蒸気ジェット真空ポンプはどのように機能しますか?

液体エントレインメントポンプの概要

ウォータージェットポンプ（17 mbar < p < 10¹³ mbar）、蒸気エゼクター真空ポンプ（10^-3　mbar < p < 10^-1mbar）および拡散ポンプ（p < 10^-3　mbar）などのエゼクターポンプは区別されます。エゼクター真空ポンプは、主に中真空を生成するために使用されます。拡散ポンプは、高真空と超高真空を生成します。どちらのタイプも、蒸気または液体のポンプ作動液（水ジェット、水蒸気、オイル、水銀蒸気）を高速で流すことで動作します。すべての液体エントレインメントポンプのポンプメカニズムは基本的に同じです。ポンプで送り込まれたガス分子は容器から除去され、ノズルを通過すると膨張するポンプ作動液流に入ります。ポンプ作動液の分子は、フローの方向にガス分子への衝撃を与えることで、伝達されます。そのため、ポンプで送り込まれるガスは、より圧力の高い空間に移動します。

液体エントレインメントポンプでは、ポンプ作動液の種類と温度、およびノズルの設計に応じて、作動中に対応する蒸気圧力が発生します。油拡散ポンプの場合、これは沸点チャンバー内で1 mbarになることがあります。ポンプ内の背圧は、蒸気が流出するのに十分に低くなければなりません。これを確実にするために、このようなポンプには対応するバッキングポンプが必要であり、そのほとんどが機械的なタイプです。蒸気ジェットは、ノズルから排出された後、ポンプの冷却された外側の壁で圧縮されるため、容器に入ることができません。

液体エントレインメントポンプの作動原理

ヴォルフガング・ゲーデは、基本的に高い圧力のポンプ作動液流を利用して、比較的低い圧力のガスをポンプで送ることができること、低い総圧力領域から、高い総圧力領域にガス分子は移動することを初めて認識しました。この明らかに逆説的な状態は、蒸気が最初は完全にガスを含まない状態になっているため、より高いガス部分圧力領域（容器）からのガスが、より低いガス部分圧力（蒸気流）領域に拡散していくことで発生します。この基本的なゲーデの概念は、ラングミュア(1915)が最初の近代的な拡散ポンプの製作に用いました。最初の拡散ポンプはガラス製で、その後金属製の水銀拡散ポンプでした。1960年代には、媒体としての水銀はほぼ完全にオイルに取って代わられました。可能な限り高い蒸気流速度を得るために、彼は蒸気流が超音速でノズルから発せられるようにしました。蒸気ジェットを構成するポンプ作動液蒸気は、ポンプケースの冷却された壁で凝縮されます。一方、輸送されたガスは、通常1段階または複数段階でさらに圧縮されてから、バッキングポンプによって除去されます。液体エントレインメントポンプで得られる圧縮比は非常に高くなります。液体エントレインメントポンプの入口ポートに10^-9 mbarの圧力があり、背圧が10^-2 mbarの場合、ポンプで送り込まれたガスは10⁷分の1に圧縮されます。

液体エントレインメントポンプの種類

液体エントレインメントポンプの到達圧力は、ポンプの作動温度で使用される流体の部分圧力の値によって制限されます。実際には、仕切またはコールドトラップを導入することで、これを改善しようとします。これらは液体エントレインメントポンプと真空チャンバーの間の「コンデンサ」であるため、真空チャンバーで達成できる到達圧力は、仕切温度での流体の部分圧力によってのみ制限されます。
さまざまな種類の液体エントレインメントポンプは、基本的に、ポンプの高真空側に面する上部ノズルの出口でのポンプ作動液の密度によって区別されます。

低蒸気密度：油拡散ポンプおよび水銀拡散ポンプを含む拡散ポンプ
高蒸気密度：水蒸気ポンプ、オイル蒸気ジェットポンプ、水銀蒸気ジェットポンプなどの蒸気ジェットポンプ
油拡散/蒸気ジェットポンプの組み合わせ
ウォータージェットポンプ

オイル蒸気エゼクターポンプの作動原理

蒸気エゼクター段のポンプ動作については、図2.46を参照してください。ポンプ作動液は、高圧p₁ノズル（1）の下に流入し、ラバルノズルのような構造になっています。そこで、入口圧力p₂に拡張されます。この膨張では、エネルギーの急激な変化は速度の増加を伴います。その結果、加速されたポンプ作動液蒸気ジェット流は、排出される容器（4）に接続されたミキサー領域（3）を通って流れます。ここでは、容器から出ているガス分子が蒸気ジェットと一緒に引きずられます。混合物、ポンプ作動液蒸気-ガスは、ベンチュリノズル（2）として構築された拡散ノズルに入ります。ここでは、蒸気とガスの混合物は、速度を同時に低下させながら背圧p₃に圧縮されます。ポンプ作動液蒸気はポンプの壁で凝縮されますが、流入したガスはバッキングポンプによって除去されます。

図2.46蒸気ジェットポンプの作動

ノズル（ラバル）
拡散ノズル（ベンチュリ）
混合チャンバー
真空チャンバーへの接続

オイル蒸気エゼクターポンプは、1～10^-3 mbarの圧力領域で、大量のガスまたは蒸気の輸送に最適です。ノズル内の蒸気流の密度が高いため、蒸気流内の輸送されたガスの拡散が拡散ポンプよりもはるかにゆっくりと行われるため、蒸気流の外層のみにガスが浸透します。さらに、ノズルの特殊な構造により、拡散が発生する面ははるかに小さくなります。このため、蒸気エゼクターポンプの特定のポンプ速度は拡散ポンプのポンプ速度よりも小さくなります。本質的により高い入口圧力下で、ポンプでジェットの付近にガスが送り込まれると、フローラインの経路が強く影響を受けるため、最適な状態が得られるのは一定の入口圧力でのみです。このため、ポンプ速度は低い入口圧力に対して一定ではありません。蒸気流の速度と密度が高いため、オイル蒸気エゼクターポンプは比較的高い背圧に対してガスを送ることができます。その臨界背圧は数ミリバールです。現在の真空技術で使用されているオイル蒸気エゼクターポンプには、一般に1つ以上の拡散段とそれに続く複数のエゼクター段があります。ブースターのノズルシステムは、2つの拡散段と2つのエゼクター段から構成されています（図2.47を参照）。拡散段により、10^-4～10^-3　mbarの高いポンプ速度（図2.48を参照）、エゼクター段、高圧での高いガス処理量（図2.49を参照）および臨界背圧が得られます。ポンプ作動液に溶解した粉塵や蒸気の影響を受けにくいのは、大型のボイラと大型ポンプ作動液リザーバによって得られます。ポンプ特性を低下させることなく、ボイラに大量の不純物を閉じ込めることができます。

図2.47オイルジェット（ブースター）ポンプの図

図2.48公称ポンピング速度1000 l/sに関連する吸気圧力の関数としてのさまざまな蒸気ポンプのポンプ速度。オイル蒸気エゼクターポンプ（A）および拡散ポンプ（B）の作動範囲の終了

図2.49各種蒸気ポンプの速度（図2.48から派生）

ウォータージェットポンプと蒸気エゼクター

液体エントレインメントポンプのクラスには、ポンプ作動液として高速で流れる蒸気を使用するポンプだけでなく、液体ジェットポンプも含まれています。最も簡単で最も安い真空ポンプは水ジェットポンプです。蒸気ポンプと同様（図2.46または2.51を参照）に、液体流は最初にノズルから放出され、乱流のために、混合チャンバー内にポンプで送り込まれたガスと混合されます。最後に、水とガスの混合物の動きがベンチュリ管で減速します。ウォータージェットポンプによって送り込まれる容器内の到達圧力は、水の蒸気圧によって決まり、例えば15℃（59℉）の水温では約17 mbarになります。

図2.46蒸気ジェットポンプの作動

ノズル（ラバル）
拡散ノズル（ベンチュリ）
混合チャンバー
真空チャンバーへの接続

図2.51蒸気エゼクターポンプの動作の概略図

蒸気入口
ジェットノズル
拡散
混合領域
真空チャンバーへの接続

本質的に、ポンプ速度が速く、到達圧力が低くなるのは、蒸気エゼクターポンプです。1段階の断面図を図2.51に示します。マークは、図2.46に示されているものに対応しています。実際には、複数のポンピング段階がカスケードで取り付けられています。実験室での作業には、2段ポンプの組み合わせが適しており、ガラス製の蒸気エゼクター段とウォータージェット（バッキング）段で構成されています。ウォータージェットバッキング段により、他のバッキングポンプを使用せずに作動できます。圧力超過の蒸気流により、真空チャンバーを約3 mbarの到達圧力まで排気できます。蒸気からのドレインは、ドレインアタッチメントから排出されます。このポンプのウォータージェット段は、効率を高めるために水で冷却されます。蒸気エゼクターポンプは特に、ラボでの作業に適しています。特に、非常に強力な蒸気を送り込む場合に適しています。数ミリバールの圧力で動作する蒸気エゼクターポンプは、単純なウォータージェットポンプからの圧力が不十分な場合に、ラボの蒸留装置や同様のプラントの輸送に特に推奨されます。この場合、ロータリーポンプの使用は経済的ではありません。