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Steuervorrichtung für eine Evakuierungsvorrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum Steuern einer aus einer Vorvakuumpumpe, insbesondere
einer Flüssigkeitsringpumpe, und einer unmittelbar mit dem Einlaß dieser Vorvakuumpumpe
verbundenen und direkt die atmosphärische Luft als Strömungsmittel verwendenden
Strahlpumpe bestehenden Evakuierungsvorrichtung, bei welcher in dem Strahlmittelzustrom
zur Strahlpumpe ein automatisch betätigtes Ventil angeordnet ist, daß bei einem
vorbestimmten Vorvakuumwert den Einlaß der Strahlpumpe öffnet.
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Es ist bereits eine Steuervorrichtung dieser Art bekannt, bei welcher
das Absperrventil selbsttätig über ein gesondertes druckabhängiges Schaltglied geöffnet
werden kann. Ferner ist bekannt, ein eine Servoöffnungskraft erzeugendes Servoventil
vorzusehen, das in Abhängigkeit vom Unterdruck gesteuert wird und bei Betätigung
eine solche Druckänderung im Steuerraum für den eigentlichen Absperrkolben erzeugt,
daß dieser entgegen der Kraft der Schließfeder geöffnet wird. Diese bekannten Steuervorrichtungen
ermöglichen nur ein relativ langsames Öffnen der Strahlzuleitung zur Strahlpumpe,
und damit kann bei Erreichen des gewünschten Vorvakuumwertes die Strahlpumpe nicht
mit voller Kraft mit ihrer Arbeit einsetzen. Es kann sogar zu Schwankungen kommen.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird ausgehend von einer Steuervorrichtung
der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Ventilabsperrkolben
eine erste Endfläche aufweist, die größer als die gegenüberliegende zweite Kolbenendfäche
ist, und auf den Kolben eine Vorspannfeder mit vorbestimmter Kraft wirkt, durch
welche zum Schließen des Ventils die zweite Kolbenendfläche gegen einen Ventilsitz
gedrückt wird, dies in solcher Anordnung, daß die erste Kolbenendläche von dem durch
die Vorvakuumpumpe erzeugten Vakuum und die zweiten Kolbenendfläche ebenfalls von
dem erzeugten Vakuum, jedoch über die Strahlpumpe beaufschlagt ist, wodurch beim
Erreichen eines vorbestimmten Vakuums eine genügend große Servoöffnungskraft aufgebracht
wird, um die durch die Vorspannfeder aufgebrachte Kraft zu überwinden und das Ventil
zu öffnen.
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Bei der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung wird die Öffnungsbewegung
des Absperrkolbens unmittelbar durch den Vakuumdruck eingeleitet und auch durchgeführt,
und zwar erfolgt dies mit einer Schnappwirkung sehr schnell, so daß die Öffnungsbewegung
des Absperrkolbens beschleunigt bis zum Ende durchgeführt wird. Dadurch kann bei
Erreichen des gewünschten Vorvakuumwertes die Strahlpumpe mit voller Kraft einsetzen,
und Schwankungen werden vermieden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine teilweise als Schnitt gezeichnete Seitenansicht
einer Evakuierungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung; F i
g. 2 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt durch das aus F i g. 1 ersichtliche Steuerventil;
F i g. 3 zeigt in einer teilweise als Schnitt gezeichneten Seitenansicht eine weitere
Ausbildungsform einer Evakuierungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
F i g. 4 ist ein vergrößerter Querschnitt durch das Steuerventil der Anordnung nach
F i g. 3, wobei der Kolben von seinem Sitz abgehoben ist; F i g. 5 ist ein vergrößerter
Längsschnitt durch das Steuerventil nach F i g. 4, wobei jedoch der Kolben an dem
Sitz anliegt;
F i g. 6 ist ein Teilschnitt längs der Linie 6-6 in
Fig.4.
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Gemäß F i g. 1 wird eine erste Vakuumpumpe 10
über eine Kupplung
11 durch einen Motor 12 angetrieben. Bei der Vakuumpumpe 10 kann es sich um eine
Flüssigkeitsringpumpe bekannter Art handeln; im vorliegenden Falle wird eine Wasserring-Vakuumpumpe
mit einer einzigen Gehäuseerweiterung verwendet. Die Pumpe ist zusammen mit dem
Motor auf einer gemeinsamen Grundplatte 14 angeordnet.
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Auf eine nähere Beschreibung der ersten Pumpe wird im vorliegenden
Falle verzichtet, denn die Einzelheiten dieser Pumpe sind ohne besondere Bedeutung
für die hier zu beschreibende Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung läßt sich nämlich auch bei jedem anderen
Vakuumpumpensystem anwenden, das mit einer zusätzlichen Ejektorpumpe ausgerüstet
ist.
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Eine Ansaugleitung 16, die an die beiden Einlässe der ersten Pumpe
10 angeschlossen ist und sich von der Pumpe auch nach oben erstreckt, ist mit einem
Diffusor 18 durch Flansche 19 und Schrauben 20 verbunden, die eine Verbindung zum
oberen Stutzen 22 der Ansaugleitung 16 herstellen. An den Stutzen
22 schließt sich nach außen eine Verlängerungsleitung 24 an, in die ein Rückschlagventil
26 eingebaut ist, daß auf eine noch zu erläuternde Weise dazu dient, eine Umgehungsleitung
28 zu steuern. Die Umgehungsleitung 28 ist mit der Verlängerungsleitung 24
durch ein Kniestück 30 verbunden. Ein T-Stück 32 bildet eine geeignete Verbindung
zwischen der Leitung 28, dem Anschluß 34 für das System und einer weiteren Leitung
36. Die Leitung 36 ist ihrerseits an den Einlaß der Ejektorpumpe
38
angeschlossen und damit durch Flansche 37 und Schrauben 39 verbunden.
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Die Ejektorpumpe 38 weist ein Gehäuse 40 auf, mit dem der Diffusor
18 durch einen Flansch 42 verbunden ist. Der Flansch 42 ist an ein Ende des
Diffusors 18 angearbeitet, und der Diffusor wird gegenüber dem Gehäuse 40 durch
Schrauben 44 in seiner Lage gehalten, die sich durch den Flansch 42 erstrecken und
in das Gehäuse eingeschraubt sind. Das Gehäuse 40 enthält eine erste Strömungskammer
46, die mit dem Diffusor 18 und dem Anschluß 34 über einen Einlaßkanal 48, die Leitung
36 und das T-Stück 32 in Verbindung steht. Innerhalb der Kammer 46 erstreckt sich
ein Gewindestutzen 50 nach unten. Die Ejektordüse 52 steht in Gewindeverbindung
mit dem Stutzen 50. Innerhalb des Stutzens 50 ist unmittelbar oberhalb der Ejektordüse
52 eine zweite Strömungskammer 54 vorgesehen.
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Der Stutzen 50 und die Ejektordüse 52 sind gleichachsig
mit dem Diffusor 18 angeordnet, so daß ein kurzer Verbindungskanal zwischen der
ersten Strömungskammer 46 und der zweiten Strömungskammer 54 gebildet ist. Die Ejektordüse
52 ist an ihrem Eingang mit einem sich verengenden Abschnitt 55 versehen, der in
eine Einschnürung 57 übergeht, welche ihrerseits zu einem sich erweiterndenAbschnitt59
führt. Das Ende des sich erweiternden Abschnitts 59 ist in einigem Abstand von dem
konvergierenden Eingangsabschnitt 56 des Diffusors 18 angeordnet, dem sich der konvergierende
Einlaß- und Mischabschnitt 58 des Diffusors anschließt.
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Bei der hier beschriebenen Ausbildungsform ergibt sich kein besonderer
Vorteil aus der Verwendung der Ejektorpumpe 38, solange nicht während einer vorbereitenden
Betriebsphase mit Hilfe der ersten Pumpe 10 ein Unterdruck erzeugt worden ist, der
einen Wert von etwa 600 mm Quecksilbersäule erheblich überschreitet. Nachdem die
erste Pumpe in Betrieb gesetzt worden ist, strömt der erste Strömungsmittelstrom
bis zum Erreichen dieses Unterdrucks aus dem System ab, das über den Anschluß 34,
das T-Stück 32, die Umgehungsleitung 28, das Kniestück 30, die Verlängerungsleitung
24 und die Ansaugleitung 16 evakuiert wird. Ein Teil des Strömungsmittels strömt
auch durch den parallelen Strömungsweg, der durch die Leitung 36, die Kammer 46
und den Diffusor 18 gebildet wird. Von der Ansaugleitung 16 aus strömt der Strömungsmittelstrom
durch die erste Pumpe 10, um über eine hier nicht gezeigte Austrittsleitung an die
Atmosphäre abgegeben zu werden. Statt das Strömungsmittel in die Atmosphäre einzuleiten,
ist es möglich, einen Teil des Strömungsmittels oder die gesamte Strömungsmittelmenge
erneut innerhalb des Systems umzuwälzen, und zwar mit Hilfe geeigneter, hier nicht
gezeigter Leitungsverbindungen zwischen dem Austrittsrohr der ersten Pumpe und der
Ansaugöffnung 60 für atmosphärische Luft. Eine derartige Anordnung ist erforderlich,
wenn es sich z. B. als zweckmäßig erweist zu vermeiden, daß ein zweiter Strömungsmittelstrom
bzw. Luft mit dem ersten Strömungsmittel- oder Gasstrom vereinigt wird, der aus
dem zu evakuierenden System abgesaugt wird. Somit kann man eine derartige Anordnung
vorsehen, damit man der Austrittsseite der ersten Pumpe das Störungsmittel entnehmen
kann, mittels dessen die Ejektorpumpe betätigt werden soll.
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Ein mit weiteren Einzelheiten in F i g. 2 dargestelltes Steuerventil
62 ist in das Gehäuse 40 eingeschraubt und unmittelbar oberhalb der zweiten
Strömungskammer 54 angeordnet. Die Verbindung zwischen diesem Ventil und dem Gehäuse
40 wird durch einen Gewindestutzen 63 hergestellt, der mit dem Ventilgehäuse 66
aus einem Stück besteht und sich von diesem aus nach unten erstreckt. Innerhalb
des Gehäuses 66 ist ein Kolben 64 in einer zylindrischen Kammer 68 verschiebbar
angeordnet. Eine Schraubenfeder 70 greift gemäß F i g. 2 am Boden einer Aussparung
72 des Kolbens 64 an. Das obere Ende der Schraubenfeder 70 stützt sich am Boden
einer Vertiefung 76 eines Flansches 74 ab. Der Flansch 74 ist mittels Schrauben
78 an einem Flansch 80 des Ventilgehäuses 66 befestigt. Zwischen dem Flansch 74
und dem Gehäuseflansch 80 liegt eine Dichtung 79. Um die Kraft der Feder 70 einzustellen,
kann man gemäß F i g. 2 am Boden der Aussparung 72 des Kolbens unter dem unteren
Ende der Feder 70 Scheiben 65 von unterschiedlicher Dicke anordnen. Wenn die Vakuumbedingungen
eine andere Spannung der Federn erfordern, kann man somit eine andere Scheibe einbauen,
um die Spannung der Feder auf den gewünschten Wert einzustellen. Die Feder 70 übt
somit eine Kraft auf den Kolben 64 aus, um den Kolben normalerweise in Anlage an
einem Ventilsitz 82 zu halten. Eine nachgiebige Dichtung 84 ist in einer Ringnut
86 am unteren Ende des Kolbens angeordnet; die Ringnut 86 wird durch einen zentralen
Fortsatz 88 des Kolbens und eine ringförmige Lippe 90, die bei 91 abgeschrägt ist,
abgegrenzt. Die Dichtung 84 wird durch eine Scheibe 92 und einen Sprengring 94 in
ihrer Lage gehalten.
Ferner ist eine Steuerventilleitung 96 vorgesehen,
,die gemäß F i g. 1 mit einem Ende mit der Ansaugleitung 16 verbunden ist, so daß
ein Leitungsweg zum oberen Teil des Steuerventils 62 über eine Anschlußöffnung 98
vorhanden ist. Das obere Ende der Steuerventilleitung 96 ist mit dem Steuerventil
62 durch ein geeignetes Anschlußstück 100 verbunden.
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Der Kolben 64 weist einen ringförmigen oberen Randabschnitt 104 auf,
der dann, wenn der Kolben gegen das obere Ende der Kammer gedrückt wird, zur Anlage
an der Dichtung 79 kommt, so daß jedes Entweichen des Strömungsmittels zu dem System
über die Leitung 96 und die Öffnung 98 verhindert wird. Der Ringraum 105, welcher
durch den Kolbenabschnitt 104 und die Innenfläche des Ventilgehäuses 66 abgegrenzt
wird, dient zum Aufnehmen einer unter atmosphärischem Druck stehenden Luftreserve,
die dadurch ensteht, daß eine geringe Luftmenge an dem Kolben vorbei entweicht.
Am unteren Ende des Ventilgehäuses 66 ist ein Finger 106 ausgebildet, der eine Öffnung
108 abgrenzt, welche zur Atmosphäre offen ist, so daß der Druck der Atmosphäre auf
die Dichtung 84 wirken kann.
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Wenn beim Betrieb des erfindungsgemäßen Systems in der hier nicht
gezeigten, mit dem Flansch 34 verbundenen Kammer mit Hilfe der ersten Pumpe 10 ein
Unterdruck von etwa 660 mm Quecksilbersäule erzeugt worden ist, wird eine zweite
Pumpe bzw. die Ejektorpumpe auf eine noch zu erläuternde Weise automatisch betätigt.
Es sei bemerkt, daß es sich bei den hier angegebenen Werten für den Unterdruck lediglich
um Beispiele handelt, und daß man bei dem erfindungsgemäßen System auch mit anderen
geeigneten Unterdrücken arbeiten kann.
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Wenn in dem System mit Hilfe der ersten Pumpe 10 während des vorbereitenden
Betriebs ein Unterdruck erzeugt wird, wirkt dieser Unterdruck auf beide Seiten des
Kolbens 64, und zwar über die Steuerventilleitung 96 und die Öffnung 98 einerseits
und über den Diffusor 18, die Luftdüse 52, die zweite Strömungskammer 54 und den
Gewindestutzen 63 andererseits. Jedoch ist die Fläche 64a des Kolbens, die am oberen
Ende dem Unterdruck über die Öffnung 98 ausgesetzt ist, größer als die Fläche
64 b am unteren Ende, auf welche der Unterdruck über die Öffnung 110 wirkt.
Da verschieden große Flächen des Kolbens mit dem Unterdruck beaufschlagt werden
und der Druck der Atmosphäre auf das untere Ende des Kolbens wirkt, entsteht eine
Kraft, die bestrebt ist, die Feder 70 zusammenzudrücken und das Ventil
62 zu öffnen. Dieser Kraft wird jedoch durch die Feder 70 ein Widerstand
entgegengesetzt, durch den das Ventil geschlossen gehalten wird, bis eine ausreichende
Kraft auf das untere Ende des Kolbens wirkt, welche die Kraft der Feder überwindet,
und den Kolben von dem Ventilsitz 82 abhebt. Der Zeitpunkt, an welchem der Kolben
beginnt, sich vom Ventilsitz abzuheben, wird durch die Erfordernisse des jeweiligen
Systems bestimmt. Im vorliegenden Falle wurde ein Unterdruck von 660 mm Quecksilbersäule
gewählt. Wenn in dem `System durch die Pumpe 10 ein Unterdruck von 660 mm Quecksilbersäule
erzeugt worden ist, ist somit der Kolben 64 von dem Sitz 82 abgehoben. In diesem
Augenblick wirkt der Druck der Atmosphäre auf die gesamte untere Fläche des Kolbens.
Hierdurch wird die Aufwärtsbewegung des Kolbens beschleunigt, so daß sich der Kolben
schnell zum oberen Ende seiner Bewegungsstrecke bewegt und zur Anlage am oberen
Ende des Ventilaggregats kommt.
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Das unter der Wirkung der Schwerkraft stehende Rückschlagventi126
ist so angeordnet, daß es die Umgehungsleitung 28 schließt, sobald der Kolben 64
vom Sitz 82 abgehoben wird. Die Schwerkraft führt die Ventilklappe 25 in ihre geschlossene
Stellung, und der geringe Druckunterschied zwischen beiden Seiten des Rückschlagventils
hält das Rückschlagventil fest geschlossen. Wenn ein hoher Unterdruck aufrechterhalten
werden soll, muß das Rückschlagventil absolut dicht schließen. Der gesamte erste
Strömungsmittelstrom wird jetzt über die Leitung 36 und den Einlaßkanal 48 in die
erste Strömungskammer 46 eingeleitet. Die Umgehungsleitung ist jedoch für den Betrieb
der Anordnung nicht unbedingt erforderlich. Wenn jedoch während der vorbereitenden
Betriebsphase keine Umgehungsleitung verwendet werden kann, verlangsamt sich die
Erzeugung des nötigen Unterdrucks infolge des verhältnismäßig kleinen Querschnitts
des verfügbaren Strömungswegs.
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Unmittelbar nach der Betätigung des Kolbens 64 strömt atmosphärische
Luft, die einen zweiten Strömungsmittelstrom bildet, über eine Öffnung 108 und den
Gewindestutzen 110 in die zweite Strömungskammer 54 ein. Dieser zweite Strömungsmittelstrom
passiert die Ejektordüse 52 und gelangt in die Kammer 46, wo der zweite Strom das
über den Einlaßkanal 48 zugeführte Gas mitreißt. Die beiden miteinander vereinigten
Ströme gelangen schließlich über den Diffusor 18 zu der Ansaugleitung 16.
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Wenn der Unterdruck in dem System zurückgeht - was geschieht, wenn
die erste Pumpe stillgesetzt wird -, genügt die Kraft der Feder 70 wieder,
um den Druck der Atmosphäre zu überwinden und das Steuerventil zu schließen, so
daß keine atmosphärische Luft mehr zu der Ejektorpumpe gelangen kann. Das Steuerventil
62 kann natürlich auf verschiedene Drücke eingestellt werden; wie es für den Betrieb
des Systems erforderlich ist.
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In F i g. 3 erkennt man eine weitere Ausbildungsform einer Evakuierungsvorrichtung
mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, wobei an Stelle des Rückschlagventils
26 nach F i g. 1 ein membranbetätigtes Ventil 112 vorgesehen ist.
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Eine Ansaugleitung 114 ist mit den beiden Einlässen der ersten
Pumpe 10 verbunden und über einen Rohrstutzen 116 an den Diffusor 18 angeschlossen.
In die Verlängerungsleitung 118 der Ansaugleitung 114 ist ein Ventil 112 eingeschaltet.
Die Umgehungsleitung 120 verbindet die Verlängerungsleitung 118 mit dem T-Stück
32. Eine weitere Leitung 122 ist an einem Ende mit dem Ventil 112 und am anderen
Ende mit dem automatischen Steuerventil 124 verbunden.
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Das automatische Steuerventil 1.24 weist gemäß F i g. 4 und 5 ein
Gehäuse 126 auf, in welchem ein Kolben 128 in einer zylindrischen Kammer 130 verschiebbar
angeordnet ist. Eine Schraubenfeder 132 stützt sich mit ihrem unteren Ende am Boden
einer Aussparung 134 des Kolbens 128 ab. Die Feder 132 wirkt in der gleichen Weise
wie die an Hand von F i g. 1 und 2 beschriebene Feder 70. Ein sich durch den Kolben
128 erstreckender Kanal 136 führt über eine Nut 140 zu einer Gewindebohrung 138,
wenn der Kolben gemäß F i g. 4 von dem Ventilsitz 142
abgehoben
ist. Ein Ring 144, der durch eine Scheibe 146 und ein Befestigungsorgan 148 in seiner
Lage gehalten wird, bewirkt eine einwandfreie Abdichtung, wenn die untere Fläche
128 a des Kolbens 128 am Ventilsitz 142 anliegt. Ferner weist die obere Fläche 128
b des Kolbens am oberen Ende einen ringförmigen Randabschnitt 150 auf, der dann,
wenn der Kolben nach oben gegen die Dichtung 79 gedrückt wird, jede Verbindung zu
dem System über die Leitung 96 und die Öffnung 98 verhindert.
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Das Gehäuse 126 ist mit einem Gewindestutzen 152 versehen.
Somit kann das Steuerventil 124 mit dem Gehäuse 40 verbunden werden, wobei das Steuerventil
unmittelbar oberhalb der zweiten Strömungskammer 54 angeordnet ist. Eine Gewindebohrung
154 kann zum Zuführen atmosphärischer Luft dienen oder mittels einer Leitung 156
mit einer Strömungsmittelquelle, z. B. der Vorderseite der ersten Pumpe 10, verbunden
werden.
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F i g. 3 zeigt die Stellung des Ventils 112 und des Kolbens 128 für
den Fall, daß sich das Pumpensystem nicht in Betrieb befindet oder nur mit einem
mäßigen Unterdruck arbeitet. Hierbei ist das Ventil 124 geschlossen, während das
Ventil 112 offen ist, so daß parallele Ansaugwege zur Ansaugleitung 114 über den
Ejektor 38 und die Leitung 120 zur Verfügung stehen. Nachdem die Pumpe
in Betrieb gesetzt worden ist, und wenn der Unterdruck einen Wert erreicht, bei
dem es zweckmäßig ist, die Ejektorpumpe zu benutzen, wird der in der Ansaugleitung
114 herrschende Unterdruck über die Leitung 96 zum oberen Ende des automatischen
Ventils 124 übertragen, damit der Kolben 128 nach oben bewegt wird. Diese Aufwärtsbewegung
des Kolbens erfolgt schnell, da der Druck bei 154 auf die ganze Unterseite des Kolbens
wirkt, sobald sich der Kolben vom Sitz 142 abhebt. Bei dieser Aufwärtsbewegung des
Kolbens wird die Leitung 158 zur Atmosphäre hin geöffnet, so daß der Betrieb der
Ejektorpumpe beginnen kann. Gleichzeitig wird die Kammer 130 gegenüber der Leitung
96 abgesperrt, und eine öffnung 160 wird freigegeben, so daß atmosphärische Luft
über den Kanal 136, die Nut 140,. die Öffnung 138 und die Leitung 122 zur Unterseite
der Membran 162 (F i g. 3) strömen kann. Da- auf die Membran 162 ein großer Druckunterschied
wirkt, wird das Ventil 112 schnell betätigt, um den Pumpenansaugweg über die Leitung
120 abzusperren, wenn sich der Ejektor in Betrieb befindet.
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Mittels der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ist somit ein mit
hohem Wirkungsgrad arbeitendes Evakuierungssystem möglich, dessen automatische Betätigungsmittel
die Betätigung einer zweiten Ejektorpumpe steuern, nachdem mit Hilfe einer ersten
Pumpe ein vorbestimmter Unterdruck erzeugt worden ist. Bei der beschriebenen Anordnung
ergibt sich eine erhebliche Verringerung der Betriebskosten, und außerdem wird der
Wirkungsgrad des Systems erhöht. Ferner arbeitet ein die erfindungsgemäße Steuervorrichtung
enthaltendes System wesentlich einfacher und zuverlässiger als bis jetzt bekanntgewordene
ähnliche Anordnungen.
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Das beschriebene System kann dazu dienen, Luft, Gas und Dämpfe abzupumpen,
und es ist bei den verschiedensten Prozessen anwendbar, z. B. beim Trocknen, Evaporieren,
Destillieren, Entlüften, Kochen usw., wenn mit einem relativ hohen Unterdruck gearbeitet
werden muß.