JPH09287567A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱収縮によるシリンダ歪がなく、ステージコ
ールドパネルの温度分布がなく、第１ヒートステージと
バッフルとの間の温度差が小さく、コストの低いクライ
オポンプを提供する。 【解決手段】 ２段膨張式冷凍機２２の第１ヒートステ
ージ２６aと単段膨張式冷凍機２３のヒートステージ２
５aとを第１間座２８の屈曲部２９,３０の外側に取り付
け、第１間座２８を第１ステージコールドパネル３１に
取り付ける。２段膨張式冷凍機２２の第２ヒートステー
ジ２７aには第２間座３７を介して第２ステージコール
ドパネル３５の中心軸を取り付ける。こうして、第１ス
テージコールドパネル３１の板厚を厚くして第１ヒート
ステージ２６aとバッフル３４との温度差を小さくした
場合の起動時間の増大を防止し、第１間座２８の屈曲部
２９,３０でシリンダ歪をなくし、第２ステージコール
ドパネル３５の温度分布をなくし、コストダウンを図
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、真空排気に使用
されるクライオポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体製造やレンズの蒸着等
の際に使用される真空装置の真空排気に、クライオポン
プが使用されている。通常、半導体製造の場合には、あ
まり大きな熱負荷を伴わないので２段ステージを備えた
冷凍機を１台用いることによって対処できる。ところ
が、レンズの蒸着の場合には、蒸発工程があるためにク
ライオポンプに対する熱負荷が大きい。そこで、実公平
５−１９５８７号公報のごとく、２段ステージを備えた
冷凍機を２台用いることによって対処している。

【０００３】実公平５−１９５８７号公報に開示された
クライオポンプは、図２に示すような構造を有してい
る。すなわち、冷凍機１は、モータ２によって駆動され
る併設された２本の膨張シリンダ３,４を有している。
そして、この２本の膨張シリンダ３,４は、真空室(図示
せず)の開口部に取り付けられるポンプケース５内に収
納されている。

【０００４】上記膨張シリンダ３,４は、７０Ｋレベル
に冷却される第１ステージ６,７と２０Ｋレベルに冷却
される第２ステージ８,９とを有し、第１ステージ６,７
には第１ステージコールドパネル１０を取り付け、第２
ステージ８,９には第２ステージコールドパネル１１の
水平板１１aを取り付けている。こうして、７０Ｋレベ
ルの第１ステージコールドパネル１０やその先端部に取
り付けられたバッフル１２で水蒸気を凝縮して排気し、
２０Ｋレベルの第２ステージコールドパネル１１で第１
ステージコールドパネル１０で排気できない窒素や水素
等のガスを凝縮又は吸着して排気するのである。

【０００５】また、上記膨張シリンダ３,４の第１ステ
ージ６,７に取り付けられる第１ステージコールドパネ
ル１０は、７０Ｋの極低温になると熱収縮を起こし、取
り付けられている両膨張シリンダ３,４が引っ張り力を
受けて、取り付け位置が変動したり両膨張シリンダ３,
４が歪んだりする。そこで、図３に示すように、第１ス
テージコールドパネル１０の底部１０aにおける膨張シ
リンダ３,４の貫通孔１３,１４の間にスリット１５を設
けて、熱収縮によって生ずるシリンダ歪を逃がすように
している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の２段ステージを備えた冷凍機を２台用いるクライオ
ポンプには、以下のような問題がある。すなわち、上記
クライオポンプに使用される冷凍機１は、単純に２段ス
テージを備えた２台の冷凍機を併設して構成されている
ために２段の膨張シリンダや圧縮機(図示せず)を２個ず
つ備えており、コストが高いという問題がある。

【０００７】また、２段ステージを備えた冷凍機を２台
用いたクライオポンプでは、夫々の冷凍機の第２ステー
ジ８,９によって第２ステージコールドパネル１１が２
０Ｋレベルの極低温に冷却される。したがって、２台の
冷凍機の冷凍能力差によって第２ステージコールドパネ
ル１１に軸対称でない温度分布が生じ、高温部から低温
部へのガスの移動が起こって圧力が不安定になり、安定
した排気性能が得られないという問題がある。

【０００８】また、熱負荷が非常に大きい場合には、第
２ステージコールドパネル１１は十分冷却されている
が、第１ステージコールドパネル１０の先端部やバッフ
ル１２は十分冷却されない場合がある。この場合には、
第１ステージコールドパネル１０の先端部やバッフル１
２の温度が高くなるため水蒸気の蒸気圧が高まり、水分
分圧または全圧力をある圧力以下にする必要のある用途
の場合には充分な排気性能が得られなくなる。そのよう
な場合には、第１ステージコールドパネル１０の板厚を
厚くして熱伝導を良好にすれば、第１ステージコールド
パネル１０の先端部とバッフル１２を十分冷却すること
が可能となる。ところが、２台のスターリング冷凍機
３,４共２段の膨張シリンダで構成されているために、
冷凍能力が第１ステージコールドパネル１０と第２ステ
ージコールドパネル１１とに分散されて、第１ステージ
コールドパネル１０には熱容量増大に対処するだけの余
剰冷凍能力がなく、起動時間が増加してしまうという問
題もある。

【０００９】また、上記第１ステージコールドパネル１
０の底部１０aにスリット１５を設けて、熱収縮によっ
て生ずる膨張シリンダの歪を逃がすようにしている。し
かしながら、第１ステージコールドパネル１０の底部１
０aは、完全に２分割されているわけではなくその周囲
では連続している。したがって、熱収縮によるシリンダ
歪を完全に吸収することはできない。尚、上記第１ステ
ージコールドパネルを一方の膨張シリンダ３側と他方の
膨張シリンダ４側とに完全に２分割して歪吸収帯で繋ぐ
ことも考えられるが、一度分割したものを繋ぐ場合の加
工歪の修正が容易ではなくコスト高になる。

【００１０】そこで、この発明の目的は、ステージコー
ルドパネルの熱収縮によるシリンダ歪をなくし、第２ス
テージコールドパネルに温度分布がなく、第１ヒートス
テージとバッフルとの間の温度差が小さく、コストの低
いクライオポンプを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、２段の膨張シリンダを有す
る２段膨張式冷凍機と、単段の膨張シリンダを有する単
段膨張式冷凍機と、上記２段膨張式冷凍機における１段
目の膨張シリンダのヒートステージと上記単段膨張式冷
凍機における膨張シリンダのヒートステージとに取り付
けられた第１のコールドパネルと、上記２段膨張式冷凍
機における２段目の膨張シリンダのヒートステージに取
り付けられた第２のコールドパネルを備えたことを特徴
としている。

【００１２】上記構成において、２段膨張式冷凍機と単
段膨張式冷凍機とが駆動されると、上記２段膨張式冷凍
機の２段の膨張シリンダおよび単段膨張式冷凍機の単段
の膨張シリンダに冷熱が蓄積される。そして、上記２段
膨張式冷凍機における１段目の膨張シリンダのヒートス
テージと単段膨張式冷凍機におけるヒートステージとに
よって第１のコールドパネルが冷却される。さらに、上
記２段膨張式冷凍機における２段目の膨張シリンダのヒ
ートステージによって第２のコールドパネルが冷却され
る。こうして、上記第１のコールドパネルを２台の膨張
シリンダのヒートステージで冷却する一方、第２のコー
ルドパネルを１台の膨張シリンダのヒートステージで冷
却することによって、第１のコールドパネルと第２のコ
ールドパネルとの冷凍能力が最適に分配されて、第１の
コールドパネルの板厚を厚くして先端部とヒートステー
ジとの間の温度差を無くした場合の起動時間の増大が防
止される。さらに、上記第２のコールドパネルは、１つ
のヒートステージによって冷却されて温度分布が発生し
ない。

【００１３】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
かかる発明のクライオポンプにおいて、上記２段膨張式
冷凍機および単段膨張式冷凍機の膨張シリンダに圧縮流
体を供給する１台の圧縮機を備えたことを特徴としてい
る。

【００１４】また、請求項３に係る発明は、請求項１に
かかる発明のクライオポンプにおいて、上記第２のコー
ルドパネルは、温度勾配が本クライオポンプの中心軸に
対称となるように、間座を介して上記２段目の膨張シリ
ンダに取り付けられたことを特徴としている。

【００１５】また、請求項４に係る発明は、互いに併設
された２台の膨張式冷凍機と、２つの屈曲部を有すると
共に,一方の屈曲部より外側に上記一方の膨張式冷凍機
のヒートステージが取り付けられる一方,他方の屈曲部
より外側に上記他方の膨張式冷凍機のヒートステージが
取り付けられた間座と、上記間座における両屈曲部の間
に取り付けられると共に,上記両膨張式冷凍機には接触
しないコールドパネルを備えたことを特徴としている。

【００１６】上記構成において、２台の膨張式冷凍機が
駆動されると、上記両膨張式冷凍機の膨張シリンダに冷
熱が蓄積されて、夫々の膨張シリンダのヒートステージ
によって間座が冷却される。その際に、上記間座に発生
する熱収縮は上記間座に設けられた両屈曲部によって吸
収される。さらに、上記コールドパネルに熱収縮が起こ
っても、上記両コールドパネルに接触していない膨張式
冷凍機には影響が及ばない。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。図１は本実施の形態のクライ
オポンプにおける部分断面図である。このクライオポン
プは、有底の円筒形を成すと共に、真空排気の対象とな
る真空装置に取り付ける為のフランジを開口部の周囲に
有するポンプケース２１と、このポンプケース２１の底
部２１aからポンプケース２１内に膨張シリンダ２４,２
５が挿入されている２つの膨張式冷凍機２２,２３から
概略構成される。

【００１８】上述したように、従来の２段のヒートステ
ージを備えた膨張式冷凍機を２台用いるクライオポンプ
は、単純に２台の膨張式冷凍機を併設して構成されてい
る。そのために、１段目のステージコールドパネルと２
段目のステージコールドパネルとの冷凍能力が最適に分
配されていない。つまり、２段目のステージコールドパ
ネルの冷凍能力が最適能力以上に設定されるの対して、
１段目のステージコールドパネルの冷凍能力は最適能力
を下回るのである。以上のことにより、２台目の膨張式
冷凍機の冷凍能力を、２段目のステージコールドパネル
を冷却するよりも１段目のステージコールドパネルを冷
却する方に振り当てる方が理にかなっている。そこで、
本実施の形態においては、２段膨張式冷凍機と単段膨張
式冷凍機を用いることによって、１段目のステージコー
ルドパネルと２段目のステージコールドパネルとの冷凍
能力を最適に分配して、効率よく排気するのである。

【００１９】上記２つの膨張式冷凍機２２,２３の膨張
シリンダ２４,２５は並列に配置されている。膨張式冷
凍機２２は２段膨張式冷凍機であり、膨張シリンダ２４
は２段に構成されている。これに対して、膨張式冷凍機
２３は、単段膨張式冷凍機であり、膨張シリンダ２５は
単段に構成されている。そして、上記ポンプケース２１
内における２段膨張式冷凍機２２の１段目の膨張シリン
ダ（第１膨張シリンダ)２６のヒートステージ(第１ヒー
トステージ)２６aには、板状を成して２つの屈曲部２
９,３０を有する第１間座２８の一方の屈曲部２９の外
側を取り付ける。一方、第１間座２８の他方の屈曲部３
０の外側には、単段膨張式冷凍機２３の膨張シリンダ２
５のヒートステージ２５aを取り付ける。

【００２０】上記ポンプケース２１内には、有底の円筒
形を成すと共に、ポンプケース２１の開口部よりやや小
さい直径の開口部を有する第１ステージコールドパネル
３１を、上記開口部がポンプケース２１の開口部と同一
面かあるいはポンプケース２１の開口部の面より内側に
なるようにして収納している。そして、第１ステージコ
ールドパネル３１の底部３１aの中央部には、上記第１
間座２８の両屈曲部２９,３０の間を取り付けている。
その際に、２段膨張式冷凍機２２の第１膨張シリンダ２
６および単段膨張式冷凍機２３の膨張シリンダ２５の先
端部は、第１ステージコールドパネル３１の底部３１a
に穿たれた２つの貫通孔３２,３３を貫通している。こ
うして、第１膨張シリンダ２６および膨張シリンダ２５
は、第１ステージコールドパネル３１に接触しないよう
になっている。尚、上記第１ステージコールドパネル３
１の開口部内にはバッフル３４を取り付けている。

【００２１】上述のようにして上記第１ステージコール
ドパネル３１内に突出している２段膨張式冷凍機２２の
２段目の膨張シリンダ(第２膨張シリンダ)２７のヒート
ステージ(第２ヒートステージ)２７aには、有底の円筒
形を成すと共に第１ステージコールドパネル３１の開口
部より小さい直径の開口部を有する第２ステージコール
ドパネル３５の底部３５aの中心軸を第２間座３７を介
して取り付けている。その際に、第２ステージコールド
パネル３５の開口部が第１ステージコールドパネル３１
の底部３１aに対向するようにし、第１ステージコール
ドパネル３１と第２ステージコールドパネル３５とを同
軸に配置している。

【００２２】本実施の形態におけるクライオポンプは、
２段膨張式冷凍機２２と単段膨張式冷凍機２３を用いて
いる。したがって、従来のクライオポンプの如く２段膨
張式冷凍機を２台用いる場合に比べて圧縮能力が小さく
ともよい。したがって、両膨張式冷凍機２２,２３に圧
縮ガスを供給する圧縮機は１台で十分であり、マルチ化
が可能となる。

【００２３】圧縮機３６からの高圧ガスが２段膨張式冷
凍機２２に供給されると、第１膨張シリンダ２６および
第２膨張シリンダ２７内で上記高圧ガスが膨張されて、
両膨張シリンダ２６,２７のヒートステージ２６a,２７a
が冷却される。同様に、圧縮機３６からの高圧ガスが単
段膨張式冷凍機２３の膨張シリンダ２５内で膨張され
て、膨張シリンダ２５のヒートステージ２５aが冷却さ
れる。そして、上記２段膨張式冷凍機２２の第１膨張シ
リンダ２６と単段膨張式冷凍機２３の膨張シリンダ２５
に蓄積された冷熱が、２段膨張式冷凍機２２の第１ヒー
トステージ２６aと単段膨張式冷凍機２３のヒートステ
ージ２５aとから第１間座２８を介して第１ステージコ
ールドパネル３１に伝達されて、第１ステージコールド
パネル３１およびバッフル３４が８０Ｋレベルに冷却さ
れる。また、２段膨張式冷凍機２２の第２膨張シリンダ
２７に蓄積された冷熱が第２ヒートステージ２７aから
第２間座３７を介して第２ステージコールドパネル３５
に伝達されて、第２ステージコールドパネル３５が２０
Ｋレベルに冷却される。

【００２４】そうすると、上記ポンプケース２１の開口
部からポンプケース２１内に侵入した上記真空装置内の
水蒸気が、８０Ｋレベルのバッフル３４および第１ステ
ージコールドパネル３１によって凝縮/固化され排気さ
れる。さらに、２０Ｋレベルの第２ステージコールドパ
ネル３５によって、第１ステージコールドパネル３１で
排気されない平衡蒸気圧の低い窒素や水素等のガスが凝
縮又は吸着され排気される。こうして、真空装置内の水
蒸気や窒素や水素が排気される。

【００２５】ここで、上記第１ステージコールドパネル
３１は、単段膨張式冷凍機２３の膨張シリンダ２５と２
段膨張式冷凍機２２の第１膨張シリンダ２６とで冷却す
るようにしている。したがって、第１ステージコールド
パネル３１の冷却能力は２台の２段膨張式冷凍機の第１
膨張シリンダで冷却する場合の冷却能力よりも十分高
く、第１ステージコールドパネル３１の板厚を厚くして
熱伝導を良好にして第１ステージコールドパネル３１の
先端部とバッフル３４とを十分冷却することが可能とな
る。こうすることによって、第２ステージコールドパネ
ル３５の熱シールド効果が高まるために、第２ステージ
コールドパネル３５の冷凍能力はあまり高くなくともよ
く、１台の２段膨張式冷凍機２２の第２膨張シリンダ２
７のみで十分得られるのである。すなわち、本実施の形
態によれば、上記第１ステージコールドパネル３１と第
２ステージコールドパネル３５との冷却能力の配分を最
適にしているので、上述のごとく第１ステージコールド
パネル３１の底部３１aとバッファ３４との温度差を小
さくするため、第１ステージコールドパネル３１の板厚
を厚くしても、第１ステージコールドパネル３１の熱容
量増大によって起動時間が増大されることはないのであ
る。

【００２６】また、上記第２ステージコールドパネル３
５は２段膨張式冷凍機２２の第２ヒートステージ２７a
のみで冷却され、且つ、第２間座３７を介して中心軸に
接続されている。したがって、２段膨張式冷凍機を２台
用いた場合の両膨張式冷凍機の冷凍能力差によって生ず
る第２ステージコールドパネル３５の軸対称でない温度
分布の発生が防止されるのである。したがって、圧力が
安定して効率のよい排気を行うことができる。

【００２７】また、上記２段膨張式冷凍機２２の第１膨
張シリンダ２６と単段膨張式冷凍機２３の膨張シリンダ
２５とは直接第１ステージコールドパネル３１に接触し
てはおらず、屈曲部２９,３０を有する第１間座２８を
介して第１ステージコールドパネル３１に取り付けられ
ている。したがって、２段膨張式冷凍機２２の第１ヒー
トステージ２６aと単段膨張式冷凍機２３のヒートステ
ージ２５aの冷却によって第１間座２８が熱収縮を起こ
しても、第１間座２８に設けられた屈曲部２９，３０に
よって熱収縮が吸収されると共に、シリンダ歪は生じな
いのである。こうして、後加工がしにくい第１ステージ
コールドパネル３１にシリンダ歪を吸収するための加工
を施すことなく、容易に、熱収縮によるシリンダ歪の発
生を防止できる。尚、第１ステージコールドパネル３１
に穿たれる２つの貫通孔３２，３３の直径は、第１ステ
ージコールドパネル３１が熱収縮した際に第１ステージ
コールドパネル３１が第１膨張シリンダ２６および膨張
シリンダ２５に接触しないように設定する必要がある。

【００２８】尚、本実施の形態におけるクライオポンプ
は、２台の膨張式冷凍機のうち１台を単段膨張式冷凍機
にしているので、１台の圧縮機によるマルチ運転が可能
となる。したがって、２台の２段膨張式冷凍機を２台の
圧縮機で駆動する従来のクライオポンプに比して、２段
目の膨張シリンダ分と１台の圧縮機分のコストダウンを
図ることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１に係
る発明のクライオポンプは、２段膨張式冷凍機における
１段目の膨張シリンダのヒートステージと単段膨張式冷
凍機における膨張シリンダのヒートステージとに第１の
コールドパネルを取り付け、上記２段膨張式冷凍機にお
ける２段目の膨張シリンダのヒートステージに第２のコ
ールドパネルを取り付けたので、１つのヒートステージ
によって冷却される上記第２のコールドパネルには温度
分布が発生しない。したがって、圧力が安定して排気を
効率良く行うことができる。さらに、第１のコールドパ
ネルと第２のコールドパネルとの冷却能力とを最適に分
配することができ、第１のコールドパネルの板厚を厚く
して第１のコールドパネル先端部とヒートステージとの
間の温度差を小さくする場合における熱容量増大に伴う
起動時間の増大を防止できる。したがって、容易に第１
のコールドパネル先端部とヒートステージとの間の温度
差を小さくすることができる。さらに、上記両膨張式冷
凍機の一方を単段膨張式冷凍機にできるので、コストダ
ウンを図ることができる。

【００３０】また、請求項２に係る発明のクライオポン
プは、上記２段膨張式冷凍機および単段膨張式冷凍機の
膨張シリンダには１台の圧縮機で圧縮流体を供給するの
で、圧縮機１台分のコストダウンを図ることができる。

【００３１】また、請求項３に係る発明のクライオポン
プは、上記第２のコールドパネルの温度勾配が本クライ
オポンプの中心軸に対称となるように、間座を介して上
記２段目の膨張シリンダのヒートステージに取り付けら
れているので、上記第２のコールドパネルには本クライ
オポンプの中心軸に対称となるような温度勾配が生じ
る。したがって、圧力が上記中心軸に対して対称とな
り、排気の効率がさらに良くなる。

【００３２】また、請求項４に係る発明のクライオポン
プは、間座における一方の屈曲部より外側に膨張式冷凍
機のヒートステージを取り付ける一方、他方の屈曲部よ
り外側に他の膨張式冷凍機のヒートステージを取り付け
て、上記間座における両屈曲部の間にコールドパネルを
取り付けたので、両ヒートステージの冷却によって間座
が熱収縮を起こしても上記間座に設けられた両屈曲部に
よって上記熱収縮が吸収される。さらに、上記コールド
パネルは両膨張式冷凍機に接触しないようになっている
ので、上記コールドパネル熱収縮に起因して膨張シリン
ダに歪は生じないのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のクライオポンプにおける部分断面図
である。

【図２】従来のクライオポンプの構造を示す図である。

【図３】図２における第１ステージコールドパネルの底
部に設けられたスリットを示す図である。

【符号の説明】

２１…ポンプケース、 ２２…２段膨張式
冷凍機、２３…単段膨張式冷凍機、 ２５…膨
張シリンダ、２５a…ヒートステージ、 ２６
…第１膨張シリンダ、２６a…第１ヒートステージ、
２７…第２膨張シリンダ、２７a…第２ヒートステ
ージ、 ２８…第１間座、２９,３０…屈曲部、
３１…第１ステージコールドパネル、３
４…バッフル、 ３５…第２ステージ
コールドパネル、３６…圧縮機、
３７…第２間座。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２段の膨張シリンダを有する２段膨張式
   冷凍機と、 単段の膨張シリンダを有する単段膨張式冷凍機と、 上記２段膨張式冷凍機における１段目の膨張シリンダの
   ヒートステージと上記単段膨張式冷凍機における膨張シ
   リンダのヒートステージとに取り付けられた第１のコー
   ルドパネルと、 上記２段膨張式冷凍機における２段目の膨張シリンダの
   ヒートステージに取り付けられた第２のコールドパネル
   を備えたことを特徴とするクライオポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載されたクライオポンプに
   おいて、 上記２段膨張式冷凍機および単段膨張式冷凍機の膨張シ
   リンダに圧縮流体を供給する１台の圧縮機を備えたこと
   を特徴とするクライオポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載されたクライオポンプに
   おいて、上記第２のコールドパネルは、温度勾配が本ク
   ライオポンプの中心軸に対称となるように、間座を介し
   て上記２段目の膨張シリンダのヒートステージに取り付
   けられていることを特徴とするクライオポンプ。
4. 【請求項４】 互いに併設された２台の膨張式冷凍機
   と、 ２つの屈曲部を有すると共に、一方の屈曲部より外側に
   上記一方の膨張式冷凍機のヒートステージが取り付けら
   れる一方、他方の屈曲部より外側に上記他方の膨張式冷
   凍機のヒートステージが取り付けられた間座と、 上記間座における両屈曲部の間に取り付けられると共
   に、上記両膨張式冷凍機には接触しないコールドパネル
   を備えたことを特徴とするクライオポンプ。