KR20120115949A

KR20120115949A - 크라이오펌프 시스템, 압축기, 및 크라이오펌프의 재생방법

Info

Publication number: KR20120115949A
Application number: KR1020120036643A
Authority: KR
Inventors: 다카아키 마츠이
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2012-10-19
Also published as: JP5669658B2; CN102734123B; CN102734123A; TWI493106B; US20120255314A1; TW201307682A; KR101339980B1; JP2012219730A

Abstract

[과제] 크라이오펌프의 냉동기의 역전승온에 의한 승온능력을 높인다.
[해결수단] 크라이오펌프 시스템(100)은, 저온 크라이오패널(60)의 냉각운전과 저온 크라이오패널(60)의 재생을 위한 승온운전을 행하기 위한 냉동기(50)를 구비하는 크라이오펌프(10)와, 냉동기(50)에 작동기체를 공급하기 위한 압축기(52)를 구비하고, 냉각운전보다 승온운전에 있어서 압축기(52)의 공급 작동기체 온도를 높게 한다. 압축기(52)는, 냉동기(50)에 공급하는 작동기체를 냉각하기 위한 열교환기와, 열교환기를 우회하는 바이패스로를 포함하여도 된다. 제어부(20)는, 냉동기(50)의 운전상태에 따라, 열교환기를 경유하는 유로와 바이패스로를 경유하는 유로를 전환하여도 된다.

Description

크라이오펌프 시스템, 압축기, 및 크라이오펌프의 재생방법{Cryo-pump system, Compressor, and regeneration method of cryo-pump}

본 출원은, 2011년 4월 11일에 출원된 일본 특허출원 제2011-087169호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 모든 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.

본 발명은, 크라이오펌프 시스템, 압축기, 및 크라이오펌프의 재생방법에 관한 것이다.

크라이오펌프는, 극저온으로 냉각된 크라이오패널에 기체분자를 응축 또는 흡착에 의하여 포착하여 배기하는 진공펌프이다. 크라이오펌프는 반도체회로 제조프로세스 등에 요구되는 청정한 진공환경을 실현하기 위하여 일반적으로 이용된다. 크라이오펌프는 크라이오패널의 냉각을 위하여 냉동기를 포함한다. 크라이오펌프에 부수하여, 냉동기에 고압의 작동기체를 공급하기 위한 압축기가 설치되어 있다.

일본 특허공개 2000-266416호 공보 일본 특허공개 평4-148084호 공보

크라이오패널을 냉각하기 위하여, 냉동기는 작동기체의 단열팽창에 의하여 한랭을 발생시킨다. 그로 인하여 냉동기에 공급되는 작동기체의 온도는 낮은 편이 바람직하다. 따라서, 작동기체의 공급원인 압축기는 통상, 작동기체의 압축에 의하여 생긴 열을 제거하고, 작동기체를 냉동기로 송출한다.

그런데, 크라이오펌프의 재생을 위하여 크라이오패널을 가열하는 하나의 방법으로서, 냉동기의 이른바 역전(逆轉)승온이 알려져 있다. 역전승온은, 냉각운전과는 작동기체의 흡배기의 타이밍을 상이하게 하여 작동기체에 단열압축을 일으켜, 냉동기로 크라이오패널을 가열하는 운전방법이다. 전형적으로는 냉동기의 흡배기 타이밍을 정하는 로터리밸브를 냉각운전과는 역회전시킴으로써 단열압축을 일으킨다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 어느 태양의 예시적인 목적의 하나는, 역전승온에 의한 승온능력을 높이는 것에 있다.

본 발명의 어느 태양의 크라이오펌프 시스템은, 크라이오패널의 냉각운전과 상기 크라이오패널의 재생을 위한 승온운전을 행하기 위한 냉동기를 구비하는 크라이오펌프와, 상기 냉동기에 작동기체를 공급하기 위한 압축기를 구비하는 크라이오펌프 시스템으로서, 상기 냉각운전보다 상기 승온운전에 있어서 상기 압축기의 공급 작동기체 온도를 높게 한다.

이 태양에 의하면, 비교적 고온의 작동기체를 승온운전 중인 냉동기에 공급할 수 있으므로, 크라이오패널의 승온을 촉진할 수 있다. 크라이오패널의 재생에 있어서의 승온시간을 짧게 할 수 있으므로, 재생에 요하는 시간을 단축할 수 있다.

본 발명의 다른 태양은, 크라이오펌프 또는 냉동기를 위한 작동기체의 압축기로서, 상기 크라이오펌프 또는 냉동기의 냉각운전보다 승온운전에 있어서 공급 작동기체 온도를 높게 하는 압축기이다.

본 발명의 다른 태양은, 크라이오펌프의 재생방법이다. 이 방법은, 크라이오패널의 승온공정을 포함하고, 상기 승온공정은, 크라이오패널을 냉각하기 위한 냉동기에의 공급 작동기체 온도를 승온공정 전보다도 높게 하는 것을 포함한다.

본 발명에 의하면, 역전승온에 의한 승온능력을 높일 수 있다.

도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 재생방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 4는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기에 있어서의 유로전환 제어를 설명하기 위한 플로우차트이다.

도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프 시스템(100)을 모식적으로 나타내는 도면이다. 크라이오펌프 시스템(100)은, 크라이오펌프(10), 제어부(20), 및 압축기(52)를 구비한다. 크라이오펌프(10)는, 예컨대 이온주입 장치나 스퍼터링 장치 등의 진공챔버에 장착되어, 진공챔버 내부의 진공도를 원하는 프로세스에 요구되는 레벨까지 높이기 위하여 사용된다. 크라이오펌프(10)는, 크라이오펌프 용기(30)와, 방사실드(40)와, 냉동기(50)를 포함하여 구성된다.

냉동기(50)는, 예컨대 기포드·맥마혼식 냉동기(이른바 GM냉동기) 등의 냉동기이다. 냉동기(50)는, 제1 실린더(11), 제2 실린더(12), 제1 냉각스테이지(13), 제2 냉각스테이지(14), 밸브구동모터(16)를 구비한다. 제1 실린더(11)와 제2 실린더(12)는 직렬로 접속된다. 제1 실린더(11)의 제2 실린더(12)와의 결합부 측에는 제1 냉각스테이지(13)가 설치되고, 제2 실린더(12)의 제1 실린더(11)로부터 먼 측의 끝에는 제2 냉각스테이지(14)가 설치된다. 도 1에 나타내는 냉동기(50)는, 2단식의 냉동기이고, 실린더를 직렬로 2단 조합하여 보다 낮은 온도를 달성하고 있다. 냉동기(50)는 냉매관(18)을 통하여 압축기(52)에 접속된다.

압축기(52)는, 예컨대 헬륨 등의 냉매가스, 즉 작동기체를 압축하여, 냉매관(18)을 통하여 냉동기(50)에 공급한다. 압축기(52)의 상세에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다. 냉동기(50)는, 작동기체를 축냉기를 통과시킴으로써 냉각하면서, 먼저 제1 실린더(11)의 내부의 팽창실에서, 이어서 제2 실린더(12)의 내부의 팽창실에서 팽창시켜 더욱 냉각한다. 축냉기는 팽창실 내부에 장착되어 있다. 이로써, 제1 실린더(11)에 설치되는 제1 냉각스테이지(13)는 제1 냉각온도 레벨로 냉각되고, 제2 실린더(12)에 설치되는 제2 냉각스테이지(14)는 제1 냉각온도 레벨보다 저온인 제2 냉각온도 레벨로 냉각된다. 예컨대, 제1 냉각스테이지(13)는 65K~100K 정도로 냉각되고, 제2 냉각스테이지(14)는 10K~20K 정도로 냉각된다.

팽창실에서 순차 팽창됨으로써 흡열하여, 각 냉각스테이지를 냉각시킨 작동기체는, 다시 축냉기를 통과하고, 냉매관(18)을 거쳐 압축기(52)에 되돌려진다. 압축기(52)로부터 냉동기(50)로, 또한 냉동기(50)로부터 압축기(52)로의 작동기체의 흐름은, 냉동기(50) 내의 로터리밸브(도시하지 않음)에 의하여 전환된다. 밸브구동모터(16)는, 외부전원으로부터 전력의 공급을 받아, 로터리밸브를 회전시킨다.

냉동기(50)를 제어하기 위한 제어부(20)가 설치되어 있다. 제어부(20)는, 제1 냉각스테이지(13) 또는 제2 냉각스테이지(14)의 냉각온도에 근거하여 냉동기(50)를 제어한다. 그로 인하여, 제1 냉각스테이지(13) 또는 제2 냉각스테이지(14)에 온도센서(도시하지 않음)가 설치되어 있어도 된다. 제어부(20)는, 밸브구동모터(16)의 운전주파수를 제어함으로써 냉각온도를 제어하여도 된다. 그로 인하여 제어부(20)는, 밸브구동모터(16)를 제어하기 위한 인버터를 구비하여도 된다. 제어부(20)는, 압축기(52) 및 후술하는 각 밸브를 제어하도록 구성되어 있어도 된다.

제어부(20)는, 크라이오펌프(10)를 제어하기 위한 크라이오펌프 컨트롤러와, 압축기(52)를 제어하기 위한 압축기 컨트롤러와, 크라이오펌프 컨트롤러 및 압축기 컨트롤러를 통괄하기 위한 상위의 컨트롤러를 구비하여도 된다. 제어부(20)는 크라이오펌프(10)에 일체로 설치되어 있어도 되고, 압축기(52)에 일체로 설치되어 있어도 되고, 크라이오펌프(10) 및 압축기(52)와는 별개인 제어장치로서 구성되어 있어도 된다.

도 1에 나타나는 크라이오펌프(10)는, 이른바 횡형(橫型)의 크라이오펌프이다. 횡형의 크라이오펌프는 일반적으로, 냉동기의 제2 냉각스테이지(14)가 통 형상의 방사실드(40)의 축방향으로 교차하는 방향(통상은 직교방향)을 따라 방사실드(40)의 내부에 삽입되어 있는 크라이오펌프이다. 다만, 본 발명은 이른바 종형(縱型)의 크라이오펌프에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 종형의 크라이오펌프란, 방사실드의 축방향을 따라 냉동기가 삽입되어 있는 크라이오펌프이다.

크라이오펌프 용기(30)는, 일단에 개구를 가지고 타단이 폐색되어 있는 원통형의 형상으로 형성된 부위(이하, "동체부"라 부름)(32)를 가진다. 이 개구는, 크라이오펌프가 접속되는 스퍼터장치 등의 진공챔버로부터 배기되어야 할 기체를 받아들이기 위한 펌프구(口)(34)로서, 설치되어 있다. 펌프구(34)는 크라이오펌프 용기(30)의 동체부(32)의 상단부 내면에 의하여 획정된다. 또한 동체부(32)에는 펌프구(34)로서의 개구와는 별도로, 냉동기(50)를 삽입 통과하기 위한 개구(37)가 형성되어 있다. 동체부(32)의 개구(37)에는 원통형의 냉동기 수용부(38)의 일단이 장착되고, 타단은 냉동기(50)의 하우징에 장착되어 있다. 냉동기 수용부(38)는 냉동기(50)의 제1 실린더(11)를 수용한다.

또한 크라이오펌프 용기(30)의 동체부(32)의 상단에는 직경방향 외측을 향하여 장착플랜지(36)가 뻗어 있다. 크라이오펌프(10)는, 장착플랜지(36)를 이용하여 장착목적지의 진공챔버에 장착된다.

크라이오펌프 용기(30)는, 크라이오펌프(10)의 내부와 외부를 구획하기 위하여 설치되어 있다. 상술한 바와 같이 크라이오펌프 용기(30)는 동체부(32)와 냉동기 수용부(38)를 포함하여 구성되어 있고, 동체부(32) 및 냉동기 수용부(38)의 내부는 공통의 압력으로 기밀하게 유지된다. 이로써 크라이오펌프 용기(30)는, 크라이오펌프(10)의 배기운전 중에는 진공용기로서 기능한다. 크라이오펌프 용기(30)의 외면은, 크라이오펌프(10)의 동작 중, 즉 냉동기가 작동하고 있는 동안도, 크라이오펌프(10)의 외부의 환경에 노출되기 때문에, 방사실드(40)보다 높은 온도로 유지된다. 전형적으로는 크라이오펌프 용기(30)의 온도는 환경온도로 유지된다. 여기서 환경온도란, 크라이오펌프(10)가 설치되어 있는 장소의 온도, 또는 그 온도에 가까운 온도를 말하고, 예컨대 실온 정도이다.

또한, 크라이오펌프 용기(30)의 냉동기 수용부(38)의 내부에 압력센서(54)가 설치되어 있다. 압력센서(54)는, 냉동기 수용부(38)의 내부압력 즉 크라이오펌프 용기(30)의 압력을 주기적으로 측정하여, 측정압력을 나타내는 신호를 제어부(20)에 출력한다. 압력센서(54)는 그 출력을 통신 가능하게 제어부(20)에 접속되어 있다. 다만 압력센서(54)는 크라이오펌프 용기(30)의 동체부(32)에 설치되어도 된다.

압력센서(54)는, 크라이오펌프(10)에 의하여 실현되는 높은 진공 레벨과 대기압 레벨의 양방을 포함하는 넓은 계측범위를 가진다. 적어도 재생처리 중에 생길 수 있는 압력범위를 계측범위에 포함하는 것이 요망된다. 압력센서(54)로서, 본 실시형태에서는 예컨대 크리스탈 게이지를 사용하는 것이 바람직하다. 크리스탈 게이지란, 수정진동자의 진동저항이 압력에 따라 변화하는 현상을 이용하여 압력을 측정하는 센서이다. 혹은 압력센서(54)는 피라니 진공계이어도 된다. 다만, 진공 레벨의 측정용의 압력센서와, 대기압 레벨의 측정용의 압력센서가, 개별적으로 크라이오펌프(10)에 설치되어 있어도 된다.

크라이오펌프 용기(30)에는, 벤트밸브(70), 러프밸브(72), 및 퍼지밸브(74)가 접속되어 있다. 벤트밸브(70), 러프밸브(72), 및 퍼지밸브(74)는 각각 제어부(20)에 의하여 개폐가 제어된다.

벤트밸브(70)는, 배출라인(80)의 예컨대 말단에 설치되어 있다. 혹은 벤트밸브(70)는 배출라인(80)의 중도에 설치되고 말단에는 방출된 유체를 회수하기 위한 탱크 등이 설치되어 있어도 된다. 벤트밸브(70)가 밸브개방됨으로써 배출라인(80)의 흐름이 허용되고, 벤트밸브(70)가 밸브폐쇄됨으로써 배출라인(80)의 흐름이 차단된다. 배출되는 유체는 기본적으로는 가스이지만, 액체 또는 기액의 혼합물이어도 된다. 예컨대 크라이오펌프(10)에 응축된 가스의 액화물이 배출유체에 혼재되어 있어도 된다. 벤트밸브(70)가 밸브개방됨으로써, 크라이오펌프 용기(30)의 내부에 생긴 양압을 외부로 해방할 수 있다.

배출라인(80)은, 크라이오펌프(10)의 내부공간으로부터 외부환경으로 유체를 배출하기 위한 배출덕트(82)를 포함한다. 배출덕트(82)는 예컨대 크라이오펌프 용기(30)의 냉동기 수용부(38)에 접속되어 있다. 배출덕트(82)는 흐름방향에 직교하는 단면이 원형인 덕트이지만, 그 외의 어떠한 단면형상을 가져도 된다. 배출라인(80)은, 배출덕트(82)로부터 배출되는 유체로부터 이물을 제거하기 위한 필터를 포함하여도 된다. 이 필터는, 배출라인(80)에 있어서 벤트밸브(70)의 상류에 설치되어 있어도 된다.

벤트밸브(70)는, 이른바 안전밸브로서도 기능하도록 구성되어 있다. 벤트밸브(70)는, 배출덕트(82)에 설치되어 있는 예컨대 상폐(常閉; normal-closed)형의 제어밸브이다. 벤트밸브(70)는 또한, 소정의 차압이 작용하였을 때에 기계적으로 밸브개방되도록 밸브폐쇄력이 미리 설정되어 있다. 이 설정차압은 예컨대, 크라이오펌프 용기(30)에 작용할 수 있는 내압이나 크라이오펌프 용기(30)의 구조적인 내구성 등을 고려하여 적절히 설정할 수 있다. 크라이오펌프(10)의 외부환경은 통상 대기압이기 때문에, 설정차압은 대기압을 기준으로 하여 소정의 값으로 설정된다.

벤트밸브(70)는 통상, 예컨대 재생 중 등과 같이 크라이오펌프(10)로부터 유체를 방출할 때에 제어부(20)에 의하여 개방된다. 방출하여야 하지 않을 때는 제어부(20)에 의하여 벤트밸브(70)는 밸브폐쇄된다. 한편, 벤트밸브(70)는, 설정차압이 작용하였을 때에 기계적으로 개방된다. 이로 인하여, 크라이오펌프 내부가 어떠한 이유로 고압으로 되었을 때에 제어를 요하는 일 없이 벤트밸브(70)는 기계적으로 밸브개방된다. 그로써 내부의 고압을 빼내보낼 수 있다. 이리하여 벤트밸브(70)는 안전밸브로서 기능한다. 이와 같이 벤트밸브(70)를 안전밸브와 겸용함으로써, 2개의 밸브를 각각 설치하는 경우에 비하여 비용저감이나 공간 절약화라는 이점을 얻을 수 있다.

러프밸브(72)는, 러핑펌프(73)에 접속된다. 러프밸브(72)의 개폐에 의하여, 러핑펌프(73)와 크라이오펌프(10)가 연통(連通) 또는 차단된다. 러핑펌프(73)는 전형적으로는 크라이오펌프(10)와는 다른 진공장치로서 설치되고, 예컨대 크라이오펌프(10)가 접속되는 진공챔버를 포함하는 진공시스템의 일부를 구성한다. 러프밸브(72)를 열고 또한 러핑펌프(73)를 동작시킴으로써, 크라이오펌프(10)의 내부를 감압할 수 있다.

퍼지밸브(74)는 도시하지 않은 퍼지가스 공급장치에 접속된다. 퍼지가스는 예컨대 질소가스이다. 제어부(20)가 퍼지밸브(74)를 제어함으로써, 퍼지가스의 크라이오펌프(10)에의 공급이 제어된다.

방사실드(40)는, 크라이오펌프 용기(30)의 내부에 배치되어 있다. 방사실드(40)는, 일단에 개구를 가지고 타단이 폐색되어 있는 원통형의 형상, 즉 컵형상의 형상으로 형성되어 있다. 방사실드(40)는, 도 1에 나타나는 바와 같은 일체의 통 형상으로 구성되어 있어도 되고, 또한, 복수의 파트에 의하여 전체적으로 통 형상의 형상을 이루도록 구성되어 있어도 된다. 이들 복수의 파트는 서로 간극을 가지고 배치되어 있어도 된다.

크라이오펌프 용기(30)의 동체부(32) 및 방사실드(40)는 모두 대략 원통형으로 형성되어 있고, 동축으로 배치되어 있다. 크라이오펌프 용기(30)의 동체부(32)의 내경이 방사실드(40)의 외경을 약간 상회하고 있고, 방사실드(40)는 크라이오펌프 용기(30)의 동체부(32)의 내면과의 사이에 약간의 간격을 가지고 크라이오펌프 용기(30)와는 비접촉 상태로 배치된다. 즉, 방사실드(40)의 외면은, 크라이오펌프 용기(30)의 내면과 대향하고 있다. 다만, 크라이오펌프 용기(30)의 동체부(32) 및 방사실드(40)의 형상은, 원통 형상으로는 한정되지 않고, 각통 형상이나 타원통 형상 등 어떠한 단면의 통 형상이어도 된다. 전형적으로는, 방사실드(40)의 형상은 크라이오펌프 용기(30)의 동체부(32)의 내면 형상과 유사한 형상이다.

방사실드(40)는, 제2 냉각스테이지(14) 및 이에 열적으로 접속되는 저온 크라이오패널(60)을 주로 크라이오펌프 용기(30)로부터의 복사열로부터 보호하는 방사실드로서 설치되어 있다. 제2 냉각스테이지(14)는, 방사실드(40)의 내부에 있어서 방사실드(40)의 대략 중심축 상에 배치된다. 방사실드(40)는, 제1 냉각스테이지(13)에 열적으로 접속된 상태로 고정되고, 제1 냉각스테이지(13)와 동일 정도의 온도로 냉각된다.

저온 크라이오패널(60)은, 예컨대 복수의 패널(64)을 포함한다. 패널(64)은 예컨대, 각각이 원추대의 측면의 형상, 말하자면 우산 모양의 형상을 가진다. 각 패널(64)은, 제2 냉각스테이지(14)에 장착되어 있는 패널 장착부재(66)에 장착되어 있다. 각 패널(64)에는 통상, 활성탄 등의 흡착제(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 흡착제는 예컨대 패널(64)의 이면에 접착되어 있다. 패널 장착부재(66)에 복수의 패널(64)이 서로 간격을 두고 장착되어 있다. 복수의 패널(64)은, 펌프구(34)로부터 보아 펌프 내부를 향하는 방향으로 배열되어 있다.

방사실드(40)의 흡기구에는, 진공챔버 등으로부터의 복사열로부터 제2 냉각스테이지(14) 및 이에 열적으로 접속되는 저온 크라이오패널(60)을 보호하기 위하여, 배플(62)이 설치되어 있다. 배플(62)은, 예컨대, 루버 구조나 셰브론 구조로 형성된다. 배플(62)은, 방사실드(40)의 중심축을 중심으로 하는 동심원 형상으로 형성되어 있어도 되고, 혹은 격자 형상 등 다른 형상으로 형성되어 있어도 된다. 배플(62)은 방사실드(40)의 개구측의 단부에 장착되어 있고, 방사실드(40)와 동일 정도의 온도로 냉각된다.

방사실드(40)의 측면에는 냉동기 장착공(42)이 형성되어 있다. 냉동기 장착공(42)은, 방사실드(40)의 중심축방향에 관하여 방사실드(40) 측면의 중앙부에 형성되어 있다. 방사실드(40)의 냉동기 장착공(42)은 크라이오펌프 용기(30)의 개구(37)와 동축으로 설치되어 있다. 냉동기(50)의 제2 실린더(12) 및 제2 냉각스테이지(14)는 냉동기 장착공(42)으로부터 방사실드(40)의 중심축방향에 수직인 방향을 따라 삽입되어 있다. 방사실드(40)는, 냉동기 장착공(42)에 있어서 제1 냉각스테이지(13)에 열적으로 접속된 상태로 고정된다.

다만 방사실드(40)가 제1 냉각스테이지(13)에 직접 장착되는 대신, 접속용 슬리브에 의하여 방사실드(40)가 제1 냉각스테이지(13)에 장착되어도 된다. 이 슬리브는 예컨대, 제2 실린더(12)의 제1 냉각스테이지(13) 측의 단부를 포위하고, 방사실드(40)를 제1 냉각스테이지(13)에 열적으로 접속하기 위한 전열(傳熱)부재이다.

도 2는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기(52)를 모식적으로 나타내는 도면이다. 압축기(52)는 크라이오펌프(10)를 포함하는 닫힌 유체회로에 작동기체를 순환시키기 위하여 설치되어 있다. 압축기유닛은 크라이오펌프(10)로부터 작동기체를 회수하고 압축하여 다시 크라이오펌프(10)로 송출한다. 압축기(52)는, 기체를 승압하는 압축기본체(140), 외부로부터 공급된 저압기체를 압축기본체(140)로 공급하기 위한 저압배관(142), 및, 압축기본체(140)에 의하여 압축된 고압기체를 외부로 송출하기 위한 고압배관(144)을 포함하여 구성된다.

압축기(52)는 흡입포트(146)로 크라이오펌프(10)로부터의 복귀가스를 받고, 저압배관(142)으로 작동기체는 보내진다. 흡입포트(146)는, 저압배관(142)의 말단에 있어서 압축기(52)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 스토리지탱크(150)를 구비한다. 스토리지탱크(150)는 흡입포트(146)와, 후술하는 바이패스기구(152)에의 분기 사이에 설치되어 있다. 스토리지탱크(150)에서 맥동이 제거된 작동기체는, 저압배관(142)을 통하여 압축기본체(140)에 공급된다. 스토리지탱크(150)의 내부에는, 기체로부터 불필요한 미립자 등을 없애기 위한 필터가 설치되어 있어도 된다. 스토리지탱크(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 승압하는 기능을 발휘하는 것이다. 압축기본체(140)는, 승압된 작동기체를 고압배관(144)에 송출한다. 압축기본체(140)는 오일을 이용하여 냉각을 행하는 구성으로 되어 있고, 오일을 순환시키는 오일냉각 배관이 압축기본체(140)에 부수적으로 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)에 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 열교환기(145)가 설치되어 있다. 열교환기(145)는 예컨대 냉각수(파선으로 나타냄)에 의하여 작동기체를 냉각한다. 또한 이 냉각수는 압축기본체(140)를 냉각하는 오일을 냉각하기 위해서도 이용되어도 된다. 고압배관(144)에 있어서 열교환기의 상류 및 하류 중의 적어도 일방에 작동기체의 온도를 측정하는 온도센서(153)가 설치되어 있어도 된다.

압축기본체(140)와 오일 세퍼레이터(154)를 접속하기 위하여 2개의 경로가 형성되어 있다. 즉, 열교환기(145)를 경유하는 메인유로(147)와, 열교환기(145)를 우회하는 바이패스로(149)가 형성되어 있다. 바이패스로(149)는, 열교환기(145)의 상류(압축기본체(140)의 하류)에서 메인유로(147)로부터 분기하고, 열교환기(145)의 하류(오일 세퍼레이터(154)의 상류)에서 메인유로(147)에 합류한다.

메인유로(147)와 바이패스로(149)의 합류위치에는 3방밸브(151)가 설치되어 있다. 3방밸브(151)를 전환함으로써, 메인유로(147)와 바이패스로(149) 중 어느 한쪽으로 작동기체 유로를 전환할 수 있다. 3방밸브(151)는, 그 외의 동등한 유로구성으로 치환하여도 되고, 예컨대, 메인유로(147)와 바이패스로(149) 각각에 2포트 밸브를 설치함으로써 메인유로(147)와 바이패스로(149)의 전환을 가능하게 하여도 된다.

오일 세퍼레이터(154)를 경유한 작동기체는, 고압배관(144)을 통하여 어드소버(156; 흡착기)에 보내진다. 어드소버(156)는, 예컨대 스토리지탱크(150) 내의 필터나 오일 세퍼레이터(154) 등의 유로 상의 오염물질 제거수단에 의하여 완전히 제거되어 있지 않은 오염성분을 작동기체로부터 제거하기 위하여 설치되어 있다. 어드소버(156)는, 예컨대 기화되어 있는 오일성분을 흡착에 의하여 제거한다.

토출포트(148)가 고압배관(144)의 말단에 있어서 압축기(52)의 하우징체에 설치되어 있다. 즉 고압배관(144)은 압축기본체(140)와 토출포트(148)를 접속하며, 그 중도에 열교환기(145), 오일 세퍼레이터(154) 및, 어드소버(156)가 설치되어 있다. 어드소버(156)를 경유한 작동기체는 토출포트(148)를 통하여 크라이오펌프(10)로 송출된다.

압축기(52)는, 저압배관(142)과 고압배관(144)을 잇는 바이패스배관(158)을 가지는 바이패스기구(152)를 구비한다. 도시한 실시예에서는, 바이패스배관(158)은, 스토리지탱크(150)와 압축기본체(140) 사이에 있어서 저압배관(142)으로부터 분기하고 있다. 또한, 바이패스배관(158)은, 오일 세퍼레이터(154)와 어드소버(156) 사이에 있어서 고압배관(144)으로부터 분기하고 있다.

바이패스기구(152)는, 크라이오펌프(10)로 송출되지 않고 고압배관(144)으로부터 저압배관(142)으로 우회하는 작동기체 유량을 제어하기 위한 제어밸브를 구비한다. 도시한 실시예에 있어서는, 바이패스배관(158)의 중도에 제1 제어밸브(160) 및 제2 제어밸브(162)가 병렬로 설치되어 있다. 한 실시예에 있어서는 제1 제어밸브(160)는 상개(常開; normal-open)형의 솔레노이드밸브이고, 제2 제어밸브(162)는 상폐(常閉; normal-closed)형의 솔레노이드밸브이다. 제1 제어밸브(160)는 운전정지시의 고압측과 저압측의 균압을 위하여 설치되어 있고, 제2 제어밸브(162)가 바이패스배관(158)의 유량제어밸브로서 사용된다.

압축기(52)는, 크라이오펌프(10)로부터의 복귀가스의 압력을 측정하기 위한 제1 압력센서(164)와, 크라이오펌프(10)에의 송출가스의 압력을 측정하기 위한 제2 압력센서(166)를 구비한다. 제1 압력센서(164)는 예컨대 스토리지탱크(150)에 설치되어 있고, 스토리지탱크(150)에 있어서 맥동이 제거된 복귀가스의 압력을 측정한다. 제2 압력센서(166)는 예컨대 오일 세퍼레이터(154)와 어드소버(156) 사이에 설치되어 있다.

상기 구성의 크라이오펌프(10)에 의한 동작을 이하에 설명한다. 크라이오펌프(10)의 작동시에는, 먼저 그 작동 전에 러프밸브(72)를 통하여 러핑펌프(73)로 크라이오펌프 용기(30)의 내부를 1Pa 정도로까지 러프펌핑한다. 압력은 압력센서(54)에 의하여 측정된다. 그 후 크라이오펌프(10)를 작동시킨다. 제어부(20)에 의한 제어 하에서, 냉동기(50)의 구동에 의하여 제1 냉각스테이지(13) 및 제2 냉각스테이지(14)가 냉각되고, 이들에 열적으로 접속되어 있는 방사실드(40), 배플(62), 저온 크라이오패널(60)도 냉각된다.

냉각된 배플(62)은, 진공챔버로부터 크라이오펌프(10) 내부를 향하여 날아오는 기체분자를 냉각하고, 그 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예컨대 수분 등)를 표면에 응축시켜 배기한다. 배플(62)의 냉각온도에서는 증기압이 충분히 낮아지지 않는 기체는 배플(62)을 통과하여 방사실드(40) 내부로 진입한다. 진입한 기체분자 중 저온 크라이오패널(60)의 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체는, 저온 크라이오패널(60)의 표면에 응축되어 배기된다. 그 냉각온도에서도 증기압이 충분히 낮아지지 않는 기체(예컨대 수소 등)는, 저온 크라이오패널(60)의 표면에 접착되어 냉각되고 있는 흡착제에 의하여 흡착되어 배기된다. 이와 같이 하여 크라이오펌프(10)는 장착목적지의 진공챔버의 진공도를 원하는 레벨에 도달시킬 수 있다.

배기운전이 계속됨으로써 크라이오펌프(10)에는 기체가 축적되어 간다. 축적된 기체를 외부에 배출하기 위하여, 배기운전이 개시되고나서 소정 시간이 경과하였을 때 또는 소정의 재생개시 조건이 만족되었을 때에, 크라이오펌프(10)의 재생이 행하여진다. 재생처리는, 승온공정, 배출공정, 및 냉각공정을 포함한다.

크라이오펌프(10)의 재생처리는 예컨대 제어부(20)에 의하여 제어된다. 제어부(20)는, 소정의 재생개시 조건이 만족되었는지 아닌지를 판정하여, 그 조건이 만족되었을 경우에는 재생을 개시한다. 그 경우, 제어부(20)는, 냉동기(50)의 크라이오패널 냉각운전을 중지하고, 냉동기(50)의 승온운전을, 구체적으로는 급속승온을 개시한다. 그 조건이 만족되지 않은 경우에는, 제어부(20)는 재생을 개시하지 않고, 예컨대 진공배기운전을 계속한다.

도 3은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 재생방법을 설명하기 위한 플로우차트이다. 재생처리는, 배기운전 중의 크라이오패널 온도보다 고온인 재생온도로 크라이오펌프(10)를 승온하는 승온공정을 포함한다(S10). 도 3에 나타내는 재생처리의 한 예는, 이른바 풀 재생이다. 풀 재생은, 크라이오펌프(10)의 저온 크라이오패널(60) 및 배플(62)을 포함하는 모든 크라이오패널을 재생한다. 크라이오패널은 진공배기운전을 위한 냉각온도로부터 예컨대 상온 부근의 재생온도(예컨대 약 300K)까지 가열된다.

승온공정은, 역전(逆轉)승온을 포함한다. 한 실시예에 있어서는 역전승온운전은, 냉각운전과는 냉동기(50) 내의 로터리밸브를 역방향으로 회전시킴으로써, 작동기체에 단열압축을 일으키도록 작동기체의 흡배기의 타이밍을 상이하게 한다. 이렇게 하여 얻어지는 압축열로 크라이오패널을 가열한다.

도 3에 나타나는 바와 같이, 한 실시예에 있어서는 승온공정은, 급속승온(S11)과 저속승온(S12)을 포함한다. 급속승온은, 냉각운전에 있어서의 크라이오패널 냉각온도로부터 승온속도 전환온도까지 비교적 고속으로 크라이오패널을 가열한다. 저속승온은, 그 승온속도 전환온도로부터 재생온도까지 급속승온보다 저속으로 크라이오패널을 가열한다. 승온속도 전환온도는 예컨대 200K 내지 250K의 온도 범위로부터 선택되는 온도이다. 다만, 이러한 2단계의 승온은 필수는 아니다. 일정한 승온속도로 크라이오패널은 가열되어도 되고, 승온속도가 2단계보다 다단계로 구분되는 승온공정이어도 된다.

승온공정에 있어서 제어부(20)는, 급속승온에 있어서 저속승온보다 밸브구동모터(16)를 고(高)회전으로 제어한다. 제어부(20)는 급속승온에 있어서, 크라이오패널 온도의 측정치가 승온속도 전환온도에 도달하였는지 아닌지를 판정한다. 제어부(20)는, 그 전환온도에 도달할 때까지는 급속승온을 계속하고, 그 전환온도에 도달한 경우에는 급속승온으로부터 저속승온으로 전환한다. 제어부(20)는 저속승온에 있어서, 크라이오패널 온도의 측정치가 재생온도에 도달하였는지 아닌지를 판정한다. 제어부(20)는, 재생온도에 도달할 때까지는 저속승온을 계속하고, 재생온도에 도달한 경우에는 승온공정을 종료하고, 다음의 배출공정을 개시한다.

배출공정은, 크라이오패널 표면으로부터 다시 기화된 기체를 크라이오펌프(10)의 외부로 배출한다(S14). 다시 기화된 기체는 예컨대 배출라인(80)을 통하여, 또는 러핑펌프(73)를 사용하여, 외부로 배출된다. 다시 기화된 기체는, 필요에 따라 도입되는 퍼지가스와 함께 크라이오펌프(10)로부터 배출된다. 배출공정에 있어서는, 냉동기(50)의 승온운전이 계속되고 있어도 되고, 냉동기(50)의 운전은 정지되어도 된다. 제어부(20)는 예컨대, 크라이오펌프(10)의 내부의 압력측정치에 근거하여, 기체배출이 완료되었는지 아닌지를 판정한다. 예컨대, 제어부(20)는, 크라이오펌프(10) 내의 압력이 소정의 임계값을 넘어 있는 동안은 배출공정을 계속하고, 압력이 그 임계값을 밑도는 경우에 배출공정을 종료하고 냉각공정을 개시한다.

냉각공정은, 진공배기운전을 재개하기 위하여 크라이오패널을 재냉각한다(S16). 냉동기(50)의 냉각운전이 개시된다. 제어부(20)는, 크라이오패널 온도의 측정치가 진공배기운전을 위한 크라이오패널 냉각온도에 도달하였는지 아닌지를 판정한다. 제어부(20)는, 크라이오패널 냉각온도에 도달할 때까지는 냉각공정을 계속하고, 그 냉각온도에 도달하였을 경우에는 냉각공정을 종료한다. 이렇게 하여 재생처리는 완료된다. 크라이오펌프(10)의 진공배기운전이 재개된다.

본 발명의 한 실시형태에 있어서는, 크라이오패널의 승온공정은, 크라이오패널을 냉각하기 위한 냉동기(50)에의 압축기(52)로부터의 공급 작동기체 온도를 승온공정 전보다 높게 하는 것을 포함한다. 크라이오펌프 시스템(100)은, 냉동기(50)의 냉각운전보다 승온운전에 있어서 공급 작동기체 온도를 높게 한다. 공급 작동기체 온도는 적어도 급속승온에 있어서 높게 한다. 혹은, 공급 작동기체 온도는 승온공정을 통하여 높게 하여도 된다. 급속승온 종료 후 또는 승온공정 종료후, 냉각공정이 개시될 때까지, 공급 작동기체 온도는 원래의 온도 레벨로 되돌려진다.

한 실시예에 있어서는, 크라이오펌프 시스템(100)은, 압축기(52)에 있어서의 유로전환 제어에 의하여, 냉동기(50)에의 공급 작동기체 온도를 높게 한다. 제어부(20)는, 냉동기(50)의 운전상태에 따라 압축기(52)에 있어서의 작동기체의 유로를 전환한다. 제어부(20)는, 냉동기(50)가 냉각운전인 경우에는 열교환기(145)를 경유하는 메인유로(147)에 작동기체를 흘려 보내고, 승온운전인 경우에는 바이패스로(149)에 작동기체를 흘려 보내도록 유로를 전환한다.

도 4는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기(52)에 있어서의 유로전환 제어를 설명하기 위한 플로우차트이다. 이 처리는 소정의 주기로 제어부(20)에 의하여 반복된다. 먼저, 제어부(20)는, 냉동기(50)의 운전상태를 판별한다(S20). 냉동기(50)가 냉각운전을 하고 있는 경우에는, 제어부(20)는, 압축기(52)에 있어서 작동기체가 메인유로(147)를 경유하도록 3방밸브(151)를 전환한다(S22). 전회의 판정에 있어서 냉동기(50)가 냉각운전을 하고 있는 경우에는, 메인유로(147)를 경유하는 상태를 계속한다.

한편, 냉동기(50)가 승온운전을 하고 있는 경우에는, 제어부(20)는, 압축기(52)에 있어서 작동기체가 바이패스로(149)를 경유하도록 3방밸브(151)를 전환한다(S24). 전회의 판정에 있어서 냉동기(50)가 승온운전을 하고 있는 경우에는, 바이패스로(149)를 경유하는 상태를 계속한다. 다만, 냉동기(50)가 운전을 정지하고 있는 경우에는, 3방밸브(151)의 상태를 변경하지 않고 계속하여도 된다.

상술한 바와 같이, 제어부(20)는, 급속승온의 실행 중에 한하여, 압축기(52)에 있어서 작동기체가 바이패스로(149)를 경유하도록 3방밸브(151)를 전환하여도 된다. 혹은, 승온공정의 완료 또는 배출공정의 완료까지, 바이패스로(149)를 경유하도록 3방밸브(151)를 전환하여도 된다. 제어부(20)는, 냉각공정을 개시할 때까지는 작동기체 경로를 메인유로(147)로 되돌리도록 3방밸브(151)를 전환한다.

이러한 3방밸브(151)의 전환동작에 의하여, 냉각운전에 있어서는 작동기체는 메인유로(147) 즉 열교환기(145)를 경유하는 한편, 승온운전에 있어서는 작동기체는 열교환기(145)를 경유하지 않고 바이패스로(149)를 경유한다. 따라서, 냉각운전에 있어서는 열교환기(145)에 의하여 냉각되어 저온의 작동기체가 냉동기(50)로 공급된다. 한편, 승온운전에 있어서는, 작동기체는 열교환기(145)를 경유하지 않기 때문에, 압축기본체(140)에서 압축열이 주어져서 고온이 된 작동기체가 그대로 냉동기(50)로 공급된다.

다만, 제어부(20)는, 크라이오펌프 시스템(100)의 온도센서의 측정치에 근거하여, 작동기체 유로를 바이패스로(149)로부터 메인유로(147)로 복귀시켜도 된다. 예컨대, 제어부(20)는, 냉동기(50)에 공급되는 작동기체 온도가 소정 온도를 넘는 것이 온도센서(153)의 측정온도에 근거하여 예측되는 경우에는, 바이패스로(149)로부터 메인유로(147)로 전환하여도 된다. 이 소정 온도는 예컨대 상술한 재생온도이어도 된다. 이렇게 하면, 과도하게 고온인 작동기체가 냉동기(50)에 공급되는 것을 피할 수 있다.

본 발명의 한 실시형태에 의하면, 비교적 고온의 작동기체를 승온운전 중의 냉동기(50)에 공급할 수 있으므로, 크라이오패널의 승온을 촉진할 수 있다. 따라서, 크라이오패널의 재생에 있어서의 승온시간을 짧게 할 수 있으므로, 재생에 요하는 시간을 단축할 수 있다. 압축기(52)에 있어서의 유로의 전환과 같은 단순한 조작으로, 또한 작동기체를 추가적으로 가열하는 일 없이 열교환기(145)로의 배열(排熱)을 이용하여, 냉동기(50)에 고온의 작동기체를 공급할 수 있으므로, 에너지 절약성이 뛰어나다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명하였다. 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않고, 다양한 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다.

예컨대, 공급 작동기체 온도를 높게 하기 위하여, 바이패스로(149)의 설치 및 유로전환 대신, 열교환기(145)의 냉각능력을 승온공정에 있어서 약하게 하여도 된다. 예컨대 열교환기(145)의 냉매(냉각수)의 유량을 작게 하거나, 혹은 냉각수 온도를 높여도 된다. 또는, 열교환기(145)의 냉매유로에, 작동기체와 열교환을 하는 메인유로와 열교환을 하지 않는 바이패스로를 형성하여, 상술한 실시예와 마찬가지로 냉동기(50)의 운전상태에 따라 전환하여도 된다.

상술한 실시예에 있어서는, 메인유로(147)와 바이패스로(149)가 작동기체를 흘려 보내기 위하여 선택적으로 사용되고 있지만 이것으로 한정되지 않는다. 메인유로(147)와 바이패스로(149)의 유량비를 조정함으로써, 작동기체 온도를 약간 조정하도록 하여도 된다.

10 크라이오펌프, 11 제1 실린더, 12 제2 실린더, 13 제1 냉각스테이지, 14 제2 냉각스테이지, 20 제어부, 30 크라이오펌프 용기, 40 방사실드, 43 냉동기 삽입통과공, 50 냉동기, 60 저온 크라이오패널, 70 벤트밸브, 72 러프밸브, 80 배출라인, 82 배출덕트, 100 크라이오펌프 시스템, 145 열교환기, 147 메인유로, 149 바이패스로, 151 3방밸브.

Claims

크라이오패널의 냉각운전과 상기 크라이오패널의 재생을 위한 승온운전을 행하기 위한 냉동기를 구비하는 크라이오펌프와, 상기 냉동기에 작동기체를 공급하기 위한 압축기를 구비하는 크라이오펌프 시스템으로서,
상기 냉각운전보다 상기 승온운전에 있어서 상기 압축기의 공급 작동기체 온도를 높게 하는 것
을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 압축기를 제어하기 위한 제어부를 더욱 구비하고,
상기 압축기는, 상기 냉동기에 공급하는 작동기체를 냉각하기 위한 열교환기와, 상기 열교환기를 우회하는 바이패스로를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 냉동기의 운전상태에 따라, 상기 열교환기를 경유하는 유로와 상기 바이패스로를 경유하는 유로를 전환하는 것
을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 승온운전은, 크라이오패널 냉각온도부터 승온속도 전환온도까지 고속으로 가열하는 급속승온과, 상기 승온속도 전환온도부터 재생을 위한 크라이오패널 온도까지 상기 급속승온보다 저속으로 가열하는 저속승온을 포함하고, 적어도 상기 급속승온에 있어서 공급 작동기체 온도를 높게 하는 것
을 특징으로 하는 크라이오펌프 시스템.
크라이오펌프 또는 냉동기를 위한 작동기체의 압축기로서,
상기 크라이오펌프 또는 냉동기의 냉각운전보다 승온운전에 있어서 공급 작동기체 온도를 높게 하는 것
을 특징으로 하는 압축기.
크라이오패널의 승온공정을 포함하고, 상기 승온공정은, 크라이오패널을 냉각하기 위한 냉동기로의 공급 작동기체 온도를 승온공정 전보다 높게 하는 것을 포함하는 것
을 특징으로 하는 크라이오펌프의 재생방법.