JP5379101B2 - クライオポンプ及びフィルタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプ、及びクライオポンプに使用するためのフィルタ装置に関する。

例えば特許文献１には、排出用フィルタを備えたクライオポンプが記載されている。フィルタパイプ搭がクライオポンプの逃がし管内に組込まれている。逃がし管は排出管にＴ字に接続され、その排出管は真空チャンバを形成するハウジングに接続される。逃がし管の終端に逃がし弁が取り付けられる。フィルタパイプ搭は、逃がし流路内の取付け位置から排出流路に延出している。フィルタパイプ搭は、排出流路内に配置された開口リムを有する。

特表２００２−５０１１４６号公報

上述のクライオポンプのフィルタパイプ搭は中空の円錐型スクリーンであり、粒子が詰まったときにガスを流すための開口が空けられている。そのため、フィルタパイプ搭を延出させ開口リムを排出流路に十分に近づけて開口へ流入する粒子を減らすようにしなければ、逃がし弁へと開口を漏れ流れる粒子を十分に捕獲することはできない。排出流路にフィルタパイプ搭を延出させるためのＴ字管も必要である。よって、フィルタの構成や配置、さらにその取付構造に設計上の自由度は小さい。

本発明の目的の１つは、クライオポンプから流体を排出するための経路に取り付けるのに好適なフィルタ構造及びそのフィルタ構造をもつクライオポンプを提供することにある。

本発明のある態様のクライオポンプは、外部環境からクライオポンプ内部空間を画定するクライオポンプ容器と、前記クライオポンプ容器に接続されており、前記クライオポンプ内部空間から外部環境へと流体を排出するための排出ダクトと、前記排出ダクトを排出される流体から異物を除去するためのフィルタと、該フィルタを前記排出ダクトに取り付けるためのフィルタ取付部材と、を備え、該フィルタを迂回させるためのバイパス流路の少なくとも一部が前記フィルタ取付部材に形成されているフィルタ構造と、を備える。

この態様によると、排出ダクトに取り付けられるフィルタ構造は、フィルタを迂回させるためのバイパス流路をもつ。このため、通常はフィルタを通じて流体が排出され、フィルタに目詰まりが生じたときにはバイパス流路を通じて内圧を逃がすことができる。よって、クライオポンプ内部の不測の内圧上昇を抑制し、クライオポンプの安全性を高めることができる。また、フィルタ取付部材を介してフィルタを取り付けるようにすることにより、取付位置またはその態様の柔軟性を高めることも可能となる。フィルタ取付部材にバイパス流路の少なくとも一部を形成することにより、排出ダクト内部の限られた空間に効率的にバイパス流路を収めることも可能となる。

前記フィルタは、前記排出ダクトの流れ方向の下流側に底部をもち上流側が開放された有底形状を有し、該有底形状の内部にフィルタ内部空間が形成されていてもよい。前記フィルタ取付部材は、前記フィルタ内部空間に流れを導く導管を含んでもよい。該導管の末端が前記フィルタ内部空間へと突き出しており、該導管の末端と前記フィルタの開放端との間隙が前記バイパス流路の入口を形成してもよい。このようにすれば、フィルタ内部空間への通常の流れとは逆向きの流れをバイパス流路の入口に生成することができる。よって、フィルタが有効に機能しているときにバイパス流路に進入する流れを抑制または最小化することができる。

前記フィルタ構造は、前記フィルタへ向かう排出流れの流路面積を狭くする内管と該内管の外側に形成される外管とを有する二重管構造を備えてもよい。前記バイパス流路は前記内管を前記外管に接続してもよい。バイパス流路が二重管構造の内管から外管へと流れを導くことにより、フィルタの外側へと流れを迂回させることができる。よって、必ずしもバイパスのための開口をフィルタに直接設けなくてもよくなる。また、フィルタへと向けて流路面積を狭くする内管をもつ構造を採用することにより、フィルタ設置のために大径の排出ダクトに交換するのではなく、既存の排出ダクトにフィルタ構造を設置することが容易となる。

前記フィルタ及び前記フィルタ取付部材は前記排出ダクトに収容され流れ方向に互いに隣接していてもよい。前記バイパス流路は、前記排出ダクトの断面の面内方向に流体を流すための主バイパス路を含んでもよい。該主バイパス路は前記フィルタ取付部材に形成されていてもよい。フィルタとフィルタ取付部材とを流れ方向にずらして配置することにより、排出ダクト断面におけるフィルタ面の占有率を大きくすることができる。面内方向の主バイパス路をフィルタ取付部材に形成することで、主バイパス路も比較的広くすることが可能となる。

前記バイパス流路は、入口部分と、該入口部分よりも広い中間部分と、該中間部分より狭い出口部分と、を備えてもよい。入口部分を相対的に狭くすることにより、フィルタが有効に機能しているときにバイパス流路に進入する流れを抑制することができる。中間部分を相対的に広くすることにより、バイパス流路の実効的な開口面積を広くすることが可能となる。出口部分を比較的狭くすることにより、例えば、排出ダクト内の限られた空間にバイパス流路を効率的に収めることができる。

前記バイパス流路は、前記排出ダクトの流れ方向とは逆方向に流体を流すための第１間隙と、第１間隙を通過した流体を前記フィルタの下流へと合流させるための第２間隙と、を含んでもよい。間隙であることにより、フィルタを流れる通常の流路を広く取ることができる。

前記フィルタ構造は、クランプ形継手のセンターリングを備えてもよい。このようにすれば、真空装置の配管に典型的なクランプ形継手にフィルタ構造を容易に適用することができる。フィルタ構造の交換やメンテナンスも容易となる。

クライオポンプは、前記排出ダクトの流れ方向において前記フィルタ構造よりも下流に設けられており、前記クライオポンプ容器の外部よりも内部のほうが高圧である設定差圧が作用したときに機械的に開弁される常閉型の弁をさらに備えてもよい。このようにすれば、クライオポンプの内圧を逃がすための安全弁として機能させることができる。流れがフィルタを迂回可能であることにより、弁の上流のフィルタが目詰まりしたときにもクライオポンプの内圧が安全弁に作用することが保証されるため、クライオポンプの安全性を高めることができる。

本発明の別の態様は、フィルタ装置である。この装置は、クライオポンプから外部環境に流体を放出するための放出ラインで使用するためのフィルタ装置であって、流体から異物を除去するためのフィルタと、該フィルタを放出ラインに支持するフィルタ支持部と、を備え、該フィルタを迂回させるためのバイパス流路の少なくとも一部が前記フィルタ支持部に形成されている。

本発明によれば、実用性に優れるフィルタ構造を有するクライオポンプを提供することができる。

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図である。 ダクトに取り付けられたフィルタの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るフィルタ構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係るフィルタ構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係るフィルタ構造を示す図である。

図１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に取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望の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、クライオポンプ容器３０と、放射シールド４０と、冷凍機５０と、を含んで構成される。

冷凍機５０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）などの冷凍機である。冷凍機５０は、第１シリンダ１１、第２シリンダ１２、第１冷却ステージ１３、第２冷却ステージ１４、バルブ駆動モータ１６を備える。第１シリンダ１１と第２シリンダ１２は直列に接続される。第１シリンダ１１の第２シリンダ１２との結合部側には第１冷却ステージ１３が設置され、第２シリンダ１２の第１シリンダ１１から遠い側の端には第２冷却ステージ１４が設置される。図１に示す冷凍機５０は、二段式の冷凍機であり、シリンダを直列に二段組み合わせてより低い温度を達成している。冷凍機５０は冷媒管１８を介して圧縮機５２に接続される。

圧縮機５２は、例えばヘリウム等の冷媒ガス、すなわち作動気体を圧縮して、冷媒管１８を介して冷凍機５０に供給する。冷凍機５０は、作動気体を蓄冷器を通過させることにより冷却しつつ、まず第１シリンダ１１の内部の膨張室で、次いで第２シリンダ１２の内部の膨張室で膨張させてさらに冷却する。蓄冷器は膨張室内部に組み込まれている。これにより、第１シリンダ１１に設置される第１冷却ステージ１３は第１の冷却温度レベルに冷却され、第２シリンダ１２に設置される第２冷却ステージ１４は第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される。例えば、第１冷却ステージ１３は６５Ｋ〜１００Ｋ程度に冷却され、第２冷却ステージ１４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

膨張室で順次膨張することで吸熱し、各冷却ステージを冷却した作動気体は、再び蓄冷器を通過し、冷媒管１８を経て圧縮機５２に戻される。圧縮機５２から冷凍機５０へ、また冷凍機５０から圧縮機５２への作動気体の流れは、冷凍機５０内のロータリバルブ（図示せず）により切り替えられる。バルブ駆動モータ１６は、外部電源から電力の供給を受けて、ロータリバルブを回転させる。

冷凍機５０を制御するための制御部２０が設けられている。制御部２０は、第１冷却ステージ１３または第２冷却ステージ１４の冷却温度に基づいて冷凍機５０を制御する。そのために、第１冷却ステージ１３または第２冷却ステージ１４に温度センサ（図示せず）が設けられていてもよい。制御部２０は、バルブ駆動モータ１６の運転周波数を制御することにより冷却温度を制御してもよい。そのために制御部２０は、バルブ駆動モータ１６を制御するためのインバータを備えてもよい。制御部２０は圧縮機５２、及び後述する各バルブを制御するよう構成されていてもよい。制御部２０はクライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

図１に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、冷凍機の第２冷却ステージ１４が筒状の放射シールド４０の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に沿って放射シールド４０の内部に挿入されているクライオポンプである。なお、本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、放射シールドの軸方向に沿って冷凍機が挿入されているクライオポンプである。

クライオポンプ容器３０は、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成された部位（以下、「胴部」と呼ぶ）３２を有する。開口は、スパッタ装置等の真空チャンバから排気されるべき気体が進入する吸気口３４として、設けられている。吸気口３４はクライオポンプ容器３０の胴部３２の上端部内面により画定される。また胴部３２には冷凍機５０を挿通するための開口３７が形成されている。胴部３２の開口３７には円筒状の冷凍機収容部３８の一端が取り付けられ、他端は冷凍機５０のハウジングに取り付けられている。冷凍機収容部３８は冷凍機５０の第１シリンダ１１を収容する。

またクライオポンプ容器３０の胴部３２の上端には径方向外側に向けて取付フランジ３６が延びている。クライオポンプ１０は、排気対象容積であるスパッタ装置等の真空チャンバに、取付フランジ３６を用いて取り付けられる。

クライオポンプ容器３０は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるために設けられている。上述のようにクライオポンプ容器３０は胴部３２と冷凍機収容部３８とを含んで構成されており、胴部３２及び冷凍機収容部３８の内部は共通の圧力に気密に保持される。クライオポンプ容器３０の外面は、クライオポンプ１０の動作中、すなわち冷凍機が作動している間も、クライオポンプ１０の外部の環境にさらされるため、放射シールド４０よりも高い温度に維持される。典型的にはクライオポンプ容器３０の温度は環境温度に維持される。ここで環境温度とは、クライオポンプ１０が設置されている場所の温度、またはその温度に近い温度をいい、例えば室温程度である。

クライオポンプ容器３０には、制御弁７０、ラフバルブ７２、及びパージバルブ７４が接続されている。制御弁７０、ラフバルブ７２、及びパージバルブ７４はそれぞれ制御部２０により制御される。また、クライオポンプ容器３０の内圧を測定するための圧力センサ（図示せず）が設けられていてもよい。

制御弁７０は、放出ライン８０の例えば末端に設けられている。あるいは制御弁７０は放出ライン８０の中途に設けられ末端には放出された流体を回収するためのタンク等が設けられていてもよい。制御弁７０が開弁されることにより放出ライン８０の流れが許容され、制御弁７０が閉弁されることにより放出ライン８０の流れが遮断される。排出される流体は基本的にはガスであるが、液体または気液の混合物であってもよい。例えばクライオポンプ１０に凝縮されたガスの液化物が排出流体に混在していてもよい。制御弁７０が開弁されることにより、クライオポンプ容器３０の内圧が外部に解放される。

放出ライン８０は、クライオポンプ１０の内部空間から外部環境へと流体を排出するための排出ダクト８２を含む。排出ダクト８２は例えばクライオポンプ容器３０の冷凍機収容部３８に接続されている。排出ダクト８２は流れ方向に直交する断面が円形のダクトであるが、その他のいかなる断面形状を有してもよい。放出ライン８０は、排出ダクト８２を排出される流体から異物を除去するためのフィルタを含むフィルタ構造１００を含む。フィルタ構造１００は、放出ライン８０において制御弁７０の上流に設けられている。一実施例においてはフィルタ構造１００は、放出ライン８０に完全に収容されており、クライオポンプ容器３０の外側に配置されている。フィルタ構造１００は、取り外し可能に放出ライン８０に取り付けられている。

制御弁７０は、いわゆる安全弁兼ベントバルブとして機能する。制御弁７０は、排出ダクト８２の流れ方向においてフィルタ構造１００よりも下流に設けられている例えば常閉型の電磁開閉弁である。制御弁７０は、所定の高圧である設定差圧が作用したときに機械的に開弁されるよう閉弁力が予め設定されている。設定差圧は例えば、クライオポンプ容器３０に作用し得る内圧やポンプ容器３０の構造的な耐久性等を考慮して適宜設定することができる。クライオポンプ１０の外部環境は通常大気圧であるから、大気圧を基準として所定の高圧に設定される。

制御弁７０は、例えば再生中などのようにクライオポンプ１０から流体を放出するときに制御部２０によって開弁される。放出すべきでないときは制御部２０によって制御弁７０は閉弁される。このようにして、制御弁７０はいわゆるベントバルブとして機能する。一方、制御弁７０は、設定差圧が作用したときに機械的に開弁される。このため、クライオポンプ内部が何らかの理由で高圧となったときに制御を要することなく機械的に開弁される。それにより内部の高圧を逃がすことができる。こうして制御弁７０は安全弁として機能する。このように制御弁７０を安全弁と兼用することにより、２つの弁をそれぞれ設ける場合に比べてコストダウンや省スペース化という利点を得られる。

なお、一実施例においては、機械的な安全弁といわゆるベントバルブとしての制御弁とを個別的にクライオポンプ１０に設けてもよい。この場合、制御弁７０に代えて、機械的な安全弁が放出ライン８０に設けられ、フィルタ構造１００がその安全弁の上流に設けられていてもよい。ラフバルブ７２やパージバルブ７４と同様に、機械的な安全弁とベントバルブとはクライオポンプ容器３０に対し並列に接続される。

また、後述するようにフィルタ構造１００はバイパス付きフィルタを備える。フィルタを迂回させるための流路の少なくとも一部は、フィルタを支持するためのフィルタ支持部に形成される。例えばフィルタを排出ダクト８２に取り付けるための取付部材に迂回路が形成されてもよいし、排出ダクト８２のフィルタ取付部位である管壁に迂回路が形成されてもよい。

排出流れに乗って制御弁７０に達する異物がフィルタにより捕捉され、制御弁７０を開閉したときの異物の噛み込みを防ぐことができる。それにより制御弁７０のシール性を良好に維持することができる。その一方で、迂回路が設けられていることにより、異物の堆積でフィルタが仮に閉塞されたとしても流れの継続を保証することができる。よって、クライオポンプ容器３０内部の過度の昇圧を避けることができる。

ラフバルブ７２は、図示しない粗引きポンプ（真空ポンプ）に接続される。ラフバルブ７２の開閉により、粗引きポンプとクライオポンプ１０とが連通または遮断される。パージバルブ７４は図示しないパージガス供給装置に接続される。パージガスは例えば窒素ガスである。制御部２０がパージバルブ７４を制御することにより、パージガスのクライオポンプ１０への供給が制御される。

放射シールド４０は、クライオポンプ容器３０の内部に配設されている。放射シールド４０は、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状、すなわちカップ状の形状に形成されている。放射シールド４０は、図１に示されるような一体の筒状に構成されていてもよく、また、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。

クライオポンプ容器３０の胴部３２及び放射シールド４０はともに略円筒状に形成されており、同軸に配設されている。クライオポンプ容器３０の胴部３２の内径が放射シールド４０の外径を若干上回っており、放射シールド４０はクライオポンプ容器３０の胴部３２の内面との間に若干の間隔をもってクライオポンプ容器３０とは非接触の状態で配置される。すなわち、放射シールド４０の外面は、クライオポンプ容器３０の内面と対向している。なお、クライオポンプ容器３０の胴部３２および放射シールド４０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、放射シールド４０の形状はクライオポンプ容器３０の胴部３２の内面形状に相似する形状とされる。

放射シールド４０は、第２冷却ステージ１４およびこれに熱的に接続される低温クライオパネル６０を主にクライオポンプ容器３０からの輻射熱から保護する放射シールドとして設けられている。第２冷却ステージ１４は、放射シールド４０の内部において放射シールド４０のほぼ中心軸上に配置される。放射シールド４０は、第１冷却ステージ１３に熱的に接続された状態で固定され、第１冷却ステージ１３と同程度の温度に冷却される。

低温クライオパネル６０は、例えば複数のパネル６４を含む。パネル６４は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各パネル６４は、第２冷却ステージ１４に取り付けられているパネル取付部材６６に取り付けられている。各パネル６４には通常活性炭等の吸着剤（図示せず）が設けられている。吸着剤は例えばパネル６４の裏面に接着されている。

パネル取付部材６６は一端が閉塞され他端が開放されている円筒状の形状を有し、閉塞された端部が第２冷却ステージ１４の上端に取り付けられて円筒状側面が第２冷却ステージ１４を取り囲むように放射シールド４０の底部に向けて延びている。パネル取付部材６６の円筒状側面に複数のパネル６４が互いに間隔をあけて取り付けられている。パネル取付部材６６の円筒状側面には、冷凍機５０の第２シリンダ１２を通すための開口が形成されている。

放射シールド４０の吸気口には、真空チャンバ等からの輻射熱から第２冷却ステージ１４およびこれに熱的に接続される低温クライオパネル６０を保護するために、バッフル６２が設けられている。バッフル６２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。バッフル６２は、放射シールド４０の中心軸を中心とする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。バッフル６２は放射シールド４０の開口側の端部に取り付けられており、放射シールド４０と同程度の温度に冷却される。なおバッフル６２と真空チャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられていてもよい。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を排気するときに開とされる。

放射シールド４０の側面には冷凍機取付孔４２が形成されている。冷凍機取付孔４２は、放射シールド４０の中心軸方向に関して放射シールド４０側面の中央部に形成されている。放射シールド４０の冷凍機取付孔４２はクライオポンプ容器３０の開口３７と同軸に設けられている。冷凍機５０の第２シリンダ１２及び第２冷却ステージ１４は冷凍機取付孔４２から放射シールド４０の中心軸方向に垂直な方向に沿って挿入されている。放射シールド４０は、冷凍機取付孔４２において第１冷却ステージ１３に熱的に接続された状態で固定される。

なお放射シールド４０が第１冷却ステージ１３に直接取り付けられる代わりに、接続用のスリーブによって放射シールド４０が第１冷却ステージ１３に取り付けられてもよい。このスリーブは例えば、第２シリンダ１２の第１冷却ステージ１３側の端部を包囲し、放射シールド４０を第１冷却ステージ１３に熱的に接続するための伝熱部材である。

上記の構成のクライオポンプ１０による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、まずその作動前にラフバルブ７２を通じて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５０の駆動により第１冷却ステージ１３及び第２冷却ステージ１４が冷却され、これらに熱的に接続されている放射シールド４０、バッフル６２、クライオパネル６０も冷却される。

冷却されたバッフル６２は、真空チャンバ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６２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６２を通過して放射シールド４０内部へと進入する。進入した気体分子のうちクライオパネル６０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６０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、クライオパネル６０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は真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

図２は、ダクトＡに取り付けられたフィルタＢの一例を示す図である。フィルタＢは、ダクトＡにおける流れ方向（図において右から左）に下流側に突き出したドーム形状を有し、上流側の端部が円形リムＣで支持されている。ダクトＡのフィルタ取付位置には管の内面から径方向内側に向けて凸部を形成する環状支持部Ｄが設けられている。環状支持部Ｄの環状部分にフィルタＢの円形リムＣが係合され固定されている。こうしてフィルタＢがダクトＡに取り付けられている。この場合、上流からの流れＥ（実線矢印で示す）はフィルタＢを通過して流れＦ（破線矢印で示す）となる。流れＥに含まれる異物はフィルタＢにより、流れＦから除去される。フィルタＢに異物が堆積すれば、ダクトＡの流れは遮断されてしまう。

図３及び図４は、本発明の一実施形態に係るフィルタ構造１００を示す図である。図３は通常時の流れを示し、図４はフィルタ構造１００を迂回する流れを示す。フィルタ構造１００は、フィルタ１０２及びフィルタ支持部１０４を含んで構成される。フィルタ１０２は、上流からフィルタ１０２へと流れる流体から異物を捕捉する。こうして、フィルタ１０２を通過した下流の流れから異物が除去される。

フィルタ支持部１０４は、フィルタ１０２をクライオポンプ１０の放出ライン８０に支持する。フィルタ支持部１０４は、放出ライン８０の排出ダクト８２における取付部位１０６と、その取付部位１０６にフィルタ１０２を取り付けるためのフィルタ取付部材１０８と、を含む。

放出ライン８０を流れる流体は典型的には低温クライオパネル６０に凝縮された気体が例えば再生により気化したものである。異物は例えば低温クライオパネル６０に接着されていた活性炭等の吸着剤に由来する粒子である。この流れはクライオポンプ容器３０から制御弁７０へと排出ダクト８２を流れ、クライオポンプ１０から外部環境へと放出される。フィルタ１０２が異物で閉塞されていない通常時においては、矢印１１０で図示されるように、放出ライン８０の管路方向に沿う流れが生じる。以下ではこの流れを通常流れ１１０とも称する。通常流れ１１０は、レジューサ１６０から内部配管１７０を経由してフィルタ内部空間１３６に流入する。フィルタ内部空間１３６からフィルタ１０２を通過して下流へと流れる。

フィルタ１０２とフィルタ取付部材１０８とは排出ダクト８２において隣接しており、フィルタ取付部材１０８によってフィルタ１０２は排出ダクト８２の内部に支持されている。フィルタ取付部材１０８は、フィルタ１０２よりも上流に配置される。なおフィルタ取付部材１０８はフィルタ１０２よりも下流に配置されてもよい。フィルタ取付部材１０８の外側面の形状は排出ダクト８２の取付部位１０６に対応している。排出ダクト８２の断面が円形の場合、対応するフィルタ取付部材１０８の外側面の形状も実質的に同径の円形である。よって、フィルタ構造１００を既存の排出ダクト８２に容易に適用することができる。バイパス流路１１２を形成するためにダクトを拡径する、あるいは大径のダクトに置き換える等の変更が不要であり好適である。

フィルタ支持部１０４またはフィルタ取付部材１０８にはバイパス流路１１２が形成されている。バイパス流路１１２は、フィルタ１０２が異物である程度閉塞されたときにフィルタ１０２を迂回する流れを許容するための流路である。以下ではバイパス流路１１２を流れる流れをバイパス流れ１１４とも称する。

図４に示すように、バイパス流れ１１４は、レジューサ１６０から内部配管１７０を経由してフィルタ内部空間１３６に流入する。ここまでは通常流れ１１０と同様である。バイパス流れ１１４が生じるときはフィルタ１０２が閉塞されているため、フィルタ内部空間１３６から第１間隙１２２、主バイパス路１２４、第２間隙１２６を経由しフィルタ１０２を迂回して下流へと流れる。

バイパス流路１１２をフィルタ支持部１０４またはフィルタ取付部材１０８に形成することにより、排出ダクト８２のより大きな断面積をフィルタ１０２が占有することが可能となる。通常流れ１１０がフィルタを通過する流量を十分に確保することが可能となる。一実施例においては、フィルタ１０２は排出ダクト８２の中心部を占有するように配置され、バイパス流路１１２は排出ダクト８２の流路の周縁部に形成されてもよい。一実施例においては、バイパス流路１１２は、通常時のバイパス流れ１１４を抑制するための屈曲流路または迷路構造を含んでもよい。

バイパス流路１１２は、入口部分１１６と、中間部分１１８と、出口部分１２０と、を含む。入口部分１１６において通常流れ１１０からバイパス流れ１１４に分岐し、出口部分１２０においてバイパス流れ１１４から通常流れ１１０に合流する。入口部分１１６と出口部分１２０とは中間部分１１８を通じて接続されている。中間部分１１８は入口部分１１６及び出口部分１２０よりも広い開口面積を有する。バイパス流路の開口面積を流れに沿って均一とする代わりに中間部分１１８を相対的に広くすることで、バイパス流路１１２の実効的な開口面積を所望の大きさにする設計が容易になる。

バイパス流路１１２の開口面積は、フィルタ１０２が所定の閉塞状態にあるときの開口面積よりもバイパス流路１１２の開口面積が大きくなるよう設定される。このようにすれば、その所定の閉塞状態を超えてフィルタ１０２が目詰まりしたときに通常流れ１１０からバイパス流路１１２へと流れを切り替えることができる。

入口部分１１６は、通常流れ１１０の流れ方向とは逆方向に流体を流すための第１間隙１２２を含む。すなわち、第１間隙１２２における流れは通常流れ１１０とは逆向きの成分を含み、さらに排出ダクト８２の径方向（すなわち通常流れ１１０に直交する面内方向）を向く成分を有してもよい。第１間隙１２２を逆方向流れとなるよう構成することにより、通常時のバイパス流れ１１４を最小化することができる。

中間部分１１８は、フィルタ取付部材１０８に形成された主バイパス路１２４を含む。主バイパス路１２４の流路面積は第１間隙１２２よりも広い。フィルタ取付部材１０８はフィルタ１０２とは流れ方向にずれた位置に並設されているので、主バイパス路１２４の面積を比較的広く取ることができる。主バイパス路１２４は、通常流れ１１０の流れ方向に交差する方向、すなわち排出ダクト８２断面の面内方向に流体を流すよう形成されている。主バイパス路１２４は第１間隙１２２から流入した流体を、例えば通常流れ１１０に直交する方向に排出ダクト８２の径方向外側へ向けて導く。第１間隙１２２と主バイパス路１２４とにより、通常流れ１１０の逆向きから排出ダクト８２の径方向外向きへと流れを導く第１屈曲流路が構成される。

出口部分１２０は、フィルタ１０２の下流に流れを合流させるための第２間隙１２６を含む。出口部分１２０は、通常流れ１１０の方向に流体を流す。第２間隙１２６における流れは通常流れ１１０とは同方向の成分を含み、さらに排出ダクト８２の径方向を向く成分を有してもよい。第２間隙１２６の流路面積は主バイパス路１２４よりも狭い。主バイパス路１２４から流入した流体は第２間隙１２６へと導かれる。主バイパス路１２４と第２間隙１２６とにより、排出ダクト８２の径方向外向きから通常流れ１１０の方向へと流れを導く第２屈曲流路が構成される。通常流れ１１０に沿う方向に流体を流す流路を第１間隙１２２及び第２間隙１２６として狭くすることにより、排出ダクト８２の限られた断面積にバイパス流路１１２を効率的に収めるとともに、フィルタ１０２を流れる通常の流路を広く取ることができる。

一実施例においては、バイパス流路１１２は排出ダクト８２の全周にわたって形成される。バイパス流路１１２は放射状に離散的に複数箇所に形成されてもよい。あるいは、バイパス流路１１２は排出ダクト８２の中心軸を包囲する周方向に１箇所または複数箇所が放射状に離散的に形成されてもよい。

フィルタ取付部材１０８は、第１部分１２８と第２部分１３０とを含む。フィルタ取付部材１０８は、第１部分１２８が第２部分１３０の上流側となるよう排出ダクト８２に取り付けられる。第１部分１２８が排出ダクト８２の取付部位１０６に固定され一体化される。第２部分１３０は外周部分が第１部分１２８よりも若干縮径されている。第２部分１３０は排出ダクト８２に同軸の二重管構造を形成する。第２部分１３０にバイパス流路１１２が形成される。

この二重管構造の内管１３２に通常流れ１１０が導かれ、内管１３２から外管１３４へとバイパス流れ１１４が導かれる。内管１３２はフィルタ１０２へ向かう排出流れの流路面積を狭くする。外管１３４は内管１３２の外側かつ排出ダクト８２の内側に形成される。バイパス流路１１２は内管１３２を外管１３４に接続する。第１部分１２８が取付部位１０６に固定されていることにより、外管１３４は下流方向への流れが許容され上流方向への流れは規制されている。外管１３４の下流側末端部に第２間隙１２６が形成されている。

フィルタ１０２は、排出ダクト８２の流れ方向の下流側に底部をもち上流側が開放された有底形状を有する。例えば下流方向に突き出して形成されるドーム状の形状を有する。フィルタ１０２の有底形状の内部にはフィルタ内部空間１３６が形成される。フィルタ１０２は例えば金網である。フィルタ１０２の開放端にはフィルタ１０２の形状を支持するための環状部材であるベースリム１３８が取り付けられている。ベースリム１３８を介してフィルタ１０２はフィルタ取付部材１０８の第２部分１３０に取り付けられる。第２部分１３０は、ベースリム１３８に対応する環状の取付座をもつ。こうしてフィルタ１０２は、排出ダクト８２の中心軸に同軸にフィルタ取付部材１０８によって支持される。フィルタ１０２は図２に示す汎用のフィルタＢと同一であってもよく、フィルタ取付部材１０８には既存のフィルタを適用することができる。

フィルタ取付部材１０８は、いわゆるレジューサ１６０及び内部配管１７０を含んで構成されている。レジューサ１６０は、第１部分１２８及び第２部分１３０を含む。第１部分１２８の内壁は上流から連続的に（または段階的に）縮径され、内部配管１７０へと流れを導く。内部配管１７０はフィルタ内部空間１３６に流れを導くための導管である。内部配管１７０は第２部分１３０の内部に同軸に取り付けられており、その内面は、フィルタ内部空間１３６に流れを導くための主開口１４０を画定する内側壁１４２である。なお、内部配管１７０から主バイパス路１２４に流れを直接導くための副バイパス路が内側壁１４２に形成されていてもよい。この場合、バイパス流れ１１４は第１間隙１２２を迂回する流れをもつことになる。

内部配管１７０によってレジューサ１６０の第２部分１３０に、３重の流路が構成されている。内部配管１７０の内側となる中心部がレジューサ１６０からフィルタ内部空間１３６へと流れを導く流路である。また、内部配管１７０と第２部分１３０との間にバイパス流路１１２の入口部分から主バイパス路１２４へと接続する流路が形成され、第２部分１３０の外側に主バイパス路１２４からバイパス流路１１２の出口部分へと接続する流路が形成されている。

フィルタ取付部材１０８は、フィルタ内部空間１３６に流れを導くための主開口１４０を画定する内側壁１４２を有する。フィルタ１０２の開放端と内側壁１４２の末端１４４との第１間隙１２２がバイパス流路１１２の入口を形成する。内側壁１４２の末端１４４がフィルタ内部空間１３６へと突き出している。内側壁１４２の末端１４４は、ベースリム１３８の上流側端面よりも下流側に突き出している。内側壁１４２の末端１４４は、フィルタ１０２の金網部分まで突き出していてもよい。こうして突き出していることにより、第１間隙１２２には主開口１４０からフィルタ内部空間１３６への通常の流れ方向とは逆向きの流れが生成されることが保証される。

また、フィルタ取付部材１０８は、排出ダクト８２の内面１４６に対向する外側壁１４８を有し、内面１４６と外側壁１４８との第２間隙１２６がバイパス流路１１２の出口を形成する。外側壁１４８は第２部分１３０の側面である。第２間隙１２６にバイパス流路１１２の入口を接続するための貫通孔１５０が外側壁１４８に形成されている。貫通孔１５０により主バイパス路１２４が形成される。貫通孔１５０は、フィルタ取付部材１０８の第２部分１３０の周方向に沿って複数箇所に形成されており、例えば９０度おきに４箇所形成されている。このようにしてフィルタ取付部材１０８の第２部分１３０に主バイパス路１２４が形成されている。

図５は、本発明の一実施形態に係るフィルタ構造１００を示す図である。フィルタ構造１００がクランプ形継手のセンターリングを備える点を除いて、図３及び図４に示すフィルタ構造１００と同様の構成を有する。図５に示すフィルタ構造１００は、フィルタ取付部材１０８の上流側がセンターリングとして形成され、それに隣接する下流側がバイパス流路部として形成されている。

具体的には、フィルタ取付部材１０８のレジューサ１６０の外周部にセンターリングとしてのＯリング用ガイド部１８０が形成されている。このガイド部１８０にＯリング１８２が装着され、フィルタ構造１００は公知のクランプ形継手１８４に取り外し可能に取り付けられる。真空配管に典型的に用いられるクランプ形継手１８４にフィルタ構造１００が取り付けられることにより、フィルタ交換やメンテナンス等を容易にすることのできるフィルタ構造を提供することができる。

本発明の一実施形態によれば、フィルタ１０２の手前にレジューサ１６０と内部配管１７０とを配置して放出ガスをフィルタ１２０の中央部に導いている。内部配管１７０の出口位置はフィルタ１０２に囲まれた空間１３６に突き出しており、フィルタ１０２と内部配管１７０との間に隙間が形成されている。放出ガスのバイパス流路１１２は内部配管１７０の出口の手前に位置している。

よって、フィルタが目詰まりしていないときにはバイパス流路１１２に放出ガスが流れないようになっている。異物がバイパス流路１１２を通過して下流に流出することを防止している。フィルタが目詰まりしたときには、放出ガスは内部配管１７０とフィルタ１０２との隙間を通ってバイパス流路１１２に流れる。このため放出ライン８０は閉塞されない。クライオポンプ１０の内圧の上昇を防止することができるので、安全性が一層向上される。

１０ クライオポンプ、 １１ 第１シリンダ、 １２ 第２シリンダ、 １３ 第１冷却ステージ、 １４ 第２冷却ステージ、 ２０ 制御部、 ３０ クライオポンプ容器、 ４０ 放射シールド、 ４３ 冷凍機挿通孔、 ５０ 冷凍機、 ６０ 低温クライオパネル、 ７０ 制御弁、 ８０ 放出ライン、 ８２ 排出ダクト、 １００ フィルタ構造、 １０２ フィルタ、 １０４ フィルタ支持部、 １０８ フィルタ取付部材、 １１２ バイパス流路、 １２２ 第１間隙、 １２４ 主バイパス路、 １２６ 第２間隙、 １３２ 内管、 １３４ 外管、 １３６ フィルタ内部空間、 １８４ クランプ形継手。

Claims (8)

1. 外部環境からクライオポンプ内部空間を画定するクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器に接続されており、前記クライオポンプ内部空間から外部環境へと流体を排出するための排出ダクトと、
   前記排出ダクトを排出される流体から異物を除去するためのフィルタと、該フィルタを前記排出ダクトに取り付けるためのフィルタ取付部材と、を備え、該フィルタを迂回させるためのバイパス流路の少なくとも一部が前記フィルタ取付部材に形成されているフィルタ構造と、を備え、
   前記フィルタは、前記排出ダクトの流れ方向の下流側に底部をもち上流側が開放された有底形状を有し、該有底形状の内部にフィルタ内部空間が形成され、
   前記フィルタ取付部材は、前記フィルタ内部空間に流れを導く導管を含み、
   該導管の末端が前記フィルタ内部空間へと突き出しており、該導管の末端と前記フィルタの開放端との間隙が前記バイパス流路の入口を形成することを特徴とするクライオポンプ。
2. 外部環境からクライオポンプ内部空間を画定するクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器に接続されており、前記クライオポンプ内部空間から外部環境へと流体を排出するための排出ダクトと、
   前記排出ダクトを排出される流体から異物を除去するためのフィルタと、該フィルタを前記排出ダクトに取り付けるためのフィルタ取付部材と、を備え、該フィルタを迂回させるためのバイパス流路の少なくとも一部が前記フィルタ取付部材に形成されているフィルタ構造と、を備え、
   前記フィルタ構造は、前記フィルタへ向かう排出流れの流路面積を狭くする内管と該内管の外側に形成される外管とを有する二重管構造を備え、前記バイパス流路は前記内管を前記外管に接続することを特徴とするクライオポンプ。
3. 外部環境からクライオポンプ内部空間を画定するクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器に接続されており、前記クライオポンプ内部空間から外部環境へと流体を排出するための排出ダクトと、
   前記排出ダクトを排出される流体から異物を除去するためのフィルタと、該フィルタを前記排出ダクトに取り付けるためのフィルタ取付部材と、を備え、該フィルタを迂回させるためのバイパス流路の少なくとも一部が前記フィルタ取付部材に形成されているフィルタ構造と、を備え、
   前記バイパス流路は、入口部分と、該入口部分よりも広い中間部分と、該中間部分より狭い出口部分と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
4. 外部環境からクライオポンプ内部空間を画定するクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器に接続されており、前記クライオポンプ内部空間から外部環境へと流体を排出するための排出ダクトと、
   前記排出ダクトを排出される流体から異物を除去するためのフィルタと、該フィルタを前記排出ダクトに取り付けるためのフィルタ取付部材と、を備え、該フィルタを迂回させるためのバイパス流路の少なくとも一部が前記フィルタ取付部材に形成されているフィルタ構造と、を備え、
   前記バイパス流路は、前記排出ダクトの流れ方向とは逆方向に流体を流すための第１間隙と、第１間隙を通過した流体を前記フィルタの下流へと合流させるための第２間隙と、を含むことを特徴とするクライオポンプ。
5. 前記フィルタ及び前記フィルタ取付部材は前記排出ダクトに収容され流れ方向に互いに隣接しており、
   前記バイパス流路は、前記排出ダクトの断面の面内方向に流体を流すための主バイパス路を含み、該主バイパス路は前記フィルタ取付部材に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。
6. 前記フィルタ構造は、クランプ形継手のセンターリングを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
7. 前記排出ダクトの流れ方向において前記フィルタ構造よりも下流に設けられており、前記クライオポンプ容器の外部よりも内部のほうが高圧である設定差圧が作用したときに機械的に開弁される常閉型の弁をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のクライオポンプ。
8. クライオポンプから外部環境に流体を放出するための放出ラインで使用するためのフィルタ装置であって、
   流体から異物を除去するためのフィルタと、該フィルタを放出ラインに支持するフィルタ支持部と、を備え、該フィルタを迂回させるためのバイパス流路の少なくとも一部が前記フィルタ支持部に形成されており、
   前記フィルタ装置は、前記フィルタへ向かう排出流れの流路面積を狭くする内管と該内管の外側に形成される外管とを有する二重管構造を備え、前記バイパス流路は前記内管を前記外管に接続することを特徴とするフィルタ装置。

Images