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Tiefkühlfalle zum Abscheiden von kondensierbaren Dämpfen Die Erfindung
betrifft eine Tiefkühlfalle zum Abscheiden von kondensierbaren Dämpfen in Vakuumanlagen,
bei der die in einen Kühlmittelbehälter eingefüllten kondensierten Gase nach der
Außen luft hiti verdampfen und Tiefkühlabscheideflächen in der Verbindungsleitung
zwischen dem Vakuumrezipienten und der Treibmittelpumpe kühlen und bei der außerdem
Abscheideflächen von höherer Temperatur vorhanden sind, an denen die kondensierbaren
Dämpfe zunächst in flüssigem Zustand abgeschieden werden.
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Derartige Tiefkühlfallen sind vor allem für Treibmittelpumpen bestimmt,
bei denen ein anorganisches Treibmittel, vorzugsweise Quecksilber, angewendet wird.
In diesen Tiefkühlfallen befinden sich Abscheideflächen, welche durch ein kondensiertes
Gas, z. B. für sige Luft, auf eine möglichst tiefe Temperatur abgekühlt werden.
Die Wirksamkeit der Tiefkühlfalle ist dabei um so besser, je tiefer die Temperatur
gewählt werden kann und je mehr die in den Vakuumrezipienten rückströmenden Treibdampfmoleküle
durch die geometrische Konstruktion der Tiefkühlfalle notwendigerweise mit den tiefgekühlten
Abscheideflächen in Berührung kommen müssen.
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Obwohl bei der beschriebenen Vorrichtung zum Abscheiden von kondensierbaren
Dämpfen mit tiefgekühlten Abscheideflächen hinsichtlich ihrer Abscheidewirkung eine
befriedigende Wirkung erzielt wird, ergeben sich bei der praktischen Anwendung wegen
des auftretenden starken Treibmittelverlustes erhebliche Schwierigkeiten. Dabei
friert das Quecksilber an den Abscheideflächen fest, so daß bereits nach kurzer
Betriebszeit eine unzulässige Verringerung der Treibmittel füllung in der Pumpe
eintritt.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist eine Tiefkühlfalle bekanntgeworden,
bei der neben den tiefgekühlten Abscheideflächen eine scheibenförmige Abscheidefläche
vorhanden ist, die auf einer wesentlich höheren Temperatur gehalten wird. Die Temperatur
wird dabei so gewählt, daß das Treibmittel an dieser Abscheidefläche nur in flüssigemZustandkondensiert
und von dort wieder in den Treibmittelvorrat der Pumpe zurücktropft.
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Diese Abscheidefläche höherer Temperatur ist unmittelbar als Prallplatte
im Strömungsweg zwischen dem Vakuumrezipienten und der Treibmittelpumpe derart angeordnet,
daß der größte Teil der rückströmenden kondensierbaren Dämpfe an ihr abgeschieden
wird. Die restlichen Dampfanteile werden dann wie bisher von den tiefgekühlten Abscheideflächen
festgebunden. Durch diese Konstruktion ergibt sich zwar eine wesentliche Verbesserung
hinsichtlich des auftretenden Treibmittelverlustes, jedoch zeigt eine solche Tiefkühlfalle
einen besonders hohen Kühlmittelverbrauch.
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Bei dieser bekannten Ausführungsform einer Tiefkühlfalle ist zwischen
dem die ktndensierten Gase ent-
haltenden Kühlmi ttelbehälter und der plattenförmigen
Abscheidefläche von höherer Temperatur ein entsprechend bemessenes wärmedämmendes
Bauelement vorgesehen. Da sich diese Abscheidefläche durch die Strahlungswärme der
Pumpendüsen erheblich erwärmt, muß fortgesetzt eine entsprechende Kühlleistung aus
dem Kühlmittelbehälter über das wärmedämmende Bauelew ment übertragen werden. Dies
bedeutet eine zusätzliche Erwärmung der kondensierten Gase, dadurch eine stärkere
Verdampfung und als Ergebnis einen erhöhten Kühlmittelverbrauch. Man- muß- daher
die Füllung des Kühlmittelbehälters, z. B. mit flüssiger Luft, in relativ kurzen
Zeitabständen ergänzen.
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Die Erfindung ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Kühlmittel füllung
und somit eine entsprechende Verlängerung der Betriebsdauer sowie eine Senkung der
Betriebskosten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine solche Führung
der aus dem Kühlmittelbehälter verdampfenden Gase vorgesehen ist, bei der diese
zur Kühlung von solchen Abscheideflächen dienen, deren Temperatur oberhalb der Temperatur
der flüssigen Gase liegt. Es hat sich gezeigt. daß die aus dem Kühlmittelbehälter
bisher nutzlos nach außen abgeleitete Gasströmung zur Kühlung von weiteren Abscheideflächen
höherer Temperatur vorzüglich geeignet ist, wobei man diesen Kühleffekt ohne zusätzlichen
Kühlmittelverlust ausnutzen kann. Selbstverständlich können die Abscheideflächen
hierzu in der verschiedensten Weise und Temperaturverteilung angeordnet werden.
Man schließt zweckmäßig an die Austrittsöffnung des Kühlmittelbehälters eine rohrförmige
Kühlspirale an, die mit den einzelnen Abscheideflächen je nach der gewünschten Kühlwirkung
über eine oder
mehrere Bindungen, gegebetlenfalls unter Zwischenschaltung
eines wärmedämmenden Materials, in wärmeleitender Verbindung steht.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kühlen die aus dem Kühlmittelbehälter
verdampfenden konden -sierten Gase nacheinanderfolgend mehrere Abscheideflächen
mit steigender Temperatur, wobei als letzte gekühlte Abscheideiläche vor dem Austritt
der Gase aus dem Gehäuse der Tiefkühlfalle eine für die Korden sation in flüssigem
Zustand hestimmte Abscheidefläche vorgesehen ist. Die Gasströmung erwärmt sich dabei
fortgesetzt und weist schließlich eine Temperatur auf. welche gerade hinreicht.
um noch eine ausreichende Kälteleistung an die für flüssige Kondensation bestimmte
Abscheidefläche höchster Temperatur zu übertragen. Natürlich ist es nicht unmittelbar
notwendig, diese Abscheidefläche höchster Temperatur direkt mit der von der austretenden
Gasströmung durchströmten Kühlspirale in Verbindung zu bringen, da diese unter Umständen
eine zu weitgehende Abkühlung herbeiführen kann. In diesem Fall wird die Abscheidefläche
höchster Temperatur vorteilhaft über entsprechend dimensionierte wärmedämmende Bauelemente
mit einer direkt gekühlten Abscheidefläche niedriger Temperatur verbunden. Es sind
auch Ausführungen möglich, bei denen die Abscheidefläche höchster Temperatur von
einem anderen Kühlmittel, z. B. durch Wasser, gekühlt wird.
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Eine vorteilhafte Maßnahme zur Verhinderung einer unerwünschten Temperaturerniedrigung
an einer zur Kondensation in flüssigem Zustand bestimmten Abscheidefläche besteht
gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung darin, daß an der für die Kondensation
itl flüssigem Zustand bestimmten Abscheidefläche eine wärmeleitende Verbindung zu
im Betrieb der Tiefkühlfalle auf höheren Temperaturen liegenden Gehäuseteilen vorgesehen
ist, und' daß die Bemessung dieser wärmeleitenden Verbindung so vorgenommen wird,
daß die für die Kondensation in flüssigem Zustand bestimmte Abscheidefläche eine
vorgegebene Temperatur nicht unterschreiten kann. Die Wirkung beruht darauf, daß-
bei einer unerwünschten Temperaturerniedrigung an dieser Abscheidefläche ein erhöhtes
Temperaturgefälle gegenüber den wärmeren Gehäuseteilen auftritt, wodurch sich die
über das wärmeleitende-Verbindungselement übertragene Wärmemenge entsprechend vergrößert.
Andererseits vermindert sich die Temperatur differenz zwischen der Abscheidefläche
und dem Kühlmittelbehälter, und beide Effekte bewirken eine weitgehende Festlegung
der Temperatur auf den ge wünschten für die flüssige Kondensation notwendigen Wert.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform ist so aufgebaut, daß bei der an
sich bekannten scheibenförmigen Ausbildung der für die Kondensation in flüssigem
Zustand bestimmten Abscheideflächen die wärmeleitende Verbindung Bügelform hat.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung schematisch dargestellt; es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine
an eine Treibmittelpumpe angeschlossene Tiefkühlfalle nach der Er-Erfindung, Fig.
2 eine perspektivische Ansicht der plattenförmigen Abscheideflächen mit Wärmelei
tungsbügel einer Tiefkühlfalle nach Fig. 1.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 1 der Tiefkühlfalle
über einen Innenflansch 2 an einen Anschlußflansch 3 einer Quecksilber-Treibmittelpumpe
4 angeschlossen. Diese Quecksilber-Treibmittel-
pumpe 4 steht mit einer mechanischcn
Vorpümpe 5 11 \/'erhilldung.
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Das Gehäuse 1 der Tiefkühlfalle weist einen weiteren Anschluß flansch
6 auf, mit dem die Verbindung zum Vakuumrezipienten hergestellt werden kann. Im
Inneren dieses Gehäuses 1 erkennt man einen Kuhlmittell>ehälter 7. in dem ein
hestimmter Flüssigkeitsstand der kondensierten Gase 8 vorhanden ist.
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Zur Zuführung der kondensierten Gase8 dient eine an den Kühlmittelbehälter
7 angeschlossene Zuleitung9, die zur Vermeidung von Wärmeverlusten bei ihrem Durchtritt
durch das Gehäuse 1 in einer entsprechenden Isoliermuffe 10 geführt ist. Diese Zuleitung9
steht mit einem Vorratsbehälter 11 für die kondensierten Gase in Verbindung, der
auch als automatisch wirkende Nachfüllvorrichtung ausgebildet sein kann.
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In dem Gehäuse 1 ist ferner ein mit einer kreisringförmigen Abscheidefläche
12 versehener metallischer Einsatz 13 vorhanden, der an entsprechend dimensionierten
Stützen 14 aus einem ;Material geringer Wärmeleitfähigkeit im Gehäuse aufgehängt
ist.
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An den Kühlmittelbehälter 7 ist ein Rohrstück 15 angeschlossen, das
bei 16 in eine Kühlspirale mit zwei Windungen übergeht, die mit der Abscheidefläche
12 in gut wärmeleitender Verbindung stehen. Von dieser Kühlspirale 16 führt eine
Verbindungsleitung 17, die gleichzeitig als Halteteil ausgebildet ist, zu einer
scheibenförmigen Abscheidefläche 18, welche im Betrieb auf höherer Temperatur gehalten
werden soll. Dementsprechend ist nur eineKühlwindung 19vorgesehen, und an diese
schließt sich ein Auslaßrohrteil 20 an, durch den die Gasströmung aus der Tiefkühlfalle
in den Umgebungsraum austritt. Dieses Auslaßrohrteil 20 ist ebenfalls über eine
Isolierdurchführung21 am Gehäuse 1 befestigt.
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An der scheibenförmigen Abscheidefläche 18 ist mit Hilfe einer Nietverbindung
22 ein Doppelbügel 23 aus wärmeleitfähigem Material angenietet, der sich mit seinen
freien Enden auf dem Innenflansch 2 abstützt. Die Form dieses Bügels ist besonders
in Fig. 2 dargestellt.
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Als Werkstoff für den Bügel kann Stahl, aber auch Kupfer od. dgl.
verwendet werden.
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Beim Betrieb verdampft fortgesetzt ein Teil der kondensierten Gase
8, und die aus dem Kühlmittelbehälter7 austretende kalte Gasströmung kühlt zunächst
die kreisringförmige Abscheidefläche 12, die ebenfalls auf sehr niedriger Temperatur
gehalten werden soll. Dabei hat sich die Gasströmung bereits etwas erwärmt, so daß
sie anschließend zur Kühlung der scheibenförmigen Abscheidefläche 18 verwendet werden
kann. Da die Temperatur dieser Abscheidefläche erheblich höher gehalten werden soll
als die Temperatur der kondensierten Gase, wurde nur eine einzige Kühlwindungl9
vorgesehen.
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Außerdem sorgt der Bügel 23 für eine wärmeleitende Verbindung mit
dem Innenflansch2, der sich im Betrieb derTreibmittelpumpe erheblich erwärmt, so
daß ander scheibenförmigen Abscheidefläche 18 in jedem Falle eine Temperatur festgelegt
wird, bei der das Treibmittel in flüssigem Zustand kondensiert.
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Man kann den Aufbau der Tiefkühlfalle auch in anderer Weise wählen,
ohne daß von den grundsätzlichen Erfindungsgedanken abgewichen wird. Insbesondere
ist auch die Verwendung bei Treibmittelpumpen mit organischen Treibmitteln möglich
und vorteilhaft.