EP4696893A1

EP4696893A1 - Pumpanordnung

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Publication number: EP4696893A1
Application number: EP25222753.3A
Authority: EP
Inventors: Erfindernennung liegt noch nicht vor Die
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2025-12-11
Filing date: 2025-12-11
Publication date: 2026-02-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpanordnung umfassend zumindest eine erste Vakuumpumpe und eine zweite Vakuumpumpe, wobei jede Vakuumpumpe einen Einlass, einen Auslass, ein Pumpsystem, einen Antriebsmotor und eine Ansteuervorrichtung für den Antriebsmotor umfasst, wobei das jeweilige Pumpsystem von dem jeweiligen Antriebsmotor zu einer Pumpbewegung antreibbar ist, um ein Prozessgas in einer Pumprichtung von dem jeweiligen Einlass zu dem jeweiligen Auslass zu fördern, wobei die Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe mit der Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe in Verbindung steht, und wobei jede Ansteuervorrichtung mit einer Energieversorgung zur Versorgung der Ansteuervorrichtung und des der Ansteuervorrichtung zugeordneten Antriebsmotors mit elektrischer Energie in Verbindung steht, und wobei zumindest die Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe dazu ausgebildet ist, für ein Abbremsen der Pumpbewegung den Antriebsmotor der ersten Vakuumpumpe zeitweise als Generator zu betreiben und eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor produzierte elektrische Energie zumindest teilweise einem mit der Ansteuervorrichtung verbundenen Verbraucher zur Verfügung zu stellen, wobei der Verbraucher eine Komponente der Pumpanordnung ist, die von der ersten Vakuumpumpe verschieden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpanordnung, die zumindest eine erste Vakuumpumpe und eine zweite Vakuumpumpe umfasst. Jede Vakuumpumpe umfasst einen Einlass, einen Auslass, ein Pumpsystem und einen Antriebsmotor, wobei das jeweilige Pumpsystem von dem jeweiligen Antriebsmotor zu einer Pumpbewegung antreibbar ist, um ein Prozessgas in einer Pumprichtung von dem jeweiligen Einlass zu dem jeweiligen Auslass zu fördern. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Pumpanordnung.
Vakuumpumpen sind grundsätzlich bekannt und finden in unterschiedlichen Anwendungen und Umgebungen in Industrie und Wissenschaft Verwendung. Vakuumpumpen können zur Erzeugung eines Vakuums in einer Vakuumkammer verwendet werden, wofür die Vakuumkammer an dem Einlass der Vakuumpumpe angeschlossen wird. Je nach Ausführungsform der Vakuumpumpe kann der in der Vakuumkammer erzeugte Zieldruck viele Größenordnungen unter dem herrschenden Atmosphärendruck liegen.
Verschiedene Typen von Vakuumpumpen sind im Stand der Technik bekannt. Je nach Anwendungsbereich kann insbesondere zwischen Vorvakuumpumpen, Hochvakuumpumpen und Vakuumboosterpumpen unterschieden werden. Gängige Ausführungsformen von Vorvakuumpumpen umfassen beispielsweise Membranvakuumpumpen, Drehschieberpumpen oder Schraubenpumpen. Gängige Ausführungsformen von Hochvakuumpumpen umfassen beispielsweise Turbomolekularpumpen oder Scrollvakuumpumpen. Bei Vakuumboosterpumpen kann es sich beispielsweise um Drehkolbenpumpen, Wälzkolbenpumpen oder Roots-Vakuum-booster handeln.
Es ist im Stand der Technik bekannt, mehrere Vakuumpumpen zu Pumpanordnungen zusammenzuschalten. Derartige Pumpanordnungen können insbesondere verschiedene Typen von Vakuumpumpen umfassen, wodurch die Vorteile einzelner Pumptypen verstärkt und die Nachteile ausgeglichen werden können. Beispielsweise kann eine Boosterpumpe zwischen eine Vorvakuumpumpe und die zu evakuierende Vakuumkammer geschaltet werden, wodurch eine Pumpleistung der Pumpanordnung im Vergleich zu einer einzelnen Vakuumpumpe deutlich erhöht werden kann. Ebenfalls bekannt sind Pumpanordnungen, die eine Vorvakuum-pumpe und eine Hochvakuumpumpe umfassen.
Bei allen Ausführungsformen von Pumpanordnungen ist ein gängiges Problem, dass sie aufgrund der vielen vorhandenen Komponenten einen hohen Energieverbrauch aufweisen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den Energieverbrauch von Pumpanordnungen der eingangs beschriebenen Art zu verringern.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jede Vakuumpumpe zusätzlich eine Ansteuervorrichtung für den Antriebsmotor umfasst, wobei die Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe mit der Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe in Verbindung steht. Hierbei steht jede Ansteuervorrichtung mit einer Energieversorgung zur Versorgung der Ansteuervorrichtung und des der Ansteuervorrichtung zugeordneten Antriebsmotors mit elektrischer Energie in Verbindung. Zumindest die Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe ist dazu ausgebildet, für ein Abbremsen der Pumpbewegung den Antriebsmotor der ersten Vakuumpumpe zeitweise als Generator zu betreiben und eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor produzierte elektrische Energie zumindest teilweise einem mit der Ansteuervorrichtung verbundenen Verbraucher zur Verfügung zu stellen.
Der Verbraucher ist hierbei eine Komponente der Pumpanordnung, die von der ersten Vakuumpumpe verschieden ist. Mit anderen Worten ist der Verbraucher eine Komponente der Pumpanordnung, die außerhalb der ersten Vakuumpumpe liegt. Die von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor produzierte elektrische Energie wird also nicht innerhalb der ersten Vakuumpumpe oder von einer Komponente der ersten Vakuumpumpe verwendet.
Wie nachstehend noch näher erläutert wird, kann es sich bei dem Verbraucher insbesondere um die Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe handeln.
Allgemein kann die Pumpanordnung Vakuumpumpen gleichen oder unterschiedlichen Typs umfassen. Insbesondere können die Vakuumpumpen seriell und/oder parallel zueinander mit der Vakuumkammer verbunden sein.
Es sind auch Pumpanordnungen denkbar, bei denen die Vakuumpumpen mit unterschiedlichen Vakuumkammern verbunden sind. Insbesondere können die Vakuumpumpen derart voneinander isoliert sein, dass kein Austausch von Prozessgas zwischen den Vakuumpumpen erfolgt und diese lediglich über ihre jeweilige Ansteuervorrichtung miteinander in Verbindung stehen. In so einem Fall bildet mit anderen Worten sowohl die erste als auch die zweite Vakuumpumpe jeweils ein - bezogen auf die Pumprichtung des Prozessgases - unabhängiges Vakuumsystem mit der jeweiligen Vakuumkammer.
Mit der Ansteuervorrichtung ist in der vorliegenden Offenbarung allgemein eine Vorrichtung bezeichnet, die dazu ausgebildet ist, den ihr zugeordneten Antriebsmotor mit der elektrischen Energie aus der Energieversorgung zu versorgen und dabei insbesondere eine Drehzahl des der Ansteuervorrichtung zugeordneten Antriebsmotors selektiv zu steuern. Derartige Ansteuervorrichtungen sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt, weshalb an dieser Stelle nicht mehr darauf eingegangen werden muss.
Bei der Energieversorgung kann es sich um einen Zugang zu einem Stromnetz handeln, beispielsweise eine Steckdose, einen Generator, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und/oder dergleichen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe erlaubt eine effiziente Nutzung der bei einem Abbremsen der Pumpbewegung umgewandelten kinetischen Energie des Antriebsmotors und Pumpsystems, indem diese in elektrische Energie umgewandelt wird und zum Betreiben einer anderen Komponente der Pumpanordnung genutzt wird. Dieser Prozess wird in der vorliegenden Offenbarung auch als "Rekuperation" bezeichnet. Dies hat zur Folge, dass der Verbraucher, dem die produzierte elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird, zumindest zeitweise weniger oder gar keine elektrische Energie aus der Energieversorgung beziehen muss.
Vakuumpumpen dieser Art, deren Ansteuervorrichtung dazu ausgebildet ist, mittels des Antriebsmotors bei dem Abbremsen elektrische Energie zu generieren und einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen, werden in der vorliegenden Offenbarung auch als "Produzent" bezeichnet. Demgegenüber wird mit "Verbraucher" eine Komponente der Pumpanordnung bezeichnet, die dazu ausgebildet ist, die von dem oder einem Produzenten produzierte und zur Verfügung gestellte elektrische Energie unmittelbar aufzunehmen. Dies kann beispielsweise über direkte Nutzung der produzierten elektrischen Energie, beispielsweise für ein Antreiben einer Bewegung, und/oder auch über ein Speichern der produzierten elektrischen Energie für die spätere Nutzung geschehen.
Insbesondere ermöglicht das zur Verfügung stellen der produzierten elektrischen Energie an einen mit der Ansteuervorrichtung verbundenen Verbraucher ein Abführen der beim Abbremsen der Pumpbewegung produzierten elektrischen Energie. Auf einen eigens dafür vorgesehener Bremswiderstand kann daher verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Pumpsystem führt somit gleichzeitig zu einem verringerten Energieverbrauch und schützt die Komponenten der Ansteuervorrichtung vor Schäden durch Überladen in Folge des Abbremsens der Pumpbewegung.
Beispielhafte Untersuchungen für bestimmte Pumpanordnungen unter bestimmten Betriebsbedingungen haben ergeben, dass durch die erfindungsgemäße Pumpanordnung mit Rekuperation bis zu 10% des Energieverbrauchs einer vergleichbaren Pumpanordnung unter vergleichbaren Betriebsbedingungen ohne Rekuperation eingespart werden kann.
Weitere Ausführungsformen sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
Bei einigen Ausführungsformen kann zumindest eine weitere Vakuumpumpe vorgesehen sein, deren Ansteuervorrichtung direkt oder indirekt mit der Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe in Verbindung steht.
Mit einer direkten Verbindung wird in der vorliegenden Offenbarung bezeichnet, dass zwei Komponenten, beispielsweise die jeweiligen Ansteuervorrichtungen zweier Vakuumpumpen, unmittelbar miteinander verbunden sind, beispielsweise über ein Kabel. Im Gegensatz dazu bezeichnet eine indirekte Verbindung, dass ein Austausch, beispielsweise von Information und/oder elektrischer Energie zwischen zwei Komponenten, zwar möglich ist, allerdings nur über eine dazwischengeschaltete dritte Komponente. Beispielsweise kann die Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe mit der Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe direkt verbunden sein und die Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe kann mit der Ansteuervorrichtung der weiteren Vakuumpumpe direkt verbunden sein.
Beispielsweise ist die oder jede weitere Vakuumpumpe in Pumprichtung nach der ersten und vor der zweiten Vakuumpumpe angeordnet.
Insbesondere kann die Ansteuervorrichtung der weiteren Vakuumpumpe der Verbraucher sein, der dazu ausgebildet ist, die von der ersten Vakuumpumpe produzierte elektrische Energie aufzunehmen und zu nutzen.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Prinzipien ist dabei prinzipiell auch eine beliebige Anzahl Vakuumpumpen in der Pumpanordnung möglich. Die Vakuumpumpen können hierbei alle seriell miteinander verbunden sein, parallel miteinander verbunden sein oder teilweise seriell und teilweise parallel. Insbesondere dienen alle Vakuumpumpen gemeinsam zum Evakuieren einer Vakuumkammer. Die Vakuumpumpen können aber auch verschiedenen Vakuumkammern zugeordnet sein.
Bei einigen Ausführungsformen kann zumindest eine der Vakuumpumpen eine Vakuumboosterpumpe, insbesondere eine Drehkolbenpumpe, eine Wälzkolbenpumpe oder ein Roots-Vakuumbooster, sein und der Auslass der Vakuumboosterpumpe kann mit dem Einlass der zweiten Vakuumpumpe verbunden sein, bei der es sich insbesondere um eine gegen Atmosphäre ausstoßende Vorvakuumpumpe handeln kann.
Insbesondere ist die erste Vakuumpumpe eine Vakuumboosterpumpe, wobei der Einlass der Vakuumboosterpumpe mit einer zu evakuierenden Vakuumkammer verbindbar ist und der Auslass der Vakuumboosterpumpe mit dem Einlass der zweiten Vakuumpumpe verbunden ist. In einer derartigen Anordnung ist es besonders effizient, die Vakuumboosterpumpe als Produzent auszugestalten, da es in gängigen Anwendungsbereichen derartiger Pumpanordnungen, insbesondere bei Schleusenkammern (sogenannte "Load-Lock Applikationen"), beispielsweise in der Produktion von Halbleitern, oft während des Betriebs notwendig oder nützlich ist, die Pumpbewegung der Vakuumboosterpumpe abzubremsen. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, um einen Rotor der Vakuumboosterpumpe vor mechanischer Überlastung zu schützen und/oder um von der Pumpanordnung verursachte Wärme und/oder Vibrationen und/oder Geräuschemissionen zu verringern und/oder um Energie zu sparen. Indem die Vakuumboosterpumpe erfindungsgemäß als Produzent fungiert, kann die bei all diesen Bremsvorgängen umgewandelte kinetische Energie zumindest teilweise wiederverwertet werden und geht somit nicht vollständig verloren.
Prinzipiell ist es auch möglich, dass auch die zweite Vakuumpumpe eine Vakuumboosterpumpe ist, insbesondere in Ausführungsformen mit mehr als zwei Vakuumpumpen. Die Vakuumboosterpumpen können hierbei seriell oder parallel miteinander geschaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Verbraucher die Ansteuervorrichtung oder eine andere, im Folgenden auch als Verbraucherkomponente bezeichnete Komponente der zweiten Vakuumpumpe. Insbesondere ist die Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe dazu ausgebildet, eine elektrische Energie, welche die Ansteuervorrichtung an eine Verbraucherkomponente der zweiten Vakuumpumpe weiterleitet, selektiv von der Energieversorgung, oder - falls verfügbar - von dem Produzenten zu beziehen. In einer derartigen Pumpanordnung kann die Verbraucherkomponente der zweiten Vakuumpumpe zumindest anteilig und/oder zeitweise mit der von der ersten Vakuumpumpe produzierten elektrischen Energie betrieben werden. Insbesondere kann die Verbraucherkomponente der Antriebsmotor der zweiten Vakuumpumpe sein. Es kann sich bei der Verbraucherkomponente aber auch alternativ oder zusätzlich um ein aktives Magnetlager der zweiten Vakuumpumpe und/oder eine Steuereinheit, ein Display und/oder eine ähnliche Komponente der zweiten Vakuumpumpe, für deren Betrieb elektrische Energie benötigt wird, handeln.
In einigen Ausführungsformen umfasst zumindest die Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe einen Frequenzumrichter. Mittels des Frequenzumrichters kann die Ansteuervorrichtung die Drehzahl des Antriebsmotors steuern. Der Frequenzumrichter ist insbesondere rückspeisefähig ausgebildet, was den Betrieb des der Ansteuervorrichtung zugeordneten Antriebsmotors als Generator und somit die Ausgestaltung der ersten Vakuumpumpe als Produzent ermöglicht.
Insbesondere weist die Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe einen Frequenzwandler auf, was ein Anpassen einer Frequenz der der Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe von der Energieversorgung und/oder dem Produzenten zugeführten elektrischen Energie an den Betrieb des Antriebsmotors der zweiten Vakuumpumpe ermöglicht.
Insbesondere umfasst auch die Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe einen Frequenzumrichter, wodurch auch diese als Produzent ausgebildet sein kann. Insbesondere kann jede Ansteuervorrichtung aus der Pumpanordnung einen Frequenzwandler und/oder einen Frequenzumrichter umfassen. Dies erlaubt, dass jede Vakuumpumpe als Produzent und/oder Verbraucher ausgebildet sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst zumindest die erste Vakuumpumpe eine Bremsvorrichtung, insbesondere einen Bremswiderstand. Eine derartige Bremsvorrichtung erlaubt neben dem Abführen der produzierten elektrischen Energie an den Verbraucher ein Umwandeln der produzierten elektrischen Energie in Wärme und ist somit für den Schutz der elektronischen Komponenten der Pumpanordnung vorteilhaft, beispielsweise in Situationen, in denen kein Verbraucher die produzierte elektrische Energie aufnehmen kann.
Insbesondere kann auch die zweite Vakuumpumpe eine Bremsvorrichtung umfassen. Bei Ausführungsformen mit mehr als zwei Vakuumpumpen können auch mehrere Vakuumpumpen oder alle Vakuumpumpen eine Bremsvorrichtung umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Verbraucher ein innerhalb der Pumpanordnung angeordneter Akkumulator, der dazu ausgebildet ist, die produzierte elektrische Energie zu speichern und selektiv einer anderen Komponente der Pumpanordnung zur Verfügung zu stellen. Der Akkumulator steht somit zumindest mit der Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe in Verbindung und kann somit zumindest durch die von der ersten Vakuumpumpe produzierte elektrische Energie geladen werden.
Insbesondere kann mit der in dem Akkumulator gespeicherten elektrischen Energie die Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe versorgt werden, beispielsweise um die Pumpbewegung nach dem Abbremsen wieder zu beschleunigen. Grundsätzlich kann die in dem Akkumulator gespeicherte Energie aber an jede direkt oder indirekt mit dem Akkumulator verbundene Komponente der Pumpanordnung abgegeben werden.
Insbesondere steht der Akkumulator auch mit der Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe in Verbindung. In Ausführungsformen mit mehr als zwei Vakuumpumpen kann der Akkumulator insbesondere mit mehreren oder allen Vakuumpumpen direkt oder indirekt in Verbindung stehen. Insbesondere sind die Ansteuervorrichtungen der mit dem Akkumulator verbundenen Vakuumpumpen dazu ausgebildet, elektrische Energie selektiv von dem Akkumulator zu beziehen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pumpanordnung zumindest einen weiteren Verbraucher. Die Pumpanordnung umfasst somit zumindest zwei verschiedene Verbraucher. Dies begünstigt eine effiziente und direkte Nutzung der produzierten elektrischen Energie.
Insbesondere kann die Ansteuervorrichtung der ersten Vakuumpumpe dazu ausgebildet sein, die produzierte elektrische Energie zumindest teilweise selektiv auf den Verbraucher und den weiteren Verbraucher aufzuteilen. Bei dem weiteren Verbraucher kann es sich insbesondere um einen der vorstehend beschriebenen Verbraucher handeln, beispielsweise um den Akkumulator, die Ansteuervorrichtung der zweiten Vakuumpumpe und/oder die Ansteuervorrichtung einer weiteren Vakuumpumpe. Insbesondere können auch mehr als zwei Verbraucher vorgesehen sein. Indem mehrere Verbraucher vorgesehen sind, kann eine besonders effiziente Nutzung der produzierten elektrischen Energie sichergestellt werden und insbesondere ein Überladen verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auch die Ansteuervorrichtung der weiteren Vakuumpumpe dazu ausgebildet, für ein Abbremsen der Pumpbewegung den Antriebsmotor der weiteren Vakuumpumpe zeitweise als Generator zu betreiben und eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor der weiteren Vakuumpumpe produzierte elektrische Energie zumindest teilweise einem mit der Ansteuervorrichtung der weiteren Vakuumpumpe verbundenen weiteren Verbraucher zur Verfügung zu stellen. Der weitere Verbraucher kann die erste Vakuumpumpe sein, insbesondere deren Ansteuervorrichtung. In derartigen Ausführungsformen, in denen neben der ersten Vakuumpumpe weitere Produzenten vorgesehen sind, kann somit auch die erste Vakuumpumpe ein Verbraucher sein.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die zweite Vakuumpumpe oder mehrere weitere Vakuumpumpen als Produzent ausgebildet sein, wobei nicht gegen Atmosphäre verdichtende und ausstoßende Vakuumpumpen die effizienteren Produzenten darstellen.
Insbesondere können alle Vakuumpumpen der Pumpanordnung sowohl Produzent als auch Verbraucher sein. Dies erlaubt eine maximale Energieeinsparung, da bei jedem Abbremsen der Pumpbewegung einer der Vakuumpumpen die in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie zumindest teilweise für das Betreiben einer der anderen Vakuumpumpen und/oder eines anderen Verbrauchers, beispielsweise eines Akkumulators, genutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform stehen die Ansteuervorrichtungen aller Vakuumpumpen miteinander in Verbindung. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere oder alle Vakuumpumpen Produzent und/oder Verbraucher sind, da dies eine möglichst effiziente Aufteilung der produzierten elektrischen Energie ermöglicht. Es ist hierbei nicht erforderlich, dass alle Ansteuervorrichtungen direkt miteinander in Verbindung stehen, dies kann auch indirekt erfolgen. Insbesondere können die Ansteuervorrichtungen zumindest abschnittsweise in einer ringförmigen, baumförmigen, linienförmigen, sternförmigen oder vermaschten Topologie miteinander in Verbindung stehen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpanordnung der eingangs erwähnten Art, wobei es sich insbesondere um eine Pumpanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung handeln kann. Das Verfahren umfasst, dass zumindest der Antriebsmotor der ersten Vakuumpumpe zum Abbremsen der Pumpbewegung der ersten Vakuumpumpe zeitweise als Generator betrieben wird und dass eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor produzierte elektrische Energie zumindest teilweise einem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird, wobei der Verbraucher eine Komponente der Pumpanordnung ist, die von der ersten Vakuumpumpe verschieden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet also, dass die erste Vakuumpumpe ein Produzent im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist und die von dem Produzenten produzierte elektrische Energie für das Betreiben einer Komponente der Pumpanordnung genutzt wird, die außerhalb der ersten Vakuumpumpe liegt, was ein Betreiben der Pumpanordnung mit verringertem Energiebedarf erlaubt.
Grundsätzlich funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von der Anzahl, der Anordnung und/oder des Typs der Vakuumpumpen, die die Pumpanordnung umfasst und/oder von der zu evakuierenden Vakuumkammer. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren zumindest in den in der vorliegenden Offenbarung konkret beschriebenen Pumpanordnungen besonders gute Ergebnisse liefert.
Insbesondere kann die erste Vakuumpumpe die produzierte elektrische Energie selektiv einem Bremswiderstand zuführen, an welchem die produzierte elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Beispielsweise kann die produzierte elektrische Energie auf diese Weise abgeführt werden, wenn gerade kein Verbraucher die produzierte elektrische Energie sinnvoll nutzen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Verbraucher die zweite Vakuumpumpe sein und die produzierte elektrische Energie wird zumindest teilweise genutzt, um den Antriebsmotor, eine Steuereinheit und/oder ein aktives Magnetlager der zweiten Vakuumpumpe zu betreiben. Die Steuereinheit kann insbesondere eine Ansteuervorrichtung gemäß der vorstehend beschriebenen Pumpanordnung umfassen. Die Steuereinheit kann aber auch eine sonstige Vorrichtung zum Betreiben und/oder Überwachen der zweiten Vakuumpumpe sein.
In einigen Ausführungsformen kann der Verbraucher ein Akkumulator sein, in welchem die produzierte elektrische Energie zumindest teilweise gespeichert wird. Insbesondere wird die in dem Akkumulator gespeicherte Energie zumindest zeitweise für das Betreiben zumindest einer Komponente der Pumpanordnung verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein weiterer Verbraucher vorgesehen und die produzierte elektrische Energie wird selektiv zwischen den Verbrauchern aufgeteilt. Beispielsweise kann die Aufteilung priorisiert erfolgen und insbesondere von einem aktuellen Energiebedarf der Verbraucher abhängen.
Beispielsweise kann der Verbraucher der Akkumulator sein und der weitere Verbraucher die zweite Vakuumpumpe. Insbesondere wird die produzierte elektrische Energie grundsätzlich der zweiten Vakuumpumpe zugeführt und nur in Situationen, in denen die zweite Vakuumpumpe die produzierte elektrische Energie nicht aufnehmen kann, beispielsweise wenn diese ebenfalls abgebremst wird, wird die produzierte elektrische Energie stattdessen dem Akkumulator zugeführt. Ein derartiges Verfahren erlaubt eine möglichst unmittelbare Verwendung der produzierten Energie und somit das Vermeiden von Energieverlusten während der Speicherung in dem Akkumulator. Alternativ kann die produzierte elektrische Energie grundsätzlich dem Akkumulator zugeführt werden und nur in Situationen, in denen der Akkumulator seine Speicherkapazität erreicht hat, der zweiten Vakuumpumpe. Ein derartiges Verfahren ermöglicht eine zentralisierte Speicherung und Nutzung der produzierten elektrischen Energie, was insbesondere bei Pumpanordnungen mit vielen Produzenten und/oder Verbrauchern vorteilhaft sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch der Antriebsmotor der zweiten Vakuumpumpe zum Abbremsen der Pumpbewegung der zweiten Vakuumpumpe zeitweise als Generator betrieben werden und eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor produzierte elektrische Energie kann zumindest teilweise einem weiteren Verbraucher zur Verfügung gestellt werden. Bei dem weiteren Verbraucher kann es sich um denselben Verbraucher handeln. Beispielsweise können beide Vakuumpumpen die jeweils von ihnen produzierte Energie an den Ackumulator weiterleiten. Der weitere Verbraucher kann aber auch von dem Verbraucher verschieden sein. So kann beispielsweise die erste Vakuumpumpe Produzent und Verbraucher für die zweite Vakuumpumpe sein und umgekehrt. Jede Vakuumpumpe nutzt somit die von der jeweils anderen Vakuumpumpe beim Abbremsen produzierte elektrische Energie.
Das Verfahren kann grundsätzlich auf eine Pumpanordnung mit beliebig vielen Vakuumpumpen angewendet werden, wobei insbesondere jede Vakuumpumpe sowohl Produzent als auch Verbraucher sein kann.
Es versteht sich, dass die Pumpanordnung aus der vorliegenden Offenbarung dazu geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Nummerierung der Vakuumpumpen ist nicht einschränkend zu sehen. So kann insbesondere die zweite Vakuumpumpe und/oder eine weitere Vakuumpumpe einige oder alle der vorstehend beschriebenen Merkmale der ersten Vakuumpumpe aufweisen und/oder in der vorstehend beschriebenen Art betrieben werden.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpanordnung aus zwei Vakuumpumpen,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpanordnung aus zwei Vakuumpumpen mit einem Bremswiderstand,
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpanordnung mit einem Akkumulator,
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpanordnung mit drei Vakuumpumpen,
Fig. 5: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpanordnung mit drei Vakuumpumpen, einem Bremswiderstand und einem Akkumulator.

In der Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpanordnung 11 gezeigt. Diese umfasst eine erste Vakuumpumpe 13 mit einem Einlass 17 und einem Auslass 21 sowie einem Pumpsystem 25, das von einem Antriebsmotor 29 angetrieben werden kann, um ein Prozessgas in einer Pumprichtung P von dem Einlass 17 zu dem Auslass 21 zu fördern. Ferner umfasst die erste Vakuumpumpe 13 eine Ansteuervorrichtung 33 zum Ansteuern des Antriebsmotors 29.
Die Pumpanordnung 11 umfasst eine zweite Vakuumpumpe 15, die ebenfalls einen Einlass 19, einen Auslass 23, ein Pumpsystem 27, einen Antriebsmotor 31 und eine Ansteuervorrichtung 35 aufweist.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Einlass 17 der ersten Vakuumpumpe 13 mit einer zu evakuierenden Vakuumkammer 45 verbunden und der Auslass 21 der ersten Vakuumpumpe 13 ist mit dem Einlass 19 der zweiten Vakuumpumpe 15 verbunden. Die Vakuumpumpen 13, 15 sind somit seriell angeordnet.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren aber unabhängig davon möglich, wie die Vakuumpumpen 13, 15 pumpwirksam miteinander und/oder mit der Vakuumkammer 45 verbunden sind. So ist ebenfalls denkbar, dass die Vakuumpumpen 13, 15 parallel zueinander an der Vakuumkammer 45 angeschlossen sind, also dass jede Vakuumpumpe 13, 15 mit ihrem jeweiligen Einlass 17, 19 direkt an die Vakuumkammer 45 angeschlossen ist und/oder dass die Vakuumpumpe 13, 15 mit jeweils einer anderen Vakuumkammer verbunden sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer seriellen Anordnung der ersten und zweiten Vakuumpumpe 13, 15 ist es beispielsweise denkbar, dass es sich bei der ersten Vakuumpumpe 13 um eine Boostervakuumpumpe und bei der zweiten Vakuumpumpe 15 um eine Vorvakuumpumpe handelt, insbesondere eine gegen Atmosphäre ausstoßende Vorvakuumpumpe.
Die Ansteuervorrichtung 33 der ersten Vakuumpumpe 13 ist hierbei mit der Ansteuervorrichtung 35 der zweiten Vakuumpumpe 15 über ein schematisch dargestelltes Verbindungskabel 37 verbunden. Ferner ist jede Ansteuervorrichtung 33, 35 mit einer Energieversorgung 39 verbunden, über welche sie elektrische Energie beziehen können, um die ihnen jeweils zugeordneten Antriebsmotoren 29, 31 zu betreiben.
Erfindungsgemäß ist die Ansteuervorrichtung 33 der ersten Vakuumpumpe 13 dazu ausgebildet, bei einem Abbremsen einer Pumpbewegung des Antriebsmotors 29 diesen als Generator zu betreiben und die von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor 29 produzierte elektrische Energie an die Ansteuervorrichtung 35 der zweiten Vakuumpumpe 15 weiterzuleiten.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel fungiert daher die erste Vakuumpumpe 13 als Produzent 41 und die zweite Vakuumpumpe 15 als Verbraucher 43.
Die Ansteuervorrichtung 35 der zweiten Vakuumpumpe 15 ist dazu ausgebildet, die von dem Produzenten 41 zur Verfügung gestellte elektrische Energie anstatt oder zusätzlich zu der von der Energieversorgung 39 bezogenen elektrischen Energie für das Betreiben des Antriebsmotors 31 zu verwenden. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die zweite Vakuumpumpe 15 als Produzent 41 ausgebildet ist und die erste Vakuumpumpe 13 als Verbraucher 43 oder dass beide Vakuumpumpen 13, 15 sowohl Verbraucher 43 als auch Produzent 41 für die jeweils andere Vakuumpumpe 15, 13 sind.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpanordnung 11, bei der zusätzlich zu den Komponenten aus der Fig. 1 die erste Vakuumpumpe 13 über einen Bremswiderstand 47 verfügt. Die von der als Produzent 41 betriebenen ersten Vakuumpumpe 13 produzierte elektrische Energie kann in dieser Ausführungsform wahlweise und/oder bedarfsgerecht entweder der zweiten Vakuumpumpe 15 zugeführt werden, sofern diese im Moment der Energieproduktion durch den Produzenten 41 einen Energiebedarf hat und somit als Verbraucher 43 operieren kann. Ist dies nicht möglich, beispielsweise weil die zweite Vakuumpumpe 15 zeitweise abgeschaltet ist oder ebenfalls abgebremst wird, kann die von dem Produzenten 41 produzierte elektrische Energie stattdessen dem Bremswiderstand 47 zugeführt werden, um dort in Wärme umgewandelt zu werden.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variation der erfindungsgemäßen Pumpanordnung 11 aus der Fig. 1, bei welcher zusätzlich ein Akkumulator 49 vorgesehen ist, der mit sowohl der ersten Ansteuervorrichtung 33 als auch der zweiten Ansteuervorrichtung 35 in Verbindung steht. Somit können in der gezeigten Ausführungsform sowohl die zweite Vakuumpumpe 15 als auch der Akkumulator 49 als Verbraucher 43 für die von dem Produzenten 41 produzierte elektrische Energie fungieren. Der Akkumulator 49 ermöglicht ein Speichern der von dem Produzenten 41 produzierten elektrischen Energie, beispielsweise wenn die zweite Vakuumpumpe 15 diese nicht abnehmen kann.
Die in dem Akkumulator 49 gespeicherte elektrische Energie kann in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zu einem späteren Zeitpunkt bedarfsgerecht entweder der Ansteuervorrichtung 33 zum Betreiben der ersten Vakuumpumpe 13 oder der Ansteuervorrichtung 35 zum Betreiben der zweiten Vakuumpumpe 15, oder auch beiden zu gleichen oder ungleichen Anteilen, zur Verfügung gestellt werden.
In der Fig. 4 ist eine weitere Variation der erfindungsgemäßen Pumpanordnung 11 gezeigt, bei welcher zwischen der ersten Vakuumpumpe 13 und der zweiten Vakuumpumpe 15 noch eine weitere Vakuumpumpe 51 in Serie geschaltet ist. Wie auch die erste und die zweite Vakuumpumpe 13, 15 verfügt die weitere Vakuumpumpe 51 über einen Einlass 59, einen Auslass 61, ein Pumpsystem 53, einen Antriebsmotor 55 und eine Ansteuervorrichtung 57.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ansteuervorrichtung 57 der weiteren Vakuumpumpe 51 direkt mit der Ansteuervorrichtung 33 der ersten Vakuumpumpe 13 und mit der Ansteuervorrichtung 35 der zweiten Vakuumpumpe 15 verbunden. Die Ansteuervorrichtung 33 der ersten Vakuumpumpe 13 ist somit nur indirekt über die Ansteuervorrichtung 57 der weiteren Vakuumpumpe 51 mit der Ansteuervorrichtung 35 der zweiten Vakuumpumpe 15 verbunden. Es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, in denen die Ansteuervorrichtung 33 stattdessen direkt mit der Ansteuervorrichtung 35 und indirekt mit der Ansteuervorrichtung 57 in Verbindung steht oder auch alle Ansteuervorrichtungen 33, 35, 57 direkt miteinander in Verbindung stehen.
Je nach Ausgestaltung der Ansteuervorrichtung 57 kann die weitere Vakuumpumpe 51 ebenfalls als Verbraucher 43 oder Produzent 41 auftreten, oder auch beides.
Prinzipiell kann jede Vakuumpumpe 13, 15, 51 als Produzent 41 und/oder Verbraucher 43 ausgebildet sein, wobei allerdings Vakuumpumpen 13, 51, die nicht gegen Atmosphäre verdichten und ausstoßen, die effizienteren Produzenten 41 darstellen.
Es ist auch möglich, dass mehrere Vakuumpumpen 51 zwischen der ersten Vakuumpumpe 13 und der zweiten Vakuumpumpe 15 angeordnet sind, von denen einige oder alle Produzent 41 und/oder Verbraucher 43 sein können.
Die Fig. 5 zeigt zur Verdeutlichung eine Kombination der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen der Pumpanordnung 11, in welcher somit die drei Vakuumpumpen 13, 15, 51, der Akkumulator 49 und der Bremswiderstand 47 vorgesehen sind. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass auch die zweite Vakuumpumpe 15 und die weitere Vakuumpumpe 51 über einen entsprechenden Bremswiderstand 47 verfügen.
Somit können in der gezeigten Ausführungsform prinzipiell alle drei Vakuumpumpen 13, 15, 51 darauf ausgelegt sein, wahlweise Produzent 41 und/oder Verbraucher 43 zu sein und eine produzierte Energie entweder einer jeweils anderen Vakuumpumpe 13, 15, 51 zur Verfügung zu stellen oder an den Akkumulator 49 weiterzuleiten, oder, falls nichts davon möglich ist, über den Bremswiderstand 47 in Wärme umzuwandeln.

Bezugszeichenliste

11: Pumpanordnung
13: erste Vakuumpumpe / Booster-Pumpe
15: zweite Vakuumpumpe / Vorvakuum-Pumpe
17: Einlass
19: Einlass
21: Auslass
23: Auslass
25: Pumpsystem
27: Pumpsystem
29: Antriebsmotor
31: Antriebsmotor
33: Ansteuervorrichtung
35: Ansteuervorrichtung
37: Verbindungskabel
39: Energieversorgung
41: Produzent
43: Verbraucher / weiterer Verbraucher
45: Vakuumkammer
47: Bremswiderstand
49: Akkumulator
51: weitere Vakuumpumpe
53: Pumpsystem
55: Antriebsmotor
57: Ansteuervorrichtung
59: Einlass
61: Auslass

P: Pumprichtung

Claims

Pumpanordnung (11) umfassend
zumindest eine erste Vakuumpumpe (13) und eine zweite Vakuumpumpe (15),
wobei jede Vakuumpumpe (13, 15) einen Einlass (17, 19), einen Auslass (21, 23), ein Pumpsystem (25, 27), einen Antriebsmotor (29, 31) und eine Ansteuervorrichtung (33, 35) für den Antriebsmotor (29, 31) umfasst,

wobei das jeweilige Pumpsystem (25, 27) von dem jeweiligen Antriebsmotor (29, 31) zu einer Pumpbewegung antreibbar ist, um ein Prozessgas in einer Pumprichtung (P) von dem jeweiligen Einlass (17, 19) zu dem jeweiligen Auslass (21, 23) zu fördern,

wobei die Ansteuervorrichtung (33) der ersten Vakuumpumpe (13) mit der Ansteuervorrichtung (35) der zweiten Vakuumpumpe (15) in Verbindung steht, und

wobei jede Ansteuervorrichtung (33, 35) mit einer Energieversorgung (39) zur Versorgung der Ansteuervorrichtung (33, 35) und des der Ansteuervorrichtung (33, 35) zugeordneten Antriebsmotors (29, 31) mit elektrischer Energie in Verbindung steht, und

wobei zumindest die Ansteuervorrichtung (33) der ersten Vakuumpumpe (13) dazu ausgebildet ist, für ein Abbremsen der Pumpbewegung den Antriebsmotor (29) der ersten Vakuumpumpe (13) zeitweise als Generator zu betreiben und eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor (29) produzierte elektrische Energie zumindest teilweise einem mit der Ansteuervorrichtung (33) verbundenen Verbraucher (43) zur Verfügung zu stellen,

wobei der Verbraucher (43) eine Komponente der Pumpanordnung ist, die von der ersten Vakuumpumpe (13) verschieden ist.
Pumpanordnung (11) nach Anspruch 1,
wobei der Verbraucher (43) die Ansteuervorrichtung (35) der zweiten Vakuumpumpe (15) ist.
Pumpanordnung (11) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei zumindest eine der Vakuumpumpen (13) eine Vakuum-Booster-Pumpe, insbesondere ein Roots-Vakuum-Booster, ist und der Auslass (21) der Vakuum-Booster-Pumpe (13) mit dem Einlass (19) der zweiten Vakuumpumpe (15), die insbesondere eine gegen Atmosphäre ausstoßende Vorvakuumpumpe ist, oder einer weiteren Vakuumpumpe (51) verbunden ist.
Pumpanordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine weitere Vakuumpumpe (51) vorgesehen ist, deren Ansteuervorrichtung (57) direkt oder indirekt mit der Ansteuervorrichtung (33) der ersten Vakuumpumpe (13) in Verbindung steht, insbesondere wobei die Ansteuervorrichtung (57) der weiteren Vakuumpumpe (51) der Verbraucher (43) ist.
Pumpanordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei zumindest die Ansteuervorrichtung (33) der ersten Vakuumpumpe (13) einen Frequenzumrichter umfasst, insbesondere wobei jede Ansteuervorrichtung (33, 35, 57) einen Frequenzwandler oder einen Frequenzumrichter umfasst.
Pumpanordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest die erste Vakuumpumpe (13) eine Bremsvorrichtung, insbesondere einen Bremswiderstand (47), umfasst.
Pumpanordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verbraucher (43) ein innerhalb der Pumpanordnung (11) angeordneter Akkumulator (49) ist, der dazu ausgebildet ist, die produzierte elektrische Energie zu speichern und selektiv einer anderen Komponente der Pumpanordnung (11) zur Verfügung zu stellen.
Pumpanordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pumpanordnung (11) zumindest einen weiteren Verbraucher (43) umfasst, insbesondere wobei zumindest die Ansteuervorrichtung (33) der ersten Vakuumpumpe (13) dazu ausgebildet ist, die produzierte elektrische Energie zumindest teilweise selektiv auf die verschiedenen Verbraucher (43) aufzuteilen.
Pumpanordnung (11) nach Anspruch 4,
wobei auch die Ansteuervorrichtung (57) der weiteren Vakuumpumpe (51) dazu ausgebildet ist, für ein Abbremsen der Pumpbewegung den Antriebsmotor (55) der weiteren Vakuumpumpe (51) zeitweise als Generator zu betreiben und eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor (55) der weiteren Vakuumpumpe (51) produzierte elektrische Energie zumindest teilweise einem mit der Ansteuervorrichtung (57) der weiteren Vakuumpumpe (51) verbundenen weiteren Verbraucher (43) zur Verfügung zu stellen, insbesondere wobei der weitere Verbraucher (43) die Ansteuervorrichtung (33) der ersten Vakuumpumpe (13) ist.
Pumpanordnung (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Ansteuervorrichtungen (33, 35, 57) aller Vakuumpumpen (13, 15, 51) miteinander in Verbindung stehen, insbesondere in einer ringförmigen, baumförmigen, linienförmigen, sternförmigen oder vermaschten Topologie.
Verfahren zum Betreiben einer Pumpanordnung (11), insbesondere einer Pumpanordnung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei die Pumpanordnung (11) zumindest eine erste Vakuumpumpe (13) und eine zweite Vakuumpumpe (15) umfasst,
wobei jede Vakuumpumpe (13, 15) einen Einlass (17, 19), einen Auslass (21, 23), ein Pumpsystem (25, 27) und einen Antriebsmotor (29, 31) umfasst,

wobei das jeweilige Pumpsystem (25, 27) von dem jeweiligen Antriebsmotor (29, 31) zu einer Pumpbewegung antreibbar ist, um ein Prozessgas in einer jeweiligen Pumprichtung (P) von dem jeweiligen Einlass (17, 19) zu dem jeweiligen Auslass (21, 23) zu fördern,

wobei das Verfahren umfasst, dass zumindest der Antriebsmotor (29) der ersten Vakuumpumpe (13) zum Abbremsen der Pumpbewegung der ersten Vakuumpumpe (13) zeitweise als Generator betrieben wird, und

dass eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor (29) produzierte elektrische Energie zumindest teilweise einem Verbraucher (43) zur Verfügung gestellt wird,

wobei der Verbraucher (43) eine Komponente der Pumpanordnung (11) ist, die von der ersten Vakuumpumpe (13) verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 11,
wobei der Verbraucher (43) die zweite Vakuumpumpe (15) ist und die produzierte elektrische Energie zumindest teilweise genutzt wird, um den Antriebsmotor (31), eine Steuereinheit und/oder ein aktives Magnetlager der zweiten Vakuumpumpe (15) zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
wobei der Verbraucher (43) ein Akkumulator (49) ist, in welchem die produzierte elektrische Energie zumindest teilweise gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
wobei zumindest ein weiterer Verbraucher (43) vorgesehen ist und die produzierte elektrische Energie zwischen den Verbrauchern (43) aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
wobei auch der Antriebsmotor (31) der zweiten Vakuumpumpe (15) zum Abbremsen der Pumpbewegung der zweiten Vakuumpumpe (15) zeitweise als Generator betrieben wird und eine von dem als Generator betriebenen Antriebsmotor (31) produzierte elektrische Energie zumindest teilweise einem weiteren Verbraucher (43) zur Verfügung gestellt wird.