진공 과압 위험성

진공 위험 요소는 진공 위험성(Vacuum hazard), 과압 위험성(Over-pressure hazard), 전기 충격 위험성(Electrical shock hazard), 냉각수/냉각제 위험성(Cooling water/coolant hazard), 화학물질 위험성(Chemical hazard), 공정이 진공 펌프에 미치는 영향 및 그 위험성 그리고 기계적 위험성(Mechanical hazard)이 있다.

진공 장비에서의 과압 위험성(Over-pressure hazard)에 대해 세부적으로 공유하고자 한다.

 

 

 

진공 과압 위험성(over-pressure hazard)

과압을 유발하는 경우

진공 chamber를 포함한 전체 진공 시스템에서 물리적인 과압 상태를 유발할 수 있는 경우는

(1) 시스템 내부로 고압 가스를 주입하는 경우,

(2) 휘발성 물질의 온도가 급격하게 상승하는 경우,

(3) 고체 증착물(또는 공정 부산물)이 상변이(phase change)를 하는 경우,

(4) 진공 펌프 내부에서의 압축 등이다.

 

 

비정상적 사용 조건

정상적인 사용 조건에서는 진공 시스템과 진공 펌프를 연결하는 배관이 대기압 이상의 압력 상태가 되는 경우는 없지만, 비정상적이거나 잘못된 사용 조건하에서 이 부분이 대기압보다 높은 압력 상태가 될 수 있다.

예를 들면 퍼지 가스를 도입하는 경우, 또는 진공 펌프 흡입구 쪽이 닫혀 있거나 막힌 경우, 거의 막힌 경우 상태에서 진공 펌프의 회전 방향이 잘못되면 내부에 높은 압력이 발생하게 되어 진공 펌프 파손, 배관 또는 배관에 장착된 부품들이 파손될 수 있다.

만일 주파수 변환기(frequency inverter)를 사용하는 경우 최대 설계 회전수를 초과하여 회전하도록 주파수를 변경하여 설정하면 안된다.

 

 

배기구 후단 막힘 발생

소위 용적 이송식 진공 펌프(positive displacement vacuum pump)라고 불리는 기계식 진공 펌프들은 진공 용기 내부를 낮은 압력 상태, 즉 진공 상태를 만들기 위해 진공 펌프 내부에서 배기되는 기체나 증기를 압축하게 된다. 이때 해당 진공 펌프의 배기구는 흡입구에 비해 기체나 증기가 압축되어 있기 때문에 상대적으로 압력이 높은 상태를 유지한다. 그러나, 진공 펌프의 특성상 대기압 상태인 배기구 외부로 압축된 기체나 증기를 배출하기 때문에 실제 압축된 기체나 증기 압력은 대기압 이상 (0.35 bar gauge, 1.35×10^5 Pa)이기는 하지만 과도하게 높은 압력 상태는 아니다. 그러나 배기구가 여러 가지 이유로 막힘 상태이거나 압축된 기체나 증기가 배기되기 힘들 정도로 복잡한 구조(직경이 작은 배관, 길이가 과도한 배관, 굽힘이 많은 배관 등)를 가지게 되면 대기압 이상의 과도한 압력(7 기압, 8×10^5 Pa)까지 압축되어 과압 위험성을 초래할 수 있다.

이런 경우를 대비하여 진공 펌프에 사용되는 전기 모터의 최대 출력보다 낮은 출력까지만 사용되고 과도한 압축으로 인한 전기 모터의 손상을 막기 위한 안전 장치가 장착되게 된다.

화학 공정에 사용되는 진공 펌프 배기구에 연결되는 배관에는 flame arrestor를 장착하기도 한다.

그러나 이런 안전 장치가 장착되어 있지 않거나 사용자가 장착되어 있는 안전 장치를 제거하고 사용하는 경우는 기계식 진공 펌프 배기구가 대기압 이상으로 과도하게 압축되어 과압 위험성을 초래할 수 있다.

따라서 기계식 진공 펌프 사용자는 진공 펌프 배기구 후단의 배관 설계에도 신경을 써야 하며 사용 중 진공 펌프의 배기구 막힘 현상이 일어나지 않도록 지속적으로 신경을 써야 한다.

진공 펌프 배기구는 1 bar gauge(= 2 bar absolute, 2×10^5 Pa)를 넘지 않도록 배기라인을 설계하여야 한다. 각 공정과 진공 시스템 구성에 따라 그에 적합한 배기라인 과압 방지 설계를 하여야 하며 필요한 조치나 장치들을 사용자들이 충분히 설치해야 한다.

 

 

크라이오 펌프 재생(regeneration) 불량

고진공 펌프 중 하나인 크라이오 펌프는 기체나 증기의 온도를 매우 낮은 온도로 떨어뜨려 기체나 증기의 열운동에너지를 제거하는 방식으로 진공을 형성/유지하게 된다. 아래 식은 기체 분자 한 개가 갖는 평균 열운동에너지는 절대온도 T와 함께 다음과 같은 관계식을 주어짐으로 보여 주고 있다.

 

한편 이상기체상태 방정식에서 압력(진공도)은 절대온도에 비례함으로 만일 온도가 낮아지면 압력이 낮아지는, 즉 진공이 형성된다는 것을 의미한다. 그러나, 크라이오 펌프는 포획식(entrapment type) 진공 펌프이기 때문에 기체나 증기를 포획할 수 있는 공간이 기체나 증기로 가득 차면 더 이상 진공 배기를 할 수 없다. 따라서 크라이오 펌프는 주기적으로 내부에 포획되어 있는 기체나 증기를 주기적으로 외부로 배출해야 하는데 이것을 크라이오 펌프 재생(regeneration)이라고 한다. 크라이오 펌프 재생 작업은 포획되어 있는 기체나 증기에 다시 에너지를 공급하여 진행되기 때문에 재생 과정 중 크라이오 펌프 내부 압력은 대기압 이상의 높은 압력 상태가 될 수 있어 압력 완화 밸브(pressure relief valve)를 통해 높은 압력 상태의 기체나 증기를 외부로 방출하게 된다. 그러나 이 압력 완화 밸브가 제대로 작동하지 않거나 외력에 의해 막혀 있는 경우 재생 과정 중 크라이오 펌프 내부 압력은 계속적으로 증가되어 폭발할 수가 있다.

 

 

Reference : Vacuum Magazine │2015 06 June, Vacuum Square Vacuum Safety