DE1276284B

DE1276284B - Device for generating or maintaining a vacuum by means of gas condensation at low temperatures

Info

Publication number: DE1276284B
Application number: DEB80884A
Authority: DE
Inventors: Dr Franz-Xaver Eder
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1964-04-17
Filing date: 1965-03-09
Publication date: 1968-08-29
Also published as: AT251924B; CH419428A; NL6406151A; SE355216B; GB1048332A; US3263434A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

F 04b F 04b

Deutsche Kl.: 27 d-6/02 German class: 27 d- 6/02

Nummer: 1276 284Number: 1276 284

Aktenzeichen: P 12 76 284.4-15 (B 80884)File number: P 12 76 284.4-15 (B 80884)

Anmeldetag: 9. März 1965 Filing date: March 9, 1965

Auslegetag: 29. August 1968Opening day: August 29, 1968

Verfahren, hohe Vakua bei großen Sauggeschwindigkeiten durch Kondensation des abzupumpenden Gases an tiefgekühlten Flächen zu erzeugen, sind seit langem bekannt und mit Erfolg angewandt worden. Hierzu werden Flüssigkeitsbäder aus flüssigem Wasserstoff oder Helium benutzt, wobei an der Außenwandung der Flüssigkeitsbäder das abzupumpende Gas in fester Form ausfriert. Entsprechend dem Dampfdruck von Luft bei einer Temperatur von 4,2 bzw. 20,2° K stellt sich für Luft oder Stickstoff als Arbeitsgas ein Gleichgewichtsdampfdruck von weniger als 10~¹⁵Torr ein; selbst für Wasserstoff läßt sich durch Kondensation an einem Bad mit siedendem Helium ein Vakuum von 10"~⁷ Torr erzeugen. Processes of generating high vacuums at high suction speeds by condensation of the gas to be pumped out on frozen surfaces have long been known and have been used with success. For this purpose, liquid baths made of liquid hydrogen or helium are used, with the gas to be pumped freezing out in solid form on the outer wall of the liquid baths. Corresponding to the vapor pressure of air at a temperature of 4.2 or 20.2 ° K, an equilibrium vapor pressure of less than 10 ~ ¹⁵ Torr is established for air or nitrogen as the working gas; even for hydrogen, a vacuum of 10 "~ ⁷ Torr can be generated by condensation in a bath of boiling helium.

Die physikalischen Grundlagen dieses Vorganges sind heute zum größten Teil geklärt. Es ist bekannt, daß die Haftwahrscheinlichkeit eines heranfliegenden Gasmoleküls an der tiefgekühlten Kondensationsfläche von deren Temperatur und der kinetischen Energie des Moleküls abhängt. Dies ermöglicht die Erzeugung von Ultrahochvakuum in großen Räumen, wobei die hierzu aufzuwendende Pumpleistung für große Saugleistungen merklich kleiner werden kann als bei Verwendung konventioneller Diffusionspumpen. Bekannte Kryopumpen bestehen aus einem Kondensationsgefäß oder einer Rohrspirale, die mit flüssigem Wasserstoff oder Helium beschickt werden und in den auszupumpenden Rezipienten eingebaut sind. Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, die eine optimale Dosierung der Kühlflüssigkeit erlauben, die aus dem Vorratsgefäß für die flüssigen Gase durch Vakuumleitungen zur eigentlichen Kühlfläche geleitet werden. In jedem Fall ist das Vorhandensein eines Verflüssigungsapparates für Sauerstoff bzw. Helium vorauszusetzen.The physical basis of this process has largely been clarified today. It is known, that the likelihood of adhesion of an approaching gas molecule to the frozen condensation surface depends on its temperature and the kinetic Energy of the molecule depends. This enables the generation of ultra-high vacuum in large rooms, whereby the pump power to be used for this purpose becomes noticeably smaller for large suction capacities than when using conventional diffusion pumps. Known cryopumps consist of one Condensation vessel or a spiral pipe, which are charged with liquid hydrogen or helium and are built into the recipient to be pumped out. There are also devices known that a allow optimal metering of the cooling liquid that flows through from the storage vessel for the liquid gases Vacuum lines are routed to the actual cooling surface. In either case, there is the presence of one A liquefaction apparatus for oxygen or helium must be assumed.

Demgemäß betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Erzeugen bzw. Aufrechterhalten eines Vakuums in einem Raum, bei welcher das abzusaugende Gas an Flächen vorbestimmter tiefer Temperatur kondensiert wird und welche eine Gaskälteanlage mit Kompressor, Gegenstromwärmeaustauscher und Expansionsmaschine in geschlossenem Kreislauf aufweist.Accordingly, the invention relates to a device for generating or maintaining a vacuum in a room in which the gas to be extracted condenses on surfaces of a predetermined low temperature and which is a gas refrigeration system with compressor, counterflow heat exchanger and expansion machine having in closed circuit.

Die Aufgabe besteht darin, eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades insgesamt für die Gaskälteanlage und die Einrichtung zum Erzeugen bzw. Aufrechterhalten des Vakuums zu erzielen.The task is to improve the overall thermal efficiency for the gas refrigeration system and to achieve the means for creating or maintaining the vacuum.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der vorstehend genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens die auf tiefster Temperatur befindlichen Teile der Gaskälteanlage innerhalb eines geschlossenen, in den abzupumpenden bzw. auf Vakuum zu halten-Einrichtung zum Erzeugen bzw. Aufrechterhalten eines Vakuums mittels Gaskondensation bei tiefen TemperaturenThis object is achieved in a device of the type mentioned above in that at least the parts of the gas refrigeration system that are at the lowest temperature within a closed, in the device to be pumped out or kept on vacuum for generating or maintaining a vacuum by means of gas condensation at low temperatures

Anmelder:Applicant:

Balzers Vakuum G. m. b. H.,Balzers vacuum G. m. B. H.,

6000 Frankfurt 70, Seehofstr. 116000 Frankfurt 70, Seehofstr. 11

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Franz-Xaver Eder, 8000 MünchenDr. Franz-Xaver Eder, 8000 Munich

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Schweiz vom 17. April 1964 (4998)Switzerland of April 17, 1964 (4998)

den Rezipienten ragenden Metallmantels angeordnetArranged the recipient protruding metal jacket

ao sind, dessen Außenwandung die Kondensationsfläche darstellt.ao, the outer wall of which represents the condensation surface.

Für große Pumpleistungen wird dabei der Kompressor der Gaskältemaschine außerhalb der eigentlichen Pumpvorrichtung aufgestellt; diese enthält die Wärmeaustauscher, welche das verdichtete Arbeitsgas durch Gegenstromwärmeaustausch durch den in der Expansionsmaschine abgekühlten Gasstrom auf die für den Eintritt in die Expansionsmaschine geeignete Temperatur abkühlt; das auf die tiefste Temperatur expandierte Arbeitsgas — in den meisten Fällen Helium — durchströmt aber die Kondensationsfläche innerhalb eines geschlossenen, in den auszupumpenden Rezipienten hineinragenden Metallmantels, dessen Außenwandung die Kondensationsfläche darstellt.For large pumping capacities, the compressor of the gas refrigeration machine is outside the actual Pumping device set up; this contains the heat exchangers, which transfer the compressed working gas by countercurrent heat exchange through the in the gas flow cooled by the expansion machine to that suitable for entry into the expansion machine Temperature cools; the working gas expanded to the lowest temperature - in most of them Cases helium - but flows through the condensation surface within a closed, in the Recipients to be pumped into the metal jacket, the outer wall of which is the condensation surface represents.

Es können aber auch alle Teile der Kälteanlage im Innern des in den auszupumpenden Rezipienten ragenden geschlossenen Metallmantels angeordnet sein, und zur Verminderung der Kompressorabmessungen kann dessen Kompressionswärme bei sehr tiefer Temperatur, vorzugsweise bei der der siedenden flüssigen Luft, abgeführt werden. Die Erfindung beinhaltet außerdem die mechanische Kopplung von Expansionsmaschine und Kompressor, so daß von außen nur über eine gemeinsame Kurbelwelle, die von einem auf der Pumpe befestigten Motor angetrieben wird, Arbeitsleistung zugeführt zu werden braucht.However, all parts of the refrigeration system inside the recipient can also be pumped out be arranged protruding closed metal jacket, and to reduce the compressor dimensions can be its heat of compression at a very low temperature, preferably at the boiling temperature liquid air. The invention also includes the mechanical coupling of Expansion machine and compressor, so that from the outside only a common crankshaft, the driven by a motor mounted on the pump to be supplied with work needs.

Der Vorteil des Erfindungsgedankens liegt auf der Hand: Die Hochvakuumpumpe stellt eine einzige konstruktive Einheit dar, die mittels eines gasdichten Flansches in den zu evakuierenden Rezipienten ein-The advantage of the inventive idea is obvious: The high vacuum pump provides a single one constructive unit that is inserted into the recipient to be evacuated by means of a gas-tight flange

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gesetzt wird und nur über zwei Gaszu- bzw. ab- Ansaugseite des Kompressors 4 und damit auch aufis set and only on two gas inlet or outlet suction side of the compressor 4 and thus also on

leitungen mit dem außenliegenden Kompressor oder der Niederdruckseite der Wärmeaustauscher 5 und 9lines to the external compressor or the low-pressure side of the heat exchangers 5 and 9

im Fall des mit flüssiger Luft gekühlten Kompres- ein Unterdruck aufrechterhalten wird. Bei Tempe-in the case of the compressor cooled with liquid air, a negative pressure is maintained. At tempe-

sors nur durch Stromdurchführungen mit der Um- raturen unterhalb von 3,5° K kann auch Wasserstoff gebung verbunden wird. Die für den Kondensations- 5 durch Kondensation an den Außenwandungen vonHydrogen can also be produced only through electrical feedthroughs with the temperature below 3.5 ° K environment is connected. The for the condensation 5 by condensation on the outer walls of

Vorgang aufzubringende Kälteleistung, die der En- 15 abgepumpt werden.Process to be applied cooling power, which the En- 15 are pumped out.

thalpiedifEerenz des abzupumpenden Gases zwischen Zur Kondensation von Luft, Stickstoff und anZimmertemperatur und der der Kühlfläche ent- deren höhersiedenden Gasen wird der Erfindungsspricht, ist relativ gering und benötigt auch bei gedanke in der Weise abgewandelt, daß auf den großen Saugleistungen nur kleine Gaskälteanlagen 10 unteren Teil des Gegenströmers 9 in F i g. 1 und auf mit geringen Antriebsleistungen. das Expansionsventil 14 verzichtet wird und das aus Im einzelnen wird die erfindungsgemäße Einrich- der Expansionsmaschine 12 kommende Arbeitsgas tung in F i g. 1 an Hand eines Beispiels näher er- Helium direkt in den Sammelbehälter 15 strömt und läutert. Die Hochvakuumpumpe besteht aus dem diesen auf eine Temperatur von 6 bis 20° K abkühlt. Mantelgefäß 1 aus schlecht wärmeleitendem Material, 15 Als die für den Kondensationsvorgang verfügbare das z. B. mittels Flansch in den zu evakuierenden Kälteleistung steht theoretisch die Enthalpiedifferenz Rezipienten 2 gasdicht eingesetzt ist. Im Innern des des Arbeitsgases zwischen den Temperaturen beim auch nach außen durch den Deckel 3 abgeschlos- Ein- bzw. Austritt des Gases in bzw. aus der Expansenen Gefäßes 1 sind mit Ausnahme des zur Verdich- sionsmaschine 12 zur Verfügung. Die Rolle des tung des Arbeitsgases — Helium, Neon oder Wasser- 20 Druckausgleichsbehälters 13 übernimmt in diesem stoff — dienenden Kompressors 4 sämtliche Teile Fall der Sammelbehälter 15. Der bei dieser Betriebseiner Gaskälteanlage untergebracht. Diese besteht art fehlende gute Wärmeaustausch im Behälter 15 ausgehend von der Umgebungstemperatur aus den läßt sich durch Einbau von Metallstegen in ihm ver-Gegenstromwärmeaustauschern 5 und 6, von denen bessern.The difference in the throat depth of the gas to be pumped out between the condensation of air, nitrogen and the room temperature and the higher-boiling gases of the cooling surface is the subject of the invention, is relatively small and needs to be modified in such a way that only small gas refrigeration systems 10 lower part of the large suction capacities of the countercurrent 9 in FIG. 1 and on with low drive power. the expansion valve 14 is dispensed with and the working gas coming from the expansion machine 12 according to the invention is shown in FIG. 1 using an example in more detail, helium flows directly into the collecting container 15 and purifies. The high vacuum pump is used to cool it down to a temperature of 6 to 20 ° K. Jacket vessel 1 made of poorly thermally conductive material, 15 As the available for the condensation process the z. B. by means of a flange in the cooling capacity to be evacuated is theoretically the enthalpy difference recipient 2 is inserted gas-tight. Inside the working gas between the temperatures when the gas is also closed to the outside by the cover 3, the gas in and out of the expanding vessel 1 is available with the exception of the compression machine 12. The role of the processing of the working gas - helium, neon or water - 20 pressure equalization tank 13 takes over in this material - serving compressor 4 all parts of the collecting tank 15, which is housed in this operation of a gas refrigeration system. This type of lack of good heat exchange in the container 15, starting from the ambient temperature, can be improved by installing metal bars in it countercurrent heat exchangers 5 and 6, of which.

der Gasströmer 5 zur Abkühlung des Hochdruck- 25 Vorteilhaft wird die auf tiefster Temperatur bearbeitsgases durch das rückkehrende kalte, bereits findliche Kondensationsfläche dadurch merklich verentspannte Arbeitsgas bestimmt ist, während im größert, daß der Metallmantel 1 gleichzeitig den Gegenströmer 6 der andere Zweig des Hochdruck- Außenmantel für das rückgeführte Niederdruckgas gases durch die im Kühler 7 verdampfende flüssige des ganzen oder des unteren Teiles vom Gegen-Luft abgekühlt wird. 30 strömer 9 darstellt und eine Temperatur annimmt,the gas stream 5 for cooling the high pressure 25 is advantageous at the lowest temperature processing gas by the returning cold, already sensitive condensation surface noticeably relaxed Working gas is determined while in the greater that the metal shell 1 at the same time Countercurrent 6 is the other branch of the high pressure outer jacket for the recirculated low pressure gas gases through the evaporating in the cooler 7 liquid of the whole or the lower part of the counter air is cooled. 30 represents streamers 9 and assumes a temperature

Zum Füllen des Kühlers 7 dient der Füllstutzen 8, welche das abzupumpende Gas zu kondensierenThe filler neck 8, which condenses the gas to be pumped, is used to fill the cooler 7

der während des Betriebes verschlossen bleibt. Das erlaubt.which remains closed during operation. That allows.

im Kühler 7 auf etwa 90° K abgekühlte Hochdruck- Weiter kann die eigentliche Kondensationsfläche gas strömt in der Rohrwendel des nachfolgenden durch Prallflächen 16 gegen den Rezipienten abge-Gegenströmers 9 und wird von außen durch das 35 schirmt werden, welche aus gut wärmeleitendem rückkehrende Niederdruckgas weiter abgekühlt, bis Material mit hohem Strahlungsreflexionsvermögen schließlich ein Teil des Hochdruckstromes bei 10 bestehen. Diese haben die Aufgabe, einerseits dem über ein Druckausgleichsgefäß 11 der Kolbenexpan- abzupumpenden Gas keinen merklichen Strömungssionsmaschine 12 zugeführt und auf eine wesentlich widerstand zu bieten, andererseits die thermische Getiefere Temperatur unter Arbeitsleistung adiabatisch 40 schwindigkeit der heranfliegenden Moleküle dadurch entspannt wird. Das expandierte Gas strömt über den zu verringern, daß diese auf einer gegenüber der Um-Druckausgleichsbehälter 13 in das Mantelrohr des gebungstemperatur merklich tieferen Temperatur ge-Gegenströmers 9 zurück und dient dazu, dem an- halten werden und beim Impulsaustausch ein Teil kommenden Hochdruckgas einen Teil seines Wärme- der thermischen Energie der Gasmoleküle von den inhalts zu entziehen. Im untersten Teil des Gegen- 45 Prallflächen aufgenommen wird. Hierdurch wird die strömers 9 findet eine weitere Temperatursenkung Haftwahrscheinlichkeit für die Kondensation verstatt, wenn das Hochdruckgas im Expansionsventil größert. Diese Prallflächen wirken als Schutz gegen 14 isenthalpisch entspannt wird und im Gegenstrom die von den Wandungen des Rezipienten ausgesandte das Gas kühlt. Bei der Entspannung im Ventil 14 Strahlungsenergie und erniedrigen die sich im Gleichwird ein Teil des Arbeitsgases verflüssigt und im 5° gewicht einstellende Temperatur der eigentlichen Behälter 15, dessen Boden- und Mantelfläche die Kondensationsfläche. Diese Prallflächen von gittereigentliche Kondensationsfläche darstellt, gesammelt. förmiger Struktur sind in gutem thermischem Kon-Durch die für den Pumpvorgang aufzubringende takt mit dem Vorkühlgefäß 7 oder Teilen der Gegen-Wärmemenge wird im Gleichgewicht die Flüssigkeit strömer 6, 5 oder 9, deren Temperatur wesentlich im gleichen Maße verdampft, wie sie verflüssigt wird. 55 tiefer als die Umgebungstemperatur und vorzugs-Dieser Kreislauf entspricht dem eines normalen Gas- weise bei der der siedenden flüssigen Luft liegt. Da verflüssigers mit dem Unterschied, daß erfindungs- innerhalb des Mantelgefäßes 1 das Arbeitsgas bei gemäß Boden und Mantelfläche des Behälters 15 Normalbedingungen vorhanden ist und Helium bzw. gleichzeitig ein Teil des in den Rezipienten ragenden Wasserstoff gute Wärmeleitungseigenschaften auf-Metallmantels 1 darstellt. 60 weisen, genügt es für die durch die Prallflächen ent-In the cooler 7 cooled to about 90 ° K high pressure. Next, the actual condensation surface gas flows in the coiled tubing of the downstream countercurrent through baffles 16 against the recipient 9 and will be shielded from the outside by the 35, which is made of highly thermally conductive returning low-pressure gas, further cooled down to material with high radiation reflectivity finally a part of the high pressure flow at 10 exist. These have the task, on the one hand, of the The gas to be pumped off via a pressure equalization vessel 11 does not have any noticeable flow machine 12 fed and to offer a substantial resistance, on the other hand the thermal deeper Temperature under work adiabatic 40 speed of the approaching molecules is relaxed. The expanded gas flows over the reduce that this on a opposite to the pressure equalization tank 13 in the jacket tube of the ambient temperature noticeably lower temperature ge countercurrent 9 and is used to stop the momentum and be a part of the exchange of impulses Coming high pressure gas part of its heat- the thermal energy of the gas molecules from the content to be withdrawn. In the lowest part of the counter 45 baffles is added. This will make the strömers 9 takes place a further temperature decrease probability of adhesion for the condensation, when the high pressure gas in the expansion valve increases. These baffles act as protection against 14 is isenthalpically relaxed and in countercurrent that emitted by the walls of the recipient the gas cools. During the relaxation in the valve 14 radiant energy and decrease in the equation Part of the working gas is liquefied and the actual temperature setting at 5 ° Container 15, the bottom and outer surface of which is the condensation surface. These baffles from the actual grid Represents condensation surface, collected. shaped structure are in good thermal con-through the clock to be applied for the pumping process with the pre-cooling vessel 7 or parts of the counter-heat quantity in equilibrium, the liquid flows 6, 5 or 9, the temperature of which is significant evaporated to the same extent as it is liquefied. 55 lower than the ambient temperature and preferred this The cycle corresponds to that of a normal gas mode in which the boiling liquid air lies. There liquefier with the difference that, according to the invention, the working gas within the jacket vessel 1 according to the bottom and surface of the container 15 normal conditions are present and helium resp. at the same time, part of the hydrogen protruding into the recipient has good thermal conductivity properties on a metal jacket 1 represents. 60 points, it is sufficient for the

Wird in einem solchen Kreislauf als Arbeitsgas zogene Wärme, diese durch Wärmeleitung zwischenIf heat is drawn in such a cycle as the working gas, this is carried out by conduction between

Helium benutzt, so nimmt die Kondensationsfläche dem Metallmantel 1 und dem Kühlgefäß 7 bzw. demIf helium is used, the condensation surface takes the metal jacket 1 and the cooling vessel 7 or the

eine Temperatur an, die etwa der Siedetemperatur Gegenströmer über einen engen Gasspalt zu über-a temperature which is about the boiling temperature of the countercurrent via a narrow gas gap.

von Helium bei Normaldruck, d. h. 4,2° K entspricht. tragen.of helium at normal pressure, d. H. 4.2 ° K. wear.

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, im Behälter 15 65 Als Expansionsmaschine 12, deren ArbeitsleistungBasically, there is the possibility, in the container 15 65 As an expansion machine 12, its work output

einen wesentlich geringeren Druck als 1 atü aufrecht- von einem elektrischen Generator 17 aufgenommena significantly lower pressure than 1 atu upright- taken up by an electric generator 17

zuerhalten, wenn der Gasdurchsatz durch das Expan- bzw. abgeführt wird, dient vorzugsweise eine gas-to be obtained when the gas throughput is discharged through the expansion or discharge, a gas-

sionsventil 14 so knapp eingestellt wird, daß auf der geschmierte Kolbenmaschine mit oder ohne Steue-sion valve 14 is set so tight that on the lubricated piston machine with or without control

rung durch mechanisch oder elektrisch betätigte Ventile für die Gaszu- und -abfuhr. Zwischen den Kompressor 4 und die Pumpe wird zu Beginn des Pumpens ein an sich bekannter Vorreiniger 18 geschaltet, um Verunreinigungen des Arbeitsgases auszuscheiden. Im statischen Betrieb ist der Reiniger kurzgeschlossen.tion through mechanically or electrically operated valves for gas supply and discharge. Between Compressor 4 and the pump is switched to a pre-cleaner 18 known per se at the beginning of pumping, to separate impurities from the working gas. The cleaner is in static operation shorted.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kommt durch Stillsetzen der Expansionsmaschine und Entleeren des Vorkühlbades 7 das Pumpgefäß sehr schnell auf höhere Temperaturen, und das zum Erreichen von Ultrahochvakuum erforderliche Ausheizen kann ohne besondere Zusatzvorrichtungen durchgeführt werden. Da der Thomson-Joule-Effekt von Helium und auch Wasserstoff bei Zimmertemperatur negativ ist, erwärmt sich das ohne Vorkühlung zum Expansionsventil 14 gelangende und dort entspannte Arbeitsgas und erreicht schließlich Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius.In the device according to the invention, the expansion machine is stopped and emptied of the pre-cooling bath 7, the pump vessel very quickly to higher temperatures, and that to achieve Baking required by ultra-high vacuum can be done without special additional devices be performed. Because the Thomson-Joule effect of helium and also hydrogen at room temperature is negative, that which reaches the expansion valve 14 without pre-cooling and is relaxed there heats up Working gas and eventually reaches temperatures of several hundred degrees Celsius.

Es ist bereits erwähnt worden, daß die zur Kondensation des abgepumpten Gases notwendige Kälteleistung relativ gering ist und für große Pumpleistungen einer solchen Vorrichtung kleine Gaskälteanlagen ausreichen. Diesem Umstand wird durch die vorliegende Erfindung Rechnung getragen. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich, wenn nicht nur der kälteerzeugende Teil der Gaskälteanlage innerhalb des eigentlichen Pumpgefäßes, sondern auch der Kompressor des Kreislaufes dort untergebracht wird.It has already been mentioned that the cooling capacity required for condensation of the pumped-out gas is relatively low and small gas refrigeration systems for large pumping capacities of such a device sufficient. This fact is taken into account by the present invention. An essential one The advantage arises if not only the cold-generating part of the gas refrigeration system is inside the actual pump vessel, but also the compressor of the circuit is housed there.

Als Ausführungsbeispiel hierzu wird die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung beschrieben. Diese besteht wieder aus dem Mantelgefäß — hier mit dem Bezugszeichen 19 — aus vorzugsweise rostfreiem Stahl mit kleiner Wärmeleitfähigkeit, das durch einen Flansch vakuumdicht innerhalb des auszupumpenden Rezipienten 20 befestigt ist. Innerhalb des Mantelgefäßes 19 ist eine Gaskälteanlage mit geschlossenem Kreislauf untergebracht, die beispielsweise aus gasgeschmierten Kolbenmaschinen für die Kompression und adiabatische Expansion des Arbeitsgases und aus den Gegenstromwärmeaustauschern besteht. In der Figur ist der Kompressor 21 mit einem Differentialkolben 22 ausgerüstet und derart mit Hilfe eines dünnwandigen Metallrohres 23 aus schlecht wärmeleitendem Material zentrisch mit der Expansionsmaschine 24 zusammengestellt, daß das sich in dem Metallrohr 23 sammelnde Leckgas gemeinsam in das Innere des Mantelgefäßes 19 oder über die Leitung 25 zur Ansaugseite des Kompressors 21 geführt werden kann. Die dargestellte konstruktive Lösung hat außerdem den Vorteil, daß die von der Expansionsmaschine 24 geleistete mechanische Arbeit unmittelbar einen Teil der Kompressionsarbeit deckt. Hierzu ist in dem Beispiel innerhalb des Metallrohres 23 eine Kolbenstange 26 vorgesehen, die durch zwei Kugelgelenke die Arbeitskolben 21 und 27 mechanisch koppelt, ohne die Seitenführung der gasgeschmierten Teile zu beeinträchtigen. Der gemeinsame Antrieb beider Kolbenmaschinen erfolgt über eine weitere, in Kugelgelenken gelagerte Kolbenstange 28, die am oberen Ende in einem Kreuzkopf 29 geführt wird. Dieser wird über die Pleuelstange 30 von der Kurbelwelle 31 angetrieben, die gasdicht im Kurbelgehäuse 32 gelagert ist. Den gemeinsamen Antrieb übernimmt der Elektromotor 33, der theoretisch nur die Differenz von Kompressor- und Expansionsleistung zu tragen hat. Der Kompressor 21 ist am Deckelflansch des Gehäuses 32 durch ein Rohr 34 befestigt, das wie das Metallrohr 23 vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.As an exemplary embodiment for this, the one shown in FIG. 2 described device shown. This exists again from the jacket vessel - here with the reference numeral 19 - preferably made of stainless steel with low thermal conductivity, which is vacuum-tight through a flange inside the pump to be pumped out Recipient 20 is attached. Inside the jacket vessel 19 is a gas refrigeration system with a closed Circulation housed, for example, from gas-lubricated piston engines for compression and adiabatic expansion of the working gas and the countercurrent heat exchangers. In In the figure, the compressor 21 is equipped with a differential piston 22 and so with the aid a thin-walled metal tube 23 made of poorly thermally conductive material centrally with the expansion machine 24 put together that the collecting gas leakage in the metal tube 23 together into the interior of the jacket vessel 19 or via the line 25 to the suction side of the compressor 21 can be. The structural solution shown also has the advantage that the Expansion machine 24 performed mechanical work directly covers part of the compression work. For this purpose, a piston rod 26 is provided in the example within the metal tube 23, which is through two Ball joints mechanically couple the working pistons 21 and 27 without the lateral guidance of the gas-lubricated Affecting parts. Both piston machines are driven jointly by one further piston rod 28 mounted in ball joints and guided in a cross head 29 at the upper end will. This is driven via the connecting rod 30 by the crankshaft 31, which is gas-tight in the crankcase 32 is stored. The common drive is taken over by the electric motor 33, which theoretically only has to bear the difference between the compressor and expansion capacity. The compressor 21 is on Cover flange of the housing 32 fastened by a tube 34, which, like the metal tube 23, is preferably made stainless steel is made.

Der thermodynamische Kreislauf der Gaskälteanlage unterscheidet sich vom ersten, in Fig. 1 dargestellten Beispiel und von bisher bekannten Anlagen dadurch, daß die quasiisotherme Kompression des Arbeitsgases bei sehr tiefer Temperatur, vorzugsweise bei der von flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff erfolgt und dadurch das Hubvolumen im Verhältnis der entsprechenden Temperaturen, also etwa um den Faktor 1:4 kleiner wird als bei der entsprechenden wassergekühlten Maschine. Damit ist die Möglichkeit gegeben, den Kompressor 21 im Innern des Mantelgefäßes 19 unterzubringen. Zur Abfuhr der Kompressionswärme dient das vorzugsweise mit flüssiger Luft gekühlte Kühlbad 35 mit den Rohrwendeln 36, denen das Arbeitsgas über das Druckventil 37 des Kompressors 21 zugeführt wird. Der Kühler 35 wird über das Rohr 38 mit flüssigerThe thermodynamic cycle of the gas refrigeration system differs from the first one shown in FIG. 1 Example and from previously known systems in that the quasi-isothermal compression of the Working gas at a very low temperature, preferably that of liquid air or liquid nitrogen takes place and thereby the stroke volume in the ratio of the corresponding temperatures, so about is smaller by a factor of 1: 4 than with the corresponding water-cooled machine. This gives the possibility to use the compressor 21 in the To be accommodated inside the jacket vessel 19. This is preferably used to dissipate the heat of compression with liquid air cooled cooling bath 35 with the coiled tubing 36, to which the working gas via the Pressure valve 37 of the compressor 21 is supplied. The cooler 35 is supplied with liquid via the pipe 38

ao Luft gefüllt, das gleichzeitig als Abdampfrohr fungiert. Das in dem Kühlbad 35 vorgekühlte, verdichtete Arbeitsgas tritt in den Gegenstromwärmeaustauscher 39 ein, der in F i g. 2 als Kreuzgegenströmer dargestellt ist und aus der Rohrwendel 40 und zwei zylindrischen Blechmänteln besteht. Am unteren, kalten Ende des Wärmeaustauschers 39 tritt das Hochdruckgas in den Druckausgleichsbehälter 41 und von dort in die Expansionsmaschine 24 ein, wird dort auf niedrigen Druck adiabatisch entspannt und stark abgekühlt. Dieses kalte Niederdruckgas gelangt über das Rohr 42 in den Gasraum 43, der vom Boden 44 des Mantelgefäßes 19 und dem Zwischenboden 45 gebildet wird. Boden- und Mantelflächen zum Gasraum 43 stellen die für den Pumpvorgang wirksame Kondensationsfläche dar, die sich auf der tiefsten Temperatur des Kältekreislaufes befindet. Nach Aufnahme der Kondensationswärme während des Pumpens verläßt das Arbeitsgas den Gasraum 43 und strömt im Niederdruckteil des Wärmeaustauschers 39 zurück, wobei es sich erwärmt und durch das Saugventil 46 wieder in den Kompressor 21 gelangt. ao air filled, which also functions as an exhaust pipe. The precooled in the cooling bath 35, compressed Working gas enters countercurrent heat exchanger 39 shown in FIG. 2 as cross countercurrent is shown and consists of the coiled tubing 40 and two cylindrical sheet metal jackets. At the bottom, At the cold end of the heat exchanger 39, the high-pressure gas enters the pressure equalization tank 41 and from there into the expansion machine 24, there is adiabatically relaxed and at low pressure strongly cooled. This cold low-pressure gas passes through the pipe 42 into the gas space 43, which is from Bottom 44 of the jacket vessel 19 and the intermediate bottom 45 is formed. Bottom and shell surfaces to the gas space 43 represent the effective condensation surface for the pumping process, which are located on the lowest temperature of the refrigeration circuit. After absorbing the heat of condensation during After pumping, the working gas leaves the gas space 43 and flows in the low-pressure part of the heat exchanger 39, where it heats up and returns to the compressor 21 through the suction valve 46.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist darin zu sehen, daß die im Innern der Pumpe angeordnete Gaskälteanlage hermetisch nach außen abgeschlossen ist und daß infolge der besonderen Bauart von Kompressor und Expansionsmaschine eine Verunreinigung des Arbeitsgases ausgeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung erfordert daher auch keine Reinigungsvorrichtungen, da sie immer mit dem gleichen Gasvorrat arbeitet. Außerdem kann die Anlage mit höherem Druck wahlweise von außen aufgepumpt werden, wodurch sich die Kälteleistung, welche etwa dem Druck proportional ist, leicht verändern und den Pumpbedingungen anpassen läßt. Nach Abstellen der Kälteanlage erwärmen sich deren Elemente und damit auch der Gasdruck; wegen des geringen Gasvorrats ist jedoch der sich einstellende Gleichgewichtsdruck nicht sehr hoch und kann durch einen Druckausgleichsbehälter außerhalb der Pumpe noch reduziert werden. Von großem Vorteil ist bei dieser Ausführungsform die Tatsache, daß die Pumpe nach dem Erfindungsgedanken nicht mehr ortsfest, sondern beweglich ist und nur einer elektrischen Energiezufuhr für den gemeinsamen Antrieb bedarf. Die tiefsten zu erreichenden Kondensationstemperaturen liegen bei 6° K; durch teilweises Kurzschließen des Kompressors und Verringerung der Drehzahl las-The advantage of the device according to the invention is to be seen in the fact that the arranged inside the pump Gas refrigeration system is hermetically sealed to the outside and that due to the special design contamination of the working gas is excluded from the compressor and expansion machine. the The device according to the invention therefore also requires no cleaning devices, since they are always with the same gas supply works. In addition, the system can optionally be inflated from the outside with higher pressure as a result of which the cooling capacity, which is roughly proportional to the pressure, changes slightly and can be adapted to the pumping conditions. After the refrigeration system is switched off, it heats up Elements and thus also the gas pressure; due to the low gas supply, however, is the self-adjusting one Equilibrium pressure is not very high and can be achieved by means of a pressure expansion tank outside the pump still to be reduced. The fact that the pump is of great advantage in this embodiment according to the idea of the invention is no longer stationary, but movable and only one electrical Energy supply for the common drive is required. The lowest condensation temperatures that can be achieved are at 6 ° K; by partially short-circuiting the compressor and reducing the speed

sen sich behebig höhere Arbeitstemperaturen einstellen und aufrechterhalten.This means that higher working temperatures can be set and maintained.

Im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 ist nur eine Variante wiedergegeben, bei der das Heliumgas nicht verflüssigt wird. Die Möglichkeit des Verflüssigens ist natürlich auch hier ebenso wie das zusätzliche Anbringen von gekühlten Prallblechen gegeben.In the embodiment according to FIG. 2 only a variant is shown in which the helium gas is not is liquefied. The possibility of liquefying is of course also here as well as the additional one Attachment of cooled baffles given.

Die Erläuterung des Erfindungsgedankens durch das Beispiel in Fig. 2 ist sehr speziell: der Gaskompressor und die Expansionsmaschine können auch als getrennte Einheiten, jedoch über eine gemeinsame Kurbelwelle von außen angetrieben werden, wobei in diesem Fall die Beschränkung, gleiche Kolbenhübe anwenden zu müssen, entfällt.The explanation of the inventive idea by the example in FIG. 2 is very special: the gas compressor and the expansion machine can also be used as separate units, but over a common one The crankshaft is driven from the outside, in which case the restriction is that the piston strokes are the same having to apply is not applicable.

Claims

Patent claims:

1. Device for generating or maintaining a vacuum in a room, in which the gas to be extracted is condensed on surfaces of predetermined low temperature and ao which is a gas refrigeration system with compressor, counterflow heat exchanger and expansion machine in a closed circuit, characterized in that at least the low-temperature parts (9 to 14, 24 to 27, 39 to 45) of the gas refrigeration system inside a closed metal jacket protruding into the recipient to be pumped out (1, 19) are arranged, the outer wall of which represents the condensation surface.

2. Device according to claim 1, characterized in that the bottom part (44) of the in the Recipients protruding metal jacket (1, 19) as part of a collecting container (15,43) for the through the gas refrigeration system is designed as a cooled medium.

3. Device according to claim 2, characterized in that the gas refrigeration system as a gas liquefier is formed and the bottom part (44) of the metal jacket protruding into the recipient (1, 19) represents the container (15, 43) for the liquefied gas.

4. Device according to claim 1, characterized in that the compressor (21) of the gas refrigeration system is also arranged within the closed metal shell (19) and together with the piston expansion machine (24) is driven by a common crankshaft (31).

5. Device according to claim 1, characterized in that the compressor (21) and the Expansion machine (24) are driven by a common crankshaft (31).

6. Device according to claim 1, characterized in that the piston of the compressor (21) and expansion machine (24) articulated by a common piston rod (28) have the same displacement and only via the compressor piston from the outside through the crankshaft (31) are driven.

7. Device according to claim 1, characterized in that the compressor (21) as a gas-lubricated one Piston engine is designed, the compression heat of which by means of a cooler (35, 36) connected to the gas circuit lower temperature, preferably at that of boiling liquid air or liquid nitrogen will.

8. Device according to claim 3, characterized in that in the circuit of the gas refrigerator after the expansion machine (12, 24) an additional countercurrent heat exchanger and an expansion valve (14) are provided in order to be able to liquefy the refrigerant.

9. Device according to claim 1, characterized in that the heat exchangers (9, 39) of the gas refrigeration system are designed as cross-flow countercurrent and in the case of the deepest Temperature located heat exchanger of the metal jacket at the same time the outer jacket for represents the recirculated low pressure gas.

10. Device according to claim 1, characterized in that outside of the gas refrigeration system surrounding metal jacket (1) in the direction of flow of the gas to be pumped off the actual condensation surface is preceded by one or more baffle surfaces (16), which through thermal connection with the pre-cooler (7) of the compressor or with the heat exchanger are cooled.

11. Device according to claim 1, characterized in that the baffle surfaces (16) as radiation protection are designed for the condensation surface.

12. Device according to claim 1, characterized in that the expansion machine (12, 24) is bridged by a line provided with a valve, so that when the valve is open the compressor heats the metal jacket (1, 19) to temperatures after the cooling has been switched off, which enables it to be baked out under vacuum.

Publications considered: German Auslegeschrift No. 1118 499.

1 sheet of drawings