TW201623794A - 低溫泵、低溫泵的控制方法及冷凍機 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種低溫泵、低溫泵的控制方法及冷凍機，其目的在於縮短低溫泵的冷卻時間。低溫泵(10)具備低溫板和冷卻低溫板之冷凍機(16)。冷凍機(16)具備驅動冷凍機(16)之冷凍機馬達(80)，以及控制冷凍機馬達(80)的運行頻率之冷凍機變頻器(82)。低溫泵(10)的控制部(100)控制冷凍機(16)，以執行將低溫板的溫度從室溫降低至標準運行溫度之降溫運行。控制部(100)具備：運行頻率確定部(110)，在具有運行頻率上限之運行頻率範圍內，確定冷凍機馬達(80)的運行頻率，將該運行頻率輸出至冷凍機變頻器(82)；及上限調整部(112)，在降溫運行中，依據低溫板的溫度下降，降低運行頻率上限。

Description

低溫泵、低溫泵的控制方法及冷凍機

本發明關於一種低溫泵、低溫泵的控制方法以及冷凍機。

在施工現場裝配新的低溫泵時，低溫泵從室溫冷卻至極低溫，而開始真空排氣運行。並且，如眾所周知，由於低溫泵為氣體捕集式真空泵，因此為了向外部排出所捕集的氣體，以某一頻率進行再生。再生處理通常包括升溫步驟、排出步驟以及冷卻步驟。若冷卻步驟結束，則重新開始進行低溫泵的真空排氣運行。作為該種真空排氣運行之準備之低溫泵的冷卻亦有時稱為降溫(cool-down operation)。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：國際公開第2005/052369號

低溫泵為極低溫冷凍機的主要用途之一，但在冷凍機的高溫段與低溫段之間需要比較大的溫度差，這一點與其他用途有所不同。然而，冷卻低溫泵時以短時間形成這樣 的溫度差並不簡單。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，則不得不將高溫段保持在目標溫度的同時，進一步繼續冷卻低溫段。並且，有時還會出現在低溫段達到目標溫度時，高溫段已經過度冷卻至低於目標溫度的溫度之情況。該種情況下，不得不將高溫段升溫至目標溫度。該種降溫最終階段的溫度調整需要一定程度的時間。尤其，在高溫段與低溫段需要較大的溫度差的情況下，溫度調整所需之時間變長。降溫成為低溫泵之停機時間，因此希望在短時間內進行。

本發明之一態樣的例示性目的之一為縮短低溫泵之冷卻時間。

依據本發明之一態樣，提供一種低溫泵，其具備：低溫板；冷凍機，冷卻前述低溫板，具備驅動前述冷凍機之冷凍機馬達以及控制前述冷凍機馬達的運行頻率之冷凍機變頻器；以及控制部，控制前述冷凍機，以執行將前述低溫板的溫度從室溫降低至標準運行溫度之降溫運行。前述控制部具備：運行頻率確定部，在具有運行頻率上限之運行頻率範圍內，確定前述冷凍機馬達之運行頻率，將該運行頻率輸出至前述冷凍機變頻器；以及上限調整部，在前述降溫運行中，依據前述低溫板的溫度下降，降低前述運行頻率上限。

依據本發明之一態樣，提供一種低溫泵的控制方法。前述低溫泵具備：低溫板；以及冷凍機，冷卻前述低溫板，具備驅動前述冷凍機之冷凍機馬達以及控制前述冷凍機馬達的運行頻率之冷凍機變頻器。前述方法具備如下步驟：執行將前述低溫板的溫度從室溫降低至標準運行溫度之降溫運行；在前述降溫運行中，依據前述低溫板的溫度下降，降低前述冷凍機馬達的運行頻率上限；在具有前述運行頻率上限之運行頻率範圍內，確定前述冷凍機馬達的運行頻率；以及將確定之運行頻率輸出至前述冷凍機變頻器。

依據本發明之一態樣，提供一種冷凍機，其具備：膨脹機，具備冷卻台，還具備驅動前述膨脹機之膨脹機馬達，以及控制前述膨脹機馬達的運行頻率之膨脹機變頻器；以及控制部，控制前述膨脹機，以執行將前述冷卻台的溫度從室溫降低至標準運行溫度之降溫運行。前述控制部具備：運行頻率確定部，在具有運行頻率上限之運行頻率範圍內，確定前述膨脹機馬達的運行頻率，將該運行頻率輸出至前述膨脹機變頻器；以及上限調整部，在前述降溫運行中，依據前述冷卻台的溫度下降，降低前述運行頻率上限。

另外，任意組合以上構成要件或在裝置、方法、系統、電腦程式以及記憶有電腦電腦程式之記憶媒體等之間相互替換本發明之構成要件或表現形成者，作為本發明之態樣亦有效。

依據本發明，能夠縮短低溫泵的冷卻時間。

10‧‧‧低溫泵

16‧‧‧冷凍機

18‧‧‧低溫低溫板

19‧‧‧高溫低溫板

80‧‧‧冷凍機馬達

82‧‧‧冷凍機變頻器

90‧‧‧第1溫度感測器

92‧‧‧第2溫度感測器

100‧‧‧控制部

104‧‧‧記憶部

110‧‧‧運行頻率確定部

112‧‧‧上限調整部

114‧‧‧測定溫度選擇部

第1圖係示意地表示本發明之一實施形態之低溫泵的圖。

第2圖係概略表示本發明之一實施形態之低溫泵的控制部的構成的圖。

第3圖係用於說明低溫泵的運行方法的流程圖。

第4圖係表示典型的降溫運行中的溫度分佈的一例的圖。

第5圖係表示本發明之一實施形態之低溫泵的控制方法的流程圖。

第6圖係表示本發明之一實施形態之降溫運行中的溫度分佈的一例的圖。

以下，參閱附圖，對用於實施本發明之形態進行詳細說明。另外，說明中同一要件標註同一符號，適當省略重複的說明。並且，以下敘述的構成為例示，並非限定本發明之範圍。

第1圖係示意地表示本發明之一實施形態之低溫泵10的圖。低溫泵10安裝在例如離子植入裝置或濺射裝置 等的真空腔，用於將真空腔內部的真空度提高至所希望之製程所要求的水平。

低溫泵10具有用於接收氣體之進氣口12。進氣口12為通往低溫泵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之真空腔通過進氣口12進入到低溫泵10的內部空間14。

另外，以下說明中，為了通俗易懂地表示低溫泵10之構成要件的位置關係，有時使用“軸向”、“徑向”等術語。軸向表示通過進氣口12之方向，徑向表示沿著進氣口12之方向。為了方便起見，關於軸向，相對靠近進氣口12者稱為“上”，相對遠離進氣口12者稱為“下”。亦即、相對遠離低溫泵10底部者稱為“上”，相對靠近低溫泵10底部者稱為“下”。關於徑向，靠近進氣口12中心者稱為“內”，靠近進氣口12周緣者稱為“外”。另外，該種表現與將低溫泵10安裝於真空腔時之配置無關。例如，低溫泵10可以沿鉛垂方向將進氣口12朝下安裝在真空腔內。

低溫泵10具備冷卻系統15、低溫低溫板18以及高溫低溫板19。冷卻系統15構成為冷卻高溫低溫板19及低溫低溫板18。冷卻系統15具備冷凍機16和壓縮機36。

冷凍機16例如為吉福德-麥克馬洪式冷凍機(所謂GM冷凍機)等極低溫冷凍機。冷凍機16為具備第1載物台20、第2載物台21、第1缸體22、第2缸體23、第 1置換器24以及第2置換器25之二段式冷凍機。藉此，冷凍機16的高溫段具備第1載物台20、第1缸體22以及第1置換器24。冷凍機16的低溫段具備第2載物台21、第2缸體23以及第2置換器25。藉此，以下說明中，亦可以將第1載物台20以及第2載物台21分別稱為高溫段的低溫端以及低溫段的低溫端。

第1缸體22與第2缸體23串聯連接。第1載物台20設置在第1缸體22與第2缸體23的結合部。第2缸體23連結第1載物台20和第2載物台21。第2載物台21設置在第2缸體23的末端。在第1缸體22以及第2缸體23各自的內部以可沿冷凍機16的長邊方向(第1圖中的左右方向)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和第2置換器25以可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缸體22的高溫端之驅動機構17。驅動機構17連接在第1置換器24及第2置換器25，以便第1置換器24及第2置換器25分別可以在第1缸體22及第2缸體23內部往復移動。並且，驅動機構17包括流路切換機構，前述流路切換機構切換工作氣體的流路，以便週期性地重複工作氣體的吸入和吐出。流路切換機構例如包括閥部和驅動閥部的驅動部。閥部例如包括迴轉閥，驅動部包括用於使迴轉閥旋轉之馬達。馬達例如可以為AC馬達或者DC馬達。並且，流路切換機構可 以為藉由線性馬達所驅動之直動式機構。

冷凍機16經由高壓導管34及低壓導管35連接於壓縮機36。冷凍機16使從壓縮機36供給之高壓工作氣體(例如氦)在內部膨脹而在第1載物台20及第2載物台21上產生寒冷。壓縮機36回收在冷凍機16膨脹之工作氣體並再次進行加壓而供給至冷凍機16。

具體而言，首先，驅動機構17使高壓導管34與冷凍機16的內部空間連通。高壓之工作氣體從壓縮機36通過高壓導管34供給至冷凍機16。若冷凍機16的內部空間充滿高壓之工作氣體，則驅動機構17切換流路，以使冷凍機16的內部空間與低壓導管35連通。藉此工作氣體膨脹。膨脹的工作氣體被回收至壓縮機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缸體22及第2缸體23內部往復移動。藉由重複該種熱循環，冷凍機16在第1載物台20及第2載物台21上產生寒冷。

冷凍機16構成為，將第1載物台20冷卻至第1溫度水平，將第2載物台21冷卻至第2溫度水平。第2溫度水平為低於第1溫度水平的低溫。例如，第1載物台20冷卻至65K~120K左右，冷卻至80K~100K為較佳，第2載物台21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缸體22流至第2缸體23。這時，工作氣體藉由第1置換器24及其 蓄冷器冷卻至第1載物台20(亦即高溫段的低溫端)的溫度。這樣冷卻之工作氣體供給至低溫段。因此，期待從壓縮機36導入至冷凍機16之高溫段的工作氣體溫度不會明顯影響低溫段的冷卻能力。

另外，冷凍機16可以為由三段缸體串聯連接的三段式冷凍機或者三段以上之複數段的冷凍機。冷凍機16可以為GM冷凍機以外的冷凍機，可以使用脈衝管冷凍機或蘇爾威冷凍機。

第1圖中示出包括低溫泵10的內部空間14的中心軸和冷凍機16的中心軸的剖面。第1圖所示之低溫泵10為所謂臥式低溫泵。臥式低溫泵係指通常冷凍機16配設成與低溫泵10的內部空間14的中心軸交叉(通常垂直)之低溫泵。本發明同樣可以適用於所謂立式低溫泵。立式低溫泵係指冷凍機沿低溫泵的軸向配設之低溫泵。

低溫低溫板18設置在低溫泵10之內部空間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例如分別具有圓錐台側面的形狀，換言之傘狀形狀。各板構件26上通常設置有活性炭等吸附劑(未圖示)。吸附劑例如黏結在板構件26的背面。藉此，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安裝在板安裝構件28上。板安裝構件28安裝在第2載物台21上。這樣，低溫低溫板18與第2載物台21熱連接。藉此，低溫低溫板18冷卻至第2溫度水平。

高溫低溫板19具備輻射屏蔽體30和入口低溫板32。高溫低溫板19以包圍低溫低溫板18之方式設置在低溫低溫板18的外側。高溫低溫板19與第1載物台20熱連接，高溫低溫板19冷卻至第1溫度水平。

輻射屏蔽體30主要為了保護低溫低溫板18免受來自低溫泵10的外殼38的輻射熱而設置。輻射屏蔽體30位於外殼38與低溫低溫板18之間，包圍低溫低溫板18。輻射屏蔽體30之軸向上端朝向進氣口12開放。輻射屏蔽體30具有軸向下端封閉的筒狀(例如圓筒)形狀，形成為杯狀。輻射屏蔽體30的側面有用於安裝冷凍機16的孔，第2載物台21從此處插入輻射屏蔽體30中。通過該安裝孔的外周部第1載物台20固定在輻射屏蔽體30的外表面。這樣，輻射屏蔽體30與第1載物台20熱連接。

入口低溫板32設置在低溫低溫板18之軸向上方，在進氣口12中沿徑向配置。入口低溫板32的外周部固定在輻射屏蔽體30的開口端，與輻射屏蔽體30熱連接。入口低溫板32例如形成為百葉窗結構或者人字形結構。入口低溫板32可以以輻射屏蔽體30的中心軸為中心形成為同心圓形，亦可以形成為格子狀等其他形狀。

入口低溫板32為了對進入進氣口12之氣體進行排氣而設置。以入口低溫板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為了保護低溫低溫板18免受來自低溫泵10外部之熱源(例如，安裝有低溫泵10之真空腔內的熱源)的輻射熱而設置。不僅 限制輻射熱還限制氣體分子進入。入口低溫板32占據進氣口12之開口面積的一部分，以便將通過進氣口12流向內部空間14的氣體限制為所希望之量。

低溫泵10具備外殼38。外殼38為用於隔開低溫泵10的內部與外部之真空容器。外殼38構成為使低溫泵10的內部空間14的壓力保持氣密。外殼38中容納有高溫低溫板19和冷凍機16。外殼38設置在高溫低溫板19的外側，包圍高溫低溫板19。並且，外殼38容納冷凍機16。亦即、外殼38為包圍高溫低溫板19及低溫低溫板18之低溫泵容器。

外殼38以與高溫低溫板19及冷凍機16的低溫部不接觸之方式固定在外部環境溫度的部位(例如冷凍機16的高溫部)。外殼38的外表面與外部環境隔開，溫度比冷卻之高溫低溫板19高(例如室溫程度)。

並且，外殼38具備從其開口端朝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安裝在安裝位置的真空腔之凸緣。真空腔的開口設置有閘閥(未圖示)，進氣口凸緣56安裝在該閘閥上。藉此，閘閥位於入口低溫板32的軸向上方。例如對低溫泵10進行再生時，閘閥被關閉，低溫泵10對真空腔進行排気時被開啟。

低溫泵10具備用於測定第1載物台20的溫度之第1溫度感測器90，以及用於測定第2載物台21之溫度的第2溫度感測器92。第1溫度感測器90安裝在第1載物台 20。第2溫度感測器92安裝在第2載物台21。另外，第1溫度感測器90可以安裝在高溫低溫板19上。第2溫度感測器92可以安裝在低溫低溫板18上。

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，亦可以構成為與低溫泵10分開之控制裝置。

控制部100構成為為了進行低溫泵10之真空排氣運行、再生運行以及降溫運行而控制冷凍機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依據這樣的測定結果，運算賦予冷凍機16之控制指令。

控制部100控制冷凍機16，以使載物台溫度追隨目標冷卻溫度。第1載物台20的目標溫度通常設定為恒定值。第1載物台20的目標溫度例如依據在安裝有低溫泵10之真空腔中進行之製程為規格來決定。另外，低溫泵的運行中，可以依據需要變更目標溫度。

例如，控制部100藉由反饋控制來控制冷凍機16的運行頻率，以使第1載物台20的目標溫度與第1溫度感測器90的測定溫度的偏差最小化。亦即，控制部100藉由控制驅動機構17的馬達轉速，控制冷凍機16中的熱循環的頻率。

對低溫泵10的熱負荷增加時第1載物台20的溫度可能會變高。第1溫度感測器90的測定溫度為比目標溫度高之高溫時，控制部100增加冷凍機16的運行頻率。其 結果，冷凍機16中的熱循環頻率亦增加，第1載物台20向目標溫度冷卻。相反，第1溫度感測器90的測定溫度為比目標溫度低之低溫時，減少冷凍機16的運行頻率，第1載物台20向目標溫度升溫。藉此，能夠使第1載物台20的溫度保持在目標溫度附近的溫度範圍。依據熱負荷能夠適當調整冷凍機16的運行頻率，因此這樣的控制有利於降低低溫泵10的耗電。

以下說明中，將控制冷凍機16，以便將第1載物台20的溫度設為目標溫度稱為“初級溫度控制”。低溫泵10進行真空排氣運行時通常執行初級溫度控制。初級溫度控制的結果，第2載物台21及低溫低溫板18冷卻至由冷凍機16的規格及來自外部的熱負荷決定的溫度。同樣，控制部100亦能夠執行控制冷凍機16，以便將第2載物台21的溫度設為目標溫度的所謂“二級溫度控制”。

第2圖係概略表示本發明之一實施形態之低溫泵10的控制部100的結構之圖。該種控制裝置藉由硬體、軟體或者它們的組合來實現。並且，第2圖中，概略地示出有關冷凍機16的一部份的結構。

冷凍機16的驅動機構17具備驅動冷凍機16之冷凍機馬達80，和控制冷凍機16的運行頻率之冷凍機變頻器82。如上述，冷凍機16為工作氣體的膨脹機。藉此，冷凍機馬達80及冷凍機變頻器82還可以分別稱為膨脹機馬達及膨脹機變頻器。

冷凍機16的運行頻率(亦稱為運行速度)表示冷凍 機馬達80的運行頻率或者轉速、冷凍機變頻器82的運行頻率、熱循環頻率或者、它們中任意一個。熱循環頻率為在冷凍機16中進行之熱循環之每單位時間的次數。

控制部100具備冷凍機控制部102、記憶部104、輸入部106以及輸出部108。冷凍機控制部102構成為控制冷凍機16，以執行低溫泵10的真空排氣運行及再生運行。冷凍機控制部102構成為控制冷凍機16，以便執行將至少1個低溫板(低溫低溫板18和/或高溫低溫板19，以下相同)的溫度從室溫降低至標準運行溫度之降溫運行。冷凍機控制部102構成為控制冷凍機16，以便在降溫運行之後接著執行使至少1個低溫板的溫度維持於標準運行溫度的溫度調節運行。

記憶部104構成為記憶有關低溫泵10的控制的信息。輸入部106構成為接收來自使用者或者其他裝置之輸入。輸入部106包括例如用於接收來自使用者的輸入之滑鼠或鍵盤等輸入機構和/或用於與其他裝置進行通信的通信機構。輸出部108構成為輸出有關低溫泵10的控制的信息，包括顯示器或者印表機等的輸出機構。記憶部104、輸入部106及輸出部108分別連接成可以與冷凍機控制部102通信。

冷凍機控制部102具備運行頻率確定部110、上限調整部112、測定溫度選擇部114以及運行狀態判定部116。如上述，運行頻率確定部110構成為，作為低溫板的測定溫度與目標溫度的偏差之函數(例如藉由PID控 制)，確定冷凍機馬達80的運行頻率。運行頻率確定部110在預先設定之運行頻率範圍內，確定冷凍機馬達80的運行頻率。運行頻率範圍藉由預先設定之運行頻率之上限及下限而定義。運行頻率確定部110將確定之運行頻率輸出至冷凍機變頻器82。

冷凍機變頻器82構成為提供冷凍機馬達80的可變頻率控制。冷凍機變頻器82以輸入電力具有從運行頻率確定部110輸入之運行頻率之方式進行轉換。從冷凍機電源(未圖示)供給向冷凍機變頻器82輸入之輸入電力。冷凍機變頻器82將轉換後的電力輸出至冷凍機馬達80。這樣，冷凍機馬達80藉由運行頻率確定部110確定，由從冷凍機變頻器82輸出的運行頻率驅動。

上限調整部112構成為，在降溫運行中，依據低溫板的溫度，調整運行頻率上限。例如，上限調整部112構成為，在降溫運行中，依據低溫板的溫度下降而降低運行頻率上限。

測定溫度選擇部114構成為選擇由第1溫度感測器90所測定之高溫低溫板19的溫度和由第2溫度感測器92所測定之低溫低溫板18的溫度中之較低的溫度。上限調整部112使用由測定溫度選擇部114所選擇之測定溫度來調整運行頻率上限。

運行狀態判定部116構成為判定低溫泵10的運行狀態。可以預先設定分別對應不同的複數個運行狀態的運行狀態圖表。記憶部104亦可以記憶該些運行狀態圖表。運 行狀態判定部116亦可構成為，在低溫泵10進入某一運行狀態時選擇與該運行狀態對應的運行狀態圖表。運行狀態判定部116可以參閱所選擇之運行狀態圖表，判定低溫泵10的當前運行狀態。運行狀態判定部116可以具備判定是否正在執行降溫運行之降溫判定部。

記憶部104記憶從輸入部106所輸入之頻率上限分佈。頻率上限分佈依據實驗或者經驗預先設定。上限調整部112依據頻率上限分佈變更運行頻率上限。

頻率上限分佈包括關於第1溫度區域的第1頻率上限，以及關於第2溫度區域的第2頻率上限。第1頻率上限係關於第1溫度區域的第1頻率範圍的最大值，第2頻率上限為關於第2溫度區域的第2頻率範圍的最大值。第2頻率上限為小於第1頻率上限的值。並且，第2頻率上限為大於在降溫運行之後進行之溫度調節運行(例如，上述初級溫度控制)中的通常之運行頻率之值。因此，從第1頻率上限到第2頻率上限的降低量例如可以為第1頻率上限的25%以內。

頻率上限分佈可以包括關於第1溫度區域的第1頻率下限，以及關於第2溫度區域的第2頻率下限。第1頻率下限及第2頻率下限分別為第1頻率範圍以及第2頻率範圍的最小值。第1頻率下限及第2頻率下限可以為共用的值。頻率下限可以與頻率上限相同。該種情況下，頻率範圍為單一值。

第1溫度區域包括室溫。第2溫度區域包括標準運行 溫度，為比第1溫度區域低的溫度範圍，且與第1溫度區域相鄰。第1溫度區域與第2溫度區域的邊界溫度為室溫與標準運行溫度的中間溫度。境界溫度例如可以為200K以下的溫度。並且，境界溫度例如可以為高於130K的溫度。

頻率上限分佈可以包括關於第3溫度區域的第3頻率上限。第3溫度區域可以為第1溫度區域與第2溫度區域的中間的溫度區域。第3頻率上限可以為第1頻率上限與第2頻率上限的中間的值。並且，頻率上限分佈可以包括分別對應於室溫與標準運行溫度之間的互不相同的複數個溫度點的複數個頻率上限。該種情況下，可以設定為頻率上限分佈隨著溫度下降頻率上限遞減。

第3圖係用於說明低溫泵10的運行方法的流程圖。該運行方法包括準備運行(S10)和真空排氣運行(S12)。真空排氣運行為低溫泵10的通常運行。準備運行包括在通常運行之前執行的任意運行狀態。控制部100適時反覆執行該運行方法。當真空排氣運行結束並開始準備運行時，低溫泵10與真空腔之間的閘閥通常被關閉。

準備運行(S10)例如啟動低溫泵10。低溫泵10的啟動包括將低溫板從設置有低溫泵10的環境溫度(例如室溫)冷卻至極低溫的降溫。降溫的目標冷卻溫度是為了真空排氣運行而設定之標準化運行溫度。如上述，該標準運行溫度，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左右的範圍選擇。準備運行(S10)可以包括利用粗抽閥(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)。

準備運行(S10)可以再生低溫泵10。再生，係為了在結束本次的真空排氣運行之後，準備下一次的真空排氣運行而執行。再生為對低溫低溫板18及高溫低溫板19進行再生的所謂完全再生、或者僅對低溫低溫板18進行再生的部分再生。

再生包括升溫步驟、排出步驟以及冷卻步驟。升溫步驟包括將低溫泵10升溫至高於上述標準運行溫度的再生溫度。完全再生時，再生溫度例如為室溫或者稍微高於室溫的溫度(例如約290K至約300K)。用於升溫步驟的熱源例如為附設在冷凍機16的逆轉升溫和/或冷凍機16的加熱器。

排出步驟包括將從低溫板表面所再氣化的氣體排到低溫泵10的外部之步驟。再氣化的氣體與依據需要而被導入的吹掃氣體一同從低溫泵10排出。在排出步驟中，停止冷凍機16的運行。冷卻步驟包括為了重新開始真空排氣運行而再冷卻低溫低溫板18及高溫低溫板19的步驟。冷卻步驟中的冷凍機16的運行狀態與啟動時的降溫相同。然而，冷卻步驟中的低溫板的初期溫度在進行完全再生時相當於室溫水平，但在進行部分再生時介於室溫與上述標準運行溫度的中間(例如100K~200K)。

如第3圖所示，在準備運行(S10)之後接著進行真 空排氣運行(S12)。準備運行結束並開始真空排氣運行時，低溫泵10與真空腔之間的閘閥被打開。

真空排氣運行(S12)為將從真空腔朝向低溫泵10飛來的氣體分子藉由冷凝或者吸附捕捉在冷卻至極低溫的低溫板表面的運行狀態。在高溫低溫板19(例如入口低溫板32)上，對在該冷卻溫度下蒸汽壓充分降低的氣體(例如水分等)進行冷凝。在入口低溫板32的冷卻溫度下，蒸汽壓沒有充分降低的氣體通過入口低溫板32進入輻射屏蔽體30。在低溫低溫板18上，對在該冷卻溫度下蒸汽壓充分降低的氣體(例如氬等)進行冷凝。即使在低溫低溫板18的冷卻溫度下蒸気壓亦沒有充分降低的氣體(例如氫等)吸附在低溫低溫板18的吸附劑上。如此，低溫泵10能夠使真空腔的真空度達到所希望之水平。

真空排氣運行為保持標準運行溫度的穩定的運行狀態。另一方面，準備運行期間相當於低溫泵10的停機時間(亦即、真空排氣運行之停止期間)，因此盡可能短為較佳。因此，在準備運行中，要求冷凍機16具有高於通常運行的冷凍能力。通常情況下，在準備運行中，冷凍機16以相當高的運行頻率(例如，所容許的最高的運行頻率或者與其相近的運行頻率)運行。

第4圖係表示典型的降溫運行中的溫度分佈的一例的圖。第4圖的縱軸及橫軸分別表示溫度及時間。第4圖中概略的示出第1載物台20的溫度T1及第2載物台21的溫度T2的時間變化。開始降溫時的第1載物台20的溫度 T1及第2載物台21的溫度T2的初期值均例如為300K，第1載物台20及第2載物台21目標冷卻溫度分別例如為100K、15K。並且，第4圖的下部示出冷凍機16的運行頻率分佈的一例。

典型的低溫泵控制中，冷凍機16能夠獲取的運行頻率之範圍在運行中不會改變。藉此，第4圖的下部中如單點劃線所示，冷凍機16的運行頻率之上限恒定。

第4圖示出的降溫運行中，冷凍機16以全功率運行，直到第1載物台20的溫度T1達到目標溫度100K。這時，冷凍機16的運行頻率固定在所容許的最大值(例如運行頻率95Hz)。藉此第1載物台20迅速冷卻至目標溫度100K。從開始降溫運行經過時間Ta時，第1載物台20的溫度T1達到目標溫度100K。這時，冷凍機16從全功率運行切換至上述初級溫度控制。之後，第1載物台20的溫度T1維持於目標溫度100K。由於被切換至初級溫度控制，冷凍機16的運行頻率例如大幅降低至40Hz左右。

第2載物台21藉由冷凍機16的全功率運行與第1載物台20同樣被冷卻。第2載物台21與第1載物台20相比冷卻速度稍微大，因此第1載物台20的溫度T1達到目標溫度100K時第2載物台21冷卻至低於該溫度的溫度(例如80K左右)。然而，在該時刻，遠不及第2載物台21的目標溫度15K。冷凍機16從全功率運行切換至初級溫度控制之後，第2載物台21緩慢地冷卻至目標溫度 15K。從開始降溫運行經過時間Tb時第2載物台21的溫度T2達到目標溫度15K。這時，第1載物台20以及第2載物台21雙方達到各自的目標冷卻溫度而結束降溫。

第4圖所示的溫度分佈中，藉由降溫運行，第2載物台21的溫度T2通常低於第1載物台20的溫度T1。然而，降溫運行中的溫度分佈可因應低溫泵的設計(例如低溫板的形狀)而發生變化。某一低溫泵中，降溫運行中的至少一部分溫度區域中，第1載物台20的冷卻速度可能大於第2載物台21的冷卻速度。該種情況下，降溫運行中的至少一部分期間中，第1載物台20的溫度T1可能低於第2載物台21的溫度T2。

第5圖係表示本發明之一個實施形態之低溫泵10的控制方法的流程圖。運行狀態判定部116判定低溫泵10的當前運行狀態是否為降溫運行(S20)。在不進行降溫運行(例如，進行真空排氣運行)時(S20的N)，運行頻率確定部110在現有的運行頻率範圍內，確定冷凍機馬達80的運行頻率(S26)。如上述，運行頻率確定部110例如藉由初級溫度控制等現有的方法而確定運行頻率。運行頻率確定部110將確定之運行頻率輸出至冷凍機變頻器82(S28)。冷凍機馬達80以從冷凍機變頻器82輸入之運行頻率驅動冷凍機16。如此，在未進行降溫運行時，運行頻率上限不變。

另一方面，在降溫運行中時(S20的Y)，測定溫度選擇部114選擇第1溫度感測器90的測定溫度和第2溫 度感測器92的測定溫度中之較低的溫度(S22)。測定溫度選擇部114比較第1溫度感測器90的測定溫度與第2溫度感測器92的測定溫度，確定2個測定溫度中的任一個為低溫。測定溫度選擇部114將所選擇之測定溫度賦予至上限調整部112。

上限調整部112依據頻率上限分佈來確定與測定溫度對應的運行頻率上限(S24)。上限調整部112在測定溫度處於第1溫度區域時，選擇第1頻率上限，在測定溫度處於第2溫度區域時，選擇第2頻率上限。上限調整部112將所確定的運行頻率上限賦予至運行頻率確定部110。上限調整部112可以將所確定之運行頻率上限輸出至輸出部108。

運行頻率確定部110在具有所確定的運行頻率上限之運行頻率範圍內，確定冷凍機馬達80的運行頻率(S26)。如上述，運行頻率確定部110例如藉由初級溫度控制等現有的方法確定運行頻率。運行頻率確定部110比較藉由現有的方法所獲得之運行頻率與運行頻率上限。 在所獲得的運行頻率小於運行頻率上限的情況下，運行頻率確定部110將該運行頻率輸出至冷凍機變頻器82(S28)。在所獲得的運行頻率超過運行頻率上限的情況下，運行頻率確定部110將運行頻率上限的值輸出至冷凍機變頻器82(S28)。冷凍機馬達80以從冷凍機變頻器82輸入之運行頻率驅動冷凍機16。這樣，結束本處理。冷凍機控制部102週期性地重複本處理。

第6圖係表示本發明之一個實施形態之降溫運行中的溫度分佈的一例的圖。與第4圖同樣地，第6圖的縱軸以及橫軸分別表示溫度及時間。開始降溫時的第1載物台20的溫度T1及第2載物台21的溫度T2的初期值均為例如300K，第1載物台20及第2載物台21的目標冷卻溫度分別為例如100K、15K。第6圖中，為了比較，用虛線表示第4圖所示的溫度分佈。並且，第6圖的中部及下部分別示出冷凍機16的運行頻率分佈及頻率上限分佈一例。同樣為了比較，用虛線表示第4圖所示的運行頻率分佈及頻率上限分佈。

頻率上限分佈在從室溫到200K的第1溫度區域，具有95Hz的第1頻率上限，在從200K至100K的第2溫度區域，具有80Hz的第2頻率上限。

冷凍機16以全功率運行，直到第1載物台20的溫度T1達到目標溫度100K。這時，冷凍機16的運行頻率固定在所容許的最大值。第6圖所示的例子中，第2載物台21快速冷卻，因此冷凍機16以95Hz的第1頻率上限運行，直到第2載物台21冷卻至200K。若第2載物台21達到200K，則冷凍機16的運行頻率切換至80Hz的第2頻率上限。若第1載物台20達到100K，則低溫泵10的運行狀態從降溫運行移行至初級溫度控制。初級溫度控制中，冷凍機16的運行頻率例如大幅降低至40Hz左右。

如圖所示，第1載物台20的冷卻時間縮短△Ta，第2載物台21的冷卻時間縮短△Tb。

冷凍機16的運行頻率表示熱循環頻率，因此認為運行頻率降低導致冷凍機16的冷凍能力下降。藉此，在降溫運行中，若運行頻率變小，則冷卻時間有可能延長。降溫運行應盡可能以高運行頻率進行。第6圖所示的冷卻時間的縮短係與該種通常知識背道而馳，係驚人的結果。

依據本發明人的考察，本實施方式中的冷卻時間的縮短能夠著眼於降溫運行中的工作氣體(氦)的密度變化而進行說明。工作氣體的密度隨著溫度下降而變大。隨著密度變大，因冷凍機16的高速運行導致的摩擦或壓損的影響變大。因此，低溫下的過度高速運行導致冷凍機16的冷卻效率下降。

依據本實施方式，在降溫運行之後期，能夠降低冷凍機16的運行頻率上限。能夠減輕因工作氣體的密度增大導致的摩擦或壓損，維持冷凍機16的冷卻效率或者抑制其下降。藉此，能夠縮短降溫運行所需時間。依據某種估算，能夠縮短約10%的冷卻時間。

以上，依據實施例對本發明進行了說明。本領域技術人員應理解，本發明不限定於上述實施方式，可以加以各種設計變更，進行各種變形例並且該種變形例亦屬於本發明之範圍。

一實施形態中，上限調整部112可以在降溫運行結束時或者之後的任意時刻上調運行頻率上限。例如，上限調整部112可以在該時刻恢復降低的運行頻率上限。如第6圖所示，上限調整部112可以在從降溫運行移行到溫度調 節運行時，再次從第2頻率上限切換至第1頻率上限。

100‧‧‧控制部

102‧‧‧冷凍機控制部

110‧‧‧運行頻率確定部

112‧‧‧上限調整部

114‧‧‧測定溫度選擇部

116‧‧‧運行狀態判定部

108‧‧‧輸出部

106‧‧‧輸入部

104‧‧‧記憶部

16‧‧‧冷凍機

17‧‧‧驅動機構

82‧‧‧冷凍機變頻器

80‧‧‧冷凍機馬達

90‧‧‧第1溫度感測器

92‧‧‧第2溫度感測器

Claims (7)

1. 一種低溫泵，其特徵在於，具備：低溫板；冷凍機，冷卻前述低溫板，具備驅動前述冷凍機之冷凍機馬達以及控制前述冷凍機馬達的運行頻率之冷凍機變頻器；以及控制部，控制前述冷凍機，以執行將前述低溫板的溫度從室溫降低至標準運行溫度之降溫運行，前述控制部具備：運行頻率確定部，在具有運行頻率上限之運行頻率範圍內，確定前述冷凍機馬達的運行頻率，將該運行頻率輸出至前述冷凍機變頻器；以及上限調整部，在前述降溫運行中，依據前述低溫板的溫度下降，降低前述運行頻率上限。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低溫泵，其中，前述低溫泵進一步具備記憶頻率上限分佈的記憶部，前述頻率上限分佈具備包括室溫在內的第1溫度區域的第1頻率上限，以及包括前述標準運行溫度且比低於前述第1溫度區域的第2溫度區域的前述第1頻率上限小的第2頻率上限，前述上限調整部依據前述頻率上限分佈，變更前述運行頻率上限。
3. 如申請專利範圍第2項所述之低溫泵，其中，前述第1溫度區域與前述第2溫度區域的邊界溫度為 200K以下的溫度。
4. 如申請專利範圍第2或第3項所述之低溫泵，其中，從前述第1頻率上限到前述第2頻率上限的降低量在前述第1頻率上限的25%以內。
5. 如申請專利範圍第1至第3項中任一項所述之低溫泵，其中，前述低溫泵具備：第1低溫板，冷卻至第1標準運行溫度；第2低溫板，冷卻至低於前述第1標準運行溫度的第2標準運行溫度；第1溫度感測器，測定前述第1低溫板的溫度；以及第2溫度感測器，測定前述第2低溫板的溫度，前述控制部具備選擇由前述第1溫度感測器所測定之前述第1低溫板的溫度與由前述第2溫度感測器所測定之前述第2低溫板的溫度中之較低的溫度的測定溫度選擇部，前述上限調整部使用藉由前述測定溫度選擇部所選擇之測定溫度。
6. 一種低溫泵的控制方法，其特徵在於，前述低溫泵具備：低溫板；以及冷凍機，冷卻前述低溫板，具備驅動前述冷凍機之冷凍機馬達以及控制前述冷凍機馬達的運行頻率之冷凍機變頻器；前述方法具備如下步驟：執行將前述低溫板的溫度從室溫降低至標準運行溫度 之降溫運行；在前述降溫運行中，依據前述低溫板的溫度下降，降低前述冷凍機馬達的運行頻率上限；在具有前述運行頻率上限之運行頻率範圍內，確定前述冷凍機馬達的運行頻率；以及將確定之運行頻率輸出至前述冷凍機變頻器。
7. 一種冷凍機，其特徵在於，具備：膨脹機，具備：膨脹機，具備冷卻台，且具備驅動前述膨脹機之膨脹機馬達，以及控制前述膨脹機馬達的運行頻率之膨脹機變頻器；以及控制部，控制前述膨脹機，以執行將前述冷卻台的溫度從室溫降低至標準運行溫度之降溫運行；前述控制部具備：運行頻率確定部，在具有運行頻率上限之運行頻率範圍內，確定前述膨脹機馬達的運行頻率，將該運行頻率輸出至前述膨脹機變頻器；以及上限調整部，在前述降溫運行中，依據前述冷卻台的溫度下降，降低前述運行頻率上限。