JPH04342884A - 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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は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、吸着媒形成気体の凝
縮層の吸着作用で排気対象気体を排気するときの排気作
用の不安定性を抑制するようにしたクライオポンプに関
する。

【０００３】

【従来の技術】従来の極低温に冷却した吸着媒として作
用する凝縮層の形成を制御するようにしたクライオポン
プとしては、特開平１−１７８７８１号公報において開
示されているクライオポンプがある。

【０００４】この従来例においては、クライオポンプの
排気容量の低下を防止するために、凝縮層が吸着媒とし
て作用する吸着媒形成気体である第１の気体の凝縮量の
制御は、クライオポンプ吸気口付近の排気対象気体であ
る第２の気体の圧力に応動して変化させる手段が取られ
ている。

【０００５】ここで吸着媒形成気体である第１の気体は
アルゴン（Ａｒ）などの希ガス類、窒素（Ｎ２　）およ
び六弗化硫黄（ＳＦ６　）などが知られており、排気対
象気体の第２の気体としては、通常のクライオポンプで
は排気困難なヘリウム（Ｈｅ）や到達圧力の高い水素（
Ｈ２　）、及び水素同位体（Ｄ２　，ＨＤ，Ｔ２　など
）とするのが一般的である。以下、第１の気体としてア
ルゴン、第２の気体としてヘリウムに例を取って説明す
る。

【０００６】

【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、排気対象気体のヘリウム負荷の急激な増大や、ア
ルゴン凝縮層に吸着しているヘリウムの脱離によって、
排気対象気体の急激な圧力上昇を生じた場合には、吸着
媒として作用するアルゴン凝縮層のヘリウムに対する相
対的必要量が不足するため、一時的に吸着能力が減少し
、排気速度が低下する現象が生じる。一旦、吸着媒とし
て作用するアルゴン凝縮層のヘリウムに対する相対的量
の不足している状態が生じると、排気速度の減少のため
にヘリウムなどの排気対象気体の圧力がさらに上昇し、
このため吸着媒のアルゴン凝縮層のヘリウムなどの被排
気気体に対する相対的量がさらに不足し、さらに一層ヘ
リウムなどの排気対象気体の圧力上昇を招く、という悪
循環に陥いる重大な欠点があった。

【０００７】このような吸着媒の相対的不足と圧力上昇
の悪循環が生じると、クライオポンプに対する熱負荷が
急激に増大することによって、吸着されているヘリウム
などの排気対象気体の脱離が起こり、クライオポンプで
排気されている真空容器内の圧力の急激な圧力上昇や、
クライオポンプの液体ヘリウムなどの冷媒溜内圧の急激
な上昇などの暴走状態が発生し、正常なクライオポンプ
の動作が困難になるという極めて重大な欠点が在った。

【０００８】本発明は上記従来の問題点に鑑みなされた
もので、被排気気体の急激な圧力上昇に起因するクライ
オポンプの排気作用の不安定性を防止するため、多孔質
固体吸着媒の排気能力を付加的に利用するようにしたク
ライオポンプを提供することを目的とする。

【０００９】［発明の構成］

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のクライオポンプは、真空中で極低温に冷却し
た面に凝縮層が吸着媒として作用する第１の気体を凝縮
させ、この第１の気体の凝縮層中又は凝縮層上に排気対
象とする第２の気体を吸着作用又はクライオトラッピン
グ作用で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、多孔質吸着媒を極低温に冷却可能に内
部に固定し且つ前記第１の気体の凝縮層の露出空間に前
記多孔質固体吸着媒を露出可能にする開口部を有する隔
室と、前記隔室を前記第１の気体の凝縮層の露出空間か
ら密閉可能な隔室閉止弁とを備え、前記第２の気体の圧
力測定装置て、前記圧力測定装置の出力する圧力測定値
の時間微分値を演算すると共に、前記圧力測定値と圧力
測定値の時間微分値に応じて、前記隔室閉止弁を開くよ
うに隔室閉止弁の駆動制御装置に開閉信号を出力する隔
室閉止弁開閉調節装置とを備えたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明によれば、排気対象の第２の気体の吸着
口付近の圧力及び圧力の時間微分値に応じて、第２の気
体の圧力上昇が急激な場合は、第１の気体の凝縮層が露
出している空間に対して開口部を有し且つ内部に極低温
に冷却される多孔質固体吸着媒を固定している隔室の、
前記開口部を密閉可能に閉止している隔室閉止弁が開か
れる。多孔質固体吸着媒は密閉された隔室内に保持され
ていたので吸着能力が保たれている。排気対象の第２の
気体の急激な圧力上昇は、この開口部が開かれて第１の
気体の凝縮層が露出している空間に対して露出される極
低温に冷却された多孔質固体吸着媒によって付与される
付加的な排気能力によって吸収される。これにより第２
の気体の急激な圧力上昇は抑制され、クライオポンプの
暴走が防止され、安定した排気動作が保たれる。

【００１２】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明によるクライオポンプの第１
の実施例について図１および図２を参照して説明する。 なお、吸着媒形成気体の第１の気体としては、アルゴン
などの希ガス類、窒素、六弗化硫黄の各々の気体の単一
成分気体、又は混合成分気体又は単一成分気体の交互使
用などがあり、排気対象の第２の気体としてはヘリウム
、水素等がある。多孔質固体吸着媒としては、活性炭、
モレキュラーシーブ５Ａなどがある。以下、第１の気体
としてアルゴンを、第２の気体としてヘリウムを、多孔
質固体吸着媒としては活性炭を例にして説明するが、上
記の他の物質でも同様である。

【００１３】図１は第１の実施例のクライオポンプを示
し、図２はその要部を拡大して示したものである。符号
（１）は真空容器を示し、この真空容器（１）は吸気口
（２）を有し、排気対象とする真空容器と吸気口弁（３
）を介して排気可能に接続されると共に内部に輻射シー
ルドが収納されている。この輻射シールド（４）の上部
には液体窒素溜（５）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
ンバッフル（６）が設けられている。吸気口弁（３）は
排気時には開かれる。

【００１４】上記輻射シールド（３）の内部の上方位置
には液体ヘリウムの気液分離器（７）が配置され、この
気液分離器（７）からは、上記第１のシェブロン形バッ
フル（６）と対向するように第２のシェブロン形バッフ
ル（８）が気液分離器（７）に垂設されている液体ヘリ
ウム溜（９）で冷却可能に取付けられて垂設されている
。符号（１０）は外面が極低温となってヘリウムを吸着
する凝縮層が形成される第２液体ヘリウム溜を示し、こ
の第２液体ヘリウム溜（１０）の上部は気液分離器（１
１）と接続されている。このような第２液体ヘリウム溜
（１０）は、上記第２のシェブロン形バッフル（８）と
所定間隔をとって対向位置に配置されていると共に、こ
れらの間には、アルゴンを第２液体ヘリウム溜（１０）
の外表面に噴出する吹出し管（１２）が配置されている
。この吹出し管（１２）の第２液体ヘリウム溜（１０）
側にはアルゴンの吹出し孔（１３）が多数形成されてい
る。従って、吹出し管（１２）の吹出し孔（１３）から
第２液体ヘリウム溜（１０）に向けて吹出されたアルゴ
ンは第２液体ヘリウム溜（１０）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
あるヘリウムを吸着するアルゴン凝縮層（１４）が形成
されるようになっている。

【００１５】上記吹出し管（１２）はマニホールド（１
５）を介して導入管（１６）に接続され、この導入管（
１６）は、図示しないアルゴンの供給装置に接続されて
いる。真空容器（１）から出た導入管（１６）の途中に
は流量調節弁（１７）が配設される。この流量調節弁（
１７）に付設される弁の駆動機構（１８）は、駆動機構
の制御装置（１９）の出力する信号に基づいて弁の開度
を調節する。一方、真空容器（１）の吸気口（２）に臨
むように圧力検出管（２０）が設置され、この圧力検出
管（２０）の検知した圧力は、圧力計（２１）を介して
検出圧力信号に変換されて圧力開度対応装置（２２）に
導入される。この圧力開度対応装置（２２）においては
、圧力計（２１）の検出信号値に対応して駆動機構制御
装置（１９）に流量調節弁（１７）の開度を調節する信
号を出し、導入管（１６）と流れるアルゴンの流量を調
節する。

【００１６】第２液体ヘリウム溜（１０）の前面には、
活性炭（２３）を固着した活性炭パネル（２４）と、こ
の活性炭パネル（２４）を極低温に冷却可能に内部に固
定し且つアルゴン凝縮層（１４）の露出空間に前記活性
炭（２３）を露出可能にする開口部（２５）を有する隔
室（２６）が取付けられている。この隔室（２６）の開
口部（２５）には、隔室（２６）内部を密閉可能な隔室
閉止弁（２７）が取付けられている。

【００１７】前記隔室閉止弁（２７）には駆動機構延長
部（２８）が設けられ、真空容器（１）の外に配置され
た駆動機構（２９）で開閉動作させられる。駆動機構（
２９）の動力源の電気回路、気体圧力配管等は図示しな
い。駆動機構（２９）は駆動機構制御装置（３０）が出
力される開閉動作信号に基づいて、図示しない動力源に
よって、駆動機構延長部（２８）を介して隔室閉止弁（
２７）を駆動する。

【００１８】一方、圧力検出管（２０）の検知した圧力
は、圧力計（２１）を介して検出圧力信号に変換されて
圧力開度対応装置（２２）と共に隔室閉止弁開閉調節装
置（３１）に導入される。この隔室閉止弁開閉調節装置
（３１）では、入力された検出信号の時間微分値を演算
し、この演算に基づいて隔室閉止弁開閉調節装置（３１
）は、駆動機構制御装置（３０）に、駆動機構（３１）
を駆動して隔室閉止弁（２７）を開閉するよう、開閉信
号を出力する。

【００１９】（実施例１の作用）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。

【００２０】上記流量調節弁（１７）の開度に応じて、
アルゴンが図示しない供給装置から導入管（１６）を流
れ、マニホールド（１５）を介して吹出し管（１２）の
吹出し孔（１３）から第２液体ヘリウム溜（１０）に向
けて噴出される。アルゴン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（１０
）の外表面に吸着媒として作用するアルゴン凝縮層（１
４）が形成されることになる。

【００２１】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は、先ず、液体窒素溜（５）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
ェブロン形バッフル（６）を通り抜けて第２液体ヘリウ
ム溜（１０）の付近にまで到達する。ヘリウムは上記し
たように第２液体ヘリウム溜（１０）の表面に形成され
ているアルゴン凝縮層（１４）による吸着作用又はクラ
イオト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中の水素等の成分は、第２シェ
ブロン形バッフル（８）の表面で凝縮し排気される。

【００２２】このような排気過程において、通常の状態
においては設定条件により各部材は作動している。即ち
、吸気口（２）から内部に導かれた排気対象気体中のヘ
リウム成分の圧力が上昇すると、この圧力上昇は圧力検
出管（２０）に設けた圧力計（２１）により検出され、
その検出信号は圧力開度対応装置（２２）に送られる。 この圧力開度対応装置（２２）においては、圧力計（２
１）の検出信号値に対応して駆動機構制御装置（１９）
に流量調節弁（１７）の開度を調節する信号を出し、導
入管（１６）を流れるアルゴンの流量を排気対象気体の
圧力上昇に比例するように制御する。

【００２３】また吸気口（２）から内部に導かれた排気
対象気体の圧力が減少すると、この圧力減少を検出した
圧力計（２１）から出る検出信号に応じた開度調節信号
を駆動機構制御装置（１９）が出し、導入管（１６）を
流れるアルゴン流量と排気対象気体の圧力の下降に比例
して減少するように制御する。

【００２４】排気対象気体中のヘリウム成分の負荷量の
変動が比較的に緩やかな場合には上述のように吸着媒形
成気体の導入流量の制御が行なわれる。しかし排気対象
気体のヘリウム負荷の急激な増大や、アルゴン凝縮層に
吸着しているヘリウムの脱離によって排気対象気体の急
激な圧力上昇を生じた場合には、次に述べるように隔室
閉止弁（２７）が開き、隔室内で冷却されている活性炭
（２３）が、アルゴン凝縮層が露出している空間に露出
される。

【００２５】排気対象気体中のヘリウム成分の圧力上昇
が急激な場合は、隔室閉止弁開閉調節装置（３１）によ
って圧力の時間微分値が所定の値を越えた場合として検
出される。この場合には、アルゴン凝縮層に対するヘリ
ウム負荷量が相対的に一時的に増加してクライオポンプ
の排気作用が不安定になるのを防止するため、隔室閉止
弁開閉調節装置（３１）によって駆動機構制御装置（３
０）に駆動機構（２９）を駆動機構延長部（２８）を介
して隔室閉止弁（２７）を開くよう、信号が出力される
。この結果、隔室閉止弁（２７）が開き隔室（２６）内
の極低温に冷却されている活性炭（２３）が露出される
。排気対象気体のヘリウムは、この露出した活性炭（２
３）の吸着排気能力によって排気され、アルゴン凝縮層
の相対的不足が補なわれる。活性炭（２３）が露出され
た後、ヘリウムの圧力値及びヘリウムの圧力値の時間微
分値が所定の値に収まると、隔室閉止弁（２７）は隔室
閉止弁開閉調節装置（３１）によって、閉めるように調
節される。活性炭（２３）はアルゴン凝縮層（１４）の
露出している空間から密閉され、隔室閉止弁開閉調節装
置（３１）によって次に隔室閉止弁（２７）が開くよう
調節されるまで、隔室（２６）内で待機する。

【００２６】（実施例１の効果）以上説明したように、
排気対象のヘリウムの圧力値の時間微分値が所定の値を
越える場合には、密閉された隔室内に隔離されて吸着排
気能力の飽和を防止されて待機している多孔質固体吸着
媒の活性炭が、吸着媒形成気体凝縮層のアルゴン凝縮層
が露出している空間に対して露出されるので、クライオ
ポンプの一時的な排気速度の低下を防止することができ
る。このため一時的な排気速度の低下によって引き起こ
される、吸着媒形成気体凝縮層の急激な圧力上昇などの
クライオポンプの排気動作の暴走的状態を防止すること
が可能である。

【００２７】以上の説明で、隔室閉止弁を開く圧力値と
圧力値の時間微分値は、個々のクライオポンプの排気動
作が不安定となる値をあらかじめ実験的に求めておくも
のとする。

【００２８】次に、図３および図４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。図３および図４に
示す実施例では図１および図２に示した実施例と同一の
部材には、同一の符号を付けて説明を省略する。

【００２９】（実施例２）図３に示すクライオポンプで
は、図１および図２のクライオポンプとは、液体ヘリウ
ムで冷却されるシェブロン形バッフル（８）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（１０）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を区別する必要がな
い場合に有利である。

【００３０】（実施例３）図４に示す実施例は、本発明
を気体排気面（３２）の冷却にヘリウム冷凍機（３３）
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（３３）は、概略液体窒素の沸点温度
に冷却される第１段冷却部（３４）と約２０Ｋに冷却さ
れる第２段冷却部（３５）と、概略液体ヘリウムの沸点
温度に冷却される第３段冷却部（３６）とを備え、第３
段冷却部（３６）に固着された冷却板（３７）に気体排
気面（３２）が形成されている。また第１段冷却部（３
４）から先を覆うように設けた輻射シールド（３８）に
はシェブロン形バッフル（３９）が、第３段冷却部（３
６）に設けた輻射シールド（４０）にはシェブロン形バ
ッフル（４１）が配設される。

【００３１】

【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、多孔質固体吸着媒を、吸着媒形成気体凝縮層
の露出している空間に露出するについて、排出対象であ
る第２の気体の吸気口の圧力を検出して、露出時刻を当
該気体圧力値と圧力値の時間微分値とに対応させて設定
するようにしているので、多孔質固体吸着媒の吸着能力
の飽和が防止されると共に、排気対象の第２の気体の急
激な圧力変動に関わらず、クライオポンプの安定した排
気能力を発揮させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるクライオポンプの第１の実施例を
示す断面および一部系統図。

【図２】図１の符号（２３）ないし（２７）の部分の拡
大図。

【図３】第２の実施例を示す断面および一部系統図。

【図４】第３の実施例を示す断面および一部系統図。

【符号の説明】

１…真空空器 ２…吸気口 ３…吸気口弁 ４…輻射シールド ５…液体窒素溜 ６…第１シェブロン形バッフル ７…気液分離器 ８…第２シェブロン形バッフル ９…第１液体ヘリウム溜 １０…第２液体ヘリウム溜 １１…気液分離器 １２…吹出し管 １３…吹出し孔 １４…アルゴン凝縮層 １５…マニホールド １６…導入管 １７…流量調節弁 １８…駆動機構 １９…駆動機構制御装置 ２０…圧力検出管 ２１…圧力計 ２２…圧力開度対応装置 ２３…活性炭（多孔質固体吸着媒） ２４…活性炭パネル ２５…開口部 ２６…隔室 ２７…隔室閉止弁 ２８…駆動機構延長部 ２９…駆動機構 ３０…駆動機構制御装置 ３１…隔室閉止弁開閉調節装置 ３２…気体排気面 ３３…ヘリウム冷凍機 ３４…第１段冷却部 ３５…第２段冷却部 ３６…第３段冷却部 ３７…冷却板 ３８…輻射シールド ３９…シェブロン形バッフル ４０…輻射シールド ４１…シェブロン形バッフル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空中で極低温に冷却した面に凝縮層
   が吸着媒として作用する第１の気体を凝縮させ、この第
   １の気体の凝縮層中又は凝着層上に排気対象とする第２
   の気体を吸着作用又はクライオトラッピング作用で真空
   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、多孔質固体吸着媒を極低温に冷却可能に内部に固定
   し且つ前記第１の気体の凝縮層の露出空間に前記多孔質
   固体吸着媒を露出可能にする開口部を有する隔室と、前
   記隔室を前記気体の凝縮層の露出空間から密閉可能な隔
   室閉止弁と、前記第２の気体の圧力測定装置と、前記圧
   力測定装置の出力する圧力測定値の時間微分値を演算す
   ると共に、前記圧力測定値と圧力測定値の時間微分値に
   応じて、前記隔室閉止弁を開くように隔室閉止弁の駆動
   制御装置に開閉信号を出力する隔室閉止弁開閉調節装置
   とを備えたことを特徴とするクライオポンプ。