De seks mest almindelige fejl ved brug af vakuumboostere – og hvordan du undgår dem

Vakuumboostere er afgørende i anvendelser, hvor der kræves høje pumpehastigheder og lave tryk, såsom fødevarepakning, coating, metallurgi og lækagesøgning. Men selv små fejl i deres opsætning eller drift kan føre til kostbar stilstand, skader på udstyr eller totalsvigt. I denne artikel undersøger vi de seks mest almindelige fejl, der begås, når man betjener en vakuumbooster, og hvordan man overvinder dem.

1. Ikke tillade afkølingstid før opnåelse af sluttryk

Det anbefales altid at lade en vakuum booster køle af mellem drift ved maksimalt differenstryk og ved sluttryk. Det maksimale differenstryk opstår under evakueringscyklussen og genererer mest varme. Som følge heraf stiger temperaturen pludseligt, hvilket reducerer spalten mellem rotoren og kabinettet. Ved sluttryk er næsten alle gasser fjernet. Rotorlobene roterer med meget høje hastigheder, men der er kun minimal eller slet ingen gasgennemstrømning. Det betyder, at varmen ikke hurtigt kan afledes gennem gassen og overfladen af kabinettet. Hvis der foretages gentagne cyklusser med utilstrækkelig afkølingstid, har kolberotorerne ikke længere tilstrækkelig plads til at dreje på grund af den reducerede spalte, og boosteren sætter sig fast. I ekstreme tilfælde kan dette føre til totalsvigt.

2. Forkerte temperatursvingninger

Pludselige kraftige fald i den omgivende temperatur under drift, især ved sluttryk, kan være kritiske for en booster. Det termiske chok får kabinettet til at trække sig sammen, mens kolberotorerne stadig er varme. Ligesom hvis der tillades utilstrækkelig afkølingstid, reduceres den nødvendige spalte mellem kabinettet og kolberotorerne, hvilket medfører, at vakuumboosteren sætter sig fast. For at undgå termiske chok bør operatøren undgå pludselig at åbne døre i nærheden af vakuumboosteren, især om vinteren, hvor temperaturforskellene kan være store. Derudover skal vakuumboostere, der er placeret udendørs, beskyttes mod regn med et tag eller en baldakin.

Der skal også udvises ekstrem forsigtighed i tilfælde af brand. Hvis slukningsvand rettes mod vakuum boosteren, kan kabinettet revne. Dette er især et problem for vakuum boostere med kabinetter af gråt støbejern. Sfærisk støbejern er med sin højere materialestyrke bedre egnet til at modstå sådanne termiske udsving.

3. Tillader pludselig væskeindtrængen

Væskeindstrømning er en risiko i processer, der involverer kondenserbare dampe, våde gasser, væskeoverførsel eller termiske cyklusser. Dette omfatter anvendelser som vakuumdestillering og dampgenvinding. Små mængder væske kan fordampes hurtigt og nemt på grund af det vakuum, der genereres af forpumpen og vakuumboosteren – under vakuum sænker det reducerede tryk væskens kogepunkt, hvilket muliggør hurtig fordampning selv ved lavere temperaturer. Der kan dog opstå problemer, hvis der pludselig strømmer store mængder væske fra processen ind i vakuumpumperne. Denne pludselige væsketilførsel kan have samme effekt som reduktioner i lufttemperaturen, hvilket forårsager pludselig afkøling og i sidste ende ødelægger vakuumboosteren. Den ekstra mængde væske kan ikke fordampe hurtigt nok, og trykket på forvakuumsiden kan stige til for høje niveauer, hvilket kan forårsage problemer som overophedning, standsning eller mekanisk skade. For at forhindre, at denne type situation opstår, skal der placeres en beholder som f.eks. en væskeseparator mellem proceskammeret og vakuumboosteren, så væsken fjernes, før den når boosteren.

4. Manglende overholdelse af det korrekte forhold mellem booster og forpumpe

I applikationer, der kræver cyklustider på blot få sekunder, såsom load-lock-kamre med hurtige cyklusser, skal operatøren sikre, at trinforholdet (staging ratio) – forholdet mellem vakuumboosterens pumpehastighed og forpumpens pumpehastighed – er lavt, eksempelvis 2:1. Faseforholdet definerer systemets nedpumpningstid (pumpe nede-tid), energiforbrug, samlede omkostninger til udstyr, udstyrets fodaftryk og den varme, der genereres under drift. Højere faseforhold er mulige, men på bekostning af cyklustiden, og derfor vælges faseforholdet under hensyntagen til anvendelsens krav.

For et lille load lock chamber som dem, der anvendes i semiconductor wafer-overførsel, kan dette f.eks. betyde en pumpehastighed på 500 m³/h for vakuumboosteren og 250 m³/h for forpumpen. Årsagen til dette er, at gassen fra atmosfæren til omkring 100 hPa (mbar) har den højeste densitet og indeholder det største antal molekyler, der skal fjernes, så selv en lav pumpehastighed er tilstrækkelig. Dette område evakueres primært ved hjælp af forpumpen. Men efterhånden som trykket falder, falder antallet af molekyler pr. liter også, så der kræves en meget højere pumpehastighed i form af en booster for at fjerne molekyler med en nyttig hastighed. Forpumper er konstrueret til at håndtere tæt gas og store trykforskelle, men ikke højt gennemløb/flow. Vakuumboostere er derimod optimeret til at flytte store mængder meget fortyndet gas, hvorfor deres pumpehastighed er højere.

Under 100 hPa (mbar) øger vakuumboostere systemets volumetriske gennemstrømning betydeligt og opnår en maksimal gennemstrømning under 10 hPa (mbar). Derfor skal forpumpen have en passende størrelse, så den effektivt kan nå et tryk på 100 hPa (mbar). Forkert størrelse af forpumpen kan have flere negative konsekvenser: For det første vil en lille forpumpe øge cyklustiden, hvilket vil påvirke anvendelsens produktivitet negativt og potentielt forårsage defekter eller lavere produktkvalitet. For det andet vil energiforbruget også stige, efterhånden som vakuumpumperne arbejder hårdere for at opnå de ønskede vakuumniveauer. Endelig accelererer den ekstra belastning slid på både vakuumbooster og forpumpe, hvilket medfører et øget behov for vedligeholdelse og de dermed forbundne omkostninger.

5. Tillader ophobning af støv og snavs

Visse processer, såsom metallurgi og krystaludtrækning, genererer betydelige mængder partikler og støv. Det anbefales derfor at installere støvfiltre på indsugningssiden for at beskytte både vakuumboosteren og vakuumpumpen nedstrøms. Dette forhindrer, at snavs trænger ind i vakuumpumperne og forårsager skader i kompressionskammeret, hvilket ellers kan føre til reduceret effektivitet, øget vedligeholdelsesbehov og procesafbrydelser.

Derudover skal der installeres indsugningsskærme ved vakuumboosterens indsugning for at forhindre større partikler i at trænge ind. Dette beskytter også mod svejseperler, der kan frigøres fra svejsesamlingerne i rørsystemet. Det anbefales at bruge indsugningsskærme, der leveres af vakuumpumpens producent, for at sikre, at det frie tværsnit svarer til vakuumpumpens nominelle indsugningsdiameter. Dette sikrer, at pumpehastigheden ikke kompromitteres på grund af ledningsevnetab. Hvis trådnettet har en mindre åbning end vakuumpumpens nominelle indgangsdiameter, begrænser det gennemløbet/flowet. Som følge heraf falder den effektive pumpehastighed. Brug af netskærme, der er designet af pumpeproducenten, sikrer, at åbningen er stor nok, så vakuumpumpens ydeevne ikke reduceres.

6. Manglende sikring af lækagetæthed ved håndtering af kritiske gasser

Ved pumpning af dyre, rene gasser som helium-3 eller helium-4 skal enhver udveksling med den atmosfæriske luft undgås. Disse gasser er ekstremt værdifulde og anvendes ofte i anvendelser, der kræver meget høje renhedsniveauer. Selv små mængder kontaminering forårsaget af luftindtag kan påvirke gassens kvalitet og effektivitet betydeligt i disse anvendelser.

En høj grad af lækagetæthed er derfor afgørende for vakuumpumpen med lækagerater under 10^-5 (mbar) l/s. I den forbindelse kan akseltætningsringe nogle gange være et problem: De kan udvikle lækager ved slitage. Derfor anbefales vakuumpumper med permanente magnetkoblinger i stedet for konventionelle akselgennemføringer.

Det er også muligt at bruge en vakuumbooster med en indkapslet motor. Indkapslede motorer indkapsler rotoren i en hermetisk forseglet beholder, hvilket eliminerer behovet for eksterne akseltætninger og dermed potentielle lækager. Men da den indkapslede motor er udviklet til en bestemt vakuumpumpe, må den kun serviceres af vakuumpumpeproducenten. Magnetkoblinger giver derimod mulighed for at bruge standard, mere omkostningseffektive motorer.

Konklusion

Korrekt vedligeholdelse og drift er nøglen til at maksimere effektiviteten og levetiden for en vakuumbooster. Ved at følge bedste praksis som f.eks. at tillade afkølingstid, før sluttrykket nås, undgå pludselige temperaturudsving, opretholde det korrekte forhold mellem vakuumbooster og forpumpe, forhindre væskeindstrømning, installere støvfiltre og sikre lækagetæthed ved håndtering af kritiske gasser, kan operatører reducere risikoen for udstyrsfejl og stilstand betydeligt.

Forståelse af disse almindelige fejl og implementering af den anbefalede praksis vil ikke kun forbedre vakuumboosterens ydeevne, men også bidrage til sikrere og mere økonomiske industrielle processer.