DE4309929A1

DE4309929A1 - Process evacuating e.g. hydrogen@ by means of vacuum pump - using cooled pump interior and reduced gas speed to facilitate evacuation of light elemental gases

Info

Publication number: DE4309929A1
Application number: DE19934309929
Authority: DE
Inventors: Satoshi Konishi; Yuji Naruse
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2013-03-27
Also published as: JP3377224B2; DE4309929B4; JPH05280465A

Abstract

A process to mechanically evacuate a vessel by means of a vacuum pump in an evacuation system, uses a turbo-molecular pump or similar. The process incorporates steps to cool the pump interior and at least one gas passage in the vicinity of the pump rear section, in which the speed of the gas molecules within the pump interior and gas passage is reduced, following which evacuation is effected. The gas molecules which are deposited under the cooling effect and are subsequently removed from the condensation area, are ejected in a conventional mechanical fashion. USE/ADVANTAGE - The arrangement facilitates evacuation of light elemental gases with a high molecular speed such as hydrogen, and a reduction of the regeneration frequency

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Evakuie rung durch eine Vakuumpumpe. Insbesondere bezieht sich die vorliegen de Erfindung auf ein Verfahren zur Evakuierung durch eine Vakuumpum pe, welches eine sichere und einfache Evakuierung sogar eines Leicht elementgases mit einer hohen Molekulargeschwindigkeit und Reduktion der Regenerationshäufigkeit ermöglicht.The present invention relates to a method for evacuation by a vacuum pump. The present refers in particular de Invention on a method for evacuation through a vacuum pump pe, which is a safe and easy evacuation even of an easy one element gas with a high molecular velocity and reduction the frequency of regeneration.

In einer Turbomolekularpumpe mit bewegten und stationären Schaufeln wurde die Evakuierung bisher dadurch bewerkstelligt, daß den Gasmole külen Bewegungsenergie in Evakuierungsrichtung durch die bewegten Schaufeln übertragen wurde.In a turbomolecular pump with moving and stationary blades Evacuation has so far been accomplished by the fact that the gas mole cool kinetic energy in the direction of evacuation by the moving Blades was transferred.

Da die Nettoverdrängung in diesem Fall jedoch gleich der Differenz zwischen dem von der Pumpe gelieferten Gasmolekülfluß und dem Mole külfluß in der Gegenströmung ist, nimmt das Evakuierungsvermögen im allgemeinen mit steigender Gasmolekulargeschwindigkeit ab. So ist zum Beispiel im Falle von Wasserstoffgas das Kompressionsverhältnis unter etwa 1/1000-stel dessen von Stickstoffgas.However, since the net displacement in this case is equal to the difference between the gas molecule flow provided by the pump and the mole is in the counter flow, the evacuation capacity in the generally with increasing gas molecular velocity. So is for Example in the case of hydrogen gas the compression ratio below about 1 / 1000th of that of nitrogen gas.

Um ein solches Problem beim Evakuierungsvermögen zu lösen, mag es sinnoll erscheinen, die Geschwindigkeit der bewegten Schaufeln im Verhältnis zur Molekularbewegung des Leichtelementgases zu erhöhen. Tatsächlich ist dies jedoch aus mechanischer Sicht unmöglich.To solve such a problem with the evacuation ability, it may the speed of the moving blades in the To increase ratio to the molecular movement of the light element gas. In fact, this is impossible from a mechanical point of view.

Andererseits stellt es ein Problem dar, daß für eine Kryopumpe, die nach dem nicht-mechanischen Evakuierungsprinzip arbeitet, eine perio dische Regenerierung notwendig ist. Weiterhin ist es in diesem Fall schwierig, ein leichtes Element wie Heliumgas zusätzlich zu Wasser stoffgas zu evakuieren.On the other hand, it is a problem that for a cryopump, the works according to the non-mechanical evacuation principle, a perio regeneration is necessary. Furthermore, it is in this case difficult to add a light element like helium gas to water evacuate material gas.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Evakuierung durch eine Vakuumpumpe in einem Evakuierungssystem mit einer Turbomo lekularpumpe oder ähnlichem, die eine mechanische Evakuierung durch führt, welches Schritte zur Kühlung eines Innenraums der besagten Pumpe und mindestens eines Gasdurchgangs in der Nähe deren hinterem Ende vorsieht, wobei die Geschwindigkeit der Gasmoleküle beim Kontakt mit besagtem Innenraum der Pumpe und dem Gasdurchgang reduziert wird und die Evakuierung dann stattfindet.The present invention describes a method for evacuation by a vacuum pump in an evacuation system with a Turbomo lecular pump or the like, which a mechanical evacuation through leads, which steps for cooling an interior of said Pump and at least one gas passage near the rear End provides for the speed of the gas molecules on contact with said interior of the pump and the gas passage is reduced and the evacuation then takes place.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Fig. 1 der Zeichnung beschrieben.An embodiment of the invention will now be described with reference to FIG. 1 of the drawing.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird z. B. eine Vakuum kammer 1 auf eine Temperatur von 300°K gekühlt bzw. werden eine Ein gangsdampfsperre 2, eine Turbomolekularpumpe 3 und eine rückseitige Dampfsperre 4 auf 77°K mittels flüssigem Stickstoff gekühlt. Eine Grob-Vakuumpumpe 5 wird andererseits bei Raumtemperatur betrieben.In the embodiment shown in Fig. 1, for. B. a vacuum chamber 1 is cooled to a temperature of 300 ° K or an input vapor barrier 2 , a turbomolecular pump 3 and a rear vapor barrier 4 are cooled to 77 ° K by means of liquid nitrogen. A coarse vacuum pump 5 , on the other hand, is operated at room temperature.

In diesem Evakuierungssystem fließt das zu befördernde Gas mit einem Molekulargewicht m in den Bereich der Dampfsperre 2 bei einer Tempe ratur von 300°K und einer Geschwindigkeit V₁. Da die Region des Mo lekularflusses unter Druck steht und der Hauptdurchgangspfad hinrei chend länger als die Vakuumleitung ist, kollidieren alle Gasmoleküle mit der Stauscheibe und werden auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs und die Geschwindigkeit V₂ reduziert. Die durchschnitt liche Molekulargeschwindigkeit steht im Verhältnis zur Quadratwurzel der absoluten Temperatur, und so ist in diesem Fall die Geschwindig keit V₂ = 0,5 V₁. Mit anderen Worten wird die Gasgeschwindigkeit auf etwa die Hälfte der bei Raumtemperatur herrschenden Gasgeschwindig keit reduziert. In einer herkömmlichen Turbomolekularpumpe ist der Logarithmus des Kompressionsverhältnisses proportional der bei der Förderung vorherrschenden Molekulargeschwindigkeit, so daß das Kom pressionsverhältnis 100- bis 1000-mal größer wird als das herkömmli che Verhältnis für jede Art von Gasen.In this evacuation system, the gas to be transported flows with a molecular weight m in the area of the vapor barrier 2 at a temperature of 300 ° K and a speed V ₁ . Since the region of the molecular flow is under pressure and the main passage path is sufficiently longer than the vacuum line, all gas molecules collide with the baffle plate and are reduced to the temperature of the liquid nitrogen and the velocity V ₂ . The average molecular velocity is related to the square root of the absolute temperature, and so in this case the velocity is V ₂ = 0.5 V ₁ . In other words, the gas velocity is reduced to approximately half the gas velocity prevailing at room temperature. In a conventional turbomolecular pump, the logarithm of the compression ratio is proportional to the molecular speed prevailing in the delivery, so that the compression ratio becomes 100 to 1000 times larger than the conventional ratio for each type of gas.

Das abgebremste Gas kann einfach von den bewegten Schaufeln der Tur bomolekularpumpe 3 erfaßt werden und wird zur Dampfsperre 4 am Aus gang der Pumpe befördert. Die Gastemperatur erhöht sich zwischenzeit lich nicht. Andererseits nimmt das geförderte Gas in der Grob- Vakuumpumpe 5 wieder Raumtemperatur an, und während die Geschwindig keit wieder zu V₁ wird, fließt das Gas niemals in die Vakuumkammer 1 zurück. The braked gas can easily be detected by the moving blades of the bomolecular pump 3 and is conveyed to the vapor barrier 4 at the outlet of the pump. The gas temperature does not increase in the meantime. On the other hand, the pumped gas in the coarse vacuum pump 5 returns to room temperature, and while the speed becomes V ₁ again, the gas never flows back into the vacuum chamber 1 .

Das Kompressionsverhältnis für das Evakuierungssystem als Ganzes wird daher 100- bis 1000-mal größer, und der Vakuumgrad im Idealzustand erreicht einen Wert von etwa 10^-2 bis 10^-3. Es wird möglich, ein Was serstoffisotop, welches Tritium enthält, oder ein solch leichtes Ele ment wie Helium zu evakuieren.The compression ratio for the evacuation system as a whole therefore becomes 100 to 1000 times larger, and the degree of vacuum in the ideal state reaches a value of approximately 10 ^-2 to 10 ^-3 . It becomes possible to evacuate a hydrogen isotope containing tritium or a light element such as helium.

Bei der Turbomolekularpumpe 3 hängt die Evakuierungsgeschwindigkeit nicht von der Art des Gases, sondern von der eigenen Leistungsfähig keit des Geräts und der Leitfähigkeit von der Vakuumkammer 1 zur Pum pe 3 ab. Bei der vorliegenden Erfindung ist daher der Molekülfluß pro Einheitsfläche von der Vakuumkammer zur Pumpe in der Weise konstant, daß, unabhängig von einer Kühlung, die Evakuierungsgeschwindigkeit sich niemals verändert.In the turbo-molecular pump 3, the evacuation speed does not depend on the type of gas, but by their own service capacity of the appliance and the conductivity of the vacuum chamber 1 to 3 pe Pum off. In the present invention, therefore, the molecular flow per unit area from the vacuum chamber to the pump is constant in such a way that, regardless of cooling, the evacuation speed never changes.

Während es ideal wäre, alle in Fig. 1 gezeigten Teile zu kühlen, mag es ausreichend sein, zumindest die stationären Schaufeln der Turbomo lekularpumpe 3 und die Dampfsperre 4 an deren Ausgang zu kühlen. Dies erlaubt eine Reduktion der Geschwindigkeit von Gasmolekülen, die dazu neigen, zu den bewegten Schaufeln der Turbomolekularpumpe 3 zurückzu fließen, wobei das Evakuierungsvermögen verbessert wird.While it would be ideal to cool all the parts shown in FIG. 1, it may be sufficient to cool at least the stationary blades of the Turbomo lekularpumpe 3 and the vapor barrier 4 at the outlet. This allows a reduction in the speed of gas molecules that tend to flow back to the moving blades of the turbomolecular pump 3 , thereby improving the evacuation ability.

Ein Teil des Gases kondensiert und haftet an der gekühlten Oberfläche aufgrund von Partialdruck und Temperatur und, als Ergebnis davon ver mag die Kühlung die Evakuierung zu beeinträchtigen. Im Falle einer herkömmlichen Vakuumeinrichtung, wie z. B. einem Tieftemperatur-Ab scheider oder einer Kryopumpe, ist es notwendig, die Evakuierung pe riodisch zu unterbrechen, zu heizen und zu regenerieren. Jedoch ist, wie in Fig. 1 gezeigt, der gekühlte Teil immer zum Evakuierungsgerät, welches hinter dem Teil angeordnet ist, hin geöffnet, so daß die pe riodische Regenerierung nicht unbedingt erforderlich ist.Part of the gas condenses and adheres to the cooled surface due to partial pressure and temperature and, as a result, the cooling may adversely affect evacuation. In the case of a conventional vacuum device, such as. B. a low-temperature separator or a cryopump, it is necessary to periodically interrupt the evacuation pe, heat and regenerate. However, as shown in Fig. 1, the cooled part is always open to the evacuation device, which is arranged behind the part, so that the periodic regeneration is not absolutely necessary.

Wenn z. B. im Falle von Fig. 1 der Gleichgewichtsdampfdruck bei 77°K P₀, der Partialdruck in der Vakuumkammer 1 P₁ und der Partialdruck zwischen der Dampfsperre 2 am Eingang und der Turbomolekularpumpe 3 P₂ ist, so wird die durch niedrige Temperatur verursachte Kondensa tion dann auftreten, wenn P₁ < P₀ ist. Gleichzeitig wird, wenn P₀ < P₂ ist, das kondensierte Gas in der Turbomolekularpumpe 3 wieder ver dampft. Folglich ist es möglich, das Gas sicher aus dem System zu be fördern, und die Akkumulierung der an der gekühlten Oberfläche kon densierten Teilchen ist niedrig im Vergleich zu einem konventionellen Tieftemperatur-Abscheider oder einer Kryopumpe, wobei so die Regene rationshäufigkeit reduziert wird. Unter bestimmten Voraussetzungen kann ein Betrieb ohne Regenerierung möglich sein. Selbst wenn eine Regenerierung notwendig ist, so ist es möglich, die an der gekühlten Oberfläche akkumulierten Teilchen sicher aus dem System zu befördern, ohne den Betrieb des gesamten Evakuierungssystems zu unterbrechen, wobei die Dampfsperre 2, die Turbomolekularpumpe 3 und die Dampf sperre 4 regelmäßig gekühlt werden.If e.g. B. in the case of Fig. 1, the equilibrium vapor pressure at 77 ° KP ₀ , the partial pressure in the vacuum chamber 1 P ₁ and the partial pressure between the vapor barrier 2 at the inlet and the turbomolecular pump 3 P ₂ , the condensation caused by low temperature occur when P ₁ <P ₀ . At the same time, if P ₀ <P ₂ , the condensed gas in the turbomolecular pump 3 evaporates again. Consequently, it is possible to safely discharge the gas from the system, and the accumulation of the condensed particles on the cooled surface is low compared to a conventional low-temperature separator or a cryopump, thereby reducing the frequency of regeneration. Under certain conditions, operation without regeneration may be possible. Even if regeneration is necessary, it is possible to safely remove the particles accumulated on the cooled surface from the system without interrupting the operation of the entire evacuation system, the vapor barrier 2 , the turbomolecular pump 3 and the vapor barrier 4 being regularly cooled will.

Wie vorausgehend beschrieben, wird in der vorliegenden Erfindung das ganze Evakuierungssystem oder ein Teil davon, wie die bewegten und stationären Schaufeln in der Turbomolekularpumpe, die Gasdurchgangs leitungen vor und hinter der Pumpe und im Durchgang angeordnete Strukturen, direkt oder indirekt gekühlt. Diese Kühlung erlaubt eine Reduzierung der Geschwindigkeit von Gasmolekülen, die mit dem Eva kuierungssystem kollidieren und von ihm entfernt werden, und Moleku larflüsse, die dazu neigen, in die Pumpe zurückzufließen, werden ver ringert. Das Evakuierungsvermögen wird verbessert und ein höheres Kompressionsverhältnis wird erreicht. Es ist möglich, das Evakuie rungsvermögen eines Evakuierungssystems, welches eine mechanische Pumpe wie eine Turbomolekularpumpe verwendet, zu verbessern und die Regenerationshäufigkeit zu reduzieren. Es ist ebenfalls möglich, ein Wasserstoffisotop, welches Tritium enthält oder ein Leichtelementgas wie Helium zu evakuieren.As previously described, in the present invention whole evacuation system or part of it, like the moving and stationary blades in the turbomolecular pump, the gas passage Lines in front of and behind the pump and in the passage Structures, directly or indirectly cooled. This cooling allows one Reducing the speed of gas molecules with the Eva collision system and be removed from it, and molecule Lar fluxes that tend to flow back into the pump are ver wrestles. The evacuation capacity is improved and a higher one Compression ratio is reached. It is possible to evacuate capacity of an evacuation system, which is a mechanical Pump used as a turbomolecular pump to improve and the Reduce regeneration frequency. It is also possible to use a Hydrogen isotope containing tritium or a light element gas how to evacuate helium.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obengenannte Ausführungs form beschränkt. Eine Vielzahl anderer Ausführungsformen ist möglich bezüglich der Kühltemperatur, der Art des Gases, der Struktur und Konfiguration der Vakuumkammer, der Dampfsperren und der Turbomoleku larpumpe und anderer Details.The present invention is not based on the above embodiment limited form. A variety of other embodiments are possible regarding the cooling temperature, the type of gas, the structure and Configuration of the vacuum chamber, the vapor barriers and the turbomolecule larpump and other details.

Claims

1. A method for evacuation by a vacuum pump in an evacuation system with a turbomolecular pump ( 3 ) or the like which carries out a mechanical evacuation, characterized in that the method includes steps for cooling an interior of the pump ( 3 ) and at least one gas passage ( 4th ) in the vicinity of the rear part of the pump ( 3 ), the speed (V) of the gas molecules located inside the interior of the pump ( 3 ) and the gas passage ( 4 ) being reduced, which is followed by the evacuation.

2. A method for evacuation according to claim 1, characterized in that that the gas molecules among those who settle through cooling which are removed from the condensation surface conventional mechanical way out.