DE1080257B

DE1080257B - Hochvakuumpumpe

Info

Publication number: DE1080257B
Application number: DEC17120A
Authority: DE
Inventors: Paul Garin; Pierre Prugne
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1957-07-05
Filing date: 1958-07-04
Publication date: 1960-04-21
Also published as: LU36210A1; US3009629A; BE568937A; CH349739A; FR1180717A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvakuumpumpe zum Pumpen sämtlicher Gase, also auch von Edelgasen, mit hoher Pumpleistung, 'bei der Einrichtungen zum Verdampfen eines Getters mit Einrichtungen zum Entfernen der nicht durch Getterwirkung abgeführten Gase in Verbindung stehen.

Zur Erzeugung hoher Pumpgeschwindigkeiten bei niedrigem Druck für alle Gase sind bereits Pumpen bekannt, die mit Flüssigkeiten geringer Dampfspannung arbeiten, wie beispielsweise mit Ouecksilber oder mit Ölen. Bei diesen Pumpen begrenzt die Dampfspannung der benutzten Flüssigkeit das am Ende zu erzielende Vakuum. Dabei werden häufig durch Fallen mit flüssiger Luft gebildete Einrichtungen vorgesehen, die verhindern sollen, daß der Quecksilber- oder öldampf in den auszupumpenden Raum eintritt.

Es ist weiterhin eine Vakuumpumpe in der Fachwelt bekanntgeworden, die auf der Getterwirkung eines verdampfenden Metalls 'beruht, in dem die unedlen Gaskomponenten, wie Sauerstoff und Stickstoff, an dem Metalldampf absorbiert werden. Ihr Mangel besteht darin, daß die Edelgase nicht durch Kondensation niedergeschlagen, sondern ionisiert und in die Metallkondensatschicht des Getters zurückgeführt werden. Die Leistungsfähigkeit einer solchen Pumpe wird durch die Absaugung der aus dem »Penningsystem« diffundierenden positiven Ionen -begrenzt und bereitet dadurch immer wieder Schwierigkeiten.

Bei einer früher vom Erfinder gebauten Hochvakuumpumpe sind Einrichtungen zum Niederschlagen der Gase in einem Behälter angeordnet, der ein verflüssigtes Gas mit sehr niedriger Temperatur enthält. Dabei steht die Hilfsflüssigkeit unter Druck, so daß besondere Maßnahmen zur Abdichtung ergriffen werden müssen, die eine solche Anlage verteuern.

Andere Vakuumpumpen benutzen die ionische Pumpwirkung der Gase mittels eines in dem auszupumpenden Raum angeordneten geeigneten Ionisierungssystems oder sie verbinden die Getterwirkung mit einer solchen Einrichtung· Die Ergebnisse zeigen jedoch, daß die durch Ausnutzung dieser Wirkungen bei Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und den organischen Gasen erhaltenen Förderleistungen befriedigend sind, aber für Luft und Edelgase sieben- bis achtmal kleiner als bei der Förderung der vorher erwähnten Gase werden. Es hat -sich nämlich gezeigt, daß nur die chemisch aktiven Gase von dem verdampften Metall absorbiert werden, während die Edelgase oder indifferenten Gase durch Ionisierung nur -mit sehr geringer Förderleistung abgepumpt werden.

Um die Förderleistung derartiger 'Pumpen zu erhöhen, wurde der Gesamtverbrauch des Ionisierungssystems bereits auf etwa 3 Kilowatt gesteigert, wobei die Pumpgeschwindigkeit für Argon von 9 1 in-der Hochvakuumpumpe

Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr. W. P. Radt, Patentanwalt,
Bochum-Weitmar, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 5. Juli 1957

Paul Garin, Clamart, Seine,
Pierre Prugne, Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise

(Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

Sekunde auf 180 und sogar auf 250 1 in der Sekunde für einen Ionisierungsstrom von einem Ampere gesteigert werden konnte. Die Herstellung der Ionisierungsströme erfordert jedoch derartig aufwendige, sperrige und empfindliche elektronische Anlagen, daß sie keinen Eingang in die Praxis fanden.

Die bisher aufgetretenen Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß eine Kombination einzelner, zum Teil bekannter Maßnahmen angewendet wird, um hohe Pumpgeschwindigkeiten nicht nur für chemisch aktive Gase, sondern insbesondere auch für Edelgase zu erreichen. Die Kombination 'besteht darin, erstens ein Getter fortlaufend thermisch zu verdampfen, um in diesem die unedlen Gaskomponenten an dem Metalldampf zu absorbieren und zweitens Kondensationseinrichtungen vorzusehen, in .denen alle anderen Edelgase, mit Ausnahme der zur Kühlung der Falle benutzten, niedergeschlagen, werden. Diese Kondensationseinrichtung -besteht — und das ist das dritte Kombinationsmerkmal — aus einer FaI-lenikammer, die sich unmittelbar an den Pumpenkörper anschließt und die durch ein flüssiges Gas, vorzugsweise Helium, gekühlt wird. Um diese Kühlwirkung zu erhöhen, ist um den Behälter mit Helium ein weiterer Behälter mit einem anderen flüssigen Gas angeordnet. Diese Kombination ermöglicht es, einen so hohen Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Hochvakuumpumpe zu erreichen, wie er bei den bisher bekannten Pumpen nicht erzielt werden konnte. Es ist mit der erfindungsgemäßen Pumpe somit möglich, bei einer gegebenen Pumpenleistung eine größere Förder-

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menge oder bei einem gegebenen Vakuum eine größere Förderleistung zu erzielen.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Kombination der zur praktisch fortlaufenden Verdampfung eines Getters vorgesehenen Einrichtungen mit Mitteln zum Niederschlagen wenigstens des größten Teiles der durch die Verdampfung des Getters nicht abgeführten Gase, die vorzugsweise in einer Fallenkammer angeordnet sind, die ein Behälter umschließt, der ein verflüssigtes Gas niedriger Temperatur enthält und die mit dem Pumpenkörper verbunden ist, der seinerseits mit der auszupumpenden Kammer in Verbindung steht, wobei Einrichtungen zum Schutz des Behälters gegen äußere Wärmezufuhr vorgesehen sind.

Die erfindungsgemäße Hochvakuumpumpe enthält somit Einrichtungen zur Verdampfung eines Getters und Einrichtungen zur Niederschlagung der durch das Getter nicht erfaßten Gase. Auf diese Weise wird der größte Teil der Gase durch den bekannten Gettereffekt ausgeschieden, während durch die Kondensation auf einfache Weise die nicht durch das Getter erfaßten Edelgase aus dem Vakuum entfernt werden, d. h. nur ein sehr geringer Anteil des insgesamt auszupumpenden Gases. Dadurch wird die Pumpleistung durch die Anwendung einer Einrichtung zur Kondensation stark gesteigert, die verhältnismäßig klein ist und wie sie gar nicht für den Fall verwendbar wäre, daß durch sie das ganze Vakuum erzeugt werden müßte.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise und vereinfacht dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt der Gesamtanordnung einer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgeführten Pumpe;

Fig. 2 zeigt in einem Axialschnitt das an der Hochspannungselektrode angebrachte Verdampfungsgefäß, welches einen Teil der Vorrichtung zur Verdampfung des Getters der Pumpe der Fig. 1 bildet;

Fig. 3, 4, 5 und 6 zeigen in logarithmischen Koordinaten die als Ordinaten aufgetragenen Förderleistungen in Litern in der Sekunde der Pumpe der Fig. 1 und 2 für Luft bzw. Stickstoff bzw. Sauerstoff bzw. Wasserstoff als Funktion der als Abszissen in mm Hg aufgetragenen Drücke.

In Fig. 1 sieht man, daß eine Grundplatte 1, an welcher eine durch einen Wasserumlauf in Leitungen 3 gekühlte zylindrische Muffe 2 befestigt ist, mit dieser Muffe zusammen den Körper C der Pumpe bildet.

In der Mitte der Grundplatte 1 hält eine (weiter unten genauer beschriebene) Hochspannungselektrode 4 einen Tiegel 5 aus einem temperaturbeständigen Werkstoff, z. B. Tantalkarbid. Ein von zwei Niederspannungselektroden 7 gehaltener und durch Joulesche Wärme geheizter Glühfaden 6 umgibt den Tiegel 5.

Ein (durch sein Gehäuses schematisch dargestelltes) mechanisches System zum Abspulen im Vakuum bekannter Bauart, welches keinen Gegenstand der Erfindung bildet und z. B. zwei sich gegensinnig drehende Antriebsrollen aufweist, ist unter der Grundplatte 1 außerhalb des Pumpenkörpers C befestigt und gestattet mittels einer inneren Führung 9 die kontinuierliche Abspulung eines Metalldrahts 10 und die Zufuhr desselben in die Achse des Tiegels 5. Das Abspulsystem liegt außerhalb der Kammer, damit es gegen die Metallisierung geschützt ist, um den Pumpweg freizulegen.

Eine durch konzentrische Zylinder aus dünnem Blech gebildete Abschirmung 11 verhindert das verdampfte Metall des Getters, sich in der auszupumpenden Kammer E niederzuschlagen, ohne die Förderleistung der Pumpe merklich zu beeinträchtigen. Diese Kammer E ist durch ein in der Vakuumtechnik üblidies Verfahren an der Muffe 2 befestigt.

Eine kreisförmige Öffnung 13 in der Grundplatte 1 und ein Durchlaß D setzen den Pumpenkörper C mit der Falle P mit verflüssigtem Gas in Verbindung.

Diese Falle weist eine äußere zylindrische Hülle 14 auf, welche die Fallenkammer abgrenzt, in welcher sich der das verflüssigte Gas 15 enthaltende Behälter

15 α befindet, welcher gegen die Wärmestrahlung vollständig geschützt ist und durch geeignete Einrichtungen vorgekühlt wird, welche z. B. durch einen Mantel

16 aus flüssigem Stickstoff gebildet werden, sowie ein auf die Temperatur des Mantels 16 gebrachtes Schirmsystem 17. Die Speisung des Behälters 15 a erfolgt durch das Rohr 18.

Der Mantel 16 und das Schirmsystem 17 sind so angeordnet, daß ein genügender Durchgang für das Gas zu einer Zwischenzone F entsteht, welche durch ein nicht dargestelltes Vorpumpsystem ausgepumpt wird, welches im allgemeinen eine mechanische Pumpe aufweist. Ein Ventil 19 mit einem metallischen Verschlußkörper für molekulares Vakuum ist an dem unteren Teil der FaIIeP angeordnet und gestattet die Abtrennung der Pumpe C₁ D₁ P₁ F und der auszupumpenden Kammer E von diesem nicht dargestellten System.

Schraubenförmige Prallbleche 20 und 21, welche in dem Durchlaß D bzw. in dem Verdampfungsmantel 22 des in dem auf der Temperatur des flüssigen Stick-Stoffs befindlichen Behälter 15 a enthaltenen verflüssigten Gases 15 angeordnet sind, begrenzen die Wärmezufuhr durch Strahlung von der Getterpumpe zu der Falle P mit verflüssigtem Gas.

Die Abdichtung zwischen den verschiedenen Teilen der Pumpe C₁ D₁ P₁ F und zwischen dieser und den Nachbarteilen E₁ 19 wird einerseits durch ein System mit zwei Dichtungen hergestellt, von denen die eine, 23, metallisch und auf der Innenseite angebracht ist, während die andere, 24, aus Gummi besteht und auf der Außenseite liegt, sowie andererseits durch eine Zwischenauspumpung des zwischen den beiden Dichtungen liegenden Ringraumes 25.

In Fig. 2 sieht man, daß die Hochspannungselektrode 4 einen von einem Steatitrohr 26 umgebenen Stahlstab 4a und einen von dem Stab 4a getragenen Wolframstab 4 b aufweist. Das Rohr 26 wird auf dem Stab 4a durch eine Messingschale 27 gehalten, welche bei 28 an den Stab 4a hart angelötet und bei 29 mit dem Rohr 26 verbunden ist.

Ein bei 31 an dem Steatitrohr 26 befestigter Messingring 30 weist zwei Nuten 32 und 33 zur Aufnähme einer Metalldichtung 34 bzw. einer Gummidichtung 35 auf, wobei ein Stutzen 36 die Herstellung eines Vakuums zwischen diesen beiden Dichtungen ermöglicht. Mit Hilfe von nicht dargestellten am Umfang vorgesehenen Schrauben plattet ein Bund 37 die Dichtungen 34 und 35 ab und hält den Stab 4a auf der Grundplatte 1.

Der Tiegel 5 aus einem temperaturbeständigen Werkstoff ist an dem Ende des Wolframstabes 4 b mittels einer Graphitmuffe 39 und eines Splints 40 befestigt.

Eine Kappe 41 aus Lava schützt das Steatitrohr 26 gegen Metallisierung, während eine Metallschale 42 den unteren Teil der Elektrode 4 a, 4 b umgibt und so die Glimmentladungen bei der Ingangsetzung der Heizung des Tiegels 5 begrenzt.

Bei einer erfindungsgemäßen Pumpe, deren Kenngrößen nur beispielshalber angegeben sind, ist das verdampfte Metall Titan, während die Kältequelle der

Falle flüssiges Helium ist, dessen Siedetemperatur 4,2° K beträgt. Die Temperatur der Kammer E liegt in der Nähe von 300° K, während die Temperatur des Mantels 16 in der Nahe von 100° K liegt. Die Verdampfungsziffer des Titans, welche von der Abspulgeschwindigkeit des Drahtes abhängt, ist zwischen 2 und 20 mg/m regelbar.

Während des Arbeitens geht das freie Ende 10 α des von der Abspulspule 8 angetriebenen Metalldrahtes 10 stetig abwärts und kommt mit dem auf eine geeignete Temperatur gebrachten Tiegel 5 in Berührung. Bei dieser Berührung verdampft der Draht, und die Metalldämpfe schlagen sich an der kalten Wand der Muffe 2 nieder. ·

Bei seiner Niederschlagung an der Wand der Muffe 2 fixiert das Titan die chemisch aktiven Gase, wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff.

Die Edelgase, welche von dem Titan nur sehr wenig fixiert werden, schlagen sich an der kalten Wand der Falle mit flüssigem Helium nieder (außer natürlich dem Helium). Da diese Edelgase nur 1% der Zusammensetzung der Luft ausmachen, muß die Pumpgeschwindigkeit der Falle wenigstens gleich einem Hundertstel des Durchsatzes des gesamten Pumpsystems sein. -

Da der Heliumgehalt in Luft sehr klein ist, genügt eine geringe ionische Pumpgeschwindigkeit zur Auspumpung dieses Edelgases. Die Heizart des Tiegels bildet selbst ein ionisches Pumpsystem, welches zur Ausscheidung des Heliums der Luft bei weitem ausreicht.

Dei geometrische Ausbildung der durch den auszupumpenden Behälter E₃ die Titanpumpe C und die Falle P gebildeten Anordnung ist so getroffen, daß die Luft oder ein anderes aus der Kammer E ausgepumptes Gas zunächst durch die Titanpumpe strömt. Die mit der Falle in Berührung kommenden Gase sind daher zum größten Teil Edelgase, in der Hauptsache Argon.

Die nachstehenden Ergebnisse wurden mit einer Titanpumpe mit flüssigem Helium der in Fig. 1 und 2 dargestellten Bauart erhalten, welche außer den obigen Kenngrößen noch folgende Kenngrößen hatte:

Durchmesser des Titandrahts ... 0,5 mm

Tiegel aus Tantalkarbid

Temperatur des Tiegels 2000° C

In jeder der Fig. 3, 4, 5 und 6 stellt diie Kurve I in logarithmischem Maßstab die Förderleistung der Pumpe als Funktion der Drücke dar, wobei die Messungen von dem schließlich in der wenig entgasten Kammer E enthaltenen Vakuum ausgehen, in welcher einige »Mikrolecke« bestehen bleiben, wahrend die Kurve II die Pumpleistungen unter Ausgang von dem schließlich erhaltenen Vakuum darstellt, welche in der besser entgasten Kammer erhalten wurden, deren Abdichtung verbessert wurde.

Die Kurve III (Fig. 3) zeigt die Pumpleistung für Luft, wobei nur das Verdampfungssystem des Titans unter Ausschluß der Heliumfaile im Betrieb war (so daß in der Hauptsache nur die chemisch aktiven Gase gepumpt werden). Der Vergleich mit den Kurven der Fig. 4, welche sich auf Stickstoff beziehen, zeigt, daß das Verhältnis der Pumpgeschwindigkeit von Stickstoff zu der von Luft bei einem Restdruck von 2 · 10~⁶ mm Hg in der Kammer etwa 30 beträgt (Fig. 4 und Kurve III in Fig. 3). Bei Inbetriebsetzung der Falle mit flüssigem Helium fällt dieses Verhältnis auf etwa 1 (Fig. 3: Kurven I und II; Fig. 4: Kurven I und II).

45 Aus obigem geht hervor, daß eine erfindungsgemäße Pumpe folgende Einrichtungen aufweist:

Einrichtungen (Getter), welche hauptsächlich für die chemisch aktiven Gase wirksam sind, wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff, wobei die Pumpleistung dieser Einrichtungen vergrößert werden kann, da sie von der Verdampfungsziffer des Getters (Titan) und der Kondensationsfläche abhängt;

Kondensationseinrichtungen (Falle mit flüssigem Helium), welche alle anderen Gase mit Ausnahme des Heliums pumpen.

Die niedrigsten erhaltenen Drücke kennzeichnen nicht das Grenzvakuum der Pumpe. Der Vergleich zwischen den beiden der Luft entsprechenden Kurven I und II der Fig. 3 sowie zwischen den beiden den chemisch aktiven Gasen entsprechenden Kurven I und II der Fig. 4, 5 und 6 zeigen nämlich, daß der Abfall der Pumpleistung bei niedrigen Drücken (welcher den Enddruck in der Kammer begrenzt) nur von der Qualität der Kammer herrührt, d. h. von ihrer Abdichtung und der geringen Entgasung ihrer verschiedenen Bestandteile.

Es ist ferner zu bemerken, daß, da bei sehr niedrigen Drücken (von 10—⁷ mm Hg an) die Sättigung des Titanniederschlags eine lange Zeit erfordert, die Verdampfung des Titans zweckmäßig abgestellt und nur das Heizsystem (ionische Pumpung und Getter) und die Falle mit flüssigem Helium im Betrieb gelassen wird. Hierdurch wird die eigene Entgasung des Titandrahts im Augenblick seiner Verdampfung vermieden, so daß dann ein sehr hohes Vakuum erreicht werden kann (kleiner als 10~⁹ mm Hg).

Eine erfindungsgemäße Pumpe hat für Luft eine Pumpleistung, welche gleich der für die chemisch aktiven Gase erhaltenen ist. Dies konnte mit den bisher bekannten Systemen nioht erreicht werden, obwohl diese eine schwere elektronische Apparatur zur Abfuhr der Edelgase benutzen.

Claims

Patentansprüche:

1. Hochvakuumpumpe zum Pumpen von Gasen, auch von Edelgasen, mit hoher Pumpleistung, bei der Einrichtungen zum Verdampfen eines Getters mit Einrichtungen zum Entfernen der nicht durch Getterwirkung abgeführten Gase in Verbindung stehen, gekennzeichnet durch die Kombination der zur praktisch fortlaufenden Verdampfung eines Getters vorgesehenen Einrichtungen mit Mitteln zum Niederschlagen wenigstens des größten Teiles der durch die Verdampfung des Getters nicht abgeführten Gase, die vorzugsweise in einer Fallenkammer (P) angeordnet sind, die durch einen Behälter (15 a) gebildet ist, welcher ein verflüssigtes Gas (15) mit niedriger Temperatur enthält, und die mit dem Pumpenkörper (C) verbunden ist, der seinerseits mit der auszupumpenden Kammer (E) in Verbindung steht, wobei Einrichtungen (16, 17) zum Schutz des Behälters gegen äußere Wärmezufuhr vorgesehen sind.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (15 a) verflüssigtes Helium (15) enthält.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (16, 17) zum Schutz des Behälters unter anderem aus einem Mantel (16) bestehen, der mit einem verflüssigten Gas mit niedriger Temperatur gefüllt ist, welche jedoch höher als die des in dem Behälter (15 a) enthaltenen verflüssigten Gases (15) ist.

4. Pumpe nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen dem Körper (C) und der Fallenkammer (P) einen Durchlaß (D) mit vermindertem Querschnitt aufweist, in dem ein schraubenförmiges Prallblech (20) angeordnet ist.

5. Pumpe nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit der auszupumpenden Kammer (B) verbundenen Abschnitt des Körpers (C) eine Reihe von konzentrischen Zylindern (11) angeordnet ist, die die Metalldämpfe, nicht aber die auszupumpenden Gase abschirmen.

6. Pumpe nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein geringeres Vakuum erzeugende Hilfspumpe durch eine Zone (F) ansaugt, die durch ein für molekulares Vakuum vorgesehenes Ventil (19) von der Hilfspumpe abgetrennt ist.

7. Pumpe nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem getrennten Teil der Pumpe (C, D, P₁ F) und den Nachbarteilen (B, 19) ein Satz von zwei konzentrischen konischen Dichtungen vorgesehen ist. von denen die innere Dichtung (23) metallisch ist, während die äußere Dichtung (24) aus einem nachgiebigen Werkstoff besteht, wobei Einrichtungen zur Aufrechterhaltung des Vakuums in dem Raum (25) zwischen den beiden Dichtungen eines Dichtungssatzes vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift "Nr. 750 230;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 010 695;

deutsche Auslegeschriften A 230481 a/27 d
kanntgemacht am 21.6.1956); N105711a/27 d (bekanntgemacht am 24.11. 1955);

USA.-Patentschrift Nr. 2 636 664.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen