Busch Group: Typische Booster-Fehler sicher vermeiden

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.

Übermäßige Temperaturschwankungen und Temperaturschock

Bei wiederholten Zyklen mit unzureichender Kühldauer haben die Wälzkolben aufgrund des verringerten Spaltmaßes nicht mehr genügend Platz zum Drehen – der Vakuum-Booster blockiert. Im Extremfall kann dies zu einem Totalausfall führen. 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 – 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. 

Äußerste Vorsicht im Brandfall

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 – insbesondere bei Booster-Gehäusen aus Grauguss. Sphäroguss ist aufgrund der höheren Materialfestigkeit besser geeignet, derartigen Temperaturschwankungen standzuhalten. 

Plötzlicher Flüssigkeitszulauf in den Booster

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. Probleme entstehen jedoch, wenn plötzlich große Flüssigkeitsmengen aus dem Prozess in die Vakuumpumpen fließen. Dieser plötzliche Flüssigkeitszulauf kann den gleichen Effekt haben wie eine Senkung der Lufttemperatur: Er führt zu einem abrupten Abkühlen und kann im Extremfall 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. Mögliche Folgen sind Überhitzung, Stillstand oder mechanische Schäden.

Falsches Verhältnis zwischen Booster und Vorpumpe

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. Bei Anwendungen mit Zykluszeiten von nur wenigen Sekunden, beispielsweise schnell umschaltenden Loadlocks, muss der Betreiber sicherstellen, dass das Stufenverhältnis – das Verhältnis des Saugvermögens des Vakuum-Boosters zu dem der Vorpumpe – gering ist, zum Beispiel 2:1. 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. 

Anwendungsanforderungen beim Stufenverhältnis berücksichtigen

Deshalb wird das Stufenverhältnis immer 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. Zwischen Atmosphärendruck und etwa 100 hPa (mbar) weist das Gas die höchste Dichte und die größte Anzahl zu entfernender Moleküle auf. In diesem Bereich reicht ein niedrigeres Saugvermögen oft aus – er wird hauptsächlich mithilfe der Vorpumpe evakuiert.

Geignete Größe der Vorpumpe ist wichtig

Mit sinkendem Druck reduziert sich jedoch die Anzahl der Moleküle pro Liter, sodass das deutlich höhere Saugvermögen eines Boosters erforderlich ist, um Moleküle mit effizienter Geschwindigkeit zu entfernen. Vorpumpen sind dafür 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.

Filter gegen 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 – Schäden, die andernfalls zu verminderter Effizienz, erhöhtem Wartungsbedarf und Prozessunterbrechungen führen könnten.

Herstellersiebe verwenden

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 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, schränkt dies den Gasdurchfluss ein – das effektive Saugvermögen sinkt. Herstellerseitig ausgelegte Siebe gewährleisten dagegen, dass die Öffnung groß genug ist, um die Leistung der Vakuumpumpe nicht zu beeinträchtigen.

Leckdichtheit beim Handling kritischer Gase sicherstellen

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 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.

Vakuum-Booster mit Spaltrohrmotor alternativ verwenden

Alternativ kann ein Vakuum-Booster mit einem Spaltrohrmotor verwendet werden. Ein Spaltrohrmotor umschließt den Rotor in einem hermetisch dichten Spaltrohr. Dadurch werden externe Wellenabdichtungen überflüssig und 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: Betriebssicherheit, Effizienz und Lebensdauer erhöhen

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 – etwa für ausreichende Kühldauer vor Erreichen des Enddrucks sorgen, plötzliche Temperaturschwankungen vermeiden, das richtige Verhältnis zwischen Vakuum-Booster und Vorpumpe sicherstellen, Flüssigkeitszulauf verhindern, Staubfilter installieren und die Leckdichtheit beim Handling kritischer Gase gewährleisten – lässt sich das Risiko von Ausfällen und Stillstandszeiten erheblich reduzieren. Das Verständnis dieser häufigen Fehler und die Befolgung der empfohlenen Vorgehensweisen verbessern nicht nur die Leistung des Vakuum-Boosters, sondern tragen auch zu sichereren und wirtschaftlicheren industriellen Prozessen bei.

Quelle: Busch Group