JP2009275579A - クライオポンプ、及びクライオポンプの診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リアルタイムでの高精度の診断を可能とするクライオポンプ及びその診断方法を提供する。
【解決手段】クライオポンプ１０は、内部に吸入した作動気体を膨張させて吐出する熱サイクルによって寒冷を発生する冷凍機１２と、冷凍機１２に熱的に接続されて目標温度へと冷却される熱シールド１６と、熱シールド１６の実温度が目標温度に追従するよう熱サイクルの周波数指令値を決定して冷凍機１２に与える制御部と、を備える。制御部は、熱サイクルの周波数指令値に対応する冷凍能力を冷凍機１２が出力しているか否かを作動気体の流量に基づいて推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、クライオポンプ及びその診断方法に関する。

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。

例えば特許文献１には、温度または圧力を一定に保つためにエキスパンダモータの回転数を制御するクライオポンプが記載されている。このクライオポンプは動作中にスパッタ等が行われてクライオパネルの温度が上昇したときには、正常であってもエキスパンダモータの回転数が許容範囲外となる。よって、このクライオポンプは回転数が連続して何度も許容範囲を外れる場合に警報信号を出力する。また、ターゲット時間Ｔ１になる前にエキスパンダモータの回転数が上限回転数になったとき、または上限回転数になってはいないがそれに近い回転数になったときに、メンテナンス時期と診断され警報信号が出力される。
特開平７−２９３４３８号公報

しかし、上述のクライオポンプにおいては、排気対象の真空チャンバでスパッタ等のプロセスが実行されているときには正常であっても異常であってもエキスパンダモータの回転数が許容範囲から外れることになるから精度よく異常を検出することができない。

また、回転数が連続して何度も許容範囲を外れる場合に警報信号を出力するようにしているから、警報信号が出力されたときには既に手遅れになっているおそれがある。つまり、警報信号が出力された段階で直ちにクライオポンプの修理や交換が必要となるおそれがある。この場合、真空チャンバでのプロセスも中止せざるを得なくなるため、計画通りに生産を進めることができなくなってしまう。

エキスパンダモータの上限回転数によるメンテナンス時期の判定は、正常時においてもプロセスによっては一時的に上限値を超える可能性があるから、正常であるにもかかわらずメンテナンス時期が到来したと誤判定してしまうおそれもある。

そこで、本発明は、リアルタイムでの高精度の診断を可能とし、メンテナンスまでの時間的余裕を与えることにより計画的なプロセススケジュールの実現に寄与するクライオポンプ及びその診断方法を提供する。

本発明のある態様のクライオポンプは、内部に吸入した作動気体を膨張させて吐出する熱サイクルによって寒冷を発生する冷凍機と、冷凍機に熱的に接続されて目標温度へと冷却されるクライオパネルと、クライオパネルの実温度が目標温度に追従するよう熱サイクルの周波数指令値を決定して冷凍機に与える制御部と、を備える。制御部は、前記周波数指令値に対応する冷凍能力を冷凍機が出力しているか否かを作動気体の流量に基づいて推定する。

この態様によれば、クライオポンプへの運転指令に対応する冷凍能力をクライオポンプ内蔵の冷凍機が出力しているか否かが冷凍機の作動気体流量に基づいて推定される。よって、冷凍能力が運転指令に対応するレベルに満たないと推定された場合には、クライオポンプに性能劣化または異常が生じていると判定することができる。

制御部は、前記周波数指令値に対応する冷凍能力を冷凍機が出力していないと推定され、かつ前記周波数指令値が基準を超えている場合に、クライオポンプに性能の劣化が生じていると判定してもよい。

冷凍機から吐出された作動気体を高圧に圧縮して冷凍機に送出する圧縮サイクルを実行する圧縮機をさらに備えてもよい。制御部は、冷凍機から吐出された作動気体圧と冷凍機に送出される作動気体圧との差圧が一定となるように圧縮サイクルの周波数を制御し、熱サイクルの周波数指令値に対応する冷凍能力を冷凍機が出力しているか否かを圧縮サイクルの周波数に基づいて推定してもよい。

本発明の別の態様は、真空排気システムである。この真空排気システムは、内部に吸入した作動気体を膨張させて吐出する熱サイクルによって寒冷を発生する複数の冷凍機と、複数の冷凍機の各々に熱的に接続されて目標温度へと冷却される複数のクライオパネルと、複数の冷凍機に共通に設けられ、各冷凍機から吐出された作動気体を高圧に圧縮して送出する圧縮サイクルを実行する圧縮機と、クライオパネルの実温度が目標温度に追従するよう熱サイクルの周波数指令値を決定して冷凍機に与え、かつ圧縮機の出入口間での差圧が一定となるように圧縮サイクルの周波数を制御する制御部と、を備える。制御部は、各冷凍機に与えられている熱サイクルの周波数指令値が基準を超えるか否かを判定し、圧縮サイクルの周波数に基づいて圧縮機から送出される作動気体の流量を推定し、推定された流量が判定閾値を下回る場合には、前記周波数指令値が基準を超える冷凍機のいずれかに性能の劣化が発生していると判定してもよい。

本発明のさらに別の態様は、クライオポンプの診断方法である。この方法は、冷凍機に熱的に接続されて冷却されるクライオパネルの実温度が目標温度に追従するように該冷凍機に運転指令を与えるクライオポンプの診断方法であって、運転指令が基準を超えているか否かを判定し、運転指令に対応する冷凍能力を冷凍機が出力しているか否かを推定し、運転指令が基準を超えていると判定し、かつ運転指令に対応する冷凍能力を冷凍機が出力していないと推定した場合に、クライオポンプに性能の劣化が生じていると判定する。

本発明によれば、リアルタイムでの高精度の診断を可能とするクライオポンプ及びその診断方法が提供される。

まず、以下に説明する本発明に係る実施形態の概要を説明する。一実施形態においては、クライオポンプは、真空チャンバ等の排気対象容積を目標とする真空度へと排気するようクライオパネルの温度を制御する制御部を備える。この制御部は、クライオパネルの実温度が目標温度に追従するように、クライオパネルに熱的に接続される冷凍機に運転指令を与える。冷凍機は、作動気体を吸入して内部で膨張させて吐出する熱サイクルによって寒冷を発生する。制御部は例えば、冷凍機の熱サイクルの周波数を運転指令とする。この場合、制御部は、クライオパネルの実温度が目標温度に追従するよう熱サイクルの周波数の指令値を決定して冷凍機に与える。これにより、正常時においてはこの周波数指令値に従って冷凍機は運転される。

冷凍機は、作動気体の吸入と吐出を周期的に繰り返すために作動気体の流路を周期的に切り替える流路切替機構を含む。流路切替機構は例えばバルブ部とバルブ部を駆動する駆動部とを含む。バルブ部は例えばロータリーバルブであり、駆動部はロータリーバルブを回転させるためのモータである。モータは、例えばＡＣモータまたはＤＣモータであってもよい。また流路切替機構はリニアモータにより駆動される直動式の機構であってもよい。

制御部は、熱サイクル周波数の指令値を決定する代わりに、モータ回転数の指令値を決定してもよい。モータの回転出力をバルブ部に直接伝達するいわゆるダイレクトドライブ方式の場合にはモータ回転数と熱サイクル周波数とは一致する。減速機等を含む動力伝達機構を介してモータがバルブ部に連結されている場合には、モータ回転数と熱サイクル周波数とは一定の関係を有する。この場合、制御部は、クライオパネル温度を目標温度に追従させるために必要な熱サイクル周波数に対応するモータ回転数を指令値として決定して冷凍機に与える。また、冷凍機がリニアモータを含む直動式の流路切替機構を備える場合には、制御部は、クライオパネル温度を目標温度に追従させるために必要な熱サイクル周波数に対応するリニアモータの往復動の周波数を指令値として決定して冷凍機に与える。なお以下では便宜上、回転モータの回転数及びリニアモータの往復動周波数を総称してモータの運転周波数と称する場合がある。

本発明に係る一実施形態においては、クライオポンプの制御部は、冷凍機への運転指令に対応する冷凍能力を冷凍機が実際に出力しているか否かを推定する。制御部は例えば、冷凍機の作動気体の流量に基づいて、制御指令に対応する冷凍能力よりも実冷凍能力が不足しているか否かを推定する。制御部は、推定結果を利用してクライオポンプに性能劣化または異常が発生しているか否かを判定する。制御部は、基準を超える運転指令が冷凍機に与えられている場合に、上述の推定結果を利用してクライオポンプに性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。性能劣化または異常が発生していると判定された場合には、制御部は、クライオポンプのメンテナンスまたは修理を行うよう警告を出力してもよい。また、制御部は、推定結果を利用してクライオポンプの異常モードを特定してもよい。

また、制御部は、冷凍機の運転パラメータに基づいてクライオポンプに性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。制御部は、冷凍機の運転パラメータと上述の推定結果とを併用してクライオポンプに性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。制御部は例えば、クライオパネル温度よりも変動幅または変動率が大きい運転パラメータに基づいてクライオポンプに性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。制御部は、クライオパネル温度に許容されている変動幅または変動率に比較して大きな変動幅または変動率が許容されている運転パラメータに基づいてクライオポンプに性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。制御部は運転パラメータとして例えば、冷凍機の熱サイクル周波数の指令値を用いてもよい。

制御部は、冷凍機に付随して設けられている圧縮機の出入口間の差圧を一定とするように圧縮サイクルの周波数を制御してもよい。圧縮機は、冷凍機から吐出された作動気体を高圧に圧縮して冷凍機に送出する圧縮サイクルを実行する。制御部は、圧縮サイクル周波数に基づいて、冷凍機の実冷凍能力が制御指令に対応する冷凍能力に不足しているか否かを推定してもよい。制御部は、リアルタイムの圧縮サイクル周波数指令値データまたは圧縮サイクル周波数の測定値に基づいて、冷凍機の実冷凍能力が制御指令に対応する冷凍能力に不足しているか否かを推定してもよい。

また、制御部は、クライオポンプへの負荷が大きくなるときの変動が正常時と異常時とで互いに相反するパラメータを用いてクライオポンプに性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。あるいは、制御部は、特定の異常モードにおいて正常時とは異なる変動を呈するパラメータを用いてクライオポンプの異常モードを特定してもよい。

例えば、上述の差圧一定制御において、正常時にはクライオポンプへの負荷が大きくなるにつれて圧縮サイクル周波数は大きくなる。これに対し、クライオポンプの駆動系に性能劣化または異常が生じている場合にはクライオポンプへの負荷が大きくなるにつれて圧縮サイクル周波数は小さくなり得る。駆動系の性能が低下してくると、クライオポンプへの負荷増大に呼応して熱サイクル周波数の指令値が増加されても実際の熱サイクル周波数は完全には追従しなくなる。その結果、冷凍機で消費される作動気体流量は比較的少なくなり、圧縮サイクル周波数はあまり増加しないかまたは減少する。このように、冷凍機の駆動系に性能劣化または異常が生じている場合には、冷凍機の熱サイクル周波数指令値の増加に対して圧縮機の圧縮サイクル周波数が減少しうる。このような相反する変動を検出することにより、精度よく診断することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態についてさらに詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す断面図である。

クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の真空チャンバ８０に取り付けられて、真空チャンバ８０内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルにまで高めるために使用される。例えば１０^−５Ｐａ乃至１０^−８Ｐａ程度の高い真空度が実現される。

クライオポンプ１０は、第１の冷却温度レベルに冷却される第１のクライオパネルと、第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される第２のクライオパネルと、を備える。第１のクライオパネルには、第１の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。例えば基準蒸気圧（例えば１０^−８Ｐａ）よりも蒸気圧が低い気体が排気される。第２のクライオパネルには、第２の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。第２のクライオパネルには、蒸気圧が高いために第２の温度レベルにおいても凝縮しない非凝縮性気体を捕捉するために表面に吸着領域が形成される。吸着領域は例えばパネル表面に吸着剤を設けることにより形成される。非凝縮性気体は、第２の温度レベルに冷却された吸着領域に吸着されて排気される。

図１に示されるクライオポンプ１０は、冷凍機１２とパネル構造体１４と熱シールド１６とを備える。パネル構造体１４は複数のクライオパネルを含み、これらのパネルは冷凍機１２により冷却される。パネル表面には気体を凝縮または吸着により捕捉して排気するための極低温面が形成される。クライオパネルの表面（例えば裏面）には通常、気体を吸着するための活性炭などの吸着剤が設けられる。

クライオポンプ１０は、いわゆる縦型のクライオポンプである。縦型のクライオポンプとは、熱シールド１６の軸方向に沿って冷凍機１２が挿入されて配置されているクライオポンプである。なお、本発明はいわゆる横型のクライオポンプにも同様に適用することができる。横型のクライオポンプとは、熱シールド１６の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に冷凍機の第２段の冷却ステージが挿入され配置されているクライオポンプである。

冷凍機１２は、ギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）である。また冷凍機１２は２段式の冷凍機であり、第１段シリンダ１８、第２段シリンダ２０、第１冷却ステージ２２、第２冷却ステージ２４、及び冷凍機用モータ２６を有する。第１段シリンダ１８と第２段シリンダ２０とは直列に接続されており、互いに連結される第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサ（図示せず）がそれぞれ内蔵されている。第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサの内部には蓄冷材が組み込まれている。なお、冷凍機１２は２段ＧＭ冷凍機以外の冷凍機であってもよく、例えば単段ＧＭ冷凍機を用いてもよいし、パルスチューブ冷凍機を用いてもよい。

第１段シリンダ１８の一端に冷凍機用モータ２６が設けられている。冷凍機用モータ２６は、第１段シリンダ１８の端部に形成されているモータ用ハウジング２７の内部に設けられている。冷凍機用モータ２６は、第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサのそれぞれが第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０の内部を往復動可能とするように第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサに接続される。また、冷凍機用モータ２６は、モータ用ハウジング２７の内部に設けられている可動バルブ（図示せず）を正逆回転可能とするように当該バルブに接続される。

第１冷却ステージ２２は、第１段シリンダ１８の第２段シリンダ２０側の端部すなわち第１段シリンダ１８と第２段シリンダ２０との連結部に設けられている。また、第２冷却ステージ２４は第２段シリンダ２０の末端に設けられている。第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４はそれぞれ第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０に例えばろう付けで固定される。

圧縮機４０は、高圧配管４２及び低圧配管４４を介して冷凍機１２に接続される。高圧配管４２及び低圧配管４４にはそれぞれ、作動気体の圧力を測定するための第１圧力センサ４３及び第２圧力センサ４５が設けられている。なお、高圧配管４２及び低圧配管４４にそれぞれ圧力センサを設ける代わりに、高圧配管４２と低圧配管４４とを連通する流路を設け、高圧配管４２と低圧配管４４との差圧を測定する差圧センサをその連通流路に設けてもよい。

冷凍機１２は、圧縮機４０から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム等）を内部で膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４に寒冷を発生させる。圧縮機４０は、圧縮機４０は、冷凍機１２で膨張した作動気体を回収し再び加圧して冷凍機１２に供給する。

具体的には、まず圧縮機４０から高圧配管４２を通じて冷凍機１２に高圧の作動気体が供給される。このとき、冷凍機用モータ２６は、高圧配管４２と冷凍機１２の内部空間とを連通する状態にモータ用ハウジング２７内部の可動バルブを駆動する。冷凍機１２の内部空間が高圧の作動気体で満たされると、冷凍機用モータ２６により可動バルブが切り替えられて冷凍機１２の内部空間が低圧配管４４に連通される。これにより作動気体は膨張して圧縮機４０へと回収される。可動バルブの動作に同期して、第１段ディスプレーサ及び第２段ディスプレーサのそれぞれが第１段シリンダ１８及び第２段シリンダ２０の内部を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで冷凍機１２は第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４に寒冷を発生させる。また、圧縮機４０においては、冷凍機１２から吐出された作動気体を高圧に圧縮して冷凍機１２に送出する圧縮サイクルが繰り返される。

第２冷却ステージ２４は第１冷却ステージ２２よりも低温に冷却される。第２冷却ステージ２４は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１冷却ステージ２２は例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。第１冷却ステージ２２には第１冷却ステージ２２の温度を測定するための第１温度センサ２３が取り付けられており、第２冷却ステージ２４には第２冷却ステージ２４の温度を測定するための第２温度センサ２５が取り付けられている。

冷凍機１２の第１冷却ステージ２２には熱シールド１６が熱的に接続された状態で固定され、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４にはパネル構造体１４が熱的に接続された状態で固定されている。このため、熱シールド１６は第１冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却され、パネル構造体１４は第２冷却ステージ２４と同程度の温度に冷却される。

熱シールド１６は、パネル構造体１４及び第２冷却ステージ２４を周囲の輻射熱から保護するために設けられている。熱シールド１６は一端に開口部３１を有する円筒状の形状に形成されている。開口部３１は熱シールド１６の筒状側面の端部内面により画定される。

一方、熱シールド１６の開口部３１とは反対側つまりポンプ底部側の他端には閉塞部２８が形成されている。閉塞部２８は、熱シールド１６の円筒状側面のポンプ底部側端部において径方向内側に向けて延びるフランジ部により形成される。図１に示されるクライオポンプ１０は縦型のクライオポンプであるので、このフランジ部が冷凍機１２の第１冷却ステージ２２に取り付けられている。これにより、熱シールド１６内部に円柱状の内部空間３０が形成される。冷凍機１２は熱シールド１６の中心軸に沿って内部空間３０に突出しており、第２冷却ステージ２４は内部空間３０に挿入された状態となっている。

なお、横型のクライオポンプの場合には、閉塞部２８は通常完全に閉塞されている。冷凍機１２は、熱シールド１６の側面に形成されている冷凍機取付用の開口部から熱シールド１６の中心軸に直交する方向に沿って内部空間３０に突出して配置される。冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は熱シールド１６の冷凍機取付用開口部に取り付けられ、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４は内部空間３０に配置される。第２冷却ステージ２４にはパネル構造体１４が取り付けられる。よって、パネル構造体１４は熱シールド１６の内部空間３０に配置される。パネル構造体１４は、適当な形状のパネル取付部材を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられてもよい。

なお、熱シールド１６の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には熱シールド１６の形状はポンプケース３４の内面形状に相似する形状とされる。また、熱シールド１６は図示されるような一体の筒状に構成されていなくてもよく、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。

また熱シールド１６の開口部３１にはバッフル３２が設けられている。バッフル３２は、パネル構造体１４とは熱シールド１６の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。バッフル３２は、熱シールド１６の開口部３１側の端部に取り付けられており、熱シールド１６と同程度の温度に冷却される。バッフル３２は、真空チャンバ８０側から見たときに例えば同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。なお、バッフル３２と真空チャンバ８０との間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられている。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバ８０を排気するときに開とされる。

熱シールド１６、バッフル３２、パネル構造体１４、及び冷凍機１２の第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４は、ポンプケース３４の内部に収容されている。ポンプケース３４は径の異なる２つの円筒を直列に接続して形成されている。ポンプケース３４の大径の円筒側端部は開放され、真空チャンバ８０との接続用のフランジ部３６が径方向外側へと延びて形成されている。またポンプケース３４の小径の円筒側端部は冷凍機１２のモータ用ハウジング２７に固定されている。クライオポンプ１０はポンプケース３４のフランジ部３６を介して真空チャンバ８０の排気用開口に気密に固定され、真空チャンバ８０の内部空間と一体の気密空間が形成される。

ポンプケース３４及び熱シールド１６はともに円筒状に形成されており、同軸に配設されている。ポンプケース３４の内径が熱シールド１６の外径を若干上回っているので、熱シールド１６はポンプケース３４の内面との間に若干の間隔をもって配置される。

図２は、本実施形態に係るクライオポンプ１０に関する制御ブロック図である。クライオポンプ１０に付随して、クライオポンプ１０及び圧縮機４０を制御するためのクライオポンプコントローラ（以下ではＣＰコントローラとも称する）１００が設けられている。ＣＰコントローラ１００は、は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース、メモリ等を備えるものである。ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０と一体に構成されていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体に構成され互いに通信可能に接続されていてもよい。

なお図１及び図２においては、クライオポンプ１０及び圧縮機４０をそれぞれ１台ずつ備える真空排気システムが示されているが、本実施形態においてはクライオポンプ１０及び圧縮機４０をそれぞれ複数台備える真空排気システムを構成してもよい。そのために、ＣＰコントローラ１００は、複数のクライオポンプ１０及び圧縮機４０を接続可能に構成されていてもよい。

ＣＰコントローラ１００には、冷凍機１２の第１冷却ステージ２２の温度を測定する第１温度センサ２３、及び冷凍機１２の第２冷却ステージ２４の温度を測定する第２温度センサ２５が接続されている。第１温度センサ２３は、第１冷却ステージ２２の温度を周期的に測定し、測定温度を示す信号をＣＰコントローラ１００に出力する。第２温度センサ２５は、第２冷却ステージ２４の温度を周期的に測定し、測定温度を示す信号をＣＰコントローラ１００に出力する。第１温度センサ２３及び第２温度センサ２５の測定値は、所定時間おきにＣＰコントローラ１００へと入力され、ＣＰコントローラ１００の所定の記憶領域に格納保持される。

また、ＣＰコントローラ１００には、圧縮機４０の吐出側すなわち高圧側の作動気体圧を測定する第１圧力センサ４３、及び圧縮機４０の吸入側すなわち低圧側の作動気体圧を測定する第２圧力センサ４５が接続されている。第１圧力センサ４３は、例えば高圧配管４２における圧力を周期的に測定し、測定圧力を示す信号をＣＰコントローラ１００に出力する。第２圧力センサ４５は、例えば低圧配管４４における圧力を周期的に測定し、測定圧力を示す信号をＣＰコントローラ１００に出力する。第１圧力センサ４３及び第２圧力センサ４５の測定値は、所定時間おきにＣＰコントローラ１００へと入力され、ＣＰコントローラ１００の所定の記憶領域に格納保持される。

ＣＰコントローラ１００は、冷凍機用周波数変換器５０に通信可能に接続されている。また、冷凍機用周波数変換器５０と冷凍機用モータ２６とが通信可能に接続されている。ＣＰコントローラ１００は、冷凍機用周波数変換器５０に制御指令を送信する。冷凍機用周波数変換器５０は冷凍機用インバータ５２を含んで構成されている。冷凍機用周波数変換器５０は冷凍機用電源５４から規定の電圧及び周波数の電力の供給を受け、ＣＰコントローラ１００から送信される制御指令に基づいて電圧及び周波数を調整して冷凍機用モータ２６に供給する。

また、ＣＰコントローラ１００は、圧縮機用周波数変換器５６に通信可能に接続されている。また、圧縮機用周波数変換器５６と圧縮機用モータ６０とが通信可能に接続されている。ＣＰコントローラ１００は、圧縮機用周波数変換器５６に制御指令を送信する。圧縮機用周波数変換器５６は圧縮機用インバータ５８を含んで構成されている。圧縮機用周波数変換器５６は圧縮機用電源６２から規定の電圧及び周波数の電力の供給を受け、ＣＰコントローラ１００から送信される制御指令に基づいて電圧及び周波数を調整して圧縮機用モータ６０に供給する。なお、図２に示される実施形態においては、冷凍機用電源５４及び圧縮機用電源６２が冷凍機１２及び圧縮機４０のそれぞれに個別的に設けられているが、冷凍機１２及び圧縮機４０に共通の電源が設けられていてもよい。

ＣＰコントローラ１００は、クライオパネルの温度に基づいて冷凍機１２を制御する。ＣＰコントローラ１００は、クライオパネルの実温度が目標温度に追従するように冷凍機１２に運転指令を与える。例えば、ＣＰコントローラ１００は、第１段のクライオパネルの目標温度と第１温度センサ２３の測定温度との偏差を最小化するようにフィードバック制御により冷凍機用モータ２６の運転周波数を制御する。第１段のクライオパネルの目標温度は例えば、真空チャンバ８０で行われるプロセスに応じて仕様として定められる。この場合、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４及びパネル構造体１４は、冷凍機１２の仕様及び外部からの熱負荷によって定まる温度に冷却される。ＣＰコントローラ１００は、例えば第１段のクライオパネルの実温度を目標温度に一致させるように冷凍機用モータ２６の運転周波数（例えばモータの回転数）を決定して冷凍機用インバータ５２にモータ運転周波数の指令値を出力する。なお、ＣＰコントローラ１００は、第２段のクライオパネルの実温度を目標温度に一致させるように冷凍機用モータ２６の運転周波数を制御することも可能である。

これにより、第１温度センサ２３の測定温度が目標温度よりも高温である場合には、ＣＰコントローラ１００は、冷凍機用モータ２６の運転周波数を増加するよう冷凍機用周波数変換器５０に指令値を出力する。モータ運転周波数の増加に連動して冷凍機１２における熱サイクルの周波数も増加され、冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は目標温度に向けて冷却される。逆に第１温度センサ２３の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、冷凍機用モータ２６の運転周波数は減少されて冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は目標温度に向けて昇温される。

通常は、第１冷却ステージ２２の目標温度は一定値に設定される。よって、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０への熱負荷が増加したときに冷凍機用モータ２６の運転周波数を増加するように指令値を出力し、クライオポンプ１０への熱負荷が減少したときに冷凍機用モータ２６の運転周波数を減少するように指令値を出力する。なお、目標温度は適宜変動させてもよく、例えば、目標とする雰囲気圧力を排気対象容積に実現するようにクライオパネルの目標温度を逐次設定するようにしてもよい。

典型的なクライオポンプにおいては、熱サイクルの周波数は常に一定とされている。常温からポンプ動作温度への急冷却を可能とするように比較的大きい周波数で運転するよう設定され、外部からの熱負荷が小さい場合にはヒータにより加熱することでクライオパネルの温度を調整する。よって、消費電力が大きくなってしまう。これに対して本実施形態においては、クライオポンプ１０への熱負荷に応じて熱サイクル周波数を制御するため、省エネルギー性に優れるクライオポンプを実現することができる。また、ヒータを設ける必要がないことも消費電力の低減に寄与する。

また、ＣＰコントローラ１００は、圧縮機４０の出入口間の差圧（以下では圧縮機差圧ということもある）を目標圧に維持するように圧縮機４０で実行される圧縮サイクルの周波数を制御する。例えば、ＣＰコントローラ１００は、圧縮機４０の出入口間の差圧を一定値とするようにフィードバック制御により圧縮サイクル周波数を制御する。具体的には、ＣＰコントローラ１００は、第１圧力センサ４３及び第２圧力センサ４５の測定値から圧縮機差圧を求める。ＣＰコントローラ１００は、圧縮機差圧を目標値に一致させるように圧縮機用モータ６０の運転周波数（例えばモータの回転数）を決定して圧縮機用周波数変換器５６にモータ運転周波数の指令値を出力する。

このような差圧一定制御により、更なる消費電力の低減が実現される。クライオポンプ１０及び冷凍機１２への熱負荷が小さい場合には、上述のクライオパネル温度制御により冷凍機１２での熱サイクル周波数は小さくなる。そうすると、冷凍機１２で必要とされる作動気体流量は小さくなるから、圧縮機４０の出入口間差圧は拡大しようとする。しかし、本実施形態では圧縮機差圧を一定にするように圧縮機用モータ６０の運転周波数が制御され圧縮サイクル周波数が調整される。よって、この場合、圧縮機用モータ６０の運転周波数は小さくなる。したがって、典型的なクライオポンプのように圧縮サイクルを常に一定とする場合に比べて、消費電力を低減することができる。

一方、クライオポンプ１０への熱負荷が大きくなったときには、圧縮機差圧を一定にするよう圧縮機用モータ６０の運転周波数及び圧縮サイクル周波数も増加される。このため、冷凍機１２への作動気体流量を十分に確保することができるので、熱負荷の増加に起因するクライオパネル温度の目標温度からの乖離を最小限に抑えることができる。

本実施形態においてはＣＰコントローラ１００は更に、クライオポンプ１０の診断処理を実行する。ＣＰコントローラ１００は例えば、第１段クライオパネル温度及び第２段クライオパネル温度のうち制御対象としていないほうの温度をモニタする。そして、ＣＰコントローラ１００は、モニタされた温度と予め設定された判定基準温度との大小関係に基づいてクライオポンプ１０に性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。この温度による診断処理を上述の熱サイクル周波数可変制御と併用する場合には、ＣＰコントローラ１００は例えば、第２温度センサ２５の測定温度と判定基準温度とを比較し、測定温度が基準温度よりも高温である場合にクライオポンプ１０に性能劣化または異常が発生していると判定してもよい。

この場合、判定基準温度は、排気対象容積でのプロセスに依存して仕様として定められるプロセス限界温度よりも低い値に設定されてもよい。プロセス限界温度は、そのプロセスを正常になされることを保証することができるクライオパネル温度の上限値として設定される。ＣＰコントローラ１００は、診断用にモニタしている温度が判定基準温度を超えたときにクライオポンプ１０に性能劣化が生じていると判定し、モニタ温度がプロセス限界温度を超えたときにクライオポンプ１０に異常が生じていると判定してもよい。また、ＣＰコントローラ１００は、性能劣化が生じていると判定したときにクライオポンプ１０のメンテナンスを推奨し、異常が生じていると判定したときにクライオポンプ１０のメンテナンスまたは修理を要求するより強い警告を出力するようにしてもよい。

温度による診断処理は単純な制御アルゴリズムにより実現することができるという利点がある。しかし、正常時の第２段クライオパネル及び第２冷却ステージ２４の温度は比較的狭い範囲に保つことが必要とされるため、クライオパネル温度が判定基準温度に到達してからごく短時間のうちにプロセス限界温度にまで到達してしまうおそれがある。例えば、正常時において第２段クライオパネル温度は例えば１０Ｋ乃至１５Ｋ程度とされ、プロセス限界温度は例えば２０Ｋである。判定基準温度は例えば１５Ｋから２０Ｋの間に設定される。

メンテナンス推奨表示を認識したユーザは通常、製品の当初の生産計画への影響が極力軽微となるようにメンテナンス時期を織り込んで生産計画を調整する。しかし、メンテナンスの判定基準温度への到達によるメンテナンス推奨表示からごく短時間のうちにプロセス限界温度に到達してしまうと、その後直ちにメンテナンス処理をしなければならないから、結局メンテナンス時期を希望のタイミングとすることができない。

そこで、本実施形態においては、ＣＰコントローラ１００は、クライオパネル温度に比較して大きい変動幅または変動率が許容されている運転パラメータに基づいてクライオポンプ１０に性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。また、ＣＰコントローラ１００は、性能劣化によるクライオパネル温度の上昇に先行して変動する運転パラメータに基づいてクライオポンプ１０に性能劣化または異常が発生しているか否かを判定してもよい。ＣＰコントローラ１００は、判定用の運転パラメータとして例えば、冷凍機用モータ２６の運転周波数の指令値または測定値を用いてもよい。

本実施形態においては、冷凍機用モータ２６の運転周波数は平常時においては４０Ｈｚ程度であり、上限周波数は例えば９５Ｈｚに設定される。また、上述の熱サイクル周波数可変制御によれば、性能劣化によるクライオパネル温度の上昇を抑えるように冷凍機用モータ２６の運転周波数が増大されていくことになる。より大きな変動が許容されているパラーメータを利用して診断することにより、クライオパネル温度に基づく判定に比較して、性能劣化の検出から故障までの時間を長くとることができる。したがって、メンテナンス処理の実行タイミングをより柔軟に設定することができるようになり、ユーザの製品生産計画への影響を軽微に抑えることができる。なお、運転パラメータに基づく診断処理は、上述の温度による診断処理に併用してもよいし、温度による診断処理に代えて実行してもよい。

ところで、ユーザが実行するプロセスによっては、クライオポンプ１０に一時的に高い熱負荷が生じることもある。この場合、クライオパネル温度は上昇傾向をとり、連動してクライオポンプ１０の運転パラメータも上昇傾向をとる。よって、クライオポンプ１０の運転パラメータと判定閾値との大小関係に基づいてクライオポンプ１０の正常と異常とを識別することが必ずしも容易ではない場合がある。

そこで、本実施形態では、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０への運転指令値に対応する冷凍能力を冷凍機１２が出力しているか否かを推定する。ＣＰコントローラ１００は、推定結果に基づいてクライオポンプ１０に性能劣化または異常が生じているか否かを判定する。ＣＰコントローラ１００は、上述の運転パラメータを利用する診断処理に冷凍能力推定結果を加味してクライオポンプ１０に性能劣化または異常が生じているか否かを判定してもよい。

図３は、本実施形態に係る診断処理の一例を説明するためのフローチャートである。図３に示される処理は、クライオポンプ１０の排気処理中に所定の周期でＣＰコントローラ１００により繰り返し実行される。

ＣＰコントローラ１００はまず、冷凍機用モータ２６の運転周波数が基準を超えて大きいか否かを判定する（Ｓ１０）。具体的には例えば、ＣＰコントローラ１００は、判定の閾値としての基準周波数を冷凍機用モータ２６の運転周波数が超えるか否かを判定する。この場合、ＣＰコントローラ１００は、冷凍機用モータ２６への運転周波数の指令値が基準周波数を超えるか否かを判定する。指令値に基づいて判定することにより、運転周波数を計測する必要がない。よって、運転周波数を計測するためのセンサを設ける必要もなく、装置をシンプルに構成することができる。

冷凍機用モータ２６の運転周波数が基準を超える場合には（Ｓ１０のＹｅｓ）、ＣＰコントローラ１００は、冷凍機１２の冷凍能力の出力が充分であるか否かを判定する（Ｓ１２）。すなわち、ＣＰコントローラ１００は、冷凍機用モータ２６への運転指令に対応する冷凍能力が出力されているか否かを判定する。具体的には例えば、ＣＰコントローラ１００は、圧縮機用モータ６０の運転周波数が判定閾値を超えるか否かを判定する。この判定閾値は例えば、冷凍機用モータ２６の運転周波数指令値に対応して設定される。例えば、冷凍機用モータ２６の運転周波数指令値が大きくなるにつれて判定閾値も大きくなるように設定される。例えば、正常時における冷凍機用モータ２６の運転周波数指令値と圧縮機用モータ６０の運転周波数との関係を示すマップが予めＣＰコントローラ１００に記憶されている。ＣＰコントローラ１００は、このマップに基づいて、冷凍機用モータ２６への運転指令に対応する冷凍能力が出力されているか否かを判定してもよい。

圧縮機用モータ６０の運転周波数が判定閾値に達しない場合には（Ｓ１２のＮｏ）、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０の性能が劣化していると判定する（Ｓ１４）。本実施形態においては圧縮機４０の出入口間の差圧は一定に制御されており、圧縮機用モータ６０の運転周波数は冷凍機１２で必要とされる作動気体の流量に対応する値に制御される。つまり、圧縮機用モータ６０の運転周波数が小さいということは、冷凍機１２が作動気体をそれほど必要としていないということである。よって、圧縮機用モータ６０の運転周波数が判定閾値に達しない場合には、冷凍機１２での実際の熱サイクル周波数が指令値よりも低いレベルにあると判定することができる。このようにして、冷凍機１２への運転指令値に対応する冷凍能力が出力されているか否かを作動気体の流量に基づいて推定することができる。

圧縮機用モータ６０の運転周波数が判定閾値を超える場合には（Ｓ１２のＹｅｓ）、ＣＰコントローラ１００は本実施形態に係る診断処理を終了する。この場合には、冷凍機１２の冷凍能力は指令値に相当するレベルで正常に出力されていると推定されるからである。

また、冷凍機用モータ２６の運転周波数が基準に達しない場合には（Ｓ１０のＮｏ）、ＣＰコントローラ１００は本実施形態に係る診断処理を終了する。この場合には、冷凍機１２に対して要求される冷凍能力がそれほど大きくないからである。必要冷凍能力が大きくない場合には、性能が劣化していたとしてもその影響は軽微である。なお、冷凍機用モータ２６の運転周波数が基準に達しない場合にも、圧縮機用モータ６０の運転周波数と判定閾値とを比較して上述の性能劣化判定処理を実行してもよい。

ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１０の性能が劣化していると判定するとともに、クライオポンプ１０のメンテナンスを推奨する警告を出力してもよい。また、上述の性能劣化の判定閾値よりも高い異常判定閾値を付加的に設定し、圧縮機用モータ６０の運転周波数がこの異常判定閾値を超える場合にクライオポンプ１０に異常が発生していると判定するようにしてもよい。

また、クライオポンプ１０の異常モードとしては例えば、冷凍機用モータ２６等のクライオポンプ１０の駆動系における異常がある。この場合、駆動系が出力する回転数が低下し、冷凍機用モータ２６への運転周波数指令値よりも実際のモータ運転周波数すなわち熱サイクル周波数は小さくなる。また、他の異常モードとして例えば、冷凍機１２内部のシール部材や蓄冷材などの非可動部の経時的劣化による性能低下も挙げられる。

上述の診断処理においては主として、冷凍機用モータ２６等のクライオポンプ１０の駆動系における性能劣化または異常を検出することが可能である。よって、ＣＰコントローラ１００は、上述の診断処理においてクライオポンプ１０の性能が劣化していると判定するとともに、クライオポンプ１０の駆動系における性能劣化または異常であると異常モードを特定してもよい。

以上の構成のクライオポンプ１０による動作を以下に説明する。クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプを用いて真空チャンバ８０内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１２の駆動により第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４が冷却され、これらに熱的に接続されている熱シールド１６、バッフル３２、パネル構造体１４も冷却される。

冷却されたバッフル３２は、真空チャンバ８０からクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。バッフル３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はバッフル３２を通過して熱シールド１６内部へと進入する。進入した気体分子のうちパネル構造体１４の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えばアルゴンなど）は、パネル構造体１４の表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、パネル構造体１４の表面に接着され冷却されている吸着剤により吸着されて排気される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバ８０内部の真空度を所望のレベルに到達させることができる。

ＣＰコントローラ１００は、熱シールド１６及びバッフル３２を所定の目標温度に冷却するように冷凍機１２を制御する。そのために、第１温度センサ２３の測定温度を目標温度に維持するように冷凍機用モータ２６の運転周波数の指令値を決定する。このときＣＰコントローラ１００は、冷凍機用モータ２６の運転周波数指令値が基準を超える場合に、圧縮機用モータ６０の運転周波数が判定閾値を超えるか否かを判定する。これにより、ＣＰコントローラ１００は、決定された冷凍機用モータ２６の運転周波数指令値に対応して冷凍機１２の冷凍能力が出力されているか否かを判定する。

必要冷凍能力が低いときには性能が劣化していてもその影響は軽微である。一方、性能劣化または異常が生じている場合には、必要冷凍能力が大きいときほど実際に生じている冷凍能力と冷凍能力推定結果との乖離が大きくなる。よって、冷凍機への運転指令値に冷凍能力推定結果を加味することにより、性能劣化または異常の発生を精度よく診断することができる。また、性能劣化または異常の発生をリアルタイムで診断することもできる。

また、上述の実施形態においては、１台のクライオポンプ１０を有する真空排気システムにおいて性能劣化または異常が生じているか否かを判定しているが、複数台のクライオポンプを有する真空排気システムにおいて性能劣化または異常が生じているか否かを判定することもできる。また、いずれのクライオポンプに性能劣化または異常が生じているか否かを特定することもできる。

例えば、ＣＰコントローラ１００は、複数の冷凍機１２の各々に与えられている運転指令が基準を超えるか否かを判定する。また、ＣＰコントローラ１００は、圧縮機４０での圧縮サイクルの周波数に基づいて圧縮機４０から送出される作動気体の流量を推定する。推定された流量が判定閾値を下回る場合には、ＣＰコントローラ１００は、運転指令が基準を超える冷凍機１２のいずれかに性能劣化または異常が発生していると判定する。

この場合、運転指令が基準を超える冷凍機１２のいずれかの影響によって作動気体の流量が判定閾値を下回ったものと考えることができる。よって、運転指令が基準を超える冷凍機１２のいずれかに性能劣化または異常が発生していると特定することができる。運転指令が基準を超える冷凍機１２が１つである場合には、その冷凍機１２を備えるクライオポンプ１０に性能劣化または異常が発生していると特定することができる。運転指令が基準を超える冷凍機１２が複数ある場合には、その冷凍機１２を備えるクライオポンプ１０のいずれかに性能劣化または異常が発生していると特定することができる。

なお、本実施形態においてはＣＰコントローラ１００がクライオポンプ１０及び圧縮機４０の双方を制御するようにしているが、これに限られない。例えば、クライオポンプ１０及び圧縮機４０のそれぞれに制御部が設けられていてもよい。この場合、クライオポンプ１０を制御するクライオポンプ制御部と、圧縮機４０を制御する圧縮機制御部とが設けられる。クライオポンプ制御部及び圧縮機制御部はそれぞれ独立にクライオポンプ１０及び圧縮機４０を制御する。このときクライオポンプ制御部は圧縮機４０の状態（例えば圧縮機４０に作用する差圧、圧縮機用モータ６０の回転数など）をモニタしてもよいし、圧縮機制御部はクライオポンプ１０の状態（例えばクライオパネルの温度、冷凍機用モータ２６の回転数など）をモニタしてもよい。この場合、上述の診断処理は、クライオポンプ制御部が実行してもよいし、圧縮機制御部が実行してもよい。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す断面図である。 本実施形態に係るクライオポンプに関する制御ブロック図である。 本実施形態に係る診断処理の一例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ クライオポンプ、 １２ 冷凍機、 １４ パネル構造体、 １６ 熱シールド、 ２２ 第１冷却ステージ、 ２３ 第１温度センサ、 ２４ 第２冷却ステージ、 ２５ 第２温度センサ、 ２６ 冷凍機用モータ、 ２８ 閉塞部、 ３１ 開口部、 ３２ バッフル、 ４０ 圧縮機、 ４３ 第１圧力センサ、 ４５ 第２圧力センサ、 ６０ 圧縮機用モータ、 １００ ＣＰコントローラ。

Claims (5)

1. 内部に吸入した作動気体を膨張させて吐出する熱サイクルによって寒冷を発生する冷凍機と、該冷凍機に熱的に接続されて目標温度へと冷却されるクライオパネルと、該クライオパネルの実温度が該目標温度に追従するよう該熱サイクルの周波数指令値を決定して該冷凍機に与える制御部と、を備えるクライオポンプであって、
   前記制御部は、前記周波数指令値に対応する冷凍能力を前記冷凍機が出力しているか否かを作動気体の流量に基づいて推定することを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記制御部は、前記周波数指令値に対応する冷凍能力を前記冷凍機が出力していないと推定され、かつ前記周波数指令値が基準を超えている場合に、クライオポンプに性能の劣化が生じていると判定することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記冷凍機から吐出された作動気体を高圧に圧縮して前記冷凍機に送出する圧縮サイクルを実行する圧縮機をさらに備え、
   前記制御部は、前記冷凍機から吐出された作動気体圧と前記冷凍機に送出される作動気体圧との差圧が一定となるように前記圧縮サイクルの周波数を制御し、前記熱サイクルの周波数指令値に対応する冷凍能力を前記冷凍機が出力しているか否かを前記圧縮サイクルの周波数に基づいて推定することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
4. 内部に吸入した作動気体を膨張させて吐出する熱サイクルによって寒冷を発生する複数の冷凍機と、
   前記複数の冷凍機の各々に熱的に接続されて目標温度へと冷却される複数のクライオパネルと、
   前記複数の冷凍機に共通に設けられ、各冷凍機から吐出された作動気体を高圧に圧縮して送出する圧縮サイクルを実行する圧縮機と、
   クライオパネルの実温度が目標温度に追従するよう前記熱サイクルの周波数指令値を決定して該冷凍機に与え、かつ前記圧縮機の出入口間での差圧が一定となるように前記圧縮サイクルの周波数を制御する制御部と、を備える真空排気システムであって、
   前記制御部は、各冷凍機に与えられている前記熱サイクルの周波数指令値が基準を超えるか否かを判定し、前記圧縮サイクルの周波数に基づいて前記圧縮機から送出される作動気体の流量を推定し、
   推定された流量が判定閾値を下回る場合には、前記周波数指令値が基準を超える冷凍機のいずれかに性能の劣化が発生していると判定することを特徴とする真空排気システム。
5. 冷凍機に熱的に接続されて冷却されるクライオパネルの実温度が目標温度に追従するように該冷凍機に運転指令を与えるクライオポンプの診断方法であって、
   前記運転指令が基準を超えているか否かを判定し、
   前記運転指令に対応する冷凍能力を前記冷凍機が出力しているか否かを推定し、
   前記運転指令が基準を超えていると判定し、かつ前記運転指令に対応する冷凍能力を前記冷凍機が出力していないと推定した場合に、クライオポンプに性能の劣化が生じていると判定することを特徴とするクライオポンプの診断方法。

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