EP0445503B1 - Zweistufige Kryopumpe - Google Patents

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EP0445503B1
EP0445503B1 EP91100181A EP91100181A EP0445503B1 EP 0445503 B1 EP0445503 B1 EP 0445503B1 EP 91100181 A EP91100181 A EP 91100181A EP 91100181 A EP91100181 A EP 91100181A EP 0445503 B1 EP0445503 B1 EP 0445503B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stage
faces
adsorption
cryogenic pump
pump according
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.)
Expired - Lifetime
Application number
EP91100181A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0445503A1 (de
Inventor
Hans-Ulrich Dr. Häfner
Hans-Hermann Prof. Dr. Klein
Uwe Prof. Dr. Timm
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.)
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
Leybold 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 Leybold AG filed Critical Leybold AG
Publication of EP0445503A1 publication Critical patent/EP0445503A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0445503B1 publication Critical patent/EP0445503B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • 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 two-stage cryopump with condensation and adsorption surfaces arranged on the second (colder) stage.
  • Two-stage cryopumps of this type are known, for example, from DE-A-35 12 614 and from FR-A-25 99 789.
  • Two-stage cryopumps are usually operated with a two-stage refrigerator as the cooling source.
  • the first stage of the refrigerator takes on a temperature of 60 to 100 K during operation.
  • the pump surfaces (baffle, radiation shield for the second stage) which have a good heat-conducting connection with this first stage of the refrigerator are preferably used for the accumulation of gases such as water vapor, carbon dioxide or the like by condensation.
  • the immediately accessible area is preferably used to remove gases such as nitrogen, argon or the like by condensation.
  • the indirectly accessible area is designed to remove light gases, such as hydrogen or helium, by adsorption.
  • This pump surface area is usually covered with an adsorption material, preferably activated carbon.
  • cryopumps In the previously known cryopumps, the capacity of the adsorbing pump surfaces of the second stage is relatively small compared to the capacity of the condensing pump surfaces of the second stage.
  • a heater arranged on the second stage is switched on and the stage itself and the pump surfaces are thereby heated.
  • a temperature increase to at least 70 K, preferably 90 K, is necessary in order to achieve complete regeneration of the adsorption surfaces. Since the condensation surfaces of the second stage also assume this temperature, it cannot be avoided that condensable gases, e.g. B.
  • condensable gases e.g. Ar
  • a cryopump of the type concerned here in which the pump surfaces attached to the second stage of the refrigerator with good heat conduction are formed by two concentrically arranged pipe sections, the sides of which are covered with an adsorption material and so that the absorbent pumping surfaces form.
  • the outer surfaces not covered with the adsorption material form the condensation surfaces.
  • Inside the annular space formed by the pipe sections there is also a concentrically arranged copper cylinder to which an electrical resistance heater is applied. If the resistance heater has current flowing through it, radiation is emitted, with which the adsorbent layers can be heated for the purpose of their regeneration. However, it cannot be avoided that the condensation surfaces of the second stage also heat up.
  • the problems described above with regard to the regeneration of the adsorbing pump surfaces therefore also exist with the cryopump known from FR-A-25 99 789.
  • the present invention has for its object to provide a two-stage cryopump of the type mentioned, which enables a partial regeneration of the pumping surfaces for light gases such as hydrogen, helium or the like, without the problems described.
  • this object is achieved by the measures according to claim 1.
  • the regeneration of the adsorption surfaces can be carried out when the adsorption surfaces have no thermal contact with the second stage of the refrigerator.
  • the regeneration of the adsorption surfaces there is no annoying temperature increase in the area of the condensation surfaces. Evaporation of already condensed gases and thus the undesired rearrangements are avoided.
  • there are mechanical adjustment devices or thermal switches are required for the adsorption surfaces, which must be operable from outside the pump.
  • the cryopump shown in FIG. 1 has a housing 1 with an inlet opening 2 for the gases to be pumped out.
  • the recipient 30 to be evacuated is connected to the flange 3, specifically via a shut-off device 31.
  • a two-stage refrigerator 4 projects into the housing 1 from below.
  • a pot-shaped shield 6 is fastened in a heat-conducting manner, the opening 7 of which is approximately parallel to the inlet opening 2 of the housing 1 and is equipped with a baffle consisting of a metal strip 8.
  • the shield 5 and also the baffle strips 8 serve as pump surfaces for gases such as water vapor, carbon dioxide or the like.
  • the second stage 9 of the refrigerator 4 projects into the shield 6 inside. This stage 9 bears the pumping surfaces of the second stage, denoted overall by 10.
  • These comprise a total of four sheet metal sections arranged essentially parallel to one another and extending perpendicular to the inlet opening 2, of which the outer sections are designated 11 and the inner sections 12.
  • the outer sheet metal sections are attached directly to the second stage 9 of the refrigerator 4, that is to say with the best possible thermal contact, and form the condensation pumping surfaces of the second stage.
  • the inner sheet metal sections 12 are provided on their inner sides with activated carbon layers 13, which form the adsorption pumping surfaces of the second stage. These pumping surfaces are connected to the second stage 9 of the refrigerator 4 via schematically illustrated heat flow resistors 14. The adsorption surfaces can also be heated. You are z. B. equipped with foil heating elements 15. In addition, the two stages 5 and 9 of the refrigerator 4 are provided with heaters 16, 17. These heaters can be used to regenerate the entire pump.
  • the housing 1 of the cryopump shown is equipped with two connecting pieces 18 and 19.
  • a forevacuum pump 21 is connected to the connection 18.
  • the connecting piece 19 is used to carry out power supply lines to the heaters 15, 16 and 17.
  • the connecting piece 19 is also used to hold a control 22 via which the heaters 15, 16, 17 are put into operation.
  • FIG. 2 shows the principle of the present invention. It is essential that there is good thermal contact (strong coupling) between the condensation pumping surfaces 11 and the second stage 9 of the refrigerator, while the adsorption pumping surfaces are in contact with the second cold stage 9 via heat flow resistors 14 (weak coupling).
  • the size of the heat flow resistors is such that the relatively short-term regeneration of the adsorption surfaces 12 with their Adsorption material 13 can be made by heating with the help of the heater 15, without the temperature increase of the adsorption surfaces having a significant influence on the second stage 9 and thus on the condensation surfaces 11.
  • the regeneration process of the adsorption surfaces must be completed before condensable gases evaporate on the condensation surfaces 11.
  • the upper limit value it is decisive that adequate and reliable cooling of the adsorption surfaces 12 must be ensured during normal operation of the cryopump. Since the adsorption surfaces 12 are not subjected to high thermal loads during normal operation, the existence of heat flux resistances 14 that are not too high does not interfere. The presence of the heat flow resistors 14 only has the consequence that the adsorption surfaces 12 reach their operating temperature after the start-up or after a total regeneration process. However, this delay is generally desirable, since it avoids an early occupancy of the adsorption surfaces 12 with undesired gases.
  • the angled sections 24 of the condensation surfaces 11 are contacted with the second stage 9 of the refrigerator 4 via a block 26 made of a material which is a good heat conductor (for example copper, which can also be used as a material for the pump surfaces 11, 12).
  • the pump surfaces 11 and the copper block 26 are fastened to the second stage 9 in the central region thereof by means of a screw 27 which is also made of a good heat-conducting material.
  • the adsorption surfaces are attached laterally next to the copper sheet 26 on the second stage 9, with the help of poorly heat-conducting components (screws 28, rings 29, for example made of stainless steel). This provides a sufficiently large heat flow resistance.
  • FIG. 4 shows an embodiment in which the heater 16 of the second stage 9 is designed as a heating plate.
  • the copper block 26 lies directly on this heating plate.
  • Thermal resistance 14 two further alternatives are shown.
  • the thickness of the sheet metal section forming this pump surface between the adsorbing region and the second cold stage 9 is reduced.
  • the cross-section relevant for heat conduction is thereby considerably smaller, so that there is a sufficiently large heat flow resistance.
  • the cross-sectional reduction between the angled section 25 and the actual pump surface is achieved in that only two webs 31 are present (cf. also FIG. 5).
  • the heaters 15 assigned to the adsorption surfaces 12 are designed as foil heating elements and that the remaining areas facing the condensation surfaces 11 are also covered with layers 13 of adsorption material. This increases the capacity of the adsorption surfaces.
  • the condensation surfaces 11 are again strongly coupled to the cold stage 9 with the aid of the copper block 26.
  • this also applies to the adsorption surfaces 12 with their angled sections 25.
  • bolts 33 with spiral springs 34 are screwed into the cold stage 9 and press the adsorption surfaces 12 against the cold stage 9.
  • a linkage 35 is fastened to the adsorption surfaces 12, which is guided through the shield 6 and - with the aid of a bellows 36 - in a vacuum-tight manner through the pump housing 1 to the outside.
  • drive 37 instead of the drive 37 shown, other drives - motor-driven eccentric, electromagnetic drive, bimetal switch, pneumatic device, which may be self-controlling by the vapor pressure of a suitable liquid (e.g. LH2), can be used. With a suitable choice of material, the drive 37 can also be installed in the pump. A prerequisite for a bimetallic drive, for example, is that the desired changes in shape causing the coupling and uncoupling occur at the temperatures which occur in the area of the adsorption surfaces 12.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine zweistufige Kryopumpe mit an der zweiten (kälteren) Stufe angeordneten Kondensations- und Adsorptionsflächen. Zweistufige Kryopumpen dieser Art sind beispielsweise aus der DE-A-35 12 614 sowie aus der FR-A-25 99 789 bekannt.
  • Zweistufige Kryopumpen werden üblicherweise mit einem zweistufigen Refrigerator als Kältequelle betrieben. Die erste Stufe des Refrigerators nimmt während des Betriebes eine Temperatur von 60 bis 100 K an. Die mit dieser ersten Stufe des Refrigerators in gut wärmeleitender Verbindung stehenden Pumpflächen (Baffle, Strahlungsschirm für die zweite Stufe) dienen bevorzugt der Anlagerung von Gasen wie Wasserdampf, Kohlendioxid oder dgl. durch Kondensation.
  • An der zweiten Stufe des Refrigerators, welche während des Betriebs eine Temperatur von etwa 10 bis 20 K annimmt, sind weitere Pumpflächen angeordnet, die einen unmittelbar zugänglichen Bereich und einen mittelbar zugänglichen Bereich aufweisen. Der unmittelbar zugängliche Bereich dient bevorzugt der Entfernung von Gasen wie Stickstoff, Argon o. dgl. durch Kondensation. Der mittelbar zugängliche Bereich ist dazu bestimmt, leichte Gase, wie Wasserstoff oder Helium, zu entfernen, und zwar durch Adsorption. Dieser Pumpflächenbereich ist üblicherweise mit einem Adsorptionsmaterial, vorzugsweise Aktivkohle, belegt.
  • Bei den vorbekannten Kryopumpen ist die Kapazität der adsorbierenden Pumpflächen der zweiten Stufe relativ klein, verglichen mit der Kapazität der kondensierenden Pumpflächen der zweiten Stufe. Beim Einsatz dieser Kryopumpen in Sputteranlagen, in denen große Wasserstoffmengen anfallen, tritt deshalb häufig der Fall ein, daß die Adsorptionskapazität lange vor der Kondensationskapazität erschöpft ist. Es ist dann erforderlich, die Adsorptionsflächen zu regenerieren, wozu eine an der zweiten Stufe angeordnete Heizung eingeschaltet und dadurch die Stufe selbst und die Pumpflächen erwärmt werden. Eine Temperaturerhöhung auf mindestens 70 K, vorzugsweise 90 K, ist erforderlich, um eine vollständige Regeneration der Adsorptionsflächen zu erzielen. Da auch die Kondensationsflächen der zweiten Stufe diese Temperatur annehmen, ist es nicht vermeidbar, daß auch kondensierbare Gase, z. B. Argon, verdampfen, also gleichzeitig eine Regeneration der Kondensationsflächen der zweiten Stufe eingeleitet wird. Wird der Regenerationsprozeß unmittelbar nach der vollständigen, nur wenig Zeit in Anspruch nehmenden Regeneration der Adsorptionsflächen abgebrochen und die Rückkühlung der Pumpflächen der zweiten Stufe eingeleitet, dann sind die Kondensationsflächen der zweiten Stufe noch nicht vollständig regeneriert. Da das Adsorptionsmittel, vorzugsweise Aktivkohle, bei den höheren Temperaturen im Bereich 70 bis 90 K noch eine gute Adsorptionswahrscheinlichkeit für besagte kondensierbare Gase (z. B. Ar) besitzt, kann ein solches Gas bei diesen Temperaturen von der Kondensationsfläche auf die Adsorptionsfläche hinüberwandern. Dieses kondensierbare Gas belegt somit bereits in der Rückkühlphase das Adsorptionsmittel und beeinträchtigt dabei die Adsorptionskapazität der Aktivkohle für leichte Gase, für die die Kapazität eigentlich vorbehalten bleiben soll. Um diese Beeinträchtigung zu vermeiden, ist es deshalb bei den vorbekannten Kryopumpen auch dann, wenn nur die Kapazität der Adsorptionsflächen erschöpft ist, erforderlich, einen langwierigen Regenerationsprozeß beider Pumpflächen der zweiten Stufe durchzuführen, obwohl dieses für die Kondensationsflächen noch lange nicht erforderlich gewesen wäre.
  • Aus der FR-A-25 99 789 ist eine Kryopumpe der hier betroffenen Art bekannt, bei der die an der zweiten Stufe des Refrigerators gut wärmeleitend befestigten Pumpflächen von zwei konzentrisch zueinander angeordneten Rohrabschnitten gebildet werden, deren einander zugewandte Seiten mit einem Adsorptionsmaterial belegt sind und damit die absorbierenden Pumpflächen bilden. Die äußeren, nicht mit dem Adsorptionsmaterial belegten Flächen bilden die Kondensationsflächen. Innerhalb des von den Rohrabschnitten gebildeten Ringraumes befindet sich ein ebenfalls konzentrisch angeordneter Kupferzylinder, auf den eine elektrische Widerstandsheizung aufgebracht ist. Ist die Widerstandsheizung stromdurchflossen, wird Strahlung emittiert, mit der die Adsorptionsmittelschichten zum Zwecke ihrer Regeneration aufgeheizt werden können. Dabei läßt sich jedoch nicht vermeiden, daß sich auch die Kondensationsflächen der zweiten Stufe mitaufheizen. Die vorstehend beschriebenen Probleme in Bezug auf die Regeneration der adsorbierenden Pumpflächen bestehen deshalb auch bei der aus der FR-A-25 99 789 vorbekannten Kryopumpe.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweistufige Kryopumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine partielle Regenerierung der Pumpflächen für leichte Gase, wie Wasserstoff, Helium o. dgl., ohne die beschriebenen Probleme ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen entsprechend dem Patentanspruch 1 gelöst. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Konfiguration der Pumpflächen der zweiten Stufe kann die Regeneration der Adsorptionsflächen dann vorgenommen werden, wenn die Adsorptionsflächen mit der zweiten Stufe des Refrigerators keinen thermischen Kontakt haben. Während der Regeneration der Adsorptionsflächen tritt eine störende Temperaturerhöhung im Bereich der Kondensationsflächen nicht auf. Ein Verdampfen bereits kondensierter Gase und damit die unerwünschten Umlagerungen sind vermieden. Bei dieser vorgeschlagenen Lösung sind allerdings mechanische Verstelleinrichtungen oder thermische Schalter für die Adsorptionsflächen erforderlich, die von außerhalb der Pumpe betätigbar sein müssen.
  • Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe, bei welcher mechanische Hilfsmittel nicht erforderlich sind, wird durch die Maßnahmen entsprechend Anspruch 4 erreicht. Auch bei einer in dieser Weise ausgebildeten Konfiguration der Pumpflächen der zweiten Stufe ist es möglich, die Adsorptionsflächen auf eine die Regeneration dieser Flächen ermöglichende Temperatur aufzuheizen, ohne daß diese Temperaturerhöhung die Temperatur der Kondensationsflächen maßgeblich beeinflußt. Der Wärmeflußwiderstand verhindert, daß sich die Kondensationsflächen während der relativ kurzzeitigen Regeneration der Adsorptionsflächen auf Temperaturen aufheizen, die ein Verdampfen kondensierter Gase zur Folge haben. Da während des Normalbetriebs der Kryopumpe die Adsorptionsflächen keiner hohen thermischen Belastung unterliegen, ist der Einfluß des Wärmewiderstandes auf die Adsorptionseigenschaften vernachlässigbar.
  • Beide vorgeschlagenen Lösungen ermöglichen eine partielle Regenerierung der Adsorptionsflächen. Diese Regenerierung benötigt nur kurze Zeit, da zum einen die Desorption der leichten Gase relativ schnell abläuft und zum anderen die zweite Stufe selbst nicht mitaufgeheizt werden muß. Die Erfindung hat deshalb eine maßgebliche Verlängerung der Standzeit (Betriebsfähigkeit) einer Kryopumpe zwischen den wesentlich seltener notwendigen und zeitaufwendigen Regenerierprozessen der gesamten Pumpe zur Folge.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
    • Figur 1 eine Kryopumpe nach der Erfindung
    • Figur 2 die Pumpflächen der zweiten Stufe nach dem Prinzip der Erfindung mit der zweiten Stufe gekoppelt,
    • Figuren 3 bis 5 weitere Ausführungsbeispiele für die Konfiguration der Pumpflächen der zweiten Stufe und
    • Figur 6 eine mechanische Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe.
  • Die in Figur 1 dargestellte Kryopumpe weist ein Gehäuse 1 mit einer Eintrittsöffnung 2 für die abzupumpenden Gase auf. An den Flansch 3 ist der zu evakuierende Rezipient 30 angeschlossen, und zwar über eine Absperreinrichtung 31.
  • In das Gehäuse 1 ragt von unten ein zweistufiger Refrigerator 4 hinein. An seiner ersten Stufe 5 ist eine topfförmige Abschirmung 6 gut wärmeleitend befestigt, deren etwa parallel zur Eintrittsöffnung 2 des Gehäuses 1 liegende Öffnung 7 mit einem Baffle ausgerüstet ist, das aus einem Metallstreifen 8 besteht. Die Abschirmung 5 und auch die Bafflestreifen 8 dienen als Pumpflächen für Gase wie Wasserdampf, Kohlendioxid o. dgl. In die Abschirmung 6 hinein ragt die zweite Stufe 9 des Refrigerators 4 hinein. Diese Stufe 9 trägt die insgesamt mit 10 bezeichneten Pumpflächen der zweiten Stufe. Diese umfassen insgesamt vier im wesentlichen parallel zueinander angeordnete, sich senkrecht zur Eintrittsöffnung 2 erstreckende Blechabschnitte, von denen die äußeren mit 11 und die inneren mit 12 bezeichnet sind. Die äußeren Blechabschnitte sind unmittelbar an der zweiten Stufe 9 des Refrigerators 4, also mit möglichst gutem Wärmekontakt, befestigt und bilden die Kondensations-Pumpflächen der zweiten Stufe.
  • Die inneren Blechabschnitte 12 sind auf ihren Innenseiten mit Aktivkohleschichten 13 versehen, welche die Adsorptionspumpflächen der zweiten Stufe bilden. Über schematisch dargestellte Wärmeflußwiderstände 14 stehen diese Pumpflächen mit der zweiten Stufe 9 des Refrigerators 4 in Verbindung. Außerdem sind die Adsorpionsflächen beheizbar. Sie sind dazu z. B. mit Folienheizelementen 15 ausgerüstet. Außerdem sind die beiden Stufen 5 und 9 des Refrigerators 4 mit Heizungen 16, 17 versehen. Mit Hilfe dieser Heizungen kann eine Regeneration der gesamten Pumpe durchgeführt werden.
  • Das Gehäuse 1 der dargestellten Kryopumpe ist mit zwei Anschlußstutzen 18 und 19 ausgerüstet. Mit dem Anschluß 18 ist eine Vorvakuumpumpe 21 verbunden. Der Anschlußstutzen 19 dient der Durchführung von Stromzuführungsleitungen zu den Heizungen 15, 16 und 17. Der Anschlußstutzen 19 dient weiterhin der Halterung einer Steuerung 22, über die die Heizungen 15, 16, 17 in Betrieb gesetzt werden.
  • Figur 2 zeigt das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Wesentlich ist, daß zwischen den Kondensations-Pumpflächen 11 und der zweiten Stufe 9 des Refrigerators ein guter thermischer Kontakt (starke Ankopplung) besteht, während die Adsorptionspumpflächen über Wärmeflußwiderstände 14 mit der zweiten Kältestufe 9 kontaktiert sind (schwache Ankopplung). Die Größe der Wärmeflußwiderstände ist so bemessen, daß die relativ kurzzeitig ablaufende Regeneration der Adsorptionsflächen 12 mit ihrem Adsorptionsmaterial 13 durch Aufheizung mit Hilfe der Heizung 15 vorgenommen werden kann, ohne daß die Temperaturerhöhung der Adsorptionsflächen maßgeblichen Einfluß auf die zweite Stufe 9 und damit auf die Kondensationsflächen 11 hat. Der Regenerationsvorgang der Adsorptionsflächen muß abgeschlossen sein, bevor auf den Kondensationsflächen 11 kondensierbare Gase verdampfen. Diese Überlegungen sind maßgebend für die untere Grenze des Wertes der Wärmeflußwiderstände 14. In Bezug auf den oberen Grenzwert ist maßgebend, daß eine ausreichende und sichere Kühlung der Adsorptionsflächen 12 während des Normalbetriebs der Kryopumpe sichergestellt sein muß. Da die Adsorptionsflächen 12 während des Normalbetriebs thermisch nicht hochbelastet sind, stört die Existenz nicht zu höher Wärmeflußwiderstände 14 nicht. Das Vorhandensein der Wärmeflußwiderstände 14 hat lediglich zur Folge, daß die Adsorptionsflächen 12 nach der Inbetriebnahme oder nach einem Totalregenerationsprozeß verzögert ihre Betriebstemperatur erreichen. Diese Verzögerung ist jedoch in der Regel erwünscht, da dadurch eine frühe Belegung der Adsorptionsflächen 12 mit unerwünschten Gasen vermieden wird.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind die abgewinkelten Abschnitte 24 der Kondensationsflächen 11 über einen Block 26 aus gut wärmeleitendem Werkstoff (beispielsweise Kupfer, das auch als Material für die Pumpflächen 11, 12 verwendet werden kann) mit der zweiten Stufe 9 des Refrigerators 4 kontaktiert. Mittels einer ebenfalls aus gut wärmeleitendem Material bestehenden Schraube 27 sind die Pumpflächen 11 und der Kupferblock 26 an der zweiten Stufe 9 in deren zentralen Bereich befestigt. Die Adsorptionsflächen sind seitlich neben dem Kupferblech 26 an der zweiten Stufe 9 befestigt, und zwar mit Hilfe von schlecht wärmeleitenden Bauteilen (Schrauben 28, Ringe 29, beispielsweise aus Edelstahl). Dadurch ist ein ausreichend großer Wärmeflußwiderstand vorhanden.
  • Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Heizung 16 der zweiten Stufe 9 als Heizplatte ausgebildet ist. Dieser Heizplatte liegt der Kupferblock 26 unmittelbar auf. Für die Ausbildung des Wärmewiderstandes 14 sind zwei wietere Alternativen dargestellt. Bei der linken Adsorptionsfläche 12 ist die Dicke des diese Pumpfläche bildenden Blechabschnittes zwischen den adsorbierenden Bereich und der zweiten Kältestufe 9 reduziert. Der für die Wärmeleitung maßgebende Querschnitt ist dadurch wesentlich kleiner, so daß ein ausreichend großer Wärmeflußwiderstand vorhanden ist. Bei der rechten Adsorptions-Pumpfläche 12 ist die Querschnittsreduzierung zwischen dem abgewinkelten Abschnitt 25 und der eigentlichen Pumpfläche dadurch verwirklicht, daß lediglich zwei Stege 31 vorhanden sind (vgl. auch Figur 5).
  • Ein weiterer Unterschied zwischen den Ausführungsformen nach den Figuren 3 und 4 besteht noch darin, daß die den Adsorptionsflächen 12 zugeordneten Heizungen 15 als Folienheizelemente ausgebildet sind und daß auch die noch verbleibenden, den Kondensationsflächen 11 zugewandten Bereiche mit Schichten 13 aus Adsorptionsmaterial belegt sind. Die Kapazität der Adsorptionsflächen ist dadurch größer.
  • Bei der mechanischen Lösung nach Figur 6 sind die Kondensationsflächen 11 wieder mit Hilfe des Kupferblockes 26 stark an der Kältestufe 9 angekoppelt. In der dargestellten Version gilt dieses ebenfalls für die Adsorptionsflächen 12 mit ihren abgewinkelten Abschnitten 25. Dazu sind in die Kältestufe 9 eingeschraubte Bolzen 33 mit Spiralfedern 34 vorgesehen, welche die Adsorptionsflächen 12 an die Kältestufe 9 anpressen.
  • An den Adsorptionsflächen 12 ist ein Gestänge 35 befestigt, das durch die Abschirmung 6 und - mit Hilfe eines Federbalges 36 - vakuumdicht durch das Pumpengehäuse 1 nach außen geführt ist. Außerhalb der Pumpe ist ein Antrieb 37 - beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist schematisch ein magnetischer Antrieb mit Spulen 38 und Magnet 39 dargestellt - mit dem Gestänge 35 derart gekoppelt, daß die Adsorptionsflächen 12 angehoben und damit vom der Kältestufe 9 abgekoppelt werden können. In dieser Stellung kann die gewünschte separate Regenerierung der Adsorptionsflächen 12 ohne maßgebliche Beeinträchtigung der übrigen Pumpflächen vorgenommen werden.
  • Anstelle des dargestellten Antriebs 37 können auch andere Antriebe - motorisch bewegter Exzenter, elektromagnetischer Antrieb, Bimetallschalter, pneumatische Vorrichtung, die ggf. durch den Dampfdruck einer geeigneten Flüssigkeit (z. B. LH₂) selbststeuernd ist, - verwendet werden. Bei geeigneter Werkstoffwahl kann der Antrieb 37 auch in die Pumpe verlegt werden. Voraussetzung ist beispielsweise für einen Bimetallantrieb, daß die gewünschten, das An- und Abkoppeln bewirkenden Formänderungen bei den Temperaturen auftreten, die im Bereich der Adsorptionsflächen 12 auftreten.

Claims (13)

  1. Zweistufige Kryopumpe mit an der zweiten (kälteren) Stufe (9) angeordneten Kondensationsflächen (11) und Adsorptionsflächen (13), bei welcher die Adsorptionsflächen (13) derart thermisch schaltbar zwischen zwei Stellungen sind, daß sie in der ersten Stellung (Pumpbetrieb) einen thermischen Kontakt mit der zweiten Stufe (9) des Refrigerators haben und daß sie in der zweiten Stellung (Regenerierbetrieb) gegenüber der zweiten Stufe des Refrigerators thermisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Adsorptionsflächen (13) auf einem separaten, heizbaren Bauteil (12) befinden.
  2. Kryopumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsflächen (12, 13) mit Hilfe von mindestens einer Spiralfeder (34) an die zweite Kältestufe (9) angepreßt werden und daß ein Antrieb (37) zur Erzeugung einer der Kraft der Spiralfeder entgegengerichteten Kraft vorgesehen ist.
  3. Kryopumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Antrieb (37) außerhalb des Pumpengehäuses (1) befindet und daß der Antrieb und die Adsorptionsflächen über ein Gestänge (35) miteinander gekoppelt sind.
  4. Zweistufige Kryopumpe mit an der zweiten (kälteren) Stufe (9) angeordneten Kondensationsflächen (11) und Adsorptionsflächen (13), bei welcher zwischen der zweiten Stufe (9) und den Adsorptionsflächen (13) ein Wärmeflußwiderstand (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Adsorptionsflächen (13) auf einem separaten, heizbaren Bauteil (12) befinden.
  5. Kryopumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpflächen der zweiten Stufe von vier sich im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur Eintrittsöffnung (2) der Kryopumpe (1) erstreckenden Blechabschnitten gebildet werden, von denen die äußeren Blechabschnitte (11) die Kondensations-Pumpflächen bilden und die inneren Blechabschnitte (12) die Adsorptions-Pumpflächen (13) tragen.
  6. Kryopumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Innenseiten der inneren Blechabschnitte (12) mit Adsorptionsmaterial (13) belegt sind.
  7. Kryopumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Innenseiten als auch die Außenseiten der Blechabschnitte (12) mit Adsorptionsmaterial (13) belegt sind.
  8. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die die Pumpflächen bildenden Blechabschnitte (11, 12) abgewinkelte Abschnitte (24, 25) aufweisen, mit denen sie an der zweiten Stufe (9) des Refrigerators (4) befestigt sind.
  9. Kryopumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer starken Ankopplung des Kondensations-Pumpflächen an der zweiten Stufe (9) des Refrigerators (4) aus gut wärmeleitendem Werkstoff, beispielsweise Kupfer, bestehende Befestigungsmittel (Block 26, Schraube 27) vorgesehen sind.
  10. Kryopumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer schwachen Ankopplung zwischen der Adsorptionsfläche (12) an der zweiten Stufe (9) des Refrigerators (4) aus schlecht wärmeleitendem Werkstoff, beispielsweise Edelstahl, bestehende Befestigungsmittel (Schrauben 28, Ringe 29) vorgesehen sind.
  11. Kryopumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die die Adsorptionsflächen (13) tragenden Blechabschnitte (12) zwischen ihren adsorbierenden Bereichen und dem Befestigungsort an der zweiten Kältestufe (9) einen reduzierten Querschnitt aufweisen.
  12. Kryopumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Blechabschnitte reduziert ist.
  13. Kryopumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den adsorbierenden Bereichen der Blechabschnitte (12) und dem Befestigungsort an der zweiten Stufe (9) Stege (31) ausgebildet sind.
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