-
Hochvakuumpumpe mit Kondensator Die Erfindung hat zum Gegenstand eine
Öldiffusions- oder Öldampfstrahl-Hochvakuumpumpe mit einem Kondensator zur Niederschlagung
der aus der Pumpe in den Hochvakuumraum diffundierenden Öldampfmoleküle und einem
den heißen Düsenhut der Düsenanordnung der Pumpe übergreifenden, mit kühlmitteldurchströmten
Kühlelementen ausgerüsteten Schirm, der den Kondensator gegen die Wärmestrahlung
der Düsenanordnung schützt, nach Patent 949682.
-
Unter den sehr verschiedenen möglichen Bauarten von Treibmittelpumpen
sind bekanntlich die Diffusions- und Dampfstrahlpumpen mit Umkehrdüsen wegen ihrer
einfachen raumsparenden Konstruktion sehr beliebt. In diesen Pumpen befindet sich
ein Dampfrohr, das die in einem Verdampfungsraum erzeugten Treibmitteldämpfe in
den Arbeitsraum der Treibmittelpumpe führt. Die in diesem Dampfrohr aufsteigenden
bzw. bei nicht vertikal gelagerten Pumpen in Richtung zur Ansaugöffnung sich bewegenden
Dampfströme werden an den einzelnen Pumpstufen mit Hilfe von Umkehrdüsen in ihrer
Richtung umgekehrt, so daß aus den einzelnen Düsen der verschiedenen Stufen nach
unten gerichtete Dampfströme austreten.
-
Alle bekannten Diffusions- und Dampfstrahlpumpen einschließlich der
Pumpe nach Patent 949682
haben nebst vielen Vorteilen den besonderen Nachteil,
daß es sich nicht ganz verhindern läßt, daß Treibmitteldämpfe in Richtung zum Ansaugstutzen
der Pumpe wandern und in den zu evakuierenden Rezipienten eindringen. Es gibt nur
wenige Fälle, in denen dieses Rückströmen von Treibmittelmolekülen in den Rezipienten
keine störende Rolle spielt; meistens ist es notwendig, den Rezipienten gegen diese
Dämpfe zu schützen. Es kommt oft vor, daß sich solche Dämpfe an Apparateteilen erhöhter
Temperatur oder in elektrischen Gasentladungen zersetzen und unerwünschte Niederschläge
bilden. Zersetzungsprodukte organischer Treibmittel stören z. B. den Betrieb von
Massenspektrographen, indem sie nichterwünschte Ionensorten liefern und die Spalte
der Spektographen verschmutzen.
-
Bekannte Maßnahmen zur Verhinderung oder Verringerung des Riickströmens
bestehen in der Anordnung von Prallplatten etwa in Form gekühlter Baffles, an denen
die rückströmenden Treibmittelmoleküle kondensiert werden. Die Niederschlagsflächen
des Kondensators müssen dabei derart über der Ansaugöffnung der Pumpe angeordnet
sein, daß jedes aus der Pumpe in Richtung gegen den Hochvakuumraum entweichende
Dampfmolekül mit möglichst großer Wahrscheinlichkeit eine der Niederschlagsflächen
des Kondensators trifft und kondensiert wird. Die Niederschlagsflächen des Kondensators
müssen außerdem so ausgebildet sein, daß sie den Strömungswiderstand für die von
der Pumpe anzusaugenden Gase möglichst wenig erhöhen. Für die Wirksamkeit des Kondensators
ist neben seiner räumlichen Anordnung auch seine Temperatur maßgebend. Bei den heute
gebräuchlichen Betriebsmitteln sollte zur Erreichung von Dampfdrücken unter 10-5
mm OS im Hochvakuum die Temperatur nur wenig höher als die normale Zimmertemperatur
sein.
-
Zur Tiefhaltung der Temperatur des Kondensators ist es bekannt, das
Kondensatorgehäuse künstlich zu kühlen, so daß eine mittelbare Kühlung der Kondensationsflächen
eintritt. Weiter hat man auch bereits Kondensatoren hergestellt, die eigene kühlmitteldurchströmte
Kühlelemente aufweisen. Es wurde jedoch oft keine Rücksicht darauf genommen, daß
Moleküle des dampfförmigen Betriebsmittels gerade am heißen Düsenhut reflektiert
werden können. Dadurch gelangen Moleküle des dampfförmigen Betriebsmittels in das
Hochvakuum und rufen dort die bekannten Schwierigkeiten hervor.
-
Die diese Nachteile weitgehend vermeidende Ausbildung einer Öldiffusions-
oder Öldampfstrahl-Hochvakuumpumpe gemäß Patent 949 682 mit einem Kondensator zur
Niederschlagung der aus der Pumpe in den Hochvakuumraum diffundierenden Öldampfmoleküle
besitzt einen den heißen Düsenhut der Düsenanordnung der Pumpe umgreifenden mit
Kühlmittel durchströmten Kühlelementen ausgerüsteten Schirm, der den Kondensator
gegen die Wärmestrahlung der
Düsenanordnung schützt. Eine solche
Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt und besteht im wesentlichen aus einer Anzahl
flacher Ringe 1, welche unterschiedliche Durchmesser besitzen und derart angeordnet
sind, daß sie in ihrer Gesamtheit einen hohlkegelstumpfförmigen Raum umgrenzen,
der- sich gegen den zu evakuierenden Raum zu öffnet. Die Ringe sind mit Distanzstücken
2 auf Bolzen 3 aufgereiht, die mit Metallinien des Hohlkegelstumpfes zusammenfallen.
An seinem unteren Ende trägt der Kondensator einen napfförmigen Körper 4, der den
Düsenhut der Pumpe gegen den Kondensatorraum zu abschirmt und so die Wärmestrahlung
des heißen Düsenhutes von den Kondensationsflächen fernhält. Der Körper 4 ist als
Kühlorgan ausgebildet und trägt kühlmitteldurchströmte Kühlelemente, die beispielsweise
aus einer Rohrschlange 8 bestehen.
-
Die Ringflächen des Kondensators sind durch unmittelbaren wärmeleitenden
Anschluß der Bolzen 3 an das Kühlorgan mittelbar gekühlt. Wenn diese mittelbare
Kühlung zur Erzielung einer ausreichenden Kondensationswirkung nicht genügen sollte,
können weitere kühlmitteldurchströmte Kühlorgane vorgesehen werden. Ein derartiges
Kühlorgan ist bei 10 veranschaulicht.
-
Das Kühlorgan 4 bildet ein den Düsenhut 11 der Diffusionspumpe übergreifenden
Schirm. Dadurch wird die Wärmestrahlung der Düse vom Kondensator abgehalten, und
weiter wird erreicht, daß alle auf den Düsenhut zufliegenden Dampfmoleküle am Kühler
4, 5 abgefangen werden, bevor sie an heißen Pumpenteilen reflektiert und wieder
in das Hochvakuum zurückgelangen könnten.
-
Die Kühlrohre der Teile 4, 5 und 10 können an eine Kaltwasserleitung
8 angeschlossen sein. In gewissen Fällen ist an Stelle von Kühlwasser ein anderes
Kühlmittel von Vorteil, beispielsweise tiefgekühlter Alkohol, eine Salzlösung oder
irgendeine andere Kühlsole.
-
An Stelle der an den Teilen 4, 5 und 10 vorgesehenen Kühlschlangen
können auch Hohlräume in den Teilen 4, 5 und 10 treten, denen das Kühlmittel zugeführt
wird.
-
Als besonderer Vorteil der beschriebenen Einrichtung ist der geringe
Strömungswiderstand anzusehen, dem das zu evakuierende Gas bei Durchströmen der
Kondensatoranordnung unterworfen wird, da die hier zur Verfügung gestellten Querschnitte
mindestens gleich dem Pumpenquerschnitt gehalten werden können.
-
Ein solcher Kondensator gemäß dem Hauptpatent kann das Rückströmen
von Treibmitteldämpfen in den Evakuierungsraum nicht absolut verhindern, obwohl
er es wesentlich vermindert. Eine gewisse Anzahl von Treibmitteldampfmolekülen,
die in den Raum 12 zwischen den Wänden des Gehäuses und den Ringen 1 des Kondensators
gelangen und dort mit anderen Gas- oder Dampfmolekülen zusammenstoßen, können durch
die Zusammenstöße gerade in eine solche Richtung reflektiert werden, daß sie durch
die Zwischenräume zwischen den einzelnen Kondensatorringen 1 hindurch in den zu
evakuierenden Raum eindringen können. Hierbei ist selbstverständlich die Zahl der
so gestreuten Moleküle um so größer, je mehr Treibdampfmoleküle vom Düsensystem
der Pumpe her auf den Raum 12 zu sich bewegen können.
-
Als Ursache des Eindringens von Treibdampfmolekülen in den Raum 12
oberhalb der obersten Düse wurde bisher bei geringen Vakua in diesem Raum die Diffusion
betrachtet. Je nach den Betriebsbedingungen der Pumpe kann sich nämlich möglicherweise
oberhalb des aus der obersten Düse austretenden ringförmigen Dampfstrahles im Raum
12 eine Dampfwolke bilden, aus der die Treibmittelmoleküle durch alle Baffles und
Auffangplatten hindurch in den Ansaugstutzen diffundieren. Bei anderen Betriebsbedingungen
jedoch muß angenommen werden, daß der Raum 12 oberhalb des Dampfstrahlsaumes einem
Hochvakuum entspricht, in dem sich die Einzelteilchen relativ ungehindert durch
Zusammenstöße mit anderen Molekülen geradlinig fortbewegen können, so daß nur vermöge
Einzelstreuung durch Zusammenstöße untereinander und Reflexion an den Wänden die
aus dem Dampfsaum des Treibdampfstrahles austretenden Moleküle nach oben gelangen
können.
-
Die Erfindung kann auf Grund neuer Untersuchungen über die Vorgänge
des Rückströmens von Treibdainpfmolekiilen eine neue technische Lehre für den Bau
von Treibmittelpumpen mit Kondensator geben.
-
Zur Durchführung dieser Untersuchungen, die zur Lehre der Erfindung
führten, wurde eine im folgenden erläuterte Interferenzmeßmethode und eine Abbildungsmethode
eigens entwickelt, die es gestatten, geringste Spuren von Treibmitteldämpfen, die
sich auf Testflächen im Raum oberhalb des Düsensystems niederschlagen, quantitativ
nachzuweisen und den Ausgangsort der Treibdampfmolekularstrahlen einwandfrei zu
lokalisieren. Die verwendete Meßanordnung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt.
-
Oberhalb des Düsensystems 13 einer Diffusionspumpe üblicher Bauart
wurde eine Lochblende 14 angebracht, die den Düsenraum der Pumpe gegen einen oberhalb
der Lochblende befindlichen Raum 1$ trennte. Zur Beschleunigung des Auspumpens schloß
die Blendenscheibe 14 an der Wand nicht dicht, sondern ließ einen schmalen, durch
eine Ringscheibe 16 abgedeckten Spalt frei, durch welchen die Gasmoleküle aus Raum
15 zur Pumpe abströmen konnten. Diese Lochblende mit einem Lochdurchmesser von 0,5
bis 3 mm bei verschiedenen Versuchen gestattete, ähnlich wie eine Lochkamera auf
einer Platte 17, die am oberen Ende der Kammer 18 befestigt war, das Düsensystem
der Pumpe mittels Dampfstrahlen abzubilden. Das auf Platte 17 durch nachstehend
beschriebene Methode sichtbar gemachte »Bild« gibt schon bei rein visueller Betrachtung
die Ursprungsorte der Treihdampfstrahlen an. Diese Orte lassen sich aber auch aus
Bild- und Gegenstandsweite und den Winkeln der Abbildung nach den Gesetzen der geometrischen
Optik genau bestimmen. Besonders eindrucksvoll ist die Betrachtung stereoskopischer
Bilder, die man bei Verwendung von zwei abbildenden Systemen, also einer Lochblende
mit zwei abbildenden Öffnungen, deren Bilder an zwei getrennten Stellen auf der
Platte 17 aufgefangen werden, erhält. Man erkennt so aus dem unmittelbaren Eindruck
bei Betrachtung dieser Bilder mittels Stereoskop die Stellen in der Diffusionspumpe,
die Ausgangsort der unerwünschten Rückstrahlung von Treibdampfmolekülen sind.
-
Die Sichtbarmachung der winzigen Treibmittelspuren, die sich auf den
Platten niederschlagen, geschieht nach folgendem Verfahren.
-
Es sind Interferenzfilter nach dem Prinzip von Fabry-Perrot bekannt,
die folgenden Aufbau haben: Auf einer Trägerplatte aus Glas ist eine äußerst dünne
durchsichtige Ag-Schicht aufgebracht, darauf folgt eine Schicht aus lichtdurchlässigem
Dielektrikum und darauf wiederum eine sehr dünne lichtdurchlässige Ag-Schicht. Eine
solche Anordnung ergibt ein äußerst präzises Schmalbandfilter, das nur
Licht
eines sehr begrenzten Wellenlängenbereiches hindurchläßt. Die Halbwertsbreite solcher
Filter kann so, gering gemacht werden, z. B. 50 A, daß man praktisch von Linienfiltern
sprechen kann, die nur eine einzige Wellenlänge hindurchlassen. Die Herstellung
solcher Filter geschieht am besten dadurch, daß die einzelnen Ag- und Dielektrikumsschichten
im Hochvakuum auf die Glasunterlage aufgedampft werden. Eine Abwandlung dieses bekannten
Verfahrens wurde nun für die vorliegende Erfindung zum Nachweis der auf den Platten
entstehenden latenten Bilder benutzt. Zu diesem Zwecke wurde auf eine. durchsichtige
Trägerplatte 17 aus Glas die erste Ag-Schicht und die Dielektrikumsschicht eines
Interferenzfilters in bekannter Art und Weise im Vakuum aufgedampft. Die so vorbereitete
Platte wurde in die Kammer 18 (Fig. 2) eingesetzt, ein Vakuum hergestellt und durch
rückströmende Öldampfmoleküle der Diffusionspumpe gewissermaßen »belichtet«. Die
Platte 17 mit dem latenten Bild wurde alsdann wiederum der Kammer 18 entnommen und
das Interferenzfilter durch Aufbringen der zweiten Silberschicht fertig aufgebaut.
Ein so behandeltes Interferenzfilter zeigt an den Stellen, an denen kein Treibmitteldampf
sich niedergeschlagen hat, die normale, der Dicke des Dielektrikums entsprechende
Transmissionsfarbe, etwa ein Blau bestimmter Wellenlänge, während die Stellen, an
denen sich Treibmittelmoleküle auf dem Dielektrikum vor Aufbringen der zweiten Ag-Schicht
niedergeschlagen haben, eine stark veränderte spektrale Durchlässigkeit ergeben,
so daß sie schon ohne Wellenlängenmessung als Verfärbung deutlich als Bild der strahlenden
Stellen der Pumpe sichtbar sind. Durch die größere Dicke der Zwischenschicht zwischen
den Silberschichten an den von Öldampfmolekülen getroffenen Stellen ist die Durchlässigkeit
nach größeren Wellenlängen verschoben, z. B. ist sie an den getroffenen Stellen
je nach kondensierter Ölmenge grün, gelb, orange oder rot, während das Filter an
den nicht getroffenen Stellen nach wie vor blaudurchlässig erscheint.
-
Diese Untersuchungen, die an verschiedensten Pumpentypen, sowohl an
Diffusions- als auch an Dampfstrahlpumpen mit verschiedensten Treibmitteln durchgeführt
wurden, zeigten ein völlig überraschendes Ergebnis : Es ist nicht etwa die von oben
her sichtbare Treibdampfwolke als Ganzes, von der der größte Teil der zurückströmenden
Moleküle stammt, sondern der weitaus überwiegende Teil der rückströmenden Moleküle
nimmt seinen Ausgang aus der unmittelbaren Umgebung des Düsenrandes. Häufig sind
es, wie die Lochkameraaufnahmen deutlich zeigen, winzige, am Düsenrand kondensierte
Tröpfchen, die eine dichte Dampfwolke um sich herum aufbauen, welche zum Ausgangspunkt
der gegen den zu evakuierenden Raum zurückströmenden Moleküle werden. Daher sollte
durch genügende Wärmezufuhr zu den Düsen vermieden werden, daß die Düsen während
des Betriebes sich mit flüssigern Öl beschlagen können. Aber auch dann, wenn die
Düsenränder vollkommen trocken bleiben, sendet trotzdem derjenige Teil der Dampfstrahloberfläche,
der in unmittelbarer Nähe des Düsenrandes liegt, die meisten Oldampfmoleküle in
den zu evakuierenden Raum zurück. Von dieser Erkenntnis geht die vorliegende Erfindung
aus. Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einer Öldiffusions- oder Öldampfstrahl-Hochvakuumpumpe
mit Kondensator zur Niederschlagung der aus der Pumpe in den Hochv akuumraum diffundierenden
Öldampfmoleküle und mit einem den heißen Düsenhut der Düsenanordnung der Pumpe übergreifenden,
mit kühlmitteldurchströmten Kühlelementen ausgerüsteten Schirm, der den Kondensator
gegen die Wärmestrahlung der Düsenanordnung schützt, nach Patent 949682,
den Schirm so auszubilden, daß er sich in Evakuierungsrichtung über den Rand des
Düsenhutes hinaus erstreckt.
-
Vorzugsweise wird der Schirm als eine den Düsenhut der obersten Düse
übergreifende Abschirmkappe ausgebildet. Es genügt in vielen Fällen, wenn höchstens
eine 5 mm breite, an den Düsenrand der obersten Düse angrenzende Zone der Treibdampfstrahloberfläche
abgeschirmt wird. Zweckmäßigerweise wird der Düsenrand der obersten Düse durch eine
gut wärmeleitende Verbindung mit einer Wärmequelle so hoch beheizt, daß beim Betriebe
der Pumpe keine Kondensation flüssigen Treibmittels am Düsenrande auftritt. Die
Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Hochvakuumpumpe ist in Fig.3 dargestellt.
Insoweit die Teile des Ausführungsbeispieles nach Fig. 3 der erfindungsgemäßen Pumpe
gleich sind wie die Teile des Beispiels der Fig. 1 des Hauptpatentes, sind sie mit
gleichen Bezugsziffern bezeichnet worden. Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen
Pumpe gemäß Fig. 3 aber besonders noch darauf geachtet, daß auch die besonders stark
rückstrahlende Zone der Treibdampfstrahloberfläche, welche dem Düsenrand benachbart
liegt, abgeschirmt wird. Diese Zone des Treibdampfstrahles, für die sich selbstverständlich
keine absolut scharfe Grenze angeben läßt, ist in Fig. 3 mit 20 bezeichnet. Die
erfindungsgemäße Pumpe besitzt eine Abschirmkappe, welche nicht nur die Wärmestrahlung
des Düsenhutes, sondern auch die Molekülstrahlung der den Düsenrand benachbarten
Zone 20 des Treibdampfstrahles vom Raum 12 fernhält. Damit das Öl, das an der gekühlten
Abschirmkappe kondensiert wird und am unteren Rand 5 der Abschirmkappe zusammenläuft,
abfließen kann, ist dieser Rand etwas abgeschrägt und mit einer Abtropfnase 6 versehen,
die durch einen schrägen Blechstreifen gebildet wird. Der Streifen 6 leitet das
kondensierte Öl zur Wand des Pumpgehäuses, von wo es in den Verdampfungsraum der
Pumpe zurückfließt. Das Öl, das an der Abschirmkappe 4 kondensiert wird, schadet
in bezug auf Rückströmung keineswegs, denn es befindet sich - im Gegensatz zu etwaigen
Öltröpfchen an dem heißen Düsenhut - auf niedriger Temperatur.
-
Will man extremste Freiheit des Vakuumraumes von Treibdampfmolekülen
erzielen, so verwendet man bekanntlich für Kondensatoren Tiefkühlung mittels Kältemaschinen.
Für diesen Fall bietet die erfindungsgemäße Anordnung eine besonders günstige Anwendung.
Es ist in diesem Fall zweckmäßig, das erfindungsgemäße Abschirmorgan mit Wasser
zu kühlen, dagegen das darüber befindliche Baffle mit den Ringen 1 durch Kältemaschinen.
Auf diese Weise wird der größte Teil aller zurückströmenden Moleküle schon am wassergekühlten
Abschirmorgan aufgefangen, und zu den tiefgekühlten Auffangflächen 1 gelangen nur
mehr verhältnismäßig wenig Moleküle. :Ulan entlastet so das tiefgekühlte Baffle
und gewinnt durch die Einsparung an Betriebsenergie für die Kältemaschine einen
wesentlichen Vorteil. Dieser beruht zum Teil auf der verminderten Rückströmung,
zum anderen Teil auf der Abschirmung der Wärmestrahlung. Besonders wichtig ist,
daß ein zweistufig gekühltes Baffle keinen höheren Strömungswiderstand besitzt als
ein normaler einstufiger Kondensator, während bei den bisher bekannten zweistufig
gekühlten
Kondensationsanordnungen immer zugleich auch ungefähr
eine Verdopplung des Strömungswiderstandes in Kauf genommen werden mußte, indem
zwei hintereinandergeschaltete gewöhnliche Baffles, wovon das eine wassergekühlt
und das andere tiefgekühlt war, angewendet wurden.
-
Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ist aus folgenden
Versuchen ersichtlich. Wie schon erwähnt, bilden die mit kondensiertem Öl bedeckten
Stellen des Düsenrandes die intensivsten »Strahlungsquellen«. Es konnte gezeigt
werden, daß sich um einen Tropfen 0I am Düsenrand eine Wolke hoher Dampfdichte ausbildet.
Die Linearausdehnungen dieser Wolke sind um ein Vielfaches größer als der Tropfen
selbst. Bei dieser Diffusionspumpe mit einem Durchmesser des Ansaugstutzens von
10 cm und einer Sauggeschwindigkeit von etwa 250l pro Sekunde bei einem Druck von
10-5 Torr wurde eine Aluminiumfolie von 13,3 cm Durchmesser horizontal über der
Pumpenmündung in einer Höhe von 14 cm angeordnet. Ohne Baffle und ohne erfindungsgemäßes
Abschirmorgan wurden auf der Folie beispielsweise 8500 mg Öl pro 24 Stunden kondensiert.
Bei Tropfen der Düse schwanken die Werte je nach Ausbildung der Tropfen sehr stark.
Nach Abschirmung einer an den Rand des Düsenhutes angrenzenden ringförmigen Zone
der Treibdampfstrahloberfläche geht die auf der Aluminiumfolie niedergeschlagene
Ölmenge sehr stark zurück, und zwar a) bei einer Abschirmung von 2,5 mm Breite auf
etwa 700 mg, b) bei einer Abschirmung von 5 mm Breite auf etwa 370 mg und c) bei
einer Abschirmung von 20 mm Breite auf etwa 320 mg. Der Durchmesser des Düsenhutes
(Düsenrandes) beträgt 5 cm.
-
Durch eine weitere Maßnahme ist es möglich, die vorgenannten Ölmengen
auf etwa die Hälfte zu erniedrigen. Zu diesem Zweck ist, wie in Fig. 3 dargestellt,
auch die Düsenhaube der auf die höchstvakuumseitige Pumpstufe nächstfolgenden Pumpstufe
zusätzlich durch eine gekühlte Haube nach der Hochvakuumseite zu abgeschirmt. Eine
genügende Kühlung der Abschirmhaube 22 kann am einfachsten durch wärmeleitende Verbindung
29 mit der gekühlten Gehäusewand 24 erreicht werden, wobei die wärmeleitenden Teile
zugleich als Träger für die Abschirmhaube dienen können. Jedoch braucht die Abschirmhaube
nicht etwa den Düsenrand der zweiten Düse übergreifen. Es genügt die in Fig. 3 gezeigte
Erstreckung. Vermutlich ist die weitere Erniedrigung der rückströmenden Dampfmenge
darauf zurückzuführen, daß durch die zusätzlich gekühlte Fläche eine Stauung des
Treibdampfstrahles am heißen Düsensystem vermieden wird. Diese Stauung hat anscheinend
eine Störung der Strömungsrichtung des Treibdampfstrahles und damit sehr viele unerwünschte
Rückreflexionen von Treibdampfmolekülen zur Folge.