(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のクライオポンプと、
前記複数のクライオポンプに作動気体を供給するために、各々が制御出力に従って並列に運転される複数の圧縮機ユニットと、
前記複数の圧縮機ユニットの各々に対する制御出力を決定する制御部と、を備え、
前記制御部は、少なくとも１つの圧縮機ユニットについて前記制御出力を決定するために使用される設定値を、各圧縮機ユニットの運転周波数を平準化するよう調整し、
前記複数の圧縮機ユニットの各々は、圧縮機本体と、該圧縮機本体を動作させ運転周波数が可変である圧縮機モータと、を備え、前記運転周波数は前記制御部により決定され、
前記制御部は、前記複数の圧縮機ユニットのうちいずれかの圧縮機ユニットの運転周波数と当該圧縮機ユニットとは別の圧縮機ユニットの運転周波数との差を小さくするように、当該圧縮機ユニット及び前記別の圧縮機ユニットの少なくとも一方について前記設定値を調整することを特徴とするクライオポンプシステム。
【請求項２】
前記制御部は各圧縮機ユニットに関連する測定値を各圧縮機ユニットについて設定されている目標値に近づけるよう前記制御出力を決定し、前記設定値は前記目標値であることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプシステム。
【請求項３】
前記制御部は、各圧縮機ユニットにおける吸入側と吐出側との差圧を目標差圧に一致させるよう各圧縮機ユニットへの制御出力を決定する差圧一定制御を実行可能であり、該差圧一定制御を実行しているときに前記少なくとも１つの圧縮機ユニットの目標差圧を調整することを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプシステム。
【請求項４】
複数のクライオポンプと、
前記複数のクライオポンプに作動気体を供給するために、各々が制御出力に従って並列に運転される複数の圧縮機ユニットと、
前記複数の圧縮機ユニットの各々に対する制御出力を決定する制御部と、を備え、
前記制御部は、少なくとも１つの圧縮機ユニットについて前記制御出力を決定するために使用される設定値を、各圧縮機ユニットの運転周波数を平準化するよう調整し、
前記制御部は、調整による前記複数のクライオポンプの排気性能の変化が許容範囲内であることが保証される調整量により、前記少なくとも１つの圧縮機ユニットの設定値を調整することを特徴とするクライオポンプシステム。
【請求項５】
前記複数のクライオポンプと前記複数の圧縮機ユニットとを接続し、前記複数のクライオポンプと前記複数の圧縮機ユニットとの間の作動気体の給排を集約する共通ラインと、  前記複数の圧縮機ユニットの各々を前記共通ラインに接続する複数の個別配管と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項６】
複数のクライオポンプに作動気体を供給するために並列に運転される複数の圧縮機の制御方法であって、
前記複数の圧縮機の各々に対する制御出力を決定するステップと、
少なくとも１つの圧縮機について前記制御出力を決定するために使用される設定値を調整することにより各圧縮機の運転周波数を平準化するステップと、を備え、
前記平準化するステップは、前記複数の圧縮機のうちいずれかの圧縮機の運転周波数と当該圧縮機とは別の圧縮機の運転周波数との差を小さくするように、当該圧縮機及び前記別の圧縮機の少なくとも一方について前記設定値を調整することを備えることを特徴とする方法。
【請求項７】
複数のクライオポンプに作動気体を供給するために並列に運転される複数の圧縮機の制御方法であって、
前記複数の圧縮機の各々に対する制御出力を決定するステップと、
少なくとも１つの圧縮機について前記制御出力を決定するために使用される設定値を調整することにより各圧縮機の運転周波数を平準化するステップと、を備え、
前記平準化するステップは、調整による前記複数のクライオポンプの排気性能の変化が許容範囲内であることが保証される調整量により、前記少なくとも１つの圧縮機の設定値を調整することを備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のクライオポンプをもつクライオポンプシステム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大きな容積を真空排気するために、１つの容積に複数のクライオポンプが適用されることがある。また、複数の真空チャンバを有する真空処理装置の各真空チャンバを真空排気するために、真空処理装置に複数のクライオポンプが搭載されることがある。台数が少なければ複数のクライオポンプに作動気体を循環させるために１つの共通の圧縮機が設けられる。より多くのクライオポンプをもつ大規模な真空排気システムであれば複数の圧縮機が設けられることもある。同様に、多数の極低温機器例えば極低温冷凍機をもつ極低温システムも複数の圧縮機を含み得る（例えば特許文献１、２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３７９２号公報
【特許文献２】特開２００９−２７５５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数の圧縮機をもつシステムにおいていずれかの圧縮機が他の圧縮機よりも高頻度にまたは高負荷で運転される傾向がある場合にはその圧縮機の損耗が他の圧縮機に比べて進み、結果としてそのシステムのメンテナンス作業の頻度を高めるおそれがある。それに応じてシステムのダウンタイムも大きくなるといった不都合が生じうる。
【０００５】
本発明の目的の１つは、複数の極低温機器例えばクライオポンプに対し複数の圧縮機を適用する場合に、複数の圧縮機間でより均等に負荷を分担することを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様のクライオポンプシステムは、複数のクライオポンプと、前記複数のクライオポンプに作動気体を供給するために、各々が制御出力に従って並列に運転される複数の圧縮機ユニットと、前記複数の圧縮機ユニットの各々に対する制御出力を決定する制御部と、を備える。前記制御部は、少なくとも１つの圧縮機ユニットについて前記制御出力を決定するために使用される設定値を、各圧縮機ユニットの運転状態を平準化するよう調整してもよい。
【０００７】
本発明の別の態様は、複数のクライオポンプに作動気体を供給するために並列に運転される複数の圧縮機の制御方法である。この方法は、前記複数の圧縮機の各々に対する制御出力を決定するステップと、少なくとも１つの圧縮機について前記制御出力を決定するために使用される設定値を調整することにより各圧縮機の運転状態を平準化するステップと、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の圧縮機間でより均等に負荷を分担することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る圧縮機ユニットを模式的に示す図である。
【図４】本実施形態に係るクライオポンプシステムに関する制御ブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る差圧一定制御の制御フローを説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る設定値調整処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態に係る調整処理で使用される調整テーブルを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る調整処理の結果の一例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず、以下に説明する本発明に係る実施形態の概要を説明する。本発明に係る一実施形態よれば、複数の圧縮機が並列に設けられているクライオポンプシステムが提供される。一実施例においては少なくとも２台の圧縮機が独立に制御され同時に運転される。それぞれの圧縮機について設定されている設定値がある頻度で、各圧縮機の運転状態を平準化するよう調整される。これにより、時間の経過とともに拡大し得る各圧縮機の運転状態の乖離を抑え、均等に負荷を分担することができる。運転状態の乖離は例えば各圧縮機の個体差に起因する。例えば、圧縮機本体またはそれに付随して設けられているセンサやその他の機器類の個体差、あるいは各圧縮機とクライオポンプとを接続する配管系の長さや取り回しの違いに起因すると考えられる。
【００１１】
一実施形態においては、共通の負荷から作動気体を回収し供給するための作動気体循環装置が提供される。共通の負荷は作動気体の供給先であり、複数の極低温機器を含んでもよい。極低温機器は、冷凍サイクルにより寒冷を発生させる極低温冷凍機であってもよい。極低温機器は、極低温冷凍機により冷却されるクライオパネルを備えるクライオポンプであってもよい。作動気体循環装置は、共通の負荷に各々が並列に接続されかつ各々が制御出力に従って運転される複数の圧縮機ユニットと、複数の圧縮機ユニットの各々に対する制御出力を決定する制御部と、を備えてもよい。制御部は、少なくとも１つの圧縮機ユニットについて制御出力を決定するために使用される設定値を調整することにより各圧縮機ユニットの運転状態を平準化してもよい。
【００１２】
制御部は、単一のコントローラで構成されていてもよいし、各々が同一のまたは異なる機能を奏する複数のコントローラを含んでもよい。例えば、制御部は、各圧縮機ユニットに設けられ、各圧縮機ユニットの制御出力を決定する圧縮機コントローラと、クライオポンプシステムを統括するクライオポンプコントローラと、を備えてもよい。この場合、設定値の調整は、圧縮機コントローラが実行してもよいし、クライオポンプコントローラが実行してもよい。
【００１３】
運転状態の乖離が許容範囲にある場合には設定値は調整されなくてもよい。つまり設定値は一定に保たれてもよい。例えば負荷に対して圧縮機の台数または能力に余裕がある場合には、設定値の調整を要することなく、すなわち圧縮機の並列配置自体によって運転状態の平準化が達せられることも期待される。よって、個々の機器に対して複数の圧縮機が並列の作動気体供給源または排出先となるシステム構成自体に利点があるとも言える。
【００１４】
よって、一実施形態に係る極低温システムは、複数の極低温機器と、複数の極低温機器に作動気体を給排するために、互いに並列に配置されている複数の圧縮機ユニットと、複数の極低温機器に作動気体を給排するために複数の極低温機器と複数の圧縮機ユニットとを接続する配管系と、を備えてもよい。この配管系は、複数の極低温機器と複数の圧縮機ユニットとの間の作動気体の流通を集約する共通ラインを含んでもよい。共通ラインは、複数の圧縮機ユニットの各々から送出される作動気体を集約して複数の極低温機器に供給するための供給ラインを備えてもよい。共通ラインは、複数の極低温機器から排出される作動気体を集約して複数の圧縮機ユニットへと戻すための戻りラインを備えてもよい。
【００１５】
配管系は、複数の圧縮機ユニットの各々に付随する供給用の個別配管及び戻り用の個別配管を含んでもよい。それぞれの個別配管によって複数の圧縮機ユニットの各々が共通ラインに接続されてもよい。その接続部はマニホールドであってもよい。同様に、配管系は、複数の極低温機器の各々に付随する個別配管を含んでもよく、それぞれの個別配管によって複数の極低温機器の各々が共通ラインに接続されてもよい。
【００１６】
一実施例においては、制御部は、複数の圧縮機ユニットのうちいずれかの圧縮機ユニットの制御出力と当該圧縮機ユニットとは別の圧縮機ユニットの制御出力との差を小さくするように、当該圧縮機ユニット及び別の圧縮機ユニットの少なくとも一方について設定値を調整してもよい。このように制御出力の差を小さくすることで、運転状態の平準化を実現してもよい。制御部は、各圧縮機ユニットに関連する測定値を各圧縮機ユニットについて設定されている目標値に近づけるように各圧縮機ユニットの制御出力を決定してもよい。制御出力は例えば、圧縮機ユニットの圧縮機本体を動作させるための圧縮機モータの運転周波数であってもよい。
【００１７】
好ましい一実施例においては、各圧縮機ユニットにおける吸入側と吐出側との差圧を目標差圧に一致させるよう各圧縮機ユニットへの制御出力が決定される差圧一定制御が実行されてもよい。差圧一定制御は例えば、圧縮機本体を動作させる圧縮機モータの運転周波数を制御出力として実行される。また、好ましい一実施例においては差圧一定制御とともに、各クライオポンプのクライオパネルを目標温度に冷却するよう各クライオポンプの冷凍機の運転周波数が制御される温調制御が実行されてもよい。差圧一定制御及び温調制御は後述のように省エネルギー性に寄与する。一実施例においては少なくとも差圧一定制御の実行中に少なくとも１つの圧縮機ユニットの目標差圧が調整されてもよい。差圧一定制御中の運転状態の平準化を実現することができる。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステム１０００の全体構成を模式的に示す図である。クライオポンプシステム１０００は、真空装置３００の真空排気をするために使用される。真空装置３００は真空環境で物体に処理をする真空処理装置であり、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の半導体製造工程で用いられる装置である。
【００１９】
クライオポンプシステム１０００は、複数台のクライオポンプ１０を含む。これらのクライオポンプ１０は、真空装置３００の１つまたは複数の真空チャンバ（図示せず）に取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルにまで高めるために使用される。クライオポンプ１０はクライオポンプコントローラ（以下ではＣＰコントローラとも称する）１００が決定した制御出力に従って運転される。例えば１０−５Ｐａ乃至１０−８Ｐａ程度の高い真空度が真空チャンバに実現される。図示の例ではクライオポンプシステム１０００に１１台のクライオポンプ１０が含まれる。複数のクライオポンプ１０はいずれも同一の排気性能をもつクライオポンプであってもよいし、異なる排気性能をもつクライオポンプであってもよい。
【００２０】
クライオポンプシステム１０００は、ＣＰコントローラ１００を備える。ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０及び圧縮機ユニット１０２、１０４を制御する。ＣＰコントローラ１００は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース、メモリ等を備える。また、ＣＰコントローラ１００は、真空装置３００を制御するためのホストコントローラ（図示せず）とも通信可能に構成されている。真空装置３００のホストコントローラはクライオポンプシステム１０００を含む真空装置３００の各構成要素を統括する上位のコントローラであるとも言える。
【００２１】
ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０及び圧縮機ユニット１０２、１０４とは別体に構成されている。ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０及び圧縮機ユニット１０２、１０４と互いに通信可能に接続されている。クライオポンプ１０はそれぞれ、ＣＰコントローラ１００と通信する入出力を処理するためのＩＯモジュール５０（図４参照）を備える。ＣＰコントローラ１００と各ＩＯモジュール５０とが制御通信線で接続される。図１ではクライオポンプ１０とＣＰコントローラ１００との制御通信線、及び圧縮機ユニット１０２、１０４とＣＰコントローラ１００との制御通信線を破線で示す。なおＣＰコントローラ１００は、いずれかのクライオポンプ１０または圧縮機ユニット１０２、１０４と一体に構成されていてもよい。
【００２２】
クライオポンプシステム１０００は、第１圧縮機ユニット１０２及び第２圧縮機ユニット１０４を少なくとも含む複数の圧縮機ユニットを備える。圧縮機ユニットはクライオポンプ１０を含む閉じた流体回路に作動気体を循環させるために設けられている。圧縮機ユニットはクライオポンプ１０から作動気体を回収し圧縮して再度クライオポンプ１０へと送出する。圧縮機ユニットは真空装置３００から離れて、または真空装置３００の近傍に設置されている。圧縮機ユニットは圧縮機コントローラ１６８（図４参照）が決定した制御出力に従って運転される。あるいはＣＰコントローラ１００が決定した制御出力に従って運転される。
【００２３】
以下では代表例として２台の圧縮機ユニット１０２、１０４をもつクライオポンプシステム１０００を説明するが、本発明はこれに限られない。これら圧縮機ユニット１０２、１０４と同様にして３台以上の圧縮機ユニットが複数のクライオポンプ１０に並列に接続されているクライオポンプシステム１０００を構成してもよい。なお図１に示すクライオポンプシステム１０００はクライオポンプ１０及び圧縮機ユニット１０２、１０４をそれぞれ複数備えているが、クライオポンプ１０または圧縮機ユニット１０２、１０４を１台としてもよい。
【００２４】
本実施例においては複数の圧縮機ユニットはいずれも同一の圧縮機ユニットである。端的に言えば、複数の圧縮機ユニットは同じ製品に属する。つまり複数の圧縮機ユニットは、装置のもつ個体差を除いて実質的に同一性能をもつとみなされる。他の一実施例においては複数の圧縮機ユニットは異なる圧縮機ユニットを含んでもよい。
【００２５】
複数のクライオポンプ１０と複数の圧縮機ユニット１０２、１０４とは作動気体配管系１０６によって接続される。配管系１０６は、複数のクライオポンプ１０と複数の圧縮機ユニット１０２、１０４とを互いに並列に接続し、複数のクライオポンプ１０と複数の圧縮機ユニット１０２、１０４との間で作動気体を流通させるよう構成されている。配管系１０６によって、１台のクライオポンプ１０に複数の圧縮機ユニットの各々が並列に接続され、１台の圧縮機ユニットに複数のクライオポンプ１０の各々が並列に接続されている。
【００２６】
配管系１０６は、内部配管１０８と外部配管１１０とを含んで構成される。内部配管１０８は真空装置３００の内部に形成されており、内部供給ライン１１２及び内部戻りライン１１４を含む。外部配管１１０は真空装置３００の外部に設置されており、外部供給ライン１２０及び外部戻りライン１２２を含む。外部配管１１０は真空装置３００と複数の圧縮機ユニット１０２、１０４とを接続する。
【００２７】
内部供給ライン１１２は各クライオポンプ１０の気体供給口４２に接続され（図２参照）、内部戻りライン１１４は各クライオポンプ１０の気体排出口４４に接続される（図２参照）。また、内部供給ライン１１２は真空装置３００の気体供給ポート１１６で外部配管１１０の外部供給ライン１２０の一端に接続され、内部戻りライン１１４は真空装置３００の気体排出ポート１１８で外部配管１１０の外部戻りライン１２２の一端に接続される。
【００２８】
外部供給ライン１２０の他端は第１マニホールド１２４に接続され、外部戻りライン１２２の他端は第２マニホールド１２６に接続されている。第１マニホールド１２４には、第１圧縮機ユニット１０２の第１吐出配管１２８及び第２圧縮機ユニット１０４の第２吐出配管１３０の一端が接続されている。第１吐出配管１２８及び第２吐出配管１３０の他端はそれぞれ、対応する各圧縮機ユニット１０２、１０４の吐出ポート１４８に接続されている（図３参照）。第２マニホールド１２６には、第１圧縮機ユニット１０２の第１吸入配管１３２及び第２圧縮機ユニット１０４の第２吸入配管１３４の一端が接続されている。第１吸入配管１３２及び第２吸入配管１３４の他端はそれぞれ、対応する各圧縮機ユニット１０２、１０４の吸入ポート１４６に接続されている（図３参照）。
【００２９】
このようにして、複数の圧縮機ユニット１０２、１０４の各々から送出される作動気体を集約して複数のクライオポンプ１０に供給するための共通の供給ラインが内部供給ライン１１２及び外部供給ライン１２０により構成されている。また、複数のクライオポンプ１０から排出される作動気体を集約して複数の圧縮機ユニット１０２、１０４へと戻すための共通の戻りラインが内部戻りライン１１４及び外部戻りライン１２２により構成されている。また、複数の圧縮機ユニットの各々は、各圧縮機ユニットに付随する個別配管を通じて共通ラインに接続されている。個別配管と共通ラインとの接続部には個別配管を合流させるためのマニホールドが設けられている。第１マニホールド１２４が供給側で個別配管を合流させ、第２マニホールド１２６が回収側で個別配管を合流させている。
【００３０】
図示の例では、真空装置３００は１つの気体供給ポート１１６及び１つの気体排出ポート１１８を備えているが、これに限られない。真空装置３００は複数の気体供給ポート１１６及び複数の気体排出ポート１１８を備えてもよい。この場合、複数の圧縮機ユニットの個別配管がそれぞれ対応する気体供給ポート及び気体排出ポートに接続されてもよい。
【００３１】
また、外部配管１１０が各クライオポンプ１０の気体供給口４２及び気体排出口４４に直接接続されるよう配管系１０６が構成されていてもよい。この場合、外部供給ライン１２０及び外部戻りライン１２２のそれぞれのクライオポンプ１０側の末端にもマニホールドが設けられ、各クライオポンプ１０へと共通ラインが分岐されていてもよい。
【００３２】
なお、各圧縮機ユニット１０２、１０４の吐出配管１２８、１３０及び吸入配管１３２、１３４にはそれぞれ、規定のガス流れ方向（図においては矢印の方向）とは逆方向の流れを規制するためのチェック弁が設けられていてもよい（図示せず）。同様に、供給ライン１１２、１２０、戻りライン１１４、１２２にもチェック弁が設けられていてもよい。
【００３３】
クライオポンプシステム１０００が使用される場所（例えば半導体製造工場）における各種装置のレイアウトによっては、上述の共通ラインは（図示とは異なり）相当の長さとなることもある。作動気体を共通ラインに集約することにより、複数の圧縮機の各々を別個に真空装置に接続する場合よりもトータルの配管長を短くすることができる。また、作動気体の供給対象（例えばクライオポンプシステム１０００においては個々のクライオポンプ１０）ごとに複数の圧縮機が接続される配管構成をとるので、冗長性もある。複数の圧縮機を個々の対象（例えばクライオポンプ）に並列に配置し運転することで、複数の圧縮機への負荷が分担されている。
【００３４】
図２は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す断面図である。クライオポンプ１０は、第１の冷却温度レベルに冷却される第１のクライオパネルと、第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される第２のクライオパネルと、を備える。第１のクライオパネルには、第１の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。例えば基準蒸気圧（例えば１０−８Ｐａ）よりも蒸気圧が低い気体が排気される。第２のクライオパネルには、第２の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。第２のクライオパネルには、蒸気圧が高いために第２の温度レベルにおいても凝縮しない非凝縮性気体を捕捉するために表面に吸着領域が形成される。吸着領域は例えばパネル表面に吸着剤を設けることにより形成される。非凝縮性気体は、第２の温度レベルに冷却された吸着領域に吸着されて排気される。
【００３５】
図２に示されるクライオポンプ１０は、冷凍機１２とパネル構造体１４と熱シールド１６とを備える。冷凍機１２は、作動気体を吸入して内部で膨張させて吐出する熱サイクルによって寒冷を発生する。パネル構造体１４は複数のクライオパネルを含み、これらのパネルは冷凍機１２により冷却される。パネル表面には気体を凝縮または吸着により捕捉して排気するための極低温面が形成される。クライオパネルの表面（例えば裏面）には通常、気体を吸着するための活性炭などの吸着剤が設けられる。熱シールド１６は、パネル構造体１４を周囲の輻射熱から保護するために設けられている。
【００３６】
クライオポンプ１０は、いわゆる縦型のクライオポンプである。縦型のクライオポンプとは、熱シールド１６の軸方向に沿って冷凍機１２が挿入されて配置されているクライオポンプである。なお、本発明はいわゆる横型のクライオポンプにも同様に適用することができる。横型のクライオポンプとは、熱シールド１６の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に冷凍機の第２段の冷却ステージが挿入され配置されているクライオポンプである。なお、図１には横型のクライオポンプ１０が模式的に示されている。
【００３７】
冷凍機１２は、ギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）である。また冷凍機１２は２段式の冷凍機であり、第１段シリンダ１８、第２段シリンダ２０、第１冷却ステージ２２、第２冷却ステージ２４、及び冷凍機モータ２６を有する。第１段シリンダ１８と第２段シリンダ２０とは直列に接続されており、互いに連結される第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサ（図示せず）がそれぞれ内蔵されている。第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサの内部には蓄冷材が組み込まれている。なお、冷凍機１２は２段ＧＭ冷凍機以外の冷凍機であってもよく、例えば単段ＧＭ冷凍機を用いてもよいし、パルスチューブ冷凍機やソルベイ冷凍機を用いてもよい。
【００３８】
冷凍機１２は、作動気体の吸入と吐出を周期的に繰り返すために作動気体の流路を周期的に切り替える流路切替機構を含む。流路切替機構は例えばバルブ部とバルブ部を駆動する駆動部とを含む。バルブ部は例えばロータリーバルブであり、駆動部はロータリーバルブを回転させるためのモータである。モータは、例えばＡＣモータまたはＤＣモータであってもよい。また流路切替機構はリニアモータにより駆動される直動式の機構であってもよい。
【００３９】
第１段シリンダ１８の一端に冷凍機モータ２６が設けられている。冷凍機モータ２６は、第１段シリンダ１８の端部に形成されているモータ用ハウジング２７の内部に設けられている。冷凍機モータ２６は、第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサのそれぞれが第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０の内部を往復動可能とするように第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサに接続される。また、冷凍機モータ２６は、モータ用ハウジング２７の内部に設けられている可動バルブ（図示せず）を正逆回転可能とするように当該バルブに接続される。
【００４０】
第１冷却ステージ２２は、第１段シリンダ１８の第２段シリンダ２０側の端部すなわち第１段シリンダ１８と第２段シリンダ２０との連結部に設けられている。また、第２冷却ステージ２４は第２段シリンダ２０の末端に設けられている。第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４はそれぞれ第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０に例えばろう付けで固定される。
【００４１】
モータ用ハウジング２７の外側に設けられている気体供給口４２及び気体排出口４４を通じて冷凍機１２は圧縮機ユニット１０２または１０４に接続される。クライオポンプ１０と圧縮機ユニット１０２、１０４との接続関係については図１を参照して説明したとおりである。
【００４２】
冷凍機１２は、圧縮機ユニット１０２、１０４から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム等）を内部で膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４に寒冷を発生させる。圧縮機ユニット１０２、１０４は、冷凍機１２で膨張した作動気体を回収し再び加圧して冷凍機１２に供給する。
【００４３】
具体的には、まず圧縮機ユニット１０２、１０４から冷凍機１２に高圧の作動気体が供給される。このとき、冷凍機モータ２６は、気体供給口４２と冷凍機１２の内部空間とを連通する状態にモータ用ハウジング２７内部の可動バルブを駆動する。冷凍機１２の内部空間が高圧の作動気体で満たされると、冷凍機モータ２６により可動バルブが切り替えられて冷凍機１２の内部空間が気体排出口４４に連通される。これにより作動気体は膨張して圧縮機ユニット１０２、１０４へと回収される。可動バルブの動作に同期して、第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサのそれぞれが第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０の内部を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで冷凍機１２は第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４に寒冷を発生させる。
【００４４】
第２冷却ステージ２４は第１冷却ステージ２２よりも低温に冷却される。第２冷却ステージ２４は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１冷却ステージ２２は例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。第１冷却ステージ２２には第１冷却ステージ２２の温度を測定するための第１温度センサ２３が取り付けられており、第２冷却ステージ２４には第２冷却ステージ２４の温度を測定するための第２温度センサ２５が取り付けられている。
【００４５】
冷凍機１２の第１冷却ステージ２２には熱シールド１６が熱的に接続された状態で固定され、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４にはパネル構造体１４が熱的に接続された状態で固定されている。このため、熱シールド１６は第１冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却され、パネル構造体１４は第２冷却ステージ２４と同程度の温度に冷却される。熱シールド１６は一端に開口部３１を有する円筒状の形状に形成されている。開口部３１は熱シールド１６の筒状側面の端部内面により画定される。
【００４６】
一方、熱シールド１６の開口部３１とは反対側つまりポンプ底部側の他端には閉塞部２８が形成されている。閉塞部２８は、熱シールド１６の円筒状側面のポンプ底部側端部において径方向内側に向けて延びるフランジ部により形成される。図２に示されるクライオポンプ１０は縦型のクライオポンプであるので、このフランジ部が冷凍機１２の第１冷却ステージ２２に取り付けられている。これにより、熱シールド１６内部に円柱状の内部空間３０が形成される。冷凍機１２は熱シールド１６の中心軸に沿って内部空間３０に突出しており、第２冷却ステージ２４は内部空間３０に挿入された状態となっている。
【００４７】
なお、横型のクライオポンプの場合には、閉塞部２８は通常完全に閉塞されている。冷凍機１２は、熱シールド１６の側面に形成されている冷凍機取付用の開口部から熱シールド１６の中心軸に直交する方向に沿って内部空間３０に突出して配置される。冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は熱シールド１６の冷凍機取付用開口部に取り付けられ、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４は内部空間３０に配置される。第２冷却ステージ２４にはパネル構造体１４が取り付けられる。よって、パネル構造体１４は熱シールド１６の内部空間３０に配置される。パネル構造体１４は、適当な形状のパネル取付部材を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられてもよい。
【００４８】
また熱シールド１６の開口部３１にはバッフル３２が設けられている。バッフル３２は、パネル構造体１４とは熱シールド１６の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。バッフル３２は、熱シールド１６の開口部３１側の端部に取り付けられており、熱シールド１６と同程度の温度に冷却される。バッフル３２は、真空チャンバ８０側から見たときに例えば同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。なお、バッフル３２と真空チャンバ８０との間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられている。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバ８０を排気するときに開とされる。真空チャンバ８０は例えば図１に示す真空装置３００に設けられている。
【００４９】
熱シールド１６、バッフル３２、パネル構造体１４、及び冷凍機１２の第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４は、ポンプケース３４の内部に収容されている。ポンプケース３４は径の異なる２つの円筒を直列に接続して形成されている。ポンプケース３４の大径の円筒側端部は開放され、真空チャンバ８０との接続用のフランジ部３６が径方向外側へと延びて形成されている。またポンプケース３４の小径の円筒側端部は冷凍機１２のモータ用ハウジング２７に固定されている。クライオポンプ１０はポンプケース３４のフランジ部３６を介して真空チャンバ８０の排気用開口に気密に固定され、真空チャンバ８０の内部空間と一体の気密空間が形成される。ポンプケース３４及び熱シールド１６はともに円筒状に形成されており、同軸に配設されている。ポンプケース３４の内径が熱シールド１６の外径を若干上回っているので、熱シールド１６はポンプケース３４の内面との間に若干の間隔をもって配置される。
【００５０】
クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプを用いて真空チャンバ８０内部を１Ｐａ〜１０Ｐａ程度にまで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１２の駆動により第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４が冷却され、これらに熱的に接続されている熱シールド１６、バッフル３２、パネル構造体１４も冷却される。
【００５１】
冷却されたバッフル３２は、真空チャンバ８０からクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。バッフル３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はバッフル３２を通過して熱シールド１６内部へと進入する。進入した気体分子のうちパネル構造体１４の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えばアルゴンなど）は、パネル構造体１４の表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、パネル構造体１４の表面に接着され冷却されている吸着剤により吸着されて排気される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバ８０内部の真空度を所望のレベルに到達させることができる。
【００５２】
図３は、本発明の一実施形態に係る第１圧縮機ユニット１０２を模式的に示す図である。本実施例においては第２圧縮機ユニット１０４も第１圧縮機ユニット１０２と同様の構成をもつ。圧縮機ユニット１０２は、気体を昇圧する圧縮機本体１４０、外部から供給された低圧気体を圧縮機本体１４０へと供給するための低圧配管１４２、及び、圧縮機本体１４０により圧縮された高圧気体を外部に送出するための高圧配管１４４を含んで構成される。
【００５３】
図１に示すように、低圧気体は第１吸入配管１３２を通じて第１圧縮機ユニット１０２に供給される。第１圧縮機ユニット１０２は吸入ポート１４６にてクライオポンプ１０からの戻りガスを受け入れ、低圧配管１４２へと作動気体は送られる。吸入ポート１４６は、低圧配管１４２の末端において第１圧縮機ユニット１０２の筐体に設けられている。低圧配管１４２は吸入ポート１４６と圧縮機本体１４０の吸入口とを接続する。
【００５４】
低圧配管１４２は中途に、戻りガスに含まれる脈動を除去するための容積としてのストレージタンク１５０を備える。ストレージタンク１５０は吸入ポート１４６と、後述するバイパス機構１５２への分岐との間に設けられている。ストレージタンク１５０で脈動が除去された作動気体は、低圧配管１４２を通じて圧縮機本体１４０に供給される。ストレージタンク１５０の内部には、気体から不要な微粒子等を取り除くためのフィルタが設けられていてもよい。ストレージタンク１５０と吸入ポート１４６との間には、外部から作動気体を補充するための受入ポート及び配管が接続されていてもよい。
【００５５】
圧縮機本体１４０は、例えばスクロール方式或いはロータリ式のポンプであり、吸入されたガスを昇圧する機能を奏するものである。圧縮機本体１４０は、昇圧された作動気体を高圧配管１４４に送り出す。圧縮機本体１４０はオイルを用いて冷却を行う構成とされており、オイルを循環させるオイル冷却配管が圧縮機本体１４０に付随して設けられている。このため、昇圧された作動気体はこのオイルが若干混入した状態で高圧配管１４４に送り出される。
【００５６】
よって、高圧配管１４４にはその中途にオイルセパレータ１５４が設けられている。オイルセパレータ１５４にて作動気体から分離されたオイルは低圧配管１４２へと戻され、低圧配管１４２を通じて圧縮機本体１４０に戻されてもよい。オイルセパレータ１５４には過度の高圧を解放するためのリリーフ弁が設けられていてもよい。
【００５７】
圧縮機本体１４０とオイルセパレータ１５４とを接続する高圧配管１４４の中途に、圧縮機本体１４０から送出された高圧作動気体を冷却するための熱交換器が設けられていてもよい（図示せず）。熱交換器は例えば冷却水により作動気体を冷却する。またこの冷却水は圧縮機本体１４０を冷却するオイルを冷却するためにも利用されてもよい。高圧配管１４４において熱交換器の上流及び下流の少なくとも一方に作動気体の温度を測定する温度センサが設けられていてもよい。
【００５８】
オイルセパレータ１５４を経由した作動気体は、高圧配管１４４を通じてアドソーバ１５６に送られる。アドソーバ１５６は、例えばストレージタンク１５０内のフィルタやオイルセパレータ１５４等の流路上の汚染物質除去手段により取り切れていない汚染成分を作動気体から取り除くために設けられている。アドソーバ１５６は、例えば気化しているオイル成分を吸着により除去する。
【００５９】
吐出ポート１４８が高圧配管１４４の末端において第１圧縮機ユニット１０２の筐体に設けられている。すなわち高圧配管１４４は圧縮機本体１４０と吐出ポート１４８とを接続し、その中途にオイルセパレータ１５４及びアドソーバ１５６が設けられている。アドソーバ１５６を経由した作動気体は吐出ポート１４８を通じてクライオポンプ１０へと送出される。
【００６０】
第１圧縮機ユニット１０２は、低圧配管１４２と高圧配管１４４とをつなぐバイパス配管１５８を有するバイパス機構１５２を備える。図示の実施例では、バイパス配管１５８は、ストレージタンク１５０と圧縮機本体１４０との間において低圧配管１４２から分岐している。また、バイパス配管１５８は、オイルセパレータ１５４とアドソーバ１５６との間において高圧配管１４４から分岐している。
【００６１】
バイパス機構１５２は、クライオポンプ１０へと送出されずに高圧配管１４４から低圧配管１４２へと迂回する作動気体流量を制御するための制御弁を備える。図示の実施例においては、バイパス配管１５８の中途に第１制御弁１６０及び第２制御弁１６２が並列に設けられている。第１制御弁１６０及び第２制御弁１６２は例えば常閉型または常開型のソレノイドバルブである。本実施例においては第２制御弁１６２がバイパス配管１５８の流量制御弁として使用される。以下では第２制御弁１６２をリリーフ弁１６２とも呼ぶ。
【００６２】
第１圧縮機ユニット１０２は、クライオポンプ１０からの戻りガスの圧力を測定するための第１圧力センサ１６４と、クライオポンプ１０への送出ガスの圧力を測定するための第２圧力センサ１６６と、を備える。第１圧縮機ユニット１０２の動作中は送出ガスのほうが戻りガスよりも高圧であるから、以下では第１圧力センサ１６４及び第２圧力センサ１６６をそれぞれ、低圧センサ及び高圧センサと呼ぶこともある。
【００６３】
第１圧力センサ１６４は低圧配管１４２の圧力を測定し、第２圧力センサ１６６は高圧配管１４４の圧力を測定するよう設けられている。第１圧力センサ１６４は例えばストレージタンク１５０に設置されており、ストレージタンク１５０において脈動が除去された戻りガスの圧力を測定する。第１圧力センサ１６４は低圧配管１４２の任意の位置に設けられていてもよい。第２圧力センサ１６６はオイルセパレータ１５４とアドソーバ１５６との間に設けられている。第２圧力センサ１６６は高圧配管１４４の任意の位置に設けられていてもよい。
【００６４】
なお、第１圧力センサ１６４及び第２圧力センサ１６６は、第１圧縮機ユニット１０２の外部に設けられていてもよく、例えば第１吸入配管１３２及び第１吐出配管１２８に設けられていてもよい。また、バイパス機構１５２も第１圧縮機ユニット１０２の外部に設けられていてもよく、例えば第１吸入配管１３２と第１吐出配管１２８とをバイパス配管１５８が接続していてもよい。
【００６５】
図４は、本実施形態に係るクライオポンプシステム１０００に関する制御ブロック図である。図４は、本発明の一実施形態に関連するクライオポンプシステム１０００の主要部分を示している。複数のクライオポンプ１０のうち１つについて内部の詳細を示し、他のクライオポンプ１０については同様であるので図示を省略する。同様に、第１圧縮機ユニット１０２について詳細を示し、第２圧縮機ユニット１０４はそれと同様であるので内部の図示を省略する。
【００６６】
ＣＰコントローラ１００は上述のように、各クライオポンプ１０のＩＯモジュール５０に通信可能に接続されている。ＩＯモジュール５０は、冷凍機インバータ５２及び信号処理部５４を含む。冷凍機インバータ５２は外部電源例えば商用電源から供給される規定の電圧及び周波数の電力を調整し冷凍機モータ２６に供給する。冷凍機モータ２６に供給されるべき電圧及び周波数はＣＰコントローラ１００により制御される。
【００６７】
ＣＰコントローラ１００はセンサ出力信号に基づいて制御出力を決定する。信号処理部５４は、ＣＰコントローラ１００から送信された制御出力を冷凍機インバータ５２へと中継する。例えば、信号処理部５４はＣＰコントローラ１００からの制御信号を冷凍機インバータ５２で処理可能な信号に変換して冷凍機インバータ５２に送信する。制御信号は冷凍機モータ２６の運転周波数を表す信号を含む。また、信号処理部５４は、クライオポンプ１０の各種センサの出力をＣＰコントローラ１００へと中継する。例えば、信号処理部５４はセンサ出力信号をＣＰコントローラ１００で処理可能な信号に変換してＣＰコントローラ１００に送信する。
【００６８】
ＩＯモジュール５０の信号処理部５４には、第１温度センサ２３及び第２温度センサ２５を含む各種センサが接続されている。上述のように第１温度センサ２３は冷凍機１２の第１冷却ステージ２２の温度を測定し、第２温度センサ２５は冷凍機１２の第２冷却ステージ２４の温度を測定する。第１温度センサ２３及び第２温度センサ２５はそれぞれ、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４の温度を周期的に測定し、測定温度を示す信号を出力する。第１温度センサ２３及び第２温度センサ２５の測定値は、所定時間おきにＣＰコントローラ１００へと入力され、ＣＰコントローラ１００の所定の記憶領域に格納保持される。
【００６９】
ＣＰコントローラ１００は、クライオパネルの温度に基づいて冷凍機１２を制御する。ＣＰコントローラ１００は、クライオパネルの実温度が目標温度に追従するように冷凍機１２に運転指令を与える。例えば、ＣＰコントローラ１００は、第１段のクライオパネルの目標温度と第１温度センサ２３の測定温度との偏差を最小化するようにフィードバック制御により冷凍機モータ２６の運転周波数を制御する。冷凍機モータ２６の運転周波数に応じて冷凍機１２の熱サイクルの周波数が定まる。第１段のクライオパネルの目標温度は例えば、真空チャンバ８０で行われるプロセスに応じて仕様として定められる。この場合、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４及びパネル構造体１４は、冷凍機１２の仕様及び外部からの熱負荷によって定まる温度に冷却される。
【００７０】
第１温度センサ２３の測定温度が目標温度よりも高温である場合には、ＣＰコントローラ１００は、冷凍機モータ２６の運転周波数を増加するようＩＯモジュール５０に指令値を出力する。モータ運転周波数の増加に連動して冷凍機１２における熱サイクルの周波数も増加され、冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は目標温度に向けて冷却される。逆に第１温度センサ２３の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、冷凍機モータ２６の運転周波数は減少されて冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は目標温度に向けて昇温される。
【００７１】
通常は、第１冷却ステージ２２の目標温度は一定値に設定される。よって、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０への熱負荷が増加したときに冷凍機モータ２６の運転周波数を増加するように指令値を出力し、クライオポンプ１０への熱負荷が減少したときに冷凍機モータ２６の運転周波数を減少するように指令値を出力する。なお、目標温度は適宜変動させてもよく、例えば、目標とする雰囲気圧力を排気対象容積に実現するようにクライオパネルの目標温度を逐次設定するようにしてもよい。またＣＰコントローラ１００は、第２段のクライオパネルの実温度を目標温度に一致させるように冷凍機モータ２６の運転周波数を制御してもよい。
【００７２】
典型的なクライオポンプにおいては、熱サイクルの周波数は常に一定とされている。常温からポンプ動作温度への急冷却を可能とするように比較的大きい周波数で運転するよう設定され、外部からの熱負荷が小さい場合にはヒータにより加熱することでクライオパネルの温度を調整する。よって、消費電力が大きくなる。これに対して本実施形態においては、クライオポンプ１０への熱負荷に応じて熱サイクル周波数を制御するため、省エネルギー性に優れるクライオポンプを実現することができる。また、ヒータを必ずしも設ける必要がなくなることも消費電力の低減に寄与する。
【００７３】
ＣＰコントローラ１００は、圧縮機コントローラ１６８に通信可能に接続されている。本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステム１０００の制御部は、ＣＰコントローラ１００及び圧縮機コントローラ１６８を含む複数のコントローラで構成されている。他の一実施例においては、クライオポンプシステム１０００の制御部は単一のＣＰコントローラ１００によって構成されていてもよく、圧縮機ユニット１０２、１０４には圧縮機コントローラ１６８に代えてＩＯモジュールを設けてもよい。この場合ＩＯモジュールはＣＰコントローラ１００と圧縮機ユニット１０２、１０４の各構成要素との間で制御信号を中継する。
【００７４】
圧縮機コントローラ１６８は、ＣＰコントローラ１００からの制御信号に基づいて、またはＣＰコントローラ１００から独立して、第１圧縮機ユニット１０２を制御する。一実施例においては、圧縮機コントローラ１６８は、ＣＰコントローラ１００から各種の設定値を表す信号を受信し、その設定値を使用して第１圧縮機ユニット１０２を制御する。圧縮機コントローラ１６８はセンサ出力信号に基づいて制御出力を決定する。圧縮機コントローラ１６８は、ＣＰコントローラ１００と同様に、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース、メモリ等を備える。
【００７５】
また、圧縮機コントローラ１６８は、第１圧縮機ユニット１０２の運転状態を表す信号をＣＰコントローラ１００に送信する。運転状態を表す信号は例えば、第１圧力センサ１６４及び第２圧力センサ１６６の測定圧力、リリーフ弁１６２の開度または制御電流、圧縮機モータ１７２の運転周波数などを含む。
【００７６】
第１圧縮機ユニット１０２は、圧縮機インバータ１７０及び圧縮機モータ１７２を含む。圧縮機モータ１７２は、圧縮機本体１４０を動作させ運転周波数が可変であるモータであり、圧縮機本体１４０に設けられている。冷凍機モータ２６と同様に圧縮機モータ１７２として各種のモータを採用することができる。圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機インバータ１７０を制御する。圧縮機インバータ１７０は外部電源例えば商用電源から供給される規定の電圧及び周波数の電力を調整し圧縮機モータ１７２に供給する。圧縮機モータ１７２に供給されるべき電圧及び周波数は圧縮機コントローラ１６８により決定される。
【００７７】
圧縮機コントローラ１６８には、第１圧力センサ１６４及び第２圧力センサ１６６を含む各種センサが接続されている。上述のように第１圧力センサ１６４は圧縮機本体１４０吸入側の圧力を周期的に測定し、第２圧力センサ１６６は圧縮機本体１４０の吐出側の圧力を周期的に測定する。第１圧力センサ１６４及び第２圧力センサ１６６の測定値は、所定時間おきに圧縮機コントローラ１６８へと入力され、圧縮機コントローラ１６８の所定の記憶領域に格納保持される。
【００７８】
圧縮機コントローラ１６８には、上述のリリーフ弁１６２が接続されている。リリーフ弁１６２を駆動するためのリリーフ弁ドライバ１７４がリリーフ弁１６２に付随して設けられており、リリーフ弁ドライバ１７４が圧縮機コントローラ１６８に接続されている。圧縮機コントローラ１６８はリリーフ弁１６２の開度を決定し、その開度を表す制御信号をリリーフ弁ドライバ１７４に与える。リリーフ弁ドライバ１７４は、リリーフ弁１６２をその開度に制御する。こうしてバイパス機構１５２の作動気体流量が制御される。リリーフ弁ドライバ１７４は、圧縮機コントローラ１６８に組み込まれていてもよい。
【００７９】
圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機ユニット１０２の出入口間の差圧（以下では圧縮機差圧ということもある）を目標差圧に維持するように圧縮機本体１４０を制御する。例えば、圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機ユニット１０２の出入口間の差圧を一定値とするようにフィードバック制御を実行する。一実施例においては、圧縮機コントローラ１６８は、第１圧力センサ１６４及び第２圧力センサ１６６の測定値から圧縮機差圧を求める。圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機差圧を目標値に一致させるように圧縮機モータ１７２の運転周波数を決定する。圧縮機コントローラ１６８は、その運転周波数を実現するよう圧縮機インバータ１７０を制御する。
【００８０】
このような差圧一定制御により、更なる消費電力の低減が実現される。クライオポンプ１０及び冷凍機１２への熱負荷が小さい場合には、上述のクライオパネル温調制御により冷凍機１２での熱サイクル周波数は小さくなる。そうすると、冷凍機１２で必要とされる作動気体流量は小さくなるから、圧縮機ユニット１０２の出入口間差圧は拡大しようとする。しかし、本実施形態では圧縮機差圧を一定にするように圧縮機モータ１７２の運転周波数が制御される。この場合、差圧を目標値へと縮小するよう圧縮機モータ１７２の運転周波数は小さくなる。したがって、典型的なクライオポンプのように常に一定の運転周波数で圧縮機を運転する場合に比べて、消費電力を低減することができる。
【００８１】
一方、クライオポンプ１０への熱負荷が大きくなったときには、圧縮機差圧を一定にするよう圧縮機モータ１７２の運転周波数が増加される。このため、冷凍機１２への作動気体流量を十分に確保することができるので、熱負荷の増加に起因するクライオパネル温度の目標温度からの乖離を最小限に抑えることができる。
【００８２】
図５は、本発明の一実施形態に係る差圧一定制御の制御フローを説明するための図である。図５には一実施例に係る制御フローの概要が示されている。制御出力として圧縮機モータ１７２の運転周波数とリリーフ弁１６２の開度とを組み合わせて差圧一定制御が実行される。他の一実施例においては、圧縮機モータ１７２の運転周波数及びリリーフ弁１６２の開度の一方を制御出力として差圧一定制御が実行されてもよい。
【００８３】
図５に示される制御処理は、クライオポンプ１０の運転中に所定の周期で圧縮機コントローラ１６８により繰り返し実行される。この処理は、各圧縮機ユニット１０２、１０４それぞれの圧縮機コントローラ１６８において他の圧縮機ユニット１０２、１０４から独立して実行される。図５においては圧縮機コントローラ１６８における演算処理を示す部分を破線で区画し、圧縮機ユニット１０２、１０４のハードウェアの動作を示す部分を一点鎖線で区画している。
【００８４】
図５に示されるように、圧縮機コントローラ１６８には目標差圧が予め設定され入力されている。目標差圧は例えばＣＰコントローラ１００において設定され、圧縮機コントローラ１６８に与えられる。第１圧力センサ１６４により吸入側の測定圧ＰＬが測定され、第２圧力センサ１６６により吐出側の測定圧ＰＨが測定され、各センサから圧縮機コントローラ１６８に与えられる。通常の動作時には第１圧力センサ１６４の測定圧ＰＬのほうが第２圧力センサ１６６の測定圧ＰＨよりも低圧である。
【００８５】
圧縮機コントローラ１６８は、吐出側測定圧ＰＨから吸入側測定圧ＰＬを減じて測定差圧ΔＰを求め、さらに設定差圧ΔＰ０から測定差圧ΔＰを減じて差圧偏差ｅを求める。圧縮機コントローラ１６８は、例えばＰＩＤ演算を含む所定の制御出力演算処理により差圧偏差ｅから制御出力Ｄを算出する。
【００８６】
圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機インバータ１７０に与える制御出力Ｄ１とリリーフ弁１６２に与える制御出力Ｄ２とに制御出力Ｄを配分する出力配分処理を行う。一実施例においては、圧縮機コントローラ１６８は、制御出力Ｄが所定のしきい値より小さい場合に制御出力Ｄの大半をリリーフ弁制御出力Ｄ２に割り当ててもよい。例えば制御出力Ｄのうち、圧縮機の運転に必要な最小限の制御出力をインバータ制御出力Ｄ１に割り当てて、残りの全ての制御出力をリリーフ弁制御出力Ｄ２に割り当ててもよい。また、制御出力Ｄがそのしきい値以上である場合に制御出力Ｄをすべてインバータ制御出力Ｄ１に割り当ててもよい（すなわちＤ＝Ｄ１）。
【００８７】
このようにすれば、必要とされる制御出力が比較的小さい場合にはリリーフ弁の制御により高圧側から低圧側に圧が逃がされて圧縮機差圧が所望の値に調整される。その一方、必要とされる制御出力が比較的大きい場合にはインバータ制御により圧縮機の運転が調整されて必要な運転状態が実現される。なお、インバータ制御とリリーフ弁制御とをあるしきい値で切り替える代わりに、制御出力Ｄがしきい値を含む中間範囲にある場合に、あるいは制御出力Ｄの全範囲にわたって、制御出力Ｄをインバータ制御出力Ｄ１とリリーフ弁制御出力Ｄ２とに分配するようにしてもよい。
【００８８】
圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機インバータ１７０に与える指令値Ｅをインバータ制御出力Ｄ１から演算し、リリーフ弁ドライバ１７４に与える指令値Ｒをリリーフ弁制御出力Ｄ２から演算する。インバータ指令値Ｅは圧縮機インバータ１７０に与えられ、その指令に従って圧縮機本体１４０すなわち圧縮機モータ１７２の運転周波数が制御される。また、リリーフ弁指令値Ｒはリリーフ弁ドライバ１７４に与えられ、その指令に従ってリリーフ弁１６２の開度が制御される。圧縮機本体１４０及びリリーフ弁１６２の動作状態、及び関連する配管やタンク等の特性によって作動気体であるヘリウムの圧力が決まる。こうして決まったヘリウム圧力が第１圧力センサ１６４及び第２圧力センサ１６６により測定される。
【００８９】
このようにして、各圧縮機ユニット１０２、１０４においては各々の圧縮機コントローラ１６８によって独立に差圧一定制御が実行される。圧縮機コントローラ１６８は、差圧偏差ｅを最小化する（好ましくはゼロにする）ようフィードバック制御を実行する。圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機の運転周波数を操作量とするインバータ制御モードと、リリーフ弁開度を操作量とするリリーフ弁制御モードとを切り替えて、または併用してフィードバック制御を行う。
【００９０】
一実施例においては、設定目標差圧は、後述する設定値調整を除いて一定に保たれる。また、目標差圧以外の設定値が調整されてもよい。例えば制御出力を演算するＰＩＤ演算に使用されるゲインや、制御出力配分処理における配分比率や上述のしきい値など、制御出力を決定するために使用される任意の設定値が調整されてもよい。なお、いずれの制御モードで設定値調整がなされてもよいが、少なくともインバータ制御モードにおいて設定値調整をすることが好ましい。
【００９１】
図５に示す偏差ｅは差圧の偏差には限られない。一実施例においては、圧縮機コントローラ１６８は、吐出側測定圧ＰＨと設定圧との偏差から制御出力を演算する吐出圧制御を実行してもよい。この場合、設定圧は、圧縮機の吐出側圧力の上限値であってもよい。圧縮機コントローラ１６８は、吐出側測定圧ＰＨがこの上限値を上回ったときに吐出側測定圧ＰＨとの偏差から制御出力を演算してもよい。上限値は例えばクライオポンプ１０の排気能力を保証する圧縮機の最高吐出圧に基づき適宜経験的または実験的に設定してもよい。このようにすれば、吐出圧の過度の上昇を抑え、安全性をより高めることが可能となる。
【００９２】
また、一実施例においては、圧縮機コントローラ１６８は、吸入側測定圧ＰＬと設定圧との偏差から制御出力を演算する吸入圧制御を実行してもよい。この場合、設定圧は、圧縮機の吸入側圧力の下限値であってもよい。圧縮機コントローラ１６８は、吸入側測定圧ＰＬがこの下限値を下回ったときに吸入側測定圧ＰＬとの偏差から制御出力を演算してもよい。下限値は例えばクライオポンプ１０の排気能力を保証する圧縮機の最低吸入圧に基づき適宜経験的または実験的に設定してもよい。このようにすれば、吸入圧の低下に伴う作動気体流量の低下に起因する圧縮機本体の過度の温度上昇を抑えることが可能となる。圧縮機コントローラ１６８は、測定圧に基づいて上述の差圧一定制御、吐出圧制御、及び吸入圧制御を選択して実行してもよい。後述の設定値調整は、いずれの制御が選択されているときに実行されてもよい。
【００９３】
ところで、図１に示すように複数台の圧縮機ユニットを並列にクライオポンプシステム１０００に適用した場合には、各圧縮機ユニットは共通の負荷（すなわち複数のクライオポンプ１０）を均等に分担することになる。よって、各圧縮機ユニットの運転状態は概ね同様となることが期待される。
【００９４】
しかし、実際には、各圧縮機ユニットの運転周波数が時間とともに乖離する現象が発生することを本発明者は見出した。２台の圧縮機をクライオポンプシステム１０００においてある時間継続して並列に運転したときに一方の圧縮機の運転周波数が他方の圧縮機よりも常に高くなる傾向をもつことが観察された。例えば運転開始当初はともに５０Ｈｚの運転周波数であったにもかかわらず、その後一方が３０Ｈｚの運転に落ち着き他方が７０Ｈｘの高負荷運転となった。一方の圧縮機が継続的に高い負荷にさらされることとなり、システム全体の長寿命化に不利となりうる。
【００９５】
この乖離は圧縮機の個体差に起因すると考えられる。個体差は、圧縮機本体またはそれに付随して設けられているセンサやその他の機器類の個体差を含む。あるいは、各圧縮機とクライオポンプとを接続する個別的な配管の物理的な違い、例えば長さや取り回しの違いに起因すると考えられる。
【００９６】
そこで、本発明の一実施形態においては、圧縮機ユニットの個体差を補償するよう制御上の設定を変更する。これにより、複数の圧縮機ユニットの運転状態を平準化することができ、特定の圧縮機が集中的に運転されることを避け各々の圧縮機で適切に負荷を分担することができる。圧縮機ユニットの接続先である装置の性能に実質的に何ら影響を及ぼさない程度の設定の微調整によって、個体差に起因する運転状態の乖離を十分に抑制することが可能であることが実験的に確認されている。
【００９７】
図６は、本発明の一実施形態に係る設定値調整処理を説明するためのフローチャートである。図６に示される処理は、複数台の圧縮機ユニットが同時に運転されているときに所定の周期でＣＰコントローラ１００により繰り返し実行される。ＣＰコントローラ１００は、各圧縮機ユニットの圧縮機コントローラ１６８の制御出力を監視する上位コントローラとして機能する。ＣＰコントローラ１００は、相対的に大きい制御出力の圧縮機ユニットが存在する場合に、いずれかの圧縮機ユニットに関連する設定値を微調整し、各圧縮機ユニットの制御出力が結果として等しくなるようにしている。
【００９８】
なお、運転されている圧縮機ユニットが１台のみとなったときは調整処理は中止され、再び複数台の運転が開始されたときに調整処理が再開される。また、差圧一定制御が実行されているときに調整処理が行われることが好ましい。この調整処理は、圧縮機ユニットの接続先の装置の状態にかかわらず実行されてもよい。例えば、クライオポンプ１０が通常の排気運転中であるか再生運転中であるかにかかわらず実行されてもよい。
【００９９】
図６に示すように、ＣＰコントローラ１００は、判定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ１０）。この判定時間は、複数の圧縮機ユニット間で運転状態がある程度乖離するのに要する時間として実験的にまたは経験的に適宜設定することができる。例えば１時間である。前回の処理からの経過時間が判定時間を超えていない場合には（Ｓ１０のＮ）、ＣＰコントローラ１００は処理を終了する。
【０１００】
前回の処理からの経過時間が判定時間に達している場合には（Ｓ１０のＹ）、ＣＰコントローラ１００は、複数の圧縮機ユニット間で制御出力の乖離が大きくなっているか否かを判定する（Ｓ１２）。例えば、２台の圧縮機ユニットが同時に運転されている状態においては、ＣＰコントローラ１００は、それら２台の圧縮機ユニットの制御出力の差がしきい値を超えるか否かを判定する。このしきい値は、２台の圧縮機ユニットに許容できる制御出力差として適宜設定することができる。制御出力は例えば、圧縮機インバータ１７０への制御出力または圧縮機モータ１７２の運転周波数であってもよい。制御出力はリリーフ弁ドライバ１７４への制御出力またはリリーフ弁１６２の制御電流であってもよい。
【０１０１】
３台以上の圧縮機ユニットが同時に運転されている状態においては、例えば最大の制御出力の圧縮機ユニットと最小の制御出力の圧縮機ユニットとの制御出力の差がしきい値を超えるか否かを判定してもよい。あるいは、最大の制御出力の圧縮機ユニットの制御出力と、各圧縮機ユニットの制御出力の平均値との差がしきい値を超えるか否かを判定してもよい。すなわち、ＣＰコントローラ１００は、相対的に高負荷の運転状態にある圧縮機ユニットが存在するか否かを判定するためのいかなる判定基準を用いてもよい。
【０１０２】
複数の圧縮機ユニット間で制御出力の乖離が小さいと判定された場合には（Ｓ１２のＮ）、ＣＰコントローラ１００は本調整処理を終了する。一方、複数の圧縮機ユニット間で制御出力の乖離が大きいと判定された場合には（Ｓ１２のＹ）、ＣＰコントローラ１００は、設定値の調整処理を実行する（Ｓ１４）。一実施例においては、差圧一定制御の目標差圧ΔＰ０を調整する（図５参照）。調整処理により設定値を変更したら、ＣＰコントローラ１００は本調整処理を終了する。
【０１０３】
一実施例においては、ＣＰコントローラ１００は、図７に示す調整テーブルに従って調整処理を実行する。ＣＰコントローラ１００は、圧縮機コントローラ１６８の例えばメモリに保持されている設定値を調整テーブルに従って更新する。図７は、本発明の一実施形態に係る調整処理で使用される調整テーブルを示す図である。図７に示すテーブルは２台の圧縮機ユニットが同時に運転されている状態において使用される調整テーブルの一例である。図７に示すテーブルに記載される記号Ａは１台目の圧縮機ユニットを示し、記号Ｂは２台目の圧縮機ユニットを示す。図７に示すテーブルの左欄は、（ｉ）２台の圧縮機ユニットの設定目標差圧が等しい場合の調整法を示す。テーブルの中央欄は、（ｉｉ）一方の圧縮機ユニットＡのほうが設定目標差圧が大きい場合を示し、テーブルの右欄は、（ｉｉｉ）他方の圧縮機ユニットＢのほうが設定目標差圧が大きい場合を示す。
【０１０４】
いずれの場合においても２台の圧縮機ユニットＡ、Ｂの制御出力の一例としての運転周波数の差が所定値（図７においては１０Ｈｚ）より小さい場合には、目標差圧ΔＰ０を変更せず一定に維持する。運転周波数の差が小さければ運転状態の乖離がないと評価できるので、調整の必要もないからである。
【０１０５】
運転周波数の差が所定値（図７においては１０Ｈｚ）以上の場合を説明する。（ｉ）２台の圧縮機ユニットの設定目標差圧が等しい場合には、一方の圧縮機ユニットＡのほうが運転周波数が小さいときは他方の圧縮機ユニットＢの目標差圧ΔＰ０を０．０１ＭＰａ小さくする。目標差圧ΔＰ０は例えば約１．５ＭＰａである。逆に、一方の圧縮機ユニットＡのほうが運転周波数が大きいときはその圧縮機ユニットＡの目標差圧ΔＰ０を０．０１ＭＰａ小さくする。
【０１０６】
すなわち、２台の圧縮機ユニットの設定目標差圧が等しい場合には、運転周波数の大きいほうの目標差圧をわずかに小さくしている。目標差圧を小さくすることにより圧縮機モータの運転周波数を結果として小さくすることができる。よって、２台の圧縮機ユニットの運転状態を近づけることができる。なお、運転周波数の小さいほうの目標差圧をわずかに大きくすることにより、２台の圧縮機ユニットの運転状態を近づけることも可能である。
【０１０７】
（ｉｉ）圧縮機ユニットＡのほうが設定目標差圧が大きい場合には、その圧縮機ユニットＡの目標差圧は維持し、他方の圧縮機ユニットＢの目標差圧を調整する。具体的には、圧縮機ユニットＡのほうが運転周波数が小さいときは圧縮機ユニットＢの目標差圧ΔＰ０を０．０１ＭＰａ小さくする。逆に、圧縮機ユニットＡのほうが運転周波数が大きいときは圧縮機ユニットＢの目標差圧ΔＰ０を０．０１ＭＰａ大きくする。
【０１０８】
（ｉｉｉ）圧縮機ユニットＢのほうが設定目標差圧が大きい場合にも、（ｉｉ）と同様に、その圧縮機ユニットＢの目標差圧は維持し、圧縮機ユニットＡの目標差圧を調整する。具体的には、圧縮機ユニットＡのほうが運転周波数が小さいときは圧縮機ユニットＡの目標差圧ΔＰ０を０．０１ＭＰａ大きくする。逆に、圧縮機ユニットＡのほうが運転周波数が大きいときは圧縮機ユニットＡの目標差圧ΔＰ０を０．０１ＭＰａ小さくする。
【０１０９】
このようにして、複数の圧縮機ユニットのうち相対的に小さい目標差圧が設定されている圧縮機ユニットの目標差圧が調整される。ＣＰコントローラ１００は、相対的に小さい目標差圧が設定されている圧縮機ユニットと他の圧縮機ユニットとの運転周波数の差を小さくするようその圧縮機ユニットの目標差圧を調整する。なお相対的に大きい目標差圧が設定されている圧縮機ユニットの目標差圧を調整して他の圧縮機ユニットとの運転周波数の差を小さくすることも可能である。
【０１１０】
３台以上の圧縮機ユニットが同時に運転されている状態においては、例えば最大の制御出力の圧縮機ユニットと最小の制御出力の圧縮機ユニットとに対して図７に示す調整テーブルを適用してもよい。
【０１１１】
１回の調整処理における設定値の調整量は、圧縮機の接続先であるクライオポンプ１０の排気性能の変化が許容範囲内であることが保証される調整量であることが好ましい。すなわち、１回の調整量は、冷凍機１２の冷凍能力の変化が許容範囲内であることが保証される最大調整量よりも小さいことが好ましい。好ましくは、冷凍機１２またはクライオポンプ１０への性能に影響しないことが保証される調整量とされる。このようにすれば、冷凍機１２またはクライオポンプ１０への性能に実質的に影響を及ぼすことなく圧縮機の調整をすることができる。一実施例においては、設定値の調整量はその設定値の多くとも１０％以内、好ましくは５％以内、より好ましくは１％以内の大きさである。上述の約１．５ＭＰａの目標差圧に対する０．０１ＭＰａの調整量は、クライオポンプ性能に影響を与えない調整量の一例である。
【０１１２】
また、複数回の調整処理による合計の調整量に制限が設けられていてもよい。例えば、合計の調整量に上限値または下限値を設けることにより、または設定値に調整許容範囲を設定することにより、調整範囲が制限されていてもよい。一実施例においては、設定値の調整許容範囲は、設定値の当初の値を基準として多くとも１０％以内、好ましくは５％以内、より好ましくは２％以内の範囲である。
【０１１３】
図８は、本発明の一実施形態に係る調整処理の結果の一例を説明するための図である。図示されるように、本発明の一実施形態に係る制御を開始してから判定時間である１時間が経過したときに、一方の圧縮機Ａは６０Ｈｚの運転周波数で運転され、他方の圧縮機Ｂは４０Ｈｚで運転されている。運転状態に乖離があると判定され、図７に示す調整テーブルに従って圧縮機Ｂの目標差圧が０．０１ＭＰａだけ大きくされる。その結果として、次の調整タイミングにおいては２台の圧縮機の運転周波数がともに５０Ｈｚに収束し、運転状態が平準化されている。
【０１１４】
以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、複数台の圧縮機ユニットを差圧一定制御で並列運転しているときに、それらの制御出力を監視し、最大調整量の範囲内で目標差圧を微調整し、各圧縮機ユニットの制御出力が結果として等しくなるようにしている。最大調整量は、圧縮機の作動気体供給対象である装置の性能に与える影響が実質的にないか十分に小さいとみなされる調整量である。このようにして、複数台の圧縮機ユニットの個体差に起因する運転状態の乖離を抑制し、システム全体としての長寿命化を図ることができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０  クライオポンプ、  １２  冷凍機、  １４  パネル構造体、  １６  熱シールド、  ２２  第１冷却ステージ、  ２３  第１温度センサ、  ２４  第２冷却ステージ、  ２５  第２温度センサ、  ２６  冷凍機モータ、  ２８  閉塞部、  ３１  開口部、  ３２  バッフル、  １００  ＣＰコントローラ、  １０２  第１圧縮機ユニット、  １０４  第２圧縮機ユニット、  １４０  圧縮機本体、  １６４  第１圧力センサ、  １６６  第２圧力センサ、  １６８  圧縮機コントローラ、  １７２  圧縮機モータ、  １０００  クライオポンプシステム。
【図１】
0005545858.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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