진공 펌프의 이해 - 로터리 펌프(Oil Sealed Rotary Vane Pump)
산업 현장이나 연구실에서 진공 환경을 만들어내기 위해 꼭 필요한 것이 바로 진공 펌프입니다.
시장에는 다양한 사용 조건과 진공도 등에 따라 수많은 종류의 진공 펌프가 존재하는데,
그 중 우리가 원하는 사양의 진공 펌프를 찾는 것은 쉽지 않습니다.
그래서 우리가 사용 하는 펌프들의 기본적인 이론 및 스펙을
산업 현장 및 연구실의 진공 시스템에서 주로 사용되고 있는 진공 펌프들을 중심으로
정리해보는 시간을 준비했습니다.
이번 시간에는 가장 기본적으로 사용되는 로터리 펌프,
그중에서도 로터리 베인 펌프에 대해 알아보도록 하겠습니다.
기본 설명
로터리 펌프는 위에서도 언급했듯이 진공 산업 및 연구 분야에서
가장 널리 사용되고 있는 가장 기본적인 진공 펌프입니다.
가장 많이 사용되고 있는 이유는 가장 낮은 단계의 진공을 만들어낼 수 있기도 하지만
오일 확산, 크라이오, 터보 펌프 등 더 높은 단계의 진공을 만들어낼 수 있는
다른 펌프들과 함께 사용되는 1차 펌프이기도 하기 때문입니다.
높은 진공을 만들기 위해서는 높은 진공대의 진공 펌프만 사용하는 것이 아니라
1차적으로 낮은 진공대의 진공 펌프도 함께 사용되야 하는데
그 중 낮은 진공대의 1차 펌프로 로터리 펌프가 주로 사용되기 때문에
전체적으로 로터리 펌프의 사용량이 많은 것입니다.
일반적으로 간단하게 로터리 펌프(Rotary Pump)라고 명칭하기도 하며,
오일 실드 로터리 배인 펌프(Oil Sealed Rotary Vane Pump)라고 부르기도 하는데
이를 직역하면 '기름이 발라진 회전 날개 펌프'라는 뜻입니다.
로터리 펌프는 위의 이름과 같이 기름이 발라진 회전하는 날개를 이용해
챔버 내의 기체 분자들을 외부로 배출하는 가스 배출 방식으로 진공을 만들어냅니다.
또한 로터리 펌프에서 오일을 이용해 기체 분자를 실링하기 때문에 습식 펌프라고도 합니다.
로터리 베인 펌프의 단면도
(그림 제공 : Nigel S. Harris M. Sc, C. phys., 저자 "현대 진공 실습" 3차 개정판, Kurt J. Lesker Company, 2007)
https://vacaero.com/information-resources/vacuum-pump-technology-education-and-training/195875-oil-sealed-rotary-vane-pumps.html
구조와 구동 원리
로터리 베인 펌프의 구동 4단계
(그림 제공 : Edwards Vacuum)
https://vacaero.com/information-resources/vacuum-pump-technology-education-and-training/195875-oil-sealed-rotary-vane-pumps.html
우선 펌프의 구조를 살펴보면 펌프 겉면(Stator)에는 기체 분자가 들어오는 흡입구(Inlet)와
밖으로 나가는 배출 밸브(Exhaust Valve)가 있고,
펌프 안에는 원통형의 챔버(Chamber)가 있고
챔버 안에 날개(Blade / Vane)가 달린 원형의 로터(Roter)가 있습니다.
로터에 달린 날개는 스프링에 의해 실린더 내벽으로 밀어 올려져
로터와 실린더 사이의 공간을 막아줍니다.
빠른 속도로 회전하는 로터에 달린 날개와
원통형 챔버의 벽면 사이는 약 0.025mm 이 되도록 조립되며,
이 사이에는 오일이 채워져 윤활유의 역할과 마찰열의 냉각, 틈을 막아주는 실링 역할을 합니다.
오일은 오일 저장소에서 펌프 내부로 순환되고 압축된 기체 분자와 함께 배출 밸브를 통해 배출됩니다.
로터리 베인 펌프의 구동은 총 4단계로
흡입(Induction) - 고립(Isolation) - 압축(Compression) - 배기(Exhaust)의 순서로 진행됩니다.
흡입 단계(Induction)
로터가 처음 180° 회전하면 기체 분자가 챔버로 유도되고
로터에 의해 생성된 초승달 모양의 공간에 차게 됩니다.
고립 단계(Isolation)
위쪽의 날개가 흡입구를 통과하며 차단해 기체 분자를 고립시킵니다.
압축 단계(Compression)
로터가 더 회전해 낮은 쪽의 날개가 점차 올라오게 되면
기체 분자가 압축되고 가열되며 부피가 감소합니다.
배기 단계(Exhaust)
로터가 완전히 회전해 낮은 쪽의 날개가 배출 밸브 가까이 위치하면
기체 분자의 압력이 높아져 배출 밸브를 강제로 열며 압력이 낮은 외부(대기)로 배출됩니다.
성능과 응용분야
[ Single 방식 : 3 x 10-2 Torr (4 x 10-2 mbar)]
[ 2Stage 방식: 3 x 10-3 Torr (4 x 10-3 mbar)]
싱글 로터리 펌프가 만들어 낼 수 있는 진공도는 일반적으로 3 x 10-2 Torr (4 x 10-2 mbar)정도인데
그 이유는 로터리 펌프가 견딜 수 있는 흡입구와 배출구 사이의 최대 압력차는 '100,000 : 1' 로
배출구의 압력이 대기압인 약 750 Torr일 경우 흡입구의 압력이 일정 수준을 넘어가게 되면
압축된 기체 분자가 오일 씰링을 통과해 다시 흡입단계 구역으로 들어가기 때문입니다.
쉽게 말해 챔버에서 뽑아낸 기체 분자가 역류해 바깥으로 배출되지 못하고 챔버로 돌아가 진공도가 더 이상 올라가지 않는다는 뜻입니다.
2 Stage 로터리 베인 펌프 단면도
(그림 제공 : Edwards Vacuum)
https://vacaero.com/information-resources/vacuum-pump-technology-education-and-training/195875-oil-sealed-rotary-vane-pumps.html
로터리 펌프를 이용해 더 높은 진공을 만들고 싶다면 3 x 10-3 Torr (4 x 10-3 mbar)의
진공을 만들어낼 수 있는 2 Stage 로터리 펌프를 사용할 수 있습니다.
2단계 로터리 펌프는 위의 그림과 같이 2개의 로터리 펌프를 직렬로 사용합니다.
이 2단계 직렬 설계는 1 단계 로터리 펌프의 배출구 압력이 대기압인 것과는 다르게
고진공 스테이지의 뒷부분에 연결되어 있는 저진공 스테이지의 흡입구 압력이
이미 대기압보다 훨씬 낮은 수준이기 때문에
위에서 설명한 오일 실링을 압력 차에 한계를 넘어 더 높은 진공을 만들어낼 수 있습니다.
로터리 펌프를 이용할 수 있는 응용 분야는 매우 많지만 주로 아래와 같은 분야에서 주로 사용됩니다.
분석 - 질량 분석기, 전자 현미경
코팅 공정 - 표면 보호, 장식용 코팅, 디스플레이, 스크린
진공 야금 - 진공 브레이징, 진공 소결, 진공 합금, 노 설치
누출 감지 - 진공 장비, 탱크 로리, 에어백 카트리지, 패키징
조명 산업 - 램프 생산
건조 산업 - 진공 건조, 변압기 건조
Teledyne Hastings 사의 Vacuum Sensor 는
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진공 및 진공 응용 분야와 관련된
진공 센서에 대한 문의는
아래의 링크를 참고하시기 바랍니다.
참고
위키피디아 : https://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_vane_pump
지식백과 : https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2284938&cid=60227&categoryId=60227
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1617846&cid=50321&categoryId=50321
그 외 : https://vacaero.com/information-resources/vacuum-pump-technology-education-and- training/195875-oil-sealed-rotary-vane-pumps.html
https://www.edwardsvacuum.com/en
https://www.pfeiffer-vacuum.com
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