CN104047841B - 低温泵系统、低温泵系统的运行方法以及压缩机单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有被扩大的工作气体的流量控制范围的低温泵系统、该种低温泵系统的运行方法、以及适用于这些系统及方法的压缩机单元。本发明的低温泵系统（100）具备：低温泵（10）；用于低温泵（10）的工作气体的压缩机（52）；控制装置（110），构成为控制压缩机（52）的运行频率；气体管路（72），连接低温泵（10）和压缩机（52）；及气体量调整部（74），构成为将气体管路的工作气体量至少切换为第1气体量和第2气体量。气体管路（72）具有第1气体量时，运行频率的可控制范围赋予工作气体的第1流量范围。气体管路（72）具有第2气体量时，可控制范围赋予工作气体的第2流量范围。第2流量范围具有不与第1流量范围重叠的非重叠部分。

Description

低温泵系统、低温泵系统的运行方法以及压缩机单元

本申请主张基于2013年3月12日申请的日本专利申请第2013-049490号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种低温泵系统及其运行方法以及适用于低温泵系统的压缩机单元。

背景技术

已知用变频器控制氦压缩机的可变速马达的转速而改变氦压缩机的容量。该压缩机向膨胀式制冷机供给高压氦气。

专利文献1：日本特开2005-83214号公报

马达转速的控制范围受马达的规格的限制。因此，压缩机的容量只能在被限制的范围内变化。

超低温制冷机的主要用途之一为低温泵。近年来，随着晶圆的大口径化，有时使用大型的低温泵。并且，为了节能和降低成本，有时在1台压缩机上设置有多台低温泵。多台低温泵通常安装于某一大型装置的多个部位，并同时运转。工作气体的最大流量需要足够大，以使大型低温泵或多台低温泵均能够高功率运行。另一方面，工作气体的最小流量优选足够小，以使1台低温泵能够低功率运行。如此，低温泵系统中要求较大的工作气体流量范围。低温泵系统所要求的工作气体的流量控制范围有可能会超过压缩机的容量控制范围。

发明内容

本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于，提供一种具有被扩大的工作气体的流量控制范围的低温泵系统、该种低温泵系统的运行方法、以及适用于这些系统及方法的压缩机单元。

根据本发明的一种实施方式，提供一种低温泵系统，其特征在于，具备：低温泵；用于所述低温泵的工作气体的压缩机；控制装置，构成为控制所述压缩机的运行频率；气体管路，连接所述低温泵和所述压缩机；及气体量调整部，构成为将所述气体管路的工作气体量至少在第1气体量和第2气体量之间进行切换，所述气体管路具有第1气体量时，所述运行频率的可控制范围赋予工作气体的第1流量范围，所述气体管路具有第2气体量时，所述可控制范围赋予工作气体的第2流量范围，所述第2流量范围具有不与所述第1流量范围重叠的非重叠部分。

根据本发明的一种实施方式，提供一种低温泵系统的运行方法，其特征在于，包括：低温泵的运行中控制用于所述低温泵的压缩机的运行频率的步骤；及进行所述控制期间，将循环于所述低温泵和所述压缩机的工作气体量从第1气体量调整为第2气体量的步骤，所述第1气体量的工作气体进行循环时，所述运行频率的可控制范围赋予工作气体的第1流量范围，所述第2气体量的工作气体进行循环时，所述可控制范围赋予工作气体的第2流量范围，所述第2流量范围具有不与所述第1流量范围重叠的非重叠部分。

根据本发明的一实施方式，提供一种压缩机单元，其为用于超低温装置的工作气体的压缩机单元，其特征在于，具备：压缩机；压缩机控制器，构成为控制所述压缩机的运行频率；及气体量调整部，构成为将循环于所述压缩机和所述超低温装置的工作气体量至少在第1气体量和第2气体量之间进行切换，第1气体量的工作气体进行循环时，所述运行频率的可控制范围赋予工作气体的第1流量范围，第2气体量的工作气体进行循环时，所述可控制范围赋予工作气体的第2流量范围，所述第2流量范围具有不与所述第1流量范围重叠的非重叠部分。

另外，将以上构成要件的任意组合、本发明的构成要件及表现在方法、装置、系统等之间相互置换也作为本发明的方式仍然有效。

根据本发明，能够提供一种具有被扩大的工作气体的流量控制范围的低温泵系统、该种低温泵系统的运行方法、以及适用于这些系统及方法的压缩机单元。

附图说明

图1是示意地表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统的整体结构的图。

图2是表示用于本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统的控制装置的结构的概略框图。

图3是用于说明与本发明的一种实施方式相关的低温泵系统的运行方法的流程图。

图4是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统的运行方法的流程图。

图5是用于示意说明本发明的一种实施方式所涉及的运行压力调整的图。

图6是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的运行压力调整处理的流程图。

图7是示意地表示本发明的另一种实施方式所涉及的低温泵系统的整体结构的图。

图8是用于示意说明本发明的另一实施方式所涉及的运行压力调整的图。

图9是示意地表示本发明的另一实施方式所涉及的低温泵系统的整体结构的图。

图10是示意地表示本发明的另一实施方式所涉及的低温泵系统的整体结构的图。

图中：10-低温泵，12-制冷机，50-压缩机单元，52-压缩机，72-气体管路，74-气体量调整部，76-高压管路，80-储罐，82-流路选择部，100-低温泵系统，110-控制装置，114-压缩机控制器。

具体实施方式

图1是示意地表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统100的整体结构的图。低温泵系统100用于真空腔室102的真空排气。真空腔室102为了对真空处理装置（例如在离子注入装置或溅射装置等半导体制造工序中使用的装置）提供真空环境而设置。

低温泵系统100具备1台或多台低温泵10。低温泵10安装于真空腔室102，并用作将其内部的真空度提高至所希望的水平。

低温泵10具备制冷机12。制冷机12例如为吉福德-麦克马洪式制冷机（所谓GM制冷机）等超低温制冷机。制冷机12为具备第1冷却台14及第2冷却台16的二级式制冷机。

制冷机12具备：在内部划定1级膨胀室的第1缸体18、在内部划定与1级膨胀室连通的2级膨胀室的第2缸体20。第1缸体18与第2缸体20串联连接。第1缸体18连接马达壳体21和第1冷却台14，第2缸体20连接第1冷却台14和第2冷却台16。第1缸体18及第2缸体20中分别内置有相互连结的第1置换器及第2置换器（未图示）。第1置换器及第2置换器的内部组装有蓄冷材料。

制冷机12的马达壳体21中容纳有制冷机马达22和气体流路切换机构23。制冷机马达22是用于第1置换器及第2置换器、以及气体流路切换机构23的驱动源。制冷机马达22以使第1置换器及第2置换器分别在第1缸体18及第2缸体20的内部可往复移动的方式连接于第1置换器及第2置换器。

气体流路切换机构23构成为，为了周期性地反复进行1级膨胀室及2级膨胀室中的工作气体的膨胀而周期性地切换工作气体的流路。制冷机马达22以使气体流路切换机构23的可动阀（未图示）能够正反运行的方式连接于该阀。可动阀例如为回转阀。

马达壳体21上设置有高压气体入口24及低压气体出口26。高压气体入口24形成于气体流路切换机构23的高压流路的末端，低压气体出口26形成于气体流路切换机构23的低压流路的末端。

制冷机12使高压工作气体（例如氦气）在内部膨胀而在第1冷却台14及第2冷却台16产生寒冷。高压工作气体从压缩机单元50通过高压气体入口24供给至制冷机12。此时，制冷机马达22切换气体流路切换机构23，以使高压气体入口24与膨胀室连通。若制冷机12的膨胀室被高压工作气体填满，则制冷机马达22切换气体流路切换机构23，以使膨胀室与低压气体出口26连通。工作气体绝热膨胀，通过低压气体出口26向压缩机单元50排出。第1置换器及第2置换器与气体流路切换机构23的动作同步地在膨胀室中往复移动。通过反复进行这种热循环来冷却第1冷却台14及第2冷却台16。

第2冷却台16被冷却至低于第1冷却台14的温度。第2冷却台16例如被冷却至10K～20K左右，第1冷却台14例如被冷却至80K～100K左右。第1冷却台14上安装有用于测定第1冷却台14的温度的第1温度传感器28，第2冷却台16上安装有用于测定第2冷却台16的温度的第2温度传感器30。

制冷机12构成为，通过制冷机马达22的反转运行而提供所谓反转升温。制冷机12构成为，通过使气体流路切换机构23的可动阀向上述冷却运行的反方向工作，从而使工作气体产生绝热压缩。制冷机12能够由这样得到的压缩热来加热第1冷却台14及第2冷却台16。

低温泵10具备第1低温板32和第2低温板34。第1低温板32以热连接于第1冷却台14的方式固定，第2低温板34以热连接于第2冷却台16的方式固定。第1低温板32具备热屏蔽件36和挡板38，并包围第2低温板34。第2低温板34在表面具备吸附剂。第1低温板32容纳于低温泵壳体40中，低温泵壳体40的一端安装于马达壳体21。低温泵壳体40的另一端的凸缘部安装于真空腔室102的闸阀（未图示）。低温泵10本身可以为任意的众所周知的低温泵。

低温泵系统100具备压缩机单元50和工作气体回路70。压缩机单元50为了使工作气体在工作气体回路70中循环而设置。工作气体回路70具备连接低温泵10与压缩机单元50的气体管路72。气体管路72是包括低温泵10及压缩机单元50的封闭的气体管路。

压缩机单元50具备：用于压缩工作气体的压缩机52、及用于使压缩机52工作的压缩机马达53。并且，压缩机单元50具备：用于接收低压工作气体的低压气体入口54、及用于放出高压工作气体的高压气体出口56。低压气体入口54经由低压流路58连接于压缩机52的吸入口，高压气体出口56经由高压流路60连接于压缩机52的吐出口。

压缩机单元50具备第1压力传感器62和第2压力传感器64。第1压力传感器62为了测定低压工作气体的压力而设置于低压流路58，第2压力传感器64为了测定高压工作气体的压力而设置于高压流路60。此外，第1压力传感器62及第2压力传感器64也可以在压缩机单元50的外部设置于工作气体回路70的适当部位。

气体管路72具备：高压管路76，用于从压缩机单元50向低温泵10供给工作气体；及低压管路78，用于使工作气体从低温泵10返回到压缩机单元50。高压管路76是连接低温泵10的高压气体入口24与压缩机单元50的高压气体出口56的配管。低压管路78是连接低温泵10的低压气体出口26与压缩机单元50的低压气体入口54的配管。

压缩机单元50通过低压管路78回收从低温泵10排出的低压工作气体。压缩机52压缩低压工作气体，生成高压工作气体。压缩机单元50通过高压管路76向低温泵10供给高压工作气体。

工作气体回路70具备用于调整气体管路72的工作气体量的气体量调整部74。以下，有时将容纳于气体管路72中的工作气体的物质的量（摩尔）或质量称作“气体量”。

气体量调整部74具备缓冲容积例如至少一个储罐80。气体量调整部74具备用于选择储罐80与气体管路72的连接流路的流路选择部82。流路选择部82至少具备一个控制阀。气体量调整部74具备用于将储罐80连接于流路选择部82的罐流路84。

并且，气体量调整部74具备：用于使工作气体从储罐80向低压管路78流出的气体补充路86、及用于使工作气体从高压管路76向储罐80流入的气体回收路88。气体补充路86将流路选择部82连接于低压管路78的第1分支部90，气体回收路88将流路选择部82连接于高压管路76的第2分支部92。

流路选择部82构成为能够选择补充状态和回收状态。补充状态下，流体能够在低压管路78与储罐80之间通过气体补充路86流通，另一方面流体无法在高压管路76与储罐80之间流通。回收状态下，相反，流体能够在高压管路76与储罐80之间通过气体回收路88流通，另一方面流体无法在低压管路78与储罐80之间流通。

如图示，流路选择部82例如具备三通阀。三通阀的3个端口分别与罐流路84、气体补充路86及气体回收路88连接。这样，流路选择部82能够将罐流路84连接于气体补充路86来构成补充状态，将罐流路84连接于气体回收路88来构成回收状态。

气体量调整部74附设于压缩机单元50，可视为构成压缩机单元50的一部分。气体量调整部74也可以内置于压缩机单元50。作为代替方案，气体量调整部74可以与压缩机单元50分体设置，并设置于气体管路72的任意部位。

低温泵系统100具备用于管理其运行的控制装置110。控制装置110与低温泵10（或者压缩机单元50）一体或分体地设置。控制装置110例如具备：执行各种运算处理的CPU、储存各种控制程序的ROM、作为用于储存数据或执行程序的作业区域来利用的RAM、输入输出界面、存储器等。控制装置110能够使用具备这种结构的众所周知的控制器。控制装置110可以由单一的控制器构成，也可以包含各自发挥相同或不同功能的多个控制器。

图2是表示用于本发明的一实施方式所涉及的低温泵系统100的控制装置110的结构的概略框图。图2表示与本发明的一种实施方式相关的低温泵系统100的主要部分。

控制装置110为了控制低温泵10（即制冷机12）、压缩机单元50及气体量调整部74而设置。控制装置110具备：低温泵控制器（以下，还称作CP控制器）112，用于控制低温泵10的运行；及压缩机控制器114，用于控制压缩机单元50的运行。

CP控制器112构成为接收表示低温泵10的第1温度传感器28及第2温度传感器30的测定温度的信号。CP控制器112例如根据所接收到的测定温度控制低温泵10。这时，例如CP控制器112控制制冷机12的运行频率，以使第1（或第2）温度传感器28（30）的测定温度与第1（或第2）低温板32（34）的目标温度一致。根据运行频率控制制冷机马达22的转速。

压缩机控制器114构成为对气体管路72提供压力控制。为了提供压力控制，压缩机控制器114构成为接收表示第1压力传感器62及第2压力传感器64的测定压力的信号。压缩机控制器114控制压缩机52的运行频率，以使压力测定值与压力目标值一致。根据运行频率控制压缩机马达53的转速。

并且，压缩机控制器114构成为对气体量调整部74的流路选择部82进行控制。压缩机控制器114例如根据压缩机52的运行频率等的输入，选择上述补充状态或回收状态，根据选择结果控制流路选择部82。参考图4至图6，对控制压缩机单元50及气体量调整部74的详细内容进行后述。

图3是用于说明与本发明的一种实施方式相关的低温泵系统100的运行方法的流程图。该运行方法包括低温泵10的准备运行（S10）和真空排气运行（S12）。真空排气运行为低温泵10的通常运行。准备运行包括通常运行之前执行的任意的运行状态。CP控制器112适时反复执行该运行方法。

准备运行（S10）例如为低温泵10的启动。低温泵10的启动包括将低温板32、34从设置有低温泵10的环境温度（例如为室温）冷却至超低温的降温。降温的目标冷却温度是为了进行真空排气运行而设定的标准运行温度。如上所述，关于第1低温板32，该标准运行温度例如选自80K～100K左右的范围，关于第2低温板34，例如选自10K～20K左右的范围。

准备运行（S10）还可以为低温泵10的再生。在这次的真空排气运行结束后，为了准备下次的真空排气运行而执行再生。再生是对第1低温板32及第2低温板34进行再生的所谓完全再生，或者是对第2低温板34进行再生的部分再生。

再生包括升温工序、排出工序及冷却工序。升温工序包括将低温泵10升温至高于上述标准运行温度的再生温度的步骤。当完全再生时，再生温度例如为室温或稍高于室温的温度（例如为约290K～约300K）。用于升温工序的热源例如为制冷机12的反转升温和/或附设于制冷机12的加热器（未图示）。

排出工序包括向低温泵10的外部排出从低温板表面再气化后的气体的步骤。再气化后的气体与根据需要被导入的吹扫气体一同从低温泵10排出。在排出工序中，停止制冷机12的运行。冷却工序中包括为了重新开始真空排气运行而再冷却低温板32、34的步骤。冷却工序中的制冷机12的运行状态与用于启动的降温相同。

准备运行期间相当于低温泵10的停歇时间（即，真空排气运行的停止期间），因此优选尽量较短。另一方面，通常的真空排气运行是用于保持标准运行温度的稳定的运行状态。因此，与通常运行相比，准备运行对低温泵10（即制冷机12）的负荷变大。例如，与通常运行相比，降温运行要求制冷机12具备更高的制冷能力。同样，反转升温运行要求制冷机12具备较高的升温能力。由此，在大部分情况下，在准备运行时制冷机马达22以相当高的转速（例如，接近所容许的最高转速）运行。

压缩机单元50的准备运行可以与低温泵10的准备运行并行进行。压缩机单元50的准备运行也可以包括用于本发明的一种实施方式所涉及的气体量调整的准备动作。该准备动作可包括用于使储罐80的压力复原至初始压力的复位动作。该初始压力相当于对工作气体回路70的工作气体的封入压力。

为了进行复位动作，在压缩机单元50停止运行且气体管路72的高压和低压大致均匀时，压缩机控制器114向气体管路72开放储罐80。这样，能够使储罐80复原至压缩机单元50的高压与低压之间的中间压力。在制冷机12的运行停止期间（例如，再生的排出工序）进行准备动作。

真空排气运行（S12）是通过将从真空腔室102朝向低温泵10飞来的气体分子冷凝或吸附在被冷却至超低温的低温板32、34的表面来进行捕捉的运行状态。在第1低温板32（例如挡板38）的冷却温度下蒸汽压充分降低的气体（例如水分等）被冷凝于第1低温板32（例如挡板38）上。在挡板38的冷却温度下蒸汽压不会充分降低的气体通过挡板38进入到热屏蔽件36。在第2低温板34的冷却温度下蒸汽压充分降低的气体（例如氩等）被冷凝于第2低温板34上。在第2低温板34的冷却温度下蒸汽压也不会充分变低的气体（例如氢等）被第2低温板34的吸附剂吸附。这样，低温泵10能够使真空腔室102的真空度达到所希望的水平。

图4是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统100的运行方法的流程图。图4所示的方法与压缩机单元50的运行有关。该运行方法包括压力控制（S20）、运行压力调整（S22）。压缩机控制器114适时反复执行该运行方法。

气体控制（S20）是在已调整的气体量的基础上控制压缩机52的运行频率而使压力测定值与压力目标值一致的处理。与低温泵10的准备运行或真空排气运行并行地持续执行该压力控制。

压力目标值例如为压缩机52的高压与低压之间的差压的目标值。此时，压缩机控制器114执行差压恒定控制，该差压恒定控制对压缩机52的运行频率进行控制，以使第1压力传感器62的测定压和第2压力传感器64的测定压之间的差压与差压目标值一致。此外，可以在压力控制的执行中改变压力目标值。

根据压力控制，能够根据制冷机12的所需气体量而适当地调整压缩机马达53的转速，因此有助于减少低温泵系统100的消耗电力。并且，制冷机12的制冷能力取决于差压，因此根据差压恒定控制，能够使制冷机12维持目标的制冷能力。因此，从能够兼顾维持制冷机12的制冷能力和降低系统的消耗电力的观点考虑，差压恒定控制尤其适合于低温泵系统100。

作为代替方案，压力目标值也可以为高压目标值（或低压目标值）。此时，压缩机控制器114执行高压恒定控制（或低压恒定控制），该高压恒定控制（或低压恒定控制）控制压缩机马达53的转速，以使第2压力传感器64（或第1压力传感器62）的测定压与高压目标值（或低压目标值）一致。

运行压力调整（S22）是调整压缩机单元50的运行压力的处理。参考图5及图6对运行压力调整（S22）的一个例子进行后述。

运行压力调整是为了控制压缩机单元50的吐出流量而进行的。压缩机单元50的吐出流量取决于压缩机52的行程容积、压缩机马达53的转速、压缩机单元50的吸入压力（大致成比例）。运行压力调整相当于改变影响到这些吐出流量的因素中的压缩机52的吸入压力。

运行压力通过改变气体管路72的工作气体量（即，循环低温泵10和压缩机单元50的气体量）而被调整。气体管路72的容积实质上是恒定的。因此，若减少气体管路72的气体量，则运行压力下降。相反，若增加气体管路72的气体量，则运行压力增加。

首先，参考图5，示意说明本实施方式所涉及的运行压力调整。图5的纵轴表示运行压力（压缩机单元50的吸入压力）。运行压力取决于气体管路72的气体量，因此图5的纵轴还表示气体量。横轴表示流量（压缩机单元50的吐出流量）。

图5中，代表性地示出2个运行模式，即高压模式及低压模式。一实施方式中，高压模式在低温泵系统100的标准的运行状态下使用，低压模式在负荷低于标准运行状态的运行状态下使用。

高压模式中，气体管路72的工作气体量被调整为第1气体量G1。将此时的压缩机单元50的吸入压力表示为第1压力P1。并且，气体管路72具有第1气体量G1时，压缩机单元50的吐出流量取第1流量范围Q1。第1流量范围Q1取决于压缩机单元50的运行频率的可控制范围。

低压模式中，气体管路72的工作气体量被调整为第2气体量G2。将此时的压缩机单元50的吸入压力表示为第2压力P2。第2气体量G2小于第1气体量G1，由此第2压力P2小于第1压力P1。并且，气体管路72具有第2气体量G2时，压缩机单元50的吐出流量取第2流量范围Q2。第2流量范围Q2取决于压缩机单元50的运行频率的可控制范围。

运行频率的可控制范围例如根据压缩机单元50的产品规格来预先确定。该可控制范围例如与压缩机马达53可取的转速范围对应。将可控制范围的上限表示为ZH，将下限表示为ZL时，由运行频率上限ZH赋予第1流量范围Q1的上限流量H1，由运行频率下限ZL赋予下限流量L1。同样分别由运行频率上限ZH及运行频率下限ZL来赋予第2流量范围Q2的上限流量H2及下限流量L2。第1流量范围Q1的上限流量H1大于第2流量范围Q2的上限流量H2，第1流量范围Q1的下限流量L1大于第2流量范围Q2的下限流量L2。

在此，可控制范围是指产品规格上可取的最大的范围。因此，也可以在窄于该范围的运行频率范围内控制压缩机单元50。此时，高压模式的流量范围包含在第1流量范围Q1，成为窄于第1流量范围Q1的范围。低压模式的情形也相同。由此，高压模式中的运行频率的控制范围可以与低压模式中的运行频率的控制范围不同。

本实施方式中，第1流量范围Q1与第2流量范围Q2部分重叠。由此，第1流量范围Q1区分为第1流量范围Q1与第2流量范围Q2不重叠的第1非重叠部分W1、及第1流量范围Q1与第2流量范围Q2重叠的重叠部分W2。第1非重叠部分W1为从流量H2到流量H1的流量范围，重叠部分W2为从流量L1到流量H2的流量范围。由运行频率A赋予第1流量范围Q1中与第2流量范围Q2的上限流量H2相等的流量。

同样，第2流量范围Q2区分为重叠部分W2、及第2流量范围Q2与第1流量范围Q1不重叠的第2非重叠部分W3。第2非重叠部分W3为从流量L2到流量L1的流量范围。由运行频率B赋予第2流量范围Q2中与第1流量范围Q1的下限流量L1相等的流量。

本实施方式中，根据压缩机单元50的运行频率切换运行模式。对制冷机12（参考图1）的热负荷下降时或低温泵10再生时，制冷机12的运行频率下降或制冷机12停止运行。由于制冷机12所需的气体量变少，因此气体管路72的差压扩大。为了使差压接近目标值，压缩机单元50的运行频率下降。由此，在高压模式中运行频率下降时，如图5中用单点划线的箭头E所示，运行模式从高压模式切换为低压模式。具体而言，高压模式中，压缩机单元50的运行频率在可控制范围中与重叠部分W2对应的区域（即从运行频率下限ZL到运行频率A的区域）时，运行模式切换为低压模式。

并且，对制冷机12的热负荷变大时或要求制冷机12高功率运行时，制冷机12的运行频率上升，与此对应，压缩机单元50的运行频率也上升。由此，低压模式中，运行频率上升时，如图5中用双点划线的箭头F所示，运行模式从低压模式切换为高压模式。具体而言，低压模式中，压缩机单元50的运行频率在可控制范围中与重叠部分W2对应的区域（即从运行频率B到运行频率上限ZH的区域）时，运行模式切换为高压模式。

图6是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的运行压力调整处理的流程图。如上述，为了进行运行压力调整（图4的S22），压缩机控制器114根据压缩机单元50的运行频率控制流路选择部82。因此，气体管路72的工作气体量被调整，压缩机单元50的运行压力受控制。

图6所示的处理中，压缩机控制器114参考压缩机单元50的运行频率（S30）。压力控制（图4的S20）中按控制周期计算运行频率，当前及上一次以前的运行频率存储于压缩机控制器114或附设于压缩机控制器114的存储部。

压缩机控制器114根据运行频率判定是否需要运行压力调整（S32）。压缩机控制器114判定当前的运行频率是否在模式过渡区域。运行频率在模式过渡区域时，压缩机控制器114判定为需要压力调整。运行频率不在模式过渡区域时，压缩机控制器114判定为不需要压力调整。压缩机控制器114也可以判定到现在为止的预定时间内运行频率是否停留在模式过渡区域，以此来代替仅参考当前的运行频率。

模式过渡区域从运行频率的控制范围中与重叠部分W2（参考图5）对应的频率区域选择。模式过渡区域也可以根据运行模式而不同。高压模式的过渡区域（即用于判定从高压模式切换为低压模式的模式过渡区域）是包括运行频率下限ZL的区域，例如也可以是运行频率下限ZL。低压模式的过渡区域是包括运行频率上限ZH的区域，例如也可以是运行频率上限ZH。由此，高压模式的过渡区域与低压模式的过渡区域设定为彼此不重叠。

继运行压力调整与否判定（S32），压缩机控制器114执行罐连接流路选择（S34）。判定为需要压力调整时，压缩机控制器114切换储罐80对气体管路72的连接流路。另一方面，判定为不需要压力调整时，压缩机控制器114继续保持储罐80与气体管路72的连接流路。

从高压模式切换为低压模式时，压缩机控制器114控制流路选择部82切断气体补充路86，打开气体回收路88（参考图1）。由此，流路选择部82将储罐80连接于高压管路76。储罐80相对于高压管路76起低压气体源的作用。工作气体从高压管路76向气体回收路88排出，并回收至储罐80。由此，气体管路72的工作气体量从第1气体量G1减少至第2气体量G2。随着气体量的减少，压缩机单元50的运行压力下降。另一方面，工作气体从高压管路76填充到储罐80，储罐80升压。

从低压模式切换为高压模式时，压缩机控制器114控制流路选择部82切断气体回收路88打开气体补充路86。由此，流路选择部82将储罐80连接于低压管路78。储罐80低压管路78起高压气体源的作用。积存在储罐80中的工作气体通过气体补充路86之后补充到低压管路78。气体管路72的工作气体量从第2气体量G2增加至第1气体量G1。随着气体量的增加，压缩机单元50的运行压力上升。从储罐80向低压管路78放出工作气体，储罐80降压。

由此，结束运行压力调整（图4的S22）。之后，在被调整的运行压力下，执行压力控制（图4的S20）。另外，为了运行压力调整而开放的气体补充路86或气体回收路88也可以继续开放到下一次的调整为止，也可以在下一次调整之前适时关闭。

另外，压缩机控制器114也可以由工作气体回路70的测定压力来代替运行频率而判定是否需要运行压力调整。运行频率达到上限或下限的状态持续时，可认为使用于压力控制的测定值背离其目标值。由此，压缩机控制器114根据工作气体回路70的测定压力也同样能够准确地判定是否需要运行压力的调整。

如上说明，根据本实施方式，第2流量范围Q2具有不与第1流量范围Q1重叠的第2非重叠部分W3。因此，通过使第2流量范围Q2组合于第1流量范围Q1，能够得到比每个流量范围大的流量范围。通过使用气体流量调整部74来切换高压模式与低压模式，能够在从第2流量范围Q2的下限流量L2到第1流量范围Q1的上限流量H1为止的较大的范围内控制压缩机单元50的吐出流量。能够给低温泵系统100提供超越压缩机单元50的产品规格上的限制而扩大的工作气体流量控制范围。

作为代替方案，为了扩大流量控制范围，可以考虑扩大运行频率的可控制范围。但是，实际上，降低可控制范围的下限ZL并不容易。压缩机单元50在压缩机52及/或压缩机马达53上具有需要润滑的滑动部分。压缩机单元50以比运行频率下限ZL低的速度运行时，可能导致润滑不充分。例如，润滑油膜可能难以形成于滑动部分。因此，在比运行频率下限ZL低的速度下有可能难以保证充分的可靠性。由此，本实施方式中，具有如下优点：不扩大运行频率的可控制范围，便能够通过切换为低压模式确保低流量范围。

根据本实施方式，在与重叠部分W2对应的运行频率区域切换运行模式。重叠部分W2中，切换前后的运行模式这两者均可实现相同的流量。这有助于顺畅地切换运行模式。例如，从高压模式切换为低压模式时，通过将压缩机单元50的运行频率从下限ZL改变为值B，能够持续相同的吐出流量。因此，对低温泵系统100的运行状态不会带来较大影响就可以切换运行模式。

为了顺畅地切换，气体量调整部74还可以具备节流孔等节流器。该节流器串联配置于控制阀。例如，分别在气体补充路86及气体回收路88设置节流器。如此一来，能够缓和工作气体在气体管路72与储罐80之间流通时的压力变化。即，能够慢慢改变压缩机单元50的运行压力。

或者，为了顺畅地切换，压缩机控制器114也可以在切换运行模式时限制运行频率的变化速度。由于在高压模式与低压模式中与相同流量相对应的运行频率的值往往大有不同，因此切换运行模式时有可能使运行频率急剧变化。因此，能够通过暂时限制运行频率的变化速度而防止这种急变。

并且，根据本实施方式，通过向储罐80回收高压气体而使高压模式切换为低压模式，通过将所回收的高压气体返回到气体管路72来使低压模式切换为高压模式。由此，本实施方式中，能够有效地利用高压气体。相反，在压缩机设置有旁通流路时，导致白白浪费从旁通流路排出的高压气体。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本发明并不限定于上述实施方式，可进行各种设计变更，可实现各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围内，这对于本领域技术人员是可以理解的。

气体量调整部74并不限于图1所示的具体结构。例如，如图7所示，流路选择部82也可以具备多个控制阀。如图所示，流路选择部82具备第1控制阀120和第2控制阀122。第1控制阀120及第2控制阀122是双通阀。第1控制阀120设置于气体补充路86中，气体补充路86将储罐80连接于低压管路78。第2控制阀122设置于气体回收路88中，气体回收路88将储罐80连接于高压管路76。

并且，气体量调整部74也可以构成为将气体管路72的工作气体量调整成包括第1气体量G1及第2气体量G2的3种以上的气体量中的任一个。此时，气体管路72的工作气体量为这些3种以上的气体量中的1个时，运行频率的可控制范围赋予与该1种气体量对应的工作气体的流量范围。该流量范围具有不与3种以上的气体量中的另一个气体量所对应的工作气体的流量范围重叠的非重叠部分。控制装置110以将气体管路72的工作气体量调整为3种以上的气体量中的任一个的方式控制气体量调整部74。

图8是用于示意说明本发明的另一实施方式所涉及的运行压力调整的图。图8中示出3个运行模式，即高压模式、中间压模式及低压模式。通过使高压模式与低压模式的压力差变大且追加中间压模式，能够进一步扩大流量控制范围。

图8中所示的高压模式及低压模式中，气体管路72的工作气体量分别调整为第1气体量G1及第2气体量G2。因此，高压模式及低压模式分别赋予第1流量范围Q1及第2流量范围Q2。但是，如图8所示，第1流量范围Q1与第2流量范围Q2不重叠。

中间压模式中，气体管路72的工作气体量被调整为第3气体量G3。将此时的压缩机单元50的吸入压力表示为第3压力P3。第3气体量G3在第1气体量G1与第2气体量G2的中间，由此第3压力P3在第1压力P1与第2压力P2的中间。气体管路72具有第3气体量G3时，压缩机单元50的吐出流量成为第3流量范围Q3。第3流量范围Q3取决于压缩机单元50的运行频率的可控制范围。第3流量范围Q3的大流量的部分也可以与第1流量范围Q1重叠。第3流量范围Q3的小流量的部分也可以与第2流量范围Q2重叠。

图9中，例示出构成为可切换3个运行模式的低温泵系统100。低温泵系统100中，第1气体量调整部124及第2气体量调整部126并联设置。第1气体量调整部124及第2气体量调整部126也可以分别具备与图1所示的气体量调整部74或图7所示的气体量调整部74相同的结构。

第1气体量调整部124为了将气体管路72的工作气体量切换为第1气体量G1及第3气体量G3而设置。第2气体量调整部126为了将气体管路72的工作气体量切换为第3气体量G3及第2气体量G2而设置。因此，能够使用第1气体量调整部124而切换高压模式及中间压模式，使用第2气体量调整部126而切换中间压模式及低压模式。可以通过进一步将气体量调整部并联追加于第1气体量调整部124及第2气体量调整部126，构成可切换4个以上的运行模式的低温泵系统100。

一实施方式中，气体量调整部74的流路选择部82还可具备流量控制阀。并且，气体量调整部74也可以具备用于测定储罐80的气体压力的罐压力传感器。压缩机控制器114也可以构成为根据罐压力传感器的测定压力控制流量控制阀，以控制储罐80的气体压力。如此一来，能够控制气体管路72的气体量，从而能够以所希望的运行压力来运行压缩机单元50。即，能够以可切换多个运行模式的方式构成气体量调整部74。

并且，如图10所示，低温泵系统100也可以具备多个低温泵10。相对于压缩机单元50及气体量调整部74并联设置有多个低温泵10。低温泵10的台数越多，低温泵系统100中要求越宽的工作气体流量范围。因此，本发明适合于具备多个低温泵10的低温泵系统100。

一实施例中，可以设置具备制冷机12的超低温装置来代替低温泵10。本发明的一实施方式所涉及的气体量调整还可适用于具备这种超低温装置的超低温系统，这对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims (6)

1.一种低温泵系统，其特征在于，具备：

低温泵；

用于所述低温泵的工作气体的压缩机；

控制装置，构成为控制所述压缩机的运行频率；

气体管路，连接所述低温泵和所述压缩机；及

气体量调整部，构成为将所述气体管路的工作气体量至少在第1气体量和第2气体量之间进行切换，

所述气体管路具有第1气体量时，所述运行频率的可控制范围赋予工作气体的第1流量范围，所述气体管路具有第2气体量时，所述可控制范围赋予工作气体的第2流量范围，所述第2流量范围具有不与所述第1流量范围重叠的非重叠部分。

2.根据权利要求1所述的低温泵系统，其特征在于，

所述第1流量范围具有与所述第2流量范围重叠的重叠部分，

所述控制装置控制所述气体量调整部，以便在与所述重叠部分对应的所述可控制范围的区域切换所述第1气体量和所述第2气体量。

3.根据权利要求1或2所述的低温泵系统，其特征在于，

所述气体管路具备用于从所述压缩机向所述低温泵供给工作气体的高压管路，

所述气体量调整部具备用于从所述高压管路回收工作气体的储罐、及设置在所述储罐与所述高压管路之间的控制阀，

所述控制装置控制所述控制阀，以便将所述第1气体量的一部分从所述高压管路回收至所述储罐从而使所述气体管路具有所述第2气体量。

4.根据权利要求1或2所述的低温泵系统，其特征在于，

所述低温泵系统具备多个低温泵，

所述气体管路将所述多个低温泵并联连接于所述压缩机。

5.一种低温泵系统的运行方法，其特征在于，包括：

低温泵的运行中控制用于所述低温泵的压缩机的运行频率的步骤；及

进行所述控制期间，将循环于所述低温泵和所述压缩机的工作气体量从第1气体量调整为第2气体量的步骤，

所述第1气体量的工作气体进行循环时，所述运行频率的可控制范围赋予工作气体的第1流量范围，所述第2气体量的工作气体进行循环时，所述可控制范围赋予工作气体的第2流量范围，所述第2流量范围具有不与所述第1流量范围重叠的非重叠部分。

6.一种压缩机单元，其为用于超低温装置的工作气体的压缩机单元，其特征在于，具备：

压缩机；

压缩机控制器，构成为控制所述压缩机的运行频率；及

气体量调整部，构成为将循环于所述压缩机和所述超低温装置的工作气体量至少在第1气体量和第2气体量之间进行切换，

第1气体量的工作气体进行循环时，所述运行频率的可控制范围赋予工作气体的第1流量范围，第2气体量的工作气体进行循环时，所述可控制范围赋予工作气体的第2流量范围，所述第2流量范围具有不与所述第1流量范围重叠的非重叠部分。