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Treibmittelfänger für eine Diffusionspumpe Die Erfindung betrifft
einen Treibmittelfänger für eine Diffusionspumpe, der den Hochvakuumanschluß abdeckt
und in Form konzentrisch angeordneter, zur Strömungsrichtung geneigter und zur Kondensation
des Treibmitteldampfes flüssigkeitsgekühlter Fangbleche ausgebildet ist, denen eine
zweite Anordnung von Fangblechen mit entgegengesetzten Neigungswinkeln zur
optisch dichten Abdeckung des Hochvakuumanschlusses gegenübersteht.
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Die bisher bekannten Diffusionspumpen mit einem Treibmittelfänger
dieser Art arbeiten mit Quecksilber- oder mit öldampf als Treibmittel. Die gekühlten
Fangbleche dienen zur Kondensation des Dampfes und sollen in optisch dichter Form
die Diffusion des Treibmitteldampfes in Richtung zum Hochvakuum abdecken. Dabei
besteht als Grenzbedingung für die Wirksamkeit des Diffusionsvorganges der Partialdruck
des Treibmitteldampfes in der Ansaugleitung, die zum Hochvakuum führt. Häufig sind
auch Spuren des Treibmitteldampfes im Hochvakuumraum unerwünscht.
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Es ist daher üblich, zwischen einer Diffusionspumpe und dem auszupumpenden
Behälter ein als Fangblech, Dampffänger oder Mediumfalle bezeichnetes Hilfsmittel
anzuordnen, das die Treibmittelwanderung möglichst weitgehend unterbinden
soll.
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Diese Fallen bestehen im allgemeinen aus gekühlten Platten, an denen
die Treibmitteldämpfe kondensieren sollen, und sind in zahlreichen Ausführungsformen
bekannt, die zur Strömungsrichtung »undurchsichtig«, also optisch dicht sein sollen.
Eine Falle dieser Art ist nämlich nur dann wirksam, wenn die Moleküle des Treibmittels,
die in Gegenstromrichtung zum Hochvakuum entweichen, mindestens einmal gegen ein
Fangblech aufprallen. Die zu diesem Zweck abgewinkelt ausgebildeten Fangbleche vermindern
jedoch bekanntlich die Leistung einer Diffusionspumpe um etwa 40 1/o, weil sie auch
dem erwünschten Diffusionsvorgang der Luft in der Gegenrichtung ein entsprechendes
Hindernis entgegensetzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistung einer solchen Diffusionspumpe
wesentlich zu verbessern und das Eindringen von Treibmittelspuren in das angeschlossene
Hochvakuum zu unterbinden. Bei den bisher bekannten Konstruktionen mit Dampffängern
in Form rinnenförrnig ausgebildeter Winkeleisen vor einem Tellerventil mit tiefgekühlten
Auffangflächen in Flügelform und zusätzlicher Anordnung doppelwandiger Rohrsysteme,
deren Innenrohr zugleich die Kompressionswärme des Kühlaggregates aufnimmt, läßt
sich die gestellte Aufgabe brinzipiell nicht erfüllen, sondern nur teilweise lösen
aus folgendem Grund. Auch wenn das einer Diffasionspumpe bekanntlich vorgeschaltete
Vorvakuum das Molekülgernisch von Treibmittel und Luft sorgfältig absaugt und das
flüssige Treibmittel luftfrei ist, werden zwar Luftmoleküle abgesaugt, solange ein
Partialdruckgefälle in Saugrichtung besteht, dem steht jedoch ein Druckgefälle für
die Treibmittelmoleküle in der entgegengesetzten Richtung gegenüber. Um dieses Gegengefälle
am Eingang einer Diffusionspumpe zu vermindern, sind bereits Konstruktionen bekannt,
bei denen in entgegengesetzten Richtungen erhitzte Prallflächen und abgekühlte Fangflächen
eine gewisse Pumpwirkung erzielen sollen. Mehr läßt sich jedoch trotz des hierfür
erforderlichen Aufwandes an Konstruktionsteilen und Wärme- bzw. Kälteenergie auf
diese Weise nicht erzielen.
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Andererseits sind Molekularpumpen seit vielen Jahrzehnten bekannt.
Obwohl sie sehr gute vakuumtechnische Eigenschaften haben, war ihnen bisher
eine
Anwendung in breiterem technischem Rahmen versagt. Die am meisten hervorstechende
Eigenschaft der Molekularpumpe ist ihr völlig dampffreies Hochvakuum, welches jedoch
durch einen sehr aufwendigen konstruktiven Aufbau bzw. mit hohen Drehzahlen erkauft
werden muß. Der Rotor einer bekannten Molekularpumpe, der in symmetrischer Anordnung
zwei Sätze von jeweils zwanzig mit Schrägschlitzen verschiedener Neigung versehenen
Scheiben aufweist, arbeitet mit der gleichen Anzahl von ortsfest angeordneten Ringscheiben
mit darin eingefrästen Gegenschlitzen zusammen und hat sich einer Diffusionspumpe
im Gebiet zwischen 10-3 und 10-1 Torr überlegen gezeigt, braucht jedoch
ebenfalls eine Vorpumpe mit hoher Sauggeschwindigkeit, zumal die Molekularluftpumpe
im Gegensatz zu einer Diffusionspumpe nach dem Maxwellschen Verteilungsgesetz der
inneren Reibung von Gasen nur einen annähernd konstanten Druckunterschied herzustellen
vermag. Die Verwendung kostspieliger Molekalarluftpumpen wird deshalb schon aus
wirtschaftlichen Gründen auch in Zukunft auf Ausnahmefälle beschränkt bleiben.
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Eine Difftisionspumpe der eingangs genannten Axt arbeitet jedoch so
lange, wie dem verminderten Partialdruck der Luft im Hochvakuumraum ein luftfreier
Dampfstrom gegenübersteht. Um ein Hochvakuum zu erzeugen, in dem sich auch keine
Treibmittelspuren finden, müßte man also in die Saugleitung einer Diffusionspumpe
zusätzlich noch eine hochwirksame Molekularpumpe einschalten, die eine entsprechende
Druckschwelle erzeugt, welche den Treibmitteldampf an der Diffusion in das Hochvakuum
hindern könnte. Dieser Aufwand läßt sich jedoch vermeiden, wenn man eine leistungsfähige
Diffusionspumpe mit optisch dichten Fangblechen verwendet und unter Verzicht auf
eine Molekularluftpumpe sowie ohne thermische Hilfswirkungen, die eine gewisse Pumpwirkung
haben könnten, die Molekülbewegungen im Kondensationsgebiet des Treibmitteldampfes
in der erwünschten Saugrichtung beeinflußt und dazu die Fangbleche selbst heranzieht.
Auf dieser Erkenntnis beruht die vorliegende Erfindung.
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Ausgehend von einer Diffusionspumpe, deren Treibmittelfänger in Form
konzentrisch angeordneter, zur Strömungsrichtung geneigter und zur Kondensation
des Treibmitteldampfes flüssigkeitsgekühlter Fangbleche, wie auch schon bekannt
ist, noch eine zweite Anordnung von Fangblechen mit entgegengesetzten Neigungswinkeln
zur optisch dichten Abdeckung des Hochvakuumanschlusses hat, läßt sich die gestellte
Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch lösen, daß die zweite Anordnung der geneigten
Fangbleche als drehbare Einheit nach Art eines Turbinenlaufrades im zylindrischen
Pumpengehäuse auf einer kraftgetriebenen Welle angeordnet ist, derart, daß die im
Zuge einer Kühlflüssigkeitsleitung als ortsfeste Einheit angeordneten Fangbleche
nach Art eines Leitschaufelkranzes gegenüberstehen.
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Die Rotation eines ringförmig angeordneten Kranzes von Fangblechen
beim erfindungsgemäßen Treibmittelfänger ergibt natürlich keine nennenswerte Pumpwirkung
schon in Ermangelung ausreichend schmaler Spalträume, jedoch eine überraschend wirksame
optische Abdeckung des Kondensationsraumes. Dampfinoleküle können bei dieser Rotation
der geneigten Leitbleche auch auf Umwegen nicht mehr zum Vakuumraum- gelangen, sondern
prallen mit Sicherheit entweder schon auf die ortsfesten und ge-C kühlten Fangbleche
oder mindestens auf die rotierenden Bleche. Die rotierenden Bleche sind zweckmäßig
g gegenüber g dem Dampfraum durch die flüssigkeitsgekühlten ortsfesten Bleche getrennt
und werden dadurch nur verhältnismäßig selten von Dampfmolekülen getroffen, welche
entweder kondensieren oder jedoch mit einer sehr wirksamen Beschleuni-g gung
in den Kondensationsraum zurückgeschlagen werden. lEnzu kommt eine im wesentlichen
bei Beginn des Evakuiervorganges merkliche überlagerung der Diffusionswirkung durch
eine gewisse Kompression der Luftmoleküle, welche in den Bereich der rotierenden
Fangbleche gelangen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Treibmittelfänger einer Diffusionspumpe
wird durch die genannte Kompressionswirkung der rotierenden Fangbleche, der bei
den bisher bekannten Anordnungen unvermeidbare Druckverlust nicht nur wesentlich
vermindert, sondern auch überkompensiert und infolgedessen nicht nur eine vollständige
optische Ab-
dichtung, sondern sogar eine gewisse. Druckschwelle geschaffen.
Diese steigert den technischen Wirkungsgrad erheblich, auch wenn sie zur eigentlichen
Pumpwirkung praktisch nicht beiträgt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer bekannten Konstruktion
und der daraus entwickelten Diffusionspumpe mit einem Treibmittelfänger gemäß der
Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 den Längsschnitt durch die bekannte
Konstruktion sowie F i g. 2 die entsprechende Draufsicht zu F i
g. 1
und F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der Diffusionspumpe mit dem
erfindungsgemäßen Treibmittelfänger sowie F i g. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel
einer mit einem erfi:adungsgemäßen Treibmittelfänger versehenen Pumpe.
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Wie Fig. 1 und 2 zeigen, besteht die bekannte Diffusionspumpe
aus einem zylindrischen Gehäuse 1,
dessen unterer Teil das Siedegefäß der
Flüssigkeit2 bildet. Das Gehäuse 1 ist von einem Wassermantel 3
umgeben,
der mit einer Einlaßleitung 4 und einer Auslaßleitung 5 versehen ist. Die
flanschartige Oberkante des Gehäuses 1 dient zum Anschluß einer nicht dargestellten
Saugleitung für den auszupumpenden Vakuumraum, während am unteren Ende die Druckleitung
6 angeschlossen ist, die zum gleichfalls nicht dargestellten Vorvakuum führt.
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Im Innenraum des Pumpengehäuses 1 sind drei zueinander koaxiale
Dampfkanäle 7, 8 und 9 mit den entsprechenden Deckplatten
10, 11 und 12 untergebracht. Oberhalb der Deckplatte 12 sind zur Strömungsrichtung
geneigte Fangbleche 16 ortsfest und an einem zylindrischen Gehäuse
13 angebracht, welches über eine Zuleitung 14 und eine Ableitung
15 mit flüssigem Kühlmittel in bekannter Weise versorgt wird.
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Die Wirkungsweise der bekannten Diffusionspumpe nach F i
g. 1, deren aus F i g. 2 ersichtliche konzentrische Anordnung der
Fangbleche 16 einen Strömungswiderstand darstellt, läßt sich bezüglich optischer
Dichte noch dadurch verbessern, daß man in bekannter Weise noch eine zweite Anordnung
von Fangblechen mit entgegengesetzten Neigungswinkeln hinzuschaltet, wodurch allerdings
der Reibungswiderstand
noch entsprechend zunimmt. Die bekannte
Anordnung sieht dann ira Schnittbild so aus, daß abgewinkelte Durchlaßkanäle von
den beiden Fangblecheinheiten gebildet werden.
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Diese Anordnung von zwei Fangblecheinheiten zeigt F i g. 3, jedoch
mit dem erfindungswesentliehen Unterschied, daß die zweite Anordnung31 der geneigten
Fangbleche 36 als drehbare Einheit nach Art eines Turbinenlaufrades auf einer
kraftgetriebenen Welle 37 im zylindrischen Pumpengehäuse 1 angeordnet
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Diffusionspumpe mit erfindungsgemäßem Treibmittelfänger
sind die im Zuge einer Kühlflüssigkeitsleitung 24 und 25 ortsfest angeordneten
Fangbleche 26 zu einer Baueinheit 21 zusammengefaßt, die nach Art eines Leitschaufelkranzes
dem erfindungsgemäß verwendeten Turbinenlaufrad 31 gegenübersteht. Unmittelbar
neben dem zylindrischen Kühlgehäuse 23
der ortsfesten Einheit 21 ist die Lagerung
33 der angetriebenen Welle 37 gleichfalls gekühlt. Dazu ist aus F
i g. 3 ersichtlich, daß die das Laufrad bildende Einheit 31 ebenfalls
mit Kühlflüssigkeitsleitungen 34 und 35 in Verbindung steht. Diese sind über
Dichtstopfen 38 bzw. 39 an koaxiale Behälter 40 bzw. 41 angeschlossen.
Eine besonders wirksame Zusatzkühlung der in F i g. 3 nur gestrichelt angedeuteten
Lagerung 33 ist dadurch möglich, wenn auch nicht unbedingt notwendig, weil
nur wenige Dampfmoleküle durch die Fangbleche 26 hindurch auf die rotierenden
Fangbleche 36 auftreffen können und die rotierende Einheit 31 ün wesentlichen
durch die flüssigkeitsgekühlte ortsfeste Einheit 21 gegenüber dem dampfführenden
Innenraum des Pumpengehäuses 1 abgeschirmt wird. Die mit f bezeichneten
Pfeile in F i g. 3 deuten die Diffusionsrichtung der Luft an, ein Drehpfeil
um die Welle 37 beschreibt deren Drehsinn. Der dazugehörige Antriebsmotor
ist in F i g. 3 nicht dargestellt.
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Die Anordnung nach F i g. 3 hat folgende Eigenschaften. In
Diffusionsrichtung der Pfeile f wird durch die Rotation der Einheit 31 mit
den Fangblechen 36 der bei Treibmittelfängem zwangläufig auftretende Reibungswiderstand
beseitigt und überkompensiert durch eine Druckschwelle in der Saugrichtung, die
ausreicht, um das Eindringen von Dampfmolekülen in die entgegengesetzte Richtung
vollständig zu verhindern. Der erfindungsgemäß arbeitende Treibmittelfänger ist
in jeder Stellung optisch dicht, so daß kein Dampfmolekül zum Hochvakuum entweichen
kann. Zusätzlich ist die optische Abdichtung noch wesentlich vergrößert, wenn die
Fangplatten 36 beim Betrieb der Diffusionspumpe 1
rotieren. Dann können
auch auf gekrümmten Bahnen eintretende bzw. reflektierte Dampfmoleküle mit Sicherheit
nicht an den Fangplatten 36 vorbei. Die Moleküle müssen viehnehr entweder
kondensieren oder werden mit Beschleunigung in den Raum zwischen den Fangplatten
26 reflektiert. Außerdem wird die bei Treibmittelfallen unvermeidliche Strömungsreibung
bei der mit dem erfindungsgemäßen Treibmittelfänger versehenen Diffusionspumpe beseitigt
und überkompensiert, deren Wirkungsgrad also erheblich verbessert und eine eindeutige
Druckschwelle in Saugrichtung auch für den Partialdruck der Luft geschaffen.
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F i g. 4 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung,
beidem ein außerhalb angeordneter Antriebsmotor sogar entfallen kann. Außer den
mit den gleichen Ziffern bezeichneten Einzelteilen, die schon zu F i g. 1
und 3 beschrieben wurden, sind in F i g. 4 als wesentliche Unterscheidungsmerkmale
gegenüber dem vorhergehenden Beispiel zur Vereinfachung keine zusätzlichen Kühlmittel
für die rotierende Einheit 61 mit den Kühlschaufeln 66 vorgesehen.
Im schraffierten Bereich 63 sind die Fangbleche 66 befestigt und auch
gemeinsam auf der Welle 58 festgekeilt. Es ist ersichtlich, daß die angetriebene
Welle 58 der das Laufrad bildenden Einheit 61 in Richtung zum Siedegefäß
2 durch ein ortsfestes Kühlgehäuse 57 der Leitbleche 56 und durch
die Deckplatte 12 eines zylindrischen Dampfkanals 9 hindurchgeführt und darin
mit einer unmittelbar vom aufsteigenden Treibmitteldampf angetriebenen Turbine
59, 60 verbunden ist (F i g. 4). Die Lagerung der Welle
58
innerhalb deb flüssigkeitsgekühlten Mittelrauraes 53
des ortsfesten
Kühlgehäuses 57 ist durch Berührung bzw. Strahlungsaufnahme aus dem gestrichelten
Bereich 63 ausreichend gekühlt, so daß außer der Zuleitung 54 und der Ableitung
55 für das flüssige Kühlmittel eine zusätzliche Abkühlung entbehrlich wird.
Die schematisch dargestellte Turbine besteht aus einem Schaufelrad 59, das
mit der Welle 58 verkeilt ist, und einem ortsfest angeordneten Leitschaufelring
60. Im praktischen Falle sind die Ab-
messungen bzw. die Siedeverhältnisse
so zu treffen, daß der im Dampfkanal 9 herrschende überdruck die aus den
Teilen 59 und 60 dargestellte Turbine zu treiben vermag. Die einfachste
Form der Fangbleche 56 bzw. 66 ist die ebene Fläche, jedoch können
diese Flügel auch strömungsgünstig abgewandelte Ab-
messungen haben.
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Durch die Erfindung gelingt es, eine Diffusionspumpe der bekannten
Grundforin mit teilweise rotierenden Fangblechen auszurüsten, die ohne den Aufwand
einer Molekularpumpe den Wirkungsgrad erheblich verbessern, die Sauggeschwindigkeit
erhöhen und den Eintritt von Treibmittelmolekülen in das Hochvakuum wirksam verhüten.