(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１台もしくは複数台の圧縮機で圧縮されたガスを、各冷凍機毎に設けられたバルブを介して、複数の冷凍機に供給するようにしたマルチシステム冷凍機の運転方法において、
各バルブの開閉周期を１台毎に変えることを特徴とするマルチシステム冷凍機の運転方法。
【請求項２】
前記バルブ開閉周期を変える量を、冷凍機の台数に応じて変化させることを特徴とする請求項１に記載のマルチシステム冷凍機の運転方法。
【請求項３】
前記バルブ開閉周期を変える量を、冷凍機の台数が増える程、小さくすることを特徴とする請求項２に記載のマルチシステム冷凍機の運転方法。
【請求項４】
１台もしくは複数台の圧縮機で圧縮されたガスを、各冷凍機毎に設けられたバルブを介して、複数の冷凍機に供給するためのマルチシステム冷凍機の運転装置において、
各バルブの開閉周期を１台毎に変えるためのインバータを備えたことを特徴とするマルチシステム冷凍機の運転装置。
【請求項５】
請求項４に記載の運転装置を備えた冷凍装置。
【請求項６】
前記冷凍機をクライオポンプとして使用することを特徴とする請求項５に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチシステム冷凍機の運転方法、装置及び冷凍装置に係り、特に、１台もしくは複数台の圧縮機で圧縮されたガスを、各冷凍機毎に設けられたバルブを介して、複数の冷凍機に供給するマルチシステム冷凍機の運転方法、装置及び、これを用いた冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動作ガスの圧力変化と体積変化との位相差を利用して極低温を発生するギフォード・マクマホン（ＧＭ）式やパルス管式の冷凍機が知られている。このような冷凍機を、半導体製造装置のスパッタリング装置等のような大型の装置の複数箇所に設置する場合、各冷凍機毎に、該冷凍機に高圧及び低圧を発生する圧縮機を設けるのではなく、コスト低減及び省エネルギーを目的として、図１に示す如く、１台の圧縮機１０で圧縮され、高圧ライン１２及び低圧ライン１４を介して供給されるガス（例えばヘリウムガス）を、各冷凍機毎に設けられたバルブ（例えばロータリーバルブ）２１、２２、２３により、高圧及び低圧を交互に、複数（図では３台）の冷凍機３１、３２、３３に供給することが行われている。
【０００３】
前記冷凍機３１、３２、３３は、冷却工程を実施して断熱膨張を繰り返し、寒冷を発生することにより、シリンダ３１Ａ、３２Ａ、３３Ａの第１冷凍ステージ３１Ｂ、３２Ｂ、３３Ｂを３０〜１００Ｋ、第２冷凍ステージ３１Ｃ、３２Ｃ、３３Ｃを４〜２０Ｋの温度に冷却する。
【０００４】
図において、４１、４２、４３は、それぞれバルブ２１、２２、２３を回転駆動するためのモータ、５０は、該モータ４１、４２、４３に同じ駆動信号を与える冷凍機駆動電源ラインである。
【０００５】
しかしながら、このように１台の圧縮機１０を用いて冷凍機３１、３２、３３の多台運転を行った場合には、各冷凍機３１、３２、３３の冷凍能力にばらつきが出ていた。これは、各冷凍機３１、３２、３３のヘリウムガス供給用バルブのタイミングが電源オン時に固定されてしまい、吸気タイミングが重なった場合、先に吸気される冷凍機に多くガスが流れ、各冷凍機に流れるガス流量に片寄りが発生するなどの現象によるためである。従って、他の冷凍機のバルブ開後、直ちにバルブ開となった冷凍機は、供給ガス圧が低下しているためヘリウムガスが供給されにくく、十分な冷却能力が得られなかった。又、冷えている側の冷凍機に流入するＨｅガスは、より冷却されて密度が大きくなり、その結果、余分にＨｅガスが供給されて更に低温側へと冷却される。逆に冷えていない側の冷凍機は、Ｈｅガスが流れにくく十分に冷却されない。
【０００６】
このような問題点を解決するべく、特開平３−１５６７７や特開平４−２７２４８６には、各バルブのバルブタイミングを観測し、フィードバックすることによって、バルブの開閉時期を互いに等間隔に制御することが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いずれにしても、バルブタイミングを観測するために、例えばバルブ２１、２２、２３を駆動するモータ４１、４２、４３の供給電流等を検出する必要があり、システムが複雑になって、コストが高くなるという問題点を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、バルブ開閉時期を観測することなく、簡単な構成で、冷凍機間の冷凍能力のばらつきを解消することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１台の圧縮機で圧縮されたガスを、各冷凍機毎に設けられたバルブを介して、複数の冷凍機に供給するようにしたマルチシステム冷凍機の運転方法において、各バルブの開閉周期を１台毎に変えるようにして、前記課題を解決したものである。
【００１０】
又、前記バルブ開閉周期を変える量を、冷凍機の台数に応じて変化させ、例えば冷凍機の台数が増える程、小さくするようにしたものである。
【００１１】
本発明は、又、１台の圧縮機で圧縮されたガスを、各冷凍機毎に設けられたバルブを介して、複数の冷凍機に供給するためのマルチシステム冷凍機の運転装置において、各バルブの開閉周期を１台毎に変えるためのインバータを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１２】
本発明は、又、前記運転装置を備えた冷凍装置を提供するものである。
【００１３】
更に、前記冷凍機をクライオポンプとして使用することにより、クライオポンプ間の性能のばらつきを解消するようにしたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
本発明の第１実施形態は、従来と同様の１台の圧縮機１０で圧縮したガスを、各冷凍機毎に設けられたロータリバルブ２１、２２、２３を介して、複数の冷凍機３１、３２、３３に供給するための冷凍機の運転装置において、図２に示す如く、冷凍機駆動電源ライン５０の途中に、各バルブ２１、２２、２３の開閉周期を１台毎に変えるためのインバータ６１、６２、６３を設けて、各冷凍機３１、３２、３３のバルブ開閉時期が、一定時間をおいて入れ替わるようにしたものである。図において、５１、５２、５３は、各冷凍機３１、３２、３３への電源ラインである。
【００１６】
前記ロータリバルブ２１、２２、２３のバルブ開閉周期を決めるバルブ回転数は、例えば、通常運転されている１．２Ｈｚを中心として、０．００２Ｈｚずつずらし、それぞれ１．２０２Ｈｚ、１．２Ｈｚ、１．１９８Ｈｚと、５分間で１回転差程度（０．００２Ｈｚ×２×６０秒×５分＝１．２Ｈｚ）にずらすことができる。
【００１７】
ここで、冷凍機全体の運転周波数をずらしすぎると、各冷凍機の能力が変わってしまう。又、各冷凍機のずらし量を余り小さくすると、冷凍機の持つ熱容量により冷凍能力が時間と共に変化し、うねりを持ってしまう。冷凍機の能力に顕著な変化が生じないようにするためには、全体のずらし量を、できれば０．０２Ｈｚ以下、最大でも０．０４Ｈｚ以下とすることが望ましい。又、冷凍機の持つ熱容量により冷凍能力のうねりを発生しないためには、実験によれば、１０分周期以内が妥当である。従って、各冷凍機相互間のずらし量は、０．００２Ｈｚ（５分周期）〜０．００１Ｈｚ（１０分周期）程度が妥当である。
【００１８】
このようにすれば、各冷凍機のバルブタイミングが一定時間をおいて入れ替わるので、各冷凍機に流れるガス流量の片寄りが均等に発生し、冷凍機間性能の均衡化を図ることができる。即ち、バルブタイミングをずらすことにより冷凍性能が周期的に変化するが、この変化は、冷凍機の持つ熱容量により吸収され、マクロ的には、バルブタイミングをフィードバック制御した場合と同様の効果が得られる。
【００１９】
図３は、従来の冷凍機と本発明を適用した冷凍機における性能曲線である。この図は、横軸が第１冷凍ステージ３１Ｂの温度（１段温度と称する）、縦軸が第２冷凍ステージ３１Ｃの温度（２段温度と称する）である。又、Ａ１及びＡ２は、それぞれに対応する圧縮機からＨｅガスの供給を受けて運転した場合、即ち、単独運転時に得られる性能曲線であり、各冷凍機の持つ本来の性能を示す。そして、Ｂ１及びＢ２は、従来の運転方法により２台の冷凍機に１台の圧縮機でＨｅガスを供給した場合の性能曲線であり、Ｃ１及びＣ２は、本発明の運転方法により２台の冷凍機に１台の圧縮機でＨｅガスを供給した場合の性能曲線である。ここで、第１、第２冷凍ステージの無負荷時の温度を、それぞれ、１段、２段低温部温度と称し、第１、第２冷凍ステージを、それぞれヒータ等で加熱した負荷時の温度を、それぞれ、１段、２段高温部温度と称する。
【００２０】
図から明らかなように、それぞれが単独では図３の実線Ａ１、実線Ａ２に示すような性能曲線を有する２台の冷凍機を１台の圧縮機で運転した場合、従来のように同じ周波数（ここでは１．２Ｈｚ）とした場合には、破線Ｂ１で示す一方の冷凍機は、ガスが十分に行き渡って、単独運転の場合（Ａ１）よりもむしろ無負荷時の１段低温部温度Ｔｂ11、２段低温部温度Ｔｂ12共に低く、性能が向上しているのに対し、破線Ｂで示す他方の冷凍機は、ガスが不足した結果、特に、１段、２段の両方に負荷を与えたときの２段高温部温度Ｔｂ22が高くなっている。これに対して、本発明により、１台を１．２Ｈｚ、もう１台を０．００２Ｈｚ少ない１．１９８Ｈｚで運転した場合には、一点鎖線Ｃ１、Ｃ２に示す如く、２台とも単独運転の場合（Ａ１、Ａ２）に近い性能を得ることができる。
【００２１】
次に、冷凍装置をクライオポンプに使用した場合の本発明の第２実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
本実施形態は図４に示す如く、第１実施形態の冷凍機３１、３２、３３により、クライオポンプ７１、７２、７３を冷却するようにしたものである。
【００２３】
各クライオポンプ７１、７２、７３は、クライオポンプ７１の場合を例にとると、図５に詳細に示す如く、処理チャンバ１００に取り付けられており、該処理チャンバ１００の内部空間とゲートバルブ１０２が設けられた開口部を介して通じるルーバ７６と、リリーフバルブを有するポンプ容器７８と、例えばＧＭ型の前記冷凍機３１を備えている。
【００２４】
前記冷凍機３１は、ポンプ容器７８に気密に取り付けられており、該ポンプ容器内に、例えば３０〜１００Ｋ程度に冷却される第１冷凍ステージ３１Ｂ、及び、例えば４〜２０Ｋ程度の極低温に冷却される第２冷凍ステージ３１Ｃを含むシリンダ３１Ａと、前記ポンプ容器７８外側の室温部から第２冷凍ステージ３１Ｃへの熱輻射を低減するための、前記第１冷凍ステージ３１Ｂに接するよう設けられた、前記第２冷凍ステージ３１Ｃを囲む輻射シールド８０と、前記第２冷凍ステージ３１Ｃに取り付けられた、気体を凝縮及び吸着して真空排気するための凝縮パネル８２及び吸着パネル８４と、を備えている。
【００２５】
前記凝縮パネル８２及び吸着パネル８４は２０Ｋ以下に、ルーバ７６及び輻射シールド８０は１００Ｋ以下に冷却される。
【００２６】
更に、ポンプ容器７８内で、シリンダ３１Ａ上の第２冷凍ステージ３１Ｃに配設された凝縮パネル８２や吸着パネル８４を冷却することによって、気体を凝縮及び吸着して、真空排気するようになっている。
【００２７】
他の点については、前記第１実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００２８】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、各冷凍機のバルブタイミングが一定時間をおいて入れ替わるので、各冷凍機に流れるガス流量の片寄りが均等に発生し、冷凍機間性能の均衡化を図り、クライオポンプの性能のばらつきを防止することができる。
【００２９】
前記実施形態においては、いずれもインバータ６１、６２、６３を用いて周波数を変更するようにしているので、冷凍機の台数が増えた場合にも容易に対応できる。又、既に他の目的でインバータを搭載している冷凍装置については、インバータの設定値を変更するだけで、実現でき、非常に安価である。なお、バルブ回転数を変える必要がない場合には、インバータを用いることなく、最初から周波数をずらして固定しておくことも可能である。又、バルブの種類も、ロータリバルブに限定されない。
【００３０】
更に、同時運転する冷凍機の台数も３台に限定されない。全体のずらし量を例えば０．０２Ｈｚ以内とした場合には、各冷凍機の周波数を０．００２Ｈｚずつずらして、（１０＋１＝）１１台までの冷凍機間の性能を均衡化できる。
【００３１】
更に、適用対象もクライオポンプを用いたスパッタリング装置に限定されず、ＭＲＩ装置や電波望遠鏡にも適用できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、バルブタイミングを観測する手段を設けることなく、非常に簡単且つ安価な構成で、バルブタイミングの重なりを防止して、冷凍機間性能の均衡化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の冷凍機の運転方法の一例を説明するための管路図
【図２】本発明の第１実施形態を示す管路図
【図３】本発明の効果を説明するための、冷凍機の性能曲線を従来例と比較して示す線図
【図４】本発明の第２実施形態を示す管路図
【図５】第２実施形態におけるクライオポンプの要部構成を示す拡大断面図
【符号の説明】
１０…圧縮機
２１、２２、２３…ロータリバルブ
３１、３２、３３…冷凍機
４１、４２、４３…モータ
５０、５１、５２、５３…電源ライン
６１、６２、６３…インバータ
７１、７２、７３…クライオポンプ
【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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