기어 펌프는 PD 펌프의 한 유형으로 맞물린 기어를 이용하여 일정량을 반복적으로 담아서 유체를 이동시키며, 주기적인 펌핑작용으로 유체를 이송시킵니다. 이번 글에서는 기어 펌프 개념과 2가지 구조 및 장점 관련해서 알아보겠습니다.
Ⅰ. 기어 펌프 개념
기어 펌프(Gear Pump)는 유체를 이송하거나 흡입하는 데 사용되는 기계적 장치로, 일반적으로 저압에서 중간 압력 범위에서 작동합니다.
두 개의 회전하는 기어를 사용하여 유체를 이송하는 원리를 기반으로 하며, 일반적으로 내부에 두 개의 기어가 있는데 하나는 회전시킬 수 있고, 다른 하나는 고정되어 있습니다.
기어 펌프는 상대적으로 간단한 구조여서 제작과 유지 보수가 비교적 용이하며, 저렴한 가격으로 구할 수 있습니다.
하지만 주로 중간 압력에서 사용되며, 높은 압력이나 고온 유체를 다루기에는 적합하지 않을 수 있기 때문에 사용 환경과 필요한 성능에 따라 다른 종류의 펌프가 필요할 수 있습니다.
Ⅱ. 기어 펌프 작동원리
기어 펌프는 회전하는 기어의 동작을 사용하여 유체를 전달합니다.
회전 요소는 펌프 케이싱과 액체 밀봉을 형성하고 펌프 흡입구에 흡입력을 생성하며 펌프로 유입된 유체는 회전하는 기어의 공동 내에 갇혀 배출구로 전달됩니다.
기어 펌프에는 외접 및 내접의 두 가지 기본 설계가 있습니다.
1. 외접 기어 펌프
외접 기어 펌프는 별도의 샤프트에 의해 지지되는 두 개의 동일한 연동 기어로 구성되며 일반적으로 하나의 기어는 모터에 의해 구동되고 이는 다른 기어(아이들러)를 구동합니다.
어떤 경우에는 두 샤프트 모두 모터로 구동될 수 있는데 샤프트는 케이싱의 각 측면에 있는 베어링으로 지지됩니다.
기어가 펌프 입구측의 메시에서 나오면 부피가 확장되고, 액체는 구멍으로 흘러 기어가 펌프 케이스에 대해 계속 회전함에 따라 기어 치부에 갇히게 됩니다.
이렇게 갇힌 유체는 케이싱 주변의 입구에서 배출구로 이동하게 됩니다.
펌프의 토출측에서 기어의 톱니가 서로 맞물리게 되면 부피가 줄어들고 유체는 압력을 받아 밖으로 밀려나게 됩니다.
기어가 서로 맞물려 있어서 기어 사이의 중앙을 통해 유체가 다시 전달되지는 않습니다.
기어와 케이싱 사이의 정밀한 공차로 인해 펌프는 흡입구에서 흡입력을 발휘하고 유체가 토출측에서 다시 누출되는 것을 방지할 수 있습니다(점도가 낮은 액체에서는 누출이 발생할 가능성이 더 높지만).
외부 기어 펌프 설계는 스퍼 기어, 헬리컬 기어 또는 헤링본 기어를 활용할 수 있습니다.
2. 내접 기어 펌프
내접 기어 펌프는 동일한 원리로 작동하지만 두 개의 연동 기어는 크기가 다르며 하나가 다른 하나 내부에서 회전하며 더 큰 기어(로터)는 내접 기어입니다.
즉, 내부에 기어 치부가 돌출되어 있어서 그 안에는 더 작은 외접 기어가 중심에서 벗어나 장착되어 있습니다. 이는 기어 톱니가 한 지점에서 맞물리도록 로터와 맞물리도록 설계되었습니다.
펌프 케이싱에 부착된 피니언과 부싱은 아이들러를 제 위치에 고정합니다.
고정된 초승달 모양의 칸막이 또는 스페이서는 아이들러의 중심에서 벗어난 장착 위치로 인해 생성된 빈 공간을 채우고 흡입구와 배출구 사이의 밀봉 역할을 합니다.
기어가 펌프 입구측의 메시에서 나오면 부피가 확장되고, 액체는 구멍으로 흘러 기어가 펌프 케이싱과 칸막이에 대해 계속 회전함에 따라 기어 톱니에 갇히게 됩니다.
갇힌 유체는 케이싱 주변의 입구에서 배출구로 이동합니다.
펌프의 토출측에서 기어의 톱니가 서로 맞물리게 되면 부피가 줄어들고 유체는 압력을 받아 밖으로 밀려나게 됩니다.
내부 기어 펌프 설계는 스퍼 기어만 사용합니다.
Ⅲ. 기어 펌프 특징과 장점
기어 펌프는 제한된 수의 움직이는 부품으로 작고 단순합니다.
왕복 펌프에 의해 생성된 압력이나 원심 펌프의 유량을 일치시킬 수는 없습니다.
하지만, 베인 또는 로브 펌프보다 더 높은 압력과 처리량을 제공하며 오일 및 기타 고점도 유체를 펌핑하는 데 특히 적합합니다.
두 가지 설계 중에서 외접 기어 펌프는 더 견고한 샤프트 지지대와 정밀한 공차로 인해 높은 압력(최대 3000psi)과 유량을 유지할 수 있습니다.
내부 기어 펌프는 1cP에서 1,000,000cP 이상의 유용한 작동 범위를 갖고 있지만 흡입 성능이 더 좋고 고점도 유체에 적합합니다.
출력은 회전 속도에 정비례하므로 계량 및 혼합 작업에는 기어 펌프가 일반적으로 사용되며 공격적인 액체를 처리하도록 설계될 수 있습니다.
일반적으로 주철이나 스테인리스강으로 만들어지지만 새로운 합금과 복합재를 사용하면 펌프가 황산, 차아염소산나트륨, 염화제2철, 수산화나트륨과 같은 부식성 액체를 처리할 수 있습니다.
외부 기어 펌프는 일반적으로 차량, 리프팅 기계 및 이동식 플랜트 장비와 같은 유압 동력 응용 분야에도 사용할 수 있습니다.
시스템의 다른 곳에서 펌핑된 오일을 사용하여 기어 펌프를 역방향으로 구동하면 유압 모터가 생성됩니다.
이는 전기 장비가 부피가 크거나 비용이 많이 드는 불편한 지역에 전력을 공급하는 데 특히 유용합니다.
Ⅳ. 기어 펌프의 한계
기어 펌프는 자체 프라이밍 기능이 있으며 기어가 젖으면 프라이밍 특성이 향상되지만 건식 리프팅이 가능합니다.
기어는 펌핑된 유체로 윤활되어야 하며 장기간 건조한 상태로 작동되어서는 안 됩니다.
기어와 케이싱 사이의 공차가 가깝기 때문에 이러한 유형의 펌프는 특히 연마성 유체 또는 동반 고체가 포함된 공급물과 함께 사용할 때 마모되기 쉽습니다.
하지만, 일부 기어 펌프 설계, 특히 내부 변형에서는 고체를 처리할 수 있습니다.
외접 기어 펌프는 펌핑 매체에 4개의 베어링이 있습니다.
허용 오차가 엄격하므로 연마성 유체를 처리하는 데 적합하지 않고, 내접 기어 펌프는 유체에서 베어링이 하나만 작동하므로 더욱 견고합니다.
기어 펌프에는 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 큰 고체로부터 보호하기 위해 항상 흡입측에 스트레이너가 설치되어 있어야 합니다.
일반적으로 펌프가 연마성 고체를 처리할 것으로 예상되는 경우 마모를 줄이기 위해 더 낮은 속도로 작동할 수 있도록 더 높은 용량의 펌프를 선택하는 것이 좋습니다.
하지만, 기어 펌프의 체적 효율은 낮은 속도와 유량에서 감소한다는 점을 명심해야 합니다.
1. 고온 응용 분야
고온 응용 분야의 경우 작동 온도 범위가 펌프 사양과 호환되는지 확인하는 것이 중요합니다.
케이싱과 기어의 열팽창으로 인해 펌프 내의 간극이 줄어들고 이것으로 인해 마모가 증가할 수 있으며 극단적인 경우 펌프 고장이 발생할 수 있습니다.
최선의 예방 조치에도 불구하고 기어 펌프는 일반적으로 시간이 지남에 따라 기어, 케이싱 및 베어링이 마모되는 횟수가 증가함에 따라 효율성이 점진적으로 감소하고 미끄러짐이 증가합니다.
즉, 펌핑된 유체가 토출측에서 흡입측으로 누출되고 흐름 미끄러짐은 기어 치부와 케이싱 사이의 간극의 세제곱에 비례합니다.
따라서, 실제로 성능이 급격히 저하되는 임계점에 도달할 때까지 마모는 작은 영향을 미칩니다.
기어 펌프는 배압에 맞서 계속 펌핑하며, 하류가 막히면 펌프, 배관 또는 기타 장비가 고장날 때까지 시스템에 계속 압력을 가합니다.
이러한 이유로 대부분의 기어 펌프에는 릴리프 밸브가 장착되어 있지만 다운스트림 장비를 보호하기 위해 항상 시스템의 다른 곳에 릴리프 밸브를 장착하는 것이 좋습니다.
특히, 저속으로 작동하는 내부 기어 펌프는 일반적으로 식품, 페인트, 비누 등 전단에 민감한 액체에 선호됩니다.
외부 기어 설계는 더 높은 속도와 더 낮은 간격으로 인해 이러한 용도에 적합하지 않고 내부 기어 펌프는 기계적 단순성과 분해, 세척 및 재조립이 용이하다는 점 때문에 위생이 중요한 경우에도 선호됩니다.
Ⅳ. 요약
기어 펌프는 맞물린 기어 내에 고정된 부피를 반복적으로 넣어 유체를 이동시키고, 유체를 기계적으로 전달하기 때문에 기어의 회전 속도에 비례하여 부드러운 펄스 없는 흐름을 전달합니다.
외접 유형과 내접 유형의 두 가지 기본 유형이 있으며, 외접 기어 펌프는 별도의 샤프트에 의해 지지되는 두 개의 동일한 연동 기어로 구성됩니다.
또한, 내접 기어 펌프에는 서로 다른 크기의 두 개의 맞물린 기어가 있으며, 하나는 다른 하나는 내부에서 회전합니다.
기어 펌프는 일반적으로 오일, 페인트, 수지 또는 식품과 같은 고점도 유체 펌핑에 사용되는데, 정확한 투여 또는 높은 압력 출력이 필요한 응용 분야에서도 선호됩니다.
외접 기어 펌프는 더 높은 압력(최대 7500psi)을 견딜 수 있는 반면, 내접 기어 펌프는 흡입 능력이 더 뛰어나고 점도가 높고 전단에 민감한 유체에 더 적합합니다.
Ⅴ. FAQ
Q1. 기어 펌프의 유지보수는 어떻게 이루어지나요?
기어 펌프의 유지 보수에는 윤활유 교체, 밀봉 고무 및 기어 교체, 누설 및 마모 부분의 점검 및 수리가 포함될 수 있으며, 제조사의 권장 사항을 따르는 것이 중요합니다.
Q2. 다른 종류의 펌프와 비교했을 때 기어 펌프의 장점은 무엇인가요?
기어 펌프는 간단하며 비교적 저렴하게 사용할 수 있으며, 작동이 안정적이므로 일반적인 용도에 적합하나 높은 압력이나 고온, 고점도 유체를 다루기에는 다른 펌프 유형이 더 적합할 수 있습니다.
Q3. 기어 펌프는 어디에서 사용되나요?
기어 펌프는 자동차 엔진, 산업 프로세스, 유압 시스템, 화학 공정, 식품 제조 및 음료 제조 공정과 같은 다양한 분야에서 사용됩니다.