JPS63500318A - 排気フィルタを持つクライオポンプ - 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】 排気フィルタを持つクライオポンプ （背景） 開放型または循環型の低温サイクルの如何を問わず市販のクライオポンプ（極低 温真空ポンプ）は、一般に同し設計概念に従っている。通常４乃至２５°にの範 囲内で作動する低温素子列は主要ポンプ作用面である。

この面は、通常７０乃至１３０°にの温度範囲内で作動され低温素子列に対する 放射シールドを提供する比較的高い温度の放射シールドにより囲繞されている。

この放射シールドは、一般に、主要ポンプ作用面と抜気される室との間に配置さ れた前方素子列を除いて閉鎖されたハウジングを含む。この比較的高い温度の第 １段の前方要素列は、水蒸気の如き比較的高い沸点の気体のためのポンプ作用域 として作用する。

作用においては、水蒸気の如き高い沸点の気体は、前記前方の素子列において凝 縮される。比較的低い沸点前気体はこの素子列を通過して放射シールド内の空間 に流入し、比較的低い温度の素子列上に凝縮する。木炭の如き吸収剤または更に 低温の素子列の温度もしくはそれより低い温度で作動するモレキュラー・シーブ で覆われた表面もまた、水素の如き非常に低い沸点の気体を除去するためこの空 間内に設けられる。

気体がこのようにポンプ作用面上に凝縮および（または）吸収されると、加工室 内には真空のみが残存する。

一旦高い真空か確保されると、加工片を部分的に抜気された負荷ロックを介して 加工室に人出することができる。負荷ロックへの加工室の各開口により、付加的 な気体が加工室内に進入する。これらの気体は次いで低温パネル上で凝縮されて 、室を再び抜気して処理のため必要な低圧力を提供する。おそらくは数週間にわ たる連続した処理の後、低温パネル上に凝縮されあるいは吸収された気体は、大 気温度および圧力でクライオポンプ室の容積を実質的に超過する体積を有するこ とになる。もしクライオポンプが停止するならば、この大きな体積の捕捉された 気体はクライオポンプ室内に解放される。捕捉気体の解放によるクライオポンプ 内の危険な高圧力を回避するため、圧力逃し弁が設けられる。典型的には、この 圧力逃し弁はばねが装填され、クライオポンプ室内の圧力が約０．２１Ｋｇ／ｃ ｍ２（３ｐｓｉ）ゲージを越える時に開口する。処理気体は危険であるおそれが あるため、圧力逃し弁は気体を排出管路に送るハウジング内にしばしば密閉され る。

数日または数週間の使用の後、低温パネル上に凝縮した気体、特に吸収された気 体は装置を飽和し始める。その時、クライオポンプを暖めることにより気体を解 放し気体を装置から除去するため再生措置を行なわなければならない。気体が解 放される時、クライオポンプ内の圧力は上昇し気体が圧力逃し弁から排気される 。

典型的な圧力逃し弁は、弁が閉じられる時ばねにより０リング・シールに対して 押付けられるキャップを含む。弁を開口する圧力で、キャップは０リング・シー ルから引離され、排気された気体がシールを流通する。気体と共に、吸収剤から の木炭粒子の如き塵または加工室内の処理から生じる他の座片もまたこのシール を流通する。この座片はしばしばＯリング・シールおよび閉鎖キャップ上に付着 する。再生措置後充分な真空状態を生じるため、再生措置が終る毎に逃し弁を清 掃することがしばしば必要となる。もしこのような注意を払わなければ、逃し弁 においてクライオポンプ内への漏洩が生じて、クライオポンプに対する望ましく ない負荷を生じる。

気体が低温パネルおよびクライオポンプ室から解放された後、クライオポンプ内 に再び真空状態が生じる。

しかし、クライオポンプを極低温まで冷却する前に、クライオポンプ室から略々 全量の水蒸気を除去して室内の圧力をクライオポンプが作動し得るレベルまで低 下させるため、クライオポンプを最初に粗動させなければならない。クライオポ ンプ室と粗動ポンプとの間には弁が配置され、この弁もまた座片からの汚染を受 ける。

圧力逃し弁におけるように、このような汚染はクライオポンプの有効な運転を妨 げる漏洩をもたらす結果となり得る。

汚染に対していくつかの試みが示唆されてきた。１つの試みは、逃し弁における Ｏリングを汚染から隔離する自己清掃型弁を提供することである。このような試 みは、逃し弁の複雑さを増すものである。別の試みは、逃し弁への排気管路内に フィルタを設けることであった。しかし、フィルタの目詰りの場合に形成される 大きな圧力の危険を除くため、フィルタ自体の圧力逃しか必要となる。別の試み は、管路に対する開口部にスタンド・バイブを配置することにより、座片が排気 管路に達することを防止することであフだ。このスタンド・パイプは、座片をク ライオポンプ・ハウジングの底部に集める。相当する構成は、排気ボートをクラ イオポンプ室の基部ではなくその側壁面に沿フて配置することである。このよう な試みは、再生措置の間クライオポンプ室内に液状冷凍剤および水の収集を招い て再生時間および再生後のポンプ粗動操作を著しく増加させる結果となる。

（発明の開示） 本発明によれば、クライオポンプの真空容器がクライオポンプの作動中弁により 閉鎖される排気ボートを有する。このクライオポンプは更に、前記排気ボートか らクライオポンプの真空容器内部へ延長するフィルタ管路を含む。この管路は、 真空容器内に固体の裏片を保留するが液体および気体は通過させる多孔質のフィ ルタ材料からなフている。この管路は、排気ポートへの気体の略々制限されない 流れを許容するため、排気ポートから離れたその端部で開口し、これによりフィ ルタの圧力を逃す必要を軽減する。前記フィルタ管路は、放射シールドの基部付 近の位置まで延長するがこわから距離を隔ててフィルタ管路内への気体の自由な 流れを許容する円筒状の要素であることが望ましい。

あるいはまた、裏片が管路内へ落下することは阻止するが管路内への気体の自由 な流れは許容するため、管路の端部にキャップを配置することもできる。フィル タ管路は、一端部においてテーバ状を呈して圧力嵌めにより内部に保持されるよ うにこの端部を排気ポート内に嵌入することを許容する円筒状のスクリーンであ ることが望ましい。約０．１８ｍｍ　（Ｑ、００７インチ）の孔隙中を存するス クリーンがほとんどのクライオポンプ用途に特に適することが判フた。

（図面の簡単な説明） 上言己および他の目的、特徴および利点については、図面に示されるように本発 明の望ましい実施態様の以下の詳細な記述から明らかになるであろう。図面は必 ずしも正確な尺度によるものではなく、その代り本発明の原理を示すことに重点 が置かれている。

第１図は本発明を具体化せるクライオポンプを示す断面図、および第２図は任意 の端部キャップを載置したフィルタ管路を示す拡大図である。

（望ましい実施態様の記述） 第１図のクライオポンプは、加工室即ち弁ハウジングに対しフランジ１４に沿っ て取付けられる主ハウジング１２を含む。クライオポンプ・ハウジング１２の前 方の開口１６は、加工室即ち弁ハウジングの円形の開口と連通している。あるい はまた、クライオポンプ列は前記室内に突出し、真空シールを後部フランジに形 成してもよい。

冷凍機の２段の冷却フィンガ１８は開口２０を介してハウジング１２内に突出し ている。この場合、冷凍機はＧｉｆｆｏｒｄ−ＭａｃＭａｈｏｎ冷凍機であるが 、他のものも使用することができる。冷却フィンガ１８の２段のディスプレーサ はモータ２２によって駆動される。各作動サイクルにおいて、圧力下の冷却フィ ンガに管路２４を通って導入されるヘリウム・ガスが膨張し、これにより冷却さ れ、次いで管路２６を経て排出される。このような冷凍機はＣｈｅｌｌｉｓ等の 米国特許第３，２１８，８１５号に開示されている。第１段のビート・シンク即 ち熱ステーション２８が冷凍機の第１段２９の冷却端部に取付けられる。同様に 、ヒート・シンク３０が第２段３２の冷却端部に設けられている。

主要ポンプ作用面は、このヒート・シンク３０に対して取付けられた低温パネル ３４である。図示された場合ては、この低温パネル３４は逆さになったカップ３ ４である。

カップ状の放射シールド４４は、第１段の高温のビート・シンク２８に対して取 付けられている。第２段の冷却フィンガはこの放射シールドの開口４５を貫通し て延長する。この放射シールド４４は、後部および側面で主要低温パネル列を囲 繞して、輻射による主要低温ノ＼ネル列の加熱を最小限度に抑える。この放射シ ールドの温度は、ヒート・シンク２８における約１００°にから開口１６付近の 約１３０°にまでの範囲である。

前方の低温パネル列４６は、主要低温パネル列に対する放射シールドとして、ま た水蒸気の如き比較的高い沸点の気体に対するクライオポンプ作用面として両用 に作用する。このパネルは、スポーク状の板５０により結合された円形列状の同 心状ルーバーおよび羽根列４８を含む。この低温パネル４６の形態は円形の同心 状要素に限定する必要はないが、主要低温パネルに対する比較的低い沸点の気体 の経路を提供しながら輻射熱シールドおよび比較的高いクライオポンプのパネル として作用するように配置されねばならない。

典型的な装置においては、クライオポンプは冷凍機を遮断して装置を暖めること により再生される。本装置の温度が上昇するに伴って気体が解放され、これによ り装置内の圧力を上昇させる。圧力が約０．２１　Ｋｇ／ｃｍ２（３ｐｓｉ）ゲ ージに達すると、解放された気体は排気管路５８および逃し弁６０を介して装置 から排出される。

本発明によれば、別の排気管路６２がクライオポンプ・ハウジング１２の基部に おける管路５８の流入ボートから上方に延長している。この管路６２は、ハウジ ング１２の底部に集まる液状の冷凍剤および水がこれを通って排気管路５８内に 自由に流入するようなフィルタ材料から形成される。しかし、フィルタ材料は、 排気弁６０を汚染するおそれがある裏片を保持する充分に小さな孔隙を有する。

流体の自由流を開始するに必要な平均孔隙径は下式により決定することができる 。

ｄ　＝　平均孔隙径 σ　−流体の表面張力 θ　＝　液体と固体の接触角 ΔＰ＝　流体の水頭へ Ｋ　＝　形状の補正因数 通気弁の漏洩を生じる汚染を有効に取除く孔隙の最大径は、特定の用途に対して 実験的に決定することができる。約０．１８ｍｍ　（０，００フインチ）の孔隙 寸法がほとんどの用途に対して適することが判フた。使用した特定のフィルタ材 料は、円筒内に形成された８０メツシユのステンレス鋼のスクリーンであった。

このスクリーンは、線径が約０．１４　ｍｍ　（０，００５５インチ）であり、 孔隙率は３１．４％を有するものである。

フィルタ管路の端部６４は、フィルタ管路および排気弁６０への管路５８を介し て気体の自由な流れを許容するよう開口している。このため、フィルタの目詰り によるクライオポンプのハウジング内の圧力の形成の危険がない。約１１８ｍｍ 　（０，フインチ）のフィルタ管路の直径が管路５８の直径と整合し、フィルタ 管路は放射シールド４４の基部に対して約１７．８ｍｍ　（０，フインチ）より 接近せず、このため端部開口およびフィルタ管路内の気体の自由な流れが確保さ れる。一方、通常クライオポンプ・ハウジング１２の基部に沿って集まる座片は フィルタ管路の頂縁部上を流れようとせず、このためフィルタを迂回する。少な くとも約１０２ｎＩｆｆｌ（４インチ）のフィルタ管路長さが、乱流再生過程に おいて座片が攪拌される区域の上方に開口６４を高くする。望ましい装置では、 約１６５　ｏｈｍ　（６，５インチ）のフィルタ管路を使用する。更に、放射シ ールド４４の下面に接近して配置することにより、座片は管路の端部６４に対し ては落下しない。

放射シールド４４に接近して管路端部を配置することの代りに、端部キャップ６ ６を第２図に示すようにフィルタ管路上に載置することもできる。この端部キャ ップ６６は、フィルタ管路端部から充分に離して管路のこの端部への気体の自由 な流わを許容する３木の脚部６８により支持されるものとして示されている。

第２図のフィルタ管路６２の拡大図は、従来のクライオポンプに容易に適用する ことを許容する管路の底端部の形状を示している。フィルタは、管路５８への排 気ポート内に圧入して圧力嵌めすることができるようにその端部７０でテーパ状 を呈している。フィルタを管路５８内に嵌入する時ストッパとして作用するよう に、突条７２をフィルタ管路周囲に設けることができる。

本発明のフィルタのスタンド・バイブは、クライオポンプにおける排気弁の汚染 を避けるこれまでの試みに勝るいくつかの利点を有する。再生過程において、最 初にクライオポンプ作用面から解放される液状の冷凍剤は、排出された気体と共 に排気管５８を通フて運ばれる前に、クライオポンプ・ハウジング１２の基部に 溜りを形成しようとする。これらの液状の冷凍剤はクライオポンプ・ハウジング の基部および結合された冷凍機駆動組立体を冷却する。このため、冷凍機作動機 構を過度に冷却して破損を生じることのないように、これら冷凍剤を迅速に取除 くことが重要である。過去において提起された中実のスタンド・バイブは、液状 の冷凍剤の迅速な除去を阻止する。実際に、このような装置は、例え水蒸気をク ライオポンプから解放するに充分なだけクライオポンプが暖まっても冷凍剤を液 状で保持し易い。この水蒸気は、クライオポンプ・ハウジングの基部における液 状の冷凍剤により再び捕捉され得る。その後、クライオポンプ・ハウジングの基 部に集まった水および氷は、冷凍機の運転前に本装置のポンプを長い間粗動する ことによってのみ取除くことができる。これは時間を要する方法である。

従来の全ての試みの別の短所は、機械的に更に複雑でありクライオポンプ装置内 に結局は漏洩を惹起する結果となり易いことである。実際の漏洩は装置の最初の 抜気中空気を捕捉し得るが、真空容器が他の方法で抜気された後ゆっくりとガス 放出する装置内の領域が狭い結果である。中実のスタンド・バイブおよび典型的 なフィルタ組立体の取付けは、このような実際の漏洩を避けるため特別な努力を 要する。しかし、本装置においては、フィルタ管路を単に既にクライオポンプ内 に存在する排気管路内に圧入すればよい。排気管路内に圧入されたフィルタ材料 における孔隙がこの材料と排気管路の内面との間の気体の捕捉を阻止し、これに より実際の漏洩を防止する。

本発明については特にその望ましい実施態様に関して示し記したが、当業者は交 尾の請求の範囲に定義される如き本発明の主旨および範囲から逸脱することなく 形態および細部の種々の変更が可能であることを理解されよう。例えば、網目以 外の焼結材料の如きフィルタ材料を用いることもできる。また、本発明の最も重 要な利点は、フィルタ管路がクライオポンプ・ハウジングの基部から延長する場 合に得られるが、フィルタ管路がクライオポンプ・ハウジングの側面から延長す る場合でも、フィルタの目詰りの危険もなく本発明のフィルタ作用の利点が得ら れる。このような適応は、第１図のクライオポンプが冷凍機の冷却フィンガを水 平位置にして取付けられる場合にもたらされることになる。

国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥ？ ＯＲＴ　ＯＮ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．真空容器内の空間からの気体を凝縮するため極低温まで冷却された真空容器 内の低温パネルを含み、前記真空容器はクライオポンプの作動中弁により閉鎖さ れる排気ポートを備え、更に該排気ポートから真空容器内の空間に対し真空容器 の壁面から離れて延長するフィルタ管路を設け、該フィルタ管路は、液体および 気体を通過させながら真空容器内の固体の塵片を捕捉する多孔質のフィルタ材料 から形成され、前記フィルタ管路は前記排気ポートから離れて開口して排気ポー トヘの気体の実質的に妨げられない流れを許容することを特徴とするクライオポ ンプ。
2. ２．極低温の冷凍機の第１段により冷却され、かつ前記真空容器内の極低温冷凍 機の第２段により冷却される低温パネルを囲繞する放射シールドを更に設け、前 記フィルタ管路は、その端部において前記排気ポートと対向して開口する円筒で あり、前記フィルタ管路の開口端部が前記放射シールドによる塵片の落下から保 護されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載のクライオポンプ。
3. ３．前記フィルタ管路の開口端部から離れて支持され、気体の該開口端部への自 由な流れを許容しながら、開口端部を塵片の落下から保護する端部キャップを更 に設けることを特徴とする請求の範囲第１項記載のクライオポンプ。
4. ４．前記フィルタ管路が円筒内に形成された１枚のスクリーンであることを特徴 とする請求の範囲第１項記載のクライオポンプ。
5. ５．前記円筒状スクリーンの端部がテーパ状を呈して前記排気ポート内に嵌入さ れることを特徴とする請求の範囲第４項記載のクライオポンプ。
6. ６．前記円筒状スクリーンが、該スクリーンの前記排気ポート内への移動を止め る周囲の突条を含むことを特徴とする請求の範囲第５項記載のクライオポンプ。
7. ７．前記円筒状スクリーンがその前記排気ポート内への運動を止める周囲の突条 を有することを特徴とする請求の範囲第４項記載のクライオポンプ。
8. ８．前記スクリーンの孔隙の巾が約０．１８ｍｍ（０．００７インチ）であるこ とを特徴とする請求の範囲第４項記載のクライオポンプ。
9. ９．前記スクリーンの孔隙の巾が約０．１８ｍｍ（０．００７インチ）であるこ とを特徴とする請求の範囲第１項記載のクライオポンプ。
10. １０．前記フィルタ管路は、一端部が前記排気ポート内に嵌入された円筒である ことを特徴とする請求の範囲第１項記載のクライオポンプ。