DE1938035B2

DE1938035B2 - Kältepumpe

Info

Publication number: DE1938035B2
Application number: DE1938035A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Montbonnot- Saint-Martin Boissin; Jean-Jacques Saint-Martin D'uriage Thibault
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1968-08-01
Filing date: 1969-07-26
Publication date: 1980-03-06
Also published as: CH503201A; BE736711A; SE353943B; NL6911590A; DE1938035C3; DE1938035A1; FR1587077A; LU59154A1; US3579998A; GB1225608A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kältepumpe mit einem Gassammelkern für Gas sehr tiefer Temperatur, mit auf etwa 20 K gekühlten Kondensationsflächen und Adsorptionsflächen, die auf einer Seite ein Adsorptionsmaterial aufweisen, wobei die Kondensationsflächen bezüglich der Gasströmungsrichtung stromaufwärts von den Adsorptionsflächen angeordnet sind und wobei der Gassammelkern in einer Hülle einer Temperatur von etwa 80 K angeordnet ist, die auf der Seite eines Verbindungsganges zu einem zu evakuierenden Behälter eine Prallwand zur Abschirmung der äußeren Strahlung bildet

Eine solche Kältepumpe ist bereits aus der US-PS 96 773 bekannt Dort sind die Adsorptionswände von Kondensationswänden umgeben, wobei erstere bezüglich der Gasströmung stromabwärts angeordnet sind. Obwohl die Adsorptionswände relativ dicht bei den Kondensationswänden angeordnet sind, sind diese Wände doch in thermischer und mechanischer Hinsicht voneinander unabhängig. Durch die unabhängige Anordnung der genannten Wände auf einem gemeinsamen Gestell ergibt sich im bekannten Fall mit Nachteil eine relativ komplexe und sperrige Anordnung.

ίο Thermisch ist es bei der bekannten Vorrichtung ferner erforderlich, zwei Kältekreisläufe vorzusehen, nämlich einen für die Adsorptionswände und einen weiteren für die Kondensationswände.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

is bekannte Kältepumpe dahingehend zu verbessern, daß sie einen einfacheren und kompakteren Aufbau erhalt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß mindestens eine Kondensationsfläche und eine Adsorptionsfläche aus einem einstückigen Wandteil aus einem thermisch leitenden Material bestehen und daß die Adsorptionsfläche auch auf der anderen Seite ein Adsorptionsmaterial aufweist

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird in neuer und fortschrittlicher Weise eine Kältepumpe geschaffen, die es ermöglicht nur eine Kälteschlange für ein Kühlmittel sehr tiefer Temperatur zu verwenden, um sowohl die Kondensationsflächen als auch die Adsorptiunsfiächen zu kühlen. Dadurch ergibt sich eine im Aufbau sehr einfache und kompakte und überdies preiswerte Pumpe. Auch werden bei der erfindungsgemäßen Lösung die thermischen Verluste infolge Strahlung und Leitung vermindert

Aus der US-Patentschrift 33 64 654 ist ferner noch eine Ultra-Hochvakuumpumpe mit Kondensationswänden und Adsorptionswänden beschrieben, bei welcher das Gas zunächst einer ersten, dann entlang einer zweiten Kondensationswand und schließlich gegen eine Adsorptionswand strömt. Die Kondensations- und Adsorptionsflächen sind auch in diesem bekannten Falle voneinander getrennt. Dabei ist die Adsorptionsfläche relativ dick und weist Rippen auf, die sich in einen BehfJter mit flüssigem Helium erstrecken. Auch bei dieser bekannten Pumpe liegen somit zwei Kältekreisläufe vor. Die hiernach bekannte Ultra-Hochvakuumpumpe weist auch betriebstechnische Nachteile auf, weil die Oberflächenberührung zwischen dem Gas und der Adsorptionswand, die als massive Platte ausgebildet ist, relativ gering ist, wodurch auch die Adsorptionswirkung gering ist Andererseits muß diese Adsorptionseinrichtung bei sehr tiefen Temperaturen arbeiten, und da das Adsorptionsmaterial thermisch isolierend wirkt, haben die Teilchen des Adsorptionsmaterials, die in Berührung mit dem Gas kommen, d. h. die Teilchen gegenüber der Kälteflüssigkeit, eine höhere Temperatur als die der Flüssigkeit zugewandte Räche, die nicht mit dem Gas in Berührung kommt, und schließlich ist auch diese bekannte Vorrichtung mit mehreren Kältebehältern sehr sperrig.

Bei der aus der DE-AS 1019 047 bekannten Kühlfalle für Hoch-Vakuumpumpen ist in einem Gehäuse ein Verdampfer als konische Rohrwendel mit konischen, im Druchmesser gestaffelten Ringen als Prall- und Kühlflächen vorgesehen. Es ist dort lediglich ausgesagt, daß an beliebigen Stellen physikalische Adsorber oder chemisch aktive Stoffe angebracht werden können, die Gase absorptiv oder chemisch zu binden vermögen, so daß in Verbindung mit der Kondensationswirkung des Kühlers die Kühlfalle auch die Eigenschaft einer rasch

saugenden Pumpe für gewisse Gase und Dampfe hat Hinweise der Anordnung der Adsorptionsflächen und des Adsorptionsmaterial sind dort nicht gegeben.

Durch die Merkmale der Unteransprüche werden weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten in einheitlicher Weise mit den vorstehend erwähnten Merkmalen und Eigenschaften der Erfindung erreicht Insbesondere kann man bei der Ausführungsform, bei welcher die Kondensationsflächen aus mehreren, auf einem zylindrischen Ringkxanz um die Adsorptionsmitte angeordneten, flügeiförmigen Flächen bestehen, mit Vorteil eine große Kondensationsfläche vorsehen, die nur die nicht kondensierbaren Gase allein zu den Adsorptionsmitteln zutreten läßt Auf den Vorteil der gedrängten Bauweise durch die Anordnung der lamellenförmigen Flächen ist schon hingewiesen worden; ebenso wie auf die vorteilhafte Verwendung des Kältemittels in geschlossenem Kreislauf, wie es von Handelsgeneratoren geliefert wird.

Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer oben beschriebenen Kältepumpe wird in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert

F i g. 1 ist ein senkrechter Längsschnitt durch eine Kältepumpe, mit der ein hohes Vakuum erzeugbar ist

Fig.2 ist eine Draufsicht auf eine Einzelheit der Fig. 1,

F i g. 3 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht des Innenteiles der in F i g. 1 dargestellten Kältepumpe. ^M

Die Vorrichtung zur Erzeugung eines hohen Vakuum ist im wesentlichen eine Kältepumpe, die mit Kondensation und Adsorption arbeitet In offener Verbindung mit dem zu evakuierenden Raum ist diese Kältepumpe mittels eines oberen Tragflansches 1 und einer Ringdichtung montiert, an dem eine trogförmige Hülle 2 angelötet ist Das ganze ruht auf Füßen 3. Die trogförmige Hülle 2 besitzt einen Anschluß 4 für die Verbindung mit einer primären Vakuumpumpe und einem Mehrfachanschluß 5, der für die Durchführung der Leitungen der kalten Strömungsmittel dient Diese Leitungen bestehen einerseits aus einem Eintrittsrohr 6 und einem Austrittsrohr 7 für kaltes Strömungsmittel von mäßig niedriger Temperatur und andererseits aus eine, Eintrittsrohr 8 und einem Austrittsrohr für ein Strömungsmittel sehr tiefer Temperatur. Das Eintrittsrohr 6 für das mäßig kalte Strömungsmitte! ist über ein Verbindung-stück 10 zunächst an den Kühlkreis 11 an der Prallwand oder einen oberen Flügelschirm 12 und dann mittels eines Rohres 13 an eine Kühlschlange 14 angeschlossen, die auf der Außenseite eines kalten Mantels 15 verläuft Letzterer befindet sich in kleinem Abstand auf der Innenseite der trogförmieen Hülle 2.

Die Prallwand 12 besteht aus mehreren metallischen Kegelstümpfen 16, die miteinander durch radiale Rohrelemente 17 starr verbunden und zwischen einem äußeren Kranz 18 und einem inneren Kranz 19 befestigt sind, der einen Teil der Kühlvorrichtung 11 darstellt. Gespeist wird mit mäßig kaltem Strömungsmittel. Die MetallkegelstUmpfe 16 erweitern sich nach unten und nach außen, so daß sie einen Schutz gegen jegliche Strahlung von dem oberen Teil her in Richtung auf einen zentrischen Auffangblock von sehr kaltem Strömungsmittel darstellen. Dieser wird noch näher erläutert

Wie aus Fig.2 ersichtlich, geht die Leitung 13 von dem Rohrkranz 18 diametral gegenüber der Einlaßstelle aus, erstreckt sich bei 13' bis zum Boden des Troges und ist dann an die Schlange 14 angeschlossen. Der Austritt dieser Schlange 14 ist über eine Leitung 20 an das Austrittsrohr des mäßig kalten Strömungsmittels 7 angeschlossen.

Die Eintrittsleitung 8 des sehr kalten Strömungsmittels, d.h. Gases sehr tiefer Temperatur, ist an eine Schlange 23 angeschlossen, die wie besonders aus F i g. 3 ersichtlich aus mehreren aufrechten Segmenten 24 besteht; diese sind an zwei benachbarten Enden durch Doppelkrümmer 24a und 24b verbunden und am Umfang zwischen einem unteren Ringflanscb 25 und einem oberen Ringflansch 26 eines Kondensations-Adsorptionsblockes 27 verteilt Jedes Rohrelement 24 ist auf einem Kupferflügel 28 angeschweißt so daß sich zwei lamellenförmige Kondensations- bzw. Adsorptionsflächen 28a und 286 mit einem Einschlußwinkel von etwa 120° bilden; die Kupferflügel 28 sind durch Verlötung an ihren oberen und unteren Enden an den Ringflanschen 25 und 26 festgelegt Jeweils einer von zwei Kupferflügeln ist radial zur Achse hin um einen Lamellenteil 29 verlängert der mechanisch und thermisch ein Stück mit der zugehörigen Adsorptionsfläche 2Sb bildet und jede Lamelle 29 trägt auf ihren beiden Seiten eine Sinternickelscheibe 30, die das Adsorbens bildet

Auf jedem Ringflansch 25 und 26 stützt sich eine massive Endplatte 31,32 ab, die aus Kupfer besteht und in der mehrere Rinnen 33 ausgearbeitet sind. Diese dienen zur Unterbringung eines elektrischen Heizwiderstandes, dessen Anschlußenden 35 sichtbar sind. Dieser Heizwiderstand wird durch Verguß einer oberflächlichen Füllmasse in seiner Lage gehalten.

Der ganze Aufbau wird durch einige Zugstangen 36 ortsfest gehalten, die sich zwischen den Ringflanschen 31 und 32 erstrecken.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird der mäßig kalte Mantel 15 von einstellbaren Füßen 37 getragen, die im Innern der Füße 3 eingesetzt sind, während der Kondensations-Adsorptionsblock oder Gassammelkern 27 von sehr kalter Temperatur durch Kabel 38 getragen ist, die sich von den Verankerungsstellen 39 auf dem unteren Ringflansch zu Verankerungsstellen 40 an der Oberkante der kalten Wand 15 erstrecken; zum weiteren Halt dienen Kabel 41, die sich von Verankerungsstellen 42 des oberen Ringflansches zu Verankerungsstellen 43 am Boden des Materials 15 erstrecken.

Die Eintritts- und Austrittsleitungen 6 und 7 des mäßig kalten Strömungsmittels und diejenigen des Gases sehr tiefer Temperatur sind zweckmäßig an zwei Ausgänge eines Kälteerzeugers mit Doppelumlaufkühler von geschlossenem Kreislauf angeschlossen. Derartige Kälteerzeuger verwenden im allgemeinen Helium in Gasphase, wobei der eine Kreis dieses Strömungsmittels mit einer Temperatur in der Größenordnung von 80 K und der andere Kreis mit einer Temperatur in der Größenordnung von 15 bis 20 K liefern. Man kann aber auch einen Generator mit gasförmigem Heliumumlauf für den Kühlkreis von sehr tiefer Temperatur und ein anderes Kältemittel, beispielsweise flüssigen Stickstoff, für den Kühlkreis von mäßig tiefer Temperatur verwenden.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende:

Der Tragflansch 1 ist an einem anderen Tragflansch am Boden eines nicht dargestellten Behälters angeschlossen, in welchem man das Vakuum zu erzeugen wünscht Man arbeitet zunächst auf ein Vorvakuum hin, indem man Gas durch den Stutzen 4 abzieht so daß man

ein Vorvakuum von 1,333 bis 0,1333 Pa erreichen kann. Darauf läßt man über die Leitungen 6 und 8 mäßig kaltes Strömungsmittel bzw. Gas sehr tiefer Temperatur zutreten. Das mäßig kalte Strömungsmittel gestattet, den Flügelschirm 12 und den Mantel 15 auf einer Temperatur in der Größenordnung von beispielsweise 80 K abzukühlen, während das sehr kalte Strömungsmittel die Abkühlung der Flügelfläche 28 des Kondensations-Adsorptionskernes auf eine Temperatur in der Größenordnung von 20 K gestattet.

Die geringe Gasmenge, die noch in der Kammer vorhanden ist, gelangt also nacheinander zu der Kältepumpe, wo sich ein Teil, hauptsächlich bestehend aus Wasserdampf und Kohlendioxyd, auf den Flügelschirmen 12 und der Mantelwand 15 kondensiert Der nicht kondensierte Teil erreicht dann die Zone der Flügelflächen 28 von sehr tiefer Temperatur. Im Bereich der Adsorptions- und Kondensationsflächen 28a, 286 werden noch gewisse Gase kondensiert, die der vorhergehenden Kondensation entgangen waren, aber andere Gase, die bei der Temperatur von 20 K nicht kondensierbar sind, setzen ihren Lauf zum zentralen Gassammelkern fort, wo sie dann durch das Sinternickel 30 auf den Flügel vorsprüngen 29 adsorbiert werden.

Es sei bemerkt, daß die geometrische Anordnung, wie

ίο der Kondensations-Adsorptionskern 27 von sehr tiefer Temperatur keiner von außen kommenden Strahlung ausgesetzt werden kann. Andererseits umgibt und schützt die kalte Wand 15 die Kernteile 29 vor Strahlungen nicht nur auf ihrem unteren Teil, sondern auch auf ihrem ganzen seitlichen Teil, während der Flügelschirm 12 den oberen Teil schützt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kältepumpe mit einem Gassammelkern für Gas sehr tiefer Temperatur, mit auf etwa 20 K gekühlten Kondensationsflächen und Adsorptionsflächen, die auf einer Seite ein Adsorptionsmaterial aufweisen, wobei die Kondensationsflächen bezüglich der Gasströmungsrichtung stromaufwärts von den Adsorptionsflächen angeordnet sind und wobei der Gassammelkern in einer Hülle einer Temperatur von etwa 80 K angeordnet ist, die auf der Seite eines Verbindungsdurchganges zu einem zu evakuierenden Behälter eine Prallwand zur Abschirmung der äußeren Strahlung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Kondensationsfläche (Ma) und eine Adsorptionsfläche (28£>Jaus einem einslückigen Wandteil aus einem thermisch leitenden Material bestehen und daß die Adsorptionsfläche [Mb) auch auf der anderen Seite ein Adsorptionsmaterial (30) aufweist

2. Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsflächen (28a) aus mehreren Flügeln bestehen, die in Form eines Flügelkranzes zylindrisch um die Adsorptionsflächen (28^ angeordnet sind

3. Kältepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsflächen (2Sb) ein Adsorptionsmaterial aufweisen, das auf einer radialen Verlängerung der Kondensationsflächen (28a) nach innen angebracht ist

4. Kältepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmaterial ein Sintermetall, vorzugsweise Sinternickel ist

5. Kältepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsflächen schräge Wände mit einer Verbindungslinie parallel zur Achse des Flügelkranzes bilden und alle Wände in gleicher Weise zu einer Axialebene geneigt sind, die durch die Verbindungslinie geht.

6. Kältepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel mit den Enden an zwei Ringflanschen (25,26) angelötet sind, und massive Endplatten (31, 32), die sich außen jeweils an einem Ringflansch (25, 26) abstützen, untereinander durch Zugstangen (36) verbunden sind.

7. Kältepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizwiderstand (35) für die Regenerierung des Adsorptionsmaterials in eine Endplatte (32) eingelassen ist.