4.1 진공 펌프 – 작동 원리와 특성

4.1.1 진공 펌프 - 작동 원리와 속성

진공 펌프는 기체 이송 펌프와 기체 결합 또는 포획 펌프로 분류됩니다. 기체 변위 진공 펌프는 제한 없이 사용될 수 있 지만 기체 결합 진공 펌프는 기체 흡수 능력에 제한이 있으므 로 일정한 공정 종속 간격마다 재생되어야 합니다.

기체 이송 펌프로 불리기도 하는 기체 변위 펌프는 양변위 펌 프 아니면 운동 진공 펌프로 분류됩니다. 양변위 펌프는 밀봉 영역에서 대기로 또는 다운스트림 펌프 단계로 기체를 변위 합니다. 운동 펌프는 기계적 구동 시스템을 통해서 또는 펌핑 섹션이 끝날 때 응축되는 유도된 증기 흐름을 통해서 펌핑 방 향의 기체를 가속함으로써 기체를 변위합니다. 기체 결합 진 공 펌프는 잔류 기체 제거를 통하여 특히 활발한 점착 기면에 기체를 결합하거나 적절한 온도에서 기체를 응축합니다. 화 학 흡착은 증발 및/또는 승화 또는 스퍼터링을 통하여 계속 순수한 게터 표면을 생성하는 게터 펌프로 알려진 펌프 유형 에 의해 기술적으로 수행됩니다. 결합된 기체 입자는 게터 표 면과 상호 작용하기 전에 이온 게터 펌프에서 이온화할 경우 스퍼터링함으로써 게터 표면을 청소하는 동시에 스퍼터링된 재료에 의해 묻힐 수 있습니다. 비증발 게터(NEG)는 반응성 이 무척 높은 합금(주로 지르코늄 또는 티타늄)으로 구성되 고, 매우 큰 특정한 공간을 차지합니다. 기체는 미세 구멍을 통하여 게터 재료의 더 깊은 층으로 침투하여 그곳에서 안정 적인 화합물로 결합됩니다.

그림 4.1: 진공 펌프의 개요

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4.1.2 펌프 속도와 처리량

펌프 속도

S_0=\frac{dV}{dt}

(공식 1-17)는 진공 펌프의 유입구의 횡단면을 통한 평균 부 피 흐름입니다. 다이어그램에서 체적 유량률 또는 펌프 속도 는 Y 축에 표시되고 유입구 압력은 X 축에 표시됩니다. 기하 학 때문에 펌프가 도달할 수 있는 최대 펌프 속도는 자신의 정격 펌핑 속도라 불립니다. 펌프 속도의 결정은 기준 표준 ISO 21360-1: 2012에 설명되어 있습니다. 펌프 속도는 m³ · s^-1 로 표시됩니다. m³ · h^-1, l · s^-1 및 l · min^-1 도 관례적인 단위 입니다.

처리량

q_{pV}=S\cdot p=\frac{dV}{dt}\cdot p

(공식 1-16)은 유입구 압력에 따른 진공 펌프의 기체 처리량 을 의미합니다. 이것은 Pa · m³ · s^-1 또는 hPa · l · s^-1 = mbar · l · s^-1 로 표현됩니다. 기체 변위 펌프로 구성되는 펌핑 스테 이션의 경우 직렬로 연결된 모든 펌프는 동일한 처리량을 갖 습니다.

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4.1.3 최종 압력과 기본 압력

최종 압력 pe 는 기체 유입구가 없는 제한된 조건에서 끝 마개 된 진공 펌프의 압력에 의해 점근적으로 도달되는 가장 낮은 압력입니다. 어떤 펌프가 최종 압력에서 작동할 경우, 그 자 체의 역류 손실만 변위되기 때문에 사용할 수 있는 펌프 속도 는 0이 됩니다. 최종 압력은 이론적인 값입니다. 오늘날에는 최종 압력 대신 기본 압력이 지정됩니다. 기본 압력에 도달하 기 위한 조건은 표준 ISO 21360-1:2012에 지정됩니다. 기본 압력은 특정한 시간 이내에 도달되어야 하기 때문에 최종 압 력보다 대개 높습니다.

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4.1.4 압축비

K_0=\frac{p_{outlet}}{p_{inlet}}

끝 마개 된 유입구의 경우 압축비(제로 배달이기 때문에 K_0 라 불림)는 일정한 대기압에 반하여 배출되지 않는다면 출구 측면에서의 기체 유입을 통해 측정됩니다.

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4.1.5 직렬로 연결된 펌핑 단계의 펌프 속도

펌프 속도가
S₀ 이고 압축비가 K₀. 인 진공 펌프를 생각해봅시 다. 펌프는 전도성 C_R. 과의 격차를 통하여 역류 손실을 입습 니다. 유입구 압력을 p_inlet , 방전 압력을 p_outlet. 이라 합시다. 펌프 속도가 S_b 인 추가 펌프가 출구 측면에 연결됩니다. 이 것은 예를 들어 루츠 펌핑 스테이션 또는 터보 펌핑 스테이션 이 될 수 있습니다.

펌프 속도가 S인 전체 펌핑 스테이션은 기체 수량을 전달합 니다.

q_{pV}=p_{inlet}\cdot S=p_{outlet}\cdot S_{b}=S_0\cdot p_{inlet}-C_{R}(p_{outlet}-p_{inlet})

공식 4-2: 펌프 연결 기체 흐름

역류 전도성 C_R, 에 대해서는 C_{R}<역류 전도성 C_R, 에 대해서는

C_{R}=\frac{S_0}{K_0}

공식 4-3: 역류 전도도

그리고 실질적인 압축비에 대해서는

C_{R}=\frac{p_{inlet}}{p_{outlet}}=\frac{S}{S_{b}}

공식 4-4: 실질적인 압축

위 공식을 사용하면, 2단계 펌핑 스테이션의 펌프 속도 S 는 따라서 다음과 같습니다.

S=\frac{S_0}{1-\frac{1}{K_0}+\frac{S_0}{K_0\cdot S_{b}}}

공식 4-5: 펌프 속도 회귀 공식

이 공식은 최종 단계의 펌프 속도 S_b 로 시작하여 후속 단계 K₀ 및 S₀ 를 삽입함으로써 직렬로 연결된 다중 펌핑 단계에 대한 회귀 공식으로 사용될 수도 있습니다.

4.1.6 기체 뱉러스트

공기 또는 다른 비응축 기체가 진공 펌프 속으로 받아들여지 는 방법을 기체 밸러스트라 부릅니다. 펌프가 기체 밸러스트 없이 해당 온도에서 펌프에 응축할 증기를 변위하고 있다면 기체 밸러스트는 증기가 응축되기 전에 출구 밸브가 열리도 록 하고, 증기는 밸러스트 기체와 함께 방전됩니다. 선택된 불활성 또는 공정 기체 뿐만 아니라 대기가 모두 밸러스트 기 체로 사용됩니다. 기체 밸러스트의 사용은 진공 펌프의 도달 가능한 기본 압력을 살짝 증가시킵니다. 결과적으로 기체 밸러스트 진공 펌프의 경우 기본 압력이 기 체 밸러스트가 있을 때나 없을 때나 모두 지정됩니다.

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4.1.7 수증기 허용치/수증기 용량

수증기 허용치 p_w 는 정상적인 주변 조건(20 °C, p₀ = 1,013 hPa) 에서 진공 펌프가 순수한 수증기를 계속 유입 및 변위할 수 있는 최대 수증기압입니다. 이것은 주어진 펌프 온도에서 펌프 속도, 기체 밸러스트 흐름, 상대 습도, 포화 증기압으로 부터 계산될 수 있습니다.

p_{W}=\frac{q_{pV,\,Ballast}\cdot(p_{S}-p_{a})}{S\cdot(\alpha\cdot p_0-p_{S})}

공식 4-6: 수증기 허용치

pW 수증기 허용치
qpV,Ballast 기체 밸러스트 흐름
S 펌프의 펌프 속도
pS 배기 가스 온도에서 수증기의 포화 증기압
pa 공기의 수증기 분압
p0 대기압
α 보정 계수, 무차원

보정 계수는 출구 밸브를 열기 위해서는 대기압보다 더 높은 압력이 필요하다는 사실을 고려합니다. 예제에서 α 는 1.1로 가정될 수 있습니다.

수증기 허용치는 압력의 치수이고 hPa로 표현됩니다.

DIN 28426은 수증기 허용치를 결정하기 위한 간접 공정의 사용을 설명합니다. 펌프의 배기 온도가 상승하고 기체 밸러 스트 흐름 q_pV,Ballast 가 증가하면 수증기 허용치는 증가합니 다. 이것은 더 높은 주변 압력에서 감소합니다.

기체 밸러스트가 없으면 출구 온도가 100°C 미만인 진공 펌 프는 소량의 순수 수증기조차도 변위할 수 없습니다. 그럼에 도 불구하고 수증기가 기체 밸러스트 없이 배출될 경우 응축 물이 펌프 오일에서 용해됩니다. 결과적으로 기본 압력은 상 승하고 응축물은 부식 손상을 초래합니다.

수증기 용량은 진공 펌프가 계속 유입하여 20 °C 및 1,013 hPa의 주변 조건에서 수증기의 형태로 변위할 수 있는 물의 최대 부피입니다.

q_{m,\,water}=p_{W}\cdot S\cdot M\cdot(RT)^{-1}

Formula 4-7: Water vapor capacity

q^m,water Water vapor capacity
M Molar mass of wate
R General gas constant
T Absolute temperature

수증기 용량은 g · h^-1 으로 표현됩니다. 따라서 이것은 수증기 질량 유량율입니다. 기호c_W (수증기 용량)는 일반적으로 이 것을 공식으로 표현하기 위하여 사용됩니다.

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4.1.8 밀봉 기체

부식성 공정 기체를 배출할 때는 기체가 펌프의 부품을 공격 할 위험이 있습니다. 이런 위험에 대응하기 위해서는 민감한 부품들이 연속적인 불활성 기체 흐름에 의해 보호되어야 합 니다. 펌프는 따라서 제한된 위치에서 기체가 펌핑 시스템으 로 흘러 들어가는 기체 유입 시스템에 맞춰집니다. 터보분자 펌프에서 보호가 필요한 것은 주로 베어링과 모터 컴파트먼 트입니다. 밀봉 기체의 모터 컴파트먼트 유입은 먼지와 입자 가 윤활제 보유고 속으로 들어가 윤활제와 섞이는 것을 방지 할 뿐만 아니라 윤활제나 베어링의 부식에 민감한 구성품들 과 공격적인 기체들의 화학 반응에 반하여 보호합니다. 모터 를 보호하고 입자들이 들어가 샤프트와 비상 베어링 사이의 접촉을 유발하지 않도록 방지하기 위한 밀봉 기체의 사용은 예를 들어 윤활제가 없는 터보 펌프에도 권장됩니다.

베어링에 대한 밀봉 기체 이외에도, 처리 가능한 건조 배압 펌프는 정화기체가 공정 펌프의 개별 펌핑 단계에 주입되도 록 할 수도 있습니다. 처리 의존적 정화 기체 흐름은 보정된 노즐이나 유량 조절기(질량 유량 조절기, MFC)의 압력 조절 기 업스트림을 사용하여 조정되고, 압력 센서와 스위치에 의 해 모니터링됩니다.