Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kondensation und/oder Adsorption von Gasen, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung sowie eine Kryopumpe, die eine derartige Vorrichtung umfasst.

Es ist seit langem bekannt, dass Gase und Dämpfe an gekühlten Flächen gebunden werden. Während dieser Effekt praktisch seit seiner Entdeckung zur Vakuumverbesserung genutzt wurde (Kühlfallen, Baff I es), hat die Vakuumerzeugung mit Hilfe tiefgekühlter Flächen, also mit Kyropumpen, erst seit 1957 zunehmendes Interesse gefunden (K. Jousten: „Wutz Handbuch Vakuumtechnik, Theorie und Praxis", Vieweg Verlag 2004).

Nach DIN 28400, Teil 2 ist „eine Kryopumpe eine gasbindende Vakuumpumpe, in der die Gase an tiefgekühlten Flächen kondensieren und/oder an tiefgekühlten Sorptionsmitteln (Festkörper oder Kondensat) adsorbieren. Das Kondensat und/oder Adsorbat wird auf einer Temperatur gehalten, bei der der Gleichgewichtsdampfdruck gleich oder geringer ist als der gewünschte niedrige Druck in der Vakuumkammer. Die Kryopumpe arbeitet im Bereich des Hochvakuums und des Ultrahochvakuums." Als Kryogruppen gelten nur solche Vakuumpumpen, die im Bereich von weniger als 120 K arbeiten. Die gewählte Temperatur hängt von der Art des abzupumpenden Gases ab.

Kondensationspumpen, die bei höheren Temperaturen arbeiten, werden als Dampfkondensatoren oder als Kondensatoren schlechtweg bezeichnet.

Die Kapazität einer Kryopumpe ist begrenzt, weil das abgepumpte Gas auf der Kaltfläche gebunden bleibt. Im Hoch- und Ultrahochvakuum, dem derzeitigen Hauptanwendungsgebiet der Kryopumpe, ist dies wegen der geringen anfallenden Gasmengen kein Nachteil. Zweifellos wird aber die Anwendung von tiefen Temperaturen für Vakuumprozesse bei höheren Drücken zunehmende Bedeutung erlangen. Bei kurzen Pumpzeiten ist die begrenzte Kapazität einer Kryopumpe unter Umständen auch dann nicht störend. Dauerbetrieb ist bei Drücken p < ICT ² Pa jedoch nur bei regelmäßiger Regenerierung der Pumpe möglich, die Regenerierperiode wird durch den Gasanfall in der Pumpe bestimmt und ist umso kürzer, je mehr Gas die Kryopumpe binden muss.

Bei der Bindung von Gasen an Kaltflächen werden verschiedene Mechanismen wirksam. Neben der Kondensation treten Kryotrapping und Kryosorption auf. In der Praxis ist es oft nicht möglich, diese Mechanismen klar zu trennen. Unter Kryotrapping versteht man die Kondensation eines tiefersiedenden, und dementsprechend schwerer kondensierbaren Gases im Gemisch mit einem anderen, höhersiedenden Gas. Bei der Kryosorption wird das tiefersiedende Gas an einer vor Beginn des Pumpvorganges niedergeschlagenen Kondensatschicht eines höhersiedeπden Gases oder an einem gekühlten festen Adsorptionsmittel gebunden.

Das Hauptproblem bei der Anwendung fester Adsorbentien (Molekularsiebe, Aktivkohle) zur Druckerniedrigung im Hoch- und Ultrahochvakuum durch Kryosorption ist die Wärmeübertragung vom Adsorbens an die Kaitfläche. Da bei niedrigen Drücken die Wärmeleϊtung durch das zu pumpende Gas vernachlässigbar klein wird, kann die Abkühlung nur durch Wärmeleitung im Adsorbens selbst erfolgen. Hierzu ist eine gut wärmeleitende Kontaktierung des Adsorbens mit der Kaltfläche erforderlich, die meist durch Kleben hergestellt wird. Die Auswahl eines geeigneten Klebemittels muss sichergestellt werden. Das Adsorptionsmϊttei muss vor dem Abkühlen der Apparatur so weit wie möglich durch Ausheizen entgast werden. In der Tieftemperaturtechnologie dürfte diese Methode der Kryosorption zunehmende Bedeutung erlangen.

Ais Adsorptionsmittel zur Vakuumerzeugung haben sich die seit langem bekannte Aktivkohle sowie die Molekularsiebe 4A, 5A und 13X besonders bewährt. Aktivkohle hat unter sonst gegebenen Bedingungen im allgemeinen eine höhere Adsorptionskapazität, gemessen in Pa m ³ pro kg Adsorbens, als die Molekuiarsiebe (R. A. Haefer: „Kryo- Vakuumtechnik, Grundlagen und Anwendungen", Springer Verlag 1981). Aktivkohle ist also unter gewöhnlichen Umständen gegenüber Molekularsieben bevorzugt.

Das Gasspeichervermögen bei Kryotemperaturen ist dabei um so größer, je größer die aktive Oberfläche der Aktivkohle ist und je tiefer die Temperatur der Kohlenstoffpartikel ist, üblicherweise weniger als etwa 50 K. Die Gasbelegung erfolgt dabei in Monolagen auf dem Kohlenstoff.

Die Herstellung solcher Kaltflächen erfolgt durch Aufkleben von Aktivkohlegranulat, Aktivkohlefeinsplitt und anderen gebundenen Aktivkohlepartikeln, ist jedoch mit einem hohen manuellen Aufwand verbunden. Hinzu kommt, dass die nutzbare Aktivkohleoberfläche teilweise durch den verwendeten Kleber unwirksam wird. Zudem ist man in der Fertigungstechnologie auf ebene oder nur wenig gekrümmte metallische Flächen beschränkt. Der Kleber weist darüber hinaus eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf.

Neben einer Vereinfachung eines solchen Herstellungsverfahrens bzw. der Bereitstellung eines einfacheren Alternativ Verfahrens ist es wünschenswert, die Oberfläche des eingesetzten Adsorbens weiter zu vergrößern, um entsprechend größere Gasmengen adsorbieren und/oder kondensieren zu können.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit einem solchen Adsorbens bereitzustellen, welches bezogen auf die Massen des Adsorbens eine (wesentlich) größere Oberfläche aufweist, als dies bei der Verwendung verschiedener Aktivkohlevarianten des Standes der Technik der FaM ist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung bereitzustellen.

Gelöst wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in einer ersten Ausführungsform durch eine Vorrichtung zur Kondensation und/oder Adsorption von Gasen insbesondere im Hochvakuum, dadurch gekennzeichnet, dass nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen, welche insbesondere mittels CVD- oder Plasma-CVD Verfahren erhalten werden, wärmeleitend mit einem Kältereservoir, welches insbesondere eine Temperatur von < 20 K aufweist, verbunden sind.

Die Verfahrenstechnik des Standes der Technik beim Aufkleben von Aktivkohlegranulat nutzt einen Kleber mit einer thermischen Leitfähigkeit von nur 1,1 bis 1,4 W/m ^* K auf Kupferblech mit ca. 400 W/m ^* K. Damit tritt ein deutlicher Verlust im Wärmeübergang vom Kupferblech über den Kleber auf die Aktivkohle auf.

Die direkte Abscheidung von Nanostrukturen hat den wesentlichen Vorteil, dass auf Kupferblech (oder die anderen angegebenen Substratmaterialien) mit hoher thermischer Leitfähigkeit eine Schicht direkt abgeschieden wird, die eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, und damit ein direkter Wärmeübergang zwischen hoch thermisch leitfähigen Materialien vorhanden ist.

Nanostrukturierte Teilchen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei bevorzugt solche, welche einen mittleren Teilchendurchmesser von 1 bis 100 nm besonders bevorzugt von 1 bis 50 nm und eine mittlere Teilchenlänge von 1 μm bis einige 1000 μm , bevorzugt 10 μm bis 1000 μm aufweisen. Diese werden vorzugsweise mittels OJD- oder Plasma-CVD auf das Substrat des Kältereservoirs direkt aufgebracht.

Unter Kältereservoir wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein ausreichend großer Vorrat eines Stoffes verstanden, der also bei Kälteabgabe an die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen (d.h. Wärmeaufnahme von diesen) seine Temperatur - wenn überhaupt - nur um wenige Grad, bevorzugt um weniger als 3 K, besonders bevorzugt um weniger als 1 K ₇ ändert. Die Begriffe „Kälteabgabe" und „Wärmeabgabe" beziehen sich dabei wiederum auf die während eines normalen Betriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung auftretenden Kälte- bzw. Wärmeströme - die bei deren Inbetriebnahme auftretenden Kälte-/Wärmespitzen (z.B. bei Inbetriebnahme einer Kryopumpe) sollen davon bevorzugt nicht mitumfasst sein.

„Wärmeleitend" bedeutet im Hinblick auf die sich zwischen den nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen und dem Kältereservoir befindende Verbindung, dass diese mit hinreichender Geschwindigkeit einen Temperaturausgleich zwischen beiden ermöglicht. Der Begriff „Verbindung" umfasst dabei alle Materialien, die bei einer Kälte- /Wärmeleitung von den nanostrukturierten Kohlenstoffteϊlchen zum Kältereservoir hin passiert werden (müssen).

Ein Temperaturausgleich mit hinreichender Geschwindigkeit resultiert bevorzugt dann, wenn die Wärmeleitfähigkeit λ der Verbindung > 1 W/(m x K), insbesondere > 10 W/(m x K) ist, jeweils bezogen auf die Temperatur des Kältereservoirs Die Wärmeleitfähigkeit ist von geringer Bedeutung, da die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen sehr gering thermisch belastet werden, und dort wo kein kontinuierlicher Wärmefluss vorhanden ist, auch keine wesentliche Temperaturdifferenz durch Wärmeübergänge entsteht. Zudem ist die anfangs kühlende Masse der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen größer als die Masse des „Kältereservoirs".

Unter Gasen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung bei Normalbedingungen (20 ⁰ C, 1013 mbar) gasförmige Substanzen verstanden, d. h. insbesondere die Bestandteile der Luft, wie zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Edelgase, Methan, Wasserstoff.

Die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen sind in Bezug auf das Kältereservoir bevorzugt so angeordnet, dass eine Kondensation und/oder Adsorption von Gasen nur an den nanostrukturierten Kohienstoffteilchen erfolgen kann, d. h. also mit anderen Worten, dass ein Zutritt von Gasen zum Kältereservoir bevorzugt unterbunden ist.

Bevorzugt weist das Kältereservoir eine Temperatur von < 20 K auf. Wie oben bei der Erläuterung des Standes der Technik erwähnt, geht eine Temperaturerniedrigung der Kaltfläche bzw. der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen, an welcher die Kondensation und/oder Adsorption der Gase erfolgen soll, mit einer Erhöhung der Saugleistung einher. Niedrigere Temperaturen des Kältereservoϊrs sind aus diesem Grunde bevorzugt,

Nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen weisen im Vergleich zu verschiedenen Aktivkohlevarianten jeweils bezogen auf ihre Massen, eine vergleichbar große aktive Oberfläche auf. Aufgrund der gegenüber einem Aktivkohle-Makroteilchen jedoch wesentlich feineren und zum Vakuumraum offenlϊegenden Struktur der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen ergibt sich ein verbesserter Adsorptionsmechanismus. Somit sind nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen zur Kondensation und/oder Adsorption einer wesentlich größeren Gasmenge befähigt. Bekannte Aktivkohlenflächen sind innerhalb einer Kryopumpe bzw. einem Vakuumrezϊpienten unhandlich, sperrig und meist nur in einer Lage ausführbar. Mit einem nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen beschichteten Band oder dünnem Blech kann man das begrenzte Volumen wesentlich besser füllen, eine Haftung der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen ist auch bei nachträglichem Biegen gegeben. Bevorzugt sind die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen dabei ausgewählt aus der Gruppe umfassend einwandige Kohlenstoff- nanoröhren (sog. Single walled nano tubes, SWNT), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (sog. multi wailed nano tubes, MWNT), Kohlenstofffasern, Kohlenstoffschichten (umfassend nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen), Kohlenstoff-Lamellen oder Fullerene.

Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun möglich im Hochvakuum bei Drücken p < 1(T ² Pa eine längere Betriebsdauer zu gewährleisten, als dies mit bekannten Pumpen erreichbar ist. Insbesondere kann eine entsprechende Vorrichtung im Bereich der molekularen Gasteilchenströmung in einem Druckbereich < iθ ^"5 Pa verwendet werden.

Bei der genauen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben sich zwei Varianten als bevorzugt herausgestellt:

Bei der ersten Variante sind die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen auf einem Substrat aufgebracht, über welches die nanostrukturierten Kohlenstoffteϊlchen wärmeleitend mit dem Kältereservoir verbunden sind.

Bevorzugt umfasst das (Träger-) Substrat dabei mindestens 600 ° C temperaturfeste metallische und/oder keramische Materialien, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Molybdän; Wolfram; Edelstahllegierungen; Nickel; Nickellegierungen; Eisen; Eisenlegierungen; Kobalt; Kobaltlegierungen; Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Alumlniumiegierungen; AI ₂ O ₃ ; Si ₃ N ₄ ; Kohlenstoff-Faserverbundwerkstoffe; Glas-Faserverbundwerkstoffe; Verbundwerkstoffe aus Glas, Keramik oder Metail. Die Abscheidung von nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen mit dem CVD-Verfahren erfolgt bei relativ hohen Temperaturen ab mindestens 600 ⁰ C.

Bevorzugt ist das Substrat ein Metall, eine Metallband, ein Verbundwerkstoff (zum Beispiel kohlefaserverstärkte Materialien) oder eine Keramik. Eine gute thermische Leitfähigkeit ist von Vorteil, stellt es doch zumindest einen Teil der oben schon angesprochenen Verbindung zwischen nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen und Kältereservoir dar.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass sich zwischen dem Substrat und den nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen mindestens eine zusätzliche ganz- oder teilflächige Schicht aus Metall/en, Metallnϊtrid/en und/oder Metalloxid/en befindet. Eine solche Zwischenschicht, welcher im Wesentlichen Keimbildungs- bzw. Haftvermittlerfunktionen zukommen, ist insofern besonders bevorzugt, als sie für die Ausbildung von (bestimmten) nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen bei der Herstellung/Aufbringung bzw. für eine feste und stabile Verbindung zu den auf dem Substrat aufgebrachten nanostrukturierten Kohlenstoffteiichen sorgt. Darüber hinaus können solchen Zwischenschichten auch Korrosionsschutzeigenschaften für das darunterliegende Substratmaterial zukommen.

Eine Ausgestaltung einer solchen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen 1 können - wie oben ausgeführt - ein oder mehrwandige Kohtenstoffnanoröhren, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffschichten, Kohlenstoffpulver, Kohlenstoff- Lamellen oder Fullerene umfassen bzw. gar ganz aus diesen bestehen. Die optionale Zwischenschicht 2 hat im Wesentlichen Keimbildungsbzw. Haftvermittlereigenschaften und/oder dient zum Korrosionsschutz des Substrats 3. Die Zwischenschicht 2 umfasst dabei mindestens ein Metall, Metallnitrid und/oder Metalloxid. Ein typisches Beispiel in diesem Zusammenhang ist eine Nickelschicht zur Korrosionsinhibϊerung des darunterliegenden Substrats 3. Das Substrat 3 muss mit dem Kälteerzeuger, üblicherweise der thermischen Kontaktfläche eines Kaltkopfes 5 verbunden sein, wozu wiederum gut wärmeleitende Kontaktschichten 4, wie zum Beispiel Indiumfolie, Indiumschichten oder ähnliches gut warmeleitfähiges und Oberflächenrauhigkeiten ausgleichendes weiches Material Anwendung finden kann.

Eine zweite Art der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen in einem Behälter angeordnet sind, welcher über einen den Austritt der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen aus dem Behälter verhindernden Austrittsschutz und eine Gaseintritts-Öffnung verfügt.

In diesem Falle sind die nanostrukturierten Kohlestoffteilchen bevorzugt unter Beibehaltung von mindestens 80 %, besonders bevorzugt von mindestens 90 % ihrer Porosität gesintert, verpresst oder verdichtet. Auf diese Weise lässt sich die in dem Behälter unterzubringende Menge an nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen und damit insgesamt die zur Kondensation und/oder Adsorption zur Verfügung stehende Oberfläche bedeutend vergrößern.

Bevorzugt sind sowohl der Austrittsschutz als auch die Gaseintritts- Öffnung in einer einzigen Membran ausgebildet, dergestalt, dass deren Poren zwar durchlässig für die zu kondensierenden und/oder adsorbierenden Gase, jedoch undurchlässig für die nanostrukturierten KohlenstoffteiJchen sind.

Entsprechende Ausgestaltungen finden sich in den Fig. 2 und 3.

Der Behälter 10 in Fig. 2 kann in beliebiger Form (zylindrisch, kubisch, etc.) ausgestaltet sein, wobei die Gaseintritts-Öffnung 13 mit dem Austrittsschutz 11 verbunden ist, um den Austritt der nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen 12 aus dem Behältnis heraus zu verhindern. Der Behälter wird an mindestens einer Seitenfläche mit der Kaitkopfkontaktfiäche in thermischen Kontakt gebracht.

In Fig. 3 besitzt der Behälter 14 eine gasdurchlässige Membran 15 für die Gase, die an den nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen gebunden werden sollen. Dabei ist die Porengröße der Membran 15 so gewählt, dass zwar die Gasteilchen, nicht jedoch die nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen hindurchtreten können. Auf diese Weise wird ein Gaseintritt in den Behälter ermöglicht, der Austritt von nanostrukturierten Kohlenstoffteilchen jedoch unterbunden.

Es können ein oder mehrere Behälter an den Kaltkopf thermisch und mechanisch angekoppelt werden, wobei auch eine indirekte Ankopplung über mehrere Behälterebenen möglich ist. In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass man nanostrukturierte Kohlenstoffteilchen mit einem Kältereservoir in Kontakt bringt. Durch das direkte Aufbringen der Kohlenstoffteilchen auf das Substrat kann auf Haftvermittler, wie beispielsweise Klebstoffe oder ähnliche Matrices, verzichtet werden. Hierdurch wird eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte, sehr gute Wärmeleitung zwischen den Nanoteilchen und dem Substrat sicher gestellt.

Die nanostrukturlerten Kohlenstoffteilchen werden dabei bevorzugt mittels CVD- oder Plasma-CVD-Verfahren auf das gegebenenfalls mindestens eine zusätzliche ganz- oder teilflächige Schicht aus Metall/en, Metallnitrid/en und/oder Metalloxid/en aufweisende Substrat aufgebracht.

Weiterhin ist bevorzugt, dass man vor oder während des Aufbringens der nanostrukturierten Kohlenstoffteiichen weitere Dotierungs- und/oder Katalysatorverbindungen aufbringt, insbesondere Li, Ti, Fe, Cu, Cr, Co und/oder Ni-Verbindungen, Durch solche Verbindungen bzw. Elemente wird die Ausbildung bestimmter Nanostrukturen begünstigt bzw. veranlasst oder aber auch die Geschwindigkeit der Ausbildung insgesamt erhöht.

In einer weitergehenden Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch eine Kryopumpe, welche eine wie oben beschrieben erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.