JPH11351688A - パルス管冷凍機およびそれを用いたクライオポンプ - Google Patents
パルス管冷凍機およびそれを用いたクライオポンプInfo
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- JPH11351688A JPH11351688A JP10165596A JP16559698A JPH11351688A JP H11351688 A JPH11351688 A JP H11351688A JP 10165596 A JP10165596 A JP 10165596A JP 16559698 A JP16559698 A JP 16559698A JP H11351688 A JPH11351688 A JP H11351688A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
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- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1417—Pulse-tube cycles without any valves in gas supply and return lines
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- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
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- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】ヒーター等を使用することなく冷却温度の保持
を行うことのできるパルス管冷凍機を提供する。 【解決手段】作動ガスとして、その液化温度がパルス管
冷凍機の使用温度領域内にあるガスが用いられている。
を行うことのできるパルス管冷凍機を提供する。 【解決手段】作動ガスとして、その液化温度がパルス管
冷凍機の使用温度領域内にあるガスが用いられている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パルス管冷凍機に
おける冷却温度の保持をヒーター等の付加的な機構を用
いることなく行いうる、信頼性の高いパルス管冷凍機お
よびそれを用いたクライオポンプに関するものである。
おける冷却温度の保持をヒーター等の付加的な機構を用
いることなく行いうる、信頼性の高いパルス管冷凍機お
よびそれを用いたクライオポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、クライオポンプは、冷凍機のコ
ールドヘッド（冷端部）に取り付けた吸着パネルに気体
分子を吸着して高真空を実現するものである。このクラ
イオポンプでは、吸着パネルに気体分子を吸着させてい
る間は吸着パネルの冷却温度をある一定領域に保持して
おく必要がある。
ールドヘッド（冷端部）に取り付けた吸着パネルに気体
分子を吸着して高真空を実現するものである。このクラ
イオポンプでは、吸着パネルに気体分子を吸着させてい
る間は吸着パネルの冷却温度をある一定領域に保持して
おく必要がある。
【０００３】例えば、水分専用のクライオポンプでは、
吸着パネル３（図１参照）の冷却温度を約１１０Ｋの領
域に保持する必要がある。図１に水分専用のクライオポ
ンプの概略構造を示す。図において、１はＧＭ冷凍機
で、２はコールドヘッドで、３はコールドヘッド２に取
り付けた吸着パネルで、４は使用状態で真空となる空間
で、５は取付けフランジである。
吸着パネル３（図１参照）の冷却温度を約１１０Ｋの領
域に保持する必要がある。図１に水分専用のクライオポ
ンプの概略構造を示す。図において、１はＧＭ冷凍機
で、２はコールドヘッドで、３はコールドヘッド２に取
り付けた吸着パネルで、４は使用状態で真空となる空間
で、５は取付けフランジである。
【０００４】現在、クライオポンプの冷却には、ヘリウ
ムガス（単体ガス）を作動ガスとしたＧＭ冷凍機が主と
して用いられているが、これを通常に運転すると、吸着
パネル３の温度が１１０Ｋ以下に下がり過ぎてしまい
（３０〜４０Ｋにまで下がることもある）、本来の水分
のみを氷結除去する目的から外れ、他のガス成分をも氷
結してしまうことになる。このため、水分専用のクライ
オポンプでは、温度保持機能としてヒーターと温度計
（ともに図示せず）をコールドヘッド２に装着し、ヒー
ターを温度調節することにより吸着パネル３の温度保持
を行うようにしている。
ムガス（単体ガス）を作動ガスとしたＧＭ冷凍機が主と
して用いられているが、これを通常に運転すると、吸着
パネル３の温度が１１０Ｋ以下に下がり過ぎてしまい
（３０〜４０Ｋにまで下がることもある）、本来の水分
のみを氷結除去する目的から外れ、他のガス成分をも氷
結してしまうことになる。このため、水分専用のクライ
オポンプでは、温度保持機能としてヒーターと温度計
（ともに図示せず）をコールドヘッド２に装着し、ヒー
ターを温度調節することにより吸着パネル３の温度保持
を行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このも
のでは、ヒーターの配線が真空空間４から大気中に出て
いるため、シールの施工が複雑であり、リークの危険性
が高い。また、熱負荷量の変化に追従するため（例え
ば、吸着パネル３に水分が付着しすぎたり、真空度が低
下したりして、吸着パネル３の温度が上昇すると、ヒー
ターを温度調節する必要があるため）温度コントローラ
が必要になり、機構が複雑になるうえ、価格が上昇す
る。
のでは、ヒーターの配線が真空空間４から大気中に出て
いるため、シールの施工が複雑であり、リークの危険性
が高い。また、熱負荷量の変化に追従するため（例え
ば、吸着パネル３に水分が付着しすぎたり、真空度が低
下したりして、吸着パネル３の温度が上昇すると、ヒー
ターを温度調節する必要があるため）温度コントローラ
が必要になり、機構が複雑になるうえ、価格が上昇す
る。
【０００６】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、ヒーター等を使用することなく冷却温度の保持
を行うことのできるパルス管冷凍機およびそれを用いた
クライオポンプの提供をその目的とする。
もので、ヒーター等を使用することなく冷却温度の保持
を行うことのできるパルス管冷凍機およびそれを用いた
クライオポンプの提供をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、作動ガスとして、その液化温度がパルス
管冷凍機の使用温度領域内にあるガスが用いられている
パルス管冷凍機を第１の要旨とし、このパルス管冷凍機
を用いたクライオポンプを第２の要旨とする。
め、本発明は、作動ガスとして、その液化温度がパルス
管冷凍機の使用温度領域内にあるガスが用いられている
パルス管冷凍機を第１の要旨とし、このパルス管冷凍機
を用いたクライオポンプを第２の要旨とする。
【０００８】すなわち、本発明のパルス管冷凍機は、作
動ガスとして、その液化温度がパルス管冷凍機の使用温
度領域内にあるガスを用いている。このため、パルス管
冷凍機の運転中に作動ガスが、その液化温度であるパル
ス管冷凍機の使用温度領域より低下しなくなり、かつ、
その使用温度領域内で略一定に保たれるようになる。そ
して、作動ガスがその液化温度まで冷却されると、外部
からの熱負荷があってもコールドヘッドの温度が殆ど変
化しなくなる。ただし、外部からの熱負荷により熱侵入
量がさらに増えると、コールドヘッドの温度は急に上が
り出すため、外部からの熱負荷によってもコールドヘッ
ドの温度が殆ど変化しない温度領域を作動ガスの設定温
度とする必要がある。また、この温度領域は、作動ガス
として、複数種類のガスを混合したものを使用すること
によりある程度調節できる。
動ガスとして、その液化温度がパルス管冷凍機の使用温
度領域内にあるガスを用いている。このため、パルス管
冷凍機の運転中に作動ガスが、その液化温度であるパル
ス管冷凍機の使用温度領域より低下しなくなり、かつ、
その使用温度領域内で略一定に保たれるようになる。そ
して、作動ガスがその液化温度まで冷却されると、外部
からの熱負荷があってもコールドヘッドの温度が殆ど変
化しなくなる。ただし、外部からの熱負荷により熱侵入
量がさらに増えると、コールドヘッドの温度は急に上が
り出すため、外部からの熱負荷によってもコールドヘッ
ドの温度が殆ど変化しない温度領域を作動ガスの設定温
度とする必要がある。また、この温度領域は、作動ガス
として、複数種類のガスを混合したものを使用すること
によりある程度調節できる。
【０００９】より詳しく説明すると、液化温度が高いヘ
リウム以外のガス（窒素ガス等）を作動ガスとして用い
たパルス管冷凍機を運転すると、パルス管冷凍機内の低
温側で作動ガスが液化する。しかしながら、パルス管冷
凍機内では作動ガスの圧縮・膨脹や作動ガスの移動（低
温側⇔高温側）があることから、液化した作動ガスが沸
点以上の部分にふれたり、減圧時の膨脹のために沸点が
下がったりする。したがって、液化した作動ガスは固化
することなく再び気化する。このように、作動ガスは１
サイクル中に液化と気化を繰り返すため、作動ガスが流
路を閉塞することはなく、パルス管冷凍機として動作
し、パルス管冷凍機のコールドヘッドの温度は作動ガス
の液化温度（＝沸点）付近の温度に保持される。また、
コールドヘッドへの熱負荷が増加（もしくは減少）した
場合には、１サイクルでの液化の量が減る（もしくは増
える）ものの、コールドヘッドの温度は作動ガスの液化
温度付近のままである。たとえ熱侵入量が増えても、作
動ガスが液化している間はコールドヘッドの温度は作動
ガスの液化温度付近のままである（図２参照）。
リウム以外のガス（窒素ガス等）を作動ガスとして用い
たパルス管冷凍機を運転すると、パルス管冷凍機内の低
温側で作動ガスが液化する。しかしながら、パルス管冷
凍機内では作動ガスの圧縮・膨脹や作動ガスの移動（低
温側⇔高温側）があることから、液化した作動ガスが沸
点以上の部分にふれたり、減圧時の膨脹のために沸点が
下がったりする。したがって、液化した作動ガスは固化
することなく再び気化する。このように、作動ガスは１
サイクル中に液化と気化を繰り返すため、作動ガスが流
路を閉塞することはなく、パルス管冷凍機として動作
し、パルス管冷凍機のコールドヘッドの温度は作動ガス
の液化温度（＝沸点）付近の温度に保持される。また、
コールドヘッドへの熱負荷が増加（もしくは減少）した
場合には、１サイクルでの液化の量が減る（もしくは増
える）ものの、コールドヘッドの温度は作動ガスの液化
温度付近のままである。たとえ熱侵入量が増えても、作
動ガスが液化している間はコールドヘッドの温度は作動
ガスの液化温度付近のままである（図２参照）。
【００１０】上述したように、本発明のパルス管冷凍機
では、従来例のようにヒーター等を使って温度調節をす
ることなく、自動的に冷却温度の保持が行えるため、ヒ
ーター等の電気エネルギーを使う必要がなく、エネルギ
ー消費を低減することができる。しかも、ヒーターの制
御機構がなくなり、装置が単純化するため、故障頻度が
減り、かつ、装置価格が安価になる。さらに、真空空間
への配線がなくなるため、シールの施工がなくなり、ま
た、真空リークの危険性もなくなる。また、本発明のク
ライオポンプは、上記のパルス管冷凍機を用いているた
め、上述したような、優れた効果を奏する。
では、従来例のようにヒーター等を使って温度調節をす
ることなく、自動的に冷却温度の保持が行えるため、ヒ
ーター等の電気エネルギーを使う必要がなく、エネルギ
ー消費を低減することができる。しかも、ヒーターの制
御機構がなくなり、装置が単純化するため、故障頻度が
減り、かつ、装置価格が安価になる。さらに、真空空間
への配線がなくなるため、シールの施工がなくなり、ま
た、真空リークの危険性もなくなる。また、本発明のク
ライオポンプは、上記のパルス管冷凍機を用いているた
め、上述したような、優れた効果を奏する。
【００１１】本発明に用いる作動ガスとしては、窒素ガ
ス，アルゴン等の各種の単体ガスが用いられる。また、
これらの単体ガスにヘリウムガス等を混合した混合ガス
や空気も用いられる。そして、パルス管冷凍機の使用温
度領域が判明している場合に、この使用温度領域内に納
まる液化温度をもとにして、単体ガスの種類や、混合比
を調整した混合ガスを選択することができる。
ス，アルゴン等の各種の単体ガスが用いられる。また、
これらの単体ガスにヘリウムガス等を混合した混合ガス
や空気も用いられる。そして、パルス管冷凍機の使用温
度領域が判明している場合に、この使用温度領域内に納
まる液化温度をもとにして、単体ガスの種類や、混合比
を調整した混合ガスを選択することができる。
【００１２】また、本発明のパルス管冷凍機は、水分専
用のクライオポンプや各種クライオポンプだけでなく、
コールドラップ等に使用される。また、本発明のクライ
オポンプは、半導体製造用真空装置，光磁気記録媒体製
造用真空装置等の各種真空引き装置等に使用される。
用のクライオポンプや各種クライオポンプだけでなく、
コールドラップ等に使用される。また、本発明のクライ
オポンプは、半導体製造用真空装置，光磁気記録媒体製
造用真空装置等の各種真空引き装置等に使用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】つぎに、本発明のクライオポンプ
の一実施の形態を説明する。この実施の形態では、図１
のクライオポンプにおいて、ＧＭ冷凍機１に代えて、窒
素ガス（単体ガス）を作動ガスとしたパルス管冷凍機を
用いている。また、コールドヘッド２にヒーターと温度
計を装着していないし、温度コントローラも設けていな
い。したがって、ヒーターの配線もない。それ以外の部
分は図１に示す実施の形態と同様である。
の一実施の形態を説明する。この実施の形態では、図１
のクライオポンプにおいて、ＧＭ冷凍機１に代えて、窒
素ガス（単体ガス）を作動ガスとしたパルス管冷凍機を
用いている。また、コールドヘッド２にヒーターと温度
計を装着していないし、温度コントローラも設けていな
い。したがって、ヒーターの配線もない。それ以外の部
分は図１に示す実施の形態と同様である。
【００１４】この実施の形態では、ヒーター等を使用し
ていないため、電気エネルギーの消費を低減することが
できるうえ、故障頻度が減り、装置価格が安価になる。
しかも、ヒーターの配線がなくなるため、真空リークの
危険性がなくなる。
ていないため、電気エネルギーの消費を低減することが
できるうえ、故障頻度が減り、装置価格が安価になる。
しかも、ヒーターの配線がなくなるため、真空リークの
危険性がなくなる。
【００１５】
【実施例１】上記実施の形態と同様のクライオポンプに
おいて、作動ガスとして窒素ガスを絶対圧力１８．０ｋ
ｇｆ／ｃｍ2 で充填してパルス管冷凍機を運転し、コー
ルドヘッドに取り付けたヒーター（熱負荷をかけるため
に、実験用に取り付けたものである）によって熱負荷を
かけたときの、コールドヘッドの温度変化を調べた。そ
の結果を図２に示す（計測結果を黒丸で示している）。
図２から明らかなように、作動ガスの液化による温度保
持効果がみられ、熱負荷が０〜６０Ｗまでの間で１１２
〜１１５Ｋの範囲で冷却温度を保持していることが判
る。なお、１６．４ｋｇｆ／ｃｍ2 のときの窒素の液化
温度は１１２Ｋである。
おいて、作動ガスとして窒素ガスを絶対圧力１８．０ｋ
ｇｆ／ｃｍ2 で充填してパルス管冷凍機を運転し、コー
ルドヘッドに取り付けたヒーター（熱負荷をかけるため
に、実験用に取り付けたものである）によって熱負荷を
かけたときの、コールドヘッドの温度変化を調べた。そ
の結果を図２に示す（計測結果を黒丸で示している）。
図２から明らかなように、作動ガスの液化による温度保
持効果がみられ、熱負荷が０〜６０Ｗまでの間で１１２
〜１１５Ｋの範囲で冷却温度を保持していることが判
る。なお、１６．４ｋｇｆ／ｃｍ2 のときの窒素の液化
温度は１１２Ｋである。
【００１６】
【実施例２】上記実施の形態と同様のクライオポンプに
おいて、作動ガスとして窒素ガスを１４．４ｋｇｆ／ｃ
ｍ2 の分圧、ヘリウムガスを３．６ｋｇｆ／ｃｍ2 の分
圧で混合したものを充填して、実施例１と同じパルス管
冷凍機を運転し、コールドヘッドに取り付けたヒーター
（熱負荷をかけるために、実験用に取り付けたものであ
る）によって熱負荷をかけたときの、コールドヘッドの
温度変化を調べた。その結果を図２に示す（計測結果を
白丸で示している）。図２から明らかなように、作動ガ
スの液化による温度保持効果がみられ、熱負荷が０〜６
０Ｗまでの間で９９〜１１０Ｋの範囲で冷却温度を保持
していることが判る。この実施例２では、窒素とヘリウ
ムとの２成分気液平衡となり、実施例１と比べ、到達温
度の低下がみられた。なお、１４．７ｋｇｆ／ｃｍ2 の
ときの窒素の液化温度は１１０Ｋである。
おいて、作動ガスとして窒素ガスを１４．４ｋｇｆ／ｃ
ｍ2 の分圧、ヘリウムガスを３．６ｋｇｆ／ｃｍ2 の分
圧で混合したものを充填して、実施例１と同じパルス管
冷凍機を運転し、コールドヘッドに取り付けたヒーター
（熱負荷をかけるために、実験用に取り付けたものであ
る）によって熱負荷をかけたときの、コールドヘッドの
温度変化を調べた。その結果を図２に示す（計測結果を
白丸で示している）。図２から明らかなように、作動ガ
スの液化による温度保持効果がみられ、熱負荷が０〜６
０Ｗまでの間で９９〜１１０Ｋの範囲で冷却温度を保持
していることが判る。この実施例２では、窒素とヘリウ
ムとの２成分気液平衡となり、実施例１と比べ、到達温
度の低下がみられた。なお、１４．７ｋｇｆ／ｃｍ2 の
ときの窒素の液化温度は１１０Ｋである。
【００１７】
【発明の効果】以上のように、本発明のパルス管冷凍機
によれば、ヒーター等を使って温度調節をすることな
く、自動的に冷却温度の保持が行えるため、ヒーター等
の電気エネルギーを使う必要がなく、エネルギー消費を
低減することができる。しかも、ヒーターの制御機構が
なくなり、装置が単純化するため、故障頻度が減り、か
つ、装置価格が安価になる。さらに、真空空間への配線
がなくなるため、シールの施工がなくなり、また、真空
リークの危険性もなくなる。また、本発明のクライオポ
ンプは、上記のパルス管冷凍機を用いてるため、上述し
たような、優れた効果を奏する。
によれば、ヒーター等を使って温度調節をすることな
く、自動的に冷却温度の保持が行えるため、ヒーター等
の電気エネルギーを使う必要がなく、エネルギー消費を
低減することができる。しかも、ヒーターの制御機構が
なくなり、装置が単純化するため、故障頻度が減り、か
つ、装置価格が安価になる。さらに、真空空間への配線
がなくなるため、シールの施工がなくなり、また、真空
リークの危険性もなくなる。また、本発明のクライオポ
ンプは、上記のパルス管冷凍機を用いてるため、上述し
たような、優れた効果を奏する。
【図１】クライオポンプを示す断面図である。
【図２】コールドヘッドへの熱負荷とコールドヘッドの
温度との関係を示す図である。
温度との関係を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１０年６月１９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 大介 大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほ くさん株式会社堺工場内
Claims (5)
- 【請求項１】 作動ガスとして、その液化温度がパルス
管冷凍機の使用温度領域内にあるガスが用いられている
ことを特徴とするパルス管冷凍機。 - 【請求項２】 作動ガスが単体ガスもしくは混合ガスで
ある請求項１記載のパルス管冷凍機。 - 【請求項３】 作動ガスが窒素ガスである請求項１また
は２記載のパルス管冷凍機。 - 【請求項４】 請求項１記載のパルス管冷凍機を用いた
クライオポンプ。 - 【請求項５】 パルス管冷凍機に用いる作動ガスが窒素
ガスもしくは窒素ガスを含んだ混合ガスである請求項４
記載のクライオポンプ。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16559698A JP3623659B2 (ja) | 1998-06-12 | 1998-06-12 | クライオポンプ |
| CN99800910.5A CN1218150C (zh) | 1998-06-12 | 1999-06-09 | 脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵 |
| PCT/JP1999/003094 WO1999064797A1 (fr) | 1998-06-12 | 1999-06-09 | Machine de refrigeration de conduit a impulsions et pompe cryogenique utilisant cette machine de refrigeration |
| EP99925288A EP1014014A4 (en) | 1998-06-12 | 1999-06-09 | SWING TUBE CHILLER AND CRYOPUMP USING THE REFRIGERATOR |
| KR1020007001349A KR100561769B1 (ko) | 1998-06-12 | 1999-06-09 | 펄스관 냉동기 및 이를 이용한 크라이오펌프 |
| US09/485,491 US6293109B1 (en) | 1998-06-12 | 1999-06-09 | Pulse pipe refrigerating machine and cryopump using the refrigerating machine |
| TW088109946A TW477888B (en) | 1998-06-12 | 1999-06-11 | Pulse pipe refrigerating machine and cryopump using the refrigerating machine |
| MYPI99002401A MY120815A (en) | 1998-06-12 | 1999-06-11 | Pulse pipe refrigerating machine and cryopump using the refrigerating machine. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16559698A JP3623659B2 (ja) | 1998-06-12 | 1998-06-12 | クライオポンプ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11351688A true JPH11351688A (ja) | 1999-12-24 |
| JP3623659B2 JP3623659B2 (ja) | 2005-02-23 |
Family
ID=15815362
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16559698A Expired - Lifetime JP3623659B2 (ja) | 1998-06-12 | 1998-06-12 | クライオポンプ |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6293109B1 (ja) |
| EP (1) | EP1014014A4 (ja) |
| JP (1) | JP3623659B2 (ja) |
| KR (1) | KR100561769B1 (ja) |
| CN (1) | CN1218150C (ja) |
| MY (1) | MY120815A (ja) |
| TW (1) | TW477888B (ja) |
| WO (1) | WO1999064797A1 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7201004B2 (en) * | 2002-01-08 | 2007-04-10 | Shi-Apd Cryogenics, Inc. | Panels for pulse tube cryopump |
| US7165406B2 (en) * | 2002-01-08 | 2007-01-23 | Shi-Apd Cryogenics, Inc. | Integral pulse tube refrigerator and cryopump |
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