Die 10 häufigsten Fehler beim Einsatz von Turbomolekular-Vakuumpumpen und deren Vermeidung.

Turbomolekular-Vakuumpumpen, auch Turbopumpen genannt, sind das Herzstück vieler Hightech-Prozesse - von der Halbleiterproduktion bis hin zu Forschungslaboren. Jedoch können schon kleine Fehler bei der Einrichtung oder dem Betrieb zu kostspieligen Stillstandszeiten, Schäden am Equipment oder einem vollständigen Ausfall der Vakuumpumpe führen. In diesem Artikel besprechen wir die zehn häufigsten Fallstricke und zeigen, wie Sie sie vermeiden können.

1. Falsche Auslegung von Hochvakuumleitungen

Hochvakuumleitungen und -ventile sollten dem Nennsaugvermögen der Hochvakuumpumpe entsprechend ausgelegt werden. Andernfalls kommt es aufgrund eines ungünstigen Leitwerts zu erheblichen Verlusten des effektiven Saugvermögens.

Zur Veranschaulichung der möglichen Auswirkungen einer falsch ausgelegten Hochvakuumleitung hier ein Beispiel mit einer Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einem Nennsaugvermögen von 260 l/s, Luft als Fördermedium und einer 250 mm langen Vakuumleitung:

Wenn die verwendete Vakuumleitung deutlich kleiner ist als der Flanschdurchmesser der Turbomolekular-Vakuumpumpe (DN 100 (100 mm)), verringert sich das effektive Saugvermögen. Eine Vakuumleitung mit DN 25 (25 mm) ergibt am Leitungsende nur ca. 7,4 l/s. Entspricht der Durchmesser dem der Turbomolekular-Vakuumpumpe, erhöht sich das effektive Saugvermögen auf 170 l/s.

Selbst eine Turbomolekular-Vakuumpumpe mit einer Flanschgröße von DN 320 (320 mm) und einem Nennsaugvermögen von 3200 l/s würde am Ende einer Vakuumleitung der Größe DN 25 nur circa 7,6 l/s liefern. Das bedeutet, dass diese Turbomolekular-Vakuumpumpe, die hinsichtlich ihres Nennsaugvermögens zwölfmal größer ist als die Vakuumpumpe im ersten Beispiel, praktisch keinen zusätzlichen Nutzen bietet.

2. Starre Vakuumanschlüsse

In den meisten Anwendungen ist für eine sichere, langfristige Installation eine starre Verbindung zwischen dem Hochvakuumflansch der Turbomolekular-Vakuumpumpe und der Kammer erforderlich. In solchen Fällen ist es jedoch wichtig, den Anschluss der Vorvakuumleitung oder das untere Ende der Turbomolekular-Vakuumpumpe flexibel zu lassen. Eine starre Verbindung führt bei thermischer Belastung der Vakuumpumpe zu Spannungen, die im ungünstigsten Fall das Laufverhalten der Turbopumpe beeinträchtigen und Schäden an Lager sowie Rotor verursachen.

3. Unkontrollierte Schwingungen durch Resonanzfrequenzen

Turbomolekular-Vakuumpumpen werden ausgewuchtet, um einen vibrationsarmen Betrieb und eine optimale Lagerlebensdauer zu gewährleisten. Allerdings durchlaufen alle Turbomolekular-Vakuumpumpen während des normalen Hochlaufs bestimmte Resonanzfrequenzen. Erreichen diese Frequenzen die Resonanzfrequenz der Vakuumkammer oder des gesamten Systems, erhöht sich ihre Amplitude deutlich. Dieses natürlich auftretende Phänomen führt dazu, dass die Vakuumpumpe vibriert und höhere Geräuschpegel als üblich erzeugt. Auch wenn dieser Effekt an sich normal und nicht auf ein Problem mit der Turbomolekular-Vakuumpumpe zurückzuführen ist, sollten die ursächlichen Frequenzen möglichst vermieden werden, um Schäden durch auftretende Schwingungen zu verhindern. Daher empfiehlt es sich, die Eigenfrequenz des Systems zu bestimmen und diese Werte mit dem Vakuumpumpenhersteller zu besprechen, um zu klären, wie Schwingungen vermieden werden können. Dies lässt sich durch eine Verstärkung der Kammerwände oder die Installation schwingungsdämpfender Elemente zwischen Vakuumpumpe und Vakuumkammer erreichen. Zusätzliche Gewichte oder eine Anpassung der Pumpendrehzahl stellen weitere wirksame Maßnahmen dar.

4. Ungeeignete Anschlüsse zwischen Hochvakuumflansch und Vakuumkammer

Turbomolekular-Vakuumpumpen speichern eine enorme Menge an mechanischer Energie, vergleichbar mit der Energie eines freien Falls einer Turbomolekular-Vakuumpumpe aus 300 m Höhe. Bei einem Rotorausfall wird diese Energie innerhalb von Millisekunden freigesetzt und erzeugt ein erhebliches Drehmoment. Eine unsachgemäße Auslegung der Vakuumkammer oder eine falsche Befestigung der Turbomolekular-Vakuumpumpe kann zu einer Verformung der Kammer und im schlimmsten Fall zum Verdrehen oder gar Abreißen der Turbomolekular-Vakuumpumpe vom Flansch führen.

Hersteller von Turbomolekular-Vakuumpumpen empfehlen, den Flanschanschluss idealerweise als ISO-F auszuführen. Die Verschraubung der Turbopumpe durch die ISO-F Flanschlöcher verhindert ein Verdrehen der Vakuumpumpe. Dies gilt auch für CF-F Flanschverbindungen. In jedem Fall muss die Befestigung nach den Vorgaben der Hersteller erfolgen. Sie bieten Montagesätze an, die die entsprechende Anzahl an Klammer- oder Befestigungsschrauben in der erforderlichen Materialqualität und passende Zentrierringe beinhalten. Nur so kann sichergestellt werden, dass der Anschluss im Crashfall intakt und leckdicht bleibt. Die Drehmomentwerte können der Betriebsanleitung der Turbomolekular-Vakuumpumpe entnommen werden und sind strikt einzuhalten.

5. Unzureichender Schutz gegen Fremdkörper

Fremdkörper, die in den Rotor der Turbomolekular-Vakuumpumpe fallen, können irreparable Schäden verursachen. Um dies zu verhindern, wird empfohlen, einen Splitterschutz oder ein Schutzgitter in den Hochvakuumflansch der Turbomolekular-Vakuumpumpe zu integrieren. Dies schützt die Vakuumpumpe vor Partikeln, hat aber den Nebeneffekt eines verringerten Strömungsleitwerts. Dadurch verringert sich das Saugvermögen - je nach Gasart um bis zu 30 %. Alternativ kann die Turbomolekular-Vakuumpumpe gegebenenfalls kopfüber auf die Kammer gesetzt werden, da Fremdkörper durch die Schwerkraft nach unten fallen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Vakuumpumpe für den Kopfüberbetrieb geeignet ist. Ist eine solche Installation nicht möglich, kann die Vakuumpumpe auf einem T-Stück in einem Winkel von 90 ° zur Seite aufgestellt werden. Der Vorvakuumanschluss sollte nach unten zeigen.

6. Ausheizen der Vakuumpumpe bei zu hohen Temperaturen

In einigen Anwendungen müssen das System und die Turbomolekular-Vakuumpumpe konditioniert werden, um optimale Prozessparameter zu erreichen, wie verbesserte Pumpzyklen, reduzierte Restgaslast und höhere Vakuumpumpeneffizienz. Die Konditionierung kann zum Beispiel mittels Ausheizen erfolgen. Beim Ausheizen der Turbomolekular-Vakuumpumpe ist es wichtig, die vom Hersteller angegebenen Höchsttemperaturen am Hochvakuumflansch einzuhalten. Sie liegen in der Regel zwischen 100 und 120 °C. Bei Überschreitung der zulässigen Temperatur überhitzt die Vakuumpumpe, und es kann zu Schäden an Lagern oder Rotoren kommen. Während des Ausheizens ist eine Wasserkühlung zwingend erforderlich. Die Ausheizdauer sollte mindestens sechs Stunden betragen.

7. Überschreiten des maximal zulässigen Vorvakuumdrucks

Turbomolekular-Vakuumpumpen, die neben den Turbostufen über zusätzliche Kompressionsstufen verfügen, können Vorvakuumdrücke von über 30 hPa (mbar) bewältigen. Turbopumpen mit reinen Turboscheiben können jedoch in der Regel nur 2-3 hPa (mbar) tolerieren. Die Grenzwerte variieren je nach Fördermedium. Werden diese Werte überschritten, können der Rotor und die gesamte Turbomolekular-Vakuumpumpe überhitzen, was zu Schäden oder sogar zum Totalausfall durch zu hohe Gasreibung und unzureichende Wärmeabfuhr führt.

Eine Turbomolekular-Vakuumpumpe kann nicht gegen Atmosphärendruck arbeiten und wird daher immer in Kombination mit einer Vorpumpe betrieben. Diese Vakuumpumpe - normalerweise eine ölgeschmierte Drehschieber- oder eine trockene Vakuumpumpe - reduziert den Vorvakuumdruck von Atmosphärendruck auf Grob- oder Feinvakuum. Wenn diese Vorpumpe ausfällt und nicht mit einem Hochvakuum-Sicherheitsventil ausgestattet ist, wird die Turbomolekular-Vakuumpumpe durch die Vakuumleitung rückbelüftet. Das kann zu einer Verunreinigung der Turbomolekular-Vakuumpumpe und des angeschlossenen Systems durch Ölpartikel aus der Vorpumpe führen. Außerdem kann es den schnell drehenden Rotor mechanisch belasten. Wenn eine größere Vakuumkammer an die Turbomolekular-Vakuumpumpe angeschlossen ist, kann durch die Vakuumleitung eintretende Luft zu einer Anhebung des Rotors führen - ein Phänomen, das als "Helikoptereffekt" bezeichnet wird - und einen Rotorausfall verursachen. Um dies zu verhindern, bieten Hersteller Sicherheitsventile an, die entweder in die jeweiligen Vorpumpen integriert oder als separate Lösungen erhältlich sind, um die Turbomolekular-Vakuumpumpe und die Kammer bei einem Ausfall der Vorpumpe zu isolieren. In einem solchen Fall schließen die Ventile innerhalb von Millisekunden; sie können durch einen Drucksensor oder ein Vakuumpumpen-Ausfallsignal ausgelöst werden.

8. Keine oder falsche Belüftung von Vakuumpumpe und System

Turbomolekular-Vakuumpumpen erzeugen aufgrund ihrer herausragenden Verdichtung und ihres einzigartigen Designs ein sehr sauberes, kohlenwasserstofffreies Vakuum. Nach dem Abschalten der Turbomolekular-Vakuumpumpe oder des gesamten Vakuumsystems kann der Druckausgleich von der Vorvakuum- zur Hochvakuumseite jedoch dazu führen, dass Schadstoffe und Ölpartikel zurück in die Turbomolekular-Vakuumpumpe gelangen, wenn keine Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Wenn auf der Hochvakuumseite kein Ventil oder Schieber installiert ist, setzt sich diese Verunreinigung in das Vakuumsystem fort. Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, besteht darin, die Turbomolekular-Vakuumpumpe mit trockenem Gas wie Stickstoff oder ölfreier Luft zu belüften und so einen Druckanstieg von der Hochvakuum- zur Vorvakuumseite zu erzeugen. Dieser kontrollierte Druckgradient verhindert, dass Schadstoffe während des Druckausgleichs das Vakuumsystem verunreinigen. Zudem werden eventuelle Restdämpfe verdünnt und damit ihre Partialdrücke reduziert, sodass sie nicht in die Turbomolekular-Vakuumpumpe gelangen können.

Um das Kontaminationsrisiko oder sogar die Gefahr von Schäden weiter zu verringern, ist ein Hochvakuum-Sicherheitsventil an der Vorpumpe erforderlich; dieses verhindert, dass Luft zurückströmt, wenn die Vorpumpe ausgeschaltet wird (wie in Punkt 7 beschrieben). Die Antriebselektronik der Turbomolekular-Vakuumpumpe bietet intelligente Modi zur sicheren Belüftung bei einer bestimmten Drehzahl in Kombination mit dem entsprechenden Belüftungsventil. Da das Verdichtungsverhältnis einer Turbomolekular-Vakuumpumpe auch von der Drehzahl abhängt, ist der Zeitpunkt für den Beginn der Belüftung optimal, wenn die Drehzahl der Turbomolekular-Vakuumpumpe auf etwa 50 % des Nennwerts gesunken ist. Bei instabilem Netz mit häufigen Stromausfällen wird empfohlen, ein sogenanntes Stromausfall-Belüftungsventil zu verwenden, das die Vakuumpumpe bei einem Stromausfall automatisch belüftet und diese ordnungsgemäß stoppt.

9. Unzureichender Schutz vor Magnetfeldern, Strahlung und großer Hitze

Magnetfelder erzeugen im Rotor einer laufenden Turbomolekular-Vakuumpumpe Wirbelströme, die ihrer Drehrichtung entgegenwirken. Die hierzu erforderliche Energie bewirkt, dass der Antrieb der Turbopumpe den Rotor überhitzen kann.

Die für die Vakuumpumpe maximal zulässigen Magnetfelder sind in der entsprechenden Betriebsanleitung in Millitesla (mT) angegeben. Werden diese Werte überschritten, muss die Vakuumpumpe mit geeigneten Abschirmungen versehen oder, wenn die Verteilung des Magnetfelds bekannt ist, anders aufgestellt werden.

In Teilchenbeschleunigern tritt Neutronen- und Gammastrahlung unterschiedlichster Intensität und Dauer auf. Diese Strahlung zerstört Leistungstransistoren, Dioden und elektronische Bauteile, die meist wesentliche Bestandteile der Antriebselektronik darstellen. Um dies zu vermeiden, müssen die elektronischen Bauteile aus dem betroffenen Bereich entfernt werden. Für diese Anwendungen empfiehlt sich der Einsatz von diskreten Antriebselektroniken, die außerhalb der Strahlung installiert werden und durch entsprechende Verbindungskabel mit der Turbopumpe verbunden sind.

Unter Vakuumbedingungen wird Wärme hauptsächlich über Wärmestrahlung übertragen. Sind für den Prozess heiße oder sehr heiße Oberflächen erforderlich, wie z. B. in bestimmten Verschleißschutz-Beschichtungsprozessen, muss der Rotor der Turbomolekular-Vakuumpumpe beispielsweise durch einen geeigneten Strahlenschutz vor diesen heißen Oberflächen geschützt werden. Andernfalls wird diese induzierte Wärme nicht ausreichend abgeleitet und kann zu einer Überhitzung des Rotors führen. Schwere Schäden können die Folge sein, daher ist eine geeignete Abschirmung erforderlich.

10. Fehlende Vorsichtsmaßnahmen für den Prozess

Es ist unerlässlich, eine für den Prozess geeignete Turbomolekular-Vakuumpumpe auszuwählen und sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß vorbereitet ist. Beispielsweise sollten für korrosive Prozesse - insbesondere in der Halbleiterindustrie - mehrere Vorsichtsmaßnahmen zum Schutz der Turbomolekular-Vakuumpumpe getroffen werden.

Ein Sperrgas, wie zum Beispiel Stickstoff, sollte verwendet werden, um Motor und Lager zu schützen. Es erzeugt eine saubere Überdruckdichtung zwischen der Prozessseite der Pumpe und den empfindlichen internen Komponenten, wodurch das Eindringen korrosiver Gase in die Turbomolekular-Vakuumpumpe verhindert wird. Die in der Betriebsanleitung angegebene Druckvorgabe für das Sperrgas muss jedoch eingehalten werden. Darüber hinaus muss die zusätzliche Gaslast beim Design der Vorpumpe berücksichtigt werden. Die Verwendung eines geeigneten synthetischen Schmiermittels für Turbopumpen mit Kugellagern verhindert Oxidation. Darüber hinaus ist es sinnvoll, korrosionsbeständige Materialien wie Nickel- oder Keramikbeschichtungen auf den Rotoren zu verwenden.

Bestimmte Prozesse wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) sind anfällig für Ablagerungen. Diese können zu Unwuchten und Vibrationen oder Verstopfungen durch Kondensation in der Vakuumpumpe führen, was Störungen oder sogar einen Rotorabsturz verursachen kann. Wenn möglich, sollte die Turbopumpe kopfüber installiert werden, damit Staub nicht so leicht hineingelangen kann. Es ist auch sinnvoll, ein Prallblech zu installieren, um zu verhindern, dass Staub direkt in die laufende Vakuumpumpe fällt. Die Modifizierung der Turbomolekular-Vakuumpumpe mit optionalen Temperaturmanagement-Systemen vermeidet oder minimiert Verstopfungen und bietet eine höhere Verfügbarkeit.

Fazit

Die Vermeidung der häufigsten Fehler beim Einsatz von Turbomolekular-Vakuumpumpen ist für einen sicheren, effizienten und langlebigen Betrieb unerlässlich. Viele dieser Probleme lassen sich durch die Befolgung der Herstellerempfehlungen, die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Installation und die Verwendung von geeignetem Zubehör vermeiden. Die ideale Vakuumlösung zum besten Preis steht aus Sicht des Kunden fast immer im Fokus. Dies birgt jedoch oft das Risiko, aus Kostengründen eine suboptimale Konfiguration der Vakuumpumpe auszuwählen, was später zu längeren Stillstandzeiten und höheren Wartungskosten führt. Die Wahl zuverlässiger Turbopumpen und des passenden Zubehörs in Kombination mit sorgfältigem Betrieb und Überwachung zahlt sich langfristig aus. Um sicherzustellen, dass die Turbomolekular-Vakuumpumpe und ihre Konfiguration vollständig für den Prozess geeignet sind, ist eine ausführliche Beratung mit dem Hersteller unerlässlich. So kann bestätigt werden, dass das System seine Aufgabe effektiv - und über viele Jahre hinweg - erfüllen kann.