DE102004046908A1

DE102004046908A1 - vacuum device

Info

Publication number: DE102004046908A1
Application number: DE200410046908
Authority: DE
Inventors: Dirk Schiller; Holger Dietz
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH; Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-04-13
Also published as: WO2006034926A1

Abstract

Eine Vakuumvorrichtung weist eine Kühleinrichtung zur Erzeugung von Kryotemperaturen auf. Die Kühleinrichtung ist in einem Gehäuse (40) angeordnet. Das Gehäuse (40) ist mit einem Wärmetauscher (32) verbunden, durch den die von der Kälteeinrichtung erzeugte, an das Gehäuse (30) abgegebene Wärme abgeführt wird. Erfindungsgemäß weist die Kälteeinrichtung mindestens ein, insbesondere mehrere, thermoelektrische Kühlelemente (8) auf.A vacuum device has a cooling device for generating cryogenic temperatures. The cooling device is arranged in a housing (40). The housing (40) is connected to a heat exchanger (32), by means of which the heat generated by the refrigeration device and discharged to the housing (30) is dissipated. According to the invention, the refrigerating device has at least one, in particular a plurality, of thermoelectric cooling elements (8).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumvorrichtung zur Erzeugung von Vakuum mit Hilfe einer Kälteeinrichtung, die Kryotemperaturen erzeugt.The The invention relates to a vacuum device for generating a vacuum with the help of a refrigeration device, the cryogenic temperatures generated.

Zur Erzeugung von Vakuum ist die Verwendung von Kryopumpen bekannt. In Kryopumpen wird mit Hilfe eines Kältemediums, wie Helium oder flüssigem Stickstoff, eine kalte Oberfläche erzeugt, an der Gase durch Adsorption und/oder Kondensation gebunden werden. Die kalte Oberfläche befindet sich innerhalb der Vakuumkammer. Zur Kühlung der Oberfläche bei geschlossenen Kältekreisläufen wird das mit Hilfe eines externen Kompressors komprimierte Kältemedium innerhalb der Kryopumpen expandiert. Die Förderung des Kältemediums innerhalb der Kryopumpe erfolgt mit Hilfe eines Kolben-Systems. Das Kältemedium wird auf Kryotemperaturen in einem geschlossenen Kreislauf, beispielsweise nach dem Gifford-McMahon- oder dem Stirling-Prinzip, gekühlt. Bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff erfolgt das Kühlen in einem offenen Kreislauf, wobei das Kältemedium regelmäßig ersetzt werden muss.to Generation of vacuum is the use of cryopumps known. In cryopumps, using a cooling medium, such as helium or liquid Nitrogen, a cold surface produced, bound to the gases by adsorption and / or condensation become. The cold surface is inside the vacuum chamber. For cooling the surface at Closed refrigerant circuits will with the help of an external compressor compressed refrigerant medium expanded within the cryopumps. The promotion of the refrigeration medium inside the cryopump takes place with the help of a piston system. The refrigeration medium is at cryogenic temperatures in a closed circuit, for example after the Gifford-McMahon or Stirling principle, cooled. at the use of liquid nitrogen the cooling takes place in an open circuit, with the refrigerant replaced regularly must become.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Technologie besteht darin, dass zur Erzielung von sehr niedrigen Temperaturen, insbesondere Temperaturen von weniger als 30 K, die Bauteile sehr teuer sind. Insbesondere durch die Verwendung externer Kompressoren und die Verwendung teurer Kältemedien sind die Anlage-Betriebskosten derartiger Vakuumvorrichtungen hoch. Ein weiteres Problem besteht darin, dass sich bewegende Teile, wie die Kolben der Kryopumpe, unmittelbar mit dem Kältemedium in Verbindung kommen. Ferner treten auf Grund der sich bewegenden Teile mechanische Vibrationen auf, die in vielen Anwendungen problematisch sind. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Kryopumpe einer Turbomolekularpumpe vorgeschaltete ist, da Turbomolekularpumpen sehr vibrationsempfindlich sind.One major disadvantage of this technology is that the Achieving very low temperatures, especially temperatures less than 30 K, the components are very expensive. Especially through the use of external compressors and use more expensive cold media the plant operating costs of such vacuum devices are high. Another problem is that moving parts, such as the pistons of the cryopump, come directly into contact with the refrigerant medium. Furthermore, mechanical vibrations occur due to the moving parts which are problematic in many applications. This is for example the case when a cryopump upstream of a turbomolecular pump is because turbomolecular pumps are very sensitive to vibration.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumvorrichtung zu schaffen, die einen kostengünstigen Aufbau aufweist.task The invention is to provide a vacuum device, the one inexpensive construction having.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Vakuumvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 15.The solution The object is achieved according to the invention by a vacuum device according to claim 1 and a use according to claim 15.

Die erfindungsgemäße Vakuumvorrichtung weist eine Kälteeinrichtung zur Erzeugung von Kryotemperaturen, insbesondere von Temperaturen unter 140 K, vorzugsweise unter 60 K und besonders bevorzugt unter 30 K, auf. Die Kälteeinrichtung ist von einem Gehäuse umgeben, das mit einem Wärmetauscher zur Abfuhr der von der Kälteeinrichtung erzeugten Wärme verbunden ist. Erfindungsgemäß ist an Stelle einer technisch aufwändigen und insbesondere Vibrationen hervorrufenden Kryopumpe mindestens ein, insbesondere mehrere thermoelektrische Kühlelemente vorgesehen. Mit modernen thermoelektrischen Kühlelementen, wie sie insbesondere in US 2003/01 31 609 beschrieben sind, können Kryotemperaturen erzielt werden.The has vacuum device according to the invention a refrigeration device for generating cryogenic temperatures, in particular of temperatures below 140 K, preferably below 60 K, and more preferably below 30 K, up. The refrigeration device is from a housing surrounded with a heat exchanger for the removal of the refrigeration device generated heat connected is. According to the invention is on Place a technically complex and in particular vibration-inducing cryopump at least a, in particular a plurality of thermoelectric cooling elements provided. With modern thermoelectric cooling elements, as described in particular in US 2003/01 31 609 can cryotemperatures be achieved.

Das Vorsehen eines oder mehrerer thermoelektrischer Kühlelemente an Stelle von Kryopumpen hat neben dem Vorteil, dass keine Vibrationen auftreten, den Vorteil, dass keine externen Kompressoren zur Komprimierung eines Kältemediums erforderlich sind. Da die thermoelektrischen Kühlelemente mit elektrischer Energie betrieben werden, ist auch der Einsatz teurer Kühlmittel, wie Helium oder flüssigem Stickstoff, nicht erforderlich. Hierdurch können die Herstellungskosten der Vakuumvorrichtung erheblich reduziert werden. Da die Anzahl der mechanisch bewegten Bauteile reduziert ist oder ggf. keine mechanisch bewegbaren Bauteile mehr vorhanden sind, ist die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Vakuumvorrichtung höher. Störende Vibrationen, die den im Vakuum stattfindenden Prozess beeinflussen, werden minimiert oder entfallen. Ferner können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vakuumvorrichtung die Größe, das Gewicht und die Unterhaltskosten deutlich reduziert werden. Auch die Aufheiz- und Regenerierzeiten können verringert werden.The Provision of one or more thermoelectric cooling elements in place of cryopumps has the advantage that no vibrations occur, the advantage that no external compressors for compression a refrigeration medium required are. Since the thermoelectric cooling elements with electrical Energy is also the use of expensive coolant, like helium or liquid nitrogen, not mandatory. This allows significantly reduces the manufacturing cost of the vacuum device become. As the number of mechanical moving components is reduced is or no mechanically movable components more available if necessary are, is the reliability the vacuum device according to the invention higher. disturbing Vibrations that influence the vacuum process are minimized or eliminated. Furthermore, with the aid of the vacuum device according to the invention the size, that Weight and the maintenance costs are significantly reduced. Also the heating and regeneration times can be reduced.

Vorzugsweise weisen die verwendeten thermoelektrischen Kühlelemente mehrere Schichten auf. Hierbei weist jede Schicht eine wärmere und eine kältere Platte auf, zwischen denen Halbleiterelemente angeordnet sind. Die Halbleiterelemente sowie die einzelnen Schichten sind elektrisch verschaltet. Hierbei sind die einzelnen Halbleiterelemente einer Schicht vorzugsweise zueinander in Serie geschaltet. Die einzelnen Schichten sind vorzugsweise elektrisch parallel geschaltet. Die einzelnen Elemente sind thermisch parallel geschaltet. Die einzelnen Schichten sind thermisch in Serie geschaltet.Preferably The thermoelectric cooling elements used have multiple layers. Here, each layer has a warmer and a colder plate on, between which semiconductor elements are arranged. The semiconductor elements as well as the individual layers are electrically interconnected. in this connection the individual semiconductor elements of a layer are preferably connected in series with each other. The individual layers are preferably electrical connected in parallel. The individual elements are thermally parallel connected. The individual layers are thermally connected in series.

Die Platten der einzelnen Schichten sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einem keramischen Werkstoff. Sie können, wie in US 2003/0131609 beschrieben, sowohl aus in Quaderform gebrachtem Vollmaterial bestehen, als auch durch Beschichtungsverfahren erzeugt sein. Die Halbleiterelemente enthalten vorzugsweise Bismuth, Tellur oder Antimon.The Plates of the individual layers are in a particularly preferred embodiment made of a ceramic material. They can, as in US 2003/0131609 described, consist of both in cuboid solid material, as well as being produced by coating processes. The semiconductor elements preferably contain bismuth, tellurium or antimony.

Vorzugsweise sind die thermoelektrischen Kühlelemente zur Erreichung der erforderlichen Temperaturen jeweils kaskadenförmig aufgebaut. Hierbei ist die Anzahl der Halbleiterelemente einer kühleren Schicht geringer als die Anzahl der Halbleiterelemente einer wärmeren Schicht. Die thermoelektrischen Kühlelemente sind somit vorzugsweise pyramidenartig ausgebildet. Je nach Anordnung der thermoelektrischen Kühlelemente in der Vakuumvorrichtung können die Kühlelemente jedoch auch andere geometrische Formen aufweisen, die insbesondere an die räumlichen Bedingungen angepasst sind.Preferably, the thermoelectric cooling elements are each constructed in cascade to achieve the required temperatures. Here, the number of semiconductor elements is a cooler Layer less than the number of semiconductor elements of a warmer layer. The thermoelectric cooling elements are thus preferably pyramid-like. However, depending on the arrangement of the thermoelectric cooling elements in the vacuum device, the cooling elements may also have other geometric shapes that are particularly adapted to the spatial conditions.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kälteeinrichtung einer Turbomolekularpumpe vorgeschaltet. Hierbei wird mit Hilfe der Kälteeinrichtung, die erfindungsgemäß mindestens ein thermoelektrisches Kühlelement aufweist, eine Kühlung auf 80 – 140 K realisiert. Hierdurch erfolgt in erster Linie ein Kondensieren von Wasserstoff und entsprechenden Molekülen. Die nachgeschaltete Turbomolekularpumpe dient sodann zum Pumpen von Gasen, die bei diesen Temperaturen nicht kondensiert werden.at a particularly preferred embodiment The invention is the refrigeration device upstream of a turbomolecular pump. This is done with help the refrigeration device, the invention at least a thermoelectric cooling element has, a cooling on 80 - 140 K realized. This is primarily a condensation of hydrogen and corresponding molecules. The downstream turbomolecular pump then serves to pump gases that are not at these temperatures be condensed.

Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform ein ringförmiges, insbesondere kreisringförmiges Kälteelement vorgesehen, an dessen Außenseite mehrere thermoelektrische Kühlelemente angeordnet sind. Bei einem kreisringförmigen Kälteelement sind die thermoelektrischen Kühlelemente vorzugsweise gleichmäßig am Umfang verteilt. Hierbei ist vorzugsweise die kalte Seite der thermoelektrischen Kühlelemente mit dem Kälteelement und die warme Seite mit dem Gehäuse verbunden, wobei das Gehäuse in dieser Ausführungsform vorzugsweise ebenfalls ringförmig ist, so dass zwischen dem Kälteelement und dem Gehäuse ein Spalt ausgebildet ist, in dem die thermoelektrischen Kühlelemente angeordnet sind.Preferably is in this embodiment an annular, in particular annular chilling element provided, on the outside several thermoelectric cooling elements are arranged. In an annular cooling element, the thermoelectric cooling elements preferably evenly around the circumference distributed. Here, preferably, the cold side of the thermoelectric cooling elements with the refrigeration element and the warm side with the case connected, the housing in this embodiment preferably also annular is, so that between the cold element and the housing a gap is formed in which the thermoelectric cooling elements are arranged are.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vakuumvorrichtung eine mehrstufige, insbesondere zweistufige Kälteeinrichtung auf. Jede Stufe der Kälteeinrichtung weist mindestens ein, vorzugsweise mehrere thermoelektrische Kühlelemente auf.at a further preferred embodiment the invention, the vacuum device is a multi-stage, in particular two-stage refrigeration device on. Each stage of the refrigeration device has at least one, preferably a plurality of thermoelectric cooling elements on.

Vorzugsweise weist die erste Stufe einen topfförmigen Strahlenschirm auf, der insbesondere in dem Gehäuse der Vakuumvorrichtung angeordnet ist. An einer Außenseite des Strahlenschirms sind die thermoelektrischen Kühlelemente der erste Stufe angeordnet, wobei vorzugsweise die kalte Seite der thermoelektrischen Kühlelemente an der Außenseite des Strahlenschirms und die warme Seite der thermoelektrischen Kühlelemente an der Innenseite des Gehäuses angeordnet sind. Vorzugsweise sind bei dieser Ausführungsform die thermoelektrischen Kühlelemente der ersten Stufe an der Außenseite eines Bodenelementes des Strahlenschirms angeordnet.Preferably the first stage has a pot-shaped ray shield, in particular in the housing the vacuum device is arranged. On an outside of the radiation shield are the thermoelectric cooling elements the first stage, preferably the cold side of the thermoelectric cooling elements on the outside of the Radiation shield and the warm side of the thermoelectric cooling elements on the inside of the case are arranged. Preferably, in this embodiment the thermoelectric cooling elements the first stage on the outside a bottom element of the radiation shield arranged.

Vorzugsweise sind innerhalb des Strahlenschirms die eine, vorzugsweise mehrere thermoelektrische Kühlelemente der zweiten Stufe angeordnet. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass ebenfalls innerhalb des Strahlenschirms ein Kälteelement vorgesehen ist, das vorzugsweise plattenförmig ausgebildet ist und mit den kalten Seiten der thermoelektrischen Kühlelemente der zweiten Stufe verbunden sind.Preferably are within the beam shield one, preferably several thermoelectric cooling elements arranged the second stage. It is particularly preferred here that also within the radiation shield a cooling element is provided, which is preferably plate-shaped and with the cold sides of the second stage thermoelectric cooling elements are connected.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Kälteeinrichtung, die mindestens ein thermoelektrisches Kühlelement aufweist, mit einem Gifford-Mc Mahon-Kühler oder einem Stirling-Kühler, oder einem anderen Kühlaggregat kombiniert. Hierbei ist vorzugsweise die erste Stufe als Gifford-Mc Mahon-Kühler und die zweite Stufe als die erfindungsgemäße Kälteeinrichtung mit mindestens einem thermoelektrischen Kühlelement ausgebildet.at a further embodiment The invention is the refrigeration device according to the invention, the at least having a thermoelectric cooling element, with a Gifford-Mc Mahon cooler or a Stirling cooler, or another refrigeration unit combined. Here, preferably, the first stage as Gifford-Mc Mahon cooler and the second stage as the refrigeration device according to the invention with at least a thermoelectric cooling element is formed.

Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung von thermoelektrischen Kühlelementen in Vakuumvorrichtungen zur Erzeugung von Kryotemperaturen. Hierbei werden als thermoelektrische Kühlelemente vorzugsweise die vorstehend beschriebenen und/ oder die in US 2003/01 31 609 A1 beschriebenen thermoelektrischen Kühlelemente verwendet.Further The invention relates to the use of thermoelectric cooling elements in vacuum devices for generating cryogenic temperatures. in this connection are preferably used as thermoelectric cooling elements those described above and / or in US 2003/01 31 609 A1 described thermoelectric cooling elements used.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.following the invention with reference to preferred embodiments with reference to the attached drawings closer explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1: eine schematische Seitenansicht eines thermoelektrischen Kühlelementes, 1 FIG. 2: a schematic side view of a thermoelectric cooling element, FIG.

2: eine schematische Draufsicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer einer Turbomolekularpumpe vorschaltbaren Kühleinrichtung, 2 FIG. 2 is a schematic plan view of a first preferred embodiment of a cooling device which can be connected to a turbomolecular pump, FIG.

3: eine schematische Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2, 3 FIG. 2 is a schematic sectional view taken along the line III - III in FIG 2 .

4: eine schematische Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumvorrichtung, 4 FIG. 2 is a schematic sectional view of a second preferred embodiment of the vacuum device according to the invention, FIG.

5: eine schematische Schnittansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumvorrichtung und 5 a schematic sectional view of a third preferred embodiment of the vacuum device according to the invention and

6: eine schematische Schnittansicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumvorrichtung. 6 : A schematic sectional view of a fourth preferred embodiment of the vacuum device according to the invention.

Ein thermoelektrisches Kühlelement 8, das erfindungsgemäß bei Vakuumvorrichtung in einer Kälteeinrichtung zur Erzeugung von Kryotemperaturen eingesetzt wird, weist mehrere Schichten 10, 12, 14, 16 auf. Jede Schicht weist eine in 1 untere wärmere Platte 18 sowie eine obere kältere Platte 20 auf. Zwischen den Schichten 18, 20 sind mehrere Halbleiterelemente 22 angeordnet.A thermoelectric cooling element 8th , which according to the invention in a vacuum device in a Refrigeration device is used to generate Kryotemperaturen has several layers 10 . 12 . 14 . 16 on. Each layer has an in 1 lower warmer plate 18 as well as an upper colder plate 20 on. Between the layers 18 . 20 are several semiconductor elements 22 arranged.

Die Temperatur nimmt hierbei von einer zur benachbarten Schicht, d. h. beispielsweise von der Schicht 10 zu der Schicht 12, ab. Die Platte 20 der Schicht 16 ist somit die kälteste Platte des thermoelektrischen Kühlelementes 8 und die Platte 18 der Schicht 10 die wärmste Platte des thermoelektrischen Kühlelementes.The temperature hereby decreases from one to the adjacent layer, ie, for example, from the layer 10 to the shift 12 , from. The plate 20 the layer 16 is thus the coldest plate of the thermoelectric cooling element 8th and the plate 18 the layer 10 the warmest plate of the thermoelectric cooling element.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Kühlelementes 8 nimmt die Anzahl der Halbleiterelemente 22 in Richtung der kälteren Schichten ab. Die wärmste Schicht 10 weist somit die größte Anzahl und die kälteste Schicht 16 die geringste Anzahl an thermoelektrischen Halbleiterelementen 22 auf. Vorzugsweise ist die Anordnung und die Verringerung der Anzahl der Halbleiterelemente derart gewählt, dass das thermoelektrische Kühlelement 8 pyramidenartig ausgebildet ist.In the illustrated embodiment of the thermoelectric cooling element 8th takes the number of semiconductor elements 22 in the direction of the colder layers. The warmest layer 10 thus has the largest number and the coldest layer 16 the lowest number of thermoelectric semiconductor elements 22 on. Preferably, the arrangement and the reduction in the number of semiconductor elements is selected such that the thermoelectric cooling element 8th is formed pyramid-like.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform (2 und 3) ist eine Kälteeinrichtung durch die Anordnung mehrerer thermoelektrischer Kühlelemente 8 gebildet, wobei die thermoelektrischen Kühlelemente 8 mit ihrer kühleren Seite an einer Außenseite 24 eines im dargestellten Ausführungsbeispiel kreisringförmigen Kälteelementes 26 angeordnet sind. Die warme Seite der thermoelektrischen Kühlelemente 8 ist an einer Innenseite 28 eines im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls kreisringförmigen Gehäuses 30 angeordnet. Zur Abführung von Wärme ist das Gehäuse 30 von einem im dargestellten Ausführungsbeispiel rohrförmigen Wärmetauscher 32 umgeben. Innerhalb des kreisringförmigen Kälteelementes ist eine sogenannte Baffle-Struktur 36 angeordnet, die mehrere in einem Winkel zur Längsrichtung 34 angeordnete Stege 38 aufweist. An den Stegen 38 der Baffle-Struktur 36 kondensieren beispielsweise Wassermoleküle.In a first preferred embodiment ( 2 and 3 ) is a refrigeration device by the arrangement of a plurality of thermoelectric cooling elements 8th formed, wherein the thermoelectric cooling elements 8th with its cooler side on an outside 24 in the illustrated embodiment, an annular cooling element 26 are arranged. The warm side of the thermoelectric cooling elements 8th is on an inside 28 a likewise annular housing in the illustrated embodiment 30 arranged. To dissipate heat is the case 30 from a tubular heat exchanger in the illustrated embodiment 32 surround. Within the annular cold element is a so-called baffle structure 36 arranged several at an angle to the longitudinal direction 34 arranged webs 38 having. At the jetties 38 the baffle structure 36 For example, water molecules condense.

Erfindungsgemäß ist die dargestellte Vakuumvorrichtung (2, 3) einer Turbomolekularpumpe vorgeschaltet. Die Turbomolekularpumpe ist in 3 auf der rechten Seite vorgesehen, so dass die dargestellte Kältevorrichtung mit dem Flansch der Turbomolekularpumpe verbunden werden kann.According to the invention, the illustrated vacuum device ( 2 . 3 ) upstream of a turbomolecular pump. The turbomolecular pump is in 3 provided on the right side, so that the illustrated refrigeration device can be connected to the flange of the turbomolecular pump.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform (4) handelt es sich um eine zweifstufige Vakuumvorrichtung, wobei beide Stufen der Vakuumvorrichtung mehrere thermoelektrische Kühlelemente aufweisen.In a second preferred embodiment ( 4 ) is a two-stage vacuum device, wherein both stages of the vacuum device have a plurality of thermoelectric cooling elements.

Die Vakuumvorrichtung weist ein topfförmiges Gehäuse 40 auf. Innerhalb des Gehäuses 40 ist ein Strahlenschirm 42 angeordnet. Vorzugsweise ist sowohl das Gehäuse 40 als auch den Strahlenschirm 42 zylindrisch ausgebildet. Hierbei sind die Außenabmessungen des Strahlenschirms 42 geringfügig kleiner als die Innenabmessungen des Gehäuses 40, so dass ein Spalt 44 ausgebildet ist. Innerhalb des Spalts 44, vorzugsweise an einer Außenseite 46 eines Bodenelementes 48 des Strahlenschirms 42 sind mehrere vorzugsweise regelmäßig verteilte thermoelektrische Kühlelemente 8 angeordnet. Die thermoelektrischen Kühlelemente 8 sind mit ihrer kälteren Seite an der Außenseite 46 des Bodenelement 48 und mit ihrer wärmeren Seite an einer Innenseite 50 des Gehäuses 40 angeordnet.The vacuum device has a cup-shaped housing 40 on. Inside the case 40 is a ray screen 42 arranged. Preferably, both the housing 40 as well as the ray shield 42 cylindrically shaped. Here are the outer dimensions of the radiation shield 42 slightly smaller than the inside dimensions of the housing 40 , leaving a gap 44 is trained. Inside the gap 44 , preferably on an outside 46 a floor element 48 of the radiation shield 42 are several preferably regularly distributed thermoelectric cooling elements 8th arranged. The thermoelectric cooling elements 8th are with their colder side on the outside 46 of the floor element 48 and with its warmer side on an inside 50 of the housing 40 arranged.

Durch die in dem Spalt 44 angeordneten thermoelektrischen Kühlelemente 8 erfolgt ein Erwärmen des Gehäuses 40. Zur Kühlung des Gehäuses 40 ist auf der der Innenseite 50 gegenüberliegenden Außenseite des Gehäuses 40 ein Wärmetauscher 52 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Konvektions-Wärmetauscher.Through the gap 44 arranged thermoelectric cooling elements 8th a heating of the housing takes place 40 , For cooling the housing 40 is on the inside 50 opposite outside of the housing 40 a heat exchanger 52 intended. In the illustrated embodiment, it is a convection heat exchanger.

Innerhalb des topfförmigen Gehäuseelementes 42 ist die zweite Stufe der Vakuumvorrichtung angeordnet. Diese weist ein oder mehrere thermoelektrische Kühlelemente 8 auf, deren wärmere Seite an einer Innenseite 54 des Bodenelementes 48 angeordnet sind. Die kälteren Seiten der thermoelektrischen Kühlelemente 8 der zweiten Stufe sind mit einem im dargestellten Ausführungsbeispiel plattenförmigen Kaltfläche 56 verbunden, wobei die Kaltfläche 56 im Randbereich in Richtung des Bodenelementes 48 abgewinkelt sein kann.Within the cup-shaped housing element 42 the second stage of the vacuum device is arranged. This has one or more thermoelectric cooling elements 8th on, whose warmer side on an inside 54 of the floor element 48 are arranged. The colder sides of the thermoelectric cooling elements 8th the second stage are with a plate-shaped in the illustrated embodiment cold surface 56 connected, where the cold surface 56 in the edge area in the direction of the floor element 48 can be angled.

Auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Stufe in der Öffnung des Strahlenschirms 42 ist eine Baffle-Struktur 36 angeordnet, die im Wesentlichen derjenigen an Hand des in 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels entspricht.On the opposite side of the second stage in the opening of the Radiation shield 42 is a baffle structure 36 arranged essentially those of the in 2 and 3 corresponds to described embodiment.

Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform (5), die der zweiten Ausführungsform (4) ähnlich ist, sind identische oder ähnliche Bauteile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet.In a third preferred embodiment ( 5 ), that of the second embodiment ( 4 ), identical or similar components are designated by the same reference numerals.

Der wesentliche Unterschied der in 5 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass an Stelle eines Konvektions-Wärmetauschers 52 (4) ein Flüssigkeits-Wärmetauscher 58 vorgesehen ist. Der Wärmeüberträger 58 kann auch als Verdampfer einer konventionellen Kälteanlage dienen. Der Wärmetauscher 58 ist innerhalb eines topfförmigen Gehäuses 60 angeordnet. Das Gehäuse 60 entspricht mit dem einzigen Unterschied dem Gehäuse 40 (4), dass die Abmessungen entsprechend größer sind, um unterhalb der thermoelektrischen Kühlelemente 8 der ersten Stufe den Wärmetauscher 58 innerhalb des Gehäuses 60 anordnen zu können. Die wärmeren Seiten der thermoelektrischen Kühlelemente 8 der ersten Stufe sind über eine Verbindungsplatte 62 mit dem Wärmetauscher 58 verbunden.The main difference of in 5 illustrated embodiment is that instead of a convection heat exchanger 52 ( 4 ) a liquid heat exchanger 58 is provided. The heat exchanger 58 can also serve as an evaporator of a conventional refrigeration system. The heat exchanger 58 is inside a cup-shaped case 60 arranged. The housing 60 corresponds with the only difference the housing 40 ( 4 ) that the dimensions are correspondingly larger to below the thermoelectric cooling elements 8th the first stage the heat exchanger 58 inside the case 60 to be able to order. The warmer sides of the thermoelectric cooling elements 8th the first stage are via a connecting plate 62 with the heat exchanger 58 connected.

Bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform (6) ist das erfindungsgemäße Verwenden von thermoelektrischen Kühlelementen 8 mit einem herkömmlichen Kaltkopf 64 kombiniert. Der Kaltkopf 64, die beispielsweise nach dem Gifford-Mc Mahon-, dem Pulsetube- oder dem Stirling-Prinzip arbeitet, dient als erste Stufe der Vakuumvorrichtung. Durch den Kaltkopf 64 wird eine Wärmeübertragungsplatte 66 gekühlt. Die Wärmeübertragungsplatte 66 ist mit dem Strahlenschirm 42 verbunden, wobei das topfförmige Gehäuseelement 42 sowie die darin angeordnete zweite Stufe im Wesentlichen der an Hand in den 4 und 5 beschriebenen zweiten Stufe entspricht. Ein Gehäuse 68 umgibt im dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl das topfförmige Gehäuseelement 42 als auch die Kryopumpe 46.In a fourth preferred embodiment ( 6 ) is the use according to the invention of thermoelectric cooling elements 8th with a conventional cold head 64 combined. The cold head 64 , which operates according to the Gifford-McMahon, the Pulsetube or the Stirling principle, for example, serves as the first stage of the vacuum device. Through the cold head 64 becomes a heat transfer plate 66 cooled. The heat transfer plate 66 is with the beamshade 42 connected, wherein the cup-shaped housing element 42 as well as the second stage arranged therein substantially on the hand in the 4 and 5 corresponds described second stage. A housing 68 surrounds the cup-shaped housing element in the illustrated embodiment 42 as well as the cryopump 46 ,

Claims

Vakuumvorrichtung, mit einer Kälteeinrichtung zur Erzeugung von Kryotemperaturen, einem die Kälteeinrichtung umgebenden Gehäuse (30, 40 60, 68) und einem mit dem Gehäuse (30, 40, 60, 68) verbundenen Wärmetauscher (32, 52, 58) zur Abfuhr der von der Kälteeinrichtung erzeugten an das Gehäuse (30, 40, 60, 68) abgegebenen Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteeinrichtung mindestens ein, insbesondere mehrere thermoelektrische Kühlelemente 8 aufweist.Vacuum device, comprising a refrigerating device for generating cryogenic temperatures, a housing surrounding the refrigeration device ( 30 . 40 60 . 68 ) and one with the housing ( 30 . 40 . 60 . 68 ) connected heat exchanger ( 32 . 52 . 58 ) for the removal of the generated by the refrigeration device to the housing ( 30 . 40 . 60 . 68 ) emitted heat, characterized in that the refrigeration device at least one, in particular a plurality of thermoelectric cooling elements 8th having.

Vakuumvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Kühlelement (8) mehrere Schichten (10, 12, 14, 18) aufweist, wobei jede Schicht eine wärmere und eine kältere Platte (18, 20) aufweist, zwischen denen Halbleiterelemente (22) angeordnet sind.Vacuum device according to claim 1, characterized in that the thermoelectric cooling element ( 8th ) multiple layers ( 10 . 12 . 14 . 18 ), each layer having a warmer and a colder plate ( 18 . 20 ) between which semiconductor elements ( 22 ) are arranged.

Vakuumvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (18, 20) Keramik aufweisen.Vacuum device according to claim 2, characterized in that the plates ( 18 . 20 ) Ceramic.

Vakuumvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente Bismut, Tellu, Gallium, Silicium und/ oder Antimon aufweisen und sowohl mechanisch gefügt, als auch mit Beschichtungsverfahren hergestellt sind.Vacuum device according to claim 2 or 3, characterized characterized in that the semiconductor elements bismuth, tellu, gallium, Having silicon and / or antimony and mechanically joined, as also produced by coating processes.

Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Halbleiterelemente (22) einer Schicht (10, 12, 14, 16) elektrisch in Serie geschaltet sind, thermisch hingegen parallel geschaltet sind.Vacuum device according to one of claims 2 - 4, characterized in that the individual semiconductor elements ( 22 ) of a layer ( 10 . 12 . 14 . 16 ) are electrically connected in series, thermally, however, are connected in parallel.

Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (10, 12, 14, 16) elektrisch parallel, thermisch hingegen in Serie geschaltet sind.Vacuum device according to one of claims 2 - 5, characterized in that the individual layers ( 10 . 12 . 14 . 16 ) electrically parallel, thermally, however, are connected in series.

Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Halbleiterelemente (22) einer kühleren Schicht geringer ist als diejenige einer wärmeren Schicht ist.Vacuum device according to one of claims 2 - 6, characterized in that the number of semiconductor elements ( 22 ) of a cooler layer is lower than that of a warmer layer.

Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Seite der thermoelektrischen Kühlelemente (8) mit einer Kaltfläche zur Kondensation oder Adsorption von Gasen (26, 56) verbunden ist.Vacuum device according to one of claims 1 - 7, characterized in that the cold side of the thermoelectric cooling elements ( 8th ) with a cold surface for the condensation or adsorption of gases ( 26 . 56 ) connected is.

Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung einer Turbomolekularpumpe vorgeschaltet ist.Vacuum device according to one of claims 1-8, characterized characterized in that the cooling device upstream of a turbomolecular pump.

Vakuumvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteelement (26) ringförmig ist und mehrere thermoelektrische Kühlelemente (8) an der Außenseite (24) des Kälteelementes (26) angeordnet sind.Vacuum device according to claim 8 or 9, characterized in that the cooling element ( 26 ) is annular and a plurality of thermoelectric cooling elements ( 8th ) on the outside ( 24 ) of the cold element ( 26 ) are arranged.

Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung mehrstufig, insbesondere zweistufig ist und jede Stufe mindestens ein, vorzugsweise mehrere thermoelektrische Kühlelemente (8) aufweist.Vacuum device according to one of claims 1 - 10, characterized in that the cooling device is multi-stage, in particular two-stage and each stage at least one, preferably a plurality of thermoelectric cooling elements ( 8th ) having.

Vakuumvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe ein Strahlenschirm (42) aufweist.Vacuum device according to claim 11, characterized in that the first stage is a radiation shield ( 42 ) having.

Vakuumvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmere Seite der thermoelektrischen Kühlelemente (8) an der Innenseite (54) des Strahlenschirms (42) angeordnet sind.Vacuum device according to claim 12, characterized in that the warmer side of the thermoelectric cooling elements ( 8th ) on the inside ( 54 ) of the radiation shield ( 42 ) are arranged.

Vakuumvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 10, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stufe, insbesondere die erste Stufe, einen Kaltkopf (64) aufweist, in der eine Kühlung durch Kühlmittelexpansion erfolgt.Vacuum device according to one of claims 1 - 10, 12 or 13, characterized in that a stage, in particular the first stage, a cold head ( 64 ), in which cooling takes place by means of coolant expansion.

Verwendung von thermoelektrischen Kühlelementen (8) in einer Vakuumvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 – 14, zur Erzeugung von Kryotemperaturen.Use of thermoelectric cooling elements ( 8th ) in a vacuum device, in particular according to one of claims 1-14, for generating cryogenic temperatures.