CH653746A5

CH653746A5 - Kryogenpumpe mit strahlungsschutzschild.

Info

Publication number: CH653746A5
Application number: CH728580A
Authority: CH
Inventors: Kimo Merlin Welch
Original assignee: Varian Associates
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1980-09-29
Publication date: 1986-01-15
Also published as: GB2059512B; GB2059512A; DE3034934A1; JPS5652587A; FR2466639A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryogenpumpe gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In einer zweistufigen Kryogenpumpe wird die erste Pumpstufe typischerweise auf einer Temperatur im Grössenord-nungsbereich von 50°K-80°Kund die zweite Pumpstufe auf kühlerer Temperatur im Grössenordnungsbereich von 10°K-20°K gehalten. Gase, wie Wasserdampf und Kohlendioxid werden durch Kondensation in der ersten Stufe mit der höheren Temperatur einer Kryogenpumpwirkung ausgesetzt, während Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff und Neon, für deren Kondensation oder Adsorption eine niedrigere Temperatur nötig ist, in der zweiten Stufe gepumpt werden.

Wenn eine Pumpe dieser Art leistungsfähig arbeiten soll, muss die zweite Stufe mit der niedrigeren Temperatur gegenüber Wärmestrahlung von aussen abgeschirmt sein. Bisher sind dazu eine Vielzahl winkelförmiger Umlenkelemente in einer optisch dichten, insgesamt ebenen Anordnung zwischen der zweiten Stufe und der zu entleerenden Kammer angeordnet worden, um die zweite Stufe vor Wärmestrahlung von der Kammer abzuschirmen. Damit wird zwar die gewünschte Abschirmung erreicht, aber die dichte Anordnung aus Umlenkelementen stört die Gasströmung in die Pumpe. Eine Pumpe, die z.B. eintausend Liter pro Sekunde abführen kann, kann durch die Anordnung der Umlenkelemente in ihrem Pumpvermögen auf 150-250 Liter pro Sekunde eingeschränkt werden.

Es ist bereits eine verbesserte Anordnung aus winkelförmigen Umlenkelementen vorgeschlagen worden, die so gestaltet sind, dass sie die zweite Stufe im wesentlichen ein-schliessen oder umgeben. Durch Schaffung einer bedeutend vergrösserten Fläche für den Gaszutritt ermöglicht diese dreidimensionale Anordnung eine bedeutende Herabsetzung des Widerstandes gegen die Gasströmung zur zweiten Stufe im Vergleich zu der üblicheren ebenen Anordnung. Allerdings ist die dreidimensionale Anordnung verhältnismässig kompliziert und teuer in der Herstellung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Kryogenpumpe zu schaffen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Kryogenpumpe der oben genannten Art zu schaffen, die mit Umlenkteilen zum Abschirmen der die niedrige Temperatur aufweisenden zweiten Stufe gegen Wärmestrahlung versehen ist und dabei gleichzeitig eine im wesentlichen ungehinderte Gasströmung zur zweiten Stufe ermöglicht.

Mit der Erfindung soll eine Kryogenpumpe der genannten Art geschaffen werden, die sich leicht und wirtschaftlich herstellen lässt.

Dies wird gemäss der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erzielt.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine teilweise schematisch und teilweise weggeschnitten gezeigte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kryogenpumpe gemäss der Erfindung;

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Betriebs der Umlenkteile beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1;

Fig. 4-9 schematische Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele von Kryogenpumpen gemäss der Erfindung.

Wie Fig. 1 zeigt, weist die Pumpe eine insgesamt kreisförmige Bodenplatte 11 auf, auf derein insgesamt zylinderähnliches Gehäuse 12 angebracht ist. Das Gehäuse ist an seinem oberen Ende 13 offen, um eine Verbindung mit der zu entlee2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

653746

renden Kammer herstellen zu können, und der mittlere Bereich 14, der Seiten wand des Gehäuses ist nach aussen in radialer Richtung ausgebaucht, um eine ungehinderte Gasströmung innerhalb der Pumpe zu ermöglichen.

Die Kühlung erfolgt durch ein Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf, in welchem komprimiertes Heliumgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen expandiert. Zu diesem System gehört eine zweistufige Expandiervorrichtung 16, die an einen hier nicht gezeigten, entfernt angeordneten Kompressor angeschlossen ist. Die Expandiervorrichtung umfasst eine langgestreckte erste Stufe 17 mit einer ringförmigen entfernten Wand 18 sowie eine langgestreckte zweite Stufe 19. Die erste Stufe wird typischerweise auf einer Temperatur im Bereich von 50°K-80°K und die zweite Stufe auf einer Temperatur im Bereich von 10°K-20°K gehalten. Die Expandiervorrichtung erstreckt sich axial durch die Bodenplatte 11, an der sie mittels einer hier nicht gezeigten Einrichtung befestigt ist.

Die erste Stufe der Pumpe weist eine an der Wand 18 der Expandiervorrichtung angebrachte, insgesamt kreisförmige Stützplatte 21 auf, deren äusserer Bereich 22 bis unterhalb der Wand der Expandiervorrichtung versetzt ist. Die Stützplatte ist an der Wand der Expandiervorrichtung mittels Halteschrauben 23 befestigt und steht in inniger Wärmeberührung mit der Wand der Expandiervorrichtung. Mit Abstand oberhalb der Stützplatte ist ein Haltering 26 vorgesehen, und in Kreisrichtung um die Stützplatte und den Haltering herum ist eine Vielzahl sich axial erstreckender Blätter 27 so angeordnet, dass sie eine insgesamt zylinderähnliche Pumpfläche für die erste Stufe bilden. Die Blätter sind an der Stützplatte und am Ring mittels Schrauben 28 befestigt, so dass sich eine feste Konstruktion ergibt, an deren oberem Ende eine Einlassöffnung 29 vorgesehen ist. Die Blätter 27 sind so gebogen, dass sie eine radial nach aussen weisende Ausbuchtung 31 bilden, damit die Einengung der Gasströmung in der Nähe der zweiten Stufe der Pumpe verringert wird.

Zur zweiten Stufe der Pumpe gehört eine am oberen Ende der Stufe 19 der Expandiervorrichtung angebrachte, sich radial erstreckende Platte 36, von der eine kegelstumpfför-mige äussere Wand 37 und eine zylindrische innere Wand 38 herabhängen. Die zweite Stufe ist als einteilige Konstruktion hergestellt und steht in inniger Wärmeberührung mit der oberen Wand der Expandiervorrichtung, an der sie mittels Halteschrauben 39 befestigt ist. Die zweite Stufe ist koaxial innerhalb der ersten Stufe angeordnet.

Zum Abschirmen der zweiten Stufe der Pumpe gegenüber einer direkten Sichtlinienstrahlung von der zu entleerenden Kammer ist eine Einrichtung vorgesehen, die ein oberes Umlenkteil 41 und ein unteres Umlenkteil 42 aufweist,

welche mit axialem Abstand voneinander zwischen der ersten und zweiten Stufe vorgesehen sind. Das Umlenkteil 41 hat einen insgesamt ebenen mittleren Bereich 43, der zwischen der Einlassöffnung 29 und der Platte 36 liegt, während sich ein kegelstumpfförmiger Bereich 44 neben dem oberen Bereich der Wand 37 nach unten und aussen erstreckt. Das Umlenkteil 42 weist ein kegelstumpfförmiges Element auf, welches mit Abstand unterhalb des Bereichs 44 des Umlenkteils angeordnet ist und einen grösseren Durchmesser hat als der kegelstumpfförmige B.ereich 44 des Umlenkteils 41. Dieser Abstand reicht, um eine im wesentlichen ungehinderte Gasströmung zwischen den Umlenkteilen zu ermöglichen. Die Umlenkteile werden auf der Temperatur der ersten Stufe gehalten und haben einen Abstand von den Wänden der zweiten Stufe. Das untere Umlenkteil ist von auf der Stützplatte 21 angebrachten Stangen 46 und das obere Umlenkteil von Stangen 47 abgestützt, die sich zwischen den Umlenkteilen erstrecken.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Aussenflächen der Blätter 27 z.B. durch Vernickeln stark reflektierend ausgebildet sein, während die Innenseite des Gehäuses 12 der Pumpe elektropoliert ist, um den Strahlungswärmeübergang zwischen diesen Körpern zu verringern. Die nach oben weisenden Flächen der Umlenkteile 41, 42 sind gleichfalls beispielsweise durch Vernickeln stark reflektierend gestaltet, so dass die Strahlungsenergie von aussen liegenden Quellen zu den Wänden der ersten Stufe oder durch die Einlassöffnung aus der Pumpe herausreflek-tiert wird. Die Innenflächen der Blätter 27 sind geschwärzt, um zu verhindern, dass Wärmestrahlung von aussen zur zweiten Stufe reflektiert wird. Die Innenflächen der zweiten Stufe (d.h. die Unterseite der Platte 36, die Innenfläche der Wand 37 sowie die Innen- und Aussenseite der Wand 38)

sind vorzugsweise mit einem kryosorbierenden Material, wie Aktivkohle oder einem künstlichen Zeolit beschichtet.

Das in Fig. 1-3 gezeigte Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt: Eine zu entleerende Kammer wird mit der Einlassöffnung 29 in Gasverbindung gebracht und der mit der Expandiervorrichtung 16 verbundene Kompressor betätigt, um die erste Pumpstufe auf einer Temperatur im Bereich von 50°K-80°K und die zweite Pumpstufe auf einer Temperatur im Bereich von 10°K-20°Kzu halten. Gase, wie Wasserdampf und Kohlendioxid kondensieren an der Pumpoberfläche, die die Innenwände der Blätter 27 der ersten Pumpstufe bilden. Gase, wie Helium, Wasserstoff und Neon werden an den Innenwandflächen der zweiten Stufe adsorbiert, während Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff und Argon an allen Oberflächen der zweiten Stufe durch Kondensation gepumpt werden. Das obere Umlenkteil 41 verhindert, dass Wärmestrahlung von aussen auf den Bereich der zweiten Stufe oberhalb des Umlenkteils 42 fällt, und das Umlenkteil 42 verhindert, dass Strahlung von aussen den unteren Bereich der zweiten Stufe erreicht. Durch den Abstand von der zweiten Stufe und voneinander stören die Umlenkteile die Gasströmung zur zweiten Stufe nicht nennenswert.

Die Ausführungsbeispiele gemäss Fig. 4-9 sind ausser hinsichtlich der Umlenkanordnung im wesentlichen ähnlich dem in Fig. 1-3 gezeigten Ausführungsbeispiel, so dass für die gleichen Elemente bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen verwendet sind. In den Fig. 3-9 ist mit gestrichelten Linien die äussere Abgrenzung der durch die Einlassöffnung von der Kammer in die Kryogenpumpe eintretenden Sichtlinienstrahlung markiert.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 ist nur ein einziges Umlenkteil 51 vorgesehen, welches einen insgesamt ebenen mittleren Bereich 52 und einen davon herabhängenden kegelstumpfförmigen äusseren Bereich 53 hat. Der mittlere Bereich des Umlenkteils ist axial zwischen der Einlassöffnung und der oberen Platte 36 angeordnet und schützt vor direkter Wärmestrahlung durch die Einlassöffnung 29. Der Neigungswinkel des kegelstumpfförmigen Bereichs 53 ist so gewählt, dass eine maximale Gasströmung von der Einlassöffnung zur zweiten Stufe möglich ist.

Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel ähnelt dem gemäss Fig. 4, hat nur statt einer massiven Platte zum Abschirmen des oberen Bereichs der zweiten Stufe eine konzentrische Anordnung 56 aus winkelförmigen Umlenkelementen. Zu dieser Anordnung gehört ein kegelstumpfförmiger äusserer Bereich 57 ähnlich dem Bereich 53 gemäss Fig. 4. Dies Ausführungsbeispiel ermöglicht zusätzlichen Gaszutritt zur zweiten Stufe der Pumpe durch die Anordnung 56 der Umlenkelemente.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 weist der Strahlungsschutzschild ein inneres Umlenkteil 61 axial im Abstand oberhalb der zweiten Stufe und ein äusseres Umlenkteil 62 auf, welches koaxial und im wesentlichen in der gleichen Ebene mit dem Umlenkteil 61 angeordnet ist. Das Umlenkteil

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

653746

4

61 hat einen insgesamt ebenen mittleren Bereich 63 und einen davon herabhängenden kegelstumpfförmigen äusseren Bereich 64. Das Umlenkteil 62 ist ein kegelstumpfförmiges Umlenkelement von grösserem Durchmesser als der kegel-stumpfförmige Bereich des Umlenkteils 61. Das innere Umlenkteil schirmt den oberen Bereich der zweiten Stufe vor Strahlung von aussen ab, während das Umlenkteil 62 den unteren Bereich der Stufe abschirmt. Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen ist der Abstand und die Grösse der Umlenkteile so gewählt, dass die Gase frei zwischen den Umlenkteilen und den Wänden der Stufen fliessen können.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 weist der Strahlungsschutzschild eine Umlenkplatte 66 oberhalb der zweiten Pumpstufe und ein Paar kegelstumpfförmige Umlenkteile 67, 68 in axialem Abstand voneinander in der Nähe der Wand 37 auf. Die Platte 66 hat einen grösseren Durchmesser als die obere Platte 36 der zweiten Stufe, und das untere Umlenkteil 68 hat einen grösseren Durchmesser als das obere Umlenkteil 67.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 8 weist der Strahlungsschutzschild ein Umlenkteil 71 auf, welches oberhalb der zweiten Stufe angeordnet ist, sowie eine Vielzahl von Umlenkelementen 72-74, die axial im Abstand voneinander neben der zweiten Stufe vorgesehen sind. Das Umlenkteil 71

hat einen insgesamt ebenen mittleren Bereich 76 und einen kegelstumpfförmigen äusseren Bereich 77. Die Umlenkelemente 72-74 sind kegelstumpfförmig und von zunehmend grösserem Durchmesser zum Boden der zweiten Stufe hin.

5 Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 9 weist der Wärmeschutzschild eine insgesamt kreisförmige Platte 79 auf, die oberhalb der zweiten Stufe angeordnet ist, sowie eine Vielzahl sich radial erstreckender ringförmiger Platten 81-84, die axial einen Abstand voneinander neben der zweiten Stufe 10 haben und zum Boden der Stufe hin einen zunehmend grösseren Durchmesser aufweisen. Durch die gegenseitigen Abstände und die begrenzte radiale Ausdehnung dieser Umlenkplatten ist eine verhältnismässig ungehinderte Gasströmung zur zweiten Stufe möglich, während diese Stufe 15 gegenüber Wärmestrahlung von aussen abgeschirmt ist.

Auch wenn die Pumpstufe und das Gehäuse der Pumpe hier mit radial nach aussen ausgebuchteten Seiten wänden für eine bessere Gasströmung bei allen gezeigten Ausführungs-20 beispielen erläutert sind, ist klar, dass die Erfindung nicht auf diese spezielle Wandkonstruktion beschränkt ist, und dass die hier gezeigten Umlenkanordnungen auch bei geraden zylindrischen Wänden oder einer beliebigen anderen Wandkonstruktion vorgesehen sein können.

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

653746

PATENTANSPRÜCHE

1. Kryogenpumpe (12) zum Entfernen von Gasen aus einer Kammer, gekennzeichnet durch eine Einlassöffnung (29) zur Gasverbindung mit der Kammer, eine erste Stufe (17), die sich axial gegen die Einlassöffnung erstreckt und eine Pumpoberfläche (27) hat, welche auf einer ersten Temperatur gehalten wird, um einen Teil der Gase zu entfernen, eine zweite Stufe (19), die eine Pumpoberfläche (36,37,38) hat, welche auf niedrigerer Temperatur als der ersten Temperatur gehalten wird, um einen weiteren Teil der Gase zu entfernen, wobei ein Umlenkteil (51) oder axial voneinander beabstandete Umlenkteile (41,42,66,68) zwischen der ersten und der zweiten Stufe angeordnet ist bzw. sind, um die Pumpoberfläche der zweiten Stufe gegen direkte Bestrahlung gegen die Einlassöffnung abzuschirmen und gleichzeitig eine im wesentlichen ungehinderte Strömung der Gase von der Einlassöffnung zur zweiten Stufe zu ermöglichen.
2. Kryogenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpoberfläche der zweiten Stufe koaxial innerhalb der Pumpoberfläche der ersten Stufe angeordnet ist und dass sich die Umlenkteile radial zwischen den Pumpoberflächen der Stufen erstrecken.
3. Kryogenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ausdehnung der Umlenkteile (41,42) von der Einlassöffnung weg zunimmt.
4. Kryogenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Umlenkteil (41) einen ersten, axial zwischen der Einlassöffnung und der Pumpoberfläche der zweiten Stufe angeordneten Abschnitt (43) und einen kegel-stumpfförmigen Abschnitt (44) hat, der sich vom ersten Abschnitt nach aussen und von der Einlassöffnung weg erstreckt.
5. Kryogenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein kegelstumpfförmiges Umlenkteil (42) koaxial um die Pumpoberfläche der zweiten Stufe angeordnet ist und einen grösseren Maximaldurchmesser hat als der kegelstumpfförmige Abschnitt (44) des ersten Umlenkteils.
6. Kryogenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpoberfläche der ersten Stufe geschwärzt ist, um eine Reflexion von Wärmeenergie von der Einlassöffnung zur Pumpoberfläche der zweiten Stufe zu verhindern.
7. Kryogenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkteile im wesentlichen auf der Temperatur der ersten Stufe gehalten sind.
8. Kryogenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpoberfläche (27) für die erste Stufe eine Einlassöffnung an einem Ende zur Gasverbindung mit der Kammer und eine zylinderähnliche Pumpoberfläche aufweist.
9. Kryogenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpoberfläche der ersten Stufe einen Ring (26) in der Nähe der Einlassöffnung, eine Stützplatte (21) an dem der Einlassöffnung gegenüberliegenden Ende der Pumpoberfläche der ersten Stufe und eine Vielzahl einzelner Blätter (27) aufweist, die sich zwischen dem Ring und der Platte erstrecken und die zylinderähnliche Pumpoberfläche bilden.
10. Kryogenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blätter so gestaltet sind, dass sie eine radiale Ausbuchtung zur erhöhten Gasströmung in der Nähe der Pumpoberfläche der zweiten Stufe bilden.
11. Kryogenpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkteil oder die axial voneinander beabstandeten Umlenkteile mindestens einen Teil aufweisen, der die zweite Stufe umgibt.