DE3226785A1

DE3226785A1 - Kryosorptionspumpe

Info

Publication number: DE3226785A1
Application number: DE19823226785
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 7500 Karlsruhe Dittrich; Hartmut Dr. 7300 Esslingen Frey; Ralf-Dieter Dr. 7520 Bruchsal Penzhorn
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1982-07-17
Filing date: 1982-07-17
Publication date: 1984-01-19
Also published as: GB2126660B; GB2126660A; GB8316571D0; US4464905A; FR2530298A1

Description

Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 15.7.82

Karlsruhe GmbH PLA 8 240 Hä/he

ANR Ioo2597

Kryosorptionspumpe

Bes ehre ibunq:

Die Erfindung betrifft eine Kryosorptionspumpe in einstufiger Ausführung für einen Druckbereich von 1000 mbar bis 10 mbar und kontinuierlichen Pumpbetrieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die bekannten Kryopumpen arbeiten mit metallischen in einem Pumpgefäß angeordneten Wandflächen, die von einem an das Pumpgefäß angeschlossenen Refrigerator in z.B. in zwei Stufen zunächst auf etwa 70 K und dann auf 20 K tiefgekühlt werden, so daß an den Wandflächen Gase und Dämpfe kondensieren und einen festen Niederschlag bilden (Lexikon Technik und exakte Naturwissenschaften, Band 10, Seite 2993, 1972). Diese Kryopumpe erfordert jedoch ein Vorvakuum von etwa 10~ mbar, weil eine Kühlung bei Atmosphärendruck eine zu dicke Kondensschicht bewirken würde, welche die Pumpwirkung bei tiefen Drücken beeinträchtigt. Die das Vorvakuum erzeugende Hilfspumpe ist eine elektromechanische Pumpe, welche das Vakuum zwangsläufig mit Öl verschmutzt.

In bestimmten Anwendungsbereichen ist es erforderlich, das Vakuum von Ölrückständen absolut freizuhalten. So ist z.B. bei der Herstellung von elektronischen Strukturen im Hochvakuum wegen der in diesem aufzubauenden mikrofeinen Schichten die Anlagerung von Kohlenwasserstoffmolekülen die Ursache für eine das Produkt erheblich verteuernde Ausschußquote von etwa

70 %. Entsprechend hohe Anforderungen in bezug auf Ölfreiheit des Vakuums gelten im Bereich der Fusionstechnologie.

Es sind auch Sorptionspumpen bekannt, bei denen an einem Sorptionsmaterial, wie z.B. Aktivkohle Gase absorbiert werden. Das Sorptionsmaterial wird jedoch nach einer vorbestimmten Zeit mit dem zu absorbierenden Gas gesättigt, so daß dann der Pumpbetrieb eingestellt und das Sorptionsmaterial regeneriert werden muß. Das hat zur Folge, daß ein Hochvakuum über einen längeren Zeitraum nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand aufrechterhalten werden kann.

Es ist ferner bekannt,die Kryopumpe und die Sorptionspumpe in einer Kryosorptionspumpe zu vereinigen (Chemie Ingenieur Technik, 40.Jahrgang, 1968, Heft 5, Seiten 2o7 bis 213) und metallische Wandflächen mit einem Molekularsieb fest zu verbinden. Diese Einrichtung ist jedoch mit den Nachteilen der Sorptionspumpe behaftet, so daß das eingestellte Hochvakuum während der Regenerationszeit des Molekularsiebes nicht aufrechtzuerhalten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Kryosorptionspumpen dahingehend zu verbessern, daß die Entgasung des Sorptionsmaterials ohne Unterbrechung des Pumpbetriebes ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Kryosorptionspümpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Kryosorptionspümpe bestehen insbesondere darin, daß unabhängig von dem bei Beginn des Pumpbetriebes vorliegenden Anfangsdruck ein vorbestimmtes Hochvakuum eingestellt und ohne zeitliche Begrenzung aufrechterhalten werden kann, das absolut frei von Ölrückständen ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer Kryosorptionspümpe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 9 ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

An das obere Ende eines vertikal angeordneten Pumpengehäuses 1 ist zwar eine Flanschverbindung 2 ein Rezipient 3 angeschlossen. Eine in der Ebene der Flanschverbindung 2 angeordnete optische Blende 4 verhindert den Eintritt einer Infrarotstrahlung in den Rezipienten 3.

Der Boden 5 des Pumpengehäuses 1 ist als Mantel eines Kreiskegels ausgebildet, an dessen nach unten weisender Spitze eine Ableitung 6 angeschlossen ist. In dem Pumpengehäuse 1 sind mehrere aus Kupfer- oder Aluminiumblech bestehende ebene Wandflächen 7 vertikal

und parallel zueinander angeordnet und wärmeleitend mit einem Refrigerator 8 verbunden, der die Wandflächen 7 auf eine Temperatur von ^ 40 κ kühlt.

Oberhalb der Wandflächen 7 ist in dem Pumpengehäuse 1 ein kegelförmiger Abweiser 9 angeordnet, dessen nach oben weisende Kegelspitze knapp unterhalb der Austrittsöffnung 10 einer Zuleitung 11 liegt. Die Konizität des Abweisers 9 ist identisch der Neigung des Schüttkegels eines durch die Zuleitung 11 zugeführten granulierten Sorptionsmaterials 12, welches den Raum zwischen dem Boden 5 des Pumpengehäuses 1 und dem Abweiser 9 im Bereich der tiefgekühlten Wandflächen 7 vollständig ausfüllt.

Die Länge und die Form jeder der tiefgekühlten Wandflächen 7 ist durch den Schüttkegel des granulierten Sorptionsmaterials 12 und den Boden 5 des Pumpengehäuses 1 bestimmt.

Jede der Wandflächen 7 ist in einem vorbestimmten, den ungehinderten Durchgang des Sorptionsmaterials 12 sichernden Abstand von dem Boden 5 des Pumpengehäuses 1 und dem Abweiser 9 angeordnet.

Der ungehinderte Durchgang des granulierten Sorptionsmaterials 12, das beispielsweise aus Zeolith, Aktivkohle oder Volumengettermaterial bestehen kann, wird außerdem dadurch sichergestellt, daß der Abweiser 9 eine Vielzahl von Bohrungen aufweist, deren Durch-

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messer an den des granulierten Sorptionsmaterials angepaßt ist und eine gleichmäßige Verteilung auf die zwischen den Wandflächen 7 gebildeten Räume ermöglicht. Den gleichen Zweck erfüllt ein Ringspalt 13, der zwischen dem Rand größten Durchmesser des Abweisers 9 und der Seitenwand des Pumpengehäuses 1 gebildet ist.

In der Ableitung 6 ist eine das mit dem Sorbenten beladene Sorptionsmaterial 12 aus dem Pumpengehäuse 1 abführende erste Fördereinrichtung 14 angeordnet, die aus einer elektromotorisch angetriebenen Förderschnecke besteht.

In der Zuleitung 11 ist eine das von Sorbenten freie granulierte Sorptionsmaterial 12 in das Pumpengehäuse 1 transportierende zweite Fördereinrichtung

15 angeordnet, die in ihrem Aufbau der ersten Fördereinrichtung 14 identisch ist.

Die Ableitung 6 und die Zuleitung 11 sind durch einen das Sorptionsmaterial 12 desorbierenden Regenerator

16 miteinander verbunden.

Der Regenerator 16 besteht aus einem rohrförmigen Behälter, dessen mit der Ableitung 6 verbundenes Ende mit einem Eingangsventil 17 und dessen mit der Zuleitung 11 verbundenes Ende mit einem Ausgangs-

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ventil 18 verschließbar ist.

An den Regenerator 16 ist mindestens ein Ablaßventil 19 für die während der Desorption aus dem Sorptionsmaterial 12 bei Temperaturanstieg freigesetzten
Gase angeschlossen.

Das Eingangsventil 17, das Ausgangsventil 18 und
das Ablaßventil 19 sind als Magnetventile ausgebildet.

Der Regenerator 16 kann zur Beschleunigung des Desorptionsvorganges mit einer Heizeinrichtung 20 auf
eine vorbestimmte Temperatur von etwa 400 K eingestellt werden.

Die Zuleitung 11 weist eine das granulierte Sorptionsmaterial 12 vor dessen Eintritt in das Pumpengehäuse 1 auf eine Temperatur von etwa 100 K kühlende Kühleinrichtung 21 auf.

Ein optimaler Betriebsablauf wird erreicht durch eine Steuereinrichtung 22, die während einer einstellbaren für die Desorption des in dem Regenerator 16 befindlichen Sorptionsmaterials 12 erforderlichen Zeit das Ablaßventil 19 öffnet und gleichzeitig das Eingangsventil 17 und das Ausgangsventil 18 schließt und die erste und die zweite Fördereinrichtung 14, 15 abschaltet.

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■ /3

Das granulierte Sorptionsmaterial 12 füllt also ständig den Raum zwischen den tiefgekühlten Wandflächen 7 sowie die Volumina der Ableitung 6, des Regenerators 16 und der Zuleitung 11.

Das granulierte Sorptionsmaterial 12 wird durch die Kühleinrichtung 21 soweit gekühlt, daß es die Zuleitung 11 mit etwa 100 K verläßt. Im Bereich der tiefgekühlten Wandflächen 7 wird die Temperatur des Sorptionsmaterials 12 auf etwa 50 K herabgesetzt und dabei die Sorption von Gasen mit sinkender Temperatur beschleunigt. Jetzt öffnet die Steuereinrichtung 22 das Eingangsventil 17, das Ausgangsventil 18 und das Ablaßventil 19 und schaltet gleichzeitig die erste und die zweite Fördereinrichtung 14, 15 zu, so daß im Pumpengehäuse 1 mit dem Sorbenten beladenes Sorptionsmaterial 12 in den Regenerator 16 und das zuvor in dem Regenerator 16 desorbierte Sorptionsmaterial 12 in die Zuleitung 11 transportiert und vor dem Wiedereinleiten in das Pumpengehäuse mit der Kühleinrichtung 21 auf etwa 100 K gekühlt wird.

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Bezuaszeichenliste:

1	Pumpengehäuse
2	Flanschverbindung zwischen 1 und 3
3	Rezipient
4	optische Blende zwischen 1 und 3
5	Boden von 1
6	Ableitung für 12
7	Wandfläche in 1
8	Refrigerator
9	Abweiser für 12
10	Austrittsöffnung von 11
11	Zuleitung für 12
12	Sorptionsmaterial
13	Ringspalt
14	1.Fördereinrichtung für 12
15	2.Fördereinrichtung für 12
16	Regenerator für 12
17	Eingangsventil
18	Ausgangsventil
19	Ablaßventil
20	Heizeinrichtung für 16
21	Kühleinrichtung für 11
22	Steuereinrichtung

Claims

Patentansprüche:

ΠΑ Kryosorptxonspumpe in einstufiger Ausführung für einen Druckbereich von 1000 mbar bis 10" mbar und kontinuierlichen Betrieb mit den Merkmalen: a) ein Refrigerator (8) ist mit metallischen Wandflächen (7) wärmeleitend verbunden,

b) an den Wandflächen (7) ist ein Sorptionsmaterial (12) angeordnet, dessen während einer vorbestimmten Desorptionszeit nahezu auf Raumtemperatur ansteigende Temperatur während der Sorptionszeit mit dem Refrigerator (8) auf etwa 60 K

einstellbar ist,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

c) ein die tiefgekühlten Wandflächen (7) aufnehmendes, mit einem Rezipienten (3) verbundenes Pumpengehäuse (1) ist im Bereich der Wandflächen

(7) mindestens teilweise mit einem granulierten Sorptionsmaterial (12) gefüllt,

d) oberhalb der tiefgekühlten Wandflächen (7) mündet eine Zuleitung (11) für das Sorptionsmaterial (12) in das Pumpengehäuse (1) ,

e) an den tiefsten Punkt des Pumpengehäuses (1) ist eine Ableitung (6) für das Sorptionsmaterial (12) angeschlossen,

f) in der Ableitung (6) ist eine das mit dem Sorbenten beladene Sorptionsmaterial (12) aus dem Pumpengehäuse (1) abführende erste Fördereinrichtung (14) angeordnet,

g) in der Zuleitung (11) ist eine das von Sorbenten weitgehend

freie Sorptionsmaterial (12) in das Pumpengehäuse (1) transportierende zweite Fördereinrichtung (15) angeordnet,

h) Ableitung (6) und Zuleitung (11) sind durch einen das Sorptionsmaterial (12) desorbierenden Regenerator (16) miteinander verbunden.
2. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (5) des Pumpengehäuses

(1) als Mantel eines Kreiskegels ausgebildet ist, an dessen nach unten weisender Spitze die Ableitung (6) angeschlossen ist.
3. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) in dem Pumpengehäuse (1) ist oberhalb der tiefgekühlten Wandflächen (7) ein kegelförmiger Abweiser (9) so angeordnet, daß die nach oben weisende Kegelspitze knapp unterhalb der Austrittsöffnung der Zuleitung (11) liegt,

b) zwischen dem Rand größten Durchmessers des Abweisers (9) und der Seitenwand des Pumpengehäuses (1) ist ein Ringspalt (13) gebildet,

c) der Abweiser (9) weist eine Vielzahl von an den Durchmesser des granulierten Sorptionsmaterials

(12) angepaßten Bohrungen auf,

d) die Konizität des Abweisers (9) ist identisch der Neigung des Schnittkegels des granulierten Sorptionsmaterials (12).
4. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die tiefgekühlten Wandflächen (7) in dem durch den Boden des Pumpengehäuses (1) und den Abweiser (9) begrenzten Bereich des Pumpengehäuses (1) sind vertikal und parallel zueinander angeordnet,

b) die Länge und die Form jeder der Wandflächen (7) ist durch den Schüttkegel des granulierten Sorptionsmaterials (12) und den Boden (5) des Pumpengehäuses (1) bestimmt,

c) jede der Wandflächen (7) ist in einem vorbestimmten, den ungehinderten Durchgang des Sorptionsmaterials (12) sichernden Abstand von dem Boden (5) des Pumpengehäuses (1) und dem Abweiser (9) angeordnet.
5. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Regenerator (16) besteht aus einem rohrförmigen Behälter, dessen mit der Ableitung (6) verbundenes Ende mit· Hnorri F.1 rigangev^nti 1

(17) und dessen mit der Zuleitung (11) verbundenes Ende mit einem Ausgangsventil (18) verschließbar ist,

b) an den Regenerator (16) ist mindestens ein Ablaßventil (.19) für die während der Desorption aus dem Sorptionsmaterial (12) freigesetzten Gase angeschlossen,

c) das Eingangsventil (17) , das Ausgangsventil (18) und das Ablaßventil (19) sind als Magnetventile ausgebildet.
6. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator (16) eine die Desorption des Sorptionsmaterials (12) beschleunigende Heizeinrichtung (20) aufweist.
7. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (11) eine das granulierte Sorptionsmaterial (12) vor dessen Eintritt in das Pumpengehäuse (1) auf eine Temperatur von etwa 100 K kühlende Kühleinrichtung (21) aufweist.
8. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Fördereinrichtung (14, 15) aus je einer elektromotorisch angetriebenen Förderschnecke bestehen.

• ε
9. Kryosorptionspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (22) vorgesehen ist, die während einer vorbestimmten für die Desorption des in dem Regenerator (16) befindlichen Sorptionsmaterial (12) erforderlichen Zeit, das Ablaßventil (19) öffnet, das Eingangsventil (17) und das Ausgangsventil (18) schließt und die erste und die zweite Fördereinrichtung (14, 15) abschaltet.