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Verfahren zum Betrieb von Hochvakuumdiffusionspumpen und Hochvakuumdiffusionspumpe
zur Durchführung des Verfahrens Beim Betrieb von Hochvakuumdiffusionspumpen mit
im Bereich der Betriebsmitteldampfwolke gekühlten Pumpenwandungen ging man bisher
von der Vorstellung aus, daß der Übertritt von Betriebsmitteldampfmolekülen- in
den Evakuierungsraum dadurch zu verhindern sei, daß in den Weg der Betriebsmitteldampfmoleküle
gekühlte Flächen geschaltet werden, an denen sich die Dampfteilchen kondensieren
und dadurch niederschlagen können. Es befinden sich also bei Anordnungen dieser
Art Kondensatorflächen im Raume zwischen Dampfstrahlsaum und Rezipienten. Außerdem
hat man es noch als wirksam angesehen, in dem gleichen Raum heiße Prallplatten anzuordnen,
um zu erreichen, daß die Dampfteilchen, die ihrer Richtung nach nicht ohne weiteres
auf gekühlte Flächen treffen, mindestens die heißen Prallplatten erreichen und von
diesen wieder zu gekühlten Flächen zu reflektiert würden. Demgemäß ordnete man sowohl
heiße- Prallplatten als auch gekühlte Kondensatoren im Abstand von der zur Erzeugung
der divergierenden Dampfwolke dienenden Düse entsprechend den eingangs genannten
Vorstellungen an.
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Nach den zu vorliegender Erfindung führenden Erkenntnissen ist jedoch
dadurch eine wirksame
Unterbindung des genannten 'Übertrittes nicht
möglich. Die genaue Untersuchung der in Betracht kommenden Verhältnisse ergibt,
daß zwar nach den gekühlten Wandungen der Pumpe und den Kondensatorfiächen zu eine
starke Verdünnung der auftretenden Zahl von Molekülen eintriti, während sie in der
Nähe der heißen Wandungen der Zahl nach .größenordnungsmäßig gesehen unverändert
bleiben. Dadurch bilden sich in der Nähe der heißen Teile, als die vorwiegend neben
den oben hervorgehobenen heißen Prallplatten die düsenbildenden Teile in Betracht
kommen, verhältnismäßig --dichte Dampfwolken aus, welche dazu führen, daß auf die
Dampfwolken zu gerichtete Moleküle des abzusaugenden Mediums in ihrer Weiterbewegung
zum Saum der über die Düse erzeugten Betriebsmitteldampfwolke zu gehindert und in
den Dampfwolken -festgehalten werden, worauf der wegen der relativ hohen Dichte
dieser Dampfwolken unvermeidbare Zusammenstoß mit anderen Molekülen dafür sorgt,
daß das betrachtete Molekül wieder zum Evakuierungsraum zurückgetrieben wird. Das
Molekül gelangt also nicht an die Stelle, zu der es zwecks Durchführung des Betriebsverfahrens
einer Diffusionspumpe gelangen müßte; es gelangt vielmehr, anstatt abgesaugt zu
werden, in den Rezipienten zurück. Ein weiterer großer Nachteil der Wolkenbildung
von Betriebsmitteldampfmolekülen oder bei einatomigen Betriebsmitteln, wie Quecksilber,
von Wolken aus Atomen, besteht darin, daß die Wolken überhaupt erhebliche Strömungswiderstände
in befug auf das abzusaugende Medium- bilden, so daß Sauggeschwindigkeit bzw. Pumpenleistung
stärkstens beeinträchtigt werden.
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Bezeichnet man die durch den Gegendruck der Dampfwolken auftretende
Erscheinung kurz als Rückstau, so tritt also die Notwendigkeit auf, das Verfahren
so zu gestalten und die Pumpe so auszubilden, daß dieser Rückstau möglichst weitgehend
wegfällt, womit die Möglichkeit entsteht, auch die Gefahr eines Übertrittes von
Betriebsmitteldampfmolekülen oder -atomen in den Rezipienten völlig oder nahezu
völlig beseitigen zu können, so daß Pumpen hoher Wirksamkeit und Leistung mit gutem
Wirkungsgrad 'entstehen.
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Ausgehend von diesen Überlegungen und Erkenntnissen kennzeichnet sich
das vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb von Hochvakuumdiffusionspumpen mit im Bereich
der Betriebsmitteldampfwolke gekühlten Pumpenwandungen erfindungsgemäß dadurch,
daß aus der Betriebsmitteldampfwolke austretende Dampfteilchen im Zwischenraum zwischen
Düsenanordnung. und Pumpenwandung, jedoch schon am Saum der Betriebsmitteldampfwolke
beginnend,- in Richtung zum Hochvakuum zu einer zur Kondensation durch die Pumpenwandungen
zusätzlichen Kondensation unter Vermeidung von Rückstau- und Rückstromhildungen
unterworfen werden.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens bestimmte Hochvakuumdiffusionspumpen
mit gekühlten Pumpenwandungen und gekühltem Düsenhut kennzeichnen sich entsprechend
durch Anordnung gekühlter Wandungsflächen zwischen gekühlter Pumpenwandung und Düsenanordnung,
wobei ihre in Pumpenlängsrichtung zum Rezipienten zu verlaufende Erstreckung am
Saum der mittels der Düsenanordnung erzeugten Betriebsmitteldampfwolke beginnt.
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Bei Hochvakuumpumpen ist es .zur Erhöhung der Wirksamkeit bereits
bekannt, die Düse mit einer Kammer so zu umgeben, daß der untere Teil der Kammer
nicht von der Düse erwärmt wird. Hier schließen sich zwar Wandungen der Kammer an
den Saum der Betriebsmitteldampfwolke an, verlaufen aber anschließend in einer zur
Richtung der Dampfwolke umgekehrten Richtung, so daß die erfindungsgemäß erreichten
- Wirkungen nicht eintreten, zumal der innere, ungekühlte Teil der Kammerwandungen
infolge unmittelbaren Anschlusses an die Düse bzw. Bildung derselben zur Erzeugung
einer dichten Dampfwolke um die Düsenmündung herum führt, die gerade vermieden werden
soll.
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Die Zeichnung zeigt zunächst die bekannte Ausbildung von Hochvakuumdiffusionspumpen
mit der für sie eigentümlichen Rückstaubildung. Weiter ist ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Pumpe veranschaulicht. Im einzelnen zeigt Fig.
i einen senkrechten Längsschnitt durch eine Pumpe bekannter Ausbildung in Höhe der
Düsen-, Prallplatten- und Kondensatorenanordnung, während Fig. 2 in gleicher Längsschnittdarstellung
eine erfindungsgemäß ausgebildete Pumpe veranschaulicht.
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In Fig. i bezeichnet i das Dampfrohr der Pumpe, das durch die Düsenkappe
2 unter Bildung der Düse 3 abgedeckt ist. Die Düsenkappe trägt bei q. eine Prallplatte,
die somit durch ihre metallische Verbindung mit heißen Pumpenteilen ihrerseits heiß
ist und ihre Aufgabe als Reflektor dadurch zu erfüllen vermag.
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Es bezeichnet weiter 5 die innere Pumpenwandung, die mit einem Kühlmantel
6 ausgerüstet ist, durch den ein Kühlmittel ? strömt. Mit den gekühlten Pumpenwandungen
metallisch verbunden ist die ringförmige Kondensatorfläche 8, die demgemäß ihrerseits
mittelbar gekühlt ist. Über dünne Stege 9 trägt die ringförmige Kondensatorplatte
8 bei io eine Haube. Es wird also eine den gesamten Pumpenquerschnitt in der Vereinigung
quer durchsetzende Kondensator- und Prallplattenanordnung io, 8, q. geschaffen,
von der bisher angenommen wurde, daß sie in der Lage sein würde, den Rückstrom vom
Betriebsmitteldampfmolekülen zum Rezipienten i i zu weitestgehend oder völlig zu
unterbinden.
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Diese Annahme trifft jedoch nach den zu vorliegender Erfindung führenden
Erkenntnissen nicht zu.
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Um die zu dieser Feststellung führenden Gründe erläutern zu können,
wurden die Betriebsmitteldampfmoleküle durch kleine Kreise verdeutlicht.
Man
erkennt demgemäß bei 12 zunächst die aus dem Düsenzwischenraum 3 ausströmende, verhältnismäßig
dichte Wolke aus Betriebsmitteldampf, die bei 13 ihren Saum besitzt.
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Während die bisherige Vorstellung dahin ging, daß entsprechend der
nach der gekühlten Wandung 5 zu eintretenden Verdünnung der Zahl der Moleküle der
Dampfwolke 12 eine mindest ebenso weitgehende Verdünnung im Raum 14 zwischen Dampfsaum
13 einerseits und Kondensator- und Prallplattenanordnung 8, 10, 4 andererseits
eintritt, so daß es mit den Mitteln dieser Kondensator-und Prallplattenanordnung
auch gelingen müßte, den Rückstrom zum Rezipienten i i zu strömender und damit für
die Durchführung des Diffusionsvorganges im wesentlichen verlorener Betriebsmitteldampfmoleküle
zu hemmen oder zu unterbinden, zeigt die erwähnte genaue Einsicht in die in Betracht
kommenden Verhältnisse, daß entsprechend der höheren Temperaturen, die an der Düsenkappe
:2 und an der Prallplatte 4 herrschen, dort verhältnismäßig dichte Dampfwolken auftreten.
Befindet sich nun im Hochvakuum ii ein diskretes Molekül 15 aus dem zu evakuierenden
Medium, das zum Unterschied gegen die als Kreise gezeichneten Betriebsmitteldampfmoleküle
rechteckig wiedergegeben worden ist, und hatte dieses Molekül 15 eine Bewegungsrichtung
16, die es zum Dampfsaum 13 zu bewegen und dadurch für die Diffusions- und Absaugungszwecke
der Pumpe nutzbar machen würde, ohne daß die Anordnung des Kondensators io, 8 und
der Prallplatte 4 die Bewegungsrichtung 16 ausschließen könnte, so kommt es entsprechend
der erwähnten Dampfwolkenbildung etwa bei 17 dazu, daß das Molekül 15 in den Bereich
dieser dichten Dampfwolke 17 gelangt. Damit entsteht eine verhältnismäßig hohe Wahrscheinlichkeit
dafür, daß es zunächst dieser Dampfwolke einverleibt und hierauf infolge der dadurch
unvermeidlichen Zusammenstöße mit anderen Molekülen wieder in das Hochvakuum i i
zurückreflektiert wird. Dadurch kommt es zu einer Rückstaubildung, die durch die
Kondensator- und Prallplattenanordnung io, 8, 4. verhindert werden soll, ohne daß
das mit den gezeigten Mitteln möglich wäre, weil das, was für das Teilchen 15 ausgeführt
worden ist, für zahlreiche weitere Moleküle gilt, die die Anordnung 10, 8, 4 umströmen
und in den Bereich dichter Dampfwolken 17 gelangen können.
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Hier setzt die Erfindung ein.
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Die Erfindung zieht aus der Darstellung der Fig. i den Schluß, daß
im Raum 18, der zwischen der Düsenkappe 2 und dem Rezipienten i i liegt, jede Anordnung
von heißen Prallplatten, aber auch von gekühlten Kondensatorflächen zu vermeiden
ist, weil an den Prallplatten die in Fig. i bei 17 dargestellte Dampfwolkenbildungen
eintreten und an den Kondensatorflächen Dampfwolkenbildungen durch Rückverdampfung
aufzutreten vermögen. Andererseits aber kann auf die Kondensatorbildung nicht verzichtet
werden, weil sie notwendig ist, um den Rückstrom zum Rezipienten i i zu gerichteter
Betriebsmitteldampfmoleküle aufzufangen und durch Kondensation denselben zu beseitigen.
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Beiden Bedingungen kann jedoch erfindungsgemäß dadurch entsprochen
werden, daß aus der Betriebsmitteldampfwolke 12 austretende Dampfteilchen im Zwischenraum
i9 zwischen Düsenanordnung 2 und Pumpenwandung 5 am Saum 13 der Betriebsmitteldampfwolke
12 beginnend in Richtung zum Hochvakuum i i zu einer zur Kondensation durch die
Pumpenwandungen 5 zusätzlichen Kondensierung unter Vermeidung von Rückstau- und
Rückstrombildungen unterworfen werden. Demgemäß sind in Fig. 2 bei einer Hochvakuumdiffusionspumpe
mit den erwähnten gekühlten Pumpenwandungen 5 und mit dem bei 2o gekühlten Düsenhut
ringzylindrisch ausgebildete Kondensatoren 21, 22 vorgesehen worden, deren in Pumpenlängsrichtung
zum Rezipienten i i zu verlaufende Erstreckung jeweils am Saum 13 der mittels der
Düsenanordnung erzeugten Betriebsmitteldampfwolke 12 beginnt und unterhalb der zum
Hochvakuum i i zu liegenden Abschlußebene 23-23 der Düsenanordnung 2, 2o endet.
Es verläuft also die Erzeugende der Zylindermäntel 21, 22 parallel zur Pumpenlängsachse
24-24. Die Kühlflächen 2o, 2@i, 22 und gegebenenfalls auch 5 können dabei im Kühlmittelstrom
hintereinander angeordnet sein. Das ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 in bezug
auf die Kühlanlage 2o, 21 und 22 mit ausgezogenen Linien veranschaulicht worden,
indem zunächst Düsenhut 2o bei 25 einen eigenen Kühlmittelzufluß. besitzt, der etwa
in der Form eines Schlauchansatzes ausgeführt ist. Das Kühlmittel strömt über das
Rohr 26 dem Kühlraum 27 des Düsenhutes 2o zu und verläßt ihn, nachdem durch Anordnung
einer nicht gezeichneten Scheidewand dafür gesorgt wurde, daß der Kühlraum 27 vollständig
durchflossen wurde, über Verbindungsrohr 28, um in den Kühlmantel 21 überzutreten.
Auch dieser Kühlmantel 21 besitzt eine Scheidewand, so daß er vollständig durchflossen
werden muß, bevor eine weitere Kühlrohrverbindung 29 dafür sorgt, däß das Kühlmittel
dem Kühlmantel 22 zuströmt.
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Auch der Kühlmantel 22 besitzt wieder eine Scheidewand, durch die
dafür zu sorgen ist, daß das Kühlmittel über 3o erst abgezogen werden kann, nachdem
es den gesamten Kühlmantel 2-2 durchströmt hat. Es besteht aber selbstverständlich
auch die Möglichkeit, die Kühlflächen in bezug auf den Kühlmittelstrom parallel
zu schalten. In diesem Fall besitzt Kühlmantel 21 eine besondere Kühlmittelzuführung
bei 31. Eine weitere Kühlmittelzuführung ist bei 32 für den Kühlmantel 22 vorgesehen.
Außerdem sind entsprechende, nicht gezeichnete Kühlmittelabflüsse vorhanden.
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Die Kühlmäntel 21, 22 brauchen nicht die gezeichnete, sondern können
alle geeigneten Formen und Ausbildungen aufweisen, etwa streng ringzylindrisch,
oben und unten spitz auslaufend, stromlinienförmig oder sonstwie gestaltet sein.
Auch ist es nicht erfor$erlich, daß sie von einem
Kühlmittel durchströmt
sind, es kann die rein wärmeleitende, beispielsweise metallische Verbindung mit
gekühlten Pumpenteilen in manchen Fällen ausreichen, so daß die Kühlmäntel die Form
dünner, vorzugsweise metallischer Platten oder Bleche annehmen.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäß ausgebildeten Diffusionspumpe
ergibt sich unmittelbar aus dem Gesagten. Man erkennt zunächst, daß .in dem Pumpenraum
18 alle Pumpenteile fehlen, die rückstaubildedd wirken könnten, gleichgültig, ob
für die Rückstaubildung bzw. ihres Temperaturniveaus hochliegende Teile oder andere
Ursachen, wie etwa eine Rückverdampfung, maßgebend sein könnten. Daher kann das
betrachtete Molekül 15 aus dem zu evakuierenden Medium; das nunmehr die Richtunggi33
besitzen mag, bei denen es auf gekühlte Flächen 2o, 2 i, 22 und natürlich auch 5
gelangen würde, nicht mehr auf dichte Dampfwolken nach Art derjenigen der Wolke
17 in Fig. i treffen, in denen es durch Zusammenstöße mit anderen Teilchen in das
Hochvakuum i i zurückreflektiert werden würde. Wenn eine Reflektierung eintritt,
kann sie infolge des axialen Verlaufes der Wandungen 21, 22 nur zur Wolke 12 und
deren Saum 13 zu erfolgen. In der Regel wird Molekül 15 in dem dünnen Dampfsaum,
der die Teile 21, 22 und auch 20 und 5 umgibt, bereits Verhältnisse vorfinden, bei
denen es diffundiert, womit es durch die gleichzeitige Kondensation der zur Diffusion
führenden Dampfteilchen an den gekühlten Flächen abgeführt, d. h. abgesaugt wird.
Gelangt das Molekül i5 von vornherein in die Richtung' 4, in der es nicht auf gekühlte
Flächen auftrifft,. so gelangt es unmittelbar d. h. unter allen Umständen und mit
Sicherheit in den Bereich des Dampfsaumes 13,
von dem aus es nicht zurückgestoßen
wird, sondern infolge-der dort herrschenden physikalischen Bedingungen gezwungen
ist, in die Dampfwolke 12 hinein zu diffundieren, womit- der Dampfsaum
13
die ihm zugeordnete Aufgabe erfüllt, alle Moleküle 15 durch Diffusion
abzusaugen. Träten aber aus dem Dampfsaum 13 tatsächlich wieder Moleküle aus, dann
werden diese Dampfmoleküle nur ganz kleine Wege zurücklegen müssen, um wieder an
eine gekühlte Wandung zu geraten, d. h. die Dicke des Dampfsaumes wird außerordentlich
geringfügig sein. Die vorzugsweise wassergekühlten Mäntel 21, 22 stellen also verhältnismäßig,stark
wirksame Einzelpumpen dar. Dadurch tritt praktisch keine Rückdiffusion und damit
keine Rückstrombildung mehr ein. Vor allem ist der Rückstau weitestgehend beseitigt,
und die Pumpenleistung wächst entsprechend stark an. Zwar beeinträchtigen die Kühlmäntel
21,":22 etwas den Evakuierungsstrom, der so in Form der rechteckig gezeichneten
Moleküle vom Hochvakuum i i her zur Betriebsmitteldampfwolke 12 auftritt, aber durch
-die bereits erwähnte strömungsschlüpfige, etwa nach Art von Stromlinienkörpern
erfolgende Ausbildung der Mäntel 2i, 22, und durch ihre geeignete Anordnung lassen
sich die Strömungswiderstände weitestgehend verringern und vor allem durch eine
weit höhere Pumpenleistung nicht nur völlig ausgleichen, sondern, im ganzen gesehen,
grundsätzlich verbessern.