JPH07116403A

JPH07116403A - 極低温冷凍機

Info

Publication number: JPH07116403A
Application number: JP26862793A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Morishita; 弘之森下; Yuichi Kita; 雄一喜多; Hirotoshi Torii; 宏年鳥居
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1995-05-09

Abstract

(57)【要約】【目的】電気ヒータを不要にできて低コストで、信頼
性低下なくヒートステージの温度を必要温度に調節でき
るようにする。【構成】循環路１６にヘリウム冷媒を充填すると共
に、このヘリウム冷媒に、極低温膨張機１１におけるヒ
ートステージ１２のヘリウム冷媒による温度低下を抑制
する窒素を５〜５０％体積充填し、ヘリウム冷媒と混合
させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極低温冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、真空室と真空排気装置との間に介
装され、前記真空室内の水分を凝縮させて排気するよう
にしたコールドトラップは、ヘリウム冷媒を充填した極
低温冷凍機を用い、この冷凍機のヒートステージにコー
ルドパネルを接続して、該コールドパネルのクライオ面
を極低温に冷却し、このクライオ面に水分を凝縮して排
気するようにしている。

【０００３】所でコールドトラップによる水分の排気
は、前記したように前記コールドパネルのクライオ面を
極低温に冷却して水分を凝縮させるのであるが、前記コ
ールドパネルの温度が下がり過ぎると前記真空室内に用
いる例えばアルゴンガスなどのプロセスガスも凝縮する
問題があり、このため、前記コールドパネルの温度を、
水分の排気が有効にできながらプロセスガスの凝縮が生
じない最適な温度（熱負荷作用時で７０〜１２０Ｋ程
度）に保持することが要求されており、このために、前
記ヒートステージの無負荷時における最低到達温度は５
０〜６０Ｋ前後がベターとされている。

【０００４】所が従来の極低温冷凍機ではヘリウム冷媒
を用いているため、冷凍能力がコールドパネルの必要大
きさ及びその熱負荷に対し大きく、前記冷凍機における
ヒートステージの温度は、無負荷時において２０Ｋ以下
となるのである。このため、本出願人は、コールドトラ
ップに用いる極低温冷凍機において、前記冷凍機のヒー
トステージやコールドトラップに電気ヒータを取付け、
このヒータを温度コントローラーにより操作して前記ヒ
ートステージの温度制御を行うようにしたものを提案し
た。（特願平４−５０８７４号）即ち、この出願で提案したコールドトラップは、図３に
示したようにヘリウム冷凍機ＡのヒートステージＢにコ
ールドパネルＰを接続すると共に、このコールドパネル
ＰのヒートステージＢに対する背面側に電気ヒータＨを
取付けたもので、温度コントロ−ラーＣによる前記電気
ヒータＨの操作により、前記コールドパネルＣの温度を
水分の排気に適した温度に保持し、アルゴンガスなどの
プロセスガスが凝縮しないようにしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】所が以上のように電気
ヒータＨ及び温度コントロ−ラＣを用いることにより、
前記コールドパネルＰの温度調節を行えるのであるが、
前記電気ヒータＨや温度コントロ−ラーＣを特別に設け
る必要があり、このため前記冷凍機と共にコールドトラ
ップを構成する場合、そのシステムのイニシャルコスト
が高くなるだけでなくランニングコストも高くなり、そ
の上、温度コントロ−ラーＣにより前記コールドパネル
Ｐの温度制御を行うのであるから、使用者による温度制
御の操作性が難しくなるし、機器の信頼性に難点が生ず
る問題も有している。

【０００６】本発明は従来のコールドトラップ用冷凍機
において電気ヒータを用いて温度調節する必要があるの
は前記ヘリウム冷凍機を用いている点にその要因がある
ことを見出し、極低温冷凍機に充填する冷媒を工夫する
ことにより前記冷凍機におけるヒートステージの温度を
調節できることに着目して発明したもので、目的は、温
度調節用電気ヒータ及び温度コントロ−ラーを用いなく
ともヒートステージの温度を必要温度に温度調節がで
き、低コストで、信頼性を低下することなく、また操作
性も簡略化できるようにする点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め請求項１記載の発明は、圧縮ユニット１３とヒートス
テージ１２をもつ極低温膨張機１１とを備え、これら圧
縮ユニット１３と極低温膨張機１１とを高圧ガス通路１
４及び低圧ガス通路１５により接続して冷媒の循環路１
６を形成している極低温冷凍機において、前記循環路１
６にヘリウム冷媒を充填すると共に、このヘリウム冷媒
に、該ヘリウム冷媒による極低温膨張機１１のヒートス
テージ１２における温度低下を抑制する窒素冷媒を充填
し、前記ヘリウム冷媒と混合させたのである。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、前記ヘリウ
ム冷媒に対する窒素冷媒の混合割合を５〜５０％体積と
したのである。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明では、前記循環路１６に充
填する冷媒を、前記ヘリウム冷媒と窒素との混合冷媒と
したから、前記極低温膨張機１１におけるヒートステー
ジ１２の温度を、ヘリウム冷媒単体を充填している従来
のヘリウム冷凍機における前記ヒートステージＢの温度
より高くでき、従って、電気ヒータを用いなくともその
温度を所望温度に調節できるのであって、コールドトラ
ップに適用する場合従来例のように電気ヒータを用いな
くとも前記ヒートステージに接続するコールドパネルの
温度を、水分を凝縮させて排出できる所定の温度範囲に
できるのである。

【００１０】また、前記ヘリウム冷媒に窒素冷媒を混合
させるのであるから、この温度割合を変更することによ
り前記ヒートステージ１２の温度を任意に調節でき、従
って、水分除去を目的とするコールドトラップのみなら
ず、他のシステムにも適用できるのである。

【００１１】また、請求項２記載の発明では、前記ヘリ
ウム冷媒に対する窒素冷媒の混合割合を５〜５０％体積
としたから、冷凍機の運転差圧を、ヘリウム冷凍機の運
転差圧と同程度にでき、しかも、温度のふらつきも少な
くできながら、前記ヒートステージ１２の最低到達温度
を、無負荷時において５０〜６０Ｋ程度に温度調節で
き、一定の熱負荷作用時において水分を凝縮させて排出
できる温度（７０〜１２０Ｋ前後）にできるのである。

【００１２】従って、コールドトラップに適用する場合
でも、その信頼性を向上でき、また、操作性を簡略化で
きながら、イニシャルコスト及びランニングコストを安
価にできるのである。

【００１３】

【実施例】図１に示したものは、アルゴンガスを充満さ
せた半導体製造装置の真空室１とこの真空室１を真空に
する真空排気装置（クライオポンプ）２との間に介装さ
れるコールドトラップ３に適用したもので、このコール
ドトラップ３は前記真空室１に連通する排気入口部４と
前記真空排気装置２に連通する排気出口部５とを備えた
トラップ本体６と、このトラップ本体６における前記入
口部４と出口部５との間に内装するコールドパネル７と
から成り、前記トラップ本体６に本発明冷凍機１０の極
低温膨張機１１を支持して、この膨張機１１のヒートス
テージ１２に前記コールドパネル７を接続したものであ
る。

【００１４】前記極低温膨張機１１は、圧縮機を内装す
る圧縮ユニット１３と共に極低温冷凍機１０を構成する
もので、前記膨張機１１を圧縮ユニット１３に高圧ガス
通路１４と低圧ガス通路１５とを介して接続し、前記圧
縮ユニット１３との間に冷媒の循環路１６を形成するの
である。

【００１５】また、前記極低温膨張機１１は図示してい
ないが既知の通り、切換パルブをもった本体ハウジング
１１ａとスラックピストン、及びディスプレーサーをシ
ールリングを介して摺動可能に内装するシリンダ１１ｂ
とから成り、前記切換バルブをバルブモ−タの駆動で切
換え、高圧冷媒ガスを前記シリンダ１１ｂに供給した
り、前記ディスプレーサーの先端側に設ける膨張空間で
膨張した低圧ガス冷媒を排出したりして、前記膨張空間
に隣接して設ける前記ヒートステージ１２を極低温に冷
却保持するようにしたものである。

【００１６】しかして以上の構成において、前記循環路
１６にはヘリウム冷媒を充填すると共にこのヘリウム冷
媒に、該ヘリウム冷媒による前記ヒートステージ１２の
温度低下を抑制する窒素冷媒を充填し、前記ヘリウム冷
媒と混合させたのである。

【００１７】所で、前記コールドトラップ３において前
記真空室１の水分を排気するには、前記コールドパネル
７を極低温に冷却することにより行えるが、水分の排気
を有効に行うには、水分の蒸気圧を１０^‐10 トール以
下にすることが好ましく、従って、前記コールドパネル
７の温度は水蒸気分圧が前記蒸気圧となる１３０Ｋ以下
にする必要があるが、前記コールドパネル７の温度が低
過ぎると、前記真空室１のアルゴンガス分子も凝縮して
排気されることになる。

【００１８】即ち、蒸気圧１０^‐10 トールで２３．７
Ｋより低い場合や、１０^‐1トールで４８．２Ｋより低
い場合にはアルゴンガス分子も凝縮して排気されること
になり、従って、アルゴンガスの排気をなくしながら水
分の排気を有効にするためには前記コールドパネル７の
温度は、熱負荷がある状態で７０〜１２０Ｋ前後の温度
に保持する必要があり、このため冷凍機１０の最低到達
温度は５０Ｋより低くならない６０Ｋ前後の温度にする
必要がある。

【００１９】従って、従来のコールドトラップにおいて
は、コールドパネルに電気ヒータを設けてその温度を調
節しているのであるが、本発明では、従来において電気
ヒータを用い温度調節をしているのは極低温冷凍機の冷
媒にヘリウムを用いている点に起因することを究明し、
ヘリウム冷媒に、このヘリウムより高い沸点（液化点）
をもつ窒素を混合し、この混合割合を所定割合にするこ
とにより、電気ヒータを用いることなくヒートステージ
１２の温度低下を抑制し、水分排気に必要な温度にした
のである。

【００２０】更に詳記すると、窒素の沸点は約７７Ｋで
あるから、この窒素をヘリウムに加えることによりヒー
トステージ１２での温度低下を抑制でき、その混合割合
を調節することにより前記ヒートステージ１２の温度を
調節できるのであって、ヘリウムの容積に対し５％（容
積）の窒素を混合させることにより最低到達温度（Tmi
n）を５０Ｋ付近に調節できるのである。

【００２１】因みに窒素の混合割合に対する最低到達温
度（Tmin) の変化を調べてみると、図２に示した温度曲
線（Tmin）のように、２〜３％の窒素充填で前記温度
（Tmin) が急上昇し、５％充填で５０Ｋ付近となり７０
％充填までほゞ６０Ｋで横這い状となり、７０％を越え
ると再び上昇する傾向に変化するのである。

【００２２】また一方、冷凍機においては運転差圧（Δ
Ｐ）が大きくなると圧縮機の圧縮比が高くなって、その
駆動力が大きくなり、圧縮機のみならず冷凍機全体に負
担がかゝることになるから運転差圧（ΔＰ）は小さい方
が好ましいし、また、ヒートステージ１２における温度
の安定性を考慮すると最低到達温度（Tmin）での温度の
ふらつき（ΔＴ）も少ない方が好ましい。

【００２３】所で、ヘリウム冷媒を用いた極低温冷凍機
において、その運転差圧（ΔＰ）は１６Kg/cm ² 程度で
あり、温度のふらつき（ΔＴ）は零に近いのであるが、
ヘリウムに窒素を充填すると、運転差圧（ΔＰ）及び温
度のふらつき（ΔＴ）は図２に示した運転差圧曲線（Δ
Ｐ）及び温度のふらつき曲線（ΔＴ）のように変化す
る。

【００２４】即ち、窒素の混合割合が低い領域（約４８
％以下）においては、前記冷凍機１０の運転差圧（Δ
Ｐ）をヘリウム冷凍機における運転差圧（ΔＰ）より小
さくできるのであるが、窒素はヘリウムに比較して粘性
係数が大きく、このため５０％を越える窒素を充填する
と、特に前記膨張機１１におけるディスプレーサー内で
の流れが悪くなり、このため低圧が低下してヘリウム冷
凍機の運転差圧（ΔＰ）より大きくなるのであって、こ
の運転差圧（ΔＰ）の増大で圧縮機及び冷凍機全体に負
担がかゝることになり、信頼面では好ましくないのであ
る。また、窒素の充填により温度のふらつき（ΔＴ）が
生じ、５０％を越える窒素の充填（約５５％）によりそ
の温度差が２Ｋを越えることになる。

【００２５】従って、以上のように最低到達温度（Tmi
n）が５０Ｋより低くならないように温度調節できる性
能面と、運転差圧（ΔＰ）が圧縮機及び冷凍機全体に負
担がかゝらない程度、つまり従来のヘリウム冷凍機にお
ける運転差圧と同程度の運転差圧（ΔＰ）で運転でき、
しかも、温度のふらつき（ΔＴ）がせいぜい２Ｋ程度に
できる信頼性面とを考慮し、窒素のヘリウムに対する混
合割合を５〜５０％体積にするのであって、斯くするこ
とにより信頼性の低下なく、冷凍機の最低到達温度（Tm
in）を５０Ｋ以上に調節できるのである。

【００２６】しかして図１に示した実施例のようにコー
ルドトラップ３に適用する場合には、最低到達温度（Tm
in）を６０Ｋ前後にすればよいのであるから、運転差圧
（ΔＰ）を１２Kg/cm²程度にでき、温度のふらつき（Δ
Ｔ）を２Ｋより低くできる２０〜３０％体積が好まし
い。

【００２７】斯くすることで電気ヒータを不要にできる
ことは勿論、運転差圧（ΔＰ）も従来のヘリウム冷凍機
より小さくでき、圧縮機及び冷凍機全体の負担を軽減で
きながら温度の安定性も良好に水分排気を行えるのであ
る。

【００２８】尚図２においてＱは９０Ｋでの冷凍能力割
合、つまり、ヘリウム冷凍機の冷凍能力を１００％とし
たときのヘリウム冷凍能力に対する割合を示すもので、
前記した窒素の混合割合範囲（５〜５０％）においては
５０％以下にできる。

【００２９】また、以上説明した実施例は水分排気を目
的とするコールドトラップ３に適用したものであるが、
その他ヒートステージ１２の温度を５０〜６０Ｋ前後に
調節して用いる他のシステムにも適用できる。

【００３０】また、ヘリウムへの窒素の充填方法は、予
め所定割合で混合してガスボンベに充填し、このガスボ
ンベから前記冷凍機１０の循環路１６に充填してもよい
が、予めヘリウムを充填した冷凍機を用い、この冷凍機
に窒素を充填してもよいし、また、前記冷凍機１０に予
めヘリウムを例えば２０Kg/cm ² 充填した後、この冷凍
機１０の循環路１６に窒素を充填してもよい。この場
合、例えば２０kg/cm²仕様の冷凍機に３０％の窒素を充
填するには、先ず前記低圧ガス通路１５を前記膨張機１
１から外してヘリウムガスを、圧力計付治具を用いて窒
素の混合割合３０％体積に相当する１４Kg/cm ² のヘリ
ウムガスを抜取り、然る後に前記低圧ガス通路１５を前
記膨張機１１に接続し、前記高圧ガス通路１４を外して
前記膨張機１１の高圧側に窒素ガスボンベを接続し、ガ
スチャージ用治具を介して６Kg/cm²の窒素ガスを充填す
るのである。

【００３１】その後前記高圧ガス通路１４を接続するこ
とによりヘリウムガスと窒素ガスとは前記循環路１６内
で拡散し、混合割合３０％体積の混合冷媒が充填された
ことになる。

【００３２】また、本発明ではヘリウム冷媒を基礎とし
て、このヘリウムより沸点（液化点）の高い窒素を用い
たが、窒素と同程度の沸点をもつ例えばアルゴンや酸素
などを用いてもよい。

【００３３】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、前記循環路１
６に充填する冷媒を、前記ヘリウム冷媒と窒素との混合
冷媒としたから、前記極低温膨張機１１におけるヒート
ステージ１２の温度を、ヘリウム冷媒単体を充填してい
る従来のヘリウム冷凍機における前記ヒートステージＢ
の温度より高くでき、従って、電気ヒータを用いなくと
もその温度を所望温度に調節できるのであって、コール
ドトラップに適用する場合従来例のように電気ヒータを
用いなくとも前記ヒートステージに接続するコールドパ
ネルの温度を、水分を凝縮させて排出できる所定の温度
範囲にできるのである。

【００３４】また、前記ヘリウム冷媒に窒素冷媒を混合
させるのであるから、この温度割合を変更することによ
り前記ヒートステージ１２の温度を任意に調節でき、従
って、水分除去を目的とするコールドトラップのみなら
ず、他のシステムにも適用できるのである。

【００３５】また、請求項２記載の発明では、前記ヘリ
ウム冷媒に対する窒素冷媒の混合割合を５〜５０％体積
としたから、冷凍機の運転差圧を、ヘリウム冷凍機の運
転差圧と同程度にでき、しかも、温度のふらつきも少な
くできながら、前記ヒートステージ１２の最低到達温度
を、無負荷時において５０〜６０Ｋ程度に温度調節で
き、一定の熱負荷作用時において水分を凝縮させて排出
できる温度（７０〜１２０Ｋ前後）にできるのである。

【００３６】従って、コールドトラップに適用する場合
でも、その信頼性を向上でき、また、操作性を簡略化で
きながら、イニシャルコスト及びランニングコストを安
価にできるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】コールドトラップに適用した例を示す概略説
明図。

【図２】ヘリウムに混合する窒素の混合割合に対する
最低到達温度、運転差圧、温度のふらつき及び９０Ｋで
の冷凍能力割合を示す特性曲線図。

【図３】従来例を示す断面図。

【符号の説明】

１１極低温膨張機１２ヒートステージ１３圧縮ユニット１４高圧ガス通路１５低圧ガス通路１６循環路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮ユニット（１３）とヒートステージ
（１２）をもつ極低温膨張機（１１）とを備え、これら
圧縮ユニット（１３）と極低温膨張機（１１）とを高圧
ガス通路（１４）及び低圧ガス通路（１５）により接続
して冷媒の循環路（１６）を形成している極低温冷凍機
において、前記循環路（１６）にヘリウム冷媒を充填すると共に、
このヘリウム冷媒に、該ヘリウム冷媒による極低温膨張
機（１１）のヒートステージ（１２）における温度低下
を抑制する窒素冷媒を充填し、前記ヘリウム冷媒と混合
させていることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】ヘリウム冷媒に対する窒素冷媒の混合割
合を５〜５０％体積としている請求項１記載の極低温冷
凍機。