JP5444545B2

JP5444545B2 - クライオポンプルーバ拡張部

Info

Publication number: JP5444545B2
Application number: JP2009168729A
Authority: JP
Inventors: ロングスワースラルフ
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: JP2013139822A; KR101057321B1; KR20100009498A; US20100011784A1; JP2010025113A; JP5552693B2

Description

（関連する出願の参照）
この出願は、２００８年７月１７日に出願された米国仮出願第６１／０８１，４６１号の優先権を主張し、その全内容及び全開示を参照としてここに引用する。

本発明は、クライオポンプに関する。

太陽電池を製造するために使用される大きい真空チャンバのための５００ｍｍ〜６３０ｍｍサイズ範囲のクライオポンプに関する。基板材料のロール上の大きいシリコンアレイ及び薄膜塗膜は、それらが処理されるときに、多量の水蒸気を脱着し、それらが先ずチャンバ内に導入されるときに、空気の除去も必要とする。１つ又はそれよりも多くのクライオポンプが、典型的には、真空チャンバに取り付けられ、各クライオポンプは、ゲート弁の背後に取り付けられ、ゲート弁は、一束の材料を取り除くために真空が破られるときに閉塞され、次に、チャンバが機械的な粗引ポンプによって約０．２Ｔｏｒｒの圧力に排気された後に開放される。

クライオポンプを冷却するために現在使用されている二段ギフォード−マクマホン（Ｇ−Ｍ）冷凍機が、第一段クライオパネルを５０〜１００Ｋに冷却し、第二段クライオパネルを約１５Ｋに冷却する。エキスパンダは、普通、第一段の高温部にある弁組立体を備える段付きシリンダ、より大きい直径の第一段からより小さい直径の第二段への移行部にある第一段コールドステーション、及び、遠端にある（約１５Ｋにある）第二段コールドステーションとして構成される。Ｇ−Ｍ型冷凍機の動作の記載は、米国特許第３，６２０，０２９号中に見出すことができる。

クライオポンプは、典型的には、エキスパンダシリンダの軸の上にある（時折、「インライン」と呼ばれる）或いはシリンダの軸に対して垂直な（時折、「低プロファイル」と呼ばれる）入口を備えて製造される。大きいチャンバ内の水蒸気及び空気を排気するために使用されるクライオポンプは、典型的には、「インライン」であるが、本発明の現概念は両方の種類に等しく良好に適用できる。

５００ｍｍ〜６３０ｍｍのサイズ範囲にあるクライオポンプは、一般的には、大きい真空コーティングチャンバのために使用される。インライン型クライオポンプのためのクライオパネルは、典型的には、コールドフィンガーの周りで軸対称的である。このパネル設計は、米国特許第５，１５６，００７号におけるように、エキスパンダシリンダのためにコールドパネル内に切欠きを有することによって、低プロファイルクライオポンプに頻繁に適応される。クライオポンプは、冷凍気体に関して全ての向きで等しく良好に動作するが、再生中に、溶解したクライオポンプ吸着物が、クライオポンプの向き及び設計に依存して、異なる方向に流れ出す。

米国特許第４，１５０，５４９号は、２つの軸対称クライオパネルを冷却するために二段Ｇ−Ｍ冷凍機を使用する典型的なクライオポンプを記載している。第一段は、入口（ウォーム）パネルを冷却し、入口（ウォーム）パネルは、グループＩ気体、例えば、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２を排気し、多量の輻射が第二段（コールド）パネルに達するのを妨げるが、グループII気体、例えば、Ａｒ及びＮ_２、並びに、グループIII気体、例えば、Ｈ_２及びＨｅがそれを通過するのを許容する。グループII気体は、カップ形状コールドパネルの正面側上で凍結し、グループIII気体は、コールドパネルの裏側上の吸着体内に吸着される。米国特許第４，５３０，２１３号は、入口領域からハウジングの背部に増大する直径を有する一連の同心状リングから成るコールドパネル設計を記載している。

クライオパネル、特に入口アレイが、クライオポンプハウジング内に収容されるよう、クライオパネルを設計するのが通例である。これは参照された特許の全てに当てはまる。しかしながら、クライオパネルが、宇宙船を試験するためのチャンバのような大きいチャンバの内側に取り付けられることは希ではない。米国特許第５，８１９，５４５号は、真空チャンバ内に延びるＧ−Ｍ冷凍機によって冷却されるクライオパネルの一例を提供している。これらはいずれも、ゲート弁の背後に取り付けられていない。

本発明の主要な目的は、ゲート弁の背後に取り付けられる標準的なサイズのクライオポンプを、入口アレイをより大きい直径に拡張することによってグループＩのためのより高い排気速度を備えるクライオポンプに適合することを容易にすることである。

より大きい直径の入口アレイは、クライオポンプハウジングの直径を増大すること、或いは、入口アレイの拡張部をクライオポンプフランジとゲート弁の弁体との間の空間内に適合させることのいずれかによって順応される。後者の選択肢の二次的な利益は、全ての気体のための排気速度の小さな増加である。拡張表面は、クライオポンプが再生される前に、多量のクライオポンプ吸着物を吸着できるように設計される。

ここに記載されるフランジは、国際標準化機構（ＩＳＯ）に従って５００ｍｍサイズ又は６００ｍｍサイズのいずれか、或いは、アメリカ規格協会（ＡＳＡ）に従って２２”（２２インチ）として設計される。これらを標準サイズのフランジと呼ぶ。

１つの実施態様では、最小変化で２２”又は６３０ｍｍのフランジを用いて製造できる標準的な５００ｍｍサイズのクライオポンプが提供され、クライオポンプは、入口領域における増加と比例するグループＩ気体のための排気速度増加を有するのに対し、グループII及びIII気体のための速度及び容量は不変のままである。これはクライオポンプの入口アレイの直径を増大することによって達成される。入口アレイの増大された直径は、より大きいフランジの標準的な内径と一致するようにクライオポンプハウジングの直径を増大すること、或いは、より大きいフランジを５００ｍｍハウジングに適合し、入口アレイをクライオポンプフランジとゲート弁の弁体との間の間隙に拡張することのいずれかによって適応される。この間隙は、典型的には、拡張されたアレイに適応するのに十分な２．５〜３ｃｍである。５００ｍｍ〜６３０ｍｍのフランジを備えるクライオポンプを本発明の基本概念を例証する実施例として用いるが、他のサイズも適用できる。

本発明の第一の特徴では、第一段及び第二段を有する冷凍機と、コールドクライオパネルと、ウォームクライオパネルと、ウォームクライオパネルの外側に延びる拡張支持ブラケットを有する入口アレイと、ハウジングとを含み、入口アレイはハウジングの内側に適合する、クライオポンプが提供される。ウォームクライオパネルの外側に延びる入口アレイの一部の上に１つ又はそれよりも多くの外側ルーバを設けることができる。

本発明の第二の特徴では、第一段及び第二段を有する冷凍機と、コールドクライオパネルと、ウォームクライオパネルと、ウォームクライオパネルの周りに近接して適合し且つ第一内径を有するハウジングと、ハウジングの内側に適合する入口アレイと、ハウジングを第二内径を有するゲート弁に取り付けるフランジと、入口アレイに取り付けられ且つ入口アレイをフランジの上に拡張するブラケット拡張部とを含み、第二内径は第一内径よりも大きい、クライオポンプが提供される。

標準的な５００ｍｍクライオポンプパネル及びゲート弁の背後に取り付けられたエキスパンダを示す断面図であり、５００ｍｍハウジング、フランジ、及び、ゲート弁が、左側に示され、本発明の実施態様に従って構成された２２”ハウジング、フランジ、及び、ゲート弁が、右側に示されている。標準的な５００ｍｍクライオポンプパネル、エキスパンダ、及び、ゲート弁の背後に取り付けられたハウジングを示す断面図であり、５００ｍｍハウジングを２２”フランジに適合するフランジが右側に示され、５００ｍｍハウジングを６３０ｍｍフランジに適合するフランジが左側に示され、双方とも本発明の実施態様に従って構成され、標準的な５００ｍｍ入口ルーバが、クライオポンプウォームクライオパネルとゲート弁の弁体との間の空間内に適合するブラケット拡張部を備えて示されている。８個の支持ブラケットを備える標準的な５００ｍｍクライオポンプ入口ルーバアレイを示す上面図であり、ブラケット拡張部のための取付け孔が示されている。図３Ａの側面図である。標準的な５００ｍｍクライオポンプ支持ブラケットの端部に取り付けられたブラケット拡張部を示す上面図であり、環状入口鍔プレートが、ブラケット拡張部の下面に取り付けられている。図４Ａの側面図である。

図１及び２において、クライオポンプは、図３に示されるように軸対称的であると理解されるが、比較の容易性のために、２つのクライオポンプの断面図が隣り合って示されている。破線が２つのクライオポンプを分離している。

本発明の実施態様では、非標準的なゲート弁に取り付けることのできる、より大きい直径を有するハウジングを備えるクライオポンプが提供される。図１の左半分は、５００ｍｍゲート弁２ａの背後に取り付けられた５００ｍｍクライオポンプを示している。一部の部品は、このシリーズのポンプにおいて製造される全てのポンプに共通し、異なるサイズのゲート弁に適合できる。図１の場合には、共通の或いは標準的な部品は、第一段ヒートステーション２１、第二段ヒートステーション２２を備えるエキスパンダ２０、コールドクライオパネル２５、ウォームクライオパネル２６、熱バス２７、及びボルト１５である。ボルト１５は、入口アレイ１０ａ，１０ｂを熱バス２７に取り付ける。左側の構造のための入口アレイ１０ａは、支持ブラケット１３及びルーバ１２で構成されている。現設計では、全て銅又は類似材料で作成される８個の支持ブラケット及び６個のルーバがある。入口アレイに入射する輻射熱の殆どは、支持ブラケット１３及び８個の銅製熱バス２７を通じて第一段ヒートステーション２１に伝導される。熱バス２７は、一定の断面を有し、殆どの熱を第一段ヒートステーション２１に移動する。一部の熱は、銅製ウォームパネル２６を通じても第一段ヒートステーション２１に移動される。５００ｍｍゲート弁ハウジング８ａの小さい部分だけが、ゲート弁の弁体７ａに沿って示されている。「Ｏ」リング９が、クライオポンプフランジ１７ａをゲート弁ハウジング８ａの外側に封止し、ゲート弁の弁体７ａをゲート弁ハウジング８ａの内側に封止する。図１の左半分に示されるような５００ｍｍゲート弁２ａに取り付けられる５００ｍｍクライオポンプ１ａは、クライオポンプハウジング１８ａ及びフランジ１７ａの追加によって完了し、それらは５００ｍｍの内径（ＩＤ）を有する。

図１の左側に示される５００ｍｍクライオポンプ１ａの共通部分は、図１の右側に示されるように、２２”クライオポンプ１ｂ内に組み込まれ且つ２２”ゲート弁２ｂに取り付けられ得る。入口アレイ１０ｂは、拡張ブラケット１１、ルーバ１２、支持ブラケット１３、及び、外側ルーバ６で構成される。１つの外側ルーバ６が図１に示されているが、本発明の他の実施態様では、１つ又はそれよりも多くの外側ルーバがあり得る。２２”ゲート弁２ｂは、ハウジング８ｂ、ゲート弁の弁体７ｂ、及び、Ｏリング９から構成される。クライオポンプハウジング８ｂは、２２”フランジ１７ｂがそうであるように、２２”のＩＤを有する。入口アレイ１０ｂは、拡張ブラケット１１を含めて、クライオポンプハウジング１８ｂ内に示されていることに留意のこと。また、図１では、右側で、クライオポンプハウジング１８ｂとウォームパネル２６との間の半径方向間隙は、左側の半径方向間隙よりも大きく、右側径方向間隙は、０．５〜３ｃｍ、例えば、１〜３ｃｍ又は２．５〜３ｃｍである。

本発明の実施態様では、クライオポンプのハウジングよりも大きい内径を有するゲート弁に取り付けることのできるクライオポンプが提供される。図２は、５００ｍｍクライオポンプ１ａがより容易に２２”又は６３０ｍｍゲート弁２ｂ，２ｃに適合され得るよう、５００ｍｍクライオポンプ１ａを構築する好適な方法を示している。この設計では、クライオポンプハウジング１８ａ、及び、入口ルーバ１２を備える支持ブラケット１３は、共通である部品内に含められている。この設計の５００ｍｍクライオポンプ１ａは、入口アレイ１０をフランジ１７ｃ，１７ｄの上に突出させる点で図１の左側に示されるものと異なる。１つの実施態様では、入口アレイ１０は、３ｃｍ未満、例えば、２．５ｃｍ未満又は２ｃｍ未満、フランジ１７ｃ，１７ｄの上に突出する。１つの実施態様では、入口アレイは、フランジ１７ｃ，１７ｄの平面と少なくとも等しく或いは上にある。図２は、右側に示されるように、２２”ゲート弁ハウジング８ｂ内に、或いは、左側に示されるように、６３０ｍｍゲート弁ハウジング８ｃ内に適合するよう、共通の入口アレイ１０を拡張する本発明に従った手段を示している。クライオポンプハウジング１８ａとウォームパネル２６との間の近接した適合、例えば、半径方向間隙は、典型的には、２ｍｍである。１つの実施態様では、近接した適合の故に、図２に示されるように、入口アレイ１０上に外側ルーバはない。

２２”選択肢のために、環状入口鍔プレート５ｂが、例えば、ハンダによって、ブラケット拡張部４ｂに取り付けられ、ブラケット拡張部４ｂは、次いで、支持ブラケット１３に取り付けられる。ブラケット拡張部４ｂは、その上に１つ又はそれよりも多くの外側ルーバをさらに含み得る。クライオポンプフランジ１７ｂは、それが５００ｍｍのＩＤを備える２２”フランジである点で、非標準的である。拡張入口アレイは、クライオポンプフランジ１７ｃとゲート弁の弁体７ｂとの間の間隙内に適合する。１つの実施態様では、この間隙は、０．５〜３ｃｍ、例えば、１〜３ｃｍ又は２．５〜３ｃｍであり得る。図２中のクライオポンプフランジ１７ｃ及び１７ｄは、図１中のフランジ１７ａ及び１７ｂよりも、３０％より大きい、例えば、最大で２５％より大きい、或いは、最大で２３％より大きい。

６３０ｍｍ選択肢のために、環状入口鍔プレート５ｃは、ブラケット拡張部４ｃに取り付けられ、ブラケット拡張部４ｃは、次いで、支持ブラケット１３に取り付けられる。ブラケット拡張部４ｃは、その上に１つ又はそれよりも多くの外側ルーバをさらに含み得る。６３０ｍｍゲート弁２ｃは、ハウジング８ｃ、ゲート弁の弁体７ｃ、及び、Ｏリング９で構成される。クライオポンプフランジ１７ｄは、それが５００ｍｍのＩＤを備える６３０ｍｍフランジである点で、非標準的である。拡張入口アレイは、クライオポンプフランジ１７ｄとゲート弁の弁体７ｃとの間の間隙内に適合する。

図３Ａ及び３Ｂは、８個の支持ブラケット１３及び入口ルーバ１２で構成される、標準的な５００ｍｍクライオポンプ入口ルーバアレイ１０を示している。ブラケット拡張部のための取付け孔１４が、図３Ｂ中に示されている。この標準的なアレイ１０は、図２中に示されるクライオポンプの全てに共通する。

図４Ａ及び４Ｂは、ブラケット拡張部４の下面に取り付けられる環状入口鍔プレート５の詳細を示しており、ブラケット拡張部４は、次いで、支持ブラケット１３に取り付けられている。支持体１３及び拡張部４内の取付け孔１４は、それらを共にボルト締めすることによって、ブラケット拡張部を支持ブラケット１３に取り付ける便利な手段をもたらす。１つの実施態様では、ブラケット拡張部は、スポット溶接又はハンダ付けによって支持ブラケットに取り付けられる。

５００ｍｍ〜６３０ｍｍフランジを備えるクライオポンプが基本的な外面を例証するために一例として使用されているが、これらの概念は他のサイズにも適用可能である。同様に、ＧＭ冷凍機をクライオポンプ内で使用される典型的な極低温冷凍機として記載したが、パルス管冷凍機又はスターリング冷凍機のような他の種類を使用することも可能である。

１ａ５００ｍｍクライオポンプ (500 mm cryopump)
１ｂ２２”クライオポンプ (22” cryopump)
２ａ５００ｍｍゲート弁 (500 mm gate valve)
２ｂ２２”ゲート弁 (22” gate valve)
２ｃ６３０ｍｍゲート弁 (630 mm gate valve)
４ブラケット拡張部 (bracket extension)
４ｂブラケット拡張部 (bracket extension)
５ｂ環状入口鍔プレート (annular inlet collar plate)
５ｃ環状入口鍔プレート (annular inlet collar plate)
６外側ルーバ (outer louver)
７ａゲート弁の弁体 (moveable valve plate)
７ｂゲート弁の弁体 (moveable valve plate)
７ｃゲート弁の弁体 (moveable valve plate)
８ゲート弁ハウジング (gate valve housing)
８ａ５００ｍｍゲート弁ハウジング (500 mm gate valve housing)
８ｂ２２”ゲート弁ハウジング (22” gate valve housing)
８ｃ６３０ｍｍゲート弁ハウジング (630 mm gate valve housing)
９Ｏリング (O-ring)
１０ａ入口アレイ (inlet array)
１０ｂ入口アレイ (inlet array)
１１拡張ブラケット (extended bracket)
１２ルーバ (louver)
１３支持ブラケット (support bracket)
１４取付け孔 (mounting hole)
１５ボルト (bolt)
１７ａクライオポンプフランジ (cryopump housing)
１７ｂクライオポンプフランジ (cryopump housing)
１７ｃクライオポンプフランジ (cryopump housing)
１７ｄクライオポンプフランジ (cryopump housing)
１８ａクライオポンプハウジング (cryopump housing)
１８ｂクライオポンプハウジング (cryopump housing)
２０エキスパンダ (expander)
２１第一段ヒートステーション (first stage heat station)
２２第二段ヒートステーション (second stage heat station)
２５コールドクライオパネル (cold cryopanel)
２６ウォームクライオパネル (warm cryopanel)
２７熱バス(thermal buss)

Claims

第一段及び第二段を有する冷凍機と、
コールドクライオパネルと、
ウォームクライオパネルと、
ルーバと、該ルーバを支持する支持体と、前記ウォームクライオパネルの外側に延びる、前記支持体とは別個の拡張支持ブラケットと、を有する入口アレイと、
ハウジングと、を含み、
前記入口アレイは、前記拡張支持ブラケットを除き、前記ハウジングの内側に収まり、
前記拡張支持ブラケットは、前記支持体に取り付けられることを特徴とする、
クライオポンプ。
前記拡張支持ブラケットの上に１つ又はそれよりも多くの外側ルーバをさらに含み、該１つ又はそれよりも多くの外側ルーバは、前記ウォームクライオパネルの外側に延びる拡張支持ブラケットの一部である、請求項１に記載のクライオポンプ。
前記ウォームクライオパネルは、第一内径を有するより小さいハウジングに近接して適合するよう設計され、前記ハウジングは、前記第一内径よりも大きい第二直径を有する、請求項１に記載のクライオポンプ。
前記拡張支持ブラケットは、ボルト締め、スポット溶接、ハンダ付けのいずれかにより前記支持体に取り付けられる、請求項１に記載のクライオポンプ。
前記ハウジングと前記ウォームクライオパネルとの径方向間隙は、０．５〜３ｃｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のクライオポンプ。
前記ハウジングと一致する内径を有するゲート弁の背後に取り付けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のクライオポンプ。
前記ハウジングをゲート弁に取り付けるフランジをさらに含む、請求項６に記載のクライオポンプ。
前記フランジと一致する内径を有するゲート弁の背後に取り付けられる、請求項７に記載のクライオポンプ。