DE3232324C2

DE3232324C2 - Refrigerator-betriebene Kryopumpe

Info

Publication number: DE3232324C2
Application number: DE3232324A
Authority: DE
Inventors: Werner 5034 Rösrath-Hoffnungsthal Bächler; Rolf Dr. 5354 Weilerswist Heisig
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1982-08-31
Filing date: 1982-08-31
Publication date: 1986-08-28
Also published as: US4479360A; DE3232324A1; CH661099A5

Abstract

Bei einer Refrigerator-betriebenen Kryopumpe mit den zu pumpenden Gasen ausgesetzten, zur Anlagerung dieser Gase bestimmten (6, 11, 12, 14) und nicht bestimmten (3, 8) Flächenabschnitten wird zur Schaffung definierter Temperaturverhältnisse vorgeschlagen, den zur Anlagerung von Gasen nicht bestimmten Flächen (3, 8) eine Abschirmung (18, 19, 23) mit im wesentlichen konstanter Temperatur zuzuordnen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kryopumpe mit einem zweistufigen Refrigerator, bei der der Pumpenkopf der ersten Stufe über ein Rohr mit dem Pumpenkopf der zweiten Stufe verbunden ist, bei der der Pumpenkopf der ersten Stufe ein die zveite Stufe überragendes topfförmiges Abschirmgehäuse in gut wärmeleitender Verbindung trägt, dessen Öffnung mit einem Baffle ausgerüstet ist und den Gaseintritt der Pumpe bildet, und bei der der Pumpenkopf der zweiten Stufe Pumpflächen trägt, die sich in Richtung auf den Pumpenkopf der ersten Stufe erstrecken, wobei die dem Rohr zugewandten Pumpflächen mit einem Adsorptionsmaterial belegt sind.

Aus den deutschen Offenlegungsschriften 26 20 880 und 28 21 276 sind Kryopumpen dieser Art bekannt. Da die Pumpflächen der zweiten Stufe und das die Pumpenköpfe miteinander verbindende Rohr relativ nahe beieinander angeordnet sind, läßt es sich nicht vermeiden, daß sich — insbesondere nach längerer Betriebsdauer — auch an der eigentlich nicht für die Anlagerung von Gasen bestimmten Oberfläche des Verbindungsrohres Gase niederschlagen. Infolge des Temperaturgradienten gibt es dort Flächenbereiche mit Zwischentemperaturen, an denen Gase mit bestimmten physikalischen Eigenschaften (z. B. Argon) bei höheren Drücken sich zunächst anlagern und anschließend bei abnehmendem Druck wieder desorbieren. Diese Erscheinung kann so stark auftreten, daß die langsam desorbierenden Gase für relativ lange Zeiten druckbestimmend sind, d. h., die erwünschte Abnahme des Druckes verhindern. Die damit verbundenen langen Pumpzeiten sind insbesondere dann nachteilig, wenn die Kryopumpe bei Sputterprozessen eingesetzt wird.

Hierbei treten kurzzeitig relativ hohe Drücke (z. B.

1 χ 10-² mbar) auf. Danach ist es erwünscht, möglichst schnell wieder ein wesentlich niedrigeres Druckniveau zu erreichen. Weiterhin treten an der Oberfläche des die Pumpenköpfe miteinander verbindenden Rohres infolge des sich darin periodisch bewegenden Verdrängers Temperaturschwankungen auf, die insbesondere bei durch Kryokondensation oder Kryotrapping angelagerten Gasgemischen lokale Desorptionen, Adsorptionen und Umlagerungen von Gasen auslösen, was zu unerwünschten Druckschwankungen im Pumpenraum führt. Aus der DE-OS 29 12 856 ist eine Kryopumpe bekannt bei der aus Gründen der Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Baffles von der eingangs erwähnten üblichen Kryopumpen-Bauweise abgewichen wurde. Die Anordnung ist so getroffen, daß sich die mit dem Pumpenkopf der zweiten Stufe verbundenen Pumpflächen unterhalb des Pumpenkopfes der ersten Stufe befinden, während sich das Baffle, das die Temperatur des Pumpenkopfes der ersten Stufe hat, in Höhe der zweiten Stufe befindet. Dadurch ergeben sich insbesondere für die Pumpflächen der zweiten Stufe große Abstände vom Pumpenkopf. Außerdem bedingt dieser Aufbau ein Stützrohr in Höhe der zweiten Stufe, das das Baffle trägt. Infolge dieses Stützrohres ist das die Pumpenköpfe miteinander verbindende Rohr nicht unmittelbar von Pumpflächen umgeben, so daß an dieses Rohr kein Gas gelangt. Die geschilderten Nachteile (lange Pu.mpzeiten, Druckschwankungen), die den Kryopumpen der eingangs genannten Art anhaften, treten deshalb bei der Kryopumpe nach der DE-OS 29 12 856 nicht auf; insgesamt ist jedoch ihr Aufbau kompliziert und weist lange Wärmebrücken auf, die die Pumpeigenschaften beeinträchtigen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, eine Kryopumpe in der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der unerwünscht lange Pumpzeiten und Druckschwankungen nicht mehr auftreten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß um das den Pumpenkopf der ersten Stufe mit dem Pumpenkopf der zweiten Stufe verbindende Rohr des Refrigerators ein mit einem deir Pumpenköpfe in wärmeleitender Verbindung stehendes Schutzrohr angeordnet ist, das in geringem Abstand zum jeweils anderen Pumpenkopf steht. Zweckmäßigerweise besteht das Schutzrohr aus mehreren Teilen, z. B. aus zwei Halbzylindern.

Die Größe des Abstandes des jeweils freien Endes des Schutzrohres von der dort befindlichen Stufe ist so zu wählen, daß zum einen ein thermischer Kontakt vermieden ist, zum anderen der Durchtritt von Gasen weitestgehend behindert ist. Diese Ziele sind erreicht, wenn der Abstand in der Größenordnung eines oder mehrerer Millimeter liegt. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Kryopumpe sind Flächenbereiche mit kritischen Übergangstemperaturen oder mit Temperaturschwankungen nicht mehr vorhanden. Die dadurch bewirkten negativen Einflüsse auf den Druckverlauf in der Kryopumpe sind damit praktisch ausgeschlossen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Die Figuren zeigen jeweils eine Hälfte einer im wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebauten Kryopumpe 1, welche mit einem zweistufigen Refrigerator 2 betrieben wird. Im einzelnen umfaßt dieser Refrigerator den zylindrischen Abschnitt 3 zwischen dem nicht dargestellten Fuß der Pumpe und der ersten Stufe 4,'die während des Betriebs des Refrigerators eine Tempera-

3

tür zwischen 60 und 100 K hau mehr, die unerwünschte Zwischen-Temperaturbereiche

An dem flanschartigen Pumpenkopf 5 der ersten Stu- haben.

fe4istein Abschirmgehäuse aus Metal! in gut wärmelei- Die Erfindung wurde anhand einer mit einem zwei-

tendem Kontakt gehaltert, so daß dieses Gehäuse die stufigen Refrigerator betriebenen Kryopumpe 1 beTemperatur der ersten Stufe 4 annimmt, innerhalb des 5 schrieben. In diesem Fall kann auch der zylindrische Gehäuses 6 liegt die zweite Stufe 7 des Refrigerators 2. Rohrabschnitt 3 mit einer Abschirmhülse 23 (gestrichelt Zwischen der ersten Stufe 4 und der zweiten Stufe 7 des dargestellt) ausgerüstet sein. Auch bei einer Kryopum-Refrigerators 2 erstreckt sich das zylindrische Rohr 8. pe, die mit einem einstufigen Refrigerator betrieben Innerhalb der Rohrabschnitte 3 und 8 befinden sich die wird, kann eine solche Abschirmung in Form eines im einzelnen nicht dargestellten Displacer der beiden io Schutzrohres zweckmäßig sein. Schließlich sind Kryo-Stufen, die während des Betriebs des Refrigerators pe- pumpen bekannt, die mit dreistufigen Refngeratoren riodische Bewegungen ausführen. betrieben werden. In einem solchen Fall ist es zweckmä-

Am flanschartigen Pumpenkopf 9 der zweiten Stufe 7, Big, zumindest die sich zwischen der ersten und der die eine konstante Temperatur zwischen 10 und 20 K zweiten bzw. zwischen der zweiten und der dritten Stufe annimmt, sind zwei ebene Pumpflächen 11 und 12 gut 15 erstreckenden Abschnitte des Refrigerators mit den erwärmeleitend befestigt Diese sind jeweils auf ihrer In- findungsgemäßen Abschirmungen in Form von Schutznenseite mit einem Adsorptionsmittel (Aktivkohle, Zeo- rohren zu versehen, lith oder dergleichen) 13 belegt. Der Aufbau der Abschirmungen ist in vielen Variatio-

Durch das Gehäuse 6 sind die darin befindlichen Bau- nen möglich. Die Abschirmungen können Hülsenform teile der zweiten Stufe gegen Wärmestr?hlung abge- 20 haben oder aus zwei Halbzylindern bestehen. Ein runschirmt. Diesen Zweck hat auch das Baffle 14, das in der der Querschnitt ist dabei nicht zwingend. Das Material Eintrittsöffnung 15 des Gehäuses 6 angeordnet und muß so gewählt sein, daß es bei den eintretenden Temüber wärmeleitende Brücken derart darin gehaltert ist, peraturen noch gut wärmeleitend ist, damit unerdaß es im wesentlichen die Temperatur des Gehäuses 6 wünschte Temperaturgradienten nicht auftreten, annimmt. 25

Das Pumpengehäuse und ein Anschlußflansch sind Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

mit 16 und 17 bezeichnet Bei anderen Ausführungsformen erstreckt sich das Gehäuse 16 bis in die Höhe der Eintrittsöffnung 15 des Gehäuses 6, so daß der Anschlußflansch 17 ebenfalls in dieser Höhe liegt.

Das Baffle 14 und das Innere des Gehäuses 6 bilden die Pumpflächen, an denen sich bevorzugt Wasserdampf und Kohlendioxid anlagern. Die äußeren Flächenbereiche der Pumpflächen 11 sind dazu bestimmt, vorzugsweise Gasgemische durch Kryokondensation und Kryotrapping zu binden. An den inneren, mit Aktivkohle oder dergleichen belegten Pumpflächen findet im wesentlichen die Kryosorption leichter Gase statt.

Da nach und nach auch schwerere Gase in den Raum zwischen dem Rohrabschnitt 8 und den Pumpflächen 11, 12 gelangen können, und zwar z. B; insbesondere dann, wenn einzelne Gasarten mit hoher Konzentration auftreten, können dort die eingangs geschilderten Erscheinungen — Adsorption bei höherer Temperatur, Desorption bei niedriger Temperatur oder unerwünschte Umlagerungen — auftreten, da an dem Rohrabschnitt 8 nicht nur die beschriebenen Temperaturschwankungen, sondern auch noch jede beliebige Temperatur zwischen den Temperaturen der ersten Stufe 4 und cer zweiten Stufe 7 des Refrigerators 2 auftreten. Durch ein Schutzrohr 18 oder 19 können diese Erscheinungen vermieden werden.

Das Schutzrohr 18 nach Fig. 1 ist gut wärmeleitend mit dem Pumpenkopf 9 der zweiten Stufe 7 verbunden und erstreckt sich bis unmittelbar vor die erste Stufe 4 des Refrigerators 2. Der Abstand 21 zu dieser Stufe muß so gewählt sein, daß einerseits ein Wärmekontakt nicht vorhanden ist, andererseits der Eintritt von Gasteilchen nahezu ausgeschlossen ist. Dadurch nimm» das Schutzrohr 18 auf seiner gesamten Länge die Temperatur der zweiten Stufe 7 an, so daß unerwünschte Temperatur-Zwischenbereiche oder Temperaturschwankungen nicht mehr auftreten. Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist das Schutzrohr 19 gut wärmeleitend mit der ersten Stufe 4 des Refrigerators 2 verbunden und nimmt, da sie zur zweiten Stufe 7 den Abstand 22 hat, deren Temperatur an. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel »sehen« die zu pumpenden Gase keine Flächen

Claims

Patentansprüche:

1. Kryopumpe mit einem zweistufigen Refrigerator (2), bei der der Pumpenkopf (5) der ersten Stufe (4) über ein Rohr (S) mit dem Pumpenkopf (9) der zweiten Stufe (7) verbunden ist, bei der der Pumpenkopf der ersten Stufe ein die zweite Stufe überragendes topfförmiges Abschirmgehäuse (6) in gut wärmeleitender Verbindung trägt, dessen öffnung (15) mit einem Baffle (14) ausgerüstet ist und den Gaseintritt der Pumpe bildet, und bei der der Pumpenkopf der zweiten Stufe Pumpflächen (11, 12) trägt, die sich in Richtung auf den Pumpenkopf der ersten Stufe erstrecken, wobei die dem Rohr (8) zugewandten Pumpflächen mit einem Adsorptionsmaterial (13) belegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß um das den Pumpenkopf (5) der ersten Stufe (4) mit dem Pumpenkopf (9) der zweiten Stufe (7) verbindenden Rohr (8) des Refrigerators (2) ein mit einem der Pumpenköpfe in wärmeleitender Verbindung stehendes Schutzrohr (18 oder 19) angeordnet ist, das in geringem Abstand (21 oder 22) zum jeweils anderen Pumpenkopfsteht.

2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (18, 19) aus mehreren Teilen besteht.

3. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (18,19) aus zwei Halbzylindern besteht.