안녕하세요, 지난번 글에서는 고진공 펌프 영역대의 확산 펌프에 대해 알아봤습니다. 오늘은 고진공 펌프 중에 최근 가장 많이 사용되고 있는 크라이오 펌프에 대해 알아보겠습니다. 우선 크라이오 펌프가 무엇이고 구성과 작동원리부터 글을 써 내려가겠습니다.
목차
●크라이오 펌프란?
●작동원리와 구조
크라이오 펌프란?
크라이오 펌프는 진공 용기 내부에 극저온면을 설치하여 이곳에 용기 안의 기체 분자를 응축 또는 흡착시켜 포착해 배기하는 펌프입니다. 기체를 효과 있게 배기시키기 위해서 응축의 경우에는 증기압이, 흡착의 경우에는 흡착평형압력이 10^(-8) PA 이하가 되어야 합니다. 각종 기체에는 증기압이 있는데 질소(N2) 보다 증기압이 낮은 기체는 극저온면(크라이오 면 또는 Cryo Panel)이 20K 이하로 냉각되어 있으면 그 증기압은 10^(-8) 이하고 되었음을 알 수 있습니다.
수소, 헬륨, 네온 와 같이 증기압이 높은 기체는 20K에서는 응축에 의해 배기를 할 수 없기 때문에 흡착제에 흡착되어 배기가 됩니다. 이와 같이 크라이오펌프는 모든 기체를 배기시킬 수 있으며 극저온을 얻기 위한 냉매로 고순도 HE이 사용되고
있습니다.
작동원리와 구조
크라이오 펌프는 1단과 2 단식으로 구성되어있습니다. 크라이오에 사용되는 냉동기는 2 단식이며, 1단은 냉동 능력이 크고 80K 이하로 냉각할 수 있습니다. 2단은 냉동 능력이 작지만 10~12K으로 냉각할 수 있습니다. 크라이오 펌프는 크게 하기와 같이 3가지로 구성이 되어 있습니다.
-CRYO PUMP(냉동기 UNIT포함)
-COMPRESSOR(압축기) UNIT
-FLEXIBLE HOSE(2개)
상기의 3가지 이외에 온도계 및 다른 Cable 등이 더 있으나 크게는 위에 3가지로 구성된다고 보시면 됩니다. 크라이오 펌프에 대해 좀 더 간단하게 설명을 하자면 저진공 펌프인 오일 로터리 펌프와 드라이 펌프의 경우 보통 흡입-압축-팽창을 통해
진공을 만들어 배출하는 형식이었습니다. 반면 크라이오 펌프는 단순하게 펌프 내부 온도를 극격하게 떨어트려서 기체를 얼려버리고 포집을 한다고 생각하시면 됩니다.
크라이오에서는 K이라는 단위를 쓰는데 1K= -273도이며 K이 올라갈수록 저온에서 상온의 상태입니다. 예를 들어 15K=-258도, 80K=-193도입니다. 크라이오 펌프 내부에는 판넬이 있는데 1차적으로 80K 약 -193도가 되면 1차 배플이 이루어지며 물과 수분등이 얼기 시작합니다. 15K이 되면 응축기체(질소, 아르곤)가 얼고 이때도 얼지 않는 헬륨, 수소, 네온 등의 증기압이 높은 기체들은 마지막으로 크라이오 내부 자체에서 포집을 시켜줍니다. 한마디로 기체분자를 흡착하여 제거해 주는 인트랩먼트형 냉각고진공펌프입니다.
크라이오 펌프는 고진공을 얻을 수 있고 수분배기에 용이하다는 큰 장점을 가지고 있으나 주기적으로 리젠을 실시해야 하는 것이 단점입니다. 크라이오 펌프 안에서도 다양한 종류가 존재하는데 특수사양으로 진동이 없는 방진형, 부식을 최소화하기 위해 금속으로 되어 있는 내식형, 그중에서 TRAP은 수분만 깔끔하게 제거해 주는 역할로 지금도 현장에서 많이 사용을 하고 계십니다.
크라이오 펌프가 정상적으로 작동하기 위해서는 80K Shield, Baffle의 온도가 130K 이하 15K 크라이오 판넬의 돈가가 20K 이하여해 합니다 이러한 온도를 확인할 수 있도록 80K Shield에는 K(CA) 열전대가 15K 크라이오 패널에는 수소 증기압 온도계 등이 부착되어 온도 확인이 가능합니다.
앞에 글에서도 언급했듯이 크라이오 펌프를 작동시키기 위해서는 반드시 저진공 펌프로 초기 진공도를 잡은 후에 고진공
펌프를 돌리셔야 하니 이점은 꼭 기억해 두시길 바랍니다.
오늘은 크라이오 펌프의 기초에 대해서만 간략하게 알아봤습니다. 최근 가장 많이 사용되고 있는 고진공 영역대의 진공펌프입니다. 다음 글에서는 크라이오 펌프에 대해 좀 더 알아보고 특히 사용상의 주의점과 트러블 대책 요령 등에 대해 다뤄보도록 하겠습니다.