4.9.1.1 터보분자 펌프 작동 원리
로터와 회전자 블레이드로 구성된 배열의 펌핑 효과는 빠르 게 회전하는 블레이드로부터 펌팅되고 있는 기체 분자까지의 임펄스 전달에 기초를 두고 있습니다. 블레이드와 충돌하는 분자들은 그곳에 흡착되어 일정한 기간 후에도 여전히 블레 이드에 남습니다. 이 과정에서 블레이드 속도가 열 분자 속도 에 추가됩니다. 블레이드에 의해 전달되는 속도 구성 성분이 다른 분자와의 충돌로 손실되지 않도록 하기 위해서는 분자 흐름이 펌프 속에서 우세해야, 다시 말해 평균 자유 경로가 블레이드 간격보다 더 커야 합니다
운동 펌프의 경우에 기체 펌핑 시 역압이 발생하고, 이는 역 류를 유발합니다. 펌프 속도는 $S_0$ 로 표시됩니다. 체적 유량율 은 압력이 증가함에 따라 감소하고, 최소 압축비$K_0$ 에서 0의 값에 도달합니다.
그림 4.22: 터보분자 펌프의 작동 원리
압축비
$K_0$ 로 표시되는 압축비는 Gaede에 따라 측정될 수 있습니다 [25]. 다음은 시각적으로 밀도가 높은 블레이드 구조에 적용 됩니다(그림 4.22).
\[K_0=\mbox{exp}\left( \frac{1}{g} \cdot \frac{1}{\mbox{sin} \alpha} \cdot \frac{v}{\bar{c}} \right)\]
공식 4-8: 터보 펌프 압축비
| $\bar{c}$ | 평균 분자 속도 | [m · s-1] |
| $v$ | 원주 속도 | [m · s-1] |
공비는 그림 4.22에 나와 있습니다. 인수 g는 1과 3 사이입 니다[26]. 방정식에서 $K_0$ 가 블레이드 속도 $v$ 뿐만 아니라$\sqrt{M}$ 과 함께 기하급수적으로 증가하는 것은 분명히 다음 공식 때 문입니다.
$\bar{c}=\sqrt{\frac{8 \cdot R \cdot T}{\pi \cdot M}}$ (공식 1-10)
결과적으로 질소에 대한 압축비는 예를 들어 수소에 대한 압 축비보다 훨씬 더 큽니다.
체적 유량율(펌프 속도)
펌프 속도 $S_0$ 는 유입구 영역 $A$와 블레이드의 평균 원주 속도 $v$ 즉 회전 속도에 비례합니다. 블레이드 각도 $\alpha$ 를 고려하면 다음 결과가 나옵니다.
\[S_0=\frac{1}{2} \cdot A \cdot v \cdot \mbox{sin} \alpha \cdot \mbox{cos} \alpha = \frac{1}{4} \cdot A \cdot v \cdot \mbox{sin}2 \alpha\]
공식 4-9: 터보 펌프 펌프 속도
플랜지의 진입 전도성
$C_{Ef}=\frac{\bar{c}}{4} \cdot A$ (공식 1-24)
과 최적 블레이드 각도 45°를 모두 고려하면, 다음 공식에 따 라 무거운 기체(분자 중량 > 20)에 대한 터보 펌프의 대략적 인 유효 펌프 속도 Seff 가 산출됩니다.
\[S_{eff}=\frac{S_0 \cdot L_{Ef}}{S_0+L_{Ef}}=\frac{A \cdot v}{4 \cdot \left(\frac{v}{\bar{c}}+1\right)}\]
공식 4-10: 터보 펌프 유효 펌프 속도
예를 들어 맨 위 디스크의 블레이드 진입 표면으로 유효 펌프 속도를 나누고 블레이드 두께로 차단된 영역이 인수 $d_f \approx$ 0.9 임을 참작하면 질소에 대한 터보 펌프의 특정 펌프 속도가 산 출됩니다(그림 4.23의 곡선).
\[S_A=\frac{S_{eff}}{A}=\frac{d_f \cdot v}{4 \cdot \left(\frac{v}{\bar{c}}+1\right)}\]
공식 4-11: 특정 펌프 속도
그림 4.23의 Y 축에서 특정 펌프 속도는 l · s-1 · cm-2 으로 나타나고, 평균 블레이드 속도 $v=\pi \cdot f \cdot (R_a+R_i)$ 는 X 축에 표시됩니다. 이 점에서 수직으로 위로 이동하여 곡선과 교차 하는 점이 펌프의 최대 특정 펌프 속도S A 를 나타냅니다. 이 값에 유입구 디스크의 블레이드 표면 영역 $A=(R_a^2 - R_i^2) \cdot \pi$ 을 곱하면 펌프의 펌프 속도가 나오고, 카탈로그 정보와 비교 할 수 있습니다.
그림 4.23: 특정 터보 펌프 펌프 속도
그림 4.23에 표시된 점들은 표시시된 펌프의 측정 값을 기초 로 파이퍼 베큠이 결정한 것입니다. 표시된 곡선보다 훨씬 위 에 있는 점들은 물리적으로 가능하지 않습니다.
그림 4.24: 상대 분자 질량에 따른 펌프 속도
그림 4.25: 유입구 압력에 따른 펌프 속도
펌프 속도는 따라서 가벼운 기체(예: 수고)의 값에 대해 아무 것도 알려주지 않습니다. 낮은 최종 압력을 위한 터보 펌프가 설계될 경우 다양한 블레이드 각도를 가진 펌프 단계가 사용 되고 눈금은 수소에 대한 최대 펌프 속도로 최적화됩니다. 이 것은 수소(약 1,000)와 질소 둘다에 대한 충분한 압축비를 가 진 펌프를 만들어내는데, 이 때 압축비는 공기 중 질소의 높 은 분압 때문에 109 이 되어야 합니다. 순수한 터보분자 펌프 의 경우에 분자 흐름 때문에 약 10-2 mbar의 배압 진공 압력 이 요구됩니다.
그림 4.26: 홀벡 단계의 작동 원리
