(57)【要約】【課題】クライオポンプシステムの省エネルギー性能を向上する。【解決手段】クライオポンプシステム１００において、クライオポンプ１０は、低温冷却ステージ及び高温冷却ステージを備える冷凍機１２と、低温冷却ステージにより冷却される低温クライオパネルと、高温冷却ステージにより冷却される高温クライオパネルと、を備える。圧縮機ユニット５０は、冷凍機１２に供給される作動ガスを圧縮する圧縮機本体５２を備え、圧縮機本体５２の運転周波数が可変である。圧縮機ユニット５０は、圧縮機本体５２の高圧と低圧との圧力比が１．６から２．５の範囲で運転される。【選択図】図１
2019173756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温冷却ステージ及び高温冷却ステージを備えるＧＭ冷凍機と、前記低温冷却ステージにより冷却される低温クライオパネルと、前記高温冷却ステージにより冷却される高温クライオパネルと、を備える少なくとも１つのクライオポンプと、
前記ＧＭ冷凍機に供給される作動ガスを圧縮する圧縮機本体を備え、前記圧縮機本体の運転周波数が可変である圧縮機ユニットと、を備え、
前記圧縮機ユニットは、前記圧縮機本体の高圧と低圧との圧力比が１．６から２．５の範囲で運転され、前記低温クライオパネルは、９Ｋから１５Ｋの温度領域に冷却され、
前記圧縮機ユニットの圧縮仕事Ｗに対する前記ＧＭ冷凍機の冷却仕事Ｑの比として表される前記ＧＭ冷凍機の冷凍効率ε（＝Ｑ／Ｗ）が、前記温度領域において異なる冷却温度ごとに異なる圧力比で最大化されることを特徴とするクライオポンプシステム。
【請求項２】
前記圧縮機ユニットは、前記温度領域のある冷却温度について前記ＧＭ冷凍機の冷凍効率を最大とするように前記範囲から選択された圧力比で運転され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】
前記圧縮機ユニットは、前記低温クライオパネルの冷却温度に応じて前記ＧＭ冷凍機の最大の冷凍効率を与える圧力比で運転され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】
前記圧縮機本体の高圧と低圧との圧力差を目標値に一致させるように前記圧縮機本体の運転周波数を制御する圧縮機制御部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項５】
前記圧力比の範囲は、１．８から２．２であ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】
前記圧力比の範囲は、１．９から２．１であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項７】
前記低温クライオパネルは、１０Ｋから１２Ｋの温度領域に冷却されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つのクライオポンプは、複数のクライオポンプであり、各々が、前記ＧＭ冷凍機、前記低温クライオパネル、及び前記高温クライオパネルを備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項９】
前記圧縮機本体の高圧は、２．８ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項１０】
前記圧縮機本体の低圧は、１．４ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項１１】
前記圧縮機ユニットは、前記圧縮機本体の運転周波数を変更する圧縮機インバータを備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項１２】
前記作動ガスは、ヘリウムガスであることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
【請求項１３】
クライオポンプシステムの運転方法であって、該クライオポンプシステムは、
低温冷却ステージ及び高温冷却ステージを備えるＧＭ冷凍機と、前記低温冷却ステージにより冷却される低温クライオパネルと、前記高温冷却ステージにより冷却される高温クライオパネルと、を備える少なくとも１つのクライオポンプと、
前記ＧＭ冷凍機に供給される作動ガスを圧縮する圧縮機本体を備え、前記圧縮機本体の運転周波数が可変である圧縮機ユニットと、を備え、前記方法は、
前記圧縮機本体の高圧と低圧との圧力比が１．６から２．５の範囲にあるように前記圧縮機本体を運転することを備え、前記低温クライオパネルは、９Ｋから１５Ｋの温度領域に冷却され、
前記圧縮機ユニットの圧縮仕事Ｗに対する前記ＧＭ冷凍機の冷却仕事Ｑの比として表される前記ＧＭ冷凍機の冷凍効率ε（＝Ｑ／Ｗ）が、前記温度領域において異なる冷却温度ごとに異なる圧力比で最大化されることを特徴とするクライオポンプシステムの運転方法。
【請求項１４】
ＧＭ冷凍機と、
前記ＧＭ冷凍機に供給される作動ガスを圧縮する圧縮機本体を備え、前記圧縮機本体の運転周波数が可変である圧縮機ユニットと、を備え、
前記圧縮機ユニットは、前記圧縮機本体の高圧と低圧との圧力比が１．６から２．５の範囲で運転され、前記ＧＭ冷凍機は、９Ｋから１５Ｋの温度領域に冷却され、
前記圧縮機ユニットの圧縮仕事Ｗに対する前記ＧＭ冷凍機の冷却仕事Ｑの比として表される前記ＧＭ冷凍機の冷凍効率ε（＝Ｑ／Ｗ）が、前記温度領域において異なる冷却温度ごとに異なる圧力比で最大化されることを特徴とする冷凍機システム。
【請求項１５】
冷凍機システムの運転方法であって、該冷凍機システムは、
ＧＭ冷凍機と、
前記ＧＭ冷凍機に供給される作動ガスを圧縮する圧縮機本体を備え、前記圧縮機本体の運転周波数が可変である圧縮機ユニットと、を備え、前記方法は、
前記圧縮機本体の高圧と低圧との圧力比が１．６から２．５の範囲にあるように前記圧縮機本体を運転することを備え、前記ＧＭ冷凍機は、９Ｋから１５Ｋの温度領域に冷却され、
前記圧縮機ユニットの圧縮仕事Ｗに対する前記ＧＭ冷凍機の冷却仕事Ｑの比として表される前記ＧＭ冷凍機の冷凍効率ε（＝Ｑ／Ｗ）が、前記温度領域において異なる冷却温度ごとに異なる圧力比で最大化されることを特徴とする冷凍機システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオポンプシステム、及びクライオポンプシステムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
あるクライオポンプシステムは、少なくとも１つのクライオポンプと、１つ又は複数の圧縮機ユニットと、を有する。クライオポンプは冷凍機を有する。圧縮機ユニットは冷凍機に作動ガスを供給する。冷凍機で作動ガスが膨張し、それによりクライオポンプは冷却される。作動ガスは圧縮機ユニットに回収される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１３４０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプシステムの省エネルギー性能を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様によると、低温冷却ステージ及び高温冷却ステージを備える冷凍機と、前記低温冷却ステージにより冷却される低温クライオパネルと、前記高温冷却ステージにより冷却される高温クライオパネルと、を備える少なくとも１つのクライオポンプと、
前記冷凍機に供給される作動ガスを圧縮する圧縮機本体を備え、前記圧縮機本体の運転周波数が可変である圧縮機ユニットと、を備えるクライオポンプシステムが提供される。前記圧縮機ユニットは、前記圧縮機本体の高圧と低圧との圧力比が１．６から２．５の範囲で運転される。
【０００６】
本発明のある態様によると、クライオポンプシステムの運転方法が提供される。該クライオポンプシステムは、低温冷却ステージ及び高温冷却ステージを備える冷凍機と、前記低温冷却ステージにより冷却される低温クライオパネルと、前記高温冷却ステージにより冷却される高温クライオパネルと、を備える少なくとも１つのクライオポンプと、前記冷凍機に供給される作動ガスを圧縮する圧縮機本体を備え、前記圧縮機本体の運転周波数が可変である圧縮機ユニットと、を備える。前記方法は、前記圧縮機本体の高圧と低圧との圧力比が１．６から２．５の範囲にあるように前記圧縮機本体を運転することを備える。
【０００７】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、クライオポンプシステムの省エネルギー性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステムのための制御装置の構成の概略を示すブロック図である。
【図３】本発明のある実施形態に係る冷凍効率と圧力比との関係を例示するグラフである。
【図４】冷凍効率と圧力比との関係を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００１１】
本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステムは、二段式の冷凍機を備えるクライオポンプと、冷凍機に高圧の作動ガスを供給するための圧縮機と、を備える。冷凍機は、例えば運転周波数を制御することにより、冷却仕事Ｑを調整可能であるよう構成されている。圧縮機は、例えば運転周波数を制御することにより、圧縮仕事Ｗを調整可能であるよう構成されている。
【００１２】
本発明者は、作動ガスが実在気体であることを考慮して本システムを理論的に解析することにより、冷凍機の低温段の温度領域では、圧縮機がある圧力比で運転されるとき冷凍機の効率（以下、冷凍効率ともいう）εが最大となることを見出した。冷凍機の効率εは、ε＝Ｑ／Ｗと表される。この最適な圧力比は後述するように、例えば、約１．６から約２．５の範囲にある。したがって、この範囲で圧縮機を運転することにより、システムの消費電力を低減することができる。
【００１３】
一方、ある典型的なクライオポンプシステムの設計思想は冷凍機の冷却仕事Ｑを重視し、例えば、冷却仕事Ｑが最大となるようにシステムが設計される。その結果、圧縮機の運転圧力比は通例、例えば約２．６以上であり、上述の最適範囲から外れている。
【００１４】
ある実施形態においては、圧縮機の最低の運転周波数が圧縮機の仕様により定められている。圧縮機がこの最低運転周波数で運転されるとき、対応する最低の作動ガス流量が圧縮機から冷凍機に供給される。この最低流量に比べて、冷凍機側で使用される作動ガスの流量が小さい場合には、圧縮機から冷凍機に作動ガスが過剰に供給されていることになる。このとき圧縮機では余分に電力が消費されている。
【００１５】
こうした圧縮機の仕様に起因して圧縮機と冷凍機との間に生じうる作動ガス流量の不釣り合いを緩和するために、本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステムは、複数のクライオポンプを備え、各クライオポンプが二段式の冷凍機を備えてもよい。この場合、冷凍機側で使用される作動ガスの流量は、システムが１つのクライオポンプのみを有する場合に比べて大きくなり、圧縮機の最低の作動ガス流量まで小さくなる運転状態は稀となりうる。そのため、圧縮機の運転期間を通じて又はその大半において圧縮機の運転周波数を調整することが可能であり、それにより、冷凍機側で使用される作動ガスの流量に釣り合うように圧縮機から冷凍機に作動ガスが供給される。よって、上述のような圧縮機の仕様による余分な電力の消費は防止又は低減される。
【００１６】
図１は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステム１００の全体構成を概略的に示す図である。クライオポンプシステム１００は、真空チャンバ１０２の真空排気をするために使用される。真空チャンバ１０２は、真空処理装置（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）に真空環境を提供するために設けられている。
【００１７】
クライオポンプシステム１００は、複数のクライオポンプ１０と、圧縮機または圧縮機ユニット５０と、を備える。また、クライオポンプシステム１００は、圧縮機ユニット５０に複数のクライオポンプ１０を並列に接続するガスライン７０を備える。ガスライン７０は、複数のクライオポンプ１０の各々と圧縮機ユニット５０との間で作動ガスを循環させるように構成されている。
【００１８】
クライオポンプ１０は、真空チャンバ１０２に取り付けられて、その内部の真空度を所望のレベルにまで高めるために使用される。あるクライオポンプ１０によって真空排気される真空チャンバ１０２に、他のあるクライオポンプ１０が取り付けられていてもよい。あるいは、あるクライオポンプ１０と他のあるクライオポンプ１０とはそれぞれ異なる真空チャンバ１０２に取り付けられていてもよい。
【００１９】
クライオポンプ１０は、冷凍機１２を備える。冷凍機１２は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの蓄冷式の極低温冷凍機である。冷凍機１２は、高温冷却ステージまたは第１ステージ１４と、低温冷却ステージまたは第２ステージ１６と、を備える二段式の冷凍機である。
【００２０】
冷凍機１２は、１段膨張室を内部に画定する第１シリンダ１８と、１段膨張室に連通する２段膨張室を内部に画定する第２シリンダ２０と、を備える。第１シリンダ１８と第２シリンダ２０とは直列に接続されている。第１シリンダ１８はモータハウジング２１と第１ステージ１４とを接続し、第２シリンダ２０は第１ステージ１４と第２ステージ１６とを接続する。第１シリンダ１８及び第２シリンダ２０にはそれぞれ、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が内蔵されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサは互いに連結されており、それぞれの内部には蓄冷材が組み込まれている。
【００２１】
冷凍機１２のモータハウジング２１には、冷凍機モータ２２と、ガス流路切替機構２３とが収容されている。冷凍機モータ２２は、第１及び第２ディスプレーサ、及びガス流路切替機構２３のための駆動源である。冷凍機モータ２２は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサのそれぞれが第１シリンダ１８及び第２シリンダ２０の内部を往復動可能とするように第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサに接続されている。
【００２２】
ガス流路切替機構２３は、１段膨張室及び２段膨張室での作動ガスの膨張を周期的に繰り返すために作動ガスの流路を周期的に切り替えるよう構成されている。冷凍機モータ２２は、ガス流路切替機構２３の可動バルブ（図示せず）を正逆運転可能とするように当該バルブに接続されている。可動バルブは例えばロータリーバルブである。
【００２３】
モータハウジング２１には、高圧ガス入口２４及び低圧ガス出口２６が設けられている。高圧ガス入口２４はガス流路切替機構２３の高圧流路の末端に形成され、低圧ガス出口２６はガス流路切替機構２３の低圧流路の末端に形成されている。
【００２４】
冷凍機１２は、高圧の作動ガス（例えばヘリウム）を内部で膨張させて第１ステージ１４及び第２ステージ１６に寒冷を発生させる。高圧作動ガスは圧縮機ユニット５０から高圧ガス入口２４を通じて冷凍機１２に供給される。このとき、冷凍機モータ２２は、高圧ガス入口２４を膨張室につなぐようガス流路切替機構２３を切り替える。冷凍機１２の膨張室が高圧作動ガスで満たされると、冷凍機モータ２２は膨張室を低圧ガス出口２６につなぐようガス流路切替機構２３を切り替える。作動ガスは断熱膨張し、低圧ガス出口２６を通じて圧縮機ユニット５０へと排出される。ガス流路切替機構２３の動作に同期して、第１及び第２ディスプレーサは膨張室を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで第１ステージ１４及び第２ステージ１６が冷却される。
【００２５】
第２ステージ１６は第１ステージ１４よりも低温に冷却される。第２ステージ１６は例えば８Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１ステージ１４は例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。第１ステージ１４には第１ステージ１４の温度を測定するための第１温度センサ２８が取り付けられており、第２ステージ１６には第２ステージ１６の温度を測定するための第２温度センサ３０が取り付けられている。
【００２６】
クライオポンプ１０は、高温クライオパネルまたは第１クライオパネル３２と、低温クライオパネルまたは第２クライオパネル３４と、を備える。第１クライオパネル３２は第１ステージ１４に熱的に接続されるよう固定され、第２クライオパネル３４は第２ステージ１６に熱的に接続されるよう固定されている。よって、第１クライオパネル３２は第１ステージ１４により冷却され、第２クライオパネル３４は第２ステージ１６により冷却される。
【００２７】
第１クライオパネル３２は熱シールド３６とバッフル３８とを備え、第２クライオパネル３４を包囲する。第２クライオパネル３４はその表面の少なくとも一部に吸着剤を備える。第１クライオパネル３２はクライオポンプハウジング４０に収容されており、クライオポンプハウジング４０の一端はモータハウジング２１に取り付けられている。クライオポンプハウジング４０の他端のフランジ部が真空チャンバ１０２のゲートバルブ（図示せず）に取り付けられる。クライオポンプ１０それ自体は、任意の公知のクライオポンプであってもよい。
【００２８】
圧縮機ユニット５０は、作動ガスを圧縮するための圧縮機本体５２と、圧縮機本体５２を駆動するための圧縮機モータ５３と、を備える。また、圧縮機ユニット５０は、低圧作動ガスを受け入れるための低圧ガス入口５４と、高圧作動ガスを放出するための高圧ガス出口５６と、を備える。低圧ガス入口５４は低圧流路５８を介して圧縮機本体５２の吸入口に接続され、高圧ガス出口５６は高圧流路６０を介して圧縮機本体５２の吐出口に接続されている。
【００２９】
圧縮機ユニット５０は、第１圧力センサ６２と、第２圧力センサ６４と、を備える。第１圧力センサ６２は低圧作動ガスの圧力を測定するために低圧流路５８に設けられ、第２圧力センサ６４は高圧作動ガスの圧力を測定するために高圧流路６０に設けられている。なお、第１圧力センサ６２及び第２圧力センサ６４は、圧縮機ユニット５０の外部においてガスライン７０の適切な場所に設けられていてもよい。
【００３０】
ガスライン７０は、圧縮機ユニット５０からクライオポンプ１０に作動ガスを供給するための高圧ライン７２と、クライオポンプ１０から圧縮機ユニット５０に作動ガスを戻すための低圧ライン７４とを備える。高圧ライン７２は、冷凍機１２の高圧ガス入口２４と圧縮機ユニット５０の高圧ガス出口５６とを接続する配管である。高圧ライン７２は、圧縮機ユニット５０から延びる主高圧配管と、主配管から分岐して各冷凍機１２へと延びる高圧個別配管と、を備える。低圧ライン７４は、冷凍機１２の低圧ガス出口２６と圧縮機ユニット５０の低圧ガス入口５４とを接続する配管である。低圧ライン７４は、圧縮機ユニット５０から延びる主低圧配管と、主配管から分岐して各冷凍機１２へと延びる低圧個別配管と、を備える。
【００３１】
圧縮機ユニット５０は、クライオポンプ１０から排出された低圧作動ガスを、低圧ライン７４を通じて回収する。圧縮機本体５２は、低圧作動ガスを圧縮し、高圧作動ガスを生成する。圧縮機ユニット５０は、高圧作動ガスを、高圧ライン７２を通じてクライオポンプ１０へと供給する。
【００３２】
クライオポンプシステム１００は、その運転を司るための制御装置１１０を備える。制御装置１１０は、クライオポンプ１０（または圧縮機ユニット５０）と一体に又は別体に設置されている。制御装置１１０は、例えば、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。制御装置１１０は、こうした構成を備える公知のコントローラを用いることができる。制御装置１１０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。
【００３３】
図２は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステム１００のための制御装置１１０の構成の概略を示すブロック図である。図２は、本発明のある実施形態に関連するクライオポンプシステム１００の主要部分を示す。
【００３４】
制御装置１１０は、クライオポンプ１０（即ち冷凍機１２）、及び圧縮機ユニット５０を制御するために設けられている。制御装置１１０は、クライオポンプ１０の運転を制御するためのクライオポンプ制御部またはクライオポンプコントローラ（以下では、ＣＰコントローラとも呼ぶ）１１２と、圧縮機ユニット５０の運転を制御するための圧縮機制御部または圧縮機コントローラ１１４と、を備える。
【００３５】
ＣＰコントローラ１１２は、クライオポンプ１０の第１温度センサ２８及び第２温度センサ３０の測定温度を表す信号を受信するよう構成されている。ＣＰコントローラ１１２は、例えば、受信した測定温度に基づいてクライオポンプ１０を制御する。この場合例えば、ＣＰコントローラ１１２は、第１（又は第２）クライオパネル３２（３４）の目標温度に第１（又は第２）温度センサ２８（３０）の測定温度を一致させるように冷凍機１２の運転周波数を制御する。運転周波数に応じて冷凍機モータ２２の回転数が制御される。これにより冷凍機１２における熱サイクルの単位時間あたりの回数（つまり周波数）が調整される。従って、クライオポンプ１０における温度制御によって、冷凍機１２で使用される作動ガスの流量が調整される。
【００３６】
圧縮機コントローラ１１４は、圧力制御を提供するよう構成されている。圧力制御を提供するために、圧縮機コントローラ１１４は、第１圧力センサ６２及び第２圧力センサ６４の測定圧力を表す信号を受信するよう構成されている。圧縮機コントローラ１１４は、圧力測定値を圧力目標値に一致させるように圧縮機本体５２の運転周波数を制御する。圧縮機ユニット５０は、圧縮機モータ５３の運転周波数を変更するための圧縮機インバータ５５を備える。運転周波数に応じて圧縮機モータ５３の回転数が制御される。
【００３７】
圧縮機コントローラ１１４は例えば、圧縮機本体５２の高圧と低圧との圧力差を目標圧に制御する。これを以下では差圧一定制御と呼ぶことがある。圧縮機コントローラ１１４は、差圧一定制御のために圧縮機本体５２の運転周波数を制御する。なお必要に応じて、差圧の目標値は差圧一定制御の実行中に変更されてもよい。
【００３８】
差圧一定制御において、圧縮機コントローラ１１４は、第１圧力センサ６２の測定圧力と第２圧力センサ６４の測定圧力との差圧を求める。圧縮機コントローラ１１４は、その差圧を目標値ΔＰに一致させるように圧縮機モータ５３の運転周波数を決定する。圧縮機コントローラ１１４は、その運転周波数を実現するよう圧縮機インバータ５５及び圧縮機モータ５３を制御する。
【００３９】
圧力制御によれば、冷凍機１２で使用される作動ガスの流量に応じて圧縮機モータ５３の回転数を適切に調整することができるので、クライオポンプシステム１００の消費電力の低減に役立つ。
【００４０】
また、差圧によって冷凍機１２の冷凍能力が決まることから、差圧一定制御により冷凍機１２を目標の冷凍能力に維持することができる。よって、差圧一定制御は、冷凍機１２の冷凍能力の維持とシステムの消費電力低減とを両立できるという点で、クライオポンプシステム１００に特に好適である。
【００４１】
代案として、圧力目標値は、高圧目標値（または低圧目標値）であってもよい。この場合、圧縮機コントローラ１１４は、第２圧力センサ６４（または第１圧力センサ６２）の測定圧を高圧目標値（または低圧目標値）に一致させるように圧縮機モータ５３の回転数を制御する高圧一定制御（または低圧一定制御）を実行する。
【００４２】
図３は、本発明のある実施形態に係る冷凍効率εと圧力比Ｐｒとの関係を例示するグラフである。このグラフは、クライオポンプシステム１００についての本発明者による理論的な解析により得られた結果である。解析においては作動ガス（例えばヘリウムガス）が実在気体であることを考慮している。冷凍効率εは、ε＝Ｑ／Ｗと表され、ここで、Ｑは冷凍機１２の冷却仕事であり、Ｗは圧縮機ユニット５０の圧縮仕事である。圧力比Ｐｒは、圧縮機本体５２の高圧（すなわち吐出圧）Ｐｈの低圧（すなわち吸入圧）Ｐｌに対する比であり、Ｐｒ＝Ｐｈ／Ｐｌである。
【００４３】
冷凍効率εは、圧力比Ｐｒ＝Ｐｈ／Ｐｌを用いて次式のように表される。
【数１】
2019173756.tif 000003
ここで、ｋは作動ガスの比熱比、αｖは体積膨張係数、ρｈ，ｃｏは冷凍機１２の膨張室への吸気作動ガス密度、ρｌ、ｈｌは圧縮機ユニット５０の吸込作動ガス密度、Ａは作動ガス温度を含む係数である。図３には、作動ガス温度が８Ｋ、９Ｋ、１０Ｋ、１１Ｋ、１２Ｋ、１３Ｋ、１４Ｋ、１５Ｋ、１６Ｋ、１８Ｋ、及び２０Ｋの場合それぞれにおける冷凍効率εの圧力比Ｐｒに対する変化を示す。ここで、低圧Ｐｌは実際の運転を模擬する所定の値としている。
【００４４】
図３に示されるように、冷凍効率εはある圧力比において最大値をとる。例えば、作動ガス温度が１１Ｋである場合には、冷凍機の効率εは圧力比Ｐｒが約１．９であるとき最大値の約０．０２８となる。このように、クライオポンプ１０用の冷凍機１２の第２ステージ１６の典型的な温度領域である約８Ｋから約２０Ｋにおいては、冷凍効率εを最大化する圧力比Ｐｒが存在する。
【００４５】
したがって、本発明のある実施形態においては、圧縮機ユニット５０は、約１．６から約２．５の圧力比範囲から選択される圧力比Ｐｒで運転される。これにより、冷凍機１２を最大の又はそれに近い冷凍効率εで運転することができる。よって、省エネルギー性能に優れるクライオポンプシステム１００を提供することができる。
【００４６】
クライオポンプ１０の真空排気運転中に、冷凍機１２の第２ステージ１６（すなわち第２クライオパネル３４）は、約９Ｋから約１５Ｋの温度領域に冷却されることが好ましい。この温度領域においては、図３に示されるように、約１．６から約２．５の圧力比範囲の中で冷凍効率εが最大値をとる。したがって、冷凍機１２を最大の冷凍効率εで運転することが可能となる。例えば、温度が９Ｋである場合、冷凍効率εは圧力比Ｐｒが約２．５のとき最大である。また、温度が１５Ｋである場合、冷凍効率εは圧力比Ｐｒが約１．６のとき最大である。
【００４７】
また、好ましくは、圧縮機ユニット５０は、約１．９から約２．１の圧力比範囲から選択される圧力比Ｐｒで運転されてもよい。この場合、冷凍機１２の第２ステージ１６は約１０Ｋから約１２Ｋの温度領域に冷却されてもよい。
【００４８】
これに対して、ある典型的なクライオポンプシステムの設計思想は冷凍機の冷却仕事Ｑのみに注目し、例えば、冷却仕事Ｑが最大となるようにシステムが設計される。その結果、圧縮機の運転圧力比は通例、例えば約２．６以上（例えば３以上）であり、上述の最適な圧力比範囲から外れている。このように、本発明の実施形態によると、圧縮機ユニット５０の運転圧力比が比較的低くなる。
【００４９】
圧縮機本体５２の高圧Ｐｈは約２．８ＭＰａ以上であり、及び／または、圧縮機本体５２の低圧Ｐｌは約１．４ＭＰａ以上であることが好ましい。このように圧縮機本体５２の高圧Ｐｈ及び／または低圧Ｐｌを比較的高くすることにより、高圧Ｐｈと低圧Ｐｌとの所望の差圧のもとで、上述のように約１．６から約２．５という比較的低い最適な運転圧力比を実現しやすい。例えば、高圧Ｐｈが２．８ＭＰａで低圧Ｐｌが１．４ＭＰａであるとき、圧力比は２であり差圧は１．４ＭＰａである。また、圧縮機本体５２の高圧Ｐｈは約３ＭＰａ以上であり、及び／または、圧縮機本体５２の低圧Ｐｌは約１．５ＭＰａ以上であってもよい。例えば、高圧Ｐｈが３ＭＰａで低圧Ｐｌが１．５ＭＰａであるとき、圧力比は２であり差圧は１．５ＭＰａである。
【００５０】
ある圧力比Ｐｒにおいて冷凍効率εが最大値をとることは、クライオポンプ用の冷凍機１２の二段冷却温度に特有である。図４には、冷凍機１２の一段冷却温度の一例である７７Ｋにおける冷凍効率εと圧力比Ｐｒとの関係を、図３に示す１１Ｋにおける冷凍効率εと圧力比Ｐｒとの関係と対比して示す。図４からわかるように、７７Ｋのような一段冷却温度においては冷凍効率εに最大値は存在しない。
【００５１】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００５２】
上述の実施形態においては、圧縮機ユニット５０は、選択された一定の圧力比Ｐｒで運転されてもよい。あるいは、圧縮機ユニット５０は、運転中に圧力比Ｐｒを調整してもよい。この場合、圧縮機ユニット５０は、低温クライオパネルの測定温度に対応する最大の冷凍効率εを与える圧力比Ｐｒで運転されてもよい。
【００５３】
また、上述の実施形態においては、クライオポンプシステム１００は、複数のクライオポンプ１０を備える。しかし、ある実施形態においては、クライオポンプシステム１００は、１台のクライオポンプ１０のみを備えてもよい。
【００５４】
ある実施の形態においては、クライオポンプシステム１００は、コールドトラップを備えてもよい。すなわち、クライオポンプ１０とコールドトラップとが共通の圧縮機ユニット５０に接続されていてもよい。このようにして、クライオポンプシステム１００にコールドトラップが組み合わされていてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０  クライオポンプ、  １２  冷凍機、  １４  第１ステージ、  １６  第２ステージ、  ３２  第１クライオパネル、  ３４  第２クライオパネル、  ５０  圧縮機ユニット、  ５２  圧縮機本体、  ５５  圧縮機インバータ、  １００  クライオポンプシステム、  １１０  制御装置、  １１２  ＣＰコントローラ、  １１４  圧縮機コントローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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