JP6806583B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

本発明は、クライオポンプに関する。

クライオポンプは、極低温に冷却されたクライオパネルに気体分子を凝縮または吸着により捕捉して排気する真空ポンプである。クライオポンプは半導体回路製造プロセス等に要求される清浄な真空環境を実現するために一般に利用される。クライオポンプのアプリケーションの１つに、例えばイオン注入工程のように、排気すべき気体の大半を例えば水素等の非凝縮性気体が占める場合がある。非凝縮性気体は極低温に冷却された吸着領域に吸着させることによって初めて排気することができる。

特開２０１２−２３７２６２号公報 特表２００８−５１４８４９号公報

一般にクライオポンプの吸気口には第１冷却温度に冷却される高温クライオパネルが配置されている。高温クライオパネルの１つの役割は、第１冷却温度より低い第２冷却温度に冷却される低温クライオパネルへの入熱を抑制することにある。非凝縮性気体の排気を主たる用途とするクライオポンプには、比較的小型の高温クライオパネルが採用される。その場合、高温クライオパネルに覆われた吸気口面積が比較的小さく、それにより、吸気口を通じて低温クライオパネルへと入射する非凝縮性気体の流量が増加され、非凝縮性気体の排気速度を高めることができる。その反面、高温クライオパネルの小型化は、低温クライオパネルへの入熱を増加させうる。高温クライオパネルには典型的にルーバーが用いられるが、羽板間の隙間を通じた低温クライオパネルへの入熱も無視できない。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、低温クライオパネルの熱負荷を低減しつつ低温クライオパネルによる排気速度を向上することにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、高温冷却ステージおよび低温冷却ステージを備える冷凍機と、前記高温冷却ステージに熱的に結合され、クライオポンプ吸気口から軸方向に筒状に延在する放射シールドと、前記低温冷却ステージに熱的に結合され前記放射シールドに囲まれた低温クライオパネル部であって、前記クライオポンプ吸気口に最も近接して配置されたトップクライオパネルを含む軸方向に配列された複数のクライオパネルを備える低温クライオパネル部と、前記高温冷却ステージに熱的に結合され、前記クライオポンプ吸気口に配置されトップクライオパネル収容区画を形成するトップクライオパネル収容クライオパネルと、を備える。

なお、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、低温クライオパネルの熱負荷を低減しつつ低温クライオパネルによる排気速度を向上することができる。

実施の形態に係るクライオポンプを概略的に示す上面図である。 図１に示されるクライオポンプのＡ−Ａ線断面を概略的に示す。 実施の形態に係るクライオパネル配列の一部を示す概略斜視図である。 図３に示すクライオパネル配列の一部におけるガス分子の挙動を説明するための概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す上面図である。図２は、図１に示されるクライオポンプ１０のＡ−Ａ線断面を概略的に示す。図３は、実施の形態に係るクライオパネル配列の一部を示す概略斜視図である。

クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置、スパッタリング装置、蒸着装置、またはその他の真空プロセス装置の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望の真空プロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。クライオポンプ１０は、排気されるべき気体を真空チャンバから受け入れるためのクライオポンプ吸気口（以下では単に「吸気口」ともいう）１２を有する。吸気口１２を通じて気体がクライオポンプ１０の内部空間１４に進入する。

なお以下では、クライオポンプ１０の構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。クライオポンプ１０の軸方向は吸気口１２を通る方向（すなわち、図において中心軸Ｃに沿う方向）を表し、径方向は吸気口１２に沿う方向（中心軸Ｃに垂直な方向）を表す。便宜上、軸方向に関して吸気口１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、クライオポンプ１０の底部から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、吸気口１２の中心（図において中心軸Ｃ）に近いことを「内」、吸気口１２の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はクライオポンプ１０が真空チャンバに取り付けられたときの配置とは関係しない。例えば、クライオポンプ１０は鉛直方向に吸気口１２を下向きにして真空チャンバに取り付けられてもよい。

また、軸方向を囲む方向を「周方向」と呼ぶことがある。周方向は、吸気口１２に沿う第２の方向であり、径方向に直交する接線方向である。

クライオポンプ１０は、冷凍機１６、第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ２０、及び、クライオポンプハウジング７０を備える。第１段クライオパネル１８は、高温クライオパネル部または１００Ｋ部とも称されうる。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、低温クライオパネル部または１０Ｋ部とも称されうる。

冷凍機１６は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの極低温冷凍機である。冷凍機１６は、二段式の冷凍機である。そのため、冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を備える。冷凍機１６は、第１冷却ステージ２２を第１冷却温度に冷却し、第２冷却ステージ２４を第２冷却温度に冷却するよう構成されている。第２冷却温度は第１冷却温度よりも低温である。例えば、第１冷却ステージ２２は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

また、冷凍機１６は、第２冷却ステージ２４を第１冷却ステージ２２に構造的に支持するとともに第１冷却ステージ２２を冷凍機１６の室温部２６に構造的に支持する冷凍機構造部２１を備える。そのため冷凍機構造部２１は、径方向に沿って同軸に延在する第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５を備える。第１シリンダ２３は、冷凍機１６の室温部２６を第１冷却ステージ２２に接続する。第２シリンダ２５は、第１冷却ステージ２２を第２冷却ステージ２４に接続する。室温部２６、第１シリンダ２３、第１冷却ステージ２２、第２シリンダ２５、及び第２冷却ステージ２４は、この順に直線状に一列に並ぶ。

第１シリンダ２３及び第２シリンダ２５それぞれの内部には第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサ（図示せず）が往復動可能に配設されている。第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサにはそれぞれ第１蓄冷器及び第２蓄冷器（図示せず）が組み込まれている。また、室温部２６は、第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを往復動させるための駆動機構（図示せず）を有する。駆動機構は、冷凍機１６の内部への作動気体（例えばヘリウム）の供給と排出を周期的に繰り返すよう作動気体の流路を切り替える流路切替機構を含む。

冷凍機１６は、作動気体の圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機１６は、圧縮機により加圧された作動気体を内部で膨張させて第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４を冷却する。膨張した作動気体は圧縮機に回収され再び加圧される。冷凍機１６は、作動気体の給排とこれに同期した第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサの往復動とを含む熱サイクルを繰り返すことによって寒冷を発生させる。

図示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機１６がクライオポンプ１０の中心軸Ｃに交差する（通常は直交する）よう配設されているクライオポンプである。

第１段クライオパネル１８は、放射シールド３０とトップクライオパネル収容クライオパネル（以下では、「入口クライオパネル」ともいう）３２とを備え、第２段クライオパネルアセンブリ２０を包囲する。第１段クライオパネル１８は、クライオポンプ１０の外部またはクライオポンプハウジング７０からの輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するための極低温表面を提供する。第１段クライオパネル１８は第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。よって第１段クライオパネル１８は第１冷却温度に冷却される。第１段クライオパネル１８は第２段クライオパネルアセンブリ２０との間に隙間を有しており、第１段クライオパネル１８は第２段クライオパネルアセンブリ２０と接触していない。第１段クライオパネル１８はクライオポンプハウジング７０とも接触していない。

放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０の輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するために設けられている。放射シールド３０は、吸気口１２から軸方向に筒状（例えば円筒状）に延在する。放射シールド３０は、クライオポンプハウジング７０と第２段クライオパネルアセンブリ２０との間にあり、第２段クライオパネルアセンブリ２０を囲む。放射シールド３０は、クライオポンプ１０の外部から内部空間１４に気体を受け入れるためのシールド主開口３４を有する。シールド主開口３４は、吸気口１２に位置する。

放射シールド３０は、シールド主開口３４を定めるシールド前端３６と、シールド主開口３４と反対側に位置するシールド底部３８と、シールド前端３６をシールド底部３８に接続するシールド側部４０と、を備える。シールド側部４０は、軸方向にシールド前端３６からシールド主開口３４と反対側へと延在し、周方向に第２冷却ステージ２４を包囲するよう延在する。

シールド側部４０は、冷凍機構造部２１が挿入されるシールド側部開口４４を有する。シールド側部開口４４を通じて放射シールド３０の外から第２冷却ステージ２４及び第２シリンダ２５が放射シールド３０の中に挿入される。シールド側部開口４４は、シールド側部４０に形成された取付穴であり、例えば円形である。第１冷却ステージ２２は放射シールド３０の外に配置されている。

シールド側部４０は、冷凍機１６の取付座４６を備える。取付座４６は、第１冷却ステージ２２を放射シールド３０に取り付けるための平坦部分であり、放射シールド３０の外から見てわずかに窪んでいる。取付座４６は、シールド側部開口４４の外周を形成する。第１冷却ステージ２２が取付座４６に取り付けられることによって、放射シールド３０が第１冷却ステージ２２に熱的に結合されている。

このように放射シールド３０を第１冷却ステージ２２に直接取り付けることに代えて、ある実施形態においては、放射シールド３０は、追加の伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２に熱的に結合されていてもよい。伝熱部材は、例えば、両端にフランジを有する中空の短筒であってもよい。伝熱部材は、その一端のフランジにより取付座４６に固定され、他端のフランジにより第１冷却ステージ２２に固定されてもよい。伝熱部材は、冷凍機構造部２１を囲んで第１冷却ステージ２２から放射シールド３０に延在してもよい。シールド側部４０は、こうした伝熱部材を含んでもよい。

図示される実施形態においては、放射シールド３０は一体の筒状に構成されている。これに代えて、放射シールド３０は、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。例えば、放射シールド３０は軸方向に２つの部分に分割されていてもよい。この場合、放射シールド３０の上部は、両端が開放された筒であり、シールド前端３６とシールド側部４０の第１部分とを備える。放射シールド３０の下部も両端が開放された筒であり、シールド側部４０の第２部分とシールド底部３８とを備える。シールド側部４０の第１部分と第２部分との間には周方向に延びるスリットが形成されている。このスリットが、シールド側部開口４４の少なくとも一部を形成してもよい。あるいは、シールド側部開口４４は、その上半分がシールド側部４０の第１部分に形成され、下半分がシールド側部４０の第２部分に形成されてもよい。

放射シールド３０は、第２段クライオパネルアセンブリ２０を囲むガス受入空間５０を、吸気口１２とシールド底部３８との間に形成する。ガス受入空間５０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の一部であり、第２段クライオパネルアセンブリ２０に径方向に隣接する領域である。

入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外部の熱源（例えば、クライオポンプ１０が取り付けられる真空チャンバ内の熱源）からの輻射熱から第２段クライオパネルアセンブリ２０を保護するために、吸気口１２（またはシールド主開口３４、以下同様）に設けられている。また、入口クライオパネル３２の冷却温度で凝縮する気体（例えば水分）がその表面に捕捉される。

入口クライオパネル３２は、吸気口１２において第２段クライオパネルアセンブリ２０に対応する場所に配置されている。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の開口面積の中心部分を占有し、放射シールド３０との間に環状の開放領域５１を形成する。入口クライオパネル３２は、吸気口１２の開口面積の多くとも１／３、または多くとも１／４を占めてもよい。このようにして、開放領域５１は、吸気口１２の開口面積の少なくとも２／３、または少なくとも３／４を占めてもよい。開放領域５１は、吸気口１２においてガス受入空間５０に対応する場所にある。開放領域５１はガス受入空間５０の入口であり、クライオポンプ１０は、開放領域５１を通じてガス受入空間５０にガスを受け入れる。

入口クライオパネル３２は、入口クライオパネル取付部材３３を介してシールド前端３６に取り付けられる。入口クライオパネル取付部材３３は、シールド主開口３４の直径に沿ってシールド前端３６に架け渡された棒状の部材である。こうして入口クライオパネル３２は放射シールド３０に固定され、放射シールド３０に熱的に接続されている。入口クライオパネル３２は第２段クライオパネルアセンブリ２０に近接しているが、接触はしていない。

第２段クライオパネルアセンブリ２０は、クライオポンプ１０の内部空間１４の中心部に設けられている。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、軸方向に配列された複数のクライオパネル６０と、第２段パネル取付部材６２と、を備える。第２段パネル取付部材６２は、第２冷却ステージ２４から軸方向に上方および下方に向けて延びている。第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第２段パネル取付部材６２を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。このようにして、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第２冷却ステージ２４に熱的に接続されている。よって、第２段クライオパネルアセンブリ２０は第２冷却温度に冷却される。

複数のクライオパネル６０が、シールド主開口３４からシールド底部３８へと向かう方向に沿って（即ち中心軸Ｃに沿って）第２段パネル取付部材６２上に配列されている。複数のクライオパネル６０は軸方向に互いに間隔をあけて配列されている。

説明の便宜上、複数のクライオパネル６０のうち軸方向に最も吸気口１２に近いものをトップクライオパネル６０ａと呼び、複数のクライオパネル６０のうち最もシールド底部３８に近いものをボトムクライオパネル６０ｂと呼ぶことがある。また、２番目に吸気口１２に近いクライオパネル６０、すなわちトップクライオパネル６０ａの軸方向下方に隣接配置されたクライオパネル６０を、隣接クライオパネル６０ｃと呼ぶことがある。隣接クライオパネル６０ｃは、軸方向にトップクライオパネル６０ａの直下に配置されている。トップクライオパネル６０ａは、入口クライオパネル３２と隣接クライオパネル６０ｃとに挟まれている。

トップクライオパネル６０ａは、平板であり、軸方向に垂直に配置されている。軸方向に見たときのトップクライオパネル６０ａの形状は、例えば円盤状である。トップクライオパネル６０ａの中心は、クライオポンプ１０の中心軸Ｃ上に位置し、外周は円形状である。トップクライオパネル６０ａは、複数のクライオパネル６０のなかで最小の径を有する。

隣接クライオパネル６０ｃは、逆円すい台状であり、軸方向に見たとき円形状となるよう配置されている。隣接クライオパネル６０ｃの中心は中心軸Ｃ上に位置する。隣接クライオパネル６０ｃは、トップクライオパネル６０ａよりも大径である。なお、隣接クライオパネル６０ｃは、トップクライオパネル６０ａと同様に、平板であり、例えば円盤状であってもよい。

図２に示されるように、隣接クライオパネル６０ｃの軸方向下方に隣接配置された少なくとも１つのクライオパネル６０は、隣接クライオパネル６０ｃと同じ形状を有してもよい。

ボトムクライオパネル６０ｂは、トップクライオパネル６０ａと同様に、平板であり、例えば円盤状である。あるいは、ボトムクライオパネル６０ｂは、隣接クライオパネル６０ｃと同様に、逆円すい台状であってもよい。ボトムクライオパネル６０ｂおよびその他のクライオパネル６０の中心もまた中心軸Ｃ上に位置する。ボトムクライオパネル６０ｂは、トップクライオパネル６０ａよりも大径である。ボトムクライオパネル６０ｂは、隣接クライオパネル６０ｃよりも大径であってもよい。ボトムクライオパネル６０ｂの軸方向上方に隣接配置された少なくとも１つのクライオパネル６０は、ボトムクライオパネル６０ｂと同じ形状を有してもよい。

トップクライオパネル６０ａおよび隣接クライオパネル６０ｃは、軸方向において入口クライオパネル３２と第２冷却ステージ２４の間に配置されている。ボトムクライオパネル６０ｂは、軸方向において第２冷却ステージ２４とシールド底部３８の間に配置されている。

第２段クライオパネルアセンブリ２０においては、少なくとも一部の表面に吸着領域６４が形成されている。吸着領域６４は非凝縮性気体（例えば水素）を吸着により捕捉するために設けられている。吸着領域６４は例えば吸着材（例えば活性炭）をクライオパネル表面に接着することにより形成される。吸着領域６４は、吸気口１２から見えないように、上方に隣接するクライオパネル６０の陰となる場所に形成されている。例えば、吸着領域６４はトップクライオパネル６０ａの下面（背面）の全域に形成されている。トップクライオパネル６０ａの上面（前面）には吸着領域６４が設けられていない。吸着領域６４は、ボトムクライオパネル６０ｂおよび隣接クライオパネル６０ｃなどその他のクライオパネル６０の上面中心部及び／または下面全域に形成されていてもよい。

また、第２段クライオパネルアセンブリ２０の少なくとも一部の表面には凝縮性気体を凝縮により捕捉するための凝縮領域が形成されている。凝縮領域は例えば、クライオパネル表面上で吸着材の欠落した区域であり、クライオパネル基材表面例えば金属面が露出されている。例えば、ボトムクライオパネル６０ｂの上面外周部は凝縮領域であってもよい。

クライオポンプハウジング７０は、第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ２０、及び冷凍機１６を収容するクライオポンプ１０の筐体であり、内部空間１４の真空気密を保持するよう構成されている真空容器である。クライオポンプハウジング７０は、第１段クライオパネル１８及び冷凍機構造部２１を非接触に包含する。クライオポンプハウジング７０は、冷凍機１６の室温部２６に取り付けられている。

クライオポンプハウジング７０の前端によって、吸気口１２が画定されている。クライオポンプハウジング７０は、その前端から径方向外側に向けて延びている吸気口フランジ７２を備える。吸気口フランジ７２は、クライオポンプハウジング７０の全周にわたって設けられている。クライオポンプ１０は、吸気口フランジ７２を用いて真空排気対象の真空チャンバに取り付けられる。

上記の構成のクライオポンプ１０の動作を以下に説明する。クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプで真空チャンバ内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後、クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機１６の駆動により第１冷却ステージ２２及び第２冷却ステージ２４がそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。よって、これらに熱的に結合されている第１段クライオパネル１８、第２段クライオパネルアセンブリ２０もそれぞれ第１冷却温度及び第２冷却温度に冷却される。

入口クライオパネル３２は、真空チャンバからクライオポンプ１０に向かって飛来する気体を冷却する。入口クライオパネル３２の表面には、第１冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第１種気体と称されてもよい。第１種気体は例えば水蒸気である。こうして、入口クライオパネル３２は、第１種気体を排気することができる。第１冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体の一部は、吸気口１２から内部空間１４へと進入する。あるいは、気体の他の一部は、入口クライオパネル３２で反射され、内部空間１４に進入しない。

内部空間１４に進入した気体は、第２段クライオパネルアセンブリ２０によって冷却される。第２段クライオパネルアセンブリ２０の表面には、第２冷却温度で蒸気圧が充分に低い（例えば１０^−８Ｐａ以下の）気体が凝縮する。この気体は、第２種気体と称されてもよい。第２種気体は例えばアルゴンである。こうして、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第２種気体を排気することができる。

第２冷却温度で蒸気圧が充分に低くない気体は、第２段クライオパネルアセンブリ２０の吸着材に吸着される。この気体は、第３種気体と称されてもよい。第３種気体は例えば水素である。こうして、第２段クライオパネルアセンブリ２０は、第３種気体を排気することができる。したがって、クライオポンプ１０は、種々の気体を凝縮または吸着により排気し、真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

次に、実施の形態に係る入口クライオパネル３２およびその周辺構造についてより詳細に説明する。理解の容易のために、図２において入口クライオパネル３２および隣接クライオパネル６０ｃについて断面を概略的に示す。図３には、入口クライオパネル３２、トップクライオパネル６０ａ、および隣接クライオパネル６０ｃの位置関係を概略的に示す。

入口クライオパネル３２は、トップクライオパネル収容区画７４を形成する。トップクライオパネル収容区画７４は、入口クライオパネル３２の軸方向下方に形成される。トップクライオパネル６０ａがトップクライオパネル収容区画７４に収容されている。こうして、トップクライオパネル６０ａが入口クライオパネル３２によって覆われている。

入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外からトップクライオパネル６０ａへのガス分子の直接の入射を完全に遮蔽するようにトップクライオパネル６０ａに近接配置されている。ここで、トップクライオパネル６０ａへのガス分子の直接の入射とは、ガス分子がトップクライオパネル６０ａ以外の他のクライオパネル（例えば、放射シールド３０、入口クライオパネル３２、およびクライオパネル６０）で一度も反射されることなくクライオポンプ１０の外から吸気口１２を通じてトップクライオパネル６０ａに入射することをいう。換言すれば、入口クライオパネル３２は、トップクライオパネル６０ａ以外の他のクライオパネルで少なくとも一回反射されたガス分子のみがトップクライオパネル６０ａに入射するように配置されている。クライオポンプ１０の外から来る輻射熱もガス分子と同様に直線的経路をとるから、入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の外からトップクライオパネル６０ａへの輻射熱の直接の入射を完全に遮蔽することもできる。ガス分子および輻射熱の遮蔽のために、好ましくは、入口クライオパネル３２は、スリットや穴など開口部をもたない。

第２段クライオパネルアセンブリ２０の複数のクライオパネル６０のうちトップクライオパネル６０ａのみが、トップクライオパネル収容区画７４に収容されている。トップクライオパネル６０ａの全体がトップクライオパネル収容区画７４に収容されている。隣接クライオパネル６０ｃおよびその他のクライオパネル６０は、トップクライオパネル収容区画７４に収められていない。

入口クライオパネル３２の中心は中心軸Ｃ上に位置する。入口クライオパネル３２は、トップクライオパネル６０ａより大径であり、ボトムクライオパネル６０ｂより小径である。入口クライオパネル３２の径は、隣接クライオパネル６０ｃの径にほぼ等しく、例えば入口クライオパネル３２の径の９０％から１１０％であってもよい。

入口クライオパネル３２は、中心平板７６および下方傾斜部７８を備える。中心平板７６は、トップクライオパネル６０ａの上面に対向する。中心平板７６は、トップクライオパネル６０ａと平行に配置されている。中心平板７６は、軸方向に垂直に配置され、径方向に延びている。軸方向に見たときの中心平板７６の形状は、例えば円盤状である。中心平板７６の中心は、クライオポンプ１０の中心軸Ｃ上に位置し、外周は円形状である。中心平板７６の径は、トップクライオパネル６０ａの径にほぼ等しく、例えば入口クライオパネル３２の径の９０％から１１０％であってもよい。入口クライオパネル３２の中心平板７６からトップクライオパネル６０ａへの距離は、入口クライオパネル３２の軸方向高さ（すなわち中心平板７６から下方傾斜部７８の最外周までの軸方向距離）より小さい。入口クライオパネル取付部材３３は、中心平板７６の上面に固定されている。

また、入口クライオパネル３２の下方傾斜部７８は、中心平板７６に対し軸方向下向きかつ径方向外向きに傾斜して中心平板７６の外周から延在する。下方傾斜部７８は、中心平板７６の全周に設けられている。下方傾斜部７８の外周は、中心平板７６と同心円である。こうして、下方傾斜部７８は、トップクライオパネル６０ａの外周を全周にわたって囲む。下方傾斜部７８は、中心平板７６に対し３０度から６０度、例えば約４５度傾斜していてもよい。下方傾斜部７８は、スカート部と呼ぶこともできる。このように、入口クライオパネル３２は、円すい台状の形状を有する。

トップクライオパネル収容区画７４は、入口クライオパネル３２の中心平板７６と下方傾斜部７８により定まる円すい台状の空間である。中心平板７６がトップクライオパネル収容区画７４のいわば天井に相当し、下方傾斜部７８がトップクライオパネル収容区画７４の側壁に相当する。

隣接クライオパネル６０ｃは、クライオパネル中心部８０および上方傾斜部８２を備える。クライオパネル中心部８０は、トップクライオパネル６０ａの下面に対向する。すなわち、クライオパネル中心部８０は、トップクライオパネル６０ａ上の吸着領域６４に対向する。クライオパネル中心部８０は、平板であり、トップクライオパネル６０ａと平行に配置されている。クライオパネル中心部８０は、軸方向に垂直に配置され、径方向に延びている。軸方向に見たときのクライオパネル中心部８０の形状は、例えば円盤状である。クライオパネル中心部８０の中心は、クライオポンプ１０の中心軸Ｃ上に位置し、外周は円形状である。クライオパネル中心部８０は、中心平板７６の径と異なっていてもよいし、同じであってもよい。図示の例においては、クライオパネル中心部８０が中心平板７６より小径である。

また、隣接クライオパネル６０ｃの上方傾斜部８２は、クライオパネル中心部８０に対し軸方向上向きかつ径方向外向きに傾斜してクライオパネル中心部８０の外周から延在する。上方傾斜部８２は、クライオパネル中心部８０の全周に設けられている。上方傾斜部８２の外周は、クライオパネル中心部８０と同心円である。こうして、上方傾斜部８２は、トップクライオパネル６０ａの外周を全周にわたって囲む。上方傾斜部８２は、クライオパネル中心部８０に対し例えば３０度から６０度傾斜していてもよい。上方傾斜部８２の傾斜角度は、下方傾斜部７８の傾斜角度と異なっていてもよいし、同じであってもよい。図示の例においては、上方傾斜部８２の傾斜角度は、下方傾斜部７８の傾斜角度より小さい。このように、隣接クライオパネル６０ｃは、逆円すい台状の形状を有する。

隣接クライオパネル６０ｃの上方傾斜部８２は、入口クライオパネル３２の下方傾斜部７８に沿って周方向に延在する。こうして、トップクライオパネル収容区画７４へのリング状入口８４が、上方傾斜部８２と下方傾斜部７８との間に形成されている。

上述のように、隣接クライオパネル６０ｃは第２段クライオパネルアセンブリ２０の一部であり、入口クライオパネル３２は第１段クライオパネル１８の一部である。両者は異なる温度に冷却されるから、隣接クライオパネル６０ｃの上方傾斜部８２は、入口クライオパネル３２の下方傾斜部７８と非接触に配置されている。こうして、リング状入口８４は、周方向に全周にわたって形成されている。また、リング状入口８４の軸方向高さ（すなわち下方傾斜部７８の外周と上方傾斜部８２の外周との軸方向距離）は、トップクライオパネル６０ａと隣接クライオパネル６０ｃとの軸方向距離より小さい。

リング状入口８４は、トップクライオパネル収容区画７４に通じる唯一のガス通路である。クライオポンプ１０の外から開放領域５１を通じてガス受入空間５０に進入したガス分子は、リング状入口８４を通じてしかトップクライオパネル収容区画７４に入ることができない。ガス分子はガス受入空間５０において例えば放射シールド３０で反射され、リング状入口８４を通じてトップクライオパネル収容区画７４に進入しうる。

図４は、図３に示すクライオパネル配列の一部におけるガス分子の挙動を説明するための概略図である。非凝縮性気体の場合、トップクライオパネル６０ａと隣接クライオパネル６０ｃの間の領域（すなわちトップクライオパネル収容区画７４の下半分７４ｂ）に進入したガス分子８６は隣接クライオパネル６０ｃの上面で反射され、トップクライオパネル６０ａの下面に入射することができる。よってガス分子８６は吸着領域６４に吸着される。

一方、トップクライオパネル６０ａと入口クライオパネル３２の間の領域（すなわちトップクライオパネル収容区画７４の上半分７４ａ）に進入したガス分子８８は、入口クライオパネル３２の下面またはトップクライオパネル６０ａの上面で一回または複数回反射され、トップクライオパネル収容区画７４の下半分７４ｂへと再び入射しうる。一部のガス分子はリング状入口８４から再放出されうるが、リング状入口８４は狭いので、そのようにトップクライオパネル収容区画７４から脱出するガス分子は少ない。このようにして、トップクライオパネル収容区画７４に進入した大半のガス分子が吸着領域６４に吸着される。

上方から入口クライオパネル３２に向かうガス分子９０は、入口クライオパネル３２によって遮蔽され、トップクライオパネル６０ａに到達しない。

仮に入口クライオパネル３２が無かったとすると、クライオポンプ１０の外から来るガス分子および輻射熱といった熱負荷は、その多くが第２段クライオパネルアセンブリ２０の最上部に位置するトップクライオパネル６０ａに作用する。ところが、実施の形態に係るクライオポンプ１０によると、入口クライオパネル３２がトップクライオパネル収容区画７４を形成する。こうして、トップクライオパネル６０ａがトップクライオパネル収容区画７４に収容され入口クライオパネル３２によって覆われている。したがって、第２段クライオパネルアセンブリ２０の熱負荷を低減することができる。

入口クライオパネル３２は比較的小型であり、吸気口１２の開放領域５１を比較的大きくとることができる。そのため、入口クライオパネル３２は、クライオポンプ１０の内部空間１４への非凝縮性気体の進入を顕著には妨げない。したがって、クライオポンプ１０は、高い排気速度で非凝縮性気体を排気することが可能となる。

また、入口クライオパネル３２は、トップクライオパネル６０ａへのガス分子の直接入射を完全に遮蔽するようにトップクライオパネル６０ａに近接配置されている。したがって、第２段クライオパネルアセンブリ２０の熱負荷を顕著に低減することができる。

トップクライオパネル６０ａの上面が入口クライオパネル３２の中心平板７６で覆われるとともに、トップクライオパネル６０ａの全周が入口クライオパネル３２の下方傾斜部７８で囲まれている。入口クライオパネル３２すなわちトップクライオパネル収容区画７４が円すい台状である。このようにして、トップクライオパネル６０ａへの上方からの熱入射だけでなく、側方からの熱負荷の回り込みも完全に抑えることができる。また、吸気口１２の開放領域５１における非凝縮性気体の流量を増加することができる。例えば入口クライオパネル３２が円筒状である場合に比べて、非凝縮性気体の流量が増加される。

入口クライオパネル３２の下方傾斜部７８と隣接クライオパネル６０ｃの上方傾斜部８２との間にトップクライオパネル収容区画７４へのリング状入口８４が形成されている。リング状入口８４は、周方向に全周からトップクライオパネル収容区画７４に非凝縮性気体を受け入れることができる。リング状入口８４を通じてトップクライオパネル収容区画７４に進入した非凝縮性気体は、トップクライオパネル６０ａの吸着領域６４で捕捉することができる。

トップクライオパネル６０ａのみがトップクライオパネル収容区画７４に収容されている。本発明者の検討によると、この場合に、第２段クライオパネルアセンブリ２０の熱負荷低減と非凝縮性気体の排気速度の向上を最もバランスよく実現することができる。

トップクライオパネル６０ａは平板であるので、軸方向高さが小さい。よって、入口クライオパネル３２の軸方向高さも小さくすることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態においては、トップクライオパネル収容クライオパネルは、クライオポンプの外からトップクライオパネルへのガス分子の直接の入射を完全に遮蔽するようにトップクライオパネルに近接配置されている。しかしながら、トップクライオパネル収容クライオパネルは、クライオポンプの外からトップクライオパネルへのガス分子の直接の入射を部分的に遮蔽するようにトップクライオパネルに近接配置されていてもよい。

トップクライオパネル収容クライオパネルは、円すい状に限られず、例えば円筒状であってもよい。トップクライオパネル収容クライオパネルは、トップクライオパネルの上面に対向する中心平板と、中心平板に対し軸方向下向きに垂直に前記中心平板の外周から延在し、トップクライオパネルの外周を全周にわたって囲む外周部と、を備えてもよい。トップクライオパネル収容区画は、中心平板と外周部により定まる円筒状の空間であってもよい。

隣接クライオパネルは、逆円すい台状に限られず、例えば円筒状であってもよい。隣接クライオパネルは、トップクライオパネルの下面に対向するクライオパネル中心部と、クライオパネル中心部に対し軸方向上向きに垂直にクライオパネル中心部の外周から延在する外周部と、を備えてもよい。隣接クライオパネルの外周部は、トップクライオパネル収容クライオパネルの外周部に沿って周方向に延在してもよい。トップクライオパネル収容区画へのリング状入口が、隣接クライオパネルの外周部とトップクライオパネル収容クライオパネルの外周部との間に形成されていてもよい。

トップクライオパネル収容クライオパネルは、複数のクライオパネルを収容してもよい。例えば、トップクライオパネル収容クライオパネルは、トップクライオパネルと、軸方向にトップクライオパネルの直下に隣接配置されたクライオパネルとを収容してもよい。

トップクライオパネルは、平板とは異なる形状を有してもよい。トップクライオパネルは、円盤とは異なる形状を有してもよい。

１０ クライオポンプ、 １２ 吸気口、 １６ 冷凍機、 ２０ 第２段クライオパネルアセンブリ、 ３０ 放射シールド、 ３２ 入口クライオパネル、 ６０ クライオパネル、 ６０ａ トップクライオパネル、 ６０ｃ 隣接クライオパネル、 ７４ トップクライオパネル収容区画、 ７６ 中心平板、 ７８ 下方傾斜部、 ８０ クライオパネル中心部、 ８２ 上方傾斜部、 ８４ リング状入口。

Claims (6)

1. 高温冷却ステージおよび低温冷却ステージを備える冷凍機と、
   前記高温冷却ステージに熱的に結合され、クライオポンプ吸気口から軸方向に筒状に延在する放射シールドと、
   前記低温冷却ステージに熱的に結合され前記放射シールドに囲まれた低温クライオパネル部であって、前記クライオポンプ吸気口に最も近接して配置されたトップクライオパネルを含む軸方向に配列された複数のクライオパネルを備える低温クライオパネル部と、
   前記高温冷却ステージに熱的に結合され、前記クライオポンプ吸気口に配置されトップクライオパネル収容区画を形成するトップクライオパネル収容クライオパネルと、を備え、
   前記トップクライオパネル収容クライオパネルは、前記トップクライオパネルの上面に対向する中心平板と、前記中心平板に対し軸方向下向きかつ径方向外向きに傾斜してまたは前記中心平板に対し軸方向下向きに垂直に、前記中心平板の外周から延在し、トップクライオパネルの外周を全周にわたって囲む外周部と、を備え、
   前記トップクライオパネル収容区画は、前記トップクライオパネル収容クライオパネルの前記中心平板と前記外周部により定まる円すい台状または円筒状の空間であることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記トップクライオパネル収容クライオパネルは、前記クライオポンプの外から前記トップクライオパネルへのガス分子の直接の入射を完全に遮蔽するように前記トップクライオパネルに近接配置されていることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 前記トップクライオパネル収容クライオパネルの前記外周部は、前記中心平板に対し軸方向下向きかつ径方向外向きに傾斜して前記中心平板の外周から延在し、前記トップクライオパネルの外周を全周にわたって囲む下方傾斜部であり、
   前記トップクライオパネル収容区画は、前記中心平板と前記下方傾斜部により定まる円すい台状の空間であることを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
4. 前記低温クライオパネル部の前記複数のクライオパネルは、前記トップクライオパネルの軸方向下方に隣接配置された隣接クライオパネルを含み、前記隣接クライオパネルは、前記トップクライオパネルの下面に対向するクライオパネル中心部と、前記クライオパネル中心部に対し軸方向上向きかつ径方向外向きに傾斜して前記クライオパネル中心部の外周から延在する上方傾斜部と、を備え、
   前記隣接クライオパネルの前記上方傾斜部は、前記トップクライオパネル収容クライオパネルの下方傾斜部に沿って周方向に延在し、
   前記トップクライオパネル収容区画へのリング状入口が、前記上方傾斜部と前記下方傾斜部との間に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。
5. 前記低温クライオパネル部の前記複数のクライオパネルのうち前記トップクライオパネルのみが、前記トップクライオパネル収容区画に収容されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のクライオポンプ。
6. 前記トップクライオパネルは、平板であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。

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