He-gekühlte Kaltfläche und damit versehene Kryopumpe

Abstract

 Die Wirtschaftlichkeit des Betriebes einer mit tiefsiedender Flüssigkeit, insbesondere flüssigem Helium, gekühlten Kaltfläche, die häufigen Zwischenerwärmungen unterworfen werden muß, kann gemäß der Erfindung wesentlich verbessert werden, wenn man die Kaltfläche als Doppelmantel (1) ausbildet, dessen Zwischenraum mit der tiefsiedenden Flüssigkeit beaufschlagt wird und der in seinem Innenraum (3) ein Reservoir (2) für die tiefsiedende Flüssigkeit aufweist, das vom Doppelmantel (1) durch einen wärmeisolierenden Zwischenraum getrennt ist und mit dem Mantel über eine mit Ventil (5) versehene Leitung (6) verbunden ist, die vom tiefsten Punkt des Doppelmantels zum tiefsten Punkt des Reservoirs führt. Vorzugsweise hat eine solche Anordnung ferner eine mitVentil (8)verseheneVerbindungsleitung (7)zwischen dem oberen Ende des Reservoirs (2) und dem unteren Ende des Doppelmantels (1), über die Kaltgas aus dem Reservoir zur Vorkühlung des Doppelmantels durch diesen geleitet werden kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltfläche, insbesondere für Kryopumpen, gebildet durch die gekühlte(n) Seite(n) einer zumindest teilweise mit flüssigem Helium gefüllten bzw. beaufschlagten (Doppel)-Wand sowie auf eine damit versehene Kryopumpe.

[0002] Beim Einsatz von Kryopumpsystemen herkömmlicher Bauart und großer Saugleistung ergeben sich in der Praxis folgende Probleme:

- Da Kryopumpen die gepumpten Gase nicht aus dem Rezipienten entfernen, sondern durch Kondensation oder Sorption an der Kaltfläche ausfrieren, entsteht beim Pumpen brennbarer Gase, beispielsweise Wasserstoff, die Gefahr der Bildung explosiver Gemische, wenn bei ausreichend hohem Gasinventar in der Pumpe der Vakuumbehälter belüftet wird. Dies kann beispielsweise auch ungewollt durch einen Betriebsunfall geschehen.

- Mit zunehmender Dicke der Kondensatschicht nimmt die Emissivität und damit der Kälteleistungsbedarf der Kaltfläche zu.

- Beim Pumpen des Wasserstoffisotops Tritium in zukünftigen Kernfusionsanlagen werden größere Mengen (o,1 bis 1 kg) an Kaltflächen gebunden und verursachen dort zusätzlich zur Explosionsgefahr die Gefahr einer Freisetzung größerer Mengen dieses gefährlichen Radionuklids.

[0003] Diese Probleme werden stark verringert bzw. vermieden, wenn die Kaltflächen der Kryopumpen relativ häufig abgetaut, d.h. von der Kondensatschicht befreit werden, wobei das freiwerdende Gas bei hohem Druck und hohem Durchsatz von einer Pumpe kleinen Saugvermögens (z.B. Turbomolekularpum^pe) aus dem Rezipienten entfernt und in entsprechenden Aufbereitungsanlagen überführt wird. Dazu ist ein Erwärmen der Arbeitsfläche nach Entleerung des Flüssig-Heliums aus der Kaltfläche sowie allen übrigen Flüssig-Helium enthaltenden Leitungen und Vorratsbehältern, die mit dem Rezipienten vakuummäßig in Verbindung stehen, notwendig. Der damit verbundene zweimalige Transfer größerer Mengen Flüssig-Helium zwischen Pumpen und einem externen Reservoir ist zeitraubend und üblicherweise mit größeren Verlusten behaftet.

[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit solcher He-gekühlten Kaltflächen wesentlich zu verbessern.

[0005] Die zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehene Kaltfläche der eingangs genannten Art ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die LHe-beaufschlagte (Doppel)-Wand als Doppelmantel für ein LH_e-Reservoir ausgebildet ist, das vom Doppelmantel durch einen wärmeisolierten insbesondere evakuierten Zwischenraum getrennt und mit diesem über eine mit Ventil versehene LHe-Leitung am unteren Ende verbunden ist.

[0006] Bei dieser erfindungsgemäßen Kaltfläche hängen also der nach außen wirksame Doppelmantel und das von diesem umschlosseneFlüssig-Helium-Reservoir nach Art der kommunizierenden Röhren über eine mit Ventil versehene Verbindungsleitung am Tiefpunkt oder unteren Ende zusammen, wodurch ein rascher Entzug von Flüssig-Helium aus der nach außen wirksamen Doppelwand in das Reservoir hinein allein durch eine entsprechende Druckregelung ohne Leitungsverluste möglich ist. Ebenso kann das erneute Befüllen verlustlos vorgenommen werden.

[0007] Besonders zweckmäßig für das Kaltfahren ist es, wenn eine zusätzliche mit Ventil versehene Verbindungsleitung vom oberen Ende des umschlossenen Flüssig-Helium-Reservoirs zum unteren Ende der Doppel-Wand hin vorgesehen ist, über die Helium-Kaltgas für die Vorkühlung der Doppelwand ausgenutzt werden kann, wodurch der Verbrauch an flüssigem Helium vermindert wird.

[0008] Vorzugsweise hat sowohl das umschlossene Reservoir als auch die Doppelwand je einen Gasauslaß, die insbesondere über ein System zur Erzeugung einer Druckdifferenz in Verbindung stehen.

[0009] Die mit Flüssig-Helium beaufschlagte Wand, die als gut wärmeisolierter bzw. Vakuumdoppelmantel für das umschlossene LHe-Reservoir ausgebildet ist, kann über ihre gesamte Oberfläche hinweg lückenlos als Flüssig-Helium aufnehmende Doppel- wand ausgebildet sein oder aber durch ein System von flächenhaft miteinander verbundenen LHe-gefüllten oder -aufnehmenden Röhrchen gebildet werden oder auch nur an dem Gesamtkonzept angepaßten Stellen,wie z.B. einer zylindrischen Mantelfläche, als Behältnis ausgebildet sein.

[0010] Der Zwischenraum zwischen der nach außen wirksamen LHe-beaufschlagten Wand und dem von dieser umschlossenen LHe-Reservoir kann vorzugsweise ein Kryosorptionsmittel speziell als Oberflächenbelag des umschlossenen Reservoirs aufweisen, wodurch der Unterdruck im Zwischenraum in erwünschter Weise vermindert werden kann.

[0011] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung erläutert.

[0012] Die angefügte Figur zeigt ein Schema für eine erfindungsgemäße Kaltfläche mit über die gesamte Oberfläche zusammenhängend ausgebildeten LHe-Behältnis.

[0013] Wie aus der Zeichnung hervorgeht, bildet die nach außen wirksame (Doppel)-Wand 1 einen Doppelmantel für ein von diesem umschlossenes LHe-Reservoir 2, das vom Doppelmantel durch einen gut wärmeisolierten insbesondere evakuierten Zwischenraum 3 getrennt ist. Zur Verminderung des Drucks im Zwischenraum 3 kann vorzugsweise ein Kryosorptionsmittel 4 als Außenhaut an der Oberfläche des Reservoirs 2 vorgesehen sein. Ein Mehrlagen-Wärmestrahlungsschild 13 aus hochreflektierenden Folien umgibt optisch dicht das gesamte Reservoir 2 zur Verminderung der LHe-Verluste des Reservoirs infolge von Wärmestrahlung bei warmer Kaltfläche, d.h. zum Beispiel im Fall des Belüftens des Vakuumsystems (wobei sich LN₂-Baffle 12 und Kaltwand 1 auf Umgebungstemperatur aufwärmen). Diese Art der Wärmestrahlungsisolierung (üblicherweise als Superisolation bezeichnet) wird häufig zu diesem Zweck in Kryosystemen eingesetzt.

[0014] Eine mit Ventil 5 versehene Verbindungsleitung 6 verbindet die unteren Enden von Reservoir und Doppelwand. Über diese Verbindungsleitung kann mit Hilfe des Ventils 5 je nach dem Vorzeichen der Druckdifferenz zwischen der Doppelwand 1 und dem Reservoir 2 eine Füllung oder Entleerung der nach außen wirksamenWand ohne thermische Leitungsverluste vorgenommen werden.

[0015] Eine zusätzliche Verbindungsleitung 7 führt vom oberen Ende des Reservoirs zum unteren Ende der Doppelwand. In dieser Leitung 7 ist ein Ventil 8 vorgesehen, das beim Kaltfahren geöffnet wird und eine Ausnutzung von Kaltgas zur Vorkühlung der Doppelwand zuläßt. Die gesamte Anordnung wird von einer äußeren Flüssig-Heliumquelle über die Leitung 9 gefüllt. Gasauslässe 1o und 11 der Doppelwand bzw. des Reservoirs können mit einem Steuersystem verbunden sein, mit dessen Hilfe eine für den Füll-oder Entleerungsvorgang erforderliche Druckdifferenz zwischen den Räumen 1 und 2 erzeugt wird.

[0016] Die gesamte Anordnung dient insbesondere als Kaltfläche einer Kryopumpe und ist dann von einem gasdurchlässigen Wärmestrahlungsschild 12 umgeben, der sich auf Flüssigstickstofftemperatur befindet. Dieser Wärmestrahlungsschild ist vorzugsweise wie in der älteren Patentanmeldung P 29 o7 ₀55.1 angegeben ausgebildet.

[0017] Beim Betrieb der vorstehend beschriebenen Anordnung ergeben sich,wiebereits angedeutet, folgende Vorteile:

[0018] Durch das praktisch verlustfreie Nachfüllen von 2 nach 1 kann der Nachfüllvorgang quasikontin_u- ierlich sein, wodurch eine Helium-Bevorratung in der Doppelwand selbst entfällt; damit werden auch Heliumverluste durch schnelles Verdampfen bei Vakuumeinbruch in dem die Kryopumpe aufzunehmenden Rezipienten minimalisiert.

[0019] Dieser Rezipient kann ohne Rücktransfer des Flüssig-Heliums in ein externes Reservoir belüftet werden. Das Flüssig-Helium verbleibt in den internen Reservoirs der Kryopumpen.

[0020] Im Standby-Betrieb kann das Flüssig-Helium aus der Doppelwand 1 in das Reservoir 2 zurückgeleitet werden, wodurch die Verluste auf die eines handelsüblichen He-Dewars (o,5 l/Tag) reduziert werden, und zwar ohne Rücksicht auf die Größe der Kaltfläche, wohingegen Systeme herkömmlicher Bauart Standby-Verluste von o,5 1/qm.h aufweisen.

Ansprüche

1. Kaltfläche, insbesondere für Kryopumpen, gebildete durch die gekühlte(n) Seite(n) einer zumindest teilweise mit flüssigem Helium gefüllten bzw. beaufschlagten (Doppel)-Wand, dadurch gekennzeichnet , daß die LHe-beaufschlagte (Doppel)-Wand (1) als Doppelmantel für ein LHe-Reservoir (2) ausgebildet ist, das vom Doppelmantel durch einen wärmeisolierten insbesondere evakuierten Zwischenraum (3) getrennt und mit ihm über eine mit Ventil (5) versehene LHe-Leitung (6) verbunden ist, die vom tiefsten Punkt des Doppelmantels zum tiefsten Punkt des Reservoirs führt.

2. Kaltfläche nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit Ventil (8) versehene Verbindungsleitung (7) zwischen dem oberen Ende des LHe-Reservoirs (2) und dem unteren Ende der (Doppel)-Wand (1).

3. Kaltfläche nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gasauslaß (1₀) am oberen Ende der (Doppel)-Wand (1).

4. Kaltfläche nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gasauslaß (11) am oberen Ende des Reservoirs (2).

5. Kaltfläche nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet durch eine äußere Verbindung der beiden Gasauslässe (1₀, 11) mit einem System zur Erzeugung einer Druckdifferenz.

6. Kaltfläche nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kryosorptionsmittel (4) im Zwischenraum (3).

7. Kaltfläche nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wärmestrahlungsschilde (13) im Zwischenraum (3).

8. Kryopumpe mit einer von flüssigem Kältemittel beaufschlagten Kaltfläche, die von einem Wärmestrahlungsschild umgeben wird, gekennzeichnet durch eine Kaltfläche nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Zeichnung