(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオポンプを冷却するパルス管冷凍機のコールドヘッドの温度が外部からの熱負荷に対してもパルス管冷凍機の使用温度領域内に保持されるよう、作動ガスとして、その液化温度がパルス管冷凍機の使用温度領域内にあるガスが用いられているパルス管冷凍機を用いたクライオポンプ。
【請求項２】
クライオポンプが水分除去用であり、作動ガスが窒素ガスもしくは窒素ガスを含んだ混合ガスである請求項１記載のクライオポンプ。
【請求項３】
真空装置の真空空間の水分を水分吸着パネルの冷却により氷結して上記真空空間を真空引きするクライオポンプであって、上記水分吸着パネルをパルス管冷凍機のコールドヘッドで冷却し、作動ガスの液化温度が水分の氷結の温度領域内に設定されているパルス管冷凍機を用いたクライオポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス管冷凍機における冷却温度の保持をヒーター等の付加的な機構を用いることなく行いうる、信頼性の高いパルス管冷凍機を用いたクライオポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、クライオポンプは、冷凍機のコールドヘッド（冷端部）に取り付けた吸着パネルに気体分子を吸着して高真空を実現するものである。このクライオポンプでは、吸着パネルに気体分子を吸着させている間は吸着パネルの冷却温度をある一定領域に保持しておく必要がある。
【０００３】
例えば、水分専用のクライオポンプでは、吸着パネル３（図１参照）の冷却温度を約１１０Ｋの領域に保持する必要がある。図１に水分専用のクライオポンプの概略構造を示す。図において、１はＧＭ冷凍機で、２はコールドヘッドで、３はコールドヘッド２に取り付けた吸着パネルで、４は使用状態で真空となる空間で、５は取付けフランジである。
【０００４】
現在、クライオポンプの冷却には、ヘリウムガス（単体ガス）を作動ガスとしたＧＭ冷凍機が主として用いられているが、これを通常に運転すると、吸着パネル３の温度が１１０Ｋ以下に下がり過ぎてしまい（３０〜４０Ｋにまで下がることもある）、本来の水分のみを氷結除去する目的から外れ、他のガス成分をも氷結してしまうことになる。このため、水分専用のクライオポンプでは、温度保持機能としてヒーターと温度計（ともに図示せず）をコールドヘッド２に装着し、ヒーターを温度調節することにより吸着パネル３の温度保持を行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものでは、ヒーターの配線が真空空間４から大気中に出ているため、シールの施工が複雑であり、リークの危険性が高い。また、熱負荷量の変化に追従するため（例えば、吸着パネル３に水分が付着しすぎたり、真空度が低下したりして、吸着パネル３の温度が上昇すると、ヒーターを温度調節する必要があるため）温度コントローラが必要になり、機構が複雑になるうえ、価格が上昇する。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、ヒーター等を使用することなく冷却温度の保持を行うことのできるパルス管冷凍機を用いたクライオポンプの提供をその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するたの手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、クライオポンプを冷却するパルス管冷凍機のコールドヘッドの温度が外部からの熱負荷に対してもパルス管冷凍機の使用温度領域内に保持されるよう、作動ガスとして、その液化温度がパルス管冷凍機の使用温度領域内にあるガスが用いられているパルス管冷凍機を用いたクライオポンプを第１の要旨とし、真空装置の真空空間の水分を水分吸着パネルの冷却により氷結して上記真空空間を真空引きするクライオポンプであって、上記水分吸着パネルをパルス管冷凍機のコールドヘッドで冷却し、作動ガスの液化温度が水分の氷結の温度領域内に設定されているパルス管冷凍機を用いたクライオポンプを第２の要旨とする。
【０００８】
すなわち、本発明のクライオポンプは、これに用いるパルス管冷凍機の作動ガスとして、その液化温度がパルス管冷凍機の使用温度領域内にあるガスを用いている。このため、上記のパルス管冷凍機の運転中に作動ガスが、その液化温度であるパルス管冷凍機の使用温度領域より低下しなくなり、かつ、その使用温度領域内で略一定に保たれるようになる。そして、作動ガスがその液化温度まで冷却されると、外部からの熱負荷があってもコールドヘッドの温度が殆ど変化しなくなる。ただし、外部からの熱負荷により熱侵入量がさらに増えると、コールドヘッドの温度は急に上がり出すため、外部からの熱負荷によってもコールドヘッドの温度が殆ど変化しない温度領域を作動ガスの設定温度とする必要がある。また、この温度領域は、作動ガスとして、複数種類のガスを混合したものを使用することによりある程度調節できる。
【０００９】
より詳しく説明すると、液化温度が高いヘリウム以外のガス（窒素ガス等）を作動ガスとして用いたパルス管冷凍機を運転すると、パルス管冷凍機内の低温側で作動ガスが液化する。しかしながら、パルス管冷凍機内では作動ガスの圧縮・膨脹や作動ガスの移動（低温側⇔高温側）があることから、液化した作動ガスが沸点以上の部分にふれたり、減圧時の膨脹のために沸点が下がったりする。したがって、液化した作動ガスは固化することなく再び気化する。このように、作動ガスは１サイクル中に液化と気化を繰り返すため、作動ガスが流路を閉塞することはなく、パルス管冷凍機として動作し、パルス管冷凍機のコールドヘッドの温度は作動ガスの液化温度（＝沸点）付近の温度に保持される。また、コールドヘッドへの熱負荷が増加（もしくは減少）した場合には、１サイクルでの液化の量が減る（もしくは増える）ものの、コールドヘッドの温度は作動ガスの液化温度付近のままである。たとえ熱侵入量が増えても、作動ガスが液化している間はコールドヘッドの温度は作動ガスの液化温度付近のままである（図２参照）。
【００１０】
上述したように、上記のパルス管冷凍機では、従来例のようにヒーター等を使って温度調節をすることなく、自動的に冷却温度の保持が行えるため、ヒーター等の電気エネルギーを使う必要がなく、エネルギー消費を低減することができる。しかも、ヒーターの制御機構がなくなり、装置が単純化するため、故障頻度が減り、かつ、装置価格が安価になる。さらに、真空空間への配線がなくなるため、シールの施工がなくなり、また、真空リークの危険性もなくなる。そして、本発明のクライオポンプは、上記のパルス管冷凍機を用いているため、上述したような、優れた効果を奏する。
【００１１】
本発明に用いる作動ガスとしては、窒素ガス，アルゴン等の各種の単体ガスが用いられる。また、これらの単体ガスにヘリウムガス等を混合した混合ガスや空気も用いられる。そして、パルス管冷凍機の使用温度領域が判明している場合に、この使用温度領域内に納まる液化温度をもとにして、単体ガスの種類や、混合比を調整した混合ガスを選択することができる。
【００１２】
また、上記のパルス管冷凍機は、水分専用のクライオポンプや各種クライオポンプに使用される。また、本発明のクライオポンプは、半導体製造用真空装置，光磁気記録媒体製造用真空装置等の各種真空引き装置等に使用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明のクライオポンプの一実施の形態を説明する。この実施の形態では、図１のクライオポンプにおいて、ＧＭ冷凍機１に代えて、窒素ガス（単体ガス）を作動ガスとしたパルス管冷凍機を用いている。また、コールドヘッド２にヒーターと温度計を装着していないし、温度コントローラも設けていない。したがって、ヒーターの配線もない。それ以外の部分は図１に示す実施の形態と同様である。
【００１４】
この実施の形態では、ヒーター等を使用していないため、電気エネルギーの消費を低減することができるうえ、故障頻度が減り、装置価格が安価になる。しかも、ヒーターの配線がなくなるため、真空リークの危険性がなくなる。
【００１５】
【実施例１】
上記実施の形態と同様のクライオポンプにおいて、作動ガスとして窒素ガスを絶対圧力１８．０ｋｇｆ／ｃｍ２  で充填してパルス管冷凍機を運転し、コールドヘッドに取り付けたヒーター（熱負荷をかけるために、実験用に取り付けたものである）によって熱負荷をかけたときの、コールドヘッドの温度変化を調べた。その結果を図２に示す（計測結果を黒丸で示している）。図２から明らかなように、作動ガスの液化による温度保持効果がみられ、熱負荷が０〜６０Ｗまでの間で１１２〜１１５Ｋの範囲で冷却温度を保持していることが判る。なお、１６．４ｋｇｆ／ｃｍ２  のときの窒素の液化温度は１１２Ｋである。
【００１６】
【実施例２】
上記実施の形態と同様のクライオポンプにおいて、作動ガスとして窒素ガスを１４．４ｋｇｆ／ｃｍ２  の分圧、ヘリウムガスを３．６ｋｇｆ／ｃｍ２  の分圧で混合したものを充填して、実施例１と同じパルス管冷凍機を運転し、コールドヘッドに取り付けたヒーター（熱負荷をかけるために、実験用に取り付けたものである）によって熱負荷をかけたときの、コールドヘッドの温度変化を調べた。その結果を図２に示す（計測結果を白丸で示している）。図２から明らかなように、作動ガスの液化による温度保持効果がみられ、熱負荷が０〜６０Ｗまでの間で９９〜１１０Ｋの範囲で冷却温度を保持していることが判る。この実施例２では、窒素とヘリウムとの２成分気液平衡となり、実施例１と比べ、到達温度の低下がみられた。なお、１４．７ｋｇｆ／ｃｍ２  のときの窒素の液化温度は１１０Ｋである。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明のクライオポンプに用いるパルス管冷凍機によれば、ヒーター等を使って温度調節をすることなく、自動的に冷却温度の保持が行えるため、ヒーター等の電気エネルギーを使う必要がなく、エネルギー消費を低減することができる。しかも、ヒーターの制御機構がなくなり、装置が単純化するため、故障頻度が減り、かつ、装置価格が安価になる。さらに、真空空間への配線がなくなるため、シールの施工がなくなり、また、真空リークの危険性もなくなる。そして、本発明のクライオポンプは、上記のパルス管冷凍機を用いているため、上述したような、優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】クライオポンプを示す断面図である。
【図２】コールドヘッドへの熱負荷とコールドヘッドの温度との関係を示す図である。
【図１】
0003623659.tif 000002
【図２】
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