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Einrichtung zum serienweisen Evakuieren von Rezipienten Bei der Evakuierung
von Rezipienten mittels Öldampfpumpen treten wegen der bekannten Empfindlichkeit
der als Treibmittel verwendeten organischen Pumpenöle gegen Lufteinbrüche in die
betriebsbereite heiße Pumpe Schwierigkeiten auf. Es ist nicht völlig geklärt, ob
diese Schwierigkeiten auf die Oxydation des Treibmittels bei Berührung mit dem Sauerstoff
der Luft oder auf Erhöhung der Siedetemperatur durch den Luftdruck - wobei höhere
Temperatur die Zersetzung beschleunigt - zurückzuführen sind. Es galt jedenfalls
bisher als feststehende technische Regel, Lufteinbrüche in die heiße Pumpe sorgfältig
zu vermeiden.
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Es ist bekannt, zu diesem Zweck das heiße Betriebsmittel vor Luftzutritt
abzukühlen, wofür in das Ölbad eingebaute Ölschlangen dienen können. Dieses Verfahren
hat aber den Nachteil großen Energieverbrauches. Um zu vermeiden, daß der heißen
Pumpe größere Mengen von Luft zugeführt werden, baute man bisher allgemein sogenannte
Ventilblöcke, welche zumeist drei oder vier Vakuumventile und entsprechende Anschlüsse
zu einem Ganzen vereinigen und gestatten, an den Rezipienten wahlweise entweder
nur die mechanische Vorvakuumpumpe unter vollständiger Absperrung der heißen Öldampfpumpe
zwecks Vorevakuierung anzuschließen oder - für die Hauptevakuierung - die mechanische
Vorpumpe und die Dampfpumpe in Reihe geschaltet mit dem Rezipienten zu verbinden.
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Ventilblöcke sind kostspielig; in besonderen Fällen sind sie praktisch
unzulässig, z. B. bei Pumpautomaten für Elektronenröhren aller Art und für Glühlampen,
wenn auf einem sogenannten Karussell eine Vielzahl von voneinander auch bezüglich
der Vorpumpen unabhängigen, bewegten Pumpstationen aufgebaut werden soll. Wollte
man jede Pumpstation mit einem eigenen Ventilblock versehen, dann würde die Anordnung
zu schwer, um im Rhythmus des Arbeitsganges beschleunigt und gebremst werden zu
können. Eine unwirtschaftliche Verlängerung der für die Weiterbewegung des Karussells
erforderlichen Leerzeiten wäre die Folge. Außerdem würde es einen großen Aufwand
bedeuten, alle diese Ventile richtig zu steuern.
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Man ist daher teilweise bereits dazu übergegangen, in solchen Einzelfällen
auf den Schutz des Treibmittels vor Lufteinbrüchen, welche insbesondere während
des Wechsels der Rezipienten bei serienweiser Evakuierung auftreten, zu verzichten,
und nahm lieber die Gefährdung des Treibmittels in Kauf. Es wurde beobachtet, daß
das Treibmittel wieder allmählich regeneriert, wenn die Lufteinbrüche nicht zu häufig
sind und nicht zu lange dauern. Überraschenderweise ergab sich sogar, daß eine gewisse
Menge Luft, der heißen laufenden Pumpe durch Lufteinbruch von Zeit zu Zeit zugeführt,
das Endvakuum erheblich verbessern konnte, und es wurde vermutet, daß diese überraschende
Verbesserung auf die Oxydation vonTreibmittelkomponenten mit hohem Dampfdruck zurückzuführen
ist, welche dadurch zu permanenten Gasen abgebaut und dann von der Pumpe abgesaugt
werden.
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Die Erfindung hat sich auf Grund dieser Erkenntnis zur Aufgabe gesetzt,
eine neue Einrichtung zum serienweisen Evakuieren von Rezipienten, z. B. von Fernsehröhren,
zu schaffen. Es ist zwar bereits bekanntgeworden, bei einer Diffusionspumpe, der
eine Vorvakuumpumpe vorgeschaltet ist, an einer von der Saugleitung abgesperrten
Stelle des Pumpenraumes Luft einzuleiten (Gasballastverfahren). Doch wird dem Sinn
des Gasballastverfahrens gemäß der laufenden Pumpe nur so viel Ballastgas, insbesondere
Luft, zugeführt, daß die Kondensation von abzupumpenden Dämpfen in der Pumpe sicher
vermieden wird, wobei die Ballastgasmenge, wenn das Verfahren bei Diffussionspumpen
angewendet wird, die Saugleistung derselben natürlich nicht überschreiten darf,
weil sonst die Pumpwirkung zusammenbrechen würde. Der völlig andersartigen Zielsetzung
entsprechend gibt daher das bekannte Gasballastverfahren eine von der Lehre der
vorliegenden Erfindung völlig abweichende Anweisung darüber, wie groß die zuzuführende
Luftmenge bemessen werden soll. Nach dem Gasballastverfahren ist die notwendige
Ballastgasmenge nach dem Gesichtspunkt der maximal zulässigen Kompression der mit
Dämpfen vermischten abzupumpenden Gase zu ermitteln. Wenn in den abzupumpenden Gasen
keine kondensierbaren Dämpfe enthalten sind, ist es unzweckmäßig, Ballastgas in
die Pumpe einzuleiten, weil es in diesem Falle nur belasten würde.
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Nach Vorschlag der Erfindung ist eine Einrichtung zum serienweisen
Evakuieren von Rezipienten - z. B. von Fernsehröhren -, welche einen Pumpstand mit
Öldiffusionspumpe und vorgeschalteter Vorpumpe und ein Plattenventil zwischen Diffusionspumpe
und Rezipienten umfaßt, wobei das Vorevakuieren der Rezipienten durch die betriebsbereite,
heiße Diffusionspumpe hindurch erfolgt, so daß bei der Vorevakuierung jedes einzelnen
Rezipienten
der heißen Diffusionspumpe eine bestimmte Luftmenge
zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Anschluß des Rezipienten dienende
Teil des Anschlußstutzens über dem Plattenventil unter Berücksichtigung des Rauminhaltes
der zu evakuierenden Rezipienten so bemessen ist, daß bei der Vorevakuierung jedes
einzelnen Rezipienten der heißen Diffusionspumpe jedesmal gerade diejenige Luftmenge
zugeführt wird, die erfahrungsgemäß das niedrigste Endvakuum ergibt, welche Luftmenge
je nach Art des Betriebsmittels der Größe und Konstruktion der Pumpe und je nach
dem zeitlichen Intervall, mit dem die einzelnen Lufteinbrüche aufeinanderfolgen,
ungefähr so viel Liter von Atmosphärendruck beträgt, als die Saugleistung der Pumpe
in Liter pro Sekunde bei Arbeitsdruck (Hochvakuum) angibt.
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Die Erfindung hat nicht speziell das Abpumpen von mit Dämpfen versetzten
Gasen zum Ziel, und gemäß der Lehre der Erfindung ist die Luftmenge, die einmalig
bei jedem Vorevakuieren eines Rezipienten der laufenden Pumpe zuzuführen ist, nicht
nach dem Gesichtspunkt einer Kondensationsverhinderung zu bemessen. Die Erfindung
gibt eine Anweisung, wie die bisher beim Vorevakuieren von Rezipienten durch die
heiße Diffusionspumpe hindurch als unvermeidbarer Nachteil empfundene Berührung
des heißen Betriebsmittels mit größeren Mengen atmosphärischer Luft vorteilhaft
dazu benutzt werden kann, um sogar noch eine Verbesserung des Endvakuums zu erreichen,
während bisher mangels einer Regel zur richtigen Bemessung der zuzulassenden Luftmenge
bei einer Betriebsweise, bei der das Vorevakuieren durch die heiße Diffusionspumpe
hindurch erfolgt, stets eine fortwährende Verschlechterung des Treibmittels und
damit des Endvakuums durch die periodischen Lufteinbrüche befürchtet werden mußte.
Durch die Erfindung ist es möglich, die Nachteile periodischer Lufteinbrüche sicher
zu vermeiden, was sich besonders beim serienweisen Evakuieren von Rezipienten betriebswirtschaftlich
günstig auswirkt. Überraschenderweise tritt bei einer solchen Einrichtung nach der
Erfindung das befürchtete Verderben der Treibmittelfüllung nicht auf, und man hat
dabei den Vorteil, daß außer dem genannten Plattenventil und einem etwaigen Flutventil
alle sonstigen, bisher erforderlichen Ventile, die in einem Ventilblock zusammengefaßt
werden mußten, entfallen können. Es ist kein Ventilblock mehr erforderlich, weil
das als einziges dem Pumpenzyklus entsprechend periodisch zu betätigende Plattenventil
unmittelbar im Verbindungsrohr zwischen Pumpe und Rezipienten untergebracht und
der der Betätigung dienende, durch die Wand des Rohres vakuumdicht hindurchgeführte
Hebel an demselben leicht befestigt werden kann.
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Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird somit eine bedeutende Vereinfachung
des Aufbaues von Vakuumpumpständen für serienweises Evakuieren von Rezipienten,
z. B. von Fernsehröhren, erzielt. Zugleich ergibt sich eine Verbesserung der Betriebseigenschaften
der Pumpe, vor allem des Endvakuums, wie unten angeführte Messungen gezeigt haben.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau bisher üblicher Pumpstände mit
vier Ventilen; Fig. 2 zeigt einen Pumpstand nach der Erfindung. Bei allen bisher
verwendeten Pumpständen waren meist eine Diffusionspumpe 1, ein Vorvakuumbehälter
2, eine Vorpumpe 3, ein Ventil 4 zwischen Diffusionspumpe und Vorpumpe, ein Ventil
5 zwischen Vorpumpe und Rezipienten und ein Ventil 6 zwischen Diffusionspumpe und
Rezipienten und meist auch ein Flutventil 7 vorgesehen. Der Vakuumbehälter 2 und
die Ventile 4, 5, 6 und 7 wurden häufig zu einem Ventilblock zusammengefaßt, welcher
entsprechende Anschlüsse für den Rezipienten 8 und für Vor- und Hochvakuumpumpe
aufwies. Gegenüber einer Einzelanordnung der genannten Ventile hat ein Ventilblock
den Vorteil größere Übersichtlichkeit und leichterer Bedienbarkeit. Um jedoch eine
sichere und fehlerfreie Bedienung auch von Seiten nicht geschulten Personals sicherstellen
zu können, ist es notwendig, die einzelnen Ventile miteinander so zu koppeln, daß
die richtige Reihenfolge der Umschaltungen automatisch zustande kommt. Da ein Ventilblock
ein massives Gehäuse aufweist, ergeben sich geringere Dichtungsschwierigkeiten als
bei einer Anordnung, bei der alle Ventile und Leitungen aus getrennten Aufbauteilen
zusammengefügt sind, welche gedichtet werden müssen.
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Die Nachteile dieser Ventilblöcke liegen aber in großem Platzbedarf,
in der Kostspieligkeit und dem Gewicht. Wenn Pumpautomaten mit einer größeren Anzahl
von Pumpstationen aufgebaut werden sollen, wirken sich diese Nachteile ganz besonders
aus. Als weitere Umständlichkeit tritt dann noch die etwaige automatische Steuerung
der Vielzahl von verschiedenen Ventilen hinzu.
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Demgegenüber ist ein Pumpstand nach der Erfindung wesentlich vereinfacht,
wie ein Beispiel gemäß Fig. 2 zeigt. In Fig. 2 ist die Diffusionspumpe mit 11, die
Vorpumpe mit 12, die Verbindungsleitung zwischen den beiden Pumpen mit 13, die Verbindungsleitung
zwischen Diffusionspumpe und Rezipienten mit 14, der Rezipient mit 15 und die Ventilplatte
des Ventils zwischen Diffusionspumpe und Rezipienten mit 16 bezeichnet. Die mit
Dichtung versehene Ventilplatte kann durch einen Hebel 17, welcher mittels eines
Faltenbalges 18 in an sich bekannter Weise vakuumdicht durch Wandteil 19 des Verbindungsrohres
14 hindurchgeführt ist, betätigt werden. Zweckmäßigerweise ist Wandteil 19 als Platte
ausgebildet, welche an einen kurzen Seitenstutzen 20 des Verbindungsrohres 14 angeflanscht
wird.
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Der Hebel 17 kann durch eine Kurvenscheibe 21 im Rhythmus des Pumpzyklus
betätigt werden. Damit beim Öffnen des geschlossenen Ventils gegen Atmosphärendruck
der Ventilteller 16 ohne allzu großen Kraftaufwand vom Ventilsitz abgehoben werden
kann, ist ein kleines Hilfsventil, bestehend aus Ventilplatte 22, Feder 23 und Führungsbolzen
24 mit Anschlag 25 in der Fig. 2 dargestellten Anordnung vorgesehen. Hebel 17 ist
mit dem Ventilteller 22 gelenkig verbunden. Diese Einrichtung bewirkt, daß bei Betätigung
des primär am Ventilteller 22 und an dem damit fest verbundenen Bolzen angreifenden
Hebels 17 zuerst nur das kleine Hilfsventil geöffnet wird und somit Luft in die
Pumpe einströmen kann. Dadurch wird der größere Ventilteller 16 vom Luftdruck entlastet
und kann ohne besondere Kraft durch die weitere Betätigung des Hebels 17 abgehoben
werden, wobei Anschlag 25 bzw. die Feder 23 den Ventilteller 16 mitnimmt. Das zusätzliche
Hilfsventil hat weiter den Vorteil, daß die Geschwindigkeit der in die Pumpe einströmenden
Luft so gedrosselt wird, daß kein nennenswertes Mitreißen von Öltröpfchen aus der
Öldampfpumpe in den Vorvakuumstutzen erfolgt und daher auf besondere Abscheidevorrichtungen
zwischen Diffusionspumpe und Vorvakuumpumpe verzichtet werden kann. Die geöffnete
Ventilplatte 16 kann zugleich als Auffänger für die aus der Diffusionspumpe in den
Rezipienten zurückströmenden Öldampfmoleküle dienen, so daß besondere Ölkondensatoren
meist entbehrlich sind.
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Um den Rezipienten nach Evakuierung wieder öffnen zu können, z. B.
um eine Fernsehröhre von der Röhrenpfeife (wie in diesem Falle die Verbindungsleitung
zwischen Hochvakuumpumpe und Rezipienten genannt wird) abziehen zu können, ist,
wie schon bisher üblich, ein Flutventil
26 angeordnet, welches
nach Wunsch, z. B. bei automatischen Pumpständen ebenfalls durch eine Kurvenscheibe,
betätigt werden kann. Die Leitung zwischen Flutventil 26 und dem zu evakuierenden
Raum ist mit 27 bezeichnet. In der praktischen Ausführung werden zweckmäßigerweise
Flutventil und Kurvenscheiben für Flutventil und Hebel 17 am Verbindungsrohr 14
bzw. an der Platte 19 montiert. In der Fig. 2 sind sie der Übersichtlichkeit
wegen getrennt gezeichnet worden.
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Die Wirksamkeit einer Einrichtung nach der Erfindung im Hinblick auf
die Verbesserung des Endvakuums wird durch folgendes vergleichendes Experiment erwiesen:
Es wurde zunächst mit einer bestimmten Diffusionspumpe (Saugleistung 1001/sec) und
unter Verwendung eines normalen, vorher auf absolute Dichtigkeit geprüften Ventilblockes,
wie er in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, eine große Fernsehröhre im üblichen
Arbeitszyklus evakuiert, d. h., es wurde zuerst bei geöffnetem Ventil 5 und geschlossenen
Ventilen 4 und 6 die Vorevakuierung und anschließend bei geöffneten Ventilen 4 und
6 und geschlossenem Ventil 5 die Hauptevakuierung bis zum erreichbaren Endvakuum
- in diesem Falle 10-5 Torr -durchgeführt. Bevor das Vakuum durch Einlaß atmosphärischer
Luft im Rezipienten wieder aufgehoben wurde, wurde jedesmal - um das heiße Betriebsmittel
in der Pumpe vor Luftzutritt zu schützen - Ventil 6 geschlossen. Nach dem Fluten
wurde der Rezipient abgezogen und von neuem aufgesetzt, um den Arbeitsvorgang nachzuahmen,
wie er beim serienweisen Evakuieren auf Pumpautomaten gegeben ist. Die neuerliche
Evakuierung erfolgt in gleicher Weise wie beschrieben. Wie ersichtlich, mußten bei
jedem Arbeitszyklus vier Ventile in richtiger Reihenfolge mehrmals betätigt werden.
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In einem zweiten Versuch wurden dieselbe Diffusionspumpe und dieselbe
Vorvakuumpumpe benutzt und zusammen mit einem Verbindungsrohr mit eingebautem Plattenventil,
wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ein Pumpstand nach der Erfindung aufgebaut. Das
verwendete Verbindungsrohr war in seinen Dimensionen (Rauminhalt) gerade so abgestimmt,
daß es zusammen mit dem zu evakuierenden Rezipienten ein Volumen von ungefähr 1001
ergab, da in einem Vorversuch mit Rezipienten wechselnder Größe bereits ermittelt
worden war, daß für die gerade verwendete Diffusionspumpe diese Luftmenge, etwa
alle 10 Minuten der Pumpe zugeführt, das beste Endvakuum ergab. Bei diesem erfindungsgemäßen
Pumpstand erfolgte sowohl die Vorevakuierung als auch die Hauptevakuierung durch
die laufende heiße Diffusionspumpe hindurch. Lediglich vor dem Abziehen des Rezipienten
vom Pumpstand wurde das Plattenventil jedesmal geschlossen, um zu verhindern, daß
atmosphärische Luft in undosierter Menge mit dem heißen Betriebsmittel in Berührung
kam. Nach neuerlichem vakuumdichtem Aufsetzen des Rezipienten wurde das Plattenventil
für die Vorevakuierung wieder geöffnet, und es strömte also jedesmal eine durch
den Rauminhalt des Rezipienten und des Verbindungsrohres bestimmte Luftmenge in
die heiße Diffusionspumpe ein. Diese Luft führt - nach gegenwärtiger Anschauung
- zu einer Oxydation leichtflüchtiger Komponenten des Betriebsmittels, die auf diese
Weise zu niedermolekularen Gasen abgebaut und von der laufenden Pumpe abgesaugt
werden. Diese laufende Beseitigung flüchtiger Bestandteile durch periodisch mit
bestimmten Zeitabständen erfolgende Lufteinbrüche hat eine beachtliche Verbesserung
des Endvakuums zur Folge, was sich im vorbeschriebenen Versuch darin zeigte, daß
nunmehr Werte von 10-6 Torr sicher und im Dauerbetrieb erreicht wurden.
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Wie aus dem Beispiel hervorgeht und schon weiter oben erläutert wurde,
kann die im Einzelfalle optimale Luftmenge nicht allgemein angegeben, sondern nur
durch Vorversuche bestimmt werden. Dieses optimale Luftvolumen hängt von der Größe
der Pumpe, von der Menge und Art des darin enthaltenen Betriebsmittels und von der
Saugleistung der Pumpe ab, welche bestimmt, wie lange bei der Vorevakuierung die
Berührung zwischen Luft hohen Druckes und heißem Betriebsmittel andauert. Weiter
hängt das optimale Volumen noch wesentlich ab von der Konstruktion der Pumpe und
dem zeitlichen Intervall, mit dem die einzelnen Lufteinbrüche aufeinander folgen.
Dieses Intervall ist von Fall zu Fall nach Art des durchzuführenden Pumpprozesses
verschieden. So kann das optimale Volumen nur für den jeweiligen Einzelfall, z.
B. für das Evakuieren von Fernsehröhren bestimmter Größe, mit bestimmten Pumpständen
festgelegt werden. Aus diesem Grunde hat die vorliegende Erfindung ihre vorwiegende
Bedeutung für das serienweise Evakuieren von Rezipienten von ungefähr gleichbleibender
Größe und ungefähr gleichbleibender Zahl der Lufteinbrüche pro Stunde. Diese vorgenannten
Bedingungen müssen jedoch nicht streng eingehalten werden, da der Bereich der Volumina,
bei deren Einhaltung gute Ergebnisse erzielt werden können, breit ist. Eine wesentliche
Verschlechterung des Endvakuums tritt dann ein, wenn von dem ermittelten optimalen
Volumen besonders nach oben stark abgewichen wird. Als brauchbare Regel für die
ungefähre Bemessung des Gesamtvolumens (Rezipient plus Anschlußstutzen) über dem
Plattenventil, hat sich ergeben, daß dieses ungefähr so viel Liter betragen soll,
als die Saugleistung der verwendeten Pumpe in Liter pro Sekunde bei ihrem Arbeitsdruck
(Hochvakuum) angibt; bei einer Pumpe mit einer Saugleistung von 50, 100, 2501 pro
Sekunde wird also das optimale Gesamtvolumen ungefähr 50, 100, 250 usw. 1 betragen.
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Die Ermittlung des optimalen Volumens wird zweckmäßigerweise so durchgeführt,
daß bei einem vorhandenen Pumpstand nach Art der Erfindung serienweise Evakuierungen
mit Rezipienten wechselnder Größe probeweise durchgeführt werden, wobei die Versuchsanordnung
in bezug auf Pumpenart, Treibmittel, Pumpzeit, Arbeitszyklus den beabsichtigten
Evakuierungsgang für Produktionszwecke möglichst genau nachahmen soll. Man erhält
aus einer solchen Versuchsserie für einen Proberezipienten bestimmten Volumens das
beste Endvakuum und ist also in der Lage, daraus das optimale Gesamtluftvolumen
für den beabsichtigten Zweck als Summe der Volumina von Verbindungsrohr und Proberezipienten
zu berechnen. Aus dem Gesamtvolumen ergibt sich das Volumen des für ein bestimmtes
zu evakuierendes Gefäß am besten geeigneten Verbindungsrohres.