KR101956305B1 - 헬륨 관리 제어 시스템 - Google Patents

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KR101956305B1
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올리버 제이. 두마스
마우린 씨. 부온펜
도린 제이. 볼-디파지오
로날드 엔. 모리스
알렌 제이. 바틀레트
레오나르드 에이. 로랜저
조셉 주니어 쵸피
로버트 피. 설리반
존 제이. 바론
폴 이. 아문드센
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브룩스 오토메이션, 인크.
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Abstract

냉매 관리 시스템은 둘 이상의 가변 속도 및 고정 속도 압축기로부터 복수의 극저온 냉각기로의 냉매의 공급을 제어한다. 시스템은 극저온 냉각기 각각으로의 적절한 냉매 공급을 전달하기 위해 전체 냉매 공급을 제어한다. 공급을 위한 냉매의 양은 냉매 교정 메트릭과 복수의 극저온 냉각기로부터의 냉매에 대한 총계 수요에 기초한다. 냉매의 적절한 공급은 가변 속도 압축기의 속도를 조절하거나, 대안적으로, 선택적으로 압축기를 켜거나 끔으로써 각 극저온 냉각기로 분배된다. 가변 속도 압축기의 속도는 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 양을 결정함으로써 조절된다. 냉매에 대한 총계 수요가 압축기의 용량을 초과하는 경우, 이때, 복수의 냉각기 내의 냉각기의 속도가 조절된다.

Description

헬륨 관리 제어 시스템 {HELIUM MANAGEMENT CONTROL SYSTEM}
관련 출원
본 출원은 2011년 3월 4일자로 출원된 미국 가출원 제61/449,502호에 대한 이권을 주장한다. 상기 출원의 전체 교시 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
반도체 웨이퍼 제조, 증착 공정, 전자 검경, 가스 크로마토그래피 등 같은 임무를 위한 진공 환경을 제공하기 위해 진공 처리 챔버가 제조 산업에 빈번히 사용된다. 이런 챔버는 통상적으로 밀봉된 장치 내의 진공 처리 챔버에 진공 펌프를 부착함으로써 달성된다. 진공 펌프는 진공 처리 챔버로부터 실질적 모든 분자를 제거하여 진공 환경을 생성하도록 동작한다.
진공 펌프의 한가지 유형은 본 출원의 양수인에게 양도되고 본원에 그 전체가 인용에 의해 포함되는 1999년 1월 26일자로 허여된 미국 특허 제5,862,671호에 개시된 것 같은 저온 펌프(cryopump)이다. 저온 펌프는 절대 영점에 도달하는 온도까지 표면을 냉각시킴으로써 진공 처리 챔버로부터 분자를 제거한다. 이런 온도에서, 가스는 극저온 어레이(cryogenic array)라 지칭되는 냉각된 표면 상에 흡착 또는 응축되고, 그에 의해, 진공 처리 챔버로부터 분자를 제거한다. 결과적 진공 챔버
저온 펌프의 다른 유형은 절대 영점보다 높은 온도에서 동작하도록 설계된다. 이들 저온펌프는 물, 탄화수소, 공정 부산물, 아웃가스 스피시즈(outgas species) 및 공정 가스 같은 특정 가스를 챔버로부터 제거한다. 미국 특허 제5,483,803호에 개시된 바와 같은 워터펌프는 이런 저온 펌프의 일 예이다. 미국 특허 제5,211,022호에 개시된 것 같은 다른 저온 펌프는 모든 가스를 제거하지 않고, 진공 챔버 내의 공정 가스의 낮은 압력을 유지한다.
저온 펌프는 통상적으로 필요한 극저온 온도를 달성하기 위해 극저온 냉각기(refrigerator)를 사용한다. 필요한 극저온 냉각기의 유형은 펌핑 대상 스피시즈를 위해 요구되는 온도 및 열 부하(heat load)와 진동 같은 다른 파라미터에 의존한다. 통상적으로, 스털링(Stirling), 지포드-맥마혼(Gifford-McMahon) 및 펄스 튜브 극저온 냉각기가 극저온 진공 펌프를 위해 사용된다. 이들 극저온 냉각기는 저온 펌프 내의 극저온 냉각기에 냉매의 유동을 공급하기 위해서 압축기로부터의 압축 가스의 공급을 필요로 한다. 절대 영점 부근의 온도를 필요로 하는 저온 펌프는 압축 가스로서 헬륨을 사용한다. 극저온 어레이는 극저온 냉각기의 저온 단부와 열 소통(thermal communication)하고, 그와 함께 냉각된다. 극저온 냉각기 내부에서, 디스플레이서(displacer)를 왕복시키는 디스플레이서 구동부에 의해 구동되는 디스플레이서가 사용되는 헬륨의 양을 조절한다. 극저온 냉각기 내에서의 헬륨 같은 냉매 가스의 팽창은 냉각을 발생시키고, 열은 극저온 어레이 외부로 인출되어 극저온 어레이 상의 가스를 응축시키기 위해 필요한 극저온 온도가 생성된다.
대안적으로, 펄스 튜브 디스플레이서는 이동하지 않지만, 대신, 압력파를 사용한다. 모터 구동식 디자인을 갖는 저온 펌프를 설명하였지만, 저온 펌프는 공압 구동식 시스템으로 설계될 수도 있다.
극저온 냉각기에 이용되는 헬륨 냉매의 양은 냉각이 이루어지는 속도를 결정한다. 헬륨 공급이 많으면 극저온 냉각기가 더 많은 헬륨을 소비할 수 있게 되고, 이 더 많은 헬륨에 의해 더 많은 냉각이 이루어진다. 이는 저온펌핑 온도를 달성하기 위해 요구되는 시간인, 냉각을 위해 소요되는 시간의 양을 감소시키고, 동작 온도에서, 진공 챔버 내의 가변적 처리 조건에 의해 요구될 때 극저온 냉각기가 더 많은 냉각을 생성할 수 있게 한다. 또한, 더 많은 헬륨 공급은 극저온 냉각기가, 냉각기 동작 수명 동안 냉각기 효율의 일반적 열화가 발생함에 따라 냉각 용량을 유지하기 위해 소비를 증가시킬 수 있게 한다. 또한, 헬륨 소비율은 극저온 냉각기의 온도에 따라 변한다. 극저온 냉각기가 더 차가워짐에 따라, 냉각 공정을 지속하기 위해 더 많은 헬륨 공급이 필요하다. 저온펌프식 진공 처리 챔버에서, 가동 중단시간(downtime)은 소실된 제조 시간에 기인하여 현저한 경제적 영향을 초래할 수 있다. 따라서, 저온펌핑 온도를 신속히 달성하고 유지하는 기능은 유익한 것이다.
헬륨 분배의 한가지 종래 기술 형태가 본 출원의 양수인에게 양도되고, 그 전체가 본원에 인용에 의해 포함되는, 1997년 1월 2일자로 출원된 발명의 명칭이 "Enhanced Cooldown of Multiple Cryogenic Refrigerators Supplied by a Common Compressor"인 미국 특허 제5,775,109호에 개시되어 있다. 이 특허는 저온 펌프가 트리거링 온도를 획득할 때 각 디스플레이서 구동 모터의 속도를 제어하기 위해 복수의 저온 펌프 각각의 온도를 개별적으로 감시하는 것을 제안한다. 저온 펌프 내의 극저온 냉각기가 현재 수행되는 동작에 따라서 가변적인 양의 헬륨을 필요로하기 때문에, 구동 모터 속도의 조절은 이에 따라 헬륨 공급을 감소 또는 증가시킬 수 있다. 이런 시스템에서, 각 저온 펌프는 온도를 감시하고, 이에 따라 구동 모터 속도를 제어한다.
그러나, 빈번하게, 복수의 저온 펌프에 공급하는 공용 헬륨 공급 매니폴드는 저온 펌프 모두에 요구되는 것보다 많은 헬륨을 공급할 수 있다. 적절한 냉각을 유지하기 위해 극저온 냉각기에 필요하지 않은 잉여 헬륨은 헬륨 냉매 공급을 유지하기 위해 필요한 동력 및 다른 자원을 낭비할 수 있다. 반대로, 불충분한 헬륨은 극저온 냉각기에 의한 부적합한 냉각을 초래하고, 저온 펌프에 의한 진공 성능의 손실을 초래할 가능성이 있다.
상술한 문제점은 극저온 냉각기 및 저온 펌프에 적용된다는 것을 유념하여야 한다. 이들 극저온 냉각기는 고온 초전도체(HTS), 반도체 제조, 생물학적 샘플의 처리 및 보관, MRI 이미징 및 기구 냉각을 포함하지만 이에 한정되지 않는 매우 다양한 냉각 용례에 사용될 수 있다.
본 명세서에는 필요한 냉각 온도를 달성하기 위해 극저온 냉각기에 요구되는 냉매 가스의 양을 공급하기 위한 기술 및 시스템이 제공되어 있다.
방법 및 대응 냉각 시스템은 냉매의 공급 제어에 관련한다. 압축기는 고압 공급 라인을 통해 냉매를 공급하도록 구성되고, 냉매는 저압 복귀 라인을 통해 압축기로 복귀된다. 복수의 극저온 냉각기가 압축기에 결합되어 공급 라인으로부터 냉매를 수용하고 복귀 라인으로 냉매를 복귀시킨다. 또한, 전자 제어기는 복수의 극저온 냉각기로부터의 통신에 기초하여 냉매를 위한 합계 수요를 획득하도록 구성된다. 전자 제어기는 또한 냉매 교정 메트릭(refrigerant correction metric)에 의해 교정된 냉매를 위한 합계 수요에 기초하여 압축기의 속도를 제어하도록 구성된다.
압축기는 복수의 가변 속도 압축기 또는 가변 속도 및 고정 속도 압축기의 조합 중 하나일 수 있다. 전자 제어기는 또한 저압 복귀 라인으로부터의 복귀 압력, 고압 공급 라인으로부터의 공급 압력 피드백 루프 및 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력차 중 하나 또는 그 이상에 기초하여 압축기의 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 전자 제어기는 냉매의 공급을 증가시켜야할 지 감소시켜야할 지를 결정하고, 총계 수요의 증가 또는 감소를 복귀 압력 설정점 계산기에 통지하도록 구성될 수 있다. 전자 제어기는 함께 동작하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 제어기 유닛일 수 있으며, 일부 기능은 하나의 제어기 내에 있고, 다른 기능은 다른 제어기 내에 있다.
복귀 압력 설정점 계산기는 냉매의 공급을 증가 또는 감소시키는 결정에 기초하여 복귀 압력 설정점을 결정하도록 구성될 수 있다. 냉매 공급 교정 제어기는 복귀 압력 설정점과 복귀 압력 사이의 에러를 결정하도록 구성될 수 있다. 또한, 냉매 공급 교정 제어기는 복귀 압력 설정점과 복귀 압력 사이의 에러에 기초하여 냉매 공급 교정을 계산하도록 구성될 수 있다. 또한, 냉매 공급 교정 제어기는 복수의 극저온 냉각기로부터의 냉매의 합계 수요와 냉매 공급 교정의 비교에 기초하여 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 양을 결정하도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 극저온 냉각기는 유동을 요청하지 않고 냉각 수요를 충족시키기 위해 냉매를 소비할 뿐이며, 주 제어기가 극저온 냉각기의 동작 변수를 감시하여 극저온 냉각기가 필요로 하는 냉매의 유동을 결정할 수 있다.
압축기는 복수의 가변 속도 압축기 중 하나일 수 있다. 압축기 모터 제어기는 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 결정된 냉매의 양에 기초하여 복수의 가변 속도 압축기의 일부분(subset)을 켜거나 끄도록 구성될 수 있다. 압축기 모터 제어기는 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 결정된 냉매의 양과, 켜져 있는 복수의 가변 속도 압축기의 일부분의 함수로서 켜져 있는 복수의 가변 속도 압축기의 일부분의 속도를 결정하고, 또한, 결정된 속도로 구동하도록 켜져 있는 복수의 가변 속도 압축기의 일부분에 명령을 전송하도록 추가로 구성될 수 있다. 예로서, 수요를 충족시키기 위해 서로 다른 속도로 구동되는 다수의 가변 속도 압축기가 존재할 수 있다. 또한, 시스템 상에서 구동되는 고정 속도 압축기가 존재할 수 있으며, 고정 속도 압축기의 일부분이 냉매 수요를 충족시키기 위해 켜지고 꺼질 수 있다.
또한, 전자 제어기는 압축기가 냉매의 합계 수요를 복수의 극저온 냉각기에 공급할 수 있는지 여부를 결정하도록 구성될 수 있다. 압축기가 냉매의 합계 수요를 복수의 극저온 냉각기에 공급할 수 없는 경우, 제어기는 복수의 극저온 냉각기 내의 극저온 냉각기의 속도를 조절하거나, 극저온 냉각기에 대한 냉매의 할당을 감소시킬 수 있으며, 여기서, 극저온 냉각기 내의 제어부는 극저온 냉각기의 속도를 조절한다.
또한, 전자 제어기는 복수의 극저온 냉각기로부터 냉매의 합계 수요를 획득하도록 구성될 수 있다. 또한, 극저온 냉각기는 저온 펌프에 포함될 수 있다.
냉매의 공급을 제어하기 위한 방법은 제어기에서 복수의 극저온 냉각기로부터의 통신에 기초하여 냉매의 합계 수요를 획득하는 것을 포함한다. 제어기에 의해, 이 방법은 냉매의 합계 수요에 기초하여 복수의 극저온 냉각기에 냉매를 전달하는 압축기의 속도를 제어한다.
냉매의 공급을 제어하기 위한 냉각 시스템은 고압 공급 라인과 저압 복귀 라인을 포함하는 복수의 가변 속도 압축기를 포함한다. 복수의 가변 속도 압축기는 복수의 극저온 냉각기에 냉매를 공급하도록 구성된다. 압축기 제어기는 냉매의 요구(requirement)에 기초하여 복수의 가변 속도 압축기의 일부분을 선택적으로 켜거나 끈다.
복수의 압축기는 단지 두 개의 가변 속도 압축기를 포함할 수 있다. 두 개의 가변 속도 압축기의 어느 한쪽에 오류 고장 조건이 존재하는 경우, 압축기 제어 시스템은 고장 조건이 없는 가변 속도 압축기의 속도를 최대 모터 속도로 조절할 수 있다.
또한, 두 개의 가변 속도 압축기 양자 모두가 켜지면, 압축기 제어기는 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로부터 단일 가변 속도 압축기 동작 상태로 전환할지 여부를 결정하도록 구성될 수 있다. 압축기 제어기는 또한 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 양을 계산하도록 구성될 수 있다. 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 계산된 양이 단일 압축기의 임계 냉매 출력보다 작은 경우, 압축기 제어기는 두 개의 가변 속도 압축기 중 하나를 선택하여 끌 수 있다.
또한, 압축기 제어기는 켜진 상태로 남겨지는 가변 속도 압축기의 속도를 복수의 극저온 냉각기에 냉매의 계산된 양을 전달할 수 있는 속도로 증가시킨 이후 두 개의 가변 속도 압축기 중 하나를 끌 수 있다. 압축기 제어기는 또한 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 계산된 양이 일정 시간 기간 동안 단일 압축기의 임계 냉매 출력보다 작은 경우 두 개의 가변 속도 압축기 중 하나를 끄도록 구성될 수 있다.
압축기 제어기는 꺼진 이력에 기초하여 두 개의 가변 속도 압축기 중 하나를 끄도록 선택할 수 있다. 압축기 제어기는 또한 공급 압력과 복귀 압력 사이의 차이가 사전결정된 임계치를 초과하여 급락(collapse)하는 경우를 결정하도록 구성될 수 있다. 압력 차이가 사전결정된 임계치를 초과하여 급락하는 경우, 압축기 제어기는 단일 가변 속도 압축기 동작 상태로부터 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로 전환할 수 있다.
또한, 이중 가변 속도 압축기 중 하나가 꺼지는 경우, 압축기 제어기는 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 양을 계산하도록 구성될 수 있다. 또한, 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 계산된 양이 단일 압축기의 임계 냉매 출력보다 큰 경우, 압축기 제어기는 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로 전환할 수 있다.
압축기 제어기는 복수의 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 계산된 양이 일정 시간 기간 동안 단일 압축기의 임계 냉매 출력보다 큰 경우 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로 전환하고 두 개의 가변 속도 압축기 중 하나를 켜도록 구성될 수 있다.
압축기 제어기는 이중 가변 속도 동작 상태로 전환하고, 극저온 냉각기에 전체 냉매 합계 수요를 공급하도록 두 개의 가변 속도 압축기의 속도를 조절할 수 있다.
압축기 제어기는 이중 가변 속도 동작 상태로 전환시, 단일 가변 속도 동작 상태 동안 작동하는 가변 속도 압축기의 속도를 감소시키기 이전에 켜지는 가변 속도 압축기의 속도를 증가시킬 수 있다.
냉매의 공급을 제어하는 방법은 복수의 가변 속도 압축기로부터 복수의 극저온 냉각기로 냉매를 공급하는 것과, 냉매의 요구(requirement)에 기초하여 복수의 압축기의 일부분을 선택적으로 켜거나 끄는 것을 포함한다.
냉매의 공급을 제어하는 냉매 시스템은 별개의 가변 속도 압축기들을 포함한다. 또한, 냉매 시스템은 별개의 고정 속도 압축기와 함께 별개의 가변 속도 압축기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 단일 압축기 구조체 내에 둘 이상의 압축기 펌프가 구성될 수 있으며, 여기서, 펌프들 중 하나 이상은 속도가 가변적이고, 각 펌프는 별개의 압축기인 것처럼 제어된다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 진공 구성요소의 진공 성능 특성을 진단하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 진공 구성요소의 동작 동안 진공 구성요소의 진공 성능 특성에 기초한 전자 신호를 자동으로 검출하는 것과, 진공 구성요소의 동작 동안 진공 구성요소와 통신하는 데이터 네트워크를 거쳐 검출된 전자 신호에 기초한 데이터 기록을 자동으로 통신하는 것을 포함한다. 진공 성능 특성은 통신된 데이터 기록에 기초하여 자동으로 진단된다. 진공 구성요소는 극저온 진공 펌프, 압축기, 터보분자 펌프(turbomolecular pump), 러핑 펌프(roughing pump), 워터 펌프, 냉동기(chiller), 밸브, 계기 또는 다른 진공 구성요소일 수 있다. 데이터 기록은 검출된 전자 신호와 연계된 시간에 기초한 시간 스탬프(time stamp)를 포함할 수 있다.
관련 실시예에서, 검출된 전자 신호는 극저온 진공 펌프의 극저온 냉각기 모터 속도의 증가에 기초한 신호일 수 있다. 전자 신호를 자동으로 검출하는 것은 극저온 냉각기 모터 속도의 증가를 검출하는 것과, 극저온 냉각기 모터 속도의 증가 이전에 극저온 진공 펌프의 극저온 냉각기 스테이지의 온도의 증가를 검출하는 것과, 발생된 극저온 냉각기 스테이지의 온도의 증가 동안 극저온 냉각기 스테이지를 위한 가열기의 동작의 결여를 검출하는 것을 포함할 수 있다.
방법 및 대응 냉각 시스템은 냉매의 공급을 제어하는 것에 관련한다. 제어기는 하나 이상의 압축기를 포함하는 냉매 시스템의 고장을 검출하며, 여기서, 하나 이상의 압축기는 고정 속도 및 가변 속도 압축기의 임의의 조합이다. 고장 검출시, 제어기는 고장 회복 절차를 개시한다.
제어기는 냉매 시스템의 요소들 사이의 통신 소실을 검출하도록 추가로 구성될 수 있다. 통신 소실의 검출시, 제어기는 하나 이상의 압축기의 속도를 증가시킨다. 검출된 고장이 전류가 사전결정된 임계치를 초과한다는 것을 나타내는 경우, 제어기는 경보 신호를 발령하고, 점진적으로 하나 이상의 압축기의 속도를 감소시킬 수 있다. 전류가 계속 사전결정된 임계치를 초과하고, 하나 이상의 압축기의 속도가 최소 임계치인 경우, 제어기는 하나 이상의 압축기를 끈다.
또한, 제어기는 고장이 존재할 때 속도 제어 알고리즘을 무효화하고, 압축기 속도의 감소가 고장으로부터의 복구를 위해 사용된다. 압축기 모터 속도가 고장을 제거하기 위해 감소될 때, 공급 및 복귀 라인의 압력들 사이의 압력 차이는 신호 제어를 위해 사용되는 설정점 미만이 되는 것이 허용된다. 고장을 제거하기 위한 고장 복구 절차는 규정된 압력 차이를 유지하기 위한 정상적 제어보다 선행된다. 또한, 제어기는 모터가 최대 온도 임계치보다 높은 온도에 도달하였는지 여부를 결정할 수 있고, 온도가 임계치보다 큰 경우, 제어기는 필요시 최소 속도 임계치가 도달될 때까지 모터의 속도를 감소시키도록 구성된다. 또한, 제어기는 모터가 최대 임계치보다 큰 온도로 머무르는 경우, 모터를 끌 수 있다.
또한, 제어기는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 같은 구동 트랜지스터가 최대 임계치보다 큰 온도에 도달하였는지를 결정하도록 추가로 구성되고, 온도가 임계치보다 큰 경우, 제어기는 최소 속도 임계치가 도달될 때까지 구동 트랜지스터와 연계된 압축기의 속도를 감소시킨다. 또한, 제어기는 구동 트랜지스터가 최대 임계치보다 큰 온도로 머무르는 경우 압축기를 끌 수 있다.
또한, 제어기는 입구 또는 출구 수온이 임계치를 초과하는지 여부를 결정하고, 수온이 임계치를 초과하는 경우, 제어기는 경보를 발령한다. 또한, 제어기는 하나 이상의 열 교환기의 온도가 온도 임계치를 초과하는지를 결정하고, 이 온도가 온도 임계치를 초과하는 경우, 제어기는 경보를 발령한다. 또한, 제어기는 하나 이상의 열 교환기와 연계된 압축기를 끄도록 구성될 수 있다.
전자 장치를 포함하는 영역의 내부 분위기 온도가 임계 온도보다 큰 경우, 제어기는 경보를 발령한다. 또한, 다른 실시예에서, 하나보다 많은 압축기가 헬륨 회로를 공유할 수 있다. 이런 시나리오에서, 헬륨 회로 내의 압축기 중 하나가 꺼져있을 때의 시점에서 압력차가 임계치 미만으로 떨어지는 경우, 제어기는 압축기를 다시 켜고, 체크 밸브 고장 경보가 발령되며, 제어기는 유닛이 수리될 때까지 정상적 냉매 제어 공정의 일부로서 압축기를 끄지 않을 것이다.
압력 센서의 소실 또는 고장이나 압력 센서로의 또는 압력센서로부터의 통신의 소실을 검출하는 것에 응답하여, 제어기는 고장의 경보를 발령하고, 압축기를 최대 속도로 구동한다. 추가적으로, 제어기는 압력 차이 메트릭이 임계치 미만인지 여부를 결정하도록 구성되고, 이 값이 임계치 미만인 경우, 제어기는 압축기를 최대 속도로 설정한다.
또한, 제어기는 압력 차이 메트릭이 사전결정된 양의 시간 동안 임계치 미만으로 유지되는 경우 극저온 냉각기에 대한 냉매의 할당을 감소시킬 수 있다. 무효한 압력 센서의 검출에 응답하여, 제어기는 압축기를 최대 속도로 설정할 수 있다. 또한, 제어기는 팬 고장을 검출하는 것에 응답하여 경보를 발령할 수 있다.
임계치 미만인 압력 공급과 압력 복귀 사이의 압력 차이를 검출하는 것에 응답하여, 제어기는 극저온 냉각기가 특정 온도로 유지되는지를 결정하기 위해 극저온 냉각기 온도를 점검할 수 있다. 극저온 냉각기가 특정 온도로 유지되는 경우, 제어기는 압력 센서의 고장이 발생한 것으로 결정하고, 압축기를 최대 속도로 설정한다.
또한, 제어기는 복수의 압력 센서 중 하나보다 많은 압력 센서가 고압 공급 라인을 측정하고 압력 센서의 일부분에서 고장이 검출되는 경우, 센서 피드백으로서 복수의 압력 센서 중 하나 이상의 작업 압력 센서를 사용할 수 있다. 대안적으로, 압력 센서 중 하나보다 많은 압력 센서가 저압 복귀 라인을 측정하고, 센서의 일부분에서 고장이 검출되는 경우, 제어기는 하나 이상의 작업 센서를 제어 시스템에 대한 센서 입력으로서 사용할 수 있다.
검출된 고장에 응답하여, 압축기가 차단(shut off)되는 경우, 제어기는 압축기를 다시 켜고 시스템이 정상 제어 하에 동작할 수 있게 할 수 있다. 압축기가 검출된 고장에 응답하여 다시 가동 중단되는 경우, 경보가 발령되고, 압축기는 다시 복귀 및 다시 동작될 수 있게 될 것이다. 사전결정된 시간 기간 이내의 사전결정된 수의 가동 중단 이후, 압축기는 재시동이 불허되고 경보가 발령된다.
달리 말하면, 문제가 있고, 압축기의 저속화 같은 고장 해결 조치가 고장을 해결하는데 실패하는 경우, 제어기는 압축기를 차단시키고, 그 후, 압축기를 재시동한다. 이 재시동 절차는 반복될 수 있다. 예로서, 제어기는 가동 중단 및 켜기 절차(예를 들어, 재시작)가 고장을 해결하는 데 실패하는 경우 압축기를 가동 중단시킬 수 있다. 이는 설정된 시간 이내에 3회까지 반복될 수 있다. 고장이 해결되지 않으면, 그 후, 압축기는 꺼진 상태로 유지된다. 임의의 유형의 고장에 대한 경보는 압축기 내부에 저장되고, 압축기에 표시되며, 극저온 냉각기 시스템을 위한 제어기에 통신되고, 호스트 툴(host tool)에 통신되고 및/또는 툴 또는 냉각 시스템을 감시하는 임의의 다른 시스템에 통신될 수 있다.
압축기 내의 개별 냉각 회로 내에 또는 압축기들의 그룹이나 압축기의 출구의 냉각수 회로에 배치된 온도조절 밸브(thermostatic valve)가 장치에 의한 전체 냉각수 유동을 감소시킬 수 있다. 밸브의 온도 설정점은 성능 및 신뢰성을 위해 안전한 레벨로 냉각된 상태로 물품을 유지한다. 이들 밸브는 냉매 같은 냉각 유체, 윤활 유체 같은 냉각 유체를 위한 상반유동 열 교환기 및 압축기 펌프와 전자 냉각 플레이트에 부착된 열 교환기를 냉각하기 위한 회로 내에 배치될 수 있다. 추가적으로, 전자 냉각 플레이트에 대한 입구 또는 출구에 온도조절 밸브를 사용하는 것은 전자장치를 위한 냉각 플레이트를 응축을 방지하기 위해 임계치보다 높게 유지하기 위한 것이다. 단열 온도조절 유동 제어 밸브가 냉각수 회로에 결합되어 온도 설정점 정도로 유동을 조절하고, 그에 의해, 동작 제원 이내로 모터 권선 온도를 유지하기 위해 필요한 최소량의 냉각수를 유지할 수 있다.
또한, 제어기는 공급 라인(예를 들어, 공급 압력)과 복귀 라인(예를 들어, 복귀 압력) 사이의 압력차에 기초하여 복수의 극저온 냉각기에 냉매를 전달하는 하나 이상의 가변 속도 압축기의 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어기는 극저온 냉매 시스템의 고장을 검출하도록 구성된다. 고장 검출에 응답하여, 제어기는 고장 회복 절차를 개시한다.
극저온 냉매 시스템의 다른 예시적 실시예는 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 압축기는 가변 및 고정 속도 압축기의 임의의 조합을 포함한다. 또한, 시스템은 제어기를 포함하며, 이 제어기는 공급 라인과 복귀 라인 사이의 압력차를 감시하도록 구성된다. 압력차가 설정점 값보다 큰 것으로 고려되는 값인 경우(예를 들어, 초과량의 냉매가 공급되는 상태), 제어기는 하나 이상의 압축기의 동작 상태를 조절한다.
한 가지 시나리오에서, 하나 이상의 압축기는 하나의 가변 속도 압축기와 하나의 고정 속도 압축기를 포함하고, 정상 압력차보다 높은, 그리고, 시스템 임계치보다 큰 압력차를 초래하는 잉여 냉매 공급이 존재한다. 압력차가 정상 동작 조건으로 고려되는 값이 되도록(예를 들어, 임계치보다 낮은 값으로 압력차를 강하시키도록) 시스템을 조절하기 위해, 제어기는 고정 속도 압축기를 끄고 가변 속도 압축기의 속도를 극저온 냉각기로의 적절한 냉매 공급을 유지하는 속도로 조절한다. 가변 속도 압축기가 최소 속도로 구동되는 다른 시나리오에서, 제어기는 가변 속도 압축기의 속도를 최대 속도로 증가시키고, 그 후, 고정 속도 압축기를 끄도록 구성된다.
압력차의 임계치는 냉매 시스템의 요소의 구성에 기초할 수 있다. 제어기는 임계치를 사전 저장하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 제어기는 탐색 통신 메시지를 통해 냉매 시스템의 요소의 구성을 탐색하는 것에 기초하여 임계치를 결정할 수 있다.
상술한 내용은 본 발명의 예시적 실시예에 대한 이하의 더 상세한 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이며, 이러한 예시적 실시예는 다양한 도면 전반에 걸쳐 동일 참조 번호가 동일 부분을 지시하고 있는 첨부 도면에 예시되어 있다. 도면은 반드시 실척대로 그려진 것은 아니며, 본 발명의 실시예를 예시하기 위해 강조되어 있을 수 있다.
도 1a는 전형적인 종래 기술 극저온 냉각기의 개략적 예시도이다.
도 1b는 도 1의 극저온 냉각기를 포함하는 전형적인 종래기술 저온 펌프의 단면도를 도시한다.
도 2는 복수의 저온펌프와 압축기에 연결된 극저온 냉각 시스템 마스터 제어기의 블록도를 도시한다.
도 3은 냉매의 공급을 제어하기 위한 냉각 시스템의 블록도를 도시한다.
도 4는 다수의 가변 속도 압축기의 동작을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 1개 모터 동작과 2개 모터 동작 사이의 전환시 전형적 냉매(헬륨(He)) 유동 대 요청된 He 유동을 예시하는 그래프이다.
도 6은 동작하는 압축기의 속도를 결정하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7은 냉매의 공급을 제어하기 위한 냉각 시스템의 블록도이다.
본 발명의 예시적 실시예의 설명이 이어진다.
본 명세서에 인용된 모든 특허, 공개 출원 및 참조문헌의 교시는 인용에 의해 그 전체가 본원에 포함된다.
헬륨 관리 제어에 대한 설명 이전에, 저온펌프 동작을 설명하는 것이 유익할 수 있다.
저온펌프 같은 진공 펌프는 진공 처리 챔버를 근사 제로 압력으로 만들기 위해 사용된다. 10-6 내지 10-9 torr 또는 더 낮은 수준의 근사 제로 압력은 진공 처리 챔버로부터의 실질적 모든 분자를 제거함으로써 달성된다. 분자는 저온펌프 내의 극저온 냉각기를 통해 진공 처리 챔버로부터 제거된다. 극저온 냉각기의 일부는 근사 절대 제로, 통상적으로 10K-20K까지 냉각됨으로써 처리 챔버 내의 실질적 모든 분자가 극저온 냉각기에 의해 냉각된 극저온 어레이 상에 응축되게 한다. 극저온 어레이는 통상적으로 소형 체적의 표면적을 제공하기 위한 루버와 배플의 세트이다. 따라서, 응축된 가스는 근사 진공이 생성되도록 낮은 증기 압력을 갖는 고체로 감소된다. 또한, 극저온 어레이는 수소, 헬륨 및 네온 같은 응축되지 않는 분자를 흡착하기 위해 차콜(charcoal) 같은 흡착성 물질을 포함할 수 있다. 극저온 냉각기는 예로서, 절대 제로에 근접한 온도를 달성할 수 있는 헬륨 가스 같은 냉매 작동 유체에 의해 동력공급된다.
저온펌프는 그 현재의 동작에 따라서 가변적 양의 헬륨을 소비한다. 일련의 저온펌프가 가용 헬륨 공급을 최대화하기 위해 하나 또는 그 이상의 압축기의 공통 압축기 뱅크에 연결된다. 저온펌프에 의한 헬륨 소비는 제어기에 의해 감시 및 조절된다. 각 저온펌프의 다양한 동작 파라미터를 감시함으로써, 헬륨의 적절한 공급은 각 저온펌프에 공급된다. 잉여 헬륨은 이를 활용할 수 있는 저온펌프에 사용되도록 안내된다. 부족한 헬륨은 동작을 유지하고 유해한 효과를 최소화하도록 할당된다.
통상적 저온펌프의 냉각기에서, 작동 유체가 압축되고, 압축의 열은 공기 냉각식 열 교환기에 의해 제거되며, 유체는 추가로 재생성 열 교환 매트릭스에서 냉각되고, 가스는 그 후 주변 온도 미만의 냉각을 생성하기 위해 팽창된다. 저온펌프는 진공 처리 챔버로부터 가스 분자를 제거하기 위해 20K 미만에서 효과적으로 동작하여야만 한다. 이 낮은 온도의 달성은 매우 효율적인 열 교환기와 절대 제로에 근접한 온도에서 가스상을 유지하는 헬륨 가스 같은 작동 유체의 사용을 필요로 한다.
도 1a는 극저온 냉각기(10) 내부의 도면을 도시한다. 도 1a의 장치에서, 헬륨은 고압 밸브(46)를 통해 극저온 냉각기의 콜드 핑거(cold finger)에 진입하고, 저압 밸브(48)를 통해 배출된다. 디스플레이서 구동 모터(216)는 각각 제1 스테이지 및 제2 스테이지 극저온 냉각기의 디스플레이서(207, 209)를 구동한다. 제1 스테이지 디스플레이서(207)는 제1 냉각기(211)를 포함하고, 제2 스테이지 디스플레이서(209)는 제2 냉각기(213)를 포함한다. 열은 저온펌프 방사 차폐부 및 전방 어레이 같은 제1 스테이지 열 부하(203)와 10K 내지 20K 저온패널(cryopanel) 같은 제2 스테이지 부하(205)로부터 추출된다.
저온펌프의 극저온 냉각기 내의 압축된 가스 냉매의 유동은 순환한다. 도 1a에 도시된 극저온 냉각기의 가장 기본적 형태에서, 압축 가스의 소스, 즉, 압축기는 입구 밸브(46)를 통해 실린더(44)의 제1 단부에 연결된다. 배기 라인 내의 배기 밸브(48)는 제1 단부로부터 압축기의 저압 입구로 이어진다. 디스플레이서(207)가 실린더의 제2 저온 단부에 위치된 냉각기(211)를 포함하고, 배기 밸브가 폐쇄되고 입구 밸브가 개방된 상태에서, 실린더는 압축된 가스로 충전된다. 입구 밸브가 여전히 개방된 상태에서, 디스플레이서는 극저온 냉각기를 통해 압축된 가스를 제2 단부로 밀어넣기 위해 제1 단부로 이동하고, 가스는 극저온 냉각기를 통과할 때 냉각된다. 입구 밸브가 폐쇄되고 배기 밸브가 개방될 때, 가스는 저압 배출 라인 내로 팽창하고 추가로 냉각된다. 제2 단부의 실린더 벽을 가로지른 결과적 온도 구배는 열이 부하로부터 실린더 내의 가스로 유동하게 한다. 배기 밸브가 개방되고, 입구 밸브가 폐쇄된 상태에서, 디스플레이서는 그 후 제2 단부로 이동함으로써, 열을 저온 가스로 복귀시키는 극저온 냉각기를 통해 다시 가스를 변위시키며, 따라서, 극저온 냉각기를 냉각시키고, 사이클이 완료된다. 통상적 저온펌프에서, 실린더는 콜드 핑거라 지칭되고, 이는 제1 스테이지와 제2 스테이지를 가질 수 있다.
저온펌프 사용을 위해 필요한 저온을 생성하기 위해, 도입 가스는 팽창 이전에 냉각되어야 한다. 극저온 냉각기가 도입 가스로부터 열을 추출하고, 이를 저장하며, 그 후, 이를 배기 스트림으로 방출한다. 극저온 냉각기는 역방향 유동 열 교환기이며, 이를 통해 헬륨은 교번적으로 각 방향으로 지나간다. 재생기(regenerator)는 고 표면적, 고 비열 및 저 열전도성의 재료를 포함한다. 따라서, 재생기는 헬륨의 온도가 더 높은 경우 헬륨으로부터 열을 수용한다. 헬륨의 온도가 더 낮은 경우, 재생기는 열을 헬륨으로 방출한다. 대안적으로, 콜드 핑거는 단지 단일 스테이지 또는 둘 이상의 스테이지를 가질 수 있다.
도 1b는 극저온 냉각기를 포함하는 저온 펌프의 단면도를 도시한다. 도 1b에 예시된 바와 같이, 저온 펌프의 대부분은 종래의 것이다. 도 1b에서, 저온펌프 하우징은 디스플레이서 구동부(40) 및 크로스헤드 조립체(42)를 노출시키도록 제거된다. 크로스헤드는 2-스테이지 콜드 핑거(44) 내의 디스플레이서를 구동하기 위한 왕복 운동으로 모터(40)의 회전 운동을 변환한다. 각 사이클에서, 라인(47)을 통해 압력 하에 콜드 핑거 내로 도입된 헬륨 가스는 팽창하고, 따라서, 극저온 온도에서 콜드 핑거를 유지하도록 냉각된다. 그 후, 디스플레이서 내의 열 교환 매트릭스에 의해 데워진 헬륨은 라인(49)을 통해 배기된다.
제1 스테이지 열 스테이션(50)은 극저온 냉각기의 제1 스테이지(52)의 저온 단부에 장착된다. 유사하게, 열 스테이션(54)은 제2 스테이지(56)의 저온 단부에 장착된다. 적절한 온도 센서 요소(58, 60)는 열 스테이션(50, 54)의 후방에 장착된다.
주 펌핑 표면은 시트 싱크(54)에 장착된 극저온 어레이(62)이다. 이 어레이는 그 전체가 인용에 의해 포함되는 미국 특허 제4,555,907호에 개시된 복수의 디스크를 포함한다. 저온 흡착재는 비응축성 가스를 흡착하기 위해 어레이(62)의 보호된 표면에 장착된다.
컵 형상 방사 차폐부(64)는 제1 스테이지 열 스테이션(50)에 장착된다. 콜드 핑거의 제2 스테이지는 그 방사 차폐부 내의 개구를 통해 연장한다. 이 방사 차폐부(64)는 방사에 의해 주 저온패널 어레이의 가열을 최소화하도록 후방 및 측부로 주 저온패널 어레이를 둘러싼다. 방사 차폐부의 온도는 히트 싱크(50)에서 40K 만큼 낮은 값으로부터 배기된 챔버로의 개구(68)에 인접하여 130K 만큼 높은 값까지의 범위일 수 있다. 전방 저온패널 어레이(70)는 주 저온패널 어레이를 위한 방사 차폐부 및 수증기 같은 더 높은 비등점의 가스를 위한 저온펌핑 표면 양자 모두로서 작용한다. 이 패널은 스포크형(spoke-like) 플레이트(74)에 의해 결합된 동심 루버와 셰브론(chevron)(72)의 원형 어레이를 포함한다. 이 저온패널(70)의 구성은 원형의 동심 구성요소로 국한될 필요는 없지만, 주 저온패널에 낮은 비등점의 가스를 위한 경로를 제공하면서 복사열 차폐부 및 고온 저온펌핑 패널로서 작용하도록 배열되어야 한다.
비록, 저온펌프가 구동 모터와 왕복 디스플레이서의 사용과 함께 설명되었지만, 공압 또는 펄스 튜브 극저온 냉각기 같은 대안적 냉각 시스템이 사용될 수 있다.
도 2는 저온 펌프 내의 일련의 극저온 냉각기에 냉매를 공급하기 위해 사용되는 압축기의 뱅크를 도시한다. 도 2를 참조하면, 공통 압축기 뱅크(16)는 매니폴드(18)에 헬륨 냉매를 공급하는 압축기(16a - 16n)를 포함한다. 매니폴드(18)는 냉각기 제어기(215a - 215n)와 연계된 일련의 저온펌프(10a - 10n)에 연결된다. 슬레이브 제어기 각각은 냉매 가스가 팽창할 때 콜드 핑거 내에서 왕복하는 디스플레이서를 구동하는 디스플레이서 구동부(216)를 제어한다. 디스플레이서 구동부(216)는 공급된 냉매의 양에 따라 펌프의 냉각율을 조절하기 위해 사용된다. 극저온 냉각 시스템 제어기(12)(제어기)는 디스플레이서 구동부(216)를 제어하는 냉각기 제어기(215a - 215n) 각각에 연결되고, 냉각기/저온펌프(10)에 공급되는 냉매의 양을 증가 또는 감소시키기 위해 사용된다. 제어기(12)는 개별 압축기 및 저온 장치와 소통하도록 구성된 하드웨어 회로일 수 있고, 그룹 재생 및 헬륨 관리 같은 그룹 냉각 시스템 활동을 관리하도록 추가로 구성될 수 있다. 대안적으로, 제어기(12)는 저온펌프 또는 압축기 내부 같은 냉각 시스템의 임의의 요소 내에 존재할 수 있는 로직으로서 사용될 수 있다. 냉각기/저온펌프(10) 각각은 제어기(12)에 피드백을 제공하는 하나 또는 그 이상의 센서(14a - 14n)를 갖는다. 따라서, 제어기(12)는 더 상세히 후술될 바와 같이, 센서(14)로부터 신호를 수신하고, 매니폴드로부터 가용한 총 헬륨으로부터 센서(14)로부터 전송된 신호에 기초하여 각 펌프(10)를 위한 헬륨 양 수요를 연산함으로써 이에 연결된 저온펌프(10) 모두를 조절한다. 대안적으로, 수요는 저온펌프(10)에 의해 계산될 수 있고, 수요는 제어기(12)로 전송될 수 있다. 또한, 제어기(12)는 압축기 뱅크(16) 내의 압축기(16a - 16n) 각각에 연결된다. 시스템 제어기(12)는 각 압축기(16a - 16n)로부터 공급 압력 및 복귀 압력 피드백을 수신하고, 이 정보를 사용하여, 제어기(12)는 압축기(16a - 16n) 각각이 헬륨을 출력하는 속도 및 상태(예를 들어, 오프 또는 오프)를 제어한다.
냉각 제어 시스템은 저온펌프 내의 예시적 극저온 냉각기와 연계하여 설명된다는 것을 주의하여야 한다. 냉각 제어 시스템은 단일 또는 다중 스테이지 장치를 포함하는 다양한 극저온 냉각기를 위한 냉매 공급과 연계하여 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 저온펌프는 예로서, 본 출원의 양수인에게 양도되고 그 전체가 인용에 의해 포함되는 발명의 명칭이 "Low Profile In Line Cryogenic Water Pump"인 미국 특허 제5,887,438호에 개시되어 있는 것 같은 단일 스테이지 극저온 냉각기 또는 다른 헬륨 구동식 극저온 장치에 의해 냉각되는 워터 펌프일 수 있다. 대안적으로, 스털링, 지포드-맥마혼 및 펄스 튜브 같은 극저온 냉각기가 사용될 수 있다.
저온펌프의 극저온 냉각기의 냉각 수요 및 냉각 동작 상태에 따라서, 가변적 냉매 소비율이 발생한다. 냉각 동작은 주변 상태로부터 극저온 온도로 저온펌프의 온도를 낮추고, 극저온 냉각기를 위한 대부분의 냉매를 필요로 한다. 극저온 동작 온도가 달성되고 나면, 정상 동작 모드는 온도를 유지하며, 대체로 안정적인 헬륨 유동을 필요로 한다. 재생 동작은 축적되고 응축된 가스를 방출하기 위해 저온펌프를 가열하고, 데우는 동안, 그리고, 저온펌프가 따뜻한 상태인 동안 냉매를 필요로하지 않거나 거의 필요로하지 않는다. 다른 인자는 냉매 소비율에 영향을 줄 수 있다. 냉각 동안, 저온펌프는 더 차가워짐에 따라 점진적으로 더 많은 헬륨을 소비하고, 정상 동작 온도에 접근한다. 정상 동작 온도에서, 부착된 진공 처리 챔버에서 발생하는 진공 처리 활동은 열을 발생시킬 수 있으며, 적절한 동작 온도를 유지하기 위해 필요한 열 부하 및 냉각을 증가시킨다.
공통 냉매 공급부에 연결된 저온펌프 내의 모든 극저온 냉각기의 총계 냉매 소비율이 총계 냉매 수요를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 공통 냉매 공급에 기여하는 압축기 또는 압축기들의 냉매 가용도는 시스템의 냉매 가용도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 각 저온펌프의 실제 소비율은 다양한 인자에 따라 변한다. 특정 시간 지점에서, 시스템의 냉매 가용도는 총계 냉매 수요를 초과할 수 있으며, 이는 시스템의 잉여 냉매를 나타낸다. 유사하게, 다수의 저온펌프가 고도의 냉매 소비 주기를 겪는 경우, 총계 냉각 수요는 가용 냉매를 초과할 수 있으며, 이는 냉매 부족을 나타낸다.
더 높은 효율을 위해 수요가 증가된 상태에서, 가변 속도 압축기 동작의 효율적 제어가 도움이 된다. 극저온 진공 시스템에 대하여, 최적의 해법은 제1 및 제2 스테이지 온도를 유지하기 위해 극저온 냉각기를 위해 필요한 냉매(헬륨)의 양만을 극저온 냉각기에 제공하는 것이다. 한 가지 해법은 냉각기에 의해 소비되는 냉매의 질량 유동만을 전달하기 위해 압축기가 그 속도가 변하게 하는 것이다. 이런 동작은 압축기의 동작 비용의 현저한 절약을 초래한다.
도 3은 저온펌프 내의 극저온 냉각기에 대한 냉매의 공급을 제어하기 위한 냉각 시스템의 블록도이다. 냉매를 필요로 하는 복수의 극저온 냉각기(275)는 압축기(260a-b) 및 저온펌프 극저온 냉각기 유동 수요 추산기(210a-n)에 결합된다. 각 저온펌프 유동 추산기(210a-n)는 냉각기(275a-n)가 수요로 하는 냉매의 양을 추산하기 위해 사용되는 메트릭을 냉각기(275a-n)로부터 수용한다. 저온펌프 냉각기 유동 수요 추산기(210a-n)는 직접 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 극저온 냉각기로부터 메트릭을 수용할 수 있다. 도 3이 저온펌프 시스템을 도시하지만, 대안 실시예에서, 저온펌프는 단일 또는 다중 스테이지 극저온 냉각기에 의해 대체될 수 있다.
대안적으로, 저온펌프 냉각기 유동 수요 추산기(210a-n)는 냉각기를 감시하기 위해 냉각기(275a-n)에 유선결선된 프로세서일 수 있다. 비록, 복수의 저온펌프 냉각기 유동 수요 추산기(210a-n)가 도시되어 있지만, 복수의 극저온 냉각기(275a-n)는 단일 펌프 유동 추산기에 메트릭을 통신할 수 있다는 것을 인지하여야 한다.
극저온 냉각기(275a-n)는 메트릭을 기록 및 추적하는 센서를 사용할 수 있다. 그 후, 센서는 저온펌프 극저온 냉각기 유동 수요 추산기(210a-n)에 메트릭을 전송한다. 저온펌프 극저온 냉각기 유동 수요 추산기(210a-n)에 의해 수신된 메트릭은 Psupply, Preturn, T1 및 T2, 냉각기 순환 속도, 냉각기 특정 파라미터 및 잠재적으로 각 냉각기(275a-n)와 연계된 다른 동작 파라미터를 포함할 수 있다. 저온펌프 극저온 냉각기 유동 수요 추산기(210a-n)는 이 메트릭을 사용하여 총계 기반으로 또는 개별적으로 각 극저온 냉각기를 위한 추산된 냉매 수요를 계산한다.
냉매 관리 시스템(220)은 펌프 유동 추산기(210a-n)에 결합되고, 저온펌프 극저온 냉각기 유동 수요 추산기(210a-n) 각각으로부터 추산된 냉매 수요를 포함하는 통신을 수신한다. 225에서, 냉매 관리기(220)는 그 후 저온펌프 극저온 냉각기 유동 추산기(210a-n)로부터의 통신에 기초하여 냉매를 위한 전체 총계 수요(질량 유동 요구)를 계산한다.
냉매를 위한 계산된 전체 총계 수요는 이와 연계된 에러를 갖는 추산치이다. 예로서, 에러는 0-20% 이내의 임의의 범위일 수 있다. 이런 가능한 에러에 기인하여, 냉매 관리 시스템(220)은 계산된 전체 총계 수요를 냉매 공급 교정 제어기(240)에 전송하여 복수의 극저온 냉각기(275a-n)에 대한 공급을 위한 냉매의 양을 결정한다. 이 결정은 계산된 전체 총계 수요와 냉매 공급 교정(질량 유동 교정)을 합산함으로써 이루어진다. 냉매 공급 교정 제어기(240)는 후술된 바와 같이 냉매 공급 교정을 계산한다.
냉매 로직(281)을 사용하여, 냉매 관리 시스템(220)은 냉각 시스템의 상태를 결정한다. 예로서, 냉각 시스템은 이하의 상태, 온도 제어, 냉각 또는 가동 중단 중 하나일 수 있다. 냉각 시스템의 상태는 냉매 시스템 전반에 걸친 센서의 사용에 의해 결정된다. 제어기는 냉각 시스템의 구성요소가 고장 및 동작 모드를 포함하지만 이에 한정되지 않는 시스템의 상태를 인지하게 하는 메시지에 고유 수치값을 할당할 수 있다. 냉매 공급 교정 제어기(240)는 225에서 시스템의 상태에 기초한 사전결정된 인자에 의해 전체 총계 수요를 조절할 수 있다.
또한, 냉매 관리 시스템(220)은 복귀 압력(Preturn) 및 공급 압력(Psupply) 메트릭을 저압 복귀 라인 및 고압 복귀 라인으로부터 압축기(260a-b)로부터의 피드백 루프를 통해 수신하여 어떤 방향으로 복귀 압력 설정점을 교정할 지를 결정한다. 냉매 관리 시스템(220)은 복귀 압력 및 공급 압력을 감시하는 센서(280a, 280b) 각각으로부터 Preturn 및 Psupply 메트릭을 수신한다. 센서(280a, 280b)는 각각 Preturn 라인 및 Psupply 라인에 결합된다.
복귀 압력 설정점 계산기(282)는 냉각 시스템의 상태에 관련한 냉매 로직(281)으로부터의 정보를 사용함으로써 복귀 압력 설정점을 계산하고 상술한 바와 같이 냉매의 현재 공급이 증가되어야 하는지 감소해야 하는지 여부를 계산한다. 냉매 로직(281)을 사용하여, 냉매 관리 시스템(220)은 압축기의 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이를 계산함으로써 현재의 냉매 공급이 증가되어야 하는지 또는 감소되어야 하는지를 결정한다. 압력 차이는 단순히 공급 압력과 복귀 압력 사이의 차이이다. 냉매 관리 시스템(220)은 피드백 루프(247, 248)를 통해 Psupply 및 Preturn 메트릭을 수신한다. 냉매 로직(281)은 일정 시간 기간에 걸쳐 공급 압력과 복귀 압력 사이의 평균적 차이를 계산할 수 있다. 예로서, 냉매 로직은 2분의 기간에 걸쳐 평균적 차이를 획득할 수 있다.
일반적으로, 일부 극저온 냉각 시스템에 대하여, 공급 압력이 400 PSI이고, 복귀 압력이 200일 때 일반적 또는 정적 조건이 발생한다. 이런 조건하에서, 냉매 관리 시스템(220)은 냉매의 공급은 불변의 또는 정적 상태로 남아있으며, 증가도 감소도 아니라는 것을 결정한다.
그러나, 압력 차이가 하부 압력 차이 임계치, 예로서, 190psi (즉, 일반적 압력 차이 빼기 설정가능한 오프셋), 미만인 것으로 결정되는 경우, 냉매 관리 시스템(220)은 압력 차이의 큰 감소가 발생하고 원하는 동작 범위의 외부에 있다는 것을 결정한다. 이런 큰 감소는 냉매 관리 시스템(220)에 대해 극저온 냉각기(275a-n)가 부적절한 냉매 공급을 수용하고 냉매의 공급이 증가되어야 한다는 것을 나타낸다. 반대로, 압력 차이가 상부 압력 차이 임계치, 예로서, 210 psi(일반적 압력 차이 더하기 설정가능한 오프셋)보다 큰 것으로 결정되는 경우, 냉매 관리 시스템은 압력 차이가 원하는 동작 범위 외부로 증가되었다는 것을 결정한다. 압력 차이의 이런 증가는 냉매 관리 시스템(220)에 압축기가 너무 많은 냉매를 전달하고 있고, 우회 밸브(미도시)를 통해 냉매를 낭비하고 있으며, 냉매의 공급이 감소되어야 한다는 것을 나타낸다. 통상적 시스템 동작(온도 제어에 저온펌프를 구비함)은 상부 및 하부 압력 차이 임계치 이내에서 동작을 유지한다. 그러나, 부하가 급속하게 변하고, 질량 유동 수요 추산치가 현저한 에러를 가질 수 있거나, 압축기 또는 저온펌프의 손실 또는 이득 같은 고장이 초래될 수 있는 경우, 이 교정 메커니즘은 압축기가 펌프에 의해 요구되는 유동을 전달할 때까지 수분의 기간에 걸쳐 적응된다.
냉매 관리 시스템(220)이 냉매의 공급이 정적인지, 증가하는지 또는 감소하는지를 결정하고 나면, 냉매 관리 시스템(220)은 냉매 로직(281)을 사용하여 복귀 압력 설정점의 증분 또는 감분 여부를 결정한다. 복귀 압력 설정점 계산기(282)는 냉매 로직으로부터 복귀 압력 설정점이 증분되어야 하는지 또는 감분되어야 하는지 여부를 나타내는 메시지를 수신한다. 이 메시지의 수신시, 복귀 압력 설정점 계산기(282)는 저압 복귀 라인의 복귀 압력을 제어하기 위해 복귀 압력 설정점을 조절한다.
복귀 압력 동요가 일반적으로 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이의 급락 또는 증가의 원인을 주도한다는 사실에 기인하여 공급 압력이 아닌 복귀 압력이 제어된다. 이는 공급 압력 동요가 일반적으로 미소하고, 따라서, 압력 차이에 대한 미소한 영향을 가지는 반면 복귀 압력 동요는 현저하다는 사실에 기인한다. 대안적 실시예에서, 복귀 압력이 아닌 공급 압력이 감시 및 제어될 수 있다.
냉각 공급 교정 제어기(240)는 Preturn 설정점 계산기(282)를 통해 증분값 만큼 설정점을 증가 또는 감소시킴으로써 복귀 압력(Preturn) 설정점을 계산한다. Preturn 설정점은 새로운 상태로의 전이부에서 초기화될 수 있고, 그 후, 냉각 공급 교정 제어기의 증분을 통해 갱신될 수 있다. 복귀 압력 설정점이 계산되고 나면, 냉매 공급 교정 제어기(240)는 231에서 복귀 압력 설정점과 복귀 압력 사이의 차이를 계산함으로써 복귀 압력 에러를 계산한다. 냉매 공급 교정 제어기(240)는 복귀 압력 피드백 루프(247)를 통해 복귀 압력 메트릭을 수신한다. 냉매 교정 제어기(240)는 그 후 냉매 관리 시스템(220)으로부터의 냉매 총계 수요와 냉매 교정 제어 로직(245)을 사용하여 냉매 공급 교정을 계산한다. 냉매 공급 교정은 입력으로서 복귀 압력 에러를 갖는 제어 법칙의 출력(즉, 제어 법칙 편차 방정식을 갖는 복귀 압력 에러 신호의 컨벌루션 합)으로서 계산될 수 있다. 이 경우에, 비례 제어 로직이 제어 로직(245)에 의해 채용되며, 냉매 공급 교정은 이하의 공식을 사용하여 계산된다: 복귀 압력 비례 상수 * 복귀 압력 에러. 냉매 공급 교정 제어기(240)는 그 후 계산된 냉매 공급 교정과 냉매 관리 시스템(220)으로부터의 전체 총계 수요, 구체적으로, 232에서의 신호들의 합에 기초하여 극저온 냉각기에 대한 공급을 위한 냉매의 양을 결정한다. 또한, 시스템 상태가 냉각인 경우, 교정 루프는 개방 스위치(246)에 의해 예시된 바와 같이 불능화될 수 있다.
냉매 공급 교정 제어기(240)는 극저온 냉각기(275)에 대한 공급을 위한 냉매의 양을 압축기 제어기(270)에 통지한다. 이 통지에 기초하여, 압축기 모터 로직(250)은 복수의 압축기(260a-b)의 동작 상태를 결정한다. 압축기 제어기(270)는 단일 압축기 또는 다중의 분리된 압축기에 결합된 다수의 펌프의 동작 상태를 제어할 수 있다. 압축기의 동작 상태는 켜고 꺼질 압축기의 수를 결정한다. 예시적 실시예에서, 복수의 압축기(260a-b)는 단지 두 개의 압축기를 포함한다. 이런 실시예에서, 모터 로직(250)은 양자 모두의 압축기가 동작하는지 여부 또는 단 하나의 압축기가 동작되어야 하는지를 결정한다.
압축기(260a-b)는 압축기(260a-b)를 구동하는 압축기 펌프 모터(230a-b)에 결합된다. 모터(230a-b)는 회전 펌프, 피스톤 펌프, 스크롤 펌프 또는 다른 적절한 구동 수단을 통해 압축기(260a-b)를 동작 및 구동할 수 있다.
압축기(260a-b)는 가변 속도 압축기일 수 있고, 모터(230a-b)가 구동되는 속도를 조절함으로써 변화된 속도로 극저온 냉각기에 냉매를 공급할 수 있다. 주파수 계산기(255)로의 유동은 켜져야 하는 것으로 결정된 압축기(260a-b)를 위한 압축기 모터(230a-b)의 속도를 결정한다. 압축기 모터(230a-b)의 속도는 복귀 압력과 극저온 냉각기로 공급되는 계산된 냉매의 양의 함수로서 결정될 수 있다. 구체적으로, 주파수 = 질량 유동/(K*복귀 압력).
상술한 설명은 함수를 제어기로서 설명된 항목들로 분리시킨다. 이들 함수는 단일 또는 제어기의 임의의 조합으로 그룹화되고, 저온펌프/극저온 냉각기 시스템의 하나 또는 그 이상의 구성요소 상에 또는 별개로 위치될 수 있다.
대안적으로, 극저온 냉각기에 공급되는 냉매의 양이 최대 용량으로 구동되는 모든 압축기의 용량을 초과하는 경우, 냉매 관리 제어기(220)는 복수의 극저온 냉각기의 하나 이상의 극저온 냉각기의 속도를 조절할 수 있다.
이전의 접근법과는 달리, 현재의 냉매 공급 제어 루프는 주 피드백 메커니즘을 위한 압력 차이에 의존하지 않는다. 대신, 이 방법은 복귀 압력 제어에 의해 보조되는 피드포워드 유동 제어(냉매에 대한 총계 수요)를 사용한다. 이 차이가 원하는 동작 범위의 외측으로 표류할 때, 압력 차이는 단지 냉매 공급에 대한 적응적 조절을 제공하기 위해 사용된다. 이런 표류를 위한 이런 원인은 압축기에 의한 공급 또는 냉매를 위한 열악한 추정 수요 또는 냉각 시스템의 극저온 냉각기 또는 압축기의 손실 또는 이득 또는 급속한 냉매 수요 변화를 초래하는 현저한 부하 변동에 기여할 수 있다.
상술한 바와 같이, 냉매를 공급하는 더 높은 효율이 가변 속도 압축기의 사용에 의해 얻어질 수 있다. 극저온 냉각기에 대한 공급을 위해 냉매의 계산된 양에 기초한 단일 압축기 또는 두 개의 압축기 각각으로부터 냉매를 공급하기 위한 기능을 추가함으로써 더 높은 효율 레벨이 얻어질 수 있다. 두 개의 가변 속도 압축기의 동작 상태로부터 단일 가변 속도 압축기의 동작 상태로의 전이 또는 그 반대는 공급 압력과 복귀 압력 사이의 차이에 현저하게 영향을 주지 않고 이루어져야만 한다. 또한, 동작 상태들 사이의 전환도 압축기로부터의 고도의 신뢰성 레벨을 유지하기 위한 방식으로 수행되어야 한다.
도 4는 동작하는 가변 속도 압축기의 수를 결정하기 위한 방법(400)의 흐름도를 도시한다. 도 3을 참조하면, 방법(400)은 모터 로직(250)에서 수행된다. 이 방법의 시작 이전에, 양 가변 속도 압축기 모두가 동시에 최대 용량으로 구동되는 것에 대한 결정이 이루어진다. 단계 410에서, 방법(400)이 시작된다. 단계 415에서, 압축기 제어기(270)는 냉매의 양을 공급하기 위해 명령을 수신한다.
단계 420에서, 압축기 모터 로직(250)을 사용하여, 단일 가변 속도 압축기 가 구동되거나 양 가변 속도 압축기가 구동되는 상태로 동작하는지 여부가 결정된다. 이러한 결정은 냉매의 양을 공급하기 위한 명령이 단일 가변 속도 압축기의 최대 용량보다 큰지 또는 그보다 작은지 여부를 결정함으로써 연산되는 전이 임계치(transitional threshold)를 결정함으로써 이루어진다. 단일 가변 속도 압축기의 최대 용량은 동시에 동작하는 양 가변 속도 압축기의 최대 용량의 절반으로서 계산될 수 있다. 이 값은 추산치이고, 단일 가변 속도 압축기의 최대 용량은 구동되는 두 개의 압축기가 DC 버스 전압을 동시에 감소시킨다는 사실에 기인하여 구동되는 양 압축기의 최대 용량의 절반보다 약간 크다는 것을 인지하여야 한다.
단계 425에서, 모터 로직(250)은 냉각 시스템이 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로부터 단일 가변 속도 압축기 동작 상태로 전이한다는 것을 결정한다. 달리 말하면, 두 개의 가변 속도 압축기 중 하나가 꺼져야한다는 것을 결정한다. 상술한 바와 같이, 이 결정은 냉매의 양을 공급하기 위한 명령이 단일 가변 속도 압축기의 최대(임계치) 용량 미만인 경우에 이루어진다. 유동 추산치의 노이즈 레벨에 기인한 전이 중의 불확실성을 고려하기 위해, 공급될 필요가 있는 냉매의 양이 사전결정된 히스테리시스값 보다 작은 단일 가변 속도 압축기의 최대 용량 미만인지에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 예로서, 히스테리시스 값은 10 분당 표준 입방 피트(SCFM)일 수 있다. 불확실성을 고려하기 위해 히스테리시스 값을 사용하는 것에 추가로, 수요가 사전결정된 시간 기간 또는 디바운스 기간(debounce period)을 위한 히스테리시스를 제외한 최대 용량 미만이 될 필요가 있을 수 있다. 압축기 신뢰성에 부정적인 영향을 갖는 모터의 빈번한 켜고/끄는 순환을 제거하기 위해 히스테리시스가 사용된다. 디바운스 지연(debounce delay)은 모터를 끌때만 적용되고, 모터를 켤때 매우 작은 지연이 적용된다는 것을 인지하여야 한다.
단계 435에서, 두 개의 압축기 동작 상태로부터 단일 압축기 동작 상태로의 전환에 대한 결정시, 모터 로직(250)은 두 개의 압축기 중 어느 것이 꺼져야 하는지를 선택한다. 이러한 선택은 각 모터의 꺼진 이력에 기초할 수 있다. 예로서, 모터 로직(250)은 단일 압축기 동작 상태, 일정 시간 기간 동안 모터 사이의 교번 또는 임의의 다른 패턴을 사용한 모터들 사이의 교번으로의 전환을 위한 각 결정에 의해 두 개의 압축기 사이에서 교번될 수 있다. 켜고 끄는 압축기 사이에서의 순환을 위한 방법은 동력 순환이 두 개의 압축기 사이에서 균등하게 할당됨으로써 압축기의 켜고 끄는 순환 동안 고도의 신뢰성을 유지하는 것을 보증한다.
단계 440에서, 선택된 압축기를 끄기 이전에, 선택되지 않은 모터의 속도가 필요한 냉매를 공급하기 위해 요구되는 속도와 같거나 그보다 큰 속도까지 증가 또는 구배상승된다. 속도의 증가는 냉매의 적절한 공급을 보증하기 위해 필요하다. 단계 445에서, 선택된 압축기가 꺼진다.
단계 420 및 425에서, 냉매 시스템이 단일 가변 속도 압축기 동작 상태로부터 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로 전이되어야한다는 것을 결정하는 경우, 그 후, 제2 압축기가 켜진다. 상술한 바와 같이, 이 결정은 냉매의 양을 공급하기 위한 명령이 단일 가변 속도 압축기의 최대(임계치) 용량보다 큰 경우에 이루어진다. 전이의 불확실성을 고려하기 위해, 이 결정은 냉매의 양이 단일 가변 속도 압축기의 최대 용량보다 큰 경우에 이루어질 수 있다. 추가적으로, 단일 압축기 상태로부터 이중 압축기 상태로의 전환을 위한 결정은 극저온 냉각기로의 적절한 냉매 공급을 보증하기 위해 매우 짧은 사전결정된 시간 기간 동안 냉매의 양이 임계치를 초과한 경우에만 이루어진다.
단계 450에서, 단일 압축기 동작으로의 전환의 결정시, 압축기 제어기(270)는 제2 가변 속도 압축기를 켠다. 단계 455에서, 이 방법(400)은 압축기를 켜는 속도까지 증가하고, 처리를 위해 모터를 켤 수 있다. 단계 460에서, 방법(400)이 종료된다.
유리하게, 이 방법(400)은 압축기가 최소 속도에서 구동되는 단일 압축기로부터 전체 속도로 구동되는 둘 이상의 압축기로, 예로서, 단일 압축기당 35Hz로 70Hz 구동되는 둘 이상의 압축기로 구동될 수 있게 한다. 이는 극저온 냉각기에 냉매를 공급하기 위한 더 큰 재능 및 범위를 가능하게 한다. 또한, 이 방법(400)은 고정 및 가변 속도 압축기의 임의의 조합을 위해 사용될 수 있다. 또한, 하나 이상의 고정 속도 압축기는 냉매 수요가 하나 이상의 가변 속도 압축기에 의해 공급될 때 꺼질 수 있다.
대안적으로, 이 동일한 동작 방법은 단일 압축기 구조체에서 하나보다 많은 압축기 펌프에 적용될 수 있다. 구조체 내의 하나의 압축기 펌프는 수요가 낮을 때 압축기 펌프 모두 구동하는 대신 동작을 유지할 수 있다. 구조체 내의 하나 또는 그 이상의 다른 것이 낮은 수요의 기간 동안 헬륨 수요를 충족시키기 위해 지속적으로 동작하는 동안 하나 이상의 압축기 펌프를 크는 기능은 에너지 효율의 현저한 개선을 제공한다.
도 5a 내지 도 5d는 도 4를 참조로 상술한 바와 같이 하나 및 두 개의 압축기 또는 압축기 펌프 동작 사이의 전환시 전형적 냉매 유동 대 요청된 유동을 예시하는 그래프이다. 도 5a는 연장된 동작 주파수 범위 시나리오를 갖는 고 전압 또는 저 전압을 위한 그래프를 예시한다. 도 5b 및 도 5c는 저 전압(연장된 범위가 없는) 시나리오를 위한 그래프를 예시한다. 이들 예에서, 제2 모터가 켜지고/꺼지는 지점에서 요청된 유동 대 실제 유동의 선형 함수의 중단이 존재한다. 도 5a 내지 도 5c의 선형 함수를 위한 중단은 단일 압축기의 전체 용량이 두 개의 압축기의 최소 용량보다 작을 수 있다는 사실에 기인한다. 선형 함수의 중단은 도 5a의 단일 압축기의 더 큰 최대 동작 속도를 초래하는 서로 다른 전력 공급 및 압축기 모터 구동 회로에 기인하여 도 5b 및 도 5c의 것보다 도 5a에서 더 작다. 도 5d는 도 5c의 각 기준 지점에서 냉각 시스템의 상태를 예시하는 표이다.
상술한 바와 같이, 도 5a는 고 전압 시나리오를 위한 그래프를 예시한다. 그래프는 y 축 상의 실제 유동 대 x 축 상의 요청된 유동을 도시한다. 또한, 그래프의 각 지점에서, 두 개의 가변 속도 압축기 각각의 속도 또는 주파수가 도시되어 있다. 지점 A 및 B는 두 개의 가변 속도 압축기 중 단 하나만이 켜지고 동작하는 냉각 시스템의 상태를 예시한다. 이는 제2 주파수가 0이라는 것을 보여줌으로써 예시되어 있다. 지점 C는 두 개의 가변 속도 압축기 상태로의 전이가 이루어질 필요가 있는 지점을 예시한다. 하나의 압축기로부터 두 개의 압축기로 이동하는 도시된 바와 같이, 4.8 SCFM의 히스테리시스는 전이가 요청된 유동이 100 SCFM보다 클 때에만 발생하는 것을 보증한다. 반대로, 지점 D에서, 두 압축기 동작 상태로부터 단일 압축기 상태로의 이동에 대한 판정이 이루어질 수 있다. 여기서, 히스테리시스는 전이는 요청된 유동이 100 SCFM 미만인 경우에만 이루어진다. 지점 E 및 F는 압축기가 2개 압축기 상태에서 구동되는 경우의 시나리오를 예시한다. 지점 E는 두 개의 압축기가 양자 모두 최소 용량으로 구동되는 시나리오를 보여주고, 지점 F는 두 개의 압축기가 양자 모두 최대 용량으로 구동되는 시나리오를 도시한다.
도 5b는 208 VAC에서 저 전압(어떠한 연장된 주파수 범위도 없음) 시나리오를 위한 그래프를 예시한다. 그래프는 y 축 상의 실제 유동 대 x 축 상의 요청된 유동을 도시한다. 또한, 그래프의 선택 지점에서, 두 개의 가변 속도 압축기 각각의 속도 또는 주파수가 도시되어 있다. 도 5b는 도 5a와 유사하지만, 하나의 압축기로부터 두 개의 압축기로, 그리고, 두 개의 압축기로부터 하나의 압축기 상태들로의 전이가, 단일 압축기의 전체 용량이 두 개의 압축기의 최소 용량보다 작고 이 차이가 연장된 주파수 범위 회로 없이 저 전압 시나리오에서 더 크다는 사실에 기인하여 서로 다른 요청된 유동에서 발생한다.
도 5c는 도 5b와 유사하고, 180 VAC에서의 저 전압 시나리오를 위한 그래프를 예시한다. 그래프는 y 축 상의 실제 유동 대 x 축 상의 요청된 유동을 도시한다. 또한, 그래프의 선택된 지점에서, 두 개의 가변 속도 모터 각각의 속도 또는 주파수가 도시되어 있다. 그래프의 지점 A-F는 냉매를 위한 요청된 유동과 실제 유동에 기초한 냉각 시스템의 상태를 예시한다. 또한, 그래프는 시스템의 각 압축기의 상태를 예시한다. 표 5d는 도 5c의 각 지점 A-F를 기준으로 하며, 요청된 유동, 실제 유동 및 각 압축기의 주파수를 위한 값을 도시한다.
도 6은 동작하는 압축기의 속도를 결정하기 위한 방법(600)의 흐름도를 도시한다. 도 3을 참조하면, 이 방법(600)은 주파수 계산기(255)로의 흐름에 의해 수행된다. 단계 605에서, 이 방법이 시작된다. 단계 610에서, 주파수 계산기(255)로의 흐름은 극저온 냉각기로의 공급을 위한 냉매의 양과 구동되는 압축기의 수에 관한 정보를 포함하는 압축기 모터 로직으로부터의 명령을 수신한다. 또한, 단계 615에서, 주파수 계산기(255)로의 흐름은 복귀 압력 피드백 루프를 통해 복귀 압력 메트릭을 수신한다.
단계 620에서, 주파수 계산기(255)로의 흐름은 단계 610 및 615에서 수용된 정보에 기초하여 두 개의 압축기가 구동되어야 하는 속도를 계산한다. 이 계산은 이상 가스 법칙(PV = nRT)과 체적 유동 속도를 위한 공식(V = 압축기 체적 효율 상수(K)*압축기의 속도(주파수(F)))을 조합한다. 두 개의 방정식을 조합하고, 주파수를 푸는 것은 방정식(F=질량 유동/(K*복귀 압력))을 산출한다.
그러나, 단순히 주파수(F)에서 구동되도록 압축기(들)에 요청하는 것은 'F'의 실제 속도를 산출하지 못할 수 있다. 이는 압축기(들)에 의해 사용되는 모터의 유형에 기인할 수 있다. 예로서, 압축기(들)가 동기식 AC 모터를 사용하는 경우, 이 방정식은 자체적으로 정확하지만, AC 유도 모터가 사용되는 경우, 주파수에 대해 상술한 방정식을 푸는 것은 모터 슬립에 대해 보상될 필요가 있을 수 있다. 따라서, 주파수 계산기는 앞서 계산된 것보다 높은 주파수에서 압축기를 구동하도록 명령하여야 한다. 모터 슬립은 종래 기술에 공지된 임의의 공지된 방법을 사용하여 추산될 수 있다. 단계 625에서, 주파수 계산기(255)로의 흐름은 구동 신호를 압축기 펌프(들)에 전송하여 사용되는 모터 유형에 기초하여 조절되는 계산된 주파수(속도)로 모터를 구동한다. 단계 630에서, 방법이 종료된다.
압축기는 동일한 속도로 또는 서로 다른 속도로 구동될 수 있다는 것을 인지하여야 한다. 압축기 모터는 기계적 진동 및 가청 노이즈를 감소시키기 위해 다른 주파수로 박동하는 문제를 제거하기 위해 동일한 속도로 구동된다. 압축기 펌프가 동일한 프레임 내에 있는 경우, 동작 주파수는 서로 다른 주파수에서의 박동을 제거하기 위해 동일할 수 있다. 그러나, 별개의 압축기들은 서로 다른 속도로 구동될 수 있다. 별개의 압축기들을 위한 동작 주파수를 형성할 때, 주파수의 선택은 또한 개별 압축기의 동작 효율 특성에 의존할 수 있다. 또한, 어큐물레이터가 박동의 효과를 최소화하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 주파수 계산기(225)로의 유동은 단일 압축기 시스템 내의 다수의 기계적 압축 펌프의 속도를 계산하도록 구성될 수 있다. 예로서, 별개의 압축기들이 구동되는 속도를 결정하는 것 이외에, 주파수 계산기(225)로의 흐름은 단일 압축기 시스템 내의 다수의 기계적 펌프의 속도를 결정할 수 있다. 대안적으로, 다수의 별개의 압축기들을 갖는 극저온 냉각기 시스템에 대하여, 주파수 계산기(225)로의 흐름은 다수의 별개의 압축기의 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 다수의 별개의 압축기들은 복수의 가변 속도 압축기일 수 있거나, 가변 속도 압축기와 고정 속도 압축기의 조합일 수 있다.
상술한 극저온 냉각 시스템 및 극저온 진공 펌프 시스템의 고 에너지 효율을 달성하기 위해 압축기 속도를 변화시키는 방법은 압축기의 필요한 냉매 공급을 달성하기 위해 시스템의 복귀 압력과 냉매 유동 수요의 조합에 의존한다. 압축기 및 압축기 펌프의 속도 및 동작 상태는 극저온 냉각/저온펌프의 교정된 총계 유동 수요에 의해 결정된다. 추가적으로, 복귀 압력은 더 작은 시스템에서 교정될 필요가 없을 수 있다.
변하는 압축기 속도를 위한 대안적 방법은 냉매 관리 로직에 의해 규정된 전체 냉매 요구를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 압축기 속도는 냉매를 위한 교정되지 않은 총계 수요를 정확하게 충족하도록 변화될 수 있다. 이 제어 방법은 동작 조건의 범위에 걸쳐 시스템 상의 극저온 냉각기의 냉매 수요 요구량이 정확하게 알려질 때 잘 작용된다. 알고리즘은 압축기 속도 제어를 위해 이 정보를 사용하도록 구현될 수 있다.
복귀 압력 측정치에만 직접적으로 기초하여 냉매 공급을 제어하는 것은 하나 또는 그 이상의 압축기들/압축기 펌프들로부터의 냉매를 제어하는 것에 의해 이행될 수 있다. 압축기/압축기 펌프의 동작 속도 또는 상태는 측정된 복귀 압력에 기초하여 증가 또는 감소된다. 또한, 참조표나 출력 알고리즘이 제어 루프에 사용될 수 있다. 냉매 질량 유동이 복귀 가스 밀도(압력)에 직접적으로 관련되기 때문에, 불충분한 유동은 복귀 압력의 상승에 의해 표시되며, 과잉 유동은 복귀 압력의 강하에 의해 표시된다. 압축기 속도는 적절한 냉매가 가변적 냉매 수요 환경 내에서 공급되는 것을 보증하기 위해 특정 범위 이내에서 복귀 압력을 유지하도록 제어될 수 있다.
다른 예시적 방법에서, 우회 밸브를 갖는 우회 루프의 냉매 유동의 직접 측정이 이루어질 수 있다. 우회 루프 내의 잉여 냉매 유동은 전체 시스템으로의 잉여 유동 공급을 나타낸다. 측정치는 이런 잉여를 나타내고, 압축기 속도는 우회 루프 내의 작은 잉여 냉매 유동을 유지하도록 조절될 수 있다.
추가적으로, 스프링력 구동식 밸브 대신 모터 구동식 우회 밸브가 구현될 수 있다. 또한, 밸브 내에 유동 조절 부재를 배치하는 것은 우회루프 내의 냉매 유동의 간접 측정을 가능하게 한다. 압축기 속도는 그 후 우회 유동을 최소화하도록 밸브 위치(우회 유량)에 기초하여 조절될 수 있다.
또한, 이들 해법 중 임의의 것에 대하여, 최대 속도의 복귀 압력을 초과할 때, 냉매 관리 로직은 가용 헬륨을 재할당하여 복귀 압력을 수용가능한 레벨까지 저하시킬 수 있다.
질량 유동 제어를 갖는 압축기의 능력
방법 및 대응하는 냉각 시스템은 질량 유동 제어를 갖는 압축기 시스템이 헬륨 같은 냉매를 사용하는 임의의 시스템과의 상호작용을 가능하게 하는 것에 관련한다. 이는 OnBoard® 및 OnBoard® IS 저온펌프 및 극저온 냉각기 같은 기존 CTI 극저온 시스템으로부터의 냉매 유동 제어 및 다른 제조자들로부터의 극저온 냉각기/저온펌프와 하나 또는 그 이상의 압축기들 및 압축기들을 제어하는 유연성을 포함한다. 하나 이상의 가변 압축기가 존재하는 한 고정 속도 및 가변 속도 압축기 양자 모두가 조합될 수 있다. 다수의 압축기가 조합된 상태에서, 가변 속도 기능을 갖는 압축기의 속도 및 동작 상태를 변화시키는 것에 추가로 고정 속도 압축기가 수요에 따라 꺼지고 켜질 수 있다.
복귀 압력 및 압력 차이를 사용하는 것은 임의의 냉매 시스템에 압축기가 연결될 수 있게 하며, 시스템으로부터 데이터를 수신하지 않고 냉매의 질량 유동을 제어한다. 제어 알고리즘은 냉매의 수요의 피드포워드만큼 신속하게 응답하지 않을 수 있지만, 더욱 유연하며, 그 이유는 냉각 시스템으로부터 통신을 수신할 필요가 없기 때문이다. 피드포워드에 의해, 냉매 소비는 냉매 질량 유동 소비를 추산하기 위해 사용될 수 있는 극저온 냉각기 변수의 형태로 또는 SCFM 단위로 직접적으로 제공될 수 있다. 추가적으로, 냉각 소비/수요의 피드포워드는 단독으로 또는 복귀 압력이나 압력 차이와 연계하여 사용될 수 있다.
압축기와 저온펌프/극저온 냉각기 사이의 인터페이스는 두개의 부분, 즉, 물리적 인터페이스와 데이터 인터페이스로 구성된다. 유연성을 위해, 이하의 물리적 인터페이스 중 하나 이상이 사용될 수 있다: RS-232 시리얼, Brooks 리가시 제품을 수용하기 위한 Bitbus, Ethernet 및 DeviceNet. 전자 아키텍쳐는 그 자체가 필요에 따라 새로운 인터페이스(예를 들어, 도터 카드(daughter card))의 추가를 위한 준비가 되게 한다. 데이터 인터페이스에 대하여, 압축기는 더 많은 냉매가 시스템에 의해 소비되는 방식을 인지할 필요가 있다. 저온펌프의 극저온 냉각기에 관하여, 이는 모터 속도, T1, T2, Tambient, Psupply, Preturn 및 특정 저온펌프 극저온 냉각기를 위해 규정된 다수의 상수의 조합에 기초한 냉매 유동 추산기(210A-n)에 의해 추산될 수 있다. 대안적으로, 질량 유동 제어 알고리즘은 저온펌프 극저온 냉각기로부터 복귀되는 데이터에 기초하여 냉매 소비를 추산한다. 예로서, 압축기는 OnBoard® IS의 극저온 냉각기로의 직접적 냉매 공급을 제어하도록 가능화된다. OnBoard® 및 P300 저온펌프 극저온 냉각기는 또한 Gold Link, Network Interface Terminal(NIT) 또는 다른 수단을 통해 T1 및 T2 온도를 억세스함으로써 제어될 수 있다. 또한, 다른 극저온 냉각기 및 극저온 냉각기/저온펌프 통신의 특성화는 통신을 가능화하고, 극저온 냉각기 상수를 형성하고, 모터 속도, T1, T2 및 압력 같은 필수 동작 파라미터를 취득하기 위해 사용된다. 또한, 압축기는 Ethernet 네트워크를 통해 저온펌프를 제어하도록 추가로 가능화된다. 사용자 프로그램 설정가능 맵이 알려지지 않은 또는 비통신 압축기 및 저온펌프/극저온 냉각기를 맵핑하기 위해, 그리고, 호스트 또는 다른 성능 감시 시스템으로부터 극저온 냉각기의 동작 파라미터를 형성 또는 획득하기 위해 사용되거나 초기값을 가질 수 있다.
도 7은 상술한 바와 같은 냉매의 공급을 제어하기 위한 냉각 시스템의 블록도를 도시한다. 예로서, 도 7은 상술한 바와 같이, 압축기를 가능화하기 위한 방법 및 대응 냉각 시스템을 예시하며, 이는 헬륨 같은 가스 상 냉매를 사용하는 임의의 시스템과의 인터페이싱을 위해 질량 유동 제어를 갖는다.
가변 속도 압축기의 적응적 전력 관리
압축기를 위한 최대 속도는 과흐름 조건에서 동작하는 것으로부터 압축기를 보호하도록 형성된다. 통상적인 기존 과전류 보호는 주로 단기 과전류 조건에 대한 보호를 위한 것이다. 과전류 보호의 제1 레벨은 전류 글리치(glitch) 회로이며, 이는 교차전도형 전류 스파이크, 즉, 수 마이크로초에 걸쳐 발생하는 매우 큰 전류(이 경우, 하드웨어에서, 검출 및 차단 양자 모두가 이루어진다)로부터 보호한다. 이 전류 레벨은 일반적으로 전력 장치의 최대 펄스 전류에 의해 결정된다. 과전류 보호의 다음 레벨은 과전류에 의해 유도되는 열적 고장에 대해 보호하는 소프트웨어에서 온다. 이는 글리치보다 느리지만, 여전히 매우 빠르다. 그러나, 이 단기 열적 과전류 및 연속적 구동 전류 사이에 여전히 상당한 간극이 존재한다. 연속적 전류 한계는 모터가 DC 버스 전압에만 기초하여 구동될 수 있는 최대 속도를 단순히 추산함으로써 현재 유지된다. 대안적으로, 압축기가 전류 한계를 초과하지 않도록 속도를 제한하기 위해 전류 피드백이 사용될 수 있다. 압축기가 단지 DC 버스 전압에만 기초한 최대 속도의 추산치에 의존할 때, 이는 시스템을 위한 표준 동작 공급 및 복귀 압력을 사용한다. 고압 지포드 맥마혼 냉각 시스템에서, 압력은 400 psig 공급 및 200 psig 복귀이다. 그러나, 값들은 사용자가 프로그램할 수 있을 수 있다. 표준 동작 공급 및 복귀 압력의 사용은 일반적으로 폐루프(액티브) 모드에서 동작할 때 양호한 가정이지만, 그러나, 이는 고정 속도 모드에서 동작할 때에는 유효한 가정이 아니다. 대안적 제어 방법에서, 압력 차이, 압축기 특성 및 상한 임계치에 기초한 최대 동작 속도의 계산은 과전류 조건으로부터 압축기를 보호하기 위해 모터 속도를 감소시키도록 사용된다. 전류를 제한하기 위한 추가적 제어 방법은 압축기의 전류를 감소시키도록, 그를 초과하면 동작 속도가 감소되는 압력 차이 계산과 조합하여 또는 단독으로 최대 허용 속도의 계산에 복귀 압력의 사용을 포함할 수 있다.
전류 피드백에 기인한 교정이 임계치(예를 들어, 5 Hz)를 초과하는 경우, 이때, 경보 플래그가 전송되어 "과전류에 기인한 과도한 속도 감소"를 나타내도록 설정된다. 그래서, 압축기가 감소된 속도로 지속적으로 동작하지만, 과전류 조건을 방지하도록 속도가 감소되었다는 것을 나타내는 경보를 제공할 것이다.
방법은 드라이버 회로에 의해 허용된 최대 전류를 제한하도록 마찬가지로 압축기 모터 권선에서의 최대 전력 소산을 제어하는 것에 관한 것이다. 최대 전력 및 전류의 제어는 모터의 과열을 방지하고, 드라이버 회로와 커넥터에 대한 손상을 방지하는 것이 중요하다. 이 전력 관리는 적응성이어야만 하고, 여기서, 동작 압력 및 DC 버스 전압의 변화 및 모터 전류의 변화를 보상할 수 있다.
전류 및 전력이 모터 속도의 함수이기 때문에, 모터 속도는 전류 및 전력을 제한하기 위해 사용된다. 따라서, 압축기 모터의 최대 속도는 최대 허용 연속 구동 전류 및 압축기에서 소산된 최대 전류에 기초하여 결정된다. 고정 속도 모드에서 동작하는 동안, 최대 모터 속도는 DC 버스 전압, 압력 차이 및 복귀 압력에 기초하여 추산된다. 더 높은 DC 버스 전압은 더 높은 최대 모터 속도를 산출하지만, 더 큰 압력 차이 또는 더 높은 복귀 압력은 더 낮은 최대 속도를 산출한다. 압축기 제어기는 높은 전류로의 상승을 제거하기 위해 높은 복귀 압력 또는 압력 차이가 존재하는 경우에 최대 속도의 즉각적 감소를 제공하여야만 한다. 능동적 모드에서, 최대 속도는 DC 버스 전압에 기초하여 결정되며, 폐쇄 루프 응답은 큰 압력 오프셋을 해결할 것으로 예상된다. 그리고, 마지막으로, 고정 속도 모드를 위한 각각의 작동에서, 두 개의 모터의 최대 전류가 최대 연속 구동 전류를 초과하는 임의의 시기에, 최대 속도는 과전류 상황이 해결될 때까지 0.6 Hz/분 같은 느린 속도로 감소될 것이다. 모터 전류는 직접적으로 측정될 수 있다. "모터 과전류에 기인한 최대 속도 교정"이 5 Hz 같은 전체 사전설정된 값을 초과하는 경우, 과전류 상황을 수용하기 위해 충분한 속도 감소가 존재한다는 것을 호스트에 통지하기 위해 경보가 발령될 것이다. 모든 시기에, 하드웨어 과전류 고장은 전력 장치의 최대 펄스 전류를 초과하는 피크 전류의 경우에 모터를 가동 중단하도록 이루어진다.
따라서, 과도한 모터 전류가 존재하는 임의의 시기에 모터 속도가 감소된다. 유사하게, 모터가 최대 속도로 구동하도록 명령되는 임의의 시기에 최대 모터 속도가 증가되고, 유사하게, 두 개의 모터의 최대 전류는 임계치 미만이다. 최대 모터 속도는 그 후 부족전류 조건이 해결될 때까지 0.6 Hz/분 같은 느린 속도로 증가된다. 그리고, 마지막으로, 모터 과전류에 기인한 최대 속도 교정이 제로보다 큰 임의의 시기에 다른 최대 모터 속도 교정이 이루어지며, 이는 추정된 최대 모터 속도가 과전류에 기인하여 감소되었다는 것을 의미한다. 이 경우에, 과전류 보호가 제로일 때까지 최대 모터 속도에 0.03 Hz/분 같은 매우 느린 표류(drift)가 항상 적용된다. 이는 낮은 최대 속도를 생성하는 것으로부터 긴 시간 기간에 걸쳐 시동 트랜지언트의 누적을 방지한다.
추가적으로, 패시브 및 액티브 인자 교정은 삼상 가변 속도 압축기를 위해 사용될 수 있다.
저주파 진동을 최소화하기 위한 압축기 제어 전략
진동 및 음향 제어는 진공 시스템 디자인에서 특히 압축기를 위해 매우 중요하다. 진동은 압축기 구성요소 및 주면 양자 모두에 대한 부정적 영향을 초래할 수 있다. 과도한 진동은 압축기 시스템 내부 부품이 조기에 피로상태가 되게 하여, 신뢰성 문제를 유발한다. 진동은 두 가지 방식으로 주변에 영향을 줄 수 있으며, 첫 번째는 가청 소음으로서이고, 두 번째는 바닥 및 외부 배관 연결부 같은 임의의 물리적 연결부를 통해 전송되는 진동으로서이다. 모든 회전하는 기계는 그 회전 주파수의 조화파를 생성하며, 기본파는 훨씬 더 가장 강한 성분이고, 이들 조화파로부터 초래되는 진동은 제어되어야만 하지만, 이는 기본파 주파수 미만의 진동에 대해서는 걱정할 필요가 없다는 것을 의미한다. 그러나, 단일 압축기 시스템에 다수의 압축 펌프를 조합할 때, 다양한 펌프의 박동 주파수(편차 주파수의 절반)는 서브 조화파 진동을 생성하며, 이 서브 조화파 진동은 종종 거부될 수 있으며, 감쇠가 매우 더 어렵다. 이하는 이 문제를 해결한다.
다수의 기계적 압축 펌프를 갖는 단일 압축기 시스템에서, 다수의 펌프는 단일 유닛으로서 작용하도록 제어될 수 있다. 동일한 값으로 이루어지지 않은 회전 주파수는 서브 조화파 박동 주파수로 진동을 유발할 수 있으며, 이제, 그에 걸쳐 진동을 제어하기 위한 주파수의 범위를 크게 증가시킨다. 이 어려움을 제거하기 위해, 개별 펌프의 제어는 모든 펌프가 동일한 입력 주파수로 동작하도록 이루어져야만 한다(실제 동작 주파수는 모터간의 슬립 변동에 기인하여 미소하게 변한다). 제어 체계는 시스템 내의 모든 펌프에 동일한 PWM 신호를 제공함으로써 동일한 PWM 주파수로부터 동작하는 것을 보증한다.
가변 속도 압축기를 위한 가변적 냉각
가변 속도 압축기는 동작 속도의 범위에 걸쳐 가변적 열의 양을 생성한다. 더 높은 동작 속도는 더 많은 열을 생성하고, 더 많은 냉각을 필요로 한다. 고속 동작의 높은 수요를 충족시키기 위한 냉각수 유동은 저속 동작 조건에서 폐 냉각수 유동을 초래한다. 방법 및 대응하는 냉각 시스템은 냉각 회로의 자동온도조절 값의 사용을 통해 압축기에 의해 사용되는 냉각수를 최소화하는 것에 관련한다.
압축기 내의 개별 냉각 회로 내에 또는 압축기의 그룹이나 압축기의 출구의 냉각수 회로 내에 배치된 온도조절 밸브는 장치에 의한 전체 냉각수 유동을 감소시킬 수 있다. 밸브의 온도 설정점은 물품이 성능 및 신뢰성에 대해 안전한 레벨로 냉각된 상태로 유지한다. 이들 밸브는 압축기 펌프 및 전자 냉각 플레이트에 부착된 열 교환기와 냉매 및 윤활 유체 같은 냉각 유체를 위한 상반유동 열 교환기를 냉각시키기 위해 회로 내에 배치될 수 있다. 추가적으로, 전자 냉각 플레이트에 대한 입구 또는 출구에 대한 자동온도조절 밸브의 사용은 응축을 방지하기 위해 전자장치를 위한 냉각 플레이트를 임계치보다 높게 유지하는 것이다. 단열 온도조절 유동 제어 밸브는 온도 설정점 주변의 유동을 조절하도록 냉각수 회로에 결합됨으로써, 동작 제원 이내로 모터 권선 온도를 유지하기 위해 필요한 냉각수의 최소량을 유지한다. 온도조절 밸브는 적절한 임계치로 설정된 패시브 왁스 밸브일 수 있다. 대안적 실시예는 본질적으로 신뢰성을 감소시키고, 에너지 소비를 증가시키며, 비용을 감소시키는 액티브, 전자 기계 제어 방법에 의존한다. 이들은 물 유동을 동적으로 제어하기 위한 펄스형 솔레노이드 밸브의 사용을 포함한다. 물 필터는 입력부에 적용될 수 있다.
고장 검출 및 회복
방법 및 대응하는 냉각 시스템은 고장 검출 및 회복에 관한 것이다. 예로서, 상술된 냉각 시스템은 상술한 냉각 시스템은 모터 고장의 발생을 예측하는 것을 돕기 위해 압축기 최대 모터 전류의 경향을 감시하도록 변형될 수 있고, 베어링 손상을 특성화하는 것을 돕고, 2차 스테이지 마모를 특성화하도록 2차 스테이지 가열기 데이터의 경향을 감시하고, 누설 같은 펌프 문제 예측을 돕기 위해 냉각 데이터를 감시하도록 압축기와 펌프 모터에 가속계를 추가할 수 있다.
진공 시스템(압축기 및 펌프)을 중단시키는 고장은 시스템 처리와 간섭할 수 있고, 반도체 제조 장비의 고가 도구의 가동 중단을 초래할 수 있다. 고장 공차 및 시스템 진단을 이행함으로써, 그리고, 자동 시스템 회복에 의해, 압축기는 자체를 손상으로부터 보호하고, 고장 위험을 감소시키고, 계획되지 않은 가동 중단 시간을 방지하도록 구성된다.
본 발명의 실시예는 압축기 및 저온펌프가 바람직하지 못한 동작 조건을 보고하기 위해 전류, 전압, 압력, 수온, 1차 및 2차 스테이지 펌프 온도, 압축기 및 저온펌프 속도 등을 포함하는 다수의 입력 신호를 일정하게 감시할 수 있게 한다. 바람직하지 못한 조건이 발생할 때, 전체 시스템은 유해한 조건의 영향을 최소화하도록 작용을 조화시킨다. 작용의 과정은 어떠한 성능 손실도 없는 사용자 경보 메시지로부터 절차를 완료하기 위해 감세 용량(derated capacity)으로 시스템이 구동되게 하는 단일 압축기 모터의 손실까지의 범위일 수 있다. 그러나, 압축기 또는 저온펌프 가동 중단은 절대적 최후 수단으로 고려되고 어떠한 다른 선택사항도 가능하지 않을 때에만 이루어진다.
낮은 압력 차이 또는 낮은 AC 입력 전압 같은 바람직하지 않은 조건을 사용자에게 경고하기 위해 경보가 사용된다. 이 상태에서, 시스템은 거의 전체 용량으로 지속적으로 기능한다. 경보가 일시적인 경우, 이는 사용자에게 입력 파워 같은 설비의 가능한 문제를 사용자에게 알릴 수 있다. 경보의 원인이 알려지지 않고, 지속되는 경우, 사용자는 고장이 초래되기 이전에 정비를 계획할 것을 알게 될 것이다.
고장은 더욱 심각하고, 일반적으로 시스템 성능의 결과적 소실을 초래하는 펌프 또는 저온 모터의 가동 중단을 초래한다. 예로서, 두개의 압축기 펌프를 갖는 압축기에 대하여, 하나의 모터가 고장났을 때, 제2 모터는 그 최대 속도까지 상승됨으로써 보상을 위해 가능한 많은 냉매를 제공한다. 그 후, 헬륨 관리기(220)는 시스템을 감소된 헬륨 할당에 적응시키기를 시도한다. 비록 시스템의 최대 용량이 절반으로 줄어들지만, 이는 정비가 계획될 수 있을 때까지 처리를 완료하기에 충분한 경우가 많다.
고장 회복은 당신이 갖고 있는 고장들에서 최선을 다하는 수단이다. 고장 회복의 최저 레벨에서, 고장이 모터 가동 중단을 유발한 이후, 고장은 지속적으로 감시되고, 고장이 제거되었을 때, 고장이 반복되기 쉽지 않은 순간적 조건에 의해 유발된 것이라는 희망 하에 모터가 재시동된다. 고장과 재시도 사이의 지속적 순환을 방지하기 위해, 일정 시간 기간 내에 특정 수의 고장이 발생한 경우 모터는 영구적으로 래치 오프(latched off)된다. 더 높은 레벨에서의 고장 회복의 일 예는 더 적은 헬륨으로 시스템이 동작할 수 있게 하려는 시도로 저온펌프를 저속으로 조정하도록 헬륨 관리기(220)에 의해 취해지는 작용이다.
각각의 경보 및 고장 사건을 포착 및 기록하기 위해 시스템 로그가 사용되어 추가적 진단 기능 및 사후 고장 분석을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 고장이 검출되고, 작용이 냉각 시스템 아키텍쳐의 다양한 레벨에서 취해지는 계층적 접근법을 사용한다. 고장은 두 개의 일반적 부류로 분할되고, 이 두 개의 일반적 부류는 단일 구성요소(압축기 또는 저온펌프)를 포함하는 것들과, 전체 진공 시스템을 수반하는 것들이다. 예로서, 압축기 또는 저온펌프 극저온 냉각기 모터로부터의 과전류 또는 과온(over-temperature) 고장은 그 모터에만 영향을 주고, 그 구성요소의 소실을 초래할 수 있다. 다른 한편, 헬륨 압력 차이의 소실은 전체 시스템의 기능성의 소실을 초래할 수 있는 고장이다. 고장은 또한 고장과 경보로 추가로 세분되며, 경보는 즉각적 작용을 필요로하지 않을 수 있는 잠재적 문제의 통지를 제공하기 위해 사용된다. 고장이 검출되고 작용이 이루어지는 다양한 레벨은 제어 계통 내의 어디에 있는지를 나타낸다. 더욱 시간 임계적인 고장은 직접적이고 즉각적인 응답이 중요한 더 낮은 레벨에서 취급되는 것이 일반적이다.
예시적 고장 검출 레벨은 다음과 같다:
레벨 0: 하드웨어 레벨, 하드웨어는 고장에 직접적으로 응답하며, 프로세서에 고장 정보를 제공한다(예를 들어, gfi 고장, 모터 과전류 고장).
레벨 1: DSP가 고장(예를 들어, 모터 열 고장)을 검출하고 응답하는 내장 마이크로컨트롤러/DSP 레벨. 대부분의 압축기 및 저온 문제는 이 레벨에서 검출되고, 소정 량의 고장 회복이 이 레벨에서 시도된다.
레벨 2: 어플리케이션 및 통신 프로세서 레벨(예를 들어, ARM 9) 고장은 일반적으로 메모리 문제로부터 다수의 통신 인터페이스 중 하나에 의한 고장까지의 범위일 수 있는 보드의 하드웨어에 의한 고장을 의미한다. 압축기 및 저온부(cryo)를 위한 고장 회복은 종종 이 레벨에서 이루어지며, 여기서, 프로세서는 때때로 단순히 재시도를 수행함으로써 레벨 0 또는 레벨 1 고장으로부터 회복을 시도한다.
레벨 3: 이는 시스템 제어기 프로세스 레벨이고, 여기서, 이 처리는 고장 회복을 보조하기 위해 완전한 시스템 지식의 장점을 취할 수 있다. 예로서, 압력 센서 중 하나가 고장나고, 압력 차이가 50 psi 미만으로 급락한다는 것을 나타내는 경우, 그 후, 레벨 2에서, 시스템은 가동 중단을 명령받지만, 레벨 3에서, 펌프가 이들이 온도를 유지한다는 것을 나타내는 경우, 이때, 가동 중단시킬 이유가 없으며, 매우 많은 비용이 소요되는 가동 중단은 압력 센서 교체를 위한 정비 방문으로 간단히 바뀌어진다.
이하의 표 1은 압축기를 위한 계층적 고장 검출 및 회복의 예를 예시한다. 표 목록은 특정 고장 유형 및 고장 작용 레벨에 따른 다양한 고장 작용을 나열한다. 작용들은 검출부터 회복 시도까지의 범위이다.
고장 작용

레벨		 고장 유형
압축기 모터 1 압축기 모터 2 시스템
과전류 과온 IGBT 모터 과온 열교환기과온 과전류 과온
IGBT		 모터 과온 열교환기과온 24볼트 손실 압력 센서 손실 DeltaP 손실
레벨 0 H/W M1 중단 - - - M2 중단 - - - - - -
레벨 1 DSP 어플리케이션 프로세서로 전송 M1 중단 M1 중단 M1 중단 M2 중단 M2 중단 M2 중단 M1 및M2 중단 어플리케이션프로세서에
경보 발령		 유효 압력인 경우 M1 및 M2 중단
액티브 및 모터 중단의 경우 양 모터를 켜진 상태로 유지
레벨 2 어플리케이션 및 통신 프로세서 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 CAP에 경보 전달 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
레벨 2 어플리케이션 및 통신 프로세서 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 CAP에 경보 전달 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
레벨 3 제어기 프로세스 호스트에 고장 전달 호스트에 고장 전달 호스트에 고장 전달 호스트에 고장 전달 호스트에 고장 전달 호스트에 고장 전달 호스트에 고장 전달 호스트에 고장 전달 호스트에 고장 전달 호스트에 경보 전달, 그 후, 펌프 감시에 의해 압력이 전체 속도로 압축기를 계속 구동하기에 충분한지를 결정 호스트에 고장 전달
대안적 실시예에서, 최대 온도 임계치(예를 들어, 과온) 조건에 도달하는 모터의 고장 유형의 검출은 제어기가 모터(예를 들어, 압축기)가 최소 속도 임계치에 도달할 때까지 모터의 속도를 점진적으로 감소시키게 할 수 있다. 고장은 고장 검출 장치 내부에 저장될 수 있거나, 다른 시스템 구성요소에 경보로서 발령될 수 있다.
아래의 표 2는 저온펌프를 위한 계층적 고장 검출 및 회복 접근법의 예를 예시한다. 표 목록은 특정 고장 유형 및 고장 작용 레벨에 따른 다양한 고장 작용을 나열한다. 작용은 검출로부터 회복 시도까지의 범위이다.
고장
작용



레벨		 고장 유형
저온펌프 모터 가열기 시스템
과전류 모터 과온 HFI 트립 어플리케이션 프로세서로의 통신 DSP의 소실 T2 설정점에 도달하기 위한 잉여 모터 속도 DeltaP의 소실
레벨 0 H/W 모터 중단 - 가열기 중단 - - -
레벨 1 DSP 어플리케이션 프로세서에 고장 전송 모터 중단
어플리케이션 프로세서에 고장 전송		 어플리케이션 프로세서에 고장을 전송 펌프 중단, 가열기, TC 게이지를 불능화함으로써, 그리고, 밸브 상태를 재설정함으로써, 밸브 시퀀싱은 PVD 여부에 의존, 임플란트 1차 스테이지 모터 속도를 필요에 따라 계속 증가시키고 어플리케이션 프로세서에 경보 발령 펌프 중단, 가열기, TC 게이지를 불능화함으로써, 그리고, 밸브 상태를 재설정함으로써, 밸브 시퀀싱은 PVD 여부에 의존, 임플란트
레벨 2 어플리케이션 및 통신 프로세서 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 1시간 내에 3회 재시도
래치 오프
제어기 프로세스로 고장 전달		 제어기 프로세스에 통신 소실 고장을 보고 제어기 프로세스에 경보를 전달 제어기 프로세스에 통신 소실 고장을 보고
레벨 3 제어기 프로세스 호스트에 고장을 전달 호스트에 고장을 전달 호스트에 고장을 전달 호스트에 고장을 전달 호스트에 경보 전달, 온도를 유지하는 이단 스테이지에 의한 문제를 보고 호스트에 고장을 전달
표 1 및 표 1은 극저온 냉각기 시스템을 위한 특정 고장 유형 및 고장 작용 레벨에 따른 다양한 고장 작용을 나열한다. 작용은 검출로부터 회복 시도까지의 범위이다. 특정 시나리오에서, 냉각 시스템의 고장은 시스템 내의 통신 소실을 유발할 수 있다. 따라서, 냉매의 부적합한 공급의 시나리오를 방지하기 위해, 본 발명의 실시예는 모든 압축기를 켜고, 모든 압축기의 속도를 최대 속도로 설정한다.
본 발명을 그 예시적 실시예를 참조로 특정하게 도시 및 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련자는 첨부된 청구범위에 포함되는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부사항의 다양한 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (129)

  1. 극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    가변 속도 압축기를 포함하는 복수의 압축기들을 통해 복수의 극저온 냉각기들에 헬륨 냉매를 전달하는 단계로서, 각각의 냉각기는 왕복하는 디스플레이서(reciprocating displacer)를 포함하는, 단계;
    제어기에서, 상기 복수의 극저온 냉각기들과 통신함으로써 얻어지는 데이터 기록들에 기초하여 가스 냉매에 대한 총계 수요를 획득하는 단계; 및
    상기 제어기로 상기 가변 속도 압축기의 속도를 제어하고, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이에 기초하여 계산된 냉각 교정 메트릭에 의해 교정된 상기 헬륨 냉매에 대한 상기 총계 수요에 기초하여, 상기 복수의 압축기들 중 적어도 하나를 선택적으로 켜거나 끄는 단계;를 포함하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    압력 센서의 고장 또는 상기 시스템의 요소들 간의 통신 손실을 검출하는 단계, 및 상기 고장 또는 통신 손실을 검출할 때, 상기 가변 속도 압축기의 제어기 결정 속도를 증가시키는 단계를 더 포함하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 압축기들 중의 선택적으로 켜지거나 꺼진 압축기들 중 적어도 하나가 고정 속도 압축기인,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    압력 차이가 임계값 미만인 것을 검출한 것에 응답하여, 극저온 냉각기가 특정 온도를 유지하는지를 결정하기 위해 극저온 냉각기 온도를 검사하는 단계, 및
    상기 극저온 냉각기가 상기 특정 온도를 유지하고 있다면, 압력 센서에 고장이 발생했다는 것을 결정하고 압축기를 최대 속도로 설정하는 단계를 더 포함하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 차이에 기초하여, 상기 가변 속도 압축기의 속도를 증가시키는 단계; 및
    상기 가변 속도 압축기의 속도를 증가시키는 것에 응답하여, 상기 복수의 압축기들 중 상기 가변 속도 압축기가 아닌 다른 압축기를 끄는 단계를 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가변 속도 압축기의 속도는 상기 복수의 압축기들 중 하나가 꺼지면서 증가되는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가변 속도 압축기의 속도는 상기 복수의 압축기들 중 하나가 꺼지기 전에 증가되는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    일정 시간 기간 동안 상기 복수의 압축기들 중 적어도 하나를 끄는 것을 지연시키는 단계를 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 압축기들 중 2개 이상을 차단(shut off) 하는 것을 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    꺼진 이력에 기초하여 상기 복수의 압축기들 중 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    두 개의 가변 속도 압축기들을 제어하고 그리고, 상기 두 개의 가변 속도 압축기들 중 하나를 끌 때, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 상기 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락하는지를 결정하고 그리고 상기 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락한다면 단일 가변 속도 압축기 동작 상태로부터 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로 전환시키는 단계를 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 압축기들 중 하나를 끌 때, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락하는지를 결정하고 그리고 상기 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락한다면 압축기 속도 동작 상태로 전환시키는 단계를 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 압축기들 중 적어도 하나를 선택적으로 켜거나 끄는 단계는 복수의 고정 속도 압축기들을 선택적으로 켜거나 끄는 단계를 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 압축기들 중 상기 적어도 하나를 선택적으로 켜거나 끄는 단계는 복수의 가변 속도 압축기들을 선택적으로 켜거나 끄는 단계를 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 압력 및 상기 복귀 압력을 측정하는 단계, 및
    공급 압력과 복귀 압력 사이의 차이를 계산함으로써 상기 압력 차이를 연산하는 단계를 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 압력 차이는 일정 시간 기간에 걸쳐 상기 공급 압력과 상기 복귀 압력 사이의 평균 차이를 계산함으로써 연산되는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매는 냉각의 모든 단계들에서 가스로서 존재하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 극저온 냉각기들은 극저온펌프들에 포함되는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 켜거나 끄는 것은 가변 속도 압축기를 대상으로 하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    압력 센서의 손실 또는 고장 또는 상기 압력 센서로부터 또는 상기 압력 센서로의 통신의 손실을 검출할 때, 상기 가변 속도 압축기를 최대 속도로 구동시키는 단계를 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 압력과 상기 복귀 압력 사이의 압력 차이가 임계치 미만으로 검출된 것에 응답하여, 상기 극저온 냉각기가 특정 온도를 유지하는지를 결정하기 위해 극저온 냉각기 온도를 검사하는 단계, 및
    상기 극저온 냉각기가 특정 온도를 유지하고 있다면, 압력 센서의 고장이 발생했다는 것을 결정하고 가변 속도 압축기를 최대 속도로 설정하는 단계를 더 포함하는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  22. 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템으로서,
    복수의 극저온 냉각기들로서, 각각은 왕복하는 디스플레이서(reciprocating displacer)를 포함하는, 복수의 극저온 냉각기들;
    상기 복수의 극저온 냉각기들에 헬륨 냉매를 공급하는 압축기 시스템으로서, 상기 압축기 시스템은 복수의 압축기들을 포함하는, 압축기 시스템;
    가변 속도 압축기; 및
    가변 속도 압축기의 속도를 제어하고, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이에 기초하여 계산된 냉각 교정 메트릭에 의해 교정된 상기 헬륨 냉매에 대한 총계 수요에 기초하여 상기 복수의 압축기들 중 적어도 하나를 선택적으로 켜거나 끄도록, 배열된 제어기;를 포함하는
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 압력 센서의 고장 또는 상기 시스템의 요소들 간의 통신 손실을 검출하며,
    상기 고장 또는 상기 통신 손실을 검출할 때, 상기 가변 속도 압축기의 제어기 결정 속도를 증가시키는
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 선택적으로 켜지거나 꺼지는 압축기는 고정 속도 압축기인
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는, 냉매의 공급이 단일 압축기에 의해 제공될 때까지, 상기 압력 차이에 기초하여 가변 속도 압축기의 속도를 감소시키도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 다수의 다른 압축기들을 선택적으로 켜거나 끄도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 가변 속도 압축기의 속도를 증가시키고, 그리고
    상기 복수의 압축기들 중 하나를 끄는 것에 의해 가변 속도 압축기의 증가하는 속도에 응답하도록,
    구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 가변 속도 압축기의 속도는 상기 복수의 압축기들 중 다른 하나가 꺼질 때 증가되는
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 가변 속도 압축기의 속도는 상기 복수의 압축기들 중 다른 하나가 꺼지기 전에 증가되는
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 제어기는 일정 시간 기간 동안 압축기들을 끄는 것을 지연시키도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  31. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 압축기들 중 복수 개를 차단하도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  32. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 꺼진 이력에 기초하여 상기 복수의 압축기들 중 하나를 끄도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  33. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 복수의 압축기들 중 하나를 끌 때, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락하는지를 결정하고, 그리고 상기 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락한다면 상기 제어기가 단일 가변 속도 압축기 동작 상태로부터 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로 전환시키도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  34. 제 22 항에 있어서,
    상기 복수의 압축기들 중 하나를 끌 때, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락하는지를 결정하도록 구성되고 그리고 압력 차가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락한다면 압축기 속도 동작 상태로 전환시키는 제어기를 더 포함하는
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  35. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 복수의 고정 속도 압축기들을 선택적으로 켜거나 끄도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  36. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 복수의 가변 속도 압축기들을 선택적으로 켜거나 끄도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  37. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 공급 압력과 상기 복귀 압력 사이의 차이를 계산함으로써 압력 차이를 연산하도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 압력 차이를 계산하도록 구성된 상기 제어기는 일정 시간 기간 동안 상기 공급 압력과 상기 복귀 압력 사이의 평균 차이를 계산하는 것에 기초하여 평균 차이를 결정하도록 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  39. 제 22 항에 있어서,
    상기 냉매는 냉각의 모든 단계에서 가스로서 존재하는
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  40. 제 22 항에 있어서,
    상기 복수의 극저온 냉각기들은 저온펌프들에 포함되는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  41. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 가변 속도 압축기를 최대 속도로 구동시킴으로써 압력 센서의 손실 또는 고장 또는 상기 압력 센서로부터 또는 상기 압력 센서로의 통신의 손실을 검출하는 것에 응답하도록 추가로 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  42. 제 22 항에 있어서,
    극저온 냉각기가 특정 온도를 유지하는지를 결정하기 위해 극저온 냉각기 온도를 검사함으로써 상기 공급 압력과 상기 복귀 압력 사이의 압력 차이가 임계치 미만으로 검출한 것에 응답하고, 그리고
    상기 극저온 냉각기가 특정 온도를 유지하고 있다면, 압력 센서의 고장이 발생했다는 것을 결정하고 가변 속도 압축기를 최대 속도로 설정하도록 추가로 구성된
    헬륨 냉매의 공급을 제어하는 극저온 냉각기 시스템.
  43. 극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법으로서,
    가변 속도 압축기를 포함하는 복수의 압축기들을 통해 복수의 극저온 냉각기들에 헬륨 냉매를 전달하는 단계로서, 각각의 냉각기는 왕복하는 디스플레이서(reciprocating displacer)를 포함하는, 단계;
    제어기에서, 복수의 극저온 냉각기들과 통신함으로써 얻어지는 데이터 기록들에 기초하여 가스 냉매에 대한 총계 수요를 획득하는 단계;
    상기 제어기를 사용하여 복수의 압축기들로부터 복수의 극저온 냉각기들로 냉매를 공급하는 단계; 및
    냉매에 대한 총계 수요 및 복수의 압축기들의 켜지거나 꺼진 이력에 기초하여 복수의 압축기들의 일부를 선택적으로 켜거나 끄는 단계;를 포함하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 총계 수요는 공급 및 복귀 가스 냉매 압력을 모니터링함으로써 결정되는 교정 메트릭에 의해 교정되는
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
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  46. 제 43 항에 있어서,
    극저온 냉각기들은 저온펌프들에 포함되는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  47. 제 43 항에 있어서,
    이중 가변 속도 압축기들 중 어느 하나에 고장 조건이 존재하는 경우, 고장 조건이 없는 가변 속도 압축기의 속도를 최대 모터 속도로 조절하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  48. 제 43 항에 있어서,
    선택된 가변 속도 압축기를 끄기 이전에 복수의 극저온 냉각기들에 냉매의 계산된 공급량을 전달할 수 있는 속도로 켜진 상태로 남겨지는 가변 속도 압축기의 속도를 증가시킴으로써 두 개의 가변 속도 압축기들 중 하나를 끄는 단계를 더 포함하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  49. 제 43 항에 있어서,
    꺼진 이력에 기초하여 두 개의 가변 속도 압축기들 중 꺼지는 하나를 선택함으로써 두 개의 가변 속도 압축기들 중 하나를 끄는 단계를 더 포함하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  50. 제 43 항에 있어서,
    두 개의 가변 속도 압축기들 중 하나를 끌 때, 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락하는지를 결정하고 그리고 상기 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락한다면 단일 가변 속도 압축기 동작 상태로부터 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로 전환시키는 단계를 더 포함하는,
    극저온 냉각 시스템에서 헬륨 냉매의 공급을 제어하는 방법.
  51. 헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템으로서,
    복수의 극저온 냉각기들로서, 각각은 왕복하는 디스플레이서(reciprocating displacer)를 포함하는, 복수의 극저온 냉각기들;
    고압 공급 라인과 저압 복귀 라인을 포함하고, 상기 복수의 극저온 냉각기들에 냉매를 공급하도록 구성된 복수의 가변 속도 압축기들, 및
    복수의 가변 속도 압축기들의 켜고 끈 이력과 냉매의 총계 수요에 기초하여 복수의 가변 속도 압축기들의 일부분을 선택적으로 켜거나 끄도록 구성되는 제어기;를 포함하는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
  52. 제 51 항에 있어서,
    냉매에 대한 상기 총계 수요는 복수의 극저온 냉각기들과 통신함으로써 얻어지는 데이터 기록들에 기초하는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
  53. 제 51 항에 있어서,
    하나 이상의 가변 속도 압축기와 하나 이상의 고정 속도 압축기를 더 포함하는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
  54. 제 51 항에 있어서,
    상기 제어기는 고압 공급 라인으로부터의 공급 압력 피드백 루프 및 저압 복귀 라인으로부터의 복귀 압력 피드백 루프 중 하나 이상에 기초하여 압축기의 속도를 제어하도록 추가로 구성되는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
  55. 제 51 항에 있어서,
    상기 제어기는 복수의 극저온 냉각기들로부터 냉매에 대한 총계 수요를 획득하도록 구성되는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
  56. 제 51 항에 있어서,
    상기 극저온 냉각기들이 각각의 저온펌프들과 연계된,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
  57. 제 51 항에 있어서,
    두 개의 가변 속도 압축기들 중 어느 한쪽에 고장 조건이 존재하는 경우, 상기 제어기는 고장 조건이 없는 가변 속도 압축기의 속도를 최대 모터 속도로 조절하도록 구성되는 것을 더 포함하는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
  58. 제 51 항에 있어서,
    상기 제어기는 꺼진 이력에 기초하여 두 개의 가변 속도 압축기들 중 하나를 끄도록 선택하도록 추가로 구성되는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
  59. 제 51 항에 있어서,
    상기 제어기는 공급 압력과 복귀 압력 사이의 압력 차이가 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 급락하는 경우를 결정하도록 추가로 구성되고, 사전결정된 임계치보다 많은 양만큼 상기 압력 차이가 급락하는 경우, 상기 제어기는 단일 가변 속도 압축기 동작 상태로부터 이중 가변 속도 압축기 동작 상태로 전환하도록 구성되는,
    헬륨 냉매의 공급을 제어하기 위한 극저온 냉각 시스템.
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