TW201433695A - 低溫泵及低溫泵的運轉方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種低溫泵及低溫泵的運轉方法，其課題為縮短低溫泵的冷卻時間。本發明的低溫泵(10)具備高溫低溫板(19)、低溫低溫板(18)及冷卻系統(15)。冷卻系統(15)具備：冷凍機(16)，具備用於冷卻高溫低溫板(19)之第1冷卻台(20)、及用於冷卻低溫低溫板(18)之第2冷卻台(21)；及控制部(100)，用於控制為了開始進行低溫泵(10)的真空排氣運轉而對第1冷卻台(20)及第2冷卻台(21)進行冷卻之降溫運轉。冷卻系統(15)構成為在降溫運轉中至少暫時對第1冷卻台(20)選擇性地賦予冷卻緩和作用。

Description

低溫泵及低溫泵的運轉方法

本發明係有關一種低溫泵及低溫泵的運轉方法。

現場安裝有新型低溫泵時，低溫泵從室溫冷卻至極低溫並開始進行真空排氣運轉。並且，眾所周知，由於低溫泵為氣體捕集式真空泵，因此為了將捕集到之氣體排出到外部而以一定頻率進行再生。再生處理通常包括升溫製程、排出製程及冷卻製程。冷卻製程一結束，就重新開始進行低溫泵的真空排氣運轉。有時，作為該種真空排氣運轉的準備的低溫泵的冷卻還被稱為降溫。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2012-219730號公報

低溫泵為極低溫冷凍機的主要用途之一，而從冷凍機 的高溫段與低溫段之間需要比較大的溫差這一點來看，不同於其他用途。然而，在冷卻低溫泵時在短時間內生成該種溫差並不容易。例如，若高溫段達到目標冷卻溫度時低溫段還未達到目標溫度，則需要一邊將高溫段保持在目標溫度，一邊繼續對低溫段進行進一步冷卻。並且，有時還會出現在低溫段達到目標溫度時高溫段已經冷卻至低於目標溫度的溫度的情況。此時，需要將高溫段的溫度提高到目標溫度。在該種降溫的最後階段進行調溫需要一段時間。尤其，要求高溫段與低溫段具有較大的溫差時，調溫所需之時間會延長。降溫成為低溫泵的降溫時間，因此要求在短時間內進行降溫。

本發明的一態樣的例示性目的之一為縮短低溫泵的冷卻時間及提供該種低溫泵的運轉方法。

依本發明的一態樣提供一種低溫泵，該低溫泵具備高溫低溫板、低溫低溫板及冷卻系統，其中，前述冷卻系統具備：冷凍機，具備用於冷卻前述高溫低溫板之高溫段及用於冷卻前述低溫低溫板之低溫段；及控制部，用於控制為了開始進行前述低溫泵的真空排氣運轉而對前述高溫段及前述低溫段進行冷卻之降溫運轉，前述冷卻系統構成為在前述降溫運轉中至少暫時對前述高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用。

依本發明的一態樣提供一種低溫泵的運轉方法，其 中，該方法具備如下製程：利用冷凍機將低溫板從溫度比真空排氣運轉所需之極低溫高的初期溫度冷卻至該極低溫之製程；及在進行前述冷卻製程之後開始進行真空排氣運轉之製程，前述冷卻製程具備對前述冷凍機的高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用之製程。

另外，任意組合以上構成要件或在方法、裝置、系統等之間相互置換本發明的構成要件或表現形式者，作為本發明的方式同樣有效。

依本發明，能夠縮短低溫泵的冷卻時間及提供一種該種低溫泵的運轉方法。

10‧‧‧低溫泵

15‧‧‧冷卻系統

16‧‧‧冷凍機

18‧‧‧低溫低溫板

19‧‧‧高溫低溫板

20‧‧‧第1冷卻台

21‧‧‧第2冷卻台

40‧‧‧第1加熱器

42‧‧‧第2加熱器

100‧‧‧控制部

第1圖係模式顯示本發明的一實施形態之低溫泵之圖。

第2圖係模式顯示本發明的一實施形態之壓縮機之圖。

第3圖係用於說明一實施形態之低溫泵的運轉方法之流程圖。

第4圖係顯示典型的降溫運轉中之溫度特性曲線的一例之圖。

第5圖係用於說明本發明的一實施形態之壓縮機中之流路切換控制之流程圖。

第6圖係顯示本發明的一實施形態之降溫運轉中之溫度特性曲線的一例之圖。

第7圖係模式顯示本發明的另一實施形態之低溫泵之圖。

依本發明的一實施形態，在降溫運轉中對高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用。此時，藉由降溫運轉低溫段被繼續冷卻，因此能夠拉大高溫段與低溫段的溫差。亦即，能夠加大高溫段與低溫段的溫差的增加速度。如此一來，能夠縮短高溫段(或低溫段)冷卻至目標溫度之時與低溫級(或高溫級)的目標溫度之間的差距。因此，能夠縮短在降溫的最終階段進行調溫所需的時間。其結果，能夠縮短低溫泵的降溫時間。

第1圖係模式地顯示本發明的一實施形態之低溫泵10之圖。低溫泵10例如安裝於離子植入裝置或濺射裝置等真空腔室，用於將真空腔室內部的真空度提高至所需工藝所要求之級別。

低溫泵10具有用於接收氣體之進氣口12。進氣口12係通往低溫泵10的內部空間14之入口。應被排出之氣體從安裝有低溫泵10之真空腔室通過進氣口12進入低溫泵10的內部空間14。

另外，以下為了明確地顯示低溫泵10的構成要件之間的位置關係，有時使用“軸向”、“徑向”之類的術 語。軸向顯示橫穿進氣口12的方向，徑向顯示沿進氣口12的方向。軸向上，為方便起見有時將離進氣口12相對較近的稱為“上”，相對較遠的稱為“下”。亦即，有時將離低溫泵10的底部相對較遠的稱為“上”，相對較近的稱為“下”。徑向上，將離進氣口12的中心較近的稱為“內”，離進氣口12的周緣較近的稱為“外”。另外，該種表現形式與低溫泵10安裝在真空腔室時的配置無關。例如，低溫泵10可以以進氣口12沿鉛垂方向朝下的方式安裝到真空腔室。

低溫泵10具備冷卻系統15、低溫低溫板18及高溫低溫板19。冷卻系統15構成為對高溫低溫板19及低溫低溫板18進行冷卻。冷卻系統15具備冷凍機16及壓縮機36。

冷凍機16例如為吉福德-麥克馬洪式冷凍機(所謂的GM冷凍機)等極低溫冷凍機。冷凍機16為具備第1冷卻台20、第2冷卻台21、第1壓缸22、第2壓缸23、第1置換器24及第2置換器25之二段式冷凍機。因此，冷凍機16的高溫段具備第1冷卻台20、第1壓缸22及第1置換器24。冷凍機16的低溫段具備第2冷卻台21、第2壓缸23及第2置換器25。因此，以下能夠將第1冷卻台20及第2冷卻台21分別稱為高溫段的低溫端及低溫段的低溫端。

第1壓缸22與第2壓缸23串聯連接。第1冷卻台20設置於第1壓缸22與第2壓缸23的結合部。第2壓 缸23與第1冷卻台20及第2冷卻台21連結。第2冷卻台21設置於第2壓缸23的末端。第1壓缸22及第2壓缸23各自的內部以能夠沿冷凍機16的長邊方向(第1圖中為左右方向)移動之方式配設有第1置換器24及第2置換器25。第1置換器24與第2置換器25以能夠一體移動之方式連結。第1置換器24及第2置換器25上分別組裝有第1蓄冷器及第2蓄冷器(未圖示)。

冷凍機16具備設置於第1壓缸22的高溫端之驅動機構17。驅動機構17與第1置換器24及第2置換器25連接，以使第1置換器24及第2置換器25分別能夠在第1壓缸22及第2壓缸23的內部往復移動。並且，驅動機構17包括切換工作氣體的流路之流露切換機構，以周期性反復吸入工作氣體或吐出工作氣體。流路切換機構例如包括閥部與驅動閥部之驅動部。閥部例如包括旋轉閥，驅動部包括用於使旋轉閥迴轉之馬達。馬達例如可以是AC馬達或DC馬達。並且，流路切換機構可以是被線性馬達驅動之直動式機構。

冷凍機16經由高壓導管34及低壓導管35與壓縮機36連接。冷凍機16在內部使從壓縮機36供給之高壓的工作氣體(例如氦)膨脹以在第1冷卻台20及第2冷卻台21生成寒冷。壓縮機36回收在冷凍機16中膨脹之工作氣體並再次對其加壓以供給到冷凍機16。

具體而言，首先由驅動機構17連通高壓導管34和冷凍機16的內部空間。高壓的工作氣體從壓縮機36通過高 壓導管34供給到冷凍機16。若冷凍機16的內部空間充滿高壓的工作氣體，則驅動機構17將切換流路，以將冷凍機16的內部空間連通到低壓導管35。藉此，工作氣體將膨脹。膨脹之工作氣體被回收到壓縮機36。在進行該種工作氣體的供給/排出之同時，第1置換器24及第2置換器25分別在第1壓缸22及第2壓缸23的內部往復移動。藉由反復該種熱循環，冷凍機16在第1冷卻台20及第2冷卻台21生成寒冷。

冷凍機16構成為將第1冷卻台20冷卻至第1溫度級別，並將第2冷卻台21冷卻至第2溫度級別。第2溫度級別的溫度低於第1溫度級別的溫度。例如，第1冷卻台20被冷卻至65K~120K左右，被冷卻至80K~100K為佳，第2冷卻台21被冷卻至10K~20K左右。

冷凍機16構成為使工作氣體通過高溫段流向低溫段。亦即，從壓縮機36流入之工作氣體從第1壓缸22向第2壓缸23流動。此時，工作氣體藉由第1置換器24及其蓄冷器被冷卻至第1冷卻台20(亦即高溫段的低溫端)的溫度。如此被冷卻之工作氣體供給到低溫段。因此預計從壓縮機36導入到冷凍機16的高溫段之工作氣體溫度不會對低溫段的冷卻能力產生顯著影響。

另外，冷凍機16可以是由三段壓缸串聯連接之三段式冷凍機或比三段更多段的多段冷凍機。冷凍機16可以是GM冷凍機以外的冷凍機，亦可使用脈衝管冷凍機或蘇爾威冷凍機。

第1圖顯示包括低溫泵10的內部空間14的中心軸和冷凍機16的中心軸之截面。第1圖所示低溫泵10是所謂臥式低溫泵。臥式低溫泵通常是指冷凍機16以與低溫泵10的內部空間14的中心軸交叉(通常為正交)之方式配設之低溫泵。本發明同樣能夠應用於所謂的立式低溫泵。所謂立式低溫泵是指冷凍機沿低溫泵的軸向配設之低溫泵。

低溫低溫板18設於低溫泵10的內部空間14的中心部。低溫低溫板18例如包括複數個板構件26。板構件26例如具有側面分別為圓錐形形狀的所謂傘狀形狀。各板構件26上通常設有活性碳等吸附劑(未圖示)。吸附劑例如粘結在板構件26的背面。如此一來，低溫低溫板18具備用於吸附氣體分子之吸附區域。

板構件26安裝於板安裝構件28。板安裝構件28安裝於第2冷卻台21。如此一來，低溫低溫板18與第2冷卻台21熱連接。因此，低溫低溫板18被冷卻至第2溫度級別。

高溫低溫板19具備放射屏蔽件30與入口低溫板32。高溫低溫板19以包圍低溫低溫板18之方式設於低溫低溫板18的外側。高溫低溫板19與第1冷卻台20熱連接，高溫低溫板19被冷卻至第1溫度級別。

放射屏蔽件30主要為保護低溫低溫板18免受來自低溫泵10的殼體38的輻射熱而設。放射屏蔽件30位於殼體38與低溫低溫板18之間，並包圍低溫低溫板18。放 射屏蔽件30的軸向上端朝進氣口12開放。放射屏蔽件30具有軸向下端被封閉之筒形(例如圓筒)形狀，並形成為杯狀。放射屏蔽件30的側面有用於安裝冷凍機16之孔，第2冷卻台21從此處插入放射屏蔽件30中。在該安裝孔的外周部，第1冷卻台20固定於放射屏蔽件30的外表面。以此，放射屏蔽件30與第1冷卻台20熱連接。

入口低溫板32設於低溫低溫板18的軸向上方，在進氣口12沿徑向配置。入口低溫板32的外周部固定於放射屏蔽件30的開口端，並與放射屏蔽件30熱連接。入口低溫板32例如形成為百葉窗結構或人字形結構。入口低溫板32可以形成為以放射屏蔽件30的中心軸為中心之同心圓狀，或者亦可形成為格子狀等其他形狀。

入口低溫板32為排出進入到進氣口12之氣體而設。藉由入口低溫板32的溫度冷凝之氣體(例如水分)被捕捉在其表面。並且，入口低溫板32為保護低溫低溫板18免受來自低溫泵10的外部的熱源(例如安裝有低溫泵10之真空腔室內的熱源)的輻射熱。不僅限制輻射熱亦限制氣體分子的進入。入口低溫板32佔據進氣口12的開口面積的一部份，以將通過進氣口12進入內部空間14之氣體量限制在所期望的量上。

低溫泵10具備殼體38。殼體38為用於分隔低溫泵10的內部與外部之真空容器。殼體38構成為氣密地保持低溫泵10的內部空間14的壓力。高溫低溫板19與冷凍機16容納於殼體38之中。殼體38設於高溫低溫板19的 外側，並包圍高溫低溫板19。並且，殼體38容納冷凍機16。亦即，殼體38為包圍高溫低溫板19及低溫低溫板18之低溫泵容器。

殼體38固定於外部環境溫度的部位(例如冷凍機16的高溫部)，以免接觸高溫低溫板19及冷凍機16的低溫部。殼體38的外表面暴露在外部環境，其溫度高於被冷卻之高溫低溫板19的溫度(例如相當於室溫)。

並且，殼體38具備從其開口端向徑向外側延伸之進氣口凸緣56。進氣口凸緣56為用於將低溫泵10安裝於安裝處亦即真空腔室之凸緣。在真空腔室的開口設有閘閥(未圖示)，進氣口凸緣56安裝於該閘閥。以此，閘閥位於入口低溫板32的軸向上方。例如，在再生低溫泵10時閘閥被關閉，當低溫泵10對真空腔室進行排氣時被開啟。

低溫泵10具備用於測定第1冷卻台20的溫度之第1溫度感測器90及用於測定第2冷卻台21的溫度之第2溫度感測器92。第1溫度感測器90安裝於第1冷卻台20。第2溫度感測器92安裝於第2冷卻台21。另外，第1溫度感測器90可以安裝於高溫低溫板19。第2溫度感測器92亦可安裝於低溫低溫板18。

並且，低溫泵10具備控制部100。控制部100可以與低溫泵10一體設置，亦可構成為獨立於低溫泵10的控制裝置。

控制部100構成為為了進行低溫泵10的真空排氣運 轉、再生運轉及降溫運轉而控制冷凍機16。控制部100構成為接收包括第1溫度感測器90及第2溫度感測器92在內之各種感測器的測定結果。控制部100依據該種測定結果運算向冷凍機16發出之控制指令。

控制部100控制冷凍機16，以使冷卻台溫度追蹤目標冷卻溫度。第1冷卻台20的目標溫度通常被設定為恒定值。第1冷卻台20的目標溫度例如依據在安裝有低溫泵10之真空腔室所進行之工藝之規格而定。另外，在低溫泵的運轉過程中可以依據需要改變目標溫度。

例如，控制部100藉由反饋控制來控制冷凍機16的運轉頻率，以便將第1冷卻台20的目標溫度與第1溫度感測器90的測定溫度之間的偏差最小化。亦即，控制部100藉由控制驅動機構17的馬達轉速來控制冷凍機16中之熱循環頻率。

當施加於低溫泵10之熱負荷增加時第1冷卻台20的溫度會變高。當第1溫度感測器90的測定溫度為高於目標溫度的溫度時，控制部100會增加冷凍機16的運轉頻率。其結果，冷凍機16中之熱循環頻率亦增加，第1冷卻台20朝目標溫度冷卻。相反，當第1溫度感測器90的測定溫度為低於目標溫度的溫度時，冷凍機16的運轉頻率會減少，第1冷卻台20會朝目標溫度進行升溫。以此，能夠將第1冷卻台20的溫度保持在接近目標溫度之溫度範圍。依據熱負荷能夠適當調整冷凍機16的運轉頻率，因此該種控制有利於減少低溫泵10的耗電。

以下，控制冷凍機16以將第1冷卻台20的溫度設成目標溫度之製程稱為“一級溫度控制”。當低溫泵10進行真空排氣運轉時，通常執行一級溫度控制。藉由進行一級溫度控制，使得第2冷卻台21及低溫低溫板18被冷卻至由冷凍機16的規格及來自外部的熱負荷而定之溫度。同樣，控制部100亦能夠執行以將第2冷卻台21的溫度設成目標溫度之方式控制冷凍機16之所謂“二級溫度控制”。

第2圖係模式地顯示本發明的一實施形態之壓縮機36之圖。壓縮機36為使工作氣體在包括低溫泵10之封閉之流體回路中循環而設。壓縮機36從低溫泵10回收並壓縮工作氣體，並再次送到低溫泵10。壓縮機36具備對氣體進行升壓之壓縮機主體140、用於將從外部供給到之低壓氣體供給到壓縮機主體140之低壓配管142、及用於將被壓縮機主體140壓縮之高壓氣體送到外部之高壓配管144。

壓縮機36藉由吸入端口146接收來自低溫泵10的回流氣體。工作氣體從吸入端口146被送到低壓配管142。吸入端口146在低壓配管142的末端中設於壓縮機36的筐體。低壓配管142連接吸入端口146與壓縮機主體140的吸入口。

低壓配管142的中間部份具備作為用於去除包含在回流氣體中之脈動之容積之儲罐150。儲罐150設於吸入端口146與朝向後述旁通機構152之分支之間。儲罐150中 被去除脈動之工作氣體通過低壓配管142供給到壓縮機主體140。在儲罐150的內部可以設有用於清除氣體中不需要的微粒等之過濾器。儲罐150與吸入端口146之間可以連接用於從外部補充工作氣體之接收端口及配管。

壓縮機主體140例如為渦旋方式或旋轉式的泵，發揮對所吸入之氣體進行升壓之作用。壓縮機主體140將升壓之工作氣體送到高壓配管144。壓縮機主體140呈利用油來進行冷卻之結構，使油循環之油冷卻配管附隨壓縮機主體140而設。因此，升壓之工作氣體以混入少許該油之狀態被送到高壓配管144。

因此，在高壓配管144的中間部份設有油分離器154。從工作氣體分離之油可以藉由油分離器154而返回到低壓配管142，並可以藉由低壓配管142返回到壓縮機主體140。在油分離器154上可以設有用於釋放過於高壓之安全閥。

在連接壓縮機主體140與油分離器154之高壓配管144的中間部份設有用於對從壓縮機主體140送出之高壓工作氣體進行冷卻之熱交換器145。熱交換器145例如藉由冷卻水(以虛線顯示)冷卻工作氣體。並且，該冷卻水亦可用於冷卻對壓縮機主體140進行冷卻之油。高壓配管144中在熱交換器的上游或及下游中的至少一方可以設有測定工作氣體的溫度之溫度感測器153。

為連接壓縮機主體140與油分離器154而設有2個路徑。亦即，設有經由熱交換器145之主流路147和迂迴熱 交換器145之旁通路149。旁通路149在熱交換器145的上游(壓縮機主體140的下游)從主流路147分岔，並在熱交換器145的下游(油分離器154的上游)與主流路147匯合。

在主流路147與旁通路149的匯合位置設有三通閥151。藉由切換三通閥151，能夠將工作氣體的流路切換成主流路147與旁通路149中的任一流路。三通閥151可以替換成其他相同流路結構，例如可以藉由在主流路147與旁通路149分別設置二通閥，亦能夠對主流路147與旁通路149進行切換。

經由油分離器154之工作氣體通過高壓配管144被送到吸附器156。吸附器156例如為從工作氣體中去除未被儲罐150內的過濾器或油分離器154等的流路上的去汙構件取凈之汙染成份而設。吸附器156藉由吸附去來除例如進行氣化之油成份。

吐出端口148在高壓配管144的末端中設於壓縮機36的筐體。亦即，高壓配管144連接壓縮機主體140與吐出端口148，在其中間部份設有熱交換器145、油分離器154及吸附器156。經由吸附器156之工作氣體通過吐出端口148被送到低溫泵10。

壓縮機36具備旁通機構152，該旁通機構具有連接低壓配管142與高壓配管144之旁通配管158。在圖示實施例中，旁通配管158在儲罐150與壓縮機主體140之間從低壓配管142分岔。並且，旁通配管158在油分離器 154與吸附器156之間從高壓配管144分岔。

旁通機構152具備用於控制不送到低溫泵10而從高壓配管144向低壓配管142迂迴之工作氣體流量之控制閥。在圖示實施例中，在旁通配管158的中間部份並列設有第1控制閥160及第2控制閥162。一實施例中，第1控制閥160為常開型電磁閥，而第2控制閥162為常閉型電磁閥。第1控制閥160為使運轉停止時的高壓側和低壓側的壓力均勻而設，而第2控制閥162用作旁通配管158的流量控制閥。

壓縮機36具備用於測定來自低溫泵10的回流氣體的壓力之第1壓力感測器164及用於測定送往低溫泵10之氣體的壓力之第2壓力感測器166。第1壓力感測器164例如設置於儲罐150中，在儲罐150中測定被去除脈動之回流氣體的壓力。第2壓力感測器166例如設於油分離器154與吸附器156之間。

第3圖係用於說明本發明的一實施形態之低溫泵10的運轉方法之流程圖。該運轉方法包括準備運轉(S10)、真空排氣運轉(S12)。真空排氣運轉為低溫泵10的常規運轉。準備運轉包括在常規運轉之前執行之任意運轉狀態。控制部100適時反復執行該運轉方法。當真空排氣運轉結束並開始準備運轉時，位於低溫泵10與真空腔室之間的閘閥通常被關閉。

準備運轉(S10)中例如起動低溫泵10。低溫泵10的起動包括將低溫板18、19從設置有低溫泵10之環境溫 度(例如室溫)冷卻至極低溫之降溫。降溫過程中的目標冷卻溫度是為真空排氣運轉而設定之標準運轉溫度。如上所述，該標準運轉溫度就高溫低溫板19而言可從例如80K至100K左右的範圍選擇，而就低溫低溫板18而言，可從例如10K至20K左右的範圍中選擇。準備運轉(S10)可以包括利用粗抽法(未圖示)等將低溫泵10的內部粗抽至動作開始壓力(例如1Pa左右)之製程。

準備運轉(S10)中可以再生低溫泵10。再生為在本次真空排氣運轉結束之後準備下一次的真空排氣運轉而執行。再生為再生低溫低溫板18及高溫低溫板19之所謂完全再生或僅再生低溫低溫板18之部份再生。

再生包括升溫製程、排出製程及冷卻製程。升溫製程包括將低溫泵10的溫度提高到高於上述標準運轉溫度的高溫亦即再生溫度之製程。為完全再生時，再生溫度例如為室溫或稍高於室溫的溫度(例如約290K至約300K)。用於升溫製程之熱源例如為冷凍機16的逆轉升溫和/或鋪設於冷凍機16之加熱器40、42(參閱第7圖)。

排出製程包括將從低溫板表面再氣化之氣體排到低溫泵10的外部之製程。再氣化之氣體與依據需要而被導入之吹掃氣體一同從低溫泵10排出。排出製程中，冷凍機16處於停止運轉狀態。冷卻製程包括為重新開始真空排氣運轉而再次對低溫低溫板18及高溫低溫板19進行冷卻之製程。冷卻製程中冷凍機16的運轉狀態與用於起動之降溫相同。但是，為完全再生時，冷卻製程中之低溫板的 初始溫度相當於室溫，而為部份再生時介於室溫與上述標準運轉溫度之間(例如100K~200K)。

如第3圖所示，繼準備運轉(S10)之後進行真空排氣運轉(S12)。準備運轉結束並開始真空排氣運轉時，位於低溫泵10與真空腔室之間之閘閥被開啟。

真空排氣運轉(S12)係藉由將從真空腔室朝低溫泵10飛來之氣體分子冷凝或吸附於冷卻成極低溫之低溫板表面來進行捕捉之運轉狀態。在高溫低溫板19(例如入口低溫板32)上冷凝以其冷卻溫度使蒸汽壓充份變低之氣體(例如水分等)。蒸汽壓藉由入口低溫板32的冷卻溫度未充份變低之氣體通過入口低溫板32進入到放射屏蔽件30。在低溫低溫板18上冷凝以其冷卻溫度使蒸汽壓充份變低之氣體(例如氬等)。蒸汽壓藉由低溫低溫板18的冷卻溫度亦未充份變低的氣體(例如氫等)吸附於低溫低溫板18的吸附劑上。以此，低溫泵10能夠使真空腔室的真空度達到所希望的級別。

真空排氣運轉為保持標準運轉溫度之穩定的運轉狀態。另一方面，準備運轉期間相當於低溫泵10的停機時間(亦即停止真空排氣運轉期間)，因此盡量短為佳。因此，在準備運轉中要求冷凍機16具有高於常規運轉的冷凍能力。通常情況下，在準備運轉中冷凍機16以相當高的運轉頻率(例如所允許之最高的運轉頻率或近似於其之頻率)運轉。

第4圖係顯示典型的降溫運轉中之溫度特性曲線的一 例之圖。第4圖中的縱軸及橫軸分別顯示溫度及時間。第4圖中概略示出第1冷卻台20的溫度T1及第2冷卻台21的溫度T2隨時間的變化。開始降溫時的第1冷卻台20的溫度T1及第2冷卻台21的溫度T2的初始值均為例如300K，第1冷卻台20及第2冷卻台21的目標冷卻溫度分別為例如100K、15K。並且，在第4圖的下方示出冷凍機16的運轉頻率特性曲線的一例。

在第4圖所示之降溫運轉中，在第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度100K為止，冷凍機16以全功率運轉。此時，冷凍機16的運轉頻率固定在所允許之最大值(例如運轉頻率為95Hz)。藉此第1冷卻台20迅速冷卻至目標溫度100K。從降溫運轉開始起經過時間Ta時，第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度100K。此時，冷凍機16從全功率運轉切換成上述一級溫度控制。之後，第1冷卻台20的溫度T1維持在目標溫度100K。由於被切換成一級溫度控制，冷凍機16的運轉頻率例如大幅降至40Hz左右。

第2冷卻台21與第1冷卻台20相同，藉由冷凍機16的全功率運轉被冷卻。由於第2冷卻台21的冷卻速度稍快於第1冷卻台20的冷卻速度，因此當第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度100K時，第2冷卻台21被冷卻至稍低於此的溫度(例如80K)。然而，此時還遠不及第2冷卻台21的目標溫度15K。冷凍機16從全功率運轉切換成一級溫度控制之後，第2冷卻台21緩慢地冷卻至目 標溫度15K。從降溫運轉開始起經過時間Tb時，第2冷卻台21的溫度T2達到目標溫度15K。此時第1冷卻台20及第2冷卻台21均達到各自的目標冷卻溫度，並結束降溫。

如此，降溫運轉可以包括將冷凍機16的高溫段及低溫段的溫度降至各自的目標溫度之初期冷卻階段及繼初期冷卻階段之後將冷凍機16的高溫段及低溫段調整到各自的目標溫度之調溫階段。在初期冷卻階段冷凍機16可以以相對較高的運轉頻率運轉，在調溫階段，冷凍機16則可以以相對較低的運轉頻率運轉。因此，初期冷卻階段為高輸出降溫(淬冷階段)，調溫階段可以是低輸出降溫(或者緩冷階段)。

如上所述，降溫運轉的控制由控制部100依據第1溫度感測器90及第2溫度感測器92的測定溫度而執行。控制部100可以從降溫初期到高溫段的低溫端溫度達到目標溫度或近似目標溫度的判定閾值溫度為止執行初期冷卻階段。初期冷卻階段結束時，低溫段的低溫端溫度可以為高於其目標溫度的溫度。控制部100可在結束初期冷卻階段之後開始調溫階段。控制部100可以以將高溫段的低溫端溫度維持在目標溫度，並且將低溫段的低溫端溫度降至目標溫度之方式執行調溫階段。控制部100可以將調溫階段執行至低溫段的低溫端溫度達到目標溫度或近似其溫度的判定閾值溫度為止。

如此，例如在低溫低溫板18的質量較大時，低溫段 的冷卻遲於高溫段結束。板越重越難以冷卻。被設計成主要排出非冷凝性氣體(例如氫)之低溫泵具有低溫低溫板18的質量變大的趨勢。因此，本實施形態之低溫泵10尤其適合主要用於排出氫氣之低溫泵。

在另一實施形態中，控制部100可以從降溫初期開始執行初期冷卻階段以至低溫段的低溫端溫度達到目標溫度或近似目標溫度的判定閾值溫度為止。初期冷卻階段結束時，高溫段的低溫端溫度可以為低於目標溫度的溫度。控制部100可以從初期冷卻階段結束起開始調溫階段。控制部100可以以將低溫段的低溫端溫度維持在目標溫度，並將高溫段的低溫端溫度提高到目標溫度之方式執行調溫階段。控制部100可以將調溫階段執行至高溫段的低溫端溫度達到目標溫度或近似目標溫度的判定閾值溫度為止。

本實施形態中，冷卻系統15構成為在降溫運轉中至少暫時對冷凍機16的高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用。例如，冷卻系統15獨立於冷凍機16的熱循環頻率的控制，而僅降低高溫段的冷卻能力。因此，冷卻系統15構成為在降溫運轉中至少暫時對冷凍機16的高溫段供給溫度高於真空排氣運轉的工作氣體。

冷卻系統15藉由壓縮機36中之流路切換控制提高供給到冷凍機16之工作氣體溫度。控制部100依據冷凍機16的運轉狀態切換壓縮機36中之工作氣體的流路。當冷凍機16不處於降溫運轉狀態時(例如為常規真空排氣運轉時)，控制部100使工作氣體流經經由熱交換器145之 主流路147，當處於降溫運轉狀態時切換流路，以使工作氣體流向旁通路149。

第5圖係用於說明本發明的一實施形態之壓縮機36中之流路切換控制之流程圖。該處理藉由控制部100以規定周期反復進行。首先，控制部100辨別冷凍機16的運轉狀態(S20)。當冷凍機16不進行降溫運轉時(S20為否)，控制部100切換三通閥151，以使工作氣體在壓縮機36中經由主流路147(S22)。在上一次的主辨別中為不進行降溫運轉時，继续保持經由主流路147之狀態。

另一方面，冷凍機16進行降溫運轉時(S20為是)，控制部100切換三通閥151，以使工作氣體在壓縮機36中經由旁通路149(S24)。在上一次的判定中進行降溫運轉時，持續保持經由旁通路149之狀態。

控制部100可以使工作氣體例如僅限在降溫運轉的初期冷卻階段，在壓縮機36中經由旁通路149。或者，控制部100可以至降溫運轉結束為止經由旁通路149。控制部100切換三通閥151，以使工作氣體在開始進行真空排氣運轉之前返回到主流路147。

藉由該種三通閥151的切換動作，工作氣體在真空排氣運轉中經由主流路147亦即熱交換器145，另一方面，工作氣體在降溫運轉中不經由熱交換器145而經由旁通路149。因此，在真空排氣運轉中被熱交換器145冷卻之低溫的工作氣體被供給到冷凍機16。另一方面，在降溫運轉中工作氣體不經由熱交換器145，因此在壓縮機主體 140獲得壓縮熱而成為高溫之工作氣體直接被供給到冷凍機16。

第6圖係顯示本發明的一實施形態之降溫運轉中之溫度特性曲線的一例之圖。在該降溫運轉中，藉由壓縮機36的流路切換控制，高溫的工作氣體從開始降溫運轉到結束降溫運轉期間持續供給到冷凍機16。如同第4圖，第6圖的縱軸及橫軸分別顯示溫度及時間。開始降溫時的第1冷卻台20的溫度T1及第2冷卻台21的溫度T2的初始值例如均為300K，第1冷卻台20及第2冷卻台21的目標冷卻溫度例如分別為100K、15K。第6圖中為進行比較，以虛線顯示第4圖所示之溫度特性曲線。並且，在第6圖的下方示出冷凍機16的運轉頻率特性曲線的一例。同樣為進行比較，以虛線顯示第4圖所示之運轉頻率特性曲線。

在第6圖所示之降溫運轉中，冷凍機16以全功率運轉，直至第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度100K。此時冷凍機16的運轉頻率固定在所允許之最大值(例如運轉頻率95Hz)。藉此，第1冷卻台20迅速冷卻至目標溫度100K。

然而，由於高溫的工作氣體供給到冷凍機16而使得高溫段的冷卻能力下降。因此，第1冷卻台20的降溫速度亦隨之下降(如圖所示溫度梯度變緩)。因此，從開始降溫運轉起經過時間Ta+△Ta時，第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度100K。此時，冷凍機16從全功率運轉 切換成上述一級溫度控制。之後，第1冷卻台20的溫度T1維持在目標溫度100K。藉由被切換成一級溫度控制，冷凍機16的運轉頻率例如大幅降至40Hz左右。如此，藉由將高溫的工作氣體供給到冷凍機16，從而初期冷卻階段僅延長了時間△Ta。

另一方面，如第6圖所示，初期冷卻階段中之第2冷卻台21的降溫速度不下降。如上所述，這是因為能夠看做本實施形態中之冷卻緩和作用不對冷凍機16的低溫段的冷卻能力造成影響。換言之，被設定成降溫運轉與真空排氣運轉的工作氣體的溫差不對冷凍機16的低溫段冷卻能力造成影響。

因此，第1冷卻台20與第2冷卻台21的溫差急劇擴大。因此，如第6圖所示，從開始降溫運轉起經過時間Ta時的溫差與第4圖所例示之典型的降溫相比變大。並且，藉由對高溫段的冷卻緩和作用切換成一級溫度控制僅推遲了△Ta，藉此該時間△Ta中之第2冷卻台21的降溫速度變大。如此一來，能夠進一步降低第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度100K時的第2冷卻台21的溫度T2。

第6圖所例示之溫度特性曲線中，從開始降溫運轉起經過時間Tb-△Tb時第2冷卻台21的溫度T2達到目標溫度15K。該例子中，降溫運轉被調整成在第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度100K時，使第2冷卻台21的溫度T2亦達到目標溫度15K。第1冷卻台20及第2冷卻台 21同時達到各自的目標冷卻溫度，並結束降溫。在第6圖所示之例子中，與第4圖所示之典型情況相比，降溫運轉時間只縮短了時間△Tb。

依據本實施形態，藉由將溫度比較高的工作氣體供給到降溫運轉中的冷凍機16能夠縮短降溫時間。因此，能夠縮短低溫泵的停機時間(例如再生時間)。

作為為縮短降溫時間而提高冷凍機的冷卻能力之直接性方法可以考慮加大冷凍機的容積和/或加大壓縮機的回收側與供給側的差壓。然而，該種方法需要對冷凍機和/或壓縮機中加以大規模的設計變更，因此會導致產品價格上漲。本實施形態還具有無需加以該種大的設計變更就能夠縮短降溫時間的優點。

上述實施形態中，高溫的工作氣體在降溫運轉期間繼續供給到冷凍機16。然而，冷卻系統15可以構成為在降溫運轉中暫時或斷續地對冷凍機16的高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用。顯然，即便如此亦能夠獲得相同的縮短降溫時間的效果。

因此，冷卻系統15例如可以構成為至少在初期冷卻階段期間對冷凍機16的高溫段賦予冷卻緩和作用。此時，藉由延長初期冷卻階段能夠使得冷凍機16維持或延長高運轉頻率狀態。或者可以構成為至少在調溫階段期間對冷凍機16的高溫段賦予冷卻緩和作用。此時，冷凍機16的運轉頻率變高，以使對於高溫段的冷卻緩和作用相抵消。其結果，能夠提高低溫段的冷卻能力。

上述實施形態中，降溫運轉得到調整，以在第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度時第2冷卻台21的溫度T2亦達到目標溫度。然而，如同第4圖所示之典型情況，降溫運轉可以被調整，以在第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度時第2冷卻台21的溫度T2變成高於目標溫度的溫度。或者降溫運轉可以被調整，以在第1冷卻台20的溫度T1達到目標溫度時第2冷卻台21的溫度T2變成低於目標溫度的溫度。

並且，在上述實施形態中，降溫運轉的初期冷凍機16以全功率運轉，之後被切換成一級溫度控制。然而，控制部100可以在降溫運轉中從一開始就執行一級溫度控制。此時，隨著第1冷卻台20的降溫，從高輸出的降溫逐漸過渡到低輸出的降溫。或者，控制部100亦可在降溫運轉中執行二級溫度控制。例如，控制部100在降溫運轉的初期冷卻階段執行二級溫度控制，亦可在第2冷卻台21被冷卻至接近目標溫度為止時切換成一級溫度控制。

第7圖係模式地顯示本發明的另一實施形態之低溫泵10之圖。低溫泵10具備構成為對冷凍機16的高溫段賦予熱負荷之熱負荷生成要件。控制部100使熱負荷生成要件作動，以在降溫運轉中至少暫時對冷凍機16的高溫段選擇性地賦予熱負荷。藉由熱負荷生成要件冷凍機16的高溫段選擇性地獲得冷卻緩和作用。該熱負荷生成要件可以是用於藉由輻射或傳導來對高溫段的低溫端或其冷卻對象進行加熱之加熱裝置。

低溫泵10可以具備用於加熱殼體38之第1加熱器40。第1加熱器40藉由加熱殼體38從殼體38對放射屏蔽件30賦予輻射熱。以此，能夠暫時增加對放射屏蔽件30的熱負荷。第1加熱器40例如可以是覆蓋殼體38的表面(例如側面)之帶式加熱器。或者，第1加熱器40可以構成為向殼體38的外表面噴吹高溫氣體。

低溫泵10可以具備用於加熱第1冷卻台20和/或放射屏蔽件30之第2加熱器42。第2加熱器42可以直接安裝於第1冷卻台20和/或放射屏蔽件30。第2加熱器42例如可以在放射屏蔽件30的外側安裝於第1冷卻台20。

以上，依據實施例對本發明進行了說明。本發明不限於上述實施形態，可以有各種設計變更、各種變形例，並且該種變形例屬於本發明範圍的事實當然亦會獲得本領域技術人員的認可。

例如，為了提高供給工作氣體溫度，亦可在升溫製程中減弱熱交換器145的冷卻能力來代替設置旁通路149及切換流路。例如可以減少熱交換器145的冷媒(冷卻水)的流量，或可以提高冷卻水溫度。或者，可以在熱交換器145的冷媒流路上設置與工作氣體進行熱交換之主流路和不與其進行熱交換之旁通路，並如同上述實施例依據冷凍機16的運轉狀態進行切換。

上述實施形態中，為了使工作氣體流動而選擇性地使用主流路147與旁通路149，但並不限於此。藉由調整主 流路147與旁通路149的流量比可以稍微調整工作氣體溫度。

冷卻系統15可以在工作氣體循環(例如冷凍機16、低壓導管35、壓縮機36或高壓導管34)上具備用於控制工作氣體溫度之加熱要件和/或冷卻要件。

10‧‧‧低溫泵

12‧‧‧進氣口

14‧‧‧內部空間

15‧‧‧冷卻系統

16‧‧‧冷凍機

17‧‧‧驅動機構

18‧‧‧低溫低溫板

19‧‧‧高溫低溫板

20‧‧‧第1冷卻台

21‧‧‧第2冷卻台

22‧‧‧第1壓缸

23‧‧‧第2壓缸

24‧‧‧第1置換器

25‧‧‧第2置換器

26‧‧‧板構件

28‧‧‧板安裝構件

30‧‧‧放射屏蔽件

32‧‧‧入口低溫板

34‧‧‧高壓導管

35‧‧‧低壓導管

36‧‧‧壓縮機

38‧‧‧殼體

56‧‧‧進氣口凸緣

90‧‧‧第1溫度感測器

92‧‧‧第2溫度感測器

100‧‧‧控制部

Claims (6)

1. 一種低溫泵，具備高溫低溫板、低溫低溫板及冷卻系統，該低溫泵，其特徵為，前述冷卻系統具備：冷凍機，具備用於冷卻前述高溫低溫板之高溫段及用於冷卻前述低溫低溫板之低溫段；及控制部，用於控制為了開始進行前述低溫泵的真空排氣運轉而對前述高溫段及前述低溫段進行冷卻之降溫運轉，前述冷卻系統構成為在前述降溫運轉中至少暫時對前述高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低溫泵，其中，前述冷卻系統構成為在前述降溫運轉中至少暫時對前述高溫段供給與前述真空排氣運轉相比為高溫的工作氣體。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之低溫泵，其中，前述低溫泵還具備構成為對前述高溫段賦予熱負荷之熱負荷生成要件。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之低溫泵，其中，前述降溫運轉包括將前述高溫段及前述低溫段的溫度降至各自的目標溫度之初期冷卻階段，前述冷卻系統構成為在前述初期冷卻階段至少暫時對前述高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之低溫泵，其中，前述降溫運轉包括繼初期冷卻階段之後將前述高溫段 及前述低溫段的溫度調整到各自的目標溫度之調溫階段，前述初期冷卻階段結束時前述低溫段的冷卻溫度高於目標溫度，前述控制部在前述調溫階段控制前述冷凍機的熱循環頻率，以便將前述高溫段冷卻到目標溫度，前述冷卻系統構成為在前述調溫階段至少暫時對前述高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用。
6. 一種低溫泵的運轉方法，其特徵為，具備如下製程：利用冷凍機將低溫板從溫度比真空排氣運轉所需之極低溫高的初期溫度冷卻至該極低溫之製程；及進行前述冷卻製程之後開始進行真空排氣運轉之製程，前述冷卻製程具備對前述冷凍機的高溫段選擇性地賦予冷卻緩和作用之製程。