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Treibmittelpumpe, insbesondere mehrstufige Diffusionspumpe Die in
vielen Ausführungsformen bekannten Treibmittelpumpen sind bisher überwiegend in
der Weise aufgebaut worden, daß sich in einem rohrförmigen Pumpengehäuse eine konzentrische
Anordnung von Dampfsteigrohren und Düsen befindet, wobei die Rohrmittelachse mit
den Symmetrieachsen der Dampfsteigrohre und Düsen zusammenfällt. Bei einer solchen
Düsenanordnung entstehen Kegelflächen als Begrenzungsflächen der aus einer Düse
austretenden Treibdampfströmung, durch die die abzupumpenden Gase in die Treibdampfströmung
hineindiffundieren und von dieser in Richtung auf die gekühlten Wandflächen des
Pumpengehäuses im wesentlichen unter einem entsprechenden Neigungswinkel gegenüber
der Gehäusemittelachse transportiert werden. Als Ansaugquerschnitt steht bei diesen
Treibmittelpumpen nur die Ringfläche zur Verfügung, welche von der Düsenhaube und
der Gehäusewand begrenzt wird. Da die Saugleistung pro Flächeneinheit im wesentlichen
als konstant anzusehen ist, muß man zur Erhöhung der Sauggeschwindigkeit eine Vergrößerung
des Ansaugquerschnittes anstreben. Soll eine Treibmittelpumpe für die Erreichung
besonders hoher Sauggeschwindigkeiten bemessen werden, so läßt sich dies mit der
beschriebenen vorbekannten Anordnung wegen der grundsätzlichen Begrenzung der ringförmigen
Ansaugfläche nur unvollkommen erreichen, und man muß bestrebt sein, vor allem in
der dem Vakuumrezipienten am nächsten liegenden Hochvakuumstufe über den bisher
verwendeten Ringspalt hinaus eine vergrößerte Ansaugfläche zu schaffen.
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Es sind außerdem bereits Treibmittelpumpen bekanntgeworden, bei denen
in der der Ansaugöffnung am nächsten liegenden Hochvakuumstufe ringförmige Treibdampfdüsen
angeordnet sind. Eine solche ringförmige Düse entsteht beispielsweise als geometrische
Kontur, wenn man einen Längsschnitt durch die Mittelachse einer an sich bekannten
Umkehrdüse als Erzeugende eines Rotationskörpers wählt. Bei diesen vorbekannten
Treibmittelpumpen sind jeweils ringzylinderförmige Pumpenkörper ineinandergeschachtelt,
und im hohlzylinderförmigen innersten Teil der konzentrischen Anordnung befindet
sich eine mehrstufige Treibmittelpumpe mit übereinanderliegenden Umkehrdüsen bekannter
Ausführung. Ein solcher Aufbau erreicht eine Ineinanderschachtelung von mehreren
parallel geschalteten Treibmittelpumpenstufen und dabei gegebenenfalls eine gewisse
Raumersparnis. Die Treibmittelströmung ist kegelmantelförmig parallel zur Pumpensymmetrieachse
gerichtet, und das Abpumpen der Gase erfolgt ebenfalls im wesentlichen parallel
zu dieser Symmetrieachse. Ein solcher Aufbau ist jedoch zur Erzeugung eines extrem
hohen Vakuums bei hinreichender Sauggeschwindigkeit nicht geeignet, da keine genügend
große freie Eintrittsfläche vorhanden ist, über die die Gasmoleküle in die Treibdampfströinung
gelangen können.
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Bei der Erfindung wird mindestens in der Hochvakuumstufe die Diffusionsfläche
erheblich vergrößert. Das Kennzeichnende wird dabei darin gesehen, daß die Treibdampfdüse
so ausgebildet ist, daß eine Treibdampfströmung entsteht, bei der die Diffusion
der abzupumpenden Gasmoleküle in diese Treibdampfströmung aus einem von der ringförmigen
Treibdampfdüse umschlossenen freien Innenraum und im wesentlichen senkrecht zur
Ansaugrichtung erfolgt.
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Durch diese völlig neuartige Ausbildung der Treibdampfströmung in
Verbindung mit Ringdüsen werden erstmalig Sauggeschwindigkeiten erreicht, wie sie
bei der Verwendung der bekannten Düsenanordnungen bisher als unmöglich angesehen
wurden. Man verwendet somit als Ansaugraum einen von einer ringförmigen Treibdampfdüse
umschlossenen freien, etwa zylinderförmigen Innenraum, wobei die wirksame Ansaugfläche
der Mantelfläche des Zylinders entspricht. Wenn man dabei den freien Innendurchmesser
der ringförmigen Düsen gleich dem Durchmesser des Ansaugquerschnittes der Treibmittelpumpe
macht, werden für den Gasaustausch an den Grenzflächen der Treibdampfströmung besonders
günstige geometrischeVerhältnisse geschaffen. Man kann die verwendeten Ringdüsen
in der verschiedensten Weise ausbilden und sogar im einfachsten Fall entsprechend
angeordnete Rohre mit direkten Austrittsöffnungen, nach der Seite der Innenwand
des Pumpengehäuses hin, verwenden. Wichtig ist
es dabei lediglich,
daß ein freier Innenraum vorhanden ist, den der oder die Ansaugspalte nach der Art
einer Mantelfläche umgeben, und daß der Transport der abzupumpenden Gasmoleküle
überwiegend senkrecht zur Mittelachse des Pumpengehäuses, welche gleichzeitig zweckmäßigerweise
die Symmetrieachse der Düse ist, erfolgt.
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Bei einer besonders empfehlenswerten Ausführungsform der neuartigen
Treibmittelpumpe ist eine Anzahl von ringförmigen Düsen gleichen Ringdurchmessers
übereinander angeordnet, und es sind außerdem gegebenenfalls zusätzliche Kondensationsflächen
vorgesehen, die in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Ringdüsen hineinragen.
Die Kühlung der Kondensationsflächen kann dabei entweder durch eine wärmeleitende
Verbindung mit dem gekühlten Pumpengehäuse oder unmittelbar durch an diesen angeordnete
Kühlmittel, z. B. Rohrschlangen, erfolgen.
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Beim Aufbau der einzelnen Düsen sind verschiedene konstruktive Ausführungsformen
möglich. Zweckmäßig bildet man die Einzeldüsen aus je einem i ingförmigen Rohrkörper,
der teilweise von einem als Düsenhaube dienenden, gleichfalls ringförmigen Dampfleitblech
umhüllt ist, dessen Ränder nach der inneren Wandfläche des Pumpengehäuses hinweisen.
Man kann dabei die Dampfaustrittsöffnungen aus dem Rohrkörper entweder auf der Seite
der Wandfläche des Pumpengehäuses oder auf der gegenüberliegenden Seite anordnen.
Im letzteren Falle erhält man eine Düsenanordnung, die den bisher in Diffusionspumpen
verwendeten kreissymmetrischen Umkehrdüsen entspricht.
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Bei einer solchen Treibmittelpumpe können die ringförmigen Rohrdüsen
an mehrere Dampfsteigleitungen angeschlossen sein, wobei die Dampfsteigleitungen
vorteilhaft zur Halterung der Düsen im vorgesehenen Abstand verwendet werden. Im
Zusammenbau mit den in üblicherWeise aufgebauten Düsen der Vorvakuumpumpenstufen
ergibt sich bei dieser Konstruktion ein leicht Herausnehmbares, eine Baueinheit
bildendes Innenteil, bei dem eine leichte Möglichkeit zur Reinigung gegeben ist.
Die Vorvakuumpumpenstufen können dabei in an sich bekannter Weise mit konzentrischer
Düsenanordnung aufgebaut sein, wobei die Dampfsteigleitungen für die Ringdüsen der
Hochv akuumstufe zweckmäßig mit einem inneren Rohr der konzentrischen Dampfsteigrohre
in Verbindung stehen.
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Man kann ferner mehrere übereinanderliegende Ringdüsen hinsichtlich
ihres Ringdurchmessers so wählen, daß eine kegelförmige oder entsprechend anders
gestaltete Düsenanordnung entsteht. Bei einer solchen Treibmittelpumpe werden die
Dampfsteigleitungen zweckmäßig am Umfang der Ringdüsen symmetrisch angeordnet.
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Da die Erreichung eines guten Endvakuums bei Treibmittelpumpen im
allgemeinen die Verwendung einer Vorrichtung (Baffle) zur Verhinderung der Rückströmung
von Treibm.itteldämpfen nach der Hochvakuumanschlußseite erfordert, erscheint es
gegebenenfalls zweckmäßig, diese bekannte Vorrichtung auch in einer besonders angepaßten
hohlzylinderförmigen Gestaltung in Verbindung mit der neuartigen Treibmittelpumpe
zu verwenden. Mit Rücksicht auf die Düsenanordnung und die im allgemeinen zvlindermantelförmige
Ansaugfläche im Inneren der Treibmittelpumpe wird cin Baffle vorgeschlagen, bei
dem diese zylindermantelförmige Ansaugfläche durch entsprechend gestaltete, vorzugsweise
gekühlte Kondensationsflächen optisch dicht überdeckt ist. Die Anordnung der einzelnen
Baffleflächen kann unter verschiedensten Gesichtspunkten und nach den bekannten
Grundsätzen erfolgen. Im allgemeinen wird dabei eine besonders wirksame Unterdrückung
der Rückströmung durch eine erheblich höhere Drosselwirkung des Baffles erkauft.
Bei einer vorteilhaften Ausführung sind eine Vielzahl von übereinandergeschichteten,
in radialer Richtung zweifach abgewinkelten Ringblechen vorgesehen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung
schematisch dargestellt; es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Mittelachse
bei einer Treibmittelpumpe nach der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine
Treibmittelpumpe nach Fig. 1 längs der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1. Fig.3 einen Ausschnitt
der Düsenanordnung zwischen unmittelbar gekühlten Kondensationsflächen, Fig.4 einen
Querschnitt durch eine Umkehrdüse. Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Normaldüse,
Fig.6 eine Baffleanordnung innerhalb der sie umgebenden Ringdüsen.
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In Fig. 1 erkennt man ein im wesentlichen rohrförmiges Pumpengehäuse
1, dessen Oberteil 2 durch eine Kühlvorrichtung in Form einer Außenkühlschlange
3 gekühlt werden kann. Auf der Hochvakuumanschlußseite des Pumpengehäuses 1 ist
bei 4 ein Hochvakuumanschlußflansch von an sich bekannter Konstruktion vorgesehen.
Auf dem Boden -5 des Pumpengehäuses 1 liegt im Inneren eine Heizspirale 6 auf, welche
das flüssige Treibmittel innerhalb der einzelnen Siederäume erhitzt. An dem der
Wand des Pumpengehäuses 1 am nächsten liegenden äußeren Siederaum 7 ist ein äußeres
Dampfsteigrohr 8 angeschlossen, das in einer kreissymmetrischen Umkehrdüse 9 endet.
Der in Richtung auf die Mittelachse nachfolgende Siederaum 10 steht über ein weiteres
Dampfsteigrohr 11 mit einer weiteren Vorvakuumdüse 12 in Verbindung, die ebenfalls
in bekannter Weise als Umkehrdüse mit Düsenhaube ausgeführt ist.
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An den durch rohrförmige Wandbleche 14, 15 begrenzten innersten Siederaum
13 sind an vier symmetrisch liegenden Anschlußpunkten Dampfsteigleitungen 16, 17,
18, 19 angeschlossen. Diese Dampfsteigleitungen 16, 17, 18, 19 führen zu rohrförmigen
Ringdüsen20, 21, 22, 23 und 24, die jeweils von ringförmigen Dampfleitblechen 25,
26, 27, 28 und 29 umhüllt sind. In die freien Zwischenräume zwischen den einzelnen
Düsen 20, 21, 22, 23 und 24 ragen zusätzliche Kondensationsflächen 30, 31,
32, 33, die jeweils gruppenweise übereinander angeordnet sind. Diese zusätzlichen
Kondensationsflächen 30, 31, 32, 33 können durch eine entsprechend angeordnete Rohrschlange
34 bei Anschluß an eine an sich bekannte Kühlvorrichtung oder auch durch Kühlwasseranschluß
gekühlt werden.
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Im unteren Teil 35 des Pumpengehäuses 1 ist eine Vorvakuumanschlußleitung36
angeordnet, die ineinem Vorvakuumanschlußflansch 37 endet. Der Zutritt des Kühlmittels
zu der am Pumpengehäuse 1 angeordneten Außenkühlschlange 3 erfolgt bei 38; der Kühlmittelaustritt
aus dieser Außenkühlschlange 3 ist mit 39 bezeichnet. Der Kühlmittelzutritt zur
Kühlmittelschlange 34 erfolgt bei 40, während das die Kühlschlange 34 verlassende
Kühlmittel bei 41 austritt. Zum Anschluß der Heizspirale6 an eine Stromquelle von
an sich bekannter Konstruktion sind Stromzuführangsleitungen 42 vorgesehen, welche
den Pumpenboden 5 in Isolierdurchführungen 43 durchstoßen.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Kühlmittelsysteme,
nämlich die am Gehäuse 1 angeordnete Außenkühlschlange 3 und die zur Kühlung
der zusätzlichen Kondensationsflächen 30, 31, 32, 33 dienende
Rohrschlange
34 vorgesehen. Die Konstruktion ist so gewählt, daß beide Kühlschlangen mit flüssigen
Kühlmitteln von unterschiedlicher Temperatur betrieben werden können; man kann jedoch
für bestimmte Anwendungszwecke auch eine vereinfachte Ausführung wählen, bei der
beide Kühlmittelschlangen 3, 34 hintereinandergeschaltet sind und von Kühlwasser
durchflossen werden.
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In Fig. 3 ist ein Teil der Ringdüse 20 mit dem an ihr befestigten
Dampfleitblech 25 in Verbindung mit den zugehörigen zusätzlichen Kondensationsflächen
30 gezeigt. Die Kondensationsflächen 30 werden, wie bereits erläutert, durch eine
Kühlschlange 34 unmittelbar gekühlt. Man erkennt besonders die Anordnung des ringförmigen
Dampfleitbleches 25, dessen Ränder nach der inneren Randfläche des Pumpengehäuses
1, und zwar nach seinem oberen Teil 2 hinweisen.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsmöglichkeiten für die Ringdüse
in Verbindung mit dem Dampfleitblech. In Fig. 4 sind die Austrittsöffnungen 42'
der Ringdüse 20 nach der- Seite des Dampfleitbleches 25 hin gelegt, so daß ein Aufbau
entsteht, der in seiner Wirkung den bekannten Umkehrdüsen nahekommt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 liegen die Austrittsöffnungen
42' der Ringdüse 20 auf der dem Pumljengehäuse zugewandten Seite, wobei keine Umlenkung
der aus der Düse austretenden Dampfströmung, sondern nur eine Beeinflussung der
Randkontur dieser Strömung durch das ringförmige Dampfleitblech 25 erfolgt.
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Fig. 6 zeigt schließlich die Düsenanordnung mit übereinanderliegenden
ringförmigen Düsen 20, 21, 22, 23, 24 in Verbindung mit einem hohlzylinderförmigen
Baffle 43'. Das hohlzylinderförmige Baffle 43' ist dabei aus einer Vielzahl von
zweifach abgewinkelten übereinandergeschichteten Baffleblechen 44 gebildet, die
untereinander und in der vorgesehenen Lage innerhalb des durch die Ringdüsen 20,
21, 22, 23, 24 gebildeten freien Innenzylinders durch eine Bafflekühlrohrleitung
45 gehalten werden. Dieser Aufbau des Baffles ergibt durch die Verwendung von zweifach
abgewinkelten Baffleblechen bei guter Überdeckung der optischen Sicht eine relativ
geringe Drosselung der Gasströmung und damit nur eine geringe Verminderung der ohne
Verwendung des Baffles vorhandenen Sauggeschwindigkeit der Treibmittelpumpe.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur bestimmte Möglichkeiten
zur Realisierung der Erfindung, die sich jedoch hierauf keinesfalls beschränkt.
Unter Beibehaltung des grundsätzlichen Aufbaus sind die verschiedensten Abänderungen
möglich und je nach der gegebenen Problemstellung nützlich. Man kann beispielsweise
die zur überdeckung der ringförmigen Rohrkörper der Düsen vorgesehenen, gleichfalls
ringförmigen Dampfleitbleche auch mit unterschiedlicher Schenkellänge ausführen
und so eine weitere Beeinflussung der aus den Düsen austretenden Treibdampfströmung
herbeiführen. Bei genügendem Abstand der ringförmigen Düsen erweist sich unter Umständen
die Anordnung der zusätzlichen Kondensationsflächen in den Zwischenräumen als überflüssig.
Es sind ferner Ausführungsformen denkbar, bei denen nur eine einzige, aus einem
schraubenförmig gewundenen Rohrkörper bestehende Düse vorhanden ist, welche einen
freien Zylinder im Inneren umhüllt. Statt des gezeigten Anschlusses an einen Evakuierungsraum
kann eine solche Pumpe auch gegebenenfalls unmittelbar in den zu evakuierenden Behälter
eingebaut werden, wobei der gesamte Evakuierungsraum, oder mindestens ein Teil davon,
von den Ringdüsen umschlossen wird.