KR20180061742A

KR20180061742A - Cryogenic temperature control system for cryo pump

Info

Publication number: KR20180061742A
Application number: KR1020160161254A
Authority: KR
Inventors: 문재영; 오신규; 이재용; 이대희
Original assignee: 재단법인 한국섬유기계융합연구원; 오신규; 문재영
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-06-08

Abstract

The present invention relates to a temperature controlling system. More specifically, the present invention relates to an ultra-low temperature controlling system for a cryo pump, installing an ultra-low temperature sensor module for stably measuring the temperature of an ultra-low area to a cryo pump, wherein a vacuum heater module comprising a high-output vacuum AC pump is installed in a first-stage cooler and a second-stage cooler so as to enable temperature to be rapidly raised from the ultra-low temperature to a constant temperature. Therefore, the regeneration performance of a basic cryo pump can be increased to correspond to the performance of an automatically regenerated cryo pump, thereby contributing to productivity improvement.

Description

TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a cryogenic temperature control system for a cryo pump,

본 발명은 온도 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크라이오 펌프에 극저온 영역의 온도를 안정적으로 측정할 수 있는 극저온 온도센서 모듈을 설치하고, 크라이오 펌프의 1단 냉각부와 2단 냉각부 각각에 고출력의 진공용 AC 펌프로 이루어진 진공용 히터 모듈을 설치하여 극저온 상태에서 상온으로의 빠른 승온이 가능하게 함으로써, 저렴한 비용으로 기본형 크라이오 펌프의 재생성능을 자동재생형 크라이오 펌프의 성능에 준하는 수준으로 향상시켜 생산성 향상에 기여할 수 있게 한 크라이오 펌프용 극저온 온도 제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature control system, and more particularly, to a cryo pump provided with a cryogenic temperature sensor module capable of stably measuring a temperature in a cryogenic temperature range, By providing a vacuum heater module consisting of a high-power AC pump for each of them, it is possible to rapidly raise the temperature from a cryogenic temperature to a room temperature. Thus, the performance of the basic type cryo pump can be improved at a low cost by the performance of an automatic regenerative cryo pump And more particularly to a cryogenic temperature control system for a cryopump which can improve the productivity by improving the level of the cryopump.

최근 OLED 디스플레이, 반도체, IT기기 등 수요시장의 급격한 성장에 따라 제조를 위한 공정 중 필수적인 장비에 속하는 크라이오 펌프 시장도 연계하여 함께 성장하고 있다. 즉 OLED 유기물은 수분에 아주 취약하기 때문에 제조공정을 수행하는 진공장비에는 수분에 탁월한 배기성능을 가지는 고진공 극저온 펌프인 크라이오 펌프(Cryo Pump)가 필수적으로 요구된다.Recently, OLED display, semiconductors, and IT equipment have rapidly grown in the demand market, and the cryopump market, which is an essential equipment for manufacturing, is growing together. In other words, OLED organic materials are very vulnerable to moisture, so that vacuum equipment performing the manufacturing process is essentially required to have a cryo pump, which is a high-vacuum cryogenic pump having excellent exhaust performance for moisture.

이처럼 고진공 펌프에 대한 수요가 크게 증가하면서, 특히 구동부가 없으며 진공을 만드는데 있어 가장 부정적인 요소인 수분 배기에 탁월하고, 큰 배기속도와 배기용량, 그리고 대형 사이즈 제작에 적합한 크라이오 펌프의 수요는 OLED 디스플레이 산업의 발전과 맞물려 크게 증가하고 있다.The demand for high-vacuum pumps is so great that the demand for cryo pumps, which are excellent for moisture exhaustion, which is the most negative factor in creating a vacuum, and which is suitable for large exhaust speed, exhaust capacity and large- It is increasing with the development of industry.

이러한 크라이오 펌프는 흡착 펌프로서, 펌프 내부에 극저온 영역을 만들고, 그 곳에 기체를 응축시켜 제거하는 방법으로 진공을 만들게 된다. 이를 위하여 크라이오 펌프는, 펌프 중심에 고압의 헬륨가스를 팽창시키는 방법으로 냉각 상태를 만드는 냉각단(cold header 또는 cryocooler)이 1단과 2단으로 상하 두 개 달려있어 단계적으로 온도를 떨어뜨리며 냉각이 가능하게 된다. 그리고, 이러한 냉각단 위쪽에는 활성탄(charcoal)이 부착되는 면이 있어 여러 기체들의 흡착이 가능하게 하고, 펌프에서 외부와 연결되는 위쪽에는 배플(baffle)을 설치하여 냉기가 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있게 구성됨이 일반적이다. 이 경우 기체가 흡착되는 부분에 활성탄 같은 다공성 재료를 사용할 경우 넓은 표면적으로 인해 매우 효과적인 흡착이 이루어질 수 있게 된다.Such a cryo pump is an adsorption pump, which creates a cryogenic region inside the pump, where the gas is condensed and removed to create a vacuum. To this end, the cryo pump is a method of expanding the high pressure helium gas to the center of the pump. The cooling head or the cryocooler that makes the cooling state is in the first and second stages, . There is a charcoal on the upper side of the cooling unit to allow adsorption of various gases and a baffle on the upper part connected to the outside of the pump to prevent cold air from escaping to the outside It is common to be configured to. In this case, when a porous material such as activated carbon is used in a portion where gas is adsorbed, a very effective adsorption can be achieved due to a large surface area.

이와 같은 구조로 이루어지는 크라이오 펌프에서는, 1단 냉각단에 의해 약 80K로 유지되는 냉각판에서 먼저 수분 등이 흡착되고, 그 다음에 2단 냉각단에 의해 그 보다 낮은 온도로 유지되는 냉각판에서 아르곤, 질소, 산소 등이 흡착되면서, 수분부터 시작하여 헬륨에 이르기까지 증기압이 낮은 순서대로 기체분자들이 응축되면서 기체수를 감소시키게 되어 진공상태를 만들게 된다.In the cryo pump having such a structure, in the cooling plate maintained at a lower temperature by the second stage cooling step, moisture and the like are first adsorbed in the cooling plate maintained at about 80K by the first stage cooling step As gases such as argon, nitrogen, and oxygen are adsorbed, the vapor molecules condense in order of decreasing vapor pressure, starting from moisture to helium, reducing the number of gases and creating a vacuum.

이러한 크라이오 펌프는, 사용하는 용도에 따라 크게 반도체용과 비반도체용으로 구분할 수 있는데, 반도체용 크라이오 펌프로는 고가의 자동재생형 크라이오 펌프가 주로 사용되고, 비반도체용(일반산업용) 크라이오 펌프로는 그보다 저렴한 기본형(스탠다드형) 크라이오 펌프가 주로 사용되고 있다.Such a cryo pump can be broadly classified into a semiconductor and a non-semiconductor depending on the use of the pump. The cryo pump for semiconductor is mainly used an expensive automatic regenerative cryo pump, and the non-semiconductor (general industrial) The basic type (standard type) cryo pump which is less expensive than the pump is mainly used.

일반적으로 크라이오 펌프는 주기적으로 재생(Regeneration)을 해 주어야 하는데, 이는 크라이오 펌프가 흡입(배기/펌핑)과 배출을 연속으로 하는 기계식 펌프와는 달리, 흡착(포집) 펌프이므로 펌프가 가스를 일정량 포집하면 포화상태가 되어 더 이상 가스를 배기(펌핑)하지 못하기 때문이다. 따라서 일정량의 가스가 포집된 후에는 펌프 내부의 온도를 상온 이상으로 올려 펌프의 상태를 배기 전 초기 상태로 만들어 주는 재생과정을 필요로 하게 된다.In general, the cryo pump must regenerate periodically, which is different from a mechanical pump in which the cryo pump is sucked (exhausted / pumped) and discharged continuously, It is saturated because it can not exhaust (pumped) gas any more. Therefore, after a certain amount of gas is collected, it is necessary to raise the temperature of the inside of the pump to the room temperature or above to regenerate the pump to the initial state before the discharge.

이러한 재생과정을 수행하기 위하여, 자동재생형 크라이오 펌프의 경우에는 크라이오 펌프 내부의 냉동기 단에 진공용 히터가 장착되어 있어 극저온에서 상온까지 승온하는데 약 20 ~ 30분이면 충분하지만, 기본형 크라이오 펌프의 경우에는 질소(N₂)가스와 가스히터를 이용한 퍼지를 하더라도 상온까지 충분히 온도를 올리는데 약 3시간 이상이 필요하게 된다.In order to perform this regeneration process, in the case of the automatic regenerative type cryo pump, the vacuum heater is installed in the freezer end of the cryo pump. It takes about 20 to 30 minutes to raise the temperature from the cryogenic temperature to the normal temperature. However, In the case of the pump, it takes about 3 hours or more to raise the temperature sufficiently to room temperature even if purge using nitrogen (N ₂ ) gas and gas heater is performed.

또한, 자동재생형 크라이오 펌프의 경우에는 펌프 내부에 히터가 내장되어 있어 상황에 따라 온도설정이 빠르고 자유롭게 이루어질 수 있음은 물론, 재생시 최대 330K ~ 350K(약 57 ~ 77℃)까지 재생온도를 높이면서 재생을 진행하기 때문에, 재생 후에는 보다 청정한 환경을 만들 수 있게 된다. 그러나, 자동재생형 크라이오 펌프의 경우 크라이오 펌프 유닛과 헬륨 압축기의 정밀 제어 시스템에 의해 일체형으로 제조되어 고가로 판매되고 있는바, 주로 고기능의 사양을 필요로 하는 반도체 제조용으로 특화되어 있다고 할 수 있다.In the case of the automatic regenerative cryo pump, since the heater is built in the pump, the temperature can be set quickly and freely according to the situation, and the regeneration temperature can be up to 330K ~ 350K (about 57 ~ 77 ℃) It is possible to create a cleaner environment after the reproduction. However, in the case of the automatic regenerative type cryo pump, the cryo pump unit and the helium compressor are integrally manufactured by the precise control system and are sold at a high price, so that they can be said to be specialized mainly for semiconductor manufacturing requiring high performance specifications have.

이처럼 자동재생형 크라이오 펌프의 경우 기본형 크라이오 펌프보다 우수한 재생효과를 구현할 수 있는 장점은 있으나, 가격이 1.5 ~ 2배에 이르는 고가인바, 고가의 장비를 구매하기 어려운 중소기업, 대학, 연구소 등의 경우 아직도 기본형 크라이오 펌프에 의존하는 경우가 많을 수 밖에 없게 된다. 하지만, 모든 산업분야에서 수율과 공정간 택트타임(tact time)을 줄여 생산성을 높이기 위한 노력으로 인해 크라이오 펌프의 재생시간 단축에 대한 요구는 기본형 크라이오 펌프의 경우에도 절실하다 할 것이다.In the case of an automatic regenerative cryo pump, it is advantageous to realize a regenerative effect superior to that of a basic type cryo pump. However, since the price is 1.5 to 2 times higher than that of a basic type cryo pump, In many cases, it depends on the basic type cryo pump. However, due to the efforts to increase productivity by reducing the tact time between yield and process in all industries, the demand for shortening the regeneration time of the cryo pump will be a necessity for the basic type cryo pump.

그에 따라, 상대적으로 저렴한 기본형 크라이오 펌프를 이용하면서도 고가의 자동재생형 크라이오 펌프에 준하는 재생성능을 구현할 수 있게 한 새로운 시스템에 대한 필요성은 크라이오 펌프에 대한 수요가 증가함에 따라 더욱 높아지고 있다.As such, the need for a new system that allows for a relatively inexpensive basic cryopump to be used while still providing a regenerative performance comparable to an expensive, self-regenerating cryopump, is increasing as the demand for cryopumps increases.

대한민국 등록특허 제10-1428315호Korean Patent No. 10-1428315

본 발명은 크라이오 펌프에 극저온 영역의 온도를 안정적으로 측정할 수 있는 극저온 온도센서 모듈을 설치하고, 크라이오 펌프의 1단 냉각부와 2단 냉각부 각각에 고출력의 진공용 AC 펌프로 이루어진 진공용 히터 모듈을 설치하여 극저온 상태에서 상온으로의 빠른 승온이 가능하게 함으로써, 저렴한 비용으로 기본형 크라이오 펌프의 재생성능을 자동재생형 크라이오 펌프의 성능에 준하는 수준으로 향상시켜 생산성 향상에 기여할 수 있게 한 크라이오 펌프용 극저온 온도 제어 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.The present invention provides a cryo pump which is provided with a cryogenic temperature sensor module capable of stably measuring the temperature in the cryogenic temperature range and is provided with a vacuum pump By installing the heater module for the cryo pump, it is possible to raise the temperature from the cryogenic temperature to the room temperature quickly, thereby improving the reproduction performance of the basic type cryo pump to a level comparable to the performance of the automatic regenerative cryo pump at a low cost, A cryogenic temperature control system for a cryopump is provided.

상기 과제를 해결하기 위한 크라이오 펌프용 극저온 온도 제어 시스템은, In order to solve the above problems, a cryogenic temperature control system for a cryopump,

실리콘 다이오드 타입으로 이루어져 크라이오 펌프 내부에 설치되어 극저온 영역의 온도변화를 측정하는 극저온 온도센서 모듈; 재생과정을 수행하기 위해 극저온 영역의 온도를 높이는 열을 공급할 수 있도록, 상기 크라이오 펌프 내부에 설치되는 진공용 AC히터로 이루어지는 진공용 히터 모듈; 및 상기 극저온 온도센서 모듈에서 측정되는 극저온 영역의 온도가 설정된 값에 도달할 수 있도록, 상기 크라이오 펌프의 냉각단과 진공용 히터 모듈의 구동 여부를 제어하는 극저온 온도 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A cryogenic temperature sensor module which is made of a silicon diode type and installed inside the cryo pump to measure the temperature change in the cryogenic temperature range; A vacuum heater module comprising a vacuum AC heater provided inside the cryo pump so as to supply heat for raising the temperature of the cryogenic temperature region to perform a regeneration process; And a cryogenic temperature controller for controlling whether the cooling stage of the cryopump and the vacuum heater module are driven so that the temperature of the cryogenic temperature region measured by the cryogenic temperature sensor module can reach a set value .

이때, 상기 극저온 온도센서 모듈은, 측정하고자 하는 위치의 온도와 실리콘 다이오드 칩 자체의 온도가 평형상태를 유지할 수 있도록, 열저항을 최소화하여 패키지를 형성하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the cryogenic temperature sensor module forms a package by minimizing thermal resistance so that the temperature of the position to be measured and the temperature of the silicon diode chip itself can be maintained in an equilibrium state.

또한, 상기 진공용 히터 모듈은, 크라이오 펌프의 1단 냉각부와 2단 냉각부에 각각 설치된 진공용 AC 히터로 구성되는 것을 특징으로 한다.The vacuum heater module is characterized in that it is constituted by a one-stage cooling unit of the cryo pump and a vacuum AC heater provided in the two-stage cooling unit.

이때, 상기 진공용 AC 히터는 150W급의 고출력 AC 히터로 구성되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the vacuum AC heater is composed of a high output AC heater of 150W class.

또한, 상기 극저온 온도 컨트롤러는, 상기 진공용 히터 모듈로 공급되는 전원을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 및 PID(Proportional Integral Derivative) 제어하도록 프로그래밍된 온도 제어용 소프트웨어가 탑재되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the cryogenic temperature controller is equipped with temperature control software programmed to perform PWM (Pulse Width Modulation) control and PID (Proportional Integral Derivative) control of power supplied to the vacuum heater module.

본 발명은 크라이오 펌프의 1단 냉각부와 2단 냉각부 각각에 고출력의 진공용 AC 펌프로 이루어진 진공용 히터 모듈을 설치하여 상온으로의 빠른 승온이 가능하게 함으로써, 기본형 크라이오 펌프의 재생시간을 종래의 2 ~ 3시간에서 90분 이하로 감소시킬 수 있게 하여 생산성 향상에 크게 기여 할 수 있는 효과가 있다.The present invention provides a vacuum heater module including a high-output AC pump for high-speed power supply in each of a first-stage cooling section and a second-stage cooling section of a cryo pump, Can be reduced to 90 minutes or less from the conventional 2 to 3 hours, thereby contributing to an improvement in productivity.

또한, 본 발명은 극저온 영역의 온도를 안정적으로 측정할 수 있는 극저온 온도센서 모듈을 설치하고, 극저온 영역의 온도나 재생온도 등을 사용자의 설정값에 이르도록 극저온 온도 컨트롤러에서 PWM 제어 및 PID 제어하면서 빠르고 정밀하게 도달 할 수 있게 함으로써, 보다 정밀한 극저온 환경과 재생환경을 구현하여 양질의 재생효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention provides a cryogenic temperature sensor module capable of stably measuring the temperature in a cryogenic temperature region, performs PWM control and PID control in a cryogenic temperature controller so that the temperature and regeneration temperature of the cryogenic temperature region reach the set value of the user It is possible to achieve a precise cryogenic environment and a regeneration environment, thereby obtaining a high-quality regenerating effect.

도 1은 본 발명에 따른 크라이오 펌프용 극저온 온도 제어 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 극저온 온도센서 모듈의 패키지 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 진공용 히터 모듈의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 극저온 온도 제어 및 재생 흐름을 나타내는 흐름도.1 is a configuration diagram of a cryogenic temperature control system for a cryo pump according to the present invention.
2 is a package configuration diagram of a cryogenic temperature sensor module according to the present invention;
3 is a configuration diagram of a heater module for vacuum according to the present invention.
4 is a flow chart illustrating a cryogenic temperature control and regeneration flow in accordance with the present invention.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 크라이오 펌프용 극저온 온도 제어 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 극저온 온도센서 모듈의 패키지 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 진공용 히터 모듈의 구성도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a cryogenic temperature control system for a cryo pump according to the present invention, FIG. 2 is a package configuration diagram of a cryogenic temperature sensor module according to the present invention, FIG. .

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 크라이오 펌프용 극저온 온도 제어 시스템은, 실리콘 다이오드 타입으로 이루어져 크라이오 펌프 내부에 설치되어 극저온 영역의 온도변화를 측정하는 극저온 온도센서 모듈(100)과, 재생과정을 수행하기 위해 극저온 영역의 온도를 높이는 열을 공급할 수 있도록 상기 크라이오 펌프 내부에 설치되는 진공용 AC히터로 이루어지는 진공용 히터 모듈(200)과, 상기 극저온 온도센서 모듈에서 측정되는 극저온 영역의 온도가 설정된 값에 도달할 수 있도록 상기 크라이오 펌프의 냉각단과 진공용 히터 모듈의 구동 여부를 제어하는 극저온 온도 컨트롤러(300)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the cryogenic temperature control system for a cryo pump according to the present invention includes a cryogenic temperature sensor module 100, which is formed of a silicon diode type and installed inside a cryo pump, for measuring a temperature change in a cryogenic temperature region, A vacuum heater module 200 including a vacuum AC heater installed in the cryo pump so as to supply heat for raising the temperature of the cryogenic temperature region in order to perform the process; And a cryogenic temperature controller 300 for controlling the cooling stage of the cryopump and the operation of the heater module for vacuum so that the temperature can reach the set value.

상기 극저온 온도센서 모듈(1^st STG Temp. Sensor, 2^nd STG Temp. Sensor)(100)은, 실리콘 다이오드(silicon diode) 타입의 온도센서를 패키징하여 크라이오 펌프 내부에 설치함으로써, 극저온 영역의 온도를 측정할 수 있도록 구성된다. 이때, 상기 극저온 온도센서 모듈(100)은 온도센서를 외부환경으로부터 보호하면서, 성능을 안정적으로 구현할 수 있도록 패키징하여 구성되는 것이 바람직하다.The cryogenic temperature sensor module (1 ^st STG Temp. Sensor, 2 ^nd STG Temp. Sensor) 100 is provided inside a cryo pump by packaging a silicon diode type temperature sensor, To be measured. At this time, the cryogenic temperature sensor module 100 is preferably packaged to protect the temperature sensor from the external environment while stably implementing the performance.

실리콘 다이오드는 높은 온도에서 사용이 가능하며, 고역내압인 것을 얻기 쉬우므로 극저온의 측정뿐만 아니라, 재생 중 고온의 측정도 필요한 크라이오 펌프용 센서 모듈의 활용에 적합하다고 할 수 있다.Silicon diodes can be used at high temperatures and it is easy to obtain high-breakdown voltage. Therefore, they are suitable for the use of sensor modules for cryo pumps that require high temperature measurement during regeneration as well as cryogenic temperature measurement.

이러한 상기 극저온 온도센서 모듈(100)은 2K ~ 500K(-271℃ ~ 227℃) 범위의 온도를 측정할 수 있도록 구성되고, 극저온 영역에서의 정확한 온도측정을 위하여 약 2K ~ 100K 영역에서는 약 ±0.25K의 허용오차를 갖고 측정하고, 약 100K ~ 500K 영역에서는 약 ±0.5K의 허용오차를 갖고 측정할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.The cryogenic temperature sensor module 100 is configured to measure a temperature in a range of 2K to 500K (-271 ° C to 227 ° C), and for accurate temperature measurement in a cryogenic temperature range, K with a tolerance of about 0.5 K, and in a range of about 100 K to 500 K with a tolerance of about +/- 0.5 K.

이처럼 실리콘 다이오드 타입으로 이루어진 극저온 온도센서 모듈(100)은, 극저온 상황과 고온 상황에서 모두 정확한 온도 측정이 안정적으로 이루어질 수 있도록, 펌프 내부에 있는 여러 이물질의 유입을 차단하고 보호하기 위한 실리콘 다이오드 패키지를 도 2에 도시된 바와 같이 형성하는 것이 바람직하다. 이처럼 실리콘 다이오드 칩(110)을 패키지(120) 내부에 위치시키되, 실리콘 다이오드 칩(110)의 양 단자를 외부로 연결하기 용이하게 패키지(120) 외부로 연장시켜 노출함으로써 펌프 내에서의 설치 편의를 향상시킬 수 있게 한다.The cryogenic temperature sensor module 100 made of a silicon diode type is provided with a silicon diode package for blocking and protecting the foreign substances in the pump so that accurate temperature measurement can be stably performed in both cryogenic and high temperature conditions It is preferable to form it as shown in Fig. The silicon diode chip 110 is positioned inside the package 120 and both terminals of the silicon diode chip 110 are extended to the outside of the package 120 so as to be easily connected to the outside, .

또한, 온도센서의 경우 온도를 측정하고자 하는 위치와 실리콘 다이오드 칩(110) 사이의 열저항을 최소화시켜야 정확한 온도측정이 가능하게 되는바, 상기 극저온 온도센서 모듈(100)은 측정하고자 하는 위치의 온도와 실리콘 다이오드 칩 자체의 온도가 평형상태를 유지할 수 있도록 열저항을 최소화하도록 열설계하여 패키지를 형성하도록 구성된다. In the case of a temperature sensor, accurate temperature measurement can be performed by minimizing the thermal resistance between the position where the temperature is to be measured and the silicon diode chip 110. The cryogenic temperature sensor module 100 measures the temperature And the silicon diode chip itself are thermally designed so as to minimize the thermal resistance so that the temperature of the silicon diode chip itself can maintain an equilibrium state.

상기 진공용 히터 모듈(1^st STG Heater, 2^nd STG Heater)(200)은, 크라이오 펌프를 재생시키기 위해 극저온 상태에 있던 크라이오 펌프의 1단 냉각부(1st STG of cryocooler)와 2단 냉각부(2^nd STG of cryocooler)의 온도를 약 330K(57℃) 정도까지 빠르게 승온시킬 수 있도록, 크라이오 펌프의 1단 냉각부와 2단 냉각부에 각각 설치된 진공용 AC 히터로 구성된다.The 1 ^st STG heater and the 2 ^nd STG heater 200 of the vacuum heater are provided with a first STG of a cryocooler of a cryo pump at a cryogenic temperature for regenerating the cryo pump, (2 ^nd STG of cryocooler) to a temperature of about 330K (57 ℃). It is composed of the AC heater for vacuum installed in the 1st stage cooling part of the cryo pump and the second stage cooling part respectively.

크라이오 펌프에서 재생시간이 길어지면 그 시간 동안 공정을 진행할 수 없기 때문에, 재생시간이 길어지는 만큼 손실이 발생하게 된다. 이때 재생시간이란 크라이오 펌프의 동작을 중지하고, 재생을 완료한 후 다시 펌핑을 위한 극저온상태까지 온도를 내리는데 소요되는 시간을 말한다.If the regeneration time of the cryopump is prolonged, the process can not be carried out during that time, so that a loss occurs as the regeneration time becomes long. Here, the playback time refers to the time required to stop the operation of the cryopump and to reduce the temperature to the cryogenic temperature for pumping after completion of the regeneration.

지금까지의 통상적인 기본형 크라이오 펌프의 재생에서는 상온이나 고온으로 가열한 질소가스를 사용하고 있는데, 이 경우 극저온상태에서 330K(57℃) 정도까지 승온시키는데는 대략 2 ~ 3시간 정도가 소요되므로, 극저온에서 상온까지 승온하는데 20 ~ 30분 정도의 시간밖에 소요되지 않는 자동재생형 크라이오 펌프에 비해 재생시간이 상당히 많이 소요될 수 밖에 없었다.In the conventional regeneration of the basic type cryo pump, nitrogen gas heated to room temperature or high temperature is used. In this case, it takes about 2 to 3 hours to raise the temperature to about 330K (57 ° C) in a cryogenic condition. The regeneration time was considerably longer than that of the automatic regenerative cryo pump, which requires only about 20 to 30 minutes to raise the temperature from the cryogenic temperature to the normal temperature.

그에 따라, 상기 진공용 히터 모듈(200)은 가열된 질소가스를 사용하던 종래의 기본형 크라이오 펌프와 달리, 도 3에 도시된 바와 같이, 마치 자동재생형 크라이오 펌프처럼 냉각판에 연결되어 열을 가함으로써, 극저온 상태에 있는 냉각판의 온도를 빠르게 승온시킬 수 있게 된다.Accordingly, unlike the conventional basic type cryo pump using the heated nitrogen gas, the heater module for vacuum 200 is connected to the cooling plate as if it is an automatic regenerative cryo pump, The temperature of the cooling plate in a cryogenic temperature state can be rapidly raised.

극저온 상태에서는 1단 냉각부는 대략 40 ~ 50K, 2단 냉각부는 대략 20K 에 있게 되는데, 상기 진공용 히터 모듈(200)에서 공급되는 열에 의해 이러한 1단 냉각부와 2단 냉각부의 온도를 330K(57℃) 정도까지 빠르게 승온시키게 된다. 이처럼 크라이오 펌프의 온도를 상승시키게 되면, 극저온 상태에서 흡착되어 있던 가스들이 크라이오 펌프 어레이에서 떨어져 나오게 되며, 떨어져 나온 가스들을 질소 가스를 이용하여 펌프 외부로 배출함으로써 배기가 이루어질 수 있게 된다.In the cryogenic temperature state, the temperature of the first stage cooling section is approximately 40 to 50 K and the temperature of the second stage cooling section is approximately 20 K. By the heat supplied from the vacuum heater module 200, Deg.] C. When the temperature of the cryo pump is raised, the gases adsorbed in the cryo-temperature state are separated from the cryo pump array, and exhausted gases can be exhausted by discharging nitrogen gas to the outside of the pump.

이처럼 크라이오 펌프의 1단 냉각부와 2단 냉각부의 온도를 빠르게 고온으로 상승시키기 위하여, 상기 진공용 히터 모듈(200)은 1단 냉각부와 2단 냉각부에 각각 연결되도록 설치되며, 크라이오 펌프의 크기에 따라 1단 냉각부와 2단 냉각부에 연결 설치되는 진공용 AC 히터의 출력이 달라질 수 있음은 물론이다. 즉, 크라이오 펌프의 크기가 클 경우에는 빠른 승온을 위해 진공용 AC 히터의 출력을 증가시키고, 크라이오 펌프의 크기가 작을 경우에는 진공용 AC 히터의 출력을 낮게하여도 빠른 승온이 가능하게 된다.In order to rapidly raise the temperature of the first stage cooling section and the second stage cooling section of the cryo pump to the high temperature, the vacuum heater module 200 is installed to be connected to the first stage cooling section and the second stage cooling section, It is needless to say that the output of the AC heater for vacuum installation connected to the first stage cooling section and the second stage cooling section may vary depending on the size of the pump. That is, when the size of the cryo pump is large, the output of the AC heater for the vacuum is increased for rapid heating, and when the size of the cryo pump is small, rapid heating is possible even if the output of the AC heater for vacuum is decreased .

최근 크라이오 펌프가 대형화되어 가고 있는 추세는 지속될 것으로 예상되는바, 상기 진공용 AC 히터는 150W급의 고출력 AC 히터로 구성되어야 극저온 상태에서 목적하는 온도인 330K 정도까지 약 20분 내외의 시간안에 승온이 가능하게 될 것이다. 그리고 이러한 진공용 AC 히터의 출력은 크라이오 펌프의 크기 증가와 함께 꾸준히 증가시키는 것이 바람직하다 할 것이다.In recent years, the cryo pump is expected to become larger in size. The AC heater for vacuum should be composed of a high-output AC heater of 150W in order to reach a desired temperature of 330K at a cryogenic temperature within about 20 minutes, Will be possible. The output of such a vacuum AC heater is preferably increased steadily as the size of the cryo pump increases.

또한, 상기 진공용 히터 모듈(200)의 경우에도 진공용 AC 히터에서 발생된 열이 손실을 최소화하면서 1단 냉각부와 2단 냉각부로 이루어진 크라이오 펌프 어레이에 충분히 전달될 수 있도록, 상기 진공용 AC 히터와 크라이오 펌프 어레이 사이의 열저항을 최소화하도록 구성되는 것이 바람직하다. 열저항이 크게 되면 진공용 AC 히터가 과열되어 손상될 수 있으며, 재생을 위한 승온에도 그 만큼 많은 시간이 소요될 수 있는바 열저항을 최소화하는 것이 바람직하다.In addition, even in the case of the vacuum heater module 200, in order to sufficiently transfer the heat generated from the AC heater for vacuum to the cryo pump array composed of the first stage cooling section and the second stage cooling section while minimizing the loss, And is preferably configured to minimize thermal resistance between the AC heater and the cryopump array. If the thermal resistance is increased, the AC heater for vacuum may be overheated and damaged, and it may take much time to raise the temperature for regeneration, so that the thermal resistance is preferably minimized.

또한, 상기 진공용 히터 모듈(200)은 크라이오 펌프 내부로 들어오는 오염물질에 의한 히터의 손상을 방지할 수 있도록, 내부식성이 우수한 소재로 제작하는 것이 바람직하다.Further, it is preferable that the vacuum heater module 200 is made of a material having excellent corrosion resistance so as to prevent the heater from being damaged by contaminants entering into the cryo pump.

상기 극저온 온도 컨트롤러(300)는, 극저온 영역의 온도를 모니터링할 뿐만 아니라, 크라이오 펌프 어레이의 온도를 원하는 온도에 신속하고 정확히 이르도록 1단 냉각부와 2단 냉각부의 구동을 제어하거나 진공용 히터 모듈의 구동을 제어하는 소프트웨어가 탑재되어 있는 마이크로프로세서로 구성된다.The cryogenic temperature controller 300 not only monitors the temperature in the cryogenic temperature range but also controls the driving of the first stage cooling section and the second stage cooling section so that the temperature of the cryo pump array quickly and accurately reaches a desired temperature, And a microprocessor equipped with software for controlling the driving of the module.

이때, 상기 극저온 온도 컨트롤러(300)는, 상기 극저온 온도센서 모듈(100)에서 측정된 온도 데이터를 바탕으로 상기 크라이오 펌프의 온도를 사용자가 요구하는 온도에 정확(약 ±1K의 정확도)하고 빠르게 도달할 수 있게 하기 위해, 상기 진공용 히터 모듈(200)로 공급되는 전원을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 및 PID(Proportional Integral Derivative) 제어할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.At this time, based on the temperature data measured by the cryogenic temperature sensor module 100, the cryogenic temperature controller 300 corrects the temperature of the cryopump accurately (about ± 1K accuracy) (PWM) and PID (Proportional Integral Derivative) control of the power supplied to the heater module 200 for the vacuum.

또한, 상기 극저온 온도 컨트롤러(300)는, PWM 제어 및 PID 제어를 위한 고속연산이 가능하도록 32Bit ARM CPU로 이루어질 수 있으며, 컬러 LCD 패널 및 터치 패널을 적용한 디스플레이 수단과 사용자 인터페이스를 구비하도록 구성됨으로써, 사용자의 조작 편의와 극저온 영역의 온도 상태에 대한 직관적인 모니터링이 가능할 수 있게 하는 것이 바람직하다.The cryogenic temperature controller 300 may include a 32-bit ARM CPU for high-speed operation for PWM control and PID control, and includes a display unit using a color LCD panel and a touch panel, and a user interface, It is desirable to enable the user's operation convenience and intuitive monitoring of the temperature state of the cryogenic region.

또한, 상기 극저온 온도 컨트롤러(300)는, 상기 극저온 온도센서 모듈에서 고속으로 측정되는 온도 데이터를 획득하고, 분석 저장하도록 프로그래밍되고, 온도 데이터를 획득한 후 이를 전송할 수 있는 통신 프로그램이 탑재되어 있으며, 상기 극저온 온도센서 모듈에서 측정된 온도에서 사용자에 의해 설정된 온도까지 승온할 수 있도록 히터의 구동을 자동으로 제어할 수 있도록 프로그래밍 되어 있는 극저온 온도 제어용 소프트웨어가 탑재되어 있는 것이 바람직하다.In addition, the cryogenic temperature controller 300 is equipped with a communication program that is programmed to acquire, analyze and store temperature data measured at a high speed in the cryogenic temperature sensor module, acquire temperature data, and then transmit the temperature data, It is preferable that the cryogenic temperature control software programmed so as to automatically control driving of the heater so as to raise the temperature measured by the cryogenic temperature sensor module to a temperature set by the user is mounted.

이와 같이 극저온 온도 제어용 소프트웨어가 탑재됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 재생의 시작이나 특정한 설정 온도로의 변화를 요청하는 데이터를 획득(Data Acquisition)한 후, 노이즈를 제거하는 등의 데이터 처리과정(Data Processing)을 거쳐 디스플레이 패널 등을 통해 표시되는 데이터를 갱신하면서 진공용 히터 모듈(200)을 PID, PWM 제어(Heater Control)함으로써, 극저온 영역의 온도 변화를 제어할 수 있게 된다. 또한, 터치패널 등을 통해 사용자가 설정하는 입력(Input process)을 새로운 데이터로 획득하여 원하는 온도로의 빠르고 정확한 제어가 이루어지면서 크라이오 펌프의 재생을 비롯한 온도 제어를 수행할 수 있게 된다.By incorporating the cryogenic temperature control software as described above, data acquisition processing such as start of reproduction or data acquisition requesting a change to a specific set temperature (Data Acquisition) as shown in FIG. 4, and data processing such as removal of noise Data Processing), the temperature of the cryogenic temperature region can be controlled by PID and PWM control (heater control) of the vacuum heater module 200 while updating the data displayed on the display panel or the like. In addition, the input process set by the user through the touch panel or the like is acquired as new data, and the temperature control including the regeneration of the cryo pump can be performed with quick and accurate control to the desired temperature.

이러한 상기 극저온 온도센서 모듈(100)과, 진공용 히터 모듈(200) 및 극저온 온도 컨트롤러(300)를 포함하는 본 발명에 따른 크라이오 펌프용 극저온 온도 제어 시스템은, 기본형 크라이오 펌프의 제작시에 해당 영역에 각각 설치됨으로써 재생시간을 단축시키도록 구성될 수 있음은 물론, 크라이오 펌프의 성능 유지를 위해 정기적으로 이루어지는 오버홀(overhaul) 동안 상기 극저온 온도센서 모듈과, 진공용 히터 모듈 및 극저온 온도 컨트롤러를 기본형 크라이오 펌프에 설치하여 업그레이드함으로써 재생시간을 단축시킬 수 있게 하여 종래 사용 중이던 기본형 크라이오 펌프의 성능을 향상시킬 수 있게 된다. The cryogenic temperature control system for a cryo pump according to the present invention, including the cryogenic temperature sensor module 100, the vacuum heater module 200 and the cryogenic temperature controller 300, The cryo-temperature sensor module, the cryo-temperature controller for the vacuum, and the cryogenic temperature controller (not shown) may be configured during the overhaul periodically to maintain the performance of the cryo pump, Can be installed and upgraded in the basic type cryo pump to shorten the regeneration time, thereby improving the performance of the basic type cryo pump that is being used in the past.

이와 같이 크라이오 펌프의 1단 냉각부와 2단 냉각부 각각에 고출력의 진공용 AC 펌프로 이루어진 진공용 히터 모듈을 설치하여 상온으로의 빠른 승온이 가능하게 함으로써, 기본형 크라이오 펌프의 재생시간을 종래의 2 ~ 3시간에서 90분 이하로 감소시킬 수 있게 하여 생산성 향상에 크게 기여 할 수 있게 된다.In this way, by installing a vacuum heater module composed of a high-power AC pump in each of the first stage cooling section and the second stage cooling section of the cryo pump, it is possible to rapidly raise the temperature to room temperature, It is possible to reduce the time from the conventional 2 to 3 hours to 90 minutes or less, thereby contributing greatly to the improvement of the productivity.

또한, 극저온 영역의 온도를 안정적으로 측정할 수 있는 극저온 온도센서 모듈을 설치하고, 극저온 영역의 온도나 재생온도 등을 사용자의 설정값에 이르도록 극저온 온도 컨트롤러에서 PWM 제어 및 PID 제어하면서 빠르고 정밀하게 도달 할 수 있게 함으로써, 보다 정밀한 극저온 환경을 구현할 수 있음은 물론 양질의 재생효과를 얻을 수 있게 된다.In addition, by installing a cryogenic temperature sensor module that can stably measure the temperature in the cryogenic temperature range, it is possible to quickly and precisely control the temperature and regeneration temperature in the cryogenic temperature range by PWM control and PID control at the cryogenic temperature controller It is possible to realize a more precise cryogenic environment and to obtain a high quality reproduction effect.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope of the present invention.

100 : 극저온 온도센서 모듈
110 : 실리콘 다이오드 칩 120 : 패키지
200 : 진공용 히터 모듈
300 : 극저온 온도 컨트롤러100: Cryogenic temperature sensor module
110: Silicon diode chip 120: Package
200: Vacuum heater module
300: Cryogenic temperature controller

Claims

A cryogenic temperature sensor module which is made of a silicon diode type and installed inside the cryo pump to measure the temperature change in the cryogenic temperature range;
A vacuum heater module comprising a vacuum AC heater provided inside the cryo pump so as to supply heat for raising the temperature of the cryogenic temperature region to perform a regeneration process; And
And a cryogenic temperature controller for controlling the cooling stage of the cryo pump and the driving of the vacuum heater module so that the temperature of the cryogenic temperature region measured by the cryogenic temperature sensor module can reach a set value. Cryogenic temperature control system for pumped pumps.

The method according to claim 1,
Wherein the cryogenic temperature sensor module forms a package by minimizing thermal resistance so that the temperature of the position to be measured and the temperature of the silicon diode chip itself can be maintained in an equilibrium state.

The method according to claim 1,
Wherein the vacuum heater module is constituted by a one-stage cooling section of the cryo pump and a vacuum AC heater provided in the two-stage cooling section, respectively.

The method of claim 3,
Wherein the AC heater for vacuum is composed of a high-output AC heater of 150W class.

The method according to claim 1,
Wherein the cryogenic temperature controller is equipped with temperature control software programmed to perform PWM (Pulse Width Modulation) control and PID (Proportional Integral Derivative) control of the power supplied to the heater module for vacuum, Temperature control system.