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터보 분자 펌프는 어떻게 작동합니까?

1913년부터 알려진 분자 펌프의 원리는 펌핑될 기체 입자가 로터의 빠르게 움직이는 표면과의 충돌을 통해 필요한 유동 방향의 진동을 받는 것입니다. 일반적으로 디스크 형태인 로터 표면은 고정자의 고정 표면과 함께 기체가 배압 포트로 운반되는 중간 공간의 형태를 만듭니다. 원래 게데 분자 펌프와 그 변형에서 중간 공간(운반 채널)은 매우 좁아서 건설상의 어려움과 기계적 오염에 대한 높은 위험을 초래했습니다. 

터보 분자 펌프의 작동 원리

1950년대 말, 터빈과 유사한 설계와 게데의 아이디어를 수정함으로써 "터보 분자 펌프"라는 기술적으로 실현 가능한 펌프를 생산할 수 있게 되었습니다. 고정자와 로터 디스크 사이의 공간은 밀리미터 단위이므로 기본적으로 더 큰 허용 오차를 얻을 수 있습니다. 따라서 운영 안정성이 강화되었습니다. 하지만 로터 블레이드의 원주 속도(바깥쪽 림)가 펌핑될 분자의 평균 열 속도 크기에 도달할 때만 유의미한 펌핑 효과가 달성됩니다. 기체 분자 운동론은 등식 1.17에 대한 c- o를 공급합니다. 

Leybold - Vacuum Fundamentals graphics

분자 질량 M의 함수로서 기체 유형에 대한 의존성이 포함되어 있습니다. cgs 단위(R = 83.14 · 106 mbar · cm3 / mol · K)를 포함한 계산의 결과는 다음 표에 나와 있습니다.  

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표 2.4 분자 질량 M의 함수로서의 c

하지만 기체 유형에 따른 펌핑 속도의 변화가 상당히 낮습니다.

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처리량 0에서 압축 k0의 의존성과 그로 인한 압축 k 

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그림 2.55의 실험적으로 결정된 관계에 따라 더 큽니다.

예:
이론상으로는 다음과 같음

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이는 예상대로 그림 2.55의 k0 (N2) = 2.0 · 108에 대해 실험적으로 결정된 값과 부합합니다. 오늘날 일반적인 개별 로터 단계에 대한 최적화 측면에서 이 고려 사항은 전체 펌프에 대해 더 이상 올바르지 않습니다. 그림 2.56은 TURBOVAC 340 M에서 측정한 값입니다. 

그림 2.55 TURBOVAC 450 - 분자 질량 M의 함수로서 최대 압축 k0

그림 2.56 배압 압력 함수로서 H2, He 및 N2에 대한 터보 분자 펌프 TURBOVAC 340 M의 최대 압축 k0

아래 비디오를 통해 터보 분자 펌프의 펌핑 애니메이션 확인

Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold

터보 분자 베어링 유형의 장점과 단점

이 조건을 충족하려면 터보 분자 펌프에 높은 로터 속도 c가 필요하므로 동일한 크기의 로터에 대한 원주 속도가 필요합니다. 로터 직경이 큰 펌프(TURBOVAC 1000)의 경우 36,000rpm, 로터 직경이 작은 펌프(TURBOVAC 35 / 55)의 경우 72,000rpm에 이릅니다. 이렇게 빠른 속도로 인해 안정적인 베어링 개념에 대한 의문이 자연스럽게 제기됩니다. Leybold는 다음과 같은 세 가지 개념과 그 장점 및 단점을 제공합니다. 

오일 윤활/강철 볼 베어링

+ 윤활유 순환을 통한 입자와의 양호한 호환성 
- 수직 설치만 가능 
+ 쉬운 유지 관리 

그리스 윤활/하이브리드 베어링 

+ 모든 방향으로 설치 
+ 이동식 시스템에 적합 
± 공기 냉각이 많은 작업에 사용 
+ (베어링의) 영구 윤활 처리 

윤활유 미사용/자기 서스펜션

+ 마모 없음 
+ 유지 관리 없음 
+ 탄화수소가 전혀 없음 
+ 소음과 진동이 적음 
+ 모든 방향으로 설치 

강철 볼 베어링/하이브리드 볼 베어링(세라믹 볼 베어링):

볼과 레이스 사이의 얇은 윤활막이 살짝 찢어져도 같은 종류의 재료를 사용할 경우 접촉 지점에 미세 용접이 발생할 수 있습니다. 이는 베어링의 사용 수명을 크게 단축시킵니다. 하이브리드 베어링(레이스: 강철, 볼: 세라믹)이라고 하는 이종 재질을 사용하면 미세 용접의 효과를 방지할 수 있습니다.

가장 명확한 베어링 개념은 자기 서스펜션의 개념입니다.1976년 Leybold가 자기 서스펜션 터보 분자 펌프를 개발했는데, 이것이 전설적인 시리즈 550M과 560M이었습니다. 당시 순수 액티브 자기 서스펜션(예: 전자 자석)이 사용되었습니다. 전자의 공학 발전과 "시스템 KFA Jülich"에 기반한 영구 자석(패시브 자기 서스펜션)의 사용을 통해 자기 서스펜션의 개념이 널리 퍼지게 되었습니다. 이 시스템에서는 작동 중 자기력에 의한 접촉 없이 안정적인 위치에 로터가 유지됩니다. 따라서 윤활유가 필요하지 않습니다. 소위 터치 다운 베어링은 정지를 위해 통합되어 있습니다. 

터보 분자 펌프의 계통도

그림 2.52는 전형적인 터보 분자 펌프의 단면도를 보여줍니다. 펌프는 수직 설계의 축류 압축기로, 액티브 또는 펌핑 부분은 로터(6)와 고정자(2)로 구성됩니다. 터빈 블레이드는 고정자와 로터의 원주 둘레에 있습니다. 원형 블레이드 열의 각 로터-고정자 쌍은 한 단계를 형성하므로 어셈블리는 직렬로 장착된 여러 단계로 구성됩니다. 펌핑되는 기체는 입구 플랜지 구멍(1)을 통해 직접 도달합니다. 즉, 전도도의 손실 없이 로터-고정자 어셈블리의 상단 블레이드의 액티브 펌핑 영역에서 도달합니다. 여기에는 큰 고리 입구 영역이 가능하도록 특히 큰 반경 방향 범위의 블레이드가 장착되어 있습니다. 이 단계에서 포착된 기체는 하위 압축 단계로 이동하고, 블레이드는 방사 범위 길이가 짧으며, 여기서 기체는 배압 압력이나 저진공 압력으로 압축됩니다. 터빈 로터(6)는 드라이브 샤프트에 장착되고, 드라이브 샤프트는 2개의 정밀 볼 베어링(8 및 11)으로 지지됩니다. 로터 샤프트는 로터 내 전진공 공간에 배치된 중간 주파수 모터로 직접 구동되므로, 외부 대기로의 로터리 샤프트 리드스루는 필요하지 않습니다. 이 모터는 외부 주파수 변환기(일반적으로 매우 낮은 소음 수준을 보장하는 고체 상태 주파수 변환기)에 의해 자동으로 제어됩니다. 특수한 경우에 따라 방사선에 노출된 구역에서는 모터 발생기 주파수 변환기가 사용됩니다.  

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그림 2.52 그리스 윤활 처리된 TURBOVAC 151 터보 분자 펌프의 계통도

  1. 고진공 입구 플랜지
  2. 고정자 팩
  3. 환기 플랜지
  4. 전진공 플랜지
  5. 스플린터 가드
  6. 로터
  7. 펌프 케이싱
  8. 볼 베어링
  9. 냉각수 연결부
  10. 3상 모터
  11. 볼 베어링

수직 로터-고정자 구성은 입구에서 최적의 기체 유동 조건을 제공합니다. 높은 회전 속도에서 진동이 발생하지 않도록 하기 위해 터빈은 조립 중에 두 레벨에서 동적으로 균형을 유지합니다. 

터보 분자 펌프의 펌핑 속도

터보 분자 펌프의 펌핑 속도(체적 유량) 특성은 그림 2.53에 나와 있습니다. 전체 작동 압력 범위에서 펌핑 속도가 일정하게 유지됩니다. 이 임계값은 분자 유동 영역에서 기체의 층점성 유동 영역으로 전환되는 것을 나타내므로 흡기 압력이 10-3mbar 이상일 때 감소합니다. 그림 2.54는 또한 펌핑 속도가 기체 유형에 따라 달라짐을 보여줍니다. 

그림 2.53 서로 다른 터보 분자 펌프의 공기에 대한 펌핑 속도

그림 2.54 H2, He, N2 및 Ar에 대한 TURBOVAC 600의 펌핑 속도 곡선

터보 분자 펌프의 압축비

터보 분자 펌프의 압축비(흔히 단순하게 압축이라고도 함)는 펌프의 전진공 플랜지에 있는 한 기체 구성 요소의 부분 압력과 고진공 플랜지에 있는 기체 구성 요소의 부분 압력 간의 비율입니다. 최대 압축 k0은 처리량 0에서 확인됩니다. 물리적 이유로, 터보 분자 펌프의 압축비는 고분자에서 경우 매우 높지만 경분자에서는 상당히 낮습니다. 압축과 분자 질량의 관계는 그림 2.55에 나와 있습니다. 그림 2.56은 배압 압력의 함수로서 N 2, He 및 H2에 대한 TURBOVAC 340 M의 압축 곡선입니다. 중탄화수소 분자에 대한 압축비가 높기 때문에 터보 분자 펌프는 하나 이상의 냉각된 배플 또는 트랩을 사용하지 않고 진공 챔버의 탄화수소에 대한 측정 가능한 부분 압력의 위험 없이 진공 챔버에 직접 연결될 수 있습니다(탄화수소 미포함 진공! - 그림 2.57: TURBOVAC 361 이상의 잔류 기체 스펙트럼 참조). 회전 배압 펌프에서 확보한 수소의 부분 압력이 매우 낮기 때문에, 터보 분자 펌프는 H2에 대한 중간 수준의 압축에도 불구하고 10-11mbar 범위의 최종 압력을 달성할 수 있습니다. 이러한 극저압을 생산하기 위해서는 UHV 기술의 일반 규칙을 엄격히 준수해야 합니다. 진공 챔버와 터보 분자 펌프의 상부를 완전히 베이크해야 하고, 금속 밀봉을 사용해야 합니다. 매우 낮은 압력에서 잔류 기체는 주로 챔버의 금속 벽에서 발생하는 H2로 구성됩니다. 그림 2.57의 스펙트럼은 7 · 10-10mbar 질소 등가 압력에서 터보 분자 펌프 입구 앞에서의 잔류 기체 구성을 보여줍니다. 총 가스 양에서 H2는 약 90~95%인 것으로 보입니다. "더 무거운" 분자의 분율은 상당히 감소하고 44보다 큰 질량은 검출되지 않았습니다. 잔류 기체 스펙트럼의 품질 평가에서 중요한 기준은 진공 펌프 시스템에 사용되는 윤활유에서 측정 가능한 탄화수소를 기준으로 합니다. 물론 "절대 탄화수소 미포함 진공"은 자기 서스펜션 터보 분자 펌프 및 건식 압축 배압 펌프 등과 같이 윤활유가 없는 펌프 시스템으로만 생산할 수 있습니다. 올바르게 작동(정지 상태에서의 환기)할 경우 정상 터보 분자 펌프의 스펙트럼에서 탄화수소를 검출할 수 없습니다. 

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그림 2.57 TURBOVAC 361 이상의 스펙트럼.

M = 질량 수 = 이온화 1에서의 상대 분자 질량
I = 이온 전류

추가 터보 분자 펌프 유형

터보 분자 펌프의 추가 개발은 하이브리드 또는 화합물 터보 분자 펌프입니다. 이는 실제로 단일 케이싱의 공통 축에 2개의 펌프가 있는 것입니다. 분자 유동 영역의 고진공 단계는 전형적인 터보 분자 펌프이며, 점성 유동 범위의 두 번째 펌프는 분자 드래그 또는 마찰 펌프입니다. 

Leybold는 통합형 올베크 단계(스크류형 압축기)가 통합된 TURBOVAC 55와 시그반 단계(나선형 압축기)가 통합된 HY. CONE 60 또는 HY. CONE 200과 같은 펌프를 제조합니다. 필요한 배압 압력은 몇 mbar에 이르고 배압 펌프는 약 5~10mbar에서 대기 압력으로 압축하는 데에만 필요합니다. HY. CONE의 단면도는 그림 2.52a에 나와 있습니다.  

그림 2.52a HY.CONE 터보 분자 펌프의 단면도

  1. 진공 포트
  2. 고진공 플랜지
  3. 로터
  4. 고정자
  5. 베어링
  6. 모터
  7. 베어링

배압 펌프와 터보 분자 펌프를 작동하는 방법

일반적으로 터보 분자 펌프는 배압 펌프에서 진공 챔버로 오일이 역스트리밍되는 것을 줄이기 위해 배압 펌프와 함께 시작해야 합니다. 터보 분자 펌프의 시작이 지연되면 소형 배압 펌프 세트와 대형 진공 챔버의 경우에 이해됩니다. 배압 펌프 SV(m3/h)의 알려진 펌핑 속도와 진공 챔버의 알려진 부피(m3)에서 터보 분자 펌프의 컷인 압력을 측정할 수 있습니다. 

동시 시작
2.24 a 
지연 시작 
2.24 b 
컷인 압력: 
2.24 c

동시 시작

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지연 시작

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컷인 압력:

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(2.24)

더 큰 부피를 배출할 때 터보 분자 펌프의 컷인 압력을 그림 2.58의 도움을 받아 확인할 수도 있습니다. 

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그림 2.58 대형 용기 배출 시 터보 분자 펌프의 컷인 압력 확인

환기를 통한 터보 분자 펌프의 역확산 방지

전원 차단 후 또는 정전 시, 터보 분자 펌프는 항상 환기하여 전진공 측에서 진공 챔버로의 탄화수소 역확산을 방지해야 합니다. 펌프 전원을 끈 후에는 수증기가 응축될 수 있는 가능성을 방지하기 위해 냉각수 공급 또한 꺼야 합니다. 로터를 보호하기 위해 작동 지침에 명시된 (최소) 환기 시간을 준수할 것을 권장합니다. 펌프는 이미 소결 금속 스로틀이 포함된 환기 플랜지를 통해 환기되어야 합니다(장벽 기체를 이용한 작동의 경우 제외). 그래야 일반 밸브나 정전 환기 밸브를 사용하여 환기를 수행할 수 있습니다.  

장벽 기체 작동

장벽 기체 시설이 장착된 펌프의 경우 건조한 질소와 같은 불활성 기체를 특수 플랜지를 통해 주입하여 모터 공간과 베어링을 거친 매체로부터 보호할 수 있습니다. 특수 장벽 기체 및 환기 밸브는 필요한 양의 장벽 기체를 측정하며 환기 밸브 역할을 할 수도 있습니다.

진동 분리

TURBOVAC 펌프는 정밀하게 균형을 이루었으며 일반적으로 장비에 직접 연결될 수 있습니다. 전자 현미경 등의 매우 민감한 기기의 경우에만 존재하는 진동을 최소로 줄여주는 진동 흡수기를 설치하는 것이 좋습니다. 자기 서스펜션 펌프의 경우 진공 장치에 직접 연결되는 것은 이러한 펌프에 의해 발생하는 매우 낮은 진동 때문에 대체로 가능합니다.

강력한 자기장의 작동, 방사선 위험 구역 또는 트리튬 대기와 같은 특수 작업의 경우, 필요한 경험이 있으며 언제든지 이용 가능한 영업 부서에 문의하십시오. 

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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

진공 기술에 대한 기본 지식과 관련된 참고 자료, 출처 및 추가 자료

 

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