DE69531313T2

DE69531313T2 - Regeneration einer Kryopumpe

Info

Publication number: DE69531313T2
Application number: DE69531313T
Authority: DE
Inventors: Nobuharu Fujisawa-shi Noji; Junichi Hayakawa; Motoyasu Satoh; Hiroshi Yokohama-shi Aono; Tetsuo Fujisawa-shi Komai
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2015-04-27
Also published as: EP0918159A2; EP0921311B1; DE69528913T2; DE69528607T2; DE69528913D1; EP0919722A2; EP0684382A1; EP0918159A3; DE69515720T2; KR950033087A; DE69515720D1; EP0684382B1; EP0919722A3; EP0921311A2; KR100360357B1; EP0919722B1; DE69531313D1; US5582017A; EP0918159B1; EP0921311A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kryopumpe und auf ein Steuerverfahren dafür, und insbesondere auf ein solches, in welchem optionale Betriebsbedingungen vorgesehen werden können und die Regeneration und Wartung der Kryopumpe optimiert werden kann.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Kryopumpe und auf ein Steuerverfahren dafür, bei welchem ein stabiler Betrieb sogar dann beibehalten werden kann, wenn eine plötzliche Lastveränderung in der Kryopumpe auftritt, wobei eine Wartung und Überprüfung zu geeigneten Zeitpunkten durchgeführt werden kann, wobei die vollständige Regeneration der Kryopumpe in einer kurzen Zeitdauer durchgeführt werden kann, und wobei die Temperatur der Kryoplatte ohne die Verwendung von einer Heizung gesteuert werden kann.
Bisher wurden für den Betrieb einer Kryopumpe unter guten Betriebsbedingungen verschiedene Kryopumpen vorgeschlagen, wie beispielsweise in der nicht geprüften Japanischen Patentanmeldung veröffentlicht mit der Nr. 152353/1991 (H3-152353), der veröffentlichten, nicht geprüften Japanischen Patentanmeldung veröffentlicht unter Nr. 237275/1991 (H3-237275) und Ähnlichen beschrieben.
Bei der in der Anmeldung veröffentlicht unter Nr. 152353/1991 beschriebenen Kryopumpe wird ein Antriebsstrom an einen Antriebsmotor oder einen Expansionsmotor für eine Expansionsvorrichtung geliefert, und wenn ein Wert des detektierten Antriebsstroms ungewöhnlich variiert, wird ein Korrektursignal in Beziehung stehend zu der ungewöhnlichen Variation des Antriebsstroms an eine Invertiervorrichtung ausgegeben und eine Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors wird erniedrigt. Daher wird der Antriebsmotor stabil angetrieben und ein Phänomen des Synchronisationsverlusts desselben kann vermieden werden.
Bei der in der Anmeldung veröffentlicht unter Nr. 237275/1991 beschriebenen Kryopumpe wird ein Invertiermittel eines Antriebsmotors oder eines Expansionsvorrichtungsmotors in einem Kühler bzw. einer Kühlvorrichtung basierend auf einer Temperatur in einer Kühlstufe oder einem Druck in einer zu evakuierenden Vakuumkammer gesteuert und dadurch die Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors bestimmt.
Das Betriebsprinzip einer Kryopumpe basiert auf der Adsorption und der Kondensation von Gasen, und die Betriebscharakteristika (oder die Betriebsleistungsfähigkeit) der Kryopumpe wird im wesentlichen durch die Adsorption und Kondensation von Gasen in der Vergangenheit beeinflußt, d. h. von der Betriebsgeschichte der Kryopumpe. Jedoch wird gemäß dem zuvor genannten Stand der Technik die Drehgeschwindigkeit des Expansionsvorrichtungsmotors basierend nur auf den Betriebsbedingungen zu jenem Zeitpunkt gesteuert, ohne die vergangene Betriebsgeschichte der Kryopumpe in Betracht zu ziehen. In anderen Worten ist die Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Kryopumpe beschränkt nur auf eine Echtzeitsteuerung.
Daher treten die folgenden Probleme auf.
(1) 4 zeigt eine Drehgeschwindigkeit eines Expandiervorrichtungsmotors bezüglich einer verstrichenen Betriebszeit einer Kryopumpe, die unter einer herkömmlichen Echtzeitsteuerung betrieben wird.
Wie in 4 gezeigt, wird der Expansionsvorrichtungsmotor anfänglich mit der höchsten Geschwindigkeit betrieben, um ein schnelles Kühlen der Kryopumpe durchzuführen, und dann bei einer niedrigeren, stabilen Drehgeschwindigkeit betrieben, nachdem die Kryopumpe gekühlt ist. Jedoch wenn eine plötzliche Lastveränderung in der Kryopumpe auftritt (beispielsweise im Falle wenn eine Sputterbearbeitung in einer Vakuumkammer durchgeführt wird, an welcher die Kryopumpe angebracht ist), und zwar in 4 durch Pfeile "a" gezeigt, verändert sich zur Beibehaltung der Temperatur oder eines Drucks in der Vakuumkammer auf einem konstanten Pegel die Drehgeschwindigkeit des Expansionsvorrichtungsmotors schnell, jedesmal wenn ein Sputtern durchgeführt wird. Daher wird eine übermäßige Last an den Expansionsvorrichtungsmotor angelegt. Zusätzlich wird ein Material, das eine Dichtung einer Expansionsvorrichtung darstellt, die durch den Expansionsvorrichtungsmotor angetrieben wird, negativ beeinflußt und schnell abgenutzt. Daher ist die Arbeit bzw. Funktionsfähigkeit des Expansionsvorrichtungsmotors verkürzt.
5 zeigt eine Druckveränderung in einer Vakuumkammer. Wie in 5 gezeigt, obwohl ein Druck in der Vakuumkammer normalerweise auf 10^–9 Torr eingestellt ist, wird der Druck temporär auf 2 × 10^–3 Torr erhöht, wenn Sputtern durchgeführt wird. Demgemäß wird zu diesem Zeitpunkt, wie in 4 durch die Pfeile "a" gezeigt, die Drehgeschwindigkeit des Expansionsvorrichtungsmotors schnell erhöht.
(2) Die Kryopumpe wird als eine Vakuumpumpe verwendet und Argon, Wasser und Wasserstoff werden auf einer Kryoplatte der Kryopumpe adsorbiert und gesammelt. Daher ist es erforderlich, periodisch die angesammelten Substanzen zu entfernen. In anderen Worten ist die Regeneration der Kryopumpe erforderlich. Bisher konnte jedoch ein geeigneter Zeitpunkt für die Wartungsarbeit und die Überprüfung, beispielsweise die Regeneration der Kryopumpe, nicht geeignet bestimmt werden. Daher kann die Betriebsleistungsfähigkeit der Kryopumpe sich plötzlich während des Betriebs verschlechtern und der Betrieb der Kryopumpe kann häufig unterbrochen bzw. angehalten werden.
Wenn eine Verschlechterung der Betriebsleistfähigkeit der Kryopumpe plötzlich in einem Vakuumsystem, wie beispielsweise einer Halbleiterherstellungsvorrichtung oder ähnlichem auftritt, kann sich ein beträchtlicher Schaden ergeben.
(3) Eine Verschlechterung einer Kryopumpe über die Zeit hinweg kann nicht vorhergesagt oder diagnostiziert werden, und daher können Probleme, die durch die Verschlechterung der Kryopumpe über die Zeit hinweg hervorgerufen werden, nicht verhindert werden.
(4) Eine vernünftige und geplante Wartung und eine Überprüfung, die den verschiedenen Arten der Verschlechterung der Kryopumpe über die Zeit hinweg angepaßt sind, können nicht durchgeführt werden. Daher sind unnütze Wartung und Überprüfung erforderlich, was in erhöhten Kosten resultiert.
(5) Zur Beibehaltung der Betriebsleistfähigkeit einer Kryopumpe, was die Beibehaltung der Temperatur oder des Drucks bei einem konstanten Wert umfaßt, wird eine Kryopumpe erzwungen betrieben, und daher kann es zu einer Wahrscheinlichkeit von irreversiblem Schaden kommen.
Als nächstes werden in gewöhnlichen, zweistufigen Kryopumpen eine Kryoplatte der ersten Stufe bei einer Temperatur von 50 bis 100 K zur Kondensierung von hauptsächlich Wasser gehalten und eine Kryoplatte der zweiten Stufe bei einer Temperatur von 20 K oder geringer zur Kondensierung von Argon (Ar) und Stickstoff (N₂)-Gasen gehalten. Ebenso absorbiert eine aktivierte Kohlenschicht oder ähnliches, die auf der Rückseite der Kryoplatte der zweiten Stufe gebildet ist, kryogen Wasserstoff-(H₂)-Gas, das nicht bei Temperaturen von 20 K oder ähnlich kondensiert werden kann, wodurch die Kammer unter Vakuum gehalten wird.
Eine Kryopumpe ist eine Vakuumpumpe des Speichertyps, wie zuvor beschrieben, und erfordert daher eine Regeneration (Freigabe von kondensierten und absorbierten Gasen von einer Kryoplatte) nach ihrem Betrieb für bestimmte Zeitdauern. Da die Kammer nicht während der Regeneration evakuiert werden kann, muß der Betrieb eines Sputtersystems oder einer Ionenimplantationsvorrichtung ausgesetzt werden. Um die Verfügbarkeit der Systeme zu verbessern, sollte die regenerative Zeit auf so kurz wie möglich reduziert werden.
Die PCT-Anmeldung mit der Heimanmeldenummer 509144/1993 offenbart eine herkömmliche, regenerative Technik für Kryoplattenoberflächen einer Kryopumpe, die durch eine Heliumkühlvorrichtung betrieben wird. Gemäß der gezeigten regenerativen Technik verändern die zum Zeitpunkt der Regeneration einer Kryopumpe auf der Kryoplattenoberfläche einer Kryopumpe kondensierten/adsorbierten Substanzen ihre Phase in eine Flüssigphase und/oder eine Gasphase, und die Substanzen in der Flüssigphase und/oder Gasphase werden aus der Kryopumpe ausgestoßen, um sie davon zu entfernen.
Der zuvor beschriebene Stand der Technik hat den Vorteil einer schnellen Regeneration, weil eine teilweise Regeneration angewendet wird, d. h. auf der Kryoplattenoberfläche der zweiten Stufe einer Kryopumpe kondensierte/ adsorbierte Substanzen verändern ihre Phase zu einer Flüssigphase und/oder einer Gasphase und die Substanzen in der Flüssigphase und/oder Gasphase werden aus der Kryopumpe ausgestoßen, um sie daraus zu entfernen. Das regenerative Verfahren des Stands der Technik umfaßt jedoch die folgenden Nachteile (1)–(3).
(1) Aufgrund der teilweisen Regeneration wird eine interne Temperatur eines Pumpgehäuses beibehalten, und zwar während der Regeneration, unterhalb einer Temperatur für das Schmelzen und Verdampfen von Wasser, das auf einer Kryoplatte kondensiert ist, die in einer ersten Stufe angeordnet ist, d. h. die Kryoplatte der ersten Stufe wird nicht regeneriert. Jedoch muß zum Regenerieren von Gasen, die auf der Kryoplatte der zweiten Stufe kondensiert oder adsorbiert sind, die Pumpengehäusetemperatur über einen Tripelpunkt des Gases angehoben werden. Dies bewirkt, daß die Temperatur der Kryoplatte der ersten Stufe über jene steigt, die zum Zeitpunkt des Betriebs als Kryopumpe vorliegt. Im Ergebnis wird die Sublimation von auf der Kryoplattenoberfäche der ersten Stufe kondensiertem Wasser hervorgerufen. Gemäß dem zuvor beschriebenen Stand der Technik absorbiert jedoch, da das Pumpengehäuse nur auf ein Vakuum von 10 Pa oder so ähnlich nach der Regeneration evakuiert wird, das sublimierte Wasser in der Form von Dampf (N₂O) auf einer aktivierten Kohleschicht, die auf der Rückseite der Kryoplatte der zweiten Stufe vorgesehen ist. Dies bewirkt, daß das Adsorptionsvolumen von H₂ beim nächsten Ausstoßschritt bzw. Ausstoßbetrieb sich erniedrigt.
(2) Da die Substanzen in der Flüssigphase und/oder Gasphase ausgestoßen werden, sind zwei Ableitsysteme, d. h. Gas- und Flüssigsysteme zur Behandlung der ausgestoßenen Substanzen installiert. Im Ergebnis wird die Ausrüstung komplex, was in einer Erhöhung der Kosten resultiert. Ebenso wird der Prozeß zur Behandlung der ausgestoßenen Substanzen komplex.
(3) Es gab eine Grenze bei der Bewirkung einer Reduktion der regenerativen Zeit. Das heißt, nur die Zeit der Teilregeneration konnte reduziert werden, jedoch konnte die gesamte regenerative Zeit nicht reduziert werden.
Ferner, wie zuvor erwähnt, wird bei einer herkömmlichen Kryopumpe ein Arbeitsgas, typischerweise ein Heliumgas, das bei Raumtemperatur und hohem Druck an eine Kompressoreinheit geliefert wurde, adiabatisch expandiert durch eine Expansionsvorrichtung, die durch einen Expansionsvorrichtungsmotor angetrieben wird, um so kryogene Temperaturen zu erzeugen. Die Kryoplatte der ersten Stufe wird auf eine Temperatur von 50 bis 100 K durch Kühlgas gekühlt, das in einer ersten Stufe des expandierenden Teils einer Heliumkühlvorrichtung bzw. Heliumkältemaschine erzeugt wird. Andererseits wird die Kryoplatte der zweiten Stufe auf eine Temperatur von 10 bis 20 K durch Kühlgas gekühlt, das in einem expandierenden Teil der zweiten Stufe der Heliumkühlvorrichtung erzeugt wird.
In solch einer Kryopumpe wird Wasser oder ähnliches auf der Kryoplatte der ersten Stufe kondensiert, die auf eine Temperatur von 50 bis 100 K gekühlt ist, während Stickstoff-(N₂)-Gas, Argon-(Ar)-Gas oder ähnliches auf der Kryoplatte der zweiten Stufe kondensiert wird, die auf eine Temperatur von 10 bis 20 K gekühlt wird. Wasserstoff-(H₂)-Gas oder ähnliches, das nicht durch die auf 10 K gekühlte Kryoplatte der zweiten Stufe kondensiert werden kann, wird weiter kryogen auf einer aktivierten Kohleschicht absorbiert, die auf der Rückseite der Kryoplatte der zweiten Stufe vorgesehen ist. Die Kryopumpe wird somit zur Bildung eines Hochvakuums in der Vakuumkammer für ein Sputtersystem oder eine Ionenimplantationsvorrichtung verwendet.
Eine herkömmliche Kältefalle besitzt im allgemeinen eine einstufige Kryoplatte, in welcher ein Arbeitsgas, typischerweise Heliumgas, das bei Raumtemperatur und hohem Druck von einer Kompressoreinheit geliefert wird, zur adiabatischen Expansion durch eine Expansionsvorrichtung, die durch einen Expansionsvorrichtungsmotor zur Erzeugung von kryogenen Temperaturen angetrieben wird. Die Kryoplatte wird auf eine Temperatur von 80 bis 130 K durch das Kühlgas abgekühlt, das in einem Expansionsteil einer einzigen Stufe einer Heliumkühlvorrichtung erzeugt wird.
Eine Kältefalle wird typischerweise stromaufwärts von einer Turbomolekularpumpe plaziert und besitzt die Fähigkeit zur Verbesserung der Pumpgeschwindigkeit für Wasser, was ansonsten die Ausstoßeigenschaften der Turbomolekularpumpe behindert. Die Kältefalle erlaubt es, daß Wasser oder ähnliches auf die auf eine Temperatur von 80 bis 130 K gekühlten Kryoplatte kondensiert wird, so daß dies zur Bildung eines Hochvakuums in einer Vakuumkammer in einem Sputtersystem oder einer Ionenimplantationsvorrichtung verwendet werden kann.
In diesen Vorrichtungen, die eine Kryopumpe und eine Kältefalle verwenden, beispielsweise in Sputtervorrichtungen, ist es sehr wichtig, die Gleichförmigkeit des Sputterfilms beizubehalten, was es erforderlich macht, daß die Pumpgeschwindigkeit der Kryopumpe und jene der Kältefalle konstant gehalten werden. Dies macht es weiter erforderlich, daß die Oberfläche(n) der Kryoplatten der ersten und/oder der zweiten Stufe der Kryopumpe und die Oberfläche der Kryoplatte der Kältefalle bei vorbestimmten Temperaturen gehalten werden.
Ferner, da die Kryopumpe und die Kältefalle Gase aus einer Vakuumkammer absaugen, während sie in ihnen gespeichert werden (Speichertyp), ist es notwendig, die Gase zu regenerieren (Ausgasen), nachdem der Absaug- bzw. Ausstoßbetrieb für eine bestimmte Zeitdauer stattgefunden hat. Bei dem Regenerationsprozeß wird ein Ausgasen durchgeführt, nachdem ein Gas abgesaugt und gespeichert wurde. Es ist daher notwendig, die Kryoplatten der Kryopumpe bei ungefähr Raumtemperatur zu halten, wenn es erwünscht ist, daß ein kondensiertes oder adsorbiertes Gas auf den Oberflächen von sowohl den Platten der ersten als auch der zweiten Stufe vollständig regeneriert wird (vollständige oder völlige Regeneration), und wenn es erwünscht ist, daß ein Gas nur von der Kryoplatte der zweiten Stufe regeneriert wird (teilweise Regeneration), ist es notwendig, die Kryopumpe bei einer Temperatur von 120 bis 150 K zu halten. Andererseits, da das Gas auf der Kryoplatte der Kältefalle regeneriert wird, während die Turbomolekularpumpe angetrieben wird, ist es notwendig, daß die Kryoplatte der Kältefalle bei einer Temperatur von –10 bis – 30°C gehalten wird, da es erforderlich ist, daß Wasser sublimiert, um das Ausgasen durchzuführen.
Beim herkömmlichen Regenerationsverfahren, was immer für ein Verfahren für die Durchführung der Regeneration angewandt wird, wird eine Heizung verwendet, um die Kryoplatten von sowohl der Kryopumpe als auch der Kältefalle bei konstanten Temperaturen zu halten. Jedoch ist es mühsam und kostenaufwendig, eine Heizung zu bauen und den Stromkreis für die Lieferung eines Stroms an die Heizung in einem kleinen Gehäuse einer Kryopumpe oder einer Kältefalle anzuordnen. Zusätzlich, wenn eine Heizung für eine Kryopumpe und eine Kältefalle vorgesehen wird, die in einem Gehäuse untergebracht sind, das in einen Hochvakuumzustand versetzt wird, kann dies Gas erzeugen, was einen weiteren negativen Einfluß bezüglich der Vakuumverarbeitungsseite hervorrufen kann. Ferner, da die Temperatur der gesamten Kryoplatte nicht gleichförmig mit der Heizung eingestellt werden kann, beeinflußt dies ebenso nachteilig die Pumpgeschwindigkeit und die Eigenschaften bzw. Leistfähigkeit. Ebenso kann ein ausreichender Regenerationsbetrieb nicht erreicht werden, und solche lokalisierte Erwärmung kann Probleme hervorrufen.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile von solchen herkömmlichen Kryopumpen zu vermeiden und eine Kryopumpe vorzusehen, in welcher eine plötzliche Lastveränderung des Expansionsvorrichtungsmotors vermieden werden kann, ein Betrieb bei optimierten Bedingungen durchgeführt werden kann und eine geeignete Zeit für die erforderliche Wartung und Überprüfung, beispielsweise für die Regeneration, vorhergesagt werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein regeneratives Verfahren und eine Vorrichtung für eine Kryopumpe vorzusehen, das in der Lage ist, die Kryoplatten in einer kurzen Zeitdauer zu regenerieren.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kryopumpe und eine Kältefalle vorzusehen, bei denen die Oberflächen der Kryoplatten auf vorbestimmten Temperaturen ohne das Erfordernis einer Heizung gehalten werden können.
Des Weiteren wird die Aufmerksamkeit gelenkt auf EP-A-0 250 613, die eine Kryopumpe betrifft, die ein Gehäuse mit einer Gaseinlassöffnung hat, die über ein Ventil mit einem Rezipienten verbindbar ist. Die Kryopumpe weist ferner eine Vakuumpumpe auf, die mit dem Gehäuse über ein Ventil verbunden ist, und eine zweistufige Kühlvorrichtung bzw. Kältemaschine, die im Gehäuse angeordnet ist und als eine kryogene Quelle dient und Pumpoberflächen hat, die auf den zwei kryogenen Stufen der Kältemaschine angeordnet sind, wobei diese mit einer elektrischen Heizung versehen sind. Um Regenerations- und Startzeiten so kurz wie möglich und so effektiv wie möglich zu halten, wird vorgeschlagen, einen Sensor für das Überwachen des Drucks in dem Pumpengehäuse vorzusehen und eine Steuereinheit vorzusehen für das Überwachen und Steuern des Betriebs der Kryopumpe abhängig von Signalen, die vom Sensor geliefert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Regenerationsverfahren und eine Regenerationsvorrichtung für eine Kryopumpe gemäß Anspruch 1 bzw. 2 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Zur Lösung der zuvor genannten Probleme weist gemäß einem ersten Aspekt eine Kryopumpe eine Kompressoreinheit für die Aufnahme eines Arbeitsgases mit niedrigem Druck und für die Abgabe bzw. den Ausstoß eines Arbeitsgases mit hohem Druck bei Umgebungstemperatur auf, ferner einen Expansionsteil, der durch einen Expansionsmotor bzw. Expansionsvorrichtungsmotor für die adiabatische Expansion des Hochdruckarbeitsgases bei Umgebungstemperatur, das von der Kompressoreinheit ausgestoßen wird, und zwar zur Erzeugung einer kryogenen Temperatur, wobei die Kompressoreinheit und die Expansionseinheit miteinander für die Bildung eines geschlossenen Kreises verbunden sind, und ferner eine Kryoplatte, die durch die kryogene Temperatur gekühlt wird, die durch den Expansionsteil erzeugt wird, und zwar dadurch gekennzeichnet, daß die Kryopumpe ferner folgendes aufweist: Detektionsmittel für die Detektion eines Betriebsparameter und einer verstrichenen Betriebszeit in einem derzeitigen Betriebszyklus der Kryopumpe; Speichermittel zur Speicherung eines Werts eines weiteren Betriebsparameters bei einer entsprechenden verstrichenen Betriebszeit während eines vergangenen Betriebszyklus der Kryopumpe als ein Managementparameter; arithmetische Steuermittel zur Berechnung einer nachfolgenden Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors basierend auf dem derzeitigen Betriebsparameter und dem Managementparameter, der in den Speichermitteln gespeichert ist, und Ausgabe derselben als ein Antriebsinstruktionssignal, mit welchem die nachfolgende Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors so gesteuert wird, daß eine Temperatur der Kryoplatte oder ein Druck in einer Vakuumkammer beibehalten wird, an welcher die Kryopumpe angebracht ist, und zwar bei einem vorbestimmten Wert unter Verwendung einer derzeitigen Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors und einer vorangegangenen Drehgeschwindigkeit bei einer entsprechenden verstrichenen Betriebszeit in der Vergangenheit bei einem vorangegangenen Betriebszyklus der Kryopumpe, welche in den Speichermitteln als ein Managementparameter gespeichert ist, und ferner Expansionsmotorantriebsmittel zum Antrieb des Expansionsmotors gemäß dem Antriebsinstruktionssignals, das aus den arithmetischen Steuermitteln ausgegeben wird.
Ebenso weist gemäß einem zweiten Aspekt eine Kryopumpe eine Kompressoreinheit für die Aufnahme eines Niedrigdruckarbeitsgases und die Abgabe bzw. den Ausstoß eines Hochdruckarbeitsgases bei Umgebungstemperatur auf, ferner einen Expansionsteil, der durch einen Expansionsmotor für die adiabatische Expansion des Hochdruckarbeitsgases bei Umgebungstemperatur, das von der Kompressoreinheit ausgestoßen wird, angetrieben wird zur Erzeugung einer kryogenen Temperatur, wobei die Kompressoreinheit und der Expansionsteil miteinander zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufes verbunden sind, und ferner eine Kryoplatte, die durch die kryogene Temperatur gekühlt wird, die durch den Expansionsteil erzeugt wird, und zwar dadurch gekennzeichnet, daß die Kryopumpe ferner folgendes aufweist: Detektionsmittel zur Detektion eines Betriebsparameters bei einer verstrichenen Betriebszeit in einem derzeitigen Betriebszyklus der Kryopumpe; Speichermittel zur Speicherung eines Werts eines Diagnoseparameters zur Beurteilung einer Zeit für eine Wartung oder eine Regeneration der Kryopumpe; arithmetische Steuermittel zur Beurteilung, ob sich die Kryopumpe nun in einer Wartungszeit oder Regenerationszeit befindet, und zwar durch Vergleich des derzeitigen Betriebsparameters, der durch die Detektionsmittel detektiert wird, mit dem Wert des Diagnoseparameters, der in den Speichermitteln gespeichert ist, und zur Ausgabe eines Alarmsignals; und Steuermittel zu Anzeige, daß die Kryopumpe sich nun in einer Wartungszeit oder Regenerationszeit befindet, und zwar basierend auf dem Alarmsignal, das von den arithmetischen Steuermitteln ausgegeben wird.
Bei der Kryopumpe gemäß dem ersten Aspekt wird, und zwar aufgrund dessen, daß die nachfolgende Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors so gesteuert wird, daß eine Temperatur der Kryoplatte oder ein Druck in der Vakuumkammer bei einem vorbestimmten Pegel gehalten werden unter Verwendung des Werts des Managementparameters, der die Eigenschaften bzw. Leistfähigkeit eines vergangenen Betriebszyklus repräsentiert, eine ungewöhnlich hohe Veränderung der Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors unterdrückt und daher der Betrieb der Kryopumpe gleichmäßig gestaltet.
Bei der Kryopumpe gemäß dem zweiten Aspekt, da eine Regenerationszeit oder Wartungszeit des Expansionsmotors unter Verwendung eines Diagnose parameters vorhergesagt werden kann, kann eine geeignete und geplante Wartung und Überprüfung durchgeführt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein regeneratives Verfahren für eine Kryopumpe vorgesehen, die Kryoplattenoberflächen einer ersten und/oder zweiten Stufe besitzt zur Kondensierung und/oder Adsorption von Gasen während des Pumpbetriebs, und ferner Kühlmittel zur Kühlung der Kryoplattenoberflächen. Wenn die Freigabe von Gasen von der Kryoplattenoberfläche der ersten Stufe und/oder der Kryoplattenoberfläche der zweiten Stufe abgeschlossen ist, und zwar durch Beibehaltung der Kryoplattenoberfläche(n) bei einer festen Temperatur, wird ein interner Druck der Kryopumpe schnell auf 1/10³ Pa (Pascal) oder weniger reduziert, wobei die Kryoplattenoberfläche(n) bei der festen Temperatur gehalten wird bzw. werden. Dann wird die Kryoplattenoberfläche der zweiten Stufe schnell auf eine Temperatur von 20 K oder kleiner reduziert.
Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Regenerationsvorrichtung für eine Kryopumpe vorgesehen, die Kryoplattenoberflächen einer ersten und/oder zweiten Stufe zur Kondensierung und/oder Adsorption von Gasen während des Pumpbetriebs und Kühlmittel für die Kühlung der Kryoplattenoberflächen besitzt. Die Regenerationsvorrichtung hat Heizmittel für das Heizen der Kryoplattenoberflächen der ersten und zweiten Stufe, einen Temperatursensor für die Detektion einer Temperatur der Kryoplattenobertlächen, Druckdetektionsmittel für die Detektion eines internen bzw. inneren Drucks der Kryopumpe, Steuermittel für die Erzeugung eines Steuersignals ansprechend auf eine Ausgabe von dem Temperatursensor und den Druckdetektionsmitteln, und Druckreduzierungsmittel für die Reduzierung eines inneren Drucks der Kryopumpe. Wenn die Freigabe von Gasen von der Kryoplattenoberfläche der ersten Stufe und/oder der Kryoplattenoberfläche der zweiten Stufe abgeschlossen ist, bewirken die Steuermittel, daß die Druckreduzierungsmittel einen inneren Druck der Kryopumpe schnell auf 1/10³ Pa oder weniger reduzieren, während sie die Heizmittel so steuern, daß die Kryoplattenoberflächen bei der selben Temperatur wie bei der Freigabe der Gase gehalten werden. Dann bewirken die Steuermittel, daß die Kühlmittel die Kryoplattenoberflächen der zweiten Stufe schnell auf eine Temperatur von 20 K oder geringer kühlen. Die Druckreduzierungsmittel können eine Vakuumpumpe einschließlich einer Turbomolekularpumpe sein. Ebenso kann ein schnelles Kühlen durch die Erhöhung der Drehgeschwindigkeit eines Expansionsmotors bzw. Expandermotors einer Kühlvorrichtung bzw. Kältemaschine erreicht werden.
Gemäß den regenerativen Verfahren und der Vorrichtung gemäß den dritten und vierten Aspekten wird bei Vervollständigung der Freigabe der Gase von den Kryoplattenoberflächen ein innerer Druck einer Kryopumpe schnell auf 1/10³ Pa oder geringer reduziert, wobei die Kryoplattenoberflächen auf der gleichen Temperatur gehalten werden wie bei der Freigabe der Gase, und dann wird eine Kryoplattenoberfläche der zweiten Stufe schnell auf eine Temperatur von 20 K oder geringer gekühlt. Das heißt, daß zuerst ein Druck auf ein Hochvakuum zur vollständigen Entfernung der Gase reduziert wird, die von den Kryoplattenoberflächen freigegeben werden, und dann die Kryoplattenoberfläche schnell gekühlt wird. Im Ergebnis bleiben die Kryoplattenoberflächen rein und können vollständig regeneriert werden. Ferner, da die Abkühlung in einer kurzen Zeitdauer erreicht wird, ist es möglich, die erforderliche Regenerationszeit bis zur Wiederaufnahme des Laufens der Kryopumpe zu reduzieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Kryopumpe eine Oberfläche (Oberflächen) von einer Kryoplatte (Kryoplatten) einer ersten und/wahlweise ebenso einer zweiten Stufe auf, auf welchen ein Gas kondensiert und/oder adsorbiert wird während des Betriebs der Pumpe, und ferner Kühlmittel zur Kühlung der Oberfläche(n) der Kryoplatte der ersten Stufe (und der Kryoplatte der zweiten Stufe), wobei die Kühlmittel einem Arbeitsgas bei Raumtemperatur und hohem Druck, das von einer Kompressoreinheit geliefert wird, eine adiabatische Expansion durch eine Expansionsvorrichtung bzw. einen Expander erlauben, der durch einen Expansionsmotor bzw. Expandermotor angetrieben wird, so daß kryogene Temperaturen erzeugt werden, wobei die Kryopumpe ferner folgendes aufweist: Einen Temperatursensor zur Detektion der Temperatur der Oberfläche der Kryoplatte der ersten Stufe; und Steuermittel, die es erlauben, daß der Expander für eine bestimmte Zeitdauer ausgesetzt wird oder in umgekehrter Richtung gedreht wird, und zwar basierend auf einem Detektionssignal vom Temperatursensor, wodurch die Oberflächentemperatur(en) der Kryoplatte(n) der ersten und/oder der zweiten Stufe auf einen vorbestimmten Bereich (Bereiche) geregelt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Kältefalle eine Oberfläche einer einstufigen Kryoplatte auf, auf welcher ein Gas während des Betriebs der Pumpe kondensiert wird, und ferner Kühlmittel für die Kühlung der Oberfläche der Kryoplatte, wobei die Kühlmittel einem Arbeitsgas bei Raumtemperatur und hohem Druck, daß von einer Kompressoreinheit geliefert wird, erlauben, sich adiabatisch durch einen Expander bzw. eine Expansionsvorrichtung auszudehnen, die durch einen Expansionsmotor angetrieben wird, so daß kryogene Temperaturen erzeugt werden, wobei die Kältefalle ferner folgendes aufweist: Einen Temperatursensor zur Detektion der Temperatur der Oberfläche der Kryoplatte; und Steuermittel, um das Aussetzen des Expanders für eine bestimmte Zeitdauer zu erlauben oder seine umgekehrte Drehung zu erlauben, und zwar basierend auf einem Detektionssignal vom Temperatursensor, wodurch die Temperatur der Oberfläche der Kryoplatte auf einen vorbestimmten Bereich geregelt wird.
Wenn die Expansionsvorrichtung der Kryopumpe oder der Kältefalle ausgesetzt wird, liegt keine adiabatische Expansion des Arbeitsgases vor, so daß die Erzeugung von kryogenen Temperaturen durch die Kühlmittel aufhört, was in einem Anstieg der Temperatur resultiert. Andererseits, wenn die Expansionsvorrichtung in umgekehrter Richtung gedreht wird, wird der Kühlzyklus der Kryopumpe und der Kältefalle umgekehrt, was darin resultiert, daß der Kühlzyklus durch einen Heizzyklus ersetzt wird. In der Konsequenz, und zwar basierend auf einer detektierten Ausgabe von dem Temperatursensor für die Detektion der Temperatur der Kryoplatte der ersten Stufe, wird die Expansionsvorrichtung ausgesetzt oder umgekehrt gedreht, wodurch die Kryoplatte(n) der ersten und/oder zweiten Stufe der Kryopumpe und jene der Kältefalle auf einer vorbestimmten Temperaturen) gehalten werden, ohne eine Heizung zu erfordern.
Die zuvor genannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden deutlicher aufgrund der folgenden Beschreibung, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, in welchen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als illustrative Beispiele gezeigt sind.
1 ist eine Gesamtansicht, die schematisch eine Kryopumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
2 ist eine Ansicht, die eine Drehfrequenz n des Expansionsmotors bezüglich einer verstrichenen Betriebszeit T zeigt, und zwar unter der Voraussetzung, daß die Kryopumpe an eine Vakuumkammer angebracht ist und die Kryopumpe zur Beibehaltung einer Temperatur der Kryopumpe beinahe zu einem konstanten Wert betrieben wird;
3 (3A, 3B) ist ein Flußdiagramm, das eine Steuerprozedur für die Kryopumpe zeigt, die durch eine Steuerung durchgeführt wird;
4 ist eine Ansicht, die eine Drehfrequenz n eines Expansionsmotors gemäß einem Stand der Technik bezüglich der verstrichenen Betriebszeit zeigt;
5 ist eine Ansicht, die die Druckveränderungsbedingungen in der Vakuumkammer zeigt;
6 ist ein Diagramm, daß die Konstruktion einer Regenerationsvorrichtung für eine Kryopumpe zur Durchführung eines regenerativen bzw. Regenerationsverfahrens wie hier offenbart zeigt;
7 ist eine graphische Darstellung, die eine Ar-Regenerationsverarbeitungsprozedur wie hier offenbart zeigt;
8 ist eine graphische Repräsentation, die eine bekannte Ar-Regenerationsverarbeitungsprozedur zeigt;
9 ist eine schematische Ansicht, die illustrativ für die Konstruktion einer Kryopumpe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
10 zeigt den theoretischen Kühlzyklus (P-V-Charakteristika) der Kryopumpe ;
11(a) ist eine Schnittansicht, die die schematische Konstruktion einer Kryoturbo darstellt unter Verwendung einer Kältefalle gemäß der vorliegenden Erfindung; und
11(b) ist eine Draufsicht, die dieselbe Kryoturbo darstellt.
In der Folge werden bevorzugte Ausführungsbeispiele detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Gesamtansicht, die schematisch eine Kryopumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
Wie in 1 gezeigt, weist eine Kryopumpe eine Kältemaschine 10 und eine Kompressoreinheit 20 auf, die mit der Kältemaschine 10 über eine Leitung 21 verbunden ist. In der Kältemaschine 10 wird eine Expansionsvorrichtung bzw. ein Expander 18 durch einen Expansionsmotor 40 auf- und ab bewegt, und ein Expansionsteil 11 der ersten Stufe und ein Expansionsteil 15 einer zweiten Stufe werden auf eine kryogene Temperatur gekühlt. Die Kompressoreinheit 20 ist mit dem Expansionsteil 11 der ersten Stufe und dem Expansionsteil 15 der zweiten Stufe in der Form eines geschlossenen Kreislaufes durch die Leitung 21 verbunden. Ferner bezeichnen 19-1 einen Dichtungsteil der ersten Stufe der Expansionsvorrichtung 18 und 19-2 einen Dichtungsteil der zweiten Stufe der Expansionsvorrichtung 18.
Ferner ist eine Kryoplatte 13 der ersten Stufe an einem oberen Ende des Expansionsteils 11 der ersten Stufe über ein thermisches Übertragungselement 12 verbunden, und eine Kryoplatte 17 der zweiten Stufe ist direkt am Expansionsteil 15 der zweiten Stufe angebracht.
Der Expansionsteil 11 der ersten Stufe und der Expansionsteil 15 der zweiten Stufe sind durch ein Gehäuse 30 umgeben, und eine Vakuumkammer 100 ist mit einem Oberende des Gehäuses 30 verbunden.
Ferner ist ein Temperatursensor 35 am thermischen Übertragungselement 12 angebracht und eine Ausgabe des Temperatursensors 35 wird in arithmetische Steuermittel 51 einer Steuerung 50 eingegeben. Alternativ kann der Temperatursensor 35 an der Kryoplatte 13 der ersten Stufe, dem Expansionsteil 15 der zweiten Stufe oder der Kryoplatte 17 der zweiten Stufe vorgesehen sein.
In der Folge wird die mechanische Bewegung der Kryopumpe kurz beschrieben. Ein Tiefdruckarbeitsgas, beispielsweise Heliumgas, wird von der Kältemaschine 10 zu der Leitung 21 ausgegeben bzw. ausgestoßen und in ein Hochdruckarbeitsgas bei Raumtemperatur durch die Kompressoreinheit 20 umgewandelt, und das Hochdruckarbeitsgas bei Raumtemperatur wird in die Kältemaschine 10 eingegeben. Danach wird das Hochdruckarbeitsgas bei Raumtemperatur, das in die Kältemaschine 10 eingegeben wurde, im Expansionsteil 11 der ersten Stufe und im Expansionsteil 15 der zweiten Stufe durch die Expansionsvorrichtung 18 expandiert bzw. ausgedehnt, die in der Kältemaschine 10 angeordnet ist, und durch den Expansionsmotor 40 angetrieben wird, und der Expansionsteil 11 der ersten Stufe, der Expansionsteil 15 der zweiten Stufe, das thermische Übertragungselement 12, die Kryoplatte 13 der ersten Stufe und die Kryoplatte 17 der zweiten Stufe, die mit den Expansionsteilen 11 und 15 verbunden sind, werden durch das expandierte Arbeitsgas gekühlt.
Danach werden Gasmoleküle in der Vakuumkammer 100 auf Oberflächen der Kryoplatte 13 der ersten Stufe und der Kryoplatte 17 der zweiten Stufe kondensiert oder adsorbiert und Gas wird aus der Vakuumkammer 100 evakuiert.
In diesem Fall werden die Oberflächentemperaturen der Kryoplatten 13, 17 der ersten und zweiten Stufe durch die Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 geregelt.
2 zeigt eine Drehgeschwindigkeit (Frequenz n) des Expansionsmotors bezüglich einer verstrichenen Betriebszeit T unter der Bedingung, daß die Kryopumpe an die Vakuumkammer 100 für eine Sputtervorrichtung oder ähnliches angebracht ist und die Kryopumpe zur Beibehaltung einer Temperatur der Kryopumpe bei einem nahezu konstanten Wert betrieben wird, oder zur Beibehaltung einer Pumpgeschwindigkeit der Kryopumpe auf einen konstanten Wert, d. h. zur Beibehaltung einer Adsorptionsrate der Gasmoleküle auf den Oberflächen der Kryoplatten bei einem konstanten Wert.
In 2 ist ein erster Betriebszyklus, wobei die Kryoplatten 13 und 17 sich in einem nicht kontaminierten Zustand befinden, durch eine Linie 1 angezeigt. Im Betriebszyklus 1 wird der Expansionsmotor 40 bei einer Drehgeschwindigkeit nahe seiner oberen Grenze zur Kühlung der Kryopumpe nahe einem ersten Zeitpunkt (T = 0) einer verstrichenen Betriebszeit T betrieben.
Danach wird die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 erniedrigt, während sich die Temperatur der Kryoplatten erniedrigt. Danach wird die Drehgeschwindigkeit stabilisiert. Da die Anzahl der auf den Oberflächen der Kryoplatten 13 und 17 adsorbierten Gasmoleküle sich erhöht, und dadurch eine Kühlleistfähigkeit der Kryopumpe allmählich verschlechtert wird, muß die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 20 allmählich erhöht werden, um die Temperatur auf einen konstanten Wert zu halten.
Danach ist für die Kryopumpe eine Regeneration notwendig bei einer verstrichenen Betriebszeit T2, bei welcher die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 seinen oberen Grenzwert erreicht. Jedoch wird normalerweise die Regeneration der Kryopumpe während einer Targetaustauschzeit T1 durchgeführt, bei der ein Target bzw. Zielobjekt in der Sputtervorrichtung ausgetauscht werden muß.
In diesem Zusammenhang bedeutet Regeneration, daß auf den Oberflächen der Kryoplatten 13 und 17 kondensierte oder adsorbierte Gasmoleküle freigegeben werden, während die Temperatur der Kryoplatten 13 und 17 erhöht wird. Jedoch können nicht 100% der adsorbierten Gasmoleküle freigegeben werden und eine Anzahl von Gasmolekülen, die so adsorbiert sind, verbleiben auf den Kryoplatten.
Nach der Regeneration der Kryopumpe wird der Betrieb der Kryopumpe wiederaufgenommen. Dann ist eine Strömungsrate des Gases in der Sputtervorrichtung nahezu gleich wie im ersten Betriebszyklus. Daher wird der Expansionsmotor 40 auf nahezu die gleiche Weise wie im ersten Betriebszyklus betrieben. Jedoch, und zwar im Vergleich zum ersten Betriebszyklus, weil einige Gasmoleküle, die auf den Oberflächen der Kryoplatten 13 und 17 adsorbiert sind, verbleiben und weil die Leistfähigkeit der Kryopumpe zu einer Verschlechterung tendiert aufgrund der Verschlechterung der Oberflächen der Dichtungsteile 19-1 und 19-2, muß die Drehgeschwindigkeit prinzipiell leicht erhöht werden. Somit wird ein zweiter Betriebszyklus durch eine Linie II angezeigt, wie in 2 gezeigt. Zur besseren Erklärung sind die Linien 1 und II in 2 so gezeichnet, als wäre Linie 1 weit weg von Linie II angeordnet. Jedoch befinden sich die Linie 1 und die Linie II tatsächlich nahe beieinander.
Im zweiten Betriebszyklus wird eine verstrichene Betriebszeit, bei welcher die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 20 ihre obere Grenze erreicht, durch T'2 angezeigt.
Wie zuvor beschrieben, wird die Drehgeschwindigkeit oder die Frequenz n des Expansionsmotors 20 insgesamt allmählich erhöht, jedesmal wenn ein Betriebszyklus der Kryopumpe hinzugefügt wird. Daher, wenn die Targetaustauschzeit T1 zusammenfällt mit einer verstrichenen Betriebszeit, bei welcher die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 20 ihre obere Grenze erreicht, sollte dies zu einer Wartungszeit für die Kryopumpe (bei Punkt b) gemacht werden. In 2 fällt die Wartungszeit in einen Betriebszyklus N. Vor der Wartungszeit, wie sie zuvor definiert wurde, werden die Dichtungsteile 19-1 und 19-2 der Expansionsvorrichtung 18 normalerweise betrieben. Jedoch gibt es Fälle, bei denen die Dichtungsteile 19-1 und 19-2 schnelle vor der Wartungszeit abgenützt sein können. In diesem Fall wird die Wartung der Kryopumpe zu einem früheren Zeitpunkt durchgeführt.
Wie zuvor beschrieben, verändern sich die Betriebscharakteristika (oder die Leistfähigkeit) der Kryopumpe im wesentlichen gemäß der vergangenen Betriebsgeschichte der Kryopumpe. Daher wird in dieser Endung die Kryopumpe durch Einbeziehung solch einer Veränderung bezüglich der Betriebscharakteristika gesteuert.
In der Folge wird der Inhalt der spezifischen Steuerung beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, weist eine Steuerung 50 die arithmetischen Steuermittel 51 auf, die einen Mikroprozessor aufweisen, ferner Steuermittel 53, die einen Lese-Speicher (ROM) aufweisen, wie beispielsweise einen elektrisch programmierbaren ROM (EPROM) oder einen elektrisch löschbaren und programmierbaren ROM (EEPROM), ferner einen zugriffsfreien Speicher (RAM) oder ähnliches, ferner Steuermittel 55 mit einem Anzeigeabschnitt, wie beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre (CRT = cathode-ray tube) oder ähnliches, und ferner einen Eingabeabschnitt, wie beispielsweise eine Tastatur oder ähnliches, und ferner ein Expansionsmotorantriebsmittel 57 zur Ausgabe eines Drehantriebspulses gemäß eines Antriebsinstruktionssignals, das von den arithmetischen Steuermitteln 51 für den Antrieb des Expansionsmotors 40 gesendet wird.
Als nächstes wird eine Steuerprozedur der Kryopumpe beschrieben.
Geschwindigkeitskontrolle des Expansionsmotors:
3 ist ein Flußdiagramm, das eine Steuerprozedur für die Kryopumpe zeigt, die durch den Steuerabschnitt 50 durchgeführt wird.
Anfänglich werden Dateninhalte des ersten Betriebszyklus, d. h. des Betriebszyklus 1, der in 2 gezeigt ist, in den Speichermitteln 53 als ein Management parameter gespeichert. In diesem Fall würde der Dateninhalt des Betriebszyklus 1, der gespeichert werden soll, abhängig von einer Temperatur K (Kelvin) der Kryoplatten 13 und 15 und einem Zustand in der Vakuumkammer 100 variieren.
Danach wird ein anfängliches Antriebsinstruktionssignal von den arithmetischen Steuermitteln 51 an die Expansionsmotorantriebsmittel 57 ausgegeben und der Antrieb des Expansionsmotors 40 wird gestartet (Schritt 1).
Die Kältemaschine 10 wird durch den Antrieb des Expansionsmotors 40 abgekühlt. Danach wird eine derzeitige Temperatur der Kältemaschine 10 durch einen Temperatursensor 35 detektiert und ein Wert der derzeitigen Temperatur und einer derzeitigen Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 werden in die arithmetischen Steuermittel 51 der Steuerung 50 als ein derzeitiger Betriebsparameter eingegeben (Schritt 2).
Danach wird eine Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 bei einer entsprechend verstrichenen Betriebszeit des Managementparameters von den Speichermitteln 53 ausgelesen an die arithmetischen Steuermittel 51 (Schritt 3).
Danach wird eine folgende bzw. nächste Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 (beispielsweise fünf Minuten später) im derzeitigen Betriebszyklus aus dem derzeitigen Betriebsparameter berechnet, d. h. der derzeitigen Temperatur und der derzeitigen Drehgeschwindigkeit, und aus einer Drehgeschwindigkeit im Managementparameter, der aus den Speichermitteln 53 in Schritt 3 ausgelesen wurde (Schritt 4).
Danach wird die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit mit einer Drehgeschwindigkeit des aus den Speichermitteln ausgelesenen Managementparameters verglichen, und es wird beurteilt, ob oder ob nicht die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit außerhalb einem ersten zulässigen Bereich für die Drehgeschwindigkeit des Managementparameters ist. In diesem Fall ist der erste zulässige Bereich so vorherbestimmt, daß die nächste Drehgeschwindig keit im wesentlichen der Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 folgt, die in 2 gezeigt ist. Diese Beurteilung wird durchgeführt zur Bestätigung, daß die derzeitige Drehgeschwindigkeit nicht ungewöhnlich von jener des Managementparameters abweicht.
Danach wird die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit mit einer gerade vorhergegangenen Drehgeschwindigkeit verglichen, beispielsweise mit einer Drehgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt gerade fünf Minuten vorher im derzeitigen Betriebszyklus, und es wird beurteilt, ob oder ob nicht die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit außerhalb dem zweiten zulässigen Bereich dafür ist. Der zweite zulässige Bereich unterscheidet sich vom ersten zulässigen Bereich. Diese zweite Beurteilung wird durchgeführt zur Bestätigung, daß die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit nicht ungewöhnlich von der Linie des derzeitigen Betriebszyklus abweicht. Insbesondere, beispielsweise wenn ein Sputterbetrieb in der Vakuumkammer durchgeführt wird, wird die Temperatur in der Vakuumkammer temporär erhöht und daher kann die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit demgemäß ungewöhnlich hoch sein, wie in 4 gezeigt. Diese zweite Beurteilung wird durchgeführt zur Vermeidung solcher temporären Fluktuationen in der Drehgeschwindigkeit.
Zusätzlich wird die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit dahingehend beurteilt, ob sie innerhalb einem dritten zulässigen Bereich ist, um zu bestimmen, ob der Expansionsmotor 40 normal oder nicht normal arbeitet. Die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 unter normalem Betrieb überschreitet niemals den Bereich von 40–90 rpm (Umdrehungen pro Minute). Demgemäß kann der dritte zulässige Bereich so eingestellt werden, daß er innerhalb einer normalen Drehfrequenz des Expansionsmotors 40 ist (Schritt 5).
Im Fall, daß die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit innerhalb der ersten, zweiten und dritten zulässigen Bereichen ist, und daß die Drehgeschwindigkeit nicht die obere Grenze übersteigt (Schritte 6, 7), werden die in den Speichermitteln 53 gespeicherten Daten überschrieben, um die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit als eine Drehgeschwindigkeit bei der entsprechenden verstrichenen Zeit des Managementparameters anzunehmen (Schritt 8). D.h. die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit wird als Managementparameter im nächsten Betriebszyklus verwendet.
Danach wird ein Antriebsinstrukionssignal von den arithmetischen Steuermitteln 51 an die Expansionsmotorantriebsmittel 57 zur Steuerung der Geschwindigkeit der Drehungen des Expansionsmotors auf die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit ausgegeben (Schritt 9). Danach wird ein derzeitiger Betriebsmodus, beispielsweise eine derzeitige Temperatur, eine verstrichene Betriebszeit und dergleichen, von den arithmetischen Steuermitteln 51 an die Steuermittel 55 ausgegeben und angezeigt (Schritt 10).
Danach kehrt die Prozedur zu Schritt 2 zurück und die vorangegangene Verarbeitung wird wiederholt. Diese Wiederholung wird beispielsweise alle fünf Minuten durchgeführt, bis die berechnete Drehgeschwindigkeit eine maximale Drehgeschwindigkeit erreicht.
Im Gegensatz dazu, wenn im Schritt 5 beurteilt wird, daß die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit nicht innerhalb den ersten, zweiten oder dritten zulässigen Bereichen ist, wird weiter beurteilt, ob oder ob nicht die vorangegangene Beurteilung, daß die berechnete Geschwindigkeit außerhalb eines zulässigen Bereichs ist, in der Folge eine vorbestimmte Anzahl wiederholt wird (Schritt 11). Im Falle, daß die zuvor genannte Beurteilung in der Folge eine vorbestimmte Anzahl wiederholt wird, wird daraus geschlossen, daß der Betrieb der Kryopumpe defekt ist, und die Prozedur schreitet fort zu Schritt 12. Im Falle, daß die zuvor genannte Beurteilung nicht eine vorbestimmte Anzahl von Malen wiederholte wird, wird daraus geschlossen, daß die Kryopumpe nicht defekt arbeitet und die Drehgeschwindigkeit der entsprechenden verstrichenen Zeit des Managementparameters oder eine andere Drehfrequenz nahe zur Drehgeschwindigkeit wird als die berechnete nächste Drehgeschwindigkeit angenommen und die Prozedur schreitet fort zu Schritt 8, und zwar über die Schritte 6 und 7.
Der Grund, warum die Kryopumpe nicht als defekt beurteilt wird, wenn die Beurteilung nicht eine vorbestimmte Anzahl von Malen in Schritt 11 wiederholt wird, ist wie folgt. Es gibt den Fall, daß die Temperatur der Kryoplatten 13 und 15 temporär angehoben wird, weil eine Sputterbearbeitung, beispielsweise, während des Betriebs der Kryopumpe durchgeführt wird, wie zuvor erwähnt. In diesem Fall wäre eine berechnete Drehgeschwindigkeit basierend auf der detektierten erhöhten Temperatur ungewöhnlich hoch (ein Phänomen, das durch die Pfeile in 4 gezeigt ist). In diesem Fall ist jedoch der Betrieb der Kryopumpe nicht tatsächlich defekt. Daher, sogar wenn die berechnete Drehgeschwindigkeit ein- oder zweimal außerhalb den ersten, zweiten oder dritten zulässigen Bereichen ist, kann die Kryopumpe normal arbeiten. Ferner ist diese Temperaturveränderung temporär. Daher wird die Anzahl der Male, bei denen die berechnete Drehgeschwindigkeit außerhalb den ersten, zweiten und dritten zulässigen Bereichen ist, abgezählt und im Falle, daß die Anzahl gleich oder weniger einer vorgeschriebenen Zahl ist, wird daraus geschlossen bzw. beurteilt, daß die Kryopumpe normal arbeitet, und zwar in Schritt 11.
Im Gegensatz dazu, im Fall, daß die berechnete Drehgeschwindigkeit in der Abfolge außerhalb der ersten, zweiten oder dritten zulässigen Bereiche ist, und zwar öfter als die vorbestimmten Male, ist die Kryopumpe offensichtlich in einem defekten Zustand, was beispielsweise ein Problem in einem Dichtungsmechanismus der Kryopumpe oder ähnlichem umfaßt. Somit wird eine Wartung nötig sein. Demgemäß wird in diesem Fall ein ungewöhnlicher Modus bzw. Betrieb diagnostiziert (Schritt 12), und ein Alarmsignal wird an die Steuermittel 55 ausgegeben und der diagnostizierte ungewöhnliche Modus wird in den Steuermitteln 55 angezeigt (Schritt 13). Danach wird beispielsweise ein Alarmsignal an eine Sputtervorrichtung ausgegeben, um den Betrieb zu stoppen, und ferner kann der Expansionsmotor angehalten werden. Statt dessen kann die Prozedur nach Schritt 10 manuel durchgeführt werden.
Wie zuvor beschrieben, wird ein Wert eines Betriebsparameters eines vorangegangenen Betriebszyklus als ein Managementparameter gespeichert, und wenn eine Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors berechnet wird, wird eine Drehgeschwindigkeit des Managementparameters bei der Berechnung verwendet und die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors wird zur Beibehaltung einer Temperatur der Kryoplatten auf einem vorbestimmten Pegel geregelt. Demgemäß werden unnötige, abrupte Veränderung bezüglich der Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors, wie sie in 4 gezeigt sind, unterdrückt und ein richtiger bzw. geeigneter Betrieb der Kryopumpe kann erreicht werden.
Ferner, da ein ungewöhnlicher Zustand der Kryopumpe dadurch beurteilt wird, daß überprüft wird, ob ein derzeitiger Betriebsparameter ungewöhnlich verändert im Vergleich zur Drehgeschwindigkeit des Managementparameters ist, kann die Beurteilung präzise durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu, bei der herkömmlichen Technik, in welcher nur eine Echtzeitsteuerung durchgeführt wird, wird im Fall, daß die Temperaturen der Kryoplatten nicht erniedrigt sind, auf einen eingestellten Wert aufgrund von beispielsweise des Versagens einer Dichtung der Expansionsmotor für eine lange Zeit bei einer Drehgeschwindigkeit nahe seiner oberen Grenze betrieben, um eine Betriebsleistfähigkeit der Kryopumpe zu erhalten. Zusätzlich kann die Verschlechterung der Kryopumpe nicht vorhergesagt werden und die Art des Versagens kann nicht diagnostiziert werden. Demgemäß existiert eine Wahrscheinlichkeit, daß der Expansionsmotor beschädigt wird.
Im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Parameter eines gerade vorhergegangenen Betriebszyklus, und zwar gerade vor dem derzeitigen Betriebszyklus, als Managementparameter verwendet. Jedoch ist es durchführbar, daß ein Parameter eines Betriebszyklus als Managementparameter verwendet werden kann, der mehrere Betriebszyklen zurückliegt.
Ebenso werden im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel die Drehgeschwindigkeit, die verstrichene Betriebszeit und die Temperatur als die Betriebsparameter und die Managementparameter verwendet. Jedoch ist es möglich, daß ein Druck der Kryopumpe anstatt der Temperatur verwendet wird. In diesem Fall ist ein Drucksensor 101 in der Vakuumkammer 100 vorgesehen, und eine Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 wird so geregelt, daß der Druck in der Vakuumkammer 100 bei einem vorbestimmten Wert gehalten wird, und zwar auf eine ähnliche Weise, wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Ebenso wird im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel die Temperatur bei einem konstanten Wert gehalten. Jedoch ist klar, daß wenn Gasmoleküle auf der Kryoplatte bis zu einer bestimmten Dicke akkumuliert sind, die Pumpgeschwindigkeit der Kryopumpe abnimmt. Daher sollte die Temperatur so geregelt werden, daß sie mehr und mehr um ein wenig erniedrigt wird, um die Pumpgeschwindigkeit der Kryopumpe bei einem konstanten Wert zu halten.
Diagnostiziersteuerung:
Als nächstes wird ein Verfahren zur Diagnostizierung und Anzeige der Regenerationszeit oder der Wartungszeit der Kryopumpe beschrieben.
Bestimmung der Regenerationszeit:
Wie in 2 gezeigt, wird im Verlauf der verstrichenen Betriebszeit T die Drehgeschwindigkeit oder Frequenz n des Expansionsmotors 40 allmählich in jedem der Betriebszyklen erhöht. Wenn die Drehgeschwindigkeit eine obere Grenze der Drehgeschwindigkeit überschreitet (oder ein wenig geringer ist als die obere Grenze), erreicht die Kryopumpe einen Zeitpunkt für die Regeneration.
Daher wird die obere Grenze der Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 oder eine Drehgeschwindigkeit ein wenig geringer als die obere Grenze der Drehgeschwindigkeit in den Speichermitteln 53 vorab als ein Diagnoseparameter gespeichert und die berechnete derzeitige Drehgeschwindigkeit wird mit der Drehgeschwindigkeit des Diagnoseparameters verglichen, der in den Speichermitteln 53 gespeichert ist. Wenn die berechnete derzeitige Drehgeschwindigkeit die Drehgeschwindigkeit des Diagnoseparameters über schreitet, wird festgestellt, daß für die Kryopumpe eine Regeneration erforderlich ist, ein Alarmsignal wird an die Steuermittel 55 ausgegeben, und ein Regenerationsmodus wird bei Schritt (14, 15) in den Steuermitteln 55 angezeigt, wie in dem in der 3 gezeigten Flußdiagramm gezeigt ist.
Bestimmung der Wartungszeit:
Wenn der Betriebszyklus wiederholt wird, wie in 2 gezeigt, so wird die Drehgeschwindigkeit insgesamt allmählich erhöht, und die berechnete Drehgeschwindigkeit erreicht letztendlich ihre obere Grenze vor der Targetzeit T1, d. h. der Zeit für den Wechsel eines Targets (der Betriebszyklus N in 2). In diesem Fall, da die Kryopumpe nicht zum Vorsehen eines vorgeschriebenen Kühlungspegels betrieben werden kann, ist eine Wartung notwendig. Daher ist es notwendig, den Benutzer bzw. das Bedienungspersonal zu informieren, daß eine Wartung erforderlich ist.
Demgemäß werden die Targetzeit T1 und die obere Grenze der Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors 40 vorab in den Speichermitteln 53 als Diagnoseparameter gespeichert. Die berechnete Drehgeschwindigkeit wird mit dem in den Speichermitteln 53 gespeicherten Diagnoseparameter verglichen und wenn die berechnete Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors die obere Grenze der Drehfrequenz oder eine Drehfrequenz nahe der oberen Grenze der Drehfrequenz erreicht vor der Targetzeit T1, dann wird bestimmt, daß eine Wartung erforderlich ist. Dann wird ein Alarmsignal an die Steuermittel 55 ausgegeben und ein Wartungsmodus wird angezeigt (Schritte 16, 17), wie in dem in den 3 gezeigten Flußdiagramm gezeigt.
Bezüglich der Wartungszeit in anderen Fällen kann beispielsweise ein plötzlicher Anstieg einer Innentemperatur oder eines Drucks aufgrund von beispielsweise einem Versagen einer Dichtung als Diagnoseparameter verwendet werden. In diesem Fall wird ebenso der Betrag der Abweichung der Drehgeschwindigkeit in einem derzeitigen Betriebszyklus von der Drehgeschwindigkeit eines vorangegangenen Betriebszyklus bei der entsprechenden verstrichenen Betriebszeit oder ein Betrag der Abweichung einer derzeitigen Drehgeschwindigkeit von einer Drehgeschwindigkeit gerade vor der derzeitigen Drehgeschwindigkeit ebenso groß. In diesem Fall werden ein Betrag der Abweichung einer Temperatur, ein Betrag der Abweichung eines Drucks und ein Betrag der Abweichung einer Drehgeschwindigkeit, die groß genug sind, um eine Wartungsarbeit der Kryopumpe nötig zu machen, als Diagnoseparameter in den Speichermitteln 53 gespeichert und diese Beträge der Abweichungen werden verglichen mit Abweichungen bezüglich der derzeitigen, detektierten Temperatur, eines derzeitig detektierten Drucks und einer derzeitig detektierten Drehgeschwindigkeit. Danach wird diagnostiziert, ob oder ob nicht eine Wartungsarbeit erforderlich ist. Im Falle, daß eine Wartungsarbeit erforderlich ist, wird ein Alarmsignal an die Steuermittel 55 ausgegeben und ein Wartungsmodus wird in den Steuermitteln 55 angezeigt.
Es ist klar, daß entweder die Geschwindigkeitssteuerung oder die Diagnosesteuerung für die Kryopumpe verwendet werden könnten. Ebenso ist klar, daß die Geschwindigkeitssteuerung und die Diagnosesteuerung zusammen für die Kryopumpe verwendet werden könnten.
Beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Temperatur oder der Druck beispielsweise als Diagnoseparameter verwendet. Jedoch ist es durchführbar, daß eine Vibrationsfrequenz der Kryopumpe als Diagnoseparameter genutzt wird. In diesem Fall wird ein Vibrationssensor an einer vorgeschriebenen Position der Kryopumpe vorgesehen. Wenn eine Vibrationsfrequenz eines derzeitigen Betriebszyklus ungewöhnlich von einer vorangegangenen Vibrationsfrequenz bei einer entsprechenden verstrichenen Betriebszeit eines vorangegangenen Betriebszyklus abweicht, wird daraus geschlossen, daß sich die Kryopumpe in einem ungewöhnlichen Zustand befindet, und ein Alarmsignal wird an die Steuermittel 55 ausgegeben und ein Modus für einen ungewöhnlichen Zustand wird in den Steuermitteln 55 angezeigt.
Ferner wird in einem anderen Fall eine vorherbestimmte Gesamtbetriebszeit für die Kryopumpe als ein Diagnoseparameter in den Speichermitteln 53 gespeichert. Wenn die tatsächliche Gesamtbetriebszeit eine vorbestimmte Zeit erreicht, wird daraus geschlossen, daß für die Kryopumpe eine Wartung erforderlich ist und ein Alarmsignal wird an die Steuermittel 55 ausgegeben und ein Wartungsmodus wird in den Steuermitteln 55 angezeigt.
Wie zuvor detailliert beschrieben wurde, zeigt die Kryopumpe gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen hervorragende Wirkungen, wie folgt.

(1) Weil nicht nur die Echtzeitsteuerung sondern auch Managementparameter zur Steuerung der derzeitigen Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors genutzt werden, sogar wenn plötzliche Lastveränderungen für eine kurze Dauer in der Kryopumpe auftreten (beispielsweise tritt eine plötzliche Lastveränderung auf, wenn ein Sputterbetrieb in der Vakuumkammer durchgeführt wird, an welcher die Kryopumpe angebracht ist), fluktuiert die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors nicht und ein stabiler Betrieb kann realisiert werden.
(2) Die Regenerationszeit und die Wartungszeit kann leicht vorab bestimmt werden und eine Verschlechterung im Verlauf der Zeit kann vorhergesagt werden. Ferner kann eine Vorhersage und Diagnose von Ausfällen bzw. Versagen der Kryopumpe leicht durchgeführt werden. Demgemäß kann eine vernünftige und geplante Wartung und Überprüfung für die Kryopumpe durchgeführt werden.
(3) Ein erzwungener bzw. gewaltsamer oder unangepaßter Betrieb der Kryopumpe zur Beibehaltung der Betriebsleistfähigkeit (beispielsweise zur Beibehaltung der Temperatur oder des Drucks bei einem konstanten Wert) der Kryopumpe kann vermieden werden.

Regeneration der Kryopumpe:
6 ist eine Ansicht, die die Konstruktion einer regenerativen Vorrichtung bzw. Regenerationsvorrichtung für eine Kryopumpe zeigt, die ein regeneratives Verfahren durchführt, wie hier offenbart ist. Ein Pumpgehäuse 2 einer Kryopumpe 1 ist mit einer Vakuumkammer 4 über ein Einlaßventil 3 verbunden. Eine erste Stufe 6-1 und eine zweite Stufe 6-2 einer Kältemaschine 6 sind innerhalb des Pumpgehäuses 2 angeordnet. Eine Kryoplatte der ersten Stufe 7 ist aus Metallplatten gebildet, die gleich einem Lampenschirm geformt sind und in einer sich horizontal überlappenden Weise angeordnet sind. Die Kryoplatte der ersten Stufe 7 ist nahe dem Einlaßventil 3 angeordnet und mit der ersten Stufe 6-1 der Kältemaschine über ein Wärmeübertragungselement 5 verbunden. Eine Kryoplatte der zweiten Stufe 8 ist ebenso aus Metallplatten gebildet, die gleich einem Lampenschirm geformt sind, und vertikal in einer sich überlappenden Weise angeordnet sind. Die Kryoplatte der zweiten Stufe 8 ist unterhalb der Kryoplatte der ersten Stufe 7 angeordnet und mit der zweiten Stufe 6-2 der Kältemaschine verbunden.
Eine Kompressoreinheit 10 und ein Expansionsmotor (der aus einem Synchronmotor besteht) 9 sind mit der Kältemaschine 6 verbunden. Wenn der Expansionsmotor 9 betrieben wird, wird eine Expansionsvorrichtung bzw. ein Expander auf- und ab bewegt. Synchron mit der Bewegung der Expansionsvorrichtung wird Hochdruckheliumgas von der Kompressoreinheit 10 in die erste Stufe 6-1 und die zweite Stufe 6-2 der Kältemaschine 6 für eine adiabatische Expansion des Gases eingeführt und das druckreduzierte Heliumgas mit niedrigem Druck wird an die Kompressoreinheit 10 zurückgeführt. Dies bewirkt, daß die erste Stufe 6-1 und die zweite Stufe 6-2 der Kältemaschine gekühlt werden und die Oberflächen der Kryoplatte der ersten Stufe 7 und der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden. Bei diesem Kühlungsschritt werden die erste Stufe 6-1 der Kältemaschine 6 auf eine Temperatur von 60–100 K und die zweite Stufe 6-2 auf 12–20 K gekühlt.
Durch das Öffnen des Einlaßventils 3 wird Gasen in der Vakuumkammer erlaubt, in das Pumpgehäuse 2 zu strömen. Beispielsweise Wasser (H₂O) adsorbiert (kondensiert) sofort auf der Kryoplatte der ersten Stufe 7, Argongas (Ar) kondensiert auf einer oberen Oberfläche der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 und Wasserstoffgas adsorbiert auf einer aktivierten Kohlenschicht, die auf der Rückseite der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 vorgesehen ist. Demgemäß werden verschiedene Gase innerhalb der Vakuumkammer 4 entfernt.
Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Turbomolekularpumpe und 12 zeigt eine Grobvakuumpumpe an. Die Turbomolekularpumpe 11 und die Grobvakuumpumpe 12 sind seriell verbunden und mit dem Pumpgehäuse 2 über ein Auslaß- bzw. Entlastungsventil 13 und ein Regenerationsventil 14 verbunden, die beide parallel zueinander angeordnet sind. Das Symbol P bezeichnet einen Drucksensor zur Detektion eines Innendrucks des Pumpgehäuses 2; T1 bezeichnet einen Temperatursensor zur Detektion einer Temperatur der Kryoplatte der ersten Stufe 7; T2 bezeichnet einen Temperatursensor zur Detektion einer Temperatur der Kryoplatte der zweiten Stufe 8; und die Bezugszeichen 15, 16 und 17 zeigen eine Heizung an.
Das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Steuerung. Ausgänge von den Temperatursensoren T1, T2 und dem Drucksensor P werden in die Steuerung 18 eingegeben. Die Steuerung 18 liefert eine Antriebsleistung an die Turbomolekularpumpe 11 und an die Grobvakuumpumpe 12, ferner eine Heizleistung an die Heizungen 15, 16 und eine Leistung an die Heizung 17 zur Erwärmung von Stickstoffgas (N₂), das beim Spülen verwendet wird.
Bei der regenerativen Vorrichtung für eine Kryopumpe in der zuvor beschriebenen Konstruktion wird während der Regeneration zuerst das Einlaßventil 3 geschlossen. Dann wird die Kältemaschine 6 angehalten und Leistung wird an die Heizungen 15, 16, 17 geliefert. Ebenso wird das Ventil 19 geöffnet, um das Pumpgehäuse 2 mit Stickstoffgas (N₂) zu versorgen, daß durch die Heizung 17 für einen Spülvorgang erwärmt wurde. Diese Erwärmung bewirkt, daß Gase, die kondensiert/adsorbiert sind, auf den Kryoplatten der ersten und zweiten Stufe 7, 8 verdampfen. Wenn ein Innendruck des Pumpgehäuses 2 den Atmosphärendruck übersteigt, wird das Entlastungsventil 13 geöffnet, um den Innendruck des Pumpgehäuses 2 im wesentlichen auf Atmosphärendruck oder höher zu halten. Dies bewirkt, daß Substanzen, die an den Oberflächen der Kryoplatte der ersten Stufe 7 und der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 haften, verdampfen bzw. in den gasförmigen Zustand übergehen und die gasförmigen Substanzen aus dem Pumpsystem abgelassen bzw. ausgestoßen werden.
Bei dieser Stufe der Regeneration sollten die kondensierten/adsorbierten Substanzen vollständig verdampft und aus dem Pumpsystem ausgestoßen werden. Zu diesem Zweck werden die Heiztemperaturen für die Kryoplatte der ersten Stufe 7 und die Kryoplatte der zweiten Stufe 8 gemäß den kondensierten/adsorbierten Substanzen eingestellt, die verdampft werden sollen. Leistung, die von der Steuerung 18 geliefert wird, wird so gesteuert, daß die Ausgänge der Temperatursensoren T1, T2 eingestellte Temperaturen erreichen. Ebenso wird die Zeit, die für die vollständige Verdampfung (Heizzeit) erforderlich ist, bezüglich der Menge der adsorbierenden Substanzen eingestellt.
Wenn die Freigabe der Gase von den Oberflächen in der Kryoplatte der ersten Stufe 7 und der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 aufgehört hat, was einen Abschluß der Regeneration anzeigt, wird das Regenerationsventil 14 geöffnet, während die Kryoplatte der ersten Stufe 7 und die Kryoplatte der zweiten Stufe 8 bei den zuvor erwähnten eingestellten Temperaturen gehalten werden. Die Turbomolekularpumpe 11 und die Grobvakuumpumpe 12 werden laufen gelassen, um einen Innendruck des Pumpgehäuses 2 auf 1/10³ Pa oder geringer zu reduzieren. Diese Druckreduktion ist gedacht zur Reinigung der aktivierten Kohleschicht bzw. Aktivkohleschicht, die auf der Rückseite der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 vorgesehen ist und ebenso zur Lecküberprüfung innerhalb des Pumpgehäuses 2. Wenn die Evakuierung nur durch die Grobvakuumpumpe 12 bewirkt wird, kann nur ein Vakuum von der Größenordnung 1/10 Pa erreicht werden, sogar wenn die Evakuierung für eine lange Zeitdauer fortgesetzt wird. Im Ergebnis verbleiben Gase innerhalb des Pumpgehäuses 2 und adsorbieren auf der aktivierten Kohleschicht.
Als nächstes wird die Kältemaschine 6 laufen gelassen zur Kühlung der Kryoplatte der ersten Stufe 7 auf eine Oberflächentemperatur von 80 K oder geringer und zur Kühlung der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 auf eine Oberflächentemperatur von 20 K oder geringer. Bei diesem Kühlen wird der Expansionsmotor 9, ein Synchronmotor, bei maximaler Drehgeschwindigkeit (beispielsweise 90 rpm) für eine schnelle Kühlung laufen gelassen. Ein Mikroprozessor in der Steuerung 18 verarbeitet Ausgänge von den Temperatursensoren T1, T2 und von Drucksensor P, um Steuersignale auszugeben. Die Heizungen 15, 16, 17, der Expansionsmotor 9, das regenerative Ventil bzw. Regenerationsventil 14, die Grobvakuumpumpe 12, die Turbomolekularpumpe 11 und ähnliches werden automatisch betrieben bzw. laufen gelassen und basierend auf den Steuersignalen gesteuert.
Die zuvor beschriebene Konstruktion und der Betrieb haben eine vollständige oder völlige Regeneration abgedeckt, wobei die Kryoplatte der ersten Stufe 7 ebenso zur Entfernung von Wasser erwärmt wurde. Jedoch ist das Verfahren, wie hier offenbart, anwendbar bei einer teilweisen Regeneration, wobei nur die Kryoplatte der zweiten Stufe 8 erwärmt wird. Dann ist es nicht nötig, den Betrieb der Kältemaschine 6 anzuhalten und die Heizungen 16, 17 werden ausgeschaltet.

Die einzustellenden Heiztemperaturen für die Kryoplatte der ersten Stufe 7 und die Kryoplatte der zweiten Stufe 8 bei Regeneration werden weiter unten unter Bezugnahme auf die zu entfernenden Substanzen aufgeführt. Tabelle 1

Wasserdampf (N₂O)	Ungefähr 300 k (Kryoplatte der ersten Stufe 7 und Kryoplatte der zweiten Stufe 8 werden erwärmt) (vollständige Regeneration)
Argon (Ar)	110–160 K (nur Kryoplatte der zweiten Stufe 8 wird erwärmt) (teilweise Regeneration)
Wasserstoff (H₂)	30–80 K (nur Kryoplatte der zweiten Stufe 8 wird erwärmt) (teilweise Regeneration)
Stickstoff (N₂)	100–140 K (nur Kryoplatte der zweiten Stufe 8 wird erwärmt) (teilweise Regeneration)

7 ist eine graphische Darstellung einer teilweisen Regeneration, die eine Regenerationsverarbeitungsprozedur für Ar zeigt, wie hier offenbart. 8 ist eine graphische Repräsentation, die eine Regenerationsverarbeitungsprozedur für Ar zeigt, die in der PCT-Anmeldung mit der nationalen Veröffentlichungsnummer 509144/1993 offenbart ist. In den 7 und 8 repräsentiert Kurve T eine Temperatur der Kryoplatte der zweiten Stufe und Kurve P einen Innendruck des Pumpgehäuses. Gemäß der Regenerationsverarbeitungsprozedur für Ar, wie hier offenbart, und zwar in 7 gezeigt, werden die Turbomolekularpumpe 11 und die Grobvakuumpumpe 12 bei Zeit t₄ laufen gelassen, wenn die Freigabe der Gase von der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 aufgehört hat, wodurch schnell ein Innendruck des Pumpgehäuses 2 auf 1/10³ Pa oder geringer reduziert wird.
Zur Zeit t₅, wenn der Innendruck des Pumpgehäuses 2 1/10³ Pa oder geringer erreicht hat, wird die Kryoplatte der zweiten Stufe 8 schnell auf eine Oberflächentemperatur von 20 K oder geringer gekühlt. Während der Zeitspanne zwischen den Zeiten t₄ und t₅ wird die Oberfläche der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 bei einer festen Temperatur (ungefähr 140 K; eine unterschiedliche Temperatur wird für Wasserdampf, Wasserstoff, Stickstoff oder ähnliches angewandt) gehalten. Es ist ebenso möglich, daß der Start des Kühlens der Oberfläche der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 etwas verzögert ist über die Zeit t₅ hinaus.
Andererseits wird gemäß der bekannten Regenerationsverarbeitungsprozedur, die in der PCT-Anmeldung mit der nationalen Veröffentlichungsnummer 509144/1993 offenbart ist, wie in 3 gezeigt, das Anhalten der Heizung der Kryoplattenoberfläche etwas verzögert im Vergleich zur hier offenbarten Prozedur und wird wirksam erreicht bei der Zeit t₆, und die Abkühlung der Kryoplattenoberfläche startet nicht, bis ein Innendruck des Pumpgehäuses 2 ungefähr 10–100 Pa wird.
Wie zuvor beschrieben, ist bei der bekannten Regenerationsverfahrensprozedur, wenn die Kühlung der Kryoplattenoberfläche gestartet wird, ein Innendruck des Pumpgehäuses 2 immer noch hoch bei 10–100 Pa. Dies bewirkt, daß eine kryogene Adsorption stattfindet auf der Kryoplattenoberfläche und macht es schwierig, die Oberfläche rein zu halten. Im Gegensatz dazu wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Druck auf 1/10³ Pa reduziert, um gasförmige Substanzen aus dem Pumpgehäuse vollständig auszustoßen, und dann wird die Kühlung der Oberfläche der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 begonnen. Im Ergebnis wird Reinheit innerhalb des Pumpgehäuses beibehalten und die Oberfläche der Kryoplatten der zweiten Stufe 7, 8 kann vollständig regeneriert werden. Zusätzlich können Lecks genau überprüft werden.
Ferner, wenn die Regeneration abgeschlossen ist, ist es möglich, da die Innenseite des Pumpgehäuses 2 auf einem Hochvakuum von 1/10³ Pa oder geringer gehalten wird, die Zeit zu reduzieren, die für die Kühlung der Kryoplatte der zweiten Stufe 8 auf eine Temperatur von 20 K erforderlich ist, und die Zeit zu reduzieren für die Evakuierung beim folgenden Ausstoß. Wenn die schnelle Kühlung dadurch bewirkt wird, daß die Drehgeschwindigkeit des Expansionsmotors auf 90 rpm gebracht wird, ist es möglich, die Zeit zu reduzieren, die für die Kühlung auf eine Temperatur von 20 K erforderlich ist, und zwar um ungefähr 20% im Vergleich zur herkömmlichen Praxis. In 7 ist die Verarbeitungsprozedur bis zur Zeit t₃ ungefähr gleich wie im Beispiel der bekannten Verarbeitungsprozedur, wie in 8 gezeigt.
Die Erläuterungen wurden hinsichtlich teilweiser Regeneration gemacht, wobei ein Regenerationsprozeß für Ar bzw. Argon durchgeführt wird. Ferner sei klar, daß ähnliche Effekte bei einer vollständigen Regeneration erwartet werden können, wobei die Regeneration ebenso auf der Kryoplatte der ersten Stufe adsorbiertes Wasser abdeckt.
Die folgenden Tatsachen wurden experimentell bestätigt: Wenn ein Innendruck des Pumpgehäuses 2 auf 1/10³ Pa reduziert wird, wie zuvor beschrieben, bleibt die Wasserstoffpumpkapazität beim nachfolgenden Ausstoßschritt unverändert. Jedoch, wenn ein Innendruck des Pumpgehäuses 2 nur auf 1–1/10 Pa reduziert wird, erniedrigt sich die Wasserstoffpumpkapazität bei einem nachfolgenden Ausstoßschritt um 5 bis 10%. Sogar wenn der Druck von 1/10³ Pa nicht erreicht wird, ist klar, daß ähnliche Ergebnisse erreicht werden können bei Drücken, bei denen sich eine Molekularströmungszone einer Zielsubstanz einstellt. Jedoch, zur Bewirkung der Regeneration, ist es wünschenswert, den Druck auf 1/10³ Pa zu reduzieren.
Weiter, und zwar gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, kann der Expansionsmotor 9 (bestehend aus einem Synchronmotor) bei einer Maximalgeschwindigkeit (90 rpm) für das Abkühlen laufen gelassen werden, wodurch die erste Stufe 6-1 der Kältemaschine 6 auf eine Temperatur von 80 K und die zweite Stufe 6-2 auf 20 K gebracht werden. Demgemäß kann die Zeit, die für die Einstellung des Pumpzustandes erforderlich ist, reduziert werden. Gemäß einem Experiment dauert es 80 Minuten zur Kühlung der zweiten Stufe 6-2 der Kältemaschine 6 von einer Temperatur von 300 K auf 20 K bei einer Normalgeschwindigkeit (72 rpm Leistung bei 60 Hz), während die Zeit auf 65 Minuten reduziert wurde bei Maximalgeschwindigkeit (90 rpm).
Die Zeit kann weiter reduziert werden durch Einstellen einer Maximalgeschwindigkeit des Expansionsmotors auf mehr als 90 rpm. Dies würde jedoch eine ernsthafte Abnützung von Dichtungen an der Expansionsvorrichtung hervorrufen, und zwar mit einer sich daraus ergebenden Reduzierung ihres Dienstlebens, und daher ist es wünschenswert, eine Maximalgeschwindigkeit von 90 rpm für den Expansionsmotor zu verwenden.
Beim zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel besitzt die Kryoplatte der ersten Stufe 7 eine Struktur, bei der Metallplatten geformt ähnlich zu einem Lampenschirm horizontal in einer sich überlappenden Weise angeordnet sind, und die Kryoplatte der zweiten Stufe 8 besitzt eine Struktur, bei der Metallplatten geformt ähnlich zu einem Lampenschirm vertikal in einer sich überlappenden Weise angeordnet sind. Es muß nicht gesagt werden, daß die Struktur der Kryoplatten der ersten und zweiten Stufen 7, 8 nicht auf diese Form beschränkt ist. Ebenso liefert beim zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel die Steuerung 18 Leistung an die Heizungen 15, 16, 17, jedoch kann eine Leistungsquelle separat vorgesehen sein und die Steuerung 18 kann lediglich Steuersignale zur Steuerung der davon gelieferten Leistung ausgeben. Zusätzlich liefert die Steuerung 18 Leistung an die Turbomolekularpumpe 11 und an die Grobvakuumpumpe 12. Wiederum kann eine Antriebsleistungsquelle separat vorgesehen sein und die Steuerung 18 kann lediglich Steuersignale zur Steuerung der davon gelieferten Leistung ausgeben.
Wie zuvor erwähnt, wird gemäß der Regenerationsvorrichtung und dem Verfahren, wie hier offenbart, bei der Vervollständigung der Freigabe der Gase von der Kryoplattenoberfläche der ersten Stufe und/oder der Kryoplattenoberfläche der zweiten Stufe ein Innendruck einer Kryopumpe schnell auf 1/10³ Pa oder geringer reduziert, wobei die Kryoplattenoberfläche bei der gleichen Temperatur wie bei der Freigabe der Gase gehalten wird, und dann wird die Kryoplattenoberfläche der zweiten Stufe schnell auf eine Temperatur von 20 K gekühlt. Demgemäß kann ein Regenerationsverfahren und eine Vorrichtung für eine Kryopumpe vorgesehen werden, die in der Lage sind, die Kryoplatten vollständig zu regenerieren und eine Regenerationszeit zu reduzieren, die für die Wiederaufnahme des Betriebs einer Kryopumpe erforderlich ist.
Temperatursteuerung:
9 ist eine schematische Ansicht, die illustrativ für die Konstruktion einer Kryopumpe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Wie in 9 dargestellt, ist die Kryopumpe auf eine solche Weise konstruiert, daß eine Kompressoreinheit 20 mit einer Kältemaschine 10 über eine Leitung 21 verbunden ist. Die Kältemaschine 10 weist eine Expansionsvorrichtung bzw. einen Expander 18 darin auf, der durch einen Expansionsmotor (Synchronmotor) 40 auf- und ab bewegt wird. Die Vertikalbewegung der Expansionsvorrichtung 18 bewirkt, daß ein Arbeitsgas (Helium He-Gas) bei Raumtemperatur und Hochdruck eingeführt von der Kompressoreinheit 20 sich adiabatisch ausdehnt in einem Expansionsteil der ersten Stufe 11 und einem Expansionsteil einer zweiten Stufe 15, wodurch kryogene Temperaturen erzeugt werden. 19-1 und 19-2 zeigen erste bzw. zweite Dichtungsteile der Expansionsvorrichtung 18 an.
Eine Kryoplatte der ersten Stufe 13 ist an einem Oberende des Expansionsteils der ersten Stufe 11 über ein Wärmeübertragungselement 12 angebracht. Eine Kryoplatte der zweiten Stufe 17 ist direkt am Expansionsteil der zweiten Stufe 15 angebracht.
Die Expansionsteile der ersten und zweiten Stufe 11 und 15 der Kältemaschine 10 sind umgeben von einem Gehäuse 30, dessen Oberende mit einer Vakuumkammer 60 über ein Torventil, nicht gezeigt, verbunden ist.
Es wird nun der Betrieb der Kryopumpe erklärt, die wie zuvor beschrieben konstruiert ist. Ein Arbeitsgas bei Hochdruck wird an die Kältemaschine 10 von der Kompressoreinheit 20 geliefert und wird ferner in die Expansionsteile der ersten und zweiten Stufe 11 und 15 eingeführt durch ein Ventil (nicht gezeigt), das sich öffnet und schließt, was betriebsmäßig verbunden ist mit der Vertikalbewegung der Expansionsvorrichtung 18. Das Gas wird dann adiabatisch ausgedehnt in den Expansionsteilen der ersten und zweiten Stufen 11 und 15, wodurch kryogene Temperaturen erzeugt werden. Das ausgedehnte Gas geht durch einen Durchlaß (nicht gezeigt) hindurch und wird an einen Expansionsmotor 40 zu seiner Kühlung geführt und zurück zur Kompressoreinheit 20 geführt. Nachdem das Gas in der Kompressoreinheit 20 komprimiert wurde, wird es einer Behandlung unterzogen, wie beispielsweise Öltrennung und ähnliches, und wird zurückgeführt zur Kältemaschine 10 als ein Arbeitsgas bei Hochdruck. Die in den Expansionsteilen der ersten und zweiten Stufe 11 und 15 erzeugten kryogenen Temperaturen erlauben das Kühlen der ersten und zweiten Kryoplatten 13 und 17.
Die Kryoplatten 13 und 17 werden somit wie zuvor beschrieben gekühlt, so daß Wasser innerhalb der Vakuumkammer 60 primär an der Oberfläche der Kryoplatte der ersten Stufe 13 kondensiert, während Argon (Ar)-Gas und Stickstoff (N₂)-Gas an der Vorderoberfläche der Kryoplatte der zweiten Stufe 17 kondensieren. Ferner wird Wasserstoff (H₂)-Gas kryogen auf eine Aktivkohleschicht oder ähnliches gesogen, die auf der Rückseite der Kryoplatte der zweiten Stufe 17 gebildet ist. Solch ein Kondensier- und Adsorptionsbetrieb erlaubt es, daß Gas aus der Vakuumkammer 60 ausgestoßen wird.
Ein Temperatursensor 35 detektiert die Oberflächentemperatur der Kryoplatte der ersten Stufe 13, wobei der detektierte Ausgabewert die Eingabe für die Steuermittel 51 eines Steuerteils 50 ist. Die Steuermittel 51 erlauben, daß der Betrieb des Expansionsmotors 40 temporär ausgesetzt wird oder daß er in einer umgekehrten Richtung gedreht wird, und zwar über Expansionsmotorantriebsmittel 52, wobei die Kryoplatten der ersten und zweiten Stufen 13 und 17 bei konstanten Temperaturen gehalten werden.
Der theoretische Kühl- bzw. Kältezyklus der Kryopumpe basiert auf der Beziehung zwischen P (Druck ) und V (Volumen) eines Arbeitsgases (beispielsweise Helium He-Gas), wie in 10 gezeigt. Ein Arbeitsgas bei Raumtemperatur und hohem Druck wird an die Kältemaschine 10 geliefert und die Expansionsvorrichtung 18 wird gesenkt, um zu erlauben, daß das Gas adiabatisch in den Expansionsteilen der ersten und zweiten Stufen 11 und 15 ausgedehnt wird, wodurch kryogene Temperaturen erzeugt werden. Wenn die Expansionsvorrichtung 18 temporär ausgesetzt wird, d. h., wenn die Drehung des Expansionsmotors 40 temporär ausgesetzt wird, findet keine adiabatische Expansion des Gases statt, wodurch die Erzeugung von kryogenen Temperaturen unterbunden ist, was in einem Anstieg der Temperaturen der Kryoplatten der ersten und zweiten Stufen 13 und 17 resultiert.
Gemäß der zuvor beschriebenen Theorie bestimmt basierend auf einem detektierten Ausgang von dem Temperatursensor 35 das Steuermittel 51, wie lang der Expansionsmotor 40 temporär über die Expansionsmotorantriebsmittel 52 ausgesetzt wird, wodurch die Kryoplatten der ersten und zweiten Stufen 13 und 17 bei vorbestimmten Temperaturen gehalten werden.
Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen, in 10 gezeigten Kühlzyklus, kann ein Heizzyklus bzw. Wärmezyklus durch Umkehr des Kühlzyklus erreicht werden. Das heißt, das ein Arbeitsgas bei Raumtemperatur und geringem Druck an die Kryopumpe geliefert wird, um adiabatisch komprimiert zu werden, wodurch Wärme erzeugt wird. Dieser Heizbetrieb kann dadurch realisiert werden, daß ein Arbeitsgas bei Raumtemperatur und geringem Druck von der Kompressoreinheit 20 geliefert wird und der Expansionsmotor 40 rückwärts läuft bzw. sein Lauf umgekehrt wird.
Demgemäß, wie zuvor beschrieben, ermöglicht basierend auf einem detektierten Ausgabewert von dem Temperatursensor 35 das Steuermittel 51 die umgekehrte Drehung des Expansionsmotor 40 und steuert ebenso die Geschwindigkeit hierfür über die Expansionsmotorantriebsmittel 52. Es ist somit möglich, zu heizen und die Kryoplatten der ersten und zweiten Stufen 13 und 17 bei konstanten Temperaturen zu halten.
Die Kryoplatten 13 und 17 werden somit geheizt durch Umkehr der Drehung des Expansionsmotors 40, wodurch effektiv kondensierte oder adsorbierte Substanzen auf den Kryoplatten der ersten und zweiten Stufe 13 und 17 umgewandelt werden, so daß sie vollständig in der Form von Gas sind und dann an die Außenseite des Systems abgelassen bzw. ausgestoßen werden. Um eine solche Transformation und ein Ausstoßen zu realisieren, ist es zuerst notwendig, daß die Heiztemperaturen der Kryoplatten der ersten und zweiten Stufe eingestellt werden und dann der Expansionsmotor 40 umgekehrt gedreht wird und seine Geschwindigkeit gesteuert wird, so daß die eingestellten Temperaturen erreicht werden.
Die Heiztemperaturen der Kryoplatten der ersten und zweiten Stufen 13 und 17 während des Regenerationsbetriebs hängen von der auszustoßenden Substanz ab, wie in Tabelle 1 zuvor gezeigt.
Basierend auf dem detektierten Ausgabewert des Temperatursensors 35 erlaubt das Steuermittel 51 dem Expansionsmotor 40 umgekehrt gedreht zu werden und steuert ebenso die Geschwindigkeit desselben über die Expansionsmotorantriebsmittel 52. Bei der Bewirkung der Steuerung können die Kryoplatten der ersten und zweiten Stufen 13 und 17 jeweils die eingestellten Temperaturen erreichen, wie in Tabelle 1 beschrieben, womit der Regenerationsbetrieb durchgeführt wird.
11 illustriert die Konstruktion einer sogenannten "Kryoturbo", die durch Integration einer Kältefalle und einer Turbomolekularpumpe gebildet ist. 11(a) ist eine Querschnittsansicht einer Kryoturbo, während 11(b) eine Draufsicht derselben ist. Eine Kältefalle, die allgemein bei 100 bezeichnet ist, weist einen einstufigen Expansionsteil (nicht gezeigt) auf (äquivalent zum Expansionsteil der ersten Stufe 11, der in 9 dargestellt ist) und eine einstufige, fascettierte Kryoplatte 112, wobei diese Komponenten in einem Gehäuse 130 aufgenommen sind. Eine Vakuumkammer 60, die für einen Vakuumprozeß genutzt wird, ist mit dem Oberende des Gehäuses 130 verbunden.
Eine Turbomolekularpumpe 200 ist mit dem Unterende des Gehäuses 130 verbunden. Zur Erzeugung eines Vakuums in der Vakuumkammer 60 durch die Molekularpumpe 200 wird ein Expansionsmotor 140 der Kältefalle 100 betätigt, um so zu erlauben, daß Wasserdampf in der Vakuumkammer 60 selektiv auf der Kryoplatte 112 kondensiert wird. Während dieses Betriebs, wie bei der Kryopumpe aus 9 gezeigt, wird ein Arbeitsgas bei Raumtemperatur und hohem Druck von einer Kompressoreinheit 120 geliefert und adiabatisch ausgedehnt, um kryogene Temperaturen zu erzeugen, die es ermöglichen, daß ein Gas in der Vakuumkammer 60 gepumpt wird.
Für die Regeneration eines Gases in der Kältefalle 100 hält ein Steuerteil 150 die Oberfläche der Kryoplatte 112 bei einer eingestellten Temperatur, um so den kondensierten Wasserdampf auf der Oberfläche der Kryoplatte 112 auszustoßen. Dies kann durch folgenden Prozeß durchgeführt werden. Basierend auf einem Ausgabewert von einem Temperatursensor 111 für die Detektion der Oberflächentemperatur der Kryoplatte 112 bestimmt der Steuerteil 150, wie lang der Expansionsmotor 140 temporär ausgesetzt oder umgekehrt gedreht wird, und nach dieser Bestimmung erlaubt er, daß der Motor 140 ausgesetzt oder umgekehrt gedreht wird. Dieser Betrieb erlaubt es, daß die Kältefalle 100 neu genutzt wird als ein Heizmittel für die Erwärmung der Kryoplatte 112 auf eine vorherbestimmte eingestellte Temperatur. Wie zuvor beschrieben, kann eine solche Heizung durch Steuerung der Anzahl der umgekehrten Drehungen des Expansionsmotors 140 implementiert werden.
Für die Durchführung des Heizbetriebs durch die umgekehrte Drehung des Expansionsmotors 140 schaltet der Steuerteil 150 ein Arbeitsgas, das von der Kompressoreinheit 120 geliefert wird, zu einem Gas bei Raumtemperatur und niedrigem Druck, das dann adiabatisch durch die Hin- und Herbewegung der Expansionsvorrichtung komprimiert wird, wodurch Wärme erzeugt wird und die Kryoplatte 112 erwärmt wird.
Wie zuvor erwähnt, ist der Temperatursensor angeordnet zur Detektion der Oberflächentemperatur der Kryoplatte der Kryopumpe oder jener der Kältefalle.
Ferner sind Steuermittel vorgesehen, um zu erlauben, daß die Expansionsvorrichtung temporär für eine bestimmte Zeitdauer ausgesetzt wird oder umgekehrt gedreht wird, basierend auf einem Detektionssignal vom Temperatursensor. Es ist somit möglich, die Oberflächentemperatur der Kryoplatte(n) der ersten und/oder der zweiten Stufe der Kryopumpe oder jener der Kältefalle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (Bereiche) zu halten.
Daher bietet ein Temperatursteuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile.

(1) Es ist möglich, die Oberfläche(n) der Kryoplatte(n) der ersten Stufe und/oder der zweiten Stufe oder jener der Kältefalle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (Bereiche) zu halten, ohne eine Heizung zu erfordern.
(2) Die Temperatur kann gesteuert werden zur Vermeidung irgendeiner lokalen Variation bezüglich der Temperatur, wodurch eine stabile und konstante Ausstoßleistfähigkeit erhalten wird.
(3) Die Temperatur kann zur Vermeidung irgendeiner lokalen Variation bezüglich der Temperatur gesteuert werden, wodurch eine ausreichende Regeneration ermöglicht wird.
(4) Die Kryopumpe oder die Kältefalle kann einfach und sicher konstruiert werden, da eine Heizung nicht erforderlich ist.
(5) Die Kryopumpe oder die Kältefalle ist frei von Gasausstoß oder -abscheidung, der ansonsten durch eine Heizung auftreten würde, wodurch ein hoher Vakuumgrad in der Vakuumkammer erreicht wird.

Obwohl die vorangegangene Beschreibung verschiedene Merkmale dieser Erfindung getrennt erklärt, sei klar, daß diese Merkmale unabhängig voneinander oder zusammen verwendet werden können, und zwar abhängig vom Bedarf.
Zusammenfassend sieht die vorliegende Erfindung eine Kryopumpe vor, die Folgendes aufweist:
eine Kompressoreinheit;
einen Expansionsteil;
eine Kryoplatte, die auf eine kryogene Temperatur gekühlt wird, die durch den Expansionsteil erzeugt wird;
Detektionsmittel zum Detektieren eines Betriebsparameters bei einer verstrichenen Betriebszeit in einem aktuellen Betriebszyklus der Kryopumpe.

Claims

Ein regeneratives Verfahren für eine Kryopumpe (1), die Kryoplattenoberflächen (7, 8) einer ersten und einer zweiten Stufe aufweist, um darauf während des Pumpbetriebs Gase zu kondensieren und/oder adsorbieren und mit Kühlmitteln (6, 6-1, 6-2) zum Kühlen der Kryoplattenoberflächen, wobei bei Vollendung der Freigabe von Gasen von der Kryoplattenoberfläche (7) der ersten Stufe und/oder der Kryoplattenoberfläche (8) der zweiten Stufe durch Aufrechterhaltung der Kryoplattenoberfläche(n) auf einer festen Temperatur ein Innendruck der Kryopumpe (1) schnell auf 1/10³ Pa (Pascal) oder weniger reduziert wird, wobei die Kryoplattenoberfläche(n) (7, 8) auf der erwähnten festen Temperatur gehalten werden, und wobei sodann die Kryoplattenoberfläche (8) der zweiten Stufe schnell auf eine Temperatur von 20 K oder niedriger abgekühlt wird.
Eine regenerative Vorrichtung für eine Kryopumpe (1), die Kryoplattenoberflächen (7, 8) einer ersten und einer zweiten Stufe aufweist, um darauf während des Pumpbetriebs Gase zu kondensieren und/oder zu adsorbieren, und mit Kühlmitteln (6, 6-1, 6-2) zum Kühlen der Kryoplattenoberflächen (7, 8), wobei die regenerative Vorrichtung Heizmittel (15, 16) aufweist zum Erhitzen der Kryoplattenoberfläche (7) der ersten Stufe und/oder der Kryoplattenoberfläche (8) der zweiten Stufe, ferner einen Temperatursensor (T1, T2) zum Detektieren einer Temperatur der Kryoplattenoberflächen (7, 8), Druckdetektiermittel (P) zum Detektieren eines Innendrucks der Kryopumpe (1), Steuermittel (18) zur Erzeugung eines Steuersignals ansprechend auf eine Ausgangsgröße von dem Temperatursensor (T1, T2) und der Druckdetektiermittel (P), und ferner Druckreduziermittel (11, 12) zum Reduzieren eines Innendrucks der Kryopumpe, wobei bei Vollendung der Freigabe der Gase von der Kryoplattenoberfläche (7) der ersten Stufe und/oder der Kryoplattenoberfläche (8) der zweiten Stufe durch Aufrechterhalten der Kryoplattenoberfläche(n) auf einer festen Temperatur die Steuermittel (18) bewirken, daß die Druckreduziermittel (11, 12) schnell einen Innendruck der Kryopumpe (1) auf 1/10³ Pa oder weniger reduzieren, während die Heizmittel (15, 16) derart gesteuert werden, daß die Kryoplattenoberfläche(n) auf der festen Temperatur gehalten werden, und wobei sodann bewirkt wird, daß die Kühlmittel (6, 6-1, 6-2) die Kryoplattenoberfläche (8) der zweiten Stufe schnell auf eine Temperatur von 20 K oder niedriger kühlen.
Eine regenerative Vorrichtung für eine Kryopumpe nach Anspruch 2, wobei die Druckreduziermittel (11, 12) eine Vakuumpumpe einschließlich einer Turbomolekularpumpe (11) aufweisen.
Eine regenerative Vorrichtung für eine Kryopumpe nach Anspruch 2, wobei die Kühlmittel (6, 6-1, 6-2) die schnelle Abkühlung dadurch ausführen, daß die Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl eines Expansionsmotors (9) eines Kühlgeräts (6) der Kryopumpe (1) erhöht wird.
Eine regenerative Vorrichtung für eine Kryopumpe nach Anspruch 4, wobei die maximale Drehzahl des Expansionsmotors (9) eines Kühlgeräts 80 bis 120 Umdrehungen pro Minute beträgt.