De 10 mest almindelige fejl ved brug af turbomolekylære vakuumpumper, og hvordan man undgår dem.

Turbomolekylære vakuumpumper, også kaldet turbopumper, er kernen i mange højteknologiske processer – fra Semicon-produktion til undersøgelses- og forskningslaboratorier. Alligevel kan selv små fejl i deres opsætning eller drift føre til kostbar stilstand, skade på udstyr eller totalt svigt af vakuumpumpen. I denne artikel vil vi diskutere de ti mest almindelige faldgruber, og hvordan du løser dem.

1. Forkert dimensionering af højvakuumrør

Rør og ventiler til fint vakuum skal designes i overensstemmelse med fint vakuum-pumpens nominelle pumpehastighed. Ellers vil der være betydelige tab i den effektive pumpehastighed på grund af dårlig ledeevne.

For at illustrere den effekt, som en forkert designet fin vakuumslange kan have, er her et eksempel med en turbomolekylær vakuumpumpe med en nominel pumpehastighed på 260 l/s, luft som pumpet medie og en vakuumslange med en længde på 250 mm:
Hvis der anvendes en vakuumslange, der er meget mindre end diameteren på turbomolekylær vakuumpumpens flange (DN 100 (100 mm)), vil den effektive pumpehastighed falde. En DN 25 (25 mm) vakuumslange giver kun ca. 7,4 l/s for enden af slangen. Ved at bruge samme diameter som turbomolekylær vakuumpumpe øges den effektive pumpehastighed til 170 l/s.
Selv en turbomolekylær vakuumpumpe med en flangestørrelse på DN 320 (320 mm) og en nominel pumpehastighed på 3200 l/s ville kun give ca. 7,6 l/s for enden af en vakuumslange i størrelse DN 25. Det betyder, at denne turbomolekylære vakuumpumpe, som er tolv gange større end vakuumpumpen i det første eksempel med hensyn til nominel pumpehastighed, faktisk ikke giver nogen yderligere fordel.

2. Stive vakuumtilslutninger

De fleste anvendelser kræver en stiv forbindelse, tilslutning mellem den turbomolekylære vakuumpumpes flange til fin vakuum og kammeret for en sikker og bæredygtig installation. I sådanne tilfælde er det dog vigtigt at lade forvakuum-forbindelsen eller den nederste ende af den turbomolekylære vakuumpumpe være fleksibel. En stiv forbindelse betyder, at vakuumpumpens kabinet ikke kan udvide sig ved varmepåvirkning. Dette vil forårsage materialespændinger, der opbygges til uacceptable niveauer, der i sidste ende kan forårsage spændingsfejl.

En stiv monteringsmetode har yderligere ulemper: Rotoren kan ikke svinge frit, og den eksisterende minimale rest-ubalance kan føre til mulige lejefejl og rotorskader over tid.

3. Ukontrolleret vibration fra resonansfrekvenser

Turbomolekylære vakuumpumper er afbalanceret for at sikre lav vibrationsdrift og optimal levetid for lejerne. Under normal opstart bevæger alle turbopumper sig dog gennem visse resonansfrekvenser. Hvis disse frekvenser når vakuum-kammerets eller hele systemets resonansfrekvens, øges deres amplitude betydeligt. Dette naturligt forekommende fænomen får vakuumpumpen til at vibrere og generere højere lydniveauer end normalt. Selvom denne effekt i sig selv er normal og ikke et resultat af et problem med den turbomolekylære vakuumpumpe, er det bedst at undgå de frekvenser, der udløser den, for at forhindre eventuelle skader fra vibrationer. Det anbefales derfor, at systemets egenfrekvens bestemmes, og at disse værdier drøftes med vakuumpumpeproducenten for at se, hvordan vibrationer kan undgås. Dette kan ske ved hjælp af forstærkninger, såsom vibrationsdæmpende ophæng, montering af puder mellem vakuumpumpen og vakuum-kammeret, ekstra vægte, ændring af den nominelle hastighed for den turbomolekylære vakuumpumpe eller modifikationer af designet.

4. Utilstrækkelige forbindelser mellem indsugningsflange og vakuum kammer

Turbopumper lagrer en enorm mængde mekanisk energi, der kan sammenlignes med energien fra en turbomolekylær vakuumpumpe, der falder frit fra 300 m. I tilfælde af et rotorsammenstød frigives denne energi på millisekunder og genererer et betydeligt moment. Forkert design af vakuum-kammeret eller forkert fastgørelse af den turbomolekylære vakuumpumpe kan resultere i deformation af vakuum-kammeret og i værste fald vridning eller endda afrivning af den turbomolekylære vakuumpumpe fra flangen.

Test udført af producenter af turbomolekylære vakuumpumper har vist, at flangeforbindelsen ideelt set bør være designet i ISO-F. Turbopumpen forhindres i at rotere i en ISO-F-flange ved hjælp af dens aflange huller og, for ISO-CF, ved hjælp af hullerne til skruerne til fikspunktet. Producenter tilbyder monteringssæt, som indeholder det passende antal klemmer eller skruer til fikspunkter i den krævede materialekvalitet samt passende centerringe. Kun på denne måde er det sikret, at forbindelsen og samlingen forbliver intakt og lækagetæt i tilfælde af en kollision. Værdierne for tilspændingsmomenterne findes i instruktionsmanualen til den turbomolekylære vakuumpumpe og skal overholdes nøje.

5. Utilstrækkelig beskyttelse mod fremmedlegemer

Fremmedlegemer, der falder ind i den turbomolekylære vakuumpumpes rotor, kan forårsage uoprettelig skade. For at forhindre dette anbefales det at montere en splintafskærmning eller beskyttelsesskærm i den turbomolekylære vakuumpumpes indsugningsflange. Selvom dette beskytter vakuumpumpen mod snavs, er tab af ledningsevne en bivirkning. Dette medfører en reduktion af pumpehastigheden – op til 30 % afhængigt af gastypen. En anden løsning er, hvis muligt, at placere den turbomolekylære vakuumpumpe på hovedet på kammeret, da fremmedlegemer vil falde ned på grund af tyngdekraften. Der skal dog udvises forsigtighed for at sikre, at vakuumpumpen er egnet til omvendt drift. Hvis denne type installation ikke er mulig, kan vakuumpumpen monteres på et t-stykke med et 90° ophæng til siden. Bagporten skal vende nedad.

6. Udbagning af vakuumpumpe ved overtemperaturer

I nogle anvendelser skal systemet og den turbomolekylære vakuumpumpe bearbejdes for at opnå optimale procesparametre, herunder forbedret gentagelsesnøjagtighed, reduceret restgasbelastning og højere effektivitet. Et middel til bearbejdning er vakuumtørring. Ved vakuumtørring af den turbomolekylære vakuumpumpe er det vigtigt at overholde de maksimale temperaturer for indsugningsflange, der er angivet af producenten. Disse ligger typisk mellem 100 og 120 °C. Overskridelse af den tilladte temperatur vil forårsage overophedning af vakuumpumpen og kan resultere i skader på lejer eller rotorer. Under udbagning er vandkøling obligatorisk. Udbagningsperioden skal være mindst 6 timer.

7. Overskridelse af maksimalt tilladt modtryk

Turbo-pumper, der har yderligere høje kompressionsfaser ved siden af turbo-faserne, kan håndtere modtryk på over 30 hPa (mbar). Men rene turbofase-vakuumpumper med kun én turbomolekylær kompressionsfase kan typisk kun tåle 2-3 hPa (mbar). Grænserne varierer, afhængigt af det pumpede medie. Hvis disse overskrides, kan rotoren og hele den turbomolekylære vakuumpumpe blive overophedet, hvilket kan medføre skader eller endda totalsvigt på grund af for stor gasfriktion og utilstrækkelig varmeafledning.

En turbomolekylær vakuumpumpe kan ikke fungere mod atmosfærisk tryk og drives derfor altid i kombination med en forpumpe ved udstødningen. Denne vakuumpumpe – typisk en lamelvakuumpumpe eller en tør vakuumpumpe – reducerer modtrykket fra atmosfærisk til almindeligt vakuum. Hvis denne forpumpe har funktionsfejl og ikke er udstyret med en sikkerhedsventil til fint vakuum, vil turbomolekylær vakuumpumpen udlufte gennem afgangsledningen. Dette kan føre til kontaminering af den turbomolekylære vakuumpumpe og det tilsluttede system forårsaget af oliepartikler fra forpumpen. Desuden kan det udøve mekanisk belastning på den hurtigt roterende rotor. Hvis der er tilsluttet et større vakuum-kammer til turbomolekylær vakuumpumpen, kan luftstrømmen gennem afgangsledningen få rotoren til at løfte sig – et fænomen, der kaldes “helikoptereffekten” – og udløse et rotorsammenstød. For at forhindre dette tilbyder producenterne sikkerhedsventiler, der enten er integreret i de respektive forpumper eller som separate løsninger, der isolerer turbomolekylære vakuumpumper og kammere, hvis der opstår en fejl i forpumpen. Disse ventiler lukker inden for millisekunder i tilfælde af fejl og kan udløses af en tryksensor eller et vakuumpumpefejlsignal.

8. Ingen eller forkert udluftning af vakuumpumpen og systemet

Turbopumper genererer meget rent, kulbrintefrit vakuum på grund af deres overlegne kompression og unikke designegenskaber. Men hvis der ikke tages forholdsregler, kan trykudligning fra forvakuumsiden til fin vakuum efter nedlukning af den turbomolekylære vakuumpumpe eller hele vakuumsystemet medføre, at forurenende stoffer og oliepartikler migrerer tilbage ind i den turbomolekylære vakuumpumpe. Hvis der ikke er installeret en ventil eller port på fint vakuum-siden, vil denne kontaminering fortsætte ind i udstyret. En måde at forhindre dette på er ved at udlufte turbomolekylær vakuumpumpen med tør gas, såsom nitrogen eller oliefri luft, hvilket skaber en positiv trykgradient fra fint vakuum mod modtrykssiden. Denne kontrollerede gradient forhindrer forurenende stoffer i at blive trukket opstrøms under trykudligning og fortynder også eventuelle resterende dampe, hvilket reducerer deres partialtryk, så de ikke kan migrere ind i den turbomolekylære vakuumpumpe.

For yderligere at reducere risikoen for kontaminering eller endda potentiel skade kræves der en sikkerhedsventil til fint vakuum til forpumpen for at forhindre luftindsugning fra udstødningen, når forpumpen stoppes, som reference i punkt 7. Den turbomolekylære vakuumpumpes drevelektronik tilbyder intelligente tilstande til sikker udluftning ved en bestemt hastighed i kombination med den passende udluftningsventil. Da en turbomolekylær vakuumpumpes kompressionsforhold også afhænger af hastigheden, er det optimale tidspunkt at starte udluftningen på, når turbomolekylær vakuumpumpens hastighed er faldet til ca. 50 % af den nominelle værdi. I ustabile netværk med hyppige strømsvigt anbefales det at bruge en såkaldt udluftningsventil til strømsvigt, som automatisk udlufter vakuumpumpen og stopper den korrekt i tilfælde af strømsvigt.

9. Utilstrækkelig beskyttelse mod magnetiske felter, stråling og kraftige varmekilder

Magnetiske felter genererer hvirvelstrømme i rotoren på en turbomolekylær vakuumpumpe, der arbejder mod rotationen. Den energi, som denne effekt kræver, får motoren til at trække mere strøm fra sin elektriske tilslutning. Dette kan medføre hurtig overophedning af rotoren. De maksimalt tilladte magnetiske felter for vakuumpumpen er angivet i betjeningsvejledningerne i millitesla (mT). Hvis disse værdier overskrides, skal vakuumpumpen afskærmes med passende afdækninger, eller, hvis fordelingen af det magnetiske felt er kendt, anbringes anderledes.

Neutron- og gammastråling af varierende intensitet og varighed forekommer i partikelacceleratorer. Denne stråling ødelægger effekttransistorer, dioder og elektroniske komponenter, som typisk er væsentlige elementer i frekvensomformerens elektronik. For at undgå dette skal de elektroniske komponenter fjernes fra det berørte område, hvilket kræver, at fjernstyringselektronikken installeres i sikker afstand fra strålingen via et tilslutningskabel.

Under vakuumbetingelser sker varmeoverførsel hovedsageligt via varmestråling. I tilfælde, hvor anvendelsen kræver varme eller meget varme overflader, f.eks. i visse overfladebehandlingsprocesser til slitagebeskyttelse, har turbomolekylær vakuumpumpens rotor brug for visuel beskyttelse mod disse varme overflader, f.eks. en beskyttelsesskærm. Ellers vil denne inducerede varme ikke blive afledt tilstrækkeligt og kan forårsage overophedning af rotoren. Korrekt afskærmning er derfor påkrævet, da dette kan forårsage alvorlige skader.

10. Manglende forholdsregler for processen

Det er vigtigt at vælge en turbomolekylær vakuumpumpe, der er egnet til processen, og sikre, at den er korrekt forberedt. For eksempel er der i forbindelse med ætsende processer – især i Semicon-industrien – adskillige forholdsregler, der skal træffes for at beskytte den turbomolekylære vakuumpumpe.

Der skal anvendes en barriere-gas, f.eks. nitrogen, til at beskytte motoren og lejerne. Dette skaber en ren, positiv tryktætning mellem pumpens processide og de følsomme interne komponenter, hvilket forhindrer, at ætsende gasser diffunderer ind i turbomolekylær vakuumpumpen. Trykket for barriere-gassen, der er angivet i instruktionsmanualen, skal dog overholdes. Desuden skal der tages højde for den ekstra gasbelastning, når forpumpen designes. Brug af det korrekte syntetiske smøremiddel til turbopumper med kuglelejer forhindrer oxidation. Derudover er det fornuftigt at bruge korrosionsbestandige materialer som f.eks. nikkel eller keramisk coating på rotorerne.

Visse processer, såsom kemisk dampudfældning (CVD), er tilbøjelige til depositum. Disse kan føre til ubalance og vibrationer eller tilstopning på grund af kondensering inde i vakuumpumpen, hvilket kan forårsage funktionsfejl eller endda rotornedbrud. Hvis det er muligt, skal den turbomolekylære vakuumpumpe installeres på hovedet, så støv ikke let kan trænge ind i vakuumpumpen. Det giver også mening at installere en skærmplade for at forhindre støv i at falde direkte ind i den kørende vakuumpumpe. Modificering af den turbomolekylære vakuumpumpe med valgfrie temperaturstyringssystemer forhindrer eller minimerer tilstopning og giver bedre driftstid.

Konklusion

Det er vigtigt at undgå de mest almindelige fejl ved brug af turbomolekylære vakuumpumper for at sikre sikker, effektiv og langvarig drift. Mange af disse problemer kan forhindres ved blot at følge producentens anbefalinger, sikre korrekt installation og bruge passende tilbehør. Den ideelle vakuumløsning til den bedste pris er næsten altid i fokus fra kundens synspunkt. Dette indebærer dog ofte risikoen for at vælge en suboptimal vakuumpumpe af omkostningsmæssige årsager, hvilket fører til højere stilstand og højere omkostninger til vedligeholdelse senere. Valg af pålidelige turbopumper og passende tilbehør kombineret med omhyggelig drift og overvågning betaler sig på lang sigt. For at sikre, at den turbomolekylære vakuumpumpe og dens opsætning er fuldt egnet til processen, er en detaljeret konsultation med producenten afgørende for at bekræfte, at systemet kan udføre sin opgave effektivt – og i mange år fremover.

Har du lyst til at dykke mere ned i turbomolekylær-industrien? Så læs mere her.

Om Busch Group

Busch Group er en af verdens førende producenter af vakuumpumper, vakuumsystemer, blæsere, kompressorer, vakuumkamre og gasreduktionssystemer. Koncernen samler de to stærke brands Busch Vacuum Solutions og Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions under ét tag.

Det omfattende produkt- og serviceudbud omfatter løsninger til vakuum-, overtryks- og gasreduktionsteknologi på tværs af en lang række brancher, herunder fødevareindustrien, halvlederindustrien, analyse- og laboratorieområdet samt kemi- og plastindustrien. Tilbuddet omfatter også design og udvikling af skræddersyede vakuumsystemer samt et globalt servicenetværk, der understøtter kunder over hele verden.

Læs mere om Busch Vacuum Solutions og Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions ved at klikke på navnene.

Har du spørgsmål om produkter, service eller andet kan du altid kontakte Busch Vakuumteknik A/S på info@busch.dk eller telefon 8788 0777.