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Mittels Treibdampf arbeitende Vakuumpumpe Die Erfindung bezieht sich
auf eine mittels Treibdampf arbeitende Vakuumpumpe.
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Die bekannten mittels Treibdampf arbeitenden Vakuumpumpen besitzen
meist ein aufrecht stehendes Pumpengehäuse. welches an seinem oberen Ende eine Ansaugöffnung
besitzt. an die die zu evakuierenden Teile angeschlossen werden können. In gewisser
Entfernung von der Ansaugöffnung befindet sich die Auslaßöffnung. wo die Förderung
der Gase zum Vorvakuum hin stattfindet. Der Boden des Pumpengehäuses bildet einen
Boiler, der eine bestimmte Menge der zu verdampfenden Flüssigkeit aufnimmt, deren
Dampf innerhalb des Gehäuses durch ein Steigrohr nach oben gefördert wird. Das Steigrohr
leitet den Dampf zu einer oder mehreren Düsen, die koaxial innerhalb des Gehäuses
angeordnet sind und so geformt sind, daß sie den Dampf von der Ansaugöffnung weg
zum Vorvakuum hinleiten. Hier wird das geförderte Gas durch die Vorpumpe abgesaugt.
Die mit Treibdampf arbeitenden Vakuumpumpen besitzen ihre größte Leistung bei verhältnismäßig
niedrigen Drücken, d. h. bei Drücken, die weniger als 1 mm Quecksilber betragen.
Darum ist auch eine Vorpumpe nötig, um diesen niedrigen Druck zu erzeugen.
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Ein Nachteil der mittels Treibdampf arbeitenden Vakuumpumpen ist es.
daß das üblicherweise organische Treibmittel sich leicht oxydiert oder zersetzt,
wenn es der normalen Atmosphäre ausgesetzt ist, da dann die zur Verdampfung notwendige
Temperatur stark ansteigt. Aus diesem Grund müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen
werden, um Schäden an der Pumpflüssiakeit zu vermeiden. sowie sie der Luft bei solchen
Drücken ausgesetzt wird, die wesentlich höher liegen als der normale Arbeitsbereich
der Pumpe.
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Oft werden solche Vakuumpumpen in einen Arheitsprozeß eingeschaltet.
bei dem sich bestimmte Arbeitsvorgänge zvklisch wiederholen. Ein solcher Vorgang
ist es z. B., wenn die Pumpe mit einem zu evakuierenden Teil. z. B. einer Radioröhre,
verbunden. dann der Druck durch die Vorpumpe vermindert und die Pumpflüssigkeit
erhitzt wird. Danach beginnt die Pumpe zu arbeiten und evakuiert das angeschlossene
Teil. Ist dieses Teil genügend weit evakuiert, dann wird dieses Teil abgeschmolzen
oder anderweitig gegeniiber der Atmosphäre abgedichtet. Nach Ab-1ziifhlen der Temperatur
der Pumpflüssigkeit auf einen bestimmten Wert wird die Pumpanlage geflutet. Dann
wird ein anderes, zu evakuierendes Teil an die Pumpe angeschlossen und der Arbeitsgang
wiederholt.
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In vielen Fällen werden Ventile verwendet, um die Vnl;uumpumpe von
der Atmosphäre während der Zeit abzuschließen, in der das evakuierte Teil gewechselt
wird. Dadurch wird vermieden, daß ein Abkühlen der Pumpflüssigkeit notwendig ist,
denn sie braucht dann nicht hei jedem Arbeitsgang dein Atmosphärendruck ausge setzt
zu werden. Indessen hat sich gezeigt, daß durch Fehler in der Bedienung der Ventile
häufig ein Verlust an wertvoller Pumpflüssigkeit und auch ein Verlust an Arbeitszeit
der Pumpe auftritt. Aus diesem Grunde bevorzugt man ventillose Systeme und Maßnahmen,
um die Pumpflüssigkeit von der notwendigen hohen Arbeitstemperatur bis auf eine
vorher bestimmte ungefährliche Temperatur abzukühlen, bevor sie der Atmosphäre ausgesetzt
wird.
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Ein zur Herabsetzung der Temperatur der Pumpflüssigkeit häufig benutztes
Verfahren besteht darin, die Heizung des Boilers abzuschalten und abzuwarten, bis
sich die Pumpflüssigkeit auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt hat. Ein anderes
Verfahren sieht Kühlschlangen vor, die um das Äußere des Pumpgehäuses herum angeordnet
sind und sich in der Nähe des Boilers befinden. Wenn die Pumpflüssigkeit abgekühlt
werden soll, wird eine Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, durch die äußeren Kühlschlangen
so lange hindurchgeleitet, bis die Pumpflüssigkeit eine ungefährliche Temperatur
erreicht hat. Diese beiden Kühlmerhoden .haben den Nachteil, daß eine verhältnismäßig
lange Zeit notwendig ist, um die Temperatur der Flüssigkeit auf einen zulässigen
Wert herabzusetzen. Außerdem wird bei diesen Methoden die ganze Pumpflüssigkeit
abgekühlt und dadurch die Zeit verlängert,
die notwendig ist, um
die Pumpflüssigkeit wieder auf ihre Arbeitstemperatur zu bringen. Diese bisher benutzen
Methoden der Kühlung sind deswegen zeitraubend und setzen die Leistung der benutzten
Vakuumanlage herab.
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Es ist ferner eine Treibdampf- und Diffusionspumpe mit einem oder
mehreren im flüssigen Treibmittel liegenden und zu seiner Heizung dienenden Rohren
vorgeschlagen worden, bei der die Rohre wahlweise zum Heizen oder Abkühlen benutzbar
und die Rohrenden des Heiz- und Kühlsystems aus dem Verdampfergefäß nach außen heraus
geführt sind. Bei dieser Einrichtung ist aber ein wesentlicher Nachteil darin gegeben,
daß bei Benutzung der Rohre zum Kühlen die Heizung abgeschaltet, also zunächst deren
@Z'ärineiiihalt und dann erst der Wärmeinhalt der zu kühlenden Pumpflüssigkeit abgeführt
werden muß. Die Kühlung der Pumpflüssigkeit findet daher mit einer gewissen. oft
aber entscheidenden Zeitverzögertnlg statt.
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In der Erfindung wird eine mittels Treibdampf arbeitende Vakuumpumpe
vorgeschlagen. bei der die zu verdampfende Treib- oder Pumpflüssigkeit sich in einem
beheizten Boiler befindet, der durch ein Dampfsteigrohr mit einer oder mehreren
Düsen in Verbindung steht. Gemäß der Erfindung ist in das Innere des Boilers eine
Kühlleitung hineingeführt, deren Einlaß und Auslaß sich außerhalb des Pumpenkörpers
befinden. Damit kann die Pumpflüssigkeit beim Einführen des Kühlmittels schnell
abgekühlt werden. Vorzrgsweise wird das Kühlmittel so zugeführt und die Kühlleitung
so angeordnet, daß die Kühlung nur in dem oberen Teil der Pumpflüssigkeit stattfindet,
d. h. in dem Teil, der beim Fluten der Atmosphäre ausgesetzt ist. Auf diese Weise
wird die Pumpflüssigkeit @@d°r nur der wesentliche Teil der Pumpflüssigkeit soweit
erforderlich schnell abgekühlt. Wird nur ein Teil der Flüssigkeit abgekühlt, so
wird die Arbeitstemperattir wieder sehr schnell erreicht, und der Arbeitszyklus
kann sich dadurch sehr oft wiederholen.
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Die als Kühlschlange geformte Kühlleitung kann als eine horizontal
liegende, flache Spirale ausgebildet sein. Diese kann im Bereich der Oberfläche
oder nahe oberhalb oder unterhalb der Oberfläche der zu verdampfenden Treibflüssigkeit
angeordnet sein.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt einer mit Treibdaninf arheitenclen Vakuumpumpe.
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Fit. 2 einen Querschnitt durch Fig. 1 oberhalb des Boiler:. und Fig.3
einen graphischen Vergleich der Arbeitszeit einer Z"alctittmpume. die eine innere
Kühlmöglichkeit gemäß der Erfindung besitzt, mit der Arbeitszeit einer Pumpe ohne
die Kühlmöglichkeit gemäß der Erindiiii#g.
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Die mittAs Treibdampf arbeitende Vakuumpumpe 1 besitzt tin aufrecht-
stehendes zylindrisches Pumpengehäuse 2, flas an seinem oberen Ende offen ist und
eine Aiis^ugöffnting 3 bildet. Diese ist mit einem nach außen gerichteten Flansch
4 versehen, um die Ansauge8ffnung 3 an einen nicht dargestellten zu evakuierenden
Teil anzuschließen. Eine Vorvakuumleitung 5 ist an dem Pumpengehäuse 2 seitlich
angeschlossen. Der erste Abschnitt 6 der Vorvakuumleitung 5 ist nach außen und oben
gerichtet und trägt <las untere Ende des vertikalen Rohrteiles 7. Dieser ist
mit seinem oberen Ende an einen horizontalen Abschnitt 8 angeschlossen. An diesem
horizontalen Teil 8 ist ein Flansch 9 angebracht, um die Vorvakuumleitung 5 an eine
geeignete Pumpe, beispielsweise eine nicht dargestellte mechanische Vorpumpe, anzuschließen.
Eine verhältnismäßig enge Rohrleitung 10 ist an dem Rohrteil 8 vorgesehen. Die Rohrleitung
10 trägt noch ein Flutventil 11, um, wenn gewünscht, Luft in die Pumpe einzulassen.
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Das untere Ende des Gehäuses 2 der Vakuumpumpe ist mittels einer Bodenplatte
12 verschlossen. Ein aufrecht stehendes hohles Dampfsammelroh.r 13 ist koaxial zum
Pumpengehäuse 2 gelagert und erstreckt sich von der Bodenplatte 12 etwa bis zur
Vorvakuumleitung 5. Das untere Ende des Dampfsammelrohres 13 bildet eine zylindrische
Wand eines Boilers 14. Dieser besitzt einen äußeren Durchmesser, der nur um weniges
geringer ist als der innere Durchmesser des Pumpengehäuses 2. Das untere Ende der
Boilerwandung 14 ist offen und ruht auf der Oberfläche der Bodenplatte 12. Eine
Treibflüssigkeit 15, gewöhnlich eine anorganische Flüssigkeit, ist in dem Boiler
14 eingebracht. 16 ist der normale Flüssigkeitsspiegel. Die Boilerwandung 14 ist
gegenüber dem Gehäuse 2 durch Schrauben 17 zentriert, die in der Boilerwandung 14
eingeschraubt sind, so daß die Schraubenköpfe eine punktförmige Berührung mit der
inneren Gehäusewandung 2 haben.
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Das obere Ende der Boilerwandung 14 ist mit einer konischen Verlängerung
18 versehen, die in einen vertikalen Fortsatz übergeht. Dieser umschließt dichtend
ein zylindrisches Dampfsteigrohr 19. Ein Ring 20 ist an dem oberen Ende des Dampfsteigrohres
19 fest angebracht. Der Ring 20 trägt ein konisches Rohr 21: Dieses Rohr 21 ist
an dem Ring 20 derart befestigt, daß die untere Kante des konischen Rohres 21 sich
bis -unter das obere Ende des Dampfsteigrohres 19 erstreckt. Eine Mehrzahl von seitlich
sich erstreckenden Schlitzen 22 am oberen Ende des Dampfsteigrohres 19 gestattet
das Entweichen von Treibmitteldampf. Ein zweiter Ring 23 ist auf das Dampfsteigrohr
19 dicht unterhalb der Öffnungen 22 fest aufgepreßt. Der obere Teil 24 des Ringes
23 ist schräg, so daß er sich parallel in einem bestimmten Abstand- von der Innenwandung
des konischen Rohres 21 erstreckt. Damit wird eine Hochdruckdüse 25 gebildet. Ein
weiteres- Dampfleitrohr 26 schließt sich mit einem- zylindrischen vertikalen oberen
Teil 27 an den Ring 23@ an.
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Das zylindrische Dampfleitrohr 26 liegt mit seinem oberen Teil nicht
dicht an dem konischen Rohr 21 an. Es verbleibt dadurch ein freier Durchgang 28.
Außerdem liegt das untere Ende des sieh nach unten erweiternden -Dampfleitrohres
26 nicht an der Innenwandung des Gehäuses 2 an, so daß auch dort ein freier düsenartiger
Durchgang 29 verbleibt.
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Das obere Ende des konischen Rohres 21 ist mit einem zylindrischen
Ansatz 30 versehen, welcher das untere Ende eines oberen zylindrischen Dampfsteigrohres
31 trägt, das unterhalb des oberen Endes des Pumpengehäuses 2 endet. Eine Kappe
32 ist auf dem oberen Ende des oberen Dampfsteigrohres 31 aufgebracht und bewirkt
eine Flüssigkeitsabdichtung. Eine weitere Niederdruckdüse 33 ist mit einem zylindrischen
vertikalen Teil an dem oberen zylindrischen Dampfsteigrohr 31 befestigt. Der obere
zylindrische Teil 34 der Düse 33 befindet sich in einem bestimmten Abstand von der
Kappe 32; um auf diese Weise einen Düsendurchgang 35 zu bilden. Eine Mehrzahl von
Öffnungen 36 in dem Dampfsteigrohr 31 über dem Düsendurchgang 35 lädt den Treibdampf,
der durch die Bohrungen 36 austritt, durch den freien Durchgang 35 der Düse hinduratreten.
Ein
weiteres konisches Rohr 37, welches sich nach unten erweitert, ist mit seinem
vertikalen Teil 38 an dein Dampfsteigrohr 31 befestigt. Weiterhin ist ein
konisches Rohr 39, welches sich nach oben erweitert, an dem Dampfsteigrähr
31 befestigt. Das konische Rohr 39 endet in einem bestimmten Abstand
innerhalb des konischen Rohres 37, so daß durch diese beiden Rohre eine Zwischendruckdüse
40 gebildet wird. Eine Mehrzahl von Öffnungen 41 in dem Dampf steigrohr 31 oberhalb
des Düsendurchganges 40 gestattet den Durchgang des Treibdampfes, der aus den Öffnungen
41 tritt, durch die Zwischendruckdüse 40.
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Ein äußeres Kühlrohr 42 mit einem Einlaß 43 und einem Auslaß 44 ist
um den äußeren Umfang des Gehäuses 2 herumgelegt und daran befestigt. Ein Abflußrohr
45 ist im unteren Teil 6 der Vorvakuumleitung 5 vorgesehen. Ein Stopfen 46 verschließt
das untere Ende des Abflußrohres 45.
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Eine mit Innengewinde versehene Haltemutter 47 ist auf der Oberfläche
und in der Mitte der Bodenplatte 12 angelötet. Eine Verbindungsstange 48 mit Außengewinde
an ihrem unteren Ende ist in die Haltemutter 47 eingeschraubt und erstreckt sich
koaxial im Pumpengehäuse bis in die Kappe 32. Das obere Ende der Verbindungsstange
48 ist mit Außengewinde versehen, um eine Mutter 49 aufzunehmen.
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Vier patronenartige Heizaggregate 50 sind in vertikaler Stellung und
symmetrisch zueinander durch die Bodenplatte 12 hindurchgeführt, so daß ihre oberen
Enden gerade unterhalb des normalen Flüssigkeitsspiegels 16 innerhalb des
Boilers enden. Jedes Heizaggregat ist mit Stromzuführungen 51 für die Erhitzung
versehen. Eine innere Kühlschlange 52 in Form einer flachen Spirale ist horizontal
dicht oberhalb der oberen Enden der Heizaggregate 50 und dicht unterhalb
des normalen Spiegels 16 der Treibflüssigkeit 15 innenhalb des Boilers angeordnet.
Ein Kühlschlangenauslaß 53 und ein Einlaß 54 gehen durch die Bodenplatte 12 hindurch
und sind dort mit geeigneten Mitteln befestigt. Die Kühlschlange 52 kann aus irgendeinem
beliebigen Material, z. B. Kupfer oder Aluminium, bestehen.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Die Ansaugöffnung
3 der Vakuiunpumpe 1 ist mit einem nicht dargestellten zu evakuierenden Teil
verbunden, und der Druck innerhalb der Pumpe wird auf ihren für die Betätigung notwendigen
Wert, d. h. ungefähr 0,5 mm Quecksilber, vermittels einer mechanischen, nicht dargestellten
Vorpumpe vermindert. Die Heizaggregate 50 werden in Betrieb gesetzt oder
sind schon vorher in Betrieb gesetzt worden, so daß die Treibflüssigkeit innerhalb
der Vakuumpumpe, kurze Zeit nachdem ein bestimmter Druck innerhalb der Pumpe erreicht
ist, auf ihre Arbeitstemperatur kommt. Die Treibflüssigkeit in dem Boiler
14 beginnt zu kochen, und die verdampfte Flüssigkeit geht nach oben durch
die Steigrohre 13, 19 und 31 und strömt aus jeder der drei Düsen, wobei die Gase
von dem zu evakuierenden Teil nach unten nach der Vorvakuumleitung 5 gebracht werden,
wo sie durch die Vorpumpe entfernt werden. Nachdem das betreffende Teil genügend
evakuiert ist, wird es abgeschmolzen oder anderweitig gegen die Atmosphäre verschlossen.
Die Heizaggregate 50 werden dann außer Betrieb gesetzt, und eine Kühlflüssigkeit,
wie z. B. Wasser, wird durch die innere Kühlschlange 52 hindurchgeleitet,
bis die Treibflüssigkeit 15 an ihrer Oberfläche auf einen bestimmten Wert abgekühlt
ist. Die abgekühlte Treibflüssigkeit wird sehr viskos, nahezu fest und bildet eine
kalte schützende Kruste über der restlichen Flüssigkeit 15. Das Flutventil
1i wird dann geöffnet, urn Atmosphärendruck in die Pumpe einzulassen. Der zu evakuierende
Teil wird nun von der Ansaugeöffnung 3 entfernt und das Flutventil 11
wieder
geschlossen. Nun wird ein neuer zu evakuierender Teil an der Ansaugeöffnung 3 befestigt,
und der Druck innerhalb der Hochvakuumpumpe wird wieder durch die Vorpumpe bis auf
einen bestimmten Wert vermindert. Die Heizaggregate 50 werden darin in Betrieb gesetzt,
und die Kühlflüssigkeit wird aus der inneren Kühlschlange 52 entfernt, indem beispielsweise
trockene Luft hindurchgeführt wird. Mit der Einrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt
ist, wird nur die Oberfläche der Treibflüssigkeit gekühlt, denn dies ist der einzige
Teil der Flüssigkeit, der dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist. Der restliche Teil
der Treibflüssigkeit bleibt heiß. Auf diese Weise wird die Vakuumpumpe schnell wieder
in Betrieb gesetzt, da nur ein verhältnismäßig kleiner Teil der Treibflüssigkeit
wieder erhitzt werden muß. Wenn erwünscht, kann noch heißes Wasser oder Dampf durch
die Kühlschlange 52 hindurchgeleitet werden, um die Temperatur der Treibflüssigkeit
zu erhöhen.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sieh aus folgendem:
In einer Vakuumpumpe, wie sie in den Fig. 1 und 2 beschrieben ist, wird eine Treibflüssigkeit
bekannter Art verwendet. Die Treibflüssigkeit kann bestehen aus chlorierten Biphenyl-
und chlorierten Polyvinylverbindungen, die ein spezifisches Gewicht bei 28° C von
1,538 bis 1,548, einen Siedepunkt bei 0,5 mm Quecksilber von 152° C, ein Molekulargewicht
von 326 und einen Brechungsindex von 1,639 bis 1,641 besitzen. Die normale Arbeitstemperatur
dieser Treibflüssigkeit in einer Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 und 2 ist 200° C. Durch
die Zirkulation von Kühlwasser durch die Kühlschlange 52 kann die Temperatur der
Pumpflüssigkeit von 200 auf 180° C in 20 Sekunden herabgesetzt werden. Diese Temperatur
ist der höchste zulässige Wert, der unter Luftzutritt keine Schädigung hervorruft.
Auf diese Weise kann der Atmosphärendruck in die Vakuumpumpe innerhalb ungefähr
20 Sekunden eingelassen werden, nachdem der Kühlvorgang gestartet ist. In der Praxis
wird noch ein Sicherheitsfaktor vorgesehen, indem das Kühlwasser durch die Kühlschlange
52 während ungefähr 90 Sekunden hindurchgeführt wird, um die Temperatur der
Treibflüssigkeit auf ungefähr 155° C herabzusetzen.
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In Fig. 3 sind einige Kurven gezeigt, die einen Vergleich für die
Schnelligkeit geben, mit der die Pumpe wieder ihre volle Leistungsfähigkeit erreicht,
nachdem die Pumpflüssigkeit auf eine zulässige Temperatur herabgekühlt worden ist
und nach der Vorevakuierung wieder in Betrieb genommen wird. Die mit A bezeichnete
Kurve bezieht sich auf eine Pumpe, die mit einer Kühlschlange 52 nach der Erfindung
ausgerüstet ist, und die Kurve B auf eine Pumpe, bei der die Temperaturerniedrigung
des Treibmittels lediglich durch Ausschalten der Heizung erreicht wird.
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Im Fall A werden die Pumpe und die angeschlossenen Teile zunächst
auf 0,5 mm Quecksilber evakuiert und dann das Kühlwasser aus der Kühlspirale durch
Luft ausgeblasen und die Heizelemente eingeschaltet. Innerhalb von 3 Minuten hat
die Arbeit der Pumpe so weit eingesetzt, daß sie ein Vakuum von 1,5 - 10-i mm Ouecksilber
erreicht hat.
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Im Fall B wird nur die Heizung ausgeschaltet und dann gewartet, bis
dieselbe Pumpe mit demselben
Treibmittel dieselbe gefahrlose zulässige
Temperatur erreicht hat. Die Kurve B zeigt, daß die Pumpe etwa 9 Minuten braucht,
um zu demselben Vakuum zu kommen. das die Pumpe im Fall A nach etwa 3 Minuten erreicht
hat. Als weiterer Zeitverlust kommt dazu noch die Zeit. die verstreicht, damit die
Pumpe ohne Kühlschlange die zulässige Treibmitteltemperatur erreicht. was auch nochmals
etwa 9 Minuten dauert.
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Der Arbeitszyklus einer Pumpe, welche eine Kühlschlange 52 nach der
Erfindung verwendet, braucht ungefähr 5 Minuten, wovon etwa 11/z Minuten zum Abkühlen
und etwa 31/z Minuten zum Wiedererwärmen und Inbetriebsetzen der Pumpe notwendig
sind. Dieselbe Pumpe aber ohne eine Kühlschlange nach der Erfindung braucht 18 Minuten,
wovon etwa 9 Minuten für das Abkühlen und wiederum etwa 9 Minuten für das Inbetriebsetzen
nötig sind. Diese Pumpe braucht also etwa dreimal so lange, um diesen Arbeitszyklus
zu durchlaufen. So gibt die Erfindung eine wesentliche Herabsetzung der Arbeitszeit
bei einer mit Treibdampf arbeitenden Vakuumpumpe, die in einem zyklischen Arbeitsprozeß
eingesetzt wird.
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Versuche haben ergeben, daß die Lage der Kühlschlange nicht kritisch
ist. Ein schnelles Abkühlen der Oberfläche der Pumpflüssigkeit wird erreicht, wenn
die Kühlschlange sich in einem Bereich befindet, der von etwa 1 cm oberhalb bis
zu etwa 1 cm unterhalb des Flüssigkeitsspiegels reicht. Ein noch weiterer Bereich
dieser Grenzen kann dann zugelassen werden, wenn die Kühlschlange 52 die ganze Treibflüssigkeit
abkühlen soll, was aber wiederum eine größere Abkühl- und Anheizzeit erfordert.