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로터리 베인 펌프는 어떻게 작동합니까?

오일 밀봉 로터리 펌프의 작동 원리

변위 진공 펌프는 일반적으로 펌핑할 기체가 피스톤, 로터, 베인 및 밸브 등의 보조 장치로 흡입되어 압축되고 배출되는 진공 펌프입니다. 펌핑 공정은 펌프 내부의 피스톤의 회전 동작에 의해 영향을 받습니다. 오일 및 건식 압축 변위 펌프 간에 차이가 있어야 합니다. 밀봉 오일을 사용하면 단일 단계에서 최대 약 105의 높은 압축비를 달성할 수 있습니다. 오일이 없으면 "내부 누출"이 상당히 크고 달성 가능한 압축비는 약 10이 됩니다.

분류 표 2.1에서 볼 수 있듯, 오일 밀봉 변위 펌프에는 1단계 및 2단계 설계의 로터리 베인 및 로터리 플런저 펌프가 있습니다. 이러한 펌프는 모두 기체 밸러스트가 장착되어 있고, 이는 1935년 게데가 자세히 설명했습니다. 지정된 엔지니어링 한도 내에서 기체 밸러스트 시설은 펌프 내 증기의 응축 없이 증기(특히 수증기)의 유입을 허용합니다.

Leybold - Vacuum Fundamentals graphics

표 2.1 진공 펌프의 분류

로터리 베인 펌프(TRIVAC B, TRIVAC E, SOGEVAC)

로터리 베인 펌프(그림 2.6)는 편심 서스펜션 및 슬롯 로터(2)가 화살표 방향으로 움직이는 원통형 하우징(펌핑 링)(1)으로 구성됩니다. 로터에는 일반적으로 원심력은 물론 스프링에 의해 바깥쪽으로 움직이는 베인(16)이 있고, 그에 따라 베인이 하우징 안으로 미끄러집니다. 흡기(4)를 통해 주입되는 기체는 베인에 의해 밀려 들어가 최종적으로 오일 밀봉 배기 밸브(12)에 의해 펌프에서 배출됩니다.

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그림 2.6 1단계 로터리 베인 펌프의 단면(TRIVAC B)

  1. 흡기 포트
  2. 이물질 트랩
  3. 역 흡입 방지 밸브
  4. 흡기 덕트
  5. 베인
  6. 펌핑 챔버
  7. 로터
  8. 오리피스, 불활성 기체 밸러스트 연결부
  9. 배기 덕트
  10. 배기 밸브
  11. 스프링
  12. 데미스터
  13. 오리피스, 오일 필터 연결부

TRIVAC B 범위(그림 2.6)에는 180° 오프셋된 베인이 2개만 있습니다. 베인은 스프링을 사용하지 않고 원심력에 의해 바깥쪽으로 이동합니다. 낮은 주변 온도에서 더 얇은 오일을 사용해야 할 수 있습니다. 펌프에는 압력 윤활을 위한 기어식 오일 펌프가 있습니다. TRIVAC B 시리즈는 특히 안정적인 역 흡입 방지 밸브가 장착되어 있고, 흡기 및 배기 포트를 위한 수평 또는 수직 배열입니다. 오일 레벨 수면계와 기체 밸러스트 액추에이터는 모두 오일 박스의 같은 측에 있습니다(사용자 친화적 설계). TRIVAC BCS 시스템에 반도체 분야에 맞춰 설계된 매우 광범위한 부속품을 장착할 수 있습니다. 로터리 베인 펌프의 오일 저장소와 다른 오일 밀봉 변위 펌프의 오일 저장소는 윤활 및 밀봉을 목적으로 하며 무효 공간 및 슬롯을 채우는 데 사용됩니다. 즉, 냉각 목적으로 기체 압축의 열을 제거합니다. 오일은 로터와 펌프 링 사이에 밀봉을 제공합니다. 이 부품은 직선(실린더 재킷 라인)을 따라 "거의" 접촉합니다. 오일 밀봉 표면 영역을 늘리기 위해 이른바 밀봉 통로가 펌핑 링에 내장됩니다(그림 2.4). 이를 통해 더 나은 밀봉 효과를 제공하며 압축비를 높이거나 최종 압력을 낮출 수 있습니다.

아래 비디오를 통해 TRIVAC B 로터리 베인 펌프의 펌핑 애니메이션 확인

Leybold TRIVAC B - Function principles

로터리 베인 펌프의 압력 범위

Leybold는 다양한 범위의 로터리 베인 펌프를 제조하고 있으며, 이는 높은 흡기 압력, 낮은 최종 압력 또는 반도체 산업 분야와 같은 다양한 작업에 활용됩니다. 이러한 범위의 보다 중요한 특성에 대한 요약은 표 2.2에 나와 있습니다. TRIVAC 로터리 베인 펌프는 2단계(TRIVAC D) 펌프로 생산됩니다(그림 2.7). 2단계 오일 밀봉 펌프를 사용하면 해당 1단계 펌프에 비해 작동 및 최종 압력을 낮출 수 있습니다. 그 이유는 1단계 펌프의 경우, 오일이 외부 대기와 접촉하면 기체가 흡입되어 진공 측으로 부분적으로 빠져나가므로 달성 가능한 최종 압력이 제한되기 때문입니다. Leybold에서 제조한 오일 밀봉 2단계 변위 펌프에서는 이미 탈기된 오일이 진공 측의 단계로 공급됩니다(그림 2.7의 1단계). 최종 압력은 거의 고진공 영역에 있으며 최저 작동 압력은 중진공/고진공 영역에 있습니다. 참고: 오일이 거의 없거나 전혀 없는 소위 고진공 단계(1단계)를 작동시키는 것은 매우 낮은 최종 압력에도 불구하고 실제로 상당한 어려움을 초래하고 펌프 작동을 크게 손상시키게 됩니다.

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그림 2.4 "이중 밀봉"이라고도 하는 로터리 베인 펌프의 밀봉 통로 배열. 전체 밀봉 통로 b에 대한 최소 일정 간극 a

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그림 2.7 2단계 로터리 베인 펌프의 단면, 계통

I 고진공 단계
II 2차 전진공 단계
a – 밸브 정지
b – 밸브의 리프 스프링

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표 2.2 로터리 진공 펌프 범위

로터리 플런저 펌프(E 펌프)

그림 2.9에는 단일 블록 유형의 로터리 플런저 펌프의 단면이 나와 있습니다. 여기에서 화살표 방향으로 회전하는 편심(3)을 따라 피스톤(2)은 챔버 벽을 따라 이동합니다. 펌핑되는 기체는 흡기 포트(11)를 통해 펌프로 흐르고 슬라이드 밸브의 흡기 채널(12)을 통과하여 펌핑 챔버(14)로 들어갑니다. 슬라이드 밸브는 피스톤과 함께 장치를 형성하며 케이싱의 회전 가능한 밸브 가이드(힌지 바 13) 사이를 앞뒤로 이동합니다. 펌프로 주입된 기체는 최종적으로 압축 챔버(4)로 들어갑니다. 회전 도중 피스톤은 오일 밀봉 밸브(5)를 통해 빠져나올 때까지 이 기체를 압축합니다. 로터리 베인 펌프의 경우와 마찬가지로 오일 저장소는 무효 공간의 윤활, 밀봉, 충전 및 냉각에 사용됩니다. 펌핑 챔버는 피스톤에 의해 두 공간으로 나뉘므로 각 회전마다 작동 주기가 완료됩니다(그림 2.10). 로터리 플런저 펌프는 1단계 및 2단계 펌프로 제조됩니다. 루츠 펌프와 1단계 로터리 플런저 펌프를 결합한 많은 진공 공정에서 2단계 로터리 플런저 펌프만 사용할 때보다 더 많은 이점을 제공할 수 있습니다. 이러한 조합 또는 2단계 펌프로 충분하지 않은 경우 2단계 펌프와 연결하여 루츠 펌프를 사용하는 것이 좋습니다. 이는 로터리 베인 펌프와 루츠 펌프가 포함된 조합에는 적용되지 않습니다. 

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그림 2.9 1단계 로터리 플런저 펌프의 단면

  1. 케이싱
  2. 원통형 피스톤
  3. 편심
  4. 압축 챔버 
  5. 오일 밀봉 압력 밸브
  6. 오일 레벨 수면계
  7. 기체 밸러스트 채널
  8. 배기 포트 
  9. 기체 밸러스트 밸브
  10. 이물질 트랩
  11. 흡기 포트
  12. 슬라이드 밸브 
  13. 힌지 바
  14. 펌핑 챔버(공기가 유입됨)
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그림 2.10 로터리 플런저 펌프의 작동 주기

  1. 상사점
  2. 슬라이드 밸브의 흡입 채널의 슬롯이 개방되고 흡입 기간이 시작됨
  3. 하사점 – 흡입 채널의 슬롯이 개방되고, 펌핑된 기체(화살표)가 펌핑 챔버(음영으로 표시)에 자유롭게 진입함
  4. 흡입 채널의 슬롯은 흡입 기간이 종료되면 스위블링 힌지 바를 통해 다시 폐쇄됨 
  5. 상사점 – 회전 피스톤과 고정자 사이의 최대 공간
  6. 압축 기간이 시작되기 직전에 회전 플런저의 전면에서 기체 밸러스트 개구부가 개방됨
  7. 기체 밸러스트 개구부가 개방됨
  8. 가스 밸러스트 입구의 끝 
  9. 펌핑 기간 종료

로터리 베인 및 로터리 플런저 펌프의 모터 동력

로터리 베인 및 로터리 플런저 펌프와 함께 제공되는 모터는 주변 온도 12°C(53.6°F)에서 충분한 전력을 공급하고 특수 오일을 사용하여 최대 출력 요구 사항(약 400mbar)을 충족합니다. 펌프의 실제 작동 범위 내에서 예열된 펌프의 구동 시스템은 설치된 모터 동력의 약 1/3만 공급해야 합니다(그림 2.11 참조).

Fig . 2.11 Motor power of a rotary plunger pump (pumping speed 60 m3/h) as a function of intake pressure and operating temperature. The curves for gas ballast pumps of other sizes are similar.

그림 2.11 로터리 플런저 펌프의 모터 동력(펌핑 속도 60m3/h) - 흡기 압력 및 작동 온도의 함수. 서로 다른 크기의 기체 밸러스트 펌프의 곡선이 유사합니다.

  1. 작동 온도 곡선 1 - 32°C(89°F)
  2. 작동 온도 곡선 2 - 40°C(104°F)
  3. 작동 온도 곡선 3 - 60°C(140°F)
  4. 작동 온도 곡선 4 - 90°C(194°F)
  5. 단열 압축의 이론적 곡선
  6. 등온 압축의 이론적 곡선

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