KR101652909B1 - 크라이오펌프시스템, 및 크라이오펌프시스템의 운전방법 - Google Patents

크라이오펌프시스템, 및 크라이오펌프시스템의 운전방법 Download PDF

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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

크라이오펌프시스템의 에너지절약성능을 향상시킨다.
크라이오펌프시스템(100)에 있어서, 크라이오펌프(10)는, 저온 냉각스테이지 및 고온 냉각스테이지를 구비하는 냉동기(12)와, 저온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 저온 크라이오패널과, 고온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 고온 크라이오패널을 구비한다. 압축기유닛(50)은, 냉동기(12)에 공급되는 작동가스를 압축하는 압축기본체(52)를 구비하며, 압축기본체(52)의 운전주파수가 가변이다. 압축기유닛(50)은, 압축기본체(52)의 고압과 저압과의 압력비가 1.6부터 2.5의 범위에서 운전된다.

Description

크라이오펌프시스템, 및 크라이오펌프시스템의 운전방법{Cryo pump system and operating method of cryo pump system}
본 출원은 2013년 11월 20일에 출원된 일본 특허출원 제2013-239757호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 크라이오펌프시스템, 및 크라이오펌프시스템의 운전방법에 관한 것이다.
어느 크라이오펌프시스템은, 적어도 1개의 크라이오펌프와, 1개 또는 복수의 압축기유닛을 가진다. 크라이오펌프는 냉동기를 가진다. 압축기유닛은 냉동기에 작동가스를 공급한다. 냉동기에서 작동가스가 팽창하고, 이로써 크라이오펌프는 냉각된다. 작동가스는 압축기유닛에 회수된다.
선행기술문헌
(특허문헌)
특허문헌 1: 일본 특허공개공보 2013-134020호
본 발명의 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 크라이오펌프시스템의 에너지절약성능을 향상시키는 것에 있다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 저온 냉각스테이지 및 고온 냉각스테이지를 구비하는 냉동기와, 상기 저온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 저온 크라이오패널과, 상기 고온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 고온 크라이오패널을 구비하는 적어도 1개의 크라이오펌프와, 상기 냉동기에 공급되는 작동가스를 압축하는 압축기본체를 구비하고, 상기 압축기본체의 운전주파수가 가변인 압축기유닛을 구비하는 크라이오펌프시스템이 제공된다. 상기 압축기유닛은, 상기 압축기본체의 고압과 저압과의 압력비가 1.6부터 2.5의 범위에서 운전된다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 크라이오펌프시스템의 운전방법이 제공된다. 상기 크라이오펌프시스템은, 저온 냉각스테이지 및 고온 냉각스테이지를 구비하는 냉동기와, 상기 저온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 저온 크라이오패널과, 상기 고온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 고온 크라이오패널을 구비하는 적어도 1개의 크라이오펌프와, 상기 냉동기에 공급되는 작동가스를 압축하는 압축기본체를 구비하고, 상기 압축기본체의 운전주파수가 가변인 압축기유닛을 구비한다. 상기 방법은, 상기 압축기본체의 고압과 저압과의 압력비가 1.6부터 2.5의 범위에 있도록 상기 압축기본체를 운전하는 단계를 구비한다.
다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 크라이오펌프시스템의 에너지절약성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템을 위한 제어장치의 구성의 개략을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 관한 냉동효율과 압력비와의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 4는 냉동효율과 압력비와의 관계를 예시하는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 다만, 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여, 중복되는 설명을 적절히 생략한다. 또, 이하에 서술하는 구성은 예시이며, 본 발명의 범위를 전혀 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템은, 2단식의 냉동기를 구비하는 크라이오펌프와, 냉동기에 고압의 작동가스를 공급하기 위한 압축기를 구비한다. 냉동기는, 예를 들면 운전주파수를 제어함으로써, 냉각 워크 Q를 조정 가능하도록 구성되어 있다. 압축기는, 예를 들면 운전주파수를 제어함으로써, 압축 워크 W를 조정 가능하도록 구성되어 있다.
본 발명자는, 작동가스가 실재 기체인 것을 고려하여 본 시스템을 이론적으로 해석함으로써, 냉동기의 저온단의 온도영역에서는, 압축기가 소정의 압력비로 운전될 때 냉동기의 효율(이하, 냉동효율이라고도 함)(ε)이 최대가 되는 것을 발견했다. 냉동기의 효율(ε)은, ε=Q/W로 나타난다. 이 최적의 압력비는 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 약 1.6부터 약 2.5의 범위에 있다. 따라서, 이 범위에서 압축기를 운전함으로써, 시스템의 소비전력을 저감할 수 있다.
한편, 어느 전형적인 크라이오펌프시스템의 설계사상은 냉동기의 냉각 워크 Q를 중시하고, 예를 들면, 냉각 워크 Q가 최대가 되도록 시스템이 설계된다. 그 결과, 압축기의 운전압력비는 통례, 예를 들면 약 2.6 이상이며, 상술의 최적 범위로부터 벗어나 있다.
일 실시형태에 있어서는, 압축기의 최저 운전주파수가 압축기의 사양에 따라 정해져 있다. 압축기가 이 최저 운전주파수로 운전될 때, 대응하는 최저 작동가스 유량이 압축기로부터 냉동기에 공급된다. 이 최저유량에 비하여, 냉동기측에서 사용되는 작동가스의 유량이 작은 경우에는, 압축기로부터 냉동기에 작동가스가 과잉으로 공급되고 있는 것이 된다. 이 때 압축기에서는 여분으로 전력이 소비되고 있다.
이러한 압축기의 사양에 기인하여 압축기와 냉동기의 사이에 발생할 수 있는 작동가스 유량의 불균형을 완화하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템은, 복수의 크라이오펌프를 구비하고, 각 크라이오펌프가 2단식의 냉동기를 구비하여도 된다. 이 경우, 냉동기측에서 사용되는 작동가스의 유량은, 시스템이 1개인 크라이오펌프만을 가지는 경우에 비해 커져, 압축기의 최저 작동가스 유량까지 작아지는 운전상태는 드물어질 수 있다. 이로 인하여, 압축기의 운전기간을 통하여 또는 그 대부분에 있어서 압축기의 운전주파수를 조정하는 것이 가능하고, 이로써, 냉동기측에서 사용되는 작동가스의 유량과 균형을 이루도록 압축기로부터 냉동기에 작동가스가 공급된다. 따라서, 상술과 같은 압축기의 사양에 따른 여분의 전력의 소비는 방지 또는 저감된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템(100)의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 크라이오펌프시스템(100)은, 진공챔버(102)의 진공배기를 하기 위하여 사용된다. 진공챔버(102)는, 진공처리장치(예를 들면 이온주입장치나 스퍼터링장치 등의 반도체 제조공정에서 이용되는 장치)에 진공환경을 제공하기 위하여 마련되어 있다.
크라이오펌프시스템(100)은, 복수의 크라이오펌프(10)와, 압축기 또는 압축기유닛(50)을 구비한다. 또, 크라이오펌프시스템(100)은, 압축기유닛(50)에 복수의 크라이오펌프(10)를 병렬로 접속하는 가스라인(70)을 구비한다. 가스라인(70)은, 복수의 크라이오펌프(10)의 각각과 압축기유닛(50)과의 사이에서 작동가스를 순환시키도록 구성되어 있다.
크라이오펌프(10)는, 진공챔버(102)에 장착되어, 그 내부의 진공도를 원하는 레벨까지 높이기 위하여 사용된다. 어느 크라이오펌프(10)에 의하여 진공배기되는 진공챔버(102)에, 다른 어느 크라이오펌프(10)가 장착되어 있어도 된다. 혹은, 어느 크라이오펌프(10)와 다른 어느 크라이오펌프(10)는 각각 상이한 진공챔버(102)에 장착되어 있어도 된다.
크라이오펌프(10)는, 냉동기(12)를 구비한다. 냉동기(12)는, 예를 들면 기포드·맥마흔식 냉동기(이른바 GM 냉동기) 등의 축랭식의 극저온 냉동기이다. 냉동기(12)는, 고온 냉각스테이지 또는 제1 스테이지(14)와, 저온 냉각스테이지 또는 제2 스테이지(16)를 구비하는 2단식의 냉동기이다.
냉동기(12)는, 1단 팽창실을 내부에 획정하는 제1 실린더(18)와, 1단 팽창실에 연통하는 2단 팽창실을 내부에 획정하는 제2 실린더(20)를 구비한다. 제1 실린더(18)와 제2 실린더(20)는 직렬로 접속되어 있다. 제1 실린더(18)는 모터하우징(21)과 제1 스테이지(14)를 접속하고, 제2 실린더(20)는 제1 스테이지(14)와 제2 스테이지(16)를 접속한다. 제1 실린더(18) 및 제2 실린더(20)에는 각각, 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서(도시하지 않음)가 내장되어 있다. 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서는 서로 연결되어 있으며, 각각의 내부에는 축랭재가 장착되어 있다.
냉동기(12)의 모터하우징(21)에는, 냉동기모터(22)와, 가스유로전환기구(23)가 수용되어 있다. 냉동기모터(22)는, 제1 및 제2 디스플레이서, 및 가스유로전환기구(23)를 위한 구동원이다. 냉동기모터(22)는, 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서의 각각이 제1 실린더(18) 및 제2 실린더(20)의 내부를 왕복이동 가능하도록 제1 디스플레이서 및 제2 디스플레이서에 접속되어 있다.
가스유로전환기구(23)는, 1단 팽창실 및 2단 팽창실에서의 작동가스의 팽창을 주기적으로 반복하기 위하여 작동가스의 유로를 주기적으로 전환하도록 구성되어 있다. 냉동기모터(22)는, 가스유로전환기구(23)의 가동밸브(도시하지 않음)를 정역운전 가능하도록 당해 밸브에 접속되어 있다. 가동밸브는 예를 들면 로터리밸브이다.
모터하우징(21)에는, 고압가스입구(24) 및 저압가스출구(26)가 마련되어 있다. 고압가스입구(24)는 가스유로전환기구(23)의 고압유로의 말단에 형성되고, 저압가스출구(26)는 가스유로전환기구(23)의 저압유로의 말단에 형성되어 있다.
냉동기(12)는, 고압의 작동가스(예를 들면 헬륨)를 내부에서 팽창시켜 제1 스테이지(14) 및 제2 스테이지(16)에 한랭을 발생시킨다. 고압작동가스는 압축기유닛(50)으로부터 고압가스입구(24)를 통하여 냉동기(12)에 공급된다. 이 때, 냉동기모터(22)는, 고압가스입구(24)를 팽창실에 연결하도록 가스유로전환기구(23)를 전환한다. 냉동기(12)의 팽창실이 고압작동가스로 채워지면, 냉동기모터(22)는 팽창실을 저압가스출구(26)에 연결하도록 가스유로전환기구(23)를 전환한다. 작동가스는 단열 팽창하여, 저압가스출구(26)를 통하여 압축기유닛(50)으로 배출된다. 가스유로전환기구(23)의 동작에 동기하여, 제1 및 제2 디스플레이서는 팽창실을 왕복이동한다. 이러한 열 사이클을 반복함으로써 제1 스테이지(14) 및 제2 스테이지(16)가 냉각된다.
제2 스테이지(16)는 제1 스테이지(14)보다 저온으로 냉각된다. 제2 스테이지(16)는 예를 들면 8K 내지 20K 정도로 냉각되고, 제1 스테이지(14)는 예를 들면 80K 내지 100K 정도로 냉각된다. 제1 스테이지(14)에는 제1 스테이지(14)의 온도를 측정하기 위한 제1 온도센서(28)가 장착되어 있고, 제2 스테이지(16)에는 제2 스테이지(16)의 온도를 측정하기 위한 제2 온도센서(30)가 장착되어 있다.
크라이오펌프(10)는, 고온 크라이오패널 또는 제1 크라이오패널(32)과, 저온 크라이오패널 또는 제2 크라이오패널(34)을 구비한다. 제1 크라이오패널(32)은 제1 스테이지(14)에 열적으로 접속되도록 고정되고, 제2 크라이오패널(34)은 제2 스테이지(16)에 열적으로 접속되도록 고정되어 있다. 따라서, 제1 크라이오패널(32)은 제1 스테이지(14)에 의하여 냉각되고, 제2 크라이오패널(34)은 제2 스테이지(16)에 의하여 냉각된다.
제1 크라이오패널(32)은 열쉴드(36)와 배플(38)을 구비하며, 제2 크라이오패널(34)을 포위한다. 제2 크라이오패널(34)은 그 표면의 적어도 일부에 흡착제를 구비한다. 제1 크라이오패널(32)은 크라이오펌프하우징(40)에 수용되어 있고, 크라이오펌프하우징(40)의 일단은 모터하우징(21)에 장착되어 있다. 크라이오펌프하우징(40)의 타단의 플랜지부가 진공챔버(102)의 게이트밸브(도시하지 않음)에 장착된다. 크라이오펌프(10) 자체는, 임의의 공지의 크라이오펌프여도 된다.
압축기유닛(50)은, 작동가스를 압축하기 위한 압축기본체(52)와, 압축기본체(52)를 구동하기 위한 압축기모터(53)를 구비한다. 또, 압축기유닛(50)은, 저압작동가스를 받아들이기 위한 저압가스입구(54)와, 고압작동가스를 방출하기 위한 고압가스출구(56)를 구비한다. 저압가스입구(54)는 저압유로(58)를 통하여 압축기본체(52)의 흡입구에 접속되고, 고압가스출구(56)는 고압유로(60)를 통하여 압축기본체(52)의 토출구에 접속되어 있다.
압축기유닛(50)은, 제1 압력센서(62)와, 제2 압력센서(64)를 구비한다. 제1 압력센서(62)는 저압작동가스의 압력을 측정하기 위하여 저압유로(58)에 마련되고, 제2 압력센서(64)는 고압작동가스의 압력을 측정하기 위하여 고압유로(60)에 마련되어 있다. 또한, 제1 압력센서(62) 및 제2 압력센서(64)는, 압축기유닛(50)의 외부에 있어서 가스라인(70)의 적절한 장소에 마련되어 있어도 된다.
가스라인(70)은, 압축기유닛(50)으로부터 크라이오펌프(10)에 작동가스를 공급하기 위한 고압라인(72)과, 크라이오펌프(10)로부터 압축기유닛(50)에 작동가스를 되돌리기 위한 저압라인(74)을 구비한다. 고압라인(72)은, 냉동기(12)의 고압가스입구(24)와 압축기유닛(50)의 고압가스출구(56)를 접속하는 배관이다. 고압라인(72)은, 압축기유닛(50)으로부터 뻗는 주고압배관과, 주배관으로부터 분기하여 각 냉동기(12)로 뻗는 고압개별배관을 구비한다. 저압라인(74)은, 냉동기(12)의 저압가스출구(26)와 압축기유닛(50)의 저압가스입구(54)를 접속하는 배관이다. 저압라인(74)은, 압축기유닛(50)으로부터 뻗는 주저압배관과, 주배관으로부터 분기하여 각 냉동기(12)로 뻗는 저압개별배관을 구비한다.
압축기유닛(50)은, 크라이오펌프(10)로부터 배출된 저압작동가스를 저압라인(74)을 통하여 회수한다. 압축기본체(52)는, 저압작동가스를 압축하여, 고압작동가스를 생성한다. 압축기유닛(50)은, 고압작동가스를 고압라인(72)을 통하여 크라이오펌프(10)로 공급한다.
크라이오펌프시스템(100)은, 그 운전을 관장하기 위한 제어장치(110)를 구비한다. 제어장치(110)는, 크라이오펌프(10)(또는 압축기유닛(50))와 일체로 또는 별체로 설치되어 있다. 제어장치(110)는, 예를 들면, 각종 연산처리를 실행하는 CPU, 각종 제어 프로그램을 격납하는 ROM, 데이터 격납이나 프로그램 실행을 위한 워크에리어로서 이용되는 RAM, 입출력 인터페이스, 메모리 등을 구비한다. 제어장치(110)는, 이러한 구성을 구비하는 공지의 컨트롤러를 이용할 수 있다. 제어장치(110)는, 단일의 컨트롤러로 구성되어 있어도 되고, 각각이 동일한 또는 상이한 기능을 나타내는 복수의 컨트롤러를 포함하여도 된다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템(100)을 위한 제어장치(110)의 구성의 개략을 나타내는 블록도이다. 도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 크라이오펌프시스템(100)의 주요부분을 나타낸다.
제어장치(110)는, 크라이오펌프(10)(즉 냉동기(12)), 및 압축기유닛(50)을 제어하기 위하여 마련되어 있다. 제어장치(110)는, 크라이오펌프(10)의 운전을 제어하기 위한 크라이오펌프 제어부 또는 크라이오펌프 컨트롤러(이하에서는, CP 컨트롤러라고도 부름)(112)와, 압축기유닛(50)의 운전을 제어하기 위한 압축기 제어부 또는 압축기컨트롤러(114)를 구비한다.
CP 컨트롤러(112)는, 크라이오펌프(10)의 제1 온도센서(28) 및 제2 온도센서(30)의 측정온도를 나타내는 신호를 수신하도록 구성되어 있다. CP 컨트롤러(112)는, 예를 들면, 수신한 측정온도에 근거하여 크라이오펌프(10)를 제어한다. 이 경우 예를 들면, CP 컨트롤러(112)는, 제1(또는 제2) 크라이오패널(32(34))의 목표온도에 제1(또는 제2) 온도센서(28(30))의 측정온도를 일치시키도록 냉동기(12)의 운전주파수를 제어한다. 운전주파수에 따라 냉동기모터(22)의 회전수가 제어된다. 이로써 냉동기(12)에 있어서의 열 사이클의 단위 시간당 횟수(즉 주파수)가 조정된다. 따라서, 크라이오펌프(10)에 있어서의 온도 제어에 의하여, 냉동기(12)에서 사용되는 작동가스의 유량이 조정된다.
압축기컨트롤러(114)는, 압력제어를 제공하도록 구성되어 있다. 압력제어를 제공하기 위하여, 압축기컨트롤러(114)는, 제1 압력센서(62) 및 제2 압력센서(64)의 측정압력을 나타내는 신호를 수신하도록 구성되어 있다. 압축기컨트롤러(114)는, 압력측정치를 압력목표치에 일치시키도록 압축기본체(52)의 운전주파수를 제어한다. 압축기유닛(50)은, 압축기모터(53)의 운전주파수를 변경하기 위한 압축기인버터(55)를 구비한다. 운전주파수에 따라 압축기모터(53)의 회전수가 제어된다.
압축기컨트롤러(114)는 예를 들면, 압축기본체(52)의 고압과 저압과의 압력차를 목표압으로 제어한다. 이것을 이하에서는 차압 일정제어라고 부르는 경우가 있다. 압축기컨트롤러(114)는, 차압 일정제어를 위하여 압축기본체(52)의 운전주파수를 제어한다. 다만 필요에 따라서, 차압의 목표치는 차압 일정제어의 실행 중에 변경되어도 된다.
차압 일정제어에 있어서, 압축기컨트롤러(114)는, 제1 압력센서(62)의 측정압력과 제2 압력센서(64)의 측정압력과의 차압을 구한다. 압축기컨트롤러(114)는, 그 차압을 목표치(ΔP)에 일치시키도록 압축기모터(53)의 운전주파수를 결정한다. 압축기컨트롤러(114)는, 그 운전주파수를 실현하도록 압축기인버터(55) 및 압축기모터(53)를 제어한다.
압력제어에 의하면, 냉동기(12)에서 사용되는 작동가스의 유량에 따라 압축기모터(53)의 회전수를 적절히 조정할 수 있으므로, 크라이오펌프시스템(100)의 소비전력의 저감에 도움이 된다.
또, 차압에 따라 냉동기(12)의 냉동능력이 정해지는 점에서, 차압 일정제어에 의하여 냉동기(12)를 목표 냉동능력으로 유지할 수 있다. 따라서, 차압 일정제어는, 냉동기(12)의 냉동능력의 유지와 시스템의 소비전력 저감을 양립할 수 있다는 점에서, 크라이오펌프시스템(100)에 특히 적합하다.
대안으로서, 압력목표치는, 고압목표치(또는 저압목표치)여도 된다. 이 경우, 압축기컨트롤러(114)는, 제2 압력센서(64)(또는 제1 압력센서(62))의 측정압을 고압목표치(또는 저압목표치)에 일치시키도록 압축기모터(53)의 회전수를 제어하는 고압 일정제어(또는 저압 일정제어)를 실행한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 냉동효율(ε)과 압력비(Pr)와의 관계를 예시하는 그래프이다. 이 그래프는, 크라이오펌프시스템(100)에 대한 본 발명자에 의한 이론적인 해석에 의하여 얻어진 결과이다. 해석에 있어서는 작동가스(예를 들면 헬륨가스)가 실재 기체인 것을 고려하고 있다. 냉동효율(ε)은, ε=Q/W로 나타나며, 여기에서, Q는 냉동기(12)의 냉각 워크이며, W는 압축기유닛(50)의 압축 워크이다. 압력비(Pr)는, 압축기본체(52)의 고압(즉 토출압)(Ph)의 저압(즉 흡입압)(Pl)에 대한 비이며, Pr=Ph/Pl이다.
냉동효율(ε=Q/W)은, 압력비(Pr=Ph/Pl)로 정리하면 다음식과 같이 나타나며, 분자와 분모의 양쪽에 Pl을 곱하면, 분자는 (Ph-Pl)에 관한 항을 포함하는 냉각 워크를 나타내고, 분모는 (ρh, co―Pl,hl)에 관한 항을 포함하는 압축 워크를 포함하는 항인 것을 알 수 있다.
[수 1]
Figure 112014107979642-pat00001
여기에서, k는 작동가스의 비열비, αv는 각 온도에 따른 체적팽창계수, ρh,co는 냉동기(12)의 2단 팽창실에 대한 흡입작동가스 밀도, ρl,hl은 압축기유닛(50)의 흡입작동가스 밀도, A는 작동가스 온도를 포함하는 계수이다. 도 3에는, 작동가스 온도가 8K, 9K, 10K, 11K, 12K, 13K, 14K, 15K, 16K, 18K, 및 20K인 경우 각각에 있어서의 냉동효율(ε)의 압력비(Pr)에 대한 변화를 나타낸다. 여기에서, 저압(Pl)은 실제의 운전을 모의하는 소정의 값으로 하고 있다.
도 3에 나타나는 바와 같이, 냉동효율(ε)은 소정의 압력비에 있어서 최대치를 취한다. 예를 들면, 작동가스 온도가 11K인 경우에는, 냉동기의 효율(ε)은 압력비(Pr)가 약 1.9일 때 최대치의 약 0.028이 된다. 이와 같이, 크라이오펌프(10)용의 냉동기(12)의 제2 스테이지(16)의 전형적인 온도영역인 약 8K부터 약 20K에 있어서는, 냉동효율(ε)을 최대화하는 압력비(Pr)가 존재한다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에 있어서는, 압축기유닛(50)은, 약 1.6부터 약 2.5의 압력비 범위로부터 선택되는 압력비(Pr)로 운전된다. 이로써, 냉동기(12)를 최대 또는 이에 가까운 냉동효율(ε)로 운전할 수 있다. 따라서, 에너지절약성능이 뛰어난 크라이오펌프시스템(100)을 제공할 수 있다.
크라이오펌프(10)의 진공배기 운전 중에, 냉동기(12)의 제2 스테이지(16)(즉 제2 크라이오패널(34))는, 약 9K부터 약 15K의 온도영역으로 냉각되는 것이 바람직하다. 이 온도영역에 있어서는, 도 3에 나타나는 바와 같이, 약 1.6부터 약 2.5의 압력비 범위 중에서 냉동효율(ε)이 최대치를 취한다. 따라서, 냉동기(12)를 최대의 냉동효율(ε)로 운전하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 온도가 9K인 경우, 냉동효율(ε)은 압력비(Pr)가 약 2.5일 때 최대이다. 또, 온도가 15K인 경우, 냉동효율(ε)은 압력비(Pr)가 약 1.6일 때 최대이다.
또, 바람직하게는, 압축기유닛(50)은, 약 1.9부터 약 2.1의 압력비 범위로부터 선택되는 압력비(Pr)로 운전되어도 된다. 이 경우, 냉동기(12)의 제2 스테이지(16)는 약 10K부터 약 12K의 온도영역으로 냉각되어도 된다.
이에 대하여, 어느 전형적인 크라이오펌프시스템의 설계사상은 냉동기의 냉각 워크 Q에만 주목하여, 예를 들면, 냉각 워크 Q가 최대가 되도록 시스템이 설계된다. 그 결과, 압축기의 운전압력비는 통례, 예를 들면 약 2.6 이상(예를 들면 3 이상)이며, 상술의 최적의 압력비 범위로부터 벗어나 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시형태에 의하면, 압축기유닛(50)의 운전압력비가 비교적 낮아진다.
압축기본체(52)의 고압(Ph)은 약 2.8MPa 이상이며, 및/또는, 압축기본체(52)의 저압(Pl)은 약 1.4MPa 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이 압축기본체(52)의 고압(Ph) 및/또는 저압(Pl)을 비교적 높게 함으로써, 고압(Ph)과 저압(Pl)의 원하는 차압 하에서, 상술과 같이 약 1.6부터 약 2.5라는 비교적 낮은 최적의 운전압력비를 실현하기 쉽다. 예를 들면, 고압(Ph)이 2.8MPa이고 저압(Pl)이 1.4MPa일 때, 압력비는 2이며 차압은 1.4MPa이다. 또, 압축기본체(52)의 고압(Ph)은 약 3MPa 이상이며, 및/또는, 압축기본체(52)의 저압(Pl)은 약 1.5MPa 이상이어도 된다. 예를 들면, 고압(Ph)이 3MPa이고 저압(Pl)이 1.5MPa일 때, 압력비는 2이며 차압은 1.5MPa이다.
소정의 압력비(Pr)에 있어서 냉동효율(ε)이 최대치를 취하는 것은, 크라이오펌프용의 냉동기(12)의 2단 냉각온도의 특징이다. 도 4에는, 냉동기(12)의 1단 냉각온도의 일례인 77K에 있어서의 냉동효율(ε)과 압력비(Pr)와의 관계를, 도 3에 나타내는 11K에 있어서의 냉동효율(ε)과 압력비(Pr)와의 관계와 대비하여 나타낸다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 77K와 같은 1단 냉각온도에 있어서는 냉동효율(ε)에 최대치는 존재하지 않는다.
이상, 본 발명을 실시예에 의거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다.
상술의 실시형태에 있어서는, 압축기유닛(50)은, 선택된 일정한 압력비(Pr)로 운전되어도 된다. 혹은, 압축기유닛(50)은, 운전 중에 압력비(Pr)를 조정하여도 된다. 이 경우, 압축기유닛(50)은, 저온 크라이오패널의 측정온도에 대응하는 최대의 냉동효율(ε)을 부여하는 압력비(Pr)로 운전되어도 된다.
또, 상술의 실시형태에 있어서는, 크라이오펌프시스템(100)은, 복수의 크라이오펌프(10)를 구비한다. 그러나, 일 실시형태에 있어서는, 크라이오펌프시스템(100)은, 1대의 크라이오펌프(10)만을 구비하여도 된다.
일 실시형태에 있어서는, 크라이오펌프시스템(100)은, 콜드트랩을 구비하여도 된다. 즉, 크라이오펌프(10)와 콜드트랩이 공통의 압축기유닛(50)에 접속되어 있어도 된다. 이와 같이 하여, 크라이오펌프시스템(100)에 콜드트랩이 조합되어 있어도 된다.
10 크라이오펌프
12 냉동기
14 제1 스테이지
16 제2 스테이지
32 제1 크라이오패널
34 제2 크라이오패널
50 압축기유닛
52 압축기본체
55 압축기인버터
100 크라이오펌프시스템
110 제어장치
112 CP 컨트롤러
114 압축기컨트롤러

Claims (8)

  1. 저온 냉각스테이지 및 고온 냉각스테이지를 구비하는 냉동기와, 상기 저온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 저온 크라이오패널과, 상기 고온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 고온 크라이오패널을 구비하는 적어도 1개의 크라이오펌프와,
    상기 냉동기에 공급되는 작동가스를 압축하는 압축기본체를 구비하고, 상기 압축기본체의 운전주파수가 가변인 압축기유닛을 구비하며,
    상기 압축기유닛은, 상기 압축기본체의 고압과 저압과의 압력비가 1.6부터 2.5의 범위에서 운전되고,
    상기 저온 크라이오패널은, 9K부터 15K의 온도영역으로 냉각되며,
    ε=Q/W(Q: 냉동기의 냉각 워크, W: 압축기유닛의 압축 워크)로 정의되는 냉동효율(ε)이 상기 9K부터 15K의 온도영역에 있어서 최대인 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 크라이오펌프는, 복수의 크라이오펌프이며, 각각이, 상기 냉동기, 상기 저온 크라이오패널, 및 상기 고온 크라이오패널을 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기본체의 고압과 저압과의 압력차를 목표치에 일치시키도록 상기 압축기본체의 운전주파수를 제어하는 압축기 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기본체의 고압은, 2.8MPa 이상인 것을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기본체의 저압은, 1.4MPa 이상인 것을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기유닛은, 상기 압축기본체의 운전주파수를 변경하는 압축기인버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  8. 크라이오펌프시스템의 운전방법으로서, 상기 크라이오펌프시스템은,
    저온 냉각스테이지 및 고온 냉각스테이지를 구비하는 냉동기와, 상기 저온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 저온 크라이오패널과, 상기 고온 냉각스테이지에 의하여 냉각되는 고온 크라이오패널을 구비하는 적어도 1개의 크라이오펌프와,
    상기 냉동기에 공급되는 작동가스를 압축하는 압축기본체를 구비하고, 상기 압축기본체의 운전주파수가 가변인 압축기유닛을 구비하며,
    상기 크라이오펌프시스템의 운전방법은,
    상기 압축기본체의 고압과 저압과의 압력비가 1.6부터 2.5의 범위에 있도록 상기 압축기본체를 운전하고,
    상기 저온 크라이오패널은, 9K부터 15K의 온도영역으로 냉각되어,
    ε=Q/W(Q: 냉동기의 냉각 워크, W: 압축기유닛의 압축 워크)로 정의되는 냉동효율(ε)이 상기 9K부터 15K의 온도영역에 있어서 최대인 것을 포함하도록 운전하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템의 운전방법.
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