KR100785745B1 - Coolness storage unit and cryopump - Google Patents
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Abstract
환경에의 영향이 큰 납 이외에, 축냉재로써의 제조건(비열, 열전도율, 가공성, 강도, 경도, 화학적 안정성, 저비용)을 만족하는 축냉재를 이용한 축냉기 및 크라이오 펌프를 제공하는 것이다.In addition to lead having a great environmental impact, there is provided a cold storage device and cryopump using a cold storage material that satisfies the requirements for the cold storage material (specific heat, thermal conductivity, processability, strength, hardness, chemical stability, low cost).
냉매가스인 헬륨가스가 통과하는 내부통로에, 헬륨가스와의 사이에서 열교환을 행한 축냉재(16)를 수용한 축냉기(14)에 있어서, 축냉재(16)는, Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금의 어느 것인가로 되고, 구상에 형성되고, 복수의 각 구상의 축냉재(16)가 축냉기(14)의 내부통로에 충전되어 있다.In the storage cooler 14 which accommodates the storage coolant 16 which heat-exchanged with helium gas in the inner passage through which helium gas which is refrigerant gas passes, the storage cooler 16 is Sn, Bi-Sn alloy. , Ag-Sn alloy, which is formed in a spherical shape, and a plurality of spherical coolant materials 16 are filled in the internal passage of the cooler 14.
축냉기, 크라이오 펌프 Accumulator, cryopump
Description
본 발명은 냉매 가스인 예컨대 헬륨 가스와 열교환을 행해 일시적으로 열을 비축해 놓아두는 역할을 하는 축냉재를 수용한 축냉기 및 그 축냉기를 구비한 크라이오 펌프(cryo pump; 저온 펌프)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
크라이오 펌프는 진공용기 내에 저온면을 설치하고, 이에 용기 내의 기체 분자를 응축 또는 흡착시켜 포착하고 배기하는 펌프이다. 저온면을 형성하는 방법에는 폐사이클의 소형 헬륨 냉동기가 일반적으로 사용되고 있다.The cryopump is a pump that provides a low temperature surface in a vacuum vessel, and condenses or adsorbs gas molecules in the vessel to capture and exhaust the gas. In a method for forming a low temperature surface, a small helium refrigerator of a waste cycle is generally used.
그 헬륨 냉동기는, 헬륨 가스를 냉매 가스(작동 유체)로 한 축냉식 냉동기이고, 고압의 헬륨 가스를 저온부에 있는 팽창 공간에 보내 주고, 거기에서 헬륨 가스의 단열 팽창에 의해 저온을 얻는다. 축냉식 냉동기의 특징은 축냉기라 불리는 열교환기를 구비하고 있는 것이다. 축냉기의 역할은, 한 방향에 흐르는 압축된 고압 고온의 헬륨 가스로부터 열을 빼앗아 그 열을 비축해 놓음과 동시에 팽창 공간에 보내 주는 헬륨 가스를 미리 식히고, 또 반대 방향에 흐르는 팽창한 저압 저온의 헬륨 가스에, 비축해 놓은 열을 주어 실내온도 공간에 차가운 헬륨 가스를 방출하지 않도록 한다.The helium refrigeration machine is a cold storage refrigeration machine using helium gas as a refrigerant gas (working fluid), and sends a high-pressure helium gas to an expansion space in a low temperature part, where low temperature is obtained by adiabatic expansion of helium gas. A feature of the cold storage refrigerator is that it is provided with a heat exchanger called a cold storage refrigerator. The role of the cooler is to take the heat from the compressed high-pressure high-temperature helium gas flowing in one direction and to store the heat, and to cool the helium gas that is sent to the expansion space in advance, Give the helium gas a reserved heat so that cold helium gas is not released into the room temperature space.
축냉기에는 헬륨 가스와의 사이에서 열교환을 행하는 축냉재가 수용되고, 그 축냉재로써는, 열전도율이 높고, 또 저온(30K 이하)에서 다른 금속보다 비열이 높고, 더욱이 싼 가격이기도 한 납이 사용되고 있다.In the cooler, a coolant to heat exchange with helium gas is accommodated. As the coolant, lead is used, which has a high thermal conductivity and a higher specific heat than other metals at a low temperature (below 30K) and is also cheaper. .
혹은, 높은 스펙의 냉동기에는, 극저온(5K이하)에서 납보다 비열이 높은 Er3 Ni 등의 자성 재료를 사용하는 경우가 있다. 예컨대, 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조.Alternatively, a magnetic material such as Er 3 Ni, which has a higher specific heat than lead at cryogenic temperatures (5 K or less), may be used in a refrigerator having a high specification. See, for example,
특허문헌 1: 일본국 특개평 10-300251호 공보Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-300251
특허문헌 2: 일본국 특개 2004-143341호 공보Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-143341
납은 다른 금속에 비교해 저온하에서 비열이 높고, 또 값싼 재료이기는 하지만, 냉동 성능을 향상시키기 위해서는 대량 또 순도가 높은 것을 사용하게 되어, 환경에 대한 영향이 크고, 사용 후에 회수 및 적절한 처리가 필요하여, 취급성이 나쁘다.Although lead has a higher specific heat at low temperature and is cheaper than other metals, lead is used in large quantities and with high purity to improve freezing performance, and has a high environmental impact, and requires recovery and proper treatment after use. , The handleability is bad.
자성 재료는 굉장히 고가이다. 또 그 비열은 상 전이온도의 근방에서 큰 피크를 가지는 특징이 있기 때문에, 축냉기를 구성하는 경우, 축냉기 내의 온도 분포에 맞춰 다른 온도에서 비열 피크를 가지는 여러 종류의 물질을 선택하여 층상 구조의 축냉기를 구성하는 편이 단독으로 사용하는 것보다 유효한 때문에, 이러한 것도 비용 상승으로 이어진다. 더욱이, 자성 재료는 금속간 화합물로 굳어져서 취약해져 가공성이 나쁘다.Magnetic materials are very expensive. In addition, since the specific heat has a characteristic of having a large peak in the vicinity of the phase transition temperature, in the case of constituting the cold storage machine, various kinds of substances having specific heat peaks at different temperatures are selected in accordance with the temperature distribution in the cold storage machine. Since it is more effective to construct a storage cooler than using it alone, this also leads to a cost increase. In addition, the magnetic material is hardened by an intermetallic compound, resulting in poor workability.
따라서, 이러한 배경하에서, 환경에의 영향이 큰 납 이외로, 축냉재로써의 제조건(비열, 열전도율, 가공성, 강도, 경도, 화학적 안정성, 저비용)을 만족하는 축냉재가 소망되고 있고, 본 발명은 그러한 축냉재를 이용한 축냉기 및 크라이오 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, under such a background, in addition to lead having a large environmental impact, there is a demand for a heat storage material that satisfies the requirements for the heat storage material (specific heat, thermal conductivity, processability, strength, hardness, chemical stability, low cost), and the present invention. It is an object of the present invention to provide a cooler and a cryopump using such coolant.
본 발명의 축냉기는, 냉매 가스가 통과하는 내부 통로에, 냉매 가스와의 사이에서 열교환을 행하는 축냉재를 수용한 축냉기에 있어서, 여기에서 축냉재는, Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금의 어느 것인가로부터 되는 것을 특징으로 하고 있다.The cold storage of the present invention is a cold storage in which a cold storage material for exchanging heat with the refrigerant gas is contained in an internal passage through which the refrigerant gas passes, wherein the cold storage material includes Sn, Bi-Sn alloy, and Ag-. It is characterized by consisting of any of Sn alloys.
또한, 본 발명의 크라이오 펌프는, Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금의 어느 것인가로 되는 축냉재를 냉매 가스가 통과하는 내부 통로에 수용한 축냉기를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.Further, the cryopump according to the present invention is characterized by including a refrigerating machine in which a refrigerating material of Sn, Bi-Sn alloy or Ag-Sn alloy is accommodated in an internal passage through which the refrigerant gas passes.
상기 Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금의 어느 것인가로 되는 축냉재는 납을 포함하지 않기 때문에, 인체와 환경에의 악영향이 작고, 취급이 용이하다. 또, 자성 재료에 비해 값싸다. 더욱, 가공성에도 뛰어남으로, 예컨대 냉매 가스와의 열교환 효율을 높이기 위해 미소한 구상에의 가공도 용이하게 행할 수 있다.Since the cool storage material which consists of said Sn, Bi-Sn alloy, and Ag-Sn alloy does not contain lead, the adverse influence to a human body and an environment is small, and handling is easy. It is also cheaper than magnetic materials. Furthermore, it is also excellent in workability, so that processing on a small spherical shape can be easily performed, for example, in order to improve the heat exchange efficiency with refrigerant gas.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 크라이오 펌프의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a cryopump according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 크라이오 펌프에 있어 냉동기의 동작설명도이다.2 is an explanatory view of the operation of the refrigerator in the cryo pump of FIG. 1.
도 3은 각종 축냉재의 비열 특성을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the specific heat characteristics of various heat storage materials.
* 부호의 설명 ** Explanation of Codes *
1: 크라이오 펌프 2: 냉동기 유니트1: cryo pump 2: freezer unit
3: 압축기 5: 1단 실린더3: compressor 5: single stage cylinder
6: 2단 실린더 7: 실드6: two-stage cylinder 7: shield
8: 베플(baffle) 9: 크라이오 패널8: baffle 9: cryo panel
11: 1단 디스플레이서(Displacer) 12: 2단 디스플레이서11: Displacer 12: Displacer
13: 1단 축냉기 14: 2단 축냉기13: 1 stage cold storage 14: 2 stage cold storage
15: 축냉재 16: 축냉재15: cold storage material 16: cold storage material
18: 흡입 밸브 19: 배출 밸브18: intake valve 19: discharge valve
21: 1단 팽창 공간 22: 2단 팽창 공간21: One stage expansion space 22: Two stage expansion space
25: 실내온도 공간 31: 1단 열부하 플랜지25: room temperature space 31: 1 stage heat load flange
32: 2단 열부하 플랜지32: 2-stage heat load flange
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 도면을 참조해 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described with reference to drawings.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 크라이오 펌프(1)의 개략도를 나타낸다. 크라이오 펌프(1)는 냉동기 유니트(2)를 구비하고 있고, 그 냉동기 유니트(2)는, 압축기(3)와, 대소 2단 실린더(5, 6)를 구비한다. 압축기(3)에서 고압으로 압축된 헬륨 가스가 양 실린더(5, 6) 내를 순환하고, 그들 실린더(5, 6) 내에 형성된 팽창 공간을 초저온으로 냉각하고, 이에 수반해 실린더(5, 6)에 접속하여 설치된 실드(7), 베플(8), 크라이오 패널(9)도 극저온으로 냉각되어져 기체 분자를 응축한다.1 shows a schematic diagram of a
도 2에 나타난 바와 같이, 실린더(5, 6) 내부에는, 2개의 디스플레이서(11, 12)가 수용되어 있다. 디스플레이서(11, 12)는 캠(17)을 통해 도 1에 보이는 모터(4)의 구동축에 연결되고, 그 모터 구동축의 구동회전에 따라, 2개의 디스플레이 서(11, 12)는 일체로 되어 실린더(5, 6) 내를 왕복한다.As shown in FIG. 2, two
1단 디스플레이서(11) 내에는 1단 축냉기(13)가 수용되어 있다. 2단 디스플레이서(12)내에는 2단 축냉기(14)가 수용되어 있다. 1단 축냉기(13)의 내부는 냉매 가스인 헬륨 가스가 통과하는 통로로 되어 있고, 그 통로에는 축냉재(15)로써 복수의 구리 금망이 적층되어 있다. 2단 축냉기(14)의 내부도 헬륨 가스가 통과하는 통로로 되어 있고, 그 통로에는 축냉재(16)로써 복수의 매우 작은 구가 충진되어 있다. 2단 축냉기(14)의 축냉재(16)는, Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금의 어느 것인가로 된다.The first stage
1단 실린더(5)의 내부에 있어서, 1단 실린더(5)의 단벽과 1단 디스플레이서(11)의 단벽과의 사이에 형성되는 1단 팽창공간(21)의 외벽에는 1단 열부하 플랜지(31)가 설치되어 있다. 1단 열부하 플랜지(31)에는, 도 1에 보이는 실드(7) 및 베플(8)이 접속되어, 1단 팽창공간(21)이 저온이 되면 실드(7) 및 베플(8)이 냉각되어 진다.In the
2단 실린더(6)의 내부에 있어서, 2단 실린더(6)의 단벽과 2단 디스플레이서(12)의 단벽과의 사이에 형성되는 2단 팽창공간(22)의 외벽에는 2단 열부하 플랜지(32)가 설치되어 있다. 2단 열부하 플랜지(32)에는, 도 1에 보이는 크라이오패널(9)이 접속되어, 2단 팽창공간(22)이 저온이 되면 크라이오 패널(9)이 냉각되어 진다.Inside the two-
압축기(3)에서 헬륨가스를 팽창공간(21, 22) 내에 공급하기 위한 흡입밸브(18)와, 팽창공간(21, 22)에서 헬륨가스를 압축기(3)에 되돌리기 위한 배출밸 브(9)의 개폐는 디스플레이서(11, 12) 구동용 모터(4)에서 행해진다.A
냉동기 유니트(2)의 전원이 투입되면, 모터(4)의 구동에 수반하여, 흡입밸브(18), 배출밸브(19)의 개폐와, 디스플레이서(11, 12)의 왕복 움직임이 반복된다.When the power supply of the
우선, 도 2에 보이는 과정 (a)에 있어서, 배출밸브(19)를 닫고 흡입밸브(18)를 열어, 압축기(3)에서 토출된 고압의 헬륨가스를 1단 실린더(5)의 실온공간(25)에 충전한다.First, in the process (a) shown in FIG. 2, the
이어서, 흡입밸브(18)를 열은 채로 디스플레이서(11, 12)를 도 2(b)처럼 실온공간(25)측으로 이동시킨다. 이에 의해, 실온공간(25) 내의 헬륨가스는, 축냉기(13, 14)를 통해 축냉재(15, 16)와의 열교환에 의해 냉각되어지면서 팽창공간(21, 22)으로 이동한다. 이 조작은, 헬륨가스가 축냉기(3, 4)를 통과할 때에 그 체적이 수축하기 때문에 등압조건을 만족하도록 흡입밸브(18)를 연 채로 행한다.Subsequently, the
이어서, 과정 (c)에서, 흡입밸브(18)를 닫고 배출밸브(19)를 열어 팽창공간(21, 22) 내의 고압 헬륨가스를 방출시켜, 팽창공간(21, 22) 내의 압력을 내린다. 이 과정에서 팽창공간(21, 22) 내의 헬륨가스는 단열 팽창해 저온의 저압가스로 되어 팽창공간(21, 22)의 온도가 저하하고, 열부하 플랜지(31, 32)를 매개로 하여, 실드(7), 베플(8), 크라이오 패널(9)이 냉각되어 진다.Subsequently, in step (c), the
이어서, 과정(d)에서, 배출밸브(19)를 연 채로 디스플레이서(11, 12)를 팽창공간(21, 22)측으로 이동시킨다. 이에 의해, 팽창공간(21, 22)에 남겨져 있는 저온의 헬륨가스가 축냉기(13, 14)를 통해 실온공간(25)으로 이동하고, 헬륨가스는 각 축냉재(15, 16)와 열교환을 행한 후에 배출밸브(19)에서 배출된다. 즉, 팽창공 간(21, 22) 내의 저온 헬륨가스는, 다음의 사이클에서 흡입되는 헬륨가스를 냉각하기 위해 축냉재(15, 16)를 차갑게 하면서 온도 상승해 실온으로 되돌아 간 후에 배출밸브(19)를 통해 압축기(3)로 되돌려진다. 그리고, 배출밸브(19)는 닫히고, 흡입밸브(18)가 열려 최초의 과정 (a)의 동작으로 되어 1사이클이 종료한다.Then, in step d, the
본 실시형태에서는, 보다 저온측에 배치해진 2단 축냉기(14)의 축냉재(16)로써, Pb를 포함하지 않는 재료인 Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금의 어느 것인가를 사용하고 있다. 도 3의 그래프에 보여지듯이, Sn은, 크라이오펌프를 사용하는 저온영역(30K 이하)에서 Pb보다 비열이 작다. 하지만, Pb에 비해 비열이 작아서 용량의 증가에 의해 축냉재의 열용량을 크게 할 수 있어 종래의 Pb를 사용한 경우와 동등한 냉동능력을 달성할 수 있다. 또, 25∼30K의 영역에서는, Sn은 일부의 자성재료(HoCu2)와 동등한 비열을 가진다. Bi-Sn합금, 또는 Ag-Sn합금을 이용하는 경우에는, Sn에 대한 Bi 또는 Ag의 함유 비율이 50% 이하이면, Sn 단체(單體)의 경우와 동등한 비열을 가지고, 동등 성능의 축냉기를 구성할 수 있다.In this embodiment, any of Sn, Bi-Sn alloy, and Ag-Sn alloy, which is a material that does not contain Pb, is used as the
이와 같이, Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금을 Pb에 대신하여 축냉재로써 이용해도, 종래와 동등한 냉동능력을 실현할 수 있다. 다른 구성 부분에 개량과 조정을 행하지 않고, 단지 축냉기에 수용하는 축냉재를 바꾸는 것만으로 좋음으로, 기존의 크라이오펌프와의 호환성이 높다. 또, 크라이오펌프의 외관상의 형상변화와 기계적 구조의 변화도 초래하지 않아 유지보수성도 좋다.Thus, even if Sn, Bi-Sn alloy, and Ag-Sn alloy are used as a coolant instead of Pb, the freezing capability similar to the conventional one can be achieved. It is good just to change the refrigerating material accommodated in a refrigerating machine, without improving and adjusting to another component part, and the compatibility with the existing cryopump is high. In addition, since the appearance of the cryopump does not cause a change in appearance and a change in the mechanical structure, the maintainability is also good.
축냉재(16)는 헬륨가스의 흐름을 원활하게 함과 동시에, 표면적을 크게 해 열교환율을 높이기 위해, 복수의 구상 입자로 구성하면 좋다. Sn, Bi-Sn합금, Ag- Sn합금으로 되는 재료는, 자성재료처럼 딱딱하게 또한 취약하지 않고, 구상으로의 가공이 용이하게 행할 수 있다. 각 구상 입자의 직경은, 예컨대 1㎜ 이하이면 헬륨가스와 충분한 열교환이 가능하다. 각 구상 입자가 분말상으로 되는 정도로 세세하게 되어 버리면 헬륨가스의 흐름의 방해가 되므로, 각 구상 입자의 직경은 원활한 헬륨가스의 흐름을 허용하는 크기로 설정할 필요가 있다.The
다음, Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금은, 인체와 환경에 대한 영향이 납에 비해 적고 취급이 용이하고, 더욱, 자성재료에 비해 값싸다(약 1/18의 가격). 더구나, Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금은, 축냉재로써의 기타의 제조건(열전도율, 화학적 안정성, 강도, 경도)을 만족한다.Next, Sn, Bi-Sn alloys and Ag-Sn alloys have less effect on human body and environment than lead, are easy to handle, and are cheaper than magnetic materials (price of about 1/18). Moreover, Sn, Bi-Sn alloys, and Ag-Sn alloys satisfy other conditions (thermal conductivity, chemical stability, strength, and hardness) as the cold storage material.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 물론, 본 발명은 이에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상에 기해 여러 가지의 변형이 가능하다.As mentioned above, although embodiment of this invention was described, of course, this invention is not limited to this, Various deformation | transformation are possible for it based on the technical idea of this invention.
디스플레이서(11, 12)의 구동방법으로써는 모터 구동방식에 한하지 않고, 냉매가스인 헬률가스의 압력 차를 사용한 가스압 구동방식, 혹은 모터와 가스압 구동의 병용방식이라도 좋다.The drive method of the
상기 실시 형태에서는 축냉기를, 기포드·맥마혼식(Gifford McMahon type)의 냉동기에 사용한 예를 보였지만, 역 스티링(reverse stirling)식 냉동기, 펄스 튜브식 냉동기, 솔베이식 냉동기에도 적용할 수 있다. 또, 그러한 냉동기는 크라이오펌프에 사용해지는 것에 한하지 않고, 초전도 마그네트와 극저온 센서 등의 냉각에도 이용하는 것이 가능하다.In the above embodiment, an example in which a cooler is used in a Gifford McMahon type freezer is shown, but it can also be applied to a reverse stirling freezer, a pulse tube freezer, and a solvay freezer. In addition, such a refrigerator is not limited to being used in a cryopump, but can be used for cooling superconducting magnets and cryogenic sensors.
본 발명의 축냉기에 의하면, 냉매 가스와의 사이에서 열교환을 행하는 축냉 재로써, Sn, Bi-Sn합금, Ag-Sn합금의 어느 것인가를 사용하고 있음으로, 종래와 동등한 성능을 유지하면서, 값싸고 또한 취급성에 뛰어난 것을 제공할 수 있다.According to the cold storage device of the present invention, any one of Sn, Bi-Sn alloy, and Ag-Sn alloy is used as the coolant that performs heat exchange with the refrigerant gas. Inexpensive and excellent in handleability can be provided.
본 발명의 크라이오 펌프에 의하면, 기체 분자를 응축시키는 저온면을 형성하기 위한 축냉식의 냉동기에, 상기 축냉재를 구비한 축냉기를 사용하는 것으로, 성가신 취급과, 형태나 기계적 구조의 변경, 게다가 비용 증가를 필요로 하지 않고, 종래와 동등한 성능의 것을 제공할 수 있다.According to the cryopump according to the present invention, by using a refrigerating machine equipped with the above-mentioned refrigerating material in a refrigerating type freezer for forming a low temperature surface for condensing gas molecules, cumbersome handling, change in form and mechanical structure, and It is possible to provide a performance equivalent to the conventional one without requiring an increase in cost.
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