JP2722731B2 - 極低温冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、極低温冷凍機に関し、半導体製造装置や光
学レンズ等蒸着装置に使用されるクライオポンプ等に利
用される。

（従来の技術） 従来より極低温冷凍機の起動時間（冷却降下時間）の
短縮，出力の増大を目指し、膨張部の駆動モータの回転
数を制御させる技術が種々提案されており、例えば特開
昭60−171359号公報に示されるものがある。

この極低温冷凍機においては、膨張部と圧縮部の低圧
側及び高圧側を交互に連通切換する切換弁と膨張部のピ
ストンを駆動する駆動モータを圧縮部の高圧側の圧力に
応じてインバータにより回転数制御させることによつ
て、膨張部への単位時間当たりのガス吸入量を増減制御
し、初期予冷時における圧縮部の高圧の異常上昇を、初
期予冷時間の短縮化及び圧縮部の電力損失の低減化を図
りつつ防止している。

（発明が解決しようとする課題） 一般に駆動モータへの駆動電源として50Hzまたは60Hz
の交流電源が使用され、その周波数に同期した回転数で
回転されるが、より高い回転数（高い周波数）で回転さ
せると、冷却時間が短縮されることが知られている。一
方、駆動モータの回転数を上昇させると駆動モータのコ
イルの影響で駆動電流が減少し駆動トルクが減少するこ
とは周知のとおりであるが、膨張部が到達温度近傍の極
低温に達すると、膨張部に供給される作動ガスの質量流
量が増加し、駆動モータの負荷が増大、回転不良，所謂
脱調現象が生じる。脱調現象とは、駆動トルクが低下し
て負荷以下になると、ステータが十分回りきらないうち
に励磁相が切り替わり、逆方向に引き戻され、もはや回
転できなくなる状態を言う。

ところが、上記した従来の極低温冷凍機においては、
駆動モータの動きを検出していないため、上記したよう
に高速回転時に駆動モータのトルクが低下することによ
る回転不良（脱調現象）が発生した場合に、それを回避
する手段がなく、逆に原理的に回転数を上げようとし、
ひいては駆動モータの破壊を招くという問題がある。

そこで本発明は、当該極低温冷凍機において、上記し
た脱調現象を検出して、それを回避し駆動モータの駆動
を安定化を図りつつ、起動時間（冷却降下時間）の短縮
を図ることを、その技術的課題とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記した技術的課題を解決するために講じた手段は、
当該極低温冷凍機において、低圧の作動ガスを吸込んで
高圧の作動ガスを吐出する圧縮部と、駆動モータにより
駆動されて前記圧縮部より吐出される高圧ガスを断熱膨
張させて極低温を発生する膨張部とを閉回路に接続して
なる極低温冷凍機において、前記駆動モータへの駆動電
流を検出する電流検出手段と、前記膨張部を回転数制御
するインバータと、前記電流検出手段が検出した駆動電
流の異常変動を検出し、該駆動電流の異常変動に応じて
前記インバータへ前記駆動モータの回転数を異常変動検
出時の前記駆動モータの回転数よりも所定量低下させる
補正信号を出力する回転数補正手段とを設けたことであ
る。

上記極低温冷凍機の前記インバータは、前記補正信号
に応じてその設定周波数を瞬時に基準周波数まで低下し
た後、前記駆動モータの回転数を異常変動検出時の前記
駆動モータの回転数よりも所定量低い回転数にするよう
に回転数制御するのが望ましい。

また更に、上記極低温冷凍機の前記回転数補正手段
は、前記駆動電流の異常変動を繰り返し検出した場合に
は、繰り返し前記補正信号を前記インバータへ出力する
ことが望ましい。

（作用及び発明の効果） 本発明によれば、駆動モータの回転数増加時に発生す
る脱調現象を、駆動モータに流れる電流を電流検出手段
により検出し、該電流の異常変動を駆動電流補正手段で
検出することにより検知することができる。そしてこの
脱調現象は、駆動電流補正手段がインバータへ駆動モー
タの回転数を異常変動検出時の駆動モータの回転数より
も所定量低下させる補正信号を出力することにより、駆
動モータが可能な限り高い回転数を保持されつつ回避さ
れるため、駆動モータの駆動を安定化を図りつつ、起動
時間（冷却降下時間）の短縮を図ることができる。

また本発明によれば、脱調現象を発生する膨張部側に
センサ等を必要としないため、安価に且つコンパクトに
構成できる。

（実施例） 以下、本発明に従つた極低温冷凍機の一実施例を図面
に基づき説明する。

第１図は、本発明を採用したギフオード・マクマフオ
ンサイクル型極低温冷凍機10を示し、該極低温冷凍機10
は段付状の膨張シリンダ11を備え、該膨張シリンダ11内
には段付状の膨張ピストン12が電動モータ13によりクラ
ンク機構14を介して往復運動可能に嵌挿されている。膨
張シリンダ11の大径端部及び小径端部と膨張ピストン12
の大径部の一端及び小径部の一端との間には、夫々第１
膨張空間15,第２膨張空間16が形成されており、各膨張
空間は蓄冷器17を介して連通されている。また、段付ピ
ストン12の大径部の他端下面には第１膨張空間15と蓄冷
器18を介して連通されると共に、図示しない導入弁，導
入口19,図示しない排出弁及び排出口20を介して圧縮機2
1の吸入口及び吐出口に連通可能な図示しない圧縮空間
が形成されている。尚、図示しない導入弁及び排出弁
は、膨張ピストン12の往復動中に所定のタイミングで開
閉されるものである。

膨張シリンダ12の大径端部には極低温（30K〜70K）を
発生する第１段コールドヘツド22が形成されており、ま
た膨張シリンダ12の小径端部には第１段コールドヘツド
22よりも低い極低温（10K〜20K）を発生する第２段コー
ルドヘツド23が配置されている。

圧縮機21には電源線28を介して適宜交流電源が接続さ
れており、圧縮機21と電動モータ13間の電源線24にはそ
こを流れる電流の大きさを検出する電流センサ26が設け
られている。電流センサ26が検出した電流は脱調検出回
路27に送られ、電流値に基づき、電流の異常変動を検出
して脱調が生じているか否かを判定し、判定結果（回転
数降下信号）をインバータ25に出力されるようになつて
いる。尚、インバータ25の出力は、圧縮機21内の図示し
ない駆動回路を介して電源線24を介して電動モータ13に
供給される。

上記構成からなる本実施例において、図示しない膨張
ピストン12が下降する時、所定のタイミングにより図示
しない導入弁は閉じられ且つ排出弁が開かれることによ
り、作動ガスは圧縮機21に吸引され、この時第１膨張空
間15及び第２膨張空間16の容積が増加し、両膨張空間が
断熱膨張して各コールドヘツド22,23に極低温が発生す
る。

膨張ピストン12が上昇する時には、所定のタイミング
により図示しない導入弁が開き且つ図示しない排出弁が
閉じられることにより、作動ガスが各膨張空間15,16及
び図示しない圧縮空間に供給される。このとき、作動ガ
スは第１膨張空間15に入る前に蓄冷器18にてそこに蓄え
られている冷気と熱交換し、更に第２膨張空間16に入る
前に蓄冷器17にてそこに蓄えられている冷気と熱交換す
る。

上記した定常運転作動時、電動モータは50Hz〜60Hzの
周波数で使用され、その周波数に同期した回転数で回転
されるが、周波数を高くしてより高い回転数で回転させ
ると冷却時間が短縮されることが知られている。一方、
電動モータ13の回転数を上げると電動モータ13のコイル
の影響で駆動電流が減少し、駆動トルクが減少すること
は周知のとおりであるが、膨張空間が到達温度近傍の極
低温に達すると、作動ガスの質量流量が増加して、電動
モータ13の負荷が増大し、回転不良（脱調現象）が生
じ、コールドヘツドが基準到達温度（極低温）に達しな
い。そのため、上記脱調現象が生じない可能な限り高い
周波数で電動モータ13の回転を安定して持続させてやれ
ば、当該極低温冷凍機の冷却時間の短縮化を図りつつ、
基準到達温度に達することができる。

しかして本実施例によれば、第２図にＡ線でインバー
タ25の設定周波数と電動モータ13の駆動時間（極低温冷
凍機10の運転時間）との関係を示すように起動時より高
い周波数で電動モータ13が回転され、脱調現象が発生す
ると、該脱調現象は、電動モータ13に流れる電流が電流
センサ26により検出され、該電流の異常変動（例えば、
電流振幅の異常増大、または電流平均値の異常上昇）の
脱調検出回路27で検出することにより検知される。脱調
検出回路27により脱調現象が検知されると、脱調検出回
路27がインバータ25へ電動モータ13の回転数を異常変動
検出時の電動モータ13の回転数よりも所定量低下させる
補正信号を出力する。補正信号が出力されると、該補正
信号に応答して瞬時にインバータ25が、その設定周波数
を基準周波数に低下して脱調現象を回避させた後、脱調
検出回路27が電動モータ13の回転数を異常変動検出時の
電動モータ13の回転数よりも所定量低い回転数になるよ
うにインバータ25に信号を出力し、該インバータ25がそ
の設定周波数を増大する。これにより、電動モータ13が
可能な限り高い回転数を保持しつつ脱調現象を回避する
ことができるため、電動モータ13の駆動を安定化を図り
つつ、起動時間（冷却降下時間）の短縮を図ることがで
きる。尚、コールドヘツド冷却中に脱調は発生するが、
検出時の１パルスのみであるため、電動モータ13等に損
傷を与えることなく、円滑に当該極低温冷凍機を運転す
ることができる。

また、電動モータ13の回転数を所定量低下させた後、
繰り返して脱調現象が発生するような場合には、脱調検
出回路27が繰り返して脱調現象を検知して、上記補正信
号をその度にインバータ25へ出力し、第２図のＡ線に示
されるように電動モータ13が安定して回転されるまで上
記した動作が繰り返される。

従つて、本実施例によれば、第２図にB,C線に夫々電
動モータを基準周波数の交流電流により回転させた場合
のコールドヘツドの温度と電動モータ13の駆動時間（極
低温冷凍機10の運転時間）との関係及び本実施例のコー
ルドヘツドの温度と電動モータ13の駆動時間（極低温冷
凍機10の運転時間）との関係を示すように、脱調現象を
検出して、それを回避し電動モータの駆動を安定化しつ
つ、冷却降下時間を短縮することができる。更に本実施
例によれば、ある温度まで冷却された極低温冷凍機を一
旦停止させた後、再起動した場合，或いは長時間使用に
よる駆動機能の劣化に伴い摩擦仕事が増大した場合等に
も、脱調検出回路27により適宜インバータ25の設定周波
数が選択されるため、最も速やかな冷却降下時間で基準
到達温度に達することができる。

尚、上述したように電動モータ13の回転数を高回転数
に固定，例えばインバータ25の設定周波数を120Hzにし
て極低温冷凍機を運転した場合には、第３図に示すよう
に起動後の冷却降下は速やかに行われるものの、脱調が
発生してから（Ｄ点以降）はコールドヘツドの温度は更
には低下せず、基準到達温度に到達しない。それが、本
実施例によれば上述した動作により短い冷却降下時間に
て確実に基準到達温度に達する。

以上本発明に従つた極低温冷凍機の一実施例を説明し
たが、本発明は一実施例に限定されるものでなく、特許
請求の範囲に記載の範囲において適宜変更は可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つた極低温冷凍機の構成図、第２図
は第１図に示す実施例におけるインバータの設定周波数
と駆動モータの駆動時間（極低温冷凍機の運転時間）と
の関係及びコールドヘツドの温度と駆動モータの駆動時
間（極低温冷凍機の運転時間）との関係、及び駆動モー
タを基準周波数の交流電流により回転させた場合のコー
ルドヘツドの温度と駆動モータの駆動時間（極低温冷凍
機の運転時間）との関係を夫々しめす特性図、第３図は
第１図に示す実施例におけるコールドヘツドの温度と駆
動モータの駆動時間（極低温冷凍機の運転時間）との関
係及びインバータの設定周波数を高周波数に固定した場
合のコールドヘツドの温度と駆動モータの駆動時間（極
低温冷凍機の運転時間）との関係を示す特性図である。 10……極低温冷凍機、11……膨張シリンダ（膨張部）、
12……膨張ピストン（膨張部）、13……電動モータ（駆
動モータ）、21……圧縮機（圧縮部）、24……電源線、
25……インバータ、26……電流センサ（電流検出手
段）、27……脱調検出回路（回転数補正手段）、28……
交流電源線。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低圧の作動ガスを吸込んで高圧の作動ガス
   を吐出する圧縮部と、駆動モータにより駆動されて前記
   圧縮部より吐出される高圧ガスを断熱膨張させて極低温
   を発生する膨張部とを閉回路に接続してなる極低温冷凍
   機において、前記駆動モータへの駆動電流を検出する電
   流検出手段と、前記膨張部を回転数制御するインバータ
   と、前記電流検出手段が検出した駆動電流の異常変動を
   検出し、該駆動電流の異常変動に応じて前記インバータ
   へ前記駆動モータの回転数を異常変動検出時の前記駆動
   モータの回転数よりも所定量低下させる補正信号を出力
   する回転数補正手段とを備えていることを特徴とする極
   低温冷凍機。
2. 【請求項２】前記インバータは、前記補正信号に応じて
   その設定周波数を瞬時に基準周波数まで低下した後、前
   記駆動モータの回転数を異常変動検出時の前記駆動モー
   タの回転数よりも所定量低い回転数にするように回転数
   制御することを特徴とする請求項（１）に記載の極低温
   冷凍機。
3. 【請求項３】前記回転数補正手段は、前記駆動電流の異
   常変動を繰り返し検出した場合には、繰り返し前記補正
   信号を前記インバータへ出力することを特徴とする請求
   項（２）に記載の極低温冷凍機。