JP2015175342A - クライオポンプ、及びクライオポンプの再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クライオポンプの再生においてクライオポンプを効率的に昇温する。【解決手段】クライオポンプの再生方法は、水の融点より高い第１温度帯へとクライオパネルを加熱するためにクライオポンプにパージガスを供給することと、クライオパネル温度が第１温度帯にあるときにクライオポンプへのパージガスの供給を中断することと、第１温度帯からパージガス温度より高い第２温度帯へとクライオパネルを加熱することと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、クライオポンプ、及びクライオポンプの再生方法に関する。

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。クライオポンプはいわゆる気体溜め込み式の真空ポンプであるから、捕捉した気体を外部に定期的に排出する再生を要する。

特開２００１−１２３９５１号公報 特開平２−２５２９８２号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの再生においてクライオポンプを効率的に昇温することにある。

本発明のある態様によると、クライオパネルと、前記クライオパネルを収容するクライオポンプ容器と、前記クライオポンプ容器にパージガスを供給するために前記クライオポンプ容器に設けられているパージバルブと、前記クライオパネルを加熱するための、前記パージガスとは異なる熱源と、クライオポンプの再生を制御する制御部と、を備えるクライオポンプが提供される。前記制御部は、前記クライオパネルを水の融点より高い第１温度帯へと加熱するために前記クライオポンプ容器にパージガスを供給するよう前記パージバルブを開放することと、クライオパネル温度が前記第１温度帯にあるときに前記クライオポンプ容器への前記パージガスの供給を中断するよう前記パージバルブを閉鎖することと、前記クライオパネルを前記第１温度帯からパージガス温度より高い第２温度帯へと加熱するよう前記熱源を制御することと、を実行するよう構成されている。

本発明のある態様によると、クライオポンプの再生方法が提供される。本方法は、水の融点より高い第１温度帯へとクライオパネルを加熱するためにクライオポンプにパージガスを供給することと、クライオパネル温度が前記第１温度帯にあるときにクライオポンプへのパージガスの供給を中断することと、前記第１温度帯からパージガス温度より高い第２温度帯へと前記クライオパネルを加熱することと、を備える。

本発明によれば、クライオポンプの再生においてクライオポンプを効率的に昇温することができる。

本発明のある実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係る再生方法を説明するためのフローチャートである。 本発明のある実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係る再生シーケンスを示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。

クライオポンプ１０は、気体を受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２はクライオポンプ１０の内部空間１４への入口である。クライオポンプ１０が取り付けられた真空チャンバから吸気口１２を通じて、排気されるべき気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は吸気口１２を通る方向を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。

クライオポンプ１０は、低温クライオパネル１８と、高温クライオパネル１９と、を備える。また、クライオポンプ１０は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を冷却する冷却システムを備える。この冷却システムは、冷凍機１６と、圧縮機３６と、を備える。

冷凍機１６は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの極低温冷凍機である。冷凍機１６は、第１ステージ２０、第２ステージ２１、第１シリンダ２２、第２シリンダ２３、第１ディスプレーサ２４、及び第２ディスプレーサ２５を備える二段式の冷凍機である。よって、冷凍機１６の高温段は、第１ステージ２０、第１シリンダ２２、及び第１ディスプレーサ２４を備える。冷凍機１６の低温段は、第２ステージ２１、第２シリンダ２３、及び第２ディスプレーサ２５を備える。

第１シリンダ２２と第２シリンダ２３は直列に接続されている。第１ステージ２０は、第１シリンダ２２と第２シリンダ２３との結合部に設置されている。第２シリンダ２３は第１ステージ２０と第２ステージ２１とを連結する。第２ステージ２１は、第２シリンダ２３の末端に設置されている。第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３それぞれの内部には第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５が冷凍機１６の長手方向（図１において左右方向）に移動可能に配設されている。第１ディスプレーサ２４と第２ディスプレーサ２５とは一体に移動可能に連結されている。第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５にはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。

冷凍機１６は、第１シリンダ２２の高温端に設けられている駆動機構１７を備える。駆動機構１７は、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５がそれぞれ第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動可能であるように第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５に接続されている。また駆動機構１７は、作動気体の供給と排出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を切り替える流路切替機構を含む。流路切替機構は例えばバルブ部とバルブ部を駆動する駆動部とを含む。バルブ部は例えばロータリーバルブを含み、駆動部はロータリーバルブを回転させるためのモータを含む。モータは、例えばＡＣモータまたはＤＣモータであってもよい。また流路切替機構はリニアモータにより駆動される直動式の機構であってもよい。

冷凍機１６は高圧導管３４及び低圧導管３５を介して圧縮機３６に接続される。冷凍機１６は、圧縮機３６から供給される高圧の作動気体（例えばヘリウム）を内部で膨張させて第１ステージ２０及び第２ステージ２１に寒冷を発生させる。圧縮機３６は、冷凍機１６で膨張した作動気体を回収し再び加圧して冷凍機１６に供給する。

具体的には、まず駆動機構１７が高圧導管３４と冷凍機１６の内部空間とを連通させる。圧縮機３６から高圧導管３４を通じて冷凍機１６に高圧の作動気体が供給される。冷凍機１６の内部空間が高圧の作動気体で満たされると、駆動機構１７は冷凍機１６の内部空間を低圧導管３５に連通させるよう流路を切り替える。これにより作動気体は膨張する。膨張した作動気体は圧縮機３６へと回収される。こうした作動気体の給排に同期して、第１ディスプレーサ２４及び第２ディスプレーサ２５がそれぞれ第１シリンダ２２及び第２シリンダ２３の内部を往復動する。このような熱サイクルを繰り返すことで冷凍機１６は第１ステージ２０及び第２ステージ２１に寒冷を発生させる。

冷凍機１６は、第１ステージ２０を第１温度レベルに冷却し、第２ステージ２１を第２温度レベルに冷却するよう構成されている。第２温度レベルは第１温度レベルよりも低温である。例えば、第１ステージ２０は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２ステージ２１は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

図１は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸と、冷凍機１６の中心軸とを含む断面を示す。図１に示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸に交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、冷凍機がクライオポンプの軸方向に沿って配設されているクライオポンプである。

低温クライオパネル１８は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。低温クライオパネル１８は例えば、複数のパネル部材２６を含む。パネル部材２６は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各パネル部材２６には通常活性炭等の吸着剤２７が設けられている。吸着剤２７は例えばパネル部材２６の裏面に接着されている。このようにして、低温クライオパネル１８は、気体分子を吸着するための吸着領域を備える。

パネル部材２６はパネル取付部材２８に取り付けられている。パネル取付部材２８は第２ステージ２１に取り付けられている。このようにして、低温クライオパネル１８は、第２ステージ２１に熱的に接続されている。よって、低温クライオパネル１８は第２温度レベルに冷却される。

高温クライオパネル１９は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備える。高温クライオパネル１９は、低温クライオパネル１８を包囲するよう低温クライオパネル１８の外側に設けられている。高温クライオパネル１９は第１ステージ２０に熱的に接続されており、高温クライオパネル１９は第１温度レベルに冷却される。

放射シールド３０は主として、クライオポンプ１０のハウジング３８からの輻射熱から低温クライオパネル１８を保護するために設けられている。放射シールド３０は、ハウジング３８と低温クライオパネル１８との間にあり、低温クライオパネル１８を囲む。放射シールド３０は、吸気口１２に向けて軸方向上端が開放されている。放射シールド３０は、軸方向下端が閉塞された筒形（例えば円筒）の形状を有し、カップ状に形成されている。放射シールド３０の側面には冷凍機１６の取付のための孔があり、そこから第２ステージ２１が放射シールド３０の中に挿入されている。その取付孔の外周部にて放射シールド３０の外面に第１ステージ２０が固定されている。こうして放射シールド３０は第１ステージ２０に熱的に接続されている。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２において径方向に沿って配置されている。入口クライオパネル３２は、シールド開口端３１に配設されている。入口クライオパネル３２はその外周部がシールド開口端３１に固定されて、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は、低温クライオパネル１８から軸方向上方に離れて設けられている。入口クライオパネル３２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０の中心軸を中心とする同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２に入る気体を排気するために設けられている。入口クライオパネル３２の温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。また、入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から低温クライオパネル１８を保護するために設けられている。輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限される。入口クライオパネル３２は、吸気口１２を通じた内部空間１４への気体流入を所望量に制限するように吸気口１２の開口面積の一部を占有する。

クライオポンプ１０は、ハウジング３８を備える。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるための真空容器である。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部空間１４を気密に保持するよう構成されている。ハウジング３８は、高温クライオパネル１９の外側に設けられており、高温クライオパネル１９を囲む。また、ハウジング３８は冷凍機１６を収容する。つまり、ハウジング３８は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を収容するクライオポンプ容器である。

ハウジング３８は、高温クライオパネル１９及び冷凍機１６の低温部に非接触であるように、外部環境温度の部位（例えば冷凍機１６の高温部）に固定されている。ハウジング３８の外面は外部環境にさらされており、冷却されている高温クライオパネル１９よりも温度が高い（例えば室温程度）。

また、ハウジング３８はその開口端から径方向外側に向けて延びる吸気口フランジ５６を備える。吸気口フランジ５６は、クライオポンプ１０を真空チャンバに取り付けるためのフランジである。真空チャンバの開口にはゲートバルブが設けられており（図示せず）、吸気口フランジ５６はそのゲートバルブに取り付けられる。そのようにして入口クライオパネル３２の軸方向上方にゲートバルブが位置する。例えばクライオポンプ１０を再生するときにゲートバルブは閉とされ、クライオポンプ１０が真空チャンバを排気するときに開とされる。

ハウジング３８には、ベントバルブ７０、粗引きバルブ７２、及びパージバルブ７４が取り付けられている。

ベントバルブ７０は、クライオポンプ１０の内部から外部環境へと流体を排出するための排出ライン８０の例えば末端に設けられている。ベントバルブ７０を開くことにより排出ライン８０の流れが許容され、ベントバルブ７０を閉じることにより排出ライン８０の流れが遮断される。排出される流体は基本的にはガスであるが、液体または気液の混合物であってもよい。例えばクライオポンプ１０に凝縮されたガスの液化物が排出流体に混在していてもよい。ベントバルブ７０が開弁されることにより、ハウジング３８の内部に生じた陽圧を外部に解放することができる。

粗引きバルブ７２は、粗引きポンプ７３に接続される。粗引きバルブ７２の開閉により、粗引きポンプ７３とクライオポンプ１０とが連通または遮断される。粗引きバルブ７２を開くことにより粗引きポンプ７３とハウジング３８とが連通され、粗引きバルブ７２を閉じることにより粗引きポンプ７３とハウジング３８とが遮断される。粗引きバルブ７２を開きかつ粗引きポンプ７３を動作させることにより、クライオポンプ１０の内部を減圧することができる。

粗引きポンプ７３は、クライオポンプ１０の真空引きをするための真空ポンプである。粗引きポンプ７３は、クライオポンプ１０の動作圧力範囲の低真空領域、言い替えればクライオポンプ１０の動作開始圧力であるベース圧レベルをクライオポンプ１０に提供するための真空ポンプである。粗引きポンプ７３は、大気圧からベース圧レベルまでハウジング３８を減圧することができる。ベース圧レベルは、粗引きポンプ７３の高真空領域にあたり、粗引きポンプ７３とクライオポンプ１０の動作圧力範囲の重なり部分に含まれる。ベース圧レベルは、例えば１Ｐａ以上５０Ｐａ以下（例えば１０Ｐａ程度）の範囲である。

粗引きポンプ７３は典型的にはクライオポンプ１０とは別の真空装置として設けられ、例えばクライオポンプ１０が接続される真空チャンバを含む真空システムの一部を構成する。クライオポンプ１０は真空チャンバのための主ポンプであり、粗引きポンプ７３は補助ポンプである。

パージバルブ７４はパージガス源７５を含むパージガス供給装置に接続される。パージバルブ７４の開閉によりパージガス源７５とクライオポンプ１０とが連通または遮断され、パージガスのクライオポンプ１０への供給が制御される。パージバルブ７４を開くことにより、パージガス源７５からハウジング３８へのパージガス流れが許容される。パージバルブ７４を閉じることにより、パージガス源７５からハウジング３８へのパージガス流れが遮断される。パージバルブ７４を開きパージガス源７５からパージガスをハウジング３８に導入することにより、クライオポンプ１０の内部を昇圧することができる。供給されたパージガスは、ベントバルブ７０または粗引きバルブ７２を通じてクライオポンプ１０から排出される。

パージガスの温度は、本実施形態では室温に調整されているが、ある実施形態においてはパージガスは、室温より高温に加熱されたガス、または、室温よりいくらか低温のガスであってもよい。本書において室温は、１０℃〜３０℃の範囲または１５℃〜２５℃の範囲から選択される温度であり、例えば約２０℃である。パージガスは例えば窒素ガスである。パージガスは、乾燥したガスであってもよい。

クライオポンプ１０は、第１ステージ２０の温度を測定するための第１温度センサ９０と、第２ステージ２１の温度を測定するための第２温度センサ９２と、を備える。第１温度センサ９０は、第１ステージ２０に取り付けられている。第２温度センサ９２は、第２ステージ２１に取り付けられている。第１温度センサ９０は、第１ステージ２０の温度を定期的に測定し、測定温度を示す信号を制御部１００に出力する。第１温度センサ９０はその出力を通信可能に制御部１００に接続されている。第２温度センサ９２についても同様に構成されている。第１温度センサ９０及び第２温度センサ９２の測定温度がそれぞれ高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８の温度として制御部１００において用いられてもよい。

また、ハウジング３８の内部に圧力センサ９４が設けられている。圧力センサ９４は例えば、高温クライオパネル１９の外側で冷凍機１６の近傍に設けられている。圧力センサ９４は、ハウジング３８の圧力を定期的に測定し、測定圧力を示す信号を制御部１００に出力する。圧力センサ９４はその出力を通信可能に制御部１００に接続されている。

また、クライオポンプ１０は、クライオポンプ１０を制御するための制御部１００を備える。制御部１００はクライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

制御部１００は、クライオポンプ１０の真空排気運転及び再生運転のために冷凍機１６を制御するよう構成されている。制御部１００には、第１温度センサ９０、第２温度センサ９２、及び圧力センサ９４を含む各種センサの測定結果を受信するよう構成されている。制御部１００は、そうした測定結果に基づいて、冷凍機１６及び各種バルブに与える制御指令を演算する。

例えば、真空排気運転においては、制御部１００は、ステージ温度（例えば第１ステージ温度）が目標の冷却温度に追従するように冷凍機１６を制御する。第１ステージ２０の目標温度は通常、一定値に設定される。第１ステージ２０の目標温度は例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバで行われるプロセスに応じて仕様として定められる。また、制御部１００は、クライオポンプ１０の再生のためにハウジング３８からの排気とハウジング３８へのパージガスの供給とを制御するよう構成されている。制御部１００は、ベントバルブ７０、粗引きバルブ７２、及びパージバルブ７４の開閉を再生中に制御する。

上記の構成のクライオポンプ１０による動作を以下に説明する。クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に粗引きバルブ７２を通じて粗引きポンプ７３でクライオポンプ１０の内部を動作開始圧力（例えば１Ｐａないし１０Ｐａ程度）まで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。制御部１００による制御のもとで、冷凍機１６の駆動により第１ステージ２０及び第２ステージ２１が冷却され、これらに熱的に接続されている高温クライオパネル１９、低温クライオパネル１８も冷却される。

入口クライオパネル３２は、真空チャンバからクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。入口クライオパネル３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体は入口クライオパネル３２を通過して放射シールド３０内部へと進入する。進入した気体分子のうち低温クライオパネル１８の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体は、その表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、低温クライオパネル１８の表面に接着され冷却されている吸着剤２７により吸着されて排気される。このようにしてクライオポンプ１０が取り付けられている真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

排気運転が継続されることによりクライオポンプ１０には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、クライオポンプ１０の再生が行われる。再生処理は、昇温工程、排出工程、及びクールダウン工程を含む。

クライオポンプ１０の再生処理は、制御部１００により制御される。制御部１００は、所定の再生開始条件が満たされたか否かを判定し、当該条件が満たされた場合には再生を開始する。当該条件が満たされていない場合には、制御部１００は再生を開始せず、真空排気運転を継続する。再生開始条件は例えば、排気運転が開始されてから所定時間が経過したことを含んでもよい。

図２は、本発明のある実施形態に係る再生方法を説明するためのフローチャートである。再生処理は、排気運転中のクライオパネル温度よりも高温である再生温度にクライオポンプ１０を昇温する昇温工程を含む（Ｓ１０）。図２に示す再生処理は、いわゆるフル再生である。フル再生は、高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８を含むすべてのクライオパネルを再生する。クライオパネル１８、１９は真空排気運転のための冷却温度から再生温度まで加熱される。再生温度は例えば室温またはそれよりいくらか高い温度である。

昇温工程においては、クライオパネル１８、１９を加熱するための第１の熱源として、パージガスが使用される。制御部１００は、パージ開始条件が満たされたか否かを判定する。制御部１００は、パージ開始条件が満たされた場合には、ハウジング３８にパージガスを供給するようパージバルブ７４を開放する。パージ開始条件は例えば再生開始条件であってもよい。つまり再生開始とともにパージガスの供給が開始される。また、制御部１００は、パージ中断条件が満たされたか否かを判定する。制御部１００は、パージ中断条件が満たされた場合には、ハウジング３８へのパージガスの供給を停止するようパージバルブ７４を閉鎖する。

クライオパネル１８、１９を加熱するために、パージガスとは異なる第２の熱源が使用されてもよい。例えば、冷凍機１６の昇温運転（いわゆる逆転昇温）が行われてもよい。冷凍機１６は、駆動機構１７が冷却運転とは逆方向に動作するとき作動気体に断熱圧縮が生じるよう構成されている。こうして得られる圧縮熱で冷凍機１６は第１ステージ２０及び第２ステージ２１を加熱する。高温クライオパネル１９及び低温クライオパネル１８はそれぞれ第１ステージ２０及び第２ステージ２１を熱源として加熱される。あるいは、冷凍機１６に設置されたヒータが熱源として使用されてもよい。この場合、制御部１００は、冷凍機１６の運転から独立してヒータを制御することができる。

昇温工程において、第１及び第２の熱源の一方が単独で使用され、または両方が同時に使用されてもよい。排出工程においても同様に、第１及び第２の熱源の一方が単独で使用され、または両方が同時に使用されてもよい。制御部１００は、第１の熱源と第２の熱源とを切り替えて、または、第１の熱源と第２の熱源とを併用して、クライオパネル１８、１９の温度を制御する。

図２に示されるように、昇温工程は、第１昇温工程（Ｓ１１）と、第２昇温工程（Ｓ１２）と、を含む。制御部１００は、クライオパネル１８、１９を真空排気のための冷却温度から室温より高い加熱目標温度へと加熱するために、第１昇温工程と第２昇温工程とを順次実行するよう構成されている。加熱目標温度は、例えば、３０℃〜６０℃の範囲または４０℃〜５０℃の範囲から選択される温度である。

クライオパネル１８、１９は、まず第１昇温工程において第１温度帯に加熱される。次に、クライオパネル１８、１９は、第２昇温工程において、第１温度帯より高い第２温度帯に加熱される。

第１温度帯は、パージガス温度（上述のように例えば室温）を含む温度範囲である。第１温度帯は、クライオパネル１８、１９に堆積した氷が水へと溶けうる温度である。第１温度帯の下限は例えば水の融点（すなわち約０℃）であり、上限は例えばパージガス温度である。第１温度帯は、例えば、１０℃〜３０℃の範囲または１５℃〜２５℃の範囲である。

第２温度帯は、加熱目標温度を含む温度範囲である。第１温度帯の下限は例えばパージガス温度であり、上限は例えば加熱目標温度である。第２温度帯は、例えば、３０℃〜６０℃の範囲または４０℃〜５０℃の範囲である。第２温度帯は、熱源（例えば、冷凍機１６の昇温運転における第１ステージ２０または第２ステージ２１）の温度より低い。

第１昇温工程は、クライオパネル１８、１９を真空排気運転のための冷却温度から第１温度帯へと加熱するためにクライオポンプにパージガスを供給することを含む。また、第１昇温工程は、冷凍機１６による逆転昇温を含む。このように、第１昇温工程においては、クライオパネル１８、１９を高速に昇温するために、熱源としてパージガスと冷凍機１６とが併用される。クライオパネル１８、１９は、第１ステージ２０及び第２ステージ２１からの熱伝導と、パージガスの対流による熱伝達により温められる。

制御部１００は、第１昇温工程において定期的に、パージ中断条件が満たされたか否かを判定する。制御部１００は、パージ中断条件が満たされていない場合には、第１昇温工程を継続する。制御部１００は、パージ中断条件が満たされた場合には、第１昇温工程を終了し、第２昇温工程を開始する。

第１昇温工程におけるパージ中断条件は例えば、クライオパネル温度（例えば、第１温度センサ９０及び／または第２温度センサ９２の測定温度）が第１温度帯にあることである。この場合、制御部１００は、クライオパネル温度が第１温度帯にあるか否かを判定し、クライオパネル温度が第１温度帯にある場合には、パージバルブ７４を閉じてハウジング３８へのパージガス供給を中断するとともに、第１昇温工程から第２昇温工程に移行する。

制御部１００は、第１温度センサ９０及び／または第２温度センサ９２の測定温度が第１温度帯にあると判定されたとき、パージガスの供給を所定時間継続してもよい（いわゆる延長パージ）。このようにして、クライオパネル１８、１９の表面温度分布が第１温度帯にて均一化されたときに、ハウジング３８へのパージガスの供給が停止されてもよい。

そこで、第１昇温工程におけるパージ中断条件は、第１昇温工程の開始から所定時間が経過したことであってもよい。所定時間は、クライオパネル１８、１９が第１温度帯に加熱されるのに必要と見込まれる時間であり、予め実験的または経験的に適宜設定されてもよい。

なお、第１昇温工程は、パージガスの供給を停止することを含んでもよい。極低温から第１温度帯へのクライオパネル１８、１９の加熱中に、一時的にパージガスが供給されない期間があってもよい。例えば、クライオパネル１８、１９に氷結した気体の再気化によってハウジング３８の内圧が著しく高まったときに、安全のためにパージガスの供給が一時的に停止されてもよい。

第２昇温工程は、パージガスとは異なる熱源によって、第１温度帯から第２温度帯へとクライオパネル１８、１９を加熱することを含む。例えば、第２昇温工程は、冷凍機１６による逆転昇温を第１昇温工程から継続することを含む。このように、第２昇温工程においては、クライオパネル１８、１９は、第１ステージ２０及び第２ステージ２１からの熱伝導により温められる。

典型的なクライオポンプの再生方法においては、クライオパネルが加熱目標温度に昇温されるまでパージガスの供給が継続される。ここで注目すべきことは、本実施形態では、加熱目標温度がパージガス温度より高いということである。そのため、パージガスの対流による熱伝達は、加熱目標温度においてクライオパネルから熱を奪う効果をもつ。つまり、クライオパネルが第２の熱源によりパージガス温度より高い温度へと加熱されるとき、クライオポンプはパージガスによって冷やされることになる。よって、目標温度への加熱に要する時間が長くなる。最悪の場合には、目標温度まで加熱することができない。

本実施形態に係る第２昇温工程においては、パージガスの供給が中断される。そのため、本実施形態によると、上述の典型的な方法に比べて、パージガスの供給による冷却効果は緩和される。したがって、クライオポンプ１０を短時間で目標温度に加熱することができる。

好ましくは、クライオポンプ１０の粗引きが、第１温度帯から第２温度帯へのクライオパネル１８、１９の加熱中に行われてもよい。制御部１００は、第２昇温工程においてハウジング３８を粗引きするよう粗引きバルブ７２を少なくとも一時的に開放してもよい。このようにすれば、パージガスがクライオポンプ１０から排出され、パージガスの対流による熱伝達が妨げられる。よって、より効率的にクライオパネル１８、１９を昇温することができる。

昇温工程における粗引きの目的の１つは、パージガスの対流による熱伝達を妨げることにある。よって、この粗引きは、ハウジング３８にある程度の負圧を得られれば充分である。つまり、昇温工程における粗引きは、それほど高い真空度を必要としない。したがって、昇温工程における粗引き圧は、排出工程における粗引き圧よりも高くてもよい。ここで、粗引き圧とは、粗引きを終了する圧力をいう。同様の理由により、昇温工程における粗引きバルブ７２の開放時間は、排出工程における粗引きバルブ７２の開放時間より短くてもよい。

クライオポンプ１０には、真空排気運転によって、水及びその他の気体が捕捉されている。クライオポンプ１０の一般的な用途において、水は最も高い融点をもつ気体であり、従って最も排出しにくい気体である。水以外の氷結した気体は、水に比べて顕著に低い融点をもつので、クライオポンプ１０から容易に排出される。また、真空グリースやレジストなどに由来するクライオパネル１８、１９への付着物は、高温低圧環境で気化される。

したがって、昇温工程における粗引きによって、水以外のあらゆる気体を実質的にクライオポンプ１０から排出することも可能である。この場合、クライオポンプ１０内の清浄度を高めるために、第２昇温工程においてパージガスの供給が再開されてもよい。そこで、制御部は、第１温度帯から第２温度帯へのクライオパネル１８、１９の加熱中に、いわゆるラフアンドパージを実行してもよい。昇温工程におけるラフアンドパージを、本書では「昇温ラフアンドパージ」と呼ぶことがある。

ラフアンドパージとは、粗引きバルブ７２によるハウジング３８の粗引きとパージガスの供給とを交互に行う処理である。ラフアンドパージにおいては、粗引きとパージとの組み合わせが１回または複数回実行される。通例、ラフアンドパージにおいて制御部１００は、粗引きとパージとを選択的に実行する。すなわち、粗引き（またはパージ）が行われているときパージ（または粗引き）は停止されている。粗引き及びパージの開始及び終了は、ハウジング３８の圧力に基づき行われてもよいし、あるいは経過時間に基づいてもよい。

なお、ラフアンドパージにおいて、粗引き及びパージの一方が連続して行われる間に粗引き及びパージの他方が間欠的に行われてもよい。これも、粗引きとパージガスの供給とが交互に行われているとみなされる。また、ラフアンドパージは、粗引きもパージも行われていない期間を含んでもよい。

制御部１００は、第２昇温工程において定期的に、昇温完了条件が満たされたか否かを判定する。制御部１００は、昇温完了条件が満たされていない場合には、第２昇温工程を継続する。制御部１００は、昇温完了条件が満たされた場合には、第２昇温工程を終了し、排出工程を開始する。

昇温完了条件は例えば、クライオパネル温度（例えば、第１温度センサ９０及び／または第２温度センサ９２の測定温度）が第２温度帯にあることである。この場合、制御部１００は、クライオパネル温度が第２温度帯にあるか否かを判定し、クライオパネル温度が第２温度帯にある場合には、昇温工程から排出工程に移行する。また、制御部１００は、クライオパネル温度が加熱目標温度を超えたか否かを判定し、クライオパネル温度が加熱目標温度を超えた場合に昇温工程から排出工程に移行してもよい。

あるいは、昇温完了条件は、第１昇温工程または第２昇温工程の開始から所定時間が経過したことであってもよい。所定時間は、クライオパネル１８、１９が第２温度帯（例えば、加熱目標温度）に加熱されるのに必要と見込まれる時間であり、予め実験的または経験的に適宜設定されてもよい。

昇温完了条件は、ハウジング３８の圧力に基づいてもよい。例えば、制御部１００は、昇温ラフアンドパージにおける粗引き中の圧力降下率がしきい値を超えるか否かを判定してもよい。制御部１００は、圧力降下率がしきい値を超える場合に昇温工程から排出工程に移行し、圧力降下率がしきい値に満たない場合に昇温ラフアンドパージを継続してもよい。

昇温工程が完了すると、制御部１００は、排出工程（Ｓ１３）を開始する。排出工程においては、クライオパネル表面から再気化した気体がクライオポンプ１０の外部へ排出される。再気化した気体は例えば排出ライン８０を通じて、または粗引きポンプ７３を使用して排出される。再気化した気体は、必要に応じて導入されるパージガスとともにクライオポンプ１０から排出される。例えば、クライオパネル１８、１９から水が蒸発し、ハウジング３８から水が排出される。

制御部１００は、排出工程においてクライオパネル温度を第２温度帯に維持するように冷凍機１６の昇温運転またはその他の熱源を制御してもよい。この場合、制御部１００は、過剰な加熱を避けるために、少なくとも一時的に熱源を停止してもよい。

排出工程においては、いわゆるラフアンドパージが行われてもよい。排出工程におけるラフアンドパージを、本書では「排出ラフアンドパージ」と呼ぶことがある。制御部１００は、クライオパネル温度が第２温度帯にあるときに、ハウジング３８の粗引きとパージガスの供給とを交互に行う排出ラフアンドパージを実行してもよい。よって、制御部１００は、図４に示されるように、昇温完了条件が満たされた場合に、昇温ラフアンドパージから排出ラフアンドパージに移行してもよい。

排出ラフアンドパージにおける粗引き圧は、ベース圧レベルよりも高圧であり、例えば５０Ｐａ乃至５００Ｐａ、好ましくは１００Ｐａ乃至２００Ｐａの範囲から選択される。この圧力領域を以下では準ベース圧レベルと呼ぶことがある。排出ラフアンドパージにおける粗引き圧は、例えば、排出工程を通じて一定である。しかし、ある実施形態においては、排出ラフアンドパージにおける粗引き圧が段階的に低減されてもよい。

排出ラフアンドパージはクライオポンプ１０から効率的に水を排出するために行われるのに対し、昇温ラフアンドパージの主目的は上述のように、クライオポンプ１０の効率的な昇温と水以外の気体の排出とにある。効率的な昇温のためには、パージガスの供給を制限することが望ましい。そこで、昇温ラフアンドパージにおけるパージ間隔は、排出ラフアンドパージにおけるパージ間隔より長いことが好ましい。同様の理由から、昇温ラフアンドパージにおけるパージ時間は、排出ラフアンドパージにおけるパージ時間より短いことが好ましい。ここで、パージ間隔は、前回のパージ終了から今回のパージ開始までの時間である。パージ時間は、今回のパージの継続時間である。

また、水以外の気体は比較的容易に排出されるから、昇温ラフアンドパージにおける粗引き時間は排出ラフアンドパージにおける粗引き時間より短くてもよい。また、昇温ラフアンドパージにおける粗引き間隔は、排出ラフアンドパージにおける粗引き間隔より長くてもよい。粗引き間隔は、前回の粗引き終了から今回の粗引き開始までの時間である。粗引き時間は、今回の粗引きの継続時間である。

制御部１００は、排出工程において、例えば圧力センサ９４の測定値に基づいて、気体（つまり水蒸気）の排出が完了したか否かを判定する。例えば、制御部１００は、クライオポンプ１０内の圧力が所定のしきい値を超えている間は排出工程を継続し、圧力がそのしきい値を下回った場合に排気工程を終了しクールダウン工程を開始する。

制御部１００は、いわゆるビルドアップ判定を行ってもよい。クライオポンプ再生におけるビルドアップ判定は、判定開始時点の圧力からの圧力上昇勾配が判定しきい値を超えない場合に、クライオポンプ１０から気体が充分に排出されたと判定する処理である。

クールダウン工程（Ｓ１４）は、真空排気運転を再開するためにクライオパネル１８、１９を再冷却する処理である。冷凍機１６の冷却運転が開始される。この冷却工程の少なくとも一部において粗引きが行われてもよく、例えば冷却開始から粗引き終了圧力または粗引き終了温度に達するまで粗引きが継続されてもよい。制御部１００は、クライオパネルが真空排気運転のための冷却温度に冷却されたか否かを判定する。制御部１００は、目標冷却温度に到達するまでクールダウン工程を継続し、目標温度に冷却されたときクールダウン工程を終了する。こうして再生処理は完了する。クライオポンプ１０の真空排気運転が再開される。

図３は、本発明のある実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す図である。ある実施形態においては、クライオパネルの温度を直接測定するために、クライオパネルに温度センサが設けられていてもよい。例えば、図３に示されるように、パネル温度センサ９６が、入口クライオパネル３２の中心部に設けられていてもよい。パネル温度センサ９６は、入口クライオパネル３２の温度を定期的に測定し、測定温度を示す信号を制御部１００に出力する。パネル温度センサ９６はその出力を通信可能に制御部１００に接続されている。

入口クライオパネル３２の中心部は、再生においてクライオポンプ１０を加熱するための熱源から最も遠いクライオパネルの部分である。そのため、入口クライオパネル３２の中心部は、他の部分に比べて昇温に時間がかかる。言い換えれば、入口クライオパネル３２の中心部が目標温度まで加熱されたとき、クライオパネルの他の部分は既に充分に昇温されている。よって、再生の昇温工程においては、入口クライオパネル３２の中心部の温度によってクライオパネル全体の温度を代表することができる。

パネル温度センサ９６は、低温クライオパネル１８または高温クライオパネル１９において伝熱経路の末端部に設けられていてもよい。ここで、伝熱経路の末端部とは、クライオパネルの昇温中に熱源から遠い場所をいう。例えば、熱源からパネル上のある点までの伝熱経路の長さによって、熱源に近い（伝熱経路が短い）領域と熱源から遠い（伝熱経路が長い）領域とに高温クライオパネル１９を区分することができる。あるいは、同様にして、熱源に近い領域、中間の領域、遠い領域の３つに高温クライオパネル１９を区分することができる。低温クライオパネル１８についても同様である。このとき、熱源から遠い領域を、伝熱経路の末端部とみなしてもよい。

よって、パネル温度センサ９６は、シールド開口端３１または放射シールド３０の閉塞端に設けられてもよい。あるいは、パネル温度センサ９６は、低温クライオパネル１８において第２ステージ２１から最も遠いパネル部材２６の端部に設けられていてもよい。

パネル温度センサ９６は、再生中のクライオパネル温度の監視のために使用される。パネル温度センサ９６は、昇温工程における加熱目標温度を含む測定可能温度域を有する。本実施形態においてはパネル温度センサ９６は真空排気中は使用されないので、パネル温度センサ９６は測定可能温度域に極低温を含まなくてもよい。要するに、パネル温度センサ９６は室温レベル（例えば０℃〜６０℃）を測定可能であればよい。よって、パネル温度センサ９６として例えば安価な熱電対を使用することができる。

図４は、本発明のある実施形態に係る再生シーケンスを示す図である。この再生シーケンスは上述のように制御部１００によって制御される。図４は、クライオポンプ１０における再生中の温度及び圧力の時間変化の一例を概略的に示す。図４に示される温度は第１温度センサ９０及びパネル温度センサ９６の測定温度であり、圧力は圧力センサ９４の測定圧力である。

図４に示される再生シーケンスは、その開始から終了までの全期間が期間ａないし期間ｄの４期間に区分される。上述の第１昇温工程は期間ａにあたり、第２昇温工程は期間ｂにあたり、排出工程は期間ｃにあたり、クールダウン工程は期間ｄにあたる。

期間ａにおいては、パージバルブ７４が開放され、冷凍機１６の逆転昇温が行われる。冷凍機１６の逆転昇温と窒素パージとによりクライオポンプ１０が第１温度帯Ｔ１に加熱される。窒素ガスの温度は約２０℃である。第１昇温工程の前半ではステージ温度Ｔｓ及びクライオパネル温度Ｔｃは同様の勾配で上昇する。第１昇温工程の後半では、ステージ温度Ｔｓに比べてクライオパネル温度Ｔｃの勾配が緩やかになっている。ここで、ステージ温度Ｔｓは第１ステージ２０の温度であり、クライオパネル温度Ｔｃは入口クライオパネル３２の中心部の温度である。

窒素パージによりクライオポンプ内の圧力は速やかに大気圧Ｐａに達する。水以外の大半のガスは、昇温中にクライオパネル１８、１９からハウジング３８内に放出される。この例においては、ステージ温度Ｔｓが目標値に達したとき、第１昇温工程が終了され第２昇温工程が開始される。

期間ｂの開始時点においてパージバルブ７４は閉鎖され窒素パージは中断されるが、冷凍機１６の逆転昇温はステージ温度Ｔｓが目標値に維持されるよう継続されている。それにより、クライオパネル温度Ｔｃが第１温度帯Ｔ１から第２温度帯Ｔ２へと加熱される。

期間ｂの開始時点におけるパージバルブ７４の閉鎖と同時に、粗引きバルブ７２が一時的に開放される。それにより、窒素ガス及びクライオパネル１８、１９から放出されたガスが排出される。粗引きバルブ７２は粗引き時間Ｔｒが経過したとき閉鎖される。クライオポンプ１０の内圧は粗引き圧Ｐｂまで減圧される。これにより、クライオパネル１８、１９の昇温が促進される。比較のために、期間ｂにおいて窒素パージが継続されたときのクライオパネル温度Ｔｃ’を図４に破線で示す。窒素ガスによる冷却作用によって、クライオパネル温度Ｔｃ’はあまり上昇しない。

第２昇温工程においては昇温ラフアンドパージが行われる。窒素パージのために、パージバルブ７４が一時的に開放される。パージバルブ７４はパージ時間Ｔｐが経過したとき閉鎖される。圧力は大気圧Ｐａに戻る。パージバルブ７４の閉鎖と同時に粗引きバルブ７２が開放され、粗引き圧Ｐｂまで再び減圧される。粗引き中に圧力降下率が判定される。図示されるように、この例では３回の窒素パージと粗引きとが交互に行われ、３回目の窒素パージ直後の粗引きにおいて圧力降下率がしきい値を超え、昇温ラフアンドパージから排出ラフアンドパージに移行する。

期間ｃにおいては、排出ラフアンドパージによって水がクライオポンプ１０から排出される。排出ラフアンドパージの間、クライオパネル温度Ｔｃは第２温度帯Ｔ２において僅かであるが徐々に上昇する。

排出ラフアンドパージにおけるパージ時間Ｔｐ’及び粗引き時間Ｔｒ’はそれぞれ昇温ラフアンドパージにおけるパージ時間Ｔｐ及び粗引き時間Ｔｒより長い。排出ラフアンドパージにおける粗引き圧Ｐｃはベース圧レベル又は準ベース圧レベルにあり、昇温ラフアンドパージにおける粗引き圧Ｐｂより低い。この例では、排出ラフアンドパージの前半における粗引き圧Ｐｃは準ベース圧レベルにあり、排出ラフアンドパージの後半における粗引き圧はベース圧レベルにある。

排出ラフアンドパージの少なくとも後半において、粗引き後にビルドアップ判定が行われる。判定中は粗引きは停止される。ビルドアップ判定に合格したとき（すなわち、圧力上昇勾配がしきい値より小さくなったとき）、排出工程は終了する。

期間ｄにおいては、冷凍機１６の冷却運転が開始される。このとき粗引きも行われる。目標の冷却温度に達したとき、粗引きは終了される。このようにして再生は完了し、真空排気運転が開始される。

以上説明したように、本実施形態によると、クライオポンプ再生の昇温工程においてクライオポンプ温度が室温付近に達したとき、窒素パージが停止されクライオポンプ内部が真空引きされる。これにより、クライオパネルを効率的に昇温することができる。また、より高い温度までクライオパネルを昇温することができる。こうして、クライオポンプの再生時間を短縮することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

例えば、上述の実施形態においては、排出工程においてラフアンドパージが行われるが、本発明はこれに限られない。ある実施形態においては、排出工程においてパージガスが供給されなくてもよい。この場合、制御部１００は、昇温工程の完了後に、クライオポンプ１０を所定の粗引き圧（例えば、ベース圧レベル）まで粗引きするよう粗引きバルブ７２及び粗引きポンプ７３を制御してもよい。次に、制御部１００は、例えば圧力センサ９４の測定値に基づいて、気体の排出が完了したか否かを判定してもよい（例えば、ビルドアップ判定）。

１０ クライオポンプ、 １６ 冷凍機、 １８ 低温クライオパネル、 １９ 高温クライオパネル、 ２０ 第１ステージ、 ２１ 第２ステージ、 ３０ 放射シールド、 ３１ シールド開口端、 ３２ 入口クライオパネル、 ３８ ハウジング、 ７２ 粗引きバルブ、 ７４ パージバルブ、 ９０ 第１温度センサ、 ９２ 第２温度センサ、 ９４ 圧力センサ、 ９６ パネル温度センサ、 １００ 制御部。

Claims (10)

1. クライオパネルと、
   前記クライオパネルを収容するクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器にパージガスを供給するために前記クライオポンプ容器に設けられているパージバルブと、
   前記クライオパネルを加熱するための、前記パージガスとは異なる熱源と、
   クライオポンプの再生を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、
   前記クライオパネルを水の融点より高い第１温度帯へと加熱するために前記クライオポンプ容器にパージガスを供給するよう前記パージバルブを開放することと、
   クライオパネル温度が前記第１温度帯にあるときに前記クライオポンプ容器への前記パージガスの供給を中断するよう前記パージバルブを閉鎖することと、
   前記クライオパネルを前記第１温度帯からパージガス温度より高い第２温度帯へと加熱するよう前記熱源を制御することと、を実行するよう構成されていることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記クライオポンプ容器の粗引きをするために前記クライオポンプ容器に設けられている粗引きバルブをさらに備え、
   前記制御部は、前記第１温度帯から前記第２温度帯への前記クライオパネルの加熱中に、前記クライオポンプ容器を粗引きするよう前記粗引きバルブを開放することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記制御部は、前記第１温度帯から前記第２温度帯への前記クライオパネルの加熱中に、前記クライオポンプ容器の粗引きと前記パージガスの供給とを交互に行う昇温ラフアンドパージを実行し、
   前記制御部は、クライオパネル温度が前記第２温度帯にあるときに、前記クライオポンプ容器の粗引きと前記パージガスの供給とを交互に行う排出ラフアンドパージを実行することを特徴とする請求項２に記載のクライオポンプ。
4. 前記昇温ラフアンドパージにおけるパージ間隔は前記排出ラフアンドパージにおけるパージ間隔より長く、及び／または、前記昇温ラフアンドパージにおけるパージ時間は前記排出ラフアンドパージにおけるパージ時間より短いことを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
5. 前記昇温ラフアンドパージにおける粗引き圧は、前記排出ラフアンドパージにおける粗引き圧より高いことを特徴とする請求項３または４に記載のクライオポンプ。
6. 第１ステージと、前記第１ステージより低温に冷却される第２ステージと、を備える冷凍機と、
   前記クライオパネルの温度を測定するための温度センサと、をさらに備え、
   前記クライオパネルは、前記第１ステージにより冷却される高温クライオパネルと、前記第２ステージにより冷却される低温クライオパネルと、を備え、
   前記高温クライオパネルは、前記低温クライオパネルを囲みシールド開口端を有する放射シールドと、前記シールド開口端に配設されている入口クライオパネルと、を備え、
   前記温度センサは、前記入口クライオパネルの中心部に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
7. 前記パージガス温度は、室温であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のクライオポンプ。
8. クライオポンプの再生方法であって、
   水の融点より高い第１温度帯へとクライオパネルを加熱するためにクライオポンプにパージガスを供給することと、
   クライオパネル温度が前記第１温度帯にあるときにクライオポンプへのパージガスの供給を中断することと、
   前記第１温度帯からパージガス温度より高い第２温度帯へと前記クライオパネルを加熱することと、を備えることを特徴とする方法。
9. 前記第１温度帯から前記第２温度帯への前記クライオパネルの加熱中に、前記クライオポンプを粗引きすることをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. クライオパネル温度が前記第２温度帯にあるときに前記クライオポンプから水を排出することをさらに備えることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。

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