JPS6248974A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ポンプ容器内に流入した各ガス成分を冷ｕ１
により凝縮排気させて真空状態を得るクライオポンプの
改良に関する。

（従来の技術） 従来、このクライオポンプとしては、ヘリウム冷凍機に
より寒冷状態を発生させるヘリウム冷凍機式のもの、液
体ヘリウムにより寒冷状態を１！、Ｉる液溜め式のもの
、液体ヘリウムを連続して供給する連続フロ一式のもの
がにり知られている。このうち、ヘリウム冷凍機式のク
ライオポンプは、例えば特開昭５８−１３１３８１号公
報に開示されているように、ヘリウムガスの膨張により
１００〜６０にの湿度の第１ヒ〜１−ステーションと、
２０〜１０にの温度の第２ヒートスデーシヨンとの２段
の寒冷状態を発生させるヘリウム冷凍機を利用し、該冷
ｉ１＋　ｎにおける各ピー１−ステーションにそれぞれ
クライオパネルを熱的に接触させて該各クライオパネル
を冷却し、この冷却されたクライオパネルに各ガス成分
を接触せしめて凝縮排気させるようにしたちのである。

しかし、このヘリウム冷凍機を利用したヘリウム冷凍機
式のクライオポンプでは、ヘリウム冷凍機の第２ヒート
ステーシヨンで到達する２０〜１０にであってもヘリウ
ム、ネオン、水素等のガスは高い飽和蒸気圧を示して凝
縮排気が困難である。

このため、上記２０〜１０Ｋに冷却される第２のクライ
オパネルに低温度で気体を吸着する活性炭等の低温吸着
剤を貼り付け、この吸着剤の気体吸着効果によりヘリウ
ム、ネオン、水素等のガスを排気するようになされてい
る。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、こうして低温吸着剤を用いてヘリウム等のガ
スを吸着排気する場合、その吸着剤の熱伝導率が低いた
め、気体吸着に伴って発生する吸谷熱ににり該吸着剤自
体が温度上界してその吸容性（１ヒが低下し、その結果
、ヘリウム、ネオン、水素等に対する排気速度・容量が
小さくなるという問題があった。

また、吸着剤に活性度の高いガスが多聞に吸着されると
、先に捕えられていた低活性の水素やネオンガスが放出
されるという問題もあった。

尚、ヘリウム冷凍機を用いない上記液溜め式や連続フロ
一式のクライオポンプでは、そのクライオパネルの最低
温度が４に前後に到達するために、上記の如ぎ問題は生
じない。しかし、これらのクライオポンプは取扱いの容
易な点でヘリウム冷凍機式のものに劣り、また液体ヘリ
ウムが高価であるので、一般への普及が乏しいのが現状
であり、上記ヘリウム冷凍１幾式のものの持つ問題を解
決することが優先的な課題となっている。

本発明は以上の諸点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、上記のヘリウム冷凍機を利用した所定
の低温発生手段により約１０に以下の極低温の寒冷状態
を発生させて、その寒冷状態により水素、ネオンガスを
主として凝縮排気させるＪ：うにすることにより、クラ
イオポンプの吸着器に吸着された水素ガス等の放出現象
を基本的になくし、かつポンプの水素、ネオン、ヘリウ
ム等のガスに対づる排気速度・容量を増大させるように
することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成すべく、本発明の解決手段は、第１図
に示すように、クライオポンプのポンプ容ｆ！Ａ（１＞
に、ヘリウムガスの膨張により第１のヒートステーショ
ン（６）で寒冷状態を、第２のヒートステーション（７
）で上記第１のヒートステーション（６〉よりも低温の
寒冷状態をそれぞれ発生させるヘリウム冷１！１機（２
）と、該ヘリウム冷凍機（２）の各ヒートステーション
（６）。

（７）で発生した寒冷状態によってヘリウムガスを予冷
し、その予冷されたヘリウムガスをジュールトムソン膨
張させて第３のと−１−ステーション〈２２）で上記第
２のヒートステーション（７）よりも低温の寒冷状態を
発生さゼるＪ−Ｔ回鵡ユニット（８）とを取り付ける。

一方、ポンプ容器（２）内には、その外側から順に第１
ないし第３のクライオパネル（２３）〜（２５）を配設
し、その第１ないし第３のクライオパネル（２３）〜く
２５）をそれぞれ上記冷′ａ機（２）およびＪ−王回路
ユニット（８）における第１ないし第３のヒートステー
ション（６）、（７）、（２２）に熱接触させて該各ヒ
ートステーション（６）。

（７）、（２２＞と同程度の温度に冷却する構造とする
。さらに、上記第３の、つまりポンプ容器（１）内奥部
に位置するクライオパネルく２５）に低温で気体を吸容
する活性次男よりなる低温吸ね剤（２Ｇ）を設けること
どする。

（作用） 上記の構成により、本発明では、クライオポンプの作動
に伴い、ヘリウム冷凍機（２）およびＪ−王回路ユニッ
ト（８）の各ヒートステーション（６）、（７）、（２
２）で所定温度の寒冷状態が発生し、この寒冷状態の発
生により該各ヒートステーション（６）、（７）、（２
２）に熱接触している各クライオパネル（２３）〜〈２
５）が冷Ｎ１され、この状態でポンプ容器（１）内に２
９人された気体が第１ないし第３タライオパネル（２３
）〜（２５）に接触する。そして、ヘリウム冷ン東機（
２）の第１のヒートステーション（６）に熱接触して例
えば約７０　Ｋに冷却されている第１のクライオパネル
（２３）において水蒸気、二酸化炭素等のガスが凝縮排
気され、同様に冷凍曙〈２）の第２のヒートステーショ
ン（７）に熱接触して例えば約２０Ｋに冷却されている
第２のクライオパネル（２４）にＪ３いて窒素、酸素、
アルゴン等のガスが凝縮される。さらに、Ｊ−Ｔ回路ユ
ニット（８）の第３のビー１−ステーション（２２）に
熱接触して例えば１０１〈以下に冷却されている第３の
クライオパネル（２５）に接触して、−＋０ ネオンガスはほぼ１０　　Ｔｏｒｒ程度まで凝縮排気さ
れる一方、水素ガスはほぼ１０−５　Ｔ　ｏｒｒ程度ま
で凝縮排気され、かつ第３のクライオパネル（２５）の
低温吸着剤（２６）によりヘリウムガスと共に吸４ユ排
気される。以上のように水素、ネオンガスはＭ水均に凝
縮排気されるため、これらのガスが低温吸着剤（２６）
から放出されることはなく、しかもヘリウム、ネオン、
水素のガスに対する排気速度および排気容量を増大でき
ることになる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図、第２図おＪ、び第３図は本発明の実施例のクラ
イオポンプ〈△）を示し、（１）は上面が開放された有
底円筒状のポンプ容器であって、該ポンプ容器〈１）の
側壁（１ａ）にはヘリウムガスを膨張させて寒冷状態を
発生させるヘリウム冷凍機（２）と、該ヘリウム冷凍機
（２）により予冷されたヘリウムガスをジュールトムソ
ン膨張させて寒冷状態を発生さぜるＪ−Ｔ回路ユニツ１
−（８）とが上下に並んで取り付けられている。

上記ヘリウム冷凍機く２）は、先端部がポンプ容器（１
）内に臨むＪ：うにポンプ容器（１）の側壁（１ａ）に
貫通支持された密閉円筒状のケース（３）を有し、該ケ
ース（３）内には図示しないが回転する毎にヘリウムガ
スを膨張させる回転バルブと、該バルブを回転駆動する
電動モータとが装入されている。また、上記ケース（３
〉には高圧ヘリウムガス人口（４）および低圧ヘリウム
ガス出口（５）が間口され、この高圧へり「クムガス人
口（４）および低圧ヘリウムガス出口（５）はヘリウム
ガスを圧縮するヘリウム圧縮様（図示せず）の吐出側お
よび吸込側にそれぞれ接続されており、高圧ヘリウムガ
ス人口（４）からケース（３）内に流入した圧縮機から
の高圧ヘリウムガスを回転パルプの開弁動作により断熱
膨張させて第１のヒートステーション（６）で約７０に
の温度の寒冷状態を、またケース（３）先端に位置する
第２のヒートステーション（７）で上記第１のヒートス
テーション（６）よりも低温の約２０にの温度の寒冷状
態をそれぞれ発生させるとともに、その膨張後の低圧ヘ
リウムガスをケース（３）の低圧ヘリウムガス出口（５
）から圧縮機に戻すように構成されている。

また、上記Ｊ−Ｔ回路ユニット（８）は、上記ヘリウム
冷凍機（２）下方のポンプ容器（１）の側壁（１ａ）に
ヘリウム冷凍は（２）と略平行に貫通支持され高圧ヘリ
ウムガス入口（９）から１次側に流入したヘリウムガス
を２次側内の低温ヘリウムガスと熱交換して冷却する第
１のＪ　−Ｔ熱交換器（１１）と、該熱交換器（１１）
からのヘリウムガス中の不純物を吸η除去する第１の吸
Ｍ器（１２）と、上記ヘリウム冷凍機（２）の第１のヒ
ートステーション（６）に無酸素銅線等の熱良５ｂ体（
１３）を介して熱接触され、上記第１の吸ｎ　’！＝　
（１２）から流入したヘリウムガスを予冷するコイル状
の第１の予冷器（１４）と、該予冷器く１４）から１次
側に流入したヘリウムガスを２次側内の低温ヘリウムガ
スと熱交換して冷７Ｊｌする第２のＪ−Ｔ熱交換器（１
５）と、該熱交換器（１５）から流入したヘリウムガス
中の不純物を除去する第２の吸着器（１６）と、ヘリウ
ム冷凍ｌｊｍ　（２）の第２のと−１−ステーション（
７）に熱良導体（１７）を介して熱接触され、上記第２
の吸着器（１６）から流入したヘリウムガスを予冷する
コイル状の第２の予冷器（１８）と、該予冷器（１８）
から１次側に流入したヘリウムガスを２次側内の低温ヘ
リウムガスと熱交換すせて冷却する第３のＪ−Ｔ熱交換
器（１つ）と、該熱交換器〈１９）から第３の吸着器（
２０）を経由して供給されたヘリウムガスをジュールト
ムソン膨張させるＪ−Ｔ弁（２１）と、該Ｊ−Ｔ弁（２
１）通過後の気液混合状態のヘリウムにより約４にの温
度の寒冷状態を発生する第３のヒートステーション（２
２）（冷却器）とからなる。該第３のヒートステーショ
ン（２２）は上記第３ないし第１Ｊ−Ｔ熱交換器（１９
）、（１５）、（１１＞の各２次側を介して低圧ヘリウ
ムガス出口（１０）に接続され、該低圧ヘリウムガス出
口（１０）および上記高圧ヘリウムガス人口（９）はそ
れぞれ上記圧縮機とは異なる別の圧縮機（図示せず）の
吸込側および吐出側に接続されており、その圧縮機から
吐出された高圧のヘリウムガスを第１ないし第３のＪ−
Ｔ熱交換器（１１）、（１５）。

（１つ）で２次側の低温ヘリウムガスと熱交換させると
ともに、予冷器（１／１．）、（１８）においてヘリウ
ム冷ｉ１Ｍ（２＞の各ヒートステーション（６）、（７
）で発生した寒冷状態により予冷し、その予冷されたヘ
リウムガスをＪ−Ｔ弁く２１）でジュールトムソン膨張
させて第３のと−１−ステーション（２２）で上記第２
のヒートステーション（７）よりも低温の約４にの寒冷
状態を発生させ、上記膨張後の低圧ヘリウムカスを第３
ないし第１の熱交換器（１９）、（１５）、（１１）の
各２次側を通して圧縮機に吸入させるように構成されて
いる。

一方、上記ポンプ容器（１）内には上面にガス導入口（
２３ａ　）、＜２３ａ　）、・・・が間口された密閉円
筒Ｃｒｔ状の第１のクライオパネル（２３）がポンプ容
器（１）から隔離した状態で配設され、該クライオパネ
ル（２３〉はそのｌ１ＩＩｌ壁（２３ｂ　）にて上記ヘ
リウム冷凍機（２）におけるケース（３）の第１のヒー
トステーション（６）部分に結合支持されており、この
結合支持により第１のクライオパネル（２３）を第１の
ヒートステーション（６）と熱接触せしめて該第１のヒ
ートステーション（６）と同等の約７０にの温度に冷却
するようになされている。

また、上記第１のクライオパネル（２３）内には該クラ
イオパネル（２３）と同様に上面にガス導入口（２４ａ
）、（２４ａ）、・・・が開口された密閉円’Ｗ３　ｒ
Ｅｉ状の第２のクライオパネル（２４）が第１のクライ
オパネル（２３）から隔離した状態で配設されている。

該第２のクライオパネル（２４）はその側壁＜２４ｂ）
にて上記ヘリウム冷凍１１　（２）におけるケースく３
）の第２のヒートステーション（７）部分に結合支持さ
れており、この結合支持により第２のクライオパネル（
２４）を第２のヒートステーション（７）と熱接触させ
て該第２のヒートステーション（７）と同等の約２０に
の温度まで冷却Ｊるようになされている。

さらに、上記第２のクライオパネル（２４）内には下方
に間口する略ハツト状の第３のクライオパネル（２５）
が第２のクライオパネル（２４）から隔離した状態で配
設されている。該第３のクライオパネル（２５）はその
内面において、第２のクライオパネルく２４）内にその
底ｍ　（２４ｃ　）および第１のクライオパネル（２３
）の側壁（２３ｂ）を貫通して配置せしめた上記Ｊ−Ｔ
回路ユニッ１−（８）の第３のヒートステーション（２
２）に結合支持されており、この結合支持により第３の
クライオパネル（２５）を第３のヒートステーション（
２２）と同等の４〜１０１〈の温度まで冷却するように
なされている。

そして、上記第３のクライオパネル（２５）内面には低
温度で気体を吸着する活性炭等よりイ【る低温吸着剤（
２６）が貼り付けられている。

次に、上記実施例における作用を説明Ｊ゛るに、冷凍機
用の圧縮機が起動８れると、該圧縮機から吐出された高
圧ヘリウムガスの一部がヘリウム冷凍機（２）で膨張し
、このガスの膨張作用により冷凍機（２）の第１のヒー
トステーション（６〉に約７０にの湿度の寒冷状態が、
また第２のヒートステーション（７）に約２０にのＵＩ
Ｉｉの寒冷状態がそれぞれ発生し、この各ピー１〜ステ
ーシヨン（６）、（７）に熱接触している第１および第
２のクライオパネル（２３＞、（２４）がそれぞれ該各
ヒートステーション（６）、（７）と同程度の温度に冷
却される。

また、別設の圧縮機から吐出された高圧ヘリウムガスは
Ｊ　−Ｔ回路ユニット（８）における第１のＪ−Ｔ熱交
換器（１１）の１次側に入り、圧縮機へ戻る２次側の低
温ヘリウムガスと熱交換されて常温（３００Ｋ＞から冷
却され、その後、上記ヘリウム冷凍機（２）の第１のヒ
ートステーション（６）に熱良導体（１３）を介して熱
接触されて約７０Ｋに冷却されている第１の予冷器（１
４）に入って同温度まで冷却される。この冷却されたガ
スは第２のＪ−Ｔ熱交換器（１５）の１次側に入って冷
却された後、冷凍鍬（２）の第２のヒートステーション
（７）に熱良導体（１７）を介して熱接触されて約２０
Ｋに冷却されている第２の予冷器（１８）に入って同温
度まで冷却される。

さらに、ガスは第３のＪ−Ｔ熱交換器（１９）において
冷却された後、Ｊ−Ｔ弁（２１）に至り、該Ｊ−ｒ弁（
２１）で絞られてジュールトムソン膨張し、１気圧、４
．２にの気液混合状態のヘリウムとなって第３のピー１
−ステーション（２２）に供給される。この第３のと−
１−ステーション〈２２）には第３のクライオパネル〈
２５）が熱接触しているため、該第３のクライオパネル
（２５）は１０に以下の極低温に冷却される。しかる後
、ヘリウムは上記第３のヒートステーション（２２）か
ら第３のＪ−Ｔ熱交換器（１つ）の２次側に戻ってその
間に約４．２にの飽和ガスとなり、第２および第１のＪ
−Ｔ熱交換器（１５）。

〈１１）で１次側のヘリウムガスを冷ｒＪＩ　（、て約
３００Ｋに温度上昇した後、圧縮機に吸入される。

以後、上記と同様なサイクルが繰り返されて冷凍運転が
行われる。

以上の状態で、ポンプ容器（１）内に導入された気体は
上記所定温度に冷却されている第１ないし第３のクライ
オパネル（２３）〜（２５）に接触して凝縮排気される
。すなわら、ヘリウム冷凍機（２）の第１のヒートステ
ーション（６）との熱接触により約７０にの温度に冷却
されている第１のクライオパネル（２３）において気体
中の水蒸気、二酸化炭素等のガスが凝縮排気され、同冷
凍機（２）の第２のヒートステーション（７）との熱接
触により約２ｏ１くの温度に冷ｆＪ］されている第２の
クライオパネル（２４）において窒素、酸素、アルゴン
等のガスが凝縮排気される。この状態で残っているガス
は水素、ネオン、ヘリウムの各ガスであり、Ｊ−Ｔ回路
ユニット（８）の第３のピー１−ステーション〈２２〉
との熱接触により約４〜ＩＯＫの（厭低渦に冷却されて
いる第３のクライオパネル（２５）において、上記ネオ
ンガスが概ね１０〜”Ｔｏｒｒ程度の残留圧力まで凝縮
排気される。また水素ガスは同クライオパネル（２５）
においてほぼ１０−’　Ｔ　ｏｒｒ程度まで凝縮排気さ
れるとともに、該クライオパネル（２５）の低温吸着剤
（２６）により吸着排気される。また、通常微Ｍで存在
するヘリウムガスは上記吸着剤（２６）によって吸着排
気される。

したがって、この場合、水素、ネオンガスは株木的に、
約４〜１０にの極低温状態に冷却された第３のクライオ
パネル（２５）によって凝縮排気されるので、その分、
該ガスの吸着剤（２６）ににる吸着１ノ［気が抑制され
ることになる。その結果、それらガスの吸着剤（２６）
への吸着排気に伴う放出現象をなくづことができる。

また、上記の如く、ヘリウムガスが吸着剤（２６）によ
って吸着排気され、水素、ネオンガスは主に第３のクラ
イオパネル（２５）によってｒ５　ｓ＋ｈ排気されるの
で、これらのガスを全て吸η１ノ１気する場合と比べて
該ガスに対Ｊる排気速度、排気容量を増大ざＵることが
できる。

なお、上記実施例においては、吸着剤（２６）は第３の
クライオパネル（２５）にのみ設けているが、勿論、第
２のクライオパネル（２４）にｂ併せて設（）てし良く
、この場合には、ｌ＼ツリウムス等の吸着排気はより一
層効果的に行われる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明にＪ：れば、へりつム冷凍
機で発生した寒冷状態で各ガス成分を凝縮排気するとと
もに、一部のガス成分を吸着剤ににり吸着排気するよう
にしたヘリウム冷凍機式のクライオポンプにおいて、上
記ヘリウム冷凍機により予冷されるヘリウムガスのジュ
ールトムソン膨張作用により寒冷状態を発生させて、そ
の寒冷状態で主に水素、ネオンの各ガスを凝縮排気する
Ｊ：うにしたことにより、クライオポンプの水素、ネオ
ン等のガスの吸着剤からの放出をなくすることができ、
しかち水素、ネオン、ヘリウムの各ガスに対でるクライ
オポンプの排気速度および排気容量を増大させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図はクライオポンプ
の縦断面図、第２図は第１図のｌｌ−４線断面図、第３
はクライオポンプの配管系統図である。 （Ａ＞・・・クライオポンプ、（１）・・・ポンプ容器
、（２）・・・ヘリウム冷凍機、（６）・・・第１のヒ
ートステーション、（７）・・・第２のヒートステーシ
ョン、（８）・・・、ノー王回路コニツｌ−１（２２）
・・・第３のヒートステーション、（２３）・・・第１
のクライオパネル、（２４）・・・第２のクライオパネ
ル、（２５）・・・第３のクライオパネル、（２６）・
・・低代　　　　　理　　　　　人　　前　　　８１　
　　　　　弘　　　　“Ｌ、、３−匁−−−゛・第３図 ＄０イ回発二二・ｙト） 手続補正出（方式） １、事件の表示 昭和６０年　特　許　願　第１８８９９２号２、発明の
名称 クライオポンプ ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住　　所　　大阪府大阪市北区悔田１丁目１２番３９号
新阪急ビル 名　　称　　（２８５＞　　ダイキン工業株式会社代表
者　　山　　１）　　　　稔 ４、代理人　・５５０電０６　（４４５）　２１２８住
　　所　　大阪市西区靭本町１丁目４番８号　太平ビル
＋１− 氏　　名　　弁理士（７７９３）前　　１）　　　弘５
　補正命令の日付　　　　　　　　　　　　　　　　　
　’ｕ−Ｌ昭和６０年１１月６日（発送日６０．１１．
２６）７、補正の内容 明細書の第１９頁第１６行目の「第３は」とあるのを、
［第３図は」に訂正する。 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ポンプ容器（１）に、ヘリウムガスの膨張により
   第１のヒートステーション（６）で寒冷状態を、第２の
   ヒートステーション７で上記第１のヒートステーション
   （６）よりも低温の寒冷状態をそれぞれ発生させるヘリ
   ウム冷凍機（２）と、該冷凍機（２）の各ヒートステー
   ション（６）、（７）で発生した寒冷状態によつてヘリ
   ウムガスを予冷し、その予冷されたヘリウムガスをジュ
   ールトムソン膨張させて第３のヒートステーション（２
   ２）で上記第２のヒートステーション（７）よりも低温
   の寒冷状態を発生させるＪ−Ｔ回路ユニット（８）とが
   取り付けられている一方、ポンプ容器（１）内にはその
   外側から順に、上記第１ないし第３のヒートステーショ
   ン（６）、（７）、（２２）にそれぞれ熱接触して冷却
   される第１ないし第３のクライオパネル（２３）〜（２
   ５）が配設され、上記第３のクライオパネル（２５）に
   は気体を吸着する低温吸着剤（２６）が設けられている
   ことを特徴とするクライオポンプ。