DE2400792A1 - Sorptionspumpvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf eine Sorptionspumpvorrichtung mit einem Behälter Tür Sorptionsmaterial, das über eine Eingangsleitung mit einem zu evakuierenden Raum verbindbar ist.

Sorptionspumpvorrichtungen der obengenannten Art sind aus den britischen Patentschriften 921,666 und 939-395 bekannt.

Bekannte Sorptionspumpvorrichtungen weisen

eine einzige feste Eingangsleitung auf. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist, dass insbesondere bei niedrigeren Anfangsdrücken in dem zu evakuierenden Raum nur diejenigen Sorptionsmaterialschichten, die sich in der unmittelbaren Nähe der Mündung der Eingangsleitung im Behälter befinden, auf

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wirksame Weise benutzt werden. Diese Schichten liegen gegenüber den aus dem zu evakuierenden Raum abzupumpenden Gasen am günstigsten. Dadurch erhalten die genannten Schichten beim Pumpen einen verhältnismässig hohen Besetzungsgrad an Gasmolekülen, während der Besetzungsgrad der übrigen weiter von der Eingangsöffnung liegenden Schichten verhältnismässig niedrig bleibt. Letzteres wird auch durch den Umstand herbeigeführt, dass die Gasdiffusion von gasreichen nach gasarmen Schichten bei der niedrigen Betriebstemperatur des Sorptionsmaterials (meistens, die Temperatur flüssigen Stickstoffes) gering ist.

Dadurch, dass nur ein Teil des Sorptionsmaterials auf wirksame Weise benutzt wird, ist die Pumpe als solche verhältnismässig schnell gesättigt, so dass ein häufiges Reaktivieren des Sorptionsmaterials erforderlich ist. Ausserdem sind verhäl'tnismässig lange Pumpzeiten erforderlich um einen bestimmten Minimaldruck, beispielsweise den Startdruck für Getter-Ionenpumpen, zu erreichen. Weiter wird die Verwirklichung niedriger Enddrücke in dem zu evakuierenden Raum erschwert.

Damit auch das weiter von der Eingangsöffnung entfernt liegende Sorptionsmaterial besser benutzt wird, wurde bereit4 vorgeschlagen (Review of Scientific Instruments ^4, Mai 1963, Seiten 587-588), das Sorptionsmaterial in gesonderte Schichten aufzuteilen, die sich auf einer Vielzahl im Behälter vereinzelt angeordneter Teller befinden.. Das angesaugte Gas- wird nun gleichmässiger auf die zu

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den jeweiligen Tellern gehörenden Sorptionsmaterialoberflächen aufgeteilt.

Eine' derartige Pumpvorrichtung ist je doch

nicht nur verwickelt und teuer aufgebaut, sondern auch ihre Wirkung ist nicht optimal. Letzteres wird an erster Stelle dadurch verursacht, dass während desselben Pumpzyklus von höherem nach niedrigerem Druck der Gasstrom immer über denselben Weg der Oberfläche des Sorptionsmaterials angeboten wird.

Die Erfindung bezweckt nun, eine Sorptionspumpvorrichtung einer einfachen Konstruktion zu schaffen, die eine hohe wirksame Sorptionsleistung und eine hohe Pumpgeschwindigkeit aufweist und einen niedrigen Restdruck liefert. Eine hohe wirksame Sorptionsleistung bedeutet, dass eine Vielzahl von Pumpzyklen durchgeführt werden kann, ohne dass zwischendurch eine Reaktivierung des Sorptionsmaterials notwendig ist.

Die erfindungsgemässe Sorptionspumpvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass der zu evakuierende Raum nacheinander auf mindestens zwei unterschieldichen Pegeln des Behälters an das Sorptionsmaterial angeschlossen werden kann.

Im Rahmen der Erfindung werden unter unterschiedlichen Behälterpegeln nicht nur unterschiedliche Höhen in axialer Richtung des Behälters verstanden, sondern auch untereinander verschiedene Stellen, in transversaler Richtung des Behälters gesehen.

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Dadurch, dass während der Anfangsperlode

eines Pumpzyklus das Gas höheren Drucks aus dem zu evakuierenden Raum zu dem auf einem bestimmten Pegel liegenden Sorptionsmaterial zugelassen wird, wird dieses Material verunreinigt, aber das auf einem anderen Pegel liegende Sorptionsmaterial bleibt nahezu sauber» Venn danach, wahrend der Endperiode des Pumpzyklus das Gas niedrigeren Drucks zu diesem nahezu sauberen Sorptionsmaterial zugelassen wird (und gewünschtenfalls gleichzeitig auch zu dem bereits durch das Gas höheren Drucks verunreinigten Material), erfolgt auch bei niedrigerem Druck eine gute und schnelle Sorption. Das Sorptionsmaterial wird so auf sehr wirksame Weise benutzt, während kurze Pumpzeiten sowie niedrige Restdrücke im Vakuumraum erhalten werden.

Bei einer günstigen Aiisführungsform der

erfindungsgemässen Sorptionspumpvorrichtung ist die Eingangsleitung mit einem Hohlrohr versehen, das axial verschiebbar und/oder um die Längsachse drehbar im Behälter angeordnet ist und mindestens zwei in axialer Richtung des Rohres in einem Abstand voneinander liegende Offnungen aufweist, die durch axiale Verschiebung bzw. Drehung um die Längsachse des Rohres nacheinander freigegeben werden.

Das Hohlrohr kann einen integralen Teil der

Eingangsleitung bilden oder als gesondertes Rohr vorhanden sein. Die Konstruktion dieser Sorptionspumpvorrichtung ist gedrängt und einfach.

Eine weitere günstige Ausführungsform der

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erfindungsgemässen Sorptionspuinpvorrichtiuig 1st dadurch, gekennzeichnet, dass ein auf beiden Seiten offenes Hohlrohr innerhalb des Behälters fest angeordnet ist, wobei ein Rohrende koaxial mit der Eingangsleitung innerhalb der Mündung dieser Leitung im Behälter und in einem Abstand von der Mündung angeordnet ist, so dass ein Ringkanal gebildet ist, wobei in der Eingangsleitung ein Absperrelement angeordnet ist, das nacheinander das Rohrende und den Ringkanal freigeben kann.

Eine derartige Pumpvorrichtung ist ebenfalls

gedrängt und lässt sich leicht durch Hinzufügung des Rohres und des geeigneten Absperrelementes zu den bisher bekannten Pumpvorrichtungen herstellen.

Eine andere günstige Ausführungsform der erfindungsgemässen Sorptionspumpvorrichtung weist das Kennzeichen auf, das die Vorrichtung mit mindestens einer zweiten Eingangsleitung versehen ist, die absperrbar ist und sich parallel zu der Eingangsleitung erstreckt, wobei alle Eingangsleitungen untereinander auf unterschiedlichen Pegeln in den Behälter münden.

Nach der Erfindung kann dabei von wenigstens

einer Eingangsleitung der Pegel der Mündung in den Behälter einstellbar sein. Dies ermöglicht einen optimalen örtlichen Gebrauch des Sorptionsmaterials.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in

den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher iii Es zeigen:-

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Fig. 1a und h b/e 8 schematische nicht massgerechte Ausführungsformen von Sorptionspumpvorrichtungen im Längsschnitt,

Fig. 1b eine Darstellung einer anderen Ausführungsform des Innenteils der Sorptionspumpvorrichtung nach Fig. 1a,

Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen mit

je einer Pumpkurve für die Sorptionspumpvorrichtung nach Fig. 1a im Vergleich zu der einer bekannten Sorptionspumpvorrichtung.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein

Behälter angegeben, in dem sich ein Adsorptionsmaterial 2, beispielsweise ein natürliches oder synthetisches Zeolith befindet. Der Behälter hat eine Eingangsleitung 3» die an der Stelle des Flansches h an einen zu evakuierenden Raum angeschlossen werden kann. Ein innerhalb des Behälters angeordnetes auf beiden Seiten offenes Hohlrohr 5 ist mit dem oberen Ende innerhalb der Eingangsleitung 3 und koaxial zu derselben angeordnet. Das untere Ende des Rohres ist mit Seitenöffnungen 6 versehen. Ein Absperrelement 7» i*¹ zwei Stellungen dargestellt, enthält einen Ventilkörper 8, der mit dem Ventilsitz 8a dichtend zusammenarbeiten kann. Der Ventilkörper 8 ist über einen Schaft 9 mit einem Bedienungselement 10 verbunden und trägt an der Unterseite eine biegsame ringförmige Membran 11, die ihrerseits eine zylinderförmige Büchse trägt. Diese Büchse passt genau um das Ende des Rohres 5 und ist darüber hin und her verschiebbar, über

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der Membran 11 sind radiale Offnungen vorgesehen. Die Membran kann den ringförmigen Raum 14 abschliessen.

Die Sorptionspumpvorrichtung enthält weiter nicht dargestellte Kanäle für Kühlflüssigkeit (flüssiger Stickstoff) zur Kühlung des adsorbierenden Materials sowie eine nicht dargestellte Abfuhr für bei der Reaktivierung des Absorptionsmaterials frei werdende Gase.

Die Sorptionspumpvorrichtung wird wie folgt betrieben: Während der ersten Periode der Pumpzeit, wenn in dem zu evakuierenden Raum ein höherer Druck herrscht, nimmt das Absperrelement 7 die in der Zeichnung links dargestellte Lage ein. Dann strömt Gas durch die Offnungen 13» das Rohr 5 und die Offnungen 6 zu den unteren Schichten des Adsorptionsmaterials 2 um dort adsorbiert zu werden, während der ringförmige Raum 14 durch die Membran 11 abgeschlossen ist, so dass die oberen Schichten des Adsorptionsmaterials sauber bleiben. Während der zweiten Periode der Pumpzeit .bei einem niedrigeren Druck in dem zu evakuierenden Raum wird das Absperrelement 7 in die in der Zeichnung rechts dargestellte Lage gebracht und in dieser Lage gehalten. Der ringförmige Raum 14 ist dabei durch die Membran 11 freigegeben. Gas mit niedrigerem Druck strömt nun durch den ringförmigen Raum lh zu den oberen sauberen Schichten des Ad— Sorptionsmaterials sowie durch das Rohr 5 zu den unteren Schichten. Am Ende des Pumpzyklus wird das Absperrelement 7 zugedreht. Der Ventilkörper 8 ruht dann auf dem Ventilsitz 8a, so dass das Rohr k sowie der ringförmige Raum

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abgeschlossen sind.

In Fig. Ib ist eine Abwandlung des Innenteils

der Pumpvorrichtung nach Fig. 1a dargestellt. Für entsprechende Teile sind dieselben Bezugszeichen gewählt worden. Die Büchse 12 ist in dem Rohr 5 verschiebbar, dessen Unterseite mit einer Anzahl über den Umfang verteilter Schlitze 15 versehen ist, durch die Gas zum Adsorptionsmaterial strömen kann. Der Ventilkörper 8 trägt hier zugleich einen weiteren Ventilkörper 16. In der dargestellten Lage ist der ringförmige Raum 14 durch die Membran 11 abgeschlossen und das Rohr 5 geöffnet. Wird nun der Ventilkörper 8 aufwärts bewegt, so gibt die Membran 11 den ringförmigen Raum 14 frei, während weiter der Ventilkörper 16 das Rohr 5 abschliesst.

Mit der in Fig. 1a dargestellten Sorptions— pumpvorrichtung wurde ein Raum, in dem sich Luft von 0,55 Torr (1 Torr = 1 mm Quecksilberdruck) befand, evakuiert. Der Verlauf des Druckes P gegenüber der Zeit t für das erste Mal, das gepumpt wird, ist in Fig. 2 durch die Kurve I angegeben. Punkt A ist der Umsehaltpunkt, wobei von ausschliesslich Pumpen durch die unteren Schichten des Adsorptionsmaterials durch das Rohr 5 auf Pumpen durch die oberen sauberen Schichten durch den ringförmigen Raum 14 sowie durch die genannten unteren Schichten übergegangen wurde.

Die Kurve II ist das Resultat einer ersten Pumpring mit derselbe Raum, in dem sich wieder Luft von 0,55 Torr und dieselbe Menge desselben sauberen Adsorptionsmaterials wie im erstgenannten Fall befand abgepumpt wurde.

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Dieses Material befand sich, in der Pumpe nach Fig. 1a, in der nun jedoch das Rohr 5» die Büchse 12 und die Membran 13 fehlten, so dass auf bekannte Weise ausschliesslich durch die Eingangsöffnung 3 aus den oberen Schichten Adsorptionsmaterial abgepumpt wurde.

Die graphische Darstellung zeigt deutlich, dass mit der Pumpvorrichtung nach Fig. 1a kürzere Pumpzeiten und niedrigere Enddrücke erhalten werden als mit der bekannten Pumpvorrichtung.

Fig. 3 zeigt für die obengenannten Sorptionspumpvorrichtung Pumpkurven für Luft, wobei der zu evakuierende Raum von 80 Torr ab abgepumpt wurde, nachdem in beiden Fällen bereits sieben Zyklen von 80 Torr ab durchgeführt worden waren und das Adsorptionsmaterial folglich bereits einigermassen verunreinigt war.

Ein Vergleich der beiden Kurven zeigt, dass

die Sorptionspumpvorrichtung nach Fig. 1a auch eine grössere wirksame Sorptionsleistung hat als die Sorptionspumpvorrichtung der bekannten Konstruktion.

Bei der Sorptionspumpvorrichtung nach Fig.

k bis 8 sind für Teile, die denen der Vorrichtung nach Fig. 1a entsprechen, dieselben Bezugszeichen gewählt worden.

Bei der Sorptionspumpvorrichtung nach Fig. k hat die Eingangsleitung 3 einen als Balgen ausgebildeten biegsamen Teil 3& und einen Endteil 3b, der als Hohlrohr gegenüber dem Behälter im Kanal 20 axial verschiebbar ist, welcher Kanal durch eine Gazeschicht 21 vom Adsorptions-

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material getrennt ist. Auf zwei unterschiedlichen Pegeln
hat der Endteil Offnungen 22 bzw. 23. Beim Auf- .und Abbewegen des Endteils 3b können die Offnungen 22 wechselweise. abgeschlossen und freigegeben werden und zwar durch die
zylinderförmige Büchse Zh und die Offnungen 23 durch die
zylinderförmige Büchse 25» aber derart, dass während die
Offnungen 22 abgeschlossen sind, die Öffnungen 23 frei sind und umgekehrt. Fig. 4a zeigt die Lage, bei der die Offnungen 22 frei sind und 'die Offnungen 23 abgeschlossen, während in Fig. 4b die umgekehrte Situation dargestellt ist. Auf diese Weise kann ein zu evakuierender Raum nacheinander zunächst
über die Öffnungen 23 und danach über die Offnungen 22 auf
unterschiedlichen Pegeln an das Sorptionsmaterial angeschlossen werden.

Der Endteil 3b kann auch als gesondertes Rohr

ausgebildet sein, dessen oberes Ende in der Eingangsleitung 3 geführt ist.

Bei der Sorptionspumpvorrichtung nach Fig. 5 ist das Rohr 30 um die Längsachse im Behälter 1 drehbar
angeordnet. Durch die Drehung werden die Offnungen 22 wechselweise abgeschlossen und freigegeben. Das aus dem zu evakuierenden Raum angesaugte Gas kann zunächst durch die
Offnungen 31, das Rohr 30 und die Offnungen 23 ausschliesslich den unteren Schichten des Sorptionsmaterials angeboten werden und danach durch Freigabe der Offnungen 22 im wesentlichen den oberen Schichten und in geringerem Masse den
unteren Schichten.

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Selbstverständlich, sind auch Konstruktionen möglich, bei denen die Durchströmungsöffnungen für angesaugtes Gas durch ein kombiniertes Verschieben und Drehen des Rohres freigegeben bzw. abgeschlossen werden.

Die Sorptionspumpvorrichtung nach Fig. 6 hat eine zweite Eingangsleitung 4o, die der Eingangsleitung 3 parallelgeschaltet ist und auf einem anderen Pegel in den Behälter 1 mündet. In jede der Leitungen 3 und 4o ist ein Absperrelement 41 bzw. 42 aufgenommen.

Die Sorptionspumpvorrichtung nach Fig. 7 hat

einen Dreiweghahn 43» mit dem die Eingangsleitungen 3 und einzeln und gleichzeitig an den zu evakuierenden Raum angeschlossen werden können.

Bei der Sorptionspumpvorrichtung nach Fig. ist ebenfalls ein Dreiweghahn 44 vorhanden. Die Eingangsleitung 4O enthält einen biegsamen als Balgen ausgebildeten Zwischenteil 40a, der es ermöglicht, den unteren Teil 4Ob in dem Kanal 45 innerhalb des Behälters 1 auf und ab zu bewegen. Eine Gazeschicht 46 trennt das Adsorptionsmaterial 2 vom Kanal 45· Ein zweiter Balgen 47, der einerseits am Behälter und andererseits am unteren Teil 40b befestigt ist, ist als biegsame Dichtung wirksam. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, auf mehr als zwei unterschiedlichen Pegeln des Behälters zu pumpen obschon nur zwei Eingangsleitungen vorhanden sind.

Ausser den dargestellten Ausführungsformen sind selbstverständlich andere möglich, beispielsweise

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Konstruktionen, bei denen die zwei Eingangsleitungen an (diametral) einander gegenüberliegenden Stellen an den Seitenwänden des Behälters befestigt sind oder Konstruktionen, bei denen mehr als zwei Eingangsleitungen vorhanden sind.

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Claims (5)

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1.J Sorptionspumpvorrichtung mit einem Behälter

für Sorptionsmaterial, das über eine Eingangsleitung mit einem zu evakuierenden Raum verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass der zu evakuierende Raum nacheinander auf mindestens zwei unterschiedlichen Pegeln des Behälters an das Sorptionsmaterial angeschlossen werden kann.

2. Sorptxonspumpvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsleitung mit einem Hohlrohr versehen ist, das axial verschiebbar und/oder um die Längsachse drehbar im Behälter angeordnet ist und mindestens zwei in axialer Richtung des Rohres in einem Abstand voneinander liegende Offnungen aufweist, die durch axiale Verschiebung bzw. Drehung um die Längsachse des Rohres nacheinander freigegeben werden.

3. Sorptxonspumpvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf beiden Seiten offenes Hohlrohr innerhalb des Behälters fest angeordnet ist, wobei ein Rohrende koaxial mit der Eingangsleitung innerhalb der Mündung dieser Leitung im Behälter und in einem Abstand von der Mündung angeordnet ist, so dass ein Ringkanal gebildet ist, wobei in der Eingangsleitung ein Absperrelement angeordnet ist, das nacheinander das Rohrende und den Ringkanal freigeben kann.

4. Sorptxonspumpvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit mindestens

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einer zweiten Eingangsleitung versehen ist, die absperrbar und der Eingangsleitung parallelgeschaltet ist, wobei alle Eingangsleitungen auf unterschiedlichen Pegeln in den Behälter münden.

5. Sorptionspumpvorrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass von wenigstens einer Eingangsleitung der Pegel der Mündung in den Behälter einstellbar ist.

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