(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが流れる流路を画定する流路外壁と、
蓄冷器、コールドヘッド、及びパルス管がこの順番に接続されて構成されるパルスチューブ冷凍機であって、蓄冷器とパルス管がコールドヘッドを中心として相互に反対側に配置され、蓄冷器及びパルス管のコールドヘッド側とは反対の端部が、それぞれ前記流路外壁の相互に異なる位置に取り付けられ、該コールドヘッドが該蓄冷器とパルス管とによって前記流路内に支持されている前記パルスチューブ冷凍機と、
前記流路内に配置され、前記コールドヘッドに熱的に結合された冷却板と
を有するコールドトラップ。
【請求項２】
前記蓄冷器、コールドヘッド、及びパルス管が、ある直線に沿って配置されている請求項１に記載のコールドトラップ。
【請求項３】
前記流路外壁が円筒状の内周面を有し、前記コールドヘッドが前記内周面の中心軸上に支持されている請求項１または２に記載のコールドトラップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスチューブ冷凍機を用いたコールドトラップに関する。コールドトラップは、通常、真空容器と真空排気装置との間に配置され、排気するガス内に含まれる水分等を固化させて効率的に除去する目的で使用される。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、ギフォード・マクマホン型冷凍機（ＧＭ冷凍機）を用いたコールドトラップの断面図を示す。
【０００３】
上下両端にフランジを有する筒状の流路外壁５０により図の縦方向のガス流路５６が画定されている。流路外壁５０の側壁に半径方向に延在する冷凍機支持管５１が取り付けられている。冷凍機支持管５１の先端にフランジを介してＧＭ冷凍機５２の高温端５３が取り付けられている。ＧＭ冷凍機５２のシリンダ部は冷凍機支持管５１の内部空洞内に配置され、低温端５４はガス流路５６内に支持されている。円筒状の冷却板５５が低温端５４に固着されている。このように、冷却板５５は、ＧＭ冷凍機５２によってガス流路５６内に支持されている。
【０００４】
図３は、パルスチューブ冷凍機を用いたコールドトラップの断面図を示す。
円筒形の流路外壁６０により、図の紙面に垂直な方向のガス流路６８が画定されている。蓄冷器６１、コールドヘッド６２及びパルス管６３によりパルスチューブ冷凍機７０が構成されている。蓄冷器６１とパルス管６３はほぼ平行に配置され、各々の一端が共にコールドヘッド６２に接続されている。コールドヘッド６２は流路６８内に配置され、蓄冷器６１及びパルス管６３の他端は、流路外壁６０に固定されるとともに、放熱器６４に熱的に結合されている。
【０００５】
円筒状の冷却板６６が、流路６８内に、流路外壁６０とほぼ同軸状に配置されている。冷却板６６は、コールドヘッド６２から流路外壁６０の半径方向に伸びた支持腕６５により支持され、コールドヘッド６２に熱的に結合している。蓄冷器６１及びパルス管６３は、冷却板６６に設けられた貫通孔６７を貫通している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示すコールドトラップでは、ＧＭ冷凍機が使用されている。ＧＭ冷凍機は、往復振動するディスプレーサを有するため、振動の発生源になる。この振動が真空処理室及び真空排気装置を含む真空系に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００７】
また、図２及び図３に示すコールドトラップにおいては、ＧＭ冷凍機のシリンダ部もしくはパルスチューブ冷凍機の蓄冷器とパルス管からなる片持ち支持構造により、冷却板が支持されている。このため、支持が不安定になりやすい。シリンダ、蓄冷器、及びパルス管を構成する管壁は、高温端から低温端への熱侵入量を少なくするために薄くされる。従って、これらの管の管壁を厚くして支持強度を高めることは好ましくない。
【０００８】
本発明の目的は、低振動、かつ冷却板の支持強度の高いコールドトラップを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、ガスが流れる流路を画定する流路外壁と、蓄冷器、コールドヘッド、及びパルス管がこの順番に接続されて構成されるパルスチューブ冷凍機であって、蓄冷器とパルス管がコールドヘッドを中心として相互に反対側に配置され、蓄冷器及びパルス管のコールドヘッド側とは反対の端部が、それぞれ前記流路外壁の相互に異なる位置に取り付けられ、該コールドヘッドが該蓄冷器とパルス管とによって前記流路内に支持されている前記パルスチューブ冷凍機と、前記流路内に配置され、前記コールドヘッドに熱的に結合された冷却板とを有するコールドトラップが提供される。
【００１０】
パルスチューブ冷凍機により冷却板が冷却される。流路内を流れるガスが冷却され、液化点以下に冷却されたガスが冷却板にトラップされる。蓄冷器とパルス管が、コールドヘッドを中心として相互に反対側に配置され、パルスチューブ冷凍機の両端が流路外壁に固定される。このため、片持ち構造により冷凍機を支持する場合に比べて、より安定して支持することが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例によるコールドトラップの概略断面図を示す。図１（Ａ）は、図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面図に相当し、ガス流の向きに対して垂直な断面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図に相当し、ガス流の向きに対して平行な断面図である。
【００１２】
円筒状の流路外壁１により、流路２が画定されている。流路外壁１の一方の端部のフランジは真空容器（図示せず）に接続され、他方の端部のフランジは、例えばターボ分子ポンプ等の真空排気装置に接続される。
【００１３】
冷媒ガス導入部１１、蓄冷器１２、コールドヘッド１３、パルス管１４及び放熱器１５を含んでパルスチューブ冷凍機１０が構成されている。蓄冷器１２は、ステンレス鋼製の中空の管の中に蓄冷材を充填して構成される。蓄冷材としては、例えば円盤状のステンレス鋼メッシュもしくは銅メッシュが用いられる。パルス管１４は、例えばステンレス鋼製の中空の管で構成される。
【００１４】
蓄冷器１２の一端にコールドヘッド１３が接続され、他端に冷媒ガス導入部１１が接続されている。パルス管１４の一端にコールドヘッド１３が接続され、他端に放熱器１５が取り付けられている。蓄冷器１２とパルス管１４は、コールドヘッド１３を中心として相互に反対側に、かつほぼ１本の直線に沿って配置されている。
【００１５】
コールドヘッド１３は、例えば無酸素銅製の中空の箱で構成され、蓄冷器１２とパルス管１４との間で作動ガスを流通させる。コールドヘッド１３は、その内部にフィン若しくは銅のメッシュを有し、内部を流れる作動ガスと効果的に熱交換することができる。
【００１６】
蓄冷器１２の冷媒ガス導入部１１側の端部、及びパルス管１４の放熱器１５側の端部が、それぞれ流路外壁１の相互に対向する位置に取り付けられ、固定されている。コールドヘッド１３は、蓄冷器１２及びパルス管１４を介して流路外壁１に支持され、流路２の中心軸上に配置されている。
【００１７】
円筒状の銅製の冷却板２０が、流路２内に、流路外壁１と同心円状に配置されている。冷却板２０には、蓄冷器１２及びパルス管１４に対応する位置に、それぞれ貫通孔２２及び２３が設けられ、冷却板２０が蓄冷器１２及びパルス管１４に接触しないような構成とされている。冷却板２０は、コールドヘッド１３から流路外壁１の半径方向に延在する銅製の複数の支持板２１により、コールドヘッド１３に熱的、機械的に結合され、流路２内に支持されている。支持板２１は、コールドヘッド１３にろう付けにより固着されている。
【００１８】
冷媒ガス導入部１１は、コンプレッサ３０に接続されており、コンプレッサ３０により、例えばヘリウム等の圧縮ガスの導入及び回収が繰り返される。コンプレッサ３０から圧縮ガスが供給される半周期に、蓄冷器１２内に圧縮された冷媒ガスが供給される。
【００１９】
断熱されたパルス管１４内に一定の高圧ガスを流入させると内部温度が上昇する。このとき、流入ガスの流れが一方向流ならばその流れに沿って温度勾配ができ、パルス管高温端部（放熱器１５側の端部）で最も高温になる。最初蓄冷器１２内にあったガスが断熱的に圧縮され、パルス管１４内へ移動し、そこで熱をパルス管壁に与える。また、パルス管１４内にあったガスも高温端に移動し、そこで放熱器１５に熱を与え、ガス自身は冷却される。
【００２０】
他の半周期に、蓄冷器１２内の冷媒ガスがコンプレッサ３０に回収される。パルス管１４内のガスが、圧縮過程とは逆の方向に移動する。このとき、断熱的な膨張のために冷却が生じ、ガスがパルス管壁から熱を受け取る。一部のガスは、蓄冷器１２内に戻り、蓄冷材から熱を受け取る。すなわち、ガスが蓄冷材を冷却する。
【００２１】
従って、次の圧縮過程のときには、パルス管１４内に流入するガスは、まず蓄冷材によって予冷されるため、最初の圧縮過程よりも低い温度が得られる。このように、コンプレッサ３０から蓄冷器１２内への冷媒ガスの供給、及び蓄冷器１２からコンプレッサ３０への冷媒ガスの回収を繰り返すと、パルス管内で一定の温度勾配を保って冷媒ガスが低温端部（コールドヘッド１３部）の熱を高温端へ運ぶ。高温端の熱を放熱器１５で強制的に除去することにより、低温端で連続的に冷却効果が得られる。
【００２２】
コールドヘッド１３に発生した寒冷が、支持板２１を通って冷却板２０に伝わり、冷却板２０が冷却される。例えば、パルスチューブ冷凍機を用いてコールドヘッドを８０〜１００Ｋまで冷却することができる。流路２内を流れる分子流が冷却板２０に衝突し、水分子等が冷却板２０にトラップされる。
【００２３】
図１では、中央部にコールドヘッド１３を有する直管型のパルスチューブ冷凍機１０を用いる。このパルスチューブ冷凍機１０の両端を流路外壁１に固定して冷却パネル２０を支持する。このため、図２及び図３に示す片持ち支持構造の場合に比べて、より安定して冷却板２０を支持することができる。
【００２４】
また、コールドヘッド１３が、流路２のほぼ中心軸上に配置される。冷却板２０及び支持板２１は、コールドヘッド１３を中心としてほぼ回転対称になるように構成される。このため、冷却板２０全体をほぼ一様に冷却することが可能になる。
【００２５】
また、上記実施例で使用されるパルスチューブ冷凍機１０は直管型であり、図３に示すＵ字型のパルスチューブ冷凍機とは構成を異にする。パルスチューブ冷凍機を直管型にすることにより、冷媒ガスの流れの曲がりによる圧力損失や偏流を抑制し、冷却効率を高めることができる。
【００２６】
上記実施例では、直管型のパルスチューブ冷凍機を、流路の中心軸と交差するように配置する場合を説明したが、必ずしも流路の中心軸と交差しなくてもよい。例えば、流路の断面の直径がパルスチューブ冷凍機の長さに比べて長い場合には、中心軸を挟んで対向する位置ではなく、一方に偏った位置でパルスチューブ冷凍機の両端を支持してもよい。
【００２７】
また、流路断面は必ずしも円形である必要はなく、任意の形状でもよい。この場合にも、直管型パルスチューブ冷凍機をその両端で支持することにより、安定した支持が可能になる。
【００２８】
上記実施例では、パルスチューブ冷凍機を直管型とした場合を説明したが、その形状は厳密に直線状である必要はない。例えば、ある曲率を有する円周に沿う形状としてもよいし、その他の曲線に沿う形状としてもよい。この曲線は、流路の断面形状に応じて好適な形状を選択することが好ましい。この場合も、パルスチューブ冷凍機の両端を、流路外壁の相互に異なる位置に固定することにより、安定した支持が可能になるであろう。
【００２９】
なお、パルスチューブ冷凍機は、ＧＭ冷凍機のディスプレーサのような可動部分を有しない。このため、コールドトラップからの振動の発生を抑制することができる。
【００３０】
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。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルスチューブ冷凍機の両端を流路外壁に固定することにより、パルスチューブ冷凍機のコールドヘッドに取り付けられた冷却板を安定して支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるコールドトラップの概略を示す断面図である。
【図２】従来のＧＭ冷凍機を使用したコールドトラップの概略を示す断面図である。
【図３】従来のパルスチューブ冷凍機を使用したコールドトラップの概略を示す断面図である。
【符号の説明】
１  流路外壁
２  流路
１０  パルスチューブ冷凍機
１１  冷媒ガス導入部
１２  蓄冷器
１３  コールドヘッド
１４  パルス管
１５  放熱器
２０  冷却板
２１  支持板
２２、２３  貫通孔
３０  コンプレッサ
【図１】
0003969500.tif 000002
【図２】
0003969500.tif 000003
【図３】
0003969500.tif 000004