(57)【要約】【課題】バッフルに固化した水が液化又は水蒸気になることを防止でき、効率の良い運転が可能なクライオポンプ装置及びクライオポンプ装置の運転方法を提供する。【解決手段】２段の冷却ステージを有する２段式冷凍機１３と、２段式冷凍機１３の運転を制御する制御装置１６と、２段式冷凍機と組み合わされる真空容器１７と、真空容器１７内で２ＮＤ冷却ステージ１２と熱接触するクライオパネル２３と、真空容器１７内で１ＳＴ冷却ステージ１１と熱接触するシールド１８と、シールド１８と熱接触するように組み合わされるバッフル１９と、からなるクライオポンプ装置１０で、１ＳＴ段冷却ステージ１１の温度センサ２１と２ＮＤ段冷却ステージ１２の温度センサ２２の検知信号に基づき、２段式冷凍機１３と圧縮機１５の運転を制御する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の冷却ステージを有する多段式冷凍機と、前記多段式冷凍機の運転を制御する制御手段と、前記多段式冷凍機と組み合わされる真空容器と、前記真空容器内で最終段冷却ステージと熱接触するクライオパネルと、前記真空容器内でいずれかの前記冷却ステージと熱接触するシールドと、前記シールドと熱接触するように組み合わされるバッフルと、からなるクライオポンプ装置において、
複数の温度検知手段からの検知信号に基づき前記多段式冷凍機の運転を制御すること、を特徴とするクライオポンプ装置。
【請求項２】
前記温度検出手段は、前記最終段冷却ステージと、前記シールドが熱接触する前記冷却ステージに配設されること、を特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ装置。
【請求項３】
前記温度検出手段は、前記最終段冷却ステージと、前記シールド又は前記バッフルのいずれかに配設されること、を特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ装置。
【請求項４】
前記制御手段は複数の多段式冷凍機を制御すること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のクライオポンプ装置。
【請求項５】
複数の前記温度検知手段の検知信号を前記制御手段が受け取る第１工程と、前記温度検知手段からの夫々の検知信号に基づいて制御出力を演算する第２工程と、夫々の前記制御出力から１の制御出力のみを制御出力とする第３工程と、前記第３工程の制御出力により前記多段式冷凍機を制御する第４工程と、を備えたクライオポンプ装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度検知手段からの検知信号により運転制御されるクライオポンプ装置及びクライオポンプ装置の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関する従来技術として、特開平１１−２５７７７３号公報に開示されている多段式冷凍機がある。図５の多段式冷凍機は、最終段冷却ステージ５０に温度センサ５１が設けられている。冷凍機コールドヘッド５２と冷凍機コールドヘッド５２に接続されるコンプレッサ５３とを含む蓄冷式冷凍機５４を運転するに当たり、温度センサ５１からの検知信号に基づき、最終段冷却ステージ５０の温度が目標温度に到達するまではコンプレッサ５３の入力電力を大に設定して運転開始させ、最終段冷却ステージ５０の温度が目標温度に到達した後は目標温度を維持し得るレベルまでコンプレッサ５３の入力電力を下げて運転する。最終段冷却ステージ５０が目標温度に到達した後は、冷凍効率の最も高い状態で運転できるため、コンプレッサ５３の入力電力を固定して運転する場合に比べて、冷凍効率が高くなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の多段式冷凍機をクライオポンプ装置に用いる場合、多段式冷凍機の最終段冷却ステージ５０に設けられた温度センサ５１からの検知信号に基づく制御では、クライオポンプ装置として効率の良い運転ができないという問題がある。
【０００４】
クライオポンプ装置を構成する多段式冷凍機の最終段冷却ステージに設けられたクライオパネル（図１参照）は、２０Ｋ以下に冷却されて窒素、酸素、アルゴン等を凝縮する。シールドと熱接触するように組み合わされるバッフルは８０Ｋ程度まで冷却され、主にガスに含まれる水蒸気を固化し、クライオパネルへの熱輻射を低減する働きをする。バッフルはシールドを介してシールドと熱接触する冷却ステージに熱接触するため、バッフルの温度はシールドが熱接触する冷却ステージの温度に依存する。
【０００５】
最終段冷却ステージの温度が目標温度に到達すると、多段式冷凍機の運転負荷を下げるように運転制御するが、多段式冷凍機の冷凍出力が低下すると、冷却ステージの温度は高くなる。冷却ステージの温度が高くなると熱接触するバッフルの温度も高くなり、バッフルに固化した水が液化又は水蒸気になり次の問題が発生する。
【０００６】
（１）バッフルに固化していた水が水蒸気になるため真空度が悪化する
（２）水蒸気はクライオパネルで再び固化してクライオパネルの表面を覆うため、本来クライオパネルで凝縮するガスの排気能力が低下する
（３）バッフルで固化していた水が融解してクライオパネルに滴下して、クライオパネルの温度が上昇し、クライオパネルで凝縮した物質が蒸発して真空度が悪化する
（４）バッフルの温度が上昇すると、クライオパネルへの輻射熱が増えて、最終段冷却ステージの温度が上昇する
本発明は、上記不具合を解決し、効率の良い運転が可能なクライオポンプ装置及びクライオポンプ装置の運転方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１の発明は、「複数の冷却ステージを有する多段式冷凍機と、前記多段式冷凍機の運転を制御する制御手段と、前記多段式冷凍機と組み合わされる真空容器と、前記真空容器内で最終段冷却ステージと熱接触するクライオパネルと、前記真空容器内でいずれかの前記冷却ステージと熱接触するシールドと、前記シールドと熱接触するように組み合わされるバッフルと、からなるクライオポンプ装置において、複数の温度検知手段からの検知信号に基づき前記多段式冷凍機の運転を制御すること」を特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明では、複数の温度検知手段を設けることで、最終段冷却ステージとバッフルの温度又はバッフルの温度と相関のある部位での検知信号に基づくクライオポンプ装置の運転制御が可能になる。クライオポンプ装置を構成する多段式冷凍機の運転負荷を下げると、バッフルとシールドを介して熱接触する冷却ステージの温度が上昇する。バッフルの温度が上昇しても、バッフルに固化している水の融解する温度を越える前に多段式冷凍機の運転負荷を上げる制御を行なうことで、バッフルに固化した水が液化又は水蒸気になるのを防ぐことができる。
【０００９】
また、上記課題を解決するための請求項２の発明は、「前記温度検出手段は、前記最終段冷却ステージと、前記シールドが熱接触する前記冷却ステージに配設されること」を特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明では、温度検出手段を最終段冷却ステージとシールドが熱接触する冷却ステージに設けることで、請求項１の発明と同様に、クライオポンプ装置を構成する多段式冷凍機の運転負荷を下げた場合でも、バッフルに固化している水の融解する温度を越える前に多段式冷凍機の運転負荷を上げる制御を行なうことで、バッフルに固化した水が液化又は水蒸気になるのを防止できる。バッフルがシールドを介して熱接触する冷却ステージに温度検出手段を設けることで、多段式冷凍機の稼動状況に応じて応答性のよい制御が可能になる。
【００１１】
また、上記課題を解決するための請求項３の発明は、「前記温度検出手段は、最終段冷却ステージと、シールド又はバッフルのいずれかに配設されること」を特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明では、温度検出手段を最終段冷却ステージと、シールド又はバッフルのいずれかに設けることで、請求項１、２の発明と同様に、クライオポンプ装置を構成する多段式冷凍機の運転負荷を下げた場合でも、バッフルに固化している水の融解する温度を越える前に多段式冷凍機の運転負荷を上げる制御を行なうことで、バッフルに固化した水が液化又は水蒸気になるのを防止できる。温度検出手段の取り付け位置をシールドにすることで、設置の自由度が向上する。また温度検出手段をバッフルに配設すると、バッフルの温度を直接検知することができるため、正確な制御が可能になる。
【００１３】
また、上記課題を解決するための請求項４の発明は、「前記制御手段は複数の多段式冷凍機を制御すること」を特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明では、対象装置に複数箇所の真空排気室を備えているもの、あるいは１個の真空容器に複数台の多段式冷凍機を装着する場合に、複数の多段式冷凍機を用いてクライオポンプ装置を構成する。複数の多段式冷凍機を請求項１〜３と同様に、多段式冷凍機の運転負荷を下げた場合でも、バッフルに固化している水の融解する温度を越える前に多段式冷凍機の運転負荷を上げる制御を行なうことで、バッフルに固化した水が液化又は水蒸気になるのを防止できる。
【００１５】
また、上記課題を解決するための請求項５の発明は、「複数の前記温度検知手段の検知信号を前記制御手段が受け取る第１工程と、前記温度検知手段からの夫々の検知信号に基づいて制御出力を演算する第２工程と、夫々の前記制御出力から１の制御出力のみを制御出力とする第３工程と、前記第３工程の制御出力により前記多段式冷凍機を制御する第４工程と」を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明では、第１工程で最終段冷却ステージとバッフルの温度又はバッフルの温度と相関のある部位での検知信号を制御手段が受け取り、第２工程で温度検知手段から受け取った信号が所定の値になるようにＰＩＤ制御等の演算を行い夫々の制御出力を算出する。第３工程では、第２工程で算出した結果を比較して、最も多段式冷凍機の運転負荷を上げるものを多段式冷凍機の制御出力とし、第４工程で多段式冷凍機に出力する。したがって制御出力は、夫々の温度検知手段の検知信号に基づく制御出力のうち、多段式冷凍機の運転負荷を最も上げるものが制御出力に選ばれるため、バッフルに固化している水の融解する温度を越える前に多段式冷凍機の運転負荷を上げ運転制御が可能になり、バッフルに固化した水が液化又は水蒸気になるのを防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のクライオポンプ装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態のクライオポンプ装置１０で、１ＳＴ冷却ステージ１１と２ＮＤ冷却ステージ１２（最終段冷却ステージ）を有する２段式冷凍機１３（多段式冷凍機）と、２段式冷凍機１３と往復路配管１４により接続される圧縮機１５と、２段式冷凍機１３と圧縮機１５を制御する制御装置１６と、２段式冷凍機１３と組み合わされる真空容器１７と、真空容器１７内で１ＳＴ冷却ステージ１１と熱接触するシールド１８と、シールド１８と熱接触するように組み合わされるバッフル１９と、１ＳＴ冷却ステージ１１に取り付けられた温度センサ２１と、２ＮＤ冷却ステージ１２に取り付けられた温度センサ２２と、２ＮＤ冷却ステージ１２に取り付けられたクライオパネル２３と、から構成される。
【００１９】
２段式冷凍機１３は蓄冷型で２段構成のＧＭ冷凍機である。圧縮機１５で圧縮された冷媒ガス（ヘリウム）は往復路配管１４と２段式冷凍機１３内の図示しない蓄冷器に導かれ、ここで予冷された後に図示しない膨脹機で膨張仕事に相当した寒冷を発生し、再び蓄冷器を通って次に吸気される冷媒ガスを冷却するために蓄冷材を冷やしながら温度上昇して室温に戻った後に往復路配管１４を介して圧縮機１５へ戻る。この工程を１サイクルとして周期的に寒冷を発生させる。
【００２０】
制御装置１６は、温度センサ２１、２２からの信号を受け取り、温度センサ２１、２２からの夫々の検知信号に基づいて制御出力を演算して、２段式冷凍機１３と圧縮機１５へ出力制御を行なう。尚、本発明の第１実施形態では、２段式冷凍機１３と圧縮機１５の両方を制御装置１６により制御するが、いずれか一方だけを制御するのでもよい。
【００２１】
クライオパネル２３は２ＮＤ冷却ステージ１２に取り付けられ、２ＮＤ冷却ステージ１２とほぼ同じ温度まで冷却される。クライオパネル２３は、２０Ｋ以下に冷却されて、窒素、酸素、アルゴン等のガスを凝縮する働きをする。クライオパネル２３の内側には、図示しない活性炭パネルがあり、そこでは主に水素、ヘリウム等を吸着する働きをする。
【００２２】
バッフル１９は、シールド１８と熱接触するように組み合わされ、シールド１８は１ＳＴ冷却ステージ１１と熱接触する。したがってバッフル１９には１ＳＴ冷却ステージ１１の寒冷が伝えられ、８０Ｋ程度まで冷却される。バッフル１９は主にガスに含まれる水蒸気を固化し、クライオパネルへの熱輻射を低減する働きをする。
【００２３】
次に本発明の第１実施形態であるクライオポンプ装置１０の作動について説明する。クライオポンプ装置１０を構成する真空容器１７は、図示しない真空対象装置にシール性を有するように取り付けられる。２段式冷凍機１３が稼動すると真空対象装置から真空容器１７内へガスが流入する。ガスに含まれる水蒸気はバッフル１９で冷却されて固化する。水蒸気を除いた後のガスは、２ＮＤ冷却ステージ１２に到達し、ガスに含まれる窒素、酸素、アルゴン等はクライオパネル２３にて凝縮する。また、残りのガスの成分に含まれるヘリウム、ネオン、水素は、２ＮＤ冷却ステージ１２に設けられた図示しない活性炭パネルに吸着される。クライオポンプ装置１０により真空対象装置内のガスが凝縮、昇華、又は活性炭パネルに吸着することで真空対象装置内に真空が得られる。
【００２４】
制御装置１６は２ＮＤ冷却ステージ１２の温度が所定の温度（例えば２０Ｋ）と１ＳＴ冷却ステージ１１の温度が所定の温度（例えば８０Ｋ）を保持できるように２段式冷凍機１３と圧縮機１５を制御する。２ＮＤ冷却ステージ１２に設けた温度センサ２２の温度と１ＳＴ冷却ステージ１１に設けた温度センサ２１の温度が所定の値を下回ると２段式冷凍機１３と圧縮機１５の運転負荷を下げるが、１ＳＴ冷却ステージ１１に設けた温度センサ２１の温度、あるいは２ＮＤ冷却ステージ１２に設けた温度センサ２２の温度が上昇して所定の値（バッフルに固化した水が液化又は気化する前の温度）を上回りそうになると、２段式冷凍機１３と圧縮機１５の運転負荷を上げる。
【００２５】
本発明の第１実施形態では、１ＳＴ冷却ステージ１１と２ＮＤ冷却ステージ１２に温度センサ２１、２２を設けることで、２段式冷凍機１３の運転負荷を下げた場合に、クライオパネル２３が所定の温度以下でも、バッフル１９の温度が所定の値を上回りそうになると、バッフル１９に固化している水が液化又は水蒸気になる前に、２段式冷凍機１３の運転負荷を制御装置１６により上げることができ、バッフル１９に固化した水が液化又は水蒸気になることを防止できる。また、１ＳＴ冷却ステージ１１に温度センサ２１を設けることで、２段式冷凍機１３の稼動状況が急激に変動しても、応答性のよい制御が可能である。
【００２６】
（第２実施形態）
図２は本発明の第２実施形態のクライオポンプ装置３０で、第１実施形態のクライオポンプ装置１０との違いは、１ＳＴ冷却ステージ１１に設けられた温度センサ２１をバッフル１９に取り付けたことである。その他の構成は第１実施形態と共通し、同一の部位については同一の符号を用いる。
【００２７】
温度センサ３１をバッフル１９に設けることで、第１実施形態と同様に、２段式冷凍機１３の運転負荷を下げた場合でも、バッフル１９に固化している水が液化又は水蒸気になるのを防止できる。また温度センサ３１をバッフル１９に配設することで、バッフル１９の正確な温度を検知できるため、２段式冷凍機１３の正確な運転制御が可能になる。第２実施形態では、バッフル１９に温度センサ３１を設けたが、１ＳＴ冷却ステージ１１の温度と相関のあるシールド１８に取り付けることも可能で、その場合には温度センサ３１の設置の自由度が向上する。
【００２８】
（第３実施形態）
図３は本発明の第３実施形態のクライオポンプ装置４０で、第１実施形態のクライオポンプ装置１０との違いは、２台の２段式冷凍機１３を１つの制御装置で運転制御することである。その他の構成は第１実施形態と共通し、同一の部位については同一の符号を用いる。
【００２９】
第１実施形態と同様に、２段式冷凍機１３の運転負荷を下げた場合でも、２段式冷凍機１３の１ＳＴ冷却ステージ１１に熱接触したいずれかのバッフル１９に固化している水が液化又は水蒸気になる前に２段式冷凍機１３の運転負荷を上げるため、バッフル１９に固化した水が液化又は水蒸気になるのを防止できる。尚、２段式冷凍機１３は２台に限定されるものではなく、３台以上であってもよい。また、第３実施形態では、第１実施形態の２段式冷凍機１３を１つの制御装置で運転制御したが、第２実施形態の温度センサ３１をバッフル１９に取り付けたクライオポンプ装置３０を適用することもできる。
【００３０】
図４は本発明の第１〜３実施形態のクライオポンプ装置の運転方法を示す制御フローである。第１工程では、１ＳＴ冷却ステージ１１に設けられた温度センサ２１からの検知信号と２ＮＤ冷却ステージ１２に設けられた温度センサ２２からの検知信号が、制御装置１６に送られる。第２工程では、温度センサ２１からの検知信号と温度センサ２２からの検知信号が所定の値になるようにＰＩＤ演算を行い、夫々に制御出力Ｖ１、Ｖ２を算出する。第３工程では、第２工程で求めた制御出力Ｖ１、Ｖ２を比較演算して、大きい値（２段式冷凍機１３と圧縮機１５の負荷が上がる値）を２段式冷凍機１３と圧縮機１５の制御出力Ｖｘとする。第４工程では、制御出力Ｖｘを２段式冷凍機１３と圧縮機１５に出力して、運転制御する。
【００３１】
制御出力Ｖｘは、クライオパネル２３に凝縮又は活性炭パネルに吸着したガスが液化又は気化する前に、且つ、バッフル１９に固化している水が液化又は水蒸気になる前に、２段式冷凍機１３の運転負荷を上げるため、バッフル１９に固化した水が液化又は水蒸気になるのを防止できる。
【００３２】
尚、図４のクライオポンプ装置の運転方法の制御フローでは、２段式冷凍機１３と圧縮機１５の両方に制御出力Ｖｘを出力するが、いずれか一方だけを制御するのでもよい。また、第２工程では、温度センサ２１からの検知信号と温度センサ２２からの検知信号が所定の値になるようにＰＩＤ演算を行なうが、ＰＩＤ演算を省略することも、その他の制御方法（例えばＰＩ制御）に変更することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明のクライオポンプ装置では、バッフルに固化した水が液化又は水蒸気になるのを防止できるため、次の問題を解決できる。
【００３４】
（１）バッフルに固化していた水が水蒸気になるため真空度が悪化する
（２）水蒸気はクライオパネルで再び固化してクライオパネルの表面を覆うため、本来クライオパネルで凝縮するガスの排気能力が低下する
（３）バッフルで固化していた水が融解してクライオパネルに滴下して、クライオパネルの温度が上昇し、クライオパネルで凝縮した物質が蒸発して真空度が悪化する
（４）バッフルの温度が上昇すると、クライオパネルへの輻射熱が増えて、最終段冷却ステージの温度が上昇する
したがって、運転効率の良いクライオポンプ装置及びクライオポンプ装置の運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のクライオポンプ装置である。
【図２】本発明の第２実施形態のクライオポンプ装置である。
【図３】本発明の第３実施形態のクライオポンプ装置である。
【図４】本発明の第１〜３実施形態のクライオポンプ装置の運転方法を示す制御フローである。
【図５】従来の多段式冷凍機である。
【符号の説明】
１０　　クライオポンプ装置
１１　　１ＳＴ冷却ステージ
１２　　２ＮＤ冷却ステージ（最終段冷却ステージ）
１３　　２段式冷凍機（多段式冷凍機）
１６　　制御装置（制御手段）
１７　　真空容器
１８　　シールド
１９　　バッフル
２１、２２、３１　　温度センサ（温度検知手段）
２３　　クライオパネル
Ｖ１、Ｖ２、Ｖｘ　　制御出力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004027866.tif 000006
【図５】
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