DE3914709C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zur Strahlungs­ temperaturmessung an Schmelzen im Vakuum.

Bei der Temperaturmessung von im Vakuum befindlichen schmelzflüssigen Proben, insbesondere Metallen, besteht das Problem, daß Material der Probe in dampfförmigem Zustand sich an der Wand der Vakuumkammer oder an dem Fenster des benutzten Pyrometers ablagert. Dabei wird das ursprünglich für die Strahlung durchlässige Teil durch Bedampfung schon nach kurzer Zeit strahlungs­ undurchlässig und für die weitere pyrometrische Messung unbrauchbar.

Eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art ist bekannt aus JP 60-57 224(A). Bei dieser Vorrichtung sind vor dem Pyrometer Blenden­ platten mit kleinen Löchern installiert, durch die von der Schmelze ausgehende Strahlung auf geradem Wege zum Pyrometer durchdringen kann. Durch diese Blenden soll verhindert werden, daß Dampf zu einem vor dem Pyrometer angeordneten Fenster vordringt und sich auf diesem niederschlägt. Mit einer derartigen Blendenkombination läßt sich eine Bedampfung des Beobachtungsfensters nicht über längere Zeit verhindern, weil ein gerader Weg für die abdampfenden Teilchen ständig offen ist.

Ferner ist es aus DE-PS 4 73 064 und aus US 46 50 318 bekannt, zum Schutze von Linsen gegen sich ablagernde Teilchen Gasströmungen vor der Linse zu erzeugen, die diese Teilchen fortreißen sollen. Solche Gasströmungen verbieten sich aber in Vakuumkammern, weil dadurch das Vakuum verschlechtert würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Art derart weiterzubilden, daß Dampfteilchen noch wirksamer von dem im Strahlenweg enthaltenen optischen Bauteil oder Fenster, das der Schmelze am nächsten ist, ferngehalten werden, so daß die mögliche Beobachtungsdauer verlängert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit dem Merkmal des kennzeichnenden Teils des Patentan­ spruchs 1.

Die Vorrichtung ist auch zur Pyrometrie an im Vakuum sublimierenden Substanzen geeignet. Sie kann eingesetzt werden zur Pyrometrie an im Vakuum abdampfenden Substanzen, seien sie fest oder flüssig.

Nach der Erfindung weist das Materiefilter ein rotie­ rendes Flügelrad auf, zwischen dessen Flügeln der Strahlenweg hindurchgeht. Der Strahlenweg wird zwischen zwei Flügeln des Flügelrades jeweils kurzzeitig freigegeben. Nur solche Dampfmoleküle, deren Bewegungsvektor parallel zum Strahlenweg gerichtet ist, und die schnell genug sind, um nicht von den Flügeln des rotierenden Flügelrades erfaßt und absorbiert zu werden, können die Lücke zwischen zwei Flügeln über die Länge des Flügelrades passieren. Je größer die Länge des Flügelrades ist, um so geringer ist die Wahrschein­ lichkeit, daß ein Dampfmolekül den von den Flügeln begrenzten Kanal in seiner gesamten Länge durchfliegen kann, ohne von den Wänden dieses Kanals absorbiert zu werden. Die Flügel des Flügelrades müssen nichtnot­ wendigerweise an den radialen Enden frei auslaufen, sondern sie können auch achsparallele Löcher umschließen und an ihren Enden miteinander verbunden sein. Wichtig ist, daß der Strahlenweg über einen kurzen Anteil der Umdrehungszeit des Flügelrades unge­ hindert durch einen Kanal verläuft. Das Flügelrad muß daher eine möglichst große axiale Erstreckung haben. Vorzugsweise beträgt die axiale Erstreckung des Flügelrades mindestens 5 cm insbesondere etwa 10 cm.

Betrachtet man Metallschmelzen am Schmelzpunkt, so liegt die mittlere Geschwindigkeit der abdampfenden Teilchen in der Größenordnung von 1000 m/s. Ein Bedampfen von optischen Komponenten des Pyrometers wird wirksam verhindert, wenn durch das Materiefilter alle Teilchen mit einer Geschwindigkeit kleiner als das Fünf­ fache der mittleren Geschwindigkeit der von der Schmelze abdampfenden Teilchen zurückgehalten werden. Aufgrund der Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung der abdampfenden Teilchen kann dann zwar immer noch ein Teil der Teilchen das Filter überwinden, dieser Anteil ist dann aber zu vernachlässigen. Für Teilchen, die parallel zur Rotationsachse des Flügelrades einfallen und auf das Flügelrad in Höhe der Blenden auftreffen, ist bei einer Flügelradlänge L=0,1 m eine Flügel­ frequenz von etwa 5×10⁴ Hz erforderlich. Die Flügel­ frequenz f ist definiert als

worin V _U die Umfangsgeschwindigkeit auf dem Radius der Blendenposition und b die Kanalbreite auf dem Radius der Blenden­ position ist. Die Flügelfrequenz entspricht der rezi­ proken Öffnungszeit des Kanals. Ein weiterer Begriff zu Charakterisierung des Flügelrades ist seine Licht­ durchlässigkeit, angegeben in % der durch das Filter bewirkten Lichtabschwächung, sie wird bestimmt durch die Breite der Flügel in Höhe der Blenden. Eine hohe Lichtdurchlässigkeit ist erwünscht, d. h. die Flügel sollten möglichst schmal sein.

Das Materiefilter läßt die von der Schmelze ausgehende Strahlung zum Pyrometer durch, bildet aber für Materie­ teilchen, auch solche in Dampfform, einen sehr großen Durchgangswiderstand. Dadurch wird erreicht, daß der Dampf des Schmelzenmaterials an dem Materiefilter zurückgehalten wird, während die Strahlung auf einem geradlinigen Weg ungehindert hindurchgeht. Das Materie­ filter braucht nicht ständig für Strahlung durchlässig zu sein, sondern es genügt, wenn die Strahlungsdurch­ lässigkeit in bestimmten Zeitabschnitten vorhanden ist, in denen die Messung durchgeführt wird. Hinter dem Filter sind strahlungslenkende Elemente unschädlich, weil in den hinter dem Filter liegenden Bereich nur sehr wenige Dampfmoleküle gelangen, denen es gelingt, das Filter zu durchdringen.

Es ist sinnvoll, die einzelnen Flügel möglichst dünn­ wandig auszuführen, um eine möglichst hohe Lichtdurch­ lässigkeit parallel zur Flügelradachse zu erhalten.

Vorzugsweise sind vor und hinter dem Flügelrad Selek­ tionselemente in Form von Blenden und dgl. vorgesehen, die die außerhalb des Strahlenweges liegenden Bereiche abschirmen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einem Vakuum­ behälter befestigt werden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Flügelrad mit dem Rotor einer Turbo-Molekular­ pumpe, die für die Aufrechterhaltung des Vakuums sorgt, verbunden ist. In diesem Fall ist für das Flügelrad kein separater Antrieb erforderlich und es werden auch keine zusätzlichen Wellendurchführungen durch die Wand des Vakuumbehälters benötigt.

Die Kanäle zwischen den Flügeln des Flügelrades müssen nicht unbedingt achsparallel zur Flügelradachse ver­ laufen, sondern sie können auch zu dieser Achse schräg­ gestellt sein, wenn der herauszufilternde Strahlenweg schräg zur Achse verläuft. Es ist auch nicht erforder­ lich, daß die Flügel des Flügelrades frei auslaufende Enden haben. Vielmehr kann das Flügelrad auch aus einem Zylinder bestehen, der Bohrungen mit axialer Komponente aufweist, wobei die Zwischenräume zwischen den Bohrungen die Flügel bilden.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Vakuumbe­ hälters mit Materiefilter und Pyrometer im Längsschnitt,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Materie­ filters, teilweise aufgebrochen,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer bevor­ zugten Ausführungsform eines Flügels des Flügelrades,

Fig. 4 eine Rotorscheibe einer weiteren Ausführungs­ form des Flügelrades, und

Fig. 5 eine Teil-Seitenansicht eines Flügelrades, das aus mehreren Rotorscheiben der in Fig. 4 darge­ stellten Art zusammengesetzt ist.

Gemäß Fig. 1 befindet sich im Inneren eines Vakuumbehälters 10 ein Tiegel 11, der Schmelzmaterial enthält.

Außerhalb des Vakuumbehälters 10 ist ein Pyrometer 12 angeordnet, das durch ein Fenster 13 die von der Schmelze ausgehende Strahlung empfängt und daraus die Schmelzentemperatur bestimmt.

An einer Wand des Vakuumbehälters 10 ist eine Turbo- Molekularpumpe 14 befestigt, die einen Antriebsmotor 15 enthält, welcher einen mit turbinenartigen Schaufeln versehenen Rotor mit hoher Drehzahl antreibt. Der Rotor steht mit dem Inneren des Vakuumbehälters 10 in Verbindung, so daß die Molekularpumpe Gas aus dem Vakuumbe­ hälter 10 absaugt und über einen Anschluß 16 an eine Vorpumpe abgibt.

Im Vakuumbehälter 10 ist das Materiefilter 17 unterge­ bracht. Dieses Materiefilter weist ein Flügelrad 18 auf, welches durch eine Welle 19 mit dem Rotor der Turbo-Molekularpumpe 14 verbunden ist und mit der Drehzahl der Molekularpumpe 14 von etwa 90 000 U/min angetrieben wird. Die Welle 19 führt durch eine Zwischenwand 20 hindurch, die fest im Vakuumbehälter 10 angebracht und dicht über dem Flügelrad 18 angeordnet ist. Diese Zwischenwand 20 weist eine Blendenöffnung 21 auf, die im Strahlenweg zwischen der Schmelze und dem Pyrometer 12 angeordnet ist. Hinter der Blendenöffnung 21 befindet sich ein schräger Spiegel 22, der die Strahlung durch das Fenster 13 zum Pyrometer 12 reflektiert. Diese Blendenöffnung 21 bildet ein Selektionselement. Auch der Spiegel 22 kann als Selektionselement benutzt werden, wenn er hinreichend klein ist, um nur die von der Schmelze kommende Strahlung zum Pyrometer zu reflektieren.

Im Strahlenweg vor dem Flügelrad 18 ist eine Abschirm­ wand 23 angeordnet, die eine im Strahlenweg liegende Blendenöffnung 24 enthält. Die Abschirmwand 23 bildet die Bodenwand eines Abschirmgehäuses, dessen Seitenwand 25 das Flügelrad 17 umschließt und dessen Oberwand von der Zwischenwand 20 gebildet wird. An der Abschirmwand 23 ist ein Lager 26 für das untere Ende der Flügelrad­ welle vorgesehen. Der Mantel 25 ist im Vakuumbehälter 10 ortsfest angeordnet und er ist vorzugsweise als Kühlmantel ausgebildet, der von einem Kühlmedium durch­ strömt ist.

Das Flügelrad 18 weist gemäß Fig. 2 um eine Nabe 27 herum zahlreiche radial abstehende Flügel 28 auf, zwischen denen sektorförmige Zwischenräume gebildet sind. Die Flügel 28 verlaufen achsparallel zur Nabe 27 und sie erstrecken sich geradlinig über eine Länge von etwa 10 cm in Achsrichtung. Die Anzahl der Flügel 28 ist relativ groß. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt sie 180, so daß die Flügel 28 im Abstandsmaß von zwei Winkelgraden um den Nabenumfang herum ange­ ordnet sind. Bei einer Drehzahl des Flügelrades von 90 000 U/min und einer Lichtdurchlässigkeit von 50% ergibt sich eine Flügelfrequenz von mehr als 500 kHz. Die Wahrscheinlichkeit, daß Moleküle während der kurzen Zeit durch das Flügelrad hindurchtreten, die bei der Drehung des Flügelrades benötigt wird, damit ein Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Flügeln den durch die Blendenöffnungen 24 und 21 hin­ durchgehenden Strahlengang passiert, hängt ab von der Flügelfrequenz, der Länge des Flügelrades und von der mittleren Molekulargeschwindigkeit des Schmelzen­ materials bei der herrschenden Temperatur, Dampfteilchen, die die Blendenöffnung 24 passieren, werden von den Flügeln 28 abgefangen und bleiben an diesen haften. Zwar können vereinzelt Moleküle noch die Blendenöffnung 21 passieren, jedoch entsteht dadurch auf dem Spiegel 22 keine so starke Ablagerung, daß die Spiegelwirkung beeinträchtigt würde.

Um störende Reflektionen an den Flügeln zu verhindern, wird zweckmäßigerweise die in Fig. 3 dargestellte Flügel­ form benutzt, bei der die Flügelbreite bzw. Flügel­ stärke mit zunehmendem Abstand von der Schmelze ver­ größert ist. Durch die in Strahlrichtung sich ver­ größernde Dicke der Flügel 28 bilden zwei benachbarte Flügel eine Strahlungsfalle, in der sämtliche Strahlung gefangen wird, die von einer Flügelwand reflektiert wurde. Auf diese Weise gelangt ausschließlich die durch die Blendenöffnungen 24 und 21 hindurchgehende gerad­ linige Strahlung durch das Materialfilter hindurch.

Der Kühlmantel 25 bewirkt, daß die Störung der pyrome­ trischen Messung durch Wärmestrahlung des Materiefilters 17 möglichst gering ist.

In Fig. 4 ist eine Rotorscheibe dargestellt, die über ihren Umfang verteilt zahlreiche, von der Nabe 27 abstehende Flügel 28 aufweist. Die Rotorscheibe 30 ist eine im wesentlichen zylindrische Scheibe, an deren Umfang die Lücken zwischen den Flügeln 28 eingearbeitet sind. Die Flügel 28 verlaufen nach Art einer Schrägver­ zahnung, wobei der Winkel, den die Zahnflanke 31 mit einer Parallelen 32 zur Flügelradachse einnimmt, mit a bezeichnet ist.

Zur Bildung des Flügelrades 18 sind gemäß Fig. 5 mehrere Scheiben 30 der in Fig. 4 dargestellten Art axial gegeneinandergesetzt, wobei alle Scheiben die gleiche Anzahl Flügel 28 aufweisen. Die Scheiben 30 unterscheiden sich voneinander dadurch, daß der Winkel a bei der der Schmelze zugewandten (unteren) Scheibe 30 Null ist und von Scheibe zu Scheibe größer wird. Dadurch ent­ stehen achsparallel verlaufende Kanäle 33, die sich geradlinig über die gesamte Länge des Flügelrades 18 erstrecken, sich im Querschnitt mit zunehmendem Abstand von der Schmelze verjüngen und deren Seitenwände abge­ stuft sind. Die vielen Stufen in jedem Kanal 33 ver­ hindern störende Reflektionen; sie wirken als Strah­ lungsfalle.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Strahlungstemperaturmessung an Schmelzen im Vakuum, mit einem im Strahlenweg der Schmelze angeordneten Pyrometer (12) und einem zwischen der Schmelze und dem Pyrometer (12) angeordneten Materiefilter (17), das Strahlung durchläßt, Materie aber zurückhält, dadurch gekennzeichnet, daß das Materiefilter (17) ein rotierendes Flügel­ rad (18) aufweist, zwischen dessen Flügeln (28) der Strahlenweg hindurchgeht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (28) radial und achsparallel angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Flügelrad (18) eine Abschirmwand (23) mit einer Blendenöffnung (24) an­ geordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Flügelrad (18) ein Selektionselement (21; 22) in geradliniger Ausrichtung mit der Schmelze und der Blendenöff­ nung (24) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (18) mit dem Rotor einer Turbo-Molekularpumpe (14) rotiert.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Flügel­ rades (18) so groß ist, daß die Flügelfrequenz mindestens 100 kHz beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelbreite mit zunehmendem Abstand von der Schmelze vergrößert ist, derart, daß benachbarte Flügel (28) eine Strahlungsfalle für an den Flügeln reflektierte Strahlung begrenzen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flügelrad (18) aus mehreren, axial gegeneinandergesetzten Rotorscheiben (30) besteht, deren Flügel so angeordnet sind, daß zwischen ihnen achsparallel zum Flügelrad ver­ laufende geradlinige Kanäle (33) gebildet sind, welche sich über die gesamte Flügelradlänge erstrecken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (28) mindestens einiger Rotor­ scheiben (30) nach Art einer Schrägverzahnung schräggestellt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägstellung der Flügel (28) der Rotorscheiben (30) mit zunehmenden Abstand von der Schmelze größer ist.