JP2567369B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はクライオポンプに関し、
特に、ギフォードマクマホンサイクル型冷凍機を備えか
つ最大冷却効率の冷却サイクルを実行するように構成さ
れたクライオポンプにおいて、ディスプレーサの往復運
動に対する高圧側バルブ等の開タイミングを最適な位相
関係に設定して昇温効率の良好な昇温サイクルを実現
し、この昇温サイクルを再生に利用したクライオポンプ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ギフォードマクマホンサイクル型冷凍機
（以下ＧＭ型冷凍機という）を備えたクライオポンプで
は構造上再生が必要となる。この再生は、ポンプ容器内
でＧＭ冷凍機シリンダ上の冷却ステージに配置されたチ
ャコールパネルおよび凝縮パネル等に冷却過程で凝縮お
よび吸着されたガスに熱を加え昇温させることにより当
該ガスを液化および気化させてポンプ容器の外に放出す
ることである。

【０００３】再生時で使用される熱を供給する手段とし
て、従来、一般的に、常温のパージガス（主に窒素ガ
ス）をクライオポンプ内に導入していた。導入されたパ
ージガスの有する熱およびポンプ容器との熱伝達でガス
の昇温が行われる。

【０００４】またその他に、再生に要する時間を短縮す
るため、パージガス加熱機を付設してクライオポンプ内
に導入されるパージガスの温度を高めたり、ポンプ容器
の外部または内部にヒータを設けることにより昇温を行
うようにしていた。

【０００５】従来の上記熱供給手段は、いずれも、別の
ガスまたは装置を必要とし、付加した要素が冷却工程の
際に熱負荷になったり、外部コントローラユニット等の
特別な設備が必要であるという不具合があった。

【０００６】上記従来技術に対し、近年、新しい熱発生
手段が提案された。この熱発生手段は、冷凍機の冷却サ
イクルを反転させることによって昇温サイクルを実現
し、冷凍機自体を熱源として利用する手段である（特公
平４−１９５号）。この冷凍機では、クランク機構を介
してシリンダ内でディスプレーサを往復運動させるため
のモータを逆回転すると共に、弁体の動作タイミングを
冷却サイクルの場合の動作に比較して１８０°位相を異
ならせることにより、冷却サイクルの反転を行って昇温
サイクルを作り、熱発生手段として動作させている。こ
の熱発生手段は、特別な設備を必要とせず、冷却サイク
ルを反転させるだけでよいので、構成が簡単となり、極
めて便利である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＧＭ型冷凍機を備え、
ＧＭサイクルを利用して冷却サイクルを発生させると共
に、冷却サイクルを反転させて昇温サイクルを発生させ
るように構成されたクライオポンプを想定するとき、こ
のクライオポンプでは、冷却サイクルでは冷却効率を最
大にし、昇温サイクルでは昇温効率を最大にすることが
望ましい。冷却効率を最大にすることによって起動時間
を短縮し排気するガスの処理量を増すことができ、他
方、昇温効率を最大にすることによって再生に要する時
間を短縮できる。上記の場合、冷却サイクルにおける冷
却効率の最大化を達成する作動条件と、昇温サイクルに
おける昇温効率の最大化を達成する作動条件とは、それ
ぞれ別々のものであり、従ってそれぞれの効率の最大化
は独立して考察され、設定されるべきものである。

【０００８】ここで、図８（ａ）および図９を参照し
て、ＧＭ型冷凍機を備えたクライオポンプにおいて冷却
サイクルの冷却効率を最大にするという観点で、従来実
際に行われていた冷却サイクルについて、シリンダ内の
ディスプレーサとの位置関係を明らかにしながら説明す
る。

【０００９】図９は、ポンプ容器内に配置される冷凍機
のシリンダの内部構造と、高圧側バルブおよび低圧側バ
ルブを示す。図示された構造は、従来装置の基本的構造
である。円筒型シリンダ７１の中にスライド状態で往復
運動するディスプレーサ７２が配置される。ディスプレ
ーサ７２とシリンダ７１の間にはリング形状のシール部
材７３，７４が設けられる。シリンダ７１とディスプレ
ーサ７２の形状について、図中下部の径が小さくなって
いる。ディスプレーサ７２の内部には、例えば２つの蓄
冷器７５，７６が設けられる。蓄冷器７５，７６は基本
的にガスを通過させる構造を有し、その構造は既知であ
るので詳細な説明を省略する。ディスプレーサ７２の上
面部、中間部、下面部にはガスを通過させるための孔が
形成される。ディスプレーサの移動状態に応じて、孔を
通って、例えば破線７７のごとくガスが流れる。破線７
７で示されたガスの流れでは、流れが生じる可能性のあ
るすべての方向が矢印で示されている。実際には、図
中、上から下、または下から上へのいずれか一つの方向
の流れが、作動条件に応じて発生する。ディスプレーサ
７２の往復運動において、図９中シリンダ７１の上端に
移動したときが上死点の位置であり、下端に移動したと
きが下死点の位置である。

【００１０】ディスプレーサ７２の上面部には連結棒７
８が結合され、連結棒７８はシリンダ７１の外部に延
び、クランク機構（図示せず）を介してモータ（図示せ
ず）の回転駆動軸に結合される。連結棒７８とシリンダ
７１との間にはシール部材７９が設けられる。モータが
或る方向に回転すると、連結棒７８は、クランク機構の
作用でモータの回転に応じた往復運動８０を行う。従っ
て、連結棒７８に結合されたディスプレーサ７２も連動
してシリンダ７１内で往復運動を行う。ディスプレーサ
７２の往復運動によって、シリンダ７１内には、ディス
プレーサ７２で区画される２つの空間（区画室）Ｕ，Ｌ
が形成される。空間Ｕは、図９において上側の空間であ
り、空間Ｌは下側の空間である。なお空間Ｌについて
は、図示された例では２箇所の部分が形成される。

【００１１】シリンダ７１の上端部には低圧ガス室８１
との接続を可能にする低圧側バルブ８２と、高圧ガス室
８３との接続を可能にする高圧側バルブ８４が設けられ
る。低圧側バルブ８２の開閉動作は指令信号８５によっ
て制御され、高圧側バルブ８４の開閉動作は指令信号８
７によって制御される。

【００１２】図９中に示されるガスの流れ７７におい
て、ガスの流れる方向は、前述の通りその時の条件で決
まる一つの方向であり、その条件は、ディスプレーサ７
２の移動方向と、低圧側バルブ８２と高圧側バルブ８４
の開閉動作の状態とで与えられる。

【００１３】ＧＭ型冷凍機の基本的な冷却サイクルを説
明する。

【００１４】工程（１）：ディスプレーサ７２が上死点
に存在する時に低圧側バルブのみを開いて空間Ｌに溜ま
った高圧ガスを膨脹させ、寒冷を発生させる。この膨脹
によって空間Ｌの周囲（冷却ステージ）を冷却し、かつ
ガスの移動によって蓄冷器７５，７６を冷却する。

【００１５】工程（２）：往復運動が進行し、ディスプ
レーサ７２が下死点に存在する時に低圧側バルブを閉
じ、蓄冷器７５，７６には寒冷が蓄えられる。

【００１６】工程（３）：高圧側バルブ８４を開くと、
空間Ｕに高圧ガスが入り、併せてディスプレーサ７２が
上方に移動するので、高圧ガスはディスプレーサ７２を
通過する時に冷却され、空間Ｌに移動する。

【００１７】工程（４）：ディスプレーサ７２が上死点
に到達し、高圧側バルブが閉じられる。その結果空間Ｌ
に低温高圧ガスが充填される。

【００１８】工程（５）：次に低圧側バルブ８２が開か
れる。この工程は、実際は前述の工程（１）であり、こ
うして最初の工程（１）に戻る。

【００１９】上記のごとく、工程（１）〜（４）を繰り
返すことにより冷却が行われる。上記のサイクルが基本
的な冷却サイクルである。上記の基本的なＧＭ型冷却サ
イクルでは、ディスプレーサ７２が上死点位置にある時
に高圧側バルブ８４を閉じて低圧側バルブ８２を開き、
ディスプレーサ７２が下死点位置にある時に低圧側バル
ブ８２を閉じて高圧側バルブ８４を開くように、各バル
ブの開閉動作が制御される。従って、ディスプレーサ７
２が上死点または下死点に達したときが各バルブの開閉
タイミングとなり、ガスの流れの方向が逆転される。

【００２０】上記の基本的な冷却サイクルでは、工程
（２）において、高圧ガスの膨脹でガスが蓄冷器７５，
７６の中を上方に移動する時、ディスプレーサ７２は下
死点に向かって移動し蓄冷器中に高速に膨脹ガスが通る
ので、ディスプレーサ７２に対して膨脹ガスが大きな力
を与え、ディスプレーサを駆動するモータに大きな負荷
がかかるという不具合を有する。またガスと蓄冷器との
熱交換のための時間が十分にとれず、冷却の効率が悪く
なるという不具合を有する。

【００２１】そこで従来の実際のＧＭ型冷却サイクルで
は、上記不具合を改善するために、低圧側バルブ８２の
開タイミングを所要位相分αだけ前側にずらしている。
この状態を示した動作特性図が図８（ａ）である。図８
（ａ）で横軸は時間であり、縦軸はシリンダ７１でのデ
ィスプレーサ７２の位置を示す。特性Ｃ１はディスプレ
ーサ７２の往復運動を表現したものであり、８８は上死
点の位置に対応し、８９は下死点の位置に対応する。ま
たＡは低圧側バルブ８２が開いている状態を示し、Ｂは
高圧側バルブ８４が開いている状態を示す。図８の
（ａ）に示されるように低圧側バルブ８２の開時点９０
はディスプレーサ７２が上死点８８に到達する時よりも
位相αだけ前方にずらされている。この位相αは、０°
＜α≦９０°の範囲に存在する。このようにディスプレ
ーサ７２の上死点位置と低圧側バルブ８２の開時点をず
らすことにより、空間Ｌでの高圧ガスの膨脹によるガス
の移動方向（下から上）と、ディスプレーサ７２の往復
運動における移動方向（下から上）とが同じになるた
め、相対速度が小さくなり、ディスプレーサ７２の蓄冷
器７５，７６を通過の際にガスと蓄冷器との熱交換のた
めの時間が十分にとれ、またディスプレーサ７２を駆動
するモータへの負荷も軽減される。こうして冷凍機とし
ての冷却効率が良好になる。

【００２２】他方、冷凍機の冷却サイクルを反転して作
られる昇温サイクルについて当該昇温サイクルで昇温効
率を高くするためには、ディスプレーサ７２を、シリン
ダ７１内の上死点または適宜後側にずらして高圧側バル
ブ８４を開くことが必要となる。

【００２３】さて次に、前述した従来の実際のＧＭ型冷
却サイクルを配慮して、前述の特公平４−１９５号に開
示される熱発生手段を検討する。この文献に開示される
熱発生手段が実現される冷凍機では、「ディスプレーサ
（押のけ器）が上死点または下死点に達したときガスの
流れの方向が逆転される」ことが重要であると明記して
いる。すなわち当該文献で前提とするＧＭ型冷凍機は、
前述した基本的な冷却サイクルを実行する装置である。
それ故に、モータを逆回転すると共に弁体の動作タイミ
ングを冷却サイクルの場合の動作に比較して１８０°位
相を異ならせると、ディスプレーサ７２が上死点に到達
した時に高圧側バルブを開くことになるので、効率のよ
い昇温サイクルを作ることができる。

【００２４】しかしながら、前述の実際のＧＭ型冷却サ
イクルを実行する冷凍機では、モータを逆回転すると共
に、弁体の動作タイミングを冷却サイクルの場合の動作
に比較して１８０°位相を異ならせても、昇温効率のよ
い昇温サイクルを実現することができない。

【００２５】本発明の第１の目的は、上記の問題に鑑み
これを解決すべく、ディスプレーサが上死点に到達する
前の段階で低圧側バルブの開く時点が設定されたＧＭ型
冷却サイクルを実行しかつ冷却サイクルを反転して昇温
サイクルを作るように構成された冷凍機を備え、この昇
温サイクルを再生に利用するクライオポンプにおいて、
昇温効率がもっとも良好な昇温サイクルを作ることがで
きるクライオポンプを提供することにある。また本発明
の第２の目的は、上記問題を新しい観点から解決すべ
く、モータの正転状態においてディスプレーサが上死点
に到達する前の段階で低圧側バルブの開く時点が設定さ
れたＧＭ型冷却サイクルを実行するように構成された冷
凍機を備え、モータの正転を保持したまま冷却サイクル
を昇温効率がもっとも良好な昇温サイクルに変換し、こ
の昇温サイクルを再生に利用するクライオポンプを提供
することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るクライオポ
ンプは、次のように構成される。

【００２７】ポンプ容器と、このポンプ容器の内部空間
に配置されるシリンダと、ガス流路が形成された蓄冷器
を備えると共にシリンダ両端側に区画室を形成しながら
シリンダ内で往復運動を行えるように設けられたディス
プレーサと、シリンダの一方の区画室と低圧側ガス室と
の間のガス通路に設けられた低圧側バルブと、一方の区
画室と高圧ガス室との間のガス通路に設けられた高圧側
バルブと、ディスプレーサにクランク機構を介して往復
運動を行わせる正逆回転可能なモータと、低圧側バルブ
および高圧側バルブを適宜なタイミングで開閉する開閉
実行手段とを含むＧＭ型冷凍機を備え、モータの正転に
よるディスプレーサの往復運動と低圧側バルブおよび高
圧側バルブの開閉動作との関係に基づきシリンダ内に導
入されたガスを膨脹させることによって冷却サイクルを
作ると共に、モータを逆転させることにより冷却サイク
ルを反転して昇温サイクルを作り、この昇温サイクルを
用いて再生を行うように構成されたクライオポンプであ
り、さらに２つのガス流通孔が形成される固定されたロ
ータリバルブと、一方の面にクランク機構のクランク軸
と係合しモータが回転方向を反対にするとき空動作を行
わせる弧状溝が形成されかつ他の箇所にロータリバルブ
と関係して選択的に低圧側バルブまたは高圧側バルブと
しての開閉動作を行わせるための形状が形成され、回転
自在に取り付けられたロータリバルブディスクとを設
け、ロータリバルブとロータリバルブディスクで開閉実
行手段が形成され、前記の弧状溝は、冷却サイクルでデ
ィスプレーサが上死点に到達する前の時点で低圧側バル
ブの開動作が行われかつ昇温サイクルでディスプレーサ
が上死点またはその適宜後側の時点で高圧側バルブの開
動作が行われるように形成される。

【００２８】前記の構成において、好ましくは、弧状溝
が形成され角度は、２００°〜３６０°の範囲に属す
る。

【００２９】ポンプ容器と、このポンプ容器の内部空間
に配置されるシリンダと、ガス流路が形成された蓄冷器
を備えかつシリンダ両端側に区画室を形成しながらシリ
ンダ内で往復運動を行うディスプレーサと、シリンダの
一方の区画室と低圧側ガス室との間のガス通路に設けら
れた低圧側バルブと、一方の区画室と高圧ガス室との間
のガス通路に設けられた高圧側バルブと、ディスプレー
サにクランク機構を介して往復運動を行わせるモータ
と、低圧側バルブおよび高圧側バルブを適宜なタイミン
グで開閉する開閉実行手段とを含むＧＭ型冷凍機を備
え、モータの正転によるディスプレーサの往復運動と低
圧側バルブおよび高圧側バルブの開閉動作との関係に基
づきシリンダ内に導入されたガスを膨脹させることによ
って冷却サイクルを作るクライオポンプにおいて、モー
タが正転動作を保つ状態で、開閉実行手段は、ディスプ
レーサが上死点に到達する前の時点で低圧側バルブの開
動作を行うことで冷却サイクルを作る共に、ディスプレ
ーサが上死点またはその適宜後側の時点で高圧側バルブ
の開動作を行うことで再生用昇温サイクルを作るように
構成される。

【００３０】

【作用】本発明によるクライオポンプでは、ディスプレ
ーサが上死点に到達する前の段階で低圧側バルブを開く
ようにされた冷却サイクルを実施するＧＭ型冷凍機を備
え、かつこの冷却サイクルを反転して昇温サイクルを作
り、当該昇温サイクルを再生に利用する。昇温サイクル
を作るに当たって前記の冷却サイクルを単純に１８０°
反転しても、すなわち、ディスプレーサの往復運動に関
与するモータを逆転させかつバルブの開閉タイミングを
冷却サイクルの場合に比較して１８０°位相をずらせて
も、効率のよい昇温サイクルを得ることはできない。効
率のよい昇温サイクルを作るためには、ディスプレーサ
が上死点またはその適宜後側の時点に高圧側バルブを開
く必要がある。従って、ディスプレーサが上死点に到達
する前の段階で低圧側バルブを開くようにされた冷却サ
イクルを反転してもっとも効率的の高い昇温サイクルを
実現するため、１８０°よりも大きいもっとも望ましい
角度でバルブの開閉タイミングが調整される。特に、低
圧側バルブと高圧側バルブのバルブ機構を、ロータリバ
ルブとロータリバルブディスクからなる一体的なバルブ
機構として簡素に構成し、低圧側バルブの開閉タイミン
グと高圧側バルブの開閉タイミングとを、モータの回転
方向変更時に簡単に変更できるようにした。

【００３１】また本発明の他のクライオポンプでは、モ
ータが正転している時逆転させることなく当該正転を保
持したままの状態で、低圧側バルブおよび高圧側バルブ
を適宜なタイミングで開閉する開閉実行手段の機能に基
づき、ディスプレーサが上死点に到達する前の時点で低
圧側バルブの開動作を行うことで冷却サイクルを作る共
に、ディスプレーサが上死点またはその適宜後側の時点
で高圧側バルブの開動作を行うことで再生用昇温サイク
ルを作るようにし、必要に応じて選択的に冷却サイクル
と昇温サイクルとの間にてサイクル変換を行うことがで
きる。かかる開閉実行手段は、一般的に電子制御手段に
よって実現される。

【００３２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００３３】図１は本発明に係るクライオポンプに適用
されるＧＭ型冷凍機の内部構造を示し、図２は本発明に
係るクライオポンプの全体構成を示す。図１の冷凍機
は、図２に示した冷凍機において上下に位置関係を逆に
して示している。

【００３４】まずクライオポンプの全体構成を説明す
る。図２において１は処理チャンバ、２は処理チャンバ
１に取り付けられたクライオポンプである。クライオポ
ンプ２は、処理チャンバ１の内部空間と開口部を介して
通じるルーバ３、ポンプ容器４、ＧＭ型冷凍機５を備え
る。処理チャンバ１において、通常はルーバ３の開口部
に対応してゲートバルブ１ａが設けられる。ポンプ容器
４はリリーフバルブ６を有する。冷凍機５はポンプ容器
４に気密に取り付けられており、ポンプ容器４内に第１
冷凍ステージ７と第２冷凍ステージ８を備える。輻射シ
ールド９は第１冷凍ステージ７に接し、第２冷凍ステー
ジ８は輻射シールド９の内部に位置する。第２冷凍ステ
ージ８には、チャコールパネル１０と凝縮パネル１１が
取り付けられる。

【００３５】冷凍機５において、冷却工程を実施して断
熱膨脹を繰り返し寒冷を発生することにより、シリンダ
における第１冷凍ステージ７を３０〜１００Ｋ、第２冷
凍ステージを４〜２０Ｋの温度に冷却する。また凝縮パ
ネル１１は２０Ｋ以下に、ルーバ３は１００Ｋ以下に冷
却される。

【００３６】図１に従って本発明に係るＧＭ型冷凍機の
構成を説明する。図１において、図９で説明した要素と
実質的に同一の要素には同一の符号を付している。すな
わち７１はシリンダ、７２は、シリンダ７１内を往復運
動し上死点側および下死点側に区画室を形成するディス
プレーサ、７３，７４はリング状シール部材、７５，７
６は蓄冷器、７８は連結棒、７９はシール部材、８１は
低圧ガス室、８３は高圧ガス室である。

【００３７】図１に示された他の構成要素について説明
する。２１はディスプレーサ７２を往復運動させるため
のモータ、２１ａはモータ２１の駆動軸、２２はモータ
２１の正転および逆転の回転動作を制御する制御装置で
ある。また２３はモータ２１の回転動作を連結棒７８の
往復運動に変換するクランク機構、２４はクランク軸で
ある。クランク軸２４は、連結棒７８の軸受２５によっ
て回転自在に支持される。２６はクランクボックスで、
クランクボックス２６は気密に形成される。クランクボ
ックス２６は、前記の低圧ガス室８１に通じる構造を有
すると共に、ロータリバルブ２７とロータリバルブディ
スク２８からなるバルブ機構が設けられる。ロータリバ
ルブ２７は、クランクボックス２６に固定され、かつ図
５に示すように中心部の位置と中心部および外周部のほ
ぼ中間位置とに孔２７ａ，２７ｂが形成されている。図
１に示すように、孔２７ａには高圧ガス室８３に通じる
パイプ２９が接続され、孔２７ｂにはシリンダ７１の上
死点側の区画室（空間）に通じるパイプ３０が接続され
る。他方、ロータリバルブディスク２８は、支持枠３１
にベアリング３２を介して回転自在に取り付けられる。
ロータリバルブディスク２８においてクランク機構２３
側の面には、図３に示すような弧状溝３３が形成され
る。この弧状溝３３には前述のクランク軸２４の先端部
が係合している。またロータリバルブディスク２８にお
いてロータリバルブ２７側の面には、図４に示すような
長形の凹部２８ａが形成される。さらにロータリバルブ
ディスク２８には図４に示すようなほぼ弧状の孔２８ｂ
が形成される。

【００３８】上記ロータリバルブディスク２８はクラン
ク機構２３のクランク軸２４の回転動作に基づいて正転
または逆転され、固定されたロータリバルブ２７に対し
てロータリバルブディスク２８が回転することにより、
両者の相対的位置関係に基づき高圧側バルブの開閉機能
および低圧側バルブの開閉機能が実現される。図６に示
すように、ロータリバルブディスク２８が回転し、その
凹部２８ａがロータリバルブ２７の孔２７ａと孔２７ｂ
を接続する位置になると、破線３４に示すごとく高圧ガ
スが流れ、高圧ガス室８３からシリンダ７１に高圧ガス
が供給される。また同様にして、図７に示すように孔２
８ｂがロータリバルブ２７の孔２７ｂと一致する位置に
なると、破線３５に示すごとく低圧ガスが流れ、シリン
ダ７１からクランクボックス２６を通って低圧ガス室８
１へ低圧ガスが排出される。上記のごとく、ロータリバ
ルブ２７とロータリバルブディスク２８の位置関係に基
づき高圧側バルブおよび低圧側バルブとして動作する。

【００３９】ロータリバルブディスク２８は、モータ２
１の駆動軸２１ａの回転動作に連動するクランク機構２
３のクランク軸２４から力を受けて回転する。図３に示
すように、ロータリバルブディスク２８は、クランク軸
２４の先端部が弧状溝３３の一方の端部に当たって回転
する時に正転し、弧状溝３３の他方の端部に接触して回
転する時に逆転する。正転状態にあるロータリバルブデ
ィスク２８におけるクランク軸２４が逆転を始めると、
クランク軸２４の先端部が弧状溝３３の他方の端部に接
触するまでは、ロータリバルブディスク２８は回転せ
ず、クランク軸２４の先端部が弧状溝３３に沿ってその
中を移動することになる。この間、クランク機構２３を
介してディスプレーサ７２の往復運動を反転させるのみ
で、高圧側バルブおよび低圧側バルブの開閉状態はその
まま維持される。クランク軸２４の先端部が弧状溝３３
に沿ってその中を移動するとき、高圧側バルブおよび低
圧側バルブの開閉動作については空動作（何もしない状
態）が行われる。

【００４０】図３に示すように、弧状溝３３が形成され
る角度θは２００°≦θ＜３６０°の範囲である。従っ
て、正転状態にあるモータ２１が逆転を開始するとき、
シリンダ７１内を往復運動するディスプレーサ７２の動
作はすぐに反対動作を開始するが、ロータリバルブ２７
とロータリバルブディスク２８からなるバルブ機構の開
閉動作については、２００°≦θ＜３６０°の位相遅れ
θを伴って高圧側バルブおよび低圧側バルブの開閉動作
を再開する。

【００４１】上記構成を有するクライオポンプ２におい
てモータ２１を正回転すると、ＧＭ型冷凍機５は、ディ
スプレーサ７２の往復運動とバルブ機構の開閉動作の組
合わせに基づき断熱膨脹を繰り返して冷却サイクルを実
行する。この場合において、冷却サイクルは、ディスプ
レーサ７２が上死点に到達する前に低圧側バルブが開く
ようにされた前述の実際の冷却サイクルである。従っ
て、図３に示される位置関係でクランク軸２４によって
ロータリバルブディスク２８が正転するとき、ロータリ
バルブ２７との関係によって、図６または図７に示され
た関係が周期的に生じ、図８（ａ）で示すような実際の
冷却サイクルが実行される。次に、モータ２１を逆回転
させると、クランク機構２３を介してディスプレーサ７
２はその往復運動において反対方向に動き始める。しか
しながら、バルブ機構のロータリバルブプレート２８に
ついては、クランク軸２４の先端部が弧状溝３３の中を
他方の端部に向かって移動するだけで、停止した状態に
保持される。そしてクランク軸２４の先端部が弧状溝３
３の他方の端部に接触すると、ロータリバルブディスク
２８が逆回転を開始する。ロータリバルブディスク２８
が逆回転すると、ロータリバルブ２７との関係におい
て、高圧側バルブおよび低圧側バルブの開閉タイミング
と、ディスプレーサ７２の往復運動との間で、図８
（ｂ）に示すような関係が形成される。すなわち、ディ
スプレーサ７２が上死点８８に到達する時またはその適
宜後側で高圧側バルブが開く（図６の状態）という適切
な開閉タイミングが形成される。換言すれば、図８
（ａ）に示される実際の冷却サイクルを図８（ｂ）に示
されるような最適な昇温効率を達成する昇温サイクルに
変換するためには、弧状溝３３を２００°≦θ＜３６０
°の角度θで形成し、バルブ機構の開閉動作については
空動作を行わせて開閉タイミングを調整することが必要
となる。このようにして、モータ２１を逆回転させるこ
とにより、断熱圧縮を繰り返し、高い効率の昇温サイク
ルを作ることができる。そしてこの昇温サイクルを、ク
ライオポンプの再生に利用することができる。

【００４２】冷却工程において図８（ａ）に示した冷却
サイクルが行われている場合に、従来の冷凍機（特公平
４−１９５号）の構成（昇温サイクルでは冷却サイクル
に比較して開閉のタイミングを１８０°位相をずらした
場合）で得られる昇温サイクルによる再生と、本発明に
係る構成（昇温サイクルでは冷却サイクルに比較して開
閉のタイミングを約２００°〜３６０°位相をずらした
場合）で得られる昇温サイクルによる再生との差異を実
験的に検討した結果、従来装置では２９０Ｋまで温度上
昇させるのに６０分かかるのに対して、本発明による装
置では３０分で済む。この場合、従来装置、本装置のい
ずれもＮ₂ ガスを１０ l／min 流している。従って、本
発明に係るクライオポンプのＧＭ型冷凍機を用いれば、
最大の昇温効率の昇温サイクルを実現して、短時間で再
生を行うことができる。

【００４３】前記実施例では、低圧側バルブおよび高圧
側バルブを適宜なタイミングで開閉する開閉実行手段
を、モータ２１の正転・逆転動作と関連して作動するロ
ータリバルブ２７とロータリバルブディスク２８の組合
せ構成によって形成している。他の実施例として、低圧
側バルブおよび高圧側バルブを適宜なタイミングで開閉
する開閉実行手段を例えば電子制御手段で構成し、モー
タ２１を正転動作の状態に保持したままで、低圧側バル
ブの開閉動作および高圧側バルブの開閉動作を、前記実
施例で説明したタイミングと同様に設定することにより
モータ正転のままで冷却サイクルと昇温サイクルを作る
ようにしてもよい。この実施例の場合には、必要に応じ
て選択的に冷却サイクルまたは昇温サイクルを作ること
ができる。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、ＧＭ型冷凍機を備えたクライオポンプにおいて、
シリンダ内のディスプレーサが上死点に到達する前に低
圧側バルブが開くように構成され最大冷却効率の冷却サ
イクルを実行するものにおいて、当該冷却サイクルを反
転して昇温サイクルを実現する場合に、バルブ機構の開
閉タイミングを、冷却サイクルの場合の開閉タイミング
に比較して２００°≦θ＜３６０°の範囲でその位相を
ずらすようにしたため、ディスプレーサが上死点に到達
した時に高圧側バルブを開くことができ、最大昇温効率
の昇温サイクルを実現して再生を行うことができる。

【００４５】またバルブ機構をロータリバルブとロータ
リバルブプレートの組み合わせにより、低圧側バルブと
高圧側バルブを１つのバルブ機構で実現でき、構成が簡
素化される。

【００４６】低圧側バルブおよび高圧側バルブを開閉す
る開閉実行手段を電子制御手段で実現し、ディスプレー
サを往復運動させるモータを正転させたままで、冷却サ
イクルの低圧側バルブおよび高圧側バルブを開閉タイミ
ング、昇温サイクルの低圧側バルブおよび高圧側バルブ
を開閉タイミングをそれぞれ選択的に作ることができる
ようにしたため、冷却サイクル中に必要に応じて選択的
に昇温サイクルを発生させることができ、モータの逆転
動作が不要となるという意味で、より簡素に構成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るクライオポンプに適用されるＧＭ
型冷凍機の構成を示す断面図である。

【図２】クライオポンプの正面図である。

【図３】ロータリバルブプレートの正面図である。

【図４】ロータリバルブプレートの背面図である。

【図５】ロータリバルブの正面図である。

【図６】バルブ機構において高圧側バルブとして動作す
る機能部の開状態を示す部分断面図である。

【図７】バルブ機構において低圧側バルブとして動作す
る機能部の開状態を示す部分断面図である。

【図８】本発明の装置による冷却サイクルと昇温サイク
ルを示す動作特性図である。

【図９】一般的なＧＭ型冷凍機の構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 処理チャンバ ２ クライオポンプ ３ ルーバ ４ ポンプ容器 ５ ＧＭ型冷凍機 ７ 第１冷凍ステージ ８ 第２冷凍ステージ ２１ モータ ２３ クランク機構 ２４ クランク軸 ２６ クランクボックス ２７ ロータリバルブ ２８ ロータリバルブディスク ７１ シリンダ ７２ ディスプレーサ ７５，７６ 蓄冷器 ８１ 低圧ガス室 ８２ 高圧ガス室

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポンプ容器と、このポンプ容器の内部空
   間に配置されるシリンダと、ガス流路が形成された蓄冷
   器を備えかつシリンダ両端側に区画室を形成しながら前
   記シリンダ内で往復運動を行えるように設けられたディ
   スプレーサと、前記シリンダの一方の前記区画室と低圧
   側ガス室との間のガス通路に設けられた低圧側バルブ
   と、前記一方の区画室と高圧ガス室との間のガス通路に
   設けられた高圧側バルブと、前記ディスプレーサにクラ
   ンク機構を介して前記往復運動を行わせる正逆回転可能
   なモータと、前記低圧側バルブおよび前記高圧側バルブ
   を適宜なタイミングで開閉する開閉実行手段とを含むＧ
   Ｍ型冷凍機を備え、前記モータの正転による前記ディス
   プレーサの往復運動と前記低圧側バルブおよび前記高圧
   側バルブの開閉動作との関係に基づき前記シリンダ内に
   導入されたガスを膨脹させることによって冷却サイクル
   を作ると共に、前記モータを逆転させることにより前記
   冷却サイクルを反転して昇温サイクルを作り、この昇温
   サイクルを用いて再生を行うようにしたクライオポンプ
   において、 ２つのガス流通孔が形成される固定されたロータリバル
   ブと、一方の面に前記クランク機構のクランク軸と係合
   し前記モータが回転方向を反対にするとき空動作を行わ
   せる弧状溝が形成されかつ他の箇所に前記ロータリバル
   ブと関係して選択的に前記低圧側バルブまたは前記高圧
   側バルブとしての開閉動作を行わせるための形状が形成
   されると共に回転自在に取り付けられたロータリバルブ
   ディスクとを設け、前記ロータリバルブと前記ロータリ
   バルブディスクで前記開閉実行手段を形成し、 前記弧状溝は、前記冷却サイクルで前記ディスプレーサ
   が上死点に到達する前の時点で前記低圧側バルブの開動
   作が行われかつ前記昇温サイクルで前記ディスプレーサ
   が前記上死点または後側の時点で前記高圧側バルブの開
   動作が行われるように形成されることを特徴とするクラ
   イオポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のクライオポンプにおい
   て、前記弧状溝が形成される角度θは、２００°≦θ＜
   ３６０°であることを特徴とするクライオポンプ。
3. 【請求項３】 ポンプ容器と、このポンプ容器の内部空
   間に配置されるシリンダと、ガス流路が形成された蓄冷
   器を備えかつシリンダ両端側に区画室を形成しながら前
   記シリンダ内で往復運動を行うディスプレーサと、前記
   シリンダの一方の前記区画室と低圧側ガス室との間のガ
   ス通路に設けられた低圧側バルブと、前記一方の区画室
   と高圧ガス室との間のガス通路に設けられた高圧側バル
   ブと、前記ディスプレーサにクランク機構を介して前記
   往復運動を行わせるモータと、前記低圧側バルブおよび
   前記高圧側バルブを適宜なタイミングで開閉する開閉実
   行手段とを含むＧＭ型冷凍機を備え、前記モータの正転
   による前記ディスプレーサの往復運動と前記低圧側バル
   ブおよび前記高圧側バルブの開閉動作との関係に基づき
   前記シリンダ内に導入されたガスを膨脹させることによ
   って冷却サイクルを作るクライオポンプにおいて、 前記モータが正転動作を保つ状態で、前記開閉実行手段
   は、前記ディスプレーサが上死点に到達する前の時点で
   前記低圧側バルブの開動作を行うことで前記冷却サイク
   ルを作る共に、前記ディスプレーサが前記上死点または
   その後側の時点で前記高圧側バルブの開動作を行うこと
   で再生用昇温サイクルを作るように構成されることを特
   徴とするクライオポンプ。