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拡散ポンプはどのように機能しますか?

拡散ポンプは基本的に（図2.44を参照）冷却壁（4）を備えたポンプ本体（3）と3、4または5段のノズルシステム（A - D）で構成されています。ポンプ作動液として供給されるオイルはボイラ（2）にあり、ここから電気加熱（1）によって気化します。ポンプ作動液の蒸気は、ライザーチューブを通って流れ、リング状ノズル（A-D）から超音速で出てきます。その後、そのように形成されたジェットは、傘のように広がり、壁面に到達してポンプ作動液の凝縮が起こります。液体凝縮水は、壁に沿って薄膜状に下方向に流れ、最終的にボイラに戻ります。ジェットがこのように広がるため、蒸気密度は比較的低くなります。空気またはポンプで送り込まれるガス（または蒸気）の拡散は非常に速いため、高速であっても、ジェットはポンプで送り込まれた媒体でほぼ完全に飽和します。そのため、広い圧力範囲の拡散ポンプでは、ポンプ速度が高くなります。拡散ポンプの動作領域全体（≤ 10-3 mbar）でこれは実質的に一定です。これは、これらの低圧の空気がジェットに影響を与えることができないため、ジェットの進路が妨げられないためです。より高い入口圧力では、ジェットの進路が変更されます。その結果、ポンプ速度は約10-1 mbarになるまで低下し、測定不能なほど小さくなります。 

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図2.44拡散ポンプの動作モード

  1. ヒーター
  2. ボイラ
  3. ポンプ本体
  4. 冷却コイル
  5. 高真空フランジ
  6. ガス分子
  7. 蒸気ジェット
  8. バッキング真空接続
  9. A、B、C、Dノズル

また、前段真空は蒸気ジェットにも影響し、その値が特定の限界値を超えると有害になります。この限界値は、最大背圧または臨界前圧と呼ばれます。選択したバッキングポンプの容量は、拡散ポンプから排出されるガス量が、最大背圧に近い、またはそれを超える背圧を構築することなく、排出されるようにする必要があります。

到着圧力が達成できるかどうかは、ポンプの構造、使用するポンプ作動液の蒸気圧、ポンプ作動液の最大可能凝縮量、および容器の清浄度によって決まります。さらに、適切な仕切またはコールドトラップにより、ポンプ作動液の容器への逆流を可能な限り低減する必要があります。 

ポンプオイルの脱ガス-汚染防止

オイル拡散ポンプでは、ポンプ作動液をボイラに戻す前に脱ガスする必要があります。ポンプオイルを加熱すると、ポンプ内で分解生成物が発生する可能性があります。容器からの汚染物質がポンプに入るか、ポンプ内の最初の場所に含まれる可能性があります。これらのポンプ作動液成分は、容器から遠ざけていない場合、拡散ポンプによって達成可能な到達圧力を大幅に悪化させる可能性があります。したがって、ポンプ作動液は、これらの不純物と吸収ガスを除去する必要があります。 

これは脱ガスセクションの機能であり、循環油はボイラに再び入る直前に通過します。脱ガスセクションでは、最も揮発性の不純物が排出されます。脱ガスは、ポンプ内の慎重に制御された温度分布によって行われます。凝縮ポンプ作動液は、冷却された壁を薄い膜として下方に移動し、最も低い拡散段階より約130℃（266℉）の温度まで上昇して、揮発性成分を蒸発させ、バックポンプで除去することができます。したがって、再蒸発ポンプ作動液は、ポンプオイルの揮発性の低い成分のみで構成されています。 

拡散ポンプのポンプ速度

拡散ポンプの特定のポンプ速度Sの大きさ（実際の入口面の面積あたりのポンプ速度）は、高真空段階の位置と寸法、ポンプ作動液蒸気の速度、そして、ポンプで送られるガスの平均分子速度c（式1.17参照）など、いくつかのパラメータに依存します。気体の動力学理論を利用して、室温で空気を移送する際に達成可能な特定の最大ポンプ速度は、Smax = 11.6 l s-1 cm-2に計算されます。これは同じ表面積の開口部に似て（式1.30を参照）、ポンプの吸気領域の特定の（分子）フローコンダクタンスです（式1.30を参照）。一般的に、拡散ポンプは、重いガスに比べて軽いガスの方がポンプ速度が速くなります。

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（1.17）

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（1.30）

拡散ポンプの有効性を特徴づけるために、いわゆるHO係数が定義されています。これは、実際に得られた特定のポンプ速度と、理論上可能な最大特定のポンプ速度の比率です。ライボルト製拡散ポンプの場合、最適値が達成されます（最小値は0.3、大型ポンプの場合は最大0.55）。 

ライボルト製のオイル拡散ポンプ

ライボルト製の各種オイル拡散ポンプは、次の設計上の特徴が異なります（図2.45を参照）。

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図2.45拡散ポンプの設計原理を示す図。

  1. 前段真空接続フランジ
  2. 前段真空仕切付きセンタリングリング
  3. ノズル組立
  4. クーラントライン
  5. 高真空接続フランジ
  6. コールドキャップバッフル
  7. ポンプケース
  8. 電気ジャンクションボックス
  9. 加熱用金属板クラッド

DIPシリーズ

これらのポンプでは、本質的にバーストのないポンプ作動液の蒸発プロセスが卓越したヒーター設計によって達成され、時間の経過とともに非常に一定のポンプ速度が得られます。ヒーターは内部タイプで、熱伝導パネルにはんだ付けされたチューブが挿入される加熱カートリッジで構成されています。ステンレススチール製のチューブは、ポンプ本体に水平に溶接され、オイルレベルの上にあります。銅製の熱伝導パネルは、一部しかポンプ作動液に浸かっていません。熱伝導パネルのこれらの部分は、ポンプ作動液が沸騰を遅らせることなく集中的に蒸発できるように評価されています。オイルレベルより上の熱伝導パネルのこれらの部品は、蒸気に追加のエネルギーを供給します。加熱システムの特別設計により、ポンプがまだ熱い間もヒーターカートリッジを交換することもできます。 
DIPポンプには4段ノズル設計のジェットスタックが装備され、10-2～0-8 mbarの圧力範囲でのポンピングに適しています。

DIJシリーズ

DIJシリーズは、圧力範囲5x10-1～10-7 mbarの高いガス処理用量と高いポンプ速度を必要とする用途のために、さらに改良された設計を特徴としています。導電性パネルを備えたヒーター設計は、DIPシリーズから採用されましたが、さらに改良されました。ヒーターカートリッジがステンレススチールチューブに導入されたチューブ設計ではなく、DIJポンプにフランジ設計されています。ヒーターカートリッジはヒーター容器にしっかりと固定され、漏れがなく、ポンプ作動液に直接浸されます。この設計により、ポンプ作動液の加熱がさらに改善され、メンテナンスが容易になります。ジェットスタックには、エゼクター段が追加されており、これにより、より高い前段真空圧力の安定性とガス処理量の増加がもたらされます。拡散ポンプの原理は加熱オイルに基づいているため、これらのポンプは1つの大きな問題に対処しています。ポンプに取り込まれたエネルギーの約80%が環境に放出されます。DIJシリーズには、絶縁材ジャケットがヒーター容器の周囲に配置されており、周囲から絶縁されているため、加熱時間とエネルギー消費が改善されています。

Check out the video below to see a pumping animation of an oil diffusion pump in action

ポンプ作動液

拡散ポンプにはどのオイルが使用されますか?

オイル拡散ポンプに適したポンプ作動液は、鉱物油とシリコンオイルです。特殊な液体でのみ満たされるようなオイルには、厳しい要求が課されます。これらの特性（特に空気に対する蒸気圧、耐熱性、耐薬品性など）によって、特定のタイプのポンプで使用するオイルの選択、または指定された究極の真空を得るためのオイルの選択が決定されます。蒸気ポンプで使用されるオイルの蒸気圧は水銀よりも低くなります。有機ポンプ作動液は、水銀よりも感度が高くなっています。これは、オイルが長期間空気を吸入すると分解される可能性があるためです。ただし、シリコンオイルは、稼働ポンプへの空気の長時間の流入に耐えることができます。 

ライボルトが拡散ポンプ用に提供する典型的な鉱物油はLVO500です。この鉱物油には、特別な注意を払って蒸留した高品質のベース製品（カタログを参照）の留分が含まれています。LVO 500は、優れた熱安定性を備えた高真空用途向けの標準拡散ポンプオイルです。

ライボルトは、最適な性能を実現するために、高純度シリコンオイルソリューションであるLVO521（カタログ参照）を提供しています。これは、高真空および超高真空用途でポンプから最高の性能を引き出すのに役立つ特別なシリコンを含む高純度シリコンオイルソリューションです。熱安定性が高く、酸化や分解に強く耐性があります。 

オイル蒸気ジェットポンプの場合、ライボルトは、特殊な炭化水素オイルであるLVO540（カタログを参照）を提供します。オイルの寿命が延長され、温度安定性が向上し、耐熱性と化学的耐性が高く、高い耐酸性により優れています。蒸気ジェットポンプの基本的な高速ポンプ速度を中真空範囲で供給します。

冷却拡散ポンプ

流体エントレインメントポンプ内のポンプ作動液を気化させるために連続的に供給されるヒーター電力は、効率的な冷却によって放熱させる必要があります。ガスと蒸気のポンピングに必要なエネルギーは最小限です。拡散ポンプのケーシングの外壁は、一般に水で冷却されます。ただし、小型オイル拡散ポンプは、水銀拡散ポンプほど低い壁面温度は効率に影響しないので、空気流で冷却することも可能です。オイル拡散ポンプは30℃（86℉）の壁面温度で良好に動作しますが、水銀拡散ポンプの壁は15℃（59℉）に冷却する必要があります。冷却水コイルが熱作動式の保護切り替えによって制御されないため、冷却水の故障の危険からポンプを保護するため、冷却水回路には冷却水循環モニターを取り付ける必要があります。したがって、ポンプ壁面からのポンプ作動液の蒸発を防ぐことができます。 

拡散ポンプに水銀を使用できますか?

水銀はポンプ作動液として使用できます。空気が入っても気化中に分解したり、強く酸化したりしない化学元素です。ただし、室温では、蒸気圧は比較的高い10-3 mbarです。到着圧力が低い場合は、液体窒素を含むコールドトラップが必要です。水銀拡散ポンプを使用すると、10-10 mbarの究極の全圧力を得ることができます。水銀はすでに述べたように毒性があり、環境に危険をもたらすため、最近ではポンプ作動液としてはほとんど使用されていません。

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