(57)【要約】【課題】インライン型２段パルス管冷凍機冷却クライオポンプのサイズを最小限とし、サービスを容易とすると共に、長寿命化、高信頼性化を図る。【解決手段】パルス管とバルブが直列であり、パルス管の高温端が頂部にあり、バルブ機構が底部にあり、高温端とバッファ容積が、圧縮機入口から圧縮機出口への直列冷媒ラインであって、バッファ容積と熱交換する関係に取り付けられた冷媒ラインによって冷却される２段パルス管クライオポンプ冷却システムが開示されている。
2005515386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオポンプと、ハウジングにクライオポンプ入口を有するクライオポンプハウジングと、少なくとも１つのクライオパネルと、圧縮機と、パルス管及び熱交換器を備えた２つのパルス管アセンブリと、関連するバルブアセンブリとを備え、
前記パルス管と熱交換器がインラインに配置され、パルス管の高温端が頂部にあり、該高温端がクライオポンプハウジング内にあり、パルス管アセンブリが取外し可能である、位相間制御を伴うインライン型２段パルス管クライオポンプ冷却システム。
【請求項２】
前記クライオポンプハウジングがほぼ円筒形状であり、ハウジングの端部にクライオポンプ入口を有する請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記クライオパネルが取外し可能である請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項４】
前記バルブアセンブリが、クライオポンプハウジングの下にある請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記クライオポンプ入口が、クライオポンプハウジングの横にある請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記クライオポンプ入口が、前記クライオポンプハウジングの頂部にある請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項７】
直列型冷却ラインによって、パルス管の高温端の熱が、圧縮機入口から圧縮機出口に取り除かれる請求項１の冷凍システム。
【請求項８】
バッファ容積がパルス管の温端に接続され、前記クライオポンプハウジング内にある請求項１の冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２段パルス管冷凍機を備えたクライオポンプに関する。
【０００２】
本願は、２００２年１月８日に出願された米国仮出願番号６０／３４６，５１２の利益を主張する。
【背景技術】
【０００３】
パルス管冷凍機は、スターリング及びギフォード−マクマホン冷凍機と同様に、気体の圧縮及び膨張によって冷却する冷凍機である。しかしながら、気体の膨張仕事が、固体の膨張ピストン又はディスプレーサによって膨張空間の外に移されるスターリング及びギフォード−マクマホン（Ｇ−Ｍ）システムと異なり、パルス管冷凍機は、その寒冷端に可動部品を持たず、圧縮可能なディスプレーサとして作用する振動ガス柱（ガスピストンと称する）をパルス管中に有する。パルス管冷凍機の寒冷端の可動部品を排除することで、振動が大幅に減少すると共に、信頼性及び寿命が向上し、軍用及び商用共に、多くの分野で非常に有用な可能性を持つ。
【０００４】
多くの軍用分野では、２０〜６０Ｈｚの周波数で動作するスターリングパルス管を使用しており、高速の結果として、小型ではあるが、約２０Ｋ以上の温度に制限される。典型的に１〜２Ｈｚで振動する２段ＧＭ型パルス管冷凍機を用いることによって、３Ｋの極低温が到達可能である。現在、１０Ｋ又は４Ｋで動作する冷凍機が、磁気共鳴映像（ＭＲＩ）システム中で用いられる超伝導磁石を冷却するのに用いられている。クライオポンプのような商業用途では約１２Ｋの最低温度が非常に望ましく、そのようなクライオポンプは、半導体製造真空チャンバからガスをパージするのにしばしば用いられている。
【０００５】
これらの各適用分野において、極低温冷凍機によって生じる振動のレベルを更に減らす努力が続けられている。低振動によって特徴付けられるパルス管冷凍システムは、冷凍機の信頼性及び寿命を非常に向上するであろう。
【０００６】
多くの真空チャンバプロセスは、振動に非常に敏感である。ｎｍ以下の精度が要求されるプロセスでは、どのような振動も製品欠陥を生じる。従来の真空チャンバポンプは、製造される部品の動きを生じ得る可動部品のシステムを含んでいる。クライオポンプによって発生する振動を低減する方法が要求されている。
【０００７】
様々な種類のチャンバガスを、１以上のクライオパネル上に凝縮し、固体化し又は吸収するため、クライオポンプは１２Ｋ程度の低温に冷却されなければならない。このような低温を得るために使われる従来の冷凍機は、ギフォード−マクマホン（ＧＭ）サイクルシステムであるが、これらのシステムは、パルス管よりもかなり大きな振動を持つ。２段パルス管を用いたクライオポンプを冷却する方法が望まれている。
【０００８】
２段パルス管冷凍機は、パルス管内の対流損失を避けるために、パルス管の高温端を頂部に持つ必要がある。冷凍機の頂部に嵩張ったバルブ機構を持ち、必要なバルブが共通のハウジング中にまとめられ、パルス管の高温端で発生した熱が、同じハウジング内で圧縮機に戻る低圧ガスに移されるのが非常に一般的である。多くのクライオポンプの適用分野で、クライオポンプのハウジングと真空チャンバ間に最小の間隙を空けて、真空チャンバの下にクライオポンプを取り付けるのが好ましい。
【０００９】
２重絞り位相制御を備えた従来の２段パルス管冷凍機は、比較的大きなバッファ容積を必要とする。２重絞り位相制御と組み合わせて位相間制御を用いることにより、パルス管の高温端にまとめることができる非常に小さなバッファ容積を持つことが可能である。このバッファ容積は、パルス管の２つのステージ間の容積の違いを補償する。
【００１０】
１９９９年１１月２日付けの「パルス管冷凍機」と称するＧａｏ他の特許文献１は、第１及び第２冷凍ステージを含む１０Ｋ以下の極低温を発生することが可能なパルス管冷凍機を記載している。各ステージは、パルス管、及び、該パルス管の低温側に設けられた、関係する熱交換器を含む。圧縮機及び第１から第４のバルブを有する圧力変動発生器が、各熱交換器の高温側に与えられている。各パルス管の高温端は連続したチャンネルで接続され、各パルス管の高温端と各熱交換器の高温端は、バイパスチャンネルによって接続される。熱交換器の蓄冷材として、希土類元素及び遷移金属を有する磁性材料が用いられる。
【００１１】
各パルス管内で、圧力変動がそれぞれ１８０度の異なる位相角で発生されると、作動ガスは、開閉弁によって制御されるように各パルス管の高温端間で移動され、絞り弁によって制御されるように各パルス管と関係する熱交換器の高温端間で移動される。これは、各パルス管の圧力変動と作動ガスの変位間の位相角を最適化する。
【００１２】
１９９９年７月２７日付けの「パルス管冷凍機及びその運転方法」と題するＬｉの特許文献２は、それぞれ高温端及び低温端を規定する熱交換器及びパルス管を有し、熱交換器とパルス管の低温端が互いに連通し、熱交換器の高温端がガス圧縮機に接続されたパルス管冷凍機の運転方法を記載している。熱交換器の高温端から熱交換器に作動ガスを周期的に供給し、熱交換器から作動ガスを回収することによって、低温端に寒冷領域が形成される。熱交換器とパルス管の低温端間の連通領域を一方向に、定常的、パルス的又は間欠的に流れるガスによって低温端の温度が上げられる。
【００１３】
１９９８年１２月８日付けの「パルス管冷凍機」と題するＭatsui他の特許文献３は、クライオスタットが熱交換器とパルス管を含むパルス管冷凍機を記載している。各熱交換器は、その上端に寒冷ステージを有する。各パルス管は、その最下端の低温端部と高温端部を有し、低温端部は寒冷ステージよりも低く位置する。寒冷ステージと低温端部は、その容積がパルス管のそれに比べて実質的に無視可能なラインを通して互いに接続されている。パルス管は、その上部に比較的高い（低くあるべき）密度の作動ガスを有し、その低部に比較的低い（高くあるべき）密度の作動ガスを有し、重力による作動ガスの対流は誘起されない。
【００１４】
１９９２年４月２８日付けの「多段パルス管冷凍機」と題するＣhan，Ｃ．Ｋ．及びＴward，Ｅ．の特許文献４は、後続する、より低温のパルス管冷凍機からの熱の一部が、先行する、より高温のパルス管冷凍機以外のヒートシンクに排除され、その結果、多段冷凍機の全体効率を大きく改良した多段パルス管冷凍機を記載している。先行技術の多段パルス管冷凍機は、後続する、より低温の各パルス管冷凍機からの全ての熱を、先行する、より高温のパルス管冷凍機に排出し、その結果、大きな冷却負荷を、より高温のパルス管冷凍機に課すので、冷凍機の全体効率をかなり下げる。
【００１５】
非特許文献１は、第２の絞り、及び、これが、どのようにして単一段パルス管の性能を向上するか記載している。非特許文献２は、位相間制御を記載している。これは、２つの同じパルス管間に１つの固定絞りを持つ極低温スターリングサイクル冷却機について検討している。非特許文献３は、単一の相互接続開閉弁を備えた、同一の２重化された１、２及び３段パルス管について検討している。非特許文献４は、直列型のスターリング単一段パルス管を記載しており、従って、パルス管の高温端は、熱交換器入口から離れている。これは２重絞り制御を有する。パルス管の高温端及びバッファからの熱は、パルス管の全長に亘って延びるバッファハウジングを通る伝導によって熱交換器入口のベースに排除される。パルス管の高温端は真空ハウジングに固定されておらず、パルス管アセンブリ全部が容易に取外せる。
【００１６】
【特許文献１】米国特許５９７４８０７号明細書
【特許文献２】米国特許５９２７０８１号明細書
【特許文献３】米国特許５８４５４９８号明細書
【特許文献４】米国特許５１０７６８３号明細書
【非特許文献１】Ｚhu,Ｓ．and  Ｗu，Ｐ．，“Ｄouble  inlet  pulse  tube  refrigerators；an  important  improvement”，Ｃryogenics，vol．30(1990)，p．514
【非特許文献２】Ａ．Ｗatanabe，Ｇ．Ｗ．Ｓwift，and  Ｊ．Ｇ．Ｂrisson，“Ｓuperfluid  orifice  pulse  tube  below  １  Ｋelvin”，Ａdvances  in  Ｃryogenic  Ｅngineering，Ｖol．41Ｂ，pp．1519-1526(1996)
【非特許文献３】Ｊ．Ｌ．Ｇao  and  Ｙ．Ｍatsubara，“Ａn  inter−phase  pulse  tube  refrigerator  for  high  refrigeration  efficiercy”，in  “Ｐroceedings  of  the  16th  Ｉnternational  Ｃryogenic  Ｅngineering  Ｃonference”，Ｔ．Ｈaruyama，Ｔ．Ｍitsui  and  Ｋ．Ｙamafriji，ed．，Ｅisevier  Ｓcience，Ｏxford(1997)，pp．295-298
【非特許文献４】Ｃ．Ｋ．Ｃhan，Ｃ．Ｂ．Ｊaco，Ｊ．Ｒaab，Ｅ．Ｔward，and  Ｍ．Ｗaterman，“Ｍiniature  pulse  tube  cooler”，Ｐroc．7th  Ｉnt’l  Ｃryocooler  Ｃonf．，Ａir  Ｆorce  Ｒeport  ＰＬ-ＣＰ-93-1001(1993)pp．113-124
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
冷凍ユニットがパルス管の高温端を頂部とするインライン配置を有し、冷凍ユニットの部品へのアクセスが容易な、パルス管冷却クライオポンプの要請が存在し続けている。２段パルス管冷凍機を、バルブ機構がクライオポンプハウジングの下にあり、熱交換器及びパルス管が、パルス管の高温端を頂部とするインライン配置とされ、パルス管の高温端に発生した熱を取り除く手段があるように構成することが望ましい。更に、クライオパネル及びパルス管を取外せるよう、２段パルス管冷凍機の部品にアクセスできることが望ましい。
【００１８】
本発明の課題は、２段パルス管を用いたクライオポンプ中でクライオパネルを冷却する方法を与えることにある。
【００１９】
本発明の課題は、インライン型２段パルス管冷凍機のためのデザインを与えることにある。
【００２０】
本発明の課題は、インライン型２段パルス管冷凍機の高温端から離れた位置で熱を取り除く方法を与えることにある。
【００２１】
本発明の課題は、インライン型２段パルス管冷凍機のサイズを最小限とすることにある。
【００２２】
本発明の課題は、クライオパネルをパルス管に取外し可能に取り付け、パルス管自体をクライオポンプハウジングから取外し可能に取り付けることによって、システムのサービスを容易とすることにある。
【００２３】
本発明の課題は、クライオポンプによって発生される振動を低減することにある。
【００２４】
本発明の課題は、定期的なメンテナンスが要請される前に長いメンテナンスサイクルを与えることを課題とする。
【００２５】
本発明の課題は、現存するＧＭ冷凍機に比べて改良された信頼性を与えることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、パルス管と熱交換器がインラインに配置され、パルス管の高温端が頂部にあり、バルブ機構が底部にある２段パルス管クライオポンプ冷却システムを備える。パルス管の高温端で発生した熱は、直列の冷媒ラインを通って圧縮機に戻るガスの流れを用いて取り除かれ、パルス管の高温端及びバッファ容積が冷却される。
【００２７】
本発明においては、２段パルス管冷凍機がクライオポンプハウジングから取外し可能である。インライン型２段パルス管冷凍機はクライオパネルを冷却し、高温端が上で、高温端及びバッファが真空空間にある。バッファ容積のサイズは最小限とされ、熱は、パルス管の高温端及びバッファ容積から斬新な方法で取り除かれる。クライオポンプは、２段パルス管冷凍機と、取外し可能なクライオパネルを備える。
【発明の効果】
【００２８】
インライン型２段パルス管冷凍機のサイズを最小限とし、サービスを容易とすると共に、長寿命化、高信頼性化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は、パルス管が、バルブ機構を底部とする向きとされ、側面入口クライオポンプ及び頂部入口クライオポンプを含むクライオポンプの多くの例と組み合わされる、小型のインライン型２段パルス管冷凍機である。
【００３０】
図１は、インライン型パルス管冷凍機１００の概略を示し、入口１１０、出口１１１、バイパスチャンネル１１２、バルブ１２０、バルブ１２５、バルブ１３０、バルブ１３５、流量絞り１４０、１４５、１５０、１５５、第１段熱交換器１６０、パルス管１６５、第２段熱交換器１７０、パルス管１７５、バッファタンク１８０、冷却ライン１８５、冷却フィン１９０を含む。４つのバルブ１２０、１２５、１３０及び１３５は、バルブアセンブリ１１８の一部として単一の回転ディスク中に取り込まれ得る開閉弁である。典型的な回転速度は２Ｈｚであり、１分当たり１２０パルスとなる。
【００３１】
入口１１０及び出口１１１は、インライン型パルス管冷凍機１００内に作動ガス（ヘリウム）を与えるための圧縮機からのガス供給及び戻りラインである。最適なシステムパラメータは、入口１１０に２８０psigの高圧を供給し、出口１１１が１００psigの戻り圧力を有することである。
【００３２】
このデザインの本質的な様相は、パルス管の高温端及び、フィン１９０として示されるバッファタンク１８０を冷却するために、冷却ライン１８５を通って圧縮機に戻る流れのガスの使用にある。
【００３３】
図１は、バイパスライン１１２中の４つの固定絞り１４０、１４５、１５０、１５５を示している。実際の使用に際しては、パルス管の高温端熱交換器、及び、４つの固定絞りは、バッファタンク１８０及び冷却ライン１８５に接続された冷却フィン１９０と共に、高温端１９５として示される単一のハウジング内に収容される。
【００３４】
熱交換器１６０は第１段蓄冷型熱交換器であり、そのサイズ及び寸法は、適用分野及びクライオポンプ２００の設計要求に大きく依存する。熱交換器１６０は、全体形状が円筒形で、マトリックス（作動ガスへ及び作動ガスからの熱の移転のための多くの流路及び大きな表面積を有する開かれた熱伝導構造）を含む一つ以上の軸方向通路を含む。高い比熱及び低い熱伝導性を有するので、５０Ｋより上の温度に対しては、銅又はステンレス鋼のスクリーンが典型的に用いられる。
【００３５】
パルス管１６５は第１段パルス管であり、そのサイズ及び寸法は、適用分野及びクライオポンプ２００の設計要求に大きく依存する。パルス管１６５は、メッシュ状の銅スクリーンディスクが両端に蝋付けされた薄い壁のステンレス鋼管である。その銅スクリーンディスクは層状断面を有し、熱交換及びガスの流れを円滑にするのに役立つ。
【００３６】
熱交換器１７０は第２段蓄冷型熱交換器であり、そのサイズ及び寸法は、適用分野及びクライオポンプ２００の設計要求に大きく依存する。熱交換器１７０は、全体形状が円筒状で、マトリックス（作動ガスへ及び作動ガスからの熱の移転のための多くの流路及び大きな表面積を有する開かれた熱伝導構造）を含む一つ以上の軸方向通路を含む。熱交換器１７０は、高比熱の任意の材料で作ることができる。一例では、熱交換器１７０は、温端の銅のスクリーンディスクと、冷端の鉛球の組合せで充填される。鉛は、５０Ｋと１０Ｋの間で良好な蓄冷材料である。１２Ｋはクライオポンプのための望ましい最低動作温度であり、パルス管冷凍機を４Ｋまで到達可能とする希土類蓄冷材料は使われない。
【００３７】
パルス管１７５は第２段パルス管であり、そのサイズ及び寸法は、適用分野及びクライオポンプ２００の設計要求にに大きく依存する。パルス管１７５は、メッシュ状の銅スクリーンディスクが両端に蝋付けされた薄い壁のステンレス鋼管である。その銅スクレリーンディスクは層状断面を有し、熱交換及びガスの流れを円滑にするのに役立つ。
【００３８】
動作に際して、バルブアセンブリ１１８によって振動圧力が供給され、熱交換器及びパルス管中に振動ガス流が発生される。本発明ではヘリウムが作動ガスとされているが、所望の極低温度、所望の出力等によって作動ガスは任意に選ぶことができる。例えば、作動ガスは、アルゴン、水素、又は、これらのヘリウムとの混合物を含むことができる。このガス流は、低温部（パルス管１６５の底部及びパルス管１７５の底部）から熱を運び去る。入口１１０から出口１１１へのガスの循環によって各段のパルス管中に１８０度位相のずれた圧力が発生される。パルス管１６５とパルス管１７５の高温（頂部）端は、バッファタンク１８０を介して互いに接続されているので、第１段で一度冷凍が発生すると、作動ガスの一部は、第２段のパルス管１７５の高温側から第１段のパルス管１６５の高温側に移動し、パルス管１７５内の圧力変動と、その作動ガス（ガスピストン）の変位間の位相角が最適化される。パルス管１６５の底部とパルス管１７５の底部の低温部は、寒冷ステーション１１５及び１１６を、それぞれ冷却する。
【００３９】
冷凍サイクルは、寒冷ステーションからパルス管の高温端及びバッファタンクに熱を汲み上げる。本発明において、この熱は、バルブ１２５と１３５を通った後、冷却ライン１８５及びパルス管の高温端とバッファタンクに取り付けられた冷却フィン１９０を通って循環する低圧ガスによって取り除かれる。
【００４０】
２段インライン型パルス管のサイズを最小化するという課題は、２つのステージが、１８０度の位相差で動作し、パルス管の高温端とバッファタンク１８０間の、絞り１４５及び１５０を備えたバイパスチャンネル１１２を通ってガスを移転する、位相間制御を用いることによって達成される。１８０の容積は、両方のパルス管から流れるガスの量が等しければゼロであるが、実際上流れは等しくなく、バッファタンク１８０は、この違いを吸収する。従来の単一又は２重絞り制御では、二つのパルス管の圧力が共に周期的に変動し、ずっと大きなバッファタンクを必要とするので、クライオポンプにおいては実用的でない。
【００４１】
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、それぞれ、ガス供給口１１０、ガス戻り口１１１、バルブアセンブリ１１８、第１段熱交換器１６０、第１段パルス管１６５、第１段寒冷ステーション１１５、第２段熱交換器１７０、第２段パルス管１７５、第２段寒冷ステーション１１６、高温端アセンブリ１９５、ハウジング２１０、フランジ２１５、第１段熱シールド２２０、入口ルーバ２４０、第２段クライオパネル２６５を含むクライオポンプ２００の第１実施形態の側面図、平面図、端面図である。
【００４２】
バルブアセンブリ１１８は、駆動モータ（図示省略）と共に、図１に示される開閉弁１２０、１２５、１３０、１３５を含む。ガス供給口１１０及びガス戻り口１１１は、冷凍機１００内に作動ガス（ヘリウム）を供給するための供給及び戻りラインである。ガス供給及び戻りラインは、スルーフロー型圧縮機に接続されている。
【００４３】
高温端アセンブリ１９５は、パルス管１６５及び１７５の高温端と、バッファタンク１８０と、バイパスライン１１２中の固定絞り１４０、１４５、１５０、１５５と、冷却フィン１９０及び冷却ライン１８５を含む。高温端アセンブリ１９５は、クライオポンプハウジング２１０に固定されていない。冷却ライン１８５とバイパスライン１１２は、クライオポンプハウジング２１０から取外し可能なパルス管アセンブリの一部である。
【００４４】
クライオポンプハウジング２１０は、真空チャンバで真空シールを維持しつつ低温膨張器とクライオパネルアセンブリを収容可能な、略円筒状の金属容器である。
【００４５】
フランジ２１５は、ハウジング２１０の金属延長部であり、フランジ２１５が、真空システムフランジ上の取付位置に対応する複数の取付穴を含むことができる。
【００４６】
第１段熱シールド２２０は、第１段寒冷ステーション１１５に接続され、第２段クライオパネル２６５は、第２段寒冷ステーション１１６に接続されている。そして、入口ルーバ２４０は、第１段熱シールド２２０に接続されている。シールド２２０、ルーバ２４０及びクライオパネル２６５を、まとめてクライオパネルと総称する。クライオパネルと寒冷ステーション間の接続は、温度差が最小となるようにされている。組立及びサービスを容易とするため、シールド２２０、ルーバ２４０及びクライオパネル２６５は、全て取外し可能である。
【００４７】
シールド２２０は、パルス管の第１段熱ステーションによって冷却されるカップ状クライオパネルであり、熱伝導によって入口ルーバ２４０を冷却している。シールド２２０は、銅のような金属で作られ、放射係数を低めるべく高度に研磨されている。これは内側クライオパネル２６５を取り囲み、少なくとも部分的に室温放射からシールドしている。
【００４８】
ルーバ２４０は、シールド２２０中に形成された、中をガスが流れることが可能な通路又はチャンネルである。ガスを所望に応じて分配する様々な流れや方向の配置が有り得る。これは、第I群のガス、例えば水蒸気（ガスの群はＵＳＰ４１５０５４９中で定義されている）を凍らせるのに十分な冷たさを有する。
【００４９】
クライオパネル２６５は、その上に多種のガスが凝縮する装置である。クライオパネル２６５は、表面積、表面温度及び化学組成が、凝縮されるガスの相互作用と凝縮を最適化するよう、様々な金属から様々な形状で作られる。例えば、クライオパネル２６５は、活性炭に被覆された、複数の円錐状断面の銅パネルで構成することができる。
【００５０】
第２段クライオパネル２６５上のフィン２７０は、様々な形状、サイズ、配置であることができ、第II群のガス、例えば窒素を凍らせる寒冷正面と、第III群のガス、例えば水素を吸収する活性炭が被覆された後面を提供する。フィン２７０は、表面積及びチャンバガスとの相互作用を共に最大とするような集合体とすることができる。フィン２７０は、金属シート、又は、良好な熱伝導特性と様々なガスを吸収可能な活性炭の被膜を有する他の任意の材料で作ることができる。
【００５１】
図１を参照して、インライン型パルス管冷凍機１００の動作を説明する。
【００５２】
クライオポンプは、分子流圧力形態で動作する。即ち、圧力が十分に低く、分子は、他の気体分子と衝突することなく、一方の壁から他方へ移動する。ガスは、方向がランダムであるが、速度がガスの温度及び種類に依存する分子の運動に従い、クライオポンプ中に流入する。真空チャンバからの気体分子がルーバ２４０又はシールド２２０に当たると、第I群のガスが凍って離脱する一方、残りの分子は表面で跳ね返ってクライオポンプから出るか、又は、第２段クライオパネル２６５に当たる。第II群のガスはクライオパネル２６５で凍って離脱する一方、第III群のガスは、それらが吸収される冷たい活性炭に当たるまで、跳ね回る。
【００５３】
図３は、本発明の第２実施形態を示し、要素の番号は上記のとおりである。
【００５４】
図２及び３の冷凍システムは同じ原理で作動するが、２つの異なる向きに配置されている。パルス管は高温端を上にして動作させなければならないので、ほぼ垂直に取り付けられなければならない。側方入口ポンプが図２に示され、上方入口ポンプが図３に示される。
【００５５】
図２の側方入口ポンプは、高温端がクライオパネルから離せるので、図３の上方入口設計よりも効率的である。更に、寒冷入口ルーバ２４０をフランジに近付けるのが容易なので、側方入口ポンプのポンピング速度の方が、上方入口ポンプよりも速い。パルス管の高温端が流れをいくらかブロックするので、上方入口ポンプのポンピング速度は更に減速される。
【００５６】
クライオポンプ３００は、ハウジング３１０、フランジ３１５、第１段熱シールド３２０、入口ルーバ３４０、及び、第２段クライオパネル３６５を含む。クライオパネル３６５は、更にフィン３７０を含む。
【００５７】
高温端アセンブリ１９５は、クライオポンプハウジング３１０に固定されていない。冷却ライン１８５とバイパスライン１１２は、パルス管アセンブリの一部であり、クライオポンプハウジング３１０から取外し可能である。
【００５８】
ハウジング３１０は、真空シールを維持しつつクライオポンプ３００を収容可能な金属容器である。ハウジング３１０は、プロセスチャンバ上への取付装置に対応する取付穴を有するフランジ３１５を含むことができる。ハウジング３１０は、ステンレス鋼やアルミニウムのような様々な金属で作ることができる。
【００５９】
シールド３２０は、クライオポンプ３００の一部を収容可能な、ほぼ円筒のカップ状の装置である。シールド３２０は、放射係数を低くするよう高度に研磨された、銅のような金属で作ることができる。これは内側クライオパネル３６５を取り囲み、少なくとも部分的に室温放射からシールドする。
【００６０】
第１段熱シールド３２０は第１段寒冷ステーション１１５に接続され、第２段クライオパネル３６５は第２段寒冷ステーション１１６に接続されている。そして、入口ルーバ３４０は第１段熱シールド３２０に接続されている。シールド３２０、ルーバ３４０及びクライオパネル３６５を、まとめてクライオパネルと総称する。クライオパネルと寒冷ステーション間の接続は、温度差が最小となるようにされている。組立及びサービスを容易とするため、シールド３３５、ルーバ３４０及びクライオパネル３６５は、全て取外し可能とされている。
【００６１】
クライオパネル３６５は、表面積、表面温度及び化学組成が、凝縮されるべきガスの相互作用及び凝縮を最適化するよう、様々な金属から様々な形状で作ることができる。
【００６２】
ルーバ３４０は、典型的には約７０Ｋの温度とされ、水を含む第I群のガスをルーバ上に凍らせる一方、窒素を含む第II群のガス、及び、水素を含む第III群のガスを通過させる。第II群のガスは、典型的には約１５Ｋの温度のクライオパネル３６５上で凍り、第III群のガスは、クライオパネル３６５の下側に貼り付けられた、活性炭のような吸着材上に吸着される。
【００６３】
インライン型パルス管冷凍機１００の動作は、図１に対する説明と同じである。クライオポンプ３００の動作は、図２のクライオポンプ２００に対する説明と同じである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】インライン型パルス管冷凍機の概略図
【図２Ａ】図１のインライン型パルス管冷凍機を備えたクライオポンプの側面図
【図２Ｂ】同じく正面図
【図２Ｃ】同じく端面図
【図３】図１のインライン型パルス管冷凍機を備えたクライオポンプの他の実施形態を示す図
【符号の説明】
【００６５】
１００…インライン型パルス管冷凍機
１１０…入口（ガス供給口）
１１１…出口（ガス戻り口）
１１２…バイパスチャンネル／ライン
１１５、１１６…寒冷ステーション
１１８…バルブアセンブリ
１２０、１２５、１３０、１３５…バルブ
１４０、１４５、１５０、１５５…流量絞り
１６０…第１段熱交換器
１６５、１７５…パルス管
１７０…第２段熱交換器
１８０…バッファタンク
１８５…冷却ライン
１９０…冷却フィン
１９５…高温端
２００、３００…クライオポンプ
２２０、３２０…第１段熱シールド
２１０、３１０…ハウジング
２１５、３１５…フランジ
２４０、３４０…入口ルーバ
２６５、３６５…クライオパネル
２７０、３７０…フィン
【図１】
2005515386.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【国際調査報告】
2005515386.tif 000008