22型クライオポンプの省エネ化
村山吉信 ・鹿野寛貴 ・遠藤裕丈 ・原山俊夫 ・高橋康司
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22-inch Cryopump that Achieves Both Cost Reduction and Energy Saving
Yoshinobu MURAYAMA , Hiroki SHIKANO , Hirotake ENDO ,
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Toshio HARAYAMA , Kouji TAKAHASHI＊1＊1

Engineering Department, ULVAC CRYOGENICS Inc, 1222-1 Yabata, Chigasaki, Kanagawa, 253-0085, Japan＊1

The size of the glass substrate of organic light emitting diode（OLED）vapor deposition equipment
has increased, the mainstream has changed from the conventional G6H to G8H, and the vapor
deposition equipment has also become larger. Therefore, the cryopump used as a high vacuum
pump will also be increased in size from 20 inches to 22 inches, and the pumping speed will increase.
Introducing the history of the development of the 22-inch cryopump and the technology that realizes
both cost reduction and energy saving of the cryopump system that will be adopted in the G8H in
the future.
プメーカへの要求項目としては，性能，品質，コスト，1.

はじめに省エネルギー，調達のしやすさである。排気性能は当然のことながら，コストと省エネルギーについては使有機EL（OLED）用蒸着装置はガラス基板サイズ

用する台数を考慮すると強く要求されることが想定さが大型化しており，従来のG6H（1500×900 mm）かれる。ここではクライオポンプの排気性能を維持しつらG8H（2250×2500 mm）へ主流が変わり，蒸着装置つ，コスト削減と省エネルギー化を両立した技術につも容積比で 2 倍になると云われている。そのため，高いて紹介する。

真空排気用ポンプとして使用されるクライオポンプも20型からさらに排気速度の大きい22型へと大型化する。
G6Hの装置では20型クライオポンプを 1 装置当たり約140台使用したので，G8Hの装置では約200台のクライオポンプを使用することが予想される。クライオポン

Fig.1

＊1

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Generation of 22 inch cryopump

アルバック・クライオ（株）（〒253-0085 神奈川県茅ケ崎市矢畑1222-1）

2.

22型クライオポンプの世代移行の推移

22型クライオポンプの世代移行の推移をFig.1，製品仕様をTabel 1，外形図をFig.2，3，4に示す。

Table 1

Fig.2

Specification of 22 inch Cryopump series

External drawing of CRYO-U22H

第一世代

Fig.3

External drawing of CRYO-U22B

を使用して開発された。現在もポンプの排気性能とし光学用途や電子部品の蒸着装置に使用される「CRYO-ては22型のシリーズでは最も大きな性能を有している

U22H」が1988年にアイシン製のスターリング冷凍機

こともあり，エンドユーザー，セットメーカからの要の代わりにGM（ギフォード・マクマフォン）冷凍機求に応えるため，日本国内で生産され，使用されていMarch/2023 No.85

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U22B」，L型（横型）として「CRYO-U22BL」を開発した。
2 機種とも海外子会社で生産可能で，「CRYO-U22B」
はARコーティング用の蒸着装置等に使用されている。
「CRYO-U22BL」は，業界では初めて22型クライオポンプで横型クライオポンプとなる。省スペースにクライオポンプを搭載することが可能となり，OLED装置に採用され始めている。冷凍機とコンプレッサが各1 台のため，「CRYO-U22H」と比較すると，消費電力が40％削減されている。
第三世代
2016年にG6HのOLED装置用として20型クライオポンプ「CRYO-U20BL」を開発し，コンプレッサの半減を実現した。これにより販売コストを抑えつつ，装置使用中のエネルギーを削減することに貢献した。
Fig.4

External drawing of CRYO-U22BL

コンプレッサ 1 台でクライオポンプ 2 台を運転するシステムで，前述した「RM120ET」冷凍機を使用し，コンプレッサから供給されるヘリウム流量が半減しても使用上で耐えうる性能を有していることを顧客評価る。

で確認した。

当時としては， 2 段式冷凍機で最大性能を有する

G8HのOLED装置でも同じ論法でコンプレッサを半「R50冷凍機」をポンプ 1 台に対して 2 台搭載し，冷減する方向で対応が迫られることは必至であり，先ん凍機 1 台に対して「C30コンプレッサ」 1 台使用するじて開発を着手している。コンプレッサを半減するに構成としていた。つまり，ポンプ 1 台に 2 台の冷凍機，は，冷凍機の効率を向上させ，性能を向上させる必要2 台のコンプレッサを使用している。

がある。単純に冷凍機の膨張室の容積を大きくすれば比例して冷凍能力は大きくなるが，冷凍機で使用する第二世代

ヘリウム流量が増加するので，既存のコンプレッサで光学用途の蒸着装置の市場全体が海外シフトしていは賄えなくなることが想定される。そのため冷凍機のく中，海外との貿易に関して，安全保障上の制限が課開発と並行してコンプレッサも新規開発の必要がある。

せられる。
N2に対する排気速度15000 L/s以上を有する「CRYOU22H」は安全保障上で該当品の位置付けとなり，海第 3 世代として，22型クライポンプの 2 台マルチシステム（冷凍機とコンプレッサ）を開発することになった。

外への輸出は経済産業省の許可が必要で，審査に要する時間と短納期で依頼がくる顧客納期を勘案すると，出荷することは事実上困難な製品となった。海外の顧3.

クライオポンプに使用する冷凍機

客要求に応えるため，非該当品で高性能，且つ保守費

クライオポンプは冷凍機の 1 段ステージと熱的に繋用が抑えられた22型クライオポンプを開発する必要性がっている80 Kシールド・80 Kバッフルが130 K以下，が生じた。

2 段ステージと熱的に繋がっている15 Kクライオパネ
ルは20 K以下に維持し，真空槽内から入射してくる

性能はN2に対する排気速度が15000L/sを下回り，H2Oに対する排気速度は「CRYO-U22H」と同じ性能を有する。保守費用を抑えるために，これまでの「R50冷凍機」の 2 倍の性能を有する「RM120ET」冷凍機

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分子をクライオポンプ内部のそれぞれの場所でガスを選択的に排気する。
80 Kシールドと80 Kバッフルでは主にH2O，15 Kク
ライオパネルではN2，O2，Ar，H2を排気する。

を開発し，ポンプ 1 台に冷凍機 1 台，コンプレッサ 1

クライオポンプ内部の各部品を所定温度以下に維持台のシステムを実現した。2015年に縦型として「CRYO-するためには十分な冷凍能力が必要となる。クライオFig.5

Heat source entering cryopump

ポンプへの入熱は，分類すると放射熱とガスによる熱残りの 5 ％の熱を吸熱している。

伝導による入熱があり，蒸着装置での主な入熱は放射

但し，昨今の顧客はクライオポンプを再生する閾値熱である。放射熱は放射率，表面積，温度の 4 乗に比として 2 段温度を20 Kとせずに，17 K，15 Kといっ例する。放射率は表面状態に依存し，装置の表面仕上た低温に設定する場合が多い。装置運用上で，より早げが良い状態においても，大きな空間はクライオポンめに再生する傾向があり，再生周期を維持するには冷プの吸気口から光学的に見た場合に放射率が大きくな凍機の 2 段性能も大きくする必要がある。

る。また，温度に関しては室温面（300 K）と極低温面（20 K）の温度差は280 Kと大きい。対向する面が室温面でも大きな熱負荷となる。さらにプロセス上で4.

冷凍機システムの性能向上の目標

基板を加熱した時の放射熱が加わると，冷凍機が処理第二世代で使用した「RM120ET」冷凍機と「C30しうる入熱を超える可能性があるので，通常は熱反射PVRT」コンプレッサとの組合せ（シングルシステム）板をクライオポンプの前面に複数枚置いて熱対策を行の冷凍能力は，22型クライオポンプ「CRYO-U22B」っている。クライオポンプへ入る熱源をFig.5に示す。

「CRYO-U22BL」の性能を十分に満足し，実機装置一方，排気口の開口面積に対して熱反射板の面積，においても問題なく使用できている。そのため，開発

排気口から熱反射板の距離によっては，コンダクタン目標としては， 2 台マルチシステムにおいても， 1 台スが小さくなり，排気速度を低下させる原因になる。

当たりの冷凍能力が，シングルシステムと同性能 1 段

そのため熱対策と排気速度はトレードオフの関係にあ120 W/80 K， 2 段15 W/20 Kを有することとした。

る。クライオポンプの性能を最大限に引き出すためには大きな性能を有する冷凍機を使用して熱反射板と排気口の間口のコンダクタンスを大きくする必要がある。

5.

クライオポンプシステムの設計方針

22型クライオポンプは，80 Kバッフル，80 Kシー

22型クライオポンプ「CRYO-U22B」「CRYO-U22BL」

ルドが20型よりさらに大きな面積を有するため入熱もの設計は完成されているので，冷凍機の変更により排大きい。すなわち冷凍機の 1 段ステージの性能が重要気に関係する要素部品である80 Kバッフル，80 Kシ視される。 1 段ステージへ大きな熱が入っても 2 段スールド，15 Kクライオパネルの基本構造を変更せず，テージが温度上昇しない冷凍機が望まれる。実際，ク既存の冷凍機から新型冷凍機の置き換えを行うこととライオポンプに入る熱を冷凍能力の大きい 1 段で95％した。冷却性能が維持されていた場合には，原理的に以上の熱を吸熱し， 1 段に対して相対的に冷凍能力の排気速度，排気容量は変化しない。冷凍機の変更でク小さい15 Kクライオパネル（ 2 段）への入熱を低減し，ライオポンプの性能に影響を与える項目は，冷却時間，March/2023 No.8535最大流量，交差圧力となるが，冷凍能力が同性能の場

らはポペット式のバルブで，ディスプレーサの運動タ合には，上記 3 項目も変わらないので，冷凍能力が同イミングと同期しており，ディスプレーサの位置に合性能とし，クライオポンプの性能が変わらないことがわせてバルブの開閉タイミングが決められている。こ理想である。の開閉タイミングは，ディスプレーサ内部で熱交換する蓄冷材の圧力損失や膨張室の大きさといった要素を6.

冷凍機の設計方針

6.1 冷凍機膨張室考慮して決定される。
新型機は膨張室で使用するヘリウムガス量は増加するので，コンプレッサから大量のヘリウムガスを冷凍

2 段の膨張室を現行より約34％大きくし， 1 段の膨機に供給できるようにバルブの開閉タイミングを設定

張室は現状維持とした。大型装置に使用される20 mすることが良と考える。しかし，最小の開時間で最大以上の長尺のフレキホースと大型コンプレッサの採用性能が得られるバルブタイミングをシミュレーション

により冷媒であるヘリウムガス量が期待されるため，で見出した。この調整により，適切なガス量で冷却性1 段の膨張室は変更しなくても性能は現状維持ができ能が得られるため，コンプレッサの負荷を抑え，消費ると想定した。そのため 2 段性能を向上させるために電力を低減することが可能になる。

2 段の膨張室容積を大きくすることとした。
6.4
6.2 シール構造
GM冷凍機は， 1 段・ 2 段とも断熱膨張で低温に冷却したヘリウムガスが，室温，又は 1 段温度と混合しないようにシールを使用して各部の温度を維持している。

新型冷凍機の試験結果「RM120ET」冷凍機と新型機「RM150ET」冷凍機の性能試験結果をTable 2に示す。 1 段は11％， 2 段は27％性能が向上した。
RM150ETは 2 段の膨張室が大きくなっているため，ヘリウムガスの流量不足が想定されていた。そのため当社の従来型クライオポンプ用冷凍機の 2 段側のシコンプレッサの運転周波数60 Hzを標準とし，50 Hzールの構造はピストンリング方式で，物理的にシリンの時より凡そ1.2倍のヘリウムガスを供給できるようダーとディスプレーサにシールリングを一定の面圧でにしている。

接触してシールしている。しかし，新規設計は膨張室が大きくなっているので，ピストンリング方式を採用した場合にシールの周長が長くなり，シール性に懸念

Table 2

C omparison of refrigerator system in single
operationがある。そのため 4 K冷凍機ですでに採用している，ディスプレーサの外径とシリンダーの内径の間に狭い空間を設けて，そのクリアランスのコンダクタンスを小さくして，流体の流れを制限するクリアランスシールを採用した。メリットとしては設計的にボア径を変更してもクリアランスが所定の範囲に設計されていればシール性は担保される。また，寿命が長いことがあげられる。デメリットとしては，コストが高いことである。熱収縮率の関係でディスプレーサをシリンダー7.

コンプレッサの設計方針と同じ金属材料にして，低温時もクリアランスを一定

冷凍機の膨張室が大きくなったため，従来よりも大に保つ必要がある。ディスプレーサを金属材料で精密量の冷媒であるヘリウムガスが必要となる。冷凍機 2に製作し，金属同士の接触防止のためコーティングす台を 1 台のコンプレッサで運転するため，さらに必要る。従来は安価な樹脂でディスプレーサを製作してい性が増す。

たので，否応なしにコストは上昇する。

冷凍機の性能は基本的には差圧と膨張室の容積で決定され，そこから各種の熱損失を差し引きしたものと6.3 バルブの開閉タイミング

36なる。

冷凍機は膨張室で断熱膨張するため，機械的なバルヘリウムガス量が少なければ冷凍機の基本性能を決ブを内蔵している。コンプレッサから供給されるガス定する差圧が小さくなり，性能は向上しない。そのたを吸入する吸入バルブと断熱膨張後にガスをコンプレめコンプレッサを大型化して冷凍機にさらに大量のヘッサに戻す排出バルブをそれぞれ搭載している。これリウムガスを供給する。従来のコンプレッサと同様に

Table 3 Comparison of refrigerator system in Multiple operation Performanceper cold headスクロール型のヘリウムコンプレッサではあるが，標ている。 1 段性能は同じ， 2 段性能は14％シングルシ準的にインバータ駆動が可能であり，運転周波数60ステムより劣っている。但し，クライオポンプ 1 台当Hzを標準とすることが可能となる。フレキホースのたりのエネルギーの使用量は30％低減され4.2 kWとな長さと充填圧力の調整で，コンプレッサの吸込み圧力った。

を上げると，従来比で最大 2 倍の流量を確保できるコンプレッサを採用している。但し，コンプレッサ本体には許容される運転圧力範囲があり，その範囲内で運8.

現状の結果について用しない限りコンプレッサの信頼性は担保されない。

マルチシステムにした場合，供給されるヘリウムガ

つまり，仮に吸込み圧力を上げたとしても，吐出圧ス量が低下するため，冷凍能力が低下するのは物理的力に上限があるため，上限値に達しない範囲で運用すな現象であり，止むを得ないところがある。しかし，る必要があるという制約化での使用となる。

コンプレッサを新型機に変更することで性能低下率を新型「RM150ET」冷凍機 2 台と新型「C100L」コ14％に抑え，且つ冷凍機のバルブタイミングの調整でンプレッサ 1 台の組み合わせと従来のシングルシステ消費電力を30％削減したことは成果があったといえる。

ムとの性能試験結果の比較をTable 3に示す。

再度，それぞれのディメンジョンの最適解を見出して新型のシステムは，冷凍機 1 台当たりの性能を示し目標達成を目指す。

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