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Quecksilberdampf-Luftpumpe zur Erzielung eines hohen Vakuums.
Quecksilberdampf-Luftpumpen zur Erzielung eines hohen Vakuums bestehen in verschiedenen Ausführungsformen. Sie bestehen aus einem geschlossenen, Quecksilber enthaltenden Gefäss, das ein
Ansatzrohr zum Anschluss der Vorvakuumpumpe und eines um Anschluss des Recipienten hat, in welchem durch eine Heizeinrichtung das Quecksilber zum Verdampfen und durch eine Kühleinrichtung zum
Kondensieren gebracht wird. Dabei mischt sich der strömende Quecksilberdampf mit der aus dem
Rezipienten austretenden Luft und bindet sie, gibt sie aber beim Kondensieren an dem Teil des Gefässes wieder frei, an dem sieh der Anschluss der Vorvakuumpumpe befindet.
Die bestehenden Ausführungsformen dieser Pumpenart weisen nun mehr oder weniger verwickelte Bauart auf, indem bisher im Innern der Pumpe Führungswände und Abdeckplatten, sowie zylinderförmige Einbauten verwendet werden, um die gewollte Wirkung der Absaugung kleiner Luftreste aus dem Rezipienten zu erzielen.
Auf der Erkenntnis, dass die kinetische Energie des strömenden Quecksilberdampfes eine wesentliche Rolle bei der Luftabsaugung aus dem Rezipienten spielt, beruht die Erfindung, die gegenüber den bekannten'Bauarten eine, ausserordentliche Vereinfachung der Luftpumpe bringt.
Bei dieser neuen Pumpe war der Gedanke leitend, die kinetische Energie des Queeksilberdampfes möglichst vollkommen auszunützen und den Quecksilberdampf so zu führen, dass er auf kürzestem Wege und in richtigem Dampfzustand zur Arbeitsstelle'gelangt. Ferner sollte bei der sich ergebenden neuen
Form des Pumpenkörpers die Luftzuführungsstelle so ausgebildet und angeordnet sein, dass kein Quecksilberdampf in das Luftzuführungsrohr strömen kann, wodurch die Gegenwirkung abirrender Quecksilberdämpfe vermieden wird.
Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung des gleichen Raumes für den aufsteigenden Quecksilberdampf und die herabfallenden, kondensierten Quecksilberteilchen für das Arbeiten der Pumpe er- hebliche Vorteile hat und dass eine getrennteFührung, wie sie in den bisher bekannt gewordenen Pumpen vorgesehen ist, unzweckmässig ist. Die Verwendung des gleichen Raumes stellt nicht nur eine bedeutende Vereinfachung im Aufbau der Pumpe dar, sondern sie gestattet auch eine bessere Ausnützung der zugeführten Energie sowohl zur Steigerung der volumetrischen Leistung, als auch zur Erhöhung des Druck- gefälles, in dem, wie bereits erwähnt, der Dampfstrom ungedrosselt auf möglichst kurzem und geradem
Wege der Arbeitsstelle zuströmt.
Der eigentliche Arbeitsraum der Pumpe zerfällt dabei in den Misch- raum und den Kondensationsraum, die aber nicht scharf voneinander getrennt sind, sondern ineinander übergehen. Der Gegenstand der Erfindung ist hienach eine Quecksilberdampf-Luftpumpe zur Elzielung eines hohen Vakuums, bestehend aus einem geschlossenen, Quecksilber enthaltenden Gefäss, welches ein Anschlussrohr zam Anschluss der Vorvakuumpumpe und eines zum Anschluss des Rezipienten hat, und in welchem durch eine Heizeinrichtung das Quecksilber zum Verdampfen und durch eine Kühl- einrichtung der Quecksilberdampf zum Kondensieren gebracht wird, wobei der strömende Quecksilber- dampf sich mit der dem Rezipienten entströmenden Luft mischt und sie bindet, die er aber beim Kondensieren an dem Teil des Gefässes wieder freigibt,
an welchem sich der Anschluss der Vorvakuumpumpe
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auch für das herabfallende tropfenförmige Quecksilber ein einsatzfreies Rohr vorgesehen ist, welchem von einer äusseren Kühleinrichtung umgeben ist, wobei sich der Anschluss der Vorvakuumpumpe am oberen Teil, die Zuführung der abzusaugenden Luft in das Führungsrohr am unteren Teil der Kühleinrichtung befindet.
Den Aufbau einer solchen Pumpe. zeigt in schematischer Darstellung die Fig. 1 der Zeichnung.
Danach bildet den Hauptteil der Pumpe das senkrecht stehende Gefäss a, dessen unterer, etwas erweiterter Teil Quecksilber h enthält. Dieses wird durch die Bunsenflamme i erhitzt, und der Queeksilberdampf strömt durch den rohrförmigen, zylindrischen Teil k des Gefässes a nach oben, wo er sich an dem gekühlten Teil m kondensiert. Zj. diesem Zweck ist der Teil m von einem Mantel cl umgeben, dem die Kühlflüssigkeit g bei e zugeführt wird und den sie bei f wieder verlässt.
An seinem oberen Ende läuft das Gefäss à in den Rohransatz c aus, an den bei o die Vor Vakuum- pumpe angeschlossen wird. Unten durch den I (ühlmantel d mündet senkrecht zur Achse des Gefässes a der Rohransatz b in dasselbe ein, etwa an der Stelle, an der denQuecksilberdampf in Nebelform übergeht, was sich praktisch als günstigste Eintrittsstelle erwiesen hat. Die Luft, die bei n aus dem Rezipienten abgesaugt wird, prallt also bei l nahezu senkrecht auf den Quecksilberdampfstrom auf und wird von
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Vorvakuumpumpe abgesaugt.
An Stelle der Bansenllamme kann naturgemäss auch eine andere Wärmequelle treten.
Bei dieser neuen Pumpe, bei welcher es daiauf ankommt, den Quecksilberdampf mit grosser Geschwindigkeit auf kürzestem Wege zur Arbeitsstelle, d. h. also in den Kondensationsraum der Pumpe zu leiten, wird der beabsichtigte Zweck in erhöhtem Masse erreicht, wenn die Luftzuführungsstelle in der in der Figur dargestellten Weise ausgebildet wird. Die ganze Ausführungsform der Pumpe weicht nämlich von den bekannten auch darin ab, dass hier der Quepksilberdampf nicht von einem engen Rohr in ein weites Röhr strömt, sondern umgekehrt von einem weiten Rohr (dem Heizraum) in ein engeres (den Mischraum und Kondensationsraum) strömt. Die Dampfdichte wird also zunächst grösser und damit
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demjenigen Vorvakaumdruck zu verstehen ist, bei welchem die Hochvakuumpumpe gerade noch voll arbeitet, und dem dabei erreichbaren Hochvakuum.
Diese Verdichtung des Dampfes ist hier zulässig, weil das Pumpenrohr einsatzfrei ist und sich daher der Dampfdruck ungehindert in Bewegung umsetzen kann. Bei dieser Bewegung bleibt aber der Dampfzustand nicht der gleiche. Während im Heizraume der Dampf überhitzt, also trocken ist, soll er im Misehraum bereits wieder in Nebelform übergehen und im Kondensationsraum bis, zur Tropfenbildung abgekühlt werden.
Es zeigt sich nun, dass der günstigste Mischraum nur eine relativ kleine Zone darstellt. in welcher die Mischung von Quecksilberdampf und Luft vor sich gehen soll ; ausserhalb dieser Zone ist der Dampfzustand des Quecksilbers zur Aufnahme der Luft weniger geeignet, weil er entweder noch überhitzt oder schon zu weit unterkühlt ist, und daher muss die Luftzuführung in der Weise erfolgen, dass der Mischvorgang sich in möglichst kleinem Raum abspielt.
Eine Einströmung der Luft, welche gegen den Queeksilberdampfstrom gerichtet ist, kommt wegen der Gegenwirkung der in das Luftzliführungsrohr einströmenden Quecksilberdämpfe nicht in Betracht. Eine Einströmung der Luft zum Quecksilberstrom verlängert den Mischraum, weil bei der parallelen Bewegung des Dampfes und der Luft die Trägheit der Teilchen des Mischvorganges verzögert. Am vorteilhaftesten ist die senkrechte Einströmung der Luft, weil dabei eine rasche Durchdringung der beiden Materien vor sich geht und der Mischraum nur eine geringe Ausdehnung in der Bewegungsrichtung des Dampfes erhält.
Der Zweck der Anordnung, die kinetische Energie des Quecksilberdampfes zur vollen Wirkung kommen zu lassen und den Dampf möglichst reibungslos und auf kürzestem Wege dem Kondensationsraum zuzuführen. wird also durch die senkrechte Luftzuführung wesentlich gefördert.
Da bei der Pumpe gemäss der Erfindung die Kühleinrichtung aussen liegt, so kann besonders bei Ausführung der Pumpe in Metall, die natürliche Fühlung (an der Aussenluft) zur Erzielung einer guten Pampenwirkung ausreichend gemacht werden. Dies wird von der Ausbildung der kühlenden Oberfläche. also auch von der Länge des Pumpenrohres abhängen. Gibt man dem Pumpenrohr eine zur wirksamen Kühlung ausreichende Länge, dann muss, wie bereits an früherer Stelle ausgeführt, die Zuführung der Luft an derjenigen Stelle des Rohres erfolgen, an welcher der gasförmige Quecksilberdampf in Nebel liberzugehen beginnt.
Die Pumpe kann auch mehrstufig ausgebildet werden. Eine solche ist in Fig. 2 näher erläutert.
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ist und mit dem Rezipienten in Verbindung steht. Die-Luft des Rezipienten strömt also durch die Öffnung n in den Stutzen b und von diesem in den von dem Rohr a und dem Rohr al begrenzten ringförmigen Raum, in welchem Quecksilberdampf aufsteigt. Der Quecksilberdampf bindet die einströmende Luft und führt sie an das obere Ende des ringförmigen Raumes. Da nun aber das Rohr a an dem am
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in diesem wieder Qtl. ecksilberdampf aufsteigt, so wiederholt sich der Vorgang in der gleichen Weise, so oft als Stufen vorhanden sind.
Im innersten Rohr a, gelangt die verdichtete Luft bei ihrem Auftrieb schliesslich an den Stutzen e, an dessen oberen Ende sich die öffnung os befindet, durch welche die mehrstufig verdichtete Luft in die zur Vorvakuumpumpe führende Leitung eintritt. Es ist zu beachten, dass das in den verschiedenen Räumen kondensierte Quecksilber wieder ungehindert in den geheizten Quecksilberbehälter herabrinnt, so dass der Kreislauf zwischen Verdampfung und Kondensation stets mit dem gleichen Material erfolgt.
Diese Pumpe stellt dann eine Hintereinanderschaltung mehrerer Pumpen wie vorher beschrieben dar, bei welcher allen in dieser Weise kombinierten Pumpen die Heizeinrichtung, der Heizraum, das Quecksilber und die Kühleinrichtung gemeinsam ist, und es ist ausserordentlich günstig, dass das Kühlwasser, welches durch den Stutzen e zu-und durch den Stutzen f abfliesst, zuerst das Rohr a umspült, in welches die Luft des Rezipienten einströmt. Der Stutzen b ist dabei mitgekühlt und es ist dieses sehr wichtig, weil einerseits damit der Eintritt von Quecksilberdampf in den Rezipienten verhindert wird, und anderseits die Zone, in welcher der Quecksilberdampf in Nebel übergeht gerade an die Einströmungsquelle der Luft verlegt wird.
Wird in der beschriebenen Weise durch die mehrstufig wirkende Luftpumpe das Druckgefäll ? stark erhöht, dann kann eine bedeutend kleinere Vorvakuumpumpe verwendet werden und unter Umständen wird man sogar mit einfacheren Strahlpumpen auskommen. In diesem Falle ist es besonders vorteilhaft, als Vorvakuumpumpe eine Wasserstrahlpumpe zu verwenden, welcher man das dem Stutzen/' entströmende Kühlwasser der Hochvakuumpumpe zuführt, da dann das verwendete Wasser einem zweifachen Zweck dient.
Eine besonders günstige Ausführungsform der neuen Pumpe ergibt sich ferner durch eine kegelförmige Ausbildung des einsatzfreien Rohres, wobei der Anschluss für die Vorvakuumpumpe an der Kegelspitze erfolgt. Der Pumpenkörper steht also mit breiter Öffnung auf dem Heizraum auf und verjüngt sich nach oben. Das Anschlussrohr für die abzusaugende Luft ist seitlich in den unteren breiten Teil des Mantels eingeführt.
Der Vorteil der Einrichtung besteht darin, dass wegen der Verjüngung des Rohres die Wirksamkeit der Kühlung nach oben hin zunimmt, so dass kein Quecksilber in die zur Vorvakuumpumpe führende Rohrleitung übertritt. Hiemit wird eine Verarmung des Pumpemraumes an Quecksilber verhütet, so dass man die Pumpe mit einer relativ kleinen* Quecksilbermenge betreiben kann. Bei Verwendung einer geringeren Quecksilbermenge werden auch die Nachteile des Siedeverzugs vermieden und damit ein hoher Wirkungsgrad erzielt.
In der Fig. 3 ist die Pumpe im Schnitt schematisch dargestellt. Es bedeutet H den Heizraum der Pumpe, Q das Quecksilber, F den Heizkörper, P den. kegelförmigen Pumpenraum, B das Zuführungs-
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öffnung in den Pumpenraum für die vom Rezepienten kommende Luft, V die Austrittsöffnung aus dem Pumpenraum für die von der Vakuumpumpe abgesaugte Luft, W die Kühlflüssigkeit und K das Kühlgefäss mit der Zuführungsstelle Z und der Abführungsstelle A für das Kühlmittel.
Wie aus der Figur ersichtlich, verjüngt sich der Pumpenkörper in Richtung gegen den Luftaustritt, so dass die Kühlung am Ende des Kondensationsprozesses sehr energisch wirkt. Ein Austritt von Quecksilber aus dem Pumpenraum wird dadurch vollkommen vermieden. Vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform, dass auch das Rohr B von der Kühlflüssigkeit umspült wird.
Zur Erzielung eines relativ kleinen Mischraumes für die angesaugte Luft mit dem in Nebelform übergehenden Quecksilberdampf ist es, wie bereits erwähnt, vorteilhaft, die Luft in zur Bewegungsrichtung des Quecksilberdampfes senkrechter Richtung dem Pumpenrohr zuzuführen. Durch die kräftige Durchdringung der beiden Materien in relativ kleinem Raum wird der Wirkungsgrad der Pumpe gehoben.
Gleichzeitig gestattet dieser Umstand, die Gesamthöhe der Pumpe zu verkleinern und ihren Bau ökonomischer zu gestalten. Nun erfordert aber die aus dem Rezipienten kommende Luft ein weites Zuführungs- rohr, um eine grosse volumetrische Förderleistung zu erzielen. Wählt man nun als Zuführungsrohr ein Rohr von kreisförmigem Querschnitt, dann erhält man bei senkrechter Zuführung eine kreisrunde Eintrittsöffnung in den Pumpenraum, deren Querschnitt dem Querschnitt des weiten Zuführungsrohres entspricht.
Diese Form der grossen Eintrittsöffnung verschlechtert aber die Wirkungsweise der Pumpe ausserordentlich.
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Querschnitt erhalten. es soll aber kurz vor Einmündung in die Pumpe unter Beibehaltung oder Vergrösserung des Querschnittes in eine solche Form übergehen, dass die Eintrittsöffnung in Richtung der Bewegung des Queeksilberdampfes eine kleinere Ausdehnung hat, als in dazu senkrechter Richtung. Hiedurch wird einerseits der Eintritt von Quecksilberdampf in das Zuführungsrohr in praktisch ausreichendem Masse verhütet, anderseits der Mischraum auf ein kleineres Mass beschränkt, was vorteilhaft für die Wirkungweise und die Abmessungen der Pumpe ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Quecksilber-Luftpumpe ist in Fig. 4 der Zeichnung dargestellt.
In dieser Zeichnung bedeutet H den Heizraum der Pumpe, Q das Quecksilber, F die Heizvorrichtung, die auch ein elektrischer Heizkörper sein kann, P den Pumpenraum, V das Anschlussrohr für die Vor- vakuumpumpe, ss das Anschlussrohr für den Rezipienten, B das Zuführungsrohr von kreisförmigem Querschnitt für die von der Pumpe abzusaugende Luft, C das Rohrstück von B kurz vor der Einmündung in die Pumpe und 0 die Eintrittsöffnung für die Luft.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, erfolgt der Eintritt der Luft in den Pumpenraum in einer zur Bt, wegungsrichtung des Queeksilberdampfes senkrechten Richtung. Die Eintrittsöffnung 0 hat rechteckige Form und es liegt erfindungsgemäss die schmale Seite des Rechtecks in der Richtung der Bewegung des Quecksilberdampfes. In dem Rohrstück C vollzieht sich der Übergang von der kreisrunden zur rechteckigen Form. K ist das Kühlgefäss, welches sowohl den oberen Teil der Pumpe, wie auch das Rohr B umfasst. W ist die Kühlflüssigkeit, welche an der Stelle Z in das Kühlgefäss K ein-und an der Stelle A aus diesem Gefäss austritt.
Das durch die Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt noch weitere wesentliche Vorteile.
In erster Linie ist zu bemerken, dass das Rohrende C, welches senkrecht zur Bewegungsrichtnug des Queck- silberdampfes steht, eine gewisse Länge hat, welche für die gute Wirksamkeit der Pumpe unerlässlich ist. Das Rohrende C muss so lang sein, dass kein expandierendes Queeksilberdampfteilchen in das Rohr B gelangen kann, ohne vorher gegen die obere Wand des Rohrendes C angeprallt zu sein. Durch diesen Anprall wird die kinetische Energie des Teilchens derart vermindert, dass die Luftströmung im Rohr B keine Behinderung durch eine gegenwirkende Quecksilberdampfströmung erfährt. Ein anderer Vorteil ist in der durch das Zuführungsrohr B und das Pumpenrohr P gebildeten U-form zu erblicken, so dass
Rohr und Pumpe im Prinzip die Gestalt zweier kommunizierender Röhren hat.
Das senkrechte Herabführen des Rohres B ist aus den angeführten Gründen aber nur bei einem genügend langen Stück C möglieh. Anderseits wird die erforderliche Länge von C relativ klein gehalten, wenn die Eintrittsöffnung 0 in der beschriebenen Art ausgeführt wird. Die dargestellte U-förmige Anordnung gestattet einerseits die Verwendung eines gemeinsamen Kühlgefässes für Zuführungsrohr und Pumpe, in welches das ganze
System eintaucht, und anderseits einen bequemen Anschluss des Rezipienten und der Vorvakuumpumpe, da beide Anschlussstellen nebeneinander im Deckel des Kühlgefässes angeordnet werden können.
Die Kühleinrichtung soll, wie schon erwähnt, das Pumpenrohr zwischen der Ein-und Austritts-
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Queeksilberdampf-Luftpumpe zur Erzielung eines hohen Vakuums, bestehend aus einem geschlossenen, Quecksilber enthaltenden Gefäss, welches ein Ansatzrohr zum Anschluss der Vorvakuumpumpe und eines zum Anschluss des Rezipienten hat, und in welchem durch eine Heizeinrichtung das Quecksilber zum Verdampfen und durch eine Kühleinrichtung der Queeksilberdampf zum Kondensieren gebracht wird, wobei der strömende Quecksilberdampf sich mit der dem Rezipienten entströmenden Luft mischt und sie bindet, diese aber beim Kondensieren an jenem Teil des Gefässes wieder frei gibt, an welchem sich der Anschluss der Vorvakuumpumpe befindet, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Heizraum als Führung sowohl für das aufsteigende dampfförmige, wie auch für das herabfallende tropfenförmige Quecksilber ein einsatzfreies Rohr vorgesehen ist,
welches von einer äusseren Kühleinriehtung umgeben ist, wobei sich der Anschluss der Vorvakuumpumpe am oberen Teil, die Zuführung der abzusaugenden Luft in das Führungsrohr am unteren Teil der Kühleinrichtung befindet.