DE1934938A1

DE1934938A1 - Verfahren zum Betrieb einer kryogenen Pumpstufe und Hochvakuumpumpanordnung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1934938A1
Application number: DE19691934938
Authority: DE
Inventors: Woessner Dipl-Ing Hermann; Hegevoss Dr Juergen
Original assignee: Balzers and Pfeiffer Hochvakuum GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum GmbH
Priority date: 1968-08-20
Filing date: 1969-07-10
Publication date: 1970-03-05
Also published as: GB1256632A; DE1934938B2; DE1934938C3; CH476215A; US3585807A; NL6814460A; FR2015963A1

Description

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BA.LZERS + PFEIFFER, HOCHVAKUUM GMBH, FRANKFURT^ IN 90 HEINRICH-HERTZ-STRASSE 6

Verfahren zum Betrieb einer kryogenen Pumpstufe und Hochvakuumpurapanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die vorliegende Erfindung findet Anwendung beim Pumpen von Gasen mittels kryogener Pumpstufen, wobei das aus einem Rezipienten zu beseitigende Gas . an einer tiefgekühlten Kondensationsfläche ausgefroren wird.

Es ist bekannt, derartige Kryopumpstufen bei Inbetriebnahme durch eine Kältemaschine abzukühlen und beim Pumpen auf Betriebstemperatur zu halten. Die Kälteleistung der Kältemaschine musste dabei so bemessen werden, dass sie das; Abkühlen in hinreichend kurzer Zeit ermöglichte. Erfahrungsgemäss ist die hierfürr erforderliche. Kälteleistung wesentlich grosser als für- das Pumpen während des. kontinuierlichen Betriebs bei Drücken■unterhalb Io Torr zur= Aufrechterhältung der Betriebstemperatur erförxUlerlleh ist. Im letzteren Falle wird nämlich der,V/ärmeeinfall auf die Kondensätionsflache überwiegend durch WäiTTiestrahlune bestimmt, wogegen die. durch die. Kondensation der zu

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pumpenden Gase frei werdende Kondensationswärme'·keine ausschlaggebende Rolle mehr spielt. Beim Betrieb einer kryogenen Püinpstufe nach bisheriger Art mittels einer Kältemaschine musste also deren Kälteleistung im wesentlichen nach der gewünschten kurzen; Abkühlungszeit bemessen werden; dafür ist, will man die für einen modernen industriellen Puispstand geforderte Arbeitsgeschwindigkeit erzielen, eine mehrfach höhere Kälteleistung als für den eigentlichen Pumpbetrieb erforderlich« Bei Kryopumpstufen, welche , mittels verflüssigter Gase aus einem Vorratsbehälter betrieben werden* stellt da3 kein Problem dar, weil in diesem Fälle die während der Abkühlphase erförderliche grössere Kälteleistung, durch entsprechend grössere Kältemittelzufuhr aus dem Vorratsbehälter ohne Schwierigkeiten aufgebracht werden kann.

Die vorliegende Erfindung hat sieh die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Betriebes einer kryogenen Pumpstufe mittels einer Kältemaschine zur Aufgabe gestellt. -

Um mit einer vorgegebenen Xäiteleistuns einer Kältemschlne beim Abkühlen einer Kryopumpe auf Betriebstemperatur auszukommen, wurdeauch schon die Kondensationsfläche mit einem Strahlungsschutz umgeben, der meist aus einer Anordnung von die Wärmestrahlung abschirmenden Blechen bestand, die das abzupumpende Gas zwar zur Kondensationsfläche hindurchtreten liessen, Jedoch ein Strömungshindernis darstellten, welches die PuEipgesehKindigkeit in unerwünschter Welse reduzierte;. Diesen Ngcchteil der bekannten Anordnung: auszuschalten, ist eine iveitere. Aufgabe der Erfindung*

Das Verfahren nach: der Erfindung; ZWEI Betrieb einer, kryogenen Pümpstufe mittels einer Kältemaschine^. wobBiidäs aus einem Rezipienten zu beseitigent·:- de Gas ans elner^ tiefsekühlten; Kdcdensatlonsfläeha ausgefroren wirdv istK . dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationsfläche während ihres Abkühlens gegen Wärmezufuhr aus dem Rezipienten bis zum Erreichen einer yar·* bestirantenuTeniperatür thermisch isoliert v;lrd. -^₄

Zur Durchführung dieses Verfahrens! wird ferner eine Hochvakuumpuppanordnung mit. einer in einem mit dem zu evakuierenden Raun beim Pumpen in Vari bindung stehenden Raum untergebrachten krjrogensn Puinpstufe vorgesohlagen,

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wobei zwischen den beiden genannten Räumen eine von aussen betätigbare regelbare Vorrichtung zum Drosseln der Gasströmung zur kryogenen Pumpstufe angeordnet ist, welche so ausgebildet ist, dass die Gasdrosselvorrichtung gleichzeitig eine thermische Abschirmung zwischen dem die kryogene Pumpstufe enthaltenden Raum und dem zu evakuierenden Raum darstellt.

Bei einer bekannten Hophvakuurapumpanordnung mit einer mit dem zu evakuierenden Raurain Verbindung bringbaren kryogenen Pumpstufe war zwar schon ' eine Abdeckvorriehtung vorgesehen, so dass die kryogene Pumpstufe von dem zu evakuierenden Raum zeitweise abgespenfc werden konnte. Diese bekannte Einrichtung diente Jedoch dazu, den Nachteil früherer bekannter Kryopumpanordnungen zu beheben, der darin bestand, dass man nach Niederschlagen des Wasserdampfes an der Kondensationsfläche diesen festhalten musste, bis der unter Vakuum durchzuführende Prozess abgeschlossen war. Dies war nicht nur langwierig und bedeutete einen grossen Kältemittelverbrauch, sondern auch stets d mit der Gefahr verbunden, dass ein plötzlicher Anstieg der Temperatur im Rezipienten, wie er im Zuge eines in diesem etwa durchzuführenden Verfahrens leicht eintreten konnte, zur Abgabe von Wasserdampf von der Kondensationsfläche μηά damit zu einem unerwünschten Druckanstieg führen konnte. Die vorerwähnte bekannte Kryopumpeinrichtung mit einer Abdeckvorriehtung erlaubte nun, die kryogen©'Pumpstufe νώη dem zu evakuierenden Rezipienten abzuschliessen, das daran kondensierte Wasser abzutauen und über eine ge- ' sonderte Pumpleitung abzuführen, ohne-dass das Vakuum in der Hauptkammeraufgehoben und der darin stattfindende Prozess unterbrochen v/erden musste= Voraussetzung dafür war natürlich, dass die Abdeckvorriehtung als hochvakuumdichte Absperrung zwischen dem zu evakuierenden Raum und dem die

kryogene Putnpstufe enthaltenden Raum ausgebildet war. Eins derartige nur dem Abtauen des Kondensates während des Be'tfieböa dienende Einrichtung bildet nicht den Gegenstand vorliegender Erfindung.

Um die obenerwähnten Ziele der Erfindung zu erreichen, genügt die erwähnte Abdeckung der Kryopumpstufe gegenüber dem zu evakuierenden Raum nicht, sondern ist es unerlässlich, eine zeitweise thermische Trennung zwischen den beiden Räumen während der Abkühlphase vorzusehen,, d.h. z.B. im felle der bekannten Abdackvorrichtuns, diese durch zusätzliche Massnahsien als thermische Abschirmung auszubilden.. Dies kann wie die unten

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stehenden Beispiele zeigen» durch künstliche Kühlung der -

oder thermisch isolierende Werkstoffauflagen auf die absperrenden Viand- .ι teile geschehen. Eine einfache Abdeckung, wie im- bekannten Falle, genügt nicht, weil die dar Kryopumpstufe zugewandte Seite der Abdeckung als Wärmestrahlungsquelle von gleicher Intensität wie der auf gleicher Temperatur befindliche Rezipient ohne die Abdeckung darstellen würde, wirkt.

Andererseits ist es im Gegensatz zur erwähnten bekannten Einrichtung bei der Einrichtung nach der Erfindung nicht vonnöten, eine gasdichte AbsperrmÖgiichkeit zwischen dem zu evakuierenden Raum und dem die Kryopumpstufeenthaltenden Raum zu verwirklichen. .<.-

im Folgenden sollen drei Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben werden.

Die Fig. 1 zeigt eine einfache Ausführungsform, bei welcher die Kondensationsflüche der kryogenen Pumpstufe während des Abkühlens durch eine Haube mit Wänden aus wärmedämraenden Material eingeschlossen werden kann.

Die Fig. 2a und 2b zeigen eine Ausführungsform mit einem beweglichen StraBilungsschutzschirm, der mit einer künstlichen Kühlung versehen ist.

Die Fig. j5a und Jb zeigen eine dritte Ausführungsform mit einer ebenfalls aus beweglichen Strahlungsschutzblechen aufgebauten gekühlten Gasdrosselvorrichtung.

In der Fig. 1 bezeichnet 1 den zu evakuierenden Raum eines Rezipienten 2, in welchen die kryogene Pumpstufe hineinragt,, an deren beim Betrieb tiefgekühlter Kondensationsfläche die im Ausführungsbeispiel durch die Aussenseite einer Kühlmitteldurchströmten KUhlsdiange 4 gebildet wird, kondensiert wird. Das in geschlossenem Kreislauf umgewälzte, durch eine Kälte- · maschine 7 gekühlte Kühlmittel wird über die Zuleitung 5 und eine Ableitung 6 zu-bzw. abgeführt.

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Im Sinne der Erfindung sind Hilfsmittel vorgesehen, um die Konden-. sationsflache während des Abkühlens gegenüber Wärmezufuhr aus dem Reziplenten bis zum Erreichen einer vorbestimmten tiefen Temperatur zu schützen, die im Beispiel3falle der Fig. 1 als eine bewegliche Schutzkappe 8 für die Kondensationsfläche ausgebildet sind. Die Schutzkappe 8 ist an der Säule 9 befestigt, welche durch die Rezipientenwand mittels einer Dichtung Io vakuumdicht hindurchgeführt ist. Durch Heben und Senken der Säule 9, was mittels einer GS§eööffißSffi^i§ffi^s^CpiÄ^ci^e'll, der Getrieberäder 12 und des Servomotors 15 bewerkstelligt werden kann, kann die Schutzkappe nach Bedarf in die in der Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Lage 8¹ und in jede, Zwisehenstellurig zwischen der Offenstellung und der Schliesstellung gebracht werden. Die Schutzkappe ist mit einer den Wärmefluss dämmenden Auflage 14 versehen, welche in der Abkühlphase der Kondensationsfläche diese bei geschlossener Stellung der Schutzkappe gegenüber Wärmeeinfall aus dem Rezipienten schützt,

^; Der Servomotor 13 wird durch die Steuereinrichtung ~h, welche ihrerseits mit dem Temperaturfühler 15; zur laufenden Messung der Temperatur der Kondensationsfläche verbunden ist, in Abhängigkeit von dieser gesteuert.

Beim Betrieb der beschriebenen.Vorrichtung wird zuerst bei geschlossener ■ Schutzkappe 8 die Kondensationsfläche auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt, der Rezipient durch die Vorpumpe 16 über Leitung 17 bei geöffnetem Ventil l8 vorevakuiert und dannmch Erreichen eines Ausgangs-

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vabuums von beispielsweise Io Torr und der vorbestimmten tiefen Temperatur der Kondensat!onsflache von beispielsweise 2o Kelvin die Schutzkappe 8 geöffnet, worauf der Pumpvorgang mit vollem Saugvermögen einsetzt. Das Absinken des Druckes kann am Druckmessgerät 19 beobachtet werden.

In den Fig. 2a und 2b bedeutet 21 die Rezipientsnwand, die'den zu evakuierenden Raum 22 umschlle3st und die Kryopumpanordnung trägt, welche Wiederum eine die Kondensatlonsflache bildende Kühlschlange 2k mit Kältemittelzuund. *ableitungen 25 und 26 aufweist. Die Kühlschlange 24 ist von einem Gehäuse 27 umschlossen, welches mittels eihsr angelöteten weiteren Kühlschlange 28 mit einem zweiten Kältemittel von höherer

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Temperatur als demjenigen der Kühlschlange 24 gekühlt wird. Auf der dem Rezipienten zugewandten Seite der Kondensationsflache ist ein Strahlungsschutzschirm 29 vorgesehen, welcher aus einem System von Winkelblechen J5o so aufgebaut ist, dass er optisch dicht gegen die vom Rezipienten her einfallende Wärmestrahlung ist, und durch Kühlrohre 51 mit Kältemittelzu- und -ableiturigen 32 und 33 gekühlt werden kann. Das System der Winkelbleche ist von einem Rahmen 34 und dieser seinerseits von der durch die Rezipientenwand bei 35 vakuumdicht hindurchgeführten Welle 36 getragen, die in ihrem Innern die Kältemittelzu- und -ableitungen 32 und 33 aufnimmt. Der Strahlungsschutzschirm 24 kann wahlweise vor die Kondensationsfläche und beiseite geschwenkt werden^ in die Lage, die Fig. 2a zeigt. Das Schwenken des Rahrnen3 erfolgt entweder von •Hand odsr durch einen motorischen Antrieb, der z.B» aus dem Getriebe 37 und dem Servomotor 38 besteht. Die Steuerung des Servomotors geschieht in diesem Falle durch ein Steuergerät 39 in Abhängigkeit von dem mittels des Manometers 4o festgestellten Druck im Rezipienten derart, dass die Kondensationsfläche, nachdem die vorbestimmte Temperatur von z.B. 2o K erreicht ist, zum Pumpen freigegeben bleibt, solange der Druck im Rezipienten einen bestimmten Wert nicht überschreitet. 4l bedeutet eine Vorpumpe, 42 die Vorevakuierungsleitung und 43 ein Ventil. ,

In den Fig. 3a und 3b ist eine Ausführungsform mit variabler Einstellungsmb'glichkeit der Gasdrosselvorrichtung gezeigt. 45 beäeichnet den Rezipienten, 4*6 eine darin angeordnete, die Kondensationsfläche darstellende Kühlschlange, die von einer Mehrzahl beweglicher Strahlungsschutzbleche 4f entsprechend der Skizze der Fig * Jib umgeben ist. Diese V/erden von einer unteren (48) und einer oberen (49) Platte gehalten und können mittels eines aus den Zahnrädern 5° und einer Mehrzahl von Zahnrädern 5I bestehenden Getriebes gemeinsam wahlweise in Offenstellung oder Schliesstellung oder in eine beliebige Zwischenstellung geschwenkt werden. Das Antriebsrad 5o dieses Getriebes wird durch ein&über die Dichtungs 52 naeh\aussen geführte Welle 53 angetrieben, die wiederum entweder direkt vnn Hand oder mitte Is. Motor 54 be~_# tätigt werden kann.

Wie in der Fig. 2 ist auch bei der Anordnung der Fig. 3 ein Steuergerät

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Gezeigt, das mit einem Druckmessgerät 56 und ausserdem mit dem . Temperaturfühler 57 in Verbindung steht, wobei die Kondensationsfläehe zunächst bis zum Erreichen der vorbestimmten Temperatur, z.B. 2o K, ganz abgesperrt bleibt und dann die Gaszuströmung in Abhängigkeit vom Druck im Rezipienten so geregelt wird, dass unterhalb eines bestimmten "Druckes, z.B. Io Torr, die Strömungsdrosselung auf den möglichen Min-• destwert eingestellt ist, oberhalb dieses Druckes Jedoch in dem Masse vergröasert wird, dass auf Hrund der kondensierenden Gasmenge eine konstante Kälteleistung der Maschine erforderlich ist. Letztere hängt von der Kondensationstemperatur und Kondensationswärme des zu pumpenden Gases ab. Die Gaszuströmung zur Kondensationsfläche ist also so einzustellen, dass bei vorgegebener Kälteleistung gerade die dieser entsprechende Gasmenge zuströmen kann.

Die Vorrichtun^inach den Fig. 2 und J5 werden im Sinne der Erfindung so benutzt, dass die Kondensationsfläche wenigatens während eines Teiles der Abkühlungszeit thermisch vom Rezipienten isoliert wird und erst nach Erreichen eines vorbestimmtenTesiperatur, die in wesentlichen der Betriebstemperatur während des Pumpens entspricht, freigögeben, und damit dem Wärmeeinfall voll ausgesetzt wird. Es hat sich gezeigt, dass man auf diese Weise eine bedeutend rationellere Ausnutzung einer vorhandenen Kältemaschine, erzielen kann, indem die Betriebstemperatur und damit das solle Saugyer» mögen der Pumpe in viel kürzerer Zeit nach dem Starten der Kältemaschine erreicht wird als dies bei ungedrosselter Gaszufuhr und daiiit gegen V/ärmeeinfall ungeschützter Kondensationsfläehe während der Äbkühlzeit trotz ungehinderter GassustrÖmung und dadurch stärkeren Pumpens während der genannten Zeit möglich wäre.

Im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung sollen unter thermischer Iso-BerSng alle .Massnahmen. verstanden werden, Vielehe die Wärmezufuhr zur Kondensationsfläche herabsetzen können. Eine vollständige thermische Isolierung der Kondensationsflache während des Abkühlens kann natürlich nicht verwirklicht werden. Um das Ziel der Erfindung zu erreichen, genügt Jedoch eine durch bekannte Massnahmen (wie sie 2.B, allgemein bei

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Behältern für verflUs3i3te Gase angewendet werden) leicht zu er-. zielende· begrenzte thermische Isolierung, . ...... ,.,"r. . ..,,.., ,,:_.■--

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Claims

PAT S Ή T A Ii S PRUBCHE

fl.) Verfahren zum Betrieb einer kryogenen. Pumpstufe mittels einer Kältemaschine, wobei das aus einem ßezipient en au beseitigende Gas an einer tiefgekühlten Kondensatiönsfiäche ausgefroren wird, da d u r c h g e Ic e η η ze i c h η e t,, dass die Kondensatiönsflache während ihres Äbkühlens gegen ¥ärmazufuhr aus dem Rezipienten bis, zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur thermisch isoliert wird. '
2. Hoehvakuumpumpanardnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, mit einer in einem mit. dein zu evakuierenden Saum beim Pumpen in Verbindung stehenden Raum untergebrachten kryogenen Pumpstufe, wobei zwischen den beiden genannten Räumen eine von aussen betätigbare Vorrichtung zum Drosseln der Gaszuströmung zur kryogenen Pumpstufe angeordnet ist, _:d a du r c h g & k e η η ζ e i' c h η e t, dass die Grasdrpsselvorriehtung als thermische Abschirmung zwischen dem die kryogene Pumpstufe enthaltenden Raum und dem zu evakuierenden Räum ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Patentanspruch 2, d a d u r c h ge k e η n-

z β lehnet, dass die Gasdrosselvorrichtung als beweglicher Strahlungsschutzschirm ausgebildet ist.
4. Anordnung nach Patentanspruch 2, d a d u r c h g e k eη η Zeichnet, dass die Gasdrosselvorrichtung mit einer künst-Kühlung versehen ist.
5. Anordnung nach Patentanspruch 2, da durch gekennzeichnet, dass die Gäsdrosselvorrichtung als thermisch isolierende bewegliche Schutzkappe für die Kondensat!οnsfläche ausgebildet ist. :

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6. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch g e k e η η — ζ e i c h η e t, dass die Gasdrosselvorrichtung-als auf verschiedene Gasleitwerte einstellbarer» künstlich gekühlter
Strählenschutzschiria ausgebildet ist.
7» Anordnung nach Patentanspruch 2, d a d u r c h g e k e η η zeichnet, dass die G-asdrosselvorrichtung mit einem Steuergerät zur Steuerung ihres Geffnungszustandes in Abhängigkeit von der Temperatur der Kondensationsflache verbunden ist.
8. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch g e k e η η .zeichnet, dass die (rasdrosselvorrichtung mit einem Steuergeräir und Druckfühler zur Steuerung ihres Öeffnungszustandes in Ab-^
hängigkeit vom Druck im Rezipienten verbunden ist.

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