DE10232987A1

DE10232987A1 - Verfahren und System zur Steuerung der Verteilung eines Kältemittels

Info

Publication number: DE10232987A1
Application number: DE10232987A
Authority: DE
Inventors: Paul E Dresens; Gary S Ash; Allen J Bartlett; Bruce R Andeen; Roberto Y Than; Joseph Chopy Jr
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Edwards Vacuum LLC
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2022-07-20
Also published as: FR2838814A1; US7788942B2; US8261562B2; US20130019620A1; KR20030009209A; US20170002802A1; JP4398632B2; GB2380248B; US20030014985A1; US20070107448A1; DE10232987B4; FR2838813A1; GB2380248A; JP2003113779A; FR2827665B1; US20150040596A1; KR101014997B1; US20100313583A1; KR20100111641A; US10288052B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Steuerung der richtigen Verteilung eines Kältemittels von einem gemeinsamen Verteiler (18) zu mehreren Kryokälteanlagen (10a-10n). Das System verwendet mehrere Sensoren zum Überwachen und Regulieren der Kältemittel-Gesamtzufuhr, um jeder der Kryokälteanlagen bzw. Kryopumpen in Abhängigkeit von dem berechneten Gesamtkühlbedarf aller Kryokälteanlagen eine passende Menge des Kältemittels bzw. Heliums zuzuführen. Eine passende Zufuhr des Kältemittels wird jeder Kryokälteanlage durch Messen eines überschüssigen oder mangelnden Kältemittels und entsprechendes Umverteilen des Kältemittels zugeteilt. Wenn die Kältemittel-Gesamtzufuhr den Kältemittel-Gesamtbedarf oder Gesamtverbrauch übersteigt, wird das überschüssige Kältemittel den Kryokälteanlagen zugeleitet, die das überschüssige Kältemittel benutzen können, um eine aktuelle Kühlfunktion schneller zu beenden. Analog wird, wenn der Kältemittel-Gesamtbedarf die Kältemittel-Gesamtzufuhr übersteigt, die Kältemittelzufuhr zu einigen oder allen Kryokälteanlagen entsprechend reduziert, so dass nachteilige oder verlangsamende Effekte, basierend auf der aktuellen Kühlfunktion, minimiert werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Vakuumbehandlungskammern werden häufig in der Fertigung eingesetzt, um eine Vakuumumgebung für Aufgaben wie beispielsweise die Herstellung von Halbleiterwafern, die Elektronenmikroskopie, die Gaschromatographie und dergleichen vorzusehen. Solche Kammern erhält man typischerweise durch Anbringen einer Vakuumpumpe an die Vakuumbehandlungskammer in einer abgedichteten Anordnung. Die Vakuumpumpe entfernt im wesentlichen sämtliche Moleküle aus der Vakuumbehandlungskammer und erzeugt somit eine Vakuumumgebung.

Eine Art von Vakuumpumpe ist eine Kryopumpe wie beispielsweise diejenige, die in dem am 26. Januar 1999 der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilten US-Patent Nr. 5,862,671 offenbart ist, auf dessen Offenbarungsinhalt hierdurch vollinhaltlich Bezug genommen wird. Kryopumpen entfernen Moleküle aus einer Vakuumbehandlungskammer durch Kühlen einer Oberfläche auf Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Bei diesen Temperaturen kondensieren beinahe alle Gase auf der gekühlten Oberfläche, die als Tieftemperatur- bzw. Kryo-Feld bezeichnet wird, wodurch im wesentlichen sämtliche Moleküle aus der Vakuumbehandlungskammer entfernt werden.

Kryopumpen verwenden typischerweise eine mit Helium betriebene Kälteanlage, um die erforderlichen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts zu erzielen. Ein Kompressor wird verwendet, um das Heliumkältemittel zu komprimieren und zu der Kryokälteanlage in der Kryopumpe zu pumpen, und ein als Kühlfinger bezeichnetes zylindrisches Gefäß in der Kryokälteanlage nimmt das Helium auf. Ein Kryofeld ist an dem Kühlfinger angebracht und steht mit diesem in thermischer Verbindung und wird durch ihn gekühlt. Ein Verdrängerkolben wird innerhalb des Kühlfingers hin und her bewegt, wenn sich das Helium ausdehnt, angetrieben durch einen Verdrängerkolben- Antriebsmotor, der den Verdrängerkolben hin und her bewegt und die Menge des eingesetzten Heliums reguliert. Wenn sich das Helium in dem Kühlfinger ausdehnt, wird dem Kryofeld Wärme entzogen, wodurch Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts erzeugt werden, die zum Kondensieren von Gasen an dem Kryofeld benötigt werden.

Die Menge des Heliumkältemittels, das für die Kryokälteanlage zur Verfügung steht, bestimmt den Grad der Kühlung. Eine größere Zufuhr von Helium senkt den Zeitbedarf für das Abkühlen, was der zum Erzielen der Kryopumpentemperaturen erforderlichen Zeit entspricht. Die Helium-Verbrauchsrate variiert ebenfalls mit der Temperatur der Kryokälteanlage. Wenn die Kryokälteanlage kälter wird, wird eine größere Zufuhr von Helium benötigt, um den Kühlprozess fortzusetzen. In einer kryogepumpten Vakuumbehandlungskammer kann eine Ausfallzeit aufgrund eines Verlusts in der Fertigungszeit in wesentlichen wirtschaftlichen Auswirkungen resultieren. Demzufolge ist die Fähigkeit, Kryopumpentemperaturen schnell zu erreichen und aufrechtzuerhalten, von Vorteil.

Eine herkömmliche Heliumverteilung ist in dem am 02. Januar 1997 von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung eingereichten US-Patent Nr. 5,775,109 mit dem Titel "Enhanced Cooldown of Multiple Kryogenic Refrigerators Supplied by a Common Compressor" beschrieben, auf dessen Offenbarungsgehalt hierdurch vollinhaltlich Bezug genommen wird. Dieses Patent schlägt eine individuelle Überwachung der Temperatur einer jeden von mehreren Kryopumpen vor, um die Drehzahl jedes Verdrängerkolben- Antriebsmotors zu steuern, wenn eine Kryopumpe eine Auslösetemperatur erreicht. Da Kryopumpen in Abhängigkeit von dem aktuell durchgeführten Betrieb schwankende Mengen Helium benötigen, kann eine Regulierung der Drehzahl des Antriebsmotors die Heliumzufuhr entsprechend reduzieren oder erhöhen. Bei diesem System überwacht jede Kryopumpe die Temperatur und steuert entsprechend die Drehzahl des Antriebsmotors.

Häufig ist jedoch ein gemeinsamer Helium-Zufuhrverteiler, der mehrere Kryopumpen versorgt, in der Lage, mehr Helium zuzuführen, als durch sämtliche Kryopumpen benötigt wird. Überschüssiges Helium, das nicht als solches erkannt wird, bleibt häufig ungenutzt, was die zum Abkühlen benötigte Zeit erhöhen und bewirken kann, dass eine Kryokälteanlage kälter wird als benötigt, wodurch Energie und andere Betriebsmittel, die zum Aufrechterhalten der Helium-Kältemittelzufuhr erforderlich sind, verschwendet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Steuerung der Verteilung eines Kältemittels unter mehreren Kälteanlagen vorzusehen, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein System zur Steuerung der Verteilung eines Kältemittels unter mehreren Kälteanlagen mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 28 gelöst. Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 50 sowie ein Verfahren zum Abgeben eines Kältemittels mit den Merkmalen des Anspruchs 51 und ein Verfahren zur Steuerung eines Systems mit mehreren mit einem Kältemittel versorgten Kryokälteanlagen mit den Merkmalen des Anspruchs 54 vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Ein Verfahren zur Steuerung der Verteilung eines Betriebsmittels, wie beispielsweise eines Kältemittels, unter mehreren Verbrauchern, wie beispielsweise Kälteanlagen, wird durch Berechnen einer zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels und Berechnen eines Bedarfs des Kältemittels durch jede der mehreren Kälteanlagen vorgesehen. Der Bedarf der Verbraucher wird aufsummiert, und es wird eine Zuteilung des Kältemittels für jede der Kälteanlagen basierend auf dem Gesamtbedarf bestimmt. Die Zuteilung des Kältemittels wird in regelmäßigen Zeitabständen periodisch durch Neuberechnen des Bedarfs jedes Verbrauchers durch Neuauswertung eines aktuellen Bedarfs jeder der Kälteanlagen umverteilt.

In einem System wie beispielsweise einem Kryokälteanlagensystem enthält das Steuerungsverfahren eine Kompressorenreihe mit wenigstens einem Kompressor und mehrere Kryokälteanlagen, die von der Kompressorenreihe mit einem Kältemittel versorgt werden. Die Verwaltung der Kältemittelzufuhr von den Kompressoren zu jeder der Kryokälteanlagen wird durch Identifizieren der Kältemittelanforderungen jeder der Kälteanlagen und Zuteilen einer Kältemittelzufuhr zu den Kälteanlagen gemäß den identifizierten Anforderungen von einer Vakuumnetzwerksteuerung durchgeführt.

Ein Ausführungsbeispiel des Helium-Verteilungssteuerungssystems zur Steuerung der Helium-Kältemittelzufuhr von einem gemeinsamen Verteiler versorgt mehrere Kryokälteanlagen mit einer geeigneten Heliumzufuhr. Das System verwendet mehrere Sensoren, um die Kältemittel-Gesamtzufuhr zu überwachen und zu regulieren, um eine Kältemittelzufuhr zu jeder der Kryokälteanlagen in Abhängigkeit von der Gesamtkühllast sämtlicher Kryokälteanlagen abzugeben. Der Kältemittelbedarf für jede der Kryokälteanlagen wird durch die entsprechende Kryopumpe berechnet. Die Gesamtkühlkapazität der Heliumzufuhr wird jeder der Kryokälteanlagen zugemessen, um die Kältemittelabgabe zu optimieren. Eine geeignete Zufuhr von Helium wird jeder Kryopumpe durch Messen eines überschüssigen oder mangelnden Helium-Kältemittels und entsprechendes Verteilen des Kältemittels verteilt. Wenn die Kältemittel-Gesamtzufuhr den Kältemittel- Gesamtbedarf übersteigt, wird überschüssiges Kältemittel zu Kryokälteanlagen umgeleitet, die das überschüssige Helium nutzen können. Analog wird, falls der Kältemittel- Gesamtbedarf die Kältemittel-Gesamtzufuhr übersteigt, die Kältemittelzufuhr zu einigen oder zu allen der Kryokälteanlagen entsprechend verringert, so dass nachteilige oder verlangsamende Effekte minimiert werden.

Die Kältemittelzufuhr kann von einem oder mehreren Kompressoren oder von einer gemeinsamen Kompressorenreihe zu mehreren Kryokälteanlagen über einen Helium- Versorgungsverteiler abgegeben werden. Die Kältemittelzufuhr von jedem Kompressor der gemeinsamen Kompressorenreihe wird benutzt, um die Kältemittelzufuhr zu bestimmen. Der Kältemittel-Gesamtbedarf, der basierend auf Daten von an jeder der Kryopumpen mit den Kryokälteanlagen angebrachten Sensoren berechnet wird, wird auch in Abhängigkeit von dem speziellen Betriebszustand berechnet, in dem sich die Kryokälteanlage befindet. Da bestimmte Betriebsarten mehr Kältemittel als andere verbrauchen, wird eine Kältemittelzufuhr für jede der Kryokälteanlagen berechnet. Eine Abkühlfunktion erfordert das meiste Helium und wird deshalb die maximale Kältemittelzufuhr anfordern, die ohne Störung der anderen Kryokälteanlagen abgegeben werden kann. Eine Regenerationsfunktion erfordert wenig oder kein Kältemittel und wird deshalb Kältemittel für andere Kryokälteanlagen freigeben. Während des Normalbetriebs einer oder mehrerer Kryokälteanlagen wird Helium abgegeben, um die Kryokälteanlage in einem Gleichgewichtszustand halten zu können. Überschüssiges Helium kann an Kryokälteanlagen in einem Abkühlmodus abgegeben werden, oder die Kältemittel-Gesamtzufuhr kann verringert werden, falls kein Bedarf an überschüssigem Helium existiert.

Eine Vielzahl von Parametern wird durch das System überwacht, um die geeignete Kältemittelzufuhr für jede Kryokälteanlage zu berechnen. Derartige Parameter enthalten die berechnete Kältemitteldurchsatz durch die Kryokälteanlage, die Drehzahl des Antriebsmotors, den Druck des Kältemittels und die Temperatur der Kryokälteanlage. Auf diese Weise kann eine geeignete Kältemittelzufuhr von der gemeinsamen Kompressorenreihe zu mehreren Kryokälteanlagen in Abhängigkeit von der Kältemittel- Gesamtlast und der aktuellen Kühlfunktion der einzelnen Kryokälteanlagen abgegeben werden. Deshalb kann das Helium-Verteilungssteuerungssystem nachteilige oder verlangsamende Effekte aus einer mangelnden Kältemittelzufuhr minimieren und die Leistungsfähigkeit im Fall einer überschüssigen Kältemittelzufuhr erhöhen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugsziffern durchgehend auf die gleichen Bauteile bzw. Elemente. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, die Betonung liegt statt dessen auf der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung.

Fig. 1a ist eine schematische Darstellung einer typischen herkömmlichen Kryokälteanlage;

Fig. 1b zeigt eine offene Darstellung einer typischen herkömmlichen Kryopumpe mit der Kryokälteanlage von Fig. 1;

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Mastersteuerung eines Kryokälteanlagensystems, die mit mehreren Kryopumpen und Kompressoren verbunden ist;

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Helium-Kältemitteldurchsatzes über der Zeit;

Fig. 4 zeigt eine Darstellung des Helium-Verbrauchsmodells, das benutzt wird, um die Menge Helium zu bestimmen, die eine Kryokälteanlage verbrauchen kann;

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild des Daten- und Steuerflusses;

Fig. 6 zeigt ein Hauptebenen-Flussdiagramm der Master-Steuerung des Systems;

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild des Datenflusses zwischen der Master-Steuerung, den Kompressoren und den Kryopumpen;

Fig. 8 zeigt ein Zustandsdiagramm der Master-Steuerung;

Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm des Prozesses in dem Verteilung je Bedarf - Zustand;

Fig. 10 zeigt ein Flussdiagramm der Unterdruck-Prüfroutine;

Fig. 11 zeigt ein Flussdiagramm der Verteilungsroutine;

Fig. 12 zeigt ein Flussdiagramm der Slave-Steuerung in der Kryopumpe;

Fig. 13 zeigt ein Flussdiagramm der Abkühlroutine;

Fig. 14 zeigt ein Flussdiagramm der Kompressor-Prüfroutine;

Fig. 15 zeigt ein Flussdiagramm der Helium-Verteilungssteuerung in einem weiteren speziellen Ausführungsbeispiel mit drei Steuerungszuständen;

Fig. 16a bis 16c zeigen Flussdiagramme der Helium-Verteilungssteuerung in einem speziellen Ausführungsbeispiel mit vier Steuerungszuständen oder -modi; und

Fig. 17a bis 17b zeigen Flussdiagramme einer Helium-Verteilungssteuerung in einer mit der Steuerung der Fig. 16a bis 16c verbundenen Kryopumpe.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es folgt eine Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Vor der Erläuterung der Helium-Verteilungssteuerung erscheint eine Erläuterung des Betriebs einer Kryopumpe zweckmäßig. Vakuumpumpen, wie beispielsweise Kryopumpen und Wasserpumpen werden verwendet, um eine Vakuumbehandlungskammer auf einen Druck nahe Null zu steuern. Ein Druck nahe Null in der Größenordnung von 10^-6 bis 10^-9 Torr oder sogar noch niedriger wird durch Entfernen im wesentlichen sämtlicher Moleküle aus der Vakuumbehandlungskammer erzielt. Die Moleküle werden aus der Vakuumbehandlungskammer über die Tiefsttemperatur- bzw. Kryo-Kälteanlage in der Kryopumpe entfernt. Ein Teil der Kryokälteanlage wird beinahe auf den absoluten Nullpunkt, typischerweise zwischen 10 K und 20 K gekühlt, was einer Kondensation im wesentlichen aller Moleküle in der Vakuumbehandlungskammer am Kryofeld bewirkt, welches durch die Kryokälteanlage gekühlt wird. Das Kryofeld ist typischerweise ein Satz von Kühlkanälen und Ablenkplatten, die in kompakter Bauweise eine große Oberfläche vorsehen. Die kondensierten Gase werden deshalb auf einen Festkörper mit niedrigem Dampfdruck reduziert, so dass ein Beinahe-Vakuum erzeugt wird. Weiter kann das Kryofeld eine absorbierende Substanz wie beispielsweise Aktivkohle enthalten, um Moleküle zu adsorbieren, die nicht kondensieren, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium und Neon. Die Kryokälteanlage wird durch ein Kältemittel-Arbeitsfluid wie beispielsweise Heliumgas betrieben, das in der Lage ist, Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts zu erreichen.
Kryopumpen verbrauchen in Abhängigkeit von ihrem aktuellen Betriebsmodus und der aktuellen Temperatur schwankende Mengen Helium. Eine Reihe von Pumpen ist mit einer gemeinsamen Kompressorenreihe aus einem oder mehreren Kompressoren verbunden, um die zur Verfügung stehende Heliumzufuhr zu maximieren. Der Heliumverbrauch durch die Pumpen wird durch eine Steuerung überwacht und reguliert. Durch Überwachen von verschiedenen Betriebsparametern jeder der Pumpen wird jeder Pumpe eine geeignete Menge Helium zugeführt. Überschüssiges Helium wird umgeleitet, um Pumpen zu versorgen, die dieses nutzen können. Mangelndes Helium wird eingeteilt, um so den Betrieb aufrechtzuerhalten und nachteilige Effekte zu minimieren.
In der Kälteanlage einer typischen Kryopumpe wird das Arbeitsfluid komprimiert; die Kompressionswärme wird durch luftgekühlte Wärmetauscher entfernt; das Fluid wird in einer Regenerativwärmetauschmatrix weiter gekühlt; und das Gas wird dann ausgedehnt, um eine Kühlung unter die Umgebungstemperatur zu erzeugen. Eine Kryopumpe muss effektiv bei weniger als 20 K arbeiten, um Gasmoleküle aus der Vakuumbehandlungskammer zu entfernen. Die Erzielung dieser niedrigen Temperatur erfordert die Verwendung von höchst effizienten Wärmetauschern und eines Arbeitsfluids wie beispielsweise Heliumgas, das bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts gasförmig bleibt.
Der Fluss des komprimierten gasförmigen Kältemittels in der Kryokälteanlage einer Pumpe ist zyklisch. In der Grundform einer Kryokälteanlage ist eine Quelle komprimierten Gases, d. h. ein Kompressor, mit einem ersten Ende eines Zylinders durch ein Einlassventil verbunden. Ein Auslassventil in einer Auslassleitung führt von dem ersten Ende zu dem Niederdruckeingang des Kompressors. Mit einem Verdrängerkolben, der einen Regenerator am zweiten kalten Ende des Zylinders enthält, und bei geschlossenem Auslassventil und geöffnetem Einlassventil füllt sich der Zylinder mit komprimiertem Gas. Bei nach wie vor offenem Einlassventil bewegt sich der Verdrängerkolben zu dem ersten Ende, um das komprimierte Gas durch den Regenerator zu dem zweiten Ende zu drücken, wobei das Gas gekühlt wird, wenn es durch den Regenerator läuft. Wenn das Einlassventil geschlossen und das Auslassventil geöffnet wird, dehnt sich das Gas in die Niederdruck-Auslassleitung aus und kühlt weiter ab. Der sich ergebende Temperaturgradient über die Zylinderwand am zweiten Ende bewirkt einen Wärmestrom von der Last in das Gas im Zylinder. Bei geöffnetem Auslassventil und geschlossenem Einlassventil wird der Verdrängerkolben dann zu dem zweiten Ende bewegt, wobei Gas durch den Regenerator zurückgeschoben wird, der Wärme zu dem kalten Gas zurückführt, wodurch der Regenerator gekühlt und der Zyklus beendet wird. In einer typischen Pumpe wird der Zylinder als Kühlfinger bezeichnet und besitzt eine erste Stufe und eine zweite Stufe.
Um die für den Kryopumpenbetrieb erforderlichen niedrigen Temperaturen zu erzeugen, muss das einströmende Gas vor der Ausdehnung gekühlt werden. Der Regenerator entzieht dem einströmenden Gas Wärme, speichert sie und gibt sie dann an einen Auslassstrom ab. Ein Regenerator ist ein Umkehrstrom-Wärmetauscher, durch den das Helium abwechselnd in beide Richtungen strömt. Der Regenerator weist ein Material mit einem großen Oberflächenbereich, einer großen spezifischen Wärme und einer geringen thermischen Leitfähigkeit auf. Daher nimmt der Regenerator Wärme aus dem Helium auf, wenn die Temperatur des Heliums höher ist. Falls die Temperatur des Heliums niedriger ist, gibt der Regenerator Wärme an das Helium ab.
Fig. 1a zeigt ein Blockschaltbild des Innenaufbaus der Kryokälteanlage 10. In der Vorrichtung von Fig. 1a gelangt Helium durch ein Hochdruckventil 46 in den Kühlfinger der Kälteanlage und verlässt ihn durch ein Niederdruckventil 48. Ein Verdrängerkolben- Antriebsmotor 216 treibt Verdrängerkolben 207 und 209 in der ersten Stufe bzw. der zweiten Stufe der Kryokälteanlage an. Der Verdrängerkolben der ersten Stufe 207 enthält einen ersten Regenerator 211, und der Verdrängerkolben der zweiten Stufe 209 enthält einen zweiten Regenerator 213. Einer thermischen Last der ersten Stufe 203, wie beispielsweise einem Abschirm- und Frontfeld einer Kryopumpe, sowie der Last der zweiten Stufe 205, wie beispielsweise einer 10 K-20 K Kryoplatte, wird Wärme entzogen.
Fig. 1b zeigt eine offene Darstellung einer Kryopumpe mit einer Kryokälteanlage. In Fig. 1b ist das Pumpengehäuse abgenommen, um einen Verdrängerkolben-Antriebsmotor 40 und eine Querhauptanordnung 42 freizulegen. Die Querhauptanordnung 42 setzt die Drehbewegung des Antriebsmotors 40 in eine Hubbewegung zum Antreiben eines Verdrängerkolbens in dem zweistufigen Kühlfinger 44 um. In jedem Zyklus wird Heliumgas, das durch die Leitung 46 unter Druck in den Kühlfinger eingeleitet wird, ausgedehnt und somit gekühlt, um den Kühlfinger auf tiefsten Temperaturen zu halten. Das Helium, das dann durch eine Wärmetauschmatrix in dem Verdrängerkolben erwärmt wird, wird durch die Leitung 48 abgegeben.
Eine Wärmestation der ersten Stufe 50 ist an dem kalten Ende der ersten Stufe 52 der Kälteanlage befestigt. Analog ist eine Wärmestation 54 an dem kalten Ende der zweiten Stufe 56 befestigt. Geeignete Temperatur-Messelemente 58 und 60 sind am hinteren Ende der Wärmestationen 50 und 54 angebracht.
Die Hauptpumpfläche ist eine Kryofeld 62, das am Kühlkörper befestigt ist. Dieses Feld weist mehrere Scheiben auf, wie dies in dem US-Patent Nr. 4,555,907 offenbart ist, auf dessen Offenbarungsgehalt hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird. Ein Niedertemperatur-Adsorptionsmittel ist an geschützten Oberflächen des Feldes 62 angebracht, um nicht-kondensierbare Gase zu adsorbieren.
Eine becherförmige Abschirmung 64 ist an der Wärmestation der ersten Stufe 50 befestigt. Die zweite Stufe des Kühlfingers erstreckt sich durch eine Öffnung in der Abschirmung. Diese Abschirmung 64 umgibt das Kryoplatten-Hauptfeld von hinten und an den Seiten, um eine Erwärmung des Kryoplatten-Hauptfeldes durch Wärmestrahlung zu minimieren. Die Temperatur der Abschirmung kann von etwa 40 K am Kühlkörper 50 bis zu 130 K neben der Öffnung 68 zu einer evakuierten Kammer reichen.
Ein vorderes Kryoplattenfeld 70 dient sowohl als Abschirmung für das Kryoplatten- Hauptfeld als auch als Kryopumpfläche für Gase mit höheren Siedetemperaturen wie beispielsweise Wasserdampf. Diese Platte weist eine ringförmige Anordnung konzentrischer Kühlkanäle und Zick-Zack-Leisten 72 auf, die durch eine speichenartige Platte 74 verbunden sind. Der Aufbau dieser Kryoplatte 70 muss nicht auf kreisförmige, konzentrische Komponenten beschränkt werden, aber er sollte so angeordnet sein, dass er als Strahlungsschild und Kryopumpenplatte für höhere Temperaturen dient, während er einen Pfad für Gase mit niedrigeren Siedetemperaturen zu der Hauptkryoplatte vorsieht.
Fig. 2 zeigt eine Reihe von Kompressoren, die benutzt werden, um einer Reihe von Pumpen ein Helium-Kältemittel zuzuführen. Bezug nehmend auf Fig. 2 enthält die gemeinsame Kompressorenreihe 16 Kompressoren 16a bis 16n, die einem Verteiler 18 ein Helium-Kältemittel zuführen. Der Verteiler 18 ist mit einer Reihe von Pumpen 10a bis 10n verbunden, die mit Slave-Steuerungen 215a bis 215n in Verbindung stehen. Die Slave-Steuerungen 215a bis 215n steuern jeweils einen Verdrängerkolben-Antriebsmotor 216, der einen Verdrängerkolben antreibt, der sich in dem Kühlfinger hin und her bewegt, wenn sich das Heliumgas ausdehnt. Der Verdrängerkolben-Antriebsmotor 216 wird benutzt, um die Kühlrate der Pumpe durch die Menge des zugeführten Heliums zu regulieren. Die Master-Steuerung (Steuerung) des Vakuumnetzwerks oder VNC 12 ist mit jeder der die Verdrängerkolben-Antriebsmotoren 216 steuernden Slave-Steuerungen 215a bis 215n verbunden und wird benutzt, um die den Pumpen 10 zugeführte Menge des Helium-Kältemittels zu erhöhen oder zu verringern. Jede der Pumpen 10 weist einen oder mehrere Sensoren 14a bis 14n auf, die eine Rückkopplung zu der Steuerung 12 vorsehen. Die Steuerung 12 reguliert deshalb alle mit ihr verbundenen Pumpen 10 durch Empfangen von Signalen von den Sensoren 14 und Berechnen einer Heliummenge für jede Pumpe 10 basierend auf den von den Sensoren 14 übertragenen Signalen und aus der von dem Verteiler zur Verfügung stehenden Gesamtmenge Helium, wie weiter unten genauer beschrieben.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Helium-Verteilungssteuerungssystem in Zusammenhang mit einer beispielhaften Kryokälteanlage in einer Kryopumpe beschrieben wird. Das Helium-Verteilungssteuerungssystem kann auch in Verbindung mit einer Vielzahl von Kryokälteanlagen verwendet werden, die mit Helium betrieben werden. Eine Kryopumpe, wie sie hier beschrieben wurde, kann zum Beispiel eine Wasserpumpe sein, welche durch eine Kryokälteanlage mit einer einzigen Stufe gekühlt wird, wie beispielsweise diejenige, die in dem US-Patent Nr. 5,887,438 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung mit dem Titel "Low Profile In Line Kryogenic Water Pump" offenbart ist, und auf dessen Offenbarungsgehalt hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird, oder ein anderes mit Helium betriebenes Kryogerät sein.
In Abhängigkeit vom Kühlbetrieb der Pumpe treten verschiedene Heliumverbrauchsraten auf. Eine Abkühlfunktion bringt die Temperatur der Pumpe von einem Umgebungszustand nach unten auf die Kryotemperaturen und erfordert das meiste Helium. Wenn die Kryotemperaturen einmal erreicht worden sind, hält ein Normalbetriebsmodus die Temperatur aufrecht und benötigt im allgemeinen einen stabilen Heliumfluss. Eine Regenerationsfunktion erwärmt die Pumpe, um gesammeltes, kondensiertes Gas abzugeben, und erfordert wenig oder kein Helium. Weitere Faktoren können die Heliumverbrauchsrate beeinflussen. Während des Abkühlens verbraucht die Pumpe nach und nach mehr Helium, wenn sie kälter wird, wodurch normale Betriebstemperaturen erreicht werden. Bei normalen Betriebstemperaturen können in einer angeschlossenen Vakuumbehandlungskammer auftretende Vakuumbehandlungsaktivitäten Wärme erzeugen, wodurch die Kühllast erhöht wird, was seinerseits die Erhöhung der Heliumverbrauchsrate bewirkt.
Die Helium-Gesamtversorgungsrate aller mit der gemeinsamen Kältemittelversorgung verbundenen Pumpen kann verwendet werden, um einen Gesamtkühlbedarf zu bestimmen. Analog kann die Kältemittelkapazität des Kompressors oder der Kompressoren, die zu der gemeinsamen Kältemittelversorgung beitragen, verwendet werden, um eine Kältemittelkapazität des Systems zu bestimmen. Wie oben angegeben, schwankt die aktuelle Verbrauchsrate jeder Pumpe in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann die Kältemittelkapazität des Systems die Kältemittel-Gesamtlast übersteigen, was ein überschüssiges Helium im System anzeigt. Analog kann, falls viele Pumpen eine Periode mit hohem Heliumverbrauch erfahren, die Kältemittel-Gesamtlast die Kältemittelkapazität übersteigen, was einen Heliummangel anzeigt.
Durch Überwachen des aktuellen Betriebszustandes aller Pumpen und der Kältemittel- Gesamtkapazität kann überschüssiges Helium identifiziert und zu Pumpen verteilt werden, die es nutzen können. Analog kann mangelndes Helium in geeigneter Weise aufgeteilt werden, um den Normalbetrieb aufrechtzuerhalten oder in Extremsituationen Schäden zu mindern. Zum Beispiel kann eine Abkühlfunktion das meiste Helium verbrauchen, und deshalb kann die für das Abkühlen erforderliche Zeit durch Umleiten von überschüssigem Helium zu Pumpen in der Abkühlfunktion reduziert werden. Eine Pumpe in einer Regenerationsfunktion benötigt wenig oder kein Helium, und deshalb kann hier überschüssiges Helium vorhanden sein. Auch kann eine Pumpe im Normalbetrieb beginnen, ihre Temperatur zu steigern. Um Kryopumpentemperaturen beizubehalten, kann Helium von einer Pumpe in einer Abkühlphase umgeleitet werden, wodurch die Abkühlzeit erhöht wird, aber Kryopumpentemperaturen in Pumpen, die aufzuwärmen begonnen haben, zu bewahren, um die Fortsetzung des Normalbetriebs zu ermöglichen.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Verteilung des Heliumdurchsatzes über der Zeit. Jede von vier Pumpen 301 bis 304 ist durch eine horizontale Achse über der Zeit dargestellt. Am Anfang ist der Verbrauch aller Pumpen gleich. Zu dem durch die gestrichelte Linie 310 dargestellten Zeitpunkt tritt die Pumpe 303 in einen Regenerationszustand ein und erwärmt sich. Demgemäß kann den Pumpen 301, 302 und 304 zusätzliches Helium bereitgestellt werden. Alternativ könnte die Drehzahl des Antriebsmotors der Pumpen 301, 302 und 304 verringert werden, um den Helium-Gesamtzug von der gemeinsamen Kompressorenreihe zu verringern, falls vermehrtes Helium uneffektiv wäre. Zu dem durch die gestrichelte Linie 312 dargestellten Zeitpunkt hat die Pumpe 303 die Regenerationserwärmung beendet und tritt in einen Abkühlmodus ein. Überschüssiges Helium wird deshalb von den Pumpen 301, 302 und 304 umgeleitet, um das Abkühlen der Pumpe 303 zu beschleunigen. Zu dem durch die gestrichelte Linie 314 dargestellten Zeitpunkt hat die Kryopumpe 303 das Abkühlen beendet und zu dem durch die gestrichelte Linie 316 dargestellten Zeitpunkt kehren alle Pumpen zu einer gleichen Verbrauchsrate zurück.
Das durch die Kryopumpen verbrauchte Helium wird typischerweise in Einheiten eines Massendurchsatzes wie beispielsweise Normalkubikfuß-Minute (scfm) bei einer speziellen Temperatur und einem speziellen Druck ausgedrückt. Es können auch andere Einheiten verwendet werden, um den Massendurchsatz anzugeben, wie beispielsweise Gramm pro Sekunde. Das verbrauchte Helium wird aus der maximalen und der minimalen Heliummenge bestimmt, die in dem Kühlfinger vorhanden ist, wenn sich der Verdrängerkolben in einer zyklischen Weise hin und her bewegt. Fig. 4 veranschaulicht die Verdrängerkolben-Stellungen für die minimale und die maximale Heliummenge in dem Kühlfinger 44 bei der Berechnung der Heliumverbrauchsraten für eine Kryokälteanlage in einer Kryopumpe. Ein Verdrängerkolben mit einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe 207 bzw. 209 bewegt sich durch das Innere des Kühlfingers 44 hin und her. Wenn der Verdrängerkolben durch den Antriebsmotor 215 hin und her bewegt wird, dehnt sich das Helium aus, wodurch der Kühlfinger gekühlt wird. Jeder Verdrängerkolbenzyklus öffnet auch die Hochdruckleitung 46 (Zufuhrleitung) und die Niederdruckleitung 48 (Auslassleitung), um nicht-ausgedehntes Helium einzuziehen und ausgedehntes Helium abzugeben. Die Menge Helium, die verbraucht wird, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Durchsatz = (maximale Menge - minimale Menge) × Drehzahl des Antriebsmotors
Deshalb steigt der Heliumverbrauch, wenn die Drehzahl des Antriebsmotors steigt, wegen vermehrter Verdrängerkolbenzyklen, wodurch zusätzliche Wärme von der Last abgezogen wird.
Wenn zum Beispiel eine gemeinsame Kompressorenreihe 84 scfm Helium liefern kann, kann die Kompressorenreihe 6 Kälteanlagen mit 84/6 = 14 scfm Helium versorgen. Wie oben angegeben, kann das durch eine Pumpe verbrauchte Helium schwanken. Wenn vier der Kälteanlagen nur 12,5 scfm Helium verbrauchen, dann gibt es 12,5 × 4 = 50 scfm Kältemittellast von diesen vier Kälteanlagen. Da die Kompressorenreihe 84 scfm Helium liefern kann, verbleiben 84-50 = 34 scfm für die übrigen zwei Kälteanlagen. Falls sich die übrigen zwei Kälteanlagen in einem Abkühlzustand befinden, können sie wegen des Überschusses im System jeweils mit 34/2 = 17 scfm Helium versorgt werden. In anderen Ausführungsbeispielen müssen Kälteanlagen im Abkühlmodus nicht mit einem gleichen Anteil des überschüssigen Heliums versorgt werden.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild des Datenflusses eines Ausführungsbeispiels des Helium- Verteilungssteuerungssystems. Bezug nehmend auf Fig. 5 sendet jeder der Kompressoren in der gemeinsamen Kompressorenreihe 16 eine Anzeige des von jedem Kompressor maximal zur Verfügung stehenden Heliums an die Steuerung 12, was eine Berechnung einer Helium-Gesamtversorgung erlaubt. Jede der Pumpen 10 sendet die folgenden Parameter an die Steuerung: eine minimale Heliummenge, eine aktuell berechnete Helium-Verbrauchsrate, einen Betriebsmodus und einen den Heliumentzug anzeigenden Helium-Verbrauchszustand. Die Steuerung 12 sendet einen Parameter oder Wert des zugeteilten Heliums an die Pumpen, der die maximale Heliumrate anzeigt, welche die Pumpe verbrauchen kann. Das Signal des maximalen Heliumverbrauchs wird benutzt, um den Antriebsmotor des Verdrängerkolbens über die mit der speziellen Kryokälteanlage verbundenen Slave-Steuerung 215 zu regulieren. Wie oben angegeben, reguliert die Drehzahl des Antriebsmotors des Verdrängerkolbens den Heliumverbrauch der Pumpe.
Fig. 6 zeigt ein Hauptebenen-Flussdiagramm des Steuerflusses in dem Helium- Verteilungssteuerungssystem. Das System führt in einem regelmäßigen Zeitintervall einen Aufruf durch, um zu bestimmen, ob die Heliumversorgung zu irgendeiner der Kryopumpen reguliert werden muss. Alternativ kann das System unterbrochen und dann neu gestartet werden. Wenn das Aufrufintervall abgelaufen ist, wie in Schritt 100 gezeigt, wird in Schritt 102 eine Prüfung durchgeführt, ob alle Kryopumpen normal arbeiten.
Wenn alle Pumpen normal arbeiten, erwartet das System in Schritt 104 das nächste Aufrufintervall. Wenn irgendeine der Pumpen oder das System nicht normal arbeitet, d. h. falls eine oder mehrere der Pumpen eine Grenze des erlaubten Verbrauchs erreicht haben oder falls der Differenzdruck (DP) des Systems unter einen kritischen Wert gesunken ist, dann wird die weiter unten beschriebene Helium-Verteilungssteuerung durchgeführt, wie in Schritt 106 dargestellt. Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Helium- Verteilungssteuerung beschrieben.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines Datenflusses zwischen der Vakuumnetzwerksteuerung (VNC) bzw. der Master-Steuerung 12, den Kompressoren 16 und den Slave- Steuerungen 215a bis 215d an den Pumpen 10a bis 10d. Der Kompressor sendet den Eingangsdruck P_Eingang und den Ausgangsdruck P_Ausgang an die VNC 12. Der Kompressor sendet auch einen Ausgangswert des Heliums, den er in Normalkubikfuß-Minuten (scfm) zuführen kann. Eine Unterdruck-Prüfroutine 110 in der VNC, welche weiter unten anhand von Fig. 10 beschrieben wird, berechnet einen korrigierten Wert 12 des zur Verfügung stehenden Heliums. Der korrigierte Wert des zur Verfügung stehenden Heliums wird periodisch neu berechnet, um abzuschätzen, wie viel Helium für die Zuteilung basierend auf dem aktuellen Verbrauch zur Verfügung steht. Dieser Wert kann wegen Faktoren wie beispielsweise der natürlichen Abnutzung und der Leistungsfähigkeit der Pumpen 10 und Kompressoren 16 basierend auf der Kompressoren-Verdrängung und -drehzahl etwas um den theoretischen Zufuhrwert schwanken. Der korrigierte Wert 112 des zur Verfügung stehenden Heliums wird in einer Verteilungsroutine 114 verwendet, die weiter unten anhand von Fig. 11 näher beschrieben wird.
Der berechnete Helium-Zuteilungswert wird den Slave-Steuerungen 215a bis 215d, die jeweils eine Pumpe 10a bis 10d steuern, übertragen, wie durch den Pfeil 116 dargestellt. Die Slave-Steuerung bestimmt eine Maximaldrehzahl des Antriebsmotors des Verdrängungskolbens, bei welcher der Antriebsmotor des Verdrängungskolbens ohne Überschreiten des Helium-Zuteilungswerts laufen kann. Eine Pumpendrehzahl- Regelschleife in der Slave-Steuerung steuert ebenfalls die Drehzahl des Antriebsmotors des Verdrängungskolbens als Funktion der Kryopumpentemperatur und kann den Antriebsmotor bei einer niedrigeren Drehzahl laufen lassen, aber kann nicht die Drehzahl entsprechend den Helium-Zuteilungswert übersteigen. Die Pumpendrehzahl-Regelschleife lässt auch die Pumpe Helium frei bis zu einem Zuteilungsvorgabewert gemäß der Temperatur in einem eigenständigen Modus verbrauchen, falls sie nicht durch die VNC 12 betrieben wird. Die Slave-Steuerung 215 berechnet dann einen Helium-Verbrauchswert, der den aktuellen Heliumverbrauch angibt, wie weiter unten beschrieben. Wie bei dem Wert des insgesamt zur Verfügung stehenden Heliums kann auch der Helium- Verbrauchswert von dem theoretischen Verdrängungswert für die Pumpe in Abhängigkeit von Faktoren wie beispielsweise den aktuellen Betriebszuständen und der natürlichen Abnutzung abweichen. Der Helium-Verbrauchswert wird der VNC 12 zur Verwendung in weiteren Heliumzuteilungsberechnungen übertragen, wie durch den Pfeil 118 dargestellt.
Fig. 8 zeigt ein Zustandsdiagramm der VNC 12. Bezug nehmend auf die Fig. 6, 7 und 8 kann ein Zustandsübergang in Abhängigkeit von der Funktion des Systems bei jedem Aufrufintervall 100 auftreten. Ein Ruhezustand 120 tritt während des System-Hochlaufs und der Systemabbildung auf und führt vor dem Starten der Pumpen 10 und der Kompressoren 16 Initialisierungen und Vorgabewerte durch. Eine Anfangsgrößenprüfung wird ebenfalls durchgeführt, um zu gewährleisten, dass die Kompressoren für die mit dem Verteiler verbundenen Pumpen 10 richtig bemessen sind. Wenn wenigstens eine Pumpe 10 und ein Kompressor 16 gestartet werden, geht die VNC 12 in einen Überwachungszustand 122 über.
Im Überwachungszustand 122 werden die Pumpen 10 bei jedem Aufrufmtervall 100 durch die VNC 12 abgefragt, ob irgendwelche Pumpen 10 in einem Grenzzustand arbeiten, wie weiter unten beschrieben. Eine im Grenzzustand arbeitende Pumpe 10 arbeitet mit oder beinahe mit ihrem maximal erlaubten Verbrauch und kann mehr Helium benötigen, um ein Aufwärmen zu vermeiden. Ein Übergang in den Verteilung je Bedarf (DPD) - Zustand 124 tritt ein, wenn wenigstens eine Pumpe 10 einen Grenzzustand berichtet oder wenn der Differenzdruck DP unter einen kritischen Wert gefallen ist. Der Verteilung je Bedarf - Zustand 124 versucht, überschüssiges Helium im System neu zuzuteilen, um mehr Helium zu Pumpen 10 im Grenzzustand bereitzustellen, wie weiter unten anhand von Fig. 9 beschrieben. Wenn der Verteilung je Bedarf - Zustand 124 nicht ausreichend Helium neu zuteilen kann, um die Pumpen 10 aus dem Grenzzustand zu bringen, so dass beispielsweise der Differenzdruck DP nach wie vor niedrig ist, geht das System entweder in einen Überlastungszustand 126 oder einen Verteilung je Hierarchie (DPH) - Zustand 128 über.
Im Überlastungszustand 126 behält die VNC 12 die aktuelle Zuteilung jeder Pumpe bei, weil sie bereits soviel Helium wie möglich zu den übermäßig verbrauchenden Pumpen neu zugeteilt hat. Falls zum Beispiel fünf oder sechs Pumpen richtig arbeiten, aber eine sechste Pumpe aufgrund eines fehlerhaften Sicherheitsventils übermäßig verbraucht, wird eine Umverteilung von mehr Helium zu der defekten Pumpe nur die anderen fünf in Betrieb befindlichen Pumpen benachteiligen. Der Verteilung je Hierarchie - Zustand 128 dagegen verfolgt einen aggressiveren Ansatz und fährt Pumpen 10 entsprechend einer vom Benutzer spezifizierten Hierarchie selektiv herunter. Falls sich zum Beispiel eine Pumpe im Abkühlmodus befindet, kann es von Vorteil sein, die Abkühlfunktion zu beenden, um eine Schädigung einer weiteren Pumpe zu vermeiden, welche derzeit mit einer Wafer-Nutzlast aktiv ist, um eine Störung zu beheben, wodurch die Nutzlast gerettet wird. Da jedoch der Verteilung je Hierarchie - Zustand es der VNC erlaubt, tatsächlich Funktionen zu beenden, kann ein Benutzer wünschen, dass dieses Merkmal nicht freigegeben ist.
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm der in dem Verteilung je Bedarf - Zustand 124 durchgeführten Berechnungen. Bezug nehmend auf Fig. 9 wird der Verteilung je Bedarf - Zustand in Schritt 130 begonnen. Jede der Pumpen 10 und jeder der Kompressoren 16 wird abgefragt, um die aktuellen Betriebsparameter zu bestimmen, wie in Schritt 132 dargestellt. Der Eingangsdruck und der Ausgangsdruck werden aufgenommen, und sie sind für alle mit dem gemeinsamen Verteiler verbundenen Kompressoren gleich. Die Betriebsparameter der Pumpen enthalten den aktuell berechneten Helium-Verbrauchswert, den aktuellen Helium-Zuteilungswert, den Verbrauchszustand (Status) entweder OK oder LIMIT, den aktuellen Kühlmodus entweder "ON" (Kälteanlage läuft, Temperatursteuerfunktion ein oder in manueller Aufschaltfunktion der Temperatursteuerung), "COOLDOWN" (Kälteanlage läuft zum Erzielen einer Sollwerttemperatur) oder "OFF" (Kälteanlage läuft nicht und verbraucht kein Helium), und das minimale Helium, welches die Pumpe zum Arbeiten benötigt. Der Kühlmodus gibt die durch die Pumpe aktuell durchgeführte Kühlfunktion an und ist während eines Abkühlens auf Abkühlen, bei einer Steuerung der Pumpe durch die VNC auf Temperatursteuerung und, wenn die Pumpe kein Helium benötigt, wie beispielsweise während einer Regenerationsfunktion, auf "Aus" eingestellt.
In Schritt 134 wird geprüft, ob seit der letzten Umverteilung eine Stabilisierungszeit abgelaufen ist. Die Stabilisierungszeit gibt an, wie viel Zeit gegeben wird, um zu bestimmen, ob eine vorherige Neuzuteilung effektiv war, und beträgt typischerweise eine Minute. Falls die Stabilisierungszeit nicht abgelaufen ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 130 zurück, um das nächste Aufrufintervall abzuwarten. Falls die Stabilisierungszeit abgelaufen ist oder falls keine Stabilisierungszeit gesetzt worden ist, dann wird in Schritt 136 geprüft, ob entweder der Überlastungszustand oder der DPH-Zustand eingeleitet werden soll. Der Überlastungs- oder der DPH-Zustand werden eingeleitet, falls ein Unterdruckzustand existiert, das System nach wie vor übermäßig Helium verbraucht und alle Pumpen in der Abkühlfunktion bei ihrem minimalen Heliumzuteilungswert arbeiten. Ein Unterdruckzustand existiert, falls der in Schritt 132 erhaltene Differenzdruck DP unter einem speziellen Sollwert von typischerweise 190 lbs/in² liegt. Wie oben beschrieben, beträgt ein typischer Arbeits-DP etwa 200 lbs/in² entsprechend einem Eingangsdruck und einem Ausgangsdruck von 400 bzw. 200 lbs/in².
Das System zeigt einen zu starken Verbrauch, wenn die Summe des berechneten Heliumverbrauchs von allen Pumpen größer als der aktuelle oder der zuletzt berechnete Korrekturwert 112 des zur Verfügung stehenden Heliums (Fig. 7) ist. In einem speziellen Ausführungsbeispiel zeigen die Pumpen einen zu starken Verbrauch, wenn die Summe des berechneten Heliumverbrauchs den Korrekturwert 112 des zur Verfügung stehenden Heliums um 5% übersteigt.
Die dritte Bedingung ist, dass alle in einem Abkühlmodus befindlichen Pumpen bereits bei ihrer minimalen Heliumzuteilung sind, wie in Schritt 132 berichtet. Das System neigt dazu, beim Abkühlen die Heliumzuteilungsparameter für die Pumpen herunterzufahren, um mehr Helium für die Pumpen in der Temperatursteuerung zu ermöglichen, bis die minimale Heliumzuteilung erreicht ist. Wenn alle Pumpen die minimale Heliumzuteilung erreicht haben, existiert kein überschüssiges Helium für eine Zuteilung zu anderen Pumpen.
Falls die Pumpen im Abkühlmodus alle mit minimalem Helium arbeiten und die Prüfungen des Unterdrucks und des zu starken Verbrauchs positiv sind, dann wird in Schritt 138 geprüft, ob der DPH-Zustand aufgebaut und freigegeben ist. Wenn der DPH- Zustand eingestellt und freigegeben ist, dann tritt das System in den DPH-Zustand 128 ein, ansonsten tritt das System in den Überlastungszustand 126 ein.
Falls das System noch nicht in den Überlastungszustand 126 oder den DPH-Zustand 128 eintreten muss, wird eine Unterdruck-Prüfroutine 140 eingeleitet, um einen neuen Wert für den Korrekturwert des zur Verfügung stehenden Heliums zu berechnen, wie weiter unten anhand von Fig. 10 näher beschrieben. Die Verteilungsroutine, ebenfalls weiter unten beschrieben, wird dann in Schritt 142 eingeleitet. Die Verteilungsroutine berechnet einen Heliumzuteilungswert für jede der Pumpen 10 neu. In Schritt 144 wird geprüft, ob das System das Helium ausreichend umverteilt hat, um einen Übergang in den Überwachungszustand 122 zu erlauben. Falls die Stabilisierungszeit abgelaufen ist und keine Pumpen einen Grenzzustand berichten, dann geht die VNC in den Überwachungszustand 122 über, da es keine der Pumpen an ausreichend Helium mangelt. Als nächstes wird in Schritt 146 geprüft, ob alle Kompressoren oder alle Pumpen abgeschaltet worden sind. Wenn weder Kompressoren noch Pumpen eingeschaltet sind, geht das System in den Ruhezustand 120 über. Schließlich werden neu berechnete Werte für die Heliumzuteilung zu den Pumpen 10 geleitet, wie in Schritt 148 offenbart.
Fig. 10 zeigt die Unterdruck-Prüfroutine von Schritt 114 in mehr Details. Bezug nehmend auf Fig. 10 wird die Unterdruck-Prüfroutine 140 in Schritt 150 eingeleitet. In Schritt 152 wird geprüft, ob das System in einem Unterdruckzustand arbeitet. Die Prüfung kann das Lesen eines während des obigen Schrittes 136 gesetzten Merkers enthalten oder sie kann den Differenzdruck DP neu berechnen und ihn mit dem DP-Sollwert vergleichen. Wenn das System nach wie vor bei Unterdruck arbeitet, wird ein Durchsatzkorrekturfaktor um einen vorgegebenen Wert wie beispielsweise 0,01 vermindert, wie in Schritt 154 offenbart. Der Durchsatzkorrekturfaktor wird dann in Schritt 158 mit dem aktuellen Korrekturwert des zur Verfügung stehenden Heliums 112 (Fig. 7) multipliziert, um einen neuen Korrekturwert des zur Verfügung stehenden Heliums 112 zu erzielen, und die Steuerung kehrt zu dem Verteilung je Bedarf - Flussdiagramm zurück, wie in Schritt 162 dargestellt. Auf diese Weise wird der berechnete Wert des zur Verfügung stehenden Heliums reduziert, um die weiter unten beschriebene Verteilungsroutine die Heliumzuteilung aus einer kleineren Zufuhr berechnen zu lassen. Aufeinander folgende Iterationen haben deshalb den Effekt, den berechneten Wert des zur Verfügung stehenden Heliums herunterzufahren, bis sich das System stabilisiert oder bis ein Übergang in den Überlastungszustand 126 oder den DPH-Zustand 128 erfolgt.
Wenn kein Unterdruckzustand existiert, dann wird in Schritt 156 geprüft, ob der berechnete Helium-Gesamtverbrauch für alle Pumpen größer als ein bestimmter Schwellenwert des Korrekturwerts des zur Verfügung stehenden Heliums 112 ist. Falls der berechnete Helium-Gesamtverbrauch größer als ein bestimmter Schwellenwert ist, dann ist der Heliumdurchsatz ausreichend und der Durchsatzkorrekturfaktor wird um einen vorgegebenen Wert wie beispielsweise 0,01 erhöht, wie in Schritt 160 dargestellt, wodurch der berechnete Wert des zur Verfügung stehenden Heliums ansteigt. Der Korrekturwert des zur Verfügung stehenden Heliums wird dann in Schritt 158 neu berechnet, und die Steuerung kehrt in Schritt 162 zu der DPD-Routine zurück.
Fig. 11 zeigt die Verteilungsroutine von Schritt 142 (Fig. 9) in mehr Einzelheiten. Bezug nehmend auf Fig. 11 wird die Verteilungsroutine in Schritt 164 eingeleitet. In Schritt 166 wird der neue Helium-Zuteilungswert für die Pumpen in einem Temperatursteuerungsmodus berechnet. Der berechnete Heliumverbrauchswert, der von jeder Pumpe berichtet wird, wird mit dem Delta-Heliumfaktor von Schritt 156 oben multipliziert, um eine größere Heliumzufuhr zu den Pumpen im Temperatursteuerungsmodus zu versuchen. In einem speziellen Ausführungsbeispiel beträgt der Delta-Heliumfaktor 1,08. Das zur Verfügung stehende Helium zur Verteilung unter den Pumpen im Abkühlmodus wird dann in Schritt 168 berechnet. Der in Schritt 166 berechnete Heliumverbrauchswert wird für alle Pumpen im Temperatursteuerungsmodus aufsummiert und von dem aktuellen Wert für den Korrekturwert des zur Verfügung stehenden Heliums abgezogen, um das zur Verfügung stehende Helium für den Abkühlmodus zu erhalten. Deshalb werden alle Pumpen im Temperatursteuerungsmodus zuerst bedacht und der Rest wird unter den Pumpen im Abkühlmodus verteilt. Das zur Verfügung stehende Helium für den Abkühlmodus wird unter der Anzahl der Pumpen im Abkühlmodus aufgeteilt, wie in Schritt 170 dargestellt, und wird entsprechend der relativen Größe der Pumpen gewichtet, falls derzeit unterschiedlich große Pumpen an dem Verteiler angeschlossen sind. Falls weiter die berechnete Heliumzuteilung geringer als die minimale Heliumzuteilung für eine spezielle Pumpe ist, dann wird die minimale Heliumzuteilung verwendet. Deshalb versucht das System, zusätzliches Helium zu Pumpen im Temperatursteuerungsmodus umzuverteilen, um den Grenzzustand in einer oder in mehreren Pumpen, die einen solchen Zustand berichten, zu mindern. Die Steuerung kehrt dann in Schritt 172 zu der Verteilungsroutine zurück.
Fig. 12 zeigt eine Darstellung der Hauptebene des Pumpensteuerflusses. Wie oben angegeben, arbeiten die Pumpen in einem von drei Modi (Temperatursteuerung, Abkühlung und Aus) und in zwei Zuständen (OK und LIMIT). Die Pumpe berechnet auch den Heliumverbrauchswert, um ihn der VNC zu berichten. Die Slave-Steuerung der Pumpe sendet diese Informationen periodisch, wenn sie durch die VNC angefordert werden, und empfängt den Helium-Zuteilungswert von der VNC. Die Pumpendrehzahl- Regelschleife setzt dann entsprechend die maximale Drehzahl des Verdrängerkolbens (RPM). Es wird darauf hingewiesen, dass die Pumpendrehzahl-Regelschleife parallel arbeitet, um die Drehzahl des Antriebsmotors des Verdrängungskolbens gemäß der Temperatur der ersten Stufe im RPM-Bereich, wie er durch den Pumpensteuerungsfluss berechnet wurde, zu regulieren. In einem speziellen Ausführungsbeispiel, ist die Pumpendrehzahl-Regelschleife eine geschlossene Proportional-Integral-Differenzial (PID)-Regelschleife.
Bezug nehmend auf Fig. 12 wird der Pumpensteuerungsfluss in der Slave-Steuerung der Pumpe in Schritt 174 eingeleitet. Die Einleitung wird durch die VNC 12 veranlasst, aber kann auch aus einer Asynchronvorrichtung wie beispielsweise einem unterbrechungsaktivierten Mechanismus veranlasst werden. In Schritt 176 wird geprüft, ob die aktuellen Werte des Eingangsdrucks und des Ausgangsdrucks der Kompressoren, die zur Berechnung des Differenzdrucks verwendet werden, gültig sind. Fälle von ungültigen Kompressorwerten enthalten eine Kommunikationsregelfunktion zwischen den Pumpen, den Kompressoren und der VNC, eine Wandler-Fehlfunktion oder einen ausgeschalteten Kompressor. Falls die Kompressorwerte ein mögliches Problem anzeigen, dann wird in Schritt 178 eine Kompressor-Prüfroutine eingeleitet, die weiter unten näher beschrieben wird. Wenn die Kompressorwerte gültig scheinen, dann wird in Schritt 180 geprüft, ob die Pumpe zuvor durch die Kompressor-Prüfroutine abgeschaltet gewesen ist. Falls die Pumpe zuvor durch die Kompressor-Prüfroutine abgeschaltet gewesen ist, dann wird in Schritt 182 eine Leistungswiederherstellung durchgeführt, um neu zu initialisieren, und die Pumpenregelschleife wird in Schritt 194 verlassen. Falls die Pumpe nicht zuvor abgeschaltet gewesen ist, dann werden die aktuellen Betriebsparameter für die Pumpe berechnet, wie in Schritt 184 offenbart.
Die Betriebsparameter werden wie folgt berechnet: Der Parameter des Heliumverbrauchs wird berechnet, um die aktuelle Helium-Verbrauchsrate basierend auf der Temperatur der ersten Stufe (T1), der Temperatur der zweiten Stufe (T2), der aktuellen Drehzahl des Verdrängerkolbens (RPM), dem Eingangsdruck (P_Eingang), dem Ausgangsdruck (P_Ausgang) und einer auf der Verdrängung der Pumpe basierenden Pumpenkonstante (C) zu bestimmen:

Heliumverbrauchsrate = F (T1, T2, RPM, P_Eingang, P_Ausgang, C)
Ein neuer RPM-Zuteilungswert entsprechend der Heliumverbrauchsrate wird unter Verwendung des aktuell zugeteilten Heliumwertes von der VNC berechnet:

RPM-Zuteilungswert = (Heliumzuteilung × RPM)/Heliumverbrauch
Es wird darauf hingewiesen, dass der Helium-Verbrauchswert auch zu der VNC zurückgeschickt wird, wie oben beschrieben, um einen neuen Wert für den Helium- Zuteilungswert zu berechnen. Der Pumpenzustand OK oder LIMIT und der Pumpen- Betriebsmodus für die Abkühlung, die Temperatursteuerung und AUS werden ebenfalls berechnet und zu der VNC geschickt.
Nach der Berechnung der Pumpen-Betriebsparameter wird in Schritt 186 geprüft, ob sich die Pumpe in einem Abkühlmodus befindet. Falls sich die Pumpe in einem Abkühlmodus befindet, wird in Schritt 188 die Abkühlroutine eingeleitet, die weiter unten näher beschrieben wird. Falls sich die Pumpe nicht im Abkühlmodus befindet, dann ist sie entweder eingeschaltet (im Temperatursteuerungsmodus) oder ausgeschaltet (AUS), und die maximale RPM ist auf den kleineren Wert der RPM-Zuteilung und der maximalen RPM für diese Pumpe oder auf einen konstanten Wert von typischerweise 100 rpm, aber nicht niedriger als ein minimaler RPM-Wert gesetzt, wie in Schritt 190 beschrieben, und die Pumpenregelschleife wird in Schritt 194 verlassen.
Fig. 13 zeigt die Pumpen-Abkühlroutine. Bezug nehmend auf Fig. 12 und 13 geht die Steuerung, falls sich die Pumpe in einem Abkühlmodus befindet, in Schritt 188 in die Abkühlroutine über. Die Abkühlroutine wird in Schritt 400 eingeleitet, und in Schritt 402 wird geprüft, ob die Temperatur der zweiten Stufe T2 kleiner als 17 K ist. Falls die Temperatur niedriger als 17 K ist, dann wird in Schritt 404 überprüft, ob die Temperatur der ersten Stufe T1 kleiner als 0,5 K über einem T1-Sollwert von typischerweise 100 K liegt. T1 wird auf die normal erwartete Betriebstemperatur eingestellt. Falls die Temperatur T1 ausreichend kalt ist, dann ist die Abkühlung abgeschlossen, wie in Schritt 406 dargestellt, und die Abkühlroutine wird in Schritt 422 verlassen.
Falls die Temperatur der zweiten Stufe T2 nicht kleiner als 17 K ist, dann wird in Schritt 406 geprüft, ob die Temperatur der zweiten Stufe T2 kleiner als 40 K ist. Falls die Temperatur der zweiten Stufe T2 kleiner als 40 K ist, oder falls die Temperatur der ersten Stufe T1 nicht kleiner als 0,5 K über dem T1-Sollwert in Schritt 404 ist, dann wird in Schritt 408 geprüft, ob die RPM-Zuteilung größer als 72 rpm ist. Falls die RPM-Zuteilung größer als 72 rpm ist, dann wird sie in Schritt 410 auf 72 rpm eingestellt. Somit wird die RPM-Zuteilung auf 72 rpm begrenzt, wenn die Temperatur der zweiten Stufe T2 niedriger als 40 K ist oder wenn die Temperatur der zweiten Stufe niedriger als 17 K ist, aber die Temperatur der ersten Stufe T1 noch nicht unter den T1-Sollwert + 0,5 K gefallen ist.
In Schritt 412 wird geprüft, ob die berechnete RPM-Zuteilung größer als eine maximale RPM ist. Falls dies der Fall ist, dann wird die aktuelle RPM-Zuteilung auf die maximale RPM gesetzt, wie in Schritt 414 dargestellt, und die Abkühlroutine wird in Schritt 422 verlassen. Falls die RPM-Zuteilung in Schritt 412 nicht größer als die maximale RPM ist, dann wird in Schritt 416 geprüft, ob sie niedriger als die minimale RPM ist. Falls sie niedriger als die minimale RPM ist, dann wird die RPM-Zuteilung in Schritt 420 auf die minimale RPM eingestellt, ansonsten wird sie in Schritt 418 auf die RPM-Zuteilung eingestellt. Die Abkühlroutine wird in Schritt 422 verlassen.
Zurück zu Fig. 12 zeigt Schritt 178 die Kompressor-Prüfroutine. Fig. 14 zeigt die Kompressor-Prüfroutine in mehr Einzelheiten. Bezug nehmend auf Fig. 12 und 14 wird die Kompressor-Prüfroutine in Schritt 430 eingeleitet. Der Hauptzweck der Kompressor- Prüfroutine liegt darin, zu bestimmen, ob die Kompressoren funktionieren, und die Pumpen herunterzufahren, falls sie nicht in Betrieb sind. In Schritt 432 werden Vorgabewerte für den Eingangsdruck P_Eingang, den Ausgangsdruck P_Ausgang und die Heliumzuteilung bestimmt. Typische Vorgabewerte sind P_Eingang = 400 psi, P_Ausgang = 200 psi und Heliumzuteilung = minimales Helium, falls sich die Pumpe im Abkühlmodus befindet, und Heliumzuteilung = vorheriger Wert der Heliumzuteilung, falls sich die Pumpe im Temperatursteuerungsmodus befindet.
In Schritt 434 wird geprüft, ob die Kompressor-Prüfroutine während einer vorherigen Iteration durch die Pumpensteuerungs-Regelschleife eingeleitet wurde. Eine Kompressionsprüfung löst einen Testzeitgeber aus, der asynchron zu der Pumpensteuerroutine läuft. Demzufolge treten typischerweise während der Kompressor- Prüfroutine mehrere Iterationen auf, wenn die Pumpe über das Testintervall hinweg überwacht wird. Falls die Kompressor-Prüfroutine nicht läuft, wird in Schritt 436 geprüft, ob der Motor der Pumpe eingeschaltet ist. Falls er nicht eingeschaltet ist, wird die Kompressor-Prüfroutine in Schritt 454 verlassen. Falls der Pumpenmotor eingeschaltet ist, wird in Schritt 438 geprüft, ob sich die Pumpe in einem Regenerationsmodus befindet. Falls sie sich im Regenerationsmodus befindet, dann wird die Kompressor-Prüfroutine in Schritt 454 verlassen.
Falls sich die Pumpe nicht im Regenerationsmodus befindet, dann wird der aktuelle Betriebsmodus (Abkühlen oder Temperatursteuerung) aufgezeichnet und ein Testzeitgeber wird gesetzt, wie in Schritt 440 gezeigt. Die folgende Iteration durch die Kompressor-Prüfroutine wird in Schritt 434 anzeigen, dass die Kompressor-Prüfroutine läuft, und in Schritt 442 wird geprüft, ob die Testzeit abgelaufen ist. Die Testzeit dient der Überwachung des Systems für einen Normalbetrieb während eines vorgegebenen Zeitintervalls. Falls die Testzeit noch nicht abgelaufen ist, dann wird die Kompressor- Prüfroutine in Schritt 454 verlassen, um die nächste Iteration abzuwarten. Falls die Testzeit abgelaufen ist, dann wird in Schritt 444 eine Prüfung für einen Abkühlmodus durchgeführt. Falls sich die Pumpe nicht im Abkühlmodus befindet, dann wird in Schritt 448 geprüft, ob die Temperatur der zweiten Stufe T2 über einen vorgegebenen Schwellenwert gestiegen ist. In einem besonderen Ausführungsbeispiel beträgt dieser Schwellenwert 25 K. Falls die Pumpe sich nicht über den vorgegebenen Schwellenwert erwärmt hat, dann wird in Schritt 450 der Kompressor als eingeschaltet bestimmt und die Pumpe bleibt in Betrieb. Falls sich die Pumpe nicht im Abkühlmodus befindet, dann wird in Schritt 446 geprüft, ob die Abkühlrate während des Testzeitintervalls größer als eine vorgegebene Rate von beispielsweise 1 K pro Minute ist. Falls die Abkühlrate nicht größer als 1 K pro Minute ist oder die Temperatur der zweiten Stufe T2 über 25 K gestiegen ist, dann wird in Schritt 452 der Kompressor als ausgeschaltet bestimmt und die Pumpe wird heruntergefahren. Die Steuerung geht dann zu Schritt 454 und die Kompressor-Prüftoutine wird bis zu der nächsten Iteration verlassen.
Zurück zu Fig. 8 kann der DPH-Zustand 128 auch benutzt werden, um mit Situationen außer den normalen Betriebsbedingungen umzugehen. Dies kann zum Beispiel durch eine übermäßige Wärmebelastung im Vakuumsystem oder durch einen Leistungsverlust einer Pumpe oder eines Kompressors vorkommen. Der Hauptzweck des DPH-Zustands 128 liegt darin, Helium den wichtigsten Pumpen des Systems zuzuteilen und gleichzeitig solche von weniger Wichtigkeit zu vernachlässigen. In manchen Fällen sollte eine Pumpe vollständig heruntergefahren werden, um eine Verwendung des Heliums an anderer Stelle zu ermöglichen.
Der Systembenutzer muss die DPH-Funktion freigeben und die relative Wichtigkeit jeder Pumpe definieren. Zum Beispiel besteht bei einem speziellen Ausführungsbeispiel ein Sputter-System aus zwei Nutzlastkammern, einer Pufferkammer, einer Überführungskammer und vier oder mehr mit der Überführungskammer verbundenen Prozesskammern. Eine Prozesskammerpumpe kann das Prioritätsniveau 3, die Überführungskammer- Pumpe das Prioritätsniveau 2 und die Pufferkammerpumpe das Prioritätsniveau 1 erhalten. Eine Prozesskammer ohne Wafer darin kann auf das Prioritätsniveau 4 gesetzt werden. Falls ein Fehler im System auftritt, der den Heliumverbrauch über den Bedarf steigen lässt, bestimmt die Steuerung, ob irgendeine der Prozesskammern keinen Wafer darin hat und teilt ihr so das Prioritätsniveau 3 oder 4 zu. Einer Prozesskammer ohne Wafer wird die Heliumzuteilung reduziert oder die Pumpe kann abgeschaltet werden, um die anderen Kammern in Betrieb zu halten. Ein Teil des Hierarchiesystems erlaubt es dem System einen "Soft Crash" zu haben. Dies bedeutet, dass Wafer in einem schlechter werdenden System Zeit haben, um ihre Bearbeitung zu beenden und aus den Prozesskammern durch die Überführungskammer in die Pufferkammer heraus und zurück in die Nutzlastkammern geführt zu werden, wenn die Pumpen hinter ihnen abgeschaltet werden. Die Überführungszeit für einen solchen Prozess kann in der Größenordnung von ein bis drei Minuten liegen. Der DPH-Zustand 128 schaltet zuerst nacheinander die Pumpen des Prioritätsniveaus 4 aus, dann die des Prioritätsniveaus 3, usw. Wenn der Fehlerzustand nicht mehr vorhanden ist, können die Pumpen wieder eingeschaltet werden.
Eine Annahme vor der Einleitung des DPH-Zustands 128 besteht darin, dass ein überschüssiger Heliumdurchsatz nicht länger in dem System zur Verfügung steht und sich deshalb das System nicht mehr im Verteilung je Bedarf - Zustand 124 befindet. Einige Pumpen können mit ihrer Heliumzuteilung akzeptabel arbeiten, aber wenigstens eine Pumpe hat mehr Helium angefordert, welches nicht zur Verfügung steht. Ein weiterer Betrieb resultiert in der Erwärmung einer oder mehrerer Pumpen. Die Verwendung der vorgegebenen Hierarchie durch den DPH-Zustand 128 erlaubt es der VNC, die wichtigsten Pumpen kalt zu halten, während die anderen Pumpen geopfert werden.
Während drei von fünf Prioritätsniveaus für ein spezielles Ausführungsbeispiel typisch sind, lässt der DPH-Zustand 128 den Benutzer die Anzahl der Prioritätsniveaus definieren, einschließlich eines Niveaus für jede Pumpe an dem Verteiler.
Die Zentralsteuerung kann die Prioritäten basierend auf solchen Ausgaben wie dem Vorhandensein oder der Abwesenheit eines Wafers dynamisch zuteilen. Der Benutzer kann auch wünschen, in einer speziellen Kammer das Vakuum aufrechtzuerhalten, bis eine Bedingung erfüllt ist, wie beispielsweise das Abkühlen einer sehr heißen Befestigung. Benutzer können vorprogrammieren, ob eine Pumpe vollständig heruntergefahren werden darf oder ob ihr eine minimale Heliummenge zugeteilt werden muss. Falls Pumpen das gleiche Prioritätsniveau zugeteilt worden ist, wird die VNC willkürlich eine Pumpe auf diesem Niveau auswählen, um sie herunterzufahren oder ihr eine neue Heliumzuteilung zuzuweisen. Der Betrieb anderer Pumpen des gleichen oder höheren Niveaus kann erforderlich sein, bis die Systemstabilität erreicht ist.
Die VNC kann auch während einer Pumpenabkühlung in den DPH-Zustand eintreten. Bei manchen Maschinen kann es wünschenswert sein, sicherzustellen, dass eine oder mehrere Pumpen zuerst ihre Temperatur einstellen. Diesen Pumpen kann unter Verwendung einer Logik eine Priorität vergeben werden, um diesen Pumpen während des Abkühlens im Vergleich zu anderen Pumpen eine höhere Zuteilung zu gewähren.
Die VNC akzeptiert Hierarchiezuordnungen von dem Zentralcomputer und speichert sie. Im Fall eines Problems während der Freigabe des DPH-Zustands verwendet die VNC die aktuell zugeordneten Prioritäten, um die Pumpen zu steuern. Eine Änderung der Prioritätsniveaus durch die Hauptsteuerung wird durch die VNC akzeptiert, während der DPH-Zustand in Betrieb ist, um mit schnell veränderlichen Situationen umgehen zu können.
In einem weiteren speziellen Ausführungsbeispiel verwendet das Helium-Verteilungssteuerungssystem drei Steuermodi, wie in Fig. 15 dargestellt. Dieses System verwendet einen Differenzdruck DP, um den Steuermodus zu bestimmen. Bezugnehmend auf die Fig. 1b und 15 ist der Differenzdruck der Druckunterschied zwischen der Hochdruck- Zufuhrleitung 46 und der Niederdruck-Auslassleitung 48. In einer typischen Kryopumpe ist die Hochdruck-Zufuhrleitung 46 auf etwa 400 psi eingestellt, und die Niederdruck- Auslassleitung 48 ist bei etwa 200 psi eingestellt. Der Differenzdruck ist der Unterschied zwischen diesen zwei Leitungen und beträgt typischerweise etwa 200 psi. In extremen Situationen kann, falls viele Kryopumpen Helium mit einem hohen Durchsatz verbrauchen, der Differenzdruck unter einen kritischen Schwellenwert fallen, wodurch die Kühlkapazität stark nachzulassen beginnt. Es ist eine Aufgabe des vorliegenden Systems, zu verhindern, dass der Differenzdruck auf den kritischen Schwellenwert fällt.
In dem in Fig. 15 dargestellten System werden die Steuermodi wie folgt bestimmt: bei einem Differenzdruck von etwa 190 bis 205 psi liegt ein Normalmodus vor; bei einem Differenzdruck unterhalb von 190 psi liegt ein Unterdruckmodus vor; und bei einem Differenzdruck von über 205 psi liegt ein Überdruckmodus vor. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Bereiche nur ungefähre Angaben sind und in einem tatsächlichen System angepasst werden können, um andere Bereiche des Differenzdrucks entsprechend den Steuermodi vorzusehen.
Weiter Bezug nehmend auf Fig. 15 zeigt ein Flussdiagramm die Funktionsweise des Helium-Verteilungssteuerungssystems mit den drei Steuermodi: Normal, Überdruck und Unterdruck. Wenn der Differenzdruck außerhalb von 190 psi und 205 psi bzw. außerhalb des Normalmodus liegt, werden die Drehzahlen der Antriebsmotoren der Verdrängungskolben so gesteuert, dass sie versuchen, das System zurück in einen Normalmodus zu bringen. Jede der Kryopumpen besitzt einen Temperatur-Sollwert. Der Sollwert der Kryopumpe ist diejenige Temperatur, welche der Antriebsmotor des Verdrängerkolbens versucht, während normaler Kryopumpentemperaturen einzustellen. Eine Reduzierung des Sollwerts hat den Effekt der Erhöhung der Drehzahl des Antriebsmotors des Verdrängerkolbens, um mehr Helium zu verbrauchen und die Temperatur der Kryopumpe zu verringern. Analog lässt eine Erhöhung des Sollwertes die Kryokälteanlage erwärmen, was die Drehzahl des Antriebsmotors des Verdrängerkolben verringert und deshalb weniger Helium verbrauchen lässt. Der Sollwert wird intern durch die Kryopumpe benutzt, um die Drehzahl des Antriebsmotors des Verdrängerkolbens zu variieren, um die Temperatur der ersten Stufe des Kühlfingers unter Verwendung der Regelschleife oder anderer elektronischer Steuermechanismen in der Kryopumpe auf den Sollwert anzupassen. Weiter haben der Sollwert und die Drehzahl des Antriebsmotors des Verdrängerkolbens beide einen Betriebsbereich, über den die Motordrehzahl und der Sollwert nicht weiter modifiziert werden können.
Insbesondere läuft in Schritt 300 ein Aufrufintervall ab und das System beginnt einen weiteren Prüfzyklus. In Schritt 302 wird geprüft, ob sich das System derzeit im Überdruckmodus befindet. Falls sich das System nicht im Überdruckmodus befand, dann wird in Schritt 304 geprüft, ob sich das System im Unterdruckmodus befindet. Falls sich das System nicht im Unterdruckmodus befindet, dann wird in Schritt 306 geprüft, ob der Differenzdruck größer als 205 psi ist. Falls der Differenzdruck nicht größer als 205 psi ist, dann wird in Schritt 308 geprüft, ob der Differenzdruck kleiner als 190 psi ist. Falls der Differenzdruck nicht kleiner als 190 psi ist, dann geht die Steuerung zurück zu Schritt 310 bis das nächste Aufrufintervall abläuft. Die gestrichelte Linie 312 umreißt die Abfolge der Bestimmung des normalen Betriebsmodus, wie gerade beschrieben. Diese Iteration wird wiederholt bis der Differenzdruck außerhalb von 190 psi bis 205 psi liegt, wie nachfolgend beschrieben.
Das System von Fig. 15 dient der Erniedrigung von Temperatursollwerten und der Erhöhung der Motordrehzahlen bei 314, falls der Differenzdruck größer als 205 psi ist. Die Temperatursollwerte werden erhöht und die Motordrehzahl wird verringert bei 322, falls der Differenzdruck unter 190 psi fällt. Nach einer Veränderung wird das System für eine Zeit in einen Überdruck- oder einen Unterdruckmodus gesetzt, in der weitere Veränderungen nicht erlaubt sind, um eine Stabilisierung des Systems zu ermöglichen.
Nach Schritt 306 tritt dann, falls der Differenzdruck größer als 205 psi ist, die Möglichkeit einer Überdruckbedingung ein. Eine Überdruckbedingung gibt überschüssiges Helium im System an. Die gestrichelte Linie 314 stellt allgemein die Überdruck-Korrekturschritte dar. Um das überschüssige Helium zu nutzen, wird der Sollwert aller Kryopumpen, die sich nicht im Abkühlmodus befinden, und die in Betrieb sind, in Schritt 316 um 2 K gesenkt. Die Drehzahl des Antriebsmotors irgendeiner Kryopumpe im Abkühlmodus wird in Schritt 318 um 15 rpm erhöht. Der Systemmodus wird auf den Überdruckmodus gesetzt, um anzuzeigen, dass eine überschüssige Helium- Kältemittelkapazität existiert, die genutzt werden kann, wie in Schritt 320 dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass es einen minimalen und einen maximalen Schwellenwert für die Drehzahl des Antriebsmotors gibt, wie weiter unten beschrieben, welche die Drehzahl des Antriebsmotors innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs halten.
Falls in Schritt 308 der Differenzdruck niedriger als 190 psi ist, dann tritt die Möglichkeit einer Unterdruckbedingung ein. Eine Unterdruckbedingung zeigt einen Mangel an Helium im System an. Die gestrichelte Linie 322 stellt allgemein die Schritte zur Korrektur einer Unterdruckbedingung dar. Um Helium zu sparen, wird der Sollwert aller Kryopumpen, die sich nicht im Abkühlmodus befinden, um 2 K erhöht, wie in Schritt 324 gezeigt. Die Drehzahl des Antriebsmotors der Kryopumpen im Abkühlmodus wird in Schritt 326 um 15 rpm gesenkt. Eine Verringerung der Drehzahl der Antriebsmotoren der Kryopumpen in einem Abkühlmodus verlängert die Abkühlzeit, aber gibt überschüssiges Helium frei, um die Unterdruckbedingung zu korrigieren und die Pumpen bei normalen Kryopumpentemperaturen arbeiten zu lassen, um den Betrieb fortzusetzen. Der Systemmodus wird in Schritt 328 auf den Unterdruckmodus gesetzt, um anzugeben, dass eine Unterdruckbedingung existiert.
Falls in Schritt 304 oben eine Unterdruckbedingung bereits existiert, wird in Schritt 330 geprüft, ob der Unterdruckmodus länger als eine Minute angehalten hat. Wenn der aktuelle Unterdruckmodus nicht länger als eine Minute angedauert hat, kehrt die Steuerung zu Schritt 310 zurück, um das nächste Aufrufintervall abzuwarten, um eine Zeitverschwendung des Systems zu vermeiden. Falls der aktuelle Unterdruckmodus länger als eine Minute angedauert hat, dann wird in Schritt 332 geprüft, ob der aktuelle Differenzdruck DP geringer als der Differenzdruck ist, der die Einleitung des Unterdruckmodus verursacht hat. Falls er unter dem bei der vorherigen Einleitung des Unterdruckmodus liegt, dann sollte das System gestartet werden um den Differenzdruck zu erhöhen, ansonsten besteht die Notwendigkeit für eine aggressivere Heliumverteilung. Falls der Differenzdruck DP nicht unter dem bei der Einleitung des Unterdruckmodus liegt, dann wird im Schritt 334 geprüft, ob der aktuelle Unterdruckmodus zehn Minuten andauert. Falls nicht, kehrt die Steuerung zu Schritt 310 zurück, um das nächste Aufrufintervall abzuwarten. Dem System bleiben deshalb zehn Minuten, um in einen normalen Differenzdruckbereich zurückzukehren, bevor eine aggressivere Heliumverteilung durchgeführt wird.
Falls der Differenzdruck weiter fällt oder falls seit der Einleitung des Unterdruckmodus zehn Minuten vergangen sind, verlässt das System in Schritt 336 den Unterdruckmodus. Der Unterdruckmodus wird verlassen, so dass weitere Korrekturfunktionen im nächsten Aufrufintervall vorgenommen werden können, wie weiter unten beschrieben. Die Steuerung kehrt zu Schritt 310 zurück, und bei dem nächsten Aufrufintervall wird die Prüfung in Schritt 304 angeben, dass sich das System nicht im Unterdruckmodus befindet. Demgemäss wird die Überprüfung des Differenzdrucks in Schritt 308 angeben, dass der Differenzdruck noch unter 190 psi liegt, und die Unterdruckvorgänge 324, 326 und 328 werden wie oben beschrieben wiederholt.
Falls in dem obigen Schritt 302 bereits eine Überdruckbedingung existiert, dann wird in Schritt 338 geprüft, ob der aktuelle Überdruckmodus länger als zehn Minuten andauert. Falls nicht, kehrt die Steuerung zu Schritt 308 zur Prüfung des niedrigen Differenzdrucks zurück. Falls der aktuelle Überdruckmodus länger als zehn Minuten angedauert hat, dann verlässt das System in Schritt 340 den Überdruckmodus und kehrt zu Schritt 300 zurück, um das nächste Aufrufintervall abzuwarten. Das System fällt aus dem Überdruckmodus, um die Überdruckkorrekturprüfung auszulösen. Beim nächsten Aufrufintervall in Schritt 300 geht die Prüfung des Überdruckmodus in Schritt 302, da der Überdruckmodus nicht länger eingestellt ist, weiter zu Schritt 306. Falls der Differenzdruck noch größer als 205 psi ist, werden die Überdruckvorgänge der Schritte 316, 318 und 320 wie oben beschrieben wiederholt.
In einem weiteren speziellen Ausführungsbeispiel gibt es in der Steuerung vier Steuerzustände der Heliumverteilung, die weiter unten beschrieben werden, und drei Betriebsmodi, d. h. den Einstellmodus, den Normalmodus und den Abkühlmodus. Der Einstellmodus findet während der Initialisierung des Systems statt, um zu bestimmen, welche Kompressoren und Kryopumpen mit dem System verbunden sind. Der Abkühlmodus gibt an, dass eine oder mehrere Kryopumpen eine Abkühlfunktion durchführen. Der Normalmodus tritt ein, wenn das System gestartet ist und alle Kryopumpen eine anfängliche Abkühlung beendet haben.
Jede der mit dem System verbundenen Kryopumpen hat auch drei Heliumverteilungs- Betriebsmodi, die der Steuerung berichtet werden. Ein Temperatursteuerungs-(TC-) Modus gibt an, dass die Kryopumpe durch die Steuerung gesteuert wird. Ein Abkühl- (CD-) Modus gibt an, dass die Kryopumpe einen Abkühlbetrieb durchführt. Ein Aus- Modus gibt an, dass die Pumpe Helium frei verbrauchen darf, da der Antriebsmotor mit maximaler Drehzahl laufen kann.
Die vier Steuerzustände des Helium-Verteilungssteuerungssystems geben jeweils allgemein einen Bedarf für eine aggressivere Heliumverteilung an. Die Betriebsmodi sind ähnlich den in dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschriebenen Steuermodi. Ein Normalzustand erlaubt einen unregulierten Heliumverbrauch durch alle Kryopumpen 10 in dem System. Ein Grenzprüfzustand tritt ein, wenn eine Pumpe den durch die Steuerung berechneten maximalen Verbrauch erreicht. Ein Verteilung je Bedarf - Zustand tritt ein, wenn eine Pumpe, die eine minimale Versorgung berichtete, nach einer vorgegebenen Schwellenzeit nach wie vor einen Heliummangel zeigt. Ein Verteilung je Bedarf - Zustand bewirkt eine Umverteilung überschüssigen Heliums im System oder eine Reduzierung des Parameters der maximalen Heliumzufuhr für jede Kryopumpe, falls kein Überschuss existiert. Falls alle Pumpen einen Heliummangel berichten, ordnet ein Verteilung je Hierarchie - Zustand Helium den kritischen Kryopumpen nach einer vorgegebenen Hierarchie durch Reduzieren von Helium bei den weniger kritischen Pumpen, die warm werden dürfen, zu.
Die Kryopumpen weisen auch einen Helium-Verbrauchszustand auf. Ein OK-Zustand gibt an, dass die Kryopumpe weniger als 95% des Parameters der maximalen Heliumzufuhr verbraucht. Ein APPROACHING-Zustand gibt an, dass die Kryopumpe mehr als 95% des Parameters der maximalen Heliumzufuhr verbraucht. Ein LIMIT-Zustand gibt an, dass die Kryopumpe Helium gleich dem Parameter des maximalen Heliumverbrauchs verbraucht. Der Helium-Verbrauchszustand wird benutzt, um zu bestimmen, ob eine Kryopumpe die maximale Menge Helium, die zur Beibehaltung der Kryopumpentemperaturen benötigt wird, verbraucht und deshalb am Schwellwert des Erwärmens liegt. Der APPROACHING-Zustand wird nicht benutzt, um eine Heliumverwaltungssteuerung zu bestimmen, aber er kann von einem Operator als Zusatzinformation beobachtet werden.
Die Fig. 16a bis 16c zeigen ein Flussdiagramm einer Helium-Verteilungssteuerung in der in Fig. 2 dargestellten Steuerung 12 in mehr Einzelheiten. Bezug nehmend auf Fig. 16a findet in Schritt 610 eine Initialisierung und Einstellung statt. Die Initialisierung und Anfangseinstellung bestimmt alle Kompressoren 16 und Kryopumpen, die mit einem gemeinsamen Verteiler 18 verbunden sind. Wie oben angegeben, sendet in Schritt 610 jede Kryopumpe ein in der Steuerung zu speicherndes Signal, das die Größe einer Kryokälteanlage, eine minimale Heliumzufuhr, eine Helium-Verbrauchsrate und eine Abkühlzeit angibt. Die Steuerung empfängt auch die von jedem Kompressor 16 zur Verfügung stehende Heliumzufuhr. Falls unzureichend Helium vorhanden ist, um wenigstens die minimale Heliumzufuhr für jede Pumpe zu leisten, wird der Betrieb beendet. Eine Helium-Anfangsverteilung wird basierend auf einer Proportionalverteilung entsprechend einer Kryopumpengröße berechnet, und ein Signal des maximalen Heliumverbrauchs wird an jede Kryopumpe geschickt. Die Steuerung kann auch die Anfangsparameter, die eine Verteilungshierarchie angeben, wie unten beschrieben, und weitere Betriebsparameter und Vorgabewerte lesen.
Die Steuerung beginnt dann eine Regelschleife, in der sie von jeder Kryopumpe periodische Eingaben empfängt. Parametersignale, die Betriebsparameterdaten angeben, werden von jedem der Sensoren 14 empfangen, und in Schritt 612 wird geprüft, ob die empfangenen Daten gültig sind. Die Steuerung kehrt zu Schritt 612 zurück, bis gültige Daten vorliegen. In Schritt 614 wird geprüft, ob der Verteilung je Bedarf - Zustand aktiv ist. Der Verteilung je Bedarf - Zustand kann aktiv sein, falls ein vorheriger Verteilung je Bedarf - Zustand ausgelöst wurde, wie weiter unten anhand von Fig. 16c näher beschrieben.
Falls der Verteilung je Bedarf - Zustand nicht aktiv ist, dann wird in Schritt 616 geprüft, ob der Grenzwertprüfzustand aktiv ist. Der Grenzwertprüfzustand kann aktiv sein, falls eine vorherige Grenzwertüberprüfung positiv war. Falls der Grenzwertprüfzustand aktiv ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 620 zurück, die weiter unten anhand von Fig. 16b näher beschrieben wird. Falls der Grenzwertprüfzustand nicht aktiv ist, dann wird in Schritt 618der aktuelle Verbrauchszustand für jede Kryopumpe überprüft. Für jede Pumpe, die sich nicht in einem Abkühlmodus befindet, wird die aktuelle Verbrauchsrate gegen den maximalen Heliumverbrauch für diese Kryopumpe überprüft, um zu bestimmen, ob ein Grenzwert erreicht worden ist. Alternativ kann der Grenzwert ein Prozentsatz des maximalen Heliumverbrauchs, wie beispielsweise 90% sein, um das System in einer konservativeren Weise laufen zu lassen. Falls der Grenzwert durch eine oder mehrere Kryopumpen erreicht worden ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 620 zurück, wie weiter unten anhand von Fig. 16b näher beschrieben.
Falls der Grenzwert nicht erreicht ist, dann wird in Schritt 622 geprüft, ob irgendeine der Kryopumpen sich im Abkühlmodus befindet. Falls sich keine der Kryopumpen im Abkühlmodus befindet, wird der Systemmodus in Schritt 626 auf Normalmodus gesetzt, und die Steuerung kehrt für die nächste Iteration der Regelschleife zu Schritt 612 zurück.
Falls sich irgendeine der Kryopumpen im Abkühlmodus befindet, wird der Systemmodus in Schritt 624 auf Abkühlen gesetzt. Nach einer Regeneration oder während einer Initialisierung des Systems findet ein Abkühlbetrieb statt und bringt die Kryokälteanlage nach einer Erwärmung zurück auf normale Betriebstemperaturen. Ein Abkühlmodus verbraucht mehr Helium als ein Normalmodus. Demzufolge wird das System dann auf mehr Helium überprüft, als im Helium-Umverteilungszustand. Die Heliumgrenze für alle Pumpen nicht im Abkühlmodus wird berechnet und aufsummiert, um einen überschüssigen Heliumwert zu bestimmen, wie in Schritt 686 offenbart. Es wird dann in Schritt 688 für die Kryopumpen im Abkühlmodus ein vorübergehender Maximalwert des Heliumverbrauchs berechnet. Falls sich mehrere Kryopumpen im Abkühlmodus befinden, wird der vorübergehende Maximalwert des Heliumverbrauchs proportional entsprechend der Größe der Kryokälteanlage jeder Kryopumpe verteilt, wie zum Beispiel durch die weiter unten unter Bezug auf Fig. 17b beschriebene Gleichung. Die Steuerung kehrt dann für die nächste Iteration der Regelschleife zu Schritt 612 zurück.
Wie oben erwähnt, wird in Schritt 620 der Grenzwertprüfzustand eingeleitet. Bezug nehmend auf Fig. 16b, wird in Schritt 630 geprüft, ob der Grenzwertprüfzustand derzeit aktiv ist. Falls er zuvor nicht aktiv war, wird in Schritt 632 die Zeit als Anfangszeit der aktuellen Grenzwertprüfung markiert, und in Schritt 634 wird der Systemzustand in die Grenzwertprüfung gesetzt. Falls der Grenzwertprüfzustand bereits läuft, was angibt, dass das System sich bereits in einem Grenzwertprüfzustand befindet, dann wird in Schritt 636 eine Zeitzuschreibung als fortlaufender Grenzwertprüfzustand aufgezeichnet. Wieder zurück zu Fig. 16a wird eine Prüfung durchgeführt, ob der aktuelle Grenzwertprüfzustand länger als eine vorgegebener Grenzwertprüfzustand-Schwellenzeit andauert. In einem speziellen Ausführungsbeispiel wird in Schritt 638 geprüft, ob der aktuelle Grenzwertprüfzustand länger als vier Minuten angedauert hat. Falls sich das System nicht länger als vier Minuten in einem Grenzwertprüfzustand befunden hat, dann wird der Grenzwertprüfzustand in Schritt 638 verlassen, und die Steuerung geht zu der Prüfung des Abkühlmodus in Schritt 622. Falls sich das System länger als vier Minuten in einem Grenzwertprüfzustand befunden hat, dann geht die Steuerung weiter zu der weiter unten beschriebenen Helium-Umverteilungsroutine, wie sie in Schritt 650 offenbart ist. Auf diese Weise kann das System vier Minuten in einem Grenzwertprüfzustand verbleiben, um eine Korrektur durchzuführen, bevor eine aggressivere Heliumverteilung verfolgt wird.
Wie oben beschrieben, geht in Fig. 16a nach den Schritten 614 und 638, falls eine Helium-Umverteilung angezeigt wird, die Steuerung in Schritt 650 zu einer Helium- Umverteilungsroutine, wie sie in Fig. 16c dargestellt ist. Bezug nehmend auf Fig. 16a und 16c wird in Schritt 652 überprüft, warum der Helium-Umverteilungszustand eingeleitet worden ist. Falls der Helium-Umverteilungszustand nicht bereits aktiv war, muss dann eine neue Helium-Umverteilungsberechnung eintreten, weil sich ein vorheriger Grenzwertprüfzustand nicht selbst innerhalb von vier Minuten korrigiert. In Schritt 662 wird geprüft, ob irgendeine Pumpe einen Helium-Verbrauchszustand OK berichtet. Falls wenigstens eine Pumpe OK und nicht LIMIT berichtet, wird unter Verwendung der weniger aggressiven Verteilung je Bedarf - Berechnung eine Helium-Umverteilung durchgeführt. In diese Zusammenhang verbraucht eine der Kryopumpen Helium gleich dem maximalen Verbrauchswert und erwärmt sich, sofern nichts unternommen wird. Der Systemzustand wird in Schritt 664 auf Verteilung je Bedarf gesetzt, und die Steuerung überprüft den Satz Betriebsparameter für jede Kryopumpe. Die Betriebsparameter enthalten den aktuellen Heliumverbrauch, den maximalen Heliumverbrauch, den Helium- Verbrauchszustand (OK, APPROACHING oder LIMIT) und den Kryopumpen- Betriebsmodus TC (Temperatursteuerung), CD (Abkühlen) oder AUS und eine Abkühlbeendigungszeit, falls der Betriebsmodus CD war.
Aus den Betriebsparametern für jede Pumpe wird eine mittlere Heliumgrenze berechnet, die den Unterschied zwischen dem aktuellen Heliumverbrauch und dem für jede Pumpe erlaubten Maximalverbrauch angibt, wie in Schritt 666 dargestellt. Die mittlere Heliumgrenze, die überschüssiges Helium im System anzeigt, wird in Schritt 668 benutzt, um einen maximalen Verbrauchswert für jede Pumpe gemäß den folgenden Gleichungen zu berechnen:

Heliumgrenze = maximaler Verbrauch - aktueller Verbrauch

mittlere Grenze = Σ(Heliumgrenze)/Anzahl der Kryopumpen

max. Heliumverbrauch einer Kryopumpe = aktueller Verbrauch + mittlere Grenze

neuer max. Heliumgesamtverbrauch des Systems = Σ(max. Heliumverbrauch)

neuer max. Heliumverbrauch einer Kryopumpe = max. Verbrauch + (zur Verfügung stehendes Helium des gesamten Systems - max. Heliumgesamtverbrauch) / Anzahl der Kryopumpen
Deshalb wird überschüssiges Helium durch Setzen eines neuen maximalen Verbrauchs für jede Kryopumpe basierend auf dem gesamten zur Verfügung stehenden Helium aus dem gemeinsamen Verteiler und dem derzeitigen maximalen Gesamtverbrauch aller Kryopumpen verteilt. Ein Zeitstempel der Zeit der Neuzuordnung wird in Schritt 670 geschrieben. Die Steuerung geht dann in Schritt 658 zu der Abkühlprüfung von Schritt 622 in Fig. 16a zurück.
Falls der Verteilung je Bedarf - Zustand bereits aktiv war, dann wird in Schritt 654 ein Zeitstempel für einen weiter laufenden Helium-Umverteilungsvorgang aufgezeichnet. In Schritt 656 wird geprüft, ob seit dem Eintritt des Verteilung je Bedarf - Zustandes mehr als ein vorgegebener Umverteilungs-Zeitschwellenwert verstrichen ist. In dem speziellen dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der vorgegebene Umverteilungs-Zeitschwellenwert zehn Minuten. Falls der aktuelle Verteilung je Bedarf - Zustand nicht zumindest zehn Minuten in Kraft gewesen ist, dann geht die Steuerung in Schritt 658 zurück zu der Hauptregelschleife in der Abkühlungsprüfung 622 (Fig. 16a). Falls der Helium- Umverteilungsmodus wenigstens zehn Minuten in Betrieb war, dann wird unterstellt, dass die Umverteilung das Helium wirksam umverteilt hat, und das System wird in Schritt 660 in den Normalzustand gesetzt, so dass die Hauptregelschleife in Fig. 16a weiter in regelmäßigen Intervallen überwachen kann. Auf diese Weise sieht jede Iteration durch die Helium-Umverteilungsroutine zehn Minuten für die Auswirkungen der Umverteilung auf das System vor. Falls die Umverteilung nicht aggressiv genug war, wird der Helium- Umverteilungszustand wieder eingeleitet und neu berechnet, um eine aggressivere Heliumverteilung vorzusehen, bis das System den Gleichgewichtszustand erreicht.
Falls keine der Pumpen in Schritt 662 einen Helium-Verbrauchszustand OK berichtet, dann haben alle Pumpen ihre maximale Verbrauchsgrenze erreicht und die Helium- Umverteilung wird unter Verwendung der aggressiveren Verteilung je Hierarchie- Berechnungen durchgeführt. In diesem Zusammenhang berichten keine Pumpen einen Zustand OK, und deshalb befinden sich alle Pumpen im Zustand LIMIT, der angibt, dass kein überschüssiges Helium im System vorhanden ist. Die oben aufgezählten Betriebsparameter werden von jeder Kryopumpe gelesen und verwendet, um einen neuen maximalen Heliumverbrauch zu bestimmen und möglicherweise eine oder mehrere Kryopumpen herunterzufahren.
In Schritt 672 wird der Systemzustand wird auf Verteilung je Hierarchie gesetzt. Der aktuelle Betriebsmodus jeder Pumpe wird in Schritt 674 überprüft. In Schritt 676 wird geprüft, ob irgendeine Pumpe vorhanden ist, die sich nicht im Modus der Temperatursteuerung TC oder des Abkühlens CD befindet. Falls keine der Pumpen im TC- oder CD- Modus ist, werden sie in Schritt 678 in einen dieser Modi gesetzt und die Steuerung geht in Schritt 680 zurück zu Schritt 612 (Fig. 16a), um das nächste Steuerintervall zu erwarten.
Falls sich alle Pumpen entweder im TC- oder im CD-Modus befinden, muss für die Kryopumpen entschieden werden, ob sie sich erwärmen oder sich ihre Abkühlraten verringern sollen. In Schritt 682 wird eine Kryopumpen-Hierarchie gelesen, um zu bestimmen, welche Kryopumpen am kritischsten sind und deshalb eine anhaltende Heliumzufuhr erfahren sollten. Die Kryopumpen-Hierarchie ist eine ortsspezifische Organisation der Priorität der Kryopumpen, die bei Kryopumpentemperaturen beibehalten werden sollte. Die Hierarchie kann basierend auf Aktivitäten in den mit den Kryopumpen verbundenen Vakuumbehandlungskammern dynamisch modifiziert werden. Mit kritischen Prozessen wie beispielsweise einer teuren Halbleiter-Nutzlast beschäftigte Kryopumpen werden typischerweise weiterhin mit Helium versorgt. Die Kryopumpen, die in der Hierarchie als weniger kritisch eingestuft sind, dürfen sich erwärmen oder ihre Abkühlrate verringern. Basierend auf der Hierarchie wird in Schritt 684 für jede Kryopumpe ein neuer maximaler Helium-Verbrauchswert berechnet. Die Steuerung geht dann in Schritt 658 zurück zu Schritt 622 für die Abkühlprüfung.
Die Fig. 17a bis 17c zeigen ein Flussdiagramm des Kryopumpenbetriebs. Bezug nehmend auf Fig. 17a beginnt die Kryopumpen-Regelschleife in Schritt 500. Die von dem Kompressor übertragenen Informationen werden in Schritt 500 auf ihre Gültigkeit überprüft. Die Informationen von dem Kompressor werden mit einem Bereich von normalen Werten verglichen. Falls die gesendeten Informationen außerhalb des Bereichs der normalen Werte liegen, wird in Schritt 502 der Kompressorprüfzustand eingeleitet, um eine Kompressordiagnose durchzuführen. Da ein Kompressor durch das von ihm geförderte Helium gekühlt wird, können Extremwerte einen potentiellen Schadenszustand anzeigen, wie beispielsweise einen Austritt von Helium. Die Kompressor-Prüfroutine bestimmt, ob die Kryopumpen heruntergefahren werden müssen. Falls die Kryopumpen durch die Kompressor-Prüfroutine bereits zuvor heruntergefahren wurden, geht die Steuerung zurück zu Schritt 500 bis das System anzeigt, dass die Kryopumpen wieder den Betrieb aufnehmen können, wie in Schritt 504 dargestellt. Falls die Informationen von dem Kompressor gültig waren, verifiziert die Kryopumpe in Schritt 506, dass sie durch die Kompressor-Prüfroutine nicht zum Herunterfahren angewiesen wurde. Die Kompressor-Prüfroutine wird benutzt, um einen Schaden verursachenden Betrieb des Kompressors ohne Helium zu verhindern, aber auch um ein Herunterfahren einer Pumpe aufgrund eines harmloseren Problems wie beispielsweise eines defekten Sensors zu vermeiden. Falls die Pumpe durch die Kompressor-Prüfroutine zuvor heruntergefahren wurde, wird in Schritt 508 eine Leistungswiederherstellungsroutine aufgerufen um die Pumpe neu zu starten.
Die Kryopumpe berechnet einen Helium-Grenzwert durch Bestimmen des Unterschieds zwischen der aktuellen Verbrauchsrate und dem maximalen Heliumverbrauch von der Steuerung. Die Kryopumpe bestimmt dann basierend auf dem Grenzwert den Helium- Verbrauchsstatus und bestimmt auch den aktuellen Betriebsmodus der Kryopumpe, wie in Schritt 510 offenbart. Die Kryopumpe prüft dann in Schritt 512, ob sie in einen Abkühlmodus gesetzt worden ist. Falls sich die Kryopumpe nicht im Abkühlmodus befindet, wird in Schritt 516 geprüft, ob der Betriebszustand der Pumpe LIMIT ist. Ein Betriebszustand LIMIT tritt ein, wenn die Pumpe Helium gleich dem von der Steuerung gesendeten Parameter des maximalen Heliumverbrauchs verbraucht. Falls der Betriebszustand der Pumpe LIMIT ist, wird wie oben beschrieben ein neuer Parameter des maximalen Heliumverbrauchs berechnet und von der Steuerung zugeführt. In Schritt 518 berechnet und setzt die Kryopumpe die Drehzahl des Antriebsmotors entsprechend dem Parameter des maximalen Heliumverbrauchs. Alternativ weist jede Kryopumpe einen Minimal-Maximal-Betriebsbereich auf, der Vorrang erhält, falls die berechnete Drehzahl des Antriebsmotors außerhalb dieses Bereichs fällt.
Falls die Pumpe in Schritt 512 in einen Abkühlmodus gesetzt wurde, wird in Schritt 514 die Abkühlroutine der Pumpe aufgerufen. Fig. 17b zeigt ein Flussdiagramm eines Abkühlvorgangs. Bezug nehmend auf Fig. 17b wird in Schritt 520 geprüft, ob die Temperatur der zweiten Stufe T2 niedriger als 17 K ist. Falls dies der Fall ist, wird dann in Schritt 522 geprüft, ob die Temperatur der ersten Stufe T1 kleiner als 0,5 K über dem Sollwert ist. Falls die Temperatur der ersten Stufe T1 niedriger als 0,5 K über dem Sollwert ist, dann wird in Schritt 524 der Abkühlvorgang abgeschlossen, und die Steuerung geht bis zu dem nächsten Aufrufintervall zu Schritt 500 zurück.
Wenn die Temperatur der zweiten Stufe T2 größer als 17 K ist oder die Temperatur der ersten Stufe T1 nicht niedriger als 0,5 K über dem Sollwert ist, wird der Abkühlvorgang fortgesetzt und die Kryopumpe kann von einem überschüssigen Helium profitieren. Ein vorübergehender maximaler Heliumverbrauch HeTMax wird für eine Zuteilung des überschüssigen Heliums gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

Systemüberschuss = Σ(Grenzwert Kryopumpe)

HeTMax = HeMax + Systemüberschuss × (Pumpengröße/Σ(Pumpengröße))
Der oben berechnete Gesamtüberschuss wird deshalb unter den Kryopumpen im Verhältnis ihrer Größen aufgeteilt und zu dem aktuellen Parameter des maximalen Heliumverbrauchs HeMax hinzuaddiert, wie in Schritt 526 offenbart. Es wird darauf hingewiesen, dass allen Kryopumpen ein Anteil des Überschusses zugewiesen wird; in alternativen Ausführungsbeispielen kann die Zuweisung des Heliums jedoch auch gemäß einer anderen Formel erfolgen, um überschüssiges Helium beispielsweise nur Kryopumpen im Abkühlmodus zuzuweisen. In Schritt 526 wird ebenfalls eine vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors RPM_HeTMax berechnet, die dem neuen, vorübergehenden Parameter des maximalen Heliumverbrauchs HeTMax entspricht.
Die neu berechnete Drehzahl des Antriebsmotors wird dann ähnlich wie in dem obigen Schritt 518 mit der minimalen und der maximalen Drehzahl des Antriebsmotors verglichen. In Schritt 530 wird geprüft, ob die Temperatur der zweiten Stufe T2 größer als 40 K ist. Fall die zweite Stufe 40 K aufweist oder wärmer ist, wird in Schritt 530 geprüft, ob die neue vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors RPM_HeTMax größer als die maximale RPM von typischerweise 144 rpm ist. Falls die vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors größer als die maximale RPM ist, dann wird die Drehzahl des Antriebsmotors RPM in Schritt 532 auf die maximale RPM gesetzt. Falls die vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors RPM_HeTMax nicht größer als die maximale RPM ist, wie dies in Schritt 536 überprüft wurde, dann wird die Drehzahl des Antriebsmotors RPM in Schritt 538 auf die vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors gesetzt. Falls die vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors kleiner als die minimale RPM ist, dann wird die Drehzahl des Antriebsmotors RPM in Schritt 540 auf die minimale RPM gesetzt.
Falls die Temperatur der zweiten Stufe T2 niedriger als 40 K ist, dann wird in schritt 534 geprüft, ob die vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors RPM_HeTMaX größer als 72 rpm ist. Falls die vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors nicht größer als 72 rpm ist, dann wird die Drehzahl des Antriebsmotors RPM entsprechend der Prüfung in Schritt 536 auf die niedrigere der vorübergehenden Drehzahl des Antriebsmotors und der minimalen RPM gesetzt. Falls die vorübergehende Drehzahl des Antriebsmotors größer als 72 rpm ist, dann wird die Drehzahl des Antriebsmotors RPM in Schritt 542 auf 72 rpm gesetzt. Auf diese Weise läuft der Antriebsmotor mit der vorübergehenden Drehzahl oder der maximalen Drehzahl des Antriebsmotors bis die zweite Stufe auf 40 K abkühlt, und läuft dann mit der vorübergehenden Drehzahl des Antriebsmotors oder mit 72 rpm bis der Abkühlvorgang abgeschlossen ist.
Fachleute werden sofort erkennen, dass die hier angegebenen Programme für die Vorgänge und Verfahren für Helium-Verteilungssteuerungssysteme in vielen Formen lieferbar sind, u. a. aber nicht einschränkend in Form von a) dauerhaft gespeicherten Informationen auf nicht-überschreibbaren Speichermedien wie beispielsweise ROMs, b) veränderbar gespeicherten Informationen auf beschreibbaren Speichermedien wie beispielsweise Disketten, Magnetbändern, CDs, RMs und anderen magnetischen und optischen Medien, oder c) einem Computer durch Kommunikationsmedien wie beispielsweise mittels Basisband- oder Breitband-Signalübertragungstechniken wie in elektronischen Netzwerken (z. B. Internet) oder Modemleitungen für Telefone übermittelten Informationen. Die Vorgänge und Verfahren können in einem mittels Software durch einen Prozessor ausführbaren Objekt außerhalb eines Speichers oder als Satz von Befehlen innerhalb einer Trägerwelle eingesetzt werden. Alternativ können die Vorgänge und Verfahren auch komplett oder teilweise mittels Hardware-Komponenten, wie beispielsweise ASICs, Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderen Hardware- Komponenten oder Geräten, oder mittels einer Kombination aus Hardware- und Software-Komponenten realisiert werden.
Während das System und das Verfahren zur Steuerung der Heliumverteilung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass verschiedene Veränderungen in der Gestaltung und in Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Verteilung eines Kältemittels unter mehreren Kälteanlagen (10a-10n), mit den Verfahrensschritten:
Bestimmen einer zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels;
Bestimmen eines Bedarfs des Kältemittels durch jede der mehreren Kälteanlagen (10a-10n);
Aufsummieren des Bedarfs von den Kälteanlagen; für jede der Kälteanlagen Bestimmen einer Zuteilung des Kältemittels basierend auf der zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels, dem Gesamtbedarf und den einzelnen Anforderungen der Kälteanlagen; und
Umverteilen der Zuteilung des Kältemittels über die Zeit durch Neubestimmen der Zuteilung des Kältemittels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter mit einem Verfahrensschritt des Neuberechnens der zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels, wobei das Umverteilen weiter ein Umverteilen basierend auf der neu berechneten, zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Berechnen und/oder das Neuberechnen der zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels ein Berechnen in einer mit allen Kälteanlagen (10a-10n) in Verbindung stehenden Master-Steuerung (12) aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kälteanlagen weiter jeweils eine Slave-Steuerung (215a-215n) aufweisen, die den Verbrauch des Kältemittels durch die jeweilige Kälteanlage (10a-10n) steuert, und das Berechnen und/oder das Neuberechnen des Bedarfs weiter ein Berechnen in der Slave-Steuerung aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, weiter mit einem Verfahrensschritt des Bestimmens eines Master-Steuerungszustandes, der den Bedarf und die zur Verfügung stehende Menge des Kältemittels angibt, wobei das Umverteilen der Zuteilung des Kältemittels ein Berechnen basierend auf dem Master-Steuerungszustand enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter einem Verfahrensschritt des Berechnens eines Kälteanlagenzustands und -modus, die einen Kältemittelbedarf der Kälteanlage (10a-10n) angeben, wobei die Umverteilung der Zuordnung des Kältemittels ein Berechnen basierend auf dem Kälteanlagenzustand und -modus enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Berechnen und Neuberechnen in der Master-Steuerung (12) und/oder der Slave-Steuerung (215a-215n) gemäß einem vorgegebenen Satz von Regeln und Schwellenwerten erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Berechnen und/oder das Neuberechnen des Bedarfs weiter das Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters der Kälteanlage (10a-10n) aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Betriebsparameter Parameter umfassen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus Temperatur, Eingangsdruck, Ausgangsdruck, Drehzahl und zugeteiltem Kältemittel.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Bedarf eine Kältemittel- Verbrauchsrate über der Zeit anzeigt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Berechnen der Zuteilung weiter das Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters der Kälteanlage (10a-10n) aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter ein Differenzdruck (DP) ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Kälteanlagen (10a-10n) variable Verbrauchsraten besitzen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Bestimmen der Zuteilung des Kältemittels weiter eine maximale Verbrauchsrate aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, weiter mit einem Verfahrensschritt des Auswertens des Bedarfs und der Verfügbarkeit des Kältemittels und einem Verfahrensschritt des Bestimmens des Master-Steuerungszustands als Ergebnis der Auswertung.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Überwachungszustand eine ausreichende Zuteilung des Kältemittels zu allen Kälteanlagen (10a-10n) anzeigt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei ein Verteilung je Bedarf - Zustand wenigstens eine Kälteanlage (10a-10n) mit einer unzureichenden Zuteilung des Kältemittels anzeigt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei ein Überlastungszustand anzeigt, dass wenigstens eine der Kälteanlagen (10a-10n) eine unzureichende Zuteilung des Kältemittels aufweist und ein Gesamtbedarf den zur Verfügung stehenden Vorrat erreicht hat.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei ein Verteilung je Hierarchie - Zustand ein selektives Ableiten des Kältemittels weg von den Kälteanlagen (10a-10n) gemäß einer vorgegebenen Reihenfolge anzeigt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das Umverteilen weiter einen Verfahrensschritt des schrittweisen Erhöhens von Steuerparametern gemäß vorgegebenen Regeln aufweist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Berechnen der zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels weiter eine Berechnung basierend auf einem Gleichgewichtspunkt zwischen der Menge des Kältemittels und des Gesamtbedarfs aufweist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Kälteanlagen (10a-10n) in Kryopumpen enthalten sind.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei jede der Kryopumpen eine erste Stufe (52) und eine zweite Stufe (56) aufweist, und das Berechnen des Bedarfs weiter das Lesen der Temperatur der ersten Stufe (T1) und der zweiten Stufe (T2) und das Berechnen entsprechend der Temperatur aufweist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das System ein Fluidzufuhrsystem ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei das Kältemittel Helium ist.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei das Kältemittel von einem gemeinsamen Verteiler (18) verteilt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Slave-Steuerung (215a-215n) eine Kryopumpen-Steuerung ist.

28. System zur Steuerung der Verteilung eines Kältemittels unter mehreren Kälteanlagen, mit
mehreren Kälteanlagen (10a-10n), die zum Verbrauch eines Kältemittels ausgebildet sind;
mehreren Slave-Steuerungen (215a-215n), die jeweils einen Verbrauch des Kältemittels durch die jeweilige Kälteanlage steuern, wobei die Slave-Steuerungen einen Bedarf des Kältemittels durch die jeweilige Kälteanlage berechnen können;
einer mit jeder der Slave-Steuerungen in Verbindung stehenden Master-Steuerung (12), wobei die Master-Steuerung eine zur Verfügung stehende Menge des Kältemittels berechnen und ferner von jeder der Kälteanlagen einen Bedarf empfangen und eine Zuteilung des Kältemittels zu jeder der Kälteanlagen basierend auf dem Gesamtbedarf berechnen kann.

29. System nach Anspruch 28, wobei die Master-Steuerung (12) die zur Verfügung stehende Menge des Kältemittels neu berechnen kann und weiter die Zuteilung des Kältemittels basierend auf der neu berechneten, zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels neu berechnen kann.

30. System nach Anspruch 28 oder 29, weiter mit einem Master-Steuerungszustand, der einen Bedarf und eine Verfügbarkeit des Kältemittels anzeigt, wobei das Berechnen und/oder das Neuberechnen der Zuteilung des Kältemittels eine Berechnung basierend auf dem Master-Steuerungszustand enthält.

31. System nach einem der Ansprüche 28 bis 30, weiter mit einem Kälteanlagen-Zustand und Modus, die den Kältemittelbedarf der Kälteanlage (10a-10n) anzeigen, wobei das Berechnen und/oder das Neuberechnen der Zuteilung des Kältemittels eine Berechnung basierend auf dem Kälteanlagen-Zustand und Modus enthält.

32. System nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei das Berechnen und/oder das Neuberechnen in der Master-Steuerung (12) und/oder den Slave-Steuerungen (215a-215n) gemäß einem vorgegebenen Satz Regeln und Schwellenwerten erfolgt.

33. System nach einem der Ansprüche 28 bis 32, wobei die Slave-Steuerungen (215a-215n) weiter den Bedarf des Kältemittels durch die Kälteanlage (10a-10n) basierend auf wenigstens einem Betriebsparameter der Kälteanlage berechnen kann.

34. System nach Anspruch 33, wobei die Betriebsparameter Parameter enthalten, die ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus Temperatur, Eingangsdruck, Ausgangsdruck, Drehzahl und zugeteiltem Kältemittel.

35. System nach einem der Ansprüche 28 bis 34, wobei der Bedarf des Kältemittels eine Kältemittel-Verbrauchsrate über der Zeit anzeigt.

36. System nach einem der Ansprüche 28 bis 35, wobei die Master-Steuerung (12) weiter die Zuteilung basierend auf wenigstens einem Betriebsparameter der Kälteanlage (10a-10n) berechnen und/oder neu berechnen kann.

37. System nach Anspruch 36, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter ein Differenzdruck (DP) ist.

38. System nach einem der Ansprüche 28 bis 37, wobei die Kälteanlagen (10a-10n) variable Verbrauchsraten besitzen.

39. System nach einem der Ansprüche 28 bis 38, wobei die Zuteilung des Kältemittels weiter eine maximale Verbrauchsrate aufweist.

40. System nach einem der Ansprüche 30 bis 39, wobei ein Überwachungszustand eine ausreichende Zuteilung des Kältemittels zu allen Kälteanlagen (10a-10n) anzeigt.

41. System nach einem der Ansprüche 30 bis 40, wobei ein Verteilung je Bedarf - Zustand wenigstens eine Kälteanlage (10a-10n) mit einer unzureichenden Zuteilung des Kältemittels anzeigt.

42. System nach einem der Ansprüche 30 bis 41, wobei ein Überlastungszustand anzeigt, dass wenigstens eine der Kälteanlagen (10a-10n) eine unzureichende Zuteilung des Kältemittels aufweist.

43. System nach einem der Ansprüche 30 bis 42, wobei ein Verteilung je Hierarchie - Zustand ein selektives Ableiten des Kältemittels weg von den Kälteanlagen (10a-10n) gemäß einer vorgegebenen Reihenfolge anzeigt.

44. System nach einem der Ansprüche 30 bis 43, wobei die Master-Steuerung (12) weiter den Master-Steuerungszustand basierend auf einem Sollwert berechnen kann, wobei der Sollwert einem Gleichgewichtspunkt zwischen der Menge des Kältemittels und des Gesamtbedarfs entspricht.

45. System nach einem der Ansprüche 28 bis 44, wobei die Kälteanlagen (10a-10n) in Kryopumpen enthalten sind.

46. System nach Anspruch 45, wobei jede der Kryopumpen eine erste Stufe (52) und eine zweite Stufe (56) aufweist, und das Berechnen des Bedarfs weiter das Lesen der Temperatur der ersten Stufe (T1) und der zweiten Stufe (T2) und das Berechnen entsprechend der Temperatur aufweist.

47. System nach einem der Ansprüche 28 bis 46, wobei das System ein Fluidzufuhrsystem ist.

48. System nach einem der Ansprüche 28 bis 47, wobei das Kältemittel Helium ist.

49. System nach einem der Ansprüche 28 bis 48, wobei das Kältemittel von einem gemeinsamen Verteiler (18) verteilt wird.

50. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogrammcode zur Steuerung der Verteilung eines Kältemittels unter mehreren Kälteanlagen, mit
einem Computerprogrammcode zum Bestimmen einer zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels;
einem Computerprogrammcode zum Bestimmen eines Bedarfs des Kältemittels durch jede der mehreren Kälteanlagen (10a-10n);
einem Computerprogrammcode zum Aufsummieren des Bedarfs von den Kälteanlagen;
einem Computerprogrammcode zum Bestimmen einer Zuteilung des Kältemittels für jede der Kälteanlagen basierend auf der zur Verfügung stehenden Menge des Kältemittels, dem Gesamtbedarf und den einzelnen Anforderungen der Kälteanlagen; und
einem Computerprogrammcode zum Umverteilen der Zuteilung des Kältemittels mit der Zeit durch Neubestimmen der Zuteilung des Kältemittels.

51. Verfahren zum Abgeben eines Kältemittels an mehrere Kryokälteanlagen (10a-10n), die mit einer gemeinsamen Kältemittelquelle (16) verbunden sind, mit den Verfahrensschritten:
Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters, der den Betriebszustand jeder Kryokälteanlage (10a-10n) anzeigt;
Berechnen eines Zuteilungssignals, das eine Zuteilung des Kältemittels anzeigt, in einer Steuerung aus dem wenigstens einen Betriebsparameter und einem Kältemittelvorrat, wobei das Zuteilungssignal entsprechend einem berechneten Kältemittelverbrauch berechnet wird; und
Steuern eines mit jeder der Kryokälteanlagen verbundenen Antriebsmotors (216), um das durch die Kryokälteanlage verbrauchte Kältemittel gemäß dem Zuteilungssignal zu regulieren.

52. Verfahren nach Anspruch 51, wobei das Erfassen, Berechnen und Steuern in regelmäßigen, vorgegebenen Zeitabständen gemäß einer Regelschleife erfolgen.

53. Verfahren nach Anspruch 51 oder 52, wobei das Zuteilungssignal Einheiten des Mengendurchsatzes entspricht.

54. Verfahren zur Steuerung eines Systems mit einer Kompressorenreihe (16) mit wenigstens einem Kompressor (16a-16n) und mehreren von der Kompressorenreihe mit einem Kältemittel versorgten Kryokälteanlagen (10a-10n), mit den Verfahrensschritten:
Identifizieren der Kälteanlagenanforderungen jeder der Kälteanlagen (10a-10n); und
Zuteilen des Kältemittels zu den Kälteanlagen gemäß den identifizierten Anforderungen durch eine Steuerung (215a-215n).

55. Verfahren nach Anspruch 54, wobei das Identifizieren der Anforderungen weiter ein Identifizieren des Verbrauchs jeder der Kryokälteanlagen (10a-10n) aufweist.

56. Verfahren nach Anspruch 54 oder 55, wobei das Zuteilen weiter ein Zuteilen durch Steuern der Drehzahl eines Antriebsmotors (216) als Ergebnis eines Temperaturschwellenwertes aufweist.