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Kühlfalle für Hochvakuumpumpen Seit jeher wird beim Betrieb von Diffusionspumpen
und Dampfstrahlpumpen als Hochvakuumpumpen vor den Ansaugstutzen der Pumpe, insbesondere
bei mit nuecksilberdampf oder mit Quecksilber betriebenen Pumpen oder beliebigen
Apparaten eine sogenannte Ausfrierfalle montiert.
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Die Ausfrierfallen, die meist aus Glas in den verschiedensten Formen
hergestellt sind, werden mit flüssiger Luft oder Gemischen von fester Kohlensäure
und Aceton auf Temperaturen von -80 bis -180° gekühlt. Sie dienten dazu, den von
der Pumpe zum Rezipienten diffundierenden Treibdampf der Hochvalzuumpumpe, z. B.
Quecksilberdampf, durch Gefrierkondensation aus der Dampfphase fest- und vom Rezipienten
fernzuhalten. ' Ein wesentlicher Grund für die Einführung von Öldiffusionspumpen,
die seit etwa 1930 erfolgte, bestand darin, daß man infolge des niedrigen Dampfdruckes
der Pumpentreibstoffe (z. B. Mineralöle, Phthalsäureester, neuerdings Silikonöle)
imstande zu sein glaubte, auf die Ausfrierfallen verzichten zu können und damit
unabhängig von dauerndem Nachschub teurer Tiefkühlmittel zu werden. Die praktischen
Erfahrungen und zahlreiche eigene Versuche während der letzten 35 Jahre zeigten
jedoch bald, insbesondere nachdem die Arbeiten über Kernforschung zu immer größeren
Pumpentypen drängten, daß diese Auffassung nur beschränkt zutraf. Systematische
eigene Untersuchungen zeigten, daß trotz aller Verbesserung der organischen Treibstoffe
die verdampfenden Moleküle dieser Substanzen oder die Moleküle ihrer chemischen
oder thermischen Zersetzungsprodukte zur Ausbildung von festhaftenden Ölschichten
auf Wänden und Teilen des Rezipienten führten. Andererseits zeigte es sich, daß
die Treibsubstanzen selbst Dämpfe oder Verunreinigungen, die aus den im Rezipienten
sich abspielenden Verfahren und Prozessen herrührten, aufnahmen und dadurch ihre
günstigen Eigenschaften teilweise verloren.
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Es ist bereits bekannt, Kühlfallen mit Kühleinsätzen zu versehen,
die mittels einer Kompressionskältemaschine auf niedriger Temperatur gehalten werden.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, an Kühleinsätzen eine Prallplatte
anzubringen, die so ausgebildet ist und auf einer solchen Temperatur gehalten wird,
daß das sich auf ihr kondensierende Treibmittel in die Pumpe zurückfließen kann.
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Es ist weiterhin bekannt, die Wände von Kühlfallen mit Überzügen von
absorptionsfähigen Stoffen zu versehen.
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Durch die Erfindung sollen die bekannten Kühlfallen verbessert werden.
Insbesondere soll eine Kühlfalle geschaffen werden, die geeignet ist in kontinuierlichen
und automatischen Dauerbetrieb die Hochvakuumpumpe vom Rezipienten bezüglich des
Austausches kondensierbarer Dämpfe praktisch zu trennen, die Saugleistung der Anordnung
allgemein und insbesondere für kondensierbare Dämpfe zu erhöhen, ohne die Saugleistung
für permanente Gase schädlich zu vermindern. Die Rückdiffusion von Treibmitteldampf
soll dabei praktisch am Entstehungsort unterdrückt werden, gleichzeitig soll aber
kein wesentlicher Verlust an Treibmittel durch Ausfrieren an den Kühlflächen eintreten.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlfalle für Hochvakuumpumpen
mit einem zwischen Rezipienten und Pumpe in der Hochvakuumleitung angeordneten und
einen Teil dieser Leitung bildenden Fallengehäuse sowie einem innerhalb dieses Gehäuses
befindlichen und in den Kreislauf einer Kältemaschine eingeschalteten druckfesten
Hohlkörper (Kühler), bei welcher das Fallengehäuse unmittelbar an die Pumpe anschließt
und nach der Pumpenseite an den Hohlkörper eine Kondensationsfläche angesetzt ist,
an der die Treibmitteldämpfe kondensieren und von der sie in die Pumpe zurückfließen.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß Kondensationsflächen durch den Saugstutzen der
Pumpe bis zur Austrittsstelle des Treibmittels in die oberste Pumpenstufe hineinragen.
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Die Erfindung kann bei einer Hochvakuumanlage Anwendung finden, bei
der auf den Anschlußschliff bzw. Anschlußflansch einer Hochvakuumpumpe beliebiger
Art, insbesondere Diffusions- oder Dampfstrahlpumpe mit beliebigen Treibstoffen,
z. B. Quecksilber-, Öl- oder Silikondämpfen, ein gasdichter Hohlraum beliebiger
Größe und Gestalt und aus beliebigem Material mit beliebigen an sich bekannten Verbindungen
z. B. Schliff- oder Flanschverbindungen so
aufgesetzt ist, daß er
einen Teil der Verbindung und Ansaugleitungen zum Rezipienten bildet und von dem
gesamten Gas- und Dampfwechsel zwischen Pumpe und Rezipienten bzw. Gerät durchströmt
wird. Hierbei kann sein Durchmesser zweckmäßigerweise ein beliebiges Vielfaches
des Pumpenanschlusses bzw. der Pumpenrohrweite betragen. In diesem Hohlraum, dein
sogenannten Fallengehäuse, ist ein zweiter Hohlkörper beliebiger Größe und Gestalt
aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Eisen, Nickel und Legierungen sowie Kupfer
und Aluminium, dessen Wandung einem beliebig erhöhten Innendruck vorzugsweise zwischen
1 und 60 atü standzuhalten vermag -- der sogenannte Verdampfer -, so angeordnet,
daß alle vom Rezipienten oder von der Pumpe geradlinig fliegenden Moleküle beliebiger
Gase und Där:pfe den Verdampfer oder an ihm angebrachte beliebige Prall-oder Kühlflächen
mit großer Wahrscheinlichkeit mii:-destens einmal treffen müssen. Dieser Verdampfer
wird durch beliebige, an sich bekannte Vorrichtungen vorzugsweise durch Stahlröhren
sehr geringer Wandstärke, die hochvakuumdicht und wärmeisolierend in bekannter Weise
durch die Wand des Fallengehäuses hindurchgeführt sind, gegen Wärmeverluste isoliert,
in einer solchen Lage festgehalten, daß zwischen seinen Wänden und der Innenwand
des Fallengehäuses genügend freier Querschnitt für die Ströinung von Gasen und Dämpfen
von und zur Pumpe erhalten bleibt.
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Der Verdampfer ist mit Hilfe der genannten Rohre an ein beliebiges
Kältemaschinenaggregat mit einem beliebigen Hochdruck- oder Niederdruckkälternittel,
z. B. eine Kompressionskältemaschine mit dem unter dein warenzeichenrechtlich geschützten
Namen Frigen 11, Frigen 12 oder Frigen 13 bekannten Kältemittel so angeschlossen,
daß er als Verdampfer des Xiililkreises wirkt und durch das von der Hochvaltuuinpuinpe
erzeugte Hochvakuum gegen Wärmeverluste isoliert ist. Eingehende eigene Untersuchungen
und Messungen haben gezeigt, daß bei Verwendung einstufiger kleiner Kältemaschinen
am Verdampfer Temperaturen von -55 bis -65° erreicht werden konnten. Messungen der
Absolutdrucke im Rezipienten ergaben bei Verwendung einer Quecksilberdampfpumpe,
die finit der beschriebenen Anordnung zu einer konstruktiven Einheit vereinigt «rar,
einen Wert von 10-s Torr, d. h. die genannte Kombination stellt ein einheitliches
Gerät dar, das selbst bei Verwendung von Quecksilberdampf als Treibmittel, ohne
zusätzliche Kältemittel ein -absolut gemessenes - Hochvakuum von einmal 10-s Torr
zu erzeugen vermag.
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Vorzugsweise sollen die Zu- und Abführungsrohre zum Verdampfer möglichst
dünnwandig sein, aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen und mit Hilfe möglichst
dünnwandiger Wärmedrosseln durch die Wand des Fallengehäuses durchgeführt sein.
Desgleichen sollen im Raum zwischen Verdampfer und Gehäuse beliebige Flächen und
Schichten aus beliebigem gut wärmereflektierendem Material finit schlechter Wärmeleitfähigkeit,
z. B. aus metallisierten Glas-, Kunststoff- oder Keramikschichten. die einen Wärmeaustausch
durch Strahlung und Leitung zwischen Verdampfer und Gehäuse weitgehend unterdrücken,
vorgesehen sein.
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Als günstigste Form des Verdampfers haben sich zylindrische, ebene
oder konische Spiralen ergeben, die aus Kupfer-, Stahl- oder Aluminiumrohren gewickelt
wurden, durch die das - nach Möglichkeit unter Unterdruck - verdampfende Kältemittel
strömt. An diesen Verdampfer werden Kühlflügel- und Prallflächen beliebiger Form
und Größe gut wärmeleitend angesetzt, wobei Schraubenbändern, versetzten Kreissegmenten,
z. B. Systemen aus versetzten Ringen oder Scheiben mit gestaffelten Durchmessern,
nach den bisher ermittelten Erfahrungen der Vorzug zu geben ist, die bei möglichst
kleiner Herabsetzung des Strönningswiderstandes der Anordnung die Wahrscheinlichkeit
für eine ein- oder mehrfache Reflexion der Gasmoleküle erhöhen.
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An dieseln Verdampfer werden nach der Seite des Rezipienten, vor allem
aber nach der Seite der Pumpe hin, in direktem Wärmekontakt oder unter Zwischenschaltung
einer Wärmedrossel beliebiger an sich bekannter Art. Systeme von Kühlflügeln oder
Prallflächen beliebiger Art, Material und Form, insbesondere radial stehende, auf
einem Irreis angeordnete Streifen aus Metall. Blech, mit oder ohne Schraubendrall
- in lolgendein als Kühlkronen bezeichnet - so angeordnet, daß sie bis an den Saugspalt
der Diftisionspurnpe heran. ja in diesen hineinragen. und sich an ihrem vorderen
Ende durch Strahlung der Treibdüse oder Kopdensation beliebiger D'mpfe, vorzugsweise
des Treibdampfes der Pumpe so weit erwärmen, daß sich längs der Streifen ein beliebiges
Temperaturgefälle einstellt. Hierbei soll durch geeignete Dimensionierungen mit
an sich bekannten Mitteln die Temperaturverteilung in diesen Vorkühlern so gewählt
werden, daß die Temperatur der Streifen an ihrem vorderen. (lein @-erdainpfer ahgehehrten
Ende so hoch steigt, daß sie höher liegt als die Erstarrtingstemperatur des an ihnen
kondensierten Dampfes. Auf diese Weise wird der Fortschritt erreicht, (laß das,
Ausfrieren der Dämpfe bereits ain Saugspalt der Hochval;tiuinpulnpe geschieht und
sich in der Weise vollzieht, daß das flüssige Kondensat in die Pumpe ztirücktropft,
also in der Punipe kein Verlust an Treibsubstanz mehr eintritt. Gleichzeitig wird
die Rückdiffusion des Treil)dainpfes ins Hochvakuum praktisch a m Entstehungsort
unterdrückt, was sich für die Saugleitung der Pumpen, vor allein bei sehr großen
Pumpen, günstig auswirkt. Für die meisten Fälle genügt es, die Kühlkronen auf der
Rezipienten- und Pumpenseite vom tiefgekühlten Hauptverdampfer aus durch Wärmeleitung
zu kühlen.
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Bei zroßen Anlagen und erheblichen zti kondensierenden Dampfmengen
kann es günstig sein, die Kühlkronen in beliebiger Form aus Rohren herzustellen.
die mit beliebigen Prallflächen versehen an einem eigenen Kühlkreis angeschlossen
sind. der ihre Temperatur etwas oberhalb der Erstarrungsteinperatur des Kondensates
hält, so daß die kondensierte Flüssigkeit in beliebiger Weise frei abtropfen oder
mit beliebigen, an sich bekannten 'Mitteln aufgefangen und abgeführt werden kann.
Deshalb sind einige an Kühlkronen oder Verdampfern angesetzte Prall- oder Kühlflächen
so gestaltet, daß sie die Form tiefer Schalen - sogenannterKühlschalen - besitzen,
in denen sich Kondensate beliebiger Art ansammeln können und mit an sich bekannten
-'orrichtuligen, z. B. Tropfdüsen oder Ableitrohren aus schlecht wärmeleitendem
?Material. z_. B. Kunststoffschläuchen, versehen, welche das Kolidensat zu beliebigen
Auffanggefäßen führen, die innerhalb oder außerhalb des Hoch: alcutuns angeordnet
:ein können. Dies letztere ist vor allem dann zweckmäßig, wenn vom Rezipienten her
in größerer Menge Dämpfe strömen, die z. B. die Pumpe oder die Treibsubstanz schädigen
können oder als Produkt eines Prozesses gesammelt werden sollen.
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Auf diese Weise gelangt man zu Kühlern finit pumpen- und rezipientenseitig
stufenweisem oder stetigem
Temperaturanstieg, wobei an den beispielsweise
auf Temperaturen von +20 bis -30° gekühlten Teilen sich tropfbare Flüssigkeiten
mit einem der tiefen Temperatur entsprechenden niedrigen Dampfdruck niederschlagen
und nur der noch übrigbleibende Restdampf dann am kältesten Kühlerteil, z. B. am
Mittelteil bei -50 bis -100°, in fester Form zur Kondensation kommt. Da nach den
vorliegenden Untersuchungen mit ein- oder zweistufigen Kältemaschinen Kühlertemperaturen
von -60 bis -120° heute leicht erreichbar und über beliebige Zeit ohne Wartung kontinuierlich
aufrechterhalten werden können, gleichzeitig die Kühlkrone einen schädlichen Treibstoffverlust
der Pumpe über praktisch beliebige Zeit verhindert und eine Verschmutzung der Treibsubstanz
weitgehend unmöglich macht, so bildet die Kombination Hochvalsuumpumpe-Maschinenkühlfalle
ein Gerät, das auch unter sehr harten Bedingungen die wartungs- und nachschubfreie
Erzeugung und Aufrechterhaltung eine=. Hoch- oder Höchstvakuums über beliebig lange
zeit ermöglicht.
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Fig. 1 zeigt als Beispiel das Aufbauschema einer derartigen Anlage.
Es bedeutet 1 die Hochvakuumpumpe, 2 das Kälteaggregat, 3 die Diffusionsdüse der
Pumpe, a das Kühlfallengehäuse, 5 den Verdampfer, hier als Spiralrohr ausgeführt,
6 und 12 untere und obere Kühlschale zugleich Prallfläche, 9 und 11 die untere und
obere Kühlkrone, 15 eine weitere Kühlschale, die unter Zwischenschaltung eines wärmedrosselnden
:Materials 10 die obere Kühlkrone 11 trägt.
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Fig. 2 zeigt als Beispiel den Aufbau der Maschinenkühlfalle gemäß
vorliegender Erfindung. Es bedeutet 4 das Kühlfallengehäuse, 5 den Verdampfer als
konische Rohrspirale mit konischen, im Durchmesser gestaffelten Ringen als Prall-
und Kühlflächen, 7 und 3 clie Kältemittelzu- und -abführungen mit Wärmedros-:eln,
9 und 11 die untere und obere Kühlkrone, 10 eine Wärmedrossel, 13 eine Abflußv orrichtung
für das Kondensat der oberen Kühlkrone. 14 der Kühlfallenflansch, der es gestattet,
den Kühlfallendeckel mit angeschlossener Pumpe und Verdampfer von der Falle zu lösen,
nach unten abzusenken und für Reinigungs-und Reparaturmaßnahmen zugänglich zu machen.
Mit 6 und 12 sind die untere und die obere Kühlschale bezeichnet, während an der
weiteren Kühlschale 15 die obere Kühlkrone befestigt ist.
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Es können an beliebigen Stellen am Verdampfer in beliebiger Weise,
insbesondere in Behältern aus gut wärmeleitender Drahtgaze oder perforiertem Metallblech
beliebige physikalische Absorber oder chemisch aktive Stoffe, z. B. Silicagel oder
A-Kohle bzw. Erdalkalischichten oder Blattgold in beliebiger Menge angebracht sein,
die beliebige Gase oder Dämpfe absorptiv oder chemisch zu binden vermögen, so daß
(lies, verbunden mit der Kondensationswirkung des Kühlers, der Kühlfalle zusätzlich
die Eigenschaft einer rasch saugenden Pumpe für gewisse Gase und Dämpfe gibt.
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Desgleichen können im oder am Verdampfer beliebige an sich bekannte,
vorzugsweise elektrische Heizvorrichtungen vorgesehen sein, die es gestatten, die
Temperatur des Verdampfers, der angeschlossenen Prallflächen und der Absorber auf
beliebige Werte oberhalb -Null Grad. vorzugsweise auf ; 100 bis 200°, zu erhöhen.
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:1n beliebigen Stellen der Kühlfalle sollen ferner Ventile nach Art
leichter Plattenventile angeordnet sein, die gegenüber Druckdifferenzen von weniger
als 5 Torr weitgehend dicht schließen und durch temperaturabhängige Vorrichtungen
beliebiger Art, vorzugsweise durch Bimetallanordnungen, so gesteuert werden, daß
sie sich weitgehend schließen, wenn der Verdampfer warm ist, z. B. Raumtemperatur
besitzt, sich dagegen öffnen, wenn der Verdampfer seine Betriebstemperatur von -50
bis -100° erreicht, und damit eine großflächige Verbindung zwischen Pumpe und Rezipienten
erst dann herstellen, wenn die Kühlfalle voll in Betrieb ist und einwandfrei funktioniert.