JPH062658A - クライオポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 既存のクライオポンプを用いてそれらに実質
的な改造を加えることなく、各クライオポンプの冷凍機
の吸排気弁の位相差を制御して最適の冷凍能力で運転で
きるようにしたクライオポンプ装置を提供する。 【構成】 クライオポンプ１，２の冷凍機モータ３，４
への駆動電流を測定する手段７，８を、これらの冷凍機
の駆動電源５，６側に設け、各測定した電流値から位相
差検出装置９により位相差を検出し、検出された位相差
に応じて制御装置１０により各クライオポンプの運転タ
イミングを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数のHe冷凍式クライ
オポンプを同一のコンプレッサを用いて同時運転を行う
ようにしたクライオポンプ装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術】He冷凍式クライオポンプは、HeガスのSimo
n 膨脹を利用したGifford-McMahonサイクルによる冷凍
機を備えており、冷凍系は、添付図面の図４に示すよう
に、高圧Heガスを発生し循環させるコンプレッサＡ、膨
脹・畜冷を行う冷凍機Ｂ、及びコンプレッサＡと冷凍機
Ｂとを結ぶHeガス循環通路Ｃを備え、冷凍機Ｂは真空容
器Ｄ内に収容され、この真空容器Ｄ内にクライオパネル
Ｅが取り付けられている。クライオポンプの冷凍機Ｂ
は、図５に示すように、中空のシリンダＦが設けられ、
図示してない駆動手段により以下の往復動するようにさ
れたディスプレーサＧがシリンダＦ内にあり、またシリ
ンダＦには、コンプレッサＡの吐出側からHeガス循環通
路Ｃを介して供給されるHeガスを冷凍機シリンダＦ内に
吸気する吸気弁Ｈと、シリンダＦよりコンプレッサＡの
吸入側へHeガスを排出する排気弁Ｉとが取り付けられて
いる。吸気弁Ｈ及び排気弁ＩはディスプレーサＧの往復
運動に同期して、例えば毎秒１〜２回のサイクルで図示
しない弁開閉機構により交互に開閉するようにされてい
る。

【０００３】最近、真空プロセス装置においては複数の
真空室を備えるものが多くなつてきており、それに伴い
１台の真空プロセス装置に対して複数のクライオポンプ
が必要となってきた。例えば、最近のディスクや透明電
導膜などのディスプレイ製造装置は大型化し生産機はイ
ンライン方式となり、例えば１台の真空プロセス装置に
対してクライオポンプ１０数台から２０台を付属させる
ものも現れている。

【０００４】このような要求に対処ししかも省スペ−
ス，省コストの観点から、従来各クライオポンプにそれ
ぞれ専用のコンプレッサを用いていたシステムに代わっ
て、複数のクライオポンプに対して１台のコンプレッサ
を用いてHeガスを分配して循環し、同時運転を行うよう
にした複数ヘッドクライオポンプシステムが使用される
ようになってきた。しかしながら、単に１台のコンプレ
ッサにより複数のクライオポンプにHeガスを分配して循
環し、同時運転を行う方式では、複数のクライオポンプ
の冷凍機に分配供給されるHeガスの流量が各冷凍機内の
Heガスの吸排気弁の開閉の位相差によって異なるため、
各クライオポンプの冷凍機の冷凍能力に差が生じ、その
結果クライオポンプの性能にも差が生じるという欠点が
ある。また吸排気弁の開閉の位相差は従来の装置では制
御できなかったため同一クライオポンプにおいても運転
毎に性能が変動してしまうという欠点がある。

【０００５】例えば２台のクライオポンプを１台のコン
プレッサで運転する場合についてHeガス流量配分比の変
動に関して検討してみると、図５に示すように各クライ
オポンプの冷凍機の吸気弁Ｈ及び排気弁Ｉは、ディスプ
レーサＧの往復運動に同期して、例えば毎秒１〜２回の
サイクルで図示しない弁開閉機構により交互に開閉する
ようにされているので、この交互開閉動作によつて一方
のクライオポンプのシリンダＦ内の圧力は図６のグラフ
（ａ）に示すように△P1の圧力差で高圧，低圧を繰り返
している。従って、この一方のクライオポンプの冷凍機
を流れる平均Heガス流量は、この圧力差波形の１周期を
時間積分し単位時間で除することによって求められる。

【０００６】一方のクライオポンプの冷凍機の吸排気の
影響を受けて、コンプレッサのHeガス供給圧は変動す
る。すなわち図６のグラフ（ｂ）に示すように一方のク
ライオポンプの冷凍機の吸気弁がＡ点で開き吸気が行わ
れる時には、コンプレッサの供給圧はこのクライオポン
プの冷凍機にHeガスを食われるために低下し、逆にこの
クライオポンプの冷凍機の排気弁がＢ点で開き排気が行
われる時にはコンプレッサの供給弁は上昇する。このよ
うな状況の下でコンプレッサから他方のクライオポンプ
へHeガスを供給した場合には、他方のクライオポンプの
冷凍機のシリンダ室Ｆ内の圧力波形は図６のグラフ
（ｃ）に示すようになる。すなわち、他方のクライオポ
ンプの冷凍機の吸気弁が一方のクライオポンプの冷凍機
の吸気弁よりも△ｔだけ遅れＡ' 点で開く場合を想定す
ると、Ａ' 点ではコンプレッサの供給圧が一方のクライ
オポンプの吸気よって低下した状態であるので、他方の
クライオポンプの冷凍機のシリンダＦ内の圧力上昇は一
方のクライオポンプに比べると相対的に低い。さらに、
Ｂ' 点で他方のクライオポンプの冷凍機の排気弁が開く
時にはコンプレッサの供給圧が一方のクライオポンプの
排気によって上昇した状態であるので、他方のクライオ
ポンプの冷凍機のシリンダＦ内の圧力降下は一方のクラ
イオポンプに比べると相対的に高くなる。その結果、他
方のクライオポンプの冷凍機のシリンダＦの吸気時と排
気時との圧力差△P2は、一方のクライオポンプにおける
圧力差△P1に比べて小さくなり、従って他方のクライオ
ポンプの冷凍機を流れる平均Heガス流量は一方のクライ
オポンプのそれよりも少なくなり、結果として他方のク
ライオポンプの冷凍能力は一方のクライオポンプよりも
低くなることになる。

【０００７】ところで、２台のクライオポンプの冷凍機
の吸排気弁の動作の位相関係は制御されてないため、運
転の度毎にまちまちとなり上記の状態とは全く逆に一方
のクライオポンプの方が他方のクライオポンプよりも冷
凍能力が劣るような場合が当然生じ得る。

【０００８】そこでこのような欠点を解消する手段とし
て、特公平２−38795 号には複数のHe冷凍式クライオポ
ンプを同一のコンプレッサを用いて同時運転を行うよう
にしたクライオポンプ装置において、各クライポンプの
冷凍機の吸排気弁の開閉動作サイクルのの位相を検出
し、検出した位相に基づいて各クライポンプの冷凍機の
運転を制御することが提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記特許公
報に提案された方式では位相検出手段は各クライオポン
プの冷凍機のデイスプレーサの駆動軸に磁性体を取付
け、シリンダの外側に取り付けた磁気近接スイッチで検
出するように構成されているため、既存のクライオポン
プを用いて複数ヘッドクライオポンプシステムを構成す
ることはできず、各クライオポンプの冷凍機に予め検出
手段を組み込む必要があり、構造的に複雑となるだけで
なくコストの面でも高くなるという問題点がある。また
既存の複数ヘッドクライオポンプシステムにこのような
位相検出制御方式をそのまま適用することができず、各
クライオポンプに位相検出手段を組み込むための改造を
施すか或いは使用しているクライオポンプを全部、予め
検出手段の組み込まれたクライオポンプに交換する必要
がある。

【００１０】そこで、本発明は、このような従来提案さ
れてきたものの問題点を解決して既存のクライオポンプ
を用いてそれらに実質的な改造を加える必要なしに各ク
ライオポンプの冷凍機の吸排気弁の位相差を制御して各
クライオポンプを最適の冷凍能力で運転できるようにし
たクライオポンプ装置を提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のクライポンプ装置は、各クライオポンプ
の冷凍機用モータの駆動電源の出力電流を検出する電流
検出装置、各電流検出装置で検出した出力電流に基づい
て各クライオポンプの位相差を検出する位相差検出装置
及び位相差検出装置からの出力信号により各クライオポ
ンプの動作タイミングを制御する制御装置を設けたこと
を特徴としている。

【００１２】

【作用】このように構成した本発明のクライオポンプ装
置においては、各クライオポンプの吸排気弁の位相は、
冷凍機用モータの駆動電源の出力電流を検出することで
位相差検出装置により検出でき、従って、冷凍機用モー
タの駆動電源の出力回路に電流検出手段を接続するだけ
でよく、各クライオポンプの冷凍機に検出手段を組み込
む必要がなくなる。このようにして冷凍機用モータの駆
動電源の出力電流を検出することによって各クライオポ
ンプの運転が開始されると同時に、各クライオポンプの
吸排気弁の位相は検出され、そして制御装置は、これら
の位相の差があらかじめ設定された値に等しくなるよう
に吸排気弁の動作のタイミングを制御し、それにより、
各クライオポンプを所望の冷凍能力で運転させることが
できる。

【００１３】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例について
説明する。図１には、１台のコンプレッサで２台のクラ
イオポンプを運転させるようにした場合の実施例を示
す。図１において１、２はクライオポンプであり、各ク
ライオポンプ１、２はディスプレーサ（図示してない）
を往復動させると共に吸排気弁（図示してない）を同期
的に開閉させる超低速同期モータ３、４がそれぞれ設け
られている。また各クライオポンプ１、２は通常のよう
に図示してない共通のコンプレッサに連結され、Heガス
が供給されるように構成されている。各超低速同期モー
タ３、４には図示したように冷凍機駆動電源５、６がそ
れぞれ接続され、また各超低速同期モータ３、４と各冷
凍機駆動電源５、６との間の給電回路には、それらに流
れる出力電流を検出する電流検出回路７、８が接続さ
れ、これらの検出回路は検出した出力電流間の位相差を
検出する位相差検出装置９に接続され、この位相差検出
装置９の出力は制御装置10に接続され、この制御装置10
は各冷凍機駆動電源５、６を介して、吸排気弁を同期的
に開閉させる超低速同期モータ３、４の駆動を制御する
ように作用する。

【００１４】各超低速同期モータ３、４は組合さったデ
ィスプレーサを往復動すなわちピストン動作させるため
に、その負荷も１回転する間に変化する。１回転するの
に要する時間は１秒（50Hz時）または5/6 秒（60Hz時）
であり、電気的には極めてゆっくりとした変化である。
この変化は図２の上段のグラフに示され、横軸は秒単位
の時間を示し、縦軸は電流の変化値を示している。各冷
凍機モータ３、４の出力は150 ワット程度以下であり、
従って電流値も1500mA程度以下である。電流の変化値も
小さく、例えば800mA のモータを使用した場合には50mA
程度（６％程度）であるが、電流量であるためこの程度
の電流変化でも充分に検出することができる。

【００１５】図２の下段のグラフには電流変化に対応す
るディスプレーサの上下動の変化、いわゆるディスプレ
ーサストロ−クの変化を示し、図２のグラフから分かる
ように電流値の極大点の時間とディスプレーサストロ−
クの上死点は完全には一致せず、ディスプレーサを上死
点まで押上ようとする時に電流値（負荷量）は最大とな
り、上死点に達したときにはもう最大値から降下してい
る。しかしながら電流の曲線とディスプレーサストロ−
クの特性曲線とは時間軸にそって若干の平行移動がある
だけで両者は全く相関しているので、電流の曲線からデ
ィスプレーサストロ−クの位置を検出することができ
る。この両者の曲線の時間のずれを△tfとすれば、△tf
はクライオポンプ運転中は負荷が同一であるため一定と
なる。

【００１６】図１の装置において、冷凍機モータ３、４
より発生した電流の変動信号は位相差検出装置９に送ら
れる。位相差検出装置９においてはこれらの信号から図
３に示すように一方のクライオポンプ３の位相信号と他
方のクライオポンプ４の位相信号との間に△ｔの差が現
れるものとし、そして、希望する位相差を△tsとする
と、そのずれ信号△ts−△ｔが形成され、これが吸排気
タイミング制御装置10に送られる。ここで前に述べたよ
うに電流曲線とディスプレーサストロ−ク曲線との位相
差△tfは△ｔを測る時に既に相殺されて表に出てこな
い。即ち（一方のクライオポンプ１におけるディスプレ
ーサの位相）−△tf＝（モータ３の電流曲線の位相）で
あるから、同様に（他方のクライオポンプ２におけるデ
ィスプレーサの位相）−△tf＝（モータ４の電流曲線の
位相）でもあり、従って両式を引き算すれば、（一方の
クライオポンプ１におけるディスプレーサの位相）−
（他方のクライオポンプ２におけるディスプレーサの位
相）＝（モータ３の電流曲線の位相）−（モータ４の電
流曲線の位相）となり、電流検出回路７、８を経由して
位相差検出装置９によって上式の右辺を実測することに
より、この右辺の実測値がそのままそれぞれのクライオ
ポンプ１、２のディスプレーサとディスプレーサの位相
差となることが認められる。このようにして電流検出回
路７、８によってモータ３、４へ供給される電流値をそ
れぞれ位相差検出装置９に送り込んで位相差を測定する
ことにより、それぞれのクライオポンプ１、２における
冷凍機の位相差を検出することができる。

【００１７】ところで図示実施例では、１台のコンプレ
ッサを用いて２台のクライオポンプを運転する例につい
て説明してきたが、本発明は２台以上のクライオポンプ
を１台のコンプレッサで運転する場合にも適用すること
ができる。コンプレッサは１台と限ったものではなく、
複数のコンプレッサを平行に連結し、全体のパイプライ
ンをつないだ場合にも適用することができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
クライオポンプ装置においては、各駆動電源から組合さ
った冷凍機モータへ電力を供給する給電線からその電流
を取り出して、それに基づいて各クライオポンプの位相
差を検出するように構成しているので、冷凍機内に位相
検出手段を組み込む必要がなく、単に配線の加工により
実施することができ、構成が簡単でしかも冷凍機の外部
に配置することができ、クライポプの１台１台には何等
手を加える必要がない。従って、一般用クライオポンプ
を必要台数集めるのみで、機械的改造を加えることなく
複数クライオポンプ装置を容易に提供することができ
る。またコンプレッサーは１台と限ったものではなく、
複数のコンプレッサーを平行に連結し、全体のパイプラ
インをつないだ場合にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】： 本発明の一実施例によるクライオポンプ装
置の要部示すブロック図。

【図２】： クライオポンプにおける冷凍機駆動モータ
の電流波形とディスプレーサのストロ−クとの関係を示
すグラフ。

【図３】： 図１に示すクライオポンプ装置の２台のク
ライオポンプの位相信号間の相対関係の一例を示すグラ
フ。

【図４】： クライオポンプの基本構成を示す概略線
図。

【図５】： クライオポンプの冷凍機の基本構成を示す
概略線図。

【図６】： ２台のクライオポンプを用いた従来の同時
運転システムにおける各クライオポンプの冷凍機シリン
ダ内の圧力及びコンプレッサの圧力の時間に対する波形
を示すグラフ。

【符号の説明】

１：クライオポンプ ２：クライオポンプ ３：冷凍機モータ（超低速同期モータ） ４：冷凍機モータ（超低速同期モータ） ５：冷凍機駆動電源 ６：冷凍機駆動電源 ７：電流検出回路 ８：電流検出回路 ９：位相差検出装置 10：制御装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のHe冷凍式クライオポンプを同一のコ
   ンプレッサを用いて同時運転を行うようにしたクライオ
   ポンプ装置において、各クライオポンプの冷凍機用モー
   タの駆動電源の出力電流を検出する電流検出装置、各電
   流検出装置で検出した出力電流に基づいて各クライオポ
   ンプの位相差を検出する位相差検出装置及び位相差検出
   装置からの出力信号により各クライオポンプの動作タイ
   ミングを制御する制御装置を設けたことを特徴とするク
   ライオポンプ装置。