-
KRYOPUMPE
-
Zur Hochvakuumerzeugung werden heute in zunehmendem Masse Kryopumpen
eingesetzt. Bei technischen Vakuumprozessen, bei denen immer wieder von neuem von
Atmosphärendruck auf Hochvakuum gepumpt werden muss, arbeitet man vorzugsweise mit
Kryogeneratoren, bei denen gasförmiges Helium als Kühlmittel verwendet wird, das
in einem geschlossenen Kreislauf zwischen dem Kryogenerator und einem Helium-Kompressor,
der über flexiblse Hochdruckleitungen mit dem Kryogenerator verbunden ist, zirkuliert.
Meistens wird der Stirling- oder der Gifford-Mac Mahon-Prozess verwendet, wobei
in zwei Stufen die für die Erzeugung tiefer Drücke notwendige Kondensationstempeo
ratur von 15 - 20 K erreicht wird.
-
Eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz solcher Kryogeneratoren
in der Vakuumtechnik ist, dass es mit Hilfe von Sorptionsmitteln gelingt, auch den
Partialdruck des Wasserstoffs, dessen Dampfdruck bei dieser Temperatur in der Nähe
von 1 bar liegt, auf genügend tiefe Werte zu senken.
-
Der Preis eines Kryogenerators steigt mit seiner Kälteleistung. Damit
die Kryopumpe gegenüber den bisher verwendeten Methoden zur Vakuumerzeugung konkurrenzfähig
ist, müssen deshalb Lösungen gefunden werden, bei denen man mit möglichst kleinen
Kälteleistungen auskommt. Dabei wird in der Regel nur ein kleiner Teil der Kälteleistung
für die Kondensation der abgesaugten Gase verwendet. Der grössere dient zur Abführung
der Wärme, die der Kryopumpe von der Umgebung zugestrahlt wird.
-
Zur Senkung der erforderlichen Kälteleistung muss man deshalb danach
trachten, diese Einstrahlung zu verringern. Der einfachste Weg wäre, die der Einstrahlung
ausgesetzte Kondensationsfläche zu verkleinern. Dies führt aber zu einer Einbusse
an Saugvermögen. Es gilt hier, den günstigsten Kompromiss zu finden.
-
Ein weiterer für die Qualität einer Kryopumpe wichtiger Punkt ist
de Abkühlzeit bei der Inbetriebnahme. Sie ist bei gegebenem Saugquerschnitt umso
länger, je kleiner die Kälteleistung und je grösser die Masse der Kondensationsflächen
und der Strukturen ist, die die zugestrahlte Wärme zu den Kaltflächen am Kryogenerator
abführen. Diese Abkühlzeit ist bei den bekannten
Kryopumpen meistens
länger als die Anheizzeit der alternativ einsetzbaren Diffusionspumpen, was oft
als Nachteil empfunden wird.Die Erfindungsaufgabe wird durch eine Kryqpumpe gemass
Patentanspruch 1 gelöst.
-
Die vorliegende Erfindung hat sich die Optimierung dieses Aspektes
bei einer autonomen Kryopumpe zur Aufgabe gesetzt.
-
Im Rahmen dieser Beschreibung sollen unter autonomen Kryopumpen solche
verstanden werden, die ohne die äussere Zufuhr von Kältemitteln, z.B. von flüssigem
Stickstoff, auskommen, die also von einem eingebauten Kryogenerator gekühlt werden.
-
Die Kälteleistung der auf der tiefsten Temperatur befindlichen Stufe
eines Kryogenerators ist meistens wesentlich kleiner als diejenige, der auf höherer
Temperatur befindlichen und darf auch kleiner sein, wenn die für das Absaugen der
Permanentgase bestimmten Kondensationsflächen von der normalerweise auf Zimmertemperatur
befindlichen Vakuumwand durch einen Strahlungsschutz abgeschirmt sind, der sich
dann auf einer Zwischentemperatur befindet. Bei der autonomen Kryopumpe wird dieser
Strahlungsschutz, der z.B. als Chevronbaffle mit hohem Leitwert für die durchtretenden
Permanentgase ausgebildet ist, von der auf höherem Temperaturniveau- befindlichen
Stufe des Kryogenerators gekühlt.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Kryopumpe zu schaffen,
die ein geringeres Gewicht und damit eine geringere Masse der abzukühlenden Teile
erfordert als bisher ubliche
Kryopumpenkonstruktionen. Es soll eine
wesentlich kleinere Abkühlzeit und damit - da die Wartezeiten verkürzt sind -ein
wirtschaftlicherer Betrieb von Vakuumanlagen erreicht werden.
-
Ueberraschenderweise kann durch eine solche Konstruktion mit längerer
wärmeleitender Brücke für die tiefgekühlte Kondensationsfläche als für die weniger
tief gekühlte Strahungsabschirmung eine erhebliche Gewichtseinsparung der letzteren
erreicht werden, wie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
der Erfindung ersichtlich wird.
-
Figur 1 zeigt zunächst eine autonome Kryopumpe der bisherigen Bauart.
Der Kryogenerator 1 ist an der Basisplatte 2 der Vakuumanlage befestigt. Die unterste
erste Stufe 3 des Kryogenerators befindet sich auf einem Temperaturniveau von 80
bis 120 K, während die darüber liegende Stufe 4 eine Temperatur von 15 bis 20 K
besitzt. Die Kälteleistung dieser Temperaturstufe beträgt z.B. bei 19 K ca. 2 Watt
und diejenige der höheren Temperaturstufe etwa 100 Watt.
-
Je grösser die Kälteleistung der ersten Stufe ist, umso grösser darf
die die Umgebungsstrahlung abschirmende Oberfläche sein.
-
Umso grösser ist dann auch ihr Leitwert für Gase und damit das Saugvermögen,
das die auf tieferer Temperatur befindliche Kryopumpstufe 8 erreichen kann. In Figur
1 ist eine Abschirmung bewährter Bauart dargestellt.
-
Diese Abschirmung besteht hier aus einem Kupferchevron 5 aus konzentrischen
Ringen, das über die Kupferplatte 6 und dem aussen hochglanzpolierten Zylinder 7
mit der ersten Stufe 3 verbunden ist und von dort her über mehrere Stege 9 gekühlt
wird. An der auf der tieferen Temperatur befindlichen Stufe 4 ist das die Kondensationsfläche
(Kryofläche) bildende Kryopanel 8 befestigt, das auf der Innenseite der Finnen mit
einem Sorptionsmittel z.B. Aktivkohle zur Absaugung des Wasserstoffs belegt ist.
10 ist der Anschlussstutzen für eine Vorvakuumpumpe, die nur bei der Inbetriebsetzung
benötigt wird.
-
Bei einem Ansaugquerschnitt von 500 mm Durchmesser ist das Gewicht
der abzukühlenden Massen, die sich auf dem höheren Temperaturniveau befinden, ca.
20 kg und der auf niedrigem Temperaturniveau befindlichen ca. 4 kg. Die Kaltfahrzeit
bei der Inbetriebsetzung dieses Systems mit der oben angegebenen Kälteleistung,
die im Gleichgewichtszustand erreicht wird und bei höheren Temperaturen erheblich
grösser ist, beträgt ca. 2 Std.
-
Diese Abkühlzeit kann erfindungsgemäss auf etwa ein Viertel reduziert
werden, wenn die Kryoflächen und ihre Abschirmung in bezug auf den Kryogenerator
anders angeordnet werden und zwar so, dass im Gegensatz zur bisherigen Lösung, die
Wärmebrücke zwischen dem Strahlungsschutz und der ersten Kryogenerator-Stufe wesentlich
verkürzt wird und dafür die Verbindung zwischen Kryopanel und der zweiten Stufe
des Kryogenerators verlängert wird, und wenn ausserdem Massnahmen getroffen werden,
um die grosse Masse der Abschirmung 7 an ihrer Peripherie und die Masse des Kryopanels
8 zu verringern.
-
Man hat sich bisher davor gescheut, das Kryopanel über längere wärmeleitende
Brücken mit der Tieftemperaturstufe zu verbinden, da ein Temperaturgradient von
wenigen Graden besonders bei hoher Belastung bzw. hohem Gasanfall bereits die Temperatur
an den Kryoflächen so stark erhöhen kann, dass eine Desorption und Verdampfung kondensierter
Gase eintritt und die Pumpe zusammenbricht. Man war sich dabei wahrscheinlich nicht
bewusst, dass die Wärmeleitfähigkeit des reinen Kupfers bei 20 K etwa 20- Mal höher
ist als bei Zimmertemperatur und immer noch 13 Mal höher als bei 100 K, und dass
deshalb bei tiefen Temperaturen keine grossen Querschnitte nötig sind, um die geringe
Wärmemenge abzuführen, im Gegensatz zur Strahlungsabschirmung.
-
Erfindungsgemäss ergibt sich dagegen ein konstruktiver Aufbau, bei
dem die gleiche Temperaturverteilung mit wesentlich geringeren Materialmengen erreicht
werden kann. Die Verkürzung der Wärmebrücke bis zur äusseren peripheren Abschirmung
auf die Hälfte ergibt bei gleichem Temperaturabfall von aussen nach innen eine Verringerung
der benötigten Material -mengen und damit der Wärmekapazität um 75%. Dementsprechend
kürzer ist die Abkühizeit der Abschirmung Dagegen bringt die Verlängerung der Wärmebrücke
zu den Kryopanels nur eine VergröFserung der Wärmekapazität um höchstens 20% und
auch nur eine geringe Vergrösserung des Temperaturabfalls um 0,4 K bei 2 Watt Kälteleistung.
-
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemässe Kryopumpe. Man sieht hier die
Kryoflächen 11, die aus dünnen Silberblechen hergestellt und zur Versteifung konisch
geformt sind. Sie sind über vier dünne Kupferstäbe 12 mit 6 mm Durchmesser mit der
tieferen Temperaturstufe 13 verbunden. Der Strahlungsschutz bestehend aus Chevrons
14, Mantel 15 und unterer Abschirmung 16 sind auf kürzestem Weg mit der auf höherer
Temperatur befindlichen Stufe 17 verbunden. Dabei ist im Gegensatz zu Figur 1 der
Mantel 15 mit den Chevrons 14 in direktem Wärmekontakt und zur Erleichterung der
Montage von der unteren Abschirmung 16 getrennt. Da die Wärmeabfuhr von der Fläche
15 über mehrere gleichmässig am Umfang verteilte Chevronbleche erfolgt und nur eine
geringe Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Fläche erforderlich ist, um zu grosse Temperaturunterschiede
zu vermeiden, wird diese Fläche zweckmässig als in sich steifer Kugelabschnitt aus
einem Material hoher Steifigkeit, wie z.B.
-
nicht rostendem Stahl, hergestellt, wobei eine Dicke von einigen 1/10
mm zur Erreichung einer hinreichenden Steifigkeit ausreichend ist. Um eine ausreichende
Wärmeleitung zu sichern, genügt eine beidseitige galvanisch aufgebrachte Kupferauflage
von 1/100 mm Dicke.
-
Durch die Beschichtung von Werkstoffen hoher Steifigkeit mit u.U.
geringer Wärmeleitfähigkeit mit einem Metall geringer Festigkeit aber hoher Wärmeleitfähigkeit
ergibt sich an allen Stellen, an denen die Erreichung des von der Wärmeleitung her
nur gesehen zulässigen minimalen Querschnittsoaus Festigkeitsgründen
begrenzt
ist, eine erhebliche Verringerung der abzukühlenden Massen. Diese Möglichkeit kann
auch bei der Herstellung des Kryopanels in Betracht gezogen werden, bei dem die
Wärmeleitfähigkeit eines 1/100 mm dicken Kupferbechs bereits bei weitem genügen
würde, um unzulässige Temperaturdifferenzen innerhalb des Panels zu vermeiden. Auch
hier kann mit einer kupferplattierten Folie aus hartgewalztem nicht rostendem Stahl
die Masse verringert und die Abkühizeit weiter verringert werden.
-
Ein gewisser Nachteil der gewichtssparenden Konstruktion der Kondensationsflächen
liegt darin, dass bei einer Wärmeeinstrahlung, die die Kälteleistung des Kryogenerators
wesentlich übersteigt, die Temperatur der.Kondensationsflächen rascher ansteigt
als bei der bisherigen Lösung mit ihrer grösseren Masse und dementsprechend höheren
Wärmekapazität. Dieser Nachteil kann jedoch leicht in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung behoben werden, indem man mit den beiden Temperaturstufen des Kryogenerators
möglichst dlinnwa-ndige Vorratsbehälter verbindet, in denen ein geeignetes Kühlmittel
gespeichert werden kann, das bei vorübergehend erhöhter Wärmezustrahlung oder kondensierender
Gasmenge durch Verdampfung zusätzliche Kälteleistung erzeugt.
-
Zur Speicherung des Kältemittels sind diese Vorratsbehälter über dünne
Gasleitungen mit Gasbehältern verbunden, die das zu kondensierende Kältemittel enthalten.
-
Druck und Art des Kältemittels werden so gewählt, dass, sobald die
normale Arbeitstemperatur der Kryoflächen unterschritten wird, d.h. ca. 100 K an
der höheren Temperaturstufe und ca. 20 K an der niederen Temperaturstufe, die Kondensation
und Speicherung des Kältemittels beginnt.
-
Auf diese Weise kann in den Perioden, in denen die Kryopumpe ist zwar
in Betrieb aber keine Pumpleistung aufzubringen hat-, immer wieder ein neuer, zusätzliche
Kälteleistung erzeugender Vorrat an Kältemittel erzeugt werden.
-
Mit dieser Ergänzung ist es möglich, die Kryopumpe bereits bei höheren
Drücken einzusetzen, z.B. die Vorevakuierung des abzupumpenden Rezipienten schon
bei einem Druck von einigen mbar abzubrechen und damit eine Oelrückströmung von
der Vorpumpe zum Rezipienten mit Sicherheit zu unterbinden. Es ist dann auch zulässig,
vorübergehend eine höhere Einstrahlung zur Kryopumpe zuzulassen. Dies ist z.B. für
Bedampfungsanlagen und metallurgische Anlagen wichtig. Man kann auch die Strahlungsabschirmung
der Kryopumpe mit höherem Leitwert auslegen, so dass eine höhere Pumpleistung erreicht
wird.
-
Ganz allgemein erlaubt diese Methode bei- Beibehaltung kurzer Abkühlzeiten
mit einer vorgegebenen Kälteleistung bei dynamischen Pumpvorgängen ein grösseres
Saugvermögen und grössere Saugleistung zu erreichen.
-
Figur 3 zeigt diese Variante einer erfindungsgemässen Kryopumpe. Wenn
man Stickstoff als Kältemittel für die höhere Temperaturstufe und Wasserstoff als
Kältemittel für die niedrige Temperaturstufe wählt, so entspricht einer Kondensationstemperatur
von 100 K des Stickstoffs ein Druck von ca. 10 bar und einer Kondensationstemperatur
von 20 K des Wasserstoffs ein Druck von ca. 1 bar.
-
In Figur 3 bedeutet 18 den Vorratsbehälter für flüssigen Wasserstoff.
Sein Volumen beträgt bei einer Nennweite des Anschlussflansches 20 der Kryopumpe
von 500 mm etwas mehr als 0,5 1. Um ihn zu füllen, muss der entsprechende Gasvorrat
bei 1 bar ca. 400 1 betragen.
-
Der grössere Vorratsbehälter 19 für flüssigen Stickstoff hat ein Volumen
von etwas mehr als 1,5 1. Dies entspricht einem Gasvorrat von ca. 100 1 bei 10 bar.
Die Anschlussleitungen zum Wasserstoff- und Stickstoff-Gasvorratsbehälter sind bei
21 und 22.
-
Durch Verdampfung von 1,5 1 flüssigem Stickstoff kann während 30 Minuten
eine zusätzliche Kälteleistung von ca. 135 Watt aufgebracht werden und mit 0,5 1
Wasserstoff in der gleichen Zeit auf dem tieferen Temperaturniveau eine zusätzliche
Kälteleistung von ca. f0 Watt.
-
Bei Verwendung von 0,1 mm dickem Blech aus nicht rostendem Stahl zur
Herstellung des Behälters 18 mit 0,01 mm Kupferauflage zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit
wird die Wärmekapazität und damit die Abkühlzeit vor der Verflüssigung des Wasserstoffs
im Vergleich zur Ausführung gemäss Figur 2 nicht vergrössert.
-
Da für die Herstellung des Behälters 19 wegen des höheren Drucks dickeres
Material z.B. 1 mm-Kupferblech verwendet werden muss, tritt auf der höheren Temperaturstufe
eine geringe Erhöhung der Masse um ca. 25% ein, die jedoch im Vergleich zu der grossen
Gewichtsreduktion gegenüber der alten Lösung nicht ins Gewicht fällt.