JPH06341375A - 低温トラップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 真空バルブを使用しないで所要の作業を効率
よく行えるように低温トラップを真空装置に取り付ける
ことを目的とする。 ［構成］ 低温トラップ２１のトラップ面２２を小型ヘ
リウム冷凍機２３の１段ステージ２３ａで直接冷却され
るように取り付けることにより、常にトラップ面２２を
冷却し、トラップ面２２の温度は真空装置２０内が大気
圧になっても水を排気できる温度を維持できるように、
又は、真空装置２０内が大気圧から再び所定の圧力に排
気されるまでの間に水を排気できる温度に到達できるよ
うに低温トラップ２１のトラップ面２２の面積を調節す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低温トラップに関し、特
に小型ヘリウム冷凍機を用いた低温トラップに関する。

【０００２】

【従来の技術】真空装置内では大気圧からロータリーポ
ンプ等の粗引きポンプで粗引きし、その後、拡散ポンプ
やターボ分子ポンプ等の高真空排気ポンプで所定の圧力
まで排気した後に蒸着、或はスパッタリング等の処理が
行われるが、高真空排気ポンプである拡散ポンプやター
ボ分子ポンプは水に対する排気速度が小さいので、真空
装置内を大気圧から所定の圧力まで排気するのに、低温
トラップを用いて水を凝縮排気することで、水に対する
排気速度を改善し生産性を向上させている。このような
低温トラップにはＧ−Ｍ（ギフォード・マクマホン）サ
イクル、ソルベイサイクル又はスターリング冷凍サイク
ル等の小型ヘリウム冷凍機を使用した低温トラップ、液
体窒素を冷媒として使用した低温トラップ又はフレオン
系の冷媒を使用した低温トラップが一般的に知られてい
る。

【０００３】図６、図７及び図８は真空装置１と小型ヘ
リウム冷凍機又は液体窒素を使用した低温トラップ２と
の構成が示されている。図６は真空装置１の真空排気系
として拡散ポンプ４を用いた場合で、真空装置１と拡散
ポンプ４との間に小型ヘリウム冷凍機又は液体窒素を使
用した低温トラップ２が真空装置１側で真空バルブ３を
介して接続される。図７は真空装置１の真空排気系とし
てターボ分子ポンプ５を用いた場合で、図６と同様、真
空装置１とターボ分子ポンプ５との間に小型ヘリウム冷
凍機又は液体窒素を使用した低温トラップ２が真空装置
１側で真空バルブ３を介して接続される。ここで用いら
れている低温トラップ２はＧ−Ｍ（ギフォード・マクマ
ホン）サイクル、ソルベイサイクル、スターリング冷凍
サイクル等の小型ヘリウム冷凍機を使用したもの、或
は、液体窒素を冷媒として使用したものであるが、これ
らのいずれを使用した場合でも水を排気することのでき
る温度に冷却、又は室温付近までの昇温に時間がかかる
ため、低温トラップ２は図６及び図７で示されるように
真空装置１との間に真空バルブ３が設けられ、真空装置
１内が大気圧になる時には真空バルブ３を閉じて低温ト
ラップ２内を真空に保ち、気体の熱伝導により昇温され
ないようにしている。又、図８は小型ヘリウム冷凍機又
は液体窒素を使用した低温トラップ２が真空排気系とは
独立して接続される場合を示しており、真空装置１には
真空バルブ６を介して拡散ポンプ４が接続され、粗引き
用ポンプとしてロータリーポンプ７が接続される。小型
ヘリウム冷凍機又は液体窒素を使用した低温トラップ２
は真空バルブ３を介して真空排気系とは独立して真空装
置１に接続されるが、真空装置１と真空排気系の間に低
温トラップ２が接続される場合と同様に、低温トラップ
２は水を排気することのできる温度に冷却、又は室温付
近までの昇温に時間がかかるため、やはり、真空装置１
との間に真空バルブ３が設けられ、真空装置１内が大気
圧になる時には真空バルブ３を閉じて低温トラップ２内
を真空に保ち、気体の熱伝導により昇温されないように
している。即ち、小型ヘリウム冷凍機又は液体窒素を使
用した低温トラップ２は、再生操作以外の時は常に真空
断熱状態におかれる。

【０００４】一方、図９にはフレオン系の冷媒を使用し
た低温トラップ１１が示されているが、このフレオン系
の冷媒を使用した低温トラップ１１は室温から低温（−
１３０℃程度）までの冷却、又は冷却された温度から室
温付近まで昇温する時間が短いため、上述した小型ヘリ
ウム冷凍機又は液体窒素を使用した低温トラップ２で用
いられる真空バルブ３を必要とせず、低温トラップ１１
のトラップ面１１ａは、直接、真空装置１０内に配設さ
れ、真空装置１０外のフレオン冷凍機１３とは配管１２
を介して接続される。この場合の低温トラップ１１のト
ラップ面１１ａは冷媒の通る配管１２を螺旋状に延長し
たパイプ形状である場合が多い。又、フレオン冷凍機１
３とトラップ面１１ａとの間を低温の冷媒が図９の矢印
で示されるように流れるので、途中の配管１２は断熱構
造となっている。この低温トラップ１１の運転は真空装
置１０内が大気圧になるときには低温トラップ１１を室
温まで昇温させ、真空装置１０内の真空排気を開始する
時にトラップの冷却を開始するというサイクルで行われ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、小
型ヘリウム冷凍機又は液体窒素を使用した低温トラップ
２を用いた場合、低温トラップ２と真空装置１との間に
は真空バルブ３が必要であるが、真空バルブ３は高価な
のでコストアップの原因となる。又、真空バルブ３を使
用すると、真空装置１の設計は複雑になり、更に、真空
装置１内で大気、真空と切り替わる度に真空バルブ３の
開閉の操作が必要なので、その操作は煩雑である。

【０００６】一方、フレオン冷凍機１３を使用した低温
トラップ１１を用いた場合、真空バルブを用いる必要は
ないが、フレオン冷凍機１３から低温の冷媒を搬送する
ための配管を断熱構造にする必要があり、配管の長さが
長くなりすぎると冷却能力が低下し、設置上の制約とな
ることがある。又、フレオンやそれに属する冷媒は、オ
ゾン層破壊防止のため今後はその使用が制限されたり、
或は、禁止されるであろう。

【０００７】本発明は上述の問題に鑑みてなされ、真空
バルブを使用せず、又、フレオン系の冷媒を使用しない
低温トラップを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上の目的は、トラップ
本体と該トラップ本体を冷却する冷凍機とから成り、真
空装置に接続された低温トラップにおいて、前記トラッ
プ本体のトラップ面は直接、前記真空装置内に面するよ
うに配設され、前記冷凍機は常時運転され前記トラップ
本体を直接冷却するように取り付け、前記真空装置内の
圧力が大気圧に昇圧しても前記トラップ面の温度は、前
記真空装置が作業時に必要とする圧力での液体飽和蒸気
圧に対応する温度に、前記真空装置が減圧される途中で
達するような温度より高く昇温しないように、該トラッ
プ面の面積又は前記冷凍機の能力が調節されていること
を特徴とする低温トラップによって達成される。

【０００９】

【作用】低温トラップのトラップ面は冷凍機により直接
冷却され、真空装置内が大気圧になっても冷凍機の運転
を止めることなく常時トラップ面を冷却し続け、真空装
置内が大気圧に昇圧した場合に、トラップ面の温度は真
空装置内での作業時に必要とする圧力以下の飽和蒸気圧
に対応する温度より低い温度となるようにしたので、真
空バルブや断熱配管が不要となりコストを大幅に低下さ
せることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例による低温トラップに
ついて図を参照して説明する。

【００１１】図１には真空装置２０と低温トラップ２１
との構成が示されている。低温トラップ２１は小型ヘリ
ウム冷凍機２３を使用しており、この小型ヘリウム冷凍
機２３の１段ステージ２３ａに直接、トラップ面２２が
取り付けられている。小型ヘリウム冷凍機２３の１段ス
テージ２３ａとそれに直接取り付けられたトラップ面２
２とは図に示すように真空バルブを用いることなく真空
装置２０内に直接挿入されて配設される。小型ヘリウム
冷凍機２３はヘリウムライン２４を介してコンプレッサ
ー２５と接続され、図１の矢印に示すようにヘリウムは
流れる。真空装置２０の真空排気系としては、拡散ポン
プ又はターボ分子ポンプ等の本引き用の真空排気ポンプ
２６が真空バルブ２８ａにより真空装置２０と接続さ
れ、粗引き用のロータリーポンプ２７が真空装置２０及
び本引き用の真空ポンプ２６とそれぞれ真空バルブ２８
ｂ、２８ｃを介して接続されている。

【００１２】本実施例による真空装置２０と低温トラッ
プ２１とは以上のように構成されるのであるが、次にこ
の作用について説明する。

【００１３】真空装置２０の運転サイクルについて図２
を参照して説明すると、処理過程Ａでは真空装置２０内
で処理、例えば、蒸着やスパッタリング等が行われる。
真空装置２０内での処理が終了した後、昇圧過程Ｂでは
真空装置２０内に窒素ガスや空気を導入して大気圧まで
昇圧し、大気圧過程Ｃでは真空装置２０内が大気圧にな
っているので処理過程Ａで処理された被処理物の交換が
行われる。粗引き過程Ｄでは再び次の処理を行うために
真空装置２０内を本引き作動圧までロータリーポンプ２
７により排気し、作動圧に至ると本引き過程Ｅで本引き
用の真空排気ポンプ２６、例えば、拡散ポンプ、又はタ
ーボ分子ポンプ等により真空装置２０内での処理に必要
な圧力、例えば、本実施例では１×１０^-4Ｔｏｒｒまで
排気する。本引きが終了すると再び処理過程Ａとなり、
蒸着やスパッタリング等の処理が繰り返される。

【００１４】低温トラップ２１は水に対する排気速度を
向上させるためのもので、上述した真空装置２０の運転
サイクルの処理過程Ａにおいてその温度は最低温度とな
り、蒸着やスパッタリング等の処理が行われている間に
放出ガスとして発生する水分子を低温トラップ２１のト
ラップ面２２に凝縮させて排気する。本実施例では、図
２で示されるように処理過程Ａでの圧力は１×１０^-4Ｔ
ｏｒｒであり、この場合、水の蒸気圧が１×１０^-4Ｔｏ
ｒｒとなる温度は約１８０Ｋ以下が必要とされる。ここ
で、低温トラップ２２の小型ヘリウム冷凍機２３が図４
に示されるような冷凍能力特性を持つ場合、図によれば
真空装置２０内が大気圧の時でも小型ヘリウム冷凍機２
３への熱負荷が１８Ｗ以下であれば、小型ヘリウム冷凍
機２３の温度は１８０Ｋ以下となるので、低温トラップ
２１のトラップ面２２の熱負荷が１８Ｗ以下になるよう
にトラップ面２２の面積を調節して、小型ヘリウム冷凍
機２３の温度が１８０Ｋ以下となるようにしている。即
ち、真空装置２０内が大気圧になっても低温トラップ２
１のトラップ面２２の面積を調節することにより小型ヘ
リウム冷凍機２３の温度は１８０Ｋ以下となり、これに
直接冷却されるトラップ面２２は真空装置２０内が大気
圧でも１８０Ｋ以下に冷却され、真空装置２０での各過
程においては図３の曲線Ｘで示されるような温度変化と
なり、水はトラップ面２２に凝縮されて１×１０^-4Ｔｏ
ｒｒの蒸気圧まで排気することができる。従って、この
ときの水を排気できる温度をＴ₁ とすれば、トラップ面
２２の温度は常にＴ₁ 以下の温度となるようにトラップ
面２２の面積を調節しているので、どの過程においても
水を１×１０^-4Ｔｏｒｒ以下の圧力まで排気することが
できる。

【００１５】又、本実施例において低温トラップ２１の
トラップ面２２は処理過程Ａで１８０Ｋ以下の温度に冷
却されればよいので、粗引き過程Ｄ及び本引き過程Ｅに
要する時間をｔとすると、図３で示されるように低温ト
ラップ２１の温度が大気圧過程Ｃで１８０Ｋ以上の温度
であっても、時間ｔの間に１８０Ｋ以下の温度となれば
よいので、例えば、大気圧過程Ｃでトラップ面２２の温
度が２００Ｋである場合、真空装置２０での各過程にお
いては図３の曲線Ｙで示されるような温度変化となり、
処理過程Ａに到達する時にはその温度は１８０Ｋ以下と
なっている。従って、このときの水を排気できる温度を
Ｔ₁ とし、粗引き過程Ｄ及び本引き過程Ｅに要する時間
ｔ内にＴ₁ 以下の温度に冷却することのできる温度をＴ
₂ とすれば、大気圧過程Ｃでのトラップ面２２の温度は
Ｔ₁ とＴ₂ との間の温度になるようにトラップ面２２の
面積を調節するので、処理過程Ａに至った時には水を排
気することができる温度以下に冷却されている。

【００１６】以上述べたように、小型ヘリウム冷凍機２
３を使用した低温トラップ２１のトラップ面２２を真空
装置２０内に直接取り付けたことにより、真空装置２０
及び真空装置２０内の被処理物から放出される水を凝縮
して排除するのに、低温トラップを使用しないで真空排
気した場合に比べ真空装置２０内を早く必要とする圧力
に到達させることができる。又、低温トラップ２１の温
度は真空装置２０内の圧力に係らず、水を凝縮排気でき
る温度、又は水を凝縮排気できる温度に短時間で到達す
るような温度に設定されているので、他の低温トラップ
を使用する場合より早く必要とされる圧力に到達させる
ことができる。

【００１７】このように低温トラップ２１は、大気圧で
も水を排気できる温度を維持しており、又は、大気圧か
ら蒸着又はスパッタリング等の処理を行うのに必要とす
る圧力に到達するまでの間に水を排気できる温度に冷却
することができるので、真空バルブを用いて真空装置２
０から遮断する必要がなく、真空バルブ分のコストを削
減することができる。又、従来のフレオン系の冷媒を用
いた冷凍機を使用した場合、低温トラップの冷却や昇温
に時間がかからないため大気圧になる度に低温トラップ
を室温に戻していたが、本実施例の小型ヘリウム冷凍機
２３を用いた低温トラップ２１は常に作動しているた
め、真空装置２０内の圧力に係らず水を排気しており、
フレオン系の冷凍機よりも早く所定の圧力に到達するこ
とができる。更に、フレオン系の冷凍機で問題となって
いる環境問題が起こらないので、その使用に当たっての
制限がない。又、フレオン系の冷凍機のように断熱真空
配管の必要がなく、取り付け方法にも自由度がある。

【００１８】以上、本発明の低温トラップの実施例につ
いて説明したが、勿論、本発明はこれに限定されること
なく本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能で
ある。

【００１９】例えば、本実施例のように小型ヘリウム冷
凍機２３の１段ステージ２３ａに直接、トラップ面２２
を取り付けて真空装置２０内に挿入するようにしたが、
図５に示されるように、低温トラップ３０のトラップ面
３１を平面形状とし、トラップ面３１のみを真空装置２
０内に露出させるようにして配設してもよい。

【００２０】本実施例ではトラップ面２２は、所定の温
度となるようにその面積を調節して取り付けたが、トラ
ップ面の構成を複数枚の平板の一部が重なり合うように
構成し、真空装置２０内に取り付けた後も、平板の重な
り合う面積を調節することによりトラップ面２２の面積
を設定するようにしてもよい。

【００２１】本実施例では真空装置２０内での処理過程
Ａにおいては処理に必要な圧力を１×１０^-4Ｔｏｒｒと
したので、その圧力下で水を排気できる温度である１８
０Ｋ以下となるようにトラップ面２２の面積を調節する
ようにしたが、例えば、処理過程Ａで必要な圧力が１×
１０^-6Ｔｏｒｒとした場合、水の蒸気圧が１×１０^-6Ｔ
ｏｒｒとなる温度である１６０Ｋ以下に調節することも
できる。このように処理過程Ａで必要とされる圧力に対
して、その圧力の水の蒸気圧となるような温度以下にな
るようにトラップ面２２の熱を受ける面積を調節すれば
よい。

【００２２】本実施例の低温トラップ２１は水に対する
排気速度を向上させるものとして使用したが、真空装置
２０内の被処理物から発生する放出ガスのうち低温トラ
ップに凝縮する成分のみを排除する場合、真空乾燥器の
乾燥効率を上げる場合、又は、被処理物から蒸発する油
や溶剤を凝縮させて排気する場合にも応用することがで
きる。

【００２３】又、本実施例ではトラップ面の面積を調節
することによりトラップ面の温度を設定するようにした
が、トラップ面の面積を一定とし、冷凍機の冷凍能力を
調節可能とすることにより、トラップ面の温度を設定す
るようにしてもよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明の低温トラップによれば、低温ト
ラップのトラップ面の面積又は冷凍機の冷凍能力を調節
することにより、大気圧でも水を排気できる温度が維持
され、又は、真空装置内で必要とされる圧力に排気され
る間に水を排気できる温度に冷却することができるの
で、水に対する排気速度が改善され、早く所定の圧力に
到達させることができ、生産性を向上させることができ
る。又、真空バルブを使用しないので、コストを削減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による真空装置と低温トラップ
の構成図である。

【図２】真空装置内の運転サイクルにおける圧力変化を
示す図である。

【図３】真空装置内の運転サイクルにおける低温トラッ
プの温度変化を示す図である。

【図４】小型ヘリウム冷凍機を使用した低温トラップの
冷凍能力特性曲線を示す図である。

【図５】本発明の変形例による真空装置と低温トラップ
の構成図である。

【図６】従来例による真空装置と拡散ポンプとの間に低
温トラップを配設した場合の構成図である。

【図７】従来例による真空装置とターボ分子ポンプとの
間に低温トラップを配設した場合の構成図である。

【図８】従来例による真空装置に独立して低温トラップ
を配設した場合の構成図である。

【図９】従来例による真空装置内に低温トラップを配設
した場合の構成図である。

【符号の説明】

２１ 低温トラップ ２２ トラップ面 ２３ 小型ヘリウム冷凍機

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トラップ本体と該トラップ本体を冷却す
   る冷凍機とから成り、真空装置に接続された低温トラッ
   プにおいて、前記トラップ本体のトラップ面は直接、前
   記真空装置内に面するように配設され、前記冷凍機は常
   時運転され前記トラップ本体を直接冷却するように取り
   付け、前記真空装置内の圧力が大気圧に昇圧しても前記
   トラップ面の温度は、前記真空装置が作業時に必要とす
   る圧力での液体飽和蒸気圧に対応する温度に、前記真空
   装置が減圧される途中で達するような温度より高く昇温
   しないように、該トラップ面の面積又は前記冷凍機の能
   力が調節されていることを特徴とする低温トラップ。
2. 【請求項２】 前記冷凍機はＧ−Ｍサイクル、ソルベイ
   サイクル又はスターリング冷凍サイクルの小型ヘリウム
   冷凍機である請求項１に記載の低温トラップ。