油擴(kuò)散泵抽氣速率與被抽氣體的關(guān)系
目前許多真空方面的工具書和企業(yè)產(chǎn)品樣本中認(rèn)為油擴(kuò)散泵具有“對(duì)各種氣體無(wú)選擇性”[1]的特點(diǎn), 基至有學(xué)者認(rèn)為油擴(kuò)散泵“對(duì)所有的氣體抽氣速率為常數(shù)”[2](constant pumping speed for all gases)。這種觀點(diǎn)使大多數(shù)工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)油擴(kuò)散泵抽空機(jī)組時(shí)沒有考慮被抽氣體的特點(diǎn), 以油擴(kuò)散泵對(duì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣或者氮?dú)獾?a href="http://genius-power.com/pumps/gas/051054.html">抽氣速率來(lái)確定。通常情況下這種計(jì)算假設(shè)是允許的,但是對(duì)特殊氣體來(lái)說(shuō),例如真空鍍膜工藝中經(jīng)常用到的氧、氬等氣體, 油擴(kuò)散泵對(duì)它們的抽氣速率是不同的, 要計(jì)算或者測(cè)試油擴(kuò)散泵對(duì)該氣體的抽氣速率, 否則會(huì)有較大的偏差。國(guó)內(nèi)某研究所進(jìn)行氙離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在5×10-3Pa壓力下對(duì)空氣具有20000L/s有效抽速(在該壓力點(diǎn)抽氣量為100Pa·L/s)的2套K-800TD高真空油擴(kuò)散泵三級(jí)抽空機(jī)組不能滿足抽除84 Pa·L/s氙氣的要求。經(jīng)過(guò)排障和多次試驗(yàn)后, 結(jié)果一樣, 說(shuō)明油擴(kuò)散泵對(duì)氙氣的抽氣速率在同等條件下大大小于泵對(duì)空氣的抽氣速率,因此有必要來(lái)分析油擴(kuò)散泵對(duì)不同氣體的抽氣速率的差異。
王欲知先生撰寫的《真空技術(shù)》[3]一書中曾引用前蘇聯(lián)的文獻(xiàn)來(lái)說(shuō)明油擴(kuò)散泵的實(shí)際特性與氣體種類有關(guān), 并給出了“各種氣體的抽速比值”。油擴(kuò)散泵對(duì)氣體的抽氣速率宏觀表象包括泵自身對(duì)氣體的抽氣速率、氣體分子運(yùn)動(dòng)到抽氣界面的能力和泵與真空容器之間的流導(dǎo)等方面。下面就從這三個(gè)方面進(jìn)行分析、討論。
1、油蒸汽流泵的抽速表達(dá)式
油擴(kuò)散泵中實(shí)際的物理過(guò)程是十分復(fù)雜的, 要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算非常困難, 因此人們通過(guò)合理的簡(jiǎn)化, 構(gòu)建近似的模型進(jìn)行計(jì)算。王銘樸、張先生在上世紀(jì)八十年代根據(jù)德國(guó)學(xué)者亞開耳《汽流高真空抽氣機(jī)的理論》二次近似計(jì)算的比抽速表達(dá)式, 考慮了擴(kuò)散面積和噴嘴角度對(duì)抽氣速率的影響, 推導(dǎo)出了油擴(kuò)散泵在最佳抽氣速率時(shí)的噴嘴出口直徑和噴嘴角度的近似計(jì)算公式, 見《油蒸汽流泵的抽速表達(dá)式》[4]。文中認(rèn)為: 油蒸汽流泵的抽氣過(guò)程, 可以認(rèn)為主要由氣體余弦定律以及油蒸汽沿氣體流動(dòng)方向(一般為泵體軸線方向) 的分速度來(lái)控制, 同時(shí)忽略小部分氣體返流現(xiàn)象, 從而得出如下公式
式中SP——油蒸汽流泵泵口抽氣速率
k ——修正系數(shù), 對(duì)油擴(kuò)散泵k=0. 7～0. 85
D ——泵口內(nèi)徑
d ——一級(jí)噴嘴出口外徑
vl——被抽氣體分子平均熱運(yùn)動(dòng)速度
W ——油蒸汽流噴射速度
A——油蒸汽流轉(zhuǎn)折后與泵壁的夾角
R ——摩爾氣體常數(shù)
T ——熱力學(xué)溫度
M ——氣體摩爾質(zhì)量
2、根據(jù)油蒸汽流泵抽速表達(dá)式計(jì)算的結(jié)果
常規(guī)參數(shù)的具體值: 溫度為293K, A為40°、50°和60°, 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下常用氣體分子平均熱運(yùn)動(dòng)速度見表1。根據(jù)已知參數(shù)W計(jì)算出為200、300 和400m/s油擴(kuò)散泵對(duì)不同氣體與空氣抽氣速率的比值SP/S 空氣, 其中400m/s 時(shí)的計(jì)算比值用于和蘭州物理所數(shù)據(jù)的比較。表1中摘錄了王欲知先生撰寫的《真空技術(shù)》中“各種氣體的抽速比較”和蘭州物理研究所編寫的《真空設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版)中“蒸汽流泵對(duì)不同種類氣體的理論抽速”的數(shù)據(jù)。需要指出的是,《真空技術(shù)》中沒有給出計(jì)算公式, 引用的是1975年《MNP》中的數(shù)據(jù)(詳見書中“參考資料”) ;《真空設(shè)計(jì)手冊(cè)》中引用的抽速表達(dá)式與公式(1) 基本相同,只是沒有cosA。
從數(shù)據(jù)可以看出:
�、� 油擴(kuò)散泵的抽氣速率與氣體種類有關(guān), 即對(duì)不同氣體其抽氣速率是不同的。
�、� 公式(1)忽略了小部分返流氣體的影響, 因此除氫、氦這兩種分子量小、易于反擴(kuò)散氣體的計(jì)算值和《真空技術(shù)》的數(shù)據(jù)偏差較大外, 其余氣體的計(jì)算結(jié)果基本吻合(氬的數(shù)據(jù)偏差太大, 估計(jì)引用有誤)。
③ 由于存在的cosA差異, 計(jì)算結(jié)果和《真空設(shè)計(jì)手冊(cè)》的數(shù)據(jù)差別較大。
�、� 當(dāng)油蒸汽流噴射速度W為固定值、油蒸汽流轉(zhuǎn)折后與泵壁的夾角A為變化值時(shí), 計(jì)算數(shù)據(jù)變化不大。
⑤ 當(dāng)A為固定值、W為變化值時(shí), 計(jì)算數(shù)據(jù)變化較大。
�、� 象氫這樣小分子量的氣體, 單個(gè)分子的動(dòng)能是油蒸汽單個(gè)分子動(dòng)能的2.6% , 因此易于被油蒸汽射流抽走。但是, 由于氫易于反擴(kuò)散, 使得抽氣速率降低。對(duì)于大分子量氣體的分子直徑約為擴(kuò)散泵油分子直徑的40%～50% (如Kr、Xe) , 同時(shí)單個(gè)氣體分子的質(zhì)量也增大, 動(dòng)能增大到擴(kuò)散泵油蒸汽分子動(dòng)能的20%,勢(shì)必對(duì)油蒸汽射流產(chǎn)生影響, 不利于抽空, 因此油擴(kuò)散泵對(duì)氣體抽氣速率的實(shí)測(cè)值比計(jì)算值小。
