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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Dampfstrahlvakuumpumpen und spezieller Dampfstrahlvakuumpumpen und
Verfahren zum Betreiben, bei denen in einer Vorvakuumleitung eine
oder mehrere Ejektorstufen angebracht sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Dampfstrahlvakuumpumpen,
die auch als Diffusionspumpen bekannt sind, werden weit verbreitet
zum Erzeugen von Vakuum geschlossener Kammern auf ein Hochvakuum
eingesetzt. Die Grundbestandteile einer Dampfstrahlvakuumpumpe umfassen
ein Gehäuse
mit einem Einlassanschluss und eine Vorvakuumleitung, die wie ein
Auslassanschluss funktioniert. Das Gehäuse kann einen im Allgemeinen
zylindrischen Abschnitt und eine Vorvakuumleitung enthalten. Die
Vorvakuumleitung kann mit einer Vorvakuumpumpe oder einer Vorpumpe
verbunden werden. Eine Dampfquelle in Form eines Dampferzeugeraggregates
ist in dem unteren Ende des Gehäuses
verkapselt. Das Dampferzeugeraggregat umfasst einen Behälter für eine Flüssigkeit
wie Öl
und eine Heizvorrichtung zum Verdampfen der Flüssigkeit. Ein in dem Gehäuse angebrachtes Dampfstrahlaggregat
leitet einen oder mehrere ringförmige
Dampfstrahlen gegen die Gehäusewand,
an der der Dampf kondensiert wird. Der kondensierte Dampf kehrt
in den Flüssigkeitsbehälter zurück, und der
Kreislauf wird wiederholt. Die Dampfstrahlen reißen Gasmoleküle aus der
geschlossenen Kammer, an der die Pumpe befestigt ist, mit, wodurch
in der Kammer ein Vakuum erzeugt wird.
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Dampfstrahlvakuumpumpen
nach dem Stand der Technik haben sich eine Ejektorstufe zur Erhöhung des
Auslassdrucks der Pumpe zunutze gemacht. Die Ejektorstufe enthält eine
Düse, die
innerhalb des zylindrischen Teils des Gehäuseaufbaus eingesetzt ist und
mit der Vorvakuumleitung fluchtet. Ein Teil des durch das Dampferzeugeraggregat
erzeugten Dampfes geht als Dampfstrom durch die Düse in die
Vorvakuumleitung über.
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Der
Dampfstrom reißt
Gasmoleküle
mit zur Auslassöffnung
der Pumpe hin. Siehe zum Beispiel das am 4. Juli 1989 Landfors erteilte
US-Patent Nr. 4 845 360 .
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Außerdem offenbart
die Druckschrift
DE 928 314 eine
Dampfstrahlvakuumpumpe mit einem Dampfstrahlaggregat innerhalb eines
Gehäuses
und einer Dampfquelle zum Zuführen
von Dampf in das Dampfstrahlaggregat. Das Gehäuse enthält eine Vorvakuumleitung, in
der eine Ejektorstufe angebracht ist, die eine Ejektorleitung aufweist.
Ein Ende der Ejektorleitung öffnet
zu einer Flüssigkeitsquelle.
Eine Flüssigkeitspumpe,
die an einem vom Dampfstrahlaggregat entfernten Ende der Vorvakuumleitung
angebracht ist, steuert die Ejektorstufe.
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Den
Leistungsverbrauch zu beschränken,
ist häufig
ein wichtiges Problem beim Betrieb von Dampfstrahlvakuumpumpen.
Dampfstrahlvakuumpumpen sind hinsichtlich der auszuführenden
Arbeit, um das gepumpte Gas zu verdichten, sehr uneffizient. Bei
einem Betrieb mit maximalem Durchsatz kann die Leistung nur 1% oder
2% betragen. Die meiste Energie wird zum erneuten Erwärmen und
erneuten Verdampfen des kondensierten Öldampfes verwendet. Unter bestimmten
Betriebsbedingungen kann etwa die Hälfte der durch die Dampfstrahlvakuumpumpe
verbrauchten Leistung zum Betreiben der Ejektorstufe drauf gehen.
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Folglich
besteht Bedarf an verbesserten Dampfstrahlvakuumpumpen und Verfahren
zum Betreiben von Dampfstrahlvakuumpumpen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Nach
einer ersten Ausführung
der Erfindung ist eine Dampfstrahlvakuumpumpe vorgesehen, die ein
Gehäuse
umfasst mit einem Einlassanschluss und einer Vorvakuumleitung, ein
Dampfstrahlaggregat innerhalb des Gehäuses, eine Dampfquelle zum Zuführen von
Dampf in dieses Dampfstrahlaggregat, und eine Ejektorstufe einschließlich einer
Ejektordüse,
die in der Vorvakuumleitung angebracht ist, und ein Fluideinlass,
wobei der Fluideinlass außerhalb des
Gehäuses
angebracht ist und durch eine Ejektorleitung mit der Ejektordüse verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluideinlass einen Lufteinlass
besitzt, der Luft bei Umgebungsluftdruck ansaugt, wobei die Ejektorstufe durch
eine mit der Vorvakuumleitung verbundene Vorpumpe gesteuert wird.
Des Weiteren ist ein Vakuumpumpensystem einschließlich einer
solchen Dampfstrahlvakuumpumpe vorgesehen.
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Nach
einer weiteren Ausführung
der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfstrahlvakuumpumpe
vorgesehen, die ein Gehäuse mit
einem Einlassanschluss und einer Vorvakuumleitung, ein Dampfstrahlaggregat
innerhalb des Gehäuses
und eine Dampfquelle zum Zuführen
von Dampf in das Dampfstrahlaggregat aufweist, wobei das Verfahren
umfasst: Betreiben einer Ejektorstufe einschließlich einer Ejektordüse, die
in der Vorvakuumleitung angebracht ist, und einen Fluideinlass,
der außerhalb
des Gehäuses
angebracht ist und durch eine Ejektorleitung mit der Ejektordüse verbunden
wird, dadurch, dass Luft mit einer mit der Vorvakuumleitung verbundenen
Vorpumpe gepumpt wird, um zu bewirken, dass die bei Umgebungsluftdruck
zugeführte
Luft durch den Fluideinlass, die Ejektorleitung und die Ejektordüse strömt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen
Bezug genommen, die hier durch Verweis einbezogen sind und in denen:
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1 ist
eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Dampfstrahlvakuumpumpe
entsprechend einer ersten Ausführung
nach der Erfindung;
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2 ist
eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Dampfstrahlvakuumpumpe
entsprechend einer zweiten Ausführung
nach der Erfindung; und
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3 ist
eine vereinfachte Draufsicht im Querschnitt einer Dampfstrahlvakuumpumpe
entsprechend einer dritten Ausführung
nach der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Dampfstrahlvakuumpumpe
entsprechend einer ersten Ausführung
nach der Erfindung ist in 1 dargestellt.
Die haupt sächlichen
Bestandteile der Dampfstrahlvakuumpumpe umfassen ein Gehäuse 10,
eine Dampfquelle in Form einer Dampferzeugerbaugruppe 12 und
ein Dampfstrahlaggregat 14.
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Das
Gehäuse 10 umfasst
eine Gehäusekapsel 20 oder
einen Hauptgehäusekörper, der
einen inneren Bereich 22 bildet, und eine Vorvakuum-Rohrleitung 24,
die eine Vorvakuumleitung 28 bildet. Die Kapsel 20 kann
zum Beispiel einen zylindrischen unteren Abschnitt 23 und
einen oberen Abschnitt 25 vergrößerten Durchmessers enthalten.
Am oberen Ende der Kapsel 20 ist ein mit dem inneren Bereich 22 verbundener
Einlassanschluss 26 ausgebildet. Eine im Einlassanschluss 26 angebrachte
Düsenhutdampfsperre 27 unterdrückt zu weit
auseinander gehenden Durchfluss wie es an sich bekannt ist. An der Außenfläche der
Kapsel 20 können
Kühlschlangen 30 vorgesehen
sein. Das Gehäuse 10 kann
außerdem
einen Einlassflansch 32 zur Befestigung der Pumpe an einer
Vakuumkammer enthalten. Die Vorvakuum-Rohrleitung 24 bildet
einen Auslassanschluss 33 und enthält einen Vorvakuumleitungs-Flansch 34.
Die Vorvakuum-Rohrleitung 24 ist typischerweise
an einer Vorpumpe 36 angeschlossen. Eine in der Vorvakuum-Rohrleitung 24 angebrachte
Dampfsperre 38 verbessert die Kondensation und unterdrückt den
Verlust von Öldampf
durch die Vorvakuumleitung 28.
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Die
Dampferzeugerbaugruppe 12 ist an dem unteren Ende der Kapsel 20 befestigt.
Der Dampferzeuger 12 umfasst eine Heizvorrichtung 50 und
einen Flüssigkeitsbehälter 54 innerhalb
einer zylindrischen Wand 56 des Dampfstrahlaggregates 14.
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Das
Dampfstrahlaggregat 14 besitzt eine im Allgemeinen zylindrische
Ausführung,
die einen mittleren Kanal 60 bildet, der Dampf aus der
Dampferzeugerbaugruppe 12 in eine erste ringförmige Pumpstufe 62,
eine zweite ringförmige
Pumpstufe 64 und eine dritte ringförmige Pumpstufe 66 transportiert.
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Bei
Betrieb wird eine Flüssigkeit
wie Öl
im Behälter 54 durch
die Heizvorrichtung 50 verdampft. Der Dampf bewegt sich
durch den Kanal 60 nach oben in die ringförmigen Pumpstufen 62, 64 und 66. Jede
der Pumpstufen besitzt eine ringformige Öffnung, die den Dampf in einem
allgemein konischen Dampfstrahl nach außen und unten lenkt. Der Dampf in
jedem Dampfstrahl wird durch die relativ kühle Außenkapsel 20 kondensiert,
und der kondensierte Dampf kehrt in den Flüssigkeitsbehälter 54 zurück. Die
Dampf strahlen reißen
die Gasmoleküle
aus der Vakuumkammer, an der die Pumpe befestigt ist, wodurch in
der Kammer ein Vakuum erzeugt wird. Die gepumpten Gasmoleküle werden
durch die Vorvakuumleitung 28 abgezogen.
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Nach
einer Ausführung
der Erfindung umfasst die Dampfstrahlvakuumpumpe eine Ejektorstufe 80.
Die Ejektorstufe 80 enthält eine in der Vorvakuum-Rohrleitung 24 angebrachte
Ejektordüse 82.
Außerhalb
des Gehäuses 10 ist
ein Fluideinlass 84 angebracht. Der Fluideinlass 84 ist
durch eine Ejektorleitung 86 mit einer Ejektordüse 82 verbunden.
In der Ausführung
von 1 ist der Fluideinlass 84 ein Lufteinlass,
der Luft bei Umgebungsluftdruck ansaugt. Die Ejektorstufe 80 kann
außerdem
ein Stellventil 90 wie ein Nadelventil enthalten, um den
Luftstrom zur Ejektordüse 82 einzustellen,
und ein Sperrventil 92, um die Ejektorleitung 86 steuerbar
zu öffnen
oder zu schließen.
Das Stellventil 90 kann in Abhängigkeit von der Anwendung
per Hand oder automatisch gesteuert werden. Zum Beispiel kann das
Ventil 90 elektrisch steuerbar sein. Das Sperrventil 92 kann
so ausgeführt
und verbunden werden, dass es automatisch schließt, wenn die Vorpumpe 36 den
Betrieb unterbricht, wodurch verhindert wird, dass Luft bei Umgebungsluftdruck
in die Dampfstrahlvakuumpumpe eintritt. Es wird verständlich werden,
dass andere Ventilanordnungen genutzt werden können oder eine feststehende Öffnung genutzt
werden kann.
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Die
Ejektordüse 82 ist
eine bekannte Vorrichtung, bei der die kinetische Energie eines
Fluides genutzt wird, um ein anderes Fluid aus einem Bereich niedrigeren
Drucks zu einem Bereich höheren Drucks
zu pumpen. Ejektordüsen
werden zum Beispiel von O. W. Eshbach in Handbock of Engineering Fundamentals,
John Wiley and Sons, New York, 1936, Seiten 7–50 bis 7–51 beschrieben. Typisch ist, dass
Ejektordüsen
eine Verengung enthalten, die die lokale Durchflussgeschwindigkeit
erhöht.
Ejektordüsen
sind handelsüblich
erhältlich.
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In
einigen Ausführungen
kann die Ejektordüse 82 in
einem kegelstumpfförmigen
Abschnitt 94 der Vorvakuum-Rohrleitung 24 angebracht
sein. In dem kegelstumpfförmigen
Abschnitt 94 verringert sich der Durchmesser der Vorvakuum-Rohrleitung 24 mit
zunehmendem Abstand von der Kapsel 20.
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In
der Ausführung
von 1 wird die Ejektorstufe 80 durch die
Vorpumpe 36 betrieben. In die Ejektorstufe 80 wird
durch den Fluideinlass 84 und die Ejektorleitung 86 Luft
bei Umgebungsluftdruck von ungefähr
10100 Pa (760 Torr) angesaugt. Die Luft wird in die Vorvakuum-Rohrleitung 24 bei
einem typischen Druck der Größenordnung
von 67 bis 133 Pa (0,5 bis 1,0 Torr) ausgestoßen. Die
aus der Düse 82 ausgestoßene Luft
strömt
durch die Vorvakuum-Rohrleitung 24 in die Vorpumpe 36.
Der Luftstrom zieht Gasmoleküle
aus den inneren Bereich 22 des Gehäuses 10 mit sich,
und wirkt dadurch wie eine Pumpstufe. Die Ejektorstufe 80 erzeugt
am Auslassanschluss 33 der Dampfstrahlvakuumpumpe einen höheren Druck
als er bei nicht vorhandener Ejektorstufe 80 erhalten werden
würde.
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Eine
vereinfachte Darstellung im Querschnitt einer Dampfstrahlvakuumpumpe
gemäß einer
zweiten Ausführung
der Erfindung ist in 2 dargestellt. Gleiche Elemente
in 1 und 2 haben die gleichen Bezugszahlen.
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Das
Dampfstrahlaggregat 14 in der Ausführung von 2 umfasst
zwei ringförmige
Pumpstufen 62 und 64. Außerdem enthält die Ausführung von 2 eine
optionale Dampfsperre 100 und wahlweise Kühlleitungen 102,
die mit der Düsenhutdampfsperre 27 verbunden
sind.
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Die
in 2 dargestellte Dampfstrahlvakuumpumpe umfasst
eine erste Ejektorstufe 120 und eine zweite Ejektorstufe 140 für erhöhten Druck
an dem Auslassanschluss 33. Die Ejektorstufe 120 umfasst
eine in der Vorvakuum-Rohrleitung 24 angebrachte Ejektordüse 122,
einen außerhalb
des Gehäuses 10 befindlichen
Lufteinlass 124 und eine zwischen dem Lufteinlass 124 und
der Ejektordüse 122 angeschlossene
Ejektorleitung 126. Die Ejektorstufe 120 kann
des Weiteren ein Stellventil 128 und ein Sperrventil 130 umfassen,
die in der Ejektorleitung 126 zwischen dem Lufteinlass 124 und
der Ejektordüse 122 angeschlossen
sind. Die Ejektordüse 122 kann
in einem kegelstumpfförmigen
Abschnitt 132 der Vorvakuum-Rohrleitung 24 angebracht
sein. Entsprechend enthält
die Ejektorstufe 140 eine in der Vorvakuum-Rohrleitung 24 angebrachte
Ejektordüse 142,
einen außerhalb
des Gehäuses 10 angeordneten
Lufteinlass 144 und eine zwischen dem Lufteinlass 144 und
der Ejektordüse 142 angeschlossene Ejektorleitung 146.
Die Ejektorstufe 140 kann ferner ein Stellventil 148 und
ein Sperrventil 150 umfassen, die in der Ejektorleitung 146 zwischen
dem Lufteinlass 144 und der Ejektordüse 142 ange schlossen sind.
Die Ejektordüse 142 kann
in einem kegelstumpfförmigen
Abschnitt 152 der Vorvakuum-Rohrleitung 24 angebracht
sein. Die kegelstumpfförmigen Abschnitte 132 und 152 der
Vorvakuum-Rohrleitung 24 verringern sich im Durchmesser
mit zunehmendem Abstand von der Gehäusekapsel 20. Die
Ejektordüse 142 ist
in der Vorvakuum-Rohrleitung 24 in Strömungsrichtung der Ejektordüse 122 angeordnet.
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Die
Ejektorstufen 120 und 140 arbeiten in der Vorvakuum-Rohrleitung 24 in
Reihe. Jede der Ejektorstufen 120 und 140 wird
durch eine Vorpumpe 36 betrieben. In jede Ejektorstufe
wird durch den entsprechenden Lufteinlass Luft bei Umgebungsluftdruck
gesaugt und durch die Ejektordüse
mit dem Druck in der Vorvakuum-Rohrleitung 24 an der Stelle der
entsprechenden Ejektordüse
abgegeben. Infolgedessen erzeugt die Ejektorstufe 120 eine
Druckerhöhung,
und die Ejektorstufe 140 erzeugt eine weitere Druckzunahme.
Es soll verständlich
werden, dass mehr als zwei Ejektorstufen in Reihe verwendet werden
können.
Außerdem
können
die kegelstumpfförmigen
Abschnitte 132 und 152 der Vorvakuum-Rohrleitung 24 durch
zylindrische Abschnitte oder Abschnitte einer anderen geeigneten
Form ersetzt werden.
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Es
kann angemerkt werden, dass die in 1 und 2 gezeigten
Dampfstrahlvakuumpumpen keinen Ejektor enthalten, der Teil des Dampfstrahlaggregats
ist und durch Dampf von der Dampferzeugerbaugruppe angetrieben wird.
Somit wird der Leistungsverbrauch der Dampfstrahlpumpen von 1 und 2 im
Verhältnis
zu Dampfstrahlpumpen im Stand der Technik, die wirklich einen solchen Ejektor
enthalten, reduziert. Die eine oder mehrere Ejektorstufen in der
Vorvakuum-Rohrleitung erzeugen einen Druck am Auslassanschluss,
der vergleichbar mit Dampfstrahlvakuumpumpen im Stand der Technik
oder größer als
dieser ist, bei reduziertem Leistungsverbrauch durch die Dampfstrahlvakuumpumpe.
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Die
Ejektorstufen 120 und 140 erteilen der Vorpumpe 36 eine
erhöhte
Last. Jedoch besitzen typische mechanische Vorpumpen eine mehr oder
weniger konstante Eingangsleistung als Funktion des Einlassdruckes.
Folglich wird der durch die Vorpumpe 36 gezogene Strom
durch den erhöhten
Einlassdruck, der sich aus der Zusammenfassung von einer oder mehreren
Ejektorstufen in der Dampfstrahlvakuumpumpe ergibt, nicht nennenswert
erhöht.
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Die
vereinfachte Draufsicht einer Dampfstrahlvakuumpumpe im Querschnitt
nach einer dritten Ausführung
der Erfindung ist in 3 gezeigt. Ähnliche Elemente in 1 bis 3 weisen
die gleichen Bezugszahlen auf. In der Ausführung von 3 ist
die Gehäusekapsel 20 schematisch
dargestellt und zur Vereinfachung der Darstellung wurden die Dampfstrahlbaugruppe
und die Dampfquelle weggelassen.
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In
der Ausführung
von 3 enthält
die Vorvakuumleitung 24 die Vorvakuumleitungsabschnitte 200, 202, 204 und 206,
die um die Gehäusekapsel 20 herum
gehüllt
sind, um eine kompakte Struktur bereitzustellen. Jede der Vorvakuumleitungsabschnitte ist
mit einer Ejektorstufe versehen. Somit ist der Vorvakuumleitungsabschnitt 200 mit
der Ejektorstufe 210, der Vorvakuumleitungsabschnitt 202 mit
der Ejektorstufe 212, der Vorvakuumleitungsabschnitt 204 mit
der Ejektorstufe 214 und der Vorvakuumleitungsabschnitt 206 mit
der Ejektorstufe 216 versehen Jede der Ejektorstufen 210, 212, 214 und 216 kann, wie
oben beschrieben, eine in dem entsprechenden Vorvakuumleitungsabschnitt
angebrachte Ejektordüse,
einen außerhalb
des Gehäuses 10 angeordneten Lufteinlass
und eine zwischen dem Lufteinlass und der Ejektordüse angeschlossene
Ejektorleitung umfassen. Jede Ejektorstufe kann, wie oben beschrieben,
außerdem
ein Stellventil und ein Sperrventil enthalten. Die Ausführung der
Dampfstrahlvakuumpumpe nach 3 stellt
somit vier Ejektorstufen in Reihe bereit, um einen relativ hohen
Ausgangsdruck zu erzeugen. Es wird verständlich werden, dass innerhalb des
Umfangs der Erfindung eine beliebige Anzahl von Ejektorstufen genutzt
werden kann. Ferner ist wie in 3 gezeigt,
die Vorvakuumleitung 24 nicht unbedingt in Sektionen ausgeführt. In
anderen Ausführungen
kann eine kontinuierliche Vorvakuumleitung mit einer oder mehreren
Ejektorstufen, die in Abständen
angeordnet sind, vorgesehen werden.
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Eine
weitere Ausführung
nach der Erfindung wird mit Bezug auf 3 beschrieben.
Für den
Betrieb mit einer Flüssigkeit
können
eine oder mehrere der Ejektorstufen ausgeführt werden. In der Ausführung von 3 kann
der Einlass der Ejektorstufe 216 mit einer Flüssigkeitspumpe 230 verbunden
sein. Die Pumpe 230 kann eine Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser
oder Öl
einer Ejektorstufe 216 zuführen. Die Flüssigkeit
durchlauft die Ejektordüse
in Form eines Sprühnebels
und pumpt Gasmoleküle
in der gleichen Art und Weise wie die oben beschriebene Luft-Ejektorstufe.
Die Flüssigkeit
kann in dem Vorvakuumleitungsabschnitt 206 zum Beispiel
durch Schwerkraft gesammelt und zu der Flüssigkeitspumpe 230 zurück geführt werden,
um eine Ejektorstufe mit Flüssigkeitsumwäl zung zu
bilden. Die Flüssigkeits-Ejektorstufe
wird anstelle der Vorpumpe 36 durch die Flüssigkeitspumpe 230 gesteuert.
In einigen Ausführungen
kann die Flüssigkeits-Ejektorstufe die
zugeordnete Zuführung
einer Flüssigkeit
wie Öl
oder Wasser aufweisen. In anderen Ausführungen kann die Flüssigkeit
für die
Flüssigkeits-Ejektorstufe
aus dem Behälter 54 (1 und 2)
der Dampferzeugerbaugruppe 12 gesaugt und in den Behälter 54 zurückgeführt werden,
nachdem sie die Ejektorstufe durchlaufen hat.
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Es
wird verständlich,
dass die Dampfstrahlvakuumpumpe innerhalb des Umfangs der Erfindung eine
beliebige geeignete Gehäuseausführung, eine beliebige
geeignete Ausführung
der Dampfstrahlbaugruppe und eine beliebige geeignete Ausführung der Dampferzeugerbaugruppe
haben kann. Die Dampfstrahlvakuumpumpe kann außerdem einen Ejektor, der Teil
der Dampfstrahlbaugruppe ist und der durch Dampf aus der Dampferzeugerbaugruppe
gesteuert wird, wie es im oben erwähnten Patent Nr. 4 845 360 offenbart
ist, zusätzlich
zu der einen oder mehreren oben beschriebenen Ejektorstufen umfassen.
Die eine oder mehrere Ejektorstufen können in die Vorvakuumleitung
eingebaut werden, um einen integralen Teil der Dampfstrahlvakuumpumpe
zu bilden.