Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abreaktion selbstentzündlicher Stäube in einer trockenverdichtenden Vakuumpumpvorrichtung sowie eine entsprechende Vakuumpumpe.
Bei metallurgischen und verschiedenen anderen Prozessen, die im Vakuum ablaufen, entstehen häufig Partikel oder Feinstäube, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer großen Oberfläche so reaktiv sind, dass sie sich beim Kontakt mit Umgebungsluft selbst entzünden, wobei sie mit dem Luftsauerstoff abreagieren. Solche Prozesse sind beispielsweise das Czochalsky-Verfahren zur Herstellung von Silzium-Einkristallen oder das Schmelzen und Entgasen von Stählen. Im ersten Fall entsteht Siliziumoxid (SiO) und im zweiten Fall entstehen metallische Feinstäube, wie z. B. Magnesiumstaub. Die StaubPartikel werden in die Vakuumpumpe eingesaugt, die das für den Prozess erforderliche Vakuum erzeugt. Bei ölgedichteten Vakuumpumpen werden die Staubpartikel von dem Schmierstoff aufgenommen und nicht aus der Pumpe ausgetragen. Da die Partikel zumeist sehr hart sind und zusammen mit dem Öl wie ein Schleifmittel wirken, führt dies häufig zu starkem Verschleiß innerhalb der Vakuumpumpe. Bei trockenverdichtenden Vakuumpumpen, wie z. B. Schraubenvakuumpumpen, besteht dagegen die Gefahr, dass durch die starke Reaktion bei plötzlichem Sauerstoffkontakt Explosionen entstehen. In beiden Fällen werden die Anlagen daher mit aufwendigen Staubfiltern versehen, die den Staub vor der Vakuumpumpe ausfiltern. Die Stäube sammeln sich innerhalb des Staubfilters, wodurch allerdings die Explosionsgefahr aber nicht beseitigt wird. Bei trockenverdichtenden Pumpen ist auch eine Akkumulation von Stäuben auspuffseitig der Vakuumpumpe möglich.
Die Stäube stellen auch ein Sicherheitsrisiko für das Wartungspersonal der Anlagen dar, da bei einer fehlerhaften Bedienung oder einen ungeplanten Anlagenbelüftung eine Entzündung der Stäube nicht ausgeschlossen werden kann. Eine solche Entzündung kann sogar im Filter oder in der Verrohrung auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abreaktion selbstentzündlicher Stäube in einer trockenverdichtenden Vakuumpumpe anzugeben, bei welchem eine kontinuierliche Oxidation der reaktiven Stäube innerhalb der Vakuumpumpe erfolgt, wodurch die Vakuumpumpe als solche vereinfacht und das Arbeiten an der Vakuumpumpe sicherer gemacht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1 definiert. Hiernach wird der Vakuumpumpvorrichtung während des Betriebes kontinuierlich dosiert Sauerstoff zugeführt, wodurch eine Oxidation des Staubes bewirkt wird.
Die Erfindung sieht eine gezielte Abreaktion oxidierbarer Stäube in der Vakuumpumpe vor. So wird beispielsweise Siliziumoxid (SiO) zu Siliziumdioxid (SiO2) oxidiert und Metalle werden zu Metalloxiden oxidiert. Da von der Vakuumpumpe im Wesentlichen Gas gefördert wird und der absolute Massenstrom an Staub pro Zeiteinheit relativ gering ist, stellt dieses Verfahren eine Möglichkeit dar, die reaktiven Stäube kontinuierlich und kontrolliert abreagieren zu lassen. Eine unkontrollierte Entzündung der Stäube wird sicher verhindert. Die Sauerstoffzufuhr kann in Form von reinem Sauerstoff oder in Form von Luft erfolgen. Durch die Zufuhr von Sauerstoff wird das Saugvermögen der Vakuumpumpe nur unwesentlich beeinträchtigt. Die pro Zeiteinheit in die Vakuumpumpe eingetragene Staubmenge ist so gering, dass sie mit einem relativ geringen Luft-Gasballast kontinuierlich verbrannt wird, ohne dass diese Verbrennung Schäden an der Pumpe hervorruft. Die Partikel, welche die Pumpe druckseitig wieder verlassen, sind sämtlich abreagiert. Eine Abscheidung von Stäuben kann somit mit üblichen Staubfiltern druckseitig erfolgen, ohne dass die Gefahr unkontrollierter Reaktionen besteht. Dies ermöglicht eine einfachere und kostengünstigere Installation der Vakuumpumpe. Eventuelle Ansammlungen von Stäuben in der auspuffseitigen Verrohrung sind sicherheitstechnisch unbedenklich, da nicht mehr reaktiv.
Das zugeführte sauerstoffhaltige Gas kann an geeigneter Stelle in die Vakuumpumpvorrichtung eingeführt werden, beispielsweise in den Schöpfraum am Pumpeneintritt, im Verlauf des Kompressionsraums oder am Pumpenaustritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann Anwendung finden bei einer trockenverdichtenden Vakuumpumpvorrichtung mit mindestens einem angetriebenen Kompressionsorgan und einem Gehäuse mit Pumpeneintritt und Pumpenaustritt. Das Gehäuse der Vakuumpumpe hat mindestens einen Sauerstoffeinlass mit einem Drosselventil zum Regulieren des Einlassquerschnittes aufweist.
Als trockenverdichtende Vakuumpumpvorrichtung kommen in Betracht: Schraubenpumpen, Klauenpumpen, Roots-Pumpen, Turboverdichter, Seitenkanalverdichter, trockenverdichtende Drehschieberpumpen und andere.
Die Vakuumpumpvorrichtung kann aus einer einzigen Vakuumpumpe bestehen oder auch aus mehreren in Reihe geschalteten Pumpen, von denen jede eine Pumpenstufe bildet. Der Sauerstoff kann auch in eine Reaktionskammer, die sich zwischen zwei Pumpenstufen befindet, eingeleitet werden. In diesem Fall ist ein Reaktionsraum vorgesehen. Als Reaktionsraum kann auch eine Rohrleitung dienen.
Gemäß einer Weiterbildung sind Temperatur- oder Drucksensoren zur Überwachung der Reaktion in der Vakuumpumpvorrichtung vorgesehen.
Ein Verfahren zum Reinigen der Vakuumpumpvorrichtung und der Zuleitungen von Stäuben kann darin bestehen, dass nach Ende des Prozesses die Zufuhr von Prozessgas beendet wird und weiterhin ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, z. B. Luft, durch die Pumpvorrichtung gefördert wird.
Schließlich kann der für die Oxidation erforderliche Sauerstoff auch im Sperrgas einer Wellendichtung enthalten sein. In diesem Fall strömt der Sauerstoff dosiert aus der Wellendichtung in einen Pumpenraum oder eine Leitung der Pumpvorrichtung.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Gemäß
Der Pumpeneintritt 20 bildet den Schöpfraum, der an die zu evakuierende Einrichtung angeschlossen wird. In diesen Schöpfraum wird das Prozessgas 38 eingesaugt. Es enthält Partikel 40 in Form nicht-oxidierter Stäube.
Der Pumpeneintritt 20 ist mit einem seitlich an das Gehäuse 10 angesetzten Sauerstoffeinlass 26 verbunden, der mit einem Drosselventil 28 versehen ist. Das Drosselventil 28 kann auf unterschiedliche Drosselquerschnitte eingestellt werden, um die Sauerstoffzufuhr zu regulieren. Der Sauerstoff kann reiner Sauerstoff sein oder Bestandteil eines Gasgemisches sein, z. B. von Luft.
Die Stäube reagieren in dem Pumpengehäuse 10 in kontrollierter Weise mit dem zugeführten Sauerstoff, sobald sich während der Verdichtung ein für die Reaktion erforderlicher Sauerstoffpartialdruck einstellt.
Eine alternative Ausführungsform des Sauerstoffeinlasses ist mit 26a bezeichnet. Der Sauerstoffeinlass 26a befindet sich im mittleren Bereich der Länge des Kompressionsraums 24, und zwar mittig zwischen den beiden zusammengreifenden schraubenförmigen Zähnen 16, 18.
Eine dritte Alternative bildet der Sauerstoffeinlass 26b, der am Pumpenaustritt 22 angeordnet ist.
Bei den Sauerstoffeinlässen 26, 26a erfolgt jeweils eine Ansaugung des Sauerstoffs bzw. der Außenluft, weil dort ein Vakuum vorhanden ist. Der Sauerstoffeinlass 26b ist hingegen am Pumpenaustritt 22 vorgesehen, wo Atmosphärendruck herrscht. Daher muss eine angesetzte Sauerstoffquelle einen Überdruck haben. In jedem Fall ist ein Drosselventil 28 an dem Sauerstoffeinlass vorgesehen.
Die vollen Kügelchen stellen in
Die Wellen zum Drehen der Schraubenrotoren sind in
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