JP2005256771A - コールドトラップおよび真空排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低電力消費および高速度排気を実現するとともに吸着容量を増加させるコールドトラップ、および、このような利点を持つコールドトラップにターボ分子ポンプを併用した真空排気装置を提供する。
【解決手段】
コールドパネル１２は、断面が半径方向に沿って凹凸する波状円筒体である外周パネル１２ａおよび内周パネル１２ｂが同軸上に配置されたものである。これにより、水分子を凍結捕集するコールドパネルのトラップ面の表面積を大きくするため吸着容量を増加させ、さらに気体流路方向には対向しないように表面積を大きくするため低電力消費および高速度排気も併せて実現するコールドトラップ１０とした。
また、コールドトラップ１０の下流にターボ分子ポンプが配置される真空排気装置とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コールドトラップ、および、このコールドトラップとターボ分子ポンプとを併用した真空排気装置に関する。

真空チャンバ内を排気する真空排気装置の一例としてターボ分子ポンプがある。このターボ分子ポンプは、排出しようとする気体分子の分子量（分子の大きさ）により排気性能が異なる。特に分子量が小さい水蒸気の排気が困難であり、例えば、ターボ分子ポンプにより真空チャンバ内の気体を排気し、１０^−６Ｐａ〜１０^−１２Ｐａ程度まで排気した場合、真空チャンバ内における残留ガスは、その大部分が水蒸気である。このような水蒸気が真空チャンバ内に残留すると、真空度および真空環境に悪影響を及ぼす。

そこでターボ分子ポンプの上流（一般には真空チャンバとターボ分子ポンプとの間）にコールドトラップが設けられる。
このコールドトラップは、極低温に冷却された面（以下、コールドパネルという）と接するようにガスを通過させ、このような通過するガスに含まれる水蒸気を冷却して氷に凍結して捕集する装置であり、真空チャンバ内に水蒸気の少ない真空環境を得ることができる。
コールドトラップの水蒸気除去により、ターボ分子ポンプに水蒸気をあらかじめ取り除いたガスを流入させて、真空チャンバの排気速度を向上させることができる。また、コールドトラップは冷却温度を適宜設定することにより、他のガス（例えば、Ｂｒ_２，ＮＨ_３，Ｃｌ_２，ＣＯ_２等）も凍結捕集することができる。

なお、本来は固体（氷）から気体（水蒸気）への変化、および、気体（水蒸気）から固体（氷）への変化をともに昇華というが、混乱を招きやすいことに鑑み、本明細書中では特に気体（水蒸気）から固体（氷）への変化を凍結といい、固体（氷）から気体（水蒸気）への変化を昇華と呼んで区別する。

さて、このようなコールドトラップには各種の従来技術がある。他の従来技術として、例えば、特許文献１（ターボ分子ポンプ）、または、特許文献２（コールドトラップおよび真空排気装置）に記載された発明が知られている。
特許文献１には、液体窒素により冷却するコールドトラップについて記載されており、また、特許文献２には、ＧＭ方式（ギフォード・マクマホン方式）のヘリウム冷凍機を利用するコールドトラップについて記載されている。

特開平９−３１７６８８号公報 （段落番号００２２〜００３６，図１〜図４） 特開平１１−２９４３３０号公報 （段落番号００３２〜００４９，図１〜図３）

分子流領域の水蒸気の排気速度および吸着量はコールドパネルの表面積の大きさに比例して増大する。しかしながら、単純に表面積を大きくすると、（１）排気抵抗が大きくなる、（２）ケーシングからの放射による熱侵入量が増大し、これを補うため冷凍機の消費電力が大きくなる、という問題点があった。

そこで、上記した問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、低電力消費および高速度排気を実現するとともに吸着容量を増加させるコールドトラップ、および、このような利点を持つコールドトラップにターボ分子ポンプを併用した真空排気装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明のコールドトラップは、
ケーシングと、
ケーシング内空間に設置されるコールドパネルと、
圧縮機、膨張機および冷却端を有し、少なくともケーシングの内部空間でこの冷却端がコールドパネルに熱的に接続されて配置される冷凍機と、
を備え、
コールドパネルは、略円筒状で筒壁面が半径方向に沿って凹凸する波状円筒体であって、水分子を凍結捕集するコールドパネルのトラップ面の表面積を大きくすることを特徴とする。

この構成によれば、円筒の径はそのままに水分子を凍結捕集するコールドパネルのトラップ面の表面積を大きくするため吸着容量増加および高速度排気を実現させることができる。さらに気体流路方向には対向しないように表面積を大きくするため排気コンダクタンスを増加させることがなく、その結果低電力消費も実現する。

また、本発明の請求項２に係る発明のコールドトラップは、
請求項１記載のコールドトラップにおいて、
前記コールドパネルは、略円筒状で筒壁面が半径方向に沿って凹凸する波状円筒体であって、半径が異なる複数の波状円筒体が同軸上に多重に配置されて複数層にわたり形成されることを特徴とする。

この構成によれば、波状円筒体を同軸上に多重に配置し、隣接する波状円筒体間のピッチを最適化することにより、主に円形断面の取り付け空間を有効に活用することができ、排気コンダクタンスの増加を極力防止しつつトラップ面の表面積を大きくすることができる。

また、本発明の請求項３に係る発明のコールドトラップは、
請求項２記載のコールドトラップにおいて、
内側の波状円筒体の開口部は外側の波状円筒体の開口部よりも中側に位置することを特徴とする。

この構成によれば、外側の波状円筒体は遮蔽壁として機能し、複数層ある常温の配管管壁または真空チャンバの内壁と対向する内側の波状円筒体パネルの表面積を小さくすることができ、それぞれ温度差の４乗と表面積比の比例する侵入熱量を小さくすることができる。

また、本発明の請求項４に係る発明のコールドトラップは、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記コールドパネルは、低温域における熱伝導率が大きい純チタンを材料とすることを特徴とする。

この構成によれば、コールドパネルの表面温度分布を、通常用いられるステンレス材に比べて均一にすることができるので、コールドパネルの有効表面積を大きくすることができる。

また、本発明の請求項５に係る発明のコールドトラップは、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記コールドパネルは、低温域における熱伝導率が大きい銅または銅合金を材料とすることを特徴とする。

この構成によれば、純チタン同様にコールドパネル全体の表面温度分布を、通常用いられるステンレス材に比べて均一にすることができるため、コールドパネルの有効表面積を大きくすることができる。

また、本発明の請求項６に係るコールドトラップは、
前記コールドパネルは、その表面に耐食性を向上させる保護層を形成したことを特徴とする。

銅または銅合金にガスが接触しないような保護層を形成することで銅または銅合金の表面の腐食を防止することができる。

また、本発明の請求項７に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記膨張機は、パルスチューブ膨張機であることを特徴とする。

この構成によれば、パルスチューブ冷凍機の膨張機（以下、単にパルスチューブ膨張機という）には、ＧＭ式の冷凍機のように非金属の摺動材などの可動部がなく、全て金属製とすることができるため、再生処理時の加熱温度を、可動部のあるＧＭ冷凍機に比べて大幅に高く設定することができるとともにヒートショックに対する信頼性も向上させることができる。

また、本発明の請求項８に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
コールドパネルを加熱する加熱手段と、
コールドパネルの温度を計測する温度計測手段と、
加熱手段、冷凍機および温度計測手段が接続される温度制御手段と、
を備え、
この温度制御手段は、温度計測手段が計測したコールドパネルの温度に基づき、コールドパネルの温度を所定温度とするように冷凍機または加熱手段を制御することを特徴とする。

この構成によれば、コールドパネルの温度について、吸着時は、ガスの吸着特性に合わせた効果的な温度を選択して最適な選択吸着を可能とし、再生処理時には、水分の放出に効果的な温度を選択し、コールドパネルのトラップ面の温度が最適となるように制御することができ、コールドパネルの表面温度（トラップ面）を吸着・再生に最適な任意の温度とすることができる。

また、本発明の請求項９に係るコールドトラップは、
請求項８記載のコールドトラップにおいて、
前記加熱手段は、コールドパネルに内蔵されることを特徴とする。

この構成によれば、コールドパネルを均一に素早く加熱できるとともにヒータ等の構成部材からのアウトガスを真空チャンバ内に放出することがない。

また、本発明の請求項１０に係る発明のコールドトラップは、
水分子を凍結捕集した残りのガスを流出させる請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のコールドトラップと、
コールドトラップから流出したガスを排気するターボ分子ポンプと、
を備えることを特徴とする。

この構成によれば、コールドパネルのトラップ面の表面積を大きくして水分子を凍結捕集する吸着容量を増加させたコールドパネルとしたので、ターボ分子ポンプと併用して稼働率が高く、ランニングコストの低い真空排気装置を提供することができる。

以上のような本発明によれば、低電力消費および高速度排気を実現するとともに吸着容量を増加させるコールドトラップ、および、このような利点を持つコールドトラップにターボ分子ポンプを併用した真空排気装置を提供することができる。

続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。図１は本形態のコールドトラップ、ならびに、コールドトラップおよびターボ分子ポンプからなる真空排気装置の側面断面図である。図２はコールドパネルの説明図であり、図２（ａ）はコールドパネルとパルスチューブ冷凍機の側面図、図２（ｂ）はコールドパネルの平面図である。図３，図４は他のコールドパネルの説明図、図５は本形態の真空排気装置のブロック構成図、図６は温度制御系のブロック図、図７は本形態の真空排気装置のブロック構成図である。

本形態の真空排気装置１００は、図１，図５で示すように、コールドトラップ１０とターボ分子ポンプ２０とを備えている。図１では具体的構成を、図５では単純化したブロック図として図示している。
コールドトラップ１０は、ケーシング１１と、コールドパネル１２と、ヒータ１３と、パルスチューブ冷凍機１４と、温度センサ１５と、端子部１６と、コントローラ１７と、電源１８と、を備えている。

ケーシング１１は、胴部１１ａと、フランジ１１ｂと、を備えている。胴部１１ａは円筒状であり、フランジ１１ｂはこの胴部１１ａの上下の開口部の周縁に連接して形成されている。

コールドパネル１２は、外周パネル１２ａ、内周パネル１２ｂ、支持部１２ｃを備えている。
外周パネル１２ａの内側に棒やパイプなどである支持部１２ｃが取り付けられる。内周パネル１２ｂは、外周パネル１２ａの内側に収納できる大きさであり、支持部１２ｃに支持固定されている。これら外周パネル１２ａ、内周パネル１２ｂ、支持部１２ｃは熱的に接続されている。このコールドパネル１２は、ケーシング１１内の略中央に設置される。

これら外周パネル１２ａ、内周パネル１２ｂは、略円筒状で筒壁面が半径方向に沿って凹凸する波状円筒体として形成され、トラップ面の表面積を大きくしている。具体的には、図２（ｂ）で示すような形状となる。このような波状円筒体では単なる円筒と比べて表面積が増加する。例えば、図２の拡大部で図示するように角度が６０°の正三角形による波状円筒体とした場合、単なる円筒ではａの長さが、波状円筒体では２ａの長さになることから、表面積も２倍になるというものであり、角度により増減はあるものの、単なる円筒体よりは表面積が増大する。このように表面積が増大したトラップ面に分子流が接触するため、水分子を捕集し易くなる。このようにトラップ面の表面積の増加により分子を効率的に凍結捕集することができる。

また、コールドパネル１２では、内周パネル１２ｂの軸方向の長さは、外周パネル１２ａの軸方向の長さよりも短くし、かつ内周パネル１２ｂの上下の開口部はこれら外周パネル１２ａの上下の開口部よりも中側に位置するようになされている。これにより、ケーシング１１の胴部１１ａ（さらに図示しないが上流・下流にある配管管壁または真空チャンバの内壁）から内周パネル１２ｂへの視野が狭くなる、つまりケーシング１１と内周パネル１２ｂとの間を外周パネル１２ａが遮蔽しており、ケーシング１１の胴部１１ａの内周壁面からの放射熱が内周パネル１２ｂへ到達しないようにする。

例えば、外周パネル１２ａがなく内周パネル１２ｂが胴部１１ａの内周壁面に直接対向すると考えると胴部１１ａから熱放射が内周パネル１２ｂに到達して冷却能力が低くなることから考えて、逆に上記のように外周パネル１２ａが遮蔽する構成とすれば、常温であるケーシング１１の胴部１１ａと直接対向して輻射熱が到達する内周パネル１２ｂの表面積を小さくすることができ、それぞれ温度差の４乗と表面積比と比例する侵入熱量を小さくすることができる。
このように多重構造とすることで外部からの輻射による侵入熱量を低減できる。なお、本形態では二重構造であるが、三重以上に構成することにより、外部からの輻射による侵入熱量を低減する効果をより大きくすることができる。

また、コールドパネル１２は、７０Ｋ（−２０３℃）程度の極低温でステンレスよりも熱伝導率の大きな純チタンを材料として製作される。純チタンを材料とするコールドパネル１２を使用することにより、表面温度分布を通常用いられるステンレス材に比べて均一にすることができ、コールドパネル１２の有効表面積を大きくすることができる。
また、純チタンは水蒸気・ガスに対して錆びないため耐食性が高いという利点もある。

また、このコールドパネル１２は、７０Ｋ（−２０３℃）程度の極低温域においてステンレスよりも熱伝導率が大きい銅または銅合金を材料としても良い。このように熱伝導率が大きいため、冷却端１４ａの熱が直ちにコールドパネル１２全体に熱伝導されて短時間でコールドパネル１２全体が冷却端１４ａと同じ温度となる。この場合、コールドパネル１２全体の表面温度分布が均一な状態となり、通常用いられる熱伝導率が小さいステンレス材のように不均一な温度分布とならないため、コールドパネル１２の有効表面積を大きくすることができ、コールドパネル１２の全面で水分子を捕集できる。

さらに銅または銅合金を材料とするコールドパネル１２は、その表面に耐食性を向上させる保護層（具体的にはニッケルメッキ層）を形成し、ガスが銅・銅合金と接触しないようにしている。これにより、腐食（つまり酸化）しやすい銅または銅合金に対して、耐食性を向上させてガス（特に水蒸気）により緑青等が生じないように配慮している。銅または銅合金の熱伝導性とニッケルの耐腐食性により、コールドトラップ１０特有の用途（水分子の凍結捕集）に適したものとしている。

さらに、外周パネル１２ａおよび内周パネル１２ｂの内側面（トラップ面）は、例えばブラスト加工やピーニング加工によりなし地状に形成して表面積を拡大するように構成してもよい。なお、表面積を拡大できれば良く突起体を多数形成した凹凸面としてもよい。
また、外周パネル１２ａおよび内周パネル１２ｂの外側面（ケーシング１１の胴部１１ａに相対向する面）ではできるだけ放射率の小さな鏡面（光沢面）に仕上げて放射率を小さくするように構成する。これにより常温側から侵入する熱量をさらに低減できる。

ヒータ１３は、本発明の加熱手段の一具体例であり、例えばコールドパネル１２の外周面パネル１２ａおよび内周面パネル１２ｂの内部にサンドイッチ状に密封内蔵され、円筒状となった面状ヒータであり、電流線や絶縁部がコールドパネル１２の外周面パネル１２ａおよび内周面パネル１２ｂのトラップ面から露出しないように構成する。
本形態では、図２（ｂ）の拡大部で示すように、例えば外周パネル１２ａを更に外パネル１２１と内パネル１２２との二層構造とし、これら外パネル１２１と内パネル１２２との間にヒータ１３を配置している。
なお、ヒータ１３は、コールドパネル１２の外周面パネル１２ａおよび内周面パネル１２ｂにほぼ均一に設置できればシーズヒータのような線状ヒータでも良い。また、コールドパネル１２の外周面パネル１２ａおよび内周面パネル１２ｂを鋳物として製造する場合には、鋳込みヒータとしても良く、各種ヒータの採用が可能である。

パルスチューブ冷凍機１４は、本発明の冷凍機の具体例であり、冷却端１４ａ、膨張機１４ｂ、圧縮機１４ｃを備えている。パルスチューブ冷凍機１４は、ヘリウムガスを冷媒としたクローズドタイプの冷凍機であり、膨張機１４ｂおよび圧縮機１４ｃのスターリングサイクルにより冷却端１４ａが冷却されるように構成されている。通常のスターリング型冷凍機では膨張機がピストンとシリンダとにより機械的に構成されるが、パルスチューブ冷凍機１４では可動部がなく、パルスチューブ（図示せず）内のガス（ガスピストン）がその役割を担っている。

パルスチューブ冷凍機１４は、ケーシング１１の胴部１１ａの外側面に圧縮機１４ｃおよび膨張機１４ｂが取り付けられ、また、ケーシング１１の胴部１１ａの内部に少なくとも冷却端１４ａが配置されるように取り付けられる。
外周パネル１２ａは、このパルスチューブ冷凍機１４の冷却端１４ａに熱的に接続されており、外周パネル１２ａ、支持部１２ｃ、内周パネル１２ｂという経路を経てコールドパネル１２全体が、パルスチューブ冷凍機１４により冷却される。

温度センサ１５は、本発明の温度計測手段の一具体例であり、図１で詳述していないが、シーズタイプのものをコールドパネル１２の外周パネル１２ａや内周パネル１２ｂに取り付け、コールドパネル１２の主要部の温度を計測できるようにする。
端子１６は、ヒータ１３に接続された電流線および温度センサ１５に接続された信号線をケーシング１１から引き出すために設けられる。この端子１６は真空下で使用できるものであり、例えばハーメチック等が用いられる。

コントローラ１７は、本発明の温度制御手段の一具体例であり、ケーシング１１から外部に引き出された制御線、電流線および信号線と接続されている。コントローラ１７は、電流線を介して接続されるヒータ１３、制御線を介して接続されるパルスチューブ冷凍機１４、さらに信号線を介して接続される温度センサ１５に対して後述するような情報の読み出し、各種の制御を行う。
電源１８は、コントローラ１７を介してヒータ１３やパルスチューブ冷凍機１４へ電源を供給する。このコールドトラップ１０の温度制御系は図６で示すようになる。なお、圧力センサ１９については後述する。
コールドトラップ１０はこのように構成される。

ターボ分子ポンプ２０は、周知技術であるが、多数の動翼と多数の固定翼を交互に配置し、動翼を数万ｒｐｍという極めて高速で回転させて、分子を移動させて排気するポンプである。クリーンな真空が得られる、という利点がある。
これらコールドトラップ１０およびターボ分子ポンプ２０により真空排気装置１００が構成される。

このようなコールドトラップ１０では、特に、コールドパネル１２の表面積が増大したため、水分子を凍結捕集するコールドパネルのトラップ面の表面積を大きくして吸着容量増加および高速度排気を実現させることができる。
さらに気体流路方向には対向しないように表面積を大きくするため排気コンダクタンスを増加させることがなく、また、ケーシングからの放射による熱侵入を極力抑止する構造を採用し、これら効果が相俟って低電力消費も実現する。

なお、コールドパネル１２の形状については、各種考えられ、図３で示すように、同軸に配置したコールドパネル１２の外周パネル１２ａの長さと内周パネル１２ｂの長さを同じとし、外周パネル１２ａの上下の開口部と内周パネル１２ｂの上下の開口部とが同じ高さに位置するようにしても良い。先に図２で示した形態と比較して、内周パネル１２ｂが常温であるシールド１１の胴部１１ｂと対向する面積が増大し輻射熱による侵入熱量が増大してこの点で冷却能力が若干低下するが、それでもコールドパネル１２の総表面積は増大して水分子の捕集能力が高まるという利点もある。

さらには、例えば図４で示すように、単体のコールドパネル１２としても良い。この場合でも、パネル表面積は単純な円筒形状に比べて約２倍に増大しており、従来技術の単純な円筒のコールドパネルと比較して捕集能力を高めている。また、常温面と対向するコールドパネルの常温面からの視野内の表面積は、単純な円筒形状の場合と変わらないので単純な円筒形状のコールドパネルと比較して放射による侵入熱量は増加しない。

続いて、真空排気装置１００を稼働させるときのコールドトラップ１０およびターボ分子ポンプ２０の動作について説明する。なお、図７で示すような排気システムを想定し、真空チャンバ３０、ゲートバルブ４０、コールドトラップ１０、ターボ分子ポンプ４０が接続され、真空チャンバ１０内を排気するものとして説明する。

上記構成の真空排気装置１００において、ターボ分子ポンプ２０の排気とともにコールドトラップ１０を動作させる。
真空チャンバ３０内のガスが排気され始めると、真空チャンバ３０内のガスの圧力が低下し始める。真空チャンバ３０内のガスの圧力の低下とともに真空チャンバ３０の水分は水蒸気へと気化する。これらの水蒸気を含むガスが、ゲートバルブ４０を経てコールドトラップ１０を通過する。

コールドトラップ１０では、図１，図６で示すように、コントローラ１７がパルスチューブ冷凍機１４の運転を開始するとともに、温度センサ１５が出力する温度計測信号をフィードバック入力することにより、コールドパネル１２を所定温度に維持する。
例えば、コールドパネル１２の所定温度の一例として水蒸気のみを凍結捕集する最適な温度である１２０Ｋ〜１５０Ｋ（−１５３℃〜−１２３℃）の範囲内の温度を選択して制御し、コールドパネル１２に水蒸気を凍結捕集して吸着させるようにする。
これにより、真空チャンバ３０内の水分が吸着され、水分以外の分子はターボ分子ポンプ２０で高い圧縮比に圧縮されて排気される。

このようなコールドトラップ１０について以下のような利点がある。
例えば、従来技術のＧＭ式の冷凍機では、一旦稼働させたならば負荷に関係なく定格で連続運転していたが、本形態のコールドトラップ１０では、パルスチューブ冷凍機１４の運転を、コールドパネル１０の吸着能力に応じた最適な温度となるような電力とするだけでよく、無駄な電力消費を回避できる。

また、コールドトラップ１０は、冷却ではパルスチューブ冷凍機１４を用いたり、加熱ではヒータ１３を用いたり、または、パルスチューブ冷凍機１４およびヒータ１３を併用したりすることで、コールドパネル１２に直接に冷却・加熱の両方が可能となり、６０Ｋ〜５７３Ｋ（−２１３℃〜３００℃）という広範囲の任意の温度に制御でき、水蒸気だけでなく任意のガス（例えばＢｒ_２，ＮＨ_３，Ｃｌ_２，ＣＯ_２等）を選択吸着することも可能である。

さて、このようなコールドトラップ１０のコールドパネル１２の全面が氷に覆われて吸着効率が落ち、排気速度が低下した場合は、以下の第１の方法（便宜上、急速再生法と呼ぶ。）および第２の方法（便宜上、緩速再生法と呼ぶ。）によりコールドパネル１２から氷を取り除いて再生することができる。以下、第１，第２の方法について説明する。

第１の方法（急速再生法）について
本方法では、凝結した氷を急速に高温加熱して全て水蒸気とし、コールドトラップ１０内から排気除去して、コールドパネル１２を急速に再生するというものである。以下、図１，図６，図７を参照しつつ時系列的に説明する。

（１）図７で示すように、真空チャンバ３０とコールドトラップ１０との間に設けたゲートバルブ４０を閉じる。
（２）図１，図６で示すように、コントローラ１７がパルスチューブ冷凍機１４の運転を停止するように制御する。
（３）コントローラ１７がヒータ１３を制御し、コールドパネル１２を一気に３００℃まで加熱する。コントローラ１７は温度センサ１５から出力される温度計測信号に基づいて、立ち上がり時間が最短となるように温度制御する。
（４）ケーシング１１の胴部１１ａに設けた図示しない再生排気口から気化した水蒸気を排出する。なお、再生排気口の下流には図示しない真空ポンプが接続され、高速に排気する。
（５）コントローラ１７がパルスチューブ冷凍機１４の運転を再開するように制御する。
（６）図７で示すように、真空チャンバ３０とコールドトラップ１０との間に設けたゲートバルブ４０を開き、ターボ分子ポンプ２０による真空チャンバ４０内の排気を継続する。

このような急速再生方法の採用は、従来技術では困難であった。従来のＧＭ式冷凍機の膨張機は、樹脂材による耐摩耗性シールが存在するため、上限温度が１００℃以下に制限されている。最近では１８０℃程度で再生できるものも出現しているが、本質的に高温加熱はできない構成である。

一方、本形態では、特に、パルスチューブ冷凍機１４のパルスチューブ膨張機は可動部がなく、全て金属で構成されている。これにより温度の上限が緩和され、短時間で３００℃まで加熱することができる。これにより再生時間を大幅に短縮できる。

第２の方法（緩速再生法）について
本方法では、真空排気装置１００を通常運転している最中に、コールドパネル１２に凍結した氷を少しづつ水蒸気に昇華し、コールドトラップ１０内からターボ分子ポンプ２０を経て少しづつ排気除去して、コールドパネル１２を緩速（ゆっくり）に再生するというものである。

（１）図１で示すように、コントローラ１７は、真空チャンバ３０（またはコールドトラップ１０のケーシング１１）の内部に設けられた圧力センサ１９（図６参照）から圧力計測信号を入力する。例えば圧力センサ１９（図６参照）からの圧力計測信号に基づいてコントローラ１７が１０^−８Ｐａと判断したものとする。
（２）コントローラ１７は、この圧力計測信号から算出した圧力に対応する水蒸気の飽和温度を図示しないメモリから読み出す。例えば１０^−８Ｐａ に対応する飽和温度は約１３０Ｋである。

（３）コントローラ１７は、コールドパネル１２の温度が飽和温度より少し低い温度となるように制御する。この場合コントローラ１７の制御は、温度センサ１５から出力される温度計測信号をフィードバック入力し、目標温度に近づくようにヒータ１３（またはパルスチューブ冷凍機１４）の温度を制御する。ここに目標温度とは例えば飽和温度１３０Ｋを下回る約１２５Ｋであるものとする。コールドパネル１２に直接接触する位置にある氷は飽和温度を上回ることはないが、コールドパネル１２から離れた箇所にある氷は飽和温度を超える。

（４）飽和温度に到達した氷は、この低温度下では液化することなく、直ちに水蒸気へと昇華する。
（５）以下、コールドパネル１２の温度を飽和温度１３０Ｋに近づけるように徐々に上昇させて、コールドパネル１２を徐々に再生する。ここで温度上昇時間は予め実験等により最適な時間を図示しないメモリに登録するようにしても良い。
なお、温度上昇が急激すぎると、水蒸気分子の増大により真空チャンバ３０内の真空度が低下するため、コントローラ１７は、圧力センサ１９から出力される圧力計測信号から得られる圧力値を監視し、圧力が急激に上昇しないようにヒータ１３（またはパルスチューブ冷凍機１４）の温度を上昇させていき、圧力値が上昇（真空度が低下）したならば、ヒータ１３を停止させる（またはパルスチューブ冷凍機１４による冷却温度を低下させる）ような制御を行うようにしてもよい。

なお、本実施形態ではコールドトラップ１０の下流に直接ターボ分子ポンプ２０を直列に配置した構成であるが、他の形態を採用することもできる。図８，図９は他の真空排気装置のブロック構成図である。
例えば、図８で示すように、真空チャンバ３０の上流にコールドトラップ１０を、また、下流にターボ分子ポンプ２０を接続してもよい。
また、図９で示すように真空チャンバ３０にそれぞれ多数の真空排気装置１００を並列に取り付けても良い。真空チャンバ３０の大きさによって接続数が決定される。

以上の通り、本発明のコールドトラップ１０または真空排気装置１００によれば、流れ方向と同じ方向に対しては面積を少なく、また、流れ方向と鉛直方向に対しては面積を多くするような波状円筒体のパネルとしたため、コールドパネル１２の表面積を増加させつつガスが流れる際の流体抵抗（排気コンダクタンス）を増加させない構成として、低消費電力および高排気速度であるにも拘らず吸着容量を増加させるコールドトラップとした。さらにこのような利点を持つコールドトラップにターボ分子ポンプを併用した真空排気装置として、真空排気能力を高めることができた。

本発明を実施するための最良の形態のコールドトラップ、ならびに、コールドトラップおよびターボ分子ポンプからなる真空排気装置の側面断面図である。 コールドパネルの説明図であり、図２（ａ）はコールドパネルとパルスチューブ冷凍機の側面図、図２（ｂ）はコールドパネルの平面図である。 他のコールドパネルの説明図である。 他のコールドパネルの説明図である。 本発明を実施するための最良の形態の真空排気装置のブロック構成図である。 温度制御系のブロック図である。 本発明を実施するための最良の形態の真空排気装置のブロック構成図である。 本発明を実施するための最良の形態の他の真空排気装置のブロック構成図である。 本発明を実施するための最良の形態の他の真空排気装置のブロック構成図である。

符号の説明

１００ ：真空排気装置
１０ ：コールドトラップ
１１ ：ケーシング
１１ａ ：胴部
１１ｂ ：フランジ
１２ ：コールドパネル
１２ａ ：外周パネル
１２ｂ ：内周パネル
１２ｃ ：支持部
１２１ ：外パネル
１２２ ：内パネル
１３ ：ヒータ
１４ ：パルスチューブ冷凍機
１４ａ ：冷却端
１４ｂ ：膨張機
１４ｃ ：圧縮機
１５ ：温度センサ
１６ ：端子部
１７ ：コントローラ
１８ ：電源
１９ ：圧力センサ
２０ ：ターボ分子ポンプ
３０ ：真空チャンバ
４０ ：ゲートバルブ

Claims (10)

1. ケーシングと、
   ケーシング内空間に設置されるコールドパネルと、
   圧縮機、膨張機および冷却端を有し、少なくともケーシングの内部空間でこの冷却端がコールドパネルに熱的に接続されて配置される冷凍機と、
   を備え、
   コールドパネルは、略円筒状で筒壁面が半径方向に沿って凹凸する波状円筒体であって、水分子を凍結捕集するコールドパネルのトラップ面の表面積を大きくすることを特徴とするコールドトラップ。
2. 請求項１記載のコールドトラップにおいて、
   前記コールドパネルは、略円筒状で筒壁面が半径方向に沿って凹凸する波状円筒体であって、半径が異なる複数の波状円筒体が同軸上に多重に配置されて複数層にわたり形成されることを特徴とするコールドトラップ。
3. 請求項２記載のコールドトラップにおいて、
   内側の波状円筒体の開口部は外側の波状円筒体の開口部よりも中側に位置することを特徴とするコールドトラップ。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   前記コールドパネルは、低温域における熱伝導率が大きい純チタンを材料とすることを特徴とするコールドトラップ。
5. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   前記コールドパネルは、低温域における熱伝導率が大きい銅または銅合金を材料とすることを特徴とするコールドトラップ。
6. 請求項５に記載のコールドトラップにおいて、
   前記コールドパネルは、その表面に耐食性を向上させる保護層を形成したことを特徴とするコールドトラップ。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   前記膨張機は、パルスチューブ膨張機であることを特徴とするコールドトラップ。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   コールドパネルを加熱する加熱手段と、
   コールドパネルの温度を計測する温度計測手段と、
   加熱手段、冷凍機および温度計測手段が接続される温度制御手段と、
   を備え、
   この温度制御手段は、温度計測手段が計測したコールドパネルの温度に基づき、コールドパネルの温度を所定温度とするように冷凍機または加熱手段を制御することを特徴とするコールドトラップ。
9. 請求項８記載のコールドトラップにおいて、
   前記加熱手段は、コールドパネルに内蔵されることを特徴とするコールドトラップ。
10. 水分子を凍結捕集した残りのガスを流出させる請求項１〜請求項９の何れか一項に記載のコールドトラップと、
    コールドトラップから流出したガスを排気するターボ分子ポンプと、
    を備えることを特徴とする真空排気装置。

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