진공 압력 제어 방법

공유 방법

진공 시스템의 압력 모니터링, 제어 및 조절 기초

모든 진공 공정에서 시스템의 압력을 지속적으로 확인하고 필요한 경우 조절해야 합니다. 최신 공장 제어의 경우 공장 모니터링에 중요한 모든 측정값을 중앙 스테이션, 모니터링 및 제어 센터로 전송하고 명확한 방식으로 취합해야 합니다. 압력 변화는 기록 장비를 통해 시간이 지남에 따라 주기적으로 기록됩니다. 즉, 진공 게이지에 대한 추가적인 요구 사항이 있습니다.

a) 아날로그 및 디지털 방식으로 측정된 값을 지속적으로 표시
b) 측정값의 명확하고 편리한 판독
c) 기록 계기 또는 제어 또는 조절 장비를 연결하기 위한 레코더 출력
d) 내장 디지털 인터페이스(예: RS 232)
e) 내장된 트리거 지점을 통해 전환 작업을 트리거하는 기능

이러한 요구는 일반적으로 기계적 다이어프램 및 액체 진공 게이지를 제외한 전기 측정값 디스플레이가 있는 모든 진공 게이지를 통해 충족됩니다. 각 제어 장치에는 기록 계기를 통해 시간 경과에 따라 압력 값을 기록할 수 있도록 계측기 눈금의 압력 판독값에 따라 0~10V 사이의 연속 전압을 공급하는 기록기 출력이 장착되어 있습니다. 압력 전환 장치가 게이지의 레코더 출력에 연결된 경우 값이 지정된 설정점 이상 또는 이하가 되면 전환 작업이 트리거될 수 있습니다. 게이지에서 직접 전환 작업을 트리거하기 위한 설정점 또는 스위치 임계값을 트리거 값이라고 합니다. 진공 게이지 외에도 특정 압력에 도달하면 다이어프램 압력 스위치가 접점 증폭기를 통해 전환 작동을 트리거합니다(측정 값 표시 없음). 이러한 전환 작업을 통해 밸브를 제어할 수도 있습니다.

진공 시스템의 자동 보호, 모니터링 및 제어

진공 시스템을 오작동으로부터 보호하는 것은 매우 중요합니다. 고장이 발생할 경우 처리할 재료의 배치 손실 또는 추가 생산 중단 시간으로 인해 전체 시스템 또는 주요 부품의 손실과 같이 고가의 재료에 위험이 발생할 수 있습니다. 따라서 특히 대규모 생산 플랜트에서 충분한 작동 제어 및 보호 기능이 제공되어야 합니다. 이 연결에 고려해야 할 개별 요소는 예시를 기준으로 가장 잘 설명되어 있습니다. 그림 3.20은 고압 진공 펌프 시스템의 계통도를 보여줍니다. 용기(11)는 루츠 펌프(14) 또는 확산 펌프(15)를 통해 배출될 수 있으며, 이 둘은 모두 배압 펌프(1)와 함께 작동합니다. 루츠 펌프는 중진공 범위 및 고진공 범위의 확산 펌프에 사용됩니다(터보 분자 펌프도 사용할 수 있음). 밸브((3), (8) 및 (16))는 전기공압식으로 작동합니다. 개별 부품은 누름 버튼이 있는 제어 패널에서 작동됩니다.

그림 3.20 루츠의 선택적 작동 기능이 포함된 고진공 펌프 시스템의 계통도

펌프 또는 확산 펌프.

배압 펌프
배압 압력 모니터링 장치
전기공압식 밸브
압축 공기 연결부
압력 모니터링 장치
온도 모니터링 장치
냉각수 모니터링 장치
전기공압식 밸브
레코더
고진공 모니터링 장치
용기
고진공 게이지
리미트 스위치
루츠 펌프
확산 펌프
전기공압식 밸브
배기 밸브

펌프 시스템 오작동을 방지하는 조치

펌프 시스템은 아래 설명과 같이 오작동을 방지해야 합니다. 오작동을 사전 차단하기 위해 다음 조치를 취해야 합니다.

a) 정전 시 측정: 모든 밸브가 폐쇄되어 진공 용기에 공기가 유입되지 않도록 하고 확산 펌프가 손상되지 않도록 보호합니다.

b) 압축 공기 네트워크에서 압력이 떨어지는 경우 보호: 압축 공기는 압력 모니터링 장치(5)를 통해 모니터링됩니다. 압력이 지정된 값 아래로 떨어지면 처음에 신호가 방출되거나 밸브가 자동으로 폐쇄될 수 있습니다. 이 경우 충분한 압축 공기 예비 공급이 필요합니다(그림 3.20에 표시되지 않음). 그리고 이를 통해 모든 밸브가 한 번 이상 작동될 수 있습니다.

c) 확산 펌프의 냉각수 고장 시 측정: 냉각수는 유동 또는 온도 모니터링 장치((6) 및 (7))를 통해 모니터링됩니다. 냉각수 흐름이 충분하지 않으면 확산 펌프의 히터가 꺼지고 신호가 제공되며, 밸브(8)가 폐쇄됩니다.

d) 확산 펌프 히터 고장 방지: 확산 펌프 가열 시스템의 중단은 릴레이를 통해 모니터링할 수 있습니다. 온도가 최대 허용 값보다 상승할 경우 온도 모니터링 장치(6)가 응답합니다. 두 경우 모두 밸브(8)가 폐쇄되고 신호가 제공됩니다.

e) 배압 펌프 고장 방지: 벨트 구동 배압 펌프에는 원심 스위치가 있어야 합니다. 원심 스위치는 벨트 파손 또는 다른 오작동 시 전체 시스템을 차단합니다. 드라이브가 샤프트에 직접 장착된 모노블록 펌프는 전류 릴레이 등을 통해 모니터링할 수 있습니다.

f) 특정 한계 값을 초과하는 용기의 압력 상승 방지: 지정된 압력이 초과되면 진공 모니터링 장치(10)가 신호를 방출합니다.

g) 확산 펌프의 중요 초기 진공 확인: 특정 배압 압력이 초과되면 모든 밸브가 보조 압력 모니터링 장치(2)에 의해 폐쇄되고, 펌프가 꺼지며 다시 신호가 제공됩니다. 밸브((3), (8) 및 (16))의 위치는 리미트 스위치(13)를 통해 제어 패널에 표시됩니다. 용기 내 압력은 고진공 게이지(12)로 측정되고 레코더(9)를 통해 기록됩니다. 작동 오류를 방지하려면 개별 스위치를 인터록킹하여 미리 결정된 시퀀스에서만 작동할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 배압 펌프가 작동하지 않거나 필요한 배압 압력이 유지되지 않거나 냉각수 순환이 작동하지 않을 경우 확산 펌프가 켜지지 않을 수 있습니다.

저진공 시스템과 중진공 시스템의 압력 조절 및 제어

제어 및 조절에는 물리적 변수(이 경우 진공 시스템의 압력)에 특정 값으로 제공하는 기능이 있습니다. 일반적인 특징은 에너지 공급을 물리적 변수로 변경하여 변수 자체를 바꾸는 액추에이터입니다. 제어는 명령을 통해 시스템 또는 장치에 영향을 미치는 것을 말합니다. 이 경우 액추에이터와 그에 따른 물리적 변수의 실제 값은 변수 조작에 따라 직접 변경됩니다. 예를 들어 압력 종속 스위치를 사용하여 밸브를 작동시키는 것입니다. 실제 값은 추가적인 외부 영향으로 인해 원치 않은 방식으로 변경될 수 있습니다. 제어되는 장치는 제어 장치에 반응할 수 없습니다. 이러한 이유로 제어 시스템에는 개방형 작동 시퀀스가 있다고 합니다. 조절의 경우 물리적 변수의 실제 값은 지정된 설정점과 지속적으로 비교되고 편차가 있는 경우 가능한 설정점에 완전히 근접하도록 조절됩니다. 모든 실용적인 목적을 위해서는 항상 제어가 필요합니다. 주요 차이점은 설정점과 실제 값이 비교되는 제어기입니다. 제어 공정과 관련된 모든 요소가 제어 회로를 구성합니다. 제어 공정을 기술하기 위한 용어 및 특성 변수는 DIN 19226에 규정되어 있습니다.

일반적으로 그 안에서 압력이 서로 다를 수 있는 압력 범위 사양의 비연속 제어(예: 2단계 또는 3단계 제어), 그리고 가능한 정밀하게 유지되어야 하는 압력 설정점이 지정된 연속 제어(예: PID 제어)를 구분해야 합니다. 진공 시스템에서 압력을 조정하는 방법은 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 펌프 속도를 변경하는 것이고(펌프 속도 변경 또는 밸브 폐쇄를 통한 스로틀링), 두 번째는 기체를 주입하는 것입니다(밸브 개방). 그 결과 총 4개의 절차가 발생합니다.

비연속 압력 조절

연속 조절이 조금 더 명쾌한 절차이긴 하지만 대부분의 경우 2단계 또는 3단계 조절이 모든 진공 범위에서 완전히 적합합니다. 압력 범위를 지정하려면 2개 또는 3개의 가변 압력 종속 스위치 접점이 필요합니다. 스위치 접점이 디스플레이가 있는 게이지에 설치되어 있는지, 또는 다운스트림 장치에 장착되어 있는지, 아니면 디스플레이가 없는 압력 스위치인지 여부는 중요하지 않습니다. 그림 3.21은 펌핑 속도 스로틀링을 통한 2단계 조절, 기체 주입을 통한 2점 조절, 펌핑 속도 스로틀링과 기체 주입을 통한 3점 조절 간의 차이를 보여줍니다. 그림 3.22와 3.23은 2단계 조절 시스템의 회로 및 구조를 보여줍니다. 펌핑 속도 스로틀링을 통한 2단계 조절(그림 3.22)의 경우 전압은 펌프 밸브 4로 공급됩니다. 즉, 릴레이 접점이 해제 상태일 때 개방됩니다. 보조 릴레이의 자체 보류 기능으로 인해 상부 전환점 아래에서는 밸브가 개방된 상태로 유지됩니다. 하부 전환점 아래에서만 릴레이 래칭이 해제됩니다. 이후 압력이 상승하면 상부 전환점에서 밸브가 다시 개방됩니다.

그림 3.21 2단계 및 3단계 조절의 계통도

그림 3.22 펌핑 속도 스로틀링을 통한 2단계 조절.

➀ 2개의 전환점이 있는 게이지

➁ 스로틀 밸브
➂ 진공 펌프
➃ 펌프 밸브
➄ 진공 용기

Fu - 퓨즈
R, Mp - 주전원 연결 220V/50Hz
Smax - 최대값 전환점
Smin - 최소값 전환점
PV - 펌프 밸브
R1 - 펌프 밸브용 보조 릴레이
K1 - R1의 릴레이 접점
M - 측정 및 전환 장치

그림 3.23 기체 주입을 통한 2단계 조절

➀ 2개의 전환점이 있는 게이지
➁ 가변 누출 밸브
➂ 입구 밸브
➃ 기체 공급
➄ 스로틀 밸브
➅ 진공 펌프
➆ 진공 용기

Fu - 퓨즈
R, Mp - 주전원 연결 220V/50Hz
Smax - 최대값 전환점
Smin - 최소값 전환점
EV - 입구 밸브
R2 - 입구 밸브용 보조 릴레이
K2 - R2의 릴레이 접점
M - 측정 및 전환 장치

기체 주입을 통한 2단계 조절의 경우 입구 밸브가 처음에는 폐쇄됩니다. 상부 압력 전환점에 도달하지 않는 경우 아무런 변화가 없습니다. 압력이 하부 전환점 아래로 떨어질 때만 "접촉"을 통해 기체 입구 밸브를 열고 자체 보류 기능을 사용하여 보조 릴레이를 동시에 작동시킵니다. 릴레이 자체 보류 기능이 해제되기 때문에 상부 전환점을 초과하기 전까지는 기체 입구 밸브가 폐쇄된 상태에서 공회전 상태로 돌아가지 않습니다.

그림 3.24는 방금 설명한 두 가지 요소로 생성된 해당 3단계 조절 시스템을 보여줍니다. 이름에서 알 수 있는 것처럼, 펌핑 속도 스로틀링을 통한 조절 시스템의 하부 전환점과 기체 입구 조절 시스템의 상부 전환점이 결합되었습니다.

그림 3.24 3단계 조절 시스템.

➀ 3개의 전환점이 있는 게이지
➁ 가변 누출 밸브
➂ 가변 누출 밸브
➃ 입구 밸브
➄ 기체 공급
➅ 스로틀 밸브
➆ 진공 펌프
➇ 펌프 밸브
➈ 진공 용기

Fu - 퓨즈
R, Mp - 주전원 연결 220V/50Hz
Smax - 최대값 전환점
Smitte - 평균값 전환점
Smin - 최소값 전환점
T – GRPAHIX THREE
PV - 펌프 밸브
EV - 입구 밸브
R1 - 펌프 간격용 보조 릴레이
R2 - 입구 간격용 보조 릴레이
K1 - R1의 릴레이 접점
K2 - R2의 릴레이 접점
M - 측정 및 전환 장치

보조 릴레이가 포함된 복잡한 설치를 방지하기 위해 많은 장치가 소프트웨어를 통해 내장된 트리거 값의 기능 유형을 변경하는 기능을 제공합니다. 처음에는 개별 전환점(또는 "레벨 트리거")과 상호 연결된 전환점("간격 트리거") 중에서 선택할 수 있습니다. 이러한 기능은 그림 3.25에 설명되어 있습니다. 간격 트리거에서 히스테리시스 크기와 설정점 사양 유형을 선택할 수 있습니다. 외부 전압을 통한 단위 또는 사양의 고정된 설정(0~10V)을 예로 들 수 있습니다. 3단계 조절 시스템(보조 릴레이 제외)은 Leybold CEREVAC 및 GRAPHIX THREE를 사용하여 설정할 수 있습니다.

그림 3.25 레벨 트리거 및 간격 트리거 다이어그램

Display and operating instruments for active sensors

GRAPHIX – 액티브 센서용 작동 장치 GRAPHIX 디스플레이 및 액티브 센서용 작동 계기

연속 압력 조절

여기서는 액추에이터로서 비례식 밸브를 갖춘 전기 컨트롤러(예: PID 컨트롤러)와 기계식 다이어프램 컨트롤러를 구분해야 합니다. 전기 컨트롤러를 사용하는 조절 시스템에서 컨트롤러와 액추에이터(압전 기체 입구 밸브, 모터 드라이브가 있는 기체 입구, 버터플라이 제어 밸브, 스로틀 밸브) 사이의 조화는 매우 다른 경계 조건(용기의 부피, 용기에서의 유효 펌핑 속도, 압력 제어 범위)으로 인해 어렵습니다. 이러한 제어 회로는 공정 오작동이 발생할 때 쉽게 진동하는 경향이 있습니다. 일반적으로 유효한 표준 값을 지정하는 것은 사실상 불가능합니다.

다이어프램 컨트롤러를 사용하면 많은 제어 문제를 더 효과적으로 해결할 수 있습니다. 다이어프램 컨트롤러(그림 3.27)의 함수는 다이어프램 진공 게이지에서 쉽게 구할 수 있습니다. 튜브 또는 배관의 뭉툭한 단부는 탄성 고무 다이어프램(기준 압력 > 공정 압력)을 통해 폐쇄되거나 해제(기준 압력 < 공정 압력)됩니다. 후자의 경우 공정 측과 진공 펌프 사이에 연결이 설정됩니다. 이 명쾌하면서 다소 "자동" 방식인 조절 시스템은 우수한 제어 특성을 갖추고 있습니다(그림 3.28).

그림 3.27 다이어프램 컨트롤러의 원리

기준 챔버
다이어프램
기준 챔버에 대한 연결 측정
기준 압력 조절 밸브
펌프 연결부
컨트롤러 시트
제어 챔버
공정 압력에 대한 연결 측정
공정 챔버 연결부

그림 3.28 다이어프램 컨트롤러의 제어 특성

P₁ = 공정 압력, P₂ = 펌프 압력, Pref = 기준 압력

더 높은 유량을 달성하기 위해 여러 다이어프램 컨트롤러를 병렬로 연결할 수 있습니다. 즉, 공정 챔버와 기준 챔버도 병렬로 연결됩니다. 그림 3.29는 MR 50 다이어프램 컨트롤러 3개를 연결하는 것을 보여줍니다.

진공 공정을 제어하기 위해 개별 공정 단계의 압력을 수정해야 하는 경우가 많습니다. 다이어프램 컨트롤러를 사용하면 수동으로 또는 기준 압력의 전기 제어를 통해 수행할 수 있습니다.

다이어프램 컨트롤러 기준 압력의 전기 제어는 항상 일정하고 작은 기준 부피를 유지하므로 상대적으로 쉽습니다. 그림 3.31은 왼쪽의 배열과 오른쪽 도식을 보여줍니다. 다이어프램 컨트롤러의 적용 예는 3.5.5를 참조하십시오.

기준 압력을 변경하여 더 높은 압력에 대한 공정 압력을 변경할 수 있으려면 기체 입구 밸브를 공정 챔버에 추가로 설치해야 합니다. 이 밸브는 차압 스위치를 통해 개방됩니다(그림 3.31에 표시되지 않음). 원하는 높은 공정 압력이 현재 공정 압력을 초과하는 경우 차압 스위치에 설정된 압력 차이보다 더 많이 발생합니다.

그림 3.29 다이어프램 컨트롤러의 3중 연결

그림 3.30 수증기 허용 오차에 따라 진공 펌프의 주입구 압력을 조절함으로써 진공 건조 공정 제어.

DC - 다이어프램 컨트롤러
P - 진공 펌프
M - 측정 및 전환 장치
PS - 압력 센서
V1 - 펌프 밸브
V2 - 기체 입구 밸브
TH - 스로틀
RC - 기준 챔버
PC - 공정 챔버
CV - 내부 기준 압력 제어 밸브

그림 3.31 외부 자동 기준 압력 조절을 사용하는 다이어프램 컨트롤러.

DC - 다이어프램 컨트롤러
PS - 공정 압력 센서
RS - 기준 압력 센서
V1 - 기체 입구 밸브
V2 - 펌프 밸브
V3 - 기체 입구 가변 누출 밸브
TH - 스로틀
M - 측정 및 전환 장치
PP - 공정 펌프
RC - 기준 챔버
PC - 공정 챔버
AP - 보조 펌프
CV - 내부 기준 압력 제어 밸브

고진공 및 초고진공 시스템의 압력 조절

압력이 특정 한도 내에서 일정하게 유지되어야 하는 경우, 진공 용기에 주입된 기체와 밸브 또는 스로틀링 장치의 도움을 받아 펌프에 의해 동시에 제거된 기체 사이의 평형이 성립되어야 합니다. 이는 저진공 및 중진공 시스템에서 어렵지 않은데 벽에서 흡수된 기체의 탈착이 시스템으로 흘러 들어오는 기체의 양에 비해 무시할 수 있는 수준이기 때문입니다. 압력 조절은 기체 입구 또는 펌핑 속도 조절을 통해 실시할 수 있습니다. 하지만 다이어프램 컨트롤러의 사용은 대기압과 약 10mbar 사이에서만 가능합니다.

반면 고진공 및 초고진공 범위에서 용기 벽에서의 기체 진화는 압력에 결정적인 영향을 미칩니다. 따라서 고진공 및 초고진공 범위에서 특정 압력 값의 설정은 벽에서의 기체 진화가 압력 조절 장치를 통한 제어된 기체 주입에 비해 무시해도 될 정도에만 가능합니다. 이러한 이유로 이 범위에서의 압력 조절은 일반적으로 전기 PID 컨트롤러를 사용한 기체 주입 조절로 영향을 받습니다. 압전 또는 서보 모터 제어 가변 누출 밸브는 액추에이터로 사용됩니다. 10^-6mbar 미만에서의 압력 조절 시 베이크 가능한 순금속 기체 입구 밸브만 사용해야 합니다.

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