JP4228840B2 - コールドトラップおよび真空排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、コールドトラップ、および、このコールドトラップとターボ分子ポンプとを併用した真空排気装置に関する。

真空チャンバ内を排気する真空排気装置の一例としてターボ分子ポンプがある。このターボ分子ポンプは、排出しようとする気体分子の分子量（分子の大きさ）により排気性能が異なる。特に分子量が小さい水蒸気の排気が困難であり、例えば、ターボ分子ポンプにより真空チャンバ内の気体を排気し、１０^−６Ｐａ〜１０^−１２Ｐａ程度まで排気した場合、真空チャンバ内における残留ガスは、その大部分が水蒸気である。このような水蒸気が真空チャンバ内に残留すると、真空度および真空環境に悪影響を及ぼす。

そこでターボ分子ポンプの上流（一般には真空チャンバとターボ分子ポンプとの間）にコールドトラップが設けられる。
このコールドトラップは、極低温に冷却された面（以下、コールドパネルという）と接するようにガスを通過させ、このような通過するガスに含まれる水蒸気を冷却して氷に凍結して捕集する装置であり、真空チャンバ内に水蒸気の少ない真空環境を得ることができる。
コールドトラップの水蒸気除去により、ターボ分子ポンプに水蒸気をあらかじめ取り除いたガスを流入させて、真空チャンバの排気速度を向上させることができる。また、コールドトラップは冷却温度を適宜設定することにより、他のガス（例えば、Bｒ_２，ＮＨ_３，Ｃｌ_２，ＣＯ_２等）も凍結捕集することができる。

なお、本来は固体（氷）から気体（水蒸気）への変化、および、気体（水蒸気）から固体（氷）への変化をともに昇華というが、混乱を招きやすいことに鑑み、本明細書中では特に気体（水蒸気）から固体（氷）への変化を凍結といい、固体（氷）から気体（水蒸気）への変化を昇華と呼んで区別する。

さて、このようなコールドトラップには各種の従来技術がある。他の従来技術として、例えば、特許文献１（コールドトラップおよび真空排気装置）に記載された発明が知られている。
特許文献１には、GM方式（ギフォード・マクマホン方式）のヘリウム冷凍機を利用するコールドトラップについて記載されている。

特開平１１−２９４３３０号公報 （段落番号００３２〜００４９，図１〜図３）

しかしながら、上記従来技術のコールドトラップには以下のような課題がある。
ほぼ常温であるケーシングおよび真空チャンバが、低温のコールドパネルの周りを覆うという機械的構造のため、ケーシングおよび真空チャンバの内壁面から放射される熱がコールドパネルへ侵入するという問題があった。

このようなケーシングおよび真空チャンバから放射される熱の影響を排除するため、現状では、コールドパネルへの熱侵入量を考慮して冷凍能力を決定している。
ガスを吸着するために冷凍出力が熱侵入分より一桁小さい冷凍能力であることを考慮すると、例えば、６インチクラスのコールドトラップの場合では、約３Wの熱がコールドトラップへ侵入する。小型の冷凍機の７０Ｋ冷凍における消費電力は冷凍能力１Wあたり約４０Wであるため、熱侵入分の消費電力は約１２０Ｗと大きい。

この発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、コールドパネルへの熱侵入を抑止することで熱侵入分の消費電力を小さくし、ランニングコストを低減するようなコールドトラップ、および、このような利点を持つコールドトラップにターボ分子ポンプを併用した真空排気装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係るコールドトラップは、
ケーシングと、
ケーシング内空間に設置されるシールド部と、
シールド部内空間に設置されるコールドパネルと、
圧縮機、および、冷却端を含む膨張機を有し、少なくともケーシングの内部でこの冷却端がコールドパネルに熱的に接続されて配置される冷凍機と、
を備え、
前記シールド部は、両円錐台形状であって、シールド部の開口部をケーシングの開口部と対向するように形成することを特徴とする。

この構成によれば、ケーシングとコールドパネルとの間に熱的に絶縁したシールド部が介在するため、シールド部はケーシングの温度とコールドパネルの温度とのほぼ中間の温度となる。放射による侵入熱量は、対向する面の温度の４乗の差に比例するので、ケーシングの内周壁面からコールドパネル表面への放射による侵入熱量を小さくすることができる。

そして、ケーシングの内周壁面からの放射熱は、シールド部の開口部と通過してコールドパネルへ到達するため、開口部の開口面積は狭いほうが望ましい。また、ガスの流れ方向に対してシールド面が斜め方向に面すると、排気速度の低下を極力抑止することが可能である。
そこで、両円錐台形状（そろばんの玉の形状であって中空状の形状）として両円錐台形の狭い面に開口部を設けることで開口面積を小さくするとともにガスが流れやすいようにした。さらに、シールド部の開口部をケーシングの開口部と対向する（好ましくはシールド部の開口部の開口面と、ケーシングの開口部の開口面とは略平行とする。）ようにしてケーシングとコールドパネルが直接向き合う面を極力減らした。

また、本発明の請求項２に係るコールドトラップは、
請求項１記載のコールドトラップにおいて、
前記シールド部の円錐台形の底面と斜辺のなす角は３０°以上９０°未満であることを特徴とする。

開口面積を狭くするにつれて斜面の角度が小さくなって（斜辺が円錐台形の底面つまり水平に近づいて）排気速度が低下し、また、開口面積が広くなるにつれて斜面の角度が大きくなって（斜辺が円錐台形の底面に対して垂直となって）排気速度の低下はないが侵入熱量が大きくなるため、角度を考慮する必要があるが上記角度の範囲内であれば排気速度を所定範囲内に維持できることを知見した。

また、本発明の請求項３に係るコールドトラップは、
請求項１または請求項２に記載のコールドトラップにおいて、
前記シールド部は、複数層にわたり形成されることを特徴とする。

この構成によれば、ケーシングとコールドパネルとの間に熱的に絶縁した複数のシールドを配置してなるシールド部が介在するため、複数のシールドが、ケーシングの温度とコールドパネルの温度とのそれぞれ中間の温度となる。放射による侵入熱量は、対向する面の温度の４乗の差に比例するので、ケーシングの内周壁面からコールドパネル表面への熱侵入を抑止する効果を高めることが可能となる。

また、本発明の請求項４に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記シールド部は、熱伝導率が大きい銅または銅合金とすることを特徴とする。

この構成によれば、それぞれのシールド部の温度の均一性を高めることができる。放射による侵入熱量は、対向する面の温度の４乗の差に比例するので、ケーシングの内周壁面からコールドパネル表面への熱侵入を抑止する効果を高めることが可能となる。

また、本発明の請求項５に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記シールド部の外表面を放射率の小さな光沢面とすることを特徴とする。

シールド部の外表面を熱放射率の小さな光沢面としてケーシングから侵入する熱量、また、コールドパネルへ放射する熱量を低減できる。

また、本発明の請求項６に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記コールドパネルは、低温域における熱伝導率が大きい純チタンを材料とすることを特徴とする。

この構成によれば、熱伝導率が大きいコールドパネルは、温度の変化に素早く追従してコールドパネル全体の表面温度分布を、通常用いられるステンレス材に比較して、均一にすることができるため、氷を捕集するコールドパネルの有効表面積を大きくすることができる。

また、本発明の請求項７に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記コールドパネルは、低温域における熱伝導率が大きい銅または銅合金を材料とすることを特徴とする。

この構成によれば、純チタン同様にコールドパネル全体の表面温度分布を通常用いられるステンレス材に比べて均一にすることができるため、コールドパネルの有効表面積を大きくすることができる。

また、本発明の請求項８に係るコールドトラップは、
請求項７に記載のコールドトラップにおいて、
前記コールドパネルは、その表面に耐食性を向上させる保護層を形成したことを特徴とする。

銅または銅合金にガスが接触しないような保護層を形成することで銅または銅合金の表面の腐食を防止することができる。

また、本発明の請求項９に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記コールドパネルの水分子を凍結捕集するトラップ面の表面積を大きくすることを特徴とする。

この構成によれば、コールドパネルのトラップ面として、例えば、なし地状の面、突起体による凹凸面を採用することでガスを吸着できる表面積を大きくすることができる。

また、本発明の請求項１０に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記膨張機は、パルスチューブ膨張機であることを特徴とする。

この構成によれば、パルスチューブ冷凍機の膨張機（以下、単にパルスチューブ膨張機という）には、ＧＭ式の冷凍機のように非金属の摺動材などの可動部がなく、全て金属製とすることができるため、再生処理時の加熱温度を、可動部のあるＧＭ冷凍機に比べて大幅に高く設定することができるとともにヒートショックに対する信頼性も向上させることができる。換言すれば冷凍機がパルスチューブ冷凍機であるということでもある。

また、本発明の請求項１１に係るコールドトラップは、
請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
前記コールドパネルを加熱する加熱手段と、
前記コールドパネルの温度を計測する温度計測手段と、
加熱手段、冷凍機および温度計測手段が接続される温度制御手段と、
を備え、
この温度制御手段は、温度計測手段が計測したコールドパネルの温度に基づき、コールドパネルの温度を所定温度とするように冷凍機または加熱手段を制御することを特徴とする。

この構成によれば、コールドパネルの表面温度（トラップ面）を吸着・再生に最適な任意の温度とするため、冷凍機または加熱手段を温度制御することで実現できる。

また、本発明の請求項１２に係るコールドトラップは、
請求項１１記載のコールドトラップにおいて、
前記加熱手段は、コールドパネルに内蔵されることを特徴とする。

この構成によれば、コールドパネルを均一に素早く加熱できるとともにヒータ等の構成部材からのアウトガスを真空チャンバ内に放出することがない。

また、本発明の請求項１３に係る真空排気装置は、
水分子を凍結捕集した残りのガスを流出させる請求項１〜請求項１２の何れか一項に記載のコールドトラップと、
コールドトラップから流出したガスを排気するターボ分子ポンプと、
を備えることを特徴とする。

この構成によれば、ガス吸着時は冷凍機の入力及び出力をコールドパネルの負荷に応じて変化させることができ、再生時は冷凍機を停止して加熱手段で高温まで均一に加熱することができるので、ターボ分子ポンプと併用して稼働率が高く、ランニングコストの低い真空排気装置を提供することができる。

以上のような本発明によれば、コールドパネルへの熱侵入を抑止することで熱侵入分の消費電力を小さくし、ランニングコストを低減するようなコールドトラップ、および、このような利点を持つコールドトラップにターボ分子ポンプを併用した真空排気装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、請求項１〜請求項１０の発明に係る第１形態について説明する。図１は本形態のコールドトラップ１００の構成図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。図２はコールドトラップ１００の断面斜視図である。図３はシールド部による熱遮断原理の説明図である。

本形態のコールドトラップ１００は、図１に示すように、ケーシング１１、コールドパネル１２、シールド部１３、パルスチューブ冷凍機１４、支持部１５を備えている。
ケーシング１１は、胴部１１ａ、フランジ１１ｂを備えている。
コールドパネル１２は、上側パネル１２ａ、下側パネル１２ｂ、上側支持部１２ｃ、下側支持部１２ｄを備えている。
シールド部１３は、外周下側シールド１３ａ、外周上側シールド１３ｂ、内周下側シールド１３ｃ、内周上側シールド１３ｄを備えている。
パルスチューブ冷凍機１４は、冷却端１４ａ、本体１４ｂを備えている。
支持部１５は、上側支持部１５ａ、下側支持部１５ｂを備えている。

ケーシング１１について、胴部１１ａは円筒状であって、フランジ１１ｂはこの胴部１１ａの上下の開口部の周縁に連接して形成されている。このケーシング１１の胴部１１ａの中にケーシング内空間が形成されている。また、ケーシング１１の胴部１１ａの内周壁面を放射率の小さな鏡面（光沢面）とし、ケーシング１１からシールド部１３へ放射する熱量を低減できる。

パルスチューブ冷凍機１４は、本発明の冷凍機の具体例であり、冷却端１４ａ、膨張機１４ｂ、圧縮機１４ｃを備えている。パルスチューブ冷凍機１４は、ヘリウムガスを冷媒としたクローズドタイプの冷凍機であり、膨張機１４ｂおよび圧縮機１４ｃのスターリングサイクルにより、膨張機の一部である冷却端１４ａが冷却されるように構成されている。通常のスターリング型冷凍機では膨張機がピストンとシリンダとにより機械的に構成されるが、パルスチューブ冷凍機１４では機械的な可動部がなく、パルスチューブ（図示せず）内のガス（ガスピストン）がその役割を担っている。
パルスチューブ冷凍機１４は、ケーシング１１の胴部１１ａの外側面に膨張機１４ｂが取り付けられ、また、ケーシング１１の胴部１１ａの内部に冷却端１４ａが配置されるように取り付けられる。

また、コールドパネル１２について、上側パネル１２ａは上方向に先細るように略円錐台形状に形成され、図１（ａ），（ｂ），図２で示すように、一カ所（図１（ａ），（ｂ）では右側）に切れ込みが入っており、切れ込み端部の二カ所に上側支持部１２ｃが連接して形成されている。また、内部は中空であって上下側で開口部が形成されている。
同様に下側パネル１２ｂは下方向に先細るように略円錐台形状に形成され、図１（ａ），（ｂ），図２で示すように、一カ所（図１（ａ），（ｂ）では右側）に切れ込みが入っており、切れ込み端部の二カ所に下側支持部１２ｄが連接して形成されている。また、内部は中空であって上下側で開口部が形成されている。これにより、コールドパネル１２は概略両円錐台形状となる。

これら上側支持部１２ｃおよび下側支持部１２ｄは、パルスチューブ冷凍機１４の冷却端１４ａに機械的に固定されている。この接触箇所は面接触として、熱伝導率を大きく（熱抵抗を小さくする）ように配慮されている。
また、このコールドパネル１２の上側パネル１２ａ、下側パネル１２ｂ、上側支持部１２ｃ、下側支持部１２ｄは、７０Ｋ（−２０３℃）程度の極低温域における熱伝導率が大きい銅または銅合金を材料としている。これら構成により、冷却端１４ａが低温になったとき、冷却端１４ａの熱が直ちにコールドパネル１２に熱伝導されて短時間でコールドパネル１２全体が冷却端１４ａと同じ温度となる。この場合、コールドパネル１２全体の表面温度分布が均一な状態となり、通常用いられる熱伝導率が小さいステンレス材のように不均一な温度分布とならないため、コールドパネル１２の有効表面積を大きくすることができ、コールドパネル１２の全面で水分子を捕集できる。
このようにコールドパネル１２は、パルスチューブ冷凍機１４の冷却端１４ａに熱的に接続されており、上側支持部１２ｃを介して上側パネル１２ａが、また、下側支持部１２ｄを介して下側パネル１２ｂが、パルスチューブ冷凍機１４により冷却される。

さらにコールドパネル１２は、その表面に耐食性を向上させる保護層（具体的にはニッケルメッキ層）を形成し、ガスが銅・銅合金と接触しないようにしている。これにより、腐食（つまり酸化）しやすい銅または銅合金に対して、耐食性を向上させてガス（特に水蒸気）により緑青等が生じないように配慮している。銅または銅合金の熱伝導性とニッケルの耐腐食性により、コールドトラップ１００特有の用途（水分子の凍結捕集）に適したものとしている。
なお、７０Ｋ（−２０３℃）程度の極低温域の熱伝導性と耐腐食性とが共に良好である純チタンを材料としてコールドパネル１２を形成しても同様の効果を得ることができるが、コスト等を勘案すると上記の銅・銅合金にニッケルメッキ処理を施したコールドパネル１２とすることが望ましい。

また、コールドパネル１２の水分子を凍結捕集するトラップ面の表面積を大きくしている。例えば、コールドパネルのトラップ面として、例えば、例えばブラスト加工やピーニング加工によりなし地状の面を採用することでガスを吸着できる表面積を大きくすることができる。なお、表面積を拡大できれば良く突起体を多数形成した凹凸面としてもよい。

続いてシールド部１３について説明する。シールド部１３において、この外周下側シールド１３ａ・内周下側シールド１３ｃは下方向に先細るように略円錐台形状に形成され、図１（ａ），（ｂ），図２で示すように、一カ所（図１（ａ），（ｂ）では右側）に切れ込みが入っており、内部は中空であって上下で開口部が形成されている。この外周下側シールド１３ａ・内周下側シールド１３ｃの複数箇所（例えば図１（ａ）の上側支持部１５ａと同様に３カ所）で、支持部１５の下側支持部１５ｂに点接触で固定されている。この下側支持部１５ｂはケーシング１１の胴部１１ａに機械的に固定されており、下側支持部１５ｂは熱伝導率の小さい材料で形成されている。これにより、胴部１１ａから下側指示部１５ｂを介して外周下側シールド１３ａ・内周下側シールド１３ｃへは熱が伝わりにくくしている。

また、同様に外周上側シールド１３ｂ・内周上側シールド１３ｄは上方向に先細るように略円錐台形状に形成され、図１（ａ），（ｂ），図２で示すように、一カ所（図１（ａ），（ｂ）では右側）に切れ込みが入っており、内部は中空であって上下側で開口部が形成されている。この外周上側シールド１３ｂ・内周上側シールド１３ｄの複数箇所（例えば図１（ａ）のように３カ所）で、支持部１５の上側支持部１５ａに点接触で固定されている。この上側支持部１５ａはケーシング１１の胴部１１ａに機械的に固定されており、上側支持部１５ａは熱伝導率の小さい材料で形成されている。これにより、胴部１１ａから上側指示部１５ａを介して外周上側シールド１３ｂ・内周上側シールド１３ｄへは熱が伝わりにくくしている。
このようなシールド部１３は概略両円錐台形状となり、シールド部１２の内部にシールド部内空間が形成されている。このシールド部内空間にコールドパネル１２が配置されている。

このように、シールド部１３がコールドパネル１２を覆って、ケーシング１１からコールドパネル１２を遮蔽することによりコールドパネル１２の冷凍効率を向上させることができる。
例えば、図３（ａ）のようにケーシング１１とコールドパネル１２との間にシールド部がない場合、外部温度に近いケーシング１１（例えば３００Ｋ）の熱がコールドパネル１２へ熱放射されることとなるが、図３（ｂ）のように１枚のシールドによるシールド部１３があることにより、シールド部１３はケーシング１１からの常温域の放射熱と、コールドパネル１２からの低温域の放射熱とを受け、シールド部１３はケーシング１１の温度（例えば３００Ｋ）とコールドパネル１２（例えば１００Ｋ）の温度との中間の温度（２００Ｋ）となり、シールド部１３からコールドパネル１１への放射熱はこの中間温度（２００Ｋ）の熱となる。つまりケーシング１１の胴部１１ａの内周壁面からコールドパネル１２表面への放射熱は両側の熱の総和の約１／２とすることができ、熱侵入を抑止することが可能となる。

また、図３（ｃ）に示すように、ケーシング１１とコールドパネル１２との間に２枚のシールドによるシールド部１３が介在するならば、ケーシング１１の胴部１１ａの内周壁面からコールドパネル１２表面への放射熱は、ｎをシールド枚数とすると約１／（ｎ＋１）とすることができ、熱侵入を抑止することが可能となる。
このようにシールド部１３は複数層のシールドにより形成することが好ましい。

また、ケーシング１１の胴部１１ａの内周壁面からの放射熱は、シールド部１３の開口部を通過してコールドパネル１２へ到達するため、開口部の開口面積は狭いほうが望ましい。
円錐台形の狭い面に開口部を設けることで開口面積を小さくすることができる。また、ガスの流れ方向に対してシールド面が斜め方向に面するため、排気速度の低下を極力抑止することが可能である。

これら外周下側シールド１３ａ・内周下側シールド１３ｃ・外周上側シールド１３ｂ・内周上側シールド１３ｄの円錐台形の底面と斜辺のなす角θ（図１（ｂ）では内周上側シールド１３ｄの角度θのみ図示し他は省略する。）では３０°〜９０°である。
排気速度の低下が所定範囲内で開口面積を狭くしていったとき上記角度が条件を満たすことを知見した。

また、外周下側シールド１３ａ・内周下側シールド１３ｃ・外周上側シールド１３ｂ・内周上側シールド１３ｄの開口部は円形であり、これらシールド部１３の各開口部をケーシング１１の開口部と対向するように形成する。
例えば、開口面が胴部１１ａの内周壁面に対向すると考えると胴部１１ａから開口面を経て熱放射がコールドパネル１２に到達することから考えて、逆に上記のような構成とすれば、ケーシング１１からコールドパネル１２の視野が狭くなる、つまりケーシング１１とコールドパネル１２との間に最も多くシールド部１３が介在できて遮蔽能力を高めており、ケーシング１１の胴部１１ａの内周壁面からの放射熱がコールドパネル１２へ到達しないようにする。

また、コールドパネル１２の開口部はこれらシールド部１３の各開口部よりも中側に位置するようになされている。
例えば、コールドパネル１２がシールド部１３の開口部から突き出るような場合、胴部１１ａから熱放射がコールドパネル１２に到達することから考えて、逆に上記のような構成とすれば、ケーシング１１からコールドパネル１２の視野が狭くなる、つまりケーシング１１とコールドパネル１２との間に最も多くシールド部１３が介在できて遮蔽能力を高めており、ケーシング１１の胴部１１ａの内周壁面からの放射熱がコールドパネル１２へ到達しないようにする。

また、シールド部１３は、熱伝導率が大きい銅または銅合金を材料としている。この構成によれば、放射による侵入熱量は、対向する面の温度の４乗の差に比例するので、それぞれのシールド部の温度の均一性を高めることができる。
さらにシールド部１３は、その表面に耐食性を向上させる保護層（具体的にはニッケルメッキ層）を形成し、ガスが銅・銅合金と接触しないようにし、耐食性を向上させてガス（特に水蒸気）により緑青等が生じないように配慮しても良い。

また、シールド部１３の外表面を放射率の小さな鏡面（光沢面）としている。シールド部１３の外表面を放射率の小さな光沢面としてケーシング１１から侵入する熱量、および、コールドパネル１２へ放射する熱量を低減できる。

なお、本形態では各種の変形が可能である。これら形態について、図を参照しつつ説明する。図４は、他のコールドトラップ１００の断面斜視図である。
このコールドトラップ１００は、三層のシールドからなるシールド部を有するものであり、図４に示すように、シールド部１３は、外周下側シールド１３ｅ、外周上側シールド１３ｆ、中間下側シールド１３ｇ、中間上側シールド１３ｈ、内周下側シールド１３ｉ、内周上側シールド１３ｊを備えている。
このように三層とすることで、ケーシング１１からコールドパネル１２へ到達する放射熱をさらに少なくすることができ、コールドパネル１２の冷凍効率を高めることが可能となる。

また、図５は、参考例としてのコールドトラップ１００の断面斜視図である。
このコールドトラップ１００は、円筒状のコールドパネル１２および円筒状の複数層のシールドからなるシールド部を有するものであり、図５に示すように、コールドパネル１２は、上側パネル１２ｅ、下側パネル１２ｆ、上側支持部１２ｇ、下側支持部１２ｈを備え、また、シールド部１３は、外周下側シールド１３ｋ、外周上側シールド１３ｌ、内周下側シールド１３ｍ、内周上側シールド１３ｎを備えている。
このように円錐台形ではなく、筒状とすることで、開口部は大きくなるものの、製造が容易になるという利点がある。このようにシールドを円筒状とするか円錐台形状とするかは性能・製造コストを勘案して選択されるものであるが、このような形態でもケーシング１１からコールドパネル１２へ到達する放射熱を少なくすることができ、コールドパネル１２の冷凍効率を高めることができる。

また、図６は、他のコールドトラップ１００の断面斜視図である。
このコールドトラップ１００は、複数枚の板を角錐台形状に配置したコールドパネル、および、複数枚の板を角錐台形状に配置して一個のシールドを形成し、さらにこのようなシールドを複数層とするシールド部を有するものであり、図６に示すように、コールドパネル１２は、上側パネル１２ｉ、下側パネル１２ｊ、上側支持部１２ｋ、下側支持部１２ｌを備え、また、シールド部１３は、外周下側シールド１３ｏ、外周上側シールド１３ｐ、内周下側シールド１３ｑ、内周上側シールド１３ｒを備えている。
このように複数の板により角錐台形とすることで、隙間から熱放射が侵入するが、一枚の板を円錐台形状とするよりは製造が容易になるという利点がある。このようなシールドは性能・製造コストを勘案して選択されるものであるが、このような形態でもケーシング１１からコールドパネル１２へ到達する放射熱を少なくすることができ、コールドパネル１２の冷凍効率を高めることができる。
これらのようにシールド部は各種形態が可能であるが、ケーシング１１とコールドパネル１２との間で熱放射を遮断するような各種構成を採用することができる。

続いて、請求項１１，請求項１２の発明に係る第２形態について説明する。図７は本形態のコールドトラップ１００の構成図、図８は温度制御系のブロック図である。
本形態のコールドトラップ１００は、ケーシング１１と、コールドパネル１２と、シールド部１３と、パルスチューブ冷凍機１４と、支持部１５と、ヒータ１６と、温度センサ１７と、端子部１８と、コントローラ１９と、電源２０と、を備えている。
なお、ケーシング１１、コールドパネル１２、シールド部１３、パルスチューブ冷凍機１４、支持部１５は第１形態と同じ構成であるため、同じ符号を付するとともに重複する説明を省略し、相違点について説明する。
コールドトラップ１００は、冷却されたコールドパネル１２に気体分子を凍結吸着させて、コールドパネル１００全面が氷で覆われるまで溜めるという溜め込み方式であり、一定の運転時間ごとにコールドパネル１２から氷を除去する再生を行う必要がある。
コールドパネル１２の再生には、外部ヒータによる加熱方法や、または、コールドパネル１２近傍に配管を配置しておき、ガスなどの冷媒を加熱して流すことにより、コールドパネル１２の温度を上昇させる。

ヒータ１６は、本発明の加熱手段の一具体例であり、例えばコールドパネル１２の上側パネル１２ａおよび下側パネル１２ｂの内部にサンドイッチ状に密封内蔵され、円錐台形状となった面状ヒータであり、電流線や絶縁部がコールドパネル１２の上側パネル１２ａおよび下側パネル１２ｂから露出しないように構成する。
なお、ヒータ１３は、コールドパネル１２の上側パネル１２ａおよび下側パネル１２ｂにほぼ均一に設置できればシーズヒータのような線状ヒータでも良い。また、コールドパネル１２の上側パネル１２ａおよび下側パネル１２ｂを鋳物として製造する場合には、鋳込みヒータとしても良く、各種ヒータの採用が可能である。

温度センサ１７は、本発明の温度計測手段の一具体例であり、図７で詳述していないが、シーズタイプのものをコールドパネル１２の上側パネル１２ａや下側パネル１２ｂに取り付け、コールドパネル１２の主要部の温度を計測できるようにする。
端子１８は、ヒータ１６に接続された電流線および温度センサ１７に接続された信号線をケーシング１１から引き出すために設けられる。この端子１８は真空下で使用できるものであり、例えばハーメチック等が用いられる。

コントローラ１９は、本発明の温度制御手段の一具体例であり、ケーシング１１から外部に引き出された制御線、電流線および信号線と接続されている。コントローラ１９は、電流線を介して接続されるヒータ１６、制御線を介して接続されるパルスチューブ冷凍機１４、さらに信号線を介して接続される温度センサ１７に対して後述するような情報の読み出し、各種の制御を行う。
電源２０は、コントローラ１９を介してヒータ１６やパルスチューブ冷凍機１４へ電源を供給する。このコールドトラップ１０の温度制御系は図８で示すようになる。なお、圧力センサ２１については後述する。
この構成によれば、コールドパネルの表面温度（トラップ面）を吸着・再生に最適な任意の温度とするため、冷凍機または加熱手段を温度制御することで実現することができる

続いて、上記のコールドトラップを搭載した真空排気装置について図を参照しつつ説明する。図９はコールドトラップおよびターボ分子ポンプからなる第３形態の真空排気装置の側面断面図、図１０は第３形態の真空排気装置のブロック構成図、図１１は真空排気装置の具体的な構成図である。

本形態の真空排気装置１０００は、図９，図１０で示すように、第１，第２形態のコールドトラップ１００とターボ分子ポンプ２００とを備えている。図９では具体的構成を、図１０では単純化したブロック図として図示している。コールドトラップ１００は先に説明したものであり、重複する説明を省略する。

ターボ分子ポンプ２００は、周知技術であるが、多数の動翼と多数の固定翼を交互に配置し、動翼を数万rpmという極めて高速で回転させて、分子を移動させて排気するポンプである。クリーンな真空が得られる、という利点がある。
これらコールドトラップ１００およびターボ分子ポンプ２００により真空排気装置１０００が構成される。このような真空排気装置１０００では、冷凍効率が高いコールドトラップにより効率的に水分子を冷凍捕集するため、排気性能を高めることができる。

続いて、特に第２形態の温度制御機能付きのコールドトラップ１００を用いて真空排気装置１０００を稼働させるときのコールドトラップ１００およびターボ分子ポンプ２００の動作について説明する。なお、図１１で示すような具体的な真空排気装置を想定し、真空チャンバ３００、ゲートバルブ４００、コールドトラップ１００、ターボ分子ポンプ２００が接続され、真空チャンバ３００内を排気するものとして説明する。

上記構成の真空排気装置１０００において、ターボ分子ポンプ２００の排気とともにコールドトラップ１００を動作させる。
真空チャンバ３００内のガスが排気され始めると、真空チャンバ３００内のガスの圧力が低下し始める。真空チャンバ３００内のガスの圧力の低下とともに真空チャンバ３００の水分は水蒸気へと気化する。これらの水蒸気を含むガスが、ゲートバルブ４００を経てコールドトラップ１００を通過する。

コールドトラップ１００では、図７，図８で示すように、コントローラ１９がパルスチューブ冷凍機１４の運転を開始するとともに、温度センサ１７が出力する温度計測信号をフィードバック入力することにより、コールドパネル１２を所定温度に維持する。
例えば、コールドパネル１２の所定温度の一例として水蒸気のみを凍結捕集する最適な温度である１２０Ｋ〜１５０Ｋ（−１５３℃〜−１２３℃）の範囲内の温度を選択して制御し、コールドパネル１２に水蒸気を凍結捕集して吸着させるようにする。
これにより、真空チャンバ３００内の水分が吸着され、水分以外の分子はターボ分子ポンプ２００で高い圧縮比に圧縮されて排気される。

このようなコールドトラップ１００について以下のような利点がある。
例えば、従来技術のＧＭ式の冷凍機では、一旦稼働させたならば負荷に関係なく定格で連続運転していたが、本実施形態のコールドトラップ１００では、パルスチューブ冷凍機１４の運転を、コールドパネル１００の吸着能力に応じた最適な温度となるような電力とするだけでよく、無駄な電力消費を回避できる。

また、コールドトラップ１００は、冷却ではパルスチューブ冷凍機１４を用いたり、加熱ではヒータ１６を用いたり、または、パルスチューブ冷凍機１４およびヒータ１６を併用したりすることで、コールドパネル１２に直接に冷却・加熱の両方が可能となり、６０Ｋ〜５７３Ｋ（−２１３℃〜３００℃）という広範囲の任意の温度に制御できる。
この構成によれば、コールドパネルの温度について、吸着時は、ガスの吸着特性に合わせた効果的な温度を選択して最適な選択吸着を可能とし、再生処理時には、水分の放出に効果的な温度を選択し、コールドパネル１２のトラップ面の温度が最適となるように制御することができ、水蒸気だけでなく任意のガス（例えばBｒ_２，ＮＨ_３，Ｃｌ_２，ＣＯ_２等）を選択吸着することも可能である。

さて、このようなコールドトラップ１００のコールドパネル１２の全面が氷に覆われて吸着効率が落ち、排気速度が低下した場合は、以下の第１の方法（便宜上、急速再生法と呼ぶ。）および第２の方法（便宜上、緩速再生法と呼ぶ。）によりコールドパネル１２から氷を取り除いて再生することができる。以下、第１，第２の方法について説明する。

第１の方法（急速再生法）について
本方法では、凝結した氷を急速に高温加熱して全て水蒸気とし、コールドトラップ１００内から排気除去して、コールドパネル１２を急速に再生するというものである。以下、図７，図８，図１１を参照しつつ時系列的に説明する。

（１）図１１で示すように、真空チャンバ３００とコールドトラップ１００との間に設けたゲートバルブ４００を閉じる。
（２）図７，図８で示すように、コントローラ１９がパルスチューブ冷凍機１４の運転を停止するように制御する。
（３）コントローラ１９がヒータ１６を制御し、コールドパネル１２を一気に３００℃まで加熱する。コントローラ１９は温度センサ１７から出力される温度計測信号に基づいて、立ち上がり時間が最短となるように温度制御する。
（４）ケーシング１１の胴部１１ａに設けた図示しない再生排気口から気化した水蒸気を排出する。なお、再生排気口の下流には図示しない真空ポンプが接続され、高速に排気する。
（５）コントローラ１９がパルスチューブ冷凍機１４の運転を再開するように制御する。
（６）図１１で示すように、真空チャンバ３００とコールドトラップ１００との間に設けたゲートバルブ４００を開き、ターボ分子ポンプ２００による真空チャンバ４００内の排気を継続する。

このような急速再生方法の採用は、従来技術では困難であった。従来のＧＭ式冷凍機の膨張機は、樹脂材による耐摩耗性シールが存在するためヒートショックに弱く、上限温度が１００℃以下に制限されている。最近では１８０℃程度で再生できるものも出現しているが、本質的に高温加熱はできない構成である。

一方、本実施形態では、特に、パルスチューブ冷凍機１４のパルスチューブ膨張機は可動部がなく、全て金属で構成されている。これにより温度の上限が緩和され、短時間で３００℃まで加熱することができる。これにより再生時間を大幅に短縮できる。

第２の方法（緩速再生法）について
本方法では、真空排気装置１０００を通常運転している最中に、コールドパネル１２に凍結した氷を少しづつ水蒸気に昇華し、コールドトラップ１００内からターボ分子ポンプ２００を経て少しづつ排気除去して、コールドパネル１２を緩速（ゆっくり）に再生するというものである。

（１）図７，図８，図１１で示すように、コントローラ１９は、真空チャンバ３００（またはコールドトラップ１００のケーシング１１）の内部に設けられた圧力センサ２１（図８参照）から圧力計測信号を入力する。例えば圧力センサ２１（図８参照）からの圧力計測信号に基づいてコントローラ１９が１０^−８Ｐａと判断したものとする。
（２）コントローラ１９は、この圧力計測信号から算出した圧力に対応する水蒸気の飽和温度を図示しないメモリから読み出す。例えば１０^−８Ｐａ に対応する飽和温度は約１３０Ｋである。

（３）コントローラ１９は、コールドパネル１２の温度が飽和温度より少し低い温度となるように制御する。この場合コントローラ１９の制御は、温度センサ１７から出力される温度計測信号をフィードバック入力し、目標温度に近づくようにヒータ１６（またはパルスチューブ冷凍機１４）の温度を制御する。ここに目標温度とは例えば飽和温度１３０Ｋを下回る約１２５Ｋであるものとする。コールドパネル１２に直接接触する位置にある氷は飽和温度を上回ることはないが、コールドパネル１２から離れた箇所にある氷は飽和温度を超える。

（４）飽和温度に到達した氷は、この低温度下では液化することなく、直ちに水蒸気へと昇華する。
（５）以下、コールドパネル１２の温度を飽和温度１３０Ｋに近づけるように徐々に上昇させて、コールドパネル１２を徐々に再生する。ここで温度上昇時間は予め実験等により最適な時間を図示しないメモリに登録するようにしても良い。
なお、温度上昇が急激すぎると、水蒸気分子の増大により真空チャンバ３００内の真空度が低下するため、コントローラ１９は、圧力センサ２１から出力される圧力計測信号から得られる圧力値を監視し、圧力が急激に上昇しないようにヒータ１６（またはパルスチューブ冷凍機１４）の温度を上昇させていき、圧力値が上昇（真空度が低下）したならば、ヒータ１６を停止させる（またはパルスチューブ冷凍機１４による冷却温度を上昇させる）ような制御を行うようにしてもよい。

なお、本実施形態ではコールドトラップ１００の下流に直接ターボ分子ポンプ２００を直列に配置した構成であるが、他の形態を採用することもできる。図１２，図１３は他の真空排気装置のブロック構成図である。
例えば、図１２で示すように、真空チャンバ３００の上流にコールドトラップ１００を、また、下流にターボ分子ポンプ２００を接続してもよい。
また、図１３で示すように真空チャンバ３００にそれぞれ多数の真空排気装置１０００を並列に取り付けても良い。真空チャンバ３００の大きさによって接続数が決定される。

この本形態の温度制御機能付きの真空排気装置１０００によれば、最適な電力でコールドパネル１２の表面温度を吸着に最適な任意の温度に一定に保つことができる。このため、ヒータ１６の加熱による余分な電力を必要としないのでランニングコストを大幅に低減することができる。

また、コールドパネル１２の温度を最低６０Ｋ（−２１３℃）から最高５７３Ｋ（＋３００℃）までに制御できるので、水蒸気以外にも、吸着しようとするガスの吸着特性に合わせた最適温度による選択吸着を可能とし、さらに再生時には、水分の放出を短時間で効果的にコントロールすることができる。

また、加熱手段であるヒータ１６をコールドパネル１２に内蔵したため、コールドパネル１２を均一に素早く加熱できるとともにヒータ１６の構成部材からのアウトガスを真空チャンバ３００内に放出することがなく、信頼性の高いクリーンな環境を提供できる。

また、冷凍機として高効率でコンパクトなパルスチューブ冷凍機１４を採用した。このパルスチューブ冷凍機１４が内蔵するパルスチューブ膨張機には、樹脂など非金属の摺動材などの可動部がなく、全て金属製の部品で構成されており、再生処理時の加熱温度を可動部のあるＧＭ冷凍機に比べて大幅に高く設定することができるとともにヒートショックに対する信頼性も向上させることができる。

また、コールドパネル１２の表面材質を低温域における熱伝導率が小さい純チタン・保護層を設けた銅・銅合金としたため、コールドパネル１２の表面温度分布を通常用いられるステンレス材に比べて均一にすることができ、コールドパネル１２の有効表面積を大きくすることができ、吸着速度を大きくすることができる。

また、コールドパネル１２の表面のうち、トラップ面をなし地の面とすることでガスを吸着できる表面積を大きくしたため、常温側から侵入する熱量を低減でき、効率のよいコールドトラップとすることができる。

また、水分子を凍結捕集した後の気体を流出させるコールドトラップ１００と、気体分子を圧縮して排出するターボ分子ポンプ２００と、を備えたため、ガス吸着時はコールドパネル１２の負荷に応じて温度制御し、再生時はパルスチューブ冷凍機１４を停止してヒータ１６により均一に高温で加熱することができるので、ターボ分子ポンプ２００と併用して稼働率が高く、ランニングコストの低い真空排気装置１０００を提供することができる。

以上本発明のコールドトラップおよび真空排気装置について説明した。本発明によれば、ケーシングとコールドパネルとの間にシールド部を介在させたため、冷凍効率を向上させることが可能となる。さらに、このような冷凍効率を向上させた真空排気装置であるため、水分子を効率よく凍結捕集して排気速度を大きくすることが可能となる。

第１形態のコールドトラップの構成図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。 コールドトラップの断面斜視図である。 シールド部による熱遮断原理の説明図である。 他のコールドトラップの断面斜視図である。 参考例としてのコールドトラップの断面斜視図である。 他のコールドトラップの断面斜視図である。 第２形態のコールドトラップの構成図である。 温度制御系のブロック図である。 コールドトラップおよびターボ分子ポンプからなる第３形態の真空排気装置の側面断面図である。 第３形態の真空排気装置のブロック構成図である。 真空排気装置の具体的な構成図である。 他の真空排気装置のブロック構成図である。 他の真空排気装置のブロック構成図である。

符号の説明

１００：コールドトラップ
１１：ケーシング
１１ａ：胴部
１１ｂ：フランジ
１２：コールドパネル
１２ａ：上側パネル
１２ｂ：下側パネル
１２ｃ：上側支持部
１２ｄ：下側支持部
１２ｅ：上側パネル
１２ｆ：下側パネル
１２ｇ：上側支持部
１２ｈ：下側支持部
１２ｉ：上側パネル
１２ｊ：下側パネル
１２ｋ：上側支持部
１２ｌ：下側支持部
１３：シールド部
１３ａ：外周下側シールド
１３ｂ：外周上側シールド
１３ｃ：内周下側シールド
１３ｄ：内周上側シールド
１３ｅ：外周下側シールド
１３ｆ：外周上側シールド
１３ｇ：中間下側シールド
１３ｈ：中間上側シールド
１３ｉ：内周下側シールド
１３ｊ：内周上側シールド
１３ｋ：外周下側シールド
１３ｌ：外周上側シールド
１３ｍ：内周下側シールド
１３ｎ：内周上側シールド
１３ｏ：外周下側シールド
１３ｐ：外周上側シールド
１３ｑ：内周下側シールド
１３ｒ：内周上側シールド
１４：パルスチューブ冷凍機
１４ａ：冷却端
１４ｂ：膨張機
１４ｃ：圧縮機
１５：支持部
１５ａ：上側支持部
１５ｂ：下側支持部
１６：ヒータ
１７：温度センサ
１８：端子部
１９：コントローラ
２０：電源
２１：圧力センサ
２００：ターボ分子ポンプ
３００：真空チャンバ
４００：ゲートバルブ

Claims (13)

1. ケーシングと、
   ケーシング内空間に設置されるシールド部と、
   シールド部内空間に設置されるコールドパネルと、
   圧縮機、および、冷却端を含む膨張機を有し、少なくともケーシングの内部でこの冷却端がコールドパネルに熱的に接続されて配置される冷凍機と、
   を備え、
   前記シールド部は、両円錐台形状であって、シールド部の開口部をケーシングの開口部と対向するように形成することを特徴とするコールドトラップ。
2. 請求項１に記載のコールドトラップにおいて、
   前記シールド部の円錐台形の底面と斜辺のなす角は３０°以上９０°未満であることを特徴とするコールドトラップ。
3. 請求項１または請求項２に記載のコールドトラップにおいて、
   前記シールド部は、複数層にわたり形成されることを特徴とするコールドトラップ。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   前記シールド部は、熱伝導率が大きい銅または銅合金とすることを特徴とするコールドトラップ。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   前記シールド部の外表面を放射率の小さな光沢面とすることを特徴とするコールドトラップ。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   前記コールドパネルは、低温域における熱伝導率が大きい純チタンを材料とすることを特徴とするコールドトラップ。
7. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   前記コールドパネルは、低温域における熱伝導率が大きい銅または銅合金を材料とする
   ことを特徴とするコールドトラップ。
8. 請求項７に記載のコールドトラップにおいて、
   前記コールドパネルは、その表面に耐食性を向上させる保護層を形成したことを特徴とするコールドトラップ。
9. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
   前記コールドパネルの水分子を凍結捕集するトラップ面の表面積を大きくすることを特徴とするコールドトラップ。
10. 請求項１〜請求項９の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
    前記膨張機は、パルスチューブ膨張機であることを特徴とするコールドトラップ。
11. 請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載のコールドトラップにおいて、
    前記コールドパネルを加熱する加熱手段と、
    前記コールドパネルの温度を計測する温度計測手段と、
    加熱手段、冷凍機および温度計測手段が接続される温度制御手段と、
    を備え、
    この温度制御手段は、温度計測手段が計測したコールドパネルの温度に基づき、コールドパネルの温度を所定温度とするように冷凍機または加熱手段を制御することを特徴とするコールドトラップ。
12. 請求項１１に記載のコールドトラップにおいて、
    前記加熱手段は、コールドパネルに内蔵されることを特徴とするコールドトラップ。
13. 水分子を凍結捕集した残りのガスを流出させる請求項１〜請求項１２の何れか一項に記載のコールドトラップと、
    コールドトラップから流出したガスを排気するターボ分子ポンプと、
    を備えることを特徴とする真空排気装置。

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