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Die
Erfindung betrifft eine Vakuumkammer mit einer einen Vakuumraum
begrenzenden Kammerwand, die einen zu einer Vakuumpumpe führenden
Durchlass aufweist sowie Vakuumpumpen, die einer höheren Wärmelast
während
des Betriebes ausgesetzt sind.
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Bei
Komponenten und Aggregaten, die unter Vakuumbedingungen betrieben
werden, besteht die Schwierigkeit der Wärmeabführung. Die Wärmeabführung erfolgt
in der Regel ausschließlich
durch Strahlung, da eine Konvektionskühlung wegen des Fehlens einer
Atmosphäre
nicht möglich
ist. Es gibt Fälle,
bei denen in einer Vakuumkammer zusätzliche Strahlungsquellen vorhanden
sind. So ist es bekannt, in einer Vakuumkammer Wärmestrahler zu installieren,
die die Kammerwand erwärmen,
um eine Desorption von Gasen, die sich auf der Kammerwand abgelagert
haben, zu bewir ken. Wenn in der Vakuumkammer Wärmestrahlung vorhanden ist,
gelangt stets ein Teil dieser Wärmestrahlung
in die Vakuumpumpe. Vakuumpumpen, die für ein Hochvakuum geeignet sind,
sind Molekularpumpen, wie beispielsweise Turbomolekularpumpen oder
Kryopumpen. Damit derartige Pumpen ein hohes Saugvermögen haben, haben
sie eine große
Einlassöffnung.
Normalerweise ist die Vakuumpumpe direkt an die Kammerwand des Vakuumraums
angeflanscht, wobei zwischen dem Vakuumraum und der Vakuumpumpe
ein Durchlass von großem
Durchmesser besteht. Strahlung, die auf diesen Durchlass fällt, gelangt
in den Pumpenraum der Vakuumpumpe und wird dort in Wärme umgesetzt,
die nicht abgeführt
werden kann. Eine Wärmeabführung durch
Wärmeleitung
scheitert bei einer Turbomolekularpumpe, die in Magnetlagern gelagert ist,
daran, dass der Rotor keinen physischen Kontakt mit Statorbauteilen
hat und daher die Wärme
ausschließlich
durch Strahlung abgeben kann. Im Falle einer Kryopumpe, die mit
extrem niedrigen Temperaturen im Pumpenraum arbeitet, wird durch
einfallende Strahlung die Pumpwirkung verschlechtert. Zwar hat eine
Kryopumpe eine abschirmende Leitvorrichtung für einfallende Wärmestrahlung,
jedoch befindet sich diese im Innern des Pumpengehäuses, so
dass die von der Pumpe aufgenommene Wärme im Innern des Pumpengehäuses verbleibt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumkammer derart auszubilden,
dass die tolerierbare Strahlung erhöht werden kann, ohne den Betrieb
der Vakuumpumpe zu beeinträchtigen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch
1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist der Durchlass, der den Vakuumraum
mit der Vakuumpumpe verbindet, mit einem für Gase durchlässigen Strahlungsschirm bedeckt,
der den Durchlass gegen aus dem Vakuumraum einfallende Wärmestrahlung
abschirmt.
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Der
Strahlungsschirm, der im Vakuumraum angeordnet ist, verhindert,
dass Wärmestrahlung
aus dem Vakuumraum in den Durchlass und von dort in das Innere der
Vakuumpumpe gelangt. Dabei wird natürlich nur jeweils der direkte
Strahlenweg von einem Wärmestrahler
in den Durchlass versperrt. Der Strahlungsschirm steht in wärmeleitendem
Kontakt mit der Kammerwand und/oder mit dem Gehäuse der Vakuumpumpe, die beide
von außen
entweder durch Kontakt mit der Atmosphäre oder durch zusätzliche Kühlmaßnahmen
gekühlt
werden. Der Strahlenschirm kann Bestandteil der Vakuumkammer oder der
Vakuumpumpe sein. Die von dem Strahlungsschirm absorbierte Wärme wird
also nach außen
dadurch abgeführt,
dass der Strahlungsschirm in wärmeleitendem
Kontakt mit einer wärmeabführenden Wand
steht. Die Ankopplung an diese Wand erfolgt durch ein Kontaktelement
aus gut wärmeleitendem Material
wie Kupfer oder Aluminium. Ein solches Kontaktelement kann beispielsweise
ein massiver Kontaktring sein oder auch eine flexible Leitung, z.B. eine
vieldrähtige
Litze. Dieses Kontaktelement kann mit Hilfsstoffen wie z.B. Wärmeleitpaste,
Indium usw. zusätzlich
kontaktiert sein.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strahlungsschirm eine reflektierende
Platte aufweist, die auf einem gitterförmigen Träger im Abstand über dem
Durchlass gehalten wird. Die reflektierende Platte bewirkt ein Zurückwerfen
der aus dem Vakuumraum einfallenden Wärmestrahlung auf die Kammerwand.
Somit gelangt die Strahlung, die ursprünglich auf den Durchlass gerichtet
war, nach Reflektion an den Ort, für den sie bestimmt ist. Eine
reflektierende Platte hat einen geringen Absorptionsfaktor, so dass
sie nur relativ wenig Wärme
aufnimmt und sich nur langsam erwärmt. Dennoch ist eine wärmeleitende
Wärmeabfuhr
durch Kontakt der reflektierenden Platte mit anderen Bauteilen erforderlich,
um zu bewirken, dass die Platte gekühlt wird, wenn ihre Temperatur über diejenige
der Kammerwand angestiegen ist.
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Der
gitterförmige
Träger,
auf dem die reflektierende Platte angeordnet ist, kann aus einem
Stabgitter oder einem Lochgitter bestehen. Wichtig ist, dass dieser
Träger
die Platte im Abstand über
dem Durchlass hält
und für
Gase durchlässig
ist.
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Eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass der Strahlungsschirm einen wärmeabsorbierenden
Wärmespeicher
enthält.
Ein solcher Wärmespeicher
enthält
ein Material, das bei zunehmender Erwärmung einen Phasenwechsel von gasförmig nach
flüssig
durchführt
und dabei Wärme absorbiert
und speichert. Die so gespeicherte Wärme wird dann mit niedrigerem
Temperaturniveau über
einen längeren
Zeitraum abgegeben.
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Der
Strahlungsschirm kann auch eine Lamellenstruktur aufweisen, die
ein geradlinigen Strahlenweg zu dem Durchlass blockiert.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine Gesamtdarstellung
der Vakuumkammer mit Vakuumraum und Vakuumpumpe in vertikaler Schnittdarstellung,
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2 eine schematische Darstellung
des in dem Vakuumraum oberhalb der Kryopumpe angeordneten Strahlungsschildes,
und
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3 drei verschiedene Ausführungsbeispiele
für die
Gestaltung des Strahlungsschirms.
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In 1 ist eine Vakuumkammer 10 dargestellt,
die einen Vakuumraum 11 aufweist, der von einer Kammerwand 12 umgeben
ist. Die Kammerwand 12 weist einen Boden 13 auf,
in dem ein Durchlass 14 ausgebildet ist, der zu einer Vakuumpumpe 15 führt. Der
Durchlass 14 ist eine großflächige Öffnung, wodurch ein hohes Saugvermögen der
Vakuumpumpe sichergestellt wird.
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In
dem Vakuumraum 11 sind Strahler 16 montiert, die
eine Wärmestrahlung
aussenden. Die Wärmestrahlung
dient zur Desorption von Gasen, die sich aus dem Vakuumraum 11 an
der Kammerwand 12 abgelagert haben. Diese Gase können durch
Aufheizung der Kammerwand desorbiert werden. Zu diesem Zweck wird
die Kammerwand von den Wärmestrahlern
auf etwa 100°C
erwärmt.
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Um
die Wärmestrahlung
von der Vakuumpumpe 15 fern zu halten, ist über dem
Durchlass 14 im Innern des Vakuumraums 11 ein
Strahlungsschirm 17 angeordnet. Dieser schirmt die Strahlung
ab, so dass sie nicht durch den Durchlass 14 in die Vakuumpumpe 15 gelangen
kann, ist aber für
Gase durchlässig.
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In 2 ist der Durchlass 14 in
dem Boden 13 dargestellt. Unmittelbar unter dem Durchlass 14 ist
die Vakuumpumpe 15 mit dem Hochvakuumflansch 20 befestigt.
Die Vakuumpumpe 15 ist im vorliegenden Fall eine Kryopumpe,
die ein an dem Hochvakuumflansch 20 befestigtes Gehäuse 21 aufweist.
Das Gehäuse 21 enthält einen
topfförmigen gekühlten Strahlungsschutzschild 22,
der die erste Stufe eines Kaltfingers bildet. Darin sind auf einem Stab 23 die
Pumpflächen 24 in
dem Pumpenraum 25 angeordnet. Die Pumpflächen 24 bilden
die zweite Stufe der Kryopumpe. Sie haben eine Temperatur in der
Größenordnung
von 10 K.
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Der
Pumpenraum 25 ist mit einer aus Lamellen bestehenden Leitvorrichtung 26 bedeckt,
die in der Eintrittsöffnung
der Pumpe unterhalb des Hochvakuumflansches 20 angeordnet
ist.
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Dieses "Baffle" ist thermisch mit
der 1. Stufe des Kaltfingers gekoppelt und dient zur Abschirmung der
2. Stufe gegen einfallende Wärmestrahlung.
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Die
Pumpe weist ferner einen Kühler 27 mit einem
Kaltkopfmotor auf, der mit Helium-Gasanschlüssen 28 versehen ist.
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Eine
Vorvakuumpumpe wird an einen Vorvakuumanschluss 29 des
Gehäuses 21 angeschlossen.
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Die
dargestellte Vakuumpumpe 15 ist eine Kryopumpe. Durch den
Durchlass 14 gelangt Wärmestrahlung
in das Innere der Vakuumpumpe, wodurch die Pumpleistung verringert
wird.
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Eine
Verschlechterung des Betriebsverhaltens durch eingestrahlte Wärme ergibt
sich auch bei anderen Hochvakuumpumpen, beispielsweise Turbomolekularpumpen.
Bei diesen erwärmt
sich der Rotor, der zur Schwingungsentkopplung häufig in Magnetlagern berührungslos
gelagert ist. Daher ist eine Wärmeabfuhr
durch Wärmeleitung
nicht möglich.
Aus diesem Grund muss zur Vermeidung von Überhitzungen Wärme von
dem Rotor ferngehalten werden.
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Erfindungsgemäß ist im
Innern des Vakuumraumes 11 der Strahlungsschirm 17 angeordnet.
Dieser weist eine über
dem Durchlass 14 angeordnete Platte 30 auf, die
reflektierend ausgebildet ist. Die Platte 30 ist an einem
Träger 31 befestigt,
der hier aus mehreren Beinen besteht. Am anderen Ende des Trägers befin det
sich ein Kontaktring 32. Sowohl der Käfig 31 als auch der
Kontaktring 32 bestehen aus gut wärmeleitendem Material wie Kupfer
oder Aluminium. Sie dienen der Wärmeableitung
von dem Strahlungsschirm 17 an die Kammerwand 12 oder das
Gehäuse 21 der
Vakuumpumpe. Diese Wände stehen
mit der umgebenden At- mosphäre
in Verbindung und werden daher gekühlt.
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Anstelle
des aus Stäben
bestehenden gitterförmigen
Trägers 31 kann
auch eine andere Gitterstruktur vorgesehen sein, die zusätzlich das
Eindringen gröberer
Partikel verhindert und somit die Pumpe vor Beschädigungen
schützt.
Wichtig ist, dass der Träger 31 die
Platte 30 im Abstand von dem Durchlass 14 hält und Wärme von
der Platte 30 ableitet.
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In
den 3a, 3b und 3c sind
jeweils alternative Ausführungsformen
des Strahlungsschirmes 17 dargestellt. Der Strahlungsschirm
besteht hierbei aus einem durchlässigen
oder undurchlässigen
ringförmigen
Träger 31,
dessen Stirnseite mit einer Lamellenstruktur 35 versehen
ist. Die Lamellenstruktur 35 kann unterschiedliche Ausgestaltungen
haben. Sie ist jeweils so ausgebildet, dass ein direkter Strahlungsdurchgang
von einer Strahlenquelle in das Innere der Vakuumpumpe vermieden
wird.
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Alternativ
zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen
kann die Wärmeableitung
von dem Träger 31 auch
durch einen flexiblen Strang aus gut wärmeleitendem Material bestehen,
der den Strahlungsschirm 17 mit einer Komponente der Kammerwand 12 oder
des Pumpengehäuses
wärmeleitend verbindet.
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Der
Strahlungsschirm kann anstelle der Platte 30 eine Kapsel
enthalten, die mit einem phasenwechselnden Material gefüllt ist
und somit einen Wärmespeicher
bildet, der die aus dem Vakuumraum 11 einfallende Strahlungswärme aufnimmt
und speichert. Die Platte kann auch aus einem die Wärme gut speichernden
Material gefertigt sein. Ein Phasenwechsel ist nicht zwingend notwendig.