회전 베인 펌프의 맞춤 간극은 세 곳에 있으며 이름은 모두 ‘간극’이지만 역할은 서로 다릅니다: 베인과 로터 홈의 측면 간극은 베인이 자유롭게 돌출될 수 있는지, 홈에 걸리지 않는지를 결정합니다; 베인 끝단과 펌프 챔버의 상단 간극, 로터 단면과 엔드 커버의 축방향 간극이 바로 가스가 고압 챔버에서 저압 챔버로 누설되는 통로입니다. 현장에서 ‘배기 속도가 떨어졌다’는 것을 모두 간극 탓으로 돌리는 것은 정확하지 않습니다—500 mbar의 거친 배기 구간에서 40 µm 축방향 간극 하나는 배기 속도의 1% 조금 넘는 수준만 소모합니다; 1 mbar 이하에서는 같은 간극이 극한 압력을 한 자릿수만큼 끌어올릴 수 있습니다. 이 글에서는 세 곳의 간극을 나누어 세 가지 계산 예로 각각이 어느 압력 구간에서 작용하는지, 그리고 수명 문제가 왜 결국 ‘간극이 커지는 것’으로 나타나는지를 설명합니다.
1. 세 곳의 간극: 위치, 크기와 결과
| 간극 | 위치 | 일반 참고 크기(냉간) | 주요 결과 |
|---|---|---|---|
| 측면 간극 | 베인 양쪽 면과 로터 홈 벽 | 0.02–0.08 mm | 베인 기울어짐, 타격 소음, 홈 바닥 압력 누설; 너무 크면 베인 흔들림, 끝단 편마모 |
| 상단 간극 | 베인 헤드와 펌프 챔버 내벽 | 수십 µm | 상단 간극 역류, 마모 후 극한 압력 상승으로 직접 나타남 |
| 축방향 간극 | 로터와 베인 단면에서 엔드 커버까지 | 10–30 µm | 단면 역류의 주 통로; 오일 밀봉 펌프는 오일막으로 여기서 막고, 오일리스 펌프는 기하학적 정밀도에만 의존 |
표의 크기는 일반적인 기종의 참고 범위이며 특정 펌프의 도면 값을 의미하지 않습니다. 실제 값은 기종별로 실측해야 하고, 열간 상태에서 측정해야 합니다—이유는 4절에서 설명합니다.
2. 계산 예 1: 클리어런스 체적이 오일리스 단일 단 90–100 mbar의 상한을 결정
오일리스 단일 단 회전 베인 펌프의 정격 진공도는 대부분 90–150 mbar이며, DPL-V15L과 DPL-V25L는 90 mbar, DPL-V8, DPL-V10, DPL-V16은 100 mbar입니다. 이 숫자는 흔히 ‘간극이 제대로 만들어지지 않았다’고 오해되지만, 실제 주된 항목은 클리어런스 체적입니다: 배기 종료 순간 클리어런스에 남은 가스는 1기압에서 갇히고, 로터가 계속 회전하면 먼저 팽창하며, 입구 압력 아래까지 팽창한 뒤에야 흡기를 시작합니다.
등온 팽창으로 추정하면 극한 압력과 클리어런스 비의 관계는 다음과 같습니다:
p_u = p_exh × V_c / (V_c + V_cyc)
p_exh는 1013 mbar, V_c는 클리어런스 체적, V_cyc는 회전당 흡기 체적입니다. 클리어런스 비를 역산하면:
| 기종 | 정격 진공도 | 역산 클리어런스 비 V_c / V_cyc |
|---|---|---|
| DPL-V8 / V10 / V16 | 100 mbar | 100 ÷ (1013 − 100) = 11.0% |
| DPL-V15L / V25L | 90 mbar | 90 ÷ (1013 − 90) = 9.8% |
| DPL-V25 / V40 | 150 mbar(850 mbar 게이지 압력) | 150 ÷ (1013 − 150) = 17.4% |
세 그룹의 역산값은 10%–17%에 들어가며 회전 베인 펌프의 기하학적 특징과 맞습니다: 배기구, 사점 근처의 작은 체적이 이 정도를 차지합니다. 이는 오일리스 단일 단이 더 낮은 압력으로 가려면 ‘간극을 5 µm 더 연삭하는 것’이 아니라 클리어런스를 압축하거나 2단으로 만드는 데 달려 있음을 보여 줍니다.
같은 모델을 오일 밀봉 단일 단에 적용하면 터무니없는 결과가 나옵니다: V0040A부터 V0100까지의 극한 진공은 0.1 mbar이며(V0025A–V0100 제품 페이지), 역산 클리어런스 비는 0.01%에 불과해 실제 형상으로는 불가능합니다. 원인은 오일 밀봉 펌프의 간극에 오일막이 있고, 압축 가스 일부가 오일에 용해되며, 배기 밸브 플레이트의 사체적도 작게 만들 수 있기 때문입니다. 오일 밀봉 펌프의 0.1 mbar는 기하학적 정밀도만으로 얻는 것이 아닙니다.
3. 계산 예 2: 같은 간극이 거친 배기 구간과 극한 구간에서 차지하는 비중은 서로 다름
축방향 간극을 좁은 틈으로 보고 점성류에서의 컨덕턴스를 직사각형 슬릿 공식으로 추정합니다:
C = b · h³ / (12 η L) Q = C · (p₂² − p₁²) / 2 ΔS = Q / p₁
b는 밀봉면 폭(45 mm), L은 회전 방향을 따른 밀봉 길이(45 mm), h는 축방향 간극, η는 20 ℃ 공기 점도 1.85×10⁻⁵ Pa·s, p₂는 1013 mbar입니다. 한 펌프에는 베인이 두 개 있고 베인마다 두 개의 단면이 있으므로 4개 경로가 병렬로 연결된 것으로 계산합니다.
먼저 500 mbar 작업 구간(p₁ = 50 000 Pa)을 봅니다: h = 40 µm일 때 단일 경로의 역류를 입구로 환산하면 약 0.08 m³/h, 4개 합계는 약 0.32 m³/h로 V25L의 25 m³/h 배기 속도의 1.3%를 차지합니다. h = 10 µm일 때 이 비율은 0.02%로 측정되지 않습니다.
다음으로 극한 구간(p₁이 0에 가까워지고 p₂는 여전히 1기압)을 봅니다. 역류의 pV 유량은 거의 더 이상 p₁에 따라 변하지 않으며, 이를 펌프의 배기 속도로 나눈 값이 간극이 허용하는 극한 압력의 하한입니다:
| 축방향 간극 h | 단일 역류 Q | 25 m³/h 펌프 환산(4개) | 100 m³/h 펌프 환산(4개) |
|---|---|---|---|
| 10 µm | 0.023 Pa·m³/s | 0.13 mbar | 0.03 mbar |
| 20 µm | 0.19 Pa·m³/s | 1.1 mbar | 0.27 mbar |
| 40 µm | 1.5 Pa·m³/s | 8.5 mbar | 2.1 mbar |
| 60 µm | 5.0 Pa·m³/s | 29 mbar | 7.2 mbar |
이 표는 흔한 고장 유형 하나를 설명합니다: 사양서에 0.1 mbar로 적힌 오일 밀봉 단일 단이 몇 년 사용 후 극한 진공이 1–2 mbar에서 더 내려가지 않고, 흡기 배관과 오일을 모두 교체한 경우입니다. 축방향 간극이 40 µm까지 마모되면 계산상 이 정도까지밖에 도달할 수 없습니다. h가 세제곱 관계임을 주의해야 합니다: 10 µm에서 20 µm로 가면 컨덕턴스가 8배 커지고, 다시 40 µm로 가면 또 8배 커집니다.
적용 경계도 설명해야 합니다: 500 mbar에서 기체 평균 자유 행로는 약 0.13 µm이고, 10 µm 축방향 간극과 비교한 Knudsen 수는 약 0.013으로 점성류 하한에 가까워 위 식을 사용할 수 있습니다; 압력이 몇 mbar 이하로 내려가면 전이류와 분자류에 들어가 컨덕턴스가 더 이상 압력에 따라 변하지 않고, 역류의 pV 유량은 상수에 가까워집니다. 이는 또 다른 현상을 정확히 설명합니다—간극이 마모된 후 극한 압력은 먼저 나빠지지만 거친 배기 구간의 배기 속도는 거의 변화가 보이지 않습니다.
4. 계산 예 3: 열팽창이 냉간 간극을 다시 분배
냉간 조립 간극은 작동 간극과 같지 않습니다. 로터 길이 100 mm(주철, α = 11.5×10⁻⁶/K, 온도 상승 50 K), 엔드 커버와 펌프 본체가 같은 길이(주물 알루미늄, α = 23.5×10⁻⁶/K, 온도 상승 35 K)인 경우를 예로 듭니다:
- 로터 신장: 100 mm × 11.5×10⁻⁶ × 50 = 57.5 µm
- 펌프 본체 신장: 100 mm × 23.5×10⁻⁶ × 35 = 82.3 µm
- 축방향 간극 변화: 82.3 − 57.5 = +24.8 µm
알루미늄 부품이 철 부품보다 더 많이 팽창하여 열간 축방향 간극은 냉간보다 약 25 µm 커지고, 누설은 h³에 따라가므로 열간 역류는 냉간의 3배가 됩니다. 상단 간극의 방향도 변합니다: 보어 직경 80 mm의 주철이 40 K 상승하면 내경은 36.8 µm 늘어나지만, 흑연 또는 수지 베인(α 약 4×10⁻⁶/K)은 60 K 상승해도 19.2 µm만 늘어나므로 한쪽 상단 간극은 8.8 µm 더 커지고, 냉간 20 µm의 상단 간극은 열간에서 28.8 µm가 됩니다.
여기서 두 가지 실무 결론을 얻습니다: 냉간 간극은 작을수록 좋은 것이 아니며, 너무 작으면 기동 토크와 건식 마찰 위험이 올라갑니다; 펌프를 수리해야 하는지는 조립 명세서의 냉간 값이 아니라 열간으로 2시간 운전한 뒤의 간극과 그때의 극한 압력으로 판정해야 합니다. 열간 펌프의 극한 압력이 냉간 기기보다 조금 나쁜 이유가 여기에 있습니다.
5. 수명: 간극이 커지는 것이 어떻게 배기 속도 저하로 이어지는가
마모 자체는 점진적이며, 현장에서 측정할 수 있는 것은 세 단계 변화입니다: 첫 단계는 극한 압력 상승(상단 간극과 축방향 간극의 역류가 저압 구간에서 차지하는 비중이 커짐), 두 번째 단계는 중진공 구간의 배기 속도 저하, 세 번째 단계라야 소음과 진동 악화입니다. 3절의 표에 따르면 축방향 간극이 10 µm에서 40 µm로 가면 극한 압력은 0.03 mbar급에서 2.1 mbar급으로 갑니다; 같은 마모라도 중진공 구간에서는 배기 속도를 몇 퍼센트 포인트 떨어뜨릴 뿐이므로 ‘배기 속도는 괜찮다’를 ‘간극에 문제가 없다’로 볼 수 없습니다.
베인을 교체해야 하는지 판단할 때 측정 가능한 다섯 가지 신호(배기 속도 저하 비율, 극한 압력, 오일 윈도, 소음 스펙트럼, 단면 마모 밴드 폭)는 베인 마모를 어떻게 판단하는가에 정리되어 있습니다; 먼저 유효 배기 속도를 측정한 뒤 펌프를 분해하는 점검 순서는 배기 속도 저하의 점검 순서를 참조하십시오. 여기서는 한 가지만 보태겠습니다: 분진 작업 조건에서는 상단 간극 마모가 빨라지며, 흡기 필터를 적절히 구성하면 베인 수명의 차이가 오일 교환 주기의 차이보다 커집니다.
6. 오일 유무: 오일막이 간극 대신 얼마나 많은 일을 하는가
오일 밀봉 펌프는 축방향 간극을 오일막에 맡깁니다: 오일막이 마이크로미터급 틈을 채워 점성류 컨덕턴스를 몇 자릿수 낮추므로 단일 단 오일 밀봉 펌프가 0.1 mbar를 달성하고, 2단 DPL-2V18은 1×10⁻³ mbar에 도달할 수 있습니다. 오일리스 펌프에는 이 오일막이 없어 축방향 간극과 상단 간극을 전적으로 기하학적 정밀도와 베인 재료의 자기 윤활 능력에 의존하므로, 극한 진공이 90–150 mbar 한 단계에 머물고 분진과 건식 마찰에도 더 취약합니다. 두 종류 펌프의 간극 공차는 서로 적용할 수 없습니다: 오일 밀봉 펌프에서 허용되는 축방향 간극을 오일리스 펌프에 적용하면 역류가 극한 구간 전체를 잡아먹습니다; 오일리스 펌프의 공차를 오일 밀봉 펌프에 그대로 적용하면 오일막의 부하 지지가 부족해지고 단면이 긁힙니다.
7. 현장의 세 가지 원칙
- 대수리 후 먼저 세 곳 간극의 냉간 값을 기록하고, 2시간을 채운 뒤 열간 값을 다시 측정하며, 판정에는 열간 값을 사용합니다.
- 축방향 간극을 두꺼운 심으로 마모를 ‘보충’하지 마십시오: 심은 클리어런스 체적과 베인 돌출량을 동시에 바꾸어 배기 속도와 극한 압력이 함께 변형되므로, 올바른 방법은 열팽창량에 따라 단면을 다시 연삭하여 맞추는 것입니다.
- 배기 속도 저하는 먼저 유효 배기 속도로 점검하고, 그다음 펌프를 분해하십시오; 분해 전에 흡기 필터와 배관 컨덕턴스 요인을 먼저 배제하십시오.
60 Hz 지역으로 수출하는 경우에는 별도로 확인해야 합니다: 회전 속도가 높아지면 열간 온도가 더 높아져 축방향 간극과 상단 간극의 열간 값이 50 Hz와 다르고, 오일 밀봉 펌프의 오일 온도도 더 높습니다. 사양서에는 일부 기종이 60 Hz 지역에 적합하지 않다고 표기되어 있으므로 주문 전에 공장에 해당 구성을 확인해야 합니다.