진공 시스템 구성품

진공 시스템에는 챔버, 펌프, 측정 계기, 구성품, 밸브, 피드 스루, 조작기 등으로 구성되어 있다. 진공 기술에서 사용되는 재료, 다양한 유형의 연결, 기계적 구성품에 대해 공유하고자 한다. 

본 내용은 PFEIFFER 기술자료를 참고하여 작성되었다.

 

 

 

진공 시스템 구성품

 

실(seal)이 장착된 분리형 연결과 비분리형 연결은 구분되어 있다. 

 

진공 재료 

● 진공 재료 요구조건

 

- 전체 작업 온도 범위에 걸친 충분한 기계적 강도:

- 높은 기체 기밀:

- 낮은 내재 증기압, 높은 용융점과 비등점:

- 깨끗한 표면, 외부 기체의 낮은 함량, 쉬운 기체 제거:

- 양호한 열 충격 저항, 조정된 확장 행동:

- 부식 저항, 화학적 저항:

 

특별한 용도 분야에 대해 재료에 대한 추가 요구를 할 수도 있다.

 

 

● 진공재료

 

금속재 :

많은 금속 및 금속 합금은 강도가 높고, 처리 및 청소가 쉬우며, 온도 저항적이고 유리보다 기계적 영향에 덜 민감하다.

재료의 가격 또는 가용성과 같은 경제적 측면을 고려하여 스테인레스강, 탄소강, 알루미늄 합금을 선택하게 된다.

 

밀봉재 :

- 탄성 중합체 실(seal)

탄성 중합체 실은 기본적으로 기체가 침투할 수 있고, 재료, 기체의 유형, 주변 조건 특히 온도에 따라 달라진다. 또한 탄성 중합체는 탈기체화할 수 있다.

 

<표 1> 탄성 중합체 실 속성

- 금속 실(seal)

고온 또는 저온에서의 응용, 무척 긴 사용 수명, 높은 방사선, 무척 낮은 침투율이 중요할 때마다 탄성 중합체 실 대신 금속 실을 사용해야 한다. 금속 실에 종종 사용되는 재료는 구리와 알루미늄이며, 어떤 경우에는 은과 금 그리고 냉동 기술에서 인듐이 사용된다. 

 

<표 2> 금속 밀봉재의 비교

 

 

연결

● 비분리형 연결

진공 기술의 비분리형 연결은 용접, 경납땜 또는 용단, 아니면 증착이나 다음 용접과의 소결에 의해 이루어진다.

최근 UHV 기술을 포함하지 않는 어플리케이션용 구성품 조립에 진공 저항 접착제도 사용되고 있다.

금속-금속, 유리-유리, 유리-금속, 금속-세라믹, 유리-세라믹 같은 금속 페인트칠이 진공 기술에서 꽤 빈번히 사용되고 있다. 금속은 대부분의 경우 용접과 경납 땜으로 결합된다. 유리 장비의 경우 개별 유리 구성품은 융합을 통해 결합된다. 용단이나 증착, 용단이나 경납땜에 의한 금속과 유리 연결은 UHV-호환 및 베이크 가능한 뷰포트에 사용된다. 증착이나 소결에 의한 금속과 세라믹 연결은 예를 들면 진공 전류 피드스루에서 일반적이다.

 

● 분리형 플랜지 연결

진공 시스템의 개별 구성품(예: 진공실, 펌프, 밸브, 측정 기구 등)은 직접적으로 아니면 파이프 구성품이나 탄력 있는 요 소들에 의해 서로 연결되어 있다.

진공 시스템 구성 시 가능한한 최소의 분리형 접합부를 사용해야 한다. 왜냐하면 분리형 접합부는 비분리형 접합부보다 잠재적인 누출 소스를 대표하기 때문이다.

스테인레스강, 알루미늄, 강철로 만들어진 플랜지 구성품을 연결 요소로 사용할 수 있다. 유연한 접합부에는 스테인레스강으로 만들어진 금속 호스가 벽이 두꺼운 고무나 열가소성 수지보다 선호된다. 이 호스는 앞으로 더 낮은 중간 진공 범위에서 반드시 필요하다.

저진공 범위에서 고진공 범위까지 명목상 폭이 DN 10~DN 50인 ISO-KF 플랜지 연결은 분리형 연결에 사용되고, DN 63~DN 1000인 ISO-K와 ISO-F 플랜지에는 더 큰 명목상 크기가 사용된다. 초고진공 호환 및 해제 가능 연결은 CF 플랜지 연결로써 명목상 폭이 DN 16~DN 400이고, COF 플랜지의 명목상 직경은 이보다 더 큰 DN 400~DN 800이다.

 

 

진공실

진공 시스템의 핵심은 진공실이며, 진공실은 특정한 어플리케이션에 맞춰진다. 진공실은 어플리케이션을 에워싸서 외부로부터 안전하게 격리하거나 내부에서는 공정으로부터 주변을 보호한다. 건조 공정에 미세 진공이 필요한지 아닌지와 상관 없이 플라스마 공정을 위한 중간 진공이나 고진공 또는 표면을 위한 초고진공은 다음 사항이 필수적이다.

 

– 진공실은 항상 기계적으로 대기로부터의 차압을 견뎌야 한다.

 

접시 모양 경판과 같은 실린더형 튜브, 구 모양의 바디, 평평한 바닥 또는 몰드 부품의 벽 두께는 AD-2000 리플렛을 사용 하여 계산해야 한다. 

챔버의 기본 모양은 종종 어플리케이션따라 결정된다. 챔버 바디엔 가능하면 재료 입력과 안정성에 이상적인 실린더 형 튜브를 선택해야 한다. 명목 직경이 더 작을 경우엔 평평한 바닥이 튜브 측면을 밀봉할 수 있다. 더 큰 직경은 재료 입력과 챔버 질량을 제한하기 위하여 접시 모양 경판으로 봉해야 한다. (예: 챔버 직경이 600mm일 경우엔 접시 모양 경판보다 벽 두께가 3배 정도 큰 평평한 바닥을 요구한다) 

 

 

진공 밸브

진공 밸브 구성 및 선택 시 분자 흐름 범위의 구성품들의 최소 변위 최종 압력과 높은 흐름 저항을 고려해야 한다. 또한 밸브 하우징과 밸브 시트에 대해 최소 누출률이 요구된다. 밸브의 이동 부품에 대한 진공 측면 윤활제는 요구된 압력 및 온도 범위에 적합해야 하고, 그렇지 않으면 가능한 경우 고진공 또는 초고진공에서 전적으로 회피되어야 한다. 

품질에 따라 탄성 중합체 밀봉 피드스루( 예: 샤프트 실)가 1 · 10^-4 hPa보다 더 큰 압력 범위에서 더 낮은 진공 요구조건에 사용될 수 있다. 반면에 멤브레인 벨로우즈 또는 스프링 벨로우즈는 1 · 10^-4 hPa 미만의 압력 범위에 사용된다. 또한 금속 벨로우즈로 밀봉된 밸브는 적절히 제작된 경우 베이크 아웃될 수 있다. 탄성 중합체 밀봉 하우징, 플레이트 또는 플랜지가 있는 밸브는 최대 1 · 10^-8 hPa 의 압력에 사용된다. 

모든 실이 금속으로 만들어진 순금속 밸브는 UHV 어플리케이션과 더 높은 베이크 아웃 온도에 적합하지만 대개 실에 더 높은 폐쇄력을 요구한다. 연질 금속(구리 또는 특수 합금)이 밀봉재로 사용된다. 폐쇄력이 높으면 실 사용 수명도 짧다고 예상해야 한다.

진공 기술 분야의 다양한 어플리케이션에는 다양한 유형의 밸브가 있다. 이 밸브들은 디자인이나 기능에 따라 명명된다.

 

 

조작기와 기계적 피드스루

두 개의 개방된 플랜지 연결과 한 개의 개방된 통로를 가진 설계는 조작기라 불리고, 진공 밀폐 플랜지에 설치된 작동기 가 있는 구성품은 기계적 피드스루라 불린다. 

후자는 컴팩트한 설계가 특징이다. 조작기는 서로 결합되고 연장될 수 있다. 또한 기계적 피드스루는 조작기에 부착되어 다양한 유형의 이동을 진공에 전달할 수 있고, 그와 함께 다양한 이동 작업에 솔루션을 제공할 수 있다. 

특히 명목 직경이 더 큰 조작기의 플랜지들은 대기 압력 때문에 상당한 힘을 갖는다. 플랜지가 진공 하에서 안정적이려면 조작기 설계 시 플랜지의 내재된 강성이 강조되어야 한다. 특별한 설계 과제는 내장 구성품에 의한 외부 부하 및 다 른 부하에 따라 이동을 정확히 전달하는 것이다. 내장 구성품은 UHV 범위에서도 사용할 수 있도록 베이크 아웃될 수 있어야 한다.

 

Reference : https://www.pfeiffer-vacuum.com/