KR102002066B1 - 향상된 펌프 유닛 및 상기 펌프 유닛의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 제 1 양변위 기계(10) 및 하나의 제 2 양변위 기계(20)와 제어 모듈(MC)을 포함하는 펌프 설비(IP)에 관한 것으로서, 상기 펌프 설비(IP)에서 기체(G)는 제 1 양변위 기계(10) 및/또는 제 2 양변위 기계(20)에 의하여 감싸인 체적(VE)으로부터 배출된다. 또한 펌프 설비(IP)는, 펌프 설비(IP)의 유출부와 감싸인 체적(VE) 사이의 기체(G) 유동을 제어하기 위하여, 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서의 온도 값을 감지하기 위한 온도 센서(TP) 및/또는 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서의 압력값을 감지하기 위한 압력 센서(CP) 및 제어 모듈(MC)에 의해 제어되는 적어도 하나의 제어 밸브(VC)를 더 포함한다.

Description

향상된 펌프 유닛 및 상기 펌프 유닛의 제어 방법{Improved Pumping Unit And Method For Controlling Such a Pumping Unit}
일반적으로, 본 발명은 양변위 기계(positive displacement machine) 및 그러한 양변위 기계를 포함하는 설비에 관한 것이다. 본 발명은 특히 (공기와 같은) 압축성 유체를 수용하여 사용될 수 있도록 의도된 양변위 기계 및 펌프 기계에 관한 것이다.
구체적으로, 그러나 배타적이지 않게, 본 발명은 적어도 하나의 제 1 양변위 기계 및 하나의 제 2 양변위 기계를 포함하고 펌프 설비 또는 펌프 그룹과, 이러한 유형의 펌프 설비의 제어 방법들의 분야에 관한 것이다.
오늘날 다중의 산업적 방법 및 연구(예를 들어, 상품, 화학품, 약품등과 같은 분야)는 다소 강력한 진공(통상적으로 1 내지 10-1 mbar 의 범위)을 필요로 한다.
이러한 진공을 달성하도록, "진공 펌프"들이 여러해 동안 사용되어 왔으며, 즉, (예를 들어 인쇄 회로의 제조에 이용되는 "클린 룸"과 같이) 감싸인 체적 또는 밀봉된 챔버 안에 포함된 공기(또는 기체 또는 기체의 혼합물)를 다소 완전하게 제거할 수 있는 양변위 기계들이 사용되었다.
상이한 유형의 진공 펌프들이 현재까지 알려져 있다. 가장 잘 알려지고 가장 공통적인 것중에서 특히 언급되는 것은 베인 유형 펌프, 액체 링(liquid ring) 펌프, 나선(또는 스크롤(scroll)) 펌프 및 로브(lobe)(또는 루트(Roots)) 펌프일 수 있다. 이들 상이한 유형의 진공 펌프들 각각은 펌프를 특정의 적용예에서 사용하기에 특히 적절하게 하는 특정의 장점(그리고 단점)을 가진다. 상이한 유형의 진공 펌프들의 특징들은 당업자에게 공지되어 있으므로, 상이한 특성들에 대한 장황한 설명은 불필요한 것으로 간주된다.
진공 펌프들의 특정 성능을 향상시키도록, 특히 2 개 또는 그 이상의 진공 펌프들을 조합함으로써 펌프 그룹 또는 펌프 설비를 만드는 것이 오랜 시간 동안 알려져 왔다. 그러한 구성은 통상적으로 "제 1" 펌프로서 지칭되는 펌프로 이루어지는데, 이것은 비워져야만 하는 챔버에 연결되고 대략 1 bar (103 mbar) 내지 1 mbar 사이 범위의 압력을 가지는, "제 1 " 진공으로 지칭되는 진공을 처음에 달성한다. 다음에 이러한 제 1 펌프에 의해 만들어지는 제 1 진공은 "제 2" 펌프로서 지칭되는 펌프에 의해서 취해지는데, 이것은 제 1 펌프에 직렬로 연결되며, 더 큰 진공을 달성한다. 제 2 펌프의 출구에서의 압력은, 더 낮은 압력도 가능할 수 있을지라도, 통상적으로 1 내지 10-1 mbar 사이의 범위이다.
2 개의 펌프를 구비하는 통상적인 설비는 루트 펌프(Roots pump)와 다른 펌프의 조합이며, 예를 들어 스크류 펌프와의 조합이다. 3 개 (또는 그 이상) 펌프들을 가진 구성들도 마찬가지로 가능한데, 펌프들이 병렬로 연결되거나 또는 직렬 또는 병렬로 연결된 조합을 가진 설비도 가능하다는 점이 이해되어야 한다.
펌프들 이외에, 그러한 펌프 그룹은 통상적으로 하나 이상의 밸브들 및 시스템의 유입부와 유출부 사이의 기체 유동을 제어하기 위한 전기적 및/또는 기계적 제어 모듈을 포함한다. 설비의 특징들 및 통상적인 펌프 그룹에 있는 상이한 요소들의 함께 작용하는 것과 관련된 특징들은 마찬가지로 진공 기술 분야의 당업자에게 통상적인 지식이며, 따라서 여기에서 상세하게 설명되지 않을 것이다.
이제 진공 펌프들로서 이용된 모든 양변위의 기계들은 작동하는 동안에 가열되는 특성을 가진다. 한편으로, 대부분의 진공 펌프들의 작동 원리는 강제된 체적 감소 및 차후의 압력 증가 때문에 시스템의 유입부와 유출부 사이에서 펌핑된 기체가 가열되게 한다. 기체의 이러한 온도 증가는 물리 법칙으로부터 직접적으로 초래되며, 이것은 완전하게 제거될 수 없다. 다른 한편으로, 펌프에 있는 회전 요소들 사이의 마찰과 같은 부차적인 효과는 동일한 펌프에서 온도 증가를 초래하기도 한다. 이러한 가열은 펌프들 내부에서 기체의 온도 증가를 초래한다.
펌프 그룹내의 상승된 온도는 소망스럽지 않다. 이것은 특히 예를 들어 펌핑된 기체의 화학적 및/또는 물리적 반응 때문에 양변위 기계들의 작동에 심각한 문제를 일으킨다. 특정의 기체는 특히 상승된 온도에서 승화 또는 응축되어 펌프의 내부에 잔류물을 생성시키는 요소를 포함한다. 시간이 지나면, 이러한 잔류물은 펌프의 틀어막힘(jamming) 또는 다른 기능 부전을 초래할 수 있다. 또한 펌프 안의 너무 높은 온도는 펌프의 최적 효율에 대하여 매우 불리한데, 왜냐하면 금속 요소들의 팽창이 커질 수 있다는 사실 때문이다.
이들 단점을 극복하도록 상이한 냉각 방법들이 다양한 진공 펌프들에서 구현되었다. 따라서 공기에 노출된 표면상에서 공기를 증가시키고 주위 공기에 의해 펌프의 기계적 냉각을 증진시키기 위하여 공기 냉각 펌프들이 존재하며, 특히 외측 표면상에 리브 또는 다른 유사한 요소들을 가진 공기 냉각 펌프가 존재한다. 액체, 특히 공기 또는 오일에 의해 냉각되는 다른 펌프들이 존재한다. 예를 들어, 윤활된 베인 펌프에서, 베인(vane)들은 오일로 윤활된 표면상에서 미끄러진다. 이러한 오일은 펌프의 용이한 미끄럼 및 냉각을 달성하기 위하여 접촉 표면의 냉각을 동시에 수행한다.
그러나, 이러한 모든 냉각 메카니즘들은 주된 단점을 가지며, 특히 이것은 펌프들을 동시에 더욱 복잡하게 하고, 더욱 비싸게 하고, 더욱 고장나기 쉽게 하는 단점을 가진다. 더욱이, 냉각 액체는 때때로 여과되고, 정화되고 그리고/또는 교환되어야 하는데, 이것은 펌프들의 유지 관리를 더욱 복잡하고 더욱 값비싸게 한다.
따라서 본 발명의 목적은 복잡한 냉각 시스템의 사용 없이 진공 펌프 및/또는 펌프 그룹에서 온도가 상승하는 문제점에 대한 해법을 제안하는 것이다.
본 발명의 달성하고자 하는 다른 결과는 성능이 시간에 걸쳐 유지되는 펌프 설비를 달성하는 것이다.
이러한 목적을 위하여 본 발명은 청구항 제 1 항에 일치하는 설비를 주제로 한다. 종속항 및 상세한 설명에서 실시예들의 상세한 설명이 기재되어 있다.
보다 상세하게는 본 발명은 적어도 하나의 제 1 양변위 기계 및 하나의 제 2 양변위 기계와, 제어 모듈을 포함하는 펌프 설비에 관한 것으로서, 상기 펌프 설비에서 기체는 감싸인 체적으로부터 제 1 양변위 기계 및/또는 제 2 양변위 기계에 의하여 비워지며, 펌프 설비는 적어도 하나의 밸브를 더 포함하는데, 이것은 펌프 설비의 유출부와 감싸인 체적 사이의 기체 유동을 조절하기 위하여 제어 모듈에 의해 제어된다.
본 발명의 주요 장점은 제안된 펌프 설비가 시스템의 유입부와 유출부 사이에서 펌프되어야 하는 기체의 유동을 정확한 방법으로 제어할 수 있는 수단을 가진다는 점에 있다. 이러한 방식으로, 양변위 기계들 사이의 협동은 구체적인 상황의 필요성에 적합화될 수 있으며, 이는 시스템의 성능 제어를 매우 용이하게 한다. 결국 양변위 기계들의 가열을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명은 상기 언급된 실시예들에 따른 펌프 설비 만에 관한 것은 아니며, 그러한 펌프 설비의 제어 방법에 관한 것이기도 하다는 점이 지적되어야 한다.
본 발명은 이제 개략적으로 도시된 첨부 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 주어지는 다음의 설명으로부터 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 펌프 설비의 블록 다이아그램이다.
도 2 는 제 1 양변위 기계에 의해서만 비워지는, 감싸인 체적 안의 펌프 용량의 전개("펌프 비율(pumping rate)"로도 지칭됨)를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3 은 도 2 의 펌프 용량의 전개에 대응하는, 제 1 양변위 기계의 온도 전개를 나타내는 개략적인 다이아그램이다.
도 4 는 제 2 양변위 기계에 의해서만 비워지는, 감싸인 체적 안의 펌프 용량의 전개를 나타내는 개략적인 다이아그램이다.
도 5 는 도 4 의 펌프 용량의 전개에 대응하는, 제 2 양변위 기계의 온도 전개를 나타내는 개략적인 다이아그램이다.
도 6 은 제 1 및 제 2 양변위 기계로써 동시에 비워지는, 본 발명에 따른 감싸인 체적 안의 펌프 용량의 전개를 나타내는 개략적인 다이아그램이다.
도 7 은 도 6 의 펌프 용량의 전개에 대응하는, 제 1 및 제 2 양변위 기계의 온도 전개를 나타내는 개략적인 다이아그램이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 펌프 설비의 블록 다이아그램이다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 펌프 설비의 블록 다이아그램이다.
도 10 은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 펌프 설비의 블록 다이아그램이다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 펌프 설비(IP)의 블록 다이아그램을 나타낸다. 도 1 에서, 제 1 양변위 기계는 도면 번호 10 으로 기재된 사각형으로 간단하게 표시되고, 제 2 양변위 기계(positive displacement machine)는 도면 번호 20 으로 기재된 다른 사각형으로 표시되어 있다. 또한 도 1 에 감싸여진 체적부(VE)가 개략적으로 도시되어 있으며, 이것은 펌프 설비(P)에 의해 비워진다. 감싸여진 체적부(VE)는 클린룸(clean room)(즉, 온도, 습도 및/또는 압력이 다양한 산업용 또는 연구용으로 적용하기 위하여 필요한 환경 조건을 생성 및 유지할 목적으로 제어되는 룸)에 해당할 수 있으며, 압력이 정확한 방식으로 제어되어야 하는 (예를 들어 머신툴(machine tool) 안의) 그 어떤 다른 체적의 생산 엔크로져(production enclosure)이다.
본 발명에 따른 펌프 설비(IP)에서, 제 1 양변위 기계(10)는 특히 스크류 펌프(screw pump)일 수 있다. 스크류 펌프는 실질적으로 2 개의 평행한 스크류들로 구성되는데, 이들은 반대 방향에서 회전 구동된다. 이러한 회전 때문에, 펌프 안에 위치된 기체들은 펌프의 유입부와 유출부 사이에서 이송될 수 있다. 스크류 펌프들은 드라이 펌프(dry pump)들이고, 따라서 그 안에서 펌핑된 기체는 오염을 초래할 수 있는 윤활 액체와 접촉하지 않는다. 이러한 특성 덕분에, 스크류 펌프들은 상승된 정도의 위생 상태를 필요로 하는 적용예에서 이용될 수 있다 (예를 들어, 음식 산업용). 물론 양변위 기계(10)는 그 어떤 다른 적절한 유형의 펌프에 의해서도 달성될 수 있다.
이러한 제 1 양변위 기계(10)는 도관(또는 압력 라인)(LP1)에 의해 폐쇄 체적(VE)에 연결된다. 상기 도관(LP1)은 특히 금속 또는 임의의 다른 적절한 재료로 만든 통상적인 파이프에 해당할 수 있다. 물론 다른 유형의 파이프 또는 튜브(LP1)도 가능하다. 따라서 제 1 양변위 기계(10)는 공기(또는 감싸인 체적(VE) 내부의 임의의 다른 기체)를 직접적으로 비우고 그것의 유출부에서 공기를 배출시키도록 배치 및 구성되는데, 유출부는 통상적으로 배기 포트에 의해 달성된다.
다른 도관(LP2)은 제 1 양변위 기계(10)의 배기 오리피스에 연결된다. 감싸인 체적(VE)을 제 1 양변위 기계(10)에 연결하는 도관(LP1)과 같이, 도관(LP2)은 통상적인 파이프일 수 있으며, 그러나 그 어떤 다른 적절한 방식으로도 달성될 수도 있다. 따라서 도관(LP2)은 기체를 양변위 기계(10)의 유출부로 가져가고 다음에 제 3 도관(LP3)을 통해 제 2 양변위 기계(20)를 향하여 기체의 채널을 형성한다.
제 1 양변위 기계(10)에 의해 감싸인 체적으로부터 도관(LP3)을 통해 비워졌던 기체의 유동을 수용하는 제 2 양변위 기계(20)는 특히 베인 펌프(vane pump)일 수 있다. 베인 펌프들은 슬라이딩 베인들을 가진 회전자 및 고정자로 구성되는데, 슬라이딩 베인(sliding vane)들은 고정자에 대하여 접선상으로 회전한다. 회전하는 동안, 베인들은 고정자의 벽들과 접촉 상태로 유지된다. 하나의 영역에 있는 고정자의 벽들은 오일 욕조(oil bath)로 덮히며, 이것은 펌프의 빈틈 없음(tightness) 및 가동 부품들의 윤활을 보장한다. 따라서 베인 펌프들은 드라이 펌프가 아니며, 펌핑되는 기체는 윤활제와 접촉될 수 있다. 따라서 이러한 펌프들은 통상적으로 격상된 위생 기준을 가진 적용예에서 이용되지 않는다. 또한 양변위 기계(20)는 베인 펌프일 필요가 없으며, 다른 적절한 유형의 펌프에 의해 달성될 수 있다.
제 2 양변위 기계(20)의 유출부(배기 오리피스)는 제 4 도관(LP4)에 연결되는데, 이것은 제 2 양변위 기계(20)에 의해 펌핑된 기체를 펌프 설비(P)의 유출부로 비우는 역할을 한다. 도관(LP4)은 금속 또는 그 어떤 다른 적절한 재료의 통상적인 파이프에 대응할 수도 있다. 물론 다른 유형의 파이프 또는 튜브가 생각될 수 있는데, 도관(LP4)이 제공되지 않고 양변위 기계(20)로부터 배출되는 기체가 펌프 설비(P)의 유출부를 향하여 직접적으로 지향되는 해법도 생각될 수 있다.
본 발명에 따른 펌프 설비(IP)에서, 제어 밸브(VC)는 도관(LP2)과 도관(LP3) 사이에 연결되며, 따라서 제 1 양변위 기계(10)와 제 2 양변위 기계(20) 사이에 연결된다. 이러한 제어 밸브(VC)는 실질적으로 기체의 유동을 제어하는 역할을 하며, 특히 "후방" 방향으로 펌핑된 기체의 유동을 방지하는 역할을 하며, 즉, 양변위 기계(10)를 향하는 기체의 유동을 방지한다. 그러한 제어 밸브는 이미 당해 기술 분야에서 공지되어 있으며, 작동 원리는 특히 체크 밸브 또는 역지 밸브(non-return valve)에 기초할 수 있다. 물론 다른 밸브들이 상기 언급된 조건들을 충족시킨다면 다른 유형의 그 어떤 제어 밸브들이라도 이용될 수 있다.
제어 밸브(VC)는 그것의 부분에 대하여 외부 제어 모듈(MC)에 의해 제어될 수 있다. 제어 모듈(MC)은 전자 및/또는 기계 장치로서, 이것은 도관(LP1)과 도관(LP2) 사이의 기체 유동을 제어하기 위하여, 따라서 감싸인 체적(VE)과 펌프 설비(IP)의 유출부 사이의 기체 유동을 제어하기 위하여 제어 밸브(VC)의 작동을 제어할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 펌프 설비(IP)의 유출부로 직접 이어지는 제 5 도관(LP5)도 제어 밸브(VC)에 연결된다.
도 1 에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 펌프 설비(IP)는 다음과 같은 방식으로 기능한다: 제 1 양변위 기계(10)의 시동시에, 기체는 감싸인 체적(VE)으로부터 펌핑된다. 도 2 는 감싸인 체적(VE) 안에서 펌프의 전개(develoment)(이것은 펌프의 "펌핑 비율(pumping rate)"로 지칭됨)를 개략적인 방식으로 나타낸 것으로서, 상기 감싸인 체적은 제 1 양변위 기계(10) 만으로 비워진다.
펌프 용량이 제 1 작동 범위에서 증가하고 제 2 작동 범위에서 감소하며, 마지막에는 압력 한계에 도달된 이후에 일정하게 유지된다는 점을 용이하게 알 수 있다. 동시에, 도 3 은 제 1 양변위 기계(10)에서의 온도 전개를 나타내며, 이것은 도 2 에 도시된 바와 같은 제 1 양변위 기계의 펌프 용량에 직접적으로 대응한다. 이러한 다이아그램을 분석하면, 압력 한계와 함께 시작하는 양변위 기계(10)의 온도가 명확하게 증가하는 점을 쉽게 알 수 있다. 서두에서 이미 언급된 바와 같이, 온도에서의 큰 증가는 일반적으로 불리하다.
도 4 는 감싸인 체적(VE)에서의 펌핑 용량의 전개(development)를 개략적인 다이아그램으로 도시하지만, 이러한 경우에 상기 체적은 제 2 양변위 기계(20)만으로 비워진다. 통상적으로, 이러한 제 2 양변위 기계(20)는 어느 정도 일정한 전개를 도시한다. 그러나, 제 2 양변위 기계(20)에서의 온도는 양변위 기계(10)에서의 온도와 유사한 방식으로 전개되며, 즉, 압력 한계를 벗어나는 온도의 총 증가(net increase)를 나타낸다.
이러한 문제점을 완전하게 극복하도록, 본 발명은 기체의 유동을 제 1 과정과 제 2 과정 사이에서 전환시키기 위하여 제어 모듈(MC)에 의해 제어 밸브(VC)를 조절할 것을 제안하는데, 상기 제 1 과정에서 기체는 제 1 양변위 기계(10)에 의해서만 펌핑되고, 상기 제 2 과정에서 기체는 제 1 양변위 기계(10) 및 제 2 양변위 기계(20)에 의하여 동시에 펌핑된다.
제 1 경우에, 감싸인 체적(VE)으로부터 비워진 기체는 도관(LP1) 및 제 1 양변위 기계(10)를 통과하고, 도관(LP2)을 통하여 제어 밸브(VC)에 도달하며, 다음에 도관(LP5)에 의해 펌프 설비(IP)의 유출부를 향하여 직접적으로 지향된다. 이와는 대조적으로, 제 2 경우에 감싸인 체적(VE)으로부터 비워진 기체는 처음에 도관(LP1), 제 1 양변위 기계(10) 및 제 2 도관(LP2)을 통해서 통과되어 제어 밸브(VC)에 도달하며, 제어 밸브는 기체를 유출부를 향하여 지향시키지 않지만 제 2 양변위 기계(20)를 향하여 지향시킨다. 다음에 제 2 양변위 기계(20)에 의해 펌핑된 기체는 도관(LP4)에 의해 펌프 설비(IP)로부터 배출된다.
보통은 이러한 전환이 일시적인 방식으로 제어된다. 예를 들어, 작동의 제 1 단계에서, 펌프 설비(IP)는 위에서 설명된 제 1 경우에서와 같이 작동할 수 있으며, 즉, 제 1 과정을 통하여 펌핑된 기체로써 작동할 수 있다. 다음에, 특정의 시간 간격 이후에, 펌프 설비(IP)는 위에서 설명된 제 2 경우에서와 같이 작동할 수 있으며, 즉, 제 2 과정을 통하여 펌핑된 기체로써 작동할 수 있다.
제 1 과정(course)과 제 2 과정(course) 사이의 전환은 "정적(static)" 방식으로 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 20 또는 30 초의 제 1 모드 작동(과정 VE-> LP1->10->LP2->VC->LP5)에서의 작동 이후의 전환을 프로그램할 수 있다. 이러한 경우에, 제어 모듈은 펌프 설비의 시작으로부터 경과된 시간을 계산할 것이며, 기체의 통과 과정을 변화시키도록 미리 프로그램된 시간에 도달한 이후에 제어 밸브로 명령을 부여할 것이다.
그러나, 정적 전환을 이용하는 대신에, 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서 압력 센서(CP)를 이용하여 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서의 특정 압력이 검출된 이후에 기체의 유동을 전환시킬 수 있다. 이러한 압력 한계는 각각의 구체적인 적용에 대하여 실제적인 방법으로 판단되어 제어 모듈(MC)에 저장됨으로써 제어 밸브(VC)의 조절에서 이용될 수 있다.
도 6 및 도 7 은 제 1 양변위 기계(10) 및 제 2 양변위 기계(20)를 가지고 감싸인 체적이 동시에 비워질 때 감싸인 체적(VE) 안의 펌프 용량의 전개를 개략적으로 도시하며, 대응하는 온도의 전개도 개략적으로 도시한다.
마지막으로, 도 8 은 본 발명의 제 2 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 1 에 도시된 제 1 실시예와 관련하여, 본 발명의 상기 제 2 실시예는 제 3 양변위 기계(30)를 포함하며, 이것은 제 1 양변위 기계(10)와 감싸인 체적(VE) 사이에 개재된다. 이러한 목적을 위하여, 도관(LP1)은 2 개의 부분들로 분할되는데, 즉, 도관(LP1') 및 도관(LP1")으로 분할된다. 물론, 상호 연결을 위한 다른 선택들도 절대적으로 생각될 수 있다.
이러한 제 3 양변위 기계(30)는 통상적으로 루트 펌프(Roots pump)일 수 있다. 그것의 작동은 현재까지 알려진 펌프 설비에서 통상적인 방법으로 이용되는 "부스터" 펌프의 작동에 대응한다. 물론 본 발명의 사상으로부터 이탈하지 않으면서 다른 유형의 양변위 기계들을 이용하거나 또는 그들을 더 추가할 수 있을 것이다.
도 9 및 도 10 은 각각 본 발명의 제 3 및 제 4 실시예를 도시한다. 본 발명의 상기 2 개 실시예는 이후에 더 상세하게 설명될 하나의 중요한 점에서 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예와 상이하다.
본 발명의 도 9 에 도시된 제 3 실시예에서, 펌프 설비(IP)는 제 1 양변위 기계(10) 및 제 2 양변위 기계(20)를 포함하며, 이들은 감싸인 체적(VE)(특히 클린 룸, 생산 엔크로져 또는 압력이 정확한 방식으로 제어되어야 하는 그 어떤 다른 체적)을 비우는데 이용된다. 본 발명의 (도 1 에 도시된) 제 1 실시예와 관련하여 이미 언급된 바와 같이, 제 1 양변위 기계(10)는 드라이 펌프(dry pump)일 수 있고, 예를 들어 스크류 펌프일 수 있지만, 또한 그 어떤 다른 적절한 양변위 기계일 수도 있다. 제 2 양변위 기계(20)와 관련하여, 이는 특히 베인 펌프(vane pump)일 수 있지만, 이것은 물론 다른 적절한 양변위 기계에 의해 제 2 양변위 기계(20)를 구현할 수도 있다.
도관 또는 압력 라인(LP1)은 예를 들어 통상적인 파이프로서, 상기 제 1 양변위 기계(10)를 감싸인 체적(VE)에 연결한다. 제 1 양변위 기계(10)의 유출부(이러한 경우에 보통 펌프의 배기 포트)는 그것의 측부에서 다른 도관(LP2)에 연결되는데, 이것은 마찬가지로 통상적인 파이프일 수 있지만, 다른 적절한 도관일 수도 있다. 상기 제 2 도관(LP2)은 기체를 양변위 기계(10)의 유출부로 가져가고 제어 밸브(VC)를 통하여 제 2 양변위 기계(20)를 향하여 기체를 이끈다. 이러한 목적을 위하여, 제 3 도관(LP3)도 제공되어 제어 밸브(VC)를 제 2 양변위 기계(20)에 연결한다.
본 발명의 제 1 실시예 또는 제 2 실시예에 따른 펌프 설비에서와 같이, 제 2 양변위 기계(20)의 유출부는 제 4 도관(LP4)에 연결되는데, 제 4 도관은 제 2 양변위 기계(20)에 의해 펌핑된 기체를 펌프 설비의 유출부로 비우는 역할을 한다. 다시 상기 도관(LP4)은 금속 또는 그 어떤 다른 적절한 재료의 통상적인 파이프에 대응할 수도 있다. 당연히 다른 유형의 도관이 마찬가지로 생각될 수 있으며, 도관(LP4)이 제공되지 않고 양변위 기계(20)로부터 배출되는 기체가 펌프 설비(IP)의 유출부를 향하여 직접적으로 지향되는 해법도 생각될 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 제어 밸브(VC)는 제 1 양변위 기계(10)와 제 2 양변위 기계(20) 사이에 연결된다. 또한 본 발명의 제 3 실시예에서, 상기 제어 밸브(VC)의 작동은 주로 기체의 유동을 제어하고 특히 펌핑된 기체가 "후방" 방향으로 유동하는 것을 방지하며, 즉, 양변위 기계(10)를 향하는 것을 방지한다. 이러한 제어 밸브(VC)를 제어하도록, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 펌프 설비(IP)는 마찬가지로 제어 모듈(MC)을 포함한다. 제어 밸브(VC)의 작동을 명령하는 것은 제어 모듈(MC)로서 따라서 도관(LP1)과 도관(LP2) 사이의 기체 유동을 조절할 수 있고, 그에 의하여 펌프 설비(IP)의 유출부와 감싸인 체적(VE) 사이의 기체 유동을 조절할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 펌프 설비(IP)의 유출부로 직접 이어지는 제 5 도관(LP5)도 제어 밸브(VC)의 유출부에 제공될 수 있다.
본 발명의 상기 제 3 실시예에 따른 펌프 설비(IP)가 그것의 구조에 있어서 도 1 에 도시된 본 발명의 제 1 실시예의 펌프 설비(IP)에 실질적으로 대응한다는 점은 명백하다. 그러나, 상기 제 3 실시예에 따른 펌프 설비(IP)의 작동은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 펌프 설비(IP)의 작동과 현저하게 상이하다.
사실상, 도 9 에 도시된 본 발명의 상기 제 3 실시예에 따른 펌프 설비(IP)의 시작 동안, 제어 밸브(VC)는 폐쇄되고, 즉, 제 1 양변위 기계(10)와 제 2 양변위 기계(20) 사이에서 도관(LP3)을 통하여 기체 유동을 허용하지 않도록 구성된다. 이 때, 양변위 기계(10)와 양변위 기계(20)는 공지된 과정을 따라서 시작될 수 있다. 결국, 양변위 기계(10)가 감싸인 체적(VE)에 직접적으로 연결된 사실 덕분에, 감싸인 체적(VE)내에 있는 기체는 양변위 기계(10)에 의해 비워질 수 있다. 이러한 시간 동안에, 펌핑된 모든 기체는 도관(LP5)에 의해 펌프 설비(IP)를 빠져나간다.
도 2 에 도시된 개략도는 제 1 양변위 기계(10)로만 비워지는 감싸인 체적(VE) 안의 펌프 용량(또는 펌프의 "펌핑 비율(pumping rate)")의 전개를 개시하고, 또한 도 3 에는 도 2 의 제 1 양변위 기계(10)의 펌프 용량에 대응하는 제 1 양변위 기계(10)의 온도 전개에 대한 개략적인 도면이 도시되어 있다. 이들 2 개의 개략도들은 본 발명의 제 1 실시예와 관련하여 설명되었던 경우에서 얻어졌던 데이터에 대응한다.
이들 2 개의 개략도들을 참조하면, 펌프 용량은 제 1 작동 범위에서 상승하고, 제 2 작동 범위에서 감소하며, 압력 한계를 달성한 이후에 일정하게 유지된다. 도 3 및 제 1 양변위 기계(10)의 온도 전개와 관련하여, 압력 한계와 함께 시작되는, 양변위 기계(10)의 온도에서의 명확한 증가가 주목된다. 도입부에서 이미 언급된 바와 같이, 온도의 높은 상승은 전체적으로 불리하다.
이러한 온도 문제를 극복하도록, 본 발명의 제 3 실시예는, 본 발명의 제 1 실시예에서와 같이, 제 1 과정과 제 2 과정 사이에서 기체 유동을 전환시키도록 제어 모듈(MC)에 의하여 제어 밸브(VC)를 제어할 것을 제안하며, 상기 제 1 과정에서 기체는 제 1 양변위 기계(10)에 의해서만 펌핑되고 상기 제 2 과정에서 기체는 제 1 양변위 기계와 제 2 양변위 기계(20)에 의해서 동시에 펌핑된다. 그럼에도 불구하고 본 발명의 제 3 실시예에 따른 펌프 설비(IP)에서 이러한 제어를 달성하는 방식은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 펌프 설비(IP)에서 이용되는 방식과 상이하다.
그러나, 압력 센서 대신에, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 펌프 설비(IP)는 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에 배치된 온도 센서(TP)를 이용한다. 이러한 온도 센서는 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서 기체의 온도를 측정하여 이러한 열적 데이터(thermal data)를 제어 모듈(MC)로 송신할 수 있어서 제어 밸브(VC)를 제어할 수 있다.
제어 밸브(VC)의 제어는 다음의 방식으로 기능한다: 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서 감지된 온도가 미리 결정된 값 미만에서 유지되는 동안, 제어 밸브(VC)는 초기 위치에 유지되며, 즉, 도관(LP3)이 폐쇄되고, 감싸인 체적(VE)으로부터 도관(LP5)을 통하여 펌핑된 기체의 방출이 이루어진다. 물론 온도 한계는 "다이나믹(dynamic)" 방식으로 선택될 수 있으며, 즉, 펌핑된 기체에 따라서 선택될 수 있어서 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서의 온도가 임계 값을 넘지 않도록 보장하는데, 임계 값은 펌핑된 기체의 화학적 및/또는 물리적 반응과 양변위 기계(10) 내부의 잔류물을 초래할 것이다. 이러한 온도 한계는 제어 밸브(VC)의 제어에서 이용될 수 있도록 하기 위하여 특히 각각의 구체적인 적용예에 대하여 실제적인 방법으로 결정되어 제어 모듈(MC) 안에 저장될 수 있다.
펌프 설비(IP) 작동의 제 1 단계 동안에, 제 2 양변위 기계(20)가 펌핑되어야 하는 기체를 포함하지 않은 도관(LP3)(왜냐하면 제어 밸브(VC)가 이 도관을 폐쇄시키기 때문에 그러하다)에 연결되어 있다 할지라도, 제 2 양변위 기계는 가동되기도 한다는 점이 주목되어야 한다. 결국, 제 2 양변위 기계(20)는 가열되는 경향이 있다.
미리 결정된 온도 한계를 초과하는 온도가 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서 온도 센서(TP)에 의해 검출될 때, 제어 모듈(MC)은 제어 밸브(VC)를 제어하여 제 1 양변위 기계(10)로부터 배출되고 도관(LP2)을 통과하는 기체의 통과를 위하여 도관(LP3)을 개방한다. 동시에, 도관(LP5)이 폐쇄된다. 이러한 순간으로부터 시작하여, 기체는 제 1 양변위 기계(10) 및 제 2 양변위 기계(20)에 의해 동시에 펌핑된다. 제 2 양변위 기계(20)는 비어 있는 도관(LP3)에서 밖으로의 펌핑을 정지하고 그것의 온도는 최적의 작동 온도를 달성하도록 내려가는 경향이 있다.
물론 그러한 구성의 제 2 양변위 기계(20)는 과열될 수 있는데, 따라서 최대한으로 감소된 치수를 가진 "소형" 기계를 이용하는 것이 더욱 더 소망스럽다. 이러한 문제점을 방지하도록 제 2 양변위 기계(20)는 다소 정교한 냉각 메카니즘을 포함할 수 있다. 이것은 특히 "통상적인" 공기 냉각 시스템, 물 냉각 시스템(또는 다른 적절한 액체), 또는 그 어떤 다른 공지의 시스템을 이용할 수 있다. 이러한 냉각 메카니즘은 다이나믹(dynamic)일 수도 있으며, 즉, 제 2 양변위 기계의 온도가 미리 결정된 값을 능가할 때만 냉각제가 배출되도록 온도 센서에 의해 (센서(TP)에 독립적으로) 제어될 수도 있다.
감싸인 체적(VE) 안의 펌프 용량의 전개에 대한 이러한 제어의 결과는 도 6 및 도 7 에서 알 수 있다 (이것은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 펌프 설비(IP)의 거동에 대응하기도 한다).
상세한 설명을 마치기 위해서, 본 발명의 제 4 실시예가 도 10 에 도시되어 있는 것이 언급되어야 한다. 본 발명의 제 3 실시예와 관련하여, 본 발명의 상기 제 4 실시예는 본 발명의 제 2 실시예와 같이(도 8 참조) 제 3 양변위 기계(30)(통상적으로 루트 펌프(Roots pump))를 포함하며, 이것은 감싸인 체적(VE)과 제 1 양변위 기계(10) 사이에 배치된다. 제 3 양변위 기계(30)의 작동은 "부스터" 펌프(booter pump)의 작동에 해당하며, 이것은 현재까지 알려진 펌프 설비에서 통상적인 방식으로 이용된다. 물론 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 다른 유형의 양변위 기계를 이용할 수 있거나 또는 그들중 더 많은 것을 추가할 수도 있을 것이다.
당연히, 본 발명은 구현될 때 다양한 변형들을 겪게 된다. 비록 몇가지 실시예들이 설명되었지만, 이것이 모든 가능한 실시예들을 남김없이 모두 개시하는 것으로 생각되어서는 아니된다는 점이 이해되어야 한다. 물론 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 개시된 수단이 등가의 수단을 교체하는 것을 생각할 수 있다. 마찬가지로, 특정의 실시예들과 관련하여 설명된 요소들을 조합하여 본 발명의 새로운 실시예들을 만들 수 있다. 또한 본 발명의 상이한 실시예들이 조합되어 다른 적절한 실시예들을 만들 수 있다. 특히, 본 발명의 제 3 및 제 4 실시예들에 의해서 제안된 바와 같은 온도 센서를 가진 2 개의 제 1 실시예들의 주요 특징(즉, 압력 센서)을 동시에 포함하는 새로운 펌프 설비를 구현하는 것도 용이하게 가능하다.
10. 제 1 양변위 기계 20. 제 2 양변위 기계
30. 제 3 양변위 기계 VE. 감싸인 체적

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 제 1 양변위 기계(positive displacement machine, 10) 및 하나의 제 2 양변위 기계(20)와 제어 모듈(MC)을 포함하는 펌프 설비(IP)로서, 상기 펌프 설비(IP)에서 기체는 감싸인 체적(VE)으로부터 제 1 양변위 기계(10) 및/또는 제 2 양변위 기계(20)에 의하여 비워지고,
    펌프 설비(IP)는, 펌프 설비(IP)의 유출부와 감싸인 체적(VE) 사이의 기체 유동을 제어하기 위하여, 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서의 온도 값을 감지하기 위한 온도 센서(TP) 및 제어 모듈(MC)에 의해 제어되는 적어도 하나의 제어 밸브(VC)를 더 포함하고,
    펌프 설비(IP)를 시동하는 동안, 온도 센서(TP)에 의하여 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서 감지된 온도가 미리 결정된 값에 미만인 한, 제어 밸브(VC)는 기체 유동을 감싸인 체적(VE)으로부터 펌프 설비(IP)의 출구로 2 개의 과정(courses)들중 제 1 과정을 통하여 지향시키되, 상기 제 1 과정에서 기체는 제 1 양변위 기계(10)에 의해서만 펌핑되고,
    상기 2 개의 과정들중 제 2 과정에서 기체는 제 1 양변위 기계(10) 및 제 2 양변위 기계(20)에 의해서 펌핑되는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서 온도 센서(TP)에 의하여 미리 결정된 온도보다 높은 온도가 검출될 때, 제어 밸브(VC)는 기체 유동을 제 2 과정(course)을 통해 지향시키는 방식으로 제어 모듈(MC)이 제어 밸브(VC)를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 1 양변위 기계(10)는 드라이 펌프(dry pump)인 것을 특징으로 하는, 펌프 설비.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 양변위 기계(10)는 스크류 펌프인 것을 특징으로 하는, 펌프 설비.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 2 양변위 기계(20)는 베인 펌프(vane pump)인 것을 특징으로 하는, 펌프 설비.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    펌프 설비는, 감싸인 체적(VE)과 제 1 양변위 기계(10) 사이에 직렬로 연결된, 제 3 양변위 기계(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 3 양변위 기계(30)는 루트 펌프(Roots pump)인 것을 특징으로 하는, 펌프 설비.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 2 양변위 기계(20)는 냉각 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비.
  9. 적어도 하나의 제 1 양변위 기계(10) 및 하나의 제 2 양변위 기계(20)와, 제어 모듈(MC)을 포함하는 펌프 설비(IP)의 제어 방법으로서, 펌프 설비(IP)에서 기체는 감싸인 체적(VE)으로부터 제 1 양변위 기계(10) 및/또는 제 2 양변위 기계(20)에 의하여 비워지고,
    적어도 하나의 제어 밸브(VC)는, 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서의 온도의 값을 감지하는 온도 센서(TP)로부터 수신된 데이터를 이용함으로써 제어 모듈(MC)에 의해 제어되고,
    펌프 설비(IP)를 시동하는 동안, 온도 센서(TP)에 의하여 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서 감지된 온도가 미리 결정된 값에 미만인 한, 제어 밸브(VC)는 기체 유동을 감싸인 체적(VE)으로부터 펌프 설비(IP)의 출구로 2 개의 과정(courses)들중 제 1 과정을 통하여 지향시키되, 상기 제 1 과정에서 기체는 제 1 양변위 기계(10)에 의해서만 펌핑되고,
    상기 2 개의 과정들중 제 2 과정에서 기체는 제 1 양변위 기계(10) 및 제 2 양변위 기계(20)에 의해서 펌핑되는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비의 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    감싸인 체적(VE)과 제 1 양변위 기계(10) 사이에 직렬로 연결된 제 3 양변위 기계(30)가 펌프 설비(IP)에 제공되는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비의 제어 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    미리 결정된 온도를 초과하는 온도가 제 1 양변위 기계(10)의 유출부에서 온도 센서(TP)에 의해 검출될 때, 제어 밸브(VC)는 기체의 유동을 제 2 과정을 통해 지향시키는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비의 제어 방법.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    미리 결정된 온도는 펌핑되는 기체의 따라서 선택되는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비의 제어 방법.
  13. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    미리 결정된 온도는, 제어 밸브(VC)의 제어에서 이용될 수 있도록 각각의 실재(實在)하는 적용예에 대하여 실제적(實際的)인 방식으로 결정되어 제어 모듈(MC) 안에 저장되는 것을 특징으로 하는, 펌프 설비의 제어 방법.
  14. 삭제
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