JP2013533454A - 多冷却器高速クライオポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力や効率を向上させた冷却システム等を提供する。
【解決手段】冷却システムには、第一の温度で第一の冷却負荷を有する第一の冷却器と、第二の温度で第二の冷却負荷を有する第二の冷却器とが含まれる。また、それら二つの冷却器の間に熱的結合部材が含まれていて、熱負荷、例えば、冷却負荷をそれらの冷却器で共有するために、熱的結合部材は、第一の温度と第二の温度の差を維持するように制限される。
【選択図】図２

Description

本出願は、２０１０年７月３０日に出願された米国仮出願第６１／３６９，１３３号に基づいて得られる権利を主張する。この出願による教示は、援用することによりすべて本明細書に組み入れられるものとする。

現在入手できるクライオポンプは、典型的には、集積回路およびその他の電子部品を製造するための装置、ならびに各種消費者製品および工業製品において薄膜を蒸着するための装置において用いられている。クライオポンプが有益なのは、作業環境のガスを凍結しまたは吸着することによって汚染のない真空を作り出せるところにある（特許文献１、２参照）。

これらのクライオポンプの設計概念は類似している。クライオポンプは、４Ｋ（ケルビン）から２５Ｋの温度範囲で作動し、一次ポンプ動作面（primary pumping surface ）と呼ばれる低温面と、典型的には７０Ｋから１３０Ｋの温度範囲で作動する、より高温のポンプ動作面とを備える。典型的には、低温に冷却された放射シールドが、一次ポンプ動作面を囲っていて、熱放射のシールドを行う。真空にされるチャンバーと低温一次ポンプ動作面との間には、より高温の正面アレイがあって、沸点がより高いガス用のポンプ動作サイトとして働き、また一次ポンプ動作面の放射シールドとしても働く。正面アレイは、典型的には、それを放射シールドと熱的に結合させることによって７０Ｋから１３０Ｋに冷却される。

作動中は、水蒸気のような高沸点ガスが正面アレイで凝縮（凝結）される。より沸点の低いガスは、そのアレイを通過して、放射シールディング内の空間に入り、一次ポンプ動作面で凝縮する。しばしば、活性炭のような吸着剤が、これらの一次動作面の一部や、温度がこれらの一次ポンプ動作面に近い、その他の面の一部に配置されてガスを吸着するが、それは、沸点が極めて低くて一次面では凝縮しない。そして、そのガスが、ポンプ動作面で凝縮および／また吸着されることで、真空が作り出される。

極低温凝縮面および吸着面を冷却するのに用いられる冷却器は、開サイクルまたは閉サイクル極低温冷却器である。最も一般的に使用される冷却器は、二段コールドフィンガー（cold-finger ）閉サイクル冷却器である。典型的には、第二の段の冷端（cold end）が最も冷たい段であるが、それは、一次ポンプ動作面および吸着面に接続される。第一の段は、一次ポンプ動作面を取り囲む放射シールドに接続される。正面放射シールドは、放射シールドの全長を通る熱路による放射側のシールドを通して、第一の段のヒートシンクによって冷却される。典型的には、正面アレイから第一の段のヒートシンクに至る長い熱路の両端の温度差は、１０Ｋから５０Ｋである。したがって、水蒸気を凝縮し尽くすのに十分低い温度に、典型的には１３０Ｋ未満に正面アレイを保つために、第一の段は４０Ｋから１００Ｋで作動しなければならない。

米国特許第２９６６０３５号明細書 米国特許第３３３８０６３号明細書

二段冷却器のような極低温冷却器（cryocooler）が受け入れることのできる熱負荷は、温度に強く依存している。動作温度が高いと、一般的な極低温冷却器は、より高い熱負荷を受け入れることができる。したがって、正面アレイと第一の段のヒートシンクとの温度差を低減することによって、より高い温度で、第一の段のヒートシンクを作動させることが可能となる。これによって、極低温冷却器は、正面アレイを受け入れ可能な動作温度に保ったまま、より高い熱負荷を受け入れることが可能となる。このように温度差を低減するために、一般的なクライオポンプの設計では、放射シールドに銅のような高伝導率材料を用いている。放射シールドの断面積を大きくしてシールドの熱伝導を大きくし、さらに勾配を減らすことができる。こうしてシールドの嵩を増やしてしまうと、製品の重量が増し、費用もよりかさみ、都合の悪いことに、クライオポンプの停止時間（cool down time）と再生時間（regeneration time ）も増大してしまう。

冷却システムが、第一の温度で第一の冷却負荷を有する第一の冷却器と、第二の温度で第二の冷却負荷を有する第二の冷却器とを備えている。それら二つの冷却器の間には、冷却器間で熱負荷、例えば冷却負荷を共有するための熱的結合部材も備わっている。その熱的結合部材は、第一および第二の温度の差を維持するように制限されている。

第一の冷却器は、少なくとも第一の段および第二の段を含み得るもので、閉サイクル二段冷却器であってよい。第一の二段冷却器の第二の段は、クライオポンプの凝縮面と熱接触（熱的に接触）する。さらに、二段冷却器の第一の段は、熱的結合部材と熱接触する。第二の冷却器は、閉サイクル一段冷却器である。実施形態によっては、第二の冷却負荷が、クライオポンプの放射シールドを有する。また、第二の冷却負荷は、クライオポンプの正面アレイを有してもよい。

クライオポンプには、少なくとも第一および第二の段を有する第一の冷却器と、第二の冷却器とが備わる。クライオポンプにはさらに、第一の冷却器の第一の段と第二の冷却器の冷端（cold end）との間の熱的結合部材が備わり、その熱的結合部材は、第二の冷却器の冷端と第一の冷却器の第一の段との温度差を維持するように制限されている。クライオポンプにはまた、第二の冷却器の冷端と熱接触している放射シールドと、その放射シールドと距離をおいて放射シールドに取り囲まれ、第一の冷却器の第二の段、例えば最も冷たい段と熱接触している凝縮面とが備わる。

第一の冷却器は、閉サイクル二段冷却器であり、第二の冷却器は、閉サイクル一段冷却器であり得る。制限された熱的結合部材は、二つの冷却器の冷却負荷のバランスを取るように構成され得る。熱的結合部材は、放射シールドのベースプレートに形成され得るが、そのベースプレートは、ベースプレートの周辺の温度を実質的に均一に保つように断面積が変化している。ベースプレートは、実質的に均一な厚さを有する。ある実施形態においては、ベースプレートが、ブリッジによって接続されてベースプレートを通る開口を定める外リングと内リングを有しているが、外リングは、第二の冷却器の冷端と直接に熱接触しており、内リングは、第一の冷却器の第一の段と直接に熱接触しており、ブリッジは、それら二つの冷却器の間の制限された熱的結合部材を形成している。ブリッジは、第一の冷却器の、第二の冷却器とは反対の側に位置し得る。ベースプレートの開口は、カバーで覆われてもよく、そのカバーは、ベースプレートの外リングと熱接触しているが、内リングおよびブリッジからは絶縁（熱絶縁、熱的に絶縁）されている。

クライオポンプにはさらに、放射シールドの開口を実質的に横切って延びる正面クライオパネルが備わり得るが、第一の冷却器の第二の段は、その正面クライオパネルと第一の段との間に位置する。正面クライオパネルは、第二の冷却器の冷端と熱接触していてもよい。さらには、クライオポンプには、正面クライオパネルから二つの冷却器への高伝導熱流路が備わり得るが、その熱流路は、放射シールドからは独立している。例えば、高伝導熱流路は、少なくとも一つの熱伝導棒によって提供され得る。ある実施形態においては、凝縮面の周りに同心円状に配置されるが、それとは熱接触していない、熱伝導棒のアレイによって高伝導熱流路が提供される。それらの棒は、直径が同じであってよく、放射シールドのベースプレートと直接に熱接触し得る。

クライオポンプでクライオポンプ動作する方法には、少なくとも第一および第二の段を有する第一の冷却器でクライオポンプの凝縮面を冷却し、第一の段が第一の温度で作動するステップが含まれる。その方法にはさらに、第二の温度で作動する第二の冷却器でクライオポンプの放射シールドを冷却するステップと、そしてそれら二つの冷却器の間の制限された熱的結合部材で、第一の温度と第二の温度の差を維持するステップとが含まれる。

第一および第二の冷却器を有するクライオポンプのためのクライオポンプシールドには、開放端および閉塞端を有する側壁を含む放射シールドが含まれる。そのクライオポンプシールドにはさらに、放射シールドの閉塞端に結合されるベースプレートが含まれており、そのベースプレートには外部分および内部分が含まれており、それらの部分は、ブリッジによって接続されていて、ベースプレートを通る開口を定めており、内部分は、第一の冷却器と直接に熱接触するよう構成されており、外部分は、第二の冷却器と直接に熱接触するように構成されており、ブリッジは、それら二つの冷却器の間の制限された熱的結合部材を形成する。

本発明のある実施形態では、冷却能力を向上させることおよび、高速の排気が必要な高真空環境で用いられる、サイズがより大きいクライオポンプ（例えば、５００ｍｍを超えるもの）の全体の効率を向上させることが可能である。利点の一つは、二段冷却器の第一の段への熱的結合部材を介しての熱漏れを制御することで、正面アレイの端から端まで温度分布が均一となることである。他の利点は、霜の成長および、サイズがより大きい放射シールド／第一の段の機械的な剛性が均一なことである。実施形態では、放射状に置かれた二つのヒートシンクが用いられてもよい。熱伝導が最適な棒によって、利用可能な冷却をより効率的に活用して、ポンプの口からその土台にまで熱を伝えることが可能である。熱伝導棒は、サイズがより大きいクライオポンプ（５００ｍｍを超える）でも十分な熱を伝達し、かつ第二段アレイ上への霜の成長に干渉せず、それゆえ排気速度の低下を減らすか最小にし、ならびにシステム全体の重さに与える影響を減らすか最小にすることが可能となるよう設計できる。それらの棒を冷却できるのは、二つの冷却器、例えば一段冷却器ユニットおよび二段または多段冷却器ユニットによって冷却される第一の段のベースプレートによってであってよい。

ポンプの第二の段で冷却力を増大させるために、二段ユニットの第一の段は、第一の段が受け取る熱流束を規制（調整）することで、より低い温度に保つことができる。この規制は、熱的なチョークまたはブリッジ、例えば幾何学的配置を規定した伝導体によって行われ、二つの冷却器の間には熱的な結合が提供される。ベースプレートの周囲に沿っての温度は、断面の形を変えることで均一化でき、一方、正面アレイの温度は、熱伝導棒の直径を変えることよって均一化できる。

以上の記載は、以下の、本発明の実施形態のより詳細な説明から明らかであって、添付した図面に例示される通りであるが、それらの図面においては、参照記号が同様であれば図が異なっても同じ部分を指示している。これらの図面は、必ずしも縮尺が正しくはなく、本発明の実施形態を分かり易く示すことが強調されている。
二重ヘッド高速クライオポンプの平面図である。 二重ヘッド高速クライオポンプの側面図である。 二重ヘッド高速クライオポンプの底面図である。 二段冷却器、一段冷却器およびそれら二つの冷却器の間の熱的結合部材を備える図１Ｂのクライオポンプの部分断面図である。 熱チョークが含まれるベースプレートの平面図である。 熱チョークが含まれるベースプレートの側面図である。 放射シールドに取り付けられる図３Ａのベースプレートの底面からの斜視図である。 熱伝導棒の直径の範囲および総熱負荷の範囲に対する正面アレイでの最大温度差を示す図である。

本発明の実施形態を以下に記述する。
本発明は、クライオポンプ用の冷却源として用いられる閉ループ極低温システムのような冷却システムの動作パラメーターの改良に関する。そのような閉ループ冷却器およびクライオポンプは、Ｗ・ギフォードらによる米国特許第２，９６６，０３５号およびＷ・ホーガンらによる米国特許第３，３３８，０６３号に記載されている。入手可能な閉ループ極低温冷却器に基づくクライオポンプは、典型的には、サイズが制限されていて、入口の直径が約０．３ｍである。ポンプの排気速度への要請が増して、クライオポンプの入口の直径を大きくすることが必要となり、したがって急速にクライオアレイ（cryoarray ）の総表面積が増えている。クライオアレイの面積が増えることで、熱負荷が高くなる。ある時点で、極低温冷却器の限度に達し、冷却を追加しなければ、ポンプのサイズをさらに増すことができなくなる。一つのアプローチは、ポンプの放射シールドを通常の動作温度に維持できる冷却器を追加して用いることである。多数の冷却器を備えるクライオポンプは、Ａ・Ｊ・バートレットによる米国特許第４，９６６，０１６号に記述されており、それは全体を援用することによってここに組み入れられる。冷却器を二つ有するクライオポンプの一例は、ＣＯＯＬＶＡＣ１８．０００ＣＬ（レイボルドバキューム、全品カタログ２００５、Ｃ１２章２６−２７頁）である。入手可能な冷却を最小のコストで最適に用いることは、多数の制約があって、達成することの困難な設計目標であるが、それらの制約に含まれるのは、第一の段のアレイの最高温度対システム全体の重量、排気速度対第二の段の熱負荷、動作の能力対安定性および設計の製造可能性対アレイセットの剛性（rigidity）である。真空処理と実験的な真空装置には、信頼性が高くて長寿命の極低温真空ポンプが必要である。これらの用途には、簡素で経済的な設計思想を用いることが好ましい。

本発明の一実施形態によるクライオポンプは、正面アレイ、放射シールドおよび第二段一次ポンプ動作アレイを冷却するために、結合した二つの冷却器を用い、それらは、一段冷却器および二段冷却器、例えばギフォード−マクマホン冷却器（ブルックスオートメーション社）である。より大きなまたは最大の冷却力を第二の段に提供するために、熱チョーク（thermal choke ）を用いて、放射シールドおよび正面アレイから二段冷却器への熱流束を制限する。入口バッフルアレイ（inlet baffle array）とも称される正面アレイのあらゆる点に等量の冷却を供給するために、熱伝導棒（熱棒、棒ともいう）の温度を等しく保つ。これは、周囲に沿ってベースプレートの断面を変化させるか、棒の断面を変化させることによって達成される。棒を第二の段から離しておくことによって、排気速度およびタイプIIガス容積（Type II gas capacity）を最大化し、ならびに均一な霜の成長を可能にする。ポンプ内に凝縮した霜の層が形成されるのを制御することで、クライオポンプの性能を改良できるが、これは、セルゲイ・Ｅ・シソエフ、マイケル・Ｊ・エコバッチ・ジュニア、アレン・Ｊ・バートレットによる論文、極低温高真空ポンプにおいて凝縮した霜の層の形成の制御、J. Vac. Sci. Technol. Ａ２８（４）：９２５‐９３０頁、２０１０年７月／８月に記述されている。第一の段のアレイは、熱損失を最小に維持しながらアレイアッセンブリに剛性を与えるように設計されたポストを介して構造的に支持することができる。

図１Ａから図１Ｃおよび図２のクライオポンプは、フランジ１２に沿った作業チャンバー（図示せず）の壁に搭載できるメインハウジング１０を備える。ハウジング１０の正面開口１４は、作業チャンバーの円形開口に通じている。クライオポンプには、作業チャンバーへの搭載に先立っての支持のための脚１１が３つ含まれている。図１Ｂおよび図１Ｃに示される通り、クライオポンプには、ハウジング１０の底に搭載される第一の冷却器Ｒ１および第二の冷却器Ｒ２が含まれており、各冷却器のコールドフィンガーはハウジング１０に延びている。この場合において、各冷却器は、ギフォード−マクマホン冷却器であるが、他の冷却器を用いてもよい。各冷却器において、コールドフィンガーのディスプレーサーはモーター２３で駆動される。各サイクルで、供給ライン２５を通して、加圧下でコールドフィンガーに導入されたヘリウムガスが膨張され、それによって冷却され、そして返送ライン２７を通して排出される。そのような冷却器が、チェリスらによる米国特許第３，２１８，８１５号に開示されている。

図２は、二段冷却器のコールドフィンガー、一段冷却器のコールドフィンガー、およびそれら二つの冷却器の間の熱的結合部材を示す図１Ｂのクライオポンプの部分断面図である。第一の冷却器Ｒ１の二段コールドフィンガー１８、３２、および第二の冷却器Ｒ２の一段コールドフィンガー１６は、開口２０および２２を通ってハウジング１０へ延びている。第二の冷却器Ｒ２の一段（単一段）１６は、ベースプレート４０の外リング４４に搭載され、それと熱接触している（図３Ａも参照）。冷却器Ｒ１の第一の段１８の冷端２４は、ベースプレート４０の内リング４６に搭載され、それと熱接触している。次に、ベースプレート４０は、カップの形をした放射シールド２６に搭載され、かつそれと熱接触している（図４も参照）。放射シールド２６は、一次ポンプ動作面２８を取り囲んで、放射によって一次面２８の加熱を最小にする、冷却されてはいるが温度がより高いシールドを形成する。放射シールドの温度は、第二の冷却器Ｒ２の一段１６に隣接するところの４５Ｋから開口１４に隣接するところの約１３０Ｋに及んでいる。

第一の冷却器Ｒ１の二段コールドフィンガーの第二の段３２の冷端３０は、ベースプレート４０を通って延びて、ヒートシンク３４を支持する。ヒートシンク３４は、クライオポンプの一次ポンプ動作面または凝縮面２８と直接に熱接触する。一次ポンプ動作面２８は、ディスクまたはバッフル３６および、各組が垂直アレイのブラケット３５に搭載される二組の半円バッフル３８を有する。各ブラケット３５は、ヒートシンク３４と直接に熱接触する。円形および半円形バッフルを含む一次ポンプ動作面またはアレイは、バートレットらによる米国特許５，７８２，０９６号、および２００８年１月１５日に出願され、２００８年７月１７日に米国特許公開公報２００８／０１６８７７８として開示されたバーレットらによる米国特許出願第１２／００８，９８５号に記載されており、これらは全体を援用することによってここに組み入れられる。一次凝縮面は、水素、ヘリウムおよびネオンのような低沸点ガスを吸着する活性炭のような低温吸着剤を保持する。低沸点ガスをポンプで効果的に押し出すには、凝縮面と、一次ポンプ動作面２８を形成する吸着剤の双方が、８Ｋから１５Ｋに冷却されることが好ましい。

一般に、二段冷却器の第二の段で利用できる冷却は、第一の段の温度と第二の段の温度との関数である。第二の段の所定の温度に対して、第二の段の冷却能力は、例えば、第一の段への熱負荷の結果として、第一の段の温度が上昇するにつれて低下する。しかしながら、第一の段の温度を上げることは、また第二の段の温度を押し上げることにもなる。

従来のクライオポンプにおいては、単一の冷却器を用いて冷却を行い、そこでは、正面アレイが取り付けられた放射シールドが、冷却器の第一の段に搭載され、第二の段が一次ポンプ動作面に結合される。これらのクライオポンプの第一の段への放射熱負荷が上昇する環境においては、第二の段の負荷容量（load carrying capacity）が低下する。この結果、一次ポンプ動作面がより暖かい温度に引き上げられ、それによって、ポンプで押し出される低沸点ガスの量が低減する。

本発明では、二段冷却器Ｒ１の第一の段２４が、熱的結合部材を介して一段冷却器Ｒ２に熱的に結合されていて、両冷却器で総熱負荷を共有する。図２に示されるように、ベースプレート４０によって、冷却器Ｒ１と冷却器Ｒ２の間に熱的な結合が提供される。ベースプレート４０には、熱チョークまたはブリッジ４２が含まれる。ブリッジ４２は、冷却器Ｒ２に課せられる総熱負荷量を制御して、冷却器Ｒ１に漏らすように設計されており、ここで、冷却器Ｒ２は、冷却器Ｒ１よりも高い温度で作動する。

図３Ａおよび図３Ｂはそれぞれ、熱チョーク４２が含まれるベースプレート４０の平面図および側面図である。図示のように、ベースプレート４０には、熱チョークまたはブリッジ４２で接続される外リング４４および内リング４６が含まれている。外リング４４および内リング４６によって、プレートを通る開口４８が定まる。外リング４４は、第二の冷却器Ｒ２の冷端に搭載される。内リング４６は、第一の冷却器Ｒ１の第一の段２４に搭載される。このように、ブリッジまたは熱チョーク４２によって、二つの冷却器Ｒ１とＲ２の間の制限された熱的結合部材が形成される。図示のように、ブリッジ４２は、第二の冷却器Ｒ２の反対側に位置する（図２も参照）。

好ましくは、ベースプレートの開口４８は、カバー４９に覆われ（図２および図４も参照）、そのカバーは、ベースプレートの外リング４４と熱接触するが、内リング４６およびブリッジ４２から絶縁されている。カバー４９は、ベースプレート４０にろう付けまたははんだ付けされているが、内リング４６およびブリッジ４２に対しては浮いている薄板であり得る。例えば、絶縁体が、カバー４９と内リング４６およびブリッジ４２との間に挟まれていてもよい。そのカバーは、ガスを一次ポンプ動作面に触れさせないで放射シールドを行う。ベースプレート４０は、断面積を変化させて、熱負荷を二つの冷却器Ｒ１およびＲ２に均一に分配できる。例えば、開口４８および／または外リング４４の大きさおよび形を変化させて、熱負荷を分配し、ベースプレートの周囲に沿って温度を実質的に均一に維持することができる。

図３Ｂに示されるように、ベースプレート４０は、厚さが均一である。しかしながら、図３Ａの輪郭（profile ）を変えるかおよび／または厚さを変えることによって、得られる断面積は変化する。一般に、ベースプレート４０は、熱伝導率が高く、放射シールドおよびその他のクライオポンプの構成部品の取り付けに耐える構造を提供する材料で製造され得る。適当な材料は、銅である。

図４は、放射シールド２６に取り付けられるかまたは結合している図３Ａのベースプレート４０の底面斜視図である。放射シールド２６には、開放端および閉塞端を有する側壁が含まれており、ベースプレート４０は、閉塞端に取り付けられるかまたは結合している。ベースプレート４０を含む放射シールド２６によって、クライオポンプの凝縮チャンバーが定められ得る。ベースプレート４０には、外部分または外リング４４と、内部分または内リング４６とが含まれており、それらの部分はブリッジで接続されていて、プレート４０を通る開口４８が定められている。この例において、ベースプレート４０は、厚さが０．２５インチで、銅を機械加工して作られる。ベースプレートの周囲に沿った温度は、ベースプレートの横断面が変化すること、例えば、開口４８の大きさや形を変えることによって、均一化されている。第一の冷却器Ｒ１は、第一の温度で第一の冷却負荷を有し、第二の冷却器Ｒ２は、第二の温度で第二の冷却負荷を有する。それら二つの冷却器Ｒ１およびＲ２の間の熱的結合部材は、この例では、ベースプレート４０であるが、熱チョーク４２で制限されていて、第一の温度と第二の温度の差が維持される。例えば、一段冷却器Ｒ２を１００Ｋで作動でき、二段冷却器Ｒ１の第一の段を６５Ｋで作動できるが、それら二つの冷却器は、冷却器Ｒ２に課せられた負荷から冷却器Ｒ１の第一の段への熱漏れを制御するように、制限された熱的結合部材によって結合されている。このように、冷却器の最適作動点または温度について、バランスを取ることができ、それによって、各冷却器の冷却能力および、結合した冷却器の全体または合計冷却能力が増大する。加えて、二つの冷却器間で負荷のバランスを取ることによって、最適点、例えば、最適冷却またはポンプ動作能力（pumping capacity）でクライオポンプを作動させることが可能となる。

放射シールド２６は、冷却のために最大の電力負荷を必要とし、一段冷却器Ｒ２によって冷却され、かつ熱的結合部材を介して、二段冷却器Ｒ１の第一の段によっても冷却される。例えば、一段冷却器Ｒ２は、温度が１００Ｋのとき冷却能力１２０ワット（Ｗ）で作動し、二段冷却器Ｒ２の第一の段は、温度が６５Ｋのとき冷却能力３５Ｗで作動する。熱チョークによって、冷却器Ｒ２（１００Ｋ）および冷却器Ｒ１（６５Ｋ）は最適温度を維持することができ、それらの能力を組み合わせて、１５５Ｗというクライオポンプの第一の段の合計冷却能力とすることができる。これが、第一および第二の冷却器が分離していて、第二の冷却器のみが放射シールドの負荷を担い、第一の冷却器の寄与がないクライオポンプに勝る利点である。これらのポンプにおいて、放射シールドを冷却するのに利用できる冷却能力は、典型的には、第二の冷却器からのみのものであって、例えば、１００Ｋで作動する一段冷却器の１２０Ｗである。熱チョークを通して二つの冷却器を熱的に結合することによって、第一および第二の冷却器が、それらの冷却器を直接結合することによって連結されているクライオポンプに勝る利点もまた得られている。直接結合されると、第一の段の冷却器は、二段冷却器の第一の段の温度、例えば、６５Ｋで作動し、二段冷却器の第二の段を暖めない。こうなるのは、第一の段の温度を上げることによって、二段冷却器の第二の段の温度が上がるからで、それは、典型的には、望ましくはない。そうであるから、二つの冷却器を、高い温度、例えば１００Ｋで結合することはない。しかしながら、６５Ｋという低い方の温度では、第二の、一段冷却器の冷却能力は８５Ｗまで低減される。そうすると、放射シールドを冷却するのに、直接結合した第一および第二の冷却器から利用可能な冷却能力の合計は、１２０Ｗにしか過ぎない。

一段冷却器と二段冷却器の第一の段との間の熱的結合部材（熱的な結合）が制御されるクライオポンプは、より高い熱負荷で作動できるが、それは、二段冷却器の第一の段が負荷を幾分か担うからである。例えば、いくつかの応用においては、より多量の、アルゴンのようなプロセスガスが第二の段で凝縮されるが、それは、ポンプで押し出されて、二段冷却器の熱負荷をより高めなければならない。第二の段で利用可能な冷却は、第一の段および第二の段双方の温度に依存するので、第一の段の、１００Ｋで作動する一段冷却器への熱的結合部材を制御することによって、二段ユニットの冷却能力を高めることができる。分離されると、第一の段は冷たくなり過ぎて、二段ユニットの第一の段の冷却能力が低減される。従来のポンプ設計においては、二段冷却器の第一の段の温度を制御するために、ヒーターが用いられている。一段冷却器にもヒーターが取り付けられてもよい。本発明による、熱的に結合する冷却器Ｒ１およびＲ２において、熱流を制御するのに、熱チョークを有するベースプレートを用いることで、ヒーターを不要にすることができる。クライオポンプへの熱負荷が既知であるなら、ヒーターを有していない第一および第二の冷却器の温度を適当なものとするようにベースプレートを設計することが容易となる。さらには、一段冷却器Ｒ２には、必要な冷却能力を得るために他の一段装置が付帯してもよい。このように、本発明によると、大きなクライオポンプの電力負荷を、そのような負荷を取り扱うことのできる、より大きな冷却器を再設計する代わりに、より小さな、商業的に入手可能な冷却器の間で分配することが可能となる。また本発明によると、より大きなクライオポンプを必要とする新しい製品のための部品を共通化することで、準備時間とコストが低減できるという利点が得られる。

再度図２を参照すると、一次ポンプ動作面のための放射シールドおよび、水蒸気のような沸点がより高いガスのためのポンプ動作面または凝縮面の双方として働く正面クライオパネルまたは正面アレイ２９が、クライオポンプには含まれている。このパネルは、アレン・Ｊ・バートレットらによる米国特許第４，４５４，７２２号に記載されているような、スポーク状のプレート３３によって結合される同心円状のルーバー（羽根板）およびシェブロン（矢羽根、chevrons）３１の円形アレイを有する。このクライオパネルを、円形の同心円状の構成部品で構成されるものに限定する必要はないが、それは、一次ポンプ動作面に、沸点がより低いガスの経路を提供しつつ、放射熱シールドおよびより高温のクライオポンプ動作パネルとして働くように配置されている。図２に示されるように、正面アレイ２９が含まれる第一の段のアレイアッセンブリは、ポスト５２を介して構造的に支えることができる。ポスト５２は、ステンレス鋼であって、熱損失を最小に維持しつつアレイアッセンブリに剛性が得られるよう設計できる。

従来のクライオポンプにおいては、正面アレイ２９が放射シールド２６に搭載され、そのシールドは、正面アレイを支え、かつヒートシンクから、例えば第一段の冷端または二段冷却器から、そのアレイへの熱路として働く。シールド２６は、十分に大きくて、ガスが、障害なく一次クライオパネルへ流れることができなければならない。結果として、ヒートシンクから正面アレイへのそのシールドの熱路は長いものとなる。正面アレイとヒートシンクとの温度差を最小にするために、巨大な放射シールドが必要とされる。

本発明によると、一つ以上の熱部材または熱棒５０が、ベースプレート４０と正面クライオパネルまたはアレイ２９との間に延びる。棒５０は、正面アレイ２９を支え、正面アレイ２９からベースプレート４０への高伝導熱流路を提供できる。図３Ａに示されるように、ベースプレート４０の外リング４６には、搭載用穴４１が含まれており、そこで、棒５０がベースプレートに結合する。前述のように、ベースプレート４０は、二段冷却器Ｒ１の第一の段の熱ステーション２４および冷却器Ｒ２の一段１６に搭載され、それらと直接に熱接触する。ベースプレート４０は、正面アレイ２９および放射シールド２６から二つの冷却器へ熱負荷を分配する。図２に示されるように、棒は、一次ポンプ動作面２８、３６、３８の外側を通る。棒５０は、ベースプレート４０と正面アレイまたは入口バッフル２９との間では短くすることができる。その結果、所定の伝導度を有する熱路を得ることができ、その断面積は、放射シールドが単独の熱流路として働くならば必要とされたであろうものよりもずっと小さい。第一の段１８のコールドフィンガー１６および熱ステーション２４から正面パネル２９の中心への熱流路の長さを、放射シールド２６を通る従来の流路と比較して低減することができる。これによって、コールドフィンガー１６および第一の段２４に接続される素子の全アレイの全体量を低減することが可能となる。第二段アレイを通って延びる熱支柱（thermal struts）を有するクライオポンプが、アレン・Ｊ・バートレットらによる米国特許第４，３５６，７０１号に記載されている。

図２に示されるように、高伝導熱流路が、一次ポンプ動作面または凝縮面２８、３６、３８の周りに熱接触しないように配置される熱伝導棒５０のアレイによって提供される。第二の段の一次ポンプ動作面から棒を離しておくことによって、排気速度と能力を最大にし、霜の成長を均一にすることができる。棒が一次ポンプ動作面に近過ぎると、第二の段の、沸点がより低いガスの容量および、それゆえに総ポンプ能力が低減される。棒を、一次ポンプ動作面の外に距離をおいて保つことによって、凍結したガスをより大量に集めることができ、かつガス流がより大きく熱負荷もより大きな環境において、クライオポンプを使うことが可能となる。棒５０は、一次ポンプ動作面２８を中心に同心円状に配置される。示されている例においては、８本の棒が、等間隔に距離をおいて円形に配列され、各棒の一端が、正面アレイ２９の対応するスポーク状のプレート３３に接続され（図１Ａを参照）、他端は、取付け孔４１を介してベースプレート４０に接続されている（図３Ａを参照）。製造を容易にするために、棒５０は直径が等しい。棒の適切な材料は銅である。

図５は、熱伝導棒５０の直径の範囲と総熱負荷の範囲について、正面アレイの最大温度差を例示する。最大温度差は、一方が、一段冷却器に最も近い位置であり、他方が、一段冷却器から最も遠い位置である正面アレイの二つの定位置間のものである。図５に示される温度差は、棒８本のアレイを用いるシミュレーションの結果に基づくものである。縦軸でポール径として示される棒の直径は、１２．５ｍｍから１６ｍｍまで変化し、横軸で示される総負荷は８０Ｗから１３０Ｗまで変化する。棒の直径および負荷の、これらの範囲に対して、正面アレイの温度差ΔＴmax は、３．５Ｋから３．８Ｋまで変化する。特に、棒の直径のいくつかの値については、例えば１４ｍｍでは、シミュレーションの結果、テストされた総負荷の範囲に対して同じ温度差が示される。同様に、総負荷のいくつかの値については、例えば９５Ｗでは、シミュレーションの結果、テストされた棒の直径の範囲に対して同じ温度差が示される。図５に示されるようなシミュレーション結果を用いると、熱負荷の広い範囲に対して棒の直径を最適化できる。例えば、正面アレイの温度は、正面アレイの所定の幾何形状（幾何学的配置、geometry）に対して熱伝導棒の直径を変化させることによって均一化できる。

ここで引用されるすべての特許、公開公報および参考文献の教示は、援用することによって、その全体がここに組み入れられる。

本発明は、その実施形態を参照して詳細に示され記述されるが、添付の特許請求の範囲に包含される発明の範囲から逸脱することなく、形状および細部に様々な変更を加えてもよいことが当業者には理解される。例えば、閉サイクル二段冷却器が示されている。液体窒素、水素またはヘリウムのような開サイクル冷媒によって冷却されるクライオポンプもまた用いられる。また、一段および複数段、例えば二段の閉サイクル冷却器を様々に組み合わせて冷却を行なってもよい。さらには、入口（開口）、正面アレイおよび放射シールドが含まれるクライオポンプが非円形、例えば長方形であってもよい。また、ポンプ動作アレイのバッフルは、円板または半円板である必要はなく、長方形板で、平坦であっても湾曲していてもよい。本発明は、主にクライオポンプに関して示され記述されているが、本発明は、原理的に、二つの装置を二つの異なる温度に保つことが望まれる他のアプリケーションにも応用できる。可能なアプリケーションには、超電導体の冷却、例えば、熱損失を最小化するためにリード線を超電導体になるまで冷却することが含まれる。例えば、超電導コイルを用いる撮像デバイスにおいては、そのコイルへのリード線は、典型的には、通常の導体であるが、コイルよりも高い温度では別の熱負荷であり、その負荷を低減することが望ましい。もう一つの可能なアプリケーションは、異なる温度で作動する二つ以上の熱的に結合した冷却器を用いて、ガスの流れから異なる成分を再生することのできるガスストリッパー（gas stripper）である。本発明の原理によって、冷却器を熱的に結合することで、一つの冷却器の過剰な冷却能力を別の冷却器の冷却能力に転用することができる。

Claims (20)

1. 第一の温度で第一の冷却負荷を有する第一の冷却器と、
   第二の温度で第二の冷却負荷を有する第二の冷却器と、
   前記第一および第二の冷却器で冷却負荷を共有するための冷却器の間の熱的結合部材であって、前記第一の温度と前記第二の温度の差を維持するように制限された熱的結合部材とを備える冷却システム。
2. 少なくとも第一および第二の段を有する第一の冷却器と、
   第二の冷却器と、
   前記第一の冷却器の第一の段と前記第二の冷却器の冷端との間の熱的結合部材であって、前記第二の冷却器の冷端と前記第一の冷却器の第一の段との温度差を維持するように制限された熱的結合部材と、
   前記第二の冷却器の冷端と熱接触している放射シールドと、
   その放射シールドに距離をおいて取り囲まれ、前記第一の冷却器の第二の段と熱接触している凝縮面とを備えるクライオポンプ。
3. 前記第一の冷却器が、少なくとも第一および第二の段を有し、前記第一の段が前記熱的結合部材と熱接触している請求項１に記載の冷却システム。
4. 前記第一の冷却器の第二の段が、クライオポンプの凝縮面と熱接触している請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記第二の冷却負荷が、クライオポンプの放射シールドを有する請求項１、３および４のいずれか一項に記載の冷却システム。
6. 前記第一の冷却器が、閉サイクル二段冷却器である請求項１から５のいずれか一項に記載の冷却システムまたはクライオポンプ。
7. 前記第二の冷却器が、閉サイクル一段冷却器である請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却システムまたはクライオポンプ。
8. 前記制限された熱的結合部材が、前記第一および第二の冷却器の冷却負荷のバランスを取る請求項１から７のいずれか一項に記載の冷却システムまたはクライオポンプ。
9. 前記熱的結合部材が前記放射シールドのベースプレートに形成され、そのベースプレートの周辺の温度が実質的に均一に維持されるように、前記ベースプレートの断面積が変化している請求項２に記載のクライオポンプ。
10. 前記ベースプレートの厚さが実質的に均一である請求項９に記載のクライオポンプ。
11. 前記ベースプレートが、外リングおよび内リングを含み、それらのリングが、ブリッジによって接続されて前記ベースプレートを通る開口を定め、前記外リングが、前記第二の冷却器の冷端と直接に熱接触し、前記内リングが、前記第一の冷却器の第一の段と直接に熱接触し、前記ブリッジが、前記第一および第二の冷却器の間の制限された熱的結合部材を形成する請求項９または１０に記載のクライオポンプ。
12. 前記ベースプレートの開口がカバーによって覆われ、そのカバーが、前記ベースプレートの外リングと熱接触しているが、前記内リングおよびブリッジとは絶縁されている請求項１１に記載のクライオポンプ。
13. 前記ブリッジが、前記第一の冷却器において、前記第二の冷却器とは反対側に位置している請求項１１または１２に記載のクライオポンプ。
14. 前記放射シールドにおける開口を実質的に横切って延びる正面クライオパネルであって、その正面クライオパネルと前記第一の冷却器の第一の段との間に前記第二の段が位置する正面クライオパネルと、
    前記正面クライオパネルから前記第二の冷却器の冷端への高伝導熱流路であって、前記放射シールドから独立している高伝導熱流路とをさらに備える請求項２および６から１３のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
15. 前記高伝導熱流路が、少なくとも一つの熱伝導棒によって提供される請求項１４に記載のクライオポンプ。
16. 前記高伝導熱流路が、前記凝縮面の周りに同心円状に配列されるが前記凝縮面と熱接触していない熱伝導棒のアレイによって提供される請求項１４に記載のクライオポンプ。
17. 前記熱伝導棒の直径が等しい請求項１５または１６に記載のクライオポンプ。
18. 前記熱的結合部材が前記放射シールドのベースプレートに形成され、前記ベースプレートが前記熱伝導棒と直接に熱接触している請求項１５から１７のいずれか一項に記載のクライオポンプ。
19. クライオポンプでクライオポンプ動作する方法であって、
    少なくとも第一および第二の段を有する第一の冷却器で前記クライオポンプの凝縮面を冷却し、前記第一の段が第一の温度で作動するステップと、
    第二の温度で作動する第二の冷却器で前記クライオポンプの放射シールドを冷却するステップと、
    前記第一および第二の冷却器の間の制限された熱的結合部材で、前記第一の温度と前記第二の温度の差を維持するステップとを備える方法。
20. 第一および第二の冷却器を有するクライオポンプのためのクライオポンプシールドであって、
    開放端および閉塞端を有する側壁を含む放射シールドと、
    その放射シールドの閉塞端に結合されるベースプレートであって、外部分および内部分を含み、それらの部分が、ブリッジによって接続されて前記ベースプレートを通る開口を定め、前記内部分が、前記第一の冷却器と直接に熱接触し、前記外部分が、前記第二の冷却器と直接に熱接触し、前記ブリッジが、前記第一および第二の冷却器の間の制限された熱的結合部材を形成するベースプレートとを備えるクライオポンプシールド。

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