Die Erfindung betrifft ein Vakuumpumpen-System.

Vakuumpumpen und Vakuumpumpen-Systeme werden häufig eingesetzt, um Kammern in kurzer Zeit zu evakuieren. Dies erfolgt unter Verwendung von trockenverdichtenden Vakuumpumpen wie beispielsweise Schraubenpumpen, Klauenpumpen oder Multi-Stage-Roots-Pumpen. Gegebenenfalls können auch ölgedichtete Vakuumpumpen wie Drehschiebepumpen oder Sperrschiebepumpen verwendet werden. Häufig werden auch mehrere Pumpen in Reihe und/oder parallel zueinander angeordnet, um in kurzen Zeiträumen große Gasvolumina pumpen zu können.

Typische Anwendungen sind Schleusenkammern, wie sie beispielsweise in Beschichtungsanlagen vorgesehen sind. Die Schleusenkammer muss hierbei in kurzen Zeiträumen von Atmosphärendruck auf einen Übergabedruck abgepumpt werden. Dies erfolgt üblicherweise in Zeiträumen von 20 Sekunden bis 120 Sekunden auf einen Übergabedruck von 0,1 mbar bis 10 mbar. Im Anschluss kann ein Ventil, das zwischen der Schleusenkammer und dem Vakuumpumpen-System angeordnet ist, geschlossen werden. Das Ventil ist über eine Leerlaufzeit, die etwa das Ein- bis Zehnfache der Abpumpzeit beträgt, geschlossen. Eine weitere typische Anwendung sind große Prozesskammern, wie sie beispielsweise zur Wärmebehandlung oder Veredelung von Metallen verwendet werden. In diesem Anwendungsfall sind typische Abpumpzeiten 2 Minuten bis 30 Minuten. Nach der Abpumpzeit ist die Prozesskammer auf dem gewünschten niedrigen Druckniveau. Es fließt jedoch weiterhin ein relativ niedriger Prozessgasstrom, so dass kontinuierlich ein kleiner Gasstrom abgegrenzt werden muss. Hierbei handelt es sich um die Haltezeit, die ungefähr das Zweifache bis Zehnfache der Abpumpzeit beträgt.

Sowohl bei Schleusenkammern als auch bei entsprechend großen Prozesskammern ist es zur Realisierung kurzer Abpumpzeiten erforderlich, dass das Vakuumpumpensystem sehr groß dimensioniert ist. Während der Leerlaufzeit bzw. während der Haltezeit sind die großen Saugvermögen der Pumpsysteme jedoch nicht notwendig. Dies führt zu einer hohen Stromaufnahme und somit einem hohen Energieverbrauch.

Wird beispielsweise eine Schraubenpumpe zur Evakuierung einer Kammer wie einer Schleusenkammer oder einer Prozesskammer eingesetzt, so besteht die Problematik, dass zwischen den Rotorelementen der Schraube und dem Gehäuse ein Spalt vorgesehen ist, der, da es sich um eine trockenverdichtete Vakuumpumpe handelt, nicht durch ein Schmiermittel abgedichtet ist. Die Spalthöhe hängt hierbei insbesondere von der Rotortemperatur ab. Da durch den Spalt stets ein Rückströmen des zu fördernden Mediums erfolgt, wird die optimale Förderleistung der Pumpe erst bei Erreichen der Betriebstemperatur und somit bei einem sehr geringen Spalt erzielt. Sobald ein Solldruck in einer Prozesskammer erzielt ist, wäre es je nach Pumptyp möglich, die Drehzahl der Pumpe und somit die Pumpleistung zu reduzieren oder gegebenenfalls die Pumpe sogar auszuschalten. Dies hat jedoch den Nachteil, dass, sobald der Druck in der Prozesskammer den Solldruck wieder übersteigt, zunächst die Pumpe wieder auf Betriebstemperatur gebracht werden muss, bevor die volle Pumpleistung erzielt wird . Dies würde zu nicht akzeptablen Druckschwankungen in der Prozesskammer führen. Es ist erforderlich, dass die Vakuumpumpe bei Überschreiten eines Solldrucks in der Prozesskammer unmittelbar wieder mit voller Pumpleistung betrieben werden kann, um ein ungewolltes Ansteigen des Drucks in der Prozesskammer und zu starke Druckschwankungen in der Prozesskammer zu vermeiden.

Bei Schleusenkammern muss die Pumpe vorzugsweise auf Nenndrehzahl gehalten werden, da sie sonst zum Ende der Leerlaufzeit erst beschleunigt werden müsste. Dies würde den Abpumpvorgang zeitlich verlängern.

Die Problematik, dass die Pumpe aufgrund von Dichtspalten auf Betriebstemperatur gehalten werden muss, um ein maximales Fördervolumen zu gewährleisten, besteht auch bei anderen trockenverdichtenden Vakuumpumpen, wie Klauenpumpen, Roots-Pumpen und dergleichen.

Zur Reduzierung des Energieverbrauchs von Pumpen und Pumpensystemen während der Leerlauf- bzw. Haltezeit sind unterschiedliche Lösungsansätze bekannt:

Es besteht die Möglichkeit, Vakuumpumpen mit hohem eingebauten Volumenverhältnis einzusetzen. Die technisch realisierbaren Volumenverhältnisse sind jedoch durch die Fertigungstechnik, den Bauaufwand und durch Anforderungen an die Robustheit und Dichtheit der Pumpstufen beschränkt. Insbesondere kann hierdurch nur eine geringe Reduzierung der Energieaufnahme erzielt werden. Zudem sind Lösungen erforderlich, die beim Abpumpvorgang auf hohe innere Verdichtung eine Überkompression vermeiden .

Des Weiteren ist eine Kombination von Vorvakuumpumpen mit den in Reihe geschalteten Roots-Pumpen bekannt. Durch diese Lösung kann ein großes Volumenverhältnis der gesamten Pumpkombination erreicht werden. Nachteilig ist allerdings, dass die Roots-Pumpe bei hohen Ansaugdrücken von beispielsweise ca. 100 mbar und mehr, nur wenig Unterstützung für die Vorpumpe liefert. Dies liegt darin begründet, dass ansonsten ein sehr großer Motor an der Roots-Pumpe installiert werden müsste und die Pumpe thermisch stark belastet würde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vakuumpumpen-System zu schaffen, bei dem in unterschiedlichen Betriebszuständen einerseits eine hohe insbesondere maximale Förderleistung der Vakuumpumpe, bzw. des Vakuumpumpen- Systems gewährleistet werden kann und andererseits der Energieverbrauch reduziert werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Vakuumpumpen- System gemäß Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Vakuumpumpen-System zur Evakuierung einer Kammer, bei der es sich insbesondere um eine Schleusen- oder Prozesskammer handelt, weist eine Hauptvakuumpumpe auf. Der Einlass der Hauptvakuumpumpe, bei der es sich in besonders bevorzugter Ausführungsform um eine Schraubenpumpe handelt, ist mit der zu evakuierenden Kammer mittelbar oder unmittelbar verbunden, wobei gegebenenfalls in einer Verbindungsleitung zwischen dem Einlass der Hauptvakuumpumpe und der zu evakuierenden Kammer ein schaltbares Ventil angeordnet sein kann. Mit der Hauptvakuumpumpe ist in Förderrichtung nachgeordnet eine Hilfsvakuumpumpe verbunden. Die Hauptvakuumpumpe weist auslassseitig einen Auslassbereich auf, bei dem es sich insbesondere um eine Kammer bzw. einen Raum handelt. Mit diesem Auslassbereich sind einerseits ein Hauptauslass und andererseits ein Einlass der Hilfsvakuumpumpe verbunden. Der Auslass der Hilfsvakuumpumpe ist sodann mit dem Hauptauslass verbunden.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Hilfsvakuumpumpe um eine Seitenkanalpumpe und besonders bevorzugt um eine Roots-Pumpe. Insbesondere das Vorsehen einer Roots-Pumpe hat den Vorteil, dass diese während der Haltezeit nur eine sehr geringe Energieaufnahme aufweist.

Um ein Zurückströmen von Medium, das von der Hilfsvakuumpumpe in den Hauptauslass gepumpt wurde, zurück in den Auslassbereich der Hauptvakuumpumpe zu vermeiden, ist in dem Hauptauslass ein Rückschlagventil angeordnet. Dieses Rückschlagventil ist in Strömungsrichtung in dem Hauptauslass angeordnet, bevor in den Hauptauslass der Auslass der Hilfsvakuumpumpe einmündet. Bei dem Rückschlagventil kann es sich um ein mechanisches oder auch um ein regel- bzw. schaltbares Rückschlagventil handeln.

Vorzugsweise sind die Hauptvakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Schraubenpumpe handelt, und die Hilfsvakuumpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Roots-Pumpe handelt, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Hierdurch ist eine sehr kompakte Bauweise möglich. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Pumpen mit einem gemeinsamen Antriebsmotor verbunden sind. Hierdurch können Herstellungs- und Energiekosten reduziert werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zumindest ein Förderelement der Hauptvakuumpumpe und zumindest ein Förderelement der Hilfsvakuumpumpe auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Insbesondere wenn als Hauptvakuumpumpe eine Schraubenpumpe und als Hilfsvakuumpumpe eine Roots-Pumpe vorgesehen sind, ist es besonders bevorzugt, dass beide Förderelemente der Hauptvakuumpumpe mit jeweils einem der beiden Förderelemente der Hilfsvakuumpumpe auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Hierdurch ist eine sehr kompakte und energiesparende Bauweise realisiert. Besonders bevorzugt ist es hierbei wiederum, dass der Antriebsmotor eine der beiden Wellen antreibt und über ein zwischengeschaltetes Getriebe oder unmittelbar ineinander greifende Zahnräder ein synchrones Antreiben der zweiten Welle gewährleistet ist. Die Hauptvakuumpumpe weist vorzugsweise eine innere Verdichtung auf, die >2 und besonders bevorzugt >3 ist. Die Hilfsvakuumpumpe weist vorzugsweise keine oder eine sehr geringe innere Verdichtung auf, die insbesondere <2 ist. Besonders bevorzugt ist es, dass die Hilfsvakuumpumpe keine oder zumindest annähernd keine innere Verdichtung aufweist. Dies vereinfacht die Fertigung; eine immer Verdichtung der Hilfspumpe ist aufgrund der großen Abstufung zur Hauptpumpe wenig lohnenswert.

Das Saugvermögen der Hilfsvakuumpumpe ist in bevorzugter

Ausführungsform kleiner als — , insbesondere kleiner als - des

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Saugvermögens der Hauptvakuumpumpe. Hierdurch ergibt sich eine hohe innere Verdichtung der Gesamtpumpe (Hauptpumpe und Hilfspumpe) und damit eine geringe Leistungsaufnahme.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vakuumpumpen-Systems.

In der schematischen Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in einem gemeinsamen Gehäuse 10 eine Schraubenpumpe 12 angeordnet. Die Schraubenpumpe 12 weist zwei jeweils auf einer Rotorwelle 14, 16 angeordnete schraubenförmige Rotorelemente 18 auf.

Die beiden Rotorwellen 16, 18 ragen durch eine Zwischenwand 20 des Gehäuses hindurch und tragen jeweils ein Rotorelement 22 einer Roots-Pumpe 24. Die in der Zeichnung linke Welle 14 ist ferner mit einem elektrischen Antriebsmotor 26 verbunden.

Der Elektromotor 26 treibt die Welle 14 an. Die Welle 16 wird über Zahnräder 28, die jeweils mit einer der beiden Wellen 14, 16 verbunden sind, angetrieben.

Ein Einlass 30 der Hauptvakuumpumpe 12 ist beispielsweise über eine Verbindungsleitung 31 mit einer nicht dargestellten, zu evakuierenden Kammer verbunden. Die Schraubenpumpe 12 fördert das Medium sodann in einen Auslassbereich 32 bzw. eine Auslasskammer 32. Aus dieser gelangt das Medium durch den Hauptauslass 34. In dem Hauptauslass 34 ist ferner ein Rückschlagventil 36 angeordnet.

Insbesondere im Haltebetrieb wird ein geringes Volumen an Medium durch einen Einlass 38 der Hilfsvakuumpumpe 24 angesogen und durch einen Auslass 40 der Hilfsvakuumpumpe ausgestoßen. Der Auslass 40 ist mit dem Hauptauslass 34 verbunden, wobei die Verbindung in Strömungsrichtung in dem Hauptauslass 34 hinter dem Rückschlagventil 36 erfolgt.