低温泵系统及低温泵系统的运行方法
【专利说明】
[0001] 本申请主张基于2013年11月20日申请的日本专利申请第2013-239757号的优 先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种低温泵系统及低温泵系统的运行方法。
【背景技术】
[0003] 一种低温泵系统，其具有至少1个低温泵，及1个或多个压缩机单元。低温泵具有 制冷机。压缩机单元将工作气体供给至制冷机。工作气体在制冷机内膨胀，从而使低温泵 冷却。工作气体被压缩机单元回收。
[0004] 专利文献1 :日本特开2013-134020号公报
【发明内容】
[0005] 本发明的一种实施方式的示例性的目的之一在于提高低温泵系统的节能性能。
[0006] 根据本发明的一种实施方式，能够提供一种低温泵系统，所述低温泵系统具备：至 少1个低温泵，所述至少1个低温泵具备制冷机、低温低温板、及高温低温板，所述制冷机具 备低温冷却台及高温冷却台，所述低温低温板通过所述低温冷却台被冷却，所述高温低温 板通过所述高温冷却台被冷却；及压缩机单元，所述压缩机单元具备压缩供给至所述制冷 机的工作气体的压缩机主体，所述压缩机主体的运行频率可变。所述压缩机单元在所述压 缩机主体的高压与低压的压力比为1. 6~2. 5的范围的状态下进行运行。
[0007] 根据本发明的一种实施方式，能够提供一种低温泵系统的运行方法。该低温泵系 统具备：至少1个低温泵，所述至少1个低温泵具备制冷机、低温低温板、及高温低温板，所 述制冷机具备低温冷却台及高温冷却台，所述低温低温板通过所述低温冷却台被冷却，所 述高温低温板通过所述高温冷却台被冷却；及压缩机单元，所述压缩机单元具备压缩供给 至所述制冷机的工作气体的压缩机主体，所述压缩机主体的运行频率可变。所述方法具备 使所述压缩机主体运行，以使所述压缩机主体的高压与低压的压力比在1. 6~2. 5的范围 的步骤。
[0008] 另外，将以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表现，在方法、装置、系 统等之间进行相互替换，也作为本发明的实施方式而有效。
[0009] 根据本发明，能够提高低温泵系统的节能性能。
【附图说明】
[0010] 图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统的整体结构图。
[0011] 图2是表示用于本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统的控制装置的概略 结构的框图。
[0012] 图3是例示本发明的一种实施方式所涉及的制冷效率与压力比之间的关系的图 表。
[0013] 图4是例示制冷效率与压力比之间的关系的图表。
[0014] 图中：10_低温泵，12-制冷机，14-第1冷却台，16-第2冷却台，32-第1低温板， 34-第2低温板，50-压缩机单元，52-压缩机主体，55-压缩机逆变器，100-低温泵系统， 110-控制装置，112-CP控制器，114-压缩机控制器。
【具体实施方式】
[0015] 以下，参考附图，对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中，对相同的要 件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下所述的构成为例示，对本发明的范围 不做任何限定。
[0016] 本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统具备：具有二级式制冷机的低温泵， 及用于向制冷机供给高压工作气体的压缩机。制冷机例如构成为如下：通过控制运行频率 能够调整冷却做功Q。压缩机例如构成为如下：通过控制运行频率能够调整压缩做功W。
[0017] 本发明者考虑到工作气体为实际存在的气体，对本系统进行了理论性分析，从而 发现在制冷机的低温段温度区域，当压缩机以某一压力比运行时，制冷机的效率（以下称 作制冷效率）e成为最大。制冷机的效率e表示为e=Q/W。该最佳压力比如后述那样， 例如在大约1. 6~大约2. 5的范围之内。因此，通过以该范围内的压缩比运行压缩机，能够 降低系统的耗电量。
[0018] 另一方面，一种典型的低温泵系统的设计思想重视制冷机的冷却做功Q，例如系统 设计为冷却做功Q最大。其结果，通常压缩机的运行压力比例如为大约2. 6以上，偏离上述 最佳范围。
[0019] 在一种实施方式中，压缩机的最低运行频率根据压缩机的规格而定。当压缩机以 该最低运行频率运行时，与其对应的最低工作气体流量从压缩机供给至制冷机。当在制冷 机侧所使用的工作气体的流量小于该最低流量时，从压缩机供给至制冷机的工作气体过 量。此时压缩机消耗额外的电量。
[0020] 为了缓解这种因压缩机的规格而在压缩机与制冷机之间产生工作气体的流量不 均的现象，本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统具备多个低温泵，且各低温泵可具 备二级式制冷机。此时，与系统仅具有1个低温泵的情况相比，在制冷机侧使用的工作气体 流量变大，因此压缩机的气体流量减少至最低的运行状态甚少出现。因此，能够在压缩机的 整个运行期间或在其大部分运行期间调整压缩机的运行频率，从而能够使压缩机向制冷机 供给与在制冷机侧使用的工作气体的流量相匹配的工作气体。因此，能够防止或降低如上 所述的因压缩机规格而消耗额外电量的现象。
[0021] 图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的低温泵系统100的整体结构 图。低温泵系统100用于真空腔室102的真空排气。真空腔室102是为了向真空处理装置 (例如在离子注入装置或溅射装置等半导体制造工序中使用的装置）提供真空环境而设置 的。
[0022] 低温泵系统100具备多个低温泵10及压缩机或压缩机单元50。并且，低温泵系统 100具备气体管路70,该气体管路70将多个低温泵10并联连接于压缩机单元50。气体管 路70构成为使工作气体在多个低温泵10与各压缩机单元50之间进行循环。
[0023] 低温泵10安装于真空腔室102,且用于将真空腔室内部的真空度提高至所希望的 级别。也可以在由某一个低温泵10真空排气的真空腔室102中，安装另一个低温泵10。或 者，也可以将某一个低温泵10与另一个低温泵10分别安装于不同的真空腔室102。
[0024] 低温泵10具备制冷机12。制冷机12例如为吉福德-麦克马洪式制冷机（所谓的GM制冷机）等蓄冷式超低温制冷机。制冷机12为二级式制冷机，其具备高温冷却台或第1 冷却台14、及低温冷却台或弟2冷却台16。
[0025] 制冷机12具备第1缸体18及第2缸体20,第1缸体18在内部划定初级膨胀室， 第2缸体20在内部划定与初级膨胀室连通的二级膨胀室。第1缸体18与第2缸体20串 联连接。第1缸体18连接马达壳体21与第1冷却台14,第2缸体20连接第1冷却台14 与第2冷却台16。第1缸体18及第2缸体20分别内置有第1置换器及第2置换器（未图 示）。第1置换器及第2置换器彼此相连，且在其内部分别组装有蓄冷材料。
[0026] 在制冷机12的马达壳体21中容纳有制冷机马达22与气体流路切换机构23。制 冷机马达22为第1、第2置换器及气体流路切换机构23的驱动源。制冷机马达22与第1 置换器及第2置换器连接，以使第1置换器及第2置换器分别能够在第1缸体18及第2缸 体20的内部往返移动。
[0027] 气体流路切换机构23构成为周期性地切换工作气体的流路，以使在初级膨胀室 及二级膨胀室中的工作气体周期性地重复膨胀。制冷机马达22连接于气体流路切换机构 23的活动阀（未图示），以使该活动阀能够正反运行。活动阀例如为回转阀。
[0028] 马达壳体21设置有高压气体入口 24及低压气体出口 26。高压气体入口 24形成 于气体流路切换机构23的高压流路末端，低压气体出口 26形成于气体流路切换机构23的 低压流路末端。
[0029] 制冷机12使高压工作气体（例如氦气）在内部膨胀而在第1冷却台14及第2冷 却台16产生寒冷。高压工作气体从压缩机单元50通过高压气体入口 24供给至制冷机12。 此时，制冷机马达22使气体流路切换机构23进行切换，以使高压气体入口 24与膨胀室连 接。若制冷机12的膨胀室中充满高压工作气体，则制冷机马达22使气体流路切换机构23 进行切换，以使膨胀室与低压气体出口 26连接。工作气体绝热膨胀，并通过低压气体出口 26排出至压缩机单元50。第1、第2置换器与气体流路切换机构23的动作同步在膨胀室中 进行往返移动。通过重复进行这种热循环，使第1冷却台14及第2冷却台16冷却。
[0030] 第2冷却台16冷却至比第1冷却台14更低的温度。第2冷却台16例如被冷却 至8K~20K左右，第1冷却台14例如被冷却至80K~100K左右。第1冷却台14上安装 有用于测定第1冷却台14的温度的第1温度传感器28,第2冷却台16上安装有用于测定 第2冷却台16的温度的第2温度传感器30。
[0031] 低温泵10具备高温低温板或第1低温板32、及低温低温板或第2低温板34。第1 低温板32固定并热连接于第1冷却台14,第2低温板34固定并热连接于第2冷却台16。 由此，第1低温板32通过第1冷却台14被冷却，第2低温板34通过第2冷却台16被冷却。
[0032] 第1低温板32具备隔热板36与挡板38,并且包围第2低温板34。第2低温