진공펌프의 기초이론

1. 토리첼리의 실험 

1643년 이탈리아의 물리학자 토리첼리는 유리관과 수은을 사용하여 다음과
같은 실험을 하였습니다.

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 표면 으로부터 76cm의 높이를
항상 유지 하게된다는 것입니다.

이때 유리관 윗쪽에는 진공상태가 되는데 이를"토리첼리 진공" 이라합니다.

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 단의에 있어서도 기초적인 개념이 되고 있습니다.

우리가 흔히 사용하는 진공도의 단위인 토르(Torr)는 토리첼리의 머릿 글자를 딴 것이며,
대기압 상태를 표시하는 760Torr나 760mmHg,76cmHg 등도
모두 토리첼리의 실험에서 나타나는 수은주의 길이를 이용한 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 작둁용하는 압력을 나타냅니다.

이를 좀더 쉽게 이해하기 위하여 대기압을 우선g으로 나타내보면,

 

1기압 = 76cmHg

76cm인 수은주의 부피 = 1cm(수은주의 단면적)+76cm = 76cc

76cc+13.6(수은의 비중) = 1033.6g

1g=980dyne으므로

1033.6g+980dyne = 1012928dyne = 1013.3mbar

즉, 1기압=1013.3mbar가 되는것입니다.

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 진공도 단위로 쓰이기도 하나
그리 흔치 않으므로 생략합니다.

대기압 =760 Torr

          = 760mmHg

          = 76 cmHg

 

 

3. 절대진공도와 게이지 상의 진공도

진공도 단위를 사용함에 있어서 자주 혼동을 일으키는 것이 절대
진공도와 게이지상의 진공도입니다.

게이지상의 진공도는 절대 진공도와는 역으로 대기압을 0으로 놓고
완전진공을 760mmHg또는 76cmHg로 표시하는 것으로,
일부 부르동 게이지의 눈금이 관념상 또는 계산상의 편의를 위해
이와같이 표기한데서 비롯되고 있습니다.

따라서 절대진공도는 760에서 게이지상의 진공도를 뺀 값이 되며,
상호간에는 옆 그림과같은 관계가있습니다.

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 환산표를
사용하영 Torr Abs. 로 쉽게 환산할수 있습니다.

 

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 환산표를 이용하면 사용하는 단위로 쉽게 환산할수 있습니다.

 

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 .

 

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 아래와같습니다.

•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, 각 펌프의 기본 작동 원리만
간략 하게 설명한 다음 중요한 특성만을 열거해 보기로 하겠습니다.

7.1. 로타리 베인 펌프 ( Rotary Vane Pump )

일반적으로 가장 많이 쓰이는 진공펌프로, 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.

7.2.로타리 피스톤 펌프

흔히"키니펌프"라 불리어지고 있는 펌프, 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.

단점: 소음과 진동이 대단히 심합니다.

7.3. 로타리 기어펌프

로타리 엔진 의 원리를 응용한 진공펌프로, 기본원리는 다음과 같습니다.

즉, 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 펌프와대동소이 합니다.