JP4751377B2

JP4751377B2 - クライオポンプ

Info

Publication number: JP4751377B2
Application number: JP2007280990A
Authority: JP
Inventors: 良輔露木
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-10-29
Also published as: JP2009108744A

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。

特許文献１には、熱伝導率０．０１ｗ／ｃｍＫ程度以上の活性炭がパネルに貼付されているクライオポンプが記載されている。これによれば、ポンプを大型化することなく水素やヘリウム等を確実かつ効率よく吸着できる排気能力の高いクライオポンプが提供される。このクライオポンプにおいては、シェブロンバッフルが設けられている開口部から見てクライオパネル板の裏側となる面に活性炭が貼付されている。
特開２００５−５４６８９号公報

ところで、クライオポンプに重視される性能は用途によって異なるという実情がある。クライオポンプの代表的な性能としては例えば、排気対象となる各気体の排気速度や吸蔵量が挙げられる。ある用途では例えば特定気体の排気速度を高くすることが必要とされる。この場合、排気速度を優先的に高めるとともに他の性能例えば吸蔵量もある程度高くすることが実用上要求される。

そこで、本発明は、排気性能を最適化して実用性の高いクライオポンプを提供することを目的とする。

本発明のある態様は、クライオポンプに関する。このクライオポンプは、一端に開口部を有する筒状の熱シールド部材と、熱シールド部材内部に配置され、熱シールド部材よりも低温に冷却されるパネル構造体と、を備え、パネル構造体表面に形成された吸着領域にて前記開口部から熱シールド部材内部へと飛来する気体分子を吸着により捕捉して排気する。パネル構造体は、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうる部位に第１の吸着領域が形成され、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しない部位に第２の吸着領域が形成され、第１の吸着領域の単位面積当たり排気速度が第２の吸着領域の単位面積当たり排気速度よりも相対的に高くされている。

この態様によれば、気体分子が熱シールド部材の開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうるパネル構造体の部位に第１の吸着領域が形成されている。第１の吸着領域は第２の吸着領域よりも単位面積当たりの排気速度が相対的に高く設定されている。開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうるパネル構造体の部位は、排気速度性能への寄与が相対的に大きい。よって、この部位の排気速度を他の部位よりも高めることにより、他の性能への影響を抑えつつクライオポンプの排気速度を向上させることができる。このようにしてクライオポンプの排気性能の最適化を図ることができる。

本発明の他の態様は、クライオポンプに関する。このクライオポンプは、一端に開口部を有する筒状の熱シールド部材と、熱シールド部材内部に配置され、熱シールド部材よりも低温に冷却されるパネル構造体と、を備え、パネル構造体表面に形成された吸着領域にて前記開口部から熱シールド部材内部へと飛来する気体分子を吸着により捕捉して排気する。パネル構造体は、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうる部位に第１の吸着領域が形成され、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しない部位に第２の吸着領域が形成され、第２の吸着領域の単位面積当たり気体吸蔵量が第１の吸着領域の単位面積当たり気体吸蔵量よりも大きい。

この態様によれば、気体分子が熱シールド部材の開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しないパネル構造体の部位に第２の吸着領域が形成されている。第２の吸着領域は第１の吸着領域よりも単位面積当たり気体吸蔵量が大きい。このように排気速度性能への寄与が相対的に小さい部位の気体吸蔵量を大きくすることにより、排気速度性能への影響を抑えつつ気体吸蔵量の向上を実現し、排気性能の最適化を図ることができる。

あるいは、パネル構造体は、第１の吸着領域の単位面積当たり排気速度を第２の吸着領域の単位面積当たり排気速度よりも相対的に高くするとともに、第２の吸着領域が第１の吸着領域よりも単位面積当たり大きい気体吸蔵量を有するように構成されていてもよい。

この態様によれば、排気速度性能への寄与が相対的に大きい第１の吸着領域の排気速度が高くされるとともに、排気速度性能への寄与の比較的小さい第２の吸着領域を利用して気体吸蔵量が確保される。よって、高い排気速度と充分な気体吸蔵量とを両立させることができる。

本発明の更なる態様は、クライオパネル構造体である。このクライオパネル構造体は、異種の吸着剤がそれぞれ区分された領域に設けられている。

また、本発明の更なる他の態様は、クライオパネル構造体である。このクライオパネル構造体は、パネル表面に小径の活性炭が接着されて形成されている排気速度重視領域と、パネル表面に大径の活性炭が接着されて形成されている吸蔵量重視領域とを備える。

本発明によれば、クライオポンプ性能の最適化を図ることが可能となる。

まず、以下に説明する本発明に係る実施形態の概要を説明する。クライオポンプは、例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却されるクライオパネルを備える。例えば窒素やアルゴン等のようにその冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体はクライオパネル上に凝縮されて排気される。一方、この冷却温度においても蒸気圧の高い水素、ネオン、ヘリウム等の気体はクライオパネル上に凝縮されない。これらの非凝縮性気体は、パネル上に接着等により設けられて冷却される吸着剤（典型的には活性炭）により吸着されて排気される。

本発明者は、クライオポンプ開口部の近くに配置されるパネル上の吸着剤のほうが遠くのパネルの吸着剤よりもクライオポンプの排気速度性能に寄与するということを実験的に見出した。この１つの理由は、気体分子が開口部を通じて直線的に飛来するから、開口部の近傍に配置されたパネルには気体分子が到達しやすいのに対し、奥に配置されたパネルは他のパネルの陰となり気体分子が到達しにくいためであると考えられる。このように、気体の流れ性によって各パネルの排気速度性能への寄与の度合いが異なる。

本発明に係る各実施形態はこの知見を前提としてなされたものである。排気速度性能への寄与が大きい部位では排気速度を重視してパネル構成を設計し、排気速度性能への寄与が大きい部位では他の性能例えば気体吸蔵量を重視してパネル構成を設計する。例えば、開口部の近くでは排気速度を重視して設計されたパネル構成を採用し、開口部から離れたところでは吸蔵量を重視して設計されたパネル構成を採用する。これにより、パネル構造体全体として高い排気速度と充分な気体吸蔵量とを両立させることが可能となり、より実用性に優れるクライオポンプを提供することができる。なお以下では、パネル構造体において排気速度に相対的に優れている部位を「排気速度重視領域」と適宜称し、パネル構造体において気体吸蔵量に相対的に優れている部位を「吸蔵量重視領域」と適宜称する。

クライオポンプを作動させる高真空においては通常気体は分子流の状態にあるから、開口部を経て進入する気体分子は直線的に飛来する。よって、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうるパネル構造体の部位には気体分子が到達しやすい。一方、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しないパネル構造体の部位には気体分子が到達しにくい。よって、一実施形態においては、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうるパネル構造体の部位に排気速度重視領域が形成される。気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しないパネル構造体の部位に吸蔵量重視領域が形成される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプ１０の一部を模式的に示す図である。簡明化のため、パネル構造体１４と、パネル構造体１４を包囲する熱シールド１６のみを示す。パネル構造体１４は、平板状のパネル取付部材２と、パネル取付部材２に互いに平行に立設される平板状の複数の上部パネル４及び複数の下部パネル６とを備える。上部パネル４は熱シールド１６の開口部に向けてパネル取付部材２に垂直に立設され、下部パネル６はクライオポンプ１０の底部に向けてパネル取付部材２に垂直に立設されている。パネル取付部材２は熱シールド１６の開口部に平行に配置されており、開口部からパネル構造体１４を見たときに下部パネル６は最外部のものを除きパネル取付部材２により遮蔽され見ることができない。図１においては、開口部を通じて直線的に飛来する気体分子を模式的に矢印で示している。

図１においては、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうるパネル構造体の部位が太字で示されている。すなわち、上部パネル４の両面、下部パネル６のうち最外部のものの外側の面、及びパネル取付部材２の開口部側の面には、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうる。よって、これらの領域の全域またはいずれか一部に排気速度重視領域を設ける。このようにして排気速度重視領域の配置を設定することにより、排気速度重視領域における単位面積当たりの排気速度を他の部位よりも相対的に高くすることができる。ここで「単位面積当たりの排気速度」としているのは、領域の広さとは独立に当該領域の排気速度を相対的に高くすることを明確にする趣旨である。

また、パネル構造体１４の残りの部位、つまり下部パネル６のうち最外部のものの内側の面、パネル取付部材２の中心部に設けられている下部パネル６の両面、及びパネル取付部材２のポンプ底部側の面には、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しない。よって、これらの領域の全域またはいずれか一部に吸蔵量重視領域を設ける。

なお、要求される排気性能に応じて、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうるパネル構造体の部位の一部に吸蔵量重視領域を設けてもよい。例えば、上述の実施形態では、下部パネル６のうち最外部のものの外側の面に吸蔵量重視領域を設けてもよい。

また、排気速度重視領域がパネル構造体に複数箇所設定される場合においてはそれらの複数箇所が定量的に等しい排気速度を有するわけではなく、それら複数の排気速度重視領域間でも排気速度に相対的な優劣があってもよい。吸蔵量重視領域についても同様である。

異なる吸着領域を区別して形成するための１つの具体的手法は、複数種類の吸着剤を使用することである。従来は１種類の吸着剤が使用されるのが通常である。本発明の一実施形態においては、パネル構造体上で区分された異なる領域に異なる種類の吸着剤が設けられる。パネル構造体の第１の部位に第１の吸着剤が設けられて第１の吸着領域が形成され、パネル構造体の第１の部位とは異なる第２の部位に第１の吸着剤とは異なる第２の吸着剤が設けられるて第２の吸着領域が形成される。第１の吸着剤及び第２の吸着剤はそれぞれ、例えば種類の異なる活性炭である。

例えば、第１の吸着剤は第１の活性炭であり、第２の吸着剤は第１の活性炭よりも大径である第２の活性炭である。このようにすれば、第１の活性炭が小径であるためパネル間の気体分子の流れ性を比較的良好にすることができる。よって排気速度を高くすることができる。一方、吸蔵量は活性炭の体積に比例する。よって、第２の活性炭を大径とすることにより充分な吸蔵量を確保することも可能となる。

なお、第１の吸着剤は第２の吸着剤よりも排気速度に優れる吸着剤であってもよい。つまり吸着剤自体の性質として排気対象気体の吸着速度に相対的に優れる吸着剤を第１の吸着領域に設けてもよい。また第２の吸着剤は第１の吸着剤よりも吸蔵量に優れる吸着剤であってもよい。つまり吸着剤自体の性質として排気対象気体の吸蔵量に相対的に優れる吸着剤を第２の吸着領域に設けてもよい。

ここで、吸着剤（例えば活性炭）の種類が異なるとは、吸着剤の特性の少なくとも１つが有意に異なることを意味するものとする。有意に異なるというのは、例えば、２種の吸着剤を比較したときにある特性に関して誤差を超える違いがあるということである。吸着剤の特性には物理特性及び化学特性が含まれる。物理特性は例えば、吸着剤の各粒子が円柱形状等に成形されている場合にはその径や長さ等を含み、粒子が不定形状である場合には平均粒径や有効径、均等係数などを含む。吸着剤の特性は１つの値で示されてもよいし、数値範囲で示されてもよい。

なお、吸着領域の形成は、パネル表面への吸着剤を設けること以外にパネル表面への表面加工により行ってもよい。例えば、パネル表面を例えば多孔質に改質することにより吸着領域を形成してもよい。

また、他の具体的手法は、パネルの配置を工夫することである。例えば、パネル構造体は複数のパネルを含み、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうるパネル構造体の部位においてはパネルを相対的に疎に配置してもよい。このとき、気体分子がポンプ開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しないパネル構造体の部位においてはパネルを相対的に密に配置してもよい。このようにしても、排気速度重視領域の周囲の気体分子の流れ性を良好にすることができるので排気速度を高めることができる。また、吸蔵量重視領域が密に形成されることにより充分な吸蔵量を確保することも可能となる。なおこの場合、排気速度重視領域及び吸蔵量重視領域のそれぞれに使用される吸着剤は同じ種類であってもよいし、あるいは異なる種類を採用することによりさらなる排気性能の最適化を追求してもよい。

なお、パネル構造体においては、第１の吸着領域とも第２の吸着領域とも性質の異なる第３の吸着領域が形成されてもよい。また、第１の吸着領域から第２の吸着領域へと連続的に性質が変化していくように形成されていてもよい。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態についてさらに詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す断面図である。

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８０に取り付けられて、真空チャンバ８０内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルにまで高めるために使用される。例えば１０＾−５Ｐａ乃至１０＾−８Ｐａ程度の高い真空度が実現される。クライオポンプ１０は、冷凍機１２とパネル構造体１４と熱シールド１６とを備える。パネル構造体１４は複数のパネルを含み、これらのパネルは冷凍機１２により冷却される。パネル表面には気体を凝縮または吸着により捕捉して排気するための極低温面が形成される。

図２に示されるクライオポンプ１０は、いわゆる縦型のクライオポンプである。縦型のクライオポンプとは、熱シールド１６の軸方向に沿って冷凍機１２が挿入されて配置されているクライオポンプである。なお、本発明はいわゆる横型のクライオポンプにも同様に適用することができる。横型のクライオポンプとは、熱シールド１６の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に冷凍機の第２段の冷却ステージが挿入され配置されているクライオポンプである。

冷凍機１２は、ギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）である。また冷凍機１２は２段式の冷凍機であり、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を有する。冷凍機１２は配管１８を介して圧縮機２０に接続されており、圧縮機２０から供給される例えばヘリウム等の作動流体を内部で断熱膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４に寒冷を発生させる。第２冷却ステージ２４は第１冷却ステージ２２よりも低温に冷却される。第２冷却ステージ２４は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１冷却ステージ２２は例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。

冷凍機１２の第１冷却ステージ２２には熱シールド１６が熱的に接続された状態で固定され、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４にはパネル構造体１４が熱的に接続された状態で固定されている。このため、熱シールド１６は第１冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却され、パネル構造体１４は第２冷却ステージ２４と同程度の温度に冷却される。

熱シールド１６は、パネル構造体１４及び第２冷却ステージ２４を周囲の輻射熱から保護するために設けられている。熱シールド１６は一端に開口部２６を有する円筒状の形状に形成されている。開口部２６は熱シールド１６の筒状側面の端部内面により画定される。

一方、熱シールド１６の開口部２６とは反対側つまりポンプ底部側の他端には閉塞部２８が形成されている。閉塞部２８は、熱シールド１６の円筒状側面のポンプ底部側端部において径方向内側に向けて延びるフランジ部により形成される。図２に示されるクライオポンプ１０は縦型のクライオポンプであるので、このフランジ部が冷凍機１２の第１冷却ステージ２２に取り付けられている。これにより、熱シールド１６内部に円柱状の内部空間３０が形成される。冷凍機１２は熱シールド１６の中心軸に沿って内部空間３０に突出しており、第２冷却ステージ２４は内部空間３０に挿入された状態となっている。

なお、横型のクライオポンプの場合には、閉塞部２８は通常完全に閉塞されている。冷凍機１２は、熱シールド１６の側面に形成されている冷凍機取付用の開口部から熱シールド１６の中心軸に直交する方向に沿って内部空間３０に突出して配置される。冷凍機１２の第１冷却ステージ２２は熱シールド１６の冷凍機取付用開口部に取り付けられ、冷凍機１２の第２冷却ステージ２４は内部空間３０に配置される。第２冷却ステージ２４にはパネル構造体１４が取り付けられる。パネル構造体１４は、適当な形状のパネル取付部材を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられてもよい。

なお、熱シールド１６の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には熱シールド１６の形状はポンプケース３４の内面形状に相似する形状とされる。また、熱シールド１６は図示されるような一体の筒状に構成されていなくてもよく、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。

また熱シールド１６の開口部２６にはバッフル３２が設けられている。バッフル３２は、パネル構造体１４とは熱シールド１６の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。バッフル３２は、熱シールド１６の開口部２６側の端部に取り付けられており、熱シールド１６と同程度の温度に冷却される。バッフル３２は、真空チャンバ８０側から見たときに例えば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。なお、バッフル３２と真空チャンバ８０との間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられている。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバ８０を排気するときに開とされる。

熱シールド１６、バッフル３２、パネル構造体１４、及び冷凍機１２の第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４は、ポンプケース３４の内部に収容されている。ポンプケース３４は径の異なる２つの円筒を直列に接続して形成されている。ポンプケース３４の大径の円筒側端部は開放され、真空チャンバ８０との接続用のフランジ部３６が径方向外側へと延びて形成されている。またポンプケース３４の小径の円筒側端部は冷凍機１２に固定されている。クライオポンプ１０はポンプケース３４のフランジ部３６を介して真空チャンバ８０の排気用開口に気密に固定され、真空チャンバ８０の内部空間と一体の気密空間が形成される。

ポンプケース３４及び熱シールド１６はともに円筒状に形成されており、同軸に配設されている。ポンプケース３４の内径が熱シールド１６の外径を若干上回っているので、熱シールド１６はポンプケース３４の内面との間に若干の間隔をもって配置される。

パネル構造体１４は熱シールド１６の内部空間３０に配置されている。パネル構造体の表面には気体を吸着するための吸着剤として例えば活性炭が接着されている。パネル構造体１４の構造は図３を参照して後述する。

パネル構造体１４の各パネルまたは他の部材の表面は、所定の基準平面に対して垂直、平行、または斜めのいずれかの位置関係を有する。なお位置関係が斜めであるとは、基準平面に対してパネル表面が垂直でも平行でもないことをいい、基準平面に対してパネル表面が傾斜していることをいう。本実施形態においては熱シールド１６の開口部２６は円形の平面であるとみなすことができるから、パネル構造体１４の各パネルの表面は開口部２６に対して垂直、平行、または斜めのいずれかの位置関係を有する。パネルが平板である場合にはそのパネル表面の全体が開口部２６に対して垂直、平行、または斜めのいずれかの位置関係を有するということができる。パネルが湾曲または屈曲している場合にはそのパネルの局所的領域ごとに開口部２６との位置関係が異なる。この場合でもパネルの局所的領域と開口部２６との位置関係は垂直、平行、または斜めのいずれかであるいえる。なお熱シールド１６の端部形状によっては開口部２６の形状を平面とはみなせない場合もある。この場合には基準平面として代替的に例えばバッフル３２が配置される面または熱シールド１６の中心軸に垂直な面を用いて、各パネルの基準平面に対する位置関係を規定することができる。

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を用いて真空チャンバ８０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１２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が冷却され、これらに熱的に接続されている熱シールド１６、バッフル３２、パネル構造体１４も冷却される。

冷却されたバッフル３２は、真空チャンバ８０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。バッフル３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はバッフル３２を通過して熱シールド１６内部へと進入する。進入した気体分子のうちパネル構造体１４の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えばアルゴンなど）は、パネル構造体１４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、パネル構造体１４の表面に接着され冷却されている吸着剤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は真空チャンバ８０内部の真空度を所望のレベルに到達させることができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るパネル構造体１４を模式的に示す断面図である。パネル構造体１４は、パネル取付部材４０と複数のパネル４２ａ、４２ｂ、４２ｃとを備える。なお以下ではパネル４２ａ、４２ｂ、４２ｃを総称してパネル４２という場合がある。パネル取付部材４０は、一端が開放され他端が円板部４４により閉塞されている円筒状の部材である。パネル取付部材４０内部を向くほうの円板部４４の面が冷凍機１２の第２冷却ステージ２４に固定されており、パネル取付部材４０は第２冷却ステージ２４を包囲するように配置されている。円板部４４の他方の面は熱シールド１６の開口部２６を向き、開口部２６に平行に配置されている（図２参照）。なお図３において熱シールド１６の開口部２６の向きを矢印Ａにより示す。

パネル構造体１４の円筒状側面に複数のパネル４２が互いに間隔をあけて取り付けられている。パネル４２は３枚設けられており、熱シールド１６の開口部２６に近接するほうから順に最上パネル４２ａと２枚の下部パネル４２ｂ、４２ｃが開口部２６に垂直な方向に沿って等間隔に設けられている。複数のパネル４２はいずれも同一形状に形成されており、円すい台側面の形状あるいは傘状の形状である。パネル４２は、パネル取付部材４０の円筒状側面から径方向外側に向けて延び、径方向外側に向けて延びるにつれて熱シールド１６の開口部２６から離れるように取り付けられている。このためパネル４２の表面は、熱シールド１６の中心軸から径方向外側に向かうにつれて熱シールド１６の開口部２６から離れるように開口部２６に対して斜めに配置されている。

第２の実施形態においては、最上パネル４２ａの表面のうち開口部２６を向くほうの面４６（以下この面を適宜「パネル前面４６」と呼ぶ）の全域に排気速度重視領域が形成されている。排気速度重視領域が形成されている面４６の裏面４８（以下この面を適宜「パネル裏面４８」と呼ぶ）の全域に吸蔵量重視領域が形成されている。具体的には、パネル前面４６の全域に相対的に径の小さい活性炭５０が吸着材として接着され、パネル裏面４８の全域に相対的に径の大きい活性炭５２が吸着材として接着されている。下部パネル４２ｂ、４２ｃについても最上パネル４２ａと同様に、パネル前面の全域に小径の活性炭が接着され、パネル裏面の全域に大径の活性炭が接着されている。

パネル４２の両面に接着されている活性炭５０、５２はともに円柱形状に成形されている。活性炭５０、５２はその中心軸が開口部２６に平行となる姿勢で側面がパネル表面に接着されている。多数の活性炭５０、５２がパネル４２の表面に密に並べられた状態で接着されている。

最上パネル４２ａのパネル前面４６は、開口部２６及びバッフル３２に直接対向しているので開口部２６及びバッフル３２を通過した気体分子が直線的経路で飛来する。言い換えれば、パネル前面４６にはバッフル３２を通過した気体分子が他のパネル等にじゃまされることなく直接的に到達する。このため、最上パネル４２ａのパネル前面４６は、パネル構造体１４の他の部位に比べて相対的に単位面積当たりの排気速度が高くなる。

また下部パネル４２ｂ、４２ｃにおいては、パネル前面４６に小径の活性炭５０を設けることによりパネル前面に対向する直上の隣接パネルとの間隙を広くすることができる。よって、隣接パネル間での気体の流れ性を良好にすることができ、他の部位に比べて相対的に単位面積当たりの排気速度が高くなる。

これに対してパネル裏面４８には開口部２６及びバッフル３２を通過した気体分子が直線的な飛来経路を経ては到達しない。他のパネルや熱シールド１６等に例えば多数回衝突し反射されてはじめてパネル裏面４８に気体分子は到達する。このためパネル裏面４８の排気速度への寄与は相対的に低い。よって、相対的に大径の活性炭５２を設けて単位面積当たりの吸蔵量を高くする。気体吸蔵量は吸着剤の体積に比例して増大するので、大径の活性炭５２を設けることにより単位面積当たりの吸蔵量を高くすることができる。

このように、第２の実施形態によれば、パネル前面４６に小径の活性炭を設け、パネル裏面４８に大径の活性炭を設けることにより、高い排気速度を実現するとともに充分な吸蔵量を確保することができる。

図４は、第２の実施形態の一変形例を示すパネル構造体１４の部分断面図である。上述の実施形態では、パネル４２の一方の面に１種類の吸着剤が設けられているが、この変形例のようにパネルの１つの面に複数の吸着剤を区分して設けてもよい。例えば、下部パネル４２ｂのパネル前面に相対的に小径の活性炭を設ける領域と相対的に大径の活性炭を設ける領域とを区分して設定してもよい。

具体的には図４に示されるように、下部パネル４２ｂのパネル前面の外側領域には、矢印Ｂに示されるように気体分子が熱シールド１６の開口部２６から直線的な飛来経路を経て到達し得る。よって、下部パネル４２ｂのパネル前面の外側領域を排気速度重視領域に設定して小径の活性炭５０を設ける。また、下部パネル４２ｂのパネル前面の内側領域には気体分子は上部のパネルにより妨げられるため開口部２６から直線的な飛来経路を経ては到達しないから、排気速度への寄与が比較的小さいと考えられる。よって、下部パネル４２ｂのパネル前面の内側領域を吸蔵量重視領域に設定して大径の活性炭５０を設ける。このようにして更なる排気性能の最適化を図ることも可能である。ただし、パネルの１つの面に複数種類の吸着剤を設ける場合には製造上のコストが高まる可能性がある。よって、製造上のコストと要求される排気性能とのトレードオフによってパネルの一方の面に複数種類の吸着剤を設けるか否かを定めればよい。

また、他の変形例としては、最上パネル４２ａのパネル前面４６が他のパネルのパネル前面よりも高い単位面積当たり気体吸蔵量を有するように構成してもよい。例えば、最上パネル４２ａのパネル前面４６には他のパネルのパネル前面よりも気体吸蔵量に優れている吸着剤を設けてもよい。例えば、最上パネル４２ａのパネル前面４６に設ける活性炭を下部パネル４２ｂ、４２ｃのパネル前面に設ける活性炭よりも相対的に大径の活性炭としてもよい。この場合、最上パネル４２ａの両面にはともに同種類の大径の活性炭５２が設けられてもよい。最上パネル４２ａのパネル前面４６に設けられる吸着剤は熱シールド１６の開口部２６に直接対向しているので、吸着剤の形状に大きく依存することなく相対的に高い排気速度を実現すると考えられる。よって、最上パネル４２ａのパネル前面４６の吸着剤は気体吸蔵量を優先して選択されてもよい。

また、パネル構造体１４においてパネル４２以外の露出されている表面をパネルとして利用してもよい。例えばパネル取付部材４０の円板部４４をパネルの１つとして利用してもよい。この場合、円板部４４の開口部２６を向くほうの面に吸着剤を設けてもよい。なお、円板部４４に設けられる吸着剤は最上パネル４２ａのパネル前面４６の吸着剤と同種であってもよいし、異種であってもよい。

また、吸着剤として活性炭を用いる場合には、真空チャンバ８０側からパネル構造体１４（例えば最上パネル４２ａ、円板部４４）を見たときにバッフル３２の陰となる位置に活性炭を設けるようにしてもよい。そうすれば、真空チャンバ８０からの輻射による熱入力の影響を低減することができる。

上述の実施形態とは異なるパネル配置を採用してもよい。例えば、パネル間隔はすべてのパネルについて等しくてもよいし、各々異なっていてもよい。例えば開口部２６からパネルの位置が遠ざかるにつれてパネル間隔が狭くなるように複数のパネル４２のそれぞれを配置してもよい。または図５に示されるように最上パネル４２ａと隣接する下部パネル４２ｂとのパネル間隔を他のパネルのパネル間隔よりも大きくしてもよい。この場合、開口部２６から相対的に遠いパネルについては両面とも吸蔵量重視領域としてもよく、例えば図５に示されるように下部パネル４２ｃの両面に大径の活性炭５２が接着されていてもよい。このようにすれば、開口部２６に近接するパネル構造体１４の部位での気体の流れ性を良好とし排気速度を高くすることができる。それとともに、開口部２６から遠いパネル構造体１４の部位では相対的にパネルが密に配置されることにより吸着領域を増加させることができるので充分な気体吸蔵量を確保することもできる。

また、上述の実施形態とは異なる形状のパネル４２を採用してもよい。例えば、パネル４２の向きは開口部２６に平行であってもよいし、径方向外側に延びるにつれて開口部２６に近づくように斜めになっていてもよい。吸着領域として機能するパネル表面積を増大させるためには、パネルの向きは開口部２６に平行であるよりも斜めであるほうが好ましい。

パネル４２の形状はパネルごとに異なる形状であってもよい。例えば、パネル４２の径方向の長さを異ならせてもよく、開口部２６から遠ざかるにつれて長くしてもよいし、あるいは短くしてもよい。例えば排気速度重視領域を広くする場合には最上パネル４２ａの径方向の長さを下部パネル４２ｂ、４２ｃよりも大きくしてもよい。吸蔵量重視領域を広くする場合には下部パネル４２ｂ、４２ｃを最上パネル４２ａよりも大きくしてもよい。また、パネル４２を開口部２６側から見たときの形状は円形でなくてもよく、例えば多角形形状などの他の形状であってもよい。パネル４２の枚数は３枚に限られず、何枚であってもよい。

また吸着剤の形状は円柱形状でなくてもよく、例えば球状やその他の成形された形状、あるいは不定形状であってもよい。吸着剤のパネル上での配列は規則的配列であっても不規則な配列であってもよい。また、パネルごとにまたはパネル上の領域ごとに同一種類の吸着剤の配列を異ならせることによって排気速度重視領域及び吸蔵量重視領域を区別して形成してもよい。

次に第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は第２の実施形態とはパネル構造体の構成に関して異なる。なお以下の説明では第２の実施形態と同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。第２の実施形態及びこれに付随して説明された各変形例は、第３の実施形態及びこれに付随して説明される各変形例に適宜組み合わせることも可能である。

図６は、第３の実施形態に係るパネル構造体１４を模式的に示す上面図である。図７は、第３の実施形態に係るパネル構造体１４を模式的に示す側面図である。図７においては図３と同様に熱シールド１６の開口部２６の方向が矢印Ａで示されている。

図６及び図７に示されるように、パネル構造体１４は、円板状のパネル取付部材６０と複数の第１パネル６２と複数の第２パネル６４とを備える。第１パネル６２はパネル取付部材６０の開口部２６を向く面に立設されており、第２パネル６４はその反対側の面すなわち熱シールド１６の閉塞部２８を向く面に立設されている。中間部材としてのパネル取付部材６０により第１パネル６２と第２パネル６４とが連結されている。

第３の実施形態では、第１パネル６２に排気速度重視領域が形成され、第２パネル６４に吸蔵量重視領域が形成される。つまり、中間部材としてのパネル取付部材６０を挟んで開口部２６に近いほうに排気速度重視領域が形成され、開口部２６から遠いほうに吸蔵量重視領域が形成される。このように開口部２６の近傍のパネルに排気速度重視領域を設け、他のパネルに吸蔵量重視領域を設けることにより、高い排気速度と充分な気体吸蔵量との両立が可能となる。

また第３の実施形態では、隣接する第１パネル６２間にて対向する排気速度重視領域間に形成される間隙が、隣接する第２パネル６４間にて対向する吸蔵量重視領域間に形成される間隙よりも広くなるように、第１パネル６２の配置、第２パネル６４の配置、及び各領域での吸着剤の選択が定められる。このように排気速度重視領域間及び吸蔵量重視領域間のそれぞれの間隙を設定することにより、排気速度重視領域での気体の流れ性を良好にすることができる。よって高い排気速度を実現することができる。

第１パネル６２及び第２パネル６４の表面には第２の実施形態と同様に吸着剤が設けられるが、図６及び図７においてはパネル配置の理解を容易にするために吸着剤の図示を省略している。吸着剤については図８乃至図１０を参照して後述する。

本実施形態では第１パネル６２と第２パネル６４とは立設される面が互いに反対側であることを除いて同じレイアウトで配置されている。第１パネル６２及び第２パネル６４はともに矩形の平板状部材である。第１パネル６２と第２パネル６４とは同じ寸法に形成されている。第１パネル６２はパネル取付部材６０上に放射状かつ等間隔に立設され、第２パネル６４はパネル取付部材６０上に放射状かつ第１パネル６２と同じ間隔で等間隔に立設されている。つまり第１パネル６２と第２パネル６４とは等しい枚数が設けられている。

第１パネル６２及び第２パネル６４はともにパネル取付部材６０に垂直に立設されている。よって第１パネル６２及び第２パネル６４はともに開口部２６に対して垂直に配置されている。第１パネル６２の両面に吸着領域が形成される場合にはパネル両面に均等に気体が到達するように第１パネル６２は基本的には開口部２６に垂直に配置されることが好ましい。しかし、気体の流れ性及び真空チャンバ８０からの輻射熱等を考慮して第１パネルを適宜傾斜させてもよい。また、第２パネル６４は必ずしもパネル取付部材６０に垂直に立設されなくてもよい。パネル表面積を増大させひいては吸蔵量を増大させるためにパネル取付部材６０に第２パネル６４は斜めに立設されてもよい。

また、第１パネル６２及び第２パネル６４は円板状のパネル取付部材６０の径方向外周側に設けられており、パネル取付部材６０の中心部６６にはパネルに包囲される円柱状空間が形成される。第１パネル６２及び第２パネル６４の幅はパネル取付部材６０の径方向において例えば最外周部からパネル取付部材６０の半径の半分程度の位置までを占めるように設定されている。この場合パネル取付部材６０の中心部６６にはパネル取付部材６０の直径の半分程度の直径を有する円柱状空間が形成される。このように、パネルを中間部材の表面で放射状に配置する場合にはパネルを中間部材表面の外周側に設け中心部に開放空間を形成することが好ましい。これにより中心部でのパネルの密集を避けることができるので気体の流れ性を良好にすることができる。

この空間を利用してパネル構造体１４が冷凍機１２に熱的に接続される。つまりパネル取付部材６０の中心部６６に冷凍機１２の第２冷却ステージ２４が取り付けられる。第２冷却ステージ２４は、パネル取付部材６０の第２パネル６４が設けられている面に取り付けられる。なお、パネル構造体１４を横型のクライオポンプに取り付ける場合には冷凍機１２の取付のための空間を形成するために例えば第２パネル６４のうち一部のパネルを省略してもよい。

図８は、パネル構造体１４の一部を模式的に示す部分側面図である。図９及び図１０は、パネル構造体１４の一部を模式的に示す部分上面図である。図８には吸着剤が設けられた状態の第１パネル６２及び第２パネル６４が示されている。図９には吸着剤が設けられた状態の第１パネル６２が示されている。図１０には吸着剤が設けられた状態の第２パネル６４が示されている。

第３の実施形態においても第２の実施形態と同様に吸着剤として円柱状に成形された小径の活性炭５０及び大径の活性炭５２が用いられている。図８に示されるように、第１パネル６２の表面全域に小径の活性炭５０が接着され、第２パネル６４の表面全域に大径の活性炭５２が接着されている。小径の活性炭５０及び大径の活性炭５２はともにパネル表面に規則的に並べて接着されている。具体的には、円柱形状の中心軸を開口部２６に垂直な方向に一致させた状態で側面がパネル表面に接着されている。パネル外形の縦横に沿ってマトリックス状に密集させてパネル表面に接着されている。図９に示されるように小径の活性炭５０は第１パネル６２の両面に設けられている。図１０に示されるように大径の活性炭５２は第２パネル６４の両面に設けられている。このようにして第１パネル６２の両面全域に排気速度重視領域が形成され、第２パネル６４の両面全域に吸蔵量重視領域が形成される。なお、吸着剤はパネルの一方の面にのみ設けてもよいし、パネル表面に一部に設けてもよい。

ここで、隣接する第１パネル６２間にて対向する排気速度重視領域間に形成される間隙Ｇ_１は（図９参照）、隣接する第２パネル６４間にて対向する吸蔵量重視領域間に形成される間隙Ｇ_２（図１０参照）よりも広くされている。第１パネル６２及び第２パネル６４がともに等しい角度間隔で放射状に配置され、第１パネル６２上の活性炭５０のほうが第２パネル６４上の活性炭５２よりも小さいためである。このため排気速度重視領域において相対的に良好な流れ性を実現することができるので高い排気速度を達成することが可能となる。また吸蔵量重視領域においては大型の活性炭が用いられているので高い気体吸蔵量を達成することも可能となる。

上述のように対向する排気速度重視領域間に形成される間隙と対向する吸蔵量重視領域間に形成される間隙とを比較する場合には、各パネルが放射状に配置されている場合には角度間隔を比較すればよい。また各パネルが平行に配置されている場合には吸着領域間の距離を比較すればよい。隣接するパネルが平行ではない場合やパネルが湾曲している場合などの他の場合には、対向する吸着領域間の距離は均一ではない。このような場合には、例えば対向する排気速度重視領域間に形成される間隙の最小値が、対向する吸蔵量重視領域間に形成される間隙の最小値または平均値よりも大きくなるようにしてもよい。排気速度重視領域での気体の流通経路を広めにとることにより、排気速度重視領域での気体の流れ性を相対的に良好にすればよいからである。

図１１は、第３の実施形態の一変形例を模式的に示す図である。図１１には、パネル構造体１４の側面図が示されている。この変形例においては、第１パネル６２のほうが第２パネル６４よりも広いパネル間隔で配置されている。例えば第１パネル６２の間隔は第２パネル６４の間隔の倍の大きさとされている。第１パネル６２及び第２パネル６４には同一の吸着剤例えば同じ大きさの活性炭（図示せず）が設けられる。このようにパネル配置を工夫することによっても、隣接する第１パネル６２間にて対向する排気速度重視領域間に形成される間隙は、隣接する第２パネル６４間にて対向する吸蔵量重視領域間に形成される間隙よりも広くなる。このようにして排気速度と気体吸蔵量との両立を図ることもできる。

なお上述の実施形態とは異なるパネル配置を採用してもよい。例えば、放射状のパネル配置ではなく、各パネルを平行に配列したり、格子状に配置してもよい。また各パネルの間隔は共通であってもよいし、異ならせてもよい。また中間部材は円板状の平板部材でなくてもよく、他の形状の平板部材であってもよい。あるいは中間部材は湾曲形状または屈曲形状を有していてもよく、例えば中心部に近づくほど開口部２６に向けて近接するようなドーム状の形状であってもよい。また、隣接するパネル間において、気体の流通を促進させるスリットを中間部材に形成してもよい。このようにすればクライオポンプ底部側に向けて立設されているパネル上の吸着領域への気体流通を促進させることができる。

また、上述の実施形態においては第１パネル６２及び第２パネル６４の形状及び寸法は共通であるが、これらを適宜異ならせてもよい。例えば第１パネル６２及び第２パネル６４の表面積を異ならせることにより排気速度と吸蔵量とを調整することができる。また、第１パネル６２の一部に吸蔵量重視領域を形成してもよいし、第２パネル６４の一部に排気速度重視領域を形成してもよい。例えば第１パネル６２の中間部材との接続部近傍に吸蔵量重視領域を設けてもよい。あるいは、中間部材の露出された表面にも吸着領域を形成して排気速度重視領域または吸蔵量重視領域のいずれかとしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。本発明の一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係るパネル構造体を模式的に示す断面図である。第２の実施形態の一変形例に係るパネル構造体の部分断面図である。第２の実施形態の一変形例に係るパネル構造体の部分断面図である。本発明の第３の実施形態に係るパネル構造体を模式的に示す上面図である。第３の実施形態に係るパネル構造体を模式的に示す側面図である。第３の実施形態に係るパネル構造体の一部を模式的に示す部分側面図である。第３の実施形態に係るパネル構造体の一部を模式的に示す部分上面図である。第３の実施形態に係るパネル構造体の一部を模式的に示す部分上面図である。第３の実施形態の一変形例を模式的に示す図である。

符号の説明

１０クライオポンプ、１２冷凍機、１４パネル構造体、１６熱シールド、２６開口部、２８閉塞部、３２バッフル、４２ａ最上パネル、４２ｂ下部パネル、６０パネル取付部材、６２第１パネル、６４第２パネル。

Claims

一端に開口部を有する筒状の熱シールド部材と、熱シールド部材内部に配置され、熱シールド部材よりも低温に冷却されるパネル構造体と、を備え、パネル構造体表面に形成された吸着領域にて前記開口部から熱シールド部材内部へと飛来する気体分子を吸着により捕捉して排気するクライオポンプであって、
前記パネル構造体は、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうる部位に第１の吸着領域が形成され、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しない部位に第２の吸着領域が形成され、第１の吸着領域の単位面積当たり排気速度が第２の吸着領域の単位面積当たり排気速度よりも相対的に高くされていることを特徴とするクライオポンプ。
前記パネル構造体は、第２の吸着領域が第１の吸着領域よりも大きい単位面積当たり気体吸蔵量を有するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
第１の吸着領域は、第２の吸着領域に比べ、パネル構造体の前記開口部により近い部位に形成されることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
前記熱シールド部材は、前記開口部とは反対側の端部に閉塞部を有し、
前記パネル構造体は、前記熱シールド部材内部に配置され、前記開口部に向く第１の面と前記閉塞部に向く第２の面とを有する中間部材と、互いに間隔をあけて前記第１の面に立設される複数の第１パネルと、互いに間隔をあけて前記第２の面に立設される複数の第２パネルと、を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。
第１の吸着領域は第１パネルの両面に第１の吸着剤を設けることにより形成され、第２の吸着領域は第２パネルの両面に第２の吸着剤を設けることにより形成され、
隣接する第１パネル間にて対向する第１の吸着領域間に形成される間隙が、隣接する第２パネル間にて対向する第２の吸着領域間に形成される間隙よりも広くなるように、第１の吸着剤の大きさ、第２の吸着剤の大きさ、第１パネルの配置、及び第２パネルの配置が定められていることを特徴とする請求項４に記載のクライオポンプ。
前記中間部材は前記開口部に対して平行に配置される円板状の部材であり、前記第１の面と前記第２の面とは互いに反対側を向く面であり、
前記第１パネルは前記第１の面に放射状に第１の間隔で等間隔に立設され、前記第２パネルは前記第２の面に放射状に前記第１の間隔で等間隔に立設され、
第１の吸着剤は第１の活性炭であり、第２の吸着剤は第１の活性炭よりも大径である第２の活性炭であることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
前記中間部材は前記開口部に対して平行に配置される円板状の部材であり、前記第１の面と前記第２の面とは互いに反対側を向く面であり、
前記第１パネルは前記第１の面に放射状に第１の間隔で等間隔に立設され、前記第２パネルは前記第２の面に放射状に前記第１の間隔よりも狭い第２の間隔で等間隔に立設され、
第１の吸着剤及び第２の吸着剤はともに同径の活性炭であることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
前記パネル構造体は、前記開口部に対して斜めに配置されるパネルを含み、
第１の吸着領域は、前記パネルの表面のうち前記開口部を向くほうの面に形成されており、第２の吸着領域は、第１の吸着領域が形成されている面の裏面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
第１の吸着領域は第１の活性炭を接着することにより形成され、第２の吸着領域は第１の活性炭よりも大径である第２の活性炭を接着することにより形成されることを特徴とする請求項８に記載のクライオポンプ。
前記開口部に設けられ、前記シールド部材に熱的に接続されているバッフルをさらに備え、
第１の吸着領域は、バッフルを通過した気体分子が直線的な飛来経路を経て到達しうるパネル構造体の部位に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
一端に開口部を有する筒状の熱シールド部材と、熱シールド部材内部に配置され、熱シールド部材よりも低温に冷却されるパネル構造体と、を備え、パネル構造体表面に形成された吸着領域にて前記開口部から熱シールド部材内部へと飛来する気体分子を吸着により捕捉して排気するクライオポンプであって、
前記パネル構造体は、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうる部位に第１の吸着領域が形成され、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しない部位に第２の吸着領域が形成され、第２の吸着領域の単位面積当たり気体吸蔵量が第１の吸着領域の単位面積当たり気体吸蔵量よりも大きいことを特徴とするクライオポンプ。
共通の冷却ステージに熱的に接続されるクライオパネル構造体であって、
異種の吸着剤がそれぞれ区分された領域に設けられており、該異種の吸着剤は前記共通の冷却ステージにより冷却されることを特徴とするクライオパネル構造体。
パネル表面に小径の活性炭が接着されて形成されている排気速度重視領域と、パネル表面に大径の活性炭が接着されて形成されている吸蔵量重視領域とを備えるクライオパネル構造体。
一端に開口部を有する筒状の熱シールド部材と、熱シールド部材内部に配置され、熱シールド部材よりも低温に冷却されるパネル構造体と、を備え、前記開口部から熱シールド部材内部へと飛来する気体分子をパネル構造体表面にて捕捉して排気するクライオポンプであって、
前記パネル構造体は、第１の部位と第２の部位とをパネル前面に有し、非凝縮性気体についての第２の部位の単位面積当たり気体吸蔵量が第１の部位の単位面積当たり気体吸蔵量よりも大きいことを特徴とするクライオポンプ。
前記第１の部位は、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経て到達しうる部位であり、前記第２の部位は、気体分子が前記開口部から直線的な飛来経路を経ては到達しない部位であることを特徴とする請求項１４に記載のクライオポンプ。
前記第１の部位は前記パネル前面の外側領域であり、前記第２の部位は前記パネル前面の内側領域であることを特徴とする請求項１４または１５に記載のクライオポンプ。
前記パネル構造体は、前記開口部に垂直な方向に沿って配列された複数のクライオパネルを含み、前記開口部から遠ざかるにつれて該複数のクライオパネルは径方向の長さが長くなることを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載のクライオポンプ。