DE19913593A1 - Gesteuerter Pumpstand - Google Patents
Gesteuerter PumpstandInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Pumpstand zur Erzeugung eines Vakuums mit einer Hochvakuumpumpe (2) und einer Vorpumpe (1), die für die Hochvakuumpumpe einen bestimmten Vordruck bereitstellt. Der Pumpstand besitzt ein schaltbares Ventil (4) zwischen Hochvakuumpumpe und Vorpumpe; einen Drucksensor (5), der den am Ausgang der Hochvakuumpumpe anliegenden Vordruck bestimmt; und eine Steuereinheit (6), die basierend auf dem Vordruck die Vorpumpe einschaltet und das Ventil öffnet, wenn der Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet. Außerdem gibt die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung dieses Pumpstandes an.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pumpstand zur Erzeu
gung eines Vakuums mit einer Hochvakuumpumpe und einer
Vorpumpe, die für die Hochvakuumpumpe einen niedrigen
Vordruck bereitstellt. Außerdem betrifft die Erfindung ein
Verfahren zur Steuerung eines Pumpstandes, welcher zur Erzeu
gung eines Hochvakuums eine Hochvakuumpumpe und eine Vorpumpe
umfaßt.
In der Technik sind verschiedenste Pumpenanordnungen bekannt.
Sogenannte Pumpstände umfassen eine oder mehrere Pumpen und
die zugehörige Steuerungstechnik. Die jeweils einzusetzende
Pumpe wird unter anderem anhand der gewünschten Druckanfor
derungen, der Fördermenge und des zu pumpenden Mediums
bestimmt.
In der Vakuumtechnik ist es bekannt, daß zur Erzeugung eines
Hochvakuums (oder eines Ultrahochvakuums) in einer gegebenen
Gesamtanordnung eine Hochvakuumpumpe mit einer Vorpumpe
kombiniert wird. Die jeweiligen physikalisch-technischen
Wirkprinzipien der Vorpumpe haben aber zur Folge, daß mit der
Vorpumpe in vertretbarer Zeit nur ein Grobvakuum, ggf. ein
Feinvakuum, erzeugt werden kann. Wenn dieser Zustand erreicht
ist, greift die üblicherweise in Reihe mit der Vorpumpe
geschaltete Hochvakuumpumpe aktiv in den Evakuierungsvorgang
ein. Die bekannten Hochvakuumpumpen sind in der Lage ein
Hoch- bzw. Ultra-Hochvakuum innerhalb eines Rezipienten zu
erzeugen. Für den Betrieb dieser Hochvakuumpumpen ist es aber
erforderlich, daß die Ausgangsseite nicht unmittelbar an den
Atmosphärendruck gekoppelt ist sondern einem wesentlich
geringeren Vordruck unterliegt. Dieser Vordruck wird von der
Vorpumpe erzeugt.
Bei derartigen Anordnungen nach dem Stand der Technik ist es
erforderlich, daß die Vorpumpe während der gesamten Betriebs
zeit des Pumpstandes arbeitet, um den Vordruck kontinuierlich
an dem Ausgang der Hochvakuumpumpe bereitzustellen. Dies hat
zur Folge, daß die Vorpumpe einen erheblichen Energiebetrag
verbraucht, obwohl nur sehr geringe Mengen des Restgases aus
dem Evakuierungsvolumen abzusaugen sind. Da bei industriellen
Anwendungen und in Laboraufbauten das gewünschte Vakuum
häufig über einen relativ langen Zeitraum aufrecht erhalten
werden soll, unterliegt bei entsprechenden Pumpständen auch
die Vorpumpe hohen Anforderungen aufgrund der langen, unun
terbrochenen Betriebszeiten. Es, ergeben sich geringere Stand
zeiten für die Vorpumpe, die relativ hohe Wartungskosten zur
Folge haben.
Ein weiteres Problem bei bekannten Pumpständen zur Erzeugung
eines Hochvakuums besteht darin, daß bei einem fehlerbeding
ten Ausfall der Vorpumpe der Druck im Evakuierungsraum
ansteigen kann, ohne daß rechtzeitig Maßnahmen zur Aufrecht
erhaltung des Vakuums eingeleitet werden können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin,
ein Verfahren zur Steuerung eines Pumpstandes anzugeben,
durch welches die genannten Nachteile vermieden werden.
Außerdem soll die Erfindung einen Pumpstand bereitstellen,
der dieses Verfahren realisieren kann. Insbesondere ist es
wünschenswert, die notwendige Betriebszeit der Vorpumpe zu
reduzieren, um einerseits Energie einzusparen und anderer
seits die Lebensdauer der Vorpumpe zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches fol
gende Schritte umfaßt:
- a) Inbetriebnahme der Vorpumpe, um die Gesamtanordnung zu evakuieren und einen vorbestimmten Vordruck aufzubauen;
- b) Inbetriebnahme der Hochvakuumpumpe, um einen vorbestimmten Enddruck aufzubauen;
- c) Überwachung des Vordrucks am Ausgang der Hochvakuumpumpe mit einem Drucksensor;
- d) Schließen eines Ventils, welches zwischen der Vorpumpe und der Hochvakuumpumpe angeordnet ist, wenn der Vordruck einen unteren Schwellenwert unterschreitet;
- e) Abschaltung der Vorpumpe, wenn des Ventil geschlossen ist;
- f) Wiederinbetriebnahme der Vorpumpe, wenn der Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet;
- g) Öffnen des Ventils, um den Vordruck am Ausgang der Hochva kuumpumpe zu senken;
- h) Rückkehr zum Schritt c) und zyklisches Fortsetzen des Ver fahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß die
Vorpumpe nach der Bereitstellung des für den Betrieb der
Hochvakuumpumpe benötigten Vordrucks abgeschaltet werden
kann. Nach einer Erstevakuierung der Gesamtanordnung kann bei
gut abgedichteten Gesamtanlagen die zur Aufrechterhaltung des
Vakuums erforderliche Pumpleistung allein von der Hochvakuum
pumpe bereitgestellt werden. Gerade bei Anlagen, die über
längere Zeit betrieben werden; kommt es dadurch zu einer
deutlichen Reduzierung der erforderlichen Laufzeit der
Vorpumpe und damit zur Erhöhung der Lebensdauer der Vorpumpe.
Während des Betriebs wird die Vorpumpe nur dann aktiviert,
wenn der am Ausgang der Hochvakuumpumpe erforderliche
Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet. Durch die
abhängige Steuerung des zwischen der Vorpumpe und der Hochva
kuumpumpe angeordneten Ventils ist außerdem ein Anstieg des
Vordrucks aufgrund von Undichtigkeiten im Bereich der
Vorpumpe ausgeschlossen. Durch die deutlich kürzeren
Betriebszeiten der Vorpumpe wird auch die Geräuschemission
der Anlage stark verringert.
Bei einer vorteilhaften Abwandlung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Ventil auch dann geschlossen, wenn der
Vordruck einen Fehlerschwellenwert überschreitet. Dies bietet
den Vorteil, daß der Hochvakuumabschnitt von dem Grob- bzw.
Feinvakuumabschnitt der Gesamtanordnung abgetrennt werden
kann, sobald aufgrund eines Leckes oder eines anderen Fehlers
die Vorpumpe nicht mehr in der Lage ist, den nötigen Vordruck
aufrechtzuerhalten. Dadurch kann zumindest über einen gewis
sen Zeitraum ein starker Druckanstieg im Hochvakuumabschnitt
verhindert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens liegt
zwischen der Wiederinbetriebnahme der Vorpumpe im Schritt f)
und dem Öffnen des Ventils im Schritt g) eine vorbestimmte
Zeitdauer. Diese Zeitdauer ist derart bestimmt, daß bei einer
gegebenen Saugleistung der Vorpumpe das Totvolumen zwischen
der Vorpumpe und dem Ventil evakuiert werden kann und in
diesem Bereich der benötigte Vordruck eingestellt wird, bevor
das Ventil geöffnet und damit die Verbindung zur Ausgangs
seite der Hochvakuumpumpe hergestellt wird. Dadurch ist
sichergestellt, daß ein sprunghafter Druckanstieg am Ausgang
der Hochvakuumpumpe vermieden wird, der ggf. zu einer
Betriebsstörung der Hochvakuumpumpe führen könnte bzw. einen
unerwünschten Druckanstieg im Hochvakuumabschnitt hervorruft.
Zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung dient auch
ein Pumpstand, umfassend ein schaltbares Ventil zwischen
Hochvakuumpumpe und Vorpumpe; einen Drucksensor, der den am
Ausgang der Hochvakuumpumpe anliegenden Vordruck bestimmt;
und eine Steuereinheit, die basierend auf dem Vordruck die
Vorpumpe einschaltet und das Ventil öffnet, wenn der Vordruck
einen oberen Schwellenwert überschreitet. Mit einem derarti
gen Pumpstand kann das oben beschriebene Verfahren vorteil
haft durchgeführt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Pumpstandes zeichnet
sich dadurch aus, daß das schaltbare Ventil ein elektromagne
tisches Vakuumventil ist. Bei abgewandelten Ausführungsformen
können auch pneumatisch oder hydraulisch betätigte Ventile
zum Einsatz kommen.
Ebenso ist es zweckmäßig, wenn der Drucksensor ein kapazitiv
wirkender Drucksensor ist, da dies eine einfache und zuver
lässige Messung und eine ausreichend schnelle Meßwertverar
beitung durch die Steuereinheit ermöglicht.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh
rungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfin
dungsgemäßen Pumpstandes, die unter Bezugnahme auf die Zeich
nung gegeben wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Pump
standes;
Fig. 2a ein Flußdiagramm, welches erste Schritte des erfin
dungsgemäßen Verfahrens zeigt;
Fig. 2b ein Flußdiagramm, welches weitere Schritte des
erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
Fig. 3 ein Flußdiagramm, welches Schritte einer Fehler
überwachungsroutine gemäß einer abgewandelten
Ausführungsform des in Fig. 2 abgebildeten Verfah
rens zeigt.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Pumpstandes zur Erzeu
gung eines Hochvakuums. Der Pumpstand besteht aus einer
Vorpumpe 1, bei der es sich um eine Feinvakuumpumpe handeln
kann. Auf die spezielle Bauform der Vorpumpe kommt es nicht
an. Vielmehr ergibt sich diese aus dem gewünschten Einsatz
fall. Weiterhin umfaßt der Pumpstand eine Hochvakuumpumpe 2,
die im Zusammenwirken mit der Vorpumpe 1 in einem Evakuie
rungsraum 3 ein Hockvakuum erzeugen soll. Im Strömungskanal
zwischen der Vorpumpe 1 und der Hochvakuumpumpe 2 ist ein
schaltbares Ventil 4 angeordnet, welches im geschlossenen
Zustand die Verbindung zwischen Vorpumpe und Hochvakuumpumpe
trennt, wobei hohe Anforderungen an die Abdichtung beispiels
weise durch ein elektromagnetisches Vakuumventil erfüllt
werden können. Die Hochvakuumpumpe 2 ist beispielsweise eine
Turbomolekularpumpe, die zu ihrem Betrieb an der Ausgangs
seite einen gegenüber der Atmosphäre verringerten Vordruck
benötigt. Dieser Vordruck liegt beispielsweise im Bereich von
103 bis 1 Pa (Pascal). Der Vordruck, der sich im Strömungska
nal zwischen der Hochvakuumpumpe 2 und dem Ventil 4
einstellt, wird von einem Sensor 5 gemessen. Der Sensor 5 ist
beispielsweise ein kapazitiver Drucksensor. Schließlich ist
in dem Pumpstand eine Steuereinheit 6 vorgesehen, die einer
seits das Meßsignal vom Drucksensor 5 empfängt und anderer
seits Steuersignale zumindest an das Ventil 4 und die
Vorpumpe 1 abgibt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird
ein weiteres Signal von der Steuereinheit 6 an eine Alarmsig
nalisierungseinheit 7 abgegeben. Außerdem können wie darge
stellt Meßwertaufbereitungseinheiten 8 vorgesehen sein, die
das vom Drucksensor 5 erzeugte Meßsignal konditionieren.
Fig. 2a und 2b zeigen einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen
Verfahrens, welches z. B. von der in Fig. 1 gezeigten Anord
nung ausgeführt wird. Das Verfahren beginnt im Schritt 10 und
setzt im Schritt 11 die Vorpumpe in Betrieb. Um die Gesamtan
ordnung zu evakuieren wird im Schritt 12 das Ventil geöffnet.
Im Schritt 13 wird überprüft, ob der für die Inbetriebnahme
der Hochvakuumpumpe nötige Arbeitsdruck (Vordruck) bereits
erreicht ist. Mit erreichen des Vordrucks sind die notwendi
gen Betriebsbedingungen für die Hochvakuumpumpe gegeben, so
daß diese im Schritt 14 in Betrieb genommen wird. Auf den
Zeitpunkt der ersten Inbetriebnahme der Hochvakuumpumpe kommt
es hinsichtlich der Erfindung jedoch nicht an.
Sobald von dem Drucksensor bestimmt wird, daß der Vordruck
einen unteren Schwellenwert unterschreitet (im Schritt 15),
wird im Schritt 16 das Ventil geschlossen und nachfolgend im
Schritt 17 die Vorpumpe abgeschaltet. Im weiteren Verlauf
wird wiederum von dem Drucksensor ständig der Vordruck über
prüft. Solange der Vordruck unterhalb eines oberen Schwellen
wertes liegt, bleibt die Betriebsweise unverändert. Sofern
jedoch im Schritt 18 festgestellt wird, daß der Vordruck den
oberen Schwellenwert überschreitet, wird die Vorpumpe erneut
in Betrieb genommen (Schritt 19). Die Zeitverzögerung im
Schritt 20 dient der erneuten Evakuierung des zwischen dem
Ventil und der Vorpumpe liegenden Totvolumens.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform könnte auch ein
weiterer Drucksensor vorgesehen sein, der den in diesem
Abschnitt vorhandenen Druck bestimmt, so daß die Zeitverzöge
rung durch eine Drucksteuerung ersetzt wird.
Sobald das Totvolumen evakuiert ist, wird im Schritt 21 das
Ventil erneut geöffnet. Die Routine springt dann zum Schritt
15 zurück, in welchem der Vordruck wiederum hinsichtlich der
Unterschreitung des unteren Schwellenwertes überprüft wird.
In Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm gezeigt, anhand dessen die
Verfahrensschritte erläutert werden, die bei einer abgewan
delten Ausführungsform ausgeführt werden. Die in Fig. 3 dar
gestellten Verfahrensschritte werden im wesentlichen parallel
zu den Verfahrensschritten in Fig. 2 ausgeführt, um nach Mög
lichkeit zu jedem Zeitpunkt eine potentielle Fehlersituation
zu erkennen und darauf angemessen zu reagieren. Diese Feh
lerüberwachungsroutine startet im Schritt 30. Unter Auswer
tung des vom Drucksensor gelieferten Meßwerts wird im Schritt
31 überprüft, ob der Vordruck erreicht wurde, der zum Betrieb
der Hochvakuumpumpe erforderlich ist. Sofern dies noch nicht
der Fall ist, wurde der eigentliche Betriebszustand noch
nicht eingenommen, d. h. das gewünschte Hochvakuum ist noch
nicht aufgebaut. Sobald der eingestellte Vordruck erreicht
wurde, geht die Fehlerbehandlungsroutine davon aus, daß sich
die Gesamtanlage im normalen Betriebszustand befindet und
entweder mit dem Aufbau des Hochvakuums begonnen wird oder
dieses bereits erzeugt wurde. Somit kann nun im Schritt 32
geprüft werden, ob der Vordruck einen bestimmten Fehler
schwellenwert überschreitet. Ist dies nicht der Fall, so
arbeitet die Gesamtanordnung normal. Sobald der Vordruck den
Fehlerschwellenwert überschreitet, welcher derart eingestellt
ist, daß er ausreichend oberhalb des oberen Schwellenwertes
liegt, ist daraus abzuleiten, daß der Vordruck ansteigt,
obwohl bei normaler Betriebsart die arbeitende Vorpumpe die
sen reduzieren müßte. Eine solche Situation kann eintreten,
wenn beispielsweise die Vorpumpe defekt ist oder im Bereich
stromabwärts des Ventils ein Leck vorhanden ist. Um den Hoch
vakuumabschnitt und die Hochvakuumpumpe gegen diesen fehler
bedingten Druckanstieg zu schützen, veranlaßt die in Fig. 3
gezeigte Routine das Schließen des Ventils im Schritt 33. Der
dafür von der Steuereinheit zu generierende Befehl ist so
ausgelegt, daß er einen ggf. aus der in Fig. 2 gezeigten Rou
tine resultierenden Befehl zum Öffnen des Ventils übersteu
ert. Auf diese Weise kann der registrierte Fehler zumindest
über einen bestimmten Zeitraum durch weiteren Betrieb der
Hochvakuumpumpe ausgeglichen werden, da der Druckanstieg
stromabwärts des Ventils nicht auf den Hochvakuumabschnitt
einwirkt. Im Schritt 34 wird zusätzlich ein Alarmsignal gene
riert, mit welchem beispielsweise das Bedienpersonal auf den
festgestellten Fehler aufmerksam gemacht werden kann. Sobald
nach einer Fehlerbehebung im Schritt 35 festgestellt wird,
daß der Vordruck den Fehlerschwellenwert unterschreitet, kann
im Schritt 36 das Ventil wieder geöffnet werden und die Feh
lerroutine springt zum Schritt 32 zurück, um die normale Feh
lerüberwachung fortzusetzen.
Die dargestellten Verfahrensschritte lassen sich in bekannter
Weise durch eine Schaltlogik realisieren, es kann aber auch
ein Mikroprozessor eingesetzt werden, der durch ein angepaß
tes Datenverarbeitungsprogramm gesteuert wird.
Claims (12)
1. Verfahren zur Steuerung eines Pumpstandes, welcher zur
Erzeugung eines Hochvakuums eine Hochvakuumpumpe und eine
Vorpumpe umfaßt, gekennzeichnet durch die folgenden
Schritte:
- a) Inbetriebnahme der Vorpumpe (11), um die Gesamtanord nung zu evakuieren und einen vorbestimmten Vordruck aufzubauen;
- b) Inbetriebnahme der Hochvakuumpumpe (14), um einen vorbestimmten Enddruck aufzubauen;
- c) Überwachung des Vordrucks (15) am Ausgang der Hochvaku umpumpe mit einem Drucksensor;
- d) Schließen eines Ventils (16), welches zwischen der Vorpumpe und der Hochvakuumpumpe angeordnet ist, wenn der Vordruck einen unteren Schwellenwert unterschrei tet;
- e) Abschaltung der Vorpumpe (17), wenn des Ventil geschlossen ist;
- f) Wiederinbetriebnahme der Vorpumpe (19), wenn der Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet;
- g) Öffnen des Ventils (21), um den Vordruck am Ausgang der Hochvakuumpumpe zu senken;
- h) Rückkehr zum Schritt c) und zyklisches Fortsetzen des Verfahrens.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weite
ren Schritt:
Schließen des Ventils (33), wenn der Vordruck einen Fehlerschwellenwert überschreitet.
Schließen des Ventils (33), wenn der Vordruck einen Fehlerschwellenwert überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den weite
ren Schritt:
Abgabe eines Alarmsignal (34), wenn der Vordruck den
Fehlerschwellenwert überschreitet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen der Wiederinbetriebnahme der
Vorpumpe im Schritt f) und dem Öffnen des Ventils im
Schritt g) eine vorbestimmte Zeitdauer verstreicht, um das
Totvolumen zwischen Vorpumpe und Ventil vor der Öffnung
des Ventils erneut zu evakuieren.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen Schwellenwert und
dem unteren Schwellenwert ein Druckunterschied von etwa
102 bis 103 Pa besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Fehlerschwellenwert etwa 102 bis 103 Pa oberhalb des
oberen Schwellenwerts liegt.
7. Pumpstand zur Erzeugung eines Vakuums mit einer Hochvaku
umpumpe (2) und einer Vorpumpe (1), die für die Hochvaku
umpumpe einen bestimmten Vordruck bereitstellt, gekenn
zeichnet durch:
- - ein schaltbares Ventil (4) zwischen Hochvakuumpumpe und Vorpumpe;
- - einen Drucksensor (5), der den am Ausgang der Hochvaku umpumpe anliegenden Vordruck bestimmt; und
- - eine Steuereinheit (6), die basierend auf dem Vordruck die Vorpumpe einschaltet und das Ventil öffnet, wenn der Vordruck einen oberen Schwellenwert überschreitet.
8. Pumpstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuereinheit (6) das Ventil (4) schließt, wenn vom Druck
sensor ein Vordruck oberhalb eines Fehlerschwellenwerts
bestimmt wird.
9. Pumpstand nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das schaltbare Ventil ein elektromagnetische Vakuum
ventil ist.
10. Pumpstand nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Drucksensor ein kapazitiv wirken
der Drucksensor ist.
11. Pumpstand nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hochvakuumpumpe eine Turbomoleku
larpumpe ohne oder mit Grobvakuumstufe ist und die
Vorpumpe entsprechend eine Fein- bzw. Grobvakuumpumpe
ist.
12. Pumpstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der von der Feinvakuumpumpe bereitgestellte Vordruck im
Bereich von 103 bis 1 Pa liegt.
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Effective date: 20141001 |