JP4909260B2 - クライオポンプ用バルブ・アセンブリ - Google Patents

Description

本明細書は、クライオポンプ用のバルブ・アセンブリに関する。

現時点において利用可能な極低温真空ポンプ、すなわちクライオポンプは、おおむね共通の設計コンセプトに従っている。通常は４〜２５Ｋの範囲で動作する低温アレイが、主たるポンプ動作表面（pumping surface ）である。この表面が、より高温であって通常は６０〜１３０Ｋの温度範囲で動作する放射シールドで囲まれており、これによって低温アレイに対する放射の遮蔽がもたらされている。放射シールドは、一般的にはハウジングを有しており、ハウジングが、主たるポンプ動作表面と排気が行なわれる作業室との間に配置された前部アレイの位置を除いて、閉じられている。

動作時、水蒸気などの高沸点の気体が、前部アレイに凝縮する。低沸点の気体は、このアレイを通過して放射シールド内の空間（volume）に入り、低温アレイ上に凝縮する。さらに、水素などのきわめて低沸点の気体を取り除くため、炭などの吸着剤で被覆された表面、または低温アレイの温度以下で動作する分子ふるいを、この空間に設けてもよい。このようにして、気体がポンプ動作表面に凝縮し、かつ／あるいはポンプ動作表面に吸着され、真空のみが作業室に残る。

閉サイクルの冷却器によって冷却されるシステムにおいては、冷却器は、大体は、放射シールドの背面を貫いて延びるコールドフィンガー（cold finger ）を有している２段式の冷凍機である。一般的には、高圧のヘリウム冷媒が、高圧配管を通って圧縮機アセンブリから極低温冷却器に届けられる。冷却器内のディスプレーサ駆動モータへの電力も、通常は、圧縮機を通じて届けられる。

極低温冷却器の第２段、すなわち最低温段の低温端は、コールドフィンガーの先端に位置している。主たるポンプ動作表面、すなわちクライオパネルが、コールドフィンガーの第２段の最低温端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、単純な金属製の板もしくはカップでよく、または第２段のヒートシンクの周囲に配置されて第２段のヒートシンクに接続された金属製バッフル板のアレイでもよい。さらに、この第２段のクライオパネルは、低温吸着剤を支持している。

放射シールドは、冷凍機の第１段の最低温端において、ヒートシンクまたはヒートステーションに接続されている。このシールドが、第２段のクライオパネルを放射熱から保護するように囲んでいる。前部アレイは、側部シールドを通じ、または特許文献１に開示されているように熱支柱（thermal struts）を通じて、第１段のヒートシンクによって冷却される。

数日または数週間の使用の後、クライオパネル上に凝縮した気体、特に吸着された気体が、クライオポンプを飽和させ始める。したがって、次に再生の手順を行なって、クライオポンプを暖めて気体を解放し、それら気体をシステムから取り除かなければならない。気体となって蒸発するにつれてクライオポンプ内の圧力が上昇し、それら気体が逃がし弁を通って排気される。再生の際、クライオポンプを暖かい窒素ガスでパージすることが多い。窒素ガスが、クライオパネルの加熱を早めるとともに、水蒸気および他の蒸気をクライオポンプから洗い流すべく作用する。窒素をシステムの第２段のアレイ近傍に導くことによって、窒素ガスが排気口へ外向きに流れることで、第１のアレイから第２段のアレイに戻ろうとする水蒸気の移動が最小限にされる。窒素は、不活性であって水蒸気を含まずに利用することができるため、通例のパージ用気体である。窒素は、通常は、クライオポンプに接続された流体配管およびパージ弁を介して、窒素貯蔵ボトルから届けられる。

クライオポンプがパージされた後、気体の伝導による熱の移動を少なくして、クライオ冷却器を通常の動作温度に冷却できるようにするため、クライオポンプ動作表面およびコールドフィンガーの周囲に真空を生み出すべく、クライオポンプを粗引きしなければならない。粗引きポンプは、一般的には、クライオポンプに取り付けられた粗引き弁へ流体配管によって接続された機械式のポンプである。

再生プロセスの制御は、コールドフィンガーの温度ステーション（cold finger heat stations）に接続された温度センサによって容易にされる。熱電対圧力計も、クライオポンプにおいて使用されている。再生を、クライオ冷却器を手動でオフおよびオンし、さらにパージ弁および粗引き弁を手動で制御することによって制御してもよいが、より高度なシステムにおいては、別個の再生コントローラが使用される。コントローラからの配線が、駆動対象であるセンサ、クライオ冷却器モータおよび弁のそれぞれに接続されている。電子式コントローラを一体に備えるクライオポンプが、特許文献２に提示されている。

高速の再生プロセスにおいては、パージ用気体がクライオポンプに適用されているときに、クライオポンプの第２段が加熱される。クライオポンプの第２段が加熱されるにつれ、第２段に捉えられていた気体が解放され、逃がし弁を通って排気される。
米国特許第４３５６７０１号明細書 米国特許第４９１８９３０号明細書

上述のように、クライオポンプは、クライオポンプ・システムを適切に動作させるための複数の弁を有している。典型的なクライオポンプは、空気圧式の粗引き弁、粗引きパイロット弁、ポンプ・パージ弁、排気パージ弁、および圧力逃がし弁という合計５つの弁を有している。既存のシステムにおいては、空気圧式の粗引き弁および粗引きパイロット弁が一体化され、単一のアセンブリをなしている。他の３つの弁は別個の部品であり、取り付け点として３つもの真空フランジまたはポートを必要とするばかりか、さらに弁の制御および駆動のための加圧窒素または圧縮空気のために、３つもの接続点を必要としている。

形成されたアセンブリの内部空間を使用し、内側チューブがクライオポンプへのパージ用気体の供給に使用される一方で、外側部分が排気のために使用される同軸接続を使用することで、クライオポンプ空間（cryopump volume ）への貫通をただ１つだけにすることができる。例えば、排気は、粗引き弁、逃がし弁のいずれかでよい。

さらに、分配用の節点を不要にしてホースの接続の数を少なくするため、アセンブリの内部空間に、窒素、圧縮空気などの加圧気体をそれが必要とされるすべての場所に導くダクトを、設けることができる。

ダクト付きのただ１つのバルブ・アセンブリによって、内側ダクトおよび外側ダクトを有する同軸接続で前記バルブ・アセンブリをクライオポンプに接続するパージ弁を有している、統合化クライオポンプ・バルブがもたらされる。加圧気体との接合部が、加圧パージ用気体の供給源を内側ダクトを介してクライオポンプに接続している。粗引き弁によって、前記バルブ・アセンブリの外側ダクトを粗引き真空ポンプに接続でき、逃がし弁によって、前記バルブ・アセンブリの外側ダクトを排気筒に接続できる。

粗引きパイロット弁を駆動するために圧縮空気が使用されることがあるが、本発明の一実施形態は加圧窒素を使用し、これがパージ用気体としても使用される。この変更は、前記バルブ・アセンブリが、利用可能な直接の窒素の供給がある場合に可能であり、これを弁の駆動に使用しても、窒素供給源にもたらされる追加の負荷は無視できる程度である。さらに、主真空ハウジングへのさらなる貫通をなくすため、前記バルブ・アセンブリに、クライオポンプ空間の圧力の測定に使用できる熱電対計のための取り付け点を備えることができる。

本発明の上述の目的、特徴、および利点、ならびに他の目的、特徴、および利点が、添付の図面に示されている本発明の好ましい実施形態についての以下のさらに詳細な説明から、明らかになるであろう。添付の図面においては、同様の参照符号が、種々の図のすべてを通じて同じ部分を指し示している。図面は必ずしも比例尺ではなく、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。

以下で、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図１は、従来技術の典型的なクライオポンプ・システム１００の図である。このシステムの実体を表現すると、空気圧式の粗引き弁１５５および粗引きパイロット弁１５４が一体化され、単一のアセンブリをなしている。この粗引き弁アセンブリが、クライオポンプ空間１１０を粗引き真空ポンプ１２０に接続している。ソレノイド駆動の粗引きパイロット弁１５４が、加圧空気を制御して空気圧式の粗引き弁１５５を付勢する。さらに、ソレノイド駆動のポンプ・パージ弁１５２が、パージ用気体１４０（典型的には、加圧された窒素である）を供給すべくクライオポンプ空間１１０に直接つながっている。さらに加圧気体１４０は、典型的には、分配用節点１５１によって分配され、ソレノイド駆動の排気パージ弁１５６を通るよう導かれている。気化が起こるとき、クライオポンプ空間の圧力が上昇し、気体が圧力逃がし弁１５７を通って排気される。排気パージ弁１５６を通って導かれる窒素が、水蒸気および他の汚染物質の凝固ならびに堆積を最小にし、排気筒１３０へ向けて圧力逃がし弁１５７を通過する気体を希釈する。

図２は、本発明の粗引き／パージ／排気（ＲＰＶ）統合バルブであるダクト付きバルブ・アセンブリ３００を使用するクライオポンプ・システム２００のロジック表示（logical representation）である。このロジック表示は、単一の多機能バルブであるダクト付きバルブ・アセンブリ３００を使用することで、クライオポンプ空間１１０に設けられる貫通をただ１つにできることを示している。さらに、ＲＰＶバルブであるダクト付きバルブ・アセンブリ３００が、加圧窒素の供給源１４０から加圧窒素の供給を受ける一方で、粗引き真空ポンプ１２０および排気筒１３０に直接つながっている。

図３は、２つの排気を有する本発明のＲＰＶバルブであるダクト付きバルブ・アセンブリ３００の実施形態を示している。ＲＰＶバルブであるダクト付きバルブ・アセンブリ３００は、同軸の接続機構４００を構成する単一のポンプ・パージ弁ポートを通じて、クライオポンプ空間１１０に直接つながっている。クライオポンプ空間１１０への貫通をただ１つにするために、ポンプ・パージ配管をクライオポンプ空間１１０の放射シールドの内側に導きつつ、粗引き真空ポンプ１２０をポンプの全空間へ良好に導通させることができるよう、特別な準備がなされる。本発明は、これを、同軸接続機構４００の使用によって達成する。

同軸接続機構４００は、内側ダクト４１０および外側ダクト４２０という２つのダクトを有している。図４に、同軸接続機構４００の平面図を示す。内側ダクト４１０は、パージ用気体配管６１０につながることによってクライオポンプにつながっている。内側ダクト４１０は、加圧気体接合部３４０に接続された加圧窒素の供給源１４０から、クライオポンプにパージ用気体を供給する。さらに、加圧窒素ガスは、通路３４２などダクト付きバルブ・アセンブリ３００内部のダクトを通って案内される。ダクト付きバルブ・アセンブリ３００に配置されたソレノイドが、排気パージ弁３１５およびパージ弁３４５を操作し、内部の通路を通過する加圧窒素ガスの流れを制御する。本発明の他の実施形態においては、パイロット弁を使用することによって、排気パージ弁３１５およびパージ弁３４５を加圧窒素、加圧空気などの加圧気体で付勢することができる。

図３に示されているように、外側ダクト４２０は、クライオポンプ空間１１０からの気体が逃がし弁ポート３１０を通って排気筒１３０まで移動し、また粗引き弁ポート３２０を通って粗引き真空ポンプ１２０まで移動するための通路を、もたらしている。

逃がし弁３０５は、クライオポンプ空間１１０から出て排気筒１３０または管路を通過する気体の流れを制御する。本発明において使用が可能な逃がし弁３０５が、図３に示されている。この逃がし弁３０５は、逃がし弁３０５の閉鎖時にばねによってＯリング・シールに当接して保持されるキャップを備えている。圧力が逃がし弁３０５を開くために充分である場合、キャップがＯリング・シールから離れるように押され、排気ガスがシールを通過して流れる。円錐形のフィルタ直立管が、逃がし弁３０５の内部に取り付けられている。フィルタ直立管は、逃がし通路内の取り付け位置から排気通路に延びている。ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする米国特許第6,598,406号が、本発明に関連して使用することができる円錐形のフィルタ直立管を有する逃がし弁を説明している。

粗引き弁３２５は、粗引き真空ポンプ１２０を通過するクライオポンプ空間１１０からの気体の流れを制御する。アクチュエータ３８０が、可動スピンドル・ベローズ３６０によって、粗引き弁３２５の付勢を制御することができる。可動スピンドル・ベローズ３６０が、ソレノイド３８５によって制御される加圧空気の使用を通して、外側ダクト４２０の領域において粗引き弁３２５を動かす。粗引き弁３２５の動きによって、粗引き弁ポート３２０のクライオポンプ空間１１０へのアクセスが、開閉される。

さらに、本発明のこの特定の実施形態には、クライオポンプ空間１１０の圧力を測定するため熱電対計を接続するために設けられたポート３７０が示されている。

本発明を、本発明の好ましい実施形態を参照しつつ詳しく示して説明したが、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の技術的範囲から離れることなく、これら実施形態において形態および細部について種々の変更が可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。

従来技術の典型的なバルブ構成のロジック表示である。 本発明の統合化バルブ構成のロジック表示である。 本発明の一実施形態の断面図である。 同軸接続機構を構成してクライオポンプ空間につながる図３のポンプ・パージ弁ポートの平面図である。

符号の説明

１２０ 粗引き真空ポンプ
１３０ 排気筒
１４０ 加圧気体（加圧窒素）の供給源
３００ ダクト付きバルブ・アッセンブリ
３０５，３２５ 排気弁
３０５ 逃がし弁
３１０ 逃がし弁ポート
３１５ 排気パージ弁
３２０ 粗引き弁ポート
３２５ 粗引き弁
３４５ パージ弁
３８０ アクチュエータ
４００ 接続機構（同軸接続機構）
４１０ 内側ダクト
４２０ 外側ダクト

Claims (12)

1. 統合型クライオポンプ・バルブを形成するダクト付きバルブ・アセンブリ３００であって、
   クライオポンプへの接合部を有する、前記バルブ・アセンブリ３００のハウジング、
   前記接合部における前記バルブ・アセンブリ３００の外側ダクト４２０の内側に内側ダクト４１０を隙間を有して接続する接続機構４００、
   前記外側ダクト４２０を粗引き弁ポート３２０または逃がし弁ポート３１０に接続する排気弁３２５，３０５、ならびに
   前記内側ダクト４１０を介して加圧気体の供給源１４０を前記クライオポンプに接続するパージ弁３４５
   を有するダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
2. 請求項１において、前記排気弁３２５，３０５が、前記粗引き弁ポート３２０を介して前記バルブ・アセンブリ３００の前記外側ダクト４２０を粗引き真空ポンプ１２０に接続する粗引き弁３２５であるダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
3. 請求項１において、前記排気弁３２５，３０５が、前記逃がし弁ポート３１０を介して前記バルブ・アセンブリ３００の前記外側ダクト４２０を排気筒１３０に接続する逃がし弁３０５であるダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
4. 請求項３において、前記粗引き弁ポート３２０を介して前記バルブ・アセンブリ３００の前記外側ダクト４２０を粗引き真空ポンプ１２０に接続する粗引き弁３２５をさらに有するダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
5. 請求項３において、前記加圧気体の供給源１４０を前記排気筒１３０に接続する排気パージ弁３１５をさらに有するダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
6. 請求項１において、前記加圧気体の供給源１４０が、前記パージ弁３４５および前記排気弁３２５，３０５の付勢機構を制御するように接続されているダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
7. 請求項６において、前記粗引き弁３２５の付勢を制御するアクチュエータ３８０をさらに有するダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
8. 請求項１において、前記加圧気体の供給源１４０が、加圧窒素の供給源１４０であるダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
9. 請求項１において、前記外側ダクト４２０へ流体に関して連通している圧力計をさらに有するダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
10. 統合型クライオポンプ・バルブを形成するダクト付きバルブ・アセンブリ３００であって、
    クライオポンプへの接合部を有する、前記バルブ・アセンブリ３００のハウジング、
    前記接合部における前記バルブ・アセンブリ３００の外側ダクト４２０の内側に内側ダクト４１０を隙間を有して接続する接続機構４００、
    前記外側ダクト４２０を粗引き真空ポンプ１２０に接続する粗引き弁３２５、
    前記外側ダクト４２０を排気筒１３０に接続する逃がし弁３０５、
    加圧窒素の供給源１４０を前記排気筒１３０に接続する排気パージ弁３１５、
    前記内側ダクト４１０を介して前記加圧窒素の供給源１４０をクライオポンプに接続するパージ弁３４５、
    前記粗引き弁３２５の付勢を制御するアクチュエータ３８０、ならびに
    前記外側ダクト４２０へ流体に関して連通している圧力計
    を有するダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項において、前記接合部における前記バルブ・アセンブリ３００の外側ダクト４２０の内側に内側ダクト４１０を隙間を有して接続する接続機構４００が同軸接続機構４００であるダクト付きバルブ・アセンブリ３００。
12. ダクト付き統合型バルブ・アセンブリを備えたクライオポンプであって、前記バルブ・アセンブリとして請求項１から１１までのいずれか一項に記載のダクト付きバルブ・アセンブリ３００を備えたクライオポンプ。

Images