JP2631827B2 - 水蒸気クライオポンプ - Google Patents
水蒸気クライオポンプInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D8/00—Cold traps; Cold baffles
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B47/00—Arrangements for preventing or removing deposits or corrosion, not provided for in another subclass
- F25B47/02—Defrosting cycles
- F25B47/022—Defrosting cycles hot gas defrosting
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
- F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2500/00—Problems to be solved
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高真空水蒸気クライオポ
ンプに関する。
ンプに関する。
【０００２】
【従来の技術及びその欠点】生産工程、研究、開発で使
用される高真空チャンバは、先ず、機械式或いはソープ
ション（吸着）荒引きポンプにより排気され、次に、拡
散ポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプ、或いはチ
タンサブリメイションポンプ、そして最近では、ヘリウ
ム・クライオポンプにより排気される。
用される高真空チャンバは、先ず、機械式或いはソープ
ション（吸着）荒引きポンプにより排気され、次に、拡
散ポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプ、或いはチ
タンサブリメイションポンプ、そして最近では、ヘリウ
ム・クライオポンプにより排気される。
【０００３】上述の後半の真空ポンプは高真空ポンプで
あり、チャンバが交差（クロスオーバ）圧に荒引きされ
た後、更に脱気するために使用される。この交差圧は、
高真空ポンプのガス負荷交差（トレランス・許容範囲）
に依存する。高真空ポンプは、交差圧に達する可成り前
に動作を開始し、通常、連続して動作しているが、適当
なマニホールド或いはポートに取り付けられた大開口バ
ルブによりチャンバから独立している。高真空バルブが
開いて荒引き排気が停止すると、チャンバは、高真空ポ
ンプにより動作圧レベルまで高速排気される。
あり、チャンバが交差（クロスオーバ）圧に荒引きされ
た後、更に脱気するために使用される。この交差圧は、
高真空ポンプのガス負荷交差（トレランス・許容範囲）
に依存する。高真空ポンプは、交差圧に達する可成り前
に動作を開始し、通常、連続して動作しているが、適当
なマニホールド或いはポートに取り付けられた大開口バ
ルブによりチャンバから独立している。高真空バルブが
開いて荒引き排気が停止すると、チャンバは、高真空ポ
ンプにより動作圧レベルまで高速排気される。
【０００４】チャンバ内のガス負荷は、応用例毎にかな
り変化する。最初、窒素、酸素、水蒸気を含む空気が除
去される。排気が進むと、内部表面からの脱着により、
水蒸気が交配ガスとなる。或るプラズマ処理では、アル
ゴン等の不活性ガス、酸素或いはハロゲン等の活性ガス
を導入する必要がある。このような場合、導入ガスを高
速で除去することなく水蒸気を高速除去することがに望
ましい。即ち、ガスを選択的に除去する必要がある。こ
の理由は、水蒸気が分離して望ましくない酸素及び水素
ガスが発生するからである。
り変化する。最初、窒素、酸素、水蒸気を含む空気が除
去される。排気が進むと、内部表面からの脱着により、
水蒸気が交配ガスとなる。或るプラズマ処理では、アル
ゴン等の不活性ガス、酸素或いはハロゲン等の活性ガス
を導入する必要がある。このような場合、導入ガスを高
速で除去することなく水蒸気を高速除去することがに望
ましい。即ち、ガスを選択的に除去する必要がある。こ
の理由は、水蒸気が分離して望ましくない酸素及び水素
ガスが発生するからである。
【０００５】真空ポンプは、その動作原理により、異種
ガスの除去能力に差異があるので、複数の高真空ポンプ
を組み合わせて使用するのが望ましい。高水蒸気負荷に
関する問題の一解決策が、１９５０年台にＣ．Ｒ．メイ
スナ（Meissner）により提案された。
ガスの除去能力に差異があるので、複数の高真空ポンプ
を組み合わせて使用するのが望ましい。高水蒸気負荷に
関する問題の一解決策が、１９５０年台にＣ．Ｒ．メイ
スナ（Meissner）により提案された。
【０００６】この方法は、真空チャンバ内に直接設けた
軽量チューブ・コイルを、内部を流れる液体窒素で冷却
するものであり、水蒸気の高速クライオ排気が可能であ
る。しかし、この方法は、液体窒素により過剰に冷却さ
れると、ＣＯもクライオ排気するという不都合がある。
尚、この欠点については詳細に後述する。
軽量チューブ・コイルを、内部を流れる液体窒素で冷却
するものであり、水蒸気の高速クライオ排気が可能であ
る。しかし、この方法は、液体窒素により過剰に冷却さ
れると、ＣＯもクライオ排気するという不都合がある。
尚、この欠点については詳細に後述する。
【０００７】真空チャンバを大気にさらす際には、大気
中の湿気を凝縮させないためにコイルを急速に暖める必
要がある。このため、加熱し且つ加圧した窒素ガスを使
用して液体窒素ガスを追い出し、コイルを暖めるのが普
通である。真空チャンバをアンロードして再びロード
し、荒引きした後「メイスナ」のコイルを急速に再冷却
すると同時に高真空バルブを開け、高真空ポンプを用い
てチャンバ排気を行なう。
中の湿気を凝縮させないためにコイルを急速に暖める必
要がある。このため、加熱し且つ加圧した窒素ガスを使
用して液体窒素ガスを追い出し、コイルを暖めるのが普
通である。真空チャンバをアンロードして再びロード
し、荒引きした後「メイスナ」のコイルを急速に再冷却
すると同時に高真空バルブを開け、高真空ポンプを用い
てチャンバ排気を行なう。
【０００８】アルゴン等のガスの排気を限定しながら、
高速で水蒸気を除去する他の方法は、より高温の第１冷
却ステージに取付けられたスロットルを有するヘリウム
・クライオポンプを使用することである。このスロット
ルは、水蒸気をクライオ排気するのに充分低温である
が、アルゴン及び他の永久ガスを（限定された速度で）
通過させ、第１及び第２ステージで排気を行なう。
高速で水蒸気を除去する他の方法は、より高温の第１冷
却ステージに取付けられたスロットルを有するヘリウム
・クライオポンプを使用することである。このスロット
ルは、水蒸気をクライオ排気するのに充分低温である
が、アルゴン及び他の永久ガスを（限定された速度で）
通過させ、第１及び第２ステージで排気を行なう。
【０００９】高真空ポンプの殆どは、大気圧で動作を開
始することはできず、バルブでチャンバから隔離してお
かなければなららい。バルブ、マニフォールド（若し存
在すれば）、及びチャンバとポンプ間の開口部は、全て
ポンプへのガス・コンダクタンスを減少させるので、排
気速度を減少させることになる。このため、大型或いは
付加ポンプを追加して大排気負荷を処理する。通常、最
大の負荷（６５〜９５％）は水蒸気であり、したがって
ガス排気速度は負荷と正確には合致しない。
始することはできず、バルブでチャンバから隔離してお
かなければなららい。バルブ、マニフォールド（若し存
在すれば）、及びチャンバとポンプ間の開口部は、全て
ポンプへのガス・コンダクタンスを減少させるので、排
気速度を減少させることになる。このため、大型或いは
付加ポンプを追加して大排気負荷を処理する。通常、最
大の負荷（６５〜９５％）は水蒸気であり、したがって
ガス排気速度は負荷と正確には合致しない。
【００１０】チャンバ内に直接配置され且つ水蒸気をク
ライオ排気する補助ポンプとして使用される「メイス
ナ」のコイルは、液体窒素により冷却される場合には、
作業費用が高いという問題がある。これは、窒素の連続
使用及び窒素の無駄な使用に原因がある。更に、「メイ
スナ」のコイルは、安全性に問題があり、更にまた、５
分以内に室温まで温度を上昇させるのが困難という問題
も有する。
ライオ排気する補助ポンプとして使用される「メイス
ナ」のコイルは、液体窒素により冷却される場合には、
作業費用が高いという問題がある。これは、窒素の連続
使用及び窒素の無駄な使用に原因がある。更に、「メイ
スナ」のコイルは、安全性に問題があり、更にまた、５
分以内に室温まで温度を上昇させるのが困難という問題
も有する。
【００１１】この外にも、「メイスナ」のコイルは、非
常な低温で動作するので、通常の処理圧力でＣＯ蒸気の
いくらかをクライオ排気する。したがって、コイル温度
が０．１℃以上変化するとチャンバ圧がかなり変化す
る。コイルの表面温度をこのように厳密に制御すること
は困難であり、したがって、排気蒸気中に飛沫同伴（li
quid entrainment）が発生する。
常な低温で動作するので、通常の処理圧力でＣＯ蒸気の
いくらかをクライオ排気する。したがって、コイル温度
が０．１℃以上変化するとチャンバ圧がかなり変化す
る。コイルの表面温度をこのように厳密に制御すること
は困難であり、したがって、排気蒸気中に飛沫同伴（li
quid entrainment）が発生する。
【００１２】ヘリウム・クライオポンプは、水蒸気を、
空気に比べて約３倍、アルゴンに比べて１．５倍の速度
で排気するが、排気速度は典型的なガス負荷に比例しな
い。更にまた、ヘリウム・クライオポンプは捕獲ポンプ
なので、捕獲ガスを捨てるために周期的に再生されねば
ならない。全再生期間は約３〜４時間であり、この期間
中、チャンバは使用不可能である。再生の際、クライオ
ポンプからガスを除去するには注意が必要である。冷却
容量は非常に限定され、ヘリウム・クライオポンプは、
熱放射ヒ−ト負荷を処理できない。更に、ヘリウム浄化
カ−トリッジを定期的に交換する必要がある。
空気に比べて約３倍、アルゴンに比べて１．５倍の速度
で排気するが、排気速度は典型的なガス負荷に比例しな
い。更にまた、ヘリウム・クライオポンプは捕獲ポンプ
なので、捕獲ガスを捨てるために周期的に再生されねば
ならない。全再生期間は約３〜４時間であり、この期間
中、チャンバは使用不可能である。再生の際、クライオ
ポンプからガスを除去するには注意が必要である。冷却
容量は非常に限定され、ヘリウム・クライオポンプは、
熱放射ヒ−ト負荷を処理できない。更に、ヘリウム浄化
カ−トリッジを定期的に交換する必要がある。
【００１３】冷却スロットル装置を有するヘリウム・ク
ライオポンプは、次の２つの本質的な欠点を有する。即
ち、（１）水蒸気のクライオ排気動作は蒸気源からかな
り離れて行なわれ、閉口部及び高真空バルブにより排気
速度が減少し、（２）スロットルが、水素及び酸素を含
む全ガスの排気を制限することである。
ライオポンプは、次の２つの本質的な欠点を有する。即
ち、（１）水蒸気のクライオ排気動作は蒸気源からかな
り離れて行なわれ、閉口部及び高真空バルブにより排気
速度が減少し、（２）スロットルが、水素及び酸素を含
む全ガスの排気を制限することである。
【００１４】米国特許第４，５３５，５９７号（出願
人：デ−ル・ジエイ・ミシマ−）に係るクライオポンプ
は、上述の従来例の欠点を最小限にする装置である。
人：デ−ル・ジエイ・ミシマ−）に係るクライオポンプ
は、上述の従来例の欠点を最小限にする装置である。
【００１５】しかしながら、この出願に開示された装置
（２個の独立した冷却・除霜回路及び熱的に結合した２
本のチュ−ブを有する）は、実際には適用が困難或いは
不可能という場合がある。
（２個の独立した冷却・除霜回路及び熱的に結合した２
本のチュ−ブを有する）は、実際には適用が困難或いは
不可能という場合がある。
【００１６】或る例では、１本のチュ−ブから成る通路
を有する「メイスナ」の冷却面の方が好ましい場合があ
る。この冷却面は、冷媒として液体窒素を使用するよう
に設計され、チュ−ブを急速冷却し、チュ−ブを急速昇
温／除霜するものである。他の例では、製造の困難性、
或いは、チャンバの空間（スぺ−ス）の関係から、冷却
面として２本のチュ−ブを使用できない場合がある。更
に他の例では、高真空の蒸着チャンバの汚染を防止する
ために、ステンレス鋼を使用しなければならない場合が
あるが、このステンレス鋼は、熱伝導率が低く、したが
って２本のチュ−ブを使用するのには適していない。
を有する「メイスナ」の冷却面の方が好ましい場合があ
る。この冷却面は、冷媒として液体窒素を使用するよう
に設計され、チュ−ブを急速冷却し、チュ−ブを急速昇
温／除霜するものである。他の例では、製造の困難性、
或いは、チャンバの空間（スぺ−ス）の関係から、冷却
面として２本のチュ−ブを使用できない場合がある。更
に他の例では、高真空の蒸着チャンバの汚染を防止する
ために、ステンレス鋼を使用しなければならない場合が
あるが、このステンレス鋼は、熱伝導率が低く、したが
って２本のチュ−ブを使用するのには適していない。
【００１７】「メイスナ」の冷却面に２本のチュ−ブを
使用しないで、「メイスナ」の冷却面に設けられた１本
のチュ−ブに冷却液体流及び加熱液体流の両方を流すこ
とは可能のように思えるが、いくつかの問題が発生す
る。何故上述の方法が実際的でないかを添付の図面を参
照して説明する。
使用しないで、「メイスナ」の冷却面に設けられた１本
のチュ−ブに冷却液体流及び加熱液体流の両方を流すこ
とは可能のように思えるが、いくつかの問題が発生す
る。何故上述の方法が実際的でないかを添付の図面を参
照して説明する。
【００１８】温度の高い液体冷媒が、除霜期間の後半に
冷却面２３を離れ、縦続接続の熱交換器１１を暖めるこ
となくコンプレッサ１に戻る必要がある。つまり、熱交
換器１１が通常の低温レベルに維持されなければ、混合
冷媒の自己冷却縦続装置は、十分な冷却効果を発揮しな
いからである。更に、コンプレッサ１の吐出圧が許容で
きない程度に上昇するという問題もある。一方、冷却面
２３の出口からのラインを、縦続接続の熱交換器１１を
迂回させてコンプレッサ１に直接接続した場合、通常の
冷却動作中における冷却面２３からの戻り冷媒の流れ
は、装置の正常な動作を阻害する。つまり、冷却器は、
必要な冷却効果を発揮できない。
冷却面２３を離れ、縦続接続の熱交換器１１を暖めるこ
となくコンプレッサ１に戻る必要がある。つまり、熱交
換器１１が通常の低温レベルに維持されなければ、混合
冷媒の自己冷却縦続装置は、十分な冷却効果を発揮しな
いからである。更に、コンプレッサ１の吐出圧が許容で
きない程度に上昇するという問題もある。一方、冷却面
２３の出口からのラインを、縦続接続の熱交換器１１を
迂回させてコンプレッサ１に直接接続した場合、通常の
冷却動作中における冷却面２３からの戻り冷媒の流れ
は、装置の正常な動作を阻害する。つまり、冷却器は、
必要な冷却効果を発揮できない。
【００１９】更に、次の方法として、複数のバルブを設
け、冷却面２３からの冷媒流を、冷却期間中は縦続接続
の熱交換器１１の方に向け、除霜期間中はコンプレッサ
１に直接向けることも考えられる。
け、冷却面２３からの冷媒流を、冷却期間中は縦続接続
の熱交換器１１の方に向け、除霜期間中はコンプレッサ
１に直接向けることも考えられる。
【００２０】しかし、この方法は、装置の信頼性を著し
く損ない、且つ、装置を複雑にするという問題がある。
更に、コンプレッサ１からの潤滑油が、少量ではあるが
冷却面２３の出口に設けたバルブに達し、バルブの動作
を阻害する原因となり、装置全体の信頼性を低下させ
る。上述の米国特許出願第５７３，６９７号に開示した
装置では、除霜回路に少量の油が侵入したとしても、上
述の如き問題を招くことはない。つまり、高温（ホッ
ト）ガス・バルブは、常時、油の凝固点よりも温度が高
いため、残留油は、各除霜サイクル期間中、バルブから
拭われるからである。
く損ない、且つ、装置を複雑にするという問題がある。
更に、コンプレッサ１からの潤滑油が、少量ではあるが
冷却面２３の出口に設けたバルブに達し、バルブの動作
を阻害する原因となり、装置全体の信頼性を低下させ
る。上述の米国特許出願第５７３，６９７号に開示した
装置では、除霜回路に少量の油が侵入したとしても、上
述の如き問題を招くことはない。つまり、高温（ホッ
ト）ガス・バルブは、常時、油の凝固点よりも温度が高
いため、残留油は、各除霜サイクル期間中、バルブから
拭われるからである。
【００２１】
【発明の概要】本発明によれば、上述の従来例の諸問題
を最小限にするか又は除去することが可能であり、且
つ、本発明は、上述の米国特許出願第５７３，６９７号
に開示した特徴を保持している。
を最小限にするか又は除去することが可能であり、且
つ、本発明は、上述の米国特許出願第５７３，６９７号
に開示した特徴を保持している。
【００２２】本発明に係る装置は、１本のチュ−ブから
成る流路を有する「メイスナ」の冷却面を有し、この冷
却面は、真空チャンバの作業空間（ワ−クスペ−ス）に
設けられているので、閉回路の混合冷媒冷却器を使用す
ることにより、穴、マニホ−ルド、高真空バルブに基づ
く水蒸気のポンピング速度（コンダクタンス）の制限を
改良できる。更に、閉回路の混合冷媒冷却器を使用する
ことにより、液体窒素使用に付随する費用・安全性・制
御の問題を解決できる。
成る流路を有する「メイスナ」の冷却面を有し、この冷
却面は、真空チャンバの作業空間（ワ−クスペ−ス）に
設けられているので、閉回路の混合冷媒冷却器を使用す
ることにより、穴、マニホ−ルド、高真空バルブに基づ
く水蒸気のポンピング速度（コンダクタンス）の制限を
改良できる。更に、閉回路の混合冷媒冷却器を使用する
ことにより、液体窒素使用に付随する費用・安全性・制
御の問題を解決できる。
【００２３】本発明に係る冷却面は、急速に暖められ
（除霜され）た後に再冷され、この冷却面を設けている
真空チャンバを周期的に大気圧とする。尚、この動作は
バッチ処理の通常の動作モ−ドである。この早い冷却サ
イクルと周期的な除霜により、水蒸気が長期間にわたり
大量に蓄積されることはなく、従って大量の水蒸気を処
理する必要はない。
（除霜され）た後に再冷され、この冷却面を設けている
真空チャンバを周期的に大気圧とする。尚、この動作は
バッチ処理の通常の動作モ−ドである。この早い冷却サ
イクルと周期的な除霜により、水蒸気が長期間にわたり
大量に蓄積されることはなく、従って大量の水蒸気を処
理する必要はない。
【００２４】冷却面は、水蒸気を１０torrまで効率良く
クライオ排気できる程度に低温であるが、ＣＯをクライ
オ排気するほど低温ではない。つまり、選択的にクライ
オ排気を行なう。冷却装置は連続運転されるので、捕獲
された物質による蒸気圧変化に基づくチャンバ圧の脈動
は存在しない。
クライオ排気できる程度に低温であるが、ＣＯをクライ
オ排気するほど低温ではない。つまり、選択的にクライ
オ排気を行なう。冷却装置は連続運転されるので、捕獲
された物質による蒸気圧変化に基づくチャンバ圧の脈動
は存在しない。
【００２５】本発明に係るシステムは、液冷媒の再蒸発
器、吸引（サクシヨン）ラインの液冷媒貯蔵器、或いは
除霜用の外部熱源等、多くの従来例に必要とされる装置
を不要としている。更に、本発明によれば、縦続接続の
熱交換器をそれ程暖めることなく、従って吐出圧力を高
めることなく冷却面を急速に加熱（除霜）することが可
能である。
器、吸引（サクシヨン）ラインの液冷媒貯蔵器、或いは
除霜用の外部熱源等、多くの従来例に必要とされる装置
を不要としている。更に、本発明によれば、縦続接続の
熱交換器をそれ程暖めることなく、従って吐出圧力を高
めることなく冷却面を急速に加熱（除霜）することが可
能である。
【００２６】つまり、本発明によれば、常時、内部冷却
を可能にし、夫々の除霜サイクルと短時間の小休止に続
くクライオ排気サイクル中に冷却面を急速に再冷できる
準備ができている。尚、上述の除霜サイクルと短時間の
小休止では、冷却前に、加熱或いは冷却動作は存在しな
い。更に、除霜・小休止・再冷を含むサイクルは、約８
分以下で完了する。
を可能にし、夫々の除霜サイクルと短時間の小休止に続
くクライオ排気サイクル中に冷却面を急速に再冷できる
準備ができている。尚、上述の除霜サイクルと短時間の
小休止では、冷却前に、加熱或いは冷却動作は存在しな
い。更に、除霜・小休止・再冷を含むサイクルは、約８
分以下で完了する。
【００２７】本発明は、米国特許第３，７６８，２７３
（メイスナ）に開示された冷却プロセスに基づいている
が、米国特許第３，２０３，１９４号及び第２，０４
１，７２５号の装置にも応用できる。これらの米国特許
は、中間冷却及び少なくとも部分相分離の行程を伴なう
部分凝縮と部分蒸発で、混合蒸気冷媒の圧縮を利用して
いる。ところが、本発明では、蒸発器は、上述した「メ
イスナ」のコイルと同様に、真空システムの内部に、設
けられている。尚、蒸発器に延長した蒸発面を設けるよ
うにしてもよい。冷却面は１本のチュ−ブを有し、この
チュ−ブ内に、初期冷却及び連続冷却動作のために低温
液冷媒を流すか、或いは、除霜期間中に熱を加えるため
に高温の圧縮冷媒ガスを流す。高温のガス流は、冷却面
の除霜を行なった後に伝熱式熱交換器に戻って再び冷却
され、縦続接続の熱交換器に導かれる。
（メイスナ）に開示された冷却プロセスに基づいている
が、米国特許第３，２０３，１９４号及び第２，０４
１，７２５号の装置にも応用できる。これらの米国特許
は、中間冷却及び少なくとも部分相分離の行程を伴なう
部分凝縮と部分蒸発で、混合蒸気冷媒の圧縮を利用して
いる。ところが、本発明では、蒸発器は、上述した「メ
イスナ」のコイルと同様に、真空システムの内部に、設
けられている。尚、蒸発器に延長した蒸発面を設けるよ
うにしてもよい。冷却面は１本のチュ−ブを有し、この
チュ−ブ内に、初期冷却及び連続冷却動作のために低温
液冷媒を流すか、或いは、除霜期間中に熱を加えるため
に高温の圧縮冷媒ガスを流す。高温のガス流は、冷却面
の除霜を行なった後に伝熱式熱交換器に戻って再び冷却
され、縦続接続の熱交換器に導かれる。
【００２８】
【課題を解決するための手段】本発明は、凍結面の温度
を制御する水蒸気クライオポンプであって、（ａ）真空
チヤンバの作業空間に設けられた１個のコイルから成る
凍結面と、（ｂ）前記コイルの出口に接続した伝熱式熱
交換器と、（ｃ）前記コイルと、前記伝熱式熱交換器か
ら出る冷媒を冷却する熱交換器と、を有する第１冷媒路
と、（ｄ）前記コイルと、前記伝熱式熱交換器から出る
冷媒を加熱する熱交換器と、を有する第２冷媒路と、
（ｅ）前記コイル及び前記伝熱式熱交換器を前記第１冷
媒路或いは前記第２冷媒路に選択的に接続するバルブ手
段と、（ｆ）前記第１冷媒路に設けたコンデンサと、
（ｇ）熱的に結合した第１及び第２流体路を有する高温
熱交換器とを有し、前記第１流体路は前記第１冷媒路で
且つ前記コンデンサの上流に設けられ、前記第２流体路
は前記第２冷媒路に設けられて該第２冷媒路の冷媒を加
熱すると共に前記第１冷媒路の冷媒を冷却する構成とし
た。
を制御する水蒸気クライオポンプであって、（ａ）真空
チヤンバの作業空間に設けられた１個のコイルから成る
凍結面と、（ｂ）前記コイルの出口に接続した伝熱式熱
交換器と、（ｃ）前記コイルと、前記伝熱式熱交換器か
ら出る冷媒を冷却する熱交換器と、を有する第１冷媒路
と、（ｄ）前記コイルと、前記伝熱式熱交換器から出る
冷媒を加熱する熱交換器と、を有する第２冷媒路と、
（ｅ）前記コイル及び前記伝熱式熱交換器を前記第１冷
媒路或いは前記第２冷媒路に選択的に接続するバルブ手
段と、（ｆ）前記第１冷媒路に設けたコンデンサと、
（ｇ）熱的に結合した第１及び第２流体路を有する高温
熱交換器とを有し、前記第１流体路は前記第１冷媒路で
且つ前記コンデンサの上流に設けられ、前記第２流体路
は前記第２冷媒路に設けられて該第２冷媒路の冷媒を加
熱すると共に前記第１冷媒路の冷媒を冷却する構成とし
た。
【００２９】
【実施例】次に、添付の図面を参照して本発明の実施例
を説明する。図面は、本発明に係る高速サイクル水蒸気
クライオポンプの好適実施例を示す。
を説明する。図面は、本発明に係る高速サイクル水蒸気
クライオポンプの好適実施例を示す。
【００３０】図示のシステムはコンプレッサ１を有し、
このコンプレッサ１は、冷媒貯蔵タンク２及びライン３
から冷媒を受け、ライン３は補助コンデンサ４から冷媒
を受ける。コンプレッサ１は、ディスチャージ・ライン
５に冷媒を供給し、冷媒は、ライン５、高温熱交換器
６、ライン８を介し、コンデンサ７に送られ、ついで、
ライン９及び補助コンデンサ４を介し、第１相分離器１
０に達する。
このコンプレッサ１は、冷媒貯蔵タンク２及びライン３
から冷媒を受け、ライン３は補助コンデンサ４から冷媒
を受ける。コンプレッサ１は、ディスチャージ・ライン
５に冷媒を供給し、冷媒は、ライン５、高温熱交換器
６、ライン８を介し、コンデンサ７に送られ、ついで、
ライン９及び補助コンデンサ４を介し、第１相分離器１
０に達する。
【００３１】冷媒は、更に、１個或いは縦続接続した複
数の熱交換器１１、及び、部分或いは全相分離器１２に
供給される。相分離器１３は、その底部に液冷媒を保持
し、ガス状冷媒及び多少の液冷媒を、ライン１６を介し
て縦続接続の最後尾の熱交換器１５に送る。
数の熱交換器１１、及び、部分或いは全相分離器１２に
供給される。相分離器１３は、その底部に液冷媒を保持
し、ガス状冷媒及び多少の液冷媒を、ライン１６を介し
て縦続接続の最後尾の熱交換器１５に送る。
【００３２】除霜サイクルでは、圧縮された低温のガス
冷媒は、先ず、相分離器１３を出た後にライン１８を通
って伝熱式熱交換器１７に達し、次に、ライン１９を通
って高温熱交換器６に至り、更に、ソレノイド２１で駆
動されるバルブ２０とライン２２を介して冷却面２３に
導かれて冷却面２３を暖める。クライオ排気のための通
常の冷却、及び、除霜のための加熱を含む全運転期間
中、低圧の冷媒流体が、ライン２４を介し、冷却面２３
から伝熱式熱交換器１７に流れ、更に、ライン２５を通
って縦続接続の熱交換器１１に至り、補助コンデンサ４
及びライン３を介してコンプレッサ１に戻っている。
冷媒は、先ず、相分離器１３を出た後にライン１８を通
って伝熱式熱交換器１７に達し、次に、ライン１９を通
って高温熱交換器６に至り、更に、ソレノイド２１で駆
動されるバルブ２０とライン２２を介して冷却面２３に
導かれて冷却面２３を暖める。クライオ排気のための通
常の冷却、及び、除霜のための加熱を含む全運転期間
中、低圧の冷媒流体が、ライン２４を介し、冷却面２３
から伝熱式熱交換器１７に流れ、更に、ライン２５を通
って縦続接続の熱交換器１１に至り、補助コンデンサ４
及びライン３を介してコンプレッサ１に戻っている。
【００３３】除霜モードでは、ソレノイド２７で動作す
る液冷媒バルブ２６を閉じて冷却を停止する。この場
合、圧縮された低温ガス冷媒が相分離器１３の頂部から
ライン１８に流れる。この圧縮された低温のガス冷媒
は、コンプレッサ１により循環する冷媒混合体を、数段
（ステージ）にわたる冷却・部分凝縮・相分離を行なう
ため、油性分を含まず且つ沸点の高い成分は殆ど含まれ
ない。更に、この圧縮された低温ガス冷媒は、除霜サイ
クルの時点に応じて伝熱式熱交換器１７において予備加
熱され、高温熱交換器６で５０〜１２０℃迄加熱された
後、バルブ２０を介して冷却面２３に導かれる。
る液冷媒バルブ２６を閉じて冷却を停止する。この場
合、圧縮された低温ガス冷媒が相分離器１３の頂部から
ライン１８に流れる。この圧縮された低温のガス冷媒
は、コンプレッサ１により循環する冷媒混合体を、数段
（ステージ）にわたる冷却・部分凝縮・相分離を行なう
ため、油性分を含まず且つ沸点の高い成分は殆ど含まれ
ない。更に、この圧縮された低温ガス冷媒は、除霜サイ
クルの時点に応じて伝熱式熱交換器１７において予備加
熱され、高温熱交換器６で５０〜１２０℃迄加熱された
後、バルブ２０を介して冷却面２３に導かれる。
【００３４】除霜サイクルの初期の段階（冷却面２３が
未だ低温状態にある）では、低圧の冷媒流体が、低温状
態のまま冷却面２３を出ていく。この場合、伝熱式熱交
換器１７では、圧縮された低温ガス冷媒との熱交換は殆
どない。次いで、冷却流体は、縦続接続の熱交換器１１
に流れるが、この熱交換器１１に熱を与えることはな
い。
未だ低温状態にある）では、低圧の冷媒流体が、低温状
態のまま冷却面２３を出ていく。この場合、伝熱式熱交
換器１７では、圧縮された低温ガス冷媒との熱交換は殆
どない。次いで、冷却流体は、縦続接続の熱交換器１１
に流れるが、この熱交換器１１に熱を与えることはな
い。
【００３５】除霜が更に続くと、冷却面２３の温度は、
バルブ２０を介して流入する圧縮された高温冷媒ガスに
より上昇し、冷却面２３からは、低圧の冷媒流体が、上
記の除霜サイクルの初期よりも高温状態で、ライン２４
に流れ出す。この温度の高い低圧冷媒流体は、伝熱式熱
交換器１７において、かなりの熱を低温圧縮冷媒に与え
る。この熱伝達により再冷された低圧冷媒は、縦続接続
の熱交換器１１及び１５に流入するので、この熱交換の
ために、縦続接続の熱交換器１１及び１５を暖めること
はない。したがって、連続冷却動作が可能であり、冷却
面２３を除霜後に急速に再冷することが可能である。除
霜期間中、縦続接続された熱交換器１１及び１５は、内
部に設けた複数のスロット装置を通る液冷媒とこの液冷
媒の蒸発とにより冷却される。つまり、液冷媒は熱交換
器１１及び１５において加熱されることになる。この液
冷媒の蒸発は、液冷媒が、熱交換器１１及び１５内の再
冷された低圧の戻り冷媒流体と混合することにより発生
する。
バルブ２０を介して流入する圧縮された高温冷媒ガスに
より上昇し、冷却面２３からは、低圧の冷媒流体が、上
記の除霜サイクルの初期よりも高温状態で、ライン２４
に流れ出す。この温度の高い低圧冷媒流体は、伝熱式熱
交換器１７において、かなりの熱を低温圧縮冷媒に与え
る。この熱伝達により再冷された低圧冷媒は、縦続接続
の熱交換器１１及び１５に流入するので、この熱交換の
ために、縦続接続の熱交換器１１及び１５を暖めること
はない。したがって、連続冷却動作が可能であり、冷却
面２３を除霜後に急速に再冷することが可能である。除
霜期間中、縦続接続された熱交換器１１及び１５は、内
部に設けた複数のスロット装置を通る液冷媒とこの液冷
媒の蒸発とにより冷却される。つまり、液冷媒は熱交換
器１１及び１５において加熱されることになる。この液
冷媒の蒸発は、液冷媒が、熱交換器１１及び１５内の再
冷された低圧の戻り冷媒流体と混合することにより発生
する。
【００３６】除霜サイクルが終了すると休止期間があ
り、バルブ２０及び２６は閉じられる。休止期間中、熱
交換器１１は予備冷却され、コンプレッサ１の運転は軽
減負荷の下で続行されている。冷却面２３は、休止期間
中、加熱されず且つ冷却もされない。除霜後、冷却面２
３の温度は周囲温度に等くなるが、周囲温度より高い状
態から周囲温度に下るのが普通である。冷却面２３の外
部表面の温度は雰囲気の露点温度より高いので、湿気の
凝固は存在しない。
り、バルブ２０及び２６は閉じられる。休止期間中、熱
交換器１１は予備冷却され、コンプレッサ１の運転は軽
減負荷の下で続行されている。冷却面２３は、休止期間
中、加熱されず且つ冷却もされない。除霜後、冷却面２
３の温度は周囲温度に等くなるが、周囲温度より高い状
態から周囲温度に下るのが普通である。冷却面２３の外
部表面の温度は雰囲気の露点温度より高いので、湿気の
凝固は存在しない。
【００３７】冷却面２３を冷却してクライオ排気を行な
うには、ソレノイド２１を不動作状態にしてバルブ２０
を閉じたままにしておく。一方、ソレノイド２７を付勢
して液冷媒用のバルブ２６を開ける。したがって、スロ
ットル弁２８を介して、液冷媒が冷却面２３に流れる。
作業空間に設けた冷却面２３が、周囲の水蒸気の温度と
同一の温度（露点）になるか或いはそれ以下になると、
クライオ排気が開始される。通常の場合、真空チャンバ
が「交差（crossover）」圧に達するとクライオ・ポン
プを動作させる。この時点で荒引きポンプを停止して真
空チャンバを高真空ポンプに接続する。
うには、ソレノイド２１を不動作状態にしてバルブ２０
を閉じたままにしておく。一方、ソレノイド２７を付勢
して液冷媒用のバルブ２６を開ける。したがって、スロ
ットル弁２８を介して、液冷媒が冷却面２３に流れる。
作業空間に設けた冷却面２３が、周囲の水蒸気の温度と
同一の温度（露点）になるか或いはそれ以下になると、
クライオ排気が開始される。通常の場合、真空チャンバ
が「交差（crossover）」圧に達するとクライオ・ポン
プを動作させる。この時点で荒引きポンプを停止して真
空チャンバを高真空ポンプに接続する。
【００３８】この場合、冷却面の温度が約−４０〜−６
０℃のときにクライオ排気を開始し、冷却面を−１００
〜−１４０℃の通常の動作温度範囲にしてクライオ排気
を続行する。冷却面を冷却する間、圧縮された冷媒ガス
が、伝熱式熱交換器１７の内部を流れることはない。し
かし、低圧の冷媒流体が、伝熱式熱交換器１７の温度を
それ程変えることなく、ライン２５を介して縦続接続の
熱交換器１５及び１１に流れる。つまり、冷却装置の動
作は、伝熱式熱交換器１７の存在によって影響を受けな
い。冷却及びクライオ排気期間中、高温熱交換器６は、
コンプレッサ１のディスチャ−ジ温度まで加熱される。
この理由は、高温熱交換器６には低温の圧縮された冷媒
流がなく、したがって、高温熱交換器６は、次のサイク
ル期間中の急速除霜のために補充熱を蓄積するからであ
る。
０℃のときにクライオ排気を開始し、冷却面を−１００
〜−１４０℃の通常の動作温度範囲にしてクライオ排気
を続行する。冷却面を冷却する間、圧縮された冷媒ガス
が、伝熱式熱交換器１７の内部を流れることはない。し
かし、低圧の冷媒流体が、伝熱式熱交換器１７の温度を
それ程変えることなく、ライン２５を介して縦続接続の
熱交換器１５及び１１に流れる。つまり、冷却装置の動
作は、伝熱式熱交換器１７の存在によって影響を受けな
い。冷却及びクライオ排気期間中、高温熱交換器６は、
コンプレッサ１のディスチャ−ジ温度まで加熱される。
この理由は、高温熱交換器６には低温の圧縮された冷媒
流がなく、したがって、高温熱交換器６は、次のサイク
ル期間中の急速除霜のために補充熱を蓄積するからであ
る。
【００３９】本発明は、上述の実施例以外にも応用する
ことができる。つまり、本発明は、真空チヤンバ内に設
けた「メイスナ」のクライオ排気コイルの温度制御のみ
に限定されない。例えば、本発明を適当に変形すれば、
生物の急速凍結及び急速解凍、更には、広い温度範囲に
わたって部品の低温（及び高温）試験等に応用すること
もできる。
ことができる。つまり、本発明は、真空チヤンバ内に設
けた「メイスナ」のクライオ排気コイルの温度制御のみ
に限定されない。例えば、本発明を適当に変形すれば、
生物の急速凍結及び急速解凍、更には、広い温度範囲に
わたって部品の低温（及び高温）試験等に応用すること
もできる。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るシス
テムは、液冷媒の再蒸発器、吸引（サクシヨン）ライン
の液冷媒貯蔵器、或いは除霜用の外部熱源等、多くの従
来例に必要とされる装置を不要とする効果を有する。更
に、本発明によれば、縦続接続の熱交換器をそれ程暖め
ることなく、従って吐出圧力を高めることなく冷却面を
急速に加熱（除霜）することが可能である。つまり、本
発明によれば、常時、内部冷却を可能にし、夫々の除霜
サイクルと短時間の小休止に続くクライオ排気サイクル
中に冷却面を急速に再冷できる準備ができるという効果
がある。上述の除霜サイクルと短時間の小休止では、冷
却前に、加熱或いは冷却動作は存在しないので、除霜・
小休止・再冷を含むサイクルは約８分以下で完了すると
いう顕著な効果がある。
テムは、液冷媒の再蒸発器、吸引（サクシヨン）ライン
の液冷媒貯蔵器、或いは除霜用の外部熱源等、多くの従
来例に必要とされる装置を不要とする効果を有する。更
に、本発明によれば、縦続接続の熱交換器をそれ程暖め
ることなく、従って吐出圧力を高めることなく冷却面を
急速に加熱（除霜）することが可能である。つまり、本
発明によれば、常時、内部冷却を可能にし、夫々の除霜
サイクルと短時間の小休止に続くクライオ排気サイクル
中に冷却面を急速に再冷できる準備ができるという効果
がある。上述の除霜サイクルと短時間の小休止では、冷
却前に、加熱或いは冷却動作は存在しないので、除霜・
小休止・再冷を含むサイクルは約８分以下で完了すると
いう顕著な効果がある。
添付の図は本発明の一実施例を示すブロック酢である。
１はコンプレッサ、６は高温熱交換器、７はコンデン
サ、１０は相分離器、１１及び１５は継続接続された熱
交換器、１７は伝熱式熱交換器、２０及び２６はバル
ブ、２３は冷却面（クライオ面）を示す。
サ、１０は相分離器、１１及び１５は継続接続された熱
交換器、１７は伝熱式熱交換器、２０及び２６はバル
ブ、２３は冷却面（クライオ面）を示す。
Claims (3)
- 【請求項１】 凍結面の温度を制御する装置であって、 （ａ）真空チヤンバの作業空間に設けられた１個のコイ
ルから成る凍結面と、 （ｂ）前記コイルの出口に接続した伝熱式熱交換器と、 （ｃ）前記コイルと、前記伝熱式熱交換器から出る冷媒
を冷却する熱交換器と、を有する第１冷媒路と、 （ｄ）前記コイルと、前記伝熱式熱交換器から出る冷媒
を加熱する熱交換器と、を有する第２冷媒路と、 （ｅ）前記コイル及び前記伝熱式熱交換器を前記第１冷
媒路或いは前記第２冷媒路に選択的に接続するバルブ手
段と、 （ｆ）前記第１冷媒路に設けたコンデンサと、 （ｇ）熱的に結合した第１及び第２流体路を有する高温
熱交換器とを有し、前記第１流体路は前記第１冷媒路で
且つ前記コンデンサの上流に設けられ、前記第２流体路
は前記第２冷媒路に設けられて該第２冷媒路の冷媒を加
熱すると共に前記第１冷媒路の冷媒を冷却することを特
徴とする水蒸気クライオポンプ。 - 【請求項２】 前記伝熱式熱交換器はその内部に熱的に
結合した第３及び第４流体路を有し、該第３流体路を前
記コイルの出口に接続し、前記第４流体路を前記第２冷
媒路に設けた特許請求の範囲第１項記載の水蒸気クライ
オポンプ。 - 【請求項３】 前記バルブ手段は前記第１及び第２冷媒
路の夫々に１個のバルブを有し、前記第１冷媒路に設け
たバルブを閉じることにより前記第１冷媒路中の冷媒が
前記伝熱式熱交換器内の前記第３流体路に流れるのを阻
止し、前記第２冷媒路に設けたバルブを閉じることによ
り前記伝熱式熱交換器の前記第４流体路に冷媒が流れる
のを阻止する特許請求の範囲第２項記載の水蒸気クライ
オポンプ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US749,805 | 1985-06-28 | ||
| US06/749,805 US4597267A (en) | 1985-06-28 | 1985-06-28 | Fast cycle water vapor cryopump |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61152606A Division JPS6255479A (ja) | 1985-06-28 | 1986-06-28 | 水蒸気クライオポンプ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08226382A JPH08226382A (ja) | 1996-09-03 |
| JP2631827B2 true JP2631827B2 (ja) | 1997-07-16 |
Family
ID=25015273
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61152606A Pending JPS6255479A (ja) | 1985-06-28 | 1986-06-28 | 水蒸気クライオポンプ |
| JP7282670A Expired - Lifetime JP2631827B2 (ja) | 1985-06-28 | 1995-10-04 | 水蒸気クライオポンプ |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61152606A Pending JPS6255479A (ja) | 1985-06-28 | 1986-06-28 | 水蒸気クライオポンプ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4597267A (ja) |
| EP (1) | EP0207230B1 (ja) |
| JP (2) | JPS6255479A (ja) |
| DE (1) | DE3678042D1 (ja) |
Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| USRE36610E (en) * | 1989-05-09 | 2000-03-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Evacuation apparatus and evacuation method |
| JP2538796B2 (ja) * | 1989-05-09 | 1996-10-02 | 株式会社東芝 | 真空排気装置および真空排気方法 |
| US5009073A (en) * | 1990-05-01 | 1991-04-23 | Marin Tek, Inc. | Fast cycle cryogenic flex probe |
| US5161382A (en) * | 1991-05-24 | 1992-11-10 | Marin Tek, Inc. | Combined cryosorption/auto-refrigerating cascade low temperature system |
| US5617727A (en) * | 1996-05-24 | 1997-04-08 | Richard R. Zito R & D Corp. | Controlled multiple storage vessel gas trap |
| US6094922A (en) * | 1998-09-09 | 2000-08-01 | Ziegler; Alex R. | Vacuum-insulated refrigerant line for allowing a vaccum chamber system with water-vapor cryocoil compressor to be locatable outside cleanroom |
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| AU2001273044A1 (en) * | 2000-06-28 | 2002-01-08 | Igc Polycold Systems, Inc. | Liquid chiller evaporator |
| JP3958214B2 (ja) | 2000-11-10 | 2007-08-15 | タクティカル ファブス インコーポレイテッド | 不連続極低温混合ガス冷凍システム |
| WO2002095308A2 (en) * | 2001-02-23 | 2002-11-28 | Igc Polycold Systems, Inc. | Ultra-low temperature closed-loop recirculating gas chilling system |
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| TW201604465A (zh) | 2010-06-15 | 2016-02-01 | 拜歐菲樂Ｉｐ有限責任公司 | 從導熱金屬導管提取熱能的方法、裝置和系統 |
| JP5669658B2 (ja) * | 2011-04-11 | 2015-02-12 | 住友重機械工業株式会社 | クライオポンプシステム、圧縮機、及びクライオポンプの再生方法 |
| CN103857968B (zh) | 2011-07-01 | 2016-11-23 | 布鲁克机械公司 | 用于对冷冻热交换器阵列进行加温、用于紧凑且有效的制冷以及用于自适应电源管理的***与方法 |
| TWI525184B (zh) | 2011-12-16 | 2016-03-11 | 拜歐菲樂Ｉｐ有限責任公司 | 低溫注射組成物，用於低溫調節導管中流量之系統及方法 |
| JP6013886B2 (ja) * | 2012-11-13 | 2016-10-25 | 住友重機械工業株式会社 | クライオポンプ |
| CN105865219B (zh) * | 2016-04-19 | 2017-03-01 | 山西爱晟特环保科技有限公司 | 多级热压式抽真空*** |
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