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Treibdampf- und Diffusionspumpe Die Erfindung bezieht sich auf Treibdampf-
und Diffusionspumpen mit einer ringförmigen Düse zur Erzeugung des Dampfstrahles
und mit einem oder mehreren die Düse im Abstand umgebenden, in den aus der Düse
austretenden Dampfstrahl hineinragenden gekühlten Abdeckringen, wobei im Falle mehrerer
Abdeckringe der der Düse zunächst liegende das Dampfaustrittsende der Düse in Evakuierungsrichtung
überragt und die auf diesen Abdeckring folgenden Abdeckringe jeweils den vorhergehenden
Abdeckring in Evakuierungsrichtung überragen.
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Bei Dampfvakuumpumpen nach dem Kondensationsprinzip (sogenannte Booster-
und Diffusionspumpen) und gleichfalls nach dem Ejektorprinzip treten die Dampfstrahlen
über einen weiten Bereich in eine Gegend verhältnismäßig niedrigen oder sehr niedrigen
Gasdruckes aus.
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Mit solchen Dampfstrahlen geht eine gewöhnlich mit Rückströmen bezeichnete
Erscheinung einher, die auf das mehr oder weniger zufällige Rückwandern von Dampfmolekülen
aus der Gegend der Pumpenstufen entgegen der Pumprichtung zurückzuführen ist, und
zwar in größerer Anzahl als sie allein durch das Wiederverdampfen von Dampfmolekülen
an den gekühlten Pumpenwänden in einem der Wandtemperatur entsprechenden Ausmaß
zu erklären ist.
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Von den Faktoren, die zu diesem Rückströmen beitragen, seien folgende
genannt: 1. Das Zusammenstoßen von Dampfmolekülen in den Dampfstrahlen, das dazu
führt, daß gewisse Moleküle eine Geschwindigkeitskomponente in der Rückströmrichtung
annehmen.
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2. Unvollständige Akkomodation der Dampfmoleküle infolge der Temperatur
des Kondensdampfes an der gekühlten Wand beim ersten Auftreffen (das heißt unwirksame
Kondensation).
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3. Verdampfung von Flüssigkeit an irgendwelchen nassen Stellen an
der Außenseite oder den Lippen der Heißdampfdüsen.
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4. Die Überexpansion oder Überdivergenz des Dampfstrahles, wenn er
aus der Düse tritt.
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Das Rückströmen stellt ein Rückwandern von Dampfmolekülen in das System
dar, das durch die Dampfpumpe ausgepumpt wird, und zwar in einem Ausmaß, das das
theoretische Mindestmaß übersteigt, das heißt, das einem dem Sättigungsdruck bei
der Temperatur der gekühlten Wand der Pumpe genau gleichen Dampfdruck entsprechen
würde.
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Der Sättigungsdruck bei Systemtemperatur wird daher sehr wahrscheinlich
überschritten, und eine schwerfällige Kondensation des Pumpenflüssigkeitsdampfes
innerhalb des Systems, die zu einer Systemverschmutzung führt, dürfte die Folge
sein.
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Da das Rückströmen einen Schirm von Dampfmolekülen bildet, die sich
in einer zur normalen Pumpeinrichtung entgegengesetzten Richtung bewegen, wirkt
es sich ungünstig auf das Pumpen von Gasen aus, und zwar infolge des Zusammenstoßens
der rückströmenden Dampfmoleküle mit den sich vorbewegenden Gasmolekülen, das das
Wandern der Gasmoleküle in die Pumpenstufe verhindert.
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Dieser ungünstige Pumpeffekt ist in der Tat oft vernachlässigbar,
jedoch kann in den Fällen, wo eine beachtliche Überdivergenz des Strahles oder der
Strahlen der Pumpe einen der Faktoren bildet, die das Rückströmen bewirken, diese
Einwirkung auf die Pumpgeschwindigkeit sehr ins Gewicht fallen, indem der überdivergierende
Dampf, der auf die gekühlten Wände auftrifft und dort kondensiert, zum umgekehrten
Pumpvorgang kraftvoll beiträgt.
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Um die genannten Nachteile zu verringern, sind bereits verschiedene
Vorschläge bekanntgeworden, um das Rückströmen in einer Dampfvakuumpumpe zu verringern.
Nach den bekanntgewordenen Vorschlägen werden gekühlte Abdeckringe verwendet, die
in einem relativ großen Abstand von der Düse angeordnet sind. Diese Anordnung der
Abdeckringe ist bestimmt von der Form des Dampfstromes. Es hat sich gezeigt, daß
die bekanntgewordenen Vorschläge deswegen in der Praxis keine zufriedenstellenden
Ergebnisse gebracht haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu überwinden,
indem die Divergenz des Strahles oder der Strahlen der Pumpe reduziert wird.
Gemäß
der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der oder die Abdeckringe kegelstumpfförmig
ausgebildet sind und der Abdeckring bzw. -. bei Anordnung mehrerer Abdeckringe der
der Düse zunächst liegende Abdeckring dicht an der Düse angeordnet ist. Hierbei
kann der Abdeckring vorteilhaft die Form einer Kappe besitzen, die iin Abstand über
die die Düse bildende Kappe gestülpt ist. Durch die Erfindung wird es möglich, die
Form des Dampfstrahles einer Stufe der Pumpe zu regulieren, indem aus dem Strahl
die meisten der Dampfmoleküle ausgesondert werden, die eine zur Pumpeinrichtung
entgegengesetzt gerichtete Geschwindigkeitskomponente besitzen.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht.
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Fig. 1 und 2 zeigen diagrammatisch bekannte Formen von Dampfvakuuinpumpendüsen;
Fig. 3 veranschaulicht diagrammatisch die erwünschte Form eines aus der Düse gemäß
Fig. 2 ausgetretenen Dampfstrahles; Fig. =1, 5 und 6 zeigen in diagrammatischer
Darstellung Dampfpumpendüsen in der Ausführung gemäß der Erfindung.
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Ein Dampfstrahl, der aus der Düse einer Dampfvakuumpumpe in eine Gegend
niedrigen Druckes austritt, hat die Neigung, unter einem großen Winkel zu divergieren,
speziell wenn das Druckverhältnis sehr groß ist. Dies ist besonders bei den bekannten
organischen Pumpflüssigkeiten der Fall, bei denen die Dampfmoleküle groß und kompliziert
sind, so daß sich das Verhältnis der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck und
konstantem Volumen <lern Wert Eins nähert. Der Divergenzwinkelkann in der Tat
in vielen Fällen mehr als 180° betragen, -wie dies in den Fig. 1 a und 1 b gezeigt
ist, die den aus der Diise einer Kondensationspumpe bzw. einer Ejektorpunip: austretenden
Strahl veranschaulichen. Viel von dein überdivergierenden Teil des Dampfstrahles
trifft auf die nicht gezeigten gekühlten Pumpenwände und -wird auf dem normalen
Wege kondensiert. In bestimmten Fällen kann jedoch ein gewwisserTeil des überdivergierenden
Dampfes aus der Pumpenmündung entweichen und das Rückströmen auslösen. Eine Betrachtung
der Fig. 1 zeigt, daß jene Dampfmoleküle des Strahles. die als erste mit dem zu
fördernden Gas zusammentreffen, wenn es in die Pumpenstufe eintritt, eine Geschwindigkeitskomponente
in einer Richtung entgegengesetzt zur Förderrichtung besitzen. Der Anteil von Dampfmolekülen
mit solcher ungünstigen Geschwindigkeitskomponente wird noch weiter erhöht, -wenn
die Kondenswandung der Pumpe kegelstumpfförmig gestaltet ist, wie das bei _-1 in
Fig. 2 gezeigt ist, da diese Form die Hauptrichtung des zu fördernden Gases, wie
sie mit den Pfeilen ß angedeutet ist, im Hinblick auf den überdivergierenden Teil
des Dampfstrahles ungünstig ändert.
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Tatsächlich ist festzustellen, daß der Teil des Dampfstrahles, der
über einer Linie C, die senkrecht zur Pumpenwand verläuft und durch die Düsenlippe
hindurchgeht, wirksam wird, seine Pumptätigkeit in der umgekehrten Richtung ausübt.
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Unter dem Gesichtspunkt der Pumpwirkung, wenn die Gasmoleküle zur
Pumpenstufe hinwandern, ist selbst bei einem gutgeformten Dampfstrahl festgestellt
worden, daß ein Teil der Gasmoleküle ungünstigen Zusammenstößen mit Dampfmolekülen
ausgesetzt ist. so daß sie aus der Pumpenstufe zurückgetrieben -werden. Bei einem
überdivergierenden Strahl wird dieser Anteil beträchtlich erhöht. Indessen wird
die llelirzahl der Gasmoleküle auf eine ansehnliche Strecke in den Dampfstrahl eindringen
und so in der Richtung des Dampfstromes, d. h. zu der Wand der Pumpe hin; mitgerissen.
Die so durch den Dampfstrahl gegen die Wand _-1 mitgerissenen Gasmoleküle werden
das Bestreben haben, an ihr entlang sich fortzubewegen, und zwar entweder in oder
entgegengesetzt zur Pumprichtung, je nachdem sie auf der Niederström- oder Aufströmseite
der Linie C liegen. Diese entgegen der Pumprichtung getriebenen Gasmoleküle gelangen
an den Kopf der Pumpenstufe und müssen wieder erneut gefördert werden.
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Wenn der überdivergierende Teil des Dampfstrahles beseitigt werden
könnte, könnte die Puinpwirkung gesteigert werden, und auch die Gefahr, daß ein
Teil des Dampfstrahles aus der Pumpenmündung herausdringt, würde dadurch im wesentlichen
ausgeschaltet. Es ist in der Tat wünschenswert, eher mehr von dem Strahl wegzuschneiden
als den ausströmenden Teil, der von Linie C aus gesehen, wie es in Fig. 3 gezeigt
ist, um sicherzustellen, daß alle Dampfstrahlmoleküle eine positive Geschwindigkeitskomponente
in der Pumprichtung entlang der Puml>körperwand besitzen.
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Die vorerwähnten -Mittel zur Regulierung der Form des Dampfstrahles
einer Stufe einer Danipfvakuumpumpe weisen gewöhnlich eine oder mehrere hinreichend
gekühlte Abdeckringe auf. die die Düse des Dampfstrahles umgeben und zueinander
so angeordnet sind, daß sie den unerwünschten Teil des Dampfstrahles so zeitig wie
möglich nach dem "erlassen der Diisenöffnuiig auffangen und kondensieren und auch
jedwede Dampfmoleküle auffangen und kondensieren, die rückwärtig von der Außenfläche
oder Lippe der Düse verciampfeii oder als Ergebnis des Zusaninienstoßens mit anderen
Molekülen dicht an der Düse rückwärts zu wandern suchen.
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Eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindiiiig ist in Fig. d gezeigt,
bei der drei konzentrische wassergekühlte Abdeckringe E, F, G um die Düse D einer
Kondensationsdampfvakuumpumpe angeordnet sind. Die Abdeckringe können durch eine
hiililleittrtig oder sonstwie gekühlt sein. Der innerste Ring E reicht etwas unter
die Unterkante der Düse D und kondensiert den am höchsten überdivergierenden Teil
des Strahles und die sonstigen sieh in der unmittelbaren Nähe der Düse D rückwärts
bewegenden Dampfmoleküle. Der zweite Ring F ist durch einen Ringraum von dein Ring
E getrennt und reicht unter die Unterkante des Ringes E, um den überdivergierenden
Teil des Strahles, der unter dem Ring E hinaustritt, aufzufangen und zu kondensieren.
Der dritte Ring G ist gegenüber dein zweiten Ring 1' entsprechend angeordnet und
dient dazu, die Endforen des Strahles zu bestimmen. Selbstverständlich können weitere
Abdeckringe vorgesehen -werden, um den Strahl auch noch weiter entfernt von der
Düse zu formen, wo er weniger dicht ist und weniger die Tendenz hat, danach noch
zu divergieren.
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Die Abdeckringe E, 1', G sind vorzugsweise kegelstuinpfförinig gestaltet,
wie dies in Fig. -1 gezeigt ist, wobei die Neigung der Innenwände der Ringe gegenüber
der Achse der Düse D so gewählt ist, daß jedwedes Gas, welches von dem gefangenen
und durch die Abdeckringe kondensierten Dampf mitgerissen wird, durch den Dampfansturm
entlang den Innenwänden der Ringe in der Puniprichtung getrieben wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform erstreckt sich der obere Randteil
des innersten Ringes E nach oben hin über die Kappe der Düse D, um jedwede Verdampfung
an
der Außenseite oder Lippe der Kappe aufzufangen. In einem solchen Fall kann der
Ring E die Form einer zweiten Kappe besitzen, die der Kappe der Düse in entsprechendem
Abstand überlagert ist, wobei dann die Innenfläche der zweiten Kappe glänzend und
poliert ausgeführt wird, um den Strahlungsverlust von der Düse zu verringern.
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Es sei hier bemerkt, daß die Ahdeckringe nur Dampf kondensieren, der
eine geringe oder keine Vorwärtspumpwirkung zur Folge hat, d. h. also, nur der Arbeitsweise
der Pumpe schädlichen Dampf. Bei vielen Pumpen. die für einen großen Gasdurchsatz
bestimmt sind, ist der Strahl nicht geniigend divergent. um die Steuerung durch
die Abdeckringe zu benötigen, weil der Strahl nicht auf die Abdeckringe auftreffen
würde. Der Strahl kann nur außergewöhnlich divergieren, wenn über der Pumpe ein
niedriger Druck erreicht ist; unter solchen niedrigen Druckbedingungen sind durch
die Benutzung eines einzigen Abdeckringes Pumpgeschwindigkeitssteigerungen von über
60% sowie eine Reduzierung des Rückströmens bis zu 98% erzielt worden.
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Fig. 5 zeigt Abdeckringe, die gemäß der Erfindung an der ersten und
zweiten Stufe einer Pumpe angebracht sind.
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Fig. 6 veranschaulicht einen gekühlten zylindrischen Ring H in Anwendung
bei einer nicht ringförmigen oder Ejektordüse I einer Pumpe.
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Es ist einleuchtend, daß die Endform des Strahles durch die Formgebung,
Lage und Anzahl der Abdeckringe bestimmt ist und daß es möglich ist, durch geeignete
Formgebung des Strahles die Düse über der Mündung der Pumpe anzuordnen und alle
jene Dampfmoleküle mittels Abdeckringen aufzufangen und zu kondensieren, die normal
aus dem Strahl über die Oberfläche der Kondenswand der Pumpe strömen würden.
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Abdeckringe, wie sie beschrieben worden sind, sind besonders vorteilhaft
bei Dampfpumpen anzubringen, bei denen Dampf mit komplizierten Molekülen Verwendung
findet, deren Strahlen am stärksten divergieren. Sie können indessen auch mit günstigen
Ergebnissen bei sämtlichen Arten von Dampfvakuumpumpen einschließlich der quecksilber-
und dampfbetätigten Pumpen Anwendung finden.
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Um den überdivergierenden Teil des Strahles abzufangen, reichen die
Abdeckringe unter das untere Ende der Düse und dienen so einer ganz anderen Funktion
als die üblichen Prallflächen, die dazu vorgesehen sind, um das jeweilige Rückwärtswandern
von Molekülen zu verhindern.
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Die Abdeckringe nach der Erfindung können völlig unabhängig von irgendwelchen
Prallflächensysteinen Verwendung finden; wenn sie jedoch bei einer Pumpe mit üblichen
Prallflächen benutzt werden, tragen sie in großem Maße dazu bei, die Belastung der
Prallflächen zu reduzieren.
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Bei einer weiteren Abänderung der in Fig. 4 gezeigten Anordnung ist
das Dampfrohr an der Düse, die eine zylindrische Kappe aufweist, aufgeweitet; der
Ring E der Fig. 4 erhält die Form einer zweiten zylindrischen Kappe, die der Düsenkappe
in entsprechendem Abstand überlagert ist. Diese Anordnung macht es möglich, die
Düse außerhalb der Pumpenmündung anzuordnen.