DE2257652A1

DE2257652A1 - Kaeltepumpvorrichtung

Info

Publication number: DE2257652A1
Application number: DE2257652A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Boissin; Jean-Jacques Thibault
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1971-11-26
Filing date: 1972-11-24
Publication date: 1973-05-30
Also published as: FR2192620A6; GB1415332A; LU66552A1; CA968170A; BE791888A; JPS567066B2; CH569194A5; JPS4860313A; IT970940B; IL40902A0; US3797264A; IL40902A; NL7216050A

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Kältepumpvorrichtungeriy wie sie für Hochvakuum oder ültravakuum benutzt werden, wobei die Kühlung mit flüssigem Helium erfolgt. Bei derartigen Vorrichtungen ist die erreichte Pumpgeschwindigkeit an den Verbrauch von Kältemittel gebunden _r Da flüssiges Helium verhältnismäßig teuer ist, ist es bei derartigen Geräten notwendig, einen Kompromiss zwischen der Pumpgeschwindigkeit und dem Verbrauch an flüssigem Helium zu suchen. Bisher gibt es zwei Arten von mit flüssigem Helium gekühlten Kältepumpens

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1. Solche mit Wärmeschirmen, die durch flüssigen Stickstoff gekühlt sind (dieses Kältemittel kostet nur ungefähr den hundertsten Teil und verdampft 60 mal leichter als Helium). In diesem Fall liegt im allgemeinen die in der Nähe der Kältepumpe verfügbare Pumpgeschwindigkeit 2 bis 5 mal niedriger als diejenige, die man in Abwesenheit von Wärmeschirmen erhalten könnte. Der Verbrauch an flüssigem Helium ist dagegen im allgemeinen tragbar, nämlich ungefähr 0,01 bis 0,20 l/h Verbrauch an flüssigem Helium.

2. Solche ohne Kälteschirme, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt sind. In diesem Fall ist die in der Nähe der Kältepumpe erreichbare Pumpgeschwindigkeit nahe der theoretischen maximalen Pumpgeschwindigkeit, berechnet auf Molekulargrundlage. Andererseits aber ist der Verbrauch an flüssigem Helium im allgemeinen relativ hoch (ungefähr 0,5 bis 5 l/h flüssiges Helium). In diesem Fall empfiehlt sich jedoch die Benutzung von Wärmeschirmen, die mit im Inneren der Kältepumpe erzeugten Heliumdämpfen gekühlt sind.

Es ist eine allgemeine Regel, daß bei zahlreichen Anwendungen von Hochvakuum und Ultravakuum nicht ständig eine hohe Pumpgeschwindigkeit erforderlich ist; dies gilt z. B. für Verdampfungskammern , zur Gewinnung dünner Schichten. Da außerdem die Kältepumpe mit flüssigem Helium gefüllt ist, sind die Anwärmungsund Abkühlvorgänge teuer. Dies ist der Grund, weshalb man häufig ein Abschaltventil zwischen der Kältepumpe und dem zu evakuierenden Raum einschaltet. In diesem Fall ist es klar, daß bei

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Abschaltung der Cryopumpe von der zu evakuierenden Kammer es wirtschaftlich sein wird, den Heliumverbrauch zu reduzieren,. und die Herabsetzung der Pumpgeschwindigkeit wird nicht störend sein.

Die Erfindung betrifft Kältepumpen, deren Pumpgeschwindigkeit man derart ihren Anwendungszwecken anpassen kann, daß im Betrieb ein wirtschaftlicher Charakter bewahrt; wird, wofür die Verbraucher sehr empfindlich sind.

Gemäß der Erfindung besitzt die Kältepumpe eine Pumpkammer, einen im Abstand von der Kämmet angeordneten Pumpkörper zur Bildung einer Hauptkältepumpoberfläche, ferner auch Einrichtungen zur Kühlung des Körpers auf sehr kalte Temperatur und gegebenenfalls Einrichtungen zur Bildung eines Wärmeschirmes bei mäßig kalter Temperatur, die den Hauptkältepumpkörper in Abstand umgeben, wie"eine innere Wärmeisolierwand der Kammer und/oder gasdurchlässige Reflektorwand. Die Vorrichtunghach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie Auffangeinrichtungen, die · dazu bestimmt sind, auf kalte und gegebenenfalls sehr kalte Temperatur gebracht zu werden und nahe der öffnung angeordnet sind,, sowie Einrichtungen aufweist, um diese Äbfangeinrichtungen bei kalter und gegebenenfalls sehr kalter Temperatur gegebenen falls in Betrieb zu setzen, die einen Teil der Kältepumpoberfläche bilden.

Gemäß der Erfindung besitzen diese Einschalteinrichtungen eine konstant gekühlte und in ihrer Lage gegenüber der öffnung regelbare Klappe; dieser Schirm steht thermisch in Kontakt mit einem

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Behälter, der zur Aufnahme eines Strömungsinittels von mäßig kalter Temperatur, wie beispielsweise flüssigem Stickstoff, dient. Die Regelklappe wird durch ein mechanisches oder magnetisches Mittel mit dichtem Durchgang zum Ultra'vakuum betätigt.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abfangeinrichtung eine Hilfsabfangoberflache aufweist, die zwischen der öffnung und einem gasdurchlässigen Schirm sitzt, der selbst sich gegenüber der Hauptauf fangober fläche be*· findet, und daß die Einschalteinrichtung eine regelbare Einspeisung für sehr kalte Strömungsmittel aufweist. Die Founder Hilfsauf fangoberf lache wird im wesentlichen ringförmig und koaxial zu der öffnung gewählt und erstreckt sich im wesentlichen ebenfalls transversal; die regelbaren Speiseeinrichtungen für sehr kaltes Strömungsmittel werden von einer Quelle für flüssiges oder gasförmiges Helium beliefert, das vom hohen bzw. niedrigen Niveau eines Helium enthaltenden Behälters stammt.

Die Erfindung sieht auch eine abgeänderte Cryo-Pumpvorrichtung vor_f die mittels derselben Steuereinrichtung gestattet, ein und denselben Betrieb zu bewirken,(wobei Pumpeinrichtungen als abnehmbarer Schirm und Mittel zur Herstellung der Verbindung der zu evakuierenden Kammer mit der Kältepumpe dienen) . Diese Montage bietet eine beträchtliche Heliumersparnis, denn es handelt sich um eine Vorrichtung, die es gestattet, eine Cryopümpe bekannter Art zu verwenden, an die man in irgendeiner Weise ein Abschirmventil anpaßt.

Diese Anordnung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

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daß die Einschaltmittel für diese Abschirmwand auf die Stellung der Verschlußklappe eingeregelt werden, die zwischen dem Umfang der Schirmwand und dieser Leitung einen Durchlaß von minimalem Leitwert in Stellungen geringer öffnung der Klappe und von wachsendem Leitwert zwischen einer Klappenstellung von geringer öffnung und einer Klappenöffnung von größerer öffnung herstellen.

Ein Merkmal der Cryopumpe nach dieser Ausführung besteht darin, daß die Einschaltmittel der auf die Stellung der Verschlußklappe eingeregelten Schirmwand aus einer zu diesem Schirm koaxialen Steuerstange bestehen, die auch diese gleichfalls koaxiale Klappe trägt, während die Schirmwand zwischen der Klappe und der Hauptkältepumpoberfläche montiert ist, frei in die Kammeröffnung eindringen kann und einen etwas kleineren Durchmesser als diese öffnung hat_r die als ivlappensitz dient.

Andre Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Kälfcepumpeinrichtung nach der Erfindung. '" ■

Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Einzelheit der in Fig, I dargestellten Vorrichtung. -'

Fig. 3 und, 4 sind schematische Schnittansichten von Abwandlungen

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der Ausführung einer Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 5 zeigt im Teilschnitt eine Einzelheit der Vorrichtung nach Fig. 1.

Fig. 6 ist eine schematische Schnittansi-cht einer abgewandelten Kältepumpvorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 7 bis 10 zeigen Vergrößerungen der variablen Hilfssteuereinrichtung der Kältepumpe in verschiedenen Verschließ- und

Offnungsphasen des Ventils. ■ , - '

Gemäß Fig. 1 besitzt eine Pumpkammer 1 eine Wand 2 mit einem Rohrstutzen 3, der in einem Anschlußflansch 4 für den dichten Anschluß eines nicht dargestellten Raumes endet, in dem das Vakuum herstellen will. Im Inneren der Kammer 1 befinden sich lotrecht hintereinander angeordnet ein oberer Behälter 5 aus nichtrostendem Stahl, der an der Kammer befestigt und mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist, und ein zweiter Behälter 6, ebenfalls aus nichtrostendem Stahl, der unter dem Behälter 5 angebracht ist und die Befestigungsfläche der Kältepumpe bildet, die im unteren Teil der Kammer 1 in Abstand von der Kammerwand angeordnet ist. Dieser Behälter 6 stelltmittels eines vertikalen Rohres 7 die notwendige Verbindung mit der Außenseite für Zuführung und Abführung des Heliums her. Dieses Rohr gestattet auch die Aufhängung des Behälters 6 durch Anschweißung an der Wand 2. Das Rohr 7 ragt quer durch einen koaxialen Schacht 8 in den Behälter 5.

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Eine bei 9 und 9' dargestellte Schirmwand aus Vernickeltem Kup·¹-fer, die an die Wand des Behälters 5 angeschweißt ist," umgibt im wesentlichen den.Behälter 6, läßt jedoch einen Durchgang zwischen der Pumpzone des Behälters 6 und dem Flanschstutzen 3 frei. Eine andere Schirmwand 9a befindet sich zwischen der Wand 2 und dem Schirm 9.

Eine Kreisscheibenplatte10, die auch aus vernickeltem Kupfer bestehen kann und an ihren Hauptoberflächen poliertest, hat einen Durchmesser annähernd demjenigen des Ansaugstutzens und ist mittels eines Gestänges 11 an eine von der Außenseite der Kammer zugängliche mechanische Steuerung angeschlossen. Diese mechanische Steuerung besteht aus einer für ttltravakuura·· dichten Durchführungseinrichtung (die dichte Einpassung ist für Translations- oder Rotationsdurchgang eingerichtet).

Fig. 2 zeigt, wie die Kreisplatte 10 hohe, tiefe und mittlere Stellungen einnimmt, indem das Gestänge 11 mittels der dicht eingepaßten Vorrichtung,verlagert wird, die auch aus einem Zahnstangengetriebe bestehen kann.. Eine. Litze 15 aus gut wärmeleitendem Metall, z. B. vernickeltem Kupfer, .verbindet*den Behälter 5 für flüssigen Stickstoff mit der Kreisscheibe 10 derart, daß letztere auf einer Temperatur nahe 77 K gehalten wird-

Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach der Erfindung ist folgende: Nachdem man den-Behälter 5 mit flüssigem Stickstoff durch die dargestellte Leitung 17 gefüllt hat, läßt man flüssiges Helium durch Leitung 7 in den Behälter 6 ein. nachdem man in der

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zu behandelnden Kammer ein Primärvakuurn hergestellt hat, setzt man letztere mit der Kältepumpe in offene Verbindung. Wenn man eine hohe Pumpgeschwindigkeit wünscht, genügt es, die Kreisscheibe 10 in die offene Stellung (Fig. 2 , Stellung I) zu bringen, indem man die dicht eingepaßte Steuereinrichtung betätigt, es ergibt sich dann ein relativ hoher Heliumverbrauch. Die Gase v/erden unmittelbar auf der Cryooberflache abgefangen. Wenn man dagegen eine langsame Pumpgeschwindigkelt wünscht, genügt es, die Kreisscheibe 10 in die Schließstellung II zu bringen, die in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist. Der Verbiaich ist kleiner, und die Kältepumpe fctnn länger benutzt werden. Diese Maßnahme ist also vorteilhaft, wenn die erforderliche Fluggeschwindigkeit gering ist. ~

Gase, wie CO₂/ H-O usw. kondensieren sich oder erstarren auf der Kreisscheibe 10. Die übrigen Gase kondensieren sich am Behälter 6. Es ist leicht verständlich, daß jede Zwischenlage der Scheibe 10 vorgesehen werden kann, was eine empfindliche Modifizierung der Pumpgeschwindigkeit gestattet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Steuerung der Scheibe 10 ist der dichte Durchlass.der mittäs eines Flansches 21 mit nicht dargestellten Schrauben auf der Purnpkammer montiert ist, mit einem Bügel 22 ausgerüstet, der durch Schrauben 25 auf dem Flansch21 gehalten wird. Eine teilweise mit Gewinde versehene Stange 23 durchsetzt den Flansch 21, und dieser Flansch, der Bügel unddie Stange sind koaxial, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Zwischen dem

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Flansch 21 und dem Bügel 22 befindet sich eine Rändelschraube 24 ebenfalls koaxial und von außen zugänglich, durch deren Drehung der Vorschub des Gewindes der Stange 23 dank eines Wälzlagers 26 ermöglicht wird. Die Stange 23 treibt über eine Zwinge 32, die auf derselben Achse wie die Stange zentriert ist, das Gestänge 11, das zur Verlagerung der Kreisscheibe 10 gemäß der Erfindung dient. Auf den Seitenflächen der Zwinge 20 ist mittels eines Kragens 28 das Ende eines Balges 29 aufgepaßt, der seinerseits mit seinem anderen Ende an einen anderen Kragen 31 aufgepaßt ist, der auf einer Manschette 27 ruht, die an den flansch 21, jedoch&uf dessen entgegengesetzter Seite wie die Rande1-_v

schraube, befestigt 'ist. Die Verlagerung der Stange 23 und damit be ' ■ . ,

der Scheibe 10 ruht also auf der Drehung der Rändelschraube 24 mittels des Wälzlagers 26. Es ist ersichtlich, daß die gesamte Verlagerung des Gewindes der Stange 23 mindestens gleich dem Ausmaß gewählt ist, das erforderlich ist, um die Pumpöffnung nach Fig. 2 völlig durch die Scheibe 10 abzudecken.

Beispielshalber gibt die nachstehende Tabelle die Leistungen einer solchen Pumpe, verglichen mit einer Standardpumpe, an.

Standardmodell . gemäß der Erfindung abgewandeltes Modell

Pumpgeschwindigkeit Verbrauch an Pumogeschwindigkext Verbrauch für"N₂ ' fluss. He für"N₂ an fluss.

He

2001s"¹ 0,020 l/h 600 l/s 0,4 l/h

400 Is""¹ 0,025 l/h 1300 l/s . . 0,9 ί/h

600 Is"¹ 0,030 l/h 2500 l/s ' 1,5 l/h

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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Temperaturregelung der Falle 10 sich durch Umlauf von flüssigem Helium vollziehen kann, das aus dem Behälter 6 stammt und durch den Stutzen 7 über eine Schlange 11 zugebracht wird, die mit einem Ventil 12a ausgerüstet ist. Diese Schlange ist am Boden des Behälters 6 angeschlossen. Ein unlösbarer Schirm 8 vom Prallsparrentyp gestattet den Durchgang von zu pumpenden Gasen, wobei jedoch der Behälter 6 gegen eine ungünstige Erwärmung durch direkte Strahlung quer durch den Stutzen 3 geschütetist. Wie man sieht, läuft bei öffnung des Ventiles 12 a das flüssige Helium durch Schwerkraft in die Schlange 11 und bringt die Falle 10 auf eine Temperatur nahe 4,2 K. Das abzufangende Gas aus dem zu evakuierenden Raum wird also auf dieser Falle 10>zurückgehalten, das zur Folge hat, daß die Pumpgeschwindigkeit beschleunigt wird, die um einen Faktor zwischen 2 und 5 multipliziert werden wird.

In normalem Betrieb, d. h. bei einer herabgesetzten Pumpgeschwindigkeit, ist das Ventil 12 a geschlossen. Bei Betrieb mit großer Pumpgeschwindigkeit ist das Ventil 12a offen.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Vorrichtung, wie die vorstehende, wobei man gasförmiges Helium zur Kühlung der Falle 10 benutzt. Der Aufbau umfaßt außerdem ein Ventil 12 an dem Rohrstutzen 7. Ein elektrischer Widerstand R Im Heliumbad dient säur Kontrolle der Verdampfung darin. Wenn das Ventil 12 geschlossen ist, öffnet man das Vetil 12a und erhält dann eine große Pumpgeschwindigkeit. Im normalen Betrieb, d. h. bei einer herabgesetzten Pump-

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geschwindigkeit, ist das Ventil 12a geschlossen und das Ventil 12 offen. Es ist ersichtlich, daß nach einer Betriebsperiode mit großer Pumpgeschwindigkeit nach Fig. 3 und 4 bei Schliessung des Ventils 12a die auf der Falle 10 'kondensierten Gase dann rasch auf die Fixieroberfläche 6 übertragen werden.

Das Abtrennventil zwischen der Kältepumpe und dem zu evakuierenden Raum können während dieses Betriebes,der einige Sekunden bis einige Minuten dauert, geschlossen sein.

Entsprechend Fig. 6 besitzt die Pumpkammer 1 eine,Wand 2 mit einem offenen Rohrstutzen 3, der in einem Flansch 4 endetj dieser ist zur Aufnahme eines Ventils 100 bestimmt, das dicht an einen nicht dargestellten Raum angeschlossen ist, den man evakuieren will. Im Inneren der Kammer 1 befinden sich in Anordnung hintereinander jedoch örtlich lotrecht übereinander ein oberer Behälter 5 aus nichtrostendem Stahl, der an der Kammer befestigt und mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. und ein-Zweiter Behälter 6,. ebenfalls aus nichtrostendem. Stahl, der zur Aufnahme von flüssigem Helium dient und unter dem Behälter 5 angeordnet ist. Er bildet die Hauptfixieroberfläche der Kältepumpe und ist im unteren Teil der Kammer 1 im Abstand von der Kammerwand angeordnet. Dieser Behälter S steht über ein senkrechtes Rohr 7 mit der Außenatmosphäre in offener Verbindung, was für den Ein- und Auslaß von Heliumgas erforderlich ist. Das Rohr gestattet auch die Aufhängung des Behälters 6 durch Anschweißung an der Wand 2. üies-es Rohr 7 ragt quer durch einen koaxialen Schacht 8 /±n den Behälter 5. ' . ■

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Ein Schirm 9 und 9¹ aus vernickeltem Kupfer, der an die Wand des Behälters 5 angeschweißt ist, umgibt im wesentlichen den Behälter 6, jedoch unter Freilassung einer öffnung zwischen der Kältepumpzone des Behälters6 und der Kammeröffnung 3. Ein anderer Schirm 9a ist zwischen der Wand 2 und dem Schirm 9 angebracht.

Das Ventil 100 besitzt gemäß Fig. 7 bis 10 einen Flanschanschluß 101, der mit Schrauben 650 an dem Flansch 4 angesetzt ist. Der Flansch 101 besitzt eine Schulter 302. Das Ventil 100 ist auch mit einer Rohröffnung 304 mit Flansch 102 ausgerüstet, der den zu evakuierenden Gegenstand aufnehmen kann. Diese öffnung 304 ist senkrecht zu der öffnung 101 montiert, so daß sich eine Freiheit der Winkelorientierung des zu evakuierenden Gegenstandes gegenüber dem senkrechten Rohr 7 von 180° ergibt. Das Ventil lüO besitzt eine Verschlußklappe 614, die an einer zentrischen Steuerstange 612 von Rohrform montiert ist, Diese Klappe 614 besitzt eine Ringdichtung 605 und kommt zur Anlage an der Dichtungsebene 16, die auf der Innenfläche des Flansches 101 zweckmäßig bearbeitet ist. Die Klappe 614 ist also in der Lage, die öffnung der Kammer 3 vermittels des Flansches 101 zu verschliessen und ist so in ihrer Lage regelbar.

Die Stange 612 ist durch irgendein an sich bekanntes Mittel, z. B. eine nicht dargestellte dichte Balgführung mit einem seiner Enden 612' aus dem Ventil 100 herausgeführt, wie dies Fig. 6 zeigt. Diese Steuerung kann mechanisch und/oder magnetisch ausgebildet sein. Das andere Ende 612' trägt die Klappe 614 und

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auch eine Schirmwänd 10O¹, die vor diesem Ventil montiert ist, d. h. diese Wand XOO¹ liegt zwischen der Klappe und der Auffangfläche 6, Die Schirmwänd 10O¹ ist koaxial auf der Stange 612 gelagert und hat einen kleineren Durchmesser ds die Kammeröffnung 3, so daß sie leicht frei in diese Öffnung 3 eintreten kann, die in irgendeiner Weise vermittels des Flansches 101 als Sitz für die Klappe 614 dient.

Um die Klappe 614 zu tragen, besitzt die Stange 612 an ihrem Ende gegenüber dem Flansch 4 einen Paßring 18, der an der Stange angeschweißt und mit einem Kragen 18a versehen ist. Dieser ist mit einer Ringdichtung 19 ausgerüstet, auf die sich die Klappe 614 abstützt. Eine Scheibe 20 und ein Sprengring 21 halten die Klappe 614 anliegend an die Dichtung 19. Der Ring 18 beSitet axial gegenüber" der Öffnung 3 ein Gewindeloch 30 koaxial zur Stange 612, das eine ebenfalls mit Gewinde versehene Manschette 22 aufnehmen kann. Diese besitzt ein zylindrisches Ende 22a, jedoch von kleinerem Durchmesser als die Stange 612 und läßt sich so in diese Stange nach Einschraubung der Manschette 22 in den Ring 18 mittels des Gewindeloches "30 einführen. Eine Dichtung 31 sorgt für die Abdichtung zwischen der Manschette 22 und dem Ring 18.

Zwei mit der Stange 612 gleichachsige Sacklöcher sind auf derselben Seite in der Buchse 22 ausgearbeitet, nämlich die. eine 110 von kleinerem Durchmesser, aber größerer Tiefe und die andere 111 von größerem Durchmesser aber begrenzter Tiefe. Eine zum Teil mit Gewinde versehene Stange gleitet frei in den

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Löchern 110 und 111. Eine teilv/eise mit Gewinde versehene Stange 23 gMtet frei in den Löchern 110 und 111. Eine Feder 24 legt sich um die Stange und eine an der Stange 23 angeschweißte Scheibe 24b von etwas kleinerem Durchmesser als das Loch 111 gestattet eine Zusammendrückung der Feder 24 in dem Loch 111 im Anschlag gegen die Auskehlung 111b. Der Gewindeteil der Stange 23 trägt außerhalb der Löcher 110 und 111 die Schirmwand 10,die von zwei mit der Stange 612 gleichachsigen Scheiben gebildet ist. Die erste 10a besitzt mehrere Kreislöcher 100a in regelmäßiger Verteilung über die Scheibe, während die andere 10b von kleinerem Durchmesser zwischen die erstere und die Klappe 614 eingeschaltet und von der ersteren durch eine Strebe 27 in Abstand gehalten ist. Die Scheiben 10a und 10b sind mit Hilfe von zwei Unterlegscheiben 25 und 26 und einer Gegenmutter 28 fest auf der Stange 23 angebracht. Die Gegenmutter ist auf das Gewindeende der Stange 23 aufgeschraubt. Der Schirmwand 100' zugewandt ist auf dem Flansch 18 ein Gewindestopfen 29 montiert. Dieser Stopfen besitzt eine Bohrung von etwas größerem Durchmesser als der Durchmesser der Stange 23, so daß die Stange 23 sich frei in den Löchern 110 und 111 in der Verlagerungsbegrenzung durch die Scheibe 24b zwischen der Feder 24 und dem Stopfen 29 bewegen kann. Somit dient die Stange 612 als Schaltmittel für die Schirmwand 100'und ist der STellung der Verschlußklappe 614 zugeordnet.

Unmittelbar benachbart dem Heliumbehälter 6 und gegenüber dem Stutzen 3 ist eine mechanische Einrichtung eingesetzt , die in

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der Lage ist, mit dem Schirm 9 und 9' an den Stellen 90 und 90' in Wärmekontakt zu treten. Diese Einrichtung kann aus einem Ring 200 bestehen, in welchem ein zweite-!liger Ring 201 eingefügt ist. Sechs gldchmäßig in dem Ring 201 verteilte Schrauben sind in sechs L-förmige Knaggen eingeechraubi?ünd sichern so einen guten Wärmekontakt mit dem Ring 200. Auf diesen Ring ist eine Tülle 203 von kleinerem Durchmesser als die Flanschöffnung 3 aufgeschweißt, deren anderes Ende an eine zweite Tülle 205 gegenüber der . Klappe6l4 von etwas größerem Durchmesser als die Tülle 203, aber kleinerem Durchmesser ab der Stutzen 3 angeschweißt ist. Für die-Tülle 203 ist ein Durchmesser nahe demjenigen der Scheibe gewählt, deren Ränder 100 b willkürlich zurückgebogen sind, um sich auf diese Tülle aufzulegen.

Die Tüllen 203 und 205 v/erden so vermittels der Kontakte 90und 90' auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs gebracht und bilden ein kaltes Element der Kältepumpe. Außerdem ist die Anordnung der Tülle 205 so gewählt, daß sie als optischer Schirm für den Heliumbehälter 6 dient.

Zwischen der. Schirmwand 10 und den Tüllen 203 und 205, die als kaltes Element der Kältepumpe dienen, besteht eine konstante thermische Beziehung, und diese Beziehung wird durch ein Organ gewährleistet, das aus einem weichen und streckbaren Wärmeleiter, z. B. einer Metallitze 500 aus vernickeltem Kupfer von ausreichender Länge besteht, um die Verschiebung der Stange 612 über die ganze Länge des Ventils- 10Ö zu gestatten. Dieses Ventil 100 be-

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sitzt eine Leitung 299, der Umfang der Schirmwand 100 beschreibt eine Verlagerunashülle, deren Umfang gestrichelt in Fig. 9 und 10 dargestellt ist,und in gewisser Weise beschreiben die bänder 100b der Scheibe 10a einen Umdrehungszylinder mit identischer Achse wie diejenige der Stange 612, und zwischen der Schirrnwand 100' und der Leitung 299 läßt die Stange 612 einen Durchlaß frei, der den Leitungswert vergrößert und den Zutritt des auf der Hauptoberfläche 6 der Kätepumpe abzufangenden Gases gestattet. Da die Schirmwand 100' Kreisdurchbrechungen 100a besitzt, können die Gase diese Schirmwand durchsetzen und die Oberfläche 6 erreichen.

Infolge der Federanordnung 24 und 24b kann die Schirrnwand 10 gegen die Tülle 203 angelegt bleiben, während die Klappe 614 sich von ihrer Abdichtungsebene 16 abhebt. Der freie Durchlaß ist dann in Fig. 8 durch die Pfeile 303, 303', 305 und 3O5¹ wiedergegeben.

Bei der Stellung nach Fig. 7 ist der freie Durchlaß 0, d. h. der Leitwert ist minimal, wenn die Klappe 614 völlig geschlossen ist, und er kann so klein wie möglich sein, (Fig. 8) v/enn diese Klappe sich von ihrer Abdichtfläche 16 abhebt, wobei dann die Gase dem Weg 303, 3O3¹, 305 und 305' folgen, jedoch zum Teil an der Schirmwand 100 abgefangen werden können, wie z. B. II~O und CO₂- Der freie Durchlaß bleibt möglichst klein, wenn die Feder 24 nicht entspannt wird. Dann hebt sich bei fortschreitender Betätigung der Stange 612 die Schirmwand 100a von der Tülle

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ab^ und der üurchlaßquerschnitt wird immer größer (s. die in Fig. 9 und 10 dargestellten Pfeile 3Ol, 3Ol', 3O3, 3O3¹, 3O5 und 305')· Die Gase treffen dann unmittelbar auf die Oberfläche 6^und der Leitwert wächst. Mach Maßgabe^wie die Klappe 614 von der Abdichtebene 16 entfernt wird, nimmt der Durchlaßquerschnitt zu,und der Leitwert wird immer großer.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach der Erfindung ist folgende: Nachdem der Behälter 5 durch die Leitung 17 mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist, läßt man durch das Rohr 7 flüssiges Helium zu. Wachdem man in der zu evakuierenden Kammer ein erstes Vakuum hergestellt hat, kann man diese mit der Kältepumpe in Verbindung setzen. Wie Fig. 7 zeigt, ist dan-η die Klappe 614 auf der Höhe der Dichtung 615 an der Dichtungsebene 16 abgestützt, und die Schirmwand 100" verschließt durch die Scheibe 100a die Tülle 203. Gemäß Fig. 8 öffnet man mittels der nicht dargestellten außenliegenden Steuereinrichtung die Klappe 614, die sich von ihrer Dichtungsebene 16 abhebt. "Die Einheit aus Stopfen 29, Flansch 22, Sprengring 18 und Klappe 614, die fest auf der Steuerstange 22 sitzen, verlagert sich,, aber die Schirmwand 100' bleibt verschlossen, denn die. Stange 23 gleitet frei in den Löchern 110 und 111, und die Feder 24b ist noch genügend zusammengepreßt, um die Schirmwand -100' gegen die Tülle 203 zu halten.-In diesem Augenblick kondensieren oder erstarren gewisse Gase, wie CO₀ und H„0 auf derSchirmwand 100' sowie den Tüllen 203 und 205. Man arbeitet so mit einer langsamen Pumpgeschwindigkeit» Der Verbrauch an flüssigem Helium ist schwächer, und die Kältepumpe kann.

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länger arbeiten.

Uenn man eine erhöhte Pumpgeschwindigkeit wünscht, genügt es, den Schirm IuO¹ in die offene Stellung gemäß Fig. 9 und 10 zu bringen, indem man die Betätigung der Steuereinrichtung fortsetzt. Dabei ergibt sich ein relativ erheblicher Heliuinverbrauch. Die Gase werden dann auf der Cryooberflache 6 mit flüssigem Helium aufgefangen. Zu diesem Zweck muß man die Steuerstange derart ziehen, daß die Feder 24 durch die Unterlegscheibe 24b zusammengepreßt wird, bis der Stopfen 29 gegen sie zur Anlage kommt..IJs ist ersichtlich, daß jede Zwischenstellung des Schirmes vorgesehen werden kann, was eine empfindliche Veränderung der Pumpgeschwindigkeit gestattet, weil die Gesamtverlagerung der Stange 612 gleich der Länge des Ventils 100 sein kann.

Wenn diePumarbeit in dem zu evakuierenden Raum abgeschlossen ist, genügt es, das Ventil mit Hilfe der außen liegenden Steuereinrichtung wieder zu schliessen/ die Steuereinrichtung kann, wie schon erwähnt, mechanischer und/oder magnetischer Art sein. Die Klappe 614 kommt dann zur Anlage in der Dichtungsebene 16_fund der Schirm 100' gelangt auf die Höhe der Scheibe 10 in Kontakt mit der Tülle 203. Man kann also den Verbrauch an flüssigem Helium leicht begrenzen, indem man einfach die Kältepumpe in Verbindung mit dem zu evakuierenden Raum vermittels des Ventiles hält;es kann der Raum als Verdampfungskammer für die Gewinnung dünner Schichten dienen.

Die vorstehend beschriebenen Kältepumpen können vorteilhafter-

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weise mit einer Argoneinführungsvorrichtung ausgerüstet werden, wie sie in der französischen Patentschrift der Anmelderin vom 13. ITovember 1970 für ein Kältepumpverfahren für Gas, insbesondere Helium und gegebenenfalls Wasserstoff und Neon sowie Zubehör für die Kältepumpe zur Durchführung des Verfahrens, beschrieben ist.

Ferner/kann die Kammer 1 beispielsweise an eine Verdampfungskammer zur Gewinnung dünner Schichten oder an einen Hochvakuumoder Ultravakuumofen angesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

1.JKältepumpvorrichtung mit einer Pumpkammer, einem Pumpkörper in Abstand von der Kammer zur Bildung einer Hauptkjältepumpoberflache, ferner mit Einrichtungen zur Kühlung des Körpers auf eine sehr kalte Temperatur und gegebenenfalls Einrichtungen zur Bildung eines Wärrneschirmes von mäßig kalter Temperatur um den und in Abstand von dem Hauptkälte^pumpkörper, z. B. eine Wärmeisolierinnenwand der Kammer und/oder eine für Gas durchlässige Reflektorwand, gekennzeichnet durch auf kalte und gegebenenfalls sehr kalte Temperatur zu bringende Auffangeinrichtungen in der Nähe der öffnung sowie Schalteinrichtungen für die gegebenenfalls teilweise Einschaltung der Auffangmittel auf kalter und gegebenenfalls sehr kalter Temperatur, die einen Teil der Kaitepumpoberfläche bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine konstant gekühlte und in lter Lage gegenüber der öffnung regelbare Verschlußklappe aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Verschlußklappe in thermischem Kontakt mit einem Behälter zur Aufnahme eines mäßig kalten Temperiermittels, beispielsweise von flüssigem Stickstoff, steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

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in ihrer ,Stellung regelbare Verschlußklappe durch eine mechanische oder magnetische Einrichtung mit gegen Ultravakuum abgedichtetem Durchgang betätigt'wird, die mit einem Balg durch einen StÖssel oder einen Σahnstangentrieb zusammenarbeitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangeinrichtung eine Hilfsauffangoberflache aufweist, die zwischen der öffnung und dem für Gase durchlässigen Schirm eingeschaltet ist, der selbst der Hauptauffangoberfläche gegenüberliegt, und daß die Schalteinrichtung eine regelbare Speisung für sehr kaltes Strömugsmittel besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsauffangoberflache eine zu der Öffnung im wesentlichen gleichachsige Ringform von im wesentlichen derselben Querausdehnung hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Speiseeinrichtung für sehr kaltes Strömungsmittel ein Zulaufrohr, das von einem tiefen Punkt eines Heliumbehälters ausgeht, und ein Abzugsrohr für Dämpfe aufweist, wobei mindestens das eine dieser Rohre ein Regelventil besitzt,

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,- daß die regelbaren Speiseeinrichtungen für sehr.kaltes Strömungsmittel ein an einem hochliegenden Punkt eines Heliumbehäiters

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angeschlossenes Zulaufrohr und ein Abzugsrohr für Dämpfe sowie Einrichtungen zur regelbaren Unterdrucksetzung der Heliuradämpfe in dem Behälter aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die Druckerzeugungseinrichtung zweckmäßig einen in dem Behälter schwimmenden elektrischen Widerstand aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer ständig in Wärmebeziehung mit einem kalten Element der Kältepumpe stehenden Schirmwand, die eine Hilfskältepumpoberfläche bildet und in einer zum Anschluss an einen zu evakuierenden Raum bestimmten Ventilleitung angeordnet ist, die mit einer in ihrer Stellung regelbaren Verschlußklappe für die Kammeröffnung sowie mit Betätigungsmitteln für die Schirmwand ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung für die Schirmwand durch die Stellung der Verschlußklappe geregelt wird und durch die Schirmwand hindurch einen Durchgang von minimalem Leitwert in Stellungen schwacher öffnung der Klappe und von wachsendem Leitwert zwischen einer Klappenstellung von schwacher öffnung und einer Klappenöffnung von maximaler öffnung herstellt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Stellung der Verschlußklappe abhängige Betätigungseinrichtung der Schirmwand aus einer mit dem Schirm gleichaohsigen Steuerstange besteht, die ebenfalls gleich-

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achsig diese Klappe trägt, und daß die Schirmwand zwischen der Klappe und der Hauptkältepumpoberfläche montiert ist und infolge eines etwas kleineren Durchmessers als die öffnung in die Kammeröffnung frei eintreten kann, die als Klap-pensitz dient, wobei die Auflängschirmwand mit dem kalten Element der Kältepumpe vermittels eines Bauteiles in ständiger Wärmebeziehung steht, das aus einem schmiegsamen und streckbaren Wärmeleiter besteht_v.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleiter_aus einer Metallitze und das kalte PJleinent aus einer zur Kainmeröf fnung gleichachsigen Tülle von im wesentlichen demselben Durchmesser wie die Schirmwand besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennseichnet, daß die Auffangschirmwand mit der Klappe durch eine Kompressions· feder verbunden ist, die auf einer mit der Steuerstange gleichachsigen Stange montiert ist.

14. Kältepumpe nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmwand gleichachsig auf der Steuerstange montiert ist und etwas kleineren Durchmesser als die Kammer-Öffnung hat.

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