DE3038415A1

DE3038415A1 - Kryogenpumpvorrichtung

Info

Publication number: DE3038415A1
Application number: DE19803038415
Authority: DE
Inventors: Kimo Merlin Mountain View Calif. Welch
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1979-10-18
Filing date: 1980-10-10
Publication date: 1981-04-30
Also published as: CH650560A5; US4295338A; GB2061391B; FR2468008A1; DE3038415C2; GB2061391A; JPS5664175A

Description

Kryogenpumpvorrichtung

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.

In einer zweistufigen Kryogenpumpe wird die erste Pumpstufe typischerweise auf einer Temperatur im Größenordnungsbereich von 5O⁰K - 80⁰K und die zweite Pumpstufe auf kühlerer Temperatur im Größenordnungsbereich von 10⁰K -.2O⁰K gehalten. Gase, wie Wasserdampf und Kohlendioxid werden durch Kondensation in der ersten Stufe mit der höheren Temperatur einer Kryopumpwirkung ausgesetzt, während Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Helium, Viasserstoff und Neon, für deren Kondensation oder Adsorption eine niedrigere temperatur nötig ist, in der zweiten Stufe gepumpt werden.

Die zweiten Stufen bisher vorgesehener Kryopumpen arbeiten meistens mit umgekehrt becherförmigen Anordnungen, an deren Innenflächen kryosorbierendes Material haftend angebracht ist. Die Anordnungen der zweiten Stufe v/erden im allgemeinen zusammengeschweißt oder gelötet, und danach wird das kryosorbierende Material angebracht. Bei den bisher üblichen zweiten Stufen muß im Fall einer Verschmutzung des adsorbierenden Materi-• als die ganze Anordnung der zweiten Stufe ausgetauscht werden. Je nach der Konstruktion der zweiten Stufe kann es schwierig sein, das adsorbierende Material als Beschichtung aufzubringen. Da die mit adsorbierendem Material beschichteten Oberflächen außerdem in erster Linie zum Pumpen gewisser Gase, wie Wasserstoff, Helium und Heon bestimmt sind, sollten die zweiten Stufen für diese Gase ohne weiteres Zugang zu den beschichteten Oberflächen bieten und gleichzeitig eine ausreichende Abschirmung gegenüber anderen Gasen bewirken. Bei umgekehrt becherförmiger Anordnung ergibt sich durch die Abschirmung eine gewisse Einbuße an Zugänglichkeit zum adsorbierenden Material.

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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kryogenpumpvorrichtung zu schaffen, bei der die Pumpoberflächen der zweiten Stufe ohne weiteres austauschbar sind. Außerdem soll mit der Erfindung eine Kryogenpumpvorrichtung der genannten Art geschaffen werden, bei der die mit adsorbierendem Material beschichteten Oberflächen der zweiten Stufe für die dort zu adsorbie renden Gasarten ohne weiteres zugänglich sind. Die Kryogenpumpvorrichtung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß die mit adsorbierendem Material beschichteten Oberflächen der zweiten Stufe am Rahmen der Hauptanordnung der zweiten Stufe mit nur geringem Aufwand im Fall einer Verschmutzung ausgetauscht werden können. '

Dazu wird gemäß der Erfindung eine Kryogenpumpvorrichtung geschaffen, die eine erste Pumpstufe aufweist, welche auf einer ersten Temperatur gehalten ist, um einen ersten Anteil von Gasarten aus einer Kammer zu entfernen, sowie eine zweite Pumpstufe, die auf einer niedrigeren Temperatur als die erste Temperatur gehalten ist, um einen zusätzlichen Anteil der Gasarten aus der Kammer zu entfernen. Die zweite Stufe weist einen Rahmen sowie eine Vielzahl einzelner Platten auf, die am Rahmen in Abständen voneinander lösbar angebracht sind und die Pumpflächen für die Gasarten bilden. Eine Oberfläche der Platten ist mit einem adsorbierenden Material beschichtet worden, ehe die platten am Rahmen angebracht wurden. Die platten sind am Rahmen durch leicht lösbare Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben angebracht.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine teilweise unter Weglassung und teilweise schematisch dargestellte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels . einer Kryogenpumpvorrichtung gemäß der Erfindung; Flg. 2 einen vergrößerten Teilquerschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.

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Wie aus den zeichnungen hervorgeht, weist die pumpe insgesamt einen kreisförmigen Boden 11 auf, auf dem ein insgesamt zylindrisches Gehäuse 12 angebracht ist, welches oben offen ist und einen ringförmigen Plansch 15 zur Befestigung an einem entsprechenden Plansch einer mit der zu entleerenden Kammer in Verbindung stehenden öffnung hat.

Die Kühlung erfolgt durch ein Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf, in welchem komprimiertes Heliumgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen expandiert. Zu diesem System gehört eine zweistufige Expandxervorrichtung 14,. die an einen hier nicht gezeigten, entfernt angeordneten Kompressor angeschlossen ist. Die Sxpandiervorrichtung umfaßt eine langgestreckte erste Stufe 16 mit einem ringförmigen Plansch 17 in der Nähe des oberen Endes sowie eine langgestreckte zweite Stufe 18 mit einem Plansch 19 in der ITähe des oberen Endes. Die erste Stufe wird typischerweise auf einer Temperatur im Bereich von 50⁰K - 8O⁰K und die zweite Stufe auf einer Temperatur im Bereich von 10⁰K 20⁰K gehalten. Die Expandxervorrichtung erstreckt sich axial durch den Boden 11 und ist an diesem mittels einer hier nicht gezeigten Einrichtung abdichtend befestigt.

Zur ersten Stufe der Pumpe gehört ein insgesamt becherförmiger Körper 21, der am Plansch 17 der Expandiervorrichtung angebracht und mittels Schrauben 22 befestigt ist. Zwischen dem Pumpenkörper und dem plansch der Expandxervorrichtung ist eine Indiumdichtung 23 vorgesehen, axe innige l/ärmeberührung zwischen den ersten Stufen der Expandxervorrichtung und der Pumpe gewährleistet. Bei einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Körper 21 der pumpe aus Aluminium und hat in einem Spinnverfahren die becherförmige Gestalt erhalten. Die Innenfläche des Körpers 21 der Pumpe ist vorzugsweise geschwärzt, um zu verhindern, daß Wärmestrahlung von außen zur zweiten Stufe der Pumpe reflektiert wird.

Zur zweiten Stufe der Pumpe gehört ein Rahmen 26 mit einem länglichen zylindrischen Kern 27, an dessen oberem Ende eine

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kreisförmige Stirnplatte 28 vorgesehen ist und von dem sich eine Vielzahl radialer Rippen 29 nach unten und außen erstreckt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zylindrische Kern 27 aus Kupfer hergestellt, während die radialen Rippen aus einer legierung aus Kupfer und Nickel bestehen, um für zusätzliche Festigkeit zu sorgen. Der Kern und die Rippen sind zu einer festen einheitlichen Konstruktion zusammengelötet. Der Rahmen ist am Plansch 19 am oberen Ende der zweiten Stufe der Expandiervorrichtung angebracht und mittels Schrauben 31 befestigt, wobei eine indiumdichtung 32 eine innige Wärmeberührung zwischen den zweiten Stufen der Expandiervorrichtung und der Pumpe gewährleistet.

Zur zweiten Stufe gehört außerdem eine Vielzahl einzelner, am Rahmen 26 angebrachter platten 34. Jede dieser Platten hat einen insgesamt ebenen Steg 36, von dessen Seiten sich Befestigungsflansche 37 erstrecken. Die Platten sind zwischen den Rippen des Rahmens angebracht, wobei die Stege der Platten insgesamt trapezförmige Gestalt haben und die Befestigungsflansche 37 im wesentlichen unter den gleichen Winkeln wie die Rippen in Richtung voneinander weg streben. Die Platten sind in Gruppen angeordnet j wobei die Stege jeder Gruppe axiale Abstände voneinander haben und insgesamt parallel zueinander verlaufen. Wie am besten in Fig. 1 erkennbar ist, weisen die Platten vom Kern nach außen und nach unten unter einem Neigungswinkel von ca. 45° zwischen den Mittellinien der Platten und der Achse des Kerns. Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Rahmen sechs radiale Rippen, und die platten sind in sechs Gruppen mit je sechs Platten pro Gruppe angeordnet. Dies Ausführungsbeispiel hat in Draufsicht eine zweckmäßige Sechseckgestalt; aber es kann auch jede beliebige andere Anzahl Rippen und Platten vorgesehen sein.

Die Platten sind an den radialen Rippen des Rahmens durch leicht lösbare Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben 38 und Muttern 39 angebracht, wobei Indiumdichtungen 41 zwischen den Rippen und den Befestigungsflanschen vorgesehen sind, um eine 'innige Wärmeberührung zwischen den Rippen und Platten sicherzustellen.

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Die Platten 34 bilden die Pumpflächen für die zweite Stufe der Pumpe. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Platten aus Kupfer hergestellt und haben einen Belag aus einem kryosorbierendem Material, beispielsweise Aktivkohle oder einem künstlichen Zeolit an der Innenfläche oder Unterseite 42 der Platten. Die Oberseiten bzw. Außenflächen 43 der Platten sind hochpoliert, beispielsweise vernickelt, um Strahlung zu reflsk·= tieren. Beim bevorzugten Herstellungsverfahren wird die Beschichtung mit kryosorbierendem Material an den Innenflächen oder Unterseiten der Platten aufgebracht, ehe die Platten am Rahmen angebracht werden. Sobald die Platten beschichtet sind, werden sie zwischen den Rippen angeordnet und einzeln mittels der Schrauben 38 und Muttern 39 befestigt. Die zusammengesetzte zweite Stufe wird dann auf die zweite Stufe der Expandiervorrichtung gesetzt und mittels der Schrauben 31 befestigt. Sollte das adsorbierende Material im Gebrauch verschmutzen oder aus anderen Gründen ein Austausch nötig werden, so lassen sich die Platten 34 ohne weiteres entfernen und ersetzen.

Die erste Stufe der Pumpe weist einen jalousieartigen Wärmeschild 44 auf, der oberhalb der zweiten Stufe angebracht ist₉ um zu verhindern, daß Wärmestrahlung von außen unmittelbar auf diese Stufe fällt und doch den Durchtritt aller Gase zu ermöglichen, die nur an der kälteren zweiten Stufe gepumpt werden können. Zu dieser Wärmeabschirmung gehört eine mittlere Platte 47, von der sich eine Vielzahl radialer Arme 48 zur Seitenwand 21 des becherförmigen Körpers der ersten Pumpstufe erstreckt. Die inneren Enden der radialen Arme sind an der mittleren Platte angelötet, während die äußeren Enden der Arme an der genannten Wand mittels Konsolen 49₅ 51 befestigt sind. Die Konsolen 49 sind mittels Nieten 52 und durch Löten an den radialen Armen befestigt, während die Konsolen 51 an der Wand des becherförmigen Körpers 21 der ersten Stufe mittels Schrauben 53 angebracht sind. Die Konsolen sind mittels Schrauben 54 miteinander verbunden. Zwischen den Konsolen 51 und der Wand 21 des becherförmigen Körpers der ersten Stufe sowie zwi*=

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sehen den Konsolen 51 und 49 ist schichtartig eine Indiumfolie vorgesehen, damit eine innige gute Wärmeberührung entsteht= Zwischen einander benachbarten Armen 48 erstrecken sich in überlappter Anordnung nach außen und unten geneigte Jalousieblätter oder Umlenkplatten 56» so daß Wärmestrahlung von der zu entleerenden Kammer nicht unmittelbar auf die zweite Stufe der Pumpe fallen kann. Die Jalousieblätter sind an den radialen Armen mittels Nieten 57 und durch Löten befestigt« Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer sechskantförmigen zweiten Stufe hat der jalousieartige Wärmeschild sechs Abschnitte mit je vier Jalousieblättern in jedem Abschnitt, und die Oberflächen des V/armeSchildes sind.geschwärzt; um zu verhindern, daß Wärmestrahlung zur zweiten Stufe der Pumpe reflektiert wird. Der jalousieartige Wärmeschild 44 _s der Teil der ersten Stufe ist, wird im wesentlichen auf der gleichen Temperatur gehalten wie der Rest dieser Stufe.

Die hier beschriebene Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise und wird wie folgt eingesetzt. Eine zu entleerende Kammer wird mit der Einlaßöffnung der Pumpe in Gasverbindung gebracht und der mit der Expandiervorrichtung 14 verbundene Kompressor betätigt, um die erste pumpstufe auf einer Temperatur im Bereich von 5O⁰K - 8O⁰K und die zweite Pumpstufe auf einer Temperatur im Bereich von 10⁰K - 20⁰K zu halten. Gase, wie Wasserdampf und Kohlendioxid kondensieren an der von der Innenwand des Körpers 21 der Pumpe und dem jalousieartigen Wärmeschild 44 der ersten Stufe gebildeten Pumpfläche. Gase, wie Helium, Wasserstoff und Neon haben verhältnismäßig ungehinderten Zutritt zur kryosorbierenden Beschichtung an den Innenflächen bzw_e -Unterseiten der Platten 34, wo sie durch Adsorption gepumpt werden, während Gase, wie Sauerstoff * Stickstoff und Argon an allen Oberflächen der zweiten Stufe durch Kondensation gepumpt werden. Der jalousieartige Wärmeschild 44 ermöglicht eine verhältnismäßig ungehinderte Strömung der Gasarten von der Einlaßöffnung zur zweiten Stufe und verhindert gleichzeitig, daß Wärmestrahlung von außen unmittelbar auf die zweite Stufe fällt,,

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Die Erfindung bietet eine Reihe wichtiger Merkmale und Vorteile. So ist das Anbringen der Beschichtung aus adsorbierendem Material an der zweiten Stufe durch die Art der Zusammensetzung dieser Stufe stark erleichtert» Die "beschichteten Oberflächen und Platten lassen sich zum Austausch leicht entfernen, falls das adsorbierende Material verschmutzt ist. Außerdem ermöglicht die Anordnung der platten in gegenseitigen Abständen einen verbesserten Zugang von Gasen wie Wasserstoff, Helium und Neon zu dem kryosorbierendem Material.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 · D-8000 München 60 ■ Telefon 832024/5

Telex 5212744 · Telegramme Inf erpatent

Yl P52o D Yarian Associates,Inc., Palo Alto, CaI,, U.S.A.

Kry ogenpumpv orr i chtung

Priorität: 18. Oktober 1979 -U.S.A. - Ser.No. 86IO7

Patentansprüche VIy Kryogenpumpvorrichtung zum Entfernen von Gasarten aus einer

Kammer,

dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Pumpstufe auf einer ersten Temperatur gehalten ist, um einen Teil von Gasarten zu entfernen, und daß eine zweite Pumpstufe auf einer niedrigeren Temperatur als der ersten Temperatur gehalten ist, um einen zusätzlichen Teil von Gasarten zu entfernen, und daß die zweite Stufe einen Rahmen und eine Vielzahl einzelner Platten aufweist, die am Rahmen lösbar in Abständen voneinander angeordnet sind und Pumpflächen für die Gasarten bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch g ek ennzeichnet, daß jede der Platten auf einer Oberfläche mit einem kryosorbierendem Material beschichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Platten am Rahmen durch leicht lösbare Befestigungsmittel angebracht sind.

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Borverbindung: Boytrlsch. Hypothektn- und Wochtelbank MOnditn, MOndientr Fr.lhtit, Kto.-Nr. 3180012175 ■ Poitidi.ddconfo MOndien 184020-804

ORIGINAL INSPEC
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennze ichne t, daß die Befestigungsmittel Schrauben aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen einen sich axial erstreckenden Kern und eine Vielzahl von Rippen aufweist, die sich vom Kern erstrecken, und daß die Platten in Gruppen angeordnet sind, die sich vom Kern zwischen einander benachbarten Rippen nach außen erstrecken.
6. Kryogenpumpvorrichtung mit Pumpflächen, die zur Kondensation und Adsorption von G-asarten auf vorherbestimmter Temperatur gehalten sind,

gekennzeichnet durch einen Rahmen mit einem sich axial erstreckenden Kern und einer Vielzahl von Rippen, die sich vom Kern radial erstrecken, eine G-ruppe axial im Abstand voneinander angeordneter paralleler platten, die sich vom Kern nach außen zwischen einander benachbarten Rippen erstrecken und unter einem vorherbestimmten Winkel zur Achse des Kerns geneigt sind, eine Beschichtung aus kryosorbierendem Material an einer Oberfläche jeder der platten, und lösbare Befestigungsmittel, die die Platten an den Rippen festhalten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel Schrauben auf v/eisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennz eichnet, daß die Platten insgesamt ebene Stege haben, an deren Seiten sich Befestigungsbereiche in der llähe der radialen Rippen des Rahmens erstrecken.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, -

dadurch gekennzei ohne t, daß der Rahmen sechs sich radial erstreckende Rippen aufweist, und daß die Platten in sechs Gruppen zu je sechs Platten jeweils zwischen den Rippen angeordnet sind.

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10. Kryogenpumpvorrichtung mit einem Rahmen, einer Vielzahl von Pumpflachen "bildenden Platten lind 3efestigungselementen, die die Platten am Rahmen halten,

dadurch gekennz e ichne t, daß die Vorrichtung durch folgende Schritte hergestellt ist: an einer Oberfläche jeder der Platten wird, ehe die platten am Rahmen angebracht werden, eine Beschichtung aus kryosorbierendem Material gebildet, die beschichteten Platten werden am Rahmen angeordnet, und die Befestigungsmittel werden angebracht, um die platten am Rahmen festzuhalten.
11. Kryogenpumpvorrichtung zum Entfernen von Gasarten aus einer Kammer,

gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die eine Einlaßöffnung für die C- as verbindung mit der Kammer bildet, eine erste Stufe, die sich axial von der Einlaßöffnung erstreckt und eine Pumpfläche hat, v/eiche auf einer ersten Temperatur gehalten ist, um einen Teil der G-asarten zu entfernen, sowie eine zweite Stufe, die koaxial mit der ersten Stufe angeordnet ist und eine Vielzahl von Pumpflachen hat, die auf niedrigerer temperatur als der ersten Temperatur gehalten sind, um einen zusätzlichen Teil der G-asarten zu entfernen, wobei die erste Stufe einen jalousieartigen v/ärmeschild aufweist, üer zwischen der Einlaßöffnung und der zweiten Stufe angeordnet ist und verhindert, daß V/ärmestrahlung von der Kammer unmittelbar auf die Pumpflächen der zweiten Stufe fällt, während er eine verhältnismäßig ungestörte Strömung von G-asarten von der Einlaßöffnung zur zweiten Stufe ermöglicht, wobei die zweite Stufe einen !lahmen aufweist, der einen sich axial erstreckenden Kern und eine Vielzahl sich radial vom Kern erstreckender Rippen aufweist, eine Vielzahl axial im Abstand voneinander insgesamt parallel angeordneter Platten, die sich vom Kern nach außen und von der Einlaßöffnung weg zwischen einander benachbarten Rippen erstrecken, wobei an den Innenflächen jeder Platte eine Beschichtung aus kryososorbierendem Material angebracht ist und lösbare Befestigungsmittel die platten an den Rippen festhalten.

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12. Kryogenpumpvorrichtung zum Entfernen von G-asarten aus einer Kammer,

dadurch gekennzeichnet, daß eine erste pumpstufe auf einer ersten Temperatur gehalten ist, um einen Teil der Gasarten zu entfernen, und daß eine zweite Pumpstufe auf einer niedrigeren Temperatur als der ersten Temperatur gehalten ist, um einen zusätzlichen Teil der G-asarten au entfernen, daß die zweite Stufe einen Rahmen aufweist, der einen sich axial erstreckenden Kern und eine Vielzahl sich radial vom Kern erstreckender Rippen aufweist, und daß eine Vielzahl einzelner Platten lösbar am Rahmen angebracht ist, welche Pumpflächen für die G-asarten bilden, und daß die Platten eine Beschichtung aus einem kryosorbierendem Material an einer Oberfläche aufweisen und in axial in Abständen voneinander angeordneten Gruppen vorgesehen sind, die sich vom Kern zwischen einander benachbarten Rippen nach außen erstrecken.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß die Platten an den Rippen mittels ohne weiteres lösbarer Schrauben angebracht sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß die Platten insgesamt ebene Stege mit Befestigungsbereichen an den Seiten der Stege in der Hähe der radialen Rippen des Rahmens haben.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennz ei chne t, daß der Rahmen sechs sich radial erstreckende Rippen aufweist, und daß die Platten in sechs Gruppen zu je sechs platten jeweils zwischen den Rippen angeordnet sind.

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