DE3038415C2

DE3038415C2 - Zweistufige Kryopumpe

Info

Publication number: DE3038415C2
Application number: DE3038415A
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: 1987-02-12
Also published as: GB2061391A; JPS5664175A; FR2468008A1; DE3038415A1; CH650560A5; GB2061391B; US4295338A

Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Kryopumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei zweistufigen Kryopumpen wird die erste Pumpstufe typischerweise auf einer Temperatur im Größenordnungsbereich von 50°K-80°K und die zweite Pumpstufe auf kühlerer Temperatur im Größenordnungsbereich von 10°K- 20°K 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, Wasserstoff und Neon, für deren Kondensation oder Adsorption eine niedrigere Temperatur nötig ist, in der zweiten Stufe gepumpt werden.
Eine zweistufige Kryopumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist durch die DE-OS 26 20 880 bekanntgeworden. Bei dieser bekannten Kryopumpe sind die Platten, die die Pumpflächen bilden, parallele Platten, die senkrecht zur Einlaßöffnung der Pumpe angeordnet sind. Der Hauptnachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß die Fläche der Platten, die in unmittelbarer Nachbarschaft der zweiten Pumpstufe angeordnet werden können, sehr beschränkt ist, ein Großteil der Pumpfläche jeder Platte ist in einem erheblichen Abstand zu der zweiten Pumpstufe angeordnet, so daß große Wärmetransportwege entstehen, wodurch der Pumpenwirkungsgrad begrenzt wird, wenn nicht mit unwirtschaftliche großen Plattendicken zur Vergrößerung des für den Wärmetransport verfügbaren Querschnittes gearbeitet wird. Der zweite Nachteil der bekannten Konstruktion bsteht darin, daß die Pumpflächen an einem fest innerhalb der Pumpe angeordneten Flansch befestigt sind, so daß ein beispielsweise durch Verschmutzung erforderlicher Austausch der Pumpflächen nur mit erheblichem Aufwand durchzuführen ist.
In der nachveröffentlichten DE-OS 29 12 856 ist eine zweistufige Kryopumpe beschrieben, bei der die zweite Pumpstufe mehrere in Richtung der Pumpenachse voneinander entfernte Pumpflächen aufweist, die sich von der Pumpenachse aus radial nach außen und von der Einlaßöffnung weg erstrecken und die auf ihrem dem Refrigerator zugewandten Flächen mit Kryosorptionsmaterial belegt sind. Bei dieser Kryopumpe ist zwar die Wärmeabfuhr günstiger als bei der eingangs genannten Kryopumpe, ein Austausch der Pumpfläche ist bei dieser älteren Konstruktion jedoch noch wesentlich aufwendiger als bei der eingangs genannten Pumpe.
Bei anderen bekannten Konstruktion von zweistufigen Kryopumpen gemäß DE-OS 24 55 712 oder 28 21 276 wird mit becherförmigen Anordnungen von Pumpflächen gearbeitet, die auf ihrem dem Refrigerator zugewandten Flächen mit Kryosorptionsmaterial belegt sind, wobei die Konstruktion so getroffen ist, daß die Pumpflächen an den Refrigerator angelötet oder angeschweißt sind. Dadurch wird zwar die Wärmeabfuhr verbessert, eine Auswechslung der Pumpflächen bei Verschmutzung ist jedoch praktisch nicht mehr möglich, ohne daß die ganze zweite Pumpstufe ausgetauscht wird. Bei diesen älteren Konstruktionen ist es überdies noch schwierig, überhaupt das Kryosorptionsmaterial aufzubringen, was bei einer umgekehrt becherförmigen Anordnung etwa gemäß DE-OS 28 21 276 durch die schlechte Zugänglichkeit der zu belegenden Flächen zusätzliche Schwierigkeiten bereitet.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kryopumpe der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß einerseits auch großflächige Platten als Pumpflächen in enger Nachbarschaft der zweiten Pumpstufe angeordnet werden können und andererseits die Pumpflächen ohne weiteres austauschbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. Bei dieser Konstruktion kann der Kern mit den daran angesetzten Pumpflächen als Einheit auf den Refrigerator aufgesetzt und sinngemäß auch wieder abgenommen werden, so daß jeweils eine betriebsbereite Pumpflächeneinheit aufgesetzt werden kann, wodurch die Kryopumpe zur Auswechslung der Pumpflächen nur für kurze Zeit außer Betrieb genommen werden muß, während die Auswechslung der einzelnen Pumpflächen außerhalb der Pumpe ohne weitere Störungen des Pumpenbetriebes vorgenommen werden kann.
Die Auswechslung der einzelnen Platten wird durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 noch weiter erleichtert.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt
Fig. 1 eine teilweise unter Weglassung und teilweise schematisch dargestellte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kryopumpe gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen vergrößerten Teilquerschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.
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 Flansch 13 zur Befestigung an einem entsprechenden Flansch 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 ein zweistufiger Refrigerator 14 mit einer langgestreckten ersten Stufe 16 mit einem ringförmigen Flansch 17 in der Nähe des oberen Endes sowie einer langgestreckten zweiten Stufe 18 mit einem Flansch 19 in der Nähe des oberen Endes. Die erste Stufe wird typischerweise auf einer Temperatur im Bereich von 50°K-80°K und die zweite Stufe auf einer Temperatur im Bereich von 10°K-20°K gehalten. Der Refrigerator erstreckt sich axial durch den Boden 11 und ist an diesem mittels einer hier nicht gezeigten Einrichtung dicht befestigt.
Zur ersten Stufe der Pumpe gehört ein insgesamt becherförmiger Körper 21, der am Flansch 17 des Refrigerators angebracht und mittels Schrauben 22 befestigt ist. Zwischen dem Pumpenkörper und dem Flansch des Refrigerators ist eine Indiumdichtung 23 vorgesehen, die innige Wärmeberührung zwischen den ersten Stufen des Refrigerators 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 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 Flansch 19 am oberen Ende der zweiten Stufe des Refrigerators angebracht und mittels Schrauben 31 befestigt, wobei eine Indiumdichtung 32 eine innige Wärmeberührung zwischen den zweiten Stufen des Refigerators 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, 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.
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 reflektieren. Beim bevorzugten Herstellungsverfahren wird die Beschichtung mit kryosorbierendem Material an den Innenflächen oder Unterseiten der Platten aufgebracht, ehe die Platten am Rahmen angeordnet 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 ist, 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 49, 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 zwischen 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 Wärmeschildes sind geschwärzt, um zu verhindern, daß Wärmestrahlung zur zweiten Stufe der Pumpe reflektiert wird. Der jalousieartige Wärmeschild 44, 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. Der Rezipient wird mit der Einlaßöffnung der Pumpe in Gasverbindung gebracht und der mit dem Refrigerator 14 verbundene Kompressor betätigt, um die erste Pumpstufe auf einer Temperatur im Bereich von 50°K-80°K und die zweite Pumpstufe auf einer Temperatur im Bereich von 10°K-20°K 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. 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.
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.

Claims

1. Zweistufige Kryopumpe, bei der die zweite Pumpstufe mehrere, voneinander entfernte Pumpflächen aufweist, die zum Rezipienten hin abgeschirmt sind, auf ihren dem Refrigerator zugewandten Flächen mit Kryosorptionsmaterial belegt sind und mit einem Befestigungsflansch am Kopf des Refrigerators lösbar befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpflächen von einem hohlzylindrischen Kern (27) und daran angesetzten, sich radial nach außen und zur ersten Stufe hin erstreckenden Platten (34) gebildet sind.

2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (34) an Rippen (29) befestigt sind, die sich radial vom hohlzylindrischen Kern (27) aus erstrecken.