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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben
einer Vakuumpumpe. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wälzkolben-Vakuumpumpe sowie
ein Verfahren zum Betreiben derselben.
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Vakuumpumpen
weisen ein Pumpengehäuse
auf, das einen Pumpenraum ausbildet. In dem Pumpenraum ist mindestens
ein Pumpenelement angeordnet, das über einen Antriebsmotor angetrieben ist.
Bei den Pumpenelementen handelt es sich beispielsweise um zwei Wälzkolben.
Zum Fördern
des zu pumpenden Mediums, bei dem es sich üblicherweise um Gas handelt,
weist der Pumpenraum einen Pumpeneinlass und einen Pumpenauslass
auf. Durch Antreiben des mindestens einen Pumpenelements wird das
Medium durch den Pumpeneinlass in den Pumpenraum gesaugt und durch
den Pumpenauslass wieder ausgestoßen. Um ein Überhitzen
der Pumpe, insbesondere des Pumpengehäuses oder des Motors zu vermeiden,
ist ein Strömungskanal vorgesehen,
der sich vom Pumpenauslass zum Pumpeneinlass erstreckt. In dem Strömungskanal
ist eine Ventileinrichtung angeordnet. Hierdurch ist es möglich, bedarfsweise
Medium vom Pumpenauslass zum Pumpeneinlass zurückzuführen. Die Ventileinrichtung
weist hierbei üblicherweise
ein federbelastetes Ventil auf. Durch die Feder wird eine vorgegebene
Kraft auf den Ventilkörper
ausgeübt.
Dies hat zur Folge, dass ein Öffnen
des Ventils bei Überschreiten einer
der Federkraft entsprechenden Druckdifferenz erfolgt. Die entsprechende
Druckdifferenz bzw. die Federkraft ist vom Werk vorgegeben und nicht
variierbar. Bei handelsüblichen,
kleinen Wälzkolbenpumpen
beträgt
die Grenz-Druckdifferenz zwischen Einlass- und Auslass üblicherweise
80 mbar. Bei großen Pumpen
kann die Grenz-Druckdifferenz bis zu 50 mbar betreffen. Bei Überschreiten
dieser Grenz-Druckdifferenz erfolgt ein Öffnen der Ventileinrichtung,
um ein thermisches Überlasten
der Vakuumpumpe und/oder des Antriebsmotors zu vermeiden.
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Bei
Vakuumpumpen, die beispielsweise mit Prozesskammern verbunden sind,
in denen Halbleiterbauteile, Solarzellen und dgl. hergestellt werden, besteht
die Anforderung, während
der Arbeitzyklen Medium aus der Prozesskammer abzupumpen. Dies kann
zur Druckreduzierung oder auch zum Abpumpen eines Prozessgases erforderlich
sein. Da die Kompressionsleistung der Vakuumpumpe, insbesondere
der Wälzkolben-Vakuumpumpe,
proportional zur Druckdifferenz ist und diese aufgrund der thermischen
Grenzen definiert ist, sind die Zeitspannen zum Abpumpen eines Prozessgases
oder zum Erniedrigen des Prozesskammerdrucks relativ groß.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben
der Vakuumpumpe zu schaffen, mit welcher bzw. mit welchem Zykluszeiten
verringert werden können.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1 bzw. 6.
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Die
erfindungsgemäße Vakuumpumpe,
bei der es sich insbesondere um eine Wälzkolben-Vakuumpumpe handelt,
weist in dem Strömungskanal zum
bedarfsweisen Zurückführen eines
Teils des gepumpten Mediums erfindungsgemäß eine regelbare Ventileinrichtung
auf. Hierzu ist die Ventileinrichtung mit einer Regeleinrichtung
verbunden, durch die die Ventileinrichtung in Abhängigkeit
von mindestens einem Pumpenparameter regelbar ist. Überraschenderweise
wurde festgestellt, dass über
einen kurzen Zeitraum erheblich größere Differenzdrücke zwischen
Pumpeneinlass und Pumpenauslass auftreten dürfen, ohne dass eine Beschädigung der
Pumpe oder des Motors aufgrund von Überhitzung erfolgt. Versuche
haben gezeigt, dass bis zu einem Zeitraum von 10 Sek. die Leistung
der Vakuumpumpe auf über 200%,
insbesondere 250% erhöht
werden kann, ohne dass Beschädigungen
der Pumpe oder des Motors auftreten. Es ist somit möglich, zum
kurzfristigen Abpumpen einer großen Mediummenge in einem Hochleistungsbetrieb
die Vakuumpumpe mit erheblich höherer
Leistung zu betreiben. Hierbei wird in einem Hochleistungsbetrieb
von der Regeleinrichtung die Ventileinrichtung derart geregelt,
dass erheblich höhere
Differenzdrücke
zulässig
sind. Der genutzte Pumpenparameter ist in diesem Fall die Zeit,
wobei zusätzliche
Pumpenparameter, insbesondere die Gehäusetemperatur, die Temperatur
des Antriebmotors, die Temperatur der Motorwicklung und/oder die Temperatur
der Pumpenelemente mit berücksichtigt werden
können.
Beispielsweise kann die Regelung bei Überschreiten eines Temperatur-Grenzwertes
ein zumindest teilweises Öffnen
der Ventileinrichtung bewirken.
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Zur
Regelung der Ventileinrichtung ist die Regeleinrichtung vorzugsweise
mit einem elektrischen Stellmotor, insbesondere einem Schrittmotor, verbunden.
Beispielsweise ist ein Ventilkörper
der Ventileinrichtung, der bei geschlossenem Ventil an einem Ventilsitz
anliegt, durch ein Druckelement, wie eine Druckfeder, vorgespannt
bzw. federbelastet. In Abhängigkeit
der durch die Druckfeder aufgebrachten Kraft öffnet der Ventilkörper bei Überschreiten
einer entsprechenden Gegenkraft bzw. bei Auftreten einer entsprechenden
Druckdifferenz zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des
Ventils bzw. zwischen dem Pumpeneinlass und dem Pumpenauslass. Durch
Vorsehen des elektrischen Schrittmotors ist es auf einfache Weise
möglich,
die durch die Druckfeder aufgebrachte Kraft zu verändern. Beispielsweise
kann mit Hilfe eines Spindeltriebs die Druckfeder unterschiedlich
stark zusammengedrückt werden.
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Insbesondere
mit Hilfe eines elektrischen Stellmotors ist es auch möglich, die
Stellung des Ventilkörpers
direkt durch den Stellmotor zu definieren. Die Stellung des Ventilkörpers wäre somit
von dem Auftreten einer Gegenkraft bzw. einer tatsächlich bestehenden
Druckdifferenz unabhängig.
Die Lage des Ventilkörpers
könnte
somit durch die Regeleinrichtung in Abhängigkeit unterschiedlicher
Pumpenparameter bestimmt werden. Da es sich bei der Ventileinrichtung
jedoch um ein Sicherheitsbauteil handelt, durch das ein Beschädigen der
Pumpe oder des Antriebsmodus verhindert werden soll, ist das Vorsehen eines
federbelasteten Ventilkörpers
bevorzugt.
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Zur
Ermittlung unterschiedlicher Pumpenparameter ist die Regeleinrichtung
in bevorzugter Ausführungsform
mit mindestens einer Sensoreinrichtung verbunden. Insbesondere sind
die nachstehend aufgeführten
Sensoreinrichtungen vorgesehen, wobei mindestens eine dieser Sensoreinrichtungen,
insbesondere mehrere Sensoreinrichtungen, vorgesehen sind.
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Es
ist möglich,
als Sensoreinrichtung Drucksensoren vorzusehen. Durch diese wird
beispielsweise der Druck an dem Pumpeneinlass und/oder dem Pumpenauslass
gemessen. Hierbei kann als Regelparameter der Einlass- und/oder
der Auslassdruck verwendet oder auch ein Differenzdruck bestimmt werden.
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Ferner
ist das Vorsehen von Temperatursensoren möglich. Durch entsprechend angeordnete Sensoren
kann die Gehäusetemperatur,
die Pumpenelement-Temperatur, die Motortemperatur und/oder die Temperatur
der Motorwicklung gemessen werden.
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Ferner
ist es möglich,
durch Sensoren die Motordrehzahl, die Energieaufnahme des Motors oder
die Phasenverschiebung der den Motor antreibenden Spannung zu messen.
Des Weiteren kann die Drehzahl des mindestens einen Pumpenelements
gemessen werden und ebenfalls zur Bestimmung eines Pumpparameters
dienen. Auch die auf die Motorwelle bzw. die Antriebswelle des Pumpenelements
wirkende Axialkraft kann durch einen entsprechenden Axialkraft-Sensor
bestimmt und als Pumpenparameter genutzt werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, einen Vibrationssensor vorzusehen, der beispielsweise
die Vibration des Pumpengehäuses
oder des Motors misst. Ferner ist es möglich, Geräusche der Pumpe oder des Motors
zu messen und ebenfalls als Pumpenparameter durch die Regeleinrichtung
zu verarbeiten. Als weiterer Pumpenparameter kann die Zeit dienen.
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Aufgrund
auftretender Temperaturunterschiede zwischen dem Gehäuse und
dem Pumpenelement, insbesondere den Wälzkolben, erfolgt eine Veränderung
des Spiels zwischen Pumpenelement und Innenwand des Pumpenraums.
Die Messung des Pumpenelement-Spiels kann ebenfalls als Pumpparameter
dienen.
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Die
vorstehend aufgeführten
Sensoreinrichtungen können
zur Bestimmung eines Pumpparameters einzeln genutzt oder auch beliebig
miteinander kombiniert werden.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe,
wobei die Vakuumpumpe einen durch ein Pumpengehäuse ausgebildeten Pumpenraum
aufweist, in dem mindestens ein Pumpenelement durch einen Antriebsmotor
angetrieben wird. Der Pumpenraum weist einen Pumpeneinlass und einen
Pumpenauslass auf, wobei das zu pumpende Medium durch den Pumpeneinlass
in den Pumpenraum einströmt
und durch das Pumpenelement durch den Pumpenauslass wieder ausgestoßen wird.
Ferner ist ein Strömungskanal
vorgesehen, der von dem Pumpenauslass zum Pumpeneinlass zum bedarfsweisen
Zurückführen eines
Teils des gepumpten Mediums dient. In dem Strömungskanal ist eine Ventileinrichtung
vorgesehen, die erfindungsgemäß regelbar
ist und zur Regelung in Abhängigkeit von
mindestens einem Pumpenparameter mit einer Regeleinrichtung verbunden
ist.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann
die Pumpe im Normalbetrieb betrieben werden. Im Normalbetrieb, d.
h. in dem am häufigsten
auftretenden Betriebszustand, in dem beispielsweise eine Prozesskammer
auf einem konstanten Druck gehalten wird, erfolgt ein Abpumpen von
Medium aus der Prozesskammer. Hierbei wird die Ventileinrichtung von
der Regeleinrichtung derart geregelt, dass sie bei Überschreiten
einer Normal-Druckdifferenz zwischen Pumpeneinlass und Pumpenauslass
den Strömungskanal
zumindest teilweise öffnet.
Bei großen Pumpen
beträgt
die Normal-Druckdifferenz etwa 50 mbar. Bei Überschreiten dieser Druckdifferenz
erfolgt ein Öffnen
der Ventileinrichtung. Ist beispielsweise ein federbelasteter Ventilkörper vorgesehen,
ist es möglich,
durch die Regeleinrichtung den vorzugsweise vorgesehenen elektrischen
Stellmotor derart zu betätigen,
dass durch das Druckelement, wie die Druckfeder, eine Kraft auf
den Ventilkörper
aufgebracht wird. Diese Kraft entspricht der aufgrund der Normal-Druckdifferenz
erzeugten Gegenkraft. Bei Überschreiten
der Normal-Druckdifferenz erfolgt somit ein automatisches Öffnen der
Ventileinrichtung.
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Da
erfindungsgemäß mit Hilfe
der Regeleinrichtung Pumpenparameter berücksichtigt werden können, ist
es möglich,
auch im Normalbetrieb den Zustand, bei dem die Ventileinrichtung
den Strömungskanal
zumindest teilweise öffnet,
zu verändern.
Beispielsweise kann die Federkraft und damit die Normal-Druckdifferenz
in Abhängigkeit
einer Temperatur und/oder eines Temperaturgradienten verändert werden.
Zu Berücksichtigen
ist hierbei ferner, dass eine Druckdifferenz nicht explizit gemessen werden
muss. Es ist erfindungsgemäß auch ausreichend,
beispielsweise eine Gehäusetemperatur
zu messen und beispielsweise die Druckfeder derart einzustellen,
dass bei Überschreiten
einer vorgegebenen Gehäusetemperatur
ein Öffnen
des Ventils erfolgt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der
Regeleinrichtung die Federvorspannung jederzeit variiert werden
kann. Ferner ist auch ein aktives Betätigen des Ventilkörpers durch
den Stellmotor bei entsprechender Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich.
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Des
Weiteren ist es erfindungsgemäß möglich, die
Vakuumpumpe im Hochleistungsbetrieb zu betreiben. Im Hochleistungsbetrieb
erfolgt ein Öffnen des
Ventils erst bei Überschreiten
einer Hochleistungs-Druckdifferenz. Die Hochleistungs-Druckdifferenz
ist größer als
die Normal-Druckdifferenz. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Hochleistungsbetrieb zeitlich begrenzt. Beispielsweise
kann die Regeleinrichtung derart programmiert sein, dass der Hochleistungsbetrieb
nicht länger
als 20 Sek., vorzugsweise nicht länger als 10 Sek. und insbesondere
nicht länger
als 5 Sek. dauern darf. Ferner kann die Regeleinrichtung derart
programmiert sein, dass nach einem Hochleistungsbetrieb die Pumpe über einen
vorgegebenen Mindestzeitraum im Normalbetrieb betrieben werden muss.
Der Mindestzeitraum beträgt
hierbei vorzugsweise mindestens das Doppelte, insbesondere mindestens
das Dreifache des Zeitraums, in dem die Pumpe im Hochleistungsbetrieb
betrieben wurde.
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Versuche
haben gezeigt, dass die Hochleistungs-Druckdifferenz bis zu 200%,
insbesondere bis zu 250% der Normal-Druckdifferenz betragen kann. Der
erfindungsgemäß wesentliche
Vorteil des Betreibens der Pumpe über einen kurzen Zeitraum im Hochleistungsbetrieb
ist darin zu sehen, dass die Zyklenzeiten zum schnellen Abpumpen
von Medium um mehr als 10%, insbesondere mehr als 15% reduziert
werden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Wälzkolben-Vakuumpumpe,
erfolgt in Abhängigkeit von
mindestens einem Pumpenparameter. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um
die vorstehend anhand der Vakuumpumpe beschriebenen Pumpenparameter.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die anliegende Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Wälzkolben-Vakuumpumpe.
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Die
Wälzkolben-Vakuumpumpe
weist ein Pumpengehäuse 10 auf.
Das Pumpengehäuse 10 bildet
einen Pumpenraum 12 aus, in dem zwei Wälzkolben 14 angeordnet
sind. Jeder Wälzkolben 14 ist mit
einer Antriebswelle 16 verbunden. Der zweite Wälzkolben 14 ist über ein
Synchronisationsgetriebe angetrieben. Die Antriebswelle 16 ist
mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor verbunden. Durch Drehen
der beiden Pumpenelemente bzw. Wälzkolben 14 erfolgt
ein Ansaugen eines zu pumpenden Mediums, insbesondere Gas, durch
einen Pumpeneinlass 18 in den Pumpenraum 12 und
anschließendes
Ausstoßen
aus diesem durch einen Pumpenauslass 20. Das Gas strömt somit
in die durch die Pfeile 22 angedeutete Richtung.
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Um
ein Überhitzen
der Wälzkolben 14,
des Pumpengehäuses 10 und/oder
des Antriebsmotors zu vermeiden, ist ein Strömungskanal 24 vorgesehen,
der von dem Bereich des Pumpenauslasses 20 zu dem Bereich
des Pumpeneinlasses 18 führt. Aus dem Bereich des Pumpenauslasses 20 kann
Medium somit durch einen Einlass 26 des Strömungskanals
in diesen in Richtung eines Pfeils 28 einströmen. In dem
Strömungskanal 24 ist
eine Ventileinrichtung 30 angeordnet. Bei geöffnetem
Ventilkörper 32 kann Medium
aus dem Strömungskanal 24,
wie durch die Pfeile 34 dargestellt, durch einen Auslass 36 des Strömungskanals 24 in
den Bereich des Pumpeneinlasses 18 strömen. Der Strömungskanal 24 ist
vorzugsweise in das Pumpengehäuse 10 integriert.
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Der
Ventilkörper 32,
der in geschlossenem Zustand an einem Ventilsitz 38 anliegt,
ist durch eine Druckfeder 40 federbelastet bzw. mit einer
vorgegebenen Kraft gegen den Ventilsitz 38 gedrückt. Bei Überschreiten
einer Druckdifferenz Δp
zwischen dem Druck pe am Pumpeneinlass 18 und
dem Druck pa am Pumpenauslass 20 erfolgt
ein Verschieben des Ventilkörpers 32 in
Richtung eines Pfeils 42 und somit ein Öffnen des Ventils.
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Die
Vorspannung der Feder 40 kann erfindungsgemäß zur Regelung
der Ventileinrichtung 30 eingestellt werden. Dies erfolgt
im dargestellten Ausführungsbeispiel
durch Vorsehen eines elektrischen Stellmotors 44, der eine
Spindel 46 aufweist, die in Richtung eines Pfeils 48 verschiebbar
ist. Durch Verschieben der Spindel 46 erfolgt ein Verschieben
einer mit der Spindel 46 verbundenen Druckplatte 50 und somit
ein Verändern
der Länge
der Druckfeder 40. Dies bewirkt ein Verändern der von der Feder 40 auf den
Ventilkörper 32 wirkenden
Kraft.
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Erfindungsgemäß ist der
Stellmotor 44 über eine
Steuerleitung mit einer Regeleinrichtung 52 verbunden. Über die
Regeleinrichtung 52 erfolgt in Abhängigkeit vorgegebener Regeln,
die beispielsweise durch Algorithmen hinterlegt sind, ein Ansteuern
des Stellmotors in Abhängigkeit
des Betriebszustandes der Pumpe sowie in Abhängigkeit von Pumpenparametern.
Als Betriebszustand der Pumpe kann beispielsweise Normalbetrieb,
Hochleistungsbetrieb, Reinigungsbetrieb und dgl. vorgegeben werden. Über Signalleitungen 54 erhält die Regeleinrichtung Pumpenparameter.
Bei den Pumpenparametern kann es sich beispielsweise um eine Temperatur
des Gehäuses 10 handeln,
die durch einen Temperatursensor 56 ermittelt wird. Ferner
kann ein Drucksensor 58 zur Ermittlung des Drucks am Pumpeneinlass 18 vorgesehen
sein. Ein entsprechender Drucksensor 60 kann am Pumpenauslass
angeordnet sein. Als weiterer Pumpenparameter können beispielsweise in Abhängigkeit
des Betriebszustandes in der Regeleinrichtung 52 Zeitspannen
hinterlegt sein.