JP2016153617A - クライオポンプシステム、クライオポンプ制御装置、及びクライオポンプ再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クライオポンプの再生時間を短縮する。
【解決手段】クライオポンプシステムは、クライオポンプ１０と、クライオポンプ１０から凝縮物を排出する排出処理であって、クライオポンプ１０の粗引きが実行される排出処理を含む再生シーケンスに従ってクライオポンプ１０を制御する再生制御部１０２と、を備える。再生制御部１０２は、クライオポンプ１０の粗引き中におけるクライオポンプ１０内の圧力降下率を演算する圧力降下率演算部１１４と、粗引き中における圧力降下率の縮小を検出する圧力降下率監視部１１６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、クライオポンプシステム、クライオポンプ制御装置、及びクライオポンプ再生方法に関する。

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。クライオポンプはいわゆる気体溜め込み式の真空ポンプであるから、捕捉した気体を外部に定期的に排出する再生を要する。

特開２００８−２２３５３８号公報

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

本発明のある態様によると、クライオポンプと、前記クライオポンプから凝縮物を排出する排出処理であって、前記クライオポンプの粗引きが実行される排出処理を含む再生シーケンスに従って前記クライオポンプを制御する再生制御部と、を備えるクライオポンプシステムが提供される。前記再生制御部は、前記クライオポンプの粗引き中における前記クライオポンプ内の圧力降下率を演算する圧力降下率演算部と、前記粗引き中における前記圧力降下率の縮小を検出する圧力降下率監視部と、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプから凝縮物を排出する排出処理であって、前記クライオポンプの粗引きが実行される排出処理を含む再生シーケンスに従って前記クライオポンプを制御する再生制御部を備えるクライオポンプ制御装置が提供される。前記再生制御部は、前記クライオポンプの粗引き中における前記クライオポンプ内の圧力降下率を演算する圧力降下率演算部と、前記粗引き中における前記圧力降下率の縮小を検出する圧力降下率監視部と、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプから凝縮物を排出する排出処理であって、前記クライオポンプの粗引きが実行される排出処理を含む再生シーケンスに従って前記クライオポンプを制御することを備えるクライオポンプ再生方法が提供される。前記制御することは、前記クライオポンプの粗引き中における前記クライオポンプ内の圧力降下率を演算することと、前記粗引き中における前記圧力降下率の縮小を検出することと、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、クライオポンプの再生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システム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制御部の構成を概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係るクライオポンプ再生方法の要部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ライオポンプ内の圧力変化を概略的に例示する図である。

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システムを模式的に示す図である。クライオポンプシステムは、クライオポンプ１０と、クライオポンプ１０の真空排気運転及び再生運転を制御するクライオポンプ制御部１００と、を備える。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。

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、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。また、クライオポンプ１０は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を冷却する冷却システムを備える。この冷却システムは、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。

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がそれぞれ第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動可能であるように第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、作動気体の供給と排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がそれぞれ第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。

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２７が設けられている。吸着剤２７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、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、シールド開口端３１に配設されている。入口クライオパネル３２はその外周部がシールド開口端３１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、低温クライオパネル１８から軸方向上方に離れて設けられている。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を気密に保持するよう構成されている。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を収容する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、クライオポンプ１０を真空チャンバに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。

ハウジング３８には、ベントバルブ７０、粗引きバルブ７２、及びパージバルブ７４が取り付けられている。

ベントバルブ７０は、クライオポンプ１０の内部から外部環境へと流体を排出するための排出ライン８０の例えば末端に設けられている。ベントバルブ７０を開くことにより排出ライン８０の流れが許容され、ベントバルブ７０を閉じることにより排出ライン８０の流れが遮断される。排出される流体は基本的にはガスであるが、液体または気液の混合物であってもよい。例えばクライオポンプ１０に凝縮されたガスの液化物が排出流体に混在していてもよい。ベントバルブ７０が開弁されることにより、ハウジング３８の内部に生じた陽圧を外部に解放することができる。

粗引きバルブ７２は、粗引きポンプ７３に接続される。粗引きバルブ７２の開閉により、粗引きポンプ７３とクライオポンプ１０とが連通または遮断される。粗引きバルブ７２を開くことにより粗引きポンプ７３とハウジング３８とが連通され、粗引きバルブ７２を閉じることにより粗引きポンプ７３とハウジング３８とが遮断される。粗引きバルブ７２を開きかつ粗引きポンプ７３を動作させることにより、クライオポンプ１０の内部を減圧することができる。

粗引きポンプ７３は、クライオポンプ１０の真空引きをするための真空ポンプである。粗引きポンプ７３は、クライオポンプ１０の動作圧力範囲の低真空領域、言い替えればクライオポンプ１０の動作開始圧力であるベース圧レベルをクライオポンプ１０に提供するための真空ポンプである。粗引きポンプ７３は、大気圧からベース圧レベルまでハウジング３８を減圧することができる。ベース圧レベルは、粗引きポンプ７３の高真空領域にあたり、粗引きポンプ７３とクライオポンプ１０の動作圧力範囲の重なり部分に含まれる。ベース圧レベルは、例えば１Ｐａ以上５０Ｐａ以下（例えば１０Ｐａ程度）の範囲である。

粗引きポンプ７３は典型的にはクライオポンプ１０とは別の真空装置として設けられ、例えばクライオポンプ１０が接続される真空チャンバを含む真空システムの一部を構成する。クライオポンプ１０は真空チャンバのための主ポンプであり、粗引きポンプ７３は補助ポンプである。

パージバルブ７４はパージガス源７５を含むパージガス供給装置に接続される。パージバルブ７４の開閉によりパージガス源７５とクライオポンプ１０とが連通または遮断され、パージガスのクライオポンプ１０への供給が制御される。パージバルブ７４を開くことにより、パージガス源７５からハウジング３８へのパージガス流れが許容される。パージバルブ７４を閉じることにより、パージガス源７５からハウジング３８へのパージガス流れが遮断される。パージバルブ７４を開きパージガス源７５からパージガスをハウジング３８に導入することにより、クライオポンプ１０の内部を昇圧することができる。供給されたパージガスは、ベントバルブ７０または粗引きバルブ７２を通じてクライオポンプ１０から排出される。

パージガスの温度は、本実施形態では室温に調整されているが、ある実施形態においてはパージガスは、室温より高温に加熱されたガス、または、室温よりいくらか低温のガスであってもよい。本書において室温は、１０℃〜３０℃の範囲または１５℃〜２５℃の範囲から選択される温度であり、例えば約２０℃である。パージガスは例えば窒素ガスである。パージガスは、乾燥したガスであってもよい。

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。第１温度センサ９０は、第１ステージ２０の温度を定期的に測定し、測定温度を示す信号をクライオポンプ制御部１００に出力する。第１温度センサ９０はその出力を通信可能にクライオポンプ制御部１００に接続されている。第２温度センサ９２についても同様に構成されている。第１温度センサ９０及び第２温度センサ９２の測定温度がそれぞれ高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８の温度としてクライオポンプ制御部１００において用いられてもよい。

また、ハウジング３８の内部に圧力センサ９４が設けられている。圧力センサ９４は例えば、高温クライオパネル１９の外側で冷凍機１６の近傍に設けられている。圧力センサ９４は、ハウジング３８の圧力を定期的に測定し、測定圧力を示す信号をクライオポンプ制御部１００に出力する。圧力センサ９４はその出力を通信可能にクライオポンプ制御部１００に接続されている。

クライオポンプ制御部１００は、クライオポンプ１０の真空排気運転及び再生運転のために冷凍機１６を制御するよう構成されている。クライオポンプ制御部１００には、第１温度センサ９０、第２温度センサ９２、及び圧力センサ９４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。クライオポンプ制御部１００は、そうした測定結果に基づいて、冷凍機１６及び各種バルブに与える制御指令を演算する。

例えば、真空排気運転においては、クライオポンプ制御部１００は、ステージ温度（例えば第１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。また、クライオポンプ制御部１００は、クライオポンプ１０の再生のためにハウジング３８からの排気とハウジング３８へのパージガスの供給とを制御するよう構成されている。クライオポンプ制御部１００は、ベントバルブ７０、粗引きバルブ７２、及びパージバルブ７４の開閉を再生中に制御する。

上記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、まずその作動前に粗引きバルブ７２を通じて粗引きポンプ７３でクライオポンプ１０の内部を動作開始圧力（例えば１Ｐａないし１０Ｐａ程度）まで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。クライオポンプ制御部１００による制御のもとで、冷凍機１６の駆動により第１ステージ２０及び第２ステージ２１が冷却され、これらに熱的に接続されている高温クライオパネル１９、低温クライオパネル１８も冷却される。

入口クライオパネル３２は、真空チャンバ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。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内部へと進入する。進入した気体分子のうち低温クライオパネル１８の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体は、そ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、低温クライオパネル１８の表面に接着され冷却されている吸着剤２７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が取り付けられている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。

排気運転が継続されることによりクライオポンプ１０には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、クライオポンプ１０の再生が行われる。クライオポンプ制御部１００は、所定の再生開始条件が満たされたか否かを判定し、当該条件が満たされた場合には再生を開始する。当該条件が満たされていない場合には、クライオポンプ制御部１００は再生を開始せず、真空排気運転を継続する。再生開始条件は例えば、真空排気運転が開始されてから所定時間が経過したことを含んでもよい。

図２は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ制御部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、関連するクライオポンプ１０の一部の構成を概略的に示す。

クライオポンプ制御部１００は、再生制御部１０２、記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８を備える。

再生制御部１０２は、昇温処理、排出処理、及びクールダウン処理を含む再生シーケンスに従ってクライオポンプ１０を制御するよう構成されている。再生シーケンスは例えば、クライオポンプ１０のフル再生を提供する。フル再生においては、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を含むすべてのクライオパネルが再生される。なお、再生制御部１０２は、部分再生を表す再生シーケンスに従ってクライオポンプ１０を制御してもよい。

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はそれぞれ再生制御部１０２と通信可能に接続されている。

再生制御部１０２は、バルブ制御部１１０、圧力監視部１１２、圧力降下率演算部１１４、圧力降下率監視部１１６、及び相転移推定部１１８を備える。バルブ制御部１１０は、ベントバルブ７０、粗引きバルブ７２、及び／または、パージバルブ７４を再生シーケンスに従って開閉するよう構成されている。バルブ制御部１１０は、入力に基づいてベントバルブ７０、粗引きバルブ７２、及び／または、パージバルブ７４の開放タイミング及び閉鎖タイミングを決定する。圧力監視部１１２、圧力降下率演算部１１４、圧力降下率監視部１１６、及び相転移推定部１１８については後述する。

昇温処理は、クライオポンプ１０の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を極低温度Ｔｂから再生温度Ｔａに加熱する再生の第１工程である。極低温度Ｔｂは、クライオポンプ１０の標準運転温度であり、高温クライオパネル１９の運転温度Ｔｂ１と低温クライオパネル１８の運転温度Ｔｂ２を含む。上述のように高温クライオパネル１９の運転温度Ｔｂ１は例えば６５Ｋ〜１２０Ｋの範囲から選択され、低温クライオパネル１８の運転温度Ｔｂ２は例えば１０Ｋ〜２０Ｋの範囲から選択される。

再生温度Ｔａは、昇温処理におけるクライオパネル目標温度であり、クライオポンプ１０に蓄積された凝縮物の融点またはそれより高い温度である。凝縮物は例えば水を含み、その場合再生温度Ｔａは２７３Ｋ以上である。再生温度Ｔａは、室温またはそれより高い温度であってもよい。再生温度Ｔａは、クライオポンプ１０の耐熱温度またはそれより低い温度であってもよい。クライオポンプ１０の耐熱温度は例えば３２０Ｋ〜３４０Ｋ程度（例えば約３３０Ｋ）であってもよい。

再生制御部１０２は、再生シーケンスにおいて定められた目標温度に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の温度を調整するようにクライオポンプ１０を制御するよう構成されている。再生制御部１０２は、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の温度として第１温度センサ９０及び／または第２温度センサ９２の測定温度を使用する。

再生制御部１０２は、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の温度を目標温度に制御するようクライオポンプ１０に設けられた少なくとも１つの熱源を制御する。例えば、再生制御部１０２は、昇温処理においてハウジング３８にパージガスを供給するようパージバルブ７４を開放してもよい。また、再生制御部１０２は、ハウジング３８へのパージガスの供給を停止するようパージバルブ７４を閉鎖してもよい。このようにして、昇温処理において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を加熱するための第１の熱源としてパージガスが使用されてもよい。

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を加熱するために、パージガスとは異なる第２の熱源が使用されてもよい。例えば、再生制御部１０２は、冷凍機１６の昇温運転を制御してもよい。冷凍機１６は、駆動機構１７が冷却運転とは逆方向に動作するとき作動気体に断熱圧縮が生じるよう構成されている。こうして得られる圧縮熱で冷凍機１６は第１ステージ２０及び第２ステージ２１を加熱する。このような加熱は冷凍機１６の逆転昇温とも呼ばれる。高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８はそれぞれ第１ステージ２０及び第２ステージ２１を熱源として加熱される。あるいは、冷凍機１６に設置されたヒータが熱源として使用されてもよい。この場合、再生制御部１０２は、冷凍機１６の運転から独立してヒータを制御することができる。

昇温処理において、第１及び第２の熱源の一方が単独で使用され、または両方が同時に使用されてもよい。排出処理においても同様に、第１及び第２の熱源の一方が単独で使用され、または両方が同時に使用されてもよい。再生制御部１０２は、第１の熱源と第２の熱源とを切り替えて、または、第１の熱源と第２の熱源とを併用して、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の温度を目標温度に制御してもよい。

再生制御部１０２は、クライオパネル温度の測定値が目標温度に達したか否かを判定する。再生制御部１０２は、目標温度に達するまでは昇温を継続し、目標温度に達した場合には昇温処理を終了する。再生制御部１０２は、目標温度に達してから所定期間、昇温処理を継続してもよい。このときパージガスの供給が継続されてもよい。昇温処理が終了すると、再生制御部１０２は、排出処理を開始する。

昇温処理において、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上の凝縮物及び／または吸着物がクライオポンプ１０から排出されてもよい。バルブ制御部１１０は、ハウジング３８から凝縮物及び／または吸着物を排出するために、ベントバルブ７０及び／または粗引きバルブ７２を開放し、その後適時に閉鎖してもよい。

排出処理は、クライオポンプ１０から凝縮物及び／または吸着物を排出する再生の第２工程である。極低温度Ｔｂにおいて凝縮物及び／または吸着物は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上にある。極低温度Ｔｂから再生温度Ｔａに加熱される過程において凝縮物及び／または吸着物は溶かされ最終的に気化される。再生制御部１０２は、再生温度Ｔａまたは他の目標温度への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の温調を排出処理において継続する。

クライオパネル表面から再気化した気体はクライオポンプ１０の外部へ排出される。再気化した気体は例えば排出ライン８０を通じて、または粗引きポンプ７３を使用して、外部に排出される。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。

排出処理は、ラフアンドパージを含んでもよい。ラフアンドパージとは、ハウジング３８の粗引きとパージガスの供給とを交互に行う工程である。ラフアンドパージにおいては、粗引きとパージとの組み合わせが１回または複数回実行される。通例、ラフアンドパージにおいて再生制御部１０２は、粗引きとパージとを選択的に実行する。すなわち、粗引き（またはパージ）が行われているときパージ（または粗引き）は停止されている。代案として、ラフアンドパージにおいて、粗引き及びパージの一方が連続して行われる間に粗引き及びパージの他方が間欠的に行われてもよい。これも、粗引きとパージガスの供給とが交互に行われているとみなされる。粗引き及びパージの開始及び終了は、ハウジング３８の圧力及び／または圧力降下率に基づき行われてもよいし、あるいは経過時間に基づいてもよい。

再生制御部１０２は、排出完了条件が満たされるまで排出処理を続行する。排出完了条件は、クライオポンプ１０内の圧力、例えば圧力センサ９４の測定圧力に基づく。例えば、再生制御部１０２は、ハウジング３８内の測定圧力が所定のしきい値を超えている間は、凝縮物がクライオポンプ１０に残存すると判定する。よって、クライオポンプ１０は排出処理を継続する。再生制御部１０２は、ハウジング３８内の測定圧力がしきい値を下回る場合に、凝縮物の排出が完了したと判定する。この場合、再生制御部１０２は、排出処理を終了しクールダウン処理を開始する。

再生制御部１０２は、いわゆるビルドアップテストを実行してもよい。クライオポンプ再生におけるビルドアップテストは、判定開始時点の圧力からの圧力上昇勾配がしきい値を超えない場合に、クライオポンプ１０から凝縮物が排出されたと判定する処理である。これは、ＲｏＲ（Rate-of-Rise）法とも呼ばれる。よって、再生制御部１０２は、ベース圧レベルにおける単位時間あたりの圧力上昇量がしきい値を下回る場合に排出処理を終了してもよい。

圧力監視部１１２は、圧力センサ９４の測定圧力を使用して、クライオポンプ１０内（つまりハウジング３８内）の圧力を監視するよう構成されている。圧力監視部１１２は、クライオポンプ１０内の圧力がある圧力領域にあるか否かを判定してもよい。この圧力領域は、クライオポンプの動作開始圧力より高い圧力領域であってもよい。圧力監視部１１２は、クライオポンプ１０内の圧力を圧力しきい値と比較し、圧力がしきい値より高いか否かを判定してもよい。この圧力しきい値は、クライオポンプの動作開始圧力またはそれより高い圧力であってもよい。圧力しきい値は、ベース圧レベルよりも高圧であり、例えば５０Ｐａ乃至５００Ｐａ、好ましくは１００Ｐａ乃至２００Ｐａの範囲から選択されてもよい。この圧力領域を準ベース圧レベルと呼ぶこともできる。よって、圧力監視部１１２は、クライオポンプ１０内の圧力がベース圧レベルにあるか否かを判定し、または、クライオポンプ１０内の圧力が準ベース圧レベルにあるか否かを判定してもよい。圧力監視部１１２は、クライオポンプ１０内の圧力及び／または判定結果を記憶部１０４に保存し及び／または出力部１０８に出力してもよい。

圧力降下率演算部１１４は、クライオポンプ１０の粗引き中におけるクライオポンプ１０内の圧力降下率を演算するよう構成されている。圧力降下率演算部１１４は、粗引きバルブ７２が開放されている間、圧力センサ９４の測定圧力から圧力降下率を定期的に演算する。圧力降下率は、粗引きによる単位時間あたりの圧力低下量である。圧力降下率演算部１１４は、圧力センサ９４の測定圧力から圧力降下率の対数（例えば常用対数）を演算してもよい。圧力降下率演算部１１４は、演算した圧力降下率を圧力降下率監視部１１６に出力する。圧力降下率演算部１１４は、圧力降下率を記憶部１０４に保存し及び／または出力部１０８に出力してもよい。

圧力降下率監視部１１６は、クライオポンプ１０の粗引き中における圧力降下率を監視するよう構成されている。圧力降下率監視部１１６は、ある１回の粗引き中における圧力降下率の縮小を検出する。圧力降下率監視部１１６は、圧力降下率を圧力降下率しきい値と比較し、圧力降下率がしきい値より高いか否かを判定してもよい。圧力降下率しきい値は、当該１回の粗引きの開始時における圧力降下率またはそれよりいくらか小さい値であってもよい。

圧力降下率監視部１１６は、圧力降下率が圧力降下率しきい値を下回るとき、圧力降下率の縮小を検出する。例えば、圧力降下率監視部１１６は、ある１回の粗引き中に圧力降下率が圧力降下率しきい値を初めて下回るとき、圧力降下率の縮小を検出してもよい。あるいは、圧力降下率監視部１１６は、圧力降下率が圧力降下率しきい値を所定時間にわたり下回るとき、圧力降下率の縮小を検出してもよい。圧力降下率監視部１１６は、検出結果を相転移推定部１１８に出力する。圧力降下率監視部１１６は、検出結果を記憶部１０４に保存し及び／または出力部１０８に出力してもよい。圧力降下率監視部１１６は、圧力監視部１１２によって圧力センサ９４の測定圧力が所定の圧力領域にあると判定される場合に限り、粗引き中における圧力降下率の縮小を検出してもよい。

圧力降下率監視部１１６は、圧力降下率監視部１１６は、ある１回の粗引き中における第１圧力降下率領域から第２圧力降下率領域への圧力降下率の遷移を検出してもよい。第１圧力降下率領域は、当該１回の粗引きの開始時における圧力降下率を含む圧力降下率の範囲であってもよい。第２圧力降下率領域は、第１圧力降下率領域より小さい圧力降下率の範囲であってもよい。圧力降下率監視部１１６は、圧力降下率の遷移を圧力降下率の縮小として検出してもよい。

相転移推定部１１８は、クライオポンプ１０から排出されるべき凝縮物の相転移を推定するよう構成されている。相転移推定部１１８は、クライオポンプ１０の粗引き中における圧力降下率の縮小が検出された場合に、凝縮物の液相から固相への変化（つまり凝縮物の凍結）を推定する。相転移推定部１１８は、推定結果を記憶部１０４に保存し及び／または出力部１０８に出力してもよい。

バルブ制御部１１０は、検出された圧力降下率の縮小に応答して、粗引きバルブ７２を一時的に閉鎖し、及び／または、パージバルブ７４を一時的に開放する。バルブ制御部１１０は、粗引きバルブ７２を一時的に閉鎖しかつパージバルブ７４を一時的に開放してもよい。バルブ制御部１１０は、圧力監視部１１２によって圧力センサ９４の測定圧力が所定の圧力領域にあると判定される場合に、検出された圧力降下率の縮小に応答して、粗引きバルブ７２を一時的に閉鎖し、及び／または、パージバルブ７４を一時的に開放してもよい。

記憶部１０４は、再生シーケンスを定義するための再生パラメータを記憶する。再生パラメータは、実験的にまたは経験的に予め定められ、入力部１０６から入力される。再生パラメータは、クライオパネル目標温度、排出完了条件、圧力しきい値、圧力変化率しきい値を含む。クライオパネル目標温度は、再生温度Ｔａ及び極低温度Ｔｂを含む。再生温度Ｔａ及び極低温度Ｔｂはそれぞれ、ある単一の温度として設定されてもよいし、ある温度帯として設定されてもよい。

クールダウン処理は、クライオポンプ１０を極低温度Ｔｂに再冷却する再生の最終工程である。極低温度Ｔｂはクールダウン処理におけるクライオパネル目標温度である。排出完了条件が満たされる場合に、排出処理が完了されクールダウン処理が開始される。冷凍機１６の冷却運転が開始される。再生制御部１０２は、目標温度に到達するまではクールダウン処理を継続し、目標温度に達した場合にはクールダウン処理を終了する。こうして再生処理は完了する。クライオポンプ１０の真空排気運転が再開される。再生制御部１０２は、真空排気運転において低温クライオパネル１８または高温クライオパネル１９の温度を目標温度に維持する冷凍機１６の温調運転を実行するよう構成されていてもよい。

図３は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ再生方法の要部を示すフローチャートである。図４は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ１０内の圧力変化を概略的に例示する図である。図３及び図４にはフル再生における排出処理が示されている。図４の縦軸は圧力を示し、横軸は時間を示す。

上述のように、再生制御部１０２は、昇温処理に続いて排出処理を実行する。バルブ制御部１１０は、昇温処理の完了を検出し、パージバルブ７４を閉じるとともに粗引きバルブ７２を開く（Ｓ１０）。こうしてハウジング３８の粗引きが開始される（図４の時刻ｔａ）。なおベントバルブ７０は以降の処理において閉じられている。

圧力監視部１１２は、粗引き中の圧力センサ９４の測定圧力Ｐを取得する（Ｓ１２）。圧力監視部１１２は、測定圧力Ｐが圧力しきい値Ｐｔ以上であるか否かを判定する（Ｓ１４）。圧力しきい値Ｐｔは、ベース圧レベルまたは準ベース圧レベルから選択される。

測定圧力Ｐが圧力しきい値Ｐｔ以上である場合には（Ｓ１４のＹ）、圧力降下率演算部１１４は、圧力センサ９４の測定圧力Ｐから圧力降下率Ｒを演算する（Ｓ１６）。圧力降下率監視部１１６は、粗引きのたびに圧力降下率しきい値Ｒｔを定めてもよい。例えば、圧力降下率監視部１１６は、粗引き開始直後に演算される初期圧力降下率Ｒａに基づき圧力降下率しきい値Ｒｔを演算してもよい。初期圧力降下率Ｒａは図４に例示する。あるいは、圧力降下率監視部１１６は、予め定められた圧力降下率しきい値Ｒｔを使用してもよい。

圧力降下率監視部１１６は、圧力降下率Ｒが圧力降下率しきい値Ｒｔを下回るか否かを判定する（Ｓ１８）。圧力降下率Ｒが圧力降下率しきい値Ｒｔ以上である場合には（Ｓ１８のＮ）、バルブ制御部１１０は、ハウジング３８の粗引きを継続する（Ｓ１０）。測定圧力Ｐ及び圧力降下率Ｒの監視が繰り返される。図４に示されるように、時刻ｔａ＋Δｔ、ｔａ＋２Δｔ、ｔａ＋３Δｔ、・・・において測定圧力Ｐ及び圧力降下率Ｒが定期的に監視される。

一方、圧力降下率Ｒが圧力降下率しきい値Ｒｔを下回る場合には（Ｓ１８のＹ）、バルブ制御部１１０は、粗引きバルブ７２を閉じるとともにパージバルブ７４を開く（Ｓ２０）。図４に示される時刻ｔｂにおいて圧力降下率Ｒが圧力降下率しきい値Ｒｔより小さくなる。こうして、粗引きが終了されパージが開始される。

バルブ制御部１１０は、測定圧力Ｐが所定圧（例えば大気圧）まで昇圧されたとき、または、パージ開始から所定時間後に、パージを終了する（図４の時刻ｔｃ）。すなわち、バルブ制御部１１０は、パージバルブ７４を再び閉じるとともに粗引きバルブ７２を再び開く（Ｓ１０）。そうして測定圧力Ｐ及び圧力降下率Ｒの監視が再び繰り返される。このようにして、再生制御部１０２は、測定圧力Ｐ及び圧力降下率Ｒを監視しながらラフアンドパージを実行する。

測定圧力Ｐが圧力しきい値Ｐｔを下回る場合には（Ｓ１４のＮ）、再生制御部１０２は、ラフアンドパージを終了する（図４の時刻ｔｄ）。この場合、再生制御部１０２は、ラフアンドパージの終了に続いて、排出完了条件が満たされるか否かを判定してもよい。あるいは、再生制御部１０２は、排出処理を直ちに終了し、クールダウン処理を開始してもよい。

ラフアンドパージにおける粗引きには水の気化を促進するという利点がある。水が減圧環境で大量に蒸発するからである。しかし、蒸発熱は水を冷却するので、その少なくとも一部が再び凍結し氷となる。そうすると、蒸発量は減る。そこで、パージガスが導入される。パージガスによって氷が加熱され再び水に戻る。このようにして、粗引きとパージを繰り返すことで、水がクライオポンプ１０から排出される。

したがって、効率よく水を排出するには再凍結を防ぐことが望ましい。そのためには、例えば、水から氷に変化するタイミングでパージを開始することが望ましい。しかし、典型的な再生シーケンスにおいてそれは困難である。再凍結のタイミングを知る術がないためである。単に圧力を監視するのみでは再凍結のタイミングを特定しえない。なぜなら、再凍結が生じる圧力値は、クライオポンプ１０に蓄積された水の量や粗引きポンプ７３の排気能力など種々の要因によって顕著に変動するからである。

これに対し、本実施形態によると、圧力降下率Ｒが監視される。本発明者は、蒸発熱による凝縮物の凍結が圧力降下率Ｒの縮小をもたらすことを見出した。図４に示されるように、粗引き開始時の初期圧力降下率Ｒａに比べて、その粗引き中における圧力降下率Ｒは次第に低下する。特に、対数グラフで圧力をプロットすると、圧力プロファイルに折れ点が明確に現れる。このような圧力降下率Ｒの遷移を検出することにより、凝縮物の再凍結タイミングをとらえることができる。

よって、本実施形態によると、凝縮物の液相から固相への相転移の発生を推定することができる。単なる圧力監視に比べてロバストな相転移タイミングの推定方法を提供することができる。

また、再生制御部１０２は、推定された相転移のタイミングを再生シーケンスにおける次のイベントを実行するトリガとして使用することができる。例えば、上述のように、再生制御部１０２は、検出された再凍結タイミングをトリガとして粗引きを中断する。また、再生制御部１０２は、検出された再凍結タイミングをトリガとしてパージを開始する。再凍結なく粗引きからパージに移行することで、効率的に凝縮物を気化することができる。よって、再生時間を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。

再生制御部１０２は、検出された圧力降下率の縮小に応答して、粗引きバルブ７２を一時的に閉鎖するとともに、パージバルブ７４の閉鎖を継続してもよい。この場合、再生制御部１０２は、粗引きバルブ７２を一時的に閉鎖するとともに、他の熱源（例えば、冷凍機１６及び／またはヒータなど）からクライオパネルへの入熱を増加するよう当該熱源を制御してもよい。あるいは、再生制御部１０２は、単に、粗引きバルブ７２を一時的に閉鎖してもよい。これにより、クライオパネルが自然に昇温されてもよい。よって、クライオポンプ１０にはパージバルブ７４及びパージガス源が設けられていなくてもよい。

再生制御部１０２は、検出された圧力降下率の縮小に応答して、パージバルブ７４を一時的に開放するとともに、他の熱源（例えば、冷凍機１６及び／またはヒータなど）を制御してもよい。このようにして、複数の熱源によってクライオパネルが加熱されてもよい。

パージバルブ７４を通じたガス流入量が粗引きバルブ７２を通じたガス流出量より多ければ、再生制御部１０２は、検出された圧力降下率の縮小に応答して、パージバルブ７４を一時的に開放するとともに、粗引きバルブ７２の開放を継続してもよい。

１０ クライオポンプ、 １８ 低温クライオパネル、 １９ 高温クライオパネル、 ３８ ハウジング、 ７２ 粗引きバルブ、 ７４ パージバルブ、 ９４ 圧力センサ、 １００ クライオポンプ制御部、 １０２ 再生制御部、 １１０ バルブ制御部、 １１２ 圧力監視部、 １１４ 圧力降下率演算部、 １１６ 圧力降下率監視部、 １１８ 相転移推定部。

Claims (9)

1. クライオポンプシステムであって、
   クライオポンプと、
   前記クライオポンプから凝縮物を排出する排出処理であって、前記クライオポンプの粗引きが実行される排出処理を含む再生シーケンスに従って前記クライオポンプを制御する再生制御部と、を備え、
   前記再生制御部は、
   前記クライオポンプの粗引き中における前記クライオポンプ内の圧力降下率を演算する圧力降下率演算部と、
   前記粗引き中における前記圧力降下率の縮小を検出する圧力降下率監視部と、を備えることを特徴とするクライオポンプシステム。
2. 前記再生シーケンスは、前記クライオポンプを極低温度から前記凝縮物の融点またはそれより高い温度に加熱する昇温処理を含み、
   前記再生制御部は、前記粗引き中における前記圧力降下率の縮小が検出された場合に前記凝縮物の再凍結を推定する相転移推定部を備えることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプシステム。
3. 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収容するクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器に設けられた粗引きバルブであって、開放されるとき前記クライオポンプ容器を粗引きポンプに接続し、閉鎖されるとき前記粗引きポンプを前記クライオポンプ容器から遮断する粗引きバルブと、
   前記クライオポンプ容器に設けられたパージバルブであって、開放されるとき前記クライオポンプ容器をパージガス源に接続し、閉鎖されるとき前記パージガス源を前記クライオポンプ容器から遮断するパージバルブと、を備え、
   前記再生制御部は、検出された前記圧力降下率の縮小に応答して、前記粗引きバルブを一時的に閉鎖し、及び／または、前記パージバルブを一時的に開放するバルブ制御部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプシステム。
4. 前記バルブ制御部は、検出された前記圧力降下率の縮小に応答して、前記粗引きバルブを一時的に閉鎖しかつ前記パージバルブを一時的に開放することを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプシステム。
5. 前記クライオポンプは、前記クライオポンプ容器内の圧力を測定する圧力センサを備え、
   前記圧力降下率演算部は、前記クライオポンプの粗引き中における前記圧力センサの測定圧力から前記圧力降下率を演算することを特徴とする請求項３または４に記載のクライオポンプシステム。
6. 前記再生制御部は、前記圧力センサの測定圧力が前記クライオポンプの動作開始圧力より高い圧力領域にあるか否かを判定する圧力監視部を備え、
   前記バルブ制御部は、前記圧力センサの測定圧力が前記圧力領域にある場合に、検出された前記圧力降下率の縮小に応答して、前記粗引きバルブを一時的に閉鎖し、及び／または、前記パージバルブを一時的に開放することを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプシステム。
7. 前記凝縮物は、水を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
8. クライオポンプ制御装置であって、
   クライオポンプから凝縮物を排出する排出処理であって、前記クライオポンプの粗引きが実行される排出処理を含む再生シーケンスに従って前記クライオポンプを制御する再生制御部を備え、
   前記再生制御部は、
   前記クライオポンプの粗引き中における前記クライオポンプ内の圧力降下率を演算する圧力降下率演算部と、
   前記粗引き中における前記圧力降下率の縮小を検出する圧力降下率監視部と、を備えることを特徴とするクライオポンプ制御装置。
9. クライオポンプ再生方法であって、
   クライオポンプから凝縮物を排出する排出処理であって、前記クライオポンプの粗引きが実行される排出処理を含む再生シーケンスに従って前記クライオポンプを制御することを備え、
   前記制御することは、
   前記クライオポンプの粗引き中における前記クライオポンプ内の圧力降下率を演算することと、
   前記粗引き中における前記圧力降下率の縮小を検出することと、を備えることを特徴とする方法。

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