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루츠 펌프는 어떻게 작동합니까?

루츠 펌프의 설계 원리는 1848년 아이재아 데이비스가 이미 발명했지만 20년 후에서야 미국인인 프랜시스와 필랜더 루츠가 실제로 구현했습니다. 이후 구동 배열 반전을 통해 원리가 기체 미터에 도입되었습니다. 1954년이 되어서야 이 원칙은 진공 엔지니어링에 도입되었습니다. 루츠 펌프는 배압 펌프(로터리 베인 또는 건식 펌프)와 함께 펌프 조합에서 사용되고 작동 범위를 중진공 범위로 확장합니다. 2단계 루츠 펌프 사용 시 고진공 범위로 확장됩니다. 루츠 펌프의 작동 원리 덕분에 동일한 작동 범위에서 작동하는 증기 이젝터 펌프보다 작동 경제성이 높은 펌프 속도(100,000m3/h 이상)를 가진 장치를 조립할 수 있습니다.

루츠 펌프의 작동 원리

루츠 진공 펌프(그림 2.17)는 펌프 케이싱 내부에서 대칭적으로 생긴 두 개의 임펠러가 서로 가까운 거리에서 번갈아 회전하는 로터리 정변위 유형의 펌프입니다. 두 로터는 그림 8의 모양과 유사한 단면이 있고 톱니형 기어로 동기화됩니다. 로터와 케이싱 벽 사이의 간극은 물론 로터의 간극은 단지 10분의 몇 밀리미터밖에 되지 않습니다. 이런 이유로 루츠 펌프는 기계적 마모 없이 고속으로 작동할 수 있습니다. 로터리 베인 및 건식 펌프와 달리 루츠 펌프는 오일로 밀봉되지 않으므로 건식 압축 펌프의 내부 누출이 설계상 발생할 경우 압축률이 10–100 범위에서만 유지될 수 있습니다. 루츠 펌프의 내부 누출 및 그 물질에 대한 기타 건식 압축 펌프는 작동 원리로 인해 펌프 챔버의 특정 표면 영역이 펌프의 흡기 측과 압축 측에 번갈아 지정된다는 사실에 근거합니다. 압축 단계 도중 이러한 표면 영역(로터 및 케이싱)에 기체(경계층)가 채워집니다. 흡입 단계에서는 이 기체가 방출됩니다. 이동 중인 기체층의 두께는 두 로터 사이 및 로터와 케이싱 벽 사이의 간극에 따라 다릅니다. 루츠 펌프 내의 비교적 복잡한 열 조건으로 인해 냉온 상태에 대한 고려 사항을 고려할 수 없습니다. 가장 작은 간극과 가장 낮은 역류가 1mbar 영역의 작동 압력에서 유지됩니다. 이후 이 영역에서 가장 높은 압축비를 달성할 수 있지만 이 압력 범위는 로터와 케이싱 사이의 접점에서 볼 때 가장 중요합니다. 

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그림 2.17 루츠 펌프의 단면도

  1. 흡입 플랜지
  2. 로터
  3. 챔버
  4. 배기 플랜지
  5. 케이싱

아래 비디오를 통해 루츠 펌프의 펌핑 애니메이션 확인

RUVAC - The dry compressor roots principle

루츠 펌프의 특성 수량

루츠 펌프에 의해 효과적으로 펌핑되는 기체 Qeff의 양은 이론적으로 펌핑된 기체 Qth와 내부 누출 QiR(손실된 기체의 양)에서 다음과 같이 계산됩니다.

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(2.5)

다음은 이론적으로 펌핑된 기체의 양에 적용됩니다. 

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(2.6)

여기에서 pa는 흡입 압력이고 Sth는 이론상 펌핑 속도입니다. 이는 펌핑 부피 VS와 속도 n의 곱입니다. 

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(2.7)

마찬가지로 내부 누출 QiR은 다음과 같이 계산됩니다. 

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(2.8)

여기에서 pV는 전진공 압력(전진공 측의 압력)이고 SiR은 (명목상의) "재유동" 펌핑 속도입니다. 

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(2.9)

즉, 속도 n과 내부 누출 부피 ViR의 곱입니다. 

루츠 펌프의 용적 효율성은 (2.10)에 의해 제공됩니다. 

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(2.10)

등식 2.5, 2.6, 2.7 및 2.8을 사용하여 (2.11) 획득

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(2.11)

압축 pv/pa를 k one으로 지정할 경우 

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(2.11a)

최대 압축은 처리량 0에서 구합니다(PNEUROP 및 DIN 28 426, 2부 참조). k0으로 지정: (2.12)

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(2.12)

k0은 루츠 펌프의 특성 양이며 일반적으로 전진공 압력 pV의 함수로 표시됩니다(그림 2.18 참조). 
k0도 기체 유형에 따라 약간 달라집니다. 

2.18 루츠 펌프 RUVAC WA 2001의 최대 압축 k0(전진공 압력 pv의 함수)

루츠 펌프의 효율성을 위해 일반적으로 유효한 등식이 적용됩니다. (2.13) 

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(2.13)

일반적으로 루츠 펌프는 공칭 펌프 속도 SV를 갖는 다운스트림 저진공 펌프와 연결하여 작동합니다. 연속성 등식은 (2.14)입니다. 

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(2.14)

(2.15)에서 

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(2.15)

비율 Sth/SV(루츠 펌프의 이론적 펌핑 속도/배압 펌프의 펌핑 속도)는 기울기 kth라고 합니다. (2.15)에서 (2.16)을 구합니다. 

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(2.16)

등식 (2.16)은 용적 효율이 항상 1보다 낮으므로 루츠 펌프로 달성할 수 있는 압축 k는 항상 루츠 펌프와 배압 펌프 사이의 등급 kth보다 낮아야 함을 의미합니다. 등식 (2.13)과 (2.16)을 결합하면 효율성에 대해 잘 알려진 식 (2.17)을 구하게 됩니다. 

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(2.17)

등식 2.17에서 확인된 특성 수량은 루츠 펌프와 배압 펌프의 조합, 즉, 루츠 펌프의 최대 압축 k0과 루츠 펌프와 배압 펌프 사이의 기울기 kth입니다. 

위의 등식을 사용하여 루츠 펌프와 배압 펌프 조합의 펌핑 속도 곡선을 계산할 수 있습니다. 이를 위해 다음 사항을 알고 있어야 합니다. 

a) 루츠 펌프의 이론적 펌핑 속도: Sth 
b) 전진공 압력의 함수로서 최대 압축: k0(pV
c) 배압 펌프 SV의 펌핑 속도 특성(pV

계산이 실시되는 방법은 표 2.3에서 확인할 수 있으며 루츠 펌프 RUVAC WA 2001/E 250(기체 밸러스트 없이 작동하는 1단계 로터리 플런저 펌프)의 조합에 대한 데이터가 제공됩니다. 

표 2.3 두 오른쪽 열에서 얻은 값은 WA 2001/E250 조합에 대한 펌핑 속도 곡선을 나타냄(그림 2.19, 최상단 곡선 참조)

여기에서 Sth에 대해 다음을 구합니다. 

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위에서 설명한 방법은 배압 펌프로서의 로터리 펌프와 여러 개의 루츠 펌프가 직렬 연결된 배열에도 적용할 수 있습니다. 처음에는 반복 방법에 따라 배압 펌프와 첫 번째 루츠 펌프의 펌핑 특성을 확인한 다음 이 조합을 두 번째 루츠 펌프의 배압 펌프로 간주합니다. 물론, 배열의 모든 펌프의 이론적 펌핑 속도를 알고 있어야 하며 배압 압력의 함수로서 처리량 0의 압축 k0 또한 알려져 있어야 합니다. 이미 설명한 바와 같이 가장 적합한 등급의 진공 공정에 따라 달라집니다. 배압 펌프 및 루츠 펌프 모두 저진공 범위에서 펌핑 속도가 동일할 때 유리할 수 있습니다. 

루츠 펌프의 전원 요구 사항

루츠 펌프의 압축은 외부 압축을 통해 실시되고, 이를 등체적 압축이라고 합니다. 경험에 따르면 다음 등식은 대략적으로 다음과 같습니다. 

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(2.18)

펌프의 총 전력(이른바 샤프트 출력)을 확인하려면 기계 전력 손실 NV(예: 베어링 실)를 고려해야 합니다. (2.19). 

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(2.19)

NV에 요약된 전력 손실은 경험상 볼 수 있듯이 Sth에 대략적으로 비례합니다. 즉, 

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(2.20)

펌프 유형과 설계에 따라 0.5-2Wh/m3 사이의 상수 범위 값이 결정됩니다. 
따라서 총 전력은 다음과 같습니다. 

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계산에 유용한 해당 숫자 값 등식은 다음과 같습니다. 

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(2.21)

mbar 단위의 pv와 pa, Sth(m3/h) 및 상수 "const."는 18-72mbar 사이입니다.  

루츠 펌프의 정격 부하 

펌프에 의해 유입되는 전력의 양에 따라 온도가 결정됩니다. 최대 허용 압력 차이 pV – pa로 결정되는 온도가 특정 수준 이상으로 증가하는 경우 로터가 열 팽창으로 인해 케이싱 안에 고착될 위험이 있습니다. 최대 허용 압력 차이 Δpmax는 다음 요인의 영향을 받습니다. 전진공 또는 압축 압력 pV, 배압 펌프의 펌핑 속도 SV, 루츠 펌프의 속도 n, 그라데이션 kth 및 펌핑된 기체의 단열 지수 κ입니다. Δpmax는 pV와 SV가 증가할 때 증가하고 n과 kth가 증가할 때 감소합니다. 따라서 전진공 압력과 흡입 압력 사이의 최대 차이인 pV-pa는 연속 작동 도중 펌프의 유형에 따라 특정 값을 초과해서는 안 됩니다. 이러한 값은 130~50mbar 사이입니다. 하지만 연속 작동 시 최대 허용 압력 차이는 잠시 동안 초과할 수 있습니다. 기체 냉각을 사용하는 특수 설계의 경우 높은 압력 차이가 연속 작동 중에도 허용됩니다.

루츠 펌프에 사용되는 모터 유형

표준 플랜지 장착 모터가 드라이브로 사용됩니다. 샤프트 피드스루는 드라이브 샤프트를 보호하기 위해 내마모성 부싱에서 작동하는 2개의 오일 밀봉 레이디얼 샤프트 씰로 밀봉됩니다. 모든 보호 등급, 전압 또는 주파수의 플랜지 모터를 사용할 수 있습니다. 

이 버전의 일체형 누출 밀폐성은 < 10-4 mbar  · l  · s-1입니다.  

< 10-5mbar · l  · s-1로 누출 밀폐성이 더 높은 경우 루츠 펌프에 캔 모터가 장착되어 있습니다. 로터는 펌프의 드라이브 샤프트에 있는 진공에 장착되고 진공 밀폐형 비자성 튜브에 의해 고정자로부터 분리됩니다. 고정자 코일은 자체 드라이브 모터가 있는 팬에 의해 냉각됩니다. 따라서 마모될 수 있는 샤프트 씰은 더 이상 필요하지 않습니다. 고순도, 독성 또는 방사성 기체와 증기를 펌핑할 때는 캔 모터가 장착된 루츠 펌프를 사용하는 것이 특히 좋습니다. 

허용 압력 차이 유지

 표준 루츠 펌프의 경우 설계 제약으로 인해 흡기와 배기 포트 사이의 최대 허용 압력 차이가 초과되지 않도록 조치를 취해야 합니다. 이 작업은 흡기 압력에 따라 루츠 펌프를 안팎으로 가르는 압력 스위치를 사용하거나 루츠 펌프의 바이패스에 압력 차이 또는 과류 밸브를 사용하여 수행합니다(그림 2.20 및 2.21). 루츠 펌프의 바이패스에 과류 밸브를 사용하는 것이 더 효과적이고 안정적인 솔루션입니다. 중량 및 스프링 부하 밸브는 특정 펌프의 최대 허용 압력 차이로 설정됩니다. 이를 통해 루츠 펌프가 과부하되지 않고 모든 압력 범위에서 작동할 수 있습니다. 실제로 이는 루츠 펌프를 대기 압력에서 배압 펌프와 함께 작동시킬 수 있음을 의미합니다. 이 과정에서 압력 증가는 결합된 작동에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 즉, 이러한 상황에서는 루츠 펌프가 꺼지지 않습니다. 

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그림 2.20 바이패스 라인이 있는 루츠 펌프의 단면

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그림 2.21 진공 다이어그램 - 바이패스 라인과 배압 펌프가 통합된 루츠 펌프

사전 주입 냉각 

사전 주입 냉각을 사용하는 루츠 펌프의 경우(그림 2.22) 기본적으로 압축 공정은 일반 루츠 펌프와 동일합니다. 더 큰 압력 차이가 허용되므로 지정된 속도에서 더 많은 설치 전력이 필요하고 흡입구와 배출 포트 간의 압력 차이는 직접 비례하며 압축과 다양한 전력 손실에 대해 수행된 이론적 작업으로 구성됩니다. 압축 공정은 일반적으로 배출 포트 방향으로 펌핑 챔버를 개방한 후 종료됩니다. 이 시점에서 높은 압력으로 가열된 기체가 펌핑 챔버로 흐르고 운반된 기체를 압축합니다. 사전 주입 냉각의 경우 이 압축 과정이 미리 실시됩니다. 로터가 배출 포트 방향으로 펌핑 챔버를 개방하기 전에 압축 및 냉각된 기체가 사전 주입 채널을 통해 펌핑 챔버로 흐릅니다. 마지막으로 로터는 배출 포트를 통해 펌핑된 매체를 배출합니다. 1단계 압축의 경우 냉각된 기체가 대기에서 가져와 사전 주입 냉각기로 주입되고, 다단계 펌프 시스템의 경우 다운스트림 기체 냉각기에서 가져와 사전 압축을 실시하고 "내부 냉각"을 통해 압축 시 발생하는 열을 없앱니다. 

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그림 2.22 사전 주입 냉각을 사용하는 루츠 펌프의 다이어그램

  1. 흡입구 포트 
  2. 배출 포트 
  3. 기체 냉각기 
  4. 저온 기체의 흐름
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참고 자료

진공 기호

진공 기술 다이어그램에서 펌프 유형 및 펌핑 시스템의 부품을 시각적으로 표현한 기호 용어집

 

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단위 용어집

진공 기술에 사용되는 측정 단위 개요 및 기호의 의미, 그리고 과거 단위와 현재의 등가 단위

 

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참고 자료 및 출처

진공 기술에 대한 기본 지식과 관련된 참고 자료, 출처 및 추가 자료

 

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