-
Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Hochvakuumdiffusionspumpe
Bei der Ausbildung von Hochvakuumdiffusio.nspumpenmit großer Saugleitung ist man
gezwungen, sehr große Saugquersdhnitte zu verwirklichen, da die maximal erreichbare
Sauggeschwindigkeit von diesem Wert abhängt. Bei Diffusionspumpen mit Saugleistungen
über etwa iooo I/Sek. ergeben sich daher bei .der bisher üblichen Bauart sehr große
Abstände zwischen dem Rand der Ausströmdüse für den Treibm,itteldampf und den vorzugsweise
gekühlten Kon densations.flä.chen der Pumpe. Das führt zu verhältnismäßig großen
Bauhöhen, um eine ungestörte Strömung und ausreichende Kondensation des Treibmitteldampfes
zu gewährleisten. Um ein Hochvakuum zu erreichen, muß man derartige Pumpen mehrstufig,
vorzugsweise dreistufig, ausbilden, so.,daß Diffusionspumpen mit eÄner Saugleistung
von beispielsweise 2ooo 1/Sek. zu einer Bauhöhe von i bis 1,5 m führen. Das führt
zu erheblichen Baukosten und zu Einbauschwierigkeiten.
-
Ein weiterer Nachteil der bisher üblichen Ausbildung von Hochväkuumdiffusionspumpen
besteht darin, daß bei den sich ergebenden großen Spaltweiten zwischen Ausströmdüse
und zur Kondensation des Treibmitteldampfes führenden Wandung die durch die geometrischen
Dimensionen dieses Spaltes gegebene Saugleitung nur bei niederen Drücken., also
großen Unterdrücken, verwirklicht werden kann. Die freie Weglänge der Gasmoleküle
ist proportional dem Druck. Sobald nun die freie Weglänge der abgesaugten Gasmoleküle
mit der
Spaltweite größenordnungsmäßig vergleichbar wird, tritt
eine erhöhte Rückdiffusion in den Hochvakuumraum ein, so daß die Saugleistung der
Pumpe kleiner wird. Die obere Grenze, bei der die Diffusionspumpe noch ihre volle
Saugleistung entfalten kann, wird demgemäß verbessert, je geringer die Weite des
Spaltes ist.
-
Eine Hochvakuumdiffusionspumpe großer Saugleistung muß demnach einerseits
einen möglichst großen Ansaugquerschnitt und andererseits eine möglichst geringe
Spaltweite zwischen: Ausströmdüse und Kondensationswandung aufweisen. Das kann dadurch
erreicht werden, daß mehrere voneinander unabhängige, einzelne Pumpen. kleiner Saugleistung
zueinander parallel geschaltet werden. Derartige Anordnungen sind auch bereits verwirklicht
worden. Bei diesen bekannten Ausbildungen ordnet man beispielsweise um eine zentral
vorgesehene Einzelpumpe eine Reihe weiterer Einzelpumpen, im Kreise gleichmäßig
verteilt, an und bringt sämtliche Einzelpumpen in einem sie umgebenden Gehäuse unter.
Dieser Vorschlag führt jedoch deshalb zu keiner Lösung der dargestellten Aufgabe,
weil Platzbedarf, Herstellungskosten und Energieaufwand zur Verdampfung des Treibmittels
keine wesentliche Verminderung erfahren, wobei in bezug auf den Raumbedarf der Umstand
maßgebend wird, daß zwischen den Einzelpumpen nach wie vor große, tote Räume liegen,
die nicht nutzbringender Verwertung zugeführt werden. Die Herstellungskosten sind
ideshalb erheblich, weil die Saugleistung nur der Summe der Saugleistungen der Einzelpumpen
entspricht, so daß der bauliche Aufwand verhältnismäßig groß wird. Schließlich werden
keine Ersparnisse bei der Herstellung des Treibmitteldampfes.erzielt, weil der Energiebedarf
mindestens der Summe der Energieaufwände in den Einzelpumpen entspricht.
-
Es bedarf daher einer grundsätzlichen Abänderung des bisher gebräuchlichen
Verfahrens zum Betrieb derartiger Hochvakuum:diffusionspumpen. Geht man von der
vorbeschriebenen bekannten Bauart von Hochvakuumdiffusionspump,en, bei der also
auch bereits außerhalb eines Raumes der Pumpe, in dem mindestens eine erste Treibmittelwolke
erzeugt und niedergeschlagen wird, eine oder mehrere Treibmittelwolken erzeugt werden,
die allerdings durch die erwähnten toten Räume voneinander getrennt sind, aus, so
kennzeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren dadurch, daß jede
einzelne der weiteren Treibmittelwolken mindestens die erste Treibmittelwolke oder
--,volken umgibt, wobei die umgebenen und umgebenden Treibmittelwolken bei in bezug
auf das zu erzeugende Vakuum wenigstens teilweise paralleler Arbeits-,veise unabhängig
voneinander kondensiert werden. Insbesondere können weitere Treibmittelwolken aus
Treibmitteldampfströmen ringförmigen Querschnitts erzeugt werden. Das Verfahren
ermöglicht es vor allem, außerhalb des' ersten Raumes, in welchem mindestens die
erste Treibmittelwolke erzeugt und niedergeschlagen wird, wenigstens zwei weitere,
vom gleichen ringförmigen Erzeugungsquerschnitt nach zueinander entgegengesetzten,
radialen Richtungen divergierende Treibmittelwolken zu erzeugen und niederzuschlagen..
Dabei ist es vorteilhaft, die von gleichem ringförmigen Erzeugungsquerschnitt nach
zueinander entgegengesetzt gerichteten, radialen Richtungen divergierenden Treibmittelwolken
an je einer in ihrem Wege liegenden Kondensationsfläche niederzuschlagen. Das Verfahren
kann beliebig wiederholt werden, so daß also außerhalb des zweiten Raumes, in welchem
mindestens eine weitere, im Querschnitt ringförmige Treibmittelwolke erzeugt und
niedergeschlagen wird, zusätzliche Treibmittelwolken ringförmigen Querschnitts erzeugt
und unabhängig und getrennt voneinander niedergeschlagen werden. Erzeugt man die
Dampfwolken konzentrisch zueinander und schlägt man sie in gleicher Weise nieder,
so ergibt sich ein rotationssymmetrischer Aufbau der zur Durchführung dieses Verfahrens
dienenden Hochvakuumdiffusionspumpe insbesondere dann, wenn die Dampfwolken mit
kreisförmigen, zueinander konzentrisch liegenden Querschnitten erzeugt, und _niedergeschlagen
werden. Man ist aber in keiner Weise an diese konzentrischen Anordnungen gebunden.
Man könnte beispielsweise die Treibmittelwolken auch mit spiraligen oder mäanderbandförmigen
Querschnitten erzeugen.
-
Gegenüber den bereits erwähnten Hochv akuumdiffusionspumpen mit parallel
zueinander arbeitendenEinzelpumpen entstehen also eineReihe wesentlicher Fortschritte.
Zunächst entstehen keine toten Räume mehr, sondern .es wird das gesamte Volumen
zu Pumpz-#vecken ausgenutzt. Weiter haben die die Treibmitteldampfwolk en bildenden
Ringdüsen einen weit größeren Durchmesser als- die Düsen auf dem gleichen Durchmesser
angeordneter Einzelpumpen, so daß ihnen gegenüber eine sprunghaft vergrößerte Länge
dieser Ringdüsen entsteht, die für die Saugleistung der Pumpe maßgebend ist. Weiter
entläßt jede Ringdüse je einen Treibmitteldampfstrahl nach beiden Seiten des mittleren
Durchmessers hin, den sie besitzt, so daß, da jeder dieser ringförmigen Treibmitteldampfstrahlen
eine Kondensationsfläche zugeordnet werden kann, die Pumpleistung mit jeder zusätzlichen
Ringdüse wiederum sprunghaft ansteigt. Dadurch können Pumpen großer Pumpleistungen
mit überraschend geringen Höhenentwicklungen ausgeführt werden, so daß es auf diese
Weise gelingt, der gestellten Aufgabe Herr zu werden.
-
Die zur Durchführung des Verfahrens dienenden Hochvakuumdiffusionspumpen
kennzeichnen sich grundsätzlich dadurch, daß die Pumpen aus mindestens zwei parallel
zueinander arbeitenden Teilpumpen in einer Anordnung bestehen, bei der eine, insbesondere
also die erste Teilpumpe, von jeder der weiterenTeilpumpen umgeben ist. Ist zwischen
zwei Nachbarpumpen je eine ringzylindrische Wandung vorgesehen, deren innere Begrenzungsfläche
als Kondensationsfläche für die von ihr ummantelte Teilpumpe und deren äußere Begrenzungsfläche
als Kondensationsfläche für die Teilpumpe ausgebildet
ist, welche
ihrerseits die Wandung ummantelt, so ergibt sich die bereits erörterte doppelte
Ausnutzung jeder Kondensationsfläche durch eine sie von innen und durch eine sie
von außen treffende Treibmittelwolke und ist damit die Ursache dafür, daß es gelingt,
überraschend große Pumpleistungen mit kleiner Bauhöhe und verhältnismäßig geringem
Außendurchmesser der Pumpe zu -erzielen.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen am Beispiel einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Hochvakuumpumpe mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Teilpumpen,
die jeweils dreistufig ausgebildet sind, erläutert werden.
-
In der Zeichnung zeigt Fig. i einen senkrechten Längsschnitt durch
die erfindungsgemäß ausgebildete Diffusionspumpe, Fig.2 eine Draufsicht auf die
geöffnete Diffusionspumpe; Fig. 3 veranschaulicht am Beispiel einer Hochvakuumpumpe
bisheriger Ausführung die in Betracht kommenden physikalischen Verhältnisse, während
Fig. 4. an Hand der bei erfindungsgemäß ausgeführten Pumpen auftretenden physikalischen
Verhältnisse die erreichten Fortschritte veranschaulicht; Fig.5 zeigt im schematisch
gehaltenen Aufriß und Fig.6 im schematisch gehaltenen Grun.driß die in Betracht
kommenden Raumbeanspruchungen einer dreistufigen Hochvakuumdiffusionspumpe bislieriger
Bauart, während Fig.7 im schematisch gehaltenen Aufriß die Bauhöhenverringerungveranschaulicht,
diebei erfindungsgemäß ausgebildeten Hochvakuumdiffusionspumpen eintritt, trotzdem
nach Fig.8 der Saugquerschnitt mit demjenigen der Fig. 6 übereinstimmt, so daß also
bei dem Raumbeanspruchungsvergleich von gleichen Pumpenleistungen ausgegangen worden
ist.
-
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Hochvakuumdiffusionspumpe besteht
zunächst in üblicher Weise aus einem Außengehäuse i, das bei 2 einen Anschluß für
die Vorvakuumpumpe aufweist. Das Gehäuse i geht bei 3 in einen Boden über, unterhalb
dessen eine elektrische Heizvorrichtung 4 angeordnet sei. Diese dient zur Verdampfung
eines flüssigen Treibmittels 5, das in verhältnismäßig dünner Schicht oberhalb des
Bodens 3 angeordnet ist. Das Treibmittel besteht üblicherweise aus organischen Verbindungen
mit niedrigem Dampfdruck, also vor allem entsprechend geeigneten Ölen. Als Treibmittel
kann aber auch OOuecksilber zur Anwendung gelangen. Die Hochv a1cuumdiffusionspumpe
weist zunächst bei 6 einen in üblicher Weise ausgeführten, zentralen. Verdampfungsraum
auf, der von einem oben offenen Rohr 7 gebildet ist. Oberhalb der Rohrmündung 8
befindet sich eine Düsenkappe 9, die bei io einen konischen Mantel aufweist, so
daß eine Ringdüse i i gebildet wird, die ihrerseits die Erzeugung einer divergierenden
`'Volke aus Treibmitteldampf bewirkt. Diese Wolke trifft auf eine gekühlte Wandung
12 auf, die bei 13 einen Kühlmittelzu- bzw. bei 14 einen Kühlmittelabfluß besitzt.
Eine zweite Stufe ist dadurch verwirklicht, daß Rohr 7 von einem Rohr 15 größeren
Durchmessers ummantelt ist. Dieses Rohr besitzt bei 16 wieder eine Düsenkappe, so
daß ein ringförmiger Verdampfungsraum 17 entsteht, der zur Speisung der Ringdüse
18 dient. Ein drittes, noch größeres Rohr i9 ummantelt die Rohre 7 und 15. Eine
Düsenkappe 2o dient zur Bildung der Ringdüse 21. Hochvakuumpumpen dieser Art sind
an sich bekannt.
-
Die erfindungsgemäß getroffenen Abweichungen der neuen Ausbildung
von Hochvakuumdiffusionspumpen gegenüber der bisherigen Ausführung derselben bestehen
nun in folgendem Außerhalb des Kühlmantels 12 ist eine zweite, der ersten parallel
geschaltete Teilpumpe dadurch vorhanden, daß ein ringförmiger, weiterer Verdampfungsraum
22 durch zueinander konzentrische Anordnung zweier zylindrischer Mäntel 23 und 24
geschaffen wurde. Der dadurch entstehende, nach oben offene, ringförmige Mündungsquerschnitt
25 ist abgedeckt durch eine Ringmanschette 56, die in Verbindung mit den Mänteln
23, 24 zur Bildung einer inneren Ringdüse 26 und einer äußeren Ringdüse 27 führt.
Der Ringdüse 26 liegt eine Kondensationsfläche 28 gegenüber, die von der äußeren,
bei früheren Pumpenausbildungen zu Kondensationszwecken nicht herangezogenen Begrenzungsfläche
des bereits erwähnten Kühlmantels 12 gebildet wird. Um auch für die äußere Ringdüse
27 besondere Kondensationsflächen zu schaffen, wurde der Kühlmante129 verwirklicht,
der mit einer besonderen Kühlmittelzuleitung 3o bzw. einer besonderen Kühlmittelableitung
31 ausgerüstet wurde. Konzentrisch zu den Mänteln 23, 24 wurden bei 32 und 33 weitere
Mäntel geringerer Bauhöhe angeordnet, so daß zwei zusätzliche Verdampfungsräume
34 und 57 entstehen, die durch die Ringmanschetten 35 und 58 abgedeckt wurden. Dadurch
entstehen zwei neue, ringförmigeDüsenquerschnitte 36, 37. Weitere ringförmige Mäntel
noch stärker herabgesetzterBauhöhe befinden sich bei 38 und 39, so daß zwei weitere
Verdampfungsräume 40 und 59 entstehen, die durch die Ringmanschetten 41 und 6o abgedeckt
sind. Es entstehen somit zwei weitere Ringdüsen 42 und 43.
-
Damit wird erkennbar, daß die neue Ausbildung der Hoclivakuumdiffusionspumpe
zurDurchführung eines Verfahrens dient, bei dem mindestens zwei Treibmittelwolken
etwa über die Düsenquerschnitte i i und 26 oder 27 erzeugt und diese erzeugten Treibmittelwolken
an voneinander unabhängigen und voneinander getrennten Kondensationsflächen 12 bzw.
28 oder 29 niedergeschlagen werden, wenn man nur die oberste Stufe jeder der beiden
Teilpumpen betrachtet. Was für die oberste Stufe ausgeführt «-orden ist, gilt sinngemäß
für die Mittelstufen 18 und 36 oder 37 und für die untersten Stufen 21 und 42 oder
43. Weiter wird erkennbar, daß außerhalb eines ersten Raumes 44, in welchem mindestens
eine Treibmittel.wolke erzeugt und niedergeschlagen wird, wenigstens eine weitere
im Querschnitt ringförmige Treibmittelwolke im Ringraum
45 erzeugt
und niedergeschlagen wird. Dadurch jedoch, daß jeder der Manschettenringe 56, 35,
58, 6o und 41 Ringdüsen 26, 27 bzw. 36, 37 bzw. 42, 43 bildet, werden außerhalb
des Raumes 44 wenigstens zwei weitere von den Erzeugungsquerschnitten 25, 34, 40,
57 und 59 nach zueinander entgegengesetzten, radialen Richtungen divergierende Treibmittelwolken
erzeugt und an voneinander unabhängigen und voneinander getrennten Kondensationsflächen
12, 28 und 29, 46 niedergeschlagen. Durch die dreistufige Ausbildung jeder Teilpumpe
gilt das gleiche entsprechend für jede der drei Stufen.
-
In an sich bekannter Weise wird an,den Flansch 47 des Gehäuses i der
hoch zu evakuierende Raum angeschlossen. Durch die Heizvorrichtung 4 wird das den
Boden 3 bedeckende flüssige Treibmittel erwärmt und verdampft. In den voneinander
getrennten Verdampfungsräumen 6, 17 und 48 bzw. 59, 57, 22, 34 und 40 steigt
der Treibmitteldampf nach oben und wird durch die Austrittsdüsen i i, 18, 21 bzw.
26, 27, 36, 37 und 42, 43 in schräg nach unten gerichteten, divergierenden Wolken
gegen die voneinander unabhängigen und voneinander getrennten Kondensationsflächen
12 sowie 2$ und 29 geleitet. Hierbei diffundieren die im zu evakuierenden Raum vorhandenen
Gasmoleküle in das Innere der Pumpe und werden von dort zur Vorvakuumpumpe abgesaugt.
Das an den Flächen 12, 28 und 29 kondensierte Treibmittel wird durch in der Bodenplatte
3 angebrachte, in der Zeichnung nicht verdeutlichte Bewegungswiderstände (Schikanen)
wieder den Verdampfungsräumen zugeleitet, und zwar so, daß es jeweils durch die
äußeren Verdampfungsräume jeder Teilpumpe allmählich zum innersten Verdampfungsraum
der betreffenden Teilpumpe gelangt. Dadurch kommen die leichter flüchtigen Bestandteile
des Treihmittels in den äußeren Verdampfungsräumen 48 und 17 bzw. 40 und 34 sowie
59 und 57 zur Verdampfung, während der Anteil des Treibmittels mit dem niedrigsten
Dampfdruck in die innersten Verdampfungsräume 6 bzw. 22 gelängt und zur Speisung
der dem Hochvakuumraum49 am nächsten zu liegenden Düsen i.i bzw. 26, 27 verwandt
wird. Dieses an sich bekannte Verfahren entspricht einer fraktionierten Destillation
des Treibmittels und gewährleistet ein besseres Hochvakuum. Der Anschlußstutzen
2 steht mit dem Ringraum 5o in Verbindung, der außen durch den Außenmantel i der
Hochvakuumpumpe; innen durch den Kühlmantel 29, 46 begrenzt' ist. Der Kühlmantel
29, 46 ist bei 51 jedoch durchbrochen, um auch den Ringraum 45 bzw. über
die Rohrverbindung 52 in den Raum 53 und über Verbindung 54 den Raum 44 mit dem
Ansaugstutzen 2 zu verbinden.
-
In den Fig. 3 und 4 sind die unterschiedlichen Wirkungen bekannter
und erfindungsgemäß ausgebildeter Pumpen schematisch zur Verdeutlichung gebracht.
-
In Fig. 3 ist mit den Bezeichnungen der Fig. i und 2 mit 7 das zentrale
Verdampfungsrohr, mit 9 die zugehörige Düsenkappe und mit 12 die zugeordnete Kondensationsfläche
bezeichnet. Es entsteht demgemäß eine Dampfwolke 6r, die infolge der Düse i i und
durch den inneren molekularen Druck in Strömungsrichtung divergiert. An der Kondensationsfläche
12 besitzt der Innendruck der Dampfwolke ein Minimum. Dieser Dampfdruck sei durch
einen Druckpfeil senkrecht zu einem Oberflächenelement alt bezeichnet. Verschiebt
man das Oberflächenelement zur Düse i i zu, dann nimmt der Flächendruck kontinuierlich
zu. Der geringste Flächendruck a12 steht beim Pumpprozeß im Gleichgewicht mit dem
Gegendruck des geförderten Gases, der je Flächenelement mit b bezeichnet sei. An
jeder anderen Oberflächenstelle der Diffusionswolke ist der Flächendruck a größer
als der Flächendruck b. Die Pumpe ist demnach befähigt, durch Kompression des angesaugten
Gasvolumens gerade so viel Gas zu fördern, daß b gleich dem Minimaldruck a12 an
der Kondensationsfläche 12 wird. Die gleiche Überlegung gilt für die beiden anderen
Stufen der Diffusionspumpe, d. h. für die Düsenquerschnitte i8 und 21.
-
Fig.4 gibt demgegenüber die Verhältnisse bei einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Pumpe wieder, wobei die Maßstäbe den Verhältnissen der noch zu erörternden
Fig. 5 bis 8 entsprechen. Aus der Düse i i sowie aus den Ringdüsen 26, 27 treten
wieder Gaswolken aus, die entsprechend der Düsenform und dem inneren molekularen
Druck Divergenz aufweisen. Der Weg, den nunmehr ein Molekül bis zu den Kondensationsflächen
1? bzw. 28 und 29 zurückzulegen hat, ist bei weitem geringer als nach Fig. 3. Bei
gleichem Divergenzwinkel besitzen die Dampfwolken in der Nähe der Kondensationsflächen
12, 28 und 29 einen wesentlich höheren Innendruck, der ungefähr dem Innendruck entspricht,
den ein Oberflächenelement in Fig. 3 äufweist, das im geometrischen Mittel zwischen
Rand der Düse ii und Kondensationsfläche i2 liegt. Dieser Druck ist ein. Vielfaches
des Innendrucks der Dampfwolke in der Nähe der Kondensationsfläche 12 der Fig. 3.
Kennzeichnet man den Innendruck der Dampfwolken nach Fig. 4 je Flächenelement
mit c, so ist der Gegendruck d, den das komprimierte Gas erfahren darf, so groß
wie c in der Nähe der Kondensationsfläche in Fig. 4, d. h. so groß wie c29, c28
oder c12. Demgemäß ist die Pumpe nach Fig. 4 in der Lage, im Kompressionsraum einem
Gasdzuck das Gleichgewicht zu halten, der um ein Mehrfaches höher ist als im Kondensationsraum
der Pumpe gemäß Fig. 3. Auch diese Überlegungen gelten für die weiteren Stufen der
Pumpe nach Fig. i.
-
Der damit nachgewiesene technische Fortschritt wird durch die Betrachtung
der Fig. 5 bis 7 bestätigt. Bei gleichen durch Schraffur hervorgehobenen Querschnitten
der Fig. 6 und 8 wird der in bezug auf die Verminderung der Bauhöhe erreichte Fortschritt
unmittelbar durch Vergleich der Fi.g. 5 und 7 zum Ausdruck gebracht.
-
Die Bauhöhe der beschriebenen Pumpe mit einer Saugleistung von beispielsweise
20001/Sek. ist hiernach nichtgrößer als die Bauhöhe einer bisher
gebräuchlichen
Diffusionspumpe mit einer Saugleistung von nur ioo 1/Sek. Der Charakter der Saugleistungskurve
in Abhängigkeit vom Druck ähnelt dem Charakter der bei kleineren Diffusionspumpen
auftretenden Kurven, d. h. der Abfall der Saugleistungskurve bei zunehmendem Druck
ist wesentlich langsamer als bei einer Diffusionspumpe gleich großer Saugleistung
bisheriger Bauart. Es kann daher auf dieZwischenschaltung einerDampfstrahlpumpe
zwischen der Diffusionspumpe und der Vorvakuumpumpe verzichtet werden. Derartige
Dampfstrahlstufen waren bisher erforderlich, um das Gebiet zu überbrücken, in welchem
eine Diffusionspumpe einen schlechten Wirkungsgrad besitzt und die Vorvakuumpumpe
noch nicht die Saugleistung aufweist, die notwendig ist. Trotz der kurzen Baulänge
wird die Querschnittsbean-. spruchung nicht größer, als es durch das Verhältnis
der Fig. 6 und 8 zum Ausdruck kommt. Raumbedarf, Herstellungskosten und Energieaufwand
zur Verdampfung des Treibmittels werden wesentlich kleiner als bei Parallelschaltung
von Einzelpumpen gleicher Gesamtleistung. Die Betriebssicherheit ist höher, da eine
gleichmäßigere Verteilung des Treibmittels auf die Verdampfungsräume eintritt. Außerdem
treten Vereinfachungen durch gemeinsame Einführung ider abgesaugten Gase in die
zur Vorvakuumpumpe führende Leitung ein.