DE2228807A1

DE2228807A1 - Gasleckmessvorrichtung

Info

Publication number: DE2228807A1
Application number: DE2228807A
Authority: DE
Inventors: Pierre Maillard
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-06-14
Filing date: 1972-06-13
Publication date: 1973-01-04
Also published as: US3803900A; FR2142139A5; GB1348747A; NL7208130A; IT959204B; CA958769A

Description

PATENTANWALT

DR. HANS ULRICH MAY

D 8 MÜNCHEN Z, OTTOSTRASSE 1 a 22288 0/

TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN TELEFON COSIO S9 36S2

CP 433/1091 München, den 13. Juni 1972

_ini Dr. M/r t

B 4207.3 PG

Commissariat ä I¹ Energie Atomique in Paris/Frankreich

Gasleckmeßvorrichtung

Die Erfindung betrifft Gc sieckmeßvorrichtungen zur Messung von Leckströmen durch die Wände einer Kammer mittels eines Indukatorgases, wie Helium, dessen durch die Wand gehende Teilmengen in einen Meßkreis gesaugt werden, der vorzugsweise eine Ionenpumpe enthält, wobei der darin erzeugte Strom dem Druck des gepumpten Gases direkt proportional ist.

Aus der FR-PS Nr. EN 6932069 ist eine Vorrichtung bekannt, in der stromaufwärts und in möglichster Nähe eines Meßgeräts, im allgemeinen ein auf Helium geeichtes Massenspektrometer, ein adsorbierendes Element angeordnet ist, welches praktisch alle Gase außer Helium festhalten kann. Dieses adsorbierende Element besteht aus einem U-Rohr, das mit einem geeigneten Produkt, vorzugsweise aktiver Pflanzenkohle, gefüllt und durch Anordnung in einer Kühlkammer, beispielsweise einem mit flüssigem Stoff gefüllten Kältegefäß, bis auf eine Temperatur von etwa 77°Κ gekühlt ist, bei der die Adsorbtionseigenschaften der Füllung optimal sind.

Ferner ist aus der FR-PS Nr. EN 7010898 eine verbesserte Vorrich-

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tung dieser Art bekannt, welche stromabwärts von dem die Gase, mit Ausnahme des Heliums, adsorbierende». Element eine Vorrichtung zum Abpumpen und Messen des Heliums aufweist, die entweder aus einer Vakuumpumpe und einem Druckmeßgerät oder nur aus einer Ionenpumpe besteht, die vorteilhafterweise in die bereits das adsorbierende Element enthaltende Kühlflüssigkeit eintaucht, wobei die Ionenpumpe sowohl zum Pumpen wie zur Druckmessung dient.

Allgemein erfordert das verwendete Meßgerät, nämlich entweder das Massenspektrometer oder die Ionenpumpe , für einen einwandfreien Betrieb, daß die Drücke der anderen Gase als das Indikatorgas am

_ A

Meßgerät-eingang sehr niedrig sind·, nämlich unter 10 Torr oder besser unter 1O~ Torr. Diese Druckverringerung wird durch Adsorption aller Gase außer dem indikatorgas erhalten« Bei diesem Vorgang spielt der Druckverlust im Adsorptionselement eine grundlegende Rolle, da durch Erhöhung des eingangsdrucks die Adsorptionskapazität des Adsorptionsmittels erhöht und gewissermaßen automatisch an den am Einlaß des Adsorptionselemeats auftretenden Fluß der anderen Gase als das Indikatorgas angepaßt wird.

Aufgabe der Erfindung ist nun, Meßvorr-ichtungen der angegebenen Art weiter zu verbessern, besonders solche, wo das Meßgerät selbst

die

aus einer Ionenpumpe besteht, in ein Bad von verfloss igtem Gas eintaucht und direkt mit einer« Adsorptionselement verbunden ist, das -seinerseits entweder· direkt mit dsai suvor evakuierten su überwachenden Räumt auf dessen v/äade man das Helium einwirken läßt (klassische Methode) oder mit einsm Element zur östlichen Abnahme von Gas aus der die Wand der au überwachenden, unter Heliumdruck gesetzt ^« Kammer umgebenden Atmosphäre {sogenannte "Schnüffelmethode"), verbunden ist.

Im Fall eines Lecks enthält der angesaugte Gasstrom im Gemisch mit anderen Gasen, die vom Adsorptions^lement zurückgehalten werden,

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eine gewisse Menge Helium. Nur das Helium erreicht die Ionenpumpe, deren der Ansahl gepumpter Heliumatome proportionaler Strom ein Meßwert des so angezeigten Lecks ist. Die Ionenpumpe soll vor allem, besonders durch eine spezielle Struktur des adsorbierenden Elements, einen höheren Wirkungsgrad der Meßvorrichtung und gleichzeitig eine bemerkenswert gute Handhabung und einfache Verwendung derselben ermöglichen. Eine solche Meßvorrichtung kann nämlich ohne weiteres tragbar ausgebildet werden, besonders durch Einbau einer autonomen elektrischen Stromversorgung für die Ionenpumpe.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung vor allem dadurch gelöst» daß das adsorbierende Element mit mindestens einem zylindrischen Rohr ausgebildet ist, gegen dessen Innenwand ein adsorbierendes Material mittels eines Gitters oder gelochten Mantels gehalten ist, und daß in der Achse des Rohrs eine Leitung angeordnet ist, durch die eine Kühlflüssigkeit strömt, und der zwischen dem Rohr und der axialen Leitung liegende Ringraum, durch den das abgenommene Gas strömt, eine Reihe von im Weg dieses Gases liegenden aufeinanderfolgenden Umlenkblechen enthält und an den Enden des Rohrs auf der einen Seite mit der Eingangsleitung der Meßvorrichtung und auf der anderen Seite mit der Ionenpumpe zur Messung des im Eingangsgas enthaltenen und allein am Ausgang der Adsorptionsvorrichtung austretenden Heliums verbunden ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält das Adsorptionselement zwei zylindrische Rohre mit parallelen Achsen, die jeweils mit einem ihrer Enden mit der Eingangsleitung der Meßvorrichtung bzw. mit der Ionenpumpe und an ihrem anderen Ende miteinander über ein U-Stück verbunden sind, welches den Innenraum der beiden Rohre miteinander verbindet. Vorteilhafterweise sind die beiden Rohre mit ihren Achsen senkrecht angeordnet und die in ihrem Inneren angeordneten Umienkbleche in Form von Ringsektoren ausge-

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bildet, welche das durchströmende abgenommene Gas zu einem im einen Rohr absteigenden und im anderen Rohr aufsteigenden treppenförmigen Weg zwingen, wobei das zweite Rohr kürzer als das erste und mit der Ionenpumpe verbunden ist.

Vorteilhafterweise sind ferner das adsorbierende Element und die Ionenpumpe in die Kühlflüssigkeit, normalerweise in einem Kältegefäß enthaltener flüssiger Stickstoff, so eingetaucht, daß der in jedem der senkrechten zylindrischen Rohre des adsorbierenden Elements angebrachte axiale Kanal an seinen beiden Enden frei in dieser Flüssigkeit mündet. Das Eintauchen der Ionenpumpe dient einerseits dazu, die Leitungen zu verkürzen und die Totvolumina zu verringern und damit die Ansprechzeit und Erholungszeit zu verkürzen, und andererseits dazu, das Entgasen der Pumpe erheblich zu verringern und damit den Rauschpegel herabzusetzen, was sehr wichtig ist.

Weiter besteht voxteilhafterweise der Kältebehälter aus Metall und trägt entweder an seinem Deckel oder seiner Außenwand einen Akkumulator oder eine Batterie und die elektronische Schaltung zur Stromversorgung der Ionenpumpe und Messung des Ionenstroms, wobei die Schaltanordnung ein Amperemeter enthält, dessen Skaleneinteilung den Heliumdruck angibt, der in erster Näherung dem Gasstrom, d.h. dem zu messenden Leck proportional ist.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Äusführungsform erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Leckmeßvorrichtung und ihrer verschiedenen Teile;

Fig. 2 einen Schnitt des in der Meßvorrichtung der Fig. 1 benutzten Adsorptionselements.

Wie Fig. 1 zeigt, enthält die Gasleckmeßvorrichtung im wesentlichen

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ein Adsorptionselement 1, das durch eine Leitung 2 mit einem Anschlußflansch 3 verbunden ist. Bei der klassischen Methode ist dieser Anschlußflansch unmittelbar an einen Pumpstutz/der zu prüfenden Kammer angeschlossen. Bei der Schnüffelmethode ist er mit einem biegsamen Schlauch 50 verbunden, der am anderen Ende mit einer Abnahme-Pipette, dem sogenannten"Schnüffler" 51 verbunden ist. Ein nicht gezeigtes, in der Leitung 2 angeordnetes Verschlußventil ermöglicht den Übergang von der einen zur anderen Verwendungsart, ohne das Gerät zwischenzeitlich au erwärmen« An seinem anderen Ende ist das im einzelnen weiter unten beschriebene Adsorptionselement 1 durch eine Leitung 5 mit einer üblichen Ionenpumpe 6 vom Typ Diode verbunden, wo das im Fall eines Lecks eintretende"Helium nach Ionisation der Atome durch ein geeignetes elektrisches Feld mitgerissen und tief in das die Kathode der Ionenpumpe bildende Material eingebettet wird. Das Adsorptionselement 1 und die Ionenpumpe 6 sind in ein entsprechendes Volumen 7 einer Kühlflüssigkeit, im allgemeinen flüssiger Stickstoff, eingetaucht, die in einem superisolierten Kühlgefäß 8 aus Metall enthalten ist, das an seinem oberen Teil durch einen mit einer Wärmeisolation versehenen abnehmbaren Deckel 9 verschlossen ist.

Der metallische Kühlbehälter 8 ist mit einem Handgriff 19 versehen, sodaß er leicht transportiert und gehandhabt werden kann. Der abnehmbare Deckel 9 trägt in einem Gehäuse 11 einen Akkumulator oder eine Batterie 13, die über einen Schalter 15 mit der elektronischen Anordnung 14 zur Stromversorgung der Ionenpumpe verbunden ist. Der Ionenstrom wird nach Verstärkung mit Hilfe eines am Gehäuse 11 be~ festigten Amperemeters 18 gemessen. Die Ionenpumpe 6 ist mit der elektronischen Schaltung 14 durch einen Hochspannungsdraht und Verbindungsleitung 16 verbunden» Bei abgewandelten Ausführungsformen kann das Amperemeter vom Gehäuse völlig getrennt und gsgebenen-

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falls bei der "Schnüffelmethode" unmittelbar am Halter der Abnahmepipette 51 angebracht sein, wodurch der Benutzer die vorgenommene Messung nach Maßgabe der Verschiebung der Pipette· .unmittelbar ablesen und so Lecks direkt feststellen kann.

Fig. 2 zeigt in größerem Maßstab Einzelheiten der Ausbildung des Adsorptionselements 1» das bei der erfindungsgemäßen Gasleckmeßvorrichtung benuts'c wird. Wie in dieser Figur ersichtlich, besteht dieses Adsorptionselement im wesentlichen aus zwei zylindrischen Rohren 20 bzw. 21 mit parallelen und senkrechten Achsen, die nebeneinander angeordnet sind und einen Außenmantel 22 aufweisen, der mit einer Schicht von Adsorptionsmaterial 23, im allgemeinen aktivierter Holzkohle, mit geeigneter Schichtdicke von etwa 5 mm in Berührung steht. Die Dicke des so mit dem Außenmantel 22 in Berührung gebrachten Adsorptionsmittels ist durch die Innenwand der Rohre 20 und 21 und durch einen zweiten Mantel 24 begrenzt, der große Löcher aufweist und besonders aus einem einfachen Metallgitter oder -netz bestehen kann. Das Rohr 20 ist länger als das Rohr 21 ausgebildet und an seinem oberen Teil durch die Leitung 2 mit dem Einlaßflansch 3 der Vorrichtung verbunden. Entsprechend ist das aweite Rohr 21 dux^ch die Leitung 5 unmittelbar mit der Ionenpumpe 6 verbunden» Schließlich sind die Rohre 20 und 21 an ihren entgegengesetzten Enden durch ein quer verlaufendes U-Stück 29 verbunden, wodurch ihre Innenräume unmittelbar in Verbindung stehen.

Durch jedes der erwähnten Rohre läuft in der senkrechten Achse eine Leitung 30 bzw. 31, durch die eine Kühlflüssigkeit strömt. Da das Adsorptionselement 1 im Kühlbehälter 8 in dem darin enthaltenen

die flüssigen Stickstoff eingetaucht ist, bildet dieser/Kühlflüssigkeit.

Das Rohr 30 mündet an seinem oberen Ende 32 in der Seitenwand des Rohrs 20 und ist an seinem unteren Ende 33 durch das U-Stück 29 hindurchgeführt. Ebenso mündet die Leitung 31 an ihren Enden 34 und

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35 außerhalb des Rohrs 21 bzw. des U-Stücks 29 im Volumen des flüssigen Stickstoffs. Um eine gute Zirkulation desselben zu erreichen und Verstopfungen durch Eisbildung zu vermeiden, muß das Rohr einen Durchmesser von mindestens 8 mm haben.

Der in jedem der erwähnten Rohre 20 und 21 durch die Kühlleitungen •3C und 31 begrenzte Ringraum nimmt das durchströmende abgenommene Gas auf, das im Fall eines Lecks eine veränderliche Menge an Helium enthält. Um in diesem Ringraum eine wirksamere Berührung des abgenommenen Gases mit dem Adsorptionsmittel 23 herzustellen, enthält dieser im Rohr 20 mit 36 und im Rohr 21 mit 37 bezeichnete •Ringraum eine Reihe von Umlenkblechen 38, die jeweils in Form eines etwas über 180° reichenden Ringsektors ausgebildet sind. Das abgenommene Gas strömt so gemäß einem gebrochenen tfeg und gelangt ständig durch das Gitter 24 in Berührung mit dem Adsorptionsmittel 23, wodurch es von allen seinen Bestandteilen, ausgenommen Helium, befreit wird und nur dieses die Ionenpumpe 6 erreicht. Vorzugsreise sind die Umlenkbleche so ausgebildet und angeordnet, daß sie dem Gasstrom einen geringen Widerstand bieten, jedoch einen wiederholten und dauernden Kontakt desselben mit dem Adsorptionsmittel 23 und damit ein wirksames Abfangen der Bestandteile des Gasstroms gewährleisten.

Es ist zu bemerken, daß die praktisch sofort erfolgende Temperatureinstellung des Adsorptionsmittels, das im allgemeinen aus Aktivkohle besteht, einen sehr raschen Anlauf der Ionenpumpe ermöglicht, sodaß die Leckmeßvprrichtung in einigen Minuten arbeitsbereit ist. Außerdem ermöglicht die Ausbildung des Adsorptionselements in Form von zwei parallelen Rohren mit einer verschiedenen Zahl von Umlenkflächen, das Adsorptionselement zunächst teilweise einzutauchen und so die in seinem unteren Teil enthaltene Koh^e rasch zu kühlen, was in der Ionenpumpe ein Vorvakuum bis auf etwa 10 Torr in einigen Minuten erzeugt. Die unmittelbar vor der Pumpe liegende Aktiv-

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kohleschichten bleiben so unberührt und ermöglichen, nach vollständigem Eintauchen sehr rasch Drücke in der Größenordnung von 1O"⁹ Torr in der Pumpe zu erreichen, was die Messung von sehr geringen Leckmengen ermöglicht.

In einer besonderen Ausführungsform der betrachteten Vorrichtung wurde die Anzahl der ümlenkflachen mit fünfundzwanzig gewählt, von denen das erste Rohr 20 siebzehn und das zweite Rohr nur acht enthielt. Die Abmessungen der Gesamtanordnung ermöglichten ihre Unterbringung in einem superisolierten Kühlbehälter von 5 Litern Inhalt. Die Aktivkohleschicht hatte eine Dicke von 4 mm und ein Gewicht von 37 g. Eine so verringerte Schichtdicke ermöglicht eine rasche Kühlung und beschleunigt die Druckverringerung bei der Inbetriebnahme. Die Ionenpumpe ist eine übliche Diodenpumpe von 2Vs. Die Heliumpumpgeschwindigkeit am Einlaß des Geräts beträgt etwa 300 cm /s im Molekularbereich. Für Gesamteinlaßdrücke von etwa 10 Torr beträgt diese Heliumpumpgeschwindigkeit größenordnungsmäßig meTr^exe Liter/sec. Der meßbare Heliumstrom liegt gege-nwärtig —Ί 0 3—1

bei 5.10 at cm sec . Die Dauerbenutzungszeit einer solchen Meßvorrichtung liegt bei etwa 10 Stunden mit einem Luftdurchsatz von 0,1 at. cm see, . Um· das gesättigte Adsorptionsmittel zu regenerieren, braaaht nur sein Temperatur um etwa 100⁰C (auf etwa - 100⁰C) erhöht zu werden, wobei die desorMerten Gase durch das Vorvakuumventil 52 abgepumpt werden. Die vollständige Regenerierung und erneute Inbetriebnahme erforderte bis 10 Minuten. Flüssiger Stickstoff kann durch eine nicht gezeigte Öffnung durch den abnehmbaren Deckel 9 in das KühlgefKß 8 eingefüllt werden.

Von den weiteren Vorteilen der betrachteten Meßvorrichtung bei nur noch hervorgehoben, daß sie infolge der Möglichkeit der unabhängigen Stromversorgung in einem tragbaren Gerät vor allem die Benutzung einer Versorgung aus dem Stromnetz vermeiden kann und damit eine

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Verringerung der Zahl von Störströmen im Ionenstrom erreicht, was die sofortige Stabilität des empfangenen Signals erheblich verbessert.

Die Erfindung umfaßt selbstverständlich auch Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsform, Besonders kann das zum Festhalten des Adsorptionsmittels in den zylindrischen Rohren dienende Gitter abgewandelt werden und insbesondere größere Löcher aufweisen. Die Aktivkohle selbst kann auf den das abgenommene Gas umlenkenden Blechen verteilt sein, was die Berührung und den Austausch zwischen diesem Gas und dem Adsorptionsmittel noch weiter verbessert. Schließlich können die Rohre mit unmittelbar an ihren Wänden und an den Umlenkblechen haftender Aktivkohle ausgebildet werden, wodurch sich die Verwendung von Haltegittern erübrigt.

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Claims

Patentansprüche

MT^Gasleckmeßvorrichtung zur Messung der durch die tfand einer Kammer gehenden und in einen MeßKreis angesaugien Teilmengen eines Indikatorgases, wie Helium, die in Reihe ein Adsorptionselement und eine Ionenpumpe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionselement (1) mindestens ein zylindrisches Rohr (20, 21) aufweist, welches ein mittels eines Gitters oder gelochten Mantels (24) gegen seine Innenfläche gehaltenes festes Adsorptionsmittel (23) und eine in der Achse des Rohrs gehaltene und von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Leitung (30, 31) enthält, wobei der zwischen dem Rohr und der axialen Leitung liegende Ringraum (36, 37) * durch den das abgenommene Gas strömt, eine Reihe von im Weg dieses Gas/aufeinanderfolgende ümlenkplatten (38) enthält und an den Enden des Rohrs einerseits mit der Einlaßleitung (2) der Vorrichtung und. andererseits mit der Ionenpumpe (6) zur Messung des in den eintretenden Gasen enthaltenen und allein aus äem Adsorptionselement austretenden Heliums verbunden ist.
2. Gasleckmeßvorrichtting nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionselement (1) zwei zylindrische Rohre (20,21) mit

parallelen Achsen aufweist, die jeweils an einem ihrer Enden mit der Einlaßleitung (2) der Vorrichtung und mit der Ionenpumpe (6; und an ihrem anderen Ende mit einem ihre Innenräume (36, 37) verbindenden U-Stück (29) verbunden sind.
3. Gasleckmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der beiden Rohre (20, 2t) senkrecht verlaufen und die in ihnen angebrachten ümlenkplatten (38) aus· ringsektorenförmigen Blechen bestehen* die dem abgenommenen Gas einen in einem der Rohre (20) absteigenden und anderen Rohr (21) aufsteigenden Stufenweg aufzwingen, und daß das zweite Rohr (21) kürzer als das erste

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und mit der lonenpiimpe (6) verbunden ist.
4. Sasleckmeßvorrxchtung nach Anspruch 2 oder 3_f dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionselement (1) und die Ionenpumpe (6) in die in einem Kühlbehälter (8) enthaltene Kühlflüssigkeit eintauchen und die in jedem der senkrechten zylindrischen Rohre (20, 21) des Adsorptionselements angebrachten axialen Leitungen (30, 31) an ihren beiden Enden (32, 33 bzw. 34, 35) (nei in diese Kühlflüssigkeit münden.
5. Gasleckmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältebehälter (8) aus Metall besteht und auf seinem Deckel (9) oder an seiner Außenwand einen Akkumulator oder eine Batterie (13) und eine elektronische Schaltung (14, 15) zur Stromversorgung der Ionenpumpe und Messung des lonenstroms trägt, vobei die Schaltung ein Amperemeter (18) mit einer den HeIi~ Umdruck angebenden Skala enthält_f der in erster Näherung dem gemessenen Leckstrom proportional ist.