低溫泵系統、低溫泵系統的運行方法以及壓縮機單元的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種具有被擴大的工作氣體的流量控制范圍的低溫泵系統、該種低溫泵系統的運行方法、以及適用于這些系統及方法的壓縮機單元。本發明的低溫泵系統（100）具備：低溫泵（10）；用于低溫泵（10）的工作氣體的壓縮機（52）；控制裝置（110），構成為控制壓縮機（52）的運行頻率；氣體管路（72），連接低溫泵（10）和壓縮機（52）；及氣體量調整部（74），構成為將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。氣體管路（72）具有第1氣體量時，運行頻率的可控制范圍賦予工作氣體的第1流量范圍。氣體管路（72）具有第2氣體量時，可控制范圍賦予工作氣體的第2流量范圍。第2流量范圍具有不與第1流量范圍重疊的非重疊部分。
【專利說明】低溫泵系統、低溫泵系統的運行方法以及壓縮機單元
[0001]本申請主張基于2013年3月12日申請的日本專利申請第2013-049490號的優先權。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]本發明涉及一種低溫泵系統及其運行方法以及適用于低溫泵系統的壓縮機單元。
【背景技術】
[0003]已知用變頻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。該壓縮機向膨脹式制冷機供給高壓氦氣。
[0004]專利文獻1:日本特開2005-83214號公報
[0005]馬達轉速的控制范圍受馬達的規格的限制。因此，壓縮機的容量只能在被限制的范圍內變化。
[0006]超低溫制冷機的主要用途之一為低溫泵。近年來，隨著晶圓的大口徑化，有時使用大型的低溫泵。并且，為了節能和降低成本，有時在I臺壓縮機上設置有多臺低溫泵。多臺低溫泵通常安裝于某一大型裝置的多個部位，并同時運轉。工作氣體的最大流量需要足夠大，以使大型低溫泵或多臺低溫泵均能夠高功率運行。另一方面，工作氣體的最小流量優選足夠小，以使I臺低溫泵能夠低功率運行。如此，低溫泵系統中要求較大的工作氣體流量范圍。低溫泵系統所要求的工作氣體的流量控制范圍有可能會超過壓縮機的容量控制范圍。
【發明內容】
[0007]本發明的一種實施方式的示例性目的之一在于，提供一種具有被擴大的工作氣體的流量控制范圍的低溫泵系統、該種低溫泵系統的運行方法、以及適用于這些系統及方法的壓縮機單元。
[0008]根據本發明的一種實施方式，提供一種低溫泵系統，其特征在于，具備:低溫泵；用于所述低溫泵的工作氣體的壓縮機；控制裝置，構成為控制所述壓縮機的運行頻率；氣體管路，連接所述低溫泵和所述壓縮機；及氣體量調整部，構成為將所述氣體管路的工作氣體量至少在第I氣體量和第2氣體量之間進行切換，所述氣體管路具有第I氣體量時，所述運行頻率的可控制范圍賦予工作氣體的第I流量范圍，所述氣體管路具有第2氣體量時，所述可控制范圍賦予工作氣體的第2流量范圍，所述第2流量范圍具有不與所述第I流量范圍重疊的非重疊部分。
[0009]根據本發明的一種實施方式，提供一種低溫泵系統的運行方法，其特征在于，包括:低溫泵的運行中控制用于所述低溫泵的壓縮機的運行頻率的步驟；及進行所述控制期間，將循環于所述低溫泵和所述壓縮機的工作氣體量從第I氣體量調整為第2氣體量的步驟，所述第I氣體量的工作氣體進行循環時，所述運行頻率的可控制范圍賦予工作氣體的第I流量范圍，所述第2氣體量的工作氣體進行循環時，所述可控制范圍賦予工作氣體的第2流量范圍，所述第2流量范圍具有不與所述第I流量范圍重疊的非重疊部分。
[0010]根據本發明的一實施方式，提供一種壓縮機單元，其為用于超低溫裝置的工作氣體的壓縮機單元，其特征在于，具備:壓縮機；壓縮機控制器，構成為控制所述壓縮機的運行頻率；及氣體量調整部，構成為將循環于所述壓縮機和所述超低溫裝置的工作氣體量至少在第I氣體量和第2氣體量之間進行切換，第I氣體量的工作氣體進行循環時，所述運行頻率的可控制范圍賦予工作氣體的第I流量范圍，第2氣體量的工作氣體進行循環時，所述可控制范圍賦予工作氣體的第2流量范圍，所述第2流量范圍具有不與所述第I流量范圍重疊的非重疊部分。
[0011]另外，將以上構成要件的任意組合、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也作為本發明的方式仍然有效。
[0012]根據本發明，能夠提供一種具有被擴大的工作氣體的流量控制范圍的低溫泵系統、該種低溫泵系統的運行方法、以及適用于這些系統及方法的壓縮機單元。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是示意地表示本發明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統的整體結構的圖。
[0014]圖2是表示用于本發明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統的控制裝置的結構的概略框圖。
[0015]圖3是用于說明與本發明的一種實施方式相關的低溫泵系統的運行方法的流程圖。
[0016]圖4是用于說明本發明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統的運行方法的流程圖。
[0017]圖5是用于示意說明本發明的一種實施方式所涉及的運行壓力調整的圖。
[0018]圖6是用于說明本發明的一種實施方式所涉及的運行壓力調整處理的流程圖。
[0019]圖7是示意地表示本發明的另一種實施方式所涉及的低溫泵系統的整體結構的圖。
[0020]圖8是用于示意說明本發明的另一實施方式所涉及的運行壓力調整的圖。
[0021]圖9是示意地表示本發明的另一實施方式所涉及的低溫泵系統的整體結構的圖。
[0022]圖10是示意地表示本發明的另一實施方式所涉及的低溫泵系統的整體結構的圖。
[0023]圖中:10_低溫泵，12-制冷機，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。
【具體實施方式】
[0024]圖1是示意地表示本發明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統100的整體結構的圖。低溫泵系統100用于真空腔室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)提供真空環境而設置。
[0025]低溫泵系統100具備I臺或多臺低溫泵10。低溫泵10安裝于真空腔室102，并用作將其內部的真空度提高至所希望的水平。
[0026]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GM制冷機)等超低溫制冷機。制冷機12為具備第I冷卻臺14及第2冷卻臺16的二級式制冷機。
[0027]制冷機12具備:在內部劃定I級膨脹室的第I缸體18、在內部劃定與I級膨脹室連通的2級膨脹室的第2缸體20。第I缸體18與第2缸體20串聯連接。第I缸體18連接馬達殼體21和第I冷卻臺14，第2缸體20連接第I冷卻臺14和第2冷卻臺16。第I缸體18及第2缸體20中分別內置有相互連結的第I置換器及第2置換器(未圖示)。第I置換器及第2置換器的內部組裝有蓄冷材料。
[0028]制冷機12的馬達殼體21中容納有制冷機馬達22和氣體流路切換機構23。制冷機馬達22是用于第I置換器及第2置換器、以及氣體流路切換機構23的驅動源。制冷機馬達22以使第I置換器及第2置換器分別在第I缸體18及第2缸體20的內部可往復移動的方式連接于第I置換器及第2置換器。
[0029]氣體流路切換機構23構成為，為了周期性地反復進行I級膨脹室及2級膨脹室中的工作氣體的膨脹而周期性地切換工作氣體的流路。制冷機馬達22以使氣體流路切換機構23的可動閥(未圖示)能夠正反運行的方式連接于該閥。可動閥例如為回轉閥。
[0030]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形成于氣體流路切換機構23的高壓流路的末端，低壓氣體出口 26形成于氣體流路切換機構23的低壓流路的末端。
[0031]制冷機12使高壓工作氣體(例如氦氣)在內部膨脹而在第I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與膨脹室連通。若制冷機12的膨脹室被高壓工作氣體填滿，則制冷機馬達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連通。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I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。通過反復進行這種熱循環來冷卻第I冷卻臺14及第2冷卻臺16。
[0032]第2冷卻臺16被冷卻至低于第I冷卻臺14的溫度。第2冷卻臺16例如被冷卻至1K?20K左右，第I冷卻臺14例如被冷卻至80K?100K左右。第I冷卻臺14上安裝有用于測定第I冷卻臺14的溫度的第I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。
[0033]制冷機12構成為，通過制冷機馬達22的反轉運行而提供所謂反轉升溫。制冷機12構成為，通過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。制冷機12能夠由這樣得到的壓縮熱來加熱第I冷卻臺14及第2冷卻臺16。
[0034]低溫泵10具備第I低溫板32和第2低溫板34。第I低溫板32以熱連接于第I冷卻臺14的方式固定，第2低溫板34以熱連接于第2冷卻臺16的方式固定。第I低溫板32具備熱屏蔽件36和擋板38，并包圍第2低溫板34。第2低溫板34在表面具備吸附劑。第I低溫板32容納于低溫泵殼體40中，低溫泵殼體40的一端安裝于馬達殼體21。低溫泵殼體40的另一端的凸緣部安裝于真空腔室102的閘閥(未圖示)。低溫泵10本身可以為任意的眾所周知的低溫泵。
[0035]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的氣體管路72。氣體管路72是包括低溫泵10及壓縮機單元50的封閉的氣體管路。
[0036]壓縮機單元50具備:用于壓縮工作氣體的壓縮機52、及用于使壓縮機52工作的壓縮機馬達53。并且，壓縮機單元50具備:用于接收低壓工作氣體的低壓氣體入口 54、及用于放出高壓工作氣體的高壓氣體出口 56。低壓氣體入口 54經由低壓流路58連接于壓縮機52的吸入口，高壓氣體出口 56經由高壓流路60連接于壓縮機52的吐出口。
[0037]壓縮機單元50具備第I壓力傳感器62和第2壓力傳感器64。第I壓力傳感器62為了測定低壓工作氣體的壓力而設置于低壓流路58，第2壓力傳感器64為了測定高壓工作氣體的壓力而設置于高壓流路60。此外，第I壓力傳感器62及第2壓力傳感器64也可以在壓縮機單元50的外部設置于工作氣體回路70的適當部位。
[0038]氣體管路72具備:高壓管路76，用于從壓縮機單元50向低溫泵10供給工作氣體；及低壓管路78，用于使工作氣體從低溫泵10返回到壓縮機單元50。高壓管路76是連接低溫泵10的高壓氣體入口 24與壓縮機單元50的高壓氣體出口 56的配管。低壓管路78是連接低溫泵10的低壓氣體出口 26與壓縮機單元50的低壓氣體入口 54的配管。
[0039]壓縮機單元50通過低壓管路78回收從低溫泵10排出的低壓工作氣體。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。
[0040]工作氣體回路70具備用于調整氣體管路72的工作氣體量的氣體量調整部74。以下，有時將容納于氣體管路72中的工作氣體的物質的量(摩爾)或質量稱作“氣體量”。
[0041]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具備用于選擇儲罐80與氣體管路72的連接流路的流路選擇部82。流路選擇部82至少具備一個控制閥。氣體量調整部74具備用于將儲罐80連接于流路選擇部82的罐流路84。
[0042]并且，氣體量調整部74具備:用于使工作氣體從儲罐80向低壓管路78流出的氣體補充路86、及用于使工作氣體從高壓管路76向儲罐80流入的氣體回收路88。氣體補充路86將流路選擇部82連接于低壓管路78的第I分支部90，氣體回收路88將流路選擇部82連接于高壓管路76的第2分支部92。
[0043]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,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。
[0044]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連接于氣體補充路86來構成補充狀態，將罐流路84連接于氣體回收路88來構成回收狀態。
[0045]氣體量調整部74附設于壓縮機單元50，可視為構成壓縮機單元50的一部分。氣體量調整部74也可以內置于壓縮機單元50。作為代替方案，氣體量調整部74可以與壓縮機單元50分體設置，并設置于氣體管路72的任意部位。
[0046]低溫泵系統100具備用于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) —體或分體地設置。控制裝置110例如具備:執行各種運算處理的CPU、儲存各種控制程序的ROM、作為用于儲存數據或執行程序的作業區域來利用的RAM、輸入輸出界面、存儲器等。控制裝置110能夠使用具備這種結構的眾所周知的控制器。控制裝置110可以由單一的控制器構成，也可以包含各自發揮相同或不同功能的多個控制器。
[0047]圖2是表示用于本發明的一實施方式所涉及的低溫泵系統100的控制裝置110的結構的概略框圖。圖2表示與本發明的一種實施方式相關的低溫泵系統100的主要部分。
[0048]控制裝置110為了控制低溫泵10 (即制冷機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，用于控制低溫泵10的運行；及壓縮機控制器114，用于控制壓縮機單元50的運行。
[0049]CP控制器112構成為接收表示低溫泵10的第I溫度傳感器28及第2溫度傳感器30的測定溫度的信號。CP控制器112例如根據所接收到的測定溫度控制低溫泵10。這時，例如CP控制器112控制制冷機12的運行頻率，以使第I (或第2)溫度傳感器28 (30)的測定溫度與第I (或第2)低溫板32 (34)的目標溫度一致。根據運行頻率控制制冷機馬達22的轉速。
[0050]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I壓力傳感器62及第2壓力傳感器64的測定壓力的信號。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。根據運行頻率控制壓縮機馬達53的轉速。
[0051 ] 并且，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例如根據壓縮機52的運行頻率等的輸入，選擇上述補充狀態或回收狀態，根據選擇結果控制流路選擇部82。參考圖4至圖6，對控制壓縮機單元50及氣體量調整部74的詳細內容進行后述。
[0052]圖3是用于說明與本發明的一種實施方式相關的低溫泵系統100的運行方法的流程圖。該運行方法包括低溫泵10的準備運行(SlO)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的任意的運行狀態。CP控制器112適時反復執行該運行方法。
[0053]準備運行(SlO)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的環境溫度(例如為室溫)冷卻至超低溫的降溫。降溫的目標冷卻溫度是為了進行真空排氣運行而設定的標準運行溫度。如上所述，關于第I低溫板32，該標準運行溫度例如選自80K?100K左右的范圍，關于第2低溫板34，例如選自1K?20K左右的范圍。
[0054]準備運行(SlO)還可以為低溫泵10的再生。在這次的真空排氣運行結束后，為了準備下次的真空排氣運行而執行再生。再生是對第I低溫板32及第2低溫板34進行再生的所謂完全再生，或者是對第2低溫板34進行再生的部分再生。
[0055]再生包括升溫工序、排出工序及冷卻工序。升溫工序包括將低溫泵10升溫至高于上述標準運行溫度的再生溫度的步驟。當完全再生時，再生溫度例如為室溫或稍高于室溫的溫度(例如為約290K?約300K)。用于升溫工序的熱源例如為制冷機12的反轉升溫和/或附設于制冷機12的加熱器(未圖示)。
[0056]排出工序包括向低溫泵10的外部排出從低溫板表面再氣化后的氣體的步驟。再氣化后的氣體與根據需要被導入的吹掃氣體一同從低溫泵10排出。在排出工序中,停止制冷機12的運行。冷卻工序中包括為了重新開始真空排氣運行而再冷卻低溫板32、34的步驟。冷卻工序中的制冷機12的運行狀態與用于啟動的降溫相同。
[0057]準備運行期間相當于低溫泵10的停歇時間(即，真空排氣運行的停止期間)，因此優選盡量較短。另一方面，通常的真空排氣運行是用于保持標準運行溫度的穩定的運行狀態。因此，與通常運行相比，準備運行對低溫泵10 (即制冷機12)的負荷變大。例如，與通常運行相比，降溫運行要求制冷機12具備更高的制冷能力。同樣，反轉升溫運行要求制冷機12具備較高的升溫能力。由此，在大部分情況下，在準備運行時制冷機馬達22以相當高的轉速(例如，接近所容許的最高轉速)運行。
[0058]壓縮機單元50的準備運行可以與低溫泵10的準備運行并行進行。壓縮機單元50的準備運行也可以包括用于本發明的一種實施方式所涉及的氣體量調整的準備動作。該準備動作可包括用于使儲罐80的壓力復原至初始壓力的復位動作。該初始壓力相當于對工作氣體回路70的工作氣體的封入壓力。
[0059]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。在制冷機12的運行停止期間(例如，再生的排出工序)進行準備動作。
[0060]真空排氣運行(S12)是通過將從真空腔室102朝向低溫泵10飛來的氣體分子冷凝或吸附在被冷卻至超低溫的低溫板32、34的表面來進行捕捉的運行狀態。在第I低溫板32 (例如擋板38)的冷卻溫度下蒸汽壓充分降低的氣體(例如水分等)被冷凝于第I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分降低的氣體通過擋板38進入到熱屏蔽件36。在第2低溫板34的冷卻溫度下蒸汽壓充分降低的氣體(例如氬等)被冷凝于第2低溫板34上。在第2低溫板34的冷卻溫度下蒸汽壓也不會充分變低的氣體(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平。
[0061]圖4是用于說明本發明的一種實施方式所涉及的低溫泵系統100的運行方法的流程圖。圖4所示的方法與壓縮機單元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適時反復執行該運行方法。
[0062]氣體控制(S20)是在已調整的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的處理。與低溫泵10的準備運行或真空排氣運行并行地持續執行該壓力控制。
[0063]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I壓力傳感器62的測定壓和第2壓力傳感器64的測定壓之間的差壓與差壓目標值一致。此外，可以在壓力控制的執行中改變壓力目標值。
[0064]根據壓力控制，能夠根據制冷機12的所需氣體量而適當地調整壓縮機馬達53的轉速，因此有助于減少低溫泵系統100的消耗電力。并且，制冷機12的制冷能力取決于差壓，因此根據差壓恒定控制，能夠使制冷機12維持目標的制冷能力。因此，從能夠兼顧維持制冷機12的制冷能力和降低系統的消耗電力的觀點考慮，差壓恒定控制尤其適合于低溫泵系統100。
[0065]作為代替方案，壓力目標值也可以為高壓目標值(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壓力傳感器64 (或第I壓力傳感器62)的測定壓與高壓目標值(或低壓目標值)一致。
[0066]運行壓力調整(S22)是調整壓縮機單元50的運行壓力的處理。參考圖5及圖6對運行壓力調整(S22)的一個例子進行后述。
[0067]運行壓力調整是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的吐出流量取決于壓縮機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)。運行壓力調整相當于改變影響到這些吐出流量的因素中的壓縮機52的吸入壓力。
[0068]運行壓力通過改變氣體管路72的工作氣體量(即，循環低溫泵10和壓縮機單元50的氣體量)而被調整。氣體管路72的容積實質上是恒定的。因此，若減少氣體管路72的氣體量，則運行壓力下降。相反，若增加氣體管路72的氣體量，則運行壓力增加。
[0069]首先，參考圖5，示意說明本實施方式所涉及的運行壓力調整。圖5的縱軸表示運行壓力(壓縮機單元50的吸入壓力)。運行壓力取決于氣體管路72的氣體量，因此圖5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)。
[0070]圖5中，代表性地示出2個運行模式，即高壓模式及低壓模式。一實施方式中，高壓模式在低溫泵系統100的標準的運行狀態下使用，低壓模式在負荷低于標準運行狀態的運行狀態下使用。
[0071]高壓模式中，氣體管路72的工作氣體量被調整為第I氣體量Gl。將此時的壓縮機單元50的吸入壓力表示為第I壓力Pl。并且，氣體管路72具有第I氣體量Gl時，壓縮機單元50的吐出流量取第I流量范圍Q1。第I流量范圍Ql取決于壓縮機單元50的運行頻率的可控制范圍。
[0072]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小于第I氣體量G1，由此第2壓力P2小于第I壓力Pl。并且，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流量范圍Q2。第2流量范圍Q2取決于壓縮機單元50的運行頻率的可控制范圍。
[0073]運行頻率的可控制范圍例如根據壓縮機單元50的產品規格來預先確定。該可控制范圍例如與壓縮機馬達53可取的轉速范圍對應。將可控制范圍的上限表示為ZH，將下限表示為ZL時，由運行頻率上限ZH賦予第I流量范圍Ql的上限流量H1，由運行頻率下限ZL賦予下限流量LI。同樣分別由運行頻率上限ZH及運行頻率下限ZL來賦予第2流量范圍Q2的上限流量H2及下限流量L2。第I流量范圍Ql的上限流量Hl大于第2流量范圍Q2的上限流量H2，第I流量范圍Ql的下限流量LI大于第2流量范圍Q2的下限流量L2。
[0074]在此，可控制范圍是指產品規格上可取的最大的范圍。因此，也可以在窄于該范圍的運行頻率范圍內控制壓縮機單元50。此時，高壓模式的流量范圍包含在第I流量范圍Ql，成為窄于第I流量范圍Ql的范圍。低壓模式的情形也相同。由此，高壓模式中的運行頻率的控制范圍可以與低壓模式中的運行頻率的控制范圍不同。
[0075]本實施方式中，第I流量范圍Ql與第2流量范圍Q2部分重疊。由此，第I流量范圍Ql區分為第I流量范圍Ql與第2流量范圍Q2不重疊的第I非重疊部分W1、及第I流量范圍Ql與第2流量范圍Q2重疊的重疊部分W2。第I非重疊部分Wl為從流量H2到流量Hl的流量范圍，重疊部分W2為從流量LI到流量H2的流量范圍。由運行頻率A賦予第I流量范圍Ql中與第2流量范圍Q2的上限流量H2相等的流量。
[0076]同樣，第2流量范圍Q2區分為重疊部分W2、及第2流量范圍Q2與第I流量范圍Ql不重疊的第2非重疊部分W3。第2非重疊部分W3為從流量L2到流量LI的流量范圍。由運行頻率B賦予第2流量范圍Q2中與第I流量范圍Ql的下限流量LI相等的流量。
[0077]本實施方式中，根據壓縮機單元50的運行頻率切換運行模式。對制冷機12(參考圖1)的熱負荷下降時或低溫泵10再生時，制冷機12的運行頻率下降或制冷機12停止運行。由于制冷機12所需的氣體量變少，因此氣體管路72的差壓擴大。為了使差壓接近目標值，壓縮機單元50的運行頻率下降。由此，在高壓模式中運行頻率下降時，如圖5中用單點劃線的箭頭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范圍中與重疊部分W2對應的區域(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。
[0078]并且，對制冷機12的熱負荷變大時或要求制冷機12高功率運行時，制冷機12的運行頻率上升，與此對應，壓縮機單元50的運行頻率也上升。由此，低壓模式中，運行頻率上升時，如圖5中用雙點劃線的箭頭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范圍中與重疊部分W2對應的區域(SP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。
[0079]圖6是用于說明本發明的一種實施方式所涉及的運行壓力調整處理的流程圖。如上述，為了進行運行壓力調整(圖4的S22)，壓縮機控制器114根據壓縮機單元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。
[0080]圖6所示的處理中，壓縮機控制器114參考壓縮機單元50的運行頻率(S30)。壓力控制(圖4的S20)中按控制周期計算運行頻率，當前及上一次以前的運行頻率存儲于壓縮機控制器114或附設于壓縮機控制器114的存儲部。
[0081]壓縮機控制器114根據運行頻率判定是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也可以判定到現在為止的預定時間內運行頻率是否停留在模式過渡區域，以此來代替僅參考當前的運行頻率。
[0082]模式過渡區域從運行頻率的控制范圍中與重疊部分W2 (參考圖5)對應的頻率區域選擇。模式過渡區域也可以根據運行模式而不同。高壓模式的過渡區域(即用于判定從高壓模式切換為低壓模式的模式過渡區域)是包括運行頻率下限ZL的區域，例如也可以是運行頻率下限ZL。低壓模式的過渡區域是包括運行頻率上限ZH的區域，例如也可以是運行頻率上限ZH。由此，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。
[0083]繼運行壓力調整與否判定(S32)，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繼續保持儲罐80與氣體管路72的連接流路。
[0084]從高壓模式切換為低壓模式時，壓縮機控制器114控制流路選擇部82切斷氣體補充路86，打開氣體回收路88 (參考圖1)。由此，流路選擇部82將儲罐80連接于高壓管路76。儲罐80相對于高壓管路76起低壓氣體源的作用。工作氣體從高壓管路76向氣體回收路88排出，并回收至儲罐80。由此，氣體管路72的工作氣體量從第I氣體量Gl減少至第2氣體量G2。隨著氣體量的減少，壓縮機單元50的運行壓力下降。另一方面，工作氣體從高壓管路76填充到儲罐80，儲罐80升壓。
[0085]從低壓模式切換為高壓模式時，壓縮機控制器114控制流路選擇部82切斷氣體回收路88打開氣體補充路86。由此，流路選擇部82將儲罐80連接于低壓管路78。儲罐80低壓管路78起高壓氣體源的作用。積存在儲罐80中的工作氣體通過氣體補充路86之后補充到低壓管路78。氣體管路72的工作氣體量從第2氣體量G2增加至第I氣體量Gl。隨著氣體量的增加，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。
[0086]由此，結束運行壓力調整(圖4的S22)。之后，在被調整的運行壓力下，執行壓力控制(圖4的S20)。另外，為了運行壓力調整而開放的氣體補充路86或氣體回收路88也可以繼續開放到下一次的調整為止，也可以在下一次調整之前適時關閉。
[0087]另外，壓縮機控制器114也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的狀態持續時，可認為使用于壓力控制的測定值背離其目標值。由此，壓縮機控制器114根據工作氣體回路70的測定壓力也同樣能夠準確地判定是否需要運行壓力的調整。
[0088]如上說明，根據本實施方式，第2流量范圍Q2具有不與第I流量范圍Ql重疊的第2非重疊部分W3。因此，通過使第2流量范圍Q2組合于第I流量范圍Q1，能夠得到比每個流量范圍大的流量范圍。通過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流量范圍Q2的下限流量L2到第I流量范圍Ql的上限流量Hl為止的較大的范圍內控制壓縮機單元50的吐出流量。能夠給低溫泵系統100提供超越壓縮機單元50的產品規格上的限制而擴大的工作氣體流量控制范圍。
[0089]作為代替方案，為了擴大流量控制范圍，可以考慮擴大運行頻率的可控制范圍。但是，實際上，降低可控制范圍的下限ZL并不容易。壓縮機單元50在壓縮機52及/或壓縮機馬達53上具有需要潤滑的滑動部分。壓縮機單元50以比運行頻率下限ZL低的速度運行時，可能導致潤滑不充分。例如，潤滑油膜可能難以形成于滑動部分。因此，在比運行頻率下限ZL低的速度下有可能難以保證充分的可靠性。由此，本實施方式中，具有如下優點:不擴大運行頻率的可控制范圍，便能夠通過切換為低壓模式確保低流量范圍。
[0090]根據本實施方式，在與重疊部分W2對應的運行頻率區域切換運行模式。重疊部分W2中，切換前后的運行模式這兩者均可實現相同的流量。這有助于順暢地切換運行模式。例如，從高壓模式切換為低壓模式時，通過將壓縮機單元50的運行頻率從下限ZL改變為值B，能夠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就可以切換運行模式。
[0091]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。該節流器串聯配置于控制閥。例如，分別在氣體補充路86及氣體回收路88設置節流器。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。即，能夠慢慢改變壓縮機單元50的運行壓力。
[0092]或者，為了順暢地切換，壓縮機控制器114也可以在切換運行模式時限制運行頻率的變化速度。由于在高壓模式與低壓模式中與相同流量相對應的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，能夠通過暫時限制運行頻率的變化速度而防止這種急變。
[0093]并且，根據本實施方式，通過向儲罐80回收高壓氣體而使高壓模式切換為低壓模式,通過將所回收的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。由此，本實施方式中，能夠有效地利用高壓氣體。相反，在壓縮機設置有旁通流路時，導致白白浪費從旁通流路排出的高壓氣體。
[0094]以上，根據實施例對本發明進行了說明。本發明并不限定于上述實施方式，可進行各種設計變更，可實現各種變形例，并且這種變形例也屬于本發明的范圍內，這對于本領域技術人員是可以理解的。
[0095]氣體量調整部74并不限于圖1所示的具體結構。例如，如圖7所示，流路選擇部82也可以具備多個控制閥。如圖所示，流路選擇部82具備第I控制閥120和第2控制閥122。第I控制閥120及第2控制閥122是雙通閥。第I控制閥120設置于氣體補充路86中，氣體補充路86將儲罐80連接于低壓管路78。第2控制閥122設置于氣體回收路88中，氣體回收路88將儲罐80連接于高壓管路76。
[0096]并且，氣體量調整部74也可以構成為將氣體管路72的工作氣體量調整成包括第I氣體量Gl及第2氣體量G2的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I個時，運行頻率的可控制范圍賦予與該I種氣體量對應的工作氣體的流量范圍。該流量范圍具有不與3種以上的氣體量中的另一個氣體量所對應的工作氣體的流量范圍重疊的非重疊部分。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的方式控制氣體量調整部74。
[0097]圖8是用于示意說明本發明的另一實施方式所涉及的運行壓力調整的圖。圖8中示出3個運行模式，即高壓模式、中間壓模式及低壓模式。通過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范圍。
[0098]圖8中所示的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I氣體量Gl及第2氣體量G2。因此，高壓模式及低壓模式分別賦予第I流量范圍Ql及第2流量范圍Q2。但是,如圖8所示,第I流量范圍Ql與第2流量范圍Q2不重疊。
[0099]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。將此時的壓縮機單兀50的吸入壓力表不為第3壓力P3。第3氣體量G3在第I氣體量Gl與第2氣體量G2的中間，由此第3壓力P3在第I壓力Pl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流量范圍Q3。第3流量范圍Q3取決于壓縮機單元50的運行頻率的可控制范圍。第3流量范圍Q3的大流量的部分也可以與第I流量范圍Ql重疊。第3流量范圍Q3的小流量的部分也可以與第2流量范圍Q2重疊。
[0100]圖9中，例示出構成為可切換3個運行模式的低溫泵系統100。低溫泵系統100中，第I氣體量調整部124及第2氣體量調整部126并聯設置。第I氣體量調整部124及第2氣體量調整部126也可以分別具備與圖1所示的氣體量調整部74或圖7所示的氣體量調整部74相同的結構。
[0101]第I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I氣體量Gl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I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。可以通過進一步將氣體量調整部并聯追加于第I氣體量調整部124及第2氣體量調整部126，構成可切換4個以上的運行模式的低溫泵系統100。
[0102]一實施方式中，氣體量調整部74的流路選擇部82還可具備流量控制閥。并且，氣體量調整部74也可以具備用于測定儲罐80的氣體壓力的罐壓力傳感器。壓縮機控制器114也可以構成為根據罐壓力傳感器的測定壓力控制流量控制閥，以控制儲罐80的氣體壓力。如此一來，能夠控制氣體管路72的氣體量，從而能夠以所希望的運行壓力來運行壓縮機單元50。即，能夠以可切換多個運行模式的方式構成氣體量調整部74。
[0103]并且，如圖10所示，低溫泵系統100也可以具備多個低溫泵10。相對于壓縮機單元50及氣體量調整部74并聯設置有多個低溫泵10。低溫泵10的臺數越多，低溫泵系統100中要求越寬的工作氣體流量范圍。因此，本發明適合于具備多個低溫泵10的低溫泵系統 100。
[0104]一實施例中，可以設置具備制冷機12的超低溫裝置來代替低溫泵10。本發明的一實施方式所涉及的氣體量調整還可適用于具備這種超低溫裝置的超低溫系統，這對于本領域技術人員是顯而易見的。
【權利要求】
1.一種低溫泵系統，其特征在于，具備: 低溫栗; 用于所述低溫泵的工作氣體的壓縮機； 控制裝置，構成為控制所述壓縮機的運行頻率； 氣體管路，連接所述低溫泵和所述壓縮機；及 氣體量調整部，構成為將所述氣體管路的工作氣體量至少在第I氣體量和第2氣體量之間進行切換， 所述氣體管路具有第I氣體量時，所述運行頻率的可控制范圍賦予工作氣體的第I流量范圍，所述氣體管路具有第2氣體量時，所述可控制范圍賦予工作氣體的第2流量范圍，所述第2流量范圍具有不與所述第I流量范圍重疊的非重疊部分。
2.根據權利要求1所述的低溫泵系統，其特征在于， 所述第I流量范圍具有與所述第2流量范圍重疊的重疊部分， 所述控制裝置控制所述氣體量調整部，以便在與所述重疊部分對應的所述可控制范圍的區域切換所述第I氣體量和所述第2氣體量。
3.根據權利要求1或2所述的低溫泵系統，其特征在于， 所述氣體管路具備用于從所述壓縮機向所述低溫泵供給工作氣體的高壓管路， 所述氣體量調整部具備用于從所述高壓管路回收工作氣體的儲罐、及設置在所述儲罐與所述高壓管路之間的控制閥， 所述控制裝置控制所述控制閥，以便將所述第I氣體量的一部分從所述高壓管路回收至所述儲罐從而使所述氣體管路具有所述第2氣體量。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的低溫泵系統，其特征在于， 所述低溫泵系統具備多個低溫泵， 所述氣體管路將所述多個低溫泵并聯連接于所述壓縮機。
5.一種低溫泵系統的運行方法，其特征在于，包括: 低溫泵的運行中控制用于所述低溫泵的壓縮機的運行頻率的步驟；及進行所述控制期間，將循環于所述低溫泵和所述壓縮機的工作氣體量從第I氣體量調整為第2氣體量的步驟， 所述第I氣體量的工作氣體進行循環時，所述運行頻率的可控制范圍賦予工作氣體的第I流量范圍，所述第2氣體量的工作氣體進行循環時，所述可控制范圍賦予工作氣體的第2流量范圍，所述第2流量范圍具有不與所述第I流量范圍重疊的非重疊部分。
6.一種壓縮機單元，其為用于超低溫裝置的工作氣體的壓縮機單元，其特征在于，具備: 壓縮機； 壓縮機控制器，構成為控制所述壓縮機的運行頻率 '及 氣體量調整部，構成為將循環于所述壓縮機和所述超低溫裝置的工作氣體量至少在第I氣體量和第2氣體量之間進行切換， 第I氣體量的工作氣體進行循環時，所述運行頻率的可控制范圍賦予工作氣體的第I流量范圍，第2氣體量的工作氣體進行循環時，所述可控制范圍賦予工作氣體的第2流量范圍，所述第2流量范圍具有不與所述第I流量范圍重疊的非重疊部分。
【文檔編號】F04B49/06GK104047841SQ201410085711
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月10日 優先權日:2013年3月12日
【發明者】松井孝聰 申請人:住友重機械工業株式會社