KR100784129B1 - 멀티 시스템 냉동기의 운전방법, 장치 및 냉동장치 - Google Patents

Abstract

1대(臺)의 압축기로 압축된 가스를, 각 냉동기마다 마련된 밸브를 통하여, 복수의 냉동기에 공급할 때에, 인버터에 의해, 각 밸브의 개폐주기(開閉周期; opening/closing frequency)를 조금씩 시프트시킨다. 이로써, 밸브 타이밍을 관측하지 않고, 간단한 구성으로, 냉동기 간(間) 성능의 균형화를 도모한다.

냉동기, 압축기, 밸브, 가스, 개폐주기

Description

멀티 시스템 냉동기의 운전방법, 장치 및 냉동장치{Operation method and operation apparatus for multi-system refrigerators, and refrigerating apparatus}

도 1은, 종래의 냉동기 운전방법의 일예를 설명하기 위한 관로도이다.

도 2는, 본 발명의 제1실시형태를 나타낸 관로도이다.

도 3은, 본 발명의 효과를 설명하기 위한, 냉동기의 성능곡선을 종래예와 비교하여 나타낸 선도이다.

도 4는, 본 발명의 제2실시형태를 나타낸 관로도이다.

도 5는, 제2실시형태에 있어서의 크라이오펌프(cryopump)의 요부구성을 나타낸 확대 단면도이다.

본 발명은, 멀티 시스템 냉동기의 운전방법, 장치 및 냉동장치에 관한 것이다. 특히, 1대(臺) 혹은 복수 대의 압축기로 압축된 가스를, 각 냉동기마다 마련된 밸브를 통하여, 복수의 냉동기에 공급하는 멀티 시스템 냉동기의 운전방법, 장치 및, 이를 사용한 냉동장치에 관한 것이다.

종래, 동작 가스의 압력변화와 체적변화의 위상차를 이용하여 극저온을 발생하는 기포드ㆍ맥마혼(GM; Gifford-McMahon)식이나 펄스관(pulse tube)식 냉동기가 알려져 있다. 이와 같은 냉동기를, 반도체 제조장치의 스퍼터링장치(sputtering apparatus) 등과 같은 대형 장치의 복수 개소에 설치하는 경우, 각 냉동기마다, 이 냉동기에 고압 및 저압을 발생하는 압축기를 마련하는 것이 아니라, 코스트저감 및 에너지절약을 목적으로 하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 1대의 압축기(10)로 압축되어, 고압 라인(12) 및 저압 라인(14)을 통하여 공급되는 가스(예컨대, He가스)를, 각 냉동기마다 마련된 밸브(예컨대, 로터리 밸브)(21, 22, 23)에 의해, 고압 및 저압을 번갈아가며, 복수(도면에서는 3대)의 냉동기(31, 32, 33)에 공급하는 것이 행하여지고 있다.

상기 냉동기(31, 32, 33)는, 냉각공정을 실시하여 단열 팽창을 반복하여, 한랭(寒冷)을 발생함으로써, 실린더(31A, 32A, 33A)의 제1냉동스테이지(31B, 32B, 33B)를 30∼100K, 제2냉동스테이지(31C, 32C, 33C)를 4∼20K의 온도로 냉각한다.

도면에 있어서, 41, 42, 43은, 각각 밸브(21, 22, 23)를 회전구동하기 위한 모터, 50은, 이 모터(41, 42, 43)에 동일 구동신호를 부여하는 냉동기 구동전원 라인이다.

그러나, 이와 같이 1대의 압축기(10)를 사용하여 냉동기(31, 32, 33)의 많은 대수(臺數)의 운전을 행한 경우에는, 각 냉동기(31, 32, 33)의 냉동능력에 편차가 발생하였다. 이것은, 각 냉동기(31, 32, 33)의 He가스 공급용 밸브의 타이밍이 전원 ON시에 고정되어 버려서, 흡기(吸氣) 타이밍이 중복된 경우, 먼저 흡기되는 냉동기에 많은 가스가 흘러서, 각 냉동기에 흐르는 가스유량에 치우침이 발생하는 등의 현상에 의한 까닭이다. 따라서, 다른 냉동기의 밸브열림 후, 바로 밸브열림이 된 냉동기는, 공급가스압력이 저하되어 있기 때문에, He가스가 공급되기 어려워, 충분한 냉각능력을 얻을 수 없었다. 또한, 차가워진 측의 냉동기에 유입하는 He가스는, 더욱 냉각되어 밀도가 커지고, 그 결과, 여분으로 He가스가 공급되어 더욱 저온측으로 냉각된다. 반대로 차가워져 있지 않은 측의 냉동기는, He가스가 흐르기 어려워 충분히 냉각되지 않는다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 일본국 특허공개 평3-15677호 공보나 일본국 특허공개 평4-272486호 공보에는, 각 밸브의 밸브 타이밍을 관측하여, 피드백함으로써, 밸브의 개폐시기를 서로 등간격으로 제어하는 것이 기재되어 있다.

그러나, 어느 쪽이든, 밸브 타이밍을 관측하기 위하여, 예컨대, 밸브(21, 22, 23)를 구동하는 모터(41, 42, 43)의 공급전류 등을 검출할 필요가 있어, 시스템이 복잡하게 되고, 코스트가 높아진다는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은, 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 밸브 개폐시기를 관측하지 않고, 간단한 구성으로, 냉동기 간(間)의 냉동능력의 편차를 해소하는 것을 과제로 한다.

본 발명은, 1대(臺)의 압축기로 압축된 가스를, 각 냉동기마다 마련된 밸브를 통하여, 복수의 냉동기에 공급하도록 한 멀티 시스템 냉동기의 운전방법에 있어 서, 각 밸브의 개폐주기(開閉周期; opening/closing frequency)를 조금씩 시프트시키도록 하여, 상기 과제를 해결한 것이다.

또, 상기 밸브 개폐주기를 시프트시키는 양을, 냉동기의 대수(臺數)에 따라 바꾸고, 예컨대 냉동기의 대수가 증가될수록, 작게 하도록 한 것이다.

본 발명은, 또한 1대의 압축기로 압축된 가스를, 각 냉동기마다 마련된 밸브를 통하여, 복수의 냉동기에 공급하기 위한 멀티 시스템 냉동기의 운전장치에 있어서, 각 밸브의 개폐주기를 조금씩 시프트시키기 위한 인버터를 구비함으로써, 상기 과제를 해결한 것이다.

본 발명은, 또한 상기 운전장치를 구비한 냉동장치를 제공하는 것이다.

또한, 상기 냉동기를 크라이오펌프(cryopump)로서 사용함으로써, 크라이오펌프 간(間)의 성능의 편차를 해소하도록 한 것이다.

본 발명에 의하면, 밸브 타이밍을 관측하는 수단을 마련하지 않고, 매우 간단하면서 또한 저렴한 구성으로, 밸브 타이밍이 중복되는 것을 방지하여, 냉동기 간(間) 성능의 균형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.

<실시예>

본 발명의 제1실시형태는, 종래와 동일한 1대의 압축기(10)로 압축한 가스를, 각 냉동기마다 마련된 로터리 밸브(21, 22, 23)를 통하여, 복수의 냉동기(31, 32, 33)에 공급하기 위한 냉동기의 운전장치에 있어서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 냉동기 구동전원 라인(50)의 도중에, 각 밸브(21, 22, 23)의 개폐주기를 조금씩 시프트시키기 위한 인버터(61, 62, 63)를 마련하여, 각 냉동기(31, 32, 33)의 밸브 개폐시기가, 일정시간을 두고 교체되도록 한 것이다. 도면에 있어서, 51, 52, 53은, 각 냉동기(31, 32, 33)로의 전원 라인이다.

상기 로터리 밸브(21, 22, 23)의 밸브 개폐주기를 결정하는 밸브회전수는, 예컨대 통상 운전되고 있는 1.2㎐를 중심으로 하여, 0.002㎐씩 시프트시켜서, 각각 1.202㎐, 1.2㎐, 1.198㎐로, 5분동안 1회전차이 정도(0.002㎐ ×2 ×60초 ×5분 = 1.2㎐)로 시프트시킬 수 있다.

여기서, 냉동기 전체의 운전주파수를 너무 시프트시키면, 각 냉동기의 능력이 변경되어 버린다. 또, 각 냉동기의 시프트량을 너무 작게 하면, 냉동기가 갖는 열용량에 의해 냉동능력이 시간과 함께 변화되어, 변동(fluctution)을 발생시킨다. 냉동기의 능력에 현저한 변화가 발생하지 않도록 하기 위해서는, 전체의 시프트량을, 가능하면 0.02㎐ 이하, 최대라도 0.04㎐ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 냉동기가 갖는 열용량에 의해 냉동능력의 변동을 발생시키지 않기 위해서는, 실험에 의하면, 10분 주기 이내가 타당하다. 따라서, 각 냉동기 상호간의 시프트량은, 0.002㎐(5분 주기)∼0.001㎐(10분 주기) 정도가 타당하다.

이와 같이 하면, 각 냉동기의 밸브 타이밍이 일정시간을 두고 교체되기 때문에, 각 냉동기에 흐르는 가스유량의 치우침이 균등하게 발생하여, 냉동기 간 성능의 균형화를 도모할 수 있다. 즉, 밸브 타이밍을 시프트시킴으로써 냉동성능이 주기적으로 변화하지만, 이 변화는, 냉동기가 갖는 열용량에 의해 흡수되어, 거시적으로는, 밸브 타이밍을 피드백제어한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도 3은, 종래의 냉동기와 본 발명을 적용한 냉동기에 있어서의 성능곡선이다. 이 도면은, 횡축이 제1냉동스테이지(31B)의 온도(1단(段) 온도라고 한다), 종축이 제2냉동스테이지(31C)의 온도(2단 온도라고 한다)이다. 또, A1 및 A2는, 각각에 대응하는 압축기로부터 He가스의 공급을 받아 운전한 경우, 즉, 단독운전시에 얻어지는 성능곡선으로서, 각 냉동기가 갖는 본래의 성능을 나타낸다. 그리고, B1 및 B2는, 종래의 운전방법에 의해 2대의 냉동기에 1대의 압축기로 He가스를 공급한 경우의 성능곡선이고, C1 및 C2는, 본 발명의 운전방법에 의해 2대의 냉동기에 1대의 압축기로 He가스를 공급한 경우의 성능곡선이다. 여기서, 제1, 제2냉동스테이지의 무(無)부하시의 온도를, 각각, 1단, 2단 저온부 온도라고 하고, 제1, 제2냉동스테이지를, 각각 히터 등으로 가열한 부하시의 온도를, 각각, 1단, 2단 고온부 온도라고 한다.

도면으로부터 분명한 바와 같이, 각각이 단독으로는 도 3의 실선(A1), 실선(A2)으로 나타낸 바와 같은 성능곡선을 갖는 2대의 냉동기를 1대의 압축기로 운전한 경우, 종래와 같이 동일 주파수(여기서는 1.2㎐)로 한 경우에는, 파선(B1)으로 나타낸 한쪽의 냉동기는, 가스가 충분히 골고루 미쳐서, 단독운전의 경우(A1)보다도 오히려 무부하시의 1단 저온부 온도(Tb11), 2단 저온부 온도(Tb12) 모두 낮아, 성능이 향상되어 있는 것에 반하여, 파선(B2)으로 나타낸 다른 쪽의 냉동기는, 가스가 부족한 결과, 특히 1단, 2단의 양쪽에 부하를 부여했을 때의 2단 고온부 온도(Tb22)가 높아져 있다. 이에 반하여, 본 발명에 의해, 1대를 1.2㎐, 또 1대를 0.002㎐ 적은 1.198㎐로 운전한 경우에는, 일점쇄선(C1, C2)으로 나타낸 바와 같이, 2대 모두 단독운전의 경우(A1, A2)에 가까운 성능을 얻을 수 있다.

다음으로, 냉동장치를 크라이오펌프에 사용한 경우의 본 발명의 제2실시형태를 상세하게 설명한다.

본 실시형태는 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1실시형태의 냉동기(31, 32, 33)에 의해, 크라이오펌프(71, 72, 73)를 냉각하도록 한 것이다.

각 크라이오펌프(71, 72, 73)는, 크라이오펌프(71)의 경우를 예로 들면, 도 5에 상세하게 나타낸 바와 같이, 처리 챔버(100)에 장착되어 있고, 이 처리 챔버(100)의 내부공간과 게이트 밸브(102)가 마련된 개구부를 통하여 지나는 루버(louver)(76)와, 릴리프 밸브(relief valve)를 갖는 펌프용기(78)와, 예컨대 GM형의 상기 냉동기(31)를 구비하고 있다.

상기 냉동기(31)는, 펌프용기(78)에 기밀(氣密)하게 장착되어 있고, 이 펌프용기 내에, 예컨대 30∼100K 정도로 냉각되는 제1냉동스테이지(31B), 및, 예컨대 4∼20K 정도의 극저온으로 냉각되는 제2냉동스테이지(31C)를 포함하는 실린더(31A)와, 상기 펌프용기(78) 외측의 실온부(室溫部)로부터 제2냉동스테이지(31C)로의 열복사(熱輻射)를 저감하기 위한, 상기 제1냉동스테이지(31B)에 접하도록 마련된, 상기 제2냉동스테이지(31C)를 둘러싸는 복사 실드(radiation shield)(80)와, 상기 제2냉동스테이지(31C)에 장착된, 기체를 응축 및 흡착하여 진공 배기하기 위한 응축 패널(82) 및 흡착 패널(84)을 구비하고 있다.

상기 응축 패널(82) 및 흡착 패널(84)은 20K 이하로, 루버(76) 및 복사 실드(80)는 100K 이하로 냉각된다.

또한, 펌프용기(78) 내에서, 실린더(31A) 상의 제2냉동스테이지(31C)에 설치 된 응축 패널(82)이나 흡착 패널(84)을 냉각함으로써, 기체를 응축 및 흡착하여, 진공 배기하도록 되어 있다.

다른 점에 관해서는, 상기 제1실시형태와 동일하므로 설명은 생략한다.

본 실시형태에 의하면, 제1실시형태와 마찬가지로, 각 냉동기의 밸브 타이밍이 일정시간을 두고 교체되므로, 각 냉동기에 흐르는 가스유량의 치우침이 균등하게 발생하여, 냉동기 간 성능의 균형화를 도모하여, 크라이오펌프의 성능의 편차를 방지할 수 있다.

상기 실시형태에 있어서는, 모두 인버터(61, 62, 63)를 사용하여 주파수를 변경하도록 하고 있기 때문에, 냉동기의 대수(臺數)가 증가된 경우에도 용이하게 대응할 수 있다. 또, 이미 다른 목적으로 인버터를 탑재하고 있는 냉동장치에 관해서는, 인버터의 설정치를 변경하는 것만으로도, 실현할 수 있어, 매우 저렴하다. 그리고, 밸브회전수를 변경할 필요가 없는 경우에는, 인버터를 사용하지 않고, 처음부터 주파수를 시프트시켜 고정하여 두는 것도 가능하다. 또, 밸브의 종류도, 로터리 밸브에 한정되지 않는다.

또한, 동시 운전하는 냉동기의 대수도 3대에 한정되지 않는다. 전체의 시프트량을 예컨대 0.02㎐ 이내로 한 경우에는, 각 냉동기의 주파수를 0.002㎐씩 시프트시켜, (10＋1=) 11대까지의 냉동기 간의 성능을 균형화할 수 있다.

또한, 적용대상도 크라이오펌프를 사용한 스퍼터링장치에 한정되지 않고, MRI장치나 전파망원경에도 적용할 수 있다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 밸브 개폐시기를 관측하지 않고, 간단한 구성으로, 냉동기 간(間)의 냉동능력의 편차를 해소할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (7)

1대(臺) 혹은 복수 대의 압축기로 압축된 가스를, 각 냉동기마다 마련된 밸브를 통하여, 복수의 냉동기에 공급하도록 한 멀티 시스템 냉동기의 운전방법에 있어서,

각 밸브의 개폐 주파수(開閉周期; opening/closing frequency)를 조금씩 시프트시키는 것을 특징으로 하는 멀티 시스템 냉동기의 운전방법.

청구항 1에 있어서,

상기 밸브 개폐 주파수를 시프트시키는 양을, 냉동기의 대수(臺數)에 따라 변경하는 것을 특징으로 하는 멀티 시스템 냉동기의 운전방법.

청구항 2에 있어서,

상기 밸브 개폐 주파수를 시프트시키는 양을, 냉동기의 대수가 증가될수록, 작게 하는 것을 특징으로 하는 멀티 시스템 냉동기의 운전방법.

청구항 1에 있어서,

전체의 시프트량이 0.04㎐ 이하, 각 냉동기 상호간의 시프트량이 0.002㎐∼0.001㎐ 정도인 것을 특징으로 하는 멀티 시스템 냉동기의 운전방법.

1대 혹은 복수 대의 압축기로 압축된 가스를, 각 냉동기마다 마련된 밸브를 통하여, 복수의 냉동기에 공급하기 위한 멀티 시스템 냉동기의 운전장치에 있어서,

각 밸브의 개폐 주파수를 조금씩 시프트시키기 위한 인버터를 구비한 것을 특징으로 하는 멀티 시스템 냉동기의 운전장치.

청구항 5에 기재된 멀티 시스템 냉동기의 운전장치를 구비한 것을 특징으로 하는 냉동장치.

청구항 6에 있어서,

상기 냉동기를 크라이오펌프로서 사용하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.

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