JP5846966B2 - クライオポンプ及びその再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプ及びその再生方法に関する。

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。クライオポンプはいわゆる気体溜め込み式の真空ポンプであるから、捕捉した気体を外部に定期的に排出する再生を要する。

再生中に、クライオポンプのケーシング内の圧力が低い場合に第１真空計を動作させ、圧力が高い場合に第２真空計を動作させることが知られている。第１真空計はフィラメントを有し、第２真空計はフィラメントを有しない。再生中には可燃性ガスや助燃性ガスがクライオパネルから放出される。圧力が高い場合に第１真空計をオフにすることで、発火源を無くしている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３２４９１６号公報

しかし、上述の構成においては、クライオパネルからのガスの放出が、第１真空計をオフにする前に既に始まっている。発火源と可燃性ガスとが併存するとき、偶発的に発火が生じるリスクは残されている。例えば、再生のためにクライオパネルの加熱が開始され、吸着されていた可燃性ガスが急速に放出され、燃焼しうるガス組成がクライオポンプに生じるかもしれない。そのとき第１真空計がオフに切り替えられていることは、必ずしも保証されていない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの再生に関して安全性を向上することにある。

本発明のある態様のクライオポンプは、気体分子を吸着するための吸着領域を備えるクライオパネルと、前記クライオパネルを囲むクライオポンプ容器と、前記クライオポンプ容器を粗引きポンプに接続するためのラフバルブと、前記クライオポンプ容器の内圧を測定するための圧力センサと、前記圧力センサの停止期間と、前記クライオパネルの再生と、を制御するための制御部と、を備える。前記制御部は、前記再生の初期段階に前記停止期間を設定し、かつその停止期間に少なくとも一度前記クライオポンプ容器の粗引きをするために前記ラフバルブを開く。

吸着されているガスは再生開始当初にクライオパネルから放出される。圧力センサを停止させることで、再生の初期段階において当該センサが発火源となるリスクをなくすことができる。吸着されているガスはしばしば可燃性ガスを含む。そうしたガスを、圧力センサが停止している間に、粗引きによりクライオポンプから排出することができる。このようにして、発火源と可燃性ガスという複数の危険因子の併存が回避される。よって、クライオポンプの安全性が向上される。

前記制御部は、前記停止期間が経過したとき前記圧力センサを起動してもよい。前記制御部は、前記クライオポンプ容器の内圧が１００Ｐａを超えることが許容されている前記再生の第２段階において前記圧力センサを使用してもよい。

このようにすれば、再生当初にクライオパネルから放出される可燃性ガスが排出された状態で、圧力センサを起動することができる。それにより、真空排気運転中に比べてクライオポンプ内が相当に高圧となり得る再生中盤以降の工程で、圧力センサを安全に使用することができる。

クライオポンプは、前記クライオパネルの温度を測定するための温度センサを備えてもよい。前記制御部は、前記初期段階において、吸着された気体分子が前記吸着領域から放出される温度よりも高い目標温度に向けて前記クライオパネルを加熱する昇温制御を実行してもよい。前記制御部は、前記昇温制御中に、前記温度センサの測定温度が前記放出される温度を超えているときに前記粗引きを実行してもよい。前記停止期間は、前記再生の開始直前から前記ラフバルブを閉じるまでの期間を含んでもよい。

このようにすれば、クライオパネルが加熱され、吸着されているガスが放出され、粗引きが実行される。よって、そうした吸着ガスの大半を排出することができる。ラフバルブを閉じるまで圧力センサは停止されているため、粗引きの終了後に圧力センサを起動することができる。

クライオポンプは、前記クライオポンプ容器をパージガス源に接続するためのパージバルブを備えてもよい。前記制御部は、前記初期段階において、前記クライオポンプ容器のパージをするために前記パージバルブを開き、前記ラフバルブが開かれている間は前記パージバルブを閉じて前記パージを中断してもよい。前記制御部は、前記停止期間において前記パージと前記粗引きとを複数回行ってもよい。

パージガスの昇温作用によりクライオパネルからのガス放出が促進される。放出されたガスはパージガスによって希釈される。希釈された低濃度のガスが粗引きにより排出される。よって、クライオポンプ内でガスが燃焼する可能性がいっそう低減される。また、パージと粗引きとを複数回行うことにより、充分にガスが低濃度であることを工程上で保証することができる。

クライオポンプは、前記クライオポンプ容器の内圧を外部に放出するためのベントバルブを備えてもよい。前記制御部は、前記再生の第２段階において、前記圧力センサの測定結果に基づいて前記ベントバルブを開くか否かを決定してもよい。

ベントバルブを開くことにより、クライオポンプ容器の内圧を外部に放出することができる。クライオポンプ内に過度の高圧が生じるのを避けることができる。クライオポンプの安全性の向上に役立つ。

前記制御部は、前記再生の第２段階において前記クライオポンプ容器の粗引きと前記クライオポンプ容器へのパージガスの供給とを順次行うラフアンドパージを実行してもよい。前記停止期間は、前記ラフアンドパージの開始前に前記圧力センサの起動が完了するよう設定されていてもよい。

こうしたラフアンドパージは、クライオポンプに蓄積された氷の融解を促進し、水の再生を効率的に行うことに役立つ。圧力センサにより圧力を監視しながら、ラフアンドパージを実行することができる。

本発明の別の態様は、クライオポンプの再生方法である。この方法は、クライオポンプのための圧力センサを停止させることと、気体分子を吸着するための極低温面の昇温を開始することと、前記圧力センサを停止させた状態で、クライオポンプの粗引きを開始することと、前記圧力センサを停止させた状態で、前記粗引きを終了することと、を含む。

昇温により、吸着されているガスが極低温面から放出される。圧力センサを停止させることで、当該センサがガスの発火源となるリスクをなくすことができる。放出されたガスは粗引きによりクライオポンプから、圧力センサが停止している間に排出される。このようにして、複数の危険因子の併存が回避され、クライオポンプの安全性が向上される。

この方法は、前記粗引きの終了後に前記圧力センサを起動することを含んでもよい。この方法は、クライオポンプに溜め込まれた気体を、前記圧力センサで監視しながら外部に排出することを含んでもよい。

本発明によれば、クライオポンプの再生に関して安全性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る再生方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る再生の初期段階を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る再生シーケンスを示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。クライオポンプ１０は、特に、水素ガスを主として排気するためのクライオポンプに向いている。

クライオポンプ１０は、気体を受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２はクライオポンプ１０の内部空間１４への入口である。クライオポンプ１０が取り付けられた真空チャンバから吸気口１２を通じて、排気されるべき気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は吸気口１２を通る方向を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。

図１は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸と、冷凍機１６とを含む断面を示す。クライオポンプ１０は、冷凍機１６と、２段パネル１８と、１段パネル２０と、を備える。

冷凍機１６は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの極低温冷凍機である。冷凍機１６は、１段ステージ２２及び２段ステージ２４を備える二段式の冷凍機である。

冷凍機１６は冷媒管３４を介して圧縮機３６に接続される。圧縮機３６は、高圧の作動気体を冷凍機１６に供給する。高圧の作動気体は冷凍機１６内の膨張室で断熱膨張をし、寒冷を発生させる。圧縮機３６は、冷凍機１６から回収された低圧の作動気体を圧縮する。作動気体は例えばヘリウムである。圧縮機３６から冷凍機１６へ、また冷凍機１６から圧縮機３６への作動気体の流れは、冷凍機１６内のロータリバルブ（図示せず）により切り替えられる。冷凍機１６はバルブ駆動モータ４０を備える。バルブ駆動モータ４０は、外部電源から電力の供給を受けて、ロータリバルブを回転させる。

冷凍機１６は、１段ステージ２２を第１温度レベルに冷却し、２段ステージ２４を第２温度レベルに冷却するよう構成されている。第２温度レベルは第１温度レベルよりも低温である。例えば、１段ステージ２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、２段ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

図１に示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の内部空間１４の中心軸に交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、冷凍機がクライオポンプの軸方向に沿って配設されているクライオポンプである。

２段パネル１８は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。２段パネル１８は例えば、複数のパネル部材２６を含む。パネル部材２６は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各パネル部材２６には通常活性炭等の吸着剤（図示せず）が設けられている。吸着剤は例えばパネル部材２６の裏面に接着されている。このようにして、２段パネル１８は、気体分子を吸着するための吸着領域を備える。

パネル部材２６はパネル取付部材２８に取り付けられている。パネル取付部材２８は２段ステージ２４に取り付けられている。このようにして、２段パネル１８は、２段ステージ２４に熱的に接続されている。よって、２段パネル１８は第２温度レベルに冷却される。

１段パネル２０は、２段パネル１８の外側に設けられている。１段パネル２０は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備え、２段パネル１８を包囲する。１段パネル２０は１段ステージ２２に熱的に接続されており、１段パネル２０は第１温度レベルに冷却される。

放射シールド３０は主として、クライオポンプ１０のハウジング３８からの輻射熱から２段パネル１８を保護するために設けられている。放射シールド３０は、ハウジング３８と２段パネル１８との間にあり、２段パネル１８を囲む。放射シールド３０は、吸気口１２に向けて軸方向上端が開放されている。放射シールド３０は、軸方向下端が閉塞された筒形（例えば円筒）の形状を有し、カップ状に形成されている。放射シールド３０の側面には冷凍機１６の取付のための孔があり、そこから２段ステージ２４が放射シールド３０の中に挿入されている。その取付孔の外周部にて放射シールド３０の外面に１段ステージ２２が固定されている。こうして放射シールド３０は１段ステージ２２に熱的に接続されている。

入口クライオパネル３２は、２段パネル１８の軸方向上方に設けられ、吸気口１２において径方向に沿って配置されている。入口クライオパネル３２はその外周部が放射シールド３０の開口端に固定されて、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。入口クライオパネル３２は、放射シールド３０の中心軸を中心とする同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２に入る気体を排気するために設けられている。入口クライオパネル３２の温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。また、入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から２段パネル１８を保護するために設けられている。輻射熱だけではなく気体分子の進入も制限される。入口クライオパネル３２は、吸気口１２を通じた内部空間１４への気体流入を所望量に制限するように吸気口１２の開口面積の一部を占有する。

クライオポンプ１０は、ハウジング３８を備える。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるための真空容器である。ハウジング３８は、クライオポンプ１０の内部空間１４の圧力を気密に保持するよう構成されている。ハウジング３８の中に、１段パネル２０と冷凍機１６とが収容されている。ハウジング３８は、１段パネル２０の外側に設けられており、１段パネル２０を囲む。また、ハウジング３８は冷凍機１６を収容する。つまり、ハウジング３８は、１段パネル２０及び２段パネル１８を囲むクライオポンプ容器である。

ハウジング３８は、１段パネル２０及び冷凍機１６の低温部に非接触であるように、外部環境温度の部位（例えば冷凍機１６の高温部）に固定されている。ハウジング３８の外面は外部環境にさらされており、冷却されている１段パネル２０よりも温度が高い（例えば室温程度）。

また、ハウジング３８はその開口端から径方向外側に向けて延びる吸気口フランジ５６を備える。吸気口フランジ５６は、取付先の真空チャンバにクライオポンプ１０を取り付けるためのフランジである。真空チャンバの開口にはゲートバルブが設けられており（図示せず）、吸気口フランジ５６はそのゲートバルブに取り付けられる。そのようにして入口クライオパネル３２の軸方向上方にゲートバルブが位置する。例えばクライオポンプ１０を再生するときにゲートバルブは閉とされ、クライオポンプ１０が真空チャンバを排気するときに開とされる。

ハウジング３８には、ベントバルブ７０、ラフバルブ７２、及びパージバルブ７４が接続されている。

ベントバルブ７０は、クライオポンプ１０の内部空間から外部環境へと流体を排出するための排出ライン８０の例えば末端に設けられている。ベントバルブ７０が開弁されることにより排出ライン８０の流れが許容され、ベントバルブ７０が閉弁されることにより排出ライン８０の流れが遮断される。排出される流体は基本的にはガスであるが、液体または気液の混合物であってもよい。例えばクライオポンプ１０に凝縮されたガスの液化物が排出流体に混在していてもよい。ベントバルブ７０が開弁されることにより、ハウジング３８の内部に生じた陽圧を外部に解放することができる。

ラフバルブ７２は、粗引きポンプ７３に接続される。ラフバルブ７２の開閉により、粗引きポンプ７３とクライオポンプ１０とが連通または遮断される。粗引きポンプ７３は典型的にはクライオポンプ１０とは別の真空装置として設けられ、例えばクライオポンプ１０が接続される真空チャンバを含む真空システムの一部を構成する。

パージバルブ７４は図示しないパージガス源又はパージガス供給装置に接続される。パージガスは例えば窒素ガスである。パージバルブ７４の開閉により、パージガスのクライオポンプ１０への供給が制御される。

クライオポンプ１０は、１段ステージ２２の温度を測定するための１段ステージ温度センサ９０と、２段ステージ２４の温度を測定するための２段ステージ温度センサ９２と、を備える。１段ステージ温度センサ９０は、１段ステージ２２に取り付けられている。２段ステージ温度センサ９２は、２段ステージ２４に取り付けられている。

また、ハウジング３８の内部に圧力センサ９４が設けられている。圧力センサ９４は例えば、１段パネル２０の外側で冷凍機１６の近傍に設けられている。圧力センサ９４は、ハウジング３８の圧力を周期的に測定し、測定圧力を示す信号を制御部１００に出力する。圧力センサ９４はその出力を通信可能に制御部１００に接続されている。

圧力センサ９４は、クライオポンプ１０により実現される高い真空レベルと大気圧レベルの両方を含む広い計測範囲を有する。少なくとも再生処理中に生じ得る圧力範囲を計測範囲に含むことが望ましい。よって、圧力センサ９４の計測範囲の下限は例えば、１Ｐａ（又は１０Ｐａ）のオーダであり、上限は１０^５Ｐａのオーダである。

圧力センサ９４は例えば、熱伝導真空計である。熱伝導真空計には、ピラニ真空計、熱電対真空計（ＴＣゲージ）が含まれる。圧力センサ９４は、熱陰極電離真空計であってもよい。熱陰極電離真空計には、三極管形真空計、ＢＡ真空計が含まれる。こうした真空計は、測定環境に露出される細い導線（フィラメント）を有する。真空計が起動されるとフィラメントに通電され、真空計が停止されると通電も停止される。

また、クライオポンプ１０は、制御部１００を備える。制御部１００はクライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

制御部１００は、クライオポンプ１０の真空排気運転及び再生運転のために冷凍機１６を制御するよう構成されている。また、制御部１００は、主として再生中に必要に応じてベントバルブ７０、ラフバルブ７２、及びパージバルブ７４の開閉を制御する。制御部１００には、１段ステージ温度センサ９０、２段ステージ温度センサ９２、及び圧力センサ９４を含む各種センサの測定結果を受信するよう構成されている。制御部１００は、そうした測定結果に基づいて、冷凍機１６及び各種バルブに与える制御指令を演算する。

例えば、真空排気運転においては、制御部１００は、ステージ温度（例えば１段ステージ温度）が目標の冷却温度に追従するように冷凍機１６を制御する。１段ステージ２２の目標温度は通常、一定値に設定される。１段ステージ２２の目標温度は例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバで行われるプロセスに応じて仕様として定められる。

上記の構成のクライオポンプ１０による動作を以下に説明する。クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前にラフバルブ７２を通じて粗引きポンプ７３でクライオポンプ１０の内部を動作開始圧力（例えば１Ｐａ程度）まで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。制御部１００による制御のもとで、冷凍機１６の駆動により１段ステージ２２及び２段ステージ２４が冷却され、これらに熱的に接続されている１段パネル２０、２段パネル１８も冷却される。

入口クライオパネル３２は、真空チャンバからクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。入口クライオパネル３２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体は入口クライオパネル３２を通過して放射シールド３０内部へと進入する。進入した気体分子のうち２段パネル１８の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体は、その表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、２段パネル１８の表面に接着され冷却されている吸着剤により吸着されて排気される。このようにしてクライオポンプ１０は取付先の真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

排気運転が継続されることによりクライオポンプ１０には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、所定の再生開始条件が満たされたときに、クライオポンプ１０の再生が行われる。再生開始条件は例えば、排気運転が開始されてから所定時間が経過したことを含んでもよい。再生処理は、昇温工程、排出工程、及び冷却工程を含む。よって、再生の初期段階は主として昇温工程を含む。再生の第２段階（中盤）は主として排出工程を含む。再生の最終段階は主として冷却工程を含む。

クライオポンプ１０の再生処理は例えば制御部１００により制御される。制御部１００は、所定の再生開始条件が満たされたか否かを判定し、当該条件が満たされた場合には再生を開始する。当該条件が満たされていない場合には、制御部１００は再生を開始せず、真空排気運転を継続する。

図２は、本発明の一実施形態に係る再生方法を説明するためのフローチャートである。再生処理は、排気運転中のクライオパネル温度よりも高温である再生温度にクライオポンプ１０を昇温する昇温工程を含む（Ｓ１０）。図２に示す再生処理の一例は、いわゆるフル再生である。フル再生は、クライオポンプ１０の１段パネル２０及び２段パネル１８を含むすべてのクライオパネルを再生する。クライオパネルは真空排気運転のための冷却温度から再生温度まで加熱される。再生温度は例えば室温またはそれよりいくらか高い温度である（例えば約２９０Ｋないし約３００Ｋ）。

本実施形態においては昇温工程は、冷凍機１６の昇温運転、いわゆる逆転昇温により行われる。逆転昇温は、冷却運転とは冷凍機１６内のロータリバルブを逆方向に回転させることにより、作動気体に断熱圧縮を生じさせるよう作動気体の吸排気のタイミングを異ならせる。こうして得られる圧縮熱で冷凍機１６は１段ステージ２２及び２段ステージ２４を加熱する。１段パネル２０は１段ステージ２２を熱源として加熱され、２段パネル１８は２段ステージ２４を熱源として加熱される。なお昇温工程は、冷凍機１６に設置されたヒータを使用して行われてもよい。

図２に示されるように、昇温工程においては、制御部１００は、昇温開始処理（Ｓ１１）と、温度判定（Ｓ１２）と、昇温終了処理（Ｓ１３）と、を実行する。制御部１００は、昇温開始許可（図３のＳ２２）を条件として、昇温開始処理を実行する（Ｓ１１）。後述のように、昇温工程が開始されるとき、圧力センサ９４は停止されている（図３のＳ２０）。

昇温開始処理は例えば、冷凍機１６の昇温運転を開始することを含む。クライオパネルを高速に昇温するために、制御部１００は、逆転昇温において例えば最大の運転周波数で冷凍機１６を制御する。また、昇温開始処理は、必要に応じて、クライオポンプ１０へのパージガスの供給を開始することを含む。制御部１００は、パージバルブ７４を開いてパージガスをクライオポンプ１０の内部空間１４に導入する。供給されたパージガスは、ベントバルブ７０を通じてクライオポンプ１０から排出される。

制御部１００は、温度判定を実行する（Ｓ１２）。温度判定は、冷凍機１６の昇温運転中にステージ温度センサ９０、９２の測定温度を監視する処理である。制御部１００はステージ温度センサ９０、９２の測定温度が目標温度に到達したか否かを判定する。目標温度は上述の再生温度から選択される（例えば約２９０Ｋないし約３００Ｋ）。１段の目標温度と２段の目標温度とは等しくてもよいし、異なっていてもよい。

具体的には、制御部１００は、２段ステージ温度センサ９２の測定温度が２段の目標温度に達したか否かを判定する。２段ステージ温度センサ９２の測定温度が目標温度に達した場合に、制御部１００は、クライオポンプ１０が目標温度に昇温されたと判定する。代案として、制御部１００は、１段ステージ温度センサ９０及び２段ステージ温度センサ９２の測定温度がそれぞれ目標温度に達した場合に、クライオポンプ１０が目標温度に昇温されたと判定してもよい。

クライオポンプ１０が目標温度に到達していないと判定されたとき（Ｓ１２のＮＧ）、制御部１００は、昇温工程を継続する。冷凍機１６の昇温運転及びパージガスの供給は継続される。所定時間後に（例えば次回の制御周期で）、制御部１００は、ステージ温度判定を再度行う（Ｓ１２）。

クライオポンプ１０が目標温度に到達したと判定されたとき（Ｓ１２のＯＫ）、制御部１００は、昇温終了処理を実行する（Ｓ１３）。制御部１００は、冷凍機１６の運転を停止する。制御部１００は、パージガスの供給を所定時間継続してもよいし（いわゆる延長パージ）、冷凍機１６の運転停止とともにパージも終了してもよい。

昇温工程が完了すると、制御部１００は、排出工程を開始する（Ｓ１４）。排出工程は、クライオパネル表面から再気化した気体をクライオポンプ１０の外部へ排出する。再気化した気体は例えば排出ライン８０を通じて、または粗引きポンプ７３を使用して、外部に排出される。再気化した気体は、必要に応じて導入されるパージガスとともにクライオポンプ１０から排出される。排出工程においては、冷凍機１６の運転は停止されている。

後述するように、排出工程においては圧力センサ９４は作動している。そこで、制御部１００は、ハウジング３８の外部に対して内部に陽圧が生じたか否かを圧力センサ９４の測定値に基づいて判定し、陽圧が生じたと判定した場合にはベントバルブ７０を開放する。これにより排出ライン８０を通じてクライオポンプ１０内部の高圧を外部に解放することができる。制御部１００は、陽圧が生じていないと判定した場合にはベントバルブ７０を閉鎖する。こうして、ハウジング３８内が減圧されているときは容器内へのリークをシールする。

また、排出工程において、制御部１００は例えば、圧力センサ９４の測定値に基づいて、気体排出が完了したか否かを判定する。例えば、制御部１００は、クライオポンプ１０内の圧力が所定のしきい値を超えている間は排出工程を継続し、圧力がそのしきい値を下回った場合に排気工程を終了し冷却工程を開始する。

冷却工程は、真空排気運転を再開するためにクライオパネルを再冷却する（Ｓ１５）。冷凍機１６の冷却運転が開始される。制御部１００は、ステージ温度の測定値が真空排気運転のための目標冷却温度に達したか否かを判定する。制御部１００は、目標冷却温度に到達するまでは冷却工程を継続し、当該冷却温度に達した場合には冷却工程を終了する。こうして再生処理は完了する。クライオポンプ１０の真空排気運転が再開される。

ところで、例えばクライオポンプ１０の長期の運転により圧力センサ９４のフィラメントが断線するとき、火花が生じ得る。仮にフィラメントの周囲に可燃性ガスがあるとしたら、フィラメントの断線は発火源となるかもしれない。事故の可能性を低減するためには、複数の危険因子の併存を回避することが肝要である。

本実施形態はこうした安全上の配慮に基づく。例えば、フィラメントが断線する可能性があるときにはフィラメントに可燃性ガスが接触しないように、クライオポンプ１０の運転プロセスが設計される。また、フィラメントに可燃性ガスが接触するときにはフィラメントが断線し得ないように、クライオポンプ１０の運転プロセスが設計される。

典型的な可燃性ガスは水素である。水素ガスは真空排気運転中には、極低温に冷却された２段パネル１８の吸着剤に吸着される。そのため圧力センサ９４の周囲に水素ガスはほとんど存在しない。しかし、再生においては、開始当初に２段パネル１８がわずかに昇温された段階で、吸着されていたガスの大半が２段パネル１８からハウジング３８内に放出される。例えば２段ステージ温度が３０Ｋに達したときには、吸着されていたガスはほぼ放出される。ある標準的なクライオポンプにおいて再生を開始するとき２段ステージ温度が３０Ｋに昇温されるまでの所要時間は、数分である。

そこで、本実施形態に係る再生方法は、再生の開始に際して、圧力センサ９４を予め停止させることを含む。具体的には、２段パネル１８の昇温が開始されるときには、圧力センサ９４は停止されている。圧力センサ９４が停止されているときフィラメントに電流は流れない。よって、２段パネル１８の昇温によりハウジング３８の内部に水素ガスが充満したとしても、圧力センサ９４は発火源とはなり得ない。

また、本実施形態に係る再生方法は、圧力センサ９４を停止させた状態でクライオポンプ１０の粗引きを行うことを含む。粗引きによって圧力センサ９４の周囲から水素ガスが除去される。さらに、本実施形態に係る再生方法は、粗引きの終了後に圧力センサ９４を起動することと、圧力センサ９４で監視しながらクライオポンプ１０に溜め込まれた気体を外部に排出することと、を含む。水素ガスが除去されているため、圧力センサ９４を安全に使用することができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る再生の初期段階を説明するためのフローチャートである。図３に示される処理は、圧力センサ９４の停止／再起動処理と、粗引き／パージ処理と、を含む。また、図３に示される処理は、主として昇温工程（図２のＳ１０）に並行して実行され、排出工程（図２のＳ１４）が開始されるまでに終了する。

図３に示されるように、処理が開始されると、制御部１００は、圧力センサ９４を停止する（Ｓ２０）。これ以降、圧力センサ９４は、再起動されるまで停止されている。制御部１００は、圧力センサ９４の停止が完了した後に、昇温開始許可を生成する（Ｓ２２）。例えば制御部１００は昇温開始許可フラグを立てる。上述のように制御部１００は、昇温開始許可があることを条件として、昇温工程（Ｓ１０）を開始する。

制御部１００は、粗引き開始判定を実行する（Ｓ２４）。制御部１００は例えば、２段パネル１８の測定温度が、吸蔵された水素が十分に放出される判定温度（例えば３０Ｋ）を超えているか否かを判定する。２段パネル１８の測定温度は例えば２段ステージ温度センサ９２の測定値である。代案として、制御部１００は、昇温開始からの設定時間に達したか否かを判定してもよい。設定時間は例えば、２段パネル１８の測定温度が上述の判定温度に達するのに要する時間に基づき設定される。

制御部１００は、測定温度が判定温度に達していない場合には（Ｓ２４のＮ）、所定時間後に（例えば次回の制御周期で）粗引き開始判定を再度実行する（Ｓ２４）。一方、制御部１００は、測定温度が判定温度に達している場合には（Ｓ２４のＹ）、粗引きをする（Ｓ２６）。制御部１００は、パージバルブ７４を閉じ、ラフバルブ７２を開く。これによりクライオポンプ１０は大気圧から例えば０．０１ａｔｍ程度に減圧される。

制御部１００は、予め設定された粗引き時間（例えば数十秒ないし数分）、ラフバルブ７２の開放を継続し、粗引きを終了する（Ｓ２８）。制御部１００は、ラフバルブ７２を閉じる。制御部１００は、パージバルブ７４を開き、パージを再開する。これは２回目のパージである。

制御部１００は、圧力センサ９４を起動するタイミングにあるか否かを判定する（Ｓ３０）。制御部１００は例えば、予め設定された圧力センサ９４の停止期間が経過したか否かを判定する。停止期間が経過していない場合には（Ｓ３０のＮ）、制御部１００は所定時間後に（例えば次回の制御周期で）本判定を再度実行する（Ｓ３０）。停止期間が経過した場合には（Ｓ３０のＹ）、制御部１００は、圧力センサ９４を起動する（Ｓ３２）。こうして、図３に示される処理は終了する。

圧力センサ９４の停止期間は、再生において圧力センサ９４を使用する工程が開始されるまでに圧力センサ９４の起動が完了するように設定される。停止期間は、再生の開始直前からラフバルブ７２を閉じるまでの期間を含むよう設定される。例えば、停止期間は、再生開始条件が成立した時点からラフバルブ７２を閉じる時点（又は、ラフバルブ７２の閉鎖に関連してパージバルブ７４を開く時点）までである。この場合、再生開始条件の成立と同時に圧力センサ９４が停止され、ラフバルブ７２の閉鎖（又は、パージバルブ７４の開放）により圧力センサ９４の起動が開始される。

このようにして、圧力センサ９４は、再生の中盤（いわば、初期段階である昇温に続く第２段階）である排出工程に間に合うように再起動される。こうした第２段階においては、図４に例示するように、クライオポンプ１０に少なくとも１００Ｐａを超える内圧（典型的には大気圧）が許容されている。図４に例示するラフアンドパージの開始前に圧力センサ９４の起動が完了するように、圧力センサ９４の停止期間は設定される。

なお、１回目の粗引き終了（Ｓ２８）と停止期間判定（Ｓ３０）との間に、２回目の粗引き及び３回目のパージを加えてもよい。必要に応じて、粗引き及びパージを更に加えてもよい。１回の粗引きでハウジング３８内を例えば１／ｋ（ａｔｍ）に減圧できるとすると、ｎ回繰り返すことにより、パージガスの比率は１−（１／ｋ）^ｎ以上であることが保証される。可燃性ガスの存在比率がその爆発限界を下回るようにパラメタｋ、ｎを設定することにより、粗引きを１回のみとする場合に比べて、可燃性ガスの存在比率が爆発の危険のない微少レベルにあることをプロセス設計上保証しやすい。その結果、安全な状態で圧力センサ９４を使用することができる。

なお、粗引き（Ｓ２６）及び粗引き終了（Ｓ２８）において、ラフバルブ７２の開閉とパージバルブ７４の開閉とが同時であることは必須ではない。また、粗引き中にパージが継続されていてもよい。

図４は、本発明の一実施形態に係る再生シーケンスを示す図である。図４は、クライオポンプ１０における再生中の温度及び圧力の時間変化の一例を模式的に示す。図４に示される温度は２段ステージ温度センサ９２の測定温度であり、圧力は圧力センサ９４の測定圧力である。また、図４の下部には、圧力センサ９４のオンオフを示す。

図４に示される再生シーケンスは、その開始から終了までの全期間が期間ａないし期間ｆの６期間に区分される。上述の昇温工程は期間ａ及び期間ｂにあたり、排出工程は期間ｃから期間ｅにあたり、冷却工程は期間ｆにあたる。期間ａは冷凍機１６の逆転昇温であり、期間ｂは延長パージである。期間ｃはラフアンドパージ、期間ｄ及び期間ｅはガスの排出完了を判定するための圧力上昇勾配判定である。期間ｆは冷凍機１６の冷却運転である。

期間ａにおいては当初から、圧力センサ９４はオフとされている。冷凍機１６の逆転昇温と窒素パージとにより２段ステージ２４が目標温度（例えば３００Ｋ）へと昇温されていく。窒素パージによりクライオポンプ内の圧力は速やかに大気圧に達する。このとき、２段パネル１８の吸着剤に吸着されている水素ガスが、クライオポンプ内に放出される。

２段ステージ２４が上述の判定温度（図３のＳ２４）に達したとき、一定期間（例えば１分）ラフバルブ７２が開かれる。判定温度は例えば９０Ｋである。この粗引きの間、窒素パージは停止され、クライオポンプ内は減圧される。クライオポンプ内に放出された水素ガスが窒素ガスとともに粗引きポンプ７３により排出される。

ラフバルブ７２が閉じられた後、窒素パージは再開され、クライオポンプ内の圧力は大気圧に回復する。窒素パージを再開するときに圧力センサ９４はオンに切り替えられる。圧力センサ９４の起動時間を図４の下部に破線で示す。２段ステージ２４が目標温度に達すると、冷凍機１６の運転は停止される。クライオポンプ内の水素ガス濃度はきわめて小さいか、クライオポンプ内に水素ガスは実質的に存在しない。

期間ｂにおいては、窒素パージが継続されている。この窒素パージの間に、水素ガス排出のための粗引きが行われてもよい。期間ｂは、１段パネル２０及び２段パネル１８の温度が氷の融点を超えるまで継続される。

期間ｃないし期間ｅは、主に水分を排出するためにある。期間ｃにおいては当初から、圧力センサ９４はオンとされている。期間ｃにおいては、粗引きと窒素パージとを順次反復するラフアンドパージが行われる。粗引きによるクライオポンプ内の減圧は、水が凍らない圧力範囲に留める。最低圧力は例えば１００Ｐａ程度である。期間ｃの前半は主として、解氷のための期間である。期間ｃの後半は主として、水を気化させて排出するための期間である。

期間ｄは、粗引きにより水蒸気を排出するための第１粗引き期間である。このとき窒素パージは停止されている。期間ｄにおいては、粗引きと、圧力上昇勾配の判定とが繰り返される。判定中は粗引きは停止される。圧力上昇勾配がしきい値より小さくなったとき（すなわち、粗引きを停止してから判定時間後の圧力がしきい値より小さいとき）、期間ｄは終了する。期間ｅは、再生中に吸着剤に吸着した成分を排出するための第２粗引き期間である。期間ｅは、期間ｄよりも低圧で、粗引きと、圧力上昇勾配の判定とが繰り返される。圧力上昇勾配がしきい値より小さくなったとき、期間ｅは終了する。期間ｄの圧力範囲は例えば１００Ｐａ〜２００Ｐａであり、期間ｅ圧力範囲は例えば１０Ｐａ〜１５Ｐａである。

期間ｆにおいては、冷凍機１６の冷却運転が開始される。このとき粗引きも行われる。目標の冷却温度に達したとき、粗引きは終了される。このようにして再生は完了し、真空排気運転が開始される。

この再生シーケンスは、氷、液体の水、水蒸気と段階的に水の状態を変えてクライオポンプ１０から排出する。まず氷は氷自体の温度を上げて溶かしている。溶けた水は凍らない圧力までの粗引きにより圧力を下げて蒸発させている。クライオポンプ１０の構造物表面に分散した水蒸気は更に低い圧力で排気し尽くしている。氷を溶かす、水を蒸発させる、水蒸気を排気するという３つの段階それぞれで、適した再生条件（圧力、温度）を用いている。よって、この再生シーケンスは、水を効率的に排出し再生時間を短縮するために有利である。

本実施形態においては、いわば予備的な排出工程が主たる排出工程の前に設けられている。予備的な排出は、水素ガスを排出するために昇温工程で行われる。再生開始から予備的な排出が完了するまでは、圧力センサ９４は停止されている。予備的な排出においては圧力センサ９４が使用されず、主たる排出工程では圧力センサ９４が使用される。このようにして、圧力センサ９４の動作中に水素ガスが圧力センサ９４に接触しないように、再生処理が設計されている。よって、クライオポンプ１０の安全性が向上される。

また、圧力センサ９４は、予備的な排出の後に再起動され、クライオポンプ内圧を監視するために使用されている。クライオポンプ内圧が外部に対して過度に高まらないように、ベントバルブ７０を通じてクライオポンプ内圧は降圧される。このことも、クライオポンプ１０の安全性の向上に役立つ。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

昇温工程における予備的な排出は、なるべく早めに行うことが望ましい。予備的な排出は、例えば、２段パネル１８（又は２段ステージ２４）の測定温度が３０Ｋないし９０Ｋの範囲にあるときに行われる。そのようにすれば、圧力センサ９４の起動を、余裕をもって完了することができる。

概して、吸着されているガスは、凝縮されているガスよりも先にクライオパネルから放出される。既述のように吸着されているガスはしばしば可燃性ガスを含む。一方、クライオパネルに凝縮されているガスはしばしば助燃性ガスを含む。再生の初期段階での予備的な排出によって、可燃性ガスを先行して排出することができる。それにより、再生当初に放出され得る可燃性ガスと、それよりも遅れて放出され得る助燃性ガスとの混合を避けることができる。こうして、可燃性ガスと助燃性ガスという複数の危険因子の併存が回避される。よって、クライオポンプの安全性が向上される。

可燃性ガスと助燃性ガスとの併存は、事故のリスクを可能な限り小さくするという観点からは、圧力センサ９４の種類を問わず回避されることが好ましい。よって、圧力センサ９４は任意の種類の圧力センサであってもよい。圧力センサ９４は、フィラメントを有しないタイプであってもよい。例えば、圧力センサ９４は、例えばクリスタルゲージであってもよい。クリスタルゲージとは、水晶振動子の振動抵抗が圧力によって変化する現象を利用して圧力を測定するセンサである。なお、真空レベルの測定用の圧力センサと、大気圧レベルの測定用の圧力センサとが、個別にクライオポンプ１０に設けられていてもよい。

予備的な排出の対象は、必ずしも水素のみには限られない。再生の中盤以降で排出されるのは主として水分であり、その他の成分は初期段階で既にハウジング３８内に放出されている。主たる排出工程に先行する予備的排出によって、複数の危険因子の併存を避けるという同様の効果は、水素以外の可燃性ガスについても得ることができる。

圧力センサ９４の再起動は、昇温工程中に開始されなくてもよい。例えば、ベントバルブ７０の開閉に圧力センサ９４を使用しない場合には（例えばベントバルブ７０が機械的に開閉される場合には）、圧力センサ９４は、排出工程の後半の圧力上昇勾配判定に間に合うように起動されてもよい。この場合、圧力センサ９４は排出工程が開始されてから起動されてもよい。

１０ クライオポンプ、 １２ 吸気口、 １４ 内部空間、 １６ 冷凍機、 １８ ２段パネル、 ２０ １段パネル、 ２２ １段ステージ、 ２４ ２段ステージ、 ３８ ハウジング、 ７０ ベントバルブ、 ７２ ラフバルブ、 ７３ 粗引きポンプ、 ７４ パージバルブ、 ８０ 排出ライン、 ９０ １段ステージ温度センサ、 ９２ ２段ステージ温度センサ、 ９４ 圧力センサ、 １００ 制御部。

Claims (8)

1. 気体分子を吸着するための吸着領域を備えるクライオパネルと、
   前記クライオパネルを囲むクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器を粗引きポンプに接続するためのラフバルブと、
   前記クライオポンプ容器の内圧を測定するための圧力センサと、
   前記圧力センサの停止期間と、前記クライオパネルの再生と、を制御するための制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記再生の初期段階に前記停止期間を設定し、かつその停止期間に少なくとも一度前記クライオポンプ容器の粗引きをするために前記ラフバルブを開き、
   前記制御部は、前記停止期間が経過したとき前記圧力センサを起動し、前記圧力センサの動作中に少なくとも一度前記クライオポンプ容器の粗引きをするために前記ラフバルブを開くことを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記制御部は、前記クライオポンプ容器の内圧が１００Ｐａを超えることが許容されている前記再生の第２段階において前記圧力センサを使用することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記クライオパネルの温度を測定するための温度センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記初期段階において、吸着された気体分子が前記吸着領域から放出される温度よりも高い目標温度に向けて前記クライオパネルを加熱する昇温制御を実行し、
   前記制御部は、前記昇温制御中に、前記温度センサの測定温度が前記放出される温度を超えているときに前記粗引きを実行し、
   前記停止期間は、前記再生の開始直前から前記ラフバルブを閉じるまでの期間を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
4. 気体分子を吸着するための吸着領域を備えるクライオパネルと、
   前記クライオパネルを囲むクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器を粗引きポンプに接続するためのラフバルブと、
   前記クライオポンプ容器の内圧を測定するための圧力センサと、
   前記圧力センサの停止期間と、前記クライオパネルの再生と、を制御するための制御部と、
   前記クライオポンプ容器をパージガス源に接続するためのパージバルブと、を備え、
   前記制御部は、前記再生の初期段階に前記停止期間を設定し、かつその停止期間に少なくとも一度前記クライオポンプ容器の粗引きをするために前記ラフバルブを開き、
   前記制御部は、前記初期段階において、前記クライオポンプ容器のパージをするために前記パージバルブを開き、前記ラフバルブが開かれている間は前記パージバルブを閉じて前記パージを中断し、
   前記制御部は、前記停止期間において前記パージと前記粗引きとを複数回行うことを特徴とするクライオポンプ。
5. 前記クライオポンプ容器の内圧を外部に放出するためのベントバルブをさらに備え、
   前記制御部は、前記再生の第２段階において、前記圧力センサの測定結果に基づいて前記ベントバルブを開くか否かを決定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。
6. 気体分子を吸着するための吸着領域を備えるクライオパネルと、
   前記クライオパネルを囲むクライオポンプ容器と、
   前記クライオポンプ容器を粗引きポンプに接続するためのラフバルブと、
   前記クライオポンプ容器の内圧を測定するための圧力センサと、
   前記圧力センサの停止期間と、前記クライオパネルの再生と、を制御するための制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記再生の初期段階に前記停止期間を設定し、かつその停止期間に少なくとも一度前記クライオポンプ容器の粗引きをするために前記ラフバルブを開き、
   前記制御部は、前記再生の第２段階において前記クライオポンプ容器の粗引きと前記クライオポンプ容器へのパージガスの供給とを順次行うラフアンドパージを実行し、
   前記停止期間は、前記ラフアンドパージの開始前に前記圧力センサの起動が完了するよう設定されていることを特徴とするクライオポンプ。
7. クライオポンプの再生方法であって、
   クライオポンプのための圧力センサを停止させることと、
   気体分子を吸着するための極低温面の昇温を開始することと、
   前記圧力センサを停止させた状態で、クライオポンプの粗引きを開始することと、
   前記圧力センサを停止させた状態で、前記粗引きを終了することと、
   前記粗引きの終了後に前記圧力センサを起動することと、
   前記圧力センサの動作中にクライオポンプの粗引きをすることと、を含む方法。
8. クライオポンプに溜め込まれた気体を、前記圧力センサで監視しながら外部に排出することを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。

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