TW201938911A - 低溫泵 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種低溫泵。其實現第3種氣體的高速排氣的同時提高第2種氣體的排氣性能。本發明的低溫泵(10)具備：冷凍機(16)，其具備第1冷卻台(22)及第2冷卻台(24)；放射屏蔽件(30)，其包圍第2冷卻台(24)且沿軸向延伸，並且熱耦合於第1冷卻台(22)；入口低溫板(32)，其配置於進氣口(12)的中心部，且熱耦合於第1冷卻台(22)；複數個吸附低溫板(60)，其在軸向上配置於入口低溫板(32)與第2冷卻台(24)之間，且熱耦合於第2冷卻台(24)；及凝結低溫板(68)，其在徑向上配置於放射屏蔽件(30)與複數個吸附低溫板(60)之間，且熱耦合於第2冷卻台(24)，並且具有沿軸向延伸且兩端開放之筒形狀。
Description
本發明係有關一種低溫泵。
低溫泵為藉由凝結或吸附在被冷卻成極低溫之低溫板捕捉氣體分子以進行排氣之真空泵。低溫泵通常為實現半導體電路製程等所要求之潔淨的真空環境而使用。
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開10-184540號公報
(先前技術文獻)
(專利文獻)
專利文獻1：日本特開10-184540號公報
(本發明所欲解決之課題)
藉由低溫泵排出之氣體依據蒸氣壓大致分為第1種氣體、第2種氣體、第3種氣體這三種。該等三種有時亦被稱為一類氣體、二類氣體、三類氣體。第1種氣體的蒸氣壓最低，代表例為水(水蒸氣)。第2種氣體具有中間蒸汽壓，例如包括氮氣和氬氣。第3種氣體的蒸氣壓最高，代表例為氫氣。第2種氣體藉由在冷卻至約20K以下之極低溫面凝結而排氣，第3種氣體能夠藉由被設置於這種極低溫面且被冷卻之活性碳等吸附材所吸附而排氣。第3種氣體亦被稱為非凝結性氣體。
在適於第3種氣體的排氣之低溫泵的以往設計中，能夠以高排氣速度排出第3種氣體，但是第2種氣體的排氣性能往往被抑制得很低(例如排氣速度)。
本發明的一態樣的例示性目的之一為，實現第3種氣體的高速排氣的同時，提高第2種氣體的排氣性能。
(用以解決課題之手段)
依本發明的一態樣，低溫泵具備：冷凍機，其具備高溫冷卻台及低溫冷卻台；放射屏蔽件，其包圍前述低溫冷卻台且沿軸向延伸，並且熱耦合於前述高溫冷卻台；入口低溫板，其配置於低溫泵進氣口的中心部，且熱耦合於前述高溫冷卻台；複數個吸附低溫板，其在軸向上配置於前述入口低溫板與前述低溫冷卻台之間，且熱耦合於前述低溫冷卻台；及凝結低溫板，其在徑向上配置於前述放射屏蔽件與前述複數個吸附低溫板之間，且熱耦合於前述低溫冷卻台，並且具有沿軸向延伸且兩端開放之筒形狀。
另外，在方法、裝置、系統等之間相互置換以上構成要素的任意組合、本發明的構成要素和表述者，作為本發明的態樣同樣有效。
(發明之效果)
依本發明，實現第3種氣體的高速排氣的同時提高第2種氣體的排氣性能。
藉由低溫泵排出之氣體依據蒸氣壓大致分為第1種氣體、第2種氣體、第3種氣體這三種。該等三種有時亦被稱為一類氣體、二類氣體、三類氣體。第1種氣體的蒸氣壓最低，代表例為水(水蒸氣)。第2種氣體具有中間蒸汽壓，例如包括氮氣和氬氣。第3種氣體的蒸氣壓最高，代表例為氫氣。第2種氣體藉由在冷卻至約20K以下之極低溫面凝結而排氣，第3種氣體能夠藉由被設置於這種極低溫面且被冷卻之活性碳等吸附材所吸附而排氣。第3種氣體亦被稱為非凝結性氣體。
在適於第3種氣體的排氣之低溫泵的以往設計中，能夠以高排氣速度排出第3種氣體，但是第2種氣體的排氣性能往往被抑制得很低(例如排氣速度)。
本發明的一態樣的例示性目的之一為，實現第3種氣體的高速排氣的同時，提高第2種氣體的排氣性能。
(用以解決課題之手段)
依本發明的一態樣，低溫泵具備：冷凍機，其具備高溫冷卻台及低溫冷卻台；放射屏蔽件，其包圍前述低溫冷卻台且沿軸向延伸，並且熱耦合於前述高溫冷卻台；入口低溫板，其配置於低溫泵進氣口的中心部，且熱耦合於前述高溫冷卻台；複數個吸附低溫板，其在軸向上配置於前述入口低溫板與前述低溫冷卻台之間，且熱耦合於前述低溫冷卻台；及凝結低溫板，其在徑向上配置於前述放射屏蔽件與前述複數個吸附低溫板之間，且熱耦合於前述低溫冷卻台，並且具有沿軸向延伸且兩端開放之筒形狀。
另外，在方法、裝置、系統等之間相互置換以上構成要素的任意組合、本發明的構成要素和表述者，作為本發明的態樣同樣有效。
(發明之效果)
依本發明，實現第3種氣體的高速排氣的同時提高第2種氣體的排氣性能。
以下，參閱附圖對用於實施本發明的形態進行詳細說明。說明及附圖中對相同或等同的構成要素、構件、處理標註相同符號，並適當省略重複說明。所描繪之各部的比例尺和形狀為便於說明而簡易設定，除非特別指明，則為非限制性解釋。實施形態為示例，對本發明的範圍不做任何限定。實施形態中所描述之所有特徵及其組合，未必為發明的本質。
圖1係概略地表示實施形態之低溫泵10之側剖面圖。圖2係概略地表示圖1所示之低溫泵10之俯視圖。圖1中示出包括低溫泵中心軸(以下亦簡稱為中心軸)C之圖2所示之以A-A線切開之剖面。為了便於理解，圖1中用一點鏈線表示中心軸C。又，圖1中示出低溫泵10的低溫低溫板部和冷凍機的側面而非剖面。
低溫泵10為了提高例如安裝於離子植入裝置、濺射裝置、蒸鍍裝置或其他真空處理裝置的真空腔室且將真空腔室內部的真空度提高至所希望的真空處理所要求之級別而使用。低溫泵10具有用於從真空腔室接收應排出之低溫泵進氣口(以下，亦簡稱為“進氣口”)12。氣體通過進氣口12而進入到低溫泵10的內部空間14。
另外，以下為了清晰易懂地表示低溫泵10的構成要素的位置關係，有時使用“軸向”、“徑向”這樣的用語。低溫泵10的軸向表示通過進氣口12之方向(亦即，圖中沿中心軸C之方向)，徑向表示沿進氣口12之方向(與中心軸C垂直的方向)。為方便起見，有時關於軸向，相對靠近進氣口12則稱為“上”，相對較遠則稱為“下”。亦即，有時相對遠離低溫泵10的底部則稱為“上”，相對靠近則稱為“下”。關於徑向，靠近進氣口12的中心(圖中為中心軸C)則稱為“內”，靠近進氣口12的周緣則稱為“外”。另外，這種表現形式無關於低溫泵10安裝於真空腔室時的配置。例如，低溫泵10可以以使進氣口12沿鉛直方向朝下之方式安裝於真空腔室。
又，有時將圍繞軸向之方向稱為“周向”。周向為沿進氣口12之第2方向，且為與徑向正交之切線方向。
低溫泵10具備冷凍機16、第1段低溫板18、第2段低溫板組件20及低溫泵殼體70。第1段低溫板18亦可稱為高溫低溫板部或100K部。第2段低溫板組件20亦可稱為低溫低溫板部或10K部。
冷凍機16例如為吉福德-麥克馬洪式冷凍機(所謂GM冷凍機)等極低溫冷凍機。冷凍機16為二段式冷凍機。因此，冷凍機16具備第1冷卻台22及第2冷卻台24。冷凍機16構成為將第1冷卻台22冷卻至第1冷卻溫度，並將第2冷卻台24冷卻至第2冷卻溫度。第2冷卻溫度為比第1冷卻溫度低的溫度。例如第1冷卻台22被冷卻至65K～120K左右，80K～100K為較佳，第2冷卻台24被冷卻至10K～20K左右。第1冷卻台22及第2冷卻台24亦可以分別稱為高溫冷卻台及低溫冷卻台。
又，冷凍機16具備結構上由第1冷卻台22支撐第2冷卻台24，同時結構上由冷凍機16的室溫部26支撐第1冷卻台22之冷凍機結構部21。因此，冷凍機結構部21具備沿徑向同軸延伸之第1缸體23及第2缸體25。第1缸體23將冷凍機16的室溫部26連接於第1冷卻台22。第2缸體25將第1冷卻台22連接於第2冷卻台24。室溫部26、第1缸體23、第1冷卻台22、第2缸體25及第2冷卻台24依序排成一條直線。
第1缸體23及第2缸體25各自的內部配設有能夠往復移動的第1置換器及第2置換器(未圖示)。在第1置換器及第2置換器中分別組裝有第1蓄冷器及第2蓄冷器(未圖示)。又，室溫部26具有用於使第1置換器及第2置換器往復移動的驅動機構(未圖示)。驅動機構包括以週期性地反覆向冷凍機16的內部供給與排出工作氣體(例如氦氣)之方式切換工作氣體的流路之流路切換機構。
冷凍機16與工作氣體的壓縮機(未圖示)連接。冷凍機16使藉由壓縮機加壓之工作氣體在內部膨脹以冷卻第1冷卻台22及第2冷卻台24。膨脹之工作氣體回收至壓縮機而被再次加壓。冷凍機16藉由包括工作氣體的供排及與其同步之第1置換器及第2置換器的往復移動之熱循環的反覆而產生寒冷。
圖示之低溫泵10為所謂的臥式低溫泵。臥式低溫泵通常指冷凍機16以與低溫泵10的中心軸C交叉的(通常為正交)方式配設之低溫泵。
第1段低溫板18具備放射屏蔽件30和入口低溫板32，並包圍第2段低溫板組件20。第1段低溫板18提供用於保護第2段低溫板組件20免受來自低溫泵10的外部或低溫泵殼體70的輻射熱的極低溫表面。第1段低溫板18熱耦合於第1冷卻台22。藉此，第1段低溫板18被冷卻為第1冷卻溫度。第1段低溫板18在與第2段低溫板組件20之間具有間隙，第1段低溫板18不與第2段低溫板組件20接觸。第1段低溫板18亦不與低溫泵殼體70接觸。
放射屏蔽件30為了保護第2段低溫板組件20免受來自低溫泵殼體70的輻射熱而設置。放射屏蔽件30從進氣口12沿軸向以筒狀(例如圓筒狀)延伸。放射屏蔽件30位於低溫泵殼體70與第2段低溫板組件20之間，且包圍第2段低溫板組件20。放射屏蔽件30具有用於從低溫泵10的外部向內部空間14接收氣體的屏蔽件主開口34。屏蔽件主開口34位於進氣口12。
放射屏蔽件30具備：屏蔽件前端36，確定屏蔽件主開口34；屏蔽件底部38，位於與屏蔽件主開口34相反的一側；及屏蔽件側部40，將屏蔽件前端36連接於屏蔽件底部38。屏蔽件側部40沿軸向從屏蔽件前端36向與屏蔽件主開口34相反的一側延伸，且以沿周向包圍第2冷卻台24之方式延伸。
屏蔽件側部40具有供冷凍機結構部21插入之屏蔽件側部開口44。第2冷卻台24及第2缸體25通過屏蔽件側部開口44而從放射屏蔽件30的外部插入到放射屏蔽件30中。屏蔽件側部開口44為形成於屏蔽件側部40之安裝孔，例如為圓形。第1冷卻台22配置於放射屏蔽件30的外部。
屏蔽件側部40具備冷凍機16的安裝座46。安裝座46為用於將第1冷卻台22安裝於放射屏蔽件30的平坦部分，從放射屏蔽件30的外部觀察時稍微凹陷。安裝座46形成屏蔽件側部開口44的外周。第1冷卻台22安裝於安裝座46，藉此放射屏蔽件30熱耦合於第1冷卻台22。
如此代替將放射屏蔽件30直接安裝於第1冷卻台22，在一實施形態中，放射屏蔽件30可以經由額外的導熱構件而熱耦合於第1冷卻台22。導熱構件例如可以為兩端具有凸緣之中空的短筒。導熱構件可以為藉由其一端的凸緣固定於安裝座46，且藉由另一端的凸緣固定於第1冷卻台22。導熱構件可以包圍冷凍機結構部21而從第1冷卻台22向放射屏蔽件30延伸。屏蔽件側部40可以包括這種導熱構件。
圖示之實施形態中，放射屏蔽件30構成為一體的筒狀。取而代之，放射屏蔽件30可以以藉由複數個零件而整體呈筒狀的形狀之方式構成。該等複數個零件可以以彼此具有間隙的方式配設。例如，放射屏蔽件30可以沿軸向分割為兩個部分。
入口低溫板32為了保護第2段低溫板組件20免受來自低溫泵10的外部的熱源(例如，安裝有低溫泵10之真空腔室內的熱源)的輻射熱而設置於進氣口12(或屏蔽件主開口34，下同)。又，以入口低溫板32的冷卻溫度凝結之氣體(例如水分)被捕捉到其表面。
入口低溫板32在進氣口12處配置於與第2段低溫板組件20對應之部位。入口低溫板32佔據進氣口12的開口面積的中心部分，且在與放射屏蔽件30之間形成環狀(例如圓環狀)的開放區域51。沿軸向觀察時的入口低溫板32的形狀例如為圓盤狀。入口低溫板32的直徑比較小，例如比第2段低溫板組件20的直徑小。入口低溫板32可以佔進氣口12的開口面積至多1/3或至多1/4。如此，開放區域51可以佔進氣口12的開口面積的至少2/3或至少3/4。
入口低溫板32經由入口低溫板安裝構件33安裝於屏蔽件前端36。如圖2所示，入口低溫板安裝構件33為沿屏蔽件主開口34的直徑而跨設於屏蔽件前端36之直線狀的構件。如此，入口低溫板32固定於放射屏蔽件30，並熱耦合於放射屏蔽件30。入口低溫板32靠近第2段低溫板組件20，但不與其接觸。又，入口低溫板安裝構件33沿周向分割開放區域51。開放區域51由複數個(例如2個)圓弧狀區域構成。入口低溫板安裝構件33可以具有十字狀或其他形狀。
入口低溫板32配置於進氣口12的中心部。入口低溫板32的中心位於中心軸C上。但是，入口低溫板32的中心可以位於稍微偏離中心軸C的位置，此時，入口低溫板32亦可以視為配置於進氣口12的中心部。入口低溫板32與中心軸C垂直配置。又，在軸向上，入口低溫板32與屏蔽件前端36相比稍微靠上方配置。但是，入口低溫板32可以配置於與屏蔽件前端36軸向大致相同的高度，或與屏蔽件前端36相比軸向上稍微靠下方的位置。
第1段低溫板18還具備配置於進氣口12的外周部之第1段擴展低溫板48。第1段擴展低溫板48配置於屏蔽件前端36的軸向上方，係沿屏蔽件前端36周向延伸之環狀的構件。第1段擴展低溫板48的外徑位於屏蔽件前端36的徑向外側。第1段擴展低溫板48的內徑可以位於與屏蔽件前端36大致相同的徑向位置或稍微徑向內側。開放區域51形成於第1段擴展低溫板48的內徑與入口低溫板32之間。第1段擴展低溫板48的中心位於中心軸C上，但也可以稍微偏離中心軸C。第1段擴展低溫板48與中心軸C垂直配置。第1段擴展低溫板48配置於與入口低溫板32相同的軸向高度，但亦可以配置於不同的高度。
第1段擴展低溫板48經由固定於屏蔽件前端36之複數個安裝塊49固定且熱耦合於屏蔽件前端36。安裝塊49為從屏蔽件前端36向徑向內側及軸向上方突出之凸部，沿周向以等間隔(例如隔90°或60°)形成。第1段擴展低溫板48藉由螺栓等緊固構件或其他適當的方法固定於安裝塊49。至少1個安裝塊49可以用來將入口低溫板安裝構件33固定於屏蔽件前端36。
如此，入口低溫板32與第1段擴展低溫板48分別經由放射屏蔽件30熱耦合於第1冷卻台22。藉此，入口低溫板32與第1段擴展低溫板48和放射屏蔽件30相同地被冷卻為第1冷卻溫度。第1段擴展低溫板48與入口低溫板32同樣能夠將水蒸氣等第1種氣體凝結。除了入口低溫板32之外，還設置第1段擴展低溫板48，藉此能夠增強低溫泵10的第1種氣體的排氣性能(例如，排氣速度、吸留量)。
第2段低溫板組件20設置於低溫泵10的內部空間14的中心部。第2段低溫板組件20具備上部結構20a和下部結構20b。第2段低溫板組件20具備沿軸向排列之複數個吸附低溫板60。複數個吸附低溫板60沿軸向彼此隔開間隔排列。
第2段低溫板組件20的上部結構20a具備複數個上部低溫板60a和複數個導熱體(亦稱為導熱墊片)62。複數個上部低溫板60a在軸向上配置於入口低溫板32與第2冷卻台24之間。複數個導熱體62沿軸向排列成柱狀。複數個上部低溫板60a及複數個導熱體62在進氣口12與第2冷卻台24之間沿軸向交替積層。上部低溫板60a和導熱體62的中心均位於中心軸C上。如此，上部結構20a相對於第2冷卻台24配置於軸向上方。上部結構20a經由由銅(例如純銅)等高導熱金屬材料形成之導熱塊63而固定於第2冷卻台24，且熱耦合於第2冷卻台24。藉此，上部結構20a被冷卻為第2冷卻溫度。
第2段低溫板組件20的下部結構20b具備複數個下部低溫板60b和第2段低溫板安裝構件64。複數個下部低溫板60b在軸向上配置於第2冷卻台24與屏蔽件底部38之間。第2段低溫板安裝構件64從第2冷卻台24沿軸向而朝向下方延伸。複數個下部低溫板60b經由第2段低溫板安裝構件64安裝於第2冷卻台24。如此，下部結構20b熱耦合於第2冷卻台24，且冷卻為第2冷卻溫度。
作為一例，複數個上部低溫板60a中軸向上最靠近入口低溫板32之1個或複數個上部低溫板60a為平板(例如圓盤狀)，其與中心軸C垂直配置。剩餘的上部低溫板60a為倒圓錐台狀，其圓形的底面與中心軸C垂直配置。
上部低溫板60a中最靠近入口低溫板32之(亦即，軸向上位於入口低溫板32的正下方之上部低溫板60a，亦被稱為頂部低溫板61)低溫板的直徑比入口低溫板32大。但是，頂部低溫板61的直徑可以與入口低溫板32的直徑相等，亦可以比其小。頂部低溫板61與入口低溫板32直接對置，且在頂部低溫板61與入口低溫板32之間不存在其他低溫板。
複數個上部低溫板60a隨著沿軸向朝向下方而直徑逐漸變大。又，倒圓錐台狀的上部低溫板60a配置成嵌套狀。更靠上方的上部低溫板60a的下部進入到與其下方相鄰之上部低溫板60a中的倒圓錐台狀空間。
每個導熱體62具有圓柱形狀。導熱體62可以呈比較短的圓柱形狀，且軸向高度比導熱體62的直徑小。吸附低溫板60等低溫板通常由銅(例如純銅)等高導熱金屬材料形成，必要時，表面由鎳等金屬層被覆。相對於此，導熱體62可以由與低溫板不同的材料形成。導熱體62例如可以由鋁或鋁合金等導熱率比吸附低溫板60低但密度小的金屬材料形成。如此一來，一定程度上能夠兼顧導熱體62的導熱性和輕質化，且有助於縮短第2段低溫板組件20的冷卻時間。
下部低溫板60b為平板，例如為圓盤狀。下部低溫板60b的直徑比上部低溫板60a大。但是，為了安裝到第2段低溫板安裝構件64，可以在下部低溫板60b形成有從外周的一部分至中心部的缺口部。
另外，第2段低溫板組件20的具體結構並不限於上述結構。上部結構20a可以具有任意片數的上部低溫板60a。上部低溫板60a可以具有平板、圓錐狀或其他形狀。同樣地，下部結構20b可以具有任意片數的下部低溫板60b。下部低溫板60b可以具有平板、圓錐狀或其他形狀。
第2段低溫板組件20中，至少在一部分表面形成有吸附區域66。吸附區域66為了藉由吸附而捕捉非凝結性氣體(例如氫氣)而設置。吸附區域66例如藉由將吸附材(例如活性碳)黏著於低溫板表面而形成。吸附區域66可以以從進氣口12不可見之方式形成於與上方相鄰之吸附低溫板60中成為陰影之部位。例如，吸附區域66形成於吸附低溫板60的整個下表面。吸附區域66可以形成於下部低溫板60b的上表面。又，圖1中為了簡化而省略了圖式，但吸附區域66亦形成於上部低溫板60a的下表面(背面)。依據需要，吸附區域66亦可以形成於上部低溫板60a的上表面。
第2段低溫板組件20具有多個吸附低溫板60，因此第3種氣體具有高排氣性能。例如，第2段低溫板組件20能夠以高排氣速度排出氫氣。
吸附區域66中，在多個活性碳粒子密密麻麻地排列於吸附低溫板60的表面之狀態下以不規則的排列黏著。活性碳粒子例如形成為圓柱形狀。另外，吸附材的形狀可以是圓柱形狀，例如可以是球狀或形成為其他形狀之形狀或不規則形狀。吸附材的面板上的排列可以是規則性排列亦可以是不規則性排列。
又，在第2段低溫板組件20的至少一部分表面形成有用於藉由凝結來捕捉凝結性氣體的凝結區域。凝結區域例如為低溫板表面上去掉吸附材的區域，低溫板基材表面例如有金屬面露出。吸附低溫板60(例如，上部低溫板60a)的上表面或上表面外周部或下表面外周部可以是凝結區域。
第2段低溫板組件20還具備：凝結低溫板68，包圍上部結構20a而配置；及凝結低溫板安裝構件69，使凝結低溫板68熱耦合且結構性地耦合於第2冷卻台24。
圖3係表示實施形態之第2段低溫板組件20的凝結低溫板68之概略立體圖。圖3中還示出凝結低溫板68及凝結低溫板安裝構件69。為了便於理解，圖3中用虛線表示導熱塊63。
如圖1至圖3所示，凝結低溫板68具有沿軸向延伸且兩端開放之筒形狀，例如圓筒形狀。凝結低溫板68在徑向上配置於放射屏蔽件30與複數個吸附低溫板60之間，且熱耦合於第2冷卻台24。
吸附低溫板60如上所述具有吸附區域66，而凝結低溫板68不具有吸附區域66。亦即，在凝結低溫板68未設置吸附材。凝結低溫板68與其他低溫板同樣地，例如由銅(例如純銅)等高導熱金屬材料形成。凝結低溫板68的表面可以由鎳等其他金屬層被覆。
凝結低溫板68相對於入口低溫板32配置於徑向外側。又，凝結低溫板68相對於第1段擴展低溫板48配置於徑向內側。凝結低溫板68露出於開放區域51，能夠從進氣口12的上方識別。在凝結低溫板68的上方未設置任何低溫板。入口低溫板安裝構件33只不過橫穿凝結低溫板68的極小部分。
凝結低溫板68至入口低溫板32的徑向距離比凝結低溫板68至第1段擴展低溫板48的徑向距離大。又，凝結低溫板68至上部低溫板60a的徑向距離比凝結低溫板68至放射屏蔽件30的屏蔽件側部40(或屏蔽件前端36)的徑向距離大。凝結低溫板68不與上部低溫板60a接觸。
如此，凝結低溫板68與上部低溫板60a之間形成比較寬的氣體接收空間50。開放區域51為氣體接收空間50的入口，低溫泵10通過開放區域51將氣體接收至氣體接收空間50。因此，與凝結低溫板68靠近上部低溫板60a配置時相比，凝結低溫板68難以妨礙從進氣口12進入之氣體到達吸附低溫板60。
凝結低溫板68沿放射屏蔽件30的屏蔽件側部40向周向延伸。但是，凝結低溫板68靠近放射屏蔽件30，但不與其接觸。為了適當地維持凝結低溫板68與第1段低溫板18的溫度差，凝結低溫板68與屏蔽件側部40的徑向間隔例如可以是至少3mm或至少5mm或至少7mm。凝結低溫板68與屏蔽件側部40的徑向間隔例如可以在20mm以內或15mm以內或10mm以內。
凝結低溫板68包圍中心軸C而遍及全周延伸，但並不限於此。凝結低溫板68可以在周向上僅設置於一部分。又，凝結低溫板68與中心軸C同軸配置。但是，凝結低溫板68可以稍微偏離中心軸C配置。
凝結低溫板68在軸向上配置於入口低溫板32與第2冷卻台24之間。凝結低溫板68的軸向上端例如位於頂部低溫板61與第2個上部低溫板60a之間。或者，凝結低溫板68的軸向上端可以位於屏蔽件前端36與頂部低溫板61(或其他上部低溫板60a)之間。凝結低溫板68的軸向下端例如位於與導熱塊63的上表面相同的高度。如此，上部結構20a幾乎整體被凝結低溫板68包圍。
凝結低溫板安裝構件69具有L字形形狀。凝結低溫板安裝構件69的一個面安裝於凝結低溫板68的內表面(或外表面)。與該一個面垂直的凝結低溫板安裝構件69的另一個面安裝於導熱塊63的上表面。如此，凝結低溫板68經由凝結低溫板安裝構件69熱耦合且結構性地耦合於第2冷卻台24。能夠將第2冷卻台24至凝結低溫板68的導熱路徑縮短得比較短，從而能夠有效地冷卻凝結低溫板68。
作為一例，凝結低溫板68例如藉由柳釘或其他安裝方法安裝於凝結低溫板安裝構件69。凝結低溫板安裝構件69例如使用螺栓等緊固構件54安裝於導熱塊63。凝結低溫板安裝構件69與導熱塊63可以藉由緊固構件54與第2冷卻台24緊固在一起。如此一來，能夠將凝結低溫板安裝構件69和導熱塊63與第2冷卻台24一同緊固固定在一起，因此便於製造(組裝作業)。
低溫泵殼體70為收容第1段低溫板18、第2段低溫板組件20及冷凍機16之低溫泵10的筐體，其為以保持內部空間14的真空氣密的方式構成之真空容器。低溫泵殼體70以非接觸之方式包括第1段低溫板18及冷凍機結構部21。低溫泵殼體70安裝於冷凍機16的室溫部26。
藉由低溫泵殼體70的前端，進氣口12被分隔。低溫泵殼體70具備從其前端朝向徑向外側延伸之進氣口凸緣72。進氣口凸緣72遍及低溫泵殼體70的全周而設置。低溫泵10使用進氣口凸緣72而安裝於真空排氣對象的真空腔室。進氣口凸緣72的內周側形成有用於避免進氣口凸緣72與第1段擴展低溫板48接觸之凹部，藉由該凹部在外周側的凸緣上表面安裝於真空腔室。
進氣口凸緣72可起到所謂變換凸緣的作用。進氣口凸緣72可以構成為將比較小型的低溫泵10安裝到直徑比其大的真空腔室的排氣口。例如，進氣口凸緣72被設計成將具有12英吋的口徑的進氣口12之低溫泵10安裝於例如具有14英吋或16英吋的口徑之真空腔室的排氣口。
另外，圖1中，入口低溫板32和第1段擴展低溫板48在軸向上位於比進氣口凸緣72的凸緣上表面稍微靠上方的位置，但並不限於此。例如，凸緣上表面亦可以位於第1段擴展低溫板48的軸向上方，而在進氣口凸緣72的內周側凹部收容第1段擴展低溫板48。
以下對上述結構的低溫泵10的動作進行說明。低溫泵10在工作時，首先在該工作之前用其他適當的粗抽泵將真空腔室內部粗抽至1Pa左右。之後，使低溫泵10工作。藉由冷凍機16的驅動，第1冷卻台22及第2冷卻台24分別被冷卻為第1冷卻溫度及第2冷卻溫度。藉此，熱耦合於該等之第1段低溫板18、第2段低溫板組件20亦分別被冷卻為第1冷卻溫度及第2冷卻溫度。
入口低溫板32與第1段擴展低溫板48對從真空腔室朝向低溫泵10飛來之氣體進行冷卻。藉由第1冷卻溫度而蒸氣壓充分變低的(例如10-8 Pa以下的)氣體在入口低溫板32與第1段擴展低溫板48的表面凝結。該氣體可以稱為第1種氣體。第1種氣體例如為水蒸氣。如此，入口低溫板32與第1段擴展低溫板48能夠將第1種氣體排出。藉由第1冷卻溫度而蒸氣壓未充分變低的氣體的一部分從進氣口12進入至內部空間14。或者，氣體的其他部分被入口低溫板32反射而未進入到內部空間14。
進入到內部空間14之氣體藉由第2段低溫板組件20被冷卻。藉由第2冷卻溫度而蒸氣壓充分變低的(例如10-8 Pa以下的)氣體在凝結低溫板68的表面凝結。該氣體可以稱為第2種氣體。第2種氣體例如為氮氣(N2 )、氬氣(Ar)。第2種氣體還在吸附低溫板60的凝結區域凝結。如此，第2段低溫板組件20能夠排出第2種氣體。
藉由第2冷卻溫度而蒸氣壓未充分變低的氣體被吸附到吸附低溫板60的吸附區域66。該氣體可以稱為第3種氣體。第3種氣體例如為氫氣(H2 )。如此，第2段低溫板組件20能夠排出第3種氣體。因此，低溫泵10能夠藉由凝結或吸附排出各種氣體，且將真空腔室的真空度提高至所希望的級別。
依實施形態之低溫泵10，藉由設置凝結低溫板68，能夠提高第2種氣體的排氣性能(例如排氣速度、吸留量)。又，凝結低溫板68具有筒狀的形狀，軸向上端被開放，因此被凝結低溫板68圍繞之上部結構20a之吸附低溫板60的第3種氣體的進入路徑不易受阻。又，凝結低溫板68的軸向下端亦被開放，因此氣體亦能夠到達下部結構20b的吸附低溫板60。藉此，充分抑制隨著在低溫泵10加設凝結低溫板68而引起之第3種氣體的排氣性能的下降。因此，低溫泵10能夠實現第3種氣體的高速排氣的同時提高第2種氣體的排氣性能。
又，凝結低溫板68相對於入口低溫板32配置於徑向外側。因此，從低溫泵10的外部朝向凝結低溫板68之氣體不易因入口低溫板32而進入路徑受阻，藉此能夠靈活使用凝結低溫板68的第2種氣體的排氣性能。
凝結低溫板68軸向上配置於入口低溫板32與第2冷卻台24之間。如此，凝結低溫板68軸向上配置於相對上方。因此，與凝結低溫板68配置於下方之情況相比，從進氣口12流入之第2種氣體容易到達凝結低溫板68。能夠提高凝結低溫板68的排氣性能。
圖4係概略地表示其他實施形態之低溫泵10之側剖面圖。圖5係概略地表示其他實施形態之第2段低溫板組件20的凝結低溫板68之概略立體圖。參閱圖4及圖5進行說明之實施形態除了凝結低溫板68的結構之外，與前述的實施形態相同。以下說明中，對與前述的實施形態相同的結構標註相同符號，適當省略重複說明。
凝結低溫板68具有多個孔80。作為一例，孔80為均具有相同直徑之圓形的孔。孔80沿軸向設置有3個，周向上除了凝結低溫板安裝構件69的位置之外設置於全周。凝結低溫板68係將穿孔金屬板成形為圓筒狀板。另外，孔80的形狀可以是任意的。例如，孔80可以是沿周向(或軸向)延伸之狹縫。所有的孔80無需為相同形狀。又，孔80的排列亦可以是任意的，既可以是規則性排列，亦可以是不規則性排列。
如此，凝結低溫板68具有多個孔80，藉此使從進氣口12侵入之輻射熱通過孔80而入射到放射屏蔽件30，從而能夠使凝結低溫板68通過。能夠減少侵入至凝結低溫板68的熱，藉此能夠維持為所希望的冷卻溫度。
優選凝結低溫板68例如具有20%至40%範圍內之開口率。凝結低溫板68可以具有25%至35%範圍內之開口率或約30%的開口率。開口率為孔80的合計面積與凝結低溫板68的總面積(例如，圓筒面的面積)之比。凝結低溫板68的總面積包含孔80的面積。
藉由如此設定凝結低溫板68的開口率，既能夠確保排氣性能又能夠應對侵入熱。依本發明人的估算，與未設置凝結低溫板68的情況相比，能夠將氫氣的排氣速度的下降抑制在5%以下。
以上，依據實施例對本發明進行了說明。所屬技術領域中具有通常知識者當然能夠理解本發明並不限定於上述實施形態，且能夠進行各種設計變更而且存在各種變形例，並且這種變形例亦屬於本發明的範圍。
上述實施形態中，凝結低溫板68在軸向上配置於入口低溫板32與第2冷卻台24之間，在低溫泵10的內部空間14位於軸向的相對上方，但並不限於此。凝結低溫板68可以在軸向上配置於第2冷卻台24與屏蔽件底部38之間。凝結低溫板68可以配置成圍繞第2段低溫板組件20的下部結構20b。
上述實施形態中，凝結低溫板68具有與中心軸C為同軸的圓筒面，亦即，具有與垂直於中心軸C的平面正交之表面，但並不限於此。凝結低溫板68可以相對於垂直於中心軸C的平面稍微傾斜。例如，凝結低溫板68可以具有與中心軸C同軸配置之圓錐台狀或倒圓錐台狀的形狀。此時，凝結低溫板68亦可以具有複數個孔80。或者，凝結低溫板68可以不具有孔。
上述實施形態中，凝結低溫板68具有一個圓筒，但並不限於此，凝結低溫板68例如可以具有雙重圓筒。如此，第2段低溫板組件20可以具有徑向排列之複數個凝結低溫板68。此時，凝結低溫板68亦可以具有複數個孔80。或者，凝結低溫板68可以不具有孔。
上述說明中例示出臥式低溫泵，但本發明亦能夠應用於立式等其他低溫泵。另外，所謂立式低溫泵是指冷凍機16沿低溫泵10的中心軸C配設之低溫泵。又，低溫板的配置和形狀、數量等低溫泵的內部結構並不限於上述特定的實施形態。能夠適當採用各種公知的結構。
圖1係概略地表示實施形態之低溫泵10之側剖面圖。圖2係概略地表示圖1所示之低溫泵10之俯視圖。圖1中示出包括低溫泵中心軸(以下亦簡稱為中心軸)C之圖2所示之以A-A線切開之剖面。為了便於理解，圖1中用一點鏈線表示中心軸C。又，圖1中示出低溫泵10的低溫低溫板部和冷凍機的側面而非剖面。
低溫泵10為了提高例如安裝於離子植入裝置、濺射裝置、蒸鍍裝置或其他真空處理裝置的真空腔室且將真空腔室內部的真空度提高至所希望的真空處理所要求之級別而使用。低溫泵10具有用於從真空腔室接收應排出之低溫泵進氣口(以下，亦簡稱為“進氣口”)12。氣體通過進氣口12而進入到低溫泵10的內部空間14。
另外，以下為了清晰易懂地表示低溫泵10的構成要素的位置關係，有時使用“軸向”、“徑向”這樣的用語。低溫泵10的軸向表示通過進氣口12之方向(亦即，圖中沿中心軸C之方向)，徑向表示沿進氣口12之方向(與中心軸C垂直的方向)。為方便起見，有時關於軸向，相對靠近進氣口12則稱為“上”，相對較遠則稱為“下”。亦即，有時相對遠離低溫泵10的底部則稱為“上”，相對靠近則稱為“下”。關於徑向，靠近進氣口12的中心(圖中為中心軸C)則稱為“內”，靠近進氣口12的周緣則稱為“外”。另外，這種表現形式無關於低溫泵10安裝於真空腔室時的配置。例如，低溫泵10可以以使進氣口12沿鉛直方向朝下之方式安裝於真空腔室。
又，有時將圍繞軸向之方向稱為“周向”。周向為沿進氣口12之第2方向，且為與徑向正交之切線方向。
低溫泵10具備冷凍機16、第1段低溫板18、第2段低溫板組件20及低溫泵殼體70。第1段低溫板18亦可稱為高溫低溫板部或100K部。第2段低溫板組件20亦可稱為低溫低溫板部或10K部。
冷凍機16例如為吉福德-麥克馬洪式冷凍機(所謂GM冷凍機)等極低溫冷凍機。冷凍機16為二段式冷凍機。因此，冷凍機16具備第1冷卻台22及第2冷卻台24。冷凍機16構成為將第1冷卻台22冷卻至第1冷卻溫度，並將第2冷卻台24冷卻至第2冷卻溫度。第2冷卻溫度為比第1冷卻溫度低的溫度。例如第1冷卻台22被冷卻至65K～120K左右，80K～100K為較佳，第2冷卻台24被冷卻至10K～20K左右。第1冷卻台22及第2冷卻台24亦可以分別稱為高溫冷卻台及低溫冷卻台。
又，冷凍機16具備結構上由第1冷卻台22支撐第2冷卻台24，同時結構上由冷凍機16的室溫部26支撐第1冷卻台22之冷凍機結構部21。因此，冷凍機結構部21具備沿徑向同軸延伸之第1缸體23及第2缸體25。第1缸體23將冷凍機16的室溫部26連接於第1冷卻台22。第2缸體25將第1冷卻台22連接於第2冷卻台24。室溫部26、第1缸體23、第1冷卻台22、第2缸體25及第2冷卻台24依序排成一條直線。
第1缸體23及第2缸體25各自的內部配設有能夠往復移動的第1置換器及第2置換器(未圖示)。在第1置換器及第2置換器中分別組裝有第1蓄冷器及第2蓄冷器(未圖示)。又，室溫部26具有用於使第1置換器及第2置換器往復移動的驅動機構(未圖示)。驅動機構包括以週期性地反覆向冷凍機16的內部供給與排出工作氣體(例如氦氣)之方式切換工作氣體的流路之流路切換機構。
冷凍機16與工作氣體的壓縮機(未圖示)連接。冷凍機16使藉由壓縮機加壓之工作氣體在內部膨脹以冷卻第1冷卻台22及第2冷卻台24。膨脹之工作氣體回收至壓縮機而被再次加壓。冷凍機16藉由包括工作氣體的供排及與其同步之第1置換器及第2置換器的往復移動之熱循環的反覆而產生寒冷。
圖示之低溫泵10為所謂的臥式低溫泵。臥式低溫泵通常指冷凍機16以與低溫泵10的中心軸C交叉的(通常為正交)方式配設之低溫泵。
第1段低溫板18具備放射屏蔽件30和入口低溫板32，並包圍第2段低溫板組件20。第1段低溫板18提供用於保護第2段低溫板組件20免受來自低溫泵10的外部或低溫泵殼體70的輻射熱的極低溫表面。第1段低溫板18熱耦合於第1冷卻台22。藉此，第1段低溫板18被冷卻為第1冷卻溫度。第1段低溫板18在與第2段低溫板組件20之間具有間隙，第1段低溫板18不與第2段低溫板組件20接觸。第1段低溫板18亦不與低溫泵殼體70接觸。
放射屏蔽件30為了保護第2段低溫板組件20免受來自低溫泵殼體70的輻射熱而設置。放射屏蔽件30從進氣口12沿軸向以筒狀(例如圓筒狀)延伸。放射屏蔽件30位於低溫泵殼體70與第2段低溫板組件20之間，且包圍第2段低溫板組件20。放射屏蔽件30具有用於從低溫泵10的外部向內部空間14接收氣體的屏蔽件主開口34。屏蔽件主開口34位於進氣口12。
放射屏蔽件30具備：屏蔽件前端36，確定屏蔽件主開口34；屏蔽件底部38，位於與屏蔽件主開口34相反的一側；及屏蔽件側部40，將屏蔽件前端36連接於屏蔽件底部38。屏蔽件側部40沿軸向從屏蔽件前端36向與屏蔽件主開口34相反的一側延伸，且以沿周向包圍第2冷卻台24之方式延伸。
屏蔽件側部40具有供冷凍機結構部21插入之屏蔽件側部開口44。第2冷卻台24及第2缸體25通過屏蔽件側部開口44而從放射屏蔽件30的外部插入到放射屏蔽件30中。屏蔽件側部開口44為形成於屏蔽件側部40之安裝孔，例如為圓形。第1冷卻台22配置於放射屏蔽件30的外部。
屏蔽件側部40具備冷凍機16的安裝座46。安裝座46為用於將第1冷卻台22安裝於放射屏蔽件30的平坦部分，從放射屏蔽件30的外部觀察時稍微凹陷。安裝座46形成屏蔽件側部開口44的外周。第1冷卻台22安裝於安裝座46，藉此放射屏蔽件30熱耦合於第1冷卻台22。
如此代替將放射屏蔽件30直接安裝於第1冷卻台22，在一實施形態中，放射屏蔽件30可以經由額外的導熱構件而熱耦合於第1冷卻台22。導熱構件例如可以為兩端具有凸緣之中空的短筒。導熱構件可以為藉由其一端的凸緣固定於安裝座46，且藉由另一端的凸緣固定於第1冷卻台22。導熱構件可以包圍冷凍機結構部21而從第1冷卻台22向放射屏蔽件30延伸。屏蔽件側部40可以包括這種導熱構件。
圖示之實施形態中，放射屏蔽件30構成為一體的筒狀。取而代之，放射屏蔽件30可以以藉由複數個零件而整體呈筒狀的形狀之方式構成。該等複數個零件可以以彼此具有間隙的方式配設。例如，放射屏蔽件30可以沿軸向分割為兩個部分。
入口低溫板32為了保護第2段低溫板組件20免受來自低溫泵10的外部的熱源(例如，安裝有低溫泵10之真空腔室內的熱源)的輻射熱而設置於進氣口12(或屏蔽件主開口34，下同)。又，以入口低溫板32的冷卻溫度凝結之氣體(例如水分)被捕捉到其表面。
入口低溫板32在進氣口12處配置於與第2段低溫板組件20對應之部位。入口低溫板32佔據進氣口12的開口面積的中心部分，且在與放射屏蔽件30之間形成環狀(例如圓環狀)的開放區域51。沿軸向觀察時的入口低溫板32的形狀例如為圓盤狀。入口低溫板32的直徑比較小，例如比第2段低溫板組件20的直徑小。入口低溫板32可以佔進氣口12的開口面積至多1/3或至多1/4。如此，開放區域51可以佔進氣口12的開口面積的至少2/3或至少3/4。
入口低溫板32經由入口低溫板安裝構件33安裝於屏蔽件前端36。如圖2所示，入口低溫板安裝構件33為沿屏蔽件主開口34的直徑而跨設於屏蔽件前端36之直線狀的構件。如此，入口低溫板32固定於放射屏蔽件30，並熱耦合於放射屏蔽件30。入口低溫板32靠近第2段低溫板組件20，但不與其接觸。又，入口低溫板安裝構件33沿周向分割開放區域51。開放區域51由複數個(例如2個)圓弧狀區域構成。入口低溫板安裝構件33可以具有十字狀或其他形狀。
入口低溫板32配置於進氣口12的中心部。入口低溫板32的中心位於中心軸C上。但是，入口低溫板32的中心可以位於稍微偏離中心軸C的位置，此時，入口低溫板32亦可以視為配置於進氣口12的中心部。入口低溫板32與中心軸C垂直配置。又，在軸向上，入口低溫板32與屏蔽件前端36相比稍微靠上方配置。但是，入口低溫板32可以配置於與屏蔽件前端36軸向大致相同的高度，或與屏蔽件前端36相比軸向上稍微靠下方的位置。
第1段低溫板18還具備配置於進氣口12的外周部之第1段擴展低溫板48。第1段擴展低溫板48配置於屏蔽件前端36的軸向上方，係沿屏蔽件前端36周向延伸之環狀的構件。第1段擴展低溫板48的外徑位於屏蔽件前端36的徑向外側。第1段擴展低溫板48的內徑可以位於與屏蔽件前端36大致相同的徑向位置或稍微徑向內側。開放區域51形成於第1段擴展低溫板48的內徑與入口低溫板32之間。第1段擴展低溫板48的中心位於中心軸C上，但也可以稍微偏離中心軸C。第1段擴展低溫板48與中心軸C垂直配置。第1段擴展低溫板48配置於與入口低溫板32相同的軸向高度，但亦可以配置於不同的高度。
第1段擴展低溫板48經由固定於屏蔽件前端36之複數個安裝塊49固定且熱耦合於屏蔽件前端36。安裝塊49為從屏蔽件前端36向徑向內側及軸向上方突出之凸部，沿周向以等間隔(例如隔90°或60°)形成。第1段擴展低溫板48藉由螺栓等緊固構件或其他適當的方法固定於安裝塊49。至少1個安裝塊49可以用來將入口低溫板安裝構件33固定於屏蔽件前端36。
如此，入口低溫板32與第1段擴展低溫板48分別經由放射屏蔽件30熱耦合於第1冷卻台22。藉此，入口低溫板32與第1段擴展低溫板48和放射屏蔽件30相同地被冷卻為第1冷卻溫度。第1段擴展低溫板48與入口低溫板32同樣能夠將水蒸氣等第1種氣體凝結。除了入口低溫板32之外，還設置第1段擴展低溫板48，藉此能夠增強低溫泵10的第1種氣體的排氣性能(例如，排氣速度、吸留量)。
第2段低溫板組件20設置於低溫泵10的內部空間14的中心部。第2段低溫板組件20具備上部結構20a和下部結構20b。第2段低溫板組件20具備沿軸向排列之複數個吸附低溫板60。複數個吸附低溫板60沿軸向彼此隔開間隔排列。
第2段低溫板組件20的上部結構20a具備複數個上部低溫板60a和複數個導熱體(亦稱為導熱墊片)62。複數個上部低溫板60a在軸向上配置於入口低溫板32與第2冷卻台24之間。複數個導熱體62沿軸向排列成柱狀。複數個上部低溫板60a及複數個導熱體62在進氣口12與第2冷卻台24之間沿軸向交替積層。上部低溫板60a和導熱體62的中心均位於中心軸C上。如此，上部結構20a相對於第2冷卻台24配置於軸向上方。上部結構20a經由由銅(例如純銅)等高導熱金屬材料形成之導熱塊63而固定於第2冷卻台24，且熱耦合於第2冷卻台24。藉此，上部結構20a被冷卻為第2冷卻溫度。
第2段低溫板組件20的下部結構20b具備複數個下部低溫板60b和第2段低溫板安裝構件64。複數個下部低溫板60b在軸向上配置於第2冷卻台24與屏蔽件底部38之間。第2段低溫板安裝構件64從第2冷卻台24沿軸向而朝向下方延伸。複數個下部低溫板60b經由第2段低溫板安裝構件64安裝於第2冷卻台24。如此，下部結構20b熱耦合於第2冷卻台24，且冷卻為第2冷卻溫度。
作為一例，複數個上部低溫板60a中軸向上最靠近入口低溫板32之1個或複數個上部低溫板60a為平板(例如圓盤狀)，其與中心軸C垂直配置。剩餘的上部低溫板60a為倒圓錐台狀，其圓形的底面與中心軸C垂直配置。
上部低溫板60a中最靠近入口低溫板32之(亦即，軸向上位於入口低溫板32的正下方之上部低溫板60a，亦被稱為頂部低溫板61)低溫板的直徑比入口低溫板32大。但是，頂部低溫板61的直徑可以與入口低溫板32的直徑相等，亦可以比其小。頂部低溫板61與入口低溫板32直接對置，且在頂部低溫板61與入口低溫板32之間不存在其他低溫板。
複數個上部低溫板60a隨著沿軸向朝向下方而直徑逐漸變大。又，倒圓錐台狀的上部低溫板60a配置成嵌套狀。更靠上方的上部低溫板60a的下部進入到與其下方相鄰之上部低溫板60a中的倒圓錐台狀空間。
每個導熱體62具有圓柱形狀。導熱體62可以呈比較短的圓柱形狀，且軸向高度比導熱體62的直徑小。吸附低溫板60等低溫板通常由銅(例如純銅)等高導熱金屬材料形成，必要時，表面由鎳等金屬層被覆。相對於此，導熱體62可以由與低溫板不同的材料形成。導熱體62例如可以由鋁或鋁合金等導熱率比吸附低溫板60低但密度小的金屬材料形成。如此一來，一定程度上能夠兼顧導熱體62的導熱性和輕質化，且有助於縮短第2段低溫板組件20的冷卻時間。
下部低溫板60b為平板，例如為圓盤狀。下部低溫板60b的直徑比上部低溫板60a大。但是，為了安裝到第2段低溫板安裝構件64，可以在下部低溫板60b形成有從外周的一部分至中心部的缺口部。
另外，第2段低溫板組件20的具體結構並不限於上述結構。上部結構20a可以具有任意片數的上部低溫板60a。上部低溫板60a可以具有平板、圓錐狀或其他形狀。同樣地，下部結構20b可以具有任意片數的下部低溫板60b。下部低溫板60b可以具有平板、圓錐狀或其他形狀。
第2段低溫板組件20中，至少在一部分表面形成有吸附區域66。吸附區域66為了藉由吸附而捕捉非凝結性氣體(例如氫氣)而設置。吸附區域66例如藉由將吸附材(例如活性碳)黏著於低溫板表面而形成。吸附區域66可以以從進氣口12不可見之方式形成於與上方相鄰之吸附低溫板60中成為陰影之部位。例如，吸附區域66形成於吸附低溫板60的整個下表面。吸附區域66可以形成於下部低溫板60b的上表面。又，圖1中為了簡化而省略了圖式，但吸附區域66亦形成於上部低溫板60a的下表面(背面)。依據需要，吸附區域66亦可以形成於上部低溫板60a的上表面。
第2段低溫板組件20具有多個吸附低溫板60，因此第3種氣體具有高排氣性能。例如，第2段低溫板組件20能夠以高排氣速度排出氫氣。
吸附區域66中，在多個活性碳粒子密密麻麻地排列於吸附低溫板60的表面之狀態下以不規則的排列黏著。活性碳粒子例如形成為圓柱形狀。另外，吸附材的形狀可以是圓柱形狀，例如可以是球狀或形成為其他形狀之形狀或不規則形狀。吸附材的面板上的排列可以是規則性排列亦可以是不規則性排列。
又，在第2段低溫板組件20的至少一部分表面形成有用於藉由凝結來捕捉凝結性氣體的凝結區域。凝結區域例如為低溫板表面上去掉吸附材的區域，低溫板基材表面例如有金屬面露出。吸附低溫板60(例如，上部低溫板60a)的上表面或上表面外周部或下表面外周部可以是凝結區域。
第2段低溫板組件20還具備：凝結低溫板68，包圍上部結構20a而配置；及凝結低溫板安裝構件69，使凝結低溫板68熱耦合且結構性地耦合於第2冷卻台24。
圖3係表示實施形態之第2段低溫板組件20的凝結低溫板68之概略立體圖。圖3中還示出凝結低溫板68及凝結低溫板安裝構件69。為了便於理解，圖3中用虛線表示導熱塊63。
如圖1至圖3所示，凝結低溫板68具有沿軸向延伸且兩端開放之筒形狀，例如圓筒形狀。凝結低溫板68在徑向上配置於放射屏蔽件30與複數個吸附低溫板60之間，且熱耦合於第2冷卻台24。
吸附低溫板60如上所述具有吸附區域66，而凝結低溫板68不具有吸附區域66。亦即，在凝結低溫板68未設置吸附材。凝結低溫板68與其他低溫板同樣地，例如由銅(例如純銅)等高導熱金屬材料形成。凝結低溫板68的表面可以由鎳等其他金屬層被覆。
凝結低溫板68相對於入口低溫板32配置於徑向外側。又，凝結低溫板68相對於第1段擴展低溫板48配置於徑向內側。凝結低溫板68露出於開放區域51，能夠從進氣口12的上方識別。在凝結低溫板68的上方未設置任何低溫板。入口低溫板安裝構件33只不過橫穿凝結低溫板68的極小部分。
凝結低溫板68至入口低溫板32的徑向距離比凝結低溫板68至第1段擴展低溫板48的徑向距離大。又，凝結低溫板68至上部低溫板60a的徑向距離比凝結低溫板68至放射屏蔽件30的屏蔽件側部40(或屏蔽件前端36)的徑向距離大。凝結低溫板68不與上部低溫板60a接觸。
如此，凝結低溫板68與上部低溫板60a之間形成比較寬的氣體接收空間50。開放區域51為氣體接收空間50的入口，低溫泵10通過開放區域51將氣體接收至氣體接收空間50。因此，與凝結低溫板68靠近上部低溫板60a配置時相比，凝結低溫板68難以妨礙從進氣口12進入之氣體到達吸附低溫板60。
凝結低溫板68沿放射屏蔽件30的屏蔽件側部40向周向延伸。但是，凝結低溫板68靠近放射屏蔽件30，但不與其接觸。為了適當地維持凝結低溫板68與第1段低溫板18的溫度差，凝結低溫板68與屏蔽件側部40的徑向間隔例如可以是至少3mm或至少5mm或至少7mm。凝結低溫板68與屏蔽件側部40的徑向間隔例如可以在20mm以內或15mm以內或10mm以內。
凝結低溫板68包圍中心軸C而遍及全周延伸，但並不限於此。凝結低溫板68可以在周向上僅設置於一部分。又，凝結低溫板68與中心軸C同軸配置。但是，凝結低溫板68可以稍微偏離中心軸C配置。
凝結低溫板68在軸向上配置於入口低溫板32與第2冷卻台24之間。凝結低溫板68的軸向上端例如位於頂部低溫板61與第2個上部低溫板60a之間。或者，凝結低溫板68的軸向上端可以位於屏蔽件前端36與頂部低溫板61(或其他上部低溫板60a)之間。凝結低溫板68的軸向下端例如位於與導熱塊63的上表面相同的高度。如此，上部結構20a幾乎整體被凝結低溫板68包圍。
凝結低溫板安裝構件69具有L字形形狀。凝結低溫板安裝構件69的一個面安裝於凝結低溫板68的內表面(或外表面)。與該一個面垂直的凝結低溫板安裝構件69的另一個面安裝於導熱塊63的上表面。如此，凝結低溫板68經由凝結低溫板安裝構件69熱耦合且結構性地耦合於第2冷卻台24。能夠將第2冷卻台24至凝結低溫板68的導熱路徑縮短得比較短，從而能夠有效地冷卻凝結低溫板68。
作為一例，凝結低溫板68例如藉由柳釘或其他安裝方法安裝於凝結低溫板安裝構件69。凝結低溫板安裝構件69例如使用螺栓等緊固構件54安裝於導熱塊63。凝結低溫板安裝構件69與導熱塊63可以藉由緊固構件54與第2冷卻台24緊固在一起。如此一來，能夠將凝結低溫板安裝構件69和導熱塊63與第2冷卻台24一同緊固固定在一起，因此便於製造(組裝作業)。
低溫泵殼體70為收容第1段低溫板18、第2段低溫板組件20及冷凍機16之低溫泵10的筐體，其為以保持內部空間14的真空氣密的方式構成之真空容器。低溫泵殼體70以非接觸之方式包括第1段低溫板18及冷凍機結構部21。低溫泵殼體70安裝於冷凍機16的室溫部26。
藉由低溫泵殼體70的前端，進氣口12被分隔。低溫泵殼體70具備從其前端朝向徑向外側延伸之進氣口凸緣72。進氣口凸緣72遍及低溫泵殼體70的全周而設置。低溫泵10使用進氣口凸緣72而安裝於真空排氣對象的真空腔室。進氣口凸緣72的內周側形成有用於避免進氣口凸緣72與第1段擴展低溫板48接觸之凹部，藉由該凹部在外周側的凸緣上表面安裝於真空腔室。
進氣口凸緣72可起到所謂變換凸緣的作用。進氣口凸緣72可以構成為將比較小型的低溫泵10安裝到直徑比其大的真空腔室的排氣口。例如，進氣口凸緣72被設計成將具有12英吋的口徑的進氣口12之低溫泵10安裝於例如具有14英吋或16英吋的口徑之真空腔室的排氣口。
另外，圖1中，入口低溫板32和第1段擴展低溫板48在軸向上位於比進氣口凸緣72的凸緣上表面稍微靠上方的位置，但並不限於此。例如，凸緣上表面亦可以位於第1段擴展低溫板48的軸向上方，而在進氣口凸緣72的內周側凹部收容第1段擴展低溫板48。
以下對上述結構的低溫泵10的動作進行說明。低溫泵10在工作時，首先在該工作之前用其他適當的粗抽泵將真空腔室內部粗抽至1Pa左右。之後，使低溫泵10工作。藉由冷凍機16的驅動，第1冷卻台22及第2冷卻台24分別被冷卻為第1冷卻溫度及第2冷卻溫度。藉此，熱耦合於該等之第1段低溫板18、第2段低溫板組件20亦分別被冷卻為第1冷卻溫度及第2冷卻溫度。
入口低溫板32與第1段擴展低溫板48對從真空腔室朝向低溫泵10飛來之氣體進行冷卻。藉由第1冷卻溫度而蒸氣壓充分變低的(例如10-8 Pa以下的)氣體在入口低溫板32與第1段擴展低溫板48的表面凝結。該氣體可以稱為第1種氣體。第1種氣體例如為水蒸氣。如此，入口低溫板32與第1段擴展低溫板48能夠將第1種氣體排出。藉由第1冷卻溫度而蒸氣壓未充分變低的氣體的一部分從進氣口12進入至內部空間14。或者，氣體的其他部分被入口低溫板32反射而未進入到內部空間14。
進入到內部空間14之氣體藉由第2段低溫板組件20被冷卻。藉由第2冷卻溫度而蒸氣壓充分變低的(例如10-8 Pa以下的)氣體在凝結低溫板68的表面凝結。該氣體可以稱為第2種氣體。第2種氣體例如為氮氣(N2 )、氬氣(Ar)。第2種氣體還在吸附低溫板60的凝結區域凝結。如此，第2段低溫板組件20能夠排出第2種氣體。
藉由第2冷卻溫度而蒸氣壓未充分變低的氣體被吸附到吸附低溫板60的吸附區域66。該氣體可以稱為第3種氣體。第3種氣體例如為氫氣(H2 )。如此，第2段低溫板組件20能夠排出第3種氣體。因此，低溫泵10能夠藉由凝結或吸附排出各種氣體，且將真空腔室的真空度提高至所希望的級別。
依實施形態之低溫泵10，藉由設置凝結低溫板68，能夠提高第2種氣體的排氣性能(例如排氣速度、吸留量)。又，凝結低溫板68具有筒狀的形狀，軸向上端被開放，因此被凝結低溫板68圍繞之上部結構20a之吸附低溫板60的第3種氣體的進入路徑不易受阻。又，凝結低溫板68的軸向下端亦被開放，因此氣體亦能夠到達下部結構20b的吸附低溫板60。藉此，充分抑制隨著在低溫泵10加設凝結低溫板68而引起之第3種氣體的排氣性能的下降。因此，低溫泵10能夠實現第3種氣體的高速排氣的同時提高第2種氣體的排氣性能。
又，凝結低溫板68相對於入口低溫板32配置於徑向外側。因此，從低溫泵10的外部朝向凝結低溫板68之氣體不易因入口低溫板32而進入路徑受阻，藉此能夠靈活使用凝結低溫板68的第2種氣體的排氣性能。
凝結低溫板68軸向上配置於入口低溫板32與第2冷卻台24之間。如此，凝結低溫板68軸向上配置於相對上方。因此，與凝結低溫板68配置於下方之情況相比，從進氣口12流入之第2種氣體容易到達凝結低溫板68。能夠提高凝結低溫板68的排氣性能。
圖4係概略地表示其他實施形態之低溫泵10之側剖面圖。圖5係概略地表示其他實施形態之第2段低溫板組件20的凝結低溫板68之概略立體圖。參閱圖4及圖5進行說明之實施形態除了凝結低溫板68的結構之外，與前述的實施形態相同。以下說明中，對與前述的實施形態相同的結構標註相同符號，適當省略重複說明。
凝結低溫板68具有多個孔80。作為一例，孔80為均具有相同直徑之圓形的孔。孔80沿軸向設置有3個，周向上除了凝結低溫板安裝構件69的位置之外設置於全周。凝結低溫板68係將穿孔金屬板成形為圓筒狀板。另外，孔80的形狀可以是任意的。例如，孔80可以是沿周向(或軸向)延伸之狹縫。所有的孔80無需為相同形狀。又，孔80的排列亦可以是任意的，既可以是規則性排列，亦可以是不規則性排列。
如此，凝結低溫板68具有多個孔80，藉此使從進氣口12侵入之輻射熱通過孔80而入射到放射屏蔽件30，從而能夠使凝結低溫板68通過。能夠減少侵入至凝結低溫板68的熱，藉此能夠維持為所希望的冷卻溫度。
優選凝結低溫板68例如具有20%至40%範圍內之開口率。凝結低溫板68可以具有25%至35%範圍內之開口率或約30%的開口率。開口率為孔80的合計面積與凝結低溫板68的總面積(例如，圓筒面的面積)之比。凝結低溫板68的總面積包含孔80的面積。
藉由如此設定凝結低溫板68的開口率，既能夠確保排氣性能又能夠應對侵入熱。依本發明人的估算，與未設置凝結低溫板68的情況相比，能夠將氫氣的排氣速度的下降抑制在5%以下。
以上，依據實施例對本發明進行了說明。所屬技術領域中具有通常知識者當然能夠理解本發明並不限定於上述實施形態，且能夠進行各種設計變更而且存在各種變形例，並且這種變形例亦屬於本發明的範圍。
上述實施形態中，凝結低溫板68在軸向上配置於入口低溫板32與第2冷卻台24之間，在低溫泵10的內部空間14位於軸向的相對上方，但並不限於此。凝結低溫板68可以在軸向上配置於第2冷卻台24與屏蔽件底部38之間。凝結低溫板68可以配置成圍繞第2段低溫板組件20的下部結構20b。
上述實施形態中，凝結低溫板68具有與中心軸C為同軸的圓筒面，亦即，具有與垂直於中心軸C的平面正交之表面，但並不限於此。凝結低溫板68可以相對於垂直於中心軸C的平面稍微傾斜。例如，凝結低溫板68可以具有與中心軸C同軸配置之圓錐台狀或倒圓錐台狀的形狀。此時，凝結低溫板68亦可以具有複數個孔80。或者，凝結低溫板68可以不具有孔。
上述實施形態中，凝結低溫板68具有一個圓筒，但並不限於此，凝結低溫板68例如可以具有雙重圓筒。如此，第2段低溫板組件20可以具有徑向排列之複數個凝結低溫板68。此時，凝結低溫板68亦可以具有複數個孔80。或者，凝結低溫板68可以不具有孔。
上述說明中例示出臥式低溫泵，但本發明亦能夠應用於立式等其他低溫泵。另外，所謂立式低溫泵是指冷凍機16沿低溫泵10的中心軸C配設之低溫泵。又，低溫板的配置和形狀、數量等低溫泵的內部結構並不限於上述特定的實施形態。能夠適當採用各種公知的結構。
10‧‧‧低溫泵
12‧‧‧進氣口
16‧‧‧冷凍機
22‧‧‧第1冷卻台
24‧‧‧第2冷卻台
30‧‧‧放射屏蔽件
32‧‧‧入口低溫板
60‧‧‧吸附低溫板
68‧‧‧凝結低溫板
80‧‧‧孔
圖1係概略地表示實施形態之低溫泵之側剖面圖。
圖2係概略地表示圖1所示之低溫泵之俯視圖。
圖3係表示實施形態之第2段低溫板組件的凝結低溫板之概略立體圖。
圖4係概略地表示其他實施形態之低溫泵之側剖面圖。
圖5係表示其他實施形態之第2段低溫板組件的凝結低溫板之概略立體圖。
Claims (5)
- 一種低溫泵，其特徵為，具備： 冷凍機，其具備高溫冷卻台及低溫冷卻台； 放射屏蔽件，其包圍前述低溫冷卻台而沿軸向延伸，並且熱耦合於前述高溫冷卻台； 入口低溫板，其配置於低溫泵進氣口的中心部，且熱耦合於前述高溫冷卻台； 複數個吸附低溫板，其在軸向上配置於前述入口低溫板與前述低溫冷卻台之間，且熱耦合於前述低溫冷卻台；及 凝結低溫板，其在徑向上配置於前述放射屏蔽件與前述複數個吸附低溫板之間，且熱耦合於前述低溫冷卻台，並且具有沿軸向延伸且兩端開放之筒形狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之低溫泵，其中 前述凝結低溫板相對於前述入口低溫板配置於徑向外側。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之低溫泵，其中 前述凝結低溫板在軸向上配置於前述入口低溫板與前述低溫冷卻台之間。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之低溫泵，其中 前述凝結低溫板具有多個孔。
- 如申請專利範圍第4項所述之低溫泵，其中 前述凝結低溫板具有20%至40%範圍內之開口率。
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