4.2.2.6. Предельное давление диффузионного насоса

Состояние равновесия, при котором течение газа прекращается, можно охарактеризовать равенством

Т.е.

Так как концентрация n пропорциональна давлению, можно написать уравнение

которое после интегрирования (при D = const) принимает вид

где С — постоянная интегрирования, которая для состояния равновесия определяется из условия р = р∞ при х = 0; следовательно, С = In p∞,

Уравнение (4 43) представляет собой уравнение распределения давления в струе рабочего тела (фиг. 4 49, б).

На фиг. 4.50 представлены полученные экспериментально изобары распределения давления аргона в струе паров масла при давлении на входе в насос р = 10-5 Тор для случая, когда струя пара из сопла I достигает сопла II. Видно, что давление газа в струе существенно меньше давления в окружающей среде и уменьшается до 0,1 р на внутренней стороне паровой диаграммы, зато по мере приближения к конденсатору оно быстро возрастает до давления, почти на порядок превышающего величину р (например, изобара Sр).

При х = L имеет место равенство р = р1 т. е. давление на выходе из насоса может быть записано следующим образом:

откуда определяется предельное давление

Таким образом, предельное давление диффузионного насоса во много раз ниже давления форвакуума р1. Отношение давлений

называется степенью сжатия газа струей пара и характеризует связь между предельным давлением насоса рх и давлением на выходе р∞. При данном р1 величина р∞ тем меньше, чем больше скорость паров рабочего тела vп, длиннее путь откачивания L и меньше коэффициент диффузии газа в паре Dг.п.

Что касается коэффициента диффузии Dг п, то для случая, когда давление пара рп значительно больше давления газа р(рп р), он может быть выражен с помощью формулы (2 80):

Коэффициент диффузии Dг п тем меньше, чем больше давление пара рп на диафрагме, а также чем больше молекулярные массы пара М0,п и газа М0.

С учетом формулы (4.46) выражение (4.45) для данной температуры Т можно записать в виде

В формуле (4 47) величина с является для данной температуры постоянным коэффициентом, выражение в круглых скобках определяется конструкцией (L) и условиями работы насоса (vп, рп), а выражение в квадратных скобках зависит от рода рабочего тела (d0, а, М0,п) и откачиваемого газа (d0, М0).

В табл. 4 3 приведены величины, пропорциональные выражению в квадратных скобках формулы (4.47), для трех газов различной плотности: водорода Н2, воздуха (О2, N2) и двуокиси углерода СО2, а также для паров трех рабочих веществ• ртути, масла с молекулой средней величины и масла с большой молекулой.

Из табл. 4.3 следует, что труднее получить низкое предельное давление для водорода с помощью ртутного насоса, чем для углекислоты с помощью насоса на силиконовом масле.

В совершенных насосах отношение p1/p∞ может достигать величины порядка 103 и больше.