TWI521179B - Cryogenic pump system, very low temperature system, compressor unit control device and its control method - Google Patents

Cryogenic pump system, very low temperature system, compressor unit control device and its control method Download PDF

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Description

低溫泵系統、極低溫系統、壓縮機單元的控制裝置及其控制方法
本發明係有關一種低溫泵系統、極低溫系統、壓縮機單元的控制裝置及其控制方法。
已知具備極低溫冷凍機和用於將工作氣體供給於該冷凍機之壓縮機單元之極低溫系統。作為極低溫系統的一例，還已知具備將極低溫冷凍機作為冷卻源之極低溫裝置(例如低溫泵)之系統。極低溫系統中，有時控制壓縮機單元，以使冷凍機的工作氣體的高壓側與低壓側的差壓與設定值一致。該種壓縮機單元的差壓恆定控制，有助於降低系統的消耗電力(例如，參照專利文獻1)。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2004-3792號公報
最近關於低溫泵系統或極低溫系統，提供高節能性能成為最重要的要求之一。壓縮機單元的差壓恆定控制，係用於響應該要求之有用技術之一。
在其一方面，還要求提供高節能性能，並提高冷凍能力或運轉持續性之類的系統的基本性能。例如，在具有冷 凍機之某一系統中，不變更該冷凍機的設計而提高冷凍能力之1種對策為，提高壓縮機單元的工作氣體的封入壓力。作為其代替方案，當執行差壓恆定控制時，能夠藉由提高差壓的設定值來得到提高冷凍能力之效果。
壓縮機單元上大體上預先具備有用於警告從規格上的動作範圍脫離之設定。例如，電性或機械性地設定有用於警告工作氣體的過度高壓之高壓設定值。藉由上述對策提高冷凍機的冷凍能力之結果，工作氣體壓在系統運轉中，達到該高壓設定值之可能性變高。壓縮機單元有時構成為，為了控制工作氣體壓不超過高壓設定值，而斷續地變更壓縮機單元的運轉狀態。還有時在工作氣體壓達到高壓設定值時，自動停止壓縮機單元。壓縮機單元的運轉停止，確實大幅度使系統狀態產生變化。
在極低溫裝置中，冷卻溫度的穩定係很重要的。例如在低溫泵中為了持續提供其功能，要求低溫板溫度的穩定。極低溫系統中包括壓縮機單元的突然停止在內之運轉狀態的突變，有對冷卻溫度的穩定性帶來不良影響之可能性。
本發明的某一態樣的例示性目的之一為，提供能夠藉由用於極低溫系統的壓縮機單元的作用來有助於系統之運轉持續性的控制。
本發明的某一態樣的低溫泵系統具備：低溫泵，具備 低溫板和用於冷卻該低溫板之冷凍機；壓縮機單元，用於將工作氣體供給於冷凍機；及控制部，用於選擇性執行利用通用控制量之壓縮機單元的至少2種運轉控制中的任一種。前述至少2種運轉控制包括：第1運轉控制，利用通用控制量來運轉壓縮機單元，以便控制與供給氣體量相關聯之第1控制對象；及第2運轉控制，利用通用控制量來運轉壓縮機單元，以便控制與供給氣體量相關聯且不同於第1控制對象之第2控制對象。控制部基於至少2個通用控制量的值的比較，來從前述至少2種運轉控制當中選擇應執行之運轉控制，前述至少2個通用控制量的值包括用於第1運轉控制之通用控制量的值，和用於第2運轉控制之通用控制量的值。
運轉控制的控制量能夠看作為，強烈反應作為起因於其控制量之控制結果之壓縮機單元的運轉狀態之參數。從一種控制移行到另一種控制時，壓縮機單元的運轉狀態藉由移行前後控制量變化的大小而發生變化。例如從第1運轉控制移行到第2運轉控制時，若該時刻的2種運轉控制的控制量的偏差較大，則壓縮機單元的運轉狀態亦伴隨其移行而發生較大的變化。因此，能夠藉由比較各控制量，來評價藉由移行對運轉狀態帶來的影響。
如此，能夠為了將必要量的工作氣體供給於冷凍機，並對低溫泵給予所希望的冷卻，而從至少2種壓縮機單元運轉控制中，選擇並執行從系統的運轉持續性考慮時適當的運轉控制。例如，能夠從極低溫系統的穩定運轉的持續 這一觀點，來決定係持續進行當前的運轉控制還係移行到其他運轉控制。
第1運轉控制為當前所選擇之運轉控制，第2運轉控制為當前未被選擇之運轉控制中的任一種，當用於第1運轉控制之通用控制量的值與用於第2運轉控制之通用控制量的值的大小關係發生變化時，控制部可將第1運轉控制切換為第2運轉控制。
用於各種運轉控制之控制量的大小關係的變化能夠看作為，與壓縮機單元的狀態變化相關聯。並且，期望在大小關係發生變化之前，一方的控制量的值稍微大於另一方，大小關係發生變化之後，一方的控制量的值微小於另一方。此時，伴隨大小關係發生變化時，從當前的運轉控制移行到其它運轉控制之控制量的變化變小。藉此，能夠藉由將大小關係的變化當做運轉控制移行的契機，而避免壓縮機單元的運轉狀態伴隨移行而發生驟變。
第1運轉控制可以為作為常態而選擇之運轉控制，第2運轉控制可以為基於目標值與第2控制對象的偏差，來決定通用控制量之壓縮機保護控制，該目標值係為了保護壓縮機單元而對第2控制對象設定之值。
此時，能夠考慮由壓縮機單元的通常運轉控制與保護控制之間的切換對運轉狀態帶來的影響，來決定是否進行切換，例如，能夠避免用於保護之切換動作而引起的運轉狀態的驟變。
前述第1控制對象為前述壓縮機單元的吐出側壓力與 吸入側壓力的差壓，前述第1運轉控制可以為，基於關於該差壓的目標值與該差壓的偏差，來決定前述通用控制量之差壓控制，前述第2控制對象為前述壓縮機單元的吐出側壓力，前述第2運轉控制可以為，基於關於該吐出側壓力的目標值與該吐出側壓力的偏差，來決定前述通用控制量之吐出壓控制。
差壓控制對極低溫系統的消耗電力的降低有效。並且，吐出壓控制能夠使吐出側壓力保留在目標值附近，藉此作為用於抑制過度高壓之壓縮機保護控制的一例係有效的。
前述至少2種運轉控制可進一步包括第3運轉控制，前述第3運轉控制利用通用控制量來運轉壓縮機單元，以便控制與供給氣體量相關聯之第3控制對象。控制部基於至少3個通用控制量的值，來從前述至少2種運轉控制中選擇應執行之運轉控制，前述至少3個通用控制量的值包括用於第1運轉控制之通用控制量的值，和用於第2運轉控制之通用控制量的值，和用於第3運轉控制之通用控制量的值，第3控制對象為壓縮機單元的吸入側壓力，第3運轉控制為，基於關於該吸入側壓力的目標值與該吸入側壓力的偏差，來決定通用控制量之吸入壓控制亦可。
藉由除第1運轉控制和第2運轉控制之外，也設定第3運轉控制，能夠基於狀況選擇適當的運轉控制。
本發明的另一態樣為極低溫系統。該極低溫系統具備：至少1個極低溫冷凍機；及至少1個壓縮機單元，用 於將工作氣體供給於至少1個極低溫冷凍機；及控制部，基於用於評價運轉狀態的通用之評價參數，來選擇性執行至少2種控制中的任一種，前述運轉狀態分別基於用於壓縮機單元之至少2種控制。
依該態樣，利用用於評價運轉狀態之通用之評價參數，因此可簡單地比較由各控制對運轉狀態帶來的影響。基於比較結果，能夠選擇並執行壓縮機單元的控制。
前述至少1個壓縮機單元為複數個壓縮機單元，控制部對複數個壓縮機單元的每一個獨立地執行前述至少2種控制的選擇。若如此設定，則能夠不依賴於其他壓縮機單元的運轉狀態，而選擇對於極低溫系統的複數個壓縮機單元的每一個所適當的控制。
本發明的又一態樣為壓縮機單元的控制裝置。該裝置為用於將用於使極低溫裝置產生寒冷之工作氣體，供給於該極低溫裝置之壓縮機單元的控制裝置，其具備：控制量運算部，運算包括第1控制量和第2控制量在內的至少2個控制量，前述第1控制量為，用於控制與從前述壓縮機單元向前述極低溫裝置供給之氣體量相關聯之第1控制對象的控制量，前述第2控制量為，用於控制與前述供給氣體量相關聯且不同於第1控制對象之第2控制對象，並且與第1控制量通用之控制量；及選擇部，基於前述至少2個控制量的比較，從包括第1控制對象和第2控制對象在內的至少2個控制對象中，選擇應控制之控制對象。
本發明的再一態樣為壓縮機單元的控制方法。該方法 為用於將用於使極低溫裝置產生寒冷之工作氣體，供給於該極低溫裝置之壓縮機單元的控制方法，其包括：判定壓縮機單元的通常控制是否對壓縮機單元給予比用於前述壓縮機單元的保護控制更大的負載；及當判定為通常控制對壓縮機單元給予比保護控制更大的負載時，移行到保護控制。
依該態樣，在壓縮機單元的通常控制對壓縮機單元給予較大負載時，能夠從通常控制移行到保護控制。如此，能夠邊保護壓縮機單元邊持續運轉。
當判定為在保護控制的期間，也可以包括保護控制對壓縮機單元給予比通常控制更大的負載時，從保護控制恢復到通常控制。若如此設定，則能夠在持續的保護控制反而對壓縮機單元給予較大負載時，自動恢復到通常控制。
另外，將以上構成要件的任意組合或本發明的構成要件或表達在方法、裝置、系統、程式等之間相互置換的形態亦作為本發明的態樣而有效。
依本發明，提供一種能夠藉由用於低溫泵系統或極低溫系統的壓縮機單元的作用來有助於系統的運轉持續性的控制。
第1圖係模式表示本發明的一實施形態之低溫泵系統 1000的整體結構之圖。低溫泵系統1000為了進行真空裝置300的真空排氣而使用。真空裝置300係在真空環境下對物體進行處理之真空處理裝置，例如在離子植入裝置或濺射裝置等的半導體製造製程中使用之裝置。
低溫泵系統1000包含複數台低溫泵10。這些低溫泵10安裝於真空裝置300的1個或複數個真空腔內(未圖示)，為了將真空腔內部的真空度提高至所希望的程式所需之程度而使用。低溫泵10按照低溫泵控制器(以下還稱CP控制器)100所決定之控制量運轉。例如在真空腔實現10-5Pa~10-8Pa左右的高真空度。在圖示之例子中，低溫泵系統1000中包含11台低溫泵10。複數個低溫泵10可以均具有相同排氣性能之低溫泵，亦可以具有不同排氣性能之低溫泵。
低溫泵系統1000具備CP控制器100。CP控制器100控制低溫泵10及壓縮機單元102、104。CP控制器100具備執行各種運算處理之CPU、儲存各種控制程式之ROM、作為用於儲存資料或執行程式之作業區，而利用之RAM、輸入輸出界面、記憶體等。另外，CP控制器100構成還能夠與用於控制真空裝置300之主控制器(未圖示)通訊。真空裝置300的主控制器亦可稱為總括包含低溫泵系統1000之真空裝置300的各構成要件之高位控制器。
CP控制器100與低溫泵10及壓縮機單元102、104分體地構成。CP控制器100連接成能夠與低溫泵10及壓 縮機單元102、104相互通訊。低溫泵10分別具備用於對與CP控制器100通訊之輸入輸出進行處理之IO模組50(參照第4圖)。CP控制器100和各IO模組50藉由控制通訊線連接。第1圖中，用虛線表示低溫泵10與CP控制器100的控制通訊線及壓縮機單元102、104與CP控制器100的控制通訊線。另外，CP控制器100可與任一低溫泵10或壓縮機單元102、104構成為一體。
CP控制器100可由單一的控制器構成，亦可包括分別發揮相同或不同功能之複數個控制器。例如，CP控制器100可具備設置於各壓縮機單元，並決定各壓縮機單元的控制量之壓縮機控制器及總括低溫泵系統之低溫泵控制器。
低溫泵系統1000具備至少包含第1壓縮機單元102及第2壓縮機單元104之複數個壓縮機單元。壓縮機單元係為使工作氣體在包含低溫泵10之封閉之流體迴路上循環而設置。壓縮機單元從低溫泵10回收工作氣體進行壓縮，並再次向低溫泵10送出。壓縮機單元遠離真空裝置300而設置，或者設置於真空裝置300附近。壓縮機單元按照壓縮機控制器168(參照第4圖)所決定之控制量運轉。或者按照CP控制器100所決定之控制量運轉。
以下，作為代表例，對具有2台壓縮機單元102、104之低溫泵系統1000進行說明，但本發明並不限定於此。可以與該等壓縮機單元102、104相同之方式，構成3台以上的壓縮機單元並聯連接於複數個低溫泵10之低溫泵 系統1000。另外，第1圖所示之低溫泵系統1000分別具備有複數個低溫泵10及壓縮機單元102、104，但係可將低溫泵10或壓縮機單元102、104設為1台。
複數個低溫泵10和複數個壓縮機單元102、104，藉由工作氣體配管系統106連接。配管系統106如下構成，亦即相互並聯連接複數個低溫泵10和複數個壓縮機單元102、104，並使工作氣體在複數個低溫泵10與複數個壓縮機單元102、104之間流通。藉由配管系統106，在1台低溫泵10上分別並聯連接有複數個壓縮機單元，1台壓縮機單元上分別並聯連接有複數個低溫泵10。
配管系統106包含內部配管108及外部配管110而構成。內部配管108形成於真空裝置300的內部，且包括內部供給管路112及內部返回管路114。外部配管110設置於真空裝置300的外部，且包括外部供給管路120及外部返回管路122。外部配管110連接真空裝置300與複數個壓縮機單元102、104。
內部供給管路112連接於各低溫泵10的氣體供給口42(參照第2圖)，內部返回管路114連接於各低溫泵10的氣體排出口44(參照第2圖)。並且，內部供給管路112藉由真空裝置300的氣體供給埠116，連接於外部配管110的外部供給管路120的一端，內部返回管路114藉由真空裝置300的氣體排出埠118，連接於外部配管110的外部返回管路122的一端。
外部供給管路120的另一端連接於第1歧管124，外 部返回管路122的另一端連接於第2歧管126。第1歧管124連接有第1壓縮機單元102的第1吐出配管128，及第2壓縮機單元104的第2吐出配管130的一端。第1吐出配管128及第2吐出配管130的另一端，分別連接於所對應之各壓縮機單元102、104的吐出埠148(參照第3圖)。第2歧管126連接有第1壓縮機單元102的第1吸入配管132，及第2壓縮機單元104的第2吸入配管134的一端。第1吸入配管132及第2吸入配管134的另一端，分別連接於所對應之各壓縮機單元102、104的吸入埠146(參照第3圖)。
如此，用於匯集分別從複數個壓縮機單元102、104送出之工作氣體，並供給至複數個低溫泵10的共同的供給管路，由內部供給管路112及外部供給管路120構成。另外，用於匯集從複數個低溫泵10排出之工作氣體，並返回至複數個壓縮機單元102、104的共同的返回管路，由內部返回管路114及外部返回管路122構成。並且，複數個壓縮機單元分別經各壓縮機單元附帶之個別配管，而連接於共同管路上。個別配管與共同管路的連接部，設有用於使個別配管合流之歧管。第1歧管124於供給側合流個別配管，第2歧管126於回收側合流個別配管。
藉由使用低溫泵系統1000之場所(例如半導體製造工廠)中的各種裝置的配置，上述共同管路(與圖示不同)有時還成為較長之長度。藉由將工作氣體匯集至共同管路中，比將複數個壓縮機分別個別地連接於真空裝置時 更能夠縮短總體配管長度。並且，由於採取按每個工作氣體的供給對象(例如，在低溫泵系統1000中為各個低溫泵10)，連接複數個壓縮機之配管結構，因此亦有冗長性。藉由將複數個壓縮機並聯配置於各自的對象(例如低溫泵)來運轉，藉此分擔向複數個壓縮機之負載。
第2圖係模式表示本發明的一實施形態之低溫泵10之剖面圖。低溫泵10具備冷卻至第1冷卻溫度程度之第1低溫板、及冷卻至比第1冷卻溫度程度更低溫的第2冷卻溫度程度之第2低溫板。於第1低溫板上，在第1冷卻溫度程度下，蒸氣壓較低之氣體藉由凝結被捕捉並被排氣。例如，蒸氣壓低於基準蒸氣壓(例如10-8Pa)之氣體被排氣。於第2低溫板上，在第2冷卻溫度程度下，蒸氣壓較低之氣體藉由凝結被捕捉並被排氣。於第2低溫板上，為了捕捉由於蒸氣壓較高而在第2冷卻溫度程度下亦不凝結之非凝結性氣體，於其表面上形成吸附區域。吸附區域例如藉由在板表面上設置吸附劑來形成。非凝結性氣體吸附於冷卻至第2冷卻溫度程度之吸附區域而被排氣。
第2圖所示之低溫泵10，具備冷凍機12、板結構體14及熱遮罩16。冷凍機12藉由吸入工作氣體，並使其在內部膨脹而吐出之熱循環產生寒冷。板結構體14包括複數個低溫板，這些板藉由冷凍機12冷卻。於板表面形成用於藉由凝結或吸附來捕捉氣體並排氣之極低溫面。於低溫板的表面(例如裏面)通常設置用於吸附氣體之活性碳等吸附劑。熱遮罩16為了從周圍的輻射熱保護板結構體 14而設置。
低溫泵10為所謂立式低溫泵。立式低溫泵係指沿熱遮罩16的軸向插入配置有冷凍機12之低溫泵。另外，本發明亦可同樣地適用於所謂臥式低溫泵。臥式低溫泵係指在與熱遮罩16的軸向交叉之方向(通常為正交方向)上，插入配置有冷凍機的第2段冷卻台之低溫泵。另外，第1圖中模式地示出有臥式低溫泵10。
冷凍機12係吉福德-麥克馬洪式冷凍機(所謂GM冷凍機)。另外，冷凍機12係2段式冷凍機，且具有第1段缸18、第2段缸20、第1冷卻台22、第2冷卻台24及冷凍機馬達26。第1段缸18與第2段缸20串聯連接，分別內置有相互連結之第1段置換器及第2段置換器(未圖示)。第1段置換器及第2段置換器的內部組裝有蓄冷材。另外，冷凍機12亦可除2段GM冷凍機以外的冷凍機，例如可以利用單段GM冷凍機，亦可以利用脈管冷凍機或蘇爾威冷凍機。
冷凍機12包括流路切換機構，前述流路切換機構為了週期性地反覆進行工作氣體的吸入和吐出，而週期性地切換工作氣體的流路。流路切換機構例如包括閥部及驅動閥部之驅動部。閥部例如為旋轉閥，驅動部為用於使旋轉閥旋轉之馬達。馬達例如可以係AC馬達或DC馬達。並且，流路切換機構可以係藉直線馬達驅動之直動式機構。
第1段缸18的一端設置有冷凍機馬達26。冷凍機馬達26設置在形成於第1段缸18的端部之馬達用殼體27 的內部。冷凍機馬達26連接於第1段置換器及第2段置換器，以便第1段置換器及第2段置換器分別能夠在第1段缸18及第2段缸20的內部往返移動。另外，冷凍機馬達26以使設置於馬達用殼體27內部之可動閥(未圖示)能夠正反旋轉之方式，連接於該閥。
第1冷卻台22設置於第1段缸18的第2段缸20側的端部，亦即第1段缸18與第2段缸20的連結部。另外，第2冷卻台24設置於第2段缸20的末端。第1冷卻台22及第2冷卻台24例如藉由焊接分別固定於第1段缸18及第2段缸20。
冷凍機12經設置於馬達用殼體27的外側之氣體供給口42及氣體排出口44，而連接於壓縮機單元102或104。對於低溫泵10與壓縮機單元102、104的連接關係，如參照第1圖所說明。
冷凍機12使從壓縮機單元102、104供給之高壓工作氣體(例如氦等)在內部膨脹，而在第1冷卻台22及第2冷卻台24上產生寒冷。壓縮機單元102、104在冷凍機12中回收已膨脹之工作氣體，並再次加壓而供給至冷凍機12。
具體而言，首先從壓縮機單元102、104向冷凍機12供給高壓工作氣體。此時，冷凍機馬達26將馬達用殼體27內部的可動閥驅動成連通氣體供給口42和冷凍機12的內部空間之狀態。若冷凍機12的內部空間被高壓工作氣體填滿，則藉由冷凍機馬達26切換可動閥，使冷凍機12 的內部空間與氣體排出口44連通。藉此，工作氣體膨脹而被回收至壓縮機單元102、104。第1段置換器及第2段置換器分別與可動閥的動作同步，而在第1段缸18及第2段缸20內部往返移動。藉由反覆該種熱循環，冷凍機12在第1冷卻台22及第2冷卻台24上產生寒冷。
第2冷卻台24被冷卻成低於第1冷卻台22之溫度。第2冷卻台24例如被冷卻至10K~20K左右，第1冷卻台22例如被冷卻至80K~100K左右。第1冷卻台22上安裝有用於測定第1冷卻台22的溫度之第1溫度感測器23，第2冷卻台24上安裝有用於測定第2冷卻台24的溫度之第2溫度感測器25。
於冷凍機12的第1冷卻台22上，以熱連接之狀態固定有熱遮罩16，於冷凍機12的第2冷卻台24上，以熱連接之狀態固定有板結構體14。因此，熱遮罩16被冷卻成與第1冷卻台22相同程度的溫度，板結構體14被冷卻成與第2冷卻台24相同程度的溫度。熱遮罩16形成為於一端具有開口部31之圓筒狀形狀。開口部31藉由熱遮罩16的筒狀側面的端部內面分隔。
另一方面，在與熱遮罩16的開口部31的相反一側，亦即泵底部側的另一端上形成有閉塞部28。閉塞部28由在熱遮罩16的圓筒狀側面的泵底部側端部，朝向徑向內側延伸之突緣部形成。由於第2圖所示之低溫泵10係立式低溫泵，因此該突緣部安裝於冷凍機12的第1冷卻台22上。藉此，於熱遮罩16的內部形成圓柱狀的內部空間 30。冷凍機12沿熱遮罩16的中心軸向內部空間30突出，第2冷卻台24呈插入於內部空間30之狀態。
另外，當為臥式低溫泵時，封塞部28通常完全被封閉。冷凍機12從形成於熱遮罩16的側面之冷凍機安裝用開口部，沿著與熱遮罩16的中心軸正交之方向，向內部空間30突出而配置。冷凍機12的第1冷卻台22安裝於熱遮罩16的冷凍機安裝用開口部，冷凍機12的第2冷卻台24配置於內部空間30。第2冷卻台24上安裝有板結構體14。藉此，板結構體14配置於熱遮罩16的內部空間30內。板結構體14可透過適當形狀的板安裝構件，安裝於第2冷卻台24。
另外，熱遮罩16的開口部31上設置有擋板32。擋板32在熱遮罩16的中心軸方向上，與板結構體14隔開間隔而設置。擋板32安裝於熱遮罩16的開口部31側的端部，被冷卻成與熱遮罩16相同程度的溫度。從真空腔80側觀察時，擋板32例如可形成為同心圓狀，或者亦可形成為格子狀等其他形狀。另外，擋板32與真空腔80之間設置有閘閥(未圖示)。該閘閥例如在再生低溫泵10時被關閉，在藉由低溫泵10對真空腔80進行排氣時被打開。真空腔80例如設置於第1圖所示之真空裝置300內。
熱遮罩16、擋板32、板結構體14及冷凍機12的第1冷卻台22和第2冷卻台24，容納於泵殼34的內部。泵殼34串聯連接不同直徑之2個圓筒來形成。泵殼34的大徑 圓筒側端部被開放，並且朝徑向外側延伸形成有和真空腔80的連接用突緣部36。另外，泵殼34的小徑圓筒側端部，固定於冷凍機12的馬達用殼體27。低溫泵10透過泵殼34的突緣部36，氣密地固定於真空腔80的排氣用開口，且形成與真空腔80的內部空間一體的氣密空間。泵殼34及熱遮罩16均形成為圓筒狀，並配設於同軸上。由於泵殼34的內徑稍微大於熱遮罩16的外徑，因此熱遮罩16在與泵殼34的內面之間，保持若干間隔而配置。
當低溫泵10動作時，首先在其動作前利用其他適當的粗抽泵，將真空腔80內部粗抽至1Pa~10Pa左右。之後使低溫泵10動作。藉由冷凍機12的驅動，來冷卻第1冷卻台22及第2冷卻台24，與該等熱連接之熱遮罩16、擋板32及板結構體14亦被冷卻。
被冷卻之擋板32冷卻從真空腔80朝向低溫泵10內部飛來之氣體分子，使在該冷卻溫度下，蒸氣壓充份變低之氣體(例如水分等)凝結在表面上而被排氣。在擋板32的冷卻溫度下，蒸氣壓不會充份變低之氣體穿過擋板32，進入熱遮罩16的內部。進入之氣體分子中，在板結構體14的冷卻溫度下，蒸氣壓充份變低之氣體(例如氬等)凝結在板結構體14的表面上而被排氣。在該冷卻溫度下，蒸氣壓亦不會充份變低之氣體(例如氫等)，藉由黏結於板結構體14的表面上並被已冷卻之吸附劑吸附而被排氣。如此，低溫泵10能夠使真空腔80內部的真空度到達所希望之程度。
第3圖係模式表示本發明的一實施形態之第1壓縮機單元102之圖。在本實施例中，第2壓縮機單元104亦具有與第1壓縮機單元102相同之結構。壓縮機單元102包含使氣體昇壓之壓縮機本體140、用於向壓縮機本體140供給從外部供給之低壓氣體之低壓配管142，及用於向外部送出藉壓縮機本體140壓縮之高壓氣體之高壓配管144而構成。
如第1圖所示，低壓氣體經第1吸入配管132，供給至第1壓縮機單元102。第1壓縮機單元102在吸入埠146接受來自低溫泵10之返回氣體，工作氣體被送至低壓配管142。吸入埠146在低壓配管142的末端，設置於第1壓縮機單元102的筐體。低壓配管142連接吸入埠146和壓縮機本體140的吸入口。
低壓配管142在中途具備作為用於去除返回氣體中所包含之脈動之容積的貯存槽150。貯存槽150設置於吸入埠146與向後述之旁通機構152的分叉之間。在貯存槽150中被去除脈動之工作氣體，經低壓配管142供給至壓縮機本體140。貯存槽150的內部可設置有用於從氣體消除不需要的微粒等之濾器。在貯存槽150與吸入埠146之間，可連接有用於從外部補充工作氣體之接收埠及配管。
壓縮機本體140例如為捲動方式或回轉式的泵，可發揮使被吸入之氣體昇壓之功能。壓縮機本體140向高壓配管144送出已昇壓之工作氣體。壓縮機本體140為利用油進行冷卻之結構，壓縮機本體140上附帶設置有使油循環 之油冷卻配管。因此，已昇壓之工作氣體，以稍微混入該油之狀態送出至高壓配管144。
因此，高壓配管144在其中途設置有油分離器154。藉油分離器154從工作氣體分離之油可返回至低壓配管142，亦可經低壓配管142返回至壓縮機本體140。油分離器154中可設置有用於釋放過度高壓之安全閥。
在連接壓縮機本體140和油分離器154之高壓配管144的中途，可設置用於冷卻從壓縮機本體140送出之高壓工作氣體之熱交換器(未圖示)。熱交換器例如藉由冷卻水冷卻工作氣體。此外，該冷卻水亦可為了對冷卻壓縮機本體140之油進行冷卻而利用。在高壓配管144中，可以在熱交換器的上游及下游的至少一方，設置有測定工作氣體溫度之溫度感測器。
經油分離器154之工作氣體，經過高壓配管144送至吸附器156。吸附器156為了例如藉由貯存槽150內的濾器或油分離器154等的流路上的污染物質去除手段，從工作氣體消除未被除去之污染成份而設置。吸附器156例如藉由吸附去除汽化之油成份。
吐出埠148在高壓配管144的末端，設置於第1壓縮機單元102的筐體。亦即，高壓配管144連接壓縮機本體140和吐出埠148，在其中途設置有油分離器154及吸附器156。經由吸附器156之工作氣體，經吐出埠148送出至低溫泵10。
第1壓縮機單元102具備旁通機構152，前述旁通機 構152具有連結低壓配管142和高壓配管144之旁通配管158。在圖示之實施例中，旁通配管158在貯存槽150與壓縮機本體140之間，從低壓配管142分叉。另外，旁通配管158在油分離器154與吸附器156之間，從高壓配管144分叉。
旁通機構152具備用於控制未送出至低溫泵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。圖示之實施例中，在旁通配管158的中途，並聯設置有第1控制閥160及第2控制閥162。第1控制閥160及第2控制閥162例如為常閉型或常開型電磁閥。在本實施例中，使用第2控制閥162作為旁通配管158的流量控制閥。以下，還將第2控制閥162稱作安全閥162。
第1壓縮機單元102具備用於測定來自低溫泵10之返回氣體的壓力之第1壓力感測器164，及用於測定向低溫泵10之送出氣體的壓力之第2壓力感測器166。由於在第1壓縮機單元102動作期間，送出氣體的壓力高於返回氣體的壓力，因此以下有時還將第1壓力感測器164及第2壓力感測器166，分別稱作低壓感測器及高壓感測器。
第1壓力感測器164設置為測定低壓配管142的壓力，第2壓力感測器166設置為測定高壓配管144的壓力。第1壓力感測器164例如設置於貯存槽150中，測定在貯存槽150中被去除脈動之返回氣體的壓力。第1壓力感測器164可設置於低壓配管142的任意位置。第2壓力感測器166設置於油分離器154與吸附器156之間。第2 壓力感測器166可設置於高壓配管144的任意位置。
另外，第1壓力感測器164及第2壓力感測器166可設置於第1壓縮機單元102的外部，例如可設置於第1吸入配管132及第1吐出配管128。另外，旁通機構152亦可設置於第1壓縮機單元102的外部，例如亦可由旁通配管158連接第1吸入配管132和第1吐出配管128。
第4圖係有關本實施形態之低溫泵系統1000之控制方塊圖。第4圖表示與本發明的一實施形態相關聯之低溫泵系統1000的主要部份。於複數個低溫泵10中，對其中1個示出內部的詳細內容，對於其他低溫泵10，由於相同所以省略圖示。相同地，對第1壓縮機單元102示出詳細內容，由於第2壓縮機單元104與其相同，因此省略內部的圖示。
如上所述，CP控制器100可通訊地連接於各低溫泵10的IO模組50。IO模組50包括冷凍機變流器52及訊號處理部54。冷凍機變流器52調整從外部電源，例如商用電源供給之規定電壓及頻率的電力，並供給至冷凍機馬達26。藉由CP控制器100控制應供給至冷凍機馬達26之電壓及頻率。
CP控制器100依感測器輸出訊號決定控制量。訊號處理部54將從CP控制器100發送之控制量中繼至冷凍機變流器52。例如，訊號處理部54將來自CP控制器100之控制訊號轉換成可在冷凍機變流器52處理之訊號，並發送至冷凍機變流器52。控制訊號包括表示冷凍機馬達 26的運轉頻率之訊號。另外，訊號處理部54將低溫泵10的各種感測器的輸出，中繼至CP控制器100。例如，訊號處理部54將感測器輸出訊號轉換為可在CP控制器100處理之訊號，並發送至CP控制器100。
IO模組50的訊號處理部54上，連接有包括第1溫度感測器23及第2溫度感測器25在內之各種感測器。如上所述，第1溫度感測器23測定冷凍機12的第1冷卻台22的溫度，第2溫度感測器25測定冷凍機12的第2冷卻台24的溫度。第1溫度感測器23及第2溫度感測器25，分別週期性地測定第1冷卻台22及第2冷卻台24的溫度，並輸出表示測定溫度之訊號。第1溫度感測器23及第2溫度感測器25的測定值，每隔預定時間輸入至CP控制器100，並被儲存保持在CP控制器100的預定儲存區域中。
CP控制器100依低溫板的溫度控制冷凍凍機12。CP控制器100以低溫板的實際溫度追隨目標溫度之方式，將運轉指令提供給冷凍機12。例如，CP控制器100藉由反饋控制，對冷凍機馬達26的運轉頻率進行控制，以便使第1段低溫板的目標溫度與第1溫度感測器23的測定溫度之偏差最小化。冷凍機12的熱循環頻率按照冷凍機馬達26的運轉頻率決定。第1段低溫板的目標溫度，例如按照在真空腔80中進行之程式作為規格來決定。此時，冷凍機12的第2冷卻台24及板結構體14，藉由冷凍機12的規格及來自外部的熱負載冷卻成決定溫度。
當第1溫度感測器23的測定溫度高於目標溫度時，CP控制器100對IO模組50輸出指令值，以便增加冷凍機馬達26的運轉頻率。與馬達運轉頻率的增加連動，冷凍機12中的熱循環的頻率亦增加，冷凍機12的第1冷卻台22向目標溫度冷卻。相反地，當第1溫度感測器23的測定溫度低於目標溫度時，冷凍機馬達26的運轉頻率減少，使冷凍機12的第1冷卻台22朝向目標溫度昇溫。
通常，第1冷卻台22的目標溫度被設定為恆定值。藉此，在向低溫泵10之熱負載增加時，CP控制器100以增加冷凍機馬達26的運轉頻率之方式輸出指令值，在向低溫泵10之熱負載減少時，以減少冷凍機馬達26的運轉頻率之方式，輸出指令值。另外，可適當地變動目標溫度，例如依次設定低溫板的目標溫度，以便在排氣對象容積內實現作為目標之周圍環境壓力。另外，CP控制器100亦可控制冷凍機馬達26的運轉頻率，以使第2段低溫板的實際溫度與目標溫度一致。
在典型的低溫泵中，熱循環的頻率始終恆定。設定為以較大頻率運轉，以便可從常溫快速冷卻至泵操作溫度，當來自外部之熱負載較小時，藉由加熱器加熱來調整低溫板的溫度。藉此，消耗電力變大。與此相對，在本實施形態中，由於按照向低溫泵10的熱負載控制熱循環頻率，因此能夠實現節能性優異之低溫泵。並且，無需一定要設置加熱器亦有助於消耗電力的降低。
CP控制器100可通訊地連接於壓縮機控制器168。本 發明的一實施形態之低溫泵系統1000的控制部，由包含CP控制器100及壓縮機控制器168之複數個控制器構成。在另一實施例中，低溫泵系統1000的控制部可由單一的CP控制器100構成，亦可於壓縮機單元102、104設置IO模組，來代替壓縮機控制器168。此時，IO模組在CP控制器100與壓縮機單元102、104的各構成要件之間，中繼控制訊號。
壓縮機控制器168依來自CP控制器100之控制訊號，或者從CP控制器100獨立地控制第1壓縮機單元102。在一實施例中，壓縮機控制器168從CP控制器100接收顯示各種設定值之訊號，並使用該設定值來控制第1壓縮機單元102。壓縮機控制器168依感測器輸出訊號決定控制量。壓縮機控制器168與CP控制器100相同地，具備執行各種運算處理之CPU、儲存各種控制程式之ROM、作為用於儲存資料或執行程式之作業區來利用之RAM、輸入輸出界面及記憶體等。
另外，壓縮機控制器168將表示第1壓縮機單元102的運轉狀態之訊號，發送至CP控制器100。表示運轉狀態之訊號，例如包括第1壓力感測器164及第2壓力感測器166的測定壓力、安全閥162的開度或控制電流、壓縮機馬達172的運轉頻率等。
第1壓縮機單元102包括壓縮機變流器170及壓縮機馬達172。壓縮機馬達172係使壓縮機本體140動作且可變更運轉頻率之馬達，設置於壓縮機本體140。能夠與冷 凍機馬達26相同地採用各種馬達作為壓縮機馬達172。壓縮機控制器168控制壓縮機變流器170。壓縮機變流器170調整從外部電源例如商用電源供給之規定電壓及頻率的電力，並供給至壓縮機馬達172。藉由壓縮機控制器168決定應供給至壓縮機馬達172之電壓及頻率。
壓縮機控制器168連接有包括第1壓力感測器164及第2壓力感測器166之各種感測器。如上所述，第1壓力感測器164週期性地測定壓縮機本體140吸入側的壓力，第2壓力感測器166週期性地測定壓縮機本體140的吐出側的壓力。第1壓力感測器164及第2壓力感測器166的測定值，每隔預定時間輸入至壓縮機控制器168，並被儲存保持於壓縮機控制器168的預定儲存區域中。
壓縮機控制器168連接有上述安全閥162。在安全閥162上附帶設置有用於驅動安全閥162之安全閥驅動器174，安全閥驅動器174連接於壓縮機控制器168。壓縮機控制器168決定安全閥162的開度，對安全閥驅動器174提供表示其開度之控制訊號。安全閥驅動器174將安全閥162控制為其開度。如此，控制旁通機構152的工作氣體流量。安全閥驅動器174可組裝於壓縮機控制器168。
壓縮機控制器168控制壓縮機本體140，以便將壓縮機單元102的出入口之間的差壓(以下，有時亦稱作壓縮機差壓)維持在目標差壓。例如，壓縮機控制器168以將壓縮機單元102的出入口之間的差壓設為恆定值之方式，執行反饋控制。在一實施例中，壓縮機控制器168從第1 壓力感測器164及第2壓力感測器166的測定值，求出壓縮機差壓。壓縮機控制器168決定壓縮機馬達172的運轉頻率，以使壓縮機差壓與目標值一致。壓縮機控制器168控制壓縮機變流器170，以便實現其運轉頻率。另外差壓的目標值可在差壓恆定控制的執行中變更。
藉由該種差壓恆定控制，可實現消耗電力的進一步降低。當向低溫泵10及冷凍機12之熱負載較小時，冷凍機12中的熱循環頻率藉由上述低溫板調溫控制變小。若那樣，在冷凍機12中需要的工作氣體量變小。此時，從壓縮機單元102能夠送來超過需要量的氣體量。藉此，壓縮機單元102的出入口之間的差壓欲擴大。然而，在本實施形態中，以將壓縮機差壓設為恆定之方式，控制壓縮機馬達172的運轉頻率。此時，壓縮機馬達172的運轉頻率變小，以便將差壓縮小至目標值。因此，與如典型的低溫泵始終以恆定的運轉頻率運轉壓縮機之情況相比，能夠降低消耗電力。
另一方面，當向低溫泵10之熱負載變大時，增加壓縮機馬達172的運轉頻率，以使壓縮機差壓恆定。因此，由於能夠充份確保供給到冷凍機12之氣體量，所以能夠將起因於熱負載的增加之低溫板溫度，從目標溫度的偏差抑制在最小限度。
尤其，為了工作氣體的吸氣而在高壓側打開閥之時機係在複數個冷凍機12重合時，必要氣體的總量變大。例如，單純以恆定的吐出流量運轉壓縮機時，或壓縮機的吐 出壓不充份時，與先打開閥吸氣之冷凍機相比，之後打開閥之冷凍機的被供給氣體量變小。複數個冷凍機12之間的供給氣體量的差異，會產生冷凍機12之間的冷凍能力的偏差。與該種情況相比，能夠藉由執行差壓控制來更充份確保向冷凍機12的工作氣體流量。差壓控制不僅有助於節能性，還能夠抑制複數個冷凍機12之間的冷凍能力的偏差。
第5圖係用於說明本發明的一實施形態之壓縮機單元運轉控制的控制流程之圖。在低溫泵10的運轉期間，以預定週期藉由壓縮機控制器168反覆執行第5圖所示之控制處理。在各壓縮機單元102、104各自的壓縮機控制器168中，與其他壓縮機單元102、104相獨立地執行該處理。第5圖中，用虛線劃分表示壓縮機控制器168的運算處理之部份，用一點虛線劃分表示壓縮機單元102、104的硬件的動作之部份。
壓縮機控制器168具備控制量運算部176。控制量運算部176例如構成為至少運算用於差壓恆定控制之控制量。該實施例中，被運算之控制量分配為壓縮機馬達172的運轉頻率和安全閥162的開度，來執行差壓恆定控制。其他一實施例中，可僅將壓縮機馬達172的運轉頻率和安全閥162的開度中的一方作為控制量，來執行差壓恆定控制。如後述，控制量運算部176可構成為運算用於差壓恆定控制、吐出壓控制及吸入壓控制中的至少任一種的控制量。
如第5圖所示，在壓縮機控制器168中預先設定並輸入目標差壓△P0。例如在CP控制器100中設定目標差壓，並將其給予壓縮機控制器168。藉由第1壓力感測器164測定吸入側的測定壓PL，藉由第2壓力感測器166測定吐出側的測定壓PH，並將其從各感測器給予壓縮機控制器168。與第2壓力感測器166的測定壓PH相比，第1壓力感測器164的測定壓PL通常為低壓。
壓縮機控制器168具備偏差運算部178，其由吐出側測定壓PH減去吸入側測定壓PL求得測定差壓△P，進而由目標差壓△P0減去測定差壓△P求得差壓偏差e。壓縮機控制器168的控制量運算部176，例如藉由包括PD運算或PID運算在內的預定控制量運算處理，來由差壓偏差e計算控制量D。
另外，如圖所示，壓縮機控制器168可與控制量運算部176分體具備偏差運算部178，亦可由控制量運算部176具備偏差運算部178。並且，亦可以在控制量運算部176的後段，設置用於預定時間積算控制量D，並給予輸出分配處理部180之積分運算部。
壓縮機控制部168具備將控制量D分配為給予壓縮機變流器170的控制量D1和給予安全閥162的控制量D2之輸出分配處理部180。一實施例中，輸出分配處理部180可在控制量D小於預定閾值時，將控制量D的大部份分配為安全閥控制量D2。輸出分配控制部180例如可在控制量D中，將壓縮機的運轉所必需的最小限度的控制量 分配為變流器控制量D1，並將剩余的所有控制量分配為安全閥控制量D2。並且，輸出分配處理部180可在控制量D為其閾值以上時，將控制量D全部分配為變流器控制量D1(亦即D=D1)。
若如此設定，則在控制量D較小時，藉由安全閥162的控制使壓力從高壓側向低壓側釋放，從而可將壓縮機差壓調整為所希望的值。其一方面，在控制量D較大時，藉由變流器控制來調整壓縮機的運轉而實現所需要的運轉狀態。另外，輸出分配處理部180可在控制量D處於包括閾值在內的中間範圍時，或者在控制量D的整個範圍，將控制量D分配為變流器控制量D1和安全閥控制量D2，來代替以某一閾值切換變流器控制和安全閥控制。
壓縮機控制器168具備：變流器指令部182，由變流器控制量D1運算給予壓縮機變流器170的指令值E；及安全閥指令部184，由安全閥控制量D2運算給予安全閥驅動器174的指令值R。變流器指令值E被給予壓縮機變流器170，按照其指令控制壓縮機本體140亦即壓縮機馬達172的運轉頻率。並且，安全閥指令值R被給予安全閥驅動器174，按照其指令控制安全閥162的開度。藉由壓縮機本體140和安全閥162的動作狀態以及相關配管或槽等的特性，來決定工作氣體亦即氦氣的壓力。藉由第1壓力感測器164和第2壓力感測器166，測定如此決定之氦氣壓力。
如此，各壓縮機單元102、104中，藉由各個壓縮機 控制器168，獨立地執行差壓恆定控制。壓縮機控制器168以差壓偏差e最小化(0為較佳)之方式，執行反饋控制。壓縮機控制器168切換或同時使用將壓縮機的運轉頻率作為操作量之變流器控制模式，和將安全閥開度作為操作量之安全閥控制模式。
第5圖所示之偏差e不限於差壓的偏差。一實施例中，壓縮機控制器168可執行由吐出側測定壓PH與設定壓的偏差，運算出控制量之吐出壓控制。此時，設定壓可為壓縮機的吐出側壓力的上限值。壓縮機控制器168可在吐出側測定壓PH大於該上限值時，由與吐出側測定壓PH的偏差運算出控制量。例如可基於保證低溫泵10的排氣能力之壓縮機的最高吐出壓，適當地且經驗性或實驗性地設定上限值。
若如此設定，則能夠抑制吐出壓的過度上昇，並進一步提高安全性。因此，吐出壓控制為用於壓縮機單元的保護控制之一例。
並且，一實施例中，壓縮機控制器168可執行由吸入側測定壓PL與設定壓的偏差，運算出控制量之吸入壓控制。此時，設定壓可為壓縮機的吸入側壓力的下限值。壓縮機控制器168可在吸入側測定壓PL低於該下限值時，由與吸入側測定壓PL的偏差運算出控制量。例如可基於保證低溫泵10的排氣能力之壓縮機的最低吸入壓，適當地且經驗性或實驗性地設定下限值。
若如此設定，則能夠抑制因伴隨吸入壓下降之工作氣 體流量下降所引起之壓縮機本體的過度的溫度上昇。並且，亦有可能實現，在從工作氣體的配管系統發生氣體泄露時無需直接停止運轉，防止過度的壓力下降並使運轉持續一定程度的期間。因此，吸入壓控制為用於壓縮機單元之保護控制的一例。
第6圖係用於說明本發明的一實施形態之壓縮機單元運轉控制的控制流程之圖。第6圖所示之壓縮機控制器168，構成為選擇性執行複數個種類的壓縮機單元運轉控制。為此，控制量運算部176具備至少2個運算部，和用於從所運算之複數個控制量中選擇任一控制量之選擇部186。對於其以外的結構，第6圖所示之壓縮機控制器168與第5圖所示之結構基本相同。
如第6圖所示，壓縮機控制器168構成為基於測定壓在每一控制週期選擇上述之差壓恆定控制、吐出壓控制及吸入壓控制來執行。壓縮機控制器168通常執行差壓恆定控制。換言之，作為初始設定，壓縮機控制器168選擇差壓恆定控制。吐出壓控制和吸入壓控製作為保護控制而設定，可藉由需要選擇並執行任意一種。
壓縮機控制器168的偏差運算部178接收目標差壓△P0、吐出側壓力上限值PH0、吸入側壓力下限值PL0、吐出側測定壓PH及吸入側測定壓PL的輸入。如上所述，目標差壓△P0、吐出側壓力上限值PH0及吸入側壓力下限值PL0為預先設定之值。
偏差運算部178具備第1偏差運算部188、第2偏差 運算部190及第3偏差運算部192。第1偏差運算部188由目標差壓△P0、吐出側測定壓PH及吸入側測定壓PL，求出差壓偏差e。第2偏差運算部190由吐出側壓力上限值PH0減去吐出側測定壓PH，來求出吐出壓偏差eH(=PH0-PH)。第3偏差運算部192由吸入側壓力上限值PL0減去吸入側測定壓PL，來求出吸入壓偏差eL(=PL0-PL)。
控制量運算部176構成為並列運算用於各運轉控制之控制量。為此，控制量運算部176具備第1控制量運算部194、第2控制量運算部196及第3控制量運算部198。第1控制量運算部194由差壓偏差e，運算出執行差壓恆定控制時的控制量。以下有時將此稱為第1控制量C1。第2控制量運算部196由吐出壓偏差eH，運算出執行吐出壓控制時的控制量。以下有時將此稱為第2控制量C2。第3控制量運算部198由吸入壓偏差eL，運算出執行吸入壓控制時的控制量。以下有時將此稱為第3控制量C3。
第1控制量C1、第2控制量C2及第3控制量C3均為，為了控制壓縮機單元102、104的相同構成要件而運算出之通用控制量。具體而言，為用於控制壓縮機馬達172和/或安全閥162的通用之控制量。控制量C1~C3被調整為，與其值的大小連動地壓縮機單元102、104的輸出亦在增減。亦即，控制量C1~C3較大時，壓縮機單元102、104成為高輸出，相反，控制量C1~C3較小時，壓縮機單元102、104成為低輸出。
為此，第1控制量C1的運算處理被決定為當測定差壓大於目標差壓時(差壓偏差e為負值時)，控制量的值變小(例如成為負值)，相反當測定差壓小於目標差壓時(差壓偏差e為正值時)，控制量的值變大(例如成為正值)。同樣，第2控制量C2的運算處理被決定為當測定值大於目標值時(吐出壓偏差eH為負值時)，控制量的值變小(例如成為負值)，相反當測定值小於目標值時(吐出壓偏差eH為正值時)，控制量變大(例如成為正值)。
關於第3控制量C3，可設為藉由包括PD運算或PID運算在內的預定控制量運算處理，而由吸入壓偏差eL運算出之值的符號相反(亦即-1倍的)之值。藉此，第3控制量C3的運算處理被決定為當測定值大於目標值時(吸入壓偏差eL為負值時)，控制量的值變大(例如成為正值)，相反當測定值小於目標值時(吸入壓偏差eL為正值時)，控制量變小(例如成為負值)。
將第1控制量C1、第2控制量C2及第3控制量C3，輸入到選擇部186。控制量的值越小，壓縮機單元102、104成為低輸出而消耗電力變小。因此，選擇部186選擇第1控制量C1、第2控制量C2及第3控制量C3中最小值作為實際使用之控制量D。使用如此得到之控制量D，來控制壓縮機馬達172和/或安全閥162。
第7圖係本發明的一實施形態，為概念地表示控制量的變化之圖。在第7圖的左側示出上次的控制時刻A的控 制量C1~C3，在第7圖的右側示出當前的控制時刻B的控制量C1~C3。從上次的控制時刻A至當前的控制時刻B，在此期間經過相當於控制週期的極短的時間△t。
在上次的控制時刻A，第3控制量C3最大，第2控制量C2為其次，第1控制量C1最小。第2控制量C2與第1控制量C1之差極小。與第2控制量C2和第1控制量C1相比，第3控制量C3相當大。此時，第1控制量C1最小，因此選擇第1控制量C1作為向壓縮機單元102、104輸出之控制量D。藉此，在上次的控制時刻A執行第1運轉控制(例如差壓恆定控制)。
壓縮機控制器168的控制週期△t通常為極短的時間，因此假想設定在上次的控制時刻A和當前的控制時刻B控制量C1~C3各自的變化較小。如第7圖所示，在當前的控制時刻B，第3控制量C3仍然最大，而第1控制量C1其次，第2控制量C2最小。與上次的控制時刻A相比，第1控制量C1與第2控制量C2的大小關係有所變化，但第1控制量C1與第2控制量C2之差仍然極小。
此時，由於第2控制量C2最小，因此選擇第2控制量C2作為向壓縮機單元102、104輸出的控制量D。在當前的控制時刻B執行第2運轉控制(例如吐出壓控制)。亦即，運轉控制從第1運轉控制向第2運轉控制變更。然而，在上次的控制時刻A和當前的控制時刻B的第1控制量C1與第2控制量C2之差仍然極小，因此作為結果而得到之控制量D的變化極小。
如此，通常假想設定，在2個控制量的大小關係發生變化之前，一方的值微大於另一方，而在大小關係發生變化之後，一方的控制量的值微小於另一方。因此，當切換對應之2種運轉控制時的控制量D的變化變小，進而壓縮機單元102、104的運轉狀態的變化亦變小。因此，無需使低溫泵系統1000中的工作氣體流量較大變動，尤其無需使低溫板溫度較大變動，就能夠持續運轉壓縮機單元102、104。
如已敘述，藉由提高壓縮機單元的工作氣體的封入壓力，或者藉由提高差壓恆定控制的差壓設定值，在低溫泵系統1000中無需變更低溫泵10的設計，就能夠提高冷凍機的冷凍能力。然而，該種方案存在容易在運轉中引起從作為壓縮機單元102、104的規格而設定之工作氣體壓的範圍脫離之可能性。依情況，存在壓縮機單元102、104所配備之安全裝置動作，而壓縮機單元102、104自動停止之可能性。
依本實施例，當在執行差壓恆定控制期間，吐出側測定壓PH超過吐出側壓力上限值PH0而增加時，壓縮機單元的運轉從差壓恆定控制切換到吐出壓控制。藉由吐出壓控制吐出側測定壓PH接近吐出側壓力上限值PH0時，壓縮機單元102、104的運轉返回到差壓恆定控制。如此，能夠隨時切換差壓恆定控制和吐出壓控制(或吸入壓控制)，並能夠持續運轉壓縮機單元102、104。
因此，依本實施例，藉由以選擇控制量最小值該種條 件，隨時切換壓縮機單元102、104的差壓恆定控制和吐出壓控制，能夠兼顧低溫泵10的冷凍能力提高對策和壓縮機單元102、104的穩定的持續運轉。並且，從對節能性的影響較小這一點考慮亦為較佳。
然而，如上所述，以控制量C1~C3的值越大壓縮機單元102、104的輸出亦變得越大之方式，調整控制量C1~C3。因此，基於選擇部186的控制量D的選擇，相當於差壓恆定控制是否對壓縮機單元102、104給予比吐出壓控制(或吸入壓控制)更大的負載的判定。換言之，基於選擇部186的控制量D的選擇，相當於複數個種類的壓縮機單元運轉控制中決定消耗電力最小的運轉控制。
當判定為，差壓恆定控制對壓縮機單元102、104給予比吐出壓控制更大的負載時，壓縮機控制器168使壓縮機單元的控制，暫時從差壓恆定控制移行到吐出壓控制。當判定為，差壓恆定控制對壓縮機單元102、104不給予比吐出壓控制更大的負載時，壓縮機控制器168持續進行差壓恆定控制。本實施例中，能夠以從複數個控制量選擇最小值該種簡單的方法實現該種處理。如此，能夠藉由吐出壓控制防止過度高壓作用於壓縮機單元102、104，並能夠持續運轉壓縮機單元102、104。
假想設定，藉由將吐出壓控制持續一定程度，壓縮機單元102、104的運轉狀態與吐出壓控制的開始時刻相比，趨於更安全的狀態。例如認為，藉由將吐出壓控制持續一定期間，在吐出壓控制的開始時刻處於規格上的安全 範圍的上限附近的吐出壓，下降並收斂至目標值附近。在該時刻，保護的必要性已經降低。除此之外，存在差壓恆定控制能夠以比吐出壓控制以更低的輸出，使壓縮機單元102、104動作之可能性。
因此，當判定為，在吐出壓控制的期間，吐出壓控制對壓縮機單元102、104給予比差壓恆定控制更大的負載時，壓縮機控制器168使壓縮機單元102、104的控制，自動從吐出壓控制恢復至差壓恆定控制。如此，能夠保持較低的消耗電力之同時持續運轉壓縮機單元102、104。
以上依據本發明的實施例進行了說明。本發明不限於上述實施形態，能夠進行各種設計變更，能夠具有各種變形例，並且這些變形例亦屬於本發明的範圍內，這一點本領域技術人員係可以理解的。
例如，控制部可為了評價基於各運轉控制的壓縮機單元的負載，而代替上述控制量C1~C3而利用給予壓縮機變流器170的控制量D1、給予安全閥162的控制量D2、變流器指令值E、安全閥指令值R之類的基於這些控制量運算出之量。
並且，控制部未必一定要利用控制量作為用於評價壓縮機單元運轉狀態的評價參數。評價參數例如可為反映各運轉控制中壓縮機單元的負載的任意參數，例如可為表示用於各運轉控制之設定值與測定值的偏差的比較專用的參數。
作為通常控制的第1運轉控制較佳的為節能性最優異 的控制，上述實施形態中為差壓恆定控制。然而通常控制不限於此，可為吐出壓控制或吸入壓控制該種基於工作氣體壓之任意的運轉控制。或者例如，通常控制亦可為直接控制工作氣體流量之流量控制。當採用流量控制時，極低溫系統或壓縮機單元，將用於測定工作氣體流量之流量感測器，設置於壓縮機單元的吐出側和/或吸入側為較佳。對於保護控制亦與通常控制相同，可為基於工作氣體壓之運轉控制和/或直接控制工作氣體流量之流量控制。
當極低溫系統處於與通常不同的特定狀態(例如低溫泵的再生，或系統的啟動)時，壓縮機單元中可以只執行通常控制，而不執行保護控制。此時，在該特定狀態下，控制部可停止與保護控制相關聯之運算。藉由停止運算能夠降低運算負載。
並且，控制部可設為，不始終進行與保護控制相關聯之運算而在必要的期間進行。例如，控制部可設為，在假想設定當前選擇之運轉控制的評價參數和另一運轉控制的評價參數接近之情況下，運算該另一運轉控制的評價參數。
上述的實施形態中，控制部將控制量為最小值這一點作為控制切換條件，但控制切換條件不限於此。例如，當重視壓縮機單元的保護之情況，控制部可在工作氣體壓超過某一高壓極限值時，將壓縮機單元的運轉控制直接從通常控制切換到保護控制。此時，當重視抑制運轉狀態的變動時，控制部可將判定為通常控制的評價參數和保護控制 的評價參數接近這一點作為條件，將壓縮機單元的運轉控制直接從通常控制切換到保護控制。
如此，控制部中可設定有選擇運轉控制時的附加的(或代替的)條件。該種附加條件被滿足時，控制部可選擇與基於主要的條件選擇之運轉控制(例如上述實施形態中為給予最小控制量之運轉控制)不同的運轉控制。如上所述，附加的條件可為了促進壓縮機單元的保護而設定，例如可包括工作氣體壓超過某一高壓界限值之情況。當重視抑制運轉狀態的變動時，附加的條件可進一步包括通常控制的評價參數和保護控制的評價參數接近(例如，設定範圍包括2個評價參數)。
10‧‧‧低溫泵
12‧‧‧冷凍機
14‧‧‧板體結構
16‧‧‧熱遮罩
22‧‧‧第1冷卻台
23‧‧‧第1溫度感測器
24‧‧‧第2冷卻台
25‧‧‧第2溫度感測器
26‧‧‧冷凍機馬達
28‧‧‧閉塞部
31‧‧‧開口部
32‧‧‧擋板
100‧‧‧CP控制器
102‧‧‧第1壓縮機單元
104‧‧‧第2壓縮機單元
140‧‧‧壓縮機本體
164‧‧‧第1壓力感測器
166‧‧‧第2壓力感測器
168‧‧‧壓縮機控制器
172‧‧‧壓縮機馬達
1000‧‧‧低溫泵系統
第1圖係模式地表示本發明的一實施形態之低溫泵系統的整體結構之圖。
第2圖係模式地表示本發明的一實施形態之低溫泵的剖面圖。
第3圖係模式地表示本發明的一實施形態之壓縮機單元之圖。
第4圖係有關本實施形態之低溫泵系統之控制方塊圖。
第5圖係用於說明本發明的一實施形態之壓縮機單元運轉控制的控制流程之圖。
第6圖係用於說明本發明的一實施形態之壓縮機單元 運轉控制的控制流程之圖。
第7圖係本發明的一實施形態之概括表示控制量的變化之圖。
168‧‧‧壓縮機控制器
△P0‧‧‧目標差壓
PH0‧‧‧吐出側壓力上限值
PL0‧‧‧吸入側壓力下限值
PH‧‧‧吐出側測定壓
PL‧‧‧吸入側測定壓
178‧‧‧偏差運算部
188‧‧‧第1偏差運算部
190‧‧‧第2偏差運算部
192‧‧‧第3偏差運算部
e‧‧‧差壓偏差
eH‧‧‧吐出壓偏差
eL‧‧‧吸入壓偏差
176‧‧‧控制量運算部
194‧‧‧第1控制量運算部
196‧‧‧第2控制量運算部
198‧‧‧第3控制量運算部
C1‧‧‧第1控制量
C2‧‧‧第2控制量
C3‧‧‧第3控制量
186‧‧‧選擇部
D‧‧‧控制量
180‧‧‧輸出分配處理部
D1‧‧‧變流器控制量
D2‧‧‧安全閥控制量
182‧‧‧變流器指令部
184‧‧‧安全閥指令部
E‧‧‧變流器指令值
R‧‧‧安全閥指令值

Claims (8)

  1. 一種低溫泵系統，具備：低溫泵，具備低溫板和用於冷卻該低溫板之冷凍機；及壓縮機單元，用於將工作氣體供給於前述冷凍機；及控制部，用於選擇性執行利用通用控制量之前述壓縮機單元的至少2種運轉控制中的任一種，前述至少2種運轉控制包括：第1運轉控制，利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與供給氣體量相關聯之第1控制對象；及第2運轉控制，利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與作供給氣體量相關聯且不同於前述第1控制對象之第2控制對象，前述控制部基於至少2個前述通用控制量的值的比較，來從前述至少2種運轉控制當中選擇應執行的運轉控制，前述至少2個通用控制量的值包括用於前述第1運轉控制之前述通用控制量的值，和用於前述第2運轉控制之前述通用控制量的值，前述第1運轉控制為作為常態而選擇之運轉控制，前述第2運轉控制為，基於目標值與前述第2控制對象的偏差，來決定前述通用控制量之壓縮機保護控制，該目標值係為了保護前述壓縮機單元而對前述第2控制對象設定之值。
  2. 一種低溫泵系統，具備：低溫泵，具備低溫板和用於冷卻該低溫板之冷凍機； 及壓縮機單元，用於將工作氣體供給於前述冷凍機；及控制部，用於選擇性執行利用通用控制量之前述壓縮機單元的至少2種運轉控制中的任一種，前述至少2種運轉控制包括：第1運轉控制，利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與供給氣體量相關聯之第1控制對象；及第2運轉控制，利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與作供給氣體量相關聯且不同於前述第1控制對象之第2控制對象，前述控制部基於至少2個前述通用控制量的值的比較，來從前述至少2種運轉控制當中選擇應執行的運轉控制，前述至少2個通用控制量的值包括用於前述第1運轉控制之前述通用控制量的值，和用於前述第2運轉控制之前述通用控制量的值，前述第1控制對象為前述壓縮機單元的吐出側壓力與吸入側壓力的差壓，前述第1運轉控制為，基於關於該差壓之目標值與該差壓的偏差，來決定前述通用控制量之差壓控制，前述第2控制對象為前述壓縮機單元的吐出側壓力，前述第2運轉控制為，基於關於該吐出側壓力之目標值與該吐出側壓力的偏差，來決定前述通用控制量之吐出壓控制。
  3. 一種低溫泵系統，具備：低溫泵，具備低溫板和用於冷卻該低溫板之冷凍機； 及壓縮機單元，用於將工作氣體供給於前述冷凍機；及控制部，用於選擇性執行利用通用控制量之前述壓縮機單元的至少2種運轉控制中的任一種，前述至少2種運轉控制包括：第1運轉控制，利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與供給氣體量相關聯之第1控制對象；及第2運轉控制，利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與作供給氣體量相關聯且不同於前述第1控制對象之第2控制對象，前述控制部基於至少2個前述通用控制量的值的比較，來從前述至少2種運轉控制當中選擇應執行的運轉控制，前述至少2個通用控制量的值包括用於前述第1運轉控制之前述通用控制量的值，和用於前述第2運轉控制之前述通用控制量的值，前述至少2種運轉控制進一步包括第3運轉控制，前述第3運轉控制利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與供給氣體量相關聯之第3控制對象，前述控制部基於至少3個前述通用控制量的值，來從前述至少2種運轉控制中選擇應執行之運轉控制，前述至少3個通用控制量的值包括用於前述第1運轉控制之前述通用控制量的值和用於前述第2運轉控制之前述通用控制量的值和用於前述第3運轉控制之前述通用控制量的值，前述第3控制對象為前述壓縮機單元的吸入側壓力，前述第3運轉控制為，基於關於該吸入側壓力的目標值與 該吸入側壓力的偏差，來決定前述通用控制量之吸入壓控制。
  4. 如申請專利範圍第1~3項中任一項所述之低溫泵系統，其中，當用於當前所選擇之運轉控制之前述通用控制量的值與用於當前未被選擇之運轉控制中的任一種之前述通用控制量的值的大小關係發生變化時，前述控制部將前述當前所選擇之運轉控制切換為前述當前未被選擇之運轉控制中的任一種。
  5. 一種極低溫系統，具備：至少1個極低溫冷凍機；及至少1個壓縮機單元，用於將工作氣體供給於前述至少1個極低溫冷凍機；及控制部，用於選擇性執行利用通用控制量之前述壓縮機單元的至少2種運轉控制中的任一種，前述至少2種運轉控制包括：第1運轉控制，利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與供給氣體量相關聯之第1控制對象；及第2運轉控制，利用前述通用控制量來運轉前述壓縮機單元，以便控制與作供給氣體量相關聯且不同於前述第1控制對象之第2控制對象，前述控制部基於至少2個前述通用控制量的值的比較，來從前述至少2種運轉控制當中選擇應執行的運轉控制，前述至少2個通用控制量的值包括用於前述第1運轉控制之前述通用控制量的值，和用於前述第2運轉控制之 前述通用控制量的值，前述第1運轉控制為作為常態而選擇之運轉控制，前述第2運轉控制為，基於目標值與前述第2控制對象的偏差，來決定前述通用控制量之壓縮機保護控制，該目標值係為了保護前述壓縮機單元而對前述第2控制對象設定之值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之極低溫系統，其中，前述至少1個壓縮機單元為複數個壓縮機單元，前述控制部對前述複數個壓縮機單元的每一個獨立地執行前述至少2種運轉控制的選擇。
  7. 一種壓縮機單元的控制裝置，該壓縮機單元用於將用於使極低溫裝置產生寒冷之工作氣體供給於該極低溫裝置，該控制裝置的特徵為，具備：控制量運算部，運算包括第1控制量和第2控制量在內的至少2個控制量，前述第1控制量為，用於控制與從前述壓縮機單元向前述極低溫裝置供給之氣體量相關聯之第1控制對象的控制量，前述第2控制量為，用於控制與前述供給氣體量相關聯且不同於前述第1控制對象之第2控制對象，並且與前述第1控制量通用之控制量；及選擇部，基於前述至少2個控制量的比較，從包括前述第1控制對象和前述第2控制對象在內的至少2個控制對象中，選擇應控制之控制對象，前述控制部為作為常態而選擇第1控制對象，前述控制量運算部為，基於目標值與前述第2控制對 象的偏差，來運算前述第2控制量，該目標值係為了保護前述壓縮機單元而對前述第2控制對象設定之值。
  8. 一種壓縮機單元的控制方法，該壓縮機單元用於將用於使極低溫裝置產生寒冷之工作氣體供給於該極低溫裝置，該控制方法的特徵為，包括：判定前述壓縮機單元的通常控制是否對前述壓縮機單元給予比用於前述壓縮機單元之保護控制更大的負載；當判定為前述通常控制對前述壓縮機單元給予比前述保護控制更大的負載時，移行到前述保護控制；及當判定為在前述保護控制期間，前述保護控制對前述壓縮機單元給予比前述通常控制更大的負載時，從前述保護控制恢復到前述通常控制。
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