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남 대 호

CONTENTS

진공 펌프의 분류 저진공 펌프 - 피스톤 회전 펌프 (Rotary Piston Pump ) - 섭션 펌프 (Sorption pump) - 부스터 펌프 (Booster Pump) 고진공 펌프 - 오일 확산 펌프 ( Oil Diffusion Pump ) - 터보 분자 펌프 ( Turbo-Molecular Pump)

진 공 펌 프 진공 영역에 따른 진공 펌프의 종류 1) 저진공 : 피스톤 회전 펌프 ( rotary piston pump ) , 섭션 펌프 ( sorption ) , 오일 회전 펌프 ( oil rotary pump ) , 벤츄리 펌프 ( venturi pump ) , 부스터 펌프 ( booster

pump ) , 드라이 펌프 ( dry pump ) 2) 고진공 : 오일 확산 펌프 (oil diffusion pump ) , 크라이오 펌프 ( cryo pump ) , 터보 분자 펌프 ( turbo-molecular pump )

3) 초고진공 : 티타늄 승화 펌프 ( titanium sublimation pump) , 스퍼터 이온 펌프 ( sputter ion pump )

진공 펌프의 동작 압력 범위

피스톤 회전 펌프 ( Rotary PistonPump )배기구

슬라이드 핀

배기 밸브

Air-oil separator흡입구

축회전자배기 밸브실린더

Cooling warter cover

피스톤 회전 펌프 ( Rotary Piston Pump )는 기체 분자를 흡입하고 기계적으로 압축하여 대기중으로 배기하는데 압축하게 되면 부피는 작아지지만 대기압보다 압력이 높아져 외부로 배출하게 되는 원리를 적용한 것이다 . 많은 양의 기체 분자를 빨리 배출하기 위해서 사용하고 펌프가 도달할 수 있는 최저 압력은 대략 10-2torr 정도로 약간 높은 편이다 .

구조가 복잡하다는 단점이 있지만 견고하고 수명이 길다는 장점을 가지고 있기 때문에 진공 시스템에서 보편적으로 많이 사용된다 .

피스톤 회전 펌프 ( Rotary Piston Pump )

A. 흡 입 B. 차 단

C. 압 축 D. 배 기

A. 진공 용기로부터 기체분자를 흡입

B. 펌프 내로 들어온 기체를 차단

C. 펌프 내에서 회전자의 회전으로 압축

D. 압축된 기체를 배기구를 통하여 배출하는 배기

펌프가 회전하면서 기체 분자를 차단과 압축하는 과정에서 펌프에 사용하는 오일의 점도는 매우 중요하며 , 피스톤의 회전운동이 원활하게 이루어지지 않는다면 정상적으로 기체를 압축할 수 없고 진공용기의 압력을 낮출 수 없게 된다 .피스톤 회전 펌프 ( Rotary Piston Pump )에서 사용하는 오일은 고정자와 회전자 사이에 윤활제와 밀폐제의 역할뿐만 아니라 냉각제로서의 역할도 수행한다 .

섭션 펌프 (SORPTION PUMP)흡입구 안전 밸브

Al Body

액체 질소

Dewar ( 액체 질소통 )

Zeolite( 다공성 물질 )

섭션 펌프는 포획 방식의 펌프로써 , 배기 가스를 기계적으로 압축하거나 외부로 방출하지 않고 , 오일을 전혀 사용하지 않기 때문에 깨끗하다는 특징을 가진다 .몸체는 알루미늄이나 스테인레스강으로 구성되며 , 펌프의 입구는 진공 용기에 연결된다 . 내부 구조는 다공성 물질 (porous materials) 로 채워진다 . 섭션 펌프와 같은 포획식의 펌프는 기체분자를 무한정으로 가둘 수 없기 때문에 계속 사용할 수 없으며 , 일정한 기체를 포획한 후에는 기체를 방출시켜야 하고 다시 사용하게 된다 .온도를 낮추기 위해 액체질소를 사용함으로 절연용기로 Dewar( 이중 단열통 ) 를 이용하며 , 혹은 절연체로 보온 역할을 수행할 수 있는 스티로폼을 사용하기도 한다 .섭션 펌프는 일회용의 러핑 펌프로서 동작한다 . 액체질소가 다 증발하게 되면 온도는 다시 서시히 상승하게 되며 , 실온으로 돌아온 후에는 안전밸브를 열고 섭션 펌프를 가열하여 흡착된 기체를 방출하게 된다 .

부스터 펌프 (BOOSTER PUMP)흡입구

배기구

고정자

배기가스

회전자

부스터 펌프는 Roots 펌프와 매우 흡사하며 , 일종의 송풍기로 사용한다 .펌프의 구성은 회전자와 고정자로 이루어져 있으며 , 두 개의 회전자는 서로 반대 방향으로 돌며 , 배기가스를 고정자의 내벽을 따라 이송하여 방출하게 된다 . 따라서 두개의 회전자는 서로 90 도의 위상차를 가지고 회전하며 , 고정자와의 접촉면은 약 0.1mm 정도의 간격을 유지한다 . 이때 , 간격은 펌프의 크기 , 효율 및 용도에 따라 의존한다 .부스터 펌프의 회전 속도는 2,500~3,500 rpm 정도이며 , 유효 압력 범위는 10~10-4 torr이다 . 배기속도를 높이기 위해 회전수를 증가시키면 , 고속 및 고압으로 인하여 열이 발생하며 이는 회전자의 팽창을 유도하여 펌프의 손실을 초래할 수 있다 .

오일 확산 펌프 ( OIL DIFFUSION PUMP )Cold cap

inlet펌프벽

exhaust

Cooling coil

foreline

ejector

heaterboiler

Fill and drain assembly

Themal protect switch

Jet

확산 펌프의 구성은 펌프의 용기 , 오일을 분사하는 3 단의 우산형 제트분사 노즐 , 오일을 가열하여 증발시키는 보일러와 열원인 히터로 구성되며 , 펌프의 외벽에는 오일 증기를 응축시키기 위한 수냉관이 감겨져 있다 . 펌프의 배기원리는 펌프의 하단부에 고인 오일은 히터에 의해 가열되며 , 이때의 온도는 약 200 도 정도로 가열하여 보일러의 오일이 끓게 되면 오일 증기는 증발관을 따라 상승하다가 노즐을 통하여 아래를 향하여 대략 340m/sec 이상의 초음속으로 분사된다 .오일 증기가 아래를 향해 분사되면 , 주변의 기체분자들도 함께 동일한 방향으로 이동시켜 배기하게 된다 . 노즐은 3 단으로 설치되어 있고 동심원기둥으로 분리된 3 개의 증발관과 연결되어 있다 .

각 단을 거쳐 아래로 내려 갈수록 압력은 증가하게 되고 배기속도는 감소시켜야 되는데 , 하단으로 내려가면서 노즐과 내벽 사이에 간격을 작게 형성함으로써 얻을 수 있다 . Jet 의 평균 증기밀도는 높아지고 배기속도는 감소하지만 반면에 압축비가 증가하게 될 것이다 . 즉 , 오일 확산펌프의 배기속도는 상단에 있는 1단의 노즐에 의해 결정되고 , 2 단과 3 단의 역할은 압력을 상승시켜 확산 펌프의 배기구와 연결되는 포라인 펌프의 동작 범위까지 유지할 수 있도록 한다 .

터보 분자 펌프 ( TURBO-MOLECULAR PUMP)

터보 분자 펌프는 오일을 사용하지 않기 때문에 깨끗한 고진공 펌프라 알려져 있다 . 터보 펌프는 동일한 용량의 확산 펌프와 비교하여 매우 비싸다 . 회전자와 고정자 사이의 베어링에 약간의 윤활유를 사용하기는 하지만 역류와 같은 문제는 발생하지 않는 것으로 간주한다 . 펌프의 동작 방식이나 시간이 단순하고 짧은 편이며 , 배기속도가 비교적 크고 펌프의 회전속도에 비례하며 속도를 제어할 수도 있다 . 펌프의 기본 구성은 회전자 날 (blade), 고정자 날 , 축 , 모터로 비교적 간단한 구조이다 . 고정자와 회전자 날의 경사는 서로 엇갈리게 배치되고 대략 disk 에 blade 는 20~60 여 개 정도 배열된다 . 배기 성능은 날개의 수 , 날개 길이 , 폭 , 간격 , 경사도 및 회전 속도 등에 의존한다 .동작 원리는 수천 rpm 의 고속으로 회전하는 회전자의 날개들이 기체 분자들을 펌프 영역으로 끌어들여 충돌함으로써 운동 방향을 배기구 방향으로 밀어내는 운동량 전달 방식이다 . 동일한 온도 조건 하에서 기체 분자의 질량이 크면 평균 속도는 느려지며 , 질량이 작으면 속도가 빨라지게 된다 . 회전자와 고정자 날개에 대한 설계에 있어 경사각도 , 날의 면적 , 날 사이에 간격 및 회전 속도 등에 의존하게 된다 . 또한 전체 성능은 펌프의 압축비 , 배기 속도 및 날개의 구조 등을 최적화 하여야 한다 .초기 날개는 초기 배기 단계로 각도가 커야 하고 말기 날개는 말기 배기 단계로 각도가 작아야 한다 . 터보 펌프에서 회전자와 고정자 한 쌍을 하나의 펌프 단으로 고려하면 , 보통 9~13 개 정도의 다단 구조로 설치한다 .배기가스를 큰 압축비로 압축하기 때문에 많은 열이 발생하게 되며 , 부드럽고 소음이나 진동이 거의 없을 정도로 동작하기는 하지만 , 매우 빠른 속도로 회전하기 때문에 열이 발생한다 . 따라서 냉각이 요구되며 냉각장치로는 공랭식보다 수냉식이 적합하다 . 터보 분자 펌프는 진동이 있는 편으로 진동 분리기를 사용한다 .

진공 부품의 기호

진공 펌프 ( 일반 )

피스톤 진공 펌프

터보 분자 펌프

확산 펌프

흡착 펌프

크라이오 펌프

- 펌프