CN110741159B - 低温泵及低温泵的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温泵，该低温泵(10)具备：1级低温板(18)；2级低温板(19)；制冷机(16)，与1级低温板(18)及2级低温板(19)热连接，并将1级低温板(18)冷却至1级冷却温度，将2级低温板(19)冷却至低于1级冷却温度的2级冷却温度；及控制装置(100)，其构成为执行将1级冷却温度控制为1级目标温度的1级温度控制。控制装置(100)构成为，在1级温度控制的执行中检测出2级冷却温度的上升后使制冷机(16)的制冷能力增加。

Description

低温泵及低温泵的控制方法

技术领域

本发明涉及一种低温泵及低温泵控制方法

背景技术

低温泵为通过冷凝或吸附将气体分子捕捉于被冷却至超低温的低温板而进行排气的真空泵。低温泵通常用于实现半导体电路制造工艺等中要求的清洁的真空环境。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4912438号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

在低温泵的排气性能因长期使用而劣化的情况下，推荐进行维修低温泵或更换新的低温泵等维护。但是，根据低温泵的用途，能够进行维护的时期受到限制。例如，在工场设备中使用低温泵时，为了使产品的制造效率最大化，要求在计划好的时刻进行维护。因此，在低温泵的排气性能出现了劣化的预兆时，期待在之后的一定期间内(或者优选直至计划好的维护时期为止)，一边抑制排气性能的劣化一边继续进行低温泵的运行。

本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于在一定程度上延长低温泵的寿命。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一种实施方式，低温泵具备：1级低温板；2级低温板；制冷机，与所述1级低温板及所述2级低温板热连接，并将所述1级低温板冷却至1级冷却温度，将所述2级低温板冷却至低于所述1级冷却温度的2级冷却温度；及控制装置，其构成为执行将所述1级冷却温度控制为1级目标温度的1级温度控制，并且在所述1级温度控制的执行中检测出所述2级冷却温度的上升后使所述制冷机的制冷能力增加。

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：1级低温板；2级低温板；制冷机，与所述1级低温板及所述2级低温板热连接，并将所述1级低温板冷却至1级冷却温度，将所述2级低温板冷却至低于所述1级冷却温度的2级冷却温度；所述低温泵的控制方法具备以下步骤：执行将所述1级冷却温度控制为1级目标温度的1级温度控制；及在所述1级温度控制的执行中检测出所述2级冷却温度的上升后使所述制冷机的制冷能力增加。

另外，上述构成要件的任意组合或者在装置、方法、系统、计算机程序、储存计算机程序的记录介质等之间互相替换本发明的构成要件或表现的方式也作为本发明的方式而有效。

发明效果

根据本发明，能够在一定程度上延长低温泵的寿命。

附图说明

图1为示意性表示一种实施方式的低温泵的图。

图2为示意性表示一种实施方式的低温泵的控制装置的结构的图。

图3为表示可作为长期使用典型的低温泵的结果的温度分布的一例的图。

图4为表示一种实施方式的低温泵的控制方法的流程图。

图5为表示一种实施方式的低温泵的控制方法的流程图。

图6为表示可作为长期使用一种实施方式的低温泵的结果的温度分布的一例的图。

图7为表示可作为长期使用一种实施方式的低温泵的结果的温度分布的另一例的图。

图8为表示另一实施方式的低温泵的控制方法的流程图。

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。在以下说明及附图中，对相同或相等的结构要件、构件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。在附图中，为了方便起见，适当设定各部的缩尺或形状，只要没有特别说明，其不作限定性解释。实施方式为例示，其并不对本发明的范围做任何限定。实施方式中记述的所有特征或其组合并不一定是本发明的本质内容。

典型的低温泵使用二级式超低温制冷机进行冷却。由于无法使超低温制冷机的运行频率在1级和2级中不同，因此无法分别控制1级和2级的制冷能力。在低温泵尤其在高端低温泵(high end cryo pump)中，通常以使1级冷却温度维持在目标温度的方式进行温度控制。除了在超低温制冷机的1级或2级设置可控制的加热器的情况之外，2级冷却温度并未得到控制。

长期使用超低温制冷机会导致其制冷能力逐渐劣化。劣化的影响显著出现在更低温的2级的制冷能力上。因此，在长期使用的低温泵中，可能会出现如下运行状况，即，通过控制能够维持1级冷却温度，而2级冷却温度却无法下降至新产品时的低温泵的程度。若这种状况持续导致2级冷却温度升高至某一极限，则无法保证低温泵的排气能力。此时，推荐进行维修低温泵或更换新的低温泵等维护作业。

但是，在将低温泵使用于半导体电路制造设备等工场设备中的情况下，低温泵的可维护时期受到限制。这是因为，在这种工场中，强烈要求在使产品的制造效率最大化的计划好的时期进行维护。

为了避免预料之外的维护，在计划好的维护时期预防性地更换低温泵的情况也经常发生。即，将并未出现劣化的预兆而正常运行的低温泵更换为新产品的低温泵。由于未利用残留有余力的低温泵的剩余寿命而浪费该剩余寿命，所以非常可惜。

因此，一种实施方式的低温泵的控制装置构成为，在1级温度控制的执行中检测出2级冷却温度的上升后使所述制冷机的制冷能力增加。控制装置检测出在1级温度控制的执行中产生的2级冷却温度的上升作为低温泵的性能劣化的预兆。若检测到这样的预兆，则控制装置控制超低温制冷机以使该检测时刻以后的制冷能力比之前更增强。

如此一来，与不使制冷能力增强而继续进行1级温度控制的情况相比，能够延迟2级冷却温度的上升。能够延长低温泵的2级冷却温度达到需要进行低温泵的维护的极限温度为止的时间。如此一来，能够在一定程度上延长低温泵的寿命。能够一边抑制排气性能的劣化一边继续进行低温泵的运行(优选直至计划好的维护时期为止)。

图1为示意地表示一种实施方式的低温泵10的图。低温泵10例如安装于离子注入装置或溅射装置等的真空腔室，用于使真空腔室内部的真空度提高至所希望的工艺中所要求的水平。

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。应排出的气体从安装有低温泵10的真空腔室通过进气口12进入低温泵10的内部空间14。

另外，以下为了清晰易懂地表示低温泵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。为方便起见，有时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，有时将相对远离低温泵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”。关于径向上，有时将靠近进气口12的中心的一侧称为“内”，将靠近进气口12的周缘的一侧称为“外”。另外，这种表达方式与低温泵10安装于真空腔室时的配置无关。例如，低温泵10也可以使进气口12沿铅垂方向朝下的方式安装于真空腔室。

低温泵10具备冷却系统15、1级低温板18及2级低温板19。冷却系统15构成为对1级低温板18及2级低温板19进行冷却。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(所谓的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及第2置换器25的二级式制冷机。因此，制冷机16的高温级具备第1冷却台20、第1缸体22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及第2置换器25。因此，以下有时将第1冷却台20及第2冷却台21分别称为高温级的低温端及低温级的低温端。

第1缸体22与第2缸体23串联连接。第1冷却台20设置于第1缸体22与第2缸体23的结合部。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设置于第2缸体23的末端。在第1缸体22及第2缸体23各自的内部以沿制冷机16的长度方向(图1中为左右方向)能够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与第2置换器25连结成能够一体移动。在第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)。

在制冷机16的室温部设置有驱动机构17。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的内部能够往复移动。并且，驱动机构17包括流路切换机构，该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及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。马达例如可以为AC马达或者DC马达。并且，流路切换机构也可以为被直线马达驱动的直动式机构。

制冷机16经由高压导管34及低压导管35与压缩机36连接。制冷机16使从压缩机36供给过来的高压工作气体(例如氦气)在制冷机16的内部膨胀从而使第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加压后供给至制冷机16。

具体而言，首先，驱动机构17使高压导管34与制冷机16的内部空间连通。高压工作气体从压缩机36通过高压导管34供给至制冷机16。若制冷机16的内部空间被高压工作气体充满，则驱动机构17切换流路，以使制冷机16的内部空间与低压导管35连通。由此，工作气体进行膨胀。膨胀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1级冷却温度，将第2冷却台21冷却至2级冷却温度。2级冷却温度为低于1级冷却温度的温度。例如，第1冷却台20被冷却至60K～130K左右，或者65K～120K左右，或者优选被冷却至80K～100K，第2冷却台21被冷却至10K～20K左右。

制冷机16构成为使工作气体经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流入第2缸体23。此时，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的温度。如此被冷却的工作气体供给至低温级。

图示的低温泵10为所谓的卧式低温泵。卧式低温泵通常是指制冷机16配设成与低温泵10的轴向交叉(通常为正交)的低温泵。

2级低温板19设置于低温泵10的内部空间14的中心部。2级低温板19例如包括多个低温板构件26。低温板构件26例如分别具有圆锥台侧面的形状，换言之伞状形状。各低温板构件26上通常设置有活性炭等吸附剂(未图示)。吸附剂例如粘接于低温板构件26的背面。由此，2级低温板19具备用于吸附气体分子的吸附区域。

低温板构件26安装于低温板安装构件28。低温板安装构件28安装于第2冷却台21。如此，2级低温板19与第2冷却台21热连接。由此，2级低温板19被冷却至2级冷却温度。

1级低温板18具备放射屏蔽件30和入口低温板32。1级低温板18以包围2级低温板19的方式设置在2级低温板19的外侧。1级低温板18与第1冷却台20热连接，因此1级低温板18被冷却至1级冷却温度。

放射屏蔽件30主要是为了从来自低温泵10的壳体38的辐射热保护2级低温板19而设置的。放射屏蔽件30位于壳体38与2级低温板19之间，且包围2级低温板19。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形(例如圆筒)形状，即形成为杯状。在放射屏蔽件30的侧面具有用于安装制冷机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设置于2级低温板19的轴向上方，在进气口12中沿径向配置。入口低温板32的外周部固定于放射屏蔽件30的开口端而与放射屏蔽件30热连接。入口低温板32例如形成为百叶窗结构或锯齿结构。入口低温板32也可以形成为以放射屏蔽件30的中心轴为中心的同心圆状，或者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)捕捉于其表面。并且，入口低温板32是为了从来自低温泵10的外部的热源(例如，安装有低温泵10的真空腔室内的热源)的辐射热保护2级低温板19而设置的。除了辐射热之外，入口低温板32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流入到内部空间14的气体限制为所希望的量。

低温泵10具备壳体38。壳体38是用于隔开低温泵10的内部与外部的真空容器。壳体38构成为气密地保持低温泵10的内部空间14的压力。壳体38中容纳有1级低温板18和制冷机16。壳体38设置在1级低温板18的外侧，并且包围1级低温板18。并且，壳体38容纳制冷机16。即，壳体38是包围1级低温板18及2级低温板19的低温泵容器。

壳体38以不与1级低温板18及制冷机16的低温部接触的方式固定于制冷机16的室温部(例如驱动机构17)。壳体38的外表面暴露于外部环境中，其温度比被冷却的1级低温板18的温度高(例如室温程度)。

并且，壳体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是用于将低温泵10安装于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安装于该闸阀上。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对真空腔室进行排气时打开闸阀。

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安装于第1冷却台20。第2温度传感器92安装于第2冷却台21。第1温度传感器90的测定温度表示1级冷却温度，第2温度传感器92的测定温度表示2级冷却温度。另外，第1温度传感器90也可以安装于1级低温板18。第2温度传感器92也可以安装于2级低温板19。

并且，低温泵10具备低温泵控制装置(以下还称为控制装置)100。控制装置100可以与低温泵10设置成一体，也可以构成为与低温泵10分体的控制装置。

控制装置100构成为，为了低温泵10的真空排气运行、再生运行及冷却运行而控制制冷机16。控制装置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。控制装置100根据这些测定结果运算出赋予制冷机16的控制指令。

控制装置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。第1冷却台20的目标温度例如按照安装有低温泵10的真空腔室中进行的工艺规定为规格参数。另外，在低温泵的运行中，根据需要也可以改变目标温度。

例如，控制装置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的测定温度之间的偏差最小化。即，控制装置100通过控制驱动机构17的马达转速来控制制冷机16的热循环(例如GM循环)的频率。

若低温泵10的热负载增加，则第1冷却台20的温度会升高。在第1温度传感器90的测定温度为高于目标温度的温度时，控制装置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，第1冷却台20朝向目标温度冷却。相反，在第1温度传感器90的测定温度为低于目标温度的温度时，制冷机16的运行频率减小，第1冷却台20朝向目标温度升温。如此，能够使第1冷却台20的温度保持在目标温度附近的温度范围。由于能够根据热负载而适当地调整制冷机16的运行频率，因此这种控制有助于减少低温泵10的耗电。

以下，将控制制冷机16以使第1冷却台20的温度追随目标温度的控制称为“1级温度控制”。低温泵10进行真空排气运行时通常执行1级温度控制。1级温度控制的结果，第2冷却台21及2级低温板19被冷却至取决于制冷机16的规格及来自外部的热负载的温度。同样，控制装置100也能够执行控制制冷机16以使第2冷却台21的温度追随目标温度的所谓的“2级温度控制”。

图2为示意地表示一种实施方式的低温泵10的控制装置100的结构的图。这种控制装置通过硬件、软件或者它们的组合得以实现。并且，在图2中示意地表示相关制冷机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及控制制冷机16的运行频率的制冷机变频器82。如上所述，由于制冷机16为工作气体的膨胀机，因此也可以将制冷机马达80及制冷机变频器82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的运行频率或转速、制冷机变频器82的运行频率、热循环的频率或者这些中的任一个。热循环的频率是指在制冷机16中进行的热循环在每单位时间内的次数。

控制装置100具备制冷机控制部102、存储部104、输入部106及输出部108。

制冷机控制部102构成为从1级温度控制、2级温度控制或其他低温板温度控制中选择执行任一控制。制冷机控制部102构成为在1级温度控制的执行中检测出2级冷却温度的上升后使制冷机16的制冷能力增加。例如，制冷机控制部102构成为在1级温度控制的执行中检测出2级冷却温度的上升后将1级温度控制切换为2级温度控制。

存储部104构成为储存与低温泵10的控制相关的数据。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或键盘等输入机构和/或用于与其他装置进行通信的通信机构。输出部108构成为输出与低温泵10的控制相关的数据，其包括显示器或打印机等输出机构。

存储部104、输入部106及输出部108与制冷机控制部102通信连接。因此，制冷机控制部102根据需要能够从存储部104读取数据和/或将数据储存于存储部104。并且，制冷机控制部102能够从输入部106接收数据的输入和/或向输出部108输出数据。

制冷机控制部102具备温度控制部110、1级温度监控部112、2级温度监控部114及通知部116。

温度控制部110构成为执行1级温度控制及2级温度控制，能够选择执行1级温度控制或2级温度控制中的任一控制。温度控制部110构成为根据低温泵10的现状(例如，1级低温板18和/或2级低温板19的温度)将1级温度控制切换为2级温度控制或者将2级温度控制切换为1级温度控制。

如上所述，温度控制部110构成为(例如通过PID控制)确定制冷机马达80的运行频率作为低温板的测定温度与目标温度之间的偏差的函数。温度控制部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。运行频率范围由预先设定的运行频率的上限及下限来定义。温度控制部110将确定的运行频率输出至制冷机变频器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将输入电力转换为具有从温度控制部110输入的运行频率。制冷机变频器82的输入电力从制冷机电源(未图示)供给。制冷机变频器82将转换后的电力输出至制冷机马达80。如此，制冷机马达80以由温度控制部110确定且从制冷机变频器82输出的运行频率进行驱动。

如此，在以变频器方式控制制冷机16的制冷能力时，在1级温度控制中不直接控制2级冷却温度。在1级温度控制中，2级冷却温度取决于制冷机16的2级的制冷能力和从外部施加于第2冷却台21的热负载。同样，在2级温度控制中不直接控制1级冷却温度。在2级温度控制中，1级冷却温度取决于制冷机16的1级制冷能力和从外部施加于第1冷却台20的热负载。

制冷机16的制冷能力可以通过加热器方式或变频器方式与加热器方式的组合来进行控制。温度控制部110可以控制附加设置于制冷机16上的加热器从而代替控制制冷机马达80的运行频率，或者可以控制制冷机马达80的运行频率及附加设置在制冷机16上的加热器。如图1所示，制冷机16可以具备第1加热器94，该第1加热器94安装于第1冷却台20(或1级低温板18)从而对第1冷却台20及1级低温板18进行加热。并且，制冷机16还可以具备第2加热器96，该第2加热器96安装于第2冷却台21(或2级低温板19)从而第2冷却台21及2级低温板19进行加热。在制冷机16上设置有加热器的情况下，在1级温度控制及2级温度控制中能够分别控制1级冷却温度和2级冷却温度。

在以变频器方式控制制冷机16的制冷能力的情况下，制冷机16可以不设置第1加热器94及第2加热器96。

1级温度监控部112构成为判定1级冷却温度是否为规定的1级下限温度T1min以上。1级温度监控部112也可以在2级温度控制的执行中判定1级冷却温度是否为规定的1级下限温度T1min以上。

1级下限温度T1min相当于在低温泵10的真空排气运行中作为1级冷却温度而允许的最低温度。例如，在低温泵10应排出的主要气体为水、氩气及氙气时，用1级低温板18排出水，用2级低温板19排出氩气及氙气。若1级低温板18的温度过低，则原本应冷凝于2级低温板19上的氩气及氙气还会在1级低温板18上冷凝。但是，这会导致低温泵10的异常运行，因此应防止。在通过低温泵10应实现的真空度为10^-8Pa时，根据各种气体的蒸气压曲线图可知1级冷却温度为60K至130K即可。

因此，1级下限温度T1min例如可以选自约60K至约65K的温度范围。1级下限温度T1min例如可以设定为60K。1级下限温度T1min例如还可以设定为65K。

2级温度监控部114构成为判定2级冷却温度是否为规定的2级上限温度T2max以下。2级温度监控部114也可以在1级温度控制的执行中判定2级冷却温度是否为规定的2级上限温度T2max以下。

2级冷却温度期待维持在例如约10K至约15K的温度范围，优选维持在约11K至约13K的温度范围。因此，2级上限温度T2max例如可以选自约14K至约20K的温度范围或选自约15K至约17K的温度范围。2级上限温度T2max例如可以设定为15K。2级上限温度例如也可以设定为14K。

通知部116构成为向使用者通知从1级温度控制切换成2级温度控制的内容。在温度控制部110进行了从1级温度控制向2级温度控制的切换时，通知部116生成第1切换通知信号并将其输出给输出部108。输出部108若接收第1切换通知信号，则将进行了从1级温度控制向2级温度控制的切换的内容显示于显示器或者利用其他方法通知给使用者。

并且，通知部116构成为向使用者通知从2级温度控制切换成1级温度控制的内容。在温度控制部110进行了从2级温度控制向1级温度控制的切换时，通知部116生成第2切换通知信号并将其输出给输出部108。输出部108若接收第2切换通知信号，则将进行了从2级温度控制向1级温度控制的切换的内容显示于显示器或者利用其他方法通知给使用者。

以下，对上述结构的低温泵10的真空排气运行进行说明。在使低温泵10工作时，首先，在其工作之前用其他适当的粗抽泵将真空腔室内部粗抽至1Pa左右。然后，使低温泵10工作。通过制冷机16的驱动，第1冷却台20及第2冷却台21分别被冷却至1级冷却温度及2级冷却温度。因此，分别与第1冷却台20及第2冷却台21热连接的1级低温板18及2级低温板19也分别被冷却至1级冷却温度及2级冷却温度。

入口低温板32冷却从真空腔室朝向低温泵10飞来的气体。在1级冷却温度下蒸气压充分变低的(例如10^-8Pa以下的)气体在入口低温板32的表面冷凝。该气体可以称为第1种气体。第1种气体例如为水蒸气。如此，入口低温板32能够排出第1种气体。在1级冷却温度下蒸气压并未充分变低的气体的一部分从进气口12进入内部空间14。或者，气体的另一部分被入口低温板32反射而未进入内部空间14。

进入到内部空间14的气体被2级低温板19冷却。在2级冷却温度下蒸气压充分变低的(例如10^-8Pa以下的)气体在2级低温板19的表面冷凝。该气体可以称为第2种气体。第2种气体例如为氩气。如此，2级低温板19能够排出第2种气体。

在第2冷却温度下蒸气压并未充分变低的气体被2级低温板19的吸附材吸附。该气体可以称为第3种气体。第3种气体例如为氢气。如此，2级低温板19能够排出第3种气体。因此，低温泵10通过冷凝或者吸附能够排出各种气体，从而能够使真空腔室的真空度达至所希望的级别。

图3为表示可作为长期使用典型的低温泵的结果的温度分布的一例的图。图3的纵轴及横轴分别表示温度及时间。在图3中示意性地示出了1级冷却温度T1及2级冷却温度T2的时间变化。

如上所述，冷却低温泵的超低温制冷机的制冷能力会因长期使用而逐渐劣化。其结果，如图3所示，虽然1级冷却温度T1通过控制而得到维持，但是2级冷却温度T2却逐渐变高。这样的升温倾向反映超低温制冷机的制冷能力的劣化。因此，随着低温泵的运行期间变长，低温泵逐渐劣化，2级的升温倾向变得显著。随着2级冷却温度T2变高，低温泵的2级的排气能力可能会变得不够充分。

为了预防设置有低温泵的半导体电路制造设备在低温泵的排气能力不足的状态下继续运转，在典型的低温泵中，若2级冷却温度T2达到了运行停止温度T2f则停止运行而进行了维护。运行停止温度T2f例如可以为17K以上的温度。若发生这样的运行停止，则制造设备也不得不停止，因此不优选。低温泵的维护优选在对半导体产品的制造计划带来的影响最小的时间进行。优选使低温泵的寿命延长至这样的可执行维护的时间为止。

图4及图5为表示一种实施方式的低温泵10的控制方法的流程图。在图4及图5中例示了1级温度控制与2级温度控制的切换处理。制冷机控制部102在低温泵10的真空排气运行中周期性地执行本处理。

如图4所示，若开始处理，则温度控制部110判定低温泵10的运行状态(S10)。温度控制部110判定当前所选择的温度控制为1级温度控制还是2级温度控制。在控制装置100中可以预先规定有与不同的多个运行状态分别相对应的运行状态标志(flag)。存储部104可以存储这些运行状态标志。控制装置100可以构成为当前所选择的温度控制为1级温度控制时存储1级温度控制标志，当前所选择的温度控制为2级温度控制时存储2级温度控制标志。温度控制部110可以参考这种运行状态标志来判定低温泵10的运行状态。

当前选择了1级温度控制时(S10的I)，温度控制部110执行1级温度控制(S12)。温度控制部110例如获取第1温度传感器90的测定温度作为1级冷却温度。温度控制部110根据所获取的1级冷却温度和预先设定的1级目标温度来控制制冷机马达80的运行频率。并且，温度控制部110还可以根据所获取的1级冷却温度和预先设定的1级目标温度来控制第1加热器94和/或第2加热器96的输出(例如加热器电流)从而代替控制制冷机马达80的运行频率，或者根据所获取的1级冷却温度和预先设定的1级目标温度来控制制冷机马达80的运行频率及第1加热器94和/或第2加热器96的输出(例如加热器电流)。

1级目标温度例如选自60K至100K的温度范围或65K至80K的温度范围。1级目标温度例如可以为80K。1级目标温度例如也可以为65K。

2级温度监控部114在1级温度控制的执行中判定2级冷却温度T2是否为规定的2级上限温度T2max以下(S14)。2级温度监控部114例如获取第2温度传感器92的测定温度作为2级冷却温度。2级温度监控部114将所获取的2级冷却温度T2与预先设定的2级上限温度T2max进行比较。如此，在1级温度控制的执行中检测出2级冷却温度T2的上升。在2级冷却温度T2为2级上限温度T2max以下时(S14的是)，结束本处理。不进行从1级温度控制向2级温度控制的切换。

如此，在1级温度控制的执行中，若2级冷却温度T2为2级上限温度T2max以下，则温度控制部110继续执行1级温度控制。在低温泵10的排气能力处于正常水平时，2级冷却温度T2肯定低于2级上限温度T2max。因此，在低温泵10正常运行时，进行1级温度控制。

另一方面，在2级冷却温度T2超过了2级上限温度T2max时，(S14的否)，温度控制部110将1级温度控制切换为2级温度控制(S20)。在2级温度控制中使用的2级目标温度设定为2级上限温度T2max。设定2级温度控制标志，并存储于存储部104。并且，在1级温度控制中设定的1级目标温度的值存储于存储部104。通知部116向使用者通知温度控制部110将1级温度控制切换成2级温度控制的内容(S22)。如此，结束1级温度控制，开始2级温度控制。

在图5中示出了紧接于图4的S10的处理。当前选择了2级温度控制时(图4的S10的Ⅱ)，温度控制部110执行2级温度控制(S24)。温度控制部110例如获取第2温度传感器92的测定温度作为2级冷却温度T2。温度控制部110根据所获取的2级冷却温度T2和预先设定的2级目标温度(即2级上限温度T2max)来控制制冷机马达80的运行频率。并且，温度控制部110还可以根据所获取的2级冷却温度T2和预先设定的2级目标温度来控制第1加热器94和/或第2加热器96的输出(例如加热器电流)从而代替控制制冷机马达80的运行频率，或者根据所获取的2级冷却温度T2和预先设定的2级目标温度来控制制冷机马达80的运行频率及第1加热器94和/或第2加热器96的输出(例如加热器电流)。

1级温度监控部112在2级温度控制的执行中判定1级冷却温度T1是否在规定的1级下限温度T1min以上且规定的1级上限温度T1max以下的温度范围(S26)。1级温度监控部112例如获取第1温度传感器90的测定温度作为1级冷却温度。1级温度监控部112将所获取的1级冷却温度T1与预先设定的1级下限温度T1min进行比较。如此，在2级温度控制的执行中检测1级冷却温度T1的过度下降。并且，1级温度监控部112将所获取的1级冷却温度T1与预先设定的1级上限温度T1max进行比较。如此，在2级温度控制的执行中检测有可能产生的暂时性的1级冷却温度T1的过度上升。1级上限温度T1max例如可以与前一次1级温度控制中设定的1级目标温度的值相等。

若1级冷却温度T1为1级下限温度T1min以上且1级上限温度T1max以下(S26的T1max≥T1≥T1min)，则结束本处理。不进行从2级温度控制向1级温度控制的切换。

如此，在2级温度控制的执行中，若1级冷却温度T1在1级下限温度T1min以上且1级上限温度T1max以下的温度范围内，则温度控制部110继续进行2级温度控制。由于2级目标温度设定为2级上限温度T2max，因此能够使2级冷却温度T2维持在2级上限温度T2max。这意味着，在2级温度控制下，制冷机16的2级制冷能力增加，以对抗参考图3而叙述的2级的升温倾向。

另一方面，若1级冷却温度T1低于1级下限温度T1min(S26的T1＜T1min)，则温度控制部110将2级温度控制切换为1级温度控制(S28)。由此，低温泵10从2级温度控制恢复到1级温度控制。恢复后的1级温度控制中使用的1级目标温度设定为1级下限温度T1min(S30)。设定1级温度控制标志，并存储于存储部104。通知部116向使用者通知温度控制部110将2级温度控制切换成1级温度控制的内容(S32)。由此，结束2级温度控制，开始1级温度控制。

由于恢复后的1级温度控制中使用的1级目标温度低于当初的1级温度控制中使用的1级目标温度，因此制冷机16的1级制冷能力会增加。另外，恢复后的1级温度控制中使用的1级目标温度也可以与1级下限温度T1min不同。恢复后的1级温度控制中使用的1级目标温度也可以低于当初的1级温度控制中使用的1级目标温度且高于1级下限温度T1min。

若1级冷却温度T1超过了1级上限温度T1max(S26的T1＞T1max)，则温度控制部110将2级温度控制切换为1级温度控制(S34)。如此，低温泵10从2级温度控制恢复到1级温度控制。恢复后的1级温度控制中使用的1级目标温度设定为原来的1级目标温度(即，前一次的1级温度控制中设定的1级目标温度)的值(S36)。设定1级温度控制标志，并存储于存储部104。通知部116向使用者通知温度控制部110将2级温度控制切换成1级温度控制的内容(S38)。由此，结束2级温度控制，开始1级温度控制。

另外，通知部116的通知或警报无需和1级温度控制与2级温度控制之间的切换同时进行。可以在各种不同的时刻进行。例如，通知时刻可以为2级温度控制开始之后产生的1级冷却温度的下降量超过了阈值(例如约10K)时、2级温度控制的执行中制冷机16的运行频率超过了规定值时、或2级温度控制的执行中第1加热器94的输出低于规定值时。通知部116可以生成多个阶段的警报，以便在1级温度控制与2级温度控制之间的切换时刻通知第1警报，然后通知第2警报。第2警报可以在2级温度控制开始之后产生的1级冷却温度的下降量超过了阈值(例如约10K)时、2级温度控制的执行中制冷机16的运行频率超过了规定值时、或2级温度控制的执行中第1加热器94的输出低于规定值时进行通知。

根据需要，通知部116的通知或警报时刻也可以在从2级温度控制切换为1级温度控制之前。例如，通知部116也可以在2级温度控制的执行中1级冷却温度T1变得低于比1级下限温度T1min稍高的阈值温度时发出通知或警报。阈值温度例如可以为与1级下限温度T1min相比高1K至5K的温度。如此一来，可以在从2级温度控制恢复到1级温度控制之前事先发出通知或警报。

图6为表示可作为长期使用一种实施方式的低温泵10的结果的温度分布的一例的图。在低温泵10中执行图5所示的控制处理。在此，以变频器方式控制制冷机16的制冷能力。与图3同样，图6的纵轴及横轴分别表示温度及时间。在图6中，为了与图3进行比较，用虚线表示了图3所示的温度分布。

在图6所示的情况下，也与图3所示的情况同样，冷却低温泵10的制冷机16的制冷能力会因长期使用而逐渐劣化。在执行1级温度控制的期间，1级冷却温度T1维持在当初的1级目标温度T1a，而2级冷却温度T2则逐渐变高(时刻t1至t2)。

然而，图6与图3不同，若2级冷却温度T2升温至2级上限温度T2max(时刻t2)，则低温泵10的温度控制从1级温度控制切换为2级温度控制。在执行2级温度控制的期间，2级冷却温度T2维持在2级上限温度T2max，而1级冷却温度T1则逐渐下降(时刻t2至t3)。这是因为，通过从1级温度控制切换为2级温度控制并执行2级温度控制，制冷机16的2级制冷能力增加以抑制如图6中虚线所示的升温倾向。若制冷机16的2级制冷能力增加，则1级制冷能力也会增加，因此1级冷却温度T1下降。

然后，若1级冷却温度T1降温至1级下限温度T1min(时刻t3)，则低温泵10的温度控制再次从2级温度控制切换为1级温度控制。在此，由于1级温度控制中使用的1级目标温度为1级下限温度T1min，因此1级冷却温度T1维持在1级下限温度T1min。2级冷却温度T2则再次逐渐变高(时刻t3至t5)。若2级冷却温度T2达到运行停止温度T2f，则停止低温泵10的运行(时刻t5)。

从图6可知，低温泵10的运行停止时刻t5比虚线所示的典型的低温泵的运行停止时刻t4慢。即，一种实施方式的低温泵10的寿命比典型的低温泵延长了Δt(＝t5-t4)。

根据本实施方式，低温泵10能够在1级温度控制的执行中检测出2级冷却温度T2的上升后使制冷机16的制冷能力增加。具体而言，在1级温度控制的执行中，若2级冷却温度T2超过了2级上限温度T2max，则结束1级温度控制而开始2级温度控制。

由此，与不增强制冷能力而继续进行1级温度控制的情况相比，能够延迟2级冷却温度的上升。能够延长低温泵10的2级冷却温度T2达到低温泵10的运行停止温度T2f为止的时间。如此，能够在一定程度上延长低温泵10的寿命。能够一边抑制排气性能的劣化一边继续进行低温泵10的运行(优选直至计划好的维护时期为止)。

图7为表示可作为长期使用一种实施方式的低温泵10的结果的温度分布的另一例的图。在低温泵10中执行图5所示的控制处理。在此，以加热器方式控制制冷机16的制冷能力。本发明不仅能够适用于以变频器方式控制制冷机16的制冷能力的情况，还能够适用于以加热器方式控制制冷机16的制冷能力的情况。

在图7所示的情况下，也与图3所示的情况同样，冷却低温泵10的制冷机16的制冷能力会因长期使用而逐渐劣化。在执行1级温度控制的期间，1级冷却温度T1维持在当初的1级目标温度T1a(时刻t1至t3)。在制冷机16的2级的制冷能力尚有余的低温泵10正常运行的状态下，通过使第2加热器96动作，能够将2级冷却温度T2独立于1级冷却温度T1而进行控制。如此，在1级温度控制的执行中，不仅能够维持1级冷却温度T1，还能够将2级冷却温度T2维持在2级目标温度T2a。

为了将2级冷却温度T2维持在2级目标温度T2a，温度控制部110使第2加热器96的输出随着制冷机16的2级制冷能力的劣化而下降，直至断开第2加热器96(时刻t2)。之后，在执行1级温度控制的期间，1级冷却温度T1维持在当初的1级目标温度T1a，而2级冷却温度T2则逐渐变高(时刻t2至t3)。

若2级冷却温度T2升温至2级上限温度T2max(时刻t3)，则低温泵10的温度控制从1级温度控制切换为2级温度控制。在2级温度控制中，温度控制部110控制第1加热器94而控制2级冷却温度T2。若使第1加热器94的输出下降，则1级冷却温度T1会下降，从1级朝向2级的热流入减少。因此，制冷机16的2级的制冷能力增加，2级冷却温度T2会下降。相反，若使第1加热器94的输出增加，则制冷机16的2级的制冷能力下降，2级冷却温度T2会上升。

在执行2级温度控制的期间，2级冷却温度T2维持在2级上限温度T2max，而1级冷却温度T1则逐渐下降(时刻t3至t4)。这是因为，通过从1级温度控制切换为2级温度控制并执行2级温度控制，制冷机16的制冷能力增加以抑制伴随低温泵10的经时劣化的上述升温倾向。

然后，若1级冷却温度T1降温至1级下限温度T1min(时刻t4)，则低温泵10的温度控制再次从2级温度控制切换为1级温度控制。在此，1级温度控制中使用的1级目标温度为1级下限温度T1min，因此1级冷却温度T1维持在1级下限温度T1min。2级冷却温度T2再次逐渐变高(时刻t4至t5)。若2级冷却温度T2达到了运行停止温度T2f，则停止低温泵10的运行(时刻t5)。

如此，本发明不仅能够适用于以变频器方式控制制冷机16的制冷能力的情况，还能够适用于以加热器方式控制制冷机16的制冷能力的情况。

图8为表示另一实施方式的低温泵10的控制方法的流程图。控制装置100构成为在1级温度控制的执行中检测出2级冷却温度的上升后使1级目标温度下降。与上述实施方式不同，并不是从1级温度控制切换为2级温度控制，而是即使检测到2级冷却温度的上升也继续进行1级温度控制。通过使1级目标温度下降，使制冷机16的制冷能力增加。

如图8所示，温度控制部110执行1级温度控制(S40)。2级温度监控部114在1级温度控制的执行中判定2级冷却温度T2是否为规定的2级上限温度T2max以下(S42)。若2级冷却温度T2为2级上限温度T2max以下(S42的是)，则结束本处理。1级目标温度不会被变更。

若2级冷却温度T2超过了2级上限温度T2max(S42的否)，则温度控制部110使1级目标温度下降(S44)。例如，温度控制部110将1级目标温度变更为1级下限温度T1min。或者，温度控制部110也可以将1级目标温度变更为当前的1级目标温度与1级下限温度T1min之间的温度值。如此，在之后的1级温度控制中使用变更后的1级目标温度。另外，在1级目标温度已经下降至1级下限温度T1min时，温度控制部110不会改变1级目标温度。

通知部116向使用者通知温度控制部110降低了1级目标温度的内容(S46)。如此，结束本处理。之后，在低温泵10的真空排气运行中周期性地执行本处理。

如此，低温泵10也能够在1级温度控制的执行中检测出2级冷却温度T2的上升后使制冷机16的制冷能力增加。由此，能够在一定程度上延长低温泵10的寿命。能够一边抑制排气性能的劣化一边继续进行低温泵10的运行(优选直至计划好的维护时期为止)。

图8所示的控制处理也可以与图4及图5所示的控制处理组合使用。2级温度监控部114可以在1级温度控制的执行中判定2级冷却温度T2是否为规定的温度阈值以下。温度阈值可以低于2级上限温度T2max。温度控制部110可以在2级冷却温度T2为温度阈值以下时维持1级目标温度，在2级冷却温度T2超过了温度阈值时使1级目标温度下降。如此一来，例如，能够在图7所示的时刻t2至t3使1级目标温度下降从而抑制2级冷却温度的上升。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员可以理解，本发明并不只限定于上述实施方式，可以进行各种设计变更，可以存在各种变形例，并且这些变形例也属于本发明的范围。

符号说明

10-低温泵，16-制冷机，18-1级低温板，19-2级低温板，100-控制装置，110-温度控制部，112-1级温度监控部，114-2级温度监控部，116-通知部。

产业上的可利用性

本发明可以利用于低温泵及低温泵的控制方法的领域。

Claims (8)

1.一种低温泵，其特征在于，具备：

1级低温板；

2级低温板；

制冷机，与所述1级低温板及所述2级低温板热连接，并将所述1级低温板冷却至1级冷却温度，将所述2级低温板冷却至低于所述1级冷却温度的2级冷却温度；及

控制装置，其构成为执行将所述1级冷却温度控制为1级目标温度的1级温度控制，以及将所述2级冷却温度控制为2级目标温度的2级温度控制，并且在所述1级温度控制的执行中检测出所述2级冷却温度的上升后使所述制冷机的制冷能力增加；

所述控制装置具备：

2级温度监控部，其构成为在所述1级温度控制的执行中判定所述2级冷却温度是否为规定的2级上限温度以下；及

温度控制部，其构成为执行所述1级温度控制及所述2级温度控制，并且在所述1级温度控制的执行中，若所述2级冷却温度为所述规定的2级上限温度以下，则继续进行所述1级温度控制，若所述2级冷却温度超过了所述规定的2级上限温度，则将所述1级温度控制切换为所述2级温度控制。

2.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于，

所述控制装置具备1级温度监控部，所述1级温度监控部在所述2级温度控制的执行中判定所述1级冷却温度是否为规定的1级下限温度以上，

在所述2级温度控制的执行中，若所述1级冷却温度为所述规定的1级下限温度以上，则所述温度控制部继续进行所述2级温度控制，若所述1级冷却温度低于所述规定的1级下限温度，则所述温度控制部将所述2级温度控制切换为所述1级温度控制。

3.根据权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，

还具备通知部，所述通知部将从所述1级温度控制切换成所述2级温度控制的情况通知给使用者。

4.根据权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，

所述控制装置构成为，在所述1级温度控制的执行中检测出所述2级冷却温度的上升后降低所述1级目标温度。

5.一种低温泵的控制方法，其特征在于，

所述低温泵具备：1级低温板；2级低温板；及制冷机，与所述1级低温板及所述2级低温板热连接，并将所述1级低温板冷却至1级冷却温度，将所述2级低温板冷却至低于所述1级冷却温度的2级冷却温度；

所述低温泵的控制方法具备以下步骤：

执行将所述1级冷却温度控制为1级目标温度的1级温度控制；及

在所述1级温度控制的执行中检测出所述2级冷却温度的上升后使所述制冷机的制冷能力增加，

使所述制冷机的制冷能力增加包括以下步骤：

在所述1级温度控制的执行中判定所述2级冷却温度是否为规定的2级上限温度以下；及

在所述1级温度控制的执行中，若所述2级冷却温度为所述规定的2级上限温度以下，则继续进行所述1级温度控制，若所述2级冷却温度超过了所述规定的2级上限温度，则将所述1级温度控制切换为将所述2级冷却温度控制为2级目标温度的2级温度控制。

6.一种低温泵，其特征在于，具备：

1级低温板；

2级低温板；

制冷机，与所述1级低温板及所述2级低温板热连接，并将所述1级低温板冷却至1级冷却温度，将所述2级低温板冷却至低于所述1级冷却温度的2级冷却温度；及

控制装置，其构成为执行将所述2级冷却温度控制为2级目标温度的2级温度控制，并且在所述2级温度控制的执行中判定所述1级冷却温度是否在规定的1级下限温度以上且规定的1级上限温度以下的温度范围内。

7.根据权利要求6所述的低温泵，其特征在于，

在所述1级冷却温度低于所述1级下限温度时，从所述2级温度控制切换到将所述1级冷却温度控制为1级目标温度的1级温度控制。

8.根据权利要求6或7所述的低温泵，其特征在于，

在所述1级冷却温度高于所述1级上限温度时，从所述2级温度控制切换到将所述1级冷却温度控制为1级目标温度的1级温度控制。

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