JPH0699003A - コールドトラップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 真空容器内の温度を自動的に７０Ｋ〜１２０
Ｋに保つことができるコールドトラップを提供する。 【構成】 クライオパネルにシリンダ１１の端面２２が
取り付けられたクライオ冷凍機２の蓄冷室１３内に、ス
テンレス鋼製の金属メッシュスクリーン１２を積層して
収納する。こうして、クライオ冷凍機２の蓄冷材の比熱
を、６０Ｋ以上の温度では必要な比熱を有する一方６０
Ｋより低い温度では十分低い比熱にすることによって、
クライオパネルに取り付けられた真空容器内の温度を自
動的に７０Ｋ〜１２０Ｋに保つことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コールドトラップの
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体の製造等に用いられる真空
装置内の水分(水蒸気)を選択的に除去する際に、真空装
置にバルブを介してコールドトラップを設置して真空装
置内を約７０Ｋ〜１２０Ｋに冷却し、真空装置内の水分
を選択的に凝縮してバルブから除去するようにしてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように真空装置の水分除去にコールドトラップを使用す
る場合、コールドトラップの冷凍能力が水分除去に必要
な約７０Ｋ〜１２０Ｋに対応した冷凍能力である場合に
は全く問題はない。ところが、コールドトラップの冷凍
能力が真空装置内の水分除去に必要な冷凍能力よりも低
い場合には真空装置内の水分を選択的に除去できない。
また、水分除去に必要な冷凍能力よりも高い場合には半
導体の製造に必要な窒素ガスやアルゴンガス等も除去さ
れてしまうのである。

【０００４】現在、上記コールドトラップに用いられて
いる冷凍機の蓄冷材としては、燐青銅ワイヤを２００メ
ッシュで織り上げたメッシュスクリーンが用いられてい
る。ところが、このような蓄冷材を用いたコールドトラ
ップの冷凍能力は、真空装置の水分除去用としては冷凍
能力が高過ぎるのが通例である。

【０００５】そこで、従来、上記コールドトラップの冷
凍能力が高過ぎる場合には、真空装置内の温度を７０Ｋ
〜１２０Ｋに保つためにコールドトラップに温度調整用
のヒータを設置しなければならず、エネルギーロスやコ
ストアップが多大であり、機器の信頼性が低下するとい
う問題がある。

【０００６】そこで、この発明の目的は、真空容器内の
温度を自動的に７０Ｋ〜１２０Ｋに保つことができるコ
ールドトラップを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、図１および図２に例示する
ように、真空容器に取り付けられる冷却パネル５と、こ
の冷却パネル５に一端が取り付けられたクライオ冷凍機
２を有するコールドトラップにおいて、上記クライオ冷
凍機２のディスプレーサ１４に設けられた蓄冷室１３内
には、６０Ｋ以上の温度において有効な冷熱交換能力を
呈する蓄冷材１２を収納したことを特徴としている。

【０００８】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
係る発明のコールドトラップにおいて、上記蓄冷材１２
の材質がステンレス鋼であることを特徴としている。

【０００９】また、請求項３に係る発明は、請求項１に
係る発明のコールドトラップにおいて、上記蓄冷材１２
は、上記蓄冷室１３内における冷媒ガスの流れの方向に
その冷熱交換効率が変化するように収納されていること
を特徴としている。

【００１０】また、請求項４に係る発明は、請求項３に
係る発明のコールドトラップにおいて、上記蓄冷材１２
の材質は、上記蓄冷室１３における冷媒ガス導入側が燐
青銅である一方上記冷却パネル５側がステンレス鋼であ
ることを特徴としている。

【００１１】

【作用】請求項１に係る発明では、冷却パネル５に一端
が取り付けられたクライオ冷凍機２におけるディスプレ
ーサ１４に設けられた蓄冷室１３には、６０Ｋ以上の温
度において有効な冷熱交換能力を呈する蓄冷材１２が収
納されている。したがって、上記クライオ冷凍機２が動
作すると上記蓄冷材１２の温度は６０Ｋ近傍になる。そ
の結果、上記冷却パネル５に取り付けられた真空容器内
の温度が自動的に７０Ｋ〜１２０Ｋに保たれる。

【００１２】また、請求項２に係る発明では、上記蓄冷
材１２は、６０Ｋより低い温度での比熱が十分小さいス
テンレス鋼で構成されている。したがって、蓄冷材１２
の温度は容易に６０Ｋ近傍になる。

【００１３】また、請求項３に係る発明では、上記蓄冷
材１２は、上記蓄冷室１３内における冷媒ガスの流れの
方向にその冷熱交換効率が変化するように収納されてい
る。したがって、上記蓄冷室１３における冷媒ガス導入
側では高い冷熱交換効率で冷媒ガスと冷熱交換が行われ
る。一方、上記冷却パネル５側では低い冷熱交換効率の
ために上記冷却パネル５の温度が６０Ｋより低くなるこ
とが押えられる。

【００１４】また、請求項４に係る発明では、上記蓄冷
材１２の材質は、上記蓄冷室１３における冷媒ガス導入
側が燐青銅であり、上記冷却パネル５側がステンレス鋼
になっている。したがって、上記蓄冷室１３における冷
媒ガス導入側では大きな比熱の蓄冷材によって効率良く
冷媒ガスと冷熱交換が行われる。一方、上記冷却パネル
５側では６０Ｋより低い温度では小さい比熱を呈する蓄
冷材によって上記冷却パネル５の温度が６０Ｋより低く
なることが押えられる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明を図示の実施例により詳細に
説明する。図１は本実施例のコールドトラップにおける
斜視図である。このコールドトラップは概略木づちの形
状を有し、その柄に当たる冷却部１の内部にはクライオ
冷凍機２(斜線で表示)が装着されている。また、頭に当
たるフランジ部３には、真空装置等の被冷却体が取り付
けられるフランジの役目を有するエンクロージャ４と、
このエンクロージャ４内に収納されて側面にはクライオ
冷凍機２の一端が取り付けられた上記冷却パネルとして
のクライオパネル５が設けられている。

【００１６】図２は上記クライオ冷凍機２の断面図であ
る。以下、図２に従ってクライオ冷凍機２について簡単
に説明する。このクライオ冷凍機２は、閉じられたシリ
ンダ１１と、このシリンダ１１内に摺動自在に嵌合され
ると共に蓄冷材としての金属メッシュスクリーン１２が
積層して収納された蓄冷室１３を有するディスプレーサ
１４を備えている。また、上記ディスプレーサ１４の蓄
冷室１３は、バルブステム１５およびバルブ１６を介し
て導入口１７を有する高圧室１８あるいは排出口１９を
有する低圧室２０に切り替え連通される。

【００１７】上記蓄冷室１２から高圧室１８あるいは低
圧室２０への連通路の切り替えは、バルブモータ２１で
バルブ１６を回転することによって行われる。

【００１８】図２(a)において、圧縮機(図示せず)等か
ら供給されたヘリウム等の高圧の冷媒ガスは、導入口１
７からバルブ１６およびバルブステム１５を介してシリ
ンダ１１内に導入される。そして、シリンダ１１内に導
入された冷媒ガスはディスプレーサ１４の蓄冷室１３内
に導かれ、蓄冷室１３内の金属メッシュスクリーン１２
と冷熱交換を行って冷却される。こうして、上記蓄冷室
１３内には高圧冷媒ガスが満たされるのである(吸気工
程)。

【００１９】そうした後、図２(b)に示すように、上記
バルブモータ２１によってバルブ１６が回転され、蓄冷
室１３が低圧室２０に連通される。そうすると、上記蓄
冷室１３内に導入されている高圧冷媒ガスが一気に膨張
されてガス温度が低下する。こうして、冷媒ガスの膨張
によって得られた冷熱は金属メッシュスクリーン１２と
の冷熱交換によって蓄積される。こうして、膨張および
冷熱交換が終了した後の低圧冷媒ガスは、低圧室２０に
設けられた排出口１９から排出される(排気工程)。

【００２０】上述のように、上記蓄冷室１３への高圧冷
媒ガスの導入とその膨張/排気とを繰り返して(すなわ
ち、上記吸気工程と排気工程とから成る冷凍サイクルを
繰り返して)超低温が得られるのである。

【００２１】このように動作するクライオ冷凍機２のシ
リンダ１１の端面２２には、図１に示すようにクライオ
パネル５が取り付けられ、更にこのクライオパネル５上
には被冷却体が設置される。したがって、上述のように
して金属メッシュスクリーン１２に蓄積された冷熱によ
って、ディスプレーサ１４,シリンダ１１およびクライ
オパネル５が順次冷却され、被冷却体が冷却されるので
ある。

【００２２】上述のように、上記コールドトラップを真
空装置における水分除去に用いる場合には、真空装置内
の温度を７０Ｋ〜１２０Ｋに設定する必要がある。その
ためには、クライオ冷凍機内の蓄冷材を、６０Ｋ以上の
温度では燐青銅と同等の比熱を有して６０Ｋより低い温
度では燐青銅よりも十分低い比熱を有するような材質に
する必要がある。

【００２３】そこで、本実施例におけるコールドトラッ
プにおいては、クライオ冷凍機２の蓄冷室１３内に収納
する金属メッシュスクリーン１２として、線径５０μの
ステンレス鋼ワイヤを２００メッシュで織り上げた金属
メッシュスクリーンを用いるのである。

【００２４】上記ステンレス鋼は、６０Ｋ以上の温度で
は銅と同等の比熱を有し、６０Ｋより低い温度では銅よ
りも十分低い比熱を有しているので、容易にクライオパ
ネル５の温度を７０Ｋ〜１２０Ｋに設定できる。したが
って、ステンレス鋼ワイヤを２００メッシュで織り上げ
た金属メッシュスクリーン１２を蓄冷材とするクライオ
冷凍機を装着したコールドトラップを用いれば、真空装
置内の温度を７０Ｋ〜１２０Ｋに保って選択的に水分を
凝縮させて除去できる。尚、図３に銅とステンレス鋼と
の定圧比熱を示す。

【００２５】また、上記金属メッシュスクリーンの材質
をステンレス鋼に換えるほかに、金属メッシュスクリー
ンの表面積を減少することによっても６０Ｋ以下の温度
での冷凍能力を低下させることができる。すなわち、金
属メッシュスクリーンの網目数を少なくして、具体的に
は燐青銅ワイヤ製メッシュスクリーンのメッシュを２０
０メッシュより粗くして冷熱交換効率を低下せしめるこ
とによって６０Ｋ以下での冷凍能力を悪くして、容易に
クライオパネル５の温度を７０Ｋ〜１２０Ｋに設定でき
る。

【００２６】その際に、上記金属メッシュスクリーンの
メッシュを冷媒ガスの流れの方向に一様にするのではな
く、蓄冷室１３におけるバルブステム１５側におけるメ
ッシュを２００メッシュとする一方、シリンダ１１の端
面２２側におけるメッシュを２００より粗いメッシュと
するのである。このように、上記クライオパネル５に接
触するシリンダ１１の端面２２側の金属メッシュスクリ
ーン１２の冷熱交換効率を低くする一方、冷媒ガスが導
入される側の金属メッシュスクリーンの冷熱交換効率を
高くすることによって、冷媒ガスとの冷熱交換の効率を
あまり低下させずにクライオパネル５の温度を７０Ｋ〜
１２０Ｋに保つことができる。

【００２７】また、上記蓄冷室１３内に収納される蓄冷
材における冷媒ガスの流れの方向への冷熱交換効率の変
化は、金属メッシュスクリーンの材質変化によっても可
能である。すなわち、蓄冷室１３におけるバルブステム
１５側には燐青銅の金属メッシュスクリーンを収納する
一方、シリンダ１１の端面２２側にはステンレス鋼の金
属メッシュスクリーンを収納するのである。こうして、
上記クライオパネル５に接触するシリンダ１１の端面２
２側の金属メッシュスクリーン１２の比熱を小さくする
一方、冷媒ガスが導入される側の金属メッシュスクリー
ンの比熱を大きくすることによって、冷媒ガスとの冷熱
交換の効率をあまり低下させずにクライオパネル５の温
度を７０Ｋ〜１２０Ｋに保つのである。

【００２８】また、上記蓄冷室１３内に収納される蓄冷
材における冷媒ガスの流れの方向への冷熱交換効率の変
化は、上述のメッシュや材質の変化の他に冷熱交換面積
の変化(例えば、シリンダ１１の端面２２側には金属チ
ューブを収納し、バルブステム１５側には金属メッシュ
スクリーンを収納すること)によっても可能である。

【００２９】尚、この発明におけるコールドトラップの
形状は図１に示す形状に限定されるものではなく、被冷
却体の周囲の環境に応じて上記冷却部とフランジ部との
取り付け状態を変更しても何等差し支えない。

【００３０】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１に係
る発明のコールドトラップは、冷却パネルに一端が取り
付けられたクライオ冷凍機の蓄冷室内に６０Ｋ以上の温
度において有効な冷熱交換能力を呈する蓄冷材を収納し
たので、上記冷却パネルに取り付けられた真空容器の内
部温度を自動的に７０Ｋ〜１２０Ｋに保って、上記真空
容器内の水分を選択的に凝縮して除去できる。したがっ
て、この発明によれば、上記真空容器内の温度を７０Ｋ
〜１２０Ｋに保つためのヒータを必要とせず、エネルギ
ーロスやコストアップを防止できる。また、機器の信頼
性を向上できる。

【００３１】また、請求項２に係る発明のコールドトラ
ップは、上記蓄冷材の材質をステンレス鋼にしたので、
上記冷却パネルに取り付けられた真空容器内の温度を容
易に７０Ｋ〜１２０Ｋにできる。

【００３２】また、請求項３に係る発明のコールドトラ
ップは、上記蓄冷材を、上記蓄冷室内における冷媒ガス
の流れの方向にその冷熱交換効率が変化するように収納
したので、上記蓄冷室における冷媒ガス導入側の冷熱交
換効率を高くする一方、上記冷却パネル側の冷熱交換効
率を低くできる。したがって、この発明によれば、冷媒
ガスと効率良く冷熱交換を行いつつ上記冷却パネルの温
度が６０Ｋより低くなることを防止できる。

【００３３】また、請求項４に係る発明のコールドトラ
ップは、上記蓄冷室における冷媒ガス導入側に収納され
た上記蓄冷材の材質を燐青銅にする一方、上記冷却パネ
ル側に収納された上記蓄冷材の材質をステンレス鋼にし
たので、上記蓄冷室における冷媒ガス導入側では効率良
く冷媒ガスと冷熱交換を行う一方、上記冷却パネル側で
は上記冷却パネルの温度が６０Ｋより低くなることを容
易に防止できる。すなわち、この発明によれば、冷媒ガ
スと効率良く冷熱交換を行いつつ上記真空容器内の温度
を７０Ｋ〜１２０Ｋに保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のコールドトラップの斜視図である。

【図２】図１に示すコールドトラップに用いられるクラ
イオ冷凍機の断面図である。

【図３】銅とステンレス鋼の定圧比熱を示す図である。

【符号の説明】

１…冷却部、 ２…クライオ冷凍
機、３…フランジ部、 ４…エンクロ
ージャ、５…クライオパネル、 １１…シリ
ンダ、１２…金属メッシュスクリーン、 １３…蓄冷
室、１４…ディスプレーサ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器に取り付けられる冷却パネル
   (５)と、この冷却パネル(５)に一端が取り付けられたク
   ライオ冷凍機(２)を有するコールドトラップにおいて、 上記クライオ冷凍機(２)のディスプレーサ(１４)に設け
   られた蓄冷室(１３)内には、６０Ｋ以上の温度において
   有効な冷熱交換能力を呈する蓄冷材(１２)を収納したこ
   とを特徴とするコールドトラップ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のコールドトラップにお
   いて、 上記蓄冷材(１２)の材質がステンレス鋼であることを特
   徴とするコールドトラップ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のコールドトラップにお
   いて、 上記蓄冷材(１２)は、上記蓄冷室(１３)内における冷媒
   ガスの流れの方向にその冷熱交換効率が変化するように
   収納されていることを特徴とするコールドトラップ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のコールドトラップにお
   いて、 上記蓄冷材(１２)の材質は、上記蓄冷室(１３)における
   冷媒ガス導入側が燐青銅である一方、上記冷却パネル
   (５)側がステンレス鋼であることを特徴とするコールド
   トラップ。