JPH03152353A - 極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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って、
膨張部への単位時間当たりのガス吸入量を増減制御し、
初ル１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１１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） 一般に駆動モータヘの駆動電源として５０Ｈｚまたは６
０Ｈｚ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し、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（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、前記駆動モータヘの駆動電流
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駆動電流補正手段は
、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、税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、本発明に従っ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
サイクル型権低温冷凍機１ｏを示し、該極低温冷凍機１
０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
膨張ビスＩ・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１９１図示しない
排出弁及び排出口２０を介して圧縮機２Ｉ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
。

膨張シリンダニ２の大径端部には極低温（３０に〜７０
Ｋ）を発生する第１段コールドヘッド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
ルドヘッド２２よりも低い極低温（１０に〜２０Ｋ）を
発生する第２段コールドヘッド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２
４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
れるようになっている。尚、インバータ２５の出力は、
圧縮機２Ｉ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ラ）”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１５．１
６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〜６０
１仕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１
３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、コールドヘッドが基準到達温度（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）を脱調検出回路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１
３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１
３の回転数を異常変動検出時の電動モータ１３の回転数
よりも所定呈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
ールドヘッド冷却中に脱調は発生ずるが、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に
、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。

従って、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
のコールドヘッ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
コールドヘッ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構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２
５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の回転数を高回転故
に固定１例えばインバータ２５の設定周波数を１２０Ｈ
ｚ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）はコールドヘッドの温
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。

以上本発明に従っ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（、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図は本発明に従っ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ッ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
ルドヘッ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ず特性図、第３図は
第１図に示す実施例におけるコールドヘッドの温度と駆
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
合のコールドヘッ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。 第 ２ 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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、前記駆動モータヘ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. （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. （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。