DE2049117A1

DE2049117A1 - Gasleckanzeigesystem

Info

Publication number: DE2049117A1
Application number: DE19702049117
Authority: DE
Inventors: Wilhelm F 5300 Bonn Schrader
Original assignee: Sargent Welch Scientific Co
Current assignee: Sargent Welch Scientific Co
Priority date: 1969-10-27
Filing date: 1970-10-06
Publication date: 1971-05-06
Also published as: NL7015084A; US3616680A; BE757352A; CA922584A; GB1330685A; FR2066532A5; JPS5125158B1; DE2049117C2; CH519137A

Description

ΟΠΛΟ 117

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann, ^w-t^ ι t ι

Dipl.-Ing. H. Weickmann, DIPL.-PHYS. Dr.K-FiNCEE Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

S MÖNCHEN 86, DEN SAHA. POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

(933921/22)

SABGEHT-WEICH SGIENTIi¹IG GOMPAHY, 7300 !forth. Idader Avenue,

Skokie, Oook, Illinois,

Gasleckanaeigesystern

Leckanzeigesysteme zur Auffindung von Gasleckstellen, wie sie beispielsweise in Halbleiterbaugruppen, Wärmetauschern und Vakuumgeräten, einschließlich den Bestandteilen von Vakuumpumpen, auftreten, sind bereits bekannt«, Normalerweise wird das Vorhandensein von ausgetretenem Gas oder einer Komponente das ausgetretenen Gases durch irgendeinen Analysator festgestellt, der in einem typischen Pail ein analytisches Massenspektrometer sein kann, etwa ein Massenspektrometer, das für die Auffindung eines Gases mit niedrigem Molekulargewicht, z.B. Helium, eingestellt ist«. Das aufgespürte Gas " mag rund um das geprüfte Gerät vorhanden sein oder' es kann aus Gas bestehen, das von einem eingeschlossenen Gegenstand durch eine Hülle abgezogen wird, die einen Gasaustritt verhindern solle

Die genaue Konstruktion des Analysators selbst, etwa des Massenspektrometer, oder die Konstruktion oder Art des Gegenstandes oder Gefäßes, an dem die leokstelle gesucht werden soll, sind nicht Teil der Erfindung, Ihre Erwähnung geschieht nur, um einige Kennzeichen der Erfindung besser veranschaulichen zu können. Ea-ist bereits bekannt, Leokanzei-

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ger zusammen mit Vakuumpumpen zu verwenden, die ein hohes Vakuum erzeugen können und die gemeinhin mit einer Vorpumpe für niedriges Vakuum gekoppelt sind, welche in einem typischen Fall eine mechanische Vakuumpumpe ist und für sich keinen Gegenstand der Erfindung bildet.

Weiter ist bereits bekannt, Öldiffusionspumpen oder andersartige Hochvakuumpumpen in Reihenschaltung zu benutzen und zwischen die einzelnen Pumpen- eine Prüfleitung einzuschalten. Diese Anordnung ist nur eine aus einer Anzahl bekannter An-

jr Ordnungen zur Aufspürung von Leckstellen in evakuierten Systemen oder Gefäßen. Die Anzeigegeräte arbeiten üblicherweise nach folgendem Prinzip» Durch ein verstellbares Drosselventil kann ein kleines Volumen aller vorhandener Gase strömen; die Anwesenheit von Helium oder einem anderen aufzuspürenden Gas wird dadurch an einer Stelle strömungsabwärts des Drosselventils und stromaufwärts von einer Diffusionspumpe zuwegegebracht j das Anzeigegerät ist dabei durch eine Kältefalle oder dergleichen geschützt. Es ist bekannt, eine Gasströmung aus einem Prüfgefäß, einer Schnüffelsonde oder dergleichen durch eine Hochvakuum-Diffusionspumpe und in eine Vorpumpe zu leiten, wobei man den Anteil des Heliums oder

fc eines anderen Gases mit niedrigem Molekulargewicht in einer Spektrometerkammer prüft, die in Strömungsrichtung vor der Diffusionspumpe liegt und duroh eine Kältefalle gegen uner*· wünschte Verunreinigung geschützt ist«.

Die Vorzüge der Erfindung erzielt man, indem man gemäß einer Ausführungsform eine Turbopumpe vorsieht mit zwei in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse untergebrachten Kompressor— einholten, die voneinander durch eine praktisch gasundurchlässige Wand getrennt sind» Mit dem Einlaß der einen Kompressoreinheit 1st ein Gasanzeiger verbunden und an den Einlaß der anderen Komprassoreinheit 1st eine Leitung zu einem zu

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prüfenden Gefäß angeschlossene 33er Auslaß beider Kompressoreinheiten ist über ein geeignetes Steuerorgan an die Vorpumpe angeschlossen, die durch ihren Einlaß einen wesentlichen Anteil des aus dem Prüfgefäß evakuierten Gasvolumens aufnimmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen«

Fig.1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Leckanzeigers in einem Vertikalschnitt durch die erfindungsgemäße !turbopumpe}

Figo2 ein Blockschema, das das Prinzip der Erfindung verdeutlicht} einige Komponenten, die im Betrieb funktionell gekoppelt sind, sind wegen der Anschaulichkeit getrennt dargestellt.

i zeigt ein Leckanzeigegerät 20 zur Aufspürung von Leckstellen in einer Wand 22 eines Gefäßes 24» die unbeabsichtigterweise ein Loch 26 haben kann oder in der vorsätzlich ein Loch angebracht sein kann. Eine Absaugleitung 28 des Prüf« gefäßes führt zum Einlaß 30 einer Turbopumpeneinheit 32, die zum Evakuieren des Gefäßes dient und die einen Auslaß 34 hat« Eine zweite Turbopumpeneinheit 36, die als Analysator dient, ist axial gefluchtet mit der ersten Turbopumpeneinheit 32 angeordnet. Die Außenwände beider Pumpeneinheiten 32, 36 werden von einem gemeinsamen zylindrisohen Gehäuse 38 gebildet, das eine Stirn-· und eine Rückwand 40, 42 hat und in dessen Mitte eine praktisch gasundurchlässige Trennwand f$M T^f angebracht ist· Die Trennwand ist gegen eine rotierende Schaufelradwelle 46 durch eine Vakuumdichtung 48 abgedichtet« Mit der Turbopumpeneinheit 36 ist eine Gasanzeigevorrichtung 50 betriebsmäßig verbunden, die ein Detektorelement 52 enthält und beispielsweise durch ein Rohr 54 an den Einlaß 56 oder das stromaufwärts gelegene Ende der Turbopumpeneinheit 32

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angeschlossen ist. Zwischen dem Auslaß 34 der zum Evakuieren dienenden Pumpeneinheit 32 und dem Auslaß 60 der als Analysator wirkenden Pumpeneinheit 36 läuft eine Leitung 58. An . eine Öffnung 66 in der Leitung 58 ist über eine Leitung 64 eine Vorpumpe 62 bekannter Bauart angeschlossen. Die Leitung 64 enthält ein Steuerorgan in Form eines verstellbaren Ventils 68, das von einer Leitung 70 überbrückt wirde

Die rechte, zum Evakuieren dienende Turbopumpeneinheit 32 weist mehrere mit Schaufeln versehene Rotoren 74 auf der V/elle 46 auf, die zwischen mehrere Statoren 76 eingreifen, welche am Gehäuse 38 fixiert sind. Bei Drehung der Welle 46 werden Gase im Druckbereich der freien Molekularströmung von der Niederdruekzone 78 der Pumpeneinheit 32 nächst dem Einlaß zur Zone 80 mit höherem Druck nächst dem Auslaß 34 vorangetrieben· Wie weiter unten noch genauer ausgeführt wird, kann der Druckanstieg in einer solchen Turbopumpe beispielsweise von etwa 10 Torr am Einlaß bis zu etwa 10 Torr oder mehr am Auslaß betragen. In der linken Turbopumpeneinheit 36, die als Analysator dient, sind mehrere Rotoren 82 an der Welle 46 befestigt und greifen zwischen Statoren/^/Bln. Bei Drehung der Welle 46 in einer gewünschten Richtung werden dichte ,, Gase von dem stromaufwärts gelegenen Ulederdruekbereich 86 ' der Pumpeneinheit 36 zu deren Hochduuokbereioh 88 vorange« trieben·

Die genaue funktion dieser Analysator-Turbopumpenanordnung wird noch genauer beschrieben. An dem gezeigten Beispiel ist ersichtlich, daß beide Einlasse 30, 56 an einem axial inneren Teil der Pumpeneinheiten 32, 36 angeordnet sind und daß die Auslässe 34, 60 an den axial äußeren Enden der Pumpeneinheiten liegen. Eine derartige Gasströmung kommt dadurch zustande, daß die einen Teil der Pumpeneinheit 32 bildenden Roto« ren Spiegelbilder ihrer Gegenstücke in der Pumpeneinheit 36 sind und daß die Statoren 76 Spiegelbilder ihrer Gegenstücke 84 sind ο

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Um die Funktion des Leckanzeigegerätes 20 zu "beschreiben, sei angenommen, daß der zu prüfende Gegenstand das Gefäß 24 selbst ist. Dies wäre z.B. dann der Fall, wenn die Vakuumtests an dem Rotorgehäuse einer Turbomolekular-Vakuumpumpe ausgeführt werden sollen, die in einem Teil Vakuumhöhen in

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der Größenordnung bis herab zu 10 Torr liefern soll. Wenn die Leitung 28 mit dem Einlaß 30 der zur Evakuierung dienenden Pumpeneinheit 32 verbunden ist, wird die Vorpumpe 62 in Betrieb gesetzt, die im allgemeinen einen Einlaßdruok von 10*"** Torr liefert. Wenn die gemeinsame Welle 46 mit hoher Umdrehungszahl läuft, z„B. mit 10 000 bis 20 000 U/min oder mehr, wird in der Nlederdruckzone 78 ein Vakuum zwischen etwa 10*" und 10 Torr oder mehr, im typischen Fall von 10~ Torr, erzeugt«. Die Gasströmung durch die Pumpeneinheit 32

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kann im Fall eines Druckes von 10 Torr 100 Liter pro Sekunde betragen und praktisch all dieses Gas gelangt durch den Auslaß 34 in die Leitung 58 und von dort durch die Leitungen 64 und"70 in den Einlaß der Vorpumpe· Während die Welle 46 in der oben beschriebenen Weise rotiert, hat dies zugleich in der Pumpeneinheit 36 den Effekt, daß Gase aus dem Mederäruokbereich 86 abgezogen und in den Hoohdruckbereich 88 überführt werden, von wo sie durch den Auslaß 60 in die Leitung 58a gelangen.

Gemäß bekannten Regeln und unter der Annahme, daß an dem Einlaß 56 kein Vorrat an großem Gasvolumen vorhanden ist, würde jedoch die Analysator-Pumpeneinheit bald einem Gleichge» wiohtszustand zustreben, bei dem die Rückströmung praktisch gleich der stromabwärts gerichteten Strömung iat₀ Bekannt** lieh ist jedoch die Verteilung der Gase zwischen den Räumen 86 und 88 sehr unterschiedlich, falls Gase mit unterschiedlichem Molekulargewicht vorhanden sind. Folglich fließen aufgrund ihres niedrigen Gewichtes und ihrer höheren Geschwindigkeit Helium- und Wasserstoffmoleküle in beträchtlichen Mengen stromaufwärts, verglichen mit der Anzahl von Mo-

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lekülen des öldampfes oder anderer Kohlenwasserstoffdämpfe, des Wasserdampfes, des atomaren Stickstoffes, Sauerstoffes, Kohlendioxids und dergleichen, die stromaufwärts wandern. Demzufolge ist in dem Raum 86 ein großer Anteil von Heliummolekülen vorhanden, verglichen mit der Anzahl anderer Gasmolekiile, insbesondere verglichen mit dem Anteil an Heliummolekülen, der in einem vorgegebenen G-asvolumen unter normalen Druckbedingungen enthalten wäreο Obwohl Helium also nur einen winzigen Prozentsatz der Luft bei atmosphärischem Druck ausmacht, sind ein sehr großer Anteil der im Raum 86 enthai-

P tenen Gasmoleküle Heliummoleküle. Da jedoch diese Gase gegen

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einen Grunddruok von 10 bis herab zu 10"" vorhanden sind diese Werte wurden gewählt, da sie für eine wirksame Punktion des Helium-Detektorelementes 52 erforderlich sind - , können sie einfach aufgespürt werden und als Anzeige für den vakuumdiohten Zustand des Testgefäßes 24 dienen.

Figo2 zeigt eine vereinfachte, schematisierte Skizze eines erfindungsgemäßen Leckanzeigers» Daraus ist ersiohtlich, daß das Testgefäß 24 in erster Linie von der Vorpumpe 62 evakuiert wird, und daß praktisch der gesamte Volumendurchsatz in die und aus der mechanischen Vorpumpe durch die zur Evakuierung dienenden Turbopumpeneinheit 52 geht» Demgemäß ist die Volumenkapazität der Pumpeneinheit 32 ausreichend groß für den erwähnten Zweok, d.iu zum Evakuieren des Gesamtvolumens des , Testgefäßes 24, so daß keine weitere Pumpe erforderlich ist» Fig_o2 zeigt auch, daß die Leitung 58 mit der Leitung 64 zur Vorpumpe in Verbindung steht, daß aber keine wesentliche kontinuierliche Strömung des Gesamtstromes in der Vorpumpenlei« tung 64 zum Auslaß 60 der Analysator-Pumpeneinheit 36 geht und auch keine merkliche Strömung von der Pumpeneinheit 36 zur Leitung 64 vorhanden ist₀

Die Analysator-Pumpeneinheit 36 funktioniert also in der Weise, daß sie als ein Gasfilterwirkt, so daß an ihrem Hooh-

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druckende Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe und dergleichen in beträchtlichen Mengen vorhanden sind, wobei Wasserstoff und Helium in diesem Bereich nur vorübergehend vorhanden sind· In dem Niederdruckbereich 86 der Pumpeneinheit 36 wird praktisch der gesamte Druck durch die Partialdrucke von Wasserstoff und Helium erzeugt. Aber der Gesamtdruck ist noch genügend niedrig, so daß der leckanzeiger ohne Gefahr einer Beschädigung und in seinem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden kantip

Die genaue Konstruktion und die Abmessungen der erfindungsgemäßen Turbopumpe und vor allem der Turbopumpeneinheit 36 für sich bilden zwar keinen Teil der Erfindung, jedoch verwendet man einige Kriterien, um die Eigenschaften der Pumpe und ihre Betriebsbedingungen zu bestimmen· Jedes Gas besitzt beispielsweise ein bestimmtes Druckverhältnis, das für den vorliegenden Zweck das Verhältnis des Druckes des bestimmten Gases in der Auslaßleitung zu dem Druck dieses Gases in dem an den Einlaß der Analysator-Pumpeneinheit 36 angeschlossenen Detektor ist«, Daher ist es beispielsweise zweckmäßig, die Rotationsgesohwindigkeit der Pumpe als funktion dieses Druok-Verhältnisses in einem Diagramm aufzutragen, um die optimalen Bedingungen für die leekprüfung zu bestimmen. In der vorstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist eine Turbopumpe mit zwei Pumpenabschnitten zugrundege-« legt, deren Rotoren durch eine gemeinsame Welle gedreht wer« den, da diese Ausbildung eine Reihe von Vorteilen bietet, beispielsweise eine einfache Konstruktion und eine leiohte Steuerung« Selbstverständlich könnte jedoch die Pumpe zum Evakuieren des Testgefäßes eine eigene Turbopumpe oder auch eine andere Pumpe mit einem ausreichend großen Leckvolumen sein, so daß der effektive Druck durch eine Vorpumpe allein oder überhaupt ohne Pumpe aufgebracht werden kann. Das Prinzip einer Verwendung der Turbopumpe als Analysator in Verbindung

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mit der Verwendung des Leckanzeigers ist in zahlreichen unterschiedlichen Umgebungen anwendbar. Ferner kann man beispielsweise nicht gezeigte Vorrichtungen vorsehen, um die Rotationsgeschwindigkeit der gemeinsamen Welle 46 zu regeln, oder auch die Geschwindigkeit einer einzelnen Turbowelle für den Fall, daß die Wellen nicht als Einheit ausgebildet sind oder wenn eine andere Art des Evakuators für das Testgefäß verwendet wird« Auf diese Weise läßt sich der Druck im Bereich 86 ohne weiteres steuern»

Was die Einstellung des Ventils 68 und seine Beziehung zu der Nebenleitung 70 betrifft, so ist diese Anordnung zweOk« mäßig, weil in der Regel ein großer Teil der Kapazität der Vorpumpe dazu dient, den gesamten Ausstoß der evakuierenden Pumpeneinheit aufzunehmen und der Volumenanteil in dem zum Auslaß der Analysatοr-Pumpeneinheit führenden Teil der Leitung 58 zwar klein ist, aber schon durch eine verhältnismäßig geringfügige Änderung in der Strömung zur Vorpumpe merklich beeinflußt wird.

Erfindungsgemäße Leckanzeigegeräte sind genau und betriebssicher und arbeiten hervorragend, insbesondere bezüglich der Aufrechterhaltung des Druckes in dem Teil der Analysator« Pumpeneinheit, die mit dem Heliumdetektor verbunden ist, auf einem optimalen Wert, um eine maximale Empfindlichkeit, eine minimale Verunreinigung, ferner Genaufekeit und extrem lange Lebensdauer zu erzielen,»

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Claims

Ansprüohe

System zur Peststellung von Gasleckstellen in mindestens einem Teil eines zu evakuierenden Testgefäßes, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (32) zum Evakuieren des Testgefäßes (24), deren Einlaß (30) mit dem Testgefäß verbunden ist, durch eine mit dieser Einrichtung funktionell verbundene Vakuumvorpumpe (62), die mit einer Vorpumpenleitung (58, 64) an die Einrichtung angeschlossen ist, ferner durch eine Analysator-Turbopumpe (36), die im Druckbereich der freien Molekularströmung arbeitet und ein Einlaßende und ein Auslaßende aufweist, und durch ein Anzeigegerät (50) für Gase mit niedrigem Molekulargewicht, das.mit dem Einlaßende (56) verbunden ist, während das AuBläßende (60) über eine Leitung (58a) an die Vorpumpenleitung (58, 64) angeschlossen ist·

System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorpumpenleitung (58, 64) ein Steuerelement (68) zur Regelung des Volumendurchsatzes durch diese Leitung angeordnet ist»

System nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Evakuieren des Testgefäßes eine Turbopumpe (32) ist, die für einen Betrieb im Druokbereioh der freien Molekularströmung arbeitet.

System nach einem der Ansprüohe t, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigegerät (50) ein Massenspektrometer ist, das auf die Feststellung von vorhandenem Helium abgestimmt ist«,

5« System nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet, daß die Rotoren (74) der zum Evakuieren des Testgefäßes dienen«

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den Turbopumpe (32) und die Rotoren (82) der Analysator-Turbopumpe (36) von einer gemeinsamen Welle (46) angetrieben werden.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die evakuierende Turbopumpe (32) und die Analysator-Turbo,-pumpe (36) zu einer einzigen Turbopumpe zusammengefaßt sind, die zwei Kompressoreinheiten in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse (38) aufweist, welche voneinander || durch eine praktisch gasundurchlässige Trennwand ($4) geschieden sind und von einer gemeinsamen Welle (46) angetrieben werden.

7» System nach einem der Ansprüche 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Rotationsgeschwindigkeit des einen Teil der Analysator-Turbopumpe darstellenden Schaufelrades zu regeln.

8, System nach einem der Ansprüche 3» 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die das zu evakuierende Testgefäß (24) mit der evakuierenden Turbopumpe (32) verbindende Leitung (28), ferner die Vorpumpenleitung (58, 64) und " die Verbindungsleitung (58a) zwischen dem Auslaß der Analysator-Turbopumpe (36) und der Vorpumpenleitung (58, 64) derart bemessen sind, daß ein sehr großer Volumendurchsatz durch die evakuierende Turbopumpe zustandekommt, im Vergleich zu dem durch die Analysator-Turbopumpe gehenden Gasvolumeno

System nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Analysator-Turbopumpe (36), das Anzeigegerät (50) und die Verbindungsleitung (58a) zwisohen dem Auslaß der Analysator-Turbopumpe und der Vorpumpenleitung in Kombination mit Mitteln zum Betrieb des

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Kompressorteils der Analysator-Turbopumpe derart konstruiert und angeordnet sind_f daß das Anzeigegerät mit einem gewünschten Anteil des Gases mit niedrigem Molekulargewicht gespeist wird und der größte Teil der Gase mit höherem Molekulargewicht vom Einlaßbereioh (86) der Analysator-Turbopumpe ausgeschlossen wird.

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