JP2019143537A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】クライオポンプへの結露を抑制し、または結露した水の滴下を抑制する。【解決手段】クライオポンプ１０は、クライオポンプハウジング７０と、クライオポンプハウジング７０の外側に装着された吸水層８０と、を備える。クライオポンプ１０は、クライオポンプハウジング７０と吸水層８０の間に配置された断熱層８２をさらに備えてもよい。クライオポンプ１０は、吸水層８０を外側に有し、断熱層８２を内側に有する吸水断熱シート８４を備えてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、クライオポンプに関する。

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。

特開昭６０−７１００２号公報

クライオポンプの再生が始まると、クライオパネルを収容するクライオポンプハウジングは、真空が解除される。溜め込まれたガスの再気化やパージガスの導入により、ハウジング内にガスが充満する。再生当初はクライオパネルがまだ極低温に冷えている。ガスの充満により真空断熱効果がなくなるので、ハウジングがクライオパネルによってガスを介して冷やされうる。ハウジングは周囲環境にさらされているので、場合によっては、その外表面に結露が生じうる。結露した水が滴下しうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプへの結露を抑制し、または結露した水の滴下を抑制することにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、クライオポンプハウジングと、前記クライオポンプハウジングの外側に装着された吸水層と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、クライオポンプへの結露を抑制し、または結露した水の滴下を抑制することができる。

実施の形態に係るクライオポンプとその結露抑制構造を概略的に示す側断面図である。 図１に示すクライオポンプを概略的に示すＡ−Ａ線断面図である。 実施の形態に係る結露抑制構造の他の例を示す概略図である。 実施の形態に係る結露抑制構造の他の例を示す概略図である。 実施の形態に係る結露抑制構造の他の例を示す概略図である。

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。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す側断面図である。図２は、図１に示すクライオポンプ１０を概略的に示すＡ−Ａ線断面図である。図１は、一点鎖線で示すクライオポンプ中心軸Ｃを含む断面を示す。ただし、理解の容易のため、図１においてクライオポンプ１０の低温クライオパネル部と冷凍機は断面ではなく側面を示している。

後述するように、クライオポンプ１０は、結露抑制構造を有する。

クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、スパッタリング装置、蒸着装置、またはその他の真空プロセス装置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真空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、排気されるべき気体を真空チャンバから受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２を通じて気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

クライオポンプ１０は、図示の向き、すなわち吸気口１２を上方に向けた姿勢で真空チャンバに設置され使用されることが意図されていてもよい。ただし、クライオポンプ１０の姿勢はそれに限定されず、クライオポンプ１０は他の向きで真空チャンバに設置されてもよい。

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（図１において、吸気口１２の中心を通るクライオポンプ中心軸Ｃに沿う方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（中心軸Ｃに垂直な方向）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（図１において中心軸Ｃ）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。

また、軸方向を囲む方向を「周方向」と呼ぶことがある。周方向は、吸気口１２に沿う第２の方向であり、径方向に直交する接線方向である。

クライオポンプ１０は、冷凍機１６、第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ２０、及び、クライオポンプハウジング７０を備える。第１段クライオパネル１８は、高温クライオパネル部または１００Ｋ部とも称されうる。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、低温クライオパネル部または１０Ｋ部とも称されうる。

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、二段式の冷凍機である。そのため、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を備える。冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２を第１冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ２４を第２冷却温度に冷却するよう構成されている。第２冷却温度は第１冷却温度よりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

また、冷凍機１６は、第２冷却ステージ２４を第１冷却ステージ２２に構造的に支持するとともに第１冷却ステージ２２を冷凍機１６の室温部２６に構造的に支持する冷凍機構造部２１を備える。そのため冷凍機構造部２１は、径方向に沿って同軸に延在する第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５を備える。第１シリンダ２３は、冷凍機１６の室温部２６を第１冷却ステージ２２に接続する。第２シリンダ２５は、第１冷却ステージ２２を第２冷却ステージ２４に接続する。室温部２６、第１シリンダ２３、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４は、この順に直線状に一列に並ぶ。

第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５それぞれの内部には第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が往復動可能に配設されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサにはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。また、室温部２６は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを往復動させるための駆動機構（図示せず）を有する。駆動機構は、冷凍機１６の内部への作動気体（例えばヘリウム）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。

第１冷却ステージ２２は、冷凍機１６の第１段低温端に設置されている。第１冷却ステージ２２は、室温部２６と反対側で第１シリンダ２３の端部を外包し、作動気体の第１膨張空間を取り囲む部材である。第１膨張空間は、第１シリンダ２３の内部において第１シリンダ２３と第１ディスプレーサとの間に形成され、第１ディスプレーサの往復動に伴って容積が変化する可変容積である。第１冷却ステージ２２は、第１シリンダ２３よりも高い熱伝導率をもつ金属材料で形成されている。例えば、第１冷却ステージ２２は銅で形成され、第１シリンダ２３はステンレス鋼で形成される。

第２冷却ステージ２４は、冷凍機１６の第２段低温端に設置されている。第２冷却ステージ２４は、室温部２６と反対側で第２シリンダ２５の端部を外包し、作動気体の第２膨張空間を取り囲む部材である。第２膨張空間は、第２シリンダ２５の内部において第２シリンダ２５と第２ディスプレーサとの間に形成され、第２ディスプレーサの往復動に伴って容積が変化する可変容積である。第２冷却ステージ２４は、第２シリンダ２５よりも高い熱伝導率をもつ金属材料で形成されている。第２冷却ステージ２４は銅で形成され、第２シリンダ２５はステンレス鋼で形成される。図１には、第２冷却ステージ２４と第２シリンダ２５の境界２４ｂが示されている。

冷凍機１６は、作動気体の圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機１６は、圧縮機により加圧された作動気体を内部で膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を冷却する。膨張した作動気体は圧縮機に回収され再び加圧される。冷凍機１６は、作動気体の給排とこれに同期した第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの往復動とを含む熱サイクルを繰り返すことによって寒冷を発生させる。

図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の中心軸Ｃ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。冷凍機１６の第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４は、クライオポンプ中心軸Ｃに垂直な方向（図１において水平方向であり、冷凍機１６の中心軸Ｄの方向）に配列されている。

第１段クライオパネル１８は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備え、第２段クライオパネルアセンブリ２０を包囲する。第１段クライオパネル１８は、クライオポンプ１０の外部またはクライオポンプハウジング７０からの輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するために設けられているクライオパネルである。第１段クライオパネル１８は第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。よって第１段クライオパネル１８は第１冷却温度に冷却される。第１段クライオパネル１８は第２段クライオパネルアセンブリ２０との間に隙間を有しており、第１段クライオパネル１８は第２段クライオパネルアセンブリ２０と接触していない。

放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０の輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０と第２段クライオパネルアセンブリ２０との間にあり、第２段クライオパネルアセンブリ２０を囲む。放射シールド３０は、クライオポンプ１０の外部から内部空間１４に気体を受け入れるためのシールド主開口３４を有する。シールド主開口３４は、吸気口１２に位置する。

放射シールド３０は、シールド主開口３４を定めるシールド前端３６と、シールド主開口３４と反対側に位置するシールド底部３８と、シールド前端３６をシールド底部３８に接続するシールド側部４０と、を備える。シールド前端３６は、シールド側部４０の一部をなす。シールド側部４０は、軸方向にシールド前端３６からシールド主開口３４と反対側へと延在し、周方向に第２冷却ステージ２４を包囲するよう延在する。放射シールド３０は、シールド底部３８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。シールド側部４０と第２段クライオパネルアセンブリ２０との間には、環状隙間４２が形成されている。

なお、シールド底部３８は、シールド側部４０とは別個の部材であってもよい。例えば、シールド底部３８は、シールド側部４０とほぼ同じ径をもつ平坦な円盤であってもよく、シールド主開口３４と反対側でシールド側部４０に取り付けられていてもよい。また、シールド底部３８は、その少なくとも一部が開放されていてもよい。例えば、放射シールド３０は、シールド底部３８によって閉塞されていなくてもよい。すなわち、シールド側部４０は、両端が開放されていてもよい。

シールド側部４０は、冷凍機構造部２１が挿入されるシールド側部開口４４を有する。シールド側部開口４４を通じて放射シールド３０の外から第２冷却ステージ２４及び第２シリンダ２５が放射シールド３０の中に挿入される。シールド側部開口４４は、シールド側部４０に形成された取付穴であり、例えば円形である。第１冷却ステージ２２は放射シールド３０の外に配置されている。

シールド側部４０は、冷凍機１６の取付座４６を備える。取付座４６は、第１冷却ステージ２２を放射シールド３０に取り付けるための平坦部分であり、放射シールド３０の外から見てわずかに窪んでいる。取付座４６は、シールド側部開口４４の外周を形成する。取付座４６は、軸方向においてはシールド前端３６よりもシールド底部３８に近い。第１冷却ステージ２２が取付座４６に取り付けられることによって、放射シールド３０が第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。

入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源からの輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するためにシールド主開口３４に設けられている。クライオポンプ１０の外部の熱源は、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内の熱源である。入口クライオパネル３２は、輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限することができる。入口クライオパネル３２は、シールド主開口３４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シールド主開口３４の開口面積の一部を占有する。入口クライオパネル３２とシールド前端３６との間には、環状の開放領域４８が形成されている。

入口クライオパネル３２は、適宜の取付部材によってシールド前端３６に取り付けられ、放射シールド３０に熱的に結合されている。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。入口クライオパネル３２は、例えば、複数の環状または直線状の羽板を有する。あるいは、入口クライオパネル３２は、一枚の板状部材であってもよい。

第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第２冷却ステージ２４を囲むようにして第２冷却ステージ２４に取り付けられている。よって、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第２冷却ステージ２４に熱的に結合されており、第２段クライオパネルアセンブリ２０は第２冷却温度に冷却される。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第２冷却ステージ２４とともにシールド側部４０に包囲されている。

第２段クライオパネルアセンブリ２０は、シールド主開口３４に対面するトップクライオパネル６０と、複数（本例では２つ）のクライオパネル部材６２と、クライオパネル取付部材６４と、を備える。

また、図１に示されるように、クライオポンプ１０は、クライオパネル位置決め部材６７を備える。第２段クライオパネルアセンブリ２０を第２冷却ステージ２４に熱的に結合する伝熱部は、クライオパネル取付部材６４とクライオパネル位置決め部材６７を含む。トップクライオパネル６０およびクライオパネル部材６２は、クライオパネル取付部材６４とクライオパネル位置決め部材６７を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。

トップクライオパネル６０及びクライオパネル部材６２とシールド側部４０との間には環状隙間４２が形成されているので、トップクライオパネル６０及びクライオパネル部材６２は両方とも放射シールド３０に接触していない。クライオパネル部材６２は、トップクライオパネル６０によって覆われている。

トップクライオパネル６０は、第２段クライオパネルアセンブリ２０のうち入口クライオパネル３２に最も近接する部分である。トップクライオパネル６０は、軸方向においてシールド主開口３４または入口クライオパネル３２と冷凍機１６との間に配置されている。トップクライオパネル６０は、軸方向においてクライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に位置する。そのため、トップクライオパネル６０の前面と入口クライオパネル３２との間に凝縮層の主収容空間６５が広く形成されている。凝縮層の主収容空間６５は、内部空間１４の上半分を占めている。

トップクライオパネル６０は、軸方向に垂直に配置された概ね平板のクライオパネルである。つまりトップクライオパネル６０は、径方向及び周方向に延在する。図２に示されるように、トップクライオパネル６０は、入口クライオパネル３２より大きい寸法（例えば投影面積）を有する円板状パネルである。ただし、トップクライオパネル６０と入口クライオパネル３２の寸法の関係はこれに限定されず、トップクライオパネル６０のほうが小さくてもよいし、両者がほぼ同じ寸法を有してもよい。

トップクライオパネル６０は、冷凍機構造部２１との間に隙間領域６６を形成するよう配置されている。隙間領域６６は、トップクライオパネル６０の裏面と第２シリンダ２５との間で軸方向に形成された空所である。

クライオパネル部材６２には活性炭等の吸着材７４が設けられている。吸着材７４は例えばクライオパネル部材６２の裏面に接着されている。クライオパネル部材６２の前面は凝縮面、裏面は吸着面として機能することが意図されている。クライオパネル部材６２の前面に吸着材７４が設けられていてもよい。同様に、トップクライオパネル６０は、その前面及び／または裏面に吸着材７４を有してもよい。あるいは、トップクライオパネル６０は、吸着材７４を備えなくてもよい。

２つのクライオパネル部材６２は、クライオポンプ中心軸Ｃを挟んで第２冷却ステージ２４の両側に配置されている。クライオパネル部材６２は、クライオポンプ中心軸Ｃに垂直な平面に沿って配置されている。理解の容易のために、図２においてクライオパネル部材６２及びクライオパネル取付部材６４を破線で示す。

２つのクライオパネル部材６２は、クライオポンプ中心軸Ｃの方向における第２冷却ステージ２４の上端と下端との間の高さ位置に配置されている。２つのクライオパネル部材６２は、同じ高さに配置されている。第２冷却ステージ２４は、クライオポンプ中心軸Ｃに垂直な方向（冷凍機１６の中心軸Ｄの方向）における末端にフランジ部２４ａを備える。クライオポンプ中心軸Ｃの方向における第２冷却ステージ２４の上端及び下端はフランジ部２４ａによって定められる。すなわち、２つのクライオパネル部材６２は、クライオポンプ中心軸Ｃの方向における第２冷却ステージ２４のフランジ部２４ａの上端と下端との間の高さ位置に配置されている。

２つのクライオパネル部材６２は、同一の部品として設計されている。２つのクライオパネル部材６２は、同一の形状を有し、同一の材料で形成されている。クライオパネル部材６２は、弓形状、半月状、または半円状の形状を有する。クライオパネル部材６２は、例えば銅などの高熱伝導率の金属材料で形成され、例えばニッケルなどのめっき層で被覆されていてもよい。

図２に示されるように、クライオパネル部材６２は、円弧部７８及び弦７９を有する。クライオポンプ中心軸Ｃの方向に見たとき、２つのクライオパネル部材６２は、両者の中間線（冷凍機１６の中心軸Ｄ）を対称軸として互いに対称に配置されている。２つのクライオパネル部材６２の円弧部７８は、クライオポンプ中心軸Ｃを中心とする同一の円周上にある。また、各クライオパネル部材６２は、弦７９の中点（またはクライオポンプ中心軸Ｃ）を通り弦７９に垂直な線Ｅを対称軸として線対称の形状を有する。

図１に示されるように、クライオパネル位置決め部材６７は、第２冷却ステージ２４のフランジ部２４ａに固定され、第２冷却ステージ２４に支持されている。クライオパネル位置決め部材６７は、上下反転した逆Ｌ字状に形成されている。クライオパネル位置決め部材６７を用いることにより、中心軸Ｄの方向における冷凍機１６の長さについての制約が緩和される。第２冷却ステージ２４のフランジ部２４ａがクライオポンプ中心軸Ｃから冷凍機１６の中心軸Ｄの方向に外れた位置にあったとしても、クライオパネル位置決め部材６７の上辺部６７ａの長さを調整することによって、第２段クライオパネルアセンブリ２０をクライオポンプ中心軸Ｃ上に位置決めすることができる。その結果、クライオポンプ１０に専用に設計された冷凍機に代えて、既存の冷凍機を採用しうる。これは、クライオポンプ１０の製造コストの低減に役立ちうる。

なお、クライオポンプ中心軸Ｃに対する第２段クライオパネルアセンブリ２０の位置合わせのために、クライオパネル位置決め部材６７の上辺部６７ａは、図１に示されるのとは逆に、第２冷却ステージ２４のフランジ部２４ａから冷凍機１６の中心軸Ｄの方向に第２シリンダ２５から離れるように延びていてもよい。大口径の吸気口１２をもつクライオポンプ１０については、そのような形状をもつクライオパネル位置決め部材６７が好適でありうる。

クライオポンプ１０は、シールド主開口３４から流入する気体の流れを冷凍機構造部２１から偏向させるよう構成されている気体流れ調整部材５０を備える。気体流れ調整部材５０は、入口クライオパネル３２または開放領域４８を通じて主収容空間６５に流入する気体流れを第２シリンダ２５から偏向させるよう構成されている。気体流れ調整部材５０は、冷凍機構造部２１または第２シリンダ２５の上方でそれに隣接して配置された気体流れ偏向部材または気体流れ反射部材であってもよい。気体流れ調整部材５０は、周方向においてシールド側部開口４４と同じ位置に局所的に設けられている。気体流れ調整部材５０は、上から見て矩形状である。気体流れ調整部材５０は、例えば一枚の平坦プレートであるが、湾曲していてもよい。

気体流れ調整部材５０は、シールド側部４０から延出し、隙間領域６６に挿入されている。ただし、気体流れ調整部材５０は、トップクライオパネル６０、第２シリンダ２５、およびそのほか隙間領域６６を囲む第２冷却温度の部位には接触していない。気体流れ調整部材５０は、放射シールド３０を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。したがって、気体流れ調整部材５０は、第１冷却温度に冷却される。

クライオポンプハウジング７０は、第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ２０、及び冷凍機１６を収容するクライオポンプ１０の筐体であり、内部空間１４の真空気密を保持するよう構成されている真空容器である。クライオポンプハウジング７０は、第１段クライオパネル１８及び冷凍機構造部２１を非接触に包含する。クライオポンプハウジング７０は、冷凍機１６の室温部２６に取り付けられている。

クライオポンプハウジング７０の前端によって、吸気口１２が画定されている。クライオポンプハウジング７０は、その前端から径方向外側に向けて延びている吸気口フランジ７２を備える。吸気口フランジ７２は、クライオポンプハウジング７０の全周にわたって設けられている。クライオポンプ１０は、吸気口フランジ７２を用いて真空排気対象の真空チャンバに取り付けられる。

クライオポンプハウジング７０は、放射シールド３０と非接触に放射シールド３０を囲むクライオパネル収容部７６と、冷凍機１６の第１シリンダ２３を囲む冷凍機収容部７７とを備える。クライオパネル収容部７６と冷凍機収容部７７は一体的に形成されている。

クライオパネル収容部７６は、一端に吸気口フランジ７２が形成され、他端がハウジング底面７０ａとして閉塞された円筒状またはドーム状の形状を有する。吸気口フランジ７２をハウジング底面７０ａに接続するクライオパネル収容部７６の側壁には、吸気口１２とは別に、冷凍機１６を挿通する開口が形成されている。冷凍機収容部７７はこの開口から冷凍機１６の室温部２６へと延びる円筒状の形状を有する。冷凍機収容部７７は、クライオパネル収容部７６を冷凍機１６の室温部２６に接続する。

クライオポンプ１０は、クライオポンプハウジング７０の外側に装着された吸水層８０と、クライオポンプハウジング７０と吸水層８０の間に配置された断熱層８２と、を備える。クライオポンプ１０の結露抑制構造が吸水層８０と断熱層８２により形成されている。結露抑制構造は、吸水層８０を外側に有し、断熱層８２を内側に有する吸水断熱シート８４を備える。吸水断熱シート８４は、断熱層８２の外側に吸水層８０を貼り合わせたシートとして構成されている。

吸水断熱シート８４は、クライオポンプハウジング７０の外面の少なくとも一部、例えば全面を覆う。吸水断熱シート８４は、クライオパネル収容部７６と冷凍機収容部７７の両方に装着され、それらのほぼ全面を覆っている。吸水断熱シート８４は、クライオパネル収容部７６の側面に巻き付けられ、当該側面を覆っている。また吸水断熱シート８４は、ハウジング底面７６ａにも取り付けられている。吸水断熱シート８４は、冷凍機収容部７７にも巻き付けられている。吸水断熱シート８４は、適宜の接着方法を用いてクライオポンプハウジング７０に装着されている。

ただし、吸気口フランジ７２は、吸水断熱シート８４に覆われていない。たいていの場合、吸気口フランジ７２は露出されていても結露が生じないので、吸水層８０及び／または断熱層８２を吸気口フランジ７２に装着する必要が無い。なお、必要とされる場合には、吸水層８０及び／または断熱層８２が吸気口フランジ７２に装着されてもよい。

吸水層８０は、クライオポンプハウジング７０の外面を形成する構造材料（例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼）に比べて、及び／または、断熱層８２を形成する断熱材料に比べて、吸水性に優れる材料で形成されている。吸水層８０は、例えば、吸水性樹脂、吸水性多孔質材料などの化学的及び／または物理的に水分を吸着する吸水材料、またはこうした吸水材料を含有する材料で形成されている。吸水層８０は、吸水性樹脂、吸水ポリマー、吸水シートなどの一般名称で市販されている商品を適宜採用できる。あるいは、吸水層８０は、フェルト、スポンジなどの少なくとも一時的に水分を保持する材料で形成されていてもよい。

断熱層８２は、クライオポンプハウジング７０の外面を形成する構造材料に比べて熱伝導率の小さい材料で形成されている。断熱層８２は、例えば、発泡系断熱材及び／または繊維系断熱材など種々の公知の断熱材料で形成されていてもよい。

断熱層８２の厚さ８６は、吸水層８０の温度がクライオポンプ１０の再生中に０℃より高い温度に維持されるように定められている。断熱層８２の厚さ８６は、吸水層８０の温度が５℃より高く、または１０℃より高い温度に維持されるように定められてもよい。言い換えれば、断熱層８２の厚さ８６は、クライオポンプ１０の再生中に断熱層８２の外表面の温度が水の凝固点を下回らないように定められている。

上記の構成のクライオポンプ１０の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、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプで真空チャンバ内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後、クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１６の駆動により第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４がそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。よって、これらに熱的に結合されている第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ２０もそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。

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に向かって飛来する気体を冷却する。入口クライオパネル３２の表面には、第１冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第１種気体（タイプ１ガスとも言われる）と称されてもよい。第１種気体は例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３２は、第１種気体を排気することができる。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体の一部は、入口クライオパネル３２または開放領域４８を通過して、主収容空間６５へと進入する。あるいは、気体の他の一部は、入口クライオパネル３２で反射され、主収容空間６５に進入しない。

主収容空間６５に進入した気体は、第２段クライオパネルアセンブリ２０によって冷却される。第２段クライオパネルアセンブリ２０の表面には、第２冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第２種気体（タイプ２ガスとも言われる）と称されてもよい。第２種気体は例えば窒素、アルゴンである。こうして、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第２種気体を排気することができる。主収容空間６５に直接面しているので、トップクライオパネル６０の前面には、第２種気体の凝縮層が大きく成長しうる。なお第２種気体は、第１冷却温度では凝縮せず気体である。

第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、第２段クライオパネルアセンブリ２０の吸着材７４に吸着される。この気体は、第３種気体（タイプ３ガスとも言われる）と称されてもよい。第３種気体は例えば水素である。こうして、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第３種気体を排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々の気体を凝縮または吸着により排気し、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。再生が完了すれば、再び排気運転を始めることができる。

クライオポンプ１０の昇温を促進し再生時間を短縮するために一般に、再生開始とともにクライオポンプハウジング７０内にパージガスが導入される。パージガスや溜め込まれたガスの再気化によりクライオポンプハウジング７０内にはガスが充満し、そのため、排気運転中とは異なり真空断熱効果が失われる。ガスを介してクライオパネルとクライオポンプハウジング７０の熱交換が促進される。再生開始直後はクライオパネルがまだ極低温に冷えているから、クライオポンプハウジング７０が冷やされうる。

また、クライオポンプ１０は主収容空間６５が広いので、多量の第２種ガスを溜め込むことができる。再生の比較的初期段階で第２種ガスは液体へと溶ける。上述のように第２種ガスは窒素やアルゴンなどであるから、この液化ガスは非常に冷たい。液化ガスは、放射シールド３０またはクライオポンプハウジング７０の底部へと流下し、クライオポンプハウジング７０の内面に接触しうる。そうすると、クライオポンプハウジング７０は顕著に冷却される。そのため、クライオポンプハウジング７０の外面には周囲の空気中の水分が結露し、または霜が付着しうる。再生の間、クライオポンプ１０は室温に向けて徐々に昇温されるので、霜はいずれ溶ける。もし多量の霜が付着していたとすると、これが溶けて多量の水となり、滴下しうる。クライオポンプ１０周囲の他の装置や物品、または床面を濡らすことになるかもしれない。

実施の形態に係るクライオポンプ１０は、クライオポンプハウジング７０の外側に装着された吸水層８０を備える。クライオポンプハウジング７０の外面に付着しようとする水分は、吸水層８０に吸収される。したがって、クライオポンプ１０への結露を抑制することができる。結露が抑制されるので、クライオポンプ１０の周囲や床面への水の滴下も抑制される。

また、断熱層８２がクライオポンプハウジング７０と吸水層８０の間に配置されている。クライオポンプハウジング７０の温度低下に比べて、断熱層８２の外面の温度低下は小さい。断熱層８２が無く吸水層８０がクライオポンプハウジング７０に直接装着されている場合に比べて、外気温と吸水層８０との温度差を小さくすることができる。よって、クライオポンプ１０への結露を抑制することができる。

断熱層８２の外面温度が室温を下回れば結露が生じうる。吸水層８０を設けずに断熱層８２のみによって結露を防止するには、断熱層８２の厚さ８６を十分に厚くしなければならない。この場合、必要な断熱層８２の厚さ８６が、現実にクライオポンプハウジング７０に装着するには困難なほど大きくなるかもしれない。

しかし、実施の形態に係るクライオポンプ１０は吸水層８０を有するので、断熱層８２の外面に結露しうる水分を吸収することができる。断熱層８２の外面は室温からある程度冷えてもよいことになり、断熱層８２を薄くすることができる。吸水層８０自体はそれほどの厚さを必要としないと予想される。よって、吸水層８０と断熱層８２を組み合わせることによって、全体として厚みの小さい結露抑制構造を実現でき、クライオポンプ１０への実装がより容易となる。

ある典型的な従来のクライオポンプは、結露抑制のために、バンドヒータなどの電気ヒータがハウジングに巻き付けられている。実施の形態に係るクライオポンプ１０はこうした電気ヒータを要しないという利点もある（よって、実施の形態に係るクライオポンプ１０は、クライオポンプハウジング７０を加熱する電気ヒータを有しない）。

また、実施の形態に係るクライオポンプ１０は、ドレンパンとも呼ばれる水受けトレイも不要となる。

クライオポンプ１０は、吸水層８０を外側に有し、断熱層８２を内側に有する吸水断熱シート８４を備える。吸水層８０と断熱層８２が個別の層である場合には、まずクライオポンプハウジング７０に断熱層８２を装着し、断熱層８２に吸水層８０を装着するというように二段階の作業が必要になる。吸水断熱シート８４の場合、吸水層８０と断熱層８２を一緒にクライオポンプハウジング７０に装着することができるので、製造が容易になる。

仮に吸水層８０の外面温度が０℃を下回る場合、結露する水分が吸水層８０の外面上に氷結しうる。吸水層８０の上に氷層が吸水層８０から分離して付着する。クライオポンプ１０の昇温により氷層が溶けるとき、水が滴下するかもしれない。ところが、実施の形態によれば、断熱層８２の厚さ８６は、吸水層８０の温度がクライオポンプ１０の再生中に０℃より高い温度に維持されるように定められている。したがって、吸水層８０上への氷層形成は抑制され、水の滴下も抑制される。

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。

上述の実施の形態では、吸水断熱シート８４がクライオパネル収容部７６と冷凍機収容部７７の両方に装着されているが、これは必須ではない。吸水層８０、断熱層８２、及び／または吸水断熱シート８４は、クライオパネル収容部７６と冷凍機収容部７７のうちいずれか一方にのみ装着されていてもよい。

吸水層８０、断熱層８２、及び／または吸水断熱シート８４は、クライオポンプハウジング７０の外面の一部のみを覆うようにクライオポンプハウジング７０に装着されてもよい。例えば、吸水断熱シート８４は、クライオパネル収容部７６の下部にのみ装着されてもよい。このようにすれば、クライオパネル収容部７６の上部から流下する結露を吸水断熱シート８４で吸収し、結露の滴下を抑制することができる。また、冷凍機収容部７７にはバルブやセンサなど筒状部から外側に突き出した構成要素が備わっていることがある。こうした構成要素は、吸水断熱シート８４で覆われていなくてもよい。

吸水層８０は、クライオポンプハウジング７０と断熱層８２の間に配置されてもよい。すなわち、吸水層８０は、断熱層８２の内側に配置されてもよい。例えば、図３に示されるように、クライオポンプハウジング７０は、角部または湾曲部を有しうる。良好な断熱性を提供するために、断熱層８２の厚さ８６は比較的大きい。そのため、断熱層８２が角部または湾曲部に密着しにくく、完全に覆い難い場合も想定される。そうした場合には、図示されるように、クライオポンプハウジング７０の角部または湾曲部が吸水層８０で覆われるようにしてもよい。

また、図４に示されるように、断熱層８２がクライオポンプハウジング７０の角部または湾曲部を完全に覆い難い場合に、吸水層８０は、断熱層８２を外側から覆っていてもよい。この場合、クライオポンプハウジング７０の角部または湾曲部には、断熱層８２が設けられていないので、角部または湾曲部と吸水層８０との間には隙間８７が形成されていてもよい。

図５に示されるように、クライオポンプ１０は、ドレンパン８８を備えてもよい。ドレンパン８８は、クライオポンプハウジング７０の下方に配置された水受けトレイとして設けられ、床面９４への結露水の滴下を妨げるように、及び／または、滴下する結露水を受けて貯めるように構成されている。ドレンパン８８は、クライオポンプハウジング７０のクライオパネル収容部７６に取り付けられている。ドレンパン８８は、クライオパネル収容部７６にキャスター９０と共締めされていてもよい。断熱スペーサ９２がドレンパン８８とクライオパネル収容部７６の間に挿入されていてもよい。なお、ドレンパン８８は、吸気口フランジ７２から懸架される等、他の方法でクライオポンプハウジング７０に取り付けられていてもよい。

吸水層８０、断熱層８２、及び／または吸水断熱シート８４は、冷凍機収容部７７に装着されている。吸水層８０、断熱層８２、及び／または吸水断熱シート８４は、クライオパネル収容部７６に装着されてもよい。こうして、実施の形態に係る結露抑制構造にドレンパン８８が併用されてもよい。

上記の説明においては横型のクライオポンプを例示したが、本発明は、縦型その他のクライオポンプにも適用可能である。なお、縦型のクライオポンプとは、冷凍機１６がクライオポンプ１０のクライオポンプ中心軸Ｃに沿って配設されているクライオポンプをいう。その場合、冷凍機収容部７７は、クライオパネル収容部７６の側面ではなく、ハウジング底面７６ａに設置されることになる。また、クライオパネルの配置や形状、数などクライオポンプの内部構成は、上述の特定の実施形態には限られない。種々の公知の構成を適宜採用することができる。

１０ クライオポンプ、 ７０ クライオポンプハウジング、 ８０ 吸水層、 ８２ 断熱層、 ８４ 吸水断熱シート。

Claims (4)

1. クライオポンプハウジングと、
   前記クライオポンプハウジングの外側に装着された吸水層と、を備え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ハウジングと前記吸水層の間に配置された断熱層をさらに備え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. 前記吸水層を外側に有し、前記断熱層を内側に有する吸水断熱シートを備え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. 前記断熱層の厚さは、前記吸水層の温度が前記クライオポンプの再生中に０℃より高い温度に維持されるように定められていることを特徴とする請求項２または３に記載のクライオポンプ。

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