Anwenderberichte
Universität von Tennessee – Standort des Helium-Rückgewinnungssystems
© University of Tennessee
Das Institut für fortschrittliche Materialien und Fertigung (IAMM) der Universität Tennessee verfügt über zahlreiche Geräte und Systeme, die Ultrahochvakuum und den Einsatz von flüssigem Helium erfordern. Der Gesamtbedarf an flüssigem Helium war so hoch, dass das Institut beschloss, eine Helium-Rückgewinnungsanlage von Cryomech zu installieren. Dieses System ermöglicht, bereits gekauftes Helium zu recyceln und wiederzuverwenden. Die Vakuum-Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10C erwies sich dabei als entscheidende Komponente für die effiziente Regeneration der Feuchtigkeitsfallen im Helium-Rückgewinnungssystem. Durch ihren Einsatz konnte das Risiko von Ausfallzeiten erheblich reduziert und die Betriebseffizienz gesteigert werden.
Helium-Großtanks
© University of Tennessee
Die Rückgewinnungsanlage
Neue Heliumtanks können bei den derzeitigen Preisen zwischen 3.000 und 5.000 $ pro 100 l kosten. Zudem kann es Wochen dauern, bis eine Bestellung überhaupt ausgeführt wird. Da Nutzer beim IAMM bis zu 100 l an einem einzigen Tag verbrauchen, erwies sich ein nachhaltigerer Ansatz zur Deckung des Heliumbedarfs als erforderlich. Daraufhin erfolgte die Installation einer Helium-Rückgewinnungsanlage von Cryomech. Diese verfügt über eine Lagerkapazität von 500 l und kann täglich 50-60 l Helium produzieren.
Die Nutzer sind über Netzwerkleitungen direkt mit der Heliumanlage verbunden, sodass verwendetes Helium unmittelbar in der Rückgewinnungsanlage gesammelt werden kann. Nach dem Sammeln durchläuft das Helium zunächst einen Reinigungsprozess und wird anschließend durch Kühlung verflüssigt. Das Edelgas verflüssigt sich bei 4 K (-269 °C). Dabei ist die Reinheit des Heliumstroms von entscheidender Bedeutung, weil Verunreinigungen bei diesen Temperaturen gefrieren. Selbst kleinste Partikel oder deren Ansammlungen können sowohl die Regenerationsanlage als auch die Geräte der Endverbraucher beschädigen.
Aufreinigung in zwei Schritten
- Feuchtigkeitsfalle: Der Heliumstrom wird durch eine Sorptionsmittel-/Filterkartusche geleitet, um verbleibende Wasser- und Feuchtigkeitsreste zu entfernen.
- Stickstoff-Kältefalle: Entfernung kondensierbarer Verunreinigungen wie O₂, N₂ und/oder anderer Fremdstoffe.
Die Anlage des IAMM erfordert, dass die Fallen im Durchschnitt alle zwei bis drei Monate regeneriert werden, um ihre ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen – insbesondere bei der Feuchtigkeitsfalle. Zur Regeneration wird die Feuchtigkeitsfalle zunächst erhitzt (ausgebacken), um aufgenommene Verunreinigungen freizusetzen. Anschließend wird Feinvakuum eingesetzt, um sowohl die Verunreinigungen zu entfernen als auch die Trocknung der Falle zu unterstützen.
Die Reinheit des Systems ist von entscheidender Bedeutung – daher ist ein starkes, zuverlässiges und effizientes Feinvakuum erforderlich. Verbleibende Verunreinigungen würden bei erneuter Inbetriebnahme der Fallen leicht wieder absorbiert und ausgefroren.
Die Lösung
An der Rückgewinnungsanlage wurde bisher eine ölfreie Scrollpumpe für die Regeneration der Feuchtigkeitsfalle genutzt. Dabei trat jedoch eine so hohe Dampflast auf, dass diese nicht mehr effektiv Vakuum erzeugen konnte. Um den Prozess fortzuführen zu können, war zunächst eine Trocknung der Pumpe erforderlich. Diese erfolgte durch Öffnen des Gasballasts an der laufenden Pumpe, wodurch Umgebungsluft in die Pumpkammer strömte. Vakuumwert und Durchflussrate wurden so lange beobachtet, bis die Pumpe ausreichend trocken für die Fortsetzung des Regenerationsprozesses war. Durch die regelmäßigen Unterbrechungen dauerte die Regeneration der Fallen mit der Scrollpumpe im Durchschnitt ganze zwei Wochen. Darüber hinaus wurde das Personal vor Ort von anderen Aufgaben abgehalten, weil eine kontinuierliche Überwachung erforderlich war.
Im Gespräch mit BRANDTECH® lernte das IAMM die Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10C von VACUUBRAND kennen. Diese Pumpe erfüllte nicht nur die Anforderungen an Vakuum und Durchflussrate, sondern bewältigt auch hohen Dampfanfall selbst unter Vakuumbedingungen – ein klarer Vorteil gegenüber herkömmlichen Scrollpumpen. Damit entfällt die Notwendigkeit, die Regeneration der Fallen zu unterbrechen, um das Pumpeninnere zu trocknen. Nach einer erfolgreichen Demonstration vor Ort wurde die Scrollpumpe schließlich durch die Schraubenpumpe ersetzt.
Mit der Scrollpumpe dauerte es etwa zwei Wochen, die Feuchtigkeitsfalle auszuheizen und abzupumpen. Mit der Schraubenpumpe VACUU·PURE® 10C können wir diesen Prozess auf etwa fünf Tage verkürzen. Sie entfernt die feuchte Luft deutlich effizienter als eine Scrollpumpe.
Die Ergebnisse
Die Schraubenpumpe VACUU·PURE 10C bewältigt Dampfanfall erfolgreich und halbiert die Regenerationszeit der Fallen von zwei Wochen auf fünf Tage. Zudem bewältigt sie die Prozessdampflast effektiv, ohne dass eine Trocknung erforderlich ist. Dadurch entfällt die kontinuierliche Überwachung, was dem Personal vor Ort ermöglicht, sich auf andere Projekte und Anforderungen zu konzentrieren.
Die Helium-Rückgewinnungsanlage ist für den Betrieb des IAMM entscheidend. Um Ausfallzeiten zu vermeiden, stehen zwei Fallensets zur Verfügung. So kann immer ein Set in Betrieb sein, während das andere regeneriert wird. Früher mussten die Nutzer mit der Scrollpumpe während der Regeneration einer Feuchtigkeitsfalle zwei Wochen lang ohne Ersatzfallen arbeiten. Gab es ein Problem, war die Anlage nicht betriebsfähig, bis die Fallen vollständig regeneriert waren. Heute kann das IAMM dank der Zeitersparnis durch die Schraubenpumpe VACUU·PURE 10C die Anlagenredundanz um eine Woche erhöhen, was das Risiko von Ausfallzeiten verringert.
