DE966544C

DE966544C - Device for condensing vapors to be used in connection with a high vacuum pump

Info

Publication number: DE966544C
Application number: DEA16343A
Authority: DE
Inventors: Dr Willard H Bennett
Original assignee: Atlas Werke AG
Current assignee: Atlas Werke AG
Priority date: 1951-08-14
Filing date: 1952-08-12
Publication date: 1957-08-29

Description

In Verbindung mit einer Hochvakuumpumpe zu benutzende Einrichtung zum Kondensieren von Dämpfen Bei Hochvakuumpumpen, insbesondere den mit Quecksilber als Betriebsmittel arbeitenden Diffusionspumpen, ist es erforderlich, zwischen Pumpe und eigentlicher Hochvakuumleitung eine sogenannte Dampffalle oder Ausfriertasche einzuschalten, in der der aus der Pumpe austretende Dainpf des Betriebsmittels, z. B. durch Kühlung mit flüssiger Luft, kondensiert wird. Wegen der Notwendigkeit häufiger Zuführung neuen Kühlmittels ist hierbei kein wartungsloser Betrieb möglich.Device to be used in conjunction with a high vacuum pump for condensing vapors in high vacuum pumps, especially those with mercury As a resource working diffusion pumps, it is necessary between pump and the actual high vacuum line, a so-called vapor trap or freezing pocket to be switched on, in which the steam of the operating medium emerging from the pump, z. B. is condensed by cooling with liquid air. Because of the need Frequent supply of new coolant means that maintenance-free operation is not possible.

Man hat daher zur Kühlung der Dampffalle eine ständig laufende Kälternaschine benutzt. Dabei hat man als Dampffalle unmittelbar auf den Saugflansch einer Diffusionspumpe ein dünnwandiges Stahlrohrstück aufgesetzt,'um das eng anschließend eine Kühlschlange gewunden ist, durch die eine Kühlflüssigkeit in dauerndem Zirkulationsstroin geleitet wird, die etwa ' von einer Kühlmaschine mit Freon geliefert wird. Däbei hat man auch einen Teil der Kühlleitung auf den Lamellen einer mechanischen Dampffalle im Innern des Vakuumraumes angeordnet. Wegen des Kälteverlustes über Teile der Apparatur ist dabei eine höhere Leib stung der Kältemaschine erforderlich, und es kommt nicht die niedrigste, mit der Kältemaschine überhaupt erreichbare Temperatur in der Kühlfalle zur Wirkung. Dies gilt insbesondere bei Zwischenschaltung eines besonderen Kühlmittelkreislaufs zwischen Kältemaschine und Kühlfalle. Da die Erreichung der gewünschten niedrigen Temperatur von -So' bis -ioo' C mit einer mit Aggregationszustandsänderungen arbeitendenKompressionskältemaschine üblicher Art nicht möglich erschien, wurde als Kältemaschine eine einer Umkehrung des. Heißluftmotors entsprechende verwendet, deren kalter Teil in der Kühlkammer an-,geordnet war.A constantly running refrigeration machine has therefore been used to cool the steam trap. A thin-walled piece of steel pipe has been placed as a vapor trap directly on the suction flange of a diffusion pump, 'around which a cooling coil is wound closely, through which a cooling liquid is passed in a continuous circulation flow, which is supplied, for example , by a cooling machine with freon. A part of the cooling line was also arranged on the lamellae of a mechanical steam trap inside the vacuum space. Because of the loss of cold through parts of the apparatus, a higher Leib stung of the refrigeration machine is required, and the lowest temperature that can be achieved with the refrigeration machine in the cold trap does not come into effect. This applies in particular to the interposition of a special coolant circuit between the refrigeration machine and the cold trap. Since it did not seem possible to achieve the desired low temperature of -So 'to -ioo' C with a compression refrigeration machine of the usual type working with changes in the aggregation state, a cooling machine corresponding to a reversal of the hot-air motor was used, the cold part of which was arranged in the cooling chamber .

5 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer in Verbindung mit einer Hochvakuumpumpe, insbesondere einer Quecksilber-Diffusionspumpe zu benutzenden Einrichtung zum Kondensieren von Dämpfen, bestehend aus einer zwischen Pumpe und Hochvakuumleitung eingeschalteten Dampfausfrierkammer, einer darin angeordneten Kühlschlange und einer mit Aggregat-Zustandänderungen arbeitenden Kompressionskälte,-maschine, als deren Verdampfer die Kühlschlange dient, wobei durch die besondere Ausbildung dieser Einrichtung die niedrigste mit der Kältemaschine überhaupt erreichbare Temperatur in der Kühlfalle zur Wirkung kommt und ein Betrieb. mit einer Kältemaschine kleinster Leistung möglich ist. The object of the present invention is to create a device to be used in connection with a high vacuum pump, in particular a mercury diffusion pump, for condensing vapors, consisting of a vapor freezing chamber connected between the pump and the high vacuum line, a cooling coil arranged in it and a compression cooling that works with changes in the state of the aggregate , machine, the evaporator of which is the cooling coil, and the special design of this device means that the lowest temperature that can be achieved with the cooling machine in the cold trap comes into effect and one operation. is possible with a refrigeration machine with the lowest output.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung der angegebenen Art, bei der die Kühlschlange aus zwei konzentrischen Rohren besteht, die nur am geschlossenen Ende des äußeren Rohres über das offene Ende des inneren Rohres miteinander in Verbindung stehen, und das im Kondensator der Kältemaschine verflüssigte, durch das innere Rohr in die Kühlschlange eintretende, im äußeren Rohr verdampfende Kältemittel derart geführt ist, daß das innere und äußere Rohr vom flüssigen Kältemittel und seinem Dampf im Gegenstrom durchströmt werden, wobei die Kühlschlange frei innerhalb der Kondensationskammer angeordnet ist, so daß sie nur an der Durchtrittsstelle der Zu- und Ableitung des Kältemittels mit der Kammerwandung Verbindung hat.The subject of the invention is a device of the specified type, in which the cooling coil consists of two concentric tubes that are only connected to the closed End of the outer tube in communication with one another via the open end of the inner tube stand, and the liquefied in the condenser of the refrigeration machine, through the interior Tube entering the cooling coil, evaporating in the outer tube refrigerant in this way is guided that the inner and outer tube of the liquid refrigerant and his Steam is flowed through in countercurrent, with the cooling coil free within the Condensation chamber is arranged so that it is only at the point of passage of the Has supply and discharge of the refrigerant with the chamber wall connection.

Es ist bekannt, bei Diffusionspumpen einen aus zwei konzentrischen Rohrkörpern bestehenden, von Kühlwasser durchströmten Kühler zur Kondensation des Treibmitteldampfes vorzusehen. Eine solche einfache Anordnung ist nicht geeignet, den Dampfdruck in der Hochvakuumleitung ausreichend herabzusetzen. Das gleiche gilt für die Anordnung einer wassergekühlten Rohrspirale im Innenraum einer Diffusionspumpe in der Nähe des Anschlusses der Vorvakuumleitung oder die Anordnung eines zylindrischen Kühlkörpers im oberen Teil einer in r,in von Kühlwasser durchströrntes Gefäß eingesetzten Diffusionspumpe.It is known to use one of two concentric diffusion pumps Existing tubular bodies, through which cooling water flows, cooler for condensation of the Provide propellant vapor. Such a simple arrangement is not suitable sufficiently reduce the vapor pressure in the high vacuum line. The same goes for for the arrangement of a water-cooled spiral pipe in the interior of a diffusion pump near the connection of the forevacuum line or the arrangement of a cylindrical Heat sink in the upper part of a vessel inserted in r, through which cooling water flows Diffusion pump.

Weiter ist es bekannt, bei einer Diffusionspumpe das im Kondensraum der Pumpe niedergeschlagene Betriebsmittel durch ein in den unteren Teil des Vorratsraumes bzw. Kessel mündendes Verbindungsrohr in diesen zurückzuleiten.It is also known, in the case of a diffusion pump, that in the condensation space The operating fluid precipitated by the pump through a into the lower part of the storage room or the connection pipe opening into the boiler.

Beim Ausfrieren von Dämpfen im Hochvakuurn kommt es darauf an, den Dampfdruck durch möglichst niedrige Temperatur der Kühlfläche der Ausfrierkammer ausreichend herabzusetzen. Die Einrichtung nach der Erfindung ermöglicht die Erreichung besonders niedriger Temperaturen durch die Anwendung des Gegenstromprinzips und dadurch, daß die Kühlschlange freitragend im Hochvakuumraum angeordnet ist.When vapors freeze out in a high vacuum, it depends on the Vapor pressure through the lowest possible temperature of the cooling surface of the freezing chamber sufficiently reduce. The device according to the invention enables this to be achieved particularly low temperatures through the use of the countercurrent principle and in that the cooling coil is arranged in a self-supporting manner in the high vacuum space.

Mit Rücksicht auf Einfachheit und Betriebssieherheit wird für den Kondensator der Kältemaschine zweckmäßig Luftkühlung gewählt.With regard to simplicity and operational reliability, the Air cooling is expediently selected for the refrigeration machine's condenser.

Die Abbildung stellt eine schematische Ansicht ein-er Diffuisionspumpe mit Kühlschlange und zugehöriger Kältemaschine nach der Erfindung dar.The figure represents a schematic view of a diffusion pump with cooling coil and associated refrigeration machine according to the invention.

Sie zeigt ein Quecksilbersiedegefäß io mit einem Dampfrohr i i, dessen Ende in eine Verengung 12 geführt ist, die wiederum den Quecksilberdampf in einen Kondensator 13 leitet, der an dem Punkt 14 durcheine VakuumvoTpumpe -evakuiert wird, die an eine Auslaßröhre 31 angeschlossen ist. Der Kondensator 13 kann in jeder Üblichen Art gekühlt werden, wie z. B. mittels eines Wassexmantels 16, der Zuführungsrohre 17 und 18 besitzt. Der Quecksilberspiegel im Siedegefäß steht so hoch, daß Quecksilber in die Röhre 15 gelangt. Im Betrieb entsteht in der weiten Röhre ig in an sich bekannter Weise ein sehr niedriger Druck. Die Rohrleitung 21 ist mit dem zu evakuierenden Apparat verbunden. Wenn diese direki an die weite Röhre ig angeschlossen wäre, würde Quecksilberdampf in kleinen Mengen in die Röhre 21 gelangen. Es ist daher notwendig, einen Kühler vorzusehen, der den Quecksilherdampf kondensiert. Um dies zu erreichen, ist zwischen der weiten Röhre ig und dem Ansaugstutzen 21 eine Kondensationskammer 2o angeordnet, die eine wendelförmige Röhre 22 enthält, die wiederum Teil. eines Kühlsysteins ist, bei dem ,ein KompressOll 26 und eine Kühlschlange 27 verwendet wird. Die letztere wird durch einen Luftstrom gekühlt, der durch einen Lüffier 28, angetrieben durch einen Motor 29, erzeugt wird. Die Rohrleitung 22 ist mit einer am unteren Ende verschlossenen äußeren Wand:ung g 23 versehen und besitzt eine innere RÖhT-e 32, die beinahe bis an das Ende deT Röhre 23 reicht, Die durch den Kompressoir unter Druck gesetzte Flüssigkeit durchläuft #die luftgekühlte Schlange 27 und gelangt von dort in die innere Leitung 3 2 der Röhre 22, bis sie deren äußerstes Ende erreicht, von wo sie in die äußere Röhre 23 umgelenkt wird und durch Rohr 25 den Komprezsar26 erreicht. Die Schlange22 hat eine große Oberfläche, ohne jedoch den weiten Durchgang zwischen den Röhren ig und 21 zu blocki er-en.It shows a mercury boiling vessel io with a vapor pipe ii, the end of which is led into a constriction 12, which in turn conducts the mercury vapor into a condenser 13, which is evacuated at point 14 by a vacuum pump connected to an outlet pipe 31. The condenser 13 can be cooled in any conventional manner, such as. B. by means of a Wassexmantels 1 6, the supply pipes 17 and 18 has. The mercury level in the boiling vessel is so high that mercury passes into the tube 1. 5 During operation, a very low pressure arises in the wide tube ig in a manner known per se. The pipe 21 is connected to the apparatus to be evacuated. If this were connected directly to the wide tube, mercury vapor would get into tube 21 in small quantities. It is therefore necessary to provide a cooler that condenses the mercury vapor. To achieve this, a condensation chamber 2o is arranged between the wide tube ig and the suction port 21, which contains a helical tube 22, which in turn is part. of a cooling system in which a KompressOll 26 and a cooling coil 27 are used. The latter is cooled by an air flow generated by a fan 28 driven by a motor 29. The pipe 22 is provided with an outer wall closed at the lower end and has an inner tube 32 that extends almost to the end of the tube 23 , the liquid pressurized by the compressor passes through the air-cooled coil 27 and passes from there into the inner line 3 2 of the tube 22 until it reaches its extreme end, from where it is deflected into the outer tube 23 and through tube 25 reaches the Komprezsar26. The snake 22 has a large surface, but without blocking the wide passage between the tubes 1 1 and 21.

Das vom Kompressor unter Druck gesetzte Kältemittel wird in der Schlange 27 zu Flüssigkeit kon-,densiert und gekühlt, fließt dann in Leitung 2 4 auf -wärts in die innere Leitung der Schlange 22, darin wieder abwärts, tritt durch deren offenes Ende bei 32 aus und -fließt dann in dem Raum zwischen der Ümeren und äußeren Leitung der Schlange 2 2 auf -wärts. Da der Kompressor 26 dampfförmiges Kältenüttel aus der Röhre 2 5 abpumpt, wird eüi T,eilvalcuum in diesex Röhre und in der äußeren Leitung der Schlange 22 gehalten. Durch dieses Teilvakuum steigt das Kühlmittel zwischen der inneren und äußeren Leitung der Schlange 22 auf, um zu verdampfen, wodurch die Temperatur der Schlange--2 verringert wird.The refrigerant from the compressor set under pressure is con- in line 27 to the liquid, condenses and cooled, then flows in line 2 to 4 -wärts in the inner conduit of the coil 22, it again downward, passes through the open end 32 of and then flows upward in the space between the upper and outer conduits of the serpent 2 2. Since the compressor 26 pumps off vaporous Kältenüttel from the tube 2 5, EUEI T, eilvalcuum in diesex tube and held in the outer conduit of the snake 22nd This partial vacuum causes the coolant to rise between the inner and outer lines of the coil 22 to evaporate, thereby lowering the temperature of the coil - 2.

Diese Kühlwirkung dient weiterrhin dazu, das kondensierte Kältemittel beim Herabfließen in der inneren Leitung der Schlange 22 zu kühlen, so daß, wenn das Kältemittel später verdampft, während es mit,umgekehrter Strömungsrichtung in der äußeren Röhreaufsteigt, diese Verdampfung von einem käl- teren Medium ausgeht und dadurch eine noch tiefere Temperaturr der Schlange 22 erreicht -wird. Der Wärmeauistausch zwischen dem verdampfenden aufsteigenden Kältemittel und der absteigenden Flüssigkeit bei dieser Anordnung ist wesentlich für die gute Wirkung. Die einzigen Wärmequellen, die das Kühlsystem belasten, sind die Kondensationswärme des Quec3,-silberdampfes, die für praktische Zwecke vernachlässigbar klein ist, und die Wärmeleitung längs der Schlange 2-2 von der Stelle aus, wo sie durch die Wand deir Kammer 20 hindurchgeht und allein gehaltert ist.This cooling effect serves weiterrhin to cool the condensed refrigerant in the downward flow in the inner conduit of the coil 22, so that when the refrigerant evaporates later, while it with, the reverse flow direction in the outer Röhreaufsteigt, this evaporation starting from a coldest direct medium and thereby an even lower temperature of the coil 22 is reached. The heat exchange between the evaporating ascending refrigerant and the descending liquid in this arrangement is essential for the good effect. The only heat sources that burden the cooling system are the heat of condensation of the Quec3, -silver vapor, which is negligibly small for practical purposes, and the heat conduction along the coil 2-2 from the point where it passes through the wall of the chamber 20 and is held alone.

Die beschriebene Anordnung hat hiernach den besonderen Voirteil eines hohen Kältewirkungs, grades. Ein weiterer Vorteil ist die automatische Arbeitsweise, da die laufende Zuführung eines Kühlmittels, wie flüssigen Stickstoffes oder von Trockeneis, fortfällt.The arrangement described has the particular advantage of one hereinafter high degree of coldness. Another advantage is the automatic mode of operation, as the ongoing supply of a coolant such as liquid nitrogen or of Dry ice, no longer applicable.

Auf Grund der Tatsache, daß die Kühlschlange 22 in der sehr hoch evakuierten Kammer 2o liegt# wird sie auf eine sehr niedrige Temperatur kommen und den aus der Röhre ig austretenden Queck. silberdampf wirksam kondensieren. Der kondensierte Quecksüberdampf friert an der Oberfläche der Schlange 22 fest und bleibt in dem gefrorenen Zustand, bis der Apparat abgestellt wird. Wird dann bei steigender Temperatur der Schmelzpunkt des Quecksilbers erreicht, so wird dieses schmelzen und von der Schlange 22 in den TTichter 3o fallen, von wo es zum Hauptquecksilbervorrat durch eine Verbindungsleitung 15 zurückgeführt wird. Das Quecksilber im Knie der Verbindungsleitung 15 verhindert, daß die Hauptvakuumleitung ig mit dem Vorvakuum in direkter Verbindung steht.Due to the fact that the cooling coil 22 is located in the very highly evacuated chamber 20, it will come to a very low temperature and the mercury escaping from the tube ig. Effective condensation of silver vapor. The condensed mercury vapor freezes on the surface of the coil 22 and remains in the frozen state until the apparatus is turned off. If the melting point of the mercury is then reached as the temperature rises, it will melt and fall from the snake 22 into the funnel 3o, from where it is returned to the main mercury supply through a connecting line 15. The mercury in the knee of the connecting line 1 5 prevents the main vacuum line ig from being in direct contact with the fore-vacuum.

Claims

PATENT CLAIMS., I. In connection with a high vacuum pump, in particular a mercury diffusion pump, a device to be used for condensing vapors, consisting of a vapor freezing chamber connected between the pump and the high vacuum line, a cooling coil arranged therein and a compression refrigeration machine that works with changes in the state of the aggregate and whose evaporator is the cooling coil characterized in that the cooling coil (22) consists of two concentric tubes (32, 23) which are connected to one another only at the closed end of the outer tube (23) via the open end of the inner tube (32) , and that in the condenser of the Refrigerator liquefied refrigerant entering the cooling coil (22) through the inner pipe (32) and evaporating in the outer pipe (23) is guided in such a way that the inner and outer pipe are flowed through by the liquid refrigerant and its vapor in countercurrent, the cooling coil (22) freely within the condensation chamber (20 ) is arranged so that it is only connected to the chamber wall at the point of passage of the inlet and outlet line of the refrigerant.

2. Device according to claim i, in which the vapor freezing chamber is zuisammengeba-tit with a mercury diffusion pump, characterized in that a pipe ( 1 5) blocked by a mercury-filled knee against the high vacuum is provided, which drips off from the cooling coil (22) Mercury, - r from the condensation chamber (20) returns to the boiling vessel of the pump. 3. Device according to claim i and 2, characterized in that the condenser (27) is cooled with air for the refrigerant of the refrigerating machine.

Considered publications: German Patent Specifications Nos. 357 36o, 286 404; U.S. Patent No. 2,437,849; French Patent No. 981 744; Journal for technical physics 1923, p. 357 ff Phil. Mag. 47 (19:24), p. 918 ff-; Dr. jaeckel, Smallest Pressures, 1950, pp. 170, 242,243.