DE1938035C3

DE1938035C3 - Kältepumpe

Info

Publication number: DE1938035C3
Application number: DE1938035A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Montbonnot-Saint-Martin Boissin
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: 1985-03-14
Also published as: DE1938035B2; CH503201A; BE736711A; SE353943B; NL6911590A; DE1938035A1; FR1587077A; LU59154A1; US3579998A; GB1225608A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Kältepumpe mit einem Gassammelkern für Gas sehr tiefer Temperatur mit auf ¹S etwa 20 K gekühlten Kondensationsflächen und Ad- |\j Sorptionsflächen, die auf einer Seite ein Adsorptionsma- '('■ terial aufweisen, wobei die Kondensationsflächen be-}}züglich der Gasströmungsrichtung stromaufwärts von ;;,. den Adsorptionsfischen angeordnet sind und wobei der I;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, wobei zumindest eine Kondensationsfläche und eine Adsorptionsfläche aus einem einstückigen Wandteil aus einem thermisch leitenden Material bestehen.

Eine solche Kältepumpe ist aus der US-PS 33 60 949 bekannt. Hinter einer ersten, aus Flügeln gebildeten Prallwand befindet sich im Abstand dahinter eine zweite, ebenfalls aus Flügeln gebildete Prallwand, die auf einem Temperaturbereich zwischen 77 und 100 K gehalten werden. Etwa in der Mitte befindet sich eine in Strömungsrichtung der in den Sammelkern eintretenden Gase angeordnete Kondensationsfläche, die mit einer Adsorptionsfläche verbunden ist, die sich quer zur Eintrittsrichtung der zu adsorbierenden Gase hinter der zweiten Prallwand befindet

Mit Nachteil können durch diese rechtwinklige Anordnung der Kondensationsfläche und der Adsorptionsfläche Gasmoleküle auf die Adsorptionsfläche auftreffen, ohne zuvor ein einziges Mal mit der Kondensationsfläche durch Auftreffen Berührung gehabt zu haben. Mit anderen Worten ist der bekannte Aufbau aus Kondensationsfläche und Adsorptionsfläche nicht optisch dicht. Die gewünschte Filterwirkung ist durch die Bewegungsmöglichkeit der Gasmoleküle gering, und die adsorbierenden Substanzen auf der Adsorptionsfläche werden daher durch kondensierbare Gase sehr schnell verunreinigt Damit wird der Gesäimwirkütigsgi'äd der bekannten Kältepumpe schlecht

Eine ähnliche Kältepumpe ist auch aus der US-PS 32 96 773 bekannt Dort sind die Adsorptionswände von Kondensationswänden umgeben, wobei erstere bezüglich der Gasströmung stromabwärts angeordnet sind. Obwohl die Adsorptionswärrde relativ dicht bei den Kondensationswänden angeordnet sind, sind diese Wände doch in thermischer und mechanischer Hinsicht voneinander unabhängig. Zwar sind hiernach Adsorptionsflächen bekannt, die auf beiden Seiten ein Adsorptionsmaterial aufweisen, durch die unabhängige Anordnung der genannten Wände auf einem gemeinsamen Gestell ergibt sich im bekannten Faii mit Nachteil aber eine relativ komplexe und sperrige Anordnung. Thermisch ist es bei der bekannten Vorrichtung ferner erforderlich, zwei Kreisläufe vorzusehen, nämlich einen für die Adsorptionswände und einen weiteren für die Kondensationswände.

Aus der US-Patentschrift 33 64 654 ist ferner noch eine Ultra-Hochvakuumpumpe mit Kondensationswänder- 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 Behälter mit flüssigem Helium erstrecken. Auch bei dieser bekannten Pumpe liegen somit zwei Kälkkreisläufe vor. Die hiernach bekannte Ultra-Hochvakuumpumpe weist auch betrisbstechnische 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 Fläche, 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 10 19 047 bekannten Kühlfalle für Hoch-Vakuumpumpen ist in einem Gehäuse ein Verdampfer als konische Rohrwendel mit konischen, im Durchmesser gestaffelten Ringen als Prall· und Kühlflä-

chen 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 Koiidensationswirkung des Kühlers die Kühlfalle auch die Eigenschaft einer rasch saugenden Pumpe für gewisse Gase und Dämpfe hat Hinweise der Anordnung der Adsorptionsflächen und des Adsorptionsmaterials sind dort nicht gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Kältepumpe der eingangs erwähnten Art dahingehend zu verbessern, daß sie bei einfacherem und kompakterem Aufbau nur den nicht kondensierbaren Gasen Zutritt zu den Adsorptionsmitteln erlaubt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß <?ie Adsorptionsfläche auch auf der anderen Seite ein Adsorptionsmaterial aufweist und daß die Kondensationsfläche aus mehreren Flügeln bestehen, die in Form eines Flügelkranzes zylindrisch um die Adsorptionsflächen angeordnet sind. Mit der neuen Käitepumpe ist es möglich, nur eine Kälteschlange rür ein Kühlmittel sehr tiefer Temperatur zu verwenden, um sowohl die Kondensationsflächen als auch die Adsorptionsflächen 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

Durch die Anordnung der Kondensationsflächen auf einen zylindrischen Ringkranz wird mit Vorteil eine große Kondensationsfläche geschaffen, die nur die nicht kondensierbaren Gase allein zu den Adsorptionsmitteln zutreten läßt Außer der gedrängten Bauweise durch die lameilenförmigen Kondensationsflächen kann das Kältemittel in geschlossenem Kreislauf verwendet werden, wie es von Handelsgeneratoren geliefert wird.

Durch die Merkmale der Unteransprüche werden weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten in einheitlicher Weise mit den vorstehend erwähnten Merkmalen und Eigenschaften der Erfindung erreicht. Durch die Anordnung des Adsorptionsmaterial und der Kondensationsflächen zueinander und im Gassammelkern kann eine große Kondensationsfläche auf engem Raum geschahen werden, wobei der Wirkungsgrad erheblich verbessert werden kann und insbesondere der Einsatz der Adsorptionsmittel über längere Zeit vor der Regenerierung möglich ist

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, I,

Fig.3 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht des Innenteiles der in Fig. 1 dargestellten Kältepumpe.

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 Käitepumpe mittels eines oberen Tragflansches 1 und einer Ringdichtung montiert, an dem eine trogförmige Hülle 2 angelötet ist Da* ganze ruht auf Füßen 3. Die trogförmige Hülle I besitzt einen Anschluß 4 für die Verbindung mit einer primären Vakuumpumpe und einem Mehrfacharr ohluß 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 einem Eintrittsrohr 8 und einem Austrittsrohr für ein Strömungsmittel sehr tiefer Temperatur. Das Eintrittarohr 6 für das mäßig kalte Strömungsmittel ist über ein Verbindungsstück 10 zunächst an den Kühlkreis It an der Prallwand oder einen oberen Flüjjelschirm 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 trogförmigen 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, df*r einen Teil der Kühlvorrichtung 11 darstellt Gespeist wird mit mäßig kalterr. Strömungsmittel. Die Metaiikegelsiümpfe 16 erweitern sich nach unten und nach außen, so daß sie einen Schutt 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 246 verbunden und am Umfang zwischen einem unteren Ringflansch 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 tinschluDv/inkei 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 vor. zwei Kupferflügeln ist radial zur Achse hin um einen Lamellenteil 29 verlängert, der mechanisch und thermisch ein Stück mit der zugehörigen Adsorptionsfläche 7&b 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 Heüum'jrnl-u'f 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 133J 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 Flügclschirm 12 und den Mantel 15 auf eine 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

ίο vorhanden ist, gelangt also nacheinander zu der Käitepumpe, 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, 2Sb werden noch "ewisse Oase kondensiert. Hie der vorhergehenden Kondensation entgangen waren, aber andere Gase, die bei der Temperatur von 20 K nicht kondensierbar sind, setzen ihren Lauf zum zentralen Gassammelk'jrn fort, wo sie dann durch das Sinternickel 30 auf den Flügelvorsprüngen 29 adsorbiert werden.

Es sei bemerkt, daß die geometrische Anordnung, wie der Kondensations-Adsorptionskern 27 von sehr tieier Temperatur keiner von außen kommenden Strahlung ausgesetzt herden 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

jo Flügelschirm 12 den oberen Teil schütit.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. 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, wobei zumindest eine Kondensationsfläche und eine Adsorptionsfläche aus einem einstückigen Wandteil aus einem thermisch leitenden Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsfläche (2Sb) auch auf der anderes Seite ein Adsorptionsmaterial

r :_„ ι _j_n j:_ is ι »: n = _i

\ üuiwcisi uiiu UuLi uic nuiiucmauuimia^iicii /υ (2Sa) aus mehreren Flügeln bestehen, die in Form eines Flügelkranzes zylindrisch um die Adsorptionsflächen (280^ angeordnet sind.
2. Kältepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsflächen (TSb) ein Ad-Sorptionsmaterial (30) aufweisen, das auf einer radialen Verlängerung der Kondensationsflächen (2Sa) nach innen angebracht ist.
3. Kältepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmaterial (30) ein Sin- jo termetall, vorzugsweise Sinternickel, is'.
4. Kältepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsflächen (2Sa) schräge Wände mit einer Verbindungslinie parallel zur Achse des Flügelkranzes (28) bilden und alle Wände in gleicher Weise zu einer Axialebene geneigt sind, die durch die Verbindungslinie geht.
5. Kältepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (28) 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.
6. Kältepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizwiderstand (35) für die Regenerierungdes Adsorptionsmaterials in eine Endplatte (32) eingelassen ist.