DE2049117C2

DE2049117C2 - Einrichtung zum Feststellen von Gasleckstellen

Info

Publication number: DE2049117C2
Application number: DE2049117A
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: 1983-10-27
Also published as: US3616680A; FR2066532A5; BE757352A; NL7015084A; GB1330685A; CA922584A; CH519137A; DE2049117A1; JPS5125158B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Feststellen von Gasleckstellen in einem zu evakuierenden Gefäß, umfassend eine innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnete Doppel-Turbopumpe mit einer Evakuierungs-Turbopumpe, deren Einlaß mit dem Gefäß und deren Auslaß mit einer Vorpumpe über eine Vorpumpenleitung verbunden ist und mit einer von der Evakuierungs-Turbopumpe abgedichteten Molekular-Turbopumpe, deren Einlaß ausschließlich mit einem Anzeigegerät für Gase und deren Auslaß über eine Verbindungsleitung mit der Vorpumpenleitung verbunden ist.

Leckanzeigesysteme zur Auffindung von Gasleckstellen, wie sie z. B. in Halbleiterbaugruppen, Wärmetauschern und Vakuumgeräten, einschließlich den Bestandteilen von Vakuumpumpen, auftreten, sind bekannt. Normalerweise wird das Vorhandensein von ausgetretenem Gas oder einer Komponente des ausgetretenen Gases durch irgendein Anzeigegerät festgestellt, das in einem typischen Fall ein analysierendes 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 zu prüfende Gerät vorhanden sein oder es kann von Gas gebildet sein, das von einem eingeschlossenen Gegenstand durch eine Hülle hindurch abgezogen wird, die einen Gasaustritt verhindern ^b0 soll.

Aus der FR-PS 15 67 347 ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der die an das Anzeigegerät 25 mit ihrem Einlaß angeschlossene Molekular-Turbopumpe 22, 24 der Anreicherung des ^e5 Gases innerhalb des Anzeigegeräts mit niedermolekularen Gasanteilen, insbesondere mit Heliummolekülen, dient. Hierdurch wird die Empfindlichkeit der Einrichtung verbessert, insbesondere dann, wenn Helium als Detektionsgas verwendet wird. Bei einer derartigen Anordnung besteht das Problem der Einstellung des optimalen Gesamtdruckes im Anzeigegerät, um maximale Empfindlichkeit, minimale Verunreinigung, höchste Genauigkeit und lange Lebensdauer des Anzeigegeräts zu gewährleisten. Durch Änderung der Drehzahl der Doppel-Turbopumpe erhält man zwar eine Änderung des Drucks im Anzeigegerät; aufgrund der starren Koppelung der beiden in unterschiedlichen Druckbereichen und mit entgegengesetzter Förderrichtung arbeitenden, über die Verbindungsleitung 19 ausgangsseitig miteinander verbundenen Turbopumpen besteht jedoch ein von der Leckgröße abhängiger komplexer, im allgemeinen nichtlinearer Zusammenhang zwischen Pumpendrehzahl und Druck im Anzeigegerät. Davon abgesehen ist auch der schaltungstechnische Aufwand für eine Pumpendrehzahlsteuerung relativ hoch. In der FR-PS 15 67 347 wird vorgeschlagen, die Pumpendrehzahl konstant zu halten und dafür Form und Anzahl der Pumpenschaufeln den Betriebsbedingungen entsprechend zu wählen (Seite 7, Zeilen 8 bis 11). Der Austausch von Pumpenschaufeln ist jedoch mit hohem Arbeitsaufwand verbunden.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die Einrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Einstellung des optimalen Drucks im Anzeigegerät in einfacher Weise und mit einfachen Mitteln möglich ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in derVorpumpenleitung zwischen der Mündung der Verbindungsleitung in die Vorpumpenleitung und der Vorpumpe ein vorzugsweise durch eine Nebenleitung überbrücktes Steuerelement zur Regelung des Volumendurchsatzes angeordnet ist.

Durch eine entsprechende Einstellung des Steuerelements läßt sich der Druck in der Verbindungsleitung, also der Druck im Auslaß der Molekular-Turbopumpe, mittelbar einstellen, was eine entsprechende Druckänderung am Einlaß der Molekular-Turbopumpe und damit im Anzeigegerät zur Folge hat. Als Steuerelement kommt ein einfaches Steuerventil mit großem Öffnungsquerschnitt in Frage, da durch die Vorpumpenleitung ein großes Gasvolumen gefördert wird; teure, störanfällige Nadelventile oder dergleichen werden nicht benötigt. Die Doppel-Turbopumpe kann stets mit optimaler, unveränderter Pumpendrehzahl laufen. Durch die Nebenleitung wird in einfacher Weise erreicht, daß, unabhängig von der Einstellung des Steuerelements, stets die zum Betrieb der Doppel-Turbopumpen und zur Aufrechterhaltung des Vakuums im Prüfgefäß erforderliche Gasmenge von der Vorpumpe abgepumpt werden kann; das Steuerelement kann ohne weiteres in seine Schließstellung gebracht werden, was die Fehlbedienungsgefahr wesentlich verringert.

Aus der GB-PS 10 47 204 ist es bekannt, ein Anzeigegerät 23 an den Ausgang einer Absorptionspumpe 22 anzuschließen, deren Eingang über eine Leitung 12 mit dem zu evakuierenden Gefäß 10 und über eine Leitung 14 mit einer Vorpumpe 13 verbunden ist. Ferner ist eine als Evakuierungspumpe dienende Diffusionspumpe 17 vorgesehen, deren Eingang mit dem Eingang der Absorptionspumpe über eine Leitung 19 verbunden ist und dem Ausgang in die Leitung 14, zwischen Absorptionspumpe und Vorpumpe einmündet. Zur Steuerung des Drucks im Anzeigegerät 23 ist ein Drosselventil 21 irr die in den Eingang der Absorptionspumpe einmündende Leitung eingesetzt. Die Einstel-

lung dieses lediglich einen geringen Volumendurchsatz regelnden und damit teueren und störanfälligen Ventils ist kritisch, unter anderem deshalb, weil bereits geringe tinstellungsänderungen zu starken Druckänderungen im Anzeigegerät führen.

Aus der Zeitschrift »The Review of Scientific Instruments« Band 33, Nr. 9, Sept. 1962, Seiten 985 bis 986 ist es bekannt, eine an einem Massenspektrometer Fowie an einer Vielzahl von mechanischen Pumpen angeschlossene Turbopumpe durch Ventile von den iu mechanischen Pumpen abzutrennen, um Druckverhältnisse verschiedener Gase zn messen. In dieser Druckschrift ist nicht angegeben, auf welche Weise der Druck im Massenspektrometer auf einen optimalen Wert eingestellt werden kann, wenn die Turbopumpe an ein leckendes Prüf^efäß angeschlossen ist. Erst recht kann dieser Druckschrift nicht der Grundgedanke entnommen werden, bei einer Anordnung aus zwei gekoppelten, in unterschiedlichen Druckbereichen arbeitenden und daher unterschiedlichen Volu-nendurchsatz aufweisenden Turbopumpen mit gemeinsamer Vorpumpe in dem beiden Turbopumpen gemeinsamen, zur Vorpumpe führenden Leitungsstück mit hohem Volumendurchsatz ein Ventil vorzusehen, um hierdurch den Ansaugdruck (= Druck im Anzeigegerät) der Turbopumpe mit dem geringen Volumendurchsatz mittelbar zu steuern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert. Die Zeichnung zeigt eine schematische 3(1 Ansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Feststellen von Gasleckstellen in einem Vertikalschniu durch die Turbopumpe.

In der Zeichnung ist die im folgenden mit Leckanzeigegerät 20 bezeichnete Einrichtung zum r> Feststellen von Gasleckstellen in einer Wand 22 eines zu evakuierenden Gefäßes 24 dargestellt, die unbeabsichtigterweise ein Loch 26 haben kann oder in der vorsätzlich ein Loch angebracht sein kann. Eine Absaugleitung 28 des Gefäßes 24 führt zum Einlaß 30 einer mit Evakuierungs-Turbopumpe 32 bezeichneten Turbopumpeneinheit, die zum Evakuieren des Gefäßes 24 dient und die einen Auslaß 34 hat. Eine zweite mit Molekular-Turbopumpe 36 bezeichnete Turbopumpeneinheit, die als Analysator dient, ist mit der Evakuierungs-Turbopumpe 32 axial fluchtend angeordnet. Die Außenwände beider Turbopumpen 32, 36 werden von einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse 38 gebildet, das eine Stirn- un-.i eine Rückwand 40, 42 hat und in dessen Mitte eine praktisch gasundurchlässige Trenn- ϊ<> wand 44 angebracht ist. Die Trennwand ist gegen eine rotierende Schaufelradwelle 46 durch eine Vakuumdichtung 48 abgedichtet. Mit der Turbopumpe 36 ist ein Gasanzeigegerät 50 betriebsmäßig verbunden das ein Detektorelement 52 enthält und beispielsweise durch ein Rohr 54 an den Einlaß 56, d. h. das stromaufwärts gelegene Ende der Turbopumpe 32 angeschlossen ist. Zwischen dem Auslaß 34 der zum Evakuieren dienenden Pumpe 32 und dem Auslaß 60 der als Analysator wirkenden Pumpe 36 verläuft eine Leitung bO 58, 58a. An eine Öffnung 66 in der Leitung 58, 58a ist über eine Leitung 64 eine Vorpumpe 62 bekannter Bauart angeschlossen. Die Leitung 64 enthält ein Steuerelement 68 in Form eines verstellbaren Ventils, das von einer Nebenleitung 70 überbrückt wird. b5

Die rechte, zum Evakuieren dienende Turbopumpe 32 weist mehrere mit Schaufeln versehene Rotoren 74 auf der Welle 46 auf. die /wischen mehrere Statoren 76 eingreifen, welche am Gehäuse 38 fixiert sind. Bei Drehung der Welle 46 werden Gase im Dnickbereich der freien Molekularströmung von der Niederdruckzone 78 der Pumpeneinheit 32 nächst dein Einlaß 30 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 10-⁸ Torr am Einlaß bis zu etwa 10"³ Torr oder mehr am Auslaß betragen. In der linken Turbopumpe 36, die als Analysator dient, sind mehrere Rotoren 82 an der Welle 46 befestigt und greifen zwischen Statoren 84 ein. Bei Drehung der Welle 46 in einer gewünschten Richtung werden dichte Gase von dem stromaufwärts gelegenen Niederdruckbereich 86 der Pumpe 36 zu deren Hochdruckbereich 88 vorangetrieben.

Die genaue Funktion dieser Analysator-Turbopumpen 36 wird noch genauer beschrieben. An dem gezeigten Beispiel ist ersichtlich, daß beide Einlasse 30, 56 an einem axial inneren Abschnitt der Pumpe 32, 36 angeordnet sind und daß die Auslässe 34,60 an den axial äußeren Enden der Pumpen liegen. Eine beschriebene Gasströmung kommt dadurch zustande, daß die einen Teil der Pumpe 32 bildenden Rotoren Spiegelbilder ihrer Gegenstücke in der Pumpe 36 sind und daß die Statoren 76 Spiegelbilder ihrer Gegenstücke 84 sind.

Um die Funktion des Leckanzeigegerätes 20 zu beschreiben, sei angenommen, daß der zu prüfende Gegenstand das Gerät 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 der Größenordnung bis herab zu 10~¹² Torr liefern soll. Wenn die Leitung 28 mit dem Einlaß 30 der zur Evakuierung dienenden Pumpe 32 verbunden ist, wird die Vorpumpe 62 in Betrieb gesetzt, die im allgemeinen einen Einiaßdruck von 10~³ 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 Niederdruckzone 78 ein Vakuum zwischen etwa \<3~^b und 10~¹² Torr oder mehr, im !ypischen Fall von 10^B Torr, erzeugt. Die Gasströmung durch die Pumpe 32 kann im Fall eines Druckes von 10-'" Torr 100 Liter pro Sekunde betragen; 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 62. Während die Welle 46 in der oben beschriebenen Weise rotiert, hat dies zugleich in der Pumps 36 den Effekt, daß Gase aus dem Niederdruckbereich 86 abgezogen und in den Hochdruckbereich 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 großen Gasvolumen vorhanden ist, würde jedoch die Analysator-Pumpeneinheit bald einem Gleichgewichtszustand zustreben, bei dem die Rückströmung praktisch gleich der stromabwärts gerichteten Strömung ist. Bekanntlich 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, vergl'chen mit der Anzahl von Mo'ekülen 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 Gasmoleküle, insbesondere verglichen mit dem Anteil an Heliummolekülen, der in einem vorgegebenen Gasvolumen unter normalen Druckbedingungen enthalten wäre. Obwohl Helium also nur einen winzigen Prozentsatz der Luft bei atmosphärischem Druck ausmacht, sind ein sehr großer Anteil der im Raum 86 enthaltenen Gasmoleküle Heliummoleküle. Da jedoch diese Gase gegen einen Grunddruck von ICr⁴ bis herab zu 10~⁸ vorhanden sind — diese Werte wurden gewählt, da sie für eine wirksame Funktion des Helium-Detektorelementes 52 erforderlich sind —, können sie einfach aufgespürt werden und als Anzeige für den vakuumdichten Zustand des Testgefäßes 24 dienen.

Was die Einstellung des Ventils 68 und seine

Beziehung zu der Nebenleitung 70 betrifft, so wird diese Anordnung deshalb gewählt, 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 Analysator-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, bei einem optimalen Wert, um eine maximale Empfindlichkeit, eine minimale Verunreinigung, feiner Genauigkeit und extrem lange Lebensdauer zu erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Feststellen von Gasleckstellen in einem zu evakuierenden Gefäß (24), umfassend eine innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses (38) angeordnete Doppel-Turbopumpe mit einer Evakuierungs-Turbopumpe (32), deren Einlaß (30) mit dem Gefäß (24) und deren Auslaß (34) mit einer Vorpumpe (62) über eine Vorpumpenleitung (58,64) verbunden ist und mit einer von der Evakuierungs Turbopumpe abgedichteten Molekular-Turbopumpe (36), deren Einlaß (56) ausschließlich mit einem Anzeigegerät (50) für Gase und deren Auslaß (60) über eine Verbindungsleitung (58a^mit der Vorpumpenleitung verbunden ist, dadurch ge kenn- '5 zeichnet, daß in der Vorpumpenleitung (58, 64) zwischen der Mündung (66) der Verbindungsleitung (5%a) in die Vorpumpenleitung (58, 64) und der Vorpumpe (62) ein vorzugsweise durch eine Nebenleitung (70) überbrücktes Steuerelement (68) zur Regelung des Volumendurchsatzes angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Turbopumpen (32,36) durch eine Trennwand (44) voneinander getrennt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung für Rotationsgeschwindigkeit der Turbopumpen vorgesehen ist.

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