DE4324311C2 - Kryopumpe - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kryopumpe
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
angegebenen Art. Eine solche Kryopumpe ist aus der US-A-4 285 710
bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.
Kryopumpen für die Vakuumtechnik weisen in der Regel zwei
Stufen mit Kühlflächen auf, welche unterschiedliche Temperaturniveaus
aufweisen. An diesen Kühlflächen werden mit wenigen
Ausnahmen alle Gase kondensiert. In der Regel wird eine äußere
als Abschirmung gegen Wärmestrahlen wirkende Kühlfläche
auf einem Temperaturniveau von etwa 80 K gehalten; und eine
innere Kühlfläche wird auf einem Temperaturniveau von 20 K
oder weniger gehalten. Mit Ausnahme einer Öffnung für den
Zutritt der Gase umgibt die Abschirmung die innere Kühlfläche.
Diese Öffnung ist mit einer aus Segmenten bestehenden Blende
verschlossen. Die Blende vermindert die Wärmeeinstrahlung und
dadurch die Wärmebelastung der inneren Kühlfläche. Bei einer
direkten Wärmeeinstrahlung würde nämlich das Temperaturniveau
der inneren Kühlfläche über die üblichen 20 K angehoben. Dies
würde das Absorbieren von Gasen mit niedrigem Molekulargewicht
derart stören, daß die gewünschte Pumpwirkung für diese Gase
nicht erreicht würde.
Die Blende besteht üblicherweise aus konzentrisch angeordneten
Blechringen, auch Chevrons genannt. Es sind beispielsweise aus der US-A-3 797 264 auch Blenden
bekannt, welche parallel zueinander liegende V-förmige Blechlamellen
besitzen, welche die Eintrittsöffnung zur inneren
Kühlfläche optisch dicht verschließen. Blenden haben den
Nachteil, daß sie den Zutritt der zu kondensierenden oder
zu absorbierenden Gasmoleküle erschweren.
Es ist offensichtlich, daß ein widerstandsfreier Zutritt von
Gasmolekülen - man spricht in diesem Fall von einem hohen
Leitwert - ein maximales Saugvermögen der Kryopumpe ergibt.
Bei der Gestaltung der Blende wurde daher bei bekannten Kryopumpen
ein optimaler Kompromiß gesucht, um einerseits eine
minimale Wärmeeinstrahlung zuzulassen und andererseits einen
maximalen Leitwert zu erhalten, damit die Kryopumpe ein entsprechend
hohes Saugvermögen besitzt. Die bekannten Kryopumpen
haben jedoch den Nachteil, daß ihr Saugvermögen ganz erheblich
unter dem theoretisch möglichen Wert liegt. Weiter haben
die bekannten Kryopumpen den Nachteil, daß sie eine große
Baulänge, bzw. eine große Bautiefe besitzen.
Bei vielen Vakuumprozessen wird mit Prozeßgasen gearbeitet.
Damit die Kryopumpe nicht durch zu hohe Gasströme, z. B. beim
Sputtern, überlastet wird, wird in der Regel zwischen der
Kryopumpe und der Vakuumkammer ein stufenlos regulierbares
Drosselventil eingebaut. Das über entsprechende Vakuumdrucksensoren
gesteuerte Drosselventil verschließt während
gewissen Prozeßstufen weitgehend den Gaszutritt zur Kryopumpe.
Dies hat jedoch den Nachteil, daß für den Vakuumprozeß
schädliche Dämpfe, z. B. Wasserdampf, nicht mehr in
genügendem Ausmaß kontinuierliche von der Kryopumpe aus der
Vakuumprozeßkammer abgepumpt werden. Die Drosselung erweist
sich daher als großer Nachteil.
Kryopumpen, die eine solche oder ähnliche Drosselung aufweisen,
sind aus der EP 0 102 787 A1, der DE 36 35 941 C2, der US-A-4 072 025,
der US-A-3 797 264 und der eingangs erwähnten US-A-4 285 710
bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kryopumpe nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 derart zu verbessern, daß sie bei der
Verwendung für Prozesse mit hohen Gasströmen, z. B. beim Sputtern
und Glimmen in Beschichtungsanlagen, kein separates
Drosselventil mehr benötigt, wobei das Saugvermögen für Wasserdempf
aber auch bei einer Drosselung des Saugvermögens für Prozeßgase
aufrechterhalten bleiben soll.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß weist die Kryopumpe
zwischen der Abschirmung
und der Blende eine Durchlaßöffnung auf, um von der Eintrittsöffnung
her den freien Zutritt der Gase zu gestatten. Da
die Blende praktisch den gleichen oder einen größeren Querschnitt
aufweisen kann wie die Eintrittsöffnung, wird die
Kühlfläche der zweiten Stufe durch die Blende optisch dicht
abgeschirmt. Andererseits ermöglicht aber die optisch unverschlossene
Durchlaßöffnung einen direkten Zutritt von Gasen
zur Kühlfläche der zweiten Stufe. Die erfindungsgemäße
Kryopumpe hat daher einen hohen Leitwert und somit auch ein
entsprechend hohes Saugvermögen, ohne daß dadurch der Strahlungsschutz zur 20 K Kühlfläche kompromittiert
wird.
Die Erfindung ermöglicht auch die Verwendung
einer Blende, die aus einem einfachen Blechstück besteht. Eine
solche Blende ist wesentlich billiger als eine bekannte Blende
mit Chevrons oder Lamellen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
daß Abschirmung und Gehäuse relativ derart
zueinander beweglich sind, daß die Öffnung in der
Abschirmung relativ zur Eintrittsöffnung verschoben werden
kann. Dadurch ist es möglich, eine Drosselung zu bewirken,
ohne daß dazu ein zusätzliches Drosselventil notwendig wäre.
Im Gegensatz zur Verwendung eines Drosselventils, welches
durch Verengung des Querschnitts der Saugleitung das Saugvermögen
auch für prozeßschädliche Gase drosselt, wird bei
der Verwendung der mit den genannten Merkmalen ausgebildete
Kryopumpe nur das Saugvermögen für Prozeßgase gedrosselt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise ist die Eintrittsöffnung vorzugsweise
unter einem rechten Winkel zur Pumpenachse angeordnet. Dies ergibt
eine kurze Baulänge, so daß die Kryopumpe sich auch für
Vakuumanlagen eignet, die sehr kompakt gebaut sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß
die Abschirmung die Form eines oben und unten abgeschlossenen
Zylindermantels aufweist, der seitlich eine der Eintrittsöffnung
des Gehäuses zugewandte Öffnung besitzt, und daß die
Blende die Kühlfläche der zweiten Stufe gegen die Eintrittsöffnung
hin abschirmt. Dies ergibt eine besonders einfache
Konstruktion. Zweckmäßigerweise ist die Blende näher bei der
Kühlfläche der zweiten Stufe als die Abschirmung angeordnet.
Dadurch wird auf einfache Weise eine ungedrosselte Durchlaßöffnung
für die Gase geschaffen. Auch ist die so gebildete
Konstruktion besonders einfach und preisgünstig in der Fertigung.
Wie bereits erwähnt, kann die Blende z. B. ein Blechschild
sein. Dies ergibt eine besonders billige Konstruktion.
Die Blende kann aber auch z. B. durch in Abstand voneinander
angeordnete Lamellen gebildet werden. Dadurch wird im
Gegensatz zu einer Blende in Form eines Blechschildes ein
höheres Saugvolumen erzielt. Diese Konstruktion ist im
Gegensatz zu den üblichen Chevrons besonders einfach und
preisgünstig. Die Kühlfläche der zweiten Stufe wird vorteilhaft
durch einen Zylindermantel gebildet. Die Blende kann
dabei konzentrisch zur Kühlfläche der zweiten Stufe angeordnet
sein, was eine besonders einfache und zweckmäßige Gestaltung
der Kryopumpe ergibt.
Für die Relativverschiebung zwischen Abschirmung und Eintrittsöffnung
sind verschiedene Ausführungsvarianten denkbar. So kann
beispielsweise eine Stelleinrichtung vorgesehen sein, um die
Abschirmung im Gehäuse zu drehen. Eine solche Konstruktion
ist relativ einfach. Eine andere sieht eine Stelleinrichtung
vor, um die Abschirmung im Gehäuse axial zu verschieben.
Auch diese Konstruktionsvariante läßt sich mit
relativ geringem Aufwand realisieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme
auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Kyropumpe,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1,
Fig. 3 eine Variante zur Ausführungsform einer Blende in
Fig. 2.
Fig. 4 eine Kryopumpe wie in Fig. 1, jedoch mit einem
verdrehbaren Kühlkopf, und
Fig. 5 ein Prinzipschema einer Vakuumprozeßanlage.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kryopumpe besitzt ein
Gehäuse 11, welches eine Eintrittsöffnung 22 aufweist. Im
Gehäuse 11 ist ein zweistufiger Kühlkopf 13 angeordnet. Die
erste Stufe 33 besitzt Kühlflächen, die auf 80 K oder weniger
gehalten weren. Die zweite Stufe 37 besitzt eine oder mehrere
Kühlflächen 17, die auf 20 K oder weniger gehalten werden. Die
Kühlfläche 17 der zweiten Stufe 37 ist mit einem Sorptionsmittel,
z. B. Aktivkohle, bewegt, welches für das Pumpen von bei 20 K
nicht-kondensierbaren Gasen, wie Wasserstoff, Neon und Helium,
notwendig ist.
Das Gehäuse 11 besteht aus einem zylindrischen Rohr 19, welches
mit einem rechtwinklig zur Achse 20 angeordneten
Anschlußflansch 23 versehen ist. Das untere Ende des
Gehäuses 11 ist mit einem Flansch 27 verschlossen, an welchem
der Kühlkopf 13 befestigt ist. Anschlüsse 29, 31 dienen
beispielsweise zum Anbringen von Meßköpfen und Pumpstutzen.
Der Kühlkopf 13 besitzt zwei unterschiedliche Temperaturen
erzeugende Kühlstufen 33, 37. An die erste Kühlstufe 33 ist eine
Abschirmung 15 angeschlossen, welche die auf der zweiten
Kühlstufe 37 angeordnete Kühlfläche 17 praktisch bis auf die
Öffnung 18 allseitig umgibt. Gegenüber der durch den
Anschlußflansch 23 gebildeten Eintrittsöffnung 22 ist eine
Blende 35 angeordnet. Dies verhindert eine direkte Wärmeeinstrahlung
durch die Eintrittsöffnung 22 auf die Kühlfläche 17.
Bei einer direkten Wärmeeinstrahlung würde das Temperaturniveau
der Kühlfläche 17 so stark angehoben, daß die Absorption
von Gasen mit niedrigem Molekulargewicht nur ungenügend
erfolgen könnte.
Die Blende 35 mit Lamellen 43 ist mit Haltestegen 45 (nur
in Fig. 1 und 4 gezeigt) mit der Abschirmung 15 verbunden. Die
Lamellen 43 bestehen beispielsweise aus Blechstreifen. Es ist
auch möglich, einen Blechschild 35′ als Blende zu benutzen
(Fig. 3). Dies ist besonders kostengünstig, hat aber den
Nachteil, daß das Saugvermögen etwas vermindert wird. Eine
zwischen der Blende 35 und der Abschirmung 15 gebildete Durchlaßöffnung
51 ermöglicht einen maximalen Zutritt der Gasmoleküle
zur Kühlfläche 17, ohne daß eine direkte Wärmeeinstrahlung
von der Eintrittsöffnung 22 her zur Kühlfläche 17 erfolgen
kann. Dank der Durchlaßöffnung 51 weist die Kryopumpe einen
hohen Leitwert auf, so daß sie gegenüber bekannten Kryopumpen
ein wesentlich höheres Molekular-Saugvermögen besitzt.
Die in der Fig. 4 dargestellte Kryopumpe ist praktisch gleich
gebaut wie jede der Fig. 1 und 2, besitzt aber eine Stelleinrichtung
55, mit welcher der Kühlkopf 13 mit der inneren
Kühlfläche 17 und der äußeren Kühlfläche, der Abschirmung 15, um die Achse 20
gedreht werden kann.
Betrachtet man Fig. 2, so läßt sich leicht erkennen, daß
mit einer Stelleinrichtung 55, wie sie in Fig. 4 dargestellt
ist, der Kühlkopf 13 mit der Abschirmung 15 so
gegenüber der Eintrittsöffnung 22 verdreht werden kann, daß
sich der Gaszutritt zu der inneren Kühlfläche 17 stufenlos
regulieren läßt. Trotzdem bleibt in jeder Stellung das Saugvermögen
für Wasserdampf vollumfänglich aufrechterhalten, weil
keine Drossel mehr benötigt wird, welche den Querschnitt vor
dem Anschlußflansch 23 verengen würde.
Die Stelleinrichtung 55 besteht im wesentlichen aus einem Stellmotor
56, einem vom Stellmotor 56 antreibbaren Zahnrad 57, und
einem mit dem Zahnrad 57 in Eingriff stehenden Zahnrad 58, das
mit dem Kühlkopf 13 verbunden ist. Das Zahnrad 58 besitzt eine
Nabe 59, welche mittels Gleitlager 60 in einem Stutzen 62 des
Flansches 27 drehbar gelagert ist. Eine Dichtung 64 ist
mittels eines Ringes 66 und Schrauben (nicht eingezeichnet) am
Flansch 27 befestigt.
In Fig. 4 ist auch eine zwischen dem Gehäuse 19 und dem Flansch
27 angeordnete Dichtung 67 ersichtlich.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Prozeßanlage, z. B.
einer Load Lock Sputteranlage, mit einer Kyropumpe 10, deren
Saugvermögen der Prozeßgase mittels der Stelleinrichtung 55
gedrosselt werden kann, ohne daß aber das Saugvermögen für
den prozeßschädlichen Wasserdampf reduziert wird. Mittels
einer Prozeßsteuerung 59 kann über einen Druckmeßkopf 61
oder ein oder mehrere Gaseinlaßventile 63, oder über die
Stelleinrichtung 55 der Kyropumpe 10 der Prozeß so gesteuert
werden, daß ohne zusätzliches Drosselventil zwischen der
Kryopumpe 10 und der Prozeßkammer 65 die Prozeßparameter
optimal eingehalten werden können. Auf diese Weise kann die
Kryopumpe 10 vor Überlastung geschützt und der Prozeßgasverbrauch
erheblich reduziert werden.
Claims (10)
1. Kryopumpe mit einem Gehäuse (11), welches eine Eintrittsöffnung
(22) aufweist, einem im Gehäuse (11) angeordneten zweistufigen
Kühlkopf (13), mindestens einer Kühlfläche (17), welche
an die zweite Stufe (37) des Kühlkopfs (13) angeschlossen
ist, einer eine Öffnung (18) aufweisenden Abschirmung (15) und
einer Blende (35, 35′, 43), welche an die erste Stufe (33) angeschlossen
sind, um als Strahlungsschutz für die Kühlfläche
(17) der zweiten Stufe (37) zu dienen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abschirmung (15) und das Gehäuse (11) relativ zueinander
beweglich sind, um die Öffnung (18) in der Abschirmung (15)
relativ zur Eintrittsöffnung (22) zu verschieben.
2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Eintrittsöffnung (22) in einem rechten Winkel zur Pumpenachse
(20) angeordnet ist.
3. Kryopumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abschirmung (15) die Form eines oben und unten abgeschlossenen
Zylindermantels aufweist, der seitlich eine der
Eintrittsöffnung (22) des Gehäuses (11) zugewandte Öffnung (18)
besitzt, und daß die Blende (35, 35′, 43) die Kühlfläche (17)
der zweiten Stufe (37) gegen die Eintrittsöffnung (22) hin abschirmt.
4. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blende (35, 35′, 43) näher bei der Kühlfläche
(17) der zweiten Stufe (37) als die Abschirmung (15) angeordnet
ist.
5. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blende durch einen Blechschild (35′) gebildet
ist.
6. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blende (35) durch in Abstand voneinander angeordnete
Lamellen (43) gebildet ist.
7. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlfläche (17) der zweiten Stufe (37) durch
einen Zylindermantel gebildet ist, der mit einem Absorptionsmaterial
belegt ist.
8. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blende (35′) konzentrisch zur Kühlfläche (17)
der zweiten Stufe (37) angeordnet ist.
9. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Stelleinrichtung (55) vorgesehen ist, um die
Abschirmung (15) im Gehäuse (11) zu drehen.
10. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Stelleinrichtung vorgesehen ist, um die Abschirmung
(15) im Gehäuse (11) axial zu verschieben.
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