KR20140103831A - 크라이오펌프, 및 크라이오펌프의 운전방법 - Google Patents

Abstract

크라이오펌프의 냉각시간을 단축한다.
크라이오펌프(10)는, 고온 크라이오패널(19)과, 저온 크라이오패널(18)과, 냉각시스템(15)을 구비한다. 냉각시스템(15)은, 고온 크라이오패널(19)을 냉각하기 위한 제1 스테이지(20)와, 저온 크라이오패널(18)을 냉각하기 위한 제2 스테이지(21)를 구비하는 냉동기(16)와, 크라이오펌프(10)의 진공배기운전을 개시하기 위하여 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)를 냉각하는 쿨다운운전을 제어하기 위한 제어부(100)를 구비한다. 냉각시스템(15)은, 쿨다운운전에 있어서 적어도 일시적으로, 제1 스테이지(20)에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있다.

Description

크라이오펌프, 및 크라이오펌프의 운전방법{Cryopump and method for oprerating cryopump}

본 출원은, 2013년 2월 18일에 출원된 일본 특허출원 제2013-028723호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.

본 발명은, 크라이오펌프, 및 크라이오펌프의 운전방법에 관한 것이다.

새로운 크라이오펌프가 현장에 설치되었을 때, 실온으로부터 극저온으로 크라이오펌프는 냉각되고, 진공배기운전이 개시된다. 또, 알려져 있는 바와 같이, 크라이오펌프는 기체 저장식의 진공펌프이기 때문에, 저장된 기체를 외부로 배출하기 위하여 소정의 빈도로 재생이 행해진다. 재생 처리는 일반적으로, 승온공정, 배출공정, 및 냉각공정을 포함한다. 냉각공정이 종료되면, 크라이오펌프의 진공배기운전이 재개된다. 이러한 진공배기운전의 준비로서의 크라이오펌프의 냉각은, 쿨다운이라고 일컬어지는 경우도 있다.

선행기술문헌

(특허문헌)

특허문헌 1: 일본 특허공개공보 2012-219730호

크라이오펌프는 극저온 냉동기의 주요한 용도 중 하나이지만, 냉동기의 고온단과 저온단과의 사이에 비교적 큰 온도차가 필요하게 되는 점에서, 다른 용도와 상이하다. 그러나, 크라이오펌프를 냉각할 때 이러한 온도차를 단시간에 발생시키는 것은 간단하지 않다. 예를 들면, 고온단이 목표냉각온도에 도달했을 때 저온단이 아직 목표온도에 도달해 있지 않으면, 고온단을 목표온도로 유지하면서 저온단을 더욱 계속 냉각해야 한다. 또, 저온단이 목표온도에 도달했을 때 고온단이 이미 목표온도보다 저온으로 지나치게 냉각되어 있는 경우도 있을 수 있다. 이 경우, 고온단을 목표온도로 승온해야 한다. 이러한 쿨다운 종반의 온도조정에는 어느 정도의 시간을 필요로 한다. 특히, 고온단과 저온단에 큰 온도차가 필요하게 되는 경우에는 온도조정에 필요한 시간이 길어진다. 쿨다운은 크라이오펌프의 다운타임이 되기 때문에, 단시간에 행하는 것이 요망된다.

본 발명의 일 양태의 예시적인 목적 중 하나는, 크라이오펌프의 냉각시간을 단축하는 것, 및 이러한 크라이오펌프의 운전방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 고온 크라이오패널과, 저온 크라이오패널과, 냉각시스템을 구비하는 크라이오펌프로서, 상기 냉각시스템은, 상기 고온 크라이오패널을 냉각하기 위한 고온단과, 상기 저온 크라이오패널을 냉각하기 위한 저온단을 구비하는 냉동기와, 상기 크라이오펌프의 진공배기운전을 개시하기 위하여 상기 고온단 및 상기 저온단을 냉각하는 쿨다운운전을 제어하기 위한 제어부를 구비하고, 상기 냉각시스템은, 상기 쿨다운운전에 있어서 적어도 일시적으로, 상기 고온단에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프가 제공된다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 진공배기운전을 위한 극저온보다 높은 초기온도로부터 당해 극저온으로 냉동기를 이용하여 크라이오패널을 냉각하는 단계와, 상기 냉각하는 단계 후에, 진공배기운전을 개시하는 단계를 구비하고, 상기 냉각하는 단계는, 상기 냉동기의 고온단에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프의 운전방법이 제공된다.

다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.

본 발명에 의하면, 크라이오펌프의 냉각시간을 단축하는 것, 및 이러한 크라이오펌프의 운전방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 압축기를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 3은 일 실시형태에 관한 크라이오펌프의 운전방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 4는 전형적인 쿨다운운전에 있어서의 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 관한 압축기에 있어서의 유로 전환제어를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 관한 쿨다운운전에 있어서의 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 관한 크라이오펌프를 모식적으로 나타내는 도이다.

본 발명의 일 실시형태에 의하면, 쿨다운운전에 있어서 고온단에 선택적으로 냉각완화작용이 부여된다. 이 때 쿨다운운전에 의하여 저온단의 냉각이 계속되고 있기 때문에, 고온단과 저온단의 온도차를 넓힐 수 있다. 즉, 고온단과 저온단의 온도차의 증가속도를 크게 할 수 있다. 이렇게 하여, 고온단(또는 저온단)이 목표온도로 냉각된 시점에서의 저온단(또는 고온단)의 목표온도와의 괴리를 작게 할 수 있다. 따라서, 쿨다운 종반의 온도조정의 소요시간을 단축할 수 있다. 그 결과, 크라이오펌프의 쿨다운시간을 짧게 하는 것이 가능해진다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)를 모식적으로 나타내는 도이다. 크라이오펌프(10)는, 예를 들면 이온주입장치나 스퍼터링장치 등의 진공챔버에 장착되어, 진공챔버 내부의 진공도를 원하는 프로세스에 요구되는 레벨까지 높이기 위하여 사용된다.

크라이오펌프(10)는, 기체를 받아들이기 위한 흡기구(12)를 가진다. 흡기구(12)는 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)으로의 입구이다. 크라이오펌프(10)가 장착된 진공챔버로부터 흡기구(12)를 통하여, 배기되어야 할 기체가 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)에 진입한다.

다만 이하에서는, 크라이오펌프(10)의 구성요소의 위치관계를 알기 쉽게 나타내기 위하여, “축방향”, “직경방향”이라는 용어를 사용하는 경우가 있다. 축방향은 흡기구(12)를 통과하는 방향을 나타내고, 직경방향은 흡기구(12)를 따르는 방향을 나타낸다. 편의상, 축방향에 관하여 흡기구(12)에 상대적으로 가까운 것을 “상”, 상대적으로 먼 것을 “하”라고 일컫는 경우가 있다. 즉, 크라이오펌프(10)의 바닥부로부터 상대적으로 먼 것을 “상”, 상대적으로 가까운 것을 “하”라고 일컫는 경우가 있다. 직경방향에 관해서는, 흡기구(12)의 중심에 가까운 것을 “내”, 흡기구(12)의 둘레가장자리에 가까운 것을 “외”라고 일컫는 경우가 있다. 다만, 이러한 표현은 크라이오펌프(10)가 진공챔버에 장착되었을 때의 배치와는 관계가 없다. 예를 들면, 크라이오펌프(10)는 연직방향으로 흡기구(12)를 하향으로 하여 진공챔버에 장착되어도 된다.

크라이오펌프(10)는, 냉각시스템(15)과, 저온 크라이오패널(18)과, 고온 크라이오패널(19)을 구비한다. 냉각시스템(15)은, 고온 크라이오패널(19) 및 저온 크라이오패널(18)을 냉각하도록 구성되어 있다. 냉각시스템(15)은, 냉동기(16)와, 압축기(36)를 구비한다.

냉동기(16)는, 예를 들면 기포드·맥마흔식 냉동기(이른바 GM냉동기) 등의 극저온 냉동기이다. 냉동기(16)는, 제1 스테이지(20), 제2 스테이지(21), 제1 실린더(22), 제2 실린더(23), 제1 디스플레이서(24), 및 제2 디스플레이서(25)를 구비하는 2단식의 냉동기이다. 따라서, 냉동기(16)의 고온단은, 제1 스테이지(20), 제1 실린더(22), 및 제1 디스플레이서(24)를 구비한다. 냉동기(16)의 저온단은, 제2 스테이지(21), 제2 실린더(23), 및 제2 디스플레이서(25)를 구비한다. 따라서 이하에서는 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)를 각각 고온단의 저온단부 및 저온단의 저온단부라고 일컬을 수도 있다.

제1 실린더(22)와 제2 실린더(23)는 직렬로 접속되어 있다. 제1 스테이지(20)는, 제1 실린더(22)와 제2 실린더(23)의 결합부에 설치되어 있다. 제2 실린더(23)는 제1 스테이지(20)와 제2 스테이지(21)를 연결한다. 제2 스테이지(21)는, 제2 실린더(23)의 말단에 설치되어 있다. 제1 실린더(22) 및 제2 실린더(23) 각각의 내부에는 제1 디스플레이서(24) 및 제2 디스플레이서(25)가 냉동기(16)의 길이방향(도 1에 있어서 좌우방향)으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 제1 디스플레이서(24)와 제2 디스플레이서(25)는 일체로 이동 가능하게 연결되어 있다. 제1 디스플레이서(24) 및 제2 디스플레이서(25)에는 각각 제1 축냉기 및 제2 축냉기(도시하지 않음)가 장착되어 있다.

냉동기(16)는, 제1 실린더(22)의 고온단에 설치되어 있는 구동기구(17)를 구비한다. 구동기구(17)는, 제1 디스플레이서(24) 및 제2 디스플레이서(25)의 각각이 제1 실린더(22) 및 제2 실린더(23)의 내부를 왕복이동 가능하게 하도록 제1 디스플레이서(24) 및 제2 디스플레이서(25)에 접속되어 있다. 또 구동기구(17)는, 작동기체의 흡입과 토출을 주기적으로 반복하도록 작동기체의 유로를 전환하는 유로전환기구를 포함한다. 유로전환기구는 예를 들면 밸브부와 밸브부를 구동하는 구동부를 포함한다. 밸브부는 예를 들면 로터리밸브를 포함하고, 구동부는 로터리밸브를 회전시키기 위한 모터를 포함한다. 모터는, 예를 들면 AC모터 또는 DC모터여도 된다. 또 유로전환기구는 리니어모터에 의하여 구동되는 직동식의 기구여도 된다.

냉동기(16)는 고압도관(34) 및 저압도관(35)을 통하여 압축기(36)에 접속된다. 냉동기(16)는, 압축기(36)로부터 공급되는 고압의 작동기체(예를 들면 헬륨)를 내부에서 팽창시켜 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)에 한랭을 발생시킨다. 압축기(36)는, 냉동기(16)에서 팽창한 작동기체를 회수하고 다시 가압하여 냉동기(16)에 공급한다.

구체적으로는, 먼저 구동기구(17)가 고압도관(34)과 냉동기(16)의 내부공간을 연통시킨다. 압축기(36)로부터 고압도관(34)를 통하여 냉동기(16)에 고압의 작동기체가 공급된다. 냉동기(16)의 내부공간이 고압의 작동기체로 채워지면, 구동기구(17)는 냉동기(16)의 내부공간을 저압도관(35)에 연통시키도록 유로를 전환한다. 이로써 작동기체는 팽창한다. 팽창한 작동기체는 압축기(36)로 회수된다. 이러한 작동기체의 급배(給排)에 동기하여, 제1 디스플레이서(24) 및 제2 디스플레이서(25)의 각각이 제1 실린더(22) 및 제2 실린더(23)의 내부를 왕복이동한다. 이러한 열사이클을 반복함으로써 냉동기(16)는 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)에 한랭을 발생시킨다.

냉동기(16)는, 제1 스테이지(20)를 제1 온도레벨로 냉각하고, 제2 스테이지(21)를 제2 온도레벨로 냉각하도록 구성되어 있다. 제2 온도레벨은 제1 온도레벨보다 저온이다. 예를 들면, 제1 스테이지(20)는 65K~120K 정도, 바람직하게는 80K~100K로 냉각되고, 제2 스테이지(21)는 10K~20K 정도로 냉각된다.

냉동기(16)는, 고온단을 통하여 저온단으로 작동기체를 흐르게 하도록 구성되어 있다. 즉, 압축기(36)로부터 유입되는 작동기체는, 제1 실린더(22)로부터 제2 실린더(23)로 흐른다. 이 때 제1 디스플레이서(24) 및 그 축냉기에 의하여 작동기체는 제1 스테이지(20)(즉 고온단의 저온단부)의 온도로 냉각된다. 이렇게 하여 냉각된 작동기체가 저온단에 공급된다. 따라서, 압축기(36)로부터 냉동기(16)의 고온단에 도입되는 작동기체온도는, 저온단의 냉각능력에 현저한 영향을 주지 않는다고 기대된다.

다만 냉동기(16)는, 3단의 실린더가 직렬로 접속되는 3단식의 냉동기 또는 그보다 다단의 냉동기여도 된다. 냉동기(16)는 GM냉동기 이외의 냉동기여도 되고, 펄스튜브냉동기나 솔베이냉동기를 이용해도 된다.

도 1은, 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)의 중심축과, 냉동기(16)의 중심축을 포함하는 단면을 나타낸다. 도 1에 나타나는 크라이오펌프(10)는, 이른바 가로형의 크라이오펌프이다. 가로형의 크라이오펌프란 일반적으로, 냉동기(16)가 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)의 중심축에 교차하도록(통상은 직교한다) 배치되어 있는 크라이오펌프이다. 본 발명은 이른바 세로형의 크라이오펌프에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 세로형의 크라이오펌프란, 냉동기가 크라이오펌프의 축방향을 따라 배치되어 있는 크라이오펌프이다.

저온 크라이오패널(18)은, 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)의 중심부에 설치되어 있다. 저온 크라이오패널(18)은 예를 들면, 복수의 패널부재(26)를 포함한다. 패널부재(26)는 예를 들면, 각각이 원뿔대의 측면의 형상, 말하자면 우산모양의 형상을 가진다. 각 패널부재(26)에는 통상 활성탄 등의 흡착제(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 흡착제는 예를 들면 패널부재(26)의 이면에 접착되어 있다. 이와 같이 하여, 저온 크라이오패널(18)은, 기체 분자를 흡착하기 위한 흡착영역을 구비한다.

패널부재(26)는 패널장착부재(28)에 장착되어 있다. 패널장착부재(28)는 제2 스테이지(21)에 장착되어 있다. 이와 같이 하여, 저온 크라이오패널(18)은, 제2 스테이지(21)에 열적으로 접속되어 있다. 따라서, 저온 크라이오패널(18)은 제2 온도레벨로 냉각된다.

고온 크라이오패널(19)은, 방사실드(30)와 입구 크라이오패널(32)을 구비한다. 고온 크라이오패널(19)은, 저온 크라이오패널(18)을 포위하도록 저온 크라이오패널(18)의 외측에 설치되어 있다. 고온 크라이오패널(19)은 제1 스테이지(20)에 열적으로 접속되어 있으며, 고온 크라이오패널(19)은 제1 온도레벨로 냉각된다.

방사실드(30)는 주로, 크라이오펌프(10)의 하우징(38)으로부터의 복사열로부터 저온 크라이오패널(18)을 보호하기 위하여 설치되어 있다. 방사실드(30)는, 하우징(38)과 저온 크라이오패널(18)과의 사이에 있으며, 저온 크라이오패널(18)을 둘러싼다. 방사실드(30)는, 흡기구(12)를 향하여 축방향 상단이 개방되어 있다. 방사실드(30)는, 축방향 하단이 폐색된 통형(예를 들면 원통)의 형상을 가지고, 컵형상으로 형성되어 있다. 방사실드(30)의 측면에는 냉동기(16)의 장착을 위한 구멍이 있고, 그곳으로부터 제2 스테이지(21)가 방사실드(30) 내에 삽입되어 있다. 그 장착 구멍의 외주부에서 방사실드(30)의 외면에 제1 스테이지(20)가 고정되어 있다. 이렇게 하여 방사실드(30)는 제1 스테이지(20)에 열적으로 접속되어 있다.

입구 크라이오패널(32)은, 저온 크라이오패널(18)의 축방향 상방에 설치되어, 흡기구(12)에 있어서 직경방향을 따라 배치되어 있다. 입구 크라이오패널(32)은 그 외주부가 방사실드(30)의 개구단에 고정되어, 방사실드(30)에 열적으로 접속되어 있다. 입구 크라이오패널(32)은, 예를 들면, 루버 구조나 셰브론 구조로 형성된다. 입구 크라이오패널(32)은, 방사실드(30)의 중심축을 중심으로 하는 동심원형상으로 형성되어 있어도 되고, 혹은 격자형상 등 다른 형상으로 형성되어 있어도 된다.

입구 크라이오패널(32)은, 흡기구(12)에 들어가는 기체를 배기하기 위하여 설치되어 있다. 입구 크라이오패널(32)의 온도에서 응축하는 기체(예를 들면 수분)가 그 표면에 포착된다. 또, 입구 크라이오패널(32)은, 크라이오펌프(10)의 외부의 열원(예를 들면, 크라이오펌프(10)가 장착되는 진공챔버 내의 열원)으로부터의 복사열로부터 저온 크라이오패널(18)을 보호하기 위하여 설치되어 있다. 복사열뿐만 아니라 기체 분자의 진입도 제한된다. 입구 크라이오패널(32)은, 흡기구(12)를 통한 내부공간(14)으로의 기체유입을 원하는 양으로 제한하도록 흡기구(12)의 개구 면적의 일부를 점유한다.

크라이오펌프(10)는, 하우징(38)을 구비한다. 하우징(38)은, 크라이오펌프(10)의 내부와 외부를 이격시키기 위한 진공 용기이다. 하우징(38)은, 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)의 압력을 기밀로 유지하도록 구성되어 있다. 하우징(38) 내에, 고온 크라이오패널(19)과 냉동기(16)가 수용되어 있다. 하우징(38)은, 고온 크라이오패널(19)의 외측에 설치되어 있으며, 고온 크라이오패널(19)을 둘러싼다. 또, 하우징(38)은 냉동기(16)를 수용한다. 즉, 하우징(38)은, 고온 크라이오패널(19) 및 저온 크라이오패널(18)을 둘러싸는 크라이오펌프 용기이다.

하우징(38)은, 고온 크라이오패널(19) 및 냉동기(16)의 저온부에 접촉하지 않도록, 외부환경온도의 부위(예를 들면 냉동기(16)의 고온부)에 고정되어 있다. 하우징(38)의 외면은 외부환경에 노출되어 있으며, 냉각되어 있는 고온 크라이오패널(19)보다 온도가 높다(예를 들면 실온 정도).

또, 하우징(38)은 그 개구단으로부터 직경방향 외측을 향하여 뻗는 흡기구플랜지(56)를 구비한다. 흡기구플랜지(56)는, 장착처의 진공챔버에 크라이오펌프(10)를 장착하기 위한 플랜지이다. 진공챔버의 개구에는 게이트밸브가 설치되어 있고(도시하지 않음), 흡기구플랜지(56)는 그 게이트밸브에 장착된다. 이와 같이 하여 입구 크라이오패널(32)의 축방향 상방에 게이트밸브가 위치한다. 예를 들면 크라이오펌프(10)를 재생할 때에 게이트밸브는 폐쇄되고, 크라이오펌프(10)가 진공챔버를 배기할 때에 개방된다.

크라이오펌프(10)는, 제1 스테이지(20)의 온도를 측정하기 위한 제1 온도센서(90)와, 제2 스테이지(21)의 온도를 측정하기 위한 제2 온도센서(92)를 구비한다. 제1 온도센서(90)는, 제1 스테이지(20)에 장착되어 있다. 제2 온도센서(92)는, 제2 스테이지(21)에 장착되어 있다. 다만, 제1 온도센서(90)는 고온 크라이오패널(19)에 장착되어 있어도 된다. 제2 온도센서(92)는 저온 크라이오패널(18)에 장착되어 있어도 된다.

또, 크라이오펌프(10)는, 제어부(100)를 구비한다. 제어부(100)는 크라이오펌프(10)에 일체로 설치되어 있어도 되고, 크라이오펌프(10)와는 별체의 제어장치로서 구성되어 있어도 된다.

제어부(100)는, 크라이오펌프(10)의 진공배기운전, 재생 운전, 및 쿨다운운전을 위하여 냉동기(16)를 제어하도록 구성되어 있다. 제어부(100)에는, 제1 온도센서(90) 및 제2 온도센서(92)를 포함하는 각종 센서의 측정 결과를 수신하도록 구성되어 있다. 제어부(100)는, 이러한 측정 결과에 근거하여, 냉동기(16)에 부여하는 제어 지령을 연산한다.

제어부(100)는, 스테이지온도가 목표의 냉각온도에 추종하도록 냉동기(16)를 제어한다. 제1 스테이지(20)의 목표온도는 통상, 일정치로 설정된다. 제1 스테이지(20)의 목표온도는 예를 들면, 크라이오펌프(10)가 장착되는 진공챔버에서 행해지는 프로세스에 따라 사양으로서 정해진다. 다만, 크라이오펌프의 운전 중에, 목표온도는 필요에 따라서 변경되어도 된다.

예를 들면, 제어부(100)는, 제1 스테이지(20)의 목표온도와 제1 온도센서(90)의 측정온도와의 편차를 최소화하도록 피드백 제어에 의하여 냉동기(16)의 운전주파수를 제어한다. 즉, 제어부(100)는, 구동기구(17)의 모터 회전수를 제어함으로써, 냉동기(16)에 있어서의 열사이클의 주파수를 제어한다.

크라이오펌프(10)로의 열부하가 증가했을 때 제1 스테이지(20)의 온도가 높아질 수 있다. 제1 온도센서(90)의 측정온도가 목표온도보다 고온인 경우에는, 제어부(100)는, 냉동기(16)의 운전주파수를 증가시킨다. 그 결과, 냉동기(16)에 있어서의 열사이클의 주파수도 증가되어, 제1 스테이지(20)는 목표온도를 향하여 냉각된다. 반대로 제1 온도센서(90)의 측정온도가 목표온도보다 저온인 경우에는, 냉동기(16)의 운전주파수는 감소되어, 제1 스테이지(20)는 목표온도를 향하여 승온된다. 이렇게 하여, 제1 스테이지(20)의 온도를 목표온도의 근방의 온도 범위로 할 수 있다. 열부하에 따라 냉동기(16)의 운전주파수를 적절히 조정할 수 있으므로, 이러한 제어는 크라이오펌프(10)의 소비전력의 저감에 도움이 된다.

제1 스테이지(20)의 온도를 목표온도로 하도록 냉동기(16)를 제어하는 것을, 이하에서는 “1단 온도제어”라고 일컫는 경우가 있다. 크라이오펌프(10)가 진공배기운전을 하고 있을 때는 통상, 1단 온도제어가 실행된다. 1단 온도제어의 결과, 제2 스테이지(21) 및 저온 크라이오패널(18)은, 냉동기(16)의 사양 및 외부로부터의 열부하에 의하여 정해지는 온도로 냉각된다. 마찬가지로 하여, 제어부(100)는, 제2 스테이지(21)의 온도를 목표온도로 하도록 냉동기(16)를 제어하는, 이른바 “2단 온도제어”를 실행할 수도 있다.

도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 압축기(36)를 모식적으로 나타내는 도이다. 압축기(36)는 크라이오펌프(10)를 포함하는 폐쇄한 유체회로에 작동기체를 순환시키기 위하여 설치되어 있다. 압축기(36)는 크라이오펌프(10)로부터 작동기체를 회수하고 압축하여 재차 크라이오펌프(10)로 송출한다. 압축기(36)는, 기체를 승압하는 압축기 본체(140), 외부로부터 공급된 저압기체를 압축기 본체(140)로 공급하기 위한 저압배관(142), 및, 압축기 본체(140)에 의하여 압축된 고압기체를 외부에 송출하기 위한 고압배관(144)을 구비한다.

압축기(36)는 흡입포트(146)로 크라이오펌프(10)로부터의 복귀가스를 받아들인다. 작동기체는 흡입포트(146)로부터 저압배관(142)으로 보내진다. 흡입포트(146)는, 저압배관(142)의 말단에 있어서 압축기(36)의 케이싱에 설치되어 있다. 저압배관(142)은 흡입포트(146)와 압축기 본체(140)의 흡입구를 접속한다.

저압배관(142)은 중도에, 복귀가스에 포함되는 맥동을 제거하기 위한 용적으로서의 스토리지탱크(150)를 구비한다. 스토리지탱크(150)는 흡입포트(146)와, 후술하는 바이패스기구(152)로의 분기와의 사이에 설치되어 있다. 스토리지탱크(150)에서 맥동이 제거된 작동기체는, 저압배관(142)을 통하여 압축기 본체(140)로 공급된다. 스토리지탱크(150)의 내부에는, 기체로부터 불필요한 미립자 등을 제거하기 위한 필터가 설치되어 있어도 된다. 스토리지탱크(150)와 흡입포트(146)와의 사이에는, 외부로부터 작동기체를 보충하기 위한 도입포트 및 배관이 접속되어 있어도 된다.

압축기 본체(140)는, 예를 들면 스크롤 방식 혹은 로터리식의 펌프이며, 흡입된 가스를 승압하는 기능을 나타내는 것이다. 압축기 본체(140)는, 승압된 작동기체를 고압배관(144)으로 송출한다. 압축기 본체(140)는 오일을 이용하여 냉각을 행하는 구성으로 되어 있으며, 오일을 순환시키는 오일냉각배관이 압축기 본체(140)에 부수하여 설치되어 있다. 이로 인하여, 승압된 작동기체는 이 오일이 약간 혼입된 상태로 고압배관(144)으로 송출된다.

따라서, 고압배관(144)에는 그 중도에 오일세퍼레이터(154)가 설치되어 있다. 오일세퍼레이터(154)에서 작동기체로부터 분리된 오일은 저압배관(142)으로 되돌려져, 저압배관(142)을 통하여 압축기 본체(140)로 되돌려져도 된다. 오일세퍼레이터(154)에는 과도한 고압을 해방하기 위한 릴리프밸브가 설치되어 있어도 된다.

압축기 본체(140)와 오일세퍼레이터(154)를 접속하는 고압배관(144)의 중도에, 압축기 본체(140)로부터 송출된 고압 작동기체를 냉각하기 위한 열교환기(145)가 설치되어 있다. 열교환기(145)는 예를 들면 냉각수(파선으로 나타낸다)에 의하여 작동기체를 냉각한다. 또 이 냉각수는 압축기 본체(140)를 냉각하는 오일을 냉각하기 위해서도 이용되어도 된다. 고압배관(144)에 있어서 열교환기의 상류 및 하류 중 적어도 일방에 작동기체의 온도를 측정하는 온도센서(153)가 설치되어 있어도 된다.

압축기 본체(140)와 오일세퍼레이터(154)를 접속하기 위하여 2개의 경로가 형성되어 있다. 즉, 열교환기(145)를 경유하는 메인유로(147)와, 열교환기(145)를 우회하는 바이패스로(149)가 형성되어 있다. 바이패스로(149)는, 열교환기(145)의 상류(압축기 본체(140)의 하류)에서 메인유로(147)로부터 분기하여, 열교환기(145)의 하류(오일세퍼레이터(154)의 상류)에서 메인유로(147)에 합류한다.

메인유로(147)와 바이패스로(149)의 합류 위치에는 3방밸브(151)가 설치되어 있다. 3방밸브(151)를 전환함으로써, 메인유로(147)와 바이패스로(149) 중 어느 것으로 작동기체의 유로를 전환할 수 있다. 3방밸브(151)는, 그 외의 동등한 유로 구성으로 치환해도 되고, 예를 들면, 메인유로(147)와 바이패스로(149)의 각각에 2포트밸브를 설치함으로써 메인유로(147)와 바이패스로(149)의 전환을 가능하게 해도 된다.

오일세퍼레이터(154)를 경유한 작동기체는, 고압배관(144)을 통하여 흡착기(156)에 보내진다. 흡착기(156)는, 예를 들면 스토리지탱크(150) 내의 필터나 오일세퍼레이터(154) 등의 유로 상의 오염물질 제거수단에 의하여 완전히 제거되지 않은 오염성분을 작동기체로부터 제거하기 위하여 설치되어 있다. 흡착기(156)는, 예를 들면 기화되어 있는 오일성분을 흡착에 의하여 제거한다.

토출포트(148)가 고압배관(144)의 말단에 있어서 압축기(36)의 케이싱에 설치되어 있다. 즉 고압배관(144)은 압축기 본체(140)와 토출포트(148)를 접속하고, 그 중도에 열교환기(145), 오일세퍼레이터(154) 및, 흡착기(156)가 설치되어 있다. 흡착기(156)를 경유한 작동기체는 토출포트(148)를 통하여 크라이오펌프(10)로 송출된다.

압축기(36)는, 저압배관(142)과 고압배관(144)을 연결하는 바이패스배관(158)을 가지는 바이패스기구(152)를 구비한다. 도시의 실시예에서는, 바이패스배관(158)은, 스토리지탱크(150)와 압축기 본체(140)와의 사이에 있어서 저압배관(142)으로부터 분기하고 있다. 또, 바이패스배관(158)은, 오일세퍼레이터(154)와 흡착기(156)의 사이에 있어서 고압배관(144)으로부터 분기하고 있다.

바이패스기구(152)는, 크라이오펌프(10)로 송출되지 않고 고압배관(144)으로부터 저압배관(142)으로 우회하는 작동기체 유량을 제어하기 위한 제어밸브를 구비한다. 도시의 실시예에 있어서는, 바이패스배관(158)의 중도에 제1 제어밸브(160) 및 제2 제어밸브(162)가 병렬로 설치되어 있다. 일 실시예에 있어서는 제1 제어밸브(160)는 상시 개방형의 솔레노이드밸브이며, 제2 제어밸브(162)는 상시 폐쇄형의 솔레노이드밸브이다. 제1 제어밸브(160)는 운전 정지 시의 고압측과 저압측의 균압을 위하여 설치되어 있으며, 제2 제어밸브(162)가 바이패스배관(158)의 유량제어밸브로서 사용된다.

압축기(36)는, 크라이오펌프(10)로부터의 복귀가스의 압력을 측정하기 위한 제1 압력센서(164)와, 크라이오펌프(10)로의 송출가스의 압력을 측정하기 위한 제2 압력센서(166)를 구비한다. 제1 압력센서(164)는 예를 들면 스토리지탱크(150)에 설치되어 있으며, 스토리지탱크(150)에 있어서 맥동이 제거된 복귀가스의 압력을 측정한다. 제2 압력센서(166)는 예를 들면 오일세퍼레이터(154)와 흡착기(156)와의 사이에 설치되어 있다.

도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)의 운전방법을 설명하기 위한 플로우차트이다. 이 운전방법은, 준비운전(S10)과, 진공배기운전(S12)을 포함한다. 진공배기운전이 크라이오펌프(10)의 통상 운전이다. 준비운전은, 통상 운전에 선행하여 실행되는 임의의 운전상태를 포함한다. 제어부(100)는, 이 운전방법을 적시에 반복하여 실행한다. 진공배기운전이 종료되고 준비운전이 개시될 때에는 통례, 크라이오펌프(10)와 진공챔버의 사이의 게이트밸브가 폐쇄된다.

준비운전(S10)은 예를 들면, 크라이오펌프(10)의 기동이다. 크라이오펌프(10)의 기동은, 크라이오펌프(10)가 설치되는 환경온도(예를 들면 실온)로부터 극저온으로 크라이오패널(18, 19)을 냉각하는 쿨다운을 포함한다. 쿨다운의 목표냉각온도는, 진공배기운전을 위하여 설정되는 표준적인 운전온도이다. 그 표준운전온도는 상술과 같이, 고온 크라이오패널(19)에 대해서는 예를 들면 80K 내지 100K 정도의 범위로부터, 저온 크라이오패널(18)에 대해서는 예를 들면 10K 내지 20K 정도의 범위로부터, 선택된다. 준비운전(S10)은, 러핑밸브(도시하지 않음) 등을 이용하여 크라이오펌프(10)의 내부를 동작개시압력(예를 들면 1Pa 정도)까지 러핑하는 것을 포함해도 된다.

준비운전(S10)은, 크라이오펌프(10)의 재생이어도 된다. 재생은, 금회의 진공배기운전의 종료 후에, 차회의 진공배기운전의 준비를 위하여 실행된다. 재생은, 저온 크라이오패널(18) 및 고온 크라이오패널(19)을 재생하는 이른바 풀재생, 또는 저온 크라이오패널(18)만을 재생하는 부분재생이다.

재생은, 승온공정, 배출공정, 및 냉각공정을 포함한다. 승온공정은, 상기의 표준운전온도보다 고온인 재생온도로 크라이오펌프(10)를 승온하는 것을 포함한다. 풀재생의 경우, 재생온도는 예를 들면 실온 또는 그보다 약간 높은 온도이다(예를 들면 약 290K 내지 약 300K). 승온공정을 위한 열원은 예를 들면, 냉동기(16)의 역전 승온, 및/또는 냉동기(16)에 부설되는 히터(40, 42)(도 7 참조)이다.

배출공정은, 크라이오패널 표면으로부터 재기화된 기체를 크라이오펌프(10)의 외부로 배출하는 것을 포함한다. 재기화된 기체는, 필요에 따라서 도입되는 퍼지가스와 함께 크라이오펌프(10)로부터 배출된다. 배출공정에 있어서는, 냉동기(16)의 운전은 정지되어 있다. 냉각공정은, 진공배기운전을 재개하기 위하여 저온 크라이오패널(18) 및 고온 크라이오패널(19)을 재냉각하는 것을 포함한다. 냉각공정에 있어서의 냉동기(16)의 운전상태는, 기동을 위한 쿨다운과 동일하다. 단, 냉각공정에 있어서의 크라이오패널의 초기온도는, 풀재생의 경우 실온 레벨에 있지만, 부분재생의 경우에는 실온과 상기의 표준운전온도의 중간(예를 들면 100K~200K)에 있다.

도 3에 나타나는 바와 같이, 준비운전(S10)에 이어서 진공배기운전(S12)이 행해진다. 준비운전이 종료되고 진공배기운전이 개시될 때, 크라이오펌프(10)와 진공챔버와의 사이의 게이트밸브가 개방된다.

진공배기운전(S12)은, 진공챔버로부터 크라이오펌프(10)를 향하여 비래(飛來)하는 기체 분자를, 극저온으로 냉각된 크라이오패널 표면에 응축 또는 흡착에 의하여 포착하는 운전상태이다. 고온 크라이오패널(19)(예를 들면 입구 크라이오패널(32))에는, 그 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예를 들면 수분 등)가 응축된다. 입구 크라이오패널(32)의 냉각온도에서는 증기압이 충분히 낮아지지 않는 기체는 입구 크라이오패널(32)을 통과하여 방사실드(30)로 진입한다. 저온 크라이오패널(18)에는, 그 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예를 들면 아르곤 등)가 응축된다. 저온 크라이오패널(18)의 냉각온도에서도 증기압이 충분히 낮아지지 않는 기체(예를 들면 수소 등)는, 저온 크라이오패널(18)의 흡착제에 흡착된다. 이와 같이 하여 크라이오펌프(10)는 진공챔버의 진공도를 원하는 레벨에 도달시킬 수 있다.

진공배기운전은 표준운전온도를 유지하는 정상적인 운전상태이다. 한편, 준비운전기간은 크라이오펌프(10)의 다운타임(즉, 진공배기운전의 휴지기간)에 해당하기 때문에, 가능한 한 짧은 것이 바람직하다. 이로 인하여, 준비운전에 있어서는, 통상 운전에 비하여 높은 냉동 능력이 냉동기(16)에 요구된다. 대부분의 경우, 준비운전에 있어서 냉동기(16)는, 매우 높은 운전주파수(예를 들면, 허용되는 최고의 운전주파수 또는 그 근방)로 운전된다.

도 4는, 전형적인 쿨다운운전에 있어서의 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도이다. 도 4의 세로축 및 가로축은 각각 온도 및 시간을 나타낸다. 도 4에는, 제1 스테이지(20)의 온도 T1 및 제2 스테이지(21)의 온도 T2의 시간 변화를 개략적으로 나타낸다. 쿨다운을 개시할 때의 제1 스테이지(20)의 온도 T1 및 제2 스테이지(21)의 온도 T2의 초기치는 모두 예를 들면 300K이며, 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)의 목표냉각온도는 각각 예를 들면 100K, 15K이다. 또, 도 4의 하부에는, 냉동기(16)의 운전주파수 프로파일의 일례를 나타낸다.

도 4에 나타내는 쿨다운운전에 있어서는, 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도 100K에 도달할 때까지 냉동기(16)는 풀파워로 운전된다. 이 때 냉동기(16)의 운전주파수는 허용되는 최대치(예를 들면 운전주파수 95Hz)로 고정된다. 이로써 제1 스테이지(20)는 목표온도 100K까지 신속하게 냉각된다. 쿨다운운전의 개시로부터 시간 Ta가 경과했을 때 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도 100K에 도달한다. 이 때 냉동기(16)는 풀파워 운전으로부터 상술한 1단 온도제어로 전환된다. 그 후, 제1 스테이지(20)의 온도 T1은 목표온도 100K로 유지된다. 1단 온도제어로 전환됨으로써 냉동기(16)의 운전주파수는, 예를 들면 40Hz 정도로 큰 폭으로 저하된다.

제2 스테이지(21)는, 냉동기(16)의 풀파워 운전에 의하여 제1 스테이지(20)와 동일하게 냉각된다. 제2 스테이지(21)가 제1 스테이지(20)보다 약간 냉각 속도가 크기 때문에, 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도 100K에 도달할 때 제2 스테이지(21)는 그보다 약간 저온(예를 들면 80K 정도)으로 냉각되어 있다. 그러나, 이 시점에서는 아직 제2 스테이지(21)의 목표온도 15K에는 한참 미치지 못한다. 냉동기(16)가 풀파워 운전으로부터 1단 온도제어로 전환된 후, 제2 스테이지(21)는 목표온도 15K로 완만하게 냉각되어 간다. 쿨다운운전의 개시로부터 시간 Tb가 경과했을 때 제2 스테이지(21)의 온도 T2가 목표온도 15K에 도달한다. 이 때 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21) 양방이 각각의 목표냉각온도에 도달하고, 쿨다운은 종료된다.

이와 같이, 쿨다운운전은, 냉동기(16)의 고온단 및 저온단을 각각의 목표온도를 향하여 온도하강하는 초기냉각단계와, 초기냉각단계에 후속하여 냉동기(16)의 고온단 및 저온단을 각각의 목표온도로 조정하는 온도조정단계를 포함해도 된다. 초기냉각단계에 있어서는 냉동기(16)가 상대적으로 높은 운전주파수로 운전되고, 온도조정단계에 있어서는 냉동기(16)가 상대적으로 낮은 운전주파수로 운전되어도 된다. 따라서, 초기냉각단계는 고출력 쿨다운(또는 급냉단계)이며, 온도조정단계는 저출력 쿨다운(또는 완냉단계)이어도 된다.

쿨다운운전의 제어는 상술과 같이, 제1 온도센서(90) 및 제2 온도센서(92)의 측정온도에 근거하여 제어부(100)에 의하여 실행된다. 제어부(100)는, 쿨다운의 당초부터, 고온단의 저온단부 온도가 목표온도 또는 그 근방의 판정 임계치 온도에 도달할 때까지 초기냉각단계를 실행해도 된다. 초기냉각단계가 종료될 때, 저온단의 저온단부 온도는 그 목표온도보다 고온이어도 된다. 제어부(100)는, 초기냉각단계의 종료에 의하여 온도조정단계를 개시해도 된다. 제어부(100)는, 고온단의 저온단부 온도를 목표온도로 유지함과 함께, 저온단의 저온단부 온도를 목표온도로 온도하강하도록 온도조정단계를 실행해도 된다. 제어부(100)는, 저온단의 저온단부 온도가 목표온도 또는 그 근방의 판정 임계치 온도에 도달할 때까지 온도조정단계를 실행해도 된다.

이와 같이 고온단에 비하여 저온단의 냉각의 완료가 늦는 것은 예를 들면, 저온 크라이오패널(18)의 질량이 큰 경우이다. 패널이 무거울수록 냉각되기 어렵다. 비응축성 기체(예를 들면 수소)를 주로 배기하도록 설계되어 있는 크라이오펌프는, 저온 크라이오패널(18)의 질량이 커지는 경향이 있다. 따라서, 본 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)는, 특히, 수소가스를 주로 배기하기 위한 크라이오펌프에 적합하다.

다른 실시형태에 있어서는, 제어부(100)는, 쿨다운의 당초부터, 저온단의 저온단부 온도가 목표온도 또는 그 근방의 판정 임계치 온도에 도달할 때까지 초기냉각단계를 실행해도 된다. 초기냉각단계가 종료될 때, 고온단의 저온단부 온도가 그 목표온도보다 저온이어도 된다. 제어부(100)는, 초기냉각단계의 종료에 의하여 온도조정단계를 개시해도 된다. 제어부(100)는, 저온단의 저온단부 온도를 목표온도로 유지함과 함께, 고온단의 저온단부 온도를 목표온도로 승온하도록 온도조정단계를 실행해도 된다. 제어부(100)는, 고온단의 저온단부 온도가 목표온도 또는 그 근방의 판정 임계치 온도에 도달할 때까지 온도조정단계를 실행해도 된다.

본 실시형태에 있어서는, 냉각시스템(15)은, 쿨다운운전에 있어서 적어도 일시적으로, 냉동기(16)의 고온단에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있다. 예를 들면, 냉각시스템(15)은, 냉동기(16)의 열사이클 주파수의 제어로부터 독립하여, 고온단의 냉각능력만을 저하시킨다. 이로 인하여, 냉각시스템(15)은, 진공배기운전에 비하여 고온의 작동기체를, 쿨다운운전에 있어서 적어도 일시적으로 냉동기(16)의 고온단에 공급하도록 구성되어 있다.

냉각시스템(15)은, 압축기(36)에 있어서의 유로 전환제어에 의하여, 냉동기(16)로의 공급 작동기체온도를 높게 한다. 제어부(100)는, 냉동기(16)의 운전상태에 따라 압축기(36)에 있어서의 작동기체의 유로를 전환한다. 제어부(100)는, 냉동기(16)가 쿨다운운전이 아닌 경우(예를 들면 통상의 진공배기운전의 경우)에는 열교환기(145)를 경유하는 메인유로(147)에 작동기체를 흐르게 하고, 쿨다운운전의 경우에는 바이패스로(149)에 작동기체를 흐르게 하도록 유로를 전환한다.

도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 압축기(36)에 있어서의 유로 전환제어를 설명하기 위한 플로우차트이다. 이 처리는 소정의 주기로 제어부(100)에 의하여 반복된다. 먼저, 제어부(100)는, 냉동기(16)의 운전상태를 판별한다(S20). 냉동기(16)가 쿨다운운전을 하고 있지 않은 경우에는(S20의 No), 제어부(100)는, 압축기(36)에 있어서 작동기체가 메인유로(147)를 경유하도록 3방밸브(151)를 전환한다(S22). 전회의 본판정에 있어서도 쿨다운운전이 행해지고 있지 않은 경우에는, 메인유로(147)를 경유하는 상태를 계속한다.

한편, 냉동기(16)가 쿨다운운전을 하는 경우에는(S20의 Yes), 제어부(100)는, 압축기(36)에 있어서 작동기체가 바이패스로(149)를 경유하도록 3방밸브(151)를 전환한다(S24). 전회의 판정에 있어서도 쿨다운운전이 행해지고 있는 경우에는, 바이패스로(149)를 경유하는 상태를 계속한다.

제어부(100)는, 예를 들면, 쿨다운운전의 초기냉각단계에 한하여, 압축기(36)에 있어서 작동기체가 바이패스로(149)를 경유하도록 해도 된다. 혹은, 제어부(100)는, 쿨다운운전의 완료까지, 바이패스로(149)를 경유하도록 해도 된다. 제어부(100)는, 진공배기운전을 개시할 때까지는 작동기체 경로를 메인유로(147)로 되돌리도록 3방밸브(151)를 전환한다.

이러한 3방밸브(151)의 전환동작에 의하여, 진공배기운전에 있어서는 작동기체는 메인유로(147) 즉 열교환기(145)를 경유하는 한편, 쿨다운운전에 있어서는 작동기체는 열교환기(145)를 경유하지 않고 바이패스로(149)를 경유한다. 따라서, 진공배기운전에 있어서는 열교환기(145)에 의하여 냉각된 저온의 작동기체가 냉동기(16)로 공급된다. 한편, 쿨다운운전에 있어서는, 작동기체는 열교환기(145)를 경유하지 않기 때문에, 압축기 본체(140)에서 압축열이 부여되어 고온이 된 작동기체가 그대로 냉동기(16)로 공급된다.

도 6은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 쿨다운운전에 있어서의 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도이다. 이 쿨다운운전에 있어서는, 압축기(36)의 유로 전환제어에 의하여 쿨다운운전의 개시부터 종료까지 계속적으로 고온의 작동기체가 냉동기(16)에 공급된다. 도 4와 마찬가지로, 도 6의 세로축 및 가로축은 각각 온도 및 시간을 나타낸다. 쿨다운을 개시할 때의 제1 스테이지(20)의 온도 T1 및 제2 스테이지(21)의 온도 T2의 초기치는 모두 예를 들면 300K이며, 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)의 목표냉각온도는 각각 예를 들면 100K, 15K이다. 도 6에 있어서는 비교를 위하여, 도 4에 나타내는 온도 프로파일을 파선으로 나타낸다. 또, 도 6의 하부에는, 냉동기(16)의 운전주파수 프로파일의 일례를 나타낸다. 마찬가지로 비교를 위하여, 도 4에 나타내는 운전주파수 프로파일을 파선으로 나타낸다.

도 6에 나타내는 쿨다운운전에 있어서는, 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도 100K에 도달할 때까지 냉동기(16)는 풀파워로 운전된다. 이 때 냉동기(16)의 운전주파수는 허용되는 최대치(예를 들면 운전주파수 95Hz)로 고정된다. 이로써 제1 스테이지(20)는 목표온도 100K까지 신속하게 냉각된다.

그러나, 냉동기(16)에 고온의 작동기체가 공급되고 있기 때문에 고온단의 냉각능력이 저하되고 있다. 이로 인하여 제1 스테이지(20)의 온도하강속도도 저하된다(도시되는 바와 같이 온도 구배가 완만해진다). 이렇게 하여, 쿨다운운전의 개시로부터 시간 Ta＋ΔTa가 경과했을 때 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도 100K에 도달한다. 이 때 냉동기(16)는 풀파워 운전으로부터 상술한 1단 온도제어로 전환된다. 그 후, 제1 스테이지(20)의 온도 T1은 목표온도 100K로 유지된다. 1단 온도제어로 전환됨으로써 냉동기(16)의 운전주파수는, 예를 들면 40Hz 정도로 큰 폭으로 저하된다. 이와 같이, 냉동기(16)에 고온의 작동기체가 공급됨으로써, 초기냉각단계가 시간 ΔTa만큼 연장되고 있다.

한편, 도 6에 나타나는 바와 같이, 초기냉각단계에 있어서의 제2 스테이지(21)의 온도하강속도는 저하되어 있지 않다. 이것은 상술과 같이, 본 실시형태에 있어서의 냉각완화작용은 냉동기(16)의 저온단의 냉각능력에 영향을 주지 않는다고 간주할 수 있기 때문이다. 바꾸어 말하면, 쿨다운운전과 진공배기운전의 작동기체의 온도차는, 냉동기(16)의 저온단 냉각능력에 영향을 주지 않도록 설정되어 있다.

따라서, 제1 스테이지(20)와 제2 스테이지(21)의 온도차가 급속히 확대된다. 따라서, 도 6에 나타나는 바와 같이, 쿨다운운전의 개시로부터 시간 Ta가 경과했을 때의 온도차는, 도 4에 예시하는 전형적인 쿨다운에 비하여 커진다. 또, 고온단에 대한 냉각완화작용에 의하여 1단 온도제어로의 전환이 시간 ΔTa만큼 늦어짐으로써, 이 시간 ΔTa에 있어서의 제2 스테이지(21)의 온도하강속도가 커진다. 이와 같이 하여, 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도 100K에 도달할 때의 제2 스테이지(21)의 온도 T2를 보다 낮게 할 수 있다.

도 6에 예시하는 온도 프로파일에 있어서는, 쿨다운운전의 개시부터 시간 Tb-ΔTb가 경과했을 때 제2 스테이지(21)의 온도 T2가 목표온도 15K에 도달한다. 이 예에서는, 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도 100K에 도달할 때 제2 스테이지(21)의 온도 T2도 목표온도 15K에 도달하도록, 쿨다운운전이 조정되어 있다. 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21) 양방이 각각의 목표냉각온도에 동시에 도달하여, 쿨다운은 종료된다. 도 6에 나타내는 예에 있어서는, 도 4에 나타내는 전형적인 경우에 비하여, 쿨다운운전시간이 시간 ΔTb만큼 단축되고 있다.

본 실시형태에 의하면, 비교적 고온의 작동기체를 쿨다운운전 중의 냉동기(16)에 공급함으로써, 쿨다운시간을 단축할 수 있다. 따라서, 크라이오펌프의 다운타임(예를 들면 재생시간)을 단축할 수 있다.

쿨다운시간을 짧게 하기 위하여 냉동기의 냉각능력을 높이는 직접적인 방법으로서, 냉동기의 용적을 크게 하는 것, 및/또는 압축기의 회수측과 공급측의 차압을 크게 하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 냉동기 및/또는 압축기에 대규모 설계 변경을 필요로 하므로, 제품의 가격상승을 초래할 수 있다. 본 실시형태는 이러한 큰 설계 변경을 필요로 하지 않으면서 쿨다운시간을 단축할 수 있다는 이점도 있다.

상술한 실시형태에 있어서는, 쿨다운운전 동안, 계속적으로 고온의 작동기체가 냉동기(16)에 공급되고 있다. 그러나, 냉각시스템(15)은, 쿨다운운전에 있어서 일시적으로 또는 단속적으로 냉동기(16)의 고온단에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있어도 된다. 이와 같이 하여도, 동일한 쿨다운시간 단축효과를 얻을 수 있는 것은 분명하다.

따라서, 예를 들면, 냉각시스템(15)은, 적어도 초기냉각단계 동안, 냉동기(16)의 고온단에 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 초기냉각단계를 길게 하여, 냉동기(16)의 운전주파수가 높은 상태를 계속 또는 연장할 수 있다. 혹은, 적어도 온도조정단계 동안, 냉동기(16)의 고온단에 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 고온단에 대한 냉각완화작용을 상쇄하도록 냉동기(16)의 운전주파수가 높아진다. 그 결과, 저온단의 냉각능력을 높일 수 있다.

상술한 실시형태에 있어서는, 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도에 도달할 때 제2 스테이지(21)의 온도 T2도 목표온도에 도달하도록, 쿨다운운전이 조정되어 있다. 그러나, 도 4에 나타내는 전형적인 경우와 마찬가지로, 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도에 도달할 때 제2 스테이지(21)의 온도 T2가 목표온도보다 고온이 되도록, 쿨다운운전이 조정되어 있어도 된다. 혹은, 제1 스테이지(20)의 온도 T1이 목표온도에 도달할 때 제2 스테이지(21)의 온도 T2가 목표온도보다 저온이 되도록, 쿨다운운전이 조정되어 있어도 된다.

또, 상술한 실시형태에 있어서는, 쿨다운운전의 초기는 냉동기(16)가 풀파워로 운전되고, 그 후 1단 온도제어로 전환되고 있다. 그러나, 제어부(100)는, 쿨다운운전에 있어서 당초부터 1단 온도제어를 실행해도 된다. 이 경우, 제1 스테이지(20)가 온도하강됨에 따라 고출력의 쿨다운으로부터 저출력의 쿨다운으로 완만하게 이행된다. 혹은, 제어부(100)는, 쿨다운운전에 있어서 2단 온도제어를 실행해도 된다. 예를 들면, 제어부(100)는, 쿨다운운전의 초기냉각단계에 있어서는 2단 온도제어를 실행하고, 제2 스테이지(21)가 목표온도 근방까지 냉각되었을 때에 1단 온도제어로 전환하도록 해도 된다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)를 모식적으로 나타내는 도이다. 크라이오펌프(10)는, 냉동기(16)의 고온단에 열부하를 부여하도록 구성되어 있는 열부하 생성요소를 구비한다. 제어부(100)는, 쿨다운운전에 있어서 적어도 일시적으로 냉동기(16)의 고온단에 선택적으로 열부하를 부여하도록 열부하 생성요소를 작동시킨다. 열부하 생성요소에 의하여, 냉동기(16)의 고온단에 선택적으로 냉각완화작용이 부여된다. 이 열부하 생성요소는, 고온단의 저온단부 또는 그 냉각 대상을 복사 또는 전도에 의하여 가열하기 위한 가열장치여도 된다.

크라이오펌프(10)는, 하우징(38)을 가열하기 위한 제1 히터(40)를 구비해도 된다. 제1 히터(40)는 하우징(38)을 가열함으로써 하우징(38)으로부터 방사실드(30)에 복사열을 부여한다. 이와 같이 하여, 방사실드(30)로의 열부하를 일시적으로 증가시킬 수 있다. 제1 히터(40)는 예를 들면, 하우징(38)의 표면(예를 들면 측면)을 덮는 밴드히터여도 된다. 혹은, 제1 히터(40)는 하우징(38)의 외표면에 고온가스를 분사하도록 구성되어 있어도 된다.

크라이오펌프(10)는, 제1 스테이지(20) 및/또는 방사실드(30)를 가열하기 위한 제2 히터(42)를 구비해도 된다. 제2 히터(42)는, 제1 스테이지(20) 및/또는 방사실드(30)에 직접 장착되어도 된다. 제2 히터(42)는, 예를 들면, 방사실드(30)의 외측에서 제1 스테이지(20)에 장착되어도 된다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계 변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또 이러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다.

예를 들면, 공급 작동기체온도를 높게 하기 위하여, 바이패스로(149)의 설치 및 유로 전환 대신에, 열교환기(145)의 냉각능력을 승온공정에 있어서 약하게 해도 된다. 예를 들면 열교환기(145)의 냉매(냉각수)의 유량을 작게 하거나 혹은 냉각수 온도를 높여도 된다. 혹은, 열교환기(145)의 냉매유로에, 작동기체와 열교환을 하는 메인유로와 열교환을 하지 않는 바이패스로를 형성하여, 상술한 실시예와 마찬가지로 냉동기(16)의 운전상태에 따라 전환해도 된다.

상술한 실시형태에 있어서는, 메인유로(147)와 바이패스로(149)가 작동기체를 흐르게 하기 위하여 선택적으로 사용되고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 메인유로(147)와 바이패스로(149)와의 유량비를 조정함으로써, 작동기체온도를 얼마간 조정하도록 해도 된다.

냉각시스템(15)은, 작동기체온도를 제어하기 위한 가열요소 및/또는 냉각요소를 작동기체 순환회로(예를 들면, 냉동기(16), 저압도관(35), 압축기(36), 또는 고압도관(34))에 구비해도 된다.

10: 크라이오펌프
15: 냉각시스템
16: 냉동기
18: 저온 크라이오패널
19: 고온 크라이오패널
20: 제1 스테이지
21: 제2 스테이지
40: 제1 히터
42: 제2 히터
100: 제어부

Claims (6)

1. 고온 크라이오패널과, 저온 크라이오패널과, 냉각시스템을 구비하는 크라이오펌프로서, 상기 냉각시스템은,
   상기 고온 크라이오패널을 냉각하기 위한 고온단과, 상기 저온 크라이오패널을 냉각하기 위한 저온단을 구비하는 냉동기와,
   상기 크라이오펌프의 진공배기운전을 개시하기 위하여 상기 고온단 및 상기 저온단을 냉각하는 쿨다운운전을 제어하기 위한 제어부를 구비하고,
   상기 냉각시스템은, 상기 쿨다운운전에 있어서 적어도 일시적으로, 상기 고온단에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각시스템은, 상기 진공배기운전에 비하여 고온의 작동기체를, 상기 쿨다운운전에 있어서 적어도 일시적으로 상기 고온단에 공급하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 고온단에 열부하를 부여하도록 구성되어 있는 열부하 생성요소를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 쿨다운운전은, 상기 고온단 및 상기 저온단을 각각의 목표온도를 향하여 온도하강하는 초기냉각단계를 포함하고,
   상기 냉각시스템은, 상기 초기냉각단계에 있어서 적어도 일시적으로, 상기 고온단에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 쿨다운운전은, 초기냉각단계에 후속하여 상기 고온단 및 상기 저온단을 각각의 목표온도로 조정하는 온도조정단계를 포함하고, 상기 초기냉각단계가 종료될 때 상기 저온단의 냉각온도는 목표온도보다 고온이며,
   상기 제어부는, 상기 온도조정단계에 있어서 상기 고온단을 목표온도로 냉각하도록 상기 냉동기의 열사이클의 주파수를 제어하고,
   상기 냉각시스템은, 상기 온도조정단계에 있어서 적어도 일시적으로, 상기 고온단에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
6. 진공배기운전을 위한 극저온보다 높은 초기온도로부터 당해 극저온으로 냉동기를 이용하여 크라이오패널을 냉각하는 단계와,
   상기 냉각하는 단계 후에, 진공배기운전을 개시하는 단계를 구비하고,
   상기 냉각하는 단계는, 상기 냉동기의 고온단에 선택적으로 냉각완화작용을 부여하는 것을 구비하는 단계를 특징으로 하는 크라이오펌프의 운전방법.

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