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Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochvakuums, vorzugsweise eines Utraho
chvakuums Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochvakuums,
vorzugsweise eines Ultrahochvakuums, nach denn Prinzip der Kältepumpe.
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Es ist bereits bekannt, Gase und Dämpfe an tiefgekühlten Kondensationsflächen
niederzuschlagen und auf diese Weise aus dem Umgebungsraum zu entfernen. Will man
dieses Kondensationsverfahren zur Erzeugung eines Vakuums, speziell eines Ultrahochv
akuums, verwenden, so müssen die Kondensationsflächen auf eine extrem niedrige Temperatur
abgekühlt werden, damit die vorhandenen Gase und Dämpfe möglichst vollständig abgeschieden
werden. Als Kältemedium mit der tiefsten praktisch erreichbaren Temperatur ist flüssiges
Helium bekannt, und bei der Kühlung der Kondensationsfläche mit diesem Kältemedium
kann man alle Gase und Dämpfe bis auf Helium selbst aus dem zu evakuierenden Raum
abscheiden. Da der Heliumgehalt der Atmosphäre außerordentlich gering ist, wird
bei einer solchen Anordnung trotz des verbleibenden Heliumpartialdruckes ein extremes
Hochvakuum erreicht.
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Die praktische Realisierung dieses Prinzips der Kältepumpe stößt vor
allem auf Schwierigkeiten der Wärmeisolation, weil man das Kältemedium von extrem
tiefer Temperatur möglichst gegen unerwünschte äußere Wärmezufuhr abschirmen muß,
ohne daß die angestrebte Kühlung der Kondensationsflächen verringert wird. Bei ungenügender
Abschirmung ergibt sich in einer solchen Pumpe ein hoher Verbrauch von flüssigem
Helium, und dies bedeutet mit Rücksicht auf dessen Herstellungspreis eine untragbare
Erhöhung der Betriebskosten.
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Kältemedien von tiefer Temperatur sind speziell für sogenannte »Kaltdampfpumpen«
in der Vakuumtechnik bereits angewendet worden. Dabei handelt es sich um Diffusionspumpen,
bei denen die zum Betrieb der Düsen benötigten Dämpfe unmittelbar bei Zimmertemperatur
aus einer entsprechend hochsiedenden Treibmittelflüssigkeit (z. B. Freon) erzeugt
werden. Die Kühlung der Kondensationsfläche erfolgt dann durch ein Kältemedium von
tiefer Temperatur (z. B. flüssigen Stickstoff). Diese Kaltdampfpumpen können jedoch
nicht mit Kältepumpen verglichen werden, deren Ausbildung im vorliegenden verbessert
werden soll. Bei der Kältepumpe wird vor allem kein zusätzliches Treibmittel angewendet,
dessen Restdampfdruck auch nach der Kondensation die Erreichung eines Ultrahochvakuums
verhindert. Es sollen vielmehr die in einem abgeschlossenen Raum vorhandenen Gase
und Dämpfe möglichst weitgehend dadurch entfernt werden, daß man diesen Raum mit
einer Kondensationsfläche von extrem tiefer Temperatur in Verbindung bringt, an
der die gas- oder dampfförmigen Bestandteile ohne weitere Hilfsmittel (z. B. Treibdampfströmung)
kondensieren.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe, welche in der Schaffung einer besonders
wirkungsvollen und mit geringem Betriebsmittelverlust arbeitenden Kältepumpe gesehen
wird, ist eine Anordnung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein mit
einer ersten, mit, dem zu evakuierenden Raum in Verbindung stehenden Kondensationspumpfläche
versehener innerer Behälter vorgesehen ist, der ein Kältemedium von extrem tiefer
Temperatur enthält, daß dieser innere Behälter nahezu vollständig von einem mit
einer zweiten, mit dem zu evakuierenden Raum in Verbindung stehenden Kondensationspumpfläche
versehenen äußeren Behälter in Abstand umgeben ist, der ein Kältemedium von tiefer
Temperatur enthält, daß im Inneren des äußeren Behälters ein gegenüber dem Behälterinnenraurn
abgesperrter Raum vorhanden ist, in dem sich mindestens ein Teil der ersten Kondensationsfläche
des inneren Behälters befindet, und eine mit dem zu evakuierenden Rezipienten in
Verbindung stehende Eintrittsöffnung nach dem abgesperrten Raum hin vorgesehen ist,
durch welche Gasmoleküle aus dem Vakuumrezipienten nach der ersten Kondensationspumpfläche
hindurchtreten können. Bei einem solchen Aufbau schirmt der äußere Behälter mit
seiner Kältemittelfüllung von tiefer Temperatur (z. B. flüssiger Stickstoff) den
inneren Behälter und dessen Kältemediumfüllung gegen unerwünschte Wärmeeinstrahlung
weitgehend ab und erreicht dadurch eine fühlbare Senkung der Betriebskosten.
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Zur weiteren Verbesserung kann im Bereich der Eintrittsöffnung mindestens
ein an sich bekanntes Prallblech vorgesehen sein, welches eine direkte Wärmezustrahlung
aus dem Vakuumrezipienten nach
dem inneren Behälter und dessen Kältemedium
von extrem tiefer Temperatur verhindert. Eine weitere Maßnahme zur Verminderung
unerwünschter Wärmezufuhr zum inneren Behälter kann darin bestehen, daß man mindestens
einen Teil der Oberfläche des äußeren Behälters und/oder das Prallblech bzw. die
Prallbleche mit einem gegenüber Strahlungsenergie reflektierend wirkenden Belag
versieht.
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Außerdem kann es :zWeekmäßig sein., den äußeren Behälter zur zusätzlichen..
Wärmeisolation teilweise mit einem Vakuummantzlbehälter zu umgeben.
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Da die mit dem Vakuumrezipienten in Verbindung stehende Kondensationsöherfläche
des inneren Behälters vollständig_auf der tiefsten, im System erreichbaren Temperatur
gehalten werden soll, erscheint es zweckmäßig, den Flüssigkeitsstand im inneren
Behälter mindestens bis zu der Höhe festzulegen, in der sieh eine Trennwand deg
' unmittelbar mit dem Vakuumrezipienten in Verbindung stehenden abgesperrten Raumes
anschließt.
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Der äußere Behälter känn vorteilhaft zur Aufnahme des Kältemediums
tiefer Temperatur in an sich bekannter Weise doppelwandig ausgebildet sein. Zum
Ausgleich der durch die -großen Temperaturunterschiede sehr erheblichen Längenänderungen
der Bauelemente ist es zweckmäßig, den inneren Behälter unter Zwischenschaltung
eines biegsamen Wandteiles, beispielsweise nach der Art eines Wellrohres, mit dem
äußeren Behälter zu verbinden.
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Die Bindung der aus dem-Rezipienten zu entfernenden gas- oder dampfförmigen
Bestandteile kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch verbessert werden,
daß der innere Behälter wenigstens teilweise mit einer Oberflächenschicht aus Aktivkohle
belegt wird. Es kann ferner vorteilhaft sein, das Prallblech in an sich bekannter
Weise durch Kältemedien zusätzlich zu kühlen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die äußeren Oberflächen
des äußeren Behälters gegenüber Strahlungsenergie reflektierend ausgeführt, während
dessen innere Oberflächen, welche im Bereich des Diffusionsweges der abzupumpenden
Gase oder Dämpfe liegen; im Idealfall die Eigenschaften eines schwarzen Körpers
aufweisen. Wenn eine Oberflächenschicht von Gasmolekülen auf den Wänden der Kältepumpe
kondensiert ist, wird der Besetzungskoeffizient (d. h. das Verhältnis der kondensierten
Moleküle zu den, auf die Oberfläche auftreffenden Molekülen) abnehmen. Dies kann
zweckmäßig dadurch vermieden werden, daß zunächst keine Kältemedien in die Behälter
eingebracht werden, bis der Druck innerhalb des Vakuumrezipienten entsprechend tief
abgesunken ist (z. B. 10-4 mm Hg), so daß der größte Teil der an den Wänden adsorbierten
Gase entfernt und die Anordnung entgast ist. In diesem- Betriebszustand wird zuerst
das »wärmere« der Kältemedien in den äußeren Behälter der Kältepumpe eingeführt
und dadurch eine weitgehende Kondensation der Gase und Dämpfe im Vakuumrezipienten
herbeigeführt. Verwendet man als Kältemedium tiefer Temperatur flüssigen Stickstoff,
so werden hierdurch Wasserdampf, Kohlendioxyd, Kohlenwasserstoffe u. dgl. kondensiert.
Da sich die Oberfläche des inneren Behälters noch bei einer erhöhten Temperatur
bezüglich der durch flüssigen Stickstoff abgekühlten Kondensationsfläche des äußeren
Behälters befindet,- bleibt die Kondensationsoberfläche des inneren Behälters- von
allen kondensierten Gasen frei. Nunmehr wird das »kältere« der Kältemedien (flüssiges
Helium) in den inneren Behälter eingebracht, wodurch-praktisch die .gesamten Restgase
mit. Ausnahme von Helium und einer geringen Wasserstoffmenge sofort kondensiert
werden.
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In der Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
nach der Erfindung angegeben worden.
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Der Vakuumrezipient ist in allgemeiner Weise durch das Bezugszeichen
10 angedeutet, wobei die Zeichnung nur einen kleinen Teil der das Vakuumsystem umschließenden
Wand 12 erkennen läßt. Die Kältepumpe wird an einem Ausschnitt der Wand 12 angebracht
und weist einen doppelwandigen äußeren Behälter 14 auf, welcher einen inneren Behälter
16 weitgehend umschließt. Der äußere Behälter 14 wird durch zwei konzentrische Wandteile
20, 22 gebildet,. welche nach der Seite des Vakuumrezipienten 10 hin durch eine
Ringscheibe 46 abgeschlossen sind. Zwischen den Wandteilen 20, 22 wird ein Füllraum
24 gebildet, in den flüssiger Stickstoff durch ein Füllrohr 28 eingebracht werden
kann. Der innere Behälter 16 weist .ein weiteres Füllrohr 30 auf und ist über einen
Wandteil 32 unter Zwischenschaltung eines Federrohres 34 mit der Ringscheibe 46
verbunden. Der Wandteil 32 trennt zusammen mit dem Federrohr 34 von dem Innenraum
38 des äußeren Behälters 14 einen Teilraum 36. ab. Dieser Teilraum 36 steht in freier
Verbindung mit dem Vakuumrezipienten 10, wobei die Gas- und Dampfmoleküle aus dem
Vakuumrezipienten 10 durch eine Öffnung 40 in den Teilraum 36 gelangen. Über der
Öffnung 40 befindet sich eine Mehrzahl von Strahlungsschutzblechen 44, welche in
ihrer Gesamtheit ein Strahlungsschutzelement 42 bilden. Dieses Strahlungsschutzelement
42 ist über der öffnung 40 in einer solchen Lage angeordnet, daß die Diffusion der
Gase in den Raum 36 möglichst wenig behindert wird. Das Wärmeschutzelement 42, die
Ringscheibe 46 und das Federrohr 34 verhindern ein direktes Auftreffen der Strahlungsenergie
aus dem Vakuumrezipienten 10 auf den inneren Behälter 16. Die inneren Oberflächen
des Wandteiles 32 und des Federrohres 34, welche den Teilraum 36 umgrenzen, sind
vorzugsweise schwarz, um eine Reflektion der Strahlungsenergie zu verhindern.
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Der Innenraum 38 kann über eine Verbindungsleitung 52 mit Hilfe einer
Vakuumpumpe 50 auf einen geringen Druck, beispielsweise 10-3 mm Hg oder darunter,
evakuiert wenden. Die Verbindungsleitung 52 mündet zusätzlich in einen Vakuummantelraum
54, welcher das obere Ende des äußeren Behälters 14 gegen Wärmezufuhr isoliert.
Der Vakuummantelraum 54 ist von ebnem Mantelteil umschlossen und nach dem Vakuumrezipienten
10 hin durch eine Trennwand 56 abgesperrt.
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Bei einer erprobten Ausführungsform wurden die verschiedenen Teile
der Pumpe aus Metall hergestellt, um so ein leichtes Entgasen der Oberflächen durch
Erwärmen auf erhöhte Temperaturen zu ermöglichen. Die in Verbindung mit Teilen tiefer
Temperatur stehenden Bauelemente, z. B. die Positionen 28, 30, 52 und 56, wurden
aus einem rostfreien Stahl geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet -und verbessert
auf diese Weise .die Wärmeisolation. Der äußere Behälter 14 ist ebenfalls aus rostfreiem
Stahl hergestellt worden; man kann jedoch auch eine Ausführung aus einem gut wärmeleitenden
Werkstoff, z. B. Kupfer, wählen, wenn die Anordnung im System durch entsprechende
Wärmesperren so gestaltet ist, daß eine übermäßige Wärmeübertragung verhindert wird.
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Bei der Inbetriebnahme der Pumpvorrichtung wird zunächst der Vakuumrezipient
10 durch eine geeignete nicht gezeichnete Pumpvorrichtung vörevakuiert und
das
System während des Vorpumpens erwärmt, um so die an den Oberflächen adsorbierten
Gase und Flüssigkeiten abzulösen. In diesem Betriebsintervall herrscht im Vakuumrezipienten
10 im Teilraum 36, im Innenraum 38 und im Vakuummantelraum 54 etwa der gleiche Druck.
Bei dieser Vorevakuierung läßt sich durch Diffusions- und mechanische Vakuumpumpen
leicht ein Druck in der Größenordnung von 10-4 mm Hg erzielen.
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Nach Erreichung dieses Druckwertes sind insbesondere bei zusätzlicher
Beheizung die meisten der adsorbierten Gase aus dem Vakuumsystem entfernt. Es wird
nunmehr über das Füllrohr 28 in den äußeren Behälter 14 flüssiger Stickstoff: eingefüllt,
so daß die Temperatur dieses Behälters auf etwa -190° C absinkt. Eine solche Oberflächentemperatur
kann jedoch keine Kondensation von Wasserstoff, Edelgasen, Kohlenmonoxyd oder Sauerstoff
bei dem in der Anlage herrschenden geringen Druck bewirken. Es muß daher zusätzlich
der innere Behälter 16 über das weitere Füllrohr 30 mit flüssigem Helium gefüllt
werden. Dieses Kältemedium von extrem tiefer Temperatur kühlt die Oberfläche 16a
des inneren Behälters 16 auf eine Temperatur von -268,9° C (4,2° K) ab, so daß die
gesamte Restgase mit Ausnahme des Heliums und einer geringen Wasserstoffmenge auf
der Oberfläche 16 ca kondensiert werden.
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Beim Betrieb der Pumpe verdampft ein Teil des flüssigen Heliums aus
dem inneren Behälter 16 und entweicht durch das weitere Füllrohr 30, wobei das Gas
wiedergewonnen werden kann. Durch diese Verdampfung sinkt der Flüssigkeitsspiegel
in dem inneren Behälter 16. Da der Innenraum 38 jedoch von dem Teilraum 36 durch
den Wandteil 32 und das Wellrohr 34 abgesperrt ist, werden so lange keine Gase,
die auf der Oberfläche des inneren Behälters 16 kondensiert worden sind, nach dem
Teilraum 36 hin verdampfen, wie die Füllung des inneren Behälters 16 die Höhe des
Wandteiles 32 nicht unterschreitet.
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Dagegen können die an der Oberfläche oberhalb des Wandteiles 32 gebundenen
Gase in den Innenraum 38 verdampfen. Dies beeinträchtigt jedoch das im Vakuumrezipienten
10 erreichbare Hochvakuum nicht.
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Eine Verbesserung kann hinsichtlich der Adsorption von Gasmolekülen
dadurch erreicht werden, daß man den inneren Behälter mit Aktivkohle umgibt. Außerdem
kann das Wärmeschutzelement 42 doppelwandige Wärmeschutzbleche 44 aufweisen, welche
ebenfalls durch ein Kältemedium gekühlt werden. Auf diese Weise ergibt sich eine
Abkühlung der in die Pumpe eintretenden Gase und dadurch eine Verringerung der Verdampfung
im inneren Behälter 16. Man kann außerdem die Anordnung -so gestalten, daß das Kältemedium
tiefer Temperatur das weitere Füllrohr 30 isoliert. Außerdem kann die äußere Wand
20 des äußeren Behälters 14 eine vollständige V akuummantelung aufweisen.
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Die Kältepumpe ist im vorangegangenen unter Verwendung von flüssigem
Helium und Stickstoff erläutert worden. Es können jedoch an dieser Stelle auch andere
tiefsiedende Kältemedien angewendet werden.