Die sechs häufigsten Fehler beim Einsatz von Vakuum-Boostern und wie man sie verwendet

Kleine Fehler bei der Einrichtung oder dem Betrieb können zu kostspieligen Stillstandszeiten, Schäden am Equipment oder einem vollständigen Ausfall führen. In diesem Artikel beleuchten wir die sechs häufigsten Fehler beim Betrieb eines Vakuum-Boosters und zeigen, wie sie vermieden werden können.

Unzureichendes Abkühlen vor Erreichen des Enddrucks

Ein Vakuum-Booster sollte zwischen dem Betrieb bei maximalem Differenzdruck und bei Enddruck abkühlen. Der maximale Differenzdruck wird während des Evakuierungszyklus erreicht und erzeugt die meiste Wärme. Infolgedessen steigt die Temperatur plötzlich an, wodurch sich der Abstand zwischen Rotor und Gehäuse verringert. Bei Enddruck sind nahezu keine Gase mehr vorhanden. Die Wälzkolben drehen sich mit sehr hoher Geschwindigkeit, aber es gibt nur minimalen - oder gar keinen - Gasdurchsatz. Das bedeutet, dass die Wärme nicht schnell über das Gas und die Gehäuseoberfläche abgeführt werden kann. Bei wiederholten Zyklen mit unzureichender Kühldauer haben die Wälzkolben aufgrund des verringerten Spaltmaßes nicht mehr genügend Platz zum Drehen, und der Vakuum-Booster blockiert. Im Extremfall kann dies zu einem Totalausfall führen.

Übermäßige Temperaturschwankungen

Ein plötzlicher starker Abfall der Umgebungstemperatur während des Betriebs, insbesondere bei Enddruck, kann für einen Booster kritisch sein. Durch den Temperaturschock zieht sich das Gehäuse zusammen, während die Wälzkolben noch heiß sind. Genau wie bei einer zu kurzen Kühldauer verringert sich der benötigte Abstand zwischen Gehäuse und Wälzkolben, was dazu führt, dass der Vakuum-Booster blockiert. Um Temperaturschocks zu vermeiden, sollte der Betreiber das plötzliche Öffnen von Türen in der Nähe des Vakuum-Boosters vermeiden, insbesondere bei hohen Temperaturunterschieden im Winter. Außerdem müssen im Freien aufgestellte Booster durch ein Dach oder Verdeck vor Regen geschützt werden.

Auch im Brandfall ist äußerste Vorsicht geboten. Wenn Löschwasser auf den Vakuum-Booster gerichtet wird, kann das Gehäuse reißen. Dies gilt insbesondere für Booster mit Grauguss-Gehäusen. Sphäroguss ist aufgrund der höheren Materialfestigkeit besser geeignet, derartigen Temperaturschwankungen standzuhalten.

Plötzlicher Flüssigkeitszulauf

Flüssigkeitszulauf stellt ein Risiko in Prozessen dar, die kondensierbare Dämpfe, feuchte Gase, Flüssigkeitsübertragung oder thermische Zyklen umfassen. Dazu gehören Anwendungen wie Vakuumdestillation und Benzindampfrückgewinnung. Kleine Flüssigkeitsmengen können dank der von der Vorpumpe und dem Vakuum-Booster erzeugten Vakuumbedingungen schnell und einfach verdampfen - unter Vakuum senkt der reduzierte Druck den Siedepunkt der Flüssigkeit, sodass sie auch bei niedrigeren Temperaturen schnell verdampft. Jedoch kann es zu Problemen kommen, wenn plötzlich große Flüssigkeitsmengen aus dem Prozess in die Vakuumpumpen fließen. Dieser plötzliche Flüssigkeitszulauf kann den gleichen Effekt haben wie eine Senkung der Lufttemperatur und zu einem plötzlichen Abkühlen und letztendlich zur Zerstörung des Boosters führen. Die zusätzliche Flüssigkeitsmenge kann nicht schnell genug verdampfen, und der Druck auf der Vorvakuumseite kann auf ein zu hohes Niveau ansteigen, was zu Problemen wie Überhitzung, Stillstand oder mechanischen Schäden führen kann. Um derartige Situationen zu vermeiden, sollte ein Behälter - zum Beispiel ein Flüssigkeitsabscheider - zwischen der Prozesskammer und dem Vakuum-Booster installiert werden, damit die Flüssigkeit abgeschieden wird, bevor sie zum Booster gelangt.

Nichtbeachtung des richtigen Verhältnisses zwischen Booster und Vorpumpe

Bei Anwendungen mit Zykluszeiten von nur wenigen Sekunden, beispielsweise schnell umschaltende Loadlocks, muss der Betreiber sicherstellen, dass das Stufenverhältnis - das Verhältnis des Saugvermögens des Vakuum-Boosters zu dem der Vorpumpe - gering ist, also zum Beispiel 2:1 beträgt. Das Stufenverhältnis ist maßgebend für die Systemevakuierungszeit, den Energieverbrauch, die Gesamtkosten und den Platzbedarf des Equipments sowie die beim Betrieb entstehende Wärme. Höhere Stufenverhältnisse sind möglich, gehen jedoch zu Lasten der Zykluszeit. Daher wird das Stufenverhältnis unter Berücksichtigung der Anwendungsanforderungen gewählt.

Für eine kleine Load-Lock-Kammer, wie sie beispielsweise im Wafer-Transfer bei Halbleiteranwendungen zum Einsatz kommt, könnte dies ein Saugvermögen von 500 m3/h für den Booster und 250 m3/h für die Vorpumpe bedeuten. Das Gas weist zwischen Atmosphärendruck und etwa 100 hPa (mbar) die höchste Dichte und die größte Anzahl zu entfernender Moleküle auf, sodass ein niedriges Saugvermögen bereits ausreicht. Dieser Bereich wird hauptsächlich mithilfe der Vorpumpe evakuiert. Mit sinkendem Druck reduziert sich jedoch auch die Anzahl der Moleküle pro Liter, sodass das viel höhere Saugvermögen eines Boosters erforderlich ist, um Moleküle mit effizienter Geschwindigkeit zu entfernen. Vorpumpen sind darauf ausgelegt, dichte Gase und große Druckdifferenzen zu bewältigen, aber keinen hohen Volumenstrom. Booster hingegen sind für die Förderung großer Mengen sehr dünner Gase optimiert, weshalb ihr Saugvermögen höher ist.

Unterhalb von 100 hPa (mbar) erhöhen Vakuum-Booster den Volumenstrom des Systems erheblich und erreichen einen maximalen Durchsatz von weniger als 10 hPa (mbar). Aus diesem Grund muss die Vorpumpe eine geeignete Größe aufweisen, damit sie einen Druck von 100 hPa (mbar) effizient erreichen kann. Eine falsche Dimensionierung der Vorpumpe kann mehrere negative Folgen haben: Erstens verlängert eine kleine Vorpumpe die Zykluszeit, was sich negativ auf die Produktivität der Anwendung auswirkt und möglicherweise zu Fehlern oder einer geringeren Produktqualität führt. Zweitens steigt auch der Energieverbrauch, da die Vakuumpumpen härter arbeiten müssen, um das gewünschte Vakuumniveau zu erreichen. Und drittens beschleunigt die zusätzliche Belastung den Verschleiß sowohl des Vakuum-Boosters als auch der Vorpumpe, was den Wartungsbedarf und die damit verbundenen Kosten erhöht.

Ansammlung von Staub und Schmutz

Bestimmte Prozesse, wie Metallurgie und Kristallziehen, erzeugen erhebliche Mengen an Partikeln und Staub. Es wird daher empfohlen, Staubfilter auf der Saugseite zu installieren, um sowohl den Vakuum-Booster als auch die nachgeschaltete Vakuumpumpe zu schützen. Diese Filter verhindern, dass Schmutz in die Vakuumpumpen gelangt und Schäden im Verdichtungsraum verursacht, die andernfalls zu verminderter Effizienz, erhöhtem Wartungsbedarf und Prozessunterbrechungen führen könnten.

Darüber hinaus sollten am Einlass des Vakuum-Boosters Siebe installiert werden, um das Eindringen größerer Partikel zu verhindern. Sie schützen auch vor Schweißperlen, die sich aus den Schweißverbindungen in den Rohrleitungen lösen können. Es sollten vom Hersteller der Vakuumpumpe bereitgestellte Siebe verwendet werden, um sicherzustellen, dass der freie Querschnitt dem Nenndurchmesser des Einlasses der Vakuumpumpe entspricht. Damit wird das Saugvermögen nicht durch Leitwertverluste beeinträchtigt. Wenn die Sieböffnung kleiner ist als der Nenndurchmesser des Einlasses der Vakuumpumpe, schränkt dies den Gasdurchfluss ein. Dadurch sinkt das effektive Saugvermögen. Die Verwendung von vom Hersteller der Vakuumpumpe ausgelegten Sieben gewährleistet, dass die Öffnung groß genug ist, um die Leistung der Vakuumpumpe nicht zu beeinträchtigen.

Fehlende Sicherstellung der Leckdichtheit beim Handling kritischer Gase

Beim Pumpen von kostspieligen Reingasen wie Helium-3 oder Helium-4 ist jeder Austausch mit der Umgebungsluft zu vermeiden. Diese Gase sind äußerst wertvoll und werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die sehr hohe Reinheitsgrade erfordern. Selbst geringe Verunreinigungen durch Lufteinbruch können die Qualität und Wirksamkeit des Gases in diesen Anwendungen erheblich beeinträchtigen.

Daher ist eine hohe Dichtheit der Vakuumpumpe mit Leckraten von weniger als 10-5 (mbar) l/s unerlässlich. Wellenabdichtungen stellen hier teilweise ein Problem dar: Sie können mit zunehmendem Verschleiß undicht werden. Aus diesem Grund werden Vakuumpumpen mit Permanentmagnetkupplungen anstelle herkömmlicher Wellendurchführungen empfohlen.

Alternativ kann ein Vakuum-Booster mit einem Spaltrohrmotor verwendet werden. Ein Spaltrohrmotor umschließt den Rotor in einem hermetisch dichten Spaltrohr, wodurch externe Wellenabdichtungen überflüssig werden und somit potenzielle Leckstellen entfallen. Da der Spaltrohrmotor jedoch für eine bestimmte Vakuumpumpe entwickelt wird, darf er nur vom Hersteller der Vakuumpumpe gewartet werden. Magnetkupplungen hingegen ermöglichen den Einsatz von kostengünstigeren Standardmotoren.

Fazit

Die richtige Wartung und ein ordnungsgemäßer Betrieb sind der Schlüssel zur Maximierung der Effizienz und Lebensdauer eines Vakuum-Boosters. Wenn sich Betreiber an bewährte Verfahren halten, indem sie zum Beispiel für eine ausreichende Kühldauer vor Erreichen des Enddrucks sorgen, plötzliche Temperaturschwankungen vermeiden, das richtige Verhältnis zwischen Vakuum-Booster und Vorpumpe aufrechterhalten, einen Flüssigkeitszulauf verhindern, Staubfilter installieren und die Leckdichtheit beim Handling kritischer Gase sicherstellen, können sie das Risiko von Ausfällen und Stillstandszeiten des Equipments erheblich reduzieren.

Das Verständnis dieser häufigen Fehler und die Befolgung der angeratenen Vorgehensweisen verbessern nicht nur die Leistung des Vakuum-Boosters, sondern tragen auch zu sichereren und wirtschaftlicheren industriellen Prozessen bei.