진공펌프의 종류 및 원리

[대한에어컨협회]

7. 진공 펌프의 원리

이와 같이 진공펌프의 종류가 여러 가지로 구분되고 있는 것은, 각 펌프의 작동 원리가 서로 다르고, 이에 따라 펌프의 최대 진공도 및 쓰이는 용도가 각기 다르기 때문입니다.

진공펌프를 종류 별로 상세히 설명하기 위해서는 각 종류마다 한 권 씩 책을 써도 모자랄 정도로 많은 지면이 요구되고, 또 유체공학 및 기계공학적인 전문 지시기 없이는 이해하기 함든 면이 많으므로, 여기서는 상세한 기술은 피하기로하고, 각 펌프의 기본 작동 원리만 간략 하게 설명한 다음 중요한 특성만을 열거해 보기로 하겠습니다.

1. 로타리 베인 펌프

일반적으로 가장 많이 쓰이는 진공펌프로, 기본 원리는 옆의 그림과같습니다. 그림에서 보면 내부 구조가 로타 베인 및 실린더로 되어 있는데, 로타의 중심과실린더의 중심은 편심되어 있습니다

베인은 스프링 또는 원심력에 의해서 실린더 내면에 밀작된 상태로 돌아가게 되는데, 이때 베인과 베인 사이에 공간이 새기게 되고, 이 공간은 로타의 회전에 따라 용적이 달라지게 됩니다.

한쪽 베인이 흡기부를 지나면서 공간의 용적은 점차 커지게 되고 ,다음베인이 흡기부 끝단을 통과할 때 공간용적은 최대가 됩니다. 이렇게 하여 흡기부로부터 빨아들인 공기는 다음 단계에서 압축이 되고 이것이 배기부를 지나면서 배출이 되는 것입니다.

로타리 베인 펌프의 최대 진공도는 1+10Torr정도의 영역에 그치고 있으나, 루츠펌프 및 확산펌프와 연결되어 고진공이 요구되는 공정에도 다양하게 쓰이고 있으므로, 오늘날 산업 전반에 걸쳐 가장 널리 쓰이고 있고 기종이라 할 수 있습니다.

2.로타리 피스톤 펌프

흔히"키니펌프"라 불리어지고 있는 펌프로서 기본 작동 원리는 옆의 그림과 같습니다.

실린더의 중심과 편심이 되어있는 로타가 실린더의 축을 중심 으로 캠운동을 하고 있고, 피스톤이 로타의 표면에 밀착된 상태로 왕복운동을 하면서 실린더가 두 개의 공간으로 분할됩니다. 이 공간의 용적이 로타의 회전에 따라 수축, 확장을 반복하면서 공기를 흡입한 후 이를 다시 압축시켜 배출하는 것입니다.

로타리 피스톤 펌프의 최대 진공도도 로타리 베인펌프와 거의 비슷하나, 회전수가 동일한 경우 로타리 베인 타입 보다 흡입주기가 길게 되어 진공 발생의 진동이 크게 되는 단점이 있습니다. 그러나 로타의 밀봉 작용이 베인의 경우보다 좋으므로, 수분이나 먼지등에 의한 진공도 저하가 적어 흡기 상태가 악조건인 경우에도 우수한 성능을 발휘 합니다.

 

3. 로타리 기어펌프

로타리 엔진 의 원리를 응용한 진공펌프로, 기본원리는 다음과 같습니다.

즉, 옆의 그림과 같이, 원형실린더 안에 타원형의 로타가실더 중심축의기어를 따라 캠형 기어운동을 함으로써, 실린더를 두 개의 공간으로분할하고, 이 공간이 로타의 회전과 함께 수축, 확장되면서 공기를 흡입한 후 이를 다시 압축시켜 배출하는 것입니다.

이 펌프의 특성도 로타리 피스톤 타입의 펌프와대동소이 합니다.

4. 피스톤 펌프

자동차의 피스톤 엔진과 동일한 원리로 작동되는 펌프로서, 기본 구조는 자동차 엔진의 그것과 동일합니다.

최대 진공도는100Torr 정도로 그다지 높지 않으나. 다단식으로 직렬 연결한 경우 10Torr까지도 낼수 있응?니다. 회전운동을 하는 진공 펌프에 비해 진동이 크고 동력 손실이 많으며, 동일한 용량의 로타리 베인 펌프에 배해 구동 동력이 큽니다.

5.다이아 후렘 펌프

이 펌프의 기본 원리는 얇은 판막을 진동시켜 밀폐된 공간의 용적을 수축 ,확장 시킴으로써 공기를 흡입또는 배출시키는 것입니다. 이 타입은 판막이 견뎌내는 압력 차이에 한계가 있으므로, 주로 저진공용 소형 펌프로 쓰이고 있습니다.

6. 루츠 펌프

루츠 펌프는 두 개의 리본모양의 회전 로타가 쌍을 이루며 회전함으로써 공기를 함입하여 배기시키는 것입니다. 주로 저진공, 중진공영역에서 많이 쓰이며, 용량이 대용량이므로 다량의 공기를 배기시키는데 유희합니다.

특히1Torr부터 10Torr 의 영역에서 대용량의 배기능력을 가지고 있으므로, 식품의 동결건조 공정등에서 우수한 성능을 발휘합니다. 그러나 배기부가 대기압인 경우 배기 능력을 상실하므로, 로타리 베인 펌프등 다른 보조펌프와 연결하여 사용되고 있습니다.

7. 수봉식 펌프

이 펌프는 여러개의 날개를 가진 회전익과 실린더로 구성되어 있습니다. 임펠라는 실린더와 편심되어 회전을 하는데, 이때실린더 안의 액체는 임펠라에 의해 회전력을 부여 받아 회전을 하게되고, 여기서 오는 원심력으로 액체가 실린더 벽면에 달라 붙어 원형의 고리를 형성하게 됩니다. 따라서 임펠?라와 액체고리 사이에는 임펠라의 편심 차이에서 오는 초생달 모양의 공간이 생기게 되고, 이것이 로타리 베인 펌프에서와 같은 원리로 공기를 뽑아내게 되는 것입니다

수봉식 펌프는 실린더 내에 액체가 차 있는 상태에서 작동하므로, 흡입되는 공기에 부식성 가스나 다량의 수분이 함유 되어 있는 공정에 많이 쓰이고 있습니다. 그러나 실린더안으 액체의 온도에 따라 진공도가 달라지고, 급수 및 폐수처리를 위해 부대 시설을 갖추어야 하는 등의 단점이있고, 도달 진공도도 만족스럽지 못한 경우가 많아 최근 들어서는 배출 급유식 로타리 베인 펌프로 대체되고 있는 추세입니다.

8. 터보 분자 펌프

이 펌프는 공기 입자성에 근거를 두고, 일정한 각도를 가지고 고속으로 회전을 하는 많은 날개를 가진 ?회전자 와 그사이에 있는 고정자를 써서, 공기의 입자운동에 일정한 방향성을 부여함으로써 공기를 배출시키는 것입니다.

터보 분자 펌프는 10Torr이하의 고진공 영역에서 일정한 배기량을 유지하므로, 고진공이 지속적으로 요구되는 전자 현미경이나 각종 반도체 생산 및 실험실 장비등에 많이 쓰이고 있습니다. 그러나 중.저진공 영역에서는 배기량이 저하되므로 로타리 베인 펌프등의 보조펌프와 함께 사용되고 있는 것이 일반적입니다.

9.확산펌프

확산펌프는 액체(일반적으로 확산유)를 가열하여 증발시킨 다음, 이를 노즐을 통해 고속으로 분사시킴으로써, 이때 충돌하는 공기입자를 아래로 끌어 내려 보조펌프(일반적으로 로타리 베인 펌프)를 통해 배출시키는 것입니다.

이 기종의 펌프들은 대체로 구조가 간단하고 기계적인 운동을 하지 않으므로 사용이 간편하여, 고진공을 얻는데많이 사용되고 있습니다. 그러나 다른 고진공용 펌프와 마찬가지로 반드시 보조펌프를 써야만 합니다.

10. 이젝타 펌프

이젝타 펌프는 가스나 액체(일반적으로 스팀을 많이 사용)를 고압으로 노즐을 통해 분사시켜, 음속을 초과하는 가속도를 갇게한 다음, 분사되는 가스나 액체와 함께 공기를 확산기 안으로 끄러들여 배출시키는 것입니다.

이러한 기종들은 흡입되는 공기안에 함유된 가스에 큰 영향을 받지 않으므로, 주로 화학 반응기등에 많이 사용되고 있습니다. 그러나 도달 진공도가 100Torr안밖으로 저진공이어서,여러대의 이젝타를 직렬로 연결하여 사용하는 경우가 많읍니다.이때 소모되는 스팀의 양이 막대하므로 유지비용이 많이드는 단점이있습니다.

11. 흡착펌프

흡착펌프는 활성화된 흡착제를 저온으로 냉각된 용기안에 넣어, 여기에 기체 분자를 흡착시켜 진공상태를 만드는 펌프입니다. 따라서 펌프의 용량이 흡착 제가 빨아들일 수 있는 기체의 량으로 한정이 되므로 단속적인 공저을 갖습니다.

12. 이온펌프

이온펌프는 기체를 양이온화하여, 음전하를 띠고있는 전극판쪽으로 가속시킴으로써 배기를 시키는 펌프입니다. 이러한 펌프들은 진공이 미리10Torr정도 걸려있는 소형 용기에 고진공을 걸? 사용됩니다. 펌프의 용량을 증대시키기 위해 이온 펌프를 흡착펌프나 게터펌프와 같이 연결하여 사용하기도 합니다.

13. 게터펌프

게터펌프는 사실상 펌프라기 보다는 가스 제거제라고 하는 펀이 좋을 것입니다.

예를 들어 전구 안을 진공으로 만든 후 전구를 사용하게 되어, 이것이 점차 전구안의 진공도를 저하시키게 됩니다. 이러한 현상을 막기 위해 전구 안에 화학적으로 활성화된 물질을 넣어두면, 이것이 방사되어 발생되는 가스를 흡착하여 제거하게 됩니다. 이러한 것을 게터링이라하며, 이? 사용되는 물질을 게터라고합니다.

14. 승화펌프

승화펌프의 기본원리는 게터펌프와 동일합니다. 단지 여기서는 흡착물질로 티타늄의 얇은 판막을 형성하게 함으로써, 여기에 가스 입자를 흡착시켜 진공을 발생시키는 것입니다.

15. 저온 냉각 펌프

저온 냉각 펌프는 120K이하의 극저온 상태에서 기체를 응결시키거나 응결체 안에 가두어 둠으로써 진공 상태를 발생시키는 장치입니다. 냉각 매체로는 주로 액화질소나 액화헬륨을 사용하는데, 초고진공 영역에서 배속도가 매우 크므로, 우주선 실험등 여러 분야에서 높은 진공도를 얻는데 많이 쓰이고 있습니다.