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WO2011147042A1 - Kryopumpe mit einer vorrichtung zur verhinderung des memory - effekts - Google Patents

Kryopumpe mit einer vorrichtung zur verhinderung des memory - effekts Download PDF

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Publication number
WO2011147042A1
WO2011147042A1 PCT/CH2011/000122 CH2011000122W WO2011147042A1 WO 2011147042 A1 WO2011147042 A1 WO 2011147042A1 CH 2011000122 W CH2011000122 W CH 2011000122W WO 2011147042 A1 WO2011147042 A1 WO 2011147042A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling stage
shield
cooling
stage
thermal bridge
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CH2011/000122
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcel Kohler
Herbert Vogt
Urs Frick
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.)
HSR AG
Original Assignee
HSR 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 HSR AG filed Critical HSR AG
Priority to BR112012029924A priority Critical patent/BR112012029924A2/pt
Priority to RU2012157281/06A priority patent/RU2565477C2/ru
Priority to US13/700,425 priority patent/US8955339B2/en
Priority to EP11722718.1A priority patent/EP2577064B1/de
Publication of WO2011147042A1 publication Critical patent/WO2011147042A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/06—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
    • F04B37/08—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps

Definitions

  • the invention relates to a device for preventing the memory effect in cryopumps according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a cryopump according to claim 11.
  • Cryopumps operated with a two-stage cooling head are characterized by their high pumping speed and are used to generate an ultrahigh vacuum (p ⁇ 10 7 mbar). Such pumps have been on the market for over 30 years.
  • the pumping surfaces of the first stage are usually designed as cup-shaped shielding and baffle formed in the region of the pot opening biconical.
  • the first stage pumping surfaces should be maintained at about 80 Kelvin and serve to freeze out water vapor and gases with similar levels of resorption.
  • the bottom of the cup-shaped shield is penetrated by the cooling head in the middle.
  • temperature zones of approximately 30 K. are created in the vicinity of the junction between the cooling head and the bottom of the shielding on the bottom.
  • cryopumps in the case of cryopumps, a heat bar is known, which conducts heat from the cryopump housing to the temperature zones of the bottom of the shield, which also prevents the memory effect.
  • the object of the invention is to propose a cryopump which does not have the disadvantage described above. Ie.
  • the object of the invention is to provide a cryopump which does not have the memory effect.
  • the object is achieved in a device according to the preamble of claim 1, characterized in that the thermal bridge between the shield and the first cooling stage is provided at a distance from the end face.
  • the thermal bridge is in communication with a temperature zone of the first cooling stage, which has a higher temperature than the temperature prevailing at the end face of the first cooling stage.
  • the position of the thermal bridge at the first cooling stage is set such that a temperature between 70 and 90 K and preferably approximately 80 K is established during operation of a cryopump on the shield. If this temperature range prevails over the entire surface of the shield, then the above-mentioned Memory effect can be prevented.
  • the fact that the heat is provided for transmission via the thermal bridge of the first cooling stage, can be dispensed with external heat sources, whereby the efficiency of the cryopump at the second stage is not reduced.
  • a neck is provided at the bottom of the shield, which neck is connected only with its distal end heat-conducting with the first cooling stage. This ensures that cold is taken only from a temperature range of the first cold stage, which corresponds to the optimum operating temperature at the shield.
  • the inner diameter of the nozzle is greater than the outer diameter of the first cooling stage.
  • the nozzle is at no other point except its distal end with the first cooling stage in heat-conducting connection, which allows accurate compliance with the desired operating temperature of the cryopump.
  • the nozzle, on which the shield facing side has a flange which serves as a thermal bridge between the nozzle and the shield. This ensures good heat transfer, due to an enlarged surface of the nozzle, between the nozzle and the shield.
  • the flange is spaced from the second cooling stage.
  • an undesirable cold transfer from the second cooling stage is prevented on the flange and the distance is additionally used as insulation between the flange and the second cooling stage.
  • a gap is provided between the flange and the first cooling stage, so that not even the end face of the first cooling stage, at which temperatures of about 30 K prevail, come into contact with the flange.
  • the desired temperature is advantageously passed directly from the web lossless to the lid and thus also to the baffle and the shield.
  • connection piece is made of copper.
  • copper has excellent heat conduction properties. sits and heat is transferred with low losses.
  • Other materials with similarly good thermal conductivity values as copper would be possible.
  • a further subject of the present invention is also a cryopump according to claim 11 with a device according to any one of claims 1 to 10 described above.
  • the cryopump which accommodates the inventive cooling head has the advantage that its dimensions are adapted precisely to the performance of the cooling head are.
  • FIG. 1 shows a cross section through a cryopump
  • FIG. 2 shows a detailed view of a thermal bridge from FIG.
  • the cryopump 11 shown in FIG. 1 has a housing 12.
  • the housing 12 is equipped at its first end with a first flange 13 which forms the inlet opening 15 of the cryopump 11 and with which the cryopump 11 is attached to a recipient (not shown). preferably with the interposition of a valve connected.
  • a second flange 17 is provided, which surrounds a receiving opening 19.
  • housing 12 Housed in housing 12 is a two-stage cooling head 21, which holds a first, warmer cooling stage 23 (held at approximately 30 K) and a second, colder cooling stage 25 (held at approximately 10 K), which is connected axially to first stage 21. has.
  • the first cooling stage 23 is attached centrally to a cooling head flange 27, which in turn is connected to the second flange 17.
  • connecting flanges 29 are arranged concentrically on the kuhTkopfflansch 27.
  • the connecting flanges 29 are used to connect monitoring instruments, such as pressure and temperature measuring instruments, which monitor the state of the pump during operation.
  • the thermal bridge is preferably made of copper. Between the shield 31 and the end face 55 of the first cooling stage 23 so a gap 34 is formed, which is bridged by the thermal bridge 33.
  • the thermal bridge 33 is not directly connected to the second cooling stage 25 at the transition of the first to the second cooling stage, but a part of the intermediate space 34 remains free in the form of a circular ring.
  • the shield 31 has the shape of a cylinder, on which on the first cooling stage 23 side facing a bottom 35 is provided. On the side facing away from the first cooling stage 23, an opening 37 is provided.
  • an interior 41 is formed.
  • the baffle 37 is supported by the shield 31 and the webs 59 and serves for the freezing of vapors, such.
  • cooling elements 43 which serve as a second pumping surface.
  • the cooling elements are in the form of cups of differing diameters which are partially intermeshed.
  • the cooling elements 43 are connected to the second cooling stage 25 via fixing elements 45 good heat conducting.
  • the bottom 35 of the shield 31 is centrally penetrated by the cooling head 21 in such a way that the first cooling stage outside the interior 41 and the second cooling stage 25 is located in the interior 41.
  • the temperature is determined by the thermal bridge 33, which transmits the temperature of about 30 K prevailing on the end face 55 of the first cooling stage 23 to the bottom 35, the shield 31 and the baffle 39. This results in cryopumps according to the prior art, temperature zones on the bottom 35, which have a temperature of about 30 K.
  • cryopumps During the vacuuming process, gases also enter the interior 41, which condense out at 30 K and do not freeze out.
  • a typical gas with these properties is argon, for example. After these gases are present as liquids at the 30 K zones, they also have a corresponding vapor pressure. Since an ultrahigh vacuum should be achievable with cryopumps, every slight increase in pressure, which arises, for example, due to the vapor pressure of liquefied gases, has a negative effect on the vacuum to be achieved. This reduced vacuum power, which caused by liquefied gases in the interior 41, is referred to in cryopumps of the prior art as a memory effect.
  • one aspect of the invention is not to cause 30 K zones on the entire shield.
  • the construction of the thermal bridge 33 is precisely visible.
  • the thermal bridge 33 is thermally conductively connected to the temperature zone of the first cooling stage 23, which has a temperature of about 80 K, for example. This temperature is transferred from the thermal bridge 33 to the bottom 35. It is important that the thermal bridge 33 is formed in such a way that it is brought as close as possible to the second cooling stage 25. In the exemplary embodiment, this requirement is solved in that the thermal bridge 33 has the shape of a nozzle 33.
  • a flange 46 is provided, which serves the well heat-conducting connection of the thermal bridge 33 to the bottom 35.
  • a clamping connection in the form of a clamp 47 is provided, which is pressed with two screws to the first cooling stage 23. Also conceivable are other non-destructive detachable connections.
  • a gap 49 is provided between the thermal bridge 33 and the first cooling head.
  • the gap 49 results from the fact that the outer diameter 51 of the first cooling stage 23 is smaller than the inner diameter 53 of the thermal bridge 33.
  • the height of the thermal bridge is dimensioned such that also between the end face 55 of the first cooling stage 23 and the flange 46, a gap 49 is provided.
  • baffle 39 and the lid 57 are brought to the temperature level of the shield.
  • the baffle 39 and the lid 57 also serve to shield the cooling elements 43 from gases and vapors that should freeze at 80K. So that the temperature of the baffle 39 and the lid 57 substantially have the temperature of the thermal bridge 33, they are held by webs 59, which are directly in thermal communication with the thermal bridge 33. From the fact that the thermal bridge 33 receives the heat for the heating of the bottom 35 from the first cooling head 23 and not from external heat sources, knows the skilled person that the overall efficiency of the cryopump improves, although the cooling time of the cryopump must necessarily deteriorate slightly.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (21) zur Vermeidung des Memory-Effekts bei Kryopumpen mit einer ersten Kühlstufe (23) und einer zweiten Kühlstufe (25), welche in axialer Richtung an die erste Kühlstufe (23) anschliesst. Eine zylinderförmige Abschirmung (31) hat eine Öffnung (37) und einem Boden (35), welcher Boden (35) von dem zweistufigen Kühlkopf (21) mittig derartig durchdrungen ist, dass die erste Kühlstufe (23) ausserhalb der Abschirmung (31) und die zweite Kühlstufe (25) innerhalb der Abschirmung (31) angeordnet sind. Zwischen der Abschirmung (31) und der ersten Kühlstufe (23) ist ein Zwischenraum (34) gebildet, und der Boden der Abschirmung (31) ist mit der ersten Kühlstufe (23) mittels einer Wärmebrücke (33) wärmeleitend verbunden ist. Ein als Pumpfläche dienenden Kühlpaneel (43) ist mit der zweiten Kühlstufe (25) verbunden und innerhalb der Abschirmung (31) vorgesehen. Ein Baffle (39)ist im Bereich der Öffnung (37) der zylinderförmigen Abschirmung (31) angeordnet und steht in wärmeleitendem Kontakt mit der Abschirmung (31) und/oder der ersten Kühlstufe (21). Die Wärmebrücke (33) ist zwischen der Abschirmung (31) und der ersten Kühlstufe (23) in Abstand von deren Stirnseite (55) vorgesehen. Die Erfindung betrifft auch ein Gehäuse (12) das den Kühlkopf (21) umschliesst und eine Kryopumpe (11), in der der Kühlkopf (21) aufgenommen ist.

Description

KRYOPUMPE MIT EINER VORRICHTUNG ZUR VERHINDERUNG DES MEMORY - EFFEKTS
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung des Memory-Effekts bei Kryopumpen gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Kryopumpe gemäss Anspruch 11.
Stand der Technik
Mit einem zweistufigen Kühlkopf betriebene Kryopumpen zeichnen sich durch ein hohes Saugvermögen aus und dienen der Erzeugung eines Ultrahochvakuums (p<107 mbar). Solche Pumpen befinden sich seit über 30 Jahren auf dem Markt.
Die Pumpflächen der ersten Stufe sind zumeist als topfförmige Abschirmung und als im Bereich der Topföffnung doppelkonisch geformten Baffle ausgebildet. Die Pumpflächen der ersten Stufe sollten auf etwa 80 Kelvin gehalten werden und dienen dem Ausfrieren von Wasserdampf und Gasen mit ähnHchen Resublimaüonspunkten.
An den Pumpflächen der zweiten Stufe, deren Temperatur weniger als 20 K beträgt, frieren Gase mit niedrigerem Resublimationspunkt aus.
Am Übergang von der ersten zur zweiten Stufe ist der Boden der topfförmigen Abschirmung von dem Kühlkopf mittig durchdrungen. Dadurch entstehen in naher Um- gebung der Verbindungsstelle zwischen Kühlkopf und Boden der Abschirmung am Boden Temperaturzonen von ca. 30 K.
Bei Kryopumpen mit zweistufigem Kühlkopf ist ein sogenannter Memory-Effekt bekannt: Es existieren Gase, welche sich an oben beschriebenen Temperaturzonen von etwa 30 K verflüssigen. Die verflüssigten Gase weisen einen Dampfdruck auf, der dem erzeugten Ultrahochvakuum entgegenwirkt. Als Folge des Dampfdrucks stellt sich ein Unterdrück ein, der während des fortlaufenden Betriebs der Kryopumpe nicht mehr unterschreitbar ist. Je höher die Konzentration solcher bei etwa 30 K verflüssigbarer Gase in der abzusaugenden Atmosphäre ist, umso gravierender wirkt sich der Memory-Effekt auf das zu erreichende Vakuum aus.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Am Markt sind zwei Vorschläge bekannt, die diesen Memory-Effekt verhindern (sollen). Auf der einen Seite werden die Temperaturzonen am Boden der Abschirmung in naheliegender Weise von Heizelementen auf die Temperarur der ersten Stufe von 80 K erwärmt.
Auf der anderen Seite ist bei Kryopumpen ein Wärmesteg bekannt, welcher Wärme vom Gehäuse der Kryopumpe an die Temperaturzonen des Bodens der Abschirmung leiten, wodurch der Memory-Effekt ebenfalls verhindert ist.
Der Nachteil dieser Vorschläge hegt darin, dass dem Kühlkopf während des Betriebs der Kryopumpe jeweils von aussen Wärme zugeführt wird und die Kühlleistung der zweiten Stufe und demzufolge der Wirkungsgrad der Kryopumpe verringert wird.
Auf abe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kryopumpe vorzuschlagen, welche den oben beschriebenen Nachteil nicht aufweist. D. h. die Aufgabe der Erfin- dung besteht darin, eine Kryopumpe zu schaffen, die den Memory-Effekt nicht aufweist.
Beschreibung
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Wärmebrücke zwischen der Abschirmung und der ersten Kühlstufe in Abstand von deren Stirnseite vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass die Wärmebrücke mit einer Temperaturzone der ersten Kühlstufe in Verbindung steht, welche eine höhere Temperatur aufweist als die Temperatur, welche an der Stirnseite der ersten Kühlstufe herrscht. Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung sind vorzugsweise neue Kryopumpen ausgestattet. Denkbar ist es jedoch auch, bereits sich im Einsatz befindende Kryopumpen mit der Vorrichtung nachzurüsten.
Vorteilhaft ist die Position der Wärmebrücke an der ersten Kühlstufe derart festgelegt, dass sich im Betrieb einer Kryopumpe an der Abschirmung eine Temperatur zwischen 70 und 90 K und vorzugsweise ungefähr 80 K einstellt. Herrscht dieser Temperaturbe- reich an der gesamten Oberfläche der Abschirmung, so kann der oben ausgeführte Memory - Effekt verhindert werden. Dadurch, dass die Wärme zur Weiterleitung über die Wärmebrücke von der ersten Kühlstufe bereitgestellt ist, kann auf externe Wärmequellen verzichtet werden, wodurch der Wirkungsgrad der Kryopumpe an der zweiten Stufe nicht reduziert wird.
Zweckmässigerweise ist ein Stutzen am Boden der Abschirmung vorgesehen, welcher Stutzen lediglich mit seinem distalen Ende wärmeleitend mit der ersten Kühlstufe verbunden ist. Dadurch ist sichergestellt, dass Kälte nur aus einem Temperaturbereich der ersten Kältestufe entnommen ist, welcher der optimalen Betriebstemperatur an der Abschirmung entspricht.
Vorteilhaft ist der Innendurchmesser des Stutzens grösser als der Aussendurchmesser der ersten Kühlstufe. Damit steht der Stutzen an keiner anderen Stelle ausser seinem distalen Ende mit der ersten Kühlstufe in wärmeleitender Verbindung, was eine genaue Einhaltung der gewünschten Betriebstemperatur der Kryopumpe ermöglicht.
Von Vorteil ist, dass der Stutzen, an der der Abschirmung zugewandten Seite einen Flansch besitzt, welcher als Wärmebrücke zwischen dem Stutzen und der Abschirmung dient. Dadurch ist eine gute Wärmeübertragung, zurückzuführen auf eine ver- grösserte Oberfläche des Stutzens, zwischen dem Stutzen und der Abschirmung gewährleistet.
Zweckmässigerweise ist der Flansch zur zweiten Kühlstufe beabstandet. Dadurch ist eine unerwünschte Kälteübertragung von der zweiten Kühlstufe auf den Flansch verhindert und der Abstand dient zusätzlich als Isolation zwischen dem Flansch und der zweiten Kühlstufe.
Mit Vorteil ist zwischen dem Flansch und der ersten Kühlstufe ein Spalt vorgesehen, sodass auch nicht die Stirnseite der ersten Kühlstufe, an welcher Temperaturen von etwa 30 K herrschen, mit dem Flansch in Kontakt kommen.
Dadurch dass innerhalb des Baffles ein Deckel angeordnet ist, welcher mittels mindestens eines Stegs mit dem Stutzen verbunden ist, wird die gewünschte Temperatur vorteilhaft direkt vom Steg verlustfrei an den Deckel und somit auch an das Baffle und die Abschirmung geleitet.
Dass der Stutzen und der an den Stutzen anschliessende Flansch aus Kupfer gefertigt sind, beinhaltet den Vorteil, dass Kupfer hervorragende Wärmeleiteigenschaften be- sitzt und Wärme mit geringen Verlusten übertragen wird. Möglich wären auch andere Materialien mit ähnlich guten Wärmeleitwerten wie Kupfer.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Kryopumpe gemäss Anspruch 11 mit einer oben beschriebenen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10. Die Kryopumpe, welche den erfindungsgemässen Kühlkopf aufnimmt, besitzt den Vorteil, dass deren Dimensionierungen genau an die Leistung des Kühlkopfs an- gepasst sind.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren in schematischer Darstellung näher im Detail beschrieben. Es zeigt:
Figur 1: einen Querschnitt durch eine Kryopumpe; und
Figur 2: eine Detailansicht einer Wärmebrücke aus Figur V,
Die in Figur 1 dargestellte Kryopumpe 11 besitzt ein Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 ist an seinem ersten Ende mit einem ersten Flansch 13 ausgerüstet, welcher die Eintrittsöffnung 15 der Kryopumpe 11 bildet und mit dem die Kryopumpe 11 an einem nicht nä- her dargestellten Rezipienten, vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Ventils, angeschlossen ist. Am zweiten, dem ersten gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 13 ist ein zweiter Flansch 17 vorgesehen, welcher eine Aufnahmeöffnung 19 umgibt.
In dem Gehäuse 12 ist ein zweistufiger Kühlkopf 21 aufgenommen, der eine erste, wärmere Kühlstufe 23 (auf ca. 30 K gehalten) und eine an die erste Stufe 21 axial an- schliessende zweite, kältere Kühlstufe 25 (auf ca. 10 K gehalten) besitzt. Die erste Kühlstufe 23 ist an einem Kühlkopfflansch 27 mittig befestigt, welcher seinerseits mit dem zweiten Flansch 17 verbunden ist. Rund um die erste Kühlstufe 23 sind Anschlussflansche 29 konzentrisch an dem KühTkopfflansch 27 angeordnet. Die Anschlussflansche 29 dienen dem Anschluss von Überwachungsinstrumenten, beispielsweise Druck- und Temperaturmessinstrumente, welche den Zustand der Pumpe während des Betriebs überwachen.
Eine Abschirmung 31, welche als eine erste Pumpfläche dient, ist über eine Wärmebrücke 33 gut wärmeleitend mit der ersten Kühlstufe 23 verbunden. Zur weiteren Verbes- serung der Wärmeleitung ist die Wärmebrücke vorzugsweise aus Kupfer gefertigt. Zwischen der Abschirmung 31 und der Stirnseite 55 der ersten Kühlstufe 23 ist also ein Zwischenraum 34 gebildet, welcher durch die Wärmebrücke 33 überbrückt ist. Die Wärmebrücke 33 steht am Übergang der ersten zur zweiten Kühlstufe nicht mit der zweiten Kühlstufe 25 direkt in Verbindung, sondern es bleibt ein Teil des Zwischenraums 34 in Form eines Kreisrings frei. Die Abschirmung 31 besitzt die Form eines Zylinders, an welchem an der der ersten Kühlstufe 23 zugewandten Seite ein Boden 35 vorgesehen ist. An der der ersten Kühlstufe 23 abgewandten Seite ist eine Öffnung 37 vorgesehen.
Durch die Abschirmung 31 und einem im Bereich der Öffnung 37 angeordneten Baffle 39 ist ein Innenraum 41 gebildet. Das Baffle 37 ist von der Abschirmung 31 und den Stegen 59 getragen und dient der Ausfrierung von Dämpfen, wie z. B. Wasserdampf. Im Innenraum 41 befinden sich Kühlelemente 43, welche als eine zweite Pumpfläche dienen. Die Kühlelemente haben die Form von Bechern unterschiedHcher Durchmes- ser, welche teilweise ineinander verschoben sind. Um die Temperatur der zweiten Kühlstufe 25 zu erreichen, sind die Kühlelemente 43 mit der zweiten Kühlstufe 25 über Fixierelemente 45 gut wärmeleitend verbunden.
Der Boden 35 der Abschirmung 31 ist von dem Kühlkopf 21 mittig derartig durchdrungen, dass sich die erste Kühlstufe ausserhalb des Innenraums 41 und die zweite Kühlstufe 25 in dem Innenraum 41 befindet. Im Bereich der Abschirmung 31 und des Baffles 39 wird die Temperatur durch die Wärmebrücke 33 bestimmt, welche die an der Stirnseite 55 der ersten Kühlstufe 23 herrschende Temperatur von ca. 30 K an den Boden 35, die Abschirmung 31 und das Baffle 39 überträgt. Dadurch entstehen bei Kryopumpen nach dem Stand der Technik Temperaturzonen an dem Boden 35, welche eine Temperatur von etwa 30 K aufweisen.
Während des Vakuumierprozesses gelangen auch Gase in den Innenraum 41, welche bei 30 K auskondensieren und nicht ausfrieren. Ein typisches Gas mit diesen Eigenschaften ist beispielsweise Argon. Nachdem diese Gase an den 30 K Zonen als Flüssigkeiten vorliegen, besitzen diese auch einen entsprechenden Dampfdruck. Da mit Kry- opumpen ein Ultrahochvakuum erzielbar sein soll, wirkt sich jede kleinste Druckerhöhung, welche beispielsweise durch den Dampfdruck verflüssigter Gase entsteht, negativ auf das zu erreichende Vakuum aus. Diese reduzierte Vakuumleistung, welche durch verflüssigte Gase im Innenraum 41 zustande kommt, wird bei Kryopumpen des Stands der Technik als Memory-Effekt bezeichnet.
Damit dieser Memory-Effekt überwunden werden kann, ist ein Aspekt der Erfindung, 30 K Zonen an der gesamten Abschirmung nicht zustande kommen zu lassen. In Figur 2 ist der Aufbau der Wärmebrücke 33 genau erkennbar. Die Wärmebrücke 33 ist mit der Temperaturzone der ersten Kühlstufe 23 wärmeleitend verbunden, welche etwa eine Temperatur von 80 K besitzt. Diese Temperatur wird von der Wärmebrücke 33 an den Boden 35 übertragen. Von Bedeutung ist, dass die Wärmebrücke 33 derartig ausgeformt ist, dass sie möglichst nahe an die zweite Kühlstufe 25 herangeführt ist. Im Ausführungsbeispiel ist diese Anforderung dadurch gelöst, dass die Wärmebrücke 33 die Form eines Stutzens 33 besitzt. An der dem Boden 35 der Abschirmung 31 abgewandten Seite ist ein Flansch 46 vorgesehen, welcher der gut wärmeleitenden Verbindung der Wärmebrücke 33 mit dem Boden 35 dient. Zur Verbindung der Wärmebrücke 33 mit der ersten Kühlstufe 23 ist eine Klemmverbindung in Form einer Schelle 47 vorgesehen, welche mit zwei Schrauben an die erste Kühlstufe 23 gepresst ist. Denkbar sind auch andere zerstörungsfrei lösbare Verbindungen.
Damit sichergestellt ist, dass der Kontakt zur ersten Kühlstufe 23 ausschliesslich durch die Schelle 47 hergestellt ist, ist zwischen der Wärmebrücke 33 und dem ersten Kühlkopf ein Spalt 49 vorgesehen. Der Spalt 49 kommt einerseits dadurch zustande, dass der Aussendurchmesser 51 der ersten Kühlstufe 23 geringer als der Innendurchmesser 53 der Wärmebrücke 33 ausgeführt ist. Andererseits ist die Höhe der Wärmebrücke derart bemessen, dass auch zwischen der Stirnseite 55 der ersten Kühlstufe 23 und dem Flansch 46 ein Spalt 49 vorgesehen ist.
Von Bedeutung ist, dass auch das Baffle 39 und der Deckel 57 auf das Temperatur- Niveau der Abschirmung gebracht werden. Das Baffle 39 und der Deckel 57 dienen ebenfalls der Abschirmung der Kühlelemente 43 vor Gasen und Dämpfen, die bereits bei 80 K ausfrieren sollen. Damit die Temperatur des Baffles 39 und des Deckels 57 im Wesentlichen die Temperatur der Wärmebrücke 33 besitzen, sind diese über Stege 59 gehalten, welche direkt mit der Wärmebrücke 33 wärmeleitend in Verbindung stehen. Aus der Tatsache, dass die Wärmebrücke 33 die Wärme für die Erwärmung des Bodens 35 aus dem ersten Kühlkopf 23 bezieht und nicht aus externe Wärmequellen, er- kennt der qualifizierte Fachmann, dass sich der Gesamtwirkungsgrad der Kryopumpe verbessert, wenngleich sich die Abkühlzeit der Kryopumpe zwangsläufig geringfügig verschlechtern muss.
Legende:
11 Kryopumpe
12 Gehäuse
13 Erster Flansch
15 Eintrittsöffnung
17 Zweiter Flansch
19 Aumahmeöffnung
21 Vorrichtung zur Verhinderung des Memory-Effekts, Kühlkopf
23 Erste Kühlstufe
25 Zweite Kühlstufe
27 Kühlkopfflansch
29 Anschlussflansch
31 AbscMrmung
33 Wärmebrücke, Stutzen
34 Zwischenraum in Gestalt eines Kreisrings
35 Boden
37 Öffnung
39 Baffle
41 Innenraum
43 Kühlelemente
45 Fixierelemente
46 Flansch
47 Schelle
49 Spalt
51 Aussendurchmesser der ersten Kühlstufe
53 Innendurchmesser der Wärmebrücke
55 Stirnseite der ersten Kühlstufe
57 Deckel
59 Stege

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (21) zur Verhinderung des Memory-Effekts bei Kryopumpen mit einer ersten Kühlstufe (23),
einer zweiten Kühlstufe (25), welche in axialer Richtung an die erste Kühlstufe (23) anschliesst,
einer zylinderförmigen Abschirmung (31) mit einer Öffnung (37) und einem Boden (35), welcher Boden (35) von der zweistufigen Vorrichtung(21) mittig derartig durchdrungen ist, dass die erste Kühlstufe (23) ausserhalb der Abschirmung (31) und die zweite Kühlstufe (25) innerhalb der Abschirmung (31) angeordnet ist, und zwischen der Abschirmung (31) und der ersten Kühlstufe (23) ein Zwischenraum (34) gebildet ist, und der Boden der Abschirmung (31) mit der ersten Kühlstufe (23) mittels einer Wärmebrücke (33) wärmeleitend verbunden ist,
einem als Pumpfläche dienenden Kühlpaneel (43), welches mit der zweiten Kühlstufe (25) verbunden ist und innerhalb der Abschirmung (31) vorgesehen ist, und
einem Baffle (39), welches im Bereich der Öffnung (37) der zylinderförmigen Abschirmung (31) angeordnet ist und in wärmeleitendem Kontakt mit der Abschirmung (31) und/ oder der ersten Kühlstufe (23) steht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmebrücke (33) zwischen der Abschirmung (31) und der ersten Kühlstufe (23) in Abstand von deren Stirnseite (55) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Wärmebrücke (33) an der ersten Kühlstufe (23) derart festgelegt ist, dass sich im Betrieb einer Kryopumpe an der Absc±iirmung (31) eine Temperatur zwischen 70 und 90 K und vorzugsweise ungefähr 80 K einstellt.
3. Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebrücke die Gestalt eines Stutzens besitzt, welcher Stutzen (33) am Boden der Abschirmung (31) vorgesehen ist und lediglich mit seinem distalen Ende wärmeleitend mit der ersten Kühlstufe (23) verbunden ist.
Vorrichtung (21) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (53) des Stutzens (33) grösser als der Aussendurchmesser (51) der ersten Kühlstufe (23) ist.
Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (33), an dem der Abschirmung (31) zugewandten Seite einen Flansch (46) besitzt, welcher als Wärmebrücke zwischen dem Stutzen (33) und der Abschirmung (31) dient.
Vorrichtung (21) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Flansch (46) und der ersten Kühlstufe (25) ein Spalt (49) vorgesehen ist.
Vorrichtung (21) nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (46) zur zweiten Kühlstufe (25) beabstandet ist.
Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Baffles (39) ein Deckel (57) angeordnet ist, welcher mittels mindestens eines Stegs (59) mit dem Stutzen (33) verbunden ist.
Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (33) und der Flansch (46) aus Kupfer gefertigt sind.
Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (21) in einem Gehäuse (12) aufgenommen ist.
11. Kryopumpe (11) mit
- einem Gehäuse (12) mit
- einem ersten Anschlussflansch (13) mit einer ersten Öffnung (15) für die Ver- bindung mit einer zu evakuierenden Kammer, und
- einem zweiten Anschlussflansch (17) für die Befestigung eines Kühlkopfs (21) in dem Gehäuse (12), und
- einer in dem Gehäuse (12) aufgenommenen Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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