진공 개념 및 진공펌프

ISO(International Standard Organization)에 따르면, 진공은 대기압보다 낮은 상태의 압력을 의미한다.

​또한, 가스분자가 전혀 없는 것이 아니라 희박한 상태를 의미하며, 가스 분자가 전혀 없는 절대 진공은 만들 수 없다.

화학산업분야에서의 진공기술은 다양한 온도와 압력조건에서의 기체, 액체, 고체의 반응을 유도하고 합성된 물질의 분리 공정에 다양하게 이용되고 있다.

 

 

 

진공 개념 및 진공펌프

1. 진공의 정의 및 개념

진공(Vacuum)이란 단어의 뜻은 아무것도 없는 빈 공간(Void or empty)을 말하지만 실용적으로는 대기압보다 낮은 압력으로 기체가 채워져 있는 공간을 말한다.

 

기체의 압력은 용기 내의 기체분자들은 사방으로 움직이면서 벽에 부딪히면서 발생하기 때문에 압력과 입자수와 밀접한 상관관계가 있다.

 

진공도(Vacuum degree)라고 하면 입자밀도가 떠오르는 것이 일반적인 상식인데 입자수가 아닌 압력으로 표현하는 것은 진공을 발견하고 측정한 역사적인 과정과 밀접한 관련이 있다.

비록 단위를 압력으로 사용하지만 입자밀도라는 관념이 깔려있다는 것을 무시할 수 없다.

 

 

압력(Pressure)은 입자밀도와 (입자밀도는 부피에 반비례) 온도에 비례한다.

따라서 총입자수가 같다면 PV/T는 같은 값을 가진다.

 

표준상태(1 기압, 0℃)에서 22.4 L에 들어있는 기체분자의 수는 기체의 종류에 상관없이 6x10^23개다.

 

온도가 20℃일 때 압력이 1 mbar인 1 L 용기 안에 들어있는 입자수는 6x10^23 / 1000 mbar / 22.4 L x [(0+273)/(20+273)] ≈ 2.5x10^19 이다.

즉 20℃에서는 1 mbar ∙ L ≡ 2.5x10^19 개이고 일반적으로는 1 mbar ∙ L = 7.24x10^21/T[K]

개로 표현된다.

 

대기압(Atmospheric pressure)의 근원은 지표에서 성층까지 존재하는 공기분자들의 무게다.

대기압(1000 mbar)에서는 변의 길이가 10 cm 인 정육면체(1 L)의 한 변에 3천만개의 분자가 놓여진다.

1기압(해수면에서 대기의 압력)은 수은 76 cm 또는 물 10.33 m의 무게에 의해 단위면적당 눌리는 힘과 같다.

 

 

Pressure ranges of each quality of vacuum in different units(진공 영역)

진공영역 별 압력 범위

             ● 1mbar = 100Pa = 0.75Torr

 

2. 진공펌프와 압축기 차이

회전기계의 한 쪽 압력은 낮고 다른 쪽 압력은 높으면서 유체가 흐른다면 이 기계는 펌프(Pump)다.

펌프는 배기방식에 상관없이 자기 영역에 들어온 기체 분자들만을 밖으로 배출하거나 잡아먹을 뿐 영역 밖에 있는 입자을 빨아들이는 능력은 없다

사용하는 쪽이 어디냐에 따라 진공 펌프(Vacuum pump)일 수도있고 압축기(Compressor)일 수도 있다.

기계 자체보다는 사용하는 방법에 따라 결정된다고 할 수 있다.

펌프에서 낮은 압력과 높은 압력의 비를 압축비라고 한다.

 

 

진공펌프 모식도

 

3. 물펌프와 진공펌프 차이

펌프의 단위시간당 배출능력이 같다고 해도 실질적인 배출량은 진공펌프 쪽이 훨씬 작다.

 

 

물펌프 vs. 진공펌프

 

4. 진공펌프의 분류 및 선정

진공펌프는 기체 이송(Gas transfer) 펌프와 기체 결합 또는 포획(Entrapment) 펌프로 분류된다. 기체 변위 진공펌프는 제한 없이 사용될 수 있지만 기체 결합 진공펌프는 기체 흡수 능력에 제한이 있으므로 일정한 공정 종속 간격마다 재생되어야 한다.

기체 이송 펌프로 불리기도 하는 기체 변위 펌프는 양변위(Positive displacement) 펌프 아니면 운동(Kinetic) 진공펌프로 분류된다.

 

 

또한 진공펌프의 선정은 사용하는 진공 영역 및 적용 용도에 따라 다음과 같이 이루어지고 있다.

 

 

 

진공펌프의 분류 및 작동영역에 대해 다음과 같이 정리된 것을 소개하니 참조하기 바란다.

 

진공펌프 분류

 

 

진공펌프 작동영역

 

진공펌프 작동영역

 

source : 진공기술강좌 세미나 자료, 인상렬, 한국원자력연구원 핵융합공학기술개발센터