JPH03237277A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超真空ポンプとして使用されるクライオポン
プに係り、特に、排気対象気体を吸着する凝縮層の形成
を適正に制御できるようにしたクライオポンプに関する
。

〔従来の技術〕

クライオポンプにおいて、極低温に冷却された面に排気
対象気体の吸着媒として作用する凝縮層を、例えば、ア
ルゴンガスで形成し、この凝縮層の形成量を制御するよ
うにした従来技術としては、例えば、特開平１−１７８
７８１号公報に開示されているクライオポンプがある。

このクライオポンプでは、吸気口付近の排気対象とする
気体の圧力の変化に応じて凝縮層を形成するアルゴンガ
スの流量を変化させるようにしたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

クライオポンプにおいては、排出対象の気体であるヘリ
ウム、水素等の吸気口付近の圧力は広い範囲で変動する
。例えば、ヘリウムの場合、その圧力は１Ｏ−１Ｐａ〜
１Ｏ−７Ｐａの如く数桁ノオーダーに亘って変化する場
合がある。このため、クライオポンプ吸気口付近のヘリ
ウム圧力の上記のような広い範囲の変化に対応してアル
ゴンの流量を制御する必要がある。しかし、実用上、流
量制御弁が精度や再現性を維持しつつ制御し得る最大流
量と最小流量の比率としては１０００倍程度が限界であ
る。従って、ヘリウムの圧力が極めて低い領域でのこれ
に対応したアルゴンの流量を微小にする制御の応動性が
難点とされていた。この場合、ヘリウムによる極低温面
の負荷が小さい場合でも、負荷の減少に追従できずに相
対的に大きな流量のアルゴンが供給され、凝縮層が不必
要に厚く形成される。このことは、クラジオポンプの熱
負荷の増大、再生周期の短縮等の不都合をもたらす。

そこで、本発明は、上記従来技術の有する問題点を解消
し、排気対象気体の吸着媒体として作用する凝縮層の形
成量を適切に制御でき安定した排気作用の確保を可能と
するクラジオポンプを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、第１の気体の導
入管路に配設された流量開閉弁と、この流量開閉弁の制
御装置と、クライオポンプの吸気口付近の第２の気体の
圧力を検出する測定装置と、上記測定装置の出力する圧
力値の時間積分値を演算するとともに、上記流量開閉弁
を開閉して第１の気体を間欠的に導入する時間間隔を上
記時間積分値に応じて設定し当該流量開閉弁の制御装置
に開閉信号を出力する間欠時間間隔調節装置を備えたこ
とを特徴とするものである。

〔作　用〕

本発明によれば、排気対象である第２の気体の吸気口付
近の圧力変化に対応して流量開閉弁を開く間隔が調整さ
れ、第２の気体の圧力が低いときは、導入間隔が長く、
第２の気体の圧力が高いときは、導入間隔が短くなるよ
うにすることができる。これによって、第１の気体の導
入流量を第２の気体の圧力に応じて制御することなく、
凝縮層の量が適性に保たれる。

〔実施例〕

以下、本発明によるクライオポンプの一実施例について
添付の図面を参照して説明する。なお、吸着媒として作
用する凝縮層を形成する第１の気体としてはアルゴン、
窒素、六弗化硫黄等があり、排気対象の第２の気体とし
ては、ヘリウム、水素等があるが、以下、第１の気体と
してはアルゴンを、第２の気体としてはヘリウムを例に
して説明する。

第１図は第１実施例のクラジオポンプを示したものであ
る。符号１は、真空容器を示し、この真空容器ｌは、吸
気口２を有するとともに、内部に輻射シールド３が収容
されている。この輻射シールド３の上部には液体窒素溜
４が設置され、一方、下方には、上記吸気口２に対向さ
せるようにして第１のシェブロン型バッフル５が設けら
れている。

上記輻射シールド３の内部の上方位置には第１の液体ヘ
リウム溜６が配置され、この第１液体ヘリウム溜６から
は、上記第１のシェブロン型バッフル５と対向するよう
に第２のシェブロン型バッフル７が垂設されている。符
号８は外面が極低温面となってヘリウムガスを吸着する
凝縮層が形成される第２液体ヘリウム溜８を示し、この
第２液体ヘリウム溜８の上部は気液分離器９と接続され
ている。このような第２液体ヘリウム溜８は、上記第２
のシェブロン型バッフル７と所定間隔をとって対向位置
に配置されるとともに、これらの間には、アルゴンガス
を当該第２液体ヘリウム溜８の外表面に噴出する吹き出
し管１０が配置されている。この吹き出し管１０の第２
液体ヘリウム溜８側にはアルゴンガスの吹き出し孔１１
が多数形成されている。従って、吹き出し管１０の吹き
出し孔１１から第２液体ヘリウム溜８に向けて吹き出さ
れたアルゴンガスは第２液体ヘリウム溜８の内部の液体
ヘリウムによって冷却されてその表面で凝縮し、排気対
象気体であるヘリウムガスを吸着する凝縮層１２が形成
されるようになっている。

上記吹き出し管１０はマニホールド１３を介して導入管
１４に接続され、この導入管１４は、図示しないアルゴ
ンガスの供給装置に接続されている。

次に、真空容器１から出た導入管１４の途中には、流量
開閉弁１５が配設される。この流量開閉弁１５に付設さ
れる弁の駆動機構１６は、制御装置１７の出力する信号
に基づいて弁を開閉する。

一方、真空容器１の吸気口２に臨むように圧力検出管１
８が設置され、この圧力検出管１８の検知した圧力は、
圧力計１９を介して圧力に比例した検出圧力信号に変換
されて間欠時間間隔調節装置２０に導入される。この間
欠時間間隔調節装置２０では、人力された検出圧力信号
の時間積分値を演算しこの演算に基づいて制御装置１７
を介して駆動機構１６に流量開閉弁１５の開閉信号を出
力する。

次に、以上のように構成されるクライオポンプの作用に
ついて説明する。

上記流量開閉弁１５が開いている間は、アルゴンガスが
図示しない供給装置から導入管１４を流れ、マニホール
ド１３を介して吹き出し管１０の吹き出し孔１１から第
２液体ヘリウム溜８に向けて噴出される。アルゴンガス
は、液体ヘリウムの冷却作用下に凝縮され、この結果、
この第２液体ヘリウム溜８の外表面に吸着媒体として作
用する凝縮層１２が形成されることになる。

一方、真空容器１の吸気口２から内部に導かれたヘリウ
ムガスは、先ず、液体窒素溜４に貯溜されている液体窒
素によって冷却されている第１シエブロン型バツフル５
を通過した後、第１液体ヘリウム溜６に貯溜されている
液体ヘリウムの冷却作用下にある第２シエブロン型バツ
フル７を通り抜けて第２液体ヘリウム溜８の付近にまで
到達する。ヘリウムガスは、上記したように第２液体ヘ
リウム溜８の表面に形成されている凝縮層１２による吸
着作用またはトライオドラッピング作用によって排気さ
れる。なお、以上の排気過程で排気対象気体以外の水素
等の成分は、第２シエブロン型バツフル７の表面で凝縮
し、排気される。

このような排気過程において、ヘリウムガスは、真空容
器１の吸気口２から導かれたヘリウムガスの圧力に応じ
て第２図のタイムチャートに示されるように間欠的に導
入される。

第２図（ａ）は、流量開閉弁１５が開いたときのアルゴ
ンガスの間欠的導入のタイミングを表したもので、縦軸
はアルゴンガスの流量を示す。第２図（ｂ）は、圧力検
出管１８で検出した吸気口２付近のリウムガスの圧力の
変化を表したもので、縦軸は圧力を示す。横軸は時間軸
であり第２図（ａ）、（ｂ）で共通にとっである。

第２図（ａ）において、符号１００．１０１．１０２．
１０３、は夫々間欠的に導入されるヘリウムガスの流量
波形である。この場合、配管内を気体が流れるときの流
量の立ち上がりやその時定数は無視し、流量開閉弁１５
が開成すると直ちに単位時間あたり一定の流量ｑでアル
ゴンガスが導入管１４を流れ、一方、流量開閉弁１５が
閉まると直ちにアルゴンガスの流量は０になるものとす
る。また、流量開閉弁１５が開いている時間Δｔは予め
設定されているものとする。

時間Δｔの間、流！開閉弁１５を介して導入されるアル
ゴンガスは、凝縮層１２を形成する。−回の間欠的導入
では、ｑ×Δｔの量のアルゴンガスが凝縮層１２を形成
する。

そこで、第２図（ｂ）において、ヘリウムガスの圧力値
は、ｐ、２ｐ、ｐ／２といった値で段階的に変化するも
のとする。間欠時間間隔調節装置２０は、圧力計１９の
出力する圧力値を時間で積分する演算を行うとともに、
その時間積分値に応じて流量開閉弁１５を開閉して間欠
的に導入するアルゴンガスの導入時間間隔を設定する。

例えば、時間区間（ｔｏ、ｔ＋）、（ｔ＋、ｔ２）、（
ｔ２ｒ　　ｔｓ　）における圧力の時間積分値は、夫々
符号１０４．１０５．１０６で表される領域の面積に相
当する。この場合、間欠時間間隔調節装置２０は、時間
積分値が夫々の区間ごとに一定となるように時刻ｔＩ、
ｔ２、ｔ、・・・を設定し、その時刻で波形１０１．１
０２．１０３で示されるアルゴンガスの間欠的導入を行
うため、制御装置１７に流量開閉弁１５の開閉信号を出
力する。

このようにヘリウムガスの導入は、吸気口２付近のヘリ
ウムガスの圧力値の時間積分値を一定とするような間隔
で間欠的に実行されるので、ヘリウムガスの圧力が高い
場合には、次回の導入間隔が早くなる（ｊ＋　ｒ　　ｔ
２）。この結果、凝縮層１２の吸着能力が飽和に達して
その能力の低下するのが補なわれ、安定した排気作用が
維持される。

これに対して、ヘリウムガスの圧力が低い場合には、凝
縮層１２が飽和するまでに時間がかかり、吸着能力が比
較的長く持続するので、ヘリウムガスの導入間隔が長く
なることによって（ｔ２゜ｔ３）、凝縮層１２が無駄に
厚く形成されず、第２液体ヘリウム溜８の凝縮熱負荷が
低減される。

このように、アルゴンガスの導入流量自体は一定でもそ
の導入間隔を調整することにより、安定した排気に必要
な凝縮層１２をヘリウムガスの圧力変動によらず、実質
的に過不足なく形成することができる。

以上の実施例では、ヘリウムガスの圧力の時間積分値が
一定となるようにアルゴンガスの間欠的導入時間間隔を
調整する場合について説明したが、上記時間積分値が一
定であることに限定されるものではない。例えば、ヘリ
ウムガスの圧力が所定の値より高い場合は低い場合より
も時間積分値を小さく設定するようにしてこの時間積分
値に対応した導入時間間隔としてもよい。

次に、第３図乃至第１２図を参照して本発明の他の実施
例について説明する。

第３図に示す実施例においては、真空容器１の吸気口２
に近い部位に分析管３０が取り付けられ、この分析管３
０に四重極質量分析器３１が接続される。一方、導入管
１４において流量開閉弁１５の上流に設けられた流量調
節弁３２にパルスモータ３３およびエンコーダ３４を設
け、このパルスモータ３３の制御装置３５およびエンコ
ーダ３４の読取装置３６を開度調節装置３７に接続して
いる。

真空容器１の吸気口２を通るヘリウムガスの圧力は分析
管３０を介し四重極質量分析器３１によって検出され、
その検出信号は開度調節装置３７と間欠時間間隔調節装
置２０に出力される。開度調節装置３７においては、四
重極質量分析器３１の検出信号値に対応して駆動機構制
御装置３５に流量制御弁３２の開度を調節する信号を出
力して導入管１４を流れるアルゴンガスの流量が制御さ
れる。そして、流量調節弁３２の開度は、エンコーダ３
４を介して読取装置３６で検出され、この開度信号は開
度調節装置３７にフィードバックされる。この開度調節
装置３７では、上記開度信号と四重極質量分析器３１の
出力する検出信号とが比較され、適切な流量調節弁３２
の開度が決定される。

この実施例では、間欠時間間隔調節装置Ｆ２０によって
、アルゴンガスの間欠的導入の時間間隔を調節できるだ
けでなく、流量調節弁３２によって一回の導入量をも調
整する。アルゴンガスの導入量の微妙な調整が可能とな
り、ヘリウムガスの圧力変化に対して一層追従性が向上
する。

第４図に示す実施例では、導入管１４において流ｊ１調
節弁３２および流量開閉弁１５の下流に流量計センサ３
８を組み込み、この流量計センサ３８の検出信号を流量
計読出袋ａｔ３９を介して総合調節装置４０に出力する
ようにしている。この総合調節装置４０は圧力計１８と
流量計センサ３８の出力に基づいて間欠時間間隔調節装
置２０に対し時間積分値の調整を行うとともに開度調節
袋ｊｔ４１に対し流量調節弁３２の開度の設定値を調節
する。この開度調節装置４１は、修正された設定地に基
づき駆動機構制御装置４２、駆動機構４３を介して流量
調節弁３２の開度を制御する。

この実施例によれば、アルゴンガスの導入流量を流量計
センサ３８を介して検出しこれを総合調節装置４０によ
ってフィードバックしているので、アルゴンガスの供給
装置の圧力変動にも対応することができる。

＊５図に示す実施例では、導入管１４に設けた流量開閉
弁１５を圧電素子で配管経路を開閉する機構を有する弁
を備えた構造のものとし、圧電素子を組み込んだ駆動機
構４４をこの流量開閉弁１５に付設している。この実施
例によれば、空気圧力、ソレノイドの電磁力で駆動され
る機構よりも早い応答速度が得られる。

第６図に示す実施例では、吸気口２に配設する圧力検出
管としては全圧計の検出管、例えば、電離真空計式検出
管４５を用い、この電離真空計式検出管４５を全圧計４
６に接続している。この電離真空計式検出管４５の出力
する圧力の値に基づいて間欠時間間隔調節装置２０は、
圧力値の時間積分値を算出するようにしている。この実
施例は、排気対象気体の大部分をヘリウムガスが占め、
その分圧が排気対象気体の全圧とみなすことができる場
合に適用できる。これによれば、取扱いが簡単になる。

第７図に示す実施例では、真空容器１の吸気口２に近い
部位に分析管４７を取り付け、この分析管４７に磁場偏
向形分圧計４８を接続して構成したものである。

第８図に示す実施例では、真空容器１の吸気口２に近い
部位に接続管４つが取り付けられ、この接続管４つにヘ
リウムリークディテクタ５ｏが接続されている。排気対
象気体がヘリウムである場合には、ヘリウム分圧この実
施例のように、測定手段としてヘリウムリークディテク
タ５ｏを支障なく使用することができる。

次に、第９図乃至第１２図を参照して本発明をこれまで
説明したクライオポンプとは異なる形式のポンプに適用
した実施例につき説明する。

第９図に示すクライオポンプでは、第１図のクライオポ
ンプとは、液体ヘリウムで冷却されるシェフロン形バッ
フル７が設けられていない点において相違する。この形
式のクライオポンプでは、液体ヘリウム溜８の排気面に
ヘリウム、水素その他の排気対象気体が同時に吸着され
るため、ヘリウムの排気面とこれ以外の排気面とを区別
する必要がない場合に有利である。

第１０図に示す実施例は、本発明を気体排気面５１の冷
却にヘリウム冷凍機５２を用いたクライオポンプに適用
した例である。この場合、ヘリウム冷凍機５２は、略液
体窒素の沸点に冷却される第１段冷却部５３と、約２０
Ｋに冷却される第２段冷却部５４と、略液体ヘリウムの
沸点温度に冷却される第３段冷却部５５とを備え、第３
段冷却部５５に固着された冷却板５６に気体排気面５１
が形成されている。また、第１段冷却部５３から下を覆
うように設けた輻射シールド５７にはシェブロン形バッ
フル５８が、第３段冷却部５５に設けた輻射シールド５
９にはシェブロン形バッフル６０が夫々配設される。

第１１図に示す実施例は、第１０図のクライオポンプの
変形に本発明を適用した例である。この場合、第１０図
のクライオポンプにおいて、第３段冷却部５５に設けた
輻射シールド５９とシェブロン形バッフル６０が省略さ
れた構成となっている。この実施例によれば、第３段冷
却部５５によって冷却される気体排気面５１でヘリウム
、水素その他の気体が同時に排気される。

第１２図に示す実施例は、吸気口６１に対して中央開口
部の人口平面が略平行に位置する環状液体ヘリウム溜６
２の内面に気体排気面６３が形成されている型式のクラ
イオポンプに本発明を適用した例である。この場合、シ
ェブロン形バッフル６４は、液体ヘリウム溜６５によっ
て冷却されている。また、液体窒素溜６６によって冷却
されるルーバーブラインド形バッフル６７のフィン６８
は吸気口６１から気体排気面６３への輻射を防止するよ
うに傾斜して配置されている。この実施例によれば、排
気対象気体のシェブロン形バッフル６４および気体排気
面６３に対する通過確率が増大する利点がある。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、吸着
媒体として作用する凝縮層を形成する第１の気体を間欠
的に導入するについて、排出対象である第２の気体の吸
気口の圧力を検出して、間欠的導入間隔を当該気体圧力
の積分値に対応させて設定するようにしているので、排
気対象の第２の気体の圧力変動に関わらず、凝縮層の形
成量をを適正に制御することができ、クライオポンプは
、安定した排気能力を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるクライオポンプの一実施例を示し
た断面図、 第２図は、第１の気体の間欠的導入と第２の気体の圧力
値の関係を表したタイムチャート、第３図乃至第１２図
は本発明によるクライオポンプの他の実施例を示した断
面図である。 １・・・真空容器、２・・・吸気口、３・・・輻射シー
ルド、４・・・肢体窒素溜、５・・・第１シエブロン型
バツフル、６・・・第１液体ヘリウム溜、７・・・第２
シエブロン型バツフル、８・・・第２？ｉ＆体ヘリウム
溜、９・・・気液分離器、１０・・・吹き出し管、１１
・・・吹き出し孔、１２・・・凝縮層、１３・・・マニ
ホールド、１４・・・導入管、１５・・・流量開閉弁、
１６・・・駆動機構、１７・・・制御装置、１８・・・
圧力検出器、１つ・・・圧力計、２０・・・間欠時間間
隔調節装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空容器内の極低温に冷却した面に吸着媒として作用す
   る第１の気体を凝縮させ、この第１の気体の凝縮層によ
   る吸着またはクライオトラッピング作用下に排気対象と
   する第２の気体を真空中の気相から排気するようにした
   クライオポンプにおいて、第１の気体の導入管路に配設
   された流量開閉弁と、この流量開閉弁の制御装置と、ク
   ライオポンプの吸気口付近の第２の気体の圧力を検出す
   る測定装置と、上記測定装置の出力する圧力値の時間積
   分値を演算するとともに、上記流量開閉弁を開閉して第
   １の気体を間欠的に導入する時間間隔を上記時間積分値
   に応じて設定し当該流量開閉弁の制御装置に開閉信号を
   出力する間欠時間間隔調節装置を備えたことを特徴とす
   るクライオポンプ。