FR2838813A1 - Procede de distribution d'helium - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de distribution d'hélium à une pluralité de réfrigérateurs cryogéniques reliés à une source de fluide frigorigène commune, caractérisé en ce qu'il comprend : la détection d'au moins un paramètre de fonctionnement indicatif de l'état de fonctionnement de chaque réfrigérateur cryogénique; le calcul, au niveau d'un contrôleur, à partir dudit au moins un paramètre et d'une alimentation en hélium, d'un signal d'attribution indicatif d'une attribution de fluide frigorigène, le signal d'attribution étant calculé en fonction d'une consommation d'hélium calculée; et la commande d'un moteur d'entraînement (216) relié à chacun des réfrigérateurs cryogéniques afin de réguler l'hélium consommé par le réfrigérateur cryogénique conformément au signal d'attribution.

Description

r
PROCEDE DE DISTRIBUTION D'HELIUM
ARRIERE-PLAN
Des chambres de traitement sous vice vent souvent utilisees dans la fabrication pour fournir un envi ronnement de vice pour de s taches tel. les que de fabrication de tranches semi-conductrices, de microscopic electronique, de chromatographie gazeuse et d'autres. Ces chambre s vent generalement real i sees en fixant une pompe a vice a la chambre de traitement sous vice en un agencement etanche. La pompe a vice agit afin de retirer sensiblement la totalite des molecules de la chambre de traitement sous vice, creant par consequent un
environnement de vice.
Un type de pompe a vice consiste en une pompe cryogenique, telle que celle presentee dans le brevet americain n 5 862 671, delivre le 6 janvier 1999, attribue au cessionnaire de la presente demande. Les pompes cryogeniques retirent les molecules d'une chambre de traitement sous vice en refroidissant une surface a des temperatures approchant le zero absolu. A ces temperatures, la plupart des gaz se condensent sur la surface refroidie, appele ensemble cryogenique, retirant de ce fait sensiblement la totalite des molecules de la
chambre de traitement sous vice.
Les pompes cryogeniques utilisent generalement un refrigerateur commande par helium pour atteindre les temperatures proches du zero absolu requises. Un compresseur est utilise pour comprimer et pomper l 'helium frigorigene vers le refrigerateur cryogenique dans la pompe cryogenique, et une cuve de forme cylindrique appelee doigt frigorigene dans le refrigerateur cryogenique recoit ['helium. Un ensemble cryogenique est fixe au doigt frigorigene et en communication thermique avec celui-ci et refroidi par celui-ci. Un piston de circulation se deplace en va-et-vient a l'interieur du doigt frigorigene alors que ['helium se defend, entraine par un moteur d'entralnement de piston de circulation qui deplace le piston de circulation en va-et-vient et regule la quantite d'helium utilisee. Alors que l 'helium se defend dans le doigt frigorigene, la chaleur est retiree de ['ensemble cryogenique, generant les temperatures proches du zero absolu necessaires pour compenser les gaz
sur ['ensemble cryogenique.
La quantite dthelium frigorigene disponible pour le re frigerateur cryogenique determine la vites se a laquel le le refroidissement se produit. Une alimentation plus importante en helium diminue le temps necessaire au refroidissement, qui est le temps necessaire pour atteindre des temperatures de cryopompage. Le taux de consommation d' helium varie egalement avec la temperature du refrigerateur cryogenique. Alors que le refrigerateur cryogenique devient plus froid, une al imentat ion plus importante en helium est necessaire pour poursuivre l' operation de refroidissement. Dans une chambre de traitement sous vice par cryopompage, le temps d'arret peut resulter en un impact economique important du fait du temps de fabrication perdu. Par consequent, la capacite d'atteindre rapidement et de maintenir des
temperatures de cryopompage est avantageuse.
Un type de distribution d'helium de l'art anterieur est decrit dans le brevet americain n 5 775 109, intitule << Enhanced Cooldown of Multiple Cryogenic Refrigerators Supplied by a Common Compressor >>, depose le 2 janvier 1997 et attribue au cessionnaire de la presente demande. Ce brevet suggere de surveiller individuellement la temperature de chacune d'une pluralite de pompes cryogeniques afin de commander la vitesse de chaque moteur d'entralnement de piston de circulation lorsqu'une pompe cryogenique atteint une temperature de declenchement. Etant donne que les pompes cryogeniques necessitent des quantites variables d'helium en fonction de l' operation actuellement effectuee, la regulation de la vitesse du moteur d'entralnement peut reduire ou augmenter l'alimentation en helium en consequence. Dans ce systeme, chaque pompe cryogenique surveille la temperature et commande la vitesse du moteur
d'entrainement en consequence.
Frequemment, cependant, un collecteur d'alimentation en helium commun alimentant une pluralite de pompes cryogeniques est capable de fournir plus d'helium que
necessaire pour ['ensemble des pompes cryogeniques.
L'helium en exces qui ntest pas identifie n'est souvent pas utilise, ce qui peut augmenter le temps necessaire au refroidissement et ce qui peut faire qu'un refrigerateur cryogenique devient plus froid que necessaire, gaspillant la puissance et d'autres ressources necessaires pour
maintenir l'alimentation en helium frigorigene.
RESUME
Un procede pour commander la repartition d'une ressource, tel qutun fluide frigorigene, entre une pluralite de consommateurs, tels que des refrigerateurs, est realise en calculant une quantite disponible de fluide frigorigene et en calculant une demande du fluide
frigorigene par chacun de la pluralite de refrigerateurs.
La demande provenant des utilisateurs est totalisee et une attribution du fluide frigorigene basee sur la demande globale est determinee pour chacun des refrigerateurs. Periodiquement, a intervalles reguliers, l' attribution du fluide frigorigene est de nouveau determinee en recalculant la demande de chacun des utilisateurs en reevaluant un besoin actuel de chacun des refrigerateurs. Dans un systeme tel qu'un systeme de refrigeration cryogenique, le procede de commande comprend un ensemble de compresseurs comportant au moins un compresseur et une pluralite de refrigerateurs cryogeniques alimentes en fluide frigorigene par ['ensemble de compresseurs. La gestion de l'alimentation en fluide frigorigene des compresseurs vers chacun des refrigerateurs cryogeniques est effectuee en identifiant les exigences de refrigeration de chacun des refrigerateurs et, a partir d'un controleur de reseau de vice, en attribuant une alimentation en fluide frigorigene vers les
refrigerateurs conformement aux exigences identifiees.
Un mode de realisation du systeme de commande de gestion d'helium pour commander l'alimentation en helium frigorigene a partir d'un collecteur commun alimente une pluralite de refrigerateurs cryogeniques avec une alimentation en helium appropriee. Le systeme utilise une pluralite de detecteurs pour surveiller et reguler l'alimentation globale en fluide frigorigene afin d'alimenter en fluide frigorigene chacun des refrigerateurs cryogeniques en fonction de la charge de refroidissement globale de tous les refrigerateurs cryogeniques. La demande de fluide frigorigene pour chacun des refrigerateurs cryogeniques est calculee par la pompe cryogenique correspondante. La capacite de refrigeration totale de l'alimentation en helium est partagee entre tous les refrigerateurs cryogeniques afin d'optimiser la distribution de fluide frigorigene. Une alimentation en helium appropriee est repartie entre les pompes cryogeniques en detectant ltexces et le manque d' helium frigorigene et en distribuant le fluide frigorigene en consequence. Si l'alimentation en fluide frigorigene totale depasse la demande de fluide frigorigene totale, le fluide frigorigene en exces est dirige vers des refrigerateurs cryogeniques qui peuvent utiliser ['helium en exces. De meme, si la demande de refrigeration totale depasse l'alimentation en fluide frigorigene totale, l'alimentation en fluide frigorigene vers certains ou la totalite des refrigerateurs cryogeniques sera reduite en consequence de sorte que des effete nefastes ou de ralentissement soient reduits a un mlnlmum. L'alimentation en fluide frigorigene peut etre effectuee a partir d'un ou de plusieurs compresseurs ou d'un ensemble de compresseurs commun vers une pluralite de refrigerateurs cryogeniques par l'intermediaire d'un collecteur d'alimentation en helium. L'alimentation en fluide frigorigene a partir de chaque compresseur constituent ['ensemble de compresseurs commun est utilisee pour determiner l'alimentation en fluide frigorigene. La demande de fluide frigorigene totale, calculee a partir des donnees provenant des detecteurs associes a chacune des pompes cryogeniques contenant les refrigerateurs cryogeniques, est egalement calculee en fonction de l' operation particuliere effectuee par le refrigerateur cryogenique. Etant donne que certaines operations peuvent consommer plus de fluide frigorigene que d'autres, une alimentation en fluide frigorigene est
calculee pour chacun des refrigerateurs cryogeniques.
C' est la fonction de refroidissement qui necessite le plus d'helium et qui recevra, par consequent, l'alimentation en fluide frigorigene maximum qui peut etre delivree sans perturber les autres refrigerateurs cryogeniques. Une fonction de regeneration necessite peu de fluide frigorigene voire aucun et, par consequent, liberera du fluide frigorigene pour d'autres refrigerateurs cryogeniques. Pendant le fonctionnement normal d'un ou de plusieurs refrigerateurs cryogeniques, ['helium est delivre afin de tenter de maintenir le
refrigerateur cryogenique dans un etat d'equilibre.
L'helium en exces peut etre delivre a des refrigerateurs cryogeniques dans un etat de refroidissement, ou l'alimentation en fluide frigorigene totale peut etre
reduite s'il n'y a aucune demande d'helium en exces.
Divers parametres vent surveilles par le systeme pour calculer l'alimentation en fluide frigorigene appropriee pour chaque refrigerateur cryogenique. Ces parametres comprennent le debit de fluide frigorigene calcule a travers le refrigerateur cryogenique, la vitesse du moteur d'entrainement, la pression du fluide frigorigene et la temperature du refrigerateur cryogenique. De cette maniere, une alimentation en fluide frigorigene appropriee peut etre effectuee vers une pluralite de refrigerateurs cryogeniques a partir de ['ensemble de compresseurs commun en fonction de la charge de fluide frigorigene globale et de la fonction de refroidissement actuelle des refrigerateurs cryogeniques individuals. Par consequent, le systeme de commande de gestion d'helium peut reduire a un minimum les effete nefastes ou de ralentissement dus a une alimentation en fluide frigorigene insuffisante et augmenter les performances dans le cas d'un exces d'alimentation en
fluide frigorigene.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Les objets, caracteristiques et avantages de l' invention qui precedent et d'autres seront evident s a
partir de la description plus particuliere qui suit de
modes de realisation preferes de l' invention, tels
qu'illustres sur les dessins joints sur lesquels des caracteres de reference identiques font reference a des parties identiques sur les differentes vues. Les dessins ne vent pas a l'echelle, l' accent etant plutot place sur
l' illustration des principes de ['invention.
La figure la est une illustration schematique d'un refrigerateur cryogenique de l'art anterieur type i la figure lb montre une vue en coupe d'une pompe cryogenique de l'art anterieur type comprenant le refrigerateur cryogenique de la figure 1; la figure 2 montre un schema de principe d'un controleur maltre de systeme de refrigeration cryogenique connecte a une pluralite de pompes cryogeniques et de compresseurs; la figure 3 montre un exemple de debit d'helium frigorigene par rapport au temps i la figure 4 montre un schema du modele de consommation d' helium utilise pour determiner la quantite d'helium qu'un refrigerateur cryogenique peut consommer; la figure 5 montre un schema de principe de la circulation des donnees et des commandes; la figure 6 montre un organigramme de haut niveau du contrdleur maltre de systeme; la figure 7 montre un schema de principe de la circulation des donnees entre le contrdleur maitre, les compresseurs et les pompes cryogeniques; la figure 8 montre un diagramme d'etat du contrdleur maitre; la figure 9 montre un organigramme de fonctionnement dans l'etat de distribution a la demande;
la figure 10 montre un organigramme du sous-
programme de verification de sous-pression;
la figure 11 montre un organigramme du sous-
programme de distribution; la figure 12 montre un organigramme du contrbleur e s cl ave au niveau de la pompe cryogenique; la figure 13 montre un organigramme du sous programme de refroidissement; la figure 14 montre un organigramme du sous programme de verification de compresseur; la figure 15 montre un organigramme de commande de gestion d' helium dans un autre mode de realisation particulier utilisant trots etats de commande; les figures 16a a 16c montrent un organigramme de commande de gestion d' helium dans un mode de realisation particulier utilisant quatre etats, ou modes, de commande; et les figures 17a a 17b montrent un organigramme de commande de gestion d'helium dans une pompe cryogenique
connectee au contrbleur des figures 16a a 16c.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
Une description de modes de realisation preferes de
l' invention suit.
Avant d' examiner la commande de gestion d'helium, un examen du fonctionnement d'une pompe cryogenique (pompe) peut s'averer benefique. Les pompes a vice telles que les pompes cryogeniques et les pompes a eau vent utilisees pour amener une chambre de traitement sous vice a une pression proche de zero. Une pression proche de zero, de l'ordre de 10-6 a 10-9 torr ou meme moins, est obtenue en retirant sensiblement toutes les molecules de la chambre de traitement sous vice. Les molecules vent retirees de la chambre de traitement sous vice par l'intermediaire du refrigerateur cryogenique dans la pompe cryogenique. Une partie du refrigerateur cryogenique est refroidie a une temperature proche du zero absolu, generalement entre K et 20 K, provoquant la condensation sensiblement de toutes les molecules dans la chambre de traitement sur ['ensemble cryogenique qui est refroidi par le refrigerateur cryogenique. L'ensemble cryogenique est generalement un ensemble de volets et de deflecteurs qui fournissent une aire de surface en un volume compact. Les gaz condenses vent par consequent reduits en un solide avec une faible pression de vapeur de sorte qu'un vice presque total est cree. En outre, ['ensemble cryogenique peut comprendre une substance absorbante, telle que du charbon de bois, pour adsorber les molecules qui ne condensent pas, telles que d' hydrogene, dt helium et de neon. Le refrigerateur cryogenique est alimente par un fluide de travail frigorigene tel que du gaz helium, capable d'atteindre les temperatures proches du zero absolu. Les pompes cryogeniques consomment des quantites variables d'helium en fonction de leur fonctionnement et de leur temperature actuels. Une serie de pompes vent connectees a un ensemble de compresseurs commun d'un ou de plusieurs compresseurs afin d' augmenter a un maximum l'alimentation en helium disponible. La consommation d'helium des pompes est surveillee et regulee par un controleur. En surveillant divers parametres de fonctionnement de chacune des pompes, une alimentation en
helium appropriee est effectuee vers chaque pompe.
L'helium en exces est redirige au benefice de pompes qui peuvent l'utiliser. L'helium rarefie est rationne de maniere a maintenir le fonctionnement et a reduire a un
minimum les effete nefastes.
Dans le refrigerateur d'une pompe cryogenique type, le fluide de travail est comprime; la chaleur de compression est retiree par des echangeurs de chaleur refroidis a l'air; le fluide est refroidi davantage dans une matrice d'echange de chaleur regenerative; et le gaz est ensuite detendu afin de produire un refroidissement au-dessous de la temperature ambiante. Une pompe cryogenique doit fonctionner efficacement a moins de 20 K afin de retirer les molecules de gaz de la chambre de traitement sous vice. Pour atteindre cette faible temperature, il est necessaire d'utiliser des echangeurs de chaleur tres efficaces et un fluide de travail tel que du gaz helium qui reste gazeux a des temperatures proches
du zero absolu.
La circulation de gaz frigorigene comprime dans le refrigerateur cryogenique d'une pompe est cyclique. Dans la forme la plus simple d'un refrigerateur cryogenique, une source de gaz comprime, c'est-a-dire un compresseur, est reliee a une premiere extremite d'un cylindre par l'intermediaire d'une vanne d'admission. Une vanne d' echappement dans une ligne d' echappement mene de la premiere extremite jusqu'a l' entree basse pression du compresseur. Avec un piston de circulation comprenant un regenerateur positionne a une deuxieme extremite froide du cylindre, et avec la vanne d'echappement fermee et la vanne d' admission ouverte, le cylindre se remplit de gaz comprime. En laissant la vanne d' admission ouverte, le piston de circulation se deplace vers la premiere extremite afin de forcer le gaz comprime a travers le regenerateur jusqu'a la deuxieme extremite, le gaz etant
refroidi alors qutil passe a travers le regenerateur.
Lorsque la vanne d' admission est fermee et que la vanne d'echappement est ouverte, le gaz se defend dans la ligne de decharge basse pression et refroidit davantage. Le gradient de temperature resultant le long de la paroi du cylindre au niveau de la deuxieme extremite provoque un transfert de chaleur de la charge dans le gaz a l'interieur du cylindre. La vanne d'echappement etant ouverte et la vanne d' admission etant fermee, le piston de circulation est alors deplace vers la deuxieme extremite, deplacant le gaz de retour a travers le regenerateur qui ramene la chaleur vers le gaz froid, refroidissant ainsi le regenerateur, et le cycle s'acheve. Dans une pompe type, le cylindre est appele un doigt frigorigene et il comporte un premier etage et un
deuxieme etage.
Afin de produire les falbles temperatures necessaires aux operations de la pompe cryogenique, le gaz entrant doit etre refroidi avant detente. Le regenerateur extrait la chaleur du gaz entrant, la
stocke, et la libere ensuite vers le flux d'echappement.
Un regenerateur est un echangeur de chaleur a flux inverse a travers lequel ['helium passe alternativement dans les deux sees. Le regenerateur comprend un materiau a aire de surface elevee, a chaleur massique elevee et a conductivite thermique faible. Ainsi, le regenerateur acceptera la chaleur provenant de ['helium si la temperature de ['helium est superieure. Si la temperature de ['helium est inferieure, le regenerateur liberera de
la chaleur vers lthelium.
La figure la montre un schema de principe des parties internee du refrigerateur cryogenique 10. Dans le dispositif de la figure la, ['helium entre dans le doigt frigorigene du refrigerateur a travers une vanne a haute pression 46 et sort a travers une vanne a basse pression 1548. Le moteur d'entralnement de piston de circulation 216 entralne des pistons de circulation 207 et 209, respectivement, dans le premier etage et le deuxieme etage du refrigerateur cryogenique. Le piston de circulation de premier etage 207 comprend un premier regenerateur 211 et le piston de circulation de deuxieme etage 209 comprend un deuxieme regenerateur 213. La chaleur est extraite de la charge thermique de premier etage 203, telle qu'un ecran aux rayonnements et un ensemble frontal de pompe cryogenique, et de la charge de deuxieme etage 205, telle qu'un panneau cryogenique de K a 20 K. La figure lb montre une vue en coupe d'une pompe cryogenique comprenant un refrigerateur cryogenique. Sur la figure lb, le carter de la pompe est retire afin d'exposer un entralnement de piston de circulation 40 et un ensemble de crosse de piston 42. La crosse de piston convertit le mouvement rotatif du moteur 40 en un mouvement de va-et-vient afin d'entralner un piston de circulation a l'interieur du doigt frigorigene a deux etages 44. A chaque cycle, le gaz helium introduit dans le doigt frigorigene sous-pression par l'intermediaire de la ligne 46 est detendu et ensuite refroidi afin de mainteni r le doigt frigori gene a de s temperature s cryogeniques. L'helium alors chauffe par une matrice d'echange de chaleur dans le piston de circulation est
evacue par l'intermediaire de la ligne 48.
Une station thermique de premier etage 50 est montee a l'extremite froide du premier etage 52 du refrigerateur. De meme, une station thermique 54 est montee a l'extremite froide du deuxieme etage 56. Des elements de detection de temperature appropries 58 et 60
vent montes a l'arriere des stations thermiques 50 et 54.
La surface de pompage principale est un ensemble
cryogenique 62 monte sur le dissipateur de chaleur 54.
Cet ensemble comprend une pluralite de disques, tel que presente dans le brevet americain n 4 555 907. Un adsorbent basse temperature est monte sur des surfaces protegees de ['ensemble 62 afin d'adsorber les gaz non condensables. Un ecran aux rayonnements en forme de coupe 64 est monte sur la station thermique de premier etage 50. Le deuxieme etage du doigt frigorigene s'etend a travers une ouverture dans cet ecran aux rayonnements. Cet ecran aux rayonnements 64 entoure ['ensemble de panneau cryogenique principal a l'arriere et sur les cotes afin de reduire a un minimum le rechauffement de ['ensemble de panneau cryogenique principal par le rayonnement. La temperature de ltecran aux rayonnements peut aller d'une temperature aussi faible que 40 K au niveau du dissipateur de chaleur a une temperature aussi elevee que 130 K a proximite
de l'ouverture 68 vers une chambre d' evacuation.
Un ensemble de panneau cryogenique frontal 70 sert a la fois en tent qu'ecran aux rayonnements pour l' ensemble de panneau cryogenique principal et en tent que surface de cryopompage pour les gaz a temperature d'ebullition superieure, par exemple la vapeur d'eau. Ce panneau comprend un ensemble circulaire de volets et de chevrons concentriques 72 reunis par une plaque en forme de rayons 74. La configuration de ce panneau cryogenique 70 ne doit pas necessairement etre limitee a des composants circulaires concentriques; mais elle devrait etre agencee de manlere a aglr comme un ecran thermlque rayonnant et un panneau de cryopompage a temperature superieure tout en fournissant un trajet pour les gaz a temperature d'ebullition inferieure vers le panneau
cryogenique principal.
La figure 2 montre un ensemble de compresseurs utilises pour alimenter en helium frigorigene une serie de pompes. En faisant reference a la figure 2, ['ensemble de compresseurs commun 16 comprend des compresseurs 16a a 16n qui delivrent de ['helium frigorigene a un collecteur 18. Le collecteur 18 est relic a une serie de pompes lOa a lOn en relation avec des controleurs esclaves 215a a 215n. Les controleurs esclaves commandant chacun un moteur d'entralnement de piston de circulation 216 qui
entralne un piston de circulation qui se deplace en va-
et-vient dans le doigt frigorigene alors que le gaz helium se defend. Le moteur d'entrainement de piston de circulation est utilise pour reguler la vitesse de refroidissement de la pompe par la quantite d'helium fournie. Le controleur maltre de reseau de vice 12 (controleur) est connecte a chacun des controleurs esclaves commandant les moteurs d'entralnement de piston de circulation 216 et est utilise pour augmenter ou diminuer la quantite d' helium frigorigene delivre a la pompe 10. Chacune des pompes 10 comporte un ou plusieurs detecteurs 14a a 14n qui fournissent des signaux de retour au controleur 12. Le controleur 12 regule par consequent toutes les pompes 10 connectees a celui-ci en recevant des signaux provenant des detecteurs 14 et en calculant une quantite d'helium pour chaque pompe 10 sur la base des signaux envoyes par les detecteurs 14 et en fonction de ['helium total fourni par le collecteur,
comme cela sera decrit plus en detail ci-dessous.
Il conviendrait de noter que le systeme de commande de gestion d'helium est decrit en relation avec un refrigerateur cryogenique exemplaire dans une pompe cryogenique. Le systeme de commande de gestion d' helium peut etre utilise conjointement avec une alimentation en helium commandant divers refrigerateurs cryogeniques. Une pompe cryogenique telle que decrite ici peut, par exemple, etre une pompe a eau, refroidie par un refrigerateur cryogenique a etage unique, tel que celui presente dans le brevet americain n 5 887 438, intitule << Low Profile In Line Cryogenic Water Pump >>, attribue au cessionnaire de la presente demande, ou un autre
dispositif cryogenique a helium.
En fonction de l' operation de refroidissement de la pompe, on constate des taux de consommation d' helium variables. Une operation de refroidissement amene la temperature de la pompe d'un etat ambient a des temperatures cryogeniques et est celle qui necessite le plus d' helium. Une fois que des temperatures cryogeniques ont ete atteintes, un mode de fonctionnement normal maintient la temperature et necessite une circulation d'helium generalement stable. Une operation de regeneration rechauffe la pompe afin de liberer le gaz
accumule condense et necessite peu d'helium voire aucun.
D'autres facteurs peuvent affecter le taux de consommation d'helium. Pendant le refroidissement, la pompe consomme graduellement plus d'helium alors qu'elle devient plus froide, se rapprochant des temperatures de fonctionnement normales. Aux temperatures de fonctionnement normales, les activites de traitement sous vice se produisant dans une chambre de traitement sous vice associee peuvent generer de la chaleur, augmentant la charge de refrigeration et augmentant a son tour le
taux de consommation d' helium.
Le taux de distribution d'helium global de toutes les pompes reliees a l'alimentation en fluide frigorigene commune peut etre utilise pour determiner une demande de refroidissement globale. De meme, la capacite de refrigeration du compresseur ou des compresseurs contribuant a l'alimentation en fluide frigorigene commune peut etre utilisee pour determiner une capacite de refrigeration du systeme. Comme indique cidessus, le taux de consommation reel de chaque pompe varie en fonction de divers facteurs. A un instant particulier, la capacite de refrigeration du systeme peut depasser la charge de refrigeration globale, indiquant un exces d'helium dans le systeme. De meme, si de nombreuses 3 0 pompes font face a une per iode de cons ommat ion e levee d'helium, la charge de refrigeration globale peut depasser la capacite de refrigeration, indiquant une
rarefaction de ['helium.
En surveillant le fonctionnement actuel de toutes les pompes et la capacite de refrigeration totale, un exces d'helium peut est identifie et dirige vers des pompes qui peuvent l'utiliser. De meme, ['helium rarefie peut etre distribue de maniere appropriee afin de maintenir un fonctionnement normal ou pour attenuer les effete nuisibles dans des situations extremes. Par exemple, une operation de refroidissement est celle qui peut consommer le plus dthelium et, par consequent, le temps necessaire au refroidissement peut etre reduit en dirigeant lthelium en exces vers les pompes en cours de refroidissement. Une pompe dans un fonctionnement de regeneration necessite peu d' helium voire aucun et, par consequent, peut resulter en la presence d'helium excedentaire. Par ailleurs, la temperature d'une pompe en fonctionnement normal peut commencer a s'elever. Afin de maintenir des temperatures de cryopompage, ['helium peut etre detourne d'une pompe en cours de refroidissement, ce qui augmente le temps de refroidissement, mais ce qui maintient des temperatures de cryopompage dans la pompe qui avait commence a se rechauffer, afin de lui permettre
de poursuivre un fonctionnement normal.
La figure 3 montre un exemple de debit de distribution d' helium dans le temps. Chacune de quatre pompes, 301 a 304, est montree dans le temps qui est represente par un axe horizontal. A un instant initial, toutes les pompes consomment de maniere egale. A l' instant montre par le trait en pointille 310, la pompe
303 entre dans un etat de regeneration et se rechauffe.
Par consequent, de l 'helium supplementaire peut etre fourni aux pompes 301, 302 et 304. En variante, la vitesse du moteur d'entralnement des pompes 301, 302 et 304 pourrait etre reduite afin de diminuer ['helium global aspire par ['ensemble de compresseurs commun, si une augmentation de l 'helium etait inefficace. A l' instant montre par le trait enpointille 312, la pompe 303 a acheve le rechauffement de regeneration et entre
dans un etat de refroidissement. L' helium en exces est.
par consequent, redirige a partir des pompes 301, 302 et
304 afin d'accelerer le refroidissement de la pompe 303.
o A l' instant montre par le trait en pointille 314, la pompe cryogenique 303 a acheve le refroidissement et toutes les pompes reviennent a un taux de consommation identique a l' instant montre par le trait en pointille 316. L'helium consomme par les pompes cryogeniques est generalement exprime en termes d' unites de debit massique, telles que 304,8 millimetres cubiques par minute standard (SCFM), a une temperature et a une pression particulieres. Une autre unite peut egalement etre utilisee pour indiquer le debit massique, telle que les grammes par seconde. L'helium consomme est determine a partir de la masse d'helium maximum et minimum qui est presente dans le doigt frigorigene alors que le piston de circulation se deplace en va-et-vient d'une maniere cyclique. La figure 4 illustre les positions du piston de circulation pour des masses d'helium minimum et maximum dans le doigt frigorigene 44 pour le calcul de taux de consommation d'helium pour un refrigerateur cryogenique dans une pompe cryogenique. Un piston de circulation comportant un premier etage et un deuxieme etage, 207 et 208, respectivement, se deplace en va-et-vient a l'interieur du doigt frigorigene 44. Alors que le piston de circulation est deplace en va-et-vient par le moteur d'entralnement 215, ['helium se defend, refroidissant le doigt frigorigene. Chaque cycle du piston de circulation ouvre egalement les lignes de haute pression 46 (alimentation) et de basse pression (echappement) afin d' aspirer de l 'helium non detendu ou d'evacuer de lthelium detendu. La quantite dthelium qui est consomme est donnee par la formule: Debit = (Masse maximum - Masse minimum) * vitesse du moteur d'entrainement Par consequent, alors que la vitesse du moteur d'entralnement augmente, ['helium consomme augmente a cause de l' augmentation des cycles du piston de circulation, retirant de ce fait de la chaleur
supplementaire de la charge.
Par exemple, si un ensemble de compresseurs commun peut delivrer 84 SCFM d'helium, ['ensemble de compresseurs pourrait alimenter six refrigerateurs avec 14 SCFM d'helium: 84/6 = 14. Comme indique ci-dessus, ['helium consomme par une pompe peut varier. Si quatre des refrigerateurs consomment seulement 12,5 SCFM dthelium, alors 12,5 * 4 ou 50 SCFM de charge de fluide
frigorigene proviennent de ces quatre refrigerateurs.
Etant donne que le compresseur peut delivrer 84 SCFM, 84 - 50 ou 34 SCFM subsistent pour les deux refrigerateurs restarts. Si les deux refrigerateurs restarts vent dans un etat de refroidissement, ils peuvent recevoir chacun 34/2 ou 17 SCFM d'helium du fait de l'exces dans le systeme. Dans d'autres modes de real isat ion, les refrigerateurs en cours de refroidissement peuvent ne pas recevoir des parts egales
de ['helium en exces.
La figure 5 montre un schema de principe de la circulation de donnees dans un mode de realisation du systeme de commande de gestion d'helium. En faisant reference a la figure 5, chacun des compresseurs dans ['ensemble de compresseurs commun 16 envoTe une indication de la quantite d'helium maximum disponible a partir de chaque compresseur au controleur 12, permettant le calcul d'une alimentation en helium globale. Chacune des pompes 10 envoie les parametres suivants au controleur: une quantite d'helium minimum, un taux de consommation d' helium calcule actuel, un mode de fonctionnement et un etat de consommation d' helium indiquant un manque d'helium. Le controleur 12 envoie un parametre, ou une valeur, d'helium attribue aux pompes indiquant le taux d'helium maximum que la pompe peut consommer. Le signal de consommation d'helium maximum est utilise pour reguler le moteur d'entralnement de piston de circulation par l'intermediaire du controleur esclave 215 relic au refrigerateur cryogenique particulier. Comme indique ci-dessus, la vitesse du moteur d'entralnement de piston de circulation regule la consommation d'helium de
la pompe.
La figure 6 montre un organigramme de haut niveau du systeme de commande de gestion d'helium. Le systeme interroge, a intervalles reguliers, afin de determiner si l'alimentation en helium vers l'une quelconque des pompes cryogeniques doit etre regulee. En variante, le systeme pourrait etre interrompu ou meme commande. Lorsque l'intervalle d' interrogation prend fin, comme montre a l'etape 100, une verification est effectuee pour determiner si toutes les pompes cryogeniques fonctionnent normalement, comme represente a l'etape 102. Si toutes les pompes fonctionnent normalement, le systeme attend l'intervalle d' interrogation suivant, comme represente a l'etape 104. Si l'une quelconque des pompes ou le systeme ne fonctionne pas normalement, c'est-a-dire, si une ou plusieurs des pompes ont atteint une limite de consommation autorisee, ou si la pression differentielle du systeme (DP) a diminue au-dessous d'une valeur critique, alors la commande de gestion d'helium est mise en oeuvre, comme decrit davantage ci-dessous, comme
montre a l'etape 106. Deux modes de realisation de la
commande de gestion d' helium vent decrits ci-dessous.
La figure 7 montre un schema fonctionnel de circulation de donnees entre le controleur de reseau de vice (VNC 12), ou controleur maitre, le ou les compresseurs 16, et les controleurs esclaves 215a a 215d au niveau des pompes lOa a lOd. Le compresseur envoie la pression d'alimentation et la pression de retour au controleur de reseau de vice VNC 12. Le compresseur envoie egalement une valeur initiale de ['helium qu'il peut fournir en 304,8 millimetres cubiques par minute standard (SCFM). Un sous-programme de verification de sous-pression 110 dans le controleur de reseau de vice, decrit davantage ci-dessous en relation avec la figure
, calcule une valeur 112 corrigee d'helium disponible.
La valeur corrigee d' helium disponible est periodiquement recalculee afin de disposer d'une valeur approchee de la quantite d' helium disponible pour une distribution basee sur la consommation actuelle. Cette valeur peut varier legerement autour de la valeur d'alimentation nominale basee sur le deplacement et la vitesse des compresseurs du fait de facteurs tels que l'usure et le rendement des pompes 10 et des compresseurs 16. La valeur 112 corrigee dthelium disponible est utilisee dans un sous-programme de distribution 114, decrit davantage ci-dessous en
relation avec la figure 11.
La valeur d'helium attribuee, calculee, est envoyee au controleur esclave 215a a 215d controlant chaque pompe lOa a lOd, comme montre par une fleche 116. Le controleur esclave determine une vitesse de moteur de piston de circulation maximum a laquelle le moteur de piston de circulation peut fonctionner sans depasser la valeur d'helium attribuee. Une boucle de commande de vitesse de pompe dans le controleur esclave commande egalement la vitesse du moteur de piston de deplacement en fonction de la temperature de la pompe cryogenique, et peut commander le moteur a une vitesse inferieure, mais ne peut pas depasser la vitesse correspondent a la valeur d' helium attribuee. La boucle de commande de vitesse de pompe permet egalement a la pompe de consommer ['helium librement jusquta une valeur d' attribution par defaut, conformement a la temperature, dans un mode autonome si elle n'est pas commandee par le controleur de reseau de vice 12. Le controleur esclave 215 calcule ensuite une valeur de consommation d'helium indicative de la
consommation dthelium reelle, decrite davantage ci-
dessous. Comme pour la valeur d'helium disponible totale, la valeur de consommation d' helium peut differer de la val eur de deplacement nomina le pour la pompe en fonct ion de facteurs tel s que le s conditions de fonctionnement actuelles et l ' usure. La valeur de consommation d' helium est renvoyee au controleur de reseau de vice 12 pour etre utilisee dans des calculs d' attribution d' helium
successifs, comme montre par une fleche 118.
La figure 8 montre un diagramme d'etat du controleur de reseau de vice 12. En faisant reference aux figures 6, 7 et 8, une transition d'etat peut se produire a chaque intervalle d' interrogation 100 selon le fonctionnement du systeme. Un etat d'attente 120 survient au cours du demarrage et du mappage du systeme et correspond a des lectures initiales et une definition de valeurs par defaut avant le demarrage des pompes 10 et des compresseurs 16. Une verification des tailles initiale est egalement effectuee pour garantir que les compresseurs vent dimensionnes de maniere adequate pour les pompes 10 reliees au collecteur. Lorsqu'au moins une pompe 10 et un compresseur 16 vent demarres, le controleur de reseau de vice 12 passe dans un etat de
surveillance 122.
Dans l'etat de surveillance 122, les pompes 10 vent interrogees par le controleur de reseau de vice a chaque intervalle d' interrogation 100 afin de determiner si l'une quelconque des pompes 10 fonctionne dans un etat de limite, decrit davantage ci-dessous. Une pompe 10 fonctionnant dans un etat de limite a une consommation egale ou proche de sa consommation autorisee maximum, et peut necessiter davantage d'helium pour eviter un rechauffement. Un passage dans l'etat de distribution a la demande 124 se produit lorsqu' au moins une pompe 10 indique un etat de limite ou lorsque la pression differentielle est passee au-dessous d'une valeur critique. La distribution a la demande 124 tense de reattribuer ['helium en exces dans le systeme afin de fournir davantage d'helium aux pompes 10 en limite, cela etant decrit davantage ci-dessous avec reference a la figure 9. Si la distribution a la demande 124 ne peut pas reattribuer suffisamment d'helium pour sortir les pompes de l'etat de limite, de telle sorte que la pression differentielle reste faible, le systeme passera soit dans un etat de surcharge 126, soit dans un etat de
distribution par hierarchic 128.
Dans l'etat de surcharge 126, le controleur de reseau de vice 12 maintiendra l' attribution actuelle pour chaque pompe parce qu'il a deja reattribue autant d' helium que possible aux pompes en surconsommation. Par exemple, si cinq ou six pompes fonctionnent de maniere adequate, mais qu'une sixieme est en surconsommation du fait d'une vanne de derivation defectueuse, la reattribution de plus d' helium a la pompe defectueuse ne
fera que priver les cinq autres pompes en fonctionnement.
L'etat de distribution par hierarchic 128, au contraire, suit une approche plus agressive et arrete de maniere selective les pompes 10 conformement a une hierarchic specifiee par un utilisateur. Par exemple, si une pompe est en cours de refroidissement, il peut etre avantageux d'arreter l' operation de refroidissement afin d'eviter de compromettre une autre pompe qui est actuellement active avec une charge utile de tranche, afin d'etablir un compromis entre le temps d'arret et l'economie de charge utile. Etant donne, cependant, que la distribution par hierarchic permet au controleur de reseau de vice de terminer reellement les operations, un utilisateur peut
ne pas souhaiter valider cette fonctionnalite.
La figure 9 montre un organigramme des calculs
effectues dans l'etat de distribution a la demande 124.
En faisant reference a la figure 9, l'etat de distribution a la demande est adopte, comme montre a l'etape 130. Chacune des pompes 10 et chacun des compresseurs 16 est interroge afin de determiner les parametres de fonctionnement actuels, comme montre a ltetape 132. La pression d'alimentation et la pression de retour vent recues et vent identiques pour tous les compresseurs connectes au collecteur commun. Les parametres de fonctionnement de la pompe comprennent la valeur de consommation d' helium calculee actuelle, la valeur d'attribution d'helium actuelle, l'etat de la consommation, soit correct soit en limite, le mode de refroidissement actuel, soit << ACTIF >> (refrigerateur en fonctionnement, fonction de regulation de temperature active ou fonctionnement par remplacement de la regulation de temperature par une commande manuelle), << REFROIDISSEMENT >> (refrigerateur en fonctionnement pour atteindre une temperature de consigne), ou << INACTIF >> (refrigerateur arrete et absence de consommation d'helium), et la quantite d'helium minimum necessaire pour que la pompe fonctionne. Le mode de refroidissement indique l' operation de refroidissement actuelle effectuee par la pompe et est regle sur refroidissement pendant un refroidissement, sur regulation de temperature lorsque la pompe est commandee par le controleur de reseau de vice et sur << aucun >> lorsque la pompe ne necessite pas d'helium, par exemple pendant une operation de regeneration. Une verification est effectuee pour determiner si un temps de stabilisation s'est ecoule depuis la derriere reattribution, comme represente a l'etape 134. Le registre d'horloge de stabilisation indique combien de temps sera attribue pour determiner si une reattribution precedente a ete effective, generalement une minute. Si le registre d'horloge de stabilisation n'est pas arrive en fin de comptage, la commande retourne a l'etape 130 pour attendre l'intervalle d' interrogation suivant. Si le registre d'horloge de stabilisation est arrive en fin de comptage, ou si aucun registre d'horloge de stabilisation n'a ete defini, alors une verification est effectuee pour determiner si l'etat de surcharge ou l'etat de distribution par hierarchic doit etre adopte, comme represente a l'etape 136. L'etat de surcharge ou de distribution par hierarchic sera adopte si une condition de sous-pression existe, si le systeme est encore en sous-pression et si toutes les pompes en cours de refroidissement fonctionnent avec leur valeur
d' attribution d'helium minimum. Une condition de sous-
pression existe si la pression differentielle obtenue a l'etape 132 est inferieure a un seuil de consigne particulier, generalement de 13 kilogs/cm2. Comme decrit ci-dessus, une pression differentielle de fonctionnement type est d' environ 14 kilogs/cm2, correspondent, respectivement, a une pression d'alimentation et de
retour de 28 et de 14 kilogs/cm2.
Le systeme est en surconsommation lorsque la somme des consommations d'helium calculees de toutes les pompes est superieure a la valeur 112 (figure 7) corrigee
d'helium disponible actuelle ou calculee la plus recense.
Dans un mode de real i sat ion part icul ier, l es pompe s vent en surconsommation lorsque la somme des consommations d'helium calculees depasse la valeur corrigee d'helium
disponible de 5 %.
La troisieme condition est celle ou toutes les pompes indiquant un mode de refroidissement vent deja a leur attribution d' helium minimum, comme rapporte a l'etape 132. Le systeme aura tendance a reduire le parametre dthelium attribue pour les pompes en cours de refroidissement afin d'autoriser plus d'helium pour les pompes en regulation de temperature, jusqu'a ce que l' attribution d'helium minimum soit atteinte. Lorsque toutes les pompes ont atteint l' attribution minimum d'helium, il n'y a aucun exces d'helium a repartir entre
les autres pompes.
Si les pompes en cours de refroidissement vent toutes a leur niveau d'helium minimum et que les verifications de sous-pression et de surconsommation vent positives, alors une verification est effectuee pour determiner si l'etat de distribution par hierarchic est fixe et valide, comme montre a l'etape 138. Si l'etat de distribution par hierarchic est fixe et valide, alors l'etat de distribution par hierarchic 128 est adopte,
autrement l'etat de surcharge 126 est adopte.
Si le systeme n'a pas encore besoin de passer dans l'etat de surcharge 126 ou dans l'etat de distribution par hierarchic 128, le sous-programme de verification de sous-pression 140 est adopte afin de calculer une nouvelle valeur pour la valeur corrigee d'helium disponible, tel que decrit davantage ci-dessous en relation avec la figure 10. Le sous- programme de distribution, egalement decrit davantage ci-dessous, est
ensuite lance, comme presente a l'etape 142. Le sous-
programme de distribution recalcule une nouvelle valeur d'helium attribuee pour chacune des pompes 10. Une verification est effectuee pour determiner si le systeme a reattribue suffisamment d' helium pour permettre le passage dans l'etat de surveillance 122, comme montre a l'etape 144. Si le registre d'horloge de stabilisation est arrive en fin de comptage et qu'aucune pompe n'a indique une condition de limite, alors le controleur de reseau de vice passe dans l'etat de surveillance 122
etant donne qu'aucune des pompes n'a ete privee d'helium.
Ensuite, une verification est effectuee pour determiner si tous les compresseurs ou toutes les pompes ont ete arretes, comme represente a l'etape 146. Si aucune pompe ni aucun compresseur n'a ete mis en route, le systeme passe dans l'etat d'attente 120. Enfin, les valeurs nouvellement calculees d' attribution d'helium vent
envoyees aux pompes 10, comme presente a l'etape 148.
La figure 10 montre le sous-programme de verification de sous-pression 140 plus en detail. En faisant reference a la figure 10, le sous- programme de verification de sous-pression 140 est lance, comme montre a l'etape 150. Une verification est effectuee pour determiner si le systeme fonctionne dans une condition de sous-pression, comme presente a l'etape 152. La verification peut comprendre la lecture d'un indicateur positionne au cours de l'etape 136 ci-dessus, ou elle peut recalculer la pression differentielle et la comparer au point de consigne de pression differentielle. Si le systeme fonctionne encore dans un etat de souspression, un facteur de correction de debit est decremente d'une valeur predeterminee, par exemple 0,01, comme presente a l'etape 154. Le facteur de correction de debit est ensuite multiplie par la valeur corrigee d'helium disponible actuelle 112 (figure 7) afin de produire une nouvelle valeur corrigee d'helium disponible 112, comme montre a l'etape 158, et la commande retourne a l'organigramme de distribution a la demande, comme montre a l'etape 162. De cette maniere, ['helium calcule disponible est reduit de maniere a permettre au sous programme de distribution, decrit davantage ci-dessous, de calculer l' attribution d'helium a partir d'une alimentation plus faible. Des iterations successives auront, par consequent, l'effet de reduire ['helium disponible calcule jusqu'a ce que le systeme se stabilise ou jusqu'a ce qutune transition soit faite vers un etat de surcharge 126 ou vers un etat de distribution par
hierarchic 128.
Si une condition de sous-pression n'existe pas, alors une verification est effectuee pour determiner si la consommation d' helium calculee globale pour toutes les pompes est superieure a un certain seuil de la valeur
corrigee d'helium disponible 112 ou au niveau de celui-
ci, comme montre a l'etape 156. Si la consommation d'helium calculee globale est au niveau d'un certain seuil, alors le debit d'helium est suffisant et le facteur de correction de debit est incremente d'une valeur predeterminee, par exemple 0,01, comme presente a l'etape 160, augmentant de ce fait ['helium calcule disponible. La valeur corrigee d' helium disponible est ensuite recalculee, comme montre a l'etape 158, et la commande retourne au sous-programme de distribution a la
demande, comme montre a l'etape 162.
La figure 11 montre le sous-programme de distribution de l'etape 142 (figure 9) plus en detail. En faisant reference a la figure 11, le sousprogramme de distribution est lance, comme montre a l'etape 164. La nouvelle valeur dthelium attribuee pour les pompes dans un mode de regulation de temperature est calculee, comme montre a ltetape 166. La valeur de consommation d'helium calculee rapportee par chaque pompe est multipliee par le facteur d'ecart d'helium de ltetape 156 ci-dessus afin de tenter de fournir davantage d'helium aux pompes en regulation de temperature. Dans un mode de realisation
particulier, le facteur d'ecart d'helium est de 1,08.
L'helium disponible a repartir entre les pompes pour le refroidissement est alors calcule, comme montre a l'etape 168. La valeur de consommation d'helium calculee a l'etape 166 est additionnee pour toutes les pompes en regulation de temperature et soustraite de la valeur actuelle de l' helium disponible corrigee afin de produire ['helium disponible pour le refroidissement. Par consequent, toutes les pompes en regulation de temperature seront envisagees en premier et le reste sera
reparti entre les pompes en cours de refroidissement.
L' helium disponible pour le refroidissement est divise par le nombre de pompes en cours de refroidissement, comme represente a l'etape 170, et est pondere pour s' adapter a la taille relative des pompes si differentes
tailles de pompes vent actuellement fixees au collecteur.
En outre, si l' attribution d'helium calculee est inferieure a l' attribution d'helium minimum pour une pompe particuliere, alors l' attribution d'helium minimum sera utilisee. Par consequent, le systeme tentera de reattribuer de ['helium supplementaire aux pompes en regulation de temperature afin d'attenuer l'etat de limite dans une ou plusieurs pompes rapportant un tel etat. La commande retourne ensuite au sous-programme de
distribution, comme montre a l'etape 172.
La figure 12 montre un schema de haut niveau du flux de commande de pompe. Comme indique ci-dessus, les pompes fonctionnent dans l'un de trots modes: regulation de temperature, refroidissement et aucun, et de deux etats: correct et limite. La pompe calcule egalement la valeur de consommation d'helium pour informer le controleur de reseau de vice. Le controleur esclave de pompe envoie periodiquement ces informations lorequ'elles vent demandees par le controleur de reseau de vice et recoit la valeur dthelium attribuee du controleur de reseau de vice. La boucle de commande de vitesse de pompe determine alors la vitesse de piston de circulation maximum en consequence. Notez que la boucle de commande de vitesse de pompe fonctionne en parallele pour reguler la vitesse du moteur de piston de circulation conformement a la temperature du premier etage dans la plage de vitesse telle que calculee par le flux de commande de pompe. Dans un mode de real i sat ion part icul ier, la boucle de commande de vitesse de pompe est une boucle PID (proportionnel
integral-differential) en boucle fermee.
En faisant reference a la figure 12, la boucle du flux de commande de pompe du controleur esclave de pompe est lancee, comme montre a l'etape 174. Le lancement est effectue par le controleur de reseau de vice 12 (maitre), mais pourrait l'etre egalement par des moyens asynchrones tels qu'un mecanisme commande par interruption. Une verification est effectuee pour determiner si les valeurs actuelles d'alimentation des compresseurs et de la pression de retour, utilisee pour calculer la pression differentielle, vent valides, comme represente a l'etape 176. Les causes de valeurs de compresseur invalides comprennent un defaut de communication entre les pompes, le compresseur et le controleur de reseau de vice, une defaillance de transducteur ou l'arret du compresseur. Si les valeurs de compresseur indiquent un probleme possible, alors le sous- programme de verification de compresseur est lance, comme presente a l'etape 178 et decrit davantage ci-dessous. Si les valeurs de compresseur semblent valides, alors une verification est effectuee pour determiner si la pompe a ete precedemment arretee par le sous-programme de verification de compresseur, comme represente a l'etape 180. Si la pompe a ete precedemment arretee par le sous-programme de verification de compresseur, alors une recuperation de defaut de puissance est effectuee, comme represente a l' etape 182, afin d' effectuer une reinitialisation, et la boucle de commande de pompe est quittee, comme montre a l'etape 194. Si la pompe n'a pas ete precedemment arretee, alors les parametres de fonctionnement actuels vent calcules pour la pompe, comme presente a l'etape 184. Les parametres de fonctionnement vent calcules de maniere suivante: le parametre de consommation d' helium est calcule afin de determiner le taux de consommation d'helium actuel sur la base de la temperature du premier etage, de la temperature du deuxieme etage, de la vitesse du piston de circulation actuelle (RPM), de la pression d'alimentation, de la pression de retour et d'une constante de pompe basee sur la cylindree de la pompe (Cpumpconst): Consommation d'helium = F(T1, T2, RPM, Psupply,
Preturn, Cpumpconst).
Une nouvelle valeur RPM d' attribution correspondent a la valeur de consommation d' helium est calculee en utilisant la valeur d'helium attribuee actuelle envoyee par le controleur de reseau de vice: RPM d' attribution = (helium attribue * RPM) / consommation d'helium Notez que la valeur de consommation d' helium est egalement renvoyee au controleur de reseau de vice, comme decrit ci-dessus, pour calculer une nouvelle valeur pour la valeur d'helium attribuee. L'etat de la pompe << correct >> ou << limite >> et le mode de fonctionnement de la pompe << refroidissement >>, << regulation de temperature >> et << aucun >> vent egalement calcules et
envoyes au controleur de reseau de vice.
Apres le calcul des parametres de fonctionnement de la pompe, une verification est effectuee pour determiner si la pompe est dans un mode de refroidissement, comme montre a l'etape 186. Si la pompe est dans un mode de refroidissement, le sous-programme de refroidissement est
lance, comme montre a l'etape 188 et decrit davantage ci-
dessous. Si la pompe n'est pas dans le mode de refroidissement, alors elle est soit active (en regulation de temperature) soit inactive, et la vitesse RPM maximum est fixce a la valeur la plus falble de RPM d'attribution, de MaxRPM pour cette pompe ou d'une constante globale Maxrpm, generalement de 100 tr/mn, mais pas inferieure a MinRPM, comme decrit a l'etape 190, et la boucle de commande de pompe est quittee, comme montre
a l'etape 194.
La figure 13 montre le sous-programme de refroidissement de pompe. En faisant reference aux figures 12 et 13, si la pompe est dans un mode de refroidissement, la commande passe au sous-programme de
refroidissement, comme represente a l'etape 188. Le sous-
programme de refroidissement est lance, comme montre a l'etape 400, et une verification est effectuee afin de determiner si la temperature du deuxieme etage est inferieure a 17 K. Si la temperature est inferieure a 17 K, alors une verification est effectuee afin de determiner si la temperature du premier etage est dans une tolerance de 0,5 K autour d'un point de consigne de T1, generalement de 100 K. T1 (premier etage) est fixe a la temperature de fonctionnement attendue normale. Si la temperature T1 est suffisamment froide, alors le refroidissement s'acheve, comme presente a ltetape 406, et le sous-programme de refroidissement est quitte, comme
montre a l'etape 422.
Si la temperature du deuxieme etage n'est pas inferieure a 17 K, alors une verification est effectuee afin de determiner si la temperature du deuxieme etage est inferieure a 40 K. Si la temperature du deuxieme etage est inferieure a 40 K, ou si la temperature du premier etage n'est pas en dehors d'une tolerance de 0,5 K autour du point de consigne a l'etape 404, alors une verification est effectuee afin de determiner si la vitesse RPM d' attribution est superieure a 72 tr/mn, comme montre a l'etape 408. Si la vitesse RPM d' attribution est superieure a 72, alors elle est fixee a 72 t/mn, comme montre a l'etape 410. Par consequent, la vitesse RPM d' attribution sera limitee a 72 lorsque la temperature du deuxieme etage est inferieure a 40 K ou loreque la temperature du deuxieme etage est inferieure a 17 K mais la temperature du premier etage n'est pas encore tombee a la temperature de point de consigne de T1
+ 0,5 K.
Une verification est effectuee pour determiner si la vitesse calculee RPMd' attribution est superieure a MaxRPM, comme montre a l'etape 412. Si c'est le cas, alors la vitesse RPM actuelle est fixce a MaxRPM, comme represente a l'etape 414, et le sous-programme de
refroidissement est quitte, comme montre a l'etape 422.
Si la vitesse RPM d' attribution n' est pas superieure a MaxRPM, alors une verification est effectuee pour determiner si elle est inferieure a MinRPM, comme presente a l'etape 416. Si elle est inferieure a MinRPM, alors RPM est fixe a MinRPM, comme montre a l'etape 420, autrement elle est fixee a RPM d' attribution, comme decrit a l'etape 418. Le sousprogramme de refroidissement est ensuite quitte, comme montre a
l'etape 422.
En faisant reference a la figure 12, l'etape 178
montre le sous-programme de verification de compresseur.
La figure 14 montre le sous-programme de verification de compresseur plus en detail. En faisant reference aux figures 12 et 14, le sous-programme de verification de
compresseur est lance, comme montre a l'etape 430.
L'objet principal du sous-programme de verification de compresseur consiste a determiner si les compresseurs fonctionnent et a arreter les pompes s'ils ne fonctionnent pas. Des valeurs par defaut pour la pression d'alimentation, la pression de retour et l' attribution
d'helium vent specifiees, comme montre a l'etape 432.
Generalement, ces valeurs par defaut vent pour la pression d'alimentation, 28 kilogs/cm2, pour la pression de retour, 14 kilogs/cm2, et pour l' attribution d'helium, lthelium minimum, si la pompe est en cours de refroidissement et la valeur precedente d' attribution
d'helium si elle est en regulation de temperature.
Une verification est effectuee pour determiner si le sous-programme de verification de compresseur a ete lance pendant une iteration precedente par la pompe de flux de commande de pompe, comme presente a l'etape 434. Une verification de compression declenche un registre d'horloge de test qui fonctionne de maniere asynchrone par rapport au sous-programme de commande de pompe. Par
consequent, de multiples iterations a travers le sous-
programme de verification de compresseur se produiront generalement alors que la pompe est surveillee pendant l'intervalle de test. Si le sousprogramme de verification de compresseur n'a pas ete lance precedemment, une verification est effectuee pour determiner si le moteur de pompe est en marche, comme
montre a l' etape 436. Si ce n' est pas le cas, le sous-
programme de verification de compresseur est quitte, comme presente a l'etape 454. Si le moteur de pompe est en marche, alors une verification est effectuee pour determiner si la pompe est dans un mode de regeneration, comme montre a l'etape 438. Si c'est le cas, alors le sousprogramme de verification de compresseur est quitte,
comme presente a ltetape 454.
Si la pompe ntest pas dans un mode de regeneration, alors le mode de fonctionnement actuel, de refroidissement ou actif (de regulation de temperature) est enregistre, et un registre d'horloge de test est positionne, comme montre a l'etape 440. L' iteration suivante a travers le sous-programme de verification de compresseur indiquera que le sousprogramme de verification de compresseur s' execute, comme represente a l'etape 434, et une verification est effectuee afin de determiner si le registre dthorloge de test est arrive en fin de comptage, comme montre a l'etape 442. Le registre d'horloge de test permet d'autoriser un intervalle de temps predetermine pendant lequel le fonctionnement normal du systeme est surveille. Si le registre d'horloge de test n'est pas encore arrive en fin de comptage, alors le sous-programme de verification de compresseur est quitte, comme presente a l'etape 454, afin d'attendre l' iteration suivante. Si le registre d'horloge de test est arrive en fin de comptage, alors une verification de mode de refroidissement est effectuee, comme presente a l'etape 444. Si la pompe n'est pas en cours de refroidissement, alors une verification est effectuee pour determiner si la temperature du deuxieme etage s'est elevee au-dessus d'un seuil predetermine, comme montre a l'etape 448. Dans un mode de realisation particulier, le seuil est de 25 K. Si la pompe ne s'est pas rechauffee audela du seuil predetermine, alors le compresseur est considere comme etant en marche et la pompe est laissee en fonctionnement, comme represente a l'etape 450. Si la pompe n'est pas en cours de refroidissement, alors une verification est effectuee pour determiner si la vitesse de refroidissement est superieure a une vitesse predeterminee, telle que 1 K/mn, pendant l'intervalle de temps de registre d'horloge de test, comme decrit a l'etape 446. Si la vitesse de refroidissement n'est pas superieure a 1 K/mn, ou si la temperature du deuxieme etage s'est elevee au-dessus de 25 K, alors le compresseur est considere comme etant arrete et la pompe est coupee, comme montre a l'etape 452. La commande passe ensuite a l'etape 454 et le sous-programme de verification de compresseur est quitte usqu'a
l' iteration suivante.
En faisant reference de nouveau a la figure 8, l'etat de distribution par hierarchic 128 peut egalement etre utilise pour aborder des situations audela des conditions de fonctionnement normal. Celui-ci peut etre provoque par une charge thermique excessive dans le systeme a vice ou par la degradation d'une pompe ou d'un compresseur. L'objet principal de la distribution par hierarchic consiste a attribuer de ['helium aux pompes l es plus importante s du s ys teme tout en le refus ant a celles de moindre importance. Dans certains cas, une pompe devrait etre coupee completement afin de permettre
l'utilisation de ['helium ailleurs.
L'utilisateur du systeme doit valider la fonction de distribution par hierarchic et definir l' importance relative de chaque pompe. Par exemple, dans un mode de realisation particulier, un systeme de pulverisation consiste en deux chambres a sas de chargement, une chambre tampon, une chambre de transfert et quatre chambres de traitement ou plus reliees a la chambre de transfert. Une pompe de chambre de traitement pourrait recevoir un niveau de priorite 3, la pompe de chambre de transfert, un niveau de priorite 2, et la pompe de chambre tampon, un niveau de priorite 1. Une chambre de traitement dans laquelle il n'y a aucune tranche pourrait recevoir le niveau de priorite 4. Dans le cas d'un defaut dans le systeme qui provoquerait une consommation d'helium superieure a la demande, le controleur d'outil determinerait si l'une quelconque des chambres de traitement ne contient pas de tranche, leur attribuant ainsi un niveau 3 ou 4. L' attribution dthelium a une chambre de traitement sans tranche serait reduite ou la pompe pourrait etre arretee afin de permettre aux autres chambres de rester en fonctionnement. Une partie du systeme hierarchique consiste a permettre au systeme de se mettre en << panne en douceur >>. C'est-a-dire que, dans un systeme qui se degrade, le temps serait suffisant pour que le traitement des tranches se termine et pour qutelles quittent les chambres de traitement, a travers la chambre de transfert jusqu'a la chambre tampon et de retour dans les sas de chargement alors que les pompes vent arretees derriere elles. Le temps de transfert pour un tel traitement pourrait etre de l'ordre de une a trots minutes. L'etat de distribution par hierarchic 128 arreterait d'abord les pompes de niveau 4 une a la fois, ensuite que celles de niveau 3, et ainsi suite. Si une condition de defaut disparaissait, les pompes pourraient
etre remises en route.
Une supposition avant le passage dans l'etat de distribution par hierarchic 128 est qu'il n'y a plus la moindre circulation en exces d'helium disponible dans le systeme et, par consequent, que le systeme est au-dela de l'etat de distribution a la demande 124. Certaines pompes peuvent fonctionner de maniere acceptable avec leur attribution d' helium, mais au moins une pompe a demande davantage d'helium et celui-ci n'est pas disponible. La pour-quite du fonctionnement se traduira par le rechauffement d'une ou de plusieurs pompes. L'utilisation de la hierarchic predeterminee imposee par l'etat de distribution par hierarchic 128 permettra au controleur de reseau de vice d'effectuer un << tri >> afin de laisser les pompe s le s plus importante s ma inteni r le froid tout en sacrifiant les autres pompes. Bien que trots ou cinq niveaux de priorite puissent etre caracteristiques d'un mode de realisation particulier, l'etat de distribution par hierarchic 128 devrait permettre a l'utilisateur de definir le nombre de niveaux de priorite, notamment un
niveau pour chaque pompe sur le collecteur.
Le controleur hote d'outil peut attribuer les priorites dynamiquement en se basant sur des problemes
tels que la presence ou l' absence d'une tranche.
L'utilisateur peut egalement souhaiter maintenir le vice dans une chambre particuliere jusqu'a ce qu'une certaine condition soit satisfaite, comme un refroidissement d'un montage tres chaud. Les utilisateurs peuvent preprogrammes le fait qu'une pompe devrait etre autorisee a s'arreter totalement ou se voir attribuer une certaine quantite minimum d'helium. Lorsque des pompes ont recu le meme niveau de priorite, alors le controleur de reseau de vice selectionnera arbitrairement une pompe a ce niveau afin de l'arreter ou de lui reattribuer de ['helium. Une action sur d'autres pompes aux memes niveaux ou a des niveaux superieurs peut etre necessaire jusqu'a ce que la
stabilite du systeme soit obtenue.
Le contrdleur de niveau de vice peut egalement passer dans l'etat de distribution par hierarchic pendant le refroidissement des pompes. Sur certains outils, il peut etre souhaitable de garantir qu'une ou plusieurs pompes arrivent a une temperature de fonctionnement en premier. La priorite peut etre donnee a ces pompes en utilisant une logique donnant des attributions superieures a ces pompes pendant le refroidissement par
rapport a d'autres pompes sur la carte.
Le contrbleur de reseau de vice recevra des attributions de hierarchic de l'ordinateur hate d'outil et les memorisera. Dans le cas d'un probleme alors que l'etat de distribution par hierarchic est valide, le contrbleur de reseau de vice utilisera les priorites actuellement attribuees pour commander les pompes. Une modification des niveaux de priorite par l' hdLe d' outil devrait etre acceptee par le contrdleur de reseau de vice alors que l'etat de distribution par hierarchic est actif
afin de faire face a des situations changeant rapidement.
Dans un autre mode de real i sation part icul ier, le systeme de commande de gestion d'helium utilise trots modes de commande, representes sur la figure 15. Ce systeme utilise une pression differentielle DP afin de determiner le mode de commande. En faisant reference aux figures lb et 15, le differential de pression est la difference de pression entre la ligne d'alimentation haute pression 46 et la ligne d'echappement basse pression 48. Dans une pompe cryogenique type, la ligne d'alimentation haute pression 46 est a environ 28 kilogs/cm2 et la ligne d'echappement basse pression 48 est a environ 14 kilogs/cm2. Le differential de pression est la difference entre ces deux lignes, et est generalement d' environ 14 kilogs/cm2. Dans les situations extremes, si de nombreuses pompes cryogeniques consomment de ['helium a une vitesse elevee, le differential de pression peut diminuer au-dessous d'un seuil critique de telle maniere que la capacite de refrigeration commencera a se degrader fortement. C'est un objet du present systeme d'empecher la chute du differential de pression
jusqu'au seuil critique.
Dans le systeme represente sur la figure 15, les modes de commande vent determines de la maniere suivante: un mode normal correspond a un differential de pression compris entre 13 et 14 kilogs/cm2; un mode de sous-pression correspond a un differential de pression inferieur a 13 kilogs/cm2; un mode de surpression correspond a un differential de pression superieur a 14 kilogs/cm2. Il conviendrait de noter que ces plages vent approximatives et pourraient etre adaptees dans un systeme reel pour fournir d'autres plages de differential de pression
correspondent aux modes de commande.
Touj ours en falsant reference a la figure 15, un organigramme montre le fonctionnement du systeme de commande de gestion d'helium utilisant trots modes de commande: normal, de surpression et de sous-pression. Lorsque le differential de pression se trouve en dehors de la plage de 13 a 14 kilogs/cm2, ou mode normal, les vitesses des moteurs d'entralnement de piston de circulation seront commandees pour tenter de ramener le systeme dans un mode normal. Chacune des pompes cryogeniques a un point de consigne de temperature. Le point de consigne de la pompe cryogenique est la temperature que le moteur d'entralnement de piston de circulation tentera d'atteindre comme temperature de cryopompage normale. Une reduction du point de consigne aura tendance a avoir pour effet d' augmenter la vitesse du moteur d'entrainement de piston de circulation afin de consommer plus dthelium et de reduire la temperature de la pompe cryogenique. De meme, l' augmentation du point de consigne permettra le rechauffement du refrigerateur cryogenique, tendant a reduire la vitesse du moteur d'entrainement de piston de circulation et, par consequent, a consommer moins d'helium. Le point de consigne est utilise en interne par la pompe cryogenique pour modifier la vitesse du moteur d'entralnement de piston de circulation de maniere a faire correspondre la temperature du premier etage du doigt frigorigene au point de consigne, en utilisant une commande en boucle fermee ou un autre mecanisme de commande electronique dans la pompe cryogenique. En outre, le point de consigne et la vitesse du moteur d'entrainement de piston de circulation ont tous deux une plage de fonctionnement au dela de laquelle la vitesse du moteur et le point de
consigne ne peuvent pas etre modifies davantage.
Plus specifiquement, un intervalle d' interrogation se "ermine, comme represente a l'etape 300, et le systeme commence un autre cycle de verification. Une verification est effectuee afin de determiner si le systeme est actuellement dans un mode de surpression, comme montre a l'etape 302. Si le systeme n'etait pas dans un mode de surpression, alors une verification est effectuee afin de determiner si le systeme est dans un mode de sous pression, comme presente a ltetape 304. Si le systeme n'etait pas dans un mode de sous-pression, alors une verification est effectuee afin de determiner si le differential de pression est superieur a 14 kilogs/cm2, comme represente a l'etape 306. Si le differential de pression n'est pas superieur a 14 kilogs/cm2, alors une verification est effectuee pour determiner si le differential de pression est inferieur a 13 kilogs/cm2, comme montre a l'etape 308. Si le differential de pression n'etait pas inferieur a 13 kilogs/cm2, alors la commande retourne a l'etape 310 jusqu'a ce que l'intervalle d' interrogation suivant se "ermine. Le trait en pointille 312 represente la sequence d'etapes representant le fonctionnement en mode normal, tel que decrit. Cette iteration se repete jusqu'a ce que le differential de pression se trouve en dehors de l'intervalle de 13 a 14 kilogs/cm2, decrit davantage ci dessous. Le systeme de la figure 15 sert a diminuer les points de consigne de temperature et a augmenter la vitesse du moteur en 314, ci- dessous, si le differential de pression est superieur a 14 kilogs/cm2. Les points de consigne de temperature vent augmentes et la vitesse du moteur est diminuee en 322, ci-dessous, si le differential de pression descend en dessous de 13 kilogs/cm2. Apres une modification, le systeme est place dans un mode de surpression ou de sous-pression pendant un temps pendant lequel d'autres modifications ne vent pas permises afin de permettre au systeme de se stabiliser. A l'etape 306, si le differential de pression est superieur a 205, alors une condition de surpression potentielle apparalt. Une condition de surpression est indicative d'un exces d'helium dans le systeme. Le trait en pointille 314 represente generalement les actions de correction de surpression. Afin d'utiliser l 'helium en exces, le point de consigne de toutes les pompes cryogeniques qui ne vent en cours de refroidissement, et qui fonctionnent, est diminue de 2 K, tel que presente a l'etape 316. La vitesse du moteur d'entrainement de n'importe queue pompe cryogenique en cours de refroidissement est augmentee de 15 tr/mn, comme montre a l'etape 318. Le mode du systeme est place dans le mode de surpression afin d'indiquer qu'il existe une capacite d'helium frigorigene excedentaire qui peut etre utilisee, comme represente a ltetape 320. Notez qu'il existe des seuils de vitesse d'entrainement minimum et maximum, decrits davantage ci- dessous, qui maintiendront la vitesse du moteur d'entrainement dans la plage de
fonctionnement predeterminee.
En poursuivant a l'etape 308, si le differential de pression est inferieur a 190, alors une condition de sous-pression potentielle apparalt. Une condition de sous-pression est indicative d'une rarefaction de l 'helium dans le systeme. Le trait en pointille 322 represente generalement les etapes parcourues pour corriger une condition de sous- pression. Afin de preserver lthelium, le point de consigne de toutes les pompes cryogeniques qui ne vent pas en cours de refroidissement est augmente de 2 K, comme montre a l'etape 324. La vitesse du moteur d'entrainement des pompes cryogeniques en cours de refroidissement est diminuee de 15 tr/mn, comme presente a l'etape 326. La diminution de la vitesse des pompes cryogeniques dans un etat de refroidissement aura tendance a prolonger le temps de refroidissement, mais liberera un excedent d'helium afin de corriger la condition de sous-pression et de permettre aux pompes de fonctionner a des temperatures de cryopompage normales afin de poursuivre le fonctionnement. Le mode du systeme est ensuite fixe au mode de sous-pression, comme represente a l'etape 328,
* afin d'indiquer l' existence d'une condition de sous-
pression. En poursuivant a l'etape 304, si une condition de sous-pression existe deja, une verification est effectuee pour determiner si le mode de sous-pression a cure plus d'une minute, comme presente a l'etape 330. Si le mode de sous-pression actuel n'a pas cure plus d'une minute, la commande retourne a l'etape 310 pour attendre l' intervalle d' interrogation suivant afin d' eviter un dereglement du systeme. Si le mode de sous-pression actuel a cure plus d'une minute, alors une verification est effectuee pour determiner si le differential de pression actuel DP est inferieur au differential de pression qui a provoque le passage dans le mode de sous pression, comme represente a l'etape 332. Si le passage dans le mode de sous-pression a ete effectue precedemment, alors le systeme devrait commencer a augmenter le differential de pression, autrement une gestion de lthelium plus agressive sera necessaire. Si le differential de pression DP n'est pas inferieur a la lecture qui a provoque le passage dans le mode de sous press ion, alors une verification est effectuee pour determiner si le mode de sous- pression actuel a cure dix minutes, comme presente a ltetape 334. Si ce n'est pas le cas, la commande retourne a l'etape 310 afin d'attendre l'intervalle d' interrogation suivant. Le systeme permet, par consequent, au systeme de retourner dans une plage de differential de pression normale pendant dix minutes avant de poursuivre avec une gestion d'helium plus agressive. Si le differential de pression continue de descendre, ou si dix minutes se vent ecoulees depuis le passage dans le mode de sous- pression, le systeme quitte
le mode de sous-pression, comme presente a ltetape 336.
Le mode de sous-pression est quitte de sorte que d'autres operations correctives peuvent avoir lieu au moment de l'intervalle d' interrogation suivant, decrit davantage ci-dessous. La commande retourne a ltetape 310 et, au moment de l'intervalle d' interrogation suivant, montre a l'etape 300, la verification a l'etape 304 indiquera que le systeme n'est pas dans le mode de sous-pression. Par consequent, la verification du differential de pression a l'etape 308 indiquera que le differential de pression est touj ours au-dessous de 190, et les actions de sous pression 324, 326 et 328 reapparaltront, comme decrit ci dessus. En poursuivant a l'etape 302, si une condition de surpression existe deja, alors une verification est effectuee pour determiner si le mode de surpression actuel a cure plus de dix minutes, comme montre a l'etape 338. Si ce n'est pas le cas, la commande retourne a l'etape 308 pour la verification du differential de pression faible. Si le mode de surpression actuel a cure plus de dix minutes, alors le systeme quitte le mode de surpression, comme represente a l'etape 340, et la commande retourne a l'etape 300 pour attendre l'intervalle d' interrogation suivant. Le systeme quitte le mode de surpression afin de declencher la verification de correction de surpression. Au moment de l'intervalle d' interrogation suivant, montre a l'etape 300, etant donne que le mode de surpression n'est plus fixe, la verification de mode de surpression a l'etape 302 fera passer la commande a l'etape 306. Si le differential de pression est encore superieur a 205, les actions de surpression des etapes 316, 319 et 320 reapparaitront,
comme decrit ci-dessus.
Dans un autre mode de realisation particulier, il existe quatre etats de commande de la gestion d'helium au niveau du controleur, decrits davantage ci-dessous, et trots modes. Brievement, les modes vent << reglage >>, << normal >> et << refroidissement >>. Le reglage se produit pendant le reglage initial du systeme afin de determiner quels compresseurs et queues pompes cryogeniques vent relies au systeme. Le mode de refroidissement indique qu'une ou plusieurs pompes cryogeniques effectuent une operation de refroidissement. Le mode normal correspond au fait que le systeme a ete demarre et que toutes les pompes cryogeniques ont acheve un refroidissement
initial.
Chacune des pompes cryogeniques associees au systeme a egalement trots modes de fonctionnement de gestion d' helium qui vent rapportes au controleur. Un mode de regulation de temperature indique que la pompe cryogenique est commandee par le controleur. Un mode de refroidissement indique que la pompe cryogenique effectue une operation de refroidissement. Un mode << aucun >> indique que la pompe est autorisee a consommer librement de ['helium alors que le moteur d'entralnement est
autorise a fonctionner a vitesse maximum.
Les quatre etats de commande du systeme de commande de gestion d' helium vent generalement indicatifs chacun d'un besoin d'une gestion dthelium plus agressive. Les etats de fonctionnement vent similaires aux modes de
commande decrits dans le mode de realisation precedent.
Un etat normal permet une consommation d' helium non regulee par toutes les pompes cryogeniques 10 dans le systeme. Un etat de verification de limite apparait lorsqu'une pompe a une consommation egale a la consommation maximum calculee par le controleur. Un etat de distribution a la demande apparalt lorsqu'une pompe qui a indique une alimentation minimale continue d'etre alimentee avec peu d'helium apres un temps de seuil predetermine. La distribution a la demande entraine une redistribution de ['helium en exces dans le systeme ou une reduction du parametre d'alimentation en helium maximum de chaque pompe cryogenique s'il n'y a aucun exces. Si toutes les pompes indiquent une rarefaction de l 'helium, un etat de distribution par hierarchic attribue l 'helium a des pompes cryogeniques critiques conformement a une hierarchic predeterminee en reduisant l 'helium vers des pompes moins critiques, qui vent autorisees a se rechauffer. Les pompes cryogeniques ont egalement un etat de consommation d' helium. Un etat CORRECT indique que la pompe cryogenique consomme moins de 95 % de la valeur du parametre d'alimentation en helium maximum. Un etat APPROCHANT indique que la pompe cryogenique consomme plus de 95 % de la valeur du parametre d'alimentation en helium maximum. Un etat LIMITE indique que la pompe cryogenique a une consommation d'helium egale a la valeur du parametre de consommation dthelium maximum. L'etat de consommation d' helium est utilise pour determiner si une pompe cryogenique consomme la quantite maximum d' helium necessaire pour maintenir les temperatures de cryopompage et est. par consequent, au seuil de rechauffement. Cet etat APPROCHANT n'est pas utilise pour determiner la commande de gestion d'helium, mais peut etre demande par
un operateur en tent qu' element d' information.
Les figures 16a a 16c montre un organigramme de commande de gestion d'helium dans le controleur 12 tel que represente sur la figure 12 plus en detail. En faisant reference a la figure 16a, un reglage initial et un mappage vent effectues, comme represente a l'etape 610. Le reglage initial et le mappage determinant tous les compresseurs 16 et toutes les pompes cryogeniques 10 relies a un collecteur commun 18. Comme indique ci- dessus a l'etape 610, chaque pompe cryogenique envoie une taille de refrigerateur cryogenique, une alimentation en helium minimum, une vitesse de consommation d' helium et un temps d'achevement de refroidissement, afin qu'ils soient memorises dans le controleur. Le controleur recoit egalement l'alimentation en helium disponible de chaque compresseur 16. Si ['helium disponible est insuffisant pour prendre en charge au moins l'alimentation en helium
minimum pour chaque pompe, le fonctionnement s'acheve.
Une distribution d' helium initiale est calculee, basee sur une distribution proportionnelle conformement a la taille des pompes cryogeniques et un signal de consommation d'helium maximum est envoye a chaque pompe cryogenique. Le controleur peut egalement fire les parametres de reglage initiaux indicatifs d'une hierarchic de distribution, decrite davantage ci-dessous, et d'autres parametres de fonctionnement et valeurs par defaut. Le controleur commence ensuite une boucle de commande, recevant une entree periodique de chaque pompe cryogenique. Des signaux de parametres, indicatifs des donnees de parametre de fonctionnement, vent recus de chacun des detecteurs 14, et une verification des donnees recues est effectuee pour determiner si elles vent valides, comme montre a l'etape 612. La commande retourne a l'etape 612 jusqu'a ce que des mesures valides soient obtenues. Une verification est effectuee pour voir si l'etat de distribution a la demande est actif, comme presente a l'etape 614. L'etat de distribution a la demande peut etre actif si un etat precedent de distribution a la demande a ete declenche, comme decrit
davantage ci-dessous en relation avec la figure 16c.
Si l'etat de distribution a la demande n'est pas actif, alors une verification est effectuee pour determiner si l'etat de verification de limite est actif, comme montre a l'etape 616. L'etat de verification de limite peut etre actif si une verification de limite precedente etait positive. Si l'etat de verification de limite est actif, la commande retourne a l'etape 620, decrite davantage ci-dessous en relation avec la figure 16b. Si l'etat de verification de limite n'est pas actif, alors l'etat de consommation actuel de chaque pompe
cryogenique est examine, comme represente a l'etape 618.
Pour toute pompe qui n'est pas dans un etat de refroidissement, le taux de consommation actuel est examine par rapport a la consommation d'helium maximum pour cette pompe cryogenique afin de determiner si une limite a ete atteinte. En variante, la limite peut etre un pourcentage de la consommation d'helium maximum, tel que 95 %, afin que le systeme fonctionne d'une maniere plus econome. Si la limite a ete atteinte par une ou plusieurs des pompes cryogeniques, la commande retourne a l'etape 620, decrite davantage ci-dessous en relation
avec la figure 16b.
Si la limite n'a pas ete atteinte, alors une verification est effectuee pour determiner si l'une quelconque des pompes cryogeniques est dansl'etat de refroidissement, comme represente a l'etape 622. Si aucune des pompes cryogeniques n'est dans l'etat de refroidissement, l'etat du systeme est fixe a normal, comme montre a l'etape 626, et le programme retourne a ltetape 612 pour l' iteration suivante de la boucle de commande. Si l'une quelconque des pompes cryogeniques est dans l'etat de refroidissement, le mode du systeme est fixe a refroidissement, comme montre a l'etape 624. Un fonctionnement de refroidissement se produit apres une regeneration, ou pendant un demarrage initial du systeme, et ramene le refrigerateur cryogenique aux temperatures de fonctionnement normales apres avoir ete rechauffe. Un etat de refroidissement consomme plus d'helium qu'un etat normal. Par consequent, le systeme est ensuite examine quant a un exces d'helium comme dans l'etat de redistribution d'helium. La merge d'helium pour toutes les pompes qui ne vent pas dans un mode de refroidissement est calculee et additionnee afin de determiner une valeur d'helium en exces, comme presente a l'etape 686. Une valeur de consommation d'helium maximum temporaire est ensuite calculee pour les pompes cryogeniques en cours de refroidissement, comme presente a l'etape 688. Si plusieurs pompes cryogeniques vent en cours de refroidissement, la valeur de consommation d'helium maximum temporaire est distribuee proportionnellement a la taille du refrigerateur cryogenique de chaque pompe cryogenique, suivant la formule decrite davantage ci-dessous en relation avec la figure 17b. La commande retourne ensuite a l'etape 612
pour l' iteration de boucle de commande suivante.
En poursuivant a l'etape 620, l'etat de verification de limite est adopte. En faisant reference a la figure 16b, une verification est effectuee afin de determiner si l'etat de verification de limite est actuellement actif, comme montre a l'etape 630. S'il n'etait pas actif precedemment, l' instant est marque comme etant le moment initial de la verification de limite actuelle, comme montre a l'etape 632, et l'etat du systeme est fixe a
verification de limite, comme represente a l'etape 634.
Si l'etat de verification de limite est deja valide, indiquant que le systeme etait deja dans un etat de verification de limite, alors une valeur d'horodatage est enregistree en tent qu'etat de verification de limite en cours, comme presente a l'etape 636. En faisant reference a la figure 16a, une verification est effectuee pour determiner si l'etat de verification de limite actuelle a cure plus longtemps qu'un seuil de verification de limite predetermine. Dans un mode de realisation particulier, une verification est effectuee pour determiner si le seuil de verification de limite actuelle a cure plus de quatre minutes, comme montre a l'etape 638. Si le systeme n'est pas reste dans un etat de verification de limite plus de quatre minutes, alors l'etat de verification de limite est quitte, comme montre a ltetape 638, et la commande passe a la verification de refroidissement, comme represente a l'etape 622. Si le systeme est reste dans un etat de verification de limite pendant plus de quatre minutes, alors la commande passe au sousprogramme de redistribution d' helium, decrit davantage ci-dessous, comme presente a l'etape 650. De cette maniere, le systeme dispose d'un seuil de quatre minutes pour qu'une condition de verification de limite soit corrigee avant
de poursuivre avec une gestion d'helium plus agressive.
En poursuivant, sur la figure 16a, aux etapes 614 et 638, si une redistribution d' helium est indiquee, comme montre a l'etape 650, la commande est transferee vers le sous-programme de redistribution d' helium, montre sur la figure 16c. En faisant reference aux figures 16a et 16c, une verification est effectuee pour determiner la raison du passage dans l ' etat de redistribution d' helium, comme montre a l'etape 652. Si l'etat de redistribution d'helium n'etait pas deja actif, alors un nouveau calcul de redistribution d'helium doit etre effectue parce qu'un etat de verification de limite precedent ne s'est pas corrige en quatre minutes. Une verification est effectuee pour determiner si l'une quelconque des pompes a indique un etat de consommation d' helium CORRECT, comme decrit a l'etape 662. Si au moins une pompe a indique un etat CORRECT, et non LIMITE, une redistribution d'helium est effectuee en utilisant le calcul de distribution a la demande le moins agressif. Dans ce contexte, une des pompes cryogeniques a une consommation d'helium egale a la valeur de consommation maximum et se rechauffera a moins qu'une action ne soit prise. L'etat du systeme est fixe sur distribution a la demande, comme decrit a l'etape 664, et le controleur examine ['ensemble des
parametres de fonctionnement de chaque pompe cryogenique.
Le s pa ramet res de fonct i onnement comprennent la consommation d'helium actuelle, la consommation d'helium maximum, l'etat de consommation d'helium (CORRECT, APPROCHANT ou LIMITE) et le mode de fonctionnement de la pompe cryogenique, TC (regulation de temperature), CD (refroidissement) ou aucun, et le temps d'achevement de refroidissement si le mode de fonctionnement etait celui
de refroidissement.
Une merge d'helium moyenne est calculee a partir des parametres de fonctionnement pour chaque pompe, indicative de la difference entre la consommation d' helium actuelle et la consommation maximum autorisee pour chaque pompe, comme represente a l'etape 666. La merge d'helium moyenne, indicative d'un exces d'helium dans le systeme, est utilisee pour calculer une nouvelle valeur de consommation maximum pour chaque pompe, comme indique a l'etape 668, conformement a la formule suivante: Pour chaque pompe cryogenique: merge d' helium = consommation maximum - consommation actuelle Calculer la merge moyenne: merge moyenne = somme(marge d'helium) / nombre de pompes cryogeniques Pour chaque pompe cryogenique: Maximum d' helium = consommation actuelle + merge moyenne Calculer une nouvelle consommation maximum d'helium totale du systeme: Maximum du systeme total = somme(Maximum dthelium) Pour chaque pompe cryogenique: Nouvelle consommation maximum = consommation maximum + (helium disponible total du systeme - maximum du systeme total)/nombre de pompes cryogeniques Par consequent, ['helium en exces est distribue en definissant une nouvelle consommation maximum pour chaque pompe cryogenique basee sur ['helium total disponible a partir du collecteur commun et sur la consommation maximum actuelle globale de toutes les pompes cryogeniques. Une valeur d'horodatage indicative de l' instant de reattribution est ecrite, comme montre a l'etape 670. La commande retourne ensuite a la verification de refroidissement de la figure 16a a
l'etape 622, comme montre a l'etape 658.
Si l'etat de distribution a la demande etait deja actif, alors une valeur d'horodatage est enregistree en tent qut operation de redistribution d'helium en cours, comme represente a l'etape 654. Une verification est effectuee pour determiner si une duree superieure a un seuil de redistribution predetermine s'est ecoulee depuis que l'etat de distribution a la demande actuel est valide. Dans le mode de realisation particulier montre, le seuil de redistribution predetermine est de dix minutes. Si l'etat de distribution a la demande actuel n'existe pas depuis au moins 10 minutes, la commande retourne a la boucle de commande principale de l'etape de verification de refroidissement 622 (figure 16a), comme montre a l'etape 658. Si le mode de redistribution d'helium existe depuis au moins 10 minutes, alors la redistribution est supposee avoir redistribue ['helium efficacement, et l'etat du systeme est fixe a normal, comme represente a l'etape 660, de sorte que la boucle principale de la figure 16a puisse continuer d'effectuer la surveillance a intervalles reguliers. De cette maniere, chaque iteration a travers le sous-programme de redistribution d'helium accorde dix minutes pour que la redistribution s'effectue dans le systeme. Si la redistribution n'etait pas suffisamment agressive, l'etat de redistribution d'helium sera de nouveau adopte et recalcule pour assurer une gestion d'helium plus agressive jusqu'a ce que le systeme atteigne un etat d'equilibre. Si aucune pompe n'a indique un etat de consommation d'helium CORRECT a l'etape 662, alors toutes les pompes ont at teint leur l imite de cons ommat ion maximum et une redistribution d' helium est effectuee en utilisant les
calculs de distribution par hierarchic plus agressive.
Dans ce contexte, aucune pompe n'indique un etat CORRECT et, par consequent, toutes les pompes vent dans un etat LIMITE, indiquant l' absence d'helium en exces dans le systeme. Les parametres de fonctionnement, enumeres ci dessus, vent lus a partir de chaque pompe cryogenique et utilises pour determiner une nouvelle consommation d' helium maximum et eventuellement pour arreter une ou
plusieurs pompes cryogeniques.
L'etat du systeme est fixe a distribution par hierarchic, comme represente a l'etape 672. Le mode de fonctionnement actuel de chaque pompe est examine, comme montre a l'etape 674. Une verification est effectuee pour determiner si l'une quelconque des pompes s'est averee ne pas etre en cours de regulation de temperature ou de refroidissement, comme decrit a l'etape 676. Si des pompes se vent averees ne pas etre en cours de regulation de temperature ou de refroidissement, elles vent placees dans l'un de ces etats, comme represente a l'etape 678, et la commande retourne a l'etape 612, figure 16a, pour attendre l'intervalle de commande suivant, comme montre a
ltetape 680.
Si toutes les pompes vent soit en regulation de temperature, soit en refroidissement, des pompes cryogeniques doivent etre selectionnees pour un rechauffement ou une reduction de leur taux de refroidissement. Une hierarchic des pompes cryogeniques est lue, comme montre a l'etape 682, afin de determiner les pompes cryogeniques les plus critiques qui, par
consequent, auront une alimentation en helium maintenue.
La hierarchic des pompes cryogeniques est une organisation specifique a un site de la priorite des pompes cryogeniques qui doivent etre maintenues a des temperatures de cryopompage. La hierarchic peut etre modifiee dynamiquement en fonction des activites menees dans les chambres de traitement sous vice reliees a chacune des pompes cryogeniques. Les pompes cryogeniques associees a des traitements critiques, par exemple une charge utile semi-conductrice couteuse, par exemple,
continueraient generalement d'etre alimentees en helium.
Les pompes cryogeniques qui vent moins critiques telles que specifiees dans la hierarchic pourront se rechauffer ou reduiront leur taux de refroidissement. A partir de la hierarchic, une nouvelle valeur de consommation d' helium maximum est calculee pour chaque pompe cryogenique, comme montre a ltetape 684. La commande retourne ensuite a l'etape 622 pour la verification de refroidissement,
comme montre a l'etape 658.
Les figures 17a a 17b montrent un organigramme des operations des pompes cryogeniques. En faisant reference a la figure 17a, la boucle de commande de pompe cryogenique commence a l'etape 500. Les informations envoyees par le compresseur vent verifiees pour garantir leur validite, comme montre a l'etape 500. Les informations envoyees par le compresseur vent comparees a une plage de valeurs normales. Si les informations envoyees vent en dehors de la plage de valeurs normales, l'etat de verification de compresseur est adopte, comme montre a l'etape 502, afin d'effectuer des diagnostics de compresseur. Etant donne qu'un compresseur est refroidi par ['helium qutil fournit, des mesures d' extreme peuvent etre indicatives d'une condition de dommage potential, telle qu'un manque d'helium. Le sous-programme de verification de compresseur determinera si les pompes cryogeniques doivent etre arretees. Si la pompe
cryogenique a ete arretee precedemment par le sous-
programme de verification de compresseur, la commande retourne a l'etape 500 jusqu'a ce que le systeme indique que la pompe cryogenique peut reprendre son fonctionnement, comme represente a l'etape 504. Si les informations envoyees par le compresseur vent valides, la pompe cryogenique verifie que le sous-programme de verification de compresseur n'a pas demande son arret, comme montre a l'etape 506. Le sous-programme de verification de compresseur est utilise pour eviter que le compresseur soit endommage par un fonctionnement sans helium, mais egalement pour eviter un arret d'une pompe du a un probleme plus benin, tel qu'un detecteur defectueux. Si la pompe a ete arretee precedemment par le sousprogramme de verification de compresseur, un sous programme de recuperation de defaut de puissance sera invoque pour redemarrer la pompe, comme montre a l'etape 508. La pompe cryogenique calcule une merge d' helium en determinant la difference entre le taux actuel de consommation et la consommation d'helium maximum envoyee par le controleur. La pompe cryogenique determine ensuite l'etat de consommation d'helium a partir de la merge, et determine egalement le mode de fonctionnement actuel de la pompe cryogenique, comme presente a l'etape 510. La pompe cryogenique verifie ensuite si elle a ete placee dans un etat de refroidissement, comme montre a l'etape 512. Si la pompe cryogenique n'est pas dans un etat de refroidissement, il est verifie si l'etat de fonctionnement de la pompe est LIMITE, comme montre a l'etape 516. Un etat de fonctionnement LIMITE survient loreque la pompe a une consommation d'helium egale a la valeur du parametre de consommation d' helium maximum envoye par le controleur. Si l'etat de fonctionnement de la pompe est LIMITE, un nouveau parametre de consommation d'helium maximum sera calcule et envoye par le controleur, comme decrit ci-dessus. La pompe cryogenique calculera et fixera la vitesse du moteur d'entralnement afin qu'elle corresponde au parametre de consommation d'helium maximum, comme represente a l'etape 518. En variante, chaque pompe cryogenique a une plage de fonctionnement minimum et maximum qui aura la priorite si la vitesse du moteur d'entralnement calculee tombe en
dehors de la plage.
Si la pompe a ete placee dans un mode de
refroidissement, comme montre a l'etape 512, le sous-
programme de refroidissement de pompe est invoque, comme presente a l'etape 514. La figure 17b montre un organigramme d'un fonctionnement de refroidissement. En faisant reference a la figure 17b, une verification est effectuee pour determiner si la temperature du deuxieme
etage est inferieure a 17 K, comme montre a l'etape 520.
Si ctest le cas, alors une verification est effectuee pour determiner si la temperature du premier etage est dans une tolerance de 0,5 K autour du point de consigne, comme montre a l'etape 522. Si la temperature du premier etage est dans une tolerance de 0,5 K autour du point de consigne, alors le refroidissement s'acheve, comme montre a l'etape 524, et la commande retourne a l'etape 500
jusqu'a l'intervalle d' interrogation suivant.
Si la temperature du deuxieme etage est superieure a 17 K, ou si la temperature du premier etage n'est pas dans une tolerance de 0,5 K autour du point de consigne, le refroidissement se pour-quit et la pompe cryogenique peut beneficier d'un excedent d'helium. Un maximum temporaire d'helium est calcule afin d'attribuer l'excedent d'helium, conformement a la formule suivante: Excedent du systeme = somme (merge de toutes les pompes cryogeniques) Maximum temporaire = Consommation maximum actuelle + excedent du systeme*(taille de la pompe cryogenique/somme(taille des pompes cryogeniques)) L'excedent total calcule ci-dessus est. par consequent, divise proportionnellement entre les pompes cryogeniques selon leur taille et ajoute au parametre de consommation
dt helium maximum actuel, comme presente a l'etape 526.
Notez que bien que toutes les pompes recoivent une part
de l'excedent, d'autres modes de realisation peuvent
distribuer ['helium conformement a une autre formule, par exemple en repartissant ['helium excedentaire uniquement entre les pompes cryogeniques en cours de refroidissement. Une vitesse de moteur d'entralnement temporaire est calculee de maniere a correspondre au nouveau parametre de consommation d'helium maximum
temporaire, egalement montre a l'etape 526.
La vitesse de moteur d'entralnement nouvellement calculee est ensuite comparee aux vitesses de moteur d'entra1nement minimum et maximum, de la meme maniere quta ltetape 518 ci-dessus. Une verification est effectuee pour determiner si la temperature du deuxieme etage est superieure a 40 K, comme presente a l'etape 530. Si la temperature du deuxieme etage est de 40 K ou superieure, une verification est effectuee pour determiner si la nouvelle vitesse de moteur d'entralnement temporaire est superieure au RPM maximum, generalement 144 tr/mn, comme montre a ltetape 530. Si la vitesse de moteur d'entrainement temporaire est superieure au RPM maximum, alors la vitesse du moteur d'entralnement est fixee au RPM maximum, comme represente a l'etape 532. Si la vitesse de moteur d'entralnement temporaire n'est pas superieure au RPM maximum, comme examine a l'etape 536, alors la vitesse du moteur d'entralnement est fixee a la vitesse de moteur d'entralnement temporaire, comme montre a l'etape 538. Si la vitesse de moteur d'entralnement temporaire est inferieure au RPM maximum, alors la vitesse du moteur d'entralnement est fixee a la vitesse de moteur
d'entralnement minimum, comme represente a l'etape 540.
Si la temperature du deuxieme etage est inferieure a K, alors une verification est effectuee pour determiner si la vitesse de moteur d'entralnement temporaire est superieure a 72 tr/mn, comme montre a l'etape 534. Si la vitesse de moteur d'entralnement temporaire n'est pas superieure a 72 tr/mn, alors la vitesse du moteur d'entrainement est fixee a la valeur la plus faible de la vitesse de moteur d'entralnement temporaire et du RPM minimum, comme represente ci-dessus a l'etape 536. Si la vitesse de moteur d'entralnement temporaire est superieure a 72, alors la vitesse du moteur d'entralnement est fixce a 72 tr/mn, comme montre a l'etape 542. De cette maniere, le moteur d'entralnement aura tendance a fonctionner a la vitesse de moteur d'entralnement temporaire ou a la vitesse maximum jusqu'a ce que la temperature du deuxieme etage atteigne 40 K, et aura ensuite tendance a fonctionner a la vitesse de moteur d'entralnement temporaire ou a 72 tr/mn jusquta la
fin du refroidissement.
Les hommes du metier devraient facilement se rendre compte du fait que les programmes definissant les operations et les procedes definis dans le present document vent applicables a un systeme de commande de gestion d'helium sous de nombreuses formes, y compris et sans y etre limite, a) des informations memorisees en
permanence sur des supports d'enregistrement non-
inscriptibles tels que des dispositifs a memoire morte, b) des informations memorisees et modifiables sur des supports d'enregistrement reinscriptibles tels que des disques couples, des bandes magnetiques, des disques compacts, des dispositifs a memoire vive et d'autres supports magnetiques et optiques, ou c) des informations transmises a un ordinateur par l'intermediaire de supports de communication, par exemple en utilisant des techniques de signalisation de bande de base ou large bande, comme dans un reseau electronique tel que Internet ou des lignes telephoniques equipees de modem. Les operations et les procedes peuvent etre mis en oeuvre
sous la forme d'un objet executable par logiciel en-
dehors d'une memoire par un processeur ou sous la forme d'un jou d' instructions loge dans une once porteuse. En variante, les operations et les procedes peuvent etre mis en oeuvre en totalite ou en partie en utilisant des composants materiels tels que des circuits integres d'applications specifiques (ASIC), des machines a etats, des controleurs ou d'autres composants et dispositifs materiels, ou une combinaison de composants materiels et logiciels. Bien que le systeme et le procede pour commander la distribution d' helium aient ete montres et decrits en
particulier avec reference a des modes de realisation de
ceux-ci, les hommes du metier comprendront que diverges modifications de forme et de details peuvent etre apportees a ccux-ci sans s'ecarter de l'etendue de
l' invention definie par les revendications jointes. Par
consequent, la presente invention n'est destinee a etre
limitee que par les revendications qui suivent.

Claims (3)

REVEN DI CAT IONS
1. Procede de distribution d'helium a une pluralite de refrigerateurs cryogeniques relies a une source de fluide frigorigene commune, caracterise en ce qu'il comprend: la detection d' au moins un parametre de fonctionnement indicatif de l'etat de fonctionnement de chaque refrigerateur cryogenique; le calcul, au niveau d'un controleur, a partir audit au moins un parametre et d'une alimentation en helium, d'un signal d' attribution indicatif d'une attribution de fluide frigorigene, le signal d' attribution etant calcule en fonction d'une consommation d'helium calculee; et la commande d'un moteur d'entralnement (216) relic a chacun des refrigerateurs cryogeniques afin de reguler ['helium consomme par le refrigerateur cryogenique
conformement au signal d' attribution.
2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que la detection, le calcul et la commande vent effectues a des intervalles reguliers predetermines conformement a
une boucle de commande.
3. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que le signal d' attribution correspond a des unites de
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