DE2620880A1

DE2620880A1 - Kryopumpe

Info

Publication number: DE2620880A1
Application number: DE19762620880
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Phys Baechler; Hans-Joachim Dr Forth; Ruediger Dr Frank
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1976-05-11
Publication date: 1977-11-24
Also published as: GB1531378A; CH618502A5; US4121430B1; US4121430A; DE2620880C2; FR2351283A1; FR2351283B3

Description

76.007

LEYBOLD-HERAEUS GMBH & CO KG Köln-Bayental

Kryopumpe

Die Erfindung betrifft eine Kryopumpe mit einem Gehäuse, darin angeordneten Kondensationsflächen und einer im Einlaßbereich der Pumpe angeordneten Abschirmung gegen Wärmestrahlung.

Kryopumpen dieser Art mit im wesentlichen rotationssymmetrischem Aufbau sind aus der OE-PS 242 409 und der DT-OS 1 938 035 bekannt. Ihre Pumpwirkung beruht darauf, daß die abzupumpenden Gase auf gekühlten Flächen kondensieren. Je tiefer die Temperatur der Kondensationsflächen gewählt wird, desto besser ist die Pumpwirkung. Die für die Kälteerzeugung aufzuwendende Leistung steigt jedoch mit tieferen Temperaturwerten erheblich an, und zwar wegen der höheren Kälteverluste, bewirkt durchWärmeleitung und auf die Kondensationsflächen gelangende Wärmestrahlung. Es ist deshalb bekannt, gekühlte Abschirmungenzum Schutz gegen die Wärmestrahlung vorzusehen. Diese können zum größten Teil als geschlossener Mantel ausgebildet sein. Im Eingangsbereich der Pumpe muß die Abschirmung jedoch so ausgebildet sein, daß das Eindringen der abzupumpenden Gase in die Pumpe möglich ist.

An die Abschirmung in diesem Bereich sind deshalb zwei einander widersprechende Forderungen zu stellen. Einerseits muß sie - bezogen auf die Kondensationsflächen - optisch dicht sein, damit keine Wärmestrahlung aus dem Rezipienten direkt auf die Kondensationsflächen gelangen kann; andererseits soll die Abschirmung die aus dem Rezipienten

709847/0284

in die Pumpe gelangenden Gase möglichst wenig behindern. Bei den mit Kryopumpen erzielbaren Drücken stellen die vorbekannten, in Anpassung an die rotationssymmetrischen Kondensationsflächen ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildeten Strahlungsschutzschirme bereits eine das Saugvermögen der Pumpe erheblich beeinflussende Drosselstelle dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kryopumpe mit einem Gehäuse, darin angeordneten Kondensationsflächen und einer im Einlaßbereich der Pumpe angeordneten Abschirmung gegen Wärmestrahlung zu schaffen, die infolge einer besonderen Gestaltung einzelner Bauelemente der Kryopumpe - bezogen auf die aufzuwendende Kälteleistung - wesentlich bessere Pumpeigenschaften hat und darüberhinaus einen einfachen und deshalb bezüglich der Herstellungskosten günstigen Aufbau aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin,-daß vorzugsweise zwei - etwa senkrecht zur Ebene der Eintrittsöffnung angeordnete Platten gebildet werden und daß die Abschirmung aus Metallstreifen besteht, deren Längsachsen etwa parallel zur Ebene der die Kondensationsflache bildenden Platte liegen, überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch eine derartige Abweichung des Aufbaus der genannten Elemente von der bisher üblichen rotationssymmetrischen Form eine Reihe wesentlicher Vorteile erzielt werden. Die in Anpassung an die ebenen Kondensationsflächen ebenfalls nicht mehr rotationssymmetrisch ausgebildete Abschirmung bewirkt keine wesentliche Drosselung der in die Pumpe einströmenden Gase , Die Kühlung der die Abschirmung bildenden Streifen kann wesentlich einfacher und wirksamer als bisher erzielt werden, da die Streifen die Pumpe in gerader Richtung durchsetzen, so daß beide Stirnflächen zum Verlöten mit seitlichen Kaltflächen zur Verfügung stehen. Bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Abschirmungen ist das nicht möglich,

709847/0284

so daß gesonderte Kühlschlangen für die Abschirmung vorgesehen sein müssen. Derartige, die Drosselung der einströmenden Gase beeinflussende Kühlschlangen können beim Gegenstand der Erfindung entfallen. Die Verwirklichung der Erfindungsmerkmale hat deshalb insgesamt, eine Verbesserung der Pumpeigenschaften bei gleicher Kälteleistung zur Folge.

Vorzugsweise sind die die Abschirmung im Einlaßbereich bildenden Metallstreifen direkt mit einem die seitliche Abschirmung gegen einfallende Wärmestrahlung bildenden Mantel mit gutem Wärmekontakt verbunden. Diese Anordnung ist hinsichtlich ihres Aufbaues besonders einfach.

Die Kühlung der Kondensationsflächen erfolgt in vorteilhafter Weise durch einen zentralen, in der Kryopumpe angeordneten Kühlkopf, an dem die Kondensationsflächen mit gutem Wärmekontakt befestigt sind. Als Kühlmittel kommt z.B. Helium infrage. Zweckmäßig liegt diese Kontaktstelle möglichst zentral in Bezug auf die Kondensationsflächen, so daß TgTeichmäßige Kühlung der Fläche gewährleiset ist.

Die Anzahl und die Art der Anordnung der die Kondensationsfläche bildenden Platten ist an sich beliebig. Als be-

zweL sonders vorteilhaft hat sich eine Anordnung vonfz.B. aus vier Abschnitten bestehenden gsiedr Platten erwiesen, die einander gegenüberstehend das Pumpengehäuse durchsetzen und nur von innen mit Adsorptionsmaterial belegt sind. Eine Kryopumpe mit diesenMerkmalen hat sowohl für Stickstoff als auch für Wasserstoff ein besonders gutes Saugvermögen. Die in das Innere der Pumpe gelangenden Stickstoffmoleküle kondensieren direkt an den äußeren, nicht mit Adsorptionsmaterial belegten Flächen. Das Adorptionsmaterial im Inneren wird also von der Belegung durch Stickstoffmoleküle weitgehend frei gehalten. Die leichteren Wasserstoffmoleküle diffundieren in den von den Platten gebildeten

709847/0284

Zwischenraum hinein und werden adsorbiert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. Figur 1 zeigt'einen Längsschnitt und Figur 2 eine Draufsicht auf eine Kryopumpe nach der Erfindung.

Das Gehäuse dieser Pumpe ist mit 1 bezeichnet. Mit Hilfe des Flansches 2 erfolgt der Anschluß der Pumpe von unten an einen nicht dargestellten Rezipienten. Natürlich kann der Aufbau der Pumpe auch so gewählt sein, daß ihr Anschluß von oben an einen Rezipienten möglich ist.

Etwa zentral im Inneren der Pumpe befindet sich der Kühlkopf 3 , der auf seiner oberen Seite einen Flansch 4 aufweist. An diesem Flansch sind insgesamt vier Plattenabschnitte 5 bis 8 befestigt, welche die Kondensationsflächen bilden. Dazu weisen die Platten 5 bis 8 jeweils einen Winkel 9 bis 12 auf. Diese sind mit Hilfe der Schrauben 13 am Flansch 4 gehaltert. Die Platten 5 bis 8 bestehen vorzugsweise aus Silber. An ihrer Innenseite sind sie mit Adsorptionsmaterial 14 belegt.

Der Kühlkopf 3 wird von einem Rohr 15 getragen, das gleichzeitig der Zuführung des Kühlmediums dient. Es weist einen weiteren Kühlabschnitt 16 auf, der mit einem tellerförmigen Träger 17 in gutem Wärmekontakt steht. Dazu weist der Träger 17 noch den Anschlußstutzen 18 auf.

An den tellerförmigen Träger 17 ist über Schrauben und Muttern 19 ein Abschirmmantel 20 gehaltert, der die Platten 5 bis 8 vor seitlich einfallender Wärmestrahlung schützt. Zwischen dem Mantel 20 und dem Gehäuse 1 ist eine weitere an sich bekannte Wärmeisolierung 21 vorgesehen. Der Abstand der Platten 5 und 6 voneinander beträgt etwa 1/7 des Durchmessers des Mantels 20, was sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat. 709847/0284

Die die Platten 5 bis 8 vor Wärmestrahlen aus dem Inneren des Rezipienten schützende Abschirmung besteht aus Metallstreifen 22 bis 26. Diese durchsetzen den Mantel 20 in seinem oberen Bereich und sind mit ihren Stirnflächen an diesem Mantel 20 mit gutem Wärmekontakt,ζ.B. durch Löten befestigt. In der Draufsicht nach Figur 2 sind nur die beiden Metallstreifen 25 und 26 dargestellt. Die Breite und Neigung der Metallstreifen (aus der Zeichnung entnehmbar) sind so gewählt, daß die beiden Forderungen optische Dichtheit für Wärmestrahlung und möglichst gute Durchlässigkeit für einfallende Gasmoleküle - optimal erfüllt sind. Die gestrichelt dargestellten Linien 27 zeigen, daß keine Wärmestrahlung direkt auf Platten 5 bis aus dem Rezipienten fallen kann. Damit auch das Auffallen von innerhalb der Pumpe reflektierten Wärmestrahlungen auf die Platte 5 bis 8 möglichst weitgehend vermieden ist, sind geeignete Bereiche 28 bis 31 der Innenwandungen der Pumpe mit einem schwarzen Belag versehen, der die Wärmestrahlung absorbiert. Auch den Platten 5 bis 8 zugewandte Bereiche der Metallstreifen 22 bis 26 weisen eine solche Schwärzung, dargestellt durch eine strichpunktierte Linie 32, auf. Die dem Rezipienten zugewandten Seiten der Metallstreifen 22 bis 26 sind möglichst blank ausgebildet, so daß die auftreffenden Wärmestrahlen reflektiert werden.

Während des Pumpens mit der erfindungsgemäßen Pumpe gelangen die Gasmoleküle in den Innenraum. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann z.B. die Temperatur der Platten 5 bis 8 auf ca. 15 bis 20° K gehalten werden. Schwerere Gasmoleküle, z.B. Stickstoff, kondensieren an den Außenflächen der Platten 5 bis 8. Diese Temperatur reicht noch nicht aus, um Wasserstoff zu pumpen.Die WasserStoffmoleküle diffundieren in den von den Platten gebildeten Innenraum und werden vom Adsorptionsmaterial 14 aufgenommen. Der zweite Kühlabschnitt 16 kann z.B. derart ausgebildet sein,

709847/0284

daß der Abschirmmantel 20 und die Metallstreifen 22 bis 26 ständig eine Temperatur von ca. 70 bis 80 K aufweisen, Bei diesen gewählten Temperaturwerten hat die erfindungsgemäße Pumpe bessere Pumpeigenschaften als jede vorbekannte vergleichbare Kryopumpe.

709847/0284

Claims

ANSPRÜCHE

/1.J Kryopumpe mit einem Gehäuse, darin angeordneten Kondensationsflächen und einer im Einlaßbereich der Pumpe angeordneten Abschirmung gegen Wärmestrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsflächen von mindestens einer - vorzugsweise zwei - etwa senkrecht zur Ebene der Eintrittsöffnung angeordneten Platten gebildet werden undfdaß die Abschirmung aus Metallstreifen (22 bis 26) besteht, deren Längsachsen etwa parallel zur Ebene der die Kondensationsfläche bildenden Platte liegen.
2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abschirmung im Einlaßbereich bildendenMetallstreifen (22 bis 26) direkt mit einem die seitliche Abschirmung gegen einfallende Wärmestrahlung bildenden Mantel (20)mit gutem Wärmekontakt verbunden sind.
3. Kryopumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der die Kondensationsflächen bildenden Platten (5bis 8) durch einengentralen, in der Kryopumpe angeordneten Kühlkopf (3) erfolgt, an den die Platten (5 bis 8) mit gutem Wärmekontakt befestigt sind.
4. Kryopumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkopf (3) in bezug auf die Kondensationsflächen (5 bis 8) zentral liegt.
5. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aus vorzugsweise vier Abschnitten bestehende einander gegenüberstehende,das Pumpengehäuse durchsetzende Platten (5 bis 8) die Kondensationsflächen bilden und nur von innen mit Adsorptionsmaterial (14) belsjt sind.

709847/0284

ORIGINAL INSPECTED
6. Kryopumpe nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkopf (3) einen Flansch (4) aufweist, an dem die Plattenabschnitte (5 bis 8) über Winkel (9 bis 12) gehaltert sind.
7. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß zur Vermeidung des Auftreffens von im Pumpengehäuse reflektierter Wärmestrahlung auf die Kondensationsflächen geeignete Bereiche (28 bis 31)der Innenwandung und/oder der Metallstreifen (22 bis 26) geschwärzt sind.
8. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Platten (5,6 bzw. 7,8J voneinander etwa 1/7 des Durchmessers des Mantels (20) beträgt.

709847/0284