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Toepler-Pumpe
Zum Handhaben von Gasen, insbesondere zum Sammeln und
Messen der beim Evakuieren mit Hilfe von Hochvakuumpumpen anfallenden Gase, bedient
man sich einer Toepler-Pumpe genannten Vorrichtung, bei der das Gas durch Veränderung
der Füllung eines Pumpraumes mit Quecksilber bewegt und in eine Meßbürette gedrückt
wird, in der es über Ouecksilber aufgefangen und nach Druckausgleich mittels Niveaugefäß
gemessen wird.
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Die Veränderung der Füllung des Pumpraumes mit Quecksilber erfolgt
durch Veränderung des Druckes in einem Vorratsraum, vorteilhaft mit Hilfe von Preßluft
oder unter Druck stehenden Gasen bzw. einer Vakuumpumpe. Über ein Steigrohr kann
dann dasQuecksilber in den über dem Vorratsgefäß angeordneten Pumpraum eintreten
oder aus ihm zum Vorratsraum zurückfließen. Bei einer bestimmten Höhe des Quecksilberspiegels
im Pumpraum wird die Zuleitung für das zu fördernde Gas freigegeben bzw. gesperrt.
Das im Pumpraum befindliche Gas wird durch das hochsteigende Quecksilber in die
Meßbürette verdrängt. Die Verbindungsleitung zwischen Pumpraum und Meßbürette muß
zur Vermeidung von Totraum zu Beginn und am Ende des Pumpvorganges mit Quecksilber
gefüllt sein. Außerdem muß sich in der Verbindungsleitung eine Absperrvorrichtung
befinden, die verhindert, daß das Gas aus der Meßbürette wieder in den Pumpraum
zlurückströmt.
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Eine derartige Absperrvorrichtung wird z. B. dadurch geschaffen, daß
man die Zuführung zur Meßbürette etwa 760 mm tiefer legt als den Pumpraum oder daß
man die Verbindungsleitung mit Hilfe eines Hahnes verschließt. Im ersten Fall wird
die Apparatur unhandlich und bruchgefährdet, im letzten Fall muß bei jedem Pumpenhub
der Hahn bedient werden, wobei das zum Abdichten des Hahnes verwendete Hahnfett
die Gase und das Quecksilber verunreinigen kann. In beiden. Ausführungsformen bringt
die Aufteidtrng der Toepler-
Pumpe in die durch eine Leitung verbundene
quecksilbergefüllte Pump- und Meßvorrichtung die Gefahr erheblicher Spannungen in
der Leitung mit sich, die vor allem dann zu Bruch führen können, wenn bei der Betätigung
ein sogenannter Flüssigkeitsaufschlag auftritt.
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Bei der üblichen Ausführungsform muß auch zwischen dem Gaseinlaß
zum Pumpraum und dem Vorratsraum eine Höhendifferenz von 760 mm eingehalten werden,
weil sonst bei der Entspannung des Druckes im Vorratsraum auf Atmosphärendruck das
Quecksilber kontinuierlich nach der Meßbürette weiterströmen würde. Man kann zwar
den Abstand zwischen Pumpraum und Vorratsraum verringern, muß dann aber sehr vorsichtig
arbeiten, weil bei Drücken des zu fördernden Gasvorrats über etwa 100 mm leicht
das zur Pumpe nachströmende Gas in den Vorratsraum durchgesaugt wird und verlorengeht.
Zur leichteren Einstellung des Quecksilberniveaus ist deshalb in diesen Pumpen ein
Hahn zwischen Pump- und Vorratsraum eingebaut, dessen Küken aber leicht durch das
große Gewicht des auf ihm lastenden Quecksilbers herausgedrückt wird.
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Es- wurde nun gefunden, daß Toepler-Pumpen sicherer arbeiten und
einfacher zu bedienen sind, wenn die Meßbürette unmittelbar und senkrecht über dem
Pumpraum angeor,dnet und von diesem durch eine poröse quecksilberundurchlässige
Platte getrennt ist, die in Richtung von der Bürette zum Pumpraum durch übergeschichtetes
Quecksilber für den Durchgang von Gasen gesperrt ist.
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Bei dieser Anordnung werden Hähne und lange Zuleitungen zwischen
Meßbürette und Pumpraum vermieden und Fehlerquellen ausgeschaltet, die durch Verschmutzung
des Quecksilbers mit Schmiermitteln oder eine Veränderung der zu handhabenden Gase
entstehen könnten. Auch fallen Bedienungsfehler an den Absperrvorrichtungen fort.
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Vom Pumpraum in die Meßbürette kann kein Quecksilber gelangen, so
daß die eingesetzte Menge im Vorratsraum konstant bleibt. Schließlich kann diese
Toepler-Pumpe ohne Schwierigkeiten spannungsfrei aufgestellt werden, was die Bruchgefahr
erheblich verringert.
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Infolge der gleichbleibenden Quecksilbermenge im Pump- und Vorratsraum
kann man bei dieser Ausführungsform der Toepler-Pumpe auch mit Sicherheit Gasverluste
durch Entweichen über den Vorratsraum vermeiden, wenn man nun dafür sorgt, daß der
Vorratsraum mit Quecksilber völlig gefüllt ist, bevor das Gas aus dem Pumpraum über
das Steigrohr in den Vorratsraum eintreten kann.
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Das Austreten des Quecksilbers aus dem Vorratsraum wird zweckmäßig
durch eine geeignete Sicherheitsvorrichtung verhindert. Die Sicherheit wird noch
weiter erhöht, wenn man zur Veränderung des Druckes im Vorratsraum nicht, wie bisher
üblich, Vakuumpumpen und bzw. oder Preßluft verwendet, sondern ein geschlossenes
System anschließt, in dem sich mit geringem Wärmeaufwand kondensierbare oder verdampfbare
Stoffe, z. B.
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Äthylen, Kohlendioxyd oder Butan, befinden, die durch ein geeignetes
Heiz- oder Kältebad verdampft oder kondensiert werden und dadurch den Druck im Vorratsraum
leicht regulierbar ändern.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Pumpe ist aus der Abbildung
zu ersehen. Der Pumpraum I wird aus dem Vorratsraum 2 mit Quecksilber versorgt.
Die Höhe des Quecksilberspiegels im Pumpraum wird durch Veränderung des Druckes
im Vorratsraum über den Ansatz 3 geregelt. Der Gasraum des Vorratsraumes 2 ist über
dem Ansatz 3 mit dem Kolben II verbunden und mit einem mit geringem Wärmeaufwand
kondensierbaren oder verdampfbaren Gas, z. B. Äthylen, gefüllt. Durch Eintauchen
des Kolbens II in das Küzhl- oder Heizbar 12 wird der Druck im Vorratsraum 2 und
damit der Quecksilberspiegel im Pumpraum I nach Belieben eingestellt. Sinkt der
Quecksilberspiegel im Pumpraum 1 unter das Niveau der Rohrgabelung 4, so kann das
zu sammelnde und zu messende Gas über den mit Rückschl;agventil 5 versehenen Gaseinleitungsstutzen
6 in den Pumpraum I eintreten und wird dann durch Heben des Quecksilberspiegeis
durch die poröse Platte 7 in die Meßbürette 8 gedrückt. Die poröse quecksilberundurchlässige
Platte 7 kann z. B. aus einer Glasfilterplatte ausreichender Porenfeinheit bestehen,
z. B. einer Glassinterpiatte, die zu Filterzwecken im Handel sind. Es sind aber
auch andere poröse Platten genügender Feinheit und Druckfestigkeit anwendbar. Wesentlich
ist nur, daß die Platte für Gase durchlässig, für Quecksilber undurchlässig und
ausreichend dünn ist, daß die in den Poren verbleibenden Gasmengen möglichst gering
bleiben. Die poröse Platte 7 ist umgeben von einem Rand I3, der sicherstellt, daß
die poröse Platte immer mit Quecksilber bedeckt bleibt. In der Meßbürette 8 wird
das Gas über Quecksilber aufgefangen und kann dann nach Druckausgleich mit Hilfe
eines Niveaugefäßes g gemessen und über den Hahn IO der weiteren Untersuchung zugeführt
werden.