KR101878088B1 - 진공 펌프 시스템 - Google Patents

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다니엘 슈나이덴바흐
디르크 스트라트만
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Abstract

챔버, 특히 로크 챔버 또는 프로세스 챔버를 비우기 위한 진공 펌프 시스템은 바람직하게는 스크루 펌프로 구성되는 메인 진공 펌프(12)를 포함한다. 메인 진공 펌프(12)의 유입구(30)는 비워질 챔버와 연결된다. 메인 진공 펌프(12)의 이송 방향에서 보았을 때, 특히 루츠(Roots) 펌프인 보조 진공 펌프(24)가 배치된다. 메인 진공 펌프(12)의 유출구 영역(32)은 한편으로는 메인 유출구(34)와 연결되고, 다른 한편으로는 보조 진공 펌프의 유입구(38)와 연결된다. 또한, 보조 진공 펌프의 유출구(40)는 메인 유출구(34)와 연결된다.

Description

진공 펌프 시스템{VACUUM PUMP SYSTEM}
본 발명은 진공 펌프 시스템에 관한 것이다.
진공 펌프 및 진공 펌프 시스템은 흔히 단시간에 챔버를 비우는 데 사용된다. 이는 스크루 펌프(screw pumps), 클로 펌프(claw pumps) 또는 다단식 루츠 펌프(multistage Roots pumps)와 같은 건식-압축형(dry-compressing) 진공 펌프를 이용해서 수행된다. 필요에 따라, 로터리 베인 펌프 또는 로터리 피스톤 펌프와 같은 오일-밀봉형(oil-sealed) 진공 펌프가 사용될 수 있다. 단기간에 큰 가스 용적을 펌핑할 수 있게 하기 위해, 흔히, 복수의 펌프가 직렬 및/또는 병렬로 연결된다.
대표적인 적용분야는, 예컨대 코팅 플랜트(coating plants)에 제공되는 바와 같은 로크 챔버(lock chambers)이다. 로크 챔버는 단기간에 대기 압력에서 이송 압력으로 펌프 다운(pump down)되어야 한다. 이는 보통 20초 내지 120초의 기간에 0.1 mbar 내지 10 mbar의 이송 압력까지 수행된다. 이어서, 로크 챔버와 진공 펌프 시스템 사이에 배치된 밸브가 폐쇄될 수 있다. 밸브는 펌핑 시간의 대략 1배 내지 10배의 유휴 시간(idle time) 동안 폐쇄된다.
전형적인 다른 적용분야는, 예컨대 금속의 열처리 또는 정제(refinement)에 사용되는 바와 같은 대형 프로세스 챔버에 관련된다. 이러한 적용분야의 경우에는, 통상의 펌핑-아웃 시간은 2분 내지 30분이다. 펌핑-아웃 시간 이후에, 프로세스 챔버는 원하는 저압 레벨에 도달한다. 그러나, 상대적으로 소량의 프로세스 가스 유동이 계속 흘러서 소량의 가스 유동이 지속적으로 규정되어야만 한다. 이는 펌핑-아웃 시간의 대략 2배 내지 10배에 달하는 유지 시간(holding time)이다.
로크 챔버 및 그에 상응하는 대형 프로세스 챔버는 모두 짧은 펌핑-아웃 시간을 실현하기 위해 크기가 매우 큰 진공 펌프 시스템을 필요로 한다. 그러나, 유휴 시간 및/또는 유지 시간 동안에는 펌프 시스템의 큰 흡입 용량이 불필요해진다. 이는 높은 전류 유입 및 그에 따른 높은 에너지 소비를 초래한다.
예를 들어, 로크 챔버 또는 프로세스 챔버와 같은 챔버를 비우기 위해 스크루 펌프가 사용되면, 이것은 건식-압축형 진공 펌프이기 때문에, 스크루의 로터 요소와 하우징 사이에 윤활유로 밀봉되지 않는 갭(gap)이 제공된다는 문제가 발생한다. 갭의 높이는 특히, 로터 온도에 의존한다. 펌핑 매체가 갭을 통해 끊임없이 역류되기 때문에, 펌프의 최적의 체적 용량은 작동 온도에 도달되어서 갭이 매우 작을 때에만 달성된다. 프로세스 챔버에서 설정 압력에 이르면, 필요에 따라, 펌프 유형에 따라, 펌프의 회전 속도 및 그에 따른 펌핑 용량을 줄이고, 또한 펌프를 차단하는 것이 가능해지게 된다. 그러나, 이는, 프로세스 챔버 내의 압력이 다시 설정 압력을 초과하면, 먼저 펌프가 전(full) 펌핑 용량에 이르기 전에 다시 작동 온도에 도달해야만 한다는 점이 단점이다. 이는 프로세스 챔버에 있어서 용인될 수 없는 압력 편차를 초래하게 된다. 프로세스 챔버 내의 바람직하지 않은 압력 증가 및 프로세스 챔버 내의 과도한 압력 편차를 방지하기 위해 프로세스 챔버 내의 설정 압력이 초과될 때 진공 펌프가 다시 전 펌핑 용량으로 즉시 작동될 수 있는 것이 필요하다.
로크 챔버의 경우에는, 바람직하게는 펌프가 공칭 회전 속도로 유지되어야만 하는데, 그렇지 않으면 유휴 시간의 말미에 펌프가 가속되어야만 하기 때문이다. 따라서, 펌핑-아웃 프로세스가 오래 계속되게 된다.
갭을 밀봉하는 것이 최대 체적 유량을 보장하도록 펌프를 그 작동 온도로 유지되게 해야 할 것을 필요로 한다는 문제점은 클로 펌프, 루츠 펌프 등과 같은 다른 건식-압축형 진공 펌프에서도 발생한다.
유휴 시간 및/또는 유지 시간 동안 펌프 및 펌프 시스템의 에너지 소비를 줄이기 위해, 다양한 해법이 공지되어 있다:
높은 설치 용적비(installed volume ratio)를 갖는 진공 펌프를 이용하는 것이 가능하다. 그러나, 기술적으로 실현 가능한 용적비는 제조 기술, 구축 노력, 그리고 펌프 스테이지의 견고성 및 기밀성에 대하여 이루어진 요구에 의해 제한된다. 특히, 그에 따르면 소량의 에너지 소비 감소만이 실현될 수 있을 뿐이다. 또한, 높은 내부 압축에 대하여 펌핑-아웃 동안 과도한 압축을 방지하는 해법이 필요해진다.
또한, 직렬-연결된 루츠 펌프와 전위 진공 펌프(forevacuum pump)의 조합이 공지되어 있다. 이 해법은 전체 펌프 조합의 큰 용적비가 달성될 수 있게 한다. 그러나, 루츠 펌프가 예컨대, 대략 100 mbar의 높은 흡입 압력에서 단지 작은 범위로만 전위 펌프를 지지한다는 것이 단점이다. 이는, 그렇지 않으면, 매우 큰 모터가 루츠 펌프에 설치되어야만 하고 해당 펌프가 큰 열 부하(thermal load)를 겪게 된다는 사실에 기인한다.
본 발명의 목적은, 상이한 작동 조건에서 한편으로는 진공 펌프 및/또는 진공 펌프 시스템의 높은, 특히 최고의, 체적 용량을 보장할 수 있고, 또한 다른 한편으로는 에너지 소비를 줄일 수 있는 진공 펌프 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1에 따른 진공 펌프 시스템에 의해 달성된다.
챔버 특히, 로크 챔버 또는 프로세스 챔버를 비우기 위한 본 발명에 따른 진공 펌프 시스템은 메인 진공 펌프를 포함한다. 특히 바람직한 실시예에서는 스크루 펌프인 메인 진공 펌프의 유입구는 비워질 챔버와 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고, 메인 진공 펌프의 유입구와 비워질 챔버 사이의 연결 배관에는 전환 가능한 밸브가 배치될 수 있다. 메인 진공 펌프는 이어서 유동 방향의 하류에 배치된 보조 진공 펌프를 연결하고 있다. 메인 진공 챔버는 유출구 측에, 특히 챔버 및/또는 공간인 유출구 영역을 포함한다. 이 유출구 영역은 이어서 한편으로는 메인 유출구 및 다른 한편으로는 보조 진공 펌프의 유입구를 연결하고 있다. 이후, 보조 진공 펌프의 유출구가 메인 유출구와 연결된다.
바람직하게는, 보조 진공 펌프는 사이드 채널형 펌프(side channel pump) 및 특히 바람직하게는 루츠 펌프이다. 루츠 펌프를 제공하면, 유지 시간 동안 상기 펌프가 극히 소량의 에너지만을 소비한다는 점에서 특히 유리하다.
보조 진공 펌프에 의해 메인 유출구 내로 펌핑되어 있는 매체가 메인 진공 펌프의 유출구 영역으로 역류되는 것을 방지하기 위해, 메인 유출구에 체크 밸브가 배치된다. 이 체크 밸브는, 유동 방향에서 보았을 때, 보조 진공 펌프의 유출구가 메인 유출구에 진입하기 전의 메인 유출구에 있는 장소에 배치된다. 체크 밸브는 기계식 또는 제어 가능한 및/또는 전환 가능한 체크 밸브일 수 있다.
바람직하게는, 특히 스크루 펌프인 메인 진공 펌프와, 특히 루츠 펌프인 보조 진공 펌프는 공통의 하우징 내에 배치된다. 이는 매우 컴팩트한 디자인이 달성될 수 있게 한다. 또한, 펌프들은 공통의 드라이브 모터와 연결되는 것이 바람직하다. 따라서, 제조 비용 및 에너지 비용이 절감될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 있어서, 메인 진공 펌프의 적어도 하나의 피더(feeder) 요소 및 보조 진공 펌프의 적어도 하나의 피더 요소가 공통의 샤프트에 배치된다. 특히, 스크루 펌프가 메인 진공 펌프로서 제공되고 루츠 펌프가 보조 진공 펌프로서 제공되면, 메인 진공 펌프의 2개의 피더 요소가 보조 진공 펌프의 2개의 피더 요소 각각과 함께 공통의 샤프트 상에 배치되는 것이 특히 바람직하다. 이는 매우 컴팩트한 에너지 절약형 디자인이 실현될 수 있게 한다. 여기서, 드라이브 모터가 2개의 샤프트 중 하나를 구동하고, 제 2 샤프트의 동기 구동은 중간 기어박스를 통해 또는 직접적으로 맞물리는 기어들을 통해 보장되는 것이 특히 바람직하다.
메인 진공 펌프는 >2인 내부 압축을 포함하는 것이 바람직하고, >3인 내부 압축을 포함하는 것이 특히 바람직하다. 보조 진공 펌프는 내부 압축을 전혀 포함하지 않거나, 또는 단지 특히 <2인 매우 작은 내부 압축을 포함하는 것이 바람직하다. 보조 진공 펌프는 내부 압축을 전혀 포함하지 않거나 또는 거의 포함하지 않는 것이 특히 바람직하다. 이는 제조를 용이하게 하고; 메인 펌프 쪽이 눈금(graduation)이 크기 때문에 보조 진공 펌프의 내부 압축은 중요하지 않다.
바람직한 실시예에 있어서, 보조 진공 펌프의 흡입 용량은 메인 진공 펌프의 흡입 용량의 1/10보다 작고, 특히 1/5보다 작다. 이는 결국 전체 펌프(메인 펌프 및 보조 펌프)의 높은 내부 압축 및 그에 따른 작은 전력 소비를 야기한다.
아래에서, 본 발명은 바람직한 실시예를 기반으로 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 진공 펌프 시스템의 바람직한 실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 개략적인 표현에 있어서, 스크루 펌프(12)는 공통 하우징(10) 내에 배치된다. 스크루 펌프(12)는 제각기 로터 샤프트(14, 16) 상에 배치된 2개의 헬리컬 로터 요소(18)를 포함한다.
2개의 로터 샤프트(14, 16)는 루츠 펌프(24)의 로터 요소(22)를 각각 지지하는 하우징의 중간 벽(20)을 통해 연장된다.
도면에서 좌측에 도시된 샤프트(14)는 또한, 전기 드라이브 모터(26)와 연결된다.
전기 모터(26)는 샤프트(14)를 구동한다. 샤프트(16)는, 2개의 샤프트(14, 16) 중 하나와 제각기 연결되는 기어(28)들을 통해 구동된다.
예를 들어, 메인 진공 펌프(12)의 유입구(30)는 비워져야 하는 도시되지 않은 챔버와 연결 배관(31)을 통해 연결된다. 이후, 스크루 펌프(12)는 매체를 유출구 영역(32) 및/또는 유출구 챔버(32)로 이송한다. 그곳에서부터 매체는 메인 유출구(34)를 통과한다. 메인 유출구(34) 내에는, 체크 밸브(36)가 배치된다.
특히, 유지 작업 동안, 소량의 매체가 보조 진공 펌프(24)의 유입구(38)를 통해 흡인되고 보조 진공 펌프의 유출구(40)를 통해 배출된다. 유출구(40)는 메인 유출구(34)와 연결되고, 해당 연결은 유동 방향에서 보았을 때 체크 밸브(36)의 하류에 있는 메인 유출구(34)에서 실현된다.

Claims (13)

  1. 챔버를 비우기 위한 진공 펌프 시스템에 있어서,
    비워질 상기 챔버와 연결되는 유입구(30)를 갖춘 메인 진공 펌프(12); 및
    유동 방향에서 보았을 때 상기 메인 진공 펌프(12)의 하류에 있는 보조 진공 펌프(24)를 포함하고,
    상기 메인 진공 펌프(12)는, 한편으로는 메인 유출구(34)와 연결되고 다른 한편으로는 상기 보조 진공 펌프(24)의 유입구(38)와 연결되는 유출구 영역(32)을 포함하고,
    상기 보조 진공 펌프의 유출구(40)는 상기 메인 유출구(34)와 연결되며,
    상기 메인 진공 펌프(12)는 스크루 펌프로 구성되고,
    상기 보조 진공 펌프(24)는 루츠(Roots) 펌프, 클로(claw) 펌프 또는 사이드 채널형(side channel) 펌프로 구성되며,
    상기 보조 진공 펌프(24)의 흡입 용량은 상기 메인 진공 펌프(12)의 흡입 용량의 1/5보다 작은
    진공 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 유출구(34)에는, 매체가 상기 유출구 영역(32) 내로 역류하는 것을 방지하는 체크 밸브(36)가 배치되는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조 진공 펌프(24)의 유출구(40)는 상기 체크 밸브(36)의 하류의 장소에서 상기 메인 유출구(34)와 연결되는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 진공 펌프(12) 및 상기 보조 진공 펌프(24)는 공통 하우징(10) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 진공 펌프(12) 및 상기 보조 진공 펌프(24)는 공통 드라이브 모터(26)와 연결되는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 진공 펌프(12)의 적어도 하나의 피더(feeder) 요소(18) 및 상기 보조 진공 펌프(24)의 적어도 하나의 피더 요소(22)는 공통 샤프트(14, 16) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 메인 진공 펌프(12)의 2개의 피더 요소(18)는 상기 보조 진공 펌프(24)의 2개의 피더 요소(22) 각각과 함께 제각기 공통 샤프트(14, 16) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    드라이브 모터(26)는 상기 2개의 샤프트 중 하나의 샤프트(14)를 구동하는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 진공 펌프(12)는 적어도 >2의 내부 압축을 포함하는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 진공 펌프(24)는 2보다 적은 내부 압축을 포함하되, 특히 내부 압축을 전혀 포함하지 않는 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 진공 펌프(24)의 흡입 용량은 상기 메인 진공 펌프(12)의 흡입 용량의 1/10보다 작은 것을 특징으로 하는
    진공 펌프 시스템.
KR1020167036336A 2014-06-26 2015-06-15 진공 펌프 시스템 KR101878088B1 (ko)

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