JP2008292103A - クライオポンプ及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第一冷却ステージの温度に基づいて二段式冷凍機の駆動電源周波数を制御し、クライオポンプの運転効率を高めるに際し、第一冷却ステージの温度を目標温度まで上昇させることができない場合にも対応可能とする。
【解決手段】駆動電源周波数を、運転可能な範囲内で最小の周波数に引き下げても第一冷却ステージ６の温度が目標温度まで上昇しないときに、第一冷却ステージ６を加熱して目標温度に維持することができる制御手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温面を利用し、気体分子を凝縮又は吸着により捕捉し、排気するクライオポンプ及びその制御方法に関する。

クライオポンプには、冷凍能力の大きな第一冷却ステージと、第一冷却ステージより冷凍能力の小さい第二冷却ステージとを備えた二段式冷凍機が用いられている。

一方、二段式冷凍機について、その運転を、第二冷却ステージの温度を検知して制御することが知られている。即ち、二段式冷凍機のコンプレッサへの入力電力を、第二冷却ステージの温度が目標温度に達するまでは大にし、第二冷却ステージの温度が目標温度に達した後は目標温度を維持できるレベルに下げて運転し、運転効率を向上させることが知られている（特許文献１参照）。

特開平１１−２５７７７３号公報

ところで、二段式冷凍機の第一及び第二冷却ステージの冷凍能力や両者のバランスは、設計時に設定される第一及び第二冷却ステージの膨張空間容積や蓄冷材量などにより決まってしまう。

一方、クライオポンプに用いられる二段式冷凍機の第一及び第二冷却ステージに加わる熱負荷の大きさや割合は、クライオポンプの大きさや構造、設置状況、真空排気するチャンバからの入熱、プロセスガスの種類や流量などの使用環境により様々なものとなる。

クライオポンプの二段式冷凍機に上記従来の運転制御を適用した場合、第二冷却ステージの温度を基準に制御を行うため、第一冷却ステージの温度を必要な温度に制御できなくなる問題がある。例えば、第一冷却ステージに接続されている輻射シールドやルーバー（バッフル）の温度が低すぎると、本来クライオパネルで凝縮排気されるべきアルゴンや窒素などが一時的に輻射シールドやルーバー上に凝縮してしまい、これによって排気効率が低下する。また、第一冷却ステージの温度が高すぎると、水分がクライオパネルで固化して表面を覆い、本来クライオパネルで凝縮排気すべきアルゴンや窒素などの排気能力が低下することになる。

上記の問題は、第一冷却ステージの温度を基準に制御することで解決することができる。特に、クライオポンプの駆動電源供給器に内蔵されているインバータを制御し、駆動電源周波数を調節して必要なだけ冷凍サイクルを実行して第一冷却ステージを一定の目標温度に保つようにすれば、高圧ヘリウムガスの消費量を最小限にして電力消費を抑制することができる。

しかしながら、前記使用環境によっては、第一冷却ステージの温度が一定となるように二段式冷凍機の駆動電源周波数を制御した場合、運転可能な最小の駆動電源周波数としても、第一冷却ステージの温度を目標温度まで上昇させることができないことがある。また、やはり前記使用環境によっては、第二冷却ステージの冷凍能力が不足し、第二冷却ステージの温度を目標温度にまで下げられないことも生じる。

本発明は、第一冷却ステージの温度に基づいて二段式冷凍機の駆動電源周波数を制御し、クライオポンプの運転効率を高めるに際し、上記問題を解決することを目的とする。即ち、運転可能な最小の駆動電源周波数としても、第一冷却ステージの温度を目標温度まで上昇させることができない場合にも対応可能とすることを目的とする。

本発明は、第一冷却ステージと第二冷却ステージとを有する二段式冷凍機を用いたクライオポンプにおいて、当該冷凍機の駆動電源周波数が、駆動可能な範囲内で最小の周波数である時、前記第一冷却ステージを加熱して目標温度を維持することを特徴とするクライオポンプの制御方法を提供するものである。また、本発明は、第一冷却ステージと第二冷却ステージを有する二段式冷凍機、該二段式冷凍機を駆動する駆動電源、及び、前記第一ステージを所定の温度に加熱制御する加熱手段を具備し、前記加熱手段は、駆動電源の駆動周波数が最小の時に第一冷却ステージを加熱して目標温度に維持することができる制御手段を有することを特徴とするクライオポンプを提供するものでもある。

本発明によれば、二段式冷凍機の駆動電源周波数を運転可能な最小の周波数に引き下げても第一冷却ステージの温度が目標温度まで上昇しない場合でも、第一冷却ステージを加熱することで第一冷却ステージの温度を目標温度まで引き上げることができる。従って、第一冷却ステージの温度が上昇しにくい使用環境下においても、第一冷却ステージの温度を目標温度に維持した運転が可能となる。また、第一冷却ステージの目標温度を広い範囲で設定することが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明を更に説明する。

図１は本発明に係る制御方法を実施するための制御部を含めた本発明に係るクライオポンプの模式図である。

図中１はクライオポンプ本体、２は二段式冷凍機、３は圧縮機、４は駆動電源供給器、５は駆動電源供給器４に内蔵されているインバータである。

クライオポンプ本体１に設けられている二段式冷凍機２は、冷凍能力の大きい第一冷却ステージ６と、第一冷却ステージより冷凍能力が小さい第二冷却ステージ７を備えている。第二冷却ステージ７には、第二冷却ステージ７によって極低温に冷却されるクライオパネル８が接続されている。また、第一冷却ステージ６には、第二冷却ステージ７及びクライオパネル８を囲んで、第一冷却ステージ６によって極低温に冷却される輻射シールド９が接続されている。輻射シールド９の上部開口部には、輻射シールド９を介して第一冷却ステージ６によって極低温に冷却されるルーバー１０が設けられている。更に、上記輻射シールドの外側を囲んで、ケーシング１１が設けられている。

二段式冷凍機２の第一冷却ステージ６には、第一冷却ステージ６を加熱するための電気ヒータ１２と、第一冷却ステージ６の温度を検出する第一温度センサ１３が設けられている。また、第二冷却ステージ７には、第二冷却ステージの温度を検出するための第二温度センサ１４が設けられている。

二段式冷凍機２には、高圧ホース１５を介して圧縮機３が接続されている。圧縮機３で圧縮した高圧ヘリウムガスは、二段式冷凍機２に供給され、第一膨張室と第二膨張室（図示されていない）で膨張し、第一及び第二冷却ステージを冷却した後、還流されるものとなっている。

二段式冷凍機２と圧縮機３は、それぞれ駆動電源供給器４に接続されている。二段式冷凍機２と圧縮機３の駆動は、駆動電源供給器４を介して供給される駆動電源によって行われるもので、駆動電源周波数は、内蔵されているインバーター５によって制御されるものとなっている。インバーター５は、二段式冷凍機２と圧縮機３を、それぞれ駆動可能な範囲で設定された範囲内の周波数の駆動電源で駆動するものとなっている。

前記第一及び第二温度センサ１３，１４は、それぞれ第一及び第二温度設定・制御器に接続１６，１７に接続されている。

第一温度設定・制御器１６には、第一冷却ステージ６の目標温度が設定される。第一温度設定・制御器１６は、第一温度センサ１３によって検出された温度と、設定された第一冷却ステージ６の目標温度とに基づいて、駆動電源供給器４のインバータ５を制御すると共に、加熱制御器１８に温度データを伝える。また、第二温度設定・制御器１７には、第二冷却ステージ７の目標温度が設定される。第二温度設定・制御器１７は、第二温度センサ１４によって検出された温度と、設定された第二冷却ステージ７の目標温度とに基づいて、加熱制御器１８に温度データを伝える。加熱制御器１８は、加熱電源供給器１９に接続されており、第一及び第二温度設定・制御器１６，１７からの温度データに基づいて、加熱電源供給器１９の「ＯＮ」と「ＯＦＦ」の切り替えを行い、加熱電源供給器１９に接続された電気ヒータ１２の作動を制御する。

更に説明すると、第一温度設定・制御器１６は、第一温度センサ１３で検出した第一冷却ステージ６の温度が、設定された目標温度を維持するよう、駆動電源供給器４のインバータ５を制御して駆動電源周波数を調節する。第一冷却ステージ６の温度が目標温度より高い場合には、駆動可能な範囲で設定された周波数の範囲内において、駆動電源周波数を引き上げる。駆動電源周波数を引き上げると、冷凍サイクルが早まり、第一冷却ステージ６の温度を下げることができる。また、第一冷却ステージ６の温度が目標温度より低い場合には、駆動可能な範囲で設定された周波数の範囲内において、駆動電源周波数を引き下げる。駆動電源周波数を引き下げると、冷凍サイクルが遅くなって、第一冷却ステージ６の温度が上昇する。

なお、駆動電源周波数の引き上げと引き下げは、少なくとも二段式冷凍機２の駆動電源周波数について行えば足るが、駆動電源周波数の切り替え効果を高める上で、二段式冷凍機２と圧縮機３の両者の駆動電源周波数について行うことが好ましい。

ところで、クライオポンプの使用環境によっては、駆動電源周波数を、駆動可能な範囲内で設定された周波数の最小値としても、第一冷却ステージ６の温度が目標温度まで上昇しない場合を生じる。加熱制御器１８は、第一温度設定・制御器１６からの温度データが、駆動電源周波数が最小値に引き下げられて所定時間経過後も、第一冷却ステージ６の温度が目標温度まで上昇していないことを示しているとき、加熱電源供給器１９を「ＯＮ」とする。これにより、電気ヒータ１２が作動して第一冷却ステージ６を加熱し、目標温度まで昇温させる。加熱制御器１８は、第一温度設定・制御器１６からの温度データにより、第一冷却ステージ６が目標温度まで昇温したことを検知すると、再度加熱制御器１８に信号を送り、加熱電源供給器１９を「ＯＦＦ」に切り替えさせる。

一方、クライオポンプの使用環境によっては、第二冷却ステージ７の冷凍能力が不足し、第二冷却ステージ７の温度を目標温度まで下げられない場合が生じる。熱制御器１８は、第二温度設定・制御器１７らの温度データが、第二冷却ステージ７の温度が目標温度まで下がっていないことを示しているとき、加熱電源供給器１９を「ＯＮ」とする。これにより、電気ヒータ１２が作動して第一冷却ステージ６を加熱し、第一冷却ステージ６の温度が目標温度を超えて上昇する。すると、これを検知した第一温度設定・制御器１６は、インバータ５を制御し、駆動可能な範囲で設定された周波数の範囲内において、駆動電源周波数を引き上げ、これによって冷凍サイクルが早まる結果、第二冷却ステージ７の温度が降下し、目標温度に近付けることができる。加熱制御器１８は、第二温度設定・制御器１７からの温度データにより、第二冷却ステージ７が目標温度まで昇温したことを検知すると、再度加熱制御器１８に信号を送り、加熱電源供給器１９を「ＯＦＦ」に切り替えさせる。

上記第二冷却ステージ７の温度制御は、第一冷却ステージ６の温度を大きく乱すことがないよう、第一冷却ステージ６の温度が目標温度となっているときに行われるものとすることが好ましい。また、第一冷却ステージ６の温度が目標温度から大きく逸脱しないよう、第一冷却ステージ６の温度とその目標温度とのずれが所定の温度差に達したときに、加熱電源供給器１９を「ＯＦＦ」に切り替えさせることが好ましい。

上記の例においては、第一冷却ステージ６の加熱手段として電気ヒータ１２を用いているが、第一冷却ステージ６の加熱手段としては、熱スイッチによる高温部との熱伝達と熱絶縁の切り替え、ヘリウムガスが循環する配管の設置による循環入熱量の調整、誘導加熱などを用いることもできる。

本発明に係る制御方法を実施するための制御部を含めた本発明に係るクライオポンプの模式図である。

符号の説明

１ クライオポンプ本体
２ 二段式冷凍機
３ 圧縮機
４ 駆動電源供給器
５ インバータ
６ 第一冷却ステージ
７ 第二冷却ステージ
８ クライオパネル
９ 輻射シールド
１０ ルーバー
１１ ケーシング
１２ 電気ヒータ
１３ 第一温度センサ
１４ 第二温度センサ
１５ 高圧ホース
１６ 第一温度設定・制御器
１７ 第二温度設定・制御器
１８ 加熱制御器
１９ 加熱電源供給器

Claims (2)

1. 第一冷却ステージと第二冷却ステージとを有する二段式冷凍機を用いたクライオポンプにおいて、当該冷凍機の駆動電源周波数が、駆動可能な範囲内で最小の周波数である時、前記第一冷却ステージを加熱して目標温度を維持することを特徴とするクライオポンプの制御方法。
2. 第一冷却ステージと第二冷却ステージを有する二段式冷凍機、該二段式冷凍機を駆動する駆動電源、及び、前記第一ステージを所定の温度に加熱制御する加熱手段を具備し、前記加熱手段は、駆動電源の駆動周波数が最小の時に第一冷却ステージを加熱して目標温度に維持することができる制御手段を有することを特徴とするクライオポンプ。

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