DE3531942C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochgeschwindigkeitsmolekularpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei nuklearen Fusionsreaktoren, die ein Magnetfeld einschließen, wird aufgrund der D-T-Reaktion im Reaktorkernplasma eine große Menge Helium erzeugt. Beispielsweise erzeugt ein Kernreaktor mit einer Wärmeleistung von 600 000 Kilowatt 2 × 10²⁰ Moleküle Helium pro Se­ kunde. Wenn das Helium im Plasma zunimmt, nehmen auch die Strah­ lungsverluste des Plasmas zu, während die Brennstoffdichte relativ ab­ nimmt. Deshalb ist es erforderlich, ständig das Helium aus dem Reak­ torkernplasma in einen äußeren Bereich abzusaugen. Bei einem nukle­ aren Fusionsreaktor vom Tokamak-Typ wird ein Plasmateilchen hoher Temperatur durch eine Vorrichtung abgekühlt und neutralisiert, die ein sogenannter magnetischer Ablenker oder Pumpenbegrenzer ist. Das He­ lium wird hierbei vom Reaktorplasma mittels einer Vakuumab­ saugvorrichtung abgesaugt, die mit dem magnetischen Ablenker oder Pumpenbegrenzer verbunden ist.

Aufgrund neuerer theoretischer Untersuchungen und Versuche hat sich gezeigt, daß der Druck eines Gasgemischs aus Brennstoffgas (Deute­ rium oder Tritium) und Helium etc. an einer Verbindungsstelle zwi­ schen dem magnetischen Ablenker oder Pumpenbegrenzer und der Va­ kuumabsaugvorrichtung auf 0,13 bis 1,3 Pa ansteigen kann. Bei diesem Druck beträgt die erforderliche Absauggeschwindigkeit 10⁴-10⁵ l/ sec. Auf der anderen Seite muß das Ausströmen der Substanz in die Atmosphäre stark unterdrückt werden, weil Tritium eine radioaktive Substanz mit einer Halbwerkszeit von 12 oder 13 Jahren ist und in X-Strahlung zerfällt. Da Tritium außerdem einen großen Einfluß auf organische Substanzen hat, kann ein hochpolymeres organisches Mate­ rial, wie z. B. Schmieröl, grundsätzlich nicht in der Vakuumabsaugvor­ richtung verwendet werden. Es ist ferner wünschenswert, daß eine Tritiummenge, die sich in der Vakuumabsaugvorrichtung befindet, stark reduziert werden kann. Für den Fall, daß sich die Vakuumabsaugvor­ richtung in der Nähe des Reaktorkerns befindet, wird ein Gas mit hoher Temperatur aus dem Plasma in die Absaugvorrichtung abgesaugt; d. h. Strahlungslicht wird durch die Absaugvorrichtung aufgenommen. Es ist deshalb erwünscht, daß die zu verwendende Vakuumpumpe ausrei­ chend beständig gegenüber der Hitze des Hochtemperatur-Gases und gegenüber der Strahlung ist.

Eine Vakuumabsaugvorrichtung, welche die vorstehend genannten An­ forderungen vollständig erfüllt, gibt es bis jetzt noch nicht, es wurden jedoch schon mögliche Vorrichtungen untersucht, die hauptsächlich eine Cryo-Pumpe, eine Quecksilber-Diffusionspumpe oder eine Molekular- Pumpe enthielten.

Die Cryo-Pumpe hat den Vorteil, daß sie sauber ist und eine hohe Absauggeschwindigkeit erreicht. Nachteilig ist indessen, daß das Ab­ saugen von Helium schwierig ist und daß häufig eine Regenerationsbe­ handlung durchgeführt werden muß.

Bei der Quecksilber-Diffusionspumpe besteht ein Problem darin, daß Quecksilberdampf mit dem Reaktorkernplasma vermischt wird oder in ein Tritiumbearbeitungssystem einer anschließenden Stufe trotz einer sehr wirksamen Falle gelangt.

Die Molekularpumpe (vgl. z. B. die DE-OS 24 12 624 und 25 12 828 ist am besten für die Vakuumabsaugeinrichtung geeignet, weil sie unter einem Druck von 0,13 bis 1,3 Pa arbeitet, um dieselbe Verdichtung zu erreichen, wobei die Menge des enthaltenen Tritiums gering ist. Bei der herkömmlichen Molekularpumpe besteht jedoch ein Problem darin, daß der Wirbelstromverlust in einem Ma­ gnetfeld von Hunderten oder Tausenden Gauß

sehr groß ist, wodurch sie unbrauchbar wird.

Es ist bekannt, beim Einsatz von Molekularpumpen in starken Magnet­ feldern (Z. Vakuum-Technik, 27. Jahrgang, Heft 1, Seite 6 bis 8), als Maßnahme gegen die Wirbelströme und die hierdurch bedingte Erwärmung eine interne Abschirmung des Rotors oder eine metallische Abschirmung der ganzen Pumpe vor­ zusehen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochgeschwindig­ keits-Molekularpumpe zu schaffen, die für das Absaugen von Gas in einem starken Magnetfeld von Hunderten von Gauß oder mehr ver­ wendet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge­ löst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt einer zusammengesetzten Molekularpumpe ge­ mäß der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche die Saugdruck-Austritts­ geschwindigkeits-Charakteristik der zusammengesetzten Molekular­ pumpe zeigt.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer zusammengesetzten Mo­ lekularpumpe als bevorzugte Hochgeschwindigkeits-Molekularpumpe ge­ mäß der Erfindung dargestellt. Diese Pumpe weist ein Pumpengehäuse 1 auf, in dem ein Turbo-Molekularpumpenabschnitt 2 im oberen Be­ reich und ein Schraubgewinde-Pumpenabschnitt 3 im unteren Bereich vorgesehen ist. Der Turbo-Molekularpumpenabschnitt 2 enthält Dreh­ flügel 2 a, die am Umfang von Drehscheiben 4 angeordnet sind, die ihrerseits in mehrere Schichten aufgeteilt sind, sowie ortsfeste Flügel 2 b, die sich an dem inneren Umfang des Pumpengehäuses 1 befinden. Der Schraubgewinde-Pumpenabschnitt 3 enthält einen Rotor 3 a und einen Gewindekanal 3 b, der auf der inneren Umfangsfläche eines Zy­ linders 5 angeformt ist, der seinerseits an die innere Umfangsfläche des Pumpengehäuses 1 angepaßt ist. Umgekehrt kann der Gewinde­ kanal 3 b auch auf dem Umfang des Rotors 3 a vorgesehen sein. Die ortsfesten Flügel 2 b, der Zylinder 5 und eine innere Buchse 1 a, die weiter unten noch beschrieben wird, bilden zusammen mit dem Pum­ pengehäuse 1 ein stationäres Gebilde.

Eine Antriebswelle 6 wird durch die innere Buchse 1 a des Pumpenge­ häuses mittels Lager 7 a und 7 b abgestützt. An ihrem oberen Ende ist sie mit dem Rotor 3 a verbunden, der mit den Drehscheiben 4 in­ tegral verbunden ist.

Ein Antriebsmotor 8 ist am unteren Ende der Antriebswelle 6 vorge­ sehen. Dieser Antriebsmotor 8 ist ein Fluid-Turbinenmotor, der durch Druckluft, Stickstoffgas oder andere Fluide angetrieben wird und der über die Antriebswelle 6 die integral verbundenen Drehscheiben 4 und den Rotor 3 a antreibt.

Ein Antriebswellen-Dichtungsteil 9 ist als kontaktfreie Dichtung aus­ gelegt, beispielsweise als Gas-Antriebswellendichtung, als Gewindeka­ nal-Antriebswellendichtung oder als Labyrinth-Dichtung. Der Antriebs­ wellen-Dichtungsteil 9 ist zwischen den beiden Lagern 7 a und 7 b dar­ gestellt. Er kann jedoch auch außerhalb des Lagers 7 b vorgesehen sein, d. h. an der unter Atmosphärendruck stehenden Seite. Die Be­ zugszahl 10 und 11 bezeichnen eine Ansaug- bzw. eine Ausblasöff­ nung, die über eine Rohrleitung mit einer Hilfsvakuumpumpe verbun­ den sein können.

Während des Betriebs, wenn der Turbinenmotor 8 angetrieben wird, werden die Drehflügel 2 a und der Rotor 3 a gedreht, und das Gas, das von der Ansaugöffnung 10 angesaugt wird, wird mit Hilfe der Drehflügel 2 a, die in dem Turbo-Molekularpumpenabschnitt 2 rotieren, sowie den ortsfesten Flügeln 2 b zusammengedrückt. Sodann wird das komprimierte Gas noch einmal durch den Rotor 3 a, der in dem Schraubgewinde-Pumpenabschnitt 3 rotiert, und dem stillstehenden Gewindekanal 36 zusammengedrückt und von der Ausblasöffnung 11 zur Hilfsvakuumpumpe gegeben.

Die rotierenden Teile der zusammengesetzten Molekularpumpe, also die Drehscheiben 4 und die Drehflügel 2 a in dem Turbo-Molekularpumpen­ abschnitt 2, der Rotor 3 a in dem Schraubgewinde-Pumpenabschnitt 3, die Antriebswelle 6, die Lager 7 a, 7 b, der Dichtungsteil 9 der An­ triebswelle und der Antriebsmotor 8, bestehen aus Siliziumnitrid, das ein Material mit einem spezifischen Widerstand von 10^-4 Ω m oder mehr ist. In den Lagern wird ein anorganisches Schmiermittel verwen­ det.

In der Fig. 2 ist eine Saugdruck-Austrittsgeschwindigkeitskurve der zu­ sammengesetzten Molekularpumpe in einem starken Magnetfeld, z. B. von 1 KG, dargestellt, wobei die eine Achse der Koordination den An­ saugdruck (Pa) der Pumpe und die andere Achse eine Ausblasge­ schwindigkeit (1/s) darstellt.

Hierbei nimmt die Austrittsgeschwindigkeit des Stickstoffgases gemäß Kurve A in dem Ansaugdruckbereich vom Superhochvakuum bis maxi­ mal 1 Pa nicht ab. Die Austrittsgeschwindigkeit wird bei einem Druck von 2 Pa auf 7,3% des Maximums reduziert, und sogar unter einem Druck von 13 Pa wird sie nur auf 22% des Maximums reduziert. Außerdem liegt die Austrittsgeschwindigkeit von Wasserstoffgas, wie in der Kurve B gezeigt, im wesentlichen bei einem Maximum im Ansaug­ druckbereich vom Superhochvakuum bis zu 0,3 Pa.

Die Austrittsgeschwindigkeit bei einem Druck von 1 Pa wird auf 60% des Maximums reduziert, und selbst bei einem Druck von 4 Pa wird sie nur auf 22% des Maximums verringert. Sowohl die Kurve A als auch die Kurve B stellen ein tatsächliches Meßergebnis bei einer zu­ sammengesetzten Molekularpumpe dar, die einen Rotor mit einem äußeren Durchmesser von 190 mm aufweist. Das Ergebnis stellt die­ selben Charakteristiken dar wie diejenige bei Abwesenheit eines Ma­ gnetfeldes. Eine maximale Ausgangsgeschwindigkeit für Stickstoffgase ist 550 l/s und für Wasserstoffgas 370 l/s. Bei einer sehr groß ausge­ legten zusammengesetzten Vakuumpumpe mit einem Rotor, der einen äußeren Durchmesser von 400 mm hat, beträgt die maximale Aus­ gangsgeschwindigkeit des Stickstoffgases 2500 l/s und des Wasserstoff­ gases 1700 l/s. In einem Versuchsofen, der eine Vakuumpumpe mit einer Austrittsgeschwindigkeit von 10⁴-10⁵ l/s bei einem Druck von 0,13-1,3 Pa benötigt, ist es ausreichend, etwa zwanzig zusammenge­ setzte Molekularpumpen vorzusehen, und es ist möglich, diese sehr lange in einem starken Magnetfeld zu betreiben.

Obgleich die zusammengesetzte Molekularpumpe in dem Ausführungs­ beispiel einen Turbomolekularpumpenabschnitt und einen Schraubge­ winde-Pumpenabschnitt aufweist, die integral miteinander verbunden sind, kann sie auch so ausgebildet sein, daß der Turbomolekularpum­ penabschnitt mit einem Spiralengewinde-Pumpenabschnitt integral kombiniert ist.

Außerdem kann die Vorrichtung zum Erzeugen eines starken Magnet­ felds die Turbomolekularpumpe enthalten, wobei die Gewindenut-Mole­ kularpumpe oder die Spiralnut-Molekularpumpe die zusammengesetzte Molekularpumpe ersetzen. In diesem Fall können die rotierenden Teile der Turbo-Molekularpumpe, die Gewindenut-Molekularpumpe oder die Spiralnut-Molekularnutpumpe aus Materialien bestehen, die einen spe­ zifischen Widerstand von 10^-4 Ω oder mehr haben. Die Materialien für die rotierenden Teile können zusätzlich zu dem Siliziumnitrid noch Keramiken enthalten, beispielsweise Siliziumcarbid, Aluminiumoxid oder Zirkon, zusammengesetzte Materialien oder mehrschichtige Materialien, die Materialien mit einer hohen Biege- und/oder Druckfestigkeit auf­ weisen, beispielsweise FRP, das einen spezifischen Widerstand von 10^-4 Ω m oder mehr besitzt. Ferner kann der Antriebsmotor ein Flügel­ rad-Fluidmotor sein, der drehende Teile besitzt, die einen spezifischen Widerstand von 10^-4 Ω m aufweist.

Wie oben bereits erwähnt, enthält die erfindungsgemäße Hochgeschwin­ digkeits-Molekularpumpe Drehteile, die aus elektrisch isolierenden Tei­ len mit einem spezifischen Widerstand von 10^-4 Ω m oder mehr be­ stehen, wodurch sich die folgenden Effekte ergeben.

Die Leitungsverluste der Rohrleitungen können verringert werden, in­ dem die Pumpe für das Vakuumblasen eines nuklearen Fusionstestreak­ tors oder eines praktischen Reaktors verwendet wird, der ein starkes Magnetfeld erzeugt. Demzufolge wird selbst dann, wenn die Pumpe in der Nähe des Vakuumbehälters angeordnet ist, kein Wirbelstrom er­ zeugt, und eine gleichmäßige Rotation bei hoher Geschwindigkeit kann für eine lange Zeit gewährleistet werden. Weiterhin kann eine gewün­ schte Absaugfunktion erhalten werden, indem eine geeignete Anzahl von Pumpen parallel geschaltet werden. Es ist auch möglich, auf groß­ volumige Röhrensysteme zu verzichten, indem ein verzweigtes Lei­ tungssystem vorgesehen wird. Ferner kann ein Regelsystem für eine Vakuumabsaugpumpe vereinfacht werden. Schließlich ist die Rotations­ pumpe ganz allgemein zum Absaugen radioaktiver Gase wie Tritium verwendbar.

Claims (3)

1. Hochgeschwindigkeitsmolekularpumpe mit einem oberen Molekularpumpen­ abschnitt und einem unteren Schraubgewinde-Pumpenabschnitt, wobei der Mo­ lekularpumpenabschnitt übereinander angeordnete Drehschaufeln sowie überein­ ander angeordnete stationäre, an dem inneren Umfang eines Pumpengehäuses befestigte Schaufeln aufweist, die kammartig in die Lücken zwischen den Dreh­ flügeln eingreifen, und wobei der Schraubgewinde-Pumpenabschnitt einen Rotor mit einer Aussparung aufweist, in der eine Lagerbuchse für eine Antriebswelle vorgesehen ist, die von einem Motor angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (8), Rotorschaufeln (2 a) und -scheiben (4) des Rotors (3 a) und die Welle (6) aus elektrisch isolierenden Materialien bestehen, die einen spezi­ fischen Widerstand von etwa 10^-4 Ωm oder mehr besitzen.

2. Hochgeschwindigkeitsmolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Materialien Keramiken oder faserverstärkte Kunst­ stoffe sind.

3. Hochgeschwindigkeitsmolekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Materialien aus Silizium-Nitrid bestehen oder dieses enthalten.