터보 분자 펌프의 설계

 

 

 

5.2.3 터보 분자 펌프의 설계

이상에서 기술하였듯이, 터보 분자 펌프의 배기 성능은 여러 가지 요소에 의해 결정되는데, 회전자와 고정자 날개에 대한 설계에 있어 경사각도, 날의 면적날 사이에 간격 및 회전 속도 등에 의존하게 된다. 또한, 전체 성능은 펌프의 압축비, 배기 속도 및 날개의 구조 등을 최적화하여야 한다. 진공 펌프의 압축비(compression ratio)란 펌프가 동작할 경우에 흡입구의 압력에 대한 배기구의 압력 비율을 의미한다.

$$압축비 = \frac{배기구 압력}{흡입구 압력}$$

 

압축비는 배기 되는 기체분자의 분자량의 함수이며, 회전자의 회전 속도와 관계된다. 펌프의 압축비는 흡입구 쪽으로 들어오는 기체 분자들을 압축하여 배기구 밖으로 전달하는 정도를 나타내며, 결국 회전자 날개의 속도나 기체 분자들의 속도와 연관된다. 분자량이 큰 기체분자의 압축비는 크지만, 수소와 같은 가벼운 기체분자에 대한 압축비는 작기 때문에 터보 펌프를 이용하는 진공 시스 템의 경우에 고진공으로 배기하더라도 잔류하는 기체는 대부분 가벼운 수소라고 예견할 수 있다. 실제 터보 분자 펌프의 구조에서 알 수 있듯이, 회전자와 고정자를 한 쌍의 압축 단계로 배열하는 것으로 간주할 수 있으며, 한 쌍의 압축 단계에 의한 압축비를 고려하면 전체 펌프의 압축비는 각 단계에서 얻어지는 압축비의 곱으로 나타낼 수 있다. 그림 5-19에서는 터보 분자 펌프의 회전자와 고정자 날개 구조에 대한 것을 나타내고 있다. 그림 (a) 에서는 날개의 경사에 따른 열린 날개 구조와 닫힌 날 개 구조에 대해 나타내는데, 열린 날개 구조는 펌프의 흡입구인 초기 배기 단계에 설치되며, 배기속도는 높은 반면에 압축비가 낮다. 그리고 닫힌 날개는 보통 배기구 쪽인 말기 배기 단계에 설치되며, 낮은 배기속도와 높은 압축비를 가진다. 그림 (b) 에서는 터보 펌프의 상부인 흡입구와 하부의 배기구에 날개 구조를 배열한 것이다. 흡입구 쪽은 배기속도를 높이기 위해 열린 구조로 배치하고, 배기구 쪽은 압축비가 높은 구조로 배치하여 배기가스를 잘 밀어낼 수 있도록 배열한 것이다. 이와 같이 터보 펌프의 날개에 대한 설계는 매우 중요한 요소이며, 펌프에서 배기되는 가스는 흡입구에서 배기구로 갈수록 압력이 증가하는 점을 고려하면, 배기구 쪽으로 갈수록 배기속도는 감소하더라도 압축비는 더욱 증가하도록 날개를 배열하는 것이 바람직하다. 터보 분자 펌프를 설계하면서 주의하여야 할 사항들을 고려하면,

1. 날개의 경사와 두께가 일정할 경우, 날개의 개수를 줄이게 되면 압축비는 감 소한다.
2. 평행 날개의 구조는 압축비를 감소시킨다.
3. 날개의 각도를 줄이면, 압축비는 증가하지만 배기속도는 감소한다.
4. 날개의 두께가 두꺼워지면 배기속도가 감소한다.

 

 

 

이상과 같은 사항을 고려하여 펌프의 날개를 설계하여야 한다. 터보 펌프에서 회전자와 고정자 한 쌍을 하나의 펌프 단으로 고려하면, 보통 9 내지 13개 정도의 다단 구조로 설치된다. 터보 펌프는 배기가스를 큰 압축비로 압축하기 때문에 많은 열이 발생하게 되며, 부드럽고 소음이나 진동이 거의 없을 정도로 동작하기는 하지만, 매우 빠른 속도인 60,000rpm 이상으로 회전하기 때문에 열이 발생한다. 따라서 냉각이 요구되며, 냉각장치로는 공랭식보다 수냉식이 적합하다. 또한, 확산 펌프와 유사하게 배기가스를 직접 배출하기 어려움으로 보조 펌프로써 포라인 펌프가 필요하다. 터보 분자 펌프는 고속으로 회전하는 펌프지만, 이에 비해 약간의 진동이 있는 편으로 진동 분리기(vibration isolator)를 사용하여 더 줄이기도 하며, 최근에는 자기부상 원리를 이용하여 베어링이 없는 회전자를 개발함으로써 마찰을 감소시켰다.

 

 

 

5.2.4 터보 분자 펌프의 사용법 및 고장진단


그림 5-20에서는 터보 펌프를 이용한 진공 시스템을 나타내고 있는데, 터보 펌프도 확산 펌프와 유사하게 포라인을 통해 baking pump와 연결된다. 터보 분자 펌프의 사용법은 확산 펌프와 비교하여 보다 간단하게 동작한다. 터보 펌프를 장착한 진공 시스템의 동작 순서에 대해 알아보면 다음과 같다.

 

1. 진공 시스템을 시동하기 전에 러핑 밸브, 게이트 밸브, 포라인 밸브 및 venting 밸브 등의 개폐 상태를 확인하여 모두 닫고, 진공 게이지의 스위치도 차단한다.
2. 러핑 펌프를 동작시키고, 러핑 밸브를 열어 진공 용기를 배기한다.
3. 진공 용기의 압력이 수십 mtorr에 이르면, 터보 펌프를 동작시킨 후에 러핑 밸브를 잠그고, 바로 포라인 밸브를 열어 터보 펌프가 정상 속도에 도달할 때까지 기다린다.
4. 터보 펌프의 동작이 완료되면 고진공 밸브를 열고 진공 용기의 압력을 고진공 영역으로 배출한다.
5. 고진공 게이지를 측정하여 작업 영역에 이르면 공정을 진행한다.
6. 고진공 밸브를 잠그고 터보 펌프의 회전 속도를 줄인 후에 포라인 밸브도 잠근다. 그리고 backing 펌프인 러핑 펌프의 전원을 차단하여 동작을 중지시킨다.
7. 진공 용기의 vent 밸브를 열어 질소가스를 넣어 대기압으로 만들고, 터보 펌프의 스위치를 차단하여 중지시킨 다음 흡입구 쪽을 vent하고 러핑 라인과 포라인도 vent 한다. 이상과 같은 동작은 수동 작업으로 진행하였지만, 대부분의 진공 시스템은 전체 과정이 자동화로 진행되기 때문에 장비의 매뉴얼을 참조하여 작업을 진행하여야 한다. 이제, 터보 펌프를 동작하면서 주의하여야 할 사항들이 몇 가지 있으며, 이에 대해 살펴보도록 한다.

 

 

 

이물질 유입

터보 펌프가 진공 용기의 아래쪽으로 설치되는 경우, 대부분 고진공 밸브의 흡입구가 크기 때문에 이물질이 유입될 가능성이 높다. 터보 펌프의 날개는 일반적으로 알루미늄으로 구성되어 작은 입자나 조각들에 의해 망가질 수 있다. 따라서 흡입구에는 그물망을 설치하여 이물질이 들어가지 않도록 주의하여야 한다.

 

 

 

윤활유


터보 펌프의 회전자와 고정자 사이에는 베어링이 설치되는데, 베어링이 원활하게 동작하기 위해 윤활유를 공급해 주어야 한다. 윤활유 공급에는 순환 방식과 그리스(grease) 윤활 방식이 있다. 일반적으로 순환 윤활 방식이 많이 적용되며, 오일통을 통하여 윤활유의 양, 색깔 및 점도 등을 정기적으로 점검하여야 하고, 터보 펌프가 동작 중에 발생하는 회전에 의한 소음에 주의를 기울여 관심을 가져야 한다. 이와 같은 방식의 장점은 신뢰성이 우수하고 윤활유의 상태를 관측할 수 있다는 것이며, 단점으로는 펌프를 반드시 진공 용기에 수직으로 부착하여야 하고 냉각수에 의한 냉각방식을 채택하여야 한다. 그리스 윤활 방식은 주기적으로 그리스 주입구를 통하여 보충하는 방식이며, 이러한 방식의 장점은 터보 펌프를 어떠한 방향으로든 설치할 수 있 고, 공랭식으로 냉각할 수 있는 반면에 단점으로는 윤활 상태를 알 수 없다는 점이다.

 

 

 

충격(shock)


터보 펌프가 동작하는 동안에 기계적인 충격을 가하지 않도록 주의하여야 한다. 터보 펌프는 원리적으로 고속 회전하면서 가스를 배출하게 되는데, 각 속도가 회전축 방향으로 생성된다. 주의해야 할 충격으로는 갑작스러운 대기의 높은 압력에 노출될 경우, 진공 작업 중에 너무 큰 부하가 걸리지 않도록 하여야 한다. 압력의 증가로 인한 과부하로 터보 펌프의 회전 소음이 커지는 것을 느낄 수 있는데, 일반적으로 등속 운동하도록 설계된 펌프의 부하가 커지면 전원장치의 전류가 증가한다. 심한 경우에는 회전자의 날개가 휘어지거나 깨져서 고장날 수도 있다.

 

이상과 같은 주의 사항을 조심하여 터보 펌프를 사용하여야 하고, 만일 회전 자와 고정자가 오염된다면, 요구하는 최종 압력에 도달하기 어렵게 된다. 따라 서 이와 같은 오염이 발생하면 펌프를 세척하여야 하며, 필요에 따라 펌프를 분해하여 세척하기도 한다. 심하지 않은 경우에는 세정 용액이 든 용기에 터보 펌프를 뒤집어 넣어 담금질하여 세척하여야 하며, 모터나 베어링에 손상이 가하지 않도록 주의하여 세척한다. 이때, 세정용액으로는 사용설명서를 참조하여 오염 물질에 적합한 용액을 사용하며, trichloroethane, ethanol, isopropanol 및 trichloro-trifluoroethane 등을 사용한다. 최근에는 터보 펌프에 베어링을 사용하지 않고 자기부상 방식을 이용한 펌프가 개발되었는데, 이들의 장점을 살펴보면, 먼저 베어링을 사용하지 않기 때문에 마찰로 인한 접촉이 없다는 것과 윤활유를 사용하지 않아도 된다는 점이다. 따라서 소음과 진공이 훨씬 줄어들고 냉각이 필요 없게 된다. 마지막으로 펌프의 장착을 어느 방향으로든 가능하게 된다.