CN105715510B - 低温泵、低温泵的控制方法以及制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温泵、低温泵的控制方法及制冷机，其目的在于缩短低温泵的冷却时间。低温泵(10)具备低温板和冷却低温板的制冷机(16)。制冷机(16)具备驱动制冷机(16)的制冷机马达(80)以及控制制冷机马达(80)的运行频率的制冷机变频器(82)。低温泵(10)的控制部(100)控制制冷机(16)以执行使低温板的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行。控制部(100)具备：运行频率确定部(110)，在具有运行频率上限的运行频率范围内确定制冷机马达(80)的运行频率，并将该运行频率输出给制冷机变频器(82)；及上限调整部(112)，在降温运行中，根据低温板的温度下降，降低运行频率上限。

Description

低温泵、低温泵的控制方法以及制冷机

本申请主张基于2014年12月17日申请的日本专利申请第2014-255028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、低温泵的控制方法以及制冷机。

背景技术

在将新的低温泵装配于施工现场的情况下，低温泵从室温冷却至超低温，开始真空排气运行。并且，众所周知，由于低温泵为气体捕捉式真空泵，因此为了向外部排出所捕捉的气体，以某一频率进行再生。再生处理通常包括升温工序、排出工序以及冷却工序。若冷却工序结束，则重新进行低温泵的真空排气运行。作为这种真空排气运行的准备而进行的低温泵的冷却有时称作降温。

专利文献1：国际公开第2005/052369号

低温泵为超低温制冷机的主要用途之一，但在制冷机的高温级与低温级之间需要比较大的温度差，这一点与其他用途有所不同。但是，冷却低温泵时在较短的时间内形成这样的温度差并不简单。例如，若高温级达到目标冷却温度时低温级还未达到目标温度，则不得不将高温级保持在目标温度的同时继续冷却低温级。并且，有时在低温级达到目标温度时，高温级已经过度冷却至低于目标温度的温度。这种情况下，不得不将高温级升温至目标温度。这种降温最终阶段的温度调整需要一定程度的时间。尤其，在高温级与低温级需要较大的温度差的情况下，温度调整所需的时间变长。由于降温成为低温泵的停机时间，因此希望在短时间内进行降温。

发明内容

本发明的一种实施方式的示例性目的之一为缩短低温泵的冷却时间。

根据本发明的一种实施方式，提供一种低温泵，其具备：低温板；制冷机，冷却所述低温板，并且具备驱动所述制冷机的制冷机马达以及控制所述制冷机马达的运行频率的制冷机变频器；以及控制部，控制所述制冷机以执行使所述低温板的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行。所述控制部具备：运行频率确定部，在具有运行频率上限的运行频率范围内确定所述制冷机马达的运行频率，并将该运行频率输出给所述制冷机变频器；以及上限调整部，在所述降温运行中，根据所述低温板的温度下降，降低所述运行频率上限。

根据本发明的一种实施方式，提供一种低温泵的控制方法。所述低温泵具备：低温板；制冷机，冷却所述低温板，且具备驱动所述制冷机的制冷机马达以及控制所述制冷机马达的运行频率的制冷机变频器。所述方法具备如下步骤：执行将所述低温板的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行；在所述降温运行中，根据所述低温板的温度下降，降低所述制冷机马达的运行频率上限；在具有所述运行频率上限的运行频率范围内确定所述制冷机马达的运行频率；以及将已确定的运行频率输出给所述制冷机变频器。

根据本发明的一种实施方式，提供一种制冷机，其具备：膨胀机，具备冷却台，该膨胀机还具备驱动所述膨胀机的膨胀机马达以及控制所述膨胀机马达的运行频率的膨胀机变频器；控制部，控制所述膨胀机以执行使所述冷却台的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行。所述控制部具备：运行频率确定部，在具有运行频率上限的运行频率范围内确定所述膨胀机马达的运行频率，并将该运行频率输出给所述膨胀机变频器；以及上限调整部，在所述降温运行中，根据所述冷却台的温度下降，降低所述运行频率上限。

另外，以上构成要件的任意组合、本发明的构成要件或表现在装置、方法、系统、计算机程序以及存储计算机程序的存储介质等之间的相互替换也作为本发明的方式有效。

根据本发明，能够缩短低温泵的冷却时间。

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的图。

图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵的控制部的结构的图。

图3是用于说明低温泵的运行方法的流程图。

图4是表示典型的降温运行中的温度曲线的一例的图。

图5是表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵的控制方法的流程图。

图6是表示本发明的一种实施方式所涉及的降温运行中的温度曲线的一例的图。

图中：10-低温泵，16-制冷机，18-低温低温板，19-高温低温板，80-制冷机马达，82-制冷机变频器，90-第1温度传感器，92-第2温度传感器，100-控制部，104-存储部，110-运行频率确定部，112-上限调整部，114-测定温度选择部。

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，对相同要件标注相同符号，适当省略重复说明。并且，以下叙述的结构为示例，并不限定本发明的范围。

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10的图。低温泵10例如安装在离子注入装置或溅射装置等的真空腔室，用于将真空腔室内部的真空度提高至所希望的工艺所要求的水平。

低温泵10具有用于接收气体的进气口12。进气口12为通向低温泵10的内部空间14的入口。待排出的气体从安装有低温泵10的真空腔室通过进气口12进入到低温泵10的内部空间14。

另外，在以下的说明中，为了通俗易懂地表示低温泵10的构成要件之间的位置关系，有时使用“轴向”、“径向”等术语。轴向表示通过进气口12的方向，径向表示沿进气口12的方向。为了方便起见，将在轴向上相对靠近进气口12的一侧称为“上”，相对远离进气口12的一侧称为“下”。即，将相对远离低温泵10底部的一侧称为“上”，相对靠近低温泵10底部的一侧称为“下”。并且，将在径向上靠近进气口12中心的一侧称为“内”，靠近进气口12周边的一侧称为“外”。另外，这种表现与低温泵10安装于真空腔室时的配置无关。例如，低温泵10也可以以沿铅垂方向使进气口12朝下的方式安装在真空腔室内。

低温泵10具备冷却系统15、低温低温板18以及高温低温板19。冷却系统15构成为冷却高温低温板19及低温低温板18。冷却系统15具备制冷机16和压缩机36。

制冷机16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16为具备第1冷却台20、第2冷却台21、第1缸体22、第2缸体23、第1置换器24以及第2置换器25的二级式制冷机。由此，制冷机16的高温级具备第1冷却台20、第1缸体22以及第1置换器24。制冷机16的低温级具备第2冷却台21、第2缸体23以及第2置换器25。因此，在以下的说明中，有时将第1冷却台20以及第2冷却台21分别称为高温级的低温端以及低温级的低温端。

第1缸体22与第2缸体23串联连接。第1冷却台20设置在第1缸体22与第2缸体23的结合部上。第2缸体23连结第1冷却台20和第2冷却台21。第2冷却台21设置在第2缸体23的末端。在第1缸体22以及第2缸体23各自的内部以能够沿制冷机16的长度方向(图1中的左右方向)移动的方式配设有第1置换器24及第2置换器25。第1置换器24和第2置换器25以可一体移动的方式连结为一体。第1置换器24及第2置换器25上分别组装有第1蓄冷器及第2蓄冷器(未图示)。

制冷机16具备驱动机构17，该驱动机构17设置在第1缸体22的高温端。驱动机构17与第1置换器24及第2置换器25连接，以使第1置换器24及第2置换器25分别在第1缸体22及第2缸体23内部进行往复移动。并且，驱动机构17包括流路切换机构，所述流路切换机构切换工作气体的流路，以便周期性地重复工作气体的吸入和吐出。流路切换机构例如包括阀部和用于驱动阀部的驱动部。阀部例如包括回转阀，驱动部包括用于使回转阀旋转的马达。马达例如可以使用AC马达或者DC马达。并且，流路切换机构也可以是通过直线马达驱动的直接传动式机构。

制冷机16经由高圧导管34及低圧导管35连接于压缩机36。制冷机16使从压缩机36供给过来的高圧工作气体(例如氦气)在制冷机16的内部膨胀而使第1冷却台20及第2冷却台21产生寒冷。压缩机36回收在制冷机16中膨胀的工作气体并再次进行加压后供给至制冷机16。

具体而言，首先，驱动机构17使高圧导管34和制冷机16的内部空间连通。高圧工作气体从压缩机36通过高圧导管34供给至制冷机16。若制冷机16的内部空间被高圧工作气体充满，则驱动机构17切换流路，使制冷机16的内部空间和低圧导管35连通。由此工作气体进行膨胀。膨張的工作气体回收至压缩机36。与这样的工作气体的供排气同步，第1置换器24及第2置换器25分别在第1缸体22及第2缸体23的内部进行往复移动。通过重复这种热循环，制冷机16使第1冷却台20及第2冷却台21产生寒冷。

制冷机16构成为，将第1冷却台20冷却至第1温度水平，将第2冷却台21冷却至第2温度水平。第2温度水平为低于第1温度水平的低温。例如，第1冷却台20冷却至65K～120K左右，优选冷却至80K～100K，第2冷却台21冷却至10K～20K左右。

制冷机16构成为使工作气体通过高温级流向低温级。即，从压缩机36流入的工作气体从第1缸体22流向第2缸体23。这时，工作气体被第1置换器24及其蓄冷器冷却至第1冷却台20(即高温级的低温端)的温度。如此冷却的工作气体供给至低温级。因此，可以期待从压缩机36导入至制冷机16高温级的工作气体的温度不会明显影响低温级的冷却能力。

另外，制冷机16可以为将三级缸体串联连接的三级式制冷机或者更多级的制冷机。制冷机16可以为GM制冷机以外的制冷机，可以使用脉冲管制冷机或苏尔威制冷机。

图1中示出低温泵10的包括内部空间14的中心轴和制冷机16的中心轴的剖面。图1所示的低温泵10为所谓卧式低温泵。卧式低温泵通常是指制冷机16配设成与低温泵10的内部空间14的中心轴交叉(通常垂直)的低温泵。本发明同样可以适用于所谓立式低温泵。立式低温泵是指制冷机沿低温泵的轴向配设的低温泵。

低温低温板18设置在低温泵10的内部空间14的中心部。低温低温板18例如包括多个板部件26。板部件26例如分别具有圆锥台侧面的形状，换言之伞状形状。各板部件26上通常设置有活性炭等吸附剂(未图示)。吸附剂例如粘结在板部件26的背面。由此，低温低温板18具备用于吸附气体分子的吸附区域。

板部件26安装在板安装部件28上。板安装部件28安装在第2冷却台21。如此，低温低温板18与第2冷却台21热连接。因此，低温低温板18冷却至第2温度水平。

高温低温板19具备放射屏蔽件30和入口低温板32。高温低温板19以包围低温低温板18的方式设置在低温低温板18的外侧。高温低温板19与第1冷却台20热连接，高温低温板19冷却至第1温度水平。

放射屏蔽件30主要是为了从来自低温泵10的外壳38的辐射热保护低温低温板18而设置的。放射屏蔽件30位于外壳38与低温低温板18之间，且包围低温低温板18。放射屏蔽件30的轴向上端朝向进气口12开放。放射屏蔽件30具有轴向下端封闭的筒状(例如圆筒)形状，即形成为杯状。在放射屏蔽件30的侧面有用于安装制冷机16的孔，第2冷却台21从该安装孔插入到放射屏蔽件30中。第1冷却台20固定在该安装孔的外周部且放射屏蔽件30的外表面。由此，放射屏蔽件30与第1冷却台20热连接。

入口低温板32设置在低温低温板18的轴向上方，并在进气口12沿径向配置。入口低温板32的外周部固定在放射屏蔽件30的开口端，从而与放射屏蔽件30热连接。入口低温板32例如形成为百叶窗结构或者锯齿结构。入口低温板32可以形成为以放射屏蔽件30的中心轴为中心的同心圆状，也可以形成为格子状等其他形状。

入口低温板32是为了对进入进气口12的气体进行排气而设置的。在入口低温板32的温度下冷凝的气体(例如水分)捕捉在其表面。并且，入口低温板32是为了从来自低温泵10外部的热源(例如，安装有低温泵10的真空腔室内的热源)的辐射热保护低温低温板18而设置的。除了辐射热之外还限制气体分子的进入。入口低温板32占据进气口12的开口面积的一部分，以便将通过进气口12流入内部空間14的气体限制为所希望的量。

低温泵10具备外壳38。外壳38为用于隔开低温泵10的内部与外部的真空容器。外壳38构成为气密地保持低温泵10的内部空间14的圧力。在外壳38中容纳有高温低温板19和制冷机16。外壳38设置在高温低温板19的外侧，且包围高温低温板19。并且，外壳38容纳制冷机16。即，外壳38为包围高温低温板19及低温低温板18的低温泵容器。

外壳38以不与高温低温板19及制冷机16的低温部接触的方式固定在外部环境温度的部位(例如制冷机16的高温部)。外壳38的外表面暴露于外部环境，其温度比被冷却的高温低温板19高(例如室温程度)。

并且，外壳38具备从其开口端朝向径向外侧延伸的进气口凸缘56。进气口凸缘56为用于将低温泵10安装在作为安装对象的真空腔室的凸缘。在真空腔室的开口设置有闸阀(未图示)，进气口凸缘56安装在该闸阀上。由此，闸阀位于入口低温板32的轴向上方。例如在对低温泵10进行再生时，关闭闸阀，而在低温泵10对真空腔室进行排気时，打开闸阀。

低温泵10具备用于测定第1冷却台20的温度的第1温度传感器90以及用于测定第2冷却台21的温度的第2温度传感器92。第1温度传感器90安装在第1冷却台20。第2温度传感器92安装在第2冷却台21。另外，第1温度传感器90也可以安装在高温低温板19上。第2温度传感器92也可以安装在低温低温板18上。

并且，低温泵10具备控制部100。控制部100可以与低温泵10一体设置，也可以构成为与低温泵10分开的控制装置。

控制部100构成为为了低温泵10的真空排气运行、再生运行以及降温运行而控制制冷机16。控制部100构成为接收包括第1温度传感器90及第2温度传感器92在内的各种传感器的测定结果。控制部100根据这些测定结果运算出对制冷机16的控制指令。

控制部100控制制冷机16，以使冷却台温度追随目标冷却温度。第1冷却台20的目标温度通常设定为恒定值。例如根据在安装有低温泵10的真空腔室中进行的工艺且作为规格而确定第1冷却台20的目标温度。另外，在低温泵的运行中，也可以根据需要改变目标温度。

例如，控制部100通过反馈控制来控制制冷机16的运行频率，以使第1冷却台20的目标温度与第1温度传感器90的测定温度的偏差最小化。即，控制部100通过控制驱动机构17的马达转速，控制制冷机16中的热循环的频率。

若低温泵10所受的热负荷增加，则第1冷却台20的温度会升高。当第1温度传感器90的测定温度为比目标温度高的高温时，控制部100使制冷机16的运行频率增加。其结果，制冷机16中的热循环频率也增加，使第1冷却台20向目标温度冷却。相反，当第1温度传感器90的测定温度为比目标温度低的低温时，减少制冷机16的运行频率，使第1冷却台20向目标温度升温。由此，能够使第1冷却台20的温度停留在目标温度附近的温度范围。由于能够根据热负荷适当调整制冷机16的运行频率，因此这样的控制有利于降低低温泵10的耗电量。

在以下的说明中，将以使第1冷却台20的温度成为目标温度的方式控制制冷机16，称为“初级温度控制”。在低温泵10进行真空排气运行时，通常执行初级温度控制。初级温度控制的结果，第2冷却台21及低温低温板18冷却至由制冷机16规格及来自外部的热负荷决定的温度。同样，控制部100也可以执行以使第2冷却台21的温度成为目标温度的方式控制制冷机16的所谓的“二级温度控制”。

图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵10的控制部100的结构的图。这种控制装置通过硬件、软件或者其组合得以实现。并且，在图2中，概略地示出相关制冷机16的一部分结构。

制冷机16的驱动机构17具备驱动制冷机16的制冷机马达80和控制制冷机16的运行频率的制冷机变频器82。如上述，制冷机16为工作气体的膨胀机。因此，制冷机马达80及制冷机变频器82还可以分别称为膨胀机马达及膨胀机变频器。

制冷机16的运行频率(也称为运行速度)表示制冷机马达80的运行频率或者转速、制冷机变频器82的运行频率、热循环频率、或者其中任意一个。热循环频率为在制冷机16中进行的热循环在每单位时间内的次数。

控制部100具备制冷机控制部102、存储部104、输入部106以及输出部108。制冷机控制部102构成为控制制冷机16以执行低温泵10的真空排气运行及再生运行。制冷机控制部102构成为控制制冷机16以执行使至少1个低温板(低温低温板18和/或高温低温板19，以下相同)的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行。制冷机控制部102构成为控制制冷机16以在降温运行之后接着执行使至少1个低温板的温度维持标准运行温度的温度调节运行。

存储部104构成为存储与低温泵10的控制相关的信息。输入部106构成为接受来自用户或者其他装置的输入。输入部106例如包括用于接受来自用户的输入的鼠标及键盘等输入构件和/或用于与其他装置进行通信的通信构件。输出部108构成为输出与低温泵10的控制相关的信息，包括显示器或者打印机等输出构件。存储部104、输入部106及输出部108连接成可以分别与制冷机控制部102进行通信。

制冷机控制部102具备运行频率确定部110、上限调整部112、测定温度选择部114以及运行状态判定部116。如上述，运行频率确定部110构成为，(例如通过PID控制)确定作为低温板的测定温度与目标温度之间的偏差的函数的制冷机马达80的运行频率。运行频率确定部110在预先设定的运行频率范围内确定制冷机马达80的运行频率。运行频率范围是通过预先设定的运行频率的上限及下限来定义的。运行频率确定部110将已确定的运行频率输出给制冷机变频器82。

制冷机变频器82构成为提供制冷机马达80的可变频率控制。制冷机变频器82将输入电力转换成具有从运行频率确定部110输入的运行频率。从制冷机电源(未图示)供给制冷机变频器82的输入电力。制冷机变频器82将已转换的电力输出至制冷机马达80。这样，制冷机马达80以通过运行频率确定部110确定且从制冷机变频器82输出过来的运行频率进行驱动。

上限调整部112构成为，在降温运行中，根据低温板的温度调整运行频率上限。例如，上限调整部112构成为，在降温运行中，根据低温板的温度下降而降低运行频率上限。

测定温度选择部114构成为，选择由第1温度传感器90测定的高温低温板19的温度和由第2温度传感器92测定的低温低温板18的温度中的更低的温度。上限调整部112使用由测定温度选择部114选择的测定温度来调整运行频率上限。

运行状态判定部116构成为判定低温泵10的运行状态。可以预先设定与多个不同的运行状态分别对应的运行状态标志。存储部104也可以存储这些运行状态标志。运行状态判定部116还可以构成为，在低温泵10进入某一运行状态时选择与该运行状态相对应的运行状态标志。运行状态判定部116可以参考被选择的运行状态标志判定低温泵10的当前运行状态。运行状态判定部116可以具备判定是否正在执行降温运行的降温判定部。

存储部104存储从输入部106输入的频率上限曲线。根据实验或者经验预先设定频率上限曲线。上限调整部112根据频率上限曲线改变运行频率上限。

频率上限曲线包括针对第1温度区域的第1频率上限以及针对第2温度区域的第2频率上限。第1频率上限是针对第1温度区域的第1频率范围的最大值，第2频率上限为针对第2温度区域的第2频率范围的最大值。第2频率上限为小于第1频率上限的值。并且，第2频率上限为比降温运行之后进行的温度调节运行(例如，上述初级温度控制)中的正常运行频率大的值。因此，从第1频率上限到第2频率上限的降低量例如可以为第1频率上限的25％以内。

频率上限曲线也可以包括针对第1温度区域的第1频率下限以及针对第2温度区域的第2频率下限。第1频率下限及第2频率下限分别为第1频率范围以及第2频率范围的最小值。第1频率下限及第2频率下限可以为共用的值。频率下限可以与频率上限相同。这种情况下，频率范围为单一值。

第1温度区域包括室温。第2温度区域包括标准运行温度，其为比第1温度区域低的温度范围且与第1温度区域相邻。第1温度区域与第2温度区域的边界温度为室温与标准运行温度的中间温度。边界温度例如可以为200K以下的温度。并且，边界温度例如也可以为高于130K的温度。

频率上限曲线还可以包括针对第3温度区域的第3频率上限。第3温度区域可以为第1温度区域与第2温度区域中间的温度区域。第3频率上限可以为第1频率上限与第2频率上限的中间的值。并且，频率上限曲线还可以包括分别与室温和标准运行温度之间的互不相同的多个温度点相对应的多个频率上限。这种情况下，频率上限曲线可以设定为随着温度的下降频率上限递减。

图3是用于说明低温泵10的运行方法的流程图。该运行方法包括准备运行(S10)和真空排气运行(S12)。真空排气运行为低温泵10的正常运行。准备运行包括在正常运行之前执行的任意的运行状态。控制部100适时反复执行该运行方法。在真空排气运行结束后开始准备运行时，通常关闭低温泵10与真空腔室之间的闸阀。

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从低温泵10的设置环境温度(例如室温)冷却至超低温的降温。降温的目标冷却温度是为了真空排气运行而设定的标准的运行温度。如上述，高温低温板19的标准运行温度选自例如80K至100K左右的范围，低温低温板18的标准运行温度选自例如10K至20K左右的范围。准备运行(S10)可以包括利用粗抽阀(未图示)等将低温泵10的内部粗抽至工作开始压力(例如1Pa左右)。

准备运行(S10)也可以为低温泵10的再生。在结束本次的真空排气运行之后，为了准备下一次的真空排气运行而执行再生。再生为对低温低温板18及高温低温板19进行再生的所谓完全再生或者仅对低温低温板18进行再生的部分再生。

再生包括升温工序、排出工序以及冷却工序。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。进行完全再生时，再生温度例如为室温或者稍微高于室温的温度(例如约290K至约300K)。用于升温工序的热源例如为制冷机16的逆转升温和/或附设在制冷机16的加热器。

排出工序包括向低温泵10的外部排出从低温板表面再次气化的气体的步骤。再次气化的气体与根据需要而被导入的吹扫气体一同从低温泵10排出。在排出工序中，制冷机16停止运行。冷却工序包括为了重新开始真空排气运行而再次冷却低温低温板18及高温低温板19的步骤。冷却工序中的制冷机16的运行状态与启动时的降温相同。但是，冷却工序中的低温板的初始温度在进行完全再生时处于室温水平，但在进行部分再生时处于室温与上述标准运行温度的中间(例如100K～200K)。

如图3所示，在准备运行(S10)之后接着进行真空排气运行(S12)。在结束准备运行而开始真空排气运行时，打开低温泵10与真空腔室之间的闸阀。

真空排气运行(S12)为将从真空腔室朝向低温泵10飞来的气体分子通过冷凝或者吸附捕捉在冷却至超低温的低温板表面的运行状态。在高温低温板19(例如，入口低温板32)的冷却温度下蒸汽压充分降低的气体(例如水分等)冷凝于该高温低温板19上。在入口低温板32的冷却温度下蒸汽压未能充分降低的气体通过入口低温板32进入到放射屏蔽件30。在低温低温板18的冷却温度下蒸汽压充分降低的气体(例如氩气等)冷凝在该低温低温板18。在低温低温板18的冷却温度下蒸気圧也未能充分降低的气体(例如氢气等)则吸附在低温低温板18的吸附剂上。由此，低温泵10能够使真空腔室的真空度达到所希望的水平。

真空排气运行为保持标准运行温度的稳定的运行状态。另一方面，准备运行期间相当于低温泵10的停机时间(即，真空排气运行的停止期间)，因此优选该期间尽可能较短。因此，在准备运行中，要求制冷机16具有比正常运行时更高的制冷能力。多数情况下，在准备运行中，制冷机16以非常高的运行频率(例如，容许的最高运行频率或者与其相近的运行频率)运行。

图4是表示典型的降温运行中的温度曲线的一例的图。图4的纵轴及横轴分别表示温度及时间。图4中概略的示出第1冷却台20的温度T1及第2冷却台21的温度T2的经时变化。开始降温时的第1冷却台20的温度T1及第2冷却台21的温度T2的初始值例如均为300K，第1冷却台20及第2冷却台21的目标冷却温度分别为例如100K及15K。并且，图4的下部示出制冷机16的运行频率曲线的一例。

在典型的低温泵控制中，制冷机16的运行频率的范围在运行中不会改变。因此，如图4的下部的单点划线所示，制冷机16的运行频率的上限恒定。

在图4所示的降温运行中，直到第1冷却台20的温度T1达到目标温度100K为止，制冷机16全功率运行。这时，制冷机16的运行频率固定在容许的最大值(例如，运行频率95Hz)。由此，第1冷却台20迅速冷却至目标温度100K。从开始降温运行后经过时间Ta时，第1冷却台20的温度T1达到目标温度100K。这时，制冷机16从全功率运行切换至上述初级温度控制。之后，第1冷却台20的温度T1维持目标温度100K。通过切换至初级温度控制，制冷机16的运行频率大幅降低至例如40Hz左右。

第2冷却台21通过制冷机16的全功率运行与第1冷却台20一同被冷却。由于第2冷却台21的冷却速度比第1冷却台20的冷却速度稍快，因此第1冷却台20的温度T1达到目标温度100K时第2冷却台21冷却至稍低于该温度的温度(例如80K左右)。但是，此时还远不及第2冷却台21的目标温度15K。在制冷机16从全功率运行切换至初级温度控制之后，第2冷却台21缓慢冷却至目标温度15K。从开始降温运行后经过时间Tb时第2冷却台21的温度T2达到目标温度15K。这时，第1冷却台20以及第2冷却台21双方均达到各自的目标冷却温度，从而结束降温。

在图4所示的温度曲线中，通过降温运行，第2冷却台21的温度T2始终低于第1冷却台20的温度T1。但是，降温运行中的温度曲线可根据低温泵的设计(例如，低温板的形状)而发生变化。在某一低温泵的降温运行中的至少一部分温度区域中，第1冷却台20的冷却速度有可能大于第2冷却台21的冷却速度。这种情况下，在降温运行中的至少一部分期间中，第1冷却台20的温度T1有可能低于第2冷却台21的温度T2。

图5是表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵10的控制方法的流程图。运行状态判定部116判定低温泵10的当前运行状态是否为降温运行(S20)。若判定为不进行降温运行(例如，进行真空排气运行)(S20的否)，则运行频率确定部110在现有的运行频率范围内确定制冷机马达80的运行频率(S26)。如上述，运行频率确定部110例如通过初级温度控制等现有的方法来确定运行频率。运行频率确定部110将已确定的运行频率输出至制冷机变频器82(S28)。制冷机马达80以从制冷机变频器82输入的运行频率驱动制冷机16。如此，在不进行降温运行时，运行频率上限不变。

另一方面，若判定为降温运行中(S20的是)，则测定温度选择部114选择第1温度传感器90的测定温度和第2温度传感器92的测定温度中更低的温度(S22)。测定温度选择部114对第1温度传感器90的测定温度与第2温度传感器92的测定温度进行比较，确定2个测定温度中哪一个为更低温。测定温度选择部114将所选择的测定温度提供给上限调整部112。

上限调整部112根据频率上限曲线确定与测定温度相对应的运行频率上限(S24)。上限调整部112在测定温度处于第1温度区域时，选择第1频率上限，在测定温度处于第2温度区域时，选择第2频率上限。上限调整部112将已确定的运行频率上限提供给运行频率确定部110。上限调整部112还可以将已确定的运行频率上限输出给输出部108。

运行频率确定部110在具有已确定的运行频率上限的运行频率范围内确定制冷机马达80的运行频率(S26)。如上述，运行频率确定部110通过例如初级温度控制等现有的方法来确定运行频率。运行频率确定部110对通过现有的方法获得的运行频率与运行频率上限进行比较。在获得的运行频率小于运行频率上限时，运行频率确定部110将该运行频率输出给制冷机变频器82(S28)。在获得的运行频率超过运行频率上限时，运行频率确定部110将运行频率上限的值输出给制冷机变频器82(S28)。制冷机马达80以从制冷机变频器82输入的运行频率驱动制冷机16。如此，结束本处理。制冷机控制部102周期性地重复本处理。

图6是表示本发明的一种实施方式所涉及的降温运行中的温度曲线的一例的图。与图4相同，图6的纵轴以及横轴分别表示温度及时间。开始降温时的第1冷却台20的温度T1及第2冷却台21的温度T2的初始值均为例如300K，第1冷却台20及第2冷却台21的目标冷却温度分别为例如100K及15K。图6中，为了进行比较，用虚线表示图4所示的温度曲线。并且，在图6的中部及下部分别示出制冷机16的运行频率曲线及频率上限曲线的一例。同样为了进行比较，用虚线表示图4所示的运行频率曲线及频率上限曲线。

频率上限曲线在从室温到200K的第1温度区域具有95Hz的第1频率上限，在从200K至100K的第2温度区域具有80Hz的第2频率上限。

直到第1冷却台20的温度T1达到目标温度100K为止，制冷机16全功率运行。这时，制冷机16的运行频率固定在容许的最大值。在图6所示的例子中，第2冷却台21更快速冷却，因此，直到第2冷却台21冷却至200K为止，制冷机16以95Hz的第1频率上限运行。若第2冷却台21达到200K，则制冷机16的运行频率切换至80Hz的第2频率上限。若第1冷却台20达到100K，则低温泵10的运行状态从降温运行过渡至初级温度控制。在初级温度控制中，制冷机16的运行频率大幅降低至例如40Hz左右。

如图6所示，第1冷却台20的冷却时间缩短ΔTa，第2冷却台21的冷却时间缩短ΔTb。

通常，制冷机16的运行频率表示热循环频率，因此认为运行频率的降低会导致制冷机16的制冷能力的下降。因此，在降温运行中，若减小运行频率，则冷却时间有可能会延长。因而降温运行应尽可能以高运行频率进行。图6所示的冷却时间的缩短是与这种通常知识相违背的，是惊人的结果。

根据本发明人的考察，本实施方式中的冷却时间的缩短能够通过降温运行中的工作气体(氦气)的密度变化来进行说明。工作气体的密度随着温度下降而变大。随着密度变大，因制冷机16的高速运行导致的摩擦或压损的影响变大。因此，低温下的过度的高速运行会导致制冷机16的冷却效率下降。

根据本实施方式，在降温运行的后期，能够降低制冷机16的运行频率上限。由此，能够减轻由工作气体的密度增大而导致的摩擦或压损，能够维持制冷机16的冷却效率或者抑制冷却效率的下降。因此，能够缩短降温运行所需时间。根据某种估算，能够缩短约10％的冷却时间。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应理解，本发明并不限定于上述实施方式，可以存在各种设计变更和各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围。

在一种实施方式中，上限调整部112可以在降温运行结束时或者之后的任意时刻上调运行频率上限。例如，上限调整部112可以在上述时刻恢复降低的运行频率上限。如图6所示，上限调整部112在从降温运行过渡到温度调节运行时，可以将第2频率上限再次切换至第1频率上限。

Claims (7)

1.一种低温泵，其特征在于，具备：

低温板；

制冷机，冷却所述低温板，并且具备驱动所述制冷机的制冷机马达以及控制所述制冷机马达的运行频率的制冷机变频器；以及

控制部，控制所述制冷机以执行使所述低温板的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行，

所述控制部具备：

运行频率确定部，在具有运行频率上限的运行频率范围内确定所述制冷机马达的运行频率，并将该运行频率输出给所述制冷机变频器；以及

上限调整部，在所述降温运行中，根据所述低温板的温度下降，降低所述运行频率上限。

2.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于，

所述低温泵还具备存储部，该存储部存储频率上限曲线，所述频率上限曲线具备针对包括室温在内的第1温度区域的第1频率上限以及针对包括所述标准运行温度且比所述第1温度区域低的第2温度区域的、比所述第1频率上限小的第2频率上限，

所述上限调整部根据所述频率上限曲线改变所述运行频率上限。

3.根据权利要求2所述的低温泵，其特征在于，

所述第1温度区域与所述第2温度区域的边界温度为200K以下的温度。

4.根据权利要求2或3所述的低温泵，其特征在于，

从所述第1频率上限到所述第2频率上限的降低量为所述第1频率上限的25％以内。

5.根据权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，

所述低温泵具备：第1低温板，冷却至第1标准运行温度；第2低温板，冷却至比所述第1标准运行温度低的第2标准运行温度；第1温度传感器，测定所述第1低温板的温度；以及第2温度传感器，测定所述第2低温板的温度，

所述控制部具备测定温度选择部，该测定温度选择部选择由所述第1温度传感器测定的所述第1低温板的温度和由所述第2温度传感器测定的所述第2低温板的温度中的更低的温度，

所述上限调整部使用由所述测定温度选择部选择的测定温度。

6.一种低温泵的控制方法，其特征在于，

所述低温泵具备：低温板；制冷机，冷却所述低温板，且具备驱动所述制冷机的制冷机马达以及控制所述制冷机马达的运行频率的制冷机变频器，

所述方法具备如下步骤：

执行将所述低温板的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行；

在所述降温运行中，根据所述低温板的温度下降，降低所述制冷机马达的运行频率上限；

在具有所述运行频率上限的运行频率范围内确定所述制冷机马达的运行频率；以及

将已确定的运行频率输出给所述制冷机变频器。

7.一种制冷机，其特征在于，具备：

膨胀机，具备冷却台，该膨胀机还具备驱动所述膨胀机的膨胀机马达以及控制所述膨胀机马达的运行频率的膨胀机变频器；

控制部，控制所述膨胀机以执行使所述冷却台的温度从室温降低至标准运行温度的降温运行，

所述控制部具备：

运行频率确定部，在具有运行频率上限的运行频率范围内确定所述膨胀机马达的运行频率，并将该运行频率输出给所述膨胀机变频器；以及

上限调整部，在所述降温运行中，根据所述冷却台的温度下降，降低所述运行频率上限。