진공 펌프 U12 저온 펌프 UIVac cryo-u12hsp

저온펌프는 저온진공펌프, 냉펌프, 응축펌프라고도 한다.저온 펌프의 냉원은 저온 액체 (액체 질소 또는 액체 헬륨) 일 수도 있고 저온 냉동기일 수도 있다.여기서 냉동기종의 저온펌프를 소개하는데, 이 저온펌프의 냉동기는 두 온도급에서 냉각을 발생시켜 각각 두 개의 저온표면을 냉각시키고, 뽑힌 기체는 저온표면에 냉각된다.

1. 저온펌프는

진용기 안에는 극저온면이 설치되어 있어 응축과 흡착을 통해 용기 안의 기체를 포착하고 배기하는 펌프가 있다.
기계식 동작 부품이 적고 기름을 사용하지 않기 때문에 청결한 고진공을 실현할 수 있다.
저온펌프를 효과적으로 배기시키기 위해서는 응축할 때의 증기압력, 흡착할 때의 흡착균형압력이 10-8Pa 이하여야 한다.
그림 1은 각 기체의 증기압력으로 질소보다 증기압력이 낮은 기체로서 극저온면 (저온면 또는 저온베젤) 에서 20K 이하로 냉각될 때 그 증기압력은 10-8Pa 이하이다.수소, 헬륨, 네온 등 증기압이 높은 기체는 20K일 때 응축을 통해 배기할 수 없기 때문에 20K 이하의 흡착제를 통해 배기한다.
이런 식으로 저온 펌프는 초고진공을 얻기 위해 모든 가스를 배출할 수 있다.

그림1. 각종 기체의 증기압력

냉동 표면을 형성하는 방식으로, 일반적으로 폐쇄 순환하는 소형 헬륨 냉동기를 사용한다.저온펌프는 소형 헬륨 냉동기를 사용하기 때문에 저액형 저온펌프처럼 정기적으로 냉동제를 보급할 필요가 없으며, 간단한 조작을 통해 청결한 초고진공을 얻을 수 있어 장시간, 안정적으로 연속적으로 작동할 수 있다.

2. 저온펌프의 동작원리와 구조

CRYO-U8H의 경우 저온 펌프의 구조를 설명합니다.
저온펌프의 냉동기는 2단식인데 1단은 비교적 큰 랭동능력을 갖고있어 80K 이하로 랭동할수 있으며 2단은 랭동능력이 비교적 작아 10~12K로 랭동할수 있다.
15K 베젤(1)(응축판)과 15K 베젤(2)(흡착판)은 냉동기 2단에 80K 베젤, 80K 차폐통은 냉방 능력이 큰 1단에 설치해 실온의 열방사(방사능)를 방지한다.또 흡착제 표면이 덮이지 않도록 농축성 가스가 들어갈 수 없는 가림막 안쪽에 부착했다.

그림 2. CRYO-U8H

저온펌프의 주요 배기가스는, 이하(1)~(3) 등이다.

(1) 공기 (N2, O2): 진공 설비의 거친 추출 후의 잔여 가스

(2) 가스 방출 1 H2O: 진공 용기 표면에 흡착 (일반 진공 장비에서 가장 큰 부분), 유리, 플라스틱, 세라믹에서 방출 된 가스의 주요 성분

2 H2: 진공 용기의 금속 벽 내부 확산 방출 (초고, 진공의 문제) 고온, 용융 금속 (특히 알루미늄) 방출 (증도, 사출)

3 CO, CO2,
CH4, CnHm: 진공 장비 벽면의 때

(3) 가스 도입 4 Ar: 사출 장치

5 H2: 이온 주입

6 O2: 산화물

7 기타

증기압력계에 따르면 수증기(H2O) 온도가 130K 이하면 증기압력이 10-8Pa 이하가 되고, 질소(N2), 산소(O2), 일산화탄소(CO), 아르곤(Ar) 등의 가스는 증기압력이 높아 80K에서 응축되지 않으며, 20K 이하 베젤(1)의 외면을 통해 응축과 배기가 필요하다.

헬륨(He), 수소(H2), 네온(Ne) 등 증기 압력이 더 높은 가스는 10∼20K의 온도에서 응축되지 않기 때문에 15K 베젤(1)(응축판) 안쪽에 장착된 흡착제를 통해 흡착·배기된다.흡착제는 15K 베젤(2)(흡착판)에 장착돼 있는데, 흡착제 표면이 덮이지 않도록 농축성 가스가 들어갈 수 없는 베젤 안쪽에 부착돼 있다.
80K 차폐통, 80K 베젤, 15K 베젤(1)의 외면은 거울로 실온의 복사열을 반사할 수 있다.80K 차폐통의 내부 표면을 흑화 처리한 것은 실온 복사가 80K 차폐의 내면에서 반사되는 것을 막기 위해 15K 베젤에 쏜 것이다.저온 펌프가 제대로 작동하려면 80K 차폐통, 80K 베젤의 온도가 130K 이하여야 하고 15K 베젤은 20K 이하여야 한다.

이러한 온도를 확인할 수 있도록 80K 베젤에는 CA 열전대를, 15K 베젤에는 수소증기압온도계(H2VP) 및 MB형 저온열전대 온도계를 각각 장착했다.(CA 열전대 130K의 표준 전동세는 -5.5mV이다.)

3. 저온펌프의 재생과 안전밸브

오일 확산 펌프와 터보 분자 펌프는 압축으로 배출된 가스를 펌프 밖으로 방출하는 것이지만, 저온 펌프는 응축과 흡착을 통해 15K 베젤에 저장되기 때문에 정기적으로 방출하고 재생해야 한다.
재생이란 저온 펌프의 온도를 실온으로 높여 응축되거나 흡착된 가스를 다시 가스 상태로 되돌리는 것을 말한다.다량의 가스가 저장된 저온이 밀봉 상태일 경우 저온펌프의 내부가 재생 중에 고압가스로 변할 수 있으므로 저온펌프에 안전밸브를 설치해야 한다.
안전밸브의 작동 압력은 20kPa(표압)로 설정됩니다.
안전밸브를 사용하는 것은 안전을 위해서이므로 안전밸브를 닫거나 다른 목적으로 사용하지 마십시오.
또한 재생성 중에 가스 방출 밸브로 사용하지 마십시오.안전밸브가 작동할 때 가스 속의 먼지 등을 불어서 o-ring 표면에 부착하면 새게 된다.

4. 저온 펌프 시스템

저온 펌프 시스템은 기본적으로

"1" 저온 펌프 유닛 (냉동기 유닛 포함)
"2" 압축기 유닛
<3> 호스 (2개)

구성, 그림 3과 같이 연결 후.저온 펌프의 작동 (저온 펌프는 대기압에서 작동할 수 없음) 및 재생에는 굵은 펌프 (고객이 준비함) 가 필요합니다.

그림 3. 저온 펌프 시스템

저온 펌프의 성능

저온펌프의 주요 성능은 (1) 냉각 냉각 특성 (2) 배기 속도 (3) 배기 용량 (4) 최대 유량 (5) 교차 압력 (6) 극한 압력 (7) 열 부하 능력 등이다.
이 항목들은 장재가 아래에서 설명한다.

1. 쿨다운(cool-down) 특성

저온펌프는 대기압에서 작동하지 않기 때문에 펌프를 굵게 뽑아야 한다.ULVAC Cryo의 저온 펌프 40Pa는 회전 펌프를 사용하여 굵게 뽑는 경우 유증기의 회류를 일으키지 않습니다.펌프에 남아 있는 모든 가스는 저온 펌프 내의 흡착제에 의해 흡착된다.냉각 시간은 다음과 같은 요인에 의해 영향을 받습니다.

표1. 냉각 시간에 영향을 주는 요소

요인

냉각 시간

1. 고압 높은 연장

2.펌프의 온도가 높음 연장

3. 굵게 뽑은 후 잔류가스의 구성건(펌프 내 건조) 연장

수분이 많이 줄어들다

4. 펌프의 오염 이미 오염 연장

냉각 시간은 재생성 방법의 영향을 받습니다.질소 청소나 가열 밴드를 사용하여 온도를 높이면 수분이 적어지고 건조해지며 진공 단열이 어렵기 때문에 냉각 시간이 길어집니다.또한 미세한 누출도 냉각 시간이 길어지거나 냉각되지 않을 수 있으니 주의하십시오 (안전밸브에서 발생하는 누출은 특히 주의하십시오).또한 60Hz 영역의 냉각 속도는 50Hz 영역보다 10-15% 빠릅니다.일반적으로 냉각 시간은 표 4-2와 같이 15K 베젤의 온도가 20K 미만인 데 걸리는 시간으로 정의됩니다.

2. 배기속도 특성

2-1. 물에 대한 배기성능

냉동면의 온도가 150K 이하이면 냉동이 물에 응축될 확률은 거의 1이다.일반적으로 저온펌프 80K 차폐통과 80K가 작동하는 동안 온도는 130K 이하(보통 약 80K)이므로 물 대비 저온펌프의 배기 속도는 80K 차폐통 구경의 이상적인 배기 속도와 같다.분자량 M가스 단위면적에 대한 이상적인 배기속도s가 s=62.5/M1/2(L/s/cm2)(20℃)물이면 M=18의 이상적인 배기속도는 s=14.7(L/s/cm2)이다.80K 차폐통 흡기구 면적 A(cm2), 저온펌프의 물 배기속도 S는 S=s·A(L/s)이다.

예를 들어, 8형의 저온 펌프, 80K 차폐통 흡기구 면적은 약 275cm2이며, 물에 대한 배기 속도는 4000L/s이다.80K 베젤에서 응축되고 배출되는 가스 (예: CO2, NH4) 를 동일하게 계산합니다.CRYO-U8H는 CO2의 배기 속도를 계산하며 물에 대한 배기 속도는 4000L/s, CO2의 분자량은 44,SCO2=SH2O X ( 18 / 44 )1/2=2560 L/s。

표2.저온펌프의 물 배기속도

구경

모델

배기 속도(L/s)

6 U6H 2100

8 U8H,U8H-U,U8HSP 4000

10 U10PU 6900

12 U12H,U12H-K2,U12HSP 9500

16 U16,U16P 16000

20 U20P 29000

22 U22H 39000

30 U30H 70000

2-2. Ar, N2(응축성 가스)에 대한 배기 특성

N2, Ar, CO 및 O2와 같은 상대적으로 높은 증기 압력을 가진 가스는 80K 베젤 또는 80K 차폐에 의해 응축되지 않고 20K 미만의 온도에서 응축되고 배출됩니다.
냉동면의 온도가 20K 이하이면 냉동이 응축성 가스에 직면할 확률은 1이며, 또한 분자 흐름 영역에서 공기 흡입구부터 저온 베젤까지 전도가 일정하기 때문에 분자 흐름 영역에서 저온 펌프의 배기 속도는 일정하다.

제품 설명서의 저온 펌프의 배기 속도 값은 분자 흐름 영역에서 질소에 대한 배기 속도입니다.질소가 예기치 않은 분자량 M의 응축성 기체의 배기 속도는 다음과 같은 공식을 통해 계산하여 구한다.

SM=SN2× (28/M) 1/2 (L/s)・・・・・・・(1)
SN

2: 질소에 대한 배기 속도(L/s)

예를 들어, CRYO-U8H의 아르곤 가스 배출 속도는 표 6-3에서 SN2 = 1700 (L/s), 아르곤 가스 분자량 M = 40을 알 수 있으며, 이 공식을 통해 계산됩니다.
Sar=1700X (28/40) 1/2=1400L/s

그림 1. 질소에 대한 CRYO-U의 배기 속도

모델

배기 속도(L/s)

U6H 750

U8H/U8H-U/U8HSP 1700의

U10P 2300

U12H 4000

U12HSP 4100

U16/U16P 5000

U20P 10000

U22H 17000

U30H 28000

표3. 각종 저온 펌프의 질소 가스 배출 속도(제품 매뉴얼 값)

기류가 분자 흐름에서 중간 흐름 (변환 흐름) 으로 바뀌면 전도도가 압력에 비례하여 배기 속도가 증가합니다.그러나 저온 펌프에 입력되는 열량은 압력이 증가함에 따라 증가하기 때문에 열 부하가 냉동기의 냉각 능력을 초과하면 저온 펌프의 배기 한계에 도달합니다.ULVAC Cryo는 이 열 부하에 따라 저온 베젤 온도가 20K에 도달했을 때의 트래픽을 최대 트래픽으로 정의합니다 (그림 6-1 ○ 포인트).최대 유량은 냉방 능력이 강화됨에 따라 증가하지만 냉방 능력이 아무리 강해도 응축층의 열전도율이 제한돼 두께 방향에서 온도 경도가 나타난다.응축층의 표면 온도가 한계를 넘으면 기체가 응결되지 않기 때문에 배기 속도가 0으로 변해 물리적 배기 한계로 변한다.

2-3. H2, He, Ne(비응축성 가스)에 대한 배기 속도

H2, He와 Ne는 증기 압력이 가장 높은 기체로, 20K 정도일 때 증기 압력이 너무 높아 응축을 통해 배출되지 않기 때문에 비응축성 기체라고도 불린다.이들 가스는 응축을 통해 배출되지 않기 때문에 20K 이하로 냉각된 흡착제로 흡착해 배기한다.흡착제는 비응축성 가스를 흡착할 때 포화되기 때문에 배기 속도가 서서히 낮아진다.배기 속도가 초기 값의 80% 로 떨어지면 배출되는 가스의 양은 배기량으로 정의됩니다 (나중에 설명).
비응결성 가스 중 수소는 배출가스의 중요한 성분이자 응용에 중요한 가스이기 때문에 상세한 연구를 거쳐 양식을 확정했다.네온가스는 사용하는 예가 매우 적기 때문에 데이터가 매우 적다.또 헬륨은 가장 흡착되기 어려운 기체로 아르곤의 1/100~1/1000만 배출되기 때문에 저온펌프를 이용해 배기하는 것을 추천하지 않는다.

모델
CRYO-U는

배기속도
(L/s)

최대 트래픽
(Pa・L/s)

배기량
(Pa・L)

- U6H 1100 1.1×102 3.1×105

- U8H 2700 2.4×102 1.0×106

- U8HSP 3200 2.4×102 1.0×106

- U10PU 3600 1.5×102 6.7×105

- U12H 6000 4.1 × 102 9.8 × 105

- U12HSP 6000 4.1×102 1.6×106

-U16 10000 4.1×102 2.4×106

- U16P 10000 4.5×102 2.4×106

- U20P 18000 5.0 × 102 4.6 × 106

U22H 25000 1.3 × 103 8.5 × 106

- U30H 43000 7.4 × 102 1.5 × 107

표 4. 수소에 대한 CRYO-U의 배기 특성

그림 2. 수소에 대한 CRYO-U의 배기 속도

3. 저온펌프의 배기용량

3-1. 응고성 기체의 배기 용량

응축을 통해 배출되는 가스는 (1) 80K 차단통이나 80K 가림막을 통해 배출되는 가스(주로 물)와, (2) 15K 가림막을 통해 배출되는 가스(질소, 아르곤, 산소 등)다.

(1) 물 배출 용량
물이 80K 베젤에 응결되어 얼음의 두께가 증가하면 80K 베젤의 전도도가 줄어들고 15K 베젤을 통해 응축되고 흡착되어 배기되는 가스의 배기 속도도 감소합니다.재생이 필요하기 때문에, 이때 배출되는 물의 양은 배기 용량이며, 물의 배기 용량에 대한 명확한 정의는 없다.그러나 다음 표의 값은 물의 배기 한계에 대한 대략적인 지침이 될 수 있습니다.배기량 단위는 g (g) 입니다.

모델

배기 용량 (g)

크리오-U6H 40

CRYO-U8H, U8H-U 90

크리오-U10PU 170

크리오-U12H 260

CRYO-U16,U16P 500

CRYO-U20P 1000

CRYO-U22H 1400

표5. 저온펌프의 물 배기용량(참조)

(1) 물이 많은 경우

플라스틱

유리

도자기

(2) 물이 많은 경우 주의점 재생성

온도가 높아지면 얼음이 녹는다

대충 뽑을 때는 물을 얼리지 마라

펌프 안에서 물을 제거하다

회전 펌프의 성능 검사(유유화 주의)

(2) 아르곤가스에 대한 배기용량

15K 응축판 응결을 통해 배출되는 가스에 존재하는 난제는 사출 공정에서 아르곤의 배기 용량이다.15K 베젤 외부 표면의 응축 아르곤층의 두께가 증가하여 온도가 높은 80K 베젤과 80K 차폐통을 건드리거나 아르곤층 자체의 온도 경도가 증가하여 아르곤층 표면의 온도를 높인다.이 경우 더 이상 응축할 수 없게 됩니다.이때 배출되는 아르곤 가스량은 배기 용량이다.ULVAC Cryo는 아르곤 가스에 대한 배기 용량을 [마스터 밸브를 닫고 마스터 밸브가 닫힌 후 5분 후에 압력이 1.3X10-4Pa 이하로 내려가지 않는 아르곤 가스의 배출량]으로 정의합니다.그림 6-3은 200CCM을 연속으로 도입한 아르곤가스로, 도입 중단 5분 후 CRYO-U12HSP의 압력값으로 배기량이 4.3 × 108Pa·L을 초과할 때부터 압력이 갑자기 회복되기 때문에 배기량은 4.3 × 108Pa·L이다.표 6-6은 각 모델의 저온 펌프의 아르곤 가스 배출 능력을 보여줍니다.

그림 3. CRYO-U12HSP의 압력 회복 (측정 예)

기종 CRYO-

배기 용량(Pa・L)

- U6H 5.6 × 107

U8H, U8H-U 1.0×108

- U8HSP 2.5×108

- U10PU 1.0 × 108

- U12H 2.1 × 108

- U12HSP 4.3×108

-U16, U16P 4.3×108

- U20P 5.8 × 108

- U22H 8.1 × 108

- U30H 7.8 × 108

3-2. 비응축성 가스의 배기 용량

수소, 헬륨, 네온 등 10K 내외로 응축돼 배출되지 않는 가스는 15K 베젤 안쪽의 흡착제에 의해 흡착돼 배기된다.따라서 흡착량이 증가함에 따라 포화상태에 가까워지고 (1) 배기속도가 낮아지며 (2) 흡착평형압력이 높아지면 배기성능이 서서히 떨어져 결국 배기를 할 수 없게 된다.ULVAC Cryo는 수소에 대한 배기 용량을 수소에 대한 배기 속도가 초기 배기 속도의 80%까지 떨어졌을 때까지의 수소 흡착량으로 정의한다.흡착제가 예정된 흡착력을 발휘하기 위해서는 반드시 흡착제를 청결해야 한다.흡착제의 오염은

(1) 응축성 기체(주로 공기)를 흡착할 때
(2) 수분 흡착 시
(3) 유증기를 흡착할 때

이 물질들이 대량으로 흡착되면 수소를 흡착하는 능력이 떨어진다.재생저온펌프를 통해 공기와 수분을 제거할 수 있지만 일단 유증기가 흡착되면 다시 제거할 수 없으며, 이때 15K 베젤(2)(흡착판)을 교체해야 한다.수소에 대한 저온 펌프의 흡착 성능을 유지하기 위해서는 유증기가 저온 펌프로 환류하는 것을 절대적으로 피해야 한다.
그림 4는 수소에 대한 배기 속도와 수소 배기 용량의 관계도로 여기서 S는 배기 속도, C는 배기 용량이다.다양한 모델의 배기 속도와 배기 용량에 대해서는 그림 4를 참조하십시오.

그림4. 수소에 대한 배기 속도와 배기 용량의 관계

4.저온펌프의 열부하와 최대 유량

저온펌프의 열부하는 복사열과 기체부하 (기체열전도, 응축열) 로서 각각 다음과 같은 방정식을 제시한다.

σ

: 볼츠만 상수 5.67 × 10-12W/cm2/K4

εAV

: 평균 방사율

T1은

: 저온면의 온도(K)

T2는

: 고온면의 온도(K)

A

: 수열 영역 (cm2)

A1: 내부 A2: 외부

γ

: 기체의 비열비

ａ0

: 평균 열 적응 계수

Ｐ

: 압력 (Pa)

M

: 분자량

T1은

: 압력 P 측정점의 온도(K)

T2는

: 저온면의 온도(K)

A: 열받는 영역(cm2)

평균 열 적응 계수 a0식(A1<A2)



적응 계수 a1, a2 (근사)

γ

: 응축열 (H2, He, Ne이면 흡착열) (W/Pa・L/s)

Tc는

: 저온면의 온도(K)

Tg는

: 가스의 온도(K)

S

: 저온 펌프의 배기 속도(L/s) SP:(Pa·L/s)

P

: 압력(Torr)

Cp

: 가스의 평균 비열(W/(Pa·L/s)/K)

냉동기 1단의 열부하는 복사열과 기체의 전도열로서 10-1Pa 범위내에서 련속 사용되지 않는 한 일반적으로 대부분 복사열이다.냉동기 2단의 냉방 능력은 1단의 열부하의 영향을 받는데, 1단의 열부하가 증가하면 2단의 냉방 능력이 떨어지고 최대 유량도 떨어진다.
따라서 저온 펌프를 도입하는 가스의 양이 많을 때는 저온 펌프의 청결 (복사열 감소) 을 유지하고 열 복사로 인한 열 과부하를 줄이십시오.일반적으로 대형 저온 펌프의 경우 열을 받는 면적이 더 넓고 더 많은 열 복사가 있기 때문에 더 큰 냉각 능력을 갖춘 냉동기가 필요하다.저온펌프의 최대 유량은 표준 복사열이 있을 때 응축열(또는 흡착열)로 저온펌프의 온도가 20K에 도달할 때의 유량으로 정의된다.펌프의 구경이 같으면 냉동기의 냉방 능력이 크거나 배기 속도가 클수록 최대 유량도 커진다.예를 들어 CRYO-U16과 U16P는 구경이 같고 배기속도가 같으며, U16P의 냉동기(R50)는 U16의 냉동기(R20)보다 냉방 능력이 크기 때문에 최대 유량도 더 크다.
저온 펌프의 최대 작동 압력인 Pmax는 최대 유량인 Qmax를 이때의 배기 속도인 Smax로 나누어 구한다.(Pmax=Qmax/Smax)。아르곤의 경우 Pmax는 약 10-1Pa이며 이는 중간 흐름입니다.표 7은 다양한 모델의 최대 트래픽을 보여줍니다.

저온 펌프의 최대 유량

아르곤
（Pa・L / S)

수소
（Pa・L / S)

CRYO-U6H는

1.1×103 1.1×102

CRYO-U8H, U8H-U, U8HSP

1.2×103 2.4×102

CRYO-U10PU는

8.0×102 1.5×102

CRYO-U12H, U12HSP

2.0×103 4.1×102

CRYO-U16는

1.4×103 4.1×102

CRYO-U16P는

1.6×103 4.5×102

CRYO-U20P는

1.1×103 5.0×102

크리오-U22H

4.1×103 1.3×103

크리오-U30H

2.7×103 7.4×102

5. 교차압력(cross over)

교차압력은 진공홈이 굵게 뽑힐 때 주밸브를 열고 저온펌프로 전환할 때 진공홈의 압력(조가압력)이다.이때 허용되는 최대 황삭 압력은 최대 허용 교차 압력입니다.메인 밸브가 열리는 순간 진공 슬롯 종의 가스가 저온 펌프로 유입되는데, 가스의 양이 한계를 넘으면 저온 펌프가 다시 배기력을 회복하지 못해 온도가 높아지고 이미 배기된 가스가 모두 방출된다.극한 가스량 (처리 가능한 최대 가스 흡입량) 을 진공실의 용적으로 나누어 최대 허용 교차 압력을 구한다.

처리 가능한 최대 가스 흡입량은 배기 성능 회복의 한계 값 (일반적으로 저온 베젤의 온도는 20K 이상) 입니다.일반적으로 안전을 고려하여 굵은 추출압력의 극한은 (1) 공식종에서 구한 최대 허용교차압력의 1/2이다.또한 안전 계수를 높이려면 저온 펌프 베젤 온도가 20K를 넘지 않을 때의 값을 최대 교차 허용 온도로 설정할 수 있다.처리 가능한 최대 가스 흡입량은 저온 펌프의 열 부하와 저온 펌프의 응축 가스량에 따라 달라집니다.

표 6-8은 다양한 모델에서 처리 가능한 최대 가스 흡입량 (공기 대비) 에 대한 참조입니다.예를 들어, U8H의 경우 용적 100L의 진공 용기의 최대 허용 교차 압력 Pmax는 처리 가능한 최대 흡입 가스량 133000Pa·L, Pmax ≤ 133000Pa·L/100L=1330Pa, 굵게 1330Pa 이하이다.보통 안전계수는 2이불 이상, 즉 조인압력을 665Pa로 설정한다. 통은 20K를 넘지 않기 위해 처리 가능한 최대 흡입 가스량이 20000Pa, P=20000/100=200Pa이다.진공 용기는 용적이 크고 40Pa 이하의 압력을 거칠게 뽑는 경우, 반드시 조치를 취하여 유증기의 환류를 방지하고, 더 큰 펌프를 설치하거나, 펌프의 수를 증가시켜 거칠게 가공하는 압력을 40Pa 이상으로 만들어야 한다.

6. 도착

저온펌프가 기체유량이 없을 때의 도달압력은 응축성기체가 저온면온도에서 각종 기체의 증기압력과 응축계수 (1로 가정함.) 로서 다음과 같은 공식에 대입하여 구한다.

Pg = Ps (Tg / Ts) 1/2

Ts

: 저온면의 온도 10~20K

Ps는

: 온도가 Ts일 때의 가스 증기 압력 (수소는 흡착 균형 압력) (Pa)

Tg는

: 가스 온도~300K

응축성 기체 중 증기 압력이 가장 높은 기체는 질소이며, 질소에 대해 저온면 온도가 10-20K일 때 도달 압력은 그림 6과 같다.일반적으로 부하가 없는 상태에서 저온펌프 베젤은 10-12K, 증기압력은 ~10-21Pa로 실제 사용 시 무시할 수 있다.비응축성 기체인 수소에 대한 극한 압력은 흡착 균형 압력에 의해 결정된다.그림 6-7에서 볼 수 있듯이 저온 펌프에 사용되는 활성탄은 매우 큰 수소 흡착 능력을 가지고 있으며 초고진공에서 작동할 때 수소의 배기량이 매우 작기 때문에 수소의 흡착 균형 압력 Pa도 무시할 수 있습니다.(예를 들어, U8H(SH2O=2700 L/s)는 1.3X10-8Pa에서 1개월간 수소 흡착량이 Q=1.3×10-8x2700×30x24×3600=91Pa이므로 저온펌프의 극한 압력은 저온펌프를 가져오는 가스량과 배기속도에 의해 결정된다.일반적으로 저온 펌프 단일체의 극한 압력은 저온 펌프에 블라인드 플랜지를 사용할 때 저온 펌프의 최소 가스 유입량을 통해 측정됩니다.또 극한압력은 저온펌프의 규격(표준규격과 초고진공규격), 조추출압력, 구이 여부 등에 따라 큰 차이를 보인다.일반적으로 O-RING이 있고 40Pa를 굵게 뽑으며 굽지 않은 경우 12시간 운행의 극한압력은 (1~4) X10-6Pa이다.그림 6-7은 구운 상태와 굽지 않은 상태에서 잔류 가스 구성에 대한 측정을 보여줍니다.또한 표 6-9는 개별 저온 펌프의 극한 압력에 대한 참조값을 보여줍니다.초고진공 규격으로 구운 경우 10-10TPa의 진공을 얻을 수 있다.기기의 극한 압력은 기기에서 방출되는 가스량(P=Q/S)에 따라 달라집니다.

그림6. 증기압력이 결정하는 극한압력

활성탄의 수소 흡착 온도 곡선

저온 펌프의 극한 압력 (참조)

규격

압축 압력(Pa)

굽다

한계(Pa)

표준

40
40 없음
(100~150℃) × (3~10h) (1~4) ×10-6
(1～4)×10-7

超高真空

10-2～10-3
10-2～10-4
10-2~10-3 없음
(200~220℃) × (3~8h)
(200~220℃) × 약 20h 10-8
10-9
10-10

[저온 펌프의 기초 지식5]

냉동기의 구조와 냉동원리

냉동기의 구조와 냉동원리
1. 냉동원리(일반 설명용)

그림 1. 냉동 원리

저온 펌프의 대표적인 냉동 순환은
(1) Gifford-McMahon 루프(G-M 루프)
(2) Modified-Solvay 루프(M-Solvay 루프)

2. 저온펌프에 사용되는 냉동순환
CRYO-U8H의 경우 저온 펌프의 구조를 설명합니다.
저온펌프의 냉동기는 2단식인데 1단은 비교적 큰 랭동능력을 갖고있어 80K 이하로 랭동할수 있으며 2단은 랭동능력이 비교적 작아 10~12K로 랭동할수 있다.
15K 베젤(1)(응축판)과 15K 베젤(2)(흡착판)은 냉동기 2단에 80K 베젤, 80K 차폐통은 냉방 능력이 큰 1단에 설치해 실온의 열방사(방사능)를 방지한다.

그림 2-2는 G-M 순환의 동작 원리와 P-V 선도 (팽창실의 압력 P와 용적 V 사이의 관계).

2-1.G-M 순환
G-M 사이클은 Gifford가 1950 년대 말에 개발 한 냉각 사이클 방식이며 교환기의 구동 방식은 기계적으로 구동되고 작업 가스의 압력 차를 이용하여 구동됩니다.G-M 루프는 매우 효율적이지만 구동 속도가 느릴 수 있으며 내부에 사용되는 밀폐 부품은 부하가 가벼워 신뢰성이 높은 냉각 루프 방식입니다.여기서는 ULVAC Cryo에 사용되는 기계식 압축기로 구동되는 냉방 순환에 대해 설명할 것이다.

A 교환기는 실린더의 맨 아래에 있다.이때 저압 밸브가 닫히고 고압 밸브가 열린다.

↓

(a) 실린더의 실온 부분과 저온 부분은 고압 가스로 채워진다.

↓

B실린더 내부가 고압으로 변한다.

↓

(b) 치환기에 당기면 실온의 헬륨가스는 축냉기에 의해 냉각되고 한쪽의 저온부분은 충전된다.

↓

C 저온 부분의 면적이 가장 크다.이때 고압 밸브가 닫히고 저압 밸브가 열립니다.

↓

(c) 저온펌프 부분의 고압 가스는 축냉기를 통해 방출된다.이때 사이먼의 팽창으로 기체의 문제가 낮아져 저온이 발생한다.

↓

D 저온 부분 압력.

↓

(d) 치환기를 눌러 냉각하면 헬륨가스는 축냉기에 의해 냉각되면서 실온 부분으로 옮겨진다.

↓

주기가 완료된 A로 돌아갑니다.

이와 같이 이상적인 G-M 순환 P-V 곡선은 정사각형이며 1개 순환의 주기가 t초이면 이상적인 냉동 능력

Q ideal 은 다음 공식을 통해 구할 수 있다
Q 이상적인 =W/t

실제 냉동기는 15K 이하의 극저온을 얻을 수 있는 2단식 구조다.또 구조를 단순화하기 위해 축냉기는 치환기 내부에 내장돼 치환기와 일체형으로 통합됐다.1단과 2단의 밀봉부품은 압차가 없고 밀봉부품의 부하가 매우 가벼우며 사용수명이 길고 믿음성이 높다.

저온 펌프 CRYO-U 시리즈CRYO-U12HSP는CRYO-U16는CRYO-U16F는

UIVac는크라이오-U12HSP

표준 사양

6' 직경에서 30' 직경까지 다양한 모델.

용도:

진공 도금, 표면 분석, 반도체 가공, 사출 도금, 이온 주입 등.

이점:

기타 진공펌프가 창조할수 없는 극히 순수한 진공환경을 창조하여 모든 종류의 기체를 배출할수 있고 액체헬륨이 필요하지 않아 운행원가가 저렴하며 임의의 방향에서 설치할수 있으며 설계가 치밀하고 가볍고 조작이 간단하며 배기속도가 이온펌프, 터빈분자펌프 등보다 훨씬 높다.

CRYO-U12HSP는