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(11) | EP 2 577 064 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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| (54) |
KRYOPUMPE MIT EINER VORRICHTUNG ZUR VERHINDERUNG DES MEMORY-EFFEKTS CRYOGENIC PUMP WITH A DEVICE FOR PREVENTING MEMEORY EFFECT POMPE CRYOGENIQUE AVEC DISPOSITIF DE PRÉVENTION D'EFFET MÉMOIRE |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
Gebiet der Erfindung
[0001] 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
[0002] Mit einem zweistufigen Kühlkopf betriebene Kryopumpen zeichnen sich durch ein hohes Saugvermögen aus und dienen der Erzeugung eines Ultrahochvakuums (p<10-7 mbar). Solche Pumpen befinden sich seit über 30 Jahren auf dem Markt.
[0003] 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 ähnlichen Resublimationspunkten.
[0004] An den Pumpflächen der zweiten Stufe, deren Temperatur weniger als 20 K beträgt, frieren Gase mit niedrigerem Resublimationspunkt aus.
[0005] Am Übergang von der ersten zur zweiten Stufe ist der Boden der topfförmigen Abschirmung von dem Kühlkopf mittig durchdrungen. Dadurch entstehen in naher Umgebung der Verbindungsstelle zwischen Kühlkopf und Boden der Abschirmung am Boden Temperaturzonen von ca. 30 K.
[0006] 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 Unterdruck 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.
[0007] 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 Temperatur der ersten Stufe von 80 K erwärmt.
[0008] 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.
[0009] Der Nachteil dieser Vorschläge liegt 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.
[0010] In der DE 2912 856 ist eine Kryopumpe mit einem eingebauten mehrstufigem Kryogenerator offenbart. Die Stufe niedrigster Temperatur ist mit der Kondensationsfläche für die zu pumpenden permanenten Gase wärmeleitend verbunden. Die Stufe höherer Temperatur ist mit einer Strahlungsabschirmung für die Kondensationsfläche wärmeleitend verbunden. Die wärmeleitende Brücke zur Strahlungsabschirmung ist möglichst kurz ausgeführt, wohingegen die wärmeleitende Brücke zwischen der Stufe der tiefsten Temperatur und der Kondensationsfläche im Vergleich zur gängigen Praxis relativ lang ausgeführt ist. Diese Veränderung der Wärmebrückenlängen führt zu einer verkürzten Abkühlzeit der Kryopumpe. Den Memory-Effekt zu verhindern, vermag diese Kryopumpe jedoch auch nicht.
Aufgabe der Erfindung
[0011] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kryopumpe vorzuschlagen, welche den oben beschriebenen Nachteil nicht aufweist. D. h. die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kryopumpe zu schaffen, die den Memory-Effekt nicht aufweist.
Beschreibung
[0012] 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.
[0013] 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 Temperaturbereich 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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 vergrösserte Oberfläche des Stutzens, zwischen dem Stutzen und der Abschirmung gewährleistet.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] Dass der Stutzen und der an den Stutzen anschliessende Flansch aus Kupfer gefertigt sind, beinhaltet den Vorteil, dass Kupfer hervorragende Wärmeleiteigenschaften besitzt und Wärme mit geringen Verlusten übertragen wird. Möglich wären auch andere Materialien mit ähnlich guten Wärmeleitwerten wie Kupfer.
[0021] 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 angepasst sind.
[0022] 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 1;
[0023] 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 näher 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.
[0024] 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 anschliessende 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 Kühlkopfflansch 27 angeordnet. Die Anschlussflansche 29 dienen dem Anschluss von Überwachungsinstrumenten, beispielsweise Druck- und Temperaturmessinstrumente, welche den Zustand der Pumpe während des Betriebs überwachen.
[0025] Eine Abschirmung 31, welche als eine erste Pumpfläche dient, ist über eine Wärmebrücke 33 gut wärmeleitend mit der ersten Kühlstufe 23 verbunden. Zur weiteren Verbesserung 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.
[0026] 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 unterschiedlicher Durchmesser, 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.
[0027] 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.
[0028] 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 Kryopumpen 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.
[0029] 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.
[0030] 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.
[0031] Von Bedeutung ist, dass auch das Baffle 39 und der Deckel 57 auf das TemperaturNiveau 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.
[0032] 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, erkennt der qualifizierte Fachmann, dass sich der Gesamtwirkungsgrad der Kryopumpe verbessert, wenngleich sich die Abkühlzeit der Kryopumpe zwangsläufig geringfügig verschlechtern muss.
Legende:
[0033]
- 11
- Kryopumpe
- 12
- Gehäuse
- 13
- Erster Flansch
- 15
- Eintrittsöffnung
- 17
- Zweiter Flansch
- 19
- Aufnahmeöffnung
- 21
- Vorrichtung zur Verhinderung des Memory-Effekts, Kühlkopf
- 23
- Erste Kühlstufe
- 25
- Zweite Kühlstufe
- 27
- Kühlkopfflansch
- 29
- Anschlussflansch
- 31
- Abschirmung
- 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
- einem Gehäuse (12) mit
- einem ersten Anschlussflansch (13) mit einer ersten Öffnung (15) für die Verbindung mit einer zu evakuierenden Kammer,
- einem zweiten Anschlussflansch (17) für die Befestigung eines Kühlkopfs (21) in dem Gehäuse (12), und
- einem Kühlkopf (21), umfassend
- eine erste Kühlstufe (23),
- eine zweite Kühlstufe (25), welche in axialer Richtung an die erste Kühlstufe (23) anschliesst,
- eine zylinderförmige Abschirmung (31) mit einer 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 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,
- eine als Pumpfläche dienendes Kühlpaneel (43), welches mit der zweiten Kühlstufe (25) verbunden ist und innerhalb der Abschirmung (31) vorgesehen ist, und
- ein 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.
- a casing (12) with
- a first connecting flange (13) with a first opening (15) for the connection with a chamber to be evacuated,
- a second connecting flange (17) for fixing a cooling head (21) in the casing (12) and
- a cooling head (21) comprising
- a first cooling stage (23),
- a second cooling stage (25) which is connected to the first cooling stage (23) in axial direction,
- a cylindrical shield (31) with an opening (37) and a bottom (35) through which the two-stage cooling head (21) penetrates in the middle thereof in such a manner that the first cooling stage (23) is placed outside the shield (31) and the second cooling stage (25) is placed inside the shield (31) and an intermediate space (34) is formed between the shield (31) and the first cooling stage (23) and the bottom of the shield (31) is heat-conductively connected with the first cooling stage (23) by means of a thermal bridge (33),
- a cooling panel (43) serving as a pumping surface which is connected to the second cooling stage (25) and which is provided inside the shield (31) and
- a baffle (39) which is placed in the area of the opening (37) of the cylindrical shield (31) and which is in heat-conductive contact with the shield (31) and/or the first cooling stage (23),
characterized in thatthe thermal bridge (33) is provided between the shield (31) and the first cooling stage (23) at a distance from the front side (55) thereof.
- un bâti (12) avec
- une première bride de raccordement (13) avec une première ouverture (15) pour la liaison avec une chambre à évacuer,
- une seconde bride de raccordement (17) pour la fixation d'une tête de refroidissement (21) dans le bâti (12) et
- une tête de refroidissement (21) qui comprend
- un premier étage de refroidissement (23),
- un second étage de refroidissement (25) qui se rattache au premier étage de refroidissement (23) dans le sens axial,
- un écran cylindrique (31) avec une ouverture (37) et un fond (35), lequel fond (35) est traversé par la tête de refroidissement à deux étages (21) en son milieu de telle manière que le premier étage de refroidissement (23) est placé à l'extérieur de l'écran (31) et le second étage de refroidissement (25) à l'intérieur de l'écran (31) et qu'un espace intermédiaire (34) est formé entre l'écran (31) et le premier étage de refroidissement (23) et que le fond de l'écran (31) est relié au premier étage de refroidissement (23) de manière thermoconductrice au moyen d'un pont thermique (33),
- un panneau de refroidissement (43), qui sert de surface de pompage, qui est relié au second étage de refroidissement (25) et qui est prévu à l'intérieur de l'écran (31),
- un baffle (39) qui est placé dans la zone de l'ouverture (37) de l'écran cylindrique (31) et qui est en contact thermoconducteur avec l'écran (31) et/ou avec le premier étage de refroidissement (23),
caractérisée en ce quele pont thermique (33) est prévu entre l'écran (31) et le premier étage de refroidissement (23) en étant espacé de la face frontale (55) de celui-ci.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
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In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente