(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室の内部に露出したクライオポンプ面と、
吸入口と排出口を有し、極低温冷媒を循環させ且つ該クライオポンプ面を冷却し、作動中、少なくとも一つの第一群気体がクライオポンプ面で凍結するよう、クライオポンプ面と熱力学的に連結されている経路手段と、
相互に熱伝達関係にある、吸入口と排出口を有する高圧経路と、吸入口と排出口を有する低圧経路とを有する熱交換器と、
上記熱交換器の高圧経路の排出口と、上記クライオポンプ面の経路手段の吸入口との間を流れる冷媒流のために接続された冷媒流レストリクタと、
冷媒圧縮機と、
後部冷却器と、
上記圧縮機、後部冷却器および熱交換器との間を結び、冷凍サイクルを完成させる冷媒ラインとを含み、
上記熱交換器低圧経路の吸入口が上記経路手段の排出口に接続され、上記熱交換器とハウジングとは、上記クライオポンプ面と冷媒流レストリクタのすぐ近くに位置するようになっており、上記冷媒ラインは断熱されておらず、且つ混合冷媒による作動中およそ周囲温度である、第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項２】
前記冷却トラップ・システムの作動中、前記熱交換器の高圧吸入口と低圧排出口は、それぞれおよそ周囲温度である、請求項１に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項３】
冷媒圧縮機と、後部冷却器と、該冷媒圧縮機、該後部冷却器および前記熱交換器とを結ぶ流れラインとを更に含み、該流れラインは、断熱されておらず、作動中およそ周囲温度である、請求項１に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項４】
真空室の内部に露出したクライオポンプ面と、
吸入口と排出口を有し、極低温冷媒を循環させ且つ該クライオポンプ面を冷却し、作動中、少なくとも一つの第一群気体がクライオポンプ面で凍結するよう、クライオポンプ面と熱力学的に連結されている経路手段と、
相互に熱伝達関係にある、吸入口と排出口を有する高圧経路と、吸入口と排出口を有する低圧経路とを有し、ハウジングに取り囲まれている熱交換器と、
上記熱交換器の高圧経路の排出口と、上記クライオポンプ面の経路手段の吸入口との間を流れる冷媒流のために接続された冷媒流レストリクタと、
上記クライオポンプ面と熱交換器とを結ぶ接続手段を含み、
上記熱交換器低圧経路の吸入口が上記経路手段の排出口に接続され、上記熱交換器とハウジングとは、上記クライオポンプ面と冷媒流レストリクタのすぐ近くに位置するようになっており、上記熱交換器ハウジングを、クライオポンプ面が露出する真空室の外側に取り付けることができ、上記接続手段は、真空室内の真空と熱交換器ハウジングの内部空間とを連通する、第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項５】
真空室の内部に露出したクライオポンプ面と、
吸入口と排出口を有し、極低温冷媒を循環させ且つ該クライオポンプ面を冷却し、作動中、少なくとも一つの第一群気体がクライオポンプ面で凍結するよう、クライオポンプ面と熱力学的に連結されている経路手段と、
相互に熱伝達関係にある、吸入口と排出口を有する高圧経路と、吸入口と排出口を有する低圧経路とを有し、ハウジングに取り囲まれている熱交換器と、
上記熱交換器の高圧経路の排出口と、上記クライオポンプ面の経路手段の吸入口との間を流れる冷媒流のために接続された冷媒流レストリクタと、
上記クライオポンプ面と熱交換器とを結ぶ接続手段を含み、
上記熱交換器低圧経路の吸入口が上記経路手段の排出口に接続され、上記熱交換器とハウジングとは、上記クライオポンプ面と冷媒流レストリクタのすぐ近くに位置するようになっており、上記熱交換器ハウジングを、クライオポンプ面が露出する真空室の外側に取り付けることができ、上記接続手段は、作動中、真空室内の真空と熱交換器ハウジングの内部空間とを隔絶する、第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項６】
前記クライオポンプ面と前記熱交換器が、一体組立として接続された、請求項４に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項７】
前記クライオポンプ面と前記熱交換器が、一体組立として接続された、請求項５に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項８】
真空室の内部に露出したクライオポンプ面と、
吸入口と排出口を有し、極低温冷媒を循環させ且つ該クライオポンプ面を冷却し、作動中、少なくとも一つの第一群気体がクライオポンプ面で凍結するよう、クライオポンプ面と熱力学的に連結されている経路手段と、
相互に熱伝達関係にある、吸入口と排出口を有する高圧経路と、吸入口と排出口を有する低圧経路とを有し、ハウジングに取り囲まれている熱交換器と、
上記熱交換器の高圧経路の排出口と、上記クライオポンプ面の経路手段の吸入口との間を流れる冷媒流のために接続された冷媒流レストリクタとを含み、
上記熱交換器低圧経路の吸入口が上記経路手段の排出口に接続され、上記熱交換器とハウジングとは、上記クライオポンプ面と冷媒流レストリクタのすぐ近くに位置するようになっており、ここにおいて冷媒は、およそ８０Ｋから１６０Ｋの温度範囲の中で、およそ２０Ｋの温度幅をクライオポンプ面に提供するよう選択された成分混合物である、第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項９】
前記冷媒は、およそ８０Ｋから１６０Ｋの温度範囲の中で、およそ２０Ｋの温度幅を提供するよう選択された成分混合物である、請求項３に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項１０】
前記選択混合物は、１．５Ｍｐａから２．５Ｍｐａの範囲の圧縮機吐出圧、および０．１Ｍｐａから０．５Ｍｐａの圧縮機戻り圧で作動する、請求項９に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項１１】
真空室の内部に露出したクライオポンプ面と、
吸入口と排出口を有し、極低温冷媒を循環させ且つ該クライオポンプ面を冷却し、作動中、少なくとも一つの第一群気体がクライオポンプ面で凍結するよう、クライオポンプ面と熱力学的に連結されている経路手段と、
相互に熱伝達関係にある、吸入口と排出口を有する高圧経路と、吸入口と排出口を有する低圧経路とを有し、ハウジングに取り囲まれている熱交換器と、
上記熱交換器の高圧経路の排出口と、上記クライオポンプ面の経路手段の吸入口との間を流れる冷媒流のために接続された冷媒流レストリクタを含み、
上記熱交換器低圧経路の吸入口が上記経路手段の排出口に接続され、上記熱交換器とハウジングとは、上記クライオポンプ面と冷媒流レストリクタのすぐ近くに位置するようになっており、上記冷媒流レストリクタは、毛管を含み、該毛管は、冷却板に取り付けられ、該冷却板は、真空室内に設置された場合、前記クライオポンプ面として機能する、第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項１２】
前記毛管は、前記冷却板の周囲を超えて伸長し、ループになって再び該冷却板に戻り付く、請求項１１に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項１３】
前記冷却板の表面を拡げるための拡張手段を更に含む、請求項１１に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項１４】
真空室の内部に露出したクライオポンプ面と、
吸入口と排出口を有し、極低温冷媒を循環させ且つ該クライオポンプ面を冷却し、作動中、少なくとも一つの第一群気体がクライオポンプ面で凍結するよう、クライオポンプ面と熱力学的に連結されている経路手段と、
相互に熱伝達関係にある、吸入口と排出口を有する高圧経路と、吸入口と排出口を有する低圧経路とを有し、ハウジングに取り囲まれている熱交換器と、
上記熱交換器の高圧経路の排出口と、上記クライオポンプ面の経路手段の吸入口との間を流れる冷媒流のために接続された冷媒流レストリクタを含み、
上記熱交換器低圧経路の吸入口が上記経路手段の排出口に接続され、上記熱交換器とハウジングとは、上記クライオポンプ面と冷媒流レストリクタのすぐ近くに位置するようになっており、ここにおける第一群気体は、水蒸気であり、更に、霜取りサイクルの間に前記クライオポンプ面から溶けて落ちる水滴を受けるための排水皿を、少なくともクライオポンプ面の下部に有し、該排水皿は、前記熱交換器ハウジングを通って周囲環境へと延びる排水管を有する、第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項１５】
前記ポンプされる気体が、少なくとも一つの他の気体との混合にある、請求項１に記載の冷却トラップ・システム。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの他の気体の少なくとも一つが、第一群気体である、請求項１５に記載の冷却トラップ・システム。
【請求項１７】
閉サイクル冷凍システムの高圧側と該システムの低圧側とを接続するために吸入口および排出口とを有し、使用において、前記高圧側と低圧側との間に圧力の格差を生じさせる冷媒流絞りとしての役割を果たす一定長の毛管と、
相互に熱伝達関係にある、吸入口と排出口を有する高圧経路と、吸入口と排出口を有する低圧経路と、
少なくとも前記毛管の一部を包囲し、前記低圧経路の前記吸入口と接続する排出口、および、前記毛管の前記吸入口に接続する前記高圧経路の前記排出口を有する毛管ハウジングと
を含む熱交換器であって、
前記毛管の排出口は、前記毛管ハウジング内で、該毛管ハウジング排出口から離れた位置にあり、前記毛管内部から毛管包囲部へと吐出された冷媒を毛管ハウジングの排出口へと流すよう、冷媒用の流経路が、前記毛管と毛管ハウジングにより形成されていて、該熱交換器の作動中において、高圧経路の吸入口および低圧経路の排出口は、それぞれ周囲温度である閉サイクル極低温冷凍システム用熱交換器。
【請求項１８】
前記毛管ハウジングは、前記冷媒の流経路面積を減少させるために平たくされた管である、請求項１７に記載の熱交換器。
【請求項１９】
熱伝導物質からなる表面拡張手段を更に含み、該拡張手段は、前記熱交換器の性能容量を高めるために、前記毛管ハウジングの外側表面と熱伝導関係になっている、請求項１７に記載の熱交換器。
【請求項２０】
前記冷媒流レストリクタは、毛管を含み、該毛管は、冷却面に取り付けられ、該冷却面は真空室の内側に設置された場合、前記クライオポンプ面として機能する、請求項１に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【請求項２１】
第一群気体は、水蒸気であり、更に、霜取りサイクルの間に前記クライオポンプ面から溶けて落ちる水滴を受けるための排水皿を、少なくともクライオポンプ面の下部に有し、該排水皿は、前記熱交換器ハウジングを通って周囲環境へと延びる排水管を有する、請求項１に記載の第一群気体をポンプ引きするための冷却トラップ・システム。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、真空システムに用いられる水蒸気クライオポンプに係り、特に、混合冷媒と絞り装置を用いた閉サイクル単回路冷凍機の一部をなす水蒸気クライオポンプ面に関する。
水蒸気は、一般に、真空室の内部で、表面に極低温液体を巡回させることにより、もしくは、ターボ分子真空ポンプまたは拡散式真空ポンプと連結した冷却トラップを冷却し、水蒸気のポンプ速度を増加させることのいずれかにより、真空システムからポンプ引きされる。
ここで、参考として本願に組み込まれる特許４，１５０，５４９号は、本発明の発明者によるものであるが、そこに例示されるクライオポンプは、広範囲の圧力に亘るあらゆる種類の気体に対し、高いポンプ速度を有することを特徴とする。Gifford-McMahon（ＧＭ）の二段サイクル冷凍機により冷却される典型的なクライオポンプにおいては、水蒸気および炭酸ガスを含む第一群気体は、特許４，１５０，５４９号が明らかにしているように、冷凍機の第一段階で低温凝縮される。窒素、酸素およびアルゴンを含む第二群気体は、第二段階で低温凝縮される。第三群気体であるネオン、水素およびヘリウムは、第二段階において、吸着剤により低温吸着される。
８０Ｋから１７０Ｋの温度範囲で作動するクライオポンプによりポンプ引きされる気体としては、水蒸気が最も一般的ではあるが、その他にも効果的にポンプ引きすることができる気体は多数存在する。ここでは、上記温度範囲において平衡圧力が１×１０-10トル以上である気体を、第一群気体と定義する。HonigとHookが１９６０年に作成した表（表１／図１０）に記載されている気体だけを考えても、ＮＨ3、ＳＯ2、Ｈ2ＯおよびＩ2が、第一群気体の範疇に入ることが解る。表２（図１１）には、これらの気体の１×１０-10トルにおける蒸気温度および１Ａｔｍにおける蒸気温度が、示されている。
これら二つの温度の比率は、表２の右端欄に記載されており、その比率は、２．８４〜２．９４であることが見て取れる。すべての物質は、同じ一般飽和圧力／温度関係に従うため、１Ａｔｍにおける蒸気温度が、およそ２３２Ｋ（２．９×８０）〜４９３Ｋ（２．９×１７０）の範囲にある物質は、すべて第一群気体に属するという推定が成り立つ。
これらの気体は、集められると、クライオポンプによって保持されるが、クライオポンプを真空室からを周期的に隔絶し、クライオポンプを暖めて、ポンプ引きされた気体を溶かし、解き放し、除去する必要性を生じる。幸い、クライオポンプはかなりの量の凍結気体を保持できるため、再生の間の作動期間は十分長く、周期的にクライオポンプを再生する必要性は、重大な不利益にはならない。しかしながら、相当量の有毒、有害気体（例えば、シラン）を集積してしまうという不利益を招く危険がある。こうした不利益は、クライオポンプで発生し得る。
高真空装置に用いる場合、静的装置であるクライオポンプの代わりに、動的装置であるターボ分子ポンプが選ばれる第一の理由は、上記のような有害気体の蓄積を回避するためである。ターボ分子ポンプおよび拡散式ポンプは、通過流型装置である。このため、高真空の装置の場合には、有毒気体の蓄積を回避するため通常、これらのポンプが好まれる。また、ターボ分子ポンプおよび拡散式ポンプは、典型的なクライオポンプと比較して、振動レベルが低いため、好ましいとされる場合もある。しかしながら、これらのポンプは、水蒸気に関しては、ポンプ速度が比較的低い。
歴史的には、１９７０年代にクライオポンプやターボ分子ポンプが開発される以前は、液体窒素（ＬＮ2）で冷却した冷却トラップを拡散式ポンプの前に用いて、水蒸気のポンプ速度を高め、拡散式ポンプから油分が逆流するのを防ぐというやり方が、標準的に行われていた。しかしながら、液体窒素には、冷却トラップを液体窒素で満たしておく上での操作上の問題点が存在する。拡散式ポンプによる単段式ＧＭ冷凍機を用いた冷凍冷却トラップが、作られてはきたが、費用、大きさ、およびおそらく振動にも起因し、単段式ＧＭ冷凍機用の冷却トラップは、限られた場合にしか用いられてこなかった。
今日、最も広く用いられている冷却トラップは、閉サイクル冷凍機により、米国特許３，６９８，２０２号、３，７６８，２７３号、４，１７６，５２６号、４，５３５，５９７号、４，５９７，２６７号および５，００９，０７３号に記載されているような混合冷媒を用いて冷却される。
これらの設計において、性能を向上させるために用いられる熱交換器は、液体から蒸気を分離する位相分離器を有している。この分離器は、装置を比較的かさばったものとし、その作動位置を一定方向に制限することになる。このような理由で、熱交換器組立体は、圧縮機と同じ包囲体の中に設置され、断熱ラインが、熱交換器の冷却端部から冷却トラップへと、低温低圧冷媒を運ぶ。
こうした配置においては、冷却トラップをどの位置に置くことも可能である。しかしながら、かさばったラインは、その熱利得を制限する必要から、比較的短く設定されねばならず、このため、冷却トラップから圧縮機を離して設置する自由を制限する。それでもなお、低温伝達ラインにおける温度ロスのせいで、低容量のシステムを作ることは、実用的ではない。これまで用いられてきた冷媒気体混合物および圧縮機は、典型的な運転温度の範囲は１４０Ｋ〜１６０Ｋであるにもかかわらず、最低温度をおよそ１２０Ｋにしてしまうからである。こうした冷却サイクルの基本概念についての最初の記述は、A.P.Kleememkoの著作「One Flow Cascade System,Progress in Refrigeration Science」（Pergamon出版  １９６０年）になされている。
この型の閉サイクル冷凍機を冷却トラップに用いるもう一つの理由は、大きな真空室内の拡張された管材の中を、低温冷媒が循環できるということである。このような広範囲に亘る集蓄能力は、ＧＭ冷凍機がもたらす液体窒素トラップの排液や、一点的な冷却源と対照をなしている。
所望されているのは、露出され、断熱された冷却冷媒ラインの必要性を排除し、どのような位置に置かれても、高性能かつ微振動で作動する、高真空室用の閉サイクル冷凍機冷却トラップである。冷凍サイクルの調整を行うことなく、予想される熱負荷の全範囲に亘って、およそ２０Ｋに選択された所望温度間の温度幅内で作動する能力が、求められている。
発明の概要
本発明の水蒸気クライオポンプ・システムは、混合冷媒を用いる絞りサイクル冷凍機を含む。該冷凍機は、高圧の混合冷媒を後部冷却器へと発する圧縮機を有し、熱は該後部冷却器において周囲に排除される。その後、冷媒は、熱交換器へと入り、ここで更に冷却され、極低温レベルに達する。次に、冷却された冷媒は、固定絞り装置、または、例えば毛管のようなレストリクタを通過するが、このとき、その圧力および温度は、既知のジュール・トムソン効果に従って低下する。冷却された冷媒は、真空室に設置されたクライオポンプ面を通過して流れるが、ここで、冷却面にぶつかった水蒸気は、凍結する。冷媒は、今や部分的に気化し、冷却面を離れて熱交換器へと流れ帰るが、熱交換器を通過する際、圧縮機および後部冷却器の高圧側から流れてきてレストリクタに入ってくる冷媒を冷却する。熱交換器に出入りする冷媒流の温度は、実質的に室温である。熱交換器を出た冷媒は、低圧吸入口から圧縮機へと戻って圧縮され、冷媒流の循環が繰り返される。
好ましい実施の形態に示す例では、絞り装置とクライオポンプの冷却面は、一体的ユニットを形成し、中間ラインを置かずに、直接、熱交換器の流経路と接続する。
熱交換器に出入りするラインの温度は、実質的に室温であるため、これらのラインを断熱する必要はなく、また、熱交換器およびクライオポンプ面から、都合に応じた距離をとって、圧縮機を設置することができる。真空室の振動は、軽減される。
クライオポンプ面は、水蒸気がポンプ引きされている真空室内に設置され、熱交換器は、真空室の外側の別個のハウジング内に設置されるが、このハウジングは、クライオポンプ面と直接的に隣接している。熱交換器のハウジングは、真空室と真空を分け合ってもよいし、あるいは、熱交換器は、独自の圧力調整の下、ハウジング内に隔絶されてもよい。熱交換器とクライオポンプ面とを直接的に隣り合わせて設置することにより、露出した冷却ラインを全て、構造から排除することができ、熱力学的効率が高まる。
選択された混合冷媒を閉サイクル冷凍機システムに用いることにより、制限された、選択可能な温度範囲に亘り、広い範囲の冷却容量を得ることができる。従って、選択された温度範囲の中で、いくつかの気体が、その他の気体を除外して、選択的にクライオポンプ面に集められる。霜取り運転の間、クライオポンプ面から落ちる水滴を自動的に集めるよう、排水皿をクライオポンプ面に連結することもできる。
従って、本発明の目的は、離れた位置にある圧縮機／後部冷却器ユニットと真空室内で作動する冷却トラップとの間に、実質的に室温で延びる冷媒ラインを有する、改良された絞りサイクル水蒸気クライオポンプ・システムを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、真空室の外側にある向流形単回路熱交換器が、真空室の内側のクライオポンプ面と直接的に隣接し、一体的ユニットを形成するよう配置されている、改良された絞りサイクル水蒸気クライオポンプ・システムを提供することである。
本発明の更に一つの目的は、閉サイクル冷凍機において、広い範囲の冷却容量に亘り、制限された極低温の範囲で、クライオポンプ面が作動するよう混合冷媒を選択した、改良された絞りサイクル水蒸気クライオポンプ・システムを提供することである。
本発明の更なる目的は、冷媒流調節絞り装置に調整を加えることなく、より大きな容量に亘って作動する、改良された絞りサイクル水蒸気クライオポンプ・システムを提供することである。
本発明のその他の目的、特徴および優位性は、明細書により、一部は自明となり、一部は明白となるであろう。
以上のように、本発明は、構成、要素の組み合わせおよび部品の配列に特徴を有しており、これらは、以下に示す構成を例に取り説明されるが、本発明の範囲は、請求項において示される。
【図面の簡単な説明】
本発明の十分な理解のために、添付図面との関連において、以下の記述が参照されるが、ここで添付図面は次の通りである。
図１は、本発明の絞りサイクル水蒸気クライオポンプ・システムの回路図である。
図２は、本発明の冷却トラップの縦断面図である。
図３は、図２の冷却トラップの平面図である。
図４は、図２および図３の実施例に用いられているクライオポンプ面の拡大縦断面図である。
図５は、図４のクライオポンプ面の平面図である。
図６は、本発明のクライオポンプ面の変形実施例を、図５と同様に示した部分図である。
図７は、本発明のクライオポンプ面の変形実施例を、図３と同様に示した図である。
図８は、本発明の絞りサイクル水蒸気クライオポンプ・システムを、調整制御せずに作動させた場合の性能特性を示している。
図９は、自動排水クライオポンプ面を有する構成をとる、本発明のもう一つの変形実施例を、図２と同様に示した図である。
図１０および図１１は、一般気体および空気の特性を、表にしたものである。
図１２は、本発明のシステムに用いられる冷媒混合物の表である。
図１３a-cは、本発明の冷却面の変形構成例である。
好ましい実施の形態
初めに、以下の記述は、ポンプ引きされる気体として主に水蒸気を例に取りつつ、本発明を説明するものであるということに、留意されたい。水蒸気を例として選択したのは、極低温で真空室からポンプ引きされる成分の大部分は、水蒸気である場合が多いからである。ただし、本発明は、水蒸気をポンプ引きすることに限定されるわけではなく、上記に記載・引用したように、第一群気体のすべてをポンプ引きするシステムを含むよう意図されている。
図１は、本発明に従い、冷却トラップ１２を有する冷凍システム１０を、機能的に概略した図を示すものである。冷凍システム１０は、圧縮機１８（図には、三角形で表されている）を含み、この圧縮機は、低圧ライン２０から混合気体冷媒と混入潤滑油の流れを受け取り、圧縮された冷媒気体と混入潤滑油を高圧ライン２２へと送り出す。オイルセパレータ２４（図には、長方形で表されている）は、単に気体と液体を分離する濾過器でよく、圧縮混合気体と混入潤滑油をライン２２から受け取るように接続され、気体から油分を分離する役割を果たす。分離された油分は、絞り２６（例えば、毛管）を通過する流れに続いて圧縮機１８の低圧吸入口の方へ送り返され、ライン２０を通って圧縮機１８へと戻る。
油分を除去された高圧気体は、高圧ライン３０を通って、後部冷却器２８へと流れる。後部冷却器２８は、矢印３２が図示するように冷却されるが、これは空冷式でも水冷式でもよく、圧縮熱や冷却トラップ１２による吸着熱を除去する役割を果たす。冷媒混合物中の高温成分は、後部冷却器２８内で、完全にもしくは部分的に液化するが、この度合いは、循環する気体混合物に左右される。
なお、以下の記述に用いる後部冷却器２８は、空冷式のものとし、また、冷媒は、周囲温度もしくはそれに近い温度で後部冷却器２８を離れ、ライン３４を通過するものとする。また、システムに用いられる冷媒混合物が、後部冷却器２８からライン３４へと出される冷媒を、常に液化冷媒を含有しない状態で供給できるのであれば、オイルセパレータ２４を後部冷却器の排出口側に設置することも可能である。
部分的に冷却された冷媒混合物は、後部冷却器２８から向流形熱交換器３６へと流れる。この熱交換器は、高圧流経路３８と低圧流経路４０とを有しており、両者の間に、熱交換関係が成り立つ。高圧冷媒混合物は、後部冷却器２８から高圧流経路３８へと流れ、この熱交換器３６内で冷媒混合物はさらに冷却される。こうして、冷媒混合物の大部分は、流量レストリクタ４２（例えば、毛管）を通過する前に、液化する。
これにより、冷媒の圧力は減少し、冷媒混合物中の低温成分は沸騰し始める。低温低圧冷媒は、次ぎに、クライオポンプ面４４を通過して流れ（これについては後に詳述する）、およそ８５％が液体の二相混合物として、熱交換器３６の低圧吸入口へと流れ、その後、熱交換器３６内の低圧経路４０を通り、戻りライン２０を経て、圧縮機１８へと流れ帰る。
熱交換器３６内において、二相状態、即ち、部分的には液体、部分的には気体で存在する冷媒は、高圧流経路３８の流量レストリクタ４２に接近する高圧冷媒を冷却する。熱交換器３６内には、充分な表面積が与えられており、このため、冷媒は、周囲温度もしくはそれに近い温度で、低圧ライン２０に入る。従って、熱交換器と接続するライン２０および３４は、断熱を必要としない。
クライオポンプ１６への吸入口に接近し、低温のクライオポンプ面４４に接触すると、水の分子は凍結し、これにより、真空室１４内に残っている密度の低い大気から水蒸気が除去される。
冷凍システム１０は、単段式圧縮機１８を用い、熱交換器３６は単回路向流配置である。
異なる型の基本形単段冷凍圧縮機、例えば、回転型や往復型の圧縮機を、本発明に従い、システムに用いることも可能である。絞り装置４２は、前述したように、毛管であってもよいが、手動もしくは自動的に操作される絞り弁であってもよい。本発明に応用される圧縮機システムについての詳細は、１９９４年８月１６日に、本発明者に与えられた特許５，３３７，５７２号に記述されている。本特許は、参考として本願に組み込まれる。極低温冷凍システムおよび流れ配置についての更なる詳細は、本出願の譲受人が所有する１９９５年７月７日出願の合衆国特許出願番号０８／４９９，２５７に、紹介されている。
熱交換器３６の温度は、吸入口および排出口の周囲温度から、極低温、即ち、低温のポンプ成分もしくはクライオポンプ面４４に熱交換器が接続する温度までの範囲に亘るため、熱交換器をハウジング４６で包囲し、周囲環境から熱交換器３６への熱利得を軽減している。
図２および図３は、本発明の冷却トラップ１２を図示している。該冷却トラップは、フランジ４８の上に設置されており、ターボ分子ポンプまたは拡散ポンプの吸入口フランジ（図示せず）に、取り付けることができる。冷媒ライン２０、３４（図１および図２）は、室温もしくはそれに近い温度であり、このため周囲とほとんど熱交換がなく、従って、熱伝達という観点からは、圧縮機１８を、冷却トラップ・ユニット１２から、どれだけの距離でも離して設置することも可能である。自動密封部（図示せず）が、ライン２０およびライン３４を、冷却トラップ１２および圧縮機１８と接続している。ハウジング４６内の熱交換器３６は、フランジ４８に直ちに隣接するよう設置され、このフランジを通って、真空室１４（図１）からポンプ引きされた気体が流れる。冷温のポンプ面、即ち、クライオポンプ面４４は、真空室１４の内部もしくはその入口部に設置される。
熱交換器３６の高圧流経路３８は、空洞の管材でできた二つの連続同心コイルからなるが、このコイルは小さな高圧空間５０（図４−５）へと通じている。高圧空間５０内の冷媒は、その後、絞り機能を果たす毛管４２′（図１では４２）に入る。
毛管４２′は、平たくされた管５２内を伸びるが、この管５２の平たくされる前の直径は、毛管よりも大きい。外管５２は、図５に図示されているように、毛管両側の帰途流路に、充分に熱を伝達するように、平らにされている。
毛管４２′の開口端４３を出る冷媒は、今や圧力を下げており、方向を逆転して、充分に平たくされた管５２を引き返し、その後、複数の管５４に入る。管５４は、開口端５５を有しており、低圧冷媒流を伝達する。管５４は流経路３８内に設置され、熱交換器３６の低圧流経路４０に通じる。
毛管４２′と複数管５４の開口端５５は、管シート５６内に支持されるが、この管シート５６は、管５２の円形の端部（この端部以外の部分は平たくされている）を閉じる役割をも果たしており、これにより、高圧空間５０から毛管４２′に入った低温冷媒の流れは、複数管５４に入る低温冷媒の帰途流と隔離される。径違い管継手５８は、管材５２の円形端部５７と高圧流経路の管材３８とを接続するが、これにより、小さな高圧空間５０が形成され、また、毛管４２′、冷却部４４、および熱交換器３６との間に必要とされる一体的連結が達成される。
複数管５４は、その全体で図１の流経路４０に相当するが、熱交換器３６内の高圧流経路管３８を完全に満たすわけではなく、このため、複数管５４の内側、外側の両方を、冷媒は活発に流れ、その結果、図１に示されているような、効果的な向流形熱交換器３６が提供される。なお、流経路３８および４０の間に、十分な熱交換関係が維持されるのであれば、本発明は、管内管の二重構造型の熱交換器に限定されるものではない。
毛管４２′の長さおよび内径は、選択された冷媒混合物に必要とされる流量および圧力に見合うよう決定される。図４および図５に示されているように、毛管を調節するためには、防漏構造を分解しなければならない。図６は、クライオポンプの冷却部４４′の変形実施例を示しているが、この例では、毛管４２″は、平管５２の末端プラグ５３を通過して延びている。冷媒流は、第二の管６０を通って、冷却部４４′に戻るが、第二の管６０は中間毛管６２によって毛管４２″に接続されている。中間毛管６２の長さおよび内径は、選択可能であり、場合に応じてろう付けまたははんだ付けを継目に施すことにより、容易に変化させることができる。このため、特定の冷凍機に所望される性能特性を満たすよう、システムに用いる絞り毛管を、様々に選択し、調整することが可能となる。第二の管６０もまた、その内寸により毛管としてもよいが、必ずしも毛管とする必要はない。管６０もまた毛管である場合、絞り装置としての性能は、管４２″、管６２、管６０の３つの要素で定まる。
管３８内に管５４を有する構造は、冷却トラップ１２の中で終わり、低圧気体および液体は、高圧経路から隔離され、圧縮機１８へと繋がる低圧ライン２０を通って、冷却トラップ１２を出る。
図２および図３が示すように、クライオポンプの冷却面４４は、熱伝導率の低い構造部材６４によって、ポンプ１６の円形の入口フランジ４８の開口部内に支持されている。冷却部４４は、熱伝導板６６上に設置されるが、この熱伝導板６６には穴６８が設けられており、水蒸気の凍結面積を増大する必要がある場合には、追加の面を穴６８にボルト止めすることができる。
図２に解りやすく示されるように、ハウジング４６は、フランジ４８の半径方向開口７２内にはめ込まれた管材７０によって、フランジ４８と接続されている。径違い管継手５８は、そこに接続されているクライオポンプの冷却部４４全体と共に、ブッシング７４に支持されるが、このブッシング７４は、管材７０内で径違い継手５８の周囲にはめあいで組み込まれており、ハウジング４６とフランジ４８との間に、防漏結合を作り出している。
ブッシング７４を貫通する穴７６が、真空室１４の内部真空と熱交換器ハウジング４６の内部空間７８とを連結している。ブッシング７４の軸方向の長さは、真空室と管材３８の端部（ポンプ吸入部の取り付けフランジ４８に隣接する部分で、内管５４を含む）との温度勾配を考慮して定める。真空で、低い脱ガス特性を有する物質（例えばステンレス鋼）が、ブッシング７４に適している。
オリフィスや絞り弁を用いた絞り装置４２の変形実施例、およびその他の流量調整は、前述した特許出願に記載されている。
本発明における冷却トラップ１２の変形実施例（図７）も、図２〜図５に示された冷却トラップ１２とほぼ同様ではあるが、クライオポンプの冷却面４４が、汎用取付けフランジ８０に接続している点で異なる。このため、装置１２′は、どのような真空室または流路内に取り付けることも可能であり、前記に記述され図示された実施例の装置ように、特にターボ分子ポンプまたは拡散式ポンプの吸入口への取り付けを目的とするものではない。フィンまたは板の形状をした冷却部４４の拡張部については、図７には示されていないが、そのような応用を施し、水蒸気の凍結面を拡大することもできる。さらに、ブッシング７４′は、開口や貫通穴７６を有しておらず、このため、真空が熱交換器ハウジング４６内に維持される可能性はあるが、この真空は、クライオポンプの冷却端面４４が設置されている真空室の真空とは、全く分離されている。従って、図７および図８の冷却トラップは、様々な設備に適合できる。
熱交換器３６が、分離した真空内に隔離されていない場合、管材３８、４０の熱交換面は、室温（周囲温度）からクライオポンプ面４４の低温までの温度となるため、気体のポンプインパルスを遅らせる可能性がある。気体は、中間温度で熱交換器３６上に凍結するかもしれず、その後、長時間にわたって放出されるかもしれない。例えば、水は１２４Ｋにおいて、１×１０-11トルの蒸気圧を有する。このことは、１×１０-11トルの圧力において、冷却面にぶつかりそこに付着する水分子の割合は、同じ冷却面から昇華する水分子の割合に等しい、ということを意味している。冷却パネルを取り巻く水蒸気の圧力が、１×１０-11トルよりも大きい場合は、その圧力に比例して、表面に凍り付く水の割合は昇華する水の割合を超える。
水蒸気が高圧で、熱交換器３６の周辺にほんの少しの時間でも入るなら、水はより高い温度（冷却部４４よりも高い温度）で熱交換器３６上に凍結する可能性がある。その後、高かった水蒸気圧が減少しても、真空室内の圧力が、直ちに最初の低圧に戻ることはない。何故なら、水は、今度は熱交換器３６上の高い温度面から昇華しているからである。
同じような遅れは、水蒸気をポンプ引きする際に真空室内に存在するその他の種類の気体（例えばＣＯ2）についても起こり得る。このため、冷却面４４を特別に限定された範囲の温度内に維持し、熱交換器から隔離することは、有益である。HonigとHookの蒸気圧力曲線（ＲＣＡ  レビュー２１，３６０、１９６０年）は、多くの一般気体（図１０）についてのデータを提供している。水は、ＣＯ2を約１×１０-4トルより大きい圧力でトラップせずに、１×１０-11トル未満の圧力で好ましくトラップされる第一群気体の一例である。水を１×１０-11トル未満に保つためには、１３０Ｋよりも低いクライオパネル温度が必要とされ、ＣＯ2を１×１０-4トルより大きい圧力で保持することを避けるためには、９８Ｋよりも高いクライオパネル温度が必要とされる。従って、クライオパネル温度が、熱負荷のない状態で９８Ｋよりも高く、最大熱負荷を与えた場合に、１３０Ｋよりも低くなるよう、冷媒混合物および作動圧力を選択することができる。
図８は、いくつかの異なる冷媒混合物についての試験結果を示すが、混合物＃３の温度範囲は、熱負荷がない場合の１０３Ｋから、最大熱負荷を与えた場合の１２０Ｋに亘ることを例証している。実用的な観点からは、混合物＃１および＃２も有用である。なぜなら、２００ミリメートル吸引の冷却トラップは、典型的におよそ５ワットの最小熱負荷を有しており、従って、クライオパネルの温度は１００Ｋよりも高くなり、ＣＯ2は集積しないからである。
この例は、真空室から空気をポンプ引きするにあたり、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）を用いることに纏わる問題点を示している。図１１に示されているように、空気は、０．０３１４％のＣＯ2含んでいる。真空排出過程おいては、典型的に、冷却トラップおよびターボ分子ポンプへのゲート弁を開いて圧力をさらに低く下げる前に、荒引きポンプを用いて、真空室の圧力を１気圧（７６０トル）から０．３トル未満に減少させる。全圧０．３トルにおいて、ＣＯ2の分圧は１×１０-4トルである。クライオパネルの温度がほんの僅かでも９８Ｋより低くなれば、ゲート弁が最初に開かれる際、クライオパネルはおよそ１×１０-4トルの圧力で、ＣＯ2を凍結させてしまう。最初の圧力０．３トルよりも、真空室の圧力が遙かに低く下がった後、クライオパネル上で凍結しているＣＯ2は、ゆっくりと蒸発し始め、全てのＣＯ2が昇華しきってしまうまで、真空室が最低圧力に達することを妨げる。高圧でクライオポンプ上に凍結し、その後、低圧で昇華する気体をポンプ引きすることに関する、このような時間的遅れを、この分野では、「クランピング」と呼んでいる。
このような問題は、ＧＭ式冷凍機で冷却される冷却トラップにおいては、温度センサー、ヒーターおよび温度調節器を付け加え、冷却トラップの温度を１００Ｋより高く保つことにより、典型的に、回避されてきた。本例のような場合に、混合物＃３のような、作動温度が９８Ｋから１３０Ｋの範囲の冷媒混合物を選択することの利点は、温度調節器に要する費用を削減できることである。
水とＣＯ2は、一方の気体をポンプ引きしながら、他方の気体を排除するという場合の、最も一般的な気体であるが、その他にも、この原理を適用できる組み合わせは存在する。例えば混合物＃４は、１０-10トル未満の圧力でＩ2をポンプ引きし、１０-4トル未満の圧力でＳＯ2をポンプ引きしないために用いられる。
熱負荷がない場合と、最大熱負荷を与えた場合の冷媒混合物の温度範囲は、２０Ｋであることが望ましいとされるが、気体の組み合わせによっては、この範囲を超える場合もある。本質的に重要なのは、温度調節器を用いずに、所望の気体をポンプ引きし／ポンプ引きしないことができるよう、冷媒混合物を選択するということである。
冷媒混合物＃１−＃４の成分は、表３（図１２）に示されている。
従って、閉冷凍サイクルにおいては、冷却板の温度を特別に限定された温度範囲内で提供できるよう、冷媒気体混合物および作動圧力を選択することが望ましい。例えば、８０Ｋ〜１６０Ｋの間で、おのおのの場合の温度幅がおよそ２０Ｋであるように、範囲を選択できる。既に述べたように、図８は、冷却トラップに使用するよう意図された冷媒混合物についての試験結果であるが、冷却面４４で計測された温度を、熱負荷との関連において示している。
試験中、冷媒混合物の構成を変化させ、圧縮機１８への戻り圧（冷媒ライン２０）を変えることにより、制限された範囲内で、作動温度の調整は可能であった。圧縮機１８への戻り圧は、概して、およそ０．１Ｍｐａから０．５Ｍｐａの範囲であり、供給圧は、およそ１．５Ｍｐａから２．５Ｍｐａの範囲であった。
上述の実施例において示してきた冷却クライオポンプ面４４は、非常に制限されたものであるが、次のようなその他の実施例もまた、本発明の趣旨に沿うものであることが、理解されよう。即ち、より高い水蒸気のポンプ速度を提供するという目的のために、絞り装置４２（毛管でも、オリフィスでも、拡張弁でもよい）を通過して流れる冷媒が、より大きな真空室の中に配列された冷却管の中を循環するようにしてもよい。また、冷却管を拡張し、真空室内における工程とは別個の水源に、冷却管を接近させることも可能である。
冷凍システム１０から要求される冷却量は、その他の条件が同一であれば、冷却ポンプの表面積に比例する。例えば、水の薄い凍結層を表面に有する冷却面は、入射する室温放射をほとんど全て吸収する。従って、管材を分配して冷却表面積を拡張する場合、以下のことを認識しておく必要がある。例えば、汚れた部屋の室温において、氷に覆われた１２０Ｋの表面上の熱負荷は、およそ４５０ワット平方メートルであることが解っている。こうしたことから、圧縮機の容量は、凍結すると予想される水蒸気と関連づけられるだけでなく、真空室で作り出される著しく低い表面温度に鑑み、管材へと流れる放射エネルギーにも関係することが理解される。
これまでに述べてきたそれぞれの実施例において、ハウジング４６内の熱交換器３６は、真空室および冷却要素４４と直ちに隣接する位置に設置されているが、このことは、遠く離れた圧縮機と冷却トラップとの間に、室温の接続ラインを用いることを可能とするという点で、重要な意義がある。
知られているように、クライオポンプの冷却面４４上に凍結した気体は、取り除かれねばならないが、これは、冷却トラップを霜取りし、液化して表面から落ちる水を集めることにより、達成される。
図９は、本発明の冷却トラップ１２″に関するもう一つの実施例を示している。その構造は、平管５２に接続する板６６の下に、水受け皿８２が取り付けられているという点を除けば、図２に示す構造と同様である。排水管８４が、受け皿８２と排水弁８６（熱交換器３６の閉じたハウジング４６の外側に位置する）との間に、水液の流れ路を提供している。
システム１０の霜取りサイクルの間、クライオポンプ面で凍結した蒸気は溶け、水滴は受け皿８２にしたたり落ち、排水弁８６を開くことにより排水される。
霜取りの間、クライオポンプ表面から落ちる水を効果的に集めるために、クライオポンプ面を、排水管８４の方向に、水平からほんの少しだけ傾けることもできる。また、水受け皿は、水を排水管８４の入口に導くよう、傾斜した底面を有してもよい。本発明の更なる実施例においては、クライポンプ面４４の下側から、排水管８４の入口までの間に、浸出芯材（図示せず）を用いて、排水効果を高めてる。
図５における毛管４２′は、平管５２の中心に位置しているが、変形実施例として、その他の配置（例えば、図１３a-c）も、効果的に用いることができる。管材５２を、平たくする目的は、冷媒流の速度を上げるとにより、熱伝達を増進することにある。なお、これらの変形実施例が示す新しい配置を用いた場合、絞り装置４２は、熱交換要素の機能をも果たすことになる。
これまで述べてきたことを要約すれば、閉サイクル蒸気圧縮システムにおいて、選択された混合冷媒を用いることにより、広範囲の熱負荷に亘って、例えば、温度幅およそ２０Ｋ未満という比較的狭い範囲の極低温で、真空室からの水蒸気ポンプ作用が提供される。なお、この場合、所望の容量範囲に合わせて、システムの冷媒絞り装置を調整する必要はない。異なる冷媒混合物を用いれば、限定された範囲において異なる温度に対応できる。向流形熱交換器を、クライオポンプ面および冷媒絞り装置の直ぐ隣りに設置することにより、およそ室温の冷媒ラインを用いることが可能となり、遠く離れた圧縮機と熱交換器との間を断熱する必要がなくなる。
上述した本発明の諸目的は、先に示した説明により有効に達成されるが、本発明の精神と範囲とを逸脱することなく、上記構成を変更することは可能であり、前記説明または添付図面に示される内容の全ては、例示説明のためのものであり、本発明を限定するものではない。
また、下記の請求の範囲は、ここに説明された発明を、包括的および特殊な特徴を漏れなく記載するよう意図されており、本発明の範囲についての全ての記述は、言葉の問題として、上記特徴の中に含まれる。
【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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【図６】
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【図７】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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