이젝터는 2개의 흡입 포트가 있고 하나의 포트가 고압으로 스팀을 분사하게 되면 다른 포트에서 유입된 유동이 혼합이 되어 배출하는 방식으로 이때 벤튜리 튜브의 원리처럼 다른 포트에서는 진공이 되며 흡입 압력이 발생한다. 이젝터는 이와 같은 특징으로 펌프 특히 진공 펌프 역할을 하며, 주유동이 노즐을 가지고 고속으로 분사가 되면 진공이 가속되어 그 성능이 증가하게 된다.

이젝터는 1858년에 Henry Giffard에 의해 최초로 발명되었으며, 증기기관의 보일러에 물을 공급하는 펌프 용도로 사용되었다. 산업계에서는 이젝터의 펌프 기능을 사용하여 공조기의 진공 배기 장치, 고속으로 유체를 뽑아내면서 생기는 온도 강화를 이용한 냉각 펌프 등에 주로 많이 사용된다. 우주항공 분야에서는 이젝터의 진공 펌프 성능을 추가한 고고도 진공 모사 장치에 사용되고 있다.

이젝터의 이론적 확립은 1948년 Henry에 의해 1-D식으로 정의가 되었다[1]. 이젝터의 작동원리는 주 유동의 수축-팽창의 노즐 형태를 가지며 초음속으로 분사가 되면 초음속 유동 주변과 벽면에서 공기역학적인 유로가 발생하고 이 공간을 통해 챔버는 진공이 되며 부유동을 흡입하는 방식이다.


대표적인 이론식은 Huang이 정리한 식을 주로 사용되며 이 식에서 수정 보완된 식들이 이젝터 설계에 사용되고 있다. 이젝터의 기본 형상은 Fig 1과 같다. 흡입 챔버, 혼합 목 구간, 디퓨저로 구성되어 있다. 흡입 챔버에는 주유동이 고압, 고속으로 분사되도록 노즐이 위치하며 부유동의 흡입구가 위치한다.  

주유동에서 분사된 유동은 혼합 목 입구 지점까지 분사되며 Fig 1에서처럼 y-y구간에서 벽면과 최소 면적 지점이 존재한다. 이 부분을 공기역학적 목(throat)이라 한다. 흡입 챔버는 진공이 되면 부유동이 유입이 되며 y-y에서 초음속이 되며 혼합 목 구간에서 주유동과 부유동이 혼합이 된다. 이 혼합 목 구간에서는 두 개의 유입 유동과 혼합된 출구 유동에 대한 에너지 방정식(energy equation)을 적용하며, 혼합 목의 출구 부위에서 강한 수직 충격파가 생기고 유동은 아음속이 된다고 가정한다. 이와 같은 이론식을 사용하여 주유동 압력, 유량에 대한 부유동의 압력, 유량비가 정해지고, 흡입 챔버의 진공도, 혼합 목 구간의 넓이 등이 계산이 된다.

이젝터는 벤튜리 효과에 의해 주변 유체가 흡입이 되며, 주변을 진공 환경을 만든다. 주유동 유체는 증기, 기체를 사용하고 유입되는 유체는 기체, 먼지, 액체, 슬러지 등 다양한 물질들에 적용 가능하다. 산업용으로 진공, 탈취, 배출, 증류, 냉각 등에 사용되고 있다.

특히 최근 에너지 절약을 위해 이젝터 기반 시스템은 가열, 냉각, 냉장, 에어컨 등에서 지속 가능한 에너지 절약 기술로 관심을 가지고 있다. 우주항공 분야에서는 우주발사체의 성능 개량에 따라 고고도 진공 모사 장치로 사용되기에 이 분야의 최근 경향에 대해 제시하고자 한다.

소형 이젝터의 경우 반도체 웨이퍼, 태양 전지판, OLED, 의약품 등에 사용되는데 별도의 전동 장치나 기계 장치가 필요하지 않기에 소비되는 에너지가 적거나 진동이 적다[2]. 산업 공장설비에서 많이 사용되는 중대형급 이젝터는 구조가 단순하고 유지비가 낮으며 설치가 간단하기 때문에 많이 사용되고 있다.

소형 이젝터는 크기가 제한되며 공기를 주 유동 기체로 높은 에너지 흐름으로 운동량에 의해 낮은 진공을 유도하여 진공펌프 역할을 하게 된다. 해당 논문은 초소형 이젝터에 대한 수치해석을 수행하여 이젝터 형상 조건에 따른 성능에 대해 제시하고 있다[2].


소형 이젝터 설계 해석에서는 상용으로 나오는 압축공기 사용량이 가장 작은 1차 노즐 직경 1mm 수준으로 주입 압력 2-5bar의 형상을 사용하였다. 1차 노즐의 면적 대비 2차 노즐의 면적비는 챔버 내의 진공 효율에 영향을 주며 소형 이젝터의 전체 길이는 50 mm 이하를 유지하였다. 2차 노즐의 축소부에 대한 노즐 출구 위치, 2차 노즐의 목, 디퓨저의 길이 등의 변수에 따라 이젝터 성능이 달라지며 해당 논문에서는 수축각과 팽창각은 3~4도 수준으로 하였다. 해석에 사용된 해석툴은 상용코드인 CFX를 사용하였으며, 격자는 42만 3천개, 수렴 조건은 10-4으로 설정하였다.

유체는 공기를 사용하였고 난류 모델은 k-e 모델을 사용하였다. 해당 논문[2]은 소형 이젝터로 공기 질유량은 0.79~1.24g/s로 매우 적다. 주입 압력에 의한 작동 유량률이 클수록 챔버 영역에서 이루어지는 흡입 능력이 증가되며, 2차 노즐 목에서의 특정 압력에 따라 진공의 효율이 변한다. 1차 노즐 출구와 2차 노즐 축소부 입구의 위치에 따라서 진공 성능이 바뀌는데 주 유동의 흡입 유동이 2차 노즐의 혼합 영역으로 가는 과정이 짧거나 길어지는 차이에 의해서 진공도가 바뀌기도 한다.

2차 노즐의 축소부 입구보다 앞이나 안쪽에 위치할 경우 상대적으로 2차 노즐에서 대기압으로 회복되는 정도가 빨라지는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 이젝터의 주 유동 노즐의 위치에 따라 이젝터 성능이 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있다[Fig2].

해당 논문에서는 이젝터 혼합 챔버의 축소 목 기준에 대해 1차 노즐 출구의 위치 변화에 따라 20% 범위 내에서 진공도의 성능 변화를 보였다. 챔버의 진공도에 영향을 미치는 부분이 1차 노즐 목과 2차 노즐 목의 면적비로 해당 논문[2]에서는 1.4에서 1.8까지 흡입력이 증가하다가 1.8이후에서는 선형적으로 감소하게 된다.

2차 노즐목의 길이에 대한 흡입력 영향은 미비한 편이다. 2차 노즐목의 길이가 길어져도 흡입력의 변화는 없지만 특정 길이(16 mm)를 지나게 되면 길이에 따른 마찰 압력 손실로 흡입 압력이 감소하게 된다.


폐쇄형이 아닌 개방형에서의 흡입 유량을 비교해 보면 개방형은 Fig 3과 유선처럼 아래 흡입구에서 유동이 유입되는 것을 볼 수 있다[2]. 이 경우 흡입되는 부위의 개방 부위를 0.3 mm에서 1.0mm로 증가하였으며 개방 부위가 증가함에 따라 흡입 유입 비율은 85%까지 증가하였다.

반대로 개방 부위를 줄이게 되면 흡입 유입 비율이 30% 이하까지 저하될 때 진공도는 - 100 kPa까지 떨어졌다. 이 부분은 베르누이, 보텍스, 벤튜리, 코안다 등의 물리적 현상을 이용한 진공 발생 장치를 만들 수 있는 부분이다. 가장 적합한 조합은 베르누이+ 이젝터, 보텍스+이젝터 조합으로 중앙 부위에 진공을 발생시키는 비접촉 파지용 진공패드 조합 구성이 가능하고 그 외 다양한 응용이 예상된다.


공기-물의 서로 물성이 다른 물질의 혼합 및 반응 공정에 사용되는 이젝터에 실험적 연구 방법으로 수조 내부로 이젝터가 공급하는 산소양을 측정한 논문이다[3]. 1.46 m3의 수조에 전동 모터 펌프를 사용하여 수조 안의 물을 이젝터로 보낸다. 이젝터에서 공기와 물은 혼합되어 다시 수조로 배출이 되며 이때 이젝터 내부에서 공기와 물이 혼합이 되면서 물 내부의 용존 산소는 증가하게 된다.

여기서 사용된 이젝터는 환형 노즐을 사용하고 있다. 일반적으로 주유동은 1차 노즐 목과 노즐 출구로 구성되어 있지만 해당 논문[3]에서는 고압의 단관 형태로 구성되어 있다[Fig4]. 주유동 외부 관과 물이 흡입되는 유로는 벤튜리 관처럼 구성되도록 하였다. 이는 일반적인 기체 물성을 사용하는 이젝터와 차이가 있는 부분이다. 실험에 사용된 이젝터는 환형 노즐, 구동 및 부유체 유입구, 흡입실, 혼합관, 디퓨저로 구성되어 있으며, 주유동의 배출부 위치 조절을 위해 스크류가 설치되었다. 흡입실의 축소각은 59도, 디퓨저 확산각은 4도로 구성되어 있다.

실험 방법은 제어밸브를 1/5, 1/2, 완전 개방 3단계로 설정하였고 구동 노즐의 출입구에서 혼합관 입구에서 1mm 떨어진 지점에서 스크류를 통해 점차 후반으로 이동시켰다. 수조 내에서 분출되는 유동은 고속 카메라(120 fps)를 사용하여 이미지 분석시스템의 영상 이원환 기법을 사용하여 분석하였다. 용존 산소는 이론 반응식을 사용하여 계산된 아황산나트륨과 촉매인 염화코발트를 투입하여 초기의 수돗물에 용존 된 산소를 제거한 후 공기를 주입하여 산소가 포화되는 방법으로 용존 산소 농도를 10초 간격으로 측정하였다.

산소 전달율은 총괄 산소 전달 계수와 산소 전달의 구동력인 산소 부족량 함수식으로 주어진다.
실험에서 이젝터 헤드부의 위치가 혼합관 입구에서 멀어지면 이제터 헤드부의 흡입실 축소부 벽면 사이에서 형성된 환형 노즐의 출구 유로가 증가하며, 흡입실 축소부에서의 유동 저항 감소로 구동 유량은 증가하게 된다.

하지만 환형 노즐 출구 면적의 확대율과 구동 유량의 증대율에 기인한 부압의 변화에 따라 자연 유입되는 공기량의 증가율이 구동 유량의 증가율보다 작거나 공기량 자체의 유입량이 감소하여 유량비가 감소하게 된다. 개도 밸브가 작아질 경우 유량비가 감소하는데 이는 개도 밸브가 좁아지면서 구동 유량 조건에서 부차적 손실의 증가로 부압이 감소하여 공기의 유입력이 줄어들기 때문이다. 이는 구동 유량이 많을 경우에 개도가 작아지면서 유량비 감소율이 더 크게 발생한다. 유량비가 커지면 수평 분류(제트 유동에 대해 유도이 수평하게 유지되는 영역)에서 부력 분류(부력으로 유동이 수명으로 전이되는 영역)로 천이되는 중심 영역의 길이가 짧아진다.

유량비가 작으면 중심 영역은 수평 분류의 거동을 보이며, 수평 분류 주변에 와류 생성이 활발해지는 것을 볼 수 있다. 유량비가 커지면 부력 분류의 거동은 상대적으로 많은 공기 유입으로 이젝터 내부에서의 기포 미립화가 부족하기에 큰 키포로 인한 부력의 영향으로 부력 분류 거동이 주가 된다. 반대로 유량비가 작으면 상대적으로 적은 공기량으로 공기의 미립화가 촉진되어 기포에 의한 부력 효과는 감소하게 된다


산소 전달율을 증가시키기 위해서는 유입공기량을 증가시키고 기포의 미립화를 촉진시켜 처리수와의 접촉면적을 증대시켜야 한다. 기포의 미립화에 따른 수평 분류의 거동은 기포의 수중 체류시간을 증대시켜 산소의 용존 시간을 증가시키고, 선단 도달길의 증대는 기포와 처리수의 접촉 시간을 증가시킨다[Fig 5]. 또한 와류 유동으로 공기와 물의 계면 형성을 촉진하여 접촉 면적을 증대시켜 산소 전달율이 증가한다.


이와 같이 에어레이션 공정에서 용존 산소량을 높이기 위해서는 공기의 미립화와 잔류 시간이 중요한 것을 알 수 있다. 유량비가 지나치게 높고 많은 공기를 유입하더라도 공기 미립화가 낮다면 용존 산소량을 높이는데 비효율적이다. 해당 논문[3]에서 제어밸브 개도는 1/5이 산소 전달 효율이 가장 높게 나타났다.

많은 양의 물과 공기를 공급한다해도 공기의 미립화와 수평 분류 거동을 통한 접촉 면적과 잔류 시간 증대가 없다면 산소 전달 효율이 적기 때문에 에어레이션 공정에서 이젝터와 개폐 밸브의 개도 최적화가 필요하다.

우주항공분야에서는 고유량, 고압, 고온의 이젝터가 연구개발되어 사용되고 있다. 그 이유는 로켓이나 고도 20-30 km 지점에서 비행하는 극초음속 비행체의 비행 환경을 모사해야 하기 때문이다. 주유동의 흡입 유량은 흡입하는 부유동의 5배 이상의 고유량을 사용한다. 앞서 반도체 분야에서 사용된 이젝터가 초소형 이젝터라면 우주항공에서 사용되는 이젝터는 가장 큰 이젝터이다.

해당 논문[4]에서는 Fluent 상용 해석툴을 사용하여 이젝터가 만드는 챔버의 진공 특성에 대해 논하고 있다. 이젝터의 기본적인 형상은 앞서 설명했던 이젝터와 동일하다. 진공 성능을 높이기 위해서는 2차 노즐목의 공력적인 목 또는 Fabric 초킹이 잘 형성이 되어야 한다.


이 경우 주유동의 분사 노즐의 확대비가 주요 변수이기도 하며 노즐 출구 면적과 2차 노즐의 면적비가 Fabric 초킹에 큰 영향을 미친다. 이젝터 시스템이 고정된 상태에서 주유동 노즐의 분사 압력을 점차적으로 높이면서 마하수와 챔버의 진공도를 Fig 7에서 볼 수 있다.

분사압이 400kPa에서는 분사된 유동이 벽면에 닿지 않고 흐르는 것을 볼 수 있다. 분사 압력이 500 kPa 높아짐에 따라 주유동은 벽면과 접촉하면서 흐르는 것을 볼 수 있다. 이때 압력 증가에 따른 챔버의 진공도를 보면 500 kPa에서 진공도가 높으며, 이후 다시 진공도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 주 유동의 배기 유동이 확대 팽창하면서 벽면에서 충돌하면서 손실이 발생하게 Fabric 초킹에서 공력 면적이 줄어들기 때문이며, 챔버의 진공 압력 저하는 주 유동이 벽면에 닿지 않는 경우에 비해서는 높은 것을 확인할 수 있다. 2차 노즐의 혼합 목 길이는 상업용 이젝터에서는 다소 짧은 경우가 성능이 높지만 이 경우에는 혼합 목 길이는 길어질수록 흡입 압력 성능이 좋아진다.

그 이유는 앞서 이젝터 이론식에서 혼합 목 출구에서 수직 충격파가 형성되어 초음속이 아음속이 되어야 된다고 했으며, 그 이유로 혼합 목 길이가 길어지면서 초음속 유동이 아음속이 되면서 압력이 대기압으로 회복되기 때문이다. 초음속 유동이 아음속으로 바뀌는 길이까지 진공 특성이 향상되며 이후 늘어난 길이는 진공 특성에 영향을 주지 않는다.

저자의 경우 향후 개발할 고성능 우주 발사체 고고도 모사 시험 설비로 이젝터-디퓨저 설비를 설계 제작하고 있다. 이젝터의 기본 형상은 1차 식으로 잘 정리되어 있어 2차 노즐 목 설계는 해석 코드를 작성하여 기본 형상 개발이 가능하다. 하지만 이젝터는 주유동 압력/부유동 압력, 주유동 유량/부유동 유량, 2차 노즐목 면적/길이, 주유동 노즐의 위치 등에 의해 진공 특성, 흡입 유량이 바뀌기 때문에 수치해석을 통해 각 경우에 대한 개별 성능 확인이 필요하다.

해석 경험을 통해서는 주유동에서 분사된 유동이 2차 노즐 목의 벽면과 충돌을 하여 2차 노즐 후단에서 유동 박리가 되어 아음속이 되는 게 최적 설계로 판단이 된다. 하지만 시험용 로켓 노즐의 특성, 주유동 공급 시험 설비의 제작 제한, 냉각 시스템 등 실제 운용적인 측면을 고려해야 하기 때문에 수치해석이나 실험실 내에서 수행되는 제한된 실험에 비해 여러가지 생각 외 변수들이 존재한다.
 

러시아, 유럽, 일본, 미국 등 우주항공 시험설비에서는 고성능 상단 로켓 엔진 개발을 위해 이미 60년대 이전부터 사용하고 있다. 단일 이젝터부터 2중 이젝터, 병렬 이젝터를 사용하여 시험이 되고 있으며, 이 중에서는 지금까지 사용되고 있는 설비도 있으며 이젝터의 성능 문제로 중도에 중단되어 사용되지 않는 설비도 있다.

그 만큼 쉬운 것 같으면서도 복잡한 변수가 존재하는게 이젝터 시스템이기도 하다. 국내에서는 대학원에서 축소형 이젝터에 대한 실험 및 수치 해석이 진행되고 있다. 누리호 발사 이후 고성능 상당 엔진 개발과 재사용 엔진 개발을 위해 이젝터 시스템이 연구 개발되고 있으며, 아직까지 실제 시험에서는 사용되지 못하고 있다. 이젝터는 로켓 엔진의 진공 모사용으로 사용되기도 하며 시험설비에서도 일부 사용되고 있다.
 

앞서 이젝터는 공조기용으로 사용되고 있다고 언급한 것처럼 추진제 저장 설비에서 발생하는 증기를 제거하거나 잔존 가스를 배기하기 위해 이젝터를 사용하기도 한다. 이 경우 형상은 매우 단순하며 성능적인 면에서는 민감한 부분이 없기에 원통 배관에 고압의 공기 가스 배출하면 부유동으로 유증기나 잔존 가스가 배출이 된다.

이젝터는 여러 산업 분야에서 사용되고 있고 이론적 해석과 형상 제작 등 아직까지 연구 개발되고 있는 분야이다. 수치해석, 형상 설계, 실험의 경우 대학원 연구실에서도 충분히 접근 가능한 분야로써 관심을 가지고 접근한다면 재미난 논문 주제일 것이다.