* 자료 : 고경력과학기술인 전문연구위원 문순식

배럴 모터 펌프는 인버터를 활용하여 펌프 회전수의 제약에서 탈피함으로서 효율적인 에너지 절약 운전이 가능하다. 또 모터의 회전수를 고속화하여 모터와 펌프 소형화는 물론, 자원 절약에 기여한다.

본 내용에서는 지구 환경 부하의 저감이라는 전 세계적 목표에 대한 노력의 일환에 이바지 했다고 판단되는 배럴 모터 펌프에 대해 소개하고자 한다.   <편집자 주>

1. 기술의 개요

반도체, 의료분야 등의 첨단 산업 설비에서 요구하는 기술의 고도화에 대응하거나 혹은 재료, 전자 등 관련 기술의 진보에 수반하여 펌프는 각 분야에서 새로운 진전을 보이고 있다. 특히 배럴 모터 펌프는 인버터를 활용하여 펌프 회전수(50, 60Hz 공용)의 제약에서 탈피함으로서 효율적인 에너지 절약 운전이 가능하고, 또 모터의 회전수를 고속화함으로써 모터와 펌프의 소형화와 자원 절약에 기여하여 지구 환경 부하의 저감이라는 전 세계적 목표에 대한 노력의 일환에 이바지 했다고 생각된다.

２. 기술 내용

가. 배럴 모터 펌프의 구조와 특징

1) 구조와 사양

인 라인형 저양정 배럴 모터 펌프는 외통(배럴) 내부에 밀폐 모터와 임펠러를 배치하여 흡입구를 통과한 물이 임펠러와 모터 외주를 통과해서 토출구로 송출되는 단순한 구조로, 축봉부가 없는 논 실형(Non Seal Type)이다. 주 케이싱은 스테인리스 로스트 왁스 주물제이고 접액부의 다른 금속 부품도 모두 스테인리스제로 하고 있다. 로터 실내의 베어링은 고속 회전에 적절한 자액윤활의 SiC제 미끄러짐 베어링으로, 트러스트 베어링은 비 접촉형(스파이럴 그르브식)을 채용하고 있다.

외통에는 펌프 자액으로 냉각되는 알루미늄제의 기밀 케이스 내에 수용된 전용 인버터를 달아 전원 주파수를 각 펌프가 필요로 하는 주파수로 변환하고 있다. 시동 정지는 전원의 ON/OFF 방식으로 번거로운 초기설정은 불필요하다. 회전 속도의 설정은 수동(8단계의 조정), 자동(외부 신호 입력 케이블) 모두 가능하고 과부하 등을 검지하여 자동 정지하는 보호 기능도 갖추고 있다. 입형 고양정 배럴 모터 펌프는 모터 양측에 임펠러를 대향 배치해서 트러스트 하중을 상쇄시키는 것으로 베어링의 수명이 긴 직렬 2단형이다. 물은 하부 흡입구로 들어와 1단 임펠러와 모터 외주부를 통과해 상부로 보내지고 2단째 임펠러를 경유해 토출구로 송출된다.

2) 배럴 모터 펌프의 특징

- 논 실(Non Seal) : 축봉부가 없어 누설되지 않는다.

- 유지비용 절약 : 논 실형으로 SiC제 미끄럼 베어링을 채용하고 있기 때문에 종래 1∼2년마다 교환이 필요한 미케니컬 실, 볼 베어링 등이 없고 유지비용을 큰 폭으로 경감(인버터 콘덴서 3∼5년 교환 필요)된다.

- 정음(靜音) : 모터 내장(수중)형으로 고속이어도 저소음, 저진동 이다.

- 정숙시동 : 시동 전류의 억제와 시동시의 충격 완화(장수명, 정숙화).

- 50/60 Hz 겸용 : 어느 것에 사용되어도 장치의 표준화가 가능하다.

- 역회전 방지 기능 : 항상 정방향 회전이 되기 때문에 시공 시 결선 미스가 없다.

나. 용도와 사례

1) 순수 제조설비용

- 청정도 : 금속이온 용출량의 최소화를 위해 접액부 재료는 내식성이 뛰어난 SUS316(혹은 SCS14), 용도처 가까이 설치되는 경우에는 더욱 표면 처리가 요구된다. 배럴 모타 펌프는 케이싱을 SCS14, 임펠러, 주축 등을 SUS316으로 제작이 가능하다. 더욱 요구되는 청결도에 부응하기 위한 탈지처리, 금유(禁油)처리, 부동태화처리, 화학 연마처리가 가능하다.

- 마모분(摩耗粉) 발생량의 최소화 : 펌프의 기계적 접촉운동부, 특히 베어링부로부터의 마모분등을 최소화하여야 한다. 배럴 모터 펌프에는 비교적 마모가 적은 고경도 SiC 베어링인 동시에 비접촉형의 트러스트 베어링을 채용하고 있으므로 마모에 의한 마모분 발생은 다른 것과 비교하면 현격히 적다.

- 정숙 시동 : RO막 가압용 펌프는 막의 장기 수명화를 위해서 시동 시의 압력 충격이 적은 정숙 시동에 특히 효과적이다.

2) 반도체 제조설비용 냉매순환용

- 비중이 높은 액체의 대응 : 반도체 제조설비용 냉매에는 클린 룸의 환경유지와 기기의 냉각효율 개선 등의 이유로 특수한 냉매액(불활성 불소액 등)이 이용되는 경우가 많고 물에 비해 비중이 크므로 펌프에 있어서는 그 만큼 펌프 축동력을 높이기 위해 모터 출력을 크게 하여야 한다. 그 경우 펌프 모터의 직결 부품이 물용(水用)으로 설계된 표준품과는 다르게 되어 비효율적인 부분이 많게 된다. 이것은 원심 펌프로서 오랫동안의 과제이기도 하지만 인버터 활용으로 용이하게 해결된다. 인버터로 감속시키면 펌프 축동력은 3승으로, 모터 출력은 1승으로(V/F2 일정 제어 경우) 저감하므로 그 차분만큼 모터 부하가 상대적으로 경감된다.

즉, 비중이 높은 액체이어도 최대 회전수를 억제하여 표준 사양의 펌프 모터를 그대로 사용할 수 있다. 배럴 모터 펌프의 경우 인버터 제어 소프트를 변경하여 설정 회전수를 축동력 증가율로부터 산출한 사용 가능 범위로 제어시킨 비중이 큰 액체 대응형을 제작하고 있다.

- 전류일정 제어형 : 인버터로 전류 일정제어(전유량역을 설정전류로 운전)를 하는 것으로 효과적인 비중이 큰 액체의 대응도 가능하다.

비중에 의해 축동력이 상승해도 그 만큼 자동적으로 감속되어 정격전류를 넘지 않기 때문에 표준 편성의 펌프 모터의 사용이 가능해진다. 또한 이것을 물용으로 사용하면 축동력에 여유가 있어 소유량에서는 전양정이 상승하여 유량 제어의 용이하다. 전류 일정 제어형 배럴 모터 펌프는 8단계로 전류치를 조정할 수 있다.

- 수분제거 및 실리콘 회피 : 냉매액이 전기 절연성을 유지해야 하는 경우는 펌프내 잔류수분의 제거가 요구된다.

또 반도체 제품에 영향을 주지 않기 위해 펌프에 실리콘계로 된 재료의 부품 사용을 피해야 할 경우도 있다.

- 순간 정전 인버터 : 특히 반도체 제조공장에 있어 제품의 품질유지, 보관유지와 가동률 확보 등의 면에서 이상으로 인한 설비정지를 방지하는 각종 대책을 세우게 된다. 순간 정전에 의한 시스템다운 방지를 위해서는 비상용 전원(UPS)의 설치 혹은 순간 정지 대책이 된 기기의 채용 등을 꾀한다. 그 때문에 특히 인버터 등 전자기기는 이 순간 정지 대책이 과제가 된다. 배럴 모터 펌프용으로 구현된 인버터는 순간 정지해도 자동 복귀하는 기능을 표준형으로 하고 있어 복전 후 자동적(5초 후)으로 운전을 재개한다. 또 더욱 고도의 설비용으로서 정지시간을 단축(복전과 동시에 운전 재개)시킨 순간 정지 대응형도 제작이 가능하다.

3) 의료설비용

인공투석장치에 이용되는 펌프는 전술한 순수 제조설비 용도와 같고 청결함, 마모분 발생량의 최소화가 요구된다.

박테리아와 세균류의 증식 억제를 위하여 시스템 내에서 물의 체류 시간 단축을 꾀한 운전 제어를 하는 것이 특징이다. 운전 조작도 전자동화가 꾀해지기 위해 인버터에 의한 제어가 필수이고 배럴 모터 펌프도 자동 가변속 운전이 되고 있다.

4) 브라인 순환용

- 논 실형 : 저온 운전 시에 펌프 외피가 결로되어 정지 시에는 외피가 결빙한다. 축봉부를 가지는 펌프의 경우 접촉운동면의 빙결로 고착되어 시동 불능 혹은 마모나 손상이 발생하는 일이 있다. 그 때문에 논 실형이 채용되는 것이 많다.

- 비중 및 점도 : 브라인 용액도 물에 비해 비중이 크고 또 저온 시에는 점도도 높아져 펌프 축동력이 증가한다. 그 때문에 일반적인 펌프에서는 모터 출력을 증가하지 않을 수 없다. 배럴 모터 펌프의 경우 인버터의 제어 소프트만을 변경시킨 고비중액 대응형의 제작이 가능하다. 단 브라인 용액에서의 축동력 증가율은 5∼15% 정도에 지나지 않기 때문에 표준 사양 펌프의 최대 회전수를 억제하는 것으로 그대로 사용할 수도 있다. 즉 축동력 증가율로부터 산출한 사용가능 최대 회전수 이하로 운전하면 표준 사양의 배럴 모터 펌프를 그대로 사용할 수가 있다.

3. 결론

‘물만 나오면 된다’라고 하는 시대는 먼 과거가 되었다. 펌프는 앞으로도 사회의 기반을 지지하는 기계로서 항상 진보가 요구되고 그 본연의 자세를 모색해 나가는 것이 펌프 메이커의 책무이다. 향후는 환경 부하저감을 위한 LCA(Life Cycle Assessment), LCC(Life Cycle Cost: 생애비용)에 임하여 혹은 리유스(Reuse)와 리사이클(Recycle)의 확립 등이 과제로 이것들을 더욱 가속시키는 것이 필요할 뿐만 아니라, 이러한 대처에 대해서는 그 전제 원점은 사용자가 만족할 수 있는 것을 항상 제공하는데 있다고 인식하고 있다. 배럴 모터 펌프는 그 선구가 되는 것이며 특히 인버터 활용에 의한 회전수로부터의 해방은 여기에 소개한 사례 이외에 한층 더 사용 분야의 확대 가능성을 시사하며 그것을 도출하는 것은 사용자로부터의 요구라고 확신하고 있다.

4. 전문가 제언

반도체, 의료분야 등 첨단 산업 설비에서 요구하는 기술의 고도화 등에 대응과 재료, 전자 등 관련 기술의 진보에 수반하여 개발된 배럴(barreled) 모터 펌프는 인버터를 활용하여 펌프 회전수(50, 60Hz 공용) 제어로 효율적인 에너지 절약 운전이 가능하고, 또 모터의 고속 회전수로 모터와 펌프의 소형화로 자원 절약에 기여하여 지구 환경에 부하의 저감했다는 내용의 기술 소개이다.

펌프의 취급액의 종류와 비중이 다소 다른 경우도 기성품을 그대로 사용할 수 있고 양수, 공조 설비, 공장설비 등에 인버터에 의한 회전수 제어로 유량의 3승에 비례한 동력 에너지 절약 효과가 있으며 초기 비용이 다소 높으나(초기비용과 운전비용 대비 요) 변유량 시스템에서 그 적용을 적극 검토되어야 할 것으로 사료된다.