KR101047398B1 - 크라이오펌프 및 진공배기방법 - Google Patents

크라이오펌프 및 진공배기방법 Download PDF

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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 복사열의 영향을 억제하면서 높은 배기성능을 실현하는 크라이오펌프를 제공한다.
[해결수단] 크라이오펌프(10)는, 배기되어야 할 기체가 진입하는 흡기구(吸氣口)(20)를 가지는 크라이오펌프 용기(12)와, 크라이오펌프 용기(12)의 내부에 설치되는 제2 냉각 스테이지(22)를 구비하는 냉동기(14)와, 제2 냉각 스테이지(22)에 열(熱)적으로 접속되는 중간부재(28)와, 제2 냉각 스테이지(22)보다도 기체 진입방향(A)에 관하여 흡기구(20)로부터 떨어진 위치에 중간부재(28)와의 접속부(32)를 가지며, 접속부(32)로부터 흡기구(20)로 향하여 뻗어 있는 크라이오패널(24)을 구비한다. 예컨대, 매달린 형태의 패널 구조체(16)를 가지는 크라이오펌프(10)가 제공된다.
크라이오펌프, 흡기구, 냉각 스테이지, 냉동기, 크라이오패널

Description

크라이오펌프 및 진공배기방법{Cryopump and evacuation method}
본 발명은, 크라이오펌프 및 진공배기방법에 관한 것이다.
크라이오펌프는, 극저온으로 냉각된 크라이오패널에 기체 분자를 응축 또는 흡착에 의하여 포착하여 배기하는 진공펌프이다. 크라이오펌프는 반도체 회로 제조 프로세스 등에 요구되는 청정한 진공환경을 실현하기 위하여 일반적으로 이용된다.
예컨대 특허문헌 1에는, 가스침입방향에 관하여 열(熱) 실드 패널의 배면 측에 방사(放射) 형상으로 장착되며, 열 실드 패널로부터 배면방향으로 뻗는 복수의 세장판(細長板) 형상 패널을 가지는 크라이오펌프가 기재되어 있다.
[특허문헌 1] 일본국 특허공개 평02－308985호 공보
그러나, 상술한 크라이오펌프에 있어서는, 배기되어야 할 기체가 진입하는 개구에 근접하고 또한 대향하여 열 실드 패널이 설치되어 있다. 이 때문에, 열 실드 패널에 의하여 하부(下部)의 크라이오패널로의 기체의 흐름이 저해되어, 크라이오펌프의 배기속도가 낮아진다. 또한, 크라이오펌프 단면(斷面)의 대부분을 차지하는 비교적 대(大)면적의 열 실드 패널이 크라이오펌프의 개구에 근접하여 배치되어 있기 때문에, 외부로부터의 복사(輻射)에 의한 열 입력이 커진다. 이 때문에 크라이오패널을 충분히 냉각하기 위하여 필요한 소비에너지가 커져 버린다. 또한 크라이오패널 온도가 상승하여, 배기성능에 악영향을 끼칠 우려도 있다.
그래서, 본 발명은, 복사열의 영향을 억제하면서 높은 배기성능을 실현하는 크라이오펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 하나의 형태는, 크라이오펌프에 관한 것이다. 이 크라이오펌프는, 배기되어야 할 기체가 진입하는 흡기구를 가지는 크라이오펌프 용기와, 크라이오펌프 용기 내부에 설치되는 냉각 스테이지를 구비하는 냉동기와, 냉각 스테이지에 열(熱)적으로 접속되는 중간부재와, 냉각 스테이지보다도 기체진입방향에 관하여 흡기구로부터 떨어진 위치에 중간부재와의 접속부를 가지며, 접속부로부터 흡기구로 향하여 뻗어 있는 크라이오패널을 구비한다.
이 형태에 의하면, 크라이오패널은, 흡기구로 향하여 뻗어 있으며, 흡기구로부터 떨어진 위치에서 냉동기의 냉각 스테이지에 접속된다. 이 때문에, 흡기구로부터 진입하는 기체 분자류를 크라이오패널 표면으로 보다 효율적으로 도달시킬 수 있다. 그 결과, 높은 배기속도를 실현할 수 있다. 또한, 크라이오패널은, 냉각 스테이지에 열적으로 접속하기 위한 중간부재에 흡기구로부터 떨어진 위치에서 접속된다. 이로써, 흡기구 외부로부터 중간부재로 입사하는 복사열을 저감할 수 있다. 따라서, 크라이오패널로의 외부로부터의 복사열의 영향을 저감할 수 있다.
본 발명의 다른 형태는, 크라이오펌프에 관한 것이다. 이 크라이오펌프는, 냉동기와, 배기되어야 할 기체가 진입하는 개구를 가지는 열 실드와, 열 실드의 중심부보다도 개구로부터 떨어진 위치에 냉동기에 열적으로 접속하기 위한 접속부를 가지며, 접속부로부터 개구로 향하여 뻗어 있는 크라이오패널을 구비한다.
이 형태에 의하면, 크라이오패널은, 열 실드의 개구로 향하여 뻗어 있으며, 그 개구로부터 떨어진 위치에서 냉동기로 접속된다. 따라서, 외부로부터 진입하는 기체 분자류가 크라이오패널 표면으로 보다 효율적으로 도달 가능하게 되어, 높은 배기속도를 실현할 수 있다. 또한, 크라이오패널은, 개구로부터 떨어진 위치에서 냉동기에 접속되므로, 접속부를 통하여 크라이오패널에 입사하는 복사열을 저감할 수도 있다.
본 발명의 다른 형태는, 크라이오펌프에 관한 것이다. 이 크라이오펌프는, 크라이오펌프 내부 용적에 있어서 소정의 레이아웃으로 배치되는 크라이오패널과, 크라이오패널이 장착되는 패널 장착면을 가지며, 크라이오패널을 상기 레이아웃으 로 지지하는 패널 장착부재를 구비하여도 좋다. 패널 장착부재는, 패널 장착면으로부터 소정의 외부 열원을 보았을 때의 형태계수를 최소로 하도록 배치되어 있어도 좋다.
본 발명의 다른 형태는, 진공배기방법에 관한 것이다. 이 방법에 있어서는, 냉동기와, 배기되어야 할 기체가 진입하는 개구를 가지는 열 실드와, 열 실드에 포위되어서 설치되어 냉동기에 열적으로 접속되어 있는 크라이오패널을 구비하는 크라이오펌프가 사용된다. 이 방법은, 열 실드의 중심부를 넘어서 뻗어 있는 크라이오패널을 열 실드의 중심부보다도 개구로부터 떨어진 위치에서 냉동기에 열적으로 접속하고, 냉동기를 구동하여 크라이오패널을 냉각하여, 크라이오패널 중 적어도 열 실드의 중심부보다도 개구에 근접하는 단부(端部)에서 기체 분자를 포착한다.
본 발명에 의하면, 배기성능이 뛰어난 크라이오펌프가 제공된다.
먼저, 이하에 설명하는 본 발명에 관한 실시예의 개요를 설명한다. 하나의 실시예에 있어서는, 중심위치를 낮게 한 매달린 형태(suspended)의 크라이오패널을 가지는 크라이오펌프가 제공된다. 예컨대 냉동기의 냉각 스테이지보다도 하측에 크라이오패널의 중심위치를 마련한다. 또는, 크라이오펌프 용기 또는 열 실드의 내부 공간의 중심부보다도 하측에 크라이오패널의 중심위치를 마련하여도 좋다. 이와 같 이 크라이오패널을 크라이오펌프 용기의 하방에 배치하기 위하여, 냉각 스테이지로부터 크라이오펌프 용기 하방으로 뻗는 패널 장착부재 또는 중간부재가, 크라이오패널을 기계적으로 지지하면서 또한 냉동기에 열적으로 접속하기 위하여 설치되어도 좋다. 이 패널 장착부재에 의하여 크라이오패널은 냉각 스테이지에 매달린 구성이 된다.
본 명세서에서는 편의상, 크라이오펌프 내부 용적에 있어서 흡기구 근방을 상부 또는 상방이라 부르고, 그 반대 측 즉 크라이오펌프 내부 용적 심부(深部)를 하부 또는 하방이라 부른다. 마찬가지로, 크라이오펌프 용기 내부로부터 흡기구로 향하는 방향을 상향이라 부르고, 반대로 흡기구로부터 크라이오펌프 용기 내부로 향하는 방향을 하향이라 부른다.
크라이오펌프는, 제1 냉각온도 레벨로 냉각되는 제1 크라이오패널과, 제1 냉각온도 레벨보다도 저온인 제2 냉각온도 레벨로 냉각되는 제2 크라이오패널을 구비하여도 좋다. 제1 크라이오패널에는, 제1 냉각온도 레벨에 있어서 증기압이 낮은 기체가 응축에 의하여 포착되어서 배기된다. 예컨대 기준 증기압(예컨대 10-8Pa)보다도 증기압이 낮은 기체가 배기된다. 제2 크라이오패널에는, 제2 냉각온도 레벨에 있어서 증기압이 낮은 기체가 응축에 의하여 포착되어서 배기된다. 제2 크라이오패널에는, 증기압이 높기 때문에 제2 온도 레벨에 있어서도 응축하지 않는 비(非)응축성 기체를 포착하기 위하여 표면에 흡착영역이 형성된다. 흡착영역은 예컨대 패널 표면에 흡착제를 설치함으로써 형성된다. 비응축성 기체는, 제2 온도 레벨로 냉 각된 흡착영역에 흡착되어서 배기된다.
응축된 응축성 기체에 의하여 흡착영역이 덮인 경우에는 비응축성 기체의 흡착영역으로의 접촉이 방해되게 된다. 그렇게 하면 비응축성 기체의 흡착성능이 저하되며, 나아가서는 비응축성 기체의 배기성능이 저하된다. 예컨대 기체의 배기속도도 저하되어, 흡장(吸藏; occlusion)량도 저하된다. 따라서, 비응축성 기체의 배기성능을 유지하기 위하여서는, 흡착영역을 흡기구에 노출하지 않도록 배치하여 응축성 기체가 흡착영역에 쉽게 도달하지 않게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 흡착영역은, 예컨대 제1 크라이오패널, 제2 크라이오패널의 흡착영역 이외의 부분, 또는 크라이오패널과 냉동기를 접속하는 접속부재 등에 의하여 흡기구에 대하여 차폐되는 것이 바람직하다. 흡착영역을 흡기구에 대하여 차폐함으로써, 외부의 열원으로부터 입사하는 복사열의 흡착성능으로의 영향을 저감시킬 수도 있다.
그런데, 크라이오펌프의 용도에 따라서는 흡착영역으로의 응축성 기체의 응축이 그다지 문제가 되지 않는 경우도 있다. 예컨대 이온주입장치용의 크라이오펌프를 들 수 있다. 이 용도에 있어서는 제2 크라이오패널에 응축되는 기체의 사용량은 적으며, 크라이오펌프의 주목적은 비응축성 기체(예컨대 수소)의 배기가 된다. 따라서, 오히려 흡착영역을 흡입구로 향하여 노출함으로써 비응축성 기체를 흡착영역에 도달하기 쉽게 하는 것이 바람직하다. 이로써 높은 배기속도를 실현할 수 있다.
그러나, 단순히 크라이오패널을 흡기구로 향하여 노출한 경우에는, 외부의 열원으로부터의 복사열의 영향을 받게 된다. 특히, 제2 크라이오패널은 예컨대 10K 내지 20K 정도의 극저온으로 냉각되므로, 설령 크라이오펌프 외부가 상온이었다고 해도 복사열의 영향이 크다. 특히, 노출되어 있는 크라이오패널 표면에 흡착제(예컨대 활성탄)가 접착되어 있는 경우에는, 패널 표면의 복사율(즉 흡수율)이 높아져, 한층 더 복사열의 영향을 받는다. 복사의 열 입력에 의하여, 흡착되어 있던 기체 분자가 재방출될 수 있다. 또한, 복사열 입력에 저항하여 제2 크라이오패널을 필요한 온도 레벨로 냉각하여 유지하기 위하여, 높은 냉동능력을 가지는 냉동기를 필요로 하게 된다. 혹은 냉동기의 소비에너지가 커진다.
그래서, 본 발명의 하나의 실시예에 관한 크라이오펌프는, 매달린 형태의 크라이오패널을 가진다. 이로써, 크라이오패널을 흡기구에 노출시키면서 크라이오펌프 내부 용적의 심부에 배치하여 흡기구로부터의 거리를 크게 취하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 노출된 크라이오패널 흡착영역으로의 복사열의 영향을 억제하면서, 비응축성 기체에 대한 높은 배기성능을 실현하는 것이 가능하게 된다.
크라이오패널의 노출에 의한 배기속도의 향상은, 요구되는 배기속도를 실현하는 흡착영역 면적의 저감에 기여한다. 패널의 노출에 의하여 기체의 흐름성이 양호하게 되어, 흡착영역의 단위 면적당 배기속도가 높아지기 때문이다. 즉, 요구 배기속도를 실현하기 위하여 필요한 흡착영역 면적이 적게 된다. 그 결과, 필요한 패널 면적도 저감된다. 그와 함께 크라이오패널 구조체의 중량도 저감된다.
패널 중량의 저감에 의하여, 크라이오펌프 재생처리의 소요시간이 단축된다. 크라이오펌프는 소위 축적식의 진공펌프이기 때문에, 내부에 축적된 기체를 적절한 빈도로 외부로 배출하는 재생처리가 실행된다. 재생은, 크라이오패널로서의 동작온 도보다도 고온(예컨대 상온)으로 크라이오패널을 승온(昇溫)시키고, 패널 표면에 응축 또는 흡착되어 있는 기체를 재방출시켜서 외부로 배출하여, 다시 크라이오패널의 동작온도로 냉각하는 처리이다. 재생시간을 정하는 하나의 큰 요인은, 재냉각에 필요한 시간이다. 재냉각시간은, 패널 구조체 중량에 상관한다. 따라서, 본 실시예에 의하면 패널 구조체의 중량이 저감되므로, 재냉각시간이 단축되어, 재생시간도 단축된다.
상술한 설계 컨셉의 하나의 구체예에 관한 크라이오펌프는, 크라이오펌프 용기와, 냉동기와, 중간부재와, 크라이오패널을 구비한다. 크라이오펌프 용기는, 배기되어야 할 기체가 진입하는 흡기구를 가진다. 냉동기는, 크라이오펌프 용기 내부에 설치되는 냉각 스테이지를 구비한다. 중간부재는, 크라이오패널과 냉각 스테이지를 열적으로 접속한다. 크라이오패널은, 냉각 스테이지보다도 하방에 중간부재와의 접속부를 가지며, 접속부로부터 상향으로 뻗어 있다.
다른 구체예에 관한 크라이오펌프는, 냉동기와, 크라이오패널을 구비한다. 크라이오패널은, 크라이오펌프 내부 용적의 중심부보다도 하방에 냉동기에 열적으로 접속하기 위한 접속부를 가지며, 접속부로부터 상향으로 뻗어 있다.
다른 구체예에 관한 크라이오펌프는, 크라이오패널과, 패널 장착부재를 구비한다. 크라이오패널은, 크라이오펌프 내부 용적에 있어서 소정의 레이아웃으로 배치된다. 패널 장착부재는, 크라이오패널이 장착되는 패널 장착면을 가지며, 크라이오패널을 기정(旣定)의 레이아웃으로 지지한다. 패널 장착부재는, 패널 장착면으로부터 소정의 외부 열원을 보았을 때의 형태계수를 실질적으로 최소로 하도록 배치 된다. 패널 장착면은 예컨대 크라이오펌프 개구에 대향하는 평면이더라도 좋다. 이 경우, 패널 장착부재는, 패널 장착면으로부터 소정의 외부 열원을 보았을 때의 형태계수를 실질적으로 최소로 하도록 패널 장착면의 법선(法線) 방향의 위치가 정해져 있어도 좋다.
크라이오패널의 표면에는 기체를 응축 또는 흡착에 의하여 포착하여 배기하기 위한 극저온면이 형성된다. 크라이오패널 표면의 적어도 일부에는 기체를 흡착하기 위한 흡착제가 장착되어 흡착영역이 형성된다. 흡착영역의 적어도 일부는, 크라이오펌프 개구면에 노출된다. 흡착제로서는, 예컨대 활성탄이 사용된다. 크라이오패널의 양면의 전역(全域)에 가루 형상의 활성탄이 접착되어, 패널의 전체 표면이 흡착영역으로 되어 있어도 좋다.
도 1 및 도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 크라이오펌프(10)의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이다. 크라이오펌프(10)는, 예컨대 이온주입장치나 스퍼터링장치 등의 고(高)진공 환경을 필요로 하는 장치의 진공챔버에 장착되어, 진공챔버 내부의 진공도를 소망의 프로세스에 요구되는 수준으로까지 높이기 위하여 사용된다. 예컨대 10-5Pa 내지 10-8Pa 정도의 높은 진공도가 실현된다.
크라이오펌프(10)는, 펌프 용기(12)와, 냉동기(14)와, 패널 구조체(16)와, 열 실드(18)를 포함하여 구성된다. 도 1에 나타나는 크라이오펌프(10)는, 소위 횡형 크라이오펌프이다. 횡형 크라이오펌프(10)란 일반적으로, 통 형상의 열 실드(18)의 축 방향으로 교차하는 방향(통상은 직교방향)을 따라서 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)가 열 실드(18)의 내부에 삽입되어 배치되어 있는 크라이오펌프(10)이다.
또한, 본 발명은 소위 종형 크라이오펌프에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 종형 크라이오펌프란, 열 실드(18)의 축 방향을 따라서 냉동기(14)가 삽입되어 배치되어 있는 크라이오펌프이다.
도 1은, 펌프 용기(12) 및 열 실드(18)의 중심축을 포함하여, 냉동기(14)의 중심축에 직교하는 평면에 의한 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 1에서는, 진공챔버로부터 크라이오펌프 내부로의 기체의 진입방향을 화살표(A)로 나타내고 있다. 또한, 도 2는, 기체 진입방향(A)으로부터 보았을 때의 패널 구조체(16)를 모식적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 기체 진입방향(A)은, 크라이오펌프 외부로부터 내부로 향하는 방향이라고 이해해야 한다. 도면에 있어서 기체 진입방향(A)이 크라이오펌프(10)의 축 방향에 평행하게 되어 있는 것은, 편의상 설명을 이해하기 쉽게 하기 위함에 지나지 않는다. 크라이오펌핑 처리에 있어서 크라이오펌프 내부로 진입하는 기체 분자의 실제 진입방향은, 당연히, 도시되는 기체 진입방향(A)에 엄밀하게 일치하는 것이 아니라, 오히려 기체 진입방향(A)에 교차하는 방향인 것이 보통이다.
펌프 용기(12)는, 일단(一端)에 개구(20)를 가지며 타단(他端)이 폐쇄되어 있는 원통 형상으로 형성된 부위를 가진다. 펌프 용기(12)의 내부에 패널 구조체(16) 및 열 실드(18)가 설치되어 있다. 개구(20)는, 배기되어야 할 기체가 진입하는 흡기구로서 마련되어 있다. 개구(20)는 펌프 용기(12)의 통 형상 측면의 상단 부 내면에 의하여 구획 설정된다. 펌프 용기(12)의 상단부에는 직경방향 외측으로 향하여 장착플랜지(30)가 뻗어 있다. 크라이오펌프(10)는, 배기대상 용적인 이온주입장치 등의 진공챔버에 장착플랜지(30)를 이용하여 장착된다. 여기서 펌프 용기(12)의 단면은 원 형상에 한정되지는 않고, 다른 형상 예컨대 타원 형상이나 다각형 형상이더라도 좋다.
냉동기(14)는, 예컨대 기포드 맥마흔(Gifford－McMahon)식 냉동기(소위 GM 냉동기)이다. 또한 냉동기(14)는 2단식 냉동기이며, 제1 냉각 스테이지(미도시) 및 제2 냉각 스테이지(22)를 가진다. 제2 냉각 스테이지(22)는, 펌프 용기(12) 및 열 실드(18)에 포위되어, 펌프 용기(12) 및 열 실드(18)의 내부 공간의 중심부에 배치되어 있다. 제1 냉각 스테이지는 제1 냉각온도 레벨로 냉각되며, 제2 냉각 스테이지(22)는 제1 냉각온도 레벨보다도 저온인 제2 냉각온도 레벨로 냉각된다. 제2 냉각 스테이지(22)는 예컨대 10K 내지 20K 정도로 냉각되며, 제1 냉각 스테이지는 예컨대 80K 내지 100K 정도로 냉각된다. 여기서, 제1 실시예에 관한 크라이오펌프(10)에 있어서, 도 6을 참조하여 후술하는 제2 실시예에 관한 크라이오펌프(10)의 냉동기(14)를 이용하는 것도 가능하다.
열 실드(18)는, 냉동기(14)의 제1 냉각 스테이지에 열적으로 접속된 상태에서 고정되어, 제1 냉각 스테이지와 같은 정도의 온도로 냉각된다. 열 실드(18)는, 패널 구조체(16) 및 제2 냉각 스테이지(22)를 주위의 복사열로부터 보호하는 복사 실드로서 설치되어 있다. 열 실드(18)도 펌프 용기(12)와 마찬가지로, 일단에 개구를 가지며 타단이 폐쇄되어 있는 원통 형상으로 형성되어 있다. 열 실드(18)는 컵 형상으로 형성되어 있다. 펌프 용기(12) 및 열 실드(18)는 함께 대략 원통 형상으로 형성되어 있으며, 같은 축에 설치되어 있다. 펌프 용기(12)의 내경이 열 실드(18)의 외경을 약간 상회하고 있어, 열 실드(18)는 펌프 용기(12)의 내면과의 사이에 약간의 간격을 가지고 펌프 용기(12)와는 비접촉 상태로 배치된다.
열 실드(18)의 내부 공간의 중심부에 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)가 배치되어 있다. 냉동기(14)는 열 실드(18)의 측면의 개구로부터 삽입되며, 그 개구부에 제1 냉각 스테이지가 장착된다. 따라서, 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)는, 열 실드(18)의 중심축 상에 있어서 개구(20)와 최심부의 중간에 배치된다.
여기서 열 실드(18)의 형상은, 원통 형상에 한정되지는 않고, 각통(角筒) 형상이나 타원통 형상 등 어떤 단면의 통 형상이더라도 좋다. 전형적으로는 열 실드(18)의 형상은 펌프 용기(12)의 내면 형상에 상사(相似)하는 형상으로 된다. 또한, 열 실드(18)는 도시되는 바와 같은 일체(一體)의 통 형상으로 구성되어 있지 않아도 좋으며, 복수의 부품에 의하여 전체로서 통모양의 형상을 이루도록 구성되어 있어도 좋다. 이들 복수의 부품은 서로 간극을 가지고 설치되어 있어도 좋다.
또한 열 실드(18)의 개구에는 배플(23)이 설치되어 있다. 본 실시예에서는 배플(23)은, 루버이다. 루버(23)는, 패널 구조체(16)와는 열 실드(18)의 중심축 방향으로 간격을 두고 설치되어 있다. 루버(23)는, 열 실드(18)의 개구 측의 단부(端部)에 장착되어 있으며, 열 실드(18)와 같은 정도의 온도로 냉각된다. 루버(23)는, 기체 진입방향(A)으로부터 보았을 때에 예컨대 동심원 형상으로 형성되어 있어도 좋고, 혹은 격자 형상 등 다른 형상으로 형성되어 있어도 좋다. 여기서, 루버(23) 와 진공챔버 사이에는 게이트 밸브(미도시)가 설치되어 있다. 이 게이트 밸브는 예컨대 크라이오펌프(10)를 재생할 때에 닫히고, 크라이오펌프(10)에 의하여 진공챔버를 배기할 때에 열린다.
패널 구조체(16)는, 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)에 열적으로 접속된 상태에서 고정되어 있으며, 제2 냉각 스테이지(22)와 같은 정도의 온도로 냉각된다. 패널 구조체(16)는, 복수의 크라이오패널(24)과, 접속부재(26)와, 중간부재(28)를 구비한다. 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)에 접속부재(26)가 장착되고, 접속부재(26)에 중간부재(28)가 장착되며, 중간부재(28)에 복수의 크라이오패널(24)이 장착된다. 크라이오패널(24), 접속부재(26), 및 중간부재(28)는 함께 예컨대 구리 등의 재질로 형성된다. 구리를 기초재료로 하여 표면을 니켈로 도금한 것을 이용하여도 좋다. 또한, 구리 대신에, 알루미늄으로 크라이오패널(24) 등을 형성하여도 좋다. 열 전도도를 중시하는 경우에는 구리를 이용하면 좋고, 경량화 나아가서는 재생시간의 단축을 중시하는 경우에는 알루미늄을 이용하여도 좋다.
접속부재(26)는, 패널 구조체(16)를 제2 냉각 스테이지(22)에 열적으로 접속하고 또한 기계적으로 지지하기 위한 연결부재로서 설치되어 있다. 중간부재(28)는, 접속부재(26)를 통하여 복수의 크라이오패널(24)을 제2 냉각 스테이지(22)에 열적으로 접속하며, 또한 크라이오패널(24)을 지지하는 패널 장착부재로서 설치되어 있다. 또한, 접속부재(26) 및 중간부재(28)를 함께 패널 장착부재라고 간주할 수도 있다. 접속부재(26)와 중간부재(28)는, 별개의 부재로서 형성되어 있어도 좋으며, 일체로 형성되어 있어도 좋다. 크라이오패널(24)은, 중간부재(28) 및 접속부 재(26)를 통하여 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)에 열적으로 접속되어, 제2 냉각 스테이지(22)와 같은 정도의 온도로 냉각된다. 중간부재(28) 및 접속부재(26)도 마찬가지로 제2 냉각 스테이지(22)와 같은 정도의 온도로 냉각된다.
패널 구조체(16)는 전체로서, 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)로부터 하방 또는 열 실드(18)의 심부로 향하여 접속부재(26)에 의하여 매달린 구성을 가진다. 접속부재(26)는, 패널 구조체(16)를 냉동기(14)에 매달아서 지지하는 매달기 부재이다. 이 때문에, 패널 구조체(16)를 개구(20)로부터 떨어뜨려 배치할 수 있다. 그 결과, 개구(20)를 통하여 패널 구조체(16)에 입사하는 복사열을 저감할 수 있다. 또한, 패널 구조체(16)와 개구(20) 사이의 공간을 이용하여 크라이오패널 면적을 비교적 크게 하는 것도 가능하게 되어, 크라이오펌프의 배기성능의 향상에도 기여한다.
접속부재(26)는, 중간부재(28)를 제2 냉각 스테이지(22)에 매달아서 지지한다. 중간부재(28)는, 제2 냉각 스테이지(22)보다도 기체 진입방향(A)에 관하여 개구(20)로부터 떨어진 위치에 배치된다. 중간부재(28)는, 복수의 크라이오패널(24)의 말단부를 지지한다. 크라이오패널(24)은 중간부재(28)로부터 상방 또는 열 실드(18)의 개구(20)로 향하여 뻗어 있다.
따라서, 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)로부터 크라이오패널(24)의 선단으로의 전열(傳熱) 경로는, 열 실드(18) 내부에 있어서 사행(蛇行)한다. 즉, 냉동기(14)로부터 크라이오패널(24)의 선단으로의 전열 경로는, 제2 냉각 스테이지(22)로부터 열 실드(18)의 심부로 뻗으며, 다시 접혀서 열 실드(18)의 개구(20) 로 향하여 뻗는다. 전열 경로는 중간부재(28)에 있어서 접힌다. 패널 구조체(16)를 이와 같은 접힘 구조로 함으로써, 크라이오패널 면적을 크게 할 수 있다. 이로써, 크라이오펌프(10)에 높은 배기성능을 실현하는 것이 가능하게 된다.
크라이오패널 표면의 적어도 일부에는 기체를 흡착하기 위한 흡착제를 설치하기 위한 흡착제 접착면이 형성된다. 본 실시예에서는, 크라이오패널(24)의 양면의 전역이 흡착제 접착면으로 된다. 본 실시예에서는, 크라이오패널(24)의 양면의 전역에 흡착제(25)가 접착되어 전체 표면이 흡착영역으로 되어 있다. 흡착제(25)는 예컨대, 가루 형상의 활성탄이다. 모든 흡착제 접착면이 개구(20)에 노출되어 있다.
크라이오패널(24)은, 중간부재(28)에 접속되는 말단부인 접속부(32)와, 개구(20)에 가장 근접하는 선단부(34)와, 접속부(32)와 선단부(34)를 접속하는 중간부(36)를 가진다. 본 실시예에서는, 접속부(32)와 선단부(34)와 중간부(36)는 1개의 플레이트에 의하여 형성되어 있다. 접속부(32)와 선단부(34)와 중간부(36)는 각각이 별개로 형성되며, 서로 연결되어 1개의 크라이오패널(24)이 형성되어도 좋다. 크라이오패널(24)은, 접속부(32)가 중간부재(28)에 장착된다. 예컨대 접속부(32)의 말단에 플랜지가 형성되며, 볼트 및 너트 등의 적절한 고정수단에 의하여 그 플랜지가 중간부재(28)에 장착된다. 여기서, 크라이오패널(24)과 중간부재(28)가 일체의 부재로서 형성되어 있어도 좋다.
중간부재(28)가 제2 냉각 스테이지(22)보다도 기체 진입방향(A)에 관하여 개구(20)로부터 떨어진 위치에 배치되어 있으므로, 크라이오패널(24)의 접속부(32)도 마찬가지로 제2 냉각 스테이지(22)보다도 개구(20)로부터 떨어진 위치에 배치된다. 크라이오패널(24)은, 접속부(32)로부터 개구(20)로 향하여 뻗어 있다. 크라이오패널(24)의 선단부(34)는, 열 실드(18)의 중심부 및 제2 냉각 스테이지(22)보다도 기체 진입방향(A)에 관하여 개구(20)에 근접하는 위치에 배치된다. 크라이오패널(24)의 중간부(36)는, 기체 진입방향(A)에 관하여 열 실드(18)의 중심부 및 제2 냉각 스테이지(22)에 상당하는 위치에 배치된다. 크라이오패널(24)은, 열 실드(18)의 내부 공간의 중심부를 넘어서 접속부(32)로부터 선단부(34)로 기체 진입방향(A)을 따라서 뻗어 있다.
본 실시예에서는 열 실드(18)와 펌프 용기(12)는 거의 상사 형상이므로, 크라이오패널(24)의 접속부(32)는, 펌프 용기(12)의 중심부보다도 기체 진입방향(A)에 관하여 개구(20)로부터 떨어져 있다. 또한, 크라이오패널(24)의 선단부(34)는, 펌프 용기(12)의 중심부보다도 기체 진입방향(A)에 관하여 개구(20)에 근접하고 있다. 이와 같이, 크라이오패널(24)이 기체 진입방향(A)에 관하여 열 실드(18) 또는 펌프 용기(12)의 중심부를 넘어서 뻗어 있음으로써, 기체 진입방향(A)을 따라서 배치되는 크라이오패널 면적을 크게 할 수 있다. 이로써, 크라이오펌프(10)에 높은 배기성능을 실현하는 것이 가능하게 된다.
또한, 크라이오패널(24)은, 선단부(34)가 열 실드(18) 또는 펌프 용기(12)의 중심부보다도 하방 또는 심부에 배치되어 있어도 좋다. 마찬가지로, 크라이오패널(24)의 선단부(34)는, 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)보다도 하방에 배치되어 있어도 좋다. 이 경우, 크라이오패널(24)은, 선단부(34)에 있어서 접힘 구조를 가지며, 크라이오펌프 하방으로 향하여 다시 뻗어 있도록 하여도 좋다. 즉, 크라이오패널(24)은, 접속부(32)로부터 선단부(34)로 뻗어서, 선단부(34)에 있어서 크라이오펌프 하방으로 향하여 접히도록 형성되어 있어도 좋다. 이와 같이 하면, 기체 진입방향(A)에 있어서의 크라이오패널(24)의 길이를 억제하면서 패널 면적을 크게 할 수 있다. 또한, 복사열을 피하기 위하여 패널 구조체(16)를 펌프 바닥부에 콤팩트하게 설치하는 것도 가능하게 된다. 크라이오패널(24)의 선단부(34)의 위치 및 형상 등은 예컨대, 크라이오펌프(10)로의 요구 배기성능과 외부로부터의 복사열의 영향을 고려하여 정하면 좋다.
크라이오패널(24)은, 개구(20) 또는 루버(23)로부터 간격을 두고 열 실드(18)의 내부에 배치되며, 개구(20) 또는 루버(23)에 대하여 노출되어 있다. 크라이오패널(24)과 개구(20) 또는 루버(23) 사이에는 상부 공간(38)이 형성된다. 상부 공간(38)에는, 펌프 외부로부터 보았을 때에 크라이오패널(24)을 차폐하는 차폐부재가 설치되어 있지 않다. 이 때문에, 상부 공간(38)은, 외부로부터의 진입 기체의 크라이오패널(24)로의 흐름성의 향상에 기여한다. 따라서, 크라이오패널(24)의 단위 면적당 배기속도가 향상된다.
크라이오패널(24)은, 적어도 접속부(32)가 개구(20)로 향하여 노출된다. 본 실시예에서는, 크라이오패널(24)의 선단부(34) 및 중간부(36)도 개구(20)로 향하여 노출된다. 이 때문에, 크라이오패널(24)의 전체가 개구(20)로 향하여 노출되어 있다. 따라서, 크라이오패널(24)은, 외부로부터 열 실드(18)의 내부 공간에 진입한 기체 분자를 표면 전역에서 직접적으로 받을 수 있다. 크라이오패널(24)의 흡착제 접착면의 전체가 기체 분자를 직접적으로 받을 수 있다. 따라서, 흡착제(25)가 개구(20)에 대하여 차폐되어 있는 구성과는 달리, 효율적으로 기체를 처리할 수 있다. 본 실시예에서는 크라이오패널(24)의 전체 표면이 흡착영역으로 되어 있으므로, 수소 등의 비응축성 기체를 효율적으로 배기할 수 있다. 이와 같은 패널구성은, 비응축성 기체를 주된 배기기체로 하는 예컨대 이온주입장치용 크라이오펌프로서 바람직하다.
또한, 크라이오패널(24)은, 기체 진입방향(A)에 평행하게 배치되어 있다. 본 실시예에서는 크라이오패널(24)은 중간부재(28)에 수직으로 입설(立設)되어 있다. 따라서 크라이오패널(24)은 개구(20)에 대하여 수직으로 배치되어 있다. 크라이오패널(24)의 양면을 균등하게 배기에 이용할 수 있으므로, 효율적으로 기체를 배기할 수 있다. 그러나, 기체의 흐름성 및 외부로부터의 복사열 등을 종합적으로 고려하여, 기체 진입방향(A)에 교차하도록 크라이오패널(24)을 경사시켜서 배치하여도 좋다.
본 실시예에서는 도 2에 나타내는 바와 같이, 크라이오패널(24)은 각각 방사 형상으로 배치된다. 냉동기(14)의 삽입에 필요하게 되는 부위를 제외하고, 크라이오패널(24)은 등간격(等間隔)으로 배치되어 있다. 예컨대 10도 내지 20도의 등각도 간격으로 크라이오패널(24)은 배치되어 있다. 크라이오패널(24)은 원판 형상의 중간부재(28)의 직경방향 외주 측에 설치되어 있으며, 중간부재(28)의 중심부에는 패널에 포위되는 원기둥 형상 공간이 형성된다. 크라이오패널(24)의 폭은 중간부재(28)의 직경방향에 있어서 예컨대 최외주부로부터 중간부재(28)의 반경의 절반 정도의 위치까지를 차지하도록 설정되어 있다. 이 경우 중간부재(28)의 중심부에는 중간부재(28)의 직경의 절반 정도의 직경을 가지는 원기둥 형상 공간이 형성된다. 이와 같이, 크라이오패널(24)을 중간부재(28)의 표면에서 방사 형상으로 배치하는 경우에는 패널을 중간부재 표면의 외주 측에 설치하여 중심부에 개방 공간을 형성하는 것이 바람직하다. 이로써 중심부에서의 패널의 밀집을 피할 수 있으므로 기체의 흐름성을 양호하게 할 수 있다.
또한 상술한 실시예와는 다른 패널 배치를 채용하여도 좋다. 예컨대, 방사 형상의 패널 배치가 아니라, 각 패널을 평행하게 배열하거나, 격자 형상으로 배치하여도 좋다. 각 패널의 간격은 공통이더라도 좋고, 다르게 하여도 좋다. 혹은, 중간부재(28)의 최외주부에 중간부재(28)와 동일 직경의 원통 형상 외주패널을 설치하여도 좋다. 외주패널에 더하여 소경(小徑)의 동심원통 패널을 더욱 설치하여도 좋다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 크라이오패널(24)은, 접속부(32)로부터 선단부(34)로 향하여 연속적으로 폭이 확장된 사다리꼴 형상을 가진다. 크라이오패널(24)의 외주 측의 측단부는 기체 진입방향(A)에 평행하게 되며, 내주 측의 측단부는 기체 진입방향(A)에 교차하는 방향으로 뻗어 있다. 크라이오패널(24)의 형상은, 도 1에 나타나는 사다리꼴 형상에 한정되지는 않고, 직사각형 형상이더라도 좋으며, 다른 형상이더라도 좋다. 또한, 각 크라이오패널(24)의 형상은, 서로 달라도 좋으며, 예컨대 복수 종류의 형상의 크라이오패널을 혼재시켜도 좋다. 예컨대, 대형의 크라이오패널과 소형의 크라이오패널을 혼재시켜서 배치하여도 좋다.
중간부재(28)는, 예컨대 원판모양의 형상을 가지는 평판 형상의 부재이다. 중간부재(28)의 표면 즉 개구(20)로 향하는 면이 패널 장착면이 된다. 패널 장착면은 원형의 평면이다. 여기서, 중간부재(28)는 원판 형상의 평판부재가 아니더라도 좋으며, 다른 형상의 평판부재이더라도 좋다. 혹은 중간부재(28)는 만곡(灣曲) 형상 또는 굴곡 형상을 가지고 있어도 좋으며, 예컨대 중심부에 근접할수록 개구(20)로 향하여 근접하는 바와 같은 돔 형상이더라도 좋다. 이 경우, 패널 장착면은, 돔 형상의 만곡면이 된다.
또한, 중간부재(28)의 하면에도 패널 장착면을 형성하여 복수의 크라이오패널(24)을 장착하여도 좋다. 이 경우, 인접하는 패널 사이에 있어서, 기체의 유통을 촉진시키기 위한 슬릿을 중간부재(28)에 형성하여도 좋다. 이와 같이 하면 크라이오펌프 바닥부 측으로 향하여 입설되어 있는 패널로의 기체유통을 촉진시킬 수 있다.
접속부재(26)는, 예컨대 제2 냉각 스테이지(22)를 포위하도록 형성되어 있다. 접속부재(26)는, 개구(20) 측의 일단에 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)에 장착되는 냉동기 장착부를 가지며, 펌프 바닥부 측의 타단에 중간부재(28)에 장착하기 위한 플랜지가 형성되어 있다. 냉동기 장착부의 주위로부터 매달기부가 펌프 하방으로 향하여 뻗어, 매달기부의 말단에 플랜지가 형성된다. 접속부재(26)의 플랜지는, 볼트 및 너트 등의 적절한 고정수단에 의하여 중간부재(28)에 장착된다.
접속부재(26)와 크라이오패널(24)은 중간부재(28)를 통하여 간접적으로 접속된다. 그러나, 크라이오패널(24)의 선단부(34)로의 열 전도성을 향상시키기 위하 여, 크라이오패널(24)의 선단부(34)에 접속부재(26)를 직접 접속하는 전열 경로를 마련하여도 좋다. 이 전열 경로는, 기체의 흐름성으로의 영향을 최소화하도록 형성되는 것이 바람직하며, 예컨대 기체 진입방향(A)에 평행하게 배치되는 면으로 구성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 실시예에 있어서는, 크라이오패널(24)은 예컨대 방사 형상으로 또한 등간격의 레이아웃으로 배치된다. 패널 장착면을 가지는 패널 장착부재로서의 중간부재(28)는, 패널 장착면으로부터 소정의 외부 열원을 보았을 때의 형태계수를 최소로 하도록 배치된다. 패널 장착면은 예컨대 크라이오펌프(10)의 개구(20)에 대향하며 또한 평행하게 배치되는 원형의 평면이며, 패널 장착면으로부터 소정의 외부 열원을 보았을 때의 형태계수를 최소로 하도록 기체 진입방향(A)에 관한 중간부재(28)의 위치가 설정된다. 형태계수를 최소화하도록 패널 장착면의 위치가 정해짐으로써, 패널 장착면으로의 외부로부터의 복사열 입력을 최소화할 수 있다. 따라서, 패널 구조체(16)에 입사하는 복사열을 저감할 수 있다.
일반적으로, 2개의 면(A1) 및 면(A2) 사이의 복사열(Q)은, 면(A1)으로부터 면(A2)을 보았을 때의 형태계수(geometric factor)(Ø12)를 이용하여, 다음 식으로 표현된다.
Q＝εσ(T1 4－T2 4)A1Ø12
즉, 복사열(Q)은 형태계수(Ø12)에 의존한다. 형태계수(Ø12)가 클수록 복사 열(Q)이 커진다. 여기서, ε은 복사율(즉 흡수율)이고, σ은 슈테판·볼츠만 정수이며, T1 및 T2는 각각 면(A1) 및 면(A2)의 온도이고, A1은 면(A1)의 면적이다.
복사열(Q)은 복사율(ε)에 비례한다. 복사율(ε)은 흑체(黑體)의 경우 ε＝1이다. 구리의 표면에 니켈도금이 되어 있는 경우에는, 복사율(ε)은 표면온도가 예컨대 20K일 때 0.027이다. 이에 대하여, 활성탄은 흑체라고 생각되기 때문에, 금속의 패널 표면에 비하여 복사율(ε)이 극히 크다. 또한 흡착제로서 활성탄 이외의 것을 사용한다고 해도, 복사율(ε)은 금속면에 비하면 상당히 커진다. 따라서, 흡착제가 크라이오펌프 개구면에 노출되어 있는 경우에는, 흡착제를 통하여 크라이오패널에 입사하는 복사열이 커진다.
형태계수(Ø12)는, 일반적으로 다음의 수학식 1로 표현된다.
Figure 112008087720758-pat00001
여기서, Ai(i＝1,2)은, 면(Ai)의 면적이고, l은 dA1과 dA2 사이의 거리이며, βi는 dAi(i＝1,2)의 법선 방향과 l이 이루는 각도이다.
따라서, 크라이오펌프(10)의 중심축 상에서 패널 장착면을 향하는 미소(微小) 외부 열원을 가정하면, 패널 장착면의 방향, 패널 장착면의 면적, 및 크라이오펌프(10)의 중심축 상에서의 패널 장착면의 위치를 정함으로써 형태계수가 주어진다. 상술한 바와 같이 패널 장착면이 예컨대 크라이오펌프(10)의 개구(20)에 대향 하여 평행하게 배치되는 원형의 평면인 경우에는, 패널 장착면의 직경을 작게 함과 함께 크라이오펌프(10)의 중심축 상에 있어서(즉 기체 진입방향(A)에 있어서) 패널 장착면을 펌프 바닥부에 근접시킴으로써 형태계수를 작게 할 수 있다. 거리(l)의 형태계수로의 기여가 대향적으로 크다고 생각되기 때문에, 펌프 중심축 상에서의 패널 장착면의 위치만을 변수로 하여 형태계수를 최소화하여도 좋다.
본 실시예에 있어서의 방사 형상 크라이오패널 배치에 있어서 패널 장착면의 형태계수를 최소화하기 위하여서는, 크라이오패널(24)의 펌프 하방의 단부(즉 접속부(32))에 상당하는 위치에 패널 장착면을 형성하면 좋게 된다. 외부 열원과 패널 장착면의 거리가 최대화되기 때문이다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 소망의 배기성능을 실현하는 크라이오패널 레이아웃이, 최소의 형태계수가 되는 패널 장착면에 의하여 지지된다. 이 때문에, 요구 배기성능의 실현과 복사열 입력의 저감의 양립을 도모할 수 있다.
또한, 패널 장착면 및 패널 장착부재가 열 실드(18)의 최심부 또는 측부에 근접하는 경우에는, 열 실드(18)로부터의 복사도 가미하여 패널 장착면의 배치 및 형상을 설계하여도 좋다.
상술한 크라이오펌프(10)의 작동 시에는, 먼저 그 작동 전에 다른 적당한 러핑펌프(roughing pump)를 이용하여 배기대상 용적 예컨대 이온주입장치의 진공챔버 내부를 1Pa 정도까지 러핑한다. 그 후 크라이오펌프(10)를 작동시킨다. 냉동기(14)의 구동에 의하여 제1 냉각 스테이지 및 제2 냉각 스테이지(22)가 냉각되며, 열 실드(18), 루버(23), 및 패널 구조체(16)도 접속처의 냉각 스테이지의 냉각온도 레벨 로 냉각된다. 크라이오패널(24)은, 제2 냉각 스테이지(22)에 의하여, 접속부재(26) 및 중간부재(28)를 포함하는 사행형 전열 경로를 통하여 냉각된다.
냉각된 루버(23)는, 배기대상 용적으로부터 크라이오펌프(10) 내부로 향하여 비래(飛來)하는 기체 분자를 냉각하여, 그 냉각온도로 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예컨대 수분 등)를 표면에 응축시켜서 배기한다. 루버(23)의 냉각온도에서는 증기압이 충분히 낮아지지 않는 기체는 루버(23)를 통과하여 열 실드(18) 내부로 진입한다. 진입한 기체 분자 중 패널 구조체(16)의 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예컨대 아르곤 등)는, 패널 구조체(16)의 표면에 응축되어서 배기된다. 그 냉각온도에서도 증기압이 충분히 낮아지지 않는 기체(예컨대 수소 등)는, 패널 구조체(16)의 표면의 흡착제에 의하여 흡착되어서 배기된다.
이온주입장치의 진공챔버를 배기하는 경우에는 기체의 대부분이 수소이다. 크라이오패널(24)의 선단부(34)는 크라이오펌프 개구면에 대하여 노출되어 있으며, 선단부(34)에 설치되어 있는 흡착제(25)에 의하여 수소가스는 특히 효율적으로 흡착되어 배기된다. 크라이오패널(24)의 중간부(36) 및 접속부(32)도 크라이오펌프 개구면에 대하여 노출되어 있으므로, 이들 부위에서도 진입 기체가 효율적으로 배기된다. 이와 같이 하여 크라이오펌프(10)는 진공챔버 내부의 진공도를 소망의 레벨에 도달시킬 수 있다.
여기서, 도 3에 나타나는 크라이오펌프(100)와 비교하여, 본 실시예에 있어서의 배기효율의 향상 및 재생시간의 단축에 대하여 설명한다. 도 3에 나타나는 크라이오펌프(100)는, 패널 구조체(116)의 구성을 제외하고, 도 1에 나타나는 크라이 오펌프(10)와 마찬가지의 구성을 가진다. 크라이오펌프(100)는, 펌프 용기(112), 냉동기(114), 패널 구조체(116), 열 실드(118)를 구비한다. 크라이오펌프(100)는 횡형 크라이오펌프이며, 열 실드(118)의 중심축에 수직으로 냉동기(114)가 삽입되어, 냉동기(114)의 제2 냉각 스테이지(122)가 열 실드(118)의 중심에 배치되어 있다. 흡기구가 되는 열 실드(118)의 개구(120)에는 루버(123)가 설치되어 있다.
패널 구조체(116)는, 크라이오패널(130), 패널 장착부재(132), 및 냉동기 장착부재(134)를 구비한다. 크라이오패널(130)은, 개구(120) 근방의 말단에서 패널 장착부재(132)의 하면에 장착되어, 펌프 하방으로 향하여 뻗어 있다. 패널 장착부재(132)는, 냉동기(114)의 제2 냉각 스테이지(122)와 루버(123) 사이에 있어서 개구(120)에 평행하게 배치되어 있는 원판 형상 부재이다. 패널 장착부재(132)는, 외부로부터 크라이오패널(130)로의 복사열을 저감하는 복사 실드이다. 패널 장착부재(132)의 하면 중심부와 제2 냉각 스테이지(122)를 냉동기 장착부재(134)가 접속하고 있다. 크라이오패널(130)은, 패널 장착부재(132) 및 냉동기 장착부재(134)를 통하여 냉동기(114)의 제2 냉각 스테이지(122)에 열적으로 접속되어 있다. 크라이오패널(130)은, 예컨대 사다리꼴 형상의 평판이며, 펌프 하방으로 뻗음에 따라서 폭이 확장되도록 배치되어 있다. 크라이오패널(130)의 양면의 전체에 흡착제 접착면이 형성되어, 흡착재(125)로서의 예컨대 활성탄이 접착되어 있다.
도 4는, 패널 장착부재(132)를 개구(120) 측으로부터 본 도면이다. 도 4에 있어서는, 패널 장착부재(132)의 하면에 장착되어 있는 크라이오패널(130) 및 냉동기 장착부재(134)를 파선(破線)으로 나타내고 있다. 크라이오패널(130)은, 방사 형 상이면서 또한 등각도 간격 예컨대 15도 간격으로 설치되어 있다. 냉동기(114)의 장착공간을 확보하기 위하여 패널 장착부재(132)의 하면의 일부(도 4에 있어서는 오른쪽)에는 크라이오패널(130)은 설치되어 있지 않다. 이 때문에, 패널 장착부재(132)에는 예컨대 합계 19개의 크라이오패널(130)이 밀집하여 설치되어 있다.
또한, 패널 장착부재(132)에는, 관통구멍(138)이 형성되어 있다. 관통구멍(138)은, 개구(120)로부터 크라이오패널(130)로의 기체의 흐름성을 양호하게 하기 위하여 마련되어 있다. 관통구멍(138)은, 패널 장착부재(132)의 직경방향에 있어서 크라이오패널(130)과 냉동기 장착부재(134) 사이에 복수 장소 예컨대 4군데 설치되어 있다. 패널 장착부재(132)는, 크라이오패널(130)이 장착되는 외주부(142)와 냉동기 장착부재(134)가 장착되는 중심부(144) 사이의 대부분이 관통구멍(138)에 의하여 개방되어 있다. 외주부(142)와 중심부(144)는 연결부(140)에 의하여 접속되어 있다. 연결부(140)는 직선 형상으로 형성되어 있으며, 방사 형상으로 등간격으로 예컨대 90도 간격으로 4군데 설치되어 있다. 또한, 기체의 흐름성 향상을 위하여, 패널 장착부재(132)는, 2개의 인접하는 크라이오패널(130) 사이에 슬릿이 설치되어 있어도 좋다.
이와 같이 패널 장착부재(132)의 외주부(142)와 중심부(144) 사이가 개방되어 있음으로써, 기체의 흐름성이 향상되어서 패널 구조체(116)의 중심부에 기체 분자가 도달하기 쉬워진다. 이 때문에, 양호한 배기성능을 실현할 수 있다. 예컨대, 양호한 배기속도 및 흡장량을 실현할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의하면, 도 3에 나타나는 문어발형 크라이오펌 프(100)와 동등한 배기속도를 작은 패널 면적으로 실현할 수 있다. 일례로서, 문어발형 크라이오펌프(100)에서는 11000L/s 내지 12000L/s의 수소가스 배기속도를 실현할 수 있다. 비교를 위하여, 본 실시예에 관한 매달린 형태의 크라이오펌프(10)에 있어서, 문어발형 크라이오펌프(100)와 마찬가지로 합계 19개의 방사 형상 패널 레이아웃을 채용한 경우를 설명한다. 이 경우, 매달린 형태의 크라이오펌프(10)는, 문어발형 크라이오펌프(100)보다도 패널길이를 20％ 짧게 하여 활성탄 첨부면적을 24％ 저감시켜도, 마찬가지로 11000L/s 내지 12000L/s의 수소가스 배기속도를 달성하는 것이 실험에 의하여 확인되었다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 활성탄 설치영역의 단위 면적당 배기속도가 크게 향상되어, 높은 배기효율이 실현된다. 또한, 요구 배기속도를 달성하는 것이, 보다 콤팩트한 패널 구조체(16)에 의하여 가능하게 되므로, 패널 구조체(16)를 크라이오펌프(10)의 심부에 배치하여 개구(20)와의 간격을 크게 취할 수 있다. 이로써, 외부로부터 크라이오패널(24)로의 복사열도 저감할 수 있다.
또한, 이때 매달린 형태의 크라이오펌프(10)의 크라이오패널(24)의 총 중량은, 문어발형 크라이오펌프(100)에 비하여 20％ 저감된다. 그 결과, 재생처리에 있어서의 크라이오패널(24) 및 표면의 활성탄의 재냉각시간이 저감된다. 매달린 형태의 크라이오펌프(10)와 문어발형 크라이오펌프(100)에서 동일한 양의 수소가스를 흡착에 의하여 배기하였을 때의 재생시간은, 문어발형 크라이오펌프(100)에서는 예컨대 168분간인 것에 대하여, 매달린 형태의 크라이오펌프(10)에서는 예컨대 132분간으로 단축되는 것이 실험에 의하여 확인되었다. 이 26분간의 단축은, 재냉각시간 의 단축에 의한 것이다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 매달린 형태라는 새로운 컨셉을 채용함으로써, 극히 실용성이 뛰어난 크라이오펌프를 실현할 수 있다. 먼저, 크라이오패널로의 복사열의 영향 경감과 높은 배기효율의 실현의 양립을 도모할 수 있다. 또한, 실용상 충분한 배기성능을 콤팩트한 크라이오패널 구조체로 달성할 수 있다. 또한, 재생시간을 크게 단축할 수도 있다.
도 5는, 제1 실시예의 변형예를 나타내는 도면이다. 상술한 제1 실시예에 관한 크라이오펌프(10)에 있어서는, 개구(20)와 크라이오패널(24)의 선단부(34)의 간격은, 열 실드(18)의 최심부와 패널 구조체 최하부(즉 중간부재(28))의 간격과 같은 정도로 되어 있다. 패널 구조체(16)의 상방 및 하방 공간의 중심축 방향의 길이가 같은 정도로 되어 있다. 그러나, 패널 구조체(16)의 상부 공간(38)은, 패널 구조체(16)의 하방 공간에 비하여 보다 넓게 되어도 좋고, 좁게 되어도 좋다.
예컨대 도 5에 나타내는 바와 같이, 패널 구조체(16)는, 그 중심위치가 크라이오펌프 내부 공간의 중심부보다도 하방에 위치하도록 설치되어도 좋다. 이 경우, 패널 구조체(16)의 상부 공간(38)은, 패널 구조체(16)의 하부 공간(40)보다도 넓게 되어 있다. 보다 구체적으로 말하면, 개구(20)와 크라이오패널(24)의 선단부(34)의 간격이, 펌프 용기(12) 또는 열 실드(18)의 최심부와 크라이오패널(24)의 접속부(32)의 간격보다도 크다. 또한, 각 크라이오패널(24)의 중심위치는, 펌프 내부 공간의 중심부 또는 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)보다도 기체 진입방향(A)에 관하여 개구(20)로부터 떨어진 위치에 설치되어 있다. 이와 같이 상부 공간(38) 을 넓게 함으로써, 외부로부터의 복사열에 의한 패널 구조체(16)로의 영향을 저감할 수 있다.
또한, 패널 구조체(16)를 펌프 바닥부에 설치함으로써 기체 진입방향(A)의 크라이오패널 길이를 길게 하는 것이 가능하게 되기 때문에, 크라이오패널 면적을 크게 하는 것도 가능하게 된다. 따라서, 배기성능의 향상도 도모할 수 있다.
다음으로 도 6을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 관한 크라이오펌프(10)를 설명한다. 제2 실시예에 관한 크라이오펌프(10)는, 냉동기(14) 및 크라이오패널(24)의 위치관계에 관하여 제1 실시예와는 다르다. 제1 실시예에 있어서는 크라이오패널(24)이 펌프 바닥부로부터 개구(20)로 향하여 제2 냉각 스테이지(22)를 넘어서 뻗어 있는 것에 대하여, 제2 실시예에 있어서는 크라이오패널(24)은 냉동기(14)보다도 개구(20)에 근접하여 배치되어 있다. 제2 실시예에서는, 패널 구조체(16)의 중심위치를 낮게 하기 위하여 냉동기(14)의 장착위치가 펌프 바닥부 근방으로 되어 있다.
한편 이하의 설명에서는 제1 실시예와 동일한 부위에 대하여는 장황한 설명을 피하기 위하여 설명을 적절히 생략한다. 제1 실시예 및 이에 부수되어 설명된 각 변형예는, 제2 실시예 및 이에 부수되어 설명되는 각 변형예에 적절히 조합시키는 것도 가능하다.
도 6은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 크라이오펌프(10)의 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다. 이 크라이오펌프(10)는, 제1 실시예와 마찬가지로 소위 횡형 크라이오펌프이다.
도 6에 나타내는 바와 같이 냉동기(14)는, 제1 단 실린더(6), 제2 단 실린더(7), 및 모터(미도시)를 포함한다. 제1 단 실린더(6)와 제2 단 실린더(7)는 직렬로 접속되어 있으며, 서로 연결되는 제1 단 디스플레이서(displacer; 8) 및 제2 단 디스플레이서(9)가 각각 내장되어 있다. 제1 단 디스플레이서(8) 및 제2 단 디스플레이서(9)가 모터에 의하여 제1 단 실린더(6) 및 제2 단 실린더(7)의 내부를 왕복 운동함으로써, 내부를 유통하는 헬륨가스 등의 냉매가 단열 팽창되어 한랭이 발생된다. 압축기(5)는, 냉동기(14)의 냉매가스를 승압(昇壓)하여 냉동기(14)로 송출하고, 냉동기(14)에서 단열 팽창한 냉매가스를 회수하여 다시 승압한다.
제1 단 실린더(6)의 제2 단 실린더(7) 측의 단부에 제1 냉각 스테이지(21)가 설치되어 있다. 또한, 제2 단 실린더(7)의 말단에 제2 냉각 스테이지(22)가 설치되어 있다. 제1 냉각 스테이지(21) 및 제2 냉각 스테이지(22)는 각각 제1 단 실린더(6) 및 제2 단 실린더(7)에 예컨대 납땜으로 고정된다.
컵 형상의 부재에 형성되어 있는 열 실드(18)의 개구(20)에는 배플(23)이 장착되어 있다. 배플(23)은 셰브런(chevron) 형상으로 되어 있다. 펌프 용기(12)는, 열 실드 및 냉동기(14)의 제1 단 실린더(6) 및 제2 단 실린더(7)를 기밀하게 수용하도록 형성되어 있다.
열 실드(18)의 측면에 있어서 중심부보다도 펌프 바닥부 측에 냉동기 장착구멍(42)이 형성되어 있다. 냉동기 장착구멍(42)은 열 실드(18) 측면의 펌프 바닥부 근방에 형성되어 있다. 냉동기(14)의 제2 단 실린더(7) 및 제2 냉각 스테이지(22)는 냉동기 장착구멍(42)으로부터 열 실드(18)의 중심축 방향에 수직인 방향을 따라 서 삽입되어 있다. 열 실드(18)는, 냉동기 장착구멍(42)에 있어서 제1 냉각 스테이지(21)에 열적으로 접속된 상태에서 고정된다. 이와 같이 제2 실시예에 있어서는, 냉동기(14)의 제2 냉각 스테이지(22)는, 기체 진입방향(A)에 관하여 열 실드(18)의 중심부보다도 개구(20)로부터 떨어진 위치에 배치되어 있다. 마찬가지로 제2 냉각 스테이지(22)는 기체 진입방향(A)에 관하여 펌프 용기(12)의 중심부보다도 개구(20)로부터 떨어진 위치에 배치되어 있다. 또한 제2 냉각 스테이지(22)는, 크라이오패널(24)의 접속부(32)보다도 개구(20)로부터 떨어져서 펌프 내부 공간에 배치되어 있다.
제2 냉각 스테이지(22)에는, 패널 구조체(16)가 열적으로 접속된 상태에서 고정된다. 제2 냉각 스테이지(22)에 접속부재(26)가 장착되고, 접속부재(26)에 중간부재(28)가 장착되며, 중간부재(28)에 크라이오패널(24)이 입설되어 있다. 중간부재(28)는, 예컨대 직사각형의 평판부재이며, 중간부재(28)의 개구(20) 측의 면에 크라이오패널(24)이 수직으로 입설되어 있다. 크라이오패널(24)의 양면의 전체에 흡착제 접착면이 형성되며, 흡착제(25)로서의 예컨대 활성탄이 접착되어 있다.
크라이오패널(24)은 예컨대 직사각형의 평판부재이며, 기체 진입방향(A)에 관하여 길이가 다른 2종류의 치수의 크라이오패널이 교대로 설치되어 있다. 기체 진입방향(A)에 관한 길이가 큰 크라이오패널과 길이가 작은 크라이오패널을 혼재시킴으로써, 펌프 내부 공간에 있어서 단위 체적당 흡착영역의 밀도를 개구(20)로부터의 거리에 따라서 조정할 수 있다. 도시되는 바와 같이, 개구(20)의 근방에서는 비교적 크라이오패널(24)이 드문드문 설치되며, 개구(20)로부터 떨어져서 중간부 재(28) 근방에서는 비교적 크라이오패널(24)이 빽빽이 설치된다. 그 결과, 개구(20) 근방에서의 기체의 흐름성을 양호하게 할 수 있다. 그와 함께 중간부재(28) 근방에서는 패널이 밀집 배치되어 큰 패널 면적을 확보할 수 있다.
제2 실시예에 있어서는, 펌프 바닥부로부터 개구(20)로 향하여, 접속부재(26), 중간부재(28), 크라이오패널(24)의 순서로 배치되어 있다. 크라이오패널(24)의 접속부(32)는 펌프 용기(12) 또는 열 실드(18)의 중심부보다도 개구(20)로부터 떨어진 위치에 설치되며, 크라이오패널(24)은 펌프 용기(12) 또는 열 실드(18)의 중심부보다도 개구(20)에 근접하는 위치까지 뻗어 있다. 이와 같이 해도, 펌프 내부 공간의 비교적 하방에 패널 구조체(16)를 설치할 수 있으므로, 외부로부터의 복사열을 저감할 수 있다. 또한, 패널 구조체(16)의 상부에 공간을 취할 수 있으므로, 기체의 흐름성이 향상되어 배기성능도 향상된다. 또한, 패널 구조체(16)의 상부 공간을 이용하여 비교적 대면적의 크라이오패널(24)을 설치하는 것도 가능하다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 크라이오펌프의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 크라이오펌프의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 제1 실시예의 비교예의 크라이오펌프의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 제1 실시예의 비교예의 크라이오펌프의 일부를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5는, 제1 실시예의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 크라이오펌프의 단면을 모식적으로 나타내는 도면이다.
*부호의 설명*
10 : 크라이오펌프
12 : 펌프 용기
14 : 냉동기
16 : 패널 구조체
18 : 열 실드
20 : 개구
21 : 제1 냉각 스테이지
22 : 제2 냉각 스테이지
23 : 배플
24 : 크라이오패널
25 : 흡착제
26 : 접속부재
28 : 중간부재
32 : 접속부
34 : 선단부

Claims (13)

  1. 배기되어야 할 기체가 진입하는 흡기구(吸氣口)를 가지는 크라이오펌프 용기와,
    상기 크라이오펌프 용기 내부에 설치되는 냉각 스테이지를 구비하는 냉동기와,
    상기 냉각 스테이지에 열(熱)적으로 접속되는 중간부재와,
    상기 중간부재와의 접속부를 가지는 크라이오패널을 구비하며,
    상기 크라이오패널은, 상기 접속부로부터 상기 흡기구로 향하여 뻗어 있고,
    상기 흡기구로부터 상기 접속부로의 기체진입방향의 거리를, 상기 흡기구로부터 상기 냉각 스테이지로의 이 기체진입방향의 거리보다도 크게 한 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접속부는, 상기 흡기구에 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 크라이오패널은, 상기 냉각 스테이지보다도 상기 기체진입방향에 관하여 상기 흡기구에 근접하는 위치에 선단부를 가지는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체진입방향에 있어서,
    상기 흡기구로부터 상기 크라이오패널의 무게중심까지의 거리는, 상기 흡기구로부터 상기 냉각 스테이지까지의 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 크라이오패널은, 상기 접속부로부터 상기 선단부로 상기 크라이오펌프 용기의 중심부를 넘어서 상기 기체진입방향을 따라서 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 크라이오펌프 용기의 내부에 설치되어, 상기 냉각 스테이지, 상기 중간부재, 및 상기 크라이오패널을 포위하고, 상기 흡기구에 대응하는 위치에 개구를 가지는 열 실드(heat shield)를 구비하며,
    상기 크라이오패널은, 상기 접속부로부터 상기 선단부로 상기 열 실드의 중심부를 넘어서 상기 기체진입방향을 따라서 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 기체진입방향에 있어서,
    상기 크라이오패널의 선단부와 상기 크라이오펌프 용기의 흡기구 사이의 간격은, 상기 크라이오패널의 접속부와 상기 크라이오펌프 용기의 최심부(最深部) 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 크라이오패널은, 상기 기체진입방향에 평행하게 배치되는 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  9. 냉동기와,
    배기되어야 할 기체가 진입하는 개구를 가지는 열 실드와,
    상기 냉동기에 열적으로 접속하기 위한 접속부를 가지는 크라이오패널을 구비하고,
    상기 크라이오패널은, 상기 접속부로부터 상기 개구로 향하여 뻗어 있고,
    상기 개구로부터 상기 접속부까지의 거리는, 상기 개구로부터 상기 열 실드의 중심부까지의 거리보다도 크며,
    상기 크라이오패널의 양면에 흡착제가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 냉동기는 상기 열 실드에 포위되어서 설치되는 냉각 스테이지를 구비하며, 상기 냉각 스테이지는 상기 접속부보다도 상기 개구로부터 떨어져서 배치되는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  11. 크라이오펌프 내부공간에 있어서 미리 정해져 있는 레이아웃으로 배치되는 크라이오패널과,
    상기 크라이오패널이 장착되는 패널 장착면을 가지며, 상기 크라이오패널을 지지하는 패널 장착부재를 구비하는 크라이오펌프로서,
    상기 패널 장착면은 크라이오펌프 개구에 대향하는 평면이고,
    상기 레이아웃은, 상기 크라이오펌프 내부공간에 진입한 기체 분자를 상기 크라이오패널이 그 양면에서 직접적으로 받을 수 있도록 정해져 있으며,
    상기 크라이오펌프 개구로부터 떨어진 쪽의 상기 크라이오패널의 말단부를 상기 패널 장착부재가 지지함으로써, 상기 패널 장착부재는, 외부로부터 상기 크라이오패널 개구를 통하여 상기 패널 장착면에 전달되는 복사열을 결정하기 위한 형태계수를 최소로 하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 패널 장착면은 크라이오펌프 개구에 대향하는 평면이며,
    상기 패널 장착부재는, 상기 패널 장착면의 법선(法線) 방향의 위치가 상기 형태계수를 최소로 하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.
  13. 냉동기와, 배기되어야 할 기체가 진입하는 개구를 가지는 열 실드와, 상기 열 실드에 포위되어서 설치되어 상기 냉동기에 열적으로 접속되어 있는 크라이오패널을 구비하는 크라이오펌프를 사용하는 진공배기방법으로서,
    상기 크라이오패널은, 상기 냉동기에 열적으로 접속하기 위한 접속부를 가지고,
    상기 크라이오패널은, 상기 접속부로부터 상기 열 실드의 중심부를 넘어서 상기 개구로 향하여 뻗어 있으며,
    상기 개구로부터 상기 접속부까지의 거리는, 상기 개구로부터 상기 열 실드의 중심부까지의 거리보다도 크고,
    상기 크라이오패널의 양면에 흡착제가 마련되어 있으며,
    상기 진공배기방법은,
    상기 냉동기를 구동하여 상기 크라이오패널을 냉각하며,
    상기 크라이오패널 중 적어도, 상기 열 실드의 중심부보다도 상기 개구에 근접하는 단부(端部)에서 기체 분자를 포착하는 것을 특징으로 하는 진공배기방법.
KR1020080130891A 2007-12-28 2008-12-22 크라이오펌프 및 진공배기방법 KR101047398B1 (ko)

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