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기계의 심장이라 불리는 ‘펌프’, 근현대사를 파헤치다(하편)
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.08.12 13:56
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펌프는 낮은 곳에서 높은 곳 혹은 저압부에서 고압부로 물, 화학용액, 석유 등 다양한 액체를 이송하기 위해 사용되는 기계다. 상하수도, 화학 플랜트, 정유시설, 화력발전 등 액체를 사용하는 시스템에서는 꼭 필요한, 그야말로 심장의 역할을 한다고 할 수 있다. 그만큼 중요하고 핵심적인 부품인 것이다. 이렇게 제조업계에서 중요한 역할을 하는 펌프. 펌프는 어떻게 발전해왔는가? 일본의 대표적인 펌프 제조 기업인 에바라(荏原)의 제품으로 펌프 근현대사 50년사에 대해 알아보았다.

 

1970년대 전반~1990년대 초반 수중펌프
이 시대에 들어서 오수, 오물수중펌프의 용도와 기종이 많아졌다. 특히 오수용 수중 모터펌프는 오수에 포함된 섬유질 혹은 딱딱한 이물질이 원활하게 배출되어야 한다. 그러나 당시의 이물통과경을 확보한 익근차는 형상 변화로는 균형을 잡기 어려워 유체력의 불균형이 발생해 진동이 크다는 문제가 있었다.

이 측면에서는 볼텍스 펌프가 유리해 널리 사용되었다. 볼텍스펌프는 익근차와 케이싱 사이에 큰 극간을 형성하여 이물질이 익근차와 간섭 없이 케이싱 내의 와류 흐름에 편승해 배출되도록 구성된 것이다. 물론 일반적으로 익근차와 비교하여 효율이 약간 낮기는 하지만 이물 배출에 대해서는 신뢰성이 높아 오수펌프 전반에 널리 사용되었다.

한편 스테인레스제 배수용 수중펌프가 등장하여 (P717형)를 표준펌프로는 처음으로 굿디자인(G마크)를 취득하면서 스테인레스제 펌프 제품이 확산되기 시작했다. 기술적으로도 당시로서는 고급 재료인 실리콘 카바이드제 메카니칼씰을 적용했고, 불규칙성이 적고 펌프 효율이 높은 익근차의 설계 수법은 현재에도 높은가치가 있는 기술이었다.

적절한 막후 관리와 고온 가열하는 제조법의 특수성에서 치수정밀도를 요구하는 부분의 적정화가 요구되었다.

사진 1] BHSP형

 

이어 기존의 주물제의 BMS형 수중펌프와 HBS형 수중모터펌프에 대해서도 스테인레스화가 진행 되었다. 이에 스테인레스제의 BMSP형 수중펌프와 BHSP형 수중모터펌프(사진 1)이 개발되었다. 이들의 수중펌프 중 특히 다단펌프에서는 생산 방식의 발달로 중간 케이싱부가 로봇으로 자동생산되며 생산성이 향상됐다.

공장·건축용 수중펌프, 급수유닛의 진화
공장용 수중모터펌프는 가볍고 운반이 용이하며 토출 혼합의 용수를 양수로 가능하여 공사 현장에서 는 필수적인 장비다. 대표적인 펌프로는 ES형, ENZ형, EU형, EV형, EX형(사진 2), EA형, EB형, EBQ형(사진 3), EQS형 등의 기종이 있으며 지금까지도 쓰이고 있다. 이러한 펌프들은 모터 프레임 등의 주요부품에 알루미늄 소재를 적용함으로써 경량화를 달성했다.
또한 펌프 케이싱부에는 고무를 적용하여 내마모 성능을 확보했다는 것이 특징이다. 공업용 수중모터펌프는 경량화와 내마모성이 중요하기 때문이다.

특히 익근차에는 다크타일 주철 등의 비교적 내마모성이 우수한 재료를 사용했다는 것 외에도 일부 제품에서는 우레탄고무제의 익근차도 사용하고 있다.

[사진 2] EX형

 

[사진 3] EBQ형

급수유닛은 1960년대에 들어 일본 수도권 지역에서 고층 빌딩 옥상에 급수조를 설치하는 급수방식이 적용되면서 보급되기 시작했다. 그런데 수수조와 고치수조의 위생 문제, 내진강도의 문제가 심화되어 이를 해결하기 위해 대형 압력탱크방식에 의한 급수유닛이 개발되었다. 그러나 장소의 제약, 수수조의 위생면에서는 과제가 남아있었다. 1970년대에 들어소형의 격막식 압력터빈이 개발되면서 급수 유닛이 한층 소형화되어 수수조의 점검 공간도 확보 가능한

수수조 부착 급수유닛이 집합 주택과 소규모 빌딩에 보급되었다. 고 정속식 유닛인 프레셔 F1000형(사진 4)시리즈는 수도본관에서 수수조에 일단 물을 저수하여 집합 주택이나 소규모 빌딩에서 급수전의 사용 상황에 따라 자동으로 시동·정지하는 자동급수장치다. 이는 설비비와 공간 효율을 위해 전용 펌프실이 아닌 수 조조 하부의 좁은 공간도에 설치할 수 있어 주거와
장치의 거리는 매우 가까우면서도 저소음이면서 수명이 길다.

또한 이 유닛은 적수 문제에 대응하기 위해 저소음의 다단 스테인레스 프레스제 펌프를 적용했다. 배관류에도 스테인레스 프레스제를 적용하여 크기를 최소화하고 경량화를 실현했다. 게다가 펌프 발전 정지 시 전자접촉기의 불쾌한 거동음을 없애기 위해 SSC(Solid State ontactor)를 적용하여 제어기기의 수명을 늘리고 신뢰성 향상을 도모했다.

[사진 4] F1000형

1990년 이후부터 현재의 펌프

1990년대 이후 일본은 버블경제가 터져 모든 산업계가 극히 어려운 시대였다. 글로벌 경쟁도 더욱 심화되면서 여러 기준의 정비와 규제가 잇달아 실시되었다. 게다가 고객의 요구는 더욱 세분화되고 그 내용도 엄격해지기 시작했다. 표준펌프는 글로벌화 대응으로 일본 시장에서 신제품 등장이 뜸한 시기였다. 그러나 2010년 이후 에너지 절감 제품(SE-Save Energy Pump 시리즈)이 투입되며 일본 내 주요 기간제품의 재정비가 이루어졌다.

육상펌프에서 Hz free 펌프는 1990년대에 등장한 에너지 절감(저 러닝코스트)화를 실현시키는 가장 유효한 수단 중 하나인 인버터를 실장한 고속 가변속 펌프다. 이 펌프는 유량 조정밸브 대체제로 설비가 필요로 하는 유량까지 회전 속도로 조절할 수 있다. 이에 동력 오류 없는 효율적인 운전이 가능하며 간편하게 에너지 절감을 실현할 수 있다. 회전 속도 조절은 인버터에 있는 8단계 매뉴얼 운전 외에도 외부 신호(4~20mA DC)입력에 의한 무단계 가변속 운전도 가능하다. 또한 캔드 모터를 적용함으로써 누수 없이 유지보수 절감도 실현했다.

2013년 시장에 등장한 FS2-E형은 제작 시 3D-CAD부터 래피드 모델을 활용하여 개발 기간
단축과 양산 시 성능의 재현 정확도 상승에 공헌했다. SSLD형 인라인펌프는 PM모터(Permanent Magnetic Motor)를 적용하여 모터 효율을 개선함으로써 높은 수준의 종합 효율(P&M효율)을 실현했다. 이들의 시리즈를 SSE(Super Save Energy Pump)시리즈라 한다. 유도모터로서는 최고의 효율(프리미어 효율 - IE3 등급)의 모터를 탑재하는 SE(Save Energy Pump) 시리즈도 등장했다.

오수용 수중펌프에서는 부품의 수지화에 의해 경량화를 실현하고, 녹슬지 않는다는 장점으로 최근 생산량이 주철제를 웃돌게 되었다. 대표적인 수지[사진 4] F1000형 제 오수용 수중펌프는 DWV형, DWS형이며 현재 150W에서 2.2kW 범위까지 있다. 이들 제품은 주요 재료로 내식성, 기계적 강도에 우수한 폴리페닐렌살 파이드(PPS)를 사용하고 주축이나 볼트, 넛트 등의 금속재 부품에 스테인레스강을 사용한 것으로, 기존의 주물제 펌프와 동일한 용도로 사용되었다.

급수 펌프에서 인버터 탑재형은 인버터에 의한 가변 주파수 운전으로 압력 제어를 진행하여 에너지절감을 실현한 것이 프레셔 F3100형 시리즈다. 사용 수량에 맞춰 최적의 압력을 만들어 배관 저항까지 고려한 추정 말단 압력 일정 제어로 에너지 절감을 실현했다. 펌프의 불필요한 발전 정지를 예방함으로써 고 수명화를 달성했다. 또한 자동 조절로 누구나 쉽게 조작할 수 있다. 직결 급수유닛의 경우 수도 본관에 급수펌프를 직결하여 급수하는 방법(직결 급수 방식)이 각 수도 사업체에 적용되어 있다. 이 급수 방식은 기존 수수조가 불필요할 뿐 아니라 수도 본관의 수압을 유효하게 이용하여 에너지 절감을 달성한다. 또한 설치 장소를 가리지 않고 부착할 수 있어 설치가 단기간에 가능하다.

[사진 5] PNE형

대표적인 제품으로는 PNE형이 있다(사진 5). 이는 운전 제어에 흡입 압력을 이용한 추정 말단 압력 일정 방식과 파지 소수량 정지 제어방식을 병용하고 높은 직류 전동기를 적용하여 에너지 절감화를 도모했다. 또한 캐비넷 내에 펌프, 배관, 제어반 등 모든기기를 밀폐 내장하여 방음, 내부 흡음 및 방진을 실시하여 저소음화를 실현했다. 이에 좁은 공간에도 설치가 가능하게 되었다.

 

앞으로의 표준 펌프

표준 펌프는 모터직결형에서 직동형으로, 4극 유도모터에서 2극 모터로, 인버터 보급에 의해 증속, 소형화·소자원화·저가격화·지능화가 진전되어 왔다. 또한 수중화나 유닛화에 의한 공사비의 절감 등시장의 다양한 요구에 대응하며 발전해왔다. 또한 지역 내 자체 생산 자체 소비와 글로벌 생산 거점 이전 등의 다양한 환경에서 균형을 갖추기 위해 부재공급뿐 아니라 에너지 절감 등이 중요하게 되었다.

펌프에 관한 기술면에서는 유체해석기술이 눈에 띄게 진보하여 표준펌프에서도 역해석 등의 해석방법으로 설계하여 고효율의 부품을 제조하고 있다. 한편 펌프를 구동하기 위한 모터기술, 제어기술에서도 최근 급진적인 진보가 이루어졌다. 특히 영구 자석 동기모터(PM모터)와 드라이버 기술에 의한 모터의 고효율화, 고속화가 펌프의 설계에 큰 영향을 미치고 있다.
이러한 성능, 기술 개선뿐 아니라 최근에는 급수펌프 분야에서 수질이 매우 중요해지면서 펌프에 고기능화, 차별화된 제품 개발이 요구되고 있다. 특히 식용수 외에 탄산수, 알칼리수, 해양심층수 등 기능 수에 대한 수요는 일본만이 아니라 세계에서 본격화하고 있다. 이에 관련 펌프 기술에 대한 개발과 글로벌 경쟁이 더욱 심화될 것으로 보인다.

 

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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