JP2020007986A - クライオポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】クライオポンプシステムに冗長性をもたせる。【解決手段】クライオポンプシステム１０は、各クライオポンプ１２が、クライオパネル１６と、冷媒ガスの断熱膨張を用いてクライオパネル１６を冷却する冷凍機１８と、を備える少なくとも一台のクライオポンプ１２と、各冷凍機１８に冷媒ガスを供給するように並列接続され同時に運転されるＮ＋１台の圧縮機（ただし、Ｎは正の整数）１４と、を備える。Ｎ＋１台の圧縮機１４のうちどのＮ台の圧縮機１４についても、当該Ｎ台の圧縮機１４の冷媒ガス供給能力の合計が、少なくとも一台のクライオポンプ１２の個々の冷凍機１８によるクライオパネル冷却に必要な冷媒ガス流量の合計を下回らないように定められている。【選択図】図１

Description

本発明は、クライオポンプシステムに関する。

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。クライオポンプにはクライオパネルを冷却する極低温冷凍機が組み込まれている。冷凍機は圧縮機からの冷媒ガス供給によって動作する。

特開２０１２−６７６３３号公報

半導体製造プロセスのための真空プロセス装置には多数のクライオポンプが設置されうる。多数のクライオポンプの同時運転など、比較的大流量で冷媒ガスを供給することが望まれる場合には、並列配置された複数台の圧縮機を有するクライオポンプシステムが使用されることがある。

しかし、そうしたクライオポンプシステムの稼働中に何らかの理由によりいずれかの圧縮機が異常停止したとすると、クライオポンプへの冷媒ガスの供給能力が低下する。例えば、クライオポンプシステムが２台の圧縮機を有し、そのうち１台が停止したとすれば、冷媒ガスの供給能力はおよそ半分に低下しうる。不十分な冷媒ガスの供給は各クライオポンプの冷凍機の冷凍能力低下をもたらし、これはクライオパネルの温度上昇につながりうる。クライオパネル温度の顕著な上昇は、クライオポンプの機能を損なわせる。例えば、クライオパネル温度があるしきい値温度（例えば、約２０Ｋ）を超えた場合、水素などの非凝縮性ガスの吸着が不能となる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプシステムに冗長性をもたせることにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプシステムは、各クライオポンプが、クライオパネルと、冷媒ガスの断熱膨張を用いて前記クライオパネルを冷却する冷凍機と、を備える少なくとも一台のクライオポンプと、各冷凍機に冷媒ガスを供給するように並列接続され同時に運転されるＮ＋１台の圧縮機（ただし、Ｎは正の整数）と、を備える。前記Ｎ＋１台の圧縮機のうちどのＮ台の圧縮機についても、当該Ｎ台の圧縮機の冷媒ガス供給能力の合計が、前記少なくとも一台のクライオポンプの個々の冷凍機によるクライオパネル冷却に必要な冷媒ガス流量の合計を下回らないように定められている。

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、方法、装置、システム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、クライオポンプシステムに冗長性をもたせることができる。

実施の形態に係るクライオポンプシステムを概略的に示す図である。 実施の形態に係るクライオポンプシステムにおける冷媒ガスの流れを概略的に示す図である。 実施の形態に係るクライオポンプシステムに関する制御ブロック図である。

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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るクライオポンプシステム１０を概略的に示す図である。クライオポンプシステム１０は、少なくとも１台のクライオポンプ１２と、複数台の圧縮機１４とを備える。ここでは、例示的な構成として、クライオポンプシステム１０が２台のクライオポンプ１２と２台の圧縮機１４を有する場合を示す。

クライオポンプ１２は、例えばスパッタリング装置または蒸着装置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真空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１２は、クライオパネル１６と、冷媒ガスの断熱膨張を用いてクライオパネル１６を冷却する冷凍機１８と、を備える。クライオパネル１６は、クライオポンプ１２に収容されており、クライオポンプ１２の動作中は冷凍機１８によって極低温に冷却される。冷凍機１８は、膨張機またはコールドヘッドとも称され、圧縮機１４とともに極低温冷凍機を構成する。クライオポンプ１２の吸気口から進入する気体は、極低温に冷却されたクライオパネル１６の表面に凝縮され、またはクライオパネル１６上に設けられた吸着材に吸着されて捕捉される。クライオパネル１６の配置や形状などクライオポンプ１２の構成は、種々の公知の構成を適宜採用することができるので、ここでは詳述しない。

圧縮機１４は、冷凍機１８に冷媒ガスを供給するように並列接続され同時に運転される。圧縮機１４は、冷媒ガスを冷凍機１８から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスを冷凍機１８に供給するよう構成されている。

後述するように、クライオポンプシステム１０の動作中、複数台の圧縮機１４は常態として同時に運転される。いずれかの圧縮機１４が何らかの要因により停止した場合、残りの圧縮機１４は継続して運転される。

圧縮機１４と冷凍機１８との間の冷媒ガスの循環が冷凍機１８内での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、寒冷を発生する熱力学的サイクルが構成され、冷凍機１８の冷却ステージが所望の極低温に冷却される。それにより、冷凍機１８の冷却ステージに熱的に結合されたクライオパネル１６を目標冷却温度に冷却することができる。冷媒ガスは、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。理解のために、冷媒ガスの流れる方向を図１に矢印で示す。

冷凍機１８は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。冷凍機１８は、極低温冷凍機のタイプに応じて異なる構成を有する。圧縮機１４は、極低温冷凍機のタイプによらず、同じ構成を用いることができる。

なお、一般に、圧縮機１４から冷凍機１８に供給される冷媒ガスの圧力と、冷凍機１８から圧縮機１４に回収される冷媒ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば約２〜３ＭＰａの範囲にあり、低圧は例えば約０．５〜１．５ＭＰａの範囲にある。

圧縮機１４は、吐出ポート２０と吸入ポート２１とを有する。吐出ポート２０は、圧縮機１４により高圧に昇圧された冷媒ガスを圧縮機１４から送出するために圧縮機１４に設けられた冷媒ガスの出口であり、吸入ポート２１は、低圧の冷媒ガスを圧縮機１４に受け入れるために圧縮機１４に設けられた冷媒ガスの入口である。

冷凍機１８は、高圧ポート２２と低圧ポート２３とを有する。高圧ポート２２は、冷凍機１８の内部に高圧の作動ガスを受け入れるために冷凍機１８に設けられた冷媒ガスの入口である。低圧ポート２３は、冷凍機１８の内部での冷媒ガスの膨張により減圧された低圧の冷媒ガスを冷凍機１８から排出するために冷凍機１８に設けられた冷媒ガスの出口である。

また、クライオポンプシステム１０は、圧縮機１４と冷凍機１８との間で冷媒ガスを循環させるべくこれらを接続する配管システム２４を備える。配管システム２４は、高圧ライン２６と低圧ライン２８とを備える。高圧ライン２６は、圧縮機１４の吐出ポート２０から高圧合流部２５を経て冷凍機１８の高圧ポート２２へと冷媒ガスが流れることができるように構成されている。低圧ライン２８は、冷凍機１８の低圧ポート２３から低圧合流部２７を経て圧縮機１４の吸入ポート２１に冷媒ガスが流れることができるように構成されている。配管システム２４は、圧縮機１４ごとに吐出側逆止弁２９と吸入側逆止弁３０とを備える。

高圧ライン２６は、圧縮機高圧サブライン３１と冷凍機高圧サブライン３２とを有する。圧縮機高圧サブライン３１は、圧縮機１４の吐出ポート２０を高圧合流部２５に接続し、冷凍機高圧サブライン３２は、冷凍機１８の高圧ポート２２を高圧合流部２５に接続する。高圧ライン２６は圧縮機１４から冷凍機１８への冷媒ガスの流路であるから、圧縮機１４から冷凍機１８に向かう流れ方向を高圧ライン２６の順方向と呼び、その反対方向を高圧ライン２６の逆方向と呼ぶことができる。順方向は、図示されている矢印の向きにあたる。吐出側逆止弁２９は、順方向の冷媒ガス流れを許容し、逆方向の冷媒ガス流れを遮断するように、圧縮機高圧サブライン３１に配置されている。

低圧ライン２８は、圧縮機低圧サブライン３３と冷凍機低圧サブライン３４とを有する。圧縮機低圧サブライン３３は、圧縮機１４の吸入ポート２１を低圧合流部２７に接続し、冷凍機低圧サブライン３４は、冷凍機１８の低圧ポート２３を低圧合流部２７に接続する。低圧ライン２８は、冷凍機１８から圧縮機１４への冷媒ガスの流路であるから、冷凍機１８から圧縮機１４に向かう流れ方向を低圧ライン２８の順方向と呼び、その反対方向を低圧ライン２８の逆方向と呼ぶことができる。吸入側逆止弁３０は、順方向の冷媒ガス流れを許容し、逆方向の冷媒ガス流れを遮断するように、圧縮機低圧サブライン３３に配置されている。

吐出側逆止弁２９および吸入側逆止弁３０はいずれも、順方向上流側（すなわち逆止弁への入口側）での冷媒ガス圧力が順方向下流側（すなわち逆止弁の出口側）での冷媒ガス圧力を超える場合に開き、逆に順方向上流側での冷媒ガス圧力が順方向下流側での冷媒ガス圧力を超えない場合に閉じるように構成されている。言い換えれば、各逆止弁（２９，３０）は、その逆止弁を流れる順方向の冷媒ガス流れがあるときには、逆止弁が順方向流れに生じさせる圧力損失によって自然に開く。一方、各逆止弁（２９，３０）は、その逆止弁の出入口間に冷媒ガスの逆流を生み出しうる圧力差（すなわち出口圧が入口圧より高い）が発生すると、閉じる。このように上流側と下流側との間の差圧の作用により開閉する逆止弁は一般に入手可能であり、各逆止弁（２９，３０）は、そうした汎用の逆止弁を適宜採用することができる。

一例として、高圧ライン２６および低圧ライン２８は、フレキシブル管により構成されるが、リジッド管で構成されてもよい。また、高圧合流部２５及び／または低圧合流部２７は、単一部品（例えばマニホールド）として構成されてもよい。この単一部品に吐出側逆止弁２９及び／または吸入側逆止弁３０が組み込まれていてもよい。

配管システム２４は、吐出側逆止弁２９の両側に設けられた一組の脱着可能な継手３５と、吸入側逆止弁３０の両側に設けられたもう一組の脱着可能な継手３５と、を備える。脱着可能な継手３５は、例えば、セルフシーリング・カップリングである。

なお、脱着可能な継手３５は、吐出側逆止弁２９の片側（すなわち、吐出側逆止弁２９と吐出ポート２０の間、または吐出側逆止弁２９と高圧合流部２５の間）にのみ設けられていてもよい。同様に、脱着可能な継手３５は、吸入側逆止弁３０の片側にのみ設けられていてもよい。吐出側逆止弁２９は、吐出ポート２０に一体的に組み込まれていてもよい。吸入側逆止弁３０は、吸入ポート２１に一体的に組み込まれていてもよい。

複数の圧縮機１４は常態として、クライオポンプシステム１０の動作中に同時に運転される。

図１に示されるように、各圧縮機１４において圧縮された高圧の冷媒ガスは、圧縮機１４の吐出ポート２０から圧縮機高圧サブライン３１に送出される。冷媒ガスは高圧ライン２６の順方向に流れているから、吐出側逆止弁２９を通じて流れることができる。複数の圧縮機１４からの冷媒ガス流れは高圧合流部２５で一度合流し、冷凍機高圧サブライン３２へと再び分流される。冷媒ガスは冷凍機高圧サブライン３２から冷凍機１８の高圧ポート２２を経て冷凍機１８に供給される。こうして、クライオポンプシステム１０は、複数の圧縮機１４からクライオポンプ１２へと高圧の冷媒ガスを供給することができる。

各冷凍機１８から排出される低圧の冷媒ガスは、冷凍機１８の低圧ポート２３から冷凍機低圧サブライン３４を流れる。冷媒ガス流れは低圧合流部２７で一度合流し、圧縮機低圧サブライン３３へと再び分流される。冷媒ガスは低圧ライン２８の順方向に流れているから、吸入側逆止弁３０を通じて流れることができる。冷媒ガスは圧縮機低圧サブライン３３から圧縮機１４の吸入ポート２１経て圧縮機１４に回収される。こうして、クライオポンプシステム１０は、クライオポンプ１２から複数の圧縮機１４へと低圧の冷媒ガスを回収することができる。

図２は、実施の形態に係るクライオポンプシステム１０における冷媒ガスの流れを概略的に示す図である。図１に示されるクライオポンプシステム１０の正常動作とは異なり、図２には、複数台の圧縮機１４のうちある圧縮機１４が何らかの要因により停止した異常時における冷媒ガスの流れを示す。圧縮機１４は、停電、冷却設備の不具合、あるいは、気温や湿度、気圧など周囲環境の異常変動など、クライオポンプシステム１０自体では制御不能または対処困難な種々の外部的要因により異常停止しうる。

ある圧縮機１４が異常停止した場合、残りの圧縮機１４が継続して運転され、それによりクライオポンプシステム１０の停止を回避することが可能となる。図２にはクライオポンプシステム１０が２台の圧縮機１４を有する例を示しているから、一方の圧縮機１４が停止し、他方の圧縮機１４は正常に運転を継続している。

説明の便宜上、停止している圧縮機を第１圧縮機１４ａと称し、動作している圧縮機を第２圧縮機１４ｂと称することとする。また、第１圧縮機１４ａに付随する吐出側逆止弁２９および吸入側逆止弁３０をそれぞれ、第１吐出側逆止弁２９ａおよび第１吸入側逆止弁３０ａと称する。同様に、第２圧縮機１４ｂに付随する吐出側逆止弁２９および吸入側逆止弁３０をそれぞれ、第２吐出側逆止弁２９ｂおよび第２吸入側逆止弁３０ｂと称する。

この場合、図２に示されるように、第１圧縮機１４ａにより圧縮された高圧の冷媒ガスは、第１圧縮機１４ａの吐出ポート２０から高圧ライン２６に送出される。冷媒ガスは、圧縮機高圧サブライン３１から高圧合流部２５を経て冷凍機高圧サブライン３２に分岐し、各冷凍機１８の高圧ポート２２に流入する。冷媒ガスは高圧ライン２６の順方向に流れているから、第１吐出側逆止弁２９ａを通じて流れることができる。

一方、第２圧縮機１４ｂは停止しているから、第２圧縮機１４ｂの吐出ポート２０から冷媒ガスは吐出されない。そのため、第２吐出側逆止弁２９ｂについては、その順方向上流側での冷媒ガス圧力が順方向下流側での冷媒ガス圧力を下回り、第２吐出側逆止弁２９ｂは閉鎖される。よって、第２吐出側逆止弁２９ｂは、圧縮機高圧サブライン３１を通じた第２圧縮機１４ｂへの冷媒ガスの逆流を遮断する。

このようにして、高圧ライン２６を通じて第１圧縮機１４ａから冷凍機１８へと高圧の冷媒ガスを供給することができる。また、第１圧縮機１４ａから第２圧縮機１４への高圧ライン２６を通じた逆流が防止される。

冷凍機１８から排出される低圧の冷媒ガスは、冷凍機１８の低圧ポート２３から低圧ライン２８に送出される。冷媒ガスは、冷凍機低圧サブライン３４から低圧合流部２７および圧縮機低圧サブライン３３を経て第１圧縮機１４ａの吸入ポート２１に流入する。冷媒ガスは低圧ライン２８の順方向に流れているから、第１吸入側逆止弁３０ａを通じて流れることができる。

一方、第２圧縮機１４ｂは停止しているから、第２圧縮機１４ｂの吸入ポート２１から冷媒ガスは吸入されない。そのため、第２吸入側逆止弁３０ｂについては、その順方向下流側で順方向上流側よりも圧力が高くなり、第２吸入側逆止弁３０ｂは閉鎖される。よって、第２吸入側逆止弁３０ｂは、圧縮機低圧サブライン３３を通じた第２圧縮機１４ｂへの冷媒ガスの逆流を遮断する。

このようにして、低圧ライン２８を通じて冷凍機１８から第１圧縮機１４ａへと低圧の冷媒ガスを回収することができる。また、第２圧縮機１４から第１圧縮機１４ａへの低圧ライン２８を通じた逆流が防止される。

なお、圧縮機１４においては通例、停止しているとき吐出ポート２０と吸入ポート２１は均圧化されている。すなわち、吐出ポート２０と吸入ポート２１はともに高圧と低圧の平均圧となっている（例えば高圧が２ＭＰａで低圧が０．６ＭＰａであれば平均圧は１．３ＭＰａである）。よって、第２吐出側逆止弁２９ｂと第２吸入側逆止弁３０ｂはともに、出口圧が入口圧よりも顕著に高くなり、この圧力差によって確実に閉鎖される。

図３は、実施の形態に係るクライオポンプシステム１０に関する制御ブロック図である。図３は、クライオポンプシステム１０の関連部分を示し、複数のクライオポンプ１２のうち１つについて内部の詳細を示し、他のクライオポンプ１２については同様であるので図示を省略する。同様に、複数の圧縮機１４について詳細を示し、他の圧縮機１４はそれと同様であるので内部の図示を省略する。

なお、こうしたクライオポンプシステム１０の制御構成は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図３では適宜、それらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

クライオポンプシステム１０は、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を備える。ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１２（即ち冷凍機１８）および圧縮機１４を制御する。ＣＰコントローラ１００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。また、ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１２が取り付けられる真空プロセス装置を制御するための上位のコントローラ（図示せず）とも通信可能に構成されている。

ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１２及び圧縮機１４とは別体として設置されている。ＣＰコントローラ１００は、クライオポンプ１２及び圧縮機１４と互いに通信可能に接続されている。クライオポンプ１２はそれぞれ、ＣＰコントローラ１００と通信する入出力を処理するためのＩＯモジュール５０を備える。なおＣＰコントローラ１００は、いずれかのクライオポンプ１２または圧縮機１４と一体に搭載されていてもよい。

ＣＰコントローラ１００は上述のように、各クライオポンプ１２のＩＯモジュール５０に通信可能に接続されている。ＩＯモジュール５０は、冷凍機インバータ５２及び信号処理部５４を含む。冷凍機１８は、冷凍機１８の熱力学的サイクルを駆動する駆動源としての冷凍機モータ５６を備える。冷凍機インバータ５２は外部電源例えば商用電源から供給される規定の電圧及び周波数の電力を調整し冷凍機モータ５６に供給する。冷凍機モータ５６に供給されるべき電圧及び周波数はＣＰコントローラ１００により制御される。クライオポンプ１２は、クライオパネル温度センサ５８を備える。クライオパネル温度センサ５８は、冷凍機１８の冷却ステージ及び／またはクライオパネル１６（図１参照）の温度を測定する。

ＣＰコントローラ１００はセンサ出力信号に基づいて指令制御量を決定する。信号処理部５４は、ＣＰコントローラ１００から送信された指令制御量を冷凍機インバータ５２へと中継する。例えば、信号処理部５４はＣＰコントローラ１００からの指令信号を冷凍機インバータ５２で処理可能な信号に変換して冷凍機インバータ５２に送信する。指令信号は冷凍機１８の運転周波数を表す信号を含む。また、信号処理部５４は、クライオポンプ１２の各種センサの出力をＣＰコントローラ１００へと中継する。例えば、信号処理部５４はセンサ出力信号をＣＰコントローラ１００で処理可能な信号に変換してＣＰコントローラ１００に送信する。

ＩＯモジュール５０の信号処理部５４には、クライオパネル温度センサ５８を含む各種センサが接続されている。クライオパネル温度センサ５８は、クライオパネル１６の温度を周期的に測定し、測定温度値を示す信号を出力する。クライオパネル温度センサ５８の測定温度信号は、所定時間おきにＣＰコントローラ１００へと入力され、温度測定値はＣＰコントローラ１００の所定の記憶領域に格納保持される。

冷凍機１８の運転周波数（運転速度ともいう）とは、冷凍機モータ５６の運転周波数または回転数、冷凍機インバータ５２の運転周波数、冷凍機１８の熱力学的サイクル（例えばＧＭサイクルなどの冷凍サイクル）の周波数、または、これらのいずれかを表す。熱力学的サイクルの周波数とは、冷凍機１８において行われる熱力学的サイクルの単位時間あたりの回数である。

ＣＰコントローラ１００は、目標冷却温度とクライオパネルの測定温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）冷凍機１８の運転周波数を決定するよう構成されている。ＣＰコントローラ１００は、決定された運転周波数を冷凍機インバータ５２に出力する。冷凍機インバータ５２は、入力電力を、ＣＰコントローラ１００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５２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５２は、変換された電力を冷凍機モータ５６に出力する。こうして冷凍機モータ５６は、ＣＰコントローラ１００によって決定され冷凍機インバータ５２から出力された運転周波数で駆動される。

クライオポンプ１２への熱負荷が増加したときクライオパネル１６の温度が高まりうる。クライオパネル温度センサ５８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１８の運転周波数を増加させる。その結果、冷凍機１８における熱力学的サイクルの周波数も増加され（すなわち冷凍機１８の冷凍能力は高まり）、クライオパネル１６は目標温度に向けて冷却される。逆にクライオパネル温度センサ５８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１８の運転周波数は減少され冷凍能力は低下し、クライオパネル１６は目標温度に向けて昇温される。こうして、クライオパネル１６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１８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１２の消費電力の低減に役立つ。

このように、冷凍機１８でのクライオパネル冷却に使用される冷媒ガス流量は、クライオポンプ１２への熱負荷に応じてクライオパネル１６の温度を目標温度に維持するように変化する。仮に、圧縮機１４から冷凍機１８に供給される冷媒ガス流量が不足したとすると、冷凍機１８の運転周波数が増加したとしても、冷凍機１８の冷凍能力は十分に増加されない。そこで、実施の形態に係るクライオポンプシステム１０は、圧縮機１４からの冷媒ガス吐出流量を可変とするように構成されている。そうした圧縮機制御の一例を次に説明する。

また、圧縮機１４は、圧縮機コントローラ６０と、圧縮機インバータ６２と、圧縮機モータ６４と、第１圧力センサ６６と、第２圧力センサ６８とを備える。圧縮機１４は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または冷媒ガスを昇圧するそのほかのポンプとして構成され、圧縮機モータ６４はこれを駆動する駆動源として設けられている。

冷凍機１８の場合と同様に、圧縮機コントローラ６０は、圧縮機１４の運転周波数を決定し、決定された運転周波数を圧縮機インバータ６２に出力する。圧縮機インバータ６２は、圧縮機コントローラ６０から入力された運転周波数に従って入力電力を変換し、変換された電力を圧縮機モータ６４に出力する。こうして圧縮機モータ６４は、圧縮機コントローラ６０によって決定され圧縮機インバータ６２から出力された運転周波数で駆動される。ここで、圧縮機１４の運転周波数とは例えば、圧縮機インバータ６２の運転周波数、圧縮機モータ６４の運転周波数または回転数を指す。

第１圧力センサ６６はクライオポンプシステム１０の高圧（例えば高圧ライン２６の圧力）を測定し、第２圧力センサ６８はクライオポンプシステム１０の低圧（例えば低圧ライン２８の圧力）を測定するように圧縮機１４の内部に設けられている。第１圧力センサ６６および第２圧力センサ６８はそれぞれ、冷媒ガスの圧力を周期的に測定し、測定圧力値を示す信号を圧縮機コントローラ６０に出力する。圧縮機コントローラ６０は、測定圧力信号及び／または圧縮機１４の運転周波数をＣＰコントローラ１００に送信してもよい。

圧縮機コントローラ６０は、第１圧力センサ６６及び／または第２圧力センサ６８の測定圧力に基づいて圧縮機１４の運転周波数を制御するよう構成されている。例えば、圧縮機コントローラ６０は、圧縮機１４の吐出側と吸入側との差圧と目標差圧との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）圧縮機１４の運転周波数を決定するよう構成されている。このような圧縮機１４の制御は、「差圧一定制御」と呼ばれることがある。なお必要に応じて、差圧の目標値は差圧一定制御の実行中に変更されてもよい。差圧一定制御において、圧縮機コントローラ６０は、第１圧力センサ６６の測定圧力と第２圧力センサ６８の測定圧力との差圧を求める。圧縮機コントローラ６０は、その測定差圧を差圧目標値に一致させるように圧縮機１４の運転周波数を決定する。圧縮機コントローラ６０は、測定差圧が差圧目標値より大きければ運転周波数を低下させ、測定差圧が差圧目標値より小さければ運転周波数を増加させる。

冷凍機１８でのクライオパネル冷却に使用される冷媒ガス流量は、冷凍機１８の運転周波数に比例し、例えば、冷凍機１８の内部容積と冷凍機１８の運転周波数との積から求まる。冷凍機１８の運転周波数が増加するほど、圧縮機１４から冷凍機１８に供給すべき冷媒ガス流量は増える。このとき圧縮機１４の運転周波数が低く、圧縮機１４からの冷媒ガス供給が不十分だったとすると、圧縮機１４の吐出側の圧力は低下する。冷凍機１８の運転周波数が増加するとき冷凍機１８から圧縮機１４に回収すべき冷媒ガス流量も増える。このとき圧縮機１４の運転周波数が低ければ、冷凍機１８から排気される冷媒ガスを圧縮機１４は十分に回収しないから、圧縮機１４の吸入側の圧力は高まる。こうして、冷凍機１８の運転周波数の増加は、圧縮機１４の吐出側と吸入側との差圧を小さくする傾向をもたらす。逆に、冷凍機１８の運転周波数の減少は、圧縮機１４の吐出側と吸入側との差圧を大きくする傾向をもたらす。

圧縮機１４の差圧一定制御によれば、クライオポンプ１２への負荷が増し冷凍機１８の運転周波数が増加するときには、圧縮機１４の吐出側と吸入側との差圧低下を抑制するように圧縮機１４の運転周波数が増加され、圧縮機１４から冷凍機１８への冷媒ガス供給も増加される。一方、クライオポンプ１２への負荷が低下し冷凍機１８の運転周波数が減少するときには、圧縮機１４の運転周波数が減少されて圧縮機１４から冷凍機１８への冷媒ガス供給も抑制される。クライオポンプシステム１０への負荷に応じて圧縮機１４の運転周波数を適切に調整することができるので、差圧一定制御はクライオポンプシステム１０の消費電力の低減に役立つ。

ところで、典型的なクライオポンプシステムは、圧縮機を１台のみ有するように構成されることができる。これに対して、実施の形態に係るクライオポンプシステム１０は、圧縮機１４が１台のみではなく、もう１台の圧縮機１４が追加されている。クライオポンプシステム１０は、圧縮機１４に関して冗長性を有する。これら２台の圧縮機１４は、クライオポンプ１２への冷媒ガス供給源としてクライオポンプシステム１０の動作中に同時に運転される。

２台の圧縮機１４の冷媒ガス供給能力の合計が、クライオポンプ１２の個々の冷凍機１８によるクライオパネル冷却に必要な冷媒ガス流量の合計を下回らないように定められている。ここで、圧縮機１４の冷媒ガス供給能力は、例えば、圧縮機１４が最大の運転周波数で運転されるときに実現される圧縮機１４の最大吐出流量を指す。冷凍機１８に必要な冷媒ガス流量は、例えば、冷凍機１８が最大の運転周波数で運転されるときに冷凍機１８に使用される冷媒ガス流量を指す。よって、２台の圧縮機１４の冷媒ガス供給能力をＱｃ_１，Ｑｃ_２と表し、２台の冷凍機１８の必要冷媒ガス流量をｑｒ_１，ｑｒ_２と表すとき、次の関係が成り立つ。
Ｑｃ_１＋Ｑｃ_２≧ｑｒ_１＋ｑｒ_２
圧縮機１４の冷媒ガス供給能力がこのように定められることにより、２台の圧縮機１４の同時運転によって２台の冷凍機１８に冷媒ガスを十分に供給することができる。冷凍機１８における冷媒ガスの不足を回避することができるので、クライオパネル１６を目標温度に維持し、クライオポンプシステム１０の運転を継続することができる。

加えて、実施の形態に係るクライオポンプシステム１０においては、２台の圧縮機１４のうちどの圧縮機１４についても、当該圧縮機１４の冷媒ガス供給能力が、各クライオポンプ１２の冷凍機１８によるクライオパネル冷却に必要な冷媒ガス流量の合計を下回らないように定められている。すなわち、クライオポンプシステム１０は、次の関係も満たす。
Ｑｃ_１≧ｑｒ_１＋ｑｒ_２ かつ Ｑｃ_２≧ｑｒ_１＋ｑｒ_２

図２を参照して説明したように、何らかの原因により片方の圧縮機１４が停止する状況が想定される。しかし、クライオポンプシステム１０は、停止していない他方の圧縮機１４によって２台の冷凍機１８に冷媒ガスを十分に供給することができる。このようにして、たとえ１台の圧縮機１４が運転しない状況にあっても、クライオポンプシステム１０は、各クライオポンプ１２のクライオパネル１６を目標温度に維持し、クライオポンプシステム１０の運転を継続することができる。

実施の形態に係るクライオポンプシステム１０の構成は、次のように一般化することができる。クライオポンプシステム１０は、Ｍ台のクライオポンプ１２と、各クライオポンプ１２の冷凍機１８に冷媒ガスを供給するように並列接続され同時に運転されるＮ＋１台の圧縮機１４と、を備える。ただし、Ｍ、Ｎはそれぞれ正の整数である。一例として、正の整数Ｍは、例えば、１またはそれより大きく、２またはそれより大きく、３またはそれより大きく、５またはそれより大きく、または、１０またはそれより大きくてもよい。正の整数Ｍは、例えば、２０またはそれより小さく、１０またはそれより小さく、５またはそれより小さく、または、３またはそれより小さくてもよい。正の整数Ｎは、例えば、１またはそれより大きく、２またはそれより大きく、３またはそれより大きく、５またはそれより大きく、または、１０またはそれより大きくてもよい。正の整数Ｎは、例えば、２０またはそれより小さく、１０またはそれより小さく、５またはそれより小さく、または、３またはそれより小さくてもよい。

Ｎ＋１台の圧縮機１４のうちどのＮ台の圧縮機１４についても、当該Ｎ台の圧縮機１４の冷媒ガス供給能力の合計が、各クライオポンプ１２の冷凍機１８によるクライオパネル冷却に必要な冷媒ガス流量の合計を下回らないように定められている。よって、Ｎ＋１台の圧縮機１４の冷媒ガス供給能力をＱｃ_１，Ｑｃ_２，・・・，Ｑｃ_Ｎ，Ｑｃ_Ｎ＋１と表し、Ｍ台の冷凍機１８の必要冷媒ガス流量をｑｒ_１，ｑｒ_２，・・・，ｑｒ_Ｍと表すとき、クライオポンプシステム１０は、次の関係のすべてを満たす。
ΣＱｃ−Ｑｃ_１≧Σｑｒ
ΣＱｃ−Ｑｃ_２≧Σｑｒ
・・・・
ΣＱｃ−Ｑｃ_Ｎ≧Σｑｒ
ΣＱｃ−Ｑｃ_Ｎ＋１≧Σｑｒ
ここで、ΣＱｃ＝Ｑｃ_１＋Ｑｃ_２＋・・・＋Ｑｃ_Ｎ＋Ｑｃ_Ｎ＋１（すなわち、Ｎ＋１台の圧縮機１４の冷媒ガス供給能力の合計）、Σｑｒ＝ｑｒ_１＋ｑｒ_２＋・・・＋ｑｒ_Ｍ（すなわち、Ｍ台の冷凍機１８の必要冷媒ガス流量の合計）を表す。よって、上記の各式の左辺は、Ｎ＋１台の圧縮機１４のうち任意のＮ台の圧縮機１４の冷媒ガス供給能力の合計を表す。

このようにすれば、たとえ何らかの原因によりいずれかの圧縮機１４が停止したとしても、クライオポンプシステム１０は、停止していない残りの圧縮機１４によってＭ台のクライオポンプ１２の冷凍機１８に冷媒ガスを十分に供給することができる。クライオポンプシステム１０は、いずれかの圧縮機１４が停止している間も、各クライオポンプ１２のクライオパネル１６を目標温度に維持し、クライオポンプシステム１０の運転を継続することができる。

また、Ｎ＋１台の圧縮機１４のすべてが運転している正常な状況では、クライオポンプシステム１０が１台の余剰の圧縮機１４を含むことになる。そのため、Ｎ＋１台の圧縮機１４の各々が供給すべき冷媒ガス流量は、クライオポンプシステム１０がＮ台の圧縮機１４のみを含む場合に比べて少なくてすむ。よって、実施の形態に係るクライオポンプシステム１０によれば、各圧縮機１４を比較的低い負荷（すなわち運転周波数）で運転することができ、これは圧縮機１４の寿命を延ばすことに役立つ。

また、クライオポンプシステム１０は、Ｎ＋１台の圧縮機１４を制御する制御部（例えば、圧縮機コントローラ６０、またはＣＰコントローラ１００）を備える。制御部は、同時に運転される圧縮機１４の数がＮ＋１台からＮ台に減少するとき、同時に運転されるＮ台の圧縮機１４それぞれの冷媒ガス供給を増加するように各圧縮機１４を制御するように構成されている。

このような圧縮機制御に好適な一例は、上述の差圧一定制御である。複数台の圧縮機１４のうちいずれかの圧縮機１４が停止した状況を考えると、停止した一台の圧縮機１４の分だけ合計の冷媒ガス供給流量が低下するから、高圧ライン２６の圧力は低下し低圧ライン２８の圧力は高まりうる。つまり、いずれかの圧縮機１４が停止すると、残りの圧縮機１４の各々の吐出側と吸入側との差圧が低下する傾向となる。差圧一定制御によれば、こうした差圧の低下が目標差圧へと回復するように各圧縮機１４の運転周波数が増加される。このようにして、クライオポンプシステム１０は、同時に運転される圧縮機１４の数がＮ＋１台からＮ台に減少するとき、同時に運転されるＮ台の圧縮機１４それぞれの冷媒ガス供給を増加するように各圧縮機１４を制御することができる。

さらに、クライオポンプシステム１０の配管システム２４は、圧縮機１４ごとに吐出側逆止弁２９と吸入側逆止弁３０とを備える。このようにすれば、複数台の圧縮機１４のうちいずれかの圧縮機１４が停止したとしても、運転している残りの圧縮機１４から停止中の圧縮機１４への冷媒ガスの逆流を防止することができる。吐出側逆止弁２９と吸入側逆止弁３０は差圧によって機械的に閉鎖されるので、電気的な制御を要することなくクライオポンプシステム１０のから停止した圧縮機１４を自然に切り離すことができる。

とくに、吐出側逆止弁２９と吸入側逆止弁３０は出入口間の差圧で動作する汎用の逆止弁を採用でき、こうした逆止弁は比較的単純な構成を有し安価である。切り離しのための電気的な制御弁を配管システム２４に設けるのに比べて、配管システム２４を簡素に構成することができ、これはクライオポンプシステム１０の製造コストの低減に役立ちうる。なお、必要に応じて、配管システム２４は、吐出側逆止弁２９及び／または吸入側逆止弁３０に代えて、停止した圧縮機１４への冷媒ガス逆流を遮断するように構成された制御弁を備えてもよい。

また、配管システム２４は、吐出側逆止弁２９の両側に設けられた一組の脱着可能な継手３５を備える。配管システム２４は、吸入側逆止弁３０の両側に設けられたもう一組の脱着可能な継手３５を備える。このようにすれば、作業者は、停止した圧縮機１４をクライオポンプシステム１０から取り外してメンテナンスを施すことができる。あるいは、作業者は、圧縮機１４をクライオポンプシステム１０から取り外して、新品のまたはメンテナンス済みの他の圧縮機と交換することができる。このようなメンテナンス作業をクライオポンプシステム１０の運転を継続しながら行うことができるので、便利である。

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。また、ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態においては、冷凍機１８に必要な冷媒ガス流量は、例えば、冷凍機１８が最大の運転周波数で運転されるときに冷凍機１８に使用される冷媒ガス流量を指すと説明している。現実には、冷凍機１８の最大運転周波数が要求される場面は、クライオポンプシステム１０の起動時（このとき冷凍機１８は室温から極低温に高速に冷却することが望まれる）等など限定的であり、稀である。そのようにしてクライオポンプシステム１０が起動されて安定的に稼動している状態では、冷凍機１８に必要な冷媒ガス流量はそれほど多い必要はない。そこで、冷凍機１８に必要な冷媒ガス流量は、冷凍機１８がある運転周波数しきい値で運転されるときに冷凍機１８に使用される冷媒ガス流量を指してもよい。この運転周波数しきい値は、最大の運転周波数より小さい。このようにすれば、圧縮機１４の冷媒ガス供給能力をより低く設計することが可能となるので、個々の圧縮機１４の小型化やクライオポンプシステム１０の製造コストの低減につながりうる。

クライオポンプシステム１０は、少なくとも一台のクライオポンプ１２と、同時に運転されるＮ＋１台より多くの圧縮機１４（例えばＮ＋２台またはＮ＋３台の圧縮機１４）を備えてもよい。Ｎ＋１台より多くの圧縮機１４のうちどのＮ台の圧縮機１４についても、当該Ｎ台の圧縮機１４の冷媒ガス供給能力の合計が、少なくとも一台のクライオポンプ１２の個々の冷凍機１８によるクライオパネル冷却に必要な冷媒ガス流量の合計を下回らないように定められていてもよい。このようにすれば、クライオポンプシステム１０は、圧縮機１４に関してさらに冗長化されており、例えば２台または３台の圧縮機１４が停止したとしてもクライオポンプシステム１０の運転を継続することができる。

あるいは、Ｎ＋１台を超える余剰の圧縮機１４は、常態としては他の圧縮機１４と同時に運転されない予備の圧縮機としてクライオポンプシステム１０に設けられていてもよい。

１０ クライオポンプシステム、 １２ クライオポンプ、 １４ 圧縮機、 １６ クライオパネル、 １８ 冷凍機、 ２４ 配管システム、 ２９ 吐出側逆止弁、 ３０ 吸入側逆止弁、 ３５ 脱着可能な継手。

Claims (4)

1. 各クライオポンプが、クライオパネルと、冷媒ガスの断熱膨張を用いて前記クライオパネルを冷却する冷凍機と、を備える少なくとも一台のクライオポンプと、
   各冷凍機に冷媒ガスを供給するように並列接続され同時に運転されるＮ＋１台の圧縮機（ただし、Ｎは正の整数）と、を備え、
   前記Ｎ＋１台の圧縮機のうちどのＮ台の圧縮機についても、当該Ｎ台の圧縮機の冷媒ガス供給能力の合計が、前記少なくとも一台のクライオポンプの個々の冷凍機によるクライオパネル冷却に必要な冷媒ガス流量の合計を下回らないように定められていることを特徴とするクライオポンプシステム。
2. 前記Ｎ＋１台の圧縮機を制御する制御部であって、同時に運転される圧縮機の数がＮ＋１台からＮ台に減少するとき、同時に運転されるＮ台の圧縮機それぞれの冷媒ガス供給を増加するように各圧縮機を制御する制御部をさらに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. 各クライオポンプの冷凍機と前記Ｎ＋１台の圧縮機とを接続する配管システムであって、圧縮機ごとに吐出側逆止弁と吸入側逆止弁とを備える配管システムをさらに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. 前記配管システムは、前記吐出側逆止弁の両側に設けられた一組の脱着可能な継手と、前記吸入側逆止弁の両側に設けられたもう一組の脱着可能な継手と、を備え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。

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