러핑 펌프의 종류에 대해서

 

 

 

4.3 드라이 펌프

최근 국가산업 경쟁력의 핵심으로 떠오르고 있는 차세대 동력산업인 첨단의 평판 디스플레이 산업이나 반도체 산업에 있어 진공 장치의 오염은 제조공정에 서 반드시 제거하여야 하는 필수 요건이라 할 수 있다. 드라이 펌프(dry pump;일명 건식 펌프)는 펌프에 오일을 사용하지 않기 때문에 진공 시스템의 청결도를 유지할 수 있다는 장점으로 주목을 받고 있다. 이미 앞 절에서 기술하였듯이, 오일에 의한 역류는 진공 용기의 오염이나 고장에 가장 큰 원인을 제공하기도 한다. 따라서 진공의 청정을 해야 하는 공정에서 드라이 펌프를 사용하게 되면, 제조공정의 신뢰성 및 안전성이 증가하고, 운영의 경비를 절감할 수 있으며, 또한 폐기물 처리비용을 절감할 수 있다. 드라이 펌프의 종류로는 screw 펌프큰ㅍ, Roots 펌프, claw 펌프 및 scroll 펌프 등이 있으며, 각 펌프를 다단으로 구성하거나 혹은 서로 다른 펌프를 결합하여 사용하기도 한다. 이처럼 다양한 종류의 드라이 펌프가 사용되고 있으며, 진공 시스템에 적용할 경우 공정의 특성에 알맞은 펌프를 선택한다는 것은 무엇보다 중요한 작업일 것이다.

 

 

 

4.3.1 Screw 펌프

Screw 펌프의 구조는 두 개의 나사 모양 회전자와 고정자가 잘 맞물려 서로 반대 방향으로 회전하는 펌프로서, 본래 공기 압축기로 설계된 것이다. 그림 4-6과 그림 4-7은 screw 펌프의 전체 구조, 내부 구조 및 동작을 나타내는데, 내부 구조를 살펴보면 나선형의 회전자는 수나사고, 고정자는 암나사 모양을 하게 된다. 회전자와 고정자는 접촉면이 거의 맞닿아 있으며, 펌프의 축을 따라 꽈배기 모양의 공간을 통해 배기가스를 회전하며 방출한다. 즉, 그림 4.6 (b) 에서 나타나듯이, 펌프의 동작은 흡입구를 통해 진공 용기에서 들어온 배기가스는 나 사선을 따라 축 방향으로 이동하면서 압축되어 배출하게 된다. 배기가스의 이동 경로가 축 방향으로 길기 때문에 다단의 펌프를 구성하기 어렵다. screw 펌프는 동일한 크기의 다른 펌프들과 비교하여 배가되는 부피가 작기 때문에 같은 성능을 얻기 위해서는 고속으로 회전하여야 하며, 마찰에 의한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 윤활, 소음, 냉각 및 밀폐에 대해 반드시 고려하여야 한다. screw 펌프의 회전속도는 대략 10,000mpm 정도이고, 동작 압력 범위는 대기압에서부터 10 tor 영역이다. 펌프의 장점으로는 배기속도가 비교적 큰 편인데, 24~2,700 mn 정도이며, 단점으로는 전력 소모량이 많고, 구동 온도가 매우 높다는 것이다. 그러나 구동 온도가 높기 때문에 유입되는 가스의 응축이나 액체 성분이 펌프 내부에 잘 형성되지 않게 되기도 하지만, 높은 온도로 인하여 배기관에서 부식성 가스에 의한 부식의 위험이 높은 편이다. 또한, 고속으로 동작할 경우에 누설의 위험이 높으며, 마찰 면이 많은 편이기 때문에 소음의 문제가 발생한다.

 

 

 

4.3.2 Roots 펌프

Roots 펌프는 booster 펌프와 흡사한 구조를 가지고 있으며, 일명 blower 펌프 혹은 lobe 펌프라고 부르기도 한다. Roots 펌프는 밸브가 없는 양압 이송받은 식으로 일종의 송풍기와 같은 구조이다. 사실, Roots 펌프는 진공 시스템에서 독립적으로 사용하기보다는 오일 회전 펌프와 진공 용기 사이에 직렬로 펌프들을 설치하면 배기속도를 증가시킬 뿐만 아니라, 오일의 역류에 의한 오염을 방지할 수 있는 보조 펌프로 사용되기도 한다. 이처럼 오일의 역류를 방지한다는 의미에서 dry 펌프(건식 펌프)라고 부르게 되었는데, Roots 펌프는 19세기 중반에 처음 영국의 1. Davies에 의해 고안되었지만, 이후에 약 20여년이 지나 서미국의 Roots가 개발하였으며, 그의 이름을 사용하여 명명하게 되었다. 그림 4-8에서는 Roots 펌프의 내부 구조와 동작 순서를 나타내고 있다. 그림에서 나타내듯이, 두 개의 8자 모양 혹은 잎사귀(IOE) 모양인 회전자가 900위 짐 싣기를 가지고 서로 맞물려 반대 방향으로 회전하며, 그림 (a) 에서와 같이 흡입된 가스는 고정자의 주변을 따라 배출구로 쓸려나가게 된다. 펌프의 동작은 송풍기와 같이 압축 방식이 아니기 때문에 압력이 높은 방향으로 배기하기에 부적합하고, 이에 따라 더 많은 일을 하여야 하므로 부하가 많이 걸리면 가동 온도의 상승을 발생하기도 한다. 두 개의 1 OBE가 접하는 부분은 회전을 계속하더라도 미세한 간격(약 0.1 mm)으로 거의 밀폐된 상태를 유지하게 되며, 또한 고정자의 벽면과도 밀폐된 공간을 유지하여 배기가스의 공간을 만들게 된다. 물론, 미세 간격에는 윤활유를 사용하며, 이외 다른 오일을 사용하지 않기 때문에 오염에 대한 우려는 없다. 그림 4-9에서는 Roots 펌프의 실제 내부 구조와 외형의 구조를 나타낸다. Roots 펌프의 회전속도는 대략 3,000 rpm 정도이고, 동작 압력 범위는 대기압에서부터 $10^{-4t}$ torr 영역이며, 배기속도는 25~1,000$m^3h$ 정도이다. 그림 4-10은 회전자에 3개의 lobe를 가진 3 엽서가 Roots 펌프를 나타내는데, 이전의 그림에서는 lobe가 2개인 2 옆 식의 Roots 펌프를 나타내었다. 이미 기술하였듯이, Roots 펌프는 일종의 송풍기로서 압축 방식이 아니므로 펌프의 배출구인 외부의 대기압으로 배기하기에 부적합하다. 따라서 5~6단의 다단 구조를 만들어 동작하게 되는데, 그림 4-11에서 나타낸 바와 같이 흡입구 쪽의 펌프는 2식으로 구성하고 배출구 쪽의 펌프는 압축비를 높이기 위해 3 엽색으로 배치하였다. 그림에서는 각 축에 3개의 회전자를 직렬로 3단 연결한 구조이며, 전체는 2억식과 3식이 직렬로 연결된 6단 구조이다. 이처럼 다단으로 구성하게 되면 펌프의 내부 구조가 복잡해지고, 축의 길이가 길어져 펌프의 크기가 커진다. 일반적으로 하나의 축에 5개의 회전자까지 연결하기도 하는데, 이처럼 축이 길어지면, 마찰 등의 요인으로 축이 팽창이나 수축하여 유연성을 잃게 되며, 심지어는 갑자기 정지하거나 고장이 발생할 수도 있다.