DE6904741U - Kuehlfalle - Google Patents

Description

CG 264/6$2" München, 7. Februar 1969

Dr.M./Eh

Commissariat a 1*Energie Atomique in Paris / Frankreich

Kühlfalle

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Die Neuerung betrifft eine Kühlfalle, die inabesondere zwischen einer unter Primärvakuum stehenden dichten Kammer r

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und einer in dieser Kammer ein Sekundärvakuum erzeugenden öl- ί

einzubauen « :

; diffusionspumpe .·- "/ ist und dazu dient, durch Kondensation;

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die Öltrbpfchen oder -dämpfe zurückzuhalten, die von der Pumpe ;· zur Kammer zurücksteigen können und dabei die Qualität des er- |

f haltenen Vakuums begrenzen und infolgedessen den Wirkungsgrad '^:

. der Pumpe herabsetzen. ; f

Es sind bereits solche Kühlfallen bekannt, die sich im wesentlichen dadurch auszeichnen, daß im Weg der von der Pumpe kommen-

/ den und zur Kammer strömenden Moleküle ein möglichst großes

! Hindernis f j r-er rieht et ist. Insbesondere sind bereits mit flüssigem Stickstoff gekühlte Kühlfallen bekannt, deren allgemeiner Aufbau 7;ü■.·. ein'-,[ mit flüssigem Stickstoff gefülltes Gefäß aufweist,das im Inneren eines äußeren Mantels aufgehängt ist,

j der Flügel oder verschiedene Portsätze in thermischer Berührung ;_; (mit dem-Gefäß aufweist, die zur Erhöhung sei-er Oberfläche

ibestimmt sind.

En einem aclchen Gerät/gelten für die Strömung die Bedingungen les Molekular ¹ZUStand3, da die mittlere freie Weglänge die Abnessungen des Geräts übersteigt. Unter diesen Bedingungen flie-; »en die Moleküle ohne zwischenzeitlichen Zusammenstoß mit anderen Molekülen von einer Wand zur anderen· Vorteilhafterweise ist

sie

die Kühlfalle so eingerichtet, daß ein beliebiges Molekül/nicht ^ in der einen oder anderen Richtung verlassen kann, bevor es nictit wenigstens zw
gestoßen ist.

wenigstens zwei-, wenn nicht dreimal auf die kalten Oberflächen r

Die üblichen Kühlfallen der oben genannten Art besitzen jedoch gewisse Nachteile· Insbesondere dürfen sie dem Durchgang der I von der Diffusionspumpe anzusaugenden Moleküle keinen zu großen ■;

Widerstand entgegensetzen, was ihre Wirkungsmöglichkeiten begrenzt. Außerdem sind diese Kühlfallen so gebaut, daß die Moleküle von einer zu dem den flüssigen Stickstoff enthaltenden " Behälter gehörenden kalten Wand oder Fläche in Richtung einer verhältnismäßig heißen Fläche fliegen, die vom Außenmantel ge- ■' bildet wird· Der Energiezustand dieser Moleküle kann unter diesen Bedingungen nicht auf ein solches Niveau gebracht werden, ' daß sie mit Sicherheit endgültig abgefangen werden; tatsächlich haben die Stoßberührungen mit der heißen Wand die umgekehrte ■: Wirkung wie die Stöße auf die kalten Wände und begrenzen so « die Wirksamkeit des Geräts. !

Der Neuerung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kühlfalle zu schaffen, welohe die oben angegebenen Nachteile vermeidet, in- '

dem die einzufangenden Moleküle sich nur zwischen gekühlten | Wänden, insbesondere auf die Temperatur eines verflüssigten

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Gases gebrachten Wänden bewegen, wobei diese Kühlfalle außer- [ dem aus einem gut wärmeleitenden Metall hergestellt ist, damit · die Temperatur über ihre gesamte Oberfläche unabhängig vom ; Flüssigkeitsspiegel des in ihr enthaltenen verflüssigten Gases erhalten bleibt*

Diese Aufgabe wird gemäß der Neuerung durch eine Kühlfalle ge- ί ■·<: ■ behälter , /

löst, die einen Außen- / von im ganzen zylindrischer Form, otef aus einer reifenförmigen Seitenwand und zwei jeweils mit einer Durchlaßöffnung versehenen und mit der zu evakuierenden Kammer bzw. der Diffusionspumpe verbundenen Deckplatten besteht, besitzt und sich auszeichnet durch ein im Außenbehälter in der Nähe von dessen Seitenwand angeordnetes Ringgefäß für verflüssigtes Gas sowie ein in der Achse des Behälters angeordnetes Mit- .

telgefäß, wobei die beiden Gefäße zwischen sich einen freien ; Raum lassen, der durch mindestens eine gegenüber der Achse des , Behälters geneigte Fläche begrenzt ist und einen versetzten Verbindungsweg zwischen den Durchtrittsöffnungen bildet.

Weitere Einzelheiten der Kühlfalle gemäß der Neuerung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer nur als Beispiel angegebenen Aueführungsform, wobei auf die einen Schnitt durch diese Kühlfalle zeigende beigefügte einzige Figur Bezug genommen wirdί

Wie aus dieser Figur ersichtlich, besitzt die Kühlfalle im wesentlichen einen Außenbehälter 1, der aus einer reifenförmigen

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f, zylindrischen Seitenwand 2 mit senkrechter Achse,/ die an ihrem oberen En-* e durch eine waagerechte Deckplatte 3 geschlossen ist l und an ihrem unteren Ende einen kegelstumpfförmigen Teil 4

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trägt, der mit einem Flansch 5 verbunden ist, durch den die Kühlfalle befestigt werden kann,und zwar entweder direkt auf einer (nicht gezeigten) ö!diffusionspumpe, mit der sie durch eine in der Mitte dieses Flansches vorgesehene öffnung 6 in Verbindung steht, oder an einer zwischen der Kühlfalle und die··' ■ ser Pumpe angeordneten Schallwand· Sie Deckplatte 3 besitzt ebenfalls in ihrer Mitte eine öffnung 7» die durch eine Manschette 8 verlängert ist, an der ein zweiter Flansch 9 befestigt ist, der die Kühlfalle mit einer unter Primärvakuum stehenden , dichten Kammer (nicht gezeigt) verbindet, in der man mittels ^/ der oben erwähnten. Diffusionspumpe ein Sekundärvakuum heratel- · Γ len will/ ^" \

Gemäß der Neuerung besitzt der Behälter 1 innen zwei Gefäße 10 ^ und 11 aus gut wärmeleitendem Material, wie Aluminiumbronze, ■ welche außerdem, im Gegensatz zu insbesondere Kupfer, den Vorteil hat), nicht porös zu sein· ,Diese Gefäße sind mit einem geeigneten verflüssigten Gas, in den meldeten Fällen flüssigem'■' Stickstoff, gefüllt. . '

Das in der Mitte des Behälters 1 angebrachte Mittelgefäß 10 besitzt eine Seitenwand 12, die an ihrem oberen Ende durch einen einen seitlich überstehenden Vorsprung H besitzenden Deckel 13 verschlossen ist· An ihrem anderen Ende ist die Seitenwand 12 durch einen Boden 1if verschlossen, der vorzugsweise i zur Außenseite des Behälters hin, d.h. in Richtung auf die zur \ Pumpe führende¹.Verbindungsöffnung 6 leicht konkav gewölbt ist. \ An den Boden 15 sind Metallfüße 16 aus schlecht wärmeleitendem f Material angeschweißt und auf den Flansch 5 gesetzt, so daß

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ι sie das Mittelgefäß 10 tragen, es jedoch von der Wand des Aus« j senbehälters thermisch isolieren. Das Ringgefäß 11 besitzt seinerseits eine zur Seitenwand 2 des Behälters 1 gleichachsige zylindrische Außenwand 17 und eine gegenüber der Achse der Falle geneigte konische Innenwand 18, die so angeordnet ist, daß sich ihre Spitze in der Richtung der zu evakuierenden Kammer befindet. Die beiden Wände 17 und 18 des Ringgefäßes 11 sind an ihren oberen und unteren Enden durch Deckplatten 19 und 20 verbunden; außerdem setzt sich die zylindrische Außenwand oberhalb der Deckplatte 19 in einem Kragen 21 fort, an dem das Ende eines dünnen Metallblechs 22 befestigt ist, dessen anderes Ende bei 23 mit der Deckplatte 3 des Außenbehälters verbunden ist und so die Aufhängung des Ringgefäßes im Inneren dieses Außenbehälters bildet und diese beiden Teile gegeneinander wärmeisoliert, von denen der eine, das Ringgefäß 11, auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs gebracht wird und der andere, der Außenbehälter, mit der TJmgebungsatmosphäre in Berührung steht. Vorteilhafterweise ist in dem von der Behälterseitenwand 2 und der Außenwand 17 begrenzten ringförmigen Zwischenraum 23 ein als Isolation wirkender Metallschirm 24 befestigt. Außerdem . können die beiden Gefäße untereinander durch Füße, Flügel oder ' andere derartige Vorsprünge (nicht gezeigt) verbunden sein, die ; an ihren Außenflächen befestigt sind und als Wärmebrücken zwischen diesen Gefäßen wirken, um ihre Temperaturen einander anzugleichen. Schließlich gehören zu dem Gerät noch die Füll- ; stutzen für die Gefäße 10 und 11, die insbesondere aus einem durch die Deckplatte 13 geführten und im Mittelgefäß 10 mündenden Stutzen 26 bestehen, der außen durch ein gleichachsiges • dünnes Rohr 27 umgeben ist, das ihn mit der Deckplatte 3 verbindet,. um.djLe. Abdichtung der. Kühlfalle,,zu gewährleisten und sie ...J

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^:>\ thermisch zu isolieren. Im Inneren des KühTstutzens 26 ist vor-'· teilhafterweise ein Röhrchen 28 vorgesehen, durch welches beim \ Füllen des Mittelgefäßes 10 die in diesem enthaltenen Gase gemäß dem Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels des flüssigen Stickstoffs in diesem Gefäß entweichen können. Ein Stutzen 29 mit umgebendem dünnen Rohr 50,entsprechend dem Stutzen 26 und Rohr 27, sind zum Füllen des Ringgefäßes 11 vorgesehen.

Die Wirkungsweise der Kühlfalle ergibt sich ohne weiteres aus dem obigen. Jedoch sei zuvor daran erinnert, daß die Moleküle einer beliebigen Verbindung,und insbesondere die durch die Kühlfalle strömenden ölmolek"Ie,nicht elastisch von deren Wänden abprallen, sondern auf diesen Oberflächen fixiert und anschließend

geben

, entsprechend einem besonderen Gesetz wieder abge-/v werden, wobei die Zahl der in einer gegebenen Richtung ausgesandten Teilchen proportional dem Cosinus des Winkels ist, den diese Rich-

> tung mit der formalen der Wand bildet (Gesetz von Knudsen). Außerdem erfolgen die Energieaustausche zwischen einer Wand und einem von dieser absorbierten Molekül nicht sofort, so daß sich ein zunächst fixiertes und dann wieder ausgesandtes Molekül nicht unbedingt bei der Temperatur der Wand_;sondern in einem Zwischenzustand zwischen dem ursprünglichen und dem gewünschten Endzustand befindet. Daraus ergibt sich, daß man zum vollständigen Zurückhalten eines Moleküls, d.h· zu seiner genügenden Kühlung, mehrere Stöße auf kalte Wände vorsehen muß, gerade um seine Energie auf ein genügend niedriges Niveau zu senken, um seine Bewegung herabzusetzen und zu verhindern, daß es durch

ί aufeinanderfolgende Stöße durch die Kühlfalle hindurch gelangt. '

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Bei' der Kühlfalle gemäß der Neuerung werden diese Ziele durch '^:< die angegebenen Ausbildungen wirksam erreicht. Die Gestalt des \ von einem beliebigen Molekül in dem zwischen den Gefäßen 10 und 11 freigelassenen Raum verfolgten Weges ist so, daß es zwangsläufig nur auf kalte Wände trifft und zwar hinreichend oft, um endgültig eingefangen zu werden. Die etriohpunktiert gezeioh- , nete Linie zeigt schematisch einen solchen Weg eines von der ; Diffusionspumpe kommenden ölmoleküls, das in die Kühlfalle in Richtung der evakuierten Kammer eindringt.

Eine weitere wesentliche Eigenschaft der neuerungsgemäßen Kühl-: falle ergibt sich aus dem für die verschiedenen, die Gefäße 10 und 11 begrenzenden Bleche gewählten Profil, so daß der den

' Molekülen zwischen den öffnungen 6 und 7 angebotene Weg minde- . stens eine Prallwand aufweist und kein unmittelbarer gerader

' Weg zwischen diesen öffnungen möglich⁴J ist. Zu diesem Zweck steht der Vorsprung 14 des Deckels 15 des Mittelgefäßes 10 weit

.' über den scheinbaren Innenumriß des Ringgefäßes 11 über. Außerdem werden die von den kalten Wänden eingefangenen und an diesen

* kondensierten ölmoleküle stets in Richtung der Pumpe zurückgesandt, und zwar entweder durch die gegenüber der Achse geneigte konische Seitenwand 18 oder durch den Boden 15 des Mittelgefäßes, dessen konkave Wölbung gerade auf die Pumpe hin gerichtet ist. ,

' Schließlich kondensieren sich die eventuell zur Behälterseiten-

[ wand 2 wandernden Moleküle qn der Außenwand 17 des Ringgefäßes , 11, wobei der Schirm 24 nur als Wärmeisolation zwischen dem }

Ringgefäß und der Behälterseitenwand 2 dient. Dieser Schirm ist; jj .' ■ ι

) ein "schwimmender¹¹ Schirm in dem Sinn, daß er einerseits nicht ;.

■■ starr befestigt ist und andererseits eine Temperatur behält, )

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• die zwischen der der beiden ihm gegenüberliegenden Wandfläohen : liegt. ' '.'■'>

Man erhält so eine besonders wirksame Kühlfalle, welche ihre Eigenschaften infolge der Wahl eines geeigneten Baumaterials (insbesondere Aluminiumbronze) beibehält, wobei der Wirkungsgrad des Geräts, d.h. seine Fähigkeit zum Einfangen von ihn eindringenden Molekülen, erhalten bleibt, selbst wenn der Flüssig-

keitsspiegel des in den Gefäßen enthaltenen verflüssigten Gases erheblich absinkt. Infolge der Wärmeleitfähigkeit des die Kühlfalle bildenden Materials bleiben die Wände stets kalt und thermisch gegenüber der Außenatmosphäre isoliert· Außerdem ist

die Geometrie der Gesamtanordnung so festgelegt, daß die Moleküle stets in Richtung der Pumpe zurückgesandt werden, wodurch ebenfalls eine gewisse Abschirmung der evakuierten Kammer erreicht wird·

Die Neuerung ist selbstverständlich nicht auf das und dargestellte Ausführungsbeisp. 1 beschränkt sondern umfaßt > auch alle Abwandlungen. Insbesondere sind bei diesem Ausführung^- beispiel die beiden Gefäße der Kühlfalle voneinander unabhängig und jedes mit einer Füllvorrichtung für das verflüssigte Gas ausgestattet. Man kann ebensogut diese Gefäße miteinander ver-

binden und eine einzige gemeinsame Füllvorrichtung vorsehen, vorausgesetzt, daß zwischen diesen Gefäßen ein freier Raum verbleibt, der durch mindestens eine gegenüber der Achse des Behälters geneigte kalte Fläche begrenzt ist, was ein wesentliches Merkmal der Neuerung ist, wie oben angegeben.

Claims (1)

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   Sohutzansprüche

   1.) Kühlfalle mit einem Außenbehälter von im ganzen zylindri- _f scher Form, der von einer reifenförmigen Seitenwand und zwei Deckplatten gebildet wird, die jede mit einer mit der zu evakuierenden Kammer bzw. der Diffusionspumpe verbundenen Durchtrittsöffnung versehen sind, gekennzeichnet durch ein im Behälter in der Nähe seiner reifenförmigen Seitenwand angeordnetes Ringgefäß für verflüssigtes Gras und ein in der Achse des Behälters angeordnetes Mittelgefäß für verflüssigtes Gas* wobei die beiden Gefäße zwischen sich einen freien Baum lassen, der durch mindestens eine gegenüber der Achse des Be-.. .'hälters geneigte Fläche begrenzt ist und einen versetzten Verbindungsweg zwischen den Durchtrittsöffnungen bildet.

   2.) Kühlfalle-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verflüssigte Gas flüssiger Stickstoff ist.

   5.) Kühlfalle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gefäße voneinander unabhängig sind und jedes mit dünnen Füllstutzen zum Einfüllen des verflüssigten Gases versehen sind.

   4.) Kühlfalle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

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   die dünnen Füllstutzen der Gefäße/von einem zweiten gleichachsigen, mit der Wand des Außenbehälters verbundenen Rohr umgeben sind.

   einem der
   5.) Kühlfalle nach/Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß

   die beiden Gefäße kommunizieren«

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   einem der
   6.) Kühlfalle nach Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gefäße durch Fortsätze aus einem gut wärmeleitenden Material thermisch miteinander verbunden sind.

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   7.) Kühlfalle nach /Ansprüche1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringgefäß im Inneren des Außenbehälters mittels eines dünj nen Bleches aufgehängt ist, das die Wärmeleitung zwischen diesem Gefäß und dem Außenbehälter begrenzt.

   einem der
   8.) Kühlfalle nach/Ansprüche 1 -7ί dadurch gekennzeichnet, daß ,,das Ringgefäß eine zur reifenförmigen Seitenwand des Behälters „parallele zylindrische Außenwand und eine zur Achse des Behälters auf die die Kühlfalle mit der Diffusionspumpe verbindende Durchtrittsöffnung hin geneigte konische Innenwand besitzt.

   einem der
   9.) Kühlfalle nach/Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringgefäß mit der reifenförmigen Seitenwand des Außenbehälters einen Zv .schenraum begrenzt, in dem ein dünner Metallschirm zur Wärmeisolation angeordnet ist·

   einem der
   10.) Kühlfalle nacn/Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelgefäß eine zylindrische Seitenwand besitzt, die durch zwei parallele Deckel verschlossen ist, von denen der zur mit der evakuierten Kammer in Verbindung stehenden Durchtrittsöffnung hin gelegene über den scheinbaren Innenumriß des Ringgefäßes übersteht.

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   11.) Kühlfalle nach/Ansprüche 1/ dadurch gekennzeichnet, daß der zu der mit der Pumpe in Verbindung stehenden Durchtrittsöffnung hin gelegene Deckel des Mittelgefäßes eine zu dieser öffnung hin gerichtete konkave Wölbung besitzt.

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