特表 2023-502902 クライオポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-26

(54)【発明の名称】クライオポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 19/04 20060101AFI20230119BHJP

【ＦＩ】

F04D19/04 G

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022527164

(86)(22)【出願日】2020-11-06

(85)【翻訳文提出日】2022-05-11

(86)【国際出願番号】 IB2020060471

(87)【国際公開番号】W WO2021094886

(87)【国際公開日】2021-05-20

(31)【優先権主張番号】1916358.3

(32)【優先日】2019-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517316096

【氏名又は名称】エドワーズ バキューム リミテッド ライアビリティ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100170634

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 航介

(72)【発明者】

【氏名】カセロ ジョン ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】マホーニー ポール ケイ

(72)【発明者】

【氏名】スザレック ジェラルド エム

【テーマコード（参考）】

3H131

【Ｆターム（参考）】

3H131AA03

3H131BA01

3H131CA01

3H131CA31

3H131CA35

(57)【要約】

クライオポンプは、前面開放部を有する容器であって、前面開放部は容器への入口を含む容器と、輻射シールドと、容器内に延びる２段冷凍機であって、この冷凍機の第１ステージは輻射シールドに熱的に結合される２段冷凍機とを備える。第１ステージのアレイは容器内に配置され、同様に第１ステージの冷凍機と熱的に結合される。クライオパネル構造体は、冷凍機の第２ステージに結合される。第１ステージアレイは、入口からの距離が増加するように配置された複数の要素を備え、入口に最も近い要素は、クライオパネル構造と入口との間にあり、入口から遠い要素は、中心部を貫通する通路を有する。入口に最も近い要素は、入口から遠い要素よりも小さい外周を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

クライオポンプであって、
前面開放領域を含む容器であって、前記前面開放領域は前記容器への入口を含む、容器と、
輻射シールドと、
前記入口から離れた側壁の部分で前記容器の側壁の中に延びる２段式冷凍機であって、前記側壁の部分は、前記入口よりも前記容器の閉鎖端に近い点であり、前記冷凍機の第１ステージは、前記輻射シールドに熱的に結合される、２段式冷凍機と、
前記容器内に配置され、前記冷凍機の前記第１ステージに熱的に結合された第１ステージアレイと、
前記冷凍機の第２ステージに結合されたクライオパネル構造体と、
を備え、
前記第１ステージアレイは、前記入口からの距離が増加するように配置された複数の要素を備え、前記入口に最も近い要素は、前記入口と前記クライオパネル構造体との間に位置し、前記入口から遠い要素よりも小さい外周を有し、前記入口から遠い要素の各々は、中心部を貫通する通路を有する、クライオポンプ。

【請求項2】

前記クライオパネル構造体は、最も広い点での直径が前記容器の直径の７０％未満であり、好ましくは５５％未満である、請求項１に記載のクライオポンプ。

【請求項3】

前記冷凍機は、前記入口から前記容器の長さの少なくとも６０％の距離にある前記側壁の部分で前記容器の中に延びる、請求項１又は２に記載のクライオポンプ。

【請求項4】

前記クライオパネル構造体は、前記容器の長さの７０％より大きい長さを有する、請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項5】

前記第１ステージアレイは、マウント要素に取り付けられており、前記マウント要素は、前記第１ステージ冷凍機及び前記第１ステージアレイの前記複数の要素の各々に結合された熱伝導性材料から形成されている、請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項6】

前記クライオパネル構造体の一端は、前記第１ステージアレイの中に延び、前記要素の少なくとも１つは、さらに前記入口から前記クライオパネル構造体の前記一端の外周を囲むようになっている、請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項7】

前記第１ステージアレイの隣接する要素は、前記入口に最も近い前記要素の少なくともいくつかに関して、１つの要素の外周が、前記ポンプ入口からさらに離れて位置する後続の要素の内周と実質的に等しいか、又は小さいように構成される、請求項１から６のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項8】

前記第１ステージアレイは、実質的にイグルー形状を有し、前記要素は、同心円状であり、前記入口に最も近い前記要素は、最小の外周を有し、後続の複数の要素は、前記入口からの距離とともに増大する大きさの外周を有する、請求項１から７のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項9】

前記要素は、実質的に平らであり、前記入口に最も近い要素は、ディスク形状を有し、後続の要素は、リングである、請求項１から８のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項10】

前記入口に面する前記要素の前記表面は、前記入口の平面に対して０度から３０度の間の角度を成し、前記平面に対して平行であるか、又は前記入口に最も近い表面が前記輻射シールドに面するように傾斜している、請求項１から９のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項11】

前記第１ステージアレイは、マウント要素に取り付けられており、前記マウント要素は、前記第１ステージ冷凍機及び前記第１ステージアレイの前記複数の要素の各々に結合された熱伝導性材料から形成されている、請求項１から１０のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項12】

前記入口から最も遠い前記第１ステージアレイの前記要素は、前記冷凍機の前記第１ステージの最も近くに取り付けられ、前記入口に最も近い前記第１ステージアレイの表面は、前記容器の中に５から１５％の間で入る、請求項１から１１のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項13】

前記第１ステージアレイは、前記容器の中への５と１５％の間の点から、前記容器の中への２５から４０％の間の点まで延びる、請求項１２に記載のクライオポンプ。

【請求項14】

前記クライオパネル構造体は、中心軸から延び、少なくとも１つのテーパー端部を有する実質的に円筒形の外皮を有する複数のパネルを備え、前記少なくとも１つのテーパー端部のうちの１つは、前記第１ステージ入口アレイの中に延びる、請求項６に記載の，又は請求項６に従属する場合は請求項６から１３のいずれかに記載のクライオポンプ。

【請求項15】

前記第１ステージアレイの中に延びる前記クライオパネル構造体の一部は、前記クライオパネル構造体の少なくとも２０％、好ましくは少なくとも３０％を構成する、請求項１４に記載のクライオポンプ。

【請求項16】

前記輻射シールドは、実質的に円筒形であり、前記冷凍機に結合するために前記シリンダの中に延びる平らな部分を備え、前記平らな部分は、前記シリンダの直径の８％未満、好ましくは６％未満だけ前記シリンダの中に延びる、請求項１から１５のいずれかに記載のクライオポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の分野は、クライオポンプに関し、特に、水蒸気などのＩ型ガスを捕捉するための温度の第１ステージと、窒素などのＩＩ型ガスを捕捉するための及びいくつかの実施形態では水素などのＩＩＩ型ガスをクライオ吸着するための低温の第２ステージとを有する２段式クライオポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

２段式クライオポンプは、４から２５Ｋの範囲で動作する低温の第２ステージクライオパネルアレイで形成されており、これはチャコールなどの捕捉材料でコーティングすることができる。このクライオパネルアレイは、一次ポンプ表面として機能し、４０から１３０Ｋの温度範囲で動作し、低温アレイに輻射シールドを提供し、これらのガス分子をシールドに接触する場所で捕捉することによって水蒸気などのＩ型ガスから遮蔽する第１ステージ輻射シールドによって取り囲まれている。

【0003】

輻射シールドはポンプハウジング内にあり、クライオパネルアレイと排気室との間に位置する入口を除いて、通常、閉鎖されている。この入口は、第１ステージの前面クライオパネルによって部分的に隠されており、クライオパネルは、輻射シールドと熱的に結合され、水蒸気などの高沸点のＩ型ガスのポンピング部位として機能する。

【0004】

動作時、ガスが入口からポンプ容器に入ると、水蒸気などのＩ型ガスの少なくとも一部は、前面アレイ上で凝縮される。低沸点ガスは、前面アレイを通り、輻射シールド内部に入る。一方で、水素、ヘリウム、ネオンなど、４Ｋでかなりの蒸気圧を有するＩＩＩ型ガスは、第２ステージのクライオパネルを覆う、活性炭、ゼオライト、分子ふるいなどの吸着剤で吸着される。

【0005】

このように、排気室からポンプに流入するガスが捕捉され、真空は、ポンプ容器の中に発生する。クライオポンプの１つの問題点は、動作時、ガス分子が捕捉面で飽和状態に達し、捕捉能力が低下することである。従って、クライオポンプは、定期的に再生して、捕捉したガス分子を放出する必要がある。

【0006】

クライオポンプを設計する場合に考慮すべき競合要因があり、ポンプへのガスの高い伝導性はポンプ速度を改善するが、クライオパネルの熱負荷を軽減するための熱輻射からの及びＩ型ガスからの、第２ステージクライオパネルの何らかの遮蔽をもたらすことが好都合である。クライオパネルに到達したＩ型ガスは、クライオパネルの上で凝縮し、ＩＩＩ型ガスがクライオア吸着されるのを妨げる。さらに、長鎖炭化水素などの一部のＩ型ガスは再生時にアレイ表面から離れないため、ポンプの残存寿命を通してポンプ性能の低下をもたらす。しかしながら、ガス分子からのクライオパネルの遮蔽は、伝導性の低下をもたらす。

【0007】

国際公開第２０１９／０９９７２８号には、これらの要因のいくつかが、クライオパネルのための遮蔽を提供するイグルー形状の前面アレイで対処された２段式クライオポンプが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】国際公開第２０１９／０９９７２８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ＩＩ型及び／又はＩＩＩ型のガスに対する高い伝導性を有し、さらにＩ型のガスからの第２ステージ表面の効果的な遮蔽を有する２段式クライオポンプを提供することが望ましいであろう。

【課題を解決するための手段】

【0010】

第１の態様は、クライオポンプを提供し、クライオポンプは、前面開放領域を含む容器であって、前面開放領域は容器へ入口を含む容器と；輻射シールドと；入口から離れた側壁の部分で容器の側壁の中に延びる２段式冷凍機であって、側壁の部分は、入口よりも容器の閉鎖端に近い点であり、冷凍機の第１ステージは、輻射シールドに熱的に結合される、２段式冷凍機と；容器内に配置され、冷凍機の第１ステージに熱的に結合された第１ステージアレイと；冷凍機の第２ステージに結合されたクライオパネル構造体と、を備え、第１ステージアレイは、入口からの距離が増加するように配置された複数の要素を備え、入口に最も近い要素は、入口とクライオパネル構造体との間に位置し、入口から遠い要素よりも小さい外周を有し、入口から遠い要素の各々は、中心部を貫通する通路を有する。

【0011】

本発明者は、ＩＩ型及び／又はＩＩＩ型ガスを効果的に捕捉するために、これらのガスが良好な伝導性で第２ステージのクライオパネルに到達する必要があるという点で、クライオポンプに関する競合する要求が存在することを認識した。しかしながら、これらのクライオパネルは、温度を最適な状態に長く維持し、その有効性を低下させるＩ型ガスでクライオパネルが過負荷になることから保護するめに、熱輻射及びＩ型ガスの両方から効果的に遮蔽する必要がある。従来、Ｉ型ガスがクライオパネルに到達するのを妨げるために、ポンプの入口に前面アレイが配置されており、このような従来の前面アレイは、ガス分子をポンプに入れるための開口を備え、これらの開口はシェブロン型の配置である。入口に到着したガス分子は、前面アレイの開口を直接通過する、表面で捕捉される、ポンプ側壁の輻射シールドの方向に偏向して捕捉される、又は排気室の方向に偏向して戻されるかのいずれかである。このようなアレイの１つの欠点は、入口の表面積の少なくとも一部について、入口の平面に対して垂直に移動する分子が前面アレイを通ってクライオパネルに直接向かう直接見通し経路があることであり、適切な軌道を有するＩ型ガスが、クライオパネルに直接移動する可能性がある。さらに、入口でのアレイによるガス分子の偏向は、ＩＩ型及びＩＩＩ型のガス分子の一部がポンプ入口から遠ざかり、ポンプに入らず、第２ステージアレイに到達して、その伝導性及びポンプのポンピング速度を減少させるという結果をもたらす。

【0012】

本発明者は、第１ステージアレイを入口から異なる距離に位置する複数の要素で形成し、入口の平面に垂直に進む少なくとも一部の分子に対して障壁を設け、側壁によって偏向された分子など、入口の平面に平行な成分を有する一部の分子に対して貫通経路を設けることによってこれらの問題を解決する。

【0013】

さらに、冷凍機は、クライオポンプの入口から離れた部分に設けられ、これは、ガス分子が冷凍機エレメントに衝突して入口に向かって偏向される可能性を低減する。また、この配置は、冷凍機要素がクライオパネル構造体の上部の大部分を遮蔽することも阻止し、ＩＩ型及びＩＩＩ型ガスが遭遇する面積が増大し、クライオパネル構造体によるこれらのガスの捕捉の均一性が向上する。

【0014】

このようにして、Ｉ型ガスからの直接の影響からクライオパネルを保護しながら、高速ポンピングを可能にする効果的な的を絞った遮蔽が提供される。実際には、第１ステージアレイは、入口から異なる距離にある要素で構成され、それらの間には容器の輻射シールドから反射された分子に適したガス流路が存在するが、直接見通し経路は妨げられるようになっており、第１ステージアレイは、第２ステージクライオパネル及びクライオ吸着材料を遮蔽しながら水素ガスの高い捕捉率を可能にする良い方法である。さらに、冷凍機を入口から離して設けることで、クライオパネル構造体の水素ガスからの不要な遮蔽が減る。

【0015】

これらのアイデアが協働することで、効果的な遮蔽及び速度向上の両方が可能になる。いくつかの実施形態では、クライオ吸着アレイを不要なガスから依然として遮蔽しながら、ポンピング速度を１５，０００Ｌ／ｓ以上の水素速度まで増加させることができる。

【0016】

いくつかの実施形態では、クライオパネル構造体は、最も広い点での直径が容器の直径の７０％未満、好ましくは５５％未満である。

【0017】

クライオパネル構造体は、従来のクライオパネル構造よりも狭くすること又はより長くすることができる。これにより、ガス分子がクライオパネル構造体の下部に到達する可能性は高くなり、それによって、クライオパネル構造体によって捕捉される分子の均一性が向上し、その有効性が高まる。

【0018】

いくつかの実施形態では、冷凍機は、入口から容器の長さの６０％以上の距離にある側壁の部分で容器の中に延びる。

【0019】

ガス伝導性を改善し、容器の中に延びる冷凍機がもたらし得るガス流に対する抵抗性を低減するために、これは入口から最も遠い容器の半分、好ましくは容器の中に６０％以上である。容器の中に６０％以上とは、入口の平面に垂直で、入口から容器の底部又は閉鎖端まで続く軸に沿った６０％以上である。冷凍機要素を容器内の奥深くに設けることで、冷凍機要素に衝突したＩＩ型又はＩＩＩ型の粒子が容器の外に偏向される又はクライオパネルから偏向される可能性が低減する。さらに、第１ステージアレイを冷凍機要素の上方に取り付け、構造体の大部分が冷凍機の上方にあり、従って冷凍機によって遮蔽されないようにクライオパネルを取り付けることができる。

【0020】

いくつかの実施形態では、クライオパネル構造体は、容器の長さの７０％よりも大きい長さを有する。

【0021】

ポンプ容器の長さの大部分にわたって広がる長さを有するクライオパネル構造体を設けることは、粒子が衝突して捕捉されるための大きな表面積を提供し、それによって再生の間のクライオパネル構造体の有効性及び寿命を向上させることができる。

【0022】

いくつかの実施形態では、第１ステージアレイは、マウント要素に取り付けられており、マウント要素は、第１ステージ冷凍機及び第１ステージアレイの複数の要素の各々に結合された熱伝導性材料で形成される。

【0023】

第１ステージアレイは、冷凍機の第１ステージの温度まで冷却され、この温度は、Ｉ型ガスを捕捉するのに適している。この冷却は、いくつかの実施形態では、容器内の第１ステージアレイを、冷凍機の第１ステージから第１ステージアレイの各要素に延びる熱伝導性要素に取り付けることによって効果的に提供され、それによってアレイを第１ステージ冷凍機の温度又はそれに近い温度に維持する。他の実施形態では、第１ステージアレイは、それ自体が第１ステージ冷凍機に熱的に結合される輻射シールドに取り付けることができる。このような配置では、第１ステージアレイは、熱伝導性マウント要素に取り付けられた場合のように、第１ステージ冷凍機の温度の近くに一貫して維持されない可能性がある。

【0024】

入口に最も近い要素以外の要素は、中心部分を貫通する有し、場合によっては、環状又はリング状の形態を有する。クライオパネル構造体と入口との間に位置する入口に最も近い要素は、環状形態ではなく、中実断面を有することができ、熱輻射及び入口からクライオパネル構造体に向かって直接移動する少なくとも一部のガス分子の両方からの、クライオパネル構造体の入口からの遮蔽を提供することができる。もしくは、要素を貫通する通路を規定するいくつかの開口を有することができ、開口は、分子を側壁の方に偏向させるための傾斜したフラップタイプの表面によって少なくとも部分的に覆うことができる。

【0025】

いくつかの実施形態では、クライオパネル構造体の一端は、第１ステージアレイの中に延び、要素の少なくとも１つは、さらに入口からクライオパネル構造体の一端の外周を囲むようになっている。

【0026】

入口から異なる距離に位置する複数の要素で形成された第１ステージアレイを有することは、それが平らな構造でないことを意味し、これにより、クライオパネル構造体は、アレイの中に延びることができ、クライオパネル構造体のその部分に対する遮蔽の向上につながる。これは、クライオパネルアレイの入口に最も近い部分であり、この部分は、従来、最も高い割合のガス分子を受ける部分である。この部分に、入口から離れたクライオパネル構造体の部分と比較して向上した遮蔽を提供することにより、ガス分子をクライオパネル構造体の長さに沿ってより均一に捕捉することができる。

【0027】

いくつかの実施形態では、第１ステージアレイの隣接する要素は、入口に最も近い要素の少なくともいくつかに関して、１つの要素の外周が、ポンプ入口からさらに離れて位置する後続の要素の内周と実質的に等しいか又は小さいように構成される。

【0028】

要素の配置は、１つの要素の外周が、入口からさらに離れている後続の要素の内周と実質的に同じとすることができる。このような配置は、入口を通して垂直に見たときに実質的に中実の表面を提供し、実質的に中実の表面は、入口から最も離れた要素の外周の寸法を有する。これは、入口から見たときに光学的に隙間がない構造を提供し、これは好都合であり、クライオパネルの効果的な遮蔽を提供する。実際には、要素は、垂直に見たときに実質的に中実の表面を提供し、これらの要素が入口から所定の距離でポンプ内に位置する場合、入口から見たときに垂線の周りの更なる角度からクライオパネルを遮蔽する。

【0029】

この関連で、入口に最も近い第１ステージアレイの要素は、この表面に衝突する分子がすでにポンプ入口を過ぎて、排気室に偏向して戻る可能性が低くなるように、ポンプ内で所定の距離にあることができる。他の実施形態では、入口に最も近い第１ステージアレイの要素は、入口に隣接して位置することができる。

【0030】

いくつかの実施形態では、１つの要素の外周は、後続の要素の内周よりもわずかに小さく、入口の平面に対して垂直に移動する分子のための隙間を提供する。このような場合、一般に内周と外周との間の差は小さく、この差は約１０％以下の大きさであり、アレイの入口に垂直に移動する少数の分子がアレイを通過することができる。

【0031】

垂直に見たときに要素の間に何らかの隙間を設けると、ＩＩＩ型ガスのポンピングに有利な伝導性が増大するが、Ｉ型ガスによるクライオパネルの汚染及び熱遮蔽の低下により上昇する第２ステージの熱負荷に対して何らかの悪影響がある。

【0032】

いくつかの実施形態では、第１ステージアレイは、実質的にイグルー形状を有し、要素は、同心円状であり、入口に最も近い要素は、最小の外周を有し、後続の複数の要素は、入口からの距離とともに増大する大きさの外周を有する。

【0033】

第１ステージのレイは、同心円状の要素のサイズが増加する実質的にイグルー形状を有することができる。場合によっては、要素は、入口に最も近い要素から入口から最も遠い要素までサイズが増加することができ、他の実施形態では、入口に最も近い複数の要素のサイズが増加し、特定の位置で同じサイズの要素を使用することができる。

【0034】

いくつかの実施形態では、要素は実質的に平らであり、入口に最も近い要素はディスクで構成され、後続の要素はリングで構成される。

【0035】

要素は多くの形態を有することができ、例えば角のある外周を有することができ、ディスク及びリングで構成されることが好都合な場合がある。これは、断面での対称性を提供し、輻射シールドが実質的に円筒形の形態を有する場合に特に好都合である。

【0036】

いくつかの実施形態では、ディスクは中実断面を有し、他の実施形態では、ディスクは、ディスクを貫通するいくつかの貫通通路を提供するいくつかの開口を有する。これらの開口は、衝突する分子を輻射シールドに向かって偏向させるように配置された傾斜面によって少なくとも部分的に隠すことができる。

【0037】

いくつかの実施形態では、入口に面する要素の表面は、入口の平面に対して０度から３０度の間の角度を成し、平面に対して平行であるか、又は入口に最も近い表面が輻射シールドに面するように傾斜している。いくつかの実施形態では、要素のいくつかが角度付きの場合、入口に最も近い要素は０度の角度を成し、さらなる要素は傾斜することができる。

【0038】

場合によっては、表面に衝突する粒子が輻射シールドに向かって偏向されるように要素の表面を傾斜させることが好都合であり、他の実施形態では、入口に面する要素の表面は、入口の平面に実質的に平行である。要素の傾斜は、クライオパネル構造体のより良い遮蔽を提供するが、伝導性を低下させるので、平らな要素及びわずかに傾斜した要素のどちらが好ましいかは、ポンプの要件に依存する。いずれの場合も、第１ステージアレイがポンプ内にあるため、垂直に偏向する平らな要素であっても、そのような偏向した分子が入口に到達する前に他の分子に衝突する場合があるので、ポンプ内に垂直に到達した分子を依然として保持する可能性がある。

【0039】

いくつかの実施形態では、入口から最も遠い第１ステージアレイの要素は、冷凍機の第１ステージの最も近くに取り付けられ、入口に最も近い第１ステージアレイの要素は、容器内に５から１５％の間で入る。

【0040】

いくつかの実施形態では、第１ステージアレイは、容器の中への５から１５％の間の点から、容器の中への２５から４０％の間の点まで延びる。

【0041】

上述のように、第１ステージアレイは平らなアレイではなく、むしろポンプ内で長手方向に、場合によっては容器の長さの１０から３５％の長さに沿って広がる。アレイの長手方向の広がりは、その長さのかなりの部分に沿ってクライオパネル構造体の効果的な遮蔽を提供し、クライオパネル構造体の表面上のより均一な捕捉分子の分布につながる。

【0042】

いくつかの実施形態では、クライオパネル構造体は、中心軸から延び、少なくとも１つのテーパー端部を有する実質的に円筒形の外皮を有する複数のパネルを備え、少なくとも１つのテーパー端部のうちの１つは、第１ステージ入口アレイの中に延びる。

【0043】

クライオパネル構造体は多くの形態を有することができるが、好都合な形態は、中心軸から延びる複数のパネルを有する形態であり、構造体の外皮は、円筒形輻射シールドの形状に一致するがそれよりも小さい実質的に円筒形の形状を有する。構造体は、第１ステージアレイに延びる少なくとも１つのテーパー付き端部を有することができ、いくつかの実施形態では、両端部をテーパー付きとすることができる。

【0044】

このような一体型構造は、水素のようなＩＩＩ型ガスが捕捉される場合に、両側にチャコールのような吸着材を有する複数のクライオパネルを有する。このような構造により、特定の用途に必要なＩＩ型又はＩＩＩ型ガスの速度及び容量に応じてパネルの数を変更することができ、特定の用途に最適化できる柔軟な設計を提供する。いくつかのインプラント用途では、パネルの数は、水素の速度及び容量に依存する。

【0045】

いくつかの実施形態では、第１ステージアレイの中に延びるクライオパネル構造体の一部は、クライオパネル構造体の少なくとも２０％、好ましくは少なくとも３０％を構成する。

【0046】

いくつかの実施形態では、輻射シールドは、実質的に円筒形であり、冷凍機に結合するためにシリンダ内に延びる平らな部分を備え、平らな部分は、シリンダの直径の８％未満、好ましくは６％未満だけシリンダの中に延びる。

【0047】

輻射シールドは円筒形であり、従って、フランジが平らである場合にシールドを冷凍機のフランジに結合するために、輻射シールドは、容器の中に延びるフランジの形状に対応する平らな部分を有する。これは、冷凍機要素の上方で輻射シールドから延びる突出面をもたらす。これは、ガスが衝突して入口に向かって偏向して戻る表面を提供する。本発明者は、この配置の潜在的な問題を認識し、平らな部分を良好な結合のために実現可能な限り小さく維持し、この部分のシリンダ内への伸長部、従って突出面のサイズも小さくして、それによって伝導性を改善する設計を提供した。

【0048】

冷凍機は、クライオパネル構造体の入口から最も遠い部分の中に延びる。

【0049】

冷凍機が入口から離れた位置でクライオパネル構造体の中に延びるように、クライオパネル構造体を冷凍機に取り付けることにより、冷凍機構造体がガス分子の影響を受ける可能性を低減することができる。さらに、クライオパネル構造体の大部分が冷凍機の上にあるため、構造体のかなりの長さが冷凍機によって全く遮蔽されず、これによって伝導性が向上する。冷凍機は、入口から最も遠いクライオパネル構造体の半体の中に延びる。

【0050】

いくつかの実施形態では、クライオパネルは、水素のようないくつかのＩＩＩ型ガスを吸着するために炭素でコーティングされる。

【0051】

さらなる特定の及び好ましい態様は、独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、適宜、独立請求項の特徴と組み合わせること、又は、請求項に明示的に規定されている以外の組み合わせで組み合わせることができる。

【0052】

装置の特徴が、ある機能を提供するために動作可能であると説明される場合、これは、その機能を提供する、又はその機能を提供するように適合又は構成される装置の特徴を含むことを理解されたい。
本発明の実施形態は、以下に、添付の図面を参照してさらに説明される。

【図面の簡単な説明】

【0053】

【図1】一実施形態による第１ステージアレイを示す。

【図2】一実施形態による、冷凍機要素に取り付けられ、第１ステージアレイに及ぶ第２ステージクライオパネル構造を示す。

【図3】一実施形態によるクライオポンプを示す。

【図4】一実施形態によるクライオポンプを通る断面を示す。

【図5】一実施形態によるクライオポンプを通るさらなる断面を示す。

【発明を実施するための形態】

【0054】

実施形態を詳細に説明する前に、まず、概要について説明する。
新しいインプラントプロセスが開発され、プロセスの真空状態を維持するために、より一貫した真空環境が必要とされるので、クライオポンプに対する要求は、より厳しくなってきている。

【0055】

本発明者は、クライオポンプのアレイ形状が、クライオポンプが提供する真空条件を向上させるために重要であることを認識している。「インプラント」プロセスを例にとると、クライオポンプは、必要な高真空を生成するためにしばしば使用され、水素は、主要ガス成分であり、フォトレジストからの汚染が大きな問題であり、実施形態は、３つの主要設計改良点のうちの１又は２以上を提供することによって、耐汚染性を与え、水素ポンピング速度を増大させる。

【0056】

１）クライオパネルの最適化：第２ステージアレイの形状を再設計し、従来よりも細長いアレイとすることで、水素のポンピング性能が向上する。第２ステージアレイは、「イグルー」第１ステージアレイでガス汚染及び輻射から保護される。クライオパネル構造体及びイグルーアレイは、互いに補完しあうように幾何学的に設計されており、熱及びＩ形ガス遮蔽を高めながら、ＩＩＩ型ガス伝導性を向上させるように作用する。

【0057】

２）第１ステージ又は「イグルー」入口バッフルの幾何学的設計は、高い水素性能及び第２ステージアレイのガス汚染に対する優れた耐性をもたらす。

【0058】

３）冷凍機の位置：冷凍機は、従来設計に比べ、容器内で戦略的に低く、良好なガス伝導性を可能にし、より少ない最初のストライク（ｓｔｒｉｋｅ）の汚染物質のストライクでもってより長いアレイのポンピング経路を作り出す。容器内で低いことに加えて、冷凍機の貫通断面積は小さく、伝導性が向上する。

【0059】

上記の設計変更は、特にＩＩＩ型ガスのポンピング速度を上げ、第２ステージアレイの汚染を抑え、第２ステージの輻射負荷を下げ、第１ステージ又はイグルー型アレイの温度を下げることを達成しようとするものであり、これらの全てはより安定した真空ポンプに貢献する。

【0060】

真空容器の底部の近くの冷凍機の位置は、ポンプ全体の性能を向上させるための１つの態様である。
１）良好な伝導性：ポンプに入るＩＩ型又は水素などのＩＩＩ型ガスの遮蔽が少なくなり、より多くのガスがクライオパネルに到達することができる。

【0061】

２）第２ステージのクライオパネル／マウントの一体設計が可能になる。クライオパネルの対称性は、クライオパネル表面全体におけるＩＩ型／ＩＩＩ型ガスのポンピングの均一性を改善する。この均一性は、ＩＩ型／ＩＩＩ型の速度及び容量に極めて重要であり、ガスで何らかのパネルが圧倒されないように、これらのガスをより均一の送給するために全てのパネルを利用できる状態にする。クライオパネルの設計が均一でないために局所的に飽和状態になると、これは、これらのパネルがより多くの分子が流入すると利用できなくなる状態にする。これは、残りのクライオパネルの負荷が高くなり、クライオポンプの圧力上昇が予想以上に早くなり、ＩＩＩ型ガスのポンピング速度が急激に低下するため、バランスの悪いポンピング状態をもたらす。

【0062】

３）冷凍機シリンダはポンプ内の低い位置にあり、強化されたイグルー入口アレイと連携して、不要な輻射及び多くの最初のストライクのフォトレジスト汚染からクライオパネルを遮蔽する。入口アレイ設計は、冷凍機の第１ステージから延びる熱伝導性要素に取り付けられており、輻射シールドに結合された通常の入口アレイ構成よりも低温に維持することができる。

【0063】

図１は、一実施形態によるイグルー型の第１ステージアレイ１０を示す。アレイは、ポンプへの入口からの距離が増加するように配置される複数の要素１２、１４で形成される。ポンプに最も近い要素はディスク１２であり、サイズが大きくなるさらなる要素１４は、ポンプへの入口から距離が大きくなるように配置される。このイグルー型の入口バッフル又はアレイは、冷凍要素の第１ステージに熱伝導性部材３６（図２参照）を介して取り付けられる。この熱伝導性部材は、イグルーが第１ステージの冷凍要素の温度に近い温度に維持されることを可能にし、イグルー表面のホットスポットを低減し、表面を低減した温度に保持することを可能にし、それによってＩ型ガスに対する改善された捕捉を提供する。また、輻射シールドは、入口を横切って延びる従来の第１ステージアレイに結合された輻射シールドと比較すると、より低い温度になり、従って、同様に、Ｉ型ガスに対する改善された捕捉をもたらすことができる。この実施形態では、ディスク１２は中実ディスクであり、他の実施形態では、ディスク１２は、いくつかの分子の通過を可能にするためにディスクの中に開口を有することができる。場合によっては、これらの開口は、開口を部分的に横切って延び、分子を輻射シールドに向かって偏向させるように傾斜したフラップによって、ある程度遮蔽することができる。

【0064】

図２は、ポンプ容器の側壁に及び、第２ステージクライオパネル構造体２０を支持する冷凍機要素３０に結合された第１ステージアレイ１０を示す。第２ステージクライオパネル構造体２０は、第１ステージアレイ１０の要素が第２ステージクライオパネル構造体２０の入口に最も近い部分を囲むように、第１ステージアレイ１０の中に延在する。これにより、クライオパネル構造体のこの部分の遮蔽が改善され、ガス分子が高い部分に接触する確率が減少し、クライオパネル構造体の長さに沿った分子の捕捉の均一性が改善され、それによりクライオパネル構造体の寿命が延び有効性が高くなる。

【0065】

冷凍機要素３０は、容器の中に延び、第１ステージの温度で第１ステージの冷凍機要素を構成し、これは、熱伝導性マウント３６を介して第１ステージアレイ１０に結合され、第１ステージアレイが均一かつ効果的な様式で第１ステージ冷凍機要素の温度又はそれに近い温度に維持されることを可能にする。熱伝導性マウント３６は、第１ステージアレイの周囲に延び、２箇所で各要素に接触し、このアレイのための効果的な冷却を提供する。

【0066】

第２ステージクライオパネル構造体は、第２ステージの冷凍機要素に取り付けられ、従って、第２ステージの温度に冷却される。冷凍機要素３０は、入口から離れたポンプ容器の下側部分の中に延び、クライオパネル構造の下半分を支持し、この支持は、クライオパネル構造体の上半分をポンプに入るガス分子から隠蔽しないようになっている。これは、同様に、クライオパネル構造体上のガス分子のより良い分布につながる。

【0067】

クライオパネル構造体２０は、従来のクライオパネル構造体よりも長くて薄く、これにより、伝導性並びにＩＩ型及びＩＩＩ型ガスの捕捉の均一性が向上し、クライオパネルの下部へのより良いアクセスが可能になる。さらに、冷凍機の位置がポンプ入口に対して低くなっていることは、伝導性を向上させ、ポンプ速度を増大させる。

【0068】

図３は、ポンプ注入口４０を通る図である。理解できるように、ポンプ容器の内面は、輻射シールドである内側要素４２を備える。入口を通して見ると、第１ステージアレイは、入口を通して垂直に見たときに第２ステージアレイを効果的に遮蔽し、輻射負荷及び生成汚染物質によるプロセスから保護する。軸方向における要素間の間隔は、輻射シールド４２によって偏向されるような、入口に平行な速度成分を有する分子によるクライオパネルへのアクセスを可能にする。輻射シールドによって偏向された分子は、輻射シールドがＩ型ガスを捕捉するので、主にタイプＩＩ型又はタイプＩＩＩ型ガスになる。クライオパネル構造体の下部は、前面アレイに囲まれていないため、ポンプ内を深く移動する分子によるこの部分へのアクセスを容易にすることができる。

【0069】

図４は、内部を見ることができるように一部が切り取られたポンプ容器の側面図である。理解できるように、冷凍機３０は、入口から離れたポンプ容器の下部に延び、冷凍機要素３４の第１ステージは、輻射シールド４２及び第１ステージアレイ１０を搭載する熱伝導性マウント３６に熱的に結合される。

【0070】

熱伝導性マウント３６は、イグルー構造の周りに延び、１８０度反対の２箇所で各要素に接触し、これらの要素と冷凍機要素の第１ステージとの間に良好な熱的結合を提供する。このように、第１ステージの冷凍機要素から第１ステージアレイの各要素への直接的な良好な熱経路が存在し、アレイを低温かつ均一な温度に保持することが可能になる。

【0071】

第２ステージの冷凍機３２は、図示しない第２ステージクライオパネルに結合され、これらをより低い第２ステージの温度で維持する。冷凍機要素３０はポンプ容器の底部に向かって配置され、このようにして、冷凍機要素のポンプ内への伸長によるガスの遮蔽が低減される。

【0072】

図５は、第１ステージアレイ１０、冷凍機要素３０、及びそれらがどのように結合されているかを示すポンプの断面図である。特に、冷凍機要素がポンプ容器内に保持され、輻射シールドに結合される様子を示す。輻射シールドは、現段階では平らになっており、冷凍機要素の平らなフランジとのシール結合部を提供し、結合部の上の輻射シールドには、この平らになった部分を反映して、分子が衝突して入口に向かって偏向することができる表面を提供する突出部４４が存在する。この実施形態では、突出部は、従来のクライオポンプと比較してサイズが減少し、シリンダ直径の８％未満、多くの実施形態では６％未満だけシリンダ内に延びるような設計である。これにより、ポンプに入るガス分子の妨害物が少なくなり、ポンピング速度が向上する。

【0073】

図５は、第１ステージの異なる部分の間の温度差を示す。第１ステージの冷凍機要素は約６５Ｋの最も低温の部分であり、第１ステージアレイは７１～７２．５Ｋの温度に維持され、輻射シールドは冷凍機側に向かって低温となるが、反対側は７５Ｋ以上の温度に達する。第１ステージアレイが入口に隣接する従来のクライオポンプでは、この入口アレイは、輻射シールドの暖かい部分の温度を反映し、７５Ｋ以上である。従って、実施形態は、従来のクライオポンプよりも均一な温度のより低温の第１ステージアレイを提供し、Ｉ型ガスの捕捉を改善する。

【0074】

従来のクライオポンプの設計を要約すると、第２ステージアレイは、入口に取り付けられた平面輻射バッフル又は前面アレイによって遮蔽される。このバッフルは入口に隣接して、輻射シールドの上部に取り付けられる。大きな傘のように、ガス分子は第２ステージアレイに近づく前にポンプから遮断され、跳ね返される。また、冷凍機シリンダ及び第１ステージマウントは、従来はポンプの高い位置にあり、多くの水素のようなＩＩ型及びＩＩＩ型の分子が第２ステージアレイに到達するのを遮蔽する。

【0075】

対照的に、実施形態は、ポンプ内で入口から異なる距離で配置された複数の要素の入口輻射バッフルで遮蔽された第２ステージアレイを提供する。このアレイ構成は、ポンプの入口においてより少ない分子を妨害し、より多くの分子が第２ステージアレイの表面に衝突する位置に到着することを可能にする。また、この設計により、Ｉ型ガスからの第２ステージアレイの遮蔽が改善され、汚染及び第２ステージの輻射暴露が低減される。第２ステージアレイは、第１ステージアレイの形状及び下部冷凍機の配置の組み合わせで、三位一体で強化される。

【0076】

本発明の例示的な実施形態は、添付の図面を参照して本明細書に詳細に開示されているが、本発明は、正確な実施形態に限定されず、添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な変更例及び修正例がもたらされ得ることを理解されたい。

【符号の説明】

【0077】

１０ 第１ステージアレイ
１２ ディスク要素
１４ リング状要素
２０ クライオパネル構造体
３０ 冷凍機素子
３２ 第２ステージ冷凍機素子
３４ 第１ステージ冷凍機素子
３６ 第１ステージアレイ用マウント
４０ 入口
４２ 輻射シールド
４４ 輻射シールド突出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】