特許 6952168 クライオポンプ及びクライオポンプ制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6952168

(24)【登録日】2021年9月29日

(45)【発行日】2021年10月20日

(54)【発明の名称】クライオポンプ及びクライオポンプ制御方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 37/16 20060101AFI20211011BHJP

   F04B 37/08 20060101ALI20211011BHJP

   F04B 49/10 20060101ALI20211011BHJP

【ＦＩ】

   F04B37/16 A

   F04B37/08

   F04B49/10 331G

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2020-118985(P2020-118985)

(22)【出願日】2020年7月10日

(62)【分割の表示】特願2017-122848(P2017-122848)の分割

【原出願日】2017年6月23日

(65)【公開番号】特開2020-172932(P2020-172932A)

(43)【公開日】2020年10月22日

【審査請求日】2020年7月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 走

【審査官】 上野 力

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４９１２４３８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１４−１５６８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２７８６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ３７／１６

Ｆ０４Ｂ ３７／０８

Ｆ０４Ｂ ４９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１段クライオパネルと、
２段クライオパネルと、
前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルに熱的に結合され、前記１段クライオパネルを１段冷却温度に冷却し、前記２段クライオパネルを前記１段冷却温度より低い２段冷却温度に冷却する冷凍機と、
前記１段冷却温度を直接制御することなく前記２段冷却温度を２段目標温度に制御する２段温度制御と、前記２段冷却温度を直接制御することなく前記１段冷却温度を１段目標温度に制御する１段温度制御とを実行するよう構成された制御装置であって、前記２段温度制御の実行中に前記１段冷却温度を所定の１段下限温度と比較し、前記１段冷却温度が前記１段下限温度を下回る場合に前記２段温度制御から前記１段温度制御に切り替えるよう構成された制御装置と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。

【請求項2】

１段クライオパネルと、
２段クライオパネルと、
前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルに熱的に結合され、前記１段クライオパネルを１段冷却温度に冷却し、前記２段クライオパネルを前記１段冷却温度より低い２段冷却温度に冷却する冷凍機と、
前記１段冷却温度を直接制御することなく前記２段冷却温度を２段目標温度に制御する２段温度制御と、前記２段冷却温度を直接制御することなく前記１段冷却温度を１段目標温度に制御する１段温度制御とを実行するよう構成された制御装置であって、前記２段温度制御の実行中に前記１段冷却温度を所定の１段上限温度と比較し、前記１段冷却温度が前記１段上限温度を上回る場合に前記２段温度制御から前記１段温度制御に切り替えるよう構成された制御装置と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。

【請求項3】

前記制御装置は、前記２段温度制御において前記２段冷却温度を前記２段目標温度に制御するように前記冷凍機の運転周波数を制御し、前記１段温度制御において前記１段冷却温度を前記１段目標温度に制御するように前記冷凍機の運転周波数を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。

【請求項4】

前記１段クライオパネルを加熱する第１ヒータをさらに備え、
前記制御装置は、前記１段温度制御において前記１段冷却温度を前記１段目標温度に制御するように前記第１ヒータを制御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。

【請求項5】

前記２段クライオパネルを加熱する第２ヒータをさらに備え、
前記制御装置は、前記２段温度制御において前記２段冷却温度を前記２段目標温度に制御するように前記第２ヒータを制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項6】

前記２段温度制御から前記１段温度制御への切替を使用者に通知する通知部を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項7】

クライオポンプの制御方法であって、前記クライオポンプは、１段クライオパネルと、
２段クライオパネルと、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルに熱的に結合され、前記１段クライオパネルを１段冷却温度に冷却し、前記２段クライオパネルを前記１段冷却温度より低い２段冷却温度に冷却する冷凍機と、を備え、
前記１段冷却温度を直接制御することなく前記２段冷却温度を２段目標温度に制御する２段温度制御を実行することと、
前記２段温度制御の実行中に前記１段冷却温度を所定の１段下限温度と比較することと、
前記１段冷却温度が前記１段下限温度を下回る場合、前記２段温度制御から１段温度制御に切り替えることと、を備え、
前記１段温度制御は、前記２段冷却温度を直接制御することなく前記１段冷却温度を１段目標温度に制御するものであることを特徴とする方法。

【請求項8】

クライオポンプの制御方法であって、前記クライオポンプは、１段クライオパネルと、
２段クライオパネルと、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルに熱的に結合され、前記１段クライオパネルを１段冷却温度に冷却し、前記２段クライオパネルを前記１段冷却温度より低い２段冷却温度に冷却する冷凍機と、を備え、
前記１段冷却温度を直接制御することなく前記２段冷却温度を２段目標温度に制御する２段温度制御を実行することと、
前記２段温度制御の実行中に前記１段冷却温度を所定の１段上限温度と比較することと、
前記１段冷却温度が前記１段上限温度を上回る場合、前記２段温度制御から１段温度制御に切り替えることと、を備え、
前記１段温度制御は、前記２段冷却温度を直接制御することなく前記１段冷却温度を１段目標温度に制御するものであることを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クライオポンプ及びクライオポンプ制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４９１２４３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

長期の使用によりクライオポンプの排気性能が劣化した場合、クライオポンプの修繕または新たなクライオポンプとの交換などのメンテナンスを行うことが推奨される。しかし、クライオポンプの用途によっては、メンテナンスの可能な時期は制約される。例えば、工場設備でクライオポンプが使用されている場合、製品の製造効率を最大化するように計画されたタイミングでメンテナンスを行うことが求められる。したがって、クライオポンプの排気性能に劣化の兆しが見えるとき、その後ある期間にわたり、あるいは、望ましくは計画されたメンテナンス時期まで、排気性能の劣化を抑制しながらクライオポンプの運転を続けることが望まれる。

【0005】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの寿命をある程度延ばすことにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のある態様によると、クライオポンプは、１段クライオパネルと、２段クライオパネルと、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルに熱的に結合され、前記１段クライオパネルを１段冷却温度に冷却し、前記２段クライオパネルを前記１段冷却温度より低い２段冷却温度に冷却する冷凍機と、前記１段冷却温度を１段目標温度に制御する１段温度制御を実行するよう構成された制御装置であって、前記１段温度制御の実行中に前記２段冷却温度の上昇を検知して前記冷凍機の冷凍能力を増加させるよう構成された制御装置と、を備える。

【0007】

本発明のある態様によると、クライオポンプの制御方法であって、前記クライオポンプは、１段クライオパネルと、２段クライオパネルと、前記１段クライオパネルおよび前記２段クライオパネルに熱的に結合され、前記１段クライオパネルを１段冷却温度に冷却し、前記２段クライオパネルを前記１段冷却温度より低い２段冷却温度に冷却する冷凍機と、を備え、本方法は、前記１段冷却温度を１段目標温度に制御する１段温度制御を実行することと、前記１段温度制御の実行中に前記２段冷却温度の上昇を検知して前記冷凍機の冷凍能力を増加させることと、を備える。

【0008】

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装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体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。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、クライオポンプの寿命をある程度延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】ある実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。

【図2】ある実施形態に係るクライオポンプの制御装置の構成を概略的に示す図である。

【図3】典型的なクライオポンプが長期間使用された結果としてとりうる温度プロファイルの一例を示す図である。

【図4】ある実施形態に係るクライオポンプの制御方法を示すフローチャートである。

【図5】ある実施形態に係るクライオポンプの制御方法を示すフローチャートである。

【図6】ある実施形態に係るクライオポンプが長期間使用された結果としてとりうる温度プロファイルの一例を示す図である。

【図7】ある実施形態に係るクライオポンプが長期間使用された結果としてとりうる温度プロファイルの他の一例を示す図である。

【図8】他の実施形態に係るクライオポンプの制御方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0012】

典型的なクライオポンプは二段式の極低温冷凍機で冷却される。極低温冷凍機の運転周波数を１段と２段で異ならせることはできないから、１段と２段の冷凍能力は個別に制御することができない。クライオポンプ、とくにハイエンドのクライオポンプにおいては通例、１段の冷却温度を目標温度に維持するように温度制御がなされている。極低温冷凍機の１段または２段に制御可能なヒータが設置される場合は別として、２段の冷却温度は制御されていない。

【0013】

長期の使用により極低温冷凍機の冷凍能力は徐々に劣化していく。劣化の影響は、より低温である２段の冷凍能力に顕著に現れる。そのため、長く使用されたクライオポンプにおいては、１段冷却温度は制御により維持されるが２段冷却温度は新品のクライオポンプほどには低くすることができない、といった運転状況が生じうる。そうした状況が進み、２段冷却温度がある限界まで高まると、クライオポンプの排気能力を保証することができない。この場合、クライオポンプの修繕または新たなクライオポンプとの交換などのメンテナンスを行うことが推奨される。

【0014】

しかし、半導体回路製造設備など工場設備でクライオポンプが使用されている場合、クライオポンプのメンテナンスの可能な時期は制約される。こうした工場では、製品の製造効率を最大化するように計画されたタイミングでメンテナンスを行うことが強く要請されるからである。

【0015】

不測のメンテナンスを避けるために、計画されたメンテナンス時期にクライオポンプを予防的に交換することもしばしば行われている。これは、劣化の兆しなく健全に運転されていたクライオポンプが新品のクライオポンプに交換されるということである。余力を残したクライオポンプの残り寿命を利用せず、無駄にしているので、もったいない。

【0016】

そこで、ある実施形態に係るクライオポンプの制御装置は、１段温度制御の実行中に２段冷却温度の上昇を検知して前記冷凍機の冷凍能力を増加させるよう構成されている。制御装置は、クライオポンプの性能の劣化の兆しとして、１段温度制御の実行中に発生する２段冷却温度の上昇を検知する。そのような兆しが検知された場合に、制御装置は、その検知時点以降の冷凍能力をそれ以前に比べて増強するように極低温冷凍機を制御する。

【0017】

このようにすれば、冷凍能力を増強せずに１段温度制御をそのまま継続した場合に比べて、２段冷却温度の上昇を遅らせることができる。クライオポンプのメンテナンスを要する限界の温度にまでクライオポンプの２段冷却温度が到達する時間を延ばすことができる。こうして、クライオポンプの寿命をある程度延ばすことができる。クライオポンプの運転を、望ましくは計画されたメンテナンス時期まで、排気性能の劣化を抑制しながら続けることが可能となる。

【0018】

図１は、ある実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。

【0019】

クライオポンプ１０は、気体を受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２はクライオポンプ１０の内部空間１４への入口である。クライオポンプ１０が取り付けられた真空チャンバから吸気口１２を通じて、排気されるべき気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

【0020】

なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は吸気口１２を通る方向を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。

【0021】

クライオポンプ１０は、冷却システム１５と、１段クライオパネル１８と、２段クライオパネル１９と、を備える。冷却システム１５は、１段クライオパネル１８及び２段クライオパネル１９を冷却するよう構成されている。冷却システム１５は、冷凍機１６と、圧縮機３６と、を備える。

【0022】

冷凍機１６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１６は、第１冷却ステージ２０、第２冷却ステージ２１、第１シリンダ２２、第２シリンダ２３、第１ディスプレーサ２４、及び第２ディスプレーサ２５を備える二段式の冷凍機である。よって、冷凍機１６の高温段は、第１冷却ステージ２０、第１シリンダ２２、及び第１ディスプレーサ２４を備える。冷凍機１６の低温段は、第２冷却ステージ２１、第２シリンダ２３、及び第２ディスプレーサ２５を備える。よって以下では第１冷却ステージ２０及び第２冷却ステージ２１をそれぞれ高温段の低温端及び低温段の低温端と呼ぶこともできる。

【0023】

第１シリンダ２２と第２シリンダ２３は直列に接続されている。第１冷却ステージ２０は、第１シリンダ２２と第２シリンダ２３との結合部に設置されている。第２シリンダ２３は第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２１とを連結する。第２冷却ステージ２１は、第２シリンダ２３の末端に設置されている。第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３それぞれの内部には第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５が冷凍機１６の長手方向（図１において左右方向）に移動可能に配設されている。第１ディスプレーサ２４と第２ディスプレーサ２５とは一体に移動可能に連結されている。第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５にはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。

【0024】

冷凍機１６の室温部には、駆動機構１７が設けられている。駆動機構１７は、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５のそれぞれが第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動可能とするように第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５に接続されている。また駆動機構１７は、作動気体の吸入と吐出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を切り替える流路切替機構を含む。流路切替機構は例えばバルブ部とバルブ部を駆動する駆動部とを含む。バルブ部は例えばロータリーバルブを含み、駆動部はロータリーバルブを回転させるためのモータを含む。モータは、例えばＡＣモータまたはＤＣモータであってもよい。また流路切替機構はリニアモータにより駆動される直動式の機構であってもよい。

【0025】

冷凍機１６は高圧導管３４及び低圧導管３５を介して圧縮機３６に接続される。冷凍機１６は、圧縮機３６から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム）を内部で膨張させて第１冷却ステージ２０及び第２冷却ステージ２１に寒冷を発生させる。圧縮機３６は、冷凍機１６で膨張した作動気体を回収し再び加圧して冷凍機１６に供給する。

【0026】

具体的には、まず駆動機構１７が高圧導管３４と冷凍機１６の内部空間とを連通させる。圧縮機３６から高圧導管３４を通じて冷凍機１６に高圧の作動気体が供給される。冷凍機１６の内部空間が高圧の作動気体で満たされると、駆動機構１７は冷凍機１６の内部空間を低圧導管３５に連通させるよう流路を切り替える。これにより作動気体は膨張する。膨張した作動気体は圧縮機３６へと回収される。こうした作動気体の給排に同期して、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５のそれぞれが第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで冷凍機１６は第１冷却ステージ２０及び第２冷却ステージ２１に寒冷を発生させる。

【0027】

冷凍機１６は、第１冷却ステージ２０を１段冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ２１を２段冷却温度に冷却するよう構成されている。２段冷却温度は１段冷却温度よりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２０は６０Ｋ〜１３０Ｋ程度、または６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、または、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２１は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

【0028】

冷凍機１６は、高温段を通じて低温段に作動気体を流すよう構成されている。すなわち、圧縮機３６から流入する作動気体は、第１シリンダ２２から第２シリンダ２３へと流れる。このとき第１ディスプレーサ２４及びその蓄冷器によって作動気体は第１冷却ステージ２０の温度に冷却される。こうして冷却された作動気体が低温段に供給される。

【0029】

図示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の軸方向に交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。

【0030】

２段クライオパネル１９は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。２段クライオパネル１９は例えば、複数のクライオパネル部材２６を含む。クライオパネル部材２６は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各クライオパネル部材２６には通常活性炭等の吸着剤（図示せず）が設けられている。吸着剤は例えばクライオパネル部材２６の裏面に接着されている。このようにして、２段クライオパネル１９は、気体分子を吸着するための吸着領域を備える。

【0031】

クライオパネル部材２６はクライオパネル取付部材２８に取り付けられている。クライオパネル取付部材２８は第２冷却ステージ２１に取り付けられている。このようにして、２段クライオパネル１９は、第２冷却ステージ２１に熱的に接続されている。よって、２段クライオパネル１９は２段冷却温度に冷却される。

【0032】

１段クライオパネル１８は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備える。１段クライオパネル１８は、２段クライオパネル１９を包囲するよう２段クライオパネル１９の外側に設けられている。１段クライオパネル１８は第１冷却ステージ２０に熱的に接続されており、１段クライオパネル１８は１段冷却温度に冷却される。

【0033】

放射シールド３０は主として、クライオポンプ１０のハウジング３８からの輻射熱から２段クライオパネル１９を保護するために設けられている。放射シールド３０は、ハウジング３８と２段クライオパネル１９との間にあり、２段クライオパネル１９を囲む。放射シールド３０は、吸気口１２に向けて軸方向上端が開放されている。放射シールド３０は、軸方向下端が閉塞された筒形（例えば円筒）の形状を有し、カップ状に形成されている。放射シールド３０の側面には冷凍機１６の取付のための孔があり、そこから第２冷却ステージ２１が放射シールド３０の中に挿入されている。その取付孔の外周部にて放射シールド３０の外面に第１冷却ステージ２０が固定されている。こうして放射シールド３０は第１冷却ステージ２０に熱的に接続されている。

【0034】

入口クライオパネル３２は、２段クライオパネル１９の軸方向上方に設けられ、吸気口１２において径方向に沿って配置されている。入口クライオパネル３２はその外周部が放射シールド３０の開口端に固定されて、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０の中心軸を中心とする同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。

【0035】

入口クライオパネル３２は、吸気口１２に入る気体を排気するために設けられている。入口クライオパネル３２の温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。また、入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から２段クライオパネル１９を保護するために設けられている。輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限される。入口クライオパネル３２は、吸気口１２を通じた内部空間１４への気体流入を所望量に制限するように吸気口１２の開口面積の一部を占有する。

【0036】

クライオポンプ１０は、ハウジング３８を備える。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるための真空容器である。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部空間１４の圧力を気密に保持するよう構成されている。ハウジング３８の中に、１段クライオパネル１８と冷凍機１６とが収容されている。ハウジング３８は、１段クライオパネル１８の外側に設けられており、１段クライオパネル１８を囲む。また、ハウジング３８は冷凍機１６を収容する。つまり、ハウジング３８は、１段クライオパネル１８及び２段クライオパネル１９を囲むクライオポンプ容器である。

【0037】

ハウジング３８は、１段クライオパネル１８及び冷凍機１６の低温部に非接触であるように、冷凍機１６の室温部（例えば駆動機構１７）に固定されている。ハウジング３８の外面は外部環境にさらされており、冷却されている１段クライオパネル１８よりも温度が高い（例えば室温程度）。

【0038】

また、ハウジング３８はその開口端から径方向外側に向けて延びる吸気口フランジ５６を備える。吸気口フランジ５６は、取付先の真空チャンバにクライオポンプ１０を取り付けるためのフランジである。真空チャンバの開口にはゲートバルブが設けられており（図示せず）、吸気口フランジ５６はそのゲートバルブに取り付けられる。そのようにして入口クライオパネル３２の軸方向上方にゲートバルブが位置する。例えばクライオポンプ１０を再生するときにゲートバルブは閉とされ、クライオポンプ１０が真空チャンバを排気するときに開とされる。

【0039】

クライオポンプ１０は、第１冷却ステージ２０の温度を測定するための第１温度センサ９０と、第２冷却ステージ２１の温度を測定するための第２温度センサ９２と、を備える。第１温度センサ９０は、第１冷却ステージ２０に取り付けられている。第２温度センサ９２は、第２冷却ステージ２１に取り付けられている。第１温度センサ９０の測定温度は１段冷却温度を表し、第２温度センサ９２の測定温度は２段冷却温度を表す。なお、第１温度センサ９０は１段クライオパネル１８に取り付けられていてもよい。第２温度センサ９２は２段クライオパネル１９に取り付けられていてもよい。

【0040】

また、クライオポンプ１０は、クライオポンプ制御装置（以下、制御装置ともいう）１００を備える。制御装置１００はクライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

【0041】

制御装置１００は、クライオポンプ１０の真空排気運転、再生運転、及びクールダウン運転のために冷凍機１６を制御するよう構成されている。制御装置１００には、第１温度センサ９０及び第２温度センサ９２を含む各種センサの測定結果を受信するよう構成されている。制御装置１００は、そうした測定結果に基づいて、冷凍機１６に与える制御指令を演算する。

【0042】

制御装置１００は、冷却ステージ温度が目標の冷却温度に追従するように冷凍機１６を制御する。第１冷却ステージ２０の目標温度は通常、一定値に設定される。第１冷却ステージ２０の目標温度は例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバで行われるプロセスに応じて仕様として定められる。なお、クライオポンプの運転中に、目標温度は必要に応じて変更されてもよい。

【0043】

例えば、制御装置１００は、第１冷却ステージ２０の目標温度と第１温度センサ９０の測定温度との偏差を最小化するようにフィードバック制御により冷凍機１６の運転周波数を制御する。すなわち、制御装置１００は、駆動機構１７のモータ回転数を制御することにより、冷凍機１６における熱サイクル（例えばＧＭサイクル）の周波数を制御する。

【0044】

クライオポンプ１０への熱負荷が増加したとき第１冷却ステージ２０の温度が高まりうる。第１温度センサ９０の測定温度が目標温度よりも高温である場合には、制御装置１００は、冷凍機１６の運転周波数を増加させる。その結果、冷凍機１６における熱サイクルの周波数も増加され、第１冷却ステージ２０は目標温度に向けて冷却される。逆に第１温度センサ９０の測定温度が目標温度よりも低温である場合には、冷凍機１６の運転周波数は減少されて第１冷却ステージ２０は目標温度に向けて昇温される。こうして、第１冷却ステージ２０の温度を目標温度の近傍の温度範囲に留めることができる。熱負荷に応じて冷凍機１６の運転周波数を適切に調整することができるので、こうした制御はクライオポンプ１０の消費電力の低減に役立つ。

【0045】

第１冷却ステージ２０の温度を目標温度に従って冷凍機１６を制御することを、以下では「１段温度制御」と呼ぶことがある。クライオポンプ１０が真空排気運転をしているときは通常、１段温度制御が実行される。１段温度制御の結果、第２冷却ステージ２１及び２段クライオパネル１９は、冷凍機１６の仕様及び外部からの熱負荷によって定まる温度に冷却される。同様にして、制御装置１００は、第２冷却ステージ２１の温度を目標温度に従って冷凍機１６を制御する、いわば「２段温度制御」を実行することもできる。

【0046】

図２は、ある実施形態に係るクライオポンプ１０の制御装置１００の構成を概略的に示す図である。こうした制御装置は、ハードウエア、ソフトウエア、またはそれらの組合せによって実現される。また、図２においては、関連する冷凍機１６の一部の構成を概略的に示す。

【0047】

冷凍機１６の駆動機構１７は、冷凍機１６を駆動する冷凍機モータ８０と、冷凍機１６の運転周波数を制御する冷凍機インバータ８２と、を備える。上述のように冷凍機１６は作動気体の膨張機であるので、冷凍機モータ８０及び冷凍機インバータ８２はそれぞれ膨張機モータ及び膨張機インバータと呼ぶこともできる。

【0048】

冷凍機１６の運転周波数（運転速度ともいう）とは、冷凍機モータ８０の運転周波数または回転数、冷凍機インバータ８２の運転周波数、熱サイクルの周波数、または、これらのいずれかを表す。熱サイクルの周波数とは、冷凍機１６において行われる熱サイクルの単位時間あたりの回数である。

【0049】

制御装置１００は、冷凍機制御部１０２、記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８を備える。

【0050】

冷凍機制御部１０２は、１段温度制御、２段温度制御、またはその他のクライオパネル温度制御からいずれかを選択して実行するよう構成されている。冷凍機制御部１０２は、１段温度制御の実行中に２段冷却温度の上昇を検知して冷凍機１６の冷凍能力を増加させるよう構成されている。例えば、冷凍機制御部１０２は、１段温度制御の実行中に２段冷却温度の上昇を検知して１段温度制御から２段温度制御に切り替えるよう構成されている。

【0051】

記憶部１０４は、クライオポンプ１０の制御に関連するデータを格納するよう構成されている。入力部１０６は、ユーザまたは他の装置からの入力を受け付けるよう構成されている。入力部１０６は例えば、ユーザからの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段、及び／または、他の装置との通信をするための通信手段を含む。出力部１０８は、クライオポンプ１０の制御に関連するデータを出力するよう構成され、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含む。

【0052】

記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８はそれぞれ冷凍機制御部１０２と通信可能に接続されている。よって、冷凍機制御部１０２は、必要に応じてデータを、記憶部１０４から読み出し及び／または記憶部１０４に格納することができる。また、冷凍機制御部１０２は、入力部１０６からデータの入力を受け、及び／または、出力部１０８にデータを出力することができる。

【0053】

冷凍機制御部１０２は、温度制御部１１０、１段温度監視部１１２、２段温度監視部１１４、通知部１１６を備える。

【0054】

温度制御部１１０は、１段温度制御および２段温度制御を実行するよう構成され、１段温度制御または２段温度制御のいずれかを選択して実行可能である。温度制御部１１０は、クライオポンプ１０の現況（例えば、１段クライオパネル１８及び／または２段クライオパネル１９の温度）に基づいて、１段温度制御から２段温度制御へと、または、２段温度制御から１段温度制御へと切り替えるよう構成されている。

【0055】

温度制御部１１０は、上述のように、クライオパネルの測定温度と目標温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）冷凍機モータ８０の運転周波数を決定するよう構成されている。温度制御部１１０は、予め定められた運転周波数範囲内において冷凍機モータ８０の運転周波数を決定する。運転周波数範囲は、予め定められた運転周波数の上限及び下限により定義される。温度制御部１１０は、決定された運転周波数を冷凍機インバータ８２に出力する。

【0056】

冷凍機インバータ８２は、冷凍機モータ８０の可変周波数制御を提供するよう構成されている。冷凍機インバータ８２は、入力電力を、温度制御部１１０から入力された運転周波数を有するよう変換する。冷凍機インバータ８２への入力電力は、冷凍機電源（図示せず）から供給される。冷凍機インバータ８２は、変換された電力を冷凍機モータ８０に出力する。こうして冷凍機モータ８０は、温度制御部１１０によって決定され冷凍機インバータ８２から出力された運転周波数で駆動される。

【0057】

このように冷凍機１６の冷凍能力がインバータ方式で制御される場合には、１段温度制御において２段冷却温度は直接制御されない。１段温度制御において２段冷却温度は、冷凍機１６の２段の冷凍能力と、外部から第２冷却ステージ２１への熱負荷とによって定まる。同様に、２段温度制御において１段冷却温度は直接制御されない。２段温度制御において１段冷却温度は、冷凍機１６の１段の冷凍能力と、外部から第１冷却ステージ２０への熱負荷とによって定まる。

【0058】

冷凍機１６の冷凍能力は、ヒータ方式によって、または、インバータ方式とヒータ方式の組み合わせによって、制御されてもよい。温度制御部１１０は、冷凍機モータ８０の運転周波数とともに（または冷凍機モータ８０の運転周波数に代えて）、冷凍機１６に付設されたヒータを制御してもよい。図１に示されるように、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２０および１段クライオパネル１８を加熱するよう第１冷却ステージ２０（または１段クライオパネル１８）に取り付けられた第１ヒータ９４を備えてもよい。また、冷凍機１６は、第２冷却ステージ２１および２段クライオパネル１９を加熱するよう第２冷却ステージ２１（または２段クライオパネル１９）に取り付けられた第２ヒータ９６を備えてもよい。冷凍機１６にヒータが設けられる場合には、１段温度制御および２段温度制御において１段冷却温度と２段冷却温度を個別に制御可能である。

【0059】

冷凍機１６の冷凍能力がインバータ方式で制御される場合には、第１ヒータ９４および第２ヒータ９６は冷凍機１６に設けられなくてもよい。

【0060】

１段温度監視部１１２は、１段冷却温度が所定の１段下限温度Ｔ１ｍｉｎ以上であるか否かを判定するよう構成されている。１段温度監視部１１２は、２段温度制御の実行中に、１段冷却温度が所定の１段下限温度Ｔ１ｍｉｎ以上であるか否かを判定してもよい。

【0061】

１段下限温度Ｔ１ｍｉｎは、クライオポンプ１０の真空排気運転中に１段冷却温度として許容される最低温度にあたる。例えば、クライオポンプ１０によって排気すべき主たる気体が水、アルゴン、およびキセノンである場合には、１段クライオパネル１８で水を排気し、２段クライオパネル１９でアルゴンおよびキセノンを排気することになる。１段クライオパネル１８の温度が過剰に低ければ、２段クライオパネル１９上に本来凝縮させるべきアルゴンおよびキセノンが１段クライオパネル１８にも凝縮されうる。しかし、これはクライオポンプ１０の異常挙動を招きうるので防止すべきである。クライオポンプ１０によって実現すべき真空度を１０^−８Ｐａとするとき、各種気体の蒸気圧線図から、１段冷却温度は、６０Ｋから１３０Ｋであればよいことがわかる。

【0062】

したがって、１段下限温度Ｔ１ｍｉｎは、例えば、約６０Ｋから約６５Ｋの温度範囲から選択されてもよい。１段下限温度Ｔ１ｍｉｎは、例えば、６０Ｋに設定することができる。１段下限温度Ｔ１ｍｉｎは、例えば、６５Ｋに設定されてもよい。

【0063】

２段温度監視部１１４は、２段冷却温度が所定の２段上限温度Ｔ２ｍａｘ以下であるか否かを判定するよう構成されている。２段温度監視部１１４は、１段温度制御の実行中に、２段冷却温度が所定の２段上限温度Ｔ２ｍａｘ以下であるか否かを判定してもよい。

【0064】

２段冷却温度は例えば、約１０Ｋから約１５Ｋの温度範囲、好ましくは約１１Ｋから約１３Ｋの温度範囲に維持されることが望まれる。そこで、２段上限温度Ｔ２ｍａｘは例えば、約１４Ｋから約２０Ｋの温度範囲から、または約１５Ｋから約１７Ｋの温度範囲選択されてもよい。２段上限温度Ｔ２ｍａｘは例えば、１５Ｋに設定されてもよい。２段上限温度は例えば、１４Ｋに設定されてもよい。

【0065】

通知部１１６は、１段温度制御から２段温度制御への切替を使用者に通知するよう構成されている。通知部１１６は、温度制御部１１０において１段温度制御から２段温度制御への切替が行われた場合、第１切替通知信号を生成し、出力部１０８に出力する。出力部１０８は、第１切替通知信号を受信すると、１段温度制御から２段温度制御への切替が行われたことをディスプレイに表示させ、またはその他の方法で使用者に知らせる。

【0066】

また、通知部１１６は、２段温度制御から１段温度制御への切替を使用者に通知するよう構成されている。通知部１１６は、温度制御部１１０において２段温度制御から１段温度制御への切替が行われた場合、第２切替通知信号を生成し、出力部１０８に出力する。出力部１０８は、第２切替通知信号を受信すると、２段温度制御から１段温度制御への切替が行われたことをディスプレイに表示させ、またはその他の方法で使用者に知らせる。

【0067】

上記の構成のクライオポンプ１０の真空排気運転を以下に説明する。クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプで真空チャンバ内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後、クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１６の駆動により第１冷却ステージ２０及び第２冷却ステージ２１がそれぞれ１段冷却温度及び２段冷却温度に冷却される。よって、これらに熱的に結合されている１段クライオパネル１８、２段クライオパネル１９もそれぞれ１段冷却温度及び２段冷却温度に冷却される。

【0068】

入口クライオパネル３２は、真空チャンバからクライオポンプ１０に向かって飛来する気体を冷却する。入口クライオパネル３２の表面には、１段冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第１種気体と称されてもよい。第１種気体は例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３２は、第１種気体を排気することができる。１段冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体の一部は、吸気口１２から内部空間１４へと進入する。あるいは、気体の他の一部は、入口クライオパネル３２で反射され、内部空間１４に進入しない。

【0069】

内部空間１４に進入した気体は、２段クライオパネル１９によって冷却される。２段クライオパネル１９の表面には、２段冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第２種気体と称されてもよい。第２種気体は例えばアルゴンである。こうして、２段クライオパネル１９は、第２種気体を排気することができる。

【0070】

第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、２段クライオパネル１９の吸着材に吸着される。この気体は、第３種気体と称されてもよい。第３種気体は例えば水素である。こうして、２段クライオパネル１９は、第３種気体を排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々の気体を凝縮または吸着により排気し、真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

【0071】

図３は、典型的なクライオポンプが長期間使用された結果としてとりうる温度プロファイルの一例を示す図である。図３の縦軸及び横軸はそれぞれ温度及び時間を表す。図３には、１段冷却温度Ｔ１及び２段冷却温度Ｔ２の時間変化を概略的に示す。

【0072】

上述のように、長期の使用によりクライオポンプを冷却する極低温冷凍機の冷凍能力は徐々に劣化していく。その結果、図３に示されるように、１段冷却温度Ｔ１は制御により維持されるが２段冷却温度Ｔ２は徐々に高くなっていく。こうした昇温傾向は、極低温冷凍機の冷凍能力の劣化を反映している。よって、クライオポンプの運転期間が長くなりクライオポンプの劣化が進むにつれて、２段の昇温傾向は顕著となる。２段冷却温度Ｔ２が高まるにつれて、クライオポンプの２段の排気能力が不十分となりうる。

【0073】

クライオポンプが設置された半導体回路製造設備がクライオポンプの排気能力不足のままで稼動することを予防するために、典型的なクライオポンプにおいては、２段冷却温度Ｔ２が運転停止温度Ｔ２ｆに達すると、運転が停止されメンテナンスが行われる。運転停止温度Ｔ２ｆは例えば１７Ｋ以上の温度であってもよい。こうした運転停止が発生すれば、製造設備も止めなければならないので、好ましくない。クライオポンプのメンテナンスは、半導体製品の製造計画に与える影響を最小化できるタイミングで行うことが望ましい。そうしたメンテナンス実行可能なタイミングまでクライオポンプの寿命を延ばすことが望ましい。

【0074】

図４および図５は、ある実施形態に係るクライオポンプ１０の制御方法を示すフローチャートである。図４および図５には、１段温度制御と２段温度制御との切替処理が例示される。冷凍機制御部１０２は、クライオポンプ１０の真空排気運転中に本処理を周期的に実行する。

【0075】

図４に示されるように、処理が開始されると、温度制御部１１０は、クライオポンプ１０の運転状態を判定する（Ｓ１０）。温度制御部１１０は、現在選択されている温度制御が１段温度制御と２段温度制御のどちらであるのかを判定する。制御装置１００においては、異なる複数の運転状態それぞれに対応する運転状態フラグが予め定められていてもよい。記憶部１０４は、これらの運転状態フラグを記憶していてもよい。制御装置１００は、現在選択されている温度制御が１段温度制御である場合には、１段温度制御フラグを記憶し、現在選択されている温度制御が２段温度制御である場合には、２段温度制御フラグを記憶するよう構成されていてもよい。温度制御部１１０は、このような運転状態フラグを参照してクライオポンプ１０の運転状態を判定してもよい。

【0076】

１段温度制御が現在選択されている場合には（Ｓ１０のＩ）、温度制御部１１０は、１段温度制御を実行する（Ｓ１２）。温度制御部１１０は、１段冷却温度として例えば第１温度センサ９０の測定温度を取得する。温度制御部１１０は、取得された１段冷却温度と予め設定されている１段目標温度に基づいて冷凍機モータ８０の運転周波数を制御する。また、冷凍機モータ８０の運転周波数とともに（または冷凍機モータ８０の運転周波数に代えて）、温度制御部１１０は、取得された１段冷却温度と予め設定されている１段目標温度に基づいて第１ヒータ９４及び／または第２ヒータ９６の出力（例えばヒータ電流）を制御してもよい。

【0077】

１段目標温度は例えば、６０Ｋから１００Ｋの温度範囲から、または、６５Ｋから８０Ｋの温度範囲から選択される。１段目標温度は例えば、８０Ｋであってもよい。１段目標温度は例えば、６５Ｋであってもよい。

【0078】

２段温度監視部１１４は、１段温度制御の実行中に、２段冷却温度Ｔ２が所定の２段上限温度Ｔ２ｍａｘ以下であるか否かを判定する（Ｓ１４）。２段温度監視部１１４は、２段冷却温度として例えば第２温度センサ９２の測定温度を取得する。２段温度監視部１１４は、取得された２段冷却温度Ｔ２を予め設定されている２段上限温度Ｔ２ｍａｘと比較する。このようにして、１段温度制御の実行中に２段冷却温度Ｔ２の上昇が検知される。２段冷却温度Ｔ２が２段上限温度Ｔ２ｍａｘ以下である場合には（Ｓ１４のＹ）、本処理は終了される。１段温度制御から２段温度制御への切替は行われない。

【0079】

このようにして、１段温度制御の実行中に、２段冷却温度Ｔ２が２段上限温度Ｔ２ｍａｘ以下である場合には、温度制御部１１０は、１段温度制御を継続する。クライオポンプ１０の排気能力が正常な水準にある場合には、２段冷却温度Ｔ２は２段上限温度Ｔ２ｍａｘより低いはずである。したがって、クライオポンプ１０が正常に運転しているときは、１段温度制御が行われる。

【0080】

一方、２段冷却温度Ｔ２が２段上限温度Ｔ２ｍａｘを超える場合には（Ｓ１４のＮ）、温度制御部１１０は、１段温度制御から２段温度制御に切り替える（Ｓ２０）。２段温度制御で使用される２段目標温度は、２段上限温度Ｔ２ｍａｘに設定される。２段温度制御フラグが設定され、記憶部１０４に記憶される。また、１段温度制御において設定されていた１段目標温度の値が記憶部１０４に記憶される。通知部１１６は、温度制御部１１０において１段温度制御から２段温度制御への切替が行われたことを使用者に通知する（Ｓ２２）。こうして、１段温度制御は終了し、２段温度制御が開始される。

【0081】

図５には、図４のＳ１０に続く処理が示されている。２段温度制御が現在選択されている場合には（図４のＳ１０のＩＩ）、温度制御部１１０は、２段温度制御を実行する（Ｓ２４）。温度制御部１１０は、２段冷却温度Ｔ２として例えば第２温度センサ９２の測定温度を取得する。温度制御部１１０は、取得された２段冷却温度Ｔ２と予め設定されている２段目標温度（すなわち、２段上限温度Ｔ２ｍａｘ）に基づいて冷凍機モータ８０の運転周波数を制御する。また、冷凍機モータ８０の運転周波数とともに（または冷凍機モータ８０の運転周波数に代えて）、温度制御部１１０は、取得された２段冷却温度Ｔ２と予め設定されている２段目標温度に基づいて第１ヒータ９４及び／または第２ヒータ９６の出力（例えばヒータ電流）を制御してもよい。

【0082】

１段温度監視部１１２は、２段温度制御の実行中に、１段冷却温度Ｔ１が所定の１段下限温度Ｔ１ｍｉｎ以上、所定の１段上限温度Ｔ１ｍａｘ以下の温度範囲にあるか否かを判定する（Ｓ２６）。１段温度監視部１１２は、１段冷却温度として例えば第１温度センサ９０の測定温度を取得する。１段温度監視部１１２は、取得された１段冷却温度Ｔ１を予め設定されている１段下限温度Ｔ１ｍｉｎと比較する。このようにして、２段温度制御の実行中に１段冷却温度Ｔ１の過剰な低下が検知される。また、１段温度監視部１１２は、取得された１段冷却温度Ｔ１を予め設定されている１段上限温度Ｔ１ｍａｘと比較する。このようにして、２段温度制御の実行中に一時的に生じうる１段冷却温度Ｔ１の過剰な上昇が検知される。１段上限温度Ｔ１ｍａｘは例えば、直近の１段温度制御において設定されていた１段目標温度の値と等しくてもよい。

【0083】

１段冷却温度Ｔ１が１段下限温度Ｔ１ｍｉｎ以上１段上限温度Ｔ１ｍａｘ以下である場合には（Ｓ２６のＴ１ｍａｘ≧Ｔ１≧Ｔ１ｍｉｎ）、本処理は終了される。２段温度制御から１段温度制御への切替は行われない。

【0084】

このようにして、２段温度制御の実行中に、１段冷却温度Ｔ１が１段下限温度Ｔ１ｍｉｎ以上１段上限温度Ｔ１ｍａｘ以下の温度範囲にある場合には、温度制御部１１０は、２段温度制御を継続する。２段目標温度が２段上限温度Ｔ２ｍａｘに設定されているから、２段冷却温度Ｔ２を２段上限温度Ｔ２ｍａｘに維持することができる。これは、２段温度制御のもとで、図３を参照して述べた２段の昇温傾向に対抗するように冷凍機１６の２段の冷凍能力が増加されたことを意味する。

【0085】

一方、１段冷却温度Ｔ１が１段下限温度Ｔ１ｍｉｎを下回る場合には（Ｓ２６のＴ１＜Ｔ１ｍｉｎ）、温度制御部１１０は、２段温度制御から１段温度制御に切り替える（Ｓ２８）。こうして、クライオポンプ１０は、２段温度制御から１段温度制御に復帰する。復帰後の１段温度制御で使用される１段目標温度は、１段下限温度Ｔ１ｍｉｎに設定される（Ｓ３０）。１段温度制御フラグが設定され、記憶部１０４に記憶される。通知部１１６は、温度制御部１１０において２段温度制御から１段温度制御への切替が行われたことを使用者に通知する（Ｓ３２）。２段温度制御は終了し、１段温度制御が開始される。

【0086】

復帰後の１段温度制御で使用される１段目標温度は、当初の１段温度制御で使用される１段目標温度より低いので、冷凍機１６の１段の冷凍能力が増加されたことになる。なお、復帰後の１段温度制御で使用される１段目標温度は、１段下限温度Ｔ１ｍｉｎと異なってもよい。復帰後の１段温度制御で使用される１段目標温度は、当初の１段温度制御で使用される１段目標温度より低く、１段下限温度Ｔ１ｍｉｎより高くてもよい。

【0087】

１段冷却温度Ｔ１が１段上限温度Ｔ１ｍａｘを上回る場合には（Ｓ２６のＴ１＞Ｔ１ｍａｘ）、温度制御部１１０は、２段温度制御から１段温度制御に切り替える（Ｓ３４）。こうして、クライオポンプ１０は、２段温度制御から１段温度制御に復帰する。復帰後の１段温度制御で使用される１段目標温度は、もとの１段目標温度、すなわち、直近の１段温度制御において設定されていた１段目標温度の値に設定される（Ｓ３６）。１段温度制御フラグが設定され、記憶部１０４に記憶される。通知部１１６は、温度制御部１１０において２段温度制御から１段温度制御への切替が行われたことを使用者に通知する（Ｓ３８）。２段温度制御は終了し、１段温度制御が開始される。

【0088】

なお、通知部１１６による通知または警報のタイミングが１段温度制御と２段温度制御の切替と同時であることは、必須ではない。種々のタイミングがありうる。例えば、通知タイミングは、２段温度制御の開始後に生じる１段冷却温度の低下量が閾値（例えば約１０Ｋ）を超えるとき、２段温度制御の実行中に冷凍機１６の運転周波数が所定値を超えるとき、または、２段温度制御の実行中に第１ヒータ９４の出力が所定値を下回るとき、であってもよい。通知部１１６は、１段温度制御と２段温度制御の切替時点で第１警報を通知し、その後に第２警報を通知するというように、複数段階の警報を生成してもよい。第２警報は、２段温度制御の開始後に生じる１段冷却温度の低下量が閾値（例えば約１０Ｋ）を超えるとき、２段温度制御の実行中に冷凍機１６の運転周波数が所定値を超えるとき、または、２段温度制御の実行中に第１ヒータ９４の出力が所定値を下回るときに通知されてもよい。

【0089】

必要に応じて、通知部１１６による通知または警報のタイミングは、２段温度制御から１段温度制御に切り替える前であってもよい。例えば、通知部１１６は、２段温度制御の実行中において１段冷却温度Ｔ１が、１段下限温度Ｔ１ｍｉｎより若干高い閾値温度を下回る場合に、通知または警報を出してもよい。閾値温度は例えば、１段下限温度Ｔ１ｍｉｎに比べて１Ｋから５Ｋ高い温度であってもよい。このようにして、２段温度制御から１段温度制御への復帰前に事前に通知または警報が出されてもよい。

【0090】

図６は、ある実施形態に係るクライオポンプ１０が長期間使用された結果としてとりうる温度プロファイルの一例を示す図である。クライオポンプ１０においては、図５に示される制御処理が実行されている。ここで、冷凍機１６の冷凍能力はインバータ方式で制御されている。図３と同様に、図６の縦軸及び横軸はそれぞれ温度及び時間を表す。図６においては比較のために、図３に示す温度プロファイルを破線で示す。

【0091】

図６に示される場合においても、図３に示される場合と同様に、長期の使用によりクライオポンプ１０を冷却する冷凍機１６の冷凍能力は徐々に劣化していく。１段温度制御が実行されている間、１段冷却温度Ｔ１は当初の１段目標温度Ｔ１ａに維持されるが２段冷却温度Ｔ２は徐々に高くなっていく（時点ｔ１からｔ２）。

【0092】

ところが、図６においては図３と異なり、２段冷却温度Ｔ２が２段上限温度Ｔ２ｍａｘまで昇温すると（時点ｔ２）、クライオポンプ１０の温度制御は、１段温度制御から２段温度制御に切り替えられる。２段温度制御が実行されている間、２段冷却温度Ｔ２は２段上限温度Ｔ２ｍａｘに維持されるが１段冷却温度Ｔ１は徐々に下がっていく（時点ｔ２からｔ３）。これは、１段温度制御から２段温度制御に切り替えて２段温度制御を実行することにより、図６に破線で示されるような昇温傾向を抑えるように冷凍機１６の２段の冷凍能力が増加されるためである。冷凍機１６の２段の冷凍能力が増加されれば１段の冷凍能力も増加されるから、１段冷却温度Ｔ１は低下する。

【0093】

その後、１段冷却温度Ｔ１が１段下限温度Ｔ１ｍｉｎにまで降温すると（時点ｔ３）、クライオポンプ１０の温度制御は、２段温度制御から１段温度制御に再び切り替えられる。ここで、１段温度制御で使用される１段目標温度は１段下限温度Ｔ１ｍｉｎであるから、１段冷却温度Ｔ１が１段下限温度Ｔ１ｍｉｎに維持される。２段冷却温度Ｔ２は再び徐々に高くなっていく（時点ｔ３からｔ５）。２段冷却温度Ｔ２が運転停止温度Ｔ２ｆに達すると、クライオポンプ１０の運転が停止される（時点ｔ５）。

【0094】

図６から理解されるように、クライオポンプ１０の運転停止時点ｔ５は、破線で示される典型的なクライオポンプの運転停止時点ｔ４よりも遅れている。すなわち、ある実施形態に係るクライオポンプ１０の寿命が、典型的なクライオポンプに比べてΔｔ（＝ｔ５−ｔ４）だけ延びている。

【0095】

本実施形態によると、クライオポンプ１０は、１段温度制御の実行中に２段冷却温度Ｔ２の上昇を検知して冷凍機１６の冷凍能力を増加させることができる。具体的には、１段温度制御の実行中に２段冷却温度Ｔ２が２段上限温度Ｔ２ｍａｘを超える場合に、１段温度制御が終了され２段温度制御が開始されている。

【0096】

それにより、冷凍能力を増強せずに１段温度制御をそのまま継続した場合に比べて、２段冷却温度の上昇を遅らせることができる。クライオポンプ１０の運転停止温度Ｔ２ｆにまでクライオポンプ１０の２段冷却温度Ｔ２が到達する時間を延ばすことができる。こうして、クライオポンプ１０の寿命をある程度延ばすことができる。クライオポンプ１０の運転を、望ましくは計画されたメンテナンス時期まで、排気性能の劣化を抑制しながら続けることが可能となる。

【0097】

図７は、ある実施形態に係るクライオポンプ１０が長期間使用された結果としてとりうる温度プロファイルの他の一例を示す図である。クライオポンプ１０においては、図５に示される制御処理が実行されている。ここで、冷凍機１６の冷凍能力はヒータ方式で制御されている。本発明は、冷凍機１６の冷凍能力がインバータ方式で制御される場合だけでなく、冷凍機１６の冷凍能力がヒータ方式で制御される場合にも、適用可能である。

【0098】

図７に示される場合においても、図３に示される場合と同様に、長期の使用によりクライオポンプ１０を冷却する冷凍機１６の冷凍能力は徐々に劣化していく。１段温度制御が実行されている間、１段冷却温度Ｔ１は当初の１段目標温度Ｔ１ａに維持される（時点ｔ１からｔ３）。冷凍機１６の２段の冷凍能力に余裕があるクライオポンプ１０の正常な運転状態においては、第２ヒータ９６を動作させることによって、２段冷却温度Ｔ２を１段冷却温度Ｔ１とは独立に制御することができる。こうして、１段温度制御の実行中に、１段冷却温度Ｔ１だけでなく、２段冷却温度Ｔ２も２段目標温度Ｔ２ａに維持することができる。

【0099】

２段冷却温度Ｔ２を２段目標温度Ｔ２ａに維持するために、温度制御部１１０は、冷凍機１６の２段の冷凍能力が劣化するにつれて、第２ヒータ９６の出力を低下させ、最終的には第２ヒータ９６をオフにする（時点ｔ２）。その後は、１段温度制御が実行されている間、１段冷却温度Ｔ１は当初の１段目標温度Ｔ１ａに維持されるが２段冷却温度Ｔ２は徐々に高くなっていく（時点ｔ２からｔ３）。

【0100】

２段冷却温度Ｔ２が２段上限温度Ｔ２ｍａｘまで昇温すると（時点ｔ３）、クライオポンプ１０の温度制御は、１段温度制御から２段温度制御に切り替えられる。２段温度制御においては、温度制御部１１０は、第１ヒータ９４を制御することによって、２段冷却温度Ｔ２を制御する。第１ヒータ９４の出力を低下させれば、１段冷却温度Ｔ１は低下し、１段から２段への熱流入が減少する。そのため、冷凍機１６の２段の冷凍能力が増加し、２段冷却温度Ｔ２が下がる。逆に第１ヒータ９４の出力を増加させれば、冷凍機１６の２段の冷凍能力が低下し２段冷却温度Ｔ２が上がる。

【0101】

２段温度制御が実行されている間、２段冷却温度Ｔ２は２段上限温度Ｔ２ｍａｘに維持されるが１段冷却温度Ｔ１は徐々に下がっていく（時点ｔ３からｔ４）。１段温度制御から２段温度制御に切り替えて２段温度制御を実行することにより、クライオポンプ１０の経時的な劣化に伴う上述の昇温傾向を抑えるように冷凍機１６の冷凍能力が増加されるためである。

【0102】

その後、１段冷却温度Ｔ１が１段下限温度Ｔ１ｍｉｎにまで降温すると（時点ｔ４）、クライオポンプ１０の温度制御は、２段温度制御から１段温度制御に再び切り替えられる。ここで、１段温度制御で使用される１段目標温度は１段下限温度Ｔ１ｍｉｎであるから、１段冷却温度Ｔ１が１段下限温度Ｔ１ｍｉｎに維持される。２段冷却温度Ｔ２は再び徐々に高くなっていく（時点ｔ４からｔ５）。２段冷却温度Ｔ２が運転停止温度Ｔ２ｆに達すると、クライオポンプ１０の運転が停止される（時点ｔ５）。

【0103】

このように、本発明は、冷凍機１６の冷凍能力がインバータ方式で制御される場合だけでなく、冷凍機１６の冷凍能力がヒータ方式で制御される場合にも、適用可能である。

【0104】

図８は、他の実施形態に係るクライオポンプ１０の制御方法を示すフローチャートである。制御装置１００は、１段温度制御の実行中に２段冷却温度の上昇を検知して１段目標温度を低下させるよう構成されている。上述の実施形態とは異なり、１段温度制御から２段温度制御に切り替えるのではなく、２段冷却温度の上昇を検知しても１段温度制御が継続される。１段目標温度を低下させることによって、冷凍機１６の冷凍能力が増加される。

【0105】

図８に示されるように、温度制御部１１０は、１段温度制御を実行する（Ｓ４０）。２段温度監視部１１４は、１段温度制御の実行中に、２段冷却温度Ｔ２が所定の２段上限温度Ｔ２ｍａｘ以下であるか否かを判定する（Ｓ４２）。２段冷却温度Ｔ２が２段上限温度Ｔ２ｍａｘ以下である場合には（Ｓ４２のＹ）、本処理は終了される。１段目標温度は変更されない。

【0106】

２段冷却温度Ｔ２が２段上限温度Ｔ２ｍａｘを超える場合には（Ｓ４２のＮ）、温度制御部１１０は、１段目標温度を低下させる（Ｓ４４）。例えば、温度制御部１１０は、１段目標温度を１段下限温度Ｔ１ｍｉｎに変更する。あるいは、温度制御部１１０は、１段目標温度を、現在の１段目標温度と１段下限温度Ｔ１ｍｉｎとの間の温度値に変更してもよい。こうして、以降の１段温度制御では、変更後の１段目標温度が使用される。なお、１段目標温度が既に１段下限温度Ｔ１ｍｉｎにまで低下されている場合には、温度制御部１１０は、１段目標温度を変更しない。

【0107】

通知部１１６は、温度制御部１１０において１段目標温度が低下したことを使用者に通知する（Ｓ４６）。こうして、本処理は終了される。以降、本処理は、クライオポンプ１０の真空排気運転中に周期的に実行される。

【0108】

このようにしても、クライオポンプ１０は、１段温度制御の実行中に２段冷却温度Ｔ２の上昇を検知して冷凍機１６の冷凍能力を増加させることができる。それにより、クライオポンプ１０の寿命をある程度延ばすことができる。クライオポンプ１０の運転を、望ましくは計画されたメンテナンス時期まで、排気性能の劣化を抑制しながら続けることが可能となる。

【0109】

図８に示される制御処理は、図４および図５に示される制御処理と組み合わせることも可能である。２段温度監視部１１４は、１段温度制御の実行中に、２段冷却温度Ｔ２が所定の温度閾値以下であるか否かを判定してもよい。温度閾値は、２段上限温度Ｔ２ｍａｘより低くてもよい。温度制御部１１０は、２段冷却温度Ｔ２が温度閾値以下である場合には１段目標温度を維持し、２段冷却温度Ｔ２が温度閾値を超える場合には１段目標温度を低下させてもよい。このようにすれば、例えば、図７に示される時点ｔ２からｔ３において、１段目標温度を低下させ、２段冷却温度の上昇を抑制することができる。

【0110】

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。

【符号の説明】

【0111】

１０ クライオポンプ、 １６ 冷凍機、 １８ １段クライオパネル、 １９ ２段クライオパネル、 １００ 制御装置、 １１０ 温度制御部、 １１２ １段温度監視部、 １１４ ２段温度監視部、 １１６ 通知部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】