KR20160073917A - 크라이오펌프, 크라이오펌프의 제어 방법, 및 냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 크라이오펌프의 냉각 시간을 단축하는 것을 과제로 한다.
크라이오펌프(10)는, 크라이오패널과 크라이오패널을 냉각하는 냉동기(16)를 구비한다. 냉동기(16)는, 냉동기(16)를 구동하는 냉동기모터(80)와, 냉동기모터(80)의 운전주파수를 제어하는 냉동기인버터(82)를 구비한다. 크라이오펌프(10)의 제어부(100)는, 실온으로부터 표준운전온도로 크라이오패널의 온도를 저하시키는 쿨다운 운전을 실행하도록 냉동기(16)를 제어한다. 제어부(100)는, 운전주파수 상한을 가지는 운전주파수 범위 내에서 냉동기모터(80)의 운전주파수를 결정하고 상기 운전주파수를 냉동기인버터(82)에 출력하는 운전주파수 결정부(110)와, 쿨다운 운전 중에 크라이오패널의 온도 저하에 근거하여 운전주파수 상한을 저하시키는 상한 조정부(112)를 구비한다.

Description

크라이오펌프, 크라이오펌프의 제어 방법, 및 냉동기{Cryopump, Controlling Method of Cryopump, and Refrigerator}

본 출원은 2014년 12월 17일에 출원된 일본 특허출원 제2014-255028호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.

본 발명은, 크라이오펌프, 크라이오펌프의 제어 방법, 및 냉동기에 관한 것이다.

새로운 크라이오펌프가 현장에 설치되었을 때, 실온으로부터 극저온으로 크라이오펌프는 냉각되고, 진공배기운전이 개시된다. 또, 알려진 바와 같이, 크라이오펌프는 기체 축적식의 진공펌프이기 때문에, 축적된 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, 쿨다운(Cool-down)으로 불리는 경우도 있다.

선행기술문헌

(특허문헌)

특허문헌 1: 국제공개공보 제2005/052369호

크라이오펌프는 극저온 냉동기의 주요한 용도의 하나이지만, 냉동기의 고온단과 저온단의 사이에 비교적 큰 온도차를 필요로 하는 점에서, 다른 용도와 다르다. 그러나, 크라이오펌프를 냉각할 때 그러한 온도차를 단시간에 만들어 내는 것은 쉽지 않다. 예를 들면, 고온단이 목표의 냉각 온도에 이르렀을 때 저온단이 아직 목표 온도에 이르러 있지 않으면, 고온단을 목표 온도로 유지하면서 저온단을 계속 냉각하지 않으면 안 된다. 또, 저온단이 목표 온도에 이르렀을 때 고온단이 이미 목표 온도보다 저온으로 과도하게 차가워져 있는 경우도 있을 수 있다. 이 경우, 고온단을 목표 온도로 승온해야 한다. 이러한 쿨다운 종반의 온도 조정에는 어느 정도의 시간을 필요로 한다. 특히, 고온단과 저온단에 큰 온도차가 필요시되는 경우에는 온도 조정에 필요한 시간이 길어진다. 쿨다운은 크라이오펌프의 다운타임이 되기 때문에, 단시간에 행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 크라이오펌프의 냉각 시간을 단축하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 크라이오패널과, 상기 크라이오패널을 냉각하는 냉동기로서, 상기 냉동기를 구동하는 냉동기모터와, 상기 냉동기모터의 운전주파수를 제어하는 냉동기인버터를 구비하는 냉동기와, 실온으로부터 표준운전온도로 상기 크라이오패널의 온도를 저하시키는 쿨다운 운전을 실행하도록 상기 냉동기를 제어하는 제어부를 구비하는 크라이오펌프가 제공된다. 상기 제어부는, 운전주파수 상한을 가지는 운전주파수 범위 내에서 상기 냉동기모터의 운전주파수를 결정하고 상기 운전주파수를 상기 냉동기인버터에 출력하는 운전주파수 결정부와, 상기 쿨다운 운전 중에 상기 크라이오패널의 온도 저하에 근거하여 상기 운전주파수 상한을 저하시키는 상한 조정부를 구비한다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 크라이오펌프의 제어 방법이 제공된다. 상기 크라이오펌프는, 크라이오패널과, 상기 크라이오패널을 냉각하는 냉동기로서 상기 냉동기를 구동하는 냉동기모터와 상기 냉동기모터의 운전주파수를 제어하는 냉동기인버터를 구비하는 냉동기를 구비한다. 상기 방법은, 실온으로부터 표준운전온도로 상기 크라이오패널의 온도를 저하시키는 쿨다운 운전을 실행하는 단계와, 상기 쿨다운 운전 중에 상기 크라이오패널의 온도 저하에 근거하여 상기 냉동기모터의 운전주파수 상한을 저하시키는 단계와, 상기 운전주파수 상한을 가지는 운전주파수 범위 내에서 상기 냉동기모터의 운전주파수를 결정하는 단계와, 결정된 운전주파수를 상기 냉동기인버터에 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 냉각 스테이지를 구비하는 팽창기로서, 상기 팽창기를 구동하는 팽창기모터와, 상기 팽창기모터의 운전주파수를 제어하는 팽창기인버터를 구비하는 팽창기와, 실온으로부터 표준운전온도로 상기 냉각 스테이지의 온도를 저하시키는 쿨다운 운전을 실행하도록 상기 팽창기를 제어하는 제어부를 구비하는 냉동기가 제공된다. 상기 제어부는, 운전주파수 상한을 가지는 운전주파수 범위 내에서 상기 팽창기모터의 운전주파수를 결정하고 상기 운전주파수를 상기 팽창기인버터에 출력하는 운전주파수 결정부와, 상기 쿨다운 운전 중에 상기 냉각 스테이지의 온도 저하에 근거하여 상기 운전주파수 상한을 저하시키는 상한 조정부를 구비한다.

다만, 이상의 구성 요소의 임의의 조합이나, 본 발명의 구성 요소나 표현을 장치, 방법, 시스템, 컴퓨터프로그램, 컴퓨터프로그램을 격납한 기록 매체 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.

본 발명에 의하면, 크라이오펌프의 냉각 시간을 단축할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프의 제어부의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 3은 크라이오펌프의 운전 방법을 설명하기 위한 플로 차트이다.
도 4는 전형적인 쿨다운 운전에 있어서의 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프의 제어 방법을 나타내는 플로 차트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 관한 쿨다운 운전에 있어서의 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 다만, 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복된 설명을 적절히 생략한다. 또, 이하에 서술하는 구성은 예시이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

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 구성 요소의 위치 관계를 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 부르는 경우가 있다. 즉, 크라이오펌프(10)의 저부로부터 상대적으로 먼 것을 “상”, 상대적으로 가까운 것을 “하”라고 부르는 경우가 있다. 직경방향에 관해서는, 흡기구(12)의 중심에 가까운 것을 “내”, 흡기구(12)의 둘레 가장자리에 가까운 것을 “외”라고 부르는 경우가 있다. 다만, 이러한 표현은 크라이오펌프(10)가 진공챔버에 장착되었을 때의 배치와는 관계없다. 예를 들면, 크라이오펌프(10)는 연직방향으로 흡기구(12)를 하향으로 하여 진공챔버에 장착되어도 된다.

크라이오펌프(10)는, 냉각시스템(15)과, 저온크라이오패널(18)과, 고온크라이오패널(19)을 구비한다. 냉각시스템(15)은, 고온크라이오패널(19) 및 저온크라이오패널(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 부를 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 1에서 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 고온단부에 마련되어 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 왕복 이동 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 직동식 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)을 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 왕복 이동한다. 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)에서 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 고온단으로 도입되는 작동기체 온도는, 저온단의 냉각 능력에 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, 펄스 튜브 냉동기나 솔베이 냉동기를 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 동일하게 적용할 수 있다. 세로형의 크라이오펌프란, 냉동기가 크라이오펌프의 축방향을 따라 배치되어 있는 크라이오펌프이다.

저온크라이오패널(18)은, 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)의 중심부에 마련되어 있다. 저온크라이오패널(18)은 예를 들면, 복수의 패널부재(26)를 포함한다. 패널부재(26)는 예를 들면, 각각이 원뿔대의 측면의 형상, 말하자면 우산 모양의 형상을 가진다. 각 패널부재(26)에는 통상 활성탄 등의 흡착제(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 흡착제는 예를 들면 패널부재(26)의 이면에 접착되어 있다. 이렇게 하여, 저온크라이오패널(18)은, 기체분자를 흡착하기 위한 흡착 영역을 구비한다.

패널부재(26)는 패널장착부재(28)에 장착되어 있다. 패널장착부재(28)는 제2 스테이지(21)에 장착되어 있다. 이렇게 하여, 저온크라이오패널(18)은, 제2 스테이지(21)에 열적으로 접속되어 있다. 따라서, 저온크라이오패널(18)은 제2 온도레벨로 냉각된다.

고온크라이오패널(19)은, 방사실드(30)와 입구 크라이오패널(32)을 구비한다. 고온크라이오패널(19)은, 저온크라이오패널(18)을 포위하도록 저온크라이오패널(18)의 외측에 마련되어 있다. 고온크라이오패널(19)은 제1 스테이지(20)에 열적으로 접속되어 있고, 고온크라이오패널(19)은 제1 온도레벨로 냉각된다.

방사실드(30)는 주로, 크라이오펌프(10)의 하우징(38)으로부터의 복사열로부터 저온크라이오패널(18)을 보호하기 위하여 마련되어 있다. 방사실드(30)는, 하우징(38)과 저온크라이오패널(18)의 사이에 있고, 저온크라이오패널(18)을 둘러싼다. 방사실드(30)는, 흡기구(12)를 향하여 축방향 상단이 개방되어 있다. 방사실드(30)는, 축방향 하단이 폐쇄된 통형(예를 들면 원통)의 형상을 가지고, 컵 형상으로 형성되어 있다. 방사실드(30)의 측면에는 냉동기(16)의 장착을 위한 구멍이 있고, 거기로부터 제2 스테이지(21)가 방사실드(30) 안에 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, 저온크라이오패널(18)의 축방향 상방에 마련되고, 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(louver) 구조나 셰브런(chevron) 구조로 형성된다. 입구 크라이오패널(32)은, 방사실드(30)의 중심축을 중심으로 하는 동심원 형상으로 형성되어 있어도 되고, 혹은 격자 형상 등 다른 형상으로 형성되어 있어도 된다.

입구 크라이오패널(32)은, 흡기구(12)에 들어가는 기체를 배기하기 위하여 마련되어 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 저온크라이오패널(18)을 보호하기 위하여 마련되어 있다. 복사열뿐만 아니라 기체분자의 진입도 제한된다. 입구 크라이오패널(32)은, 흡기구(12)를 통한 내부공간(14)으로의 기체 유입을 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 가로막기 위한 진공용기다. 하우징(38)은, 크라이오펌프(10)의 내부공간(14)의 압력을 기밀하게 유지하도록 구성되어 있다. 하우징(38) 안에, 고온크라이오패널(19)과 냉동기(16)가 수용되어 있다. 하우징(38)은, 고온크라이오패널(19)의 외측에 마련되어 있고, 고온크라이오패널(19)을 둘러싼다. 또, 하우징(38)은 냉동기(16)를 수용한다. 즉, 하우징(38)은, 고온크라이오패널(19) 및 저온크라이오패널(18)을 둘러싸는 크라이오펌프 용기이다.

하우징(38)은, 고온크라이오패널(19) 및 냉동기(16)의 저온부에 접촉하지 않도록, 외부 환경 온도의 부위(예를 들면 냉동기(16)의 고온부)에 고정되어 있다. 하우징(38)의 외면은 외부 환경에 노출되어 있어, 냉각되어 있는 고온크라이오패널(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 마련되어 있고(도시하지 않음), 흡기구플랜지(56)는 그 게이트밸브에 장착된다. 그렇게 하여 입구 크라이오패널(32)의 축방향 상방에 게이트밸브가 위치한다. 예를 들면 크라이오펌프(10)를 재생할 때에 게이트밸브는 폐쇄가 되고, 크라이오펌프(10)가 진공챔버를 배기할 때에 개방이 된다.

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 고온크라이오패널(19)에 장착되어 있어도 된다. 제2 온도센서(92)는 저온크라이오패널(18)에 장착되어 있어도 된다.

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

제어부(100)는, 크라이오펌프(10)의 진공배기운전, 재생운전, 및 쿨다운 운전을 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, 그러한 측정 결과에 근거하여, 냉동기(16)에 부여하는 제어 지령을 연산한다.

제어부(100)는, 스테이지 온도가 목표의 냉각 온도에 추종하도록 냉동기(16)를 제어한다. 제1 스테이지(20)의 목표 온도는 통상, 일정값으로 설정된다. 제1 스테이지(20)의 목표 온도는 예를 들면, 크라이오펌프(10)가 장착되는 진공챔버에서 행해지는 프로세스에 따라 사양으로서 정해진다. 다만, 크라이오펌프의 운전 중에, 목표 온도는 필요에 따라 변경되어도 된다.

예를 들면, 제어부(100)는, 제1 스테이지(20)의 목표 온도와 제1 온도센서(90)의 측정온도의 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 목표 온도보다 고온인 경우에는, 제어부(100)는, 냉동기(16)의 운전주파수를 증가시킨다. 그 결과, 냉동기(16)에 있어서의 열사이클의 주파수도 증가되고, 제1 스테이지(20)는 목표 온도를 향하여 냉각된다. 반대로 제1 온도센서(90)의 측정온도가 목표 온도보다 저온인 경우에는, 냉동기(16)의 운전주파수는 감소되어 제1 스테이지(20)는 목표 온도를 향하여 승온된다. 이렇게 하여, 제1 스테이지(20)의 온도를 목표 온도의 근방의 온도 범위에 둘 수 있다. 열부하에 따라서 냉동기(16)의 운전주파수를 적절히 조정할 수 있으므로, 이러한 제어는 크라이오펌프(10)의 소비 전력의 저감에 기여한다.

제1 스테이지(20)의 온도를 목표 온도로 하도록 냉동기(16)를 제어하는 것을, 이하에서는 “1단온도제어”라고 부르는 경우가 있다. 크라이오펌프(10)가 진공배기운전을 하고 있을 때는 통상, 1단온도제어가 실행된다. 1단온도제어의 결과, 제2 스테이지(21) 및 저온크라이오패널(18)은, 냉동기(16)의 사양 및 외부로부터의 열부하에 의하여 정해지는 온도로 냉각된다. 마찬가지로, 제어부(100)는, 제2 스테이지(21)의 온도를 목표 온도로 하도록 냉동기(16)를 제어하는, 이른바 “2단온도제어”를 실행할 수도 있다.

도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)의 제어부(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 이러한 제어장치는, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그들의 조합에 의하여 실현된다. 또, 도 2에 있어서는, 관련된 냉동기(16)의 일부의 구성을 개략적으로 나타낸다.

냉동기(16)의 구동기구(17)는, 냉동기(16)를 구동하는 냉동기모터(80)와, 냉동기(16)의 운전주파수를 제어하는 냉동기인버터(82)를 구비한다. 상기 서술과 같이, 냉동기(16)는, 작동기체의 팽창기이다. 따라서, 냉동기모터(80) 및 냉동기인버터(82)는 각각 팽창기모터 및 팽창기인버터라고 부를 수도 있다.

냉동기(16)의 운전주파수(운전 속도라고도 함)란, 냉동기모터(80)의 운전주파수 또는 회전수, 냉동기인버터(82)의 운전주파수, 열사이클의 주파수, 또는 이들 중 어느 하나를 나타낸다. 열사이클의 주파수란, 냉동기(16)에서 행해지는 열사이클의 단위 시간당 횟수이다.

제어부(100)는, 냉동기제어부(102), 기억부(104), 입력부(106), 및 출력부(108)를 구비한다. 냉동기제어부(102)는, 크라이오펌프(10)의 진공배기운전 및 재생운전을 실행하도록 냉동기(16)를 제어하게 구성되어 있다. 냉동기제어부(102)는, 실온으로부터 표준운전온도로 적어도 1개의 크라이오패널(저온크라이오패널(18) 및/또는 고온크라이오패널(19), 이하 동일)의 온도를 저하시키는 쿨다운 운전을 실행하도록 냉동기(16)를 제어하게 구성되어 있다. 냉동기제어부(102)는, 적어도 1개의 크라이오패널의 온도를 표준운전온도로 유지하는 온조운전을 쿨다운 운전에 이어서 실행하도록 냉동기(16)를 제어하게 구성되어 있다.

기억부(104)는, 크라이오펌프(10)의 제어에 관련된 정보를 기억하도록 구성되어 있다. 입력부(106)는, 유저 또는 다른 장치로부터의 입력을 받아들이도록 구성되어 있다. 입력부(106)는 예를 들면, 유저로부터의 입력을 받아들이기 위한 마우스나 키보드 등의 입력 수단, 및/또는 다른 장치와의 통신을 하기 위한 통신 수단을 포함한다. 출력부(108)는, 크라이오펌프(10)의 제어에 관련된 정보를 출력하도록 구성되고, 디스플레이나 프린터 등의 출력 수단을 포함한다. 기억부(104), 입력부(106), 및 출력부(108)는 각각 냉동기제어부(102)와 통신 가능하게 접속되어 있다.

냉동기제어부(102)는, 운전주파수 결정부(110), 상한 조정부(112), 측정온도 선택부(114), 및 운전상태 판정부(116)를 구비한다. 운전주파수 결정부(110)는, 상기 서술과 같이, 크라이오패널의 측정온도와 목표 온도의 편차의 함수로서(예를 들면 PID 제어에 의하여) 냉동기모터(80)의 운전주파수를 결정하도록 구성되어 있다. 운전주파수 결정부(110)는, 미리 정해진 운전주파수 범위 내에서 냉동기모터(80)의 운전주파수를 결정한다. 운전주파수 범위는, 미리 정해진 운전주파수의 상한 및 하한에 의하여 정의된다. 운전주파수 결정부(110)는, 결정된 운전주파수를 냉동기인버터(82)에 출력한다.

냉동기인버터(82)는, 냉동기모터(80)의 가변 주파수 제어를 제공하도록 구성되어 있다. 냉동기인버터(82)는, 입력 전력을, 운전주파수 결정부(110)로부터 입력된 운전주파수를 가지도록 변환한다. 냉동기인버터(82)로의 입력 전력은, 냉동기 전원(도시하지 않음)으로부터 공급된다. 냉동기인버터(82)는, 변환된 전력을 냉동기모터(80)에 출력한다. 이렇게 하여 냉동기모터(80)는, 운전주파수 결정부(110)에 의하여 결정되고 냉동기인버터(82)로부터 출력된 운전주파수로 구동된다.

상한 조정부(112)는, 쿨다운 운전 중에 크라이오패널의 온도에 근거하여 운전주파수 상한을 조정하도록 구성되어 있다. 예를 들면, 상한 조정부(112)는, 쿨다운 운전 중에 크라이오패널의 온도 저하에 근거하여 운전주파수 상한을 저하시키도록 구성되어 있다.

측정온도 선택부(114)는, 제1 온도센서(90)에 의하여 측정된 고온크라이오패널(19)의 온도와 제2 온도센서(92)에 의하여 측정된 저온크라이오패널(18)의 온도 중 낮은 쪽을 선택하도록 구성되어 있다. 상한 조정부(112)는, 측정온도 선택부(114)에 의하여 선택된 측정온도를 사용하여 운전주파수 상한을 조정한다.

운전상태 판정부(116)는, 크라이오펌프(10)의 운전상태를 판정하도록 구성되어 있다. 다른 복수의 운전상태 각각에 대응하는 운전상태 플래그가 미리 정해져 있어도 된다. 기억부(104)는, 이들의 운전상태 플래그를 기억하고 있어도 된다. 운전상태 판정부(116)는, 크라이오펌프(10)가 어떤 운전상태에 들어갈 때 그 운전상태에 대응하는 운전상태 플래그를 선택하도록 구성되어 있어도 된다. 운전상태 판정부(116)는, 선택되어 있는 운전상태 플래그를 참조하여 크라이오펌프(10)의 현재의 운전상태를 판정해도 된다. 운전상태 판정부(116)는, 쿨다운 운전이 실행 중인지 아닌지를 판정하는 쿨다운 판정부를 구비해도 된다.

기억부(104)는, 입력부(106)로부터 입력된 주파수 상한 프로파일을 기억한다. 주파수 상한 프로파일은, 실험적으로 또는 경험적으로 미리 정해진다. 상한 조정부(112)는, 주파수 상한 프로파일에 따라 운전주파수 상한을 변경한다.

주파수 상한 프로파일은, 제1 온도영역에 대한 제1 주파수 상한과, 제2 온도영역에 대한 제2 주파수 상한을 포함한다. 제1 주파수 상한은 제1 온도영역에 대한 제1 주파수 범위의 최댓값이고, 제2 주파수 상한은 제2 온도영역에 대한 제2 주파수 범위의 최댓값이다. 제2 주파수 상한은, 제1 주파수 상한보다 작은 값이다. 또, 제2 주파수 상한은, 쿨다운 운전에 이어지는 온조운전(예를 들면, 상기 서술의 1단온도제어)에 있어서의 통상의 운전주파수보다 큰 값이다. 이로 인하여, 제1 주파수 상한으로부터 제2 주파수 상한으로의 저하량은, 예를 들면, 제1 주파수 상한의 25% 이내여도 된다.

주파수 상한 프로파일은, 제1 온도영역에 대한 제1 주파수 하한과, 제2 온도영역에 대한 제2 주파수 하한을 포함해도 된다. 제1 주파수 하한 및 제2 주파수 하한은 각각 제1 주파수 범위 및 제2 주파수 범위의 최솟값이다. 제1 주파수 하한 및 제2 주파수 하한은 공통의 값이어도 된다. 주파수 하한이 주파수 상한과 동일해도 된다. 그 경우, 주파수 범위는 단일값이다.

제1 온도영역은 실온을 포함한다. 제2 온도영역은 표준운전온도를 포함하고 제1 온도영역보다 낮은 온도 범위이며, 제1 온도영역에 인접한다. 제1 온도영역과 제2 온도영역의 경계 온도는, 실온과 표준운전온도의 중간의 온도이다. 경계 온도는 예를 들면 200K 이하의 온도여도 된다. 또, 경계 온도는 예를 들면 130K보다 높은 온도여도 된다.

주파수 상한 프로파일은, 제3 온도영역에 대한 제3 주파수 상한을 포함해도 된다. 제3 온도영역은, 제1 온도영역과 제2 온도영역의 중간의 온도영역이어도 된다. 제3 주파수 상한은, 제1 주파수 상한과 제2 주파수 상한의 중간값이어도 된다. 또, 주파수 상한 프로파일은, 실온과 표준운전온도의 사이의 서로 다른 다수의 온도점 각각에 대응하는 다수의 주파수 상한을 포함해도 된다. 이 경우, 주파수 상한 프로파일은, 온도가 내려감에 따라 주파수 상한이 점감하도록 정해져 있어도 된다.

도 3은, 크라이오펌프(10)의 운전 방법을 설명하기 위한 플로 차트이다. 이 운전 방법은, 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 운전 방법을 적시에 반복하여 실행한다. 진공배기운전이 종료되고 준비운전이 개시될 때에는 통상, 크라이오펌프(10)와 진공챔버의 사이의 게이트밸브가 닫힌다.

준비운전(S10)은 예를 들면, 크라이오펌프(10)의 기동이다. 크라이오펌프(10)의 기동은, 크라이오펌프(10)가 설치되는 환경 온도(예를 들면 실온)로부터 극저온으로 크라이오패널을 냉각하는 쿨다운을 포함한다. 쿨다운의 목표 냉각 온도는, 진공배기운전을 위하여 설정되는 표준적인 운전 온도이다. 그 표준운전온도는 상기 서술과 같이, 고온크라이오패널(19)에 대해서는 예를 들면 80K 내지 100K 정도의 범위부터, 저온크라이오패널(18)에 대해서는 예를 들면 10K 내지 20K 정도의 범위부터, 선택된다. 준비운전(S10)은, 러핑 밸브(도시하지 않음) 등을 이용하여 크라이오펌프(10)의 내부를 동작개시압력(예를 들면 1Pa 정도)까지 러프 펌핑하는 것을 포함해도 된다.

준비운전(S10)은, 크라이오펌프(10)의 재생이어도 된다. 재생은, 이번 회의 진공배기운전의 종료 후에, 다음 회의 진공배기운전의 준비를 위하여 실행된다. 재생은, 저온크라이오패널(18) 및 고온크라이오패널(19)을 재생하는 이른바 풀재생, 또는 저온크라이오패널(18)만을 재생하는 부분재생이다.

재생은, 승온공정, 배출공정, 및 냉각공정을 포함한다. 승온공정은, 상기의 표준운전온도보다 고온인 재생 온도로 크라이오펌프(10)를 승온하는 것을 포함한다. 풀재생의 경우, 재생 온도는 예를 들면 실온 또는 그보다 조금 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 히터이다.

배출공정은, 크라이오패널 표면으로부터 재기화한 기체를 크라이오펌프(10)의 외부로 배출하는 것을 포함한다. 재기화한 기체는, 필요에 따라서 도입되는 퍼지가스와 함께 크라이오펌프(10)로부터 배출된다. 배출공정에 있어서는, 냉동기(16)의 운전은 정지되어 있다. 냉각공정은, 진공배기운전을 재개하기 위하여 저온크라이오패널(18) 및 고온크라이오패널(19)을 재냉각하는 것을 포함한다. 냉각공정에 있어서의 냉동기(16)의 운전상태는, 기동을 위한 쿨다운과 동일하다. 단, 냉각공정에 있어서의 크라이오패널의 초기 온도는, 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 이어 진공배기운전(S12)이 행해진다. 준비운전이 종료되고 진공배기운전이 개시될 때, 크라이오펌프(10)와 진공챔버의 사이의 게이트밸브가 개방된다.

진공배기운전(S12)은, 진공챔버로부터 크라이오펌프(10)를 향하여 날아오는 기체분자를, 극저온으로 냉각된 크라이오패널 표면에 응축 또는 흡착에 의하여 포착하는 운전상태이다. 고온크라이오패널(19)(예를 들면 입구 크라이오패널(32))에는, 그 냉각 온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예를 들면 수분 등)가 응축된다. 입구 크라이오패널(32)의 냉각 온도에서는 증기압이 충분히 낮아지지 않는 기체는 입구 크라이오패널(32)을 통과하여 방사실드(30)로 진입한다. 저온크라이오패널(18)에는, 그 냉각 온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예를 들면 아르곤 등)가 응축된다. 저온크라이오패널(18)의 냉각 온도에서도 증기압이 충분히 낮아지지 않는 기체(예를 들면 수소 등)는, 저온크라이오패널(18)의 흡착제에 흡착된다. 이렇게 하여 크라이오펌프(10)는 진공챔버의 진공도를 원하는 레벨에 도달시킬 수 있다.

진공배기운전은 표준운전온도를 유지하는 정상적인 운전상태이다. 한편, 준비운전 기간은 크라이오펌프(10)의 다운타임(즉, 진공배기운전의 휴지 기간)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 쿨다운 운전에 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(T2)의 시간 변화를 개략적으로 나타낸다. 쿨다운을 개시할 때의 제1 스테이지(20)의 온도(T1) 및 제2 스테이지(21)의 온도(T2)의 초깃값은 모두 예를 들면 300K이고, 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)의 목표 냉각 온도는 각각 예를 들면 100K, 15K이다. 또, 도 4의 하부에는, 냉동기(16)의 운전주파수 프로파일의 일례를 나타낸다.

전형적인 크라이오펌프 제어에 있어서는, 냉동기(16)가 취할 수 있는 운전주파수의 범위는 운전 중에 변경되지 않는다. 따라서, 도 4의 하부에 있어서 일점쇄선으로 나타내는 바와 같이, 냉동기(16)의 운전주파수의 상한은 일정하다.

도 4에 나타내는 쿨다운 운전에 있어서는, 제1 스테이지(20)의 온도(T1)가 목표 온도 100K에 도달할 때까지 냉동기(16)는 풀파워로 운전된다. 이 때 냉동기(16)의 운전주파수는 허용되는 최댓값(예를 들면 운전주파수 95Hz)에 고정된다. 이로써 제1 스테이지(20)는 목표 온도 100K까지 신속하게 냉각된다. 쿨다운 운전의 개시로부터 시간 Ta가 경과했을 때 제1 스테이지(20)의 온도(T1)가 목표 온도 100K에 도달한다. 이 때 냉동기(16)는 풀파워 운전에서 상기 서술한 1단온도제어로 전환된다. 그 후, 제1 스테이지(20)의 온도(T1)는 목표 온도 100K로 유지된다. 1단온도제어로 전환됨으로써 냉동기(16)의 운전주파수는, 예를 들면 40Hz 정도로 큰 폭으로 저하한다.

제2 스테이지(21)는, 냉동기(16)의 풀파워 운전에 의하여 제1 스테이지(20)와 마찬가지로 냉각된다. 제2 스테이지(21)가 제1 스테이지(20)보다 다소 냉각 속도가 크기 때문에, 제1 스테이지(20)의 온도(T1)가 목표 온도 100K에 도달할 때 제2 스테이지(21)는 그보다 다소 저온(예를 들면 80K 정도)으로 냉각되어 있다. 그러나, 이 시점에서는 아직 제2 스테이지(21)의 목표 온도 15K에는 훨씬 못미친다. 냉동기(16)가 풀파워 운전에서 1단온도제어로 전환된 후, 제2 스테이지(21)는 목표 온도 15K로 완만하게 냉각되어 간다. 쿨다운 운전의 개시로부터 시간 Tb가 경과했을 때 제2 스테이지(21)의 온도(T2)가 목표 온도 15K에 도달한다. 이 때 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)의 양방이 각각의 목표 냉각 온도에 도달하고, 쿨다운은 종료된다.

도 4에 나타내는 온도 프로파일에 있어서는, 쿨다운 운전을 통하여 항상 제2 스테이지(21)의 온도(T2)가 제1 스테이지(20)의 온도(T1)보다 낮다. 그러나, 쿨다운 운전 중의 온도 프로파일은 크라이오펌프의 설계(예를 들면 크라이오패널의 형상)에 따라 변할 수 있다. 어떤 크라이오펌프에 있어서는, 쿨다운 운전 중의 적어도 일부의 온도영역에서 제1 스테이지(20)가 제2 스테이지(21)보다 냉각 속도가 클지도 모른다. 이 경우, 쿨다운 운전 중의 적어도 일부의 기간에 있어서 제1 스테이지(20)의 온도(T1)가 제2 스테이지(21)의 온도(T2)보다 낮아질 수 있다.

도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)의 제어 방법을 나타내는 플로 차트이다. 운전상태 판정부(116)는, 크라이오펌프(10)의 현재의 운전상태가 쿨다운 운전인지 아닌지를 판정한다(S20). 쿨다운 운전이 행해지고 있지 않은(예를 들면, 진공배기운전이 행해지고 있는) 경우에는(S20의 N), 운전주파수 결정부(110)는, 기존의 운전주파수 범위 내에서 냉동기모터(80)의 운전주파수를 결정한다(S26). 운전주파수 결정부(110)는, 상기 서술과 같이, 예를 들면 1단온도제어 등 기존의 수법에 의하여 운전주파수를 결정한다. 운전주파수 결정부(110)는, 결정된 운전주파수를 냉동기인버터(82)에 출력한다(S28). 냉동기모터(80)는, 냉동기인버터(82)로부터 입력된 운전주파수로 냉동기(16)를 구동한다. 이와 같이, 쿨다운 운전이 행해지고 있지 않은 경우에는, 운전주파수 상한은 변경되지 않는다.

한편, 쿨다운 운전 중인 경우에는(S20의 Y), 측정온도 선택부(114)는, 제1 온도센서(90)의 측정온도와 제2 온도센서(92)의 측정온도 중 낮은 쪽을 선택한다(S22). 측정온도 선택부(114)는, 제1 온도센서(90)의 측정온도와 제2 온도센서(92)의 측정온도를 비교하여, 2개의 측정온도 중 어느 것이 저온인지를 결정한다. 측정온도 선택부(114)는, 선택된 측정온도를 상한 조정부(112)에 부여한다.

상한 조정부(112)는, 측정온도에 대응하는 운전주파수 상한을 주파수 상한 프로파일에 따라서 결정한다(S24). 상한 조정부(112)는, 측정온도가 제1 온도영역에 있을 때 제1 주파수 상한을 선택하고, 측정온도가 제2 온도영역에 있을 때 제2 주파수 상한을 선택한다. 상한 조정부(112)는, 결정된 운전주파수 상한을 운전주파수 결정부(110)에 부여한다. 상한 조정부(112)는, 결정된 운전주파수 상한을 출력부(108)에 출력해도 된다.

운전주파수 결정부(110)는, 결정된 운전주파수 상한을 가지는 운전주파수 범위 내에서 냉동기모터(80)의 운전주파수를 결정한다(S26). 운전주파수 결정부(110)는, 상기 서술과 같이, 예를 들면 1단온도제어 등 기존의 수법에 의하여 운전주파수를 결정한다. 운전주파수 결정부(110)는, 기존의 수법에 의하여 얻어진 운전주파수와 운전주파수 상한을 비교한다. 얻어진 운전주파수가 운전주파수 상한보다 작은 경우에는, 운전주파수 결정부(110)는, 그 운전주파수를 냉동기인버터(82)에 출력한다(S28). 얻어진 운전주파수가 운전주파수 상한을 넘는 경우에는, 운전주파수 결정부(110)는, 운전주파수 상한값을 냉동기인버터(82)에 출력한다(S28). 냉동기모터(80)는, 냉동기인버터(82)로부터 입력된 운전주파수로 냉동기(16)를 구동한다. 이렇게 하여 본처리는 종료된다. 냉동기제어부(102)는, 본처리를 주기적으로 반복한다.

도 6은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 쿨다운 운전에 있어서의 온도 프로파일의 일례를 나타내는 도이다. 도 4와 같이, 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(T2)의 초깃값은 모두 예를 들면 300K이고, 제1 스테이지(20) 및 제2 스테이지(21)의 목표 냉각 온도는 각각 예를 들면 100K, 15K이다. 도 6에 있어서는 비교를 위하여, 도 4에 나타내는 온도 프로파일을 파선으로 나타낸다. 또, 도 6의 중앙부 및 하부에는 각각, 냉동기(16)의 운전주파수 프로파일 및 주파수 상한 프로파일의 일례를 나타낸다. 마찬가지로 비교를 위하여, 도 4에 나타내는 운전주파수 프로파일 및 주파수 상한 프로파일을 파선으로 나타낸다.

주파수 상한 프로파일은, 실온으로부터 200K까지의 제1 온도영역에 대해서 95Hz의 제1 주파수 상한을 가지고, 200K로부터 100K까지의 제2 온도영역에 대해서 80Hz의 제2 주파수 상한을 가진다.

제1 스테이지(20)의 온도(T1)가 목표 온도 100K에 도달할 때까지 냉동기(16)는 풀파워로 운전된다. 이 때 냉동기(16)의 운전주파수는 허용되는 최댓값에 고정된다. 도 6에 나타나는 예에 있어서는 제2 스테이지(21)가 빨리 차가워지므로, 제2 스테이지(21)가 200K로 냉각될 때까지 냉동기(16)는 95Hz의 제1 주파수 상한으로 운전된다. 제2 스테이지(21)가 200K에 이르면, 냉동기(16)의 운전주파수는 80Hz의 제2 주파수 상한으로 전환된다. 제1 스테이지(20)가 100K에 이르면, 크라이오펌프(10)의 운전상태는 쿨다운 운전에서 1단온도제어로 이행한다. 1단온도제어에서는 냉동기(16)의 운전주파수는, 예를 들면 40Hz 정도로 큰 폭으로 저하한다.

도시된 바와 같이, 제1 스테이지(20)의 냉각 시간은 ΔTa 단축되고, 제2 스테이지(21)의 냉각 시간은 ΔTb 단축된다.

냉동기(16)의 운전주파수는 열사이클의 주파수를 나타내기 때문에, 운전주파수의 저하는 냉동기(16)의 냉동 능력의 저하를 초래한다고 생각할 수 있다. 따라서, 쿨다운 운전 중에 운전주파수를 작게 하면, 냉각 시간은 연장될 수 있다. 쿨다운 운전은, 가능한 한 높은 운전주파수로 행해야 한다. 도 6에 나타나는 냉각 시간의 단축은, 이러한 일반적인 지식에 반하는 것으로, 놀랄 만한 결과이다.

본 발명자의 고찰에 의하면, 본 실시 형태에 있어서의 냉각 시간의 단축은, 쿨다운 운전에 있어서의 작동기체(헬륨)의 밀도 변화에 주목함으로써 설명할 수 있다. 작동기체의 밀도는 온도 저하에 따라 커진다. 밀도가 커짐에 따라서, 냉동기(16)의 고속 운전에 의한 마찰이나 압력 손실의 영향이 커진다. 이로 인하여, 저온에서의 과도한 고속 운전은 냉동기(16)의 냉각 효율의 저하를 초래할 수 있다.

본 실시 형태에 의하면, 쿨다운 운전의 후반에 있어서 냉동기(16)의 운전주파수 상한을 저하시킬 수 있다. 작동기체의 밀도 증대에 의한 마찰이나 압력 손실을 경감하고, 냉동기(16)의 냉각 효율을 유지하거나 또는 그 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 쿨다운 운전의 소요 시간을 단축할 수 있다. 일 시산에 의하면 냉각 시간을 약 10% 단축할 수 있다.

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

일 실시형태에 있어서는, 상한 조정부(112)는, 쿨다운 운전이 완료될 때 또는 그 이후의 임의의 타이밍에서, 운전주파수 상한을 증가시켜도 된다. 예를 들면, 상한 조정부(112)는, 그러한 타이밍에서, 저하된 운전주파수 상한을 복원해도 된다. 도 6에 나타나는 바와 같이, 상한 조정부(112)는, 쿨다운 운전에서 온조운전으로 이행할 때, 제2 주파수 상한에서 제1 주파수 상한으로 다시 전환해도 된다.

10 크라이오펌프
16 냉동기
18 저온크라이오패널
19 고온크라이오패널
80 냉동기모터
82 냉동기인버터
90 제1 온도센서
92 제2 온도센서
100 제어부
104 기억부
110 운전주파수 결정부
112 상한 조정부
114 측정온도 선택부

Claims (7)

1. 크라이오패널과,
   상기 크라이오패널을 냉각하는 냉동기로서, 상기 냉동기를 구동하는 냉동기모터와, 상기 냉동기모터의 운전주파수를 제어하는 냉동기인버터를 구비하는 냉동기와,
   실온으로부터 표준운전온도로 상기 크라이오패널의 온도를 저하시키는 쿨다운 운전을 실행하도록 상기 냉동기를 제어하는 제어부를 구비하고,
   상기 제어부는,
   운전주파수 상한을 가지는 운전주파수 범위 내에서 상기 냉동기모터의 운전주파수를 결정하고 상기 운전주파수를 상기 냉동기인버터에 출력하는 운전주파수 결정부와,
   상기 쿨다운 운전 중에 상기 크라이오패널의 온도 저하에 근거하여 상기 운전주파수 상한을 저하시키는 상한 조정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
2. 제 1 항에 있어서,
   실온을 포함하는 제1 온도영역에 대한 제1 주파수 상한과, 상기 표준운전온도를 포함하고 상기 제1 온도영역보다 낮은 제2 온도영역에 대한 상기 제1 주파수 상한보다 작은 제2 주파수 상한을 포함하는 주파수 상한 프로파일을 기억하는 기억부를 더 구비하고,
   상기 상한 조정부는, 상기 주파수 상한 프로파일에 따라 상기 운전주파수 상한을 변경하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 온도영역과 상기 제2 온도영역의 경계 온도는, 200K 이하의 온도인 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 제1 주파수 상한으로부터 상기 제2 주파수 상한으로의 저하량은, 상기 제1 주파수 상한의 25% 이내인 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 크라이오펌프는, 제1 표준운전온도로 냉각되는 제1 크라이오패널과, 상기 제1 표준운전온도보다 낮은 제2 표준운전온도로 냉각되는 제2 크라이오패널과, 상기 제1 크라이오패널의 온도를 측정하는 제1 온도센서와, 상기 제2 크라이오패널의 온도를 측정하는 제2 온도센서를 구비하고,
   상기 제어부는, 상기 제1 온도센서에 의하여 측정된 상기 제1 크라이오패널의 온도와 상기 제2 온도센서에 의하여 측정된 상기 제2 크라이오패널의 온도 중 낮은 쪽을 선택하는 측정온도 선택부를 구비하고,
   상기 상한 조정부는, 상기 측정온도 선택부에 의하여 선택된 측정온도를 사용하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
6. 크라이오펌프의 제어 방법으로써,
   상기 크라이오펌프는, 크라이오패널과, 상기 크라이오패널을 냉각하는 냉동기로서 상기 냉동기를 구동하는 냉동기모터와 상기 냉동기모터의 운전주파수를 제어하는 냉동기인버터를 구비하는 냉동기를 구비하고,
   상기 방법은,
   실온으로부터 표준운전온도로 상기 크라이오패널의 온도를 저하시키는 쿨다운 운전을 실행하는 단계와,
   상기 쿨다운 운전 중에 상기 크라이오패널의 온도 저하에 근거하여 상기 냉동기모터의 운전주파수 상한을 저하시키는 단계와,
   상기 운전주파수 상한을 가지는 운전주파수 범위 내에서 상기 냉동기모터의 운전주파수를 결정하는 단계와,
   결정된 운전주파수를 상기 냉동기인버터에 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프의 제어 방법.
7. 냉각 스테이지를 구비하는 팽창기로서, 상기 팽창기를 구동하는 팽창기모터와, 상기 팽창기모터의 운전주파수를 제어하는 팽창기인버터를 구비하는 팽창기와,
   실온으로부터 표준운전온도로 상기 냉각 스테이지의 온도를 저하시키는 쿨다운 운전을 실행하도록 상기 팽창기를 제어하는 제어부를 구비하고,
   상기 제어부는,
   운전주파수 상한을 가지는 운전주파수 범위 내에서 상기 팽창기모터의 운전주파수를 결정하고 상기 운전주파수를 상기 팽창기인버터에 출력하는 운전주파수 결정부와,
   상기 쿨다운 운전 중에 상기 냉각 스테이지의 온도 저하에 근거하여 상기 운전주파수 상한을 저하시키는 상한 조정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동기.

Images