JP2017122414A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】クライオポンプの非凝縮性気体の排気性能を向上する。【解決手段】クライオポンプ１０は、冷凍機１６の第２冷却ステージ２４に熱的に結合されている第２クライオパネルユニット２０と、シールド主開口３４、シールド側部開口４４、およびシールド底部開口４２を有する放射シールド３０と、シールド底部開口４２に面するハウジング底部７４を有するクライオポンプハウジング７０と、を備える。シールド底部開口４２の寸法は、第２クライオパネルユニット２０からハウジング底部７４への距離より大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、クライオポンプに関する。

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。クライオポンプのアプリケーションの１つに、例えばイオン注入工程のように、排気すべき気体の大半を例えば水素等の非凝縮性気体が占める場合がある。非凝縮性気体は極低温に冷却された吸着領域に吸着させることによって初めて排気することができる。

特開２０１２−２３７２６２号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの非凝縮性気体の排気性能を向上することにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、前記第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージと、前記第２冷却ステージを前記第１冷却ステージに構造的に支持する冷凍機構造部と、を備える冷凍機と、前記第２冷却ステージに熱的に結合されているクライオパネルユニットと、シールド主開口、シールド側部開口、およびシールド底部開口を有し、前記第２冷却ステージおよび前記クライオパネルユニットを包囲する放射シールドであって、前記冷凍機構造部が前記シールド側部開口に挿通された状態で前記第１冷却ステージに熱的に結合されている放射シールドと、前記シールド底部開口に面するハウジング底部を有し、前記放射シールドを包囲するクライオポンプハウジングと、を備える。前記シールド底部開口の寸法は、前記クライオパネルユニットから前記ハウジング底部への距離より大きい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、クライオポンプの非凝縮性気体の排気性能が向上される。

本発明の第１実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す。 本発明の第２実施形態に係るクライオポンプの主要部を概略的に示す。 本発明の第３実施形態に係るクライオポンプの主要部を概略的に示す。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明の第１実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、スパッタリング装置、蒸着装置、またはその他の真空プロセス装置の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望の真空プロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。クライオポンプ１０は、排気されるべき気体を真空チャンバから受け入れるための吸気口１２を有する。吸気口１２を通じて気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は吸気口１２を通る方向（図１において中心軸Ａに沿う方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（中心軸Ａに垂直な方向）を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心（図１において中心軸Ａ）に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。

また、軸方向を囲む方向を「周方向」と呼ぶことがある。周方向は、吸気口１２に沿う第２の方向であり、径方向に直交する接線方向である。

クライオポンプ１０は、冷凍機１６、第１クライオパネルユニット１８、第２クライオパネルユニット２０、及び、クライオポンプハウジング７０を備える。

冷凍機１６は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの極低温冷凍機である。冷凍機１６は、二段式の冷凍機である。そのため、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を備える。冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２を第１冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ２４を第２冷却温度に冷却するよう構成されている。第２冷却温度は第１冷却温度よりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

また、冷凍機１６は、第２冷却ステージ２４を第１冷却ステージ２２に構造的に支持するとともに第１冷却ステージ２２を冷凍機１６の室温部２６に構造的に支持する冷凍機構造部２１を備える。そのため冷凍機構造部２１は、径方向に沿って同軸に延在する第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５を備える。第１シリンダ２３は、冷凍機１６の室温部２６を第１冷却ステージ２２に接続する。第２シリンダ２５は、第１冷却ステージ２２を第２冷却ステージ２４に接続する。室温部２６、第１シリンダ２３、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４は、この順に直線状に一列に並ぶ。

第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５それぞれの内部には第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が往復動可能に配設されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサにはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。また、室温部２６は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを往復動させるための駆動機構（図示せず）を有する。駆動機構は、冷凍機１６の内部への作動気体（例えばヘリウム）の供給と排出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を切り替える流路切替機構を含む。

冷凍機１６は、作動気体の圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機１６は、圧縮機により加圧された作動気体を内部で膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を冷却する。膨張した作動気体は圧縮機に回収され再び加圧される。冷凍機１６は、作動気体の給排とこれに同期した第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの往復動とを含む熱サイクルを繰り返すことによって寒冷を発生させる。

図示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の中心軸Ａに交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。

第１クライオパネルユニット１８は、放射シールド３０と入口クライオパネル３２とを備え、第２クライオパネルユニット２０を包囲する。第１クライオパネルユニット１８は、クライオポンプ１０の外部またはクライオポンプハウジング７０からの輻射熱から第２クライオパネルユニット２０を保護するための極低温表面を提供する。第１クライオパネルユニット１８は第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。よって第１クライオパネルユニット１８は第１冷却温度に冷却される。第１クライオパネルユニット１８は第２クライオパネルユニット２０との間に隙間を有しており、第１クライオパネルユニット１８は第２クライオパネルユニット２０と接触していない。第１クライオパネルユニット１８はクライオポンプハウジング７０とも接触していない。

放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０の輻射熱から第２クライオパネルユニット２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０と第２クライオパネルユニット２０との間にあり、第２クライオパネルユニット２０を囲む。放射シールド３０は、クライオポンプ１０の外部から内部空間１４に気体を受け入れるためのシールド主開口３４を有する。シールド主開口３４は、吸気口１２に位置する。

放射シールド３０は、シールド主開口３４を定めるシールド前端３６と、シールド主開口３４と反対側に位置するシールド底部３８と、シールド前端３６をシールド底部３８に接続するシールド側部４０と、を備える。シールド側部４０は、軸方向にシールド前端３６からシールド主開口３４と反対側へと延在し、周方向に第２冷却ステージ２４を包囲するよう延在する。

シールド底部３８は、シールド底部開口４２を有する。シールド底部開口４２は、例えば、シールド底部３８の中心に形成された円形開口であり、開口径（開口部直径）Ｄを有する。

シールド側部４０は、冷凍機構造部２１が挿入されるシールド側部開口４４を有する。シールド側部開口４４を通じて放射シールド３０の外から第２冷却ステージ２４及び第２シリンダ２５が放射シールド３０の中に挿入される。シールド側部開口４４は、シールド側部４０に形成された取付穴であり、例えば円形である。第１冷却ステージ２２は放射シールド３０の外に配置されている。

シールド側部４０は、冷凍機１６の取付座４６を備える。取付座４６は、第１冷却ステージ２２を放射シールド３０に取り付けるための平坦部分であり、放射シールド３０の外から見てわずかに窪んでいる。取付座４６は、シールド側部開口４４の外周を形成する。第１冷却ステージ２２が取付座４６に取り付けられることによって、放射シールド３０が第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。

このように放射シールド３０を第１冷却ステージ２２に直接取り付けることに代えて、ある実施形態においては、放射シールド３０は、追加の伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されていてもよい。伝熱部材は、例えば、両端にフランジを有する中空の短筒であってもよい。伝熱部材は、その一端のフランジにより取付座４６に固定され、他端のフランジにより第１冷却ステージ２２に固定されてもよい。伝熱部材は、冷凍機構造部２１を囲んで第１冷却ステージ２２から放射シールド３０に延在してもよい。シールド側部４０は、こうした伝熱部材を含んでもよい。

図示される実施形態においては、放射シールド３０は一体の筒状に構成されている。これに代えて、放射シールド３０は、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。例えば、放射シールド３０は軸方向に２つの部分に分割されていてもよい。この場合、放射シールド３０の上部は、両端が開放された筒であり、シールド前端３６とシールド側部４０の第１部分とを備える。放射シールド３０の下部も両端が開放された筒であり、シールド側部４０の第２部分とシールド底部３８とを備える。シールド側部４０の第１部分と第２部分との間には周方向に延びるスリットが形成されている。このスリットが、シールド側部開口４４の少なくとも一部を形成してもよい。あるいは、シールド側部開口４４は、その上半分がシールド側部４０の第１部分に形成され、下半分がシールド側部４０の第２部分に形成されてもよい。

放射シールド３０は、第２クライオパネルユニット２０を囲むガス受入空間５０を、吸気口１２とシールド底部３８との間に形成する。ガス受入空間５０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の一部であり、第２クライオパネルユニット２０に径方向に隣接する領域である。

入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から第２クライオパネルユニット２０を保護するために、吸気口１２（またはシールド主開口３４、以下同様）に設けられている。また、入口クライオパネル３２の冷却温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２において第２クライオパネルユニット２０に対応する場所に配置されている。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の開口面積の中心部分を占有し、放射シールド３０との間に環状の開放領域５１を形成する。開放領域５１は、吸気口１２においてガス受入空間５０に対応する場所にある。ガス受入空間５０が第２クライオパネルユニット２０を囲むように内部空間１４の外周部にあるので、開放領域５１は、吸気口１２の外周部に位置する。開放領域５１はガス受入空間５０の入口であり、クライオポンプ１０は、開放領域５１を通じてガス受入空間５０にガスを受け入れる。

入口クライオパネル３２は取付部材（図示せず）を介してシールド前端３６に取り付けられる。こうして入口クライオパネル３２は放射シールド３０に固定され、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は第２クライオパネルユニット２０に近接しているが、接触はしていない。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２に配設される平面的な構造を備える。入口クライオパネル３２は例えば、同心円状または格子状に形成されたルーバーまたはシェブロンを備えてもよいし、平板（例えば円板）のプレートを備えてもよい。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の全体を横断するように配設されていてもよい。その場合、開放領域５１は、プレートの一部を欠落させ、または、ルーバーまたはシェブロンの一部の羽板を欠落させることによって形成されていてもよい。

第２クライオパネルユニット２０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。第２クライオパネルユニット２０は、複数のクライオパネル６０と、パネル取付部材６２と、を備える。パネル取付部材６２は、第２冷却ステージ２４から軸方向に上方および下方に向けて延びている。第２クライオパネルユニット２０は、パネル取付部材６２を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。このようにして、第２クライオパネルユニット２０は、第２冷却ステージ２４に熱的に接続されている。よって、第２クライオパネルユニット２０は第２冷却温度に冷却される。

第２クライオパネルユニット２０においては、少なくとも一部の表面に吸着領域６４が形成されている。吸着領域６４は非凝縮性気体（例えば水素）を吸着により捕捉するために設けられている。吸着領域６４は、吸気口１２から見えないように、上方に隣接するクライオパネル６０の陰となる場所に形成されている。つまり、吸着領域６４は各クライオパネル６０の上面中心部と下面全域に形成されている。ただし、トップクライオパネル６０ａの上面に吸着領域６４は設けられていない。吸着領域６４は例えば吸着剤（例えば活性炭）をクライオパネル表面に接着することにより形成される。

また、第２クライオパネルユニット２０の少なくとも一部の表面には凝縮性気体を凝縮により捕捉するための凝縮領域が形成されている。凝縮領域は例えば、クライオパネル表面上で吸着剤の欠落した区域であり、クライオパネル基材表面例えば金属面が露出されている。

複数のクライオパネル６０が、シールド主開口３４からシールド底部３８へと向かう方向に沿って（即ち中心軸Ａに沿って）パネル取付部材６２上に配列されている。複数のクライオパネル６０はそれぞれ中心軸Ａに垂直に延在する平板（例えば円板）であり、互いに平行にパネル取付部材６２に取り付けられている。説明の便宜上、複数のクライオパネル６０のうち最も吸気口１２に近いものをトップクライオパネル６０ａと呼び、複数のクライオパネル６０のうち最もシールド底部３８に近いものをボトムクライオパネル６０ｂと呼ぶことがある。

第２クライオパネルユニット２０は、吸気口１２とシールド底部３８との間で軸方向に沿って細長く延びている。第２クライオパネルユニット２０の軸方向の垂直投影の外形寸法よりも、軸方向における第２クライオパネルユニット２０の上端から下端までの距離は長い。例えば、クライオパネル６０の幅または直径よりも、トップクライオパネル６０ａとボトムクライオパネル６０ｂとの間隔が大きい。

複数のクライオパネル６０は図示されるようにそれぞれ同一形状を有してもよいし、異なる形状（例えば異なる径）を有してもよい。複数のクライオパネル６０のうちあるクライオパネル６０は、その上方に隣接するクライオパネル６０と同一形状を有するか、または大型であってもよい。その結果、ボトムクライオパネル６０ｂはトップクライオパネル６０ａより大きくてもよい。ボトムクライオパネル６０ｂの面積は、トップクライオパネル６０ａの面積の約１．５倍〜約５倍であってもよい。

また、複数のクライオパネル６０の間隔は図示されるように一定であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

クライオポンプハウジング７０は、第１クライオパネルユニット１８、第２クライオパネルユニット２０、及び冷凍機１６を収容するクライオポンプ１０の筐体であり、内部空間１４の真空気密を保持するよう構成されている真空容器である。クライオポンプハウジング７０は、第１クライオパネルユニット１８及び冷凍機構造部２１を非接触に包含する。クライオポンプハウジング７０は、冷凍機１６の室温部２６に取り付けられている。

クライオポンプハウジング７０の前端によって、吸気口１２が画定されている。クライオポンプハウジング７０は、その前端から径方向外側に向けて延びている吸気口フランジ７２を備える。吸気口フランジ７２は、クライオポンプハウジング７０の全周にわたって設けられている。クライオポンプ１０は、吸気口フランジ７２を用いて真空排気対象の真空チャンバに取り付けられる。

クライオポンプハウジング７０は、シールド底部開口４２に面するハウジング底部７４を有する。ハウジング底部７４はドーム状に湾曲している。ハウジング底部７４の内面は、ごく小さい輻射率を有してもよい。例えば、ハウジング底部７４の内面は、輻射エネルギー量が完全黒体の１０％以下となる表面であってもよい。言い換えれば、ハウジング底部７４の内面は、反射面であってもよい。このように輻射率を小さくする（反射率を大きくする）ために、ハウジング底部７４の内面は電解研磨処理が施されていてもよい。

ある典型的なクライオポンプのシールド底部には再生時に融解物の流出用の小穴が設けられていることがある。そうした小穴はシールド内部のクライオパネルをハウジングにさらさないように極小の開口寸法を有する。これと異なり、シールド底部開口４２は相当に大きく開放されている。第２クライオパネルユニット２０に近いシールド底部の領域が取り除かれてシールド底部開口４２が形成されている。

シールド底部開口４２の直径Ｄは、第２クライオパネルユニット２０（すなわちボトムクライオパネル６０ｂ）からハウジング底部７４への距離Ｂより大きい。例えば、シールド底部開口４２の直径Ｄは、距離Ｂの少なくとも２倍、３倍、５倍、または１０倍より大きくてもよい。このようにして、シールド底部３８には大きな開口部が形成されている。言うまでもないが、直径Ｄは、シールド主開口３４の直径より小さい。直径Ｄは、例えば、シールド主開口３４の直径の９０％、７５％、または５０％より小さくてもよい。

また、シールド底部開口４２の直径Ｄは、ボトムクライオパネル６０ｂの直径Ｃに相当する。シールド底部開口４２の直径Ｄは、ボトムクライオパネル６０ｂの直径Ｃの８０％から１２０％または９０％から１１０％の範囲にあってもよい。このようにして、吸気口１２から見たときボトムクライオパネル６０ｂがハウジング底部７４の大半または全域を覆っている。図示されるように、平板状のボトムクライオパネル６０ｂの外周部とシールド底部３８との干渉を確実に避けるように、シールド底部開口４２の直径Ｄは、ボトムクライオパネル６０ｂの直径Ｃより大きくてもよい。

上記の構成のクライオポンプ１０の動作を以下に説明する。クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプで真空チャンバ内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後、クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１６の駆動により第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４がそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。よって、これらに熱的に結合されている第１クライオパネルユニット１８、第２クライオパネルユニット２０もそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。

入口クライオパネル３２は、真空チャンバからクライオポンプ１０に向かって飛来する気体を冷却する。入口クライオパネル３２の表面には、第１冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第１種気体と称されてもよい。第１種気体は例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３２は、第１種気体を排気することができる。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体の一部は、吸気口１２から内部空間１４へと進入する。あるいは、気体の他の一部は、入口クライオパネル３２で反射され、内部空間１４に進入しない。

内部空間１４に進入した気体は、第２クライオパネルユニット２０によって冷却される。第２クライオパネルユニット２０の表面には、第２冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第２種気体と称されてもよい。第２種気体は例えばアルゴンである。こうして、第２クライオパネルユニット２０は、第２種気体を排気することができる。

第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、第２クライオパネルユニット２０の吸着材に吸着される。この気体は、第３種気体と称されてもよい。第３種気体は例えば水素である。こうして、第２クライオパネルユニット２０は、第３種気体を排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々の気体を凝縮または吸着により排気し、真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

上述のように、放射シールド３０は第２クライオパネルユニット２０に入射する輻射熱を低減するために設けられている。放射シールド３０はシールド底部開口４２を有しており、ボトムクライオパネル６０ｂがハウジング底部７４に露出されている。しかしながら、ハウジング底部７４は輻射率が小さいので、ハウジング底部７４が発する輻射熱は小さい。また、吸気口１２から見たときハウジング底部７４がボトムクライオパネル６０ｂおよびその他のクライオパネル６０でほぼ覆われているので、外部から吸気口１２を通じて内部空間１４に入る輻射熱はハウジング底部７４に直接入射しない。よって、ハウジング底部７４での反射によりボトムクライオパネル６０ｂに入る外部輻射熱も小さい。したがって、輻射熱の低減という観点からシールド底部３８を設ける必要性は、実際のところ、低いことがわかる。

第１実施形態によると、シールド底部開口４２を設けることにより、第２クライオパネルユニット２０の利用可能な空間を広げることができる。第２クライオパネルユニット２０は、ハウジング底部７４にごく近接して配置されることができる。これにより、第２クライオパネルユニット２０の軸方向長さを伸ばすことができるので、追加のクライオパネル６０を増設することができる。例えば、クライオパネル６０の枚数を増やすことができる。吸着領域６４の面積が増えるので、クライオポンプ１０による第３種気体の排気速度および吸蔵量を増加することができる。放射シールド３０の底部が閉じられている従来一般的な構成と比べて、第３種気体の吸蔵量を例えば５％から１０％程度増加することができると期待される。

図２は、本発明の第２実施形態に係るクライオポンプ１０の主要部を概略的に示す。第２実施形態に係るクライオポンプ１０は、放射シールド３０が二部構成を有する点で、第１実施形態に係るクライオポンプ１０と異なる。また、第２実施形態に係るクライオポンプ１０は、平板状のクライオパネル６０に代えて、第２クライオパネルユニット２０が皿状のクライオパネル８０を備える点で、第１実施形態に係るクライオポンプ１０と異なる。加えて、第１実施形態のようなドーム状の湾曲形状ではなく、ハウジング底部７４は平坦である。なお簡明化のため図２において冷凍機１６は図示を省略している。

放射シールド３０は、シールド円筒部材３０ａとシールド環状プレート３０ｂとを備える。シールド円筒部材３０ａは、シールド主開口３４側およびハウジング底部７４側の両端が開放されている。シールド環状プレート３０ｂは、ドーナツ板状の部材であり、シールド円筒部材３０ａとハウジング底部７４との間に配置されている。シールド環状プレート３０ｂは、シールド円筒部材３０ａのハウジング底部７４側の開放端から離れて配置されたプレート外周７６と、シールド底部開口４２を定めるプレート内周７８と、を備える。プレート外周７６は、シールド円筒部材３０ａの開放端７７から軸方向にわずかに離れている。プレート外周７６とシールド円筒部材３０ａの開放端７７との間にはスリット７９が形成されている。

シールド環状プレート３０ｂは、シールド円筒部材３０ａを介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。または、シールド環状プレート３０ｂは、直接に第１冷却ステージ２２に熱的に結合されていてもよい。

シールド底部開口４２（すなわちプレート内周７８）は、シールド前端３６から第２クライオパネルユニット２０への視線８２と放射シールド３０との交差により定まる境界８３の内側に位置する。したがって、シールド底部開口４２は吸気口１２から視認不能である。

個々のクライオパネル８０は、皿状または逆円錐台状の形状を有する。クライオパネル８０は、すり鉢状、深皿状、またはボール状の形状を有するということもできる。クライオパネル８０は、上端部８４において大きな寸法を有し（すなわち大径であり）、下端部８６においてそれよりも小さな寸法を有する（すなわち小径である）。クライオパネル８０は、上端部８４と下端部８６とをつなぐ傾斜領域８８を備える。傾斜領域８８は、逆円錐台の側面にあたる。傾斜領域８８は、その法線が中心軸Ａに交差するように傾斜されている。なお以下では、中心軸Ａに垂直な平面とクライオパネル８０の表面との角度をクライオパネルの傾斜角度と称することがある。クライオパネル８０は、下端部８６でパネル取付部材６２に取り付けられている。クライオパネル８０の前面および背面の少なくとも一方に非凝縮性気体の吸着領域が設けられている。

複数のクライオパネル８０は、入れ子状に、又は軸方向に重なり合うように、配列されている。複数のクライオパネル８０は、放射シールド３０の中心軸Ａに同軸に配設されている。

吸気口１２に近いクライオパネル８０は、吸気口１２から遠いクライオパネル８０よりも小型である。隣接する２つのクライオパネル８０のうち上側のクライオパネルは、下側のクライオパネルより小さい径を有する。また、隣接する２つのクライオパネル８０のうち上側のクライオパネルは、下側のクライオパネルより小さい深さ（すなわち上端部８４から下端部８６への軸方向長さ）を有する。よって、上側のクライオパネルの傾斜領域８８は、下側のクライオパネルの傾斜領域８８より大きい傾斜角度を有する。こうして、隣接する２つのクライオパネル８０のうち上側のクライオパネルは、その上端部を除いて、下側のクライオパネルに収容されている。

このようにして、２つのクライオパネル間に逆円錐面状の深い隙間８９が形成される。隙間８９の深さは、隙間入口の幅よりも大きい。隙間８９の深さは、隙間入口の幅の例えば２倍、３倍、５倍、または１０倍より大きくてもよい。第２クライオパネルユニット２０は、このように深い隙間構造をもつことにより、第３種気体例えば水素の捕捉率を高めることができる。つまり、隙間８９に一度進入した水素分子をなるべく外部に逃さずに捕捉することができる。

図示されるように、トップクライオパネル８０ａは、最小の径および最小の深さを有し、ボトムクライオパネル８０ｂは、最大の径および最大の深さを有する。また、トップクライオパネル８０ａは最小の傾斜角度を有し、ボトムクライオパネル８０ｂは最大の傾斜角度を有する。

ボトムクライオパネル８０ｂは、シールド底部開口４２を通じてハウジング底部７４と直に面する下端部８６を備える。また、ボトムクライオパネル８０ｂの傾斜領域８８の内周部８８ａは、シールド底部開口４２を通じてハウジング底部７４と直に面する。ボトムクライオパネル８０ｂの傾斜領域８８の外周部８８ｂとハウジング底部７４との間にはシールド環状プレート３０ｂが配置されている。

第１実施形態と同様に、シールド底部開口４２の直径Ｄは、第２クライオパネルユニット２０（すなわちボトムクライオパネル８０ｂ）からハウジング底部７４への距離Ｂより大きい。ところが、第１実施形態とは異なり、シールド底部開口４２の直径Ｄは、ボトムクライオパネル８０ｂの最大の直径Ｃ（つまり上端部８４の直径）より小さい。ボトムクライオパネル８０ｂが小径の下端部８６を有するので、このようにしてもボトムクライオパネル８０ｂはハウジング底部７４の大半または全域を覆うことができる。

図２に示されるように、ボトムクライオパネル８０ｂの下端部８６は軸方向にシールド環状プレート３０ｂ（つまりシールド底部開口４２）と同じ高さに位置する。しかし、ボトムクライオパネル８０ｂの下端部８６はシールド環状プレート３０ｂに対し軸方向に上方または下方に位置してもよい。

第２実施形態に係るクライオポンプ１０によっても、第１実施形態に係るクライオポンプ１０と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、シールド底部開口４２を設けたにもかかわらず熱的な不利益を実質的に被ることなく、クライオポンプ１０による第３種気体の排気速度および吸蔵量を増やすことができる。

図３は、本発明の第３実施形態に係るクライオポンプ１０の主要部を概略的に示す。第３実施形態に係るクライオポンプ１０は、放射シールド３０がシールド円筒部材３０ａのみから成りシールド環状プレート３０ｂを有しない点で、第２実施形態に係るクライオポンプ１０と異なる。よって、シールド底部開口４２は、シールド円筒部材３０ａのハウジング底部７４側の開放端７７によって定められている。つまり、放射シールド３０は、シールド底部を有しない。この場合、放射シールド３０は単純な形状であるため、製造が容易である。

また、第３実施形態に係るクライオポンプ１０は、第２クライオパネルユニット２０についても、第２実施形態に係るクライオポンプ１０と異なる。第２クライオパネルユニット２０は、吸気口１２側に配置されたクライオパネルユニット上部９０、クライオパネルユニット中間部９２、およびハウジング底部７４側に配置されたクライオパネルユニット下部９４を備える。クライオパネルユニット中間部９２はクライオパネルユニット上部９０とクライオパネルユニット下部９４の間に配置されている。クライオパネルユニット上部９０は、パネル取付部材６２から吸気口１２に向けて放射状に突き出す複数のクライオパネル９０ａを備える。クライオパネルユニット中間部９２は複数の平板状のクライオパネル９２ａを備える。クライオパネルユニット下部９４は、パネル取付部材６２からハウジング底部７４に向けて放射状に突き出す複数のクライオパネル９４ａを備える。

図３に示されるように、シールド底部開口４２の直径（つまりシールド主開口３４の直径）は、第２クライオパネルユニット２０からハウジング底部７４への距離より大きい。

シールド底部開口４２は、第２冷却ステージ２４より大きい。シールド底部開口４２の面積は、第２冷却ステージ２４の軸方向投影面積より大きい。第２冷却ステージ２４はクライオポンプ１０の中心軸Ａ上に位置するから、シールド底部開口４２は、クライオポンプ１０の中心軸Ａに沿って見たとき第２冷却ステージ２４を取り囲む。シールド底部開口４２の直径は、第２冷却ステージ２４の寸法より大きい。ここで、第２冷却ステージ２４の寸法は、例えば、冷凍機１６の中心軸に沿って見たときの第２冷却ステージ２４の外形寸法であり、例えば第２冷却ステージ２４の直径または径方向の幅である。シールド底部開口４２が第２冷却ステージ２４より大きくてもよいことは、第１実施形態および第２実施形態においても同様である。

パネル取付部材６２は、第２冷却ステージ２４の両側にそれぞれ取り付けられる一組の取付板を有する。これら取付板には少なくともクライオパネルユニット中間部９２が取り付けられている。シールド底部開口４２の直径は、パネル取付部材６２の寸法（例えば一組の取付板の間隔）より大きくてもよい。

第３実施形態に係るクライオポンプ１０によっても、第１および第２実施形態に係るクライオポンプ１０と同様の作用効果を奏することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

シールド底部開口４２の形状は、円形に限られず、矩形や楕円その他任意の形状であってもよい。いずれにしても、シールド底部開口４２の寸法（例えば直径または幅など）は、第２クライオパネルユニット２０からハウジング底部７４への距離より大きい。

第１から第３の実施形態に言及した放射シールド３０と第２クライオパネルユニット２０との任意の組み合わせが可能である。例えば、第１実施形態の一体型の放射シールド３０は、第２実施形態の入れ子状配列の第２クライオパネルユニット２０と組み合わされてもよいし、第３実施形態の第２クライオパネルユニット２０と組み合わされてもよい。同様に、第２実施形態の二部構成の放射シールド３０は、第１実施形態または第３実施形態の第２クライオパネルユニット２０と組み合わされてもよい。第３実施形態の両端開放円筒状の放射シールド３０は、第１実施形態または第２実施形態の第２クライオパネルユニット２０と組み合わされてもよい。

１０ クライオポンプ、 １６ 冷凍機、 ２１ 冷凍機構造部、 ２２ 第１冷却ステージ、 ２４ 第２冷却ステージ、 ３０ 放射シールド、 ３０ａ シールド円筒部材、 ３０ｂ シールド環状プレート、 ３４ シールド主開口、 ３６ シールド前端、 ３８ シールド底部、 ４０ シールド側部、 ４２ シールド底部開口、 ４４ シールド側部開口、 ６０ クライオパネル、 ７０ クライオポンプハウジング、 ７４ ハウジング底部、 ７６ プレート外周、 ７８ プレート内周、 ８０ クライオパネル、 ８２ 視線。

Claims (6)

1. 第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、前記第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージと、前記第２冷却ステージを前記第１冷却ステージに構造的に支持する冷凍機構造部と、を備える冷凍機と、
   前記第２冷却ステージに熱的に結合されているクライオパネルユニットと、
   シールド主開口、シールド側部開口、およびシールド底部開口を有し、前記第２冷却ステージおよび前記クライオパネルユニットを包囲する放射シールドであって、前記冷凍機構造部が前記シールド側部開口に挿通された状態で前記第１冷却ステージに熱的に結合されている放射シールドと、
   前記シールド底部開口に面するハウジング底部を有し、前記放射シールドを包囲するクライオポンプハウジングと、を備え、
   前記シールド底部開口の寸法は、前記クライオパネルユニットから前記ハウジング底部への距離より大きいことを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記放射シールドは、前記シールド主開口を定めるシールド前端を備え、
   前記シールド底部開口は、前記シールド前端から前記クライオパネルユニットへの視線と前記放射シールドとの交差により定まる境界の内側に位置することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記放射シールドは、シールド主開口側およびハウジング底部側の両端が開放されたシールド円筒部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
4. 前記放射シールドは、前記シールド円筒部材のハウジング底部側の開放端から離れて配置されたプレート外周と前記シールド底部開口を定めるプレート内周とを備えるシールド環状プレートをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
5. 前記シールド底部開口は、前記シールド円筒部材のハウジング底部側の開放端によって定められていることを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
6. 前記シールド底部開口は、前記第２冷却ステージより大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。

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