(57)【要約】【課題】  効率的なガス凝縮及び再生処理が可能なクライオポンプに適した蓄冷器式冷凍機を提供する。【解決手段】  一方の端部が開口したシリンダ内に、その軸に沿って往復運動するディスプレーサが配置されている。シリンダの一方の端部に気密に結合された冷却ステージが、シリンダ内の空間に内面を露出させている。冷媒ガス流路が、シリンダ、ディスプレーサ、及び冷却ステージにより画定される冷却空洞に連通し、冷却空洞に冷媒ガスを導入し、及び冷却空洞から冷媒ガスを回収する。冷媒ガス流路内に蓄冷剤が配置され、冷媒ガス流路内を流れる冷媒ガスと熱交換を行う。冷却ステージに、冷却ステージよりも熱伝導率の低い材料からなる熱抵抗部材が取り付けられている。熱抵抗部材に、冷却ステージに接触せず、冷却ステージの周囲を取り囲むように配置された冷却パネルが取り付けられている。【選択図】  図１
2005180916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端部が開口したシリンダと、
前記シリンダ内を、その軸に沿って往復運動するディスプレーサと、
前記シリンダの前記一方の端部に気密に結合され、シリンダ内の空間に内面を露出させた冷却ステージと、
前記シリンダ、ディスプレーサ、及び冷却ステージにより画定される冷却空洞に連通し、該冷却空洞に冷媒ガスを導入し、及び該冷却空洞から冷媒ガスを回収する冷媒ガス流路と、
前記冷媒ガス流路内に配置され、該冷媒ガス流路内を流れる冷媒ガスと熱交換を行う蓄冷材と、
前記冷却ステージに取り付けられ、該冷却ステージよりも熱伝導率の低い材料からなる熱抵抗部材と、
前記熱抵抗部材に取り付けられ、前記冷却ステージに接触せず、該冷却ステージの周囲を取り囲むように配置された冷却パネルと
を有する蓄冷器式冷凍機。
【請求項２】
さらに、
内部空洞を有し、前記冷却ステージに熱的に結合した第１の加熱部と、
前記冷却空洞内への冷媒ガスの導入及び回収の周期に同期するように、前記第１の加熱部の内部空洞内への冷媒ガスの導入及び回収を行う第１の再生用ガス流路と、
前記第１の再生用ガス流路に設けられた第１の開閉弁と
を有する請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項３】
さらに、
内部空洞を有し、前記冷却パネルに熱的に結合した第２の加熱部と、
前記冷却空洞内への冷媒ガスの導入及び回収の周期に同期するように、前記第２の加熱部の内部空洞内への冷媒ガスの導入及び回収を行う第２の再生用ガス流路と、
前記第２の再生用ガス流路に設けられた第２の開閉弁と
を有する請求項１または２に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項４】
さらに、前記ディスプレーサの外周面上に、該外周面の両端を結ぶ補助ガス流路を構成するように形成され、少なくとも一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含んで構成された溝パターンを有する請求項１〜３のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項５】
一方の端部が開口したシリンダと、
前記シリンダ内を、その軸に沿って往復運動するディスプレーサと、
前記シリンダの前記一方の端部に気密に結合され、シリンダ内の空間に内面を露出させた冷却ステージと、
前記シリンダ、ディスプレーサ、及び冷却ステージにより画定される冷却空洞に連通し、該冷却空洞に冷媒ガスを導入し、及び該冷却空洞から冷媒ガスを回収する冷媒ガス流路と、
前記冷媒ガス流路内に配置され、該冷媒ガス流路内を流れる冷媒ガスと熱交換を行う蓄冷材と、
前記シリンダの両端の中間の位置に熱的に結合し、前記冷却ステージの周囲を取り囲むように配置された冷却パネルと、
内部空洞を有し、前記冷却パネルに熱的に結合した第２の加熱部と、
前記冷却空洞内への冷媒ガスの導入及び回収の周期に同期するように、前記第２の加熱部の内部空洞内への冷媒ガスの導入及び回収を行う第２の再生用ガス流路と、
前記第２の再生用ガス流路に設けられた第２の開閉弁と
を有する蓄冷器式冷凍機。
【請求項６】
さらに、
内部空洞を有し、前記冷却ステージに熱的に結合した第１の加熱部と、
前記冷却空洞内への冷媒ガスの導入及び回収の周期に同期するように、前記第１の加熱部の内部空洞内への冷媒ガスの導入及び回収を行う第１の再生用ガス流路と、
前記第１の再生用ガス流路に設けられた第１の開閉弁と
を有する請求項５に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項７】
さらに、前記ディスプレーサの外周面上に、該外周面の両端を結ぶ補助ガス流路を構成するように形成され、少なくとも一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含んで構成された溝パターンを有する請求項５または６に記載の蓄冷器式冷凍機。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の蓄冷器式冷凍機の金属製冷却ステージを、真空排気すべき真空室に連通した空洞内に配置する工程と、
前記蓄冷器式冷凍機を起動し、前記冷却ステージをヘリウムの沸点以下の温度まで冷却する工程と、
前記冷却ステージの表面上に直接、前記真空室内のガスを凝縮する工程と
を有する真空排気方法。
【請求項９】
さらに、
前記冷却ステージを、該冷却ステージの表面上に凝縮したＨ２ガスが放出され、かつＡｒガスが凝縮されたままとなる範囲の温度まで昇温させ、該冷却ステージに表面上に凝縮したガスを放出する工程を含む請求項８に記載の真空排気方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄冷器式冷凍機に関する。蓄冷器式冷凍機は、例えば、真空容器内のガスを凝縮し、真空度を高めるためのクライオポンプ等に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
従来のクライオポンプでは、ヘリウムガス等の低沸点ガスを吸着するために、冷凍機の冷却部に熱的に結合された金属パネルの表面上に、活性炭等の吸着剤が接着されていた。このクライオポンプを真空容器に連結し、真空容器内のガスを金属パネル表面の吸着剤により吸着し、真空度を高めることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
金属パネル表面に接着された吸着剤が剥がれやすく、剥がれた吸着剤がクライオポンプ内部を汚染する場合があった。また、吸着剤は、接着剤で金属パネル表面に固定されるため、接着剤の有限の熱伝導度に起因して、吸着剤の温度が金属パネルの温度よりも高くなる。吸着剤の温度が高くなると、ガスの吸着能力が低下してしまう。
【０００４】
また、吸着剤を用いた低温吸着による排気容量は、ガスを凝縮させて排気する排気容量に比べて少なく、約１／１００程度である。このため、吸着剤の再生処理を頻繁に行う必要がある。例えば、クライオポンプを半導体製造装置に用いる場合、装置を頻繁に停止させて再生処理を行う必要がある。
【０００５】
さらに、活性炭の再生には、加熱された窒素ガスを活性炭の周囲に供給し、吸着された水分との置換を促進させることが必要となる。このため、再生時間が長くなり、再生コストが高くなる。また、再生効率を高めるために、活性炭を接着した金属パネルを約７０℃まで昇温させて再生処理を行う。この高温処理は冷凍機の損傷の原因になる。
【０００６】
本発明の目的は、効率的なガス凝縮及び再生処理が可能なクライオポンプに適した蓄冷器式冷凍機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によれば、一方の端部が開口したシリンダと、前記シリンダ内を、その軸に沿って往復運動するディスプレーサと、前記シリンダの前記一方の端部に気密に結合され、シリンダ内の空間に内面を露出させた冷却ステージと、前記シリンダ、ディスプレーサ、及び冷却ステージにより画定される冷却空洞に連通し、該冷却空洞に冷媒ガスを導入し、及び該冷却空洞から冷媒ガスを回収する冷媒ガス流路と、前記冷媒ガス流路内に配置され、該冷媒ガス流路内を流れる冷媒ガスと熱交換を行う蓄冷材と、前記冷却ステージに取り付けられ、該冷却ステージよりも熱伝導率の低い材料からなる熱抵抗部材と、前記熱抵抗部材に取り付けられ、前記冷却ステージに接触せず、該冷却ステージの周囲を取り囲むように配置された冷却パネルとを有する蓄冷器式冷凍機が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、一方の端部が開口したシリンダと、前記シリンダ内を、その軸に沿って往復運動するディスプレーサと、前記シリンダの前記一方の端部に気密に結合され、シリンダ内の空間に内面を露出させた冷却ステージと、前記シリンダ、ディスプレーサ、及び冷却ステージにより画定される冷却空洞に連通し、該冷却空洞に冷媒ガスを導入し、及び該冷却空洞から冷媒ガスを回収する冷媒ガス流路と、前記冷媒ガス流路内に配置され、該冷媒ガス流路内を流れる冷媒ガスと熱交換を行う蓄冷材と、前記シリンダの両端の中間の位置に熱的に結合し、前記冷却ステージの周囲を取り囲むように配置された冷却パネルと、内部空洞を有し、前記冷却パネルに熱的に結合した第２の加熱部と、前記冷却空洞内への冷媒ガスの導入及び回収の周期に同期するように、前記第２の加熱部の内部空洞内への冷媒ガスの導入及び回収を行う第２の再生用ガス流路と、前記第２の再生用ガス流路に設けられた第２の開閉弁とを有する蓄冷器式冷凍機が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によると、上述の蓄冷器式冷凍機の金属製冷却ステージを、真空排気すべき真空室に連通した空洞内に配置する工程と、前記蓄冷器式冷凍機を起動し、前記冷却ステージをヘリウムの沸点以下の温度まで冷却する工程と、前記冷却ステージの表面上に直接、前記真空室内のガスを凝縮する工程とを有する真空排気方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
冷却パネルが輻射シールドとして作用し、効率的に冷却ステージを冷却することができる。
【００１１】
冷却ステージをヘリウムの沸点以下の温度まで冷却することにより、活性炭等の吸着剤を用いることなく、Ｈ２ガス、Ｎｅガス等の低沸点ガスを冷却ステージ表面に直接、凝縮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機を用いたクライオポンプの基本構成の断面図を示す。図の下端（低温端）が開口したシリンダ１の内部空洞内に、ディスプレーサ２が挿入されている。ディスプレーサ２は、ディスプレーサ駆動手段３により、シリンダ１の軸に沿って往復運動する。シリンダ１は、例えばステンレス等の熱伝導率が低く、気密性の高い剛性材料で形成される。ディスプレーサ２は、例えば布入りフェノール等で形成される。
【００１３】
シリンダ１の低温端に冷却ステージ１０が結合し、シリンダ１とともに、ディスプレーサ２が往復運動する空間を画定する。冷却ステージ１０は、例えば熱伝導率の高い無酸素銅（ＪＩＳ規格Ｃ１０２０）により形成される。冷却ステージ１０とシリンダ１との結合部分は、例えば銀蝋付け等により気密に保たれている。
【００１４】
冷却ステージ１０は、シリンダ１の軸の回りを取り囲む内周面１０ａと、シリンダ１の軸と交差する底面１０ｂを有する。内周面１０ａと底面１０ｂは、ディスプレーサ２が往復運動する空間に露出している。冷却ステージ１０の内周面１０ａは、シリンダ１の内周面をその軸方向に延長した面とほぼ一致する。
【００１５】
ディスプレーサ２及び冷却ステージ１０により冷却空洞１５が画定される。図１は、冷却空洞１５の側面が、すべて冷却ステージ１０により画定されている場合を示しているが、冷却ステージ１０の内周面１０ａの高さを低くし、シリンダ１の内周面の一部が冷却空洞１５の側面に露出するようにしてもよい。この場合、シリンダ１、ディスプレーサ２、及び冷却ステージ１０により、冷却空洞１５が画定される。
【００１６】
ディスプレーサ２内に冷媒ガス流路２０が形成されている。冷媒ガス流路２０は、ディスプレーサ２の冷却空洞１５側の端部に設けられた連通孔２１を通して冷却空洞１５に連通する。また、冷媒ガス流路２０は、ディスプレーサ２の高温側の端部に設けられた連通孔２２を通して外部ガス流路２５に連通する。外部ガス流路２５は、給気弁Ｖ１を介してガス圧縮機３０のガス排出側に接続され、排気弁Ｖ２を介してガス圧縮機３０のガス給気側に接続されている。
【００１７】
排気弁Ｖ２を閉じ、給気弁Ｖ１を開くと、高圧冷媒ガスが、冷媒ガス流路２０を通って冷却空洞１５内に導入される。給気弁Ｖ１を閉じ、排気弁Ｖ２を開くと冷却空洞１５内の冷媒ガスが、冷媒ガス流路２０を通ってガス圧縮機３０に回収される。冷媒ガスとして、例えばヘリウムガスが用いられる。
【００１８】
冷媒ガス流路２０内には、蓄冷材２３が充填されている。冷媒ガスが冷媒ガス流路２０内を通過する時、冷媒ガスと蓄冷材２３との間で熱交換が行われる。
【００１９】
ディスプレーサ２の往復運動に同期させて、適当なタイミングで給気弁Ｖ１と排気弁Ｖ２との開閉を交互に行うと、冷却空洞１５内で冷媒ガスの断熱膨張による寒冷が発生する。
【００２０】
冷却ステージ１０は、その外周面上に、例えば無酸素銅からなる複数のフィン１０ｃを有する。フィン１０ｃは、銀蝋付け等の溶接により外周面に取り付けてもよいし、１つの無酸素銅の塊を削ることにより冷却ステージ１０の円筒状部分とフィン１０ｃとを同時に形成してもよい。冷却ステージ１０のうち冷却空洞１５に露出した部分とフィン１０ｃとが、一体不可分に形成されていればよい。ここで、一体不可分とは、取り外しと取り付けとを繰り返し行うことができないような構成であることを意味する。例えばボルト締め等による結合は、ここでいう一体不可分ではないが、溶接による結合は一体不可分なる構成に含まれる。冷却ステージ１０を一体不可分に構成することにより、冷却ステージ１０の全体を効率的に冷却することができる。
【００２１】
フィン１０ｃの代わりに、フィン以外の薄板状部分を取り付けてもよい。薄板状部分の厚さは、３ｍｍ以下とすることが好ましく、２ｍｍ以下とすることがより好ましい。反射率と耐蝕性を高めるために、冷却ステージ１０の外壁面及びフィン１０ｃの表面に金メッキかニッケルメッキ等を施して、外部からの輻射熱を反射するようにしてもよい。
【００２２】
冷却ステージ１０の、冷却空洞１５から離れた端部に熱抵抗部材４０が取り付けられている。熱抵抗部材４０は、例えば冷却ステージ１０よりも熱伝導率の低いステンレス等により形成される。熱抵抗部材４０に、例えば無酸素銅等からなる冷却パネル４１が取り付けられている。冷却パネル４１は、冷却ステージ１０に接触せず、冷却ステージ１０の周囲を取り囲むように配置されている。
【００２３】
なお、冷却パネル４１を、シリンダ１の高温端と低温端との中間の位置に、直接熱的に結合させてもよい。
【００２４】
冷却ステージ１０の、冷却空洞１５から離れた端部に、中空の第１の加熱部５０が熱的に結合している。第１の加熱部５０は、例えば無酸素銅等により形成される。第１の加熱部５０の内部空洞は、第１の再生用ガス流路５１及び開閉弁Ｖ３を介して、外部ガス流路２５に連通している。
【００２５】
冷却パネル４１の外周面上に、中空の管状の第２の加熱部５２が取り付けられている。第２の加熱部５２は、冷却パネル４１をらせん状に取り巻き、はんだ付けにより冷却パネル４１に固着され、冷却パネル４１と熱的に結合している。第２の加熱部５２をらせん状とすることで、大きな熱的結合を得ることができる。
【００２６】
第２の加熱部５２の一端は閉じられ、他端には、第２の再生用ガス流路５３が結合している。第２の加熱部５２の内部空洞は、第２の再生用ガス流路５３及び開閉弁Ｖ４を介して、外部ガス流路２５に連通している。
【００２７】
シリンダ１、冷却ステージ１０、熱抵抗部材４０、冷却パネル４１、第１の加熱部５０、第２の加熱部５２は、真空容器６０内に挿入され、シリンダ１の高温端と真空容器６０の壁面が気密にシールされている。シリンダ１の外周面、冷却ステージ１０の外壁面、及び真空容器６０により、真空室６１が画定される。
【００２８】
ディスプレーサ２０を往復運動させ、その往復運動に同期して冷却空洞１５内への冷媒ガスの導入と回収を繰り返すことにより、冷却空洞１５内に寒冷が発生する。冷却ステージ１０はシリンダ１よりも熱伝導率の高い材料で形成されており、その内周面及び底面が冷却空洞１５に露出しているため、冷却空洞１５内で発生した寒冷が冷却ステージ１０を効率的に冷却することができる。真空室６１内のガスが、冷却ステージ１０の外壁面及びフィン１０ｃの表面に凝縮され、真空室６１内の真空度を高めることができる。
【００２９】
冷却ステージ１０に発生した寒冷は、熱抵抗部材４０を通して冷却パネル４１に伝わる。冷却パネル４１は、冷却ステージ１０を取り囲むように配置されている。なお、冷却パネル４１には、熱抵抗部材４０を介して寒冷が伝わるため、冷却パネル４１の温度は冷却ステージ１０の温度よりもやや高くなる。例えば、冷却ステージ１０を４．２Ｋ以下まで冷却したとき、冷却パネル４１の温度は約１０〜２０Ｋになる。このため、Ｎ２ガス、Ｏ２ガス、Ａｒガス等の比較的沸点の高いガスが冷却パネル４１の表面に凝縮される。
【００３０】
次に、冷却ステージ１０に凝縮されたガスを脱離させ、クライオポンプを再生する方法について説明する。
【００３１】
開閉弁Ｖ３及びＶ４を開けた状態でディスプレーサ駆動手段３を運転し、給気弁Ｖ１及び排気弁Ｖ２の開閉を行う。冷却空洞１５内への冷媒ガスの導入及び回収の周期に同期して、第１の加熱部５０及び第２の加熱部５２の内部空洞内への冷媒ガスの導入及び回収が行われる。冷媒ガスが導入される時に、第１の加熱部５０及び第２の加熱部５２の内部空洞内に発生する断熱圧縮熱によって、冷却ステージ１０及び冷却パネル４１を加熱することができる。この温度上昇により、冷却ステージ１０及び冷却パネル４１に吸着されたガスが脱離する。このようにして、冷凍機を運転したまま、クライオポンプの再生処理を行うことができる。
【００３２】
冷却ステージ１０の表面上に凝縮したＨ２ガスが放出され、Ａｒガスが放出されない範囲の温度まで昇温させると、より再生時間を短縮することができる。特に、大量のＨ２ガスが凝縮される環境下で運転する場合に、大きな効果が期待できる。
【００３３】
加熱部５２が冷却パネル４１にらせん状に巻きついているため、両者間の接触面積が増大し、より効率的に冷却パネル４１を加熱することができる。なお、加熱部５０も、加熱部５２と同様に冷却ステージ１０の外壁面に巻き付けてもよい。
【００３４】
なお、冷却ステージ１０のみの再生処理を行う場合には、開閉弁Ｖ３を開け、開閉弁Ｖ４を閉じて運転すればよい。
【００３５】
図２は、上記実施例によるクライオポンプの基本構成の冷凍機として、２段構成のギフォードマクマホン（ＧＭ）冷凍機を用いた構成例を示す。図２に示すクライオポンプは、ポンプハウジング７０、真空容器７１、及び２段式ＧＭ冷凍機７２を含んで構成される。
【００３６】
ポンプハウジング７０は、その内部にＧＭ冷凍機７２を収容している。また、ポンプハウジング７０と真空容器７１とが、その開口部同士において気密に結合され、真空室７４が画定されている。ポンプハウジング７０には、真空室７４内に大気を放出するための大気放出弁（安全弁）７３が装備されている。
【００３７】
真空室７４内には例えば半導体製造装置等が収容される。アルゴンガス等の処理ガスが、開閉弁７５、流量コントローラ７６、開閉弁７７、ガス導入口７８、及びガス導入管７９を介して真空室７４内に導入される。真空室７４内は、真空弁８０を介して真空ポンプ８１により所定の真空度まで粗引きされる。真空室７４内の圧力が、真空計８２により測定される。
【００３８】
ＧＭ冷凍機７２は、図１に示す冷凍機のシリンダ１及びディスプレーサ２が２段構成とされたものである。すなわち、第１段シリンダ１Ｂと第２段シリンダ１Ａとが直列に接続され、各シリンダ内に、それぞれ第１段ディスプレーサ２Ｂ及び第２段ディスプレーサ２Ａが挿入されている。第１段及び第２段ディスプレーサ２Ｂ、２Ａは、共にクランク機構を有するディスプレーサ駆動手段３により第１段及び第２段シリンダ１Ａ、１Ｂ内を往復運動する。第１段ディスプレーサ２Ｂと第１段シリンダ１Ｂとの間隙部は、その高温端近傍においてシール部材１３によりシールされている。
【００３９】
第１段及び第２段ディスプレーサ２Ｂ、２Ａ内には、それぞれ第１段及び第２段冷媒ガス流路２０Ｂ、２０Ａが形成され、これら流路内にそれぞれ蓄冷材２３Ｂ及び２３Ａが装填されている。
【００４０】
図３に、第２段ディスプレーサ２Ａの詳細な部分破断正面図を示す。円筒状のステンレス管９１の表面上に、布入りフェノールで形成された耐摩耗性樹脂部材９２が固着され、筒状部材９０が形成されている。筒状部材９０の内部空間が、図２に示す第２段冷媒ガス流路２０Ａに相当する。機械的強度の高いステンレス管が内側に配置されることにより、冷却時の耐磨耗性樹脂部材９２の熱収縮が抑制される。このため、ステンレス製シリンダとディスプレーサとの熱変形特性が近似する。
【００４１】
筒状部材９０は上下端が開放された円筒状形状を有する。筒状部材９０の下端には、布入りフェノール等で形成された蓋部材９４が挿入接着され、その上に金網９５が配置され、その上にフェルト栓９６が配置されている。
【００４２】
フェルト栓９６の上には、たとえば鉛球及び磁性材で形成された蓄冷材２３Ａが充填される。ステンレス管９１内に充填された蓄冷材２３Ａの上にはフェルト栓９７が配置され、フェルト栓９７の上にはパンチングメタル９８が配置される。パンチングメタル９８は、筒状部材９０の上端開放部に挿入された円環状の蓋部材９３により固定されている。筒状部材９０の上端には、図２に示す第１段ディスプレーサ２Ｂと結合するための結合機構９９が取り付けられている。
【００４３】
筒状部材９０の側壁には、金網９５の高さの位置にガス流路を形成する開口１００が設けられている。筒状部材９０の開口１００よりも上の外周面には、開口１００の位置と上端とを結ぶ１本のらせん状の溝からなるらせん状ガス流路１０１が形成されている。この溝は、例えば、幅約２ｍｍ、深さ約０．６ｍｍ、ピッチ約４ｍｍである。
【００４４】
なお、らせん溝１０１の代わりに、第１段ディスプレーサ２Ｂの軸方向と交差する方向の溝を含む溝パターンを形成してもよい。この場合も、冷媒ガスがディスプレーサの軸方向に平行に流れる場合に比べて、より多くの熱交換を行うことができるであろう。
【００４５】
開口１００よりも下の筒状部材９０の外径は、それよりも上の部分の外径よりもわずかに小さくされている。従って、開口１００よりも下の部分では、筒状部材９０と第２段目シリンダとの間に間隙が形成される。この間隙と開口１００とは、図２に示す連通孔２１Ａに相当する。
【００４６】
図２に示すように、第１段シリンダ１Ｂの図の下端に、第１段冷却空洞１５Ｂが画定され、第２段シリンダ１Ａの図の下端に第２段冷却空洞１５Ａが画定されている。第１段冷媒ガス流路２０Ｂは、第１段ディスプレーサ２Ｂの図の上端に設けられた連通孔２２Ｂを介して第１段シリンダ１Ｂ内の図の上端の空洞に連通し、連通孔２１Ｂを介して第１段冷却空洞１５Ｂに連通している。第１段冷却空洞１５Ｂは、第２段ディスプレーサ２Ａの図の上端に設けられた連通孔２２Ａを介して、第２段冷媒ガス流路２０Ａに連通し、第２段冷媒ガス流路２０Ａは、連通孔２１Ａを介して第２段冷却空洞１５Ａに連通している。
【００４７】
第１段冷却空洞１５Ｂの周囲において、第１段冷却ステージ１０Ｂが第１段シリンダ１Ｂに熱的に結合している。第２段目シリンダ１Ａ、第２段目ディスプレーサ２Ａ、冷却ステージ１０、熱抵抗部材４０、冷却パネル４１、第１の加熱部５０、第２の加熱部５２は、図１の場合と同様の構成である。また、ガス圧縮機３０、給気弁Ｖ１、排気弁Ｖ２及び外部ガス流路２５も、図１の場合と同様の構成である。
【００４８】
第１段冷却ステージ１０Ｂに冷却パネル１１が取り付けられている。冷却パネル１１は、第２段シリンダ１Ａ、第２段冷却ステージ１０Ａ、及び冷却パネル４１の周囲を取り囲むように配置され、その先端の開口部にバッフル板１２が取り付けられている。冷却パネル１１は輻射シールド板として作用する。
【００４９】
第１段冷却ステージ１０Ｂに、第１の加熱部５０と同様の構成の第３の加熱部５４が熱的に結合している。第３の加熱部５４の内部空洞は、第３の再生用ガス流路５５及び開閉弁Ｖ５を介して外部ガス流路２５に連通している。
【００５０】
給気弁Ｖ１を開けると、圧縮冷媒ガスが、外部ガス流路２５、連通孔２２Ｂ、第１段冷媒ガス流路２３Ｂ、連通孔２１Ｂを通して第１段冷却空洞１５Ｂ内に導入される。さらに、連通孔２２Ａ、第２段冷媒ガス流路２３Ａ、連通孔２１Ａを通して第２段冷却空洞１５Ａ内に導入される。排気弁Ｖ２を開けると、第２段冷却空洞１５Ａ内の冷媒ガスは、その導入時と逆の経路を通ってガス圧縮機３０に回収される。
【００５１】
給気弁Ｖ１及び排気弁Ｖ２の開閉の繰り返しと、第１段及び第２段ディスプレーサ２Ｂ、２Ａの往復運動とを、所定の位相関係を保って行うことにより、第１段冷却空洞１５Ｂ及び第２段冷却空洞１５Ａ内に寒冷が生ずる。実際には、真空ポンプ８１により真空室７４内を１Ｐａ程度まで粗引きし、真空弁８０を閉じた後、ＧＭ冷凍機７２を起動する。
【００５２】
第１段冷却空洞１５Ｂと第２段冷却空洞１５Ａとの間において、冷媒ガスの大部分は、蓄冷材２３Ａが配置された冷媒ガス流路２０Ａを流れる。一部の冷媒ガスは、図３に示すらせん状の溝１０１に沿って第２段ディスプレーサ２Ａの外周面と第２段シリンダ１Ａの内周面との間を流れる。らせん溝１０１に沿って流れる冷媒ガスは、ディスプレーサの軸方向に直線的に流れる場合に比べて、ディスプレーサまたはシリンダとより多くの熱交換を行う。このため、第２段冷媒ガス流路２０Ａから分岐して流れる冷媒ガスによる熱損失を低減することができる。
【００５３】
また、ディスプレーサとシリンダ間にシール部材を設ける必要がないため、シールが不完全であることによる冷却能力の低下を防止することができる。
【００５４】
第２段ディスプレーサ２Ａの外周面と第２段シリンダ１Ａの内周面との間の隙間は、ディスプレーサを安定に往復駆動するために０．０１ｍｍ以上であることが好ましく、漏洩ガスが軸方向に直線的に流れることを防止するために、０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５５】
図２に示す２段構成のＧＭ冷凍機により、例えば第１段冷却ステージ１０Ｂを６０〜８０Ｋまで、第２段冷却ステージ１０Ａを４．２Ｋ以下まで冷却することができる。なお、このとき、冷却パネル４１は１０〜２０Ｋ程度まで冷却される。
【００５６】
第１段冷却空洞１５Ｂ内に発生した寒冷が、第１段冷却ステージ１０Ｂ、冷却パネル１１を通してバッフル板１２に伝わる。真空室７４内の水蒸気や炭酸ガス等の高沸点ガスが、バッフル板１２の表面に凝縮される。Ｎｅ、Ｈ２、Ｈｅ等の最も沸点の低いガスが、第２段冷却ステージ１０及びフィン１０ｃの表面に凝縮される。Ｎ２、Ｏ２、Ａｒ等の中程度の沸点を有するガスが、冷却パネル４１の表面に凝縮される。
【００５７】
図４は、図２及び図３に示すクライオポンプのＨ２ガス排気速度の測定結果を、従来のクライオポンプのＨ２ガス排気速度と比較して示す。図の横軸は真空室７４内の圧力を単位Ｐａで表し、縦軸は排気速度を単位「リットル毎秒」で表す。図中の記号○は、図２及び図３のクライオポンプの排気速度を示し、記号□は、従来例のクライオポンプの排気速度を示す。なお、実施例によるクライオポンプの第２段冷却ステージ１０及びフィン１０ｃの外壁面の表面積は約５００ｃｍ２である。排気速度測定中における実施例のクライオポンプの第２段冷却ステージ１０Ａの温度は３．５Ｋ、第１段冷却ステージ１０Ｂの温度は６５Ｋであった。
【００５８】
図５に、従来例によるクライオポンプの第２段冷却ステージの構成を簡単に示す。第２段シリンダ１５０の低温端が塞がれており、第２段冷却ステージ１５１が冷却空洞１５２に直接露出していない。第２段冷却ステージ１５１に、一端が閉じた筒状の冷却パネル１５３が、その底面において結合している。その側壁は、シリンダ１５０の低温端近傍の周囲を取り囲んでいる。冷却パネル１５３の内周面上に、活性炭１５４が接着されている。
【００５９】
なお、測定に用いたクライオポンプは、実施例と従来例共に、ＡＮＳＩ６インチ（口径２００ｍｍ）規格のものである。
【００６０】
図４に示すように、圧力３×１０−４Ｐａから１×１０−２Ｐａまでの全範囲において、実施例によるクライオポンプの排気速度の方が、従来例によるクライオポンプのそれよりも大きかった。これは、図２に示すように、第２段冷却ステージ１０Ａが、シリンダを介することなく直接第２段冷却空洞１５Ａに露出しているため、冷却効率が高いためと考えられる。また、第２段冷却ステージ１０Ａの周囲を取り囲むように、冷却パネル４１を配置したことにより、冷却効率が高くなったためと考えられる。
【００６１】
このように、冷却ステージ１０をヘリウムガスの沸点（温度４．２Ｋ）以下に効率的に冷却することができるため、活性炭等の吸着剤を用いることなく、例えばＨ２ガス等の低沸点ガスを、冷却ステージ１０及びフィン１０ｃの表面に凝縮させることができる。このため、吸着剤の剥離によるクライオポンプ内の汚染を防止することができる。
【００６２】
上記実施例ではＧＭ冷凍機を用いた場合を例にとって説明したが、本発明は、ＧＭ冷凍機以外のシリンダとディスプレーサを有する冷凍機にも適用することができる。例えばスターリング冷凍機にも適用可能である。
【００６３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の基本構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す基本構成を、２段型ＧＭ冷凍機に適用したクライオポンプの断面図である。
【図３】図２に示すＧＭ冷凍機の第２段ディスプレーサの詳細を示す断面図である。
【図４】実施例によるクライオポンプの排気速度を従来例によるクライオポンプの排気速度と比較して示すグラフである。
【図５】従来例によるクライオポンプの冷却ステージの概略を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  シリンダ
２  ディスプレーサ
３  ディスプレーサ駆動手段
１０  冷却ステージ
１１  第１段冷却パネル
１２  バッフル板
１３  シール部材
１５  冷却空洞
２０  冷媒ガス流路
２１、２２  連通孔
２５  外部ガス流路
３０  ガス圧縮機
４０  熱抵抗部材
４１  冷却パネル
５０  第１の加熱部
５１  第１の再生用ガス流路
５２  第２の加熱部
５３  第２の再生用ガス流路
５４  第３の加熱部
５５  第３の再生用ガス流路
６０  真空容器
６１  真空室
７０  ポンプハウジング
７１  真空容器
７２  ＧＭ冷凍機
７３  大気放出弁
７４  真空室
７５  開閉弁
７６  流量コントローラ
７７  開閉弁
７８  ガス導入口
７９  ガス導入管
８０  真空弁
８１  真空ポンプ
８２  真空計
９０  筒状部材
９１  ステンレス管
９２  耐磨耗性樹脂部材
９３、９４  蓋部材
９５  金網
９６、９７  フェルト栓
９８  パンチングメタル
９９  結合機構
１００  開口
１０１  らせん溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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