JP5868224B2 - クライオポンプシステム、クライオポンプシステムの運転方法、及び圧縮機ユニット - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプシステム並びにその運転方法、及び、クライオポンプシステムへの使用に適する圧縮機ユニットに関する。

極低温冷凍装置と、その冷凍装置に圧縮ガスを供給するためのコンプレッサと、を備える冷凍システムが知られている。冷凍性能の低下が許される時にはコンプレッサのガス回路の静チャージ圧が緩衝ボリュームへのガス流入により減少される。高パワーの冷凍が再び要求されると緩衝ボリュームからのガス放出により静チャージ圧が回復される。静チャージ圧のみが変化され、コンプレッサは一定速度で動作している。こうして、冷凍性能の低下が許される時の電力消費が低減されている。

特開２００９−１５０６４５号公報

クライオポンプはかなり広い温度範囲で動作する。真空排気のために極低温に冷却される一方で、再生においては室温またはそれよりいくらか高温まで加熱される。クライオポンプの運転温度に応じて作動ガス温度が変わる。クライオポンプとその圧縮機とは普通閉じた作動ガス回路で接続されており、そこに収容されている作動ガス量は一定である。よって作動ガス温度が低くなると圧縮機の運転圧力も低下する。運転圧力は消費電力に関連する。クライオポンプシステムにおいては近時、高い省エネルギ性能を提供することは最も重要な要求の１つである。

作動ガス温度が高くなると圧縮機の運転圧力も高くなる。圧縮機にはたいてい、仕様上の動作範囲からの逸脱を警告するための設定が予め備えられている。例えば、作動ガスの過度の高圧を警告するための高圧設定値が電気的にまたは機械的に定められている。したがって、作動ガス温度が高いとき、運転圧力がその高圧設定値に達する可能性が高まる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、適正な作動ガス圧力で運転されるクライオポンプシステム、及びそうしたシステムに適する運転方法及び圧縮機ユニットを提供することにある。

本発明のある態様のクライオポンプシステムは、室温から極低温へのクールダウンを含む準備運転と、極低温の真空排気運転と、を実行するためのクライオポンプと、前記クライオポンプのための作動ガスの圧縮機と、前記クライオポンプと前記圧縮機とを接続するガスラインと、前記真空排気運転における前記ガスラインの作動ガス量を、前記準備運転に比べて増加させるよう構成されているガスボリューム調整部と、前記ガスラインに圧力制御を提供するよう前記圧縮機を制御するための制御装置と、を備える。

この態様によると、準備運転において作動ガスが冷却され、ガスラインを循環する作動ガスの圧力、すなわち圧縮機の運転圧力が低下する。作動ガス量を増加させることによって、真空排気運転のために運転圧力を適正に回復させることができる。

圧縮機が一定速度で動作するとき、低い運転圧力は消費電力を小さくする。しかし、消費電力を決める要因はそれだけではない。例えば、圧縮機における圧縮比もまた消費電力に関連しており、小さい圧縮比が消費電力を小さくする。ある圧力目標のもとで圧縮機が制御されるとき、運転圧力が高いほうが圧縮比は小さくなる。こうした圧力制御のもとでは、圧縮機を一定に動作させる場合とは逆に、高い運転圧力が消費電力を小さくする効果をもつ。したがって、作動ガス量の増加により運転圧力を回復させることで、圧縮機の消費電力を低減することができる。

前記準備運転は、前記クライオポンプの再生を含んでもよい。前記ガスボリューム調整部は、前記準備運転における前記ガスラインの作動ガス量を、前記真空排気運転に比べて減少させるよう構成されていてもよい。

この態様によると、クライオポンプの再生により作動ガスが昇温され、圧縮機の運転圧力も上昇する。作動ガス量を減少させることによって、運転圧力の過度の上昇を抑制し、適正な水準に戻すことができる。

前記ガスボリューム調整部は、前記ガスラインから排出される作動ガスを回収し、前記ガスラインに作動ガスを補給するよう構成されていてもよい。

この態様によると、回収された作動ガスが補給に用いられるので、ガスボリューム調整部は、作動ガスのガスラインへの出し入れを反復的に実行することができる。

前記制御装置は、前記圧縮機の高圧と低圧との差圧を目標値に一致させるように前記圧縮機の回転数を制御してもよい。

こうした差圧制御は、一定の冷凍能力をシステムに提供するための有効な手法の１つである。差圧制御のもとでは運転圧力が高いほど圧縮比が小さくなる。よって、システムの冷凍能力を維持しつつ、消費電力を低減することができる。

前記ガスボリューム調整部は、設定された上限以下に前記圧縮機の高圧が留まるように前記作動ガス量を調整してもよい。

この態様によると、圧縮機の高圧が設定された上限を超えないように圧縮機の運転圧力を適正な水準に保つことができる。過度の高圧を回避することができるので、システムの運転継続性に寄与する。

本発明の別の態様は、クライオポンプと、該クライオポンプのための圧縮機と、を備えるクライオポンプシステムの運転方法である。この方法は、前記クライオポンプの真空排気運転を開始するために、前記クライオポンプと前記圧縮機とを循環する作動ガス量を増加させることと、前記クライオポンプと前記圧縮機とを循環する作動ガスの圧力制御のために前記圧縮機を制御することと、を備える。

本発明の別の態様は、極低温装置のための作動ガスの圧縮機ユニットである。この圧縮機ユニットは、圧縮機と、前記極低温装置と前記圧縮機とを循環する作動ガス量の調整のために設けられているガスボリューム調整部と、作動ガスの圧力制御を提供するよう前記圧縮機を制御する制御部と、を備える。前記ガスボリューム調整部は、前記極低温装置の通常運転のための前記作動ガス量を、室温から極低温への冷却を含む前記極低温装置の準備運転のための初期ガス量から、該初期ガス量よりも増加された通常ガス量に調整する。

本発明の別の態様のクライオポンプシステムは、クライオポンプと、圧縮機と、前記クライオポンプと前記圧縮機とを接続するガスラインと、前記クライオポンプの再生における前記ガスラインの作動ガス量を、前記クライオポンプの真空排気運転中に比べて減少させるよう構成されているガスボリューム調整部と、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、方法、装置、システム、プログラ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、適正な作動ガス圧力で運転されるクライオポンプシステム、及びそうしたシステムに適する運転方法及び圧縮機ユニットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステムのための制御装置の構成の概略を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に関連して、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。 本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステムの運転方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るガスボリューム調整処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る圧縮機ユニットの運転圧力の変化の概略を示す図である。 本発明の他の一実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の他の一実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の他の一実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステム１００の全体構成を模式的に示す図である。クライオポンプシステム１００は、真空チャンバ１０２の真空排気をするために使用される。真空チャンバ１０２は、真空処理装置（例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の半導体製造工程で用いられる装置）に真空環境を提供するために設けられている。

クライオポンプシステム１００は、１台又は複数台のクライオポンプ１０を備える。クライオポンプ１０は、真空チャンバ１０２に取り付けられて、その内部の真空度を所望のレベルにまで高めるために使用される。

クライオポンプ１０は、冷凍機１２を備える。冷凍機１２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１２は、第１ステージ１４及び第２ステージ１６を備える二段式の冷凍機である。

冷凍機１２は、１段膨張室を内部に画定する第１シリンダ１８と、１段膨張室に連通する２段膨張室を内部に画定する第２シリンダ２０と、を備える。第１シリンダ１８と第２シリンダ２０とは直列に接続されている。第１シリンダ１８はモータハウジング２１と第１ステージ１４とを接続し、第２シリンダ２０は第１ステージ１４と第２ステージ１６とを接続する。第１シリンダ１８及び第２シリンダ２０にはそれぞれ、互いに連結される第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が内蔵されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの内部には蓄冷材が組み込まれている。

冷凍機１２のモータハウジング２１には、冷凍機モータ２２と、ガス流路切替機構２３とが収容されている。冷凍機モータ２２は、第１及び第２ディスプレーサ、及びガス流路切替機構２３のための駆動源である。冷凍機モータ２２は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサのそれぞれが第１シリンダ１８及び第２シリンダ２０の内部を往復動可能とするように第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサに接続されている。

ガス流路切替機構２３は、１段膨張室及び２段膨張室での作動ガスの膨張を周期的に繰り返すために作動ガスの流路を周期的に切り替えるよう構成されている。冷凍機モータ２２は、ガス流路切替機構２３の可動バルブ（図示せず）を正逆運転可能とするように当該バルブに接続されている。可動バルブは例えばロータリーバルブである。

モータハウジング２１には、高圧ガス入口２４及び低圧ガス出口２６が設けられている。高圧ガス入口２４はガス流路切替機構２３の高圧流路の末端に形成され、低圧ガス出口２６はガス流路切替機構２３の低圧流路の末端に形成されている。

冷凍機１２は、高圧の作動ガス（例えばヘリウム）を内部で膨張させて第１ステージ１４及び第２ステージ１６に寒冷を発生させる。高圧作動ガスは圧縮機ユニット５０から高圧ガス入口２４を通じて冷凍機１２に供給される。このとき、冷凍機モータ２２は、高圧ガス入口２４を膨張室につなぐようガス流路切替機構２３を切り替える。冷凍機１２の膨張室が高圧作動ガスで満たされると、冷凍機モータ２２は膨張室を低圧ガス出口２６につなぐようガス流路切替機構２３を切り替える。作動ガスは断熱膨張し、低圧ガス出口２６を通じて圧縮機ユニット５０へと排出される。ガス流路切替機構２３の動作に同期して、第１及び第２ディスプレーサは膨張室を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで第１ステージ１４及び第２ステージ１６が冷却される。

第２ステージ１６は第１ステージ１４よりも低温に冷却される。第２ステージ１６は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１ステージ１４は例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。第１ステージ１４には第１ステージ１４の温度を測定するための第１温度センサ２８が取り付けられており、第２ステージ１６には第２ステージ１６の温度を測定するための第２温度センサ３０が取り付けられている。

冷凍機１２は、冷凍機モータ２２の逆転運転により、いわゆる逆転昇温を提供するよう構成されている。冷凍機１２は、ガス流路切替機構２３の可動バルブを上述の冷却運転と逆方向に作動させることにより、作動ガスに断熱圧縮を生じさせ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１２は第１ステージ１４及び第２ステージ１６を加熱することができる。

クライオポンプ１０は、第１クライオパネル３２と、第２クライオパネル３４と、を備える。第１クライオパネル３２は第１ステージ１４に熱的に接続されるよう固定され、第２クライオパネル３４は第２ステージ１６に熱的に接続されるよう固定されている。第１クライオパネル３２は熱シールド３６とバッフル３８とを備え、第２クライオパネル３４を包囲する。第２クライオパネル３４は表面に吸着剤を備える。第１クライオパネル３２はクライオポンプハウジング４０に収容されており、クライオポンプハウジング４０の一端はモータハウジング２１に取り付けられている。クライオポンプハウジング４０の他端のフランジ部が真空チャンバ１０２のゲートバルブ（図示せず）に取り付けられる。クライオポンプ１０それ自体は、任意の公知のクライオポンプであってもよい。

クライオポンプシステム１００は、圧縮機ユニット５０と、クライオポンプ１０と圧縮機ユニット５０とをつなぐ作動ガス回路７０と、を備える。圧縮機ユニット５０は、作動ガス回路７０に作動ガスを循環させるために設けられている。作動ガス回路７０は、クライオポンプ１０を含む閉じた流体回路である。

圧縮機ユニット５０は、作動ガスを圧縮するための圧縮機５２と、圧縮機５２を動作させるための圧縮機モータ５３と、を備える。また、圧縮機ユニット５０は、低圧作動ガスを受け入れるための低圧ガス入口５４と、高圧作動ガスを放出するための高圧ガス出口５６と、を備える。低圧ガス入口５４は低圧流路５８を介して圧縮機５２の吸入口に接続され、高圧ガス出口５６は高圧流路６０を介して圧縮機５２の吐出口に接続されている。

圧縮機ユニット５０は、第１圧力センサ６２と、第２圧力センサ６４と、を備える。第１圧力センサ６２は低圧作動ガスの圧力を測定するために低圧流路５８に設けられ、第２圧力センサ６４は高圧作動ガスの圧力を測定するために高圧流路６０に設けられている。なお、第１圧力センサ６２及び第２圧力センサ６４は、圧縮機ユニット５０の外部において作動ガス回路７０の適切な場所に設けられていてもよい。

作動ガス回路７０は、ガスライン７２と、ガスライン７２の作動ガス量を調整するためのガスボリューム調整部７４と、を備える。以下では、説明の便宜上、ガスライン７２に収容されている作動ガスの物質量（モル）または質量を、「ガスボリューム」と呼ぶことがある。ある基準温度及び基準圧力において所与の容積を占める作動ガスの物質量または質量は一意に定まる。ガスライン７２の容積は実質的に一定である。よって、あるガスボリュームがガスライン７２に収容されているとき、作動ガス温度が低下すればガス圧も低下し、ガス温度が高くなればガス圧も上がる。

ガスライン７２は、圧縮機ユニット５０からクライオポンプ１０に作動ガスを供給するための高圧ライン７６と、クライオポンプ１０から圧縮機ユニット５０に作動ガスを戻すための低圧ライン７８とを備える。高圧ライン７６は、クライオポンプ１０の高圧ガス入口２４と圧縮機ユニット５０の高圧ガス出口５６とを接続する配管である。低圧ライン７８は、クライオポンプ１０の低圧ガス出口２６と圧縮機ユニット５０の低圧ガス入口５４とを接続する配管である。

圧縮機ユニット５０は、クライオポンプ１０から排出された低圧作動ガスを、低圧ライン７８を通じて回収する。圧縮機５２は、低圧作動ガスを圧縮し、高圧作動ガスを生成する。圧縮機ユニット５０は、高圧作動ガスを、高圧ライン７６を通じてクライオポンプ１０へと供給する。

ガスボリューム調整部７４は、バッファ容積、例えば少なくとも１つのバッファタンク８０を備える。ガスボリューム調整部７４は、バッファタンク８０とガスライン７２との接続流路を選択するための流路選択部８２を備える。流路選択部８２は、少なくとも１つの制御弁を備える。ガスボリューム調整部７４は、バッファタンク８０を流路選択部８２に接続するためのバッファ流路８４を備える。なお、バッファタンク８０のガス圧を測定するためのバッファ圧センサが設けられていてもよい。

また、ガスボリューム調整部７４は、低圧ライン７８へとバッファタンク８０から作動ガスを流出させるためのガス補給路８６と、高圧ライン７６からバッファタンク８０に作動ガスを流入させるためのガス回収路８８と、を備える。ガス補給路８６は、流路選択部８２を低圧ライン７８の第１分岐部９０に接続し、ガス回収路８８は、流路選択部８２を高圧ライン７６の第２分岐部９２に接続する。

流路選択部８２は、補給状態と回収状態とを選択可能に構成されている。補給状態は、ガス補給路８６が低圧ライン７８に連通され、ガス回収路８８が遮断された状態である。回収状態においては、逆に、ガス補給路８６が遮断され、ガス回収路８８が高圧ライン７６に連通される。

流路選択部８２は、図示されるように、例えば三方弁を備える。三方弁の３つのポートがそれぞれ、バッファ流路８４、ガス補給路８６、ガス回収路８８に接続されている。こうして、流路選択部８２は、バッファ流路８４をガス補給路８６に接続して補給状態をとり、バッファ流路８４をガス回収路８８に接続して回収状態をとることができる。

ガスボリューム調整部７４は、圧縮機ユニット５０に付属して設けられており、圧縮機ユニット５０の一部を構成するとみなされる。ガスボリューム調整部７４は圧縮機ユニット５０に内蔵されていてもよい。代案として、ガスボリューム調整部７４は圧縮機ユニット５０とは別体に構成され、ガスライン７２の任意の場所に設置されてもよい。

クライオポンプシステム１００は、その運転を司るための制御装置１１０を備える。制御装置１１０は、クライオポンプ１０（または圧縮機ユニット５０）と一体に又は別体に設置されている。制御装置１１０は、例えば、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。制御装置１１０は、こうした構成を備える公知のコントローラを用いることができる。制御装置１１０は、単一のコントローラで構成されていてもよいし、各々が同一のまたは異なる機能を奏する複数のコントローラを含んでもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステム１００のための制御装置１１０の構成の概略を示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態に関連するクライオポンプシステム１００の主要部分を示す。

制御装置１１０は、クライオポンプ１０（即ち冷凍機１２）、圧縮機ユニット５０、及びガスボリューム調整部７４を制御するために設けられている。制御装置１１０は、クライオポンプ１０の運転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コントローラとも呼ぶ）１１２と、圧縮機ユニット５０の運転を制御するための圧縮機コントローラ１１４と、を備える。

ＣＰコントローラ１１２は、クライオポンプ１０の第１温度センサ２８及び第２温度センサ３０の測定温度を表す信号を受信するよう構成されている。ＣＰコントローラ１１２は、例えば、受信した測定温度に基づいてクライオポンプ１０を制御する。この場合例えば、ＣＰコントローラ１１２は、第１（又は第２）クライオパネル３２（３４）の目標温度に第１（又は第２）温度センサ２８（３０）の測定温度を一致させるように冷凍機モータ２２の回転数（例えば運転周波数）を制御する。熱負荷に応じて冷凍機モータ２２の回転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。

圧縮機コントローラ１１４は、ガスライン７２に圧力制御を提供するよう構成されている。圧力制御を提供するために、圧縮機コントローラ１１４は、第１圧力センサ６２及び第２圧力センサ６４の測定圧力を表す信号を受信するよう構成されている。圧縮機コントローラ１１４は、圧力測定値を圧力目標値に一致させるように圧縮機モータ５３の回転数（例えば運転周波数）を制御する。

また、圧縮機コントローラ１１４は、ガスボリューム調整部７４の流路選択部８２を制御するよう構成されている。圧縮機コントローラ１１４は、必要情報に基づいて上述の補給状態または回収状態を選択し、選択結果に応じて流路選択部８２を制御する。圧縮機ユニット５０及びガスボリューム調整部７４の制御の詳細については図４及び図５を参照して後述する。

図３は、本発明の一実施形態に関連して、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。ＣＰコントローラ１１２は、この運転方法を適時に反復して実行する。

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３２、３４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、第１クライオパネル３２については例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度の範囲から、第２クライオパネル３４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、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、第１及び第２クライオパネル３２、３４を再生するいわゆるフル再生、または第２クライオパネル３４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１２の逆転昇温、及び／または冷凍機１２に付設されるヒータ（図示せず）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１２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クライオパネル３２、３４を再冷却することを含む。冷却工程は、冷凍機１２の運転状態としては、起動のためのクールダウンと同様である。

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。一方、通常の真空排気運転は標準運転温度を保つための定常的な運転状態である。そのため、通常運転に比べて準備運転は、クライオポンプ１０（即ち冷凍機１２）への負荷が大きくなる。例えば、クールダウン運転は通常運転よりも高い冷凍能力を冷凍機１２に要求する。同様に、逆転昇温運転は高い昇温能力を冷凍機１２に要求する。よって、たいていの場合、準備運転において冷凍機モータ２２は、かなり高い回転数（例えば、許容される最高の回転数の近傍）で運転される。

クライオポンプ１０の準備運転に並行して、圧縮機ユニット５０の準備運転が行われてもよい。圧縮機ユニット５０の準備運転は、本発明の一実施形態に係るガスボリューム調整のための準備動作を含んでもよい。この準備動作は、バッファタンク８０の圧力を初期圧に復元するためのリセット動作を含んでもよい。この初期圧は、作動ガス回路７０への作動ガスの封入圧にあたる。

リセット動作のために、圧縮機コントローラ１１４は、圧縮機ユニット５０の運転が停止されガスライン７２の高圧と低圧とが概ね均一化されているときに、バッファタンク８０をガスライン７２に開放する。こうして圧縮機ユニット５０の高圧と低圧との中間圧にバッファタンク８０を復元することができる。準備動作は、冷凍機１２の運転停止期間（例えば、再生の排出工程）に行われる。

真空排気運転（Ｓ１２）は、真空チャンバ１０２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３２、３４の表面に凝縮又は吸着により捕捉する運転状態である。第１クライオパネル３２（例えばバッフル３８）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。バッフル３８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３８を通過して熱シールド３６へと進入する。第２クライオパネル３４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。第２クライオパネル３４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、第２クライオパネル３４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１０２の真空度を所望のレベルに到達させることができる。

図４は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプシステム１００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、ガスボリューム調整（Ｓ２０）と、圧力制御（Ｓ２２）と、を含む。圧縮機コントローラ１１４は、この運転方法を適時に反復して実行する。

ガスボリューム調整（Ｓ２０）は、ガスボリューム、すなわち、クライオポンプ１０と圧縮機ユニット５０とを循環する作動ガス量を調整する処理である。一例は図５を参照して後述する。

圧力制御（Ｓ２２）は、調整されたガスボリュームのもとで、圧力測定値を圧力目標値に一致させるように圧縮機モータ５３の回転数（例えば運転周波数）を制御する処理である。この圧力制御は、クライオポンプ１０の準備運転または真空排気運転に並行して継続的に実行される。

圧力目標値は例えば、圧縮機５２の高圧と低圧との差圧の目標値である。この場合、圧縮機コントローラ１１４は、第１圧力センサ６２の測定圧と第２圧力センサ６４の測定圧との差圧を差圧目標値に一致させるように圧縮機モータ５３の回転数を制御する差圧一定制御を実行する。なお圧力目標値は、圧力制御の実行中に変更されてもよい。

圧力制御によれば、冷凍機１２の所要ガス量に応じて圧縮機モータ５３の回転数を適切に調整することができるので、クライオポンプシステム１００の消費電力の低減に役立つ。また、差圧によって冷凍機１２の冷凍能力が決まるので、差圧一定制御によれば、冷凍機１２を目標の冷凍能力に維持することができる。よって、差圧一定制御は、冷凍機１２の冷凍能力の維持とシステムの消費電力低減とを両立できるという点で、クライオポンプシステム１００に特に好適である。

代案として、圧力目標値は、高圧目標値（または低圧目標値）であってもよい。この場合、圧縮機コントローラ１１４は、第２圧力センサ６４（または第１圧力センサ６２）の測定圧を高圧目標値（または低圧目標値）に一致させるように圧縮機モータ５３の回転数を制御する高圧一定制御（または低圧一定制御）を実行する。

図５は、本発明の一実施形態に係るガスボリューム調整処理を説明するためのフローチャートである。上述のように、ガスボリューム調整（図４のＳ２０）のために、圧縮機コントローラ１１４は流路選択部８２を制御する。そのために、圧縮機コントローラ１１４はまず、ガスボリューム調整のための必要情報の入力を受ける（Ｓ３０）。

必要情報は、第１圧力センサ６２の測定圧、及び第２圧力センサ６４の測定圧を含んでもよい。また、圧縮機コントローラ１１４は、この必要情報をＣＰコントローラ１１２から取得してもよい。すなわち、必要情報は、第１温度センサ２８の測定温度、及び第２温度センサ３０の測定温度、及びクライオポンプ１０の運転状態を含んでもよい。

圧縮機コントローラ１１４は、入力された必要情報に基づいて、ガスボリューム調整の要否を判定する（Ｓ３２）。圧縮機コントローラ１１４は例えば、クライオポンプ１０の運転状態からガスボリューム調整の要否を判定する。この場合、圧縮機コントローラ１１４は、クールダウン運転の完了タイミング又は真空排気運転の開始タイミングにて、ガスボリューム増加を要すると判定してもよい。このようにすれば、クールダウン運転を経て圧縮機ユニット５０の運転圧力が最小化された状態から、効果的に運転圧力を回復させることができる。

一方、圧縮機コントローラ１１４は、真空排気運転の終了タイミング又は再生の開始タイミングにて、ガスボリューム減少を要すると判定してもよい。再生開始当初に運転圧力が比較的大きく高まるという経験的な知見がある。よって、このようにすれば、運転圧力を効果的に適正レベルに復帰させることができる。なお、真空排気運転終了に伴って冷凍機１２の運転が停止される場合（すなわち逆転昇温が実施されない場合）には、圧縮機コントローラ１１４は、クールダウン運転に先行する任意のタイミングで、ガスボリューム減少を要すると判定してもよい。

ある実施例においては、圧縮機コントローラ１１４は、クライオポンプ１０の運転温度からガスボリューム調整の要否を判定してもよい。圧縮機コントローラ１１４は、クライオポンプ１０の運転温度として第２温度センサ３０の測定温度を用いてもよい。この場合、圧縮機コントローラ１１４は、第１しきい値温度を測定温度が下回ったとき、ガスボリューム増加を要すると判定してもよい。また、圧縮機コントローラ１１４は、第２しきい値温度を測定温度が上回ったとき、ガスボリューム減少を要すると判定してもよい。

第１しきい値温度及び第２しきい値温度は、真空排気運転の標準運転温度に関連して設定される。例えば、第１しきい値温度は、クールダウン運転の目標冷却温度に設定されてもよい。このようにすれば、クールダウン運転の完了に合わせてガスボリュームを増加させることができる。第２しきい値温度は、標準運転温度よりも高く、かつ、例えば２０Ｋ（または３０Ｋ）以下の温度範囲から選択される。このようにすれば、再生の開始に合わせてガスボリュームを減少させることができる。

なお、圧縮機コントローラ１１４は、クライオポンプ１０の運転温度に代えて、作動ガス回路７０の測定圧からガスボリューム調整の要否を判定してもよい。上述のように、作動ガス回路７０において作動ガスの温度と圧力とは連動するため、測定圧に基づく場合にも同様にして、ガスボリューム調整の要否を適切に判定することができる。

ガスボリューム調整の要否判定に続いて、圧縮機コントローラ１１４は、バッファ接続流路選択を実行する（Ｓ３４）。ガスボリューム調整を要すると判定されている場合には、圧縮機コントローラ１１４は、バッファタンク８０のガスライン７２への接続流路を切り替える。一方、ガスボリューム調整が不要と判定されている場合には、圧縮機コントローラ１１４は、バッファタンク８０のガスライン７２への接続流路をそのまま保持する。

ガスボリューム増加を要すると判定される場合には、圧縮機コントローラ１１４は、ガス回収路８８を遮断し、ガス補給路８６を開いてバッファタンク８０を低圧ライン７８につなぐ（図１参照）。バッファタンク８０は低圧ライン７８に対する高圧ガス源として作用する。バッファタンク８０に貯留されている作動ガスがガス補給路８６を通じて低圧ライン７８に補給される。ガスライン７２の作動ガス量は、初期ガス量から通常ガス量へと増加される。初期ガス量はクライオポンプ１０の準備運転のためのガスボリュームであり、通常ガス量は通常運転（つまり真空排気運転）のためのガスボリュームである。バッファタンク８０から低圧ライン７８に作動ガスが放出され、バッファタンク８０は降圧される。

一方、ガスボリューム減少を要すると判定される場合には、圧縮機コントローラ１１４は、ガス補給路８６を遮断し、ガス回収路８８を開いてバッファタンク８０を高圧ライン７６につなぐ。バッファタンク８０は高圧ライン７６に対する低圧ガス源として作用する。作動ガスが高圧ライン７６からガス回収路８８へと排出され、バッファタンク８０へと回収される。こうして、ガスライン７２の作動ガス量は、通常ガス量から初期ガス量へと減少される。バッファタンク８０へと高圧ライン７６から作動ガスが充填され、バッファタンク８０は昇圧される。

このようにして、ガスボリューム調整（図４のＳ２０）は終了し、調整されたガスボリュームのもとで圧力制御（図４のＳ２２）が実行される。なお、ガスボリューム調整のために開放されたガス補給路８６またはガス回収路８８は、次回の調整までそのまま開放されていてもよいし、それ以前に適時に閉鎖されてもよい。

なお、圧縮機コントローラ１１４に代えて、ＣＰコントローラ１１２がガスボリューム調整部７４の流路選択部８２を制御してもよい。この場合、ＣＰコントローラ１１２は、圧縮機コントローラ１１４から測定圧を取得し、これら測定圧及び／またはその他の必要情報を利用して、流路選択部８２を制御してもよい。

図６は、本発明の一実施形態に係る圧縮機ユニット５０の運転圧力の変化の概略を示す図である。図６において縦軸は圧力を示し、横軸は時間を示す。圧縮機ユニット５０の高圧ＰＨ（すなわち、圧縮機５２の吐出圧）と、圧縮機ユニット５０の低圧ＰＬ（すなわち、圧縮機５２の吸入圧）とについて、クライオポンプ１０のクールダウン運転期間Ａ、真空排気運転期間Ｂ、及び再生運転期間Ｃを通じた変動が示されている。図示の例では圧縮機ユニット５０は差圧一定制御で運転されている。そのため、高圧ＰＨと低圧ＰＬとの差圧ΔＰは一定に保たれている。

クールダウン運転期間Ａの当初、クライオポンプ１０の運転温度は高温（例えば室温）であるため、圧縮機ユニット５０の運転圧力も高い。クールダウン運転により冷却が進むにつれて、冷凍機１２において作動ガスは降温し収縮する。そのため、冷凍機１２の膨張室に滞留するガス量が増えていく。ガスライン７２から冷凍機１２の膨張室へと作動ガスが、いわば奪われる。こうしてガスライン７２の作動ガス量が減り、図示されるように、圧縮機ユニット５０の高圧ＰＨ及び低圧ＰＬもそれぞれ下がっていく。

クールダウンの目標冷却温度にまで到達するとクールダウン運転期間Ａが終了する。クールダウン運転期間Ａの完了時点で本運転の最低温度に到達する。これに続く真空排気運転期間Ｂにおいては、その冷却温度を保持するよう安定的にクライオポンプ１０は運転される。よって、クールダウン運転期間Ａの完了時点で、圧縮機ユニット５０の運転圧力も同様に最低となる。

クールダウンから真空排気運転への移行に際して、ガスボリューム増加調整がなされる。ガスボリューム調整部７４が補給状態をとることにより、ガスライン７２の作動ガス量は、初期ガス量から通常ガス量へと増加される。言い換えれば、バッファタンク８０から流路選択部８２を通じて低圧ライン７８へと、バッファ圧が開放される。こうして、図示されるように、クールダウン運転期間Ａと真空排気運転期間Ｂとの境界で、圧縮機ユニット５０の高圧ＰＨ及び低圧ＰＬが不連続的に昇圧される。

真空排気運転期間Ｂにおいては、圧縮機ユニット５０は、通常ガス量のもとで差圧一定制御を定常的に実行する。圧縮機ユニット５０の運転圧力は、ガスボリュームの増加調整によって高められた圧力レベルに保たれる。初期ガス量のまま低い圧力レベルで差圧一定制御を実行する場合に比べて、圧縮機ユニット５０における圧縮比は小さくなる。小さい圧縮比は小さい圧縮機回転数で実現できる。よって、ガスボリュームの増加調整は、真空排気運転の消費電力を低減する効果をもつ。

真空排気運転から再生への移行に際して、ガスボリューム減少調整がなされる。ガスボリューム調整部７４が回収状態をとることにより、ガスライン７２の作動ガス量は、通常ガス量から初期ガス量へと減少される。言い換えれば、高圧ライン７６から流路選択部８２を通じてバッファタンク８０へと作動ガスが充填され、バッファ圧が回復される。こうして、図示されるように、真空排気運転期間Ｂと再生運転期間Ｃとの境界で、圧縮機ユニット５０の高圧ＰＨ及び低圧ＰＬが不連続的に降圧される。

再生が開始されるとクライオポンプ１０の逆転昇温が行われる。クールダウンのときとは逆に、冷凍機１２からガスライン７２へと作動ガスが解放される。ガスライン７２の作動ガス量が増え、図示されるように、圧縮機ユニット５０の高圧ＰＨ及び低圧ＰＬもそれぞれ高くなっていく。

ガスボリューム調整による運転圧力の変化量は、バッファ容積及びバッファ圧によって変わる。バッファ圧は作動ガスの作動ガス回路７０への封入圧に依存する。そこで、バッファ容積及び作動ガス封入圧は運転圧力に所望の変化を与えるよう設計される。例えば、バッファ容積及び作動ガス封入圧は、作動ガスの降温による降圧量の少なくとも一部を回復するよう設計される。あるいは、バッファ容積及び作動ガス封入圧は、ガスボリューム増加調整により、上記降圧量を超えて昇圧されるよう設計されてもよい。

しかし、圧縮機ユニット５０の高圧ＰＨが仕様上の限界圧力に到達したとき、圧縮機ユニット５０は、圧を下げるための保護運転または運転停止へと、定常運転（例えば差圧一定制御）から強制的に切り替わるよう構成されている場合がある。この限界圧力は例えば、作動ガスの過度の高圧を警告するために電気的にまたは機械的に定められている高圧設定値である。

これを避けるために、図示されるように、昇圧された圧縮機ユニット５０の高圧ＰＨが設定された上限圧Ｐｍａｘ以下に留まるように、運転圧力の昇圧量が定められている。設定上限圧Ｐｍａｘは例えば、圧縮機ユニット５０の限界圧力から所定の余裕を差し引いて設定される。このようにすれば、運転圧力を適正水準に保つことができる。圧縮機ユニット５０の不測の運転停止または保護運転を避けることができる。

同様にして、バッファ容積及び作動ガス封入圧は、ガスボリューム減少調整によって、作動ガスの昇温による昇圧の少なくとも一部を吸収するよう設計される。この場合も、昇圧された圧縮機ユニット５０の高圧ＰＨが設定上限圧Ｐｍａｘ以下に留まるように、昇圧量が定められる。

以上説明したように、本実施形態によれば、クライオポンプ１０の準備運転のためにガスボリュームが減少され、通常運転のためにガスボリュームが増加される。こうして、クライオポンプ１０の運転状態に応じて、圧縮機ユニット５０の運転圧力を適正な水準に調整することができる。通常運転中の消費電力が低減され、準備運転中の運転継続性が向上された圧縮機ユニット５０を有するクライオポンプシステム１００が提供される。

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。

ガスボリューム調整部７４は、図１に示す具体的な構成には限られない。例えば、図７に示すように、流路選択部８２は、複数の制御弁を備えてもよい。図示されるように、流路選択部８２は、第１制御弁１２０と第２制御弁１２２とを備える。第１制御弁１２０及び第２制御弁１２２は二方弁である。第１制御弁１２０はガス補給路８６の中途に設けられ、ガス補給路８６はバッファタンク８０を低圧ライン７８に接続する。第２制御弁１２２はガス回収路８８の中途に設けられ、ガス回収路８８はバッファタンク８０を高圧ライン７６に接続する。

また、図８に示すように、ガスボリューム調整部７４は複数のバッファタンクを備えてもよい。図示されるように、ガスボリューム調整部７４は、第１バッファタンク１２４と、第２バッファタンク１２６と、を備える。第１バッファタンク１２４はガス補給路８６を通じて低圧ライン７８に接続され、第２バッファタンク１２６はガス回収路８８を通じて高圧ライン７６に接続されている。図７に示す実施例と同様に、ガス補給路８６には第１制御弁１２０が設けられ、ガス回収路８８には第２制御弁１２２が設けられている。

図８に示す実施例においては、ガスボリューム増加調整により第１バッファタンク１２４の圧は低下する。ガスボリューム減少調整により第２バッファタンク１２６の圧は上昇する。よって、既述のリセット動作が適時に行われることが望ましい。つまり、圧縮機ユニット５０の運転停止中に第１バッファタンク１２４及び第２バッファタンク１２６をそれぞれガスライン７２に開放し、各々のガス圧を初期圧に復元する。

図８に示す実施例においては、ガスボリューム調整部７４はガス補給部１２８とガス回収部１３０とを備えるとみなすこともできる。ガス補給部１２８は第１バッファタンク１２４と第１制御弁１２０とを備える。ガス回収部１３０は第２バッファタンク１２６と第２制御弁１２２とを備える。ガス補給部１２８は、第１バッファタンク１２４に代えて、低圧ライン７８よりも高圧の作動ガス源を備えてもよい。ガス回収部１３０は、第２バッファタンク１２６に代えて、高圧ライン７６から作動ガスを受け入れるためのリザーバを備えてもよい。

ある実施例においては、ガスボリューム調整部７４は、ガス補給部１２８またはガス回収部１３０のいずれかのみを備えてもよい。ガス補給部１２８を備えることにより、真空排気運転のためのガスボリューム増加調整を提供することができる。例えば、再生で逆転昇温を実施しない場合には、こうした構成も有用であり得る。一方、ガス回収部１３０を備えることにより、準備運転のためのガスボリューム減少調整を提供することができる。

また、バッファタンク８０のガスライン７２とのつなぎ替えタイミングとクライオポンプ運転状態の切替とは完全には同期していなくてもよい。例えば、クールダウンから真空排気運転に移行する場合には、ガスボリューム増加調整がクールダウン中に実行されてもよい。この場合、クライオポンプ１０の降温に連動して段階的に（又は連続的に）、ガスボリューム調整部７４からガスライン７２へと作動ガスが補給されてもよい。そのために、ガスボリューム調整部７４は、測定温度（又は測定圧力）に応じて制御される流量制御弁をガス補給路８６に備えてもよい。また、真空排気運転開始後に、ガスボリューム増加調整が実行されてもよい。

同様に、真空排気運転から再生に移行する場合には、ガスボリューム減少調整が再生中に実行されてもよい。この場合、クライオポンプ１０の昇温に連動して段階的に（又は連続的に）、ガスライン７２からガスボリューム調整部７４へと作動ガスが回収されてもよい。そのために、ガスボリューム調整部７４は、測定温度（又は測定圧力）に応じて制御される流量制御弁をガス回収路８８に備えてもよい。また、真空排気運転終了前に、ガスボリューム減少調整が実行されてもよい。

また、クライオポンプシステム１００は、図９に示すように、複数のクライオポンプ１０を備えてもよい。複数のクライオポンプ１０は、圧縮機ユニット５０及びガスボリューム調整部７４に対して並列に設けられている。１台の圧縮機ユニット５０が担当するクライオポンプ１０の数に比例して、ガスボリューム増加調整による消費電力低減効果が大きくなる。よって、本発明は、複数のクライオポンプ１０を備えるクライオポンプシステム１００に好適である。

ある実施例においては、クライオポンプ１０に代えて、冷凍機１２を備える極低温装置が設けられていてもよい。本発明の一実施形態に係るガスボリューム調整がこうした極低温装置を備える極低温システムにも適用しうることは、当業者に明らかである。

１０ クライオポンプ、 １２ 冷凍機、 ５０ 圧縮機ユニット、 ５２ 圧縮機、 ７２ ガスライン、 ７４ ガスボリューム調整部、 １００ クライオポンプシステム、 １１０ 制御装置、 １１４ 圧縮機コントローラ。

Claims (8)

1. 室温から極低温へのクールダウンを含む準備運転と、極低温の真空排気運転と、を実行するためのクライオポンプと、
   前記クライオポンプのための作動ガスの圧縮機と、
   前記クライオポンプと前記圧縮機とを接続するガスラインと、
   前記真空排気運転における前記ガスラインの作動ガス量を、前記準備運転に比べて増加させるよう構成されているガスボリューム調整部と、
   前記ガスラインに圧力制御を提供するよう前記圧縮機を制御するための制御装置と、を備え、
   前記クライオポンプは、前記真空排気運転に比べて、前記準備運転において高い冷凍能力で運転されることを特徴とするクライオポンプシステム。
2. 前記準備運転は、前記クライオポンプの再生を含み、
   前記ガスボリューム調整部は、前記準備運転における前記ガスラインの作動ガス量を、前記真空排気運転に比べて減少させるよう構成されてい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. 前記ガスボリューム調整部は、前記ガスラインから排出される作動ガスを回収し、前記ガスラインに作動ガスを補給するよう構成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
4. 前記制御装置は、前記圧縮機の高圧と低圧との差圧を目標値に一致させるように前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
5. 前記ガスボリューム調整部は、設定された上限以下に前記圧縮機の高圧が留まるように前記作動ガス量を調整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システム。
6. クライオポンプと、該クライオポンプのための圧縮機と、を備えるクライオポンプシステムの運転方法であって、
   前記クライオポンプの準備運転から真空排気運転に移行するために、前記クライオポンプと前記圧縮機とを循環する作動ガス量を増加させることと、
   前記クライオポンプと前記圧縮機とを循環する作動ガスの圧力制御のために前記圧縮機を制御することと、を備え、
   前記クライオポンプは、前記真空排気運転に比べて、前記準備運転において高い冷凍能力で運転されることを特徴とする方法。
7. 極低温装置のための作動ガスの圧縮機ユニットであって、
   圧縮機と、
   前記極低温装置と前記圧縮機とを循環する作動ガス量の調整のために設けられているガスボリューム調整部と、
   作動ガスの圧力制御を提供するよう前記圧縮機を制御する制御部と、を備え、
   前記ガスボリューム調整部は、前記極低温装置の通常運転のための前記作動ガス量を、室温から極低温への冷却を含む前記極低温装置の準備運転のための初期ガス量から、該初期ガス量よりも増加された通常ガス量に調整し、
   前記極低温装置は、前記通常運転に比べて、前記準備運転において高い冷凍能力で運転されることを特徴とする圧縮機ユニット。
8. クライオポンプと、
   圧縮機と、
   前記クライオポンプと前記圧縮機とを接続するガスラインと、
   前記クライオポンプの再生における前記ガスラインの作動ガス量を、前記クライオポンプの真空排気運転中に比べて減少させるよう構成されているガスボリューム調整部と、を備え、
   前記クライオポンプは、前記真空排気運転に比べて、前記再生において高い冷凍能力で運転されることを特徴とするクライオポンプシステム。

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