CN104011484A - 冷冻机、冷却捕集器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用了斯特林冷冻机的冷却捕集器。冷冻机(14)具备驱动自由活塞(35)，以便使工作气体在散热部(25)和吸热部(24)之间往复的驱动活塞(31)、测定框体(22)的振动的振动传感器(41)、降低驱动活塞(31)被驱动时的框体(22)的振动的动态吸振器(45)、为在框体(22)与真空装置连接的状态下，降低驱动活塞(31)被驱动时的框体(22)的振动而调整驱动频率的频率调整装置。

Description

冷冻机、冷却捕集器

技术领域

本发明涉及冷冻机、使用了该冷冻机的冷却捕集器，例如，涉及具有缸构造的蓄热式的冷冻机、使用了该冷冻机的冷却捕集器。

背景技术

冷却捕集器是对真空容器内的排气、尤其是水分的排气有效的真空排气装置，具备对被设置在真空容器内的冷却面板进行冷却的冷冻机。以往，冷却捕集器的冷冻机一般使用GM(Gifford-McMahon)式冷冻机(例如，专利文献1、2)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-184541号公报

专利文献2：日本特开2009-19500号公报

由于降低真空处理装置的占地面积的要求等，希望冷冻机的小型化。然而，GM式冷冻机由于供给由压缩机压缩的制冷剂气体的结构，所以，存在难以小型化这样的问题。

因此，作为冷却捕集器的冷冻机，考虑使用自由活塞型斯特林冷冻机等具有缸构造的蓄冷式的冷冻机来进行小型化。是因为认为具有这样的构造的冷冻机在冷冻能力和尺寸方面，还能够作为冷却捕集器的冷冻机来使用。例如，自由活塞型斯特林冷冻机(下面称为斯特林冷冻机)在活塞在内部往复运动的薄壁的圆筒缸的前端设置冷却台。在冷却台经传热部件安装冷却面板。

若通过线性马达使驱动机构动作，使活塞往复运动，则充满在圆筒缸内的工作气体的压力变化(等温压缩、等温膨胀)，与此相伴，置换器与活塞具有相位差而往复运动。据此，通过在工作气体在压缩空间～散热部～再生部～吸热部～膨胀空间移动的期间，进行吸热部的吸热和散热部的散热(等容积变化)来形成斯特林循环。这样，通过使活塞和置换器联动，进行由因工作气体的压力变化产生的等温压缩以及等温膨胀及因工作气体的流动时的等容积变化而产生的吸热以及散热构成的可逆循环，据此，吸热部的周边被冷却为低温，通过使吸热部与被冷却物接触来冷却被冷却物。

斯特林冷冻机存在由于活塞和置换器在内部连续地往复运动而产生振动这样的不良状况。若斯特林冷冻机的振动向真空容器传递，则与真空容器内的运送装置等共振，存在引起基板的错位的可能性。

本发明的目的是借鉴上述课题，提供一种能够降低斯特林冷冻机等具有缸构造的蓄冷式的冷冻机的振动的冷冻机。本发明的其它的目的是提供一种使用降低了振动的冷冻机的冷却捕集器。

发明内容

本发明的冷冻机的特征在于，具备框体、为使工作气体压缩、膨胀而可在前述框体内往复运动的活塞、降低前述活塞被驱动时的前述框体的振动的振动降低构件和在前述框体被连接在真空装置的状态下，为降低前述活塞被驱动时的前述框体的振动，而调整前述活塞的驱动频率的驱动频率调整构件。或者，本发明的冷却捕集器的特征在于，使用上述的冷冻机，对捕获气体分子的冷却面板进行冷却。

发明效果

能够提供一种能够降低斯特林冷冻机等具有缸构造的蓄冷式的冷冻机的振动的冷冻机。另外，能够提供一种使用抑制了振动的冷冻机的冷却捕集器。

本发明的其它的特征以及优点应该可通过以随附的图为参考的下面的说明而明确。另外，在随附图中，对同等或同样的结构标注同等的参考符号。

附图说明

随附的图被包括在说明书中，构成其一部分，表示本发明的实施方式，与其记述一起，用于为说明本发明的原理。

图1是有关本发明的一实施方式的真空处理装置的示意图。

图2是有关本发明的一实施方式的冷却捕集器的示意图。

图3是有关本发明的一实施方式的冷冻机的内部构造的示意图。

图4是有关本发明的一实施方式的冷冻机的系统结构图。

图5是有关本发明的一实施方式的冷冻机的驱动频率和振动值的关系图。

具体实施方式

根据附图，对本发明的实施方式进行说明。另外，下面说明的部件、配置等是将发明具体化的一例，并非限定本发明的部件、配置，当然能够根据本发明的主旨进行各种改变。所记载的各实施方式的结构能够做成适宜组合来应用的结构。在下面说明的附图中，具有同等功能的部件标注同等的符号，省略其反复的说明。

另外，在本实施方式中，以自由活塞型斯特林冷冻机为例进行说明，但是，本发明是能够应用在具有在缸内往复的活塞的冷冻机的发明。在本说明书中，在没有特别提及的情况下，记载为斯特林冷冻机的情况是指具有缸构造的蓄冷式的冷冻机全体。

图1是具有有关本发明的一实施方式的冷却捕集器的真空处理装置的示意图，图2是冷却捕集器的示意图，图3是冷冻机的内部构造的示意图，图4是冷冻机的系统结构图，图5是冷冻机的驱动频率和振动值的关系图。另外，为了防止附图的复杂化，去除并省略一部分。

根据图1，对具备冷却捕集器的真空处理装置进行说明。真空处理装置1作为与真空容器3连接的真空排气装置5，具备冷却捕集器10和涡轮分子泵(TMP)7。在真空容器3的内部，相对于基板等被处理材进行规定的真空处理。在真空容器3内进行的真空处理没有限定为特定的处理，例如，能够是基于溅射、CVD的成膜处理或蚀刻处理等。本实施方式的冷却捕集器10被安装在真空容器3和TMP7之间，但是，也可以在真空容器3的内部安装冷却捕集器，还可以在与真空容器3连接的配管安装冷却捕集器10和TMP7。再有，有关本发明的冷冻机也可以作为基板保持器冷却用的冷冻机来应用。

根据图2，对冷却捕集器进行说明。冷却捕集器10具有冷冻机14、与冷冻机14连结的捕集器容器12、在冷冻机14，经传热部件27被安装在捕集器容器12内，并捕获来自真空容器3内的气体的冷却面板18(捕集器部)。捕集器容器12与真空容器3和TMP7连接。传热部件27以一端与冷冻机14的冷却台23连结，另一端与冷却面板18连结的单臂构造被配置。

在捕集器容器12安装振动传感器41。控制单元43被安装在冷冻机14的框体。控制线性马达32的振动频率的频率调整装置具备控制单元43和振动传感器41而构成。具有动态吸振器45和频率调整装置而构成吸振单元。针对动态吸振器45、频率调整装置、吸振单元将在后面阐述。另外，在本实施方式中，振动传感器41经法兰55(安装部)安装在捕集器容器12，但是，也可以安装在冷冻机14的框体22、真空容器3、冷却面板18、基板保持器、基板运送用的臂等真空容器3内的容易振动的部件上。另外，将能够安装冷冻机14的部件作为外部的真空装置。此时，经安装部与真空装置连接。这里的安装部除法兰55以外，还表示用于向真空装置安装的部件。

捕集器容器12是将大气和真空隔开的铝制的容器，能够在内部收容传热部件27和冷却面板18。在捕集器容器12的内部，能够使冷冻机14的冷却部与真空容器3的排气口和TMP7的吸气口连通。在本实施方式中，被安装在捕集器容器12上的冷冻机14是具有能够将薄板圆筒形的冷却面板18冷却到可在真空中捕获水分等气体分子的极低温的能力的自由活塞型斯特林冷冻机。冷却部是指由缸21前端侧的被冷却的部分和冷却台23构成的范围。缸21的另一端侧是指缸21的冷却台23侧的部分。

根据图3，对本实施方式的冷冻机的构造进行说明。在本实施方式中，使用自由活塞型斯特林冷冻机(下面称为冷冻机14)。冷冻机14具备形成有缸21(缸部)的框体22和与捕集器容器12连接的法兰55(安装部)。在缸21的前端设置冷却台23。

在冷冻机14中，作为用于将从散热部25发出的热向冷冻机主体外排出的排热机构，还具备由环状的金属构成的散热体56。本实施方式的散热体56是具有金属翅片的构造体，但是，也可以采用向内部导入水等制冷剂，并经流动的制冷剂进行排热的构造。

框体22是在圆筒状部件的一端侧设有细的圆筒状部件(缸21)的形状。在框体内具有由线性马达32驱动，以便在缸21的长边方向(轴方向)往复的驱动活塞31(活塞)、被设置成可在与驱动活塞31相同的方向往复运动的自由活塞35(第2活塞)、调整自由活塞35的运行的相位的相位调整弹簧36、将自由活塞35和相位调整弹簧36连结的连结轴33。其中，自由活塞35被配置在缸21内部。

在驱动活塞31和自由活塞35之间的空间充填工作气体。作为工作气体，例如，能够使用氦气体，但是，也可以使用其它的气体。自由活塞35的外周面与缸21的内部部件具有微小的缝隙，可移动。驱动活塞31与框体22的充填工作气体的内部部件具有微小的缝隙，能够驱动。为此，通过驱动活塞31和自由活塞35的运行，能够使工作气体移动。

通过使驱动活塞31与自由活塞35具有规定的相位差而驱动，并使自由活塞35的动作在轴方向联动，而进行由因工作气体的压力变化而产生的等温压缩以及等温膨胀及因工作气体的流动时的等容积变化而产生的吸热以及排热构成的可逆循环，据此，吸热部24的周边部件被冷却。

在缸21内部的前端侧划出工作气体膨胀的吸热部24(膨胀空间)，在自由活塞35和驱动活塞31之间的空间划出工作气体被压缩的散热部25(压缩空间)，在散热部25和吸热部24之间的工作气体的流路设置热交换器37。在散热部25，由于从被自由活塞35和驱动活塞31压缩的工作气体散热，所以，在与散热部25相接的缸21的外侧的下端设置作为散热部的散热体56。在吸热部24，由于从因自由活塞35和驱动活塞31的运行而膨胀的工作气体吸热，所以，在与吸热部24相接的位置设置冷却台23。吸热部24和散热部25由自由活塞35分隔。

驱动活塞31和自由活塞35是通过其运行挤出或者吸引工作气体，使之在吸热部24和散热部25之间往复的部件。为此，希望驱动活塞31和自由活塞35具有与它们移动的部分的内面形状吻合的截面形状。驱动活塞31和自由活塞35的形状除圆柱状外，也可以是板状(阀体)。另外，法兰55被设置在吸热部24和散热部25之间的位置。通过将吸热部24配置在真空侧，将散热部25配置在大气侧而使得散热变得容易。

若运转冷冻机14，冷却冷冻机14的上部的冷却台23，则从冷却台23向传热部件27传递冷热，与传热部件27连接的冷却面板18被冷却。传热部件27是被直接配置在冷却台23上的铜制的部件，将冷却台23的冷热向冷却面板18传递。

从真空容器3内飞入来的水分、从涡轮分子泵7侧返回来的水分在被冷却的冷却面板18的表面被捕获。冷却台23、传热部件27、冷却面板18分别由螺钉固定，各零件的接触面为了使传热良好，能够夹着铟片材(未图示出)被安装在连接面。

对吸振单元进行说明。吸振单元包括动态吸振器45(振动降低构件)和频率调整装置(驱动频率调整构件)而构成。另外，频率调整装置至少具有控制单元43。

动态吸振器45由安装在框体22上的弹簧51(弹性部件)和安装在弹簧51上的振动体52(配重)构成。振动体52由金属部件等构成。弹簧51由螺旋弹簧、板簧构成，一端连结在框体22侧，另一端连结在振动体52(配重)。通过调整动态吸振器45的固有振动频率f，振动体52以将冷冻机14的振动抵消的相位角度振动。将最由动态吸振器45吸收振动的驱动活塞31的驱动频率称为设定频率(被预先设定的驱动频率)。设定频率被设定成与能够充分发挥冷冻机14的性能的驱动频率一致。

动态吸振器45的固有振动频率f由弹簧51的弹簧常数和振动体52的重量决定。本实施方式的动态吸振器45被设置在框体22的底部，使由驱动活塞31驱动的动作轴和由动态吸振器45的振动体52振动的动作轴为同轴。通过做成这样的配置，能够有效地降低振动。

动态吸振器45被初期设定，以便在框体22(冷冻机14)未与真空容器等连接的状态下，若以设定频率驱动驱动活塞31，则冷冻机14的振动为最小。在向真空容器固定等冷冻机14的设置环境改变了的情况下，存在动态吸振器45能够有效地抑制振动的驱动频率变化的情况。即、存在在将冷冻机14安装在真空装置的状态下，若以设定频率驱动冷冻机14，则成为在动态吸振器45不能充分降低振动的状态的情况。在这样的情况下，为了降低框体22的振动，由频率调整装置调整驱动频率。即、在框体22(冷冻机14)被安装在真空装置的状态下，通过将冷冻机14的驱动频率调整到动态吸振器45能够最降低振动的驱动频率，能够降低冷冻机14的振动。

如上所述，在捕集器容器12设置振动传感器41，在冷冻机的框体22设置控制单元43。频率调整装置是冷冻机的活塞驱动频率(驱动频率)的调整装置，是一面参考来自振动传感器41的测定值，一面调整驱动活塞31的驱动频率，以便使振动为最小的装置。

根据图4，对频率调整装置的系统结构进行说明。冷冻机14的频率调整装置具有根据振动传感器41的测定值控制驱动活塞31的驱动频率的控制单元43而构成。控制单元43与检测捕集器容器12的振动的振动传感器41连接。另外，控制单元43作为主要构成要素，具有过滤来自振动传感器41的信号的带通过滤器49、对从振动传感器41经带通过滤器49输送的信号进行处理的演算器47、根据来自演算器47的控制信号控制线性马达32的驱动频率的交流电力的逆变器48。演算器47是指包括用于算出驱动频率的演算所必要的构成要素(例如，演算回路、存储回路等)的部件。从演算器47输出的控制信号是与从逆变器48输出的驱动频率对应的值。

可以将本实施方式的振动传感器41实际安装在安装有演算器47的控制基板上，也可以将控制基板本身实际安装在冷冻机14、其它的真空装置上。在本实施方式中，作为测量冷冻机14的振动的振动传感器41，使用加速度传感器，但是，也可以替代使用速度计、位移计。

从振动传感器41输出的信号在中心频率可变带通过滤器(下面，称为带通过滤器49。)穿过，向演算器47输送。带通过滤器49能够根据被输入的控制信号，来调整通过频率带的中心值。作为向带通过滤器49输入的控制信号，将与对驱动活塞31进行驱动的驱动频率对应的控制信号(逆变器的控制信号)周期分频并输入。其结果为，带通过滤器的通过频率带的中心频率被自动地调整到对驱动活塞31进行驱动的驱动频率，能够以不取决于驱动频率的一定的过滤器强度检查来自振动传感器41的振动信号。通过这样的结构，能够使搜索中的驱动频率的每一个的振动信号值具有关联。带通过滤器49使用针对中心频率的高次的过滤器。这是为了在将冷冻机14的振动以外的振动信号、噪音去掉的状态下向演算器47输入振动信号。

作为带通过滤器49，能够使用开关电容过滤器(switchedcapacitor)等。另外，带通过滤器49可以替代使用软件过滤器，此时，将来自振动传感器41的信号直接获取到演算器47。在演算器47以来自振动传感器41的信号为基础，算出与使振动为最小的驱动频率对应的控制信号，向逆变器48输出。逆变器48将与来自演算器47的控制信号相应的驱动频率的交流电力向冷冻机14的线性马达32供给，以该驱动频率对驱动活塞31进行驱动。

像上述那样，在由软件过滤器替代使用带通过滤器49的情况下，做成提取驱动频率的周边的振动信号那样的软件结构。演算器47在不使冷冻机14的能力下降的范围，一面使驱动频率变化，一面记录来自振动传感器41的信号值。从所记录的来自振动传感器41的信号值中搜索成为最小的驱动频率(最佳驱动频率)，以该频率对驱动活塞31进行驱动。即、在演算器47内，控制逆变器48，进行一面使冷冻机14的驱动频率变化，一面搜索由振动传感器41测定的振动值成为最小的驱动频率的操作。

由于以将冷冻机安装到真空容器3、捕集器容器12等真空装置的情况为原因的最佳驱动频率的变化小，所以，只要搜索设定频率的周围的频率，就能够特定最佳驱动频率。由于以弹簧51等构成部件的时序变化等为原因的最佳驱动频率的变化也与将冷冻机14安装到真空装置时的最佳频率变化同样，为小的值，所以，能够同样地对应。

由于以上述那样的情况为原因的最佳驱动频率的变化小，所以，即使修正驱动频率，以变化后的最佳驱动频率对驱动活塞31进行驱动，也不会影响冷冻机的性能。另外，即使在由于其他的原因，最佳驱动频率大幅变化的情况下，所搜索的驱动频率的范围也在不使冷冻机14的性能低下的范围内。为此，不存在驱动频率被变更到冷冻机14的性能低下的程度的情况。即、本发明的实施方式的频率调整装置是即使在动态吸振器45的设定频率由于事后的原因偏离最佳驱动频率的情况下，也不会使冷冻机14的性能低下，且通过以该状态下的动态吸振器45能够最好地降低振动的驱动频率(变化后的最佳驱动频率)对驱动活塞31进行驱动，来降低冷冻机14的振动的装置。

在本实施方式中，记载了在以将冷却捕集器10安装到真空容器3的情况为原因，动态吸振器45能够最减轻振动的驱动频率(最佳驱动频率)变化的情况下，调整驱动活塞31的驱动频率的情况。然而，即使在以动态吸振器45的弹簧的时序变化等为原因驱动频率变化的情况下，通过调整驱动活塞31的驱动频率，也能够降低冷冻机14或者冷却捕集器10的振动。

根据图5，对冷冻机的驱动频率和振动值的关系进行说明。

在本实施方式中，对被初期设定成在冷冻机驱动频率为75.00Hz(设定频率)时振动最小的冷冻机因向真空容器3安装的影响而变化成在冷冻机的振动在驱动频率74.95±0.01Hz为最小的情况进行说明。

图5中，一并记载了在使驱动频率从74.7变化到75.3Hz时，通过上述的搜索方法测定的加速度传感器的信号(振动值)。若按照上述的搜索方法搜索冷冻机的振动为最小的驱动频率(最佳驱动频率)，则为74.95±0.01Hz。即、冷冻机以冷冻机的振动为最小的74.95±0.01Hz被驱动。虽然通过该操作，冷冻机的驱动活塞31的驱动频率从75.00Hz变更到74.95±0.01Hz，但是，在这种程度的变更下，冷冻机的性能基本没有低下。

根据本发明，能够提供降低了振动的冷冻机。另外，根据本发明，能够提供使用降低了振动的冷冻机的冷却捕集器。通过具备由冷冻机或者动态吸振器和驱动频率的调整装置(频率调整装置)构成的吸振单元，能够进一步降低冷冻机或者冷却捕集器的振动。

能够提供即使冷冻机不具备频率调整装置，也能够将振动降低某种程度的冷冻机或者冷却捕集器。然而，动态吸振器被初期设定成若以设定频率运转斯特林冷冻机，则振动为最小。为此，在以往的冷冻机中，在动态吸振器能够有效地抑制振动的驱动频率变化了的情况下，有必要进行在动态吸振器的振动体附加或者除去螺钉、磁铁，物理性地调整其质量的作业。另外，存在由于在将以往的冷冻机搭载在真空容器上的情况下的动态吸振器的固有振动频率的偏离、与真空容器内的部件的共振、环境温度、动态吸振器的弹簧的时序劣化等，而产生再次进行上述的困难的调整作业的必要的情况。

像本发明的实施方式的冷冻机14那样，通过冷冻机具备动态吸振器和频率调整装置，即使在动态吸振器能最降低振动的驱动频率(最佳驱动频率)变化的情况下，冷冻机也能够将驱动频率简便且确实地变更为最佳的驱动频率。为此，冷冻机或者冷却捕集器能够有效地降低振动。此时，不需要附加、除去螺钉、磁铁那样的调整动态吸振器的振动体的质量的作业，能够大幅缩短维护时间。另外，通过使用本发明的实施方式的冷却捕集器的振动降低方法，能够得到与上述同样的效果。

本发明并非是被上述实施方式限制的发明，可不脱离本发明的精神以及范围地进行各种变更以及变形。因此，为了公示本发明的范围，随附下述的权利要求。

本申请是主张以2012年5月11日提出的日本国专利申请特愿2012-109660为基础的优先权的申请，这里援用其记载的全部内容。

符号说明

1：真空处理装置；3：真空容器；5：真空排气装置；7：涡轮分子泵(TMP)；10：冷却捕集器；12：捕集器容器；14：冷冻机；18：冷却面板；21：缸；22：框体；23：冷却台；24：吸热部；25：散热部；27：传热部件；31：驱动活塞；32：线性马达；35：自由活塞；36：相位调整弹簧；37：热交换器；41：振动传感器；43：控制单元；45：动态吸振器；47：演算器；48：逆变器；49：带通过滤器；51：弹簧；52：振动体(配重)；55：法兰；56：散热体。

Claims (6)

1.一种冷冻机，其特征在于，具备

框体、

为使工作气体压缩、膨胀而可在前述框体内往复运动的活塞、

降低前述活塞被驱动时的前述框体的振动的振动降低构件和

在前述框体被连接在真空装置的状态下，为降低前述活塞被驱动时的前述框体的振动而调整前述活塞的驱动频率的驱动频率调整构件。

2.如权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，具备测定前述框体的振动的测定构件。

3.如权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，前述振动降低构件具备一端与前述框体连接，另一端与配重连接的弹性部件而构成，

前述驱动频率调整构件一面使驱动频率变化，一面搜索前述框体的振动为最小的前述活塞的驱动频率。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的冷冻机，其特征在于，具备第2活塞，所述第2活塞与前述活塞具有规定的相位差，在前述框体内往复运动，被配置在前述工作气体被压缩的空间和被膨胀的空间之间。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的冷冻机，其特征在于，具备将前述框体连接在前述真空装置的安装部。

6.一种冷却捕集器，其特征在于，使用权利要求1至5中的任一项所述的冷冻机，对捕获气体分子的冷却面板进行冷却。