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Kryogenpumpe mit Strahlungsschutzschild
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Die Erfindung betrifft insgesamt Kryogenpumpvorrichtungen und bezieht
sich insbesondere auf eine zweistufige KryoPumpe, in der Gase durch Kondensation
und/oder Adsorption an zunehmend kälteren Pumpoberflächen entfernt werden.
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In einer zweistufigen Kryogenpumpe wird die erste Pumpstufe typischerweise
auf einer Temperatur im Größenordnungsbereich von 50 0K - 80 0K und die zweite Pumpstufe
auf kühlerer Temperatur im Größenordnungsbereich von 100K - 200K gehalten. Gase,
wie Wasserdampf und Kohlendioxid werden durch Kondensation in der ersten Stufe mit
der höheren Temperatur einer Kryogenpumpwirkung ausgesetzt, während Gase, wie Sauerstoff,
Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff und Neon, für deren Kondensation oder Adsorption
eine niedrigere Temperatur nötig ist, in der zweiten Stufe gepumpt werden.
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Wenn eine Pumpe dieser Art leistungsfähig arbeiten soll, muß die zweite
Stufe mit der niedrigeren Temperatur gegenüber Wärmestrahlung von außen abgeschirmt
sein. Bisher sind dazu eine Vielzahl winkelförmiger Umlenkelemente in einer optisch
dichten, insgesamt ebenen Anordnung zwischen der zweiten Stufe und der zu entleerenden
Kammer angeordnet worden, um die zweite Stufe vor Wärmestrahlung von der Kammer
abzuschirmen. Damit wird zwar die gewünschte Abschirmung erreicht, aber die dichte
Anordnung aus Umlenkelementen stört die Gasströmung in die Pumpe. Eine Pumpe, die
z.B. eintausend Liter pro Sekunde abführen kann, kann durch die Anordnung der Umlenkelemente
in ihrem Pumpvermögen auf 150 - 250 Liter pro Sekunde eingeschränkt werden.
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Es ist bereits eine verbesserte Anordnung aus winkelförmigen Umlenkelementen
vorgeschlagen worden, die so gestaltet sind, daß sie die zweite Stufe im wesentlichen
einschließen oder umgeben. Durch Schaffung einer bedeutend vergrößerten Fläche für
den Gaszutritt ermöglicht diese dreidimensionale Anordnung eine
bedeutende
Herabsetzung des Widerstandes gegen die Gasstrt5-mung zur zweiten Stufe im Vergleich
zu der üblicheren ebenen Anordnung. Allerdings ist die dreidimensionale Anordnung
verhältnismäßig kompliziert und teuer in der Herstellung.
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Aufgabe der Erfindung ist es allgemein, eine neue und verbesserte
Kryogenpumpe zu schaffen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Kryogenpumpe der
oben genannten Art zu schaffen, die mit Umlenkteilen zum Abschirmen der die niedrige
Temperatur aufweisenden zweiten Stufe gegen Wärmestrahlung versehen ist und dabei
gleichzeitig eine im wesentlichen ungehinderte Gasströmung zur zweiten Stufe ermöglicht.
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Mit der Erfindung soll eine Kryogenpumpe der genannten Art geschaffen
werden, die sich leicht und wirtschaftlich herstellen läßt.
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Dazu wird gemäß der Erfindung eine Kryogenpumpe geschaffen, die eine
Einlaßöffnung zum Herstellen einer Gasverbindung mit der zu entleerenden Kammer,
eine erste Stufe, die sich axial von der Einlaßöffnung erstreckt, eine zweite Stufe,
die auf niedrigerer Temperatur als die erste Stufe gehalten wird, sowie ein oder
mehrere Umlenkteile von begrenzter radialer Abmessung aufweist, welche axial im
Abstand voneinander zwischen der ersten und zweiten Stufe angeordnet sind, um die
Pumpfläehe der zweiten Stufe davor zu schützen, daß sie der Einlaßöffnung direkt
ausgesetzt wird, während sie eine im wesentlichen ungehinderte Gasströmung von der
ersten Stufe zur zweiten Stufe ermöglichen.
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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand schematisch dargestellter AusfUhrungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigt: Fig. 1 eine teilweise schematisch und teilweise weggeschnitten gezeigte Seitenansicht
eines Ausführungsbeispiels einer Kryogenpumpe gemäß der Erfindung; Fig. 2 einen
Teilschnitt längs der linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische
Ansicht zur Erläuterung des Betriebs der Umlenkteile beim Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1; Fig. 4-9 schematische Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele von Kryogenpumpen
gemäß der Erfindung.
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Wie Fig. 1 zeigt, weist die Pumpe eine insgesamt kreisförmige Bodenplatte
li auf, auf der ein insgesamt zylindrisches Gehäuse 12 angebracht ist. Das Gehäuse
ist an seinem oberen Ende 13 offen, um eine Verbindung mit der zu entleerenden Kammer
herstellen zu können, und der mittlere Bereich 14, der Seitenwand des Gehäuses ist
nach außen in radialer Richtung ausgebaucht, um eine ungehinderte Gasströmung innerhalb
der Pumpe zu ermöglichen.
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Die Kühlung erfolgt durch ein Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf,
in welchem komprimiertes Heliumgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen expandiert.
Zu diesem System gehört eine zweistufige Expandiervorrichtung 16, die an einen hier
nicht gezeigten, entfernt angeordneten Kompressor angeschlossen ist.
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Die Expandiervorrichtung umfaßt eine langgestreckte erste Stufe 17
mit einer ringförmigen entfernten Wand 18 sowie eine langgestreckte zweite Stufe
19. Die erste Stufe wird typischerweise auf einer Temperatur im Bereich von 50 0K
- 80 0K und die zweite Stufe auf einer Temperatur im Bereich von iOOK - 200X gehalten.
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Die Expandiervorrichtung erstreckt sich axial durch die Bodenplatte
11, an der sie mittels einer hier nicht gezeigten Einrichtung befestigt ist.
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Die erste Stufe der Pumpe weist eine an der Wand 18 der Expandiervorrichtung
angebrachte, insgesamt kreisförmige Stützplatte 21 auf, deren äußerer Bereich 22
bis unterhalb der Wand der Expandiervorrichtung versetzt ist. Die Stützplatte ist
an der Wand der Expandiervorrichtung mittels Halteschrauben 23 befestigt und steht
in inniger Wärmeberührung mit der Wand der Expandiervorrichtung. Mit Abstand oberhalb
der Stützplatte ist ein Ilaltering 26 vorgesehen, und in Kreisrichtung um die Stützplatte
und den Haltering herum ist eine Vielzahl sich axial erstreckender Blätter 27 so
angeordnet, daß sie eine insgesamt zylindrische Pumpfläche für die erste Stufe bilden.
Die Blätter
sind an der Stützplatte und am Ring mittels Schrauben
28 befestigt, so daß sich eine feste Konstruktion ergibt, an deren oberem Ende eine
Einlaßöffnung 29 vorgesehen ist. Die Blätter 27 sind so gebogen, daß sie eine radial
nach außen weisende Ausbuchtung 71 bilden, damit die Einengung der Gasströmung in
der Nähe der zweiten Stufe der Pumpe verringert wird.
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zur zweiten Stufe der Pumpe gehört eine am oberen Ende der Stufe fe
19 der Expandiervorrichtung angebrachte, sich radial erstreckende Platte 36, von
der eine kegelstumpfförmige äußere Wand 37 und eine zylindrische innere Wand 38
herabhängen. Die zweite Stufe ist als einteilige Konstruktion hergestellt und steht
in inniger Wärmeberührung mit der oberen Wand der Expandiervorrichtung, an der sie
mittels Halteschrauben 39 befestigt ist. Die zweite Stufe ist koaxial innerhalb
der ersten Stufe angeordnet.
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Zum Abschirmen der zweiten Stufe der Pumpe gegenüber einer direkten
Sichtlinienstrahlung von der zu entleerenden Kammer ist eine Einrichtung vorgesehen,
die ein oberes Umlenkteil 41 und ein unteres Umlenkteil 42 aufweist, welche mit
axialem Abstand voneinander zwischen der ersten und zweiten Stufe vorgesehen sind.
Das Umlenkteil 41 hat einen insgesamt ebenen mittleren Bereich 43, der zwischen
der Einlaßöffnung 29 und der Platte 36 liegt, während sich ein kegelstumpfförmiger
Bereich 44 neben dem oberen Bereich der Wand 37 nach unten und außen erstreckt.
Das Umlenkteil 42 weist ein kegelstumpfförmiges Element auf, welches mit Abstand
unterhalb des Bereichs 44 des Umlenkteils angeordnet ist und einen größeren Durchmesser
hat als der kegelstumpfförmige Bereich 44 des Umlenkteils 41. Dieser Abstand reicht,
um eine im wesentlichen ungehinderte Gasströmung zwischen den Umlenkteilen zu ermöglichen.
Die Umlenkteile werden auf der Temperatur der ersten Stufe gehalten und haben einen
Abstand von den Wänden der zweiten Stufe. Das untere Umlenkteil ist von auf der
Stützplatte 21 angebrachten Stangen 46 und das obere Umlenkteil von Stangen 47 abgestützt,
die sich zwischen den Umlenkteilen erstrecken,
Beim bevorzugten
Ausführungsbeispiel können die Außenflächen der Blätter 27 z.B. durch Vernickeln
stark reflektierend ausgebildet sein, während die Innenseite des Gehäuses 12 der
Pumpe elektropoliert ist, um den Strahlungswärmeübergang zwischen diesen Körpern
zu verringern. Die nach oben weisenden Flächen der Umlenkteile 41, 42 sind gleichfalls
beispielsweise durch Vernickeln stark reflektierend gestaltet, so daß die Strahlungsenergie
von außen liegenden-Quellen zu den Wänden der ersten Stufe oder durch die Einlaßöffnung
aus der Pumpe herausreflektiert wird.
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Die Innenflächen der Blätter 27 sind geschwärzt, um zu verhindern,
daß Wärmestrahlung von außen zur zweiten Stufe reflektiert wird. Die Innenflächen
der zweiten Stufe (d.h. die nterseite der Platte 36, die Innenfläche der Wand 37
sowie die Innen- und Außenseite der Wand 38) sind vorzugsweise mit einem kryosorbierenden
Material, wie Aktivkohle oder einem künstlichen Zeolit beschichtet.
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Das in Fig. 1-3 gezeigte Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt: Eine
zu entleerende Kammer wird mit der Einlaßöffnung 29 in Gasverbindung gebracht und
der mit der Expandiervorrichtung 16 verbundene Kompressor betätigt, um die erste
Pumpstufe auf einer Temperatur im Bereich von 500K - 80 0K und die zweite pumpstufe
auf einer Temperatur im Bereich von iOOK 200es zu halten. Gase, wie Wasserdampf
und Kohlendioxid kondensieren an der Pumpoberfläche, die die Innenwände der Blätter
27 der ersten Pumpstufe bilden. Gase, wie IIelium, Wasserstoff und Neon werden an
den Innenwandflächen der zweiten Stufe adsorbiert, während Gase, wie Sauerstoff,
Stickstoff und Argon an allen Oberflächen der zweiten Stufe durch Kondensation gepumpt
werden. Das obere Umlenkteil 41 verhindert, daß Wärmestrahlung von außen auf den
Bereich der zweiten Stufe oberhalb des Umlenkteils 42 fällt, und das Umlenkteil
42 verhindert, daß Strahlung von außen den unteren Bereich der zweiten Stufe erreicht.
Durch den Abstand von der zweiten Stufe und voneinander stören die Umlenkteile die
Gasströmung zur zweiten Stufe nicht nennenswert.
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Die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 4-9 sind außer hinsichtlich der
Umlenkanordnung im wesentlichen ähnlich dem in Fig.
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1-3 gezeigten Ausführungsbeispiel, so daß für die gleichen Elemente
bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen verwendet
sind. In den Fig. 3-9 ist mit gestrichelten linien die äußere Abgrenzung der durch
die Einlaßöffnung von der Kammer in die Kryogenpumpe eintretenden Sichtlinienstrahlung
markiert.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist nur ein einziges Umlenkteil
51 vorgesehen, welches einen insgesamt ebenen mittleren Bereich 52 und einen davon
herabhängenden kegelstumpfförmigen äußeren Bereich 53 hat. Der mittlere Bereich
des Umlenkteils ist axial zwischen der Einlaßöffnung und der oberen Platte 36 angeordnet
und schiltzt vor direkter Wärme strahlung durch die Einlaßöffnung 29. Der Neigungswinkel
des kegelstumpfförmlgen Bereichs 53 ist so gewählt, daß eine maximale Gasströmung
von der Einlaßöffnung zur zweiten Stufe möglich ist.
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Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel ähnelt dem gemäß Fig. 4,
hat nur statt einer massiven Platte zum Abachirmen des oberen Bereichs der zweiten
Stufe eine konzentrische Anordnung 56 aus winkelförmigen Umlenkelementen. Zu dieser
Anordnung gehört ein kegelstumpfförmiger äußerer Bereich 57 ähnlich dem Bereich
53 gemäß Fig. 4. Dies Ausführungsbeispiel ermöglicht zusätzlichen Gaszutritt zur
zweiten Stufe der Pumpe durch die Anordnung 56 der Umlenkelemente.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 weist der Strahlungsschutzschild
ein inneres Umlenkteil 61 axial im Abstand oberhalb der zweiten Stufe und ein äußeres
Umlenkteil 62 auf, welches koaxial und im wesentlichen in der gleichen Ebene mit
dem Umlenkteil 61 angeordnet ist. Das Umlenkteil 61 hat einen insgesamt ebenen mittleren
Bereich 63 und einen davon herabhängenden kegelstumpfförmigen äußeren Bereich 64.
Das Umlenkteil 62 ist ein kegelstumpfförmiges Umlenkelement von größerem Durchmesser
als der kegelstumpfförmige Bereich des Umlenkteils 61.
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Das innere Umlenkteil schirmt den oberen Bereich der zweiten
Stufe
vor Strahlung von außen ab, während das Umlenkteil 62 den unteren Bereich der Stufe
abschirmt. Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen ist der Abstand und die Größe
der Umlenkteile 80 gewählt, daß die Gase frei zwischen den Umlenkteilen und den
Wänden der Stufen fließen können.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 weist der Strahlungsschutzschild
eine Umlenkplatte 66 oberhalb der zweiten Pumpstufe und ein Paar kegelstumpfförmige
Umlenkteile 67, 68 in axialem Abstand voneinander in der Nähe der Wand 37 auf. Die
Platte 66 hat einen größeren Durchmesser als die obere Platte 36 der zweiten Stufe,
und das untere Umlenkteil 68 hat einen größeren Durchmesser als das obere Umlenkteil
67.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 weist der Strahlungsschutzschild
ein Umlenkteil 71 auf, welches oberhalb der zweiten Stufe angeordnet ist, sowie
eine Vielzahl von Umlenkelementen 72-74, die axial im Abstand voneinander neben
der zweiten Stufe vorgesehen sind. Das Umlenkteil 71 hat einen insgesamt ebenen
mittleren Bereich 76 und einen kegelstumpfförmigen äußeren Bereich 77. Die Umlenkelemente
72-74 sind kegelstumpfförmig und von zunehmend größerem Durchmesser zum Boden der
zweiten Stufe hin.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 weist der Wärmeschutzschild
eine insgesamt kreisförmige Platte 79 auf, die oberhalb der zweiten Stufe angeordnet
ist, sowie eine Vielzahl sich radial erstreckender ringförmiger Platten 81-84, die
axial einen Abstand voneinander neben der zweiten Stufe haben und zum Boden der
Stufe hin einen zunehmend größeren Durchmesser aufweisen. Durch die gegenseitigen
Abstände und die begrenzte radiale Ausdehnung dieser Umlenkplatten ist eine verhältnismäßig
ungehinderte Gasströmung zur zweiten Stufe möglich, während diese Stufe gegenüber
Wärmestrahlung von außen abgeschirmt ist.
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Auch wenn die Pumpstufe und das Gehäuse der Pumpe hier mit radial
nach außen ausgebuchteten Seitenwänden für eine bessere
Gasströmung
bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen erläutert sind, ist klar, daß die Erfindung
nicht auf diese spezielle Wandkonstruktion beschränkt ist, und daß die hier gezeigten
Umlenkanordnungen auch bei geraden zylindrischen Wänden oder einer beliebigen anderen
Wandkonstruktion vorgesehen sein können.