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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Kryopumpe mit einem Pumpraum mit
einer Gaseinlassöffnung und
einer durch eine Kältequelle
gekühlten
Pumpfläche
in dem Pumpraum.
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Eine
derartige Kryopumpe ist aus DE-U-91 11 236 bekannt. Die Kryopumpe
weist drei Funktionsbereiche auf, nämlich ein Baffle, eine oder
mehrere Pumpflächen
sowie eine Adsorptionsvorrichtung. Alle drei Bereiche werden durch
eine Kältequelle
gekühlt.
Das Baffle liegt im Bereich der Gaseinlassöffnung und wird auf eine Temperatur
zwischen 40 und 100 K gekühlt.
Das Baffle dient der Abschirmung des Pumpraumes gegenüber einfallender
Wärmestrahlung
und zum Kondensieren von leicht kondensierbaren Gasen wie z. B.
H2O oder CO2.
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Die
Pumpfläche
in dem Pumpraum wird durch die Kältequelle
auf eine Temperatur von 5 bis 20 K gekühlt. Die Pumpfläche dient
der Anlagerung von erst bei tiefen Temperaturen kondensierbaren nichtleichten
Gasen durch Kryokondensation, wie beispielsweise von Stickstoff,
Sauerstoff und Argon.
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Die
Adsorptionsvorrichtung ist ebenfalls in dem Pumpraum angeordnet
und wird durch die Kältequelle
ebenfalls auf eine Temperatur von 5 bis 20 K gekühlt. Die Adsorptionsvorrichtung
dient der Anlagerung von leichten Gasen durch Kryoadsorption, wie
beispielsweise von Wasserstoff, Helium und Neon. Als Adsorptionsvorrichtung
wird eine Aktivkohle-Beschichtung auf einer Trägerplatte verwendet, wobei
die Trägerplatte
auf ihrer anderen Seite, nämlich
auf der der Gaseinlassöffnung
näheren
Seite, die Pumpfläche
bildet. Um die Adsorptionsfähigkeit
der Adsorptionsvorrichtung sicherzustellen, dürfen keine nichtleichten Gase
an die Adsorptionsvorrichtung gelangen, da nichtleichte Gase die
Adsorptionsmaterial-Beschichtung auf der Trägerplatte versiegeln und dort
dadurch die Adsorption leichter Gase verhindern. Bekannte Pumpflächen sind
beispielsweise topfartig ausgebildet, wobei der Topfboden der Gaseinlassöffnung zugewandt
ist. Nachteilig ist hierbei, dass die Pumpfläche an der Randkante des Topfbodens
relativ schnell mit Kondensat zuwächst, so dass das Kondensat
den Gasfluss an der Pumpfläche
vorbei zu der Adsorptionsvorrichtung behindert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die Kondensation für nichtleichte Gase sowie die
Adsorption für
leichte Gase bei einer Kryopumpe zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den
Merkmalen des Anspruches 1.
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Die
erfindungsgemäße Kryopumpe
weist einen zur Gaseinlassöffnung
hin konvex gewölbten Pumpflächen-Schirm
auf, der an seiner der Gaseinlassöffnung zugewandten Fläche knick-
und kantenfrei ausgebildet ist. Der Schirm kann halbtonnenförmig oder
haubenförmig
gestaltet sein und weist vorzugsweise an seiner der Gaseinlassöffnung zugewandten
Fläche
keine Krümmung
von weniger als 5 mm Krümmungsradius
auf. Der Schirm weist keine größere Fläche mehr
auf, die zur Ebene der Gaseinlassöffnung parallel ist. Vielmehr
ist der Pumpflächen-Schirm
gewölbt,
so dass nur die Schirmmitte relativ nahe der Gaseinlassöffnung und
parallel zu ihrer Öffnungsebene
ist.
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An
Knicken und Kanten einer Pumpfläche
lagert überproportional
schnell Kondensat an, so dass in diesen Bereichen das Kondensat
schneller wächst und
den die Pumpfläche
passierenden Gasstrom behindert, was wiederum die Adsorption leichter
Gase, wie Wasserstoff, Helium, u.ä. an der Adsorptionsvorrichtung
behindert. Durch den Wegfall von Knicken oder Kanten an der Pumpfläche wird
erreicht, dass auf dem Pumpflächen-Schirm
eine relativ gleichmäßige Kondensatschicht
wächst,
die weitgehend frei von Kondensat-Wällen, -Inseln oder -Peaks ist.
Da das Kondensat in den von der Gaseinlassöffnung entfernteren seitlichen
Bereichen des Pumpflächen-Schirmes
langsamer wächst
als in den zentraleren Bereichen des Pumpflächen-Schirmes, die der Gaseinlassöffnung mehr
zugewandt und näher
sind, wird der Kondensataufbau auf die Bereiche des Pumpflächenschirmes
konzentriert, die auch bei großen
Kondensatdicken den Gasstrom an dem Pumpflächen-Schirm vorbei zur Adsorptionsvorrichtung nur
relativ wenig behindern.
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Bei
der Regeneration wird die Pumpfläche erwärmt und
das angesammelte Kondensat kann von dem Pumpflächen-Schirm durch sein Eigengewicht
herabgleiten, da nur ein relativ kleiner Bereich des Schirmes in
einer Horizontalebene liegt. Hierdurch wird eine schnelle und zuverlässige Regeneration
sichergestellt.
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Vorzugsweise
füllt der
Pumpflächen-Schirm mehr
als 20 % der Fläche
der Gaseinlassöffnung aus,
insbesondere mehr als 50 %. Hierdurch ist sichergestellt, dass ein
größtmöglicher
Anteil des Gasstromes auf die Pumpfläche stößt, so dass ein größtmöglicher
Anteil nichtleichter Gase an dem Adsorptionsflächen-Schirm kondensiert und diesen nicht
unkondensiert passiert. Der Pumpflächenschirm ist vorzugsweise
als abgeflachte Halbtonne oder Haube ausgeformt. Die Ränder des
halbtonnen- oder haubenförmigen
Pumpflächen-Schirmes
sind vorzugsweise annähernd
parallel zur ungefähr
senkrechten Seitenwand des Pumpraumes.
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Vorzugsweise
ist eine Adsorptionsvorrichtung vorgesehen, die von einer mit Adsorptionsmaterial
beschichteten Trägerplatte
in dem von dem Schirm umschlossenen Adsorptionsraum gebildet wird.
Die Adsorptionsvorrichtung wird von dem Pumpflächen-Schirm gegenüber der
Gaseinlassöffnung
zum großen
Teil abgeschirmt. Die Adsorptionsvorrichtung wird also von einer
separaten beschichteten Trägerplatte
gebildet und nicht von einer rückseitigen
Beschichtung des Pumpflächen-Schirmes. Durch
die separate Ausbildung der Adsorptionsvorrichtung in Form der mit
Adsorptionsmaterial beschichteten Trägerplatte werden die Herstellung
und die Montage der Adsorptionsvorrichtung erleichtert. Ferner kann
die Kapazität
für leichte
Gase, wie Wasserstoff, Helium und Neon, vergrößert bzw. an den jeweiligen
Bedarf konstruktiv angepasst werden.
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Vorzugsweise
ist die Trägerplatte
annähernd senkrecht
zur Schirmebene angeordnet und liegt mit ihrem Seitenrand wärmeleitend
ungefähr
senkrecht an dem Schirm an. Die Trägerplatte kann mit einem Abschnitt
ihres Seitenrandes oder mit ihrem gesamten mit dem Pumpflächen-Schirm
korrespondierenden Seitenrand an dem Pumpflächen-Schirm anliegen. Hierdurch
wird eine gute Wärmeleitung
zwischen der Adsorptionsvorrichtungs-Trägerplatte und dem Pumpflächen-Schirm
geschaffen.
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Vorzugsweise
füllt die
Adsorptionsvorrichtungs-Trägerplatte
den Querschnitt des von dem Pumpflächen-Schirm umfassten Adsorptionsraumes im
Wesentlichen aus. Hierdurch wird eine größtmögliche Adsorptionsfläche der
Adsorptionsvorrichtung realisiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung wird die Adsorptionsvorrichtung von mehreren
parallelen mit Adsorptionsmaterial beschichteten Trägerplatten
gebildet. Hierdurch kann das Adsorptionsvermögen auf ein vielfaches des
Adsorptionsvermögens einer
einzigen beschichteten Trägerplatte
erhöht
und an den Bedarf der betreffenden Anwendung angepasst werden.
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Vorzugsweise
werden die beschichteten Trägerplatten
von einer Traverse gehalten, wobei die Traverse an dem Schirm befestigt
und mit der Kältequelle
verbunden ist. Die Kältequelle
ist unmittelbar an der Traverse befestigt, so dass eine relativ
widerstandsarme Verbindung der Kältequelle
mit den Trägerplatten
sowie mit dem Pumpflächen-Schirm
realisiert ist. Die Traverse steht vorzugsweise ungefähr rechtwinklig
zur Grundebene der Trägerplatten.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine Kryopumpe mit gewölbtem Pumpflächen-Schirm
und beschichteten Adsorptionsvorrichtungs-Trägerplatten im Querschnitt,
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2 die Kryopumpe der 1 im Längsschnitt, und
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3 eine vergrößerte perspektivische
Darstellung des Pumpflächen-Schirmes
sowie der Adsorptionsvorrichtung der Kryopumpe der 1.
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In
den 1 bis 3 ist eine Kryopumpe 10 dargestellt,
die der Erzeugung von Hochvakuum durch Gaskondensation und -adsorption
dient. Die Kryopumpe 10 besteht im Wesentlichen aus einem äußeren Gehäuse 12,
einem darin angeordneten Pumpraum-Strahlungsschirm 14, einer
Pumpfläche 16,
einer Adsorptionsvorrichtung 18 sowie einer Kältequelle 20.
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Die
Kältequelle 20 ist
ein zweistufiger Refrigerator, beispielsweise ein Gifford-McMahon-Kühler. Die
Kältequelle 20 weist
eine erste Stufe 22 und eine zweite Stufe 24 auf.
Die erste Kältequellen-Stufe 22 ist
mit dem topfförmigen
Pumpraum-Strahlungsschirm 14 verbunden,
der nach oben offen ausgebildet ist. Die Öffnung des Pumpraum-Strahlungsschirmes 14 bildet
eine Gaseinlassöffnung 26.
In der Gaseinlass-Öffnung 26 ist
ein Baffle 28 angeordnet, das zusammen mit dem Pumpraum-Strahlungsschirm 14 einen
Pumpraum 30 begrenzt. Die zweite Kältequellen-Stufe 24 ist
mechanisch und gut wärmeleitend
mit der Adsorptionsvorrichtung 18 sowie mit der Pumpfläche 16 verbunden.
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Die
Kryopumpe 10 weist drei Funktionsbereiche auf:
Der
erste Funktionsbereich dient der Abschirmung der Wärmestrahlung
von außen.
Die Wärmestrahlungs-Abschirmung
wird durch den Pumpraum-Strahlungsschirm 14 und das Baffle 28 gebildet,
die durch die erste Kältequellen-Stufe 22 auf
ca. 25 – 100
K gekühlt
werden.
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Der
zweite Funktionsbereich wird von der Pumpfläche 16 gebildet, die
im Wesentlichen von einem halbtonnenförmigen Schirm 17 gebildet
wird. Der Pumpflächen-Schirm 17 ist
zur Gaseinlassöffnung 26 hin
konvex und annähernd
halbzylinderförmig
gewölbt
ausgebildet. Der Pumpflächen-Schirm 17 ist
an seiner gesamten der Gaseinlassöffnung 26 zugewandten
Fläche
knick- und kantenfrei ausgebildet. Grundsätzlich kann der Pumpflächen-Schirm 17 auch
haubenförmig
ausgebildet sein, wobei die Haubenform sphärisch oder auch nicht-sphärisch geformt
sein kann. Die Pumpfläche 16 wird
auf ungefähr
10 K gekühlt
und dient der Kondensation von erst bei tieferen Temperaturen kondensierbaren nichtleichten
Gasen, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff und Argon.
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Der
dritte Funktionsbereich wird durch die Adsorptionsvorrichtung 18 gebildet,
die ebenfalls von der zweiten Kältequellen-Stufe 24 auf
eine Temperatur von ungefähr
10 K gekühlt
wird. Die Adsorptionsvorrichtung 18 dient der Adsorption
leichter Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium und Neon. Die
Adsorptionsvorrichtung 18 wird im Wesentlichen gebildet
von mehreren Trägerplatten 34,
die jeweils beidseitig mit einem Adsorptionsmaterial 36 beschichtet
sind. Das Adsorptionsmaterial 36 ist Aktivkohle, die auf
die Trägerplatte
aufgeklebt ist oder auf andere Weise an der Trägerplatte 34 befestigt
ist. Die Trägerplatten 34 sind
durch eine obere Traverse 38 und durch eine untere Traverse 40 jeweils
miteinander verbunden. Die Trägerplatten 34 werden
an den Traversen 38, 40 jeweils durch entspre chende
Befestigungsmittel, beispielsweise durch Muttern an der Traverse
gehalten, so dass der Abstand der Trägerplatten zueinander fest
eingestellt ist. Durch die Abschirmung der Adsorptionsvorrichtung 18 durch
den Schirm 17 wird diese vor Wärmestrahlung abgeschirmt.
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Die
thermische Verbindung von der zweiten Kältequellen-Stufe 24 zu
der oberen Traverse 38 wird durch zwei Kälteleitstücke 42, 43 hergestellt,
die mit der zweiten Kältequellen-Stufe 24,
miteinander sowie mit der oberen Traverse 38 durch Schrauben 44, 45 wärmeschlüssig miteinander
verbunden sind. Über die
obere Traverse 38 wird die wärmeleitende Verbindung zu den
Trägerplatten 34 hergestellt.
Die Trägerplatten 34 liegen
mit ihren Seitenrändern
jeweils teilweise an dem Pumpflächen-Schirm 17 an,
so dass hierdurch eine Wärmebrücke von
der zweiten Kältequellen-Stufe 24 zu
dem Pumpflächen-Schirm 17 hergestellt
ist.
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Zur
Regeneration der mit Gaskondensat belegten Pumpfläche 16 bzw.
Adsorptionsvorrichtung 18 sind Heizungen vorgesehen, die
nicht dargestellt sind.
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Das
Wachstum des Gaskondensates auf dem Pumpflächen-Schirm 17 erfolgt über die
gesamte Fläche
ohne größere Sprünge in der
Schichtdicke des Gaskondensates. Die der Gaseinlassöffnung 26 stärker zugewandten
Bereiche des Pumpflächen-Schirmes 17 lagern
schneller und dadurch eine dickere Gaskondensatschicht an, als die
mehr dem Pumpraum-Strahlungsschirm 14 zugewandten Bereiche
des Pumpflächen-Schirmes 17.
Hierdurch wird ein zu schnelles Zuwachsen der Passage zwischen dem
Pumpflächen-Schirm 17 und
dem Pumpraum-Strahlungsschirm 14 vermieden. Durch die geschützte Anordnung
der Adsorptionsvorrichtung 18 innerhalb des Pumpflächen-Schirmes 17 wird
die Kondensation nichtleichter Gase an der Adsorptionsvorrichtung
vermieden, so dass die Ad sorptionsfähigkeit der Adsorptionsvorrichtung 18 für leichte
Gase nicht verschlechtert wird.
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Zwar
weist der Pumpflächen-Schirm 17 an seinen
Längsenden
jeweils Seitenkanten auf, jedoch sind diese nur an zwei Seiten des
Pumpflächen-Schirmes
vorhanden und ragen nicht aus dem Pumpflächen-Schirm in Richtung Gaseinlassöffnung 26 empor.
Der Pumpflächen-Schirm 17 ist
knick- und kantenfrei ausgebildet. Die beiden Seitenkanten des Pumpflächen-Schirmes 17 können zur
Vermeidung von Kristallisationspunkten auch nach unten, d.h. von der
Gaseinlassöffnung 26 weg
abgebogen ausgebildet sein.
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Bei
der Regeneration kann das an den Pumpflächen-Schirm 17 angelagerte
Kondensat nach unten ablaufen, da annähernd die gesamte Außenseite
des Pumpflächen-Schirmes 17 nicht
in einer Horizontalebene liegt, sondern mehr oder weniger nach unten
geneigt ist.
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Mit
dem zur Gaseinlassöffnung 26 konvex gewölbten Pumpflächen-Schirm 17 und
dem annähernd
rechtwinklig hierzu in dem von dem Pumpflächenschirm 17 abgeschirmten
Raum angeordneten Trägerplatten 34 der
Adsorptionsvorrichtung wird auf kleinem Raum eine Kryopumpe mit
einer hohen Pumpleistung realisiert.