KR101057321B1

KR101057321B1 - 루버가 연장되는 크라이오펌프

Info

Publication number: KR101057321B1
Application number: KR1020090064892A
Authority: KR
Inventors: 랄프 롱스워스
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-08-17
Also published as: JP2010025113A; US20100011784A1; JP2013139822A; KR20100009498A; JP5552693B2; JP5444545B2

Abstract

인렛 배열을 큰 직경으로 연장함으로써, 표준 크기 크라이오펌프가, 비표준 게이트 밸브 뒤에 탑재되도록 적응시켰다.

표준 크기 크라이오펌프가, 플랜지에 부착되는 연장부를 사용함으로써 비표준 게이트 밸브 뒤에 탑재되도록 적응되었는데, 상기 플랜지는, 상기 비표준 게이트 밸브의 직경과 대응된다.

루버, 연장, 크라이오, 펌프, 인렛, 브래킷, 플랜지

Description

루버가 연장되는 크라이오펌프{Cryopump with louver extension}

본 발명은, 루버가 연장되는 크라이오펌프에 관한 것이다.

태양 전지를 생산하기 위하여 이용되는 대형 진공 챔버를 위한 500 mm 내지 630 mm 크기 범위의 크라이오펌프에 대한 수요가 증대되고 있다. 대형 실리콘 배열 및 기판 물질의 롤에 대한 박막 코팅은, 이들이 가공되는 동안 상당한 양의 수증기를 다시 내보내서 없애고, 또한 이들이 챔버 내로 처음 도입될 때는 공기의 제거를 요한다. 일반적으로 하나 이상의 크라이오펌프가 진공 챔버에 각각 게이트 밸브 뒤에 탑재되며, 상기 게이트 밸브는, 진공이 해제될 때 일련의 물질을 제거하기 위하여 폐쇄되고, 기계적 러핑 펌프에 의하여 챔버가 대략 0.2 Torr의 압력으로 진공된 후에 개방된다.

2단 기포드-맥마흔 (Gifford-McMahon) (G-M) 냉동기는, 현재 크라이오펌프를 냉각시키기 위해서 사용되는 것이며, 제1 스테이지 크라이오패널을 50 내지 100 K로, 제2 스테이지 크라이오패널을 약 15 K로 냉각시킨다. 통상적으로 팽창기는, 단을 가지는 실린더로 구성되며, 상기 제1 스테이지의 상기 웜 엔드에 밸브 어셈블리를, 큰 직경의 제1 스테이지에서 작은 직경의 제2 스테이지로 이행하는 전이부에 제1 스테이지 콜드 스테이션(50 내지 100 K)을, 그리고 맨 끝단에 제2 스테이지 콜드 스테이션(약 15 K)을 가진다. G-M 타입 냉동기의 동작은, 미국 특허 제3,620,029호에 잘 설명되어 있다.

크라이오펌프는 일반적으로, 인렛이 상기 팽창기 실린더의 축 상에 위치하고 있어서, 소위 "인 라인(in line)"이라 불리우도록 제조되거나, 또는 인렛이 상기 팽창기 실린더의 축에 수직으로 위치하고 있어서, 소위 "로우 프로파일(low profile)"이라고 불리우도록 제조된다. 대형 챔버 내의 수증기와 공기를 펌핑하기 위하여 사용되는 크라이오펌프는, 일반적으로 "인 라인"이지만, 본 발명의 개념은 양쪽 타입에 동등하게 잘 적용된다.

일반적으로 500 mm 내지 630 mm 크기 범위의 크라이오펌프가, 대형 진공 코팅 챔버용으로 사용된다. 인 라인 크라이오펌프용의 크라이오패널은, 일반적으로 콜드 핑거를 중심으로 축대칭이다. 이 패널 디자인은, 미국 특허 제5,156,007호에서와 같이, 팽창기 실린더용 콜드 패널 내에 컷아웃을 마련함으로써, 로우 프로파일 크라이오펌프에 종종 적용된다. 크라이오펌프는, 냉동 가스의 관점에서는 모든 방향성에서 동등하게 잘 작동하지만, 크라이오펌프의 방향성 및 디자인에 따라서, 재생(regeneration) 동안에 녹는 크라이오디파짓(cryodeposits)은 다른 방향으로 흘러나온다.

미국 특허 제4,150,549호는, 2개의 축대칭 크라이오패널을 냉각시키기 위하여 2단 G-M 냉동기를 사용하는 전형적인 크라이오펌프를 기술하고 있다. 제1 스테이지는, 인렛 (웜) 패널을 냉각시키는데, 이는, 그룹 I 가스, 예컨대 H₂O 및 CO₂를 펌프하고, 상당한 양의 방사가 제2 스테이지 (콜드) 패널에 도달하는 것을 막지만, 그룹 II 가스, 예컨대 Ar 및 N₂, 그리고 그룹 III 가스, 예컨대 H₂ 및 He는 통과시킨다. 그룹 II 가스는 컵 형상의 콜드 패널의 앞면에서 냉동되고, 그룹 III 가스는 콜드 패널의 뒷면에 있는 흡착제 속으로 흡착된다. 미국 특허 제4,530,213호는, 인렛 영역으로부터 하우징의 뒤에까지 증가하는 직경을 가지는 일련의 동심 링으로 이루어지는 콜드 패널 디자인을 설명하고 있다.

크라이오패널, 특히 인렛 배열을, 크라이오펌프 하우징 내에 수납되도록 디자인하는 것은 통례적이다. 이는, 참조된 모든 특허에 있어서 동일하다. 하지만, 우주선 시험용 챔버와 같은 대형 챔버 내부에 크라이오패널이 장착되는 것은 드물지 않다. 미국 특허 제5,819,545호는, 진공 챔버 안으로 뻗는 G-M 냉동기에 의하여 냉각되는 크라이오패널의 일례를 제공한다. 이들 중 어느 것도, 게이트 밸브 뒤에 장착되지는 않는다.

본 발명의 주된 목적은, 인렛 배열을 보다 큰 직경으로 확장함으로써, 그룹 I 가스에 대하여 보다 높은 펌핑 속도를 가지는 것이 되도록, 게이트 밸브 뒤에 장착되는 표준 크기 크라이오펌프를 적응화시키는 것을 용이하게 하는 것이다.

큰 직경의 인렛 배열은, 크라이오펌프 하우징의 직경을 증가시키거나, 또는 크라이오펌프 플랜지와 가동(moveable) 게이트 밸브 플레이트 사이의 공간 내에 인렛 배열의 연장부가 끼워지도록 함으로써 수용된다. 후자의 경우의 부수적 장점은, 모든 가스를 위한 펌핑 속도에 있어서의 증가가 적다는 것이다. 연장된 표면은, 크라이오펌프가 재생되어야 할 시점 이전에, 크라이오디파짓(cryodeposit)의 상당한 양을 수용하도록 디자인된다.

여기에 설명되는 플랜지는, 국제 표준 기구, ISO에 따라서 500 mm 또는 630 mm 크기로, 또는 미국 표준 협회, ASA에 따라서 22" (22 인치)로 표시된다. 이들을 표준 크기 플랜지라고 부른다.

일 실시예에 있어서, 22" 또는 630 mm 플랜지를 가지고 최소 변화로 제조될 수 있고, 인렛 면적의 증가에 비례하여 그룹 I 가스에 대한 펌핑 속도 증가를 가지지만, 그룹 II 및 그룹 III 가스에 대한 스피드 및 용량은 불변으로 유지되는, 표준 500 mm 크기의 크라이오펌프가 제공된다. 이는, 크라이오펌프의 인렛 배열의 직경을 증가시킴으로써 달성된다. 증가된 직경의 인렛 배열은, 대형 플랜지의 표준 내경에 상응하도록 크라이오펌프 하우징의 직경을 증가시키거나, 또는 대형 플랜지를 상기 500 mm 하우징에 적응시킴과 함께 상기 크라이오펌프 플랜지와 가동 게이트 밸브 플레이트 사이의 간격 내로 인렛 배열을 연장함으로써 수용된다. 이 간격은, 일반적으로 2.5 내지 3 cm이며, 연장된 배열을 수용하기에 충분하다. 500 mm 내지 630 mm 플랜지를 가지는 크라이오펌프는, 다른 크기에 적용될 수 있는 기본 개념을 설명하기 위한 하나의 예로서 사용되고 있다.

본 발명의 제1 양상에 있어서, 제1 및 제2 스테이지를 가지는 냉동기, 콜드 크라이오패널, 웜 크라이오패널, 상기 웜 크라이오패널의 외측으로 뻗는 연장된 지지 브래킷을 가지는 인렛 배열, 및 하우징을 포함하며, 상기 인렛 배열이 상기 하우징 내부에 끼워지는, 크라이오펌프가 제공된다. 상기 웜 크라이오패널의 외측으로 뻗는 인렛 배열의 일부분에 하나 이상의 외측 루버가 구비되어도 좋다.

본 발명의 제2 양상에 있어서, 제1 및 제2 스테이지를 가지는 냉동기, 콜드 크라이오패널, 웜 크라이오패널, 상기 웜 크라이오패널 주위에 꼭 끼워지며, 제1 내경을 가지는 하우징, 상기 하우징 내측에 끼워지는 인렛 배열, 제2 내경을 가지는 게이트 밸브에 상기 하우징을 부착하는 플랜지, 및 상기 인렛 배열에 부착되고, 상기 인렛 배열을 상기 플랜지 위로 연장하는 브래킷 연장부를 포함하며, 상기 제2 내경은 상기 제1 내경보다 큰 크라이오펌프가 제공된다.

게이트 밸브 뒤에 장착되는 표준 크기 크라이오펌프가, 인렛 배열을 보다 큰 직경으로 확장됨으로써, 그룹 I 가스에 대하여 보다 높은 펌핑 속도를 가지도록 적 응화 된다.

크라이오펌프는, 도 3에 보이는 바와 같이 축대칭인 것으로 이해되지만, 도 1 및 도 2에 있어서는, 비교의 용이를 위하여, 2개의 크라이오펌프의 단면을 나란히 나타낸다. 일점쇄선이, 두 크라이오펌프를 분리한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 비표준 게이트 밸브에 부착될 수 있는 큰 직경의 하우징을 가지는 크라이오펌프가 제공된다. 도 1의 좌반부는, 500 mm 게이트 밸브(2a) 뒤에 탑재되는 500 mm 크라이오펌프(1a)를 나타낸다. 몇몇 부품은, 이 펌프 계열 내에서 제조되는 모든 펌프에 공통되며, 다른 크기의 게이트 밸브에 적응될 수 있다. 도 1의 경우에, 공통 또는 표준 부품은 팽창기(20)이며, 제1 스테이지 히트 스테이션(21)과 제2 스테이지 히트 스테이션(22), 콜드 크라이오패널(25), 웜 크라이오패널(26), 히트(열) 버스(27), 및 볼트(15)를 가진다. 볼트(15)는, 인렛 배열(l0a, l0b)을 히트 버스(27)에 부착시킨다. 좌측 구성에 있어서, 인렛 배열(l0a)은, 지지 브래킷(13)과 루버(12)로 이루어진다. 이 디자인에 있어서, 8개의 지지 브래킷과 6개의 루버가 있으며, 모두 구리 또는 유사한 물질로 만들어진다. 인렛 배열에 입사되는 복사열의 대부분은, 지지 브래킷(13)과 8개의 구리 열 버스(27)를 통하여 제1 스테이지 히트 스테이션(21)으로 전도된다. 열 버스(27)는, 일정한 단면을 가지고 있고, 열의 대부분을 제1 스테이지 히트 스테이션(21)으로 수송한다. 약간의 열은, 또한 구리 웜 패널(26)을 통하여 제1 스테이지 히트 스테이션(21)으로 수송된다. 가동 게이트 밸브 플레이트(7a)와 함께, 500 mm 게이트 밸 브 하우징(8a)의 일부분이 도시되어 있다. "0" 링(9)은, 게이트 밸브 하우징(8a)의 외부에 대하여 크라이오펌프 플랜지(17a)를 밀폐하고, 게이트 밸브 하우징(8a)의 내부에 대하여 가동 플레이트(7a)를 밀폐한다. 도 1의 좌반부에 나타낸 바와 같이, 500 mm의 내경(ID)을 가지는 크라이오펌프 하우징(18a), 및 플랜지(17a)를 추가하면 500 mm 게이트 밸브(2a)에 탑재되는 500 mm 크라이오펌프(la)가 완성된다.

도 1의 좌측에 보인 500 mm 크라이오펌프(1a)의 공통 부품은, 도 1의 우측에 보이는 바와 같이 22" 크라이오펌프(1b)에 결합되어 22" 게이트 밸브(2b)에 장착될 수 있다. 인렛 배열(l0b)은, 연장된 브래킷(11), 루버(12), 지지 브래킷(13) 및 외측 루버(6)로 이루어진다. 도 1에는 하나의 외측 루버(6)만이 보이지만, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는 하나 이상의 외측 루버가 있을 수도 있다. 22" 게이트 밸브(2b)는, 하우징(8b), 가동 밸브 플레이트(7b), 및 O-링(9)으로 이루어진다. 크라이오펌프 하우징(18b)은, 22" 플랜지(17b)와 마찬가지로 22"의 내경을 가진다. 인렛 배열(l0b)은, 연장된 브래킷(11)을 포함하여, 크라이오펌프 하우징(18b) 내에 도시되어 있음을 유의하여야 한다. 또한, 도 1에 있어서, 크라이오펌프 하우징(18b)와 웜 패널(26) 사이의 방사방향 갭은, 우측의 경우가 좌측의 경우보다 크며, 우측 방사방향 갭은 0.5 내지 3 cm, 예컨대, 1 내지 3 cm 또는 2.5 내지 3 cm이다.

본 발명의 실시예에 있어서, 크라이오펌프의 하우징보다 큰 내경을 가지는 게이트 밸브에 부착될 수 있는 크라이오펌프가 제공된다. 도 2는, 22" 게이트 밸브(2b) 또는 630 mm 게이트 밸브(2c)에 보다 용이하게 적응될 수 있는 500 mm 크라 이오펌프(1a)를 제조하는 바람직한 방식을 보여준다. 이 디자인에 있어서, 크라이오펌프 하우징(18a), 및 인렛 루버(12)를 가지는 지지 브래킷(13)은, 공통인 부품에 속한다. 이 디자인의 500 mm 크라이오펌프(1a)는, 플랜지(17c, 17d) 위로 돌출된 인렛 배열(10)을 가지는 점에서, 도 1의 좌측에 도시한 것과 다르다. 일 실시예에 있어서, 인렛 배열(10)은, 플랜지(17c, 17d) 위로 3 cm 미만, 예컨대, 2.5 cm 미만 또는 2 cm 미만 돌출한다. 일 실시예에 있어서, 인렛 배열은, 플랜지(17c, 17d)의 면과 적어도 동등한 위치 위에 있다. 도 2는, 우측에 나타낸 바와 같이, 22" 게이트 밸브 하우징(8b) 내에 끼워지거나, 또는 좌측에 나타낸 바와 같이, 630 mm 게이트 밸브 하우징(8c) 내에 끼우기 위하여, 공통의 인렛 배열(10)을 연장하는 본 발명에 따른 수단을 나타낸다. 꼭 끼워맞춤의 경우, 예컨대 크라이오펌프 하우징(18a)와 웜 패널(26) 사이의 방사방향 갭은 2 mm가 전형적이다. 일 실시예에 있어서, 꼭 끼워맞춤으로 인하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 인렛 배열(10) 상에는 외측 루버가 없다.

22"의 경우, 고리형 인렛 칼라(collar) 플레이트(5b)가, 지지 브래킷(13)에 부착된 브래킷 연장부(4b)에 예컨대 납땜으로 부착된다. 크라이오펌프 플랜지(17c)는, 500 mm의 내경을 가지는 22" 플랜지라는 점에서, 비표준이다. 연장된 인렛 배열은, 크라이오펌프 플랜지(17c)와 가동 게이트 밸브 플레이트(7b) 사이의 갭 내에 끼워진다. 일 실시예에 있어서, 이 갭은 0.5 내지 3 cm일 수 있고, 예컨대, 1 내지 3 cm 또는 2.5 내지 3 cm이다. 도 2의 크라이오펌프 플랜지(17c, 17d)는, 도 1의 플랜지(17a, 17b)보다 30% 까지 크고, 예컨대, 25% 까지 크거나 또는 23%까지 크 다.

630 mm의 경우, 고리형 인렛 칼라 플레이트(5c)가, 지지 브래킷(13)에 부착되는 브래킷 연장부(4c)에 부착된다. 630 mm 게이트 밸브(2c)는, 하우징(8c), 가동 밸브 플레이트(7c), 및 O-링(9)으로 이루어진다. 크라이오펌프 플랜지(17d)는, 500 mm의 내경을 가지는 630 mm 플랜지라는 점에서, 비표준이다. 연장된 인렛 배열은, 크라이오펌프 플랜지(17d)와 가동 게이트 밸브 플레이트(7c) 사이의 갭 내에 끼워진다.

도 3a 및 도 3b는, 8개의 지지 브래킷(13)과 인렛 루버(12)로 구성되는 표준 500 mm 크라이오펌프 인렛 루버 배열(10)을 나타낸다. 브래킷 연장부를 위한 장착 구멍(14)이, 도 3b에 도시되어 있다. 이 표준 배열(10)은, 도 2에 도시된 모든 크라이오펌프에 공통이다.

도 4a 및 도 4b는, 지지 브래킷(13)에 부착된 브래킷 연장부(4)의 하면에 부착되는 고리형 인렛 칼라 플레이트(5)의 상세를 나타낸다. 지지 브래킷(13)과 브래킷 연장부(4)의 장착 구멍(14)은, 함께 볼트작업을 함으로써 브래킷 연장부를 지지 브래킷에 부착시키는 편리한 수단을 제공한다. 일 실시예에 있어서, 브래킷 연장부는, 스팟 용접이나 납땜으로 지지 브래킷에 부착된다.

기본 개념을 설명하기 위하여 500 mm 내지 630 mm 플랜지를 가지는 크라이오펌프가 예로서 사용되었지만, 이 개념은 다른 크기에도 적용될 수 있다. 마찬가지로, 크라이오펌프에 이용되는 전형적인 크라이오제닉 냉동기를 설명하기 위하여 GM 냉동기가 사용되었지만, 펄스 튜브 타입 냉동기 또는 스털링(Stirling) 타입 냉동 기와 같은 다른 타입을 사용하는 것도 또한 가능하다.

<관련 출원에 대한 상호 참조>

본 출원은, 2008년 7월 17일에 출원된 미국 가출원 제61/081,461호에 대하여 우선권을 주장하며, 그 전체 내용 및 공개 사항은 참조로서 여기에 통합되어 있다.

본 발명은, 크라이오펌프의 제조, 판매, 또는 연구산업 등에 이용될 수 있다.

도 1은, 게이트 밸브 뒤에 탑재되는 표준 500 mm 크라이오펌프 패널과 팽창기의 횡단면도이다. 500 mm 하우징, 플랜지 및 게이트 밸브가 좌측에 도시되어 있다. 본 발명의 실시예에 따라 제조된 22" 하우징, 플랜지 및 게이트 밸브가 우측에 도시되어 있다.

도 2는, 게이트 밸브 뒤에 탑재되는 표준 500 mm 크라이오펌프 패널, 팽창기, 및 하우징의 횡단면도이다. 500 mm 하우징을 22" 게이트 밸브에 적응시키는 플랜지는 우측에 나타내고, 500 mm 하우징을 630 mm 게이트 밸브에 적응시키는 플랜지는 좌측에 나타내며, 양쪽 모두 본 발명의 실시예에 따라 형성되어 있다. 크라이오펌프 웜 크라이오패널과 가동 게이트 밸브 플레이트 사이의 공간 내에 끼워지는 브래킷 연장부와 함께, 표준 500 mm 인렛 루버가 도시되어 있다.

도 3a는, 8개의 지지 브래킷을 가지는 표준 500 mm 크라이오펌프 인렛 루버 배열의 평면도이다. 브래킷 연장부를 위한 탑재 구멍이 도시되어 있다.

도 3b는, 도 3a의 측면도이다.

도 4a는, 표준 500 mm 크라이오펌프 지지 브래킷의 단부에 부착되는 브래킷 연장부의 평면도이다. 고리형 인렛 칼라 플레이트가, 브래킷 연장부의 하면에 부착되어 있다.

도 4b는, 도 4a의 측면도이다.

Claims

크라이오펌프로서,

제1 및 제2 스테이지를 가지는 냉동기,

콜드 크라이오패널,

웜 크라이오패널,

상기 웜 크라이오패널의 외측으로 뻗는 연장된 지지 브래킷을 가지는 인렛 배열, 및

하우징을 포함하며,

상기 인렛 배열은 상기 하우징 내부에 끼워짐

을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 1에 있어서,

상기 연장된 지지 브래킷 상에 하나 이상의 외측 루버를 더욱 포함하며,

상기 하나 이상의 외측 루버는, 상기 연장된 지지 브래킷의 상기 웜 크라이오패널로부터 외측으로 뻗는 부분 위에 위치됨

을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 1에 있어서,

상기 웜 크라이오패널은, 제1 내경을 가지는 작은 하우징에 꼭 끼워지도록 형성되고,

상기 하우징은, 상기 제1 내경보다 큰 제2 직경을 가짐

을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 1에 있어서,

상기 크라이오펌프는, 상기 하우징에 상응하는 내경을 가지는 게이트 밸브 뒤에 탑재됨을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 1에 있어서,

게이트 밸브에 상기 하우징을 부착시키는 플랜지를 더욱 포함함을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 5에 있어서,

상기 크라이오펌프는, 상기 플랜지에 상응하는 내경을 가지는 게이트 밸브 뒤에 탑재됨을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 1에 있어서,

상기 인렛 배열 상에 하나 이상의 내측 루버를 더욱 포함함을 특징으로 하는 크라이오펌프.
크라이오펌프로서,

제1 및 제2 스테이지를 가지는 냉동기,

콜드 크라이오패널,

웜 크라이오패널,

상기 웜 크라이오패널 주위에 꼭 끼워지며, 제1 내경을 가지는 하우징,

상기 하우징 내측에 끼워지는 인렛 배열,

제2 내경을 가지는 게이트 밸브에 상기 하우징을 부착하는 플랜지, 및

상기 인렛 배열에 부착되고, 상기 인렛 배열을 상기 플랜지 위로 연장하는 브래킷 연장부를 포함하며,

상기 제2 내경은 상기 제1 내경보다 큰 것

을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 8에 있어서,

상기 인렛 배열은 상기 플랜지 위 3 cm 미만으로 뻗음을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 8에 있어서,

상기 플랜지는, 상기 제1 내경과 유사한 내경을 가지는 동종 게이트 밸브에 하우징을 부착시키는 상기 하우징의 동종 플랜지보다 30%까지 큰 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 8에 있어서,

상기 브래킷 연장부는, 상기 하우징의 외부로 뻗음을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 8에 있어서,

상기 크라이오펌프는, 게이트 밸브 뒤에 탑재됨을 특징으로 하는 크라이오펌프.
청구항 8에 있어서,

상기 인렛 배열 상에 하나 이상의 내측 루버를 더욱 포함함을 특징으로 하는 크라이오펌프.