펌프이론 1.2 – 펌프종류

1.2.1 표준 펌프

원심 펌프에 관해서 몇 가지 세계 표준이 있다. 사실 세계에 있는 많은 나라들은 자국 표준을 가지고 있으며 이들 기준은 다른 나라의 기준과 비슷하거나 혹은 차이가 있기도 하다.
표준 펌프는 국가 기관에서 정해진 규정에 맞는 (펌프 운전점) 펌프를 말한다.
아래는 펌프에 대한 국제 표준 규격에 대해 나열하였다.

● EN 733 (DIN 24255)은 편흡입 원심펌프에 적용되는 규격이며 압력 10 bar의 물 펌프 표준으로 알려져 있다.
● EN 22858 (ISO 2858)은 원심펌프에 적용되는 규격으로 압력 16 bar의 화학용 펌프의 표준으로 알려져 있다.

위에서 언급한 규격에서는 설치와 관련된 펌프의 외형치수와 운전점을 규정하고 있다. 이들 펌프의 수력학적 부분에 대해서는 제조업체에 따라 그 형태가 다양하다. 따라서, 수력학적 부분들에 관해서는
국제적인 표준이 정해지지는 않았다.
표준에 따라 설계된 펌프들은 소비자에게 서비스, 수리, 유지 측면에서 많은 장점을 제공한다.

1.2.2 스플리트 케이싱 펌프

스플리트 케이싱 펌프란, 축을 따라 두 부분으로 나누어진 펌프의 케이싱을 가진 펌프이다. Fig. 1.2.4는 양흡입 임펠러의 단단 스플리트 케이싱 펌프를 보여준다. 양흡입 구조는 축 방향 하중을 제거하고 베어링의 장기 사용을 보장한다. 주로 스플리트 케이싱 펌프는 고효율이며 유지/보수가 편리하며, 폭 넓은 펌프 성능 범위를 가진다.

1.2.3 밀봉식 펌프

펌프 축의 인입부는 밀봉 되어 있어야 한다는 것은 보편적인 사실이다.
일반적으로 이렇게 밀봉하는 데는 미케니컬 샤프트 씰이 사용된다.
(Fig. 1.2.5 참조) 미케니컬 샤프트 씰을 사용함에 있어서 주된 단점은 펌프에 사용되는 유체가 독성이 있거나 물과 다른 산성의 유체를 사용할 때 누수현상이 발생된다는 것이다. 이런 문제는 더블 미케니컬 샤프트 씰을 사용함으로 일정부분이 해결된다. 다른 해결책으로는 밀폐형 씰 펌프를 사용하는 것이다.

여기서 밀봉식 펌프는 두 가지 형태로 구분된다. 하나는 캔타입 모터펌프이고 다른 하나는 마그네틱 펌프이다. 이 장에서는 이 두 가지 펌프에 대해 기술한다.

캔 타입 모터 펌프

캔 타입 모터 펌프는 밀봉식 펌프로 모터와 펌프가 한 개의 부품으로, 캔 안에서 씰 없이 연결 되어 있다. Fig. 1.2.6, Fig. 1.2.7 참조
유체는 얇은 로터 캔으로 분리된 로터 챔버로 유입된다. 로터는 유체와 모터사이에서 밀폐형 보호벽으로 사용된다. 케미칼 펌프에서 이 부분은 화학물질에 견딜 수 있는 플라스틱이나 스테인레스 스틸 재질로 구성된다.

가장 일반적인 캔 타입 모터 펌프는 순환 펌프이다. 이 타입의 펌프는 주로 온수 순환 시스템에 사용되는데 그 이유는 구조상 이점으로 인해 낮은 소음발생과 무정비 운전이 가능하기 때문이다.

마그네틱 펌프

최근에 들어서 마그네틱 펌프가 유독성이 있거나 산성의 유체를 사용하는 곳에서 많이 사용되고 있다.

Fig. 1.2.8에서 보이는 것처럼, 마그네틱 펌프는 내부 자석, 외부 자석 두 그룹으로 구성된다. 비 자성 물질은 이 두 그룹을 나눌 수 있다. 여기서 캔의 역할은 유체와 공기 사이에 밀폐형 보호벽이다. Fig. 1.2.9에서 보이는 것처럼, 외부 자석은 펌프의 회전축에 연결되어 있고, 내부 자석은 펌프축에 연결되어 있다. 이런 방식으로 펌프 회전축의 토크는 펌프 축으로 전달된다. 펌프를 사용하는 유체는 이 펌프에서 베어링을 위한 윤활유로 사용되기때문에 이 펌프에서 공기빼기를 적절히 해줄 경우 베어링의 유지, 수명에 있어 매우 중요하게 작용된다.

1.2.4 위생 펌프

위생 펌프는 주로 식품, 음료, 제약 그리고 생명과학 분야에 쓰인다.

유체는 이들 분야에서 상당히 중요하며 특별히 관리된다. 무엇보다 이 분야에 사용되는 펌프는 세척이 용이해야 한다.
이들 산업분야에 적합한 조건을 맞추기 위해서, 표면의 거칠기는 3.2~0.4 Ra 조건을 충족해야 한다. Fig. 1.2.12를 보면 알 수 있듯 단조 혹은 압연으로 제조된 스테인레스 스틸이 재질면에서는 최상의 선택이다. 이들 재질은 입자 구조가 조밀하고 기공이 없어서 다양한 조건을 요구하는 표면처리에 쉽게 적용되어 질 수 있다.

위생 펌프로 고려되어야 할 특성은 세척이 쉬워야 하며 유지에 편리하여야 한다.

1급 위생 펌프 제조사는 아래와 같은 기준에 맞춰서 위생 펌프를 설계한다.

EHEDG – 유럽 위생 장비 설계 단체

QHD – 위생 설계 규격

3-A – 위생 표준

3A0/3A1 : 산업/위생 표준
Ra ≤ 3.2 μm
3A2 : 살균 기준
Ra ≤ 0.8 μm
3A3 : 살균 기준
Ra ≤ 0.4 μm

1.2.5 오/폐수 펌프

오폐수 펌프는 모터와 펌프가 일체형으로 설치된 밀폐형 구조로 되어있다. 이러한 구조로 인해 오/폐수 펌프는 오/폐수조 안에 수중 설치하기에 적합하다.
수중 설치를 하는 경우, 자동 탈착 장치로 두 개의 가이드 레일이 사용된다.
자동 탈착 장치는 유지/보수, 펌프 교환시 상당히 유용한 장치이다.

자동탈착 장치를 이용하면 오/폐수조 안에 들어가서 유지/보수 관리를 할 필요 없이 펌프를 오/폐수조 외부로 인양하여 작업할 수 있다. 오/폐수 펌프는 수중에 설치하는 방식이 아닌 건식 설치가 가능하여 이 경우 수평 또는 수직으로 설치할 수 있다. 이런 타입의 설치는 손쉬운 유지 작업을 가능하게하고 오/폐수조에 물이 찬 경우에 펌프의 운전을 방해하지 않고 쉬운 보수 작업을 가능하게 한다. Fig. 1.2.14 참조

일반적으로, 오/폐수 펌프는 큰 고형의 입자가 있는 유체를 이송할 수 있어야 한다. 이런 이유로 오/폐수 펌프는 임펠러가 구조상 고형물질에 의해 막히지 않는 특별한 임펠러를 내장하고 있다. 싱글 채널 임펠러, 더블채널 임펠러, 3-4개 채널 임펠러, 보르텍스 임펠러와 같은 다양한 종류의 임펠러가 있다. Fig. 1.2.15 참조

오/폐수 펌프는 주로 IP68 인증이 있는 건식모터를 탑재한다. (IP 인증에 대한 상세설명은 Fig. 1.4.1 참조.) Fig. 1.2.13을 보면 모터와 펌프가 동일축으로 연결되며 중간 오일 챔버에 더블 미케니칼 씰 시스템을 갖추고 있다.
오/폐수 펌프는 목적에 따라 간헐적으로나 지속적으로 펌프 운전이 가능해야 한다.

1.2.6 침수형 펌프 (공작기계용)

침수형 펌프란 펌프의 일부분이 펌핑될 유체에 잠기고 모터 부분은 잠기지 않는 펌프 종류를 말한다. 일반적으로 침수형 펌프는 탱크나 용기의 상부나 우물 상부에 설치된다. 침수형 펌프는 주로 공작기계용으로 사용된다. 즉, 용접용 기계, 그라인딩 기계, 냉각 시스템, 머시닝 센터와 같은 시스템이나 세척기, 필터링 시스템과 같이 탱크나 용기가 있는 산업 분야에 주로 이용된다.

이런 장비에 설치되는 펌프들은 크게 두 종류로 나뉜다. 칩등 불순물이 적은 라인에 사용되는 펌프와 불순물이 많은 라인에 사용되는 펌프, 두 종류이다.
폐쇄형 임펠러를 장착한 펌프는 일반적으로 청결한 부분에 사용된다.
이유는 이들 펌프가 높은 효율과 높은 압력을 제공해 주기 때문이다.
개방형과 반 개방형 임펠러를 탑재한 펌프가 일반적으로 불순물이 많은 분야에 쓰이는 이유는 이런 임펠러들이 금속 조각이나 불순물을 이송하여도 막힘이 없기 때문이다. Fig. 1.2.16 침수펌프

1.2.7 시추형 펌프 (수중 펌프)

시추형 펌프에는 아래와 같이 두 종류가 있다.
수중형 모터를 탑재한 수중 펌프와 깊은 우물용 펌프로 긴 축으로 건식모터와 연결된 펌프 두 종류이다. 펌프는 일반적으로 급수와 관개시설에 사용된다. 이런 종류의 펌프는 깊고 좁은 시추공 안에 설치되므로 반경을 줄이고 길이를 길게 해 Fig.1.2.17에서 보이는 것과 같은 형태를 가지게 된다.

시추형 펌프는 특히 유체에 완전히 잠길 수 있도록 설계되었으며 IP68등급의 수중형 모터를 탑재하도록 하고 있다. 이 펌프는 단단과 다단(일반적으로 다단 펌프가 폭 넓게 쓰인다) 펌프로 구분되며 이 펌프에는 체크 밸브가 펌프의 헤드 부분에 탑재되어 있다.

최근에는 깊은 우물용 펌프는 수중 펌프로 대체되어 가고 있다.
장축의 깊은 우물용 펌프는 설치할 때나 고장을 수리하고자 할 때 상당한 어려움이 있다. 깊은 우물용 펌프는 주로 공랭식으로 냉각되기 때문에 산업현장에서 개방 탱크에서 뜨거운 물을 이송할 때 주로 쓰인다.
수중 펌프는 높은 온도에서는 운전이 불가능한데 그 이유는 모터가 유체에 담겨져 있으므로 냉각을 시켜줄 수 있는 것이 사용되는 유체이기 때문이다.
Fig. 1.2.17 수중 펌프

1.2.8 용적식 펌프

용적식 펌프는 역압의 변화에 상관없이 일정 속도에서 일정한 유량을 제공하는 펌프이다. 용적식 펌프를 보면 아래와 같이 두 가지 종류가 있다.

● 회전식 펌프
● 왕복식 펌프

원심 펌프와 용적식 펌프, 회전식 펌프, 왕복식 펌프간의 차이점은 오른쪽 그림에 표시 되어 있다. Fig. 1.2.18 참조
표시된 펌프의 곡선도를 보면 펌프 역압에서 작은 변화는 곧 유량에서의 차이를 보인다.

원심 펌프의 유량 변화는 상당하고, 회전식 펌프의 유량 변화는 미세하나 왕복식 펌프의 유량 변화는 거의 없다. 회전식 펌프와 왕복식 펌프에 차이점이 발생되는 이유는 씰의 실제 접촉면이 회전식 펌프가 왕복식 펌프보다 크다. 따라서 비록 두 펌프가 같은 공차를 가지도록 설계가 되었다 하더라도 회전식 펌프의 손실 범위가 더 크기 때문이다.
펌프들은 일반적으로 높은 수준의 효율과 흡입력을 얻기 위해 최소한의 공차를 가지도록 설계된다. 그러나, 때에 따라 공차 범위를 넓일 필요가 있는 경우가 발생된다. 예를 들면, 점성이 높은 유체를 펌프가 이송할 경우, 이송될 유체내 입자가 함유된 경우, 고온의 유체를 이송할 때이다.

정량 펌프

정량 펌프는 체적 펌프 군에 속해져 있으며 전형적인 다이어프램 펌프이다. 다이어프램 펌프는 누수가 없는데 이것은 진동판이 유체와 주변 장치 사이에 씰 작용을 하기 때문이다.

다이어프램 펌프는 두개의 체크 밸브가 내장되어있다. 하나는 흡입쪽이고 하나는 토출쪽이다. 작은 다이어프램 펌프를 보면 다이어프램은 전자석과 연결된 커넥팅로드에 의해 기동 되고, 이로 인해 코일은 필요한 정확한 양의 스트로크를 받는다. Fig. 1.2.21 참조

큰 다이어프램 펌프를 보면 일반적으로 다이어프램은 캠축에 의해 구동되는 커넥팅로드에 설치된다. 캠축은 표준 비동기 모터에 의해 구동된다. Fig. 1.2.22 참조

다이어프램 펌프의 유량은 스트로크 길이나 회수를 통해 조정된다. 만약 운전 범위를 확대하고 싶으면 인버더를 더 큰 다이어프램 펌프에 설치해야 한다. Fig. 1.2.22참조

또 다른 종류의 다이어프램 펌프에 대해 설명하면, Fig. 1.2.20과 Fig. 1.2.23을 보면 다이어프램이 스텝 모터나 동기 모터에 의해 동작되는 커넥팅 로드에 의해 구동된다. 스텝 모터를 사용하여 펌프의 활동 영역은 증가되고, 펌프의 정확성은 향상된다. 이런 구조를 가진 펌프에서는 펌프의 구동 길이를 조정하는 것은 필요하지 않다. 왜냐면 커넥팅로드가 직접 다이어프램에 연결되어 있어 최적의 흡입 조건과 탁월한 구동 특성을 가질 수 있기 때문이다.

상기와 같은 이유로 흡입부와 토출부를 조절하는 것은 간단하다. 강한 맥동을 발생시키는 전통적인 전자석 방식과 비교해 스텝 모터를 사용하는 다이어프램 펌프로 보다 정확한 약품 주입이 가능하다.