JPS6035190A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はクライオポンプに関し、特に、仕事環境から大
量の水素、ヘリウム、またはネオンを除去しなければな
らないような用途において使用されるクライオポンプに
関する。

クライオポンプは、仕事環境からガスを除去し、そして
その仕事環境を高い真空状態に保つためにしばしば使用
される。多くのプロセスでは良好な結宋を得るために殆
んど完全な真空環境が要求される。成るプロセスでは、
簡単に得られるような低温では容易に凝縮しない水素、
ヘリウム、またはネオンのようなガスが仕事環境内に多
量に存在する。それらのガスは、クライオポンプの最も
低温の区域内に設置される吸着剤によって吸着しなけれ
ばならない。吸着というのは、低温に維持された材料で
ガスを物理的に捕捉して環境から除去するプロセスであ
る。

しかしクライオポンプは多量のガスを収集した後、定期
的に再生させなければならない。さもないと操作の効率
が悪くなる。再生というのは、クライオポンプを外気温
度へ戻すプロセスのことである。その再生の際、先にク
ライオポンプに捕捉されていたガスが環境内へ放出され
、そして副ポンプ装置によって除去される。そのガス放
出の後、クライオポンプは元に戻され、そこで再び多量
のガスを仕事室から除去できるようになる。

スパッタリングのような成るプロセスでは、プ５− ロセスの副生物として水素ガスが生成され、汚染物とし
て作用する。生成される水素の量が多（）れば、その吸
着量も多くなるから、クライオポンプの再生の必要が増
大する。従ってクライオポンプの吸着剤がその容ｄいっ
ばいまで吸着するのに掛かる時間が短かくなる。そこで
、成るプロセスにおけるクライオポンプの容量が、クラ
イオポンプの吸着できる非凝縮ガスの開に限定されるこ
とは明らかである。

典型的には、２０°に以下の温度で操作するクライオポ
ンプの内部のクライオポンプ面は、木炭、ゼオライト、
または粉末金属材料で被覆される。

非常な低温においてそれら吸着材料はガス分子を物理的
に捕捉する。ガスの分子運動が、クライオポンプ面への
分子の接触を助長する。

従来のクライオポンプにおいては、バッフルまたはシェ
ブロン（山形バッフル）の第１段アレイが、最低温度の
第２段アレイに直接ガスが接近するのを阻む。多くのク
ライオポンプの第２段は多数の翼またはシェブロンを備
え、これらの内の或６− るものが吸着材料を被覆されている。第２段アレイの仙
の実例としては、逆さカップの内部に吸着材料を被覆し
たものがある。このような構成のクライオポンプは再生
をしばしば行わなければならない。

従って、大量の非凝縮ガスを吸着できる大きな容量をも
ったクライオポンプが要望されているのである。

本発明の原理によるクライオポンプは、仕事室と流体連
絡するための口を有するハウジング、多段冷却装置、及
びこの冷却装置の低温熱シンクに装架されるクライオパ
ネルを備える。この最低温クライオパネルの中に、ぞれ
ぞれ吸着材料を被覆された多数の室で構成されるハニカ
ム構造体が収納される。この吸着ハニカム構造体は最低
温熱シンクと熱連絡状態に維持されている。

本発明の１つの好適な実施例において、クライオポンプ
の冷却装置は２つの段を有する。その第２の段はより低
温の冷却装置であり、これの上に低温熱シンクが装架さ
れる。この低温熱シンクに第２段クライオパネルが装架
され、ハニカム構造体を収納する。

このハニカム構造体は幾つかの異なる実ｙＩＩ態様が可
能である。その第１の実施例においてハニカム構造体は
、第２段クライオパネル内に実質的に収納される吸着室
の円錐台形アレイを備える。相互に結合される垂直と水
平の隔壁が一緒にロウ付けされて、吸着材料を被覆され
る５つの側面をもった室を形成する。これら吸着室の円
１１１台形アレイは、第２段クライオパネルのシェブロ
ン間の通路を通して、クライオポンプの内部環境と間接
的に流体連絡するように開いている。

ハニカム構造体のまた別の、しかし同類の実施例は、上
記円錐台形アレイまたはマトリックスと同様な構造の円
筒形マトリックスである。この円筒形マトリックスの室
も、第２段クライオパネルのシェブロン間を通る間接的
流体連絡によって、クライオポンプの内部環境に開いて
いる。

最後に、更に別の実施例において、第２段クライオパネ
ルが逆さカップの形にされる。この逆さカップの内部に
室の円筒形マトリックスがカップ内壁に隣接して設置さ
れる。それら室は、円筒形マトリックスと第２段冷却装
置との間に形成される開いたアニコラスと流体連絡する
ように開かれている。このアニコラスは、逆さカップの
底部の環状口を通して、クライオポンプの内部環境に開
いている。

以下、添付図面と関連して説明する。

第１図は、大量のガスを吸着できるようにする本発明の
原理を備えるクライオポンプの断面図を示す。

第１図のクライオポンプ２０は主ハウジング２２を備え
、このハウジングはフランジ２６によって仕事室に直接
か、あるいは仕事室との間に中間ゲート弁を置いて装架
される。低温冷却装置の２段低温フィンガ４５が開口６
６を貫通してハウジング２２内に突出する。図示の実施
例の場合の冷却装置はギフオード−マクマホンサイクル
冷却装置であるが、その他のものにすることもできる。

冷却装置の低温フィンガ４５内に、モーター９− ４８で駆動されるディスプレーサが備えられている。ラ
イン３６と３８を通してヘリウムガスが低温フィンガ４
５に出し入れされる。低温フィンガに入ったヘリウムガ
スはディスプレーサによって膨張され、これによって極
低温を作るように冷却される。このような冷却装置はチ
ェリス等の米国特許第３．２１８．８１５号に記載され
ている。

冷却装置４５の第１段６２の低渇端部熱シンク４４に放
射シールド３２を介して第１段ボンピング面３４が装架
される。同様に冷却装置の第２段５２の低温端部熱シン
ク４２に第２段ホンピングアレイ４０が装架される。低
温フィンガの第２段冷却装置５２は放射シールド３２の
底部の開口６０を通って延出する。

第１段熱シンク４４に装架されるカップ形放射シールド
３２は約７７°にで操作する。この放射シールドは第２
段クライオボンピング区域を取巻き、そして直接放射と
より高い凝縮温度の蒸気によって該区域の熱を低くづる
。第１段ボンピング面は前部シェブロンとアレイ３４の
両方または一１０− 方を備え、これらは第２段ボンピング区域の放射シール
ドと、水蒸気のようなより高い凝縮温度のガスのクライ
オボンピング面との両方として動く。

ここに図示した前部シェブロンアレイ３４は典型的な形
状のものであるが、その前部アレイは幾つかの異なるＩ
！ｌＩ造にすることもでき、それでもより高い凝縮温度
のガスの収集を効果的に行う。このシェブロンアレイは
より低い凝縮温度のガスを第２段ボンピング区域へ通過
させる。

第２段ボンピング面は円錐台形のアレイに配置されるシ
ェブロン４０のセットを備える。このシェブロンアレイ
は熱シンク４２に装架され、そして約１５°にの温度で
操作する。アレイを作るシェブロンの面はクライオボン
ピング面を形成し、この面において低凝縮温度ガスが低
温凝縮して環境から除去される。しかし、その第２段タ
ライオボンビングアレイにおける非常な低温でもなお凝
縮しないガスがある。水素、ヘリウム、及びネオンのよ
うなそれらガスはいわゆるタイプ■ガスである。これら
タイプ■ガスは吸着剤を使ってクライオポンプ及び仕事
室から除去される。

第２段のシェブロンアレイ４０内に円錐台形の吸着ハニ
カム４６が収納される。このハニカムは第２段熱シンク
４２に装架され、従ってほぼ第２段操作温度の１５°Ｋ
に相持される。ハニカム４６は第２図の斜視図において
より明瞭に理解されよう。

円錐台形ハニカム４６は垂直隔壁５４と水平ディスク５
６とによって作られる。第２図の破断部分に示されるよ
うに隔壁５４とディスク５６とは両方ともスロット５５
．５７を有し、これらスロットにより筒中に相互に結合
して組立てることができる。隔壁５４とディスク５６と
はその結合部が一緒にロウ付けされて一体構造物を形成
する。

ディスクの中心孔内に中心コア７０が設けられ、同様に
所定位置にロウ付けされる。

ハニカム４６は、第２段熱シンク４２の操作温度（１５
°Ｋ）に近い温度での操作を確実にする酸素の無い高伝
導性の銅（ＯＦＨＣ）で作られる。

隔壁５４とディスク５６とは一連の囲まれた区域５８を
形成し、これら区域内の露出した面は全て木炭のような
吸着材料６８を被覆される。この一体構造物４６は、第
１段シェブロン３４と第２段シェブロン４０が組立てら
れる前に、冷却装置４５上に組立てられる。

ハニカム４６は、垂直面５４と水平面５６が中心コア７
０の周囲で相互に結合して５つの側面をもったボックス
５８を形成することにより、木炭の吊とその表面積を最
大にする。中間寸法範囲の木炭がそれらボックス５８の
壁に堅く着けられる。

図示の実施例において木炭は、水平ディスク、垂直隔壁
、及びコアで作られる５つの面の全てに被覆される。木
炭は、ハニカムに予め着けられるエポキシコーティング
上に押圧して着けられる。

第１図に示されるハニカム４６を取囲むシェブロン４０
の垂直アレイは、その吸着アレイ４６を最高効率で操作
させるための重要な役割を行う。

それによって吸着アレイに接近するガスが限定される。

というのはシェブロン４０が凝縮できるガスを除去した
後の残りのガスが吸着アレイ４６に１３− 入っていき、従って非凝縮ガスだけが吸着剤６８へ到達
できるからである。アルゴン、窒素、及び酸素のような
低い凝縮温度のガスはシェブロンアレイ４０上で凝縮す
る。従って吸着アレイ４６は凝縮可能ガスのオーバーロ
ードから防護される。

水素、ネオン、及びヘリウムのようなタイプ■ガスは木
炭６日によって吸着される。

第３図は本発明の原理を備える吸着アレイの変化形実施
例を示す。このハニカムアレイ７２は、第１図の凝縮ア
レイ４０と同様な垂直第２段凝縮アレイと、第２段冷却
装置５２との間に設けられるアニユラスを形成する。そ
れは第１図及び第２図の吸着アレイと非常に類似してい
るものである。

ディスク７４が水平面を形成し、そして隔壁７５が垂直
面を形成する。先の第２図の実施例と同様にディスク７
４と隔壁７５は両方共スロットを備え、これによって相
互に結合される。ディクスと隔壁は一緒にロウ付けされ
て一体構造物を形成する。内部コア７８が５つの側面を
もったボックス７９を完成する。それら側面は全て吸着
剤６８を１４− 被覆され、この吸着剤が非凝縮ガスを捕捉する。

第１図、第２図、及び第３図に示されるような設計のハ
ニカムは、水素のようなガスを、従来のポンプにおける
ものより５倍も多く吸着できることが知られた。円錐台
形設計は、第２段要素へのガス流を阻害することなく、
在来型式のクライオポンプハウジングの吸着面積を大き
くする。第３図に示される円筒形設計も吸着剤の量を著
しく増大できる。

第４図は本発明の更に別の実施例の断面図である。この
実施例において、第３図のハニカム７２が底部からガス
を取入れるように構成される。

クライオポンプ８０は２段冷却装置８５を有する。この
冷却装置８５の第１段９６上に装架される第１段熱シン
ク９４に放射シールド８２を介してシェブロン及びバッ
フル９０が取付けられる。

これらシェブロン９０は入口１００に設置されて、より
高い凝縮温度のガスの凝縮面を形成する。

放射シールド８２とシェブロン９０の中に冷却装置８５
の第２段９８が設置される。第２段熱シンク９２上に第
２段凝縮パネル８４が設置される。

熱シンク９２は第２段冷却装置９８上に装架される。逆
さカップ形の第２段凝縮パネル８４の外面上に、より低
い凝縮温度のガスが凝縮する。その第２段クライオパネ
ル８４の逆さカップの中に吸着アレイ８８が置かれる。

第２段凝縮面８４と吸着ハニカム８８とはいずれも第２
段冷却装置９８の１５°Ｋに近い極低温に維持される。

入口シェブロン９０から第２段区域へ入ったガスは、吸
着アレイ８８に達する前に、第２段クライオパネル８４
の全長を通過しなければならない。

従って低い凝縮温度のガスがパネル８４で除去された後
の残りのガスが吸着アレイ８８に達する。

このガスは第２段上で凝縮せず、カップ８４の下から環
状空所１０２を通って第２段の内部へ流入する。第２段
の内部へ入ったガスは、アニユラス１０４を取巻く円筒
形ハニカム８８によって吸着される。

第２段冷却装置９８は水平隔壁８６と垂直隔壁８９で取
巻かれる。これら隔壁８６．８９は第１図と第３図に示
されるのと同様な半径方向ハニカム８Ｂを作る。カップ
８４の内面は各ハニカム室の背壁を形成する。カップ８
４の内面と隔壁８６゜８９０面とは吸着材料を被覆され
る。カップ８４と隔壁８６．８９によって形成される５
つの側面をもった各室は１つの端部がアニユラス１０４
の方へ内方向に開き、そしてそこに在るガスを吸着する
。

従来のカップ形第２段はカップの内壁だけに吸着材料が
着けられている。本発明によるハニカム構造はカップ形
第２段の吸着容量を約２倍に増大する。

このような増大された吸着容量は、副生物の１つとして
水素が放出されるような製造プロセスにおいて特に有用
である。スパッタリングのようなプロセスにおいては材
料析出物が加工品に接着される。そのプロセスにおいて
水素が放出され、そして汚染物となって加工品への正し
い材料接着を妨げる。製造を中断しないためにはクライ
オポンプによって環境から水素を迅速に除去しなければ
１７− ならない。ここに開示してきたようなりライオポンプで
は、元素の中で分子量の最も小さい水素は第１段シェブ
ロンから第２段クライオパネルへと流通する間に非常に
迅速に引出され、そして第２段吸着区域へ入る。

以上の説明から分かるように、本発明は、真空内で行わ
れる操作が大量の水素、ヘリウム、またはネオンを吸着
する必要がある場合に最も有用である。本発明はここに
好適な実施例を図示し叙述してきたが、本発明の形態ま
たはその詳細部において、特許請求の範囲に記述される
精神から逸ｌｌｑせずに、なお様々な変化形が可能なこ
とは当該技術者に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理に従って吸着容量を大きくされた
クライオポンプの断面図、 第２図は第１図のハニカム吸着アレイの斜視図、第３図
は本発明の原理を備える変化形吸着アレイの斜視図、 第４図は第１図と第２図の実施例と同じ原理に１８− よる本発明の更に他の実施例の断面図である。 ２０．８０・・・クライオポンプ、 ２２・・・ハウジング、３２．８２・・・放射シールド
、３４．９０・・・第１段ボンピング面、４０．８４・
・・第２段ポンピング而、４２．４４，９２．９４・・
・熱シンク、４５．８５・・・２段冷却装置、 ４６．７２．８８・・・吸着ハニカム、４８・・・モー
タ、５２．９８・・・冷却装置第２段、５４．５６，７
４．７５．８６．８９・・・ハニカム隔壁、 ５８．７９・・・ハニカム室、 ６２．９６・・・冷却装置第２段、 ６８・・・吸着剤 代理人　浅　利　皓 １９− ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　クライオポンプにおいて ａ、低温冷却装置、 ｂ、該冷却装置上の低温熱シンクに装架されるクライオ
   パネル、及び、 Ｃ３該クライオパネル内に収納され、そして該低温熱シ
   ンクと熱連絡する、吸着材料を被覆された多数の室を備
   えるハニカム構造体 を備えるクライオポンプ。 （２、特許請求の範囲第１項のクライオポンプにおいて
   、該ハニカム構造体が、環状マトリックス状に配置され
   る、それぞれ５つの側面をもつ多数の室を備える、クラ
   イオポンプ。 （３）　特許請求の範囲第１項のクライオポンプにおい
   て、該ハニカム構造体が、相互に結合して一緒にロウ付
   けされて１つの一体構造物を形成でる垂直隔壁及び水平
   ディスクによって構成される、クライオポンプ。 （４）　クライオポンプにおいて、 ａ、仕事室と流体連絡し、そして第１段と第２段を有す
   る低温冷却装置。 ｂ、該第２段冷却装置−Ｆの低温熱シンクに装架される
   第２段クライオパネル、及び、Ｃ０該第２段クライオパ
   ネル内に収納され、そして該第２段熱シンクと熱連絡す
   る、吸着材料を被覆された多数の室を備えるハニカム構
   造体を備えるクライオポンプ。 （５）　特許請求の範囲第４項のクライオポンプにおい
   て、該ハニカム構造体が、環状マトリックス状に配置さ
   れ、そしてこの環状マトリックスの外径においてクライ
   オポンプ環境へ開いた、それぞれ５つの側面をもつ多数
   の室を備え、各該室の全額側面が吸着剤を被覆される、
   クライオポンプ。 （６）　特許請求の範囲第４項のクライオポンプにおい
   て、該ハニカム構造体が、酸素を含まない高伝導性の銅
   の単一のロウ付けされた構造物で構成される、クライオ
   ポンプ。 （７）　特許請求の範囲第４項のクライオポンプにおい
   て、該ハニカム構造体が、該第２段クライオパネル内に
   実質的に収納され、そして該第２段冷却装置と熱連絡す
   る吸着室の円錐台形アレイを協える、クライオポンプ。 （８）　特許請求の範囲第４項のクライオポンプにおい
   て、該ハニカム構造体が、該第２段冷却装置と熱連絡す
   る逆さのカップを備え、このカップの内部に、カップ内
   壁に隣接して設置される吸着室の円筒形マトリックスが
   備えられる、クライオポンプ。 （９）　特許請求の範囲第４項のクライオポンプにおい
   て、該ハニカム構造体が、相互に結合して一緒にロウ付
   すされて１つの一体構造物を形成する垂直隔壁及び水平
   ディスクにＪ：つて構成される、クライオポンプ。 （１０）　クライオポンプにおいて、 ａ、仕事室と流体連絡するための口を有するクライオポ
   ンプハウジング、 ｂ、該ハウジング内に設置される、第１段と第２段を有
   する冷却装置、 Ｃ０低温第２段と熱連絡する第２段クライオパネル、 ｄ、該第２段クライオパネルを部分的に収納する、該第
   １段と熱接触する放射シールド、ｅ、該仕事室への該口
   に隣接する該シールドの開口を横断して延在する、該冷
   却装置の該第１段と熱接触する前部クライオパネル、及
   び、「、第２段熱シンクと熱連絡する、該第２段クライ
   オパネル内に実質的に収納される室のマトリックスを備
   える、吸着材料を被覆されたハニカム構造体 を備えるクライオポンプ。