JP5943865B2 - クライオポンプシステム、クライオポンプシステムの運転方法、及び圧縮機ユニット - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプシステム並びにその運転方法、及び、クライオポンプシステムへの使用に適する圧縮機ユニットに関する。

ヘリウム圧縮機の可変速モータの回転数をインバータで制御して、ヘリウム圧縮機の容量を変更することが知られている。この圧縮機は膨張式冷凍機に高圧のヘリウムガスを供給する。

特開２００５−８３２１４号公報

モータ回転数の制御範囲はモータの仕様によって制限される。そのため、圧縮機の容量は、制限された範囲で変更可能であるにすぎない。

極低温冷凍機の主要な用途の１つにクライオポンプがある。最近では、ウエハの大口径化を背景として、大型のクライオポンプが使用されることがある。また、省エネルギーやコスト低減のために、１台の圧縮機に対し複数台のクライオポンプが設けられることがある。複数台のクライオポンプは通例、ある大型装置の複数の場所に取り付けられ、同時に運転される。大型のクライオポンプまたは複数台のクライオポンプすべてを高出力で運転することができるよう作動ガスの最大流量は充分に大きい必要がある。その一方で、作動ガスの最小流量は、１台のクライオポンプを低出力で運転することができるよう充分に小さいことが望まれる。このように、クライオポンプシステムには広い作動ガス流量範囲が求められる。クライオポンプシステムに要求される作動ガスの流量制御範囲が圧縮機の容量制御範囲を超えてしまうかもしれない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、拡大された作動ガスの流量制御範囲を有するクライオポンプシステム、そうしたクライオポンプシステムの運転方法、及び、それらシステム及び方法での使用に適する圧縮機ユニットを提供することにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプと、前記クライオポンプのための作動ガスの圧縮機と、前記圧縮機の運転周波数を制御するよう構成されている制御装置と、前記クライオポンプと前記圧縮機とを接続するガスラインと、前記ガスラインの作動ガス量を、少なくとも第１ガス量と第２ガス量とに切り換えるよう構成されているガス量調整部と、を備え、前記ガスラインが第１ガス量を有するとき、前記運転周波数の制御可能範囲は作動ガスの第１流量範囲を与え、前記ガスラインが第２ガス量を有するとき、前記制御可能範囲は作動ガスの第２流量範囲を与え、前記第２流量範囲は前記第１流量範囲と非重複部分を有することを特徴とするクライオポンプシステムが提供される。

本発明のある態様によると、クライオポンプの運転中に前記クライオポンプのための圧縮機の運転周波数を制御することと、前記制御することの間に、前記クライオポンプと前記圧縮機とを循環する作動ガス量を第１ガス量から第２ガス量に調整することと、を備え、前記第１ガス量の作動ガスが循環するとき、前記運転周波数の制御可能範囲は作動ガスの第１流量範囲を与え、前記第２ガス量の作動ガスが循環するとき、前記制御可能範囲は作動ガスの第２流量範囲を与え、前記第２流量範囲は前記第１流量範囲と非重複部分を有することを特徴とするクライオポンプシステムの運転方法が提供される。

本発明のある態様によると、極低温装置のための作動ガスの圧縮機ユニットであって、圧縮機と、前記圧縮機の運転周波数を制御するよう構成されている圧縮機コントローラと、前記圧縮機と前記極低温装置とを循環する作動ガス量を、少なくとも第１ガス量と第２ガス量とに切り換えるよう構成されているガス量調整部と、を備え、第１ガス量の作動ガスが循環するとき、前記運転周波数の制御可能範囲は作動ガスの第１流量範囲を与え、第２ガス量の作動ガスが循環するとき、前記制御可能範囲は作動ガスの第２流量範囲を与え、前記第２流量範囲は前記第１流量範囲と非重複部分を有することを特徴とする圧縮機ユニットが提供される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システム、プログラムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、拡大された作動ガスの流量制御範囲を有するクライオポンプシステム、そうしたクライオポンプシステムの運転方法、及び、それらシステム及び方法での使用に適する圧縮機ユニットを提供することができる。

本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステムのための制御装置の構成の概略を示すブロック図である。 本発明のある実施形態に関連して、クライオポンプシステムの運転方法を説明するためのフローチャートである。 本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステムの運転方法を説明するためのフローチャートである。 本発明のある実施形態に係る運転圧力調整を概念的に説明するための図である。 本発明のある実施形態に係る運転圧力調整処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係る運転圧力調整を概念的に説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係るクライオポンプシステムの全体構成を模式的に示す図である。

図１は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステム１００の全体構成を模式的に示す図である。クライオポンプシステム１００は、真空チャンバ１０２の真空排気をするために使用される。真空チャンバ１０２は、真空処理装置（例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の半導体製造工程で用いられる装置）に真空環境を提供するために設けられている。

クライオポンプシステム１００は、１台又は複数台のクライオポンプ１０を備える。クライオポンプ１０は、真空チャンバ１０２に取り付けられて、その内部の真空度を所望のレベルにまで高めるために使用される。

クライオポンプ１０は、冷凍機１２を備える。冷凍機１２は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの極低温冷凍機である。冷凍機１２は、第１ステージ１４及び第２ステージ１６を備える二段式の冷凍機である。

冷凍機１２は、１段膨張室を内部に画定する第１シリンダ１８と、１段膨張室に連通する２段膨張室を内部に画定する第２シリンダ２０と、を備える。第１シリンダ１８と第２シリンダ２０とは直列に接続されている。第１シリンダ１８はモータハウジング２１と第１ステージ１４とを接続し、第２シリンダ２０は第１ステージ１４と第２ステージ１６とを接続する。第１シリンダ１８及び第２シリンダ２０にはそれぞれ、互いに連結される第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が内蔵されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの内部には蓄冷材が組み込まれている。

冷凍機１２のモータハウジング２１には、冷凍機モータ２２と、ガス流路切替機構２３とが収容されている。冷凍機モータ２２は、第１及び第２ディスプレーサ、及びガス流路切替機構２３のための駆動源である。冷凍機モータ２２は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサのそれぞれが第１シリンダ１８及び第２シリンダ２０の内部を往復動可能とするように第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサに接続されている。

ガス流路切替機構２３は、１段膨張室及び２段膨張室での作動ガスの膨張を周期的に繰り返すために作動ガスの流路を周期的に切り替えるよう構成されている。冷凍機モータ２２は、ガス流路切替機構２３の可動バルブ（図示せず）を正逆運転可能とするように当該バルブに接続されている。可動バルブは例えばロータリーバルブである。

モータハウジング２１には、高圧ガス入口２４及び低圧ガス出口２６が設けられている。高圧ガス入口２４はガス流路切替機構２３の高圧流路の末端に形成され、低圧ガス出口２６はガス流路切替機構２３の低圧流路の末端に形成されている。

冷凍機１２は、高圧の作動ガス（例えばヘリウム）を内部で膨張させて第１ステージ１４及び第２ステージ１６に寒冷を発生させる。高圧作動ガスは圧縮機ユニット５０から高圧ガス入口２４を通じて冷凍機１２に供給される。このとき、冷凍機モータ２２は、高圧ガス入口２４を膨張室につなぐようガス流路切替機構２３を切り替える。冷凍機１２の膨張室が高圧作動ガスで満たされると、冷凍機モータ２２は膨張室を低圧ガス出口２６につなぐようガス流路切替機構２３を切り替える。作動ガスは断熱膨張し、低圧ガス出口２６を通じて圧縮機ユニット５０へと排出される。ガス流路切替機構２３の動作に同期して、第１及び第２ディスプレーサは膨張室を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで第１ステージ１４及び第２ステージ１６が冷却される。

第２ステージ１６は第１ステージ１４よりも低温に冷却される。第２ステージ１６は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１ステージ１４は例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。第１ステージ１４には第１ステージ１４の温度を測定するための第１温度センサ２８が取り付けられており、第２ステージ１６には第２ステージ１６の温度を測定するための第２温度センサ３０が取り付けられている。

冷凍機１２は、冷凍機モータ２２の逆転運転により、いわゆる逆転昇温を提供するよう構成されている。冷凍機１２は、ガス流路切替機構２３の可動バルブを上述の冷却運転と逆方向に作動させることにより、作動ガスに断熱圧縮を生じさせるよう構成されている。こうして得られる圧縮熱で冷凍機１２は第１ステージ１４及び第２ステージ１６を加熱することができる。

クライオポンプ１０は、第１クライオパネル３２と、第２クライオパネル３４と、を備える。第１クライオパネル３２は第１ステージ１４に熱的に接続されるよう固定され、第２クライオパネル３４は第２ステージ１６に熱的に接続されるよう固定されている。第１クライオパネル３２は熱シールド３６とバッフル３８とを備え、第２クライオパネル３４を包囲する。第２クライオパネル３４は表面に吸着剤を備える。第１クライオパネル３２はクライオポンプハウジング４０に収容されており、クライオポンプハウジング４０の一端はモータハウジング２１に取り付けられている。クライオポンプハウジング４０の他端のフランジ部が真空チャンバ１０２のゲートバルブ（図示せず）に取り付けられる。クライオポンプ１０それ自体は、任意の公知のクライオポンプであってもよい。

クライオポンプシステム１００は、圧縮機ユニット５０と、作動ガス回路７０と、を備える。圧縮機ユニット５０は、作動ガス回路７０に作動ガスを循環させるために設けられている。作動ガス回路７０は、クライオポンプ１０と圧縮機ユニット５０とを接続するガスライン７２を備える。ガスライン７２は、クライオポンプ１０及び圧縮機ユニット５０を含む閉じた流体回路である。

圧縮機ユニット５０は、作動ガスを圧縮するための圧縮機５２と、圧縮機５２を動作させるための圧縮機モータ５３と、を備える。また、圧縮機ユニット５０は、低圧作動ガスを受け入れるための低圧ガス入口５４と、高圧作動ガスを放出するための高圧ガス出口５６と、を備える。低圧ガス入口５４は低圧流路５８を介して圧縮機５２の吸入口に接続され、高圧ガス出口５６は高圧流路６０を介して圧縮機５２の吐出口に接続されている。

圧縮機ユニット５０は、第１圧力センサ６２と、第２圧力センサ６４と、を備える。第１圧力センサ６２は低圧作動ガスの圧力を測定するために低圧流路５８に設けられ、第２圧力センサ６４は高圧作動ガスの圧力を測定するために高圧流路６０に設けられている。なお、第１圧力センサ６２及び第２圧力センサ６４は、圧縮機ユニット５０の外部において作動ガス回路７０の適切な場所に設けられていてもよい。

ガスライン７２は、圧縮機ユニット５０からクライオポンプ１０に作動ガスを供給するための高圧ライン７６と、クライオポンプ１０から圧縮機ユニット５０に作動ガスを戻すための低圧ライン７８とを備える。高圧ライン７６は、クライオポンプ１０の高圧ガス入口２４と圧縮機ユニット５０の高圧ガス出口５６とを接続する配管である。低圧ライン７８は、クライオポンプ１０の低圧ガス出口２６と圧縮機ユニット５０の低圧ガス入口５４とを接続する配管である。

圧縮機ユニット５０は、クライオポンプ１０から排出された低圧作動ガスを、低圧ライン７８を通じて回収する。圧縮機５２は、低圧作動ガスを圧縮し、高圧作動ガスを生成する。圧縮機ユニット５０は、高圧作動ガスを、高圧ライン７６を通じてクライオポンプ１０へと供給する。

作動ガス回路７０は、ガスライン７２の作動ガス量を調整するためのガス量調整部７４を備える。以下では、ガスライン７２に収容されている作動ガスの物質量（モル）または質量を「ガス量」と呼ぶことがある。

ガス量調整部７４は、バッファ容積、例えば少なくとも１つのストレージタンク８０を備える。ガス量調整部７４は、ストレージタンク８０とガスライン７２との接続流路を選択するための流路選択部８２を備える。流路選択部８２は、少なくとも１つの制御弁を備える。ガス量調整部７４は、ストレージタンク８０を流路選択部８２に接続するためのタンク流路８４を備える。

また、ガス量調整部７４は、低圧ライン７８へとストレージタンク８０から作動ガスを流出させるためのガス補給路８６と、高圧ライン７６からストレージタンク８０に作動ガスを流入させるためのガス回収路８８と、を備える。ガス補給路８６は、流路選択部８２を低圧ライン７８の第１分岐部９０に接続し、ガス回収路８８は、流路選択部８２を高圧ライン７６の第２分岐部９２に接続する。

流路選択部８２は、補給状態と回収状態とを選択可能に構成されている。補給状態においては、低圧ライン７８とストレージタンク８０との間でガス補給路８６を通じて流体流通可能である一方、高圧ライン７６とストレージタンク８０との間で流体流通不能である。回収状態においては、逆に、高圧ライン７６とストレージタンク８０との間でガス回収路８８を通じて流体流通可能である一方、低圧ライン７８とストレージタンク８０との間で流体流通不能である。

流路選択部８２は、図示されるように、例えば三方弁を備える。三方弁の３つのポートがそれぞれ、タンク流路８４、ガス補給路８６、ガス回収路８８に接続されている。こうして、流路選択部８２は、タンク流路８４をガス補給路８６に接続して補給状態をとり、タンク流路８４をガス回収路８８に接続して回収状態をとることができる。

ガス量調整部７４は、圧縮機ユニット５０に付属して設けられており、圧縮機ユニット５０の一部を構成するとみなされる。ガス量調整部７４は圧縮機ユニット５０に内蔵されていてもよい。代案として、ガス量調整部７４は圧縮機ユニット５０とは別体に構成され、ガスライン７２の任意の場所に設置されてもよい。

クライオポンプシステム１００は、その運転を司るための制御装置１１０を備える。制御装置１１０は、クライオポンプ１０（または圧縮機ユニット５０）と一体に又は別体に設置されている。制御装置１１０は、例えば、各種演算処理を実行するＣＰＵ、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ、入出力インターフェース、メモリ等を備える。制御装置１１０は、こうした構成を備える公知のコントローラを用いることができる。制御装置１１０は、単一のコントローラで構成されていてもよいし、各々が同一のまたは異なる機能を奏する複数のコントローラを含んでもよい。

図２は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステム１００のための制御装置１１０の構成の概略を示すブロック図である。図２は、本発明のある実施形態に関連するクライオポンプシステム１００の主要部分を示す。

制御装置１１０は、クライオポンプ１０（即ち冷凍機１２）、圧縮機ユニット５０、及びガス量調整部７４を制御するために設けられている。制御装置１１０は、クライオポンプ１０の運転を制御するためのクライオポンプコントローラ（以下では、ＣＰコントローラとも呼ぶ）１１２と、圧縮機ユニット５０の運転を制御するための圧縮機コントローラ１１４と、を備える。

ＣＰコントローラ１１２は、クライオポンプ１０の第１温度センサ２８及び第２温度センサ３０の測定温度を表す信号を受信するよう構成されている。ＣＰコントローラ１１２は、例えば、受信した測定温度に基づいてクライオポンプ１０を制御する。この場合例えば、ＣＰコントローラ１１２は、第１（又は第２）クライオパネル３２（３４）の目標温度に第１（又は第２）温度センサ２８（３０）の測定温度を一致させるように冷凍機１２の運転周波数を制御する。運転周波数に応じて冷凍機モータ２２の回転数が制御される。

圧縮機コントローラ１１４は、ガスライン７２に圧力制御を提供するよう構成されている。圧力制御を提供するために、圧縮機コントローラ１１４は、第１圧力センサ６２及び第２圧力センサ６４の測定圧力を表す信号を受信するよう構成されている。圧縮機コントローラ１１４は、圧力測定値を圧力目標値に一致させるように圧縮機５２の運転周波数を制御する。運転周波数に応じて圧縮機モータ５３の回転数が制御される。

また、圧縮機コントローラ１１４は、ガス量調整部７４の流路選択部８２を制御するよう構成されている。圧縮機コントローラ１１４は、例えば圧縮機５２の運転周波数などの入力に基づいて上述の補給状態または回収状態を選択し、選択結果に応じて流路選択部８２を制御する。圧縮機ユニット５０及びガス量調整部７４の制御の詳細については図４ないし図６を参照して後述する。

図３は、本発明のある実施形態に関連して、クライオポンプシステム１００の運転方法を説明するためのフローチャートである。この運転方法は、クライオポンプ１０の準備運転（Ｓ１０）と、真空排気運転（Ｓ１２）と、を含む。真空排気運転が、クライオポンプ１０の通常運転である。準備運転は、通常運転に先行して実行される任意の運転状態を含む。ＣＰコントローラ１１２は、この運転方法を適時に反復して実行する。

準備運転（Ｓ１０）は例えば、クライオポンプ１０の起動である。クライオポンプ１０の起動は、クライオポンプ１０が設置される環境温度（例えば室温）から極低温にクライオパネル３２、３４を冷却するクールダウンを含む。クールダウンの目標冷却温度は、真空排気運転のために設定される標準的な運転温度である。その標準運転温度は上述のように、第１クライオパネル３２については例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度の範囲から、第２クライオパネル３４については例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度の範囲から、選択される。

準備運転（Ｓ１０）は、クライオポンプ１０の再生であってもよい。再生は、今回の真空排気運転の終了後に、次回の真空排気運転の準備のために実行される。再生は、第１及び第２クライオパネル３２、３４を再生するいわゆるフル再生、または第２クライオパネル３４を再生する部分再生である。

再生は、昇温工程、排出工程、及び冷却工程を含む。昇温工程は、上記の標準運転温度よりも高温である再生温度にクライオポンプ１０を昇温することを含む。フル再生の場合、再生温度は例えば室温またはそれよりいくらか高い温度である（例えば約２９０Ｋないし約３００Ｋ）。昇温工程のための熱源は例えば、冷凍機１２の逆転昇温、及び／または冷凍機１２に付設されるヒータ（図示せず）である。

排出工程は、クライオパネル表面から再気化した気体をクライオポンプ１０の外部へ排出することを含む。再気化した気体は、必要に応じて導入されるパージガスとともにクライオポンプ１０から排出される。排出工程においては、冷凍機１２の運転は停止されている。冷却工程は、真空排気運転を再開するためにクライオパネル３２、３４を再冷却することを含む。冷却工程は、冷凍機１２の運転状態としては、起動のためのクールダウンと同様である。

準備運転期間はクライオポンプ１０のダウンタイム（つまり、真空排気運転の休止期間）にあたるため、なるべく短いことが好ましい。一方、通常の真空排気運転は標準運転温度を保つための定常的な運転状態である。そのため、通常運転に比べて準備運転は、クライオポンプ１０（即ち冷凍機１２）への負荷が大きくなる。例えば、クールダウン運転は通常運転よりも高い冷凍能力を冷凍機１２に要求する。同様に、逆転昇温運転は高い昇温能力を冷凍機１２に要求する。よって、たいていの場合、準備運転において冷凍機モータ２２は、かなり高い回転数（例えば、許容される最高の回転数の近傍）で運転される。

クライオポンプ１０の準備運転に並行して、圧縮機ユニット５０の準備運転が行われてもよい。圧縮機ユニット５０の準備運転は、本発明のある実施形態に係るガス量調整のための準備動作を含んでもよい。この準備動作は、ストレージタンク８０の圧力を初期圧に復元するためのリセット動作を含んでもよい。この初期圧は、作動ガス回路７０への作動ガスの封入圧にあたる。

リセット動作のために、圧縮機コントローラ１１４は、圧縮機ユニット５０の運転が停止されガスライン７２の高圧と低圧とが概ね均一化されているときに、ストレージタンク８０をガスライン７２に開放する。こうして圧縮機ユニット５０の高圧と低圧との中間圧にストレージタンク８０を復元することができる。準備動作は、冷凍機１２の運転停止期間（例えば、再生の排出工程）に行われる。

真空排気運転（Ｓ１２）は、真空チャンバ１０２からクライオポンプ１０へ向かって飛来する気体分子を、極低温に冷却されたクライオパネル３２、３４の表面に凝縮又は吸着により捕捉する運転状態である。第１クライオパネル３２（例えばバッフル３８）には、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）が凝縮される。バッフル３８の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はバッフル３８を通過して熱シールド３６へと進入する。第２クライオパネル３４には、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えばアルゴンなど）が凝縮される。第２クライオパネル３４の冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、第２クライオパネル３４の吸着剤に吸着される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバ１０２の真空度を所望のレベルに到達させることができる。

図４は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプシステム１００の運転方法を説明するためのフローチャートである。図４に示される方法は、圧縮機ユニット５０の運転に関連する。この運転方法は、圧力制御（Ｓ２０）と、運転圧力調整（Ｓ２２）と、を含む。圧縮機コントローラ１１４は、この運転方法を適時に反復して実行する。

圧力制御（Ｓ２０）は、調整された作動ガス量のもとで、圧力測定値を圧力目標値に一致させるように圧縮機５２の運転周波数を制御する処理である。この圧力制御は、クライオポンプ１０の準備運転または真空排気運転に並行して継続的に実行される。

圧力目標値は例えば、圧縮機５２の高圧と低圧との差圧の目標値である。この場合、圧縮機コントローラ１１４は、第１圧力センサ６２の測定圧と第２圧力センサ６４の測定圧との差圧を差圧目標値に一致させるように圧縮機５２の運転周波数を制御する差圧一定制御を実行する。なお圧力目標値は、圧力制御の実行中に変更されてもよい。

圧力制御によれば、冷凍機１２の所要ガス量に応じて圧縮機モータ５３の回転数を適切に調整することができるので、クライオポンプシステム１００の消費電力の低減に役立つ。また、差圧によって冷凍機１２の冷凍能力が決まるので、差圧一定制御によれば、冷凍機１２を目標の冷凍能力に維持することができる。よって、差圧一定制御は、冷凍機１２の冷凍能力の維持とシステムの消費電力低減とを両立できるという点で、クライオポンプシステム１００に特に好適である。

代案として、圧力目標値は、高圧目標値（または低圧目標値）であってもよい。この場合、圧縮機コントローラ１１４は、第２圧力センサ６４（または第１圧力センサ６２）の測定圧を高圧目標値（または低圧目標値）に一致させるように圧縮機モータ５３の回転数を制御する高圧一定制御（または低圧一定制御）を実行する。

運転圧力調整（Ｓ２２）は、圧縮機ユニット５０の運転圧力を調整する処理である。運転圧力調整（Ｓ２２）の一例は図５及び図６を参照して後述する。

運転圧力調整は、圧縮機ユニット５０の吐出流量を制御するために行われる。圧縮機ユニット５０の吐出流量は、圧縮機５２の行程容積、圧縮機モータ５３の回転数、圧縮機ユニット５０の吸入圧力に依存する（概ね比例する）。運転圧力調整は、これらの吐出流量に影響する因子のうち圧縮機５２の吸入圧力を変更することに相当する。

運転圧力は、ガスライン７２の作動ガス量（すなわち、クライオポンプ１０と圧縮機ユニット５０とを循環するガス量）を変えることによって調整される。ガスライン７２の容積は実質的に一定である。よって、ガスライン７２のガス量を減少させると運転圧力は低下する。逆に、ガスライン７２のガス量を増加させると運転圧力は増加する。

まず、図５を参照して、本実施形態に係る運転圧力調整を概念的に説明する。図５の縦軸は運転圧力（圧縮機ユニット５０の吸入圧力）を表す。運転圧力はガスライン７２のガス量によって決まるので、図５の縦軸はガス量を表すとも言える。横軸は流量（圧縮機ユニット５０の吐出流量）を表す。

図５には、２つの運転モード、すなわち高圧モードと低圧モードが代表的に示されている。ある実施形態においては、高圧モードはクライオポンプシステム１００の標準の運転状態で使用され、低圧モードは標準の運転状態よりも低負荷の運転状態で使用される。

高圧モードにおいては、ガスライン７２の作動ガス量が第１ガス量Ｇ１に調整されている。このときの圧縮機ユニット５０の吸入圧力を第１圧力Ｐ１と表す。また、ガスライン７２が第１ガス量Ｇ１を有するとき、圧縮機ユニット５０の吐出流量は第１流量範囲Ｑ１をとる。第１流量範囲Ｑ１は、圧縮機ユニット５０の運転周波数の制御可能範囲によって定まる。

低圧モードにおいては、ガスライン７２の作動ガス量が第２ガス量Ｇ２に調整されている。このときの圧縮機ユニット５０の吸入圧力を第２圧力Ｐ２と表す。第２ガス量Ｇ２は第１ガス量Ｇ１より小さく、従って第２圧力Ｐ２は第１圧力Ｐ１より小さい。また、ガスライン７２が第２ガス量Ｇ２を有するとき、圧縮機ユニット５０の吐出流量は第２流量範囲Ｑ２をとる。第２流量範囲Ｑ２は、圧縮機ユニット５０の運転周波数の制御可能範囲によって定まる。

運転周波数の制御可能範囲は例えば、圧縮機ユニット５０の仕様により予め定められている。この制御可能範囲は例えば圧縮機モータ５３の取り得る回転数範囲に対応する。制御可能範囲の上限をＺＨ、下限をＺＬと表すとき、第１流量範囲Ｑ１の上限流量Ｈ１は運転周波数上限ＺＨにより与えられ、下限流量Ｌ１は運転周波数下限ＺＬにより与えられる。同様に、第２流量範囲Ｑ２の上限流量Ｈ２及び下限流量Ｌ２はそれぞれ運転周波数上限ＺＨ及び運転周波数下限ＺＬにより与えられる。第１流量範囲Ｑ１の上限流量Ｈ１は第２流量範囲Ｑ２の上限流量Ｈ２より大きく、第１流量範囲Ｑ１の下限流量Ｌ１は第２流量範囲Ｑ２の下限流量Ｌ２より大きい。

ここで、制御可能範囲は仕様上取り得る最大の範囲をいう。よって、圧縮機ユニット５０はそれよりも狭い運転周波数範囲で制御されてもよい。その場合、高圧モードの流量範囲は、第１流量範囲Ｑ１に包含され、第１流量範囲Ｑ１より狭い範囲となる。低圧モードについても同様である。したがって、高圧モードにおける運転周波数の制御範囲が、低圧モードにおける運転周波数の制御範囲と異なっていてもよい。

本実施形態においては、第１流量範囲Ｑ１と第２流量範囲Ｑ２とは部分的に重なり合っている。したがって、第１流量範囲Ｑ１は、第１流量範囲Ｑ１が第２流量範囲Ｑ２と重なり合っていない第１非重複部分Ｗ１と、第１流量範囲Ｑ１が第２流量範囲Ｑ２と重なっている重複部分Ｗ２と、に分けられる。第１非重複部分Ｗ１は流量Ｈ２から流量Ｈ１までの流量範囲であり、重複部分Ｗ２は流量Ｌ１から流量Ｈ２までの流量範囲である。第１流量範囲Ｑ１においては、第２流量範囲Ｑ２の上限流量Ｈ２に等しい流量が運転周波数Ａにより与えられる。

同様に、第２流量範囲Ｑ２は、重複部分Ｗ２と、第２流量範囲Ｑ２が第１流量範囲Ｑ１と重なり合っていない第２非重複部分Ｗ３と、に分けられる。第２非重複部分Ｗ３は流量Ｌ２から流量Ｌ１までの流量範囲である。第２流量範囲Ｑ２においては、第１流量範囲Ｑ１の下限流量Ｌ１に等しい流量が運転周波数Ｂにより与えられる。

本実施形態においては、圧縮機ユニット５０の運転周波数に基づいて運転モードが切り換えられる。冷凍機１２（図１参照）への熱負荷が低下したときやクライオポンプ１０が再生されるとき、冷凍機１２の運転周波数が低下するか冷凍機１２の運転が停止される。冷凍機１２の所要ガス量が少なくなるので、ガスライン７２の差圧が拡大する。差圧を目標値に近づけるように圧縮機ユニット５０の運転周波数が低下する。こうして高圧モードにおいて運転周波数が低下したとき、図５に一点鎖線の矢印Ｅで示すように、高圧モードから低圧モードに運転モードが切り換えられる。具体的には、高圧モードにおいて圧縮機ユニット５０の運転周波数が、制御可能範囲のうち重複部分Ｗ２に対応する領域（すなわち運転周波数下限ＺＬから運転周波数Ａまでの領域）にあるとき、運転モードが低圧モードに切り換えられる。

また、冷凍機１２への熱負荷が大きくなったときや冷凍機１２の高出力運転が要求されるとき、冷凍機１２の運転周波数が上昇し、これに応じて圧縮機ユニット５０の運転周波数も上昇する。こうして低圧モードにおいて運転周波数が上昇したとき、図５に二点鎖線の矢印Ｆで示すように、低圧モードから高圧モードに運転モードが切り換えられる。具体的には、低圧モードにおいて圧縮機ユニット５０の運転周波数が、制御可能範囲のうち重複部分Ｗ２に対応する領域（すなわち運転周波数Ｂから運転周波数上限ＺＨまでの領域）にあるとき、運転モードが高圧モードに切り換えられる。

図６は、本発明のある実施形態に係る運転圧力調整処理を説明するためのフローチャートである。上述のように、運転圧力調整（図４のＳ２２）のために、圧縮機コントローラ１１４は、圧縮機ユニット５０の運転周波数に基づいて流路選択部８２を制御する。それにより、ガスライン７２の作動ガス量が調整され、圧縮機ユニット５０の運転圧力が制御される。

図６に示される処理において、圧縮機コントローラ１１４は、圧縮機ユニット５０の運転周波数を参照する（Ｓ３０）。圧力制御（図４のＳ２０）において制御周期ごとに運転周波数が演算され、現在及び前回以前の運転周波数が圧縮機コントローラ１１４またはこれに付随する記憶部に記憶されている。

圧縮機コントローラ１１４は、運転周波数に基づいて、運転圧力調整の要否を判定する（Ｓ３２）。圧縮機コントローラ１１４は、現在の運転周波数がモード移行領域にあるか否かを判定する。運転周波数がモード移行領域にある場合、圧縮機コントローラ１１４は、圧力調整を要すると判定する。運転周波数がモード移行領域にない場合、圧縮機コントローラ１１４は、圧力調整が不要であると判定する。現在の運転周波数のみを参照することに代えて、圧縮機コントローラ１１４は、現在までの所定時間にわたって運転周波数がモード移行領域に留まっているか否かを判定してもよい。

モード移行領域は、運転周波数の制御範囲のうち重複部分Ｗ２（図５参照）に対応する周波数領域から選択される。モード移行領域は運転モードによって異なっていてもよい。高圧モードの移行領域（すなわち、高圧モードから低圧モードへの切換を判定するためのモード移行領域）は、運転周波数下限ＺＬを含む領域であり、例えば運転周波数下限ＺＬであってもよい。低圧モードの移行領域は、運転周波数上限ＺＨを含む領域であり、例えば運転周波数上限ＺＨであってもよい。このように、高圧モードの移行領域と低圧モードの移行領域とは互いに重ならないように設定されている。

運転圧力調整の要否判定（Ｓ３２）に続いて、圧縮機コントローラ１１４は、タンク接続流路選択を実行する（Ｓ３４）。圧力調整を要すると判定されている場合には、圧縮機コントローラ１１４は、ストレージタンク８０のガスライン７２への接続流路を切り替える。一方、圧力調整が不要と判定されている場合には、圧縮機コントローラ１１４は、ストレージタンク８０のガスライン７２への接続流路をそのまま保持する。

高圧モードから低圧モードに切り換える場合には、圧縮機コントローラ１１４は、ガス補給路８６を遮断し、ガス回収路８８を開くよう流路選択部８２を制御する（図１参照）。こうして流路選択部８２はストレージタンク８０を高圧ライン７６につなぐ。ストレージタンク８０は高圧ライン７６に対する低圧ガス源として作用する。作動ガスが高圧ライン７６からガス回収路８８へと排出され、ストレージタンク８０へと回収される。こうして、ガスライン７２の作動ガス量は、第１ガス量Ｇ１から第２ガス量Ｇ２へと減少される。ガス量の減少に応じて圧縮機ユニット５０の運転圧力が低下する。一方、ストレージタンク８０は高圧ライン７６から作動ガスが充填され、昇圧される。

低圧モードから高圧モードに切り換える場合には、圧縮機コントローラ１１４は、ガス回収路８８を遮断し、ガス補給路８６を開くよう流路選択部８２を制御する。こうして流路選択部８２はストレージタンク８０を低圧ライン７８につなぐ。ストレージタンク８０は低圧ライン７８に対する高圧ガス源として作用する。ストレージタンク８０に貯留されている作動ガスがガス補給路８６を通じて低圧ライン７８に補給される。ガスライン７２の作動ガス量は、第２ガス量Ｇ２から第１ガス量Ｇ１へと増加される。ガス量の増加に応じて圧縮機ユニット５０の運転圧力が上昇する。ストレージタンク８０から低圧ライン７８に作動ガスが放出され、ストレージタンク８０は降圧される。

このようにして、運転圧力調整（図４のＳ２２）は終了する。これ以降は、調整された運転圧力のもとで圧力制御（図４のＳ２０）が実行される。なお、運転圧力調整のために開放されたガス補給路８６またはガス回収路８８は、次回の調整までそのまま開放されていてもよいし、それ以前に適時に閉鎖されてもよい。

なお、圧縮機コントローラ１１４は、運転周波数に代えて、作動ガス回路７０の測定圧から運転圧力調整の要否を判定してもよい。運転周波数が上限または下限に到達した状態が継続するとき、圧力制御に使用される測定値がその目標値から乖離すると考えられる。したがって、圧縮機コントローラ１１４は、作動ガス回路７０の測定圧に基づく場合にも同様にして、運転圧力調整の要否を適切に判定することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、第２流量範囲Ｑ２は、第１流量範囲Ｑ１に重なり合わない第２非重複部分Ｗ３を有する。そのため、第１流量範囲Ｑ１に第２流量範囲Ｑ２を組み合わせることにより、個々の流量範囲よりも広い流量範囲を得ることができる。ガス量調整部７４を用いて高圧モードと低圧モードとを切り換えることにより、第２流量範囲Ｑ２の下限流量Ｌ２から第１流量範囲Ｑ１の上限流量Ｈ１までの広い範囲で圧縮機ユニット５０の吐出流量を制御することができる。圧縮機ユニット５０の仕様上の制限を超えて、拡大された作動ガス流量制御範囲をクライオポンプシステム１００に提供することができる。

代案として、流量制御範囲を広げるために、運転周波数の制御可能範囲を広げることも考えられる。しかし、実際上、制御可能範囲の下限ＺＬを引き下げることは容易ではないかもしれない。圧縮機ユニット５０は、潤滑を要する摺動部分を圧縮機５２及び／または圧縮機モータ５３に有する。圧縮機ユニット５０が運転周波数下限ＺＬより低速で運転されるとき、潤滑が不十分になりうる。例えば、潤滑油膜が摺動部分に形成されにくくなるかもしれない。そのため、運転周波数下限ＺＬより低速においては充分な信頼性を保証することが難しいかもしれない。したがって、本実施形態には、運転周波数の制御可能範囲を広げることなく、低圧モードへの切換によって低流量範囲を確保することができるという利点がある。

本実施形態によると、重複部分Ｗ２に対応する運転周波数領域で運転モードが切り換えられる。重複部分Ｗ２においては切換前後の運転モード双方で同一の流量を実現可能である。これは、運転モードを円滑に切り換えることに役立つ。例えば、高圧モードから低圧モードに切り換えるとき、圧縮機ユニット５０の運転周波数を下限ＺＬから値Ｂに変更することで同一の吐出流量を継続することができる。よって、クライオポンプシステム１００の運転状態に大きな影響を与えることなく運転モードを切り換えることができる。

円滑な切換のために、ガス量調整部７４は、オリフィスなどの絞りを備えてもよい。この絞りは制御弁に直列に配置される。例えば、ガス補給路８６及びガス回収路８８のそれぞれに絞りが設けられる。このようにすれば、ガスライン７２とストレージタンク８０との間で作動ガスが流通するときの圧力変化を緩やかにすることができる。つまり、圧縮機ユニット５０の運転圧力をゆっくりと変えることができる。

あるいは、円滑な切換のために、圧縮機コントローラ１１４は、運転モードを切り換えるときに運転周波数の変化速度を制限してもよい。高圧モードと低圧モードとで同一流量に対応する運転周波数の値はしばしば大きく異なるから、運転モードを切り換えたときに運転周波数が急激に変化するかもしれない。そこで、運転周波数の変化速度を一時的に制限することにより、そのような急変を防ぐことができる。

また、本実施形態によると、ストレージタンク８０に高圧ガスを回収することによって高圧モードが低圧モードに切り換えられ、回収した高圧ガスをガスライン７２に戻すことによって低圧モードが高圧モードに切り換えられる。したがって、本実施形態では高圧ガスを有効に利用することができる。これに対して、圧縮機にバイパス流路が設けられている場合には、バイパス流路に抜ける高圧ガスは無駄に消費されてしまう。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

ガス量調整部７４は、図１に示す具体的な構成には限られない。例えば、図７に示すように、流路選択部８２は、複数の制御弁を備えてもよい。図示されるように、流路選択部８２は、第１制御弁１２０と第２制御弁１２２とを備える。第１制御弁１２０及び第２制御弁１２２は二方弁である。第１制御弁１２０はガス補給路８６の中途に設けられ、ガス補給路８６はストレージタンク８０を低圧ライン７８に接続する。第２制御弁１２２はガス回収路８８の中途に設けられ、ガス回収路８８はストレージタンク８０を高圧ライン７６に接続する。

また、ガス量調整部７４は、ガスライン７２の作動ガス量を、第１ガス量Ｇ１及び第２ガス量Ｇ２を含む３以上のガス量のいずれかに調整するよう構成されていてもよい。この場合、ガスライン７２の作動ガス量がそれら３以上のガス量のうちの１つであるとき、運転周波数の制御可能範囲は当該１つに対応する作動ガスの流量範囲を与える。この流量範囲は、３以上のガス量のうちの他の１つに対応する作動ガスの流量範囲と非重複部分を有する。制御装置１１０は、ガスライン７２の作動ガス量を３以上のガス量のいずれかに調整するようガス量調整部７４を制御する。

図８は、本発明の他の実施形態に係る運転圧力調整を概念的に説明するための図である。図８には、３つの運転モード、すなわち高圧モード、中間圧モード、及び低圧モードが示されている。高圧モードと低圧モードとの圧力差を大きくするとともに中間圧モードを追加することにより、流量制御範囲をさらに大きくすることができる。

図８に示す高圧モード及び低圧モードにおいてはそれぞれ、ガスライン７２の作動ガス量が第１ガス量Ｇ１及び第２ガス量Ｇ２に調整されている。そのため、高圧モード及び低圧モードはそれぞれ、第１流量範囲Ｑ１及び第２流量範囲Ｑ２を与える。ただし、図８に示すように、第１流量範囲Ｑ１と第２流量範囲Ｑ２とは重なり合っていない。

中間圧モードにおいては、ガスライン７２の作動ガス量が第３ガス量Ｇ３に調整されている。このときの圧縮機ユニット５０の吸入圧力を第３圧力Ｐ３と表す。第３ガス量Ｇ３は第１ガス量Ｇ１と第２ガス量Ｇ２との中間であり、従って第３圧力Ｐ３は第１圧力Ｐ１と第２圧力Ｐ２との中間である。ガスライン７２が第３ガス量Ｇ３を有するとき、圧縮機ユニット５０の吐出流量は第３流量範囲Ｑ３となる。第３流量範囲Ｑ３は、圧縮機ユニット５０の運転周波数の制御可能範囲によって定まる。第３流量範囲Ｑ３の大流量の部分は第１流量範囲Ｑ１と重なり合っていてもよい。第３流量範囲Ｑ３の小流量の部分は第２流量範囲Ｑ２と重なり合っていてもよい。

図９には、３つの運転モードを切替可能に構成されているクライオポンプシステム１００を例示する。クライオポンプシステム１００には、第１ガス量調整部１２４と第２ガス量調整部１２６とが並列に設けられている。第１ガス量調整部１２４及び第２ガス量調整部１２６はそれぞれ、図１に示すガス量調整部７４または図７に示すガス量調整部７４と同様の構成を備えていてもよい。

第１ガス量調整部１２４は、ガスライン７２の作動ガス量を第１ガス量Ｇ１と第３ガス量Ｇ３とに切り換えるために設けられている。第２ガス量調整部１２６は、ガスライン７２の作動ガス量を第３ガス量Ｇ３と第２ガス量Ｇ２とに切り換えるために設けられている。よって、第１ガス量調整部１２４を使用して高圧モードと中間圧モードとを切り換え、第２ガス量調整部１２６を使用して中間圧モードと低圧モードとを切り換えることができる。更なるガス量調整部を第１ガス量調整部１２４及び第２ガス量調整部１２６に並列に追加することにより、４つ以上の運転モードを切替可能にクライオポンプシステム１００を構成してもよい。

ある実施形態においては、ガス量調整部７４の流路選択部８２は流量制御弁を備えてもよい。また、ガス量調整部７４は、ストレージタンク８０のガス圧を測定するためのタンク圧センサを備えてもよい。圧縮機コントローラ１１４は、ストレージタンク８０のガス圧を制御するように、タンク圧センサの測定圧に基づいて流量制御弁を制御するよう構成されていてもよい。このようにすれば、ガスライン７２のガス量を制御し、所望の運転圧力で圧縮機ユニット５０を運転することができる。つまり、多数の運転モードを切替可能であるようにガス量調整部７４を構成することができる。

また、クライオポンプシステム１００は、図１０に示すように、複数のクライオポンプ１０を備えてもよい。複数のクライオポンプ１０は、圧縮機ユニット５０及びガス量調整部７４に対して並列に設けられている。クライオポンプ１０の台数が多いほど、クライオポンプシステム１００には広い作動ガス流量範囲が求められる。よって、本発明は、複数のクライオポンプ１０を備えるクライオポンプシステム１００に好適である。

ある実施例においては、クライオポンプ１０に代えて、冷凍機１２を備える極低温装置が設けられていてもよい。本発明のある実施形態に係るガス量調整がこうした極低温装置を備える極低温システムにも適用しうることは、当業者に明らかである。

１０ クライオポンプ、 １２ 冷凍機、 ５０ 圧縮機ユニット、 ５２ 圧縮機、 ７２ ガスライン、 ７４ ガス量調整部、 ７６ 高圧ライン、 ８０ ストレージタンク、 ８２ 流路選択部、 １００ クライオポンプシステム、 １１０ 制御装置、 １１４ 圧縮機コントローラ。

Claims (6)

1. クライオポンプと、
   前記クライオポンプのための作動ガスの圧縮機と、
   前記圧縮機の運転周波数を制御するよう構成されている制御装置と、
   前記クライオポンプと前記圧縮機とを接続するガスラインと、
   前記ガスラインの作動ガス量を、少なくとも第１ガス量と第２ガス量とに切り換えるよう構成されているガス量調整部と、を備え、
   前記ガスラインが第１ガス量を有するとき、前記運転周波数の制御可能範囲は作動ガスの第１流量範囲を与え、前記ガスラインが第２ガス量を有するとき、前記制御可能範囲は作動ガスの第２流量範囲を与え、前記第２流量範囲は前記第１流量範囲と非重複部分を有することを特徴とするクライオポンプシステム。
2. 前記第１流量範囲は、前記第２流量範囲と重複部分を有し、
   前記制御装置は、前記重複部分に対応する前記制御可能範囲の領域で前記第１ガス量と前記第２ガス量とを切り換えるよう前記ガス量調整部を制御することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプシステム。
3. 前記ガスラインは、前記圧縮機から前記クライオポンプに作動ガスを供給するための高圧ラインを備え、
   前記ガス量調整部は、前記高圧ラインから作動ガスを回収するためのストレージタンクと、前記ストレージタンクと前記高圧ラインとの間に設けられている制御弁と、を備え、
   前記制御装置は、前記第１ガス量の一部を前記高圧ラインから前記ストレージタンクに回収し前記ガスラインが前記第２ガス量を有するように前記制御弁を制御することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
4. 前記クライオポンプシステムは、複数のクライオポンプを備え、
   前記ガスラインは、前記複数のクライオポンプを前記圧縮機に並列に接続することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプシステム。
5. クライオポンプの運転中に前記クライオポンプのための圧縮機の運転周波数を制御することと、
   前記制御することの間に、前記クライオポンプと前記圧縮機とを循環する作動ガス量を第１ガス量から第２ガス量に調整することと、を備え、
   前記第１ガス量の作動ガスが循環するとき、前記運転周波数の制御可能範囲は作動ガスの第１流量範囲を与え、前記第２ガス量の作動ガスが循環するとき、前記制御可能範囲は作動ガスの第２流量範囲を与え、前記第２流量範囲は前記第１流量範囲と非重複部分を有することを特徴とするクライオポンプシステムの運転方法。
6. 極低温装置のための作動ガスの圧縮機ユニットであって、
   圧縮機と、
   前記圧縮機の運転周波数を制御するよう構成されている圧縮機コントローラと、
   前記圧縮機と前記極低温装置とを循環する作動ガス量を、少なくとも第１ガス量と第２ガス量とに切り換えるよう構成されているガス量調整部と、を備え、
   第１ガス量の作動ガスが循環するとき、前記運転周波数の制御可能範囲は作動ガスの第１流量範囲を与え、第２ガス量の作動ガスが循環するとき、前記制御可能範囲は作動ガスの第２流量範囲を与え、前記第２流量範囲は前記第１流量範囲と非重複部分を有することを特徴とする圧縮機ユニット。

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