TWI646264B - 低溫冷凍系統以及用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法 - Google Patents

低溫冷凍系統以及用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法 Download PDF

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Abstract

一冷凍劑管理系統控制冷凍劑由二或更多台可變速率與固定速率壓縮機之供給至複數低溫的冷凍機。該系統採用複數感測器，以監視及調節該全部冷凍劑供給，以將適當之冷凍劑供給運送至每一台該低溫的冷凍機。冷凍劑之供給量係基於一用在來自該複數低溫的冷凍機之冷凍劑的總合需求及一冷凍劑校正度量值。藉由調整該可變速壓縮機之速率、或另一選擇係選擇性開啟或關掉該壓縮機，冷凍劑之適當供給係分佈至每一台低溫的冷凍機。該可變速壓縮機之速率係藉由決定供給至該複數低溫的冷凍機之冷凍劑的量所調整。如果用於冷凍劑之總合需求超過該壓縮機之容量，則在該複數冷凍機中的一台冷凍機之速率被調整。

Description

低溫冷凍系統以及用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法 相關申請案
本申請案主張在2011年3月4日提出的美國臨時申請案第61/449,502號之利益。以上申請案之整體教示係以引用的方式併入本文中。
真空處理室通常被採用於製造中，以提供一用於諸如半導體晶圓製造、沈積製程、電子顯微鏡、氣相色譜法、及其他的真空工作環境。此等真空處理室典型係藉由在密封之配置中將真空泵附接至該真空處理室達成。該真空泵操作，以由該真空處理室移除實質上所有該分子，因此建立一真空環境。
一種型式之真空泵為低溫泵，諸如在1999年1月26日發表之美國專利第5,862,671號中所揭示者，該專利分派給本申請案之受讓人，且全部以引用的方式併入本文中。低溫泵藉由將一表面冷卻至接近絕對零度之溫度而從真空處理室移除分子。在此等溫度，氣體冷凝或被吸附在該被冷卻之表面上，被稱為一低溫陣列，藉此由該真空處理室移除分子。該冷致之真空室(the resulting vacuum chamber)。
其他型式之低溫泵被設計成可在大於絕對零度的溫度下操作。這些低溫泵由一室移除特定之氣體，諸如水、碳化氫、製程副產物、除氣種類、及製程氣體。如在美國專利第5,483,803號上所敘述之水泵係此此低溫泵之一的範 例。諸如在美國專利第5,211,022號中所揭示之其他低溫泵不會移除所有氣體，但於真空室中維持一低壓力之製程氣體。
低溫泵典型採用一冷凍機，以達成所需之低溫的溫度。所需之冷凍機的型式視用於待泵吸之種類所需的溫度及諸如熱負載及震動之其他參數而定。典型地，斯特林(Stirling)、吉福德-麥克馬洪(Gifford-McMahon)、及脈衝管冷凍機被使用於低溫的真空泵。這些冷凍機需要來自壓縮機的被壓縮氣體之供給，以於該低溫泵中將冷卻劑之流動量供給至該低溫的冷凍機。需要接近絕對零度之溫度的低溫泵使用氦氣當作該被壓縮之氣體。一低溫陣列係與該冷凍機之被冷卻端部熱相通及隨其被冷卻。在該冷凍機內側，藉由往復移動該置換器的置換器驅動器所驅動之置換器調節所使用的氦氣量。諸如氦氣的冷凍劑氣體於該冷凍機中之膨脹建立冷卻作用，且熱量被抽離該低溫陣列，產生冷凝該低溫陣列上之氣體所需的低溫之溫度。
另一選擇係，脈衝管置換器不會移動，但反之，代替地使用一壓力波。雖然低溫泵已被敘述具有馬達驅動設計，低溫泵可被設計為具有氣壓式驅動系統。
可用於該低溫的冷凍機之氦氣冷凍劑的量決定冷卻發生之速率。較大之氦氣供給能夠使該冷凍機消耗更多氦氣，並產生更多冷凍作用。其減少用於冷卻下來所需要之時間的量，該時間係達成低溫泵吸溫度之所需時間，且在操作溫度，當藉由該真空室中之變化的製程條件需要時， 能夠使該冷凍機產生更多冷凍作用。氦氣之較大供給亦能夠使該冷凍機增加消耗，以當該冷凍機效率之正常退化於冷凍機操作壽命期間發生時，維持冷凍容量。氦氣消耗之速率亦隨著該低溫的冷凍機之溫度而變化。當該低溫的冷凍機變得更冷時，氦氣之較大供給為需要的，以持續該冷卻製程。於一低溫泵吸式真空處理室中，由於喪失製造時間將使停機時間造成實質上的經濟衝擊。據此，迅速地達成及維持低溫泵吸溫度之容量係有益的。
一種先前技藝型式之氦氣分佈被敘述在1997年1月2日提出的美國專利第5,775,109號、標題為“藉由共用壓縮機所供給之多重低溫冷凍機的增強冷卻”中，且該專利被分派給本申請案之受讓人，並全部以引用的方式併入本文中。此專利建議個別地監視複數低溫泵之每一個的溫度，以當低溫泵達到一誘發溫度時，控制每一個置換器驅動馬達之速率。因於低溫泵中之冷凍機需要視目前所施行之操作而定來變化氦氣量，調節該位移驅動機馬達速率能據此減少或增加該氦氣供給。在此系統中，每一個低溫泵監視溫度及據此控制該位移驅動機馬達速率。
然而，時常地，供給複數低溫泵之共用的氦氣供給歧管係能夠供給比藉由所有該低溫泵所需者更多的氦氣。不被該冷凍機所需要以維持足夠之冷凍作用的過量之氦氣會浪費功以及維持該氦氣冷凍劑供給所需之其他資源。反之，不足之氦氣將藉由該冷凍機導致不充分的冷凍作用及潛在地藉由低溫泵損失真空性能。
應注意的是該前述之問題適用於低溫的冷凍機以及低溫泵。
在此所提供者係用於藉由冷凍機供給冷凍劑氣體的所需量以達成所需求之冷卻條件的技術及系統。一方法及對應的冷凍系統有關控制一冷凍劑之供給。一壓縮機被裝配，以供給冷凍劑經過高壓供給管線，且該冷凍劑係經過一低壓返回管線返回至該壓縮機。複數冷凍機被耦接至該壓縮機，以承接來自該供給管線之冷凍劑及使冷凍劑返回至該返回管線。再者，一電子控制器被裝配，以基於來自該複數冷凍機的通訊獲得一用於該冷凍劑之總合需求。該電子控制器被進一步裝配，以基於用在藉由冷凍劑校正度量所校正之冷凍劑的總合需求來控制該壓縮機之速率。
該壓縮機可為複數可變速壓縮機之一或可變速率及固定速率壓縮機之組合。該電子控制器可被進一步裝配，以基於來自該低壓返回管線的一或多個返回壓力、來自該高壓供給管線之供給壓力反饋迴路、及供給壓力與返回壓力間之壓力差，控制該壓縮機之速率。另外，該電子控制器可被進一步裝配，以決定是否增加或減少冷凍劑之供給，並在該總合需求中通知該增加或減少的返回壓力設定點計算器。該電子控制器可為被裝配來一起操作的一或多個控制器單元，在此一些功能為一種控制器，且其他功能則在控制器中。
該返回壓力設定點計算器可被裝配，以基於該決定來 決定一返回壓力設定點，以增加或減少冷凍劑之供給。冷凍劑供給校正控制器可被裝配，以決定該返回壓力設定點及該返回壓力間之誤差。再者，該冷凍劑供給校正控制器可被進一步裝配，以基於該返回壓力設定點及該返回壓力間之誤差計算一冷凍劑供給校正。該冷凍劑供給校正控制器亦可被裝配，以基於該冷凍劑供給校正及用在來自該複數冷凍機之冷凍劑的總合需求之比較，決定供給至該複數冷凍機之冷凍劑的量。
另一選擇係，該冷凍機不能需求流動量，但僅只消耗冷凍劑以滿足冷凍需求，同時一主要控制器監視該冷凍機之操作變數，以決定該冷凍機所需要的冷凍劑之流量。
該壓縮機可為複數可變速壓縮機之一。壓縮機馬達控制器可被裝配，以基於冷凍劑之所決定的量開啟或關掉該複數可變速壓縮機之子集合，以將冷凍劑供給至該複數冷凍機。該壓縮機馬達控制器可進一步被裝配，以所決定之冷凍劑的量之函數決定所開啟的複數可變速壓縮機之子集合的速率，以將冷凍劑供給至該複數冷凍機，並開啟該複數可變速壓縮機之子集合，且亦將一命令送至所開啟的複數可變速壓縮機之子集合，以在所決定之速率運轉。譬如，可具不同運轉速率之多數可變速壓縮機，以滿足需求。在此亦可有在該系統上運轉之固定速率的壓縮機，且該固定速率壓縮機之子集合可被開啟或關掉，以滿足冷凍劑需求。
該電子控制器亦可被裝配，以決定該壓縮機是否能夠隨著用於冷凍劑之總合需求供給該複數冷凍機。如果該壓 縮機係不能夠隨著用於冷凍劑之總合需求供給該複數冷凍機，該控制器可調整該多複數冷凍機內之冷凍機的速率、或減少冷凍劑之分派給該冷凍機，其中該冷凍機中之控制裝置調整該冷凍機之速率。
另外，該電子控制器可被裝配，以由複數低溫的冷凍機獲得一用於冷凍劑之總合需求。再者，該低溫的冷凍機可被包含在低溫泵中。
用於控制冷凍劑之供給的方法包括在一控制器，基於來自複數冷凍機之通訊獲得一用於冷凍劑之總合需求。以該控制器，該方法控制一壓縮機之速率，該壓縮機基於用於該冷凍劑之總合需求將冷凍劑運送至該複數冷凍機。
用於控制冷凍劑之供給的冷凍系統包括複數可變速壓縮機，該壓縮機包含一高壓供給管線及一低壓返回管線。該複數可變速壓縮機被裝配，以供給一冷凍劑至複數冷凍機。一壓縮機控制器基於冷凍劑之需求選擇性地開啟或關掉該複數可變速壓縮機之子集合。
該複數壓縮機可僅只包括二台可變速壓縮機。如果故障條件存在於該二台可變速壓縮機之任一者中，該壓縮機控制系統可將沒有故障條件的可變速壓縮機之速率調整至最大馬達速率。
再者，如果該二台可變速壓縮機兩者為開啟，該壓縮機控制器可被裝配，以決定是否由雙重之可變速壓縮機操作狀態切換至單一可變速壓縮機操作狀態。該壓縮機控制器可進一步被裝配，以計算供給至該複數冷凍機的冷凍劑 之量。如果供給至該複數冷凍機的冷凍劑之所計算量係少於單一壓縮機之定限冷凍劑輸出，該壓縮機控制器可選擇及關掉該二台可變速壓縮機的其中一者。
另外，在增加該可變速壓縮機的速率之後，且將該可變速壓縮機的速率保持在一能夠運送所計算之冷凍劑的量至該複數冷凍機速率，該壓縮機控制器可關掉該二台可變速壓縮機的其中一者。該壓縮機控制器可進一步被裝配，以如果供給至該複數冷凍機的冷凍劑之所計算量係少於該單一壓縮機之定限冷凍劑輸出達一時期，關掉該二台可變速壓縮機的其中一者。
該壓縮機控制器可選擇該二台可變速壓縮機的其中一者，以基於關掉操作之歷史紀錄來關掉。該壓縮機控制器亦可被裝配，以決定該供給壓力及該返回壓力間之差額是否減弱達超過一預定的定限。如果該差壓減弱達超過該預定的定限，該壓縮機控制器可由該單一可變速壓縮機操作狀態切換至雙重之可變速壓縮機操作狀態。
再者，如果該雙重的可變速壓縮機的其中一者被關掉，該壓縮機控制器可被裝配來計算供給至該複數冷凍機之冷凍劑的量。另外，如果供給至該多複數冷凍機的所計算之冷凍劑的量係大於單一壓縮機之定限冷凍劑輸出，該壓縮機控制器可切換至該雙重之可變速壓縮機操作狀態。
該壓縮機控制器可被裝配來切換至該雙重之可變速壓縮機操作狀態，且如果供給至該複數冷凍機的所計算之冷凍劑的量係大於單一壓縮機之定限冷凍劑輸出達一段時 間，開啟該二台可變速壓縮機的其中一者。
該壓縮機控制器可切換至該雙重之可變速率操作狀態及調整該二台可變速壓縮機的速率，以供給該總冷凍劑總合需求至該冷凍機。
於切換至該雙重之可變速率操作狀態中，於該單一可變速率操作狀態期間有效地減少該可變速壓縮機的速率之前，該壓縮機控制器可增加所開啟的可變速壓縮機之速率。
用於控制冷凍劑之供給的方法包括由複數可變速壓縮機供給冷凍劑至複數冷凍機，且基於冷凍劑之需求選擇性地開啟或關掉該複數壓縮機之子集合。
用於控制冷凍劑的供給之冷凍劑系統包括分開的可變速壓縮機。另外，該冷凍劑系統可包括分開的可變速壓縮機，而具有一分開的固定速率壓縮機。另一選擇係，二或更多台壓縮機泵可被裝配在單一壓縮機結構內，在此該泵之至少一者係可變速率的，且每一個泵被控制，有如一分開的壓縮機般。
於根據本發明的一具體實施例中，在此提供有一用於診斷真空零組件之真空性能特徵的方法。該方法包括在該真空零組件的操作期間基於該真空零組件之真空性能特徵自動地偵測一電子訊號，及基於所偵測之電子訊號在一資料網路之上自動地溝通一資料記錄，該資料網路於該真空零組件之操作期間與該真空零組件通訊。該真空性能特徵基於該通訊之資料記錄被自動地診斷。該真空零組件可為一低溫的真空泵、一壓縮機、一渦輪分子泵、一低真空泵、 一水泵、一急冷器、一閥門、一測量儀器、或另一真空零組件。該資料記錄可包含基於一與所偵測之電子訊號有關連的時間之時間戳記。
於相關具體實施例中，所偵測之電子訊號可為一基於低溫的真空泵的冷凍機馬達之增加速率的訊號。自動地偵測該電子訊號可包含偵測該冷凍機馬達之增加速率、於該冷凍機馬達速率中的增加之前偵測該低溫的真空泵之冷凍機階段的溫度中之增加、及偵測用於該冷凍機階段的加熱器之操作的不足，同時發生該冷凍機階段的溫度中之增加。
一方法及對應的冷凍系統有關控制一冷凍劑之供給。一控制器偵測包含至少一台壓縮機之冷凍劑系統的故障，在此該至少一台壓縮機係固定速率及可變速壓縮機的任何組合。於偵測該故障時，該控制器啟始故障回復程序。
該控制器可進一步被裝配來偵測該冷凍劑系統的各元件間之通訊損失。於決定該通訊損失時，該控制器增加該至少一台壓縮機之速率。如果所偵測之故障指示一電流超過預定的定限，該控制器可發出一警告訊號，且逐漸地減少該至少一台壓縮機之速率。如果該電流持續超過該預定的定限，且該至少一台壓縮機之速率係在一最小之定限，該控制器關掉該至少一台壓縮機。
當一故障存在及壓縮機速率中之減少被使用於自該故障回復時，該控制器亦可超控一速率控制演算法。當該壓縮機馬達速率被減少以清除該故障時，該供給及返回管線中的壓力間之壓力差或差值被允許向下低於速率控制所使 用之設定點。清除該故障之故障回復處理將優先於該正常之控制，以維持所界定之壓力差。此外，該控制器可進一步決定馬達是否已達到一大於最大溫度定限的溫度，且如果該溫度係大於該定限，該控制器被裝配來減少該馬達之速率，如果需要，直至達到一最小之速率定限。此外，如果該馬達保持在大於該最大定限之溫度，該控制器可關掉該馬達。
該控制器亦被進一步裝配來決定諸如絕緣閘型二極電晶體(IGBT)之驅動器電晶體是否已達到一大於最大定限的溫度，且如果該溫度係大於該定限，該控制器減少一台與該驅動器電晶體有關連的壓縮機之速率，直至一最小之速率定限被達到。如果該驅動器電晶體保持在大於該最大定限的溫度，該控制器亦可關掉該壓縮機。
該控制器亦可決定一入口或出口水溫度是否超過一定限，且如果該溫度超過該定限，該控制器發出一警告。再者，該控制器決定至少一台熱交換器之溫度是否超過一溫度定限，且如果該溫度超過該溫度定限，該控制器發出一警告。該控制器亦被裝配來關掉與該至少一台熱交換器有關連的一台壓縮機。
如果一包含電子元件之區域的內部周遭溫度係大於一定限溫度，該控制器發出一警告。再者，於另一具體實施例中，超過一台壓縮機可共享一氦氣迴路。於此一方案中，當該氦氣迴路中之壓縮機的其中一者被關掉時，如果一壓力差在一點及時下滑低於一定限，該控制器回頭開啟該壓 縮機，一止回閥故障警告被發出，且該控制器將不會關掉該壓縮機，當作該正常冷凍劑控制製程的一部份，直至該單元被修理。
回應於偵測壓力感測器之損失或故障、或至該感測器的通訊或來自該感測器之通訊的損失，該控制器發出該故障之警告，且在最大速率運轉該壓縮機。另外，該控制器被裝配來決定一壓力差度量是否低於一定限值，且如果該值係低於該定限，該控制器將壓縮機設定至一最大速率。
如果該壓力差度量保持低於該定限值達一預定的時間量，該控制器亦可減少冷凍劑之分派給冷凍機。回應於偵測一無效的壓力感測器，該控制器可將壓縮機設定至一最大速率。該控制器亦可回應於偵測一風扇故障而發出一警告。
回應於偵測壓力供給及壓力返回間之差壓或差值為低於一定限值，該控制器可檢查一冷凍機溫度，以決定該冷凍機是否正維持一特定之溫度。如果該冷凍機正維持該特定之溫度，該控制器決定一壓力感測器中之故障已發生，且將壓縮機設定至一最大速率。
再者，如果該複數壓力感測器之超過一個的壓力感測器正測量一高壓供給管線，且在該壓力感測器的一子集合中偵測到一故障，該控制器可利用複數壓力感測器之至少一個工作壓力感測器當作感測器反饋。另一選擇係，於測量一低壓返回管線及一故障中，如果該壓力感測器之超過一個的壓力感測器在該感測器的一子集合中被偵測，該控 制器可利用至少一個工作感測器當作至一控制系統的感測器輸入。
如果壓縮機回應於所偵測之故障而被關掉，該控制器可回頭開啟該壓縮機，且允許該系統在正常的控制之下操作。如果該壓縮機回應於所偵測之故障而再次被關掉，一故障被發出，且該壓縮機將被允許回來及再次操作。在預定時期內之一預定數目的關機之後，該壓縮機將不被允許重新開啟及一警告被發出。
換句話說，如果在此有一問題，且諸如使該壓縮機慢下來之故障回復補救辦法無法補救該故障，該控制器關掉該壓縮機，且接著重新開啟該壓縮機。此重新開啟順序可被重複。例如，如果該關機及開啟順序(例如重新開機)無法補救該故障，該控制器可關掉該壓縮機。這可在一設定時間內被重複高達三次。如果故障未被補救，則該壓縮機保持關機。
在該壓縮機或壓縮機群組的出口，被放置於冷卻水迴路中或該壓縮機內的個別冷卻迴路中之調溫閥可藉由該裝置減少該總冷卻水流量。用於性能及可靠性，該閥門之溫度設定點將待冷卻之項目維持在安全之位準。這些閥門可被放置於用以冷卻逆流熱交換器以及熱交換器的迴路中，該逆流熱交換器用於冷卻流體，諸如該冷凍劑與潤滑流體，該熱交換器附接至該壓縮機泵及電子元件冷卻板。另外，在至電子元件冷卻板的入口或出口上之調溫閥的使用係欲將用於該電子元件之冷卻板維持在高於一定限，以防 止冷凝。絕熱調溫流量控制閥可被耦接至該冷卻水迴路，以繞著一溫度設定點調整流量，藉此維持所需要之最小量的冷卻水，以將馬達線圈溫度維持在操作規格內。
該控制器亦可被裝配，以控制至少一台可變速壓縮機之速率，該可變速壓縮機基於供給壓力及返回壓力間之壓力差將冷凍劑運送至複數低溫的冷凍機。該控制器亦被裝配來偵測該低溫的冷凍劑系統中之故障。回應於偵測該故障，該控制器啟始故障回復程序。
低溫的冷凍劑系統之另一示範具體實施例可包含至少一台壓縮機，在此該至少一台壓縮機包含可變及固定速率壓縮機之任何組合。該系統亦包含一控制器，該控制器被裝配來監視一供給管線及一返回管線間之壓力差。如果該壓力差係在被考慮為大於一定限值之值(例如一狀態，在此過量之冷凍劑被供給)，該控制器調整該至少一台壓縮機之操作狀態。
於一情形下，該至少一台壓縮機包含一台可變速壓縮機及一台固定速率壓縮機，且在此有過量之冷凍劑供給，導致比正常之壓力差較高及一大於系統定限的壓力差。為了調整該系統，使得該壓力差係於一被考慮為在正常操作條件下之值(例如降低該壓力差至低於該定限值)，該控制器可關掉該固定速率壓縮機，且將該可變速壓縮機之速率調整至一維持冷凍劑之足夠供給至低溫的冷凍機之速率。於另一方案中，在此該可變速壓縮機可為正在一最小速率下運轉，該控制器被裝配來將該可變速壓縮機之速率增加至 一最大速率，且接著關掉該固定速率壓縮機。
該壓力差之定限值可為基於該冷凍劑系統之各元件的組構。一控制器可被裝配來預先儲存該定限值。另一選擇係，該控制器可基於發現該冷凍劑系統之各元件的組構經由發現通訊訊息決定該定限值。
本發明之示範具體實施例的敘述如下。
所有專利、被發表的申請案及在此中所引用之參考案的教導係全部以引用的方式併入本文中。
於討論氦氣管理控制之前，低溫泵操作之討論可證實為有利的。
諸如低溫泵之真空泵被使用於將一真空處理室驅動至接近零壓力。大約10-6至10-9托或甚至更低之接近零壓力係藉由從該真空處理室移除實質上所有該分子所達成。該分子係從該真空處理室經由該低溫泵中之低溫的冷凍機移除。該低溫的冷凍機之一部份被冷卻至接近絕對零度、典型為10K-20K，造成實質上該處理室中之所有該分子冷凝在該低溫陣列上，該低溫陣列係藉由該低溫的冷凍機所冷卻。該低溫陣列典型為一組百葉片及檔版，以於小巧之體積中提供一表面積。該冷凝氣體係因此還原至具有低蒸氣壓力的固體，以致一接近之真空被建立。再者，該低溫陣列可包含一吸附劑物質、諸如木炭，以吸附未冷凝之分子，諸如氫氣、氦氣、及氖氣。該低溫的冷凍機係藉由諸如氦氣之冷凍劑工作流體供給功率，譬如，能夠達成接近絕對 零度的溫度。
低溫泵視其當前操作而定消耗變化量的氦氣。一系列低溫泵被連接至一或更多壓縮機的一共用的壓縮機組，以最大化該可用之氦氣供給。藉由該低溫泵之氦氣消耗被一控制器所監視及調節。藉由監視每一個該低溫泵的各種操作參數，適當之氦氣供給被供給至每一個低溫泵。過量之氦氣被重定向至對低溫泵有利，而該低溫泵能利用該過量之氦氣。稀疏的氦氣被配給，以便維持操作及使有害之效應減至最小。
於一典型之低溫泵的冷凍機中，該工作流體被壓縮；壓縮之熱量係藉由空氣冷卻式熱交換器所移除；該流體係進一步於再生熱交換矩陣中被冷卻；及該氣體係接著膨脹至產生低於該周遭溫度之冷卻。一低溫泵必需在少於絕對溫度20度下有效地操作，以由該真空處理室移除氣體分子。達成此低溫需要使用高效率之熱交換器及諸如氦氣之工作流體，該工作流體在接近絕對零度之溫度保持氣態的。
圖1A顯示該低溫的冷凍機10的內部零件之概要圖。於圖1A之裝置中，氦氣經過一高壓閥門46進入該冷凍機之冷指及經過一低壓閥門48離開。一置換器驅動馬達216驅動置換器207及209分別於該第一階段及第二階段低溫的冷凍機中。該第一階段置換器207包含第一回熱器211，且該第二階段置換器209包含第二回熱器213。熱量係由諸如低溫泵輻射遮蔽板及前方陣列的第一階段熱負載203、及諸如絕對溫度10K-20K的低溫操縱盤之第二階段負載205 所擷取。
一低溫泵之低溫的冷凍機中之壓縮氣體冷凍劑的流動係循環的。於圖1A所顯示之低溫的冷凍機之最基本形式中，壓縮氣體之來源、亦即一台壓縮機係經過入口閥門46連接至汽缸44之第一端部。於排氣管線中之排氣閥門48由第一端部導通至該壓縮機之低壓入口。使置換器207包含一定位在該汽缸之第二、冷端的回熱器211，及使該排氣閥門關上及該入口閥門打開，該汽缸以壓縮之氣體充填。使該入口閥門仍舊打開，該置換器移至該第一端部，以強迫該被壓縮之氣體經過該回熱器至該第二端部，該氣體當其通過該回熱器時被冷卻。當該進氣閥門被關上及該排氣閥門被打開時，該氣體膨脹進入該低壓之排出管線及進一步冷卻。在該第二端部越過該汽缸壁面之結果的溫度梯度造成熱量由該負載流動進入該汽缸內之氣體。使該排氣閥門打開及該入口閥門關上，該置換器接著被移至該第二端部，回頭經過使熱量返回至該冷凍氣體之回熱器來置換氣體，如此冷卻該回熱器，且該循環被完成。於一典型之低溫泵中，該汽缸被稱為一冷指，且其可具有第一階段及第二階段。
為產生用於低溫泵使用所需要之低溫，該進來之氣體必需在膨脹之前被冷卻。該回熱器由該進來之氣體擷取熱量，儲存該熱量，且接著將該熱量釋放至該排出液流。一回熱器係往復流式熱交換器，氦氣於任一方向中交互地通過該熱交換器。該回熱器包括高表面積、高比熱、及低熱 傳導性之材料。如此，如果該氦氣之溫度係較高的，該回熱器將承接來自該氦氣之熱量。如果該氦氣之溫度係較低的，該回熱器將釋放熱量至該氦氣。另一選擇係，該冷指可具有僅只單一階段或超過二階段。
圖1B顯示一包含低溫的冷凍機之低溫泵的局部剖視圖。如在圖1B中所說明，大部份該低溫泵係傳統的。於圖1B中，低溫泵外殼被移除，以暴露置換器驅動器40及十字頭組件42。該十字頭將該馬達40之旋轉運動轉換成往復式運動，以在該二階段被冷指44內驅動置換器。以每一個循環，在壓力之下經過管線47被導入該冷指的氦氣係膨脹並因此被冷卻，以將該冷指維持在低溫的溫度。接著藉由該置換器中之熱交換矩陣所加溫的氦氣係經過管線49排出。
第一階段熱站50被安裝在該冷凍機的第一階段52之冷端。相同地，熱站54被安裝至該第二階段56之冷端。合適之溫度感測器元件58及60被安裝至該熱站50及54的後面。
該主要泵吸表面係一安裝至該散熱器54上之低溫陣列62。此陣列包含如在美國專利第4,555,907號中所之複數盤片，該專利係全部以引用的方式併入本文中。低溫吸附材料被安裝至該陣列62之保護表面，以吸附非凝結性氣體。
杯形輻射遮蔽板64被安裝至該第一階段熱站50。該冷指之第二階段延伸經過該輻射遮蔽板中之一開口。此輻射遮蔽板64圍繞該主要低溫操縱盤陣列至該後面及側面，以使該主要低溫操縱盤陣列藉由輻射的加熱減至最小。該輻 射遮蔽板之溫度範圍可為由低達在該散熱器50之絕對溫度40K至高達鄰接一真空室之開口68的絕對溫度130K。一前方低溫操縱盤陣列70具有用於該主要低溫操縱盤陣列的輻射遮蔽板、及用於較高沸騰溫度氣體、諸如水蒸氣的低溫泵吸表面兩者之作用。此低溫操縱盤包括藉由輪幅狀板件74所接合的同心之百葉片及百葉板72的圓形陣列。此低溫操縱盤70之組構不須被局限至圓形、同心之零組件；但其應被如此配置，以便用作一輻射熱遮蔽板及一較高溫度的低溫泵吸操縱盤，同時提供一用於較低沸騰溫度氣體至該主要低溫操縱盤的路徑。
雖然低溫泵已使用位移驅動機馬達及往復式置換器被敘述，諸如氣壓式或脈衝管冷凍機之另一選擇的冷凍系統可被採用。
圖2顯示一排列之壓縮機，其被使用於供給冷凍劑至低溫泵中的一系列冷凍機。參考圖2，該共用之壓縮機組16包含壓縮機16a-16n，其將氦氣冷凍劑供給至一歧管18。該歧管18係會同該冷凍機控制器215a-215n連接至一系列低溫泵10a-10n。該從屬控制器之每一個控制一置換器驅動器216，該驅動器216驅動一置換器，該置換器當該冷凍劑氣體膨脹時於該冷指中往復移動。該置換器驅動216視其供給之冷凍劑的量而定被使用於調節該泵之冷卻速率。低溫的冷凍系統控制器12(控制器)被連接至控制該置換器驅動器216的冷凍機控制器215a-215n之每一個，且被使用於增加或減少供給至該冷凍機/低溫泵10之冷凍劑的量。該 控制器12可為一硬體電路系統，其被裝配來與個別之壓縮機及低溫裝置通訊，並可被進一步裝配，以管理群組冷凍系統活動、諸如群組再生及氦氣管理。另一選擇係，控制器12可被用作邏輯線路，其可存在於該冷凍系統的任何元件內，諸如在一低溫泵或壓縮機內。該冷凍機/低溫泵10之每一個具有一或多個感測器14a-14n，該感測器提供反饋至該控制器12。藉由接收來自該感測器14之訊號及計算用於每一個泵10的氦氣量需求，該控制器12因此調節連接至其上之所有該低溫泵10，該計算係基於由該感測器14所送出之訊號及由可用來自該歧管的全部氦氣，如將在下面更詳細地被敘述者。另一選擇係，需求可藉由該低溫泵10所計算，且該需求可被送至控制器12。此外，該控制器12係連接至該壓縮機組16中之壓縮機16a-16n的每一個。該系統控制器12由該壓縮機16a-16n的每一個接收供給壓力及返回壓力反饋，且使用該資訊，該控制器12控制該狀態(例如，打開或關掉)及該壓縮機16a-16n的每一個輸出氦氣之速率。
應注意的是一冷凍控制系統係會同一低溫泵中之示範低溫的冷凍機敘述。該冷凍控制系統可會同一用於各種低溫的冷凍機之冷凍劑供給被使用，該冷凍機包含單一及多數階段之裝置。如在此中所敘述之低溫泵可譬如為一水泵，藉由單一階段低溫的冷凍機所冷卻，諸如在美國專利第5,887,438號、標題為“低輪廓成行之低溫水泵”中所揭示者，其全部以引用的方式併入本文中，且被分派給本申 請案之受讓人，或其他氦氣驅動之低溫的裝置。另一選擇係，諸如斯特林、吉福德-麥克馬洪、及脈衝管之低溫的冷凍機可被採用。
視在該低溫泵的冷凍機上之冷卻操作狀態及冷卻需求而定，變化的冷凍劑消耗速率發生。一冷卻下來之操作將該低溫泵之溫度由周遭狀態往下帶至該低溫的溫度，且需要用於該冷凍機之大部分冷凍劑。一旦低溫的操作溫度已被達成，一正常之操作模式維持該溫度，且需要大致上穩定之氦氣流量。一再生操作將該低溫泵加溫，以釋放被累積、冷凝之氣體，且於加溫期間需要極少或無冷凍劑，及同時該低溫泵被加溫。其他因素能影響該冷凍劑消耗速率。於冷卻下來期間，該低溫泵當其變得更冷時逐漸地消耗更多氦氣，而接近正常之操作溫度。在正常之操作溫度下，發生在一附接真空處理室中之真空處理活動可產生熱量，增加維持適當操作溫度所需之熱負載及冷凍作用。
連接至該共用之冷凍劑供給的低溫泵中之所有該冷凍機的總合之冷凍劑消耗速率能被使用來決定一總合之冷凍劑需求。相同地，促成該共用冷凍劑供給的壓縮機或諸壓縮機之冷凍劑可用性能被使用於決定該系統之冷凍劑可用性。如上面所指示，每一個低溫泵之實際消耗速率視各種因素而定所變化。在時間中之一特別點，該系統之冷凍劑可用性能超過該總合之冷凍劑需求，指示該系統中之過量冷凍劑。相同地，如果很多低溫泵正歷史紀錄高冷凍劑消耗之時期，該總合之冷凍需求可超過可用之冷凍劑，指示 著冷凍劑稀疏。
以用於較高效率之增加的需求，可變速壓縮機操作之有效率控制係有幫助的。用於低溫的真空系統，該最佳解決方法係提供該低溫的冷凍機，而僅只具有用於該冷凍機所需要之冷凍劑(氦氣)的量，以維持第一及第二階段溫度。一種解決方法係使該壓縮機變化其速率，以便僅只運送正藉由冷凍機所消耗之冷凍劑的質量流。此操作於該壓縮機之操作成本中導致顯著的節省。
圖3係用於控制冷凍劑之供給至低溫泵中的冷凍機之冷凍系統的方塊圖。需要一冷凍劑之複數冷凍機275被耦接至壓縮機260a-b及低溫泵冷凍機流量需求估計器210a-n。每一個低溫泵流動量估計器210a-n由一冷凍機275a-n接收度量值，該度量值被使用於估計該冷凍機275a-n需求的冷凍劑之量。該低溫泵冷凍機流量需求估計器210a-n可經由直接有線的通訊或無線通訊從該冷凍機接收該度量值。雖然圖3描述一低溫泵系統，於另一選擇具體實施例中，低溫泵可被單階或多階的冷凍機所替換。
另一選擇係，該低溫泵冷凍機流量需求估計器210a-n可為硬體接線至該冷凍機275a-n之處理器，以監視該冷凍機。雖然複數低溫泵冷凍機流量需求估計器210a-n被描述，應注意的是該複數冷凍機275a-n可將該度量值通訊至單一泵流量估計器。
該冷凍機275a-n可採用記錄及追蹤該度量值之感測器。該感測器接著送出該度量值至該低溫泵冷凍機流量需 求估計器210a-n。藉由該低溫泵冷凍機流量需求估計器210a-n所接收之度量值可包含Psupply、Preturn、T1及T2、冷凍機循環速率、冷凍機特定參數、及與每一個冷凍機275a-n有關連之潛在的其他操作參數。該低溫泵冷凍機流量需求估計器210a-n使用該度量值，以計算分別用於每一個冷凍機之估計的冷凍劑需求、或基於總合之計算。
一冷凍劑管理系統220係耦接至該泵流量估計器210a-n及接收通訊，該通訊包含來自該低溫泵冷凍機流量需求估計器210a-n之每一個的所估計之冷凍劑需求。在225，基於來自該低溫泵冷凍機流量估計器210a-n的通訊，該冷凍劑管理器220接著計算用於該冷凍劑之全部總合需求(質量流請求)。
用於冷凍劑所計算之全部總合需求係與其有關連的誤差之估計。譬如，該誤差之範圍可在百分之0-20內的任何位置。由於此可能的誤差，該冷凍劑管理系統220送出所計算之全部總合需求至一冷凍劑供給校正控制器240，以決定供給至該複數冷凍機275a-n之冷凍劑的量。此決定係藉由加總所計算之全部總合需求及一冷凍劑供給校正(質量流校正)所造成。該冷凍劑供給校正控制器240計算如在下面所敘述冷凍劑之供給校正。
使用冷凍劑邏輯線路281，該冷凍劑管理系統220決定該冷凍系統之狀態。譬如，該冷凍系統可在以下狀態的其中一者之中：溫度控制、冷卻下來、或關掉。該冷凍系統之狀態可藉由遍及該冷凍劑系統的感測器之使用所決定。 該控制器可將唯一之數值分派至一訊息，而允許該冷凍系統之零組件得知該系統之狀態，該狀態包含、但不限於故障及操作模式。該冷凍劑供給校正控制器240可藉由一預定因素基於該系統之狀態在225調整該全部總合需求。
該冷凍劑管理系統220亦從低壓返回管線及高壓供給管線經由來自該壓縮機260a-b的反饋迴路接收返回壓力(Preturn)及供給壓力(Psupply)度量值，以決定在哪一方向校正返回壓力設定點。該冷凍劑管理系統220分別由感測器280a及280b接收該Preturn及Psupply度量值，該感測器監視該返回壓力及供給壓力。該感測器280a及280b被分別耦接至Preturn管線及Psupply管線。
該返回壓力設定點計算器282藉由使用來自冷凍劑邏輯線路281的資訊計算該返回壓力設定點，該資訊有關該冷凍系統之狀態及冷凍劑之目前供給是否應該被增加或減少，如上面所述。藉由計算該壓縮機的供給壓力與返回壓力間之差壓，使用該冷凍劑邏輯線路281之冷凍劑管理系統220決定冷凍劑之目前供給是否應該被增加或減少。該差壓僅為該供給壓力及該返回壓力間之差值。該冷凍劑管理系統220經由反饋迴路247及248接收Psupply及Preturn度量值。該冷凍劑邏輯線路281可遍及一時期計算該供給壓力及返回壓力間之平均差值。譬如，該冷凍劑邏輯線路於一段兩分鐘之時間獲得該平均之差值。
一般用於一些低溫的冷凍系統，當該供給壓力係每平方英吋400磅及該返回壓力係每平方英吋200磅時，常態 或靜止之條件發生。在此等條件之下，該冷凍劑管理系統220決定該冷凍劑之供給將保持不變或靜止的，且既不會增加也不會減少。
然而，在此該差壓被決定為少於一較低的差壓定限，譬如在每平方英吋190磅(亦即，該正常之差壓減去一可設置的偏差)，該冷凍劑管理系統220決定該差壓中之大幅減少已經發生，且係在該想要之操作範圍的外側。此一對該冷凍劑管理系統220之大幅減少指示該冷凍機275a-n正承接冷凍劑之不足夠的供給，且該冷凍劑之供給應被增加。反之，在該差壓被決定為大於一上差壓定限之處，譬如，在每平方英吋210磅處，(該正常之差壓加上可設置的偏差)，該冷凍劑管理系統決定在該想要之操作範圍的外側之差壓已經增加。於差壓中之此一增加指示至該冷凍劑管理系統220，該壓縮機正經過一旁通閥門(未示出)運送太多之冷凍劑及浪費冷凍劑，且該冷凍劑之供給應被減少。典型之系統操作(具有在溫度控制中之低溫泵)維持在該上及下差壓定限內的操作。然而，如果在此負載正迅速地改變，質量流需求估計可具有顯著之誤差，或一故障可能已導致諸如一台壓縮機或低溫泵之損失或增益，此校正機構將於一段數分鐘之時間調適，直至該壓縮機運送藉由該泵所需之流量。
一旦該冷凍劑管理系統220決定冷凍劑之供給是否應保持靜止、增加、或減少，使用冷凍劑邏輯線路281之冷凍劑管理系統220決定是否增加或減少一返回壓力設定 點。該返回壓力設定點計算器282由該冷凍劑邏輯線路接收一訊息，該訊息指示該返回壓力設定點是否需要被遞增或遞減。於接收此訊息時，該返回壓力設定點計算器282調整一返回壓力設定點，以控制該低壓返回管線中之返回壓力。
由於該返回壓力波動大致上主控該供給壓力及返回壓力間之差壓中的減弱或增加之事實，該返回壓力被控制，而非供給壓力被控制。這是由於該供給壓力波動大致上係額定的及如此在該差壓上具有最小之衝擊、同時返回壓力波動係顯著的事實。於另一選擇具體實施例中，供給壓力可被監視及控制，而非返回壓力被監視及控制。
經由Preturn設定點計算器282，該冷凍作用供給校正控制器240藉由增加或減少該設定點達一增量值來計算該返回壓力(Preturn)設定點。該Preturn設定點可在該過渡至新的狀態下被初始化，接著經過該冷凍供給校正控制器中之增量被更新。一旦該返回壓力設定點被計算，藉由在231計算該返回壓力設定點及該返回壓力間之差值，該冷凍劑供給校正控制器240計算一返回壓力誤差。該冷凍劑供給校正控制器240經由一返回壓力反饋迴路247接收該返回壓力度量。該冷凍劑校正控制器240接著使用冷凍劑校正控制邏輯線路245及來自冷凍劑管理系統220的冷凍劑總合需求計算該冷凍劑供給校正。該冷凍劑供給校正可被被計算為該控制定律之輸出，而具有該返回壓力誤差當作一輸入(亦即，該返回壓力誤差訊號與控制定律差值方程式之摺積 和)。於此案例中，比例控制邏輯線路係藉由該控制邏輯線路245所採用，在此該冷凍劑供給校正係使用以下之公式來計算：返回壓力比例常數*返回壓力誤差。基於來自該冷凍劑管理系統220之全部總合需求及所計算之冷凍劑供給校正，尤其那些訊號在232之加總，該冷凍劑供給校正控制器240接著決定供給至該冷凍機之冷凍劑的量。如果該系統狀態係亦於冷卻下來中，該校正迴路可被停止作用，如藉由打開開關246所說明。
該冷凍劑供給校正控制器240將供給至該冷凍機275之冷凍劑的量通知一台壓縮機控制器270。基於此通知，壓縮機馬達邏輯線路250決定該複數壓縮機260a-b之操作狀態。該壓縮機控制器270可控制耦接至單一台壓縮機或多數台分開之壓縮機的多數泵之操作狀態。該壓縮機之操作狀態決定若干壓縮機將為開啟及關掉。於一示範具體實施例中，該複數壓縮機260a-b僅只包括二台壓縮機。於此一具體實施例中，該馬達邏輯線路250決定兩台壓縮機是否應該正在操作或是否僅只一台壓縮機應該正在操作。
該壓縮機260a-b被耦接至壓縮機泵馬達230a-b，該馬達230a-b驅動該壓縮機260a-b。該馬達230a-b可操作及經由一旋轉式泵、活塞泵、渦旋泵、或任何其他適當的驅動手段驅動該壓縮機260a-b。
該壓縮機260a-b可為可變速壓縮機，且能夠藉由調整速率而在各種速率供給冷凍劑至該冷凍機，該馬達230a-b在該速率下運轉。至頻率計算器255的一流量決定用於該 壓縮機260a-b的壓縮機馬達230a-b之速率，該壓縮機馬達230a-b被決定為開啟。該壓縮機馬達230a-b之速率可被決定為供給至該冷凍機的冷凍劑之所計算量及該返回壓力的函數。明確來說，頻率=質量流/(絕對溫度K*返回壓力)。
上面之敘述將函數分離成被敘述為控制器之項目。這些函數可被分類成單一控制器或諸控制器之任何組合，以及為分開地位於該低溫泵/低溫的冷凍機系統之一或多個零組件或在該一或多個零組件上。
另一選擇係，如果供給至該冷凍機之冷凍劑的量超過所有該壓縮機在最大容量運轉的容量，該冷凍劑管理控制器220可調整該複數冷凍機之至少一台冷凍機的速率。
不像先前之方式，該目前之冷凍劑供給控制迴路不會倚靠用於主要反饋機構之差壓。反之，該方法利用藉由返回壓力控制所輔助的前饋流量控制(用於冷凍劑的總合需求)。當該差壓在想要之操作範圍的外側漂移時，差壓僅只被使用於對冷凍劑供給提供自適應調整。此等用於此漂移之成因可被歸因於用在冷凍劑之需求估計不佳、或藉由該壓縮機之供給、或該冷凍系統中之冷凍機或壓縮機的損失或增益、或導致快速之冷凍劑需求變化的顯著負載變動。
如上所述，供給冷凍劑之較高效率可為藉由可變速壓縮機之使用所獲得。基於供給至該冷凍機所計算之冷凍劑的量，較高效率位準可為藉由增加該容量以由單一台壓縮機或二台壓縮機供給冷凍劑所獲得。由二台可變速壓縮機之一操作狀態過渡至單一台可變速壓縮機的一操作狀態、 或反之亦然，必需被完成，而不會顯著地影響該供給壓力及該返回壓力間之差值。此外，在諸操作狀態間之切換亦必需以一由該壓縮機維持高階可靠性之方式被做成。
圖4顯示用於決定若干可變速壓縮機以操作的方法400之流程圖。參考圖3，該方法400係於馬達邏輯線路250中被執行。於開始該方法之前，關於兩台同時地運轉之可變速壓縮機的最大容量作出一決定。於步驟410，該方法400開始。在步驟415，壓縮機控制器270接收一命令，以供給一量之冷凍劑。
在步驟420，使用該壓縮機馬達邏輯線路250，其係決定是否以單一台可變速壓縮機運轉或以兩台可變速壓縮機運轉來操作。此決定係藉由決定一過渡之定限所作成，該過渡之定限係藉由決定供給一量之冷凍劑的命令是否大於或少於單一台可變速壓縮機之最大容量所計算。該單一台可變速壓縮機之最大容量可被計算為同時地操作的兩台可變速壓縮機之最大容量的一半。應注意的是此值係一估計值，且由於運轉二台壓縮機同時地減少該直流匯流排電壓的事實，單一台可變速壓縮機之最大容量係稍微地超過兩台壓縮機運轉之最大容量的一半。
在步驟425，馬達邏輯線路250決定該冷凍系統應由雙重可變速壓縮機操作狀態過渡至單一台可變速壓縮機操作狀態。換句話說，其被決定該二台可變速壓縮機的其中一者應該被關掉。如上所述，如果供給一量之冷凍劑的命令係少於單一台可變速壓縮機之最大(定限)容量，此決定被作 成。為說明過渡中由於流量估計值中之雜訊位準的不確定性，如果需要被供給的冷凍劑之量係少於單一台可變速壓縮機的最大容量，該決定可被作成，該單一台可變速壓縮機的最大容量係少於預定之遲滯現象值。譬如，該遲滯現象值可為每分鐘10標準立方英呎(SCFM)。除了使用一遲滯現象值來說明不確定性，其可被要求的是該需求為少於最大容量，而該最大容量少於該遲滯現象值達一預定時期或去除抖動時期。遲滯現象被使用於消除該馬達之經常開啟/關掉循環，該循環將在壓縮機可靠性上具有一不利作用。應注意的是該去除抖動延遲係僅只當關掉一馬達時施加，當開啟一馬達時，很小之延遲被施加。
在步驟435，於一由二台壓縮機操作狀態切換至單一台壓縮機操作狀態的決定時，該馬達邏輯線路250選擇該二台壓縮機之哪一台壓縮機被關掉。此選擇可為基於每一台馬達之關掉的歷史紀錄。譬如，該馬達邏輯線路250可交替於該二台壓縮機之間，具有切換至單一壓縮機操作狀態之每一個決定；交替於馬達之間達一段時期；或在使用任何其他型樣中交替於馬達之間。用以循環於諸壓縮機之間來開啟與關掉的方法確保該功率循環被相等地分享於該二台壓縮機之間，藉此維持高度之可靠性，同時循環地開啟與關掉該壓縮機。
在步驟440，於關掉該選定的壓縮機之前，該非選定的馬達之速率被增加或提升直至一等於或大於所需之速率的速率，以供給所需要之冷凍劑。該之增加速率係需要的， 以確保冷凍劑之足夠供給。在步驟445，該選定的壓縮機被關掉。
在步驟420及425，如果其係決定該冷凍系統應由單一可變速壓縮機操作狀態過渡至雙重可變速壓縮機操作狀態，則該第二台壓縮機被開啟。如上所述，如果該供給一量之冷凍劑的命令係大於單一台可變速壓縮機之最大(定限)容量，此決定被作成。為說明過渡中之不確定性，如果該冷凍劑之量係大於單一台可變速壓縮機之最大容量，該決定可被作成。另外，如果該冷凍劑之量超過該定限值達一段很短的預定時間，以確保冷凍劑之足夠供給至該冷凍機，由單一台壓縮機狀態切換至雙重壓縮機狀態的決定可僅只被作成。
在步驟450，於切換至單一台壓縮機操作之決定時，該壓縮機控制器270開啟該第二台可變速壓縮機。在步驟455，該方法400向上提升該被開啟的壓縮機之速率，且允許該被開啟的馬達停止。在步驟460，該方法400終止。
有利地是，該方法400允許壓縮機由在最小速率的單一台壓縮機運轉開動至在全速的二或更多台壓縮機運轉；譬如用於單一台壓縮機的35赫茲運轉至在70赫茲的二台壓縮機運轉。這允許用於供給冷凍劑至冷凍機之較大的變化性及範圍。該方法400亦可被使用於固定速率及可變速壓縮機之任何組合。此外，當該冷凍劑需求係藉由一台可變速壓縮機所供給時，至少一台固定速率壓縮機可被關掉。
另一選擇係，此相同之操作方法可被應用至單一台壓 縮機結構中之超過一台的壓縮機泵。當需求為低時，在該結構內之一台壓縮機泵能保持操作，而代替運轉所有該壓縮機泵。於低需求之時期間，關掉一或多台壓縮機泵同時使該結構內的一或多台其他壓縮機泵持續操作以滿足氦氣需求之容量，在能量效率中提供顯著的改良。
圖5A-D係曲線圖，當切換於一台及二台壓縮機或壓縮機泵操作之間時，說明典型之冷凍劑流量對所請求的流量，如上面參考圖4所敘述。圖5A說明一用於高電壓或低電壓的曲線圖，而具有一延伸式操作之頻率範圍方案。圖5B-C說明用於低電壓(無延伸之範圍)方案的曲線圖。於這些範例中，在該第二馬達被開啟/關掉之點，有所請求之線性函數對實際流量的中斷。用於圖5A-5C中之線性函數的中斷係由於單一台壓縮機之全部容量可為少於二台壓縮機的最小容量之事實。由於導致圖5A中之單一台壓縮機的較大最大操作速率之不同的電源供給及壓縮機馬達驅動電路，於圖5A中之線性函數中的中斷係比於圖5B-C中者較小。圖5D係一表格，說明在圖5C之每一個參考點處的冷凍系統之狀態。
如上所述，圖5A說明一用於高電壓方案之曲線圖。該曲線圖繪製在該y軸上之實際流量對在該x軸上之請求流量。此外，在曲線圖之每一點，該二台可變速壓縮機之每一台的速率或頻率被顯示。點A及B說明該冷凍系統的一狀態，在此僅只該二台可變速壓縮機之其中一台被開啟及操作。這是藉由將第二頻率顯示為0所說明。點C說明一 點，在此需要作成至二台可變速壓縮機狀態之過渡。如所顯示由一台壓縮機移動至二台壓縮機，4.8 SCFM之遲滯現象確保該過渡僅只當一請求流量係大於100 SCFM時發生。反之，在點D，可作成一決定，以由二台壓縮機狀態移動至單一台壓縮機狀態。在此，如果該請求流量係少於100 SCFM，遲滯現象確保僅只發生該過渡。點E及F說明一方案，在此該壓縮機正在二台壓縮機狀態中運轉。點E顯示一方案，在此該二台壓縮機兩者係在最小容量下運轉，而點F顯示一方案，在此該二台壓縮機兩者係在最大容量下運轉。
圖5B說明一用於在208 VAC的低電壓(無延伸之頻率範圍)方案的曲線圖。該曲線圖繪製在該y軸線上之實際流量對在該x軸線上之請求流量。此外，在該曲線圖之選定點，該二台可變速壓縮機之每一台的速率或頻率被顯示。圖5B係類似於圖5A，然而，由於單一台壓縮機之全部容量係少於二台壓縮機的最小容量及此差值在無延伸之頻率範圍電路系統的低電壓方案中為較大的事實，由一台壓縮機過渡至二台壓縮機及由二台壓縮機過渡至一台壓縮機狀態發生在一不同請求流量。
圖5C係類似於圖5B，且說明一用於在180 VAC之低電壓方案的曲線圖。該曲線圖繪製在該y軸線上之實際流量對在該x軸線上之請求流量。此外，在該曲線圖之選定點，該二台可變速率馬達之每一台的速率或頻率被顯示。該曲線圖之點A-F基於用於冷凍劑之請求流量及實際流量 說明一冷凍系統之狀態。此外，該曲線圖說明該系統中之每一個壓縮機的狀態。圖5D參考圖5C中之每一點A-F，並顯示用於每一台壓縮機的請求流量、實際流量、及頻率之值。
圖6顯示一用於決定操作壓縮機之速率的方法600之流程圖。參考圖3，該方法600係藉由至頻率計算器255之流程所進行。在步驟605，該方法開始。在步驟610，至頻率計算器255之流程由包含資訊的壓縮機馬達邏輯線路接收一命令，該資訊有關待運轉的壓縮機之數目及供給至該冷凍機之冷凍劑的量。此外，在步驟615，至頻率計算器255之流程經由該返回壓力反饋迴路接收返回壓力度量值。
在步驟620，至頻率計算器255之流程基於在步驟610及615所接收之資訊計算該二台壓縮機將運轉的速率。此計算採用組合該理想氣體定律：PV=nRT及用於體積流量率之公式：V=壓縮機體積測定式效率常數(K)*該壓縮機之速率(頻率(F))。組合該二方程式及對於頻率解出產生該方程式F=質量流/(K*返回壓力)。
然而，僅只請求該(等)壓縮機在一頻率F運轉未能產生‘F’之實際速率。這可為由於藉由該(等)壓縮機所採用之馬達的型式。譬如，如果該(等)壓縮機使用一同步之交流電馬達，此方程式係一樣地校正，然而，如果一交流電感應馬達被使用，解出用於頻率的上面方程式可需要被補償用於感應馬達轉差率。如此，該頻率計算器必需命令該壓縮機在比將在上面被計算者較高的頻率下運轉。感應馬達轉 差率可使用在該技藝中已知的任何習知方法被估計。在步驟625，至頻率計算器255之流程送出一驅動訊號至該(等)壓縮機泵，以在基於所使用之馬達的型式來調整之所計算的頻率(速率)驅動該馬達。在步驟630，該方法終止。
應注意的是該壓縮機可在相同速率或不同速率下運轉。壓縮機馬達在相同速率運轉，以消除在不同頻率跳動之問題，並減少機械震動及聽得見的噪音。如果該壓縮機泵係在相同之機架中，操作頻率可為相同的，以消除在不同頻率的跳動。然而，分開的壓縮機可為在不同速率下運轉。當為分開的壓縮機建立操作頻率時，頻率之選擇亦可視該個別壓縮機之操作效率特徵而定。蓄能器亦可被使用於使跳動之效應減至最小。
此外，至頻率計算器225之流程可被裝配，以計算在單一台壓縮機系統內的多數機械式壓縮泵之速率。譬如，並非決定分開的壓縮機所運轉之速率，至頻率計算器225之流程可決定在單一台壓縮機系統內的多數機械式壓縮泵之速率。另一選擇係，用於具有多數分開的壓縮機之冷凍機系統，至頻率計算器225之流程可被裝配，以決定該多數分開的壓縮機之速率。該多數分開的壓縮機可為多數可變速壓縮機或可變速壓縮機及固定速率壓縮機之組合。
變化壓縮機速率以達成用於上面所敘述之低溫的真空泵系統及低溫的冷凍系統之高能量效率的方法，依賴冷凍劑流量需求及該系統的返回壓力之組合，以建立該壓縮機所需要之冷凍劑供給。該壓縮機及壓縮機泵之速率及操作 狀態係藉由該低溫的冷凍作用/低溫泵之被校正的總合流量需求所決定。另外，該返回壓力可不需要在較小系統中被校正。
用於變化壓縮機速率之另一選擇方法可包含利用藉由冷凍劑管理邏輯線路所界定之全部冷凍劑需求。該壓縮機速率可被變化，以正好滿足用於冷凍劑之未校正的總合需求。當在操作條件的範圍之下，該系統上之冷凍機的冷凍劑需求需要被準確地得知時，此控制之方法很好地工作。演算法可被施行，以利用此用於壓縮機速率控制之資訊。
直接地獨自基於返回壓力測量之控制冷凍劑供給可被施行，當作控制來自一或多台壓縮機/壓縮機泵的冷凍劑之機制。該壓縮機/壓縮機泵之操作速率或狀態將基於所測量之返回壓力被增加或減少。再者，查找表或輸出演算法可被使用於一控制迴路中。因為冷凍劑質量流係直接地與返回氣體密度(壓力)有關，不足之流量係藉由返回壓力中之上昇所指示，且過量之流量係藉由返回壓力中之下滑所指示。該壓縮機速率可被控制，以將返回壓力維持在一指定之範圍內，並在可變之冷凍劑需求環境內確保適當的冷凍劑被供給。
於另一示範方法中，於具有旁通閥門的旁通迴路中之冷凍劑流量的直接測量可被作成。該旁通迴路中之過量的冷凍劑流量指示供給至該整個系統之過量的流量。如果該測量指示此一過量，該壓縮機速率可被調整，以在該旁通迴路內維持一小的過量冷凍劑流量。
另外，一馬達驅動式旁通閥門可被提供，而替代一彈簧力量驅動式閥門。再者，藉由在該閥門中定位流量調節構件允許該旁通迴路中之冷凍劑流量的間接測量。該壓縮機速率可接著基於閥門位置(旁通流量率)被調整，以使旁通流量減至最小。
此外，對於這些解決方法之任一者，在最大速率超過該返回壓力時，該冷凍劑管理邏輯線路可重新分配可用之氦氣，藉此將返回壓力降低至一可接收的程度。
具有質量流控制的壓縮機之變化性
一方法及對應的冷凍系統有關能夠使一具有質量流控制之壓縮機系統與利用諸如氦氣之冷凍劑的任何系統介接。這包含一來自現存CTI低溫系統、諸如OnBoard®與OnBoard®IS低溫泵和冷凍機之冷凍劑流量控制、以及由其他製造商控制一或多台壓縮機與壓縮機及冷凍機/低溫泵的彈性。固定速率及可變速壓縮機兩者可被以任何組合來組合，只要在此至少有一台可變壓縮機存在。以組合之多數壓縮機，除了變化具有可變速率容量的壓縮機之速率及操作狀態以外，固定速率壓縮機可視需求而定被開啟與關掉。
使用返回壓力及差壓允許一台壓縮機連接至任何冷凍劑系統，並控制冷凍劑之質量流，而沒有由該系統接收資料。該控制演算法未能如冷凍劑需求之前饋般迅速地反應，但係更具彈性，因為在此無需由該冷凍系統接收通訊。以前饋，冷凍劑消耗可被直接地以SCFM之單位或以冷凍機變數的形式提供，該冷凍機變數能被使用於估計該冷凍 劑質量流消耗。另外，冷凍消耗/需求的前饋可被獨自地使用或會同返回壓力或差壓使用。
該壓縮機及該低溫泵/冷凍機間之介面係由二零件所構成，即該實體介面及該資料介面。為了彈性，以下之實體介面的至少一種可被採用：RS-232串口、位總線(Bitbus)以容納布魯克斯舊有產品(Brooks legacy products)、乙太網路卡、及設備網(DeviceNet)。如需要，該電子架構使其本身輕易地帶至新介面之加入(譬如，一子卡)。用於該資料介面，該壓縮機必需得知多少冷凍劑被該系統所消耗。就低溫泵中之冷凍機的情況而言，基於馬達速率、T1、T2、Tambient、Psupply、Pretum、及被界定用於特定之低溫泵冷凍機的若干常數之組合，這能藉由該冷凍劑流量估計器210a-n所估計。另一選擇係，該質量流控制演算法基於由該低溫泵冷凍機所返回之資料估計該冷凍劑消耗。當作一範例，於OnBoard®IS中，一台壓縮機係能夠控制冷凍劑直接地供給至冷凍機。OnBoard®與P300低溫泵冷凍機亦可藉由透過Gold Link、該網路介面端子(NIT)、或其他手段存取T1及T2溫度所控制。其他冷凍機及冷凍機/低溫泵通訊之特徵記述亦被使用，以能夠通訊、建立冷凍機常數及取得該需要之操作參數，諸如馬達速率、T1、T2、及壓力。此外，該壓縮機係進一步能夠經由乙太網路控制低溫泵。使用者可程式設定之映成表可被使用來映射於未知或非通訊的壓縮機及低溫泵/冷凍機中，及由主機或其他性能監視系統建立或獲得冷凍機之操作參數、或具有預設值。
圖7顯示一用於如上面所述地控制冷凍劑之供給的冷凍系統之方塊圖。例如，如上面所述，利用諸如氦氣之氣相冷凍劑，圖7說明用於能夠以質量流控制使一台壓縮機與任何系統介接之方法及對應的冷凍系統。
可變速壓縮機之自適應功率管理
用於該壓縮機的最大速率被建立，以保護該壓縮機不會在過量電流條件中操作。典型之現存過量電流保護主要係保護免於短期過量電流條件。過量電流保護之第一等級係該電流短時脈衝波干擾電路，其保護免於交叉傳導型電流尖脈衝、亦即遍及數毫秒發生之很大電流(於此案例中，該發現及關掉兩者在硬體中發生)。此電流等級通常係藉由該電力裝置之最大脈衝電流所決定。過量電流保護的下一等級在保護免於藉由過量電流所造成之熱故障之軟體中發揮作用。這是比該短時脈衝波干擾慢，但仍然頗為快速。但在此於此短期過量電流之熱及該連續運轉電流之間仍然有一顯著的間隙。該連續電流限制目前係僅只藉由估計該最大速率所保持，該馬達可在僅只基於在直流匯流排電壓下運轉。另一選擇係，電流反饋可被使用來限制該速率，使得該壓縮機不會超過該電流限制。當該壓縮機僅只基於該直流匯流排電壓依靠該最大速率之估計時，其使用該標準之操作供給及用於該系統之返回壓力。於高壓脈管冷凍機系統中，該壓力係每平方英吋400磅重之供給壓力及每平方英吋200磅重的返回壓力。然而，該值能為使用者可程式化設定。當在封閉迴路(主動)模式中操作時，標準操作 之供給及返回壓力的使用大致上係一良好之假設，然而當在固定速率模式中操作時，這不是一有效之假設。於另一選擇之控制方法中，基於差壓、壓縮機特徵、及上限值的最大操作速率之計算被使用於減少該馬達速率，以保護該壓縮機不遭受一過量電流條件。獨自在所允許之最大速率的計算中、或在與差壓計算組合中，限制電流之額外的控制方法可包含返回壓力之使用，在該差壓計算之上，該操作速率將被減少，以減少該壓縮機之電流。
如果由於電流反饋之校正超過一定限(例如5赫茲)，則一警告旗標將被設定，以指示“由於過量電流之過度的速率減少”。故該壓縮機將持續在減少之速率下操作，但將提出一警告，該警告指示速率被減少，以防止一過量電流條件。
一方法有關控制一台壓縮機馬達線圈中之最大功率耗散，以及限制藉被驅動器電路所允許的最大電流。該最大功率及電流之控制係重要的，以防止該馬達之過熱以及防止對該驅動器電路及連接器造成損壞。此功率管理必需為自適應式，在此其能補償操作壓力及直流匯流排電壓中之變化、以及馬達電流中之變化。
因為電流及功率為馬達速率之函數，馬達速率被使用於限制電流及功率。壓縮機馬達之最大速率係因此基於該最大允許的連續運轉電流及該壓縮機中所耗散之最大功率所決定。當在固定速率模式中操作時，最大馬達速率係基於直流匯流排電壓、差壓及返回壓力被估計。較高的直流 匯流排電壓產生較高的最大馬達速率，而較高的差壓或較高的返回壓力產生較低的最大速率。於高返回壓力或差壓存在之案例中，該壓縮機控制器必需於最大速率中提供一直接之減少，以消除提升至一高電流。於主動模式中，最大速率係基於直流匯流排電壓所決定，並預期該封閉迴路響應將處理大壓力偏差。且最後，在用於固定速率之任一主動模式中，該二台馬達之最大電流隨時超過該最大之連續運轉電流，該最大速率將在諸如每分鐘0.6赫茲之緩慢速率被減少，直至該過量電流狀態被修正。該馬達電流可被直接地測量。如果該“由於馬達過量電流之最大速率校正”超過此5赫茲之預設值的總和，一警告將被發出，以通知該主機在此已有顯著之速率減少，以適應一過量電流狀態。任何時候，如果峰值電流超過該電力裝置之最大脈衝電流，一硬體過量電流故障係使馬達關機。
因此，馬達速率隨時被減少，在此有過度之馬達電流。相同地，最大馬達速率隨時被增加，而該馬達被命令在最大速率運轉，且該二台馬達之最大電流係同時低於一定限值。該最大馬達速率係接著在諸如每分鐘0.6赫茲之緩慢速率增加，直至該電流不足條件被修正。且最後，由於馬達過量電流係大於零而隨時造成該最大速率校正，在此有另一最大馬達速率校正：其暗示所估計之最大馬達速率已由於過量電流而被減少。於此案例中，一很慢之漂移總是被施加至該最大馬達速率，諸如每分鐘0.03赫茲之漂移，直至該過量電流保護係零。這段長時間的防止啟動瞬間之堆 積產生低的最大速率。
另外，被動及主動功率因素校正可被使用於三相可變速壓縮機。
用於使低頻震動減至最小之壓縮機控制策略
於真空系統設計中，尤其用於壓縮機，震動及聲音控制係十分重要的。震動可在該壓縮機零組件及在該環境兩者上導致不利的作用。過度之震動能造成該壓縮機系統內側之零件過早疲勞，造成一可靠性問題。震動能以二方式影響該環境，首先為聽得見之噪音、與其次通過任何實體之連接、諸如該地板及外部管路連接所傳送之震動。所有轉動式機械裝置將產生其旋轉式頻率之諧波，而具有顯然為該最強分量之基諧波；源自這些諧波之震動必需被控制，但這暗示你不需擔憂在該基諧波頻率以下的震動。然而，當將多數壓縮泵組合成單一台壓縮機系統時，該各種泵之拍頻(該差頻的一半)產生子諧波之震動，其通常可為會引起阻礙的，且係遠較難以衰減。於下文處理此問題。
於具有多數機械式壓縮泵之單一台壓縮機系統中，該等多數泵可被控制，以作用當作單一單元。非相同值之旋轉式頻率能在子諧波拍頻造成震動，現在大幅地增加頻率之範圍，而遍及該頻率控制震動。為消除此困難性，該個別泵之控制必需為使得所有泵正在該相同之輸入頻率下操作(實際操作頻率由於從馬達至馬達之滑移變動而稍微變動)。藉由提供相同之PWM訊號至該系統內之所有泵，該控制方案確保所有泵由相同之PWM頻率操作。
用於可變速壓縮機之可變冷卻
可變速壓縮機遍及操作速率之範圍產生變化量之熱。較高的操作速率產生更多熱量及需要更多冷卻。滿足高速操作之高需求的冷卻水流量將在低速操作條件下導致浪費之冷卻水流量。通過該冷卻迴路中之調溫閥的使用，一方法及對應的冷凍系統有關使藉由該壓縮機所使用之冷卻水減至最小。
在該壓縮機或壓縮機群組之出口或於該壓縮機內的個別冷卻迴路中，放置於該冷卻水迴路中之調溫閥可藉由該裝置減少該總冷卻水流量。用於性能及可靠性，該閥門之溫度設定點將維持該項目在安全等級被冷卻。這些閥門可被放置於用於冷卻逆流熱交換器的迴路中，用以冷卻諸如該冷凍劑與潤滑流體之流體，以及附接至該壓縮機泵及電子元件冷卻板的熱交換器。另外，在至電子元件冷卻板的入口或出口上，調溫閥之使用將用於該電子元件之冷卻板維持在一定限之上，以防止冷凝。絕熱調溫流量控制閥可被耦接至該冷卻水迴路，以環繞著一溫度設定點調整流量，藉此維持所需要之最小量的冷卻水，以將馬達線圈溫度維持在操作規格內。該調溫閥可為被設定至適當之定限的被動式蠟閥。另一選擇具體實施例依靠主動、機電控制方法，其固有地減少可靠性、增加能量消耗、及減少成本。這些包含脈衝式電磁閥之使用，以動態地控制水流量。水過濾器可被應用在該輸入。
故障偵測及回復
一方法及對應的冷凍系統有關故障偵測及回復。譬如，如上面所敘述之冷凍系統可被修正，以監視壓縮機最大馬達電流中之趨勢，以有助於預測馬達故障之開始，將加速計增加至壓縮機及泵馬達，以有助於說明軸承損壞、監視在第二階段加熱器資料中之趨勢以說明第二階段磨損、及監視冷卻下來之資料以有助於預測諸如滲漏的泵問題。
使真空系統(壓縮機及泵)關機之故障能妨礙系統處理，並可導致半導體製造設備之昂貴的工具作業中斷時間。藉由施行故障容差及系統診斷、及藉由自動操作系統回復，一台壓縮機已裝配來保護其本身免於遭受損壞、減少故障之風險、及防止非預定的的作業中斷時間。
本發明之具體實施例能夠使壓縮機及低溫泵不斷地監視若干輸入訊號，包含電流、電壓、壓力、水溫、第一及第二階段泵溫度、壓縮機及低溫泵速率等，以便報告不合宜之操作條件。當不樂見之條件發生時，該整個系統協調各作用，以便使該引起問題的情況之衝擊減至最小。該作用之進程的範圍可在由沒有性能損失之使用者警告訊息至單一台壓縮機馬達的損失之任何位置，而強迫該系統在降級的容量下運轉，以完成該製程。然而，壓縮機或低溫泵關機被考慮為該絕對之最後手段，且僅只當無其他選項為可能時做成。
警告被用於讓一使用者注意不樂見之條件、諸如低差壓或低交流電輸入電壓。於此狀態中，該系統將持續起作 用在接近全滿容量。如果該警告係暫時的，其能以設備將諸如輸入功率之可能的問題通知該使用者。如果該警告之成因係未知且持續的，該使用者將在造成一故障之前得知安排維修。
故障係更嚴重及將大致上導致一具有系統性能之所引起的損失之泵或低溫馬達的關機。譬如，用於具有二台壓縮機泵之壓縮機，當一台馬達有故障時，該第二台馬達係提升直至其最大速率，以提供儘可能多之冷凍劑來補償。氦氣管理器220接著企圖將該系統調適成一減少之氦氣分配。雖然該系統之最大容量被切成兩半，這通常係足以完成該製程，直至維修能被安排。
故障回復係儘量地使你所遇到的為最佳故障之機制。在故障回復之最低等級，於一故障已造成馬達關機之後，該故障持續被監視，且當其被排除時，該馬達將被重新開啟，並於希望該故障係藉由不可能被重複之瞬時條件所造成中。如果一指定數目之故障發生在某一段時間內，為防止故障及重試間之不斷的循環，一馬達將被永久地閂鎖。在較高等級的故障回復之範例係藉由氦氣管理器220所採取之作用，以向下調整低溫泵速率，而意圖允許該系統以更少之氦氣操作。
系統錄誌可被使用，以捕捉及記錄每一個警告及故障事件，藉此提供額外之診斷能力及事後的故障分析。
本發明之具體實施例利用一階層式方式，在此故障被偵測及在一冷凍系統架構中之各種等級採取行動。故障被 分成二種一般之類別，即那些涉及單一零組件(壓縮機或低溫泵)之類別及那些涉及該整個真空系統的類別。譬如，來自一台壓縮機或低溫泵冷凍機馬達的過量電流或過溫之故障將僅只影響那台馬達，並可導致該零組件之損失。在另一方面，氦氣差壓之損失係一可導致該整個系統之功能性損失的故障。故障被進一步分成為故障及警告，在此警告被使用於提供一可不需立即行動之潛在問題的通知。在故障被偵測及在行動被採取的各種等級指示你是在哪一控制階層。該更多時間之重要故障通常係在該較低等級下處理，在此直接及立即反應係重要的。
範例故障偵測等級係如下：
等級0：硬體等級，硬體直接地反應至一故障，同時提供故障資訊至該處理器(例如地面故障電路中斷器故障、馬達過量電流故障)。
等級1：嵌入式微處理器/DSP等級，在此DSP偵測及對一故障反應(例如馬達熱故障)。大部分壓縮機與低溫裝置問題係在此等級被偵測，且在此等級企圖達成某一量之故障回復。
等級2：應用及通訊處理器等級(例如ARM 9)故障通常暗示一具有該機板之硬體的故障，其範圍可由一記憶體問題至一有關該很多通訊介面的其中一者之問題。用於該壓縮機及低溫裝置之故障回復通常係在此等級被做成，在此該處理器嘗試由等級0或等級1故障回復，有時候僅只藉由重試操作。
等級3：這是該系統控制器處理等級，在此該製程能充份利用整個系統知識來輔助故障回復。譬如，如果該壓力感測器的其中一者係有故障且指示該差壓已減弱至低於每平方英吋50磅，則在等級2，該系統將被告知關機，然而，在等級3，如果該泵指示它們正維持溫度，則在此沒有理由關機，且一很昂貴之關機已僅只轉變成一維護巡修，以替換該壓力感測器。
下面之表1說明用於一台壓縮機的階層式故障偵測及回復方法之範例。視該特別之故障型式及故障作用等級而定，該表輸入列出各種故障作用。作用範圍係由偵測至企圖回復。
於另一選擇具體實施例中，達到一最大溫度定限(例如過溫)條件的馬達之故障型式的偵測可造成一控制器逐漸地減少該馬達之速率，直至該馬達(例如壓縮機)達到一最小之速率定限。故障可被儲存在一故障偵測裝置內，或可當作一警告被發出至其他系統零組件。
下面之表2說明用於一台低溫泵的階層式故障偵測及 回復方法之範例。視該特別之故障型式及故障作用等級而定，該表輸入列出各種故障作用。作用範圍係由偵測至企圖回復。
圖8係一圖表，說明用於一冷凍系統中之馬達故障的階層式故障偵測及回復之範例。視該特別之故障型式及故障作用等級而定，該表輸入列出各種故障作用。作用範圍係由偵測至企圖回復。於某些方案中，在冷凍系統中之故障可造成該系統中之通訊損失。如此，為了防止冷凍劑之 不足夠供給的方案，本發明之具體實施例開啟所有壓縮機，並將所有該壓縮機的速率設定至一最大速率。
圖9A-F係圖表，說明用於一冷凍系統中之系統故障的階層式故障偵測及回復之範例。視該特別之故障型式及故障作用等級而定，該表輸入列出各種故障作用。作用範圍係由偵測至企圖回復。
雖然本發明已被特別顯示及參考其示範具體實施例敘述，其將被那些熟諳該技藝者所了解，即形式與細節中之各種變化可在其中被作成，而未從藉由所附申請專利所涵蓋之本發明的範圍脫離。
該前文將由本發明之示範具體實施例的以下之更特別敘述變得明顯，如於所附圖面中所顯示，其中遍及該不同視圖，類似參考字母參考意指該相同之零件。該圖面係不須按照一定比例的，代替地強調說明本發明之具體實施例。
圖1A係典型先前技藝之低溫的冷凍機之概要說明；圖1R顯示一包含圖1之低溫的冷凍機之典型先前技藝低溫泵的局部剖視圖；圖2顯示被連接至複數低溫泵及壓縮機之低溫的冷凍系統主控制器之方塊圖；圖3顯示用於控制一冷凍劑之供給的冷凍系統之方塊圖；圖4顯示一用於決定許多可變速壓縮機來操作的方法之流程圖； 圖5A-D係曲線圖，說明當在一及二台馬達操作之間切換時，典型之冷凍劑(氦氣(He))流量對所請求之He流量；圖6顯示一用於決定操作壓縮機之速率的方法之流程圖；及圖7係用於控制一冷凍劑之供給的冷凍系統之方塊圖。

Claims (65)

  1. 一種用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，該方法係用在一低溫冷凍系統中，其中被一控制器控制的複數個壓縮機在一供給壓力提供氦氣冷凍劑到複數低溫冷凍機，所述複數低溫冷凍機將氦氣冷凍劑膨脹以吸熱形成冷卻效果，並且在一返回壓力下將氦氣冷凍劑返回至壓縮機，該方法包括：在所述控制器，接收來自該複數低溫冷凍機的通訊，該通訊指示用於氦氣冷凍劑之需求：決定用於該複數低溫冷凍機之用於氦氣冷凍劑之總合需求；偵測來自該壓縮機的供給壓力；偵測通往至該壓縮機的返回壓力；在所述控制器，根據偵測的供給壓力以及返回壓力之間的差，計算氦氣冷凍劑供給校正；根據藉由該氦氣冷凍劑供給校正所校正之用於氦氣冷凍劑之總合需求，測定供給至低溫冷凍機之氦氣冷凍劑的量；以該控制器，控制將氦氣冷凍劑運送至該複數低溫冷凍機的至少一個壓縮機之速率，以運送所測定的氦氣冷凍劑的量。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，進一步包括：選擇性開啟或關掉該複數壓縮機，以運送所測定的氦氣冷凍劑的量。
  3. 如申請專利範圍第1項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，進一步包括：開啟或關掉該複數壓縮機，以運送所測定的氦氣冷凍劑的量，並且基於該複數壓縮機之開啟與關掉的歷史紀錄，選擇特定的壓縮機以被開啟或關掉。
  4. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括藉由僅只使用直流匯流排電壓來估計馬達之最大速率而決定電流限制。
  5. 如申請專利範圍第1項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中控制該至少一個壓縮機之速率包含基於馬達電流反饋來控制該至少一個壓縮機的速率。
  6. 如申請專利範圍第1項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括基於該至少一個壓縮機中所耗散之最大電流及最大功率來決定該至少一個壓縮機的最大速率。
  7. 如申請專利範圍第1項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中該至少一個壓縮機包含至少一台固定速率壓縮機及至少一台可變速壓縮機。
  8. 如申請專利範圍第1項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括複數可變速壓縮機。
  9. 如申請專利範圍第1項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中計算該氦氣冷凍劑供給校正包含決定一返回壓力設定點。
  10. 如申請專利範圍第9項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括基於該返回壓力設定點及該返回壓力之比較來決定一返回壓力誤差。
  11. 如申請專利範圍第10項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括基於該返回壓力誤差來計算該氦氣冷凍劑供給校正。
  12. 如申請專利範圍第1項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中該壓縮機包含複數可變速壓縮機及固定速率壓縮機。
  13. 如申請專利範圍第1項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括：決定該至少一個壓縮機是否能夠以所測定之氦氣冷凍劑的量供給該複數低溫冷凍機；及如果該至少一個壓縮機係未能夠以所測定之氦氣冷凍劑的量供給該複數低溫冷凍機，在該複數低溫冷凍機內調整一低溫冷凍機之速率。
  14. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中該複數低溫冷凍機被包含在低溫泵中。
  15. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中該複數壓縮機包含僅只二台可變速壓縮機。
  16. 如申請專利範圍第15項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括：如果該二台可變速壓縮機為開啟，決定是否切換至單一台可變速壓縮機操作狀態。
  17. 如申請專利範圍第15項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中如果一故障條件存在於該雙重可變速壓縮機之任一者中，將沒有故障條件的可變速壓縮機之速率調整至最大馬達速率。
  18. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中如果清除壓縮機中之故障條件，重新開啟一與該壓縮機有關連的馬達。
  19. 如申請專利範圍第15項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括：如果所測定之氦氣冷凍劑的量係少於一定限，選擇及關掉該二台可變速壓縮機的其中一者。
  20. 如申請專利範圍第15項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括在關掉所選擇的可變速壓縮機之前，藉由增加將被保持在能夠運送所計算之氦氣冷凍劑的供給至該複數低溫冷凍機之速率的可變速壓縮機之速率，而關掉所述二台可變速壓縮機的其中一者。
  21. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括藉由選擇二台可變速壓縮機的其中一者，以基於關掉之歷史紀錄來關掉，而關掉該二台可變速壓縮機的其中一者。
  22. 如申請專利範圍第15項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括在關掉所述二台可變速壓縮機的其中一者時，決定該供給壓力及該返回壓力間之差值是否減弱達超過一預定的定限，且如果該差壓減弱達超過該預定的定限，由單一台可變速壓縮機操作狀態切換至兩台可變速壓縮機操作狀態。
  23. 如申請專利範圍第15項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中如果該二台可變速壓縮機的其中一者被關掉，且如果所測定之欲被供給之氦氣冷凍劑的量係大於單一台壓縮機之定限氦氣冷凍劑輸出，切換至兩台可變速壓縮機操作狀態。
  24. 如申請專利範圍第15項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括藉由調整該二台可變速壓縮機之速率，以將所計算之氦氣冷凍劑的量供給至該低溫冷凍機，而切換至兩台可變速率操作狀態。
  25. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括：關掉一台固定速率壓縮機，同時持續以一台可變速壓縮機操作。
  26. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，進一步包含：在所述控制器，偵測低溫冷凍系統中之故障；及於偵測該故障時，啟動故障回復程序。
  27. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，另包括：偵測其中一個壓力感測器的故障或者該低溫冷凍系統的各元件間之通訊損失；及於決定該故障或是該通訊損失時，增加由控制器所決定之該至少一台壓縮機之速率。
  28. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中如果一壓縮機電流超過一預定的定限，逐漸地減少至少一台所述壓縮機之速率。
  29. 如申請專利範圍第1至3項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，其中如果一壓縮機電流超過一預定的定限，且至少一台所述壓縮機之速率係在最小定限，關掉至少一台所述壓縮機。
  30. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的方法，進一步包含：在一耦接至冷卻水迴路之調溫流量控制閥處，繞著一溫度設定點調整流量，並維持所需要之最小量的冷卻水，以將馬達線圈溫度維持在該至少一台可變速壓縮機之操作規格內。
  31. 一種用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，該系統包括：至少一個壓縮機，該至少一個壓縮機包含一高壓供給管線及一低壓返回管線，該至少一個壓縮機供給氦氣冷凍劑；複數低溫冷凍機，其被結合至該至少一個壓縮機，以由該供給管線承接氦氣冷凍劑及使氦氣冷凍劑返回至該返回管線；一供給壓力感測器，其偵測該供給管線上的供給壓力；一返回壓力感測器，其偵測該返回管線上的供給壓力；一系統控制器，其包含：一氦氣冷凍劑管理系統，其接收來自該複數低溫冷凍機之通訊，該通訊指示用於氦氣冷凍劑之需求，並且該氦氣冷凍劑管理系統決定用於該複數低溫冷凍機之用於氦氣冷凍劑的總合需求；以及一氦氣冷凍劑供給校正控制器，其根據偵測到的供給壓力以及偵測到的返回壓力之間的差，計算氦氣冷凍劑供給校正，並且根據藉由該氦氣冷凍劑供給校正所校正之用於氦氣冷凍劑之總合需求，測定供給至低溫冷凍機的氦氣冷凍劑的量；以及一壓縮機控制器，其控制至少一個壓縮機之速率，該至少一個壓縮機運送氦氣冷凍劑到複數個低溫冷凍機以運送所測定的氦氣冷凍劑的量。
  32. 如申請專利範圍第31項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中：該壓縮機控制器開啟或關掉該複數可變速壓縮機，以運送所測定的氦氣冷凍劑的量。
  33. 如申請專利範圍第31項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中：該壓縮機控制開啟與關掉複數可變速壓縮機，並且根據該複數可變速壓縮機之開啟與關掉的歷史紀錄選擇欲被開啟或關閉的特定之壓縮機。
  34. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，另包括至少一台固定速率壓縮機。
  35. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，另包括一返回壓力設定點計算器，其基於一項決定而決定一返回壓力設定點，以增加或減少該氦氣冷凍劑之供給。
  36. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該氦氣冷凍劑供給校正控制器決定返回壓力設定點及返回壓力間之誤差，並且進一步基於該返回壓力設定點及該返回壓力間之誤差計算該氦氣冷凍劑供給校正。
  37. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，另包括至少一台固定速率壓縮機。
  38. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該壓縮機控制器：決定該至少一個壓縮機是否能夠供給氦氣冷凍劑的量；及如果該至少一個壓縮機係未能夠以氦氣冷凍劑的量供給該複數低溫冷凍機，該控制器i)在該複數低溫冷凍機內調整一低溫冷凍機之速率，或ii)減少氦氣冷凍劑分派給該複數低溫冷凍機。
  39. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該氦氣冷凍劑管理系統獲得用於來自複數低溫冷凍機之氦氣冷凍劑的總合需求。
  40. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該低溫冷凍機與個別之低溫泵相關連。
  41. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該複數壓縮機僅只包含二台可變速壓縮機。
  42. 如申請專利範圍第41項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，另包括：如果一故障條件存在於所述二台可變速壓縮機之任一者中，該壓縮機控制器將沒有故障條件的可變速壓縮機之速率調整至最大馬達速率。
  43. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中：如果供給至該低溫冷凍機之所測定的氦氣冷凍劑的量係少於單一台壓縮機之定限氦氣冷凍劑輸出，該壓縮機控制器選擇及關掉所述二台可變速壓縮機的其中一者。
  44. 如申請專利範圍第41項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該壓縮機控制器在關掉所選擇的可變速壓縮機之前，藉由增加將被保持在能夠運送所測定之氦氣冷凍劑的量至該複數低溫冷凍機之速率的可變速壓縮機之速率，而關掉該二台可變速壓縮機的其中一者。
  45. 如申請專利範圍第41項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中如果供給至複數低溫冷凍機所測定之氦氣冷凍劑的量係少於該單一台壓縮機之定限氦氣冷凍劑輸出達一時期，該壓縮機控制器關掉該所述二台可變速壓縮機的其中一者。
  46. 如申請專利範圍第41項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該壓縮機控制器基於關掉之歷史紀錄來選擇關掉該所述二台可變速壓縮機的其中一者。
  47. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該系統控制器決定供給壓力及返回壓力間之差值是否減弱達超過一預定的定限，且如果該差壓減弱達超過該預定的定限，該壓縮機控制器由單一台可變速壓縮機操作狀態切換至雙重可變速壓縮機操作狀態。
  48. 如申請專利範圍第41項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中如果所述二台可變速壓縮機的其中一者被關掉，並且如果所計算的供給至該低溫冷凍機之氦氣冷凍劑的量係大於單一台壓縮機之定限氦氣冷凍劑輸出，該壓縮機控制器切換至該雙重可變速壓縮機操作狀態。
  49. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中如果所計算的供給至該複數低溫冷凍機之氦氣冷凍劑的量係大於單一台壓縮機之定限氦氣冷凍劑輸出達一段時間，藉由開啟二台可變速壓縮機的其中一者，該壓縮機控制器切換至雙重可變速壓縮機操作狀態。
  50. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該壓縮機控制器藉由調整二台可變速壓縮機之速率而切換至雙重可變速率操作狀態，以將全部氦氣冷凍劑總合需求供給至該低溫冷凍機。
  51. 如申請專利範圍第31至33項之任一項的用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該壓縮機控制器於一單一可變速率操作狀態期間，在主動減少該可變速壓縮機的速率之前，藉由增加被開啟的可變速壓縮機之速率，切轉換至該雙重可變速率操作狀態。
  52. 如申請專利範圍第31至33項中任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該系統控制器偵測該低溫冷凍系統中之故障；及於偵測到該故障時，啟動故障回復程序。
  53. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該系統控制器進一步：偵測其中一個壓力感測器的故障或是該氦氣冷凍劑系統的各元件間之通訊損失；及於偵測該故障或是該通訊損失時，增加該至少一台壓縮機之速率。
  54. 如申請專利範圍第52項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中如果所偵測之故障指示一壓縮機電流超過預定的定限，該控制器逐漸地減少該至少一台壓縮機之速率。
  55. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該控制器進一步決定一馬達是否已達到一大於最大溫度定限之溫度，且如果該溫度係大於該定限，則該控制器減少該馬達之速率。
  56. 如申請專利範圍第55項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中如果該馬達保持在大於該最大定限之溫度且壓縮機係在最小速率定限，該控制器關掉該馬達。
  57. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該控制器決定一驅動電晶體是否已達到大於最大定限之溫度，且如果該溫度係大於該定限，則該控制器減少與該驅動器電晶體有關連的壓縮機之速率，直至達到最小之速率定限。
  58. 如申請專利範圍第57項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中如果該驅動器電晶體保持在大於該最大定限之溫度，且該至少一個壓縮機係在最小速率定限，該控制器關掉該驅動器電晶體。
  59. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中如果超過一台壓縮機正操作及分享相同的氦氣迴路，且當該壓縮機的其中一者被關掉時，該壓力差下滑在一定限以下，該控制器回頭開啟該壓縮機。
  60. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中在偵測一壓力感測器之損失或故障、或至該感測器或來自該壓力感測器的通訊之損失時，該系統控制器將該壓縮機之速率運轉至最大速率。
  61. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該控制器決定一該壓力差是否在定限值以下，且如果該值係在該定限以下，該控制器將該壓縮機設定至最大速率。
  62. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中如果該壓力差保持在一定限值以下達一段預定之時間量值，該系統控制器減少氦氣冷凍劑之分派給低溫冷凍機。
  63. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該控制器：對偵測該壓力差係在一定限值以下作出回應，檢查一低溫冷凍機溫度，以決定該低溫冷凍機是否正維持一特定之溫度；及如果該低溫冷凍機正維持該特定之溫度，該控制器決定一壓力感測器中之故障已經發生，並將壓縮機設定至最大速率。
  64. 如申請專利範圍第31至33項之任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中該系統控制器：基於該壓力差，關掉一台固定速率壓縮機，同時持續以一台可變速壓縮機操作。
  65. 如申請專利範圍第31至33項中任一項之用於控制氦氣冷凍劑之供給的低溫冷凍系統，其中被一控制器控制的複數個壓縮機在一供給壓力下提供氦氣冷凍劑到複數低溫冷凍機，所述複數低溫冷凍機將氦氣冷凍劑膨脹以吸熱形成冷卻效果，並且在一返回壓力下將氦氣冷凍劑返回至壓縮機，進一步包括：耦接至冷卻水迴路之調溫流量控制閥，其繞著一溫度設定點調整流量，並維持所需要之最小量的冷卻水，以將馬達線圈溫度維持在該至少一台可變速壓縮機之操作規格內。
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