EP2307739A1 - Water jet type pump and method for operation thereof - Google Patents

Water jet type pump and method for operation thereof

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Publication number
EP2307739A1
EP2307739A1 EP09779283A EP09779283A EP2307739A1 EP 2307739 A1 EP2307739 A1 EP 2307739A1 EP 09779283 A EP09779283 A EP 09779283A EP 09779283 A EP09779283 A EP 09779283A EP 2307739 A1 EP2307739 A1 EP 2307739A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
pump
chamber
inlet
high vacuum
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09779283A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Vladimir Danov
Bernd Gromoll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2307739A1 publication Critical patent/EP2307739A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/02—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being liquid
    • F04F5/04—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being liquid displacing elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/54—Installations characterised by use of jet pumps, e.g. combinations of two or more jet pumps of different type

Definitions

  • the present invention relates to a pump in the manner of a water jet pump for generating a high vacuum, in particular an ultra-high vacuum, with one of a fluid in a flow direction (s) can be flowed through chamber.
  • the chamber includes
  • At least one first inlet for the fluid which projects into the chamber and ends in a nozzle opening
  • the present invention further relates to a method of operating such a pump.
  • cryopumps To generate an ultrahigh vacuum turbomolecular pumps, cryopumps, sorption pumps, gate valves, displacement and jet pumps are used.
  • jet pumps water jet pumps or pumps based on oils are used as liquid. With the help of these pumps only pressures of the vacuum can be achieved, which are in the range of the vapor pressure of the liquid used.
  • known water jet and oil pumps can only be used as backing pumps for generating an advance vacuum, and must be able to be produced, in particular, by ultrahigh vacuums by means of downstream pumps, such as, for example, pumps.
  • Turbomolecular pumps are supplemented.
  • the pump systems constructed in this way are complex, expensive and expensive to maintain.
  • the object of the invention is to provide a pump of simple construction, with which vacuums are to be produced up to the ultra-high vacuum range.
  • it is the task of a pump with as few parts, especially with little or specify no moving parts in order to operate wear-free and cost-effective pump and to be able to produce the best possible ultra-high vacuum with simple means.
  • a simple method for operating such a pump should be specified.
  • the pump according to the invention for generating a high vacuum should be designed in the manner of a water jet pump or be of a corresponding type.
  • it comprises at least one chamber through which a fluid can flow in a flow direction.
  • This chamber has at least one first inlet for the fluid, which projects into the chamber and ends in a nozzle opening.
  • the chamber has at least one outlet for the fluid, which, viewed in the flow direction, is arranged opposite the nozzle opening.
  • the chamber has at least one second inlet, which opens into the chamber and is to be connected to a space to be evacuated.
  • an ionic fluid should be provided as fluid for such a pump.
  • means for conveying the ionic fluid at a predetermined speed and / or a predetermined pressure in the first inlet, which preferably comprise at least one feed pump.
  • the pump can preferably be connected to or integrated in a closed fluid circuit, which comprises the delivery pump for generating a fluid pressure in the at least one first fluid inlet and which comprises a reservoir with a check valve for discharging gases, which is connected to the at least one fluid outlet and the feed pump.
  • the ionic fluid to be provided for the pump may be a liquid and / or a liquid-gas mixture.
  • a fluid and a corresponding gas can be used.
  • the pressure in the space to be evacuated is adjustable depending on the ionic liquid used, in particular on the vapor pressure of the ionic liquid.
  • the ionic fluid used is preferably a fluid which contains sulfate, hydrogensulfate, alkylsulfate, thiocyanate, phosphate, borate, tetrakishydrogen sulfate borate or silicate ions.
  • the at least one second inlet is connected to an ultra-high vacuum chamber, for a gas exchange or gas removal between the ultra-high vacuum chamber and the at least one inlet.
  • gas exchange an ultra-high vacuum in the ultra-high vacuum chamber can be generated, which is in the pressure range of 10 ⁇ 7 to 10 ⁇ 12 mbar.
  • the pressure in the ultra-high vacuum chamber is dependent on the ionic liquid used, in particular on the vapor pressure of the ionic liquid.
  • the at least one first fluid inlet and / or the at least one a second inlet and / or the at least one fluid outlet formed in the form of at least one tube.
  • the method according to the invention for operating the pump comprises the steps:
  • the so-called venturi effect is utilized by means of a corresponding design of the pump. This allows high flow velocities of the fluid in the chamber and thus particularly high negative pressures to be achieved at the second inlet, which can lead to corresponding high vacuums up to the area of the ultrahigh vacuums in a connected space to be evacuated.
  • the invention is generally based on the idea that by the use of ionic fluids such as liquids in the specially designed jet pumps by the low vapor pressure of such fluids simple, reliable, low-wear and thus cheap a good ultra-high vacuum can be produced without the need of a variety of pump systems ,
  • FIG. 1 is a highly schematic representation of a structure for producing an ultrahigh vacuum with a jet pump designed according to the invention.
  • FIG. 2 shows a section from the chamber of the pump.
  • FIG. 1 the construction of a system 1 for generating in particular an ultra-high vacuum HV is indicated.
  • the system 1 comprises a pump 2 with a first fluid inlet 3 and a second inlet 4 and a fluid outlet 5.
  • the pump 2 is integrated in a closed fluid circuit 9, which uses an ionic liquid as the fluid F.
  • the pump works in the manner of a water jet pump, but its working fluid is not water, but an ionic liquid or a corresponding liquid-gas mixture.
  • the flow direction of the fluid F is denoted by s. Concerning. the flow direction of the pump 2 is preceded by a feed pump 6, which generates a high fluid pressure in at least one tubular portion 9a of the fluid circuit 9 in front of the pump 2. Fluid F having a high flow rate and / or a high internal fluid pressure is thus pumped from the feed pump 6 to the pump 2 via the portion 9a of a piping system. There it occurs
  • Fluid F via the first fluid inlet 3 in a chamber 11 of the pump 2 a.
  • the inlet protrudes piece by piece into the chamber and is designed there as a nozzle with a nozzle opening 3a (see FIG.
  • the fluid is greatly accelerated.
  • the acceleration follows according to the so-called Venturi effect due to a corresponding design of the nozzle.
  • the fluid flow rate is increased, for example, ten to a hundredfold or thousandfold. Fluid flow velocities up to the speed of sound are possible.
  • the flow rate is dependent on the fluid pressure directly in front of the nozzle and the nozzle diameter in relation to the pipe diameter of the first fluid inlet 3.
  • the fluid jet which at a high speed off the nozzle at the opening 3a exits, takes up parts of the gas in the chamber 11, for example, by collisions with the gas molecules and turbulence by friction in the gas in the chamber.
  • the entrained with the fluid flow gas molecules occur on the nozzle opening 3a opposite the fluid outlet 5 from the chamber 11 with the fluid F together.
  • the leaked from the chamber 11 via the fluid outlet 5 fluid F is directed into a storage tank 7.
  • the fluid F is collected and entrained gas molecules can escape from the fluid and discharged through a check valve 8 to the environment or into another collecting container.
  • the collected fluid from the reservoir 7 can then be supplied with the aid of another pipe system section 9c of the feed pump 6, which results in a closed fluid circuit 9 in the pipe system.
  • the gas molecules entrained with the fluid F lead to a negative pressure at a second inlet 4 of the chamber 11 of the pump 2.
  • a high-vacuum chamber 10 is via a pipeline system 12, eg a stainless steel pipeline , connected to the second inlet 4 of the pump chamber 11. Between the high-vacuum chamber 10 and the pump chamber 11 can thus take place a gas exchange or - transport.
  • the negative pressure generated in the pump chamber 11 leads to a gas flow, which allows gas to flow from a higher gas pressure in the high vacuum chamber 10 to a lower gas pressure in the pump chamber 11.
  • a gas pressure can be generated in the high-vacuum chamber 10 or a vacuum with a pressure which at least approximately corresponds to the vapor pressure of the fluid F used.
  • high-vacuum gas pressures can be achieved, ie a high vacuum in a high-vacuum chamber 10 which extends into the ultra-high vacuum range of 10 -7 to 10 -12 mbar.
  • Suitable ionic fluids for the pump according to the invention are known, for example, from "Angewandte Chemie", 2000, Vol. 112, pages 3926 to 3945. Accordingly, liquids are generally considered to be liquids of this kind which are used at low temperatures, in particular at temperatures below 100 ° C.
  • a particularly advantageous property of such ionic liquids for use in the pump according to the invention is that they have a virtually non-measurable vapor pressure (at the customary application temperatures) and can thus be used in rooms to be evacuated When the pump is in operation, virtually no liquid evaporates, so that the aspirated gas is easily separated from the liquid.
  • fluids F liquid or in a two-phase liquid-gas mixture
  • fluids F which contain at least the major proportion (ie more than 50% by volume) of sulfate, hydrogensulfate, alkylsulfate, thiocyanate, phosphate, borate -, Tetrakishydrogensulfatoborat- or silicate ions.

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Abstract

The water jet type pump (2) is part of a system (1) for generating an ultrahigh vacuum HV. The pump comprises at least one pump chamber (11) through which an ionic fluid (F) flows at high velocity. The chamber (11) comprises a first fluid feed (3) for the fluid F, said feed ending in a nozzle with a nozzle opening (3a), and a fluid discharge (5). A second feed (4) of the pump chamber (11) is connected to a high pressure chamber (10) to be evacuated. Gas is suctioned out of the high vacuum chamber (10) through the second feed (4) by way of the flowing fluid jet, which is used to discharge the gas out of the pump chamber (11).

Description

Beschreibungdescription
Pumpe nach Art einer Wasserstrahlpumpe sowie Verfahren zu deren BetriebPump in the manner of a water jet pump and method for their operation
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe nach Art einer Wasserstrahlpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums, insbesondere eines Ultrahochvakuums, mit einer von einem Fluid in einer Strömungsrichtung (s) durchströmbaren Kammer. Die Kammer umfasst dabeiThe present invention relates to a pump in the manner of a water jet pump for generating a high vacuum, in particular an ultra-high vacuum, with one of a fluid in a flow direction (s) can be flowed through chamber. The chamber includes
• wenigstens einen ersten Zulauf für das Fluid, der in die Kammer ragt und in einer Düsenöffnung endet,At least one first inlet for the fluid which projects into the chamber and ends in a nozzle opening,
• wenigstens einen Ablauf für das Fluid, welcher in Strömungsrichtung gesehen gegenüber der Düsenöffnung angeord- net ist, und• at least one outlet for the fluid, which is arranged opposite the nozzle opening in the direction of flow, and
• wenigstens einen zweiten Zulauf, der in die Kammer mündet und mit einem zu evakuierenden Raum zu verbinden ist.• at least one second inlet, which opens into the chamber and is to be connected to a room to be evacuated.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Pumpe.The present invention further relates to a method of operating such a pump.
Zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums werden Turbomolekularpumpen, Kryopumpen, Sorptionspumpen, Sperrschieberpumpen, Verdrängungs- und Strahlpumpen eingesetzt. Als Strahlpumpen werden Wasserstrahlpumpen oder Pumpen auf Basis von Ölen als Flüssigkeit verwendet. Mit Hilfe dieser Pumpen sind nur Drücke des Vakuums erreichbar, welche im Bereich des Dampfdruckes der eingesetzten Flüssigkeit liegen. Somit sind bekannte Wasserstrahl- und Ölpumpen nur als Vorpumpen zur Erzeugung eines Vorvakuums einsetzbar, und müssen zur Erzeugung insbe- sondere von Ultrahochvakua durch nachgelagerte Pumpen wie z.B. Turbomolekularpumpen ergänzt werden. Die so aufgebauten Pumpensysteme sind komplex, teuer und aufwendig in der Wartung .To generate an ultrahigh vacuum turbomolecular pumps, cryopumps, sorption pumps, gate valves, displacement and jet pumps are used. As jet pumps water jet pumps or pumps based on oils are used as liquid. With the help of these pumps only pressures of the vacuum can be achieved, which are in the range of the vapor pressure of the liquid used. Thus, known water jet and oil pumps can only be used as backing pumps for generating an advance vacuum, and must be able to be produced, in particular, by ultrahigh vacuums by means of downstream pumps, such as, for example, pumps. Turbomolecular pumps are supplemented. The pump systems constructed in this way are complex, expensive and expensive to maintain.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Pumpe anzugeben, mit welcher Vakua bis in den Ultrahochvakuumbereich zu erzeugen sind. Insbesondere ist es Aufgabe, eine Pumpe mit möglichst wenig Teilen, vor allem mit wenig oder keinen beweglichen Teilen anzugeben, um verschleißfrei und kostengünstig die Pumpe betreiben zu können und mit einfachen Mitteln ein möglichst gutes Ultrahochvakuum erzeugen zu können. Ferner soll ein einfaches Verfahren zum Betrieb einer solchen Pumpe angegeben werden.The object of the invention is to provide a pump of simple construction, with which vacuums are to be produced up to the ultra-high vacuum range. In particular, it is the task of a pump with as few parts, especially with little or specify no moving parts in order to operate wear-free and cost-effective pump and to be able to produce the best possible ultra-high vacuum with simple means. Furthermore, a simple method for operating such a pump should be specified.
Die genannte Aufgabe wird bezüglich der Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens zum Betrieb der Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.The above object is achieved with respect to the pump with the features of claim 1 and with respect to the method for operating the pump having the features of claim 11.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pumpe und des Verfahrens gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche mit Merkmalen eines jeweils zugeordneten Unteranspruchs oder vorzugsweise auch mit Merkmalen mehrerer zugeordneter Unteransprüche kombiniert werden.Advantageous embodiments of the pump according to the invention and the method will become apparent from the respective associated dependent claims. In this case, the features of the independent claims can be combined with features of a respectively associated subclaim or preferably also with features of several associated subclaims.
Die erfindungsgemäße Pumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums, insbesondere zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums, soll nach Art einer Wasserstrahlpumpe aufgebaut bzw. von einem entsprechenden Typ sein. Hierzu umfasst sie wenigstens eine von einem Fluid in einer Strömungsrichtung durchströmbare Kammer. Diese Kammer weist wenigstens einen ersten Zulauf für das Fluid auf, der in die Kammer ragt und in einer Düsenöffnung endet. Ferner weist die Kammer wenigstens einen Ablauf für das Fluid auf, welcher in Strömungsrichtung gesehen gegenüber der Düsenöffnung angeordnet ist. Außerdem weist die Kammer wenigstens einen zweiten Zulauf auf, der in die Kammer mündet und mit einem zu evakuierenden Raum zu verbinden ist. Erfin- dungsgemäß soll für eine solche Pumpe als Fluid ein ionisches Fluid vorgesehen sein.The pump according to the invention for generating a high vacuum, in particular for generating an ultrahigh vacuum, should be designed in the manner of a water jet pump or be of a corresponding type. For this purpose, it comprises at least one chamber through which a fluid can flow in a flow direction. This chamber has at least one first inlet for the fluid, which projects into the chamber and ends in a nozzle opening. Furthermore, the chamber has at least one outlet for the fluid, which, viewed in the flow direction, is arranged opposite the nozzle opening. In addition, the chamber has at least one second inlet, which opens into the chamber and is to be connected to a space to be evacuated. According to the invention, an ionic fluid should be provided as fluid for such a pump.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe sind Mittel zur Förderung des ionischen Fluids mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und/oder einem vorbestimmten Druck in den ersten Zulauf vorgesehen, die vorzugsweise wenigstens eine Förderpumpe umfassen. Bevorzugt kann die Pumpe an einen geschlossenen Fluid-Kreis- lauf angeschlossen oder in diesen integriert sein, welcher die Förderpumpe zum Erzeugen eines Fluid-Drucks in dem wenigstens einen ersten Fluid-Zulauf umfasst und welcher einen Vorratsbehälter mit einem Rückschlagventil zum Abführen von Gasen umfasst, der mit dem wenigstens einen Fluid-Ablauf und der Förderpumpe verbunden ist.In a preferred embodiment of the pump according to the invention means are provided for conveying the ionic fluid at a predetermined speed and / or a predetermined pressure in the first inlet, which preferably comprise at least one feed pump. The pump can preferably be connected to or integrated in a closed fluid circuit, which comprises the delivery pump for generating a fluid pressure in the at least one first fluid inlet and which comprises a reservoir with a check valve for discharging gases, which is connected to the at least one fluid outlet and the feed pump.
Das für die Pumpe vorzusehende ionische Fluid kann eine Flüssigkeit und/oder auch ein Flüssigkeit-Gas-Gemisch sein. Gegebenenfalls kann als Fluid auch ein entsprechendes Gas verwendet werden.The ionic fluid to be provided for the pump may be a liquid and / or a liquid-gas mixture. Optionally, as a fluid and a corresponding gas can be used.
Dabei ist vorteilhaft, dass bei der Pumpe der Druck in dem zu evakuierenden Raum abhängig von der verwendeten ionischen Flüssigkeit, insbesondere von dem Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit, einstellbar ist.It is advantageous that, in the pump, the pressure in the space to be evacuated is adjustable depending on the ionic liquid used, in particular on the vapor pressure of the ionic liquid.
Als ionisches Fluid wird vorzugsweise ein Fluid gewählt, das Sulfat-, Hydrogensulfat-, Alkylsulfat-, Thiocyanat-, Phosphat-, Borat-, Tetrakishydrogensulfatoborat- oder Silikat- Ionen enthält.The ionic fluid used is preferably a fluid which contains sulfate, hydrogensulfate, alkylsulfate, thiocyanate, phosphate, borate, tetrakishydrogen sulfate borate or silicate ions.
Weiterhin bevorzugt ist der wenigstens eine zweite Zulauf mit einer Ultrahochvakuum-Kammer verbunden, für einen Gasaustausch bzw. Gasabtransport zwischen der Ultrahochvakuum- Kammer und dem wenigstens einen Zulauf. Durch den Gasaustausch ist ein Ultrahochvakuum in der Ultrahochvakuum-Kammer erzeugbar, welches im Druck-Bereich von 10~7 bis 10~12 mbar liegt.Further preferably, the at least one second inlet is connected to an ultra-high vacuum chamber, for a gas exchange or gas removal between the ultra-high vacuum chamber and the at least one inlet. By gas exchange, an ultra-high vacuum in the ultra-high vacuum chamber can be generated, which is in the pressure range of 10 ~ 7 to 10 ~ 12 mbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druck in der Ultrahochvakuum-Kammer abhängig von der verwendeten ionischen Flüssigkeit, insbesondere von dem Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit.In a preferred embodiment, the pressure in the ultra-high vacuum chamber is dependent on the ionic liquid used, in particular on the vapor pressure of the ionic liquid.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind/ist der wenigstens eine erste Fluid-Zulauf und/oder der wenigstens eine zweite Zulauf und/oder der wenigstens eine Fluid-Ablauf in der Form jeweils wenigstens eines Rohres ausgebildet.In a further preferred embodiment, the at least one first fluid inlet and / or the at least one a second inlet and / or the at least one fluid outlet formed in the form of at least one tube.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Pumpe umfasst die Schritte:The method according to the invention for operating the pump comprises the steps:
Erzeugen eines durch die Kammer der Pumpe strömenden Strahls des Fluids, Ansaugen von Gas in der und/oder in die Kammer durch den Fluid-Strahl und Abführen des Gases mittels des Fluid-Strahls aus der Kammer. Die Schritte können dabei in der genannten Reihenfolge zeitgleich kontinuierlich oder aufeinanderfolgend pulsartig erfolgen.Generating a jet of fluid passing through the chamber of the pump, aspirating gas in and / or into the chamber through the fluid jet and exhausting the gas by means of the fluid jet from the chamber. The steps can be carried out simultaneously or continuously in a pulse-like manner in the order mentioned.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird mittels einer entsprechenden Ausbildung der Pumpe der sogenannte Venturi-Effekt ausgenutzt. Damit sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids in der Kammer und so besonders hohe Unterdrücke an dem zweiten Zulauf zu erreichen, die zu entsprechenden Hochvakua bis in den Bereich der Ultrahoch- vakua in einem angeschlossenen, zu evakuierenden Raum führen können.In a preferred embodiment of the operating method, the so-called venturi effect is utilized by means of a corresponding design of the pump. This allows high flow velocities of the fluid in the chamber and thus particularly high negative pressures to be achieved at the second inlet, which can lead to corresponding high vacuums up to the area of the ultrahigh vacuums in a connected space to be evacuated.
Der Erfindung liegt allgemein die Idee zu Grunde, dass durch die Verwendung von ionischen Fluiden wie Flüssigkeiten in den besonders ausgestalteten Strahlpumpen durch den geringen Dampfdruck solcher Fluide einfach, zuverlässig, verschleißarm und somit billig ein gutes Ultrahochvakuum ohne die Notwendigkeit einer Vielzahl von Pumpensystemen erzeugt werden kann .The invention is generally based on the idea that by the use of ionic fluids such as liquids in the specially designed jet pumps by the low vapor pressure of such fluids simple, reliable, low-wear and thus cheap a good ultra-high vacuum can be produced without the need of a variety of pump systems ,
Für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ergeben sich die vorstehend erwähnten, mit der erfindungsgemäßen Pumpe verbundenen Vorteile.For the operating method according to the invention, the abovementioned advantages associated with the pump according to the invention result.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit vorteilhaf- ten Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein . Es zeigt Figur 1 in stark schematischer Darstellung einen Aufbau zur Erzeugung eines Ultrahochvakuums mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Strahlpumpe. Figur 2 zeigt einen Aus- schnitt aus der Kammer der Pumpe.A preferred embodiment of the invention with advantageous developments according to the features of the dependent claims will be explained in more detail with reference to Figures 1 and 2 of the drawing, but without being limited thereto. FIG. 1 is a highly schematic representation of a structure for producing an ultrahigh vacuum with a jet pump designed according to the invention. FIG. 2 shows a section from the chamber of the pump.
In Figur 1 ist der Aufbau eines Systems 1 zur Erzeugung insbesondere eines Ultrahochvakuums HV angedeutet. Das System 1 umfasst eine Pumpe 2 mit einem ersten Fluid-Zulauf 3 und ei- nem zweiten Zulauf 4 sowie einem Fluid-Ablauf 5. Die Pumpe 2 ist in einen geschlossenen Fluid-Kreislauf 9 integriert, welcher eine ionische Flüssigkeit als Fluid F verwendet. Die Pumpe funktioniert nach der Art einer Wasserstrahlpumpe, wobei ihr Arbeitsmedium jedoch nicht Wasser, sondern eine ionische Flüssigkeit oder ein entsprechendes Flüssigkeits- Gas-Gemisch ist.In Figure 1, the construction of a system 1 for generating in particular an ultra-high vacuum HV is indicated. The system 1 comprises a pump 2 with a first fluid inlet 3 and a second inlet 4 and a fluid outlet 5. The pump 2 is integrated in a closed fluid circuit 9, which uses an ionic liquid as the fluid F. The pump works in the manner of a water jet pump, but its working fluid is not water, but an ionic liquid or a corresponding liquid-gas mixture.
In dem Fluid-Kreislauf 9 ist die Strömungsrichtung des Fluids F mit s bezeichnet. Bzgl. der Strömungsrichtung ist der Pumpe 2 eine Förderpumpe 6 vorgeschaltet, welche einen hohen Fluid- Druck in mindestens einem rohrförmigen Teilstück 9a des Fluid-Kreislaufs 9 vor der Pumpe 2 erzeugt. Fluid F mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und/oder einem hohen inneren Fluid-Druck wird so von der Förderpumpe 6 zur Pumpe 2 über das Teilstück 9a eines Rohrsystems gepumpt. Dort tritt dasIn the fluid circuit 9, the flow direction of the fluid F is denoted by s. Concerning. the flow direction of the pump 2 is preceded by a feed pump 6, which generates a high fluid pressure in at least one tubular portion 9a of the fluid circuit 9 in front of the pump 2. Fluid F having a high flow rate and / or a high internal fluid pressure is thus pumped from the feed pump 6 to the pump 2 via the portion 9a of a piping system. There it occurs
Fluid F über den ersten Fluid-Zulauf 3 in eine Kammer 11 der Pumpe 2 ein. Hierzu ragt der Zulauf ein Stückweit in die Kammer und ist dort als eine Düse mit einer Düsenöffnung 3a ausgestaltet (vgl. Figur 2) . Dabei wird das Fluid stark be- schleunigt. Die Beschleunigung folgt gemäß dem sogenannten Venturi-Effekt aufgrund einer entsprechenden Ausgestaltung der Düse. Die Fluid-Strömungsgeschwindigkeit wird z.B. ver- zehnt- bis verhundertfacht bzw. vertausendfacht. Fluid-Strö- mungsgeschwindigkeiten bis hin zur Schallgeschwindigkeit sind möglich. Die Strömungsgeschwindigkeit ist abhängig vom Fluid- Druck direkt vor der Düse und vom Düsendurchmesser im Verhältnis zum Leitungsdurchmesser des ersten Fluid-Zulaufs 3. Der Fluid-Strahl, welcher mit einer hohen Geschwindigkeit aus der Düse an deren Öffnung 3a austritt, nimmt Teile des in der Kammer 11 befindlichen Gases z.B. durch Stöße mit den Gasmolekülen und Verwirbelungen durch Reibung im Gas in der Kammer auf. Die mit dem Fluid-Strom mitgerissenen Gasmoleküle treten auf dem der Düsenöffnung 3a gegenüberliegenden Fluid-Ablauf 5 aus der Kammer 11 mit dem Fluid F zusammen aus.Fluid F via the first fluid inlet 3 in a chamber 11 of the pump 2 a. For this purpose, the inlet protrudes piece by piece into the chamber and is designed there as a nozzle with a nozzle opening 3a (see FIG. The fluid is greatly accelerated. The acceleration follows according to the so-called Venturi effect due to a corresponding design of the nozzle. The fluid flow rate is increased, for example, ten to a hundredfold or thousandfold. Fluid flow velocities up to the speed of sound are possible. The flow rate is dependent on the fluid pressure directly in front of the nozzle and the nozzle diameter in relation to the pipe diameter of the first fluid inlet 3. The fluid jet, which at a high speed off the nozzle at the opening 3a exits, takes up parts of the gas in the chamber 11, for example, by collisions with the gas molecules and turbulence by friction in the gas in the chamber. The entrained with the fluid flow gas molecules occur on the nozzle opening 3a opposite the fluid outlet 5 from the chamber 11 with the fluid F together.
Über ein Rohrsystemteilstück 9b wird das aus der Kammer 11 über den Fluid-Ablauf 5 ausgetretene Fluid F in einen Vor- ratsbehälter 7 geleitet. Dort wird das Fluid F gesammelt und mitgerissene Gasmoleküle können aus dem Fluid entweichen und über ein Rückschlagventil 8 an die Umgebung oder in einen weiteren Auffangbehälter abgegeben werden. Das gesammelte Fluid aus dem Vorratsbehälter 7 kann dann mit Hilfe eines weiteren Rohrsystemteilstücks 9c der Förderpumpe 6 zugeführt werden, womit sich ein geschlossener Fluid-Kreislauf 9 in dem Rohrsystem ergibt.Via a pipe system section 9b, the leaked from the chamber 11 via the fluid outlet 5 fluid F is directed into a storage tank 7. There, the fluid F is collected and entrained gas molecules can escape from the fluid and discharged through a check valve 8 to the environment or into another collecting container. The collected fluid from the reservoir 7 can then be supplied with the aid of another pipe system section 9c of the feed pump 6, which results in a closed fluid circuit 9 in the pipe system.
In der Kammer 11 der Pumpe 2 führen die mit dem Fluid F mit- gerissenen und abtransportierten Gasmoleküle zu einem Unterdruck an einem zweiten Zulauf 4 der Kammer 11 der Pumpe 2. Eine Hochvakuum-Kammer 10 ist über ein Rohrleitungssystem 12, z.B. einer Edelstahl-Rohrleitung, mit dem zweiten Zulauf 4 der Pumpenkammer 11 verbunden. Zwischen der Hochvakuum-Kammer 10 und der Pumpenkammer 11 kann so ein Gasaustausch bzw. - transport stattfinden. Der in der Pumpenkammer 11 erzeugte Unterdruck führt zu einem Gastrom, welcher Gas von einem höheren Gasdruck in der Hochvakuum-Kammer 10 zu einem niedrigeren Gasdruck in der Pumpenkammer 11 strömen lässt. Erst wenn ein Druckausgleich stattgefunden hat, d.h. in der Hochvakuum- Kammer 10 und der Pumpenkammer 11 der gleiche Gasdruck besteht, findet kein Gasaustausch zwischen der Ultrahochvakuum- Kammer 10 und der Pumpenkammer 11 mehr statt. Der Gasaustausch zwischen der Hochvakuum-Kammer 10 und der Pumpenkammer 11 kann so zu einer Druckerniedrigung in der Hochvakuum- Kammer 10 führen; d.h., aus der Hochvakuum-Kammer 10 ist so Gas in die Pumpenkammer 11 abzupumpen. Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich in der Hochvakuum- Kammer 10 ein Gas-Druck erzeugen bzw. ein Vakuum mit einem Druck, welcher dem Dampfdruck des verwendeten Fluids F zumindest annähernd entspricht. Durch eine erfindungsgemäße Ver- wendung ionischer Fluide als Arbeitsmedium der Pumpe 2 können Hochvakuum-Gasdrücke erreicht werden, d.h. ein Hochvakuum in einer Hochvakuum-Kammer 10, das bis in den Ultrahochvakuumbereich von 10~7 bis 10~12 mbar reicht.In the chamber 11 of the pump 2, the gas molecules entrained with the fluid F lead to a negative pressure at a second inlet 4 of the chamber 11 of the pump 2. A high-vacuum chamber 10 is via a pipeline system 12, eg a stainless steel pipeline , connected to the second inlet 4 of the pump chamber 11. Between the high-vacuum chamber 10 and the pump chamber 11 can thus take place a gas exchange or - transport. The negative pressure generated in the pump chamber 11 leads to a gas flow, which allows gas to flow from a higher gas pressure in the high vacuum chamber 10 to a lower gas pressure in the pump chamber 11. Only when a pressure equalization has taken place, ie in the high-vacuum chamber 10 and the pump chamber 11, the same gas pressure, no gas exchange between the ultra-high vacuum chamber 10 and the pump chamber 11 more. The gas exchange between the high-vacuum chamber 10 and the pump chamber 11 can thus lead to a pressure reduction in the high-vacuum chamber 10; ie, from the high-vacuum chamber 10 gas is pumped into the pump chamber 11. With the described method, a gas pressure can be generated in the high-vacuum chamber 10 or a vacuum with a pressure which at least approximately corresponds to the vapor pressure of the fluid F used. By using ionic fluids according to the invention as the working medium of the pump 2, high-vacuum gas pressures can be achieved, ie a high vacuum in a high-vacuum chamber 10 which extends into the ultra-high vacuum range of 10 -7 to 10 -12 mbar.
Für die erfindungsgemäße Pumpe geeignete ionische Fluide sind z.B. aus „Angewandte Chemie", 2000, Bd.112, Seiten 3926 bis 3945 bekannt. Demnach sieht man im Allgemeinen als solche Fluide Flüssigkeiten an, die bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen kleiner 1000C, schmelzende Salze mit nicht-molekularem, ionischem Charakter sind. Eine besonders vorteilhafte Eigenschaft solcher ionischer Flüssigkeiten für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Pumpe ist, dass diese einen praktisch nicht messbaren Dampfdruck (bei den üblichen Anwendungstemperaturen) haben. Es können somit in zu evakuierenden Räumen Unterdrücke erreicht werden, die dem Dampfdruck der zu verwendenden Flüssigkeiten entsprechen. Bei Betrieb der Pumpe verdampft praktisch keine Flüssigkeit, so dass das angesaugte Gas leicht von der Flüssigkeit zu trennen ist.Suitable ionic fluids for the pump according to the invention are known, for example, from "Angewandte Chemie", 2000, Vol. 112, pages 3926 to 3945. Accordingly, liquids are generally considered to be liquids of this kind which are used at low temperatures, in particular at temperatures below 100 ° C. A particularly advantageous property of such ionic liquids for use in the pump according to the invention is that they have a virtually non-measurable vapor pressure (at the customary application temperatures) and can thus be used in rooms to be evacuated When the pump is in operation, virtually no liquid evaporates, so that the aspirated gas is easily separated from the liquid.
Besonders geeignet sind Fluide F (flüssig oder in einem zwei- phasigen Flüssigkeit-Gas-Gemisch) , die zumindest als Hauptanteil (d.h. zu mehr als 50 Vol-%) Sulfat-, Hydrogensulfat-, Alkylsulfat-, Thiocyanat-, Phosphat-, Borat-, Tetrakishydro- gensulfatoborat- oder Silikat-Ionen enthalten. Particularly suitable are fluids F (liquid or in a two-phase liquid-gas mixture) which contain at least the major proportion (ie more than 50% by volume) of sulfate, hydrogensulfate, alkylsulfate, thiocyanate, phosphate, borate -, Tetrakishydrogensulfatoborat- or silicate ions.

Claims

Patentansprüche claims
1. Pumpe (2) nach Art einer Wasserstrahlpumpe zur Erzeugung eines Hochvakuums, insbesondere eines Ultrahochvakuums, mit wenigstens einer von einem Fluid (F) in einer Strömungsrichtung (s) durchströmbaren Kammer (11) , welche Kammer (11)1. pump (2) in the manner of a water jet pump for generating a high vacuum, in particular an ultra-high vacuum, with at least one of a fluid (F) in a flow direction (s) through which chamber (11), which chamber (11)
• wenigstens einen ersten Zulauf (3) für das Fluid (F) aufweist, der in die Kammer (11) ragt und in einer Düsenöffnung (3a) endet, • wenigstens einen Ablauf (5) für das Fluid (F) aufweist, welcher in Strömungsrichtung (s) gesehen gegenüber der Düsenöffnung (3a) angeordnet ist, und• at least one first inlet (3) for the fluid (F), which projects into the chamber (11) and ends in a nozzle opening (3a), • at least one outlet (5) for the fluid (F), which in Flow direction (s) seen opposite to the nozzle opening (3a) is arranged, and
• wenigstens einen zweiten Zulauf (4) aufweist, der in die Kammer (11) mündet und mit einem zu evakuierenden Raum (10) zu verbinden ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid (F) ein ionisches Fluid vorgesehen ist.• Has at least one second inlet (4), which opens into the chamber (11) and is to be connected to a space to be evacuated (10), characterized in that as fluid (F) an ionic fluid is provided.
2. Pumpe (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Förderung des ionische Fluids (F) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und/oder einem vorbestimmten Druck in den ersten Zulauf (3) vorgesehen sind.2. Pump (2) according to claim 1, characterized in that means for conveying the ionic fluid (F) at a predetermined speed and / or a predetermined pressure in the first inlet (3) are provided.
3. Pumpe (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördermittel wenigstens eine Förderpumpe (6) vorgesehen ist.3. Pump (2) according to claim 2, characterized in that as conveying means at least one feed pump (6) is provided.
4. Pumpe (2) Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Anschluss an einen geschlossenen Fluid-Kreislauf (9), welcher die För- derpumpe (6) zum Erzeugen eines Fluid-Drucks in dem wenigstens einen ersten Fluid-Zulauf (3) umfasst und welcher einen Vorratsbehälter (7) mit einem Rückschlagventil (8) zum Abführen von Gasen umfasst, der mit dem wenigstens einen Fluid- Ablauf (5) und der Förderpumpe (6) verbunden ist.4. Pump (2) according to claim 3, characterized by a connection to a closed fluid circuit (9), which comprises the delivery pump (6) for generating a fluid pressure in the at least one first fluid inlet (3) and which comprises a reservoir (7) with a check valve (8) for discharging gases, which is connected to the at least one fluid outlet (5) and the feed pump (6).
5. Pumpe (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ionische Fluid (F) eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch ist. 5. Pump (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the ionic fluid (F) is a liquid or a liquid-gas mixture.
6. Pumpe (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem zu evakuierenden Raum (10) abhängig von der verwendeten ionischen Flüssigkeit ist, insbesondere von dem Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit.6. Pump (2) according to claim 5, characterized in that the pressure in the space to be evacuated (10) is dependent on the ionic liquid used, in particular of the vapor pressure of the ionic liquid.
7. Pumpe (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ionische Fluid (F) Sulfat-, Hydrogensulfat-, Alkylsulfat-, Thiocyanat-, Phosphat-, Borat-, Tetrakishydrogensulfatoborat- oder Silikat-Ionen enthält.7. Pump (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the ionic fluid (F) sulfate, hydrogen sulfate, alkyl sulfate, thiocyanate, phosphate, borate, Tetrakishydrogensulfatoborat- or silicate ions.
8. Pumpe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu evakuierende Raum eine Ultrahochvakuum-Kammer (10) ist für einen Gasaustausch zwischen dem wenigstens einen Zulauf (4) und der Ultrahochvakuum-Kammer (10) .8. Pump (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the space to be evacuated is an ultra-high vacuum chamber (10) for a gas exchange between the at least one inlet (4) and the ultra-high vacuum chamber (10).
9. Pumpe (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ultrahochvakuum-Kammer (10) ein Ultrahochvakuum erzeugbar ist, welches in einem Druck-Bereich von 10~7 bis 10~12 mbar liegt .9. Pump (2) according to claim 8, characterized in that in the ultra-high vacuum chamber (10), an ultra-high vacuum can be generated, which is in a pressure range of 10 ~ 7 to 10 ~ 12 mbar.
10. Pumpe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Fluid- Zulauf (3) und/oder der wenigstens eine zweite Zulauf (4) und/oder der wenigstens eine Fluid-Ablauf (5) in der Form jeweils wenigstens eines Rohres (9a bzw. 12 bzw. 9b) ausgebildet sind/ist.10. Pump (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one first fluid inlet (3) and / or the at least one second inlet (4) and / or the at least one fluid outlet (5) in the shape of at least one tube (9a or 12 or 9b) are / is formed.
11. Verfahren zum Betrieb der Pumpe (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit den Schritten: a) Erzeugen eines durch die Kammer (11) der Pumpe (2) strömenden Strahls (s) des Fluids (F) , b) Ansaugen von Gas in der und/oder in die Kammer (11) durch den Fluid-Strahl, c) Abführen des Gases mittels des Fluid-Strahls aus der Kammer (11) . 11. A method of operating the pump (2) according to one of the preceding claims, comprising the steps of: a) generating a through the chamber (11) of the pump (2) flowing jet (s) of the fluid (F), b) suction of Gas in and / or in the chamber (11) through the fluid jet, c) discharge of the gas by means of the fluid jet from the chamber (11).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c) in der Reihenfolge a) bis c) zeitgleich kontinuierlich oder aufeinanderfolgend pulsartig erfolgen .12. The method according to claim 11, characterized in that the steps a) to c) in the sequence a) to c) take place at the same time continuously or successively pulse-like.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 gekennzeichnet durch eine Ausnutzung des Venturi-Effektes . 13. The method according to claim 11 or 12 characterized by an exploitation of the Venturi effect.
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