증기 제트 진공 펌프는 어떻게 작동합니까?

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유체 유입 펌프 소개

워터 제트 펌프(17mbar < p < 10¹³mbar), 증기 이젝터 진공 펌프(10^-3mbar < p < 10^-1mbar) 및 확산 펌프(p < 10^-3mbar)와 같은 이젝터 펌프 사이에는 차이점이 있습니다. 이젝터 진공 펌프는 주로 중진공 생성에 사용됩니다. 확산 펌프는 고진공 및 초고진공을 생성합니다. 두 유형 모두 증기 또는 액체 형태(수증기, 오일 또는 수은 증기)로 된 펌프 유체의 고속 이동 스트림으로 작동합니다. 모든 유체 유입 펌프의 펌핑 메커니즘은 기본적으로 동일합니다. 펌핑된 기체 분자는 용기에서 제거되고 펌프 유체 스트림으로 들어가 노즐을 통과하면서 팽창합니다. 펌프 유체 스트림의 분자는 충격을 통해 유동 방향의 기체 분자로 전송됩니다. 따라서 펌핑될 기체는 압력이 더 높은 공간으로 이동합니다.

유체 유입 펌프의 경우 펌프 유체의 유형과 온도 및 노즐 설계에 따라 작동 중 이에 상응하는 증기 압력이 발생합니다. 오일 확산 펌프의 경우 끓는 챔버에서 이 양이 1mbar 정도까지 발생할 수 있습니다. 펌프의 배압 압력은 증기가 배출될 수 있을 만큼 충분히 낮아야 합니다. 이를 위해 이러한 펌프에는 대부분 기계 유형에 해당하는 배압 펌프가 필요합니다. 증기 제트는 노즐을 통해 배출된 후 펌프의 냉각된 외벽에서 응축되어 용기로 들어갈 수 없습니다.

유체 유입 펌프의 작동 원리

볼프강 게데는 상대적으로 낮은 압력의 기체가 기본적으로 더 높은 압력의 펌프 유체 흐름을 통해 펌핑될 수 있고, 그에 따라 낮은 총 압력 영역에서 나오는 기체 분자가 높은 총 압력 영역으로 이동한다는 사실을 처음으로 발견했습니다. 이 겉보기에 모순적인 상태는 증기 스트림이 처음에는 기체가 전혀 없기 때문에 더 높은 부분 기체 압력(용기)의 영역에서 나오는 기체가 더 낮은 부분 기체 압력(증기 흐름)의 영역으로 확산될 수 있습니다. 이 기본 게데 개념은 랭뮤어(1915)가 최초의 현대식 확산 펌프 제작에 활용했습니다. 첫 번째 확산 펌프는 유리, 이후에는 금속으로 제작된 수은 확산 펌프였습니다. 1960년대에는 매체로서의 수은이 거의 완전히 오일로 대체되었습니다. 최대한 높은 증기 스트림 속도를 얻기 위해 그는 수증기 스트림이 초음속 노즐로부터 방출되도록 했습니다. 증기 제트를 구성하는 펌프 유체 증기는 펌프 하우징의 냉각된 벽에서 응축되고, 이송된 기체는 일반적으로 배압 펌프에 의해 제거되기 전에 하나 이상의 후속 단계에서 추가로 압축됩니다. 액체 유입 펌프로 얻을 수 있는 압축비는 매우 높습니다. 유체 유입 펌프의 입구 포트에서 압력이 10^-9mbar이고 배압 압력이 10^-2mbar인 경우, 펌핑된 기체는 10⁷의 계수로 압축됩니다!

유체 유입 펌프의 유형

유체 유입 펌프의 최종 압력은 펌프의 작동 온도에서 사용되는 유체의 부분 압력 값에 의해 제한됩니다. 실제로 배플 또는 콜드 트랩을 도입하여 이러한 문제를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 이는 유체 유입 펌프와 진공 챔버 사이에 “응축기”가 있기 때문에 진공 챔버에서 도달할 수 있는 최종 압력은 이제 배플 온도에서의 유체 부분 압력에 의해서만 제한됩니다.
다양한 유형의 유체 유입 펌프는 기본적으로 펌프의 고진공 측을 향하는 상단 노즐 출구에서 펌프 유체의 밀도와 구별됩니다.

낮은 증기 밀도: 오일 확산 펌프 및 수은 확산 펌프를 포함한 확산 펌프
높은 증기 밀도: 수증기 펌프, 오일 증기 제트 펌프 및 수은 증기 제트 펌프를 포함한 증기 제트 펌프
복합 오일 확산/증기 제트 펌프
워터 제트 펌프

오일 증기 이젝터 펌프의 작동 원리

증기 이젝터 단계의 펌핑 동작은 그림 2.46을 통해 설명됩니다. 펌프 유체는 라발 노즐로 구성된 고압 p₁ 노즐(1)로 유입됩니다. 이는 입구 압력 p₂까지 팽창됩니다. 이 팽창에서 갑작스러운 에너지 변화에 속도 증가가 동반됩니다. 결과적으로 가속화된 펌프 유체 증기 제트는 배출되는 용기(4)에 연결된 믹서 영역(3)을 통해 흐릅니다. 여기에서 용기로부터 나오는 기체 분자는 증기 제트와 함께 움직입니다. 이제 혼합물인 펌프 유체 증기-기체가 벤츄리 노즐(2)로 구성된 확산기 노즐로 들어갑니다. 여기에서 증기와 기체 혼합물은 속도가 동시에 감소하면서 배압 압력 p₃으로 압축됩니다. 펌프 유체 증기는 이후 펌프 벽에서 응축되고, 유입된 기체는 배압 펌프에 의해 제거됩니다.

그림 2.46 증기 제트 펌프의 작동

노즐(라발)
확산기 노즐(벤츄리)
혼합 챔버
진공 챔버 연결

오일 증기 이젝터 펌프는 1~10^-3mbar 사이의 압력 영역에서 더 많은 양의 기체 또는 증기를 펌핑하는 데 이상적입니다. 노즐에서 증기 스트림의 밀도가 높으면 증기 스트림에서 펌핑된 기체의 확산이 확산 펌프보다 훨씬 느리게 진행되므로 증기 스트림의 외층에 기체가 침투합니다. 추가로 노즐의 특수 구조로 인해 확산이 발생하는 표면은 훨씬 더 작습니다. 따라서 증기 이젝터 펌프의 특정 펌핑 속도는 확산 펌프의 펌핑 속도보다 작습니다. 기본적으로 더 높은 입구 압력에서 제트 주변의 펌핑 기체가 유동 라인의 경로에 영향을 미치므로 특정 입구 압력에서만 최적의 조건을 얻을 수 있습니다. 따라서 펌핑 속도가 낮은 입구 압력에서는 일정하게 유지되지 않습니다. 높은 증기 스트림 속도 및 밀도로 인해 오일 증기 이젝터 펌프는 상대적으로 높은 배압 압력에서 기체를 운반할 수 있습니다. 임계 배압 압력은 몇 밀리바입니다. 현재의 진공 기술에 사용되는 오일 증기 이젝터 펌프에는 일반적으로 하나 이상의 확산 단계와 여러 후속 이젝터 단계가 있습니다. 부스터의 노즐 시스템은 두 개의 확산 단계와 두 개의 이젝터 단계로 구성되어 있습니다(그림 2.47 참조). 확산 단계는 10^-4에서 10^-3mbar의 높은 펌핑 속도를 제공합니다(그림 2.48). 이젝터 단계에서는 높은 압력에서 높은 기체 처리량(그림 2.49) 및 높은 임계 배압 압력을 제공합니다. 펌프 유체에서 용해된 먼지 및 증기에 대한 불감도는 넓은 보일러와 대형 펌프 유체 저장소를 통해 확보됩니다. 다량의 불순물이 보일러 내에 포함되어 펌핑 특성이 저하되지 않을 수 있습니다.

그림 2.47 오일 제트(부스터) 펌프의 다이어그램

그림 2.48 1000l/s의 공칭 펌프 속도와 관련된 흡기 압력의 함수로서 다양한 증기 펌프의 펌핑 속도. 오일 증기 이젝터 펌프(A) 및 확산 펌프(B)의 작동 범위 끝.

그림 2.49 다양한 증기 펌프의 속도(그림 2.48에서 파생)

워터 제트 펌프 및 증기 이젝터

유체 유입 펌프 등급에 포함된 펌프에는 고속 스트리밍 증기를 펌프 유체로 사용하는 펌프뿐만 아니라 액체 제트 펌프가 있습니다. 가장 단순하고 저렴한 진공 펌프는 워터 제트 펌프입니다. 증기 펌프와 마찬가지로(그림 2.46 또는 2.51 참조) 유체 스트림은 노즐에서 먼저 방출된 다음, 난기류로 인해 혼합 챔버에서 펌핑된 기체와 혼합됩니다. 마지막으로 벤츄리 튜브에서 물과 기체 혼합물의 움직임이 느려집니다. 워터 제트 펌프에 의해 펌핑되는 용기의 최종 총 압력은 물의 증기 압력에 의해 결정되며, 예를 들어 수온 15°C(59°F)에서 약 17mbar로 결정됩니다.

그림 2.46 증기 제트 펌프의 작동

노즐(라발)
확산기 노즐(벤츄리)
혼합 챔버
진공 챔버 연결

그림 2.51 증기 이젝터 펌프의 계통도.

증기 입구
제트 노즐
확산기
혼합 영역
진공 챔버 연결

기본적으로 더 높은 펌핑 속도와 더 낮은 최종 압력이 증기 이젝터 펌프에 의해 생성됩니다. 한 단계까지의 섹션은 그림 2.51에 나와 있습니다. 표시는 그림 2.46에 표시된 것과 일치합니다. 실제로 몇 가지 펌핑 단계는 보통 캐스케이드 구조로 장착됩니다. 실험실 작업의 경우 2단계 펌프 조합이 적합하고 증기 이젝터 단계와 워터 제트(배압) 단계로 구성되어 있으며 모두 유리로 제작됩니다. 워터 제트 배압 단계에서는 다른 백업 펌프 없이 작동할 수 있습니다. 과압에서 증기 스트림의 도움을 받아 진공 챔버는 약 3mbar의 최종 압력으로 배출될 수 있습니다. 증기의 응축수는 배수 연결 장치를 통해 배출됩니다. 이 펌프의 워터 제트 단계는 효율성을 높이기 위해 물로 냉각됩니다. 증기 이젝터 펌프는 특히 매우 공격적인 증기가 펌핑될 경우 실험실 작업에 적합합니다. 몇 밀리바의 압력으로 작동하는 증기 이젝터 펌프는 간단한 워터 제트 펌프의 압력이 충분하지 않을 때 실험실 증류 장치 및 유사한 공장에서 펌핑하는 데 특히 권장됩니다. 이 경우 로터리 펌프를 사용하는 것은 경제적이지 않습니다.