Trockenverdichtende Vakuumpumpen sind Pumpen mit ölfreien Schöpfräumen. Ihr Vorteil liegt darin, daß sie ein von Kohlenwasserstoffen freies Vakuum erzeugen. Sie werden deshalb bevorzugt zur Evakuierung von Kammern eingesetzt, in denen Ätz-, Beschichtungs- oder andere Vakuumbehandlungs- oder Vakuumherstellprozesse ablaufen. Als trockenverdichtende Vakuumpumpen haben sich insbesondere Rootspumpen oder mehrstufige Klauenpumpen bewährt, also Zweiwellenvakuumpumpen mit ein oder mehreren Stufen. In jeder Stufe befindet sich ein Rotorpaar. Die Drehbewegung der Rotoren erfolgt zueinander und zur Schöpfraumwandung hin berührungsfrei.
Beim Einsatz trockenverdichtender Vakuumpumpen bei den oben erwähnten Prozessen oder auch zur Evakuierung von Rezipienten, in denen chemische Prozesse ablaufen, geschieht es häufig, daß - je nach Applikation - Feststoffe oder Flüssigkeiten in die Pumpe gelangen. Solange diese lediglich durch die Pumpe hindurchgefördert werden, beeinträchtigen sie deren Funktion kaum. Häufig handelt es sich jedoch um chemisch oder physikalisch reagierende Stoffe, die zu Schichtbildungen (insbesondere bei Staubanfall) führen, so daß die Gefahr reduzierter Standzeiten der Vakuumpumpe besteht. Die Gefahr eines Staubanfalls besteht insbesondere dann, wenn die Pumpe Halbleiterprozeßgase fördert. Bei dieser Applikation bilden sich unter Umständen äußerst feine Feststoffpartikel erst während der Verdichtung der Gase, also während des Durchtritts der abzuführenden Gase durch die Vakuumpumpe. Unmittelbar oder mittelbar in die Vakuumpumpe gelangende Feststoffpartikel können sich im Schöpfraum ablagern, wo sie zunächst den zwischen den Rotoren befindlichen Spalt verengen. Weitere Ablagerungen führen dazu, daß sich die Rotoren berühren, was zu einem Aufwalzen der Feststoffpartikel auf die Rotoroberflächen führt. Nehmen die Ablagerungen weiter zu, dann kommt es zu einer Verdickung der aufgewalzten Schicht, so daß eine die Rotoren und damit die Rotorwellen auseinanderdrückende Kraft entsteht. Diese führt insbesondere bei einem weiteren Anwachsen der aufgewalzten Schicht zu Lagerschäden und damit zum Ausfall der Pumpe.
Aus den geschilderten Gründen werden beim Einsatz trockenverdichtender Vakuumpumpen in den geschilderten Applikationen die Pumpen in regelmäßigen, aus Sicherheitsgründen relativ kurzen Abständen gewartet, und zwar nicht nur mit dem Ziel, der Reduzierung von Standzeiten vorzubeugen, sondern auch, um durch Betriebsstörungen der Vakuumpumpe verursachte Betriebsunterbrechungen zu vermeiden. Für die notwendigen Wartungsarbeiten sind aber ebenfalls Betriebsunterbrechungen erforderlich, so daß man dennoch bestrebt ist, die Service-Intervalle nicht allzu kurz zu wählen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim Betrieb von trockenverdichtenden Vakuumpumpen wegen der Gefahr von Belagbildungen notwendigen, durch Wartungsarbeiten bedingten Betriebsunterbrechungen zu reduzieren, ohne jedoch das Risiko reduzierter Standzeiten bzw. das Risiko von Betriebsunterbrechungen durch Betriebsstörungen der trockenverdichtenden Vakuumpumpen zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe setzt die Überwachung von Belagbildungen voraus. Dieses geschieht dadurch, daß applikationsspezifische, zu Abweichungen vom normalen Betriebszustand führende Erscheinungen oder deren Wirkungen überwacht werden und daß nach dem Erreichen einer vorgegebenen Abweichungsgröße, die eine künftige Gefährdung des Betriebs der Vakuumpumpe erkennen läßt, Service-Maßnahmen ergriffen werden.
Entsprechend den in den Patentansprüchen angegebenen Lösungen der Aufgabe können Druckänderungen, Änderungen des Motorstromes, Änderungen eines Inertgasstromes oder Kapazitätsänderungen zur Überwachung von Belagbildungen in der Pumpe verwendet werden. Der mit diesen Vorschlägen verbundene Vorteil liegt im wesentlichen darin, daß unnötig häufige Betriebsunterbrechungen aufgrund von Wartungsarbeiten vermieden werden können. Belagbildungen in der Pumpe werden laufend überwacht. Anzeichen für drohende Störungen des Betriebs können rechtzeitig erkannt werden. Es besteht deshalb die Möglichkeit, die Service-Intervalle so lange auszudehnen, bis die Gefahr von Betriebsstörungen angezeigt wird. Da die Zeiten bis zu einer derartigen Anzeige von Applikation zu Applikation verschieden ist, können die Service-Intervalle der jeweiligen Applikation optimal angepaßt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Figur erläutert werden.
Die Figur zeigt die Ansicht einer mehrstufigen Klauenvakuumpumpe 1, wie sie beispielsweise aus der EU-A-365 695 bekannt ist. Die beiden letzten Stufen 2 und 3 sind geschnitten dargestellt, und zwar in Höhe einer der beiden Wellen 4. Der Antrieb der Wellen erfolgt mit Hilfe des Antriebsmotors 5 über nicht sichtbare Getrieberäder, die auch für die Synchronisation der Wellen 4 bzw. der Rotorpaare 6, 7 in den Stufen 2, 3 sorgen. Die Rotorpaare 6, 7 befinden sich in Schöpfräumen 8, 9, die durch Seitenschilde 11 (nur eines ist sichtbar) voneinander getrennt sind. Die letzte Stufe 3 wird gebildet vom Seitenschild 11 und von einer Auslaßscheibe 12, in der sich der Auslaßkanal 13 befindet. Die durch die Pumpe 1 geförderten, aus der letzten Stufe 3 ausgeschobenen Gase gelangen durch den Auslaßkanal 13 in einen Schalldämpfer 14 und von dort aus - ggf. nach einer Reinigung - ins Freie.
Die Wellen 4 durchdringen die Seitenschilde 11 und die Auslaßscheibe 12. In Höhe der Durchdringungen sind Labyrinthdichtungen 15 vorgesehen. Schematisch angedeutet ist weiterhin, daß die Labyrinthdichtungen 15 zwischen den Wellen 4 und der Auslaßscheibe 12 mit einem "purge seal" ausgerüstet sind. Dazu wird jeweils in einen Raum unterhalb der Labyrinthdichtung 15 über die Leitung 16 mit dem Gasratenmeßgerät 17 Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, eingelassen. Über die Labyrinthdichtungen 15 und den Spalt zwischen dem jeweiligen Rotor 7 und der zugehörigen Schöpfraumwand wird ständig ein Inertgasstrom aufrechterhalten, und zwar in Richtung Schöpfraum 9. Dadurch wird verhindert, daß schädliche Bestandteile der von der Klauenpumpe 1 geförderten Gase nicht in den unterhalb der Auslaßscheibe 12 befindlichen Lager- und Getrieberaum 18 gelangen.
Um die Funktion der dargestellten Klauenvakuumpumpe 1 in Bezug auf applikationsbedingte Abweichungen vom Normalbetrieb überwachen zu können, sind mehrere Alternativen schematisch dargestellt, die einzeln, mehrfach oder auch zusammen eingesetzt werden können. Bei allen Alternativen werden typische Betriebsparameter, die sich aufgrund von verfahrensbedingten Erscheinungen verändern, überwacht. Die von Meßgeräten aufgenommenen Signale werden einer Registrier- und Anzeigestufe 21 zugeführt. Diese Stufe hat die Aufgabe, zunächst ein Warnsignal anzuzeigen oder abzugeben. Dieses Signal wird zu einem Zeitpunkt abgegeben, zu dem die festgestellten, applikationsbedingten Erscheinungen noch nicht zu einer Störung des Betriebs der Pumpe geführt haben. Die Beseitigung der Ursachen für spätere Störungen kann nach der Abgabe des Warnsignales vorgenommen werden. Wird das Warnsignal nicht beachtet, dann ist es zweckmäßig, daß nach einem weiteren Ansteigen der Abweichungsgröße ein Alarmsignal erzeugt wird. Es zeigt entweder an, daß es nun dringend erforderlich ist, die Beseitigung von Ursachen für mögliche Störungen zu beseitigen; eine andere Möglichkeit besteht darin, daß gleichzeitig mit dem Erreichen des Alarm-Niveaus die Pumpe 1 abgeschaltet wird.
Der Überwachung der Schichtbildung innerhalb einer Stufe der Pumpe 1 können verschiedene Indikatoren zugrunde gelegt werden. Für eine trockenverdichtende Vakuumpumpe ist es beispielsweise typisch, daß das Druckverhältnis über die Stufen u.a. von dem Rückströmungsverlust in den Spaltdichtungen bestimmt wird. Bilden sich in diesen Spalten Beläge, so verringern sich die Spiele, so daß zunächst das Kompressionsverhältnis steigt, die Pumpeigenschaften also besser werden. Als Indikation kann deshalb das Druckverhältnis einer Stufe im Enddruckbetrieb oder mit Durchfluß verwendet werden. Die Messung des Druckverhältnisses erfolgt über Druckmeßgeräte 22, 23, deren Sensoren 24, 25 sich im Einlaß bzw. Auslaß der zu überwachenden Stufen (beim Ausführungsbeispiel in der Figur die Stufe 3) befinden. Bei zunehmender Belagbildung steigt das Druckverhältnis (Auslaßdruck zu Einlaßdruck). Empirisch ist zu ermitteln, bei welchen Größen des Druckverhältnisses das Warnsignal und das Alarmsignal abgegeben werden müssen. Auch allein die Überwachung des - sich verbessernden - Enddruckes der Pumpe läßt Rückschlüsse auf sich ausbildende Beläge in den Schöpfräumen und auf den Rotoren zu. Allerdings müßte hierzu die Pumpe vom Prozeßrezipienten getrennt werden.
Beläge und damit kleinere Spiele in den Schöpfräumen führen außerdem zu ungleichmäßigen Motorströmen. Ein Ansteigen dieser Unregelmäßigkeiten weist deshalb ebenfalls auf das Anwachsen von Belägen hin und kann zur Detektion verwendet werden. Beim Ausführungsbeispiel ist diese Alternative durch den dem Antriebsmotor 5 zugeordneten Sensor 26 und das Strommeßgerät 27 angedeutet, dessen Signal der Registrier- und Anzeigestufe 21 zugeführt werden.
Belagbildungen können auch den Auslaßkanal 13 und/oder den Schalldämpfer 14 verstopfen. Treten Erscheinungen dieser Art auf, dann lassen sich diese relativ früh durch Beobachtung der Leistungsaufnahme des Antriebsmotors 5, d.h., durch Beobachtung des Motorstromes mit Hilfe des Strommeßgerätes 27 erkennen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, diese Erscheinungen durch Druckmessungen (Druckabfall im Schalldämpfer mit Hilfe der Drucksensoren 31, 32 und der Meßgeräte 33, 34, Beobachtung des Auslaßdruckes mit Hilfe des Meßgerätes 23) frühzeitig erkennen zu können. Zur Feststellung einer beginnenden Verstopfung des Schalldämpfers könnte es ausreichen, wenn allein der Druck in seinem Einlaßbereich (Drucksensor 31) überwacht wird. Zuverlässiger ist jedoch die Feststellung des Druckabfalls, wozu zwei Drucksensoren 31 und 32 erforderlich sind.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, Belagbildungen kapazitiv erfassen zu können. Dazu sind in die Wandung des Schöpfraumes (beim Ausführungsbeispiel Schöpfraum 9) die Elektroden eines Kondensators 28 integriert. Belagbildungen führen zur Änderung der Kapazität, die mit Hilfe des Meßgerätes 29 gemessen werden können.
Außerdem besteht die Möglichkeit, Belagbildungen an der Inertgasrate, festgestellt mit dem Meßgerät 17, erkennen zu können. Belagbildungen führen zu einer Reduzierung der pro Zeiteinheit strömende Inertgasmenge.
Schließlich kann auch eine Überladung der Pumpe 1 mit Partikeln oder Flüssigkeiten dazu führen, daß der Motorstrom ansteigt oder daß er ungleichmäßig wird. In Bezug auf diese Erscheinungen kann also die Überwachung des Motorstroms bzw. seiner Gleichmäßigkeit zur Fehlerfrüherkennung benutzt werden.