(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１段クライオパネルと、
２段クライオパネルと、
前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルをそれぞれ極低温域に保持する通常モード用の通常目標温度と、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルをそれぞれ室温から前記極低温域に冷却するクールダウンモード用の、前記通常目標温度より低いクールダウン目標温度と、を備え、現在の運転モードが前記通常モードである場合に前記通常目標温度を１段目標温度として選択し、現在の運転モードが前記クールダウンモードである場合に少なくとも一時的に前記クールダウン目標温度を１段目標温度として選択する１段目標温度選択部と、
選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御する１段温度制御部と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項２】
前記通常目標温度は、８０Ｋから１３０Ｋの範囲から選択される所定温度であり、
前記クールダウン目標温度は、６０Ｋから前記所定温度の範囲から選択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。
【請求項３】
前記クールダウンモードにおける現在のフェーズをクライオポンプの現況に基づいて決定するフェーズ決定部をさらに備え、
前記１段目標温度選択部は、第１フェーズ用の前記通常目標温度より低い第１目標温度と、前記第１フェーズに後続する第２フェーズ用の前記第１目標温度より高くかつ前記通常目標温度より低い第２目標温度と、を備え、１段目標温度を前記現在のフェーズに応じて選択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。
【請求項４】
前記フェーズ決定部は、前記クールダウンモードの開始からの経過時間を監視し、前記経過時間がしきい値時間より短い場合に前記現在のフェーズを前記第１フェーズと決定し、前記経過時間が前記しきい値時間より長い場合に前記現在のフェーズを前記第２フェーズと決定することを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
【請求項５】
前記フェーズ決定部は、２段クライオパネル温度を監視し、前記２段クライオパネル温度がしきい値温度より高い場合に前記現在のフェーズを前記第１フェーズと決定し、前記２段クライオパネル温度が前記しきい値温度より低い場合に前記現在のフェーズを前記第２フェーズと決定することを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
【請求項６】
１段クライオパネルおよび２段クライオパネルをそれぞれ極低温域に保持する通常モード用の通常目標温度と、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルをそれぞれ室温から前記極低温域に冷却するクールダウンモード用の、前記通常目標温度より低いクールダウン目標温度と、を備え、現在の運転モードが前記通常モードである場合に前記通常目標温度を１段目標温度として選択し、現在の運転モードが前記クールダウンモードである場合に少なくとも一時的に前記クールダウン目標温度を１段目標温度として選択する１段目標温度選択部と、
選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御する１段温度制御部と、を備えることを特徴とするクライオポンプ制御装置。
【請求項７】
１段目標温度を現在の運転モードに応じて選択することと、
選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御することと、を備え、
１段クライオパネルおよび２段クライオパネルをそれぞれ室温から極低温域に冷却するクールダウンモード用のクールダウン目標温度は、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルをそれぞれ前記極低温域に保持する通常モード用の通常目標温度より低く、前記クールダウン目標温度は、前記現在の運転モードが前記クールダウンモードである場合に少なくとも一時的に使用されることを特徴とするクライオポンプ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオポンプ、クライオポンプ制御装置及びクライオポンプ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
新たなクライオポンプが現場に据え付けられたとき、室温から極低温へとクライオポンプは冷却され、真空排気運転が開始される。また、知られているように、クライオポンプは気体溜め込み式の真空ポンプであるから、溜め込まれた気体を外部に排出するためにある頻度で再生が行われる。再生処理は一般に、昇温工程、排出工程、及び冷却工程を含む。冷却工程が終了すると、クライオポンプの真空排気運転が再開される。こうした真空排気運転の準備としてのクライオポンプの冷却は、クールダウンと呼ばれることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１７０５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
クライオポンプは極低温冷凍機の主要な用途の１つであるが、冷凍機の高温段と低温段との間に比較的大きな温度差が必要とされる点で、他の用途と異なる。しかし、クライオポンプを冷却するときそうした温度差を短時間で作り出すのは簡単ではない。例えば、高温段が目標の冷却温度に達したとき低温段がまだ目標温度に達していなければ、高温段を目標温度に保ちながら低温段をさらに冷却し続けなければならない。このようなクールダウン終盤の温度調整にはある程度の時間を要する。特に、高温段と低温段に大きな温度差が必要とされる場合には温度調整に要する時間が長くなる。クールダウンはクライオポンプのダウンタイムとなるから、短時間で行うことが望まれる。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの冷却時間を短縮することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、クライオポンプは、１段クライオパネルと、２段クライオパネルと、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルをそれぞれ極低温域に保持する通常モード用の通常目標温度と、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルをそれぞれ室温から前記極低温域に冷却するクールダウンモード用の、前記通常目標温度より低いクールダウン目標温度と、を備え、現在の運転モードが前記通常モードである場合に前記通常目標温度を１段目標温度として選択し、現在の運転モードが前記クールダウンモードである場合に少なくとも一時的に前記クールダウン目標温度を１段目標温度として選択する１段目標温度選択部と、選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御する１段温度制御部と、を備える。
【０００７】
本発明のある態様によると、クライオポンプ制御装置は、１段クライオパネルおよび２段クライオパネルをそれぞれ極低温域に保持する通常モード用の通常目標温度と、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルをそれぞれ室温から前記極低温域に冷却するクールダウンモード用の、前記通常目標温度より低いクールダウン目標温度と、を備え、現在の運転モードが前記通常モードである場合に前記通常目標温度を１段目標温度として選択し、現在の運転モードが前記クールダウンモードである場合に少なくとも一時的に前記クールダウン目標温度を１段目標温度として選択する１段目標温度選択部と、選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御する１段温度制御部と、を備える。
【０００８】
本発明のある態様によると、クライオポンプ制御方法は、１段目標温度を現在の運転モードに応じて選択することと、選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御することと、を備える。１段クライオパネルおよび２段クライオパネルをそれぞれ室温から極低温域に冷却するクールダウンモード用のクールダウン目標温度は、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルをそれぞれ前記極低温域に保持する通常モード用の通常目標温度より低く、前記クールダウン目標温度は、前記現在の運転モードが前記クールダウンモードである場合に少なくとも一時的に使用される。
【０００９】
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装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体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】
【００１０】
本発明によれば、クライオポンプの冷却時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ある実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す。
【図２】ある実施形態に係るクライオポンプ制御装置の構成を概略的に示す。
【図３】ある実施形態に係る１段目標温度テーブルを示す。
【図４】クライオポンプの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】典型的なクールダウン運転における温度プロファイルを例示する。
【図６】ある実施形態に係るクライオポンプ制御方法を示すフローチャートである。
【図７】ある実施形態に係るクールダウン運転における温度プロファイルを例示する。
【図８】他の実施形態に係るクライオポンプ制御装置の構成を概略的に示す。
【図９】他の実施形態に係る１段目標温度テーブルを示す。
【図１０】他の実施形態に係るクライオポンプ制御方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は、ある実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の真空チャンバに取り付けられて、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まで高めるために使用される。
【００１４】
クライオポンプ１０は、気体を受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２はクライオポンプ１０の内部空間１４への入口である。クライオポンプ１０が取り付けられた真空チャンバから吸気口１２を通じて、排気されるべき気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。
【００１５】
なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は吸気口１２を通る方向を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。
【００１６】
クライオポンプ１０は、冷却システム１５と、１段クライオパネル１８と、２段クライオパネル１９と、を備える。冷却システム１５は、１段クライオパネル１８及び２段クライオパネル１９を冷却するよう構成されている。冷却システム１５は、冷凍機１６と、圧縮機３６と、を備える。
【００１７】
冷凍機１６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）などの極低温冷凍機である。冷凍機１６は、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２１、第１シリンダ２２、第２シリンダ２３、第１ディスプレーサ２４、及び第２ディスプレーサ２５を備える二段式の冷凍機である。よって、冷凍機１６の高温段は、第１冷却ステージ２０、第１シリンダ２２、及び第１ディスプレーサ２４を備える。冷凍機１６の低温段は、第２冷却ステージ２１、第２シリンダ２３、及び第２ディスプレーサ２５を備える。よって以下では第１冷却ステージ２０及び第２冷却ステージ２１をそれぞれ高温段の低温端及び低温段の低温端と呼ぶこともできる。
【００１８】
第１シリンダ２２と第２シリンダ２３は直列に接続されている。第１冷却ステージ２０は、第１シリンダ２２と第２シリンダ２３との結合部に設置されている。第２シリンダ２３は第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２１とを連結する。第２冷却ステージ２１は、第２シリンダ２３の末端に設置されている。第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３それぞれの内部には第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５が冷凍機１６の長手方向（図１において左右方向）に移動可能に配設されている。第１ディスプレーサ２４と第２ディスプレーサ２５とは一体に移動可能に連結されている。第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５にはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。
【００１９】
冷凍機１６の室温部には、駆動機構１７が設けられている。駆動機構１７は、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５のそれぞれが第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動可能とするように第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５に接続されている。また駆動機構１７は、作動気体の吸入と吐出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を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を含み、駆動部はロータリーバルブを回転させるためのモータを含む。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。
【００２０】
冷凍機１６は高圧導管３４及び低圧導管３５を介して圧縮機３６に接続される。冷凍機１６は、圧縮機３６から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム）を内部で膨張させて第１冷却ステージ２０及び第２冷却ステージ２１に寒冷を発生させる。圧縮機３６は、冷凍機１６で膨張した作動気体を回収し再び加圧して冷凍機１６に供給する。
【００２１】
具体的には、まず駆動機構１７が高圧導管３４と冷凍機１６の内部空間とを連通させる。圧縮機３６から高圧導管３４を通じて冷凍機１６に高圧の作動気体が供給される。冷凍機１６の内部空間が高圧の作動気体で満たされると、駆動機構１７は冷凍機１６の内部空間を低圧導管３５に連通させるよう流路を切り替える。これにより作動気体は膨張する。膨張した作動気体は圧縮機３６へと回収される。こうした作動気体の給排に同期して、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５のそれぞれが第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３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１６は第１冷却ステージ２０及び第２冷却ステージ２１に寒冷を発生させる。
【００２２】
冷凍機１６は、第１冷却ステージ２０を第１温度レベルに冷却し、第２冷却ステージ２１を第２温度レベルに冷却するよう構成されている。第２温度レベルは第１温度レベルよりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２０は６０Ｋ〜１３０Ｋ程度、または６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、または、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２１は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。
【００２３】
冷凍機１６は、高温段を通じて低温段に作動気体を流すよう構成されている。すなわち、圧縮機３６から流入する作動気体は、第１シリンダ２２から第２シリンダ２３へと流れる。このとき第１ディスプレーサ２４及びその蓄冷器によって作動気体は第１冷却ステージ２０の温度に冷却される。こうして冷却された作動気体が低温段に供給される。したがって、圧縮機３６から冷凍機１６の高温段に導入される作動気体温度は、低温段の冷却能力に顕著な影響を与えないと期待される。
【００２４】
図示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の軸方向に交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。
【００２５】
２段クライオパネル１９は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。２段クライオパネル１９は例えば、複数のパネル部材２６を含む。パネル部材２６は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各パネル部材２６には通常活性炭等の吸着剤（図示せず）が設けられている。吸着剤は例えばパネル部材２６の裏面に接着されている。このようにして、２段クライオパネル１９は、気体分子を吸着するための吸着領域を備える。
【００２６】
パネル部材２６はパネル取付部材２８に取り付けられている。パネル取付部材２８は第２冷却ステージ２１に取り付けられている。このようにして、２段クライオパネル１９は、第２冷却ステージ２１に熱的に接続されている。よって、２段クライオパネル１９は第２温度レベルに冷却される。
【００２７】
１段クライオパネル１８は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備える。１段クライオパネル１８は、２段クライオパネル１９を包囲するよう２段クライオパネル１９の外側に設けられている。１段クライオパネル１８は第１冷却ステージ２０に熱的に接続されており、１段クライオパネル１８は第１温度レベルに冷却される。
【００２８】
放射シールド３０は主として、クライオポンプ１０のハウジング３８からの輻射熱から２段クライオパネル１９を保護するために設けられている。放射シールド３０は、ハウジング３８と２段クライオパネル１９との間にあり、２段クライオパネル１９を囲む。放射シールド３０は、吸気口１２に向けて軸方向上端が開放されている。放射シールド３０は、軸方向下端が閉塞された筒形（例えば円筒）の形状を有し、カップ状に形成されている。放射シールド３０の側面には冷凍機１６の取付のための孔があり、そこから第２冷却ステージ２１が放射シールド３０の中に挿入されている。その取付孔の外周部にて放射シールド３０の外面に第１冷却ステージ２０が固定されている。こうして放射シールド３０は第１冷却ステージ２０に熱的に接続されている。
【００２９】
入口クライオパネル３２は、２段クライオパネル１９の軸方向上方に設けられ、吸気口１２において径方向に沿って配置されている。入口クライオパネル３２はその外周部が放射シールド３０の開口端に固定されて、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０の中心軸を中心とする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。
【００３０】
入口クライオパネル３２は、吸気口１２に入る気体を排気するために設けられている。入口クライオパネル３２の温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。また、入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から２段クライオパネル１９を保護するために設けられている。輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限される。入口クライオパネル３２は、吸気口１２を通じた内部空間１４への気体流入を所望量に制限するように吸気口１２の開口面積の一部を占有する。
【００３１】
クライオポンプ１０は、ハウジング３８を備える。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるための真空容器である。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部空間１４の圧力を気密に保持するよう構成されている。ハウジング３８の中に、１段クライオパネル１８と冷凍機１６とが収容されている。ハウジング３８は、１段クライオパネル１８の外側に設けられており、１段クライオパネル１８を囲む。また、ハウジング３８は冷凍機１６を収容する。つまり、ハウジング３８は、１段クライオパネル１８及び２段クライオパネル１９を囲むクライオポンプ容器である。
【００３２】
ハウジング３８は、１段クライオパネル１８及び冷凍機１６の低温部に非接触であるように、冷凍機１６の室温部（例えば駆動機構１７）に固定されている。ハウジング３８の外面は外部環境にさらされており、冷却されている１段クライオパネル１８よりも温度が高い（例えば室温程度）。
【００３３】
また、ハウジング３８はその開口端から径方向外側に向けて延びる吸気口フランジ５６を備える。吸気口フランジ５６は、取付先の真空チャンバにクライオポンプ１０を取り付けるためのフランジである。真空チャンバの開口にはゲートバルブが設けられており（図示せず）、吸気口フランジ５６はそのゲートバルブに取り付けられる。そのようにして入口クライオパネル３２の軸方向上方にゲートバルブが位置する。例えばクライオポンプ１０を再生するときにゲートバルブは閉とされ、クライオポンプ１０が真空チャンバを排気するときに開とされる。
【００３４】
クライオポンプ１０は、第１冷却ステージ２０の温度を測定するための第１温度センサ９０と、第２冷却ステージ２１の温度を測定するための第２温度センサ９２と、を備える。第１温度センサ９０は、第１冷却ステージ２０に取り付けられている。第２温度センサ９２は、第２冷却ステージ２１に取り付けられている。なお、第１温度センサ９０は１段クライオパネル１８に取り付けられていてもよい。第２温度センサ９２は２段クライオパネル１９に取り付けられていてもよい。
【００３５】
また、クライオポンプ１０は、クライオポンプ制御装置（以下、制御装置ともいう）１００を備える。制御装置１００はクライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。
【００３６】
制御装置１００は、クライオポンプ１０の真空排気運転、再生運転、及びクールダウン運転のために冷凍機１６を制御するよう構成されている。制御装置１００には、第１温度センサ９０及び第２温度センサ９２を含む各種センサの測定結果を受信するよう構成されている。制御装置１００は、そうした測定結果に基づいて、冷凍機１６に与える制御指令を演算する。
【００３７】
制御装置１００は、ステージ温度が目標の冷却温度に追従するように冷凍機１６を制御する。第１冷却ステージ２０の目標温度は通常、一定値に設定される。第１冷却ステージ２０の目標温度は例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバで行われるプロセスに応じて仕様として定められる。なお、クライオポンプの運転中に、目標温度は必要に応じて変更されてもよい。
【００３８】
例えば、制御装置１００は、第１冷却ステージ２０の目標温度と第１温度センサ９０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１６の運転周波数を制御する。すなわち、制御装置１００は、駆動機構１７のモータ回転数を制御することにより、冷凍機１６における熱サイクルの周波数を制御する。
【００３９】
クライオポンプ１０への熱負荷が増加したとき第１冷却ステージ２０の温度が高まりうる。第１温度センサ９０の測定温度が目標温度よりも高温である場合には、制御装置１００は、冷凍機１６の運転周波数を増加させる。その結果、冷凍機１６における熱サイクルの周波数も増加され、第１冷却ステージ２０は目標温度に向けて冷却される。逆に第１温度センサ９０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１６の運転周波数は減少されて第１冷却ステージ２０は目標温度に向けて昇温される。こうして、第１冷却ステージ２０の温度を目標温度の近傍の温度範囲に留めることができる。熱負荷に応じて冷凍機１６の運転周波数を適切に調整することができるので、こうした制御はクライオポンプ１０の消費電力の低減に役立つ。
【００４０】
第１冷却ステージ２０の温度を目標温度に従って冷凍機１６を制御することを、以下では「１段温度制御」と呼ぶことがある。クライオポンプ１０が真空排気運転をしているときは通常、１段温度制御が実行される。１段温度制御の結果、第２冷却ステージ２１及び２段クライオパネル１９は、冷凍機１６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。同様にして、制御装置１００は、第２冷却ステージ２１の温度を目標温度に従って冷凍機１６を制御する、いわば「２段温度制御」を実行することもできる。
【００４１】
図２は、ある実施形態に係るクライオポンプ１０の制御装置１００の構成を概略的に示す図である。こうした制御装置は、ハードウエア、ソフトウエア、またはそれらの組合せによって実現される。また、図２においては、関連する冷凍機１６の一部の構成を概略的に示す。
【００４２】
冷凍機１６の駆動機構１７は、冷凍機１６を駆動する冷凍機モータ８０と、冷凍機１６の運転周波数を制御する冷凍機インバータ８２と、を備える。上述のように冷凍機１６は作動気体の膨張機であるので、冷凍機モータ８０及び冷凍機インバータ８２はそれぞれ膨張機モータ及び膨張機インバータと呼ぶこともできる。
【００４３】
冷凍機１６の運転周波数（運転速度ともいう）とは、冷凍機モータ８０の運転周波数または回転数、冷凍機インバータ８２の運転周波数、熱サイクルの周波数、または、これらのいずれかを表す。熱サイクルの周波数とは、冷凍機１６において行われる熱サイクルの単位時間あたりの回数である。
【００４４】
制御装置１００は、冷凍機制御部１０２、記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８を備える。冷凍機制御部１０２は、クライオポンプ１０の真空排気運転及び再生運転を実行するよう冷凍機１６を制御するよう構成されている。冷凍機制御部１０２は、室温から標準運転温度へと少なくとも１つのクライオパネル（１段クライオパネル１８及び／または２段クライオパネル１９、以下同様）の温度を低下させるクールダウン運転を実行するよう冷凍機１６を制御するよう構成されている。冷凍機制御部１０２は、少なくとも１つのクライオパネルの温度を標準運転温度に維持する温調運転をクールダウン運転に続いて実行するよう冷凍機１６を制御するよう構成されている。
【００４５】
記憶部１０４は、クライオポンプ１０の制御に関連するデータを格納するよう構成されている。入力部１０６は、ユーザまたは他の装置からの入力を受け付けるよう構成されている。入力部１０６は例えば、ユーザからの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段、及び／または、他の装置との通信をするための通信手段を含む。出力部１０８は、クライオポンプ１０の制御に関連するデータを出力するよう構成され、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含む。
【００４６】
記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８はそれぞれ冷凍機制御部１０２と通信可能に接続されている。よって、冷凍機制御部１０２は、必要に応じてデータを、記憶部１０４から読み出し及び／または記憶部１０４に格納することができる。また、冷凍機制御部１０２は、入力部１０６からデータの入力を受け、及び／または、出力部１０８にデータを出力することができる。
【００４７】
冷凍機制御部１０２は、運転モード決定部１１０、１段目標温度選択部１１２、及び１段温度制御部１１４を備える。
【００４８】
運転モード決定部１１０は、クライオポンプ１０の運転モードを決定するよう構成されている。運転モード決定部１１０は、クライオポンプ１０の現況に基づいてある運転モードから他の運転モードへ切り替えるか否かを判定するよう構成されている。運転モード決定部１１０は、そうしたモード切替条件が満たされる場合、運転モードを切り替える。運転モード決定部１１０は、モード切替条件が満たされていない場合、現在の運転モードを続行する。
【００４９】
クライオポンプ１０には、複数の運転モードが予め設定されている。運転モードには、例えば、１段クライオパネルおよび２段クライオパネルをそれぞれ室温から極低温域に冷却するクールダウンモード、および、１段クライオパネルおよび２段クライオパネルをそれぞれ極低温域に保持する通常モードが含まれる。運転モード決定部１１０は、測定された２段クライオパネル温度に基づいてクールダウンモードから通常モードへと切り替えるか否かを判定するよう構成されている。
【００５０】
運転モード決定部１１０は、クライオポンプ１０の運転モードを判定するよう構成されていてもよい。異なる複数の運転モードそれぞれに対応する運転モードフラグが予め定められていてもよい。記憶部１０４は、これらの運転モードフラグを記憶していてもよい。運転モード決定部１１０は、クライオポンプ１０がある運転モードに入るときその運転モードに対応する運転モードフラグを選択するよう構成されていてもよい。運転モード決定部１１０は、選択されている運転モードフラグを参照してクライオポンプ１０の現在の運転モードを判定してもよい。
【００５１】
１段目標温度選択部１１２は、１段目標温度テーブル１１６を備える。１段目標温度選択部１１２は、１段目標温度テーブル１１６を参照し、現在の運転モードに応じて１段目標温度を選択するよう構成されている。１段目標温度テーブル１１６は、記憶部１０４に予め格納されており、必要に応じて１段目標温度選択部１１２に読み出されてもよい。
【００５２】
１段温度制御部１１４は、選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御するよう構成されている。１段温度制御部１１４は、上述のように、クライオパネルの測定温度と目標温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）冷凍機モータ８０の運転周波数を決定するよう構成されている。１段温度制御部１１４は、予め定められた運転周波数範囲内において冷凍機モータ８０の運転周波数を決定する。運転周波数範囲は、予め定められた運転周波数の上限及び下限により定義される。１段温度制御部１１４は、決定された運転周波数を冷凍機インバータ８２に出力する。
【００５３】
１段温度制御部１１４は、冷凍機モータ８０の運転周波数とともに（または冷凍機モータ８０の運転周波数に代えて）、冷凍機１６に付設されたヒータを制御してもよい。
【００５４】
冷凍機インバータ８２は、冷凍機モータ８０の可変周波数制御を提供するよう構成されている。冷凍機インバータ８２は、入力電力を、１段温度制御部１１４から入力された運転周波数を有するよう変換する。冷凍機インバータ８２への入力電力は、冷凍機電源（図示せず）から供給される。冷凍機インバータ８２は、変換された電力を冷凍機モータ８０に出力する。こうして冷凍機モータ８０は、１段温度制御部１１４によって決定され冷凍機インバータ８２から出力された運転周波数で駆動される。
【００５５】
図３は、ある実施形態に係る１段目標温度テーブル１１６を示す。１段目標温度テーブル１１６は、クライオポンプ運転モードを１段目標温度に対応づけるよう構成されている。図示されるように、通常モード用の通常目標温度Ｔ１ｃ１およびクールダウンモード用のクールダウン目標温度Ｔ１ｃ２が１段目標温度テーブル１１６に予め設定されている。本例では、通常目標温度Ｔ１ｃ１は８０Ｋであり、クールダウン目標温度Ｔ１ｃ２は７０Ｋである。
【００５６】
クールダウン目標温度Ｔ１ｃ２は、通常目標温度Ｔ１ｃ１より低い。通常目標温度Ｔ１ｃ１は、例えば、８０Ｋから１３０Ｋの範囲から選択される第１の所定温度である。クールダウン目標温度Ｔ１ｃ２は、例えば、６０Ｋから上記第１の所定温度の範囲から選択される第２の所定温度である。クールダウン目標温度Ｔ１ｃ２は、６５Ｋから上記第１の所定温度の範囲から選択されてもよい。この温度域であれば、ハウジング３８内の残留気体が１段クライオパネル１８に不所望に凝縮することが防止される。また、クールダウン目標温度Ｔ１ｃ２と通常目標温度Ｔ１ｃ１の温度差が比較的小さいので、クールダウンモードから通常モードに切り替える際に１段クライオパネル１８をクールダウン目標温度Ｔ１ｃ２から通常目標温度Ｔ１ｃ１に昇温するのが容易である。通常目標温度Ｔ１ｃ１およびクールダウン目標温度Ｔ１ｃ２は、実験的にまたは経験的に予め定められる。
【００５７】
このようにして、１段目標温度選択部１１２は、通常目標温度Ｔ１ｃ１およびクールダウン目標温度Ｔ１ｃ２を備える。１段目標温度選択部１１２は、現在の運転モードが通常モードである場合に通常目標温度Ｔ１ｃ１を１段目標温度として選択し、現在の運転モードがクールダウンモードである場合に少なくとも一時的にクールダウン目標温度Ｔ１ｃ１を１段目標温度として選択するよう構成されている。
【００５８】
図４は、クライオポンプ１０の運転方法を説明するためのフローチャートである。この運転方法は、準備運転（Ｓ１０）と、真空排気運転（Ｓ１２）と、を含む。上述の通常モードが真空排気運転にあたる。準備運転は、通常モードに先行して実行される任意の運転モードを含む。制御装置１００は、この運転方法を適時に反復して実行する。真空排気運転が終了し準備運転が開始されるときには通例、クライオポンプ１０と真空チャンバとの間のゲートバルブが閉じられる。
【００５９】
準備運転（Ｓ１０）は例えば、クライオポンプ１０の起動である。クライオポンプ１０の起動は、クライオポンプ１０が設置される環境温度（例えば室温）から極低温にクライオパネルを冷却するクールダウンを含む。クールダウンの目標冷却温度は、真空排気運転のために設定される標準的な運転温度である。その標準運転温度は上述のように、１段クライオパネル１８については例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度の範囲から、２段クライオパネル１９については例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度の範囲から、選択される。準備運転（Ｓ１０）は、粗引きバルブ（図示せず）などを用いてクライオポンプ１０の内部を動作開始圧力（例えば１Ｐａ程度）まで粗引きすることを含んでもよい。
【００６０】
準備運転（Ｓ１０）は、クライオポンプ１０の再生であってもよい。再生は、今回の真空排気運転の終了後に、次回の真空排気運転の準備のために実行される。再生は、２段クライオパネル１９及び１段クライオパネル１８を再生するいわゆるフル再生、または２段クライオパネル１９のみを再生する部分再生である。
【００６１】
再生は、昇温工程、排出工程、及び冷却工程を含む。昇温工程は、上記の標準運転温度よりも高温である再生温度にクライオポンプ１０を昇温することを含む。フル再生の場合、再生温度は例えば室温またはそれよりいくらか高い温度である（例えば約２９０Ｋないし約３００Ｋ）。昇温工程のための熱源は例えば、冷凍機１６の逆転昇温、及び／または冷凍機１６に付設されるヒータである。
【００６２】
排出工程は、クライオパネル表面から再気化した気体をクライオポンプ１０の外部へ排出することを含む。再気化した気体は、必要に応じて導入されるパージガスとともにクライオポンプ１０から排出される。排出工程においては、冷凍機１６の運転は停止されている。冷却工程は、真空排気運転を再開するために２段クライオパネル１９及び１段クライオパネル１８を再冷却することを含む。冷却工程における冷凍機１６の運転モードは、起動のためのクールダウンと同様である。ただし、冷却工程におけるクライオパネルの初期温度は、フル再生の場合室温レベルにあるが、部分再生の場合には室温と上記の標準運転温度との中間（例えば１００Ｋ〜２００Ｋ）にある。
【００６３】
図４に示されるように、準備運転（Ｓ１０）に続いて真空排気運転（Ｓ１２）が行われる。準備運転が終了し真空排気運転が開始されるときに、クライオポンプ１０と真空チャンバとの間のゲートバルブが開かれる。
【００６４】
入口クライオパネル３２は、真空チャンバからクライオポンプ１０に向かって飛来する気体を冷却する。入口クライオパネル３２の表面には、第１冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第１種気体と称されてもよい。第１種気体は例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３２は、第１種気体を排気することができる。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体の一部は、吸気口１２から内部空間１４へと進入する。あるいは、気体の他の一部は、入口クライオパネル３２で反射され、内部空間１４に進入しない。
【００６５】
内部空間１４に進入した気体は、２段クライオパネル１９によって冷却される。２段クライオパネル１９の表面には、第２冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第２種気体と称されてもよい。第２種気体は例えばアルゴンである。こうして、２段クライオパネル１９は、第２種気体を排気することができる。
【００６６】
第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、２段クライオパネル１９の吸着材に吸着される。この気体は、第３種気体と称されてもよい。第３種気体は例えば水素である。こうして、２段クライオパネル１９は、第３種気体を排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々の気体を凝縮または吸着により排気し、真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。
【００６７】
図５は、典型的なクールダウンモードにおける温度プロファイルの一例を示す図である。図５の縦軸及び横軸はそれぞれ温度及び時間を表す。図５には、１段クライオパネル温度Ｔ１及び２段クライオパネル温度Ｔ２の時間変化を概略的に示す。クールダウンを開始するときの１段クライオパネル温度Ｔ１及び２段クライオパネル温度Ｔ２の初期値はともに例えば３００Ｋである。１段目標温度Ｔ１ａは例えば８０Ｋであり、２段目標温度Ｔ２ａは例えば１０Ｋである。
【００６８】
クールダウンの開始以降、図示されるように、１段クライオパネル温度Ｔ１及び２段クライオパネル温度Ｔ２はともに降下する。それぞれ目標温度から乖離しているので、冷凍機１６はかなり高い運転周波数（例えば、許容される最高の運転周波数またはその近傍）で運転され、それにより、目標温度に向けてクライオパネルが速やかに冷却される。こうして、１段クライオパネル温度Ｔ１は、時刻ｔ１で１段目標温度Ｔ１ａに達する。この時点で２段クライオパネル温度Ｔ２は、１段目標温度Ｔ１ａよりもいくらか低温に冷却されているが、２段目標温度Ｔ２ａにはまだ遠く及ばない。
【００６９】
時刻ｔ１以降は１段クライオパネル温度Ｔ１が１段目標温度Ｔ１ａに保持される。そのため、冷凍機１６は低い運転周波数で運転される。２段クライオパネル温度Ｔ２は、２段目標温度Ｔ２ａに向けて緩やかに降下し、時刻ｔ４で２段目標温度Ｔ２ａに達する。これをもってクールダウンは完了し、真空排気運転が開始される。
【００７０】
図６は、ある実施形態に係るクライオポンプ１０の制御方法を示すフローチャートである。図６には、１段目標温度切替処理を例示する。冷凍機制御部１０２は、クールダウンモードが開始されてから、１段目標温度切替処理を周期的に実行する。
【００７１】
まず、１段目標温度選択部１１２は、現在の運転モードに応じて１段目標温度を選択する（Ｓ２０）。１段目標温度選択部１１２は、運転モード決定部１１０から現在の運転モードを取得する。
【００７２】
１段目標温度選択部１１２は、１段目標温度テーブル１１６を参照する。１段目標温度選択部１１２は、現在の運転モードが通常モードである場合に通常目標温度Ｔ１ｃ１を１段目標温度として選択し（Ｓ２２）、現在の運転モードがクールダウンモードである場合にクールダウン目標温度Ｔ１ｃ２を１段目標温度として選択する（Ｓ２４）。１段目標温度選択部１１２は、選択された１段目標温度を１段温度制御部１１４に出力する。
【００７３】
１段温度制御部１１４は、選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御する（Ｓ２６）。１段温度制御部１１４は、上述の１段温度制御を実行する。こうして、図６に示す処理は終了する。
【００７４】
図７は、ある実施形態に係るクールダウンモードにおける温度プロファイルの一例を示す図である。図５と同様に、図７の縦軸及び横軸はそれぞれ温度及び時間を表す。図７においては比較のために、図５に示す温度プロファイルを破線で示す。
【００７５】
図５に示す場合と同様に、１段クライオパネル温度Ｔ１及び２段クライオパネル温度Ｔ２の初期値はともに例えば３００Ｋである。クールダウンを開始する際に１段目標温度としてクールダウン目標温度Ｔ１ｃ２が設定されている。クールダウン目標温度Ｔ１ｃ２は例えば７０Ｋである。２段目標温度Ｔ２ａは例えば１０Ｋである。
【００７６】
クールダウンの開始以降、１段クライオパネル温度Ｔ１及び２段クライオパネル温度Ｔ２はともに降下する。１段クライオパネル温度Ｔ１は、時刻ｔ２でクールダウン目標温度Ｔ１ｃ２に達する。クールダウン目標温度Ｔ１ｃ２は図５の１段目標温度Ｔ１ａより低いので、時刻ｔ２は時刻ｔ１より遅い。この時点で２段クライオパネル温度Ｔ２は、２段目標温度Ｔ２ａにまだ達していない。
【００７７】
時刻ｔ２以降は１段クライオパネル温度Ｔ１がクールダウン目標温度Ｔ１ｃ１に保持される。２段クライオパネル温度Ｔ２は、２段目標温度Ｔ２ａに向けて降下し、時刻ｔ３で２段目標温度Ｔ２ａに達する。これをもってクールダウンモードから通常モードに切り替えられ、真空排気運転が開始される。１段目標温度が通常目標温度Ｔ１ｃ１に変更され、１段クライオパネル温度Ｔ１はそれに追従する。
【００７８】
重要なことは、時刻ｔ３は時刻ｔ４より早いということである。つまり、図７の場合、図５に比べてクールダウンの所要時間がΔｔ（＝ｔ４−ｔ３）だけ短縮される。これは、図５の場合に比べて、１段クライオパネル温度Ｔ１がより低温に保持されるよう冷凍機１６の運転周波数がより高くなるためである。このようにして、本実施形態によると、クライオポンプ１０の冷却時間を短縮することができる。
【００７９】
図８は、他の実施形態に係るクライオポンプ１０の制御装置１００の構成を概略的に示す図である。運転モード決定部１１０、１段目標温度選択部１１２、および１段温度制御部１１４に加えて、冷凍機制御部１０２は、タイマー１１８およびフェーズ決定部１２０を備える。タイマー１１８は、クールダウンモードの開始からの経過時間を計るよう構成されている。フェーズ決定部１２０は、クールダウンモードにおける現在のフェーズをクライオポンプ１０の現況に基づいて決定するよう構成されている。
【００８０】
フェーズ決定部１２０は、クライオポンプ１０の現況を監視するよう構成されている。フェーズ決定部１２０は、例えば、クールダウンモードの開始からの経過時間を監視する。フェーズ決定部１２０は、タイマー１１８を参照する。フェーズ決定部１２０は、タイマー１１８が計る経過時間がしきい値時間より短い場合に現在のフェーズを第１フェーズと決定し、経過時間がしきい値時間より長い場合に現在のフェーズを第２フェーズと決定するよう構成されている。第１フェーズはクールダウンモードの前半または初期を表し、第２フェーズはクールダウンモードの後半または終盤を表すともいえる。しきい値時間は、実験的にまたは経験的に予め定められ、記憶部１０４に格納されていてもよい。
【００８１】
あるいは、フェーズ決定部１２０は、２段クライオパネル温度を監視してもよい。フェーズ決定部１２０は、２段クライオパネル温度がしきい値温度より高い場合に現在のフェーズを第１フェーズと決定し、２段クライオパネル温度がしきい値温度より低い場合に現在のフェーズを第２フェーズと決定してもよい。しきい値温度は、２段目標温度から６０Ｋの範囲から選択されてもよい。しきい値温度は、実験的にまたは経験的に予め定められ、記憶部１０４に格納されていてもよい。
【００８２】
図９は、他の実施形態に係る１段目標温度テーブル１１６を示す。１段目標温度テーブル１１６は、複数のクールダウン目標温度を有する。例えば、第１フェーズ用の第１目標温度Ｔ１ｃ２１および第２フェーズ用の第２目標温度Ｔ１ｃ２２が１段目標温度テーブル１１６に予め設定されている。上述の実施形態と同様に、１段目標温度テーブル１１６は、通常目標温度Ｔ１ｃ１を有する。第１目標温度Ｔ１ｃ２１は、通常目標温度Ｔ１ｃ１より低く、第２目標温度Ｔ１ｃ２２は、第１目標温度Ｔ１ｃ２１より高くかつ通常目標温度Ｔ１ｃ１より低い。本例では、第１目標温度Ｔ１ｃ２１は６０Ｋであり、第２目標温度Ｔ１ｃ２２は７０Ｋである。
【００８３】
図１０は、他の実施形態に係るクライオポンプ１０の制御方法を示すフローチャートである。図６に例示する１段目標温度切替処理と同様に、１段目標温度選択部１１２は、現在の運転モードに応じて１段目標温度を選択する（Ｓ２０）。１段目標温度選択部１１２は、現在の運転モードが通常モードである場合に通常目標温度Ｔ１ｃ１を１段目標温度として選択する（Ｓ２２）。
【００８４】
１段目標温度選択部１１２は、現在の運転モードがクールダウンモードである場合、フェーズ決定部１２０により決定された現在のフェーズに応じて１段目標温度を選択する（Ｓ２８）。１段目標温度選択部１１２は、現在のフェーズが第１フェーズである場合に第１目標温度Ｔ１ｃ２１を１段目標温度として選択し（Ｓ３０）、現在のフェーズが第２フェーズである場合に第２目標温度Ｔ１ｃ２２を１段目標温度として選択する（Ｓ３２）。１段目標温度選択部１１２は、選択された１段目標温度を１段温度制御部１１４に出力する。１段温度制御部１１４は、選択された１段目標温度に従って１段クライオパネル温度を制御する（Ｓ２６）。こうして、図１０に示す処理は終了する。
【００８５】
このようにしても、クライオポンプ１０の冷却時間を短縮することができる。
【００８６】
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。
【００８７】
ある実施形態においては、１段目標温度選択部１１２は、現在の運転モードがクールダウンモードである場合に一時的に（例えばクールダウンモードの初期に）クールダウン目標温度を１段目標温度として選択するよう構成されていてもよい。例えば、１段目標温度選択部１１２は、現在のフェーズが第１フェーズである場合にクールダウン目標温度Ｔ１ｃ２（例えば第１目標温度Ｔ１ｃ２１）を１段目標温度として選択し、現在のフェーズが第２フェーズである場合に通常目標温度Ｔ１ｃ１を１段目標温度として選択してもよい。
【００８８】
なお冷凍機１６は、三段のシリンダが直列に接続される三段式の冷凍機またはそれよりも多段の冷凍機であってもよい。冷凍機１６はＧＭ冷凍機以外の冷凍機であってもよく、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。
【００８９】
上記の説明においては横型のクライオポンプを例示したが、本発明は、縦型その他のクライオポンプにも適用可能である。なお、縦型のクライオポンプとは、冷凍機１６がクライオポンプ１０の軸方向に沿って配設されているクライオポンプをいう。
【符号の説明】
【００９０】
１０  クライオポンプ、  １８  １段クライオパネル、  １９  ２段クライオパネル、  １００  制御装置、  １１２  １段目標温度選択部、  １１４  １段温度制御部、  １２０  フェーズ決定部。
【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】
0006534358.tif 000008
【図８】
0006534358.tif 000009
【図９】
0006534358.tif 000010
【図１０】
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