WO1993015318A1 - Kryopumpe mit einem im wesentlichen topfförmigen gehäuse - Google Patents

Kryopumpe mit einem im wesentlichen topfförmigen gehäuse Download PDF

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WO1993015318A1
WO1993015318A1 PCT/EP1992/000869 EP9200869W WO9315318A1 WO 1993015318 A1 WO1993015318 A1 WO 1993015318A1 EP 9200869 W EP9200869 W EP 9200869W WO 9315318 A1 WO9315318 A1 WO 9315318A1
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radiation shield
pump
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recess
drain pipe
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Monika Mattern-Klosson
Hans-Jürgen MUNDINGER
Hans-Ulrich HÄFNER
Uwe Timm
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    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S417/00—Pumps
    • Y10S417/901—Cryogenic pumps

Definitions

  • the invention relates to a cryopump with the features of the preamble of claim 1.
  • the present invention has for its object to provide a cryopump with the features of the preamble of claim 1 such that the disadvantages described no longer exist.
  • this object is achieved in that the condensate collection space is arranged laterally in such a way that the pump can be regenerated even when mounted horizontally, without having to accept the disadvantages of long regeneration times and / or the risk of seals being damaged. Since there is always a defined "deepest point" to which the drain pipe is connected, the pump according to the invention also has the same advantages with regard to its regeneration properties as the pump already proposed for vertical mounting.
  • cryopump is denoted by 1, its outer housing by 2, the cold head by 3 and the radiation shield by 4.
  • Housing 2 and radiation shield 4 have an essentially cup-shaped design and are arranged concentrically to one another. Your axis is labeled 5.
  • the open sides of the housing 2 and radiation shield 4 form the inlet opening 6 of the pump 1.
  • the housing flange 7 is used to fasten the pump to a recipient - preferably via a valve (not shown). Entry area of the pump 1 the baffle 8, which is carried by the radiation screen 4.
  • the cold head 3 extending laterally into the pump housing 2 and the radiation shield 4 is of two stages (stages 11, 12).
  • the cold is generated, for example, with the aid of a refrigerator, not shown in detail, which operates according to the Gifford-McMahon principle.
  • the first stage 11 of the cold head 3 is connected to the radiation shield 4 with good thermal conductivity, so that the radiation shield 4 and also the baffle 8 assume the temperature of this stage 11.
  • the second stage 12 of the cold head is located in the pump interior 13. It carries the pump surfaces of the second stage, generally designated 15, via a copper block 14 that conducts heat well. These include outer pump surfaces 16, on which the condensable gases argon, nitrogen, oxygen, etc., accumulate.
  • inner surface areas 17 covered with adsorption material are provided, which serve for the adsorption of light gases (hydrogen, helium, etc.).
  • an attachment flange 21 is equipped with a recess 22 which is embedded in the inside of the respective flange.
  • the recess 22 is arranged so that it is basically at the bottom, so that liquid condensate collects therein. If the recess 22 is located in the attachment flange 21, the functionally correct position of the recess 22 can be ensured by suitable mounting of this attachment flange.
  • the radiation screen 4 has at least in its lower region a pouring part 23 which is shaped such that condensate flowing out of the screen flows into the recess 22.
  • the radiation shield 4 expediently has an outwardly widening edge section 24.
  • a collecting trough 27 is provided in the recess 22 at a distance. This prevents the flanges 7 or 21 from becoming undesirably cold.
  • the drip pan 27 itself should have the lowest possible mass so that it quickly reaches the temperature of the liquid condensate. This avoids unnecessary evaporation of the condensate or ensures a quick drainage of the condensate.
  • the drain pipe used to remove the condensate is designated 31. It opens directly into the recess 22 or - if the collecting trough 27 shown is present - into this collecting trough. It is led out radially through the respective flange 7 or 21. Outside the pump is the valve 32, which is opened to drain the condensate. This valve 32 is equipped with a heater 33 which protects the valve seal from harmful effects of cold due to the condensate.
  • the radiation shield 4 is provided with a diameter extension on the bottom, so that the condensate collects laterally in the bottom region of the radiation shield 4 even when the pump 1 is mounted horizontally.
  • the drain pipe 31, which is also led out through a bore 34 in the flange 7, is extended into the pump interior 13 in such a way that its inlet opening is located in the collecting space formed by the diameter expansion.
  • a pump 1 designed in this way has the advantage that it can be installed both horizontally and vertically - and in all intermediate positions if it is ensured that the collecting space forms the lowest point with the inlet opening of the drain pipe 31.
  • the bottom of the radiation shield 4 may also be curved inwards (cf. bottom line 35 shown in broken lines).
  • an essentially crescent-shaped end plate 41 is provided which, together with the part of the radiation shield 4 located below, forms the collecting space.
  • the end plate 41 is releasably attached to the edge of the radiation shield 4, so that it can be brought into the correct - lower - position in a simple manner.
  • It can be equipped, for example, with a carrier 42, which has two sections 43 and 44 which surround the edge of the radiation shield 4, so that a secure hold is guaranteed.
  • the drain pipe 31 can be led out of the pump 1 at any point, for example, as shown, again through a radial bore in the flange 7. It is essential that its inlet opening lies in the area of the end plate 41.
  • this heater (heating conductor 45) is arranged on the inner section 43 of the carrier 42 for the end plate 41. It thus forms a unit with the end plate 41, so that when correctly installed, the sickle and heating are always in the collecting space.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kryopumpe mit einem im wesentlichen toppförmigen Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse angeordneten, ebenfalls im wesentlichen topfförmigen Strahlungsschirm (4), mit einer Eintrittsöffnung (6), mit einem sich in das Gehäuse und in den Strahlungsschirm erstreckenden Kaltkopf (3), mit am Kaltkopf gehalterten Pumpflächen (15) für kondensierbare Gase und mit einem Sammelraum für flüssiges, während der Regeneration der Pumpe anfallendes Kondensat; um eine Regeneration der Pumpe bei unterschiedlichen Einbaulagen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß der Kondensatsammelraum derart seitlich angeordnet ist, daß die Pumpe (1) auch bei horizontalem Anbau regeneriert werden kann.

Description

Kryopumpe mit einem im wesentlichen topfföπnigen Gehäuse
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kryopumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Bei einer Kryopumpe dieser Art wurde bereits vorgeschlagen, die Regenerierung der Pumpflächen - vorzugsweise der Pumpflächen der zweiten Stufe einer zweistufigen Kryopumpe dieser Art - dadurch zu bewirken, daß die Temperatur der zu regenerierenden Pumpfla¬ chen und der Druck in der Pumpe auf Werte über den Tripelpunkt der zu entfernenden Gase erhöht werden und daß die sich von den Pumpflächen lösenden Kondensate über das Ablaßrohr - flüssig und/oder gasförmig - entfernt werden. Das vorzugsweise flüssige, während der Regeneration der Pumpe anfallende Kondensat sammelt sich im Bodenbereich der vertikal angebauten Pumpe und strömt durch das Ablaßrohr, dessen Eintrittsöffnung sich im Bodenbereich des Strahlungsschirmes befindet, nach außen ab. Unter einem "vertikalen Anbau" soll verstanden werden, daß die Achse der im wesentlichen topfförmig gestalteten Pumpe im wesentlichen verti¬ kal angeordnet ist.
Immer häufiger besteht die Notwendigkeit, Kryopumpen der be¬ schriebenen Art horizontal anzubauen, das heißt, daß sie derart mit einem Rezipienten verbunden werden muß, daß die Achse des Pumpengehäuses horizontal liegt. Wird bei einer in dieser Weise angeordneten Pumpe das oben beschriebene Regenerationsverfahren durchgeführt, dann sammelt sich das flüssige Kondensat nicht mehr im Bereich der Eintrittsöffnung des Ablaßrohres. Eine schnelle Entfernung des Kondensats über das Ablaßrohr ist deshalb nicht mehr möglich, so daß auf den Vorteil der besonders kurzen Rege¬ nerierzeit des beschriebenen Regenerierverfahrens verzichtet werden muß. Da keine klar definierte "tiefste Stelle" vorhanden ist, bilden sich nur langsam verdampfende Kondensatlachen aus. Geschieht das im Bereich des Eintrittsflansches, dann besteht wegen der einwirkenden Kälte die Gefahr einer Beschädigung der üblicherweise verwendeten O-Ringdichtungen mit der Folge von Undichtigkeiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kryopumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß die beschriebenen Nachteile nicht mehr bestehen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kondensatsammeiraum derart seitlich angeordnet ist, daß die Pumpe auch bei horizontalem Anbau regeneriert werden kann, ohne die Nachteile langer Regenerierzeiten und/oder der Gefahr der Beschä¬ digung von Dichtungen in Kauf nehmen zu müssen. Da stets eine definierte "tiefste Stelle" vorhanden ist, an die das Ablaßrohr angeschlossen ist, hat die erfindungsgemäße Pumpe auch in Bezug auf ihre Regeneriereigenschaften die gleichen Vorteile wie die bereits vorgeschlagene Pumpe bei vertikalem Anbau.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. In allen Figuren sind die Kryopumpe mit 1, ihr äußeres Gehäuse mit 2, der Kaltkopf mit 3 und der Strahlungs¬ schirm mit 4 bezeichnet. Gehäuse 2 und Strahlungsschirm 4 haben eine im wesentlichen topfförmige Gestaltung und sind konzentrisch zueinander angeordnet. Ihre Achse ist mit 5 bezeichnet. Die offenen Seiten von Gehäuse 2 und Strahlungsschirm 4 bilden die Eintrittsöffnung 6 der Pumpe 1. Zur Befestigung der Pumpe an einem Rezipienten - vorzugsweise über ein nicht dargestelltes Ventil - dient der Gehäuseflansch 7. Außerdem befindet sich im. Eintrittsbereich der Pumpe 1 das Baffle 8, das vom Strahlungs¬ schirm 4 getragen wird. Der sich seitlich in das Pumpengehäuse 2 und den Strahlungsschirm 4 erstreckende Kaltkopf 3 ist zweistufig ausgebildet (Stufen 11, 12). Die Kälte wird beispielsweise mit Hilfe eines im einzelnen nicht dargestellten, nach dem Gifford-McMahon-Prinzip arbeitenden Refrigerators erzeugt. Die erste Stufe 11 des Kaltkopfes 3 ist mit dem Strahlungsschirm 4 gut wärmeleitend verbunden, so daß der Strahlungsschirm 4 und auch das Baffle 8 die Temperatur dieser Stufe 11 annehmen. Die zweite Stufe 12 des Kaltkopfes befindet sich im Pumpeninnenraum 13. Über einen gut wärmeleitenden Kupfer¬ block 14 trägt sie die generell mit 15 bezeichneten Pumpflächen der zweiten Stufe. Diese umfassen äußere Pumpflächen 16, an denen sich die kondensierbaren Gase Argon, Stickstoff, Sauerstoff usw. anlagern. Zusätzlich sind innere, mit Adsorptionsmaterial belegte Flächenbereiche 17 vorgesehen, die der Adsorption leichter Gase (Wasserstoff, Helium usw. ) dienen.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 ist entweder der Pumpenflansch 7 selbst oder - wie in Figur 2 dargestellt - ein Vorsatzflansch 21 mit einer Ausnehmung 22 ausgerüstet, die in die Innenseite des jeweiligen Flansches eingelassen ist. Die Ausnehmung 22 ist so angeordnet, daß sie sich grundsätzlich unten befindet, so daß sich flüssiges Kondensat darin sammelt. Befindet sich die Ausnehmung 22 im Vorsatzflansch 21, dann kann durch geeignete Montage dieses Vorsatzflansches die funktionsrichtige Position der Ausnehmung 22 sichergestellt werden. Der Strahlungs¬ schirm 4 hat mindestens in seinem unteren Bereich eine Ausguß- steile 23, die so geformt ist, daß aus dem Schirm ausfließendes Kondensat in die Ausnehmung 22 fließt. Zweckmäßig weist dazu der Strahlungsschirm 4 einen sich nach außen erweiternden Randab¬ schnitt 24 auf.
Um zu verhindern, daß das kalte Kondensat unmittelbar mit den Flanschen 7 oder 21 in Berührung kommt und damit die Flansch- Dichtungsringe 25, 26 durch Kälteeinwirkung gefährden würde, ist eine in die Ausnehmung 22 mit Abstand eingesetzte Auffangwanne 27 vorgesehen. Ein unerwünschtes Kaltwerden der Flansche 7 oder 21 ist dadurch vermieden. Die Auffangwanne 27 selbst sollte eine möglichst geringe Masse haben, damit sie schnell die Temperatur des flüssigen Kondensats annimmt. Dadurch wird ein unnötiges Verdampfen des Kondensats vermieden bzw. ein schneller Abfluß des Kondensats sichergestellt.
Das der Entfernung des Kondensats dienende Ablaßrohr ist mit 31 bezeichnet. Es mündet unmittelbar in die Ausnehmung 22 oder - wenn die dargestellte Auffangwanne 27 vorhanden ist - in diese Auffangwanne. Es ist radial durch den jeweiligen Flansch 7 bzw. 21 herausgeführt. Außerhalb der Pumpe befindet sich das Ventil 32, das zum Ablaß des Kondensats geöffnet wird. Dieses Ventil 32 ist mit einer Heizung 33 ausgerüstet, die die Ventildichtung vor schädlichen Kälteeinwirkungen durch das Kondensat schützt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist der Strahlungsschirm 4 mit einer bodenseitigen Durchmessererweiterung versehen, so daß sich auch bei horizontalem Anbau der Pumpe 1 das Kondensat seitlich im Bodenbereich des Strahlungsschirmes 4 sammelt. Das Ablaßrohr 31, das ebenfalls durch eine Bohrung 34 im Flansch 7 herausgeführt ist, ist derart in den Pumpeninnenraum 13 hinein verlängert, daß seine Eintrittsöffnung sich in dem durch die Durchmessererweiterung gebildeten Sammelraum befindet. Eine in dieser Weise ausgebildete Pumpe 1 hat den Vorteil, daß sie sowohl horizontal als auch vertikal - und in allen Zwischenstellungen - angebaut werden kann, wenn dafür gesorgt wird, daß der Sammelraum mit der Eintrittsöffnung des Ablaßrohres 31 jeweils die tiefste Stelle bildet. Zweckmäßig kann dazu auch noch der Boden des Strahlungsschirmes 4 nach innen gewölbt sein (vgl. gestrichelt eingezeichnete Bodenlinie 35).
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 4 und 5 ist ein im wesentlichen sichelförmiges Abschlußblech 41 vorgesehen, das zusammen mit dem unten liegenden Teil des Strahlungsschirmes 4 den Sammelraum bildet. Zweckmäßig ist das Abschlußblech 41 lösbar am Rand des Strahlungsschirmes 4 befestigt, so daß es in ein¬ facher Weise jeweils in die richtige - untere - Position gebracht werden kann. Es kann beispielsweise mit einem Träger 42 ausgerü¬ stet sein, der zwei den Rand des Strahlungsschirmes 4 umfassende Abschnitte 43 und 44 aufweist, so daß ein sicherer Halt gewährleistet ist. Das Ablaßrohr 31 kann an beliebiger Stelle aus der Pumpe 1 herausgeführt sein, beispielsweise - wie dargestellt - wieder durch eine Radialbohrung im Flansch 7. Wesentlich ist, daß seine Eintrittsöffnung im Bereich des Abschlußbleches 41 liegt.
Um ein schnelles Auftauen von noch festem Kondensat, das durch Schwerkraft in den Sammelraum fällt, zu erreichen, ist es zweck¬ mäßig, im Sammelraum eine Heizung vorzusehen. Beim Ausführungs¬ beispiel nach Figur 5 ist diese Heizung (Heizleiter 45) auf dem inneren Abschnitt 43 des Trägers 42 für das Abschlußblech 41 angeordnet. Es bildet damit eine Einheit mit dem Abschlußblech 41, so daß sich bei korrekter Montage stets Sichel und Heizung im Sammelraum befinden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kryopumpe mit einem im wesentlichen topfförmigen Gehäuse (2), mit einem im Gehäuse angeordneten, ebenfalls im we¬ sentlichen topfförmigen Strahlungsschirm (4), mit einer Eintrittsöffnung (6), mit einem sich in das Gehäuse und in den Strahlungsschirm erstreckenden Kaltkopf (3), mit am Kaltkopf gehalterten Pumpflächen (15) für kondensierbare Gase, mit einem Sammelraum für flüssiges, während der Regeneration der Pumpe anfallendes Kondensat sowie mit einem Ablaßrohr (31), das während einer Regeneration der Pumpflä¬ chen der Entfernung der auf den Pumpflächen niedergeschla¬ genen Gase dient und dessen Eintrittsöffnung sich im Bereich des Sammelraumes befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatsammeiraum derart seitlich angeordnet ist, daß die Pumpe (1) auch bei horizontalem Anbau regeneriert werden kann.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Einlaßflansch (7, 21) ausgerüstet ist und daß eine Ausnehmung (22) in der Innenseite des Flansches den Sammel¬ raum bildet.
3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung wannenförmig ist, daß das Ablaßrohr (31) in den Boden der Wanne mündet und daß das Ablaßrohr (31) radial durch den Flansch (7, 21) nach außen geführt ist.
4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet. daß der Rand des topfförmigen Strahlungsschirmes (4) sich bis in den Bereich der Ausnehmung (22) erstreckt, und daß er derart mit einer Ausgußstelle (23, 24) ausgerüstet ist, daß aus dem Strahlungsschirm (4) ausfließendes Kondensat in die Ausneh¬ mung (22) gelangt.
5. Pumpe nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Ausnehmung (22) versehene Flansch ein separater Vorsatzflansch (21) ist.
6. Pumpe nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsschirm (4)einen sich nach außen erweiternden Randabschnitt (24) aufweist.
7. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß in die Ausnehmung (22) eine Auffangwanne (27) mit geringer Masse unter Einhaltung eines geringen Abstandes von der Ausnehmung (22) eingesetzt ist und daß das Ablaßrohr (31) in den Boden der Auffa ,.«ranne (27) mündet.
8. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß sich der Durchmesser des Strahlungsschirmes (4) derart zum Boden hin vergrößert, daß sich die Sammelstelle für flüssiges Konden¬ sat bei den üblichen Einbaulagen der Pumpe (1) im Boden¬ bereich des Strahlungsschirmes befindet und daß sich das Ablaßrohr (31) bis in den Bodenbereich des Strahlungs¬ schirmes erstreckt.
9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Strahlungsschirmes (4) nach innen gewölbt ist.
10. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Strahlungsschirmes (4) zur Bildung eines Sammelraumes für flüssiges Kondensat mit einem im wesentlichen sichelförmigen Abschlußblech (41) ausgerüstet ist und daß sich das Ablaßrohr (3) bis in den Sammelraum erstreckt.
11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußblech (41) lösbar am Strahlungsschirm (4) befestigt ist.
12. Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Form des Randes des Strahlungsschirmes (4) angepaßter Träger (42) mit den Rand umfassenden Abschnitten (43, 44) für das Abschlußblech (41) vorgesehen ist.
13. Pumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das innerhalb des Strahlungsschirmes (4) verlaufende Ablaßrohr (31) durch eine Radialbohrung im Einlaßflansch (7) herausgeführt ist.
14. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne , daß sich im Bereich des Sammelraumes eine Heizung (45) befindet.
15. Pumpe nach Anspruch 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (45) auf dem inneren Abschnitt (43) des Trägers (42) des Abschlußbleches (41) angeordnet ist.
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