터보 펌프에 대한 혁신적인 특허: 파이퍼 베큠의 새로운 Laser Balancing™ 기술
터보 펌프는 깨끗한 고진공 및 초고진공을 생성하기 위한 진공 기술에서 중요한 역할을 합니다. 하이브리드 베어링 터보 펌프 내부에서 로터는 영구 자석 베어링과 롤러 베어링의 조합으로 지지되며 매우 빠른 속도로 구동됩니다.
이러한 하이브리드 베어링 로터의 밸런싱 기술은 수년 동안 파이퍼 베큠의 핵심 역량이었으며, 이를 통해 진동 수준이 매우 낮은 기술적으로 발전된 터보 펌프를 공급할 수 있었습니다. 파이퍼 베큠은 새로운 고급형 HiPace 80 Neo을 출시하면서 자체 개발한 Laser Balancing 기술을 도입했는데, 이를 통해 혁신적으로 내구성을 높이고 진동 및 소음 방출을 줄였습니다.
다음 질문을 던지면서 처음부터 내용을 살펴보겠습니다. 로터는 도대체 왜 밸런스를 맞춰야 합니까? Laser Balancing 방법을 사용한 밸런싱과 기존 방식 사이에는 어떤 차이점이 있습니까? 그리고 새로운 밸런싱 기술은 어떤 이점을 제공합니까?
HiPace 80 Neo – 세계 최초의 레이저 밸런싱 터보 펌프
로터는 어떻게 해서 밸런스가 맞춰집니까?
밸런싱 프로세스는 자동차 부문에서 가장 잘 알려져 있습니다. 자동차 부문의 경우 새 자동차는 타이어도 밸런스를 맞춰야 합니다. 외부에서 볼 때 대칭으로 보이는 본체조차도 실제로 질량 분포에서는 약간의 편차가 있습니다. 이러한 편차는 구성품의 제조 공정이나 원료 밀도의 불균질성 때문에 발생할 수 있습니다. 이렇게 고르지 않은 질량 분포는 언밸런스라는 용어로 설명됩니다. 밸런스가 맞지 않는 본체를 회전시키면 진동이 발생합니다. 자동차 타이어의 경우 핸들에서 이러한 진동을 느낄 수 있습니다. 그 결과 발생하는 힘은 회전 속도와 언밸런스의 정도에 따라 달라집니다. 이 힘은 급격히 증가할 수 있는데, 그럴 경우 차량의 다른 구성품을 손상시킬 수 있습니다. 이러한 이유 때문에 회전하는 물체의 언밸런스는 밸런싱에 의해 줄여야 합니다.
자동차 타이어의 속도는 1,500~2,500 rpm이 최적인 반면 터보 펌프의 로터는 최대 속도가 90,000 rpm 또는 1,500 rpm/sec에 달합니다. 따라서 밸런스 품질에 대한 요구가 매우 높습니다. 불과 몇 밀리그램 범위에서 조금이라도 밸런스가 깨지면 펌프 작동에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 밸런스 품질이 높아야 로터가 원활하게 돌아가면서 터보 펌프가 손상 없이 수년 간 작동할 수 있습니다. 또한 밸런싱은 진공실과 고객의 응용 분야로 전달되는 진동을 최소화합니다.
겉으로 볼 때 대칭적인 원형 본체가 고르지 않은 질량 분포로 언밸런스를 보 입니다. 중점을 중심으로 본체가 회전하면 순환력이 발생하면서 진동으로 이어집니 다.
기존의 밸런싱
기존의 밸런싱 기술은 수년 동안 파이퍼 베큠의 핵심 역량 중 하나였습니다. 이 기술에서는 하이브리드 베어링 터보 펌프에서 작동 시 진동을 감소시킵니다. 밸런싱 웨이트를 통해 추가 질량을 추가하면 고르지 않은 질량 분포가 줄어듭니다. 질량 밸런싱은 머시닝 공정에 힘입어 널리 사용됩니다. 이 공정에는 연삭과 드릴 구멍을 통한 재료의 제거가 포함됩니다.
기존의 밸런싱의 경우 베어링 근처에서 두 가지 레벨 측정을 통해 로터의 반경 방향 편향을 측정합니다. 베어링 근처에서 로터의 언밸런스를 측정할 때 특별한 알고리즘을 사용합니다. 전체적인 언밸런스를 줄이기 위해 회전 축을 따라 로터에 해당 구멍을 뚫어 여러 밸런싱 레벨로 나눕니다. 밸런싱 웨이트는 개별 밸런싱 레벨의 둘레를 따라 수동으로 조여집니다. 이로써 고르지 않은 질량 분포가 줄고 로터의 나머지 언밸런스도 필요한 한계 값 아래로 떨어집니다. 여기서 언밸런스가 여러 속도에서 결정되고 점진적으로 보상되면서 진동이 감소된 상태에서 로터가 공칭 속도로 작동할 준비를 마칩니다.
Laser Balancing 방법에서의 밸런싱
특히 이차 특성 영역의 경우 응용 분야에서 지난 10년 동안 터보 펌프에 대한 요구 사항이 지속적으로 증가했습니다. 따라서 고속 로터는 로터의 수명, 진동에 의한 음향 방출(예: 펌프 하우징에서 방출되는 소리 및 진동), 구성품 및 표면의 탈기 거동과 관련된 청결도 등을 꾸준히 개발해 나가야 합니다.
파이퍼 베큠은 이제 진공 기술 분야에서 새로운 혁신을 다음과 같이 계속 만들어내고 있습니다. 최근 몇 년 동안 파이퍼 베큠은 새로운 Laser Balancing을 개발하여 특허를 취득했습니다. 이 기술을 통해 터보 펌프 로터의 밸런스를 훨씬 더 효율적으로 맞추면서 후속적인 기술 발전을 보장합니다.
Laser Balancing은 구멍이나 웨이트의 밸런스를 맞출 필요가 없기 때문에 기존의 밸런싱 프로세스를 완전히 바꿔버렸습니다. 레이저 어블레이션으로 재료를 제거하여 질량 밸런싱은 뒤바꿈으로써 고르지 않은 질량 분포를 최소화합니다. 레이저에 의한 재료 제거는 훨씬 더 정밀하므로 잔류 언밸런스를 훨씬 더 낮출 수 있습니다. 재료 속성은 이 프로세스에서 영향을 받지 않습니다.
기하학적으로 정의된 밸런싱 홀과 등급이 지정된 밸런싱 웨이트를 분배함으로써 정의된 레이저 어블레이션 세그먼트를 제거할 수 있습니다. 따라서 레이저의 도움으로 고르지 않은 로터의 질량 분포가 개별 밸런싱 레벨상 필요한 지점에서 정확하게 수정됩니다.
밸런싱 홀이 있는 기존의 밸런싱(왼쪽)과 레이저 어블레이션 세그먼트가 있 는 레이저 밸런싱(오른쪽) 간의 밸런싱 레벨 비교
Laser Balancing 방법의 이점은 무엇입니까?
Laser Balancing을 사용하는 한편 기본적인 계산 알고리즘에 대한 다년간의 전문 지식을 통해 파이퍼 베큠은 현대적인 자동 밸런싱 시스템에서 터보 펌프 로터의 밸런싱 품질을 20% 향상시킬 수 있었습니다. 그 결과 파이퍼 베큠은 로터 수명을 크게 향상시켰을 뿐만 아니라 작동 중 펌프에서 발생하는 진동 및 소음도 낮췄습니다. 레이저 어블레이션 시 생성된 입자는 프로세스 동안 이미 추출되고 여과됩니다. 이어서 레이저 밸런싱 로터를 세정하는 한편 스크류 밸런싱 프로세스를 수동으로 처리하지 않아도 되면서 표면 청결도를 최대한 높일 수 있습니다. 이 밖에 밸런싱 홀의 에어 포켓으로 인해 발생하는 가상 누출을 방지하게 되었습니다.
이제 저진동과 소음이 적은 터보 펌프가 필요한 응용 분야에서 이 새로운 로터를 훨씬 더 효율적으로 사용할 수 있습니다. 진동에 의한 방출 소음이 낮아짐으로써 터보 펌프가 통합된 전자 현미경에서 고해상도로 이미지를 보는 게 가능해졌습니다.
혁신적인 Laser Balancing의 이점은 진공 기술에서 파이퍼 베큠 터보 펌프의 고유한 소구점을 강조하고 파이퍼 베큠의 향후 개발에 대한 기술적 전망을 제공할 수 있다는 데 있습니다.
This is only an excerpt.
You can download the full application report as a PDF file.
