진공을 만들어 주는 장치 - #4. 터보펌프 (Turbo Pump)

 

 

     또 다른 운동량 전달 방식의 고진공 펌프로 많이 사용하는 것에 터보 분자(Turbo Molecular) 펌프가 있다. 터보 펌프는 모든 펌프들 중에서 가장 복잡하고 정밀한 구조를 가진 펌프 중 하나인데, 고속 모터의 중심축에 정해진 간격을 따라 로터(rotor)라고 부르는 회전디스크와 스테이터(stator)라고 부르는 고정디스크가 번갈아가며 달려있고 각각의 디스크에는 비행기의 제트엔진에서 볼 수 있는 모양의 블레이드(날개)가 촘촘히 달려있다.

 

 

터보펌프내 기체분자의 이동
(노파심에 말하는거지만.. 노란 알갱이가 기체분자임;;)

 

 

 

   챔버내에 존재하는 기체를 외부로 배출시키기 위해서 터보 모터는 보통 20,000 rpm 이상의 고속으로 축에 달린 디스크를 회전시킨다. 이때 기체분자가 흡기구를 통해 디스크 사이로 유입되면, 디스크에 장착된 블레이드에 충돌하게 되고 블레이드의 각도에 의해 방향이 꺾이면서 운동량을 전달받아 다음 디스크 쪽으로 이동한다. 이렇게 이동된 기체분자는 또 다른 블레이드와 다시 충돌하게 되어 순차적으로 배기구 쪽으로 이동하게 된다. 각각의 블레이드 들은 배기구 쪽으로 갈수록 각도가 깊고, 촘촘하게 장착되어 흡기구와 배기구 사이에 발생하는 압력차에 적절하게 대응 할 수 있게 설계되어 있다. 처음에는 가능한 많은 양의 공기를 펌프안으로 끌어들이기 위해서 블레이드 각도는 비교적 크게(약 30°~40°) 만들어지고, 배기구 쪽으로 갈수록 각도를 낮춰(보통 10°~20° ) 기체의 압축비를 높여놓는다. 여기서 압축비란 흡기구와 배기구 간의 압력차이를 비율로 나타낸 것으로, 흡기쪽 압력을 P1, 배기구쪽 압력을 P2라 한다면 P2/P1 이라 할 수 있다. 결국 압축비가 높다는 의미는 퍼져있는 기체들을 빠른시간내에 펌프로 모아 배기구 쪽으로 이동시킬 수 있다는 의미로, 펌프의 배기능력을 나타내기도 한다. 또한 기체는 압력이 높은쪽에서 낮은쪽으로 이동하는 것이 자연스럽기 때문에 배기 능력이 저하되면 배기구쪽에서 흡기구 쪽으로 역류할 가능성이 언제든 존재한다. 이때 배기구 쪽의 낮은 블레이드 각도는 가능한 기체의 역류를 방지하는 효과도 갖고있다. 

 

    터보 펌프는 많은 디스크와 블레이드들이 고속으로 회전을 해야하기 때문에 각각의 부품들은 매우 정밀하게 가공이 되어야 하며, 정확한 수평으로 균형이 잡혀야 한다. 터보 펌프도 오일확산 펌프와 마찬가지로 로터리 등의 1차 펌프로 러핑이 이루어진 이후 2차 펌프로 사용되는데, 2차 펌프들은 각각의 사용 진공도가 정해져 있으므로 1차 펌프로 필요한 진공도 까지 먼저 배기를 해야한다.  이때, 가능한 터보를 최대 회전속도로 가동시켜 놓은 뒤 1차펌프 배기후 밸브를 열어 터보와 연결을 시키는데, 1차 펌프로 충분히 낮은 진공이 이루어지지 않은 상태에서 터보 펌프 쪽 밸브를 열게 되면 순간적인 압력차이로 터보 펌프의 블레이드가 충격을 받을 수 있다. 또한 작은 이물질들이 고속으로 회전하는 블레이드에 충돌하거나 정밀 부품들 사이에 침투하여 손상을 입힐 수 있기 때문에 주의를 필요로 한다. 간혹 발생하는 이런 위험을 방지하기 위해, 일정 압력에 도달하지 않으면 2차 펌프의 밸브가 열리지 않도록 해놓은 장치도 사용되고 있다. 

 

 

 

 

...by 개날연..

 

 

*  2012.3.24 에 내용 일부 보완됨