JPS63501585A - 迅速吸着クライオポンプ - 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】 迅速吸着クライオポンプ 本発明はクライオポンプに関しとくに２段閉鎖サイクル冷却機によって冷却され るクライオポンプに対して適用されるものでらる。

背景技術 現在利用しうるクライオポンプは、開放式冷凍サイクル筐たは閉銭式冷凍サイク ルのいずＴ′Ｌによって冷却されるとしても、一般に同じ設計概念に従っている 。

通常４〜２５°にの範囲で働く、低温の第２段の列は１次ポンプ面でらる。この 面は通常４０〜１３０°にの温度範囲で働く高温シリンダによって包囲され、そ れは低温の列に対して放射シールドを提供する。放射シールドは一般に１次ポン プ面一と排気される室との間に位置する前方の列を除いて閉鎖されるハウジング を含んでいる。この高温の、第１段、前方の列は水蒸気のような高沸点ガス用の ポンプサイトとして作用する。

作用において、水蒸気のような高沸点ガスは前方の列において凝縮する。低沸点 ガスは前方の列から輻射シールド内の室に通過し第２段の列上に凝縮する。

これらの内面は、水素、ネオンまたはヘリウムのような低温、非凝縮性ガスを吸 着するため木炭またはゼオライトのような吸着剤を被覆されている。吸着はガス が寒冷温度に保持される材料によって物理的に捕捉されそれＫよって環境から除 去される工程である。ガスがこのようにポンプ面に凝縮または吸着されると、臭 突のみが作業室に残る。

閉鎖サイクル冷却機によって冷却される方式において、冷却機は通常輻射シール ド内に延びる低温フィンガを備える２段冷凍磯である。冷凍機の第２の、もつと も冷却される段階の低温端は低温フィンがの端部にある。１次ポンプ面葦たはク ライオパネルは、低温フィンが第２段のもつとも低温の端部においてヒートシン クに接続されている。このクライオパネルは、例えば米国特許第４，４９４，３ ８１号におけるような、第２段ヒートシンクの周りに配置されかつそれに接続さ れた簡単な金属板、コツプまたは金属邪魔板の円筒形の列とすることができる。

この第２段クライオパネルもまた前記のような木炭またはゼオライトのような低 温凝縮ガス吸着剤を支持することができる。

輻射シールドは冷凍機第１段のもつとも低温の端部において、ヒートシンクまた はヒートステーションをで接続されている。このシールドはそれを輻射熱から保 護するようＣて第１段クライオパネルを包囲する。輻射シールドを閉鎖する前方 の列は、シールドを介して、または米国悟許第４，３５６．７０１号に記載さｎ たように伝熱支柱を介して第１段ヒートシンクによって冷却される。

もつとも普通のクライオポンプにおいて、冷凍機低温フィンガはコツプ状輻射シ ールドの基部を通ってシールドと同心に延びている。他の方式において、低温フ ィンガは輻射シールドの側面を通って延びている。

そのような形状はしばしばクライオポンプを設置するため利用しうる空間により よく適合する。

クライオポンプは多量のガスを収集した後ときどき再生する必要がらり；さもな くばそれらは有効でなくなる。再生は以前【Ｃクライオポンプによって吸着され たガスが放出される工程でらる。再生は通常クライオポンプが周囲温度に戻るこ とを許すことによって達成されガスは２次ポンプ装置によってクライオポンプか ら除去される。ガスのこの放出および除去に続いて、クライオポンプは再稼動し 再冷却後ふたたび作業室から多量のガスを除去しうるようになる。

従来技術のプラクテイスは第２段クライオパネル上に設置された吸着材料を、例 えば山形板によって第２没我着材料を包囲することにより、保護すること、凝縮 ガスが凝縮するのを阻止することしたがって吸着剤料の層を封鎖することである 。このようにして、層は水素、ネオンまたはヘリウムのような非凝縮性ガスの吸 着のため保護される。このことは再生サイクルの頻度を減少する。しかしながら 、山形板は吸着剤への非凝縮性ガスの接近の可能性を減少する。

発明の要約 本発明は非凝縮性ガスを給送する速度を増大するとともに、方式の再生頻度を制 限する。このことは第２段クライオパネルを開放して、水素、ネオンまたはヘリ ウムのような、非凝稲性ガスの、２次クライオパネル円板の内面に設置された吸 着材料に対する接近の可能性を一層大きくすることによって達成される。このこ とは非凝縮性ガスが一層迅速に吸着されることを可能にし、非凝縮性ガスの給送 速度を増大する。同時Ｃで、第２段の列はまずすべてのガス分子が吸着材料によ って被覆されていないクライオパネルの面に確実（・こ衝突するように設計され る。

本発明の理論に関連するクライオポンプは多段冷凍機および冷凍機上の低温ヒー トシンクに取付けられたクライオパネルを含んでいる。もつとも低温のクライオ パネルは第２段クライオパネルである。それは前方クライオパネルに昏直な軸に 沿って延びる円板の列を含む。さらに、第２段クライオパネルは第２段ヒートシ ンクと熱的に接触している。列の各円板は円板の外端において前方クライオパネ ルに向かって折曲ｐ各日板は折曲部から半径方向内方に向かって平坦である。

円板の折曲部から半径方向内方の前方クライオパネルから離れた面は吸着剤で被 覆されている。

好ましい実施例において、第２段クライオパネルの円板は前方クライオパネルに 向かって４５°で折曲つている。各円板の最外端は前方クライオパネル（ｒ（近 いつぎの円板の平坦な部分とはソ同じ高さにある。円板はそれが前方クライオパ ネルに近付くにつれて段々に小さくなるよう（て直径が変化するものとすること かできる。

図面の簡単な説明 本発明の前記および他の目的、特徴および利点は下記の、とくに図面に示された 、本発明の好ましい実施例に関する記載から明らかになるであろうが、その中で 同じ参照符号は異なった図面を通じて同様の部品金示すものでるる。図面は縮小 、拡大することは必ずしも必要でなくその代わシ理論を評価しかつ説明するもの である。

第１図は本発明の一実施例の断面図。

第２図は本発明の他の実施例の縦方向、断面図。

第３図は第２図に示す実施例の第２段の列の複合図。

好ましい実施例の説明 第１図は本発明理論と関連するクライオポンプの断面図である。

第１図のクライオポンプ８０は作業室のフランジ１５に直接またはそれと作業室 の間の中間デートパルプに取付けうる主クライオポンプハウジング８３を含んで いる。低温冷凍機の２段低温フィンが８５は開口６６を通って−・ウシング内に 突出している。この場合、冷凍機はＧｉｆｆｏｒｄ−ＭａｃＭａｈｏｎサイクル 冷凍機であるが他の冷凍機も使用しうる。

冷凍機はモータ４８によって、駆動される低温フィンガ８５中にディスプレーサ を含む。ヘリウムガスは管３８および３６によシ低温フィンガに導入排出される 。

低温フィンガに入るヘリウムガスはディスプレーサによって膨張しきわめて低い 温度を生ずるように冷却される。そのような冷凍機はＣｂθ１１１８他の米国特 許第３，２１８．８１５号に開示されている。

第１段ポンプ面９０は輻射シールド８２′ｆｔ介して冷凍機８５の第１段９６の 低温端ヒートシンク９４に取付けられる。

第１段ヒートシンク７４に取付けられたコツプ型輻射シールドは約７７°にで働 く。輻射シールドは第２段クライオポンプ区域を包囲して直接輻射または高凝縮 温度の蒸気によるその区域の加熱を防止する。第１段ポンプ面は前方山形板の列 ９０を包みそれは第２段ポンプ区域に対する輻射シールドならびに水蒸気のよう な高温凝縮ガスに対するクライオポンプ面として作用する。ここに示された前方 山形板の列９０は通常の構造のものであるが前方の列はいくつかの異なった方法 で構成することができ高温凝縮ガスの収集に有効である。この山形板の列は低凝 縮温度ガスの第２段ポンプ区域への通過金許す。

第２段クライオパネル８４はロッド８９に取付けられた円板の列を含みロッド８ ９は冷凍機の第２段９８に平行に延びて第２段ヒートシンク９２に取付けられて いる。スペーサ８１も隣接する円板を支持しかつ相互（て分離するため使用する ことができる。ロッドは通常円板の周囲に約９０°互いに離れている。

各円板は単一の周辺折曲部９１ｆ：有しそれによって円板のリムが前方列の方に 向けられる。もつともよい結果をうるため、折曲げは約４５°とする。

通常木炭またはゼオライトである、吸着剤９３は円板ａ１の折曲部から半径方向 内方の前方クライオパネルから離れた円板の平坦面に取付けられている。もし一 層多くの量の吸着剤が必要ならば、吸着剤は平坦区域ならびに截頭円錐形リム８ ４の双方の上面にエポキシ樹脂で接着することができるが、そのような吸着剤は 同様に汚染から保護されない。

第２段クライオパネルの各円板の最外端１０２は前方クライオパネルの９０に近 いつぎの円板の平坦面９１と同じ高さにあるのが好ましい。第２クライオパネル 列の円板は円板が前方クライオパネルに近付くにつれて段々に小さくなるように 直径が変化するものである。

２次クライオパネルの円板列は凝縮性ガスが吸着材料によって被覆さｎていない 面に凝縮する機会が十分にろるように設計されている。同時に円板は輻射遮断内 からの分子流に対して開放し吸着材料上への非凝縮性ガスの迅速な凝縮全促進す る。

低圧雰囲気内のガス分子は真直ぐな通路に沿って移動し、それらが面に衝突する とき、多分余弦法則に従って面から反射される。第２段クシイオパネルはこれら の現象を利用するように設計されている。円板の一つの冷たい面に衝突する凝縮 性ガス分子は僅か一回の衝突後その面上に凝縮する。しかしながら、もし非凝縮 性ガス分子が吸着材料で被覆されていない円板の面の一部に衝突するならば、円 板列は非凝縮性ガス分子が吸着材料（でよって被覆されていない円板の面にその 面に対して９０°の角度で反発することがないように設計される。非凝縮性ガス は最大の可能性をもってそれが吸収される吸着材料によって被覆された面に衝突 する前に一旦非吸着剤被覆面に衝突する。ガスが非吸着性面に衝突する最少の量 は吸着剤に対する分子通路長さを減少しそして非凝縮性ガス吸着の割合をいちじ るしく増大する。このことは方式が給送する割合を増に関連している。これらの 特徴は下記のものを含んでいる。

■　各円板の９１の端部における４５°の折曲は非凝縮性ガスを吸着剤に向かっ て誘導する。

■　第１図の、各円板１０２の最外端は前方パネルに近い、つぎの円板の平らな 部分９１とほぼ同じ高さにある。しかして、列は吸着剤に対して光学的に透明で ありそこで吸着剤は低１１．を凝縮面によってＷ質的に保護される。一方、各円 板の外側リムは非凝縮性ガスが多重反射によって随時捕捉される長い通路を生ず る程には延長しない。

■　円板は、吸着剤（で対する通路の長さを最短にするため、円板の外側折曲部 から半径方向内方に平らである。

■　円板の列は前方のクライオパネルに近付くにつれて徐々に小さくなる。その 結果、いくつかの円板の折曲っだリムは前方の列からよく見ることができ、前方 の列から移動する分子はそれらのリムによって迅速に捕捉されるか吸着剤に向か って偏倚される。

円板列の上記すべての設計の特徴はクライオパネル内部の吸着剤被覆面に向かう 非凝縮性ガス分子の反射を促進する。列の設計はまたガス分子がまず円板の他の 部分に衝突する前に円板の保護された吸着剤被覆面に衝突することを事実上不可 能にする。各分子が非被覆部分に衝突する限り円板の非被覆部分へのほとんどす べてのａ縮性がスの凝縮が促進さ０、再生の頻度を減少する。

第２図のクライオポンプの変型はフランジ１４ｉｃ沿って作業室の壁土に取付け うる真空容器１２を含んでいる。容器１２の前方開口１６は作業室の円形開口と 連通している。冷凍機の２段低温フィンガ１８は容器１２の円筒形部分２０を通 って容器１２内に突出している。低温フィンが１８の２段ディスプレーサはモー タ２２によって駆動される。第１段ヒートシンク、またけヒートステーション２ ８は第１段冷凍機２９の低温端に取付けられている。同時に、ヒートシンク３０ は第２段３２の低温端に取付けられている。

１次ポンプ面は第２段ヒートステーション３０に取付けられた円板３４の列であ る。この列は低凝縮温度ガスを凝縮しかつ非凝縮性ガスを吸着するため２０°に 以下の温度に保持するのが好ｉしい。コツプ型輻射シールド３６は第１段ヒート シンク２８に取付けられている。低温フィンガの第２段３２は輻射シールドの開 口を通って延長している。このシールドは輻射によるの列の加熱を最少にするだ めの列の後方および側刃に対して第２段の列３４を包囲している。好ましくは、 この輻射シールドの温度は約１００’に以下にされる。

前方列３８は１次クライオパネル３４に対する輻射シールドとしてならびに水蒸 気のような高沸点ガス用クライオポンプ面として作用する。この列は半径方向支 持棒４２によって接合されたよろい戸を含んでいる。

支持棒は輻射シールドに取付けられている。シールドは前方の列を支持するとと もに列からヒートシンクへの伝熱路として作用する。

第３図に示すように、第２図に示す実施例の２次クライオパネルの円板列はそれ ぞれブラケット５２および５４に取付けられた半円形円板部分４８および５０の 二つの別の群から形成されブラケット５２および５４はヒートステーション３０ の平坦な面４６に取付けられている。それらのブラケットは平坦なＬ字型棒であ る。それらはヒートステーション３０の両側の低温フィンが３２の横方向に延長 している。円板は、第１図に示された実施例とは異なり、同じ直径のものである 。これらの特徴を一層よく理解するため、１９８４年５月１８日出願のＢａｒｔ ｌｅｔｔの米国特許出願第６１１．６８３号を参照さｎたい。円板は第２図の前 方クライオパネル３８に向かって４５°の角度で折曲っている。

本発明はその好ましい実施例に基づいて記載しかつ図示されたが、この種技術（ Ｃ通じた人々には型式および詳細における種々の変更が添付の請求の範囲に限定 された本発明の精神および範囲から離れることなくなされうろことが分るでろろ う。

Ｆ／θ／ ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　’ｉ’ＦＥ　工ＮＴＥＲＮＡＴＴＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲ ＥＰＯＲＴ　０ＮＣＨ−Ａ−６５２８０４２９／１１／８５　Ｎｏｎｅ

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．クライオポンプであつて：第１および第２の段階を有する冷凍機；冷凍機の 第２段ヒートシンクと熱的に接触して低温凝縮性ガスを凝縮する第２段クライオ パネル；および第２段クライオパネルを包囲して第１段ヒートシンクと熟的に接 触する輻射シールド、および第２段クライオパネルの輻射シールドとしてまた高 凝縮温度ガス用クライオポンプ面として作用する輻射シールドの開口を横切る前 方クライオパネルを含み；第２段クライオパネルが前方クライオパネルに垂直な 軸に沿つて隔置し、かつ第２段ヒートシンクと熱的に密に接触する円板の列を含 み、該列の各円板が円板の外縁において前方クライオパネルに向かつて折曲り、 折曲部から半径方向内方に平坦であり、そして円板の折曲部から半径方向内方の 前方クライオパネルから離れた面において吸着材料によつて被覆されている、ク ライオポンプ。
2. ２．第２段クライオパネルの円板列は支持要素に取付けられている請求の範囲第 １項に記載のクライオポンプ。
3. ３．支持要素はロッドである請求の範囲第２項に記載のクライオポンプ。
4. ４．支持要素はブラケットである請求の範囲第２項に記載のクライオポンプ。
5. ５．第２段クライオパネルの円板は前方クライオパネルに向かつて４５°の角度 で折曲している請求の範囲第１項に記載のクライオポンプ。
6. ６．各円板の最外端は前方クライオパネルに近いつぎの円板の平坦部分とほぼ同 じ高さにある請求の範囲第５項に記載のクライオポンプ。
7. ７．円板はそれが前方クライオパネルに近付くにつれて徐々に小さくなるように 変化する直径のものである請求の範囲第６項に記載のクライオポンプ。
8. ８．第２段クライオパネルの各円板の最外端は前方クライオパネルに近いつぎの 円板の平坦面とほぼ同じ高さにある請求の範囲第１項に記載のクライオポンプ。
9. ９．円板がそれが前方クライオパネルに近付くにつれて徐々に小さくなるように 変化する直径のものである請求の範囲第８項に記載のクライオポンプ。
10. １０．円板はそれが前方クライオパネルに近付くにつれて徐々に小さくなるよう に変化する直径のものである請求の範囲第１項に記載のクライオポンプ。
11. １１．各円板はブラケットに別々に取付けられた二つの部分を含み該ブラケット が冷凍機の第２段に取付けられている請求の範囲第１項に記載のクライオポンプ 。
12. １２．クライオポンプであつて：第１および第２の段階を有する冷凍機；冷凍機 第２段のヒートシンクと熱的に接触して低温凝縮性ガスを凝縮する第２段クライ オパネル；および第２段クライオパネルを包囲して第１段ヒートシンクと熱的に 接触する輻射シールド、および１次クライオパネルの輻射シールドとしてまた高 凝縮温度ガス用クライオポンプ面として作用する輻射シールドの開口を横切る前 方クライオパネル；を含み、第２段クライオパネルが円板列を含み、前記円板が 支持要素に取付けられ、前記円板が前方クライオパネルに垂直な軸に沿つて隔置 し、かつ第２段ヒートシンクと熱的に密に接触し、列の各円板が円板の外端にお いで４５°の角度で前方クライオパネルに向かつて折曲し、また折曲部から半径 方向内方が平坦であり、各円板の最外端は前方クライオパネルに近いつぎの円板 の平坦部分とほぼ同じ高さにあり、そして円板がその折曲部から半径方向内方の 前方クライオパネルから離れた面に吸着材料を被覆されている、クライオポンプ 。
13. １３．円板はそれが前方クライオパネルに近付くにつれて徐々に小さくなるよう に変化する直径のものである請求の範囲第１２項に記載のクライオポンプ。