(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオポンプシステムであって、
クライオパネルと、該クライオパネルを冷却するための冷凍機と、を備えるクライオポンプと、
前記冷凍機に作動ガスを供給するための圧縮機ユニットと、
共通制御量を用いる前記圧縮機ユニットの少なくとも２種類の運転制御のいずれかを選択的に実行するための制御部と、を備え、
前記少なくとも２種類の運転制御は、供給ガス量に関連する第１制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第１運転制御と、供給ガス量に関連し前記第１制御対象とは異なる第２制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第２運転制御と、を含み、
前記制御部は、前記第１運転制御のための前記共通制御量の値と前記第２運転制御のための前記共通制御量の値とを含む少なくとも２つの前記共通制御量の値の比較に基づいて、実行されるべき運転制御を前記少なくとも２種類の運転制御から選択し、
前記第１運転制御は、常態として選択されている運転制御であり、
前記第２運転制御は、前記圧縮機ユニットの保護のために前記第２制御対象について設定された目標値と前記第２制御対象との偏差に基づいて前記共通制御量が決定される圧縮機保護制御であることを特徴とするクライオポンプシステム。
【請求項２】
クライオポンプシステムであって、
クライオパネルと、該クライオパネルを冷却するための冷凍機と、を備えるクライオポンプと、
前記冷凍機に作動ガスを供給するための圧縮機ユニットと、
共通制御量を用いる前記圧縮機ユニットの少なくとも２種類の運転制御のいずれかを選択的に実行するための制御部と、を備え、
前記少なくとも２種類の運転制御は、供給ガス量に関連する第１制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第１運転制御と、供給ガス量に関連し前記第１制御対象とは異なる第２制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第２運転制御と、を含み、
前記制御部は、前記第１運転制御のための前記共通制御量の値と前記第２運転制御のための前記共通制御量の値とを含む少なくとも２つの前記共通制御量の値の比較に基づいて、実行されるべき運転制御を前記少なくとも２種類の運転制御から選択し、
前記第１制御対象は、前記圧縮機ユニットの吐出側圧力と吸入側圧力との差圧であり、前記第１運転制御は、当該差圧についての目標値と当該差圧との偏差に基づいて前記共通制御量が決定される差圧制御であり、
前記第２制御対象は、前記圧縮機ユニットの吐出側圧力であり、前記第２運転制御は、当該吐出側圧力についての目標値と当該吐出側圧力との偏差に基づいて前記共通制御量が決定される吐出圧制御であることを特徴とするクライオポンプシステム。
【請求項３】
クライオポンプシステムであって、
クライオパネルと、該クライオパネルを冷却するための冷凍機と、を備えるクライオポンプと、
前記冷凍機に作動ガスを供給するための圧縮機ユニットと、
共通制御量を用いる前記圧縮機ユニットの少なくとも２種類の運転制御のいずれかを選択的に実行するための制御部と、を備え、
前記少なくとも２種類の運転制御は、供給ガス量に関連する第１制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第１運転制御と、供給ガス量に関連し前記第１制御対象とは異なる第２制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第２運転制御と、を含み、
前記制御部は、前記第１運転制御のための前記共通制御量の値と前記第２運転制御のための前記共通制御量の値とを含む少なくとも２つの前記共通制御量の値の比較に基づいて、実行されるべき運転制御を前記少なくとも２種類の運転制御から選択し、
前記少なくとも２種類の運転制御は、供給ガス量に関連する第３制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第３運転制御をさらに含み、
前記制御部は、前記第１運転制御のための前記共通制御量の値と前記第２運転制御のための前記共通制御量の値と前記第３運転制御のための前記共通制御量の値とを含む少なくとも３つの前記共通制御量の値に基づいて、実行されるべき運転制御を前記少なくとも２種類の運転制御から選択し、
前記第３制御対象は、前記圧縮機ユニットの吸入側圧力であり、前記第３運転制御は、当該吸入側圧力についての目標値と当該吸入側圧力との偏差に基づいて前記共通制御量が決定される吸入圧制御であることを特徴とするクライオポンプシステム。
【請求項４】
前記制御部は、現在選択されている運転制御のための前記共通制御量の値と現在選択されていない運転制御のいずれかのための前記共通制御量の値との大小関係が変化したときに、前記現在選択されている運転制御を前記現在選択されていない運転制御のいずれかに切り替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】
少なくとも１つの極低温冷凍機と、
前記少なくとも１つの極低温冷凍機に作動ガスを供給するための少なくとも１つの圧縮機ユニットと、
共通制御量を用いる前記圧縮機ユニットの少なくとも２種類の運転制御のいずれかを選択的に実行するための制御部と、を備え、
前記少なくとも２種類の運転制御は、供給ガス量に関連する第１制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第１運転制御と、供給ガス量に関連し前記第１制御対象とは異なる第２制御対象を制御するよう前記共通制御量を用いて前記圧縮機ユニットを運転する第２運転制御と、を含み、
前記制御部は、前記第１運転制御のための前記共通制御量の値と前記第２運転制御のための前記共通制御量の値とを含む少なくとも２つの前記共通制御量の値の比較に基づいて、実行されるべき運転制御を前記少なくとも２種類の運転制御から選択し、
前記第１運転制御は、常態として選択されている運転制御であり、
前記第２運転制御は、前記圧縮機ユニットの保護のために前記第２制御対象について設定された目標値と前記第２制御対象との偏差に基づいて前記共通制御量が決定される圧縮機保護制御であることを特徴とする極低温システム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの圧縮機ユニットは、複数の圧縮機ユニットであり、
前記制御部は、前記少なくとも２種類の運転制御の選択を、前記複数の圧縮機ユニットの各々につき個別的に実行することを特徴とする請求項５に記載の極低温システム。
【請求項７】
極低温装置に寒冷を発生させるための作動ガスを該極低温装置に供給するための圧縮機ユニットの制御装置であって、
前記圧縮機ユニットから前記極低温装置へ供給されるガス量に関連する第１制御対象を制御するための第１制御量と、前記供給されるガス量に関連し前記第１制御対象とは異なる第２制御対象を制御するための、前記第１制御量と共通の第２制御量と、を含む少なくとも２つの制御量を演算する制御量演算部と、
前記少なくとも２つの制御量の比較に基づいて、前記第１制御対象と前記第２制御対象とを含む少なくとも２つの制御対象から、制御されるべき制御対象を選択する選択部と、を備え、
前記選択部は、常態として前記第１制御対象を選択し、
前記制御量演算部は、前記圧縮機ユニットの保護のために前記第２制御対象について設定された目標値と前記第２制御対象との偏差に基づいて前記第２制御量を演算することを特徴とする圧縮機ユニットの制御装置。
【請求項８】
極低温装置に寒冷を発生させるための作動ガスを該極低温装置に供給するための圧縮機ユニットの制御方法であって、
前記圧縮機ユニットの通常制御が前記圧縮機ユニットのための保護制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えるか否かを判定することと、
前記通常制御が前記保護制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えると判定された場合に、前記保護制御に移行することと、
前記保護制御の間に、前記保護制御が前記通常制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えると判定された場合に、前記保護制御から前記通常制御に復帰することと、を含むことを特徴とする圧縮機ユニットの制御方法。
【請求項９】
少なくとも１つの極低温冷凍機と、
前記少なくとも１つの極低温冷凍機に作動ガスを供給するための少なくとも１つの圧縮機ユニットと、
前記圧縮機ユニットの制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記圧縮機ユニットの通常制御が前記圧縮機ユニットのための保護制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えるか否かを判定し、
前記通常制御が前記保護制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えると判定された場合に、前記保護制御に移行し、
前記保護制御の間に、前記保護制御が前記通常制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えると判定された場合に、前記保護制御から前記通常制御に復帰することを特徴とする極低温システム。
【請求項１０】
極低温装置に寒冷を発生させるための作動ガスを該極低温装置に供給するための圧縮機ユニットの制御装置であって、
前記圧縮機ユニットの通常制御が前記圧縮機ユニットのための保護制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えるか否かを判定する選択部を備え、
前記選択部は、前記通常制御が前記保護制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えると判定された場合に、前記保護制御に移行し、
前記選択部は、前記保護制御の間に、前記保護制御が前記通常制御よりも前記圧縮機ユニットに高い負荷を与えると判定された場合に、前記保護制御から前記通常制御に復帰することを特徴とする圧縮機ユニットの制御装置。
【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、極低温システム、圧縮機ユニットの制御装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温冷凍機と、その冷凍機に作動ガスを供給するための圧縮機ユニットと、を備える極低温システムが知られている。極低温システムの一例として、極低温冷凍機を冷却源とする極低温装置（例えばクライオポンプ）を備えるシステムも知られている。極低温システムにおいては、冷凍機の作動ガスの高圧側と低圧側との差圧を設定値に一致させるように圧縮機ユニットが制御されることがある。こうした圧縮機ユニットの差圧一定制御はシステムの消費電力低減に寄与する（例えば特許文献１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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
クライオポンプシステムまたは極低温システムにおいては近時、高い省エネルギ性能を提供することは最も重要な要求の１つである。圧縮機ユニットの差圧一定制御はその要求に応えるための有用な技術の１つである。
【０００５】
その一方で、高い省エネルギ性能を提供しつつ、冷凍能力や運転の継続性といったシステムの基本性能を向上させることもまた求められている。例えば、ある冷凍機をもつシステムにおいてその冷凍機の設計を変更することなく冷凍能力を高める１つの対策は、圧縮機ユニットの作動ガスの封入圧を高くすることである。代案として、差圧一定制御を実行する場合には、差圧の設定値を高くすることで冷凍能力を高める効果を得ることができる。
【０００６】
圧縮機ユニットにはたいてい、仕様上の動作範囲からの逸脱を警告するための設定が予め備えられている。例えば、作動ガスの過度の高圧を警告するための高圧設定値が電気的にまたは機械的に定められている。上述の対策によって冷凍機の冷凍能力を高めた結果、システムの運転中に作動ガス圧がその高圧設定値に達する可能性が高まる。高圧設定値を超えないように作動ガス圧を制御すべく圧縮機ユニットの運転状態を不連続的に変更するように、圧縮機ユニットが構成されている場合がある。作動ガス圧が高圧設定値に達したときに圧縮機ユニットが自動的に停止される場合もある。圧縮機ユニットの運転停止はシステムの状態を確実に大きく変化させる。
【０００７】
極低温装置において冷却温度の安定は重要である。例えばクライオポンプではその機能を継続的に提供するためにクライオパネル温度の安定が求められる。極低温システムにおける圧縮機ユニットの突然の停止を含む運転状態の急変は、冷却温度の安定性に悪影響を与えるおそれがある。
【０００８】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温システムのための圧縮機ユニットに関連して、システムの運転継続性に寄与しうる制御を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様のクライオポンプシステムは、クライオパネルと、該クライオパネルを冷却するための冷凍機と、を備えるクライオポンプと、冷凍機に作動ガスを供給するための圧縮機ユニットと、共通制御量を用いる圧縮機ユニットの少なくとも２種類の運転制御のいずれかを選択的に実行するための制御部と、を備える。前記少なくとも２種類の運転制御は、供給ガス量に関連する第１制御対象を制御するよう共通制御量を用いて圧縮機ユニットを運転する第１運転制御と、供給ガス量に関連し第１制御対象とは異なる第２制御対象を制御するよう共通制御量を用いて圧縮機ユニットを運転する第２運転制御と、を含む。制御部は、第１運転制御のための共通制御量の値と第２運転制御のための共通制御量の値とを含む少なくとも２つの共通制御量の値の比較に基づいて、実行されるべき運転制御を前記少なくとも２種類の運転制御から選択する。
【００１０】
運転制御の制御量は、その制御量に因る制御の結果としての圧縮機ユニットの運転状態を、色濃く反映するパラメタであるとみなすことができる。ある制御から別の制御に移行したとき、移行前後の制御量の変化の大きさに応じて圧縮機ユニットの運転状態は変化する。例えば第１運転制御から第２運転制御に移行する場合、その時点での２つの運転制御の制御量の乖離が大きければ、その移行に伴って圧縮機ユニットの運転状態も大きく変化する。そのため、各制御量を比較することによって、移行による運転状態への影響を評価することができる。
【００１１】
このようにして、冷凍機に必要量の作動ガスを供給しクライオポンプに所望の冷却を与えるために、システムの運転継続性から見て適する運転制御を、少なくとも２種類の圧縮機ユニット運転制御から選択し実行することが可能となる。例えば、極低温システムの安定的な運転の継続という観点で、現在の運転制御を続けるか、あるいは別の運転制御に移行するか、を決定することができる。
【００１２】
第１運転制御は現在選択されている運転制御であり、第２運転制御は現在選択されていない運転制御のいずれかであり、制御部は、第１運転制御のための共通制御量の値と第２運転制御のための共通制御量の値との大小関係が変化したときに、第１運転制御を第２運転制御に切り替えてもよい。
【００１３】
それぞれの運転制御のための制御量の大小関係の変化は、圧縮機ユニットの状況の変化に関連するとみなすことができる。また、大小関係の変化の直前においては一方の制御量の値が他方よりもわずかに大きく、大小関係の変化の直後においては一方の制御量の値が他方よりもわずかに小さくなると期待される。その場合、大小関係の変化に際して現在の運転制御から別の運転制御へと移行したことに伴う制御量の変化は、小さくなる。よって、大小関係の変化を運転制御の移行の契機とすることにより、移行に伴う圧縮機ユニットの運転状態の急変を回避することが可能となる。
【００１４】
第１運転制御は、常態として選択されている運転制御であり、第２運転制御は、圧縮機ユニットの保護のために第２制御対象について設定された目標値と第２制御対象との偏差に基づいて共通制御量が決定される圧縮機保護制御であってもよい。
【００１５】
この場合、圧縮機ユニットの通常の運転制御と保護制御との切替による運転状態への影響を織り込んで切替の可否を決定することが可能となり、例えば、保護のための切替動作に起因する運転状態の急変を回避することが可能となる。
【００１６】
前記第１制御対象は、前記圧縮機ユニットの吐出側圧力と吸入側圧力との差圧であり、前記第１運転制御は、当該差圧についての目標値と当該差圧との偏差に基づいて前記共通制御量が決定される差圧制御であり、前記第２制御対象は、前記圧縮機ユニットの吐出側圧力であり、前記第２運転制御は、当該吐出側圧力についての目標値と当該吐出側圧力との偏差に基づいて前記共通制御量が決定される吐出圧制御であってもよい。
【００１７】
差圧制御は極低温システムの消費電力低減に効果的である。また、吐出圧制御は吐出側圧力を目標値付近に留めることができるから、過度の高圧を抑制するための圧縮機保護制御の一例として有効である。
【００１８】
前記少なくとも２種類の運転制御は、供給ガス量に関連する第３制御対象を制御するよう共通制御量を用いて圧縮機ユニットを運転する第３運転制御をさらに含んでもよい。制御部は、第１運転制御のための共通制御量の値と第２運転制御のための共通制御量の値と第３運転制御のための共通制御量の値とを含む少なくとも３つの共通制御量の値に基づいて、実行されるべき運転制御を前記少なくとも２種類の運転制御から選択し、第３制御対象は、圧縮機ユニットの吸入側圧力であり、第３運転制御は、当該吸入側圧力についての目標値と当該吸入側圧力との偏差に基づいて共通制御量が決定される吸入圧制御であってもよい。
【００１９】
第１運転制御及び第２運転制御に加えて第３運転制御が設定されていることにより、状況に応じてより適する運転制御を選択することができる。
【００２０】
本発明の別の態様は、極低温システムである。この極低温システムは、少なくとも１つの極低温冷凍機と、少なくとも１つの極低温冷凍機に作動ガスを供給するための少なくとも１つの圧縮機ユニットと、圧縮機ユニットのための少なくとも２種類の制御の各々による運転状態を評価するための共通の評価パラメタに基づいて、少なくとも２種類の制御のいずれかを選択的に実行するための制御部と、を備える。
【００２１】
この態様によると、運転状態を評価するための共通の評価パラメタが使用されるので、各制御による運転状態への影響の比較が容易である。比較結果に基づいて圧縮機ユニットの制御を選択し実行することができる。
【００２２】
前記少なくとも１つの圧縮機ユニットは、複数の圧縮機ユニットであり、制御部は、前記少なくとも２種類の制御の選択を、複数の圧縮機ユニットの各々につき個別的に実行してもよい。このようにすれば、極低温システムの複数の圧縮機ユニットのそれぞれについて適する制御を、他の圧縮機ユニットの運転状態には依らずに選択することができる。
【００２３】
本発明のさらに別の態様は、圧縮機ユニットの制御装置である。この装置は、極低温装置に寒冷を発生させるための作動ガスを該極低温装置に供給するための圧縮機ユニットの制御装置であって、前記圧縮機ユニットから前記極低温装置へ供給されるガス量に関連する第１制御対象を制御するための第１制御量と、前記供給されるガス量に関連し第１制御対象とは異なる第２制御対象を制御するための、第１制御量と共通の第２制御量と、を含む少なくとも２つの制御量を演算する制御量演算部と、前記少なくとも２つの制御量の比較に基づいて、第１制御対象と第２制御対象とを含む少なくとも２つの制御対象から、制御されるべき制御対象を選択する選択部と、を備える。
【００２４】
本発明のさらに別の態様は、圧縮機ユニットの制御方法である。この方法は、極低温装置に寒冷を発生させるための作動ガスを該極低温装置に供給するための圧縮機ユニットの制御方法であって、圧縮機ユニットの通常制御が前記圧縮機ユニットのための保護制御よりも圧縮機ユニットに高い負荷を与えるか否かを判定することと、通常制御が保護制御よりも圧縮機ユニットに高い負荷を与えると判定された場合に、保護制御に移行することと、を含む。
【００２５】
この態様によると、圧縮機ユニットの通常制御が圧縮機ユニットに高い負荷を与える場合に、通常制御から保護制御に移行することができる。こうして、圧縮機ユニットを保護しながら運転を継続することができる。
【００２６】
保護制御の間に、保護制御が通常制御よりも圧縮機ユニットに高い負荷を与えると判定された場合に、保護制御から通常制御に復帰することを含んでもよい。このようにすれば、保護制御の継続が却って圧縮機ユニットに高い負荷を与える場合に、通常制御に自動的に復帰することができる。
【００２７】
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、プログラ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】
【００２８】
本発明によれば、クライオポンプシステムまたは極低温システムのための圧縮機ユニットに関連して、システムの運転継続性に寄与しうる制御が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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圧縮機ユニット運転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圧縮機ユニット運転制御の制御フローを説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態に係り、制御量の変化を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
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が決定した制御量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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
ＣＰコントローラ１００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、ＣＰコントローラ１００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量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。
【００３５】
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ガス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から作動ガス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）が決定した制御量に従って運転される。あるいはＣＰコントローラ１００が決定した制御量に従って運転される。
【００３６】
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。
【００３７】
複数のクライオポンプ１０と複数の圧縮機ユニット１０２、１０４とは作動ガス配管系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との間で作動ガス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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）。
【００４１】
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ガス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ガス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。
【００４２】
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。作動ガス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、作動ガスの供給対象（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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、作動ガス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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
冷凍機１２は、作動ガスの吸入と吐出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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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ガス（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で膨張した作動ガスを回収し再び加圧して冷凍機１２に供給する。
【００５２】
具体的には、まず圧縮機ユニット１０２、１０４から冷凍機１２に高圧の作動ガスが供給される。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ガスで満たされると、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。これにより作動ガス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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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へと作動ガスは送られる。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。
【００６３】
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ガスは、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、外部から作動ガス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。
【００６４】
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、昇圧された作動ガスを高圧配管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、昇圧された作動ガス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。
【００６５】
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にて作動ガス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。
【００６６】
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ガス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ガスを冷却する。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ガスの温度を測定する温度センサが設けられていてもよい。
【００６７】
オイルセパレータ１５４を経由した作動ガスは、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ガス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。
【００６８】
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を経由した作動ガスは吐出ポート１４８を通じてクライオポンプ１０へと送出される。
【００６９】
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。
【００７０】
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へと迂回する作動ガス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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
ＣＰコントローラ１００はセンサ出力信号に基づいて制御量を決定する。信号処理部５４は、ＣＰコントローラ１００から送信された制御量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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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量を決定する。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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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の作動ガス流量が制御される。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。
【００８８】
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。なお差圧の目標値は、差圧一定制御の実行中に変更されてもよい。
【００８９】
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で必要となる作動ガス量は小さくなる。そのとき、必要量を超過するガス量が圧縮機ユニット１０２から送られ得る。よって、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。
【００９０】
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に供給されるガス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。
【００９１】
特に、作動ガス吸気のために高圧側にバルブを開くタイミングが複数の冷凍機１２で重なったときには、必要なガスの総量が大きくなる。例えば圧縮機を単に一定の吐出流量で運転する場合や、圧縮機の吐出圧が不十分である場合には、先にバルブを開いて吸気する冷凍機よりも後にバルブを開く冷凍機のほうが、供給されるガス量が小さくなる。複数の冷凍機１２間での供給ガス量の違いは、冷凍機１２間での冷凍能力のばらつきを生じさせる。こうした場合に比べて、差圧制御を実行することにより、冷凍機１２への作動ガス流量を十分に確保することができる。差圧制御は省エネルギー性に寄与するだけではなく、複数の冷凍機１２間の冷凍能力のばらつきを抑えることもできる。
【００９２】
図５は、本発明の一実施形態に係る圧縮機ユニット運転制御の制御フローを説明するための図である。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。
【００９３】
圧縮機コントローラ１６８は、制御量演算部１７６を備える。制御量演算部１７６は、例えば、少なくとも差圧一定制御のための制御量を演算するよう構成されている。この実施例では、演算された制御量が、圧縮機モータ１７２の運転周波数とリリーフ弁１６２の開度とに配分され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の開度の一方のみを制御量として差圧一定制御が実行されてもよい。制御量演算部１７６は、後述するように、差圧一定制御、吐出圧制御、及び吸入圧制御の少なくともいずれかのための制御量を演算するよう構成されていてもよい。
【００９４】
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ΔＰ０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。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よりも通常は低圧である。
【００９５】
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、さらに目標差圧ΔＰ０から測定差圧ΔＰを減じて差圧偏差ｅを求める偏差演算部１７８を備える。圧縮機コントローラ１６８の制御量演算部１７６は、例えばＰＤ演算またはＰＩＤ演算を含む所定の制御量演算処理により差圧偏差ｅから制御量Ｄを算出する。
【００９６】
なお、図示されるように圧縮機コントローラ１６８は、偏差演算部１７８を制御量演算部１７６とは別に備えてもよいし、制御量演算部１７６が偏差演算部１７８を備えてもよい。また、制御量演算部１７６の後段に、制御量Ｄを所定時間積算して出力配分処理部１８０に与えるための積分演算部が設けられていてもよい。
【００９７】
圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機インバータ１７０に与える制御量Ｄ１とリリーフ弁１６２に与える制御量Ｄ２とに制御量Ｄを配分する出力配分処理部１８０を備える。一実施例においては、出力配分処理部１８０は、制御量Ｄが所定のしきい値より小さい場合に制御量Ｄの大半をリリーフ弁制御量Ｄ２に割り当ててもよい。出力配分処理部１８０は、例えば制御量Ｄのうち、圧縮機の運転に必要な最小限の制御量をインバータ制御量Ｄ１に割り当てて、残りの全ての制御量をリリーフ弁制御量Ｄ２に割り当ててもよい。また、出力配分処理部１８０は、制御量Ｄがそのしきい値以上である場合に制御量Ｄをすべてインバータ制御量Ｄ１に割り当ててもよい（すなわちＤ＝Ｄ１）。
【００９８】
このようにすれば、制御量Ｄが比較的小さい場合にはリリーフ弁１６２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、制御量Ｄ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、出力配分処理部１８０は、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、制御量Ｄがしきい値を含む中間範囲にある場合に、あるいは制御量Ｄの全範囲にわたって、制御量Ｄをインバータ制御量Ｄ１とリリーフ弁制御量Ｄ２とに分配するようにしてもよい。
【００９９】
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をインバータ制御量Ｄ１から演算するインバータ指令部１８２と、リリーフ弁ドライバ１７４に与える指令値Ｒをリリーフ弁制御量Ｄ２から演算するリリーフ弁指令部１８４と、を備える。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ガス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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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量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との偏差から制御量を演算してもよい。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。
【０１０２】
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。よって、吐出圧制御は、圧縮機ユニットのための保護制御の一例である。
【０１０３】
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量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との偏差から制御量を演算してもよい。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。
【０１０４】
このようにすれば、吸入圧の低下に伴う作動ガス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。また、作動ガスの配管系から気体のリークが生じている場合に運転を直ちに停止させることなく、過度の圧低下を防ぎつつ運転をある程度の期間継続することも可能であるかもしれない。よって、吸入圧制御は、圧縮機ユニットのための保護制御の一例である。
【０１０５】
図６は、本発明の一実施形態に係る圧縮機ユニット運転制御の制御フローを説明するための図である。図６に示す圧縮機コントローラ１６８は、複数種類の圧縮機ユニット運転制御を選択的に実行するよう構成されている。そのために、制御量演算部１７６は、少なくとも２つの演算部と、演算された複数の制御量からいずれかを選択するための選択部１８６と、を備える。それ以外の構成については図６に示す圧縮機コントローラ１６８は、図５に示す構成と基本的に同様である。
【０１０６】
図６に示されるように、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、及び吸入圧制御を制御周期毎に選択して実行するよう構成されている。圧縮機コントローラ１６８は、通常は差圧一定制御を実行する。言い換えれば、圧縮機コントローラ１６８は初期設定として差圧一定制御が選択されている。吐出圧制御及び吸入圧制御は保護制御として設定されており、必要に応じていずれかが選択され実行される。
【０１０７】
圧縮機コントローラ１６８の偏差演算部１７８は、目標差圧ΔＰ０、吐出側圧力上限値ＰＨ０、吸入側圧力下限値ＰＬ０、吐出側測定圧ＰＨ、及び吸入側測定圧ＰＬの入力を受ける。上述のように、目標差圧ΔＰ０、吐出側圧力上限値ＰＨ０、及び吸入側圧力下限値ＰＬ０は、予め設定された値である。
【０１０８】
偏差演算部１７８は、第１偏差演算部１８８、第２偏差演算部１９０、及び第３偏差演算部１９２を備える。第１偏差演算部１８８は、目標差圧ΔＰ０、吐出側測定圧ＰＨ、及び吸入側測定圧ＰＬから、差圧偏差ｅを求める。第２偏差演算部１９０は、吐出側圧力上限値ＰＨ０から吐出側測定圧ＰＨを引いて吐出圧偏差ｅＨ（＝ＰＨ０−ＰＨ）を求める。第３偏差演算部１９２は、吸入側圧力上限値ＰＬ０から吸入側測定圧ＰＬを引いて吸入圧偏差ｅＬ（＝ＰＬ０−ＰＬ）を求める。
【０１０９】
制御量演算部１７６は、各運転制御のための制御量を並列して演算するよう構成されている。そのために、制御量演算部１７６は、第１制御量演算部１９４、第２制御量演算部１９６、及び第３制御量演算部１９８を備える。第１制御量演算部１９４は、差圧一定制御を実行する場合の制御量を差圧偏差ｅから演算する。これを以下では第１制御量Ｃ１と呼ぶことがある。第２制御量演算部１９６は、吐出圧制御を実行する場合の制御量を吐出圧偏差ｅＨから演算する。これを以下では第２制御量Ｃ２と呼ぶことがある。第３制御量演算部１９８は、吸入圧制御を実行する場合の制御量を吸入圧偏差ｅＬから演算する。これを以下では第３制御量Ｃ３と呼ぶことがある。
【０１１０】
第１制御量Ｃ１、第２制御量Ｃ２、及び第３制御量Ｃ３はいずれも、圧縮機ユニット１０２、１０４の同一の構成要素を制御するために演算された共通の制御量である。具体的には、圧縮機モータ１７２及び／またはリリーフ弁１６２を制御するための共通の制御量である。制御量Ｃ１ないしＣ３は、その値の大小に連動して圧縮機ユニット１０２、１０４の出力も増減されるよう調整されている。つまり、制御量Ｃ１ないしＣ３が大きいとき圧縮機ユニット１０２、１０４が高出力となり、逆に制御量Ｃ１ないしＣ３が小さいとき圧縮機ユニット１０２、１０４が低出力となる。
【０１１１】
そのために、第１制御量Ｃ１の演算処理は、測定差圧が目標差圧より大きい場合（差圧偏差ｅが負の場合）に制御量の値が小さくなり（例えば負となり）、逆に測定差圧が目標差圧より小さい場合（差圧偏差ｅが正の場合）に制御量の値が大きくなる（例えば正となる）よう定められている。同様に、第２制御量Ｃ２の演算処理は、測定値が目標値より大きい場合（吐出圧偏差ｅＨが負の場合）に制御量の値が小さくなり（例えば負となり）、逆に測定値が目標値より小さい場合（吐出圧偏差ｅＨが正の場合）に制御量の値が大きくなる（例えば正となる）よう定められている。
【０１１２】
第３制御量Ｃ３については、ＰＤ演算またはＰＩＤ演算を含む所定の制御量演算処理により吸入圧偏差ｅＬから演算された値の符号を反転した（即ち−１倍の）値としてもよい。よって、第３制御量Ｃ３の演算処理は、測定値が目標値より大きい場合（吸入圧偏差ｅＬが負の場合）に制御量の値が大きくなり（例えば正となり）、逆に測定値が目標値より小さい場合（吸入圧偏差ｅＬが正の場合）に制御量の値が小さくなる（例えば負となる）よう定められている。
【０１１３】
第１制御量Ｃ１、第２制御量Ｃ２、及び第３制御量Ｃ３が選択部１８６に入力される。制御量の値が小さいほど圧縮機ユニット１０２、１０４は低出力とされ消費電力が小さくなる。そこで、選択部１８６は、第１制御量Ｃ１、第２制御量Ｃ２、及び第３制御量Ｃ３のうち最小値を、実際に用いる制御量Ｄとして選択する。こうして得られた制御量Ｄを使用して、圧縮機モータ１７２及び／またはリリーフ弁１６２が制御される。
【０１１４】
図７は、本発明の一実施形態に係り、制御量の変化を概念的に示す図である。図７の左側には前回の制御時点Ａにおける制御量Ｃ１ないしＣ３を示し、図７の右側には現在の制御時点Ｂにおける制御量Ｃ１ないしＣ３を示す。前回の制御時点Ａから現在の制御時点Ｂまでに、制御周期に当たるごく短い時間Δｔが経過している。
【０１１５】
前回の制御時点Ａにおいては、第３制御量Ｃ３が最大であり、第２制御量Ｃ２が２番目に大きく、第１制御量Ｃ１が最小である。第２制御量Ｃ２と第１制御量Ｃ１との差はごく小さい。第３制御量Ｃ３は第２制御量Ｃ２及び第１制御量Ｃ１よりも相当に大きい。この場合、第１制御量Ｃ１が最小であるため、圧縮機ユニット１０２、１０４へと出力される制御量Ｄとして第１制御量Ｃ１が選択される。よって、前回の制御時点Ａにおいては第１運転制御（例えば差圧一定制御）が実行される。
【０１１６】
圧縮機コントローラ１６８における制御周期Δｔは通例ごく短い時間であるため、前回の制御時点Ａと現在の制御時点Ｂとで制御量Ｃ１ないしＣ３それぞれの変化は小さいと想定される。図７に示されるように、現在の制御時点Ｂにおいては、第３制御量Ｃ３が引き続き最大であり、第１制御量Ｃ１が２番目に大きく、第２制御量Ｃ２が最小である。前回の制御時点Ａとは第１制御量Ｃ１と第２制御量Ｃ２との大小関係が変化しているが、第１制御量Ｃ１と第２制御量Ｃ２との差は引き続きごく小さい。
【０１１７】
この場合、第２制御量Ｃ２が最小であるため、圧縮機ユニット１０２、１０４へと出力される制御量Ｄとして第２制御量Ｃ２が選択される。現在の制御時点Ｂにおいては第２運転制御（例えば吐出圧制御）が実行される。つまり、第１運転制御から第２運転制御へと運転制御が変更されることになる。しかし、前回の制御時点Ａと現在の制御時点Ｂとで第１制御量Ｃ１と第２制御量Ｃ２との差は継続してごく小さいため、結果として得られる制御量Ｄの変化はごく小さい。
【０１１８】
このように通常は、２つの制御量の大小関係の変化の直前においては一方の値が他方よりもわずかに大きく、大小関係の変化の直後においては一方の制御量の値が他方よりもわずかに小さくなると想定される。そのため、対応する２種類の運転制御を切り替える際の制御量Ｄの変化は小さくなり、ひいては圧縮機ユニット１０２、１０４の運転状態の変化も小さくなる。よって、クライオポンプシステム１０００における作動ガス流量を大きく変動させることなく、特に、クライオパネル温度を大きく変動させることなく、圧縮機ユニット１０２、１０４の運転を継続することができる。
【０１１９】
既述のように、圧縮機ユニットの作動ガスの封入圧を高くすることにより、あるいは差圧一定制御の差圧設定値を高くすることにより、クライオポンプシステム１０００においてクライオポンプ１０の設計を変更することなく冷凍機の冷凍能力を高めることができる。しかし、そうした方策は、圧縮機ユニット１０２、１０４に仕様として設定されている作動ガス圧の範囲からの逸脱を運転中に招きやすくなるおそれがある。場合によっては圧縮機ユニット１０２、１０４に備え付けられた安全装置が作動して、圧縮機ユニット１０２、１０４が自動的に停止されるおそれがある。
【０１２０】
本実施例によれば、差圧一定制御の実行中に吐出側測定圧ＰＨが吐出側圧力上限値ＰＨ０を超えて増加したときに、圧縮機ユニットの運転が差圧一定制御から吐出圧制御に切り替えられる。吐出圧制御によって吐出側測定圧ＰＨが吐出側圧力上限値ＰＨ０へと近づくと、圧縮機ユニット１０２、１０４の運転は差圧一定制御へと戻される。このようにして、差圧一定制御と吐出圧制御（または吸入圧制御）とを随時切り替えながら、圧縮機ユニット１０２、１０４の運転を継続することができる。
【０１２１】
したがって、本実施例によれば、圧縮機ユニット１０２、１０４の差圧一定制御と吐出圧制御とを制御量最小値選択という条件で随時切り替えることで、クライオポンプ１０の冷凍能力向上対策と圧縮機ユニット１０２、１０４の安定した運転継続とを両立することができる。また、省エネルギ性への影響が小さいという点でも好ましい。
【０１２２】
ところで、上述のように、制御量Ｃ１ないしＣ３の値が大きければ圧縮機ユニット１０２、１０４の出力も大きくなるよう制御量Ｃ１ないしＣ３は調整されている。よって、選択部１８６による制御量Ｄの選択は、差圧一定制御が吐出圧制御（または吸入圧制御）よりも圧縮機ユニット１０２、１０４に高い負荷を与えるか否かを判定すること、に相当する。言い換えれば、選択部１８６による制御量Ｄの選択は、複数種類の圧縮機ユニット運転制御のうち消費電力を最小とする運転制御を決定すること、に相当する。
【０１２３】
差圧一定制御が吐出圧制御よりも圧縮機ユニット１０２、１０４に高い負荷を与えると判定された場合には、圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機ユニットの制御を差圧一定制御から吐出圧制御に一時的に移行する。差圧一定制御が吐出圧制御よりも圧縮機ユニット１０２、１０４に高い負荷を与えないと判定された場合には、圧縮機コントローラ１６８は、差圧一定制御を継続する。本実施例ではこうした処理を、複数の制御量から最小値を選ぶという単純な手法で実現することができる。このようにして、吐出圧制御により圧縮機ユニット１０２、１０４に過度の高圧が作用するのを防ぎつつ、圧縮機ユニット１０２、１０４の運転を継続することができる。
【０１２４】
吐出圧制御がある程度継続されることで、圧縮機ユニット１０２、１０４の運転状態は吐出圧制御の開始時点に比べてより安全な状態へと落ち着くものと想定される。例えば、吐出圧制御の開始時点においては仕様上の安全範囲の上限近傍にあった吐出圧は、ある期間吐出圧制御が継続されることで低下して目標値付近に収束すると考えられる。その時点においては、既に保護の必要性は低くなっている。加えて、差圧一定制御のほうが吐出圧制御よりも低出力で圧縮機ユニット１０２、１０４を動作可能となっている可能性がある。
【０１２５】
そこで、吐出圧制御の間に、吐出圧制御が差圧一定制御よりも圧縮機ユニット１０２、１０４に高い負荷を与えると判定された場合には、圧縮機コントローラ１６８は、圧縮機ユニット１０２、１０４の制御を吐出圧制御から差圧一定制御に自動的に復帰させる。このようにして、比較的低い消費電力に抑えながら圧縮機ユニット１０２、１０４の運転を継続することができる。
【０１２６】
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。
【０１２７】
例えば、制御部は、各運転制御による圧縮機ユニットの負荷を評価するために、圧縮機インバータ１７０に与える制御量Ｄ１、リリーフ弁１６２に与える制御量Ｄ２、インバータ指令値Ｅ、リリーフ弁指令値Ｒといった、当該制御量に基づき演算された量を、上述の制御量Ｃ１ないしＣ３の代わりに用いてもよい。
【０１２８】
また、制御部は、圧縮機ユニットの運転状態を評価するための評価パラメタとして、必ずしも制御量を用いなくてもよい。評価パラメタは例えば、各運転制御における圧縮機ユニットの負荷を反映する任意のパラメタであってもよく、例えば、各運転制御のための設定値と測定値との乖離を表す比較専用のパラメタであってもよい。
【０１２９】
通常制御である第１運転制御は省エネルギ性に最も優れた制御であることが望ましく、上述の実施の形態においては差圧一定制御としている。しかし、通常制御はこれに限られず、吐出圧制御または吸入圧制御といった作動ガス圧に基づく任意の運転制御であってもよい。あるいは例えば、通常制御は作動ガス流量を直接に制御する流量制御であってもよい。流量制御を採用する場合、極低温システムまたは圧縮機ユニットは、作動ガスの流量を測定するための流量センサを圧縮機ユニットの吐出側及び／または吸入側に設けることが好ましい。保護制御についても通常制御と同様に、作動ガス圧に基づく運転制御及び／または作動ガス流量を直接に制御する流量制御であってもよい。
【０１３０】
極低温システムが通常とは異なる特定の状態（例えばクライオポンプの再生、またはシステムの起動）にあるときは、圧縮機ユニットにおいては通常制御のみが実行され、保護制御は実行されないようにしてもよい。この場合、その特定状態においては制御部は保護制御に関連する演算を休止してもよい。演算の休止により演算負荷を低減することができる。
【０１３１】
また、制御部は、保護制御に関連する演算を常時行うのではなく、必要な期間に行うようにしてもよい。例えば、制御部は、現在選択されている運転制御の評価パラメタと別の運転制御の評価パラメタとが接近すると想定される状況において当該別の運転制御の評価パラメタを演算するようにしてもよい。
【０１３２】
上述の実施の形態においては、制御部は、制御量が最小値であることを制御の切替の条件としているが、制御切替条件はこれに限られない。例えば、圧縮機ユニットの保護を重視する場合には、作動ガス圧がある高圧限界値を超えたときに、制御部は、圧縮機ユニットの運転制御を通常制御から保護制御へと直ちに切り替えてもよい。このとき、運転状態の変動を抑制することを重視する場合には、通常制御の評価パラメタと保護制御の評価パラメタとが接近していると判定されることを条件として、制御部は、圧縮機ユニットの運転制御を通常制御から保護制御へと直ちに切り替えてもよい。
【０１３３】
このように、制御部においては、運転制御の選択に際して付加的な（または代替的な）条件が設定されていてもよい。そうした付加的条件が満たされる場合に、制御部は、主たる条件により選択される運転制御（例えば上述の実施の形態において、最小の制御量を与える運転制御）とは異なる運転制御を選択してもよい。上述のように、付加的条件は、圧縮機ユニットの保護を促進するために定められていてもよく、例えば、作動ガス圧がある高圧限界値を超えたこと、を含んでもよい。運転状態の変動を抑制することを重視する場合には、付加的条件は、通常制御の評価パラメタと保護制御の評価パラメタとが接近していること（例えば、設定範囲に２つの評価パラメタが含まれること）、をさらに含んでもよい。
【符号の説明】
【０１３４】
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】
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【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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