필수 압기 하세요~

[베로니카]

진공펌프의 기초이론 

1. 토리첼리의 실험  

1643년 이탈리아의 물리학자 토리첼리는 유리관과 수은을 사용하여 다음과 같은 실험을 하였습니다. 즉, 단면적1cm인 한쪽 끝이 막힌 길이 1m의 유리관 안에 수은을 가득 채운 다음, 수은이 담긴 그릇 안에 거꾸로 세우면, 유리관 안의 수은주는 그릇에 담겨 있는 수은의 표면으로부터 76cm의 높이를 항상 유지 하게 된다는 것입니다.  

이때 유리관 윗 쪽에는 진공상태가 되는데 이를"토리첼리 진공" 이라 합니다.  

유리관 안의 수은주가 76cm가 되는 것은 수은주의 무게가 그릇에 담긴 수은의 표면에 작용하는 대기의 압력과 균형을 이루기 때문입니다. 이 실험으로 대기압(1기압)은 높이 76cm의 수은주 무게와 같다는 사실이 발견되었으며, 이는 오늘날 진공의 측정 단위에 있어서도 기초적인 개념이 되고 있습니다.  

우리가 흔히 사용하는 진공도의 단위인 토르(Torr)는 토리첼리의 머리 글자를 딴 것이며, 대기압 상태를 표시하는 760Torr나 760mmHg,76cmHg 등도 모두 토리첼리의 실험에서 나타나는 수은주의 길이를 이용 한 대기압의 표시인 것입니다.  

 

2. 진공도의 단위                                       한국공업규격(KS)에서는 진공도의 단위로 Torr와 Pa를 규정하고 있으나, 일반적으로 Torr가 널리 사용되고 있습니다. Torr는 mmHg 와 동일한 단위이며, cmHg도 단지 mm를 cm로 표시한 것으로 같은 개념입니다. 그러나 독일공업규격(DIN)에서는 mbar를 사용하고 있는데, 이는 대기압을 C,G,S단위 표시인 dyne으로 나타내는 것으로, 1mbar는 1cm에 대하여 1000dyne의 힘이 작용하는 압력을 나타냅니다. 이를 좀더 쉽게 이해하기 위하여 대기압을 우선g으로 나타내보면,              1기압은=76cmHg 76cm인 수은주의 부피=1cm(수은주의 단면적)+76cm=76cc                       76cc+13.6(수은의 비중)+1033.6g이 되고,                                         1g=980dyne으므로 1033.6g+980dyne=1012928dyne=1013.3mbar                                                  즉, 1기압=1013.3mbar가 되는 것입니다.                                                       그밖에 종종 쓰이는 진공도의 단위로는 inHg와%가 있습니다. inHg는 수은주의 길이를         단지 inch로 표시한 것에 불과하며, %는 완전진공 상태를 가정하여 100% 진공으로 보고, 대기상태를 0% 진공으로 하여 진공도를 표시하는 것입니다.                                                                그 외에도 bar,Psi,lbf in, inHO,mmHO등이 있습니다. 

3. 절대 진공도와 게이지 상의 진공도                                진공도 단위를 사용함에 있어서 자주 혼동을 일으키는 것이 절대 진공도와 게이지상의 진공도입니다. 게이지상의 진공도는 절대 진공도와는 역으로 대기압을0으로 놓고 완전진공을 760mmHg또는 76cmHg로 표시하는 것으로, 일부 부르동 게이지의 눈금이 관념상 또는 계산상의 편의를 위해 이와 같이 표기한데서 비롯되고 있습니다.  

이제부터 우리는 진공도 단위를 Torr Abs(토르로 표시된 절대진공도)로 통일하여 사용하기로 하고, 단순히Torr라고만 표시된 경우에도 Torr Abs.를 나타태는 것으로 하겠습니다. 그이외의 다른 진공도 단위에 대해서는 아래의 환산표를 사용하면 Torr Abs. 로 쉽게 환산할수 있습니다.             

진공단위 환산표  

	Torr Abs.	mbar	%
mmHg	X 1       =	X 1.333  =	X 0.1316 =
cmHg	X 10      =	X 13.33  =	X 1.316  =
inHg	X 25.4   =	X 33.86  =	X 3.3426 =
mbar	X 0.75   =	X 1        =	X 0.0987 =
%	X 7.6     =	X 10.13  =	X 1         =
Pa	X .0075  =	X 0.01   =	X 0.001   =
Psi	X 51.71 =	X 6.805 =	X 6.805   =

4. 진공펌프의 용량 단위  

진공펌프의 용량을 나타내는 단위는 여러 가지가 있으나, 우리나라에서는 일반적으로l/min가 사용되고 있습니다.  그러나 M/Hr(Cubie Meter per Hour=CMH)나 FT/min(Cubic Feet per /Minute=CFM)등도 간혹 쓰이고 있으므로 다음의 환산표를 이용하면 사용하는 단위로 쉽게 환산할 수 있습니다. 

	L/min	M3/Hr	ft3/min
L/min	X 1          =	X 0.06  =	X 0.0353 =
L/Hr	X 0.0167  =	X 0.001 =	X 0.006 =
ft3/min	X  28.32   =	X 1.70  =	X  1      =
M3 /Hr	X 16.67    =	X  1      =	X 0.589  =

5. 진공도에 따른 진공 영역의 구분  

진공영역은 진공도에 따라 아래의 표와 같이 몇 가지로 구분되어 불리어지고 있습니다. 진공영역을 이 같이 구분하는 이유는 각 진공 영역에 따라 적용되는 공정이 달라지고, 펌프의 기종 또한 다르게 되기 때문이다. 진공 영역별로 구분되는 공정 및 펌프의 기종은 아래의 표와 같습니다 . 

진공 영역		진공도 범위	적용되는 공정	진공펌프의 기종
저진공   Rough Vacuum		대기압-1Torr	진공흡착이송 ,인쇄기자동급지 ,진공 농축 반응기, 분말 충진 , 진공성형  ,진공포장	건식 로타리 베인 펌프, 급유식 로타리 베인 펌프, 수봉식 펌프, 스팀 이젝타, 냉매 가스주입용
중진공   Fine Vacuum		1Torr-10-3 Torr	진공건조, 탈기장치, 진공함침 진공증류 , 진공소결	다단식 로타리 베인 펌프, 다단식 스팀 이젝타 , 루츠펌프 피스톤 펌프, 확산 펌프
고진공  High Vacuum		10-3Torr-10-7 Torr	진공코팅, 진공 동결 건조, 진공 합금 , 신소재합금	확산펌프, 터보 분자 펌프, 흡착펌프, 저온 냉각 펌프, 승화펌프
초고진공 Ultrahigh Vacuum		10-7Torr 이하	원자핵 연구장치 ,전자 현미경 Plasma발생기, 물리 실험 장치	터보 분자 펌프, 저온 냉각펌프, 흡착 펌프

6. 진공펌프의 종류 

각기 다른 진공 영역에 따라 진공을 발생시키는 진공펌프의 종류가 다르게 된다는 것은 위에서 나타난 바와 같습니다. 진공펌프의 종류를 좀더 상세히 도식적으로 구분해 보면 아래와 같습니다.  

·건식 로타리 베인 펌프  (DRY-RUNNING ROTARY VANE PUMP)  

·만유식 로타리 베인 펌프 (OIL FLOODED ROTARY VANE PUMP)  

·순환 급유식 로타리베인 펌프 (OIL CIRCULATED INJECRED ROTARY VANE PUMP)  

·배출 급유식 로타리 베인 펌프 (ONCE -THROUGH OIL INJECTED ROTARY VANE PUMP)  

·로타리 피스톤 펌프 (ROTARY PISTON PUMP)  

·로타리 기어 펌프 (ROTARY GEAR PUMP)  

·피스톤 펌프 (PISTON PUMP)  

·다이아후렘펌프 (DIAPHRAM PUMP)  

·루츠 펌프 (ROOTS PUMP)  

·수봉식 펌프 (LIQUID RING PUMP)  

·터보 분자 펌프 (TURBO MOLECULAR PUMP)  

·확산 펌프 (DIFFUSION PUMP)  

·이젝타펌프 (STEAM EJECTOR/GAS EJECROR)  

·흡착 펌프 (ABSORPTION PUMP)  

·이 온 펌프 ( ION PUMP)  

·게터 펌프 (GETTER PUMP)  

·승화펌프 (SUBLIMATION PUMP)  

·저온 펌프 (CRYO PUMP)  

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 그림과 같습니다. 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, 아래의 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 펌프와 대동소이 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 실린더 안의 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 얻는데 많이 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 제거장치라고 하는 편이 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.  

 

8.진공펌프의 최대 진공도  

위에서 각기 다른 특성을 가진 여러 가지 종류의 진공펌프가 각 공정이 요구하고 있는 조건에 맞추어 서로 다르게 쓰여질 수 있음을 살펴보았습니다. 그러나 일반적으로 생산 공정에서 가장 많이 쓰이고 있는 것은 무엇보다도 로타리 베인 펌프일 것입니다. 그래서 이제부터는 로타리 베인 펌프를 중심으로, 실제로 펌프를 선정하고 관리하는데 유용하게 쓰일 수 있는 몇가지 사항들을 검토해 보기로 하겠습니다.  

진공펌프를 생각할 때 가장 먼저 떠오르는 것은 그 펌프가 과연 어느 정도의 진공도를 낼수 있을 까 하는 것일 것입니다. 진공펌프가 도달할수 있는 최대의 진공도를 그펌프의 최대 진공도라 합니다. 최대 진공도는 펌프의 내부적인 설계구조에 의해서 결정되며, 펌프를 아무리 오래 가동시킨다 해도 그 이상의 진공도에 도달할 수 없습니다. 펌프의 최대 진공도를 결정하는 주요 요인으로는  

  ① 로타와 실린더 사이의간극  

  ② 베인의수  

  ③ 로타의 회전수  

  ④ 오일의 점도  

  ⑤ 로타와 베인 사이의 간극  

  ⑥ 로타와 실린더  

  ⑦ 로타의 재질 및 실린더의 재질  

  ⑧ 로타와 베인 그리고 실린더의 가공정도  

  ⑨ 베인과 실린더의 밀착 정도  

  ⑩ 흡기부와 배기부의 밸브의 유무 등이 있습니다.  

우리가 흔히 생각할 때 최대 진공도가 높을수록 성능이 우수한 펌프로 생각하기 쉽습니다. 심지어는 진공펌프를 판매하는 사람들조차도 펌프의 최대 진공도를 실제보다 높여 말하여 성능의 우수성을 입증하려는 경우가 많이 있습니다.  

이것은 최대 진공도가 높은 펌프는 저진공 영역에서부터 그 펌프의 최대 진공도까지 사용될수 있다고 하는 생각, 다시 말하여 최대 진공도가 높은 펌프일수록 적용될 수 있는 영역이 그 만큼 넓을 것이라는 잘못된 생각에서 기인하고 있습니다.  

각 진공펌프는 그 펌프가 가지고 있는 최대 진공도에 따라 적용될 수 있는 영역의 한계가 있습니다. 옆의 표에서 보면 각기 다른 최대 진공도를 갖는 펌프의 사용 가능한 진공영역이 각기 다르게 나타나고 있습니다.  

예를 들어 최대 진공도가 5+10Torr인 진공펌프는 사용 가능영역이 5Torr에서 5+10Torr까지로 되어 있습니다 만약5*10Torr의 최대 진공도를 갖는 펌프를 저진공 영역인 50Torr에서 장시간 가동시켰을 경우 어떤 현상이 발생할 것인지는 쉽게 생각해 볼수 있습니다.  

우선 흡입되는 공기량이 많으므로 펌프 내부에서 압축되는 공기량이 많게되고, 이로 인해 압축열이 지속적으로 발생하여 펌프가 과열될 것입니다. 뿐만아니라, 배출 공기의양도 많게 되어 유연이 다량으로 발생하게 됩니다. 구동 모타는 모타대로 다량의 공기를 압축시켜 배출시키기 위해 많은 부하를 받게 될 것입니다.  

따라서 저진공이 요구되는 공정에는 다량의 공기를 장시간 뽑아낼수 있도록 설계된 펌프를 사용해야 합니다. 이러한 펌프들은 다량의 공기를 배출시키기 때문에, 오일을 소량씩 주입시켜 배출 공기에 섞여나오는 유연을 줄이고, 베인의 수를 늘려 Cell의 용적을 작게 함으로써 압축비를 줄여야 하며, 충분한 힘을 낼수 있는 구동 모타를 써서 모타의 과부하를 방지해야 합니다. 그러므로 최대진공도가 높은 펌프보다는 오히려 낮은 펌프가 더 성능이 우수해야 하고 구조적으로 복잡해지게 됩니다.  

실제로 인쇄기의 급지용에는 오일을 전혀 사용하지 않는 멀티 베인타입의 건식 진공펌프가 많이 쓰이고 있습니다. 그 이유는 이 공정이 요구하는 진공도가 400Torr의 저진공이어서 유입되는 공기량이 많아, 유연을 줄이고 압축비를 줄이기 위해서입니다.  

9. 진공펌프의 용량  

최대진공도 다음으로 중요시되는 요소가 펌프의 배기량입니다. 펌프의 배기량을 생각할 때 유의해야 할 점은, 표시된 용량이 단지 흡기부가 대기압 상태일 때 그 펌프가 뽑아낼수 있는 공기의 양이라는 점입니다. 예를 들어, 400l/min라 표시된 펌프가 있다고 할 때, 이 펌프는 흡기부를 완전히 열어 놓아야만 1분에 400리터의 공기를 뽑아낼 수 있는 것입니다. 만약 이 펌프를 밀폐된 용기에 연결시킨다면 상황은 전혀 달라지게 됩니다. 즉, 펌프를 가동시킴과 동시에 용기안의 공기가 빠져 나가게 되고, 그 안에 진공이 걸리게 됩니다. 흡기부에 진공이 걸리게 되면 당연히 펌프의 용량은 점점 줄어들게 됩니다.  

따라서 용량이 400l/min로 표시된 펌프를 사용하면 용량이 400l인 ,용기를 1 분 만에 그 펌프의 최대 진공도까지 도달하게 할 수 있다는 생각은 크게 잘못된 것입니다.  

용기 안의 진공도가 달라짐에 따라 펌프의 배기 용량이 줄어드는 것을 나타낸 것이 펌프의 성능 곡선입니다.  

성능곡선에서 보면 펌프의 가동 직후 용기안에 진공이 걸리면서 펌프의 배기능력은 점차 줄어들어, 최대진공도에 도달하면 배기능력이 0이 됩니다.  

옆의 그림에서 펌프의 최대 진공도1Torr에 도달하기 까지 펌프가 뽑아내는 총 배기량은 성능곡선의 적분치에 해당합니다.  

 

10. 진공펌프의 윤활방식 

오일을 사용하는 진공펌프에서 윤활유는 대체로 다음과 같은 기능을 가지고 있습니다.  

  1) 윤활작용  

  2) 밀봉작용  

  3) 냉각작용  

윤활유가 윤활작용을 하고 밀봉작용을 한다는 것은 쉽게 이해가 가지만, 냉각작용까지 한다는 것은 언뜻 보아 쉽게 이해가 가지만, 냉각작용까지 한다는 것은 언뜻 보아 쉽게 이해가 가지않을 수도 있습니다.  

그러나 진공펌프에 있어서는 기본적으로 흡입된 공기를 배출시키기 전에 먼저 압축을 시키게 되므로 압축열이 많이 발생하게 됩니다. 이러한 열을 윤활유가 실린더 안을 통과하면서 밖으로 이동시켜 발산시키는 것입니다.  

윤활방식은 대체로 다음의 네가지로 구분되고 있습니다 

 ① 건식  

이 방식은 윤활유를 사용하지 않는 대신 카본 베인을 사용함으로써, 카본이 가지고 있는 자체적인 윤활성을 이용하는 것입니다.  

② 만유식  

이 방식은 오일탱크와 실린더 안의 압력 차이에 의해 윤활유가 자동적으로 실린더 내로 빨려 들어가게 하는 방식으로서, 실린더 안으로 빨려 들어간 윤활유가 배출되는 공기와 함께 배출구를 통해서 밖으로 빠져나와, 배기 휠터를 통과하면서 공기와 분리되어 오일 탱크로 들어간 다음, 다시 실린더 안으로 유입되는 방식입니다.  

주로 배기가스의 양이 많지 않은 고진공 펌프에 적용되고 있는데, 만약 이러한 윤활방식을 가진 펌프를 저진공 영역에서 사용하게 되면 유연이 다량으로 발생하게 됩니다. 그리고 한번 주입된 오일은 펌프 내에서 계속 순환을 하게 되므로, 아세톤등의 용제나 부식성 가스, 또는 다량의 수분이 유입되게 되면 펌프에 치명적인 손상을 가져오게 됩니다.  

 

③ 순환 급유식  

이방식은 윤활유를 정량펌프로 소량씩 일정하게 실린더 내로 주입시킨다는 점에서 만유식과 차이가 있습니다.  

주입된 오일이 배기부를 빠져나와 배기 휠타를 거쳐 공기와 분리된 후, 다시 오일 탱크로 들어가 실린더 안으로 주입되는 것은 만유식과 다를 바 없습니다.  

오일이 정량 펌프로 소량뎣 주입되므로, 저진공 영역에서도 유연을 발생시키지 않아, 주로 저진공용 펌프에 적용되고 있는 윤활방식입니다. 그러나 한번 주입된 오일이 펌프 내부에서 계속 순환을 하게 되므로, 용제나 수분등에 의한 영향은 만유식과 다를 바 없이 펌프의 수명에 치명적입니다. 

 

④ 배출 급유식  

이 방식은 윤활유를 정량펌프로 소량씩 일정하게 실린더 내로 주입시키는 점이 순환 급유식과 같으나, 한번 실린더로 주입된 오일이 배기부를 빠져나가 오일 탱크로 다시 돌아오지 않고 그대로 배출된다는 점에서 차이가 있습니다. 배출된 오일은 폐기 처분하게 되므로 이 방식을 오일 소모식이라 부르기도 합니다.  

이러한 방식에서는 윤활유의 기능이 위에서 언급한 세가지 기능 외에도 실린더 내의 불순물이나 응결물을 배출시키는 기능도 겸하게 됩니다. 따라서 아세톤 등의 용제나 부식성 가스 또는 수분의 유입에 대해서 펌프를 보호하고 기능을 유지시켜 주므로, 화학공정 등에서 기존의 수봉식 펌프나 스팀 이젝터가 갖는 단점을 보완할 수 있어서 이들에 대한 대체 펌프로 쓰이고 있습니다.  

 

11. 진공펌프의 냉각방식  

진공펌프에 있어서 실린더 내로 유입되는 공기는 압축된 상태에서 배출이 된다는 것은 이미 앞에서 설명한 바와 같습니다. 이때 공기의 압축에서 오는 압축열이 발생하게 되고, 이 열은 오일과 실린더 몸체를 통해 밖으로 발산되게 됩니다. 압축열 외에도 로타와 실린더, 그리고 베인과 실린더 사이의 마찰열도 생기게 되는데, 이러한 열은 공기의 내압을 높이게 되고 오일의 점도를 떨어뜨려, 윤활 및 밀봉 기능을 약화시키므로 펌프에 무리를 주게 됩니다. 따라서 펌프의 효율적인 냉각 방식이 요구되게 되는 것입니다.  

펌프의 냉각방식으로는 크게 나누어 공냉식과 수냉식으로 구분할 수 있으나, 이를 좀더 세분해 보면 다음과 같습니다.  

  ① 표면 냉각식 ; 기본적으로는 공냉식이나, 실린더 표면의 냉각핀을 통해 발열시키는 방식입니다. 주로 소형 진공펌프에서 많이 볼 수 있는 방식입니다.  

  ② 이중벽 냉각 방식 ; 공냉식으로서, 실린더 외부의 냉각핀 위를 감싸는 벽을 설치하여 냉각의 효율을 높이는 방식입니다. 주로 중형 진공펌프에서 많이 쓰고 있는 방식입니다.  

  ③ 오일 쿨러형 ;  공냉식으로, 실린더를 냉각 시키는 것 외에 별도의 오일 쿨러를 설치하여 냉각의 효율을 한층 더 높이는 방식으로, 주로 대용량의 펌프에 쓰이고 있습니다.  

   ④ 순환 수냉식 ;  라디에터를 달아 그 안으로 냉각수를 순환시킴으로써 펌프를 냉각시키는 방식으로, 매우 효율적인 냉각효과를 얻을 수 있습니다.             펌프의 작동 온도를 일정하게 유지시킬 필요가 있는 경우에 채택하는 방식입니다.  

   ⑤ 배출 수냉식 ; 이 방식은 자연수를 급수 배관을 통해 지속적으로 공급함으로써 펌프를              냉각시키는 방식으로, 효율적인 냉각 효과를 거둘수는 있으나,       냉각의 효과가 전적으로 공급되는 물의 온도에 따라 좌우되는 단점이 있습니다.  

작업진공도 첵크  

* 작업상에서 요구되는 최적의 진공도 첵크 

펌프의 최대진공도 체크 

·펌프의 최대도달진공도 체크  

·최대 진공도에 따른 상용진공도 체크  

·작업 진공도가 상용진공도 범위 내에  들어 가는지 체크  

펌프의 기종 선택 

·작업진공도가 저진공이면 -건식 또는  급유식  

·작업진공도가 중진공이면 -만유식 또는 급유식  

·작업진공도가 고진공이면  -만유식  

흡입가스의 상태체크 

·유독성가스가 있으면 -배출 급유식, 수봉식, 또는 스팀 이젝타  

·수분이 소량 있으면 - 배출 결유식 또는 가스 발라스트가 있는 오일 순환식 유  

·수분이 다량 있으면 - 배출 급유식 또는 수봉식  

·먼지가 많으면 - 휠타 사용  

 12. 진공펌프의 선정  

위에서 설명한 바와 같이 여러 가지 종류의 진공펌프가 각기 다른 특성과 성능을 가지고 있으므로, 어떠한 공정에 어떤 종류의 진공펌프를 사용 하느냐 하는 것은 매우 중요한 문제입니다. 공저에 적합한 진공펌프를 선정한다는 것은 곧 제품의 품질과 작업의 효율성에 직결되는 일일 뿐만 아니라, 펌프의 수명에도 영향을 미치기 때문입니다. 공정에 알맞는 진공펌프를 선정하는 방법으로 다음의 순서를 따라 하나씩 체크해 나가는 방법이 추천할 만 합니다. 

체크 포인트1 : 작업 진공도  

각 공정에서 요구되는 진공도를 체크 합니다. 예를 들어, 인쇄기 급지용에서 지질이 얇은 경우는400Torr, 지질이 두꺼운 경우는300Torr의 진공도가 요구되며, 의약품의 진공동결건조에서는 10Torr의 진공도가 요구됩니다. 이와 같이 각 공정마다 원활한 작업을 위해 요구되는 최적의 진공도가 있게 되는데, 이것을 체크하는 것이 쉽지 않습니다.  

먼저 공정에 관한 상세한 데이터를 가지고 진공 기술 전문가와 상의를 해보면 정확한 작업 진공도를 알아낼 수 있을 것입니다 

체크 포인트2 : 펌프의 최대 진공도  

위에서 체크한 작업 진공도를 가지고, 이러한 작업 진공도를 무리없이 도달해 낼 수 있는 펌프의 최대 진공도를 체크합니다. 여기서 유의할 점은 각 펌프마다 최대 도달진공도가 있고, 이에 따라 그 펌프가 적용 될 수 있는 진공 영역에 한계가 있다는 점입니다.(8.진공펌프의 최대 진공도 참조) 위에서 체크한 작업 진공도가 이 영역 안에 들어가 있어야 하는 것은 두말 할 나위 없습니다.  

최대 진공도가 어느 정도 되어야 작업 진공도를 "무리없이"도달해 낼수 있느냐 하는 것은 작업상태나 여건에 따라 다르나, 일반적으로 최대 진공도가 작업 진공도 보다 20%정도 더 낮은 것이 적당합니다. 예를 들어 요구되는 작업 진공도가 10Torr라면 최대 진공도가 8Torr인 펌프를 사용하는 것입니다.  

체크 포인트3 : 펌프의 기종선택  

결정된 최대 진공도를 갖는 펌프의 기종을 골라봅니다.                                  예를 들어, 작업 진공도가 100Torr이고, 이에 따라 최대 진공도가 100*0.8=80Torr로 결정되면 다음과 같은 펌프의 기종들을 고려해 볼수 있습니다.  

·건식 진공펌프: 대체로 이 기종들의 최대 진공도가 110Torr안팎이므로 적합치 않습니다.  

·만유식 진공펌프 : 이기종들은 최대 진공도가 1Torr이하이므로 적합치 않습니다. 더구나 만유식은 오일이 항상 실린더 내에 차 있으므로,100Torr정도에서 가동시킬 경우 다량의 유연이 발생하게 됩니다.  

·주입식 진공 펌프 : 오일이 소량씩 정량 주입되므로 80Torr정도의 저진공 영역에서 유연을 발생시키지 않고 무리없이 작동할 수 있으므로 가장 적합합니다.  

체크 포인트 4: 흡입되는 가스의 상태  

펌프안으로 흡입되는 공기중에 포함된 가스나 먼지의 상태를 점검해 봅니다.  

·아세톤등의 용제가 포함된 경우: 오일 순환식을 쓰면 흡입되는 용해성 가스에 의해 오일이 용해되어 윤활성이 떨어지므로 위험합니다. 이런 경우는 배출 급유식이나 수봉식 펌프, 또는 스팀 이젝터 등이 적합합니다.  

·수분이 다량 포함된 경우: 배출 급유식이나 수봉식 펌프가 적합합니다.  

·부식성 가스나 폭발성 가스가 포함된 경우: 루츠펌프나 배출 급유식 또는 스팀 이젝터 등이 적합합니다.  

·다량의 번지가 포함된 경우: 펌프 앞에 휠타를 달아 먼지를 제거하게 되면 펌프에 영향을 주지 않습니다.  

체크 포인트5: 펌프 용량의 계산  

공정에 알맞는 진공펌프의 용량을 계산하는 것 역시 가장 중요한 일 중의 하나입니다.  

용량을 산출하는 방법은 다음과 같습니다.  

  ① 공정 전체의 용적을 계산합니다.  

·진공로나 진공이 걸리게 되는 용기의 용적을 계산합니다.  

·용기로부터 펌프까지의 배관 용적을 계산합니다.  

·배관의 굵기와 길이에 따른 흐름저항을 계산합니다  

  ② 작업 진공도에 도달해야하는 최단 시간을 계산합니다.  

  ③ 다음의 공식을 이용하여 펌프의 용량을 계산합니다.  

      S=2.303V/TlogP1/P2  

      S:진공 펌프의 용량(l/min)  

      V:용기의 용량(l)  

      T:작업 진공도에 도달하기까지의 요구되는 시간(minute)  

      P1:작업 진공도(Torr)  

      P2:초기진공도(일반적으로 대기압이므로 760Torr)  

예를 들어, 배관 및 용기의 용적이 150l이고, 작업 진공도가 80Torr일 때 펌프를 가동시켜 15초만에 작업 진공도에 도달하려면, 어느 정도의 용량을 가진 펌프를 사용해야 할지를 계산해보면,  

S=2.303 (150/0.25)log (760/80)=1351l/min 가 됩니다.  

그러나 여기서 유의해야 할 점은, 위의 계산식이 다음과 같은 변수를 고려하지 않았다는 점입니다  

즉, 배관의 흐름 저항, 누수, 휠터 및 밸브의 저항계수,윤활유의 점도, 흡입 공기의 온도 등의 변수가 그것입니다. 이러한 변수를 고려하지 않은 펌프의 용량은 단지 이론상의 용량에 불과합니다.  

이 이론상의 용량으로부터 실질 용량을 계산하기 위해서는 위의 변수를 고려한 보정계수C를 가지고 다음의 공식을 쓰면 쉽게 구할 수 있습니다.  

Seff=S*C/S+C  

Seff : 펌프의 유효 용량  

S : 이론상의 용량  

C : 보정계수  

또 한가지 유의할 점은 위의 공식이 적용될 수 있는 조건이 0.01Torr까지 로 국한된다는 점입니다. 그 이하의 진공도에서는, 용기 내의 금속 표면 으로부터 공기 입자가 빠져나오게 되므로, 위의 공식을 적용하게 되면 편차가 너무 커지게 됩니다 그 밖에도 용기 내의 수분 증발이 공식의 적용에 한계를 가져올 수 도 있습니다.  

체크포인트6: 악세사리의 필요 유무  

각 공정에 따라 여러 가지 악세사리가 필수적으로 부착되어야 하는 경우가 많으므로 반드시 확인해 보아야합니다. 일반적으로 는 다음과 같은 악세사리가 주로 많이 쓰이는 것들입니다.  

   ① 체크밸브 ;  오일식 펌프에 있어서는 필수적으로 필요한 악세사리입니다. 정전시 오일이 역류하여 용기 내로 빨려 들어가는 것을 방지해 주며, 용기 내에 진공이 그대로 유지될 수 있도록 해주는 작용을 합니다. 국내에서는 진공용 체크밸브의 구입이 용이하지않아, 공압용을 그대로 사용하는 경우가 흔히 있으나, 이 경우 고진공 상태에서의 흐름 저항이 증대하여 최대 진공도에 도달하지 못하게 됩니다.  

   ② 조절밸브 ; 일정 진공도에 도달하게 되면 더 이상 진공이 걸리지 않도록 외부 공기를 유입시켜 주는 밸브입니다. 진공 펌프의 작동 가능 범위 내에서 조절밸브를 사용해야 하며, 만약 진공도를 작동범위 밖에 고정시켜 놓고 사용하게 되면 펌프에 심한 무리를 주게 됩니다. 이때에는 펌프의 기종을 바꾸는 것이 안전합니다.  

   ③ 바이패스 밸브 ; 두 대 이상의 펌프를 연결하여 동시에 가동시키는 경우, 펌프 사이에 발생하는 과압을 우회시키는 밸브입니다.  

    ④ 휠타 ; 진공펌프 내로 유입되는 각종 불순물을 제거하기 위한 휠타입니다. 불순물의 종류와 배기량에 따라 규격이 달라지고, 또 적합치 못한 휠타를 쓰게되면 흐름저항을 증대시키므로, 선정에 신중을 기해야 합니다.  

   ⑤배기 휠타 ; 오일식의 경우 유연을 걸러주고, 건식인 경우 카본 가루가 날리는 것을 방지해 줍니다.  

   ⑥콘덴서 ;  펌프내로 유입되는 수분이나 가스를 응결시켜 제거하기 위한 장치로, 유입량 및 종류에 따라 알맞은 규격을 선택해야 합니다.  

   ⑦ 소음기 ; 배출부의 소음을 줄이기 위한 장치입니다. 공압용의 소음기와는 규격이 다르므로 유의해야 합니다. 유량이 적은 공압용의 소음기를 잘못 사용하게 되면, 배기부에 과압이 걸리게 되어 위험합니다.  

   ⑧ 가스발라스트 ;  실린더 내로 유입된 공기를 배기하기 위해서는, 이를 먼저 압축 시키게 됩니다. 이 과정에서 압축열이 발생하고, 이로 인해 함유된 수분의 증기압이 높아져, 수증기가 응결되어 오일에 섞이게 됩니다.  이러한 현상을 방지하기위해 실린더의 압축 과정에서 일정량의 외부 공기를 주입시켜주어 수분의 응결을 방지하고, 이의 배출을 용이하게 하기 위한 장치가 가스발라스트입니다.  그러나 가스발라스트만 있으면 유입되는 수분이 모두 배출될 것이라는 생각은 잘못입니다. 가스발라스트를 사용하게 되면 진공도가 저하되고 모터에 과부하가 걸리게 되므로, 이를 사용한 수분의 배출에는 분명한 한계가 있습니다. 수분이 다량으로 나오는 경우, 배출 급유식 펌프 또는 수봉식 펌프 등을 사용하는 편이 훨씬 안전합니다  

 ⑨ 진공게이지 ; 진공게이지의 종류는 부르동 게이지, 피라니 게이지, 맥로우드 게이지, 이온게이지 등 여러 가지가 있으나, 각 종류마다 측정 범위가 다르고 정밀도도 다르므로 선택하기 전에 전문가의 자문을 구하는 것이 좋습니다. 현재 국내에서는 몇 몇 업체에서 부르동 게이지 만을 생산하고 있을 뿐이며 나머지는 모두 수입에 의존하고 있는데, 수입품의 가격이 워낙 고가인데다, 쉽게 구하기도 힘든 실정입니다.  

펌프의 용량 계산 

·펌프배기량 : 무부하시의 배기량을 의미하므로 실제로 요구되는 배기량과는 의미가 다름   

·작업진공도 하에서의 배기량  :   펌프의 성능곡선 상에서 체크  

·배기량 계산 공식         S = 2.303V/T log P1/P2 

        S:펌프의 초기배기량,  V:용기의 용량,  T:작업진공도 도달시간,  P2:작업진공도,  P1:초기진공도 

 13.진공펌프의 유지보수  

진공펌프를 아무리 잘 선정했다고 해도, 이를 사용하는 방법이 올바르지 못하다면 펌프의 수명이 단축될 뿐만 아니라, 소음 및 유연이 발생하게 됩니다. 진공펌프의 유지 보수에 있어서 핵심적인 사항만을 몇 가지 열거해 보면 다음과 같습니다.  

① 적정 오일량의 체크 ; 오일이 부족하게 되면 진공도가 떨어지고 펌프가 과열되며,     반대로 오일량이 너무 많아도 배기부에 과압이 걸리고 유연이          발생하게 됩니다. 적정 오일량은 오일계의 중간까지 오일이 차게 하면 됩니다.  

  ② 오일의 교환 ; 한번 주입된 오일은 유입되는 공기에 혼합된 이물질에 의해 오염되어, 점도가 떨어지게 되므로, 일정시간 동안 사용한 후에는 반드시 교체해 주어야 합니다. 오일의 교체시기는 작동 상태에 따라 크게 달라지므로 일정한 기준을 제시할 수는 없으나, 처음 구입 후 50시간 가동 후에 한번 교체한 뒤, 매500시간 가동 후 교체해 주는 것이 좋습니다  

③ 오일의 종류 ; 각 진공 펌프는 특성에 따라 각기 다른 오일을 사용해야 하므로, 사용 설명서 상에 명시된 오일을 사용하는 것이 안전합니다.  

  ④ 흡기 휠터의 교환 ; 흡기 휠터가 먼지 등으로 막히게 되면, 펌프의 배기량이 저하 되므로, 일정기간 마다 교체해 주거나 청소를 해주어야 합니다.대체로 2000시간 가동 후 교체하는 것이 바람직 합니다.  

  ⑤ 배기 휠터의 교환 ; 배기 휠터가 막히게 되면 배기부에 과압이 걸리게 되고, 펌프가 열을 많이 받게 됩니다. 배기 휠타도 흡기 휠타 교체 시에 같이 교체해 주는 것이 바람직 합니다.  

[인천맥가]

감샵니다....

[로얄건방]

자료 대단히 감사합니다!!

[옹시]

굿

[문장훈]

좋은자료 감사합니다.