DE1032469B - Treibdampf- und Diffusionspumpe - Google Patents

Treibdampf- und Diffusionspumpe

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DE1032469B
DE1032469B DEE11551A DEE0011551A DE1032469B DE 1032469 B DE1032469 B DE 1032469B DE E11551 A DEE11551 A DE E11551A DE E0011551 A DEE0011551 A DE E0011551A DE 1032469 B DE1032469 B DE 1032469B
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DE
Germany
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nozzle
steam
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pump
rings
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Pending
Application number
DEE11551A
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English (en)
Inventor
Basil Dixon Power
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Edwards High Vacuum Ltd
Original Assignee
Edwards High Vacuum Ltd
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Publication date
Application filed by Edwards High Vacuum Ltd filed Critical Edwards High Vacuum Ltd
Publication of DE1032469B publication Critical patent/DE1032469B/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04FPUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F9/00Diffusion pumps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Jet Pumps And Other Pumps (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2. Unvollständige Akkomodation der Dampfmoleküle infolge der Temperatur des Kondensdampfes an der gekühlten Wand beim ersten Auftreffen (das heißt unwirksame Kondensation).
  • 3. Verdampfung von Flüssigkeit an irgendwelchen nassen Stellen an der Außenseite oder den Lippen der Heißdampfdüsen.
  • 4. Die Überexpansion oder Überdivergenz des Dampfstrahles, wenn er aus der Düse tritt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 5 zeigt Abdeckringe, die gemäß der Erfindung an der ersten und zweiten Stufe einer Pumpe angebracht sind.
  • Fig. 6 veranschaulicht einen gekühlten zylindrischen Ring H in Anwendung bei einer nicht ringförmigen oder Ejektordüse I einer Pumpe.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Treibdampf- und Diffusionspumpe 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, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Abdeckringe (E, F, G) kegelstumpfförmig ausgebildet sind und der Abdeckring bzw. bei Anordnung mehrerer Abdeckringe der der Düse zunächst liegende Abdeckring (E) dicht an der Düse (D) angeordnet ist.
  2. 2. Treibdampf- und Diffusionspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckring die Form einer Kappe besitzt, die im Abstand über die die Düse bildende Kappe gestülpt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 175 083; schweizerische Patentschrift Nr. 144 942; britische Patentschrift Nr. 636 058. Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsches Patent N r. 947 191.
DEE11551A 1954-08-31 1955-08-29 Treibdampf- und Diffusionspumpe Pending DE1032469B (de)

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Cited By (1)

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DE1503702A1 (de) * 1965-03-11 1971-03-04 Norton Co Diffusionspumpe

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