低溫泵系統(tǒng)及低溫泵系統(tǒng)的運行方法
【專利說明】
[0001] 本申請主張基于2013年11月20日申請的日本專利申請第2013-239757號的優(yōu) 先權。該日本申請的全部內容通過參考援用于本說明書中。
技術領域
[0002] 本發(fā)明涉及一種低溫泵系統(tǒng)及低溫泵系統(tǒng)的運行方法。
【背景技術】
[0003] 一種低溫泵系統(tǒng)，其具有至少1個低溫泵，及1個或多個壓縮機單元。低溫泵具有 制冷機。壓縮機單元將工作氣體供給至制冷機。工作氣體在制冷機內膨脹，從而使低溫泵 冷卻。工作氣體被壓縮機單元回收。
[0004] 專利文獻1 :日本特開2013-134020號公報

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的一種實施方式的示例性的目的之一在于提高低溫泵系統(tǒng)的節(jié)能性能。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，能夠提供一種低溫泵系統(tǒng)，所述低溫泵系統(tǒng)具備：至 少1個低溫泵，所述至少1個低溫泵具備制冷機、低溫低溫板、及高溫低溫板，所述制冷機具 備低溫冷卻臺及高溫冷卻臺，所述低溫低溫板通過所述低溫冷卻臺被冷卻，所述高溫低溫 板通過所述高溫冷卻臺被冷卻；及壓縮機單元，所述壓縮機單元具備壓縮供給至所述制冷 機的工作氣體的壓縮機主體，所述壓縮機主體的運行頻率可變。所述壓縮機單元在所述壓 縮機主體的高壓與低壓的壓力比為1. 6~2. 5的范圍的狀態(tài)下進行運行。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，能夠提供一種低溫泵系統(tǒng)的運行方法。該低溫泵系 統(tǒng)具備：至少1個低溫泵，所述至少1個低溫泵具備制冷機、低溫低溫板、及高溫低溫板，所 述制冷機具備低溫冷卻臺及高溫冷卻臺，所述低溫低溫板通過所述低溫冷卻臺被冷卻，所 述高溫低溫板通過所述高溫冷卻臺被冷卻；及壓縮機單元，所述壓縮機單元具備壓縮供給 至所述制冷機的工作氣體的壓縮機主體，所述壓縮機主體的運行頻率可變。所述方法具備 使所述壓縮機主體運行，以使所述壓縮機主體的高壓與低壓的壓力比在1. 6~2. 5的范圍 的步驟。
[0008] 另外，將以上構成要件的任意組合或本發(fā)明的構成要件或表現(xiàn)，在方法、裝置、系 統(tǒng)等之間進行相互替換，也作為本發(fā)明的實施方式而有效。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提高低溫泵系統(tǒng)的節(jié)能性能。
【附圖說明】
[0010] 圖1是概略地表示本發(fā)明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統(tǒng)的整體結構圖。
[0011] 圖2是表示用于本發(fā)明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統(tǒng)的控制裝置的概略 結構的框圖。
[0012] 圖3是例示本發(fā)明的一種實施方式所涉及的制冷效率與壓力比之間的關系的圖 表。
[0013] 圖4是例示制冷效率與壓力比之間的關系的圖表。
[0014] 圖中：10_低溫泵，12-制冷機，14-第1冷卻臺，16-第2冷卻臺，32-第1低溫板， 34-第2低溫板，50-壓縮機單元，52-壓縮機主體，55-壓縮機逆變器，100-低溫泵系統(tǒng)， 110-控制裝置，112-CP控制器，114-壓縮機控制器。
【具體實施方式】
[0015] 以下，參考附圖，對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明。另外，在說明中，對相同的要 件標注相同的符號，并適當省略重復說明。并且，以下所述的構成為例示，對本發(fā)明的范圍 不做任何限定。
[0016] 本發(fā)明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統(tǒng)具備：具有二級式制冷機的低溫泵， 及用于向制冷機供給高壓工作氣體的壓縮機。制冷機例如構成為如下：通過控制運行頻率 能夠調整冷卻做功Q。壓縮機例如構成為如下：通過控制運行頻率能夠調整壓縮做功W。
[0017] 本發(fā)明者考慮到工作氣體為實際存在的氣體，對本系統(tǒng)進行了理論性分析，從而 發(fā)現(xiàn)在制冷機的低溫段溫度區(qū)域，當壓縮機以某一壓力比運行時，制冷機的效率（以下稱 作制冷效率）e成為最大。制冷機的效率e表示為e=Q/W。該最佳壓力比如后述那樣， 例如在大約1. 6~大約2. 5的范圍之內。因此，通過以該范圍內的壓縮比運行壓縮機，能夠 降低系統(tǒng)的耗電量。
[0018] 另一方面，一種典型的低溫泵系統(tǒng)的設計思想重視制冷機的冷卻做功Q，例如系統(tǒng) 設計為冷卻做功Q最大。其結果，通常壓縮機的運行壓力比例如為大約2. 6以上，偏離上述 最佳范圍。
[0019] 在一種實施方式中，壓縮機的最低運行頻率根據(jù)壓縮機的規(guī)格而定。當壓縮機以 該最低運行頻率運行時，與其對應的最低工作氣體流量從壓縮機供給至制冷機。當在制冷 機側所使用的工作氣體的流量小于該最低流量時，從壓縮機供給至制冷機的工作氣體過 量。此時壓縮機消耗額外的電量。
[0020] 為了緩解這種因壓縮機的規(guī)格而在壓縮機與制冷機之間產生工作氣體的流量不 均的現(xiàn)象，本發(fā)明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統(tǒng)具備多個低溫泵，且各低溫泵可具 備二級式制冷機。此時，與系統(tǒng)僅具有1個低溫泵的情況相比，在制冷機側使用的工作氣體 流量變大，因此壓縮機的氣體流量減少至最低的運行狀態(tài)甚少出現(xiàn)。因此，能夠在壓縮機的 整個運行期間或在其大部分運行期間調整壓縮機的運行頻率，從而能夠使壓縮機向制冷機 供給與在制冷機側使用的工作氣體的流量相匹配的工作氣體。因此，能夠防止或降低如上 所述的因壓縮機規(guī)格而消耗額外電量的現(xiàn)象。
[0021] 圖1是概略地表示本發(fā)明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統(tǒng)100的整體結構 圖。低溫泵系統(tǒng)100用于真空腔室102的真空排氣。真空腔室102是為了向真空處理裝置 (例如在離子注入裝置或濺射裝置等半導體制造工序中使用的裝置）提供真空環(huán)境而設置 的。
[0022] 低溫泵系統(tǒng)100具備多個低溫泵10及壓縮機或壓縮機單元50。并且，低溫泵系統(tǒng) 100具備氣體管路70,該氣體管路70將多個低溫泵10并聯(lián)連接于壓縮機單元50。氣體管 路70構成為使工作氣體在多個低溫泵10與各壓縮機單元50之間進行循環(huán)。
[0023] 低溫泵10安裝于真空腔室102,且用于將真空腔室內部的真空度提高至所希望的 級別。也可以在由某一個低溫泵10真空排氣的真空腔室102中，安裝另一個低溫泵10?；?者，也可以將某一個低溫泵10與另一個低溫泵10分別安裝于不同的真空腔室102。
[0024] 低溫泵10具備制冷機12。制冷機12例如為吉福德-麥克馬洪式制冷機（所謂的GM制冷機）等蓄冷式超低溫制冷機。制冷機12為二級式制冷機，其具備高溫冷卻臺或第1 冷卻臺14、及低溫冷卻臺或弟2冷卻臺16。
[0025] 制冷機12具備第1缸體18及第2缸體20,第1缸體18在內部劃定初級膨脹室， 第2缸體20在內部劃定與初級膨脹室連通的二級膨脹室。第1缸體18與第2缸體20串 聯(lián)連接。第1缸體18連接馬達殼體21與第1冷卻臺14,第2缸體20連接第1冷卻臺14 與第2冷卻臺16。第1缸體18及第2缸體20分別內置有第1置換器及第2置換器（未圖 示）。第1置換器及第2置換器彼此相連，且在其內部分別組裝有蓄冷材料。
[0026] 在制冷機12的馬達殼體21中容納有制冷機馬達22與氣體流路切換機構23。制 冷機馬達22為第1、第2置換器及氣體流路切換機構23的驅動源。制冷機馬達22與第1 置換器及第2置換器連接，以使第1置換器及第2置換器分別能夠在第1缸體18及第2缸 體20的內部往返移動。
[0027] 氣體流路切換機構23構成為周期性地切換工作氣體的流路，以使在初級膨脹室 及二級膨脹室中的工作氣體周期性地重復膨脹。制冷機馬達22連接于氣體流路切換機構 23的活動閥（未圖示），以使該活動閥能夠正反運行?；顒娱y例如為回轉閥。
[0028] 馬達殼體21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 于氣體流路切換機構23的高壓流路末端，低壓氣體出口 26形成于氣體流路切換機構23的 低壓流路末端。
[0029] 制冷機12使高壓工作氣體（例如氦氣）在內部膨脹而在第1冷卻臺14及第2冷 卻臺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供給至制冷機12。 此時，制冷機馬達22使氣體流路切換機構23進行切換，以使高壓氣體入口 24與膨脹室連 接。若制冷機12的膨脹室中充滿高壓工作氣體，則制冷機馬達22使氣體流路切換機構23 進行切換，以使膨脹室與低壓氣體出口 26連接。工作氣體絕熱膨脹，并通過低壓氣體出口 26排出至壓縮機單元50。第1、第2置換器與氣體流路切換機構23的動作同步在膨脹室中 進行往返移動。通過重復進行這種熱循環(huán)，使第1冷卻臺14及第2冷卻臺16冷卻。
[0030] 第2冷卻臺16冷卻至比第1冷卻臺14更低的溫度。第2冷卻臺16例如被冷卻 至8K~20K左右，第1冷卻臺14例如被冷卻至80K~100K左右。第1冷卻臺14上安裝 有用于測定第1冷卻臺14的溫度的第1溫度傳感器28,第2冷卻臺16上安裝有用于測定 第2冷卻臺16的溫度的第2溫度傳感器30。
[0031] 低溫泵10具備高溫低溫板或第1低溫板32、及低溫低溫板或第2低溫板34。第1 低溫板32固定并熱連接于第1冷卻臺14,第2低溫板34固定并熱連接于第2冷卻臺16。 由此，第1低溫板32通過第1冷卻臺14被冷卻，第2低溫板34通過第2冷卻臺16被冷卻。
[0032] 第1低溫板32具備隔熱板36與擋板38,并且包圍第2低溫板34。第2低溫