진공 펌프의 이해 - 로터리 펌프의 오일(Oil of 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.
지난 글에서 우리는 가장 기본적으로 사용되는 로터리 베인 펌프에 대해 알아보았는데,
이번 시간에는 로터리 베인 펌프에 있어 매우 중요한 오일에 대해 알아보도록 하겠습니다.
기본 설명
로터리 펌프에서 오일은 매우 중요한 요소 중 하나입니다.
기본적으로 고압 부분과 저압 부분을 실링하여 기체 분자가 정상적인 방향으로 흐를 수 있도록
가드 역할을 하고, 펌프 베어링 및 기타 회전 구성품의 윤활을 돕습니다.
또한 챔버(Chamber)와 날개(Vane) 사이나 회전 구성품의 마찰열을 냉각 시키는 역할도 합니다.
과거에 개발된 진공을 이용해 오일의 공급 및 순환 시스템을 사용하던 일부 구형 펌프는
펌프 내에서 발생하는 진공을 이용해 로터 베어링에 윤활유가 흡입될 수 있도록 설계되었습니다.
위의 구형 펌프는 여전히 사용되고 있지만,
더욱 최근에 개발된 펌프는 별도의 오일 펌프와 고정 프레임으로 만들어진 오일 통로를 이용해
로터의 베어링 및 실링이 필요한 곳으로 오일을 공급시킵니다.
로터리 베인 펌프의 오일 공급 시스템
로터리 베인 펌프의 오일 공급 시스템
(그림 제공 : Edwards Vacuum)
https://vacaero.com/information-resources/vacuum-pump-technology-education-and-training/195875-oil-sealed-rotary-vane-pumps.html
진공 펌프가 작동을 하게 되면 로터(Rotor)와 로터에 고정되어 있는 날개(Vane / Blade)가
함께 회전하는데, 오일 펌프는 로터와 같은 샤프트(Shaft)에 장착되어
대기압보다 약 300 Torr(0.4 bar) 높은 양의 압력을 발생시켜 오일을 끌어올립니다.
이 압력은 스프링이 달린 엘라스토머 실(Elastomer Seal)을 밀어 올려
오일이 펌프 내부와 로터의 베어링, 로터의 날개로 공급되는 통으로 흐를 수 있도록 합니다.
진공 펌프가 정지하면 오일 펌프의 압력이 더이상 존재하지 않기 때문에
엘라스토머 실을 강제로 밀어 올릴 수 없게 되고, 자연스럽게 엘라스토머 실이 닫히며
오일이 펌프를 통해 진공 챔버로 유입되는 것을 방지합니다.
오일 펌프를 사용하는 것과 별개로 과도하게 유입된 오일은 펌프가 작동하는 과정에서
자연적으로 소진되어 배출 밸브(Exhaust Valve)로 배출됩니다.
유압 작동식 흡입구 차단 밸브
(그림 제공 : Edwards Vacuum)
https://vacaero.com/information-resources/vacuum-pump-technology-education-and-training/195875-oil-sealed-rotary-vane-pumps.html
위에서 언급한 별도의 오일 펌프를 사용하는 로터리 베인 펌프는 오일 펌프에서 만들어내는
압력을 이용해 흡입구 차단 밸브(Inlet Isolation Valve)도 함께 사용할 수 있습니다.
이 설계에서 유입된 오일 중 일부는 피스톤(Piston)으로 유도되며,
피스톤은 기체 분자가 진공 챔버에서 펌프로 들어가는 입구 밸브에 연결됩니다.
피스톤은 오일 펌프에서 발생하는 압력을 이용해 흡입 밸브(Valve Pad)를 열어
가스가 챔버에서 펌프로 들어갈 수 있도록 합니다.
이 밸브는 리턴 스프링(Return Spring)이 장착되어 있어, 엘라스토머 실을 사용해
펌프가 정지한 후 0.5초 이내에 기체 분자의 유입을 정지시킵니다.
이 기능은 흡입된 기체 분자가 진공 챔버로 다시 돌아가는 것을 방지할 수도 있습니다.
오일의 역할과 선택
로터리 베인 펌프에서 사용되는 오일은 매우 중요한 역할을 하기 때문에 신중하게 선택해야 합니다.
로터리 펌프에 사용되는 오일은 다음의 역할을 수행할 수 있어야 합니다.
1. 로터 베어링을 윤활해야 합니다.
2. 날개와 로터 사이를 윤활해야 합니다.
3. 날개 끝과 챔버 벽면 사이에 실링을 생성해야 합니다.
4. 챔버 외부로 열을 전달해 회전 구성품을 냉각시켜야 합니다.
5. 펌핑되는 기체 분자로부터 금속 부품의 부식을 방지하는 기능을 해야 합니다.
예를 들어 일반적인 모터 오일은 진공 펌프에 사용이 가능할 정도로 충분히 정제되어 있지 않으며,
화학적 저항이 불충분하고 진공 챔버 내에서 일어나는 펌핑 프로세스 과정에
해가될 수 있는 첨가물을 포함하고 있습니다.
오일의 증기 압력(Oil Vapor Pressure)
또한 로터리 베인 펌프에서 사용되는 오일은 기체 분자에 노출되기 때문에
오일의 증기 압력도 고려되어야 할 사항입니다.
오일 압력이 너무 높으면 진공 환경에 노출되었을 때 과도한 기화가 진행되고
오일 증기의 역류(Backstreaming)현상으로 인해 진공 챔버가 오염될 수 있습니다.
역류 현상은 챔버에서 뿐만 아니라 배관이나 밸브 등 펌프 시스템의 모든 곳에서 발생할 수 있으며,
종종 펌프 및 챔버를 치명적으로 오염시킬 수 있습니다.
또한 오일의 증기 압력은 펌프의 성능을 저하시키는 요인 중 하나 입니다.
화학적 기체용 오일(Oil for Chemical Gases)
응용 분야에서 사용되는 기체 분자가 단순 공기(Air)가 아니라
화학적으로 반응성이나 부식성을 가지고 있는 경우도 있습니다.
이런 용도의 경우 불순물을 제거하기 위해 추가로 처리된 특수 오일을 사용해야 합니다.
또한 고농도의 산소 또는 다른 화학 반응성 가스를 취급해야 할 경우
매우 불활성이 높은 상태의 인공 오일이 권장됩니다.
화학적으로 공격적인 환경에서 부정확한 오일을 사용하게 되면
오일이 분해되며 타르와 같은 잔여물이 남을 수 있는데,
이는 내부 통로를 막고 윤활을 불충분하게 해 펌프의 과열과 고장의 원인이 됩니다.
오일 미스트 필터(Oil Mist Filter)
오일 미스트 필터
(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
로터리 베인 펌프는 오일을 사용하는 습식 펌프 고유의 설계로 인해
오일의 일부가 기화해 이동하는 기체 분자와 함께 챔버에서 배출됩니다.
이런 이유로 배출된 오일을 포집하기 위해 오일 미스트 필터가 사용됩니다.
챔버에서 배출된 기체 분자는 미스트 필터를 통과하는데,
이 필터에는 기화된 오일 분자를 포집하는 기능이 첨가되어 있습니다.
포집된 오일은 수동으로 배출하거나, 다른 부속품을 통해 펌프로 돌려보낼 수 있습니다.
필터는 소모품이며 주기적으로 교체해 주어야 합니다.
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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