기초 강좌|정밀펌프기술 6-1. 캐비테이션에 대하여

이전에 다이아프램 펌프의 맥동에 관련된 문제점("2-3. 맥동 관성저항", "3-1. 오버피드 현상으로 인해 발생하는 트러블")을 설명했는데, 여기서 또 다른 중요한 문제인 캐비테이션에 대해 설명하겠습니다.
캐비테이션이라는 용어는, 원래 소용돌이 펌프 등의 회전 펌프에 사용됩니다.
캐비테이션과는 본질적으로 다르지만, 이해를 돕기 위해 다른 예를 들어 봅시다. 맥주 이야기입니다.

냉장고에서 방금 꺼낸 차가운 병맥주입니다. 물론 뚜껑은 따지 않은 상태입니다. 이때 병 안의 맥주에서는 전혀 거품이 나오지 않습니다.
그러나 뚜껑을 따자 마자, 맥주에서 거품이 나옵니다.
온도가 높을 때나 병을 심하게 흔들었을 때는 다량의 거품이 분출합니다. 도대체 어떤 이유로 일어나는 현상일까요?

에어 챔버를 떠올려 보세요. 공기는 압력이 높으면 높을수록 액체 중에 많이 녹을 수 있다고 설명했습니다. (이하, 온도는 일정한 것으로 가정)
맥주의 경우에는 "에어 챔버가 맥주병"으로, "공기가 탄산가스"로 바뀌었을 뿐, 실질적으로 동일합니다.
따라서, 뚜껑을 따기 전의 맥주 안에는 수 기압분의 탄산가스가 녹아 있습니다. 그리고 뚜껑을 따자 마자 압력이 대기압까지 저하되므로, 여분의 탄산가스가 거품이 되어 나오는 것입니다.
즉, 수 기압하에서의 용해량과 대기압하에서의 용해량의 차가 맥주에 녹지 못하여 거품이 되는 것입니다.
이 상태에서 잠시 정치하면 점차 거품 발생이 적어져, 마침내 전혀 거품이 나오지 않게 됩니다. 이는 탄산가스의 용해량이 대기압과 조화된 것을 의미합니다. 결코 맥주 중의 탄산가스가 완전히 없어진 것이 아닙니다.

탄산가스의 용해량이 대기압과 조화된 맥주(즉 김빠진 맥주)를 다이아프램 펌프로 이송한다고 생각해 봅시다.

지금 저장 탱크의 맥주는 김빠진 상태, 즉 탄산가스가 대기압과 조화된 분만큼 용해된 상태입니다. 이때 펌프는 탱크 위에 설치되어 있는 것으로 가정합니다. (그림 1)의 (1)
펌프가 (2)일 때는 펌프 헤드 내 압력이 대기압과 조화되어 있어 맥주에서 탄산가스가 방출되지 않습니다.

다음으로 (3)과 같이 다이아프램이 후방으로 이동하여, 펌프 헤드 내부의 압력이 저하되면 어떻게 될까요? (보일의 법칙: "4-1. 에어 챔버의 원리" 참조)
결과, 다시 거품이 발생합니다.

이번에는 저하된 압력하에서의 포화량(어느 압력하에서 더 이상 용해되지 못하게 되는 양)이 될 때까지 여분의 탄산가스가 방출됩니다. 이 상태가 되면 펌프 헤드 내에는 맥주뿐만 아니라 거품이 된 탄산가스가 들어오게 되어, 펌프 성능이 현저히 악화됩니다. 또한, 흡입측 배관 저항이 커지면 더욱 가스가 발생하기 쉬워집니다.

이런 경우에는 압입 배관으로 하면 효과적입니다.

따라서, 다이아프램이 후방으로 이동해도 가스를 발생시키지 않고 순조롭게 맥주가 펌프 헤드 안으로 들어오게 됩니다.
단, 흡입측 배관에서의 압력 손실이 작아야 합니다. 구체적으로 말하면, 맥주가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르려고 하는 힘이 "펌프 헤드 내 압력의 저하분과 흡입측 배관 등의 압력 손실의 합계"보다 크면, (김빠진) 맥주에서 거품이 발생하지 않는다는 것입니다.
이 방법은 맥주뿐만 아니라 기포가 발생하기 쉬운 액체, 예를 들어 탄산수, 차아염소산나트륨 등에도 유효합니다.