JPWO2020049917A1 - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

クライオポンプ（１０）は、吸気口（１２）を有するクライオポンプハウジング（７０）と、クライオポンプハウジング（７０）と非接触にクライオポンプハウジング（７０）内に配置され、シールド冷却温度に冷却される放射シールド（３０）と、吸気口（１２）に配置された遮熱ダミーパネル（３２）と、を備える。遮熱ダミーパネル（３２）は、シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度となるように、放射シールド（３０）に熱抵抗部材（４８）を介して取り付けられ、または、クライオポンプハウジング（７０）に熱的に結合される。

Description

本発明は、クライオポンプに関する。

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。

特開２０１０−８４７０２号公報

クライオポンプの吸気口には、例えば１００Ｋ程度の極低温に冷却されるクライオパネルが配置されている。従来のクライオポンプの設計においては、そうした吸気口クライオパネルが必須であると考えられている。しかしながら、本発明者は、このような通説を疑い、異なる設計のクライオポンプも実現可能であることを新たに見出した。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、新規かつ代替的な設計を有するクライオポンプを提供することにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、クライオポンプ吸気口を有するクライオポンプハウジングと、前記クライオポンプハウジングと非接触に前記クライオポンプハウジング内に配置され、シールド冷却温度に冷却される放射シールドと、前記クライオポンプ吸気口に配置された遮熱ダミーパネルであって、前記シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度となるように、前記放射シールドに熱抵抗部材を介して取り付けられた遮熱ダミーパネルと、を備える。

本発明のある態様によると、クライオポンプ吸気口を有するクライオポンプハウジングと、前記クライオポンプハウジングと非接触に前記クライオポンプハウジング内に配置され、シールド冷却温度に冷却される放射シールドと、前記クライオポンプ吸気口に配置された遮熱ダミーパネルであって、前記シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度となるように、前記クライオポンプハウジングに熱的に結合された遮熱ダミーパネルと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、新規かつ代替的な設計を有するクライオポンプを提供することができる。

ある実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す図である。 図１に示されるクライオポンプの概略斜視図である。 他の実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す図である。 更なる他の実施の形態に係るクライオポンプの概略斜視図である。 図４に示されるクライオポンプの一部分を概略的に示す部分断面図である。 更なる他の実施の形態に係るクライオポンプの概略斜視図である。 図６に示されるクライオポンプの一部分を概略的に示す部分断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、ある実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。図２は、図１に示されるクライオポンプ１０の概略斜視図である。

クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、スパッタリング装置、蒸着装置、またはその他の真空プロセス装置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真空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、排気されるべき気体を真空チャンバから受け入れるためのクライオポンプ吸気口（以下では単に「吸気口」ともいう）１２を有する。吸気口１２を通じて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。クライオポンプ１０の軸方向は吸気口１２を通る方向（すなわち、図において中心軸Ｃに沿う方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（中心軸Ｃに垂直な平面における第１の方向）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（図において中心軸Ｃ）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。

また、軸方向を囲む方向を「周方向」と呼ぶことがある。周方向は、吸気口１２に沿う第２の方向（中心軸Ｃに垂直な平面における第２の方向）であり、径方向に直交する接線方向である。

クライオポンプ１０は、冷凍機１６、放射シールド３０、第２段クライオパネルアセンブリ２０、及び、クライオポンプハウジング７０を備える。放射シールド３０は、第１段クライオパネル、高温クライオパネル部または１００Ｋ部とも称されうる。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、低温クライオパネル部または１０Ｋ部とも称されうる。

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、二段式の冷凍機である。そのため、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を備える。冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２を第１冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ２４を第２冷却温度に冷却するよう構成されている。第２冷却温度は第１冷却温度よりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。第１冷却ステージ２２および第２冷却ステージ２４はそれぞれ、高温冷却ステージおよび低温冷却ステージと称してもよい。

また、冷凍機１６は、第２冷却ステージ２４を第１冷却ステージ２２に構造的に支持するとともに第１冷却ステージ２２を冷凍機１６の室温部２６に構造的に支持する冷凍機構造部２１を備える。そのため冷凍機構造部２１は、径方向に沿って同軸に延在する第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５を備える。第１シリンダ２３は、冷凍機１６の室温部２６を第１冷却ステージ２２に接続する。第２シリンダ２５は、第１冷却ステージ２２を第２冷却ステージ２４に接続する。室温部２６、第１シリンダ２３、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４は、この順に直線状に一列に並ぶ。

第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５それぞれの内部には第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が往復動可能に配設されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサにはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。また、室温部２６は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを往復動させるための駆動機構（図示せず）を有する。駆動機構は、冷凍機１６の内部への作動気体（例えばヘリウム）の供給と排出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を切り替える流路切替機構を含む。

冷凍機１６は、作動気体の圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機１６は、圧縮機により加圧された作動気体を内部で膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を冷却する。膨張した作動気体は圧縮機に回収され再び加圧される。冷凍機１６は、作動気体の給排とこれに同期した第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの往復動とを含む熱力学的サイクル（例えばＧＭサイクルなどの冷凍サイクル）を繰り返すことによって寒冷を発生させる。

図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の中心軸Ｃ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。

放射シールド３０は、第２段クライオパネルアセンブリ２０を包囲する。放射シールド３０は、クライオポンプ１０の外部またはクライオポンプハウジング７０からの輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するための極低温表面を提供する。放射シールド３０は第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。よって放射シールド３０は第１冷却温度に冷却される。放射シールド３０は第２段クライオパネルアセンブリ２０との間に隙間を有しており、放射シールド３０は第２段クライオパネルアセンブリ２０と接触していない。放射シールド３０はクライオポンプハウジング７０とも接触していない。

放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０の輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、吸気口１２から軸方向に筒状（例えば円筒状）に延在する。放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０と第２段クライオパネルアセンブリ２０との間にあり、第２段クライオパネルアセンブリ２０を囲む。放射シールド３０は、クライオポンプ１０の外部から内部空間１４に気体を受け入れるためのシールド主開口３４を有する。シールド主開口３４は、吸気口１２に位置する。

放射シールド３０は、例えば銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成されている。また、放射シールド３０は、必要に応じて、耐腐食性を向上するために、例えばニッケルを含む金属めっき層が表面に形成されてもよい。

放射シールド３０は、シールド主開口３４を定めるシールド前端３６と、シールド主開口３４と反対側に位置するシールド底部３８と、シールド前端３６をシールド底部３８に接続するシールド側部４０と、を備える。シールド側部４０は、軸方向にシールド前端３６からシールド主開口３４と反対側へと延在し、周方向に第２冷却ステージ２４を包囲するよう延在する。

シールド側部４０は、冷凍機構造部２１が挿入されるシールド側部開口４４を有する。シールド側部開口４４を通じて放射シールド３０の外から第２冷却ステージ２４及び第２シリンダ２５が放射シールド３０の中に挿入される。シールド側部開口４４は、シールド側部４０に形成された取付穴であり、例えば円形である。第１冷却ステージ２２は放射シールド３０の外に配置されている。

シールド側部４０は、冷凍機１６の取付座４６を備える。取付座４６は、第１冷却ステージ２２を放射シールド３０に取り付けるための平坦部分であり、放射シールド３０の外から見てわずかに窪んでいる。取付座４６は、シールド側部開口４４の外周を形成する。第１冷却ステージ２２が取付座４６に取り付けられることによって、放射シールド３０が第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。

このように放射シールド３０を第１冷却ステージ２２に直接取り付けることに代えて、ある実施形態においては、放射シールド３０は、追加の伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されていてもよい。伝熱部材は、例えば、両端にフランジを有する中空の短筒であってもよい。伝熱部材は、その一端のフランジにより取付座４６に固定され、他端のフランジにより第１冷却ステージ２２に固定されてもよい。伝熱部材は、冷凍機構造部２１を囲んで第１冷却ステージ２２から放射シールド３０に延在してもよい。シールド側部４０は、こうした伝熱部材を含んでもよい。

図示される実施形態においては、放射シールド３０は一体の筒状に構成されている。これに代えて、放射シールド３０は、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。例えば、放射シールド３０は軸方向に２つの部分に分割されていてもよい。

クライオポンプ１０は、吸気口１２に配置された遮熱ダミーパネル３２を備える。遮熱ダミーパネル３２は、シールド冷却温度（例えば上述の第１冷却温度）よりも高いダミーパネル温度となるように、放射シールド３０に熱抵抗部材４８を介して取り付けられている。

言い換えれば、遮熱ダミーパネル３２は、冷凍機１６による冷却をできるだけ避けるようにして、吸気口１２に配置されている。遮熱ダミーパネル３２は、極低温に冷却することが意図されている「クライオパネル」ではない。よって、遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプ１０の運転中にダミーパネル温度が０℃を超えるように設計されていてもよい。ただし、熱抵抗部材４８の設計、及び／または、放射シールド３０への遮熱ダミーパネル３２の取付方法によっては、クライオポンプ１０の運転中にダミーパネル温度が０℃を下回ってもよい。しかし、その場合であっても、ダミーパネル温度は、シールド冷却温度より高い温度に保持される。

遮熱ダミーパネル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）からの輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するために、吸気口１２（またはシールド主開口３４、以下同様）に設けられている。遮熱ダミーパネル３２は、冷凍機１６によってほとんど又はまったく冷却されないから、気体を凝縮する機能（例えば、水蒸気などの第１種気体を排気する機能）を有しない。

遮熱ダミーパネル３２は、吸気口１２において第２段クライオパネルアセンブリ２０に対応する場所、例えば第２段クライオパネルアセンブリ２０の直上に配置されている。遮熱ダミーパネル３２は、吸気口１２の開口面積の中心部分を占有し、放射シールド３０との間に環状（例えば円環状）の開放領域５１を形成する。

遮熱ダミーパネル３２は、吸気口１２の中心部に配置されている。遮熱ダミーパネル３２の中心は、中心軸Ｃ上に位置する。ただし、遮熱ダミーパネル３２の中心は、中心軸Ｃからいくらか外れて位置してもよく、その場合にも、遮熱ダミーパネル３２は、吸気口１２の中心部に配置されているとみなされうる。遮熱ダミーパネル３２は、中心軸Ｃに垂直に配置されている。

また、軸方向に関しては、遮熱ダミーパネル３２は、シールド前端３６よりも若干上方に配置されていてもよい。その場合、第２段クライオパネルアセンブリ２０から遮熱ダミーパネル３２をより遠くに配置できるので、第２段クライオパネルアセンブリ２０からの遮熱ダミーパネル３２への熱的作用（すなわち冷却）を低減しうる。あるいは、遮熱ダミーパネル３２は、シールド前端３６と軸方向にほぼ同じ高さ、またはシールド前端３６よりも軸方向に若干下方に配置されてもよい。

遮熱ダミーパネル３２は、一枚の平板で形成されている。遮熱ダミーパネル３２は、ダミーパネル中心部分３２ａと、ダミーパネル中心部分３２ａから径方向外側に延びるダミーパネル取付部３２ｂとを有する。軸方向に見たときのダミーパネル中心部分３２ａの形状は、例えば円盤状である。ダミーパネル中心部分３２ａの径は、比較的小さく、例えば、第２段クライオパネルアセンブリ２０の径より小さい。ダミーパネル中心部分３２ａは、吸気口１２の開口面積の多くとも１／３、または多くとも１／４を占めてもよい。このようにして、開放領域５１は、吸気口１２の開口面積の少なくとも２／３、または少なくとも３／４を占めてもよい。

ダミーパネル中心部分３２ａは、ダミーパネル取付部３２ｂを介して熱抵抗部材４８に取り付けられる。図１および図２に示されるように、ダミーパネル取付部３２ｂは、シールド主開口３４の直径に沿って熱抵抗部材４８へと直線状に架け渡されている。また、ダミーパネル取付部３２ｂは、開放領域５１を周方向に分割している。開放領域５１は、複数（例えば２つ）の円弧状領域からなる。ダミーパネル取付部３２ｂはダミーパネル中心部分３２ａの両側に設けられているが、軸方向に見たとき十字状となるようにダミーパネル中心部分３２ａから４方向に延びていてもよいし、またはその他の形状を有してもよい。なお、ここでは、遮熱ダミーパネル３２のダミーパネル中心部分３２ａとダミーパネル取付部３２ｂが一体形成されているが、ダミーパネル中心部分３２ａとダミーパネル取付部３２ｂは別の部材として提供され互いに接合されていてもよい。

遮熱ダミーパネル３２はクライオパネルではないから、クライオパネルほど高い熱伝導率は必要とされない。したがって、遮熱ダミーパネル３２は、銅などの高熱伝導率金属で形成される必要はなく、例えばステンレス鋼またはその他の入手容易な金属材料で形成されてもよい。あるいは、遮熱ダミーパネル３２は、真空環境での利用に適する限り、金属材料、樹脂材料（例えばポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂材料）、またはその他の任意の材料で形成されてもよい。また、遮熱ダミーパネル３２の一部（例えばダミーパネル中心部分３２ａ）が金属材料で形成され、遮熱ダミーパネル３２の他の一部（例えばダミーパネル取付部３２ｂ）が樹脂材料で形成されてもよい。

熱抵抗部材４８は、放射シールド３０の材料（上述のように、例えば純銅）より熱伝導率の低い材料または断熱材料で形成されている。放射シールド３０と遮熱ダミーパネル３２との間の熱伝導を低減することを重視する場合には、熱抵抗部材４８は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂材料またはその他の樹脂材料で形成されていてもよい。熱抵抗部材４８の熱収縮を低減し、遮熱ダミーパネル３２をより確実に固定する（例えばボルトの緩みを防ぐ）ことを重視する場合には、熱抵抗部材４８は、例えばステンレス鋼などの金属材料で形成されていてもよい。

熱抵抗部材４８は、遮熱ダミーパネル３２のダミーパネル取付部３２ｂに対応して、シールド前端３６の内周面に固定されている。図示されるように、ダミーパネル中心部分３２ａの両側に２本のダミーパネル取付部３２ｂが設けられている場合には、２つの熱抵抗部材４８が設けられる。熱抵抗部材４８は、ボルトなどの締結部材またはそのほかの適切な手法でシールド前端３６に固定される。ダミーパネル取付部３２ｂの先端部が、ボルトなどの締結部材またはそのほかの適切な手法で熱抵抗部材４８に固定される。ダミーパネル取付部３２ｂと熱抵抗部材４８との接触面積、及び／または、熱抵抗部材４８の断面積、及び／または、熱抵抗部材４８とシールド前端３６との接触面積が小さいほど、放射シールド３０と遮熱ダミーパネル３２との間の熱伝導を小さくすることができる。

このようにして、遮熱ダミーパネル３２は、放射シールド３０から熱的に絶縁され、または高い熱抵抗を介して接続されている。遮熱ダミーパネル３２は、シールド前端３６および放射シールド３０の他の部位とは非接触となるように吸気口１２に配置されている。また、遮熱ダミーパネル３２は、第２段クライオパネルアセンブリ２０に近接しているが、接触はしていない。

遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプ１０の外側に向けられたダミーパネル外面３２ｃと、クライオポンプ１０の内側に向けられたダミーパネル内面３２ｄと、を備える。ダミーパネル外面３２ｃはダミーパネル上面と、また、ダミーパネル内面３２ｄはダミーパネル下面と呼ぶこともできる。

ダミーパネル外面３２ｃの輻射率がダミーパネル内面３２ｄの輻射率より高くてもよい。すなわち、ダミーパネル外面３２ｃの反射率がダミーパネル内面３２ｄの反射率より低くてもよい。そのため、ダミーパネル外面３２ｃは、黒色表面を有してもよい。黒色表面は、例えば、黒色塗装、黒色めっき、またはその他の黒色化処理により形成されてもよい。あるいは、ダミーパネル外面３２ｃは、粗面を有してもよい。ダミーパネル外面３２ｃには、例えばサンドブラストまたはその他の粗化処理がなされていてもよい。ダミーパネル内面３２ｄは、鏡面を有してもよい。ダミーパネル内面３２ｄには、研磨またはその他の鏡面処理がなされていてもよい。

第１の例として、ダミーパネル外面３２ｃとダミーパネル内面３２ｄの両方が黒色である場合を考える。この場合、ダミーパネル外面３２ｃとダミーパネル内面３２ｄの輻射率はともに１であるとみなされる。クライオポンプ１０への入熱のうち遮熱ダミーパネル３２への入熱をＱ［Ｗ］とする。遮熱ダミーパネル３２が入熱Ｑを受けるとき、ダミーパネル外面３２ｃが発する輻射熱Ｗｏ［Ｗ］は、Ｗｏ＝（１／（１＋１））Ｑ＝Ｑ／２となり、ダミーパネル内面３２ｄが発する輻射熱Ｗｉ［Ｗ］は、Ｗｉ＝（１／（１＋１））Ｑ＝Ｑ／２となる。つまり、外向きの輻射熱Ｗｏと内向きの輻射熱Ｗｉは等しくなる。輻射熱Ｗｏは、ダミーパネル外面３２ｃからクライオポンプ１０の外部へと排出される。輻射熱Ｗｉは、ダミーパネル内面３２ｄからクライオポンプ１０の内部、すなわち放射シールド３０および第２段クライオパネルアセンブリ２０に向かうが、冷凍機１６によって冷却され、クライオポンプ１０から排出される。

第２の例として、ダミーパネル外面３２ｃが黒色であり、ダミーパネル内面３２ｄが鏡面である場合を考える。ダミーパネル外面３２ｃの輻射率は１とみなされる。ダミーパネル内面３２ｄの輻射率は例えば０．１と仮定する。この場合、遮熱ダミーパネル３２が入熱Ｑを受けるとき、ダミーパネル外面３２ｃが発する輻射熱Ｗｏ［Ｗ］は、Ｗｏ＝（１／（１＋０．１））Ｑ＝（１０／１１）Ｑとなり、ダミーパネル内面３２ｄが発する輻射熱Ｗｉ［Ｗ］は、Ｗｉ＝（０．１／（１＋０．１））Ｑ＝（１／１１）Ｑとなる。

したがって、ダミーパネル外面３２ｃの輻射率をダミーパネル内面３２ｄの輻射率より高くすることによって、遮熱ダミーパネル３２からクライオポンプ１０の外部に向けて排出される熱量を多くすることができる。それとともに、遮熱ダミーパネル３２からクライオポンプ１０の内部に向かい、冷凍機１６によってクライオポンプ１０から排出される熱量は、少なくなる。そのため、冷凍機１６の消費電力を低減することもできる。

第２段クライオパネルアセンブリ２０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。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、上部構造２０ａと下部構造２０ｂとを備える。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、軸方向に配列された複数の吸着クライオパネル６０を備える。複数の吸着クライオパネル６０は軸方向に互いに間隔をあけて配列されている。

第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａは、複数の上部クライオパネル６０ａと、複数の伝熱体（伝熱スペーサともいう）６２と、を備える。複数の上部クライオパネル６０ａは、軸方向において遮熱ダミーパネル３２と第２冷却ステージ２４との間に配置されている。複数の伝熱体６２は、軸方向に柱状に配列されている。複数の上部クライオパネル６０ａおよび複数の伝熱体６２は、吸気口１２と第２冷却ステージ２４との間で軸方向に交互に積み重ねられている。上部クライオパネル６０ａと伝熱体６２の中心はともに中心軸Ｃ上に位置する。こうして上部構造２０ａは、第２冷却ステージ２４に対し軸方向上方に配置されている。上部構造２０ａは、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成された伝熱ブロック６３を介して第２冷却ステージ２４に固定され、第２冷却ステージ２４に熱的に結合されている。よって、上部構造２０ａは第２冷却温度に冷却される。

第２段クライオパネルアセンブリ２０の下部構造２０ｂは、複数の下部クライオパネル６０ｂと、第２段クライオパネル取付部材６４と、を備える。複数の下部クライオパネル６０ｂは、軸方向において第２冷却ステージ２４とシールド底部３８との間に配置されている。第２段クライオパネル取付部材６４は、第２冷却ステージ２４から軸方向に下方に向けて延びている。複数の下部クライオパネル６０ｂは、第２段クライオパネル取付部材６４を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。こうして、下部構造２０ｂは、第２冷却ステージ２４に熱的に結合され、第２冷却温度に冷却される。

第２段クライオパネルアセンブリ２０においては、少なくとも一部の表面に吸着領域６６が形成されている。吸着領域６６は非凝縮性気体（例えば水素）を吸着により捕捉するために設けられている。吸着領域６６は例えば吸着材（例えば活性炭）をクライオパネル表面に接着することにより形成される。

一例として、複数の上部クライオパネル６０ａのうち軸方向に遮熱ダミーパネル３２に最も近接する１つ又は複数の上部クライオパネル６０ａは、平板（例えば円盤状）であり、中心軸Ｃに垂直に配置されている。残りの上部クライオパネル６０ａは、逆円錐台状であり、円形の底面が中心軸Ｃに垂直に配置されている。

上部クライオパネル６０ａうち遮熱ダミーパネル３２に最も近接するもの（すなわち、軸方向に遮熱ダミーパネル３２の直下に位置する上部クライオパネル６０ａ、トップクライオパネル６１とも呼ばれる）は、遮熱ダミーパネル３２より径が大きい。ただし、トップクライオパネル６１の径は、遮熱ダミーパネル３２の径と等しくてもよいし、それより小さくてもよい。トップクライオパネル６１は遮熱ダミーパネル３２は直接対向しており、トップクライオパネル６１と遮熱ダミーパネル３２の間には、他のクライオパネルは存在しない。

複数の上部クライオパネル６０ａは、軸方向に下方に向かうにつれて徐々に径が大きくなっている。また、逆円錐台状の上部クライオパネル６０ａは、入れ子状に配置されている。より上方の上部クライオパネル６０ａの下部が、その下方に隣接する上部クライオパネル６０ａの中の逆円錐台状空間に入り込んでいる。

個々の伝熱体６２は、円柱形状を有する。伝熱体６２は、比較的短い円柱形状とされ、伝熱体６２の径より軸方向高さが小さくてもよい。吸着クライオパネル６０などのクライオパネルは一般に、銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属材料で形成され、必要とされる場合、表面がニッケルなどの金属層で被覆されている。これに対して、伝熱体６２は、クライオパネルとは異なる材料で形成されてもよい。伝熱体６２は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などの、吸着クライオパネル６０よりも熱伝導率は低いが密度の小さい金属材料で形成されてもよい。このようにすれば、伝熱体６２の熱伝導性と軽量化をある程度両立でき、第２段クライオパネルアセンブリ２０の冷却時間の短縮に役立つ。

下部クライオパネル６０ｂは、平板であり、例えば円盤状である。下部クライオパネル６０ｂは、上部クライオパネル６０ａよりも大径である。ただし、下部クライオパネル６０ｂには第２段クライオパネル取付部材６４への取付のために、外周の一部分から中心部へと切欠部が形成されていてもよい。

なお、第２段クライオパネルアセンブリ２０の具体的構成は上述のものに限られない。上部構造２０ａは、任意の枚数の上部クライオパネル６０ａを有してもよい。上部クライオパネル６０ａは、平板、円錐状、またはその他の形状を有してもよい。同様に、下部構造２０ｂは、任意の枚数の下部クライオパネル６０ｂを有してもよい。下部クライオパネル６０ｂは、平板、円錐状、またはその他の形状を有してもよい。

吸着領域６６は、吸気口１２から見えないように、上方に隣接する吸着クライオパネル６０の陰となる場所に形成されていてもよい。例えば、吸着領域６６は吸着クライオパネル６０の下面の全域に形成されている。吸着領域６６は、下部クライオパネル６０ｂの上面に形成されていてもよい。また、図１においては簡明化のために図示を省略しているが、吸着領域６６は、上部クライオパネル６０ａの下面（背面）にも形成されている。必要に応じて、吸着領域６６は、上部クライオパネル６０ａの上面に形成されてもよい。

吸着領域６６においては、多数の活性炭の粒が吸着クライオパネル６０の表面に密に並べられた状態で不規則な配列で接着されている。活性炭の粒は例えば円柱形状に成形されている。なお吸着材の形状は円柱形状でなくてもよく、例えば球状やその他の成形された形状、あるいは不定形状であってもよい。吸着材のパネル上での配列は規則的配列であっても不規則な配列であってもよい。

また、第２段クライオパネルアセンブリ２０の少なくとも一部の表面には凝縮性気体を凝縮により捕捉するための凝縮領域が形成されている。凝縮領域は例えば、クライオパネル表面上で吸着材の欠落した区域であり、クライオパネル基材表面例えば金属面が露出されている。吸着クライオパネル６０（例えば、上部クライオパネル６０ａ）の上面、または上面外周部、または下面外周部は、凝縮領域であってもよい。

トップクライオパネル６１は、上面および下面の両方の全体が凝縮領域であってもよい。すなわち、トップクライオパネル６１は、吸着領域６６を有しなくてもよい。このように、第２段クライオパネルアセンブリ２０において吸着領域６６を有しないクライオパネルは、凝縮クライオパネルと称されてもよい。例えば、上部構造２０ａは、少なくとも１つの凝縮クライオパネル（例えば、トップクライオパネル６１）を備えてもよい。

上述のように、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、多数の吸着クライオパネル６０（すなわち、複数の上部クライオパネル６０ａおよび下部クライオパネル６０ｂ）を有するので、非凝縮性気体について高い排気性能をもつ。例えば、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、水素ガスを高い排気速度で排気することができる。

複数の吸着クライオパネル６０の各々は、クライオポンプ１０の外部から視認不能である部位に吸着領域６６を備える。よって、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、吸着領域６６の全部またはその大半がクライオポンプ１０の外部から完全に見えないように構成されている。クライオポンプ１０は、吸着材非露出型のクライオポンプと呼ぶこともできる。

クライオポンプハウジング７０は、放射シールド３０、第２段クライオパネルアセンブリ２０、及び冷凍機１６を収容するクライオポンプ１０の筐体であり、内部空間１４の真空気密を保持するよう構成されている真空容器である。クライオポンプハウジング７０は、放射シールド３０及び冷凍機構造部２１を非接触に包含する。クライオポンプハウジング７０は、冷凍機１６の室温部２６に取り付けられている。

クライオポンプハウジング７０の前端によって、吸気口１２が画定されている。クライオポンプハウジング７０は、その前端から径方向外側に向けて延びている吸気口フランジ７２を備える。吸気口フランジ７２は、クライオポンプハウジング７０の全周にわたって設けられている。クライオポンプ１０は、吸気口フランジ７２を用いて真空排気対象の真空チャンバに取り付けられる。

上記の構成のクライオポンプ１０の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、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプで真空チャンバ内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後、クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１６の駆動により第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４がそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。よって、これらに熱的に結合されている放射シールド３０、第２段クライオパネルアセンブリ２０もそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。

真空チャンバからクライオポンプ１０に向かって飛来する気体の一部は、吸気口１２（例えば遮熱ダミーパネル３２の周囲の開放領域５１）から内部空間１４へと進入する。気体の他の一部は、遮熱ダミーパネル３２で反射され、内部空間１４に進入しない。

上述のように、遮熱ダミーパネル３２は熱抵抗部材４８を介して放射シールド３０に取り付けられているので、遮熱ダミーパネル３２は、放射シールド３０から熱的に絶縁され、または高い熱抵抗を介して接続されている。そのため、遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプ１０の運転中に、例えば室温または０℃より高い温度に保持される。遮熱ダミーパネル３２は冷凍機１６によってほとんど又はまったく冷却されないので、遮熱ダミーパネル３２に接触するほとんど又は全ての気体は遮熱ダミーパネル３２上に凝縮しない。

放射シールド３０の表面には、第１冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第１種気体と称されてもよい。第１種気体は例えば水蒸気である。こうして、放射シールド３０は、第１種気体を排気することができる。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、放射シールド３０で反射され、その一部は、第２段クライオパネルアセンブリ２０へと向かう。

内部空間１４に進入した気体は、第２段クライオパネルアセンブリ２０によって冷却される。吸着クライオパネル６０の凝縮領域の表面には、放射シールド３０で反射された第１種気体が凝縮する。加えて、吸着クライオパネル６０の凝縮領域の表面には、第２冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第２種気体と称されてもよい。第２種気体は例えば窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）である。こうして、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第２種気体を排気することができる。

第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、吸着クライオパネル６０の吸着領域６６に吸着される。この気体は、第３種気体と称されてもよい。第３種気体は例えば水素（Ｈ_２）である。こうして、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第３種気体を排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々の気体を凝縮または吸着により排気し、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。

実施の形態に係るクライオポンプ１０によると、遮熱ダミーパネル３２が吸気口１２に配置されている。遮熱ダミーパネル３２は、シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度となるように、放射シールド３０に熱抵抗部材４８を介して取り付けられている。このようにして、遮熱ダミーパネル３２は、第２段クライオパネルアセンブリ２０を輻射熱から保護する機能を提供することができる。吸気口配置のクライオパネルを必須とする典型的なクライオポンプとは異なり、クライオポンプ１０は、新規かつ代替的な設計を有する。

熱抵抗部材４８は、放射シールド３０の材料より熱伝導率の低い材料または断熱材料で形成されている。このようにすれば、高い熱抵抗を介して遮熱ダミーパネル３２を放射シールド３０に接続し、または、遮熱ダミーパネル３２を放射シールド３０から熱的に絶縁することが容易である。その結果、ダミーパネル温度をシールド冷却温度に比べて顕著に高くすることができる。

また、ダミーパネル外面３２ｃの輻射率をダミーパネル内面３２ｄの輻射率より高くすることによって、遮熱ダミーパネル３２からクライオポンプ１０の外部に向けて排出される熱量を多くすることができる。それとともに、遮熱ダミーパネル３２からクライオポンプ１０の内部に向かう熱量を少なくすることができる。

ダミーパネル温度は、０℃を超える。そのため、遮熱ダミーパネル３２は、第１種気体の排気能力を提供しないことが保証される。水分の凝縮による氷層が遮熱ダミーパネル３２の表面（例えばダミーパネル外面３２ｃ）を覆うことが回避される。したがって、クライオポンプ１０の運転中、氷層が形成されたとしたら起こり得る反射率の増加（輻射率の低下）を抑制できる。

遮熱ダミーパネル３２は冷却される必要が無いので、従来のクライオポンプにおける吸気口配置のクライオパネルのように、純銅などの高熱伝導率金属で形成される必要はない。また、ニッケルなどのめっき処理も不要である。加えて、同様の理由から、遮熱ダミーパネル３２は、クライオパネルに比べて薄くてもよい。したがって、遮熱ダミーパネル３２は、例えばステンレス鋼などの容易に入手容易な材料を用いてありふれた加工方法で製作することができ、安価である。

また、遮熱ダミーパネル３２は冷却される必要が無いので、冷凍機１６の消費電力を低減することができる。

上述の実施の形態では、遮熱ダミーパネル３２は、放射シールド３０に熱抵抗部材４８を介して取り付けられている。しかし、遮熱ダミーパネル３２は、シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度となるように、クライオポンプハウジング７０に熱的に結合されていてもよい。そのような実施の形態を以下に述べる。

図３は、他の実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。図示されるように、吸気口１２に配置される遮熱ダミーパネル３２は、吸気口フランジ７２に取り付けられている。遮熱ダミーパネル３２は、図１および図２に示される実施の形態と同様に、吸気口１２の中心部に配置されたダミーパネル中心部分３２ａと、ダミーパネル中心部分３２ａから径方向外側に延びるダミーパネル取付部３２ｂとを有する。ダミーパネル取付部３２ｂは、例えば、ボルトなどの締結部材またはそのほかの適切な手法で吸気口フランジ７２の内周に固定される。

このようにして、遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプハウジング７０に直接に取り付けられ、クライオポンプハウジング７０に熱的に結合されている。そのため、遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプ１０の運転中、シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度となる。したがって、遮熱ダミーパネル３２は、第２段クライオパネルアセンブリ２０を輻射熱から保護する機能を提供することができる。

遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプハウジング７０に熱的に結合されているから、シールド冷却温度に比べて顕著に高いダミーパネル温度、例えば０℃より高い温度（とくに、室温）に保持することが容易である。また、図１および図２に示される実施の形態のように熱抵抗部材４８を要しないので、遮熱ダミーパネル３２の取付構造が簡素となりうる点で有利である。

遮熱ダミーパネル３２は、他の部材を介して吸気口フランジ７２に取り付けられ、クライオポンプハウジング７０に熱的に結合されてもよい。遮熱ダミーパネル３２は、吸気口フランジ７２が装着される相手フランジ、または、吸気口フランジ７２と相手フランジとの間に挟み込まれるセンターリングに取り付けられてもよい。そのような実施の形態を以下に述べる。

図４は、更なる他の実施の形態に係るクライオポンプ１０の概略斜視図である。図５は、図４に示されるクライオポンプ１０の一部分を概略的に示す部分断面図である。図５には、図１と同様にクライオポンプ中心軸を含む平面によるクライオポンプ１０の断面の一部分を示し、吸気口１２に配置された遮熱ダミーパネル３２とその周囲の部材が示されている。

図４および図５に示される実施の形態では、遮熱ダミーパネル３２は、吸気口フランジ７２が装着される相手フランジ７４に取り付けられている。相手フランジ７４は、例えば、クライオポンプ１０が取り付けられるゲートバルブの真空フランジであってもよい。相手フランジ７４は、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバの真空フランジであってもよい。吸気口フランジ７２と相手フランジ７４との間にはセンターリング７６が設けられている。知られているように、吸気口フランジ７２が相手フランジ７４に装着されるとき、センターリング７６は、吸気口フランジ７２と相手フランジ７４との間に挟み込まれる。

遮熱ダミーパネル３２は、相手フランジ７４を介して吸気口フランジ７２に取り付けられ、クライオポンプハウジング７０に熱的に結合されている。このようにしても、遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプ１０の運転中、シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度、例えば室温となる。したがって、上述の実施の形態と同様に、遮熱ダミーパネル３２は、第２段クライオパネルアセンブリ２０を輻射熱から保護する機能を提供することができる。

図６は、更なる他の実施の形態に係るクライオポンプ１０の概略斜視図である。図７は、図６に示されるクライオポンプ１０の一部分を概略的に示す部分断面図である。図６には、図１と同様にクライオポンプ中心軸を含む平面によるクライオポンプ１０の断面の一部分を示し、吸気口１２に配置された遮熱ダミーパネル３２とその周囲の部材が示されている。

図６および図７に示される実施の形態では、遮熱ダミーパネル３２は、センターリング７６に取り付けられている。吸気口フランジ７２が相手フランジ７４に装着されるとき、センターリング７６は、吸気口フランジ７２と相手フランジ７４との間に挟み込まれる。

遮熱ダミーパネル３２は、センターリング７６を介して吸気口フランジ７２に取り付けられ、クライオポンプハウジング７０に熱的に結合されている。このようにしても、遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプ１０の運転中、シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度、例えば室温となる。したがって、上述の実施の形態と同様に、遮熱ダミーパネル３２は、第２段クライオパネルアセンブリ２０を輻射熱から保護する機能を提供することができる。

図４から図７を参照して説明した実施の形態では、遮熱ダミーパネル３２は、クライオポンプ１０の一部を構成するとみなされうる。遮熱ダミーパネル３２が取り付けられた相手フランジ７４、または当該相手フランジ７４を有するゲートバルブなどの真空装置、またはセンターリング７６は、クライオポンプ１０の付属品として、クライオポンプ製造業者によってユーザに提供されてもよい。

遮熱ダミーパネル３２がクライオポンプハウジング７０に熱的に結合される実施の形態においても、ダミーパネル外面の輻射率は、ダミーパネル内面の輻射率より高くてもよい。

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。

上述の実施の形態においては、ダミーパネル温度は、クライオポンプ１０の運転中、０℃を超えるように保持され、そのため遮熱ダミーパネル３２は、第１種気体の排気能力を提供しない。しかし、ある実施の形態においては、遮熱ダミーパネル３２は、シールド冷却温度より高く、第１種気体（例えば水蒸気）の凝縮温度より低いダミーパネル温度に冷却されてもよい。このようにして、従来のクライオポンプにおいて吸気口に配置される第１段のクライオパネルほどではないが、遮熱ダミーパネル３２は、第１種気体の排気能力をある程度有してもよい。

上述の実施の形態においては、遮熱ダミーパネル３２は、一枚の板から円盤状に形成されているが、遮熱ダミーパネル３２は他の形状も可能である。例えば、遮熱ダミーパネル３２は、例えば矩形またはその他の形状のプレートであってもよい。あるいは、遮熱ダミーパネル３２は、同心円状または格子状に形成されたルーバーまたはシェブロンであってもよい。

上記の説明においては横型のクライオポンプを例示したが、本発明は、縦型その他のクライオポンプにも適用可能である。なお、縦型のクライオポンプとは、冷凍機１６がクライオポンプ１０の中心軸Ｃに沿って配設されているクライオポンプをいう。また、クライオパネルの配置や形状、数などクライオポンプの内部構成は、上述の特定の実施形態には限られない。種々の公知の構成を適宜採用することができる。

本発明は、クライオポンプの分野における利用が可能である。

１０ クライオポンプ、 １２ 吸気口、 ３０ 放射シールド、 ３２ 遮熱ダミーパネル、 ３２ｃ ダミーパネル外面、 ３２ｄ ダミーパネル内面、 ４８ 熱抵抗部材、 ７０ クライオポンプハウジング、 ７２ 吸気口フランジ、 ７４ 相手フランジ、 ７６ センターリング。

Claims (11)

1. クライオポンプ吸気口を有するクライオポンプハウジングと、
   前記クライオポンプハウジングと非接触に前記クライオポンプハウジング内に配置され、シールド冷却温度に冷却される放射シールドと、
   前記クライオポンプ吸気口に配置された遮熱ダミーパネルであって、前記シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度となるように、前記放射シールドに熱抵抗部材を介して取り付けられた遮熱ダミーパネルと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記熱抵抗部材は、前記放射シールドの材料より熱伝導率の低い材料または断熱材料で形成されてい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. クライオポンプ吸気口を有するクライオポンプハウジングと、
   前記クライオポンプハウジングと非接触に前記クライオポンプハウジング内に配置され、シールド冷却温度に冷却される放射シールドと、
   前記クライオポンプ吸気口に配置された遮熱ダミーパネルであって、前記シールド冷却温度よりも高いダミーパネル温度となるように、前記クライオポンプハウジングに熱的に結合された遮熱ダミーパネルと、を備えることを特徴とするクライオポンプ。
4. 前記クライオポンプハウジングは、前記クライオポンプ吸気口を定める吸気口フランジを備え、
   前記遮熱ダミーパネルは、前記吸気口フランジ、前記吸気口フランジが装着される相手フランジ、または前記吸気口フランジと前記相手フランジとの間に挟み込まれるセンターリングに取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
5. 前記遮熱ダミーパネルは、前記クライオポンプの外側に向けられたダミーパネル外面と、前記クライオポンプの内側に向けられたダミーパネル内面と、を備え、
   前記ダミーパネル外面の輻射率が前記ダミーパネル内面の輻射率より高い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. 前記ダミーパネル外面は、黒色であり、前記ダミーパネル内面は、鏡面であることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
7. 前記ダミーパネル温度は、０℃を超えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のクライオポンプ。
8. 前記遮熱ダミーパネルは、前記放射シールドとは異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のクライオポンプ。
9. 前記遮熱ダミーパネルは、前記放射シールドよりも熱伝導率が低い材料で形成されていることを特徴とする請求項８に記載のクライオポンプ。
10. 前記放射シールドよりも低温に冷却されるトップクライオパネルをさらに備え、
    前記トップクライオパネルは、前記遮熱ダミーパネルの直下に位置するとともに前記遮熱ダミーパネルと直接対向することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のクライオポンプ。
11. 前記放射シールドよりも低温に冷却されるクライオパネルアセンブリであって、複数のクライオパネルと、軸方向に柱状に配列された複数の伝熱体と、を備え、前記複数のクライオパネルおよび前記複数の伝熱体が軸方向に積み重ねられているクライオパネルアセンブリをさらに備え、
    前記遮熱ダミーパネルは、前記クライオパネルアセンブリの軸方向上方に配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のクライオポンプ。

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