CN104653434A - 低温泵系统及低温泵系统的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温泵系统及低温泵系统的运行方法。本发明的课题在于提高低温泵系统的节能性能。本发明所涉及的低温泵系统(100)中，低温泵(10)具备：制冷机(12)，具备低温冷却台及高温冷却台；低温低温板，通过低温冷却台被冷却；及高温低温板，通过高温冷却台被冷却。压缩机单元(50)具备压缩机主体(52)，所述压缩机主体(52)压缩供给至制冷机(12)的工作气体，压缩机主体(52)的运行频率可变。压缩机单元(50)在压缩机主体(52)的高压与低压的压力比为1.6～2.5的范围的状态下进行运行。

Description

低温泵系统及低温泵系统的运行方法

本申请主张基于2013年11月20日申请的日本专利申请第2013-239757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低温泵系统的运行方法。

背景技术

一种低温泵系统，其具有至少1个低温泵，及1个或多个压缩机单元。低温泵具有制冷机。压缩机单元将工作气体供给至制冷机。工作气体在制冷机内膨胀，从而使低温泵冷却。工作气体被压缩机单元回收。

专利文献1：日本特开2013-134020号公报

发明内容

本发明的一种实施方式的示例性的目的之一在于提高低温泵系统的节能性能。

根据本发明的一种实施方式，能够提供一种低温泵系统，所述低温泵系统具备：至少1个低温泵，所述至少1个低温泵具备制冷机、低温低温板、及高温低温板，所述制冷机具备低温冷却台及高温冷却台，所述低温低温板通过所述低温冷却台被冷却，所述高温低温板通过所述高温冷却台被冷却；及压缩机单元，所述压缩机单元具备压缩供给至所述制冷机的工作气体的压缩机主体，所述压缩机主体的运行频率可变。所述压缩机单元在所述压缩机主体的高压与低压的压力比为1.6～2.5的范围的状态下进行运行。

根据本发明的一种实施方式，能够提供一种低温泵系统的运行方法。该低温泵系统具备：至少1个低温泵，所述至少1个低温泵具备制冷机、低温低温板、及高温低温板，所述制冷机具备低温冷却台及高温冷却台，所述低温低温板通过所述低温冷却台被冷却，所述高温低温板通过所述高温冷却台被冷却；及压缩机单元，所述压缩机单元具备压缩供给至所述制冷机的工作气体的压缩机主体，所述压缩机主体的运行频率可变。所述方法具备使所述压缩机主体运行，以使所述压缩机主体的高压与低压的压力比在1.6～2.5的范围的步骤。

另外，将以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表现，在方法、装置、系统等之间进行相互替换，也作为本发明的实施方式而有效。

根据本发明，能够提高低温泵系统的节能性能。

附图说明

图1是概略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概略结构的框图。

图3是例示本发明的一种实施方式所涉及的制冷效率与压力比之间的关系的图表。

图4是例示制冷效率与压力比之间的关系的图表。

图中：10-低温泵，12-制冷机，14-第1冷却台，16-第2冷却台，32-第1低温板，34-第2低温板，50-压缩机单元，52-压缩机主体，55-压缩机逆变器，100-低温泵系统，110-控制装置，112-CP控制器，114-压缩机控制器。

具体实施方式

以下，参考附图，对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中，对相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下所述的构成为例示，对本发明的范围不做任何限定。

本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统具备：具有二级式制冷机的低温泵，及用于向制冷机供给高压工作气体的压缩机。制冷机例如构成为如下：通过控制运行频率能够调整冷却做功Q。压缩机例如构成为如下：通过控制运行频率能够调整压缩做功W。

本发明者考虑到工作气体为实际存在的气体，对本系统进行了理论性分析，从而发现在制冷机的低温段温度区域，当压缩机以某一压力比运行时，制冷机的效率(以下称作制冷效率)ε成为最大。制冷机的效率ε表示为ε＝Q/W。该最佳压力比如后述那样，例如在大约1.6～大约2.5的范围之内。因此，通过以该范围内的压缩比运行压缩机，能够降低系统的耗电量。

另一方面，一种典型的低温泵系统的设计思想重视制冷机的冷却做功Q，例如系统设计为冷却做功Q最大。其结果，通常压缩机的运行压力比例如为大约2.6以上，偏离上述最佳范围。

在一种实施方式中，压缩机的最低运行频率根据压缩机的规格而定。当压缩机以该最低运行频率运行时，与其对应的最低工作气体流量从压缩机供给至制冷机。当在制冷机侧所使用的工作气体的流量小于该最低流量时，从压缩机供给至制冷机的工作气体过量。此时压缩机消耗额外的电量。

为了缓解这种因压缩机的规格而在压缩机与制冷机之间产生工作气体的流量不均的现象，本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统具备多个低温泵，且各低温泵可具备二级式制冷机。此时，与系统仅具有1个低温泵的情况相比，在制冷机侧使用的工作气体流量变大，因此压缩机的气体流量减少至最低的运行状态甚少出现。因此，能够在压缩机的整个运行期间或在其大部分运行期间调整压缩机的运行频率，从而能够使压缩机向制冷机供给与在制冷机侧使用的工作气体的流量相匹配的工作气体。因此，能够防止或降低如上所述的因压缩机规格而消耗额外电量的现象。

图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统100的整体结构图。低温泵系统100用于真空腔室102的真空排气。真空腔室102是为了向真空处理装置(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的。

低温泵系统100具备多个低温泵10及压缩机或压缩机单元50。并且，低温泵系统100具备气体管路70，该气体管路70将多个低温泵10并联连接于压缩机单元50。气体管路70构成为使工作气体在多个低温泵10与各压缩机单元50之间进行循环。

低温泵10安装于真空腔室102，且用于将真空腔室内部的真空度提高至所希望的级别。也可以在由某一个低温泵10真空排气的真空腔室102中，安装另一个低温泵10。或者，也可以将某一个低温泵10与另一个低温泵10分别安装于不同的真空腔室102。

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(所谓的GM制冷机)等蓄冷式超低温制冷机。制冷机12为二级式制冷机，其具备高温冷却台或第1冷却台14、及低温冷却台或第2冷却台16。

制冷机12具备第1缸体18及第2缸体20，第1缸体18在内部划定初级膨胀室，第2缸体20在内部划定与初级膨胀室连通的二级膨胀室。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与第1冷却台14，第2缸体20连接第1冷却台14与第2冷却台16。第1缸体18及第2缸体20分别内置有第1置换器及第2置换器(未图示)。第1置换器及第2置换器彼此相连，且在其内部分别组装有蓄冷材料。

在制冷机12的马达壳体21中容纳有制冷机马达22与气体流路切换机构23。制冷机马达22为第1、第2置换器及气体流路切换机构23的驱动源。制冷机马达22与第1置换器及第2置换器连接，以使第1置换器及第2置换器分别能够在第1缸体18及第2缸体20的内部往返移动。

气体流路切换机构23构成为周期性地切换工作气体的流路，以使在初级膨胀室及二级膨胀室中的工作气体周期性地重复膨胀。制冷机马达22连接于气体流路切换机构23的活动阀(未图示)，以使该活动阀能够正反运行。活动阀例如为回转阀。

马达壳体21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使气体流路切换机构23进行切换，以使高压气体入口24与膨胀室连接。若制冷机12的膨胀室中充满高压工作气体，则制冷机马达22使气体流路切换机构23进行切换，以使膨胀室与低压气体出口26连接。工作气体绝热膨胀，并通过低压气体出口26排出至压缩机单元50。第1、第2置换器与气体流路切换机构23的动作同步在膨胀室中进行往返移动。通过重复进行这种热循环，使第1冷却台14及第2冷却台16冷却。

第2冷却台16冷却至比第1冷却台14更低的温度。第2冷却台16例如被冷却至8K～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。

低温泵10具备高温低温板或第1低温板32、及低温低温板或第2低温板34。第1低温板32固定并热连接于第1冷却台14，第2低温板34固定并热连接于第2冷却台16。由此，第1低温板32通过第1冷却台14被冷却，第2低温板34通过第2冷却台16被冷却。

第1低温板32具备隔热板36与挡板38，并且包围第2低温板34。第2低温板34在其表面的至少一部分具备吸附剂。第1低温板32容纳于低温泵壳体40，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本身可以是任意已知的低温泵。

压缩机单元50具备用于压缩工作气体的压缩机主体52、及用于驱动压缩机主体52的压缩机马达53。并且，压缩机单元50还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通过低压流路58与压缩机主体52的吸入口连接，高压气体出口56通过高压流路60与压缩机主体52的吐出口连接。

压缩机单元50具备第1压力传感器62及第2压力传感器64。第1压力传感器62设定于低压流路58，以测定低压工作气体的压力，第2压力传感器64设定于高压流路60，以测定高压工作气体的压力。另外，第1压力传感器62及第2压力传感器64也可以设置于压缩机单元50的外部的气体管路70的适当部位。

气体管路70具备：高压管路72，用于使工作气体从压缩机单元50供给至低温泵10；及低压管路74，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72为连接制冷机12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。高压管路72具备：主高压配管，从压缩机单元50延伸；及高压个别配管，从主配管分支并延伸至各制冷机12。低压管路74为连接制冷机12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。低压管路74具备：主低压配管，从压缩机单元50延伸；及低压个别配管，从主配管分支并延伸至各制冷机12。

压缩机单元50通过低压管路74回收从低温泵10排出的低压工作气体。压缩机主体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72将高压工作气体供给至低温泵10。

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(或压缩机单元50)一体或分体设置。控制装置110例如具备执行各种运算处理的CPU、存储各种控制程序的ROM、用作存储数据和执行程序的作业区的RAM、输入输出界面、及存储器等。控制装置110能够采用具备该结构的已知的控制器。控制装置110可以由单独的控制器构成，也可以包含各自发挥相同或不同作用的多个控制器。

图2是表示用于控制本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统100的控制装置110的概略结构的框图。图2示出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是为了控制低温泵10(即制冷机12)及压缩机单元50而设置的。控制装置110具备：低温泵控制部或低温泵控制器(以下还称作CP控制器)112，用于控制低温泵10的运行；及压缩机控制部或压缩机控制器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例如根据所接收的测定温度控制低温泵10。此时，例如CP控制器112控制制冷机12的运行频率，以使第1温度传感器28(或第2温度传感器30)的测定温度与第1低温板32(或第2低温板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。由此，调整制冷机12的热循环在每单位时间的次数(即频率)。从而，通过在低温泵10中的温度控制，能够调整用于制冷机12的工作气体流量。

压缩机控制器114构成为能够进行压力控制。为了进行压力控制，压缩机控制器114构成为能够接收表示第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控制压缩机主体52的运行频率，以使压力测定值与压力目标值一致。压缩机单元50具备用于改变压缩机马达53的运行频率的压缩机逆变器55。根据运行频率控制压缩机马达53的转速。

压缩机控制器114例如将压缩机主体52的高压与低压之间的压力差控制成目标压力。以下，有时将其称作差压恒定控制。压缩机控制器114控制压缩机主体52的运行频率以进行差压恒定控制。另外根据需求，也可以在执行差压恒定控制的过程中改变差压的目标值。

在差压恒定控制中，压缩机控制器114求出第1压力传感器62的测定压力与第2压力传感器64的测定压力之间的差压。压缩机控制器114确定压缩机马达53的运行频率，以使该差压与目标值ΔP一致。压缩机控制器114控制压缩机逆变器55及压缩机马达53以实现该运行频率。

根据压力控制，能够根据使用于制冷机12的工作气体的流量而适当地调整压缩机马达53的转速，因此有助于降低低温泵系统100的耗电量。

并且，制冷机12的制冷能力取决于差压，因此能够通过差压恒定控制来维持制冷机12的目标制冷能力。由此，差压恒定控制不仅能够维持制冷机12的制冷能力也能够降低系统的耗电量，尤其适合低温泵系统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)以使第2压力传感器64(或第1压力传感器62)的测定压力与高压目标值(或低压目标值)一致的方式控制压缩机马达53的转速。

图3是例示本发明的一种实施方式所涉及的制冷效率ε与压力比Pr之间的关系的图表。该图表是本发明者对低温泵系统100进行理论性分析而得到的结果。在分析中考虑到工作气体(例如氦气)为实际存在的气体。制冷效率ε表示为ε＝Q/W，其中Q为制冷机12的冷却做功，W为压缩机单元50的压缩做功。压力比Pr为压缩机主体52的高压(即吐出压力)P_h与低压(即吸入压力)P_l之比，即Pr＝P_h/P_l。

采用压力比Pr＝P_h/P_l，由下式表示制冷效率ε。

[式1]

$\mathrm{\ϵ}=A\×\frac{{\mathrm{\α}}_v(\frac{P_h}{P_l}-1)}{\frac{({\mathrm{\ρ}}_{h,\mathrm{co}}-{\mathrm{\ρ}}_{l,\mathrm{hl}})}{P_l}[{\left(\frac{P_h}{P_l}\right)}^{\frac{k-1}{k}}-1]}$

其中，k为工作气体的比热比，α_v为体积膨胀系数，ρ_h，co为吸入工作气体朝向制冷机12的膨胀室的密度，ρ_l，hl为压缩机单元50的吸入工作气体密度，A为包含工作气体温度的系数。图3中示出工作气体温度分别为8K、9K、10K、11K、12K、13K、14K、15K、16K、18K及20K时的制冷效率ε相对于压力比Pr的变化。其中，低压P_l设为模拟实际运行的规定值。

如图3所示，制冷效率ε在某一压力比下取最大值。例如，在工作气体温度为11K时，压力比Pr为大约1.9时制冷机的效率ε显示为最大值即大约0.028。如此，在低温泵10用制冷机12的第2冷却台16的典型的温度区域即在大约8K～大约20K范围中，存在使冷效率ε最大化的压力比Pr。

因此，本发明的一种实施方式中，压缩机单元50以选自大约1.6～大约2.5的压力比范围中的压力比Pr进行运行。由此，制冷机12能够以最大或接近最大的制冷效率ε运行。因此，能够提供节能性能优异的低温泵系统100。

在低温泵10的真空排气运行中，优选制冷机12的第2冷却台16(即第2低温板34)冷却至大约9K～大约15K的温度区域。在该温度区域中，如图3所示，压力比在大约1.6～大约2.5的范围内时制冷效率ε显示最大值。因此，能够使制冷机12以最大的制冷效率ε运行。例如，在温度为9K时，压力比Pr为大约2.5时制冷效率ε最大。并且，在温度为15K时，压力比Pr为大约1.6时制冷效率ε最大。

并且，优选压缩机单元50以选自大约1.9～大约2.1的压力比范围中的压力比Pr进行运行。此时，制冷机12的第2冷却台16也可以冷却至大约10K～大约12K的温度区域。

相对于此，一种典型的低温泵系统的设计思想仅关注于制冷机的冷却做功Q，例如系统设计为冷却做功Q最大。其结果，压缩机的运行压力比通常为例如大约2.6以上(例如3以上)，偏离上述最佳压力比范围。如此，根据本发明的实施方式，压缩机单元50的运行压力比变得较低。

优选压缩机主体52的高压P_h为大约2.8MPa以上，和/或，压缩机主体52的低压P_l为大约1.4MPa以上。如此，通过使压缩机主体52的高压P_h和/或低压P_l设为较高，在高压P_h与低压P_l的所希望的差压下，轻松地实现如上所述的大约1.6～大约2.5的较低且最佳的运行压力比。例如，当高压P_h为2.8Mpa且低压P_l为1.4MPa时，压力比为2且差压为1.4MPa。并且，也可以将压缩机主体52的高压P_h设为3MPa以上，和/或，将压缩机主体52的低压P_l设为大约1.5MPa以上。例如，当高压P_h为3MPa且低压P_l为1.5MPa时，压力比为2且差压为1.5MPa。

只有在低温泵用制冷机12的二级冷却温度下，才会有制冷效率ε在某一压力比Pr下出现最大值的情况。图4中，对比表示作为制冷机12的初级冷却温度的一个例子的77K下的制冷效率ε与压力比Pr之间的关系和图3所示的11K下的制冷效率ε与压力比Pr之间的关系。由图4可知，在如77K的初级冷却温度下不存在制冷效率ε的最大值。

以上，基于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，可以进行各种设计上的变更，也可以有各种变形例，并且这些变形例也属于本发明的范围，这一点对本领域技术人员而言是能够理解的。

上述实施方式中，压缩机单元50可以以被选择的恒定压力比Pr进行运行。或者，压缩机单元50也可以在运行中调整压力比Pr。此时，压缩机单元50还可以以实现与低温低温板的测定温度相对应的最大制冷效率ε的压力比Pr进行运行。

并且，上述实施方式中，低温泵系统100具备多个低温泵10。然而，在一种实施方式中，低压泵系统100也可以仅具备1台低温泵10。

在一种实施方式中，低温泵系统100可以具备冷阱。即，低温泵10与冷阱也可以连接于共用的压缩机单元50。如此，将冷阱组合于低温泵系统100也可以。

Claims (8)

1.一种低温泵系统，其特征在于，具备：

至少1个低温泵，所述至少1个低温泵具备制冷机、低温低温板、及高温低温板，所述制冷机具备低温冷却台及高温冷却台，所述低温低温板通过所述低温冷却台被冷却，所述高温低温板通过所述高温冷却台被冷却；及

压缩机单元，所述压缩机单元具备压缩供给至所述制冷机的工作气体的压缩机主体，所述压缩机主体的运行频率可变，

所述压缩机单元在所述压缩机主体的高压与低压的压力比为1.6～2.5的范围的状态下进行运行。

2.根据权利要求1所述的低温泵系统，其特征在于，

所述低温低温板被冷却至9K～15K的温度区域。

3.根据权利要求1或2所述的低温泵系统，其特征在于，

所述至少1个低温泵为多个低温泵，且各低温泵具备所述制冷机、所述低温低温板、及所述高温低温板。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的低温泵系统，其特征在于，

所述低温泵系统具备压缩机控制部，所述压缩机控制部控制所述压缩机主体的运行频率，以使所述压缩机主体的高压与低压的压力差与目标值一致。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的低温泵系统，其特征在于，

所述压缩机主体的高压为2.8MPa以上。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的低温泵系统，其特征在于，

所述压缩机主体的低压为1.4MPa以上。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的低温泵系统，其特征在于，

所述压缩机单元具备压缩机逆变器，所述压缩机逆变器改变所述压缩机主体的运行频率。

8.一种低温泵系统的运行方法，其特征在于，

该低温泵系统具备：

至少1个低温泵，所述至少1个低温泵具备制冷机、低温低温板、及高温低温板，所述制冷机具备低温冷却台及高温冷却台，所述低温低温板通过所述低温冷却台被冷却，所述高温低温板通过所述高温冷却台被冷却；及

压缩机单元，该压缩机单元具备压缩供给至所述制冷机的工作气体的压缩机主体，所述压缩机主体的运行频率可变，

所述方法具备使所述压缩机主体运行，以使所述压缩机主体的高压与低压的压力比在1.6～2.5的范围的步骤。