WO2013168206A1 - 冷凍機、冷却トラップ - Google Patents

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WO2013168206A1
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refrigerator
vibration
piston
housing
frequency
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淳宏 桑島
憲司 工藤
大策 鷹野
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キヤノンアネルバ株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D8/00—Cold traps; Cold baffles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/13—Vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/02—Compressor control
    • F25B2600/025—Compressor control by controlling speed
    • F25B2600/0253—Compressor control by controlling speed with variable speed
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerator and a cooling trap using the refrigerator, for example, a heat storage type refrigerator having a cylinder structure, and a cooling trap using the refrigerator.
  • the cooling trap is a vacuum exhaust device effective for exhausting the inside of the vacuum vessel, in particular, exhausting moisture, and includes a refrigerator that cools a cooling panel installed in the vacuum vessel.
  • GM ford-McMahon
  • refrigerators for cooling traps (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • a regenerative refrigerator having a cylinder structure such as a free piston type Stirling refrigerator as a cooling trap refrigerator.
  • a refrigerator having such a structure can be used as a refrigerator for a cooling trap in terms of refrigeration capacity and size.
  • a free piston type Stirling refrigerator hereinafter referred to as a Stirling refrigerator
  • a cooling stage at the tip of a thin cylindrical cylinder in which a piston reciprocates.
  • a cooling panel is attached to the cooling stage via a heat transfer member.
  • the pressure of the working gas filling the cylindrical cylinder changes (isothermal compression, isothermal expansion), and the displacer has a phase difference with the piston. Reciprocate.
  • the Stirling cycle is formed by performing heat absorption by the heat absorbing part and heat radiating by the heat radiating part (equal volume change). .
  • the Stirling refrigerator has the disadvantage that vibration occurs because the piston and displacer continuously reciprocate inside.
  • the vibration of the Stirling refrigerator is transmitted to the vacuum vessel, it may resonate with the transfer device in the vacuum vessel and cause the substrate to be displaced.
  • An object of the present invention has been made in view of the above problems, and is to provide a refrigerator that can reduce vibration of a regenerative refrigerator having a cylinder structure such as a Stirling refrigerator. Another object of the present invention is to provide a cooling trap using a refrigerator with reduced vibration.
  • the refrigerator of the present invention includes a housing, a piston capable of reciprocating in the housing to compress and expand the working gas, and vibration reducing means for reducing vibration of the housing when the piston is driven.
  • Driving frequency adjusting means for adjusting a driving frequency of the piston to reduce vibration of the casing when the piston is driven in a state where the casing is connected to a vacuum device.
  • the cooling trap of this invention cools the cooling panel which captures gas molecules using the above-mentioned refrigerator.
  • a cooling trap using a refrigerator that suppresses vibrations can be provided.
  • a free piston type Stirling refrigerator is described as an example, but the present invention can be applied to a refrigerator having a piston that reciprocates in a cylinder.
  • a Stirling refrigerator when it is described as a Stirling refrigerator without particular notice, it refers to all regenerative refrigerators having a cylinder structure.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a vacuum processing apparatus having a cooling trap according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a cooling trap
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the internal structure of a refrigerator
  • FIG. 4 is a system of the refrigerator.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the drive frequency and vibration value of the refrigerator. In order to prevent complication of the drawing, the illustration is omitted except for a part.
  • the vacuum processing apparatus 1 includes a cooling trap 10 and a turbo molecular pump (TMP) 7 as an evacuation apparatus 5 connected to the vacuum vessel 3. Inside the vacuum vessel 3, a predetermined vacuum process is performed on a material to be processed such as a substrate.
  • the vacuum process performed in the vacuum vessel 3 is not limited to a specific process, but may be, for example, a film formation process by sputtering or CVD, or an etching process.
  • the cooling trap 10 of this embodiment is attached between the vacuum vessel 3 and the TMP 7, a cooling trap may be attached inside the vacuum vessel 3, and the cooling trap 10 and the TMP 7 are connected to a pipe connected to the vacuum vessel 3. May be attached.
  • the refrigerator according to the present invention is also applicable as a refrigerator for cooling the substrate holder.
  • the cooling trap will be described with reference to FIG.
  • the cold trap 10 is attached to the refrigerator 14, the trap container 12 connected to the refrigerator 14, and the refrigerator 14 via the heat transfer member 27 and traps the gas from the vacuum container 3. It has a cooling panel 18 (trap section).
  • the trap container 12 is connected to the vacuum container 3 and the TMP 7.
  • the heat transfer member 27 is arranged in a cantilever structure in which one end is connected to the cooling stage 23 of the refrigerator 14 and the other end is connected to the cooling panel 18.
  • a vibration sensor 41 is attached to the trap container 12.
  • the control unit 43 is attached to the casing of the refrigerator 14.
  • the frequency adjusting device that controls the frequency of the linear motor 32 includes a control unit 43 and a vibration sensor 41.
  • the vibration absorber 45 is configured to include the dynamic vibration absorber 45 and the frequency adjusting device.
  • the dynamic vibration absorber 45, the frequency adjusting device, and the vibration absorption unit will be described later.
  • the vibration sensor 41 is attached to the trap container 12 via a flange 55 (attachment portion).
  • a member to which the refrigerator 14 can be attached is an external vacuum device. At this time, it is connected to the vacuum device via the mounting portion.
  • the attaching portion indicates a member for attaching to the vacuum apparatus in addition to the flange 55.
  • the trap container 12 is an aluminum container that separates the atmosphere from the vacuum, and can accommodate the heat transfer member 27 and the cooling panel 18 therein. Inside the trap container 12, the exhaust port of the vacuum container 3, the intake port of the TMP 7, and the cooling unit of the refrigerator 14 can be communicated with each other.
  • the refrigerator 14 attached to the trap container 12 is a free-piston Stirling refrigeration having the ability to cool a thin cylindrical cooling panel 18 to a cryogenic temperature capable of capturing gas molecules such as moisture in a vacuum. Machine.
  • the cooling part refers to a range composed of a cooled part on the tip side of the cylinder 21 and the cooling stage 23.
  • the other end side of the cylinder 21 refers to a portion of the cylinder 21 on the cooling stage 23 side.
  • the structure of the refrigerator according to this embodiment will be described with reference to FIG.
  • a free piston type Stirling refrigerator hereinafter referred to as refrigerator 14
  • the refrigerator 14 includes a housing 22 in which a cylinder 21 (cylinder part) is formed, and a flange 55 (attachment part) connected to the trap container 12.
  • a cooling stage 23 is provided at the tip of the cylinder 21.
  • the refrigerator 14 further includes a radiator 56 made of an annular metal as a heat exhaust mechanism for discharging heat generated from the heat radiating unit 25 to the outside of the refrigerator main body.
  • a radiator 56 made of an annular metal as a heat exhaust mechanism for discharging heat generated from the heat radiating unit 25 to the outside of the refrigerator main body.
  • the heat radiating body 56 of the present embodiment is a structure having metal fins, a structure in which a refrigerant such as water is introduced into the inside and exhausted through the fluidized refrigerant may be employed.
  • the housing 22 has a shape in which a thin cylindrical member (cylinder 21) is provided on one end side of the cylindrical member.
  • a drive piston 31 (piston) driven so as to reciprocate in the longitudinal direction (axial direction) of the cylinder 21 by a linear motor 32, and a free piston provided so as to be able to reciprocate in the same direction as the drive piston 31.
  • 35 (second piston), a phase adjustment spring 36 that adjusts the phase of the movement of the free piston 35, and a connecting shaft 33 that connects the free piston 35 and the phase adjustment spring 36.
  • the free piston 35 is disposed inside the cylinder 21.
  • the space between the drive piston 31 and the free piston 35 is filled with working gas.
  • working gas for example, helium gas can be used, but other gases may be used.
  • the outer peripheral surface of the free piston 35 is movable with a slight gap with the internal member of the cylinder 21.
  • the drive piston 31 has a slight gap with the internal member of the housing 22 filled with the working gas. Can drive. Therefore, the working gas can be moved by the movement of the drive piston 31 and the free piston 35.
  • a heat absorption part 24 expansion space in which the working gas expands is formed at the front end side of the cylinder 21, and a heat radiation part 25 (compression space) in which the working gas is compressed is defined in a space between the free piston 35 and the drive piston 31.
  • a heat exchanger 37 is provided in the working gas flow path between the heat dissipating unit 25 and the heat absorbing unit 24.
  • heat radiating portion 25 heat is radiated from the working gas compressed by the free piston 35 and the drive piston 31. Therefore, a heat radiating body 56 as a heat radiating portion is provided at the lower end outside the cylinder 21 in contact with the heat radiating portion 25.
  • heat absorption part 24 heat is absorbed from the working gas expanded by the movement of the free piston 35 and the drive piston 31, and therefore a cooling stage 23 is provided at a position in contact with the heat absorption part 24.
  • the heat absorbing portion 24 and the heat radiating portion 25 are partitioned by a free piston 35.
  • the heat transfer member 27 is a copper member arranged directly on the cooling stage 23, and transfers the cold heat of the cooling stage 23 to the cooling panel 18.
  • the water that jumps in from the inside of the vacuum vessel 3 and the water that returns from the turbo molecular pump 7 side are captured on the surface of the cooled cooling panel 18.
  • the cooling stage 23, the heat transfer member 27, and the cooling panel 18 are each fixed with screws, and the contact surfaces of the components are attached with an indium sheet (not shown) sandwiched between the connection surfaces in order to improve heat transfer. sell.
  • the vibration absorbing unit includes a dynamic vibration absorber 45 (vibration reducing means) and a frequency adjusting device (driving frequency adjusting means). Further, the frequency adjusting device has at least a control unit 43.
  • the dynamic vibration absorber 45 includes a spring 51 (elastic member) attached to the housing 22 and a vibrating body 52 (weight) attached to the spring 51.
  • the vibrating body 52 is composed of a metal member or the like.
  • the spring 51 is constituted by a coil spring or a leaf spring, and one end is connected to the housing 22 side and the other end is connected to the vibrating body 52 (weight).
  • the drive frequency of the drive piston 31 that absorbs vibrations best by the dynamic vibration absorber 45 is referred to as a set frequency (a preset drive frequency).
  • the set frequency is set so as to coincide with the drive frequency at which the performance of the refrigerator 14 can be sufficiently exerted.
  • the natural frequency f of the dynamic vibration absorber 45 is determined from the spring constant of the spring 51 and the weight of the vibrating body 52.
  • the dynamic vibration absorber 45 of this embodiment is provided at the bottom of the housing 22 so that the operation axis driven by the drive piston 31 and the operation axis where the vibration body 52 of the dynamic vibration absorber 45 vibrates are coaxial. With such an arrangement, vibration can be efficiently reduced.
  • the dynamic vibration absorber 45 is initially set so that the vibration of the refrigerator 14 is minimized when the drive piston 31 is driven at a set frequency in a state where the housing 22 (the refrigerator 14) is not connected to a vacuum vessel or the like. Yes.
  • the drive frequency at which the dynamic vibration absorber 45 can effectively suppress vibration may change. That is, when the refrigerator 14 is driven at a set frequency while the refrigerator 14 is attached to the vacuum apparatus, the dynamic vibration absorber 45 may not be able to sufficiently reduce vibration.
  • the drive frequency is adjusted by the frequency adjusting device in order to reduce the vibration of the housing 22. That is, the vibration of the refrigerator 14 is reduced by adjusting the drive frequency of the refrigerator 14 to the drive frequency at which the dynamic vibration absorber 45 can best reduce the vibration while the housing 22 (the refrigerator 14) is attached to the vacuum apparatus. can do.
  • the vibration sensor 41 of this embodiment may be mounted on a control board to which the computing unit 47 is attached, and the control board itself may be mounted on the refrigerator 14 or other vacuum apparatus.
  • an acceleration sensor is used as the vibration sensor 41 that measures the vibration of the refrigerator 14, but a speedometer and a displacement meter can be substituted.
  • the signal output from the vibration sensor 41 is sent to the computing unit 47 through a center frequency variable bandpass filter (hereinafter referred to as a bandpass filter 49).
  • the band pass filter 49 can adjust the center value of the pass frequency band based on the input control signal.
  • a control signal to be input to the band pass filter 49 a control signal (inverter control signal) corresponding to the drive frequency for driving the drive piston 31 is divided and input.
  • the center frequency of the pass frequency band of the bandpass filter is automatically adjusted to the driving frequency for driving the driving piston 31, and the vibration signal from the vibration sensor 41 can be detected with a constant filter strength independent of the driving frequency. .
  • the band pass filter 49 uses a high-order filter with respect to the center frequency. This is to input a vibration signal to the computing unit 47 in a state where vibration signals and noise other than the vibration of the refrigerator 14 are cut.
  • the band-pass filter 49 As the band-pass filter 49, a switched capacitor filter (switched capacitor) or the like can be used.
  • the bandpass filter 49 can be replaced by a software filter.
  • the signal from the vibration sensor 41 is directly taken into the computing unit 47.
  • the computing unit 47 calculates a control signal corresponding to the drive frequency that minimizes vibration based on the signal from the vibration sensor 41 and outputs the control signal to the inverter 48.
  • the inverter 48 supplies AC power having a driving frequency corresponding to the control signal from the computing unit 47 to the linear motor 32 of the refrigerator 14 and drives the driving piston 31 at the driving frequency.
  • the software configuration is such that the vibration signal around the drive frequency is extracted.
  • the computing unit 47 records the signal value from the vibration sensor 41 while changing the drive frequency within a range where the capacity of the refrigerator 14 is not reduced.
  • the drive frequency (optimum drive frequency) that minimizes the signal value from the recorded vibration sensor 41 is searched, and the drive piston 31 is driven at that frequency. That is, in the computing unit 47, an operation for searching for a driving frequency at which the vibration value measured by the vibration sensor 41 is minimized while controlling the inverter 48 and changing the driving frequency of the refrigerator 14 is performed.
  • the optimum drive frequency can be specified by searching for frequencies around the set frequency.
  • the change in the optimum driving frequency caused by the secular change of the structural member such as the spring 51 is also a small value like the optimum frequency change when the refrigerator 14 is attached to the vacuum apparatus, and can be handled in the same manner.
  • the drive frequency of the drive piston 31 is adjusted when the drive frequency (optimum drive frequency) at which the dynamic vibration absorber 45 can reduce the vibration is changed due to the fact that the cooling trap 10 is attached to the vacuum vessel 3. Described about what to do. However, even when the drive frequency changes due to the secular change of the spring of the dynamic vibration absorber 45, the vibration of the refrigerator 14 or the cooling trap 10 can be reduced by adjusting the drive frequency of the drive piston 31.
  • the drive frequency of the refrigerator is 74.95 ⁇ 0.01 Hz due to the effect that the refrigerator initially set so that the vibration is minimized when the refrigerator drive frequency is 75.00 Hz (set frequency) is attached to the vacuum vessel 3.
  • set frequency 75.00 Hz
  • FIG. 5 also shows the acceleration sensor signal (vibration value) measured by the search method described above when the drive frequency was changed from 74.7 to 75.3 Hz.
  • the drive frequency optimum drive frequency
  • the drive frequency that minimizes the vibration of the refrigerator is searched according to the search method described above, 74.95 ⁇ 0.01 Hz is obtained. That is, the refrigerator is driven at 74.95 ⁇ 0.01 Hz where the vibration of the refrigerator is minimized.
  • the drive frequency of the drive piston 31 of the refrigerator is changed from 75.00 Hz to 74.95 ⁇ 0.01 Hz, but with such a change, the performance of the refrigerator is hardly deteriorated.
  • a refrigerator with reduced vibration can be provided.
  • the cooling trap using the refrigerator which reduced the vibration can be provided.
  • the vibration of the refrigerator or the cooling trap can be further reduced by providing the vibration absorption unit including the refrigerator or the dynamic vibration absorber and the drive frequency adjustment device (frequency adjustment device).
  • the dynamic vibration absorber is initially set so that vibration is minimized when the Stirling refrigerator is operated at the set frequency. Therefore, in the conventional refrigerator, when the drive frequency at which the dynamic vibration absorber can effectively suppress vibration changes, screws or magnets are added to or removed from the vibration body of the dynamic vibration absorber to physically reduce its mass. Adjustment work was required. In addition, when the conventional refrigerator is mounted in a vacuum vessel, the above-mentioned difficulty is caused by the deviation of the natural frequency of the dynamic vibration absorber, the resonance with the members in the vacuum vessel, the environmental temperature and the deterioration of the dynamic vibration spring over time. It may be necessary to perform the adjustment work again.
  • the refrigerator includes the dynamic vibration absorber and the frequency adjustment device, so that even when the drive frequency (optimum drive frequency) at which the dynamic vibration absorber can reduce vibration most changes,
  • the refrigerator can change the drive frequency to an optimum drive frequency simply and reliably. Therefore, the refrigerator or the cooling trap can effectively reduce vibration.

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Abstract

　スターリング冷凍機を用いた冷却トラップを提供する。冷凍機１４は、放熱部２５と吸熱部２４との間で作動ガスを往復させるようにフリーピストン３５を駆動する駆動ピストン３１と、筐体２２の振動を測定する振動センサー４１と、駆動ピストン３１が駆動されたときの筐体２２の振動を低減する動吸振器４５と、筐体２２が真空装置に接続された状態で、駆動ピストン３１が駆動されたときの筐体２２の振動を低減するために駆動周波数を調整する周波数調整装置とを備える。

Description

冷凍機、冷却トラップ
　本発明は、冷凍機、該冷凍機を用いた冷却トラップに係り、例えば、シリンダ構造を持つ蓄熱式の冷凍機、該冷凍機を用いた冷却トラップに関する。
　冷却トラップは、真空容器内の排気、特に水分の排気に有効な真空排気装置であり、真空容器内に設置される冷却パネルを冷却する冷凍機を備えている。従来から冷却トラップの冷凍機にはＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎ）式冷凍機が一般的に用いられている（例えば、特許文献１，２）。
特開平１０－１８４５４１号公報 特開２００９－１９５００号公報
　真空処理装置のフットプリント低減の要請などから冷凍機の小型化が望まれている。しかしながら、ＧＭ式冷凍機はコンプレッサーによって圧縮された冷媒ガスを供給する構成であるため小型化が難しいという問題がある。
　そこで、冷却トラップの冷凍機として、フリーピストン型スターリング冷凍機などのシリンダ構造を持つ蓄冷式の冷凍機を用いて小型化することが考えられる。このような構造を持つ冷凍機は、冷凍能力とサイズにおいて、冷却トラップの冷凍機としても使用できると考えられるためである。例えば、フリーピストン型スターリング冷凍機（以下、スターリング冷凍機とする）は、内部でピストンが往復運動する薄肉の円筒シリンダの先端に冷却ステージが設けられる。冷却ステージには伝熱部材を介して冷却パネルが取り付けられる。
　リニアモータによる駆動機構を動作させてピストンを往復運動させると、円筒シリンダ内を満たしている作動ガスの圧力が変化（等温圧縮、等温膨張）し、それに伴いディスプレーサはピストンと位相差を有して往復運動する。これにより作動ガスが圧縮空間～放熱部～再生部～吸熱部～膨張空間を移動する間に、吸熱部による吸熱と放熱部による放熱とを行うことにより（等容積変化）スターリングサイクルが形成される。このように、ピストンとディスプレーサを連動させることにより、作動ガスの圧力変化による等温圧縮及び等温膨張並びに作動ガスの流動時の等容積変化による吸熱及び放熱とからなる可逆サイクルが行われ、これによって吸熱部の周辺が低温に冷却され、吸熱部を被冷却物に接触させることにより被冷却物が冷却される。
　スターリング冷凍機は、ピストンとディスプレーサが内部で連続的に往復運動するために振動が発生するという不都合がある。スターリング冷凍機の振動が真空容器に伝わると、真空容器内の搬送装置などと共振して、基板の位置ずれを引き起こす可能性があった。
　本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、スターリング冷凍機などシリンダ構造を持つ蓄冷式の冷凍機の振動を低減できる冷凍機を提供することである。本発明の他の目的は、振動を低減した冷凍機を用いた冷却トラップを提供することである。
　本発明の冷凍機は、筐体と、作動ガスを圧縮、膨張させるべく前記筐体内において往復運動可能なピストンと、前記ピストンが駆動されたときの前記筐体の振動を低減する振動低減手段と、前記筐体が真空装置に接続された状態で、前記ピストンが駆動されたときの前記筐体の振動を低減するために前記ピストンの駆動周波数を調整する駆動周波数調整手段と、を備えることを特徴とする。或いは、本発明の冷却トラップは、上述の冷凍機を用いて気体分子を捕獲する冷却パネルを冷却することを特徴とする。
　スターリング冷凍機などシリンダ構造を持つ蓄冷式の冷凍機の振動を低減できる冷凍機を提供することができる。また、振動を抑えた冷凍機を用いた冷却トラップを提供することができる。
　本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
　添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
本発明の一実施形態に係る真空処理装置の概略図である。 本発明の一実施形態に係る冷却トラップの概略図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍機の内部構造の概略図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍機のシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍機の駆動周波数と振動値の関係図である。
　本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変できることは勿論である。記載された各実施形態の構成は適宜、組み合わせて適用することができるものとする。以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
　なお、本実施形態においてはフリーピストン型スターリング冷凍機を例に説明するが、本発明はシリンダ内で往復するピストンを有する冷凍機に適用できるものである。本明細書中において特に断りなくスターリング冷凍機と記載する場合は、シリンダ構造を持つ蓄冷式の冷凍機全般をいうものとする。
　図１は本発明の一実施形態にかかる冷却トラップを有する真空処理装置の概略図、図２は冷却トラップの概略図、図３は冷凍機の内部構造の概略図、図４は冷凍機のシステム構成図、図５は冷凍機の駆動周波数と振動値の関係図である。なお、図面の煩雑化を防ぐため一部を除いて省略している。
　図１に基づいて、冷却トラップを備える真空処理装置について説明する。真空処理装置１は、真空容器３に接続された真空排気装置５として冷却トラップ１０とターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）７とを備えている。真空容器３の内部では所定の真空処理が基板などの被処理材に対して行われる。真空容器３内で行われる真空処理は特定の処理に限定されないが、例えば、スパッタリングやＣＶＤによる成膜処理、若しくはエッチング処理などでありうる。本実施形態の冷却トラップ１０は真空容器３とＴＭＰ７の間に取り付けられているが、真空容器３の内部に冷却トラップを取り付けてもよく、真空容器３に接続された配管に冷却トラップ１０とＴＭＰ７が取付けられてもよい。さらに本発明に係る冷凍機は、基板ホルダ冷却用の冷凍機としても適用可能である。
　図２に基づいて冷却トラップについて説明する。冷却トラップ１０は、冷凍機１４と、冷凍機１４に連結されるトラップ容器１２と、冷凍機１４に伝熱部材２７を介してトラップ容器１２内に取り付けられ真空容器３内からの気体を捕獲する冷却パネル１８（トラップ部）を有している。トラップ容器１２は、真空容器３とＴＭＰ７に接続される。伝熱部材２７は冷凍機１４の冷却ステージ２３に一端が連結され、冷却パネル１８に他端が連結される片持ち構造で配置されている。
　トラップ容器１２には振動センサー４１が取付けられている。制御ユニット４３は冷凍機１４の筐体に取り付けられている。リニアモータ３２の振動数を制御する周波数調整装置は制御ユニット４３と振動センサー４１を備えて構成されている。動吸振器４５と周波数調整装置とを有して吸振ユニットが構成されている。動吸振器４５、周波数調整装置、吸振ユニットについては後述する。なお、本実施形態では振動センサー４１はフランジ５５（取付け部）を介してトラップ容器１２に取付けられているが、冷凍機１４の筐体２２や真空容器３、冷却パネル１８、基板ホルダ、基板搬送用のアームなど、真空容器３内の振動しやすい部材に取付けてもよい。なお、冷凍機１４が取付けられうる部材を外部の真空装置とする。この際、真空装置には取付け部を介して接続される。ここでの取付け部は、フランジ５５以外にも真空装置に取付けるための部材を示すものとする。
　トラップ容器１２は、大気と真空とを隔てるアルミニウム製の容器であり、内部に伝熱部材２７と冷却パネル１８を収容できる。トラップ容器１２の内部では、真空容器３の排気口とＴＭＰ７の吸気口と冷凍機１４の冷却部を連通させることができる。本実施形態においてトラップ容器１２に取り付けられた冷凍機１４は、薄板円筒形の冷却パネル１８を真空中で水分などの気体分子を捕獲可能な極低温まで冷却できる能力を持ったフリーピストン型スターリング冷凍機である。冷却部とは、シリンダ２１先端側の冷却される部分と冷却ステージ２３とからなる範囲をいうものとする。シリンダ２１の他端側とは、シリンダ２１の冷却ステージ２３側の部分をいうものとする。
　本実施形態の冷凍機の構造について図３に基づいて説明する。本実施形態では、フリーピストン型スターリング冷凍機（以下、冷凍機１４とする）を用いている。冷凍機１４は、シリンダ２１（シリンダ部）が形成された筐体２２と、トラップ容器１２に接続するフランジ５５（取付け部）を備えている。シリンダ２１の先端には冷却ステージ２３が設けられている。
　冷凍機１４にはさらに、放熱部２５から発する熱を冷凍機本体の外に排出するための排熱機構として、環状の金属からなる放熱体５６を備えている。本実施形態の放熱体５６は金属フィンを有する構造体であるが、内部に水等の冷媒を導入し、流動させた冷媒を介して排熱する構造を採用してもよい。
　筐体２２は、円筒状部材の一端側に細い円筒状部材（シリンダ２１）が設けられた形状である。筐体内には、リニアモータ３２でシリンダ２１の長手方向（軸方向）に往復するように駆動される駆動ピストン３１（ピストン）と、駆動ピストン３１と同じ方向に往復運動可能に設けられたフリーピストン３５（第２ピストン）、フリーピストン３５の動きの位相を調整する位相調整ばね３６、フリーピストン３５と位相調整ばね３６を連結する連結軸３３を有している。このうち、フリーピストン３５はシリンダ２１内部に配置されている。
　駆動ピストン３１とフリーピストン３５との間の空間には作動ガスが充填されている。作動ガスとしては、例えばヘリウムガスが使用されうるが、他のガスが使用されてもよい。フリーピストン３５の外周面は、シリンダ２１の内部部材と僅かな隙間を有して移動可能である、駆動ピストン３１は筐体２２の作動ガスが充填される内部部材と僅かな隙間を有して駆動できる。そのため、駆動ピストン３１とフリーピストン３５の動きによって、作動ガスを移動させることができる。
　駆動ピストン３１をフリーピストン３５と所定の位相差を有して駆動させ、フリーピストン３５の動作を軸方向に連動させることにより、作動ガスの圧力変化による等温圧縮、及び、等温膨張、並びに、作動ガスの流動時の等容積変化による吸熱及び排熱とからなる可逆サイクルが行われ、これによって吸熱部２４の周辺部材が冷却される。
　シリンダ２１内部の先端側には作動ガスが膨張する吸熱部２４（膨張空間）、フリーピストン３５と駆動ピストン３１との間の空間には作動ガスが圧縮される放熱部２５（圧縮空間）が区画され、放熱部２５と吸熱部２４との間の作動ガスの流路には熱交換器３７が設けられている。放熱部２５では、フリーピストン３５と駆動ピストン３１によって圧縮された作動ガスから放熱されるため、放熱部２５に接するシリンダ２１の外側の下端には放熱部としての放熱体５６が設けられている。吸熱部２４ではフリーピストン３５と駆動ピストン３１の動きによって膨張した作動ガスから吸熱されるため、吸熱部２４に接する位置には冷却ステージ２３が設けられている。吸熱部２４と放熱部２５はフリーピストン３５で仕切られている。
　駆動ピストン３１とフリーピストン３５は、その動きによって、作動ガスを押し出し又は引き付けて吸熱部２４と放熱部２５との間で往復させる部材である。そのため、駆動ピストン３１とフリーピストン３５は、それらが移動する部分の内面形状に合った断面形状を有することが望ましい。駆動ピストン３１とフリーピストン３５の形状は、円柱状の他にも、板状（バルブ体）でもよい。また、フランジ５５は吸熱部２４と放熱部２５との間の位置に設けられている。吸熱部２４を真空側に、放熱部２５を大気側に配置することで放熱が容易になる。
　冷凍機１４を運転し冷凍機１４の上部の冷却ステージ２３が冷却されると、冷却ステージ２３から伝熱部材２７に冷熱が伝わり、伝熱部材２７に接続されている冷却パネル１８が冷却される。伝熱部材２７は、冷却ステージ２３上に直接配置される銅製の部材であり、冷却ステージ２３の冷熱を冷却パネル１８に伝える。
　真空容器３内から飛び込んでくる水分やターボ分子ポンプ７側から戻ってくる水分が、冷却された冷却パネル１８の表面で捕獲される。冷却ステージ２３、伝熱部材２７、冷却パネル１８はそれぞれがネジで固定されており、各部品の接触面は伝熱を良くするために接続面にインジウムシート（図示せず）を挟み込んで取り付けられうる。
　吸振ユニットについて説明する。吸振ユニットは、動吸振器４５（振動低減手段）と周波数調整装置（駆動周波数調整手段）を含んで構成されている。また、周波数調整装置は少なくとも制御ユニット４３を有している。
　動吸振器４５は、筐体２２に取付けられたばね５１（弾性部材）と、ばね５１に取付けられた振動体５２（錘）とから構成されている。振動体５２は金属部材などから構成されている。ばね５１はコイルばねや板ばねから構成されており、一端が筐体２２側に、他端が振動体５２（錘）に連結されている。動吸振器４５の固有振動数ｆを調整することで、振動体５２が冷凍機１４の振動を打ち消す位相角度で振動する。動吸振器４５で最もよく振動が吸収される駆動ピストン３１の駆動周波数を設定周波数（予め設定された駆動周波数）という。設定周波数は、冷凍機１４の性能が十分に発揮できる駆動周波数に一致するように設定される。
　動吸振器４５の固有振動数ｆは、ばね５１のばね定数と振動体５２の重さから決められる。本実施形態の動吸振器４５は、駆動ピストン３１が駆動する動作軸と、動吸振器４５の振動体５２が振動する動作軸が同軸になるように筐体２２の底部に設けられている。このような配置にすることで振動を効率よく低減できる。
　動吸振器４５は、筺体２２（冷凍機１４）が真空容器などに接続されていない状態で、設定周波数で駆動ピストン３１を駆動すると、冷凍機１４の振動が最小になるように初期設定されている。真空容器に固定するなど、冷凍機１４の設置環境が変わった場合、動吸振器４５が振動を効果的に抑制できる駆動周波数が変化することがある。すなわち、冷凍機１４を真空装置に取付けた状態で、冷凍機１４を設定周波数で駆動すると、動吸振器４５では十分に振動を低減できない状態になることがある。そのような場合には、筐体２２の振動を低減するために周波数調整装置によって駆動周波数を調整する。すなわち、筺体２２（冷凍機１４）が真空装置に取付けられ状態で、冷凍機１４の駆動周波数を動吸振器４５が最もよく振動を低減できる駆動周波数に調整することで冷凍機１４の振動を低減することができる。
　上述のように、振動センサー４１はトラップ容器１２に、制御ユニット４３は冷凍機の筐体２２に、それぞれ設けられている。周波数調整装置は、冷凍機のピストン駆動周波数（駆動周波数）の調整装置であり、振動センサー４１からの測定値を参照しながら、振動が最小になるように駆動ピストン３１の駆動周波数を調整する装置である。
　図４に基づいて周波数調整装置のシステム構成について説明する。冷凍機１４の周波数調整装置は、振動センサー４１の測定値に基づいて駆動ピストン３１の駆動周波数を制御する制御ユニット４３を有して構成されている。制御ユニット４３はトラップ容器１２の振動を検知する振動センサー４１に接続されている。また、制御ユニット４３は、振動センサー４１からの信号をフィルタリングするバンドパスフィルター４９、バンドパスフィルター４９を介して振動センサー４１から送られた信号を処理する演算器４７、演算器４７からの制御信号に基づいてリニアモータ３２の駆動周波数の交流電力を制御するインバーター４８、を主要構成要素として有している。演算器４７とは、駆動周波数を算出するための演算に必要な構成要素（例えば、演算回路やメモリ回路など）を含むものとする。演算器４７から出力される制御信号は、インバーター４８から出力される駆動周波数に対応する値である。
　本実施形態の振動センサー４１を演算器４７が取り付けられる制御基板上に実装し、制御基板自体を冷凍機１４やその他の真空装置に実装してもよい。本実施形態では、冷凍機１４の振動を測る振動センサー４１として加速度センサーを用いているが、速度計、変位計でも代用可能である。
　振動センサー４１から出力された信号は、中心周波数可変バンドパスフィルター（以下、バンドパスフィルター４９とする。）を通して演算器４７に送られる。バンドパスフィルター４９は入力される制御信号に基づいて、通過周波数バンドの中心値を調整できる。バンドパスフィルター４９に入力する制御信号として、駆動ピストン３１を駆動する駆動周波数に対応した制御信号（インバーターの制御信号）を分周して入力する。その結果、バンドパスフィルターの通過周波数バンドの中心周波数は、駆動ピストン３１を駆動する駆動周波数に自動的に調整され、駆動周波数によらない一定のフィルター強度で振動センサー４１からの振動信号を検出できる。このような構成により、サーチ中の駆動周波数ごとの振動信号値に相関を持たせることができる。バンドパスフィルター４９は、中心周波数に対する高次のフィルターを使用する。これは、冷凍機１４の振動以外の振動信号やノイズをカットされた状態で、演算器４７に振動信号を入力するためである。
　バンドパスフィルター４９としては、スイッチト・キャパシタフィルタ（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）等を用いることができる。また、バンドパスフィルター４９はソフトウエアフィルタでも代用可能であり、そのときは、振動センサー４１からの信号を演算器４７に直接取り込む。演算器４７では、振動センサー４１からの信号をもとに振動を最小にする駆動周波数に対応した制御信号を算出し、インバーター４８に出力する。インバーター４８は演算器４７からの制御信号応じた駆動周波数の交流電力を冷凍機１４のリニアモータ３２に供給し、その駆動周波数で駆動ピストン３１を駆動する。
　上述したようにバンドパスフィルター４９をソフトウエアフィルタで代用した場合も、駆動周波数の周辺の振動信号を抽出するようなソフトウエア構成にする。演算器４７は、冷凍機１４の能力を落とさない範囲で、駆動周波数を変化させながら振動センサー４１からの信号値を記録しておく。記録した振動センサー４１からの信号値の中から最小になる駆動周波数（最適駆動周波数）をサーチし、その周波数で駆動ピストン３１を駆動する。すなわち、演算器４７内では、インバーター４８を制御し、冷凍機１４の駆動周波数を変化させながら、振動センサー４１で測定される振動値が最小になる駆動周波数をサーチする操作が行われる。
　冷凍機を真空容器３やトラップ容器１２などの真空装置に取付けたことを原因とする最適駆動周波数の変化は小さいため、設定周波数の周囲の周波数をサーチすれば最適駆動周波数を特定できる。ばね５１などの構成部材の経年変化などを原因とする最適駆動周波数の変化も、冷凍機１４を真空装置に取付けたときの最適周波数変化と同様に小さな値であるため同様に取り扱うことができる。
　上述のようなことを原因とする最適駆動周波数の変化は小さいため、駆動周波数を修正し、変化した後の最適駆動周波数で駆動ピストン３１を駆動しても冷凍機の性能には影響しない。また、他の原因で最適駆動周波数が大幅に変化した場合にも、サーチする駆動周波数の範囲は冷凍機１４の性能を低下させない範囲内としている。そのため、冷凍機１４の性能が低下するほど駆動周波数が変更されることはない。すなわち、本発明の実施形態の周波数調整装置は、動吸振器４５の設定周波数が、事後的な原因で最適駆動周波数からずれた場合に、冷凍機１４の性能を低下させず、且つ、その状態での動吸振器４５が最もよく振動を低減できる駆動周波数（変化後の最適駆動周波数）で駆動ピストン３１を駆動することで冷凍機１４の振動を低減する装置である。
　本実施形態では冷却トラップ１０を真空容器３に取付けたことを原因として、動吸振器４５が振動を最も低減できる駆動周波数（最適駆動周波数）が変化した場合に、駆動ピストン３１の駆動周波数を調整することについて記載した。しかしながら、動吸振器４５のばねの経年変化などを原因として駆動周波数が変化した場合にも、駆動ピストン３１の駆動周波数を調整することで冷凍機１４又は冷却トラップ１０の振動を低減できる。
　図５に基づいて冷凍機の駆動周波数と振動値の関係について説明する。
本実施形態では、冷凍機駆動周波数75.00Hz（設定周波数）のときに振動が最も小さくなるように初期設定された冷凍機が、真空容器３へ取付けられた影響で、駆動周波数74.95±0.01Hzで冷凍機の振動が最小なるように変化した場合について説明する。
　図５には、74.7から75.3Hzまで駆動周波数を変化させたときに、上述したサーチ方法によって測定した加速度センサーの信号（振動値）を併記した。上述したサーチ方法に従って冷凍機の振動が最小となる駆動周波数（最適駆動周波数）をサーチすると74.95±0.01Hzになる。すなわち冷凍機は、冷凍機の振動が最小となる、74.95±0.01Hzで駆動される。この操作により、冷凍機の駆動ピストン３１の駆動周波数は75.00Hzから74.95±0.01Hzに変更されることになるが、この程度の変更では冷凍機の性能はほとんど低下しない。
　本発明によれば、振動を低減した冷凍機を提供できる。また、本発明によれば、振動を低減した冷凍機を用いた冷却トラップを提供できる。冷凍機又は動吸振器と駆動周波数の調整装置（周波数調整装置）からなる吸振ユニットを備えることで冷凍機又は冷却トラップの振動を一層低減できる。
　冷凍機が周波数調整装置を備えない構成であっても、ある程度振動を低減できる冷凍機又は冷却トラップを提供することはできる。しかしながら、動吸振器は、設定周波数でスターリング冷凍機を運転すると振動が最も小さくなるように初期設定されている。そのため、従来の冷凍機では、動吸振器が振動を効果的に抑制できる駆動周波数が変化した場合には、動吸振器の振動体にネジやマグネットを付加、若しくは除去しその質量を物理的に調整する作業が必要であった。また、従来の冷凍機を真空容器に搭載した場合の動吸振器の固有振動数のずれや真空容器内の部材との共振、環境温度や動吸振器のばねの経年劣化などで上記の困難な調整作業を再度行う必要が生じる場合があった。
　本発明の実施形態の冷凍機１４のように、冷凍機が動吸振器と周波数調整装置を備えることで、動吸振器が振動を最も低減できる駆動周波数（最適駆動周波数）が変化した場合でも、冷凍機は、駆動周波数を簡便且つ確実に最適な駆動周波数に変更することができる。そのため、冷凍機又は冷却トラップは振動を効果的に低減できる。このときにネジやマグネットを付加・除去するような、動吸振器の振動体の質量を調整する作業は不要であり、メンテナンス時間を大幅に短縮することができる。また、本発明の実施形態の冷却トラップの振動低減方法を用いることで上記と同様の効果を得ることができる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付す。
　本願は、２０１２年５月１１日提出の日本国特許出願特願２０１２－１０９６６０を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。
１　真空処理装置
３　真空容器
５　真空排気装置
７　ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）
１０　冷却トラップ
１２　トラップ容器
１４　冷凍機
１８　冷却パネル
２１　シリンダ
２２　筐体
２３　冷却ステージ
２４　吸熱部
２５　放熱部
２７　伝熱部材
３１　駆動ピストン
３２　リニアモータ
３５　フリーピストン
３６　位相調整ばね
３７　熱交換器
４１　振動センサー
４３　制御ユニット
４５　動吸振器
４７　演算器
４８　インバーター
４９　バンドパスフィルター
５１　ばね
５２　振動体（錘）
５５　フランジ
５６　放熱体

Claims (6)

  1. 　筐体と、
    　作動ガスを圧縮、膨張させるべく前記筐体内において往復運動可能なピストンと、
    　前記ピストンが駆動されたときの前記筐体の振動を低減する振動低減手段と、
    　前記筐体が真空装置に接続された状態で、前記ピストンが駆動されたときの前記筐体の振動を低減するために前記ピストンの駆動周波数を調整する駆動周波数調整手段と、を備えることを特徴とする冷凍機。
  2. 　前記筐体の振動を測定する測定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
  3. 　前記振動低減手段は、一端が前記筐体に接続され、他端が錘に接続された弾性部材を備えて構成され、
    　前記駆動周波数調整手段は、前記筐体の振動が最小になる前記ピストンの駆動周波数を、駆動周波数を変化させながらサーチすることを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
  4. 　前記ピストンと所定の位相差を有して前記筐体内で往復運動し、前記作動ガスが圧縮される空間と膨張される空間との間に配置される第２ピストンを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷凍機。
  5. 　前記筐体を、前記真空装置に接続する取付け部を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷凍機。
  6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷凍機を用いて、気体分子を捕獲する冷却パネルを冷却することを特徴とする冷却トラップ。
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