건식 진공펌프(dry vacuum pump)는 기계적 저진공펌프 중 펌프 내부의 기체 배기통로에 오일을 전혀 사용하지 않는 펌프의 통칭으로써, 대개 비접촉형으로 여러 형태의 회전자가 고속으로 회전하면서 흡기구로부터 들어온 기체를 압축해 배기를 한다. 비접촉형에는 루츠(roots)형, 클로(claw)형, 스크류(screw)형, 스크롤(scroll)형 등이 있다. 그 중 스크류형 펌프는 큰 배기속도를 갖는 펌프의 설계에 유리하고 높은 운용온도가 가능하여 다수공정에 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 1단 펌프 구성을 갖게 됨에 따라 루츠형 대비 높은 소비전력 특성을 보이는 약점을 가지고 있다. 본 논문에서는 건식 진공펌프 중의 하나인 스크류형 진공펌프에 대하여, 기본적인 1단 펌프 구성에 스크류 리드(lead)의 변화를 주어 기존의 똑같은 리드의 스크류 진공펌프에 대한 소비전력 및 배기구 온도 등 스크류 형상에 대한 성능평가 연구를 진행 하고자 한다.
반도체 및 디스플레이 공정과 같이 진공의 높은 청결도의 진공이 필수적으로 요구되어 지는 산업분야가 확대됨에 따라 건식진공펌프의 중요성은 급격히 증대되어 왔다. 다단루츠형 진공펌프와 함께 건식진공펌프 양대 축의 하나를 형성하는 스크류형 건식진공펌프는 공정부산물 발생이 많은 고 난이도 응용분야에서 그 장점을 발휘하여 왔다. 최근 들어 에너지 효율이 획기적으로 개선된 스크류형 건식진공펌프의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이 총설논문에서는 스크류형 건식진공펌프의 전반적 기술사항들을 살펴보고 실제 반도체 공정에의 응용 및 스크류형 건식진공펌프의 향후 발전 방향에 대하여 살펴보았다.
본 연구에서는 루츠 펌프와 스크류 펌프를 이용한 진공 펌프 시스템을 이용해, 1 kg/s의 공기가 공급되는 시험장치에서 챔버 내의 압력을 2500 Pa로 유지할 수 있는 고도모의 시험장치를 설계하였다. 설계를 위해, 저유량의 공기 공급 조건에서, 소정의 펌프 조합을 이용해 실험을 수행하였다. 이를 통해, 1 kg/s급의 유량이 공급되는 시험장치를 위해서는 11대의 루츠 펌프와 33대의 스크류 펌프가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다. 실험 결과를 이론 예측 결과와 비교하였다. 하지만, 이론적으로 예측한 흡입 유량은 실험 결과보다 20 %에 가깝게 많게 나왔다. 이는 조합 실험시, 루츠 펌프 전후단에 걸리는 차압이 높아서 발생한 것으로 여겨진다. 따라서 앞에서 제시한 것보다 더 많은 스크류 펌프를 설치할 경우, 보다 높은 진공도를가지는 시스템의 구축이 가능해질 것으로 판단된다.
하수 처리장에 사용되는 펌프는 엄격한 사양 및 성능 보장이 필요하므로 펌프 효율이 높아야 하며, 실적에 의한 사양 제시, 엄격한 검사 제도 및 기준이 이루어져야 한다. 그러나 현재로서는 국내에서 설계 제작면에서 경험과 실적이 부족하나 앞으로 많은 하수처리장에서 펌프가 소요 되며, 상수도용 펌프와 비교할 때 중소형의 경우에는 고가인 것을 감안하면 볼류트형(volute type)의 슬러지 펌프는 상수용 펌프에서의 경험을 바탕으로 기술 개발에 힘을 기울이고 전무제 작자를 육성하여 기술 축적 및 적절한 설비가 구비되도록 하여 실질적인 품질보증이 이루어지 도록 하여야 한다. 또한 특수펌프인 프로그레싱 캐비티 펌프나 스크류우 펌프에 대하여는 경 험이 부족하므로 프로그레싱 캐비티 펌프의 경우 로우터(rotor)와 스테이터(stator)를 수입하여 조립하거나 스크류유 펌프의 경우 기술 제휴를 통한 기술 개발을 이룩하는 방법을 택할 수도 있을 것이다. 현재 중소제작소에서 일부 기종에 대하여 외국인에 의한 중소기업진흥공단 주관의 단기간 기술지도를 받고 있으나 이에 대한 기술개발을 위하여는 전문기관과 장기적인 기술협력과 기술양성에 대한 투자가 이루어지고 전문업체가 육성되어야 할 것이나 이로서 중요 설비인 펌 프의 국산화가 조기에 달성되고 외화절약 및 기술정착이 이루어질 것이다.
The main purpose of this study is to get flowrate coefficient 'q' and to study characteristics of flowrate of screw pump. This study is based on Muskin's formula and depends on the computer simulation. The results of study are as follows. 1. Flowrate coefficient will reduce according to increase of inclination. The larger the pitch ratio is and the smaller the diameter ratio is, the more coefficient reduces. 2. As a rule, the coefficient increases according to reduction of the diameter ratio, but the coefficient tends to reduce when the ratio is less than 0.45. So, in actual application, it is recommended that the ratio should be above 0.45. 3. If the pitch ratio increases, the coefficient increases in case of small inclination and decreases in case of large inclination. 4. The coefficient increases according to number of windings. Especially, singles winding is not used in actual application because it has too small coefficient. 5. The coefficient decreases when the influent water level falls. Flowrate is almost zero when the water level is below $40\%$ of Filling Points.
In a screw-type centrifugal pump, the pump head deteriorates from single-phase flow to the choke due to an increased air entrainment at a wide tip clearance compared to that of a narrow tip clearance. Moreover, at a narrow tip clearance, the pump head became partially higher in a two-phase flow than that of a single-phase flow near the best efficiency point in low void fraction region. Therefore, we observed the internal flow pattern by using a stroboscope and we measured the mean size of bubbles from the images obtained with a high speed camera. Then, we investigated the influences of the mean size of bubbles, tip clearances and flow patterns on pump performance.
It is reported recently that the pump head deterioration near the best efficiency point, from single-phase flow to the choke due to air entrainment became less in a screw-type centrifugal pump than in a general centrifugal pump. Moreover, at a narrow tip clearance, the pump head became partially higher in two-phase flow than that in single-phase flow. However, the internal pressure fluctuations on this pump due to air entrainment have not been studied yet. For that reason, we have examined the influences of void fraction, flow coefficient and impeller tip clearance on pressure fluctuations in the casing. The void fraction became larger, the influence of tip clearance on pressure distribution became less.
The performance of turbo pump drops rapidly and it gets into break-down when the void fraction reaches above the threshold value because the impeller flow passage is choked up with air bubbles. Phenomenological understanding of break-down and pumping recovery mechanisms under air-water two-phase flow conditions are therefore important for pump designers and essential assignment for researchers. In this paper, we investigated the characteristics of break-down and pumping recovery due to entrained air occurring inside a screw-type centrifugal pump which has a wide flow passage mainly through the findings of suction and discharge pressures, rotational speed, flow rate measurements and visualization.
In this study, the effects of the impeller shapes on the pump performances of the non-clogging and the screw-type centrifugal pumps are experimentally studied. The characteristics of total head, efficiency and power of the non-clogging pump increase as the number of vanes increases. The screw-type centrifugal pump with the linear-shape vane shows a little better performance than that of the screw-type centrifugal pump with the curved-shape vane. The differences in the characteristics of total head, efficiency and power are, however, insignificant. Therefore, it is advisable that, considering the convenience of pump manufacturing, the screw-type centrifugal pump with the linear-shape vane should be used. This study also compares the pump characteristics of the non-clogging pump and screw-type centrifugal pump. The characteristics of total head and efficiency of the non-clogging pump are better than those of the screw-type centrifugal pump. The screw-type centrifugal pump requires more shaft power than the non-clogging pump.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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