KR20130075688A - 크라이오펌프시스템, 극저온시스템, 압축기유닛의 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

크라이오펌프시스템, 극저온시스템, 압축기유닛의 제어장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

[과제] 극저온시스템을 위한 압축기유닛에 관련하여, 시스템의 운전계속성에 기여할 수 있는 제어를 제공한다.
[해결수단] 압축기컨트롤러(168)는, 극저온장치에 한랭을 발생시키기 위한 작동가스량에 관련된 제1 제어대상을 제어하기 위한 제1 제어량과, 작동가스량에 관련되어 제1 제어대상과는 상이한 제2 제어대상을 제어하기 위한, 제1 제어량과 공통의 제2 제어량을 포함한 적어도 2개의 제어량을 연산하는 제어량 연산부(176)와, 적어도 2개의 제어량의 비교에 근거하여, 제1 제어대상과 제2 제어대상을 포함한 적어도 2개의 제어대상으로부터, 제어되어야 할 제어대상을 선택하는 선택부(186)를 구비한다.

Description

크라이오펌프시스템, 극저온시스템, 압축기유닛의 제어장치 및 그 제어방법{Cryo-pump system, cryogenic system, controlling apparatus for compressor unit, and controlling method thereof}
본 출원은 2011년 12월 27일에 출원된 일본 특허출원 제2011-285356에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 크라이오펌프시스템, 극저온시스템, 압축기유닛의 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
극저온냉동기와, 그 냉동기에 작동가스를 공급하기 위한 압축기유닛을 구비하는 극저온시스템이 알려져 있다. 극저온시스템의 일례로서, 극저온냉동기를 냉각원(源)으로 하는 극저온장치(예컨대 크라이오펌프)를 구비하는 시스템도 알려져 있다. 극저온시스템에 있어서는, 냉동기의 작동가스의 고압측과 저압측의 차압을 설정치에 일치시키도록 압축기유닛이 제어되는 경우가 있다. 이러한 압축기유닛의 차압일정제어는 시스템의 소비전력저감에 기여한다(예컨대 특허문헌 1을 참조).
일본 특허공개공보 2004-3792호
크라이오펌프시스템 또는 극저온시스템에 있어서는 최근, 높은 에너지절약 성능을 제공하는 것은 가장 중요한 요구 중 하나이다. 압축기유닛의 차압일정제어는 그 요구에 따르기 위한 유용한 기술 중 하나이다.
그런 한편으로, 높은 에너지절약 성능을 제공하면서, 냉동능력이나 운전의 계속성과 같은 시스템의 기본성능을 향상시키는 것도 또한 요구되고 있다. 예컨대, 어떤 냉동기를 가지는 시스템에 있어서 그 냉동기의 설계를 변경하지 않고 냉동능력을 높이는 하나의 대책은, 압축기유닛의 작동가스의 봉입(封入)압을 높이는 것이다. 대안으로서, 차압일정제어를 실행하는 경우에는, 차압의 설정치를 높게 함으로써 냉동능력을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
압축기유닛에는 대부분, 사양상의 동작범위로부터의 일탈을 경고하기 위한 설정이 미리 갖춰져 있다. 예컨대, 작동가스의 과도한 고압을 경고하기 위한 고압설정치가 전기적으로 또는 기계적으로 정해져 있다. 상기 서술한 대책에 의해 냉동기의 냉동능력을 높인 결과, 시스템의 운전중에 작동가스압이 그 고압설정치에 도달할 가능성이 높아진다. 고압설정치를 넘지 않도록 작동가스압을 제어하기 위하여 압축기유닛의 운전상태를 불연속적으로 변경하도록, 압축기유닛이 구성되어 있는 경우가 있다. 작동가스압이 고압설정치에 도달했을 때에 압축기유닛이 자동적으로 정지되는 경우도 있다. 압축기유닛의 운전정지는 시스템 상태를 확실히 크게 변화시킨다.
극저온장치에 있어서 냉각온도의 안정은 중요하다. 예컨대 크라이오펌프에서는 그 기능을 계속적으로 제공하기 위하여 크라이오패널 온도의 안정이 요구된다. 극저온시스템에 있어서의 압축기유닛의 돌연의 정지를 포함한 운전상태의 급변은, 냉각온도의 안정성에 악영향을 줄 우려가 있다.
본 발명의 어느 태양의 예시적인 목적 중 하나는, 극저온시스템을 위한 압축기유닛에 관련하여, 시스템의 운전계속성에 기여할 수 있는 제어를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 어느 태양의 크라이오펌프시스템은, 크라이오패널과, 그 크라이오패널을 냉각하기 위한 냉동기를 구비하는 크라이오펌프와, 냉동기에 작동가스를 공급하기 위한 압축기유닛과, 공통제어량을 이용하는 압축기유닛의 적어도 2종류의 운전제어 중 어느 것을 선택적으로 실행하기 위한 제어부를 구비한다. 상기 적어도 2종류의 운전제어는, 공급가스량에 관련된 제1 제어대상을 제어하도록 공통제어량을 이용하여 압축기유닛을 운전하는 제1 운전제어와, 공급가스량에 관련하여 제1 제어대상과는 상이한 제2 제어대상을 제어하도록 공통제어량을 이용하여 압축기유닛을 운전하는 제2 운전제어를 포함한다. 제어부는, 제1 운전제어를 위한 공통제어량의 값과 제2 운전제어를 위한 공통제어량의 값을 포함한 적어도 2개의 공통제어량의 값의 비교에 근거하여, 실행되어야 할 운전제어를 상기 적어도 2종류의 운전제어로부터 선택한다.
운전제어의 제어량은, 그 제어량에 기인한 제어의 결과로서의 압축기유닛의 운전상태를, 현저하게 반영하는 파라미터라고 간주할 수 있다. 어느 제어에서 다른 제어로 이행했을 때, 이행 전후의 제어량의 변화의 크기에 따라 압축기유닛의 운전상태는 변화한다. 예컨대 제1 운전제어에서 제2 운전제어로 이행하는 경우, 그 시점에서의 2개의 운전제어의 제어량의 괴리가 크면, 그 이행에 따라 압축기유닛의 운전상태도 크게 변화한다. 그로 인하여, 각 제어량을 비교함으로써, 이행에 의한 운전상태로의 영향을 평가할 수 있다.
이와 같이 하여, 냉동기에 필요량의 작동가스를 공급하여 크라이오펌프에 원하는 냉각을 부여하기 위해서, 시스템의 운전계속성으로부터 보아 적합한 운전제어를, 적어도 2종류의 압축기유닛 운전제어로부터 선택해 실행하는 것이 가능해진다. 예컨대, 극저온시스템의 안정적인 운전의 계속과 같은 관점에서, 현재의 운전제어를 계속하거나, 혹은 다른 운전제어로 이행하거나를 결정할 수 있다.
제1 운전제어는 현재 선택되어 있는 운전제어이고, 제2 운전제어는 현재 선택되어 있지 않은 운전제어 중 어느 것이며, 제어부는, 제1 운전제어를 위한 공통제어량의 값과 제2 운전제어를 위한 공통제어량의 값의 대소관계가 변화했을 때에, 제1 운전제어를 제2 운전제어로 전환해도 된다.
각각의 운전제어를 위한 제어량의 대소관계의 변화는, 압축기유닛의 상황의 변화에 관련된다고 간주할 수 있다. 또한, 대소관계의 변화의 직전에 있어서는 일방의 제어량의 값이 타방보다 약간 크고, 대소관계의 변화의 직후에 있어서는 일방의 제어량의 값이 타방보다 약간 작아지는 것으로 기대된다. 그 경우, 대소관계의 변화시에 현재의 운전제어로부터 다른 운전제어로 이행한 것에 따른 제어량의 변화는, 작아진다. 따라서, 대소관계의 변화를 운전제어의 이행의 계기로 함으로써, 이행에 따른 압축기유닛의 운전상태의 급변을 회피하는 것이 가능해진다.
제1 운전제어는, 통상상태로서 선택되어 있는 운전제어이고, 제2 운전제어는, 압축기유닛의 보호를 위해서 제2 제어대상에 대해 설정된 목표치와 제2 제어대상의 편차에 근거하여 공통제어량이 결정되는 압축기 보호제어이어도 된다.
이 경우, 압축기유닛의 통상의 운전제어와 보호제어의 전환에 의한 운전상태에의 영향을 포함시켜 전환의 가부를 결정하는 것이 가능해지며, 예컨대, 보호를 위한 전환동작에 기인하는 운전상태의 급변을 회피하는 것이 가능해진다.
상기 제1 제어대상은, 상기 압축기유닛의 토출측 압력과 흡입측 압력의 차압이고, 상기 제1 운전제어는, 당해 차압에 대한 목표치와 당해 차압과의 편차에 근거하여 상기 공통제어량이 결정되는 차압제어이며, 상기 제2 제어대상은, 상기 압축기유닛의 토출측 압력이고, 상기 제2 운전제어는, 당해 토출측 압력에 대한 목표치와 당해 토출측 압력과의 편차에 근거하여 상기 공통제어량이 결정되는 토출압제어이어도 된다.
차압제어는 극저온시스템의 소비전력저감에 효과적이다. 또한, 토출압제어는 토출측 압력을 목표치 부근에 머무르게 할 수 있기 때문에, 과도한 고압을 억제하기 위한 압축기 보호제어의 일례로서 유효하다.
상기 적어도 2종류의 운전제어는, 공급가스량에 관련된 제3 제어대상을 제어하도록 공통제어량을 이용하여 압축기유닛을 운전하는 제3 운전제어를 더욱 포함해도 된다. 제어부는, 제1 운전제어를 위한 공통제어량의 값과 제2 운전제어를 위한 공통제어량의 값과 제3 운전제어를 위한 공통제어량의 값을 포함한 적어도 3개의 공통제어량의 값에 근거하여, 실행되어야 할 운전제어를 상기 적어도 2종류의 운전제어로부터 선택하고, 제3 제어대상은, 압축기유닛의 흡입측 압력이고, 제3 운전제어는, 당해 흡입측 압력에 대한 목표치와 당해 흡입측 압력과의 편차에 근거하여 공통제어량이 결정되는 흡입압제어이어도 된다.
제1 운전제어 및 제2 운전제어에 더해 제3 운전제어가 설정됨으로써, 상황에 따라 보다 적합한 운전제어를 선택할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은, 극저온시스템이다. 이 극저온시스템은, 적어도 하나의 극저온냉동기와, 적어도 하나의 극저온냉동기에 작동가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 압축기유닛과, 압축기유닛을 위한 적어도 2종류의 제어의 각각에 의한 운전상태를 평가하기 위한 공통의 평가 파라미터에 근거하여, 적어도 2종류의 제어 중 어느 것을 선택적으로 실행하기 위한 제어부를 구비한다.
이 태양에 의하면, 운전상태를 평가하기 위한 공통의 평가 파라미터가 사용되므로, 각 제어에 의한 운전상태에의 영향의 비교가 용이하다. 비교 결과에 근거하여 압축기유닛의 제어를 선택해서 실행할 수 있다.
상기 적어도 하나의 압축기유닛은, 복수의 압축기유닛이며, 제어부는, 상기 적어도 2종류의 제어의 선택을, 복수의 압축기유닛의 각각에 대해 개별적으로 실행해도 된다. 이와 같이 하면, 극저온시스템의 복수의 압축기유닛의 각각에 대해서 적합한 제어를, 다른 압축기유닛의 운전상태에는 관계없이 선택할 수 있다.
본 발명의 또한 다른 태양은, 압축기유닛의 제어장치이다. 이 장치는, 극저온장치에 한랭을 발생시키기 위한 작동가스를 그 극저온장치에 공급하기 위한 압축기유닛의 제어장치로서, 상기 압축기유닛으로부터 상기 극저온장치에 공급되는 가스량에 관련된 제1 제어대상을 제어하기 위한 제1 제어량과, 상기 공급되는 가스량에 관련되어 제1 제어대상과는 상이한 제2 제어대상을 제어하기 위한, 제1 제어량과 공통인 제2 제어량을 포함한 적어도 2개의 제어량을 연산하는 제어량 연산부와, 상기 적어도 2개의 제어량의 비교에 근거하여, 제1 제어대상과 제2 제어대상을 포함한 적어도 2개의 제어대상으로부터, 제어되어야 할 제어대상을 선택하는 선택부를 구비한다.
본 발명의 또한 다른 태양은, 압축기유닛의 제어방법이다. 이 방법은, 극저온장치에 한랭을 발생시키기 위한 작동가스를 그 극저온장치에 공급하기 위한 압축기유닛의 제어방법으로서, 압축기유닛의 통상제어가 상기 압축기유닛을 위한 보호제어보다 압축기유닛에 높은 부하를 부여하는지 아닌지를 판정하는 것과, 통상제어가 보호제어보다 압축기유닛에 높은 부하를 부여한다고 판정되었을 경우에, 보호제어로 이행하는 것을 포함한다.
이 태양에 의하면, 압축기유닛의 통상제어가 압축기유닛에 높은 부하를 주는 경우에, 통상제어에서 보호제어로 이행할 수 있다. 이렇게 하여, 압축기유닛을 보호하면서 운전을 계속할 수 있다.
보호제어 동안에, 보호제어가 통상제어보다 압축기유닛에 높은 부하를 부여한다고 판정되었을 경우에, 보호제어에서 통상제어로 복귀하는 것을 포함해도 된다. 이와 같이 하면, 보호제어의 계속이 오히려 압축기유닛에 높은 부하를 부여하는 경우에, 통상제어에 자동적으로 복귀할 수 있다.
또한, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템, 프로그램 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 태양으로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 크라이오펌프시스템 또는 극저온시스템을 위한 압축기유닛에 관련하여, 시스템의 운전계속성에 기여할 수 있는 제어가 제공된다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템의 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 크라이오펌프시스템에 관한 제어블록도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기유닛 운전제어의 제어플로우를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기유닛 운전제어의 제어플로우를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 실시형태와 관하여, 제어량의 변화를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템(1000)의 전체 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 크라이오펌프시스템(1000)은, 진공장치(300)의 진공배기를 하기 위하여 사용된다. 진공장치(300)는 진공환경에서 물체에 처리를 하는 진공처리장치이며, 예컨대 이온주입장치나 스퍼터링장치 등의 반도체제조공정에서 이용되는 장치이다.
크라이오펌프시스템(1000)은, 복수대의 크라이오펌프(10)를 포함한다. 이들의 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 CP컨트롤러라고도 칭함)(100)가 결정한 제어량에 따라 운전된다. 예컨대 10-5Pa 내지 10-8Pa 정도의 높은 진공도가 진공챔버에 실현된다. 도시한 예에서는 크라이오펌프시스템(1000)에 11대의 크라이오펌프(10)가 포함된다. 복수의 크라이오펌프(10)는 어느 것도 동일한 배기성능을 가지는 크라이오펌프이어도 되고, 상이한 배기성능을 가지는 크라이오펌프이어도 된다.
크라이오펌프시스템(1000)은, CP컨트롤러(100)를 구비한다. CP컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10) 및 압축기유닛(102, 104)을 제어한다. CP컨트롤러(100)는, 각종 연산처리를 실행하는 CPU, 각종 제어프로그램을 격납하는 ROM, 데이터 격납이나 프로그램 실행을 위한 워크 에어리어로서 이용되는 RAM, 입출력 인터페이스, 메모리 등을 구비한다. 또한, CP컨트롤러(100)는, 진공장치(300)를 제어하기 위한 호스트컨트롤러(도시하지 않음)와도 통신 가능하게 구성되어 있다. 진공장치(300)의 호스트컨트롤러는 크라이오펌프시스템(1000)을 포함한 진공장치(300)의 각 구성요소를 통괄하는 상위의 컨트롤러라고도 할 수 있다.
CP컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10) 및 압축기유닛(102, 104)과는 별개로 구성되어 있다. CP컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10) 및 압축기유닛(102, 104)과 서로 통신 가능하게 접속되어 있다. 크라이오펌프(10)는 각각, CP컨트롤러(100)와 통신하는 입출력을 처리하기 위한 IO모듈(50)(도 4 참조)을 구비한다. CP컨트롤러(100)와 각 IO모듈(50)이 제어통신선으로 접속된다. 도 1에서는 크라이오펌프(10)와 CP컨트롤러(100)의 제어통신선, 및 압축기유닛(102, 104)과 CP컨트롤러(100)의 제어통신선을 파선으로 나타낸다. 다만 CP컨트롤러(100)는, 어느 크라이오펌프(10) 또는 압축기유닛(102, 104)과 일체로 구성되어 있어도 된다.
CP컨트롤러(100)는, 단일의 컨트롤러로 구성되어 있어도 되고, 각각이 동일한 또는 상이한 기능을 나타내는 복수의 컨트롤러를 포함해도 된다. 예컨대, CP컨트롤러(100)는, 각 압축기유닛에 설치되어, 각 압축기유닛의 제어량을 결정하는 압축기컨트롤러와, 크라이오펌프시스템을 통괄하는 크라이오펌프컨트롤러를 구비해도 된다.
크라이오펌프시스템(1000)은, 제1 압축기유닛(102) 및 제2 압축기유닛(104)을 적어도 포함한 복수의 압축기유닛을 구비한다. 압축기유닛은 크라이오펌프(10)를 포함한 폐쇄된 유체회로에 작동가스를 순환시키기 위하여 설치되어 있다. 압축기유닛은 크라이오펌프(10)로부터 작동가스를 회수하고 압축하여 재차 크라이오펌프(10)로 송출한다. 압축기유닛은 진공장치(300)로부터 떨어져서, 또는 진공장치(300)의 근방에 설치되어 있다. 압축기유닛은 압축기컨트롤러(168(도 4 참조))가 결정한 제어량에 따라 운전된다. 혹은 CP컨트롤러(100)가 결정한 제어량에 따라 운전된다.
이하에서는 대표예로서 2대의 압축기유닛(102, 104)을 가지는 크라이오펌프시스템(1000)을 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이들 압축기유닛(102, 104)과 마찬가지로 3대 이상의 압축기유닛이 복수의 크라이오펌프(10)에 병렬로 접속되어 있는 크라이오펌프시스템(1000)을 구성해도 된다. 다만 도 1에 나타내는 크라이오펌프시스템(1000)은 크라이오펌프(10) 및 압축기유닛(102, 104)을 각각 복수 구비하고 있지만, 크라이오펌프(10) 또는 압축기유닛(102, 104)을 1대로 해도 된다.
복수의 크라이오펌프(10)와 복수의 압축기유닛(102, 104)은 작동가스 배관계(106)에 의해 접속된다. 배관계(106)는, 복수의 크라이오펌프(10)와 복수의 압축기유닛(102, 104)을 서로 병렬로 접속하여, 복수의 크라이오펌프(10)와 복수의 압축기유닛(102, 104) 사이에서 작동가스를 유통시키도록 구성되어 있다. 배관계(106)에 의해, 1대의 크라이오펌프(10)에 복수의 압축기유닛의 각각이 병렬로 접속되며, 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 있으며. 내부공급라인(112) 및 내부복귀라인(114)을 포함한다. 외부배관(110)은 진공장치(300)의 외부에 설치되어 있으며, 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 작동가스를 집약하여 복수의 크라이오펌프(10)에 공급하기 위한 공통의 공급라인이 내부공급라인(112) 및 외부공급라인(120)에 의해 구성되어 있다. 또한, 복수의 크라이오펌프(10)로부터 배출되는 작동가스를 집약하여 복수의 압축기유닛(102, 104)에 되돌리기 위한 공통의 복귀라인이 내부복귀라인(114) 및 외부복귀라인(122)에 의해 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.
크라이오펌프시스템(1000)이 사용되는 장소(예컨대 반도체 제조공장)에 있어서의 각종 장치의 레이아웃에 따라서는, 상기 서술한 공통라인은 (도시된 것과는 상이하게) 상당한 길이가 되는 경우도 있다. 작동가스를 공통라인에 집약함으로써, 복수의 압축기의 각각을 별개로 진공장치에 접속하는 경우보다 토탈의 배관길이를 짧게 할 수 있다. 또한, 작동가스의 공급대상(예컨대 크라이오펌프시스템(1000)에 있어서는 개개의 크라이오펌프(10))마다 복수의 압축기가 접속되는 배관구성을 취하므로, 용장(冗長; 장황함)성도 있다. 복수의 압축기를 개개의 대상(예컨대 크라이오펌프)에 병렬로 배치하여 운전함으로써, 복수의 압축기에의 부하가 분담되어 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 의해 포착되어 배기된다. 예컨대 기준 증기압(예컨대 10-8Pa)보다 증기압이 낮은 기체가 배기된다. 제2 크라이오패널에는, 제2 냉각온도레벨에 있어서 증기압이 낮은 기체가 응축에 의해 포착되어 배기된다. 제2 크라이오패널에는, 증기압이 높기 때문에 제2 온도레벨에 있어서도 응축되지 않는 비응축성 기체를 포착하기 위해서 표면에 흡착영역이 형성된다. 흡착영역은 예컨대 패널표면에 흡착제를 마련함으로써 형성된다. 비응축성 기체는, 제2 온도레벨로 냉각된 흡착영역에 흡착되어 배기된다.
도 2에 나타내는 크라이오펌프(10)는, 냉동기(12)와 패널구조체(14)와 열(熱)실드(16)를 구비한다. 냉동기(12)는, 작동가스를 흡입하여 내부에서 팽창시켜 토출하는 열사이클에 의해 한랭을 발생시킨다. 패널구조체(14)는 복수의 크라이오패널을 포함하고, 이들 패널은 냉동기(12)에 의해 냉각된다. 패널표면에는 기체를 응축 또는 흡착에 의해 포착하여 배기하기 위한 극저온면이 형성된다. 크라이오패널의 표면(예컨대 이면)에는 통상, 기체를 흡착하기 위한 활성탄 등의 흡착제가 마련된다. 열실드(16)는, 패널구조체(14)를 주위의 복사열로부터 보호하기 위해서 설치되어 있다.
크라이오펌프(10)는, 이른바 종형(縱型)의 크라이오펌프이다. 종형의 크라이오펌프란, 열실드(16)의 축방향을 따라 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 나타나 있다.
냉동기(12)는, 기포드·맥마흔식냉동기(이른바 GM냉동기)이다. 또한 냉동기(12)는 2단식의 냉동기이며, 제1단 실린더(18), 제2단 실린더(20), 제1 냉각스테이지(22), 제2 냉각스테이지(24), 및 냉동기모터(26)룰 가진다. 제1단 실린더(18)와 제2단 실린더(20)는 직렬로 접속되어 있으며, 서로 연결되는 제1단 디스플레이서 및 제2단 디스플레이서(도시하지 않음)가 각각 내장되어 있다. 제1단 디스플레이서 및 제2단 디스플레이서의 내부에는 축냉재가 넣어져 있다. 다만, 냉동기(12)는 2단 GM냉동기 이외의 냉동기이어도 되고, 예컨대 단일단 GM냉동기를 이용해도 되며, 펄스튜브냉동기나 솔베이냉동기를 이용해도 된다.
냉동기(12)는, 작동가스의 흡입과 토출을 주기적으로 반복하기 위해서 작동가스의 유로를 주기적으로 전환하는 유로전환기구를 포함한다. 유로전환기구는 예컨대 밸브부와 밸브부를 구동하는 구동부를 포함한다. 밸브부는 예컨대 로타리밸브이고, 구동부는 로타리밸브를 회전시키기 위한 모터이다. 모터는, 예컨대 AC모터 또는 DC모터이어도 된다. 또한 유로전환기구는 리니어모터에 의해 구동되는 직동식의 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 가능하도록 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 가능하도록 당해 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 브레이징으로 고정된다.
모터용 하우징(27)의 외측에 설치되어 있는 기체공급구(42) 및 기체배출구(44)를 통해서 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 작동가스(예컨대 헬륨 등)를 내부에서 팽창시켜 제1 냉각스테이지(22) 및 제2 냉각스테이지(24)에 한랭을 발생시킨다. 압축기유닛(102, 104)은, 냉동기(12)에서 팽창된 작동가스를 회수해 다시 가압하여 냉동기(12)에 공급한다.
구체적으로는, 먼저 압축기유닛(102, 104)으로부터 냉동기(12)에 고압의 작동가스가 공급된다. 이때, 냉동기모터(26)는, 기체공급구(42)와 냉동기(12)의 내부공간을 연통(連通)하는 상태로 모터용 하우징(27) 내부의 가동밸브를 구동한다. 냉동기(12)의 내부공간이 고압의 작동가스로 채워지면, 냉동기모터(26)에 의해 가동밸브가 전환되어 냉동기(12)의 내부공간이 기체배출구(44)에 연통된다. 이로써 작동가스는 팽창되어 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 10K 내지 20K 정도로 냉각되고, 제1 냉각스테이지(22)는 예컨대 80K 내지 100K 정도로 냉각된다. 제1 냉각스테이지(22)에는 제1 냉각스테이지(22)의 온도를 측정하기 위한 제1 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 원통형의 형상으로 형성되어 있다. 개구부(31)는 열실드(16)의 통 형상 측면의 단부 내면에 의해 획정된다.
한편, 열실드(16)의 개구부(31)와는 반대측 즉 펌프 저부(底部)측인 타단에는 폐색부(28)가 형성되어 있다. 폐색부(28)는, 열실드(16)의 원통형 측면의 펌프 저부측 단부에 있어서 직경방향 내측을 향하여 뻗는 플랜지부에 의해 형성된다. 도 2에 나타내는 크라이오펌프(10)는 종형의 크라이오펌프이므로, 이 플랜지부가 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)에 장착되어 있다. 이로써, 열실드(16) 내부에 원주(圓柱) 형상의 내부공간(30)이 형성된다. 냉동기(12)는 열실드(16)의 중심축을 따라 내부공간(30)으로 돌출되어 있고, 제2 냉각스테이지(24)는 내부공간(30)에 삽입된 상태로 되어 있다.
다만, 횡형의 크라이오펌프의 경우에는, 폐색부(28)는 통상 완전히 폐색되어 있다. 냉동기(12)는, 열실드(16)의 측면에 형성되어 있는 냉동기장착용의 개구부로부터 열실드(16)의 중심축에 직교하는 방향을 따라 내부공간(30)에 돌출되어 배치된다. 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)는 열실드(16)의 냉동기장착용 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 패널장착부재를 통하여 제2 냉각스테이지(24)에 장착해도 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 격자 형상 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 폐쇄되고, 크라이오펌프(10)에 의해 진공챔버(80)를 배기할 때에 개방된다. 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 접속용의 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 통해 진공챔버(80)의 배기용 개구에 기밀하게 고정되어, 진공챔버(80)의 내부공간과 일체의 기밀공간이 형성된다. 펌프케이스(34) 및 열실드(16)는 모두 원통형으로 형성되어 있으며, 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 1Pa~10Pa 정도로까지 러핑한다. 그 후 크라이오펌프(10)를 작동시킨다. 냉동기(12)의 구동에 의해 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 향해 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 의해 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 동일한 구성을 가진다. 압축기유닛(102)은, 기체를 승압하는 압축기본체(140), 외부로부터 공급된 저압기체를 압축기본체(140)로 공급하기 위한 저압배관(142), 및, 압축기본체(140)에 의해 압축된 고압기체를 외부에 송출하기 위한 고압배관(144)을 포함하여 구성한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 저압기체는 제1 흡입배관(132)을 통해서 제1 압축기유닛(102)에 공급된다. 제1 압축기유닛(102)은 흡입포트(146)로 크라이오펌프(10)로부터의 복귀가스를 받고, 저압배관(142)으로 작동가스는 보내진다. 흡입포트(146)는, 저압배관(142)의 말단에 있어서 제1 압축기유닛(102)의 케이싱에 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)로의 분기 사이에 설치되어 있다. 스토리지탱크(150)에서 맥동이 제거된 작동가스는, 저압배관(142)을 통해서 압축기본체(140)에 공급된다. 스토리지탱크(150)의 내부에는, 기체로부터 불필요한 미립자 등을 제거하기 위한 필터가 설치되어 있어도 된다. 스토리지탱크(150)와 흡입포트(146) 사이에는, 외부로부터 작동가스를 보충하기 위한 유입포트 및 배관이 접속되어 있어도 된다.
압축기본체(140)는, 예컨대 스크롤방식 혹은 로타리식의 펌프이며, 흡입된 가스를 승압하는 기능을 나타내는 것이다. 압축기본체(140)는, 승압된 작동가스를 고압배관(144)에 송출한다. 압축기본체(140)는 오일을 이용하여 냉각을 행하는 구성으로 되어 있으며, 오일을 순환시키는 오일냉각배관이 압축기본체(140)에 부수하여 설치되어 있다. 이로 인하여, 승압된 작동가스는 이 오일이 약간 혼입된 상태로 고압배관(144)에 송출된다.
따라서, 고압배관(144)에는 그 중도에 오일세퍼레이터(154)가 설치되어 있다. 오일세퍼레이터(154)에서 작동가스로부터 분리된 오일은 저압배관(142)으로 되돌려지며, 저압배관(142)을 통하여 압축기본체(140)로 되돌려져도 된다. 오일세퍼레이터(154)에는 과도한 고압을 해방시키기 위한 릴리프밸브가 설치되어 있어도 된다.
압축기본체(140)와 오일세퍼레이터(154)를 접속하는 고압배관(144)의 중도에, 압축기본체(140)로부터 송출된 고압 작동가스를 냉각하기 위한 열교환기가 설치되어 있어도 된다(도시하지 않음). 열교환기는 예컨대 냉각수에 의해 작동가스를 냉각한다. 또한 이 냉각수는 압축기본체(140)를 냉각하는 오일을 냉각하기 위해서도 이용되어도 된다. 고압배관(144)에 있어서 열교환기의 상류 및 하류의 적어도 일방에 작동가스의 온도를 측정하는 온도센서가 설치되어 있어도 된다.
오일세퍼레이터(154)를 경유한 작동가스는, 고압배관(144)을 통하여 업소버(156)에 보내진다. 업소버(156)는, 예컨대 스토리지탱크(150) 내의 필터나 오일세퍼레이터(154) 등의 유로상의 오염물질 제거수단에 의해 제거되지 않는 오염성분을 작동가스로부터 제거하기 위하여 설치되어 있다. 업소버(156)는, 예컨대 기화되어 있는 오일성분을 흡착에 의해 제거한다.
토출포트(148)가 고압배관(144)의 말단에 있어서 제1 압축기유닛(102)의 케이싱에 설치되어 있다. 즉 고압배관(144)은 압축기본체(140)와 토출포트(148)을 접속하고, 그 중도에 오일세퍼레이터(154) 및 업소버(156)가 설치되어 있다. 업소버(156)를 경유한 작동가스는 토출포트(148)를 통하여 크라이오펌프(10)로 송출된다.
제1 압축기유닛(102)은, 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 분기되어 있다. 또한, 바이패스배관(158)은, 오일세퍼레이터(154)와 업소버(156) 사이에 있어서 고압배관(144)으로부터 분기되어 있다.
바이패스기구(152)는, 크라이오펌프(10)로 송출되지 않고 고압배관(144)으로부터 저압배관(142)으로 우회하는 작동가스유량을 제어하기 위한 제어밸브를 구비한다. 도시한 실시예에 있어서는, 바이패스배관(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 솔레노이드밸브이다. 본 실시예에 있어서는 제2 제어밸브(162)가 바이패스배관(158)의 유량제어밸브로서 사용된다. 이하에서는 제2 제어밸브(162)를 릴리프밸브(162)라고도 부른다.
제1 압축기유닛(102)은, 크라이오펌프(10)로부터의 복귀가스의 압력을 측정하기 위한 제1 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 일도 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 스토리지탱크(150)에 설치되어 있고, 스토리지탱크(150)에 있어서 맥동이 제거된 복귀가스의 압력을 측정한다. 제1 압력센서(164)는 저압배관(142)의 임의의 위치에 설치되어 있어도 된다. 제2 압력센서(166)는 오일세퍼레이터(154)와 업소버(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, 바이패스기구(152)도 제1 압축기유닛(102)의 외부에 설치되어 있어도 되고, 예컨대 제1 흡입배관(132)과 제1 토출배관(128)을 바이패스배관(158)이 접속하고 있어도 된다.
도 4는, 본 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템(1000)에 관한 제어블록도이다. 도 4는, 본 발명의 한 실시형태에 관련된 크라이오펌프시스템(1000)의 주요 부분을 나타내고 있다. 복수의 크라이오펌프(10) 중 하나에 대해 내부의 상세를 나타내고, 다른 크라이오펌프(10)에 대해서는 동일하므로 도시를 생략한다. 마찬가지로 제1 압축기유닛(102)에 대해 상세하게 나타내고, 제2 압축기유닛(104)은 그와 동일하므로 내부의 도시를 생략한다.
CP컨트롤러(100)는 상기 서술한 바와 같이, 각 크라이오펌프(10)의 IO모듈(50)에 통신 가능하게 접속되어 있다. IO모듈(50)은, 냉동기인버터(52) 및 신호처리부(54)를 포함한다. 냉동기인버터(52)는 외부전원 예컨대 상용전원으로부터 공급되는 규정의 전압 및 주파수의 전력을 조정하여 냉동기모터(26)에 공급한다. 냉동기모터(26)에 공급되어야 할 전압 및 주파수는 CP컨트롤러(100)에 의해 제어된다.
CP컨트롤러(100)는 센서출력신호에 근거하여 제어량을 결정한다. 신호처리부(54)는, CP컨트롤러(100)로부터 송신된 제어량을 냉동기인버터(52)로 중계한다. 예컨대, 신호처리부(54)는 CP컨트롤러(100)로부터의 제어신호를 냉동기인버터(52)로 처리 가능한 신호로 변환하여 냉동기인버터(52)에 송신한다. 제어신호는 냉동기모터(26)의 운전주파수를 나타내는 신호를 포함한다. 또한, 신호처리부(54)는, 크라이오펌프(10)의 각종 센서의 출력을 CP컨트롤러(100)로 중계한다. 예컨대, 신호처리부(54)는 센서출력신호를 CP컨트롤러(100)에서 처리 가능한 신호로 변환하여 CP컨트롤러(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 측정하여, 측정온도를 나타내는 신호를 출력한다. 제1 온도센서(23) 및 제2 온도센서(25)의 측정치는, 소정시간간격으로 CP컨트롤러(100)에 입력되어, CP컨트롤러(100)의 소정의 기억영역에 격납 유지된다.
CP컨트롤러(100)는, 크라이오패널의 온도에 근거하여 냉동기(12)를 제어한다. CP컨트롤러(100)는, 크라이오패널의 실(實)온도가 목표온도에 추종하도록 냉동기(12)에 운전지령을 부여한다. 예컨대, CP컨트롤러(100)는, 제1단의 크라이오패널의 목표온도와 제1 온도센서(23)의 측정온도의 편차를 최소화하도록 피드백 제어에 의해 냉동기모터(26)의 운전주파수를 제어한다. 냉동기모터(26)의 운전주파수에 따라 냉동기(12)의 열사이클의 주파수가 정해진다. 제1단의 크라이오패널의 목표온도는 예컨대, 진공챔버(80)에서 행해지는 프로세스에 따라 사양으로서 정해진다. 이 경우, 냉동기(12)의 제2 냉각스테이지(24) 및 패널구조체(14)는, 냉동기(12)의 사양 및 외부로부터의 열부하에 따라 정해지는 온도로 냉각된다.
제1 온도센서(23)의 측정온도가 목표온도보다 고온인 경우에는, CP컨트롤러(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 향해 냉각된다. 반대로 제1 온도센서(23)의 측정온도가 목표온도보다 저온인 경우에는, 냉동기모터(26)의 운전주파수는 감소되며 냉동기(12)의 제1 냉각스테이지(22)는 목표온도를 향해 승온한다.
통상은, 제1 냉각스테이지(22)의 목표온도는 일정치로 설정된다. 따라서, CP컨트롤러(100)는, 크라이오펌프(10)로의 열부하가 증가되었을 때에 냉동기모터(26)의 운전주파수를 증가시키도록 지령치를 출력하고, 크라이오펌프(10)로의 열부하가 감소되었을 때에 냉동기모터(26)의 운전주파수를 감소시키도록 지령치를 출력한다. 다만, 목표온도는 적절히 변동시켜도 되며, 예컨대, 목표로 하는 분위기 압력을 배기대상용적에 실현하도록 크라이오패널의 목표온도를 순차 설정하도록 해도 된다. 또한 CP컨트롤러(100)는, 제2단의 크라이오패널의 실온도를 목표온도에 일치시키도록 냉동기모터(26)의 운전주파수를 제어해도 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 의해 가열함으로써 크라이오패널의 온도를 조정한다. 따라서, 소비전력이 커진다. 이에 대해서 본 실시형태에 있어서는, 크라이오펌프(10)로의 열부하에 따라 열사이클 주파수를 제어하기 때문에, 에너지절약성이 뛰어난 크라이오펌프를 실현할 수 있다. 또한, 히터를 반드시 설치할 필요가 없어지는 것도 소비전력의 저감에 기여한다.
CP컨트롤러(100)는, 압축기컨트롤러(168)에 통신 가능하게 접속되어 있다. 본 발명의 한 실시형태에 관한 크라이오펌프시스템(1000)의 제어부는, CP컨트롤러(100) 및 압축기컨트롤러(168)를 포함한 복수의 컨트롤러로 구성되어 있다. 다른 한 실시예에 있어서는, 크라이오펌프시스템(1000)의 제어부는 단일의 CP컨트롤러(100)에 의해 구성되어 있어도 되고, 압축기유닛(102, 104)에는 압축기컨트롤러(168) 대신에 IO모듈을 설치해도 된다. 이 경우 IO모듈은 CP컨트롤러(100)와 압축기유닛(102, 104)의 각 구성요소 사이에서 제어신호를 중계한다.
압축기컨트롤러(168)는, CP컨트롤러(100)로부터의 제어신호에 근거하여, 또는 CP컨트롤러(100)로부터 독립하여, 제1 압축기유닛(102)을 제어한다. 한 실시예에 있어서는, 압축기컨트롤러(168)는, CP컨트롤러(100)로부터 각종의 설정치를 나타내는 신호를 수신하고, 그 설정치를 사용하여 제1 압축기유닛(102)을 제어한다. 압축기컨트롤러(168)는 센서출력신호에 근거하여 제어량을 결정한다. 압축기컨트롤러(168)는, CP컨트롤러(100)와 마찬가지로, 각종 연산처리를 실행하는 CPU, 각종 제어프로그램을 격납하는 ROM, 데이터 격납이나 프로그램 실행을 위한 워크 에어리어로서 이용되는 RAM, 입출력 인터페이스, 메모리 등을 구비한다.
또한, 압축기컨트롤러(168)는, 제1 압축기유닛(102)의 운전상태를 나타내는 신호를 CP컨트롤러(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, 압축기인버터(170) 및 압축기모터(172)를 포함한다. 압축기모터(172)는, 압축기본체(140)를 동작시키고 운전주파수가 가변인 모터이며, 압축기본체(140)에 설치되어 있다. 냉동기모터(26)와 마찬가지로 압축기모터(172)로서 각종의 모터를 채용할 수 있다. 압축기컨트롤러(168)는, 압축기인버터(170)를 제어한다. 압축기인버터(170)는 외부전원 예컨대 상용전원으로부터 공급되는 규정의 전압 및 주파수의 전력을 조정해 압축기모터(172)에 공급한다. 압축기모터(172)에 공급되어야 할 전압 및 주파수는 압축기컨트롤러(168)에 의해 결정된다.
압축기컨트롤러(168)에는, 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)를 포함한 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, 소정시간간격으로 압축기컨트롤러(168)로 입력되고, 압축기컨트롤러(168)의 소정의 기억영역에 격납 유지된다.
압축기컨트롤러(168)에는, 상기 서술한 릴리프밸브(162)가 접속되어 있다. 릴리프밸브(162)를 구동하기 위한 릴리프밸브드라이버(174)가 릴리프밸브(162)에 부수하여 설치되어 있으며, 릴리프밸브드라이버(174)가 압축기컨트롤러(168)에 접속되어 있다. 압축기컨트롤러(168)는 릴리프밸브(162)의 개도를 결정하고, 그 개도를 나타내는 제어신호를 릴리프밸브드라이버(174)에 부여한다. 릴리프밸브드라이버(174)는, 릴리프밸브(162)를 그 개도로 제어한다. 이렇게 하여 바이패스기구(152)의 작동가스유량이 제어된다. 릴리프밸브드라이버(174)는, 압축기컨트롤러(168)에 장착되어 있어도 된다.
압축기컨트롤러(168)는, 압축기유닛(102)의 출입구간의 차압(이하에서는 압축기차압이라 하는 경우도 있음)을 목표차압으로 유지하도록 압축기본체(140)를 제어한다. 예컨대, 압축기컨트롤러(168)는, 압축기유닛(102)의 출입구간의 차압을 일정치로 하도록 피드백 제어를 실행한다. 한 실시예에 있어서는, 압축기컨트롤러(168)는, 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)의 측정치로부터 압축기차압을 구한다. 압축기컨트롤러(168)는, 압축기차압을 목표치에 일치시키도록 압축기모터(172)의 운전주파수를 결정한다. 압축기컨트롤러(168)는, 그 운전주파수를 실현하도록 압축기인버터(170)를 제어한다. 다만 차압의 목표치는, 차압일정제어의 실행중에 변경되어도 된다.
이러한 차압일정제어에 의해, 더욱 소비전력의 저감이 실현된다. 크라이오펌프(10) 및 냉동기(12)로의 열부하가 작은 경우에는, 상기 서술한 크라이오패널 온도조절제어에 의해 냉동기(12)에서의 열사이클 주파수는 작아진다. 그렇게 하면, 냉동기(12)에서 필요하게 되는 작동가스량은 작아진다. 그때, 필요량을 초과하는 가스량이 압축기유닛(102)으로부터 보내질 수 있다. 따라서, 압축기유닛(102)의 출입구간 차압은 확대되려고 한다. 그러나, 본 실시형태에서는 압축기차압을 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 비해, 소비전력을 저감할 수 있다.
한편 크라이오펌프(10)로의 열부하가 커졌을 때에는, 압축기차압을 일정하게 하도록 압축기모터(172)의 운전주파수가 증가된다. 이로 인하여, 냉동기(12)에 공급되는 가스량을 충분히 확보할 수 있으므로, 열부하의 증가에 기인하는 크라이오패널 온도의 목표온도로부터의 괴리를 최소한으로 억제할 수 있다.
특히, 작동가스 흡기를 위해서 고압측에 밸브를 개방하는 타이밍이 복수의 냉동기(12)에서 겹쳤을 때에는, 필요한 가스의 총량이 커진다. 예컨대 압축기를 단순히 일정한 토출유량으로 운전하는 경우나, 압축기의 토출압이 불충분한 경우에는, 먼저 밸브를 개방하여 흡기하는 냉동기보다 나중에 밸브를 개방하는 냉동기 쪽이, 공급되는 가스량이 작아진다. 복수의 냉동기(12) 사이에서의 공급가스량의 차이는, 냉동기(12)간에서의 냉동능력의 편차를 발생시킨다. 이러한 경우에 비해, 차압제어를 실행함으로써, 냉동기(12)로의 작동가스유량을 충분히 확보할 수 있다. 차압제어는 에너지절약성에 기여할 뿐만 아니라, 복수의 냉동기(12)간의 냉동능력의 편차를 억제할 수도 있다.
도 5는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기유닛 운전제어의 제어플로우를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 나타내는 제어처리는, 크라이오펌프(10)의 운전중에 소정의 주기로 압축기컨트롤러(168)에 의해 반복 실행된다. 이 처리는, 각 압축기유닛(102, 104) 각각의 압축기컨트롤러(168)에 있어서 다른 압축기유닛(102, 104)으로부터 독립하여 실행된다. 도 5에 있어서는 압축기컨트롤러(168)에 있어서의 연산처리를 나타내는 부분을 파선으로 구획하고, 압축기유닛(102, 104)의 하드웨어의 동작을 나타내는 부분을 일점쇄선으로 구획하고 있다.
압축기컨트롤러(168)는, 제어량 연산부(176)를 구비한다. 제어량 연산부(176)는, 예컨대, 적어도 차압일정제어를 위한 제어량을 연산하도록 구성되어 있다. 이 실시예에서는, 연산된 제어량이, 압축기모터(172)의 운전주파수와 릴리프밸브(162)의 개도로 배분되어 차압일정제어가 실행된다. 다른 한 실시예에 있어서는, 압축기모터(172)의 운전주파수 및 릴리프밸브(162)의 개도의 일방만을 제어량으로 하여 차압일정제어가 실행되어도 된다. 제어량 연산부(176)는, 후술하는 바와 같이, 차압일정제어, 토출압제어, 및 흡입압제어 중의 적어도 어느 것을 위한 제어량을 연산하도록 구성되어 있어도 된다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 압축기컨트롤러(168)에는 목표차압(ΔPo)이 미리 설정되어 입력되어 있다. 목표차압은 예컨대 CP컨트롤러(100)에 있어서 설정되고, 압축기컨트롤러(168)에 부여된다. 제1 압력센서(164)에 의해 흡입측의 측정압(PL)이 측정되고, 제2 압력센서(166)에 의해 토출측의 측정압(PH)이 측정되며, 각 센서로부터 압축기컨트롤러(168)에 부여된다. 제1 압력센서(164)의 측정압(PL) 쪽이 제2 압력센서(166)의 측정압(PH)보다 통상은 저압이다.
압축기컨트롤러(168)는, 토출측 측정압(PH)으로부터 흡입측 측정압(PL)을 빼 측정차압(ΔP)을 구하고, 또한 목표차압(ΔPo)으로부터 측정차압(ΔP)을 빼 차압편차(e)를 구하는 편차연산부(178)를 구비한다. 압축기컨트롤러(168)의 제어량 연산부(176)는, 예컨대 PD연산 또는 PID연산을 포함한 소정의 제어량연산처리에 의해 차압편차(e)로부터 제어량(D)을 산출한다.
다만, 도시된 바와 같이 압축기컨트롤러(168)는, 편차연산부(178)를 제어량 연산부(176)와는 별개로 갖추어도 되고, 제어량 연산부(176)가 편차연산부(178)를 구비해도 된다. 또한, 제어량 연산부(176)의 후단에, 제어량(D)을 소정 시간 적산하여 출력배분처리부(180)에 부여하기 위한 적분연산부가 설치되어 있어도 된다.
압축기컨트롤러(168)는, 압축기인버터(170)에 부여하는 제어량(D1)과 릴리프밸브(162)에 부여하는 제어량(D2)으로 제어량(D)을 배분하는 출력배분처리부(180)를 구비한다. 한 실시예에 있어서는, 출력배분처리부(180)는, 제어량(D)이 소정의 임계치보다 작은 경우에 제어량(D)의 대부분을 릴리프밸브제어량(D2)에 할당해도 된다. 출력배분처리부(180)는, 예컨대 제어량(D) 중, 압축기의 운전에 필요한 최소한의 제어량을 인버터제어량(D1)에 할당하고, 나머지 모든 제어량을 릴리프밸브제어량(D2)에 할당해도 된다. 또한, 출력배분처리부(180)는, 제어량(D)이 그 임계치 이상인 경우에 제어량(D)을 모두 인버터제어량(D1)에 할당해도 된다(즉 D=D1).
이와 같이 하면, 제어량(D)이 비교적 작은 경우에는 릴리프밸브(162)의 제어에 의해 고압측에서 저압측으로 압이 빠져나가게 되어 압축기 차압이 원하는 값으로 조정된다. 그러한 한편, 제어량(D)이 비교적 큰 경우에는 인버터제어에 의해 압축기의 운전이 조정되어 필요한 운전상태가 실현된다. 다만, 출력배분처리부(180)는, 인버터제어와 릴리프밸브제어를 어느 임계치로 바꾸는 대신에, 제어량(D)이 임계치를 포함한 중간 범위에 있는 경우에, 혹은 제어량(D)의 전범위에 걸쳐서, 제어량(D)을 인버터제어량(D1)과 릴리프밸브제어량(D2)으로 분배하도록 해도 된다.
압축기컨트롤러(168)는, 압축기인버터(170)에 부여하는 지령치(E)를 인버터제어량(D1)으로부터 연산하는 인버터지령부(182)와 릴리프밸브드라이버(174)에 부여하는 지령치(R)를 릴리프밸브제어량(D2)으로부터 연산하는 릴리프밸브지령부(184)를 구비한다. 인버터지령치(E)는 압축기인버터(170)에 부여되고, 그 지령에 따라 압축기본체(140) 즉 압축기모터(172)의 운전주파수가 제어된다. 또한, 릴리프밸브지령치(R)는 릴리프밸브드라이버(174)에 부여되고, 그 지령에 따라 릴리프밸브(162)의 개도가 제어된다. 압축기본체(140) 및 릴리프밸브(162)의 동작상태, 및 관련된 배관이나 탱크 등의 특성에 따라 작동가스인 헬륨의 압력이 정해진다. 이렇게 하여 정해진 헬륨압력이 제1 압력센서(164) 및 제2 압력센서(166)에 의해 측정된다.
이와 같이 하여, 각 압축기유닛(102, 104)에 있어서는 각각의 압축기컨트롤러(168)에 의해 독립하여 차압일정제어가 실행된다. 압축기컨트롤러(168)는, 차압편차(e)를 최소화(바람직하게는 제로로 함)하도록 피드백 제어를 실행한다. 압축기컨트롤러(168)는, 압축기의 운전주파수를 조작량으로 하는 인버터제어모드와, 릴리프밸브개도를 조작량으로 하는 릴리프밸브제어모드를 전환하거나, 또는 병용하여 피드백 제어를 행한다.
도 5에 나타내는 편차(e)는 차압의 편차로는 한정되지 않는다. 한 실시예에 있어서는, 압축기컨트롤러(168)는, 토출측 측정압(PH)과 설정압의 편차로부터 제어량을 연산하는 토출압제어를 실행해도 된다. 이 경우, 설정압은, 압축기의 토출측 압력의 상한치이어도 된다. 압축기컨트롤러(168)는, 토출측 측정압(PH)이 이 상한치를 상회했을 때에 토출측 측정압(PH)과의 편차로부터 제어량을 연산해도 된다. 상한치는 예컨대 크라이오펌프(10)의 배기능력을 보증하는 압축기의 최고 토출압에 근거하여 적절히 경험적 또는 실험적으로 설정해도 된다.
이와 같이 하면, 토출압의 과도한 상승을 억제하여, 안전성을 보다 높이는 것이 가능해진다. 따라서, 토출압제어는, 압축기유닛을 위한 보호제어의 일례이다.
또한, 한 실시예에 있어서는, 압축기컨트롤러(168)는, 흡입측 측정압(PL)과 설정압의 편차로부터 제어량을 연산하는 흡입압제어를 실행해도 된다. 이 경우, 설정압은, 압축기의 흡입측 압력의 하한치이어도 된다. 압축기컨트롤러(168)는, 흡입측 측정압(PL)이 이 하한치를 하회했을 때에 흡입측 측정압(PL)과의 편차로부터 제어량을 연산해도 된다. 하한치는 예컨대 크라이오펌프(10)의 배기능력을 보증하는 압축기의 최저 흡입압에 근거하여 적절히 경험적 또는 실험적으로 설정해도 된다.
이와 같이 하면, 흡입압의 저하에 따른 작동가스유량의 저하에 기인하는 압축기본체의 과도한 온도상승을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 작동가스의 배관계로부터 기체의 리크(누출)가 발생하고 있는 경우에 운전을 즉시 정지시키는 일 없이, 과도한 압저하를 막으면서 운전을 어느 정도의 기간 계속하는 일도 가능할지도 모른다. 따라서, 흡입압제어는, 압축기유닛을 위한 보호제어의 일례이다.
도 6은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 압축기유닛 운전제어의 제어플로우를 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 나타내는 압축기컨트롤러(168)는, 복수 종류의 압축기유닛 운전제어를 선택적으로 실행하도록 구성되어 있다. 그로 인하여, 제어량 연산부(176)는, 적어도 2개의 연산부와, 연산된 복수의 제어량으로부터 어느 것을 선택하기 위한 선택부(186)를 구비한다. 그 이외의 구성에 대해서는 도 6에 나타내는 압축기컨트롤러(168)는, 도 5에 나타내는 구성과 기본적으로 동일하다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 압축기컨트롤러(168)는, 측정압에 근거하여 상기 서술한 차압일정제어, 토출압제어, 및 흡입압제어를 제어주기마다 선택하여 실행하도록 구성되어 있다. 압축기컨트롤러(168)는, 통상은 차압일정제어를 실행한다. 바꾸어 말하면, 압축기컨트롤러(168)는 초기설정으로서 차압일정제어가 선택되어 있다. 토출압제어 및 흡입압제어는 보호제어로서 설정되어 있으며, 필요에 따라서 어느 것이 선택되어 실행된다.
압축기컨트롤러(168)의 편차연산부(178)는, 목표차압(ΔPo), 토출측 압력상한치(PHo), 흡입측 압력하한치(PLo), 토출측 측정압(PH), 및 흡입측 측정압(PL)의 입력을 받는다. 상기 서술한 바와 같이, 목표차압(ΔPo), 토출측 압력상한치(PHo), 및 흡입측 압력하한치(PLo)는, 미리 설정된 값이다.
편차연산부(178)는, 제1 편차연산부(188), 제2 편차연산부(190), 및 제3 편차연산부(192)를 구비한다. 제1 편차연산부(188)는, 목표차압(ΔPo), 토출측 측정압(PH), 및 흡입측 측정압(PL)으로부터, 차압편차(e)를 구한다. 제2 편차연산부(190)는, 토출측 압력상한치(PHo)로부터 토출측 측정압(PH)을 빼서 토출압편차(eH(=PHo-PH))를 구한다. 제3 편차연산부(192)는, 흡입측 압력상한치(PLo)로부터 흡입측 측정압(PL)을 빼서 흡입압편차(eL(=PLo-PL))를 구한다.
제어량 연산부(176)는, 각 운전제어를 위한 제어량을 병렬하여 연산하도록 구성되어 있다. 그로 인하여, 제어량 연산부(176)는, 제1 제어량 연산부(194), 제2 제어량 연산부(196), 및 제3 제어량 연산부(198)를 구비한다. 제1 제어량 연산부(194)는, 차압일정제어를 실행하는 경우의 제어량을 차압편차(e)로부터 연산한다. 이를 이하에서는 제1 제어량(C1)이라 부르는 일이 있다. 제2 제어량 연산부(196)는, 토출압제어를 실행하는 경우의 제어량을 토출압편차(eH)로부터 연산한다. 이를 이하에서는 제2 제어량(C2)이라 부르는 일이 있다. 제3 제어량 연산부(198)는, 흡입압제어를 실행하는 경우의 제어량을 흡입압편차(eL)로부터 연산한다. 이를 이하에서는 제3 제어량(C3)이라 부르는 일이 있다.
제1 제어량(C1), 제2 제어량(C2), 및 제3 제어량(C3)은 모두, 압축기유닛(102, 104)의 동일한 구성요소를 제어하기 위하여 연산된 공통의 제어량이다. 구체적으로는, 압축기모터(172) 및/또는 릴리프밸브(162)를 제어하기 위한 공통의 제어량이다. 제어량(C1 내지 C3)은, 그 값의 대소에 연동하여 압축기유닛(102, 104)의 출력도 증감되도록 조정되어 있다. 즉, 제어량(C1 내지 C3)이 클 때 압축기유닛(102, 104)이 고출력이 되고, 반대로 제어량(C1 내지 C3)이 작을 때 압축기유닛(102, 104)이 저출력이 된다.
그로 인하여, 제1 제어량(C1)의 연산처리는, 측정차압이 목표차압보다 큰 경우(차압편차(e)가 음인 경우)에 제어량의 값이 작아지고(예컨대 음이 되고), 반대로 측정차압이 목표차압보다 작은 경우(차압편차(e)가 양인 경우)에 제어량의 값이 커지도록(예컨대 양이 되도록) 정해져 있다. 마찬가지로 제2 제어량(C2)의 연산처리는, 측정치가 목표치보다 큰 경우(토출압편차(eH)가 음인 경우)에 제어량의 값이 작아지고(예컨대 음이 되고), 반대로 측정치가 목표치보다 작은 경우(토출압편차(eH)가 양인 경우)에 제어량의 값이 커지도록(예컨대 양이 되도록) 정해져 있다.
제3 제어량(C3)에 대해서는, PD연산 또는 PID연산을 포함한 소정의 제어량연산처리에 의해 흡입압편차(eL)로부터 연산된 값의 부호를 반전한(즉 -1배인) 값으로 해도 된다. 따라서, 제3 제어량(C3)의 연산처리는, 측정치가 목표치보다 큰 경우(흡입압편차(eL)가 음인 경우)에 제어량의 값이 커지고(예컨대 양이 되고), 반대로 측정치가 목표치보다 작은 경우(흡입압편차(eL)가 양인 경우)에 제어량의 값이 작아지도록(예컨대 음이 되도록) 정해져 있다.
제1 제어량(C1), 제2 제어량(C2), 및 제3 제어량(C3)이 선택부(186)에 입력된다. 제어량의 값이 작을수록 압축기유닛(102, 104)은 저출력이 되어 소비전력이 작아진다. 따라서, 선택부(186)는, 제1 제어량(C1), 제2 제어량(C2), 및 제3 제어량(C3) 중 최소치를, 실제로 이용하는 제어량(D)으로서 선택한다. 이렇게 하여 얻어진 제어량(D)을 이용하여, 압축기모터(172) 및/또는 릴리프밸브(162)가 제어된다.
도 7은, 본 발명의 한 실시형태와 관련되어, 제어량의 변화를 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 7의 좌측에는 전회(前回)의 제어시점(A)에 있어서의 제어량(C1 내지 C3)을 나타내고, 도 7의 우측에는 현재의 제어시점(B)에 있어서의 제어량(C1 내지 C3)을 나타낸다. 전회의 제어시점(A)으로부터 현재의 제어시점(B)까지, 제어주기에 해당되는 매우 짧은 시간(Δt)이 경과하고 있다.
전회의 제어시점(A)에 있어서는, 제3 제어량(C3)이 최대이고, 제2 제어량(C2)이 2번째로 크며, 제1 제어량(C1)이 최소이다. 제2 제어량(C2)과 제1 제어량(C1)의 차는 매우 작다. 제3 제어량(C3)은 제2 제어량(C2) 및 제1 제어량(C1)보다 상당히 크다. 이 경우, 제1 제어량(C1)이 최소이기 때문에, 압축기유닛(102, 104)으로 출력되는 제어량(D)으로서 제1 제어량(C1)이 선택된다. 따라서, 전회의 제어시점(A)에 있어서는 제1 운전제어(예컨대 차압일정제어)가 실행된다.
압축기컨트롤러(168)에 있어서의 제어주기(Δt)는 통례 매우 짧은 시간이기 때문에, 전회의 제어시점(A)과 현재의 제어시점(B)에서 제어량(C1 내지 C3) 각각의 변화는 작다고 상정된다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 현재의 제어시점(B)에 있어서는, 제3 제어량(C3)이 계속해서 최대이고, 제1 제어량(C1)이 2번째로 크며, 제2 제어량(C2)이 최소이다. 전회의 제어시점(A)은 제1 제어량(C1)과 제2 제어량(C2)의 대소관계가 변화하고 있지만, 제1 제어량(C1)과 제2 제어량(C2)의 차는 계속해서 매우 작다.
이 경우, 제2 제어량(C2)이 최소이기 때문에, 압축기유닛(102, 104)으로 출력되는 제어량(D)으로서 제2 제어량(C2)이 선택된다. 현재의 제어시점(B)에 있어서는 제2 운전제어(예컨대 토출압제어)가 실행된다. 즉, 제1 운전제어로부터 제2 운전제어로 운전제어가 변경되게 된다. 그러나, 전회의 제어시점(A)과 현재의 제어시점(B)에서 제1 제어량(C1)과 제2 제어량(C2)의 차는 계속해서 매우 작기 때문에, 결과적으로 얻어지는 제어량(D)의 변화는 매우 작다.
이와 같이 통상은, 2개의 제어량의 대소관계의 변화의 직전에 있어서는 일방의 값이 타방보다 약간 크고, 대소관계의 변화의 직후에 있어서는 일방의 제어량의 값이 타방보다 약간 작아지는 것으로 상정된다. 그로 인하여, 대응하는 2종류의 운전제어를 전환할 때의 제어량(D)의 변화는 작아지며, 나아가서는 압축기유닛(102, 104)의 운전상태의 변화도 작아진다. 따라서, 크라이오펌프시스템(1000)에 있어서의 작동가스유량을 크게 변동시키는 일 없이, 특히, 크라이오패널 온도를 크게 변동시키는 일 없이, 압축기유닛(102, 104)의 운전을 계속할 수 있다.
이미 서술한 바와 같이, 압축기유닛의 작동가스의 봉입압을 높게 함으로써, 혹은 차압일정제어의 차압설정치를 높게 함으로써, 크라이오펌프시스템(1000)에 있어서 크라이오펌프(10)의 설계를 변경하는 일 없이 냉동기의 냉동능력을 높일 수 있다. 그러나, 그러한 방책은, 압축기유닛(102, 104)에 사양으로서 설정되어 있는 작동가스압의 범위로부터의 일탈을 운전중에 쉽게 초래할 우려가 있다. 경우에 따라서는 압축기유닛(102, 104)에 구비된 안전장치가 작동하여, 압축기유닛(102, 104)이 자동적으로 정지될 우려가 있다.
본 실시예에 의하면, 차압일정제어의 실행 중에 토출측 측정압(PH)이 토출측 압력상한치(PHo)를 초과하여 증가되었을 때에, 압축기유닛의 운전이 차압일정제어로부터 토출압제어로 전환된다. 토출압제어에 의해 토출측 측정압(PH)이 토출측 압력상한치(PHo)에 가까워지면, 압축기유닛(102, 104)의 운전은 차압일정제어로 되돌려진다. 이와 같이 하여, 차압일정제어와 토출압제어(또는 흡입압제어)를 수시로 전환하면서, 압축기유닛(102, 104)의 운전을 계속할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 압축기유닛(102, 104)의 차압일정제어와 토출압제어를 제어량 최소치 선택과 같은 조건으로 수시로 전환함으로써, 크라이오펌프(10)의 냉동능력 향상 대책과 압축기유닛(102, 104)의 안정된 운전 계속을 양립할 수 있다. 또한, 에너지절약성에 대한 영향이 작다는 점에서도 바람직하다.
그런데, 상기 서술한 바와 같이, 제어량(C1 내지 C3)의 값이 크면 압축기유닛(102, 104)의 출력도 커지도록 제어량(C1 내지 C3)은 조정되어 있다. 따라서, 선택부(186)에 의한 제어량(D)의 선택은, 차압일정제어가 토출압제어(또는 흡입압제어)보다 압축기유닛(102, 104)에 높은 부하를 부여하는지 아닌지를 판정하는 것에 상당한다. 바꾸어 말하면, 선택부(186)에 의한 제어량(D)의 선택은, 복수 종류의 압축기유닛 운전제어 중 소비전력을 최소로 하는 운전제어를 결정하는 것에 상당한다.
차압일정제어가 토출압제어보다 압축기유닛(102, 104)에 높은 부하를 부여한다고 판정되었을 경우에는, 압축기컨트롤러(168)는, 압축기유닛의 제어를 차압일정제어로부터 토출압제어로 일시적으로 이행한다. 차압일정제어가 토출압제어보다 압축기유닛(102, 104)에 높은 부하를 부여하지 않는다고 판정되었을 경우에는, 압축기컨트롤러(168)는, 차압일정제어를 계속한다. 본 실시예에서는 이러한 처리를, 복수의 제어량으로부터 최소치를 선택한다는 단순한 수법으로 실현될 수 있다. 이와 같이 하여, 토출압제어에 의해 압축기유닛(102, 104)에 과도한 고압이 작용하는 것을 방지하면서, 압축기유닛(102, 104)의 운전을 계속할 수 있다.
토출압제어가 어느 정도 계속됨으로써, 압축기유닛(102, 104)의 운전상태는 토출압제어의 개시시점에 비해 보다 안전한 상태로 안정되는 것으로 상정된다. 예컨대, 토출압제어의 개시시점에 있어서는 사양상의 안전 범위의 상한 근방에 있던 토출압은, 어느 기간 토출압제어가 계속됨으로써 저하되어 목표치 부근에 수렴된다고 생각된다. 그 시점에 있어서는, 이미 보호의 필요성은 낮아지고 있다. 게다가, 차압일정제어 쪽이 토출압제어보다 저출력으로 압축기유닛(102, 104)을 동작 가능하게 되어 있을 가능성이 있다.
따라서, 토출압제어 동안에, 토출압제어가 차압일정제어보다 압축기유닛(102, 104)에 높은 부하를 부여한다고 판정되었을 경우에는, 압축기컨트롤러(168)는, 압축기유닛(102, 104)의 제어를 토출압제어로부터 차압일정제어에 자동적으로 복귀시킨다. 이와 같이 하여, 비교적 낮은 소비전력으로 억제하면서 압축기유닛(102, 104)의 운전을 계속할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않고, 여러 가지의 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자가 이해할 수 있는 것이다.
예컨대, 제어부는, 각 운전제어에 의한 압축기유닛의 부하를 평가하기 위하여, 압축기인버터(170)에 부여하는 제어량(D1), 릴리프밸브(162)에 부여하는 제어량(D2), 인버터지령치(E), 릴리프밸브지령치(R)와 같은, 당해 제어량에 근거하여 연산된 양을, 상기 서술한 제어량(C1 내지 C3) 대신에 이용해도 된다.
또한, 제어부는, 압축기유닛의 운전상태를 평가하기 위한 평가 파라미터로서, 반드시 제어량을 이용하지 않아도 된다. 평가 파라미터는 예컨대, 각 운전제어에 있어서의 압축기유닛의 부하를 반영하는 임의의 파라미터이어도 되며, 예컨대, 각 운전제어를 위한 설정치와 측정치의 괴리를 나타내는 비교 전용의 파라미터이어도 된다.
통상제어인 제1 운전제어는 에너지절약성에 가장 뛰어난 제어인 것이 바람직하고, 상기 서술한 실시의 형태에 있어서는 차압일정제어로 하고 있다. 그러나, 통상제어는 이에 한정되지 않고, 토출압제어 또는 흡입압제어와 같은 작동가스압에 근거하는 임의의 운전제어이어도 된다. 혹은 예컨대, 통상제어는 작동가스유량을 직접 제어하는 유량제어이어도 된다. 유량제어를 채용하는 경우, 극저온시스템 또는 압축기유닛은, 작동가스의 유량을 측정하기 위한 유량센서를 압축기유닛의 토출측 및/또는 흡입측에 설치하는 것이 바람직하다. 보호제어에 대해서도 통상제어와 마찬가지로, 작동가스압에 근거하는 운전제어 및/또는 작동가스유량을 직접 제어하는 유량제어이어도 된다.
극저온시스템이 통상과는 상이한 특정 상태(예컨대 크라이오펌프의 재생, 또는 시스템의 기동)에 있을 때는, 압축기유닛에 있어서는 통상제어만이 실행되고, 보호제어는 실행되지 않도록 해도 된다. 이 경우, 그 특정 상태에 있어서는 제어부는 보호제어에 관련된 연산을 휴지(休止)해도 된다. 연산의 휴지에 의해 연산 부하를 저감할 수 있다.
또한, 제어부는, 보호제어에 관련된 연산을 상시 행하지 않고, 필요한 기간에 행하도록 해도 된다. 예컨대, 제어부는, 현재 선택되어 있는 운전제어의 평가 파라미터와 다른 운전제어의 평가 파라미터가 접근한다고 상정되는 상황에 있어서 당해 다른 운전제어의 평가 파라미터를 연산하도록 해도 된다.
상기 서술한 실시의 형태에 있어서는, 제어부는, 제어량이 최소치인 것을 제어의 전환의 조건으로 하고 있지만, 제어전환조건은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 압축기유닛의 보호를 중시하는 경우에는, 작동가스압이 어느 고압 한계치를 초과했을 때에, 제어부는, 압축기유닛의 운전제어를 통상제어로부터 보호제어로 즉시 전환해도 된다. 이때, 운전상태의 변동을 억제하는 것을 중시하는 경우에는, 통상제어의 평가 파라미터와 보호제어의 평가 파라미터가 접근하고 있다고 판정되는 것을 조건으로 하여, 제어부는, 압축기유닛의 운전제어를 통상제어로부터 보호제어로 즉시 전환해도 된다.
이와 같이, 제어부에 있어서는, 운전제어의 선택시에 부가적인(또는 대체적인) 조건이 설정되어 있어도 된다. 그러한 부가적 조건이 충족되는 경우에, 제어부는, 주된 조건에 의해 선택되는 운전제어(예컨대 상기 서술한 실시의 형태에 있어서, 최소의 제어량을 부여하는 운전제어)와는 상이한 운전제어를 선택해도 된다. 상기 서술한 바와 같이, 부가적 조건은, 압축기유닛의 보호를 촉진하기 위해서 정해져 있어도 되고, 예컨대, 작동가스압이 어떤 고압 한계치를 넘은 것을 포함해도 된다. 운전상태의 변동을 억제하는 것을 중시하는 경우에는, 부가적 조건은, 통상제어의 평가 파라미터와 보호제어의 평가 파라미터가 접근하고 있는 것(예컨대, 설정 범위에 2개의 평가 파라미터가 포함되는 것)을 더욱 포함해도 된다.
10 크라이오펌프, 12 냉동기, 14 패널 구조체, 16 열실드, 22 제1 냉각스테이지, 23 제1 온도센서, 24 제2 냉각스테이지, 25 제2 온도센서, 26 냉동기모터, 28 폐색부, 31 개구부, 32 배플, 100 CP컨트롤러, 102 제1 압축기유닛, 104 제2 압축기유닛, 140 압축기본체, 164 제1 압력센서, 166 제2 압력센서, 168 압축기컨트롤러, 172 압축기모터, 1000 크라이오펌프시스템

Claims (10)

  1. 크라이오펌프시스템으로서,
    크라이오패널과, 상기 크라이오패널을 냉각하기 위한 냉동기를 구비하는 크라이오펌프와,
    상기 냉동기에 작동가스를 공급하기 위한 압축기유닛과,
    공통제어량을 이용하는 상기 압축기유닛의 적어도 2종류의 운전제어 중 어느 것을 선택적으로 실행하기 위한 제어부를 구비하고,
    상기 적어도 2종류의 운전제어는, 공급가스량에 관련된 제1 제어대상을 제어하도록 상기 공통제어량을 이용하여 상기 압축기유닛을 운전하는 제1 운전제어와, 공급가스량에 관련하여 상기 제1 제어대상과는 상이한 제2 제어대상을 제어하도록 상기 공통제어량을 이용하여 상기 압축기유닛을 운전하는 제2 운전제어를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 운전제어를 위한 상기 공통제어량의 값과 상기 제2 운전제어를 위한 상기 공통제어량의 값을 포함한 적어도 2개의 상기 공통제어량의 값의 비교에 근거하여, 실행되어야 할 운전제어를 상기 적어도 2종류의 운전제어로부터 선택하는 것
    을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 운전제어는 현재 선택되어 있는 운전제어이고, 상기 제2 운전제어는 현재 선택되어 있지 않은 운전제어 중 어느 것이며,
    상기 제어부는, 상기 제1 운전제어를 위한 상기 공통제어량의 값과 상기 제2 운전제어를 위한 상기 공통제어량의 값의 대소관계가 변화되었을 때에, 상기 제1 운전제어를 상기 제2 운전제어로 전환하는 것
    을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 운전제어는, 통상상태로서 선택되어 있는 운전제어이고,
    상기 제2 운전제어는, 상기 압축기유닛의 보호를 위해서 상기 제2 제어대상에 대해 설정된 목표치와 상기 제2 제어대상의 편차에 근거하여 상기 공통제어량이 결정되는 압축기 보호제어인 것
    을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 제어대상은, 상기 압축기유닛의 토출측 압력과 흡입측 압력의 차압이고, 상기 제1 운전제어는, 당해 차압에 대한 목표치와 당해 차압의 편차에 근거하여 상기 공통제어량이 결정되는 차압제어이고,
    상기 제2 제어대상은, 상기 압축기유닛의 토출측 압력이고, 상기 제2 운전제어는, 당해 토출측 압력에 대한 목표치와 당해 토출측 압력의 편차에 근거하여 상기 공통제어량이 결정되는 토출압제어인 것
    을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 2종류의 운전제어는, 공급가스량에 관련된 제3 제어대상을 제어하도록 상기 공통제어량을 이용하여 상기 압축기유닛을 운전하는 제3 운전제어를 더욱 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 운전제어를 위한 상기 공통제어량의 값과 상기 제2 운전제어를 위한 상기 공통제어량의 값과 상기 제3 운전제어를 위한 상기 공통제어량의 값을 포함한 적어도 3개의 상기 공통제어량의 값에 근거하여, 실행되어야 할 운전제어를 상기 적어도 2종류의 운전제어로부터 선택하며,
    상기 제3 제어대상은, 상기 압축기유닛의 흡입측 압력이고, 상기 제3 운전제어는, 당해 흡입측 압력에 대한 목표치와 당해 흡입측 압력의 편차에 근거하여 상기 공통제어량이 결정되는 흡입압제어인 것
    을 특징으로 하는 크라이오펌프시스템.
  6. 적어도 하나의 극저온냉동기와,
    상기 적어도 하나의 극저온냉동기에 작동가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 압축기유닛과,
    상기 압축기유닛을 위한 적어도 2종류의 제어의 각각에 의한 운전상태를 평가하기 위한 공통의 평가 파라미터에 근거하여, 상기 적어도 2종류의 제어 중의 어느 것을 선택적으로 실행하기 위한 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 적어도 하나의 압축기유닛은, 복수의 압축기유닛이고,
    상기 제어부는, 상기 적어도 2종류의 제어의 선택을, 상기 복수의 압축기유닛의 각각에 대해 개별적으로 실행하는 것
    을 특징으로 하는 극저온시스템.
  8. 극저온장치에 한랭을 발생시키기 위한 작동가스를 상기 극저온장치에 공급하기 위한 압축기유닛의 제어장치로서,
    상기 압축기유닛으로부터 상기 극저온장치에 공급되는 가스량에 관련된 제1 제어대상을 제어하기 위한 제1 제어량과, 상기 공급되는 가스량에 관련되어 상기 제1 제어대상과는 상이한 제2 제어대상을 제어하기 위한, 상기 제1 제어량과 공통의 제2 제어량을 포함한 적어도 2개의 제어량을 연산하는 제어량 연산부와,
    상기 적어도 2개의 제어량의 비교에 근거하여, 상기 제1 제어대상과 상기 제2 제어대상을 포함한 적어도 2개의 제어대상으로부터, 제어되어야 할 제어대상을 선택하는 선택부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 압축기유닛의 제어장치.
  9. 극저온장치에 한랭을 발생시키기 위한 작동가스를 상기 극저온장치에 공급하기 위한 압축기유닛의 제어방법으로서,
    상기 압축기유닛의 통상제어가 상기 압축기유닛을 위한 보호제어보다 상기 압축기유닛에 높은 부하를 부여하는지 아닌지를 판정하는 것과,
    상기 통상제어가 상기 보호제어보다 상기 압축기유닛에 높은 부하를 부여한다고 판정되었을 경우에, 상기 보호제어로 이행하는 것
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기유닛의 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 보호제어 동안에, 상기 보호제어가 상기 통상제어보다 상기 압축기유닛에 높은 부하를 부여한다고 판정되었을 경우에, 상기 보호제어로부터 상기 통상제어에 복귀하는 것
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기유닛의 제어방법.
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