(57)【要約】【課題】  クライオポンプを大型化することなく、水素やヘリウム等を確実かつ効率よく吸着できる排気能力の高いクライオポンプを提供する。【解決手段】  冷却パネル８に活性炭を貼付した超低温冷凍機１を備えたクライオポンプにおいて、前記冷却パネル８に貼付される活性炭９として、熱伝導率０．０１ｗ／cmＫ程度以上の活性炭を採用した。また、前記活性炭を、超低温下において強度があり、かつ、熱伝導率の高い接着剤を用いて前記冷却パネル８に接着した【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却パネルに活性炭を貼付したクライオポンプにおいて、前記冷却パネルに貼付される活性炭が、熱伝導率０．０１ｗ／cmＫ程度以上の活性炭であることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項２】
前記活性炭を、極低温下において強度があり、かつ、熱伝導率の高い接着剤を用いて前記冷却パネルに接着した請求項１記載のクライオポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄冷器式冷凍機（ＧＭサイクル冷凍機など）等を用いたクライオポンプに関し、特に、吸着剤を貼付した冷却パネルを備えたクライオポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＳＩや超ＬＳＩを製造する際等に、オイルレスの清浄な真空を形成するために用いられる真空ポンプとして多段式クライオポンプが用いられている。クライオポンプは、真空容器に連結し、真空容器内のガスを極低温面に吸着凝縮させて、真空を作る。
【０００３】
図３に基づいて、従来の蓄冷器式冷凍機を用いたクライオポンプを説明する。クライオポンプは、2段式ＧＭ（ギフォード・マクマホン）サイクル冷凍機１（以下、「冷凍機１」という）と、この冷凍機１にガス管３，３を介して接続されたヘリウム圧縮機２とを備えており、冷凍機１の低温部分は、断熱真空外筒１１に挿入されている。さらに、断熱真空外筒１１には、図示しない真空容器を接続して使用される。
【０００４】
冷凍機１は、第１段冷却ステージ４と第２段冷却ステージ５を有している。第1段冷却ステージ４には、第１の冷却パネルとして機能する放射シールド６が取り付けられ、この放射シールド６には、第２のクライオパネル８’の上方に間隔を置いて、シェブロンバッフル１０が設けられている。それらが、例えば、８０K程度に冷却され、真空容器中の水蒸気、炭酸ガス等の沸点が比較的高いガスを吸着凝縮する。第2段冷却ステージ５には、第２のクライオパネル８’が取り付けられ、例えば、約２０K程度に冷却され、真空容器中の窒素、アルゴン等のより低沸点のガスを吸着凝縮する。超高真空を得るためには、さらに沸点の低い水素やヘリウムを排気する必要があり、第２のクライオパネル８’の一部に水素やヘリウムを吸着する吸着剤として活性炭９’が貼付されている。
【０００５】
この従来技術に関連する先行技術文献として、次の特許文献１乃至２がある。
【特許文献１】特開平５−３２１８３２号公報（段落０００３乃至０００５、図３等参照）
【特許文献２】特開２０００−２４０５６９号公報（段落０００７乃至００１２並びに図１乃至３等参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、真空を得るためにもっとも影響の大きい水素を吸着するには、活性炭の冷却温度を１３〜１５K以下の温度にすることが望ましいとされている。ところが、前述した従来のクライオポンプでは、第２のクライオパネル（冷却パネル）の冷却温度が１３〜１５Kになる冷凍機を採用しても、所望の真空を得ることができなかった。これは、低温の活性炭には、ガスが吸着されるときに吸着熱が発生するため、輻射等の侵入熱等も含め、第２のクライオパネルを１３〜１５Kに冷却しても、活性炭の温度がそれ以上に上昇し、活性炭の吸着機能が低下するためであることがわかった。そのため、前述した熱を迅速に吸収するためには、さらに活性炭を十分に冷却する必要があった。これは、活性炭の冷却温度を１３〜１５Ｋに維持するために、第２のクライオパネルの冷却温度を１３〜１５Ｋよりさらに大きく低下させることを意味する。
【０００７】
しかしながら、第２のクライオパネルの冷却温度をより低下させることは、冷凍機の冷凍温度を下げることであり、同じ冷却熱量に対してより大型の冷凍機が必要となる。特にクライオポンプ用冷凍機として使用されている蓄冷器式冷凍機では、蓄冷器材料として鉛が使用されており、その到達温度は１０K程度である。したがって、第２のクライオパネルの冷却温度が、例えば１５Kという到達温度に近い冷凍温度域の場合、例えば１K程度冷凍温度を下げることであっても、その冷凍効果の違いは極めて大きく、より大型の冷凍機を使用しなければならなかった。
【０００８】
本発明の目的は、クライオポンプを大型化することなく、水素やヘリウム等を確実かつ効率よく吸着できる排気能力の高いクライオポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前述した目的を達成するために、冷却パネルに活性炭を貼付したクライオポンプにおいて、冷却パネルに貼付される活性炭として、熱伝導率が０．０１ｗ／cmＫ程度以上の活性炭を採用したものである。
なお、前記活性炭を冷却パネルに貼付する接着剤として、極低温化において強度があり、かつ、熱伝導率の高い接着剤を用いるとよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、冷却パネルに貼付される活性炭として、熱伝導率が０．０１ｗ／cmＫ程度以上の活性炭を採用したことによって、活性炭自体に温度勾配がつきにくく、冷却パネルの冷却温度との温度差も小さくでき、例えば、冷凍機の冷凍温度を不必要に低くすることがなく、冷凍機を効率よく使用することができる。また、同じ熱負荷の場合、高熱伝導率の活性炭を使用することによって活性炭自体の温度を低くすることができ、クライオポンプの排気性能を大幅に向上することできる。
さらに、活性炭の平均高さを熱伝導率に比例して高くできるため、大粒の活性炭を貼付できる等パネル面積当りの活性炭量を大幅に増すことができ、構造的にパネルの大幅な小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１乃至３を参照して本発明のクライオポンプの実施の形態について説明する。図１は本発明のクライオポンプの実施の形態の概略図である。
クライオポンプは、極低温冷凍機、例えば、２段式GM（ギフォード・マクマホン）サイクル冷凍機１（以下、「冷凍機１」という）と、冷凍機１にガス管３，３を介して接続されたヘリウム圧縮機２とを備えており、クライオポンプには、真空容器１２が連結される。
【００１２】
冷凍機１は、第１段冷却ステージ４と第２段冷却ステージ５を有している。第１段冷却ステージ４には、第１のクライオパネルとして機能する上端が開放したほぼ筒状の放射シールド６が取り付けられている。第２段冷却ステージ５には、後述する第２のクライオパネル８が取り付けられる。放射シールド６は、第2段冷却ステージ４及び第2のクライオパネル８を取り囲むように形成されており、その開放端側には、第2のクライオパネル６と間隔をおいてその上方に位置するシェブロンバッフル１０が取り付けられている。
【００１３】
第１段及び第２段冷却ステージ４，５、放射シールド６、第２のクライオパネル８は、断熱真空外筒１１により囲まれる。この断熱真空外筒１１と真空容器１２との間にはゲートバルブ１３が設けられている。
【００１４】
第２段冷却ステージ５のシリンダの先端には、断面ほぼコ字状の下端が開放した筒状の伝熱板７が図示しないネジ等の締結手段によって締結されている。伝熱板７は、その筒状部７ａが、第2段冷却ステージ５を囲むように配置されている。伝熱板７の筒状部７ａの外周には、その外周を一周するように配置された傘状のクライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃが上下に間隔をおいて放射状に複数枚取り付けられている。これらクライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃが冷却パネルである第２のクライオパネル８を形成する。なお、クライオパネル板は、３枚に限らず適宜の枚数とすることができる。また、クライオパネル板は、図示しないが、例えば千鳥状、螺旋状等の適宜の形状、配置としてもよい。
【００１５】
クライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃの下面には、水素、ヘリウム等の吸着剤として、熱伝導率が０．０１ｗ／cmＫ程度以上の活性炭９が貼付される。なお、図示しないが、活性炭は、クライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃの上面に貼付してもよいし、また、その両面に貼付してもよい。活性炭は、通常、数mm径、３〜１０mm長さの円柱状のものが使用され、クライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃの表面に薄く接着剤を塗布し、その接着剤層に多数の活性炭が横倒し姿勢の状態で並べて接着される。このように、クライオパネル板８ａ，８ｂ，８ｃの表面に活性炭を並べて貼付すれば、吸着剤の再生作業を短時間でかつ効率よく行うことができる。なお、活性炭は、この実施の形態のような円柱状のものに限らず、例えば球形等適宜の形状のものを採用できる。また、活性炭は必ずしも並べて接着する必要はなく、適宜の形態で接着してよいことはもちろんである。
【００１６】
さらに、活性炭９を接着する接着剤は、０．０１ｗ／cmＫ程度以上の熱伝導率の高い活性炭を使用するため、極低温下において強度があり、割れることがなく、かつ、熱伝導率の高いものがよい。例えば、エポキシ系樹脂等がある。このような接着剤を採用することによって、接着剤層に温度勾配が生じにくいため、第2のクライオパネル８による活性炭９の冷却を妨げることがない。
【００１７】
このように構成されたクライオポンプは次のように動作する。
冷凍機１の第1段冷却ステージ４は、低温を発生する図示しない第１膨張室のヘリウムガスの膨張作用により低温となったヘリウムガスにより冷却される。さらに、ヘリウムガスは低温を発生する図示しない第２膨張室内で膨張して低温となって、第２段冷却ステージ５を冷却する。
【００１８】
冷凍機１の運転を開始する際は、ゲートバルブ１３を適当な時期に開いた状態とする。第１のクライオパネルとして機能する放射シールド６は、シェブロンバッフル１０とともに、８０〜１００K程度に冷却され、それらが真空容器１２中の水蒸気、炭酸ガス等の沸点の比較的高いガスを吸着、凝縮する。また、第２のクライオパネル８は、１０〜２０Kに冷却され、第２のクライオパネル８の表面に真空容器１３中の窒素、アルゴン等の低沸点のガスを吸着、凝縮する。さらに、最も沸点の低い水素、ネオン、ヘリウム等のガスは、第２のクライオパネル８に接着した活性炭９によって、確実にかつ効率よく吸着される。その後、活性炭９の吸着能力（第２のクライオパネル８の排気能力）がなくなると、その再生作業を行う。なお、第２のクライオパネル８の吸着面は、第２のクライオパネル８自身の表面と、活性炭の吸着面を含む。
このようにしてクライオポンプは、真空容器１２中の各種のガスを排気して高真空を作る。
【００１９】
次に、本発明が、吸着剤として熱伝導率が０．０１ｗ／cmＫ程度以上の活性炭を採用したことについて説明する。
通常、真空度に最も影響の大きい水素を吸着するには、活性炭の冷却温度を１３〜１５K以下の温度にすることが望ましいこと、一方、低温の活性炭には、水素、ネオン、ヘリウム等のガスを吸着する際、吸着熱が発生するため、輻射等の侵入熱も含め、それらの熱を迅速に吸収するために活性炭を十分に冷却することが重要であることは前述したとおりである。このため、従来、活性炭の冷却を強化するためには、クライオ冷却パネルの温度をより低下、すなわち、冷凍機の冷凍温度を１３〜１５Ｋよりさらに大きく下げることが必要であると考えられていた。
【００２０】
本発明の発明者は、種々の試験及びその解析を行った結果、従来のクライオポンプにおける活性炭の温度上昇には、活性炭自体の熱伝導率が極めて大きな影響を有していることを見出した。すなわち、冷却パネルは冷凍機によって熱伝導により冷却され、活性炭はこの冷却された冷却パネルからの熱伝導により冷却されるが、従来のクライオポンプに採用されている活性炭は、活性炭自体の熱伝導率が極めて低い（通常の活性炭の熱伝導率は０．００１ｗ／cmＫ程度）ため、ガスを吸着して発生した熱等によって活性炭自体に温度勾配が生じ、このため、冷却パネルの冷却温度以上に活性炭の温度が上昇して本来の吸着機能が低下していることがわかった。
【００２１】
この新しい知見のもとに、クライオポンプに使用される活性炭として、活性炭自体に温度勾配の生じにくい高熱伝導率活性炭を採用すれば、冷凍機を大型化しなくても、活性炭の冷却温度を冷却パネルの冷却温度の近傍に維持できることを見出した。さらに、発明者はクライオポンプの冷凍能力、冷却パネル温度、活性炭冷却温度、活性炭熱伝導率等の関係について、種々の試験及びその解析を行った。以下、その結果の一例を説明する。
８インチの冷凍機付きクライオポンプを考える。冷却パネルの面積を３００cm2とし、温度１５Ｋにおける熱負荷を５Ｗとすると、単位面積１cm2当りの熱負荷は０．０１７ｗ／cm2となる。従来のクライオポンプに使用されている通常の活性炭の熱伝導率は０．００１ｗ／cmＫ程度であり、パネルに貼付した活性炭の平均高さを２mmとすると、活性炭平均温度と冷却パネルとの温度差は、０．０１７＊０．２／０．００１＝３．４Ｋとなる。すなわち、活性炭の平均冷却温度を１５Ｋとするには、冷却パネルを１５Ｋ−３．４Ｋ＝１１．６Kに冷却する必要がある。
【００２２】
一方、活性炭として、熱伝導率が０．０１ｗ／cmＫの高熱伝導率の活性炭を使用すれば、活性炭と冷却パネルとの温度差は、０．０１７＊０．２／０．０１＝０．３４Kとなる。したがって、活性炭温度を１５Kに冷却する場合に、冷却パネル温度は１５Ｋ―０．３４Ｋ＝１４．６６Ｋでよいことになり、従来の活性炭と比較してパネル自体の冷凍温度を３K以上高くしてもよいことになる。
【００２３】
これは、通常のＧＭ冷凍機であれば、冷凍能力値として略２５％以上大きくとることができることに相当する。逆に同じ熱負荷の場合、高熱伝導率の活性炭を使用することによって活性炭自体の温度を３Ｋ低くできることになり、クライオポンプの排気性能を大幅に向上することが可能になる。
【００２４】
さらに、パネル面積の観点からみると、高熱伝導率の活性炭を使用すれば活性炭の平均高さを熱伝導率に比例して高くできることになり、大粒の活性炭を貼付できる等パネル面積当りの活性炭の量を大幅に増すことができる。したがって構造的にパネルの大幅な小型化を図ることが可能となる。
【００２５】
図２に、上述の例のクライオポンプについて、活性炭の熱伝導率と、活性炭を１５Ｋに冷却するときの冷却パネル温度との関係を示す。横軸は活性炭の熱伝導率（０．０１ｗ／cmＫ）であり、縦軸は冷却パネル温度（Ｋ）である。図３において、熱伝導率が０．０１ｗ／cmＫ程度以上が本発明の範囲であり、実施例として、熱伝導率が０．０２ｗ／cmＫ、０．２ｗ／cmＫ、０．３ｗ／cmＫを示す。熱伝導率が０．０２ｗ／cmＫの場合、冷却パネル温度は１４．８３Ｋとなり、熱伝導率が０．２ｗ／cmＫの場合、冷却パネル温度は１４．９８となり、熱伝導率が０．３ｗ／cmＫの場合、冷却パネル温度は１４．９９となる。
なお、いずれの場合も、接着剤は、非常に薄い層であり、接着剤層における温度勾配は、無視しえる。
【００２６】
以上のことから、本発明で採用される活性炭の熱伝導率は０．０１ｗ／cmＫ程度以上が好ましい。活性炭の熱伝導率が０．０１ｗ／cmＫ程度以上であれば、効率よく水素を吸着できる活性炭の冷却温度の上限１５Ｋにおける、活性炭の冷却温度と冷却パネル温度との温度差を０．３５Ｋ程度以内とすることができ、本発明の目的を十分達成することができる。
さらに好ましくは、活性炭の熱伝導率を０．０２ｗ／cmＫ程度以上にするとよい。この場合、活性炭の冷却温度と冷却パネル温度との温度差を０．２Ｋ程度以内とすることができる。
なお、高熱伝導率の活性炭に関しては、特定の活性炭に熱伝導性向上剤を含有させることにより熱伝導率が通常の活性炭の数〜数１０倍程度の活性炭が得られることが知られている。
【００２７】
一方、本発明における活性炭の熱伝導率の上限は、クライオポンプの容量、活性炭の冷却温度、冷却パネルの冷却温度等によって左右されるため定量的に定めることは困難である。しかしながら、例えば、クライオポンプが前述した例と同じ場合、活性炭の熱伝導率を０．０３４ｗ／cmＫとすると、冷却パネル温度は、１４．９０Kとなり、活性炭の冷却温度との温度差は０．１Ｋとなり、ほぼ活性炭の冷却温度に等しくなる。活性炭の冷却温度と冷却パネルの冷却温度の観点からすれば、この温度差であれば実用上十分であり、これ以上の熱伝導率の高い活性炭をあえて選択する必要はないと考えられる。したがって、本発明における活性炭の熱伝導率の上限は、実用上の観点からは、冷却パネル温度と活性炭の冷却温度との差が極めて小さくなり（例えば、０．１Ｋ程度）、それ以上の熱伝導率を必要としない範囲ということができる。しかし、本発明は、前述したそれ以上の熱伝導率の活性炭を排除するものではない。
【００２８】
以上説明した実施の形態によれば、活性炭の熱伝導率が高いため、活性炭自体に温度勾配がつきにくく、第２のクライオパネルの冷却温度との温度差も小さくできる。したがって、冷凍機の冷凍温度を不必要に低くすることがなく、冷凍機を効率よく使用することができる。
また、同じ熱負荷の場合、高熱伝導率の活性炭を使用することによって活性炭自体の温度を低くすることができ、クライオポンプの排気性能を大幅に向上することできる。
さらに、活性炭の平均高さを熱伝導率に比例して高くできるため、大粒の活性炭を貼付できる等パネル面積当りの活性炭量を大幅に増すことができ、構造的にパネルの大幅な小型化を図ることができる。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず種々の設計変更が可能であり、それらはいずれも本発明に含まれる。
例えば、第２のクライオパネルは、図１に示したものに限らず、図３に従来例として示したものであってもよいし、他のいかなる形状であってもよい。また、活性炭の貼付もいかなる形態であってもよい。
さらに、本発明は、特に冷凍機付きクライオポンブに限定されるものではなく、クライオパネルを冷媒によって冷却する場合にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のクライオポンプの一実施の形態の概略図
【図２】冷却パネル温度と活性炭の熱伝導率の関係を示す図。
【図３】従来のクライオポンプの概略図。
【符号の説明】
【００３１】
１              冷凍機
２              ヘリウム圧縮機
３              ガス管
４              第１段冷却ステージ
５              第２段冷却ステージ
６              放射シールド
７              伝熱板
８              第２のクライオパネル
９              活性炭
１０            シェブロンバッフル
１１            断熱真空外筒
１２            真空容器
【図１】
2005054689.tif 000003
【図２】
2005054689.tif 000004
【図３】
2005054689.tif 000005