러핑 펌프의 종류에 대해서 (2)

 

 

 

4.3.3 Claw 펌프

Claw 펌프는 Roots 펌프와 동작 원리는 동일하지만, 회전자의 모양이 압축비를 향상하기 위해 집 계발과 같기 때문에 붙여진 이름이며, 그림 4-12에서 나타낸 바와 같이 흡입구와 배기구가 측면에 배치된다. 그림에서 나타내듯이, 두 개의 집게발은 모양이 거의 흡사하며 회전하면서 거의 접촉하게 되고, 또한 claw 회전자와 고정자의 내벽은 서로 밀착하여 배기가스의 공간을 형성한다. Roots 펌프의 두 회전자는 수직으로 교차하기 때문에 회전 위상이 정확히 맞아야 할지만, 이에 비해 caw 펌프는 구조적으로 이러한 제한에 어느 정도 여유를 갖기 때문에 소형 펌프로서 매우 유리한 편이다. Claw 펌프의 압축비는 컸지만 배기속도는 낮다. 그림 413은 claw 펌프의 동작 과정인 흡입, 압축 및 배기 과정을 자세히 나타내고 있다. 그림에서와 같이 caw 펌프에도 밸브가 없지만, 회전자 자체가 회전하면서 흡입구나 배기구가 서서히 열렸다가 역시 닫히는 밸브 역할을 하게 된다. 따라서 ROotS 펌프와 비교하여 컨덕턴스가 낮고 배기속도가 낮은 편이다. Claw 펌프도 다단으로 회전자를 하나의 축에 4개까지 구성하기도 하는데, 함 입구와 배기구가 반대 방향에 놓이기 때문에 전단의 배기구가 바로 다음 단의 배기구로 연결된다. 그러나 배기가스는 고정자의 내벽을 통과하여 다음으로 이 어짊으로 이동 경로가 길어진다. 이미 기술한 Roots 펌프는 낮은 압력에서 압축비가 효과적이며, claw 펌프는 압력이 높을 경우에 더 효과적이다. 따라서 Roots 펌프와 caw 펌프를 결합하여 다단으로 사용하면 최상의 효과를 얻을 수 있는데, 제일 첫 단의 펌프를 Roots 펌프로 구성하고 다음 단은 모두 claw 펌프로 형성하면 배기속도를 증가시킬 수 있다. 이는 낮은 압력에서 Roots 펌프의 압축비가 더 효과적인 특징을 이용한 것이다. 그림 4-14에서는 Roots 펌프와 claw 펌프를 결합한 다단 펌프에서 배기속도가 빨라지는 것을 나타내고 있다. 그리고 caw 펌프만으로 구성한 다단 펌프보다 Roots 펌프를 결합하여 사용하면 배기가스의 이동 경로가 짧아지고, 배기가스의 잔류 시간이 짧다. 4.3.4 Scroll 펌프 Scroll 펌프는 태엽 시계의 스프링과 같은 나선형의 회전자가 역시 동일한 모 양의 고정자에 끼워진 형상을 가진 구조이다. 그림 415에서는 scroll 펌프의 내 CHAPTER 044부 구조를 나타내며, 그림 4-16에서는 회전자가 회전하면서 고정자와 접촉하여 만드는 초승달 모양의 배기 공간을 나타낸다. 그림에서와 같이 배기가스가 함 입구를 통하여 들어오면, 회전자가 회전 진동하여 고정자의 나선형 벽을 따라 중심으로 이송하게 되며, 배기 공간은 중심을 향하면서 감소하기 때문에 압축하게 되고, 결국 중심부에 배기구를 통하여 배출한다. Scroll 펌프는 구조적으로 배기가스의 이동 경로가 긴 편이고, 압축비가 비교적 낮은 펌프이며, 흡입구와 배기구의 밸브 없이 항상 열려 있는 상태이다. Scroll 펌프는 그림에서와 같이 나선형의 회전자와 고정자가 접합 면에서 서로 금속 밀폐하여 용적 수송 식으로 배기가스를 방출하기 때문에 오일을 사용하지 않는 구조이다. 또한, 흡입구와 배기구가 나선형 scroll 펌프의 측면에 설치되며, 항상 열려 있다. 펌프의 회전속도는 대략 3,000 rpm 정도이고, 동작 압력 범위는 대기압에서부터 10' tOTT 영역이며, 배기속도는 20~50 m' n 정도이다. 그림 417은 scroll 펌프의 외형을 나타내고 있다. 그림 4-18에서는 부스터 펌프(booster pump)의 기본 구조를 나타내는데, 이미 기술한 바와 같이 roots 펌프와 매우 흡사하며, 일종의 송풍기로 사용한다. 부스터 펌프의 구성은 두 개의 회전자와 고정자로 이루어져 있으며, 두 개의 회전자는 서로 반대 방향으로 돌며, 배기가스를 고정자의 내벽을 따라 이송하여 방출하게 된다. 따라서 두 개의 회전자는 서로 900의 위상차를 가지고 회전하며, 고정자와의 접촉면은 약 0.1 mm 정도의 간격을 유지한다. 이때, 간격은 펌프의 크기, 효율 및 용도에 따라 의존하게 된다. 부스터 펌프의 회전 속도는 2,500~3,500 MMP 정도이며, 유효 압력 범위는 10~10+ tor이다. 내부 구조에서 알 수 있듯이, 고정자와 회전 1 OBE, 그리고 두 개의 회전자 사이로 가스의 누설이 발생할 수 있으며, 부스터 펌프의 배기속도를 높이기 위해 회전수를 증가시키면, 고속 및 고압으로 인하여 열이 발생하며 이는 lobe의 팽창을 유도하여 펌프의 손실을 초래할 수 있다. 그림 4-19는 부스 터 펌프의 외형을 나타낸다. 

 

 

 

4.5 벤투리 펌프

벤투리 펌프(Venturi pump)는 이탈리아의 물리학자인 G. B. Venturi가 개발하여 지어진 이름이다. 진공 용기 내의 기체를 낮은 압력으로 형성하여 배출하는 원리를 이용한 것으로 주로 섭선 펌프와 함께 사용한다. 그림 4-20에서는 벤츠 리 펌프의 기본적인 동작 원리를 설명하는 것으로, 펌프의 가운데를 가늘게 구성하여 베르누이 원리(Bernoulli principle)를 이용한다. 즉, 베르누이 원리에의 하면 A 부분에서의 기체 속도는 가운데의 가느다란 부분에서 더욱 빨라지게 된 며, 이에 따라 B 부분에서의 압력은 낮아지기 때문에 진공 용기로부터 배기가스가 낮은 압력 쪽으로 끌려 나가면서 방출하게 된다. 그림에서와 같이 배기부에는 소음을 줄이기 위해 머플러(muffler)를 설치한다.

 

 

 

4.6 섭선 펌프

지금까지 기술한 대부분의 허핑 펌프는 진공 용기 내의 기체분자를 외부로 빼내는 가스 이송 식이나 압축 배출식이였다. 그러나 펌프의 역할은 진공 용기의 압력을 낮추는 것이므로 배기가스를 내부에 포획하는 펌프가 사용되기도 한다. 즉, 섭선 펌프(sorption pump 혹은 흡착 펌프)가 바로 포획 방식의 펌프인데, 기계적으로 압축하거나 외부로 방출하지 않으며, 또한 오일을 전혀 사용하지 않기 때문에 아주 깨끗하다는 특징을 가진다. 섭선 펌프의 구조는 그림 4-22에서 나타내듯이, 병 모양으로 몸체는 알루미늄이나 스테인리스강으로 구성되며, 펌프의 입구는 진공 용기에 연결된다. 내부 구조는 열전달과 다공성의 물질(porous materials)로 채워지는데, 넓은 표면적을 이용하여 기체분자를 흡착하게 된다. 다공성 물질로 주로 사용되는 재료로는 2 elite가 있으며, 기체에 노출하면 5~10A 정도의 미세 구멍으로 기체를 달라붙게 한다. 이처럼 흡착된 기체를 다공질 내에 붙잡아두기 위해 온도를 낮추게 되며, 이는 액체질소(LN)를 이용하여 -195°C까지 내리게 된다. 이러한 과정을 통하여 섭선 펌프의 압력 범위는 104 Tom에 이르게 된다. 섭선 펌프와 같은 포획 식의 펌프는 기체분자를 무한정으로 가둘 수 없기 때문에 계속 사용할 수 없으며, 일정한 기체를 포획한 후에는 기체를 방출시켜야 하고 다시 사용하게 된다. 따라서 연속적으로 배기가스를 제거하여야 하는 공정에서는 사용할 수 없으며, 특히 유독성이나 폭발성 가스는 사용하지 말아야 한다. 섭선 펌프는 온도를 낮추기 위해 액체질소를 사용함으로 절연 용기로 Dewar를 이용하며, 혹은 절연체로 보온 역할을 수행할 수 있는 스티로폼을 사용하기도 한다. 여러 개의 섭선 펌프를 다단으로 연결한 예를 나타낸다. 동작 방법은 각 섭선 펌프의 밸브를 차례대로 여닫음으로써 진공 용기의 압력을 낮추게 되며, 반드시 진공 게이지를 살피면서 동작하게 된다. 일반적으로 섭선 펌프는 일회용의 허핑 펌프로서 동작하며, 다른 기계적인 펌프(mechanical pump)와 같이 고진공 펌프의 보조 역할(포가인 펌프)까지는 수행하지 못한다. 만일, 액체질소가 다 증발하게 되면 온도는 다시 서서히 상승하게 되며, 실온으로 돌아온 후에는 안전밸브를 열고 섭선 펌프를 가열하여 흡착된 기체를 방출하게 된다. 이처럼 펌프를 다시 사용하기 위한 작업을 재생과정(regeneration)이라 한다.