Vacuum Technology Book, Volume II

4.7 루츠 진공 펌프

4.7.1 설계 / 작동 원리

1단계 루츠 펌프의 작동 원리는 4.5장에서 설명된 다단계 펌 프의 작동 원리와 동일합니다. 루츠 진공 펌프에서 두 개의 동기 역회전 로터(4)는 하우징에서 비접촉 회전합니다(그림 4.16 참조). 로터는 8자형 구성이고 좁은 간격으로 서로 그리고 회전자에서 분리되어 있습니다. 이 펌프의 작동 원리 는 유입구(3)에서 출구(12)로 기체를 펌프하고 각각 한 개의 2-톱니 기어를 가진 기어 펌프의 작동 원리와 유사합니다. 한 개의 샤프트가 모터(1)에 의해 구동됩니다. 나머지 샤프트는 기어 챔버 안에 있는 한 쌍의 기어(6)에 의하여 동기화됩니 다. 윤활은 두 개의 베어링과 기어 챔버로 제한되는데, 기어 챔버는 압축 링이 있는 래비린드 실(5)에 의하여 흡입실(8)에 서 밀봉됩니다. 흡입실에서는 마찰이 일어나지 않기 때문에 루츠 진공 펌프는 높은 회전 속도(1,500 – 3,000 rpm)로 작동 될 수 있습니다. 교환 질량이 없으므로 동적 균형에 문제가 없습니다. 이는 루츠 진공 펌프가 고속에도 불구하고 무척 조 용히 작동함을 의미합니다.

설계

로터 샤프트 베어링은 두 개의 측면 커버 속에 배열되어 있습 니다. 이들은 한 쪽 측면에 고정 베어링으로, 다른 쪽 특면에 이동 가능(느슨한) 베어링으로 설계되어 하우징과 로터 사이 에서 불공정한 열 팽창이 가능합니다. 베어링은 스플래시 디 스크에 의해 베어링과 기어로 변위되는 오일로 윤활됩니다. 표준 버전에서 외부로의 구동축 피드스루는 밀봉 오일에 담 근 FPM으로 만들어진 방사상 샤프트 실 링으로 밀봉됩니다. 샤프트를 보호하기 위하여 마모 시 교체 가능한 보호 슬리브 위에 실링 링이 장착됩니다. 외부 용접 밀봉이 요구될 경우, 펌프는캔에 들어 있는 영구 자석 커플링에 의하여 구동될 수 도 있습니다. 이 설계는 10-6 Pa m3 s-1 이하의 누출률 $Q_I$ 을 제 공합니다.

펌프 속성, 가열

루츠 펌프엔 내부 압축 또는 배출 밸브가 없기 때문에 흡입실 이 열리면 기체 부피가 흡입실로 밀려 들어와 출구 압력에 반 하여 재방됩니다. 이런 영향의 결과로, 특히 유입구와 출구 사이에 높은 차압이 있을 경우, 높은 수준의 에너지 소멸이 발생하여 소량의 열만을 전달하는 낮은 기체 흐름에서 펌프 의 강당한 가열을 유발합니다. 회전하는 루츠 피스톤은 실제 로 진공 절연 상태에 있기 때문에 하우징에 비해 냉각하기가 비교적 어렵습니다. 결과적으로 이 피스톤은 하우징보다 더 많이 확장됩니다. 접촉또는 장악을 방지하기 위하여 가능한 최대 차압과 소멸된 에너지가 과류 밸브(7)에 의해 제한됩니 다. 이것은 펌프 스루 채널의 유입구 측면과 압력 측면에 연 결됩니다. 중량 적재된 밸브 판은 최대 차압을 초과하여 처리 량에 따라 더 크거나 더 작은 양의 유입 기체가 압력 측면에 서 유입구 측면으로 흘러들 경우에 열립니다. 제한된 차압으 로 인해 표준 루츠 펌프는 대기압에 반하여 방전할 수 없고 배압 펌프를 필요로 합니다. 그러나 과류 밸브가 있는 루츠 진공 펌프는 심지어 대기압에서도 배압 펌프와 함께 켜질 수 없으며, 따라서 시작 시부터 펌프 속도를 증가시킵니다. 그럼 으로써 배출 횟수가 줄어듭니다.

루츠 펌프의 작동 원리

그림 4.16: 루츠 펌프의 작동 원리

배압 펌프

1단계 또는 2단계 회전 날개 펌프 또는 외부 날개 펌프는 오 일 윤활 배압 펌프로 사용됩니다. 나사 펌프 또는 다단계 루 츠 펌프는 건식 배압 펌프로 사용될 수 있습니다. 이와 같은 펌프 조합은 저질공 및 중간 진공 범위에서 높은 펌프 속도를 가진 모든 어플리케이션에서 사용될 수 있습니다. 액체 링 펌 프도 배압 펌프로 사용될 수 있습니다.

기체 순환 냉각 루츠 펌프

루츠 진공 펌프가 대기압에 반하여 작동하도록 하기 위하여 일부 모델은 기체 냉각식이며 과류 밸브가 없습니다(그림 4.17 참조). 이 경우 냉각기(7)를 통하여 출구 플랜지(6)에서 흐르는 기체는 흡입실(4)의 중앙으로 재유입됩니다. 인공적 으로 생성된 이 기체 흐름은 펌프를 냉각시키고, 펌프가 대기 압에 반하여 압축할 수 있게 해줍니다. 기체 진입은 루츠 피 스톤에 의 하여 제어되며, 따라서 모든 추가 밸브에 대한 요 구를 제거합니다. 최종 압력에서 작동 시에도 열 과부하의 가 능성은 전혀 없습니다.

기체 냉각 루츠 펌프의 작동 원리

그림 4.17: 기체 냉각 루츠 펌프의 작동 원리

그림 4.17은 기체 순환 냉각 루츠 진공 펌프의 횡단면을 보 여줍니다. 기체 흐름의 방향은 위에서 아래로 수직이며, 유입 구에서 혼입된 액체 또는 고체 입자가 아래로 흐르도록 해줍 니다. 단계 I에서, 챔버(3)가 피스톤 (1)과 (2)의 회전에 의해 열립니다. 기체가 압력 $p_1$ 에서 유입구 플랜지(5)를 통하여 침 버로 흘러 들어갑니다. 단계 II에서, 챔버(3)가 유입구 플랜지 와 압력 플랜지에 반하여 밀봉됩니다. 냉각 기체를 위한 유입 구 구멍(4)이 단계 III에서 피스톤 회전에 의해 열립니다. 챔버 (3)는 유입구 압력 $p_2$ 로 채워지고 기체는 압력 플랜지 방향으 로 유입됩니다. 초기엔 흡입 부피가 루츠 피스톤의 회전 이동 으로 변하지 않습니다. 기체는 유입 냉각 기체에 의해 압축됩 니다. 루츠 피스톤은 이제 회전을 계속하고(단계 IV), 이런 이 동이 냉각기(7) 위의 압축된 기체를 압력 $p_2$ 에서 방전 측면으 로 밀어냅니다(단계 V).

기체 냉각 루츠 펌프는 130~1,013 hPa의 유입구 압력 범위 에서 사용될 수 있습니다. 흡입실엔 윤활제가 없기 때문에 펌 프는 어떤 분무도 방전하지 않거나 펌프되고 있는 매개체를 오염시키지 않습니다. 이 펌프 두 개를 직렬로 연결하면 최종 압력이 20~30hPa로 낮춰질 수 있습니다. 추가 루츠 진공 펌 프와 결합하면 최종 압력이 중간 진공 범위로 낮춰질 수 있습 니다.

펌프 속도와 압축비

루츠 펌프의 특징적인 성능 데이터는 펌프 속도와 압축비입 니다. 이론적인 펌프 속도 $S_{th}=S_0$ 는 펌프가 역압 없이 변위 하는 체적 유량율입니다. 기체 변위 없이(유입구 플랜지 닫 힘) 작동될 경우의 압축비 $K_0$ 는 출구 압력 $p_2$ 에 따라 달라집 니다. 펌프 속도 범위는 200 m3 · h-1 에서 수천 m3 · h-1 입니 다. 일반적인 $K_0$ 값은 10에서 75 사이입니다.

루츠 펌프의 공기에 대한 무부하 압축비

그림 4.18: 루츠 펌프의 공기에 대한 무부하 압축비

압축비는 다음 두 가지에 의하여 부정적인 영향을 받습니다.

  • 피스톤과 하우징 사이의 틈새로 역류
  • 출구 측면의 피스톤 표면에 흡착함으로써 퇴적되었다 흡 입 측면을 향하여 회전한 후 재탈착되는 기체

출구 압력이 10-2 ~1 hPa인 경우, 분자 흐름이 실 틈새에서 우 세하게 일어나 낮은 전도성으로 인해 역류가 감소합니다. 그 러나 흡착을 통해 다시 유입되고 배출된 기체 부피에 비해 비 교적 높은 기체의 부피는 압축비를 감소시킵니다.

$K_0$ 는 1~10 hPa 범위에서 가장 높습니다. 왜냐하면 밀봉 틈 새에서의 분자 흐름이 펌프의 낮은 유입구 압력으로 인해 우 세하고 따라서 역류가 낮기 때문입니다. 흡착을 통한 기체 이 송은 압력과 관계가 없기 때문에 펌프 속도에 의해 전달되는 압력 비례 기체 흐름보다 덜 중요합니다.

10 hPa를 초과하는 압력에서는 층류 흐름이 틈새에서 일어 나고 층의 전도성은 크게 증가하여 압축비를 감소시킵니다. 이 효과는 대략 $K_0$ = 10인 압축비를 달성하는 기체 냉각 루 츠 펌프에서 특히 주의해야 합니다.

틈새 폭은 압축비에 커다란 영향을 미칩니다. 하지만 피스톤 과 하우징은 열 팽창이 서로 다르기 때문에 로터-회전자-접 촉을 피하기 위하여 일정한 최소 값 이하로 떨어져서는 안 됩 니다.

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