JPH0557375U - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ クライオポンプの高温側冷却部を簡易な構造
により所望の温度とする。 ［構成］ 第１段冷凍ステージ３には、第１段クライオ
パネル５を昇温させるための発熱抵抗体８が取り付けて
あり、これはリードスイッチ９に接続される。一方、第
１段冷凍ステージ３には超電導体素子１１が取り付けて
あり、これはリードスイッチ９に巻き付けてあるコイル
１２に接続される。超電導体素子１１は７０Ｋ近傍に臨
界温度を有する高温超電導材である。第１段冷凍ステー
ジ３の温度が７０Ｋ以下になると超電導体素子１１の抵
抗がほぼ０となり、電流が流れ、コイル１２が励磁して
リードスイッチ９の接点が閉じ、電源が供給されて発熱
抵抗体８は加熱される。第１段冷凍ステージ３の温度が
７０Ｋ以上になると超電導体素子１１の抵抗が大きくな
り、コイル１２が励磁せず、リードスイッチ９の接点が
開き、加熱が止まる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はクライオパネルの温度調節手段を備えたクライオポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】

小型ヘリウム冷凍機によって冷却される高温側冷却部と低温側冷却部とから成 る２段のクライオパネルを備えたクライオポンプが多くの真空排気作業に使用さ れるようになってきた。この種のクライオポンプでは冷凍機を作動して、通常高 温側冷却部、すなわち第１段クライオパネルは５０Ｋ乃至１００Ｋの温度に冷却 され、また低温側冷却部、すなわち第２段クライオパネルは１０Ｋ乃至２０Ｋの 温度に冷却されている。前記第２段クライオパネルは凝縮性のガス、主にＡｒ、 Ｎ₂ 、Ｏ₂ 等のガスの凝縮排気を行っている。又、この第２段クライオポンプに は活性炭等の吸着材が覆合形成され、１０乃至２０Ｋで凝縮固化のできない非凝 縮ガス（ＨｅやＨ₂ 等）の吸着排気をおこなっている。

【０００３】 第１段クライオパネルは前記第２段クライオパネルを覆うような形に配置され 、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ等の気体を凝縮するとともに、ポンプ容器からの輻射熱を防ぐ 役割を担っている。

【０００４】 上記のような構造を有するクライオポンプは半導体等の膜形成を行うスパッタ リング装置の真空排気用に広く使用されている。通常、このスパッタリング装置 ではスパッタリング室をクライオポンプで真空状態にするとともにスパッタリン グ室内にＡｒガスを導入し、スパッタリング室の圧力を調整しながら作業が行わ れる。

【０００５】 しかしながら、近年クライオポンプの用途が広がり、圧力調整用ガスとして、 Ａｒばかりでなく、数々の種類の凝縮性ガスも用いられるようになった。

【０００６】 ところが、従来のクライオポンプにあっては、各クライオパネルの温度が冷凍 機の冷媒ガスとしてのＨｅガス封入圧、コンプレッサの能力、ディスプレッサの コンダクタンス、ディスプレッサのＨｅガス置換回数等より一義的に決まってし まい、圧力調整用ガスの種類によっては、スパッタリング室等の真空作業室内の ガス圧力が第１段クライオパネルの温度により決定される凝縮したガスの飽和蒸 気圧よりも高い場合には、その圧力調整用ガスが第１段クライオパネルに凝縮さ れてしまい、このガスの凝縮層がガスカットオフ時にガス発生源として作用して しまう。これを解決するため特公平３−１２６７５号で開示されているようにク ライオポンプの高温側冷却部に温度センサやヒータ等を設け、凝縮性ガスが第１ 段クライオパネルに凝縮しないように温度制御したクライオポンプがある。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記のクライオポンプでは温度をセンサで検出しなければなら ず、次にこのセンサの信号により、ヒータを制御するための機構、すなわち温度 制御機構を必要とする。そのため設備費用が高くなるという点と、制御機構の動 作の信頼性が部品の数が多くなる分だけ低下するという問題点があった。

【０００８】 本考案は上記問題点に鑑みてなされ、第１段クライオパネルの温度制御をしな がら、圧力調整ガスが前記第１段クライオポンプに凝縮するのを防止することが でき、且つ温度調節機構の構造を簡単とし、容易に実施することができるクライ オポンプを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

以上の目的は、ポンプ容器内に冷凍機によって冷却される高温側冷却部と低温 側冷却部とを有し、前記高温側冷却部を所定温度に加熱制御する加熱手段を備え たクライオポンプにおいて、前記加熱手段を、前記高温側冷却部に設けた発熱抵 抗体と、前記高温側冷却部に設けられ、前記所定温度付近に臨界温度を持つ超電 導体素子と、前記発熱抵抗体に直列に接続され、前記ポンプ容器外に配設された スイッチ手段と、該スイッチ手段に接続され前記ポンプ容器外に配設された第１ 電源と、前記超電導体素子に直列に前記ポンプ容器外で前記スイッチ手段に近接 して接続された電磁コイルと、該電磁コイルに接続され前記ポンプ容器外に配設 される第２電源とで構成し、前記高温側冷却部の温度が前記臨界温度以下になる と、前記超電導体素子が超伝導状態となり、前記第２電源から前記電磁コイルに 電流が供給され、該供給による電磁誘導で前記スイッチ手段を閉成して前記第１ 電源から前記発熱抵抗体に電流を流すようにしたことを特徴とするクライオポン プによって達成される。

【００１０】

【作用】

クライオポンプの高温側冷却部に取り付けた超電導体素子と、これに電気的に 直列に接続された電磁コイルに第２電源を供給すると、超電導体素子の臨界温度 以上では超電導体素子の電気抵抗は大きいため、電磁コイルは作動しない。臨界 温度以下では超電導体素子の電気抵抗はほぼ０となり、電磁コイルが作動する。 これによりスイッチ手段が閉成すると、発熱抵抗体に第２電源から電力が供給さ れて、高温冷却部は加熱される。

【００１１】

【実施例】

以下、本考案の実施例によるクライオポンプについて図面を参照して説明する 。

【００１２】 図１においてクライオポンプ１の冷凍機の高温側冷却部は第１段冷凍ステージ ３、第１段クライオパネル５、バッフル１５から成り、低温側冷却部は第２段冷 凍ステージ４、第２段クライオパネル６、活性炭７から成る。クライオポンプ１ の作動時には第１段クライオパネル５は５０乃至１００Ｋ、第２段クライオパネ ル６は１０乃至２０Ｋに冷却される。第１段冷凍ステージ３には、第１段クライ オパネル５を昇温させるための発熱抵抗体８が取り付けてあり、これはポンプ容 器１４の外部に設けられているリードスイッチ９に接続され、更にコネクタ１０ を介して電源１７（図３）に接続される。

【００１３】 一方、第１段冷凍ステージ３には超電導体素子１１が取り付けてあり、これは ポンプ容器１４の外部にあるリードスイッチ９に巻き付けてあるコイル１２に接 続され、更にコネクタ１３を介して電源１６（図３）に接続される。超電導体素 子１１は７０Ｋ近傍に臨界温度を有する高温超電導材であり、例えばＢｉ−Ｓｒ −Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系やＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系等である。

【００１４】 図２はクライオポンプ全体を示したものであり、コンプレッサ１８で圧縮され たＨｅガスは冷凍機２に至り、内部で膨張することによりＧ−Ｍサイクル又はソ ルベイサイクルの原理にしたがって冷却され、内部で熱交換され、常温Ｈｅガス になってコンプレッサ１８へ帰ってくる。

【００１５】 図３はクライオポンプ１に用いられている電気部品の等価回路を示す。破線Ａ 内はポンプ容器１４内に設けられている構成部を示し、他はポンプ容器１４外の 構成部を示す。コイル１２を励磁させるための電源１６側ではコイル１２と超電 導体素子１１とが電気的に直列に接続され、電源１７側ではリードスイッチ９の 一方の端子が電源１７に接続され、他方の端子が発熱抵抗体８に接続され、コイ ル１２内にリードスイッチ９が設けられている。

【００１６】 図示ではクライオポンプ１の非作動時、すなわち第１段冷凍ステージ３の温度 が所定よりも高い場合を示し、リードスイッチ９の接点９ａは開いている。コイ ル１２が通電されて、磁界を生じると、その接点９ａは閉じる。

【００１７】 以上、本考案の実施例によるクライオポンプの構成について説明したが、次に その作用について説明する。

【００１８】 図２に示すコンプレッサ１４を始動し、クライオポンプ１を軌道させると、図 １に示される第１段冷凍ステージ３に取り付けられている超電導体素子１１に電 源１６が供給される。第１段冷凍ステージ３は冷却途上にあるので、所定の温度 （例えば７０Ｋ付近）よりも高く、超電導体素子１１の臨界温度（例えば７０Ｋ ）よりも高いので、超電導体素子１１は抵抗値が非常に大きく、コイル１２に流 れる電流は非常に小さい。したがって、リードスイッチ９の接点を閉じるほどの 磁界がコイル１２に生じることなく、図３に示すようにリードスイッチ９の接点 ９ａは開かれたままでＯＦＦの状態であり、発熱抵抗体８には電源１７から電源 が供給されない。

【００１９】 更に、第１段冷凍ステージ３が冷却されて、所定の温度以下になると、超電導 体素子１１の臨界温度よりも低いので、超電導体素子１１は抵抗値がほぼ０とな り、コイル１２に電流が多く流れる。従って、コイル１２に強い磁界が生じ、リ ードスイッチ９の接点９ａは閉じてＯＮとなり、発熱抵抗体８に電源１７から電 源が供給される。これにより、発熱抵抗体８が第１段冷凍ステージ３を加熱する 。

【００２０】 第１段冷凍ステージ３が発熱抵抗体８により加熱され、これが所定の温度以上 になると、超電導体素子１１は再び抵抗値が大となり、コイル９に流れる電流は 非常に小さく、リードスイッチ９の接点９ａは開き、発熱抵抗体８に電源は供給 されず、加熱は止まる。これを幾度か繰り返すことにより、第１段冷凍ステージ ３及び第１段クライオパネル５は所定の温度付近に保持される。

【００２１】 次に、具体的な実際例を示すと、図３において、電源１６の電圧を２Ｖとし、 超電導体素子１１の常電導時抵抗を２Ωとする。これはＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ −Ｏ系やＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系の材料を用い、直径１ｍｍ×長さ８０ｍｍ程度で 可能である。又、リード線等の回路全体の抵抗を０．２Ωとする。

【００２２】 第１段冷凍ステージ３が所定温度以上の常電導時では超電導体素子１１の抵抗 が２Ωとなり、オームの法則Ｉ＝Ｖ／ＲよりＩ＝２／（２＋０．２）＝０．９１ アンペアとなる。第１段冷凍ステージ３が所定温度以下となると超電導体素子１ １の抵抗値が２Ωからほぼ０Ωとなるので、同様にＩ＝Ｖ／ＲよりＩ＝２／０． ２＝１０アンペアとなる。これを超電導体素子１１の電流密度（電流／面積）の 限界値Ｊｃと比較すると、本実施例では超電導体素子１１の電流密度＝Ｉ／（π ｄ² ／４）＝１０／（３．１４×１² ／４）＝１２．７４Ａ／ｍｍ² であり、電 流密度の限界値Ｊｃより小さいので使用できる。

【００２３】 一方、コイル１２の磁場は、電流×ターン数（コイルの巻き数）で示され、常 電導時ではＩ×Ｔ＝０．９１Ｔとなり、超電導時ではＩ×Ｔ＝１０Ｔとなり、両 者の比は約１：１０になるので、磁場が１０倍に変わることによりリードスイッ チ９の接点を開閉することができる。

【００２４】 従来では、サーミスタの抵抗変化から温度を検知し、このサーミスタの抵抗値 の変化を検出するための複雑な温度制御機構を設け、この温度制御機構からの信 号がリレー等を介して、発熱抵抗体の電源をＯＮ、ＯＦＦしていたが、本考案で はこのような温度制御機構は必要とせず、超電導体素子１１がサーミスタと温度 制御機構の両者の役割を果たすので、構造が簡単となり、故障がしにくく、安価 であるなどの利益がある。又、コイル１２とリードスイッチ９がポンプ容器１４ 外に設置されているので、その部品信頼性が高まる。

【００２５】 以上、本考案の実施例について説明したが、勿論、本考案はこれに限定され ることなく、本考案の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００２６】 例えば、以上の実施例においては、コイル１２とリードスイッチ９を用いて、 コイル１２をリードスイッチ９に巻き付けたが、コイル１２をリードスイッチ９ の側部等の近接した位置に設けてもよい。又、スイッチ部材はリードスイッチ９ に限らず、通常の電磁接触器（リレー）であってもよく、これを図４に示す。な お、図４では本実施例において使用している部材と同じ符号を用いている。ただ し、１８は鉄心、１９はばね部材、２０は磁性体であり、これらとコイル１２が リレーＲを構成する。コイル１２が通電すると、磁性体２０が鉄心１８に引かれ てスイッチがＯＮとなる。

【００２７】 更に、以上の実施例では発熱抵抗体を第１段冷凍ステージ３に取りつけたが、 この配置位置はここに限ることなく、第１段クライオパネル５の一部に取りつけ るようにしてもよい。又、発熱抵抗体と超電導体素子１１とを１個宛１組として 使用したが、これを２組以上用いて、温度調節をより正確と成るようにしてもよ い。この場合は、第１段冷凍ステージ３と第１段クライオパネル５に別個に１組 宛設けてもよい。

【００２８】

【考案の効果】

以上述べたように本考案のクライオポンプは超電導体素子を使用しているので 、高温側冷却部を所定温度に加熱制御するのに、複雑な加熱制御機構を必要とせ ず、構造を簡単にして、かつ安価に実施することができ、故障も少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例によるクライオポンプの主要部
の概略断面図である。

【図２】同実施例によるクライオポンプ全体を示す概略
断面図である。

【図３】同実施例によるクライオポンプの電気回路図で
ある。

【図４】本考案の実施例の変形例を示す図である。

【符号の説明】

１ クライオポンプ ３ 第１段冷凍ステージ ４ 第２段冷凍ステージ ５ 第１段クライオパネル ６ 第２段クライオパネル ８ 発熱抵抗体 ９ リードスイッチ １１ 超電導体素子 １２ コイル １４ ポンプ容器 １６ 電源 １７ 電源

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポンプ容器内に冷凍機によって冷却され
   る高温側冷却部と低温側冷却部とを有し、前記高温側冷
   却部を所定温度に加熱制御する加熱手段を備えたクライ
   オポンプにおいて、前記加熱手段を、前記高温側冷却部
   に設けた発熱抵抗体と、前記高温側冷却部に設けられ前
   記所定温度付近に臨界温度を持つ超電導体素子と、前記
   発熱抵抗体に直列に接続され前記ポンプ容器外に配設さ
   れたスイッチ手段と、該スイッチ手段に接続され前記ポ
   ンプ容器外に配設された第１電源と、前記超電導体素子
   に直列に前記ポンプ容器外で前記スイッチ手段に近接し
   て接続された電磁コイルと、該電磁コイルに接続され前
   記ポンプ容器外に配設される第２電源とで構成し、前記
   高温側冷却部の温度が前記臨界温度以下になると、前記
   超電導体素子が超電導状態となり、前記第２電源から前
   記電磁コイルに電流が供給され、該供給による電磁誘導
   で前記スイッチ手段を閉成して前記第１電源から前記発
   熱抵抗体に電流を流すようにしたことを特徴とするクラ
   イオポンプ。
2. 【請求項２】 前記スイッチ手段はリードスイッチで成
   る請求項１に記載のクライオポンプ。