CH618502A5

CH618502A5 -

Info

Publication number: CH618502A5
Application number: CH585077A
Authority: CH
Inventors: Werner Baechler; Hans-Joachim Dr Forth; Ruediger Dr Frank
Original assignee: Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1977-05-10
Publication date: 1980-07-31
Also published as: GB1531378A; FR2351283B3; DE2620880A1; FR2351283A1; US4121430B1; DE2620880C2; US4121430A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryopumpe mit einem Ge- 45 häuse, darin angeordneten Kondensationsflächen und einer im Einlassbereich der Pumpe angeordneten Abschirmung gegen Wärmestrahlung.

Kryopumpen dieser Art mit im wesentlichen rotationssymmetrischem Aufbau sind aus der OE-PS 242 409 und der 50 DT-OS 1 938 035 bekannt. Ihre Pumpwirkung beruht darauf, dass die abzupumpenden Gase auf gekühlten Flächen kondensieren. Je tiefer die Temperatur der Kondensationsflächen gewählt sind, desto besser ist die Pumpwirkung. Die für die Kälteerzeugung aufzuwendende Leistung steigt jedoch mit 55 tieferen Temperaturwerten erheblich an, und zwar wegen der höheren Kälteverluste, bewirkt durch Wärmeleitung und auf die Kondensationsflächen gelangende Wärmestrahlung. Es ist deshalb bekannt, gekühlte Abschirmungen zum Schutz gegen die Wärmestrahlung vorzusehen. Diese können zum grössten 60 Teil als geschlossener Mantel ausgebildet sein. Im Eingangsbereich der Pumpe muss die Abschirmung jedoch so ausgebildet sein, dass das Eindringen der abzupumpenden Gase in die Pumpe möglich ist.

An die Abschirmung in diesem Bereich sind deshalb zwei 65 einander widersprechende Forderungen zu stellen. Einerseits muss sie — bezogen auf die Kondensationsflächen — optisch dicht sein, damit keine Wärmestrahlung aus dem Rezipienten direkt auf die Kondensationsflächen gelangen kann; andererseits soll die Abschirmung die aus dem Rezipienten in die Pumpe gelangenden Gase möglichst wenig behindern. Bei den mit Kryopumpen erzielbaren Drücken stellen die vorbekannten, in Anpassung an die rotationssymmetrischen Kondensationsflächen ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildeten Strahlungsschutzschirme bereits eine das Saugvermögen der Pumpe erheblich beeinflussende Drosselstelle dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kryopumpe mit einem Gehäuse, darin angeordneten Kondensationsflächen und einer im Einlassbereich der Pumpe angeordneten Abschirmung gegen Wärmestrahlung zu schaffen, die infolge einer besonderen Gestaltung einzelner Bauelemente der Kryopumpe — bezogen auf die aufzuwendende Kälteleistung — wesentlich bessere Pumpeigenschaften hat und darüberhinaus einen einfachen und deshalb bezüglich der Herstellungskosten günstigen Aufbau aufweist.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die Kondensationsflächen von mindestens einer etwa senkrecht zur Ebene der Eintrittsöffnung angeordneten Platte gebildet sind und dass die Abschirmung aus geraden Metallstreifen besteht, deren Längsachsen etwa parallel zur Ebene der die Kondensationsflächen bildenden Platte liegen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch eine derartige Abweichung des Aufbaus der genannten Elemente von der bisher üblichen rotationssymmetrischen Form eine Reihe wesentlicher Vorteile erzielt werden. Die in Anpassung an die ebenen Kondensationsflächen ebenfalls nicht mehr rotationssymmetrisch ausgebildete Abschirmung bewirkt keine wesentliche Drosselung der in die Pumpe einströmenden Gase. Die Kühlung der die Abschirmung bildenden Streifen kann wesentlich einfacher und wirksamer als bisher erzielt werden, da die Metallstreifen die Pumpe in gerader Richtung durchsetzen, so dass beide Stirnflächen zum Verlöten mit seitlichen Kaltflächen zur Verfügung stehen. Bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Abschirmungen ist das nicht möglich, so dass gesonderte Kühlschlangen für die Abschirmung vorgesehen sein müssen. Derartige, die Drosselung der einströmenden Gase beeinflussende Kühlschlangen können beim Gegenstand der Erfindung entfallen. Die Verwirklichung der Erfindungsmerkmale hat deshalb insgesamt eine Verbesserung der Pumpeigenschaften bei gleicher Kälteleistung zur Folge.

Vorzugsweise sind die die Abschirmung im Einlassbereich bildenden Metallstreifen direkt mit einem die seitliche Abschirmung gegen einfallende Wärmestrahlung bildenden Mantel mit gutem Wärmekontakt verbunden. Diese Anordnung ist hinsichtlich ihres Aufbaues besonders einfach.

Die Kühlung der Kondensationsflächen erfolgt in vorteilhafter Weise durch einen zentralen, in der Kryopumpe angeordneten Kühlkopf, an dem die Kondensationsflächen mit gutem Wärmekontakt befestigt sind. Als Kühlmittel kommt z. B. Helium in Frage. Zweckmässig liegt diese Kontaktstelle möglichst zentral in bezug auf die Kondensationsflächen, so dass eine gleichmässige Kühlung der Fläche gewährleistet ist.

Die Anzahl und die Art der Anordnung der die Kondensationsfläche bildenden Platten ist an sich beliebig. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Anordnung von zwei z. B. aus vier Abschnitten bestehenden Platten erwiesen, die einander gegenüberstehend das Pumpengehäuse durchsetzen und innen mit Adsorptionsmaterial belegt sind. Eine Kryopumpe mit diesen Merkmalen hat sowohl für Stickstoff als auch für Wasserstoff ein besonders gutes Saugvermögen. Die in das Innere der Pumpe gelangenden Stickstoffmoleküle kondensieren direkt an den äusseren, nicht mit Adsorptionsmaterial belegten Flächen. Das Adsorptionsmaterial im Inneren wird also von der Belegung durch Stickstoffmoleküle weitgehend frei gehalten. Die leichteren Wasserstoffmoleküle diffundie

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ren in den von den Platten gebildeten Zwischenraum hinein und werden adsorbiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt und Figur 2 eine Draufsicht 5 auf eine Kryopumpe nach der Erfindung.

Das Gehäuse dieser Pumpe ist mit 1 bezeichnet. Mit Hilfe des Flansches 2 erfolgt der Anschluss der Pumpe von unten an einen nicht dargestellten Rezipienten. Natürlich kann der Aufbau der Pumpe auch so gewählt sein, dass ihr Anschluss io von oben an einen Rezipienten möglich ist.

Etwa zentral im Inneren der Pumpe befindet sich der Kühlkopf 3, der auf seiner oberen Seite einen Flansch 4 aufweist. An diesem Flansch sind insgesamt vier Plattenabschnitte 5 bis 8 befestigt, welche die Kondensationsflächen 15 bilden. Dazu weisen die Platten 5 bis 8 jeweils einen Winkel 9 bis 12 auf. Diese sind mit Hilfe der Schrauben 13 am Flansch 4 gehaltert. Die Platten 5 bis 8 bestehen vorzugsweise aus Silber. An ihrer Innenseite sind sie mit Adsorptionsmaterial 14 belegt. 20

Der Kühlkopf wird von einem Rohr 15 getragen, das gleichzeitig der Zuführung des Kühlmediums dient. Es weist einen weiteren Kühlabschnitt 16 auf, der mit einem tellerförmigen Träger 17 in gutem Wärmekontakt steht. Dazu weist der Träger 17 noch den Anschlussstutzen 18 auf. 25

An den tellerförmigen Träger 17 ist über Schrauben und Muttern 19 ein Abschirmmantel 20 gehaltert, der die Platten 5 bis 8 vor seitlich einfallender Wärmestrahlung schützt. Zwischen dem Mantel 20 und dem Gehäuse 1 ist eine weitere an sich bekannte Wärmeisolierung 21 vorgesehen. Der Abstand 30 der Platten 5 und 6 voneinander beträgt etwa V7 des Durchmessers des Mantels 20, was sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat.

Die die Platten 5 bis 8 vor Wärmestrahlen aus dem Inneren des Rezipienten schützende Abschirmung besteht aus Me- 35 tallstreifen 22 bis 26. Diese durchsetzen den Mantel 20 in seinem oberen Bereich und sind mit ihren Stirnflächen an diesen Mantel 20 mit gutem Wärmekontakt, z. B. durch Löten, befestigt. In der Draufsicht nach Figur 2 sind nur die beiden Metallstreifen 25 und 26 dargestellt. Die Breite und Neigung der Metallstreifen (aus der Zeichnung entnehmbar) sind so gewählt, dass die beiden Forderungen — optische Dichtheit für Wärmestrahlung und möglichst gute Durchlässigkeit für einfallende Gasmoleküle — optimal erfüllt sind. Die gestrichelt dargestellten Linien 27 zeigen, dass keine Wärmestrahlung direkt auf Platten 5 bis 8 aus dem Rezipienten fallen kann. Damit auch das Auffallen von innerhalb der Pumpe reflektierten Wärmestrahlungen auf die Platte 5 bis 8 möglichst weitgehend vermieden ist, sind geeignete Bereiche 28 bis 31 der Innenwandungen der Pumpe mit einem schwarzen Belag versehen, der die Wärmestrahlung absorbiert. Auch den Platten 5 und 8 zugewandte Bereiche der Metallstreifen 22 bis 26 weisen eine solche Schwärzung, dargestellt durch eine strichpunktierte Linie 32, auf. Die dem Rezipienten zugewandten Seiten der Metallstreifen 22 bis 26 sind möglichst blank ausgebildet, so dass die auftreffenden Wärmestrahlen reflektiert werden.

Während des Pumpens mit der erfindungsgemässen Pumpe gelangen die Gasmoleküle in den Innenraum. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann z. B. die Temperatur der Platten 5 bis 8 auf zirka 15 bis 20° K gehalten werden. Schwerere Gasmoleküle, z. B. Stickstoff, kondensieren an den Aussenflächen der Platten 5 bis 8. Diese Temperatur reicht noch nicht aus, um Wasserstoff zu pumpen. Die Wasserstoffmoleküle diffundieren in den von den Platten gebildeten Innenraum und werden vom Adsorptionsmaterial 14 aufgenommen. Der zweite Kühlabschnitt 16 kann z. B. derart ausgebildet sein, dass der Abschirmmantel 20 und die Metallstreifen 22 bis 26 ständig eine Temperatur von ca. 70 bis 80° K aufweisen. Bei diesen gewählten Temperaturwerten hat die er-findungsgemässe Pumpe bessere Pumpeigenschaften als jede vorbekannte vergleichbare Kryopumpe.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Kryopumpe mit einem Gehäuse, darin angeordneten Kondensationsflächen und einer im Einlassbereich der Pumpe angeordneten Abschirmung gegen Wärmestrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsflächen von minde- 5 stens einer etwa senkrecht zur Ebene der Eintrittsöffnung angeordneten Platte (5 bis 8) gebildet sind und dass die Abschirmung aus geraden Metallstreifen (22 bis 26) besteht, deren Längsachsen etwa parallel zur Ebene der die Kondensationsflächen bildenden Platte liegen. 10

2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung im Einlassbereich bildenden Metallstreifen (22 bis 26) direkt mit einem die seitliche Abschirmung gegen einfallende Wärmestrahlung bildenden Mantel (20) mit gutem Wärmekontakt verbunden sind. 15

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kryopumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der die Kondensationsflächen bildenden Platten (5 bis 8) durch einen zentralen, in der Kryopumpe angeordneten Kühlkopf (3) erfolgt, an dem die Platten (5 bis 8) mit gutem Wärmekontakt befestigt sind. 20

4. Kryopumpe nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkopf (3) in bezug auf die Kondensationsflächen (5 bis 8) zentral liegt.

5. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, aus vorzugsweise vier Abschnitten 25 bestehende, einander gegenüberstehende, das Pumpengehäuse durchsetzende Platten (5 bis 8) die Kondensationsflächen bilden und innen mit Adsorptionsmaterial (14) belegt sind.

6. Kryopumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkopf (3) einen Flansch (4) aufweist, an dem die 30 Plattenabschnitte (5 bis 8) über Winkel (9 bis 12) gehaltert sind.

7. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis» 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung des Auftreffens von im Pumpengehäuse reflektierter Wärmestrahlung auf die 33 Kondensationsflächen Bereiche (28 bis 31) der Innenwandung und/oder der Metallstreifen (22 bis 26) geschwärzt sind.

8. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Platten (5, 6 bzw. 7, 8) voneinander etwa des Durchmessers des Mantels (20) beträgt. 40