동일한 오일실 회전베인 펌프가 건조 공기를 배기할 때는 0.1 mbar에서 안정적으로 유지되지만, 0.5 kg/h 수증기가 포함된 공정 가스로 바뀌면 한 분기 만에 오일이 유화되어 하얗게 변합니다. 진공펌프 선정에서 실제 첫 번째 분기점은 배기속도의 크기가 아니라 가스 자체입니다: 응축성 성분은 오일에 응축되고, 분진은 베인과 챔버의 간극을 마모시키며, 부식성 매체는 밸브 플레이트를 먼저 손상시킨 뒤 펌프 챔버를 손상시킵니다. 이 세 가지 문제는 각각 완전히 다른 조치에 대응합니다. 가스밸러스트 열기, 전단 필터 추가, 펌프 형식 변경이며, 각각은 선정 단계에서 계산식으로 검토할 수 있습니다.
1. 가스를 먼저 세 가지로 분류
| 가스 특성 | 펌프에서 먼저 손상되는 부위 | 선정 시 취할 조치 |
|---|---|---|
| 응축성 성분(수증기, 용매 증기) | 펌프 오일 유화, 극한진공 도달 불가, 오일 교환 주기가 2000 h에서 수백 시간으로 단축 | 가스밸러스트 열기 + 전단 응축, 배기 측 분압으로 검토 |
| 분진, 입자 | 베인 마모, 챔버 원형도 손상, 오일 회로 막힘 | 입구 필터링, 직렬 컨덕턴스로 유효 배기속도 재계산 |
| 산성, 할로겐 함유, 용매계 부식성 매체 | 밸브 플레이트와 챔버 내벽 부식, 씰 부품 열화 | 전단 세정/응축 또는 챔버 무유 드라이 펌프로 변경 |
세 가지 중 처리가 까다로운 것은 겹친 조건입니다: 수증기가 있고 산도 있는 경우 응축액이 오일에 직접 떨어져 부식과 유화가 동시에 발생합니다.
2. 응축성 가스: 수증기를 배기 측까지 계산한 뒤 가스밸러스트 개방 여부 결정
많은 사람이 입구 압력만 계산해 8 mbar가 물의 포화증기압에서 아직 멀다고 생각하지만, 실제로 수증기는 펌프 챔버 안에서 거의 대기압까지 압축된 뒤 배출되며 응축은 배기 측에서 발생합니다.
세 가지 식이면 충분합니다:
- 수증기 체적유량 V_w = (m / M) × R × T / p, 여기서 m은 수증기 질량유량(g/h), M = 18.015 g/mol, R = 8.314 J/(mol·K), T는 온도, p는 입구 압력(Pa)입니다.
- 입구에서 수증기가 차지하는 분압 p_w = p × (V_w / S), S는 해당 압력점에서 펌프의 배기속도입니다.
- 배기 측 수증기 분압 p_dis = p_w × K, 압축비 K ≈ p_배기 / p_입구, 대기로 배기할 때 p_배기 값은 약 1013 mbar로 둡니다.
계산 예: 챔버 8 mbar, 40 ℃, 공정에서 0.5 kg/h 수증기가 배출되고, DPL-V0100(50 Hz 배기속도 100 m³/h, 3.0 kW, 극한진공 가스밸러스트 닫힘 0.1 mbar, 열림 0.5 mbar)을 사용합니다.
- 몰유량: 500 g/h ÷ 18.015 g/mol = 27.75 mol/h
- 40 ℃, 8 mbar에서의 체적유량: 27.75 × 8.314 × 313.15 ÷ 800 = 90.3 m³/h
- 펌프 배기속도 대비 비율: 90.3 ÷ 100 = 90%, 즉 입구 8 mbar 중 7.2 mbar가 수증기입니다
- 압축비: 1013 ÷ 8 ≈ 127, 배기 측 수증기 분압 ≈ 7.2 × 127 ≈ 915 mbar
- 펌프 온도 70 ℃에서 물의 포화증기압은 약 312 mbar(Antoine 방정식으로 계산, IAPWS 물 물성 데이터와 일치), 915 mbar는 이보다 훨씬 높습니다
결론은 분명합니다: 가스밸러스트를 열지 않으면 이 수증기는 오일에서 응축됩니다. 반대로 허용값을 계산하면, 가스밸러스트를 열지 않을 때 입구 수증기 분압은 312 ÷ 127 ≈ 2.5 mbar를 넘을 수 없습니다. 즉 8 mbar 총압 중 수증기가 차지할 수 있는 비율은 30%까지이며, 이 펌프는 이 운전 조건에서 사용할 수 없습니다.
가스밸러스트를 열면 압축비가 10 정도로 희석됩니다(가스밸러스트 밸브는 언제 여는가에서 원리를 계산했습니다). 허용 입구 수증기 분압은 312 ÷ 10 ≈ 31 mbar로 올라가고, 7.2 mbar에는 4배의 여유가 있습니다. 대신 극한진공은 0.1 mbar에서 0.5 mbar로 후퇴합니다. 따라서 공정 요구가 0.5 mbar 미만일 때는 장기간 가스밸러스트를 열어 버티는 방식으로는 대응할 수 없고, 입구 측에 응축기를 추가해 수증기를 먼저 제거해야 합니다. 사양은 V0025A–V0100 단급 오일실 회전베인 펌프를 참조하십시오.
3. 분진 조건: 필터 카트리지 압력강하는 직렬 컨덕턴스로 환산해 유효 배기속도 계산
정격 배기속도는 펌프 입구의 값이며, 분진 필터가 펌프 앞에 설치되면 압력강하가 컨덕턴스 직렬 합성에 따라 일부 배기속도를 잠식합니다. 두 가지 식은 다음과 같습니다:
- 필터 등가 컨덕턴스 C = p × S ÷ Δp(p는 작업 압력 mbar, S는 해당 압력에서 펌프의 배기속도 m³/h, Δp는 필터 카트리지 압력강하 mbar)
- 유효 배기속도 S_eff = 1 ÷ (1/S + 1/C)
계산 예: DPL-V0063(50 Hz 63 m³/h, 2.2 kW), 작업 압력 100 mbar, 새 필터 카트리지의 이 유량에서 압력강하는 8 mbar입니다.
- C = 100 × 63 ÷ 8 ≈ 787 m³/h
- S_eff = 1 ÷ (1/63 + 1/787) ≈ 58.3 m³/h, 정격보다 7.4% 낮습니다
분진이 여재 표면에 브리지를 형성한 뒤 압력강하가 30 mbar로 상승하면:
- C = 100 × 63 ÷ 30 = 210 m³/h
- S_eff = 1 ÷ (1/63 + 1/210) ≈ 48.5 m³/h, 정격보다 23% 낮습니다
생산능력으로 환산하면 다음과 같습니다: 2 m³ 챔버를 1013 mbar에서 100 mbar까지 배기할 때, t = (V / S_eff) × ln(p1 / p2)로 추정합니다(등온, 누설률과 방출가스 무시, 배기속도는 100 mbar 부근 값 사용):
- 새 필터 카트리지: t = (2 ÷ 58.3) × ln(10.13) ≈ 0.079 h, 약 283 s
- 압력강하 30 mbar: t = (2 ÷ 48.5) × ln(10.13) ≈ 0.099 h, 약 355 s
사이클당 72 s가 더 걸립니다. 교대조당 100회 사이클로 계산하면 2시간의 생산능력이며, 분진이 펌프로 유입된 뒤 베인 마모로 인한 배기속도 저하까지 계산한 것은 아닙니다. 차압계는 장식품이 아니며, 이를 보고 카트리지 교체 시점을 결정하는 편이 고정 주기로 교체하는 것보다 경제적입니다. 여과와 배관 부분은 입구 여과와 분진 조건에 더 자세한 구성 설명이 있습니다.
4. 부식성 매체: 오일로 유입되지 않게 할 수 있는지 먼저 확인
산, 염소, 용매 증기가 포함된 조건에서 오일실 펌프의 문제는 배기 가능 여부가 아니라 오일 오염입니다: 산성 응축액이 오일에 들어가면 유화·산성화되고, 밸브 플레이트와 챔버 내벽에 공식(pitting)이 시작되며, 진공도가 떨어진 뒤 오일을 교환하면 이미 늦습니다. 처리 순서는 다음과 같습니다:
- 입구 측에서 먼저 응축 또는 세정해 응축성 부식 성분을 펌프 앞에서 포집합니다;
- 거친 진공 영역(수십에서 수백 mbar 압)에서만 운전할 때는 챔버가 무유인 드라이 클로 펌프를 사용합니다. DPL-ZS150(140 m³/h, 극한진공 60 mbar, 3.5 kW)와 DPL-ZS300(300 m³/h, 극한진공 150 mbar, 6.8 kW)는 동기 기어에만 오일이 주유되고 펌프 챔버는 전 구간 무유이므로 오일 오염 문제가 없습니다;
- 0.1 mbar 수준과 내부식성을 동시에 요구하는 경우 재질, 씰, 전단 처리 방식을 별도로 확인해야 하며 표준 모델을 그대로 적용하지 않습니다.
ZS 시리즈의 극한진공은 60 mbar와 150 mbar까지만 가능하며, 이는 거친 진공 영역의 액체 링 펌프, 왕복식 펌프 같은 설비를 대체하는 것이지 0.1 mbar용 오일실 회전베인 펌프를 대체하는 것은 아닙니다.
5. 선정 전에 확인해야 할 여섯 가지
- 가스 성분 및 각 성분의 분압 또는 질량유량(mol% 또는 kg/h)
- 수증기량(kg/h)과 챔버 온도
- 분진 입경, 농도, 점착 여부, 정전기 여부
- 산, 할로겐, 용매 포함 여부
- 목표 압력과 허용 배기 시간
- 연속 운전 시간과 환경 온도(환경이 40 ℃를 초과하면 실제 온도로 계산)
이 여섯 항목 중 하나라도 빠지면 선정은 추측이 됩니다. 60 Hz 지역에서는 일부 모델이 60 Hz 전원에 적합하지 않으므로, 주문 전에 해당 모터와 회전수 구성을 확인해야 합니다.
자주 묻는 질문
Q: 가스밸러스트 밸브를 계속 열어 둘 수 있습니까? A: 극한진공을 희생합니다. DPL-V0100은 가스밸러스트 닫힘 0.1 mbar, 열림 0.5 mbar이며, 공정 요구가 0.5 mbar 미만일 때는 장기간 가스밸러스트를 여는 대신 입구 측에 응축기를 추가해야 합니다.
Q: 프리필터를 추가해야 하는 시점은 언제입니까? A: 압력강하로 계산합니다. DPL-V0063은 100 mbar에서 필터 카트리지 압력강하가 8 mbar에서 30 mbar로 상승하면 유효 배기속도가 58.3 m³/h에서 48.5 m³/h로 낮아지고, 2 m³ 챔버의 1회 배기 시간이 72 s 늘어납니다.
Q: 0.5 kg/h 수증기가 있고 8 mbar인 챔버에 100 m³/h 펌프로 충분합니까? A: 충분하지 않습니다. 40 ℃, 8 mbar에서 0.5 kg/h 수증기는 90 m³/h를 차지해 거의 전체 배기속도에 해당하므로, 가스밸러스트를 열거나 입구 측에 응축기를 추가해야 합니다.
Q: 부식성 가스를 오일실 회전베인 펌프에 직접 흡입할 수 있습니까? A: 권장하지 않습니다. 오일이 산성 응축액으로 오염되고 밸브 플레이트가 부식됩니다. 거친 진공 영역에서는 챔버가 무유인 DPL-ZS150(극한 60 mbar) 또는 DPL-ZS300(극한 150 mbar)으로 변경할 수 있습니다.
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