JPH0549826B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低温ポンプに関し、特に２段式の閉鎖
サイクル冷却器により冷却される低温ポンプに関
する。また、本発明は、低温ポンプにおけるクロ
スオーバハングアツプを阻止する方法にも関す
る。

開放低温サイクル、あるいは閉鎖低温サイクル
により冷却されるかを問わず、現在利用しうる低
温ポンプは一般的に同じ設計概念に依つている。
通常４から25Kの範囲で作動する低温の第２段ア
レイが主要なポンピング面を構成する。この面は
通常70から130Kの温度範囲で作動し、低温アレ
イに対する放射遮蔽を提供する高温シリンダによ
つて囲まれている。前記放射遮蔽は一般的に、主
ポンピング面と、排気すべきチヤンバとの間に位
置した正面アレイの部分を除いて閉鎖されたハウ
ジングを含む。前記の高温で、第一段の正面アレ
イが、例えば水蒸気のような高沸点ガスをポンピ
ングする個所として作用する。

作動時、例えば水蒸気のような高沸点ガスは前
記正面アレイで凝縮する。低沸点ガスは前記アレ
イを通過して、放射遮蔽内のチヤンバへ入り第２
段アレイ上で凝縮する。また、例えば木炭のよう
な吸収剤を塗布した面、あるいは第２段アレイの
温度、あるいはそれ以下で作動する分子篩を極め
て沸点の低いガスを除去するため前記チヤンバ内
に設けることができる。このようにガスを凝縮し
たり、あるいはポンピング面に吸収させることに
より作動チヤンバは真空のみになる。

閉鎖サイクル冷却器により冷却されるシステム
においては、冷却器は典型的には、放射遮蔽の後
方を貫通して延びる冷却フインガを有する２段式
冷凍機である。低温冷却器の第２段の最冷ステー
ジの冷却端は冷却フインガの先端にある。主ポン
ピング面、即ち低温パネルは冷却フインガの第２
段の最冷端部において熱だめに接続されている。
前記低温パネルは第２段の熱だめの周りに配設さ
れ、かつ該熱だめに接続された簡単な金属板ある
いは金属そらせ板のアレイでよい。また、前記第
２段の低温パネルは低温吸収剤を支持する。

放射遮蔽は冷凍器の第一段の最冷端において、
熱だめあるいは熱ステーシヨンに接続されてい
る。前記遮蔽は第一段の低温パネルを放射熱から
保護するように該パネルを囲んでいる。正面アレ
イは、側方遮蔽、あるいは米国特許第4356701号
に示すように熱支柱を介して第一段の熱だめによ
り冷却される。

低温ポンプシステムのある使用者が経験した１
つの問題は、クロスオーバ「ハングアツプ」とし
て知られている。この問題はプロセスがアルゴ
ン、酸素あるいは窒素雰囲気中で進行するスパタ
リングシステムの如きシステムに特に関連する。
クロスオーバとは作動チヤンバと低温ポンプとの
間の弁が開放して極めて高度の真空状態の低温ポ
ンプを低度の真空状態の作動チヤンバへ露出する
プロセス段階のことである。その場合、作動チヤ
ンバの圧力は低温ポンプによつて減圧される。作
動チヤンバの圧力を例えば10^-7トルまで持つてく
るには、アルゴンの場合、ガスを冷たい第22段ア
レイで28.6Kの温度で凝縮する必要がある。高温
でルゴンを凝縮するとアルゴンの分圧が高くな
り、そのため作動チヤンバの圧力が高くなる。

第１段のアレイが例えば77Kの温度に保持され
るシステムの通常作動の間は、アルゴンは第１段
アレイでは凝縮せず、第２段アレイで適度に凝縮
するよう直接第２段アレイへ通過する。しかしな
がら、熱負荷の低い状態では、正面アレイの温度
は約40K程度まで低下しうる。その温度ではアル
ゴンは正面アレイで凝縮せず、かつ該温度におい
ては、固体アルゴンの蒸発とアルゴン分子の凝縮
との均衝から生じる分圧によつて分圧は単に10^-3
から10^-4トルまでになつてしまう。アルゴンが正
面アレイにおいてこの昇華状態にある限りは、作
動チヤンバの圧力を希望する10^-7トルまで下げる
ことはできない。

昇華の間アルゴンガスが蒸発するにつれて、ア
ルゴンガスは最終的に冷たい第２段へと移動し、
そこで捕捉される。しかしながら昇華速度は遅
く、昇華が完了するまでにシステム内の圧力は高
温で「ハングアツプ（停止）」する。

「ハングアツプ」に対する可能な解決策とし
て、第一段アレイの温度の冷却を防止するため電
気的熱荷重を導入して第一段アレイを暖めること
が提案されてきた。しかしながら、第一段アレイ
に熱負荷を加えると通常冷凍機の冷却時間を増加
させることになる。冷却時間を最短にすることが
低温ポンプ設計上の有意義な関心事であり、さら
に、水素濃度の高い個所では電気エレメントは危
険となりうる。

低温ポンプシステムに関連する別の問題は、脈
動する熱負荷は作動チヤンバ内の圧力を一定にし
ないことである。例えば、放射率の低い弁ドアを
開放して放射率の高い放射面へ正面アレイを露出
するにつれて、熱負荷が増加し、圧力が不安定に
なりうる。

本発明の原理によれば、第１段が約50K以上の
温度に保持されるよう第一段に受動熱負荷を提供
することにより低温ポンプにおけるクロスオーバ
ハングアツプが排除される。冷却の初期段階の
間、受動熱負荷は最終の冷却温度状態におけるよ
り著しく少ないため、冷却時間は著しく影響され
ることはない。

熱負荷は放射遮蔽の放射加熱によることが好ま
しい。第一段に対する放射熱負荷を増加するに
は、放射遮蔽の少なくとも一部と真空容器との間
の有効放射率を増加させる。第１段が低温の場合
は、第１段の放射熱負荷は熱流束が温度差の４乗
の関数であるという事実のために大きい。その結
果、第１段が50K近くの温度まで低下すると、熱
負荷は著しくなり、第１段が50K以下の温度まで
低下しないようにする。温度が50K以上に保持さ
れている限りは、クロスオーバハングアツプは排
除されることが判明している。高温においては、
放射遮蔽と真空容器との間の温度差は低く、放射
熱流束が温度差の関数であるという事実のため、
熱負荷は著しく低い。シシステムが最初に大気温
にある場合熱負荷は無視しうるほど少ない。この
ため、第１段に放射熱負荷を提供することによ
り、冷却温度においては熱負荷は最小となるが、
極めて低温では第一段が50K以下の温度まで低下
しないようにするに十分著しく高い。冷却時間が
著しく損われず、クロスオーバハングアツプが排
除される。

放射遮蔽と真空容器との間の有効放射率は放射
遮蔽の外面を黒色に塗ることによつて得ることが
好ましい。真空容器の内面を塗布しても有効放射
率を増加させるが、高温においては真空容器の前
記塗料からガス放出がなされることになるかもれ
ない。

クロスオーバ「ハングアツプ」に係る問題は、
第２段の冷凍機シリンダの側部にガスが凝縮する
ことによつて発生しうる。この問題は、アレイの
裏側の吸収材に対して最大限の流通性を提供する
ために開放した第２段アレイを使用した場合特に
明らかである。通常の作動温度においては、約
77Kの第１段熱だめから、15Kの第２段の熱だめ
まで、冷凍機シリンダの長さにわたり温度傾斜が
ある。アルゴンおよびその他のガスは50K以下の
温度の冷凍機シリンダのゾーンに沿つて凝縮しう
る。前記ゾーンにおける温度はシステムの圧力に
よつて決定される。例えばシステムにおける弁を
開放することにより第１段に熱負荷が加えられる
と、第１段の温度は増加し、冷凍機シリンダの長
さにわたり50Kのゾーンを移動させる。前記ゾー
ンが移動するにつれて、シリンダ上で冷凍したガ
スが急速に解放される。この急速な蒸発によつて
作動チヤンバの圧力が急激に増加する。さらに、
第１段の熱負荷が一定の場合でさえも、冷凍機シ
リンダ内の移動装置が往復運動し、臨界ゾーンを
連続的に運動させる。臨界ゾーンの前記運動によ
り作動チヤンバ内の圧力を頻繁に変動させる。

第２段冷凍機においてアルゴンおよびその他の
ガスが凝縮することにより起因する問題を排除す
るには、緊密装置のスリーブが冷凍機シリンダを
囲繞する。スリーブは第２段の熱だめと熱接触す
るが冷凍機シリンダとは接触しない。第２段アレ
イを通過するほとんどのガスはシリンダに到来す
る前に遮蔽上で凝縮する。遮蔽とシリンダとの間
に約2.54ミリ（0.1インチ）以下の狭い空〓があ
ればシリンダの下方を通過するガスでさえも確実
に冷たい遮蔽上で急速に凝縮され、かつ捕捉され
るようにする。第２段熱だめの低温で放射遮蔽を
保持することにより、該遮蔽上で凝縮するガスが
該遮蔽上に保持され、その後移動装置あるいは高
度の熱負荷が第１段へ運動しても蒸発することは
ない。

本発明の前述およびその他の目的、特徴および
利点は、種々の図面を通して同一部材に同じ参照
番号を付した添付図面に示す本発明の好適実施例
についての以下詳細説明から明らかとなる。図面
は必ずしも尺度通りではなく、本発明の原理を示
す上で誇張して示してある。

第１図と第２図に示す低圧ポンプは、フランジ
１４に沿つて作動チヤンバの壁に取り付けられた
真空容器１２を含む。容器１２の正面開口１６は
作動チヤンバの円形開口と連通する。

第２図に示すように、運搬のために取外し可能
のカバー１７が前記開口上に設けられている。代
替的に、低温ポンプ組立体をチヤンバ内へ突出さ
せ、後部フランジに真空シールを設けてよい。冷
凍機の第２段冷却フインガ１８が開口２０を貫通
して容器１２中へ突出している。この場合、冷凍
機はチエリス他（Chellis et al）への米国特許第
3218815号に開示のようなギフオード・マクマホ
ン（Gifford−MacMahon）の冷凍機である。冷
却フインガ１８の第２段移動装置がモータ２２に
よつて駆動される。サイクル毎に、配管２４を介
して加圧されて冷却フインガへ導入されたヘリウ
ムガスが膨張し、冷却されて配管２６を介して排
出される。第１段の熱だめ、即ち熱ステーシヨン
２８が冷凍機の第１段部分２９の冷却端に取り付
けられている。同様に熱だめ３０が第２段３２の
冷却端に取り付けられている。熱だめ３０の後部
には適当な感温エレメント３４が取り付けられて
いる。

主要ポンピング面は熱だめ３０に取り付けられ
たアレーである。前記アレーはデイスク３８と、
垂直配列され、前記デイスク３８に熱支柱４１に
より取り付けられた一一組の円形の山形絞状部材
４０とから構成されている。前記支柱４１は前記
絞状部材４０と、該絞状部材の間に設けられた円
筒形スペーサ４３を貫通して延び、前記支柱の端
部にあるナツトが前記山形絞状部材とスペーサと
を圧縮して緊密な積重体とする。例えば木炭の粉
末のような低温吸収材が前記絞状部材の下部裏面
部分に接着されている。低沸点のガスは開放した
山形絞状部材を通つて前記吸収材に近接する。前
記山形絞状部材を支柱によつて前述のように開放
配置することにより組立ても簡単にし、かつガス
が絞状部材４０の前側を通つて吸収材まで流れや
すくする。代替例として、山形絞状部材を、吸収
材を接着しうる内部シリンダに支持させてもよ
い。

下記する理由から、スリーブ５２が第２段冷凍
機シリンダ３２上に位置している。前記スリーブ
５２は、第２段熱だめ３０に取り付けられ、かつ
該熱だめから下方に延びる２個の半円筒形部材５
４，５６から形成されている。前記スリーブとシ
リンダ３２との間には小さい空〓５５が設けられ
ている。

コツプ状の放射熱だめ４４が第１段の高温熱だ
め２８に取り付けられている。第２段の冷却フイ
ンガが前記放射遮蔽の開口４５を貫通して延びて
いる。前記放射遮蔽４４は第２段アレイを後部お
よび側部まで囲み、放射によるアレイの加熱を最
小にする。前記放射遮蔽の温度は約120K以下で
あることが好ましい。

正面低温パネルアレイ４６は主要低温パネル用
の放射遮蔽ならびに、水蒸気のような高沸点ガス
用の低温ポンピング面の双方として作用する。前
記アレイはリム５０により接続されたよろい板４
８を含む。正面アレイ４６は放射遮蔽４４に取り
付けられ、該遮蔽は正面アレイを支持し、かつ熱
だめ２８から前記アレイまでの熱通路として作用
する。前記アレイの形状は図示した配置に限定さ
れる必要はなく、放射熱遮蔽として、かつ高温で
の低温ポンピングパネルをして作用し、一方低沸
点ガスの第２段アレイまでの通路を提供するよう
配置したそらせアレイであるべきである。

前述のように、クロスオーバハングアツプの問
題はアルゴンやその他のガスが第２段へ直接通過
するよりもむしろ第１段の正面アレイ上で冷凍す
ることから発生する。実験によれば、アルゴンに
よるハングアツプは正面アレイの温度を50K度以
上に保持することにより排除しうることを示して
いる。これは低温の第１段に熱負荷を提供するこ
とにより達成できる。他方、冷却速度を高めるた
めに高温での第１段の熱負荷は最小にすることが
好ましい。この目的に対して、放射遮蔽４４の外
側をつや消しの黒色塗料で塗布して第一段へ放射
熱負荷を供給する。このため、放射遮蔽の放射率
が増加し、真空容器から遮弊までの放射熱の流れ
を増加させる。前記放射熱の流れは第１段冷凍機
への熱負荷である。

第１段への熱負荷は放射遮蔽４４への放射熱の
流れＱによるものである。

Ｑ＝Aδe_eff（T_H ⁴−T_L ⁴） (1) Ａは表面積、δは常数、e_effは有効放射率、T_H
は真空容器の温度、T_Lは放射遮蔽の温度である。

有効放射率は放射遮蔽の外面の放射率e₀と真空
容器の内面の放射率e_iとの関数である。

e_eff１／１／c₀＋１／e_i−１ (2) 過去、前記面は約0.05以下の有効放射率に対し
て、約0.1以下の極めて低い放射率を得るため研
磨した。前記の低い有効放射率により放射熱の流
量および第１段に対する熱負荷を最小にする。本
発明により第１段に適度の熱負荷を提供するに
は、有効放射率は少なくとも約0.10であるべきで
ある。この有効放射率は放射遮蔽４４の外面の１
に近い放射率と、真空容器１２の内面の約0.1の
放射率とにより得られる。

高放射率が放射遮蔽４４上に提供されるのであ
つて、正面アレイ４６上でないことが重要であ
る。正面アレイ４６に高度の放射率を提供するこ
とにより、有効放射率を大きく変えることができ
る。作動チヤンバへの弁ドアが開放するにつれ
て、正面アレイ上の放射率は0.1から１近くまで
変化する。前記アレイ上の放射率が１近くになる
と、有効放射率は約0.1から約１まで変わる。こ
の結果、数ワツト熱負荷が変化する。

現在のような配置によつて、正面アレイの放射
率は約0.1となり、弁が開放するにつれて、正面
アレイの放射率は約0.05から約0.1まで変化する。
弁位置とは関係なく放射遮蔽と真空容器の間の有
効放射率は約0.1に留る。このように、第１段の
熱負荷は約１あるいは２ワツトではるかに一定状
態となる。

放射熱流量は温度差の４乗の関数であることが
判る。このように、温度差が増えるにつれて、熱
流量は増加する。放射遮蔽４４を黒色に塗布する
ことにより約0.9の放射率を提供し、第１段の低
温状態において、放射熱の流れにより第１段に著
しい熱負荷が得られることが判明した。前記の熱
負荷は正面アレイ４６を含めた第１段の温度を
50K以上に保持するに十分である。しかしなが
ら、高温では放射熱負荷ははるかに少なく、シス
テムの冷却を著しく阻害しない。

低温においてのみ希望する熱負荷を得るための
別の装置を第３図に示す。この配置において、熱
スイツチが低温において、真空容器１２と放射遮
蔽４４との間の伝熱性の熱通路を提供する。前記
スイツチはバイメタルエレメント５７，５８から
形成されている。50Kに近い低温において、前記
バイメタルエレメントは接着し、放射遮蔽に対し
て熱の流れ通路を提供し正面アレイの温度が50K
以下に低下しないようにする。しかしながら、高
温においては、前記エレメントは分離しており、
該エレメント５７と５８の間の真空が良好な断熱
作用を提供する。

放射熱負荷は第２段により均一な負荷を提供
し、かつシステムに対して何ら構造上の変更をも
たらさないので、伝熱性熱負荷よりも好ましい。
放射熱負荷および伝熱性熱負荷の双方共、システ
ムにおいて電気的加熱エレメントの必要性を排除
し、かつ双方共第１段温度が減少するにつれてよ
り大きい熱負荷を提供する。

放射遮蔽４４への放射を増加することにより提
供される熱負荷はアルゴンおよび凝固温度の低い
その他のガスが正面アレイで凝縮するのを阻止す
るが、第２段の冷凍機シリンダ３２にアルゴンが
凝縮するためまだ問題があることが判明した。第
１段の熱だめ２８が77Kで、第２段の熱だめ３０
が15Kの通常の作動温度においてさえも、シリン
ダ３２の長さにわたり前記熱だめの間には温度傾
斜がある。例えば10^-4トルのチヤンバの圧力が、
アルゴンガスが凝縮し均衡状態で蒸発する50K以
下の限定温度範囲を規定する。このように、常に
シリンダの長さに沿つたある点において、アルゴ
ンガスが凝縮し、均衡状態で蒸発する温度におい
てシリンダ３２上の臨界ゾーンが存在する。シリ
ンダ３２内の移動装置が上下に往復運動するにつ
れて、前記臨界ゾーンもシリンダに沿つて上下に
運動する。前記ゾーンが上方に運動するにつれ
て、凝縮したアルゴンを支持していた領域はアル
ゴンが蒸発する高温まで暖められる。アルゴンが
かなり急速に蒸発することによりシステムの圧力
を増加させる。移動装置が往復運動するにつれ
て、臨界領域の振動がチヤンバ圧力の振動として
認められる。

シリンダ３２上にアルゴンが凝縮することによ
る別の結果は第１段に対する熱負荷の変化に伴い
圧力が不安定になることである。例えば、弁が作
動チヤンバに対して開放されると、第１段には大
きな熱負荷が加わり、第１段の熱だめ２８の温度
を増加させる。このため臨界ゾーンを急速に移動
させチヤンバ内の圧力を不安定にする。

シリンダ上でのアルゴンの凝縮は、緊密装着の
遮蔽５２をシリンダ上に位置させ、該遮蔽を安定
した低温に保持することにより事実上排除されう
ることが判明した。第２段アレイを通過し、さも
なければ第２段のシリンダ３２と接触するであろ
うガスのほとんどは遮蔽によつてしや断される。
さらに、遮蔽の下方から該遮蔽とシリンダの間の
領域中へ通過しうるいづれのガスもすぐに遮蔽の
内面上で捕捉される。15Kの遮蔽上で一旦アルゴ
ンが凝縮すると、蒸発は極めて限定される。他
方、シリンダ上に凝縮するいづれのガスも比較的
速く蒸発する。次いで均衡すると、遮蔽とシリン
ダの間の空〓へ入るガスはシリンダによつて急速
に捕捉され、シリンダ上の凝縮は事実上排除され
る。この目的に対して2.16ミリ（0.085インチ）
の空〓が適当であることが判明した。

本発明を好適実施例に関して詳細に図示、かつ
説明してきたが、当該技術分野の専門家には特許
請求の範囲記載の精神および範囲から逸脱するこ
となくその形態および細部において種々の変更が
可能なことが理解される。例えば、閉鎖サイクル
の２段冷凍機が示されているが、例えば液体窒
素、水素あるいはヘリウムのような開放サイクル
冷凍機により冷却される低温ポンプも使用可能で
ある。また、冷却を行うために一段および二段の
閉鎖サイクル冷凍機の組合せも使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した低温ポンプの斜視
図、第２図は第１図に示す低温ポンプの側断面
図、および第３図は熱スイツチの代替実施例を示
す図である。 図において、１２…真空容器、１６，２０…開
口、１８…冷却フインガ、２８，３０…熱だめ、
２９…第一段、３２…第２段、３４…感温エレメ
ント、３８…デイスク、４０…山形絞状部材、４
１…熱支柱、４３…スペーサ、４４…熱遮蔽、４
６…正面アレイ、５２…スリーブ、５４，５６…
半円筒形部材、４８…よろい板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷凍機の少なくとも２段２９，３２を有する
   低温ポンプであつて、第１段２９に対する受動的
   な熱負荷を有し、該第１段２９は約50K以上の温
   度に保持されており、前記熱負荷は最初の第１段
   ２９の温度においてはより小さく、前記受動的な
   熱負荷は、放射遮蔽４４による放射熱流に基づく
   ものである。低温ポンプにおいて、前記放射遮蔽
   ４４の外面が黒色であることを特徴とする低温ポ
   ンプ。 ２ 前記放射遮蔽４４の外面が黒色に塗布されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の低温ポンプ。 ３ 前記放射遮蔽４４の放射効率が約0.1以上で
   ある特許請求の範囲第１項又は第２項記載の低温
   ポンプ。 ４ 前記放射遮蔽４４の外面の放射率がほぼ１で
   あり且つ該放射遮蔽４４を取り囲む真空容器１２
   の内面の放射率が約0.1である特許請求の範囲第
   ３項記載の低温ポンプ。 ５ システム内のアルゴン、窒素及び酸素ガスが
   第１段の低温ポンピング面で凝縮されないように
   されている特許請求の範囲第１項から第４項まで
   のいずれか１つに記載の低温ポンプ。 ６ 前記放射遮蔽４４は第２段の低温ポンピング
   面３８，４０，４１，４３を取り囲んでおり、該
   第２段の低温ポンピング面３８，４０，４１，４
   ３は前記冷凍機の第２段３２上に配置された少な
   くとも熱だめ３０に熱的に接触していて、低温凝
   縮ガスを凝縮させる特許請求の範囲第１項から第
   ５項までのいずれか１つに記載の低温ポンプ。 ７ 冷凍機の少なくとも２段２９，３１を有する
   低温ポンプにおけるクロスオーバハングアツプを
   阻止する方法であつて、第１段２９に対して受動
   的な熱負荷を提供し、該第１段２９は約50K以上
   の温度に保持されており、前記熱負荷は最初の第
   １段２９の温度においてはより小さく、前記受動
   的な熱負荷は、放射遮蔽４４による放射熱流に基
   づくものである方法において、前記放射遮蔽４４
   の外面を黒色にすることを特徴とする方法。 ８ 前記放射遮蔽４４の放射効率が約0.1以上に
   される、特許請求の範囲第７項記載の方法。