진공펌프

Vacuum pump
루트 블로워는 진공 펌프의 한 예임

진공펌프는 부분적인 진공상태를 남기기 위해 밀봉된 부피에서 가스분자를 뽑아내는 장치다.진공 펌프의 일은 용량 내에서 상대적인 진공을 생성하는 것이다.최초의 진공 펌프는 1650년 오토 폰 게리케에 의해 발명되었으며, 그 앞에 고대로 거슬러 올라가는 흡입 펌프가 있었다.[1]

역사

조기 펌프스

진공 펌프의 전신은 흡입 펌프였다.폼페이 시에서 이중 작용 흡인 펌프가 발견되었다.[2]아랍의 엔지니어 알-자자리는 나중에 이중 작용 흡인 펌프를 13세기 물올리는 기계들의 일부로 묘사했다.그는 또한 흡입 펌프가 그리스의 화재를 배출하기 위해 사이펀에 사용되었다고 말했다.[3]흡입 펌프는 이후 15세기부터 중세 유럽에 등장했다.[3][4][5]

1776년 드미트리 레비츠키(Dmitry Levitzky, 1776년)가 진공펌프를 갖춘 스몰니 연구소 학생 캐서린 몰차노바(Catherine Molchanova)

17세기까지, 워터 펌프 설계는 측정 가능한 진공 상태를 만들 정도로 개선되었지만, 이것은 즉시 이해되지 않았다.알려진 것은 흡인 펌프가 특정 높이 이상으로 물을 끌어낼 수 없다는 것이었다: 1635년경에 측정한 측정치에 따르면 18 플로렌타인 야드, 즉 약 34피트(10m)의 높이로 물을 끌어낼 수 없었다.[6]이 한계는 투스카니 공작이 계획한 관개 사업, 지뢰배수, 장식용 분수 등에서 우려되는 사항이었기 때문에 공작은 갈릴레오 갈릴레이에게 이 문제를 조사하도록 의뢰했다.갈릴레오는 그의 '두 개의 새로운 과학' (1638)에서 물이 34피트까지 들어올려졌을 때 물 펌프 기둥이 자체의 무게로 부서질 것이라고 잘못 시사했다.[6]다른 과학자들은 가스파로 베르티를 포함한 도전을 받아들였는데, 그는 1639년 로마에 최초의 수압계를 건설하여 그것을 복제했다.[7]베르티의 기압계는 물기둥 위에 진공을 만들어 냈지만 설명할 수는 없었다.1643년 갈릴레오의 학생 에반젤리스타 토리첼리에 의해 획기적인 발전이 이루어졌다.갈릴레오의 노트를 바탕으로 그는 최초의 수은 기압계를 만들고 꼭대기의 공간이 진공이라는 설득력 있는 주장을 썼다.기둥의 높이는 대기압이 지탱할 수 있는 최대 중량으로 제한되었다. 이것이 흡입 펌프의 제한 높이다.[8]

1650년 오토 폰 게리케는 최초의 진공 펌프를 발명했다.[9]4년 후, 그는 그의 유명한 마그데부르크 반구 실험을 수행했는데, 말 팀은 공기가 빠져나간 두 개의 반구를 분리할 수 없다는 것을 보여주었다.로버트 보일은 게리케의 디자인을 개선하고 진공 성질에 대한 실험을 했다.로버트 후크는 또한 보일이 진공 생산을 돕는 공기 펌프를 만드는 것을 도왔다.

19세기

테슬라의 진공 장치, 1892년 출판

그 후 진공에 대한 연구는 하인리히 게이슬러가 수은 변위 펌프를 발명하여 약 10 Pa(0.1 Torr)의 기록적인 진공 상태를 달성하면서 1855년까지[dubious – discuss] 계속되었다.이러한 진공 수준에서 많은 전기적 특성을 관찰할 수 있게 되었고, 이로 인해 진공에 대한 관심이 새로워졌다.이것은 차례로 진공관의 발달로 이어졌다.스렌겔 펌프는 이 시대의 널리 사용되는 진공 생산기였다.

20세기

20세기 초에는 분자 드래그 펌프, 확산 펌프, 터보 분자 펌프를 포함한 많은 유형의 진공 펌프가 발명되었다.

종류들

펌프는 다음 세 가지 기법에 따라 광범위하게 분류할 수 있다.[10]

포지티브 변위 펌프는 공동을 반복적으로 확장하고, 가스가 챔버에서 유입되도록 하며, 공동을 밀봉한 후 대기 중으로 배출하는 메커니즘을 사용한다.분자 펌프라고도 불리는 모멘텀 이송 펌프는 고밀도 유체 또는 고속 회전 블레이드의 고속 분사기를 사용하여 가스 분자를 챔버 밖으로 밀어낸다.끼임 펌프는 고체 또는 흡착된 상태에서 가스를 포획한다.여기에는 크라이오펌프, 게터, 이온펌프가 포함된다.

양의 변위 펌프는 낮은 진공에 가장 효과적이다.1개 또는 2개의 포지티브 변위 펌프와 함께 모멘텀 이송 펌프는 고진공을 달성하기 위해 사용되는 가장 일반적인 구성이다.이 구성에서 양의 변위 펌프는 두 가지 용도로 사용된다.먼저 모멘텀 이송 펌프가 대기압에서 펌핑을 시작할 수 없기 때문에 모멘텀 이송 펌프를 사용하여 고진공을 얻기 전에 배출되는 용기의 거친 진공을 얻는다.둘째, 포지티브 변위 펌프는 저진공 상태로 대피하여 고진공 펌프에 변위된 분자가 축적됨으로써 모멘텀 이송 펌프를 백업한다.끼임 펌프를 추가하여 초고진공까지 도달할 수 있지만, 공기 분자나 이온을 가두는 표면의 주기적인 재생이 필요하다.이 요구사항 때문에 사용 가능한 작동 시간은 낮은 진공과 높은 진공에서 허용할 수 없을 정도로 짧을 수 있으며, 따라서 이러한 작동 시간은 초고진공 진공으로 제한된다.펌프는 또한 제조 공차, 밀봉 재료, 압력, 유량, 유증기 미사용, 사용 간격, 신뢰성, 분진에 대한 내성, 화학물질에 대한 내성, 액체 및 진동에 대한 내성 등과 같은 세부 사항도 다르다.

양변위펌프

수동급수펌프는 물이 흘러들어와 채워지는 진공을 만들어 우물에서 물을 끌어올린다.어떤 의미에서는 높은 흙누설률로 인해 고품질의 진공상태가 일정 기간 유지되는 것을 막지만 우물에서 대피하는 작용을 한다.
스크롤 펌프의 메커니즘

용기의 부피를 증가시킴으로써 부분적인 진공이 발생할 수 있다.무한 성장을 요구하지 않고 무한정 챔버를 계속 대피시키기 위해 진공 구획을 반복적으로 폐쇄, 소진, 다시 확장시킬 수 있다.이것은 예를 들어 수동 급수 펌프와 같은 양의 변위 펌프 뒤의 원칙이다.펌프 내부에서는 작은 밀폐된 구멍을 확장하여 대기의 압력 이하로 압력을 감소시킨다.압력 차이 때문에, 챔버(또는 우리의 예에서 우물)에서 나온 일부 오일이 펌프의 작은 캐비티로 밀린다.그리고 나서 펌프의 공동은 챔버에서 밀봉되어 대기로 열린 다음 1분 크기로 다시 짜낸다.

대부분의 산업 애플리케이션에 보다 정교한 시스템이 사용되지만 순환 볼륨 제거의 기본 원칙은 동일하다.

고무 및 플라스틱 밀폐형 피스톤 펌프 시스템의 기본 압력은 일반적으로 1 ~ 50 kPa인 반면 스크롤 펌프는 10 Pa(신품일 경우)에 이를 수 있고 금속 챔버가 깨끗하고 비어 있는 로터리 베인 오일 펌프는 0.1 Pa를 쉽게 달성할 수 있다.

포지티브 변위 진공 펌프는 사이클마다 동일한 양의 가스를 이동하므로 역류로 극복하지 않는 한 펌핑 속도는 일정하다.

모멘텀 이송펌프

터보 분자 고진공 펌프의 절토 뷰

모멘텀 이송 펌프에서 가스 분자는 진공 쪽에서 배기 쪽으로 가속된다(보통 양변위 펌프에 의해 감소된 압력으로 유지된다).모멘텀 이송 펌핑은 약 0.1 kPa 압력 이하에서만 가능하다.물질은 유체 역학의 법칙에 따라 다른 압력에서 다르게 흐른다.대기압과 가벼운 진공상태에서 분자는 서로 상호작용하며 점성 흐름이라고 알려진 곳에서 이웃 분자를 밀어낸다.분자 사이의 거리가 늘어나면 분자는 다른 분자보다 더 자주 방의 벽과 상호작용하게 되고, 분자 펌핑은 양의 변위 펌핑보다 더 효과적이 된다.이 정권은 일반적으로 고진공이라고 불린다.

분자 펌프는 기계식 펌프보다 더 넓은 영역을 쓸어버리고, 더 자주 그렇게 해서 훨씬 더 높은 펌핑 속도를 낼 수 있게 한다.그들은 진공과 배기가스 사이의 봉인을 희생하고 이것을 한다.밀봉이 없기 때문에 배기구에 작은 압력이 있으면 펌프를 통해 역류 현상이 쉽게 발생할 수 있으며, 이를 스톨이라고 한다.그러나 고진공에서 압력 구배는 유체 흐름에 거의 영향을 미치지 않으며 분자 펌프는 그 잠재력을 최대한 발휘할 수 있다.

분자 펌프의 두 가지 주요 유형은 확산 펌프와 터보 분자 펌프다.두 종류의 펌프 모두 기체 분자에 모멘텀을 부여하여 펌프로 확산되는 기체 분자를 배출한다.확산 펌프는 기름이나 수은 증기의 제트로 가스 분자를 내뿜는 반면, 터보 분자 펌프는 가스를 밀어내기 위해 고속 팬을 사용한다.이 두 펌프 모두 대기압으로 직접 소진되면 정지하고 펌프가 실패하므로 반드시 기계식 펌프에 의해 생성된 저등급 진공으로 소진되어야 한다. 이 경우 배전 펌프라고 한다.

포지티브 변위 펌프와 마찬가지로 누출, 초과 측정 및 역류화가 펌프 속도와 같을 때 베이스 압력에 도달하지만, 이제 역류 수준에 버금가는 수준으로 누출 및 초과 작업을 최소화하기가 훨씬 어려워진다.

재생펌프

주요 기사:원심 펌프 § 재생 터빈 펌프

재생 펌프는 유체(공기)의 소용돌이 동작을 활용한다.이 공사는 원심 펌프와 터보펌프의 하이브리드 개념에 기초하고 있다.일반적으로 다단계 원심 펌프와 같은 고정된 중공 홈 안에서 공기 분자를 순환하는 로터의 수직 톱니 몇 세트로 구성된다.그들은 1×10−5 mbar(0.001 Pa)에 도달할 수 있고 (Holweck 펌프와 결합할 때) 대기압으로 직접 배출될 수 있다.그러한 펌프의 예로는 Edwards EPX(기술 논문 )와 Pfeiffer OnTool™ Booster 150이 있다.[13]그것은 때때로 사이드 채널 펌프라고 불린다.배기 측에 베어링을 설치할 수 있어 대기에서 진공으로 펌핑하는 속도가 높고 오염이 적어 반도체 제조 공정에서 부하 잠금에 활용된다.

이 유형의 펌프는 대기압 역류로 대부분의 전력을 소비하기 때문에 낮은 압력에서 터빈분자펌프(<100W)에 비해 높은 전력소비량(약 1kW)을 겪는다.이는 소형 펌프로 후진하면 10배 가까이 줄일 수 있다.[14]

끼임펌프

끼임 펌프는 냉온을 사용하여 고체 또는 흡착 상태로 가스를 응축하는 크라이오펌프, 고체 잔류물을 생성하기 위해 기체와 반응하는 화학 펌프 또는 강한 전기장을 사용하여 가스를 이온화시키고 이온을 고체 기질로 유도하는 이온 펌프일 수 있다.크라이오모듈은 크라이오펌핑을 사용한다.그 밖에 흡착펌프, 비증발성 게터펌프, 티타늄 승화펌프(반복적으로 사용할 수 있는 증발 게터의 일종) 등이 있다.

기타유형

성과측정

펌핑 속도는 흡입구에 있는 펌프의 부피 유량을 말하며, 종종 시간 단위당 부피로 측정된다.모멘텀 트랜스퍼 및 끼임 펌프는 다른 기체보다 일부 기체에 더 효과적이므로 펌핑 속도는 펌핑되는 각 기체에 따라 다를 수 있으며, 펌프의 평균 체적 유량은 챔버에 남아 있는 기체의 화학적 조성에 따라 달라질 수 있다.

처리량은 흡입구의 가스 압력에 곱한 펌핑 속도를 말하며, 압력/볼륨/단위 시간 단위로 측정한다.일정한 온도에서 처리량은 단위 시간 당 펌핑되는 분자의 수에 비례하므로 펌프의 질량 유량에 비례한다.펌프를 통한 시스템 누출이나 역스트림 등에 대해 논의할 때 처리량은 누출의 진공측 압력에 볼륨 누출 속도를 곱한 것을 의미하므로 누출 처리량을 펌프 처리량과 비교할 수 있다.

포지티브 변위 및 모멘텀 이송 펌프는 부피 유량(펌핑 속도)이 일정하지만, 챔버의 압력이 떨어지면서 이 부피에는 부피가 점점 더 적게 들어간다.따라서 펌핑 속도는 일정하지만 처리량과 질량 유량은 기하급수적으로 감소한다.한편, 누설, 증발, 승화, 백스트리밍 속도는 시스템으로의 일정한 처리량을 계속 생산한다.

기술

진공 펌프는 다양한 진공 시스템으로 챔버 및 운영 절차와 결합된다.때로는 한 번의 적용으로 둘 이상의 펌프가 사용되기도 한다(직렬 또는 병렬).부분 진공 또는 거친 진공상태는 흡입구 포트에서 배출구(배기) 포트로 가스 부하를 전달하는 양의 변위 펌프를 사용하여 생성될 수 있다.이러한 펌프는 기계적 한계 때문에 낮은 진공 상태만을 달성할 수 있다.더 높은 진공 상태를 달성하려면 일반적으로 직렬로 다른 기법을 사용해야 한다(보통 양변위 펌프를 사용하여 초기 고속 펌프를 하강시킨 후).확산 펌프를 지원하는 오일 밀봉 로터리 베인 펌프(가장 일반적인 양의 변위 펌프) 또는 터보 분자 펌프를 지원하는 건식 스크롤 펌프를 사용할 수 있다.찾는 진공 수준에 따라 다른 조합이 있다.

진공에 노출된 모든 물질은 아웃가싱 및 증기압 특성에 대해 세심하게 평가해야 하기 때문에 고진공을 달성하는 것은 어렵다.예를 들어 진공실의 밀봉으로 사용되는 오일, 그리스, 고무 또는 플라스틱 개스킷은 진공에 노출되었을 때 끓어서는 안 되며, 그렇지 않으면 가스가 발생하여 원하는 진공도의 생성을 방해할 수 있다.종종 진공에 노출된 모든 표면은 흡착된 가스를 제거하기 위해 고온에서 구워져야 한다.

또한 진공 펌핑에 앞서 간단히 데식화함으로써 아웃가싱을 줄일 수 있다.고진공 시스템은 일반적으로 낮은 진공 챔버 씰에서 더 일반적인 고무 개스킷 대신 클라인 플랜지 또는 ISO 플랜지 같은 금속 개스킷 씰이 있는 금속 챔버를 필요로 한다.이 시스템은 깨끗하고 유기물이 없어야만 비용을 최소화할 수 있다.고체든 액체든 모든 물질은 작은 증기 압력을 가지고 있으며 진공 압력이 이 증기 압력 아래로 떨어질 때 그 배출이 중요해진다.그 결과 에폭시와 같이 낮은 진공에서 잘 작동하는 많은 물질들이 높은 진공에서 아웃가싱의 원천이 될 것이다.이러한 표준 주의사항으로 1mPa의 진공 청소는 다양한 분자 펌프를 통해 쉽게 달성된다.신중한 설계와 조작으로 1µPa가 가능하다.

몇 가지 유형의 펌프를 순차적으로 또는 병렬로 사용할 수 있다.일반적인 펌프다운 시퀀스에서 양의 변위 펌프를 사용하여 대기(760 Torr, 101 kPa)에서 25 Torr(3 kPa)까지 대부분의 가스를 챔버에서 제거한다.그리고 나서 압력을 10−4 Torr (10 mPa)까지 낮추기 위해 흡착 펌프를 사용할 것이다.압력을−8 10 Torr(1µPa)까지 더 낮추기 위해 크라이오펌프 또는 터보 분자 펌프를 사용할 수 있다.추가로 10−6 Torr 이하에서 이온 펌프를 가동하여 크라이오펌프나 터보 펌프(헬륨 또는 수소 등)에 의해 적절히 취급되지 않는 가스를 제거할 수 있다.

초고진공은 일반적으로 맞춤형 장비, 엄격한 운영 절차, 상당한 양의 시행착오를 필요로 한다.초고 진공 시스템은 보통 금속 가스켓 진공 플랜지가 있는 스테인리스강으로 만들어진다.이 시스템은 보통, 가급적 진공 상태에서 구워서 시스템 내 모든 과당 물질의 증기 압력을 일시적으로 상승시키고 그것들을 끓인다.필요한 경우 이 시스템의 초과 할당도 상온에서 수행할 수 있지만, 이 작업은 훨씬 더 많은 시간이 걸린다.다량의 초과 가스를 끓인 후 배출하면 시스템을 냉각하여 실제 작동 중에 잔류 가스를 최소화하기 위해 증기 압력을 낮출 수 있다.일부 시스템은 액체 질소에 의해 실온보다 훨씬 낮은 온도에서 냉각되어 잔류 배출 가스를 차단하고 동시에 시스템을 크라이오펌프한다.

초고진공 시스템에서는 일부 매우 이상한 누출 경로와 초과 공급원을 고려해야 한다.알루미늄과 팔라듐의 수분 흡수는 허용할 수 없는 아웃가싱의 원천이 되고, 스테인리스강이나 티타늄과 같은 경질 금속의 흡수성까지도 고려해야 한다.어떤 기름과 기름은 극도의 진공상태에서 증발할 것이다.금속 진공실 벽체의 다공성을 고려해야 할 수 있으며 금속 플랜지의 입자 방향이 플랜지 면과 평행해야 한다.

분자 크기의 영향을 고려해야 한다.작은 분자는 더 쉽게 유출될 수 있고 특정 물질에 더 쉽게 흡수될 수 있으며 분자 펌프는 분자량이 낮은 가스를 펌핑하는데 덜 효과적이다.시스템은 질소(공기의 주요 성분)를 원하는 진공으로 배출할 수 있지만, 챔버에는 여전히 잔류 대기 수소와 헬륨이 가득할 수 있다.팔라듐(고용량 수소 스펀지)과 같은 가스가 많이 함유된 물질이 줄지어 있는 그릇은 특별한 과밀 문제를 일으킨다.

적용들

진공 펌프는 복합 플라스틱 몰딩 프로세스, 대부분의 유형의 전기 램프, 진공 튜브 및 장치가 대피하거나 특정 가스 또는 가스 혼합물로 재충전되는 CRT 생산, 반도체 처리, 특히 이온 삽입, 건조 에치 및 PVD, ALD, PEC 등 많은 산업 및 과학 프로세스에 사용된다.VD 및 CVD 증착 등 광석학, 전자 현미경 검사, 석션, 우라늄 농축, 방사선 치료, 방사선 수술 및 방사선과 같은 의료 애플리케이션, 가스, 액체, 고체, 표면 및 생체 물질을 분석하기 위한 분석 기기, 질량 분광기, i사이에 고진공을 생성하기 위한 질량 분광기 등출처 및 검출기, 저방사성 유리, 엔진 구성품(포뮬러 원과 같이)의 하드 코팅, 안과 코팅, 밀크링 기계 및 기타 장비, 목재 또는 전기 m과 같은 다공성 제품의 진공 함침, 내구성 및 에너지 절약을 위한 유리, 금속 및 플라스틱의 진공 코팅오터 와인딩, 에어컨 서비스(냉매로 충전하기 전에 시스템의 모든 오염물질 제거), 쓰레기 [citation needed]압축기, 진공 엔지니어링, 하수 시스템(EN1091:1997 표준 참조), 동결 건조 및 융접 연구.[15]오일 재생과 재정화 분야에서는 진공펌프가 오일 탈수 현상을 위한 저진공, 오일정화를 위한 고진공을 만든다.[16]

진공 청소기는 기계 장치에 전원을 공급하거나 보조하기 위해 사용될 수 있다.하이브리드 및 디젤 엔진 모터 차량에서는 엔진(일반적으로 캠축)에 장착된 펌프를 사용하여 진공을 만든다.대신 가솔린 엔진의 경우, 진공은 일반적으로 엔진 작동과 스로틀 플레이트에 의해 발생하는 흐름 제한의 부작용으로 얻어지지만, 제동 보조를 높이거나 연료 소비를 개선하기 위해 전기적으로 작동하는 진공 펌프로 보충될 수도 있다.그런 다음 이 진공을 사용하여 유압 브레이크용 진공 서보 부스터, 환기 시스템에서 댐퍼를 움직이는 모터, 크루즈 컨트롤 서보캐니즘의 스로틀 드라이버, 도어 잠금 장치 또는 트렁크 해제와 [17]같은 자동차 구성 요소에 동력을 공급할 수 있다.

항공기에서 진공 선원은 종종 다양한 비행 계기의 자이로스코프에 동력을 공급하기 위해 사용된다.전기적 고장 시 계측기의 완전한 상실을 방지하기 위해, 계기판은 의도적으로 전기로 구동되는 특정 계측기와 진공 소스로 구동되는 기타 계측기로 설계된다.

용도에 따라 일부 진공 펌프는 전기 구동(전류 사용) 또는 공압 구동(기압 사용) 또는 다른 방법으로 구동 및 작동될 수 있다.[18][19][20][21]

위험

1980년 경 이전에 생산된 오래된 진공펌프 오일에는 독성이 강하고 발암성이 강하고 지속적인 유기 오염물질인 여러 가지 위험한 폴리염소화 비페닐(PCB)이 혼합되어 있는 경우가 많다.[22][23]

참고 항목

참조

  1. ^ Krafft, Fritz (2013). Otto Von Guerickes Neue (Sogenannte) Magdeburger Versuche über den Leeren Raum (in German). Springer-Verlag. p. 55. ISBN 978-3-662-00949-9.
  2. ^ "Pompeii: Technology: Working models: IMSS".
  3. ^ a b 도날드 루트리지 힐(1996년), 고전과 중세 시대의 공학사, 루트리지, 페이지 14350-2
  4. ^ 1991년 5월, 사이언티픽 아메리칸, "중세 근동의 기계 공학" 도날드 루트리지 힐 (cf) 페이지 64-69 (cf.도널드 루즐리지 힐, 기계공학)
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  8. ^ (Calvert 2000, "흡입 펌프로 물을 올릴 수 있는 최대 높이") (
  9. ^ Harsch, Viktor (November 2007). "Otto von Gericke (1602–1686) and his pioneering vacuum experiments". Aviation, Space, and Environmental Medicine. 78 (11): 1075–1077. doi:10.3357/asem.2159.2007. ISSN 0095-6562. PMID 18018443.
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외부 링크