the object of the invention is to provide a vacuum device with a plurality of cryopumps in which the temperature of the cryopump can be regulated quickly and easily.
  • the vacuum device according to the invention has a plurality of cryopumps connected to one or more vacuum spaces. These are preferably cryopumps that operate according to the Gifford McMahon principle and preferably have a cooling head. With the aid of a compressor device connected to the cryopumps via medium supply lines and medium return lines, helium can be provided in the cryopumps in at least two different pressure levels.
  • a vacuum device according to the invention can in particular more than five, or possibly also have more than ten cryopumps which are connected in parallel with one another.
  • Systems of this type then have a compressor device with a plurality of, for example two or three, compressors, in particular helium compressors. This means that the required energy is relatively high, for example 10 to 20 kW.
  • the vacuum device has at least one adjusting device which is connected directly upstream of a cryopump, ie is assigned.
  • the amount of medium supplied to the cryopump can be controlled using the setting device.
  • the adjusting device is connected to a control device.
  • a temperature measuring device is provided which is connected to the cryopump and in particular measures temperatures of both stages.
  • the adjusting device according to the invention is arranged in a medium supply line of a cryopump and has a throttle device arranged in the medium supply line. Furthermore, the adjusting device has a branch or a throttle bypass that bridges the throttle device. A valve is arranged in the throttle bypass line. This valve can be controlled using the control device. With the aid of the adjusting device according to the invention, two medium supply states to the cryopump can be realized in particular. In one state, the valve arranged in the bypass line is closed, so that medium only reaches the cryopump through the throttle device. In another position, the valve is completely open so that a maximum amount of medium reaches the cryopump through the bypass line. In a simple embodiment, the valve can be designed as a switching valve that only has the two states completely closed or completely open.
  • a one-part device according to the invention is assigned to several cryopumps.
  • an adjusting device according to the invention is assigned to each cryopump of the vacuum device. This makes it possible to ensure in a simple manner that a cryopump that is too warm can be supplied with a sufficient amount of refrigerant so that the desired temperature of the cryopump can be reached quickly.
  • the cross section of the throttle bypass line is selected such that a maximum medium supply is possible.
  • the valve provided in the bypass line can be designed such that the effective cross section of the valve and thus the medium flow rate can be varied.
  • the valve arranged in the bypass line preferably has a cross-sectional diameter of more than 6 mm.
  • the nozzle provided has a cross-sectional diameter of approximately 1 mm.
  • a throttle device whose effective cross-sectional area can be adjusted.
  • a large amount of refrigerant is also required, for example, during start-up.
  • a cryopump usually only needs a third of the maximum refrigeration medium to keep the temperature constant in the first and second stages.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a vacuum device according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic flow diagram for controlling the valve arranged in the throttle bypass line.
  • the vacuum device has a plurality of cryopumps 10 which are connected to one or more vacuum spaces, not shown.
  • the cryopumps 10 are arranged in parallel with one another and are connected via medium feed lines 12 and medium return lines 14 to a compressor device having two compressors 16.
  • an adjusting device 18 is provided for controlling the quantity of medium supplied to the cryopump.
  • the setting device 18 has a branching of the medium supply line 12 in two lines 20, 22 running parallel to one another.
  • a throttle device 24 is provided in the first line 20 and a valve 26 in the second line 22.
  • the individual valves 26 are connected to a control device 28 via electrical lines shown in broken lines. Temperature control devices provided in the cryopumps 10 are also connected to the control device 28 via electrical lines, also shown in dashed lines.
  • the throttle device 24 is not variable, but has a constant cross section.
  • the valve 16 is a switching valve, which can either be closed or open. This valve does not have an intermediate position.
  • a first step 30 the temperature of a first stage of a specific cryopump 10 is compared with a target value. If the measured temperature of the first stage is higher than the target value, i. H. If the first stage of the cryopump 10 is too warm, the query is to be answered with “yes”, so that the associated valve 26 is opened in step 32.
  • step 34 the temperature of the second stage is checked for a second target value which differs from the first target value checked in step 30.
  • the decision “yes” is made if the temperature of the second stage exceeds the target value, ie the second stage is too warm. This in turn results in step 32 in opening the valve 26. If the second stage is cold enough and therefore does not exceed the target value, the decision is "no" and the valve remains closed (step 36).
  • the query of the individual cryopumps described above takes place at regular intervals.
  • the control of the valves can be refined, in particular in the case of valves that can also be partially opened or closed. For this purpose, for example, further target values or threshold values are defined.

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Abstract

Eine Vakuumvorrichtung weist mehrere mit einem oder mehreren Vakuumräumen verbunden Kryopumpen (10) auf. Die Kryopumpen (10) sind über Medium-Zuführleitungen (12) und Medium-Rückführleitungen (14) mit einer Kompressoreinrichtung (16) verbunden. Zumindest einer der Kryopumpen ist eine Einstelleinrichtung (18) zur Steuerung der der Kryopumpe zugeführten Mediummenge vorgeschaltet. Ferner weisen die Kryopumpen (10) eine Temperaturmessvorrichtung auf. Die Temperaturmessvorrichtung sowie die Einstelleinrichtung (18) ist mit einer Steuereinrichtung (28) verbunden. Um die gewünschte Mediumzufuhr zu den Kryopumpen (10) zu ermöglichen, weisen die Einstelleinrichtungen (18) erfindungsgemäß in einer Medium-Zuführleitung (12) Drosseleinrichtungen (24) und in einer Drossel-Beipassleitung (22) ein steuerbares Ventil auf.

Description

Vakuumvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vakuumvorrichtung, die zur Erzeugung von Vakuum mehrere Kryopumpen aufweist.
Derartige Vakuumvorrichtungen weisen mehrere üblicherweise zueinander parallel geschaltete Kryopumpen auf, die mit einem oder mehreren Vakuumräumen verbunden sind. Ferner weist die Vakuumvorrichtung eine Kompressoreinrichtung auf, mit der das Kältemedium, üblicherweise Helium, komprimiert wird. Das komprimierte Kältemedium wird über Medium- Zuführleitungen zu den Kryopumpen gefördert, expandiert in der Kryopumpe und wird sodann über Medium-Rückführleitungen zur Kompressoreinrichtung zurückgeführt. Ggf. sind hierbei Reinigungseinrichtungen in der Medium- Leitung vorgesehen, um das Medium beispielsweise von Öl oder anderen Verunreinigungen zu reinigen. Hierdurch werden Kontaminationen des Mediums aus den Kryopumpen ferngehalten.
Üblicherweise handelt es sich bei den eingesetzten Kryopumpen um Zweistufen-Kryopumpen, die nach dem Gifford McMahon-Prinzip arbeiten. Innerhalb der Kryopumpe ist üblicherweise je Stufe ein Kolben, ggf. ein gemeinsamer Kolben vorgesehen. Bei jedem Kolbenhub wird Kältemedium transportiert und eine entsprechende Kühlung der beiden Stufen erreicht. Beispielsweise durch Strahlungswärme oder andere Temperatureinflüsse kann eine Erwärmung einzelner Pumpen auftreten. Ferner besteht das Problem, dass auf Grund der höheren Dichte eines Gases mit einer niedrigeren Temperatur eine kältere Kryopumpe je Hub eine größere Menge Helium verarbeiten kann als eine wärmere Kryopumpe. Dies hat zur Folge, dass die vorhandene Menge an Helium, die auf Grund der Kompressorleistung begrenzt ist, von den kälteren Kryopumpen zu einem größeren Teil verbraucht wird, so dass sich die für die wärmeren Kryopumpen vorhandene Gasmenge verringert. Dies hat wiederum zur Folge, dass das Kühlen zu warmer Kryopumpen relativ lange dauert.
Zur Lösung dieses Problems ist es aus US 5,775,109 bekannt, den Gasfluss zu regulieren. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Kryopumpe erwärmt wird, um zu vermeiden, dass diese eine erhöhte Menge an Kältemedium fördert. Ferner kann die Geschwindigkeit des Kolbens verringert oder der Kolben angehalten werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich der thermodynamische Wirkungsgrad verschlechtert, da die Kühler auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt sind. Die in dem Helium gespeicherte Kälte wird somit nicht vollständig ausgenutzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumvorrichtung mit mehreren Kryopumpen zu schaffen, bei der die Temperatur der Kryopumpe auf einfache Weise und schnell geregelt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfϊndungsgemäße Vakuumvorrichtung weist mehrere mit einem oder mehreren Vakuumräumen verbundene Kryopumpen auf. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Kryopumpen, die nach dem Gifford McMahon-Prinzip arbeiten und vorzugsweise einen Kühlkopf aufweisen. Mit Hilfe einer über Medium-Zuführleitungen und Medium-Rückführleitungen mit den Kryopumpen verbundenen Kompressoreinrichtung kann in den Kryopumpen Helium in zumindest zwei verschiedenen Druckniveaus bereitgestellt werden. Hierbei kann eine erfϊndungsgemäße Vakuumvorrichtung insbesondere mehr als fünf, oder ggf. auch mehr als zehn Kryopumpen aufweisen, die zueinander parallel geschaltet sind. Derartige Systeme weisen sodann eine Kompressoreinrichtung mit mehreren, beispielsweise zwei oder drei Kompressoren, insbesondere Helium-Kompressoren, auf. Dies führt dazu, dass der erforderliche Energiebedarf relativ hoch ist und beispielsweise 10 bis 20 kW beträgt. Ferner weist die Vakuumvorrichtung zumindest eine EinStelleinrichtung auf, die unmittelbar einer Kryopumpe vorgeschaltet, d. h. zugeordnet ist. Mit Hilfe der EinStelleinrichtung kann die der Kryopumpe zugeführte Mediummenge gesteuert werden. Hierzu ist die Einsteileinrichtung mit einer Steuereinrichtung verbunden. Ferner ist eine Temperaturmessvorrichtung vorgesehen, die mit der Kryopumpe verbunden ist und insbesondere Temperaturen beider Stufen misst.
Die erfindungsgemäße EinStelleinrichtung ist in einer Medium-Zuführleitung einer Kryopumpe angeordnet und weist eine in der Medium-Zuführleitung angeordnete Drosseleinrichtung auf. Ferner weist die Einsteileinrichtung eine Verzweigung bzw. einen Drossel-Beipass auf, der die Drosseleinrichtung überbrückt. In der Drossel-Beipassleitung ist ein Ventil angeordnet. Dieses Ventil ist mit Hilfe der Steuereinrichtung steuerbar. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen EinStelleinrichtung können somit insbesondere zwei Medium-Zuführzustände zu der Kryopumpe realisiert werden. In einem Zustand ist das in der Beipassleitung angeordnete Ventil geschlossen, so dass Medium nur durch die Drosseleinrichtung hindurch zu der Kryopumpe gelangt. In einer anderen Stellung ist das Ventil vollständig geöffnet, so dass eine maximale Mediummenge durch die Beipassleitung zu der Kryopumpe gelangt. Hierbei kann das Ventil in einer einfachen Ausführungsform als Schaltventil ausgebildet sein, das nur die beiden Zustände vollständig geschlossen oder vollständig offen aufweist.
Mit Hilfe der Steuereinrichtung ist es somit auf einfache Weise möglich, beispielweise einer zu warmen Kryopumpe durch Öffnen des Ventils eine große Menge an Kältemedium zur Verfügung zu stellen. Hierbei kann gleichzeitig durch Schließen oder Geschlossenhalten von Ventilen, die den ausreichend kalten Kryopumpen zugeordnet sind, vermieden werden, dass durch diese eine zu große Menge an Kältemedium abgeführt wird.
Besonders bevorzugt ist es, dass mehreren Kryopumpen eine derartige erfindungsgemäße Einsteileinrichtung zugeordnet ist. Insbesondere ist jeder Kryopumpe der Vakuumvorrichtung eine erfindungsgemäße EinStelleinrichtung zugeordnet. Hierdurch ist es möglich, auf einfache Weise sicherzustellen, dass einer zu warmen Kryopumpe eine ausreichende Menge an Kältemedium dargeboten werden kann, so dass die gewünschte Temperatur der Kryopumpe schnell erreicht werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt der Drossel- Beipassleitung derart gewählt, dass eine maximale Mediumzufuhr möglich ist. Das in der Beipassleitung vorgesehene Ventil kann derart ausgebildet sein, dass der effektive Querschnitt des Ventils und somit die Medium- Durchflussmenge variiert werden kann. Das in der Beipassleitung angeordnete Ventil weist vorzugsweise einen Querschnittsdurchmesser von mehr als 6 mm auf. Die vorgesehene Düse weist einen Querschnittsdurchmesser von ca. 1 mm auf.
Ebenso ist es möglich, eine Drosseleinrichtung vorzusehen, deren effektive Querschnittsfläche eingestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Querschnittsfläche der Drosseleinrichtung derart eingestellt werden kann, dass im Standardbetrieb die erforderliche Kältemediummenge durch diese Medium- Zuführleitung zu der Kryopumpe gelangt und das in der Beipassleitung angeordnete Ventil im Standardbetrieb geschlossen sein kann. Hierdurch ist es möglich, einer beispielsweise auf Grund von Wärmestrahlung zu warmen Kryopumpe eine ausreichend große Menge an Kältemedium, insbesondere Helium, zur Verfügung zu stellen. Eine große Menge an Kältemedium ist beispielsweise auch im Startbetrieb erforderlich. Im Standardbetrieb wird von einer Kryopumpe üblicherweise nur ein Drittel des maximalen Kältemediums benötigt, um die Temperatur in der ersten und zweiten Stufe konstant zu halten. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vakuumvorrichtung ist es somit möglich, die Kapazität der Kompressoreinrichtung zu verringern, da auf Grund der Erfindung bei Spitzenbelastungen an einzelnen Kryopumpen eines Netzwerks ein geringerer Gesamt-Kältemittel-Verbrauch bzw. Kälte mitte Istrom erforderlich ist. Ebenso ist es möglich, bei Verwendung von Kompressoren gleichbleibender Kapazität mit Hilfe der Erfindung eine Reserve zu schaffen.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vakuumvorrichtung und
Fig. 2 ein schematisches Flussdiagramm zur Steuerung des in der Drossel- Beipassleitung angeordneten Ventils.
Die Vakuumvorrichtung weist mehrere Kryopumpen 10 auf, die mit einem oder mehreren nicht dargestellten Vakuumräumen verbunden sind. Die Kryopumpen 10 sind zueinander parallel angeordnet und über Medium- Zuführleitungen 12 und Medium-Rückführleitungen 14 mit einer zwei Kompressoren 16 aufweisenden Kompressoreinrichtung verbunden.
In den einzelnen Medium-Zuführleitungen 12, die unmittelbar einer Kryopumpe 10 zugeordnet sind, ist jeweils eine EinStelleinrichtung 18 zur Steuerung der der Kryopumpe zugeführten Mediummenge vorgesehen. Die EinStelleinrichtung 18 weist eine Verzweigung der Medium-Zuführleitung 12 in zwei zueinander parallel verlaufende Leitungen 20, 22 auf. Hierbei ist in der ersten Leitung 20 eine Drosseleinrichtung 24 und in der zweiten Leitung 22 ein Ventil 26 vorgesehen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Ventile 26 über gestrichelt dargestellte elektrische Leitungen mit einer Steuereinrichtung 28 verbunden. Mit der Steuereinrichtung 28 sind ferner über ebenfalls gestrichelt dargestellte elektrische Leitungen in den Kryopumpen 10 vorgesehene Temperaturmessvorrichtungen verbunden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drosseleinrichtung 24 nicht variabel, sondern weist einen konstanten Querschnitt auf. Ferner handelt es sich bei dem Ventil 16 um ein Schaltventil, das entweder geschlossen oder geöffnet sein kann. Eine Zwischenstellung weist dieses Ventil nicht auf.
Die der Steuereinrichtung 28 beispielsweise hinterlegte Funktionsweise ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei wird in einem ersten Schritt 30 die Temperatur einer ersten Stufe einer bestimmten Kryopumpe 10 mit einem Zielwert verglichen. Ist die gemessene Temperatur der ersten Stufe höher als der Zielwert, d. h. ist die erste Stufe der Kryopumpe 10 zu warm, ist die Abfrage mit „ja" zu beantworten, so dass in dem Schritt 32 ein Öffnen des zugehörigen Ventils 26 erfolgt.
Übersteigt die Temperatur der ersten Stufe den Zielwert nicht, so erfolgt im nächsten Schritt 34 ein Überprüfen der Temperatur der zweiten Stufe hinsichtlich eines zweiten Zielwertes, der sich von dem im Schritt 30 überprüften ersten Zielwert unterscheidet. Entsprechend dem Schritt 30 erfolgt die Entscheidung „ja" sofern die Temperatur der zweiten Stufe den Zielwert übersteigt, d. h. die zweite Stufe zu warm ist. Dies hat wiederum im Schritt 32 ein Öffnen des Ventils 26 zur Folge. Ist auch die zweite Stufe kalt genug und übersteigt somit den Zielwert nicht, lautet die Entscheidung „nein" und das Ventil bleibt geschlossen (Schritt 36).
Die vorstehend beschriebene Abfrage der einzelnen Kryopumpen erfolgt in regelmäßigen Abständen. Die Steuerung der Ventile kann insbesondere bei Ventilen, die auch teilweise geöffnet oder geschlossen werden können, noch verfeinert werden. Hierzu werden beispielsweise weitere Zielwerte bzw. Schwellwerte definiert.

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumvorrichtung mit mehreren mit einem oder mehreren Vakuumräumen verbundenen Kryopumpen (10), einer über Medium-Zuführleitungen (12) und Medium-Rückführleitungen (14) mit den Kryopumpen (10) verbundenen Kompressoreinrichtung (16), einer zumindest eine der Kryopumpen (10) vorgeschalteten Einsteileinrichtung (18) zur Steuerung der der Kryopumpe (10) zugeführten Mediummenge, einer mit der Kryopumpe (10) verbundenen Temperaturmessvorrichtung und einer mit der Einsteileinrichtung (18) und der Temperaturmessvorrichtung verbundenen Steuereinrichtung (28) dadurch gekennzeichnet, dass die EinStelleinrichtung (18) eine in der entsprechenden Medium- Zuführleitung (12) angeordnete Drosseleinrichtung (24) und ein innerhalb einer Drossel-Beipassleitung (22) angeordnetes Ventil (26) aufweist.
2. Vakuumvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Drossel-Beipassleitung (22) für eine maximale Mediumzufuhr ausgelegt ist.
3. Vakuumvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung (24) einen Querschnitt aufweist, der für die für Standardbetrieb erforderliche Mediumzufuhr ausgelegt ist.
4. Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Drosseleinrichtung (24) einstellbar ist.
5. Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge des Ventils (26) einstellbar ist.
6. Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kryopumpe (10) eine Einsteileinrichtung (18) vorgeschaltet ist.
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