KR20060067958A - 진공 장치 - Google Patents

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Abstract

진공 장치는 하나 또는 복수의 챔버에 연결된 복수의 극저온 펌프(10)를 포함한다. 극저온 펌프(10)는 매체 공급 라인(12) 및 매체 복귀 라인(14)에 의해 압축 장치(16)에 연결된다. 하나 이상의 극저온 펌프의 상류에 극저온 펌프에 공급되는 매체의 양을 제어하기 위한 조정 장치(18)가 배열된다. 극저온 펌프(10)는 온도 측정장치를 더 포함한다. 온도 측정장치와 조정 장치(18)는 제어기(28)에 연결된다. 본 발명에 따르면, 극저온 펌프(10)에 원하는 매체 공급량을 공급하기 위해, 조정 장치(18)가 매체 공급 라인(12)에 스로틀 장치(24)를 가지며, 스로틀 바이패스 라인(22)에 제어가능한 밸브를 갖는다.

Description

진공 장치 {VACUUM DEVICE}
본 발명은 진공을 발생시키기 위해 복수의 극저온 펌프(cryopumps)를 포함하는 진공 장치에 관한 것이다.
일반적으로 진공 장치는 서로 평행하게 배열된 복수의 극저온 펌프를 포함하며, 상기 극저온 펌프는 하나 또는 복수의 진공 챔버와 연결된다. 진공 장치는 일반적으로 헬륨인 냉각 매체(cooling media)가 압축되는 압축 수단을 더 포함한다. 압축된 냉각 매체는 매체 공급 도관(media supply conduits)을 통해 극저온 펌프로 공급되고, 극저온 펌프 내에서 팽창된 후, 매체 복귀 도관(media return conduits)을 통해 압축 수단으로 복귀된다. 예를 들면, 오일 또는 다른 오염물질을 매체로부터 제거하도록 세척 수단이 매체 도관 내에 제공될 수 있다. 이에 따라, 매체 내에 함유된 오염 물질이 극저온 펌프로 유입되는 것이 방지된다.
일반적으로 사용되는 극저온 펌프는 기퍼드 맥마혼(Gifford McMahon) 원리에 따라 작동하는 2단 극저온 펌프이다. 일반적으로 극저온 펌프 내에서 쓰이는 공유 피스톤인 하나의 피스톤이 각각의 단(stage)에 맞도록 제공된다. 각각의 피스톤 스트로크 동안, 냉각 매체가 운반되고, 그에 따라 두 개의 단이 냉각된다. 예를 들면, 복사열 또는 다른 온도 영향이 개별적인 펌프들을 가열할 수도 있다. 또한, 저온 가스의 높은 농도로 인해 더 저온인 극저온 펌프가 더 고온인 극저온 펌프보다 한 스트로크당 더 많은 양의 헬륨을 처리할 수 있는 문제점이 있다. 그 결과, 압축 용량에 의해 제한된 헬륨의 유효량이 더 저온인 극저온 펌프에 의해 더 넓은 범위까지 소비되어, 더 고온인 극저온 펌프에 유효한 가스량이 감소된다. 결과적으로, 매우 고온인 극저온 펌프를 냉각시키는데 상대적으로 긴 시간이 소요된다.
US 5,775,109에 따르면, 이러한 문제는 가스 유동을 제어함으로써 해결된다. 이러한 제어는 펌프가 증가된 양의 냉각 매체를 전달하는 것을 방지하도록 극저온 펌프를 가열함으로써 이루어질 수 있다. 또한, 피스톤의 속도가 감소될 수 있거나, 피스톤이 정지될 수 있다. 그러나 냉각기가 특정 주파수로 조정되어야 하기 때문에, 열역학 효율이 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 헬륨에 저장된 냉각 에너지가 완전히 사용되지 않는다.
본 발명의 목적은 복수의 극저온 펌프를 포함하며, 극저온 펌프의 온도가 용이하고 신속한 방법으로 제어될 수 있는 진공 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 특허청구범위 제1항의 특징에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 진공 장치는 하나 또는 복수의 진공 챔버와 연결된 복수의 극저온 펌프를 포함한다. 바람직하게, 이들 펌프는 기퍼드 맥마혼 원리에 따라 작동하는 극저온 펌프이며, 바람직하게 냉각 헤드를 포함한다. 극저온 펌프를 갖는 매체 복귀 도관 및 매체 공급 도관을 통해 연결된 압축 수단의 도움으로, 두 개 이상의 상이한 압력 수준으로 극저온 펌프에 헬륨이 제공될 수 있다. 보다 상세하게, 본 발명에 따른 진공 장치는 서로 평행하게 배열된 5개보다 많은, 가능하다면 10개보다도 많은 극저온 펌프를 포함한다. 이러한 시스템은 복수, 예를 들면, 두 개 또는 세 개의 압축기, 보다 상세하게는 헬륨 압축기를 갖는 압축 수단을 더 포함한다. 그 결과, 예를 들면, 10 내지 20 kW의 비교적 높은 에너지가 필요하게 된다. 상기 진공 장치는 극저온 펌프 바로 앞에 연결되는, 즉, 극저온 펌프와 결합되는 하나 이상의 조정 수단을 더 포함한다. 상기 조정 수단의 도움으로, 극저온 펌프에 공급되는 헬륨의 양이 제어될 수 있다. 이를 위해, 상기 조정 수단은 제어기와 연결된다. 또한, 온도 측정장치가 제공되며, 상기 온도 측정장치는 상기 극저온 펌프와 연결되어, 보다 상세하게 두 개의 단의 온도를 측정한다.
본 발명에 따른 조정 수단은 극저온 펌프의 매체 공급 도관 내에 배열되며, 매체 공급 도관 내에 배치되는 스로틀 장치를 포함한다. 또한, 상기 조정 수단은 상기 스로틀 수단을 브리징하는 스로틀 바이패스(throttle bypass) 또는 가지(branch)를 포함한다. 상기 스로틀 바이패스 도관 내에 밸브가 배열된다. 이 밸브는 제어기에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 보다 상세하게, 본 발명에 따른 조정 수단의 도움으로, 극저온 펌프에 대해 2개의 매체 공급 상태가 실현될 수 있다. 하나의 상태에서, 바이패스 도관 내에 배열된 밸브는 폐쇄되어, 매체가 스로틀 수단을 통해서만 극저온 펌프로 유동할 수 있다. 다른 상태일 때, 밸브는 완전히 개방되어, 최대량의 매체가 바이패스 도관을 통해 극저온 펌프로 유동할 수 있다. 단순한 일 실시예에서, 상기 밸브는 "완전 폐쇄" 또는 "완전 개방"의 두 가지 상태만을 포함하는 전환 밸브(switch-over valve)로서 형성될 수 있다.
따라서, 제어기의 도움으로 인해, 용이한 방식으로 밸브를 개방함으로써 매우 고온인 극저온 펌프에 많은 양의 냉각 매체를 공급하는 것이 가능하다. 따라서, 충분히 저온인 극저온 펌프와 결합된 밸브를 폐쇄하거나 폐쇄 상태로 유지함으로써 매우 많은 양의 냉각 매체가 상기 저온 펌프에 의해 소비되는 것을 방지한다.
특히 바람직한 변형예에서, 본 발명에 따른 이러한 조정 수단은 복수의 극저온 펌프와 결합된다. 보다 상세하게, 본 발명의 조정 수단은 진공 장치의 각각의 극저온 펌프와 결합된다. 따라서, 매우 고온인 극저온 펌프에 충분한 양의 냉각 매체가 공급될 수 있는 용이한 방식이 보장될 수 있어서, 극저온 펌프의 요구 온도에 신속하게 도달할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 스로틀 바이패스 도관의 단면은 최대 매체 공급이 가능하도록 선택된다. 바이패스 도관 내에 제공된 밸브는 밸브의 유효 단면과 그에 따른 매체 유량이 변화될 수 있도록 형성될 수 있다. 바람직하게, 바이패스 도관 내에 배열된 밸브는 6mm 보다 큰 단면 직경을 갖는다. 제공되는 노즐은 거의 1mm의 단면 직경을 갖는다.
또한, 유효 단면적이 조정 가능한 스로틀 수단을 제공하는 것이 가능하다. 이로 인해 스로틀 수단의 단면적이 조정될 수 있어서, 표준 작동시 이러한 매체 공급 도관을 통해 극저온 펌프로 냉각 매체의 필요량이 유동할 수 있으며, 표준 작동시 바이패스 도관 내에 배열된 밸브가 폐쇄될 수 있는 이점을 갖는다. 이로 인해, 예를 들면, 열복사로 인해 매우 고온인 극저온 펌프에 충분히 많은 양의 냉각 매체, 보다 상세하게는 헬륨이 공급될 수 있다. 많은 양의 냉각 매체는 예를 들면, 시동 작동시에도 필요하다.
일반적으로 표준 작동시, 극저온 펌프는 제 1 단 및 제 2 단의 온도를 일정하게 유지하기 위해 최대 냉각 매체량의 1/3만을 필요로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 진공 장치의 도움으로, 압축 수단의 용량을 감소시키는 것이 가능한데, 이는 본 발명이 네트워크에 배열된 개별적인 극저온 펌프의 피크 부하(peak load)에서 낮은 전체 냉매 소비 또는 냉매 유동을 허용하기 때문이다. 또한, 본 발명은 일정한 용량을 갖는 압축기가 사용되는 경우, 저장고(reserve)를 생성하도록 한다.
이하, 도면을 참조로 한 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 진공 장치의 개략도이고,
도 2는 스로틀 바이패스 도관 내에 배열된 밸브를 제어하는 개략적 흐름도이다.
진공 장치는 하나 또는 복수의 진공 챔버(미도시)와 연결되는 복수의 극저온 펌프(10)를 포함한다. 극저온 펌프(10)는 서로 평행하게 배열되며, 매체 공급 도관(12)과 매체 복귀 도관(14)을 통하여 두 개의 압축기(16)를 포함하는 압축 수단과 연결된다.
극저온 펌프(10)와 직접 결합되는 개별적인 매체 공급 도관(12) 내에서 극저 온 펌프에 공급되는 매체량을 제어하도록 하나의 조정 수단(18)이 각각 제공된다. 조정 수단(18)은 서로 평행하게 연장되는 두 개의 도관(20,22) 안으로 매체 공급 도관(12)의 가지를 포함한다. 제 1 도관(20) 내의 스로틀 수단(24)과 제 2 도관(22) 내의 밸브(26)가 제공된다.
도시된 실시예에서, 개별적인 밸브(26)는 파선으로 도시된 전기 도관을 통해 제어기(28)와 연결된다. 제어기(28)는 또한 파선으로 도시된 전기 도관을 통해, 극저온 펌프(10) 내에 배열된 온도 측정장치에 더 연결된다.
도시된 실시예에서, 스로틀 장치(24)는 가변적이지 않으며 일정한 단면으로 이루어져 있다. 또한, 밸브(26)는 폐쇄 또는 개방될 수 있는 전환 밸브이다. 이러한 밸브는 중간 위치를 포함하지 않는다.
도 2는 제어기(28)의 예시적 기능을 도시하고 있다. 여기서, 제 1 단계(30)에서 특정 극저온 펌프(10)의 제 1 단의 온도가 목표치(target value)와 비교된다. 제 1 단계의 측정 온도가 목표치를 초과할 경우, 즉, 극저온 펌프(10)의 제 1 단이 너무 고온일 경우, 질문의 답변이 "예"이어야 하며, 단계 32에서 각각의 밸브(26)가 개방된다.
제 1 단의 온도가 목표치를 초과하지 않을 경우, 제 2 단의 온도는 단계 34에서 제 2 목표치에 대하여 검사되며, 상기 제 2 목표치는 단계 30에서 검사된 제 1 목표치와 상이하다. 단계 30에서와 같이, 제 2 단의 온도가 목표치를 초과하는 경우, 즉, 제 2 단이 너무 고온일 경우에 "예"로 결정된다. 그 결과, 단계 32에서 밸브(26)가 개방된다.
제 2 단이 충분히 매우 저온이어서 목표치를 초과하지 않을 경우, "아니오"로 결정되어 밸브가 폐쇄 상태로 유지된다(단계 36).
개별적인 극저온 펌프의 전술한 질문은 일정한 간격으로 실시된다. 밸브의 제어는 더 개선될 수 있으며, 보다 상세하게는 부분적으로 개방 및 폐쇄될 수 있는 밸브의 경우 더 개선될 수 있다. 이를 위해, 예를 들면 추가의 목표치 및/또는 한계치가 정해진다.

Claims (6)

  1. 하나 또는 복수의 진공 챔버와 연결된 복수의 극저온 펌프(10);
    매체 공급 도관(12) 및 매체 복귀 도관(14)을 통해 상기 극저온 펌프(10)와 연결된 압축 수단(16);
    상기 극저온 펌프(10)에 공급되는 매체의 양을 제어하도록 하나 이상의 극저온 펌프(10) 전방에 연결된 조정 수단(18);
    상기 극저온 펌프(10)와 연결된 온도 측정장치; 및
    상기 조정 수단(18) 및 상기 온도 측정장치와 연결된 제어기(28);를 포함하는 진공 장치에 있어서,
    상기 조정 수단(18)이 대응하는 매체 공급 도관(12) 내에 배열된 스로틀 수단(24)과, 스로틀 바이패스 도관(22) 내에 배열된 밸브(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    진공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스로틀 바이패스 도관(22)의 단면이 최대 매체 공급량에 적합하도록 설계된 것을 특징으로 하는,
    진공 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스로틀 수단(24)이 표준 작동에 요구되는 매체 공급량에 적합하도록 설계된 단면을 갖는 것을 특징으로 하는,
    진공 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스로틀 수단(24)의 단면적이 조정가능한 것을 특징으로 하는,
    진공 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브(26)를 통과하는 유속이 조정가능한 것을 특징으로 하는,
    진공 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 수단(18)이 각각의 극저온 펌프(10) 앞에 연결된 것을 특징으로 하는,
    진공 장치.
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