KR101280987B1 - 크라이오펌프 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

[과제] 크라이오펌프 시스템의 복수의 압축기 사이에서 보다 균등하게 부하를 분담한다.
[해결수단] 크라이오펌프 시스템(1000)은, 복수의 크라이오펌프(10)와, 복수의 크라이오펌프(10)에 작동기체를 공급하기 위하여, 각각이 제어출력에 따라서 병렬로 운전되는 복수의 압축기유닛(102, 104)과, 복수의 압축기유닛(102, 104)의 각각에 대한 제어출력을 결정하는 크라이오펌프 컨트롤러(100)를 구비하고, 크라이오펌프 컨트롤러(100)는, 적어도 하나의 압축기유닛(102, 104)에 대하여 제어출력을 결정하기 위하여 사용되는 설정치를, 각 압축기유닛(102, 104)의 운전상태를 평준화하도록 조정한다.

Description

크라이오펌프 시스템 및 그 제어방법{Cryopump system and control method thereof}
본 출원은, 2010년 9월 21일에 출원된 일본 특허출원 제2010-211282호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.
본 발명은, 복수의 크라이오펌프를 가지는 크라이오펌프 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
큰 용적을 진공배기하기 위하여, 하나의 용적에 복수의 크라이오펌프가 적용되는 경우가 있다. 또한, 복수의 진공챔버를 가지는 진공처리장치의 각 진공챔버를 진공배기하기 위하여, 진공처리장치에 복수의 크라이오펌프가 탑재되는 경우가 있다. 대수가 적으면 복수의 크라이오펌프에 작동기체를 순환시키기 위하여 하나의 공통의 압축기가 설치된다. 보다 많은 크라이오펌프를 가지는 대규모의 진공배기 시스템이라면 복수의 압축기가 설치되는 경우도 있다. 마찬가지로, 다수의 극저온기기 예컨대 극저온냉동기를 가지는 극저온시스템도 복수의 압축기를 포함할 수 있다(예컨대 특허문헌 1, 2를 참조).
일본 특허공개공보 2004-3792호 일본 특허공개공보 2009-275579호
복수의 압축기를 가지는 시스템에 있어서 어느 하나의 압축기가 다른 압축기보다 높은 빈도로 또는 고부하로 운전되는 경향이 있는 경우에는 그 압축기의 열화가 다른 압축기에 비하여 진행되어, 결과적으로 그 시스템의 메인터넌스 작업의 빈도를 높일 우려가 있다. 그에 따라서 시스템의 다운타임도 커진다는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 목적 중 하나는, 복수의 극저온기기 예컨대 크라이오펌프에 대하여 복수의 압축기를 적용하는 경우에, 복수의 압축기 사이에서 보다 균등하게 부하를 분담하는 것을 가능하게 하는 것에 있다.
본 발명의 하나의 태양의 크라이오펌프 시스템은, 복수의 크라이오펌프와, 상기 복수의 크라이오펌프에 작동기체를 공급하기 위하여, 각각이 제어출력에 따라서 병렬로 운전되는 복수의 압축기유닛과, 상기 복수의 압축기유닛의 각각에 대한 제어출력을 결정하는 제어부를 구비한다. 상기 제어부는, 적어도 하나의 압축기유닛에 대하여 상기 제어출력을 결정하기 위하여 사용되는 설정치를, 각 압축기유닛의 운전상태를 평준화하도록 조정하여도 된다.
본 발명의 다른 태양은, 복수의 크라이오펌프에 작동기체를 공급하기 위하여 병렬로 운전되는 복수의 압축기의 제어방법이다. 이 방법은, 상기 복수의 압축기의 각각에 대한 제어출력을 결정하는 스텝과, 적어도 하나의 압축기에 대하여 상기 제어출력을 결정하기 위하여 사용되는 설정치를 조정함으로써 각 압축기의 운전상태를 평준화하는 스텝을 구비한다.
본 발명에 의하면, 복수의 압축기 사이에서 보다 균등하게 부하를 분담할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프 시스템의 전체 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기유닛을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 크라이오펌프 시스템에 관한 제어블록도이다.
도 5는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 차압(差壓)일정 제어의 제어플로우를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 설정치조정 처리를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 7은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 조정처리에서 사용되는 조정테이블을 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 조정처리의 결과의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 이하에 설명하는 본 발명에 관한 실시형태의 개요를 설명한다. 본 발명에 관한 한 실시형태에 의하면, 복수의 압축기가 병렬로 설치되어 있는 크라이오펌프 시스템이 제공된다. 한 실시예에 있어서는 적어도 2대의 압축기가 독립적으로 제어되며 동시에 운전된다. 각각의 압축기에 대하여 설정되어 있는 설정치가 어느 빈도로, 각 압축기의 운전상태를 평준화하도록 조정된다. 이로써, 시간의 경과와 함께 확대될 수 있는 각 압축기의 운전상태의 괴리를 억제하여, 균등하게 부하를 분담할 수 있다. 운전상태의 괴리는 예컨대 각 압축기의 개체차에 기인한다. 예컨대, 압축기본체 또는 거기에 부수되어 설치되어 있는 센서나 기타 기기류의 개체차, 혹은 각 압축기와 크라이오펌프를 접속하는 배관계의 길이나 경로의 차이에 기인한다고 생각된다.
한 실시형태에 있어서는, 공통의 부하로부터 작동기체를 회수하고 공급하기 위한 작동기체 순환장치가 제공된다. 공통의 부하는 작동기체의 공급처이고, 복수의 극저온기기를 포함하여도 된다. 극저온기기는, 냉동사이클에 의하여 한랭(寒冷)을 발생시키는 극저온냉동기이어도 된다. 극저온기기는, 극저온냉동기에 의하여 냉각되는 크라이오패널을 구비하는 크라이오펌프이어도 된다. 작동기체 순환장치는, 공통의 부하에 각각이 병렬로 접속되고 또한 각각이 제어출력에 따라서 운전되는 복수의 압축기유닛과, 복수의 압축기유닛의 각각에 대한 제어출력을 결정하는 제어부를 구비하여도 된다. 제어부는, 적어도 하나의 압축기유닛에 대하여 제어출력을 결정하기 위하여 사용되는 설정치를 조정함으로써 각 압축기유닛의 운전상태를 평준화하여도 된다.
제어부는, 단일의 컨트롤러로 구성되어 있어도 되고, 각각이 동일한 또는 상이한 기능을 발휘하는 복수의 컨트롤러를 포함하여도 된다. 예컨대, 제어부는, 각 압축기유닛에 설치되고, 각 압축기유닛의 제어출력을 결정하는 압축기 컨트롤러와, 크라이오펌프 시스템을 총괄하는 크라이오펌프 컨트롤러를 구비하여도 된다. 이 경우, 설정치의 조정은, 압축기 컨트롤러가 실행하여도 되고, 크라이오펌프 컨트롤러가 실행하여도 된다.
운전상태의 괴리가 허용범위에 있는 경우에는 설정치는 조정되지 않아도 된다. 즉 설정치는 일정하게 유지되어도 된다. 예컨대 부하에 대하여 압축기의 대수 또는 능력에 여유가 있는 경우에는, 설정치의 조정을 요하지 않고, 즉 압축기의 병렬배치 자체에 의하여 운전상태의 평준화가 달성되는 것도 기대된다. 따라서, 개개의 기기에 대하여 복수의 압축기가 병렬의 작동기체 공급원 또는 배출처가 되는 시스템구성 자체에 이점이 있다고도 할 수 있다.
따라서, 한 실시형태에 관한 극저온시스템은, 복수의 극저온기기와, 복수의 극저온기기에 작동기체를 급배하기 위하여, 서로 병렬로 배치되어 있는 복수의 압축기유닛과, 복수의 극저온기기에 작동기체를 급배하기 위하여 복수의 극저온기기와 복수의 압축기유닛을 접속하는 배관계를 구비하여도 된다. 이 배관계는, 복수의 극저온기기와 복수의 압축기유닛 사이의 작동기체의 유통을 집약하는 공통라인을 포함하여도 된다. 공통라인은, 복수의 압축기유닛의 각각으로부터 송출되는 작동기체를 집약하여 복수의 극저온기기에 공급하기 위한 공급라인을 구비하여도 된다. 공통라인은, 복수의 극저온기기로부터 배출되는 작동기체를 집약하여 복수의 압축기유닛으로 되돌리기 위한 복귀라인을 구비하여도 된다.
배관계는, 복수의 압축기유닛의 각각에 부수되는 공급용 개별배관 및 복귀용 개별배관을 포함하여도 된다. 각각의 개별배관에 의하여 복수의 압축기유닛의 각각이 공통라인에 접속되어도 된다. 그 접속부는 매니폴드이어도 된다. 마찬가지로 배관계는, 복수의 극저온기기의 각각에 부수되는 개별배관을 포함하여도 되고, 각각의 개별배관에 의하여 복수의 극저온기기의 각각이 공통라인에 접속되어도 된다.
한 실시예에 있어서는, 제어부는, 복수의 압축기유닛 중 어느 하나의 압축기유닛의 제어출력과 그 압축기유닛과는 다른 압축기유닛의 제어출력의 차를 작게 하도록, 그 압축기유닛 및 다른 압축기유닛 중의 적어도 일방에 대하여 설정치를 조정하여도 된다. 이와 같이 제어출력의 차를 작게 함으로써, 운전상태의 평준화를 실현하여도 된다. 제어부는, 각 압축기유닛에 관련되는 측정치를 각 압축기유닛에 대하여 설정되어 있는 목표치에 가까워지도록 각 압축기유닛의 제어출력을 결정하여도 된다. 제어출력은 예컨대, 압축기유닛의 압축기본체를 동작시키기 위한 압축기모터의 운전주파수이어도 된다.
바람직한 한 실시예에 있어서는, 각 압축기유닛에 있어서의 흡입측과 토출측의 차압을 목표차압에 일치시키도록 각 압축기유닛으로의 제어출력이 결정되는 차압(差壓)일정 제어가 실행되어도 된다. 차압일정 제어는 예컨대, 압축기본체를 동작시키는 압축기모터의 운전주파수를 제어출력으로 하여 실행된다. 또한, 바람직한 한 실시예에 있어서는 차압일정 제어와 함께, 각 크라이오펌프의 크라이오패널을 목표온도로 냉각하도록 각 크라이오펌프의 냉동기의 운전주파수가 제어되는 온도(溫度)조절 제어가 실행되어도 된다. 차압일정 제어 및 온도조절 제어는 후술하는 바와 같이 에너지절약에 기여한다. 한 실시예에 있어서는 적어도 차압일정 제어의 실행 중에 적어도 하나의 압축기유닛의 목표차압이 조정되어도 된다. 차압일정 제어 중의 운전상태의 평준화를 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프 시스템(1000)의 전체 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 크라이오펌프 시스템(1000)은, 진공장치(300)의 진공배기를 하기 위하여 사용된다. 진공장치(300)는 진공환경에서 물체에 처리를 하는 진공처리장치로서, 예컨대 이온주입장치나 스퍼터링장치 등의 반도체 제조공정에서 이용되는 장치이다.
크라이오펌프 시스템(1000)은, 복수 대의 크라이오펌프(10)를 포함한다. 이들 크라이오펌프(10)는, 진공장치(300)의 하나 또는 복수의 진공챔버(도시하지 않음)에 장착되어, 진공챔버 내부의 진공도를 원하는 프로세스에 요구되는 레벨로까지 높이기 위하여 사용된다. 크라이오펌프(10)는 크라이오펌프 컨트롤러(이하에서는 CP 컨트롤러라고도 한다)(100)가 결정한 제어출력에 따라서 운전된다. 예컨대 10-5[Pa] 내지 10-8[Pa] 정도의 높은 진공도가 진공챔버에 실현된다. 도시된 예에서는 크라이오펌프 시스템(1000)에 11대의 크라이오펌프(10)가 포함된다. 복수의 크라이오펌프(10)는 모두 동일한 배기성능을 가지는 크라이오펌프이어도 되고, 상이한 배기성능을 가지는 크라이오펌프이어도 된다.
크라이오펌프 시스템(1000)은, CP 컨트롤러(100)를 구비한다. CP 컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10) 및 압축기유닛(102, 104)을 제어한다. CP 컨트롤러(100)는, 각종 연산처리를 실행하는 CPU, 각종 제어프로그램을 격납하는 ROM, 데이터 격납이나 프로그램 실행을 위한 작업영역으로서 이용되는 RAM, 입출력 인터페이스, 메모리 등을 구비한다. 또한, CP 컨트롤러(100)는, 진공장치(300)를 제어하기 위한 호스트 컨트롤러(도시하지 않음)와도 통신 가능하게 구성되어 있다. 진공장치(300)의 호스트 컨트롤러는 크라이오펌프 시스템(1000)을 포함하는 진공장치(300)의 각 구성요소를 총괄하는 상위의 컨트롤러라고도 할 수 있다.
CP 컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10) 및 압축기유닛(102, 104)과는 별개로 구성되어 있다. CP 컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10) 및 압축기유닛(102, 104)과 서로 통신 가능하게 접속되어 있다. 크라이오펌프(10)는 각각, CP 컨트롤러(100)와 통신하는 입출력을 처리하기 위한 IO모듈(50)(도 4 참조)을 구비한다. CP 컨트롤러(100)와 각 IO모듈(50)이 제어통신선으로 접속된다. 도 1에서는 크라이오펌프(10)와 CP 컨트롤러(100)의 제어통신선, 및 압축기유닛(102, 104)과 CP 컨트롤러(100)의 제어통신선을 파선으로 나타낸다. 다만 CP 컨트롤러(100)는, 어느 하나의 크라이오펌프(10) 또는 압축기유닛(102, 104)과 일체로 구성되어 있어도 된다.
크라이오펌프 시스템(1000)은, 제1 압축기유닛(102) 및 제2 압축기유닛(104)을 적어도 포함하는 복수의 압축기유닛을 구비한다. 압축기유닛은 크라이오펌프(10)를 포함하는 닫힌 유체회로에 작동기체를 순환시키기 위하여 설치되어 있다. 압축기유닛은 크라이오펌프(10)로부터 작동기체를 회수하여 압축하여 다시 크라이오펌프(10)에 송출한다. 압축기유닛은 진공장치(300)로부터 이격하여, 또는 진공장치(300)의 근방에 설치되어 있다. 압축기유닛은 압축기 컨트롤러(168)(도 4 참조)가 결정한 제어출력에 따라서 운전된다. 혹은 CP 컨트롤러(100)가 결정한 제어출력에 따라서 운전된다.
이하에서는 대표예로서 2대의 압축기유닛(102, 104)을 가지는 크라이오펌프 시스템(1000)을 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이들 압축기유닛(102, 104)과 마찬가지로 하여 3대 이상의 압축기유닛이 복수의 크라이오펌프(10)에 병렬로 접속되어 있는 크라이오펌프 시스템(1000)을 구성하여도 된다. 다만 도 1에 나타내는 크라이오펌프 시스템(1000)은 크라이오펌프(10) 및 압축기유닛(102, 104)을 각각 복수 구비하고 있지만, 크라이오펌프(10) 또는 압축기유닛(102, 104)을 1대로 하여도 된다.
본 실시예에 있어서는 복수의 압축기유닛은 모두 동일한 압축기유닛이다. 단적으로 말하면, 복수의 압축기유닛은 동일 제품에 속한다. 즉 복수의 압축기유닛은, 장치가 가지는 개체차를 제외하고 실질적으로 동일 성능을 가진다고 볼 수 있다. 다른 한 실시예에 있어서는 복수의 압축기유닛은 상이한 압축기유닛을 포함하여도 된다.
복수의 크라이오펌프(10)와 복수의 압축기유닛(102, 104)은 작동기체 배관계(106)에 의하여 접속된다. 배관계(106)는, 복수의 크라이오펌프(10)와 복수의 압축기유닛(102, 104)을 서로 병렬로 접속하고, 복수의 크라이오펌프(10)와 복수의 압축기유닛(102, 104) 사이에서 작동기체를 유통시키도록 구성되어 있다. 배관계(106)에 의하여, 1대의 크라이오펌프(10)에 복수의 압축기유닛의 각각이 병렬로 접속되고, 1대의 압축기유닛에 복수의 크라이오펌프(10)의 각각이 병렬로 접속되어 있다.
배관계(106)는, 내부배관(108)과 외부배관(110)을 포함하여 구성된다. 내부배관(108)은 진공장치(300)의 내부에 형성되어 있고, 내부공급라인(112) 및 내부복귀라인(114)을 포함한다. 외부배관(110)은 진공장치(300)의 외부에 설치되어 있고, 외부공급라인(120) 및 외부복귀라인(122)을 포함한다. 외부배관(110)은 진공장치(300)와 복수의 압축기유닛(102, 104)을 접속한다.
내부공급라인(112)은 각 크라이오펌프(10)의 기체공급구(42)에 접속되고(도 2 참조), 내부복귀라인(114)은 각 크라이오펌프(10)의 기체배출구(44)에 접속된다(도 2 참조). 또한, 내부공급라인(112)은 진공장치(300)의 기체공급포트(116)에서 외부배관(110)의 외부공급라인(120)의 일단에 접속되고, 내부복귀라인(114)은 진공장치(300)의 기체배출포트(118)에서 외부배관(110)의 외부복귀라인(122)의 일단에 접속된다.
외부공급라인(120)의 타단은 제1 매니폴드(124)에 접속되고, 외부복귀라인(122)의 타단은 제2 매니폴드(126)에 접속되어 있다. 제1 매니폴드(124)에는, 제1 압축기유닛(102)의 제1 토출배관(128) 및 제2 압축기유닛(104)의 제2 토출배관(130)의 일단이 접속되어 있다. 제1 토출배관(128) 및 제2 토출배관(130)의 타단은 각각, 대응하는 각 압축기유닛(102, 104)의 토출포트(148)에 접속되어 있다(도 3 참조). 제2 매니폴드(126)에는, 제1 압축기유닛(102)의 제1 흡입배관(132) 및 제2 압축기유닛(104)의 제2 흡입배관(134)의 일단이 접속되어 있다. 제1 흡입배관(132) 및 제2 흡입배관(134)의 타단은 각각, 대응하는 각 압축기유닛(102, 104)의 흡입포트(146)에 접속되어 있다(도 3 참조).
이와 같이 하여, 복수의 압축기유닛(102, 104)의 각각으로부터 송출되는 작동기체를 집약하여 복수의 크라이오펌프(10)에 공급하기 위한 공통의 공급라인이 내부공급라인(112) 및 외부공급라인(120)에 의하여 구성되어 있다. 또한, 복수의 크라이오펌프(10)로부터 배출되는 작동기체를 집약하여 복수의 압축기유닛(102, 104)으로 되돌리기 위한 공통의 복귀라인이 내부복귀라인(114) 및 외부복귀라인(122)에 의하여 구성되어 있다. 또한, 복수의 압축기유닛의 각각은, 각 압축기유닛에 부수되는 개별배관을 통하여 공통라인에 접속되어 있다. 개별배관과 공통라인의 접속부에는 개별배관을 합류시키기 위한 매니폴드가 설치되어 있다. 제1 매니폴드(124)가 공급측에서 개별배관을 합류시키고, 제2 매니폴드(126)가 회수측에서 개별배관을 합류시키고 있다.
도시된 예에서는, 진공장치(300)는 하나의 기체공급포트(116) 및 하나의 기체배출포트(118)를 구비하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 진공장치(300)는 복수의 기체공급포트(116) 및 복수의 기체배출포트(118)를 구비하여도 된다. 이 경우, 복수의 압축기유닛의 개별배관이 각각 대응하는 기체공급포트 및 기체배출포트에 접속되어도 된다.
또한, 외부배관(110)이 각 크라이오펌프(10)의 기체공급구(42) 및 기체배출구(44)에 직접 접속되도록 배관계(106)가 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 외부공급라인(120) 및 외부복귀라인(122)의 각각의 크라이오펌프(10) 측의 말단에도 매니폴드가 설치되고, 각 크라이오펌프(10)로 공통라인이 분기되어 있어도 된다.
다만, 각 압축기유닛(102, 104)의 토출배관(128, 130) 및 흡입배관(132, 134)에는 각각, 규정된 가스흐름방향(도면에 있어서는 화살표방향)과 역방향의 흐름을 규제하기 위한 체크밸브가 설치되어 있어도 된다(도시하지 않음). 마찬가지로, 공급라인(112, 120), 복귀라인(114, 122)에도 체크밸브가 설치되어 있어도 된다.
크라이오펌프 시스템(1000)이 사용되는 장소(예컨대 반도체 제조공장)에 있어서의 각종 장치의 레이아웃에 따라서는, 상기 서술한 공통라인은 (도시와는 달리) 상당한 길이가 될 수도 있다. 작동기체를 공통라인에 집약함으로써, 복수의 압축기의 각각을 별개로 진공장치에 접속하는 경우보다 토탈 배관길이를 짧게 할 수 있다. 또한, 작동기체의 공급대상(예컨대 크라이오펌프 시스템(1000)에 있어서는 개개의 크라이오펌프)마다 복수의 압축기가 접속되는 배관구성을 취하므로, 용장성(冗長性; 일부 고장에 대한 운전보장을 위한 중복성)도 있다. 복수의 압축기를 개개의 대상(예컨대 크라이오펌프)에 병렬로 배치하여 운전함으로써, 복수의 압축기로의 부하가 분담되고 있다.
도 2는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 크라이오펌프(10)는, 제1 냉각온도레벨로 냉각되는 제1 크라이오패널과, 제1 냉각온도레벨보다 저온인 제2 냉각온도레벨로 냉각되는 제2 크라이오패널을 구비한다. 제1 크라이오패널에는, 제1 냉각온도레벨에 있어서 증기압이 낮은 기체가 응축에 의하여 포착되어 배기된다. 예컨대 기준증기압(예컨대 10-8[Pa])보다 증기압이 낮은 기체가 배기된다. 제2 크라이오패널에는, 제2 냉각온도레벨에 있어서 증기압이 낮은 기체가 응축에 의하여 포착되어 배기된다. 제2 크라이오패널에는, 증기압이 높기 때문에 제2 냉각온도레벨에 있어서도 응축되지 않는 비응축성 기체를 포착하기 위하여 표면에 흡착영역이 형성된다. 흡착영역은 예컨대 패널 표면에 흡착제를 마련함으로써 형성된다. 비응축성 기체는, 제2 냉각온도레벨로 냉각된 흡착영역에 흡착되어 배기된다.
도 2에 나타나는 크라이오펌프(10)는, 냉동기(12)와 패널구조체(14)와 열(熱)실드(16)를 구비한다. 냉동기(12)는, 작동기체를 흡입하고 내부에서 팽창시키고 토출하는 열(熱)사이클에 의하여 한랭(寒冷)을 발생시킨다. 패널구조체(14)는 복수의 크라이오패널을 포함하고, 이들 패널은 냉동기(12)에 의하여 냉각된다. 패널 표면에는 기체를 응축 또는 흡착에 의하여 포착하여 배기하기 위한 극저온면이 형성된다. 크라이오패널의 표면(예컨대 이면)에는 통상, 기체를 흡착하기 위한 활성탄 등의 흡착제가 설치된다. 열실드(16)는, 패널구조체(14)를 주위의 복사열로부터 보호하기 위하여 설치되어 있다.
크라이오펌프(10)는, 이른바 종형(縱型)의 크라이오펌프이다. 종형의 크라이오펌프란, 열실드(16)의 축방향을 따라서 냉동기(12)가 삽입되어 배치되어 있는 크라이오펌프이다. 다만, 본 발명은 이른바 횡형(橫型)의 크라이오펌프에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 횡형의 크라이오펌프란, 열실드(16)의 축방향에 교차하는 방향(통상은 직교방향)으로 냉동기의 제2단의 냉각스테이지가 삽입되어 배치되어 있는 크라이오펌프이다. 다만, 도 1에는 횡형의 크라이오펌프(10)가 모식적으로 도시되어 있다.
냉동기(12)는, 기포드·맥마흔식 냉동기(이른바 GM냉동기)이다. 또한 냉동기(12)는 2단식의 냉동기로서, 제1단 실린더(18), 제2단 실린더(20), 제1 냉각스테이지(22), 제2 냉각스테이지(24), 및 냉동기모터(26)를 가진다. 제1단 실린더(18)와 제2단 실린더(20)는 직렬로 접속되어 있고, 서로 연결되는 제1단 디스플레이서 및 제2단 디스플레이서(도시하지 않음)가 각각 내장되어 있다. 제1단 디스플레이서 및 제2단 디스플레이서의 내부에는 축냉재가 장착되어 있다. 다만, 냉동기(12)는 2단 GM냉동기 이외의 냉동기이어도 되고, 예컨대 단일단 GM냉동기를 이용하여도 되고, 펄스튜브 냉동기나 솔베이 냉동기를 이용하여도 된다.
냉동기(12)는, 작동기체의 흡입과 토출을 주기적으로 반복하기 위하여 작동기체의 유로를 주기적으로 전환하는 유로전환기구를 포함한다. 유로전환기구는 예컨대 밸브부와 밸브부를 구동하는 구동부를 포함한다. 밸브부는 예컨대 로터리밸브이고, 구동부는 로터리밸브를 회전시키기 위한 모터이다. 모터는, 예컨대 AC모터 또는 DC모터이어도 된다. 또한 유로전환기구는 리니어모터에 의하여 구동되는 직동식 기구이어도 된다.
제1단 실린더(18)의 일단에 냉동기모터(26)가 설치되어 있다. 냉동기모터(26)는, 제1단 실린더(18)의 단부에 형성되어 있는 모터용 하우징(27)의 내부에 설치되어 있다. 냉동기모터(26)는, 제1단 디스플레이서 및 제2단 디스플레이서의 각각이 제1단 실린더(18) 및 제2단 실린더(20)의 내부를 왕복동 가능하게 하도록 제1단 디스플레이서 및 제2단 디스플레이서에 접속된다. 또한, 냉동기모터(26)는, 모터용 하우징(27)의 내부에 설치되어 있는 가동(可動)밸브(도시하지 않음)를 정역회전 가능하게 하도록 그 밸브에 접속된다.
제1 냉각스테이지(22)는, 제1단 실린더(18)의 제2단 실린더(20) 측의 단부 즉 제1단 실린더(18)와 제2단 실린더(20)의 연결부에 설치되어 있다. 또한, 제2 냉각스테이지(24)는 제2단 실린더(20)의 말단에 설치되어 있다. 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)는 각각 제1단 실린더(18) 및 제2단 실린더(20)에 예컨대 납땜으로 고정된다.
모터용 하우징(27)의 외측에 설치되어 있는 기체공급구(42) 및 기체배출구(44)를 통하여 냉동기(12)는 압축기유닛(102 또는 104)에 접속된다. 크라이오펌프(10)와 압축기유닛(102, 104)의 접속관계에 대해서는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같다.
냉동기(12)는, 압축기유닛(102, 104)으로부터 공급되는 고압의 작동기체(예컨대 헬륨 등)를 내부에서 팽창시켜서 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)에 한랭을 발생시킨다. 압축기유닛(102, 104)은, 냉동기(12)에서 팽창한 작동기체를 회수하고 다시 가압하여 냉동기(12)에 공급한다.
구체적으로는, 먼저 압축기유닛(102, 104)으로부터 냉동기(12)에 고압의 작동기체가 공급된다. 이때, 냉동기모터(26)는, 기체공급구(42)와 냉동기(12)의 내부공간을 연통하는 상태로 모터용 하우징(27) 내부의 가동밸브를 구동한다. 냉동기(12)의 내부공간이 고압의 작동기체로 채워지면, 냉동기모터(26)에 의하여 가동밸브가 전환되어 냉동기(12)의 내부공간이 기체배출구(44)에 연통된다. 이로써 작동기체는 팽창하여 압축기유닛(102, 104)으로 회수된다. 가동밸브의 동작에 동기하여, 제1단 디스플레이서 및 제2단 디스플레이서의 각각이 제1단 실린더(18) 및 제2단 실린더(20)의 내부를 왕복동한다. 이러한 열사이클을 반복함으로써 냉동기(12)는 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)에 한랭을 발생시킨다.
제2 냉각스테이지(24)는 제1 냉각스테이지(22)보다 저온으로 냉각된다. 제2 냉각스테이지(24)는 예컨대 10[K] 내지 20[K] 정도로 냉각되고, 제1 냉각스테이지(22)는 예컨대 80[K] 내지 100[K] 정도로 냉각된다. 제1 냉각스테이지(22)에는 제1 냉각스테이지(22)의 온도를 측정하기 위한 제 1 온도센서(23)가 장착되어 있고, 제2 냉각스테이지(24)에는 제2 냉각스테이지(24)의 온도를 측정하기 위한 제2 온도센서(25)가 장착되어 있다.
냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)에는 열실드(16)가 열적으로 접속된 상태로 고정되고, 냉동기(12)의 제2 냉각스테이지(24)에는 패널구조체(14)가 열적으로 접속된 상태로 고정되어 있다. 이로 인하여, 열실드(16)는 제1 냉각스테이지(22)와 동일한 정도의 온도로 냉각되고, 패널구조체(14)는 제2 냉각스테이지(24)와 동일한 정도의 온도로 냉각된다. 열실드(16)는 일단에 개구부(31)를 가지는 원통형 형상으로 형성되어 있다. 개구부(31)는 열실드(16)의 통 형상 측면의 단부 내면에 의하여 획정된다.
한편 열실드(16)의 개구부(31)와는 반대측 즉 펌프 저부(底部)측의 타단에는 폐색부(28)가 형성되어 있다. 폐색부(28)는, 열실드(16)의 원통형 측면의 펌프 저부측 단부에 있어서 직경방향 내측을 향하여 뻗는 플랜지부에 의하여 형성된다. 도 2에 도시되는 크라이오펌프(10)는 종형의 크라이오펌프이므로, 이 플랜지부가 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)에 장착되어 있다. 이로써, 열실드(16) 내부에 원기둥 형상의 내부공간(30)이 형성된다. 냉동기(12)는 열실드(16)의 중심축을 따라서 내부공간(30)에 돌출되어 있고, 제2 냉각스테이지(24)는 내부공간(30)에 삽입된 상태가 되어 있다.
다만, 횡형의 크라이오펌프의 경우에는, 폐색부(28)는 통상 완전하게 폐색되어 있다. 냉동기(12)는, 열실드(16)의 측면에 형성되어 있는 냉동기 장착용 개구부로부터 열실드(16)의 중심축에 직교하는 방향을 따라서 내부공간(30)에 돌출되어 배치된다. 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)는 열실드(16)의 냉동기 장착용 개구부에 장착되고, 냉동기(12)의 제2 냉각스테이지(24)는 내부공간(30)에 배치된다. 제2 냉각스테이지(24)에는 패널구조체(14)가 장착된다. 따라서, 패널구조체(14)는 열실드(16)의 내부공간(30)에 배치된다. 패널구조체(14)는, 적당한 형상의 패널 장착부재를 통하여 제2 냉각스테이지(24)에 장착되어도 된다.
또한 열실드(16)의 개구부(31)에는 배플(32)이 설치되어 있다. 배플(32)은, 패널구조체(14)와는 열실드(16)의 중심축방향으로 간격을 두고 설치되어 있다. 배플(32)은, 열실드(16)의 개구부(31)측의 단부에 장착되어 있고, 열실드(16)와 동일한 정도의 온도로 냉각된다. 배플(32)은, 진공챔버(80)측에서 보았을 때에 예컨대 동심원 형상으로 형성되어 있어도 되고, 혹은 격자형상 등 다른 형상으로 형성되어 있어도 된다. 다만, 배플(32)과 진공챔버(80) 사이에는 게이트밸브(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 이 게이트밸브는 예컨대 크라이오펌프(10)를 재생할 때에 닫힘으로 되고, 크라이오펌프(10)에 의하여 진공챔버(80)를 배기할 때에 열림으로 된다. 진공챔버(80)는 예컨대 도 1에 나타내는 진공장치(300)에 설치되어 있다.
열실드(16), 배플(32), 패널구조체(14), 및 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)는, 펌프케이스(34)의 내부에 수용되어 있다. 펌프케이스(34)는 직경이 상이한 2개의 원통을 직렬로 접속하여 형성되어 있다. 펌프케이스(34)의 대경(大徑)의 원통측 단부는 개방되고, 진공챔버(80)와의 접속용 플랜지부(36)가 직경방향 외측으로 뻗어 형성되어 있다. 또한 펌프케이스(34)의 소경(小徑)의 원통측 단부는 냉동기(12)의 모터용 하우징(27)에 고정되어 있다. 크라이오펌프(10)는 펌프케이스(34)의 플랜지부(36)를 통하여 진공챔버(80)의 배기용 개구에 기밀하게 고정되어, 진공챔버(80)의 내부공간과 일체인 기밀공간이 형성된다. 펌프케이스(34) 및 열실드(16)는 모두 원통형으로 형성되어 있고, 동축으로 배치되어 있다. 펌프케이스(34)의 내경이 열실드(16)의 외경을 약간 상회하고 있으므로, 열실드(16)는 펌프케이스(34)의 내면과의 사이에 약간의 간격을 가지고 배치된다.
크라이오펌프(10)의 작동시에는, 먼저 그 작동 전에 다른 적당한 러핑펌프를 이용하여 진공챔버(80) 내부를 1[Pa]~10[Pa] 정도로까지 러핑한다. 그 후 크라이오펌프(10)를 작동시킨다. 냉동기(12)의 구동에 의하여 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)가 냉각되고, 이들에 열적으로 접속되어 있는 열실드(16), 배플(32), 패널구조체(14)도 냉각된다.
냉각된 배플(32)은, 진공챔버(80)로부터 크라이오펌프(10) 내부를 향하여 날아오는 기체분자를 냉각하고, 그 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예컨대 수분 등)를 표면에 응축시켜 배기한다. 배플(32)의 냉각온도에서는 증기압이 충분히 낮아지지 않은 기체는 배플(32)을 통과하여 열실드(16) 내부로 진입한다. 진입한 기체분자 중 패널구조체(14)의 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예컨대 아르곤 등)는, 패널구조체(14)의 표면에 응축되어 배기된다. 그 냉각온도에서도 증기압이 충분히 낮아지지 않은 기체(예컨대 수소 등)는, 패널구조체(14)의 표면에 접착되어 냉각되어 있는 흡착제에 의하여 흡착되어 배기된다. 이와 같이 하여 크라이오펌프(10)는 진공챔버(80) 내부의 진공도를 원하는 레벨에 도달시킬 수 있다.
도 3은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 제1 압축기유닛(102)을 모식적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에 있어서는 제2 압축기유닛(104)도 제1 압축기유닛(102)과 마찬가지의 구성을 가진다. 압축기유닛(102)은, 기체를 승압시키는 압축기본체(140), 외부로부터 공급된 저압기체를 압축기본체(140)로 공급하기 위한 저압배관(142), 및, 압축기본체(140)에 의하여 압축된 고압기체를 외부에 송출하기 위한 고압배관(144)을 포함하여 구성된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 저압기체는 제1 흡입배관(132)을 통하여 제1 압축기유닛(102)에 공급된다. 제1 압축기유닛(102)은 흡입포트(146)에서 크라이오펌프(10)로부터의 복귀가스를 받아들이고, 저압배관(142)에 작동기체는 보내진다. 흡입포트(146)는, 저압배관(142)의 말단에 있어서 제1 압축기유닛(102)의 하우징체에 설치되어 있다. 저압배관(142)은 흡입포트(146)와 압축기본체(140)의 흡입구를 접속한다.
저압배관(142)은 중도에, 복귀가스에 포함되는 맥동을 제거하기 위한 용적으로서의 스토리지 탱크(150)를 구비한다. 스토리지 탱크(150)는 흡입포트(146)와, 후술하는 바이패스 기구(152)로의 분기 사이에 설치되어 있다. 스토리지 탱크(150)에서 맥동이 제거된 작동기체는, 저압배관(142)을 통하여 압축기본체(140)에 공급된다. 스토리지 탱크(150)의 내부에는, 기체로부터 불필요한 미립자 등을 제거하기 위한 필터가 설치되어 있어도 된다. 스토리지 탱크(150)와 흡입포트(146) 사이에는, 외부로부터 작동기체를 보충하기 위한 수입포트 및 배관이 접속되어 있어도 된다.
압축기본체(140)는, 예컨대 스크롤방식 혹은 로터리식의 펌프로서, 흡입된 가스를 승압시키는 기능을 발휘하는 것이다. 압축기본체(140)는, 승압된 작동기체를 고압배관(144)에 송출한다. 압축기본체(140)는 오일을 이용하여 냉각을 행하는 구성으로 되어 있어서, 오일을 순환시키는 오일냉각 배관이 압축기본체(140)에 부수되어 설치되어 있다. 이로 인하여, 승압된 작동기체는 이 오일이 약간 혼입된 상태로 고압배관(144)에 송출된다.
따라서, 고압배관(144)에는 그 중도에 오일 세퍼레이터(154)가 설치되어 있다. 오일 세퍼레이터(154)에서 작동기체로부터 분리된 오일은 저압배관(142)으로 되돌려지고, 저압배관(142)을 통하여 압축기본체(140)로 되돌려져도 된다. 오일 세퍼레이터(154)에는 과도한 고압을 해방하기 위한 릴리프밸브가 설치되어 있어도 된다.
압축기본체(140)와 오일 세퍼레이터(154)를 접속하는 고압배관(144)의 중도에, 압축기본체(140)로부터 송출된 고압 작동기체를 냉각하기 위한 열교환기가 설치되어 있어도 된다(도시하지 않음). 열교환기는 예컨대 냉각수에 의하여 작동기체를 냉각한다. 또한 이 냉각수는 압축기본체(140)를 냉각하는 오일을 냉각하기 위해서도 이용되어도 된다. 고압배관(144)에 있어서 열교환기의 상류 및 하류 중 적어도 일방에 작동기체의 온도를 측정하는 온도센서가 설치되어 있어도 된다.
오일 세퍼레이터(154)를 경유한 작동기체는, 고압배관(144)을 통하여 흡착기(156; adsorber)에 보내진다. 흡착기(156)는, 예컨대 스토리지 탱크(150) 내의 필터나 오일 세퍼레이터(154) 등의 유로 상의 오염물질 제거수단에 의하여 제거되지 않은 오염성분을 작동기체로부터 제거하기 위하여 설치되어 있다. 흡착기(156)는, 예컨대 기화되어 있는 오일성분을 흡착에 의하여 제거한다.
토출포트(148)가 고압배관(144)의 말단에 있어서 제1 압축기유닛(102)의 하우징체에 설치되어 있다. 즉 고압배관(144)은 압축기본체(140)와 토출포트(148)를 접속하고, 그 중도에 오일 세퍼레이터(154) 및 흡착기(156)가 설치되어 있다. 흡착기(156)를 경유한 작동기체는 토출포트(148)를 통하여 크라이오펌프(10)로 송출된다.
제1 압축기유닛(102)은, 저압배관(142)과 고압배관(144)을 연결하는 바이패스 배관(158)을 가지는 바이패스 기구(152)를 구비한다. 도시된 실시예에서는, 바이패스 배관(158)은, 스토리지 탱크(150)와 압축기본체(140) 사이에 있어서 저압배관(142)으로부터 분기하고 있다. 또한, 바이패스 배관(158)은, 오일 세퍼레이터(154)와 흡착기(156) 사이에 있어서 고압배관(144)으로부터 분기하고 있다.
바이패스 기구(152)는, 크라이오펌프(10)로 송출되지 않고 고압배관(144)에서 저압배관(142)으로 우회하는 작동기체 유량을 제어하기 위한 제어밸브를 구비한다. 도시된 실시예에 있어서는, 바이패스 배관(158)의 중도에 제1 제어밸브(160) 및 제2 제어밸브(162)가 병렬로 설치되어 있다. 제1 제어밸브(160) 및 제2 제어밸브(162)는 예컨대 상폐(常閉)형 또는 상개(常開)형의 솔레노이드 밸브이다. 본 실시예에 있어서는 제2 제어밸브(162)가 바이패스 배관(158)의 유량 제어밸브로서 사용된다. 이하에서는 제2 제어밸브(162)를 릴리프밸브(162)라고도 부른다.
제1 압축기유닛(102)은, 크라이오펌프(10)로부터의 복귀가스의 압력을 측정하기 위한 제 1 압력센서(164)와, 크라이오펌프(10)로의 송출가스의 압력을 측정하기 위한 제2 압력센서(166)를 구비한다. 제1 압축기유닛(102)의 동작 중에는 송출가스 쪽이 복귀가스보다 고압이기 때문에, 이하에서는 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)를 각각, 저압센서 및 고압센서라고 부르는 경우도 있다.
제1 압력센서(164)는 저압배관(142)의 압력을 측정하고, 제2 압력센서(166)는 고압배관(144)의 압력을 측정하도록 설치되어 있다. 제1 압력센서(164)는 예컨대 스토리지 탱크(150)에 설치되어 있고, 스토리지 탱크(150)에 있어서 맥동이 제거된 복귀가스의 압력을 측정한다. 제1 압력센서(164)는 저압배관(142)의 임의의 위치에 설치되어 있어도 된다. 제2 압력센서(166)는 오일 세퍼레이터(154)와 흡착기(156) 사이에 설치되어 있다. 제2 압력센서(166)는 고압배관(144)의 임의의 위치에 설치되어 있어도 된다.
다만, 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)는, 제1 압축기유닛(102)의 외부에 설치되어 있어도 되고, 예컨대 제1 흡입배관(132) 및 제1 토출배관(128)에 설치되어 있어도 된다. 또한, 바이패스 기구(152)도 제1 압축기유닛(102)의 외부에 설치되어 있어도 되고, 예컨대 제1 흡입배관(132)과 제1 토출배관(128)을 바이패스 배관(158)이 접속하고 있어도 된다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 크라이오펌프 시스템(1000)에 관한 제어블록도이다. 도 4는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프 시스템(1000)의 주요 부분을 나타내고 있다. 복수의 크라이오펌프(10) 중 하나에 대하여 내부의 상세를 나타내고, 다른 크라이오펌프(10)에 대해서는 마찬가지이므로 도시를 생략한다. 마찬가지로, 제1 압축기유닛(102)에 대하여 상세를 나타내고, 제2 압축기유닛(104)은 그와 마찬가지이므로 내부의 도시를 생략한다.
CP 컨트롤러(100)는 상기 서술한 바와 같이, 각 크라이오펌프(10)의 IO모듈(50)에 통신 가능하게 접속되어 있다. IO모듈(50)은, 냉동기 인버터(52) 및 신호처리부(54)를 포함한다. 냉동기 인버터(52)는 외부전원 예컨대 상용전원으로부터 공급되는 규정된 전압 및 주파수의 전력을 조정하여 냉동기모터(26)에 공급한다. 냉동기모터(26)에 공급되어야 할 전압 및 주파수는 CP 컨트롤러(100)에 의하여 제어된다.
CP 컨트롤러(100)는 센서 출력신호에 근거하여 제어출력을 결정한다. 신호처리부(54)는, CP 컨트롤러(100)로부터 송신된 제어출력을 냉동기 인버터(52)에 중계한다. 예컨대, 신호처리부(54)는 CP 컨트롤러(100)로부터의 제어신호를 냉동기 인버터(52)에서 처리 가능한 신호로 변환하여 냉동기 인버터(52)에 송신한다. 제어신호는 냉동기모터(26)의 운전주파수를 나타내는 신호를 포함한다. 또한, 신호처리부(54)는, 크라이오펌프(10)의 각종 센서의 출력을 CP 컨트롤러(100)에 중계한다. 예컨대, 신호처리부(54)는 센서 출력신호를 CP 컨트롤러(100)에서 처리 가능한 신호로 변환하여 CP 컨트롤러(100)에 송신한다.
IO모듈(50)의 신호처리부(54)에는, 제1 온도센서(23) 및 제2 온도센서(25)를 포함한 각종 센서가 접속되어 있다. 상기 서술한 바와 같이 제1 온도센서(23)는 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)의 온도를 측정하고, 제2 온도센서(25)는 냉동기(12)의 제2 냉각스테이지(24)의 온도를 측정한다. 제1 온도센서(23) 및 제2 온도센서(25)는 각각, 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)의 온도를 주기적으로 측정하고, 측정온도를 나타내는 신호를 출력한다. 제1 온도센서(23) 및 제2 온도센서(25)의 측정치는, 소정 시간간격으로 CP 컨트롤러(100)에 입력되어, CP 컨트롤러(100)의 소정 기억영역에 격납 보존된다.
CP 컨트롤러(100)는, 크라이오패널의 온도에 근거하여 냉동기(12)를 제어한다. CP 컨트롤러(100)는, 크라이오패널의 실(實) 온도가 목표온도에 추종하도록 냉동기(12)에 운전지령을 준다. 예컨대, CP 컨트롤러(100)는, 제1단 크라이오패널의 목표온도와 제1 온도센서(23)의 측정온도의 편차를 최소화하도록 피드백제어에 의하여 냉동기모터(26)의 운전주파수를 제어한다. 냉동기모터(26)의 운전주파수에 따라서 냉동기(12)의 열사이클의 주파수가 정하여진다. 제1단 크라이오패널의 목표온도는 예컨대, 진공챔버(80)에서 행하여지는 프로세스에 따라서 사양(스팩)으로서 정하여진다. 이 경우, 냉동기(12)의 제2 냉각스테이지(24) 및 패널구조체(14)는, 냉동기(12)의 사양 및 외부로부터의 열부하에 의하여 정하여지는 온도로 냉각된다.
제1 온도센서(23)의 측정온도가 목표온도보다 고온인 경우에는, CP 컨트롤러(100)는, 냉동기모터(26)의 운전주파수를 증가시키도록 IO모듈(50)에 지령치를 출력한다. 모터 운전주파수의 증가에 연동하여 냉동기(12)에 있어서의 열사이클의 주파수도 증가되어, 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)는 목표온도를 향하여 냉각된다. 반대로 제1 온도센서(23)의 측정온도가 목표온도보다 저온인 경우에는, 냉동기모터(26)의 운전주파수는 감소되어 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)는 목표온도를 향하여 승온된다.
통상은, 제1 냉각스테이지(22)의 목표온도는 일정치로 설정된다. 따라서, CP 컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10)에의 열부하가 증가하였을 때에 냉동기모터(26)의 운전주파수를 증가시키도록 지령치를 출력하고, 크라이오펌프(10)에의 열부하가 감소하였을 때에 냉동기모터(26)의 운전주파수를 감소시키도록 지령치를 출력한다. 다만, 목표온도는 적절히 변동시켜도 되고, 예컨대, 목표로 하는 분위기압력을 배기대상 용적에 실현하도록 크라이오패널의 목표온도를 축차 설정하도록 하여도 된다. 또한 CP 컨트롤러(100)는, 제2단의 크라이오패널의 실 온도를 목표온도에 일치시키도록 냉동기모터(26)의 운전주파수를 제어하여도 된다.
전형적인 크라이오펌프에 있어서는, 열사이클의 주파수는 항상 일정하게 되어 있다. 상온으로부터 펌프 동작온도로의 급냉각을 가능하게 하도록 비교적 큰 주파수로 운전하도록 설정되고, 외부로부터의 열부하가 작은 경우에는 히터에 의하여 가열함으로써 크라이오패널의 온도를 조정한다. 따라서, 소비전력이 커진다. 이와 대비하여 본 실시형태에 있어서는, 크라이오펌프(10)에의 열부하에 따라서 열사이클 주파수를 제어하기 때문에, 에너지절약에 우수한 크라이오펌프를 실현할 수 있다. 또한, 히터를 반드시 설치할 필요가 없어지는 것도 소비전력의 저감에 기여한다.
CP 컨트롤러(100)는, 압축기 컨트롤러(168)에 통신 가능하게 접속되어 있다. 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프 시스템(1000)의 제어부는, CP 컨트롤러(100) 및 압축기 컨트롤러(168)를 포함하는 복수의 컨트롤러로 구성되어 있다. 다른 한 실시예에 있어서는, 크라이오펌프 시스템(1000)의 제어부는 단일의 CP 컨트롤러(100)에 의하여 구성되어 있어도 되고, 압축기유닛(102, 104)에는 압축기 컨트롤러(168) 대신에 IO모듈을 설치하여도 된다. 이 경우 IO모듈은 CP 컨트롤러(100)와 압축기유닛(102, 104)의 각 구성요소 사이에서 제어신호를 중계한다.
압축기 컨트롤러(168)는, CP 컨트롤러(100)로부터의 제어신호에 근거하여, 또는 CP 컨트롤러(100)로부터 독립하여, 제1 압축기유닛(102)을 제어한다. 한 실시예에 있어서는, 압축기 컨트롤러(168)는, CP 컨트롤러(100)로부터 각종 설정치를 나타내는 신호를 수신하고, 그 설정치를 사용하여 제1 압축기유닛(102)을 제어한다. 압축기 컨트롤러(168)는 센서 출력신호에 근거하여 제어출력을 결정한다. 압축기 컨트롤러(168)는, CP 컨트롤러(100)와 마찬가지로, 각종 연산처리를 실행하는 CPU, 각종 제어프로그램을 격납하는 ROM, 데이터 격납이나 프로그램 실행을 위한 작업영역으로서 이용되는 RAM, 입출력 인터페이스, 메모리 등을 구비한다.
또한, 압축기 컨트롤러(168)는, 제1 압축기유닛(102)의 운전상태를 나타내는 신호를 CP 컨트롤러(100)에 송신한다. 운전상태를 나타내는 신호는 예컨대, 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)의 측정압력, 릴리프밸브(162)의 개도(開度) 또는 제어전류, 압축기모터(172)의 운전주파수 등을 포함한다.
제1 압축기유닛(102)은, 압축기 인버터(170) 및 압축기모터(172)를 포함한다. 압축기모터(172)는, 압축기본체(140)를 동작시키고 운전주파수가 가변인 모터로서, 압축기본체(140)에 설치되어 있다. 냉동기모터(26)와 마찬가지로 압축기모터(172)로서 각종의 모터를 채용할 수 있다. 압축기 컨트롤러(168)는, 압축기 인버터(170)를 제어한다. 압축기 인버터(170)는 외부전원 예컨대 상용전원으로부터 공급되는 규정된 전압 및 주파수의 전력을 조정하여 압축기모터(172)에 공급한다. 압축기모터(172)에 공급되어야 할 전압 및 주파수는 압축기 컨트롤러(168)에 의하여 결정된다.
압축기 컨트롤러(168)에는, 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)를 포함하는 각종 센서가 접속되어 있다. 상기 서술한 바와 같이 제1 압력센서(164)는 압축기본체(140) 흡입측의 압력을 주기적으로 측정하고, 제2 압력센서(166)는 압축기본체(140)의 토출측의 압력을 주기적으로 측정한다. 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)의 측정치는, 소정 시간간격으로 압축기 컨트롤러(168)에 입력되어, 압축기 컨트롤러(168)의 소정 기억영역에 격납 보존된다.
압축기 컨트롤러(168)에는, 상기 서술한 릴리프밸브(162)가 접속되어 있다. 릴리프밸브(162)를 구동하기 위한 릴리프밸브 드라이버(174)가 릴리프밸브(162)에 부수되어 설치되어 있고, 릴리프밸브 드라이버(174)가 압축기 컨트롤러(168)에 접속되어 있다. 압축기 컨트롤러(168)는 릴리프밸브(162)의 개도를 결정하고, 그 개도를 나타내는 제어신호를 릴리프밸브 드라이버(174)에 준다. 릴리프밸브 드라이버(174)는, 릴리프밸브(162)를 그 개도로 제어한다. 이렇게 하여 바이패스 기구(152)의 작동기체 유량이 제어된다. 릴리프밸브 드라이버(174)는, 압축기 컨트롤러(168)에 포함되어 있어도 된다.
압축기 컨트롤러(168)는, 압축기유닛(102)의 출입구 사이의 차압(差壓)(이하에서는 압축기 차압이라고 하는 경우도 있다)을 목표차압으로 유지하도록 압축기본체(140)를 제어한다. 예컨대, 압축기 컨트롤러(168)는, 압축기유닛(102)의 출입구 사이의 차압을 일정치로 하도록 피드백제어를 실행한다. 한 실시예에 있어서는, 압축기 컨트롤러(168)는, 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)의 측정치로부터 압축기 차압을 구한다. 압축기 컨트롤러(168)는, 압축기 차압을 목표치에 일치시키도록 압축기모터(172)의 운전주파수를 결정한다. 압축기 컨트롤러(168)는, 그 운전주파수를 실현하도록 압축기 인버터(170)를 제어한다.
이러한 차압일정 제어에 의하여, 한층 소비전력의 저감이 실현된다. 크라이오펌프(10) 및 냉동기(12)에의 열부하가 작은 경우에는, 상기 서술한 크라이오패널 온도조절 제어에 의하여 냉동기(12)에서의 열사이클 주파수는 작아진다. 그렇게 하면, 냉동기(12)에서 필요하게 되는 작동기체 유량은 작아지기 때문에, 압축기유닛(102)의 출입구간 차압은 확대되려고 한다. 그러나, 본 실시형태에서는 압축기 차압을 일정하게 하도록 압축기모터(172)의 운전주파수가 제어된다. 이 경우, 차압을 목표치로 축소하도록 압축기모터(172)의 운전주파수는 작아진다. 따라서, 전형적인 크라이오펌프와 같이 항상 일정한 운전주파수로 압축기를 운전하는 경우에 비하여, 소비전력을 저감시킬 수 있다.
한편, 크라이오펌프(10)에의 열부하가 커졌을 때에는, 압축기 차압을 일정하게 하도록 압축기모터(172)의 운전주파수가 증가된다. 이로 인하여, 냉동기(12)로의 작동기체 유량을 충분히 확보할 수 있으므로, 열부하의 증가에 기인하는 크라이오패널 온도의 목표온도로부터의 괴리를 최소한으로 억제할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 차압일정 제어의 제어플로우를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에는 한 실시예에 관한 제어플로우의 개요가 나타나 있다. 제어출력으로서 압축기모터(172)의 운전주파수와 릴리프밸브(162)의 개도를 조합하여 차압일정 제어가 실행된다. 다른 한 실시예에 있어서는, 압축기모터(172)의 운전주파수 및 릴리프밸브(162)의 개도 중 일방을 제어출력으로 하여 차압일정 제어가 실행되어도 된다.
도 5에 나타나는 제어처리는, 크라이오펌프(10)의 운전 중에 소정 주기로 압축기 컨트롤러(168)에 의하여 반복 실행된다. 이 처리는, 각 압축기유닛(102, 104)각각의 압축기 컨트롤러(168)에 있어서 다른 압축기유닛(102, 104)으로부터 독립하여 실행된다. 도 5에 있어서는 압축기 컨트롤러(168)에 있어서의 연산처리를 나타내는 부분을 파선으로 구획하고, 압축기유닛(102, 104)의 하드웨어의 동작을 나타내는 부분을 일점쇄선으로 구획하고 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 압축기 컨트롤러(168)에는 목표차압이 미리 설정되어 입력되어 있다. 목표차압은 예컨대 CP 컨트롤러(100)에 있어서 설정되고, 압축기 컨트롤러(168)에 주어진다. 제1 압력센서(164)에 의하여 흡입측의 측정압(PL)이 측정되고, 제2 압력센서(166)에 의하여 토출측의 측정압(PH)이 측정되어, 각 센서로부터 압축기 컨트롤러(168)에 주어진다. 통상의 동작시에는 제1 압력센서(164)의 측정압(PL) 쪽이 제2 압력센서(166)의 측정압(PH)보다 저압이다.
압축기 컨트롤러(168)는, 토출측 측정압(PH)에서 흡입측 측정압(PL)을 빼서 측정차압(ΔP)을 구하고, 또한 설정차압(ΔP0)에서 측정차압(ΔP)을 빼서 차압편차(e)를 구한다. 압축기 컨트롤러(168)는, 예컨대 PID 연산을 포함하는 소정 제어출력 연산처리에 의하여 차압편차(e)로부터 제어출력(D)을 산출한다.
압축기 컨트롤러(168)는, 압축기 인버터(170)에 주는 제어출력(D1)과 릴리프밸브(162)에 주는 제어출력(D2)으로 제어출력(D)을 배분하는 출력배분 처리를 행한다. 한 실시예에 있어서는, 압축기 컨트롤러(168)는, 제어출력(D)이 소정 임계치보다 작은 경우에 제어출력(D)의 대부분을 릴리프밸브 제어출력(D2)에 할당하여도 된다. 예컨대 제어출력(D) 중, 압축기의 운전에 필요한 최소한의 제어출력을 인버터 제어출력(D1)에 할당하고, 나머지 모든 제어출력을 릴리프밸브 제어출력(D2)에 할당하여도 된다. 또한, 제어출력(D)이 그 임계치 이상인 경우에 제어출력(D)을 모두 인버터 제어출력(D1)에 할당하여도 된다(즉 D = D1).
이와 같이 하면, 필요하게 되는 제어출력이 비교적 작은 경우에는 릴리프밸브의 제어에 의하여 고압측으로부터 저압측으로 압이 도피되어 압축기 차압이 원하는 값으로 조정된다. 반면, 필요하게 되는 제어출력이 비교적 큰 경우에는 인버터 제어에 의하여 압축기의 운전이 조정되어 필요한 운전상태가 실현된다. 다만, 인버터 제어와 릴리프밸브 제어를 어느 임계치에서 바꾸는 대신에, 제어출력(D)이 임계치를 포함하는 중간범위에 있는 경우에, 혹은 제어출력(D)의 전 범위에 걸쳐서, 제어출력(D)을 인버터 제어출력(D1)과 릴리프밸브 제어출력(D2)으로 분배하도록 하여도 된다.
압축기 컨트롤러(168)는, 압축기 인버터(170)에 주는 지령치(E)를 인버터 제어출력(D1)으로부터 연산하고, 릴리프밸브 드라이버(174)에 주는 지령치(R)를 릴리프밸브 제어출력(D2)으로부터 연산한다. 인버터 지령치(E)는 압축기 인버터(170)에 주어지고, 그 지령에 따라서 압축기본체(140) 즉 압축기모터(172)의 운전주파수가 제어된다. 또한, 릴리프밸브 지령치(R)는 릴리프밸브 드라이버(174)에 주어지고, 그 지령에 따라서 릴리프밸브(162)의 개도가 제어된다. 압축기본체(140) 및 릴리프밸브(162)의 동작상태, 및 관련된 배관이나 탱크 등의 특성에 따라서 작동기체인 헬륨의 압력이 정하여진다. 이렇게 하여 정하여진 헬륨 압력이 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)에 의하여 측정된다.
이와 같이 하여, 각 압축기유닛(102, 104)에 있어서는 각각의 압축기 컨트롤러(168)에 의하여 독립적으로 차압일정 제어가 실행된다. 압축기 컨트롤러(168)는, 차압편차(e)를 최소화하도록 (바람직하게는 제로로 하도록) 피드백제어를 실행한다. 압축기 컨트롤러(168)는, 압축기의 운전주파수를 조작량으로 하는 인버터 제어모드와, 릴리프밸브 개도를 조작량으로 하는 릴리프밸브 제어모드를 전환하여, 또는 병용하여 피드백제어를 행한다.
한 실시예에 있어서는, 설정 목표차압은, 후술하는 설정치조정을 제외하고 일정하게 유지된다. 또한, 목표차압 이외의 설정치가 조정되어도 된다. 예컨대 제어출력을 연산하는 PID 연산에 사용되는 게인이나, 제어출력배분 처리에 있어서의 배분비율이나 상기 서술한 임계치 등, 제어출력을 결정하기 위하여 사용되는 임의의 설정치가 조정되어도 된다. 다만, 어떤 제어모드에서도 설정치조정이 이루어져도 되지만, 적어도 인버터 제어모드에 있어서 설정치조정을 하는 것이 바람직하다.
도 5에 나타내는 편차(e)는 차압의 편차로 한정되지 않는다. 한 실시예에 있어서는, 압축기 컨트롤러(168)는, 토출측 측정압(PH)과 설정압의 편차로부터 제어출력을 연산하는 토출압 제어를 실행하여도 된다. 이 경우, 설정압은, 압축기의 토출측압력의 상한치이어도 된다. 압축기 컨트롤러(168)는, 토출측 측정압(PH)이 이 상한치를 상회하였을 때에 토출측 측정압(PH)과의 편차로부터 제어출력을 연산하여도 된다. 상한치는 예컨대 크라이오펌프(10)의 배기능력을 보증하는 압축기의 최고토출압에 근거하여 적절히 경험적 또는 실험적으로 설정하여도 된다. 이와 같이 하면, 토출압의 과도한 상승을 억제하여, 안전성을 보다 높이는 것이 가능하여진다.
또한, 한 실시예에 있어서는, 압축기 컨트롤러(168)는, 흡입측 측정압(PL)과 설정압의 편차로부터 제어출력을 연산하는 흡입압 제어를 실행하여도 된다. 이 경우, 설정압은, 압축기의 흡입측 압력의 하한치이어도 된다. 압축기 컨트롤러(168)는, 흡입측 측정압(PL)이 이 하한치를 하회하였을 때에 흡입측 측정압(PL)과의 편차로부터 제어출력을 연산하여도 된다. 하한치는 예컨대 크라이오펌프(10)의 배기능력을 보증하는 압축기의 최저흡입압에 근거하여 적절히 경험적 또는 실험적으로 설정하여도 된다. 이와 같이 하면, 흡입압의 저하에 수반하는 작동기체 유량의 저하에 기인하는 압축기본체의 과도한 온도상승을 억제하는 것이 가능하여진다. 압축기 컨트롤러(168)는, 측정압에 근거하여 상기 서술한 차압일정 제어, 토출압 제어, 및 흡입압 제어를 선택하여 실행하여도 된다. 후술하는 설정치조정은, 어느 하나의 제어가 선택되어 있을 때에도 실행되어도 된다.
그런데, 도 1에 나타내는 바와 같이 복수 대의 압축기유닛을 병렬로 크라이오펌프 시스템(1000)에 적용한 경우에는, 각 압축기유닛은 공통의 부하(즉 복수의 크라이오펌프(10))를 균등하게 분담하게 된다. 따라서, 각 압축기유닛의 운전상태는 대체로 동일하게 되는 것이 기대된다.
그러나, 실제로는, 각 압축기유닛의 운전주파수가 시간과 함께 괴리되는 현상이 발생하는 것을 본 발명자는 발견하였다. 2대의 압축기를 크라이오펌프 시스템(1000)에 있어서 어느 시간 계속하여 병렬로 운전하였을 때에 일방의 압축기의 운전주파수가 타방의 압축기보다 항상 높아지는 경향을 가지는 것이 관찰되었다. 예컨대 운전개시 당초에는 모두 50Hz의 운전주파수이었음에도 불구하고, 그 후 일방이 30Hz의 운전으로 떨어지고 타방이 70Hz의 고부하 운전이 되었다. 일방의 압축기가 계속적으로 높은 부하에 노출되게 되어, 시스템 전체의 수명 장기화에 불리하여질 수 있다.
이 괴리는 압축기의 개체차에 기인한다고 생각된다. 개체차는, 압축기본체 또는 그에 부수되어 설치되어 있는 센서나 기타 기기류의 개체차를 포함한다. 혹은, 각 압축기와 크라이오펌프를 접속하는 개별적인 배관의 물리적인 차이, 예컨대 길이나 경로의 차이에 기인한다고 생각된다.
따라서, 본 발명의 한 실시형태에 있어서는, 압축기유닛의 개체차를 보상하도록 제어 상의 설정을 변경한다. 이로써, 복수의 압축기유닛의 운전상태를 평준화할 수 있어서, 특정 압축기가 집중적으로 운전되는 것을 피하고 각각의 압축기에서 적절히 부하를 분담할 수 있다. 압축기유닛의 접속대상인 장치의 성능에 실질적으로 아무런 영향을 미치지 않는 정도의 설정의 미(微)조정에 의하여, 개체차에 기인하는 운전상태의 괴리를 충분히 억제하는 것이 가능하다는 것이 실험적으로 확인되고 있다.
도 6은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 설정치조정 처리를 설명하기 위한 플로우차트이다. 도 6에 나타나는 처리는, 복수 대의 압축기유닛이 동시에 운전되고 있을 때에 소정 주기로 CP 컨트롤러(100)에 의하여 반복 실행된다. CP 컨트롤러(100)는, 각 압축기유닛의 압축기 컨트롤러(168)의 제어출력을 감시하는 상위 컨트롤러로서 기능한다. CP 컨트롤러(100)는, 상대적으로 큰 제어출력의 압축기유닛이 존재하는 경우에, 어느 하나의 압축기유닛에 관련되는 설정치를 미조정하여, 각 압축기유닛의 제어출력이 결과적으로 동일하여지도록 하고 있다.
다만, 운전되고 있는 압축기유닛이 1대뿐이 되었을 때는 조정처리는 중지되고, 다시 복수 대의 운전이 개시되었을 때에 조정처리가 재개된다. 또한, 차압일정 제어가 실행되고 있을 때에 조정처리가 행하여 지는 것이 바람직하다. 이 조정처리는, 압축기유닛의 접속대상인 장치의 상태에 관계없이 실행되어도 된다. 예컨대, 크라이오펌프(10)가 통상의 배기운전 중인지 재생운전 중인지에 관계없이 실행되어도 된다.
도 6에 나타내는 바와 같이, CP 컨트롤러(100)는, 판정시간이 경과되었는지 아닌지를 판정한다(S10). 이 판정시간은, 복수의 압축기유닛 사이에서 운전상태가 어느 정도 괴리되는데 요하는 시간으로서 실험적으로 또는 경험적으로 적절히 설정할 수 있다. 예컨대 1시간이다. 전회의 처리로부터의 경과시간이 판정시간을 넘지 않은 경우에는(S10의 N), CP 컨트롤러(100)는 처리를 종료한다.
전회의 처리로부터의 경과시간이 판정시간에 이르고 있는 경우에는(S10의 Y), CP 컨트롤러(100)는, 복수의 압축기유닛 사이에서 제어출력의 괴리가 크게 되어 있는지 아닌지를 판정한다(S12). 예컨대, 2대의 압축기유닛이 동시에 운전되고 있는 상태에 있어서는, CP 컨트롤러(100)는, 그들 2대의 압축기유닛의 제어출력의 차가 임계치를 넘는지 아닌지를 판정한다. 이 임계치는, 2대의 압축기유닛에 허용할 수 있는 제어출력차로서 적절히 설정할 수 있다. 제어출력은 예컨대, 압축기 인버터(170)로의 제어출력 또는 압축기모터(172)의 운전주파수이어도 된다. 제어출력은 릴리프밸브 드라이버(174)로의 제어출력 또는 릴리프밸브(162)의 제어전류이어도 된다.
3대 이상의 압축기유닛이 동시에 운전되고 있는 상태에 있어서는, 예컨대 최대의 제어출력의 압축기유닛과 최소의 제어출력의 압축기유닛의 제어출력의 차가 임계치를 넘는지 아닌지를 판정하여도 된다. 혹은, 최대의 제어출력의 압축기유닛의 제어출력과, 각 압축기유닛의 제어출력의 평균치의 차가 임계치를 넘는지 아닌지를 판정하여도 된다. 즉, CP 컨트롤러(100)는, 상대적으로 고부하의 운전상태에 있는 압축기유닛이 존재하는지 아닌지를 판정하기 위한 어떠한 판정기준을 이용하여도 된다.
복수의 압축기유닛 사이에서 제어출력의 괴리가 작다고 판정되었을 경우에는(S12의 N), CP 컨트롤러(100)는 본 조정처리를 종료한다. 한편, 복수의 압축기유닛 사이에서 제어출력의 괴리가 크다고 판정되었을 경우에는(S12의 Y), CP 컨트롤러(100)는, 설정치의 조정처리를 실행한다(S14). 한 실시예에 있어서는, 차압일정 제어의 목표차압(ΔP0)을 조정한다(도 5 참조). 조정처리에 의하여 설정치를 변경하면, CP 컨트롤러(100)는 본 조정처리를 종료한다.
한 실시예에 있어서는, CP 컨트롤러(100)는, 도 7에 나타내는 조정테이블에 따라서 조정처리를 실행한다. CP 컨트롤러(100)는, 압축기 컨트롤러(168)의 예컨대 메모리에 보존되어 있는 설정치를 조정테이블에 따라서 갱신한다. 도 7은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 조정처리에서 사용되는 조정테이블을 나타내는 도면이다. 도 7에 나타내는 테이블은 2대의 압축기유닛이 동시에 운전되고 있는 상태에 있어서 사용되는 조정테이블의 일례다. 도 7에 나타내는 테이블에 기재되는 기호 A는 1대째의 압축기유닛을 나타내고, 기호 B는 2대째의 압축기유닛을 나타낸다. 도 7에 나타내는 테이블의 좌측란은, (i) 2대의 압축기유닛의 설정 목표차압이 동일한 경우의 조정법을 나타낸다. 테이블의 중앙란은, (ii) 일방의 압축기유닛(A) 쪽이 설정 목표차압이 큰 경우를 나타내고, 테이블의 우측란은, (iii) 타방의 압축기유닛(B) 쪽이 설정 목표차압이 큰 경우를 나타낸다.
어느 경우에 있어서도 2대의 압축기유닛(A, B)의 제어출력의 일례로서의 운전주파수의 차가 소정치(도 7에 있어서는 10Hz)보다 작은 경우에는, 목표차압(ΔP0)을 변경하지 않고 일정하게 유지한다. 운전주파수의 차가 작으면 운전상태의 괴리가 없다고 평가할 수 있으므로, 조정할 필요도 없기 때문이다.
운전주파수의 차가 소정치(도 7에 있어서는 10Hz) 이상인 경우를 설명한다. (i) 2대의 압축기유닛의 설정 목표차압이 동일한 경우에는, 일방의 압축기유닛(A) 쪽이 운전주파수가 작을 때는 타방의 압축기유닛(B)의 목표차압(ΔP0)을 0.01[MPa] 작게 한다. 목표차압(ΔP0)은 예컨대 약 1.5[MPa]이다. 반대로, 일방의 압축기유닛(A) 쪽이 운전주파수가 클 때는 그 압축기유닛(A)의 목표차압(ΔP0)을 0.01[MPa] 작게 한다.
즉, 2대의 압축기유닛의 설정 목표차압이 동일한 경우에는, 운전주파수가 큰 쪽의 목표차압을 약간 작게 하고 있다. 목표차압을 작게 함으로써 압축기모터의 운전주파수를 결과적으로 작게 할 수 있다. 따라서, 2대의 압축기유닛의 운전상태를 근접시킬 수 있다. 다만, 운전주파수가 작은 쪽의 목표차압을 약간 크게 함으로써, 2대의 압축기유닛의 운전상태를 근접시키는 것도 가능하다.
(ii) 압축기유닛(A) 쪽이 설정 목표차압이 큰 경우에는, 그 압축기유닛(A)의 목표차압은 유지하고, 타방의 압축기유닛(B)의 목표차압을 조정한다. 구체적으로는, 압축기유닛(A) 쪽이 운전주파수가 작을 때는 압축기유닛(B)의 목표차압(ΔP0)을 0.01[MPa] 작게 한다. 반대로, 압축기유닛(A) 쪽이 운전주파수가 클 때는 압축기유닛(B)의 목표차압(ΔP0)을 0.01[MPa] 크게 한다.
(iii) 압축기유닛(B) 쪽이 설정 목표차압이 큰 경우에도, (ii)와 마찬가지로, 그 압축기유닛(B)의 목표차압은 유지하고, 압축기유닛(A)의 목표차압을 조정한다. 구체적으로는, 압축기유닛(A) 쪽이 운전주파수가 작을 때는 압축기유닛(A)의 목표차압(ΔP0)을 0.01[MPa] 크게 한다. 반대로, 압축기유닛(A) 쪽이 운전주파수가 클 때는 압축기유닛(A)의 목표차압(ΔP0)을 0.01[MPa] 작게 한다.
이와 같이 하여, 복수의 압축기유닛 중 상대적으로 작은 목표차압이 설정되어 있는 압축기유닛의 목표차압이 조정된다. CP 컨트롤러(100)는, 상대적으로 작은 목표차압이 설정되어 있는 압축기유닛과 다른 압축기유닛의 운전주파수의 차를 작게 하도록 그 압축기유닛의 목표차압을 조정한다. 다만 상대적으로 큰 목표차압이 설정되어 있는 압축기유닛의 목표차압을 조정하여 다른 압축기유닛과의 운전주파수의 차를 작게 하는 것도 가능하다.
3대 이상의 압축기유닛이 동시에 운전되고 있는 상태에 있어서는, 예컨대 최대의 제어출력의 압축기유닛과 최소의 제어출력의 압축기유닛에 대하여 도 7에 나타내는 조정테이블을 적용하여도 된다.
1회의 조정처리에 있어서의 설정치의 조정량은, 압축기의 접속대상인 크라이오펌프(10)의 배기성능의 변화가 허용범위 내인 것이 보증되는 조정량인 것이 바람직하다. 즉, 1회의 조정량은, 냉동기(12)의 냉동능력의 변화가 허용범위 내인 것이 보증되는 최대조정량보다 작은 것이 바람직하다. 바람직하게는, 냉동기(12) 또는 크라이오펌프(10)에의 성능에 영향을 주지 않는 것이 보증되는 조정량이 된다. 이와 같이 하면, 냉동기(12) 또는 크라이오펌프(10)에의 성능에 실질적으로 영향을 미치지 않고 압축기를 조정할 수 있다. 한 실시예에 있어서는, 설정치의 조정량은 그 설정치의 많아도 10% 이내, 바람직하게는 5% 이내, 보다 바람직하게는 1% 이내의 크기이다. 상기 서술한 약 1.5[MPa]의 목표차압에 대한 0.01[MPa]의 조정량은, 크라이오펌프 성능에 영향을 주지 않는 조정량의 일례이다.
또한, 복수 회의 조정처리에 의한 합계의 조정량에 제한이 설정되어 있어도 된다. 예컨대, 합계의 조정량에 상한치 또는 하한치를 설정하거나, 또는 설정치에 조정 허용범위를 설정함으로써, 조정범위가 제한되어 있어도 된다. 한 실시예에 있어서는, 설정치의 조정 허용범위는, 설정치의 당초의 값을 기준으로 하여 많아도 10% 이내, 바람직하게는 5% 이내, 보다 바람직하게는 2% 이내의 범위이다.
도 8은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 조정처리의 결과의 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도시되는 바와 같이, 본 발명의 한 실시형태에 관한 제어를 개시하고나서 판정시간인 1시간이 경과하였을 때, 일방의 압축기(A)는 60Hz의 운전주파수로 운전되고, 타방의 압축기(B)는 40Hz로 운전되고 있다. 운전상태에 괴리가 있다고 판정되어, 도 7에 나타내는 조정테이블에 따라서 압축기(B)의 목표차압이 0.01[MPa]만큼 커진다. 그 결과로서, 다음 조정 타이밍에 있어서는 2대의 압축기의 운전주파수가 모두 50[Hz]로 수속되어, 운전상태가 평준화되고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 한 실시형태에 의하면, 복수 대의 압축기유닛을 차압일정 제어로 병렬운전하고 있을 때에, 그들의 제어출력을 감시하고, 최대조정량의 범위 내에서 목표차압을 미조정하여, 각 압축기유닛의 제어출력이 결과적으로 동일하여지도록 하고 있다. 최대조정량은, 압축기의 작동기체 공급대상인 장치의 성능에 주는 영향이 실질적으로 없거나 충분히 작다고 간주되는 조정량이다. 이와 같이 하여, 복수 대의 압축기유닛의 개체차에 기인하는 운전상태의 괴리를 억제하여, 시스템 전체로서의 수명 장기화를 도모할 수 있다.
10 크라이오펌프, 12 냉동기, 14 패널구조체, 16 열실드, 22 제1 냉각스테이지, 23 제1 온도센서, 24 제2 냉각스테이지, 25 제2 온도센서, 26 냉동기모터, 28 폐색부, 31 개구부, 32 배플, 100 CP 컨트롤러, 102 제1 압축기유닛, 104 제2 압축기유닛, 140 압축기본체, 164 제1 압력센서, 166 제2 압력센서, 168 압축기 컨트롤러, 172 압축기모터, 1000 크라이오펌프 시스템.

Claims (8)

  1. 복수의 크라이오펌프와,
    상기 복수의 크라이오펌프에 작동기체를 공급하기 위하여, 각각이 제어출력에 따라서 병렬로 운전되는 복수의 압축기유닛과,
    상기 복수의 압축기유닛의 각각에 대한 제어출력을 결정하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 복수의 압축기유닛 중 적어도 하나의 압축기유닛에 대하여 상기 제어출력을 결정하기 위하여 사용되는 설정치를, 각 압축기유닛의 운전상태를 평준화하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 압축기유닛의 각각은, 압축기본체와, 상기 압축기본체를 동작시키고 운전주파수가 가변인 압축기모터를 구비하고, 상기 운전주파수는 상기 제어부에 의하여 결정되고,
    상기 제어부는, 상기 복수의 압축기유닛 중 어느 하나의 압축기유닛의 운전주파수와 상기 압축기유닛과는 다른 압축기유닛의 운전주파수의 차를 작게 하도록, 상기 압축기유닛 및 상기 다른 압축기유닛 중의 적어도 일방에 대하여 상기 설정치를 조정하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 각 압축기유닛에 관련되는 측정치를 각 압축기유닛에 대하여 설정되어 있는 목표치에 가까워지도록 상기 제어출력을 결정하고, 상기 설정치는 상기 목표치인 것을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 각 압축기유닛에 있어서의 흡입측과 토출측의 차압을 목표차압에 일치시키도록 각 압축기유닛으로의 제어출력을 결정하는 차압일정 제어를 실행할 수 있고, 상기 차압일정 제어를 실행하고 있을 때에 상기 적어도 하나의 압축기유닛의 목표차압을 조정하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 조정에 의한 상기 복수의 크라이오펌프의 배기성능의 변화가 허용범위 내인 것이 보증되는 조정량에 의하여, 상기 적어도 하나의 압축기유닛의 설정치를 조정하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 크라이오펌프와 상기 복수의 압축기유닛을 접속하고, 상기 복수의 크라이오펌프와 상기 복수의 압축기유닛 사이의 작동기체의 급배를 집약하는 공통라인과,
    상기 복수의 압축기유닛의 각각을 상기 공통라인에 접속하는 복수의 개별배관을 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
  7. 복수의 크라이오펌프에 작동기체를 공급하기 위하여 병렬로 운전되는 복수의 압축기의 제어방법으로서,
    상기 복수의 압축기의 각각에 대한 제어출력을 결정하는 스텝과,
    상기 복수의 압축기 중 적어도 하나의 압축기에 대하여 상기 제어출력을 결정하기 위하여 사용되는 설정치를 조정함으로써 각 압축기의 운전상태를 평준화하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 복수의 압축기의 제어방법.
  8. 복수의 크라이오펌프와,
    상기 복수의 크라이오펌프에 작동기체를 공급하기 위하여, 각각이 제어출력에 따라서 병렬로 운전되는 복수의 압축기유닛과,
    상기 복수의 압축기유닛의 각각에 대한 제어출력을, 상기 복수의 압축기유닛의 운전상태를 평준화하도록 결정하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
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