JP3897820B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

技術分野：
本発明は、排気鐘にポンプを接続するためのフランジを有するケーシング内に配置されていて運転中に種々異なった温度に保たれるポンピング面を配備した形式のクライオポンプに関する。
背景技術：
高真空及び超高真空を発生させるためのクライオポンプは原則として、２段式冷凍ヘッドを有する２段式冷凍機で稼動される。該クライオポンプは、異種のガスを吸着するために定められた３つのポンプ面域を有している。第１のポンプ面域は、冷凍ヘッドの第１冷凍段と熱伝導良好に接触しており、かつ冷凍機の形式及び出力に応じて約８０Ｋの温度を有している。このポンプ面域には通常、輻射シールドとそらせ板が所属している。これらの構成部分は、比較的低温のポンピング面を、入射する輻射熱から防護する。更に前記構成部分は第１冷凍段のポンピング面を形成しており、かつクライオ凝縮によって、殊に水蒸気及び二酸化炭素のような比較的容易に凝縮可能なガスを吸着するために役立つ。
第２のポンピング面域は、冷凍ヘッドの第２冷凍段と熱伝導接触している。この第２冷凍段はポンプの運転中、約２０Ｋ以下の温度を有している。第２のポンピング面域は殊に、先ず比較的低温で凝縮可能な、窒素、アルゴンなどのようなガスをクライオ凝縮によって除去するため、並びに前記の凝縮可能な多数のガスの内、Ｈ₂又はＨｅのような比較的軽いガスをトラッピングするために使用される。第３のポンピング面域は、やはり冷凍機冷凍ヘッドの第２冷凍段の温度にあり（３つの冷凍段を備えた冷凍ヘッドの場合には、より低温）かつ吸着剤で被覆されている。これらのポンピング面では主として、水素ヘリウムなどのような比較的軽いガスのクライオソープションが行われる。
成膜技術においてスパッタリング処理時又はイオン注入（打込み）時にクライオポンプを使用する場合、高真空槽のサイズと所属のポンピング面とによって規定された水蒸気吸着能はもはや充分ではない。このような場合、付加的に必要とされる水蒸気吸着能は、プロセス室内に設置される別のポンピング面によって得られる。この付加的なポンピング面の冷却は、液体窒素（マイスナートラップ）やフレオンを用いて、或いはフレオン代用機械又は単段式冷凍機を用いて例えばギフォード−マクマホン原理に従って行なわれる。付加的に必要とされるポンピング面を液体窒素で冷却することは、比較的高い運転費を必然的に伴う。液体窒素の操作は面倒で経費が嵩む。フレオン式冷却器はサイズが大きく、コストも高くつく。フレオン代用物を用いることすらも、環境汚染の問題を考慮すれば、逡巡せざるを得ない。更にまた付加的な冷凍機を設置することは経費がかかり過ぎる。
発明の開示：
本発明の課題は、前記の欠点を甘受する必要なしに、明細書冒頭で述べた形式のクライオポンプに、水蒸気用の付加的なポンピング面を装備することである。
前記課題を解決するための本発明の構成手段は、水蒸気を吸着するために特定された別のポンピング面がクライオポンプのケーシングの外部に配備されており、前記別のポンピング面が、少なくとも１つの冷凍ブリッジを介して、冷凍ヘッドの第１冷凍段と連結している点にある。この構成手段によって、クライオポンプのポンピング面のため、及び付加的に設置された水蒸気吸着能を有するポンピング面のために、ただ１つの冷却機械しか、つまり既に現存するクライオポンプの冷凍機しか必要でなくなる。クライオポンプのケーシングの外部に配置された水蒸気用ポンピング面は、プロセス室内に直接配置されているのが有利であり、かつ該プロセス室の幾何学的形状に適合させることができる。別体の冷却機械又は冷凍源の必要は最早ない。
水蒸気用の付加的なポンピング面を最適の効率で稼動させ得るようにするために、該ポンピング面に、温度センサ及びヒータを装備するのが有利である。これによって付加的なポンピング面の温度を最適値に調整することが可能になる。
クライオポンプの冷凍機は、冷凍ヘッドの第１冷凍段の冷凍出力が、クライオポンプの輻射シールド及びそらせ板のみならず、付加的な水蒸気用ポンピング面も充分に冷却するように構成されていなければならない。この形式の冷凍機自体は公知である。しかし該冷凍機は、冷凍ヘッドの寸法も圧縮機の寸法も大きくはならない。第１冷凍段の冷凍出力が高められていることに基づいて、付加的なポンピング面のために分力された冷凍出力を接続・遮断できるように構成するのが、クライオポンプを最適に運転する上で有利である。
本発明のその他の利点及び細部は、図１乃至図６に図示した実施例についての以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
図１はプロセス室に接続されていて水蒸気吸着能を付加的に有するクライオポンプの概略的な構成図である。
図２は図１に示したクライオポンプに配備された高真空弁の概略断面図である。
図３、図４、図５及び図６は付加的な水蒸気ポンピング面用の種々異なった冷却ブリッジを備えたクライオポンプ部分の概略断面図である。
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
図示のクライオポンプ１の主構成部分は、入口ポート３を取り囲むフランジ４を装備しかつ第１と第２の冷凍段６，７から成る２段式の冷凍ヘッド５を内蔵したケーシング２から構成されている。前記冷凍ヘッド５の第１冷凍段６には輻射シールド８が結合されており、該輻射シールド自体は、入口領域に位置しているそらせ板９を支持している。冷凍ヘッド５の第２冷凍段７は前記輻射シールド８の内部に位置しかつ薄板断裁片を支持しており、該薄板断裁片は第２ポンピング面１２と第３ポンピング面１３を形成している。
２段式の冷凍ヘッド５は、ギフォード−マクマホン型冷凍機の構成要素であり、該冷凍機には、作動ガスつまり冷媒ガス（ヘリウム）用の圧縮機１４及び図示を省いた弁システム用の駆動モータ１５が所属している。符号１６は、ケーシング２に接続された前真空ポンプである。冷凍機の制御のために制御ユニット１７が使用され、該制御ユニットは圧力測定器２１，２２に接続すると共に、ケーシング２内で冷凍ヘッドの両冷凍段６，７及び／又はポンピング面１２，１３に配設された圧力センサ及び温度センサ（図示せず）に接続している。前記の圧力測定器、圧力センサ及び温度センサは、クライオポンプ１の運転及び再生を制御するために使用される。
クライオポンプ１は排気鐘２５に接続されており、該排気鐘の圧力は圧力測定器２１によって監視され、かつ排気鐘内において、高い水蒸気発生率で排気プロセスが行なわれる。水蒸気凝縮面を配備した付加的な冷凍機を省けるようにするために、クライオポンプ１自体が、排気鐘２５内で入口ポート３の近傍に配置された付加的なポンピング面２６を装備している。入口ポート３を包囲する熱伝導率の良好な金属（例えば銅）から成る円環状薄板２７が前記付加的なポンピング面２６を形成するのが有利であり、前記ポンピング面は、単数又は複数の冷凍ブリッジ２８を介して輻射シールド８と結合しているか、又は冷凍ヘッド５の第１冷凍段６と直結している。最適の稼動温度を調整するためにポンピング面２６は温度センサ３１とヒータ３２を装備し、前記温度センサ及びヒータは、部分的にしか図示しなかった導線を介して制御ユニット１７に接続している。
図１に示した実施例では、冷凍ブリッジ２８は金属バー又は金属ストラップ３３から成り、該金属バー又はストラップは、良好な熱伝導接触をもって分離可能に輻射シールド８に装着され、入口ポート３を貫通してポンピング面２６もしくは例えば円環状の薄板２７を支持している。
図２に示した実施例ではクライオポンプ１のフランジ４と排気鐘２５のフランジ３０との間に別個の高真空弁３５が配置されている。冷凍ブリッジ２８をクライオポンプ１の内室から排気鐘２５内へ導入できるようにするために、高真空弁３５のフランジは、該高真空弁３５の開口横断面の外側に熱的な貫通口３６を備えている。クライオポンプ１のフランジ４の内径と排気鐘２５のフランジ３０の内径は、前記フランジの高さレベルで冷凍ブリッジ２８が排気鐘２５内もしくはクライオポンプ１のケーシング２内に位置するような大きさに選ばれている。高真空弁３５がクライオポンプ１内に組み込まれている場合も、この形式の解決手段が有利である。
図３に示した実施例では、バー状又はストラップ状の冷凍ブリッジ２８もしくは３３は、冷凍ヘッド５の第１冷凍段６と直接に熱伝導接続されている。クライオポンプ１のフランジ４も排気鐘２５のフランジ３０も共に熱的な貫通口３６を備えている。ここで云う「熱的な貫通口」とは、冷凍ブリッジ２８をフランジ４及び３０に対して熱絶縁する貫通口を意味している。
既に述べたように、付加的なポンピング面２６に供給される冷媒は切換え可能であるのが有利である。この切換えのために、図３の左手に例示したような機械的なサーモスタット４１を使用することが可能である。冷凍ブリッジ２８はサーモスタット４１の部位で中断されており、かつ互いにオーバーラップする２つのオーバーラップ区分４２，４３を有している。少なくともオーバーラップ区分４３は可動に（撓曲可能、フレキシブル又は旋回可能に）構成されており、かつ電磁石式駆動装置４５の可動磁極子４４と連結している。可動磁極子４４はばね４６の作用を受けている。可動磁極子４４とばね４６は、管状のケーシング付設部４７内に配置されている。コイル４８は該ケーシング付設部４７を包囲している。電磁石式駆動装置４５の作動によって、付加的なポンピング面２６への冷媒供給を接続又は遮断することが可能である。ばね４６が引張りばねであるか圧縮ばねであるかに応じて、サーモスタット４１は無通電状態で開状態又は閉状態に保たれる。電磁石式駆動装置に代えて空圧式駆動装置を用いることも可能である。
図４にはサーモスタットの別の実施形態が図示されており、該サーモスタットがガスサーモスタット６１として構成されている。該ガスサーモスタット６１は、冷凍ブリッジ２８内に組込まれた、円筒ケーシング６３を有する中空室６２から成っている。円筒ケーシング６３の両端面は熱伝導率の良好な材料から成り、また円筒ケーシングの円筒部分は熱伝導率不良の材料から成っている。中空室６２は弁６４を介してガス貯蔵容器６５と接続している。前記中空室６２にガスが充填されている場合には、ガスサーモスタット６１は閉じられている。熱的接触を中断するためには弁６４の開弁によって接触ガスがガス貯蔵容器６５内へ導入される。これは、ガス貯蔵容器６５内に位置している吸収剤を介して行なわれ、該吸収剤は冷凍ヘッド５の第１冷凍段６の温度に冷却される。図示を省いたヒータによってガスはガス貯蔵容器６５から再び駆出される。
図５及び図６に示した実施例では、付加的なポンピング面２６は熱交換器５１を装備し、運転中、該熱交換器を冷たいガスが通流している。ガスとしては、冷凍ヘッド５の第１冷凍段６からの冷たい冷媒ガス（ヘリウム）を使用することが可能である。従って冷凍ブリッジ２８は、前記熱交換器５１を冷凍ヘッド５の第１冷凍段６と連結する管路５２，５３として構成されている。冷媒供給を接続かつ／又は調節できるようにするために前記管路５２，５３は弁５４，５５を装備している。冷媒の戻し手段の図示は省いた。
図５に示した実施例では管路５２はフランジ４，３０を貫通している。略示したねじ継手５６は、排気鐘２５内に位置してポンピング面２６を、クライオポンプ１のその他の構成部分から分離することを可能にする。
図６に示した実施形態は、フランジ４，３０を迂回するバイパス５７を有している。この解決手段は、図２に示したクライオポンプ１の場合のように高真空弁３５を設けた場合に有利である。前記バイパス５７は、クライオポンプ１のケーシング２に設けた接続管片５８と、排気鐘２５に設けた接続管片５９とから成っている。両接続管片５８，５９はフランジ継手６６によって互いに着脱可能に締結されている。管路５３はそのねじ継手６７と共にバイパス５７を通されている。バイパス５７の内部空間は真空下にあるので、冷凍ヘッド５の第１冷凍段６は、熱損失のリスク無しに熱交換器５１と結合することができる。
図６に示した解決手段の変化態様として、バイパス５７に代えてフォーム断熱材を設けることも可能であり、従ってフォームによって断熱された弁に自由にアプローチすることが可能である。この解決手段の場合は、ヘリウム用の管路５２，５３のために２つの細い貫通路を必要とするにすぎない。

Claims (20)

1. 排気鐘（２５）にポンプ（１）を接続するためのフランジ（４）を有するケーシング（２）内に配置されていて、運転中に種々異なった温度に保持されるポンピング面（８，９，１２，１３）を備えた形式のクライオポンプ（１）において、容易に凝縮可能なガスを吸着するために特定された別のポンピング面（２６）がクライオポンプのケーシング（２）の外部に配備されており、前記別のポンピング面（２６）が、少なくとも１つの冷凍ブリッジ（２８）を介して、少なくとも２段式冷凍機の冷凍ヘッド（５）の第１冷凍段（６）と連結していることを特徴とする、クライオポンプ。
2. 別のポンピング面（２６）が排気鐘（２５）の内部に配置されている、請求項１記載のクライオポンプ。
3. ポンピング面（２６）が、クライオポンプ（１）の入口ポート（３）を囲む薄板（２７）によって形成されている、請求項２記載のクライオポンプ。
4. ポンピング面（２６）が、温度センサ（３１）及び／又はヒータ（３２）を装備している、請求項１から３までのいずれか１項記載のクライオポンプ。
5. 冷凍ブリッジ（２８）が、クライオポンプ（１）のフランジ（４）及び排気鐘（２５）のフランジ（３０）の内部を貫通して導かれている、請求項１から４までのいずれか１項記載のクライオポンプ。
6. 冷凍ブリッジ（２８）が、フランジ縁部内に位置する熱的な貫通口（３６）を貫通して導かれている、請求項１から４までのいずれか１項記載のクライオポンプ。
7. 高真空弁（３５）が設けられており、かつ冷凍ブリッジ（２８）が高真空弁（３５）のフランジ縁部を貫通して導かれている、請求項１から４までのいずれか１項記載のクライオポンプ。
8. 冷凍ブリッジが、フランジ（４，３０）を迂回するバイパス（５７）を貫通して導かれている、請求項１から４までのいずれか１項記載のクライオポンプ。
9. バイパス（５７）が、クライオポンプ（１）と排気鐘（２５）とに配置された２本の接続管片（５８，５９）によって形成され、両接続管片がフランジ継手（６６）を介して互いに連結可能である、請求項８記載のクライオポンプ。
10. 冷凍ブリッジ（２８）が、熱伝導率の良好な材料で製作された複数本のバー又はストラップ（３３）から成っており、前記バー又はストラップが付加的なポンピング面（２６）を、冷凍ヘッド（５）の第１冷凍段（６）のポンピング面（８）と結合しているか又は前記冷凍ヘッド（５）の第１冷凍段（６）と直結している、請求項１から９までのいずれか１項記載のクライオポンプ。
11. 冷凍ブリッジ（２８，３３）が機械的なサーモスタット（４１）を装備している、請求項１０記載のクライオポンプ。
12. 冷凍ブリッジ（３３）が、互いにオーバーラップする２つのオーバーラップ区分（４２，４３）を有しており、両オーバーラップ区分の内、少なくとも一方のオーバーラップ区分が可動に構成されている、請求項１１記載のクライオポンプ。
13. 可動のオーバーラップ区分（４３）が、電磁石式駆動装置（４５）又は空圧式駆動装置と連結している、請求項１２記載のクライオポンプ。
14. 電磁石式駆動装置（４５）が可動磁極子（４４）とコイル（４８）から成り、かつ前記可動磁極子（４４）が、管状のケーシング付設部（４７）の内部に位置している、請求項１３記載のクライオポンプ。
15. 冷凍ブリッジ（２８，３３）がガスサーモスタット（６１）を装備している、請求項１０記載のクライオポンプ。
16. 付加的なポンピング面（２６）が熱交換器（５１）を装備し、かつ冷凍ブリッジ（２８）が冷媒用の管路（５２，５３）として構成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のクライオポンプ。
17. 冷凍ヘッド（５）の第１冷凍段（６）が管路（５２，５３）を介して熱交換器（５１）と連通しており、かつ冷媒として、冷凍ヘッド（５）の第１冷凍段（６）の冷たい作動ガスが使用される、請求項１６記載のクライオポンプ。
18. 管路（５２，５３）が弁（５４，５５）を配備している、請求項１６又は１７記載のクライオポンプ。
19. 管路（５２，５３）の一部分がフランジ（４，３０）の外部を導かれている、請求項１６から１８までのいずれか１項記載のクライオポンプ。
20. フランジ（４，３０）の外部を導かれている管路部分が、排気可能なバイパス（５７）を介して、又はフォーム材を介して熱絶縁されている、請求項１９記載のクライオポンプ。

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