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진공펌프
진공펌프(vacuum pump)는 부분 진공을 남길 목적으로 밀폐된 부피로부터 기체 분자를 끌어오는 장치이다. 진공펌프가 하는 일은 용적 내 상대진공을 만들어내는 것이다. 최초의 진공펌프는 1650년 오토 폰 게리케에 의해 발명되었으며 고대로 거슬러 올라가면 흡입펌프가 전신이다.
개요
특정 용기의 기체를 밖으로 빼내 내부를 진공상태로 만드는 데 쓰는 펌프이다.
펌프 종류에 따라 실린더식, 엑셀 피스톤식, 베인펌핑, 레이디얼 피스톤 펌핑, 루트 블로워에 스크롤에 슈퍼몰큘러까지 종류는 다양하다. 단, 여러분들이 쓰게 될 것은 십중팔구 실린더식 진공펌프일 것이다.
여기다 필터랑 흡입기구를 달면 진공 청소기가 된다.
발명
진공이란 공기를 비롯하여 아무것도 포함하지 않은 빈 공간이다. 진공상태를 포함하는 물건은 내부의 압력이 외부의 압력보다 훨씬 낮으며, 이것은 엄청난 힘을 창출한다. 독일의 과학자 오토 폰 게리케(1602~1686)는 최초로 진공이 지닌 힘을 시험했다. 그는 용기에 물을 채운 후 펌프를 이용하여 물을 빼내면서 공기가 들어가지 않게 했다. 나무는 공기를 통과시키기 때문에 사용할 수 없었고, 유리나 금속으로 된 용기를 사용했다. 공기의 유입을 최소화시키기 위해 게리케는 용기를 다른 층의 물 속에 넣었다. 공기가 새는 것보다는 물이 새는 것을 막는 것이 더 쉬웠기 때문이다. 때로는 용기에 가해지는 압력이 너무 강해서 용기가 부서지기도 했다. 몇 번의 실험을 더한 끝에 게리케는 구형의 용기가 최적이라는 결론을 내렸다. 부드러운 곡선의 표면으로 구조상 약한 지점이 없기 때문이다. 자신의 발견이 지닌 대단한 잠재력을 증명하기 위해 게리케는 페르디난트 3세에게 50명의 인부나 여러 필의 말을 사용해도 진공을 내포하는 두 개의 구리 반구체들을 떼어놓을 수 없다는 사실을 증명해 보였다.
역사
진공펌프는 과거에 로마시대에 처음으로 고안되었던 흡인 펌프의 발전형이라고 볼 수 있다. 그 후 17세기가 되어서야 물을 끌어올리는 펌프가 발전하게 되면서 측정할 수 있을 정도의 진공도를 보이는 펌프가 나왔지만 그 당시에는 깊게 이해하지 못했다. 단지 물을 일정 높이 이상만큼 끌어올리지 못한다는 것만 이해하고 있었다. 이러한 한계점은 관개 사업 및 광산에서의 배수 과정에서 중요하게 인식 되었다. 많은 과학자들이 이를 해결하기 위해 투입되었지만 흡인 펌프의 한계점이 기압과 같다는 것을 알아내는데 그쳤다. 이러던 와중에 독일의 Otto von Guericke가 첫 번째로 진공펌프를 발명 후에 진공상태의 반구용기를 붙인채 두 마리의 말로 서로 잡아당긴 Magdeburg 반구 실험을 진행했다. 후에 Robert Boyle이 Guericke의 진공 펌프를 더 발전시켜 진공의 특성에 대한 연구를 진행했다.
원리
진공 펌프의 기본적인 유형은 다음과 같이 구분 할 수 있다.
1) 용적 펌프 : 펌프 안에 있는 공동의 부피를 반복적으로 팽창 시켜 챔버 안에 있는 기체를 대기중으로 빼내는 원리를 사용 2) 분자 펌프 : 밀도있는 유체를 고속화 시키거나 날개를 고속으로 회전시켜 챔버내의 진공을 구현 3) 흡착식 펌프 : 주로 고진공도를 구현할 때 사용하는 방식으로 흡착 물질등을 사용하여 챔버내의 기체를 흡착시키는 형태로 저온 펌프(Cryo pump)라고도 불린다. 이는 극저온에서 고진동도를 구현하는 방식으로, 펌프에 냉각기를 달아 기체를 응축 및 흡착시키는 방식으로 고진공을 구현한다. 4) 운동량 전달식 펌프 : 운동량 전달식 펌프 및에서 기체 분자들은 진공에서 배출구로 가속된다. 운동량 전달식 펌프는 0.1kPa 이하에서만 사용이 가능하다. 일정 이하의 압력이하로 떨어지게 되면 기체 분자 사이의 거리가 멀어지게 되면서 기체와 기체사이의 상호작용보다 챔버 내부의 벽과 상호작용을 더 자주하기 때문에 용적 펌프보다 진공도를 더 높게 구현 할 수 있다.
위와 같이 3가지로 구분되나 가장 보편적으로 고진공을 구현하는 방식은 오른쪽 사진과 같이 용적펌프를 이용하여 저진공을 먼저 구현한 후에 분자펌프로 고진공을 구현하는 방식이 가장 보편적으로 쓰이고 있다. 용적 펌프의 원리에 대해 더 자세히 설명하면, 펌프 내부 용기의 부피를 증가시키게 되면 챔버에 있는 기체들이 빠져나오게 되고, 공기가 빠지게 되면 다시 팽창을 반복하면서 챔버내에 있는 기체들을 밖으로 빼낸다. 이러한 과정을 무제한적으로 반복하게 되면 점점 챔버는 진공에 가까워지게 된다. 용적 펌프로 어느정도 저진공이 챔버내에 구현되면 고진공을 구현하기 위해서는 분자 펌프를 사용한다. 분자펌프는 운동량 전달 펌프 (Momentum transfer pump) 라고도 불린다. 분자 펌프는 기체 분자를 진공이 잡혀있는 영역에서 분출구로 기체를 가속시키는 원리를 사용한다. 분자 펌프의 사용은 0.1 kPa 이하에서만 가능한데, 분자를 고속으로 분출시키게 되면 기체 분자 사이의 거리는 점점 멀어지기 때문에 분자 사이에 상호 작용을 하는 확률보다 챔버 내부의 벽과 상호작용을 하는 확률이 점점 증가하기 때문에 고진공을 구현하는 것이 수월해진다.
사용
진공펌프는 산업에서 여러가지 작업을 수행한다. 진공압축,진공흡착,진공이송 등의 작업을 한다. 진공펌프는 반도체공정,식품진공포장,의료공정,신문,인쇄,실험실 등 다양한 공정에 사용되어지고 있다. 또 한 내산,화학,알콜,해수등의 이송에도 사용한다. 과학에서 진공은 완전히 빈 공간을 만들어 공기와 혼합되지 않은 상태의 분자를 연구하는 데 가장 많이 사용된다.
- 예시
- 진공포장 시 가스 흡입용
- 석영 튜브에 다른 가스를 집어넣기 전 순도유지를 위해 진공으로 만들 때
- 핵융합 시스템에서 플라즈마를 일으킬 충분한 진공상태를 구성하기 위해
- 이온 엔진 추력 시험을 위해 진공환경 조성시
- 몰드 제품의 품질 테스트
- 치과치료시 혈액 및 세정액 흡입(Suction)
- 피부 필링 시 각질 흡입
- 워터펌프에 공기가 차 있을 때 초기 시동시 바람빼는 역할
- 에어컨디셔너 시공시 초기 배관 N2 청소 이후 배관 내 가스 제거
참고자료
같이 보기
