[0002] 本申请案主张在2011年3月4日提出的美国临时申请案第61/449,502号的利益。以上申请案的整体教示是以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]
真空处理室通常被采用于制造中，以提供一用于诸如
半导体晶圆制造、沈积制程、
电子显微镜、气相色谱法、及其他的真空工作环境。此等真空处理室典型是通过在密封的配置中将真空
泵附接至该真空处理室达成。该
真空泵操作，以由该真空处理室移除实质上所有该分子，因此建立一真空环境。
背景技术
[0004] 一种型式的真空泵为
低温泵，诸如在1999年1月26日发表的美国
专利第 5,862,671号中所揭示的，该专利分派给本申请案的受让人，且全部以引用的方式并入本文中。低温泵通过将一表面冷却至接近
绝对零度的
温度而从真空处理室移除分子。在此等温度，气体冷凝或被
吸附在该被冷却的表面上，被称为一低温数组，借此由该真空处理室移除分子。
该冷致的真空室(the resulting vacuum chamber)。
[0005] 其他型式的低温泵被设计成可在大于绝对零度的温度下操作。这些低温泵由一室移除特定的气体，诸如
水、
碳化氢、制程副产物、除气种类、及制程气体。如在美国专利第5,483,803号上所叙述的水泵是此低温泵之一的范例。诸如在美国专利第5,211,022号中所揭示的其他低温泵不会移除所有气体，但于真空室中维持一低压
力的制程气体。
[0006] 低温泵典型采用一冷冻机，以达成所需的低温的温度。所需的冷冻机的型式视用于待泵吸的种类所需的温度及诸如热负载及震动的其他参数而定。典型地，斯特林(Stirling)、吉福德-麦克
马洪(Gifford-McMahon)、及脉冲管冷冻机被使用于低温的真空泵。这些冷冻机需要来自
压缩机的被压缩气体的供给，以于该低温泵中将冷却剂的流动量供给至该低温的冷冻机。需要接近绝对零度的温度的低温泵使用氦气当作该被压缩之气体。一低温数组的与该冷冻机的被冷却端部热相通及随其被冷却。在该冷冻机内侧，通过往复移动该置换器的置换器
驱动器所驱动的置换器调节所使用的氦气量。诸如氦气的冷冻剂气体于该冷冻机中的膨胀建立冷却作用，且热量被抽离该低温数组，产生冷凝该低温数组上的气体所需的低温的温度。
[0007] 另一选择是，脉冲管置换器不会移动，但反之，代替地使用一压力波。虽然低温泵已被叙述具有马达驱动设计，低温泵可被设计为具有气压式驱动系统。
[0008] 可用于该低温的冷冻机的氦气冷冻剂的量决定冷却发生的速率。较大的氦气供给能够使该冷冻机消耗更多氦气，并产生更多冷冻作用。其减少用于冷却下来所需要的时间的量，该时间是达成低温泵吸温度的所需时间，且在操作温度，当通过该真空室中的变化的制程条件需要时，能够使该冷冻机产生更多冷冻作用。氦气的较大供给亦能够使该冷冻机增加消耗，以当该冷冻机效率的正常退化于冷冻机操作寿命期间发生时，维持冷冻容量。氦气消耗的速率亦随着该低温的冷冻机的温度而变化。当该低温的冷冻机变得更冷时，氦气的较大供给是需要的，以持续该冷却制程。于一低温泵吸式真空处理室中，由于丧失制造时间将使停机时间造成实质上的经济冲击。据此，迅速地达成及维持低温泵吸温度的容量是有益的。
[0009] 一种先前技术型式的氦气分布被叙述在1997年1月2日提出的美国专利第 5,775,109号、标题为“通过共享压缩机所供给的多重低温冷冻机的增强冷却”中，且该专利被分派给本申请案的受让人，并全部以引用的方式并入本文中。此专利建议个别地监视多个低温泵的每一个的温度，以当低温泵达到一诱发温度时，控制每一个置换器驱动马达的速率。因于低温泵中的冷冻机需要视目前所施行的操作而定来变化氦气量，调节该位移驱动机马达速率能据此减少或增加该氦气供给。在此系统中，每一个低温泵监视温度及据此控制该位移驱动机马达速率。
[0010] 然而，时常地，供给多个低温泵的共享的氦气供给
歧管是能够供给比借由所有该低温泵所需的更多的氦气。不被该冷冻机所需要以维持足够的冷冻作用的过量的氦气会浪费功以及维持该氦气冷冻剂供给所需的其他资源。反之，不足的氦气将通过该冷冻机导致不充分的冷冻作用及潜在地通过低温泵损失真空性能。
[0011] 应注意的是该前述的问题适用于低温的冷冻机以及低温泵。
发明内容
[0012] 在此所提供者是用于通
过冷冻机供给冷冻剂气体的所需量以达成所需求的冷却条件的技术及系统。一方法及对应的冷冻系统有关控制一冷冻剂的供给。一压缩机被装配，以供给冷冻剂经过高压供给管线，且该冷冻剂是经过一低压返回管线返回至该压缩机。多个冷冻机被耦接至该压缩机，以承接来自该供给管线的冷冻剂及使冷冻剂返回至该返回管线。再者，一电子
控制器被装配，以基于来自该多个冷冻机的通讯获得一用于该冷冻剂的总合需求。该电子控制器被进一步装配，以基于用在通过冷冻剂校正度量所校正的冷冻剂的总合需求来控制该压缩机的速率。
[0013] 该压缩机可为多个可变速压缩机之一或可变速率及固定速率压缩机的组合。该电子控制器可被进一步装配，以基于来自该低压返回管线的一或多个返回压力、来自该高压供给管线的供给压
力反馈回路、及供给压力与返回压力间的压力差，控制该压缩机的速率。另外，该电子控制器可被进一步装配，以决定是否增加或减少冷冻剂的供给，并在该总合需求中通知该增加或减少的返回压力设定点计算器。该电子控制器可为被装配来一起操作的一或多个控制器单元，在此一些功能为一种控制器，且其他功能则在控制器中。
[0014] 该返回压力设定点计算器可被装配，以基于该决定来决定一返回压力设定点，以增加或减少冷冻剂的供给。冷冻剂供给校正控制器可被装配，以决定该返回压力设定点及该返回压力间的误差。再者，该冷冻剂供给校正控制器可被进一步装配，以基于该返回压力设定点及该返回压力间的误差计算一冷冻剂供给校正。该冷冻剂供给校正控制器亦可被装配，以基于该冷冻剂供给校正及用在来自该多个冷冻机的冷冻剂的总合需求的比较，决定供给至该多个冷冻机的冷冻剂的量。
[0015] 另一选择是，该冷冻机不能需求流动量，但仅只消耗冷冻剂以满足冷冻需求，同时一主要控制器监视该冷冻机的操作变量，以决定该冷冻机所需要的冷冻剂的流量。
[0016] 该压缩机可为多个可变速压缩机之一。压缩机马达控制器可被装配，以基于冷冻剂所决定的量开启或关掉该多个可变速压缩机的子集合，以将冷冻剂供给至该多个冷冻机。该压缩机马达控制器可进一步被装配，以所决定的冷冻剂的量的函数决定所开启的多个可变速压缩机的子集合的速率，以将冷冻剂供给至该多个冷冻机，并开启该多个可变速压缩机的子集合，且亦将一命令送至所开启的多个可变速压缩机的子集合，以在所决定的速率运转。譬如，可具不同运转速率的多数可变速压缩机，以满足需求。在此亦可有在该系统上运转的固定速率的压缩机，且该固定速率压缩机的子集合可被开启或关掉，以满足冷冻剂需求。
[0017] 该电子控制器亦可被装配，以决定该压缩机是否能够随着用于冷冻剂的总合需求供给该多个冷冻机。如果该压缩机系不能够随着用于冷冻剂的总合需求供给该多个冷冻机，该控制器可调整该多多个冷冻机内的冷冻机的速率、或减少冷冻剂的分派给该冷冻机，其中该冷冻机中的控制装置调整该冷冻机的速率。
[0018] 另外，该电子控制器可被装配，以由多个低温的冷冻机获得一用于冷冻剂的总合需求。再者，该低温的冷冻机可被包含在低温泵中。
[0019] 用于控制冷冻剂的供给的方法包括在一控制器，基于来自多个冷冻机的通讯获得一用于冷冻剂的总合需求。以该控制器，该方法控制一压缩机的速率，该压缩机基于用于该冷冻剂的总合需求将冷冻剂运送至该多个冷冻机。
[0020] 用于控制冷冻剂供给的冷冻系统包括多个可变速压缩机，该压缩机包含一高压供给管线及一低压返回管线。该多个可变速压缩机被装配，以供给一冷冻剂至多个冷冻机。一压缩机控制器基于冷冻剂的需求选择性地开启或关掉该多个可变速压缩机的子集合。
[0021] 该多个压缩机可仅只包括二台可变速压缩机。如果故障条件存在于该二台可变速压缩机的任一台中，该压缩机控制系统可将没有故障条件的可变速压缩机的速率调整至最大马达速率。
[0022] 再者，如果该二台可变速压缩机两者为开启，该压缩机控制器可被装配，以决定是否由双重的可变速压缩机操作状态切换至单一可变速压缩机操作状态。该压缩机控制器可进一步被装配，以计算供给至该多个冷冻机的冷冻剂的量。如果供给至该多个冷冻机的冷冻剂的所计算量是少于单一压缩机的定限冷冻剂输出，该压缩机控制器可选择及关掉该二台可变速压缩机的其中一者。
[0023] 另外，在增加该可变速压缩机的速率之后，且将该可变速压缩机的速率保持在一能够运送所计算的冷冻剂的量至该多个冷冻机速率，该压缩机控制器可关掉该二台可变速压缩机的其中一者。该压缩机控制器可进一步被装配，以如果供给至该多个冷冻机的冷冻剂的所计算量是少于该单一压缩机之定限冷冻剂输出达一时期，关掉该二台可变速压缩机的其中一者。
[0024] 该压缩机控制器可选择该二台可变速压缩机的其中一者，以基于关掉操作的历史纪录来关掉。该压缩机控制器亦可被装配，以决定该供给压力及该返回压力间的差额是否减弱达超过一预定的定限。如果该差压减弱达超过该预定的定限，该压缩机控制器可由该单一可变速压缩机操作状态切换至双重的可变速压缩机操作状态。
[0025] 再者，如果该双重的可变速压缩机的其中一者被关掉，该压缩机控制器可被装配来计算供给至该多个冷冻机的冷冻剂的量。另外，如果供给至该多多个冷冻机的所计算的冷冻剂的量是大于单一压缩机的定限冷冻剂输出，该压缩机控制器可切换至该双重的可变速压缩机操作状态。
[0026] 该压缩机控制器可被装配来切换至该双重的可变速压缩机操作状态，且如果供给至该多个冷冻机的所计算的冷冻剂的量是大于单一压缩机的定限冷冻剂输出达一段时间，开启该二台可变速压缩机的其中一者。
[0027] 该压缩机控制器可切换至该双重的可变速率操作状态及调整该二台可变速压缩机的速率，以供给该总冷冻剂总合需求至该冷冻机。
[0028] 于切换至该双重的可变速率操作状态中，于该单一可变速率操作状态期间有效地减少该可变速压缩机的速率之前，该压缩机控制器可增加所开启的可变速压缩机的速率。
[0029] 用于控制冷冻剂供给的方法包括由多个可变速压缩机供给冷冻剂至多个冷冻机，且基于冷冻剂的需求选择性地开启或关掉该多个压缩机的子集合。
[0030] 用于控制冷冻剂的供给的冷冻剂系统包括分开的可变速压缩机。另外，该冷冻剂系统可包括分开的可变速压缩机，而具有一分开的固定速率压缩机。另一选择是，二或更多台压缩机泵可被装配在单一压缩机结构内，在此该泵的至少一者是可变速率的，且每一个泵被控制，有如一分开的压缩机般。
[0031] 于根据本发明的一具体
实施例中，在此提供有一用于诊断真空零组件的真空性能特征的方法。该方法包括在该真空零组件的操作期间基于该真空零组件的真空性能特征自动地侦测一电子讯号，及基于所侦测的电子讯号在一
数据网络上自动地沟通一数据记录，该数据网络于该真空零组件的操作期间与该真空零组件通讯。该真空性能特征基于该通讯的数据记录被自动地诊断。该真空零组件可为一低温的真空泵、一压缩机、一
涡轮分子泵、一低真空泵、一水泵、一急冷器、一
阀门、一测量仪器、或另一真空零组件。该数据记录可包含基于一与所侦测的电子讯号有关连的时间的时间戳记。
[0032] 于相关具体实施例中，所侦测的电子讯号可为一基于低温的真空泵的冷冻机马达的增
加速率的讯号。自动地侦测该电子讯号可包含侦测该冷冻机马达的增加速率、于该冷冻机马达速率中的增加之前侦测该低温的真空泵的冷冻机阶段的温度中的增加、及侦测用于该冷冻机阶段的加热器的操作的不足，同时发生该冷冻机阶段的温度中的增加。
[0033] 一方法及对应的冷冻系统有关控制一冷冻剂的供给。一控制器侦测包含至少一台压缩机的冷冻剂系统的故障，在此该至少一台压缩机是固定速率及可变速压缩机的任何组合。于侦测该故障时，该控制器启始故障回复程序。
[0034] 该控制器可进一步被装配来侦测该冷冻剂系统的各组件间的通讯损失。于决定该通讯损失时，该控制器增加该至少一台压缩机的速率。如果所侦测的故障指示一
电流超过预定的定限，该控制器可发出一警告讯号，且逐渐地减少该至少一台压缩机的速率。如果该电流持续超过该预定的定限，且该至少一台压缩机的速率是在一最小的定限，该控制器关掉该至少一台压缩机。
[0035] 当一故障存在及压缩机速率减少被使用于自该故障回复时，该控制器亦可超控一速率控制
算法。当该压缩机马达速率被减少以清除该故障时，该供给及返回管线中的压力间的压力差或差值被允许向下低于速率控制所使用的设定点。清除该故障的故障回复处理将优先于该正常的控制，以维持所界定的压力差。此外，该控制器可进一步决定马达是否已达到一大于最大温度定限的温度，且如果该温度是大于该定限，该控制器被装配来减少该马达的速率，如果需要，直至达到一最小的速率定限。此外，如果该马达保持在大于该最大定限的温度，该控制器可关掉该马达。
[0036] 该控制器亦被进一步装配来决定诸如绝缘闸型二极晶体管(IGBT)的驱动器晶体管是否已达到一大于最大定限的温度，且如果该温度是大于该定限，该控制器减少一台与该驱动器晶体管有关连的压缩机的速率，直至一最小的速率定限被达到。如果该驱动器晶体管保持在大于该最大定限的温度，该控制器亦可关掉该压缩机。
[0037] 该控制器亦可决定一入口或出口水温度是否超过一定限，且如果该温度超过该定限，该控制器发出一警告。再者，该控制器决定至少一台
热交换器的温度是否超过一温度定限，且如果该温度超过该温度定限，该控制器发出一警告。该控制器亦被装配来关掉与该至少一台热交换器有关连的一台压缩机。
[0038] 如果一包含电子组件的区域的内部周遭温度是大于一定限温度，该控制器发出一警告。再者，于另一具体实施例中，超过一台压缩机可共享一氦气回路。于此一方案中，当该氦气回路中的压缩机的其中一者被关掉时，如果一压力差在一点及时下滑低于一定限，该控制器回头开启该压缩机，一止回阀故障警告被发出，且该控制器将不会关掉该压缩机，当作该正常冷冻剂控制制程的一部份，直至该单元被修理。
[0039] 响应于侦测压力
传感器的损失或故障、或至该传感器的通讯或来自该传感器的通讯的损失，该控制器发出该故障的警告，且在最大速率运转该压缩机。另外，该控制器被装配来决定一压力差度量是否低于一定限值，且如果该值是低于该定限，该控制器将压缩机设定至一最大速率。
[0040] 如果该压力差度量保持低于该定限值达一预定的时间量，该控制器亦可减少冷冻剂的分派给冷冻机。响应于侦测一无效的
压力传感器，该控制器可将压缩机设定至一最大速率。该控制器亦可响应于侦测一
风扇故障而发出一警告。
[0041] 响应于侦测压力供给及压力返回间的差压或差值为低于一定限值，该控制器可检查一冷冻机温度，以决定该冷冻机是否正维持一特定的温度。如果该冷冻机正维持该特定的温度，该控制器决定一压力传感器中的故障已发生，且将压缩机设定至一最大速率。
[0042] 再者，如果该多个压力传感器的超过一个的压力传感器正测量一高压供给管线，且在该压力传感器的一子集合中侦测到一故障，该控制器可利用多个压力传感器的至少一个工作压力传感器当作传感器反馈。另一选择是，于测量一低压返回管线及一故障中，如果该压力传感器的超过一个的压力传感器在该传感器的一子集合中被侦测，该控制器可利用至少一个工作传感器当作至一控制系统的传感器输入。
[0043] 如果压缩机响应于所侦测的故障而被关掉，该控制器可回头开启该压缩机，且允许该系统在正常的控制下操作。如果该压缩机响应于所侦测的故障而再次被关掉，一故障被发出，且该压缩机将被允许回来及再次操作。在预定时期内的一预定数目的关机之后，该压缩机将不被允许重新开启及一警告被发出。
[0044] 换句话说，如果在此有一问题，且诸如使该压缩机慢下来的故障回复补救办法无法补救该故障，该控制器关掉该压缩机，且接着重新开启该压缩机。此重新开启顺序可被重复。例如，如果该关机及开启顺序(例如重新启动)无法补救该故障，该控制器可关掉该压缩机。这可在一设定时间内被重复高达三次。如果故障未被补救，则该压缩机保持关机。
[0045] 在该压缩机或压缩机群组的出口，被放置于
冷却水回路中或该压缩机内的个别冷却回路中的
调温阀可通过该装置减少该总
冷却水流量。用于性能及可靠性，该阀门的温度设定点将待冷却的项目维持在安全的位准。这些阀门可被放置于用以冷却逆流热交换器以及热交换器的回路中，该逆流热交换器用于冷却
流体，诸如该冷冻剂与润滑流体，该热交换器附接至该压缩机泵及电子组件
冷却板。另外，在至电子组件冷却板的入口或出口上的调温阀的使用是欲将用于该电子组件的冷却板维持在高于一定限，以防止冷凝。绝热调温流量
控制阀可被耦接至该冷却水回路，以绕着一温度设定点调整流量，借此维持所需要的最小量的冷却水，以将马达线圈温度维持在操作规格内。
[0046] 该控制器亦可被装配，以控制至少一台可变速压缩机的速率，该可变速压缩机基于供给压力及返回压力间的压力差将冷冻剂运送至多个低温的冷冻机。该控制器亦被装配来侦测该低温的冷冻剂系统中的故障。回应于侦测该故障，该控制器启始故障回复程序。
[0047] 低温的冷冻剂系统的另一示范具体实施例可包含至少一台压缩机，在此该至少一台压缩机包含可变及固定速率压缩机的任何组合。该系统也包含一控制器，该控制器被装配来监视一供给管线及一返回管线间的压力差。如果该压力差是在被考虑为大于一定限值的值(例如一状态，在此过量的冷冻剂被供给)，该控制器调整该至少一台压缩机的操作状态。
[0048] 在一情形下，该至少一台压缩机包含一台可变速压缩机及一台固定速率压缩机，且在此有过量的冷冻剂供给，导致比正常的压力差较高及一大于系统定限的压力差。为了调整该系统，使得该压力差是于一被考虑为在正常操作条件下的值(例如降低该压力差至低于该定限值)，该控制器可关掉该固定速率压缩机，且将该可变速压缩机的速率调整至一维持冷冻剂足够供给至低温的冷冻机的速率。在另一方案中，在此该可变速压缩机可为正在一最小速率下运转，该控制器被装配来将该可变速压缩机的速率增加至一最大速率，且接着关掉该固定速率压缩机。
[0049] 该压力差的定限值可为基于该冷冻剂系统的各组件的组构。一控制器可被装配来预先储存该定限值。另一选择是，该控制器可基于发现该冷冻剂系统的各组件的组构经由发现通讯讯息决定该定限值。
附图说明
[0050] 该前文将由本发明的示范具体实施例的以下的更特别叙述变得明显，如于所附图面中所显示，其中遍及该不同视图，类似参考字母参考意指该相同的零件。该图面是不须按照一定比例的，代替地强调说明本发明的具体实施例。
[0051] 图1A是典型先前技术的低温的冷冻机的概要说明；
[0052] 图1B显示一包含图1A 的低温的冷冻机的典型先前技术低温泵的局部剖视图；
[0053] 图2显示被连接至多个低温泵及压缩机的低温的冷冻系统
主控制器的方
块图；
[0054] 图3显示用于控制一冷冻剂的供给的冷冻系统的方块图；
[0055] 图4显示一用于决定许多可变速压缩机来操作的方法的
流程图；
[0056] 图5A-D是曲线图，说明当在一及二台马达操作之间切换时，典型的冷冻剂 (氦气(He))流量对所
请求的He流量；
[0057] 图6显示一用于决定操作压缩机的速率的方法的流程图；及
[0058] 图7是用于控制一冷冻剂的供给的冷冻系统的方块图。
具体实施方式
[0059] 本发明的示范具体实施例的叙述如下。
[0060] 所有专利、被发表的申请案及在此中所引用的参考案的教导是全部以引用的方式并入本文中。
[0061] 在讨论氦气管理控制之前，低温泵操作的讨论可证实为有利的。
[0062] 诸如低温泵的真空泵被使用于将一真空处理室驱动至接近零压力。大约 10-6至10-9托或甚至更低的接近零压力是通过从该真空处理室移除实质上所有该分子所达成。该分子是从该真空处理室经由该低温泵中的低温的冷冻机移除。该低温的冷冻机的一部份被冷却至接近绝对零度、典型为10K-20K，造成实质上该处理室中的所有该分子冷凝在该低温数组上，该低温数组是通过该低温的冷冻机所冷却。该低温数组典型为一组百
叶片及
挡板，以于小巧的体积中提供一表面积。该冷凝气体是因此还原至具有低蒸气压力的固体，以致一接近的真空被建立。再者，该低温数组可包含一吸附剂物质、诸如
木炭，以吸附未冷凝的分子，诸如氢气、氦气、及氖气。该低温的冷冻机是通过诸如氦气的冷冻剂
工作流体供给功率，譬如，能够达成接近绝对零度的温度。
[0063] 低温泵视其当前操作而定消耗变化量的氦气。一系列低温泵被连接至一或更多压缩机的一共享的压缩机组，以最大化该可用的氦气供给。通过该低温泵的氦气消耗被一控制器所监视及调节。通过监视每一个该低温泵的各种操作参数，适当的氦气供给被供给至每一个低温泵。过量的氦气被复位向至对低温泵有利，而该低温泵能利用该过量的氦气。稀疏的氦气被配给，以便维持操作及使有害的效应减至最小。
[0064] 在一典型的低温泵的冷冻机中，该工作流体被压缩；压缩的热量是通过空气冷却式热交换器所移除；该流体是进一步于再生热交换矩阵中被冷却；及该气体是接着膨胀至产生低于该周遭温度的冷却。一低温泵必需在少于绝对温度 20度下有效地操作，以由该真空处理室移除气体分子。达成此低温需要使用高效率的热交换器及诸如氦气的工作流体，该工作流体在接近绝对零度的温度保持气态的。
[0065] 图1A显示该低温的冷冻机10的内部零件的概要图。在图1A的装置中，氦气经过一高压阀门46进入该冷冻机的冷指及经过一低压阀门48离开。一置换器驱动马达216驱动置换器207及209分别于该第一阶段及第二阶段低温的冷冻机中。该第一阶段置换器207包含第一
回热器211，且该第二阶段置换器209 包含第二回热器213。热量是由诸如低温泵
辐射遮蔽板及前方数组的第一阶段热负载203、及诸如绝对温度10K-20K的低温操纵盘的第二阶段负载205所撷取。
[0066] 一低温泵的低温的冷冻机中的压缩气体冷冻剂的流动系循环的。在图1A所显示的低温的冷冻机的最基本形式中，压缩气体的来源、亦即一台压缩机是经过入口阀门46连接至汽缸44的第一端部。在排气管线中的排气阀门48由第一端部导通至该压缩机的低压入口。使置换器207包含一
定位在该汽缸第二、冷端的回热器211，及使该排气阀门关上及该入口阀门打开，该汽缸以压缩的气体充填。使该入口阀门仍旧打开，该置换器移至该第一端部，以强迫该被压缩的气体经过该回热器至该第二端部，该气体当其通过该回热器时被冷却。当该进气阀门被关上及该排气阀门被打开时，该气体膨胀进入该低压的排出管线及进一步冷却。在该第二端部越过该汽缸壁面的结果的温度梯度造成热量由该负载流动进入该汽缸内的气体。使该排气阀门打开及该入口阀门关上，该置换器接着被移至该第二端部，回头经过使热量返回至该冷冻气体的回热器来置换气体，如此冷却该回热器，且该循环被完成。在一典型的低温泵中，该汽缸被称为一冷指，且其可具有第一阶段及第二阶段。
[0067] 为产生用于低温泵使用所需要的低温，该进来的气体必需在膨胀之前被冷却。该回热器由该进来的气体撷取热量，储存该热量，且接着将该热量释放至该排出液流。一回热器是
往复流式热交换器，氦气于任一方向中交互地通过该热交换器。该回热器包括高表面积、高
比热、及低热传导性的材料。如此，如果该氦气的温度是较高的，该回热器将承接来自该氦气的热量。如果该氦气的温度是较低的，该回热器将释放热量至该氦气。另一选择是，该冷指可具有仅只单一阶段或超过二阶段。
[0068] 图1B显示一包含低温的冷冻机的低温泵的局部剖视图。如在图1B中所说明，大部份该低温泵是传统的。在图1B中，低温泵
外壳被移除，以暴露置换器驱动器40及十字头组件42。该十字头将该马达40的旋转运动转换成往复式运动，以在该二阶段被冷指44内驱动置换器。以每一个循环，在压力之下经过管线47被导入该冷指的氦气膨胀并因此被冷却，以将该冷指维持在低温的温度。接着通过该置换器中的热交换矩阵所加温的氦气经过管线49排出。
[0069] 第一阶段热站50被安装在该冷冻机的第一阶段52的冷端。相同地，热站 54被安装至该第二阶段56的冷端。合适的温度传感器组件58及60被安装至该热站50及54的后面。
[0070] 该主要泵吸表面是一安装至该
散热器54上的低温数组62。此数组包含如在美国专利第4,555,907号中的多个盘片，该专利全部以引用的方式并入本文中。低温吸附材料被安装至该数组62的保护表面，以吸附非
凝结性气体。
[0071] 杯形辐射遮蔽板64被安装至该第一阶段热站50。该冷指的第二阶段延伸经过该辐射遮蔽板中的一开口。此辐射遮蔽板64围绕该主要低温操纵盘数组至该后面及侧面，以使该主要低温操纵盘数组通过辐射的加热减至最小。该辐射遮蔽板的温度范围可为由低达在该
散热器50的绝对温度40K至高达邻接一真空室开口68的绝对温度130K。一前方低温操纵盘数组70具有用于该主要低温操纵盘数组的辐射遮蔽板、及用于较高
沸腾温度气体、诸如水蒸气的低温泵吸表面两者的作用。此低温操纵盘包括通过轮幅状板件74所接合的同心之百叶片及百叶板72的圆形数组。此低温操纵盘70的组构不须被局限至圆形、同心的零组件；但其应被如此配置，以便用作一辐射热遮蔽板及一较高温度的低温泵吸操纵盘，同时提供一用于较低沸腾温度气体至该主要低温操纵盘的路径。
[0072] 虽然低温泵已使用位移驱动机马达及往复式置换器被叙述，诸如气压式或脉冲管冷冻机另一选择的冷冻系统可被采用。
[0073] 图2显示一排列的压缩机，其被使用于供给冷冻剂至低温泵中的一系列冷冻机。参考图2，该共享的压缩机组16包含压缩机16a-16n，其将氦气冷冻剂供给至一歧管18。该歧管18会同该冷冻机控制器215a-215n连接至一系列低温泵 10a-10n。该从属控制器的每一个控制一置换器驱动器216，该驱动器216驱动一置换器，该置换器当该冷冻剂气体膨胀时于该冷指中往复移动。该置换器驱动216视其供给的冷冻剂的量而定被使用于调节该泵的冷却速率。低温的冷冻系统控制器12(控制器)被连接至控制该置换器驱动器216的冷冻机控制器 215a-215n的每一个，且被使用于增加或减少供给至该冷冻机/低温泵10冷冻剂的量。
该控制器12可为一
硬件电路系统，其被装配来与个别的压缩机及低温装置通讯，并可被进一步装配，以管理群组冷冻系统活动、诸如群组再生及氦气管理。另一选择是，控制器12可被用作逻辑线路，其可存在于该冷冻系统的任何组件内，诸如在一低温泵或压缩机内。该冷冻机/低温泵10的每一个具有一或多个传感器14a-14n，该传感器提供反馈至该控制器12。
通过接收来自该传感器14的讯号及计算用于每一个泵10的氦气量需求，该控制器12因此调节连接至其上的所有该低温泵10，该计算是基于由该传感器14所送出的讯号及由可用来自该歧管的全部氦气，如将在下面更详细地被叙述。另一选择是，需求可通过该低温泵10所计算，且该需求可被送至控制器12。此外，该控制器12是连接至该压缩机组16中的压缩机16a-
16n的每一个。该系统控制器12由该压缩机16a-16n的每一个接收供给压力及返回压力反馈，且使用该信息，该控制器 12控制该状态(例如，打开或关掉)及该压缩机16a-16n的每一个输出氦气的速率。
[0074] 应注意的是一冷冻控制系统是会同一低温泵中的示范低温的冷冻机叙述。该冷冻控制系统可会同一用于各种低温的冷冻机的冷冻剂供给被使用，该冷冻机包含单一及多数阶段的装置。如在此中所叙述的低温泵可譬如为一水泵，通过单一阶段低温的冷冻机所冷却，诸如在美国专利第5,887,438号、标题为“低轮廓成行的低温水泵”中所揭示的，其全部以引用的方式并入本文中，且被分派给本申请案的受让人，或其他氦气驱动的低温的装置。另一选择是，诸如斯特林、吉福德-麦克马洪、及脉冲管的低温的冷冻机可被采用。
[0075] 根据在该低温泵的冷冻机上的冷却操作状态及冷却需求而定，变化的冷冻剂消耗速率发生。一冷却下来的操作将该低温泵的温度由周遭状态往下带至该低温的温度，且需要用该冷冻机的大部分冷冻剂。一旦低温的操作温度已被达成，一正常的操作模式维持该温度，且需要大致上稳定的氦气流量。一再生操作将该低温泵加温，以释放被累积、冷凝的气体，且于加温期间需要极少或无冷冻剂，及同时该低温泵被加温。其他因素能影响该冷冻剂消耗速率。在冷却下来期间，该低温泵当其变得更冷时逐渐地消耗更多氦气，而接近正常的操作温度。在正常的操作温度下，发生在一附接真空处理室中的真空处理活动可产生热量，增加维持适当操作温度所需的热负载及冷冻作用。
[0076] 连接至该共的之冷冻剂供给的低温泵中的所有该冷冻机的总合的冷冻剂消耗速率能被使用来决定一总合的冷冻剂需求。相同地，促成该共享冷冻剂供给的压缩机或诸压缩机的冷冻剂可用性能被使用于决定该系统的冷冻剂可用性。如上面所指示，每一个低温泵的实际消耗速率视各种因素而定所变化。在时间中的一特别点，该系统的冷冻剂可用性能超过该总合的冷冻剂需求，指示该系统中的过量冷冻剂。相同地，如果很多低温泵正历史纪录高冷冻剂消耗的时期，该总合的冷冻需求可超过可用的冷冻剂，指示着冷冻剂稀疏。
[0077] 以用于较高效率增加的需求，可变速压缩机操作的有效率控制是有帮助的。用于低温的真空系统，该最佳解决方法是提供该低温的冷冻机，而仅只具有用于该冷冻机所需要的冷冻剂(氦气)的量，以维持第一及第二阶段温度。一种解决方法是使该压缩机变化其速率，以便仅只运送正通过冷冻机所消耗的冷冻剂的
质量流。此操作在该压缩机的操作成本中导致显著的节省。
[0078] 图3是用于控制冷冻剂的供给至低温泵中的冷冻机的冷冻系统的方块图。需要一冷冻剂的多个冷冻机275被耦接至压缩机260a-b及低温泵冷冻机流量需求估计器210a-n。每一个低温泵流动量估计器210a-n由一冷冻机275a-n接收度量值，该度量值被使用于估计该冷冻机275a-n需求的冷冻剂的量。该低温泵冷冻机流量需求估计器210a-n可经由直接有线的通讯或无线通信从该冷冻机接收该度量值。虽然图3描述一低温泵系统，于另一选择具体实施例中，低温泵可被单阶或多阶的冷冻机所替换。
[0079] 另一选择是，该低温泵冷冻机流量需求估计器210a-n可为硬件接线至该冷冻机275a-n的处理器，以监视该冷冻机。虽然多个低温泵冷冻机流量需求估计器210a-n被描述，应注意的是该多个冷冻机275a-n可将该度量值通讯至单一泵流量估计器。
[0080] 该冷冻机275a-n可采用记录及追踪该度量值的传感器。该传感器接着送出该度量值至该低温泵冷冻机流量需求估计器210a-n。通过该低温泵冷冻机流量需求估计器210a-n所接收的度量值可包含Psupply、Preturn、T1及T2、冷冻机循环速率、冷冻机特定参数、及与每一个冷冻机275a-n有关连的潜在的其他操作参数。该低温泵冷冻机流量需求估计器210a-n使用该度量值，以计算分别用于每一个冷冻机的估计的冷冻剂需求、或基于总合的计算。
[0081] 一冷冻剂管理系统220耦接至该泵流量估计器210a-n及接收通讯，该通讯包含来自该低温泵冷冻机流量需求估计器210a-n的每一个的所估计的冷冻剂需求。在225，基于来自该低温泵冷冻机流量估计器210a-n的通讯，该冷冻剂管理器220接着计算用于该冷冻剂的全部总合需求(质量流请求)。
[0082] 用于冷冻剂所计算的全部总合需求是与其有关连的误差的估计。譬如，该误差的范围可在百分之0-20内的任何
位置。由于此可能的误差，该冷冻剂管理系统220送出所计算的全部总合需求至一冷冻剂供给校正控制器240，以决定供给至该多个冷冻机275a-n的冷冻剂的量。此决定是通过加总所计算的全部总合需求及一冷冻剂供给校正(质量流校正)所造成。该冷冻剂供给校正控制器240计算如在下面所叙述冷冻剂的供给校正。
[0083] 使用冷冻剂逻辑线路281，该冷冻剂管理系统220决定该冷冻系统状态。譬如，该冷冻系统可在以下状态的其中一个之中：
温度控制、冷却下来、或关掉。该冷冻系统的状态可通过遍及该冷冻剂系统的传感器的使用所决定。该控制器可将唯一的数值分派至一讯息，而允许该冷冻系统的零组件得知该系统的状态，该状态包含、但不限于故障及操作模式。该冷冻剂供给校正控制器240可通过一预定因素基于该系统的状态在225调整该全部总合需求。
[0084] 该冷冻剂管理系统220亦从低压返回管线及高压供给管线经由来自该压缩机260a-b的反馈回路接收返回压力(Preturn)及供给压力(Psupply)度量值，以决定在哪一方向校正返回压力设定点。该冷冻剂管理系统220分别由传感器280a及 280b接收该Preturn及Psupply度量值，该传感器监视该返回压力及供给压力。该传感器280a及280b被分别耦接至Preturn管线及Psupply管线。
[0085] 该返回压力设定点计算器282通过使用来自冷冻剂逻辑线路281的信息计算该返回压力设定点，该信息有关该冷冻系统的状态及冷冻剂的目前供给是否应该被增加或减少，如上面所述。通过计算该压缩机的供给压力与返回压力间的差压，使用该冷冻剂逻辑线路281的冷冻剂管理系统220决定冷冻剂的目前供给是否应该被增加或减少。该差压仅为该供给压力及该返回压力间的差值。该冷冻剂管理系统220经由反馈回路247及248接收Psupply及Preturn度量值。该冷冻剂逻辑线路281可遍及一时期计算该供给压力及返回压力间的平均差值。譬如，该冷冻剂逻辑线路于一段两分钟的时间获得该平均的差值。
[0086] 一般用于一些低温的冷冻系统，当该供给压力每平方英吋400磅及该返回压力每平方英吋200磅时，常态或静止的条件发生。在此等条件之下，该冷冻剂管理系统220决定该冷冻剂的供给将保持不变或静止的，且既不会增加也不会减少。
[0087] 然而，在此该差压被决定为少于一较低的差压定限，譬如在每平方英吋190 磅(亦即，该正常的差压减去一可设置的偏差)，该冷冻剂管理系统220决定该差压中的大幅减少已经发生，且是在该想要的操作范围的外侧。此一对该冷冻剂管理系统220的大幅减少指示该冷冻机275a-n正承接冷冻剂不足够的供给，且该冷冻剂的供给应被增加。反之，在该差压被决定为大于一上差压定限之处，譬如，在每平方英吋210磅处，(该正常的差压加上可设置的偏差)，该冷冻剂管理系统决定在该想要的操作范围的外侧的差压已经增加。在差压中的此一增加指示至该冷冻剂管理系统220，该压缩机正经过一
旁通阀门(未示出)运送太多的冷冻剂及浪费冷冻剂，且该冷冻剂的供给应被减少。典型的系统操作(具有在温度控制中的低温泵)维持在该上及下差压定限内的操作。然而，如果在此负载正迅速地改变，质量流需求估计可具有显著的误差，或一故障可能已导致诸如一台压缩机或低温泵的损失或增益，此校正机构将在一段数分钟的时间调适，直至该压缩机运送通过该泵所需的流量。
[0088] 一旦该冷冻剂管理系统220决定冷冻剂的供给是否应保持静止、增加、或减少，使用冷冻剂逻辑线路281的冷冻剂管理系统220决定是否增加或减少一返回压力设定点。该返回压力设定点计算器282由该冷冻剂逻辑线路接收一讯息，该讯息指示该返回压力设定点是否需要被递增或递减。在接收此讯息时，该返回压力设定点计算器282调整一返回压力设定点，以控制该低压返回管线中的返回压力。
[0089] 由于该返回压力
波动大致上主控该供给压力及返回压力间的差压中的减弱或增加的事实，该返回压力被控制，而非供给压力被控制。这是由于该供给压力波动大致上是额定的及如此在该差压上具有最小的冲击、同时返回压力波动是显著的事实。在另一选择具体实施例中，供给压力可被监视及控制，而非返回压力被监视及控制。
[0090] 经由Preturn设定点计算器282，该冷冻作用供给校正控制器240通过增加或减少该设定点达一增量值来计算该返回压力(Preturn)设定点。该Preturn设定点可在该过渡至新的状态下被初始化，接着经过该冷冻供给校正控制器中的增量被更新。一旦该返回压力设定点被计算，通过在231计算该返回压力设定点及该返回压力间的差值，该冷冻剂供给校正控制器240计算一返回压力误差。该冷冻剂供给校正控制器240经由一返回压力反馈回路247接收该返回压力度量。该冷冻剂校正控制器240接着使用冷冻剂校正控制逻辑线路245及来自冷冻剂管理系统220的冷冻剂总合需求计算该冷冻剂供给校正。该冷冻剂供给校正可被计算为该控制定律的输出，而具有该返回压力误差当作一输入(亦即，该返回压力误差讯号与控制定律差值方程式的折积和)。在此案例中，比例控制逻辑线路是通过该控制逻辑线路245所采用，在此该冷冻剂供给校正使用以下的公式来计算：返回压力比例常数*返回压力误差。基于来自该冷冻剂管理系统220 的全部总合需求及所计算的冷冻剂供给校正，尤其那些讯号在232的加总，该冷冻剂供给校正控制器240接着决定供给至该冷冻机的冷冻剂的量。如果该系统状态是亦于冷却下来中，该校正回路可被停止作用，如通过打开
开关246所说明。
[0091] 该冷冻剂供给校正控制器240将供给至该冷冻机275的冷冻剂的量通知一台压缩机控制器270。基于此通知，压缩机马达逻辑线路250决定该多个压缩机 260a-b的操作状态。该压缩机控制器270可控制耦接至单一台压缩机或多数台分开的压缩机的多数泵的操作状态。该压缩机的操作状态决定若干压缩机将为开启及关掉。在一示范具体实施例中，该多个压缩机260a-b仅只包括二台压缩机。在此一具体实施例中，该马达逻辑线路250决定两台压缩机是否应该正在操作或是否仅只一台压缩机应该正在操作。
[0092] 该压缩机260a-b被耦接至压缩机泵马达230a-b，该马达230a-b驱动该压缩机260a-b。该马达230a-b可操作及经由一旋转式泵、
活塞泵、涡旋泵、或任何其他适当的驱动手段驱动该压缩机260a-b。
[0093] 该压缩机260a-b可为可变速压缩机，且能够通过调整速率而在各种速率供给冷冻剂至该冷冻机，该马达230a-b在该速率下运转。至
频率计算器255的一流量决定用于该压缩机260a-b的压缩机马达230a-b的速率，该压缩机马达 230a-b被决定为开启。该压缩机马达230a-b的速率可被决定为供给至该冷冻机的冷冻剂的所计算量及该返回压力的函数。明确来说，频率＝质量流/(绝对温度 K*返回压力)。
[0094] 上面的叙述将函数分离成被叙述为控制器的项目。这些函数可被分类成单一控制器或各控制器的任何组合，以及为分开地位于该低温泵/低温的冷冻机系统之一或多个零组件或在该一或多个零组件上。
[0095] 另一选择是，如果供给至该冷冻机的冷冻剂的量超过所有该压缩机在最大容量运转的容量，该冷冻剂管理控制器220可调整该多个冷冻机的至少一台冷冻机的速率。
[0096] 不像先前的方式，该目前的冷冻剂供给控制回路不会倚靠用于主要反馈机构的差压。反之，该方法利用通过返回压力控制所辅助的前馈流量控制(用于冷冻剂的总合需求)。当该差压在想要的操作范围的外侧漂移时，差压仅只被使用于对冷冻剂供给提供自适应调整。此等用于此漂移的成因可被归因于用在冷冻剂的需求估计不佳、或通过该压缩机的供给、或该冷冻系统中的冷冻机或压缩机的损失或增益、或导致快速的冷冻剂需求变化的显著负载变动。
[0097] 如上所述，供给冷冻剂的较高效率可为通过可变速压缩机的使用所获得。基于供给至该冷冻机所计算的冷冻剂的量，较高效率位准可为通过增加该容量以由单一台压缩机或二台压缩机供给冷冻剂所获得。由二台可变速压缩机之一操作状态过渡至单一台可变速压缩机的一操作状态、或反之亦然，必需被完成，而不会显著地影响该供给压力及该返回压力间的差值。此外，在各操作状态间的切换亦必需以一由该压缩机维持高阶可靠性的方式被做成。
[0098] 图4显示用于决定若干可变速压缩机以操作的方法400的流程图。参考图3，该方法400是于马达逻辑线路250中被执行。在开始该方法之前，关于两台同时地运转的可变速压缩机的最大容量作出一决定。在步骤410，该方法400开始。在步骤415，压缩机控制器270接收一命令，以供给一量的冷冻剂。
[0099] 在步骤420，使用该压缩机马达逻辑线路250，其决定是否以单一台可变速压缩机运转或以两台可变速压缩机运转来操作。此决定是通过决定一过渡的定限所作成，该过渡的定限是通过决定供给一量的冷冻剂的命令是否大于或少于单一台可变速压缩机的最大容量所计算。该单一台可变速压缩机的最大容量可被计算为同时地操作的两台可变速压缩机的最大容量的一半。应注意的是此值是一估计值，且由于运转二台压缩机同时地减少该直流总线
电压的事实，单一台可变速压缩机的最大容量是稍微地超过两台压缩机运转的最大容量的一半。
[0100] 在步骤425，马达逻辑线路250决定该冷冻系统应由双重可变速压缩机操作状态过渡至单一台可变速压缩机操作状态。换句话说，其被决定该二台可变速压缩机的其中一者应该被关掉。如上所述，如果供给一量的冷冻剂的命令是少于单一台可变速压缩机的最大(定限)容量，此决定被作成。为说明过渡中由于流量估计值中噪声位准的不确定性，如果需要被供给的冷冻剂的量是少于单一台可变速压缩机的最大容量，该决定可被作成，该单一台可变速压缩机的最大容量是少于预定之
迟滞现象值。譬如，该迟滞现象值可为每分钟10标准立方英尺 (SCFM)。除了使用一迟滞现象值来说明不确定性，其可被要求的是该需求为少于最大容量，而该最大容量少于该迟滞现象值达一预定时期或去除抖动时期。迟滞现象被使用于消除该马达的经常开启/关掉循环，该循环将在压缩机可靠性上具有一不利作用。应注意的是该去除抖动延迟是仅只当关掉一马达时施加，当开启一马达时，很小之延迟被施加。
[0101] 在步骤435，于一由二台压缩机操作状态切换至单一台压缩机操作状态的决定时，该马达逻辑线路250选择该二台压缩机的哪一台压缩机被关掉。此选择可为基于每一台马达的关掉的历史纪录。譬如，该马达逻辑线路250可交替于该二台压缩机之间，具有切换至单一压缩机操作状态的每一个决定；交替于马达之间达一段时期；或在使用任何其他型样中交替于马达之间。用以循环于诸压缩机之间来开启与关掉的方法确保该功率循环被相等地分享于该二台压缩机之间，借此维持高度的可靠性，同时循环地开启与关掉该压缩机。
[0102] 在步骤440，于关掉该
选定的压缩机之前，该非选定的马达的速率被增加或提升直至一等于或大于所需的速率的速率，以供给所需要的冷冻剂。该增加速率是需要的，以确保冷冻剂的足够供给。在步骤445，该选定的压缩机被关掉。
[0103] 在步骤420及425，如果其决定该冷冻系统应由单一可变速压缩机操作状态过渡至双重可变速压缩机操作状态，则该第二台压缩机被开启。如上所述，如果该供给一量的冷冻剂的命令是大于单一台可变速压缩机的最大(定限)容量，此决定被作成。为说明过渡中的不确定性，如果该冷冻剂的量是大于单一台可变速压缩机的最大容量，该决定可被作成。另外，如果该冷冻剂的量超过该定限值达一段很短的预定时间，以确保冷冻剂足够供给至该冷冻机，由单一台压缩机状态切换至双重压缩机状态的决定可仅只被作成。
[0104] 在步骤450，于切换至单一台压缩机操作的决定时，该压缩机控制器270开启该第二台可变速压缩机。在步骤455，该方法400向上提升该被开启的压缩机的速率，且允许该被开启的马达停止。在步骤460，该方法400终止。
[0105] 有利地是，该方法400允许压缩机由在最小速率的单一台压缩机运转开动至在全速的二或更多台压缩机运转；譬如用于单一台压缩机的35赫兹运转至在 70赫兹的二台压缩机运转。这允许用于供给冷冻剂至冷冻机的较大的变化性及范围。该方法400亦可被使用于固定速率及可变速压缩机的任何组合。此外，当该冷冻剂需求是通过一台可变速压缩机所供给时，至少一台固定速率压缩机可被关掉。
[0106] 另一选择是，此相同的操作方法可被应用至单一台压缩机结构中的超过一台的压缩机泵。当需求为低时，在该结构内之一台压缩机泵能保持操作，而代替运转所有该压缩机泵。在低需求的时期间，关掉一或多台压缩机泵同时使该结构内的一或多台其他压缩机泵持续操作以满足氦气需求的容量，在
能量效率中提供显著的改良。
[0107] 图5A-D是曲线图，当切换于一台及二台压缩机或压缩机泵操作之间时，说明典型的冷冻剂流量对所请求的流量，如上面参考图4所叙述。图5A说明一用于高电压或
低电压的曲线图，而具有一延伸式操作的
频率范围方案。图5B-C说明用于低电压(无延伸的范围)方案的曲线图。在这些范例中，在该第二马达被开启/关掉之点，有所请求的线性函数对实际流量的中断。用于图5A-5C中线性函数的中断是由于单一台压缩机的全部容量可为少于二台压缩机的最小容量的事实。由于导致图5A中单一台压缩机的较大最大操作速率的不同的电源供给及压缩机马达驱动电路，在图5A中线性函数中的中断是比在图5B-C中的较小。图5D是一表格，说明在图5C的每一个参考点处的冷冻系统的状态。
[0108] 如上所述，图5A说明一用于高电压方案的曲线图。该曲线图绘制在该y轴上的实际流量对在该x轴上的请求流量。此外，在曲线图的每一点，该二台可变速压缩机的每一台的速率或频率被显示。点A及B说明该冷冻系统的一状态，在此仅只该二台可变速压缩机的其中一台被开启及操作。这是通过将第二频率显示为0所说明。点C说明一点，在此需要作成至二台可变速压缩机状态的过渡。如所显示由一台压缩机移动至二台压缩机，4.8SCFM的迟滞现象确保该过渡仅只当一请求流量是大于100SCFM时发生。反之，在点D，可作成一决定，以由二台压缩机状态移动至单一台压缩机状态。在此，如果该请求流量是少于 100SCFM，迟滞现象确保仅只发生该过渡。点E及F说明一方案，在此该压缩机正在二台压缩机状态中运转。点E显示一方案，在此该二台压缩机两者是在最小容量下运转，而点F显示一方案，在此该二台压缩机两者是在最大容量下运转。
[0109] 图5B说明一用于在208VAC的低电压(无延伸的频率范围)方案的曲线图。该曲线图绘制在该y轴线上的实际流量对在该x轴线上的请求流量。此外，在该曲线图的选定点，该二台可变速压缩机的每一台的速率或频率被显示。图5B类似于图5A，然而，由于单一台压缩机的全部容量是少于二台压缩机的最小容量及此差值在无延伸的频率范围电路系统的低电压方案中为较大的事实，由一台压缩机过渡至二台压缩机及由二台压缩机过渡至一台压缩机状态发生在一不同请求流量。
[0110] 图5C类似于图5B，且说明一用于在180VAC之低电压方案的曲线图。该曲线图绘制在该y轴线上的实际流量对在该x轴线上的请求流量。此外，在该曲线图之选定点，该二台可变速率马达的每一台的速率或频率被显示。该曲线图的点A-F基于用于冷冻剂的请求流量及实际流量说明一冷冻系统的状态。此外，该曲线图说明该系统中每一个压缩机的状态。图5D参考图5C中的每一点A-F，并显示用于每一台压缩机的请求流量、实际流量、及频率的值。
[0111] 图6显示一用于决定操作压缩机速率的方法600的流程图。参考图3，该方法600是通过至频率计算器255的流程所进行。在步骤605，该方法开始。在步骤610，至频率计算器255的流程由包含信息的压缩机马达逻辑线路接收一命令，该信息有关待运转的压缩机的数目及供给至该冷冻机的冷冻剂的量。此外，在步骤615，至频率计算器255的流程经由该返回压力反馈回路接收返回压力度量值。
[0112] 在步骤620，至频率计算器255的流程基于在步骤610及615所接收的信息计算该二台压缩机将运转的速率。此计算采用组合该
理想气体定律：PV＝nRT及用于体积流量率的公式：V＝压缩
机体积测定式效率常数(K)*该压缩机的速率(频率(F))。组合该二方程式及对于频率解出产生该方程式F＝质量流/(K*返回压力)。
[0113] 然而，仅只请求该(等)压缩机在一频率F运转未能产生‘F’的实际速率。这可为由于通过该(等)压缩机所采用的马达的型式。譬如，如果该(等)压缩机使用一同步的交流电马达，此方程式一样地校正，然而，如果一交流电感应马达被使用，解出用于频率的上面方程式可需要被补偿用于感应马达转差率。如此，该频率计算器必需命令该压缩机在比将在上面被计算者较高的频率下运转。感应马达转差率可使用在该技艺中已知的任何习知方法被估计。在步骤625，至频率计算器255的流程送出一驱动讯号至该(等)压缩机泵，以在基于所使用的马达的型式来调整所计算的频率(速率)驱动该马达。在步骤630，该方法终止。
[0114] 应注意的是该压缩机可在相同速率或不同速率下运转。压缩机马达在相同速率运转，以消除在不同频率跳动的问题，并减少机械震动及听得见的噪音。如果该压缩机泵在相同的
机架中，操作频率可为相同的，以消除在不同频率的跳动。然而，分开的压缩机可为在不同速率下运转。当为分开的压缩机建立操作频率时，频率的选择亦可视该个别压缩机的操作效率特征而定。
蓄能器亦可被使用于使跳动的效应减至最小。
[0115] 此外，至频率计算器225的流程可被装配，以计算在单一台压缩机系统内的多数机械式压缩泵的速率。譬如，并非决定分开的压缩机所运转的速率，至频率计算器225的流程可决定在单一台压缩机系统内的多数机械式压缩泵的速率。另一选择是，用于具有多数分开的压缩机的冷冻机系统，至频率计算器225 的流程可被装配，以决定该多数分开的压缩机的速率。该多数分开的压缩机可为多数可变速压缩机或可变速压缩机及固定速率压缩机的组合。
[0116] 变化压缩机速率以达成用于上面所叙述的低温的真空泵系统及低温的冷冻系统的高能量效率的方法，依赖冷冻剂流量需求及该系统的返回压力的组合，以建立该压缩机所需要的冷冻剂供给。该压缩机及压缩机泵的速率及操作状态是借由该低温的冷冻作用/低温泵被校正的总合流量需求所决定。另外，该返回压力可不需要在较小系统中被校正。
[0117] 用于变化压缩机速率的另一选择方法可包含利用通过冷冻剂管理逻辑线路所界定的全部冷冻剂需求。该压缩机速率可被变化，以正好满足用于冷冻剂未校正的总合需求。当在操作条件的范围之下，该系统上的冷冻机的冷冻剂需求需要被准确地得知时，此控制方法很好地工作。算法可被施行，以利用此用于压缩机速率控制的信息。
[0118] 直接地独自基于返回压力测量的控制冷冻剂供给可被施行，当作控制来自一或多台压缩机/压缩机泵的冷冻剂的机制。该压缩机/压缩机泵的操作速率或状态将基于所测量的返回压力被增加或减少。再者，查找表或输出算法可被使用于一控制回路中。因为冷冻剂质量流是直接地与返回气体
密度(压力)有关，不足的流量是通过返回压力中的上升所指示，且过量的流量是通过返回压力中的下滑所指示。该压缩机速率可被控制，以将返回压力维持在一
指定的范围内，并在可变的冷冻剂需求环境内确保适当的冷冻剂被供给。
[0119] 在另一示范方法中，在具有旁通阀门的旁通回路中冷冻剂流量的直接测量可被作成。该旁通回路中的过量的冷冻剂流量指示供给至该整个系统的过量的流量。如果该测量指示此一过量，该压缩机速率可被调整，以在该旁通回路内维持一小的过量冷冻剂流量。
[0120] 另外，一马达驱动式旁通阀门可被提供，而替代一
弹簧力量驱动式阀门。再者，通过在该阀门中定位流量调节构件允许该旁通回路中的冷冻剂流量的间接测量。该压缩机速率可接着基于阀门位置(旁通流量率)被调整，以使旁通流量减至最小。
[0121] 此外，对于这些解决方法的任一个，在最大速率超过该返回压力时，该冷冻剂管理逻辑线路可重新分配可用的氦气，借此将返回压力降低至一可接收的程度。
[0122] 具有质量流控制的压缩机的变化性
[0123] 一方法及对应的冷冻系统有关能够使一具有质量流控制的压缩机系统与利用诸如氦气的冷冻剂的任何系统介接。这包含一来自现存CTI低温系统、诸如 OnBoard与OnBoard IS低温泵和冷冻机的冷冻剂流量控制、以及由其他制造商控制一或多台压缩机与压缩机及冷冻机/低温泵的弹性。固定速率及可变速压缩机两者可被以任何组合来组合，只要在此至少有一台可变压缩机存在。以组合多数压缩机，除了变化具有可变速率容量的压缩机的速率及操作状态以外，固定速率压缩机可视需求而定被开启与关掉。
[0124] 使用返回压力及差压允许一台压缩机连接至任何冷冻剂系统，并控制冷冻剂的质量流，而没有由该系统接收数据。该控制算法未能如冷冻剂需求的前馈般迅速地反应，但是更具弹性，因为在此无需由该冷冻系统接收通讯。以前馈，冷冻剂消耗可被直接地以SCFM的单位或以冷冻机变量的形式提供，该冷冻机变量能被使用于估计该冷冻剂质量流消耗。另外，冷冻消耗/需求的前馈可被独自地使用或会同返回压力或差压使用。
[0125] 该压缩机及该低温泵/冷冻机间的
接口是由二零件所构成，即该实体接口及该数据接口。为了弹性，以下的实体接口的至少一种可被采用：RS-232串口、位总线(Bitbus)以容纳布鲁克斯旧有产品(Brooks legacy products)、以太网络卡、及设备网(DeviceNet)。如需要，该电子架构使其本身轻易地带至新接口的加入(譬如，一子卡)。用于该数据接口，该压缩机必需得知多少冷冻剂被该系统所消耗。就低温泵中的冷冻机的情况而言，基于马达速率、T1、T2、Tambient、Psupply、 Pretum、及被界定用于特定的低温泵冷冻机的若干常数的组合，这能通过该冷冻剂流量估计器210a-n所估计。另一选择是，该质量流控制算法基于由该低温泵冷冻机所返回的资料估计该冷冻剂消耗。当作一范例，于OnBoard IS中，一台压缩机能够控制冷冻剂直接地供给至冷冻机。OnBoard与P300低温泵冷冻机亦可通过透过Gold Link、该网络接口
端子(NIT)、或其他手段存取T1及T2温度所控制。其他冷冻机及冷冻机/低温泵通讯的特征记述也被使用，以能够通讯、建立冷冻机常数及取得该需要的操作参数，诸如马达速率、T1、T2、及压力。此外，该压缩机进一步能够经由以太网络控制低温泵。用户可程序设定的映成表可被使用来映像于未知或非通讯的压缩机及低温泵/冷冻机中，及由主机或其他性能监视系统建立或获得冷冻机的操作参数、或具有默认值。
[0126] 图7显示一用于如上面所述地控制冷冻剂供给的冷冻系统的方块图。例如，如上面所述，利用诸如氦气的气相冷冻剂，图7说明用于能够以质量流控制使一台压缩机与任何系统介接的方法及对应的冷冻系统。
[0127] 可变速压缩机的自适应功率管理
[0128] 用于该压缩机的最大速率被建立，以保护该压缩机不会在过量电流条件中操作。典型的现存过量电流保护主要系保护免于短期过量电流条件。过量电流保护的第一等级是该电流短时脉冲波干扰电路，其保护免于交叉传导型电流尖脉冲、亦即遍及数毫秒发生的很大电流(在此案例中，该发现及关掉两者在硬件中发生)。此电流等级通常是通过该电力装置的最大脉冲电流所决定。过量电流保护的下一等级在保护免于通过过量电流所造成的热故障的
软件中发挥作用。这是比该短时脉冲波干扰慢，但仍然颇为快速。但在此于此短期过量电流的热及该连续运转电流之间仍然有一显著的间隙。该连续电流限制目前是仅只通过估计该最大速率所保持，该马达可在仅只基于在直流总线电压下运转。另一选择是，电流反馈可被使用来限制该速率，使得该压缩机不会超过该电流限制。当该压缩机仅只基于该直流总线电压依靠该最大速率的估计时，其使用该标准的操作供给及用于该系统的返回压力。在高压脉管冷冻机系统中，该压力是每平方英寸400磅重的供给压力及每平方英寸200磅重的返回压力。然而，该值能为用户可程序化设定。当在封闭回路(主动)模式中操作时，标准操作的供给及返回压力的使用大致上是一良好的假设，然而当在固定速率模式中操作时，这不是一有效的假设。在另一选择的控制方法中，基于差压、压缩机特征、及上限值的最大操作速率的计算被使用于减少该马达速率，以保护该压缩机不遭受一过量电流条件。独自在所允许的最大速率的计算中、或在与差压计算组合中，限制电流的额外的控制方法可包含返回压力的使用，在该差压计算之上，该操作速率将被减少，以减少该压缩机的电流。
[0129] 如果由于电流反馈的校正超过一定限(例如5赫兹)，则一警告旗标将被设定，以指示“由于过量电流的过度的速率减少”。故该压缩机将持续在减少的速率下操作，但将提出一警告，该警告指示速率被减少，以防止一过量电流条件。
[0130] 一方法有关控制一台压缩机马达线圈中的最大功率耗散，以及限制藉被驱动器电路所允许的最大电流。该最大功率及电流的控制是重要的，以防止该马达的
过热以及防止对该驱动器电路及连接器造成损坏。此功率管理必需为自适应式，在此其能补偿操作压力及直流总线电压中的变化、以及马达电流中的变化。
[0131] 因为电流及功率为马达速率的函数，马达速率被使用于限制电流及功率。压缩机马达的最大速率是因此基于该最大允许的连续运转电流及该压缩机中所耗散的最大功率所决定。当在固定速率模式中操作时，最大马达速率是基于直流总线电压、差压及返回压力被估计。较高的直流总线电压产生较高的最大马达速率，而较高的差压或较高的返回压力产生较低的最大速率。在高返回压力或差压存在的案例中，该压缩机控制器必需在最大速率中提供一直接的减少，以消除提升至一高电流。在主动模式中，最大速率是基于直流总线电压所决定，并预期该封闭回路响应将处理大压力偏差。且最后，在用于固定速率的任一主动模式中，该二台马达的最大电流随时超过该最大的连续运转电流，该最大速率将在诸如每分钟0.6赫兹的缓慢速率被减少，直至该过量电流状态被修正。该马达电流可被直接地测量。如果该“由于马达过量电流的最大速率校正”超过此5赫兹的默认值的总和，一警告将被发出，以通知该主机在此已有显著的速率减少，以适应一过量电流状态。任何时候，如果峰值电流超过该电力装置的最大脉冲电流，一硬件过量电流故障使马达关机。
[0132] 因此，马达速率随时被减少，在此有过度的马达电流。相同地，最大马达速率随时被增加，而该马达被命令在最大速率运转，且该二台马达的最大电流同时低于一定限值。该最大马达速率接着在诸如每分钟0.6赫兹的缓慢速率增加，直至该电流不足条件被修正。且最后，由于马达过量电流大于零而随时造成该最大速率校正，在此有另一最大马达速率校正：其暗示所估计的最大马达速率已由于过量电流而被减少。在此案例中，一很慢的漂移总是被施加至该最大马达速率，诸如每分钟0.03赫兹的漂移，直至该过量电流保护是零。这段长时间的防止启动瞬间的堆积产生低的最大速率。
[0133] 另外，被动及主动功率因素校正可被使用于三相可变速压缩机。
[0134] 用于使低频震动减至最小的压缩机控制策略
[0135] 在真空系统设计中，尤其用于压缩机，震动及声音控制是十分重要的。震动可在该压缩机零组件及在该环境两者上导致不利的作用。过度的震
动能造成该压缩机系统内侧的零件过早疲劳，造成一可靠性问题。震动能以二方式影响该环境，首先为听得见的噪音、与其次通过任何实体的连接、诸如该地板及外部管路连接所传送的震动。所有转动式机械装置将产生其旋转式频率的谐波，而具有显然为该最强分量的基谐波；源自这些谐波的震动必需被控制，但这暗示你不需担忧在该基谐波频率以下的震动。然而，当将多数压缩泵组合成单一台压缩机系统时，该各种泵的
拍频(该差频的一半)产生子谐波的震动，其通常可为会引起阻碍的，且是远较难以衰减。在下文处理此问题。
[0136] 在具有多数机械式压缩泵的单一台压缩机系统中，该等多数泵可被控制，以作用当作单一单元。非相同值的旋转式频率能在子谐波拍频造成震动，现在大幅地增加频率的范围，而遍及该频率控制震动。为消除此困难性，该个别泵的控制必需为使得所有泵正在该相同的输入频率下操作(实际操作频率由于从马达至马达之滑移变动而稍微变动)。通过提供相同的PWM讯号至该系统内的所有泵，该控制方案确保所有泵由相同的PWM频率操作。
[0137] 用于可变速压缩机的可变冷却
[0138] 可变速压缩机遍及操作速率的范围产生变化量的热。较高的操作速率产生更多热量及需要更多冷却。满足高速操作的高需求的冷却水流量将在低速操作条件下导致浪费冷却水流量。通过该冷却回路中的调温阀的使用，一方法及对应的冷冻系统有关使通过该压缩机所使用的冷却水减至最小。
[0139] 在该压缩机或压缩机群组的出口或在该压缩机内的个别冷却回路中，放置于该冷却水回路中的调温阀可通过该装置减少该总冷却水流量。用于性能及可靠性，该阀门的温度设定点将维持该项目在安全等级被冷却。这些阀门可被放置于用于冷却逆流热交换器的回路中，用以冷却诸如该冷冻剂与润滑流体的流体，以及附接至该压缩机泵及电子组件冷却板的热交换器。另外，在至电子组件冷却板的入口或出口上，调温阀的使用将用于该电子组件的冷却板维持在一定限之上，以防止冷凝。绝热调温
流量控制阀可被耦接至该冷却水回路，以环绕着一温度设定点调整流量，借此维持所需要的最小量的冷却水，以将马达线圈温度维持在操作规格内。该调温阀可为被设定至适当的定限的被动式蜡阀。另一选择具体实施例依靠主动、机电控制方法，其固有地减少可靠性、增加能量消耗、及减少成本。这些包含脉冲式
电磁阀的使用，以动态地控制水流量。水
过滤器可被应用在该输入。
[0140] 故障侦测及回复
[0141] 一方法及对应的冷冻系统有关故障侦测及回复。譬如，如上面所叙述的冷冻系统可被修正，以监视压缩机最大马达电流中的趋势，以有助于预测马达故障的开始，将加速计增加至压缩机及泵马达，以有助于说明
轴承损坏、监视在第二阶段加热器资料中的趋势以说明第二阶段磨损、及监视冷却下来的数据以有助于预测诸如渗漏的泵问题。
[0142] 使真空系统(压缩机及泵)关机的故障能妨碍系统处理，并可导致半导体制造设备的昂贵的工具作业中断时间。通过施行故障容差及系统诊断、及通过自动
操作系统回复，一台压缩机已装配来保护其本身免于遭受损坏、减少故障的风险、及防止非预定的的作业中断时间。
[0143] 本发明的具体实施例能够使压缩机及低温泵不断地监视若干输入讯号，包含电流、电压、压力、水温、第一及第二阶段泵温度、压缩机及低温泵速率等，以便报告不合宜的操作条件。当不乐见的条件发生时，该整个系统协调各作用，以便使该引起问题的情况的冲击减至最小。该作用的
进程的范围可在由没有性能损失的用户警告讯息至单一台压缩机马达的损失的任何位置，而强迫该系统在降级的容量下运转，以完成该制程。然而，压缩机或低温泵关机被考虑为该绝对的最后手段，且仅只当无其他选项为可能时做成。
[0144] 警告被用于让一使用者注意不乐见的条件、诸如低差压或低交流电输入电压。在此状态中，该系统将持续起作用在接近全满容量。如果该警告系暂时的，其能以设备将诸如输入功率之可能的问题通知该使用者。如果该警告的成因是未知且持续的，该使用者将在造成一故障之前得知安排维修。
[0145] 故障更严重及将大致上导致一具有系统性能所引起的损失的泵或低温马达的关机。譬如，用于具有二台压缩机泵的压缩机，当一台马达有故障时，该第二台马达提升直至其最大速率，以提供尽可能多的冷冻剂来补偿。氦气管理器 220接着企图将该系统调适成一减少氦气分配。虽然该系统的最大容量被切成两半，这通常足以完成该制程，直至维修能被安排。
[0146] 故障回复是尽量地使你所遇到的为最佳故障的机制。在故障回复的最低等级，在一故障已造成马达关机之后，该故障持续被监视，且当其被排除时，该马达将被重新开启，并于希望该故障是通过不可能被重复的瞬时条件所造成中。如果一指定数目的故障发生在某一段时间内，为防止故障及重试间的不断的循环，一马达将被永久地闩
锁。在较高等级的故障回复的范例是通过氦气管理器 220所采取的作用，以向下调整低温泵速率，而意图允许该系统以更少的氦气操作。
[0147] 系统录志可被使用，以捕捉及记录每一个警告及故障事件，借此提供额外的诊断能力及事后的故障分析。
[0148] 本发明的具体实施例利用一阶层式方式，在此故障被侦测及在一冷冻系统架构中的各种等级采取行动。故障被分成二种一般的类别，即那些涉及单一零组件(压缩机或低温泵)的类别及那些涉及该整个真空系统的类别。譬如，来自一台压缩机或低温泵冷冻机马达的过量电流或过温的故障将仅只影响那台马达，并可导致该零组件的损失。在另一方面，氦气差压的损失是一可导致该整个系统的功能性损失的故障。故障被进一步分成为故障及警告，在此警告被使用于提供一可不需立即行动的潜在问题的通知。在故障被侦测及在行动被采取的各种等级指示你是在哪一控制阶层。该更多时间的重要故障通常系在该较低等级下处理，在此直接及立即反应是重要的。
[0149] 范例故障侦测等级如下：
[0150] 等级0：硬件等级，硬件直接地反应至一故障，同时提供故障信息至该处理器(例如地面故障电路中断器故障、马达过量电流故障)。
[0151] 等级1：嵌入式
微处理器/DSP等级，在此DSP侦测及对一故障反应(例如马达热故障)。大部分压缩机与低温装置问题在此等级被侦测，且在此等级企图达成某一量的故障回复。
[0152] 等级2：应用及通讯处理器等级(例如ARM 9)故障通常暗示一具有该机板硬件的故障，其范围可由一内存问题至一有关该很多通讯接口的其中一者的问题。用于该压缩机及低温装置的故障回复通常在此等级被做成，在此该处理器尝试由等级0或等级1故障回复，有时候仅只通过重试操作。
[0153] 等级3：这是该系统控制器处理等级，在此该制程能充份利用整个系统知识来辅助故障回复。譬如，如果该压力传感器的其中一者有故障且指示该差压已减弱至低于每平方英寸50磅，则在等级2，该系统将被告知关机，然而，在等级3，如果该泵指示它们正维持温度，则在此没有理由关机，且一很昂贵的关机已仅只转变成一维护巡修，以替换该压力传感器。
[0154] 下面之表1说明用于一台压缩机的阶层式故障侦测及回复方法的范例。视该特别的故障型式及故障作用等级而定，该表输入列出各种故障作用。作用范围由侦测至企图回复。
[0155]
[0156]
[0157] 表1
[0158] 在另一选择具体实施例中，达到一最大温度定限(例如过温)条件的马达的故障型式的侦测可造成一控制器逐渐地减少该马达的速率，直至该马达(例如压缩机)达到一最小的速率定限。故障可被储存在一故障侦测装置内，或可当作一警告被发出至其他系统零组件。
[0159] 下面的表2说明用于一台低温泵的阶层式故障侦测及回复方法的范例。视该特别的故障型式及故障作用等级而定，该表输入列出各种故障作用。作用范围由侦测至企图回复。
[0160]
[0161]
[0162] 表2
[0163] 表1及表2列出各种根据特殊故障型式的故障作用以及用于冷冻系统的故障作用等级。作用的范围是从侦测到企图回复。在某些方案中，在冷冻系统中的故障可能会导致系统中的通讯损失。因此，为了要防止冷冻剂不足够供给的方案，本发明的具体实施力开启所有压缩机，并将所有该压缩机的速率设定成最大速率。
[0164] 虽然本发明已被特别显示及参考其示范具体实施例叙述，其将被那些熟谙该技艺者所了解，即形式与细节中的各种变化可在其中被作成，而未从通过所附申请专利所涵盖的本发明的范围脱离。
