TWI512195B - Cryogenic pump system, cryopump system operation method and compressor unit - Google Patents
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Description
本發明係有關一種低溫泵系統及其運行方法以及適用於低溫泵系統之壓縮機單元。
已知有用逆變器控制氦壓縮機的可變速馬達的轉速而改變氦壓縮機的容量。該壓縮機向膨脹式冷凍機供給高壓氦氣。
專利文獻1：日本特開2005-83214號公報
馬達轉速的控制範圍依據馬達的規格受到限制。因此，壓縮機的容量只能在被限制之範圍內變化。
極低溫冷凍機的主要用途之一為低溫泵。近年來，以晶圓的大口直徑化為背景，有時使用大型的低溫泵。並且，為了節能和降低成本，有時在1台壓縮機上設置有多
台低溫泵。多台低溫泵通常安裝於某一大型裝置的複數個部位，並同時運轉。工作氣體的最大流量需要足夠大，以使大型低溫泵或多台低溫泵均能夠高功率運行。另一方面，期望工作氣體的最小流量足夠小，以使1台低溫泵能夠低功率運行。如此，低溫泵系統中要求較大的流量氣體流量範圍。低溫泵系統所要求之工作氣體的流量控制範圍有可能會超過壓縮機的容量控制範圍。
本發明的一態樣的示例性目的之一為，提供一種具有被擴大之工作氣體的流量控制範圍之低溫泵系統、該種低溫泵系統的運行方法、以及適用於這些系統及方法之壓縮機單元。
依本發明的一態樣，提供一種低溫泵系統，其中，具備：低溫泵；前述低溫泵用的工作氣體的壓縮機；控制裝置，係構成為控制前述壓縮機的運行頻率；氣體管路，係連接前述低溫泵和前述壓縮機；及氣體量調整部，係構成為將前述氣體管路的工作氣體量至少切換為第1氣體量和第2氣體量，前述氣體管路具有第1氣體量時，前述運行頻率的可控制範圍係賦予工作氣體的第1流量範圍，前述氣體管路具有第2氣體量時，前述可控制範圍係賦予工作氣體的第2流量範圍，前述第2流量範圍具有與前述第1流量範圍非重複之部份。
依本發明的一態樣，提供一種低溫泵系統的運行方
法，其中，包括：低溫泵的運行中控制前述低溫泵用壓縮機的運行頻率之步驟；及進行前述控制期間，將循環於前述低溫泵和前述壓縮機之工作氣體量從第1氣體量調整為第2氣體量之步驟，前述第1氣體量的工作氣體進行循環時，前述運行頻率的可控制範圍係賦予工作氣體的第1流量範圍，前述第2氣體量的工作氣體進行循環時，前述可控制範圍係賦予工作氣體的第2流量範圍，前述第2流量範圍具有與前述第1流量範圍非重複之部份。
依本發明的一態樣，提供一種壓縮機單元，其為極低溫裝置用的工作氣體的壓縮機單元，其中，具備：壓縮機；壓縮機控制器，係構成為控制前述壓縮機的運行頻率；及氣體量調整部，係構成為將循環於前述壓縮機和前述極低溫裝置之工作氣體至少切換為第1氣體量和第2氣體量，第1氣體量的工作氣體進行循環時，前述運行頻率的可控制範圍係賦予工作氣體的第1流量範圍，第2氣體量的工作氣體進行循環時，前述可控制範圍係賦予工作氣體的第2流量範圍，前述第2流量範圍具有與前述第1流量範圍非重複之部份。
另外，以上構成要件的任意組合、將本發明的構成要件及表現在方法、裝置、系統等之間相互置換者，作為本發明的態樣仍然有效。
依本發明，能夠提供一種具有被擴大之工作氣體的流
量控制範圍之低溫泵系統、該種低溫泵系統的運行方法、以及適用於這些系統及方法之壓縮機單元。
10‧‧‧低溫泵
12‧‧‧冷凍機
50‧‧‧壓縮機單元
52‧‧‧壓縮機
72‧‧‧氣體管路
74‧‧‧氣體量調整部
76‧‧‧高壓管路
80‧‧‧儲罐
82‧‧‧流路選擇部
100‧‧‧低溫泵系統
110‧‧‧控制裝置
114‧‧‧壓縮機控制器
第1圖係模式地顯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圖係顯示用於本發明的一實施形態之低溫泵系統之控制裝置的結構的概略之框圖。
第3圖係本發明的一實施形態，並用於說明低溫泵系統的運行方法之流程圖。
第4圖係用於說明本發明的一實施形態之低溫泵系統的運行方法之流程圖。
第5圖係用於概念說明本發明的一實施形態之運行壓力調整之圖。
第6圖係用於說明本發明的一實施形態之運行壓力調整處理之流程圖。
第7圖係模式地顯示本發明的另一實施形態之低溫泵系統的整體結構之圖。
第8圖係用於概念說明本發明的另一實施形態之運行壓力調整之圖。
第9圖係模式地顯示本發明的另一實施形態之低溫泵系統的整體結構之圖。
第10圖係模式地顯示本發明的另一實施形態之低溫泵系統的整體結構之圖。
第1圖係模式地顯示本發明的一實施形態之低溫泵系統100的整體結構之圖。低溫泵系統100用於進行真空腔室102的真空排氣。真空腔室102為了對真空處理裝置(例如在離子植入裝置或濺射裝置等半導體製造製程中使用的裝置)提供真空環境而設置。
低溫泵系統100具備1台或多台低溫泵10。低溫泵10安裝於真空腔室102，並用作將其內部的真空度提高至所希望的水準。
低溫泵10具備冷凍機12。冷凍機12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12為具備第1冷卻台14及第2冷卻台16之二段式冷凍機。
冷凍機12具備在內部劃分1段膨脹室之第1缸體18和在內部劃分與1段膨脹室連通之2段膨脹室之第2缸體20。第1缸體18與第2缸體20串聯連接。第1缸體18連接馬達殼體21和第1冷卻台14，第2缸體20連接第1冷卻台14和第2冷卻台16。第1缸體18及第2缸體20中分別內置有相互連結之第1置換器及第2置換器(未圖示)。第1置換器及第2置換器的內部組裝有蓄冷材料。
冷凍機12的馬達殼體21中容納有冷凍機馬達22和氣體流路切換機構23。冷凍機馬達22係用於第1置換器及第2置換器、以及氣體流路切換機構23之驅動源。冷
凍機馬達22以第1置換器及第2置換器分別在第1缸體18及第2缸體20的內部可往復移動之方式連接於第1置換器及第2置換器。
氣體流路切換機構23構成為，為了週期性地反覆進行1段膨脹室及2段膨脹室中的工作氣體的膨脹而週期性地切換工作氣體的流路。冷凍機馬達22以使氣體流路切換機構23的可動閥(未圖示)能夠正反運行之方式連接於該閥。可動閥例如為回轉閥。
馬達殼體21上設置有高壓氣體入口24及低壓氣體出口26。高壓氣體入口24形成於氣體流路切換機構23的高壓流路的末端，低壓氣體出口26形成於氣體流路切換機構23的低壓流路的末端。
冷凍機12使高壓工作氣體(例如氦氣)在內部膨脹而在第1冷卻台14及第2冷卻台16產生寒冷。高壓工作氣體從壓縮機單元50通過高壓氣體入口24供給至冷凍機12。此時，冷凍機馬達22切換氣體流路切換機構23，以使高壓氣體入口24與膨脹室連接。若冷凍機12的膨脹室被高壓工作氣體填滿，則冷凍機馬達22切換氣體流路切換機構23，以使膨脹室與低壓氣體出口26連接。工作氣體絕熱膨脹，通過低壓氣體出口26向壓縮機單元50排出。第1置換器及第2置換器與氣體流路切換機構23的動作同步地在膨脹室中往復移動。藉由反覆進行該種熱循環來冷卻第1冷卻台14及第2冷卻台16。
第2冷卻台16被冷卻成低於第1冷卻台14之溫度。
第2冷卻台16例如被冷卻至10K~20K左右，第1冷卻台14例如被冷卻至80K~100K左右。第1冷卻台14上安裝有用於測定第1冷卻台14的溫度之第1溫度感測器28，第2冷卻台16上安裝有用於測定第2冷卻台16的溫度之第2溫度感測器30。
冷凍機12構成為，藉由冷凍機馬達22的反轉運行而提供所謂反轉升溫。冷凍機12構成為，藉由使氣體流路切換機構23的可動閥向上述冷卻運行的反方向工作，從而使工作氣體產生絕熱壓縮。冷凍機12能夠由這樣得到之壓縮熱來加熱第1冷卻台14及第2冷卻台16。
低溫泵10具備第1低溫板32和第2低溫板34。第1低溫板32以熱連接於第1冷卻台14之方式固定，第2低溫板34以熱連接於第2冷卻台16之方式固定。第1低溫板32具備熱護罩36和擋板38，並包圍第2低溫板34。第2低溫板34在表面具備吸附劑。第1低溫板32容納於低溫泵殼體40中，低溫泵殼體40的一端安裝於馬達殼體21。低溫泵殼體40的另一端的凸緣部安裝於真空腔室102的閘閥(未圖示)。低溫泵10其本身亦可以為任意的眾所周知的低溫泵。
低溫泵系統100具備壓縮機單元50和工作氣體回路70。壓縮機單元50為了使工作氣體在工作氣體回路70中循環而設置。工作氣體回路70具備連接低溫泵10與壓縮機單元50之氣體管路72。氣體管路72係包括低溫泵10及壓縮機單元50之封閉之氣體管路。
壓縮機單元50具備用於壓縮工作氣體之壓縮機52、及用於使壓縮機52工作之壓縮機馬達53。並且，壓縮機單元50具備用於接收低壓工作氣體之低壓氣體入口54、及用於放出高壓工作氣體之高壓氣體出口56。低壓氣體入口54經由低壓流路58連接於壓縮機52的吸入口，高壓氣體出口56經由高壓流路60連接於壓縮機52的吐出口。
壓縮機單元50具備第1壓力感測器62和第2壓力感測器64。第1壓力感測器62為了測定低壓工作氣體的壓力而設置於低壓流路58，第2壓力感測器64為了測定高壓工作氣體的壓力而設置於高壓流路60。此外，第1壓力感測器62及第2壓力感測器64亦可以在壓縮機單元50的外部設置於工作氣體回路70的適合部位。
氣體管路72具備：高壓管路76，用於從壓縮機單元50向低溫泵10供給工作氣體；及低壓管路78，用於使工作氣體從低溫泵10返回到壓縮機單元50。高壓管路76係連接低溫泵10的高壓氣體入口24與壓縮機單元50的高壓氣體出口56之配管。低壓管路78係連接低溫泵10的低壓氣體出口26與壓縮機單元50的低壓氣體入口54之配管。
壓縮機單元50通過低壓管路78回收從低溫泵10排出之低壓工作氣體。壓縮機52壓縮低壓工作氣體，生成高壓工作氣體。壓縮機單元50通過高壓管路76向低溫泵10供給高壓工作氣體。
工作氣體回路70具備用於調整氣體管路72的工作氣體量之氣體量調整部74。以下，有時將容納於氣體管路72中之工作氣體的物質的量(摩爾)或質量稱作“氣體量”。
氣體量調整部74具備緩沖容積例如至少一個儲罐80。氣體量調整部74具備用於選擇儲罐80與氣體管路72的連接流路之流路選擇部82。流路選擇部82至少具備一個控制閥。氣體量調整部74具備用於將儲罐80連接於流路選擇部82之罐流路84。
並且，氣體量調整部74具備用於使工作氣體從儲罐80向低壓管路78流出之氣體補充路86、及用於使工作氣體從高壓管路76向儲罐80流入之氣體回收路88。氣體補充路86將流路選擇部82連接於低壓管路78的第1分叉部90，氣體回收路88將流路選擇部82連接於高壓管路76的第2分叉部92。
流路選擇部82構成為能夠選擇補充狀態和回收狀態。補充狀態下，流體能夠在低壓管路78與儲罐80之間通過氣體補充路86流通，另一方面流體無法在高壓管路76與儲罐80之間流通。回收狀態下，相反地，流體能夠在高壓管路76與儲罐80之間通過氣體回收路88流通，另一方面流體無法在低壓管路78與儲罐80之間流通。
如圖示，流路選擇部82例如具備三通閥。三通閥的3個端口分別與罐流路84、氣體補充路86及氣體回收路88連接。這樣，流路選擇部82能夠將罐流路84連接於
氣體補充路86來構成補充狀態，將罐流路84連接於氣體回收路88來構成回收狀態。
氣體量調整部74設置於壓縮機單元50，可視為構成壓縮機單元50的一部份。氣體量調整部74亦可以內置於壓縮機單元50。作為代替方案，氣體量調整部74可以與壓縮機單元50分體地構成，亦可以設置於氣體管路72的任意部位。
低溫泵系統100具備用於管理其運行的控制裝置110。控制裝置110與低溫泵10(或者壓縮機單元50)一體或分體地設置。控制裝置110例如具備執行各種運算處理之CPU、儲存各種控制程序之ROM、作為用於儲存資料或執行程序之作業區域來利用之RAM、輸入輸出界面、記憶體等。控制裝置110能夠使用具備該種結構之眾所周知的控制器。控制裝置110可以由單一的控制器構成，亦可以包含各自發揮相同或不同功能之複數個控制器。
第2圖係顯示用於本發明的一實施形態之低溫泵系統100的控制裝置110的結構的概略之框圖。第2圖顯示本發明的一實施形態之低溫泵系統100的主要部份。
控制裝置110為了控制低溫泵10(亦即冷凍機12)、壓縮機單元50及氣體量調整部74而設置。控制裝置110具備：低溫泵控制器(以下，還稱作CP控制器)112，用於控制低溫泵10的運行；及壓縮機控制器114，用於控制壓縮機單元50的運行。
CP控制器112構成為接收表示低溫泵10的第1溫度感測器28及第2溫度感測器30的測定溫度的訊號。CP控制器112依據例如所接收到的測定溫度控制低溫泵10。這時，例如CP控制器112控制冷凍機12的運行頻率，以使第1(或第2)溫度感測器28(30)的測定溫度與第1(或第2)低溫板32(34)的目標溫度一致。依據運行頻率控制冷凍機馬達22的轉速。
壓縮機控制器114構成為對氣體管路72提供壓力控制。為了提供壓力控制，壓縮機控制器114構成為接收表示第1壓力感測器62及第2壓力感測器64的測定壓力之訊號。壓縮機控制器114控制壓縮機52的運行頻率，以使壓力測定值與壓力目標值一致。依據運行頻率控制壓縮機馬達53的轉速。
並且，壓縮機控制器114構成為對氣體量調整部74的流路選擇部82進行控制。壓縮機控制器114例如依據壓縮機52的運行頻率等的輸入選擇上述補充狀態或回收狀態，依據選擇結果控制流路選擇部82。參閱第4圖至第6圖，對控制壓縮機單元50及氣體量調整部74之詳細內容進行後述。
第3圖係本發明的一實施形態，用於說明低溫泵系統100的運行方法之流程圖。該運行方法包括低溫泵10的準備運行(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。準備運行包括通常運行之前執行之任意的運行狀態。CP控制器112適時地反覆執行該
運行方法。
準備運行(S10)例如為低溫泵10的啟動。低溫泵10的啟動包括將低溫板32、34從設置有低溫泵10之環境溫度(例如為室溫)冷卻至極低溫的降溫。降溫的目標冷卻溫度係為了進行真空排氣運行而設定之標準運行溫度。如上前述，關於第1低溫板32，該標準運行溫度例如選自80K~100K左右的範圍，關於第2低溫板34，例如選自10K~20K左右的範圍。
準備運行(S10)還可以為低溫泵10的再生。在這次的真空排氣運行結束後，為了準備下次的真空排氣運行而執行再生。再生係對第1低溫板32及第2低溫板34進行再生之所謂完全再生，或者係對第2低溫板34進行再生之部份再生。
再生包括升溫製程、排出製程及冷卻製程。升溫製程包括將低溫泵10升溫至高於上述標準運行溫度之再生溫度之步驟。當完全再生時，再生溫度例如為室溫或稍高於室溫的溫度(例如為約290K~約300K)。用於升溫製程之熱源例如為冷凍機12的反轉升溫和/或附設於冷凍機12之加熱器(未圖示)。
排出製程包括向低溫泵10的外部排出從低溫板表面再氣化後之氣體之步驟。再氣化後之氣體依據需要與被導入之吹掃氣體一同從低溫泵10排出。在排出製程中，停止冷凍機12的運行。冷卻製程中包括為了重新開始真空排氣運行而再冷卻低溫板32、34之步驟。冷卻製程中作
為冷凍機12的運行狀態與用於啟動之降溫相同。
準備運行期間相當於低溫泵10的停歇時間(亦即，停止真空排氣運行的期間)，因此盡量較短為較佳。另一方面，通常的真空排氣運行係用於保持標準運行溫度之穩定的運行狀態。因此，與通常運行相比，準備運行對低溫泵10(亦即冷凍機12)的負載變大。例如，與通常運行相比，降溫運行要求冷凍機12具備更高的冷凍能力。同樣地，反轉升溫運行要求冷凍機12具備較高的升溫能力。藉此，在大部份情況下，在準備運行時冷凍機馬達22以相當高的轉速(例如，接近所容許之最高轉速)運行。
可以與低溫泵10的準備運行並行地進行壓縮機單元50的準備運行。壓縮機單元50的準備運行亦可以包括用於進行本發明的一實施形態之氣體量調整之準備動作。該準備動作可包括用於使儲罐80的壓力復原至初始壓力之復位動作。該初始壓力相當於對工作氣體回路70的工作氣體的封入壓力。
為了進行復位動作，在壓縮機單元50停止運行且氣體管路72的高壓和低壓大致均勻化時，壓縮機控制器114向氣體管路72開放儲罐80。這樣，能夠使儲罐80復原至壓縮機單元50的高壓與低壓之間的中間壓力。在冷凍機12的運行停止期間(例如，再生的排出製程)進行準備動作。
真空排氣運行(S12)係藉由將從真空腔室102朝向
低溫泵10飛來之氣體分子冷凝或吸附在被冷卻至極低溫之低溫板32、34的表面來進行捕捉之運行狀態。在該冷卻溫度下蒸汽壓充份降低之氣體(例如水分等)被冷凝於第1低溫板32(例如擋板38)上。在擋板38的冷卻溫度下蒸汽壓不會充份降低之氣體通過擋板38進入熱護罩36。在該冷卻溫度下蒸汽壓充份降低之氣體(例如氬等)被冷凝於第2低溫板34上。在第2低溫板34的冷卻溫度下蒸汽壓亦不會充份變低之氣體(例如氫等)被第2低溫板34的吸附劑吸附。這樣，低溫泵10能夠使真空腔室102的真空度達到所希望的水準。
第4圖係用於說明本發明的一實施形態之低溫泵系統100的運行方法之流程圖。第4圖所示之方法與壓縮機單元50的運行有關。該運行方法包括壓力控制(S20)、運行壓力調整(S22)。壓縮機控制器114適時反覆執行該運行方法。
氣體控制(S20)係在已調整之氣體量的基礎上控制壓縮機52的運行頻率而使壓力測定值與壓力目標值一致之處理。與低溫泵10的準備運行或真空排氣運行並行地持續執行該壓力控制。
壓力目標值例如為壓縮機52的高壓與低壓之間的差壓的目標值。此時，壓縮機控制器114執行差壓恒定控制，該差壓恒定控制對壓縮機52的運行頻率進行控制，以使第1壓力感測器62的測定壓和第2壓力感測器64的測定壓的差壓與差壓目標值一致。此外，可以在執行壓力
控制時改變壓力目標值。
依據壓力控制，能夠依據冷凍機12的所需氣體量而適當地調整壓縮機馬達53的轉速，因此有助於減少低溫泵系統100的消耗電力。並且，冷凍機12的冷凍能力由差壓決定，因此依據差壓恒定控制，能夠使冷凍機12維持目標的冷凍能力。因此，從能夠兼顧維持冷凍機12的冷凍能力和降低系統的消耗電力之觀點考慮，差壓恒定控制尤其適合於低溫泵系統100。
作為代替方案，壓力目標值亦可以為高壓目標值(或低壓目標值)。此時，壓縮機控制器114執行高壓恒定控制(或低壓恒定控制)，該高壓恒定控制(或低壓恒定控制)控制壓縮機馬達53的轉速，以使第2壓力感測器64(或第1壓力感測器62)的測定壓與高壓目標值(或低壓目標值)一致。
運行壓力調整(S22)係調整壓縮機單元50的運行壓力之處理。參閱第5圖及第6圖對運行壓力調整(S22)的一例進行後述。
運行壓力調整係為了控制壓縮機單元50的吐出流量而進行的。壓縮機單元50的吐出流量取決於壓縮機52的行程容積、壓縮機馬達53的轉速、壓縮機單元50的吸入壓力(大致成比例)。運行壓力調整相當於變更影響到這些吐出流量之因素中的壓縮機52的吸入壓力。
運行壓力藉由改變氣體管路72的工作氣體量(亦即，循環低溫泵10和壓縮機單元50之氣體量)而被調
整。氣體管路72的容積實質上係恒定的。因此，若減少氣體管路72的氣體量，則運行壓力下降。相反地，若增加氣體管路72的氣體量，則運行壓力增加。
首先，參閱第5圖概念說明本實施形態之運行壓力調整。第5圖的縱軸表示運行壓力(壓縮機單元50的吸入壓力)。運行壓力藉由氣體管路72的氣體量確定，因此第5圖的縱軸還表示氣體量。橫軸表示流量(壓縮機單元50的吐出流量)。
第5圖中，代表性地顯示2個運行模式，亦即高壓模式及低壓模式。一實施形態中，高壓模式在低溫泵系統100的標準的運行狀態下使用，低壓模式在負載低於標準運行狀態之運行狀態下使用。
高壓模式中，氣體管路72的工作氣體量被調整為第1氣體量G1。將此時的壓縮機單元50的吸入壓力表示為第1壓力P1。並且，氣體管路72具有第1氣體量G1時，壓縮機單元50的吐出流量取第1流量範圍Q1。第1流量範圍Q1依據壓縮機單元50的運行頻率的可控制範圍來確定。
低壓模式中，氣體管路72的工作氣體量被調整為第2氣體量G2。將此時的壓縮機單元50的吸入壓力表示為第2壓力P2。第2氣體量G2小於第1氣體量G1，藉此第2壓力P2小於第1壓力P1。並且，氣體管路72具有第2氣體量G2時，壓縮機單元50的吐出流量取第2流量範圍Q2。第2流量範圍Q2依據壓縮機單元50的運行頻
率的可控制範圍來確定。
運行頻率的可控制範圍例如藉由壓縮機單元50的規格來確定。該可控制範圍例如與壓縮機馬達53可取之轉速範圍對應。將可控制範圍的上限表示為ZH，將下限表示為ZL時，由運行頻率上限ZH賦予第1流量範圍Q1的上限流量H1，由運行頻率下限ZL賦予下限流量L1。同樣地第2流量範圍Q2的上限流量H2及下限流量L2分別由運行頻率上限ZH及運行頻率下限ZL來賦予。第1流量範圍Q1的上限流量H1大於第2流量範圍Q2的上限流量H2，第1流量範圍Q1的下限流量L1大於第2流量範圍Q2的下限流量L2。
在此，可控制範圍係指規格可取之最大的範圍。因此，壓縮機單元50亦可以在窄於其之運行頻率範圍內控制。此時，高壓模式的流量範圍包含在第1流量範圍Q1，成為窄於第1流量範圍Q1之範圍。關於低壓模式亦相同。藉此，高壓模式中的運行頻率的控制範圍可以與低壓模式中的運行頻率的控制範圍不同。
本實施形態中，第1流量範圍Q1與第2流量範圍Q2部份重疊。藉此，第1流量範圍Q1區分為第1流量範圍Q1與第2流量範圍Q2不重疊之第1非重複部份W1、及第1流量範圍Q1與第2流量範圍Q2重疊之重複部份W2。第1非重複部份W1為從流量H2到流量H1的流量範圍，重複部份W2為從流量L1到流量H2的流量範圍。第1流量範圍Q1中，由運行頻率A賦予與第2流量範圍
Q2的上限流量H2相等之流量。
同樣地，第2流量範圍Q2區分為重複部份W2、及第2流量範圍Q2與第1流量範圍Q1不重疊之第2非重複部份W3。第2非重複部份W3為從流量L2到流量L1的流量範圍。第2流量範圍Q2中，由運行頻率B賦予與第1流量範圍Q1的下限流量L1相等之流量。
本實施形態中，依據壓縮機單元50的運行頻率切換運行模式。對冷凍機12(參閱第1圖)的熱負載下降時或低溫泵10再生時，冷凍機12的運行頻率下降或冷凍機12的運行會停止。由於冷凍機12的所需氣體量變少，因此氣體管路72的差壓擴大。以差壓接近目標值之方式降低壓縮機單元50的運行頻率。藉此，在高壓模式中運行頻率下降時，如第5圖中用單點鏈線的箭頭E所示，運行模式從高壓模式切換為低壓模式。具體而言，高壓模式中，壓縮機單元50的運行頻率在可控制範圍中與重複部份W2對應之區域(亦即從運行頻率下限ZL到運行頻率A的區域)時，運行模式切換為低壓模式。
並且，對冷凍機12的熱負載變大時或要求冷凍機12高功率運行時，冷凍機12的運行頻率上升，與此對應，壓縮機單元50的運行頻率亦上升。藉此，低壓模式中，運行頻率上升時，如第5圖中用雙點鏈線的箭頭F所示，運行模式從低壓模式切換為高壓模式。具體而言，低壓模式中，壓縮機單元50的運行頻率在可控制範圍中與重複部份W2對應之區域(亦即從運行頻率B到運行頻率上限
ZH的區域)時，運行模式切換為高壓模式。
第6圖係用於說明本發明的一實施形態之運行壓力調整處理之流程圖。如上述，為了進行運行壓力調整(第4圖的S22)，壓縮機控制器114依據壓縮機單元50的運行頻率控制流路選擇部82。因此，氣體管路72的工作氣體量被調整，壓縮機單元50的運行壓力受控制。
第6圖所示之處理中，壓縮機控制器114參閱壓縮機單元50的運行頻率(S30)。壓力控制(第4圖的S20)中按控制週期計算運行頻率，當前及上一次以前的運行頻率存儲於壓縮機控制器114或與此相關之存儲部。
壓縮機控制器114依據運行頻率判定係否需要運行壓力調整(S32)。壓縮機控制器114判定當前的運行頻率是否在模式過渡區域。運行頻率在模式過渡區域時，壓縮機控制器114判定為需要壓力調整。運行頻率不在模式過渡區域時，壓縮機控制器114判定為不需要壓力調整。壓縮機控制器114亦可以判定經到現在為止的預定時間而運行頻率是否停留在模式過渡區域，以此來代替僅參閱現在的運行頻率。
模式過渡區域從運行頻率的控制範圍中與重複部份W2(參閱第5圖)對應之頻率區域選擇。模式過渡區域亦可以依據運行模式不同。高壓模式的過渡區域(亦即用於判定從高壓模式切換為低壓模式之模式過渡區域)係包括運行頻率下限ZL之區域，例如亦可以係運行頻率下限ZL。低壓模式的過渡區域係包括運行頻率上限ZH之區
域，例如亦可以係運行頻率上限ZH。藉此，高壓模式的過渡區域與低壓模式的過渡區域設定為彼此不重疊。
繼運行壓力調整與否判定(S32)之後，壓縮機控制器114執行罐連接流路選擇(S34)。判定為需要壓力調整時，壓縮機控制器114切換儲罐80對氣體管路72的連接流路。另一方面，判定為不需要壓力調整時，壓縮機控制器114依舊繼續保持儲罐80對氣體管路72的連接流路。
從高壓模式切換為低壓模式時，壓縮機控制器114隔斷氣體補充路86，控制流路選擇部82，以使打開氣體回收路88(參閱第1圖)。藉此，流路選擇部82將儲罐80連接於高壓管路76。儲罐80作為低壓氣體源，作用於高壓管路76。工作氣體從高壓管路76向氣體回收路88排出，並回收至儲罐80。藉此，氣體管路72的工作氣體量從第1氣體量G1減少至第2氣體量G2。依據氣體量的減少，壓縮機單元50的運行壓力下降。另一方面，從高壓管路76填充工作氣體，儲罐80升壓。
從低壓模式切換為高壓模式時，壓縮機控制器114隔斷氣體回收路88，控制流路選擇部82，以使打開氣體補充路86。藉此，流路選擇部82將儲罐80連接於低壓管路78。儲罐80作為高壓氣體源，作用於低壓管路78。積存在儲罐80中之工作氣體通過氣體補充路86之後補充到低壓管路78。氣體管路72的工作氣體量從第2氣體量G2增加至第1氣體量G1。依據氣體量的增加，壓縮機單元
50的運行壓力上升。從儲罐80向低壓管路78放出工作氣體，儲罐80降壓。
藉此，運行壓力調整(第4圖的S22)結束。之後，在被調整之運行壓力下，執行壓力控制(第4圖的S20)。另外，為了運行壓力調整而開放之氣體補充路86或氣體回收路88亦可以依舊繼續開放到下一次的調整為止，亦可以在此之前適時關閉。
另外，壓縮機控制器114亦可以由工作氣體回路70的測定壓力來代替運行頻率而判定是否需要運行壓力調整。運行頻率達到上限或下限之狀態持續進行時，可認為使用於壓力控制之測定值乘離其目標值。藉此，壓縮機控制器114依據工作氣體回路70的測定壓力時亦相同，能夠適當地判定是否需要運行壓力的調整。
如上說明，依本實施形態，第2流量範圍Q2具有與第1流量範圍Q1不重疊之第2非重複部份W3。因此，藉由使第2流量範圍Q2組合於第1流量範圍Q1，能夠得到比每個流量範圍大之流量範圍。藉由使用氣體流量調整部74來切換高壓模式與低壓模式，能夠在從第2流量範圍Q2的下限流量L2到第1流量範圍Q1的上限流量H1為止的較大的範圍內控制壓縮機單元50的吐出流量。超越壓縮機單元50的規格上的限制，能夠將已擴大之工作氣體流量控制範圍提供於低溫泵系統100。
作為代替方案，為了擴大流量控制範圍，可以考慮擴大運行頻率的可控制範圍。但是，實際上，降低可控制範
圍的下限ZL並不容易。壓縮機單元50在壓縮機52及/或壓縮機馬達53上具有需要潤滑之滑動部份。壓縮機單元50以比運行頻率下限ZL低之速度運行時，潤滑可能不充份。例如，潤滑油膜可能難以形成於滑動部份。因此，在比運行頻率下限ZL低之速度下有可能難以保證充份的可靠性。藉此，本實施形態中，具有如下優點：不擴大運行頻率的可控制範圍，便能夠藉由切換為低壓模式確保低流量範圍。
依本實施形態，在與重複部份W2對應之運行頻率區域切換運行模式。重複部份W2中能夠以切換前後的運行模式這兩者實現相同的流量。這有助於順暢地切換運行模式。例如，從高壓模式切換為低壓模式時，能夠藉由將壓縮機單元50的運行頻率從下限ZL變更為值B而持續相同的吐出流量。因此，對低溫泵系統100的運行狀態不會帶來較大影響而能夠切換運行模式。
為了順暢地切換，氣體量調整部74還可以具備節流孔等節流器。該節流器串聯配置於控制閥。例如，氣體補充路86及氣體回收路88分別設置有節流器。如此一來，能夠緩和工作氣體在氣體管路72與儲罐80之間流通時的壓力變化。亦即，能夠慢慢改變壓縮機單元50的運行壓力。
或者，為了順暢地切換，壓縮機控制器114亦可以在切換運行模式時限制運行頻率的變化速度。由於在高壓模式與低壓模式中與相同流量相對應之運行頻率的值往往大
有不同，因此切換運行模式時有可能使運行頻率急劇變化。因此，能夠藉由暫時限制運行頻率的變化速度而防止該種急變。
並且，依本實施形態，藉由向儲罐80回收高壓氣體而使高壓模式切換為低壓模式，藉由將所回收之高壓氣體返回到氣體管路72來使低壓模式切換為高壓模式。藉此，本實施形態中，能夠有效地利用高壓氣體。相反地，旁通流路設置於壓縮機時，導致浪費地消耗排出到旁通流路之高壓氣體。
以上，依實施例對本發明進行了說明。本發明並不限定於上述實施形態，可進行各種設計變更，可實現各種變形例，並且該種變形例亦屬於本發明的範圍內，這對於本領域技術人員係可以理解的。
氣體量調整部74並不限於第1圖所示之具體結構。例如，如第7圖所示，流路選擇部82亦可以具備複數個控制閥。如圖所示，流路選擇部82具備第1控制閥120和第2控制閥122。第1控制閥120及第2控制閥122係雙通閥。第1控制閥120設置於氣體補充路86的中途，氣體補充路86將儲罐80連接於低壓管路78。第2控制閥122設置於氣體回收路88的中途，氣體回收路88將儲罐80連接於高壓管路76。
並且，氣體量調整部74亦可以構成為使氣體管路72的工作氣體量調整成包括第1氣體量G1及第2氣體量G2之3種以上的氣體量中的任一個。此時，氣體管路72的
工作氣體量為這些3種以上的氣體量中的1個時，運行頻率的可控制範圍賦予與該1種氣體量對應之工作氣體的流量範圍。該流量範圍具有與3種以上的氣體量中的另一個對應之工作氣體的流量範圍及非重複部份。控制裝置110以將氣體管路72的工作氣體量調整為3種以上的氣體量中的任一個之方式控制氣體量調整部74。
第8圖係用於概念說明本發明的另一實施形態之運行壓力調整之圖。第8圖中示出3個運行模式，亦即高壓模式、中間壓模式及低壓模式。藉由使高壓模式與低壓模式的壓力差變大且追加中間壓模式，能夠進一步擴大流量控制範圍。
第8圖中所示之高壓模式及低壓模式中，氣體管路72的工作氣體量分別調整為第1氣體量G1及第2氣體量G2。因此，高壓模式及低壓模式分別賦予第1流量範圍Q1及第2流量範圍Q2。但是，如第8圖所示，第1流量範圍Q1與第2流量範圍Q2不重疊。
中間壓模式中，氣體管路72的工作氣體量被調整為第3氣體量G3。將此時的壓縮機單元50的吸入壓力表示為第3壓力P3。第3氣體量G3在第1氣體量G1與第2氣體量G2的中間，藉此第3壓力P3在第1壓力P1與第2壓力P2的中間。氣體管路72具有第3氣體量G3時，壓縮機單元50的吐出流量成為第3流量範圍Q3。第3流量範圍Q3依據壓縮機單元50的運行頻率的可控制範圍而確定。第3流量範圍Q3的大流量的部份亦可以與第1流
量範圍Q1重疊。第3流量範圍Q3的小流量的部份亦可以與第2流量範圍Q2重疊。
第9圖中，例示出可切換地構成3個運行模式之低溫泵系統100。低溫泵系統100中，第1氣體量調整部124及第2氣體量調整部126並聯設置。第1氣體量調整部124及第2氣體量調整部126亦可以分別具備與第1圖所示之氣體量調整部74或第7圖所示之氣體量調整部74相同的結構。
第1氣體量調整部124為了將氣體管路72的工作氣體量切換為第1氣體量G1及第3氣體量G3而設置。第2氣體量調整部126為了將氣體管路72的工作氣體量切換為第3氣體量G3及第2氣體量G2而設置。因此，能夠使用第1氣體量調整部124而切換高壓模式及中間壓模式，使用第2氣體量調整部126而切換中間壓模式及低壓模式。藉由進一步將氣體量調整部並聯追加於第1氣體量調整部124及第2氣體量調整部126，亦可以以可切換4個以上的運行模式之方式構成低溫泵系統100。
一實施形態中，氣體量調整部74的流路選擇部82還可具備流量控制閥。並且，氣體量調整部74亦可以具備用於測定儲罐80的氣體壓力之罐壓力感測器。壓縮機控制器114亦可以構成為依據罐壓力感測器的測定壓力控制流量控制閥，以使控制儲罐80的氣體壓力。如此一來，能夠控制氣體管路72的氣體量，且以所希望的運行壓力來運行壓縮機單元50。亦即，能夠以可切換複數個運行
模式之方式構成氣體量調整部74。
並且，如第10圖所示，低溫泵系統100可以具備複數個低溫泵10。相對於壓縮機單元50及氣體量調整部74並列設置有複數個低溫泵10。低溫泵10的台數越多，對低溫泵系統100要求越大的工作氣體流量範圍。因此，本發明適合於具備複數個低溫泵10之低溫泵系統100。
一實施例中，可以設置具備冷凍機12之極低溫裝置來代替低溫泵10。本發明的一實施形態之氣體量調整還可適用於具備該種極低溫裝置的極低溫系統，這對於本領域技術人員係顯而易見的。
10‧‧‧低溫泵
12‧‧‧冷凍機
14‧‧‧第1冷卻台
16‧‧‧第2冷卻台
18‧‧‧第1缸體
20‧‧‧第2缸體
21‧‧‧馬達殼體
22‧‧‧冷凍機馬達
23‧‧‧氣體流路切換機構
24‧‧‧高壓氣體入口
26‧‧‧低壓氣體出口
28‧‧‧第1溫度感測器
30‧‧‧第2溫度感測器
32‧‧‧第1低溫板
34‧‧‧第2低溫板
36‧‧‧熱護罩
38‧‧‧擋板
40‧‧‧低溫泵殼體
50‧‧‧壓縮機單元
52‧‧‧壓縮機
53‧‧‧壓縮機馬達
54‧‧‧低壓氣體入口
56‧‧‧高壓氣體入口
58‧‧‧低壓流路
60‧‧‧高壓流路
62‧‧‧第1壓力感測器
64‧‧‧第2壓力感測器
70‧‧‧工作氣體回路
72‧‧‧氣體管路
74‧‧‧氣體量調整部
76‧‧‧高壓管路
78‧‧‧低壓管路
80‧‧‧儲罐
82‧‧‧流路選擇部
84‧‧‧罐流路
86‧‧‧氣體補充路
88‧‧‧氣體回收路
90‧‧‧第1分叉部
92‧‧‧第2分叉部
100‧‧‧低溫泵系統
102‧‧‧真空腔室
110‧‧‧控制裝置
Claims (6)
- 一種低溫泵系統，其特徵為，具備：低溫泵；前述低溫泵用的工作氣體的壓縮機；控制裝置，係構成為控制前述壓縮機的運行頻率；氣體管路，係連接前述低溫泵和前述壓縮機；及氣體量調整部，係構成為將前述氣體管路的工作氣體量至少切換為第1氣體量和第2氣體量，前述氣體管路具有第1氣體量時，前述運行頻率的可控制範圍係賦予工作氣體的第1流量範圍，前述氣體管路具有第2氣體量時，前述可控制範圍係賦予工作氣體的第2流量範圍，前述第2流量範圍具有與前述第1流量範圍非重複之部份。
- 如申請專利範圍第1項所述之低溫泵系統，其中，前述第1流量範圍具有與前述第2流量範圍重複之部份，前述控制裝置控制前述氣體量調整部，以便在與前述重複部份對應之前述可控制範圍的區域切換前述第1氣體量和前述第2氣體量。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之低溫泵系統，其中，前述氣體管路具備用於從前述壓縮機向前述低溫泵供給工作氣體之高壓管路， 前述氣體量調整部具備用於從前述高壓管路回收工作氣體之儲罐、及設置在前述儲罐與前述高壓管路之間之控制閥，前述控制裝置控制前述控制閥，以便使前述第1氣體量的一部份從前述高壓管路回收至前述儲罐且前述氣體管路具有前述第2氣體量。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之低溫泵系統，其中，前述低溫泵系統具備複數個低溫泵，前述氣體管路將前述複數個低溫泵並聯連接於前述壓縮機。
- 一種低溫泵系統的運行方法，其特徵為，包括：低溫泵的運行中控制前述低溫泵用壓縮機的運行頻率之步驟；及進行前述控制期間，將循環於前述低溫泵和前述壓縮機之工作氣體量從第1氣體量調整為第2氣體量之步驟，前述第1氣體量的工作氣體進行循環時，前述運行頻率的可控制範圍係賦予工作氣體的第1流量範圍，前述第2氣體量的工作氣體進行循環時，前述可控制範圍係賦予工作氣體的第2流量範圍，前述第2流量範圍具有與前述第1流量範圍非重複之部份。
- 一種壓縮機單元，其為極低溫裝置用的工作氣體的壓縮機單元，其特徵為，具備：壓縮機； 壓縮機控制器，係構成為控制前述壓縮機的運行頻率；及氣體量調整部，係構成為將循環於前述壓縮機和前述極低溫裝置之工作氣體至少切換為第1氣體量和第2氣體量，第1氣體量的工作氣體進行循環時，前述運行頻率的可控制範圍係賦予工作氣體的第1流量範圍，第2氣體量的工作氣體進行循環時，前述可控制範圍係賦予工作氣體的第2流量範圍，前述第2流量範圍具有與前述第1流量範圍非重複之部份。
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