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펌프 크기 선택 방법 - 진공 시스템의 배출

기본적으로 진공 시스템의 크기에 관한 두 개의 독립적인 질문이 있습니다. 

  1. 주어진 시간 동안 특정 용기의 압력을 원하는 값으로 감소시키기 위해 펌프 배열이 유지해야 하는 유효 펌핑 속도는 얼마입니까? 
  2. 진공 공정 중에 펌프 배열이 도달하여 용기에 지정된 압력(작동 압력)이 유지되고 초과되지 않는 동안 용기로 배출되는 기체와 증기를 빠르게 펌핑하는 데 있어 유효 펌핑 속도는 얼마입니까?

    특정 공정(예: 건조 및 가열)의 펌핑 아웃 절차 도중 원래 진공 챔버에 존재하지 않았던 증기가 생성되므로 세 번째 질문이 발생합니다. 

  3. 특정 시간 내에 공정을 완료할 수 있도록 펌프 배열이 도달해야 하는 펌핑 속도는 얼마입니까? 

펌프 배열의 유효 펌핑 속도용기 내에 주를 이루는 전체 펌프 배열의 실제 펌핑 속도로 이해됩니다. 펌프의 공칭 펌핑 속도는 펌프와 용기 사이에 설치된 배플, 콜드 트랩, 필터, 밸브 및 튜브의 유동 저항(전도도)가 알려진 경우 유효 펌핑 속도로부터 결정할 수 있습니다(전도도 페이지 참조). 필요한 공칭 펌프 속도를 결정하면 진공 시스템에 누출이 없는 것으로 간주됩니다. 따라서 외부로부터 들어오는 기체가 연결된 펌프 배열에 의해 즉시 제거되고 용기의 압력이 변하지 않도록 누출률이 작아야 합니다(자세한 내용은 누출 감지 참조). 위에 있는 세 질문은 진공 기술의 가장 필수적인 동작 세 가지의 특징을 반영합니다. 

  1. 지정된 압력에 도달하도록 용기 배출. 
  2. 특정 압력에서 지속적으로 진화하는 기체 및 증기 펌핑. 
  3. 온도 및 압력의 변화에 의해 공정 중에 생성되는 기체 및 증기 펌핑. 

진공 챔버의 초기 배출은 기체 양의 지속적인 변화로 인해 중진공, 고진공 및 초고진공 영역의 영향을 받는데, 이러한 영역에서 용기 벽에서 배출하는 기체 및 증기의 양이 많아 이것만으로 진공 시스템의 크기와 배치를 결정할 수 있기 때문입니다. 

진공 챔버의 배출(추가 기체 또는 증기 공급 없음) 

위에서 설명한 요인 때문에 펌프 다운 시간 평가의 경우 기본적으로 중진공 및 고진공 영역에서 배출과 저진공 영역에서 용기를 배출이 서로 달라야 합니다. 

저진공 영역에서 챔버 배출

이 경우 진공 펌프 어셈블리의 필요한 유효 펌핑 속도 Seff는 필요한 압력 p, 용기의 부피 V 및 펌프 다운 시간 t에 따라 달라집니다. 

펌핑 속도 Seff가 일정하고 펌프 배열로 얻을 수 있는 최종 압력 pend가 pend << p라고 가정하는 경우 챔버에서 시간에 따른 압력 감소 p(t)는 다음 등식으로 계산됩니다. 

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(2.32)

t = 0인 시점의 1013mbar부터 유효 펌핑 속도는 등식 (2.32)의 펌프 다운 시간 t에 따라 다음과 같이 계산됩니다.

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(2.33a)

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(2.33b)

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(2.34)

무차원 계수 도입 

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(2.34a)

등식 (2.34), 유효 펌핑 속도 Seff와 펌프 다운 시간 t와의 관계 

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(2.35)

V/Seff 비율은 일반적으로 시간 상수 τ로 지정됩니다. 따라서 대기압에서 압력 p까지 진공 챔버의 펌프 다운 시간은 다음과 같이 계산됩니다.

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(2.36)

원하는 압력에서 계수의 의존성은 그림 2.75에 나와 있습니다. 1단계 로터리 베인 및 로터리 피스톤 펌프의 펌핑 속도가 기체 밸러스트 사용 시에는 10mbar 미만으로, 기체 밸러스트 미사용 시 1mbar 미만으로 감소한다는 점에 유의해야 합니다. 이러한 근본적인 동작은 다양한 크기와 유형의 펌프에 대해 다르지만 펌프 크기에 대한 펌프 다운 시간의 의존성 판단에 있어 무시해서는 안 됩니다. 등식 (2.32~2.36)과 그림 2.75가 사용되는 펌프의 도달한 최종 압력이 원하는 압력보다 몇 배 낮은 경우에만 적용된다는 점에 유의해야 합니다. 

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그림 2.75 등식 2.36에 따른 펌프 다운 시간 t의 계산에서 무차원 계수 s의 의존성. 꺾인 선은 펌핑 속도가 10mbar 미만으로 감소하는 1단계 펌프에 적용됩니다.

예: 500l 부피의 진공 챔버는 10분 이내에 1mbar로 펌핑됩니다. 필요한 유효 펌핑 속도는 어떻게 됩니까? 
500l = 0.5m3, 10분 = 1/6시간 
등식 (2.34)에 따르면 다음과 같습니다. 

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위의 예에서 그림 2.75의 직선에서 7의 값을 읽습니다. 하지만 꺾인 선에서는 8의 값이 읽혀집니다. 등식 (2.35)에 따라 다음을 구했습니다. 

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펌핑 속도가 10mbar 미만으로 감소한다는 사실을 고려합니다. 따라서 필요한 유효 펌핑 속도는 약 24m3/h입니다

고진공 영역에서 챔버 배출

고진공 영역에서 일반 공식을 사용하는 것은 상당히 어렵습니다. 높은 진공 압력에 도달하기 위한 펌핑 시간이 기본적으로 챔버의 내부 표면에서 나오는 기체 진화에 따라 달라지기 때문에 이러한 표면의 상태 및 사전 처리가 진공 기술에서 매우 중요합니다. 어떠한 경우에도 사용된 물질에 다공성 영역이 있거나 특히 구열재의 경우 베이크아웃과 관련하여 캐비티가 포함되어 있지 않아야 합니다. 내부 표면은 최대한 매끈해야 하고(실제 표면 = 기하학적 표면) 전체적으로 세척(그리스 제거)해야 합니다. 기체 진화는 물질 선택 및 표면 조건에 따라 크게 달라집니다. 유용한 데이터는 표 X에 나와 있습니다.

표 X mbar · l · s–1 · cm–2에서 물질의 탈기율

기체 진화는 사례별로 압력 상승 방법에 의해서만 실험적으로 결정할 수 있습니다. 시스템은 최대한 철저하게 비워지고 마지막으로 펌프와 챔버는 밸브에 의해 격리됩니다. 이제 특정 양(예: 10의 거듭제곱)만큼 챔버 내 압력(부피 V)이 증가하는 데 따른 시간이 측정됩니다. 단위 시간당 발생한 기체량 Q는 다음을 통해 계산됩니다. 

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(2.37)

(Δp = 측정된 압력 상승) 

기체량 Q는 모든 기체 진화 및 존재할 수 있는 모든 누출의 합계로 구성됩니다. 기체 진화 또는 누출 여부는 다음 방법으로 확인할 수 있습니다. 

기체 진화로 인해 발생하는 기체량은 시간이 지남에 따라 작아져야 하며, 누출로 인해 시스템으로 유입되는 기체량은 시간에 따라 일정하게 유지됩니다. 실험적으로 이러한 차이는 항상 쉽게 파악되는 것은 아닌데, 측정된 압력-시간 곡선이 일정한(또는 거의 일정한) 최종 값에 도달하기 전까지 순수 기체 진화의 경우 많은 시간이 소요되기 때문입니다. 따라서 이 곡선의 시작 부분이 긴 시간 동안 직선으로 되어 누출을 시뮬레이션합니다(누출 감지 참조). 

기체 진화 Q와 필요한 압력 pend를 알고 있는 경우 필요한 유효 펌핑 속도를 쉽게 결정할 수 있습니다. 

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(2.38)

예: 500l의 진공 챔버에는 (모든 시스템 포함) 총 표면 영역이 약 5m2 있을 수 있습니다. 표면 영역의 m2당 2 · 10-4mbar의 일정한 기체 진화가 가정됩니다. 밸브 또는 로터리 피드스루가 진공 챔버에 연결되어 있을 때 예상되는 수준입니다. 시스템에서 1 · 10-5mbar의 압력을 유지하기 위해서는 펌프의 펌핑 속도가 다음과 같아야 합니다. 

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누출 또는 챔버 벽으로부터 진화로 인한 기체 유량을 계속해서 펌핑하려면 100l/s의 펌핑 속도가 필요합니다. 여기에서 배출 공정은 위의 저진공 섹션에 나와 있는 예와 유사합니다. 하지만 확산 펌프의 경우 펌핑 공정은 기압에서 시작되지 않고 전진공 압력 pV에서 시작됩니다. 그러면 등식 (2.34)가 다음과 같이 변환됩니다. 

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pV = 2 · 10-3mbar의 배압 압력에서 "압축" K는 다음 예와 같습니다. 

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확산 펌프로 펌핑을 시작한 후 5분 이내에 1 · 10-5mbar의 최종 압력을 달성하기 위한 유효 펌핑 속도

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이는 필수로, 최종 압력을 유지하는 데 필요한 유효 펌핑 속도에 비해 훨씬 낮습니다. 고진공 및 초고진공 범위의 펌프 다운 시간과 최종 진공은 주로 기체 진화 속도 및 누출 속도에 따라 달라집니다. 

중진공 영역에서 챔버 배출 

저진공 영역에서는 펌핑 공정에 관여한 시간에 따라 용기의 부피가 결정됩니다. 하지만 고진공 및 초고진공 영역에서는 벽으로부터의 기체 진화가 중요한 역할을 합니다. 중진공 영역에서 펌핑 공정은 두 가지의 양 모두의 영향을 받습니다. 또한 중진공 영역, 특히 로터리 펌프를 사용하는 경우, 달성 가능한 최종 압력 추가는 더 이상 무시할 수 없습니다. 챔버로 들어가는 기체의 양이 벽과 누출로부터의 기체 진화에서 Q(초당 밀리바 리터)로 알려진 경우 펌핑 공정의 미분 방정식 (2.32)는 다음과 같이 됩니다. 

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(2.39)

이 방정식을 적분하는 경우 

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(2.40)

여기에서 
p0은 펌핑 공정 시작 시 압력 
p는 원하는 압력 

등식 2.33b와 달리 이 등식은 Seff에 대한 명확한 답을 허용하지 않으므로 알려진 기체 진화에 대한 효과적인 펌핑 속도는 추가 정보 없이 시간-압력 곡선에서 결정할 수 없습니다. 

따라서 실제 상황에서 다음 방법을 통해 펌핑 속도가 충분히 높은 펌프를 판별할 수 있습니다. 
a) 펌핑 속도는 기체 진화와 원하는 펌프 다운 시간이 없는 챔버의 부피와 같은 결과로 등식 2.34에서 계산됩니다. 
b) 기체 진화 속도와 이 펌핑 속도의 비율을 나타냅니다. 이 비율은 필요한 압력보다 작아야 합니다. 안전을 위해 약 10배 더 낮아야 합니다. 이 조건이 충족되지 않는 경우 그에 따라 펌핑 속도가 더 높은 펌프를 선택해야 합니다. 

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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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