JPH0451669B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はクライオジエネレータ
（cryogenerator）に関し、特に限られるわけで
はないがイオンスパツタリング（ion sputteing）
装置又は同様な装置内に高真空を生じさせるよう
になつたクライオジエネレータに関する。

本発明は特に比較的高温および低温で作動する
のに有効なクライオパネル（cryopanel）に少な
くとも２つの冷却段階を夫々実施しているクライ
オジエネレータに関する。

クライオジエネレータは現在、密封室内に高真
空をつくるために完全に確立されている。このよ
うなクライオジエネレータは、クライオジエネレ
ータ本体と関係なく設けられかつ物理的に独立し
た適当なポンプによつて通常供給されるガスの圧
力の一定な減少により作動する。ガスポンプはク
ライオジエネレータをもつ閉鎖されたガス回路を
備え、ガス、通常ヘリウムを周囲温度および代表
的には20バールの圧力でジエネレータに供給する
ように構成される。

クライオジエネレータに供給されたガスの圧力
は、直列に連結された協働するシリンダ内を移動
する２つのピストンの行程容積内の夫々２つの膨
張段階によつて一定な方法で内部的に減圧され
る。膨張は、クライオジエネレータ内のガス導管
に導入された制限オリフイスによりおよびガス減
圧サイクルの一部の間にガス圧力を蓄積するのに
有効なガス溜めにより、シリンダのストロークを
間接的に制動することによつて制御される。

各ガス減圧段階と熱交換関係をなしたクライオ
パネルが、クライオジエネレータ本体の外側に設
けられ、かつガス圧力の一定な減圧によつて冷却
される。代表的には、第一の高い減圧段階と関連
したクライオパネルは約−233〜−173℃（40〜
100〓）の温度で作動し、第二の低い減圧段階と
関連したクライオパネルは約−263℃（10〓）の
温度で作動する。

クライオパネルは、冷却されたクライオパネル
面上に室内のガスの凝縮を行なわせることによつ
て室内のガス圧力を減圧するポンプとして有効で
ある。一般に水および揮発性炭化水素のような汚
染物は高温パネル上に凝縮され、窒素、酸素およ
びアルゴンのような擬縮性ガスは低温パネル上に
凝縮され、そして集められる。

添付図面の第１図に示すような代表的なポンプ
構造では、クライオジエネレータの本体に取付け
られたクライオパネルは囲い内に配置され、この
囲いは一端がクライオジエネレータ本体に密封さ
れかつ他端が排気すべき室（the chamher to be
pumped）と連通するようになつた開口部を有す
る。囲いのクライオジエネレータ側の端部にある
適当な弁付入口は、低圧荒引き用の機械的ポンプ
又は他のポンプの連結を可能にする。

第１図の構造におけるクライオパネルの形体
は、代表的に−233〜−173℃（40〜100〓）の範
囲内の温度で作動する半径方向外方の高温パネル
上に水蒸気および揮発性汚染物を例えば二酸化炭
素とともに凝縮させる。窒素、酸素、アルゴンお
よび他の凝縮性ガスは、外側のパネルの内側に置
かれ、代表的には約−258℃（15〓）の温度で作
動する低温パネル上に凝縮されてその外側に保持
される。

加えるのに、−258℃（15〓）で約１トール
（torr）の蒸気圧によつて特徴づけられる水素、
ヘリウムおよびネオンのような非凝縮性ガスは、
凝縮できず、低温パネルの内面に適当に密着した
木炭の層に吸収されなければならない。

例えばガスおよび他の微粒子の比較的高い放出
を起すイオンスパツタリング装置又は同様な装置
を囲む室内に高真空をつくりかつ維持するために
使用される時、クライオジエネレータは、そのよ
うな装置の作動中、こうしてつくられた10^-2〜
10^-3トール程度の圧力で効果的に排気
（pumping）できなければならない。

これらの比較的高い圧力では、高温クライオパ
ネルは、中間のガス空間を介して伝導および対流
によつて熱を周囲の容器から比較的迅速に受けと
る。この熱増加およびその結果クライオジエネレ
ータにかかる高い熱負荷によつて両クライオパネ
ル、特に凝縮性ガスおよび非凝縮性ガスを排気す
るのに有効な低温クライオパネルの温度が上昇す
る。これらの非凝縮性ガスを排気するこの低温パ
ネルの能力は、決定的に温度に左右されるので、
比較的小さな圧力で引起された温度の上昇が特に
パネルからこれらの非凝縮性ガスを脱離させて排
気される真空室へ導く。これはこれらのガスの排
気速度を減じ、その結果得られる真空を減じてし
まう。

増加する圧力に関係なく低温クライオパネル温
度を維持するのに有効な１つの手段は、動力を向
上させ、それによつてクライオジエネレータのポ
ンプ能力を向上させることだが、これは資本並び
にクライオジエネレータを含むポンプ装置の運転
経費の両方を著しく増大させる。

従つて本発明の目的は、比較的高圧で効果的な
排気を維持できるクライオジエネレータポンプを
つくることである。

本発明の最も広い観点によれば、本発明は、囲
い内に維持された少なくとも２つのクライオパネ
ルを有し、囲いが排気されるべき室に取付けられ
るようになつた開口端を有し、クライオパネルが
比較的高温および低温で夫々作動するのに有効で
あり、高温パネルが囲いに隣接してこれらから間
隔を保ちかつ低温パネルを取り囲んでおり、低温
パネルは囲いの開口部を介して室と連通でき、か
つまた囲いと高温パネルとの間の空間と連通可能
である。

ある好ましい態様では、直接的なガス流に対す
る絞り部分を低温パネルと排気される室との間に
設けて、低温パネルに隣接した容積従つて高温パ
ネルと囲いとの間の空間を室内の圧力よりも低い
圧力に維持できるようにする。この手段によつ
て、室の比較的高い圧力から生ずる熱の影響を一
層克服できる。

本発明のある態様では、低温パネルは、クライ
オジエネレータ本体に隣接した高温パネルの基部
に設けられた一連の開口部を介して空間と連通す
る。適当には、開口部は間隔を隔てた重なり合う
ルーバー又はパネルの形態であり、ルーバー又は
パネルは排気されたガス流の方向に傾けられ、ま
た囲いと低温パネルとの間の輻射熱交換を防ぐの
に有効である。

理想的には、開口部のコンダクタンスは高温パ
ネルと囲いとの間の空間内のコンダクタンスとつ
り合い、従つて一般に空間および特に開口部に隣
接したガスの圧力は、低温パネルに隣接したガス
の圧力にできるだけ近く維持するようにする。こ
の手段によつて、ガス圧力の増加により起る囲い
から高温パネルへの熱伝達は減少し、両クライオ
パネルの温度はクライオジエネレータの冷却能を
増大させることなしに維持できる。

都合よく、高温パネルと囲いとの間の空間のコ
ンダクタンスを、囲いの壁に隣接したパネルの長
さの全体又は一部にわたつて高温パネルと囲いと
の間の空間を減少させることによつて減少させ
る。変形態様として、コンダクタンスを高温パネ
ルの長さに沿う別々の箇所での空間を小さくして
又は空間の入口端部に渦巻状のガス路を導入する
ことによつて減少させることができる。

今、本発明の態様を、例として添付図面を参照
して特に説明する。

第１図を参照すると、これは室、例えばイオン
スパツタリング装置等を備えた室内に低圧を発生
させるようになつた在来のクライオジエネレータ
を示す。

クライオジエネレータは本体部分２を有し、こ
の本体部分はクライオジエネレータと独立して設
けられた別個の圧縮機（図示せず）から高圧ヘリ
ウムを受け入れるための入口と、吐出すための出
口とを夫々有する。

ポンプ囲いの一部を形成しかつ例えばＯリング
によつて、排気される室に密封的に取付けられる
ようになつたフランジ付上端部６を有する囲い４
が本体２に取付けられている。囲い４に設けられ
たフランジ付開口部に隣接して開口端をもつ、円
筒体の形をした高温クライオパネル８が囲い４内
に配置され、かつクライオジエネレータの高温段
階と熱交換関係をなして取付けられている。クラ
イオパネル８の開口端に設けられたルーバー付可
変絞り１２によつて排気するべき室と１つの通路
を介して連通する低温クライオパネル１０が、高
温クライオパネルの内側に、クライオジエネレー
タの低温段階と熱交換関係をなして置かれてい
る。

囲い内の空間を、真空装置を荒く真空引きする
ための機械式ポンプ又は他のポンプに連結しうる
開口部（図示せず）がクライオジエネレータ本体
２に隣接して囲い４に設けられている。

クライオジエネレータの使用中、高温クライオ
パネル８は−233〜−173℃（40〜100〓）の温度
で作動し、かつ水蒸気と揮発性炭化水素とを凝縮
させ、又、もし存在すれば同様の凝縮性汚染物と
二酸化炭素とを凝縮させるのに有効である。クラ
イオパネル１０は約−261℃（12〓）で作動し、
かつ窒素および酸素と他の凝縮性ガスとを半径方
向外側面で凝縮させるのに有効である。またクラ
イオパネル１０は非凝縮性ガスをパネルの半径方
向内面に設けられた木炭層で吸収し、可変絞り１
２を開けてポンプ室内に10^-8トールの大きさの圧
力を発生させる。

排気される室内のイオンスパツタリング装置又
は同様の装置の作動によつて発生する10^-3トール
程度の比較的高い圧力で、クライオパネル８と囲
い４との間の空間を通る高圧誘導熱伝達は代表的
には27℃（300〓）の温度でクライオパネル８，
１０の両方の作動温度を上昇させる傾向があり、
クライオジエネレータのポンプ効率をひどく損な
う。

この熱伝達を減少させてこのような比較的高い
圧力でクライオパネルの効率を維持するために、
本体部分２に隣接した高温パネル８の領域は、こ
の例では、ガス流の方向に傾けられた重なりルー
バー１４の形の開口部を備える。ルーバー１４
は、高温パネル８と囲い４との間の空間内の圧力
を減少させ従つてクライオパネル８から囲いへの
熱伝達を実質的に減少させるためにこの空間１６
を排気するのに有効である。またルーバー１４
は、囲い４と低温パネル１０との間の輻射熱交換
を減少させるのに有効である。

ルーバー１４による排気作用で空間１６内に低
圧を維持できるようにするためには、空間１６と
排気される室との間のコンダクタンスを、普通減
少させてルーバー１４を通るガス流量が室から空
間１６へ流入するガス流量より多いようにしなけ
ればならない。

第２図に示すように、このコンダクタンスの減
少は開口部６に隣接した上部領域においてクライ
オパネル８と囲い４との間の分離を狭くすること
によつて得られる。

ルーバー１４によつて作られた、本発明の追加
の排気路は、特に可変絞りを閉じて排気に役立つ
クライオパネルの領域を増やしてポンプ囲い４へ
の熱損失を減少させ、従つてポンプの能力を向上
させる必要なくクライオジエネレータのポンプ効
率を増大させる。

第２図のクライオジエネレータの変形態様が第
３図に示される。この図面では、クライオパネル
８と囲い４との間のコンダクタンスはパネル８に
設けられた間隔の隔つたリブ３０によつて減少
し、リブ３０は空間内のガスの流れに対する絞り
部分を形成するのに有効である。第４図の態様で
は、低コンダクタンスは重なりフランジ４０，４
２によつて生じ、フランジ４０，４２は、囲い４
の開口部およびクライオパネルの隣接縁部に夫々
設けられて渦巻状のガス路をつくる。

第５図の態様では、囲い４の隣接した外縁部と
クライオパネル８との間のギヤツプを部分的に橋
渡しする断熱パネル５０は、コンダクタンスの要
求された減少を生じさせるのに有効である。

変形態様において、クライオパネル８と囲い４
との間の環状部分のコンダクタンスの増加は、パ
ネル８および囲い４の表面に平行に配置された、
複数の間隔を隔てた熱シールドによつて得られる
（図示せず）。これらの熱シールドによつてつくら
れたコンダクタンスの増加は設けられたシールド
の数、それらの分離およびそれらの軸線方向の長
さによつて決まり、またシールドは減少するコン
ダクタンスに加えてクライオポンプの囲い４に対
し熱損失の減少をもたらす。

第６図の態様において、第１図乃至第５図の低
温パネルは円錐台状の延長部６０を備える。この
態様では、延長部の内面は囲い４と高温パネル８
との間の空間を排気して高いクライオパネルの効
率を維持するのに有効である。高温パネルに有利
に設けられたバツフル６４は、排気される室から
空間へのガス流を制限し、それによつて室の圧力
の増加に関係なく空間内の低い排気圧力を維持す
るのに有効である。

円錐台状の延長部６０とバツフル６４との間の
環状の空間６２は、バツフルから伝導による熱の
増加を制限するのに有効である。変形態様として
ギヤツプ２２を、第５図の絶縁体により例示され
た方法で、断熱カラーによつて橋渡ししてもよ
い。

本発明のこの態様では、空間と排気される室と
の間の差圧を、第１図乃至第５図の態様の可変絞
り１２の必要なく維持できる。

開示した態様の各々の、例えばルーバー１４に
よつてつくられた追加の排気路と、パネル８と囲
い４との空間との相対的なコンダクタンスは、空
間１６内に必要な圧力が生じるように選択される
のがよいことが判る。このガス圧自体は、排気さ
れる装置に従つてクライオジエネレータの最適な
排気特性を与えるように決定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はクライオパネルを備え、室を排気する
ための周知のクライオジエネレータの側断面図で
ある。第２図は高温クライオパネルと囲いとの間
の空間と低温クライオジエネレータとの間に排気
路を備え、室を排気するための本発明によるクラ
イオジエネレータの側断面図である。第３図は第
２図に示しかつ高温クライオパネルとポンプ囲い
との間のコンダクタンスを減少させるための１つ
の変形装置を示しているクライオジエネレータの
一部分の側断面図である。第４図はコンダクタン
スを減少させるための装置の別の態様である。第
５図は第３図に示した、コンダクタンスを減少さ
せるための装置のさらに別の態様である。第６図
は低温パネルが高温パネルと囲いとの間の空間を
排気できるように別の構造を備えた、室を排気す
るためのクライオジエネレータのさらに別の態様
の側断面図である。 部分の名称、２……クライオジエネレータ本体
（又は本体部分）、４……囲い、８……高温クライ
オパネル、１０……低温クライオパネル、１２…
…可変絞り（又は絞り部分）、１４……ルーバー
（又はパネル）、１６……空間、３０……リブ、４
０，４２……フランジ、５０……断熱パネル、６
０……パネル（又は延長部）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 排気されるべき室に取付けられるようになつ
   た開口端を有する囲い内に維持された少なくとも
   ２つのクライオパネルを有し、クライオパネル
   は、比較的高温および低温で夫々作動するのに有
   効であり、高温パネルは囲いに隣接してこれから
   間隔を隔てておりかつ低温パネルを取り囲み、低
   温パネルは囲いに設けられた開口部を介して室
   と、および囲いと高温パネルとの間の空間と連通
   することができることを特徴とするクライオジエ
   ネレータポンプ。 ２ パネルおよび囲いはほぼ円筒の形態のもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載のクライオジエネレータポンプ。 ３ 直接的なガス流に対する絞り部分が低温パネ
   ルと排気される室との間に設けられていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項のい
   ずれか１項に記載のクライオジエネレータポン
   プ。 ４ 絞り部分は囲いの開口部に配置されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載のク
   ライオジエネレータポンプ。 ５ 絞り部分は可変できることを特徴とする特許
   請求の範囲第４項に記載のクライオジエネレータ
   ポンプ。 ６ 低温パネルは高温パネルに設けられた開口部
   によつて空間と連通することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第５項のうちいずれか１項に
   記載のクライオジエネレータポンプ。 ７ 開口部は高温パネルの基部に設けられている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の
   クライオジエネレータポンプ。 ８ 開口部は、ガス流の方向に傾けられたパネル
   の間隔を隔てて重なり合うルーバーの形態である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項又は第７
   項のうちいずれか１項に記載のクライオジエネレ
   ータポンプ。 ９ ルーバー又はパネルは、囲いと低温パネルと
   の間の熱交換を防ぐようになつていることを特徴
   とする特許請求の範囲第８項に記載のクライオジ
   エネレータポンプ。 １０ 開口部は高温パネルと囲いとの間の空間の
   コンダクタンスにつり合うコンダクタンスを有
   し、それによつて空間と低温パネルに隣接した領
   域との間のつり合つたガス圧力を保証することを
   特徴とする特許請求の範囲第６項乃至第９項のう
   ちいずれか１項に記載のクライオジエネレータポ
   ンプ。 １１ 高温パネルと囲いとの間の空間のコンダク
   タンスを減少させるための装置を備えていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１０項に記載のク
   ライオジエネレータポンプ。 １２ コンダクタンスを減少させるための装置
   は、囲いの開口部に隣接した高温パネルの領域に
   設けられた直径の大きい領域からなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１１項に記載のクライオ
   ジエネレータポンプ。 １３ コンダクタンスを減少させるための装置
   は、囲いと高温パネルとの間の平行な空間内に配
   置された複数の間隔を隔てた熱シールドからなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１１項に記載
   のクライオジエネレータポンプ。 １４ コンダクタンスを減少させるための装置
   は、高温パネルに設けられかつ囲いの方に向つて
   延びる間隔を隔てたリブからなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１１項に記載のクライオジエ
   ネレータポンプ。 １５ コンダクタンスを減少させるための装置
   は、高温パネルおよび囲いの隣接した端部に夫々
   設けられ、かつ重なり合つて渦巻状のガス流路を
   つくるフランジからなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１１項に記載のクライオジエネレータ
   ポンプ。 １６ コンダクタンスを減少させるための装置
   は、囲いと高温パネルとの間に配置された断熱パ
   ネルからなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １１項に記載のクライオジエネレータポンプ。 １７ 低温パネルは、高温パネルに向つて延びか
   つ囲いと高温パネルとの間の空間のポンプ率を高
   めるのに有効な追加のパネルを備えることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項乃至第１６項のうち
   いずれか１項に記載のクライオジエネレータポン
   プ。 １８ 追加のパネルは実質的に円錐台状であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１７項に記載の
   クライオジエネレータポンプ。 １９ 低い熱コンダクタンス路は追加のパネルに
   設けられることを特徴とする特許請求の範囲第１
   ８項に記載のクライオジエネレータポンプ。 ２０ 低い熱コンダクタンス路はパネルの不連続
   部からなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   ９項に記載のクライオジエネレータポンプ。 ２１ 不連続部は中実の断熱材料を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第２０項に記載のクラ
   イオジエネレータポンプ。