JP4597909B2 - クライオポンプ及びその再生方法 - Google Patents

Description

本発明はクライオポンプ及びその再生方法に係り、特に再生効率の向上を図りうるクライオポンプ及びその再生方法に関する。

例えば、半導体製造設備においては高真空を実現する必要があり、この高真空を実現しうる真空ポンプとしてクライオポンプが多用されている。このクライオポンプは、真空生成の原理上冷凍機が必要となる。このクライオポンプに用いられる冷凍機としては、ギフォード・マクマホンサイクル型冷凍機（以下ＧＭ型冷凍機という）が知られている。そして、ＧＭ型冷凍機と真空容器内に配設されたクライオパネル及びシールドを熱的に接続しておき、冷却過程において真空容器内のガス（例えば、アルゴンガス等）をクライオパネル等に凝縮及び吸着させることにより高真空を実現する。

上記構成とされたクライオポンプは、その構造上再生が必要となる。この再生とは、冷却過程でクライオパネル等に凝縮したガス（以下、固体状ガスという）に熱を加え、昇温させることにより固体状ガスを液化及び気化させて真空容器の外に放出する処理をいう。

クライオポンプの再生時においては、クライオパネル及びシールドがヒータ等の昇温装置により昇温され、また窒素ガス等のパージガスが真空容器内に導入される。これにより、クライオパネル及びシールドに凝縮及び吸着されたガスは液化して自然落下し、シールドの内部に溜まった状態となる。この状態で全ての液化したガス（以下、液化ガスという）を気化して排出しようとした場合、液化ガスが気化するのに長い時間を要し、よって再生効率が低下してしまうという問題点がある。そこで、特許文献１に開示されているように、シールドに孔を形成し、液状ガスがこの孔を介して真空容器内に流入する構成としたクライオポンプが提案されている。
特開平０５−０３３７６６号公報

この構成のクライオポンプでは、大気温度である真空容器の熱を液化ガスの気化に利用することが可能となり、シールドに孔を形成しないクライオポンプに比べて再生効率の向上を図ることができる。

しかしながら、パージガスからの熱、及び真空容器の壁を伝って流入する大気からの熱を用いて再生を行う構成では、液状ガスのパージガスからの受熱面は液状ガスの上面のみとなり、また真空容器からの受熱面は液状ガスが真空容器と接している面のみとなる。このため、パージガス及び真空容器からの受熱面積が狭く、よって迅速な再生を行うことができないという問題があった。これは、クライオパネル及びシールドに凝縮したガスを全て除去するいわゆるフル再生の場合には、特に問題となる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、再生時において固体状ガスの受熱面積を増大させることにより再生効率の向上を図ったクライオポンプ及びその再生方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明に係るクライオポンプは、
真空容器と、
該真空容器内に配設されたクライオパネルと、
該クライオパネルを冷却することにより前記真空容器内のガスを凝縮させる冷凍機と、
前記真空容器にパージガスを供給処理するパージガス供給手段と、
前記真空容器内の前記ガスを吸引処理する吸引手段と、
再生における昇温途中に、前記パージガス供給手段による前記真空容器へのパージガスの供給処理と、前記吸引手段による前記真空容器内からの前記ガスの吸引処理とを繰り返し実施する制御手段とを有することを特徴とするものである。

また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載のクライオポンプにおいて、
前記真空容器内に温度センサーを設けると共に、
前記制御手段は、該温度センサーの出力により前記真空容器内の温度が前記ガスが固液二相で共存する温度であると判断した際、前記真空容器へのパージガスの供給処理と、前記真空容器内からの前記ガスの吸引処理とを繰り返し実施することを特徴とするものである。

また、請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載のクライオポンプにおいて、
前記真空容器内から前記ガスを吸引処理する時間は、前記液化した前記ガスが前記真空容器内で減圧沸騰しうる時間に設定されていることを特徴とするものである。

また、請求項４記載の発明は、
真空容器と、該真空容器内に配設されたクライオパネルと、該クライオパネルを冷却することにより前記真空容器内のガスを凝縮させる冷凍機と、前記真空容器にパージガスを供給処理するパージガス供給手段と、前記真空容器内の前記ガスを吸引処理する吸引手段とを有するクライオポンプの再生方法において、
再生における昇温途中に、前記パージガス供給手段による前記真空容器へのパージガスの供給処理と、前記吸引手段による前記真空容器内からの前記ガスの吸引処理とを繰り返し実施することを特徴とするものである。

また、請求項５記載の発明は、
請求項４記載のクライオポンプの再生方法において、
前記クライオパネル上に凝縮したガスの温度が固液二相で共存する温度となった際、前記真空容器へのパージガスの供給処理と前記真空容器内からの前記ガスの吸引処理とを繰り返し実施する処理を開始することを特徴とするものである。

また、請求項６記載の発明は、
請求項４または５記載のクライオポンプの再生方法において、
前記真空容器内から前記ガスを吸引処理する時間は、前記液化した前記ガスが前記真空容器内で減圧沸騰しうる時間に設定されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、再生における昇温工程で、ヒータや冷凍機の逆転運転による過熱、パージガス供給手段による真空容器へのパージガスの供給処理することにより、クライオパネルに凝縮した固体状ガスは液化し、この液状ガスはクライオパネルから落下し真空容器或いはシールドの底部に溜まった状態となる。

この状態で吸引手段により真空容器内からガスの吸引処理を行うと、真空容器内が飽和蒸気圧以下となり、液状ガスが沸騰する（減圧沸騰）。この液状ガスの沸騰により生成されたガスは、吸引処理に伴い真空容器の外部に排出される。

また、沸騰の激しさで飛び散った液滴は、飛び上がった先（真空容器とシールドの隙間、真空容器の各所等）の圧力が低いため即座に凝縮して固体状ガスとなる。この固体状ガスは、クライオパネル、シールド、真空容器の各所で凝縮した状態となる。また、真空容器とシールドの隙間の温度はかなり高い（大気温度付近）ことから、前記固体状ガスの一部は昇華（気化）し、吸引手段によって真空容器の外部に排出される。

この後、パージガス供給手段からパージガスが真空容器へ供給されると、固体状ガスは再び液化し、その一部は気化して真空容器から排出され、また残りは落下して真空容器或いはシールドの底部に溜まる。この際、固体状ガスはクライオパネル、シールド、真空容器の各所に広く分散した状態で凝縮しているため、パージガスからの受熱面積、及び真空容器との受熱面積は単にクライオパネルに真空容器或いはシールドの底部に溜まった状態に比べて広くなっている。よって、融解した固体状ガスに対し、パージガス及び真空容器（シールドを昇温する場合にはシールド）から効率よく受熱させることができ、融解した固体状ガスの気化の促進を図ることができる。

従って、上記のように再生における昇温途中に真空容器へのパージガスの供給処理と、真空容器内からのガスの吸引処理とを繰り返し実施することにより、昇温時間の短縮を図ることが可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の一実施例であるクライオポンプ１を示している。クライオポンプ１は、図示しない処理チャンバ（例えば、半導体製造装置の処理チャンバ）に取り付けられ、この処理チャンバ内を真空とするものである。

このクライオポンプ１は、大略すると圧縮機３、真空容器４、冷凍機５、シールド９、クライオパネル１０、各種バルブ２５，２６、コントローラ３０等により構成されている。また、本実施例におけるクライオポンプ１の再生処理は、冷凍機５の冷却サイクルを反転させること（いわゆる逆転昇温）によりシールド９及びクライオパネル１０を昇温することにより、また大気温度のパージガス（例えば、窒素ガス）を真空容器４に導入することにより行う構成としている。

圧縮機３は、ヘリウムガス等の冷媒ガスを昇圧して冷凍機５に送り、また冷凍機５で断熱膨張した冷媒ガスを回収して再び昇圧する機能を奏する。真空容器４は、前記した処理チャンバに取り付けられるものであり、この内部に冷凍機５のシリンダー１４，１５、シールド９、及びクライオパネル１０等が配設される。

真空容器４には粗引き配管１３Ａ、パージ配管１７、及び圧力センサ２８が接続されている。粗引き配管１３Ａは粗引きポンプ１３（真空ポンプ）に接続されており、真空処理開始時において真空容器４内のガスを粗引きする。この粗引き配管１３Ａにはラフバルブ２６が設けられており、このラフバルブ２６がＯＦＦ（閉弁）されることにより粗引きは停止され、またＯＮ（開弁）することにより粗引きが行われる。このラフバルブ２６は、コントローラ３０によりＯＮ／ＯＦＦ制御が行われる構成とされている。

パージ配管１７は窒素ガス供給手段（図示せず）に接続されており、後述する再生時において真空容器４内に大気温度のパージガス（窒素ガス）を供給する。このパージ配管１７にはパージバルブ２５が設けられており、このパージバルブ２５がＯＦＦ（閉弁）されることにより窒素ガスのパージは停止され、またＯＮ（開弁）することにより窒素ガスのパージが行われる。このパージバルブ２５は、コントローラ３０によりＯＮ／ＯＦＦ制御が行われる構成とされている。

圧力センサ２８は、真空容器４内の圧力を検出する構成とされている。この圧力センサ２８はコントローラ３０に接続されており、コントローラ３０はこの圧力センサ２８を介して真空容器４内の圧力を認知しうる構成とされている。

尚、真空容器４と処理チャンバとの間には図示しないゲートバルブが配設されており、ゲートバルブを閉じることにより真空容器４は処理チャンバに対して気密に隔離された状態となる。

冷凍機５はＧＭ型冷凍機であり、第１段シリンダー１４、第２段シリンダー１５、及び可逆モーター１６等により構成されている。第１段シリンダー１４の内部には第１段ディスプレーサー１４Ａが図中左右方向に往復動可能に配設されており、また第２段シリンダー１５には第２段ディスプレーサー１５Ａが図中左右方向に往復動可能に配設されている。この第１段ディスプレーサー１４Ａと第２段ディスプレーサー１５Ａは連結されており、可逆モーター１６を駆動源として上記のように各シリンダー１４，１５内で往復動を行う。

第１段シリンダー１４と第１段ディスプレーサー１４Ａとの間には第１段膨張室が形成され、また第２段シリンダー１５と第２段ディスプレーサー１５Ａとの間には第２段膨張室が形成される。この第１及び第２段膨張室は、各ディスプレーサー１４Ａ，１５Ａの往復動によりその体積が変化する構成となっている。

可逆モーター１６は、正方向回転及び逆方向回転が可能なモーターである。この可逆モーター１６はコントローラ３０に接続され、このコントローラ３０の指示に従い真空処理時には正方向回転を行い、再生時において逆方向回転を行う。

第１段シリンダー１４の外周には、第１段冷凍ステージ７が配設されている。また、この第１段冷凍ステージ７にはシールド９が配設（熱的に接続）されている。シールド９は、外部の輻射熱がクライオパネル１０に熱伝導するのを防止する機能を奏する。

このシールド９には、ルーバ１２及び流出孔２９が設けられている。ルーバ１２は、カップ形状（有底状）とされたシールド９の上部に配設されている。このルーバ１２は、真空容器４の上部開口に近接して配設されている。また、流出孔２９は、カップ形状（有底状）とされたシールド９の底面に形成されている。

一方、第２段シリンダー１５の外周には、第２段冷凍ステージ８が配設されている。この第２段冷凍ステージ８には、クライオパネル１０が配設されている。このクライオパネル１０は、その内周面に活性炭１１が配設されている。

更に、第１段シリンダー１４には第１段用温度センサ１８が設けられており、第２段シリンダー１５には第２段用温度センサ１９が設けられている。第１段用温度センサ１８は第１段シリンダー１４の温度（この温度は、シールド９の温度と略同じ）を検出するものであり、また第２段用温度センサ１９は第２段シリンダー１５の温度（この温度は、クライオパネル１０の温度と略同じ）を検出するものである。この第１段用温度センサ１８及び第２段用温度センサ１９は、コントローラ３０に接続されている。

尚、第１段用温度センサ１８をシールド９に直接配設する構成、及び第２段用温度センサ１９を直接クライオパネル１０に配設する構成も考えられるが、処理チャンバ内のガスをより多く凝縮及び吸着させ真空度を高める面から、本実施例では温度センサ１８，１９を冷凍ステージ７，８に配設し、この冷凍ステージ７，８の温度を介してシールド９及びクライオパネル１０の温度を判断する構成としている。

図２は、コントローラ３０のハード構成を示す図である。コントローラ３０はマイクロコンピュータにより構成されており、同図に示すようにＣＰＵ２１，ＲＯＭ２２，ＲＡＭ２３、及びインターフェース装置２４がバスライン２５により接続された構成とされている。各種センサー１８，１９，２８及びバルブ２５，２６は、インターフェース装置２４を介してＣＰＵ２１に接続されている。

上記構成とされたクライオポンプ１において真空処理を行う場合には、先ずパージバルブ２５をＯＦＦ（閉弁）すると共にラフバルブ２６をＯＮ（開弁）し、粗引きポンプ１３を駆動して処理チャンバ及び真空容器４内のガスを粗引きする（例えば10^-2Torr程度まで減圧処理を行う）。この粗引き処理が終了すると、粗引きポンプ１３を停止させた上で、可逆モーター１６を正方向回転に回転させる。

可逆モーター１６が正方向回転することにより冷凍機５は冷却モードとなり、圧縮機３から第１段膨張室及び第２段膨張室に供給された冷媒ガスは、各ディスプレーサー１４Ａ，１５Ａの移動に伴い断熱膨張し寒冷を発生させる。これにより、第１段冷凍ステージ７は例えば３０〜１００Ｋ（シールド９は１００Ｋ以下）に冷却され、第２段冷凍ステージ８は例えば４〜２０Ｋ（クライオパネル１０は２０Ｋ以下）に冷却される。

この状態のクライオポンプ１に、処理チャンバ内の各種ガスが進入すると、二酸化炭素は主にルーバ１２及びシールド９で凝縮され、アルゴンや窒素は主にクライオパネル１０で凝縮され、更に水素，ネオン，ヘリウム等は主に活性炭１１に吸着される。これにより、処理チャンバは排気されて高真空を実現できる。

尚、以下の説明において、クライオポンプ１で凝縮させる各種ガス（二酸化炭素，アルゴン，窒素，水素，ネオン，ヘリウム等）を総称して導入ガスというものとする。また、シールド９及びクライオパネル１０に凝縮或いは吸着された導入ガスを固体状ガス２１というものとする。

ところで、上記のように処理チャンバ内から排気された導入ガスは、シールド９，クライオパネル１０，活性炭１１等に凝縮或いは吸着される。図５は、固体状ガス２１がシールド９及びクライオパネル１０に凝縮等された状態を示している。このシールド９及びクライオパネル１０に凝縮等された固体状ガス２１の量が増えてくると、クライオポンプ１の排気性能が低下する。このため、クライオポンプ１に凝縮等された固体状ガス２１を真空容器４から排出する再生処理が必要となることは前述した通りである。

次に、本発明の一実施例であるクライオポンプ２０における再生方法について説明する。

通常の再生処理においては、真空容器４にパージガスを導入すると共にヒータや冷凍機の逆転運転等の昇温手段（本実施例では、可逆モーター１６を逆方向回転させた冷凍機５）によりシールド９及びクライオパネル１０を昇温することにより再生処理を行う（以下、通常の再生処理という）。これに対して本実施例に係る再生方法では、再生における昇温途中に真空容器４へパージガスを供給する処理（パージ工程）と、粗引きポンプ１３により真空容器４から導入ガスを吸引する処理（粗引き工程）とを繰り返し実施することを特徴とする。尚、このパージ工程と粗引き工程を繰り返し実施する処理を、以下の説明ではプレラフ＆パージ処理ということとする。

図３はコントローラ３０が実施するプレラフ＆パージ処理を示すフローチャートであり、図４はこのプレラフ＆パージ処理を実施した時のクライオポンプ１の状態遷移図である。以下、図４に示す状態遷移図、図５乃至図９に示すクライオポンプ１の状態を示す図を参照しつつ、コントローラ３０が実施するプレラフ＆パージ処理について説明する。

尚、図３に示す再生処理のプログラムは、図２に示したＲＡＭ２３に格納されている。また、図４に示す状態遷移図にT1で示す（太い実線）のは本実施例における本実施例における第１段用温度センサ１８で検出される温度であり、T2で示す（太い一点鎖線）のは本実施例における第２段用温度センサ１９で検出される温度である。

また、図４にTc1で示す（細い一点鎖線）のは本実施例の比較例における第２段用温度センサで検出される温度であり、Tc2で示す（細い一点鎖線）のは比較例における第２段用温度センサで検出される温度である。

また、図４には圧力センサ２８により検出される真空容器４内の圧力も示している。更に、図４に示す比較例とは、本実施例のように再生における昇温途中に真空容器４へのパージガスの供給処理と真空容器４内からの導入ガスの吸引処理とを繰り返し実施することを行わない再生処理である。

図４に示す再生処理は、処理チャンバを有する半導体製造装置の主コンピュータからの指示或いは操作者のマニュアル操作により開始される。この再生処理が開始されるクライオポンプ１の状態は、図５に示すように固体状ガス２１がシールド９及びクライオパネル１０に凝縮等された状態である。

図４に示す再生処理が起動すると、先ずゲートバルブを閉じて真空容器４と処理チャンバとを気密に隔離した状態とする。続いて、ステップ１０（図では、ステップをＳと略称している）において、コントローラ３０はパージバルブ２５をＯＮ（開弁）すると共にラフバルブ２６をＯＦＦ（閉弁）とする。これにより、真空容器４内には大気温度のパージガス（窒素ガス）が導入される。また、コントローラ３０は可逆モーター１６を逆方向回転するよう制御し、これにより冷凍機５は再生モードとなりシールド９及びクライオパネル１０は昇温される（以下、逆転昇温という）。またこれと同時に、第２段用温度センサ１９を用いて第２段冷凍ステージ８の温度検出を開始する。

続くステップ１２では、コントローラ３０は第２段用温度センサ１９が検出する温度T2が第１の既定温度Temp1となったかを判断する。ここで、第１の既定温度Temp1とは、導入ガスが大気圧にて固液二相で存在するクライオパネル１０の温度である。また、クライオパネル１０は第２段シリンダー１５の第２段冷凍ステージ８に配設されているため、第１の既定温度Temp1は実質的に第２段冷凍ステージ８と等しい温度となる。この第１の既定温度Temp1の具体的な値は、導入ガスがアルゴン（Ａｒ）であった場合には約８４Ｋとなり、また窒素（Ｎ_２）である場合には約６３Ｋとなる。

コントローラ３０は、ステップ１２の処理により第２段冷凍ステージ８の温度T2が既定温度Temp1となるまで待ち、第２段冷凍ステージ８の温度T2が既定温度Temp1となると処理をステップ１４に進める。このステップ１２において第２段冷凍ステージ８の温度T2が既定温度Temp1となるまで待つ時間は、図４における時刻0から時刻t1までの時間に相当する。また、この時間においては、導入ガスがクライオパネル１０に凝縮した状態で温度が上昇する。そして、第２段冷凍ステージ８の温度T2が既定温度Temp1となると、後述するようにプレラフ＆パージ処理が一定の条件下で開始される。

ステップ１４では、コントローラ３０は第２段用温度センサ１９が検出する温度T2が第２の既定温度Temp2となったかを判断する。ここで、第２の既定温度Temp2とは、真空容器４の内部圧力が基準圧力Pres1となる温度である。また、基準圧力Pres1とは、後述するステップ１６〜２４を実行することにより行われる、真空容器４へのパージガスの供給処理と真空容器４内からの導入ガスの吸引処理との繰り返し処理を停止する基準となる圧力である。尚、この第２の既定温度Temp2及び基準圧力Pres1の詳細については、説明の便宜上、後述するものとする。

ステップ１４で検出温度T2が第２の既定温度Temp2未満（T2＜Temp2）であると判断されると、続くステップ１６でコントローラ３０はパージバルブ２５をＯＮ（開弁）すると共に、ラフバルブ２６をＯＦＦ（閉弁）する。これにより、大気温度のパージガス（窒素ガス）が真空容器４内に導入される（パージ工程）。また、コントローラ３０は、パージガスが真空容器４内に導入され時点でＣＰＵ２１に内設されたタイマーを起動し、パージ時間Tをカウントする。

このように真空容器４内にパージガスが導入されることにより真空容器４内の圧力は略大気圧（1.0133×１０^５Ｐａ）程度まで上昇する。また、固体状ガス２１はパージガス，及び逆転昇温により昇温されているシールド９及びクライオパネル１０により昇温される。これにより、固体状ガス２１は液化してシールド９の底部或いは真空容器４の底部に落下する。また、本実施例ではシールド９に流出孔２９が形成されているため、シールド９内の液化ガスは流出孔２９を通り真空容器４に流入する。図６は、固体状ガス２１が液化し、真空容器４の底部に溜まった状態を示している。

続くステップ１８では、(1)圧力センサ２８により検出される真空容器４の内部圧力Pが基準圧力Pres1以下（P≦Pres1）であるかどうか、(2)真空容器４の内部圧力Pが基準圧力Pres1を超え（P＞Pres1）、かつパージ時間Tが第１の既定パージ時間Time1以上となったかどうかが判断される。ここで、既定パージ時間Time1とは、ステップ１６によるパージ工程の処理を実施することにより、真空容器４内の固体状ガスの略全てが液状ガスに変化するに要する時間である。尚、この既定パージ時間Time1は、経験的或いは実験的に求められた値である。

ステップ１８において、真空容器４の内部圧力Pが基準圧力Pres1を超えると共にパージ時間Tが第１の既定パージ時間Time1以上になったと判断されると、コントローラ３０はステップ２０でラフバルブ２６をＯＮ（開弁）することにより、粗引きポンプ１３を用いた真空容器４の粗引き処理（粗引き工程）を開始する。これに伴い、ステップ２２においてパージバルブ２５をＯＦＦ（閉弁）し、パージガスの真空容器４への導入を停止させる。

これにより、真空容器４は粗引きポンプ１３により吸引され、真空容器４内の圧力は減圧される。そして、真空容器４内の圧力が飽和蒸気圧以下となると、液状ガスが沸騰する（減圧沸騰）。図７は、真空容器４内で減圧沸騰が発生している状態を示している。

このように、真空容器４内で液状ガスが減圧沸騰すると、その一部は蒸発して粗引きポンプ１３の吸引処理に伴い粗引き配管１３Ａを介して真空容器４の外部に排出される。また真空容器４とシールド９の隙間の温度はかなり高い（大気温度付近）ことから、前記固体状ガスの一部は昇華し（気化し）、吸引処理に伴い粗引き配管１３Ａを介して真空容器４の外部に排出される。

また、減圧沸騰により飛散した液状ガスは飛び上がった先の圧力が低いため、真空容器４、シールド９、クライオパネル１０の各所で凝縮した状態となる。この時、固体状ガスは真空容器４等の側壁に霜状に発生する。

このステップ２０，２２による粗引き工程は、ステップ２４により既定粗引き時間Time2だけ実施される。そして、既定粗引き時間Time2が経過すると、コントローラ３０はステップ１４に戻る。そして、ステップ１４で肯定判断（ＹＥＳ）がされると、再びステップ１６の前記したパージ工程が実施される。

パージ工程では、前記のようにパージ配管１７がパージガスが真空容器４へ供給されるため、固体状ガスは再び液化してその一部は気化して真空容器４から排出され、また残りは落下して真空容器４の底部に溜まる。図９は、液状ガスが、再び真空容器４の底部に溜まった状態を示している。

この際、ステップ２０〜２４に示す粗引き工程を実施した後では、前記のように固体状ガスは真空容器４、シールド９、クライオパネル１０の各所に広く分散した状態で凝縮しているため、パージガスからの受熱面積、及び真空容器との受熱面積は単にクライオパネルに真空容器或いはシールドの底部に溜まった状態に比べて広くなっている。よって、融解した固体状ガスに対し、パージガス、真空容器４、シールド９、及びクライオパネル１０の熱を効率よく熱伝達し、受熱させることができるため、融解した固体状ガスの気化の促進を図ることができる。

一方、ステップ１８において、真空容器４の内部圧力Pが基準圧力Pres1以下（P≦Pres1）になったと判断されると、コントローラ３０はパージバルブ２５をＯＦＦ（閉弁）することによりパージガスの真空容器４への供給を停止すると共に、ラフバルブ２６をＯＮ（開弁）して粗引き処理を開始し、プレラフ＆パージ処理を終了する。このプレラフ＆パージ処理は、図４における状態遷移図では、時刻t1〜時刻t2の間に相当する。この時刻t1〜時刻t2の間ではパージ工程と粗引き工程が繰り返し実施されるため、真空容器４の内部圧力Pは周期的に変動する。

ここで、基準圧力Pres1について図４を参照しつつ説明する。

時刻t1以降、矢印Ａで示す時間における粗引き工程の実施時においては、プレラフ＆パージ処理の開始直後は導入ガスが大気圧にて固液二相で存在するため、導入ガスの発生量が少なく、よって真空容器４の内部圧力Pの減少量も少ない。しかしながら、時間Ａを過ぎると、導入ガスの気化量が増大し、粗引き工程の実施時における真空容器４の内部圧力Pは大きく減少するようになる。そして、この真空容器４の内部圧力Pが、プレラフ＆パージ処理を実施しても、それ以上減少することが困難となる閾値を基準圧力Pres1としている。

即ち、真空容器４内に残存する導入ガス量が減少すると、これを排出するためには粗引き工程を長い時間実施する必要が生じる。しかしながら、粗引きの時間が長くなると、シールド９及びクライオパネル１０に付着し残存した微量の導入ガスが再び固化して固体状ガスとなり、蒸発のための潜熱を奪うため、シールド９及びクライオパネル１０の温度が下がってしまう。また、導入ガスが再び固化して固体状ガスとなると、第２段冷凍ステージ８の温度を再生の目標温度（図４にＴ２目標温度と示す）に上昇させるまでの時間が延びてしまう。

即ち、粗引き工程後の真空容器４の内部圧力Pがある圧力以下となった場合には、それ以上プレラフ＆パージ処理を実施しても、返って再生効率を低下させてしまう。この閾値となる圧力が基準圧力Pres1である。この基準圧力Pres1は、経験的にまた実験的に求められている。

ここで、再び図３のフローチャートに戻り説明を続ける。前記したように、ステップ１８において、真空容器４の内部圧力Pが基準圧力Pres1以下（P≦Pres1）になったと判断されると、前記のようにそれ以上プレラフ＆パージ処理を続けると、返って再生効率が低下するため、ステップ２６の処理を経てプレラフ＆パージ処理が終了される。

一方、図４に示す状態遷移図より、真空容器４の内部圧力Pが基準圧力Pres1となる第２段冷凍ステージ８の温度はTemp2（以下、基準温度という）となる。このため、ステップ１４では、クライオポンプ１の信頼性を高めるため、第２段用温度センサ１９により測定される第２段冷凍ステージ８の温度が基準温度Temp2以上（T2≧Temp2）となった場合にもプレラフ＆パージ処理を終了する構成とした。これにより、プレラフ＆パージ処理が必要以上に実施され、これにより再生効率が低下することをより確実に防止することができる。

図３に示すプレラフ＆パージ処理が終了すると、クライオポンプ１は通常の再生処理を実施する。即ち、真空容器４にパージガスを導入すると共に可逆モーター１６を逆方向回転させて冷凍機５を再生モードとし、これによりシールド９及びクライオパネル１０の昇温を行う。この通常の再生処理は、第２段用温度センサー１９により測定される第２段冷凍ステージ８の温度が目標再生温度（図４にＴ１目標温度と示す）まで実施される。

ここで、図４を用いて本実施例に係る再生時間と、比較例における再生時間を比較する。具体的には、比較例の温度Tc2（第２段冷凍ステージの温度）と、本実施例に係る温度T2（第２段冷凍ステージ８温度）が、Ｔ１目標温度に達する時間を比較する。すると、比較例では時刻t4においてＴ１目標温度に達するのに対し、本実施例に係るクライオポンプ１では時刻t3においてＴ１目標温度に達していることが分かる。よって、本実施例は比較例に比べ、時間ΔＴだけ再生時間の短縮が図れたことが分かる。これは、本実施例に係るクライオポンプ１では、通常の再生処理を実施する前に、導入ガスの排出効率が高いプレラフ＆パージ処理を実施したことに起因している。このように、本実施例に係るクライオポンプ１及び再生方法によれば、再生処理の効率化を図ることができ、これにより昇温時間の短縮を図ることができる。

図１は、本発明の一実施例であるクライオポンプの構成図である。 図２は、コントローラのハード構成を示す図である。 図３は、本発明の一実施例であるクライオポンプの再生処理のフローチャートである。 図４は、本発明の一実施例であるクライオポンプを示しており、クライオパネル等に固体状ガスが凝縮した状態を示す図である。 図５は、本発明の一例であるクライオポンプの遷移図である。 図６は、本発明の一実施例であるクライオポンプを示しており、再生処理により液状ガスが真空容器に溜まった状態を示す図である。 図７は、本発明の一実施例であるクライオポンプを示しており、減圧沸騰状態を示す図である。 図８は、本発明の一実施例であるクライオポンプを示しており、減圧沸騰により飛散した液状ガスが再び凝縮した状態を示す図である。 図９は、本発明の一実施例であるクライオポンプを示しており、減圧沸騰により飛散し凝縮した固体状ガスが再び液状ガスとなった状態を示す図である。

符号の説明

１ クライオポンプ
３ 圧縮機
４ 真空容器
５ 冷凍機
７ 第１段冷凍ステージ
８ 第２段冷凍ステージ
９ シールド
１０ クライオパネル
１３ 粗引きポンプ
１３Ａ 粗引き配管
１４ 第１段シリンダー
１４Ａ 第１段ディスプレーサー
１５ 第２段シリンダー
１５Ａ 第２段ディスプレーサー
１６ 可逆モーター
１７ パージ配管
１８ 第１段用温度センサ
１９ 第２段用温度センサ
２１ 固体状ガス
２２ 液状ガス
２５ パージバルブ
２６ ラフバルブ
２７ ベントバルブ
２８ 圧力センサ
３０ コントローラ

Claims (6)

1. 真空容器と、
   該真空容器内に配設されたクライオパネル及びシールドと、
   該クライオパネル及びシールドを冷却することにより前記真空容器内のガスを凝縮させる冷凍機と、
   前記真空容器にパージガスを供給処理するパージガス供給手段と、
   前記真空容器内の前記ガスを吸引処理する吸引手段と、
   再生における昇温途中に、前記パージガス供給手段による前記真空容器へのパージガスの供給処理と、前記吸引手段による前記真空容器内からの前記ガスの吸引処理とを繰り返し実施する制御手段とを有することを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記真空容器内に温度センサーを設けると共に、
   前記制御手段は、該温度センサーの出力により前記真空容器内の温度が前記ガスが固液二相で共存する温度であると判断した際、前記真空容器へのパージガスの供給処理と、前記真空容器内からの前記ガスの吸引処理とを繰り返し実施することを特徴とする請求項１記載のクライオポンプ。
3. 前記真空容器内から前記ガスを吸引処理する時間は、前記液化した前記ガスが前記真空容器内で減圧沸騰しうる時間に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載のクライオポンプ。
4. 真空容器と、該真空容器内に配設されたクライオパネル及びシールドと、該クライオパネル及びシールドを冷却することにより前記真空容器内のガスを凝縮させる冷凍機と、前記真空容器にパージガスを供給処理するパージガス供給手段と、前記真空容器内の前記ガスを吸引処理する吸引手段とを有するクライオポンプの再生方法において、
   再生における昇温途中に、前記パージガス供給手段による前記真空容器へのパージガスの供給処理と、前記吸引手段による前記真空容器内からの前記ガスの吸引処理とを繰り返し実施することを特徴とするクライオポンプの再生方法。
5. 前記クライオパネル上に凝縮したガスの温度が固液二相で共存する温度となった際、前記真空容器へのパージガスの供給処理と前記真空容器内からの前記ガスの吸引処理とを繰り返し実施する処理を開始することを特徴とする請求項４記載のクライオポンプの再生方法。
6. 前記真空容器内から前記ガスを吸引処理する時間は、前記液化した前記ガスが前記真空容器内で減圧沸騰しうる時間に設定されていることを特徴とする請求項４または５記載のクライオポンプの再生方法。
   

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