KR100782913B1

KR100782913B1 - 물의 재생방법 및 장치

Info

Publication number: KR100782913B1
Application number: KR1020067010327A
Authority: KR
Inventors: 료스케 츠유키
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2007-12-07
Also published as: US20120031113A1; US20070125112A1; WO2005052369A1; KR20060113716A; JPWO2005052369A1; US7997089B2; JP4669787B2

Abstract

극저온 냉동기가 설치된 용기 내의, 이 극저온 냉동기에 의해 냉각되는 부분에 응축된 얼음을, 그 융점 이상까지 승온시켜 녹이고, 녹은 얼음에 대하여, 온도와 압력을 물의 응고점 이상으로 유지하면서, 러프(rough) 배기에 의해 압력을 저하시켜서 물을 증발시키고, 물을 배출한 시점에서, 더욱 압력을 내려서 수증기를 배출함으로써, 물의 상태(고체, 액체, 기체)에 맞춘 재생을 행하여, 재생시간을 단축한다.

Description

물의 재생방법 및 장치{Method and apparatus for regenerating water}

본 발명은, 물(水)의 재생방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히, 크라이오 펌프 내의 크라이오 패널에 응축되어 얼음으로서 응결된 물을 외부로 배출하는데 이용하기에 적합한, 용기 내에 설치된 극저온 냉동기에 의해 냉각되는 부분에 응축된 얼음을 용기 밖으로 배출하기 위한 물의 재생방법 및 장치에 관한 것이다.

종래부터, 반도체 제조장치 등의 진공 챔버(프로세스 챔버라고도 칭한다) 안을 진공으로 유지하기 위해서 진공 챔버의 배기(排氣)에는 크라이오 펌프가 이용되고 있다.

예컨대, 일본국 특허공개 2000-274356호 공보에 기재된 크라이오 펌프의 사용예를 도 1(평면도) 및 도 2(종단면도)에 나타낸다.

크라이오 펌프(20)는, 예컨대 압축기(22)로부터 압축된 헬륨가스의 공급을 받아 작동하는, GM(기포드ㆍ맥마흔(Gifford-McMahon))식의 2단(段) 팽창식 냉동기(24)를 구비하고 있다. 이 냉동기(24)는 1단(段) (냉각)스테이지(26)와, 보다 저온의 2단 (냉각)스테이지(28)를 구비하고 있다. 1단 스테이지(26)에는, 열 실드판(heat shield; 30)이 접속되어, 2단 스테이지(28) 및 크라이오 패널(34)로의 복사열(radiation)의 침입을 방지하고 있다. 더욱이 열 실드판(30)의 진공 챔버측 개 구부에는 루버(louver)(32)가 마련되어 있다. 상기 2단 스테이지(28)에는, 활성탄(36)을 포함하는 크라이오 패널(34)(2단 스테이지(28)에 접속되어 있으므로 2단 패널이라고도 칭한다)이 접속되어 있다.

도면에 있어서, 40은, 드라이 펌프(도시생략)가 접속되는 러프 밸브, 42는, 크라이오 펌프 내에 저장해 넣은 가스의 방출용 릴리프 밸브, 44는, 퍼지가스(예컨대 질소가스)를 도입하기 위한 퍼지 밸브, 46은 압력센서, 48은 온도센서용 커넥터, 48a는, 상기 1단 스테이지(26)용 온도센서, 48b는, 상기 2단 스테이지(28)용 온도센서이다.

이와 같은 구성의 크라이오 펌프(20)는, 게이트 밸브(12)를 통하여 진공 챔버(10)에 접속되어 있다. 그리고 40K∼120K 정도로 냉각된 루버(32) 및 열 실드판(30)에 의해서 수증기 등의 비교적 응고점이 높은 가스를 냉각해서 응축하여 배기한다. 또한, 10K∼20K로 냉각된 크라이오 패널(34)에서 질소가스나 아르곤가스 등의 저(低)응고점의 가스를 냉각해서 응축하여 배기한다. 그래도 응축되지 않는 수소가스 등의 가스는 활성탄(36)으로 흡착하여 배기한다. 이렇게 하여 진공 챔버(10) 내의 가스를 배기한다.

이와 같이 크라이오 펌프(20)는 축적식(accumulation type)의 펌프이므로, 일정량의 가스를 저장해 넣으면 저장된 기체를 크라이오 펌프(20) 밖으로 배출하는 재생공정이 필요하게 된다.

종래의 재생방법은, ⑴ 일본국 특허공개 평08-061232호 공보나 일본국 특허공개 평06-346848호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 재생 개시와 동시에 히터 등 을 이용해서 루버(32)나 열 실드(30), 크라이오 패널(34)을 승온시킨 후에, 퍼지가스(예컨대 질소가스)를 계속해서 흐르게 하는 방법, 또는, ⑵ 일본국 특허공개 평09-014133호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 크라이오 펌프 내를 진공 펌프에서의 러핑(roughing)과 퍼지가스의 도입을 반복하는 방법(이하 러프 앤 퍼지(rough-and-purge)라고 칭한다)이 있었다.

이 러프 앤 퍼지에 의한 순서의 예를 도 3에, 압력과 온도변화의 예를 도 4에 나타낸다.

도 3에 있어서, 스텝 100은 크라이오 펌프 용기 내의 각 부(部)를 승온시키는 순서, 110은 러프 앤 퍼지의 순서, 130은 예컨대 진공 펌프에 의한 러핑(roughing)을 중지했을 때의 압력상승비율로부터, 물이나 가스가 빠져나간 것을 검지하기 위한 빌드업(build up) 판정의 순서, 140은 크라이오 펌프로서 동작하기 위해서 필요한 온도로 재차 쿨다운하는 순서이다.

이와 같은 크라이오 펌프 재생시의 문제의 하나로 물(水)의 재생이 있다. 수증기를 크라이오 펌프에서 진공배기해서 크라이오 펌프 내에 응축된 얼음은, 대기압 하에서 그 온도를 융점(融點)인 273K 이상으로 승온시키지 않으면 녹일 수 없고, 그 비점(沸點)은 대기압에서 373K이다. 그러나, 크라이오 펌프 및 냉동기의 구조상 373K까지 온도를 올리는 것은 어렵다. 이것은 크라이오 펌프의 승온 중에 가스화하여, 크라이오 펌프 밖으로 배출되는 다른 가스와 달리, 단순히 온도를 올리는 것만으로는 크라이오 펌프 내로부터 배출할 수 없는 것을 나타내고 있다. 물의 재생이 충분하지 않으면 크라이오 펌프의 진공배기성능에 영향을 미친다.

종래의 재생방법에서 전자(前者) ⑴의 퍼지가스를 계속해서 흐르게 하여 물을 퍼지가스 중에 포화시켜서 크라이오 펌프 내로부터 배출하는 방법에서는, 재생완료의 판단을 하기 어려워서, 상정된 수량(水量)에 대하여 정해진 시간만큼 퍼지가스를 흐르게 하므로, 최악조건 하에서도 배출을 마치도록 장시간 가스를 흐르게 할 필요가 있어, 상당히 쓸 데 없는 시간이 많았다.

한편, 후자(後者) ⑵의 방법은, 도 4에 나타낸 바와 같이, A점(点)에서 예컨대 히터가열(일본국 특허공개 2000-274356호 공보 참조)이나, 냉동기의 모터를 냉각할 때의 회전방향과는 반대로 회전시키는 역전(逆轉)승온(일본국 특허공개 평07-035070호 공보 참조)에 의해 온도를 올리고, 퍼지가스(예컨대 질소가스)를 흐르게 함으로써 크라이오 펌프 내의 각 부(部)를 승온시키는 웜업(warm-up)을 개시한다(도 3의 스텝 100). 그리고, 내부의 온도가 얼음의 융점 이상이 된 B점(点)에서, 퍼지가스 도입을 멈추고, 러핑(roughing)용 진공 펌프(일례로서 드라이 펌프가 있으며, 이하, 드라이 펌프라고 칭한다)와 접속되는 러프 밸브(40)를 열어서 배기를 하여 압력을 내린다. 그리고 압력이 설정압력(P1)(예컨대 10Pa)까지 내려간 시점(C)에서, 러프 밸브(40)를 닫고 재차 퍼지가스를 도입하여 압력을 올린다. 압력을 보면서, 이 공정을 반복하여(도 3의 스텝 110), 소정 횟수 행한 시점(D), 혹은, 퍼지가스를 도입하지 않고서 압력이 설정시간 내에서 설정압력(P2)까지 상승하지 않게 된 시점(H)에서, 러프 앤 퍼지의 공정을 종료하고, 재차 러프 밸브(40)를 열어서 드라이 펌프로 배기한다. 압력이 설정값(P1)이 된 I점(点)에서 러프 밸브(40)를 닫아, 퍼지가스를 흐르게 하지 않고, 자연히 압력이 설정값(P3)이 된 J점(点)에서 재차 러프 밸브(40)를 열어서 배기한다. 이 공정을 반복하여(도 3의 스텝 130), 압력이 J점(点)까지 오르지 않게 된 K점(点)에서, 쿨다운을 개시한다(도 3의 스텝 140).

그러나 후자(後者) ⑵의 방법에서는, 드라이 펌프에서의 러핑(roughing)이 한창 진행 중일 때에 물이 얼어 버리므로 물이 충분히 빠져 나가지 않아, 압력이 설정값까지 내려가지 않으므로 재생시간이 길어지는 경우가 있다. 또한, 재차 러프 앤 퍼지를 다시 하지 않으면 안되는 경우가 있었다.

본 발명은, 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 효율 좋게 물을 재생하여, 재생시간을 단축하는 것을 과제로 한다.

본 발명은, 용기 내에 설치된 극저온 냉동기에 의해서 냉각되는 부분에 응축된 얼음을 용기 밖으로 배출하기 위한 물의 재생방법에 있어서, 얼음을 녹이는 승온공정과, 물을 증발시키는 증발공정과, 수증기를 배출시키는 배출공정을 마련하여, 얼음과 물과 수증기를 단계적으로 재생하도록 하여, 상기 과제를 해결한 것이다.

또한, 상기 증발공정과 상기 배출공정이, 각각 빌드업 판정을 포함하도록 한 것이다.

또한, 상기 승온공정을, 상기 용기 내의 얼음이 응축된 부분을 얼음의 융점 이상까지 승온시켜 얼음을 녹이는 웜업공정으로 한 것이다.

또한, 상기 승온공정을, 냉동기의 모터를 냉각할 때의 회전방향과는 반대로 회전시키는 역전(逆轉)승온, 용기 내에 얼음의 융점보다 높은 온도의 퍼지가스를 흐르게 하여, 진공으로 유지된 용기 내의 압력을 대기압까지 되돌리고, 용기의 밖과의 열전도를 좋게 하는 퍼지승온, 또는, 히터에 의한 승온 중 어느 하나, 또는, 이들 2개 이상의 조합에 의해 행하도록 한 것이다.

또한, 상기 증발공정이, 상기 승온공정에서 녹은 물이 응결된 부분의 온도와 압력이 물의 응고점에 도달하지 않는 범위에서, 러프 배기에 의해 압력을 저하시켜서 물을 증발시키고, 배기를 중지했을 때의 방출수분이나 가스에 의한 압력상승을 판정하는 빌드업 판정을 하고, 물이 없어질 때까지 이것을 반복하도록 한 것이다.

또한, 상기 러프 배기시(時)의 압력을 100Pa∼200Pa로 하여, 물이 얼지 않도록 한 것이다.

또한, 상기 배출공정을, 상기 증발공정에 의해 물이 증발한 시점에서, 러프 배기에 의해 더욱 압력을 내려서 수증기를 배출하고, 배기를 중지했을 때의 가스에 의한 압력상승을 판정하는 빌드업 판정을 하고, 압력상승이 판정값보다 낮아질 때까지 이를 반복하는 배기공정으로 한 것이다.

또한, 상기 승온공정을, 상기 용기 내의 얼음이 응축된 부분의 온도가 얼음의 융점이 된 시점에서, 상기 증발공정으로 전환하도록 한 것이다.

또한, 상기 증발공정을, 배기를 중지했을 때의, 방출수분이나 가스에 의한 빌드업 판정에 의해, 상기 배기공정으로 전환하도록 한 것이다.

본 발명은, 또한, 용기 내에 설치된 극저온 냉동기에 의해 냉각되는 부분에 응축된 얼음을 용기 밖으로 배출하기 위한 물의 재생장치에 있어서, 상기 용기 내의 얼음이 응축된 부분의 온도를 얼음의 융점 이상까지 승온시켜 얼음을 녹이기 위한 승온수단과, 녹은 물이 응결된 부분의 온도와 압력이 물의 응고점에 도달하지 않는 범위에서, 러프 배기에 의해 압력을 저하시켜서 물을 증발시키고, 배기를 중지했을 때의 방출수분이나 가스에 의한 빌드업 판정을 하여, 물이 없어질 때까지 이를 반복하는 증발수단과, 물이 증발한 시점에서, 더욱 압력을 내려서 수증기를 배출하기 위한 배기수단을 구비함으로써 상기 과제를 해결한 것이다.

또한, 상기 승온수단을, 냉동기 모터의 역회전, 퍼지가스, 히터의 적어도 어느 하나, 또는, 이들 2개 이상의 조합으로 한 것이다.

본 발명은, 또한, 상기 물의 재생장치를 구비한 것을 특징으로 하는 크라이오 펌프나 물(水) 트랩을 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 재생시에 가장 문제이었던 물의 재생에 대하여, 얼음을 녹인다, 물을 증발시킨다, 수증기를 배기한다라고 하는 3개의 공정으로 나누어, 각 공정에서, 각각의 상태(고체, 액체, 기체)에 적합한 재생조건(압력, 온도)을 이용하여, 얼음은 얼음 자체의 온도를 올려서 녹이고, 녹은 물은 얼지 않는 압력까지의 러프 배기에 의해 압력을 내려서 자기(自己)증발시키고, 구조물 표면에 분산한 수증기는 더욱 낮은 압력으로 모두 배기한다와 같이, 물의 상태에 맞춰서, 얼음 → 물 → 수증기로 단계적으로 재생하도록 하였으므로, 효율 좋게 물을 재생하여, 재생시간을 단축할 수 있다.

도 1은, 크라이오 펌프의 일례의 구성을 나타낸 평면도,

도 2는, 동일하게 종단면도,

도 3은, 물의 재생방법의 일례의 순서를 나타낸 플로차트,

도 4는, 동일하게 타임차트,

도 5는, 본 발명이 적용되는 크라이오 펌프의 일례의 구성을 나타낸 종단면도,

도 6은, 본 발명에 의한 물의 재생순서의 실시형태를 나타낸 플로차트,

도 7은, 동일하게 타임차트,

도 8은, 본 발명이 적용되는 물 트랩의 일례의 구성을 나타낸 평면도,

도 9는, 동일하게 종단면도,

도 10은, 동일하게 장치에 장착한 상태를 나타낸 종단면도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시형태가 적용되는 크라이오 펌프의 일례를 도 5에 나타낸다. 도 2와 대비하여, 1단 스테이지(26)용 히터(52)와, 2단 스테이지(28)용 히터(54)가 추가되어 있다. 도면에 있어서, 56은, 히터용 커넥터이다.

본 발명에 의한 물의 재생은, 도 6에 나타낸 바와 같은 순서로 행한다. 즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 종래와 마찬가지로 A점(点)에서 웜업을 개시하고, 예컨대 역전(逆戰)승온이나 히터(52, 54)로 온도를 올리면서, 용기의 밖과의 열전도를 좋게 하기 위해서 N₂가스(퍼지가스)를 흐르게 한다(도 6의 스텝 100). 이어서 B점 (点)에서 러프 앤 퍼지 사이클을 개시한다(도 6의 스텝 110'). 이때, 압력의 하한(下限)을 종래 (예컨대 10Pa)보다 높여, 예컨대 100Pa로 하고, 물이 얼지 않도록 한다. 이어서 D점(点)에서, 퍼지를 멈추고, 이후 이것을 반복하여, 종래와 마찬가지로 압력 또는 횟수에 따라 러프 앤 퍼지 사이클을 멈춘다. 그러면 E점(点)에서 드라이 펌프의 운전을 정지했을 때에, 물이 남아있으므로 자연히 압력이 오른다. 따라서 F점(点)에서 드라이 펌프로 빼고, 이 공정을 반복하여, 물을 배출한다(도 6의 스텝 120). 드라이 펌프를 멈추고서 일정 시간 지나도 압력이 오르지 않게 된 시점(G)에서 물이 빠졌다고 판정하고, 드라이 펌프로 뺀다. 이어서 저압력(예컨대 10Pa 정도)의 I점(点)에서 드라이 펌프를 멈추고서 활성탄의 가스방출을 기다리고, H점(点)에서 드라이 펌프로 빼는 공정을 반복하고(도 6의 스텝 130), 압력이 오르지 않게 된 K점(点)에서 냉각을 개시하고, 드라이 펌프를 작동시키고, L점(点)에서 드라이 펌프를 정지하여, 크라이오 펌프의 운전으로 옮긴다(도 6의 스텝 140).

본 실시형태에 있어서는, 히터(52, 54)를 마련하고 있으므로, 역전(逆轉)승온, 히터승온, 퍼지승온을 모두 이용할 수 있어, 승온을 신속하게 행할 수 있다. 여기서, 어느 하나의 방법 또는, 임의의 2개의 조합을 이용하여 승온시킬 수도 있고, 히터를 생략할 수도 있다.

다만, 상기 실시형태에 있어서는, 본 발명이 크라이오 펌프에 적용되어 있지만, 본 발명의 적용대상은 이에 한정되지 않고, 도 8(평면도) 및 도 9(종단면도)에 나타낸 바와 같이, 예컨대 일본국 특허공개 평10-122144호 공보에 기재된 바와 같은 물 트랩(크라이오 트랩이라고도 칭한다)(60)에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 이 물 트랩(60)은, 도 10에 예시하는 것같이, 터보 분자 펌프(62)와 조합하여 진공 챔버(10)에 장착되는 경우가 많고, 1단 스테이지(28)만의 단단식(單段式) 냉동기(25)를 사용해서 냉각된 크라이오 패널(35)에 물을 응축함으로써 배기하도록 되어 있다.

본 발명은, 크라이오 패널이나 물 트랩 이외에도, 업무용 냉동기 등, 냉동기 등으로 차게 함으로써, 응결된 얼음(물, 수증기)을 배출할 필요가 있는 장치 전반에도 마찬가지로 적용할 수 있다.

Claims

용기 내에 설치된 극저온 냉동기에 의해 냉각되는 부분에 응축된 얼음을 용기 밖으로 배출하기 위한 물(水)의 재생방법에 있어서,

상기 용기 내의 얼음이 응축된 부분의 온도를 얼음의 융점 이상까지 승온시켜 얼음을 녹이기 위한 승온공정과,

녹은 물이 고인 부분의 온도와 압력이 물의 응고점에 도달하지 않는 범위에서, 러프 배기에 의해 압력을 저하시켜서 물을 증발시키고, 배기를 중지했을 때의 방출수분이나 가스에 의한 빌드업 판정을 하고, 물이 없어질 때까지 이를 반복하는 증발공정과,

물이 증발한 시점에서, 더욱 압력을 내려서 수증기를 배출하기 위한 배출공정을 마련하고,

얼음과 물과 수증기를 단계적으로 재생하는 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
청구항 1에 있어서,

상기 증발공정과 상기 배출공정은, 각각 빌드업(build up) 판정을 포함하는 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
청구항 1에 있어서,

상기 승온공정이, 상기 용기 내의 얼음이 응축된 부분을 얼음의 융점 이상까지 승온시켜 얼음을 녹이는 웜업(warm-up)공정인 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 승온공정을, 냉동기의 모터를 냉각시의 회전방향과는 반대로 회전시키는 역전(逆轉)승온, 용기 내에 얼음의 융점보다 높은 온도의 퍼지가스를 흐르게 하여, 진공으로 유지된 용기 내의 압력을 대기압까지 되돌리고, 용기 밖과의 열전도를 좋게 하는 퍼지승온, 또는, 히터에 의한 승온 중 어느 하나, 또는, 그들 2개 이상의 조합에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
청구항 1에 있어서,

상기 증발공정이, 상기 승온공정에서 녹은 물이 고인 부분의 온도와 압력이 물의 응고점에 도달하지 않는 범위에서, 러프(rough) 배기에 의해 압력을 저하시켜서 물을 증발시키고, 배기를 중지했을 때의 방출수분이나 가스에 의한 압력상승을 판정하는 빌드업 판정을 하고, 물이 없어질 때까지 이것을 반복하는 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
청구항 5에 있어서,

상기 러프 배기시(時)의 압력을 100Pa∼200Pa로 하는 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
청구항 1에 있어서,

상기 배출공정이, 상기 증발공정에 의해 물이 증발한 시점에서, 러프 배기에 의해 더욱 압력을 내려서 수증기를 배출하고, 배기를 중지했을 때의 가스에 의한 압력상승을 판정하는 빌드업 판정을 하고, 압력상승이 판정값보다 낮아질 때까지 이를 반복하는 배기공정인 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

상기 승온공정을, 상기 용기 내의 얼음이 응축된 부분의 온도가 얼음의 융점이 된 시점에서, 상기 증발공정으로 전환하는 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,

상기 증발공정을, 배기를 중지했을 때의, 방출수분이나 가스에 의한 빌드업 판정에 의해, 상기 배기공정으로 전환하는 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.
용기 내에 설치된 극저온 냉동기에 의해 냉각되는 부분에 응축된 얼음을 용기 밖으로 배출하기 위한 물의 재생장치에 있어서,

상기 용기 내의 얼음이 응축된 부분의 온도를 얼음의 융점 이상까지 승온시켜 얼음을 녹이기 위한 승온수단과,

녹은 물이 고인 부분의 온도와 압력이 물의 응고점에 도달하지 않는 범위에서, 러프 배기에 의해 압력을 저하시켜서 물을 증발시키고, 배기를 중지했을 때의 방출수분이나 가스에 의한 빌드업 판정을 하고, 물이 없어질 때까지 이를 반복하는 증발수단과,

물이 증발한 시점에서, 더욱 압력을 내려서 수증기를 배출하기 위한 배기수 단을 구비한 것을 특징으로 하는 물의 재생장치.
청구항 10에 있어서,

상기 승온수단이, 냉동기 모터의 역회전, 퍼지가스, 히터 중 적어도 어느 하나, 또는, 그들 2개 이상의 조합인 것을 특징으로 하는 물에 재생장치.
청구항 10 또는 청구항 11에 기재된 물의 재생장치를 구비한 것을 특징으로 하는 크라이오 펌프.
청구항 10 또는 청구항 11에 기재된 물의 재생장치를 구비한 것을 특징으로 하는 물 트랩.
청구항 4에 있어서,

상기 승온공정을, 상기 용기 내의 얼음이 응축된 부분의 온도가 얼음의 융점이 된 시점에서, 상기 증발공정으로 전환하는 것을 특징으로 하는 물의 재생방법.