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Vakuumpumpe Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer
Vakuumpumpe, bei der ein organisches Pumpenmedium einen Kreislauf Verdampfer-Dampfle,itun'
Ejelztor-Diffusor-Strahlpumpe-Kondensor-Kond@en.satleitung-Verdampfer durchläuft,
und eine nasch diesem Verfahren wirkende Vakuumpumpe.
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Es eist eine Reihe von Hochvakuumpumpen he kannt, bei denen in einem
Verdampfer eine organische Pumpenflüssigkeit verdampft wird und über eine oder mehrere
Dampfleitungen einer Ejektor-Diffusor-Strahlpumpe oder einem System von hintereinandergeschalteten
oder. parallel geschalteten Eje'ktor-Diffusor-Strahlpumpenzugeleitet wird. Die Ejektor-Diffusor-Strahlpumpen
stehen einerseits mit einer Vorpumpe und andererseits mit dem zu evakuierenden System
so in Verbindung, daß die aus dem Ejektor ausströmenden Pumpenflüssigkeitsmoleküle
die Gasmoleküle des zu evakuierenden Systems mitreißen und der Vorpumpe zuführen.
Die Dämpfe des Pumpenmediums werden unmittelbar nach der Ejektor-Diffusor-Strahlpumpe
so kondensiert, daß sie nicht von der Vorpumpe angesaugt werden. Das anfallende
Kondensat soll nun, damit ein kontinuierlicher Betrieb der Vakuumpumpe ermöglicht
wird, in den Verdampfer zurückgeleitet werden. Zu diesem Zweck wird der Kondensor
über eine Leitung mit dem Verdampfer verbundeIi.
Es ist bekannt;
eine derartige Leitung als im wesentlichen vertikal verlaufende Falleitung auszubilden,
deren Höhenunterschied ausreicht, daß das Kondensat die Differenz zwischen dem im
Verdampfer herrschenden Dampfdruck und dem Vorpumpendruck überwindet. Da ein solches
Leitungssystem einen verhältnismäßig großen Raumbedarf der Pumpe mit sich bringt
(der Verdampfer muß mindestens den Abstand der erforderlichen Kondensathöhe von
.dem Ejektor-Diffusor-Strahlpumpensystem haben) und derartige Leitungssysteme leicht
undicht werden, ist man dazu übergegangen, in die Kondensatrückleitung mechanische
Pumpen einzuschalten. Die mechanischen Pumpen weisen nun andererseits den Nachteil
einer großen Störanfälligkeit auf.
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Die Differenz des Vorpumpendrucks und Dampfdrucks im Verdampfer ist
nun keineswegs als konstant anzusehen, sondern ist im wesentlichen ab-hängig
erstens von der im Verdampfer herrschenden Temperatur und zweitens von der Zusammensetzung
der Pumpenflüssigkeit, die sich im Laufe des Betriebes durch Abwandern der leichtflüchtigen
Bestandteile und Bildung schwersiedender Zerfallsprodukte ihrerseits ändert, und
drittens vom Vorpumpendruck; der seinerseits- von dem Grad der Evakuierung abhängig
ist. Wenn der Rücktreibdruck des Kondensats in den Verdampfer zu gering ist, werden
Teile des Pumpenlüssigkeitskondensats in die Vorpumpe mitgerissen und gehen verloren.
Wenn der Rücktreibdruck zu hoch ist, werden Gasteile des zu evakuierenden Systems
mit angesaugt, was eine Verschlechterung des mit der Pumpe maximal zu erreichenden
Vakuumgrades mit sich bringt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Kondensatrückleitung
so auszubilden, daß der auf das Kondensat einwirkende Rücktreibdruck selbsttätig
gleich ist der Druckdifferenz Dampfdruck im Verdampfer und Vorpumpendrugk. Es sollen
dabei keine Mittel verwendet werden., die einen größeren Raumbedarf der Vakuumpumpe
zur Folge haben oder zu! Störungen; insbesondere zu Undichtheiten, neigen könnten.
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Die Lösung der Aufgabe wird im wesentlichen dadurch ermöglicht, daß
mindestens ein zweiter Kreislauf für die Pumpenflüssigkeit, nämlich Verdampfer -
Dampfleitung - Nebendampfleitung-Kondensatleitung-Verdampfer zusätzlich zu dem Hauptkreislauf
Verdampfer-Dampfleitung-Ejektor-D iffusor-S trahlpumpe - Kondensor - Kondensatleitung-Verdampfer
gebildet wird.
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In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer nach
dem. genannten Verfahren wirkenden Vakuumpumpe dargestellt. Die Figur zeigt einen
teil-,veise ausgebrochenen und schematisierten Ouerschnitt einer Vakuumpumpe.
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Die Vakuumpumpe besteht im wesentlichen aus einem Verdampfer 13, einer
Dampfleitung 16, einem Ejektor i i, einem Diffusor ro und einer Kondensatrückleitung
18, 17, ig sowie aus einer in die Kondensatrückleitung mündenden Nebendampfleitung
22. Der Vetdampfer besteht atis einem Behälter 13, der unterhalb des Pumpensystems
i o, ii angeordnet ist. Der Behälter 13 ist mit einer organischen Purnpenlüs:sigkeit,
-wie Phrhülatester oder Sebacatester oder Tetrasilan od. dgl., gefüllt, die durch
ein Heizelement 1q., beispielsweise durch einen elektrischen Tauchkörper oder einen
anderen bekannten Heizkörper, erhitzt wird. Die anfallenden Pumpenflüssigkeitsdämpfe
werden durch die Hauptdampfleitung 16 zu der Ejektor-Diffusor-Anordnung io, r i
geleitet.
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Der Ejektor i i besteht aus einer trichterförmigen Strahldüse, die
in den Diffusor io so hineinragt, daß die Gase des an den Anschluß 23 angeschlossenen
Systems abgesaugt werden. Um den Diffusor io ist eine Kühlschlange 12, so gelegt,
daß eine günstige Wärmeübertragung von dem Diffusor io auf die Kühlschlange i2 gewährleistet
ist. Die Kühlschlange 12 verläuft mindestens über den dem Ejektor i i abgekehrten
Teil des Diffusors io, vorzugsweise jedoch über die gesamte Länge des Diffusors
io.
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Die durch den Ejektor ii austretenden Pumpenflüssigkeitsdämpfe schlagen
sich an den gekühlten Diffusorwänden nieder und werden in der Kondensatteitung 18
gesammelt und durch die Rückleitung ig in den Verdampfer 13 zurückgeleitet.
Zwischen der Kondiensatleitungi8 unid der Rückleitung i9 ist ein im wesentlichen
vertikal stehendes Diffusionsrohr 17 eingeschaltet. In das obere Ende des Diffusionsrohres
17 ragt eine nach abwärts in den Durchgang des Diffusionsrohres 17 gerichtete Düse
21, die über die Nebendampfleitung 22 mit der Hauptdampfleitung 16 in Verbindung
steht. Die Nebendlampfleitung 22 mündet dabei in die, Hauptdarnpfleitung an einem
zwischen dem Verdampfer 13 und ide@m Ejekto@r ii liegenden Punkt.
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Der Diffusor io ist an seinem den Ejektor i i aufnehmenden NTiederdruckende
erweitert. An dem Niederdruckende ist ein Einlaßrohrstutzen 23 vorgesehen, über
den das zu evakuierende System an dieVakuumpumpeangeschlossen wird. An dem dem Niederdrtickende
gegenüberliegenden Hochdruckende des Diffusors io ist eine Auslaflöffnung 24 angeordnet,
über die die Vakuumpumpe mit einer mechanischen Vorpumpe verbunden wird.
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Der Ejektor i i ist an seiner Mündung in die Hauptdampfleitung 16
trichterförmig erweitert. Die Einlaßöffnung 23 mündet hinter der Öffnung des Ejektortrichters
i i, so daß ein Zurückströmen der verdampften Flüssigkeit in das zu evakuierende
System auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist.
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Das in die Kondensatrückleitung ig eingeschaltete Diffusionsrohr 17
ist als Venturirohr ausgebildet, d. h., es besteht aus einem nach abwärts sich verengenden
oberen Teil, einem verengten Durchgang und einem sich weiter nach unten erweiternden
unteren Teil. Die Düse 21, die ebenfalls vorzugsweise gegen ihre Mündung trichterförmig
erweitert ist, ist in dem sich verengenden oberen Teil des Diffwsioms.-rohres 17
angeordnet und gegen den verengten Durchgang desselben gerichtet. Die Kondensatleitung
18, die das Diffusionsrohr 17 mit dem
pumpenden Ejektor-Diffusor-System
io, ii verbindet, mündet in dem oberen Teil des Diffusionsrohres 17 an einem
oberhalb der Mündung der Düse 2 1 gelegenen Punkt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das pumpende Diffusor-Ejeletor-System
io, ii im wesentlichen waagerecht angeordnet. Die Kühlmittelleitung 12 erstreckt
sich dabei über die ganze Länge des Diffusorroh.re s io.
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Die Kondensatleitung 18 ist vorzugsweise verzweigt. Die Kondensatrückleitung
i9, die das untere Ende des Diffusionsrohres 17 mit dem Verdampfer 13 verbindet,
mündet in den Verdampfer 13, vorzugsweise unterhalb des normalen Flüssigkeitspegels.
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Die Nebendampfleitung 22, die die Düse 21 mit der Hauptdampfleitung
16 verbindet, weist vorzugsweise einen wesentlich kleineren Durchmesser auf als
die Hauptdampfleitung 16. Der Verdampferbehälter 13, die Hauptdampfleitung 16 und
die Nebendampfleitung 22 sind mit einer Wärmeisolationsschicht 28 umgeben. Ein Abflußstutzen
26 am Verdampferbehälter 13 dient zum Entleeren der Pumpenflüssigkeit.
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Der Behälter 13 und der pumpende Diffusor io sind vorzugsweise mit
einem Druckmesser 27 verbunden, der eine Ablesung der Druckdifferenz zwischen dem
Dampfdruck des Verdampfers 13 und dem Vorpumpendruck ermöglicht.
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Die Wirkungsweise der Pumpe ist zusammengefaßt im wesentlichen folgende:
Die Einlaßöffnung 23 wird mit dem zu evakuierenden System und die Auslaßöffnung
24 mit einer Vorpumpe verblunden. Durch die Kühlschlange 12 wird eine geeignete
Kühlflüssigkeit getrieben. Der Verdampferbehälter 13 wird mit einer Pumpenflüssigkeit
gefüllt, die durch den Heizkörper 1d. verdampft wird. Die indem Verdampfer
13 erzeugten Pumpenflüssigkeitsdämpfe werden durch die Hauptdampfleitung
16 aufwärts zum Ejektor ii geleitet und treten durch dessen trichterförmig erweiterte
Mündung in den verengten Durchgang des Diffusors io aus. Sie expandieren gegen das
erweiterte Hochdruckende des Diffusors io und evakuieren so das an die Einlaßöffnung
23 angeschlossene System.
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Während des Durchgangs durch den Diffusor io kühlen sich die Pumpenflüssigkeitsdämpfe
an den durch die Kühlschlange 12 gekühlten Diffusorwänden ab und kondensieren im
Diffusor. Das anfallende Pumpenflüssigkeitskondensat fließt durch die Kondensatleitung
18 zu dem Diffusionsrohr 17 und wird in diesem durch die über die Nebendampfleitung
22 aus der Düse 2i austretenden Pumpenflüssigkeitsdämpfe in die Kondensatrückleitung
i9 gedrückt. Die durch die Düse 21 austretenden Pumpenflüssigkeitsdämpfe kondensieren
mindestens teilweise, wenn sie mit dem kühleren Kondensat in Berührung kommen, und
geben ihre Wärme an das Kondensat ab, das so vor seinem Eintritt in den Verdampfer
13 vorgewärmt wird. Da das Kondensat und die Pumpenflüssigkeitsdämpfe abwärts in
den verengten oberen Teil des Diffusionsrohres 17 strömen, erhöht sich die Geschwindigkeit
des Kondensats und verringert sich der auf das Kondensat wirkende Druck. Nach dem
Durchtritt durch den verengten Durchgang des Diffusionsrohres 17 verringert
sich wiederum die Geschwindigkeit und erhöht sich dementsprechend der auf die Flüssigkeit
wirkende Druck. Da die Hauptdampfleitung 16 und d:ie Nebendampfleitung 22 isoliert
sind, ergibt sich ein sehr geringer, für das Zurücktreiben des Kondensats aufzuwendender
Energieverlust. Die Wärmeenergie,der durch die Nebendampf leitu.ng 22 in die Düse
21 austretenden Pumpenflüssigkeitsdämpfe wird außerdemeur Vorwärmung des Kondensats
benutzt.
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Die Vakuumpumpe ist unabhängig von der hydrostatischen Höhe des in
den Verdampferbehälter 13
entgegen dem dort herrschenden Dampfdruck zurückzuleitenden
Kondensats. Sie kann daher in viel gedrängterer Form ausgeführt werden, als dies
bei einer nur nach dem Falleitungsprinzip wirkenden Kondensatrückleitung möglich
wäre.
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In der ganzen Vakuumpumpe sind keine Einrichtungen vorgesehen, die
bewegliche Teile benötigen würden. Aus diesem Grunde ist die Pumpe auch keinen mechanischen
Störungen ausgesetzt. Bei einem Ansteigen des Dampfdruckes im Verdampfer
13 treten die durch die Nebendampfleitung 22 abgezogenen Pumpenflüssigkeitsdämpfe
ebenfalls mit höherem Anfangsdruck und höherer Geschwindigkeit in die Düse 2i aus.
Das in dem Diffusionsrohr 17 angesammelte Kondensat wird dementsprechend mit größerem
Druck in den Verdampfer 13 zurückgetrieben. Die Einrichtung stellt sich also
jeweils selbsttätig auf den geänderten Dampfdruck im Verdampfer 13 ein.
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Die Vakuumpumpe gemäß der Erfindung kann mit einem Hochdruckverdampfer
betrieben werden, so daß .die Pumpe mit stärkerer Pumpenwirkung auch gegen höhere
Vordrücke arbeiten kann.
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Nachdem nun die Erfindung ausführlich an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde, kann der Fachmann den Erfindungsgedanken jeweils ohne weiteres
den vorliegenden Gegebenheiten anpassen. Es können natürlich ebenso Diffusionspumpen
mit mehreren hintereinander und parallel geschalteten Ejektor-Diffusor-Systemen
aufgebaut werden.