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Diffusionspumpe Die Erfindung betrifft eine Diffusionspumpe mit mindestens
einem zur Verdampfung der Diffusionsflüssigkeit dienenden Heizelement, das samt
dem es umschließenden röhrenförmigen Behälter von der Flüssigkeit umgeben ist, vom
Gehäuseboden her durch die Diffusionsflüssigkeit hindurch und über deren Spiegel
nach oben hinausragt, und mit einem hohlen, den Dampf zu den Dampfaustrittsöffnungen
nach oben führenden rohrartigen Gebilde, das mit seinem unteren Ende in die Diffusionsflüssigkeit
eintaucht.
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Derartige Diffusionspumpen sind bekannt. Weiterhin ist bekannt, bei
einer Diffusionspumpe das rohrartige dampfführende Gebilde in seinem unteren Teil
bis in die Nähe des Pumpengehäuses zu erweitern.
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Bei den bekannten Pumpen ist die Leistung durch die Art der Wärmezuführung
zur Diffusionsflüssigkeit beschränkt. Ferner bilden sich örtliche überhitzte Stellen,
die dazu führen, daß noch unverdampfte Flüssigkeitströpfchen in den Flüssigkeitsstrahl
und damit in die Strahlöffnungen gelangen. Bei der Verwendung von öl als Diffusionsflüssigkeit
ergibt sich der weitere Nachteil, daß diese sich an den überhitzten Stellen zersetzt.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, muß man die bekannten Pumpen daher
mit einer geringeren Leistung betreiben, kann also nicht,die an sich erreichbare
Leistung ausnutzen.
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Die genannten Nachteile lassen sich erfindungsgernäß beseitigen durch
ein an sich bekanntes dampfführendes, in seinem unteren Teil bis 4n die Nähe des
Pumpengehäuses erweitertes, rohrartiges Gebilde und durch mindestens ein Heizelement,
das samt dem es umschließenden röhrenförmigen Behälter iinnerhalb der Diffusionsflüssigkeit
und mindestens zum Teil oberhalb der Diffusionsflüssigkeit von je einer besonderen,
im wesentlichen zylindrischen Hülse umgeben ist, @die vom Gehäuseboden her durch
die Diffusionsflüssigkeit hindurch und über dem Flüssigkeitsspiegel in den erweiterten
Dampfraum hineinragt.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der besonderen Hülsen wird die
Turbulenz :der Diffusionsflüssigkeit stark erhöht, wodurch eine gleichmäßigere Wärmeabgabe
erreicht und örtliche Überhitzungen der die Heizelemente einschließenden Behälter
vermieden werden. Man kann die erfind .ungegemäße Pumpe daher mit wesentlich höherer
Energie als herkömmliche Pumpen betreiben.
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Ein wichtiges Kriterium für die Wirksamkeit einer Pumpe ist der Grenzvordruck,
d. h. der niedrige Druck, der durch die Vorpumpe erzeugt werden muß, bevor die Diffusionspumpe
in Betrieb genommen werden kann. Die Pumpe nach der Erfindung ist in der Lage, schon
bei einem höheren Grenzvordruck zu arbeiten als die besten herkömmlichen Pumpen
nämlich, verglichen mit dieser schon bei dem 1,5- bis 2fachen Grenzvordruck, kann
also früher als diese in Betrieb genommen werden. Diiese Werte wurden ohne Belastung
gemessen.
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Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Pumpendurchgangsleistung
(auch Pumpendurchsatz genannt), die durch die Erfindung um einen Faktor 1,3 gegenüber
den besten herkömmlichen Pumpen gesteigert wird.
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Durch das Zusammenwirken aller dieser Faktoren wird die insgesamt
zum Erreichen des Endvakuums aufzuwendende Zeit erheblich herabgesetzt. Die Erfindung
ist besonders gut auf Pumpen von großer Kapazität anwendbar, bei denen eine große
Menge Diffusionsflüssigkeit, insbesondere Öl, fortlaufend bei höheren Temperaturen
und höheren Siededrücken erzeugt werden muß.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist darin zu sehen,
daß das Heizelement mehrere radiale Flügel aufweist, die nach außen gegen die Hülse
vorstehen und über den Spiegel der Diffusionsflüssigkeit nach oben ragen. Durch
diese Maßnahme wird die Pumpenleistung in besonderem Maße verbessert. Die über den
Flüssigkeitsspiegel nach oben ragenden Teile der Heizelementbehälter und der zugehörigen
Flügel wandeln die Tröpfchen der siedenden und stark wallenden Diffusionsflüssigkeit
in Dampf um und überhitzen ihn. Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels bildet das mit
Flügeln versehene Heizelement zusammen mit der es umgebenden besonderen Hülse
einzelne
Abteile. In diesen werden durch die kombinierte Wirkung der Heizung durch Heizelement
und Flügel einerseits und der Kühlung durch die Hülse andererseits starke Konvektionsströme
erzeugt. Diese führen zu einer schnellen Umwälzung der Diffusionsflüssigkeit innerhalb
der -Abteile, wodurch in noch höherem Maße örtliche Überhitzungen verm.ieiden und
die Zeit verkürzt wird, die die einzelnen Flüssigkeitsteilchen der heißen Fläche
des Heizelementbehälters selbst ausgesetzt sind. Durch diese Untererfindung wird
also zusätzlich eine höhere Heizleistung ermöglicht, ohne daß bei Verwendung von
Öl als Diffusionsflüssigkeit dieses verbrennt oder sich zersetzt.
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Darüber hinaus werden durch diese Untererfindung die turbulenten Bereiche
in der Oberfläche der Diffusionsflüssigkeit vergrößert, wodurch eine größere Verdampfungsgeschwindigkeit
der Diffusionsflüssigkeit ermöglicht wird, ohne daß eine zu starke Wallung an irgendeiner
Stelle entsteht, die die Gefahr mit sich brächte, daß unverdampfte Flüssigkeitströpfchen
in den Dampfstrahl gelangen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele im .:Zusammenhang mit der Zeichnung
und den Ansprüchen.
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Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Diffusionspumpe
mit der Heizvorrichtung nach der Erfindung; Fig. 2.ist ein Querschnitt nach Linie
2-2 in Fig. 1; Fig. 3 zeigt einen Teil einer anderen Ausführungsform der Heizvorrichtung
im Schnitt; Fig. 4 ist ein Schnitt im wesentlichen nach Linie 4-4 in Fig. 3; Fig.
5 ist ein Teil einer weiteren Ausführungsform der Heizvorrichtung im Schnitt, und
Flg.6 ist ein Schnitt im wesentlichen nach Linie 6-6 in Fig. 5. -Bei der Ausführungsform
der Erfindung nach Fig. 1 und 2 ist das Gehäuse der Diffusionspumpe als Ganzes mit
10 bezeichnet. - Das Gehäuse weist einen hohlen zylindrischen Teil 12 mit einer
gepreßten Bodenwandung 14 auf. Die Bodenwandung 14 ist an die Unterkante des hohlzylindrischen
Teiles 12 angelötet, angeschweißt oder auf andere Weise an dieser befestigt, so
daß .sich zwischen beiden Teilen eine luftdichte Verbindung ergibt. Der mittlere
Teil der Bodenwandung ist erhöht, so daß er zusammen mit der Zylinderwandung 12
eine ringförmige Vertiefung 15 bildet, die innerhalb der Verbindungsstelle zwischen
der Bodenwandung und der Seitenwandung verläuft.
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Das Oberende oder Pumpe ist mit einem Flansch 18 versehen, an dem
sich ein entsprechender Flansch befestigen läßt, der ein Stück des zu evakuierenden
Systems bildet. Der Einlaß zur Pumpe wird durch eine in der Mitte durch den Flansch
18 hindurchführende Öffnung gebildet, die mit dem Inneren des Gehäuses 10 in Verbindung
steht.
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Im Innenraum der Pumpe ist ein geeignetes Strahlelement vorgesehen,
das als Ganzes mit 20 bezeichnet ist. Das Strahlelement kann von üblicher Bauart
sein und weist eine hohle mittige, aus mehreren Teilen bestehende Strahlsäule auf.
Die Säule besitzt einander überlappende Teile, die nach unten gerichtete Ringöffnungen
22, 24 und 26 besitzen. Dämpfe, die in der Mittelsäule des Strahlenelements20 nach
oben steigen, werden aus den Öffnungen in Strahlform nach unten gerichtet. Das untere
zylindrische Ende 28 des Strahlelements 20 ist an einem den Dampf sammelnden Teil
30 (Dampfsammler) befestigt und wird von diesem getragen. Der Dampfsammler verläuft
nach außen im wesentlichen bis zur äußeren Zylinderwandung 12 und dann nach unten
zur Bodenwandung 14. Die untere Kante des Dampfsammlers ruht in der ringförmigen
Vertiefung 15. Öffnungen 32 sind um die Unterkante des-- Dampfsammlers herum angeordnet
und gestatten es den kondensierten Öldämpfen, in die Flüssigkeitsansammlung am Boden
der Pumpe zurückzukehren. Der Ölspiegel -am Pumpenboden ist durch die gestrichelte
Gerade 34 angedeutet.
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Eine innere Kondensationswandung, die z. B. aus einem Metalltrichter
36 gebildet ist, ist mit ihrem Oberende an dem Flansch 18 befestigt. Die aus den
Strahlöffnungen nach unten gerichteten Dämpfe beaufschlagen die Kondensationswandung
und kondensieren zu Öltröpfchen, die nach unten zu dem Dampfsammler 30 und dann
nach außen und unten laufen und schließlich zu der Ölfüllung zurückkehren. Die Kondensatiönswandung
36 kann, falls erwünscht, durch geeignete Kühlmittel gekühlt werden, z. B. durch
nicht dargestellte Kühlwasserspulen, die um die Kondensationswandung 36 herumgewickelt
sind.
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Die Heizvorrichtung, auf die die Erfindung insbesondere gerichtet
ist, befindet sich im unteren Ende des Gehäuses 10 und dient zum Erhitzen der darin
befindlichen Flüssigkeitsfüllung und zur Erzeugung der die P-umpstrahlen speisenden
Dämpfe. Beider in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist die Bodenwandung
14 mit zwei schalenförmigen zylindrischen Vertiefungen 38 und 40 versehen. Hohle
Behälter, z. B. die Behälter 42 und 44, ragen nach oben in die Vertiefungen 38 und
40 hinein, sind an ihren oberen Enden abgeschlossen und hermetisch gegen die Bodenwandung
14 abgedichtet, wo sie durch den Boden der Vertiefungen 38 und 40 hindurchtreten.
An- jedem der Behälter 42 und 44 sind mehrere radiale Flügel 46 befestigt, die mit
ihren Oberenden über die Flüssigkeitsoberfläche vorstehen.
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Heizpatronen 48 und 50 sind innerhalb der hohlen Behälter 42 bzw.
44 angeordnet. Heizpatronen dieser Art sind bekannt und in einer großen Anzahl verschiedener
Abmessungen erhältlich. Die Heizpatronen haben metallische Außenwandungen, die eng
dn die Behälter bineinpafssen und - eine Wärmeleitung zwischen :den Heizpatronen
und den Behältern mit angebauten Flügeln gewährleisten. Leitungen zur Verbindung
der Heizpatronen mit einer geeigneten nicht -dargestellten elektrischen Stromquelle
sind aus dem Boden der Behälter herausgeführt.
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Jedes Heizelement ist von einem hohlen zylindrischen Rohr umgeben,
z. B.. den dargestellten Rohren 52 und 54, die vom Boden der Vertiefungen 38 und
40 her in die Bodenwandung 14 nach oben hineinragen. Die Unterenden der Rohre 52
und 54 sind mit Öffnungen 56 versehen, die ein freies Einströmen von Öl in das Innere
der Röhren gestatten. Die oberen Enden der Rohre 52 sind auf einen kleineren Durchmesser
verjüngt und stehen über die Heizbehälter und die zugehörigen Flügel vor. Zusätzlich
sind zentriert zylindrische Teile 58 und 60 oberhalb der Heizelemente angeordnet.
Sie werden. von den Rohren 52 bzw. 54 z. B. durch radiale Halter 62 getragen. Fig.3
und 4 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der aus mehreren Heizelementen bestehender.
Heizvorrichtung, die im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2- beschrieben wurde. Bei der
Ausführungsform .der Erfindung nach Fig. 3 und 4 sind die Heizelemente nicht vertieft
angeordnet, sondern die Bodenwandung 14' ist verhältnismägig flach ausgebildet.
Behälter 42' und 44' ragen nach oben durch
die flache Bodenwandung
hindurch und sind mit radial verlaufenden Flügeln versehen, in derselben Weise wie
die Heizelemente nach Fig. 1 und 2. Die die Heizelemente umgebenden Zylinder bestehen
aus schalenförmigen Metallteilen 64 und 66, .deren Böden unter den Flügeln der Heizelemente
vorstehen. Die Seitenwandungen ragen nach oben und umgeben die Flügel der Heizelemente.
Die offenen Oberendender schalenförmigen Teile ragen über den Flüssigkeitsspiegel,
aber nicht über die Oberenden der Heizelemente hervor. Öffnungen 67 gestatten einen
Zufluß von Flüssigkeit sn die Teile 64 und 66. Diese Anordnung ist einfacher und
billiger herzustellen als die nach Fig. 1.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung von Röhren oder zylindrischen
Umhüllungen, die jedes der Heizelemente umgeben, in Heizvorrichtung mit mehreren
Heizelementen äußerst wirksam ist. Es wurde z. B. ermittelt, daß bei solchen Vorrichtungen,
ohne die zylindrischen Umhüllungen, bei einer hohen Oberflächentemperatur .der Heizelemente
eine Zersetzung der Flüssigkeit an den Stellen eintritt, wo die Heizelemente über
Aden Flüssigkeitsspiegel vorstehen. Werden jedoch Umhüllungen für die Heizelemente
hinzugefügt, so wird durch die Konzentration von Dämpfen innerhalb der .unmittelbaren
Nachbarschaft der Heizelemente die Wärme mit einer solchen Geschwindigkeit verteilt,
daß ein Verbrennen und eine Zersetzung,der Flüssigkeit verhindert und gleichzeitig
die Pumpgeschwindigkeit erhöht wird.
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Die verbesserten Heizelemente mit Umhüllungen verbessern, wie ebenfalls
ermittelt wurde, die Arbeitsweise von Pumpen, bei denen eine einzige mit Flügeln
versehene Heizpatrone verwendet wird, und zwar durch Erhöhung der Turbulenz durch
Bildung starker Konvektionsströme in der Flüssigkeit. Ein einziges Heizelement .dieser
Art ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Die Diffusionspumpe nach Fig. 5 und 6 kann
im wesentlichen identisch mit der Pumpe sein, die in den vorgenannten Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde. Das Pumpengehäuse besteht aus einer äußeren zylindrischen Wandung
70 und einer abschließenden flachen Bodenwandung 72. Der Heizbehälter 74 verläuft
durch die Bodenwandung 72 hindurch und weist mehrere wärmeleitende, radial verlaufende
Flügel 76
auf. Das Unterende des Strahlelementes, das mit 78 bezeichnet ist,
ruht auf der Bodenwandung 72. Die Heizpatrone ragt nach oben .in den Behälter 74
hinein und ist durch eine Madenschraube 80 festgelegt, die durch einen Kragen 82
hindurchtritt, der an die Bodenwandung 72 angeschweißt ist. Eine zylindrische Umhüllung
84 umgibt das Heizelement mit seinen Flügeln 76 und steht über den normalen Flüssigkeitsspiegel
hervor, der durch die gestrichelte Gerade 86 angedeutet ist. Die zylindrische Umhüllung
84 ist mit Öffnungen 88 in der Nähe ihres unteren Randes versehen. Durch diese Öffnungen
tritt das 01 in den Innenraum der Umhüllung 84 in der Nachbarschaft des Heizelementes
ein. Diese Bauweise führt ebenfalls zu einer wirksameren Heizung, und zwar dadurch,
daß die Wärmemenge herabgesetzt wird, die auf die Außenwandung der Pumpe und auf
die Wandung des Strahlenelementes übertragen wird.
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Die Anordnung,der Heizelemente als einzelne oder als mehrfache Einheiten
ermöglicht eine größere Leistungsaufnahme der Pumpe. ohne Zersetzung der Ölfüllung.
Hieraus ergibt sich eine wesentlich schnellere Pumparbeit. Die Anordnung der Heizelemente
nach der Erfindung erzeugt, wie ermittelt wurde, eine starke Wirbelbe-,vegung, :durch
die eine bessere Wärmeverteilung durch die Flüssigkeit erzielt und eine Zersetzung
infolge örtlicher »heißer Stellen« verhindert wird.