KR100833648B1 - 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 레저버(vacuum reservoir)를 사용함으로써 2차 펌프를 사용하지 않고도 터보 펌프를 작동시킬 수 있고, 따라서 로터리 펌프 등의 2차 펌프 사용으로 인하여 발생할 수 있는 오일에 의한 챔버 오염, 기계적 전기적 소음을 방지하며, 이러한 진공 리시버를 고진공 뿐만 아니라 저진공에서도 사용할 수 있는 백업 챔버를 갖는 초고진공 배기시스템을 제공하기 위한 것으로, 초고진공 배기시스템에 있어서, 터보펌프(10)와; 상기 터보펌프(10)의 배출구측에 연결되어 터보펌프(10)를 그의 임계압력 이하로 압력을 장시간 펌핑없이 유지토록 하는 진공 레저버(20)와; 상기 진공 리시버(20)에 연결되어 진공 레저버(20)내의 압력이 설정값 이하로 내려가면 작동하는 보조펌프(50)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하여, 2차 배기펌프를 사용할 때 나타날 수 있는 오일 역류에 의한 진공 챔버의 오염 및 기계적·전기적 소음 등을 제거하며 동시에 매우 안정적이고 경제적인 이점을 제공한다.

터보 펌프, 백업 펌프, 압축률, 오일 역류, 임계 압력, 배기계, 소음, 진동

Description

진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템{Ultra-high vacuum exhausting system with vacuum reservoir}

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래 터보 펌프를 이용한 배기 시스템의 개략도이고,

도 2는 본 발명에 따른 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템의 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템의 제어 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 터보 펌프

20 : 진공 레저버(vacuum reservoir)

30 : 컨벡트론 게이지

40 : 다이어프램 밸브

50 : 보조펌프

본 발명은 초고진공 배기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터보 펌프의 백업 펌프를 대체할 수 있는 진공 리시버(vacuum reservoir)를 사용함으로써 2차 펌프를 사용하지 않고도 터보 펌프를 작동시킬 수 있도록 한 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템에 관한 것이다.

최근까지는 터보 펌프의 압축률이 낮아 배기 압력이 2차 펌프를 연속적으로 가동해야만 얻을 수 있을 만큼 상당히 낮았기 때문에 초고진공을 구현하기가 어려웠다.

종래, 도 1에서와 같이 터보 펌프(10)의 2차 펌프로써 로터리 펌프(12)(또는 다이어프램 펌프)를 주로 사용하고 있다. 그러나 로터리 펌프(12)의 경우 높은 펌핑 속도를 가지나 로터리 펌프 오일의 역류로 인하여 늘 챔버 및 배기계 전체의 오염 가능성을 안고 있다.

그 결과 최근에는 오일이 사용되지 않는 펌프, 예를 들면 다이어프램 펌프, 스크롤 펌프 등을 사용하고 있으나 최종 압력이 낮아 챔버의 최종 압력을 높게 하고, 또한 최종 압력 도달 시간도 매우 길다. 또한 이런 백업 펌프는 그 가격이 터보 펌프의 3-40%에 이르러 경제적으로도 큰 부담이 되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 진공 레저버(vacuum reservoir)를 사용함으로써 2차 펌프를 사용하지 않고도 터보 펌프를 작동시킬 수 있고, 따라서 로터리 펌프 등의 2차 펌프 사용으로 인하여 발생할 수 있는 오일에 의한 챔버 오염, 기계적 전기적 소음을 방지하며, 이러한 진공 리시버를 고진공 뿐만 아니라 저진공에서도 사용할 수 있는 백업 챔버를 갖는 초고진공 배기시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

초고진공 배기시스템에 있어서,

터보펌프와;

상기 터보펌프의 배출구측에 연결되어 터보펌프를 그의 임계압력 이하로 압력을 장시간 펌핑없이 유지토록 하는 진공 레저버와;

상기 진공 레저버에 연결되어 진공 레저버내의 압력이 설정값 이하로 내려가면 작동하는 보조펌프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면,

상기 진공 레저버와 보조펌프를 연결하는 관로에 개폐밸브가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면,

상기 진공 레저버에는 개폐밸브의 개폐 동작을 위해 진공 레저버내의 진공 압력을 측정하는 압력 측정게이지가 더 연결되어 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해 것이다.

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 터보펌프의 2차 펌프를 대체하는 진공 리시버가 포함된 초고진공 배기시스템의 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 초고진공 배기시스템은 터보펌프(10)와, 상기 터보펌프(10)의 배출구측에 연결되어 터보펌프(10)의 임계압력 이하로 진공 압력을 장시간 펌핑없이 유지토록 하는 진공 레저버(vacuum reservoir)(20)와, 상기 진공 레저버(20)에 연결되어 진공 레저버(20)의 챔버 압력이 설정 진공값 이상으로 상승하면 작동하는 보조펌프(50)를 포함하여 구성된다.

이때 상기 진공 레저버(20)와 보조펌프(50)를 연결하는 관로에 개폐밸브(40)가 설치된다. 개폐밸브(40)는 보조펌프(50)가 가동되는 경우에만 개방 동작한다.

또한 상기 진공 레저버(20)에는 개폐밸브(40)의 개폐 동작을 위해 진공 레저버(20)내의 진공 압력을 측정하는 압력 측정게이지(30)가 더 연결되어 구성된다.

또한 압력 측정게이지(30), 개폐밸브(40) 및 보조펌프(50)는 도시안된 컨트롤러(controller)에 연결되어 있다.

여기서, 컨트롤러는 압력 측정게이지(30)에서 측정된 진공 레저버(20)의 진공 압력이 설정 압력보다 클 경우 개폐밸브(40)를 열고 보조펌프(50)를 작동시킨다. 또한 컨트롤러는 압력 측정게이지(30)에서 측정된 진공 레저버(20)의 진공 압 력이 설정 작을 경우 개폐밸브(40)를 닫고 보조펌프(50)를 정지시키게 구성된다.

이때 상기 진공 레저버(20)는 다양한 작업 공간에 적용이 용이토록 플렉시블 튜브 형태로 제작될 수 있다.

또한 압력 측정게이지(30)는 예로, 컨벡트론 게이지(convectron gauge)를 포함하여 압력 측정이 가능한 모든 게이지가 해당될 수 있다.

여기서, 터보 펌프(10)의 백업 기능이란 배기구 근방의 압력을 터보 펌프(10)의 압축률이 견디는 한도 내에서 (대체로 5 Torr. 정도) 유지하는 것이다. 이는 배기구 근방의 압력을 일단 보조펌프(50)를 작동시켜 임계 압력 이하로 낮추어 놓고 배기계를 개폐밸브(40)를 닫아 백업펌프(10)와 차단한 후 임계 압력 이하로 유지시킬 수만 있다면 지속적인 펌핑은 필요하지 않음을 의미한다.

이때 보조펌프(50)는 다이아프램 펌프 또는 로터리 펌프 중 어느 하나로 택일되어 구성될 수 있다.

도 2는 터보 펌프 배기구로부터 보조펌프(50)에 이르는 구간을 차단을 하여, 즉 이 구간을 진공 레저버(20)로 사용하여 터보 펌프(10)의 백업을 구현한 것이다.

본 실시예에서는 터보 펌프(10)에서 보조펌프(50)에 이르는 구간을 플렉시블 관(flexible formed bellows)을 진공 레저버(20)로 사용하였다. 이때 진공 레저버(20)내의 진공압력은 압력 측정게이지(30)로 측정하였다.

아래 표1은 위의 진공 레저버(20)를 이용하여 터보 펌프를 가동할 때 펌핑 시간과 진공 레저버측 버퍼 압력(buffer pressure) 및 터보펌프(10)측 메인챔버(main chamber)의 압력 관계를 보여주고 있다.

즉, 표1은 진공 레저버(20)만으로 펌핑을 할 경우 펌핑 시간 경과에 따른 메인 챔버 압력과 진공 레저버내 버퍼 압력(buffer pressure)의 변화선도이다.

표 1에 나타난 바와 같이 진공 레저버(20)내의 버퍼 압력은 시간이 갈수록 점진적으로 증가하고 있으나 터보 펌프(10)는 진공 레저버의 압력이

에 도달할 때까지 정상적으로 작동하여 메인 챔버 압력이 점진적으로 낮아짐을 확인할 수 있다.

그러나 진공 레저버(20)내의 범퍼 압력이

보다 커지게 되면 터보 펌프의 배기가 원활히 이루어지지 못하여 메인 챔버 압력이 점진적으로 높아짐을 관측할 수 있다.

이는 진공 레저버(20) 압력을 어느 수준 이하로 유지하는 것이 정상적 터보 펌프 작동에 필수적이며 그런 환경에서 진공 레저버가 터보 펌프 작동에 아무 문제가 없음을 알 수 있다.

장시간 동안 진공 레저버 압력을 임계압력 이하로 유지하기 위해서는 진공 레저버의 누설(leak) 및 아웃개싱(outgassing)을 최소화해야한다. 이를 위하여 진공 레저버(20)의 베이킹(baking)을 충분히 하여야 한다.

이를 위해 적용되는 개폐밸브(40)는 다이어프램 밸브를 사용함이 바람직하다.

실험 결과 진공 레저버(20)의 성능은 표 2에서보다 10배 정도 향상되어 1개월 정도를 진공 레저버 만으로도 메인 챔버(main chamber) 압력을

를 유지하도록 터보를 가동할 수 있다.

	메인 챔버 압력	진공 레저버 압력
보조펌프 구동시
보조펌프 정지 후 10분 경과

표 2는 보조펌프(50)를 작동하였을 경우와 진공 레저버(20)를 사용하였을 경우, 메인 챔버 및 진공 레버 압력의 비교표이다.

진공 레저버(20)를 사용하지 않고 보조펌프(다이어프램 펌프)(50)를 2차 배기 펌프로 이용하여 도달하는 메인 챔버(main chamber)의 압력은 high

이다. 보조펌프(50)로 도달할 수 있는 배기 압력은 1 torr 정도이다. 이는 터보 펌프(10)의 압축률이 high

에서도 충분히 커 1 torr의 배기 압력도 충분함을 의미한다.

진공 레저버(20)를 사용하는 경우 도달하고자 하는 메인 챔버 압력과 진공 레저버(20) 압력 사이에 상관관계가 있다.

아래 표 3에서 보면 high

압력에 도달하기 위해서는 진공 레저버의 압력은

를 유지해야함을 알 수 있다. 따라서 극초진공 하에서 진공 레저버를 장시간 작동하기 위해서는 낮은 압력을 장시간 유지하기 위한 특별한 고려가 필요하다.

	메인 챔버 압력	진공 레저버 압력
아르곤가스( )채움전
아르곤 가스 펌핑 후

위 표 3은 저진공에서 진공 레저버(20)의 배기 능력 테스트 결과표이다.

따라서 도 2의 시스템 구성은 고진공 하에서 진공 레저버(20)를 이용한 터보 펌핑이 유효하게 작동하게 됨을 알 수 있다.

그러나 많은 산업 현장에서의 터보 펌프 운용은

근방에서 높은 작업량(throughput)을 요구하는 환경에서 이루어진다. 이와 같은 환경에서도 진공 레저버를 이용한 배기가 유효한지 확인하기 위하여 터보 펌프의 작동 한계에 해당하는

로 아르곤(Ar) 가스를 채운 챔버의 펌핑을 반복적으로 시도해 보았다.

표 2에서 보면 아르곤 가스를 채우기 이전에 챔버 압력은

이다.

이 챔버에 아르곤 가스를

채우고 터보 펌핑을 진공 레저버(20)만을 가지고 수행 하였다. 그 결과 진공 레저버(20)의 압력 변화를 관측할 수 없는 상황에서 터보 펌핑이 이루어져 챔버의 원래 진공을 회복함을 관찰할 수 있었다.

이를 여러번 반복하여도 진공 레저버의 압력 변화가 없는 것을 보아 예측할 수 있듯이 결과는 변함이 없었다. 따라서 극단적인 저진공, 하이 스루풋(high throughput) 환경에서도 진공 레저버에 의한 배기가 잘 작동함을 알 수 있다. 이는 극초진공에서 저진공 전영역에 걸쳐 진공 레저버만으로도 터보 펌프를 작동할 수 있음을 의미한다.

따라서 도 3과 같이 본 발명에 따른 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템을 제어할 수 있게 된다.

도 3에 나타나 있듯이 진공 레버저(20)의 진공 압력이 설정압 이하일 동안에는 터보펌프(10)만 계속적으로 가동하게 되고, 보조펌프(40)는 정지해 있으므로 2차 펌프 즉 보조펌프(40)로 인한 소음발생이나 전기적인 에너지 소모 등등 여러가지 문제는 발생되지 아니한다.

아울러, 본 발명의 일실시예로 도시된 진공 리시버와 그 운용방법 등은 일예에 불과한 것으로서, 당업자가 다양한 조합으로 변형하거나 수정할 수 있음은 물론이고, 이러한 변형이나 수정 역시 본 발명의 요지범위 내에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 백업 챔버를 갖는 초고진공 배기시스템에 의하면, 고진공(

)에서 저진공 (

)에 이르는 광범위한 영역에 걸쳐 진공 레저버가 터보 펌프의 정상적 작동을 보장한다.

이는 이 영역의 진공도에서 터보 펌프를 운영하는 많은 작업 환경에서 1) 2차 펌프의 구매 및 가동에 따른 경제적 부담과, 2) 정전 등에 따른 대기 노출 등의 문제를 피하게 해주고, 3) 2차 펌프의 가동에 따른 소음, 오일 증기 발생 등의 유해한 작업 환경을 방지해 주어 작업자들의 복지에도 기여할 것이다. 4) 또한 2차 펌프에 의한 진동 및 전기적 잡음이 문제가 되는 정밀 작업 환경에서도 진공 리비서에 의한 펌핑은 큰 도움을 줄 것이다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (4)

1. 초고진공 배기시스템에 있어서,

   터보펌프(10)와;

   상기 터보펌프(10)의 배출구측에 연결되어 터보펌프(10)를 그의 임계압력 이하로 압력을 장시간 펌핑없이 유지토록 하는 진공 레저버(20)와;

   상기 진공 레저버(20)에 연결되어 진공 레저버(20)내의 압력이 설정값 이하로 내려가면 작동하는 보조펌프(50)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 진공 레저버(20)와 보조펌프(50)를 연결하는 관로에 개폐밸브(40)가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 진공 레저버(20)에는 개폐밸브(40)의 개폐 동작을 위해 진공 레저버(20)내의 진공 압력을 측정하는 압력 측정게이지(30)가 더 연결되어 설치된 것을 특징으로 하는 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 진공 레저버(20)는 다양한 작업 공간에 적용이 용이토록 플렉시블 튜브 형태로 제작된 것을 특징으로 하는 진공 레저버를 갖는 초고진공 배기시스템.

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