WO2018099710A1 - Verfahren zum betreiben eines vakuumpumpensystems - Google Patents

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vacuum
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valve
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PCT/EP2017/078852
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Matthias Nahrwold
Michael Pajonk
Dirk Schiller
Daniel SCHNEIDENBACH
Sebastian Walzel
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Leybold Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a vacuum pump system, which is used in particular for evacuating a lock chamber.
  • the lock chamber is in particular connected to a processing chamber.
  • the vacuum pump system may be directly connected to the processing chamber, so that no additional lock chamber is provided.
  • the processing chamber In a processing chamber, products such as coated or the like are processed under vacuum in particular.
  • the processing chamber In order to be able to supply in particular the products of the processing chamber, the processing chamber is connected to a lock chamber.
  • a vacuum pump system To evacuate the barn chamber, it is connected to a vacuum pump system.
  • the vacuum pump system usually having a plurality of vacuum pumps has, in particular, a main pump or a booster and a backing pump. Roots or screw pumps are particularly suitable as the main vacuum pumps.
  • the vacuum pump system has a vacuum pump device, which has in particular a plurality of vacuum pumps, and the lock chamber of a valve device.
  • a control device is provided which serves in particular for controlling the at least one vacuum pump of the vacuum pump device. In such lock applications of vacuum pump systems, the shortest possible pump-down time is required.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a vacuum pumping system for evacuating a chamber, in particular a lock chamber, with which at low pump-down times a noise reduction can be achieved.
  • the vacuum pump system operated according to the invention has a vacuum pump device having at least one vacuum pump.
  • the vacuum pump device has at least two vacuum pumps connected in series, in particular in series. a main vacuum pump or a booster and a backing pump.
  • Bosster in particular Roots pumps or screw pumps are preferred.
  • the vacuum pump device is connected to a chamber, in particular a lock chamber, wherein a valve device is arranged between the vacuum pump device and the chamber.
  • a control device is provided, which in particular serves to operate the at least one vacuum pump, wherein the speed of the electric motor driving the at least one vacuum pump is regulated by the control device in a particularly preferred embodiment.
  • At least one operating parameter is initially determined by the control device.
  • This at least one operating parameter is a cyclically occurring or cyclically changing operating parameter.
  • a particularly suitable operating parameter is the motor current which the electric motor receives, with which the at least one vacuum pump is driven, with other operating parameters are suitable.
  • the evaluation of the cyclically occurring operating parameter or the cyclically occurring changes in the course of the operating parameter is evaluated by means of the control device. This makes it possible to reduce the speed of at least one of the vacuum pumps of the vacuum pump device before or immediately upon opening of the valve device. Due to the reduced speed of at least one of the vacuum pumps of the vacuum pump device, in particular the main vacuum pump when opening the valve device, a significant noise reduction can be achieved.
  • the speed of the main vacuum pump or the booster is reduced when opening, in addition, the speed of the backing pump can be reduced.
  • the speed of the backing pump can be reduced.
  • maximum speed of the pump is preferably a decrease by at least 50%, in particular at least 80%.
  • the speed is reduced to 30 Hz, in particular less than 50 Hz.
  • a operating parameter that changes significantly when opening the valve device is preferably selected.
  • Particularly suitable for this purpose is the motor current of an electric motor driving at least one of the vacuum pump devices. Due to the pressure increase, the motor current increases greatly when the valve device is opened. It is possible in the current flow in a simple manner to determine the opening of the valve device.
  • the significant increase is in particular in the increase of electricity by more than five times, in particular more than ten times.
  • the significant change in the operating parameter ie. For example, the significant increase in motor current within a very short period of time, in particular less than 1 to 3 seconds.
  • determining the course of the motor current of an electric motor driving at least one of the vacuum pumps is preferred.
  • the following operating parameters or the corresponding time profile of these operating parameters can also be determined and used to control the rotational speed of at least one of the vacuum pumps of the vacuum pump device:
  • the inlet pressure of the vacuum pump device and / or one of the vacuum pump devices can be measured with the aid of a pressure sensor. From the time course of the pressure can also be closed in a simple manner to the time, also the valve device is opened.
  • a temporal temperature profile can be determined with the aid of a temperature sensor.
  • a temperature sensor particularly suitable here is the temperature-sensing outlet of one of the two pumps (gas temperature). Also From the temperature profile, in turn, the time of opening the valve device can be determined.
  • pumps are used as the main or as a backing pump, which have a pressure relief valve between the inlet side and the outlet side, a travel of this valve, i. the time change of the valve position can be used to determine the timing of the opening of the arranged between the lock chamber and the vacuum pump system valve means.
  • the determination of a cycle duration takes place on the basis of at least one operating parameter.
  • the cycle time is the time span between two substantially identical changes in an operating parameter.
  • the cycle time is the time between two significant increases in current that occur each time the valve devices are opened.
  • the lock chamber is opened and closed cyclically.
  • the introduction of new products to be processed or coated on the barn chamber in the processing chamber is carried out at regular intervals.
  • This advantage of a cyclic processing and thus a cyclically occurring change of an operating parameter is used according to the invention to operate the at least one vacuum pump, in particular the main vacuum pump when opening the valve device at low speed and to reduce the noise. After opening the valve device, the speed of the pump can be increased again, so that with reduced noise continue short Abpumpzyklen, ie. quickly reducing the pressure in the lock chamber to the desired value can be achieved.
  • a determination of the cycle duration can also be made by evaluating a plurality of operating parameters and determined, for example, by forming mean values and / or corresponding weightings with the aid of the control device.
  • the speed of the at least one vacuum pump is reduced at least in time, at the latest at the end of the cycle duration, so that the pump speed when opening the valve device is reduced.
  • the speed of the at least one vacuum pump is reduced at least in time, at the latest at the end of the cycle duration, so that the pump speed when opening the valve device is reduced.
  • Abpumpzyklus may optionally be done earlier reducing the speed.
  • the determination of a load duration also takes place on the basis of the at least one operating parameter.
  • the load duration is in this case that period in which the lock chamber is evacuated to the defined vacuum after opening the valve device. This can be done, for example, when using the motor current as an operating parameter that a reduction of the motor current is determined or established to a predetermined limit.
  • the speed of the at least one vacuum pump can already be reduced, even if the cycle time has not yet ended.
  • This has the particular advantage that the period between the end of the load duration and the end of the cycle time can be used to reduce the speed of the vacuum pump in the most energy-efficient manner possible. In this respect, for example, no or a slight deceleration is required.
  • the electrical braking energy that is generated when reducing the rotational speeds, stored in an energy storage or fed back into the supply network instead of the usually provided braking resistor which heats up strongly during braking, an energy storage or regenerative unit is used.
  • the stored energy can z. B. be used to operate or accelerate the pump again.
  • the provision of an energy storage or Regenerating unit for storing or returning braking energy is an independent invention. This is independent of the above-described cyclic operation of the pump.
  • the provision of energy storage or recovery units may also be useful in other processes, but is particularly advantageous in combination with the invention described above.
  • This independent invention thus relates to a vacuum pump with the conventional components such as a particular arranged in a pump housing rotor.
  • a plurality of rotors or, in addition, a stator may be arranged in the housing.
  • the pump has a drive device, in particular in the form of an electric motor.
  • an energy storage or regenerative unit is then additionally provided. Through this, the electrical energy generated during braking is stored or fed back into the supply network and can be used to drive the pump or for other components.
  • the energy storage or regenerative unit is therefore connected in particular to the electric motor via a frequency converter.
  • the electric motor acts as a generator when braking the pump.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a vacuum pumping system and a lock chamber
  • Fig. 3 is a diagram of a motor current and an engine speed over time according to the inventive method
  • Figures 4 and 5 are schematic representations of a vacuum pump with an energy recovery unit.
  • a processing is carried out, for example, coating a product.
  • 10 vacuum is generated in the processing chamber.
  • a lock chamber 12 is connected to the processing chamber 10.
  • the lock chamber 12 has a lock inlet 14 for feeding a product or the like into the lock chamber 12 and a lock outlet 16 for transferring the product or the like from the lock chamber 12 into the processing chamber 10.
  • the vacuum pump system has a vacuum pump device 18.
  • the vacuum pump device 18 has a main vacuum pump 20 and a backing pump 22 arranged downstream of the main vacuum pump 20 in the flow direction.
  • the main vacuum pump 20 is in particular a Roots or screw pump.
  • the main vacuum pump 20 is connected via a pipe 24 to the lock chamber 12, wherein in the pipe 24, a valve device 26 is arranged.
  • the outlet of the main vacuum pump 20 is connected via a pipe 28 to the inlet of the backing pump.
  • the vacuum pump system has a control device 30.
  • the control device 30 is in the illustrated embodiment via electrical lines 32, 34 with the main vacuum pump 20 and the backing pump 22 connected.
  • a control of an electric motor, which drives the corresponding pump, and on the other hand operating parameters, which are measured in or on the corresponding pump, can be transmitted to the control device 30 via the lines 32, 34.
  • the measured operating parameter is in particular the motor current. Further, as shown by an arrow 36, further data are transmitted to the controller and the controller can of course take on other control tasks.
  • the control device 30 can also be used to open or close the valve 26.
  • FIG. 2 shows a cyclical course of a motor current and the rotational speed of the vacuum pump according to the prior art
  • FIG. 3 shows the corresponding graphs according to the invention.
  • the curve of the motor current I shown by a thicker line shows in conventional applications at a time ti, at which the valve is opened, a large current increase from I min to I max .
  • the same current increase takes place after a cycle time t z at a further time ti again.
  • the controller 30 can thus the cycle time t z determined from the chart or from the current variation due to the occurring in cyclic intervals current increase at time points ti. This determination is independent of the knowledge when actually the valve 26 is opened. This is of interest insofar as often no signal is generated or output that tells the controller that an opening of the valve takes place or when it occurs.
  • the control according to the invention is insofar self-learning, as it also With changing processes, the new cycle time can be determined automatically.
  • the load duration ie the period in which the evacuation of the lock chamber 12 takes place.
  • the engine speed is at a time t 3 of its maximum speed on which it is during the evacuation of the lock chamber 12, on - li ⁇ before significantly lower speed lowered.
  • the time t 3 is here later than a time t 2 , so that at time t 3, the evacuation of the lock chamber is already done or the load duration t L is completed.
  • a defined braking takes place up to a time t 4 .
  • the current rises briefly and at time t 4 drops back to the minimum value.
  • the speed of the motor is thus significantly lower than the maximum speed from time t 4 .
  • the engine thus does not have the maximum speed, as in the prior art, but a significantly reduced speed. In this respect, only a relatively small further decrease in the speed after opening the valve (time ti) as shown in FIG. 3 can be seen.
  • the during braking between t 3 and t 4 released kinetic energy can be supplied via a feedback unit back to the supply network.
  • the energy efficiency of a vacuum pump can be increased, resulting in cost savings for the operator.
  • FIGS. 4 and 5 show examples of an energy recovery unit. These are used in a particularly preferred embodiment in pumps that are used according to the method described above. However, it is also possible to use such energy recovery units in vacuum pumps used in other processes.
  • FIG. 4 schematically shows a vacuum pump 40, which may, for example, be the vacuum pump 20 or 22 (FIG. 1).
  • the vacuum pump 40 has an electric motor 42 through which a pump rotor 44 is driven.
  • the driving or controlling the electric motor 42 takes place in the illustrated embodiment via a frequency converter 46.
  • the frequency converter 46 is connected to the supply network 48.
  • the electric motor 42 is used as a generator because of the considerable kinetic energy.
  • the resulting electrical energy is passed through the frequency converter in an energy recovery unit 50 and can then be fed back to the supply network 48 via the lines shown.
  • connection of the frequency converter 56 to the supply network 48 is also provided via the energy storage unit 50.
  • the energy storage unit 50 thus serves simultaneously as a feed unit.

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Abstract

Eine Bearbeitungskammer (10) ist mit einer Schleusenkammer (12) verbunden. Zum Evakuieren der Schleusenkammer (12) und/oder der Bearbeitungskammer (10) ist ein Vakuumpumpensystem vorgesehen. Dieses weist eine Vakuumpumpeneinrichtung (18) mit mindestens einer Vakuumpumpe (20, 22) auf. Ferner weist das Vakuumpumpensystem eine Ventileinrichtung (26) zur Verbindung mit der Schleusenkammer (12) sowie eine Steuereinrichtung (30) auf. Zur Geräuschreduzierung wird mittels der Steuereinrichtung ein zyklisch auftretender Betriebsparameter bestimmt. Hieraus wird bestimmt zu welchem Zeitpunkt ein Öffnen des Ventils erfolgt, so dass zeitlich vor dem Öffnen des Ventils eine Reduzierung der Drehzahl zumindest einer der Vakuumpumpen (20, 22) vorgenommen werden kann. Dies führt zu einer erheblichen Geräuschreduzierung bei weiterhin guten Abpumpzeiten.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpensvstems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpensystems, das insbesondere zum Evakuieren einer Schleusenkammer dient. Die Schleusenkammer ist insbesondere mit einer Bearbeitungskammer verbunden. Ebenso kann das Vakuumpumpensystem unmittelbar mit der Bearbeitungskammer verbunden sein, so dass keine zusätzliche Schleusenkammer vorgesehen ist.
In einer Bearbeitungskammer werden insbesondere unter Vakuum Produkte bearbeitet wie beispielsweise beschichtet oder dergleichen. Um insbesondere die Produkte der Bearbeitungskammer zuführen zu können, ist die Bearbeitungskammer mit einer Schleusenkammer verbunden. Zur Evakuierung der Scheusenkammer ist diese mit einem Vakuumpumpensystem verbunden. Das üblicherweise mehrere Vakuumpumpen aufweisende Vakuumpumpensystem weist insbesondere eine Hauptpumpe bzw. einen Booster sowie eine Vorvakuumpumpe auf. Als Hauptvakuumpumpen sind hierbei insbesondere Roots- oder Schraubenpumpen geeignet. Des Weiteren weist das Vakuumpumpensystem eine zwischen der insbesondere mehrere Vakuumpumpen aufweisenden Vakuumpumpeneinrichtung und der Schleusenkammer einer Ventileinrichtung auf. Des Weiteren ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die insbesondere zur Steuerung der mindestens einen Vakuumpumpe der Vakuumpumpeneinrichtung dient. Bei derartigen Schleusenanwendungen von Vakuumpumpensystemen ist eine möglichst kurze Abpumpzeit gefordert. Hierbei muss gleichzeitig sichergestellt werden, dass das zulässige Maß einer mechanischen und thermischen Belastung nicht überschritten wird. Des Weiteren besteht die Forderung, dass das Vakuumpumpensystem möglichst geräuscharm arbeitet. Die geringe Geräuschentwicklung steht jedoch im Widerspruch zu den geforderten kurzen Abpumpzeiten, da diese hohe Drehzahlen der Vakuumpumpeneinrichtung verlangen, wobei hohe Drehzahlen zu einem hohen Geräuschniveau führen.
Aufgabe der Erfindung ist, es ein Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpensystems zum Evakuieren einer Kammer, insbesondere einer Schleusenkammer zu schaffen, mit dem bei geringen Abpumpzeiten eine Geräuschreduzierung erzielt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Das erfindungsgemäß betriebene Vakuumpumpensystem weist eine mindestens eine Vakuumpumpe aufweisende Vakuumpumpeneinrichtung auf. Vorzugsweise weist die Vakuumpumpeneinrichtung zumindest zwei insbesondere in Reihe geschaltete Vakuumpumpen, d .h. eine Hauptvakuumpumpe bzw. einen Booster und eine Vorvakuumpumpe auf. Als Bosster sind hierbei insbesondere Rootspumpen oder Schraubenpumpen bevorzugt. Die Vakuumpumpeneinrichtung ist mit einer Kammer, insbesondere einer Schleusenkammer verbunden, wobei zwischen der Vakuumpumpeneinrichtung und der Kammer eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Weiterhin ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die insbesondere zum Betreiben der mindestens einen Vakuumpumpe dient, wobei durch die Steuereinrichtung in besonders bevorzugter Ausführungsform die Drehzahl des die mindestens eine Vakuumpumpe antreibenden Elektromotors geregelt wird .
Zur Geräuschreduzierung bei dennoch guten Abpumpleistungen erfolgt erfindungsgemäß zunächst ein Ermitteln mindestens eines Betriebsparameters durch die Steuereinrichtung . Bei diesem mindestens einen Betriebsparameter handelt es sich um einen zyklisch auftretenden bzw. sich zyklisch verändern Betriebsparameter. Ein besonders geeigneter Betriebsparameter ist der Motorstrom, den der Elektromotor aufnimmt, mit dem die mindestens eine Vaku- umpumpe angetrieben wird, wobei auch andere Betriebsparameter geeignet sind.
Die Auswertung des zyklisch auftretenden Betriebsparameters bzw. der zyklisch auftretenden Veränderungen des Verlaufs des Betriebsparameters wird mit Hilfe der Steuereinrichtung ausgewertet. Hierdurch ist es möglich, die Drehzahl zumindest einer der Vakuumpumpen der Vakuumpumpeneinrichtung zeitlich vor oder unmittelbar beim Öffnen der Ventileinrichtung zu verringern. Aufgrund der verringerten Drehzahl zumindest einer der Vakuumpumpen der Vakuumpumpeneinrichtung, insbesondere der Hauptvakuumpumpe beim Öffnen der Ventileinrichtung kann eine erhebliche Geräuschreduzierung erzielt werden.
Bevorzugt ist es, dass zumindest die Drehzahl der Hauptvakuumpumpe bzw. des Boosters beim Öffnen verringert ist, wobei zusätzlich auch die Drehzahl der Vorvakuumpumpe verringert werden kann. Gegenüber der im Betrieb, d .h. beim Abpumpen der Schleusenkammer auftretenden maximalen Drehzahl der Pumpe erfolgt vorzugsweise ein Verringern um mindestens 50% insbesondere mindestens 80%. Vorzugsweise wird die Drehzahl auf 30 Hz, insbesondere weniger als 50 Hz verringert.
Als Betriebsparameter wird vorzugsweise ein sich beim Öffnen der Ventileinrichtung signifikant verändernder Betriebsparameter ausgewählt. Besonders geeignet ist hierfür der Motorstrom eines zumindest eine der Vakuumpumpeneinrichtung antreibenden Elektromotors. Aufgrund des Druckanstiegs steigt der Motorstrom beim Öffnen der Ventileinrichtung stark an. Es ist im Stromverlauf auf einfache Weise möglich das Öffnen der Ventileinrichtung zu bestimmen. Der signifikante Anstieg liegt insbesondere in der Erhöhung des Stroms um mehr als das fünffache, insbesondere mehr als das zehnfache. Insbesondere erfolgt die signifikante Änderung des Betriebsparameters, d .h. beispielsweise der signifikante Anstieg des Motorstroms innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums von insbesondere weniger als 1 bis 3 Sekunden. Als Betriebsparameter ist das Ermitteln des Verlaufs des Motorstroms eines zumindest eine der Vakuumpumpen antreibenden Elektromotors bevorzugt. Alternativ oder zusätzlich können auch die folgenden Betriebsparameter bzw. der entsprechende zeitliche Verlauf dieser Betriebsparameter ermittelt und zur Steuerung der Drehzahl zumindest einer der Vakuumpumpen der Vakuumpumpeneinrichtung genutzt werden :
Einlassdruck der Vakuumpumpeneinrichtung und/oder
Einlassdruck zumindest einer der Vakuumpumpen der Vakuumpumpeneinrichtung und/oder
Temperatur einer Vakuumpumpe oder eines anderen aussagekräftigen Bereichs des Vakuumpumpensystems und/oder
Verfahrweg eines Druckentlastungsventils zwischen Einlass- und/oder Auslassseite der Hauptvakuumpumpe und/oder
Verfahrweg eines Druckentlastungsventils zwischen Einlas- und/oder Auslassseite der Vorvakuumpumpe.
Beispielsweise kann mit Hilfe eines Drucksensors der Einlassdruck der Vakuumpumpeneinrichtung und/oder einer der Vakuumpumpeneinrichtungen gemessen werden. Aus dem zeitlichen Verlauf des Drucks kann ebenfalls auf einfache Weise auf den Zeitpunkt geschlossen werden, zudem die Ventileinrichtung geöffnet wird.
Alternativ oder zusätzlich kann mit Hilfe eines Temperatursensors ein zeitlicher Temperaturverlauf ermittelt werden. Geeignet ist hierbei insbesondere der Temperatursensoram Auslass einer der beiden Pumpen (Gastemperatur). Auch aus dem Temperaturverlauf lässt sich wiederum der Zeitpunkt des Öffnens der Ventileinrichtung ermitteln.
Sofern als Haupt- oder als Vorvakuumpumpe Pumpen eingesetzt werden, die zwischen der Einlassseite und der Auslassseite ein Druckentlastungsventil aufweisen, kann auch ein Verfahrweg dieses Ventils, d .h. die zeitliche Änderung der Ventilposition genutzt werden, um den Zeitpunkt des Öffnens der zwischen der Schleusenkammer und dem Vakuumpumpensystem angeordneten Ventileinrichtung zu ermitteln.
In besonders bevorzugter Ausführungsform erfolgt auf Basis zumindest eines Betriebsparameters die Bestimmung einer Zyklusdauer. Die Zyklusdauer ist die Zeitspanne zwischen zwei im Wesentlichen identischen Änderungen eines Betriebsparameters. Bei der Betrachtung eines Motorstroms ist die Zyklusdauer somit die Zeitspanne zwischen zwei signifikanten Stromanstiegen, die jeweils beim Öffnen der Ventileinrichtungen auftreten. Dies ist möglich, da bei üblichen Anwendungen ein Öffnen und Schließen der Schleusenkammer zyklisch erfolgt. Beispielsweise das Einbringen neuer zu bearbeitender oder zu beschichtender Produkte über die Scheusenkammer in die Bearbeitungskammer erfolgt in regelmäßigen Abständen. Diesen Vorteil einer zyklischen Bearbeitung und somit einer zyklisch auftretenden Veränderung eines Betriebsparameters wird erfindungsgemäß genutzt, um die mindestens eine Vakuumpumpe, insbesondere die Hauptvakuumpumpe beim Öffnen der Ventileinrichtung mit geringer Drehzahl zu betreiben und die Geräuschentwicklung zu reduzieren. Nach dem Öffnen der Ventileinrichtung kann die Drehzahl der Pumpe wieder erhöht werden, so dass bei verringerter Geräuschentwicklung weiterhin kurze Abpumpzyklen, d .h. schnelles Reduzieren des Drucks in der Schleusenkammer auf den gewünschten Wert erzielt werden kann.
Insbesondere bei der Verwendung mehrerer Betriebsparameter kann eine Bestimmung der Zyklusdauer auch durch Auswerten mehrerer Betriebsparameter und beispielsweise durch Bilden von Mittelwerten und/oder entsprechenden Gewichtungen mit Hilfe der Steuereinrichtung ermittelt werden.
Bevorzugt ist es, dass zumindest zeitlich, spätestens am Ende der Zyklusdauer die Drehzahl der mindestens einen Vakuumpumpe reduziert wird, so dass die Pumpendrehzahl beim Öffnen der Ventileinrichtung verringert ist. Je nach Art des Abpumpzyklus kann gegebenenfalls auch schon ein früheres Reduzieren der Drehzahl erfolgen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt ferner anhand des zumindest einen Betriebsparameters das Ermitteln einer Lastdauer. Die Lastdauer ist hierbei diejenige Zeitspanne, in der die Schleusenkammer nach dem Öffnen der Ventileinrichtung auf das definierte Vakuum evakuiert wird. Dies kann beispielsweise bei Nutzung des Motorstroms als Betriebsparameter dadurch erfolgen, dass ein Verringern des Motorstroms auf eine zuvor festgelegte Grenze bestimmt bzw. festgestellt wird. Sobald die Lastdauer im Betrieb erreicht ist, kann die Drehzahl der mindestens einen Vakuumpumpe bereits reduziert werden, auch wenn die Zyklusdauer noch nicht beendet ist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der Zeitraum zwischen dem Ende der Lastdauer und dem Ende der Zyklusdauer genutzt werden kann, um die Drehzahl der Vakuumpumpe auf möglichst energiesparende Weise zu reduzieren. Insofern ist beispielsweise kein oder ein geringfügiges Abbremsen erforderlich.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die elektrische Bremsenergie, die beim Reduzieren der Drehzahlen erzeugt wird, in einem Energiespeicher gespeichert oder in das Versorgungsnetz zurückgespeist. Erfindungsgemäß wird in dieser bevorzugten Ausführungsform somit anstelle des üblicherweise vorgesehenen Bremswiderstands, der sich bei Bremsvorgängen stark erwärmt, eine Energiespeicher- oder Rückspeiseeinheit eingesetzt. Die gespeicherte Energie kann z. B. zum Betreiben oder beschleunigen der Pumpe wieder genutzt werden. Hierdurch ist die Energieeffizienz der Pumpenvorrichtung deutlich verbessert. Das Vorsehen einer Energiespeicher- oder Rückspeiseeinheit zum Speichern oder Zurückspeisen von Bremsenergie stellt eine selbstständige Erfindung dar. Diese ist unabhängig von dem vorstehend beschriebenen zyklischen Betreiben der Pumpe. Das Vorsehen von Energiespeicher- oder Rückspeiseeinheiten kann auch bei anderen Prozessen zweckmäßig sein, ist jedoch in Kombination mit der vorstehend beschriebenen Erfindung besonders vorteilhaft.
Diese selbständige Erfindung betrifft somit eine Vakuumpumpe mit den herkömmlichen Bauteilen wie einem insbesondere in einem Pumpengehäuse angeordneten Rotor. Je nach Pumpentyp können mehrere Rotoren oder zusätzlich auch ein Stator in dem Gehäuse angeordnet sein. Ferner weist die Pumpe eine Antriebseinrichtung, insbesondere in Form eines Elektromotors auf. Erfindungsgemäß ist sodann zusätzlich eine Energiespeicher- oder Rückspeiseeinheit vorgesehen. Durch diese wird die beim Bremsen erzeugte elektrische Energie gespeichert oder in das Versorgungsnetz zurückgespeist und kann zum Antreiben der Pumpe oder auch für andere Bauteile genutzt werden. Die Energiespeicher- oder Rückspeiseeinheit ist daher insbesondere mit dem Elektromotor über einen Frequenzumrichter verbunden. Der Elektromotor fungiert beim Bremsen der Pumpe als Generator.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Diagramme näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Vakuumpumpensystems sowie einer Schleusenkammer,
Fig. 2 ein Diagramm eines Motorstroms sowie einer Motordrehzahl über der Zeit bei bekannten Verfahren, Fig. 3 ein Diagramm eines Motorstroms sowie einer Motordrehzahl über der Zeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und
Figuren 4 und 5 schematische Darstellungen einer Vakuumpumpe mit einer Energierückspeiseeinheit.
In einer schematisch angedeuteten Bearbeitungskammer 10 erfolgt ein Bearbeiten beispielsweise Beschichten eines Produkts. Hierzu ist in der Bearbeitungskammer 10 Vakuum erzeugt. Um zu bearbeitende Produkte, Material oder dergleichen in die Bearbeitungskammer zu bringen ist eine Schleusenkammer 12 mit der Bearbeitungskammer 10 verbunden. Die Schleusenkammer 12 weist einen Schleuseneinlass 14 zum Zuführen eines Produkts oder desgleichen in die Schleusenkammer 12 sowie einen Schleusenauslass 16 zum Überführen des Produkts oder desgleichen aus der Schleusenkammer 12 in die Bearbeitungskammer 10 auf.
Zum Evakuieren der Schleusenkammer 12 ist diese mit einem Vakuumpumpensystem verbunden. Das Vakuumpumpensystem weist eine Vakuumpumpeneinrichtung 18 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vakuumpumpeneinrichtung 18 eine Hauptvakuumpumpe 20 und eine in Strömungsrichtung in Reihe hinter der Hauptvakuumpumpe 20 angeordnete Vorvakuumpumpe 22 auf. Bei der Hauptvakuumpumpe 20 handelt es sich insbesondere um eine Roots- oder Schraubenpumpe. Die Hauptvakuumpumpe 20 ist über eine Rohrleitung 24 mit der Schleusenkammer 12 verbunden, wobei in der Rohrleitung 24 eine Ventileinrichtung 26 angeordnet ist. Der Auslass der Hauptvakuumpumpe 20 ist über eine Rohrleitung 28 mit dem Einlass der Vorvakuumpumpe verbunden.
Ferner weist das Vakuumpumpensystem eine Steuereinrichtung 30 auf. Die Steuereinrichtung 30 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über elektrische Leitungen 32, 34 mit der Hauptvakuumpumpe 20 sowie der Vorvakuumpumpe 22 verbunden. Über die Leitungen 32, 34 kann einerseits eine Steuerung eines Elektromotors erfolgen, der die entsprechende Pumpe antreibt und andererseits können Betriebsparameter, die in oder an der entsprechenden Pumpe gemessen werden zu Steuereinrichtung 30 übermittelt werden.
Bei dem gemessenen Betriebsparameter handelt es sich insbesondere um den Motorstrom. Ferner können, wie durch einen Pfeil 36 dargestellt, weitere Daten in die Steuereinrichtung übermittelt werden und die Steuereinrichtung kann selbstverständlich auch andere Steueraufgaben übernehmen. Insbesondere kann durch die Steuereinrichtung 30 auch ein Öffnen oder ein Schließen des Ventils 26 erfolgen.
Anhand der Fign . 2 und 3 wird nachfolgend die Erfindung anhand eines möglichen Auswertens eines Motorstroms insbesondere eines Elektromotors der Hauptvakuumpumpe 20 erläutert.
Hierbei zeigt die Fig. 2 einen zyklischen Verlauf eines Motorstrom sowie der Drehzahl der Vakuumpumpe gemäß des Standes der Technik und die Fig. 3 die entsprechenden Graphen gemäß der Erfindung.
Die durch eine dickere Linie dargestellte Kurve des Motorstroms I zeigt bei herkömmlichen Anwendungen zu einem Zeitpunkt ti, an dem das Ventil geöffnet wird, einen starken Stromanstieg von Imin auf Imax. Derselbe Stromanstieg erfolgt nach einer Zyklusdauer tz zu einem weiteren Zeitpunkt ti erneut. Aus dem Diagramm bzw. aus dem Stromverlauf kann die Steuerung 30 somit aufgrund des in zyklischen Abständen auftretenden Stromanstiegs zu den Zeitpunkten ti die Zyklusdauer tz ermitteln. Diese Ermittlung ist unabhängig von der Kenntnis, wann tatsächlich das Ventil 26 geöffnet wird . Dies ist insofern von Interesse, da häufig kein Signal erzeugt oder ausgegeben wird, das der Steuerung mitteilt, dass eine Öffnung des Ventils erfolgt bzw. wann diese erfolgt. Die erfindungsgemäße Steuerung ist insofern selbstlernend, da sie auch bei sich verändernden Prozessen automatisch die neue Zyklusdauer ermitteln kann.
Aus der durch eine dicke Linie dargestellten Kurve des Stromverlaufs ergibt sich weiter, dass nach dem Stromanstieg zum Zeitpunkt ti dieser zunächst langsam und sodann relativ schnell wieder abfällt, so dass zu einem Zeitpunkt t2 der Elektromotor wieder den Minimalstrom Imin aufnimmt.
Bei der Zeitspanne ti bis t2 handelt es sich um die Lastdauer, d.h. denjenigen Zeitraum, in dem das Evakuieren der Schleusenkammer 12 erfolgt.
Der weitere Stromverlauf nach dem Zeitpunkt t2 ist sodann konstant auf einem niedrigen Strom Imin bis ein erneutes Öffnen des Ventils zu dem nächsten Zeitpunkt ti erfolgt.
Als dünne Linie ist der Verlauf der Drehzahl der entsprechenden Vakuumpumpe dargestellt. Zum Zeitpunkt ti, das heißt beim Öffnen des Ventils 26 erhöht sich schlagartig der Druck am Pumpeneinlass, so dass die Drehzahl der Pumpe fällt. Innerhalb der Lastdauer tL steigt die Pumpendrehzahl sodann bis auf einen Maximalwert an und verbleibt sodann auf dieser Maximaldrehzahl bis zum nächsten Öffnen des Ventils zu dem weiteren Zeitpunkt ti.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Steuerung ist es somit möglich auch unabhängig von der tatsächlichen Kenntnis, wann das Ventil 26 geöffnet wird, einen Zeitpunkt des Öffnens des Ventils zu ermitteln . Erfindungsgemäß kann die Drehzahl der Pumpe somit vor oder spätestens beim Öffnen des Ventils 26 reduziert werden. Hierdurch können erhebliche Geräuschverringerungen erzielt werden.
Wie in Fig . 3 dargestellt, erfolgt das Verringern der Motordrehzahl bereits deutlich vor dem Zeitpunkt ti, zu dem das Öffnen des Ventils 26 erfolgt. Die Motordrehzahl wird zu einem Zeitpunkt t3 von ihrer maximalen Drehzahl, auf der sie sich während des Evakuierens der Schleusenkammer 12 befindet, auf - l i ¬ ehe deutlich geringere Drehzahl abgesenkt. Der Zeitpunkt t3 liegt hierbei später als ein Zeitpunkt t2, so dass zum Zeitpunkt t3 das Evakuieren der Schleusenkammer bereits erfolgt ist bzw. die Lastdauer tL abgeschlossen ist.
Vorzugsweise erfolgt wiederum mit Hilfe der Steuerung 30 ein definiertes Abbremsen bis zu einem Zeitpunkt t4. Während des Abbremsens zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 steigt der Strom kurzfristig an und sinkt zum Zeitpunkt t4 wieder auf den Minimalwert.
Die Drehzahl des Motors ist somit ab dem Zeitpunkt t4 deutlich geringer als die Maximaldrehzahl. Beim Öffnen des Ventils zum darauffolgenden Zeitpunkt ti weist der Motor somit nicht wie im Stand der Technik die Maximaldrehzahl, sondern eine deutlich verringerte Drehzahl auf. Insofern erfolgt auch nur ein relativ geringes weiteres Absinken der Drehzahl nach dem Öffnen des Ventils (Zeitpunkt ti) wie aus Fig. 3 ersichtlich.
Die beim Abbremsen zwischen t3 und t4 freiwerdende kinetische Energie kann über eine Rückspeiseeinheit wieder dem Versorgungsnetz zugeführt werden. Hierdurch kann die Energieeffizienz einer Vakuumpumpe erhöht werden, was zu Kosteneinsparungen beim Betreiber führt.
In den Figuren 4 und 5 sind Beispiele für eine Energierückspeiseeinheit dargestellt. Diese werden in besonders bevorzugter Ausführungsform bei Pumpen verwendet, die gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, derartige Energierückspeiseeinheiten bei Vakuumpumpen einzusetzen, die in anderen Verfahren verwendet werden.
Die Figur 4 zeigt schematisch eine Vakuumpumpe 40, bei der es sich beispielsweise um die Vakuumpumpe 20 oder 22 (Figur 1) handeln kann. Die Vakuumpumpe 40 weist einen Elektromotor 42 auf, durch den ein Pumpenrotor 44 angetrieben wird . Das Antreiben bzw. Steuern des Elektromotors 42 erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Frequenzumrichter 46. Der Frequenzumrichter 46 ist mit dem Versorgungsnetz 48 verbunden.
Erfolgt nun ein Abbremsen des Rotors 44 der Vakuumpumpe 40, so wird aufgrund der erheblichen kinetischen Energie der Elektromotor 42 als Generator genutzt. Die hierbei entstehende elektrische Energie wird über den Frequenzumrichter in eine Energierückspeiseeinheit 50 geleitet und kann sodann über die dargestellten Leitungen wieder dem Versorgungsnetz 48 zugeführt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform gemäß Figur 5 ist auch die Verbindung des Frequenzumrichters 56 mit dem Versorgungsnetz 48 über die Energierückspeichereinheit 50 vorgesehen. Die Energierückspeichereinheit 50 dient somit gleichzeitig als Einspeiseeinheit.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Vakuumpumpen-Systems zum Evakuieren einer insbesondere mit einer Bearbeitungskammer (10) verbundenen Kammer, insbesondere einer Schleusenkammer (12), wobei das Vakuumpumpen-Systems eine mindestens eine Vakuumpumpe (20, 22) aufweisende Vakuumpumpeneinrichtung (18), eine zwischen der Vakuumpumpeneinrichtung (18) und der Kammer (12) angeordnete Ventileinrichtung (26) und eine Steuereinrichtung (30) aufweist, wobei mittels der Steuereinrichtung (30) mindestens ein zyklisch auftretender Betriebsparameter des Vakuumpumpensystems ermittelt wird und eine Drehzahl zumindest einer der Vakuumpumpen (20, 22) der Vakuumpumpeneinrichtung (18) zeitlich vor einem Öffnen der Ventileinrichtung (26) verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Betriebsparameter ein sich beim Öffnen der Ventileinrichtung (26) signifikant verändernder Betriebsparameter ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Betriebsparameter ein Motorstrom eines eine Vakuumpumpe (20, 22) der Vakuumpumpeneinrichtung (18) antreibenden Motors ermittelt wird, wobei insbesondere ein signifikanter Anstieg des Motorstrom einem Öffnen der Ventileinrichtung (26) zugeordnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Betriebsparameter ein Einlassdruck der Vakuumpumpeneinrichtung (18) und/oder ein Einlassdruck zumindest einer der Vakuumpumpen (20, 22) der Vaku- umpumpeneinrichtung (18) und/oder eine Temperatur zumindest einer der Vakuumpumpen und/oder ein Verfahrweg eines Druckentlastungsventils zwischen Einlass und Auslass zumindest einer der Vakuumpumpen (20, 22) der Vakuumpumpeneinrichtung (18) ermittelt wird .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Zyklusdauer (tz) als Zeitspanne zwischen zwei identischen Änderungen eines Betriebsparameters bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zeitlich spätestens am Ende vorzugsweise vor dem Ende einer Zyklusdauer (tz) die Drehzahl zumindest einer der Vakuumpumpen (20, 22) der Vakuumpumpeneinrichtung (18) verringert wird .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei insbesondere nach dem Öffnen der Ventileinrichtung (26) die Drehzahl der mindestens einen Vakuumpumpe (20, 22) erhöht wird .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei anhand zumindest eines Betriebsparameters eine Lastdauer (tL) bestimmt wird, innerhalb der die Kammer (12) auf ein vorgegebenes Vakuum evakuiert wird .
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zu einem Zeitpunkt (t3) nach der Lastdauer (tL) eine Reduzierung der Pumpendrehzahl erfolgt und die Pumpendrehzahl für die verbleibende Zyklusdauer reduziert bleibt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei welchem die bei der Verringerung der Drehzahl mindestens einer der Vakuumpumpen (20, 22) der Vakuumpumpeneinrichtung (18) erzeugte elektrische Bremsenergie in einer Energiespeichereinheit (50) gespeichert oder mittels einer Energierückspeiseeinheit (50) in das Versorgungsnetz zurückgespeist wird .
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