JP2016114006A - クライオポンプ、クライオポンプの制御方法、及び冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】クライオポンプの冷却時間を短縮する。【解決手段】クライオポンプ１０は、クライオパネルとクライオパネルを冷却する冷凍機１６とを備える。冷凍機１６は、冷凍機１６を駆動する冷凍機モータ８０と、冷凍機モータ８０の運転周波数を制御する冷凍機インバータ８２と、を備える。クライオポンプ１０の制御部１００は、室温から標準運転温度へとクライオパネルの温度を低下させるクールダウン運転を実行するよう冷凍機１６を制御する。制御部１００は、運転周波数上限を有する運転周波数範囲内において冷凍機モータ８０の運転周波数を決定し該運転周波数を冷凍機インバータ８２に出力する運転周波数決定部１１０と、クールダウン運転中にクライオパネルの温度低下に基づいて運転周波数上限を低下させる上限調整部１１２と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、クライオポンプ、クライオポンプの制御方法、及び冷凍機に関する。

新たなクライオポンプが現場に据え付けられたとき、室温から極低温へとクライオポンプは冷却され、真空排気運転が開始される。また、知られているように、クライオポンプは気体溜め込み式の真空ポンプであるから、溜め込まれた気体を外部に排出するためにある頻度で再生が行われる。再生処理は一般に、昇温工程、排出工程、及び冷却工程を含む。冷却工程が終了すると、クライオポンプの真空排気運転が再開される。こうした真空排気運転の準備としてのクライオポンプの冷却は、クールダウンと呼ばれることもある。

国際公開第２００５／０５２３６９号

クライオポンプは極低温冷凍機の主要な用途の１つであるが、冷凍機の高温段と低温段との間に比較的大きな温度差が必要とされる点で、他の用途と異なる。しかし、クライオポンプを冷却するときそうした温度差を短時間で作り出すのは簡単ではない。例えば、高温段が目標の冷却温度に達したとき低温段がまだ目標温度に達していなければ、高温段を目標温度に保ちながら低温段をさらに冷却し続けなければならない。また、低温段が目標温度に達したとき高温段が既に目標温度よりも低温に冷えすぎている場合もあり得る。この場合、高温段を目標温度に昇温しなければならない。このようなクールダウン終盤の温度調整にはある程度の時間を要する。特に、高温段と低温段に大きな温度差が必要とされる場合には温度調整に要する時間が長くなる。クールダウンはクライオポンプのダウンタイムとなるから、短時間で行うことが望まれる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの冷却時間を短縮することにある。

本発明のある態様によると、クライオパネルと、前記クライオパネルを冷却する冷凍機であって、前記冷凍機を駆動する冷凍機モータと、前記冷凍機モータの運転周波数を制御する冷凍機インバータと、を備える冷凍機と、室温から標準運転温度へと前記クライオパネルの温度を低下させるクールダウン運転を実行するよう前記冷凍機を制御する制御部と、を備えるクライオポンプが提供される。前記制御部は、運転周波数上限を有する運転周波数範囲内において前記冷凍機モータの運転周波数を決定し該運転周波数を前記冷凍機インバータに出力する運転周波数決定部と、前記クールダウン運転中に前記クライオパネルの温度低下に基づいて前記運転周波数上限を低下させる上限調整部と、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプの制御方法が提供される。前記クライオポンプは、クライオパネルと、前記クライオパネルを冷却する冷凍機であって前記冷凍機を駆動する冷凍機モータと前記冷凍機モータの運転周波数を制御する冷凍機インバータとを備える冷凍機と、を備える。前記方法は、室温から標準運転温度へと前記クライオパネルの温度を低下させるクールダウン運転を実行することと、前記クールダウン運転中に前記クライオパネルの温度低下に基づいて前記冷凍機モータの運転周波数上限を低下させることと、前記運転周波数上限を有する運転周波数範囲内において前記冷凍機モータの運転周波数を決定することと、決定された運転周波数を前記冷凍機インバータに出力することと、を備える。

本発明のある態様によると、冷却ステージを備える膨張機であって、前記膨張機を駆動する膨張機モータと、前記膨張機モータの運転周波数を制御する膨張機インバータと、を備える膨張機と、室温から標準運転温度へと前記冷却ステージの温度を低下させるクールダウン運転を実行するよう前記膨張機を制御する制御部と、を備える冷凍機が提供される。前記制御部は、運転周波数上限を有する運転周波数範囲内において前記膨張機モータの運転周波数を決定し該運転周波数を前記膨張機インバータに出力する運転周波数決定部と、前記クールダウン運転中に前記冷却ステージの温度低下に基づいて前記運転周波数上限を低下させる上限調整部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、クライオポンプの冷却時間を短縮することができる。

本発明のある実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明のある実施形態に係るクライオポンプの制御部の構成を概略的に示す図である。 クライオポンプの運転方法を説明するためのフローチャートである。 典型的なクールダウン運転における温度プロファイルの一例を示す図である。 本発明のある実施形態に係るクライオポンプの制御方法を示すフローチャートである。 本発明のある実施形態に係るクールダウン運転における温度プロファイルの一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す図である。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に取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。

クライオポンプ１０は、気体を受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２はクライオポンプ１０の内部空間１４への入口である。クライオポンプ１０が取り付けられた真空チャンバから吸気口１２を通じて、排気されるべき気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は吸気口１２を通る方向を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。

クライオポンプ１０は、冷却システム１５と、低温クライオパネル１８と、高温クライオパネル１９と、を備える。冷却システム１５は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を冷却するよう構成されている。冷却システム１５は、冷凍機１６と、圧縮機３６と、を備える。

冷凍機１６は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの極低温冷凍機である。冷凍機１６は、第１ステージ２０、第２ステージ２１、第１シリンダ２２、第２シリンダ２３、第１ディスプレーサ２４、及び第２ディスプレーサ２５を備える二段式の冷凍機である。よって、冷凍機１６の高温段は、第１ステージ２０、第１シリンダ２２、及び第１ディスプレーサ２４を備える。冷凍機１６の低温段は、第２ステージ２１、第２シリンダ２３、及び第２ディスプレーサ２５を備える。よって以下では第１ステージ２０及び第２ステージ２１をそれぞれ高温段の低温端及び低温段の低温端と呼ぶこともできる。

第１シリンダ２２と第２シリンダ２３は直列に接続されている。第１ステージ２０は、第１シリンダ２２と第２シリンダ２３との結合部に設置されている。第２シリンダ２３は第１ステージ２０と第２ステージ２１とを連結する。第２ステージ２１は、第２シリンダ２３の末端に設置されている。第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３それぞれの内部には第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５が冷凍機１６の長手方向（図１において左右方向）に移動可能に配設されている。第１ディスプレーサ２４と第２ディスプレーサ２５とは一体に移動可能に連結されている。第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５にはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。

冷凍機１６は、第１シリンダ２２の高温端に設けられている駆動機構１７を備える。駆動機構１７は、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５のそれぞれが第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動可能とするように第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５に接続されている。また駆動機構１７は、作動気体の吸入と吐出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を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を含み、駆動部はロータリーバルブを回転させるためのモータを含む。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。

冷凍機１６は高圧導管３４及び低圧導管３５を介して圧縮機３６に接続される。冷凍機１６は、圧縮機３６から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム）を内部で膨張させて第１ステージ２０及び第２ステージ２１に寒冷を発生させる。圧縮機３６は、冷凍機１６で膨張した作動気体を回収し再び加圧して冷凍機１６に供給する。

具体的には、まず駆動機構１７が高圧導管３４と冷凍機１６の内部空間とを連通させる。圧縮機３６から高圧導管３４を通じて冷凍機１６に高圧の作動気体が供給される。冷凍機１６の内部空間が高圧の作動気体で満たされると、駆動機構１７は冷凍機１６の内部空間を低圧導管３５に連通させるよう流路を切り替える。これにより作動気体は膨張する。膨張した作動気体は圧縮機３６へと回収される。こうした作動気体の給排に同期して、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５のそれぞれが第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３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１６は第１ステージ２０及び第２ステージ２１に寒冷を発生させる。

冷凍機１６は、第１ステージ２０を第１温度レベルに冷却し、第２ステージ２１を第２温度レベルに冷却するよう構成されている。第２温度レベルは第１温度レベルよりも低温である。例えば、第１ステージ２０は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２ステージ２１は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

冷凍機１６は、高温段を通じて低温段に作動気体を流すよう構成されている。すなわち、圧縮機３６から流入する作動気体は、第１シリンダ２２から第２シリンダ２３へと流れる。このとき第１ディスプレーサ２４及びその蓄冷器によって作動気体は第１ステージ２０（すなわち高温段の低温端）の温度に冷却される。こうして冷却された作動気体が低温段に供給される。したがって、圧縮機３６から冷凍機１６の高温段に導入される作動気体温度は、低温段の冷却能力に顕著な影響を与えないと期待される。

なお冷凍機１６は、三段のシリンダが直列に接続される三段式の冷凍機またはそれよりも多段の冷凍機であってもよい。冷凍機１６はＧＭ冷凍機以外の冷凍機であってもよく、パルスチューブ冷凍機やソルベイ冷凍機を用いてもよい。

図１は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸と、冷凍機１６の中心軸とを含む断面を示す。図１に示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸に交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、冷凍機がクライオポンプの軸方向に沿って配設されているクライオポンプである。

低温クライオパネル１８は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。低温クライオパネル１８は例えば、複数のパネル部材２６を含む。パネル部材２６は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各パネル部材２６には通常活性炭等の吸着剤（図示せず）が設けられている。吸着剤は例えばパネル部材２６の裏面に接着されている。このようにして、低温クライオパネル１８は、気体分子を吸着するための吸着領域を備える。

パネル部材２６はパネル取付部材２８に取り付けられている。パネル取付部材２８は第２ステージ２１に取り付けられている。このようにして、低温クライオパネル１８は、第２ステージ２１に熱的に接続されている。よって、低温クライオパネル１８は第２温度レベルに冷却される。

高温クライオパネル１９は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備える。高温クライオパネル１９は、低温クライオパネル１８を包囲するよう低温クライオパネル１８の外側に設けられている。高温クライオパネル１９は第１ステージ２０に熱的に接続されており、高温クライオパネル１９は第１温度レベルに冷却される。

放射シールド３０は主として、クライオポンプ１０のハウジング３８からの輻射熱から低温クライオパネル１８を保護するために設けられている。放射シールド３０は、ハウジング３８と低温クライオパネル１８との間にあり、低温クライオパネル１８を囲む。放射シールド３０は、吸気口１２に向けて軸方向上端が開放されている。放射シールド３０は、軸方向下端が閉塞された筒形（例えば円筒）の形状を有し、カップ状に形成されている。放射シールド３０の側面には冷凍機１６の取付のための孔があり、そこから第２ステージ２１が放射シールド３０の中に挿入されている。その取付孔の外周部にて放射シールド３０の外面に第１ステージ２０が固定されている。こうして放射シールド３０は第１ステージ２０に熱的に接続されている。

入口クライオパネル３２は、低温クライオパネル１８の軸方向上方に設けられ、吸気口１２において径方向に沿って配置されている。入口クライオパネル３２はその外周部が放射シールド３０の開口端に固定されて、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０の中心軸を中心とする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。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２に入る気体を排気するために設けられている。入口クライオパネル３２の温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。また、入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から低温クライオパネル１８を保護するために設けられている。輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限される。入口クライオパネル３２は、吸気口１２を通じた内部空間１４への気体流入を所望量に制限するように吸気口１２の開口面積の一部を占有する。

クライオポンプ１０は、ハウジング３８を備える。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるための真空容器である。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部空間１４の圧力を気密に保持するよう構成されている。ハウジング３８の中に、高温クライオパネル１９と冷凍機１６とが収容されている。ハウジング３８は、高温クライオパネル１９の外側に設けられており、高温クライオパネル１９を囲む。また、ハウジング３８は冷凍機１６を収容する。つまり、ハウジング３８は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を囲むクライオポンプ容器である。

ハウジング３８は、高温クライオパネル１９及び冷凍機１６の低温部に非接触であるように、外部環境温度の部位（例えば冷凍機１６の高温部）に固定されている。ハウジング３８の外面は外部環境にさらされており、冷却されている高温クライオパネル１９よりも温度が高い（例えば室温程度）。

また、ハウジング３８はその開口端から径方向外側に向けて延びる吸気口フランジ５６を備える。吸気口フランジ５６は、取付先の真空チャンバにクライオポンプ１０を取り付けるためのフランジである。真空チャンバの開口にはゲートバルブが設けられており（図示せず）、吸気口フランジ５６はそのゲートバルブに取り付けられる。そのようにして入口クライオパネル３２の軸方向上方にゲートバルブが位置する。例えばクライオポンプ１０を再生するときにゲートバルブは閉とされ、クライオポンプ１０が真空チャンバを排気するときに開とされる。

クライオポンプ１０は、第１ステージ２０の温度を測定するための第１温度センサ９０と、第２ステージ２１の温度を測定するための第２温度センサ９２と、を備える。第１温度センサ９０は、第１ステージ２０に取り付けられている。第２温度センサ９２は、第２ステージ２１に取り付けられている。なお、第１温度センサ９０は高温クライオパネル１９に取り付けられていてもよい。第２温度センサ９２は低温クライオパネル１８に取り付けられていてもよい。

また、クライオポンプ１０は、制御部１００を備える。制御部１００はクライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

制御部１００は、クライオポンプ１０の真空排気運転、再生運転、及びクールダウン運転のために冷凍機１６を制御するよう構成されている。制御部１００には、第１温度センサ９０及び第２温度センサ９２を含む各種センサの測定結果を受信するよう構成されている。制御部１００は、そうした測定結果に基づいて、冷凍機１６に与える制御指令を演算する。

制御部１００は、ステージ温度が目標の冷却温度に追従するように冷凍機１６を制御する。第１ステージ２０の目標温度は通常、一定値に設定される。第１ステージ２０の目標温度は例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバで行われるプロセスに応じて仕様として定められる。なお、クライオポンプの運転中に、目標温度は必要に応じて変更されてもよい。

例えば、制御部１００は、第１ステージ２０の目標温度と第１温度センサ９０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１６の運転周波数を制御する。すなわち、制御部１００は、駆動機構１７のモータ回転数を制御することにより、冷凍機１６における熱サイクルの周波数を制御する。

クライオポンプ１０への熱負荷が増加したとき第１ステージ２０の温度が高まりうる。第１温度センサ９０の測定温度が目標温度よりも高温である場合には、制御部１００は、冷凍機１６の運転周波数を増加させる。その結果、冷凍機１６における熱サイクルの周波数も増加され、第１ステージ２０は目標温度に向けて冷却される。逆に第１温度センサ９０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１６の運転周波数は減少されて第１ステージ２０は目標温度に向けて昇温される。こうして、第１ステージ２０の温度を目標温度の近傍の温度範囲に留めることができる。熱負荷に応じて冷凍機１６の運転周波数を適切に調整することができるので、こうした制御はクライオポンプ１０の消費電力の低減に役立つ。

第１ステージ２０の温度を目標温度にするよう冷凍機１６を制御することを、以下では「１段温度制御」と呼ぶことがある。クライオポンプ１０が真空排気運転をしているときは通常、１段温度制御が実行される。１段温度制御の結果、第２ステージ２１及び低温クライオパネル１８は、冷凍機１６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。同様にして、制御部１００は、第２ステージ２１の温度を目標温度にするよう冷凍機１６を制御する、いわば「２段温度制御」を実行することもできる。

図２は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ１０の制御部１００の構成を概略的に示す図である。こうした制御装置は、ハードウエア、ソフトウエア、またはそれらの組合せによって実現される。また、図２においては、関連する冷凍機１６の一部の構成を概略的に示す。

冷凍機１６の駆動機構１７は、冷凍機１６を駆動する冷凍機モータ８０と、冷凍機１６の運転周波数を制御する冷凍機インバータ８２と、を備える。上述のように、冷凍機１６は、作動気体の膨張機である。よって、冷凍機モータ８０及び冷凍機インバータ８２はそれぞれ膨張機モータ及び膨張機インバータと呼ぶこともできる。

冷凍機１６の運転周波数（運転速度ともいう）とは、冷凍機モータ８０の運転周波数または回転数、冷凍機インバータ８２の運転周波数、熱サイクルの周波数、または、これらのいずれかを表す。熱サイクルの周波数とは、冷凍機１６において行われる熱サイクルの単位時間あたりの回数である。

制御部１００は、冷凍機制御部１０２、記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８を備える。冷凍機制御部１０２は、クライオポンプ１０の真空排気運転及び再生運転を実行するよう冷凍機１６を制御するよう構成されている。冷凍機制御部１０２は、室温から標準運転温度へと少なくとも１つのクライオパネル（低温クライオパネル１８及び／または高温クライオパネル１９、以下同様）の温度を低下させるクールダウン運転を実行するよう冷凍機１６を制御するよう構成されている。冷凍機制御部１０２は、少なくとも１つのクライオパネルの温度を標準運転温度に維持する温調運転をクールダウン運転に続いて実行するよう冷凍機１６を制御するよう構成されている。

記憶部１０４は、クライオポンプ１０の制御に関連する情報を記憶するよう構成されている。入力部１０６は、ユーザまたは他の装置からの入力を受け付けるよう構成されている。入力部１０６は例えば、ユーザからの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段、及び／または、他の装置との通信をするための通信手段を含む。出力部１０８は、クライオポンプ１０の制御に関連する情報を出力するよう構成され、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含む。記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８はそれぞれ冷凍機制御部１０２と通信可能に接続されている。

冷凍機制御部１０２は、運転周波数決定部１１０、上限調整部１１２、測定温度選択部１１４、及び運転状態判定部１１６を備える。運転周波数決定部１１０は、上述のように、クライオパネルの測定温度と目標温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）冷凍機モータ８０の運転周波数を決定するよう構成されている。運転周波数決定部１１０は、予め定められた運転周波数範囲内において冷凍機モータ８０の運転周波数を決定する。運転周波数範囲は、予め定められた運転周波数の上限及び下限により定義される。運転周波数決定部１１０は、決定された運転周波数を冷凍機インバータ８２に出力する。

冷凍機インバータ８２は、冷凍機モータ８０の可変周波数制御を提供するよう構成されている。冷凍機インバータ８２は、入力電力を、運転周波数決定部１１０から入力された運転周波数を有するよう変換する。冷凍機インバータ８２への入力電力は、冷凍機電源（図示せず）から供給される。冷凍機インバータ８２は、変換された電力を冷凍機モータ８０に出力する。こうして冷凍機モータ８０は、運転周波数決定部１１０によって決定され冷凍機インバータ８２から出力された運転周波数で駆動される。

上限調整部１１２は、クールダウン運転中にクライオパネルの温度に基づいて運転周波数上限を調整するよう構成されている。例えば、上限調整部１１２は、クールダウン運転中にクライオパネルの温度低下に基づいて運転周波数上限を低下させるよう構成されている。

測定温度選択部１１４は、第１温度センサ９０によって測定された高温クライオパネル１９の温度と第２温度センサ９２によって測定された低温クライオパネル１８の温度のうち低いほうを選択するよう構成されている。上限調整部１１２は、測定温度選択部１１４によって選択された測定温度を使用して運転周波数上限を調整する。

運転状態判定部１１６は、クライオポンプ１０の運転状態を判定するよう構成されている。異なる複数の運転状態それぞれに対応する運転状態フラグが予め定められていてもよい。記憶部１０４は、これらの運転状態フラグを記憶していてもよい。運転状態判定部１１６は、クライオポンプ１０がある運転状態に入るときその運転状態に対応する運転状態フラグを選択するよう構成されていてもよい。運転状態判定部１１６は、選択されている運転状態フラグを参照してクライオポンプ１０の現在の運転状態を判定してもよい。運転状態判定部１１６は、クールダウン運転の実行中であるか否かを判定するクールダウン判定部を備えてもよい。

記憶部１０４は、入力部１０６から入力された周波数上限プロファイルを記憶する。周波数上限プロファイルは、実験的にまたは経験的に予め定められる。上限調整部１１２は、周波数上限プロファイルに従って運転周波数上限を変更する。

周波数上限プロファイルは、第１温度領域についての第１周波数上限と、第２温度領域についての第２周波数上限と、を含む。第１周波数上限は第１温度領域についての第１周波数範囲の最大値であり、第２周波数上限は第２温度領域についての第２周波数範囲の最大値である。第２周波数上限は、第１周波数上限より小さい値である。また、第２周波数上限は、クールダウン運転に続く温調運転（例えば、上述の１段温調制御）における通常の運転周波数より大きい値である。そのため、第１周波数上限から第２周波数上限への低下量は、例えば、第１周波数上限の２５％以内であってもよい。

周波数上限プロファイルは、第１温度領域についての第１周波数下限と、第２温度領域についての第２周波数下限と、を含んでもよい。第１周波数下限及び第２周波数下限はそれぞれ第１周波数範囲及び第２周波数範囲の最小値である。第１周波数下限及び第２周波数下限は共通の値であってもよい。周波数下限が周波数上限と等しくてもよい。その場合、周波数範囲は単一の値である。

第１温度領域は室温を含む。第２温度領域は標準運転温度を含み第１温度領域より低い温度範囲であり、第１温度領域に隣接する。第１温度領域と第２温度領域との境界温度は、室温と標準運転温度との中間の温度である。境界温度は例えば２００Ｋ以下の温度であってもよい。また、境界温度は例えば１３０Ｋより高い温度であってもよい。

周波数上限プロファイルは、第３温度領域についての第３周波数上限を含んでもよい。第３温度領域は、第１温度領域と第２温度領域との中間の温度領域であってもよい。第３周波数上限は、第１周波数上限と第２周波数上限との中間の値であってもよい。また、周波数上限プロファイルは、室温と標準運転温度との間の互いに異なる多数の温度点それぞれに対応する多数の周波数上限を含んでもよい。この場合、周波数上限プロファイルは、温度が下がるにつれて周波数上限が漸減するよう定められていてもよい。

図３は、クライオポンプ１０の運転方法を説明するためのフローチャートである。この運転方法は、準備運転（Ｓ１０）と、真空排気運転（Ｓ１２）と、を含む。真空排気運転がクライオポンプ１０の通常運転である。準備運転は、通常運転に先行して実行される任意の運転状態を含む。制御部１００は、この運転方法を適時に反復して実行する。真空排気運転が終了し準備運転が開始されるときには通例、クライオポンプ１０と真空チャンバとの間のゲートバルブが閉じられる。

準備運転（Ｓ１０）は例えば、クライオポンプ１０の起動である。クライオポンプ１０の起動は、クライオポンプ１０が設置される環境温度（例えば室温）から極低温にクライオパネルを冷却するクールダウンを含む。クールダウンの目標冷却温度は、真空排気運転のために設定される標準的な運転温度である。その標準運転温度は上述のように、高温クライオパネル１９については例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度の範囲から、低温クライオパネル１８については例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度の範囲から、選択される。準備運転（Ｓ１０）は、粗引きバルブ（図示せず）などを用いてクライオポンプ１０の内部を動作開始圧力（例えば１Ｐａ程度）まで粗引きすることを含んでもよい。

準備運転（Ｓ１０）は、クライオポンプ１０の再生であってもよい。再生は、今回の真空排気運転の終了後に、次回の真空排気運転の準備のために実行される。再生は、低温クライオパネル１８及び高温クライオパネル１９を再生するいわゆるフル再生、または低温クライオパネル１８のみを再生する部分再生である。

再生は、昇温工程、排出工程、及び冷却工程を含む。昇温工程は、上記の標準運転温度よりも高温である再生温度にクライオポンプ１０を昇温することを含む。フル再生の場合、再生温度は例えば室温またはそれよりいくらか高い温度である（例えば約２９０Ｋないし約３００Ｋ）。昇温工程のための熱源は例えば、冷凍機１６の逆転昇温、及び／または冷凍機１６に付設されるヒータである。

排出工程は、クライオパネル表面から再気化した気体をクライオポンプ１０の外部へ排出することを含む。再気化した気体は、必要に応じて導入されるパージガスとともにクライオポンプ１０から排出される。排出工程においては、冷凍機１６の運転は停止されている。冷却工程は、真空排気運転を再開するために低温クライオパネル１８及び高温クライオパネル１９を再冷却することを含む。冷却工程における冷凍機１６の運転状態は、起動のためのクールダウンと同様である。ただし、冷却工程におけるクライオパネルの初期温度は、フル再生の場合室温レベルにあるが、部分再生の場合には室温と上記の標準運転温度との中間（例えば１００Ｋ〜２００Ｋ）にある。

図３に示されるように、準備運転（Ｓ１０）に続いて真空排気運転（Ｓ１２）が行われる。準備運転が終了し真空排気運転が開始されるときに、クライオポンプ１０と真空チャンバとの間のゲートバルブが開かれる。

真空排気運転（Ｓ１２）は、真空チャンバからクライオポンプ１０へ向かって飛来する気体分子を、極低温に冷却されたクライオパネル表面に凝縮又は吸着により捕捉する運転状態である。高温クライオパネル１９（例えば入口クライオパネル３２）には、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）が凝縮される。入口クライオパネル３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体は入口クライオパネル３２を通過して放射シールド３０へと進入する。低温クライオパネル１８には、そ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）が凝縮される。低温クライオパネル１８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、低温クライオパネル１８の吸着剤に吸着される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

真空排気運転は標準運転温度を保つ定常的な運転状態である。一方、準備運転期間はクライオポンプ１０のダウンタイム（つまり、真空排気運転の休止期間）にあたるため、なるべく短いことが好ましい。そのため、準備運転においては、通常運転に比べて高い冷凍能力が冷凍機１６に要求される。たいていの場合、準備運転において冷凍機１６は、かなり高い運転周波数（例えば、許容される最高の運転周波数またはその近傍）で運転される。

図４は、典型的なクールダウン運転における温度プロファイルの一例を示す図である。図４の縦軸及び横軸はそれぞれ温度及び時間を表す。図４には、第１ステージ２０の温度Ｔ１及び第２ステージ２１の温度Ｔ２の時間変化を概略的に示す。クールダウンを開始するときの第１ステージ２０の温度Ｔ１及び第２ステージ２１の温度Ｔ２の初期値はともに例えば３００Ｋであり、第１ステージ２０及び第２ステージ２１の目標冷却温度はそれぞれ例えば１００Ｋ、１５Ｋである。また、図４の下部には、冷凍機１６の運転周波数プロファイルの一例を示す。

典型的なクライオポンプ制御においては、冷凍機１６がとりうる運転周波数の範囲は運転中に変更されない。よって、図４の下部において一点鎖線で示すように、冷凍機１６の運転周波数の上限は一定である。

図４に示すクールダウン運転においては、第１ステージ２０の温度Ｔ１が目標温度１００Ｋに到達するまで冷凍機１６はフルパワーで運転される。このとき冷凍機１６の運転周波数は許容される最大値（例えば運転周波数９５Ｈｚ）に固定される。それにより第１ステージ２０は目標温度１００Ｋまで速やかに冷却される。クールダウン運転の開始から時間Ｔａが経過したとき第１ステージ２０の温度Ｔ１が目標温度１００Ｋに到達する。このとき冷凍機１６はフルパワー運転から上述の１段温度制御に切り換えられる。その後、第１ステージ２０の温度Ｔ１は目標温度１００Ｋに維持される。１段温度制御に切り換えられることで冷凍機１６の運転周波数は、例えば４０Ｈｚ程度へと大幅に低下する。

第２ステージ２１は、冷凍機１６のフルパワー運転によって第１ステージ２０と同様に冷却される。第２ステージ２１のほうが第１ステージ２０よりもいくらか冷却速度が大きいので、第１ステージ２０の温度Ｔ１が目標温度１００Ｋに到達するとき第２ステージ２１はそれよりもいくらか低温（例えば８０Ｋ程度）に冷却されている。しかし、この時点ではまだ第２ステージ２１の目標温度１５Ｋには遠く及ばない。冷凍機１６がフルパワー運転から１段温度制御に切り換えられた後、第２ステージ２１は目標温度１５Ｋへと緩やかに冷却されていく。クールダウン運転の開始から時間Ｔｂが経過したとき第２ステージ２１の温度Ｔ２が目標温度１５Ｋに到達する。このとき第１ステージ２０及び第２ステージ２１の両方がそれぞれの目標冷却温度に到達し、クールダウンは終了する。

図４に示す温度プロファイルにおいては、クールダウン運転を通じて常に第２ステージ２１の温度Ｔ２が第１ステージ２０の温度Ｔ１より低い。しかし、クールダウン運転中の温度プロファイルはクライオポンプの設計（例えばクライオパネルの形状）に応じて変わりうる。あるクライオポンプにおいては、クールダウン運転中の少なくとも一部の温度領域で第１ステージ２０のほうが第２ステージ２１よりも冷却速度が大きいかもしれない。この場合、クールダウン運転中の少なくとも一部の期間において第１ステージ２０の温度Ｔ１が第２ステージ２１の温度Ｔ２より低くなりうる。

図５は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ１０の制御方法を示すフローチャートである。運転状態判定部１１６は、クライオポンプ１０の現在の運転状態がクールダウン運転であるか否かを判定する（Ｓ２０）。クールダウン運転が行われていない（例えば、真空排気運転が行われている）場合には（Ｓ２０のＮ）、運転周波数決定部１１０は、既存の運転周波数範囲内において冷凍機モータ８０の運転周波数を決定する（Ｓ２６）。運転周波数決定部１１０は、上述のように、例えば１段温度制御など既存の手法により運転周波数を決定する。運転周波数決定部１１０は、決定された運転周波数を冷凍機インバータ８２に出力する（Ｓ２８）。冷凍機モータ８０は、冷凍機インバータ８２から入力された運転周波数で冷凍機１６を駆動する。このように、クールダウン運転が行われていない場合には、運転周波数上限は変更されない。

一方、クールダウン運転中である場合には（Ｓ２０のＹ）、測定温度選択部１１４は、第１温度センサ９０の測定温度と第２温度センサ９２の測定温度のうち低いほうを選択する（Ｓ２２）。測定温度選択部１１４は、第１温度センサ９０の測定温度と第２温度センサ９２の測定温度とを比較し、２つの測定温度のいずれが低温であるかを決定する。測定温度選択部１１４は、選択された測定温度を上限調整部１１２に与える。

上限調整部１１２は、測定温度に対応する運転周波数上限を周波数上限プロファイルに従って決定する（Ｓ２４）。上限調整部１１２は、測定温度が第１温度領域にあるとき第１周波数上限を選択し、測定温度が第２温度領域にあるとき第２周波数上限を選択する。上限調整部１１２は、決定された運転周波数上限を運転周波数決定部１１０に与える。上限調整部１１２は、決定された運転周波数上限を出力部１０８に出力してもよい。

運転周波数決定部１１０は、決定された運転周波数上限を有する運転周波数範囲内において冷凍機モータ８０の運転周波数を決定する（Ｓ２６）。運転周波数決定部１１０は、上述のように、例えば１段温度制御など既存の手法により運転周波数を決定する。運転周波数決定部１１０は、既存の手法により得られた運転周波数と運転周波数上限とを比較する。得られた運転周波数が運転周波数上限より小さい場合には、運転周波数決定部１１０は、その運転周波数を冷凍機インバータ８２に出力する（Ｓ２８）。得られた運転周波数が運転周波数上限を超える場合には、運転周波数決定部１１０は、運転周波数上限の値を冷凍機インバータ８２に出力する（Ｓ２８）。冷凍機モータ８０は、冷凍機インバータ８２から入力された運転周波数で冷凍機１６を駆動する。こうして本処理は終了する。冷凍機制御部１０２は、本処理を周期的に繰り返す。

図６は、本発明のある実施形態に係るクールダウン運転における温度プロファイルの一例を示す図である。図４と同様に、図６の縦軸及び横軸はそれぞれ温度及び時間を表す。クールダウンを開始するときの第１ステージ２０の温度Ｔ１及び第２ステージ２１の温度Ｔ２の初期値はともに例えば３００Ｋであり、第１ステージ２０及び第２ステージ２１の目標冷却温度はそれぞれ例えば１００Ｋ、１５Ｋである。図６においては比較のために、図４に示す温度プロファイルを破線で示す。また、図６の中部及び下部にはそれぞれ、冷凍機１６の運転周波数プロファイル及び周波数上限プロファイルの一例を示す。同様に比較のために、図４に示す運転周波数プロファイル及び周波数上限プロファイルを破線で示す。

周波数上限プロファイルは、室温から２００Ｋまでの第１温度領域について９５Ｈｚの第１周波数上限を有し、２００Ｋから１００Ｋまでの第２温度領域について８０Ｈｚの第２周波数上限を有する。

第１ステージ２０の温度Ｔ１が目標温度１００Ｋに到達するまで冷凍機１６はフルパワーで運転される。このとき冷凍機１６の運転周波数は許容される最大値に固定される。図６に示される例においては第２ステージ２１が早く冷えるので、第２ステージ２１が２００Ｋに冷却されるまで冷凍機１６は９５Ｈｚの第１周波数上限で運転される。第２ステージ２１が２００Ｋに達すると、冷凍機１６の運転周波数は８０Ｈｚの第２周波数上限に切り換えられる。第１ステージ２０が１００Ｋに達すると、クライオポンプ１０の運転状態はクールダウン運転から１段温調制御に移行する。１段温度制御においては冷凍機１６の運転周波数は、例えば４０Ｈｚ程度へと大幅に低下する。

図示されるように、第１ステージ２０の冷却時間はΔＴａ短縮され、第２ステージ２１の冷却時間はΔＴｂ短縮される。

冷凍機１６の運転周波数は熱サイクルの周波数を表すから、運転周波数の低下は冷凍機１６の冷凍能力の低下をもたらすと考えられる。よって、クールダウン運転中に運転周波数を小さくすれば、冷却時間は延長されうる。クールダウン運転は、可能な限り高い運転周波数で行うべきである。図６に示される冷却時間の短縮は、こうした一般的な知識に反するものであり、驚くべき結果である。

本発明者の考察によると、本実施形態における冷却時間の短縮は、クールダウン運転における作動気体（ヘリウム）の密度変化に着目することで説明できる。作動気体の密度は温度低下に伴って大きくなる。密度が大きくなるにつれて、冷凍機１６の高速運転による摩擦や圧損の影響が大きくなる。そのため、低温での過度の高速運転は冷凍機１６の冷却効率の低下を招きうる。

本実施形態によると、クールダウン運転の後半において冷凍機１６の運転周波数上限を低下させることができる。作動気体の密度増大による摩擦や圧損を軽減し、冷凍機１６の冷却効率を維持し又はその低下を抑制することができる。よって、クールダウン運転の所要時間を短縮することができる。ある試算によると冷却時間を約１０％短縮することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

ある実施形態においては、上限調整部１１２は、クールダウン運転が完了するとき又はそれ以降の任意のタイミングで、運転周波数上限を増加させてもよい。例えば、上限調整部１１２は、そうしたタイミングで、低下した運転周波数上限を復元してもよい。図６に示されるように、上限調整部１１２は、クールダウン運転から温調運転に移行するとき、第２周波数上限から第１周波数上限に再び切り換えてもよい。

１０ クライオポンプ、 １６ 冷凍機、 １８ 低温クライオパネル、 １９ 高温クライオパネル、 ８０ 冷凍機モータ、 ８２ 冷凍機インバータ、 ９０ 第１温度センサ、 ９２ 第２温度センサ、 １００ 制御部、 １０４ 記憶部、 １１０ 運転周波数決定部、 １１２ 上限調整部、 １１４ 測定温度選択部。

Claims (7)

1. クライオパネルと、
   前記クライオパネルを冷却する冷凍機であって、前記冷凍機を駆動する冷凍機モータと、前記冷凍機モータの運転周波数を制御する冷凍機インバータと、を備える冷凍機と、
   室温から標準運転温度へと前記クライオパネルの温度を低下させるクールダウン運転を実行するよう前記冷凍機を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   運転周波数上限を有する運転周波数範囲内において前記冷凍機モータの運転周波数を決定し該運転周波数を前記冷凍機インバータに出力する運転周波数決定部と、
   前記クールダウン運転中に前記クライオパネルの温度低下に基づいて前記運転周波数上限を低下させる上限調整部と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
2. 室温を含む第１温度領域についての第１周波数上限と、前記標準運転温度を含み前記第１温度領域より低い第２温度領域についての前記第１周波数上限より小さい第２周波数上限と、を含む周波数上限プロファイルを記憶する記憶部をさらに備え、
   前記上限調整部は、前記周波数上限プロファイルに従って前記運転周波数上限を変更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. 前記第１温度領域と前記第２温度領域との境界温度は、２００Ｋ以下の温度であることを特徴とする請求項２に記載のクライオポンプ。
4. 前記第１周波数上限から前記第２周波数上限への低下量は、前記第１周波数上限の２５％以内であることを特徴とする請求項２または３に記載のクライオポンプ。
5. 前記クライオポンプは、第１標準運転温度に冷却される第１クライオパネルと、前記第１標準運転温度より低い第２標準運転温度に冷却される第２クライオパネルと、前記第１クライオパネルの温度を測定する第１温度センサと、前記第２クライオパネルの温度を測定する第２温度センサと、を備え、
   前記制御部は、前記第１温度センサによって測定された前記第１クライオパネルの温度と前記第２温度センサによって測定された前記第２クライオパネルの温度のうち低いほうを選択する測定温度選択部を備え、
   前記上限調整部は、前記測定温度選択部によって選択された測定温度を使用することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。
6. クライオポンプの制御方法であって、
   前記クライオポンプは、クライオパネルと、前記クライオパネルを冷却する冷凍機であって前記冷凍機を駆動する冷凍機モータと前記冷凍機モータの運転周波数を制御する冷凍機インバータとを備える冷凍機と、を備え、
   前記方法は、
   室温から標準運転温度へと前記クライオパネルの温度を低下させるクールダウン運転を実行することと、
   前記クールダウン運転中に前記クライオパネルの温度低下に基づいて前記冷凍機モータの運転周波数上限を低下させることと、
   前記運転周波数上限を有する運転周波数範囲内において前記冷凍機モータの運転周波数を決定することと、
   決定された運転周波数を前記冷凍機インバータに出力することと、を備えることを特徴とする方法。
7. 冷却ステージを備える膨張機であって、前記膨張機を駆動する膨張機モータと、前記膨張機モータの運転周波数を制御する膨張機インバータと、を備える膨張機と、
   室温から標準運転温度へと前記冷却ステージの温度を低下させるクールダウン運転を実行するよう前記膨張機を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   運転周波数上限を有する運転周波数範囲内において前記膨張機モータの運転周波数を決定し該運転周波数を前記膨張機インバータに出力する運転周波数決定部と、
   前記クールダウン運転中に前記冷却ステージの温度低下に基づいて前記運転周波数上限を低下させる上限調整部と、を備えることを特徴とする冷凍機。

Images