JPH0660632B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ポンプ容器内に流入した各ガス成分を冷却に
より凝縮排気させて真空状態を得るクライオポンプに関
する。

（従来の技術） 従来、このクライオポンプとしては、ヘリウム冷凍機に
より寒冷状態を発生させるヘリウム冷凍機式のもの、液
体ヘリウムにより寒冷状態を得る液溜め式のもの、液体
ヘリウムを連続して供給する連続フロー式のものがよく
知られている。このうち、ヘリウム冷凍機式のクライオ
ポンプは、例えば特開昭５８−１３１３８１号公報に開
示されているように、ヘリウムガスの膨張により１００
〜６０Ｋの温度の第１ヒートステーションと、２０〜１
０Ｋの温度の第２のヒートステーションとの２段の寒冷
状態を発生させるヘリウム冷凍機を利用し、該冷凍機に
おける各ヒートステーションにそれぞれクライオパネル
を熱的に接触させて該各クライオパネルを冷却し、この
冷却されたクライオパネルに各ガス成分を接触せしめて
凝縮排気させるようにしたものである。

しかし、このヘリウム冷凍機を利用したヘリウム冷凍機
式のクライオポンプでは、ヘリウム冷凍機の第２ヒート
ステーションで到達する２０〜１０Ｋであってもヘリウ
ム、ネオン、水素等のガスは高い飽和蒸気圧を示して凝
縮排気が困難である。このため、上記２０〜１０Ｋに冷
却される第２のクライオパネルに低温度で気体を吸着す
る活性炭等の低温吸着剤を貼り付け、この吸着剤の気体
吸着効果によりヘリウム、ネオン、水素等のガスを排気
するようになされている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、こうして低温吸着剤を用いてヘリウム等のガ
スを吸着排気する場合、その吸着剤の熱伝導率が低いた
め、気体吸着に伴って発生する吸着熱により該吸着剤自
体が温度上昇してその吸着性能が低下し、その結果、ヘ
リウム、ネオン、水素等に対する排気速度・容量が小さ
くなるという問題があった。

また、吸着剤に活性度の高いガスが多量に吸着される
と、先に捕えられていた低活性の水素やネオンガスが放
出されるという問題もあった。

尚、ヘリウム冷凍機を用いない上記液溜め式や連続フロ
ー式のクライオポンプでは、そのクライオパネルの低温
温度が４Ｋ前後に到達するために、上記の如き問題は生
じない。しかし、これらのクライオポンプは取扱いの容
易な点でヘリウム冷凍機式のものに劣り、また液体ヘリ
ウムが高価であるので、一般への普及が乏しいのが現状
であり、上記ヘリウム冷凍機式のものの持つ問題を解決
することが優先的に課題となっている。

本発明は以上の諸点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、上記のヘリウム冷凍機を利用した所定
の低温発生手段により約１０Ｋ以下の極低温の寒冷状態
を発生させて、その寒冷状態により水素、ネオンガスを
主として凝縮排気させるようにすることにより、クライ
オポンプの吸着器に吸着された水素ガス等の放出現象を
基本的になくし、かつポンプの水素、ネオン等のガスに
対する排気速度・容量を増大させるようにすることにあ
る。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成すべく、本発明の解決手段は、第１図
に示すように、クライオポンプのポンプ容器（１）に、
ヘリウムガスの膨張により第１のヒートステーション
（６）で寒冷状態を、また第２ヒートステーション
（７）で上記第１のヒートステーション（６）よりも低
温の寒冷状態をそれぞれ発生させるヘリウム冷凍機
（２）と、該ヘリウム冷凍機（２）の各ヒートステーシ
ョン（６），（７）で発生した寒冷状態によってヘリウ
ムガスを予冷し、その予冷されたヘリウムガスをジュー
ルトムソン膨張させて第３のヒートステーション（２
２）で上記第２のヒートステーション（７）よりも低温
の４．２Ｋ程度の寒冷状態を発生させるＪ−Ｔ回路ユニ
ット（８）とを取り付ける。

一方、ポンプ容器（２）内には、その外側から順に、上
記冷凍機（２）およびＪ−Ｔ回路ユニット（８）におけ
る第１ないし第３のヒートステーション（６），
（７），（２２）にそれぞれ熱接触して冷却される第１
ないし第３のクライオパネル（２３）〜（２５）を配設
し、その第３のクライオパネル（２５）は、表面に気体
吸着剤が具備されていないパネル材からなし、かつ１０
Ｋ以下に冷却されるように構成する。

（作用） 上記の構成により、本発明では、クライオポンプの作動
に伴い、ヘリウム冷凍機（２）及びＪ−Ｔ回路ユニット
（８）の各ヒートステーション（６），（７），（２
２）で所定温度の寒冷状態が発生し、この寒冷状態の発
生により該各ヒートステーション（６），（７），（２
２）に熱接触している各クライオパネル（２３）〜（２
５）が冷却され、この状態でポンプ容器（１）内に導入
された気体が第１ないし第３クライオパネル（２３）〜
（２５）に接触する。そして、ヘリウム冷凍機（２）の
第１のヒートステーション（６）に熱接触して例えば約
７０Ｋに冷却されている第１のクライオパネル（２３）
において水蒸気、二酸化炭素等のガスが凝縮排気され、
同様に冷凍機（２）の第２のヒートステーション（７）
に熱接触して例えば約２０Ｋに冷却されている第２のク
ライオパネル（２４）において窒素、酸素、アルゴン等
のガスが凝縮される。さらに、Ｊ−Ｔ回路ユニット
（８）の第３のヒートステーション（２２）は４．２Ｋ
程度の寒冷状態となり、この第３のヒートステーション
（２２）に熱接触している第３のクライオパネル（２
５）が１０Ｋ以下に冷却され、この第３のクライオパネ
ル（２５）に接触して、ネオンガスは略１０^-10Torr程
度まで凝縮されて排気される一方、水素ガスは略１０^-5
Torr程度まで凝縮されて排気される。以上のように水
素、ネオンガスは気体吸着剤のないパネル材からなる第
３のクライオパネル（２５）に接触して凝縮排気される
ため、これらのガスを気体吸着剤により吸着排気する場
合に比べ、ガスの排気速度及び排気容量を増大できるこ
とになる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図、第２図及び第３図は本発明の実施例のクライオ
ポンプ（Ａ）を示し、（１）は上面が開放された有底円
筒状のポンプ容器であって、該ポンプ容器（１）の側壁
（１ａ）にはヘリウムガスを膨張させて寒冷状態を発生
させるヘリウム冷凍機（２）と、該ヘリウム冷凍機
（２）により予冷されたヘリウムガスをジュールトムソ
ン膨張させて寒冷状態を発生させるＪ−Ｔ回路ユニット
（８）とが上下に並んで取り付けられている。

上記ヘリウム冷凍機（２）は、先端部がポンプ容器
（１）内に臨むようにポンプ容器（１）の側壁（１ａ）
に貫通支持された密閉円筒状のケース（３）を有し、該
ケース（３）内には図示しないが回転する毎にヘリウム
ガスを膨張させる回転バルブと、該バルブを回転駆動す
る電動モータとが装入されている。また、上記ケース
（３）には高圧ヘリウムガス入口（４）及び低圧ヘリウ
ムガス出口（５）が開口され、この高圧ヘリウムガス入
口（４）及び低圧ヘリウムガス出口（５）はヘリウムガ
スを圧縮するヘリウム圧縮機（図示せず）の吐出側及び
吸込側にそれぞれ接続されており、高圧ヘリウムガス入
口（４）からケース（３）内に流入した圧縮機からの高
圧ヘリウムガスを回転バルブの開弁動作により断熱膨張
させて第１のヒートステーション（６）で約７０Ｋの温
度の寒冷状態を、またケース（３）先端に位置する第２
のヒートステーション（７）で上記第１のヒートステー
ション（６）よりも低温の約２０Ｋの温度の寒冷状態を
それぞれ発生させるとともに、その膨張後の低圧ヘリウ
ムガスをケース（３）の低圧ヘリウムガス出口（５）か
ら圧縮機に戻すように構成されている。

また、上記Ｊ−Ｔ回路ユニット（８）は、上記ヘリウム
冷凍機（２）下方のポンプ容器（１）の側壁（１ａ）に
ヘリウム冷凍機（２）と略平行に貫通支持され高圧ヘリ
ウムガス入口（９）から１次側に流入したヘリウムガス
を２次側内の低温ヘリウムガスと熱交換して冷却する第
１のＪ−Ｔ熱交換器（１１）と、該熱交換器（１１）か
らのヘリウムガス中の不純物を吸着除去する第１の吸着
器（１２）と、上記ヘリウム冷凍機（２）の第１のヒー
トステーション（６）に無酸素銅線等の熱良導体（１
３）を介して熱接触され、上記第１の吸着器（１２）か
ら流入したヘリウムガスを予冷するコイル状の第１の予
冷器（１４）と、該予冷器（１４）から１次側に流入し
たヘリウムガスを２次側内の低温ヘリウムガスと熱交換
して冷却する第２のＪ−Ｔ熱交換器（１５）と、該熱交
換器（１５）から流入したヘリウムガス中の不純物を除
去する第２の吸着器（１６）と、ヘリウム冷凍機（２）
の第２のヒートステーション（７）に熱良導体（１７）
を介して熱接触され、上記第２の吸着器（１６）から流
入したヘリウムガスを予冷するコイル状の第２の予冷器
（１８）と、該予冷器（１８）から１次側に流入したヘ
リウムガスを２次側内の低温ヘリウムガスと熱交換させ
て冷却する第３のＪ−Ｔ熱交換器（１９）と、該熱交換
器（１９）から第３の吸着器（２０）を経由して供給さ
れたヘリウムガスをジュールトムソン膨張させるＪ−Ｔ
弁（２１）と、該Ｊ−Ｔ弁（２１）通過後の気液混合状
態のヘリウムにより約４Ｋの温度の寒冷状態を発生する
第３のヒートステーション（２２）（冷却器）とからな
る。該第３のヒートステーション（２２）は上記第３な
いし第１Ｊ−Ｔ熱交換器（１９），（１５），（１１）
の各２次側を介して低圧ヘリウムガス出口（１０）に接
続され、該低圧ヘリウムガス出口（１０）及び上記高圧
ヘリウムガス入口（９）はそれぞれ上記圧縮機とは異な
る別の圧縮機（図示せず）の吸込側及び吐出側に接続さ
れており、その圧縮機から吐出された高圧のヘリウムガ
スを第１ないし第３のＪ−Ｔ熱交換器（１１），（１
５），（１９）で２次側の低温ヘリウムガスと熱交換さ
せるとともに、予冷器（１４），（１８）においてヘリ
ウム冷凍機（２）の各ヒートステーション（６），
（７）で発生した寒冷状態により予冷し、その予冷され
たヘリウムガスをＪ−Ｔ弁（２１）でジュールトムソン
膨張させて第３のヒートステーション（２２）で上記第
２のヒートステーション（７）よりも低温の約４Ｋの寒
冷状態を発生させ、上記膨張後の低圧ヘリウムガスを第
３ないし第１の熱交換器（１９），（１５），（１１）
の各２次側を通して圧縮機に吸入させるように構成され
ている。

一方、上記ポンプ容器（１）内には上面にガス導入口
（２３ａ），（２３ａ），…が開口された密閉円筒缶状
の第１のクライオパネル（２３）がポンプ容器（１）か
ら隔離した状態で配設され、該クライオパネル（２３）
はその側壁（２３ｂ）にて上記ヘリウム冷凍機（２）に
おけるケース（３）の第１のヒートステーション（６）
部分に結合支持されており、この結合支持により第１の
クライオパネル（２３）を第１のヒートステーション
（６）と熱接触せしめて該第１のヒートステーション
（６）と同等の約７０Ｋの温度に冷却するようになされ
ている。

また、上記第１のクライオパネル（２３）内には該クラ
イオパネル（２３）と同様に上面にガス導入口（２４
ａ），（２４ａ），…が開口された密閉円筒缶状の第２
のクライオパネル（２４）が、第１のクランオパネル
（２３）から隔離しかつ中心を該クライオパネル（２
３）に対してオフセットせしめた状態で配設されてい
る。該第２のクライオパネル（２４）は、第１のクラン
オパネル（２３）からのオフセットにより該パネル（２
３）の側壁（２３ｂ）から離れた側の側壁（２４ｂ）に
て上記ヘリウム冷凍機（２）におけるケース（３）の第
２のヒートステーション（７）部分に結合支持されてお
り、この結合支持により第２のクライオパネル（２４）
を第２のヒートステーション（７）と熱接触させて該第
２のヒートステーション（７）と同等の約２０Ｋの温度
まで冷却するようになされている。

さらに、上記第２のクライオパネル（２４）内には下方
に開口する略ハット状の第３のクライオパネル（２５）
が第２のクライオパネル（２４）から隔離した状態で配
設されている。該第３のクライオパネル（２５）はパネ
ル材のみからなっていて、その表面には気体を吸着する
ための低温吸着剤が取り付けられていない。そして、そ
の内面において、第２のクライオパネル（２４）内にそ
の底壁（２４ｃ）及び第１のクライオパネル（２３）の
側壁（２３ｂ）を貫通して配置せしめた上記Ｊ−Ｔ回路
ユニット（８）の第３のヒートステーション（２２）に
結合支持されており、この結合支持により第３のクライ
オパネル（２５）を１０Ｋ以下（４〜１０Ｋ）の温度ま
で冷却するようになされている。

次に、上記実施例における作用を説明するに、冷凍機用
の圧縮機が起動されると、該圧縮機から吐出された高圧
ヘリウムガスの一部がヘリウム冷凍機（２）で膨張し、
このガスの膨張作用により冷凍機（２）の第１のヒート
ステーション（６）に約７０Ｋの温度の寒冷状態が、ま
た第２のヒートステーション（７）に約２０Ｋの温度の
寒冷状態がそれぞれ発生し、この各ヒートステーション
（６），（７）に熱接触している第１及び第２のクライ
オパネル（２３），（２４）がそれぞれ該各ヒートステ
ーション（６），（７）と同程度の温度に冷却される。

また、別設の圧縮機から吐出された高圧ヘリウムガスは
Ｊ−Ｔ回路ユニット（８）における第１のＪ−Ｔ熱交換
器（１１）の１次側に入り、圧縮機へ戻る２次側の低温
ヘリウムガスと熱交換されて常温（３００Ｋ）から冷却
され、その後、上記ヘリウム冷凍機（２）の第１のヒー
トステーション（６）に熱良導体（１３）を介して熱接
触されて約７０Ｋに冷却されている第１の予冷器（１
４）に入って同温度まで冷却される。この冷却されたガ
スは第２のＪ−Ｔ熱交換器（１５）の１次側に入って冷
却された後、冷凍機（２）の第２のヒートステーション
（７）に熱良導体（１７）を介して熱接触されて約２０
Ｋに冷却されている第２の予冷器（１８）に入って同温
度まで冷却される。さらに、ガスは第３のＪ−Ｔ熱交換
器（１９）において冷却された後、Ｊ−Ｔ弁（２１）に
至り、該Ｊ−Ｔ弁（２１）で絞られてジュールトムソン
膨張し、１気圧、４．２Ｋの気液混合状態のヘリウムと
なって第３のヒートステーション（２２）に供給され
る。この第３のヒートステーション（２２）には第３の
クライオパネル（２５）が熱接触しているため、該第３
のクライオパネル（２５）は１０Ｋ以下の極低温に冷却
される。しかる後、ヘリウムは上記第３のヒートステー
ション（２２）から第３のＪ−Ｔ熱交換器（１９）の２
次側に戻ってその間に約４．２Ｋの飽和ガスとなり、第
２及び第１のＪ−Ｔ熱交換器（１５），（１１）で１次
側のヘリウムガスを冷却して約３００Ｋに温度上昇した
後、圧縮機に吸入される。以後、上記と同様なサイクル
が繰り返されて冷凍運転が行われる。

以上の状態で、ポンプ容器（１）内に導入された気体は
上記所定温度に冷却されている第１ないし第３のクライ
オパネル（２３）〜（２５）に接触して凝縮排気され
る。すなわち、ヘリウム冷凍機（２）の第１のヒートス
テーション（６）との熱接触により約７０Ｋの温度に冷
却されている第１のクライオパネル（２３）において気
体中の水蒸気、二酸化炭素等のガスが凝縮排気され、同
冷凍機（２）の第２のヒートステーション（７）との熱
接触により約２０Ｋの温度に冷却されている第２のクラ
イオパネル（２４）において窒素、酸素、アルゴン等の
ガスが凝縮排気される。この状態で残っているガスは水
素、ネオン、ヘリウムの各ガスであり、Ｊ−Ｔ回路ユニ
ット（８）の第３のヒートステーション（２２）との熱
接触により約４〜１０Ｋの極低温に冷却されている第３
のクライオパネル（２５）において、上記ネオンガスが
概ね１０^-10Torr程度の残留圧力まで凝縮排気される。
また水素ガスは同クライオパネル（２５）において略１
０^-5Torr程度まで凝縮排気される。

したがって、この場合、水素、ネオンガスは、気体吸着
用の低温吸着剤で吸着排気されるのではなく、約４〜１
０Ｋの極低温状態に冷却された第３のクライオパネル
（２５）により凝縮されて排気されるので、これらのガ
スを全て吸着剤により吸着排気する場合と比べて該ガス
に対する排気速度、排気容量を増大させることができ
る。

また、上記第２のクライオパネル（２４）が第１のクラ
イオパネル（２３）内に中心をオフセットせしめた状態
で配設されているため、第１のクライオパネル（２３）
の大きさをコンパクトに保ちつつ、両クライオパネル
（２３），（２４）の一部の側壁（２３ｂ），（２４
ｂ）間に第１のクライオパネル（２３）の熱交換のため
のスペースを有効に確保することができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、ヘリウム冷凍機
で発生した寒冷状態で各ガス成分を凝縮排気するように
したヘリウム冷凍機式のクライオポンプにおいて、上記
ヘリウム冷凍機により予冷されるヘリウムガスのジュー
ルトムソン膨張作用により４．２Ｋ程度の寒冷状態を発
生させて、その寒冷状態でクライオパネルの温度を１０
Ｋ以下に冷却し、この低温のクライオパネルとの接触に
より主に水素、ネオンの各ガスを凝縮させて排気するよ
うにしたことにより、気体吸着剤を用いる場合の如きク
ライオポンプの水素、ネオン等のガスの吸着剤からの放
出をなくすることができ、しかも水素、ネオンの各ガス
に対するクライオポンプの排気速度及び排気容量を増大
させることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図はクライオポンプ
の縦断面図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図
はクライオポンプの配管系統図である。 （Ａ）……クライオポンプ、（１）……ポンプ容器、
（２）……ヘリウム冷凍機、（６）……第１のヒートス
テーション、（７）……第２のヒートステーション、
（８）……Ｊ−Ｔ回路ユニット、（２２）……第３のヒ
ートステーション、（２３）……第１のクライオパネ
ル、（２４）……第２のクライオパネル、（２５）……
第３のクライオパネル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ポンプ容器（１）に、ヘリウムガスの膨張
   により第１のヒートステーション（６）で寒冷状態を、
   第２のヒートステーション７で上記第１のヒートステー
   ション（６）よりも低温の寒冷状態をそれぞれ発生させ
   るヘリウム冷凍機（２）と、該冷凍機（２）の各ヒート
   ステーション（６），（７）で発生した寒冷状態によっ
   てヘリウムガスを予冷し、その予冷されたヘリウムガス
   をジュールトムソン膨張させて第３のヒートステーショ
   ン（２２）で上記第２のヒートステーション（７）より
   も低温の４．２Ｋ程度の寒冷状態を発生させるＪ−Ｔ回
   路ユニット（８）とが取り付けられている一方、 ポンプ容器（１）内にはその外側から順に、上記第１な
   いし第３のヒートステーション（６），（７），（２
   ２）にそれぞれ熱接触して冷却される第１ないし第３の
   クライオパネル（２３）〜（２５）が配設され、 上記第３のクライオパネル（２５）は、表面に気体吸着
   剤が具備されていないパネル材からなっていて、１０Ｋ
   以下に冷却されるように構成されていることを特徴とす
   るクライオポンプ。