-
Kryogenpumpe Die Erfindung bezieht sich auf Pumpen, mittels denen
Vakuumapparaturen evakuiert werden können, die in Hoch-oder Ultra-Vakuumbereich
arbeiten.
-
Es sind Pumpen zum Herstellen eines Hoohvakuums bekannt, mittels denen
die Gasmoleküle dadurch aus den zu evakuierenden Apparaturen gepumpt werden, daß
sie von einer auf!sehr geringer Temperatur gehaltenen Oberfläche angezogen und dann
an dieser kondensiert werden.
-
Die auf niedriger Temperatur gehaltene Oberfläche wird gewöhnlich
durch verflüssigte Gase, z.B. flüssiges Helium, gekühlt. Eines der bei Verwendung
derartiger Pumpen auftretenden Probleme besteht in der Minimalisierung der Verdampfungsgeschwindigkeit
der verflüssigten Gase. Außerdem ist es erforderlich, die Geschwindigkeit der in
die Pumpe eintretenden Moleküle zu verringern, um die Zahl der an der auf niedriger
Temperatur gehaltenen Oberfläche abprallenden Moleküle klein zu halten. Für diesen
Zweck können zwar Prallplatten-Anordnungen verwendet werden, doch müssen diese einen
möglichst ungehinderten Zugang der Moleküle in die Pumpe gewährleisten.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Schwierigkeiten zu überwinden.
-
Ausgehend von einer Vakuumpumpe mit einem ein erstes verflüssigtes
Gas enthaltenden Gefäß, dessen einer Wandteil aus einer gasaufnehmenden Oberfläche
besteht, an der die Moleküle des abzupumpenden Gases kondensieren, besteht die Erfindung
darin, daß nahezu das gesamte Gefäß von einer an ein Kühlsystem angeschmiegten Wärmeabschirmung
umgeben ist, die mit Hilfe eines zweiten verflüssigten Gases gekühlt wird und einen
Einlaßabschnitt mit verringertem Querschnitt aufweist, durch welchen die Gasmoleküle
in Richtung der gasaufnehmenden Oberfläche wandern, und daß stich über die Einlaßöffnung
zum Eintrittsabschnitt eine Prallplatten-Anordnung erstreckt.
-
Der Einlaßabschnitt kann im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet
sein und seine Eintrittsöffnung sich über das eine Ende eines'im allgemeinen zylindrischen
Warenschildes erstrecken, Bei einer bevorzugten Ausiührungsform weist ein anderer
Teil des mit dem ersten verflüssigten Gas gefüllten Gefäßes eine mit seinen Wänden
in thermischer Berührung befindliche Einrichtung auf, durch die ein Wärmeaustauschmedium
zirkuliert werden kann. Die Einrichtung kann beispielsweise ein um das Gefäß gewundenes
Rohr aufweisen. Hierdurch ist es möglich, ein auf hoher Temperatur befindliches
Medium,z.B.
-
gasförmigen Stikstoff, im Kreislauf zu bewegen, um von der Gas aufnehmenden
Oberfläche okkludierte Gase abzutreiben.
-
Außerdem kann durch die Einrichtung ein kaltes Medium,z.B.
-
flüssiger Stickstoff, zirkuliert werden, um das Gefäß zu kühlen, bevor
es mit dem ersten verflüssigten Gas gefüllt wird.
-
Das erste verflüssigte Gas ist vorzugsweise Helium, während als zweites
verflüssigtes Gas vorzugsweise Stickstoff verwendet wird.
-
Der Dampfdruck des in dem Gefäß befindlichen ersten verflüssigen Gases
kann mittels einer weiteren Vakuumpumpe mindestens so lange auf einem unterhalb
einer Atmosphäre liegenden Druck gehalten werden, wie die das verflüssigte Gas enthaltende
Pumpe in Betrieb ist. Das Niveau des ersten.
-
verflüssigten Gases in dem Gefäß kann durch automatische Regelung
innerhalb eines vorgewählten Berelches gehalten werden. Das zweite verflüssigte
Gas wird vorzugsweise kontinuierlich durch einen geschlossenen Kreislauf gepumpt,
der Rohrleitungen aufweist, welche mit der Prallwand-Anordnung und der Wärmeabschirmung
in thermischer Berührung sind.
-
Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich
beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden
Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen
können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.
-
Die Pige 1 zeigt einen Schnitt durch eine Vakuumpumpe gemäß der Erfindung.
-
Die Fig. 2 und 3 sind perspektivische Ansichten eines Teils der in
llig. 1 gezeigten Pumpe und zeigen Ausführungebeispiele der Prallwand-AnordnungO
Gemäß Fig. 1 enthält eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe ein mit flüssigem Helium
gefülltes Gefäß 1, von dem ein Teil eine auf niedriger Temperatur befindliche, Gasmoleküle
aufnehmende Oberfläche 2 bildet. Zylindrische Wärmeschilde 3,4 und ein scn'eibenfcrmiges
Wärmesc,ild 5 verhindern, daß Wärmestranien das Gefäß 1 erreichen können0 Die Wärmeschilde
sind mit ring- oder wulstförmigen Rohrleitungen 6,7 verschweißt oder in anderer
Weise verbunden, durch welche flUssi6es Ilelium strömt.
-
Ein kegelstumpffbrmiger Einlaßabschnitt 8 der.das Gefäß 1 umgebenden
Abschirmung ist mit der Rohrleitung 6 verbunden, die nahezu die gesamte Eintrittsöffnung
zur Pumpe umgibt.
-
Eine Prallplatten-Anordnung, die eine Anzahl von einen Winkel oder
Knick aufweisenden Rippen 9 enthält und deren Enden an der Rohrleitung 6 befestigt
sind, erstreckt siti über den Einlaßabschnitt 8. Andere mögliche Ausführungsformen
für die Prallplatten-Anordnung sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt, aus denen jeweils
die Form der speziellen Prallplatten-Anordnung der Rohrleitung 6 und des Wärmeschildes
3 zu entnehmen ist. Der Zweck des konischen Einlaßabschnittes 8 und der Rippen 9
besteht darin, die aus der zu evakuierenden Apparatur in die Pumpe eintretenden
Gasmoleküle zu verlangsamen und die in dem an die Oberfläche 2 angrenzenden Raum
befindlichen Moleküle einzufangen.
-
Das Gefäß 1, die Wärmeschilde 3,4 und 5, der konische Eialaßabschnitt
8, die Rippen 9 und die Rohrleitungen 6.,7 können aus Kupfer bestehen.
-
Die Pumpe ist von einem vakuumdichten hußengehäuse 10 umgeben,das
ein an seiner einen Seitenwand befestigtes, nach der Seite abstehendes Rohr 11 aufweist,
durch das die zum Inneren der Pumpe führenden Anschlüsse geführt sind. Das Gehäuse
10 weist einen Flansch 12 auf, der eine Öffnung 13 begrenzt, welche als Eintritts(Sffnung
der Pumpe verwendet wird. Während des pumpenbetriebs wird das Gehäuse 10 mittels
Schrauben gehalten, die durch den Plansch 12 und einen ähnlichen, an der zu evakuierenden
Apparatur 15 angebrachten Flansch 14 geführt sind. An der Grenzfläche zwischen den
beiden Planschen 12 und 14 w'i"rd ein vakuumdichter Dichtungsring 16 benötigt.
-
Die verschiedenen Bauteile der Pumpe werden im Gehäuse 10 mit Hilfe
von Streben 17, von denen in Fig. 1 nur drei gezeigt sind, an der richtigen Stelle
abgestützt. Die Streben 17 bestehen aus wärmeisolierendem Material und können Nylonröhren
enthalten.
-
Bei der beschriebenen Pumpe handelt es sich um ein Zusatzgerät,d.h.
um ein Gerät, das von der äußeren Oberfläche her an die zu evakuierende Apparatur
angeschlossen wird, so daß die auf niedriger Temperatur befindliche Oberfläche dem
zu evakuierenden Raum ausgesetzt ist, ohne daß das zur Verfügung stehende Arbeitsvolumen
der Apparatur dadurch verringert würde.
-
Die Pumpe kann daher in für Diffusionspumpen geeigneten Druckbereichen,
d.h. beispielsweise zwischen 10-) und 10 Torr, anstelle einer Diffusionspumpe oder
in Verbindung mit beispielsweise einer lonenpumpe bis herab zu Drücken von Torr
Torr und weniger als Ultrahochvakuumpumpe verwendet werden. Wenn die Pumpe anstelle
einer Diffusionspumpe verwendet wird, dann können die Pumpgeschwindigkeit, der Durchmesser
der Eintrittsöffnung sowie die Kapazität je nach -Verwendungszweck über einen weiten
Bereich variiert werden.
-
Während des Pumpenbetriebs wird flüssiger Stickstoff kontinuierlich
durch einen geschlossenen Kreislauf gepumpt, um die Wärmeschilde 3,4 und 5, den
Einlaßabschnitt 8 und die Rippen 9 auf einer niedrigen Temperatur zu halten.
-
Der flüssige Stickstoff strömt durch ein Einlaßrohr 18 in die Rohrleitung
7 ein ,rund durch ein Auslaßrohr 19 aus der Rohrleitung 6 aus. Die beiden Rohrleitungen
sind durcheine Röhre 20 miteinander verbunden.
-
Die Oberfläche 2 wird durch flüssiges Helium, das durch eine Röhre
21 in die Pumpe gelangt und mindestens den die Oberfläche 2 umgebenden Teil des
Gefäßes 1 füllt, auf einer Temperatur im Bereich von 4,2 6K gehalten.
-
Für größer dimensionierte Pumpen der beschriebenen Art ist ein in
Fig. 1 nicht gezeigtes, gewundenes Rohr um die Außenwand des unteren Abachnitts
des Gefäßes 1 gewickit. Dies kann einerseits dazu verwendet werden, die in der auf
niedriger Temperatur gehaltenen Oberfläche okkludierten Gase wegzutreiben, indem
man heißen trockenen Stickstoff durch das Rohr leitet. Dieses Gas kann hierbei außerdem
durch die Rohrleitungen 6 und 7 zirkuliert werden. Der Hauptgrund für die Verwendung
eines gewundenen Rohrs ist jedoch der, das Gefäß 1 vor dem Füllen mit flüssigem
Helium vorzukühlen, damit das Helium beim Inberührungkommen mit den wärmeren >
Gefäßwänden möglichst wenig verkocht bzw. verdampft. Um dies zu erreichen, kann
flüssiges Helium durch das Rohr geleitet werden, in welchem Fall das Rohr evakuiert
wird, bevor man das Helium zur Pumpe strömen läßt.
-
Eine Ausflußleitung 22 Dr das Heliumgas wird mittels- einer heliumdichten
Kreiselpumpe (nicht gezeigt) evakuiet, um die Temperatur des Gefäßes 1 unter den
bei einer Atmosphäre 4,2 0K betragenden Kochpunkt des Heliums abzukühlen. Um den
Druck über dem flüssigen Helium konstant zu halten, kann in dieser Leitung ein Drosselventil
vorgesehen sein. Das Drosselventil wird in diesem Ball mittels eines auf den Heliumgasdruck
ansprechenden Reglers angesteuert.
-
Das Einlaßrohr 21 für das flüssige Helium ist mit einem Vakuummantel
23 versehen. Derjenige Teil der Ausflußleitung 22, die außerhalb des nach außen
ragenden Rohrs 11 liegt, ist in Fig. 1 durch das Einlaßrohr 21 verdeckt.
-
Das Gefäß 1 ist mit einem (nicht gezeigten) Entlüftungsventil ausgerüstet,
damit es während der Reinigung des Systems entlüftet werden kann. Außerdem ist ein
Überdruckventil oder eine Druckplatte vorgesehen. Entlüftungs- und Überdruckventile
dienen als Schutzmaßnahmen für den Notfall.
-
Das Niveau des flüssigen Heliums im Gefäß I.kann in vorgewählten Grenzen
automatisch geregelt werden. Außerdem kann eine von Hand oder automatisch zu betätigende
Steuervor:-richtung für den Pumpenbetrieb vorgesehen sein. Die Temperatur der auf
niedriger Temperatur gehaltenen Oberfläche kann mittels eines oder mehrerer Dampfdruckthermometer
überwacht werden.