소형 정밀 펌프 FAQ
소형 정밀 펌프 FAQ
  • 김종율 기자
  • 승인 2018.10.19 10:18
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작고 정확한 펌프 선정에 대한 해결책
산업 분야의 기술자들이 펌프를 활용하고자 할 때, 압력과 유량 그리고 흐름 속도에 적합한 크기보다 더 큰 펌프를 구매할 필요는 없다. 하지만 의료 진단 및 치료 장비나 분석 화학장비 등 작고 정확한 유량 및 압력을 요구하는 분야에서 사용하는 소형 양변위(Positive Displacement) 펌프에는 응용사례가 필요로 하는 것보다 높은 유량과 압력이 필요하다.

 
오늘날에는 대부분의 흡입 작업에 펌프를 사용하고 있다. 펌프는 저수지나 급수장 등의 저장소에서 액체를 빨아들이고, 흡수한 액체를 배출(분배)한다. 하나의 펌프가 두 가지 작업을 동시에 수행하기도 한다. 
첨단 기술을 가진 펌프를 선정하거나 사양을 지정해야 하는 상황에 직면했을 때 설계팀이 자주 묻는 질문을 골라보았다.

Q. 앞서 언급한 응용사례에는 어떤 펌프를 사용할 수 있는가?
A. 기술자들은 일반적으로 두 가지 펌프 유형 중 하나를 사용한다. 연속 흐름(Continuous Flow) 방식과 규제 흐름(Metered Flow, 정량 흐름) 방식이 그것이다. 

연속 흐름 펌프는 오랫동안 안정적이고 변화가 적은 유량을 생성한다. 연속 흐름 펌프의 대표적 예로는 연동펌프와 회전펌프가 있다. 이들 장치는 이론적으로 일정한 압력으로 유량 및 흐름을 제공한다. 하지만 하류로의 움직임에 대한 제한(Downstream Restriction)이 바뀌거나 점도와 같은 유체 특성이 변화하면 시간 및 온도 역시 함께 변화한다.
 
정량 펌프(Metering Pump. 일정한 양을 토출하는 작은 용량의 펌프로 일반적으로 계량 펌프라고도 한다. 출처 보일러용어사전)는 정해진 양만큼의 유체를 정확하게 배출하거나 흡입한다. 정량 펌프 중 가장 자주 사용되고 있는 종류로는 가변체적(Variable Volume) 펌프와 주사기(실린지)펌프가 있다.

이때 ‘가변체적Variable Volume’이라는 용어에 주의할 필요가 있다. 여기서 Variable은 배출하는 양에 대한 것이지, 흡입하는 양을 말하는 것이 아니기 때문이다.
 
주사기 펌프 및 스테퍼 모터 펌프는 가변체적 펌프를 설명할 수 있는 좋은 예다. 이들 장치는 0(혹은 펌프의 분해능Resolution)부터 펌프의 전행정 용량(Full-Stroke Volume)에 이르는 유체를 흡입 및 배출할 수 있다. 예를 들어 250㎕ 주사기 펌프는 250㎕만큼을 흡입한 뒤 50㎕씩 다섯 번, 혹은 25㎕씩 열 번 배출할 수 있다. 펌프의 총 배출량은 펌프의 전체 용량(상한선) 및 펌프의 분해능(하한선)에 따라 달라진다. 

솔레노이드 펌프는 용량이 고정되어있는 것이 일반적이다. 이 펌프는 정해진 양만큼을 흡입한 뒤 같은 양을 배출한다.

 
Q. 펌프의 분해능이란 무엇인가?
A. 펌프의 배출 분해능이란, 펌프가 정확하고 반복적으로 배출할 수 있는 가장 작은 용량 단위를 말한다.
 
해상도를 결정하는 요인은 다양하다. 스테퍼 모터 펌프를 예로 들어보면 피스톤의 움직임(운동) 및 피스톤 지름이 모터 해상도를 결정한다. 일반적으로 피스톤 지름은 고정되어있으며, 스테퍼 모터가 움직이는 정도를 결정한다. 펌프는 매번 회전할 때마다 특정한 선형 변위를 생성하며, 이는 엄지나사의 피치와 모터의 매 스텝마다 일어나는 각운동(Angle Motion)에 영향을 받는다. 

스테퍼 모터 펌프의 분해능은 모터에 의해 하프 스텝 혹은 마이크로스텝 단위로 바뀔 수 있다.

 
Q. 펌프의 정확도와 반복성은 어떻게 나타나는가?
A. 정확도는 보통 대상 용량의 비율로 표시한다. 또한 반복성은 변동계수(Coefficient of Variation, CV)로 표현한다. 이는 오류가 발생한 평균량을 백분율로 환산한 것이다. 응용사례가 보다 적은 변동계수를 필요로 하는 경우 배출량(Despensed Volume)이 가능한 한 전체 행정 체적(Stroke Volume)에 가까워야 한다. 따라서 펌프의 스펙 시트(사양을 적어놓은 표)를 살펴보면 ‘5% 정확도로 0.5㎖ 배출·2% 반복성·0.04% 변동계수’등의 펌프 성능에 대한 사항들을 표기했음을 알 수 있다.

Q. 펌프마다 유체를 배출하는 속도가 다른가?
A. 그렇다. 배출하는 속도 또한 펌프에 따라 다르다. 일반적으로 펌프의 배출 분해능이 작을수록 배출 속도가 느려진다. 엄지나사를 최적 피치 범위 내로 맞추거나 스테퍼 모터가 수행하는 스텝의 크기를 감소시킴으로써 배출 속도를 줄일 수 있다. 더 높은 속도가 필요한 응용사례에는 더 큰 배출량을 가진 펌프가 필요하다.
 
튜브 또한 배출 속도에 영향을 미친다. 튜브는 펌프를 유체 저장소 및 배출 지점과 연결하는 역할을 한다.

튜브 주입구의 직경이 너무 작으면 유체 외에도 공기를 함께 빨아들일 위험이 있다. 이는 혼입 공기(유압 장치의 회로 내에 기포의 상태로 혼입되어 있는 공기를 말한다. 출처 자동차 용어사전)의 원인이 된다. 또한 유체가 점성을 띠는 경우, 튜브가 작으면 펌프 내부에 압력을 만듦으로써 유체에 거품이 생길 정도로 품질을 떨어트릴 수 있다.
 
튜브 배출구의 직경이 부적절해도 문제가 발생한다. 직경이 너무 작은 경우 압력이 올라가는 것. 압력이 올라가면 양변위 펌프가 저항력을 극복하기 위해 장치 압력을 높이고, 결국 씰이나 튜브에 손상을 입게 된다.

 
Q. 펌프 크기는 얼마나 중요한가?
A. 오늘날 펌프의 크기는 무수히 다양하다. 펌프의 크기는 최종 제품 생성에 영향을 미친다.

펌프 크기가 크면 일반적으로 더 많은 전력을 소비하며, 이는 모바일 장비를 비롯한 많은 무선장비가 현장에 남아있어야만 하는 등의 문제를 일으킨다. 이동에 제한을 받게 되는 것. 

스테퍼 모터를 활용해 직접적으로 구동하는 펌프는 기존의 주사기 펌프보다 더 작고 가볍다. 직접구동 장치가 필요로 하는 작은 모터는 보다 적은 전력을 소비하며, 펌프의 크기와 여기에 필요한 전력 공급을 줄임으로써 공간을 절약하는 효과도 낳는다. 

전력이 줄어듦으로써 생기는 이점으로는 열적 특성(Thermal Signature)을 낮춤으로써 냉각의 필요성을 줄이며, 일부 응용사례에서는 쿨링 팬을 불필요하게 만든다는 점 등이 있다.
 
Q. 펌프의 재질을 고려해야 하는가?
A. 펌프의 재질을 고르는 작업은 매우 중요하다. 설계자는 펌프가 유체와 접촉했을 때 펌프의 모든 장치 및 요소들을 온전히 사용할 수 있는지 확인해야 한다. 튜브·씰·밸브·펌프 본체 등, 사용에 따라 반드시 젖게 되는 부품들은 모두 재질에 대해 고려해야 한다.

비교적 강하지 않은 유체의 경우 아크릴(PMMA, 폴리메틸 메타크릴레이트) 펌프 재질로 작업을 수행할 수 있다. 좀 더 공격적인 유체에는 PEEK(폴리에테르에테르케톤)과 같은 산업용 수지(엔지니어링 플라스틱) 재질이 필요하다.

 
Q. 펌프를 선택하기 전에 설계자들이 살펴야 할 매개변수는?
A. 설계자들이 펌프를 선택하기 전에 답해야 하는 질문들은 다음과 같다.
· 응용사례가 연속 흐름 방식과 규제 흐름 방식 중 어떤 것을 필요로 하는가?
· 응용사례가 필요로 하는 성능 특성으로는 무엇이 있는가? 대표적으로 크기·소비전력·작동 수명·유지보수의 용이성 등이 있다.
· 필요한 펌프 용량은 무엇인가? 펌프 용량의 종류로는 규제 용량(Metered Volume)·사체적(불용체적, Dead Volume)·내부 용량(Internal Volume) 등이 있다.
· 배출(분배) 작업의 기준은 무엇인가? 분배량, 정확도, 반복성·변동계수·속도·타이밍 등이 있다.
· 어떤 유체를 흡입하고 배출하는가? 펌프의 모든 구성요소들이 유체에 화학적으로 사용할 수 있는 재질로 이루어져있는가?

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