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확산 펌프는 어떻게 작동합니까?

확산 펌프는 기본적으로 냉각된 벽(4)이 포함된 펌프 본체(3)와 3, 4 또는 5단계 노즐 시스템(A-D)으로 구성됩니다(그림 2.44 참조). 펌프 유체 역할을 하는 오일은 보일러(2)에 위치하고 전기 가열(1)을 통해 기화됩니다. 펌프 유체 스트림은 라이저 튜브를 통과하여 링 모양의 노즐(A-D)에서의 초음속 속도를 통해 형성됩니다. 이후 제트 형체가 우산처럼 넓게 형성되고 펌프 유체의 응축이 발생하는 벽에 도달합니다. 액체 응축수는 벽을 따라 얇은 막처럼 아래로 흘러 보일러로 돌아갑니다. 이러한 제트 확산으로 인해 증기 밀도가 상대적으로 낮습니다. 공기 또는 펌핑된 기체(또는 증기)가 분사기로 확산되는 속도가 매우 빠르기 때문에 빠른 속도에도 불구하고 분사기가 펌핑 매체로 완전히 포화됩니다. 따라서 압력 범위가 넓은 확산 펌프의 펌핑 속도가 높습니다. 이러한 저압에서 공기가 제트에 영향을 줄 수 없기 때문에 확산 펌프의 전체 작업 영역(≤ 10-3mbar)에서 이 수치는 사실상 일정합니다. 따라서 경로가 방해를 받지 않습니다. 입구 압력이 높은 경우 제트 경로가 변경됩니다. 그에 따라 약 10-1mbar에서 펌핑 속도가 눈에 띄게 작아질 때까지 속도가 감소합니다. 

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그림 2.44 확산 펌프의 작동 모드.

  1. 가열기
  2. 보일러
  3. 펌프 본체
  4. 냉각 코일
  5. 고진공 플랜지
  6. 기체 분자
  7. 증기 제트
  8. 배압 진공 연결부
  9. A, B, C, D 노즐

전진공 압력은 증기 제트에 영향을 미치고 그 값이 특정 임계 한계를 초과할 경우 유해한 상태가 됩니다. 이 제한을 최대 배압 압력 또는 중요 초기 진공이라고 합니다. 선택한 배압 펌프의 용량은 최대 배압 압력에 가깝거나 심지어 이를 초과하지 않는 배압 압력에 도달하지 않고 확산 펌프에서 배출되는 기체의 양을 펌핑해야 합니다.

달성 가능한 최종 압력은 펌프의 구조, 사용된 펌프 유체의 증기 압력, 펌프 유체의 가능한 최대 응축, 용기의 청결도에 따라 달라집니다. 또한 적절한 배플 또는 콜드 트랩으로 가능한 펌프 유체를 용기로 역스트리밍해야 합니다. 

펌프 오일 탈기 - 오염 방지

오일 확산 펌프의 경우 펌프 유체가 보일러로 반환되기 전에 탈기가 필요합니다. 펌프 오일 가열 시 펌프에서 분해 산물이 발생할 수 있습니다. 용기의 오염 물질이 펌프로 들어갈 수 있거나 펌프에 포함되어 있을 수 있습니다. 펌프 유체의 이러한 물질은 용기로부터 떨어뜨리지 않을 경우 확산 펌프에 의해 얻을 수 있는 최종 압력을 크게 악화시킬 수 있습니다. 따라서 펌프 유체에는 이러한 불순물이 없고 흡수된 기체에서 배출되어야 합니다. 

이는 탈기 섹션의 기능으로, 보일러로 재진입하기 직전에 순환 오일이 통과하게 됩니다. 탈기 섹션에서 휘발성이 가장 높은 불순물이 배출됩니다. 탈기는 펌프 내에서 조심스럽게 제어되는 온도 분포로 얻을 수 있습니다. 냉각된 벽을 얇은 막처럼 내려가는 응축 펌프 유체는 휘발성 구성 요소가 증발하고 보조 펌프에 의해 제거될 수 있도록 최저 확산 단계 아래에서 약 130°C(266°F)의 온도로 상승합니다. 따라서 재증발 펌프 유체는 펌프 오일의 휘발성이 낮은 구성 요소로만 구성됩니다. 

확산 펌프의 펌핑 속도

확산 펌프의 특정 펌핑 속도 S의 크기, 즉 실제 흡입 표면 영역 단위당 펌핑 속도는 고진공 단계의 위치 및 치수, 펌프 유체 증기의 속도, 그리고, 펌핑되는 기체의 평균 분자 속도 c-(등식 1.17 참조)를 포함한 여러 매개변수에 따라 달라집니다. 기체 분자 운동론의 도움을 받아 펌핑 기체의 실온에서 달성 가능한 최대 특정 펌핑 속도는 Smax = 11.6 l  · s-1  · cm-2로 계산됩니다. 이는 동일한 표면 영역의 개구부와 유사한 펌프 흡기 영역의 특정(분자) 유동 전도도입니다(등식 1.30 참조). 일반적으로 확산 펌프는 더 무거운 기체에 비해 더 가벼운 기체에 대해 펌핑 속도가 더 높습니다.

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(1.17)

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(1.30)

확산 펌프의 효과를 특성화하기 위해 소위 HO 계수가 정의됩니다. 이는 이론상 가능한 최대 특정 펌핑 속도에 대해 실제로 확보한 특정 펌핑 속도의 비율입니다. Leybold 최적 값으로부터의 확산 펌프의 펌핑 속도는 가장 작은 펌프의 경우 0.3, 대형 펌프의 경우 최대 0.55입니다. 

Leybold에서 제조한 오일 확산 펌프

Leybold에서 제조한 다양한 오일 확산 펌프는 다음과 같은 설계 특성에 따라 달라집니다(그림 2.45 참조).

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그림 2.45 확산 펌프의 설계 원리를 보여주는 다이어그램

  1. 전진공 연결 플랜지
  2. 전진공 배플이 있는 중심 링
  3. 노즐 어셈블리
  4. 냉각수 라인
  5. 고진공 연결 플랜지
  6. 냉각 캡 배플
  7. 펌프 하우징
  8. 전기 배선함
  9. 가열용 판금 피복

DIP 시리즈

이 펌프에서는 기본적으로 버스트가 없는 펌프 유체의 증발 공정이 탁월한 가열기 설계로 달성되어 시간이 지남에 따라 펌핑 속도가 일정하게 유지됩니다. 가열기는 내부 유형이며 열 전도도 패널에 납땜된 튜브가 유입된 가열 카트리지로 구성됩니다. 스테인리스 스틸로 만들어진 튜브는 펌프 본체에 수평으로 용접되어 있으며 오일 레벨 위에 있습니다. 구리로 만들어진 열 전도도 패널은 펌프 유체에 부분적으로 잠겨 있습니다. 열 전도도 패널의 이러한 부품은 정격화되어 있어 펌프 유체가 강하게 증발할 수 있지만 가열이 지연되지 않습니다. 오일 레벨 위에 있는 열 전도도 패널의 부품은 증기에 추가 에너지를 공급합니다. 가열 시스템의 특수 설계로 인해 펌프가 여전히 뜨거울 때 가열기 카트리지를 교환할 수 있습니다. 
DIP 펌프에는 4단계 노즐 설계의 제트 스택이 장착되어 있으며 10-2에서 10-8mbar의 압력 범위에서 펌핑을 하기에 적합합니다.

DIJ 시리즈

DIJ 시리즈는 5x10-1에서 10-7mbar의 압력 범위에서 높은 가스 처리량과 함께 높은 펌핑 속도를 필요로 하는 작업을 위해 더욱 개선된 설계를 특징으로 합니다. 전도도 패널이 있는 가열기 설계는 DIP 시리즈에서 가져와 추가로 개선했습니다. 가열기 카트리지가 스테인리스 스틸 튜브에 들어가는 튜브형 설계 대신 플랜지형 설계가 DIJ 펌프에 제공됩니다. 가열기 카트리지는 안전하고 누출이 방지되는 방식으로 가열기 용기에 장착되어 펌프 유체에 직접 담깁니다. 이 설계는 펌프 유체의 열 상승 뿐만 아니라 간편한 유지 관리 기능을 제공합니다. 제트 스택에는 전진공 압력 안정성이 더 높고 기체 처리량이 증가하는 추가 이젝터 단계가 포함되어 있습니다. 확산 펌프 원리는 오일 가열을 기반으로 하기 때문에 이 펌프는 한 가지 큰 문제를 해결합니다. 펌프에 들어오는 에너지의 약 80%가 환경에 방출됩니다. DIJ 시리즈는 가열기 용기 주변에 절연 피복이 장착되어 있어 주변으로부터 절연되어 가열 시간과 에너지 소비량이 개선됩니다.

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

펌프 유체

확산 펌프에 사용되는 오일은 무엇입니까?

오일 확산 펌프에 적합한 펌프 유체는 미네랄 오일과 실리콘 오일입니다. 특수한 유체의 조건으로 인해 이러한 오일은 수요가 높습니다. 증기 압력, 열 및 화학 저항(특히 공기 대비)과 같은 속성에 따라 지정된 펌프 유형 또는 진공 압력 달성을 위해 사용할 오일을 선택할 수 있습니다. 증기 펌프에 사용되는 오일의 증기 압력은 수은보다 낮습니다. 유기 펌프 유체는 장시간 공기 유입으로 인해 분해될 수 있으므로 수은보다 작동 시 더 민감합니다. 하지만 실리콘 오일은 작동 펌프 안으로 공기를 자주 주입하여 장시간 사용할 수 있습니다. 

확산 펌프용으로 Leybold에서 제공하는 일반 미네랄 오일은 LVO500입니다. 이 미네랄 오일은 특별하게 증류된 고품질의 베이스 제품(카탈로그 참조)의 일부를 보유하고 있습니다. LVO500은 고진공 작업에서 열 안정성을 제공하는 표준 확산 펌프 오일입니다.

Leybold는 최적의 성능을 위해 특수 실리콘이 포함되어 고진공 및 초고진공 작업에서 펌프가 최대한의 성능을 발휘하는 데 도움을 주는 고순도 실리콘 오일인 LVO521(카탈로그 참조)을 제공합니다. 열 안정성이 높고 산화와 분해에 대한 저항성이 높습니다. 

오일 증기 제트 펌프의 경우 Leybold는 특수 탄화수소 오일인 LVO540(카탈로그 참조)을 제공합니다. 오일 수명이 길고 온도 안정성이 개선되었고, 내열성 및 내화학성이 탁월하며, 높은 수준의 산화 저항을 통해 뛰어난 성능을 발휘합니다. 이 제품은 중진공 범위에서 증기 제트 펌프에 필요한 고속 펌핑 속도를 제공합니다.

확산 펌프 냉각

유체 유입 펌프의 펌프 유체를 기화시키기 위해 지속적으로 공급되는 가열기 전원은 효율적인 냉각을 통해 배출되어야 합니다. 기체 및 증기를 펌핑하는 데 필요한 에너지는 최소입니다. 확산 펌프 케이싱 외부 벽은 일반적으로 물로 냉각됩니다. 하지만 낮은 벽 온도가 수은 확산 펌프의 경우처럼 효율성에 결정적인 영향을 줄 수 없기 때문에 공기 스트림으로 냉각될 수도 있습니다. 오일 확산 펌프는 30°C(86°F)의 벽 온도에서 잘 작동하는 반면 수은 확산 펌프의 벽은 15°C(59°F)까지 냉각해야 합니다. 냉각수 코일이 열 작동 보호 스위칭으로 제어되지 않는 한 냉각수 고장 위험으로부터 펌프를 보호하려면 냉각수 순환 모니터를 냉각수 회로에 설치해야 합니다. 이를 통해 펌프 벽으로부터 펌프 유체가 증발되는 것이 방지됩니다. 

확산 펌프에 수은을 사용할 수 있습니까?

수은은 펌프 유체로 사용할 수 있습니다. 수은은 기화 중에 공기가 유입될 때 분해되거나 강하게 산화되지 않는 화학적 요소입니다. 하지만 실온에서 10-3mbar의 비교적 높은 증기 압력을 갖습니다. 최종 총 압력이 낮아지면 액체 질소를 사용하는 콜드 트랩이 필요합니다. 이를 통해 10-10mbar의 최종 총 압력을 얻을 수 있습니다. 수은은 이미 언급된 것처럼 독성이 있고 환경에 유해하기 때문에 오늘날 펌프 유체로 사용되는 일은 거의 없습니다.

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참고 자료

진공 기호

진공 기술 다이어그램에서 펌프 유형 및 펌핑 시스템의 부품을 시각적으로 표현한 기호 용어집

 

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단위 용어집

진공 기술에 사용되는 측정 단위 개요 및 기호의 의미, 그리고 과거 단위와 현재의 등가 단위

 

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참고 자료 및 출처

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