PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3216591C2 16.07.1987
Titel Kryopumpe mit jalousieartigem Baffle
Anmelder Leybold-Heraeus GmbH, 5000 Köln, DE
Erfinder Forth, Hans-Joachim, Dr., 5000 Köln, DE;
Heisig, Rolf, Dr., 5354 Weilerswist, DE;
Klein, Hans-Hermann, Dr., 5064 Rösrath, DE;
Völker, Karl-Heinz, Ing.(grad.), 5170 Jülich, DE
Vertreter Leineweber, J., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 5000 Köln
DE-Anmeldedatum 04.05.1982
DE-Aktenzeichen 3216591
Offenlegungstag 10.11.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.07.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.07.1987
IPC-Hauptklasse F04B 37/08
Zusammenfassung Bei einer Kryopumpe in ihrer Einlaßöffnung angeordnetem jalousieartigen, auf Tieftemperaturen gekühlten Baffle (12) ist die Neigung von zumindest einem Teil der das Baffle (12) bildenden Bauteile verstellbar ausgebildet, um die im Innenraum der Kryopumpe liegenden Pumpflächen (8, 9) bei überhöhtem Dampfanfall zu schützen. Sind in der Einlaßöffnung der Pumpe fest eingebaute jalousieartige Bafflestreifen (13 bis 17) vorgesehen, dann können an diesen Bauteilen weitere, ebenfalls gekühlte Flächenabschnitte (23 bis 28) schwenkbar angelenkt sein.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine zweistufige Kryopumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kryopumpen, die nicht dazu bestimmt sind, ausschließlich im Ultrahochvakuum-Bereich betrieben zu werden, benötigen in ihrer Einlaßöffnung ein Baffle, das die Aufgabe hat, die im Pumpengehäuse befindlichen Kaltflächen vor unmittelbarer Wärmestrahlung zu schützen. Nachteilig an Bafflen dieser Art ist, daß sie das Saugvermögen von damit ausgerüsteten Kryopumpen beeinträchtigen, da sie den Eintritt der Gase in das Pumpengehäuse behindern. Bei üblichen Baffle-Konstruktionen liegt die Verminderung des Saugvermögens bei ca. 50%. Bei höheren Druckbereichen als UHV sind Baffle unbedingt erforderlich, so daß ihr Nachteil in Kauf genommen werden muß.

Aus der DE-OS 26 20 880 ist eine zweistufige Kryopumpe der eingangs genannten Art bekannt. Während des Betriebs hat das Baffle eine Temperatur von ca. 50 K bis 80 K und ist damit in der Lage, Gase mit relativ hoher Kondensationstemperatur (im folgenden generell mit Dämpfe bezeichnet), z. B. Wasserdampf, durch Kryokondensation abzupumpen. Die im Pumpeninnenraum liegenden und durch das Baffle vor Strahlung geschützten weiteren Pumpflächen haben eine Temperatur von 10 K bis 30 K und dienen im wesentlichen der Kryokondensation von niedrig siedenden schwereren Gasen, z. B. Argon (im folgenden generell mit Permanentgase bezeichnet). Zusätzlich können dann noch mit Adsorptionsmaterialien belegte Flächen zur Sorption von leichteren Gasen wie Wasserstoff und Helium vorgesehen sein.

Bei Kryopumpen der genannten Art besteht häufig die Notwendigkeit, die im Pumpenraum liegenden, durch das Baffle gegen Wärmestrahlung geschützten Kaltflächen vor überhöhtem Dampfanfall zu schützen, da sonst ihr Saugvermögen sehr schnell nachläßt. Bei Sputterprozessen, bei denen Kryopumpen häufig Anwendung finden, können z. B. plötzlich größere Mengen an Dämpfen auftreten. Gelangen diese auf die inneren Pumpflächen, dann sind diese in kurzer Zeit mit einer Eisschicht bedeckt, so daß die noch vorhandenen Permanentgase nicht mehr in ausreichendem Maße abgepumpt werden können.

Um eine derartige Verseuchung von Pumpflächen zu vermeiden, ist es aus der DE-OS 29 36 931 bekannt, eine zusätzliche "Strömungsbehinderungseinrichtung" vorzusehen, welche die Aufgabe hat, die inneren Pumpflächen bei überhöhtem Wasserdampfanfall zu schützen. Die "Strömungsbehinderungseinrichtung" ist als Drosselblende mit einer Statorplatte und einer Rotorplatte ausgebildet. Diese Platten weisen jeweils einander entsprechende sektorförmige Ausnehmungen auf, deren Größe so gewählt ist, daß die Ausnehmungen der Statorplatte durch Verdrehen der Rotorplatte in einer zum Öffnungsquerschnitt parallelen Ebene geöffnet und geschlossen werden können. Im Falle erhöhten Dampfanfalles wird die Drosselblende in ihre Schließstellung gebracht, so daß die inneren Kaltflächen geschützt sind. Die Drosselblende selbst wird auf einer Temperatur von 50 K bis 80 K gehalten, so daß sie unabhängig von ihrer Stellung in der Lage ist, Dämpfe zu kondensieren. Dadurch ist es möglich, das Saugvermögen der Kryopumpe für Dämpfe im wesentlichen unverändert aufrechtzuerhalten, während das Saugvermögen für Permanentgase regelbar ist.

Nachteilig an einer "Strömungsbehinderungseinrichtung" dieser Art ist, daß das Saugvermögen der im Pumpengehäuse befindlichen Pumpflächen dadurch zusätzlich beeinträchtigt ist. Selbst bei maximaler Öffnung der Ausnehmungen in der Statorplatte nimmt die Drosselblende wesentlich mehr als 60% der Einlaßöffnung der Kryopumpe ein und behindert in diesem Maße das Einströmen der Permanentgase. Das in der Regel zusätzlich noch vorhandene Baffle, das die Kaltflächen der zweiten Stufe bei geöffneter Drosselblende vor Strahlung schützt, nimmt ebenfalls ca. 50% der Einlaßöffnung ein, so daß Baffle und Drossel zusammen den Weg zu den inneren Kaltflächen um mindestens 80% versperren. Das praktisch erreichbare Permanentgas-Saugvermögen der vorbekannten Kryopumpe liegt deshalb, selbst bei vollständig geöffneter Drossel, maximal bei 20% des theoretisch möglichen Saugvermögens.

Aus der DE-OS 19 34 938 ist ein Verfahren zum Betrieb einer kryogenen Pumpstufe bekannt. Während der Inbetriebnahme wird die Kondensationsfläche gegen Wärmezufuhr aus dem Rezipienten bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur thermisch isoliert, um die Abkühlphase zu verkürzen. Bei der Hochvakuumpump-Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist eine Gasdrossel-Vorrichtung vorgesehen, die aus mit ihren Längsachsen senkrecht zur Öffnungsebene der Kryopumpe angeordneten Streifen besteht, welche ihrerseits die kalten Pumpflächen ringförmig umgeben und um ihre Längsachsen drehbar sind. Während der Abkühlungszeit ist die Gasdrossel geschlossen und isoliert die Pumpflächen thermisch vom Rezipienten. Nach dem Erreichen der Betriebstemperatur wird die Pumpfläche freigegeben und dem Wärmeeinfall ausgesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kryopumpe der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß bei erhöhtem Dampfanfall die im Pumpeninneren befindlichen Kaltflächen nicht mit höhersiedenden Dämpfen verseucht werden und im Normalbetrieb keine Reduzierung des maximalen Permanentgas-Saugvermögens der Kaltflächen der zweiten Stufe besteht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Kryopumpe besteht die Möglichkeit, die Einlaßöffnung während des Betriebs der Kryopumpe durch Verschwenkung der bewegbaren Bauteile zu verschließen, wenn die im Pumpeninneren befindlichen Kaltflächen vor zu hohem Gasanfall geschützt werden müssen. In ihrer Offenstellung ist das Permanentgas-Saugvermögen der Kryopumpe - über die durch das ohnehin notwendige Baffle gegebene Beschränkung hinaus - nicht beeinträchtigt. Zur Betätigung der Öffnungs- bzw. Schließbewegung können technisch einfache Gestänge oder Seilzüge verwendet werden. Weiterhin ergibt sich der Vorteil einer kompakten Bauweise, da zwei übereinander anzuordnende Bauteile (Baffle und Drossel) zur Erfüllung der Funktionen "Schutz vor Wärmestrahlung" und "Drosselung des Permanentgas-Saugvermögens" nicht mehr erforderlich sind.

Die Erfindung soll anhand von in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Fig. 1 und 2 zeigen schematisch eine Kryopumpe 1 (Fig. 2, teilweise), deren Pumpflächen mit Hilfe eines zwei Stufen 2 und 3 aufweisenden Refrigerators gekühlt werden. Das äußere Gehäuse dieser Pumpe 1 ist mit 4 bezeichnet. Mit Hilfe des Flansches 5 erfolgt der Anschluß der Pumpe an einen nicht dargestellten Rezipienten. Innerhalb des Gehäuses 4 ist wärmeisoliert ein Topf 6 angeordnet, der mit der ersten, wärmeren Stufe 2 des Refrigerators in Wärmekontakt steht. Während des Betriebs der Pumpe nimmt deshalb der Topf 6 eine Temperatur von ca. 50 K bis 80 K an, so daß seine Flächen als Kryokondensationsflächen für Dämpfe arbeiten. Innerhalb des Topfes 6 befindet sich die zweite, kältere Stufe 3 des Refrigerators, an dem der Kryokondensation und der Kryosorption dienende Pumpflächen 8 und 9 mittels des Flansches 7 gehaltert sind. Während des Betriebs nehmen die Flächen 8, 9 eine Temperatur von ca. 10 bis 20 K an, so daß Permanentgase an diesen Flächen gebunden werden können.

In der Einlaßöffnung 11 des Topfes 6 ist ein generell mit 12 bezeichnetes Baffle angeordnet. Es umfaßt die an der Innenwand des Topfes 6 gehalterten Metallstreifen 13 bis 17, die zunächst die Aufgabe haben, die Pumpflächen 8 und 9 vor direkter Wärmestrahlung aus dem Rezipienten zu schützen. Weiterhin nehmen diese Metallstreifen dadurch, daß sie aus gut wärmeleitendem Material bestehen und fest mit der Innenwand des Topfes 6 verbunden sind, die Temperatur des Topfes 6 an, so daß sie ebenfalls als Kryokondensationsflächen arbeiten.

Um die Einlaßöffnung 11 verschließen zu können, sind die festen Bafflestreifen 13 bis 17 mit Gelenken 18 bis 22 ausgerüstet, mittels deren weitere Flächenabschnitte 23 bis 28 an den festen Bafflestreifen schwenkbar angelenkt sind. Der Aufbau kann nach Art eines Klavierbandes realisiert sein, so daß an jedem festen Bafflestreifen nur ein schwenkbarer Flächenabschnitt angelenkt ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß an einem festen Bafflestreifen (z. B. 17) zwei schwenkbare Flächenabschnitte (27, 28) angelenkt sind. Wesentlich ist, daß die schwenkbaren Flächenabschnitte in ihrer Offenstellung den vorhandenen Öffnungsquerschnitt nur unwesentlich beeinträchtigen. Diese Offenstellung ist in Fig. 1 dargestellt. In dieser Offenstellung liegen möglichst alle schwenkbaren Flächenabschnitte den zugehörigen festen Bafflestreifen flächig an. In ihrer Schließstellung - dargestellt in Fig. 2 - bilden die schwenkbaren Flächenabschnitte mit den zugehörigen festen Bafflestreifen einen Winkel, so daß sie die Öffnungen zwischen den festen Bafflestreifen weitestgehend verschließen.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 ist im Bereich der Einlaßöffnung 11 ein etwa oval- oder rechteckförmiger Träger 31 mit seinen Schmalseiten an der Innenwandung des Topfes 6 gut wärmeleitend befestigt. Im Träger 31 sind Gelenkachsen 32 gehaltert, mittels deren Metallstreifen 33 schwenkbar bzw. - da die Schwenkachsen 32 etwa in der Mittellinie der Metallstreifen 33 angeordnet sind - drehbar am Träger 31 gehaltert sind. Die Metallstreifen 33 erstrecken sich jeweils bis in die unmittelbare Nähe der Innenwandung des Topfes 6 und haben eine solche Breite, daß sie in ihrer Schließstellung die gesamte Einlaßöffnung 11 im wesentlichen verschließen. In ihrer Offenstellung haben sie eine solche Neigung, daß sie ihre Funktion als Baffle erfüllen, nämlich, die Pumpflächen 8 und 9 vor direkter Wärmestrahlung aus dem Rezipienten zu schützen. Zusätzlich ist dazu noch ein fester Bafflestreifen 34 vorgesehen, der unmittelbar oberhalb des Kühlkopfes 7 angeordnet ist und dadurch diesen vor direkter Wärmestrahlung schützt. Über Laschen 35 ist der Bafflestreifen 34 am Träger 31 befestigt.

Da die Metallstreifen 33 neben ihrer Baffle-Funktion auch noch die Funktion von Kryokondensationsflächen haben sollen, ist es erforderlich, daß sie die dafür notwendige Temperatur annehmen. Über aus Kupferlitze bestehende Abschnitte 36, deren eines Ende 37 fest mit dem Träger 31 und deren anderes Ende 38 gut wärmeleitend mit dem Metallstreifen 33 verbunden ist, ist der notwendige Wärme- bzw. Kälteübergang sichergestellt. Baffle-Streifen 17 steht über die Laschen 35 mit dem Träger 31 in gut wärmeleitendem Kontakt.

Zur Verschwenkung der Metallstreifen 33 von ihrer Offenstellung in ihre Schließstellung oder in eine beliebige dazwischenliegende Drosselstellung dient ein Seilzug 41, der motorisch oder von Hand betätigbar ist. Der Seilzug 41 ist durch einen Flanschanschluß 42 aus dem Pumpengehäuse 4 herausgeführt und innerhalb eines am Anschluß 42 angeflanschten Gehäuses 43 mit einer Betätigungswelle 44 verbunden. Die Betätigungswelle 44 steht in nicht näher dargestellter Weise mit einem Verstellmotor 45 in Verbindung. Ein Verstellmotor 45 ist dann sinnvoll, wenn die Stellung der Blechstreifen 33 bzw. der Durchlaßquerschnitt der Einlaßöffnung 11 in Abhängigkeit von der Temperatur der Pumpflächen 8, 9 oder von einem Druck, sei es in der Pumpe oder im angeschlossenen Rezipienten, steuerbar ausgebildet sein soll.


Anspruch[de]
  1. 1. Zweistufige Kryopumpe mit einem in ihrer Einlaßöffnung angeordneten, optisch dichten Baffle, das aus mehreren zueinander parallel angeordneten, gekühlten Streifen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einem Teil der Streifen (13 bis 17) zusätzliche Flächenabschnitte (23 bis 28) zum Verschließen des Strömungsquerschnittes schwenkbar angelenkt sind.
  2. 2. Zweistufige Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (33) an einem gemeinsamen Träger (31) um zu ihren Längsachsen parallele Achsen schwenkbar angelenkt sind.
  3. 3. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (33) mittels Schwenkachsen (32) im Träger (31) gehaltert sind.
  4. 4. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachsen (32) etwa in der Mittellinie der Streifen (33) angeordnet sind.
  5. 5. Kryopumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betätigung der schwenk- oder drehbar gehalterten Bauteile (23 bis 28 bzw. 33) ein Gestänge oder ein Seilzug (41) vorgesehen ist.
  6. 6. Kryopumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dreh- oder schwenkbar angelenkten Bauteile (23 bis 28 bzw. 33) mit den festen Bauteilen (13 bis 17 bzw. 31) über flexible Drahtabschnitte (36) aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Kupferlitze, miteinander verbunden sind.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com