JP6871751B2 - 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。

クライオポンプは通例、冷凍機の高温冷却ステージによって冷却される高温クライオパネル部と、冷凍機の低温冷却ステージによって冷却される低温クライオパネル部とを備える。高温クライオパネル部は輻射熱から低温クライオパネル部を保護するために設けられている。低温クライオパネル部は複数のクライオパネルを含み、これらクライオパネルは取付構造を介して低温冷却ステージに取り付けられる。

特開２０１２−２３７２６２号公報 特開２００９−６２８９０号公報

本発明者らは、クライオポンプについて鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。たいていのクライオポンプにおいては高温クライオパネル部および低温クライオパネル部が円盤や円筒、円錐など軸対称の形状に基づき設計されている。それにもかかわらず、クライオパネル取付構造は矩形や直方体などの非軸対称形状を基調とする。このことが、取付構造の簡素化や小型化の制約となっている。取付構造が複雑な形状をもちサイズが増せば、その分、クライオパネルを配置するスペースが削られる。その結果クライオパネル面積が減りクライオポンプの排気性能（例えば、非凝縮性気体の吸蔵量、排気速度）は下がる。したがって、既存のクライオパネル取付構造の設計には、排気性能の向上を目指すうえで、改善の余地があった。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの排気性能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、複数のクライオパネルと、軸方向に柱状に配列された複数の伝熱体と、を備え、前記複数のクライオパネルおよび前記複数の伝熱体が軸方向に積み重ねられている低温クライオパネル部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや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、クライオポンプの排気性能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。 実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリの上部クライオパネルを模式的に示す斜視図である。 実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリの下部クライオパネルを模式的に示す上面図である。 実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリの上部構造を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリの上部構造を模式的に示す分解斜視図である。 実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリの上部クライオパネルの他の例を模式的に示す上面図である。

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。図２は、実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリの上部クライオパネルを模式的に示す斜視図である。図３は、実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリの下部クライオパネルを模式的に示す上面図である。

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と入口クライオパネル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。軸方向に見たときの入口クライオパネル３２の形状は、例えば円盤状である。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に架け渡された直線状（または十字状）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に熱的に結合されている。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、上部構造２０ａと下部構造２０ｂとを備える。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を備える。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。

第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａは、複数の上部クライオパネル６０ａと、複数の伝熱体（伝熱スペーサともいう）６２と、を備える。複数の伝熱体６２は、軸方向に柱状に配列されている。複数の上部クライオパネル６０ａおよび複数の伝熱体６２は、吸気口１２と第２冷却ステージ２４との間で軸方向に積み重ねられている。こうして上部構造２０ａは、第２冷却ステージ２４に対し軸方向上方に配置されている。上部構造２０ａは、伝熱ブロック６３を介して第２冷却ステージ２４に固定され、第２冷却ステージ２４に熱的に結合されている。よって、上部構造２０ａは第２冷却温度に冷却される。

第２段クライオパネルアセンブリ２０の下部構造２０ｂは、複数の下部クライオパネル６０ｂと、第２段パネル取付部材６４と、を備える。第２段パネル取付部材６４は、第２冷却ステージ２４から軸方向に下方に向けて延びている。複数の下部クライオパネル６０ｂは、第２段パネル取付部材６４を介して第２冷却ステージ２４に取り付けられている。こうして、下部構造２０ｂは、第２冷却ステージ２４に熱的に結合され、第２冷却温度に冷却される。

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６６が形成されている。吸着領域６６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６６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６６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てもよい。例えば、吸着領域６６はクライオパネル６０の下面（背面）の全域に形成されている。吸着領域６６は、上部クライオパネル６０ａの上面及び／または下面に形成されていてもよい。吸着領域６６は、下部クライオパネル６０ｂの上面及び／または下面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。クライオパネル６０（例えば、上部クライオパネル６０ａ）の上面外周部は凝縮領域であってもよい。

図１および図２に示されるように、上部クライオパネル６０ａは、逆円錐台状であり、軸方向に見たとき円形状となるよう配置されている。上部クライオパネル６０ａの中心は中心軸Ｃ上に位置する。上部クライオパネル６０ａは、すり鉢状、深皿状、またはボール状の形状を有するということもできる。上部クライオパネル６０ａは、上端部７４において大きな寸法を有し（すなわち大径であり）、下端部７６においてそれよりも小さな寸法を有する（すなわち小径である）。上部クライオパネル６０ａは、上端部７４と下端部７６とをつなぐ傾斜領域７８を備える。傾斜領域７８は、逆円錐台の側面にあたる。よって、上部クライオパネル６０ａは、上部クライオパネル６０ａの上面の法線が中心軸Ｃに交差するように傾斜されている。上部クライオパネル６０ａは、複数の貫通穴８０を下端部７６に有する。貫通穴８０は、上部クライオパネル６０ａを伝熱体６２（または伝熱ブロック６３）に取り付けるために設けられている。

一枚目の上部クライオパネル６０ａが最も小径である。一枚目の上部クライオパネル６０ａは軸方向に最も上方に位置し、入口クライオパネル３２に最も近い。二枚目の上部クライオパネル６０ａは、一枚目の上部クライオパネル６０ａよりもやや大径である。３枚目、４枚目、５枚目の上部クライオパネル６０ａについても同様である。より下方の上部クライオパネル６０ａは、その上方に隣接する上部クライオパネル６０ａと比べて僅かに大径である。

一枚目および二枚目の上部クライオパネル６０ａの傾斜領域７８は平行である。また、３枚目から５枚目の上部クライオパネル６０ａの傾斜領域７８は平行である。一枚目の上部クライオパネル６０ａの傾斜角度は、３枚目の上部クライオパネル６０ａの傾斜角度に比べて浅い。３枚目、４枚目、５枚目の上部クライオパネル６０ａは、入れ子状に配置されている。より上方の上部クライオパネル６０ａの下部が、その下方に隣接する上部クライオパネル６０ａへと入り込んでいる。

上部構造２０ａの更なる詳細は後述する。なお、上部構造２０ａの具体的構成は上述のものに限られない。たとえば、上部構造２０ａは、任意の枚数の上部クライオパネル６０ａを有してもよい。上部クライオパネル６０ａは、平板、円錐状、またはその他の形状を有してもよい。たとえば、一枚目の上部クライオパネル６０ａは、平板、例えば円盤であってもよい。

図３に示されるように、下部クライオパネル６０ｂは、平板であり、例えば円盤状である。下部クライオパネル６０ｂは、上部クライオパネル６０ａよりも大径である。ただし、下部クライオパネル６０ｂには第２段パネル取付部材６４への取付のために、外周の一部分から中心部へと切欠部８２が形成されている。なお、下部クライオパネル６０ｂは、上部クライオパネル６０ａと同様に逆円錐台状であってもよいし、円錐状またはその他の形状であってもよい。

上部クライオパネル６０ａは、下部クライオパネル６０ｂとは異なり、切欠部８２を有しない。よって、上部クライオパネル６０ａは、有効なクライオパネル面積（すなわち吸着領域６６及び／または凝縮領域）をより広く取ることができる。

吸着領域６６においては、多数の活性炭の粒がクライオパネル６０の表面に密に並べられた状態で不規則な配列で接着されている。活性炭の粒は例えば円柱形状に成形されている。なお吸着材の形状は円柱形状でなくてもよく、例えば球状やその他の成形された形状、あるいは不定形状であってもよい。吸着材のパネル上での配列は規則的配列であっても不規則な配列であってもよい。

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、実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａについてより詳細に説明する。図４は、実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａを模式的に示す断面図である。図５は、実施の形態に係る第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａを模式的に示す分解斜視図である。

上述のように、第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａは、複数の上部クライオパネル６０ａと、複数の伝熱体６２と、を備える。複数の伝熱体６２は、軸方向に柱状に配列されている。実施の形態に係る第２段クライオパネル支持構造は、複数の伝熱体６２を備え、複数の上部クライオパネル６０ａを支持するクライオパネル支持柱を備える。上部構造２０ａは、中心軸Ｃに関して軸対称に構成されている。

複数の上部クライオパネル６０ａおよび複数の伝熱体６２は、軸方向に積み重ねられている。複数の上部クライオパネル６０ａおよび複数の伝熱体６２は、隣り合う２つの上部クライオパネル６０ａの間に少なくとも１つの伝熱体６２が位置するように、軸方向に積み重ねられている。複数の上部クライオパネル６０ａおよび複数の伝熱体６２は、軸方向に交互に積み重ねられている。このような積み重ね構成は、組み立て作業を容易にする利点がある。また、クライオポンプ１０に搭載される上部クライオパネル６０ａの枚数を調整することも容易である（積み重ねるクライオパネルの数を変えるだけでよい）。

個々の伝熱体６２は、円柱形状を有する。伝熱体６２は、比較的短い円柱形状とされ、伝熱体６２の径より軸方向高さが小さくてもよい。

複数の伝熱体６２は、軸方向に円柱状に配列され、複数の伝熱体６２の各々が円形状端面を有する。このようにすれば、伝熱体６２の寸法（例えば半径）を比較的小さくしながら、伝熱体６２の断面積（軸方向に垂直な断面）を比較的大きくすることができる。伝熱体６２の寸法が小さければ、吸着領域６６（及び／または凝縮領域）の面積を大きくすることができ、クライオポンプ１０の排気性能の向上につながる。断面積が大きければ、軸方向の伝熱量を大きくすることができる。これは、複数の伝熱体６２ひいては第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａの冷却時間の短縮に役立つ。

伝熱体６２の軸方向高さが、隣り合う２つの上部クライオパネル６０ａの軸方向距離を規定する。伝熱体６２の軸方向高さを小さくすることにより、上部クライオパネル６０ａを密に配列することができる。このように伝熱体６２が軸方向に薄くなったとしても、伝熱体６２の断面積（軸方向に垂直な断面）は保持されるので、伝熱体６２の伝熱量に顕著な影響はない。

上部クライオパネル６０ａは、伝熱体６２の円形状端面に相当する大きさの中心円盤（すなわち、下端部７６）と、中心円盤から吸気口１２に向けて傾斜した円錐状クライオパネル面（すなわち、傾斜領域７８）と、を備える。上部クライオパネル６０ａの中心円盤は、伝熱体６２への取付面となる。円錐状クライオパネル面は、伝熱体６２の円形状端面の輪郭線から斜め上方に向けて延びている。伝熱体６２と同様に中心円盤の径は比較的小さいので、円錐状クライオパネル面を比較的大きくとることができる。また、円錐状クライオパネル面は同じ外径の円形に比べて、クライオパネル面積を大きくすることができる。こうして、上部クライオパネル６０ａの吸着領域６６（及び／または凝縮領域）の面積を大きくすることができる。

伝熱体６２の（円形状端面の）外径は、上部クライオパネル６０ａの（上端部７４の）外径の１／２より小さく、１／３より小さく、または１／４より小さくてもよい。伝熱体６２の外径は、上部クライオパネル６０ａの外径の１／１０より大きく、または１／５より大きくてもよい。

第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａは、上部クライオパネル６０ａと伝熱体６２との間に介在層８４を備える。介在層８４は、良好な熱接触を確実にするために、軸方向に隣り合う上部クライオパネル６０ａと伝熱体６２との間に挟み込まれる。より正確には、介在層８４は、上部クライオパネル６０ａの中心円盤と伝熱体６２の円形状端面との間に挟み込まれる。介在層８４は、上部クライオパネル６０ａおよび伝熱体６２よりも柔軟な材料で形成されている。介在層８４は、例えばインジウムシート（インジウムで形成されているシート状の部材）である。介在層８４の径は、伝熱体６２の径よりやや大きく、上部クライオパネル６０ａの中心円盤の径よりやや小さくてもよい。

第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａは、複数の上部クライオパネル６０ａおよび複数の伝熱体６２を軸方向に貫通する複数の締結部材８６を備える。上部クライオパネル６０ａ、伝熱体６２、および介在層８４が、締結部材８６によって伝熱ブロック６３に固定される。上部構造２０ａは、締結部材８６によって第２冷却ステージ２４に固定されてもよい。このようにすれば、複数の上部クライオパネル６０ａおよび複数の伝熱体６２をまとめて一度に締結固定できるので、製造（組立作業）が容易である。

図示の例においては、３本の締結部材８６が使用される。上部クライオパネル６０ａの中心円盤には中心を囲んで周方向に６個の貫通穴８０が形成されている。これら貫通穴８０は同じ径方向位置で等角度間隔（６０度おき）に配置されている。伝熱体６２および介在層８４にも同様に貫通穴が形成されている。これら貫通穴８０に締結部材８６が挿入される。締結部材８６は例えば長ねじであり、貫通穴８０はねじ穴である。締結部材８６は例えばステンレス鋼で形成されている。６個の貫通穴８０は１つおきに使用され、３本の締結部材８６は１２０度おきに配置される。使用されない貫通穴８０は、伝熱体６２の軽量化に役立つ。

伝熱体６２の中心部は固形物とされ、貫通穴（すなわち空隙）が設けられていない。そのため、伝熱体６２の中心部は伝熱経路として働く。これも、伝熱体６２の伝熱量を大きくすることに役立ちうる。

複数の上部クライオパネル６０ａは、第１の熱伝導率を有する第１の材料で形成されている。複数の伝熱体６２は、第２の熱伝導率を有する第２の材料で形成されている。第２の熱伝導率は、第１の熱伝導率より小さい。第１の材料及び／または第２の材料は、金属材料であってもよい。第１の材料は、銅（純銅、例えばタフピッチ銅）である。第２の材料は、アルミニウム（例えば、純アルミニウム）である。

第１の材料は、第１の密度を有し、第２の材料は、第２の密度を有し、第２の密度は、第１の密度より小さくてもよい。

上部クライオパネル６０ａは、第１の材料で形成されたクライオパネル基板と、第１の材料と異なる材料で形成されクライオパネル基板を被覆する被覆層（例えばニッケル層）と、を備えてもよい。同様に、伝熱体６２は、第２の材料で形成された本体と、第２の材料と異なる材料で形成され本体を被覆する被覆層（例えばニッケル層）と、を備えてもよい。

クライオパネルは典型的に銅で作られる。銅は一般に利用可能な最も高い熱伝導率をもつ材料の１つである。ただし銅は比較的密度が大きいので、クライオパネルは重くなりがちであり、その結果、クライオパネルの熱容量も大きくなりがちである。

クライオパネルとともに伝熱体６２も銅で作られた場合、高い熱伝導率のために、より低い温度まで上部クライオパネル６０ａを冷やせるという利点がある。その一方で、第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａは重くなり、熱容量が大きくなり、その結果、冷やすのに比較的長い時間を要することになる。ところが、本実施の形態においては、伝熱体６２の材料として、銅ほど高い熱伝導率を有しないが、比較的高い熱伝導率を有しかつ比較的小さい密度を有する金属材料（例えばアルミニウム）を採用することができる。熱伝導性と軽量化によって、伝熱体６２は冷却時間が短縮される。なお、伝熱体６２は、銅で作られてもよい。

複数の上部クライオパネル６０ａは、第１の熱容量を有し、複数の伝熱体６２は、第２の熱容量を有し、第２の熱容量は、前記第１の熱容量より小さい。ここで、第１の熱容量は、複数の上部クライオパネル６０ａの合計の熱容量であり、第２の熱容量は、複数の伝熱体６２の合計の熱容量である。このようにすれば、伝熱体６２は熱容量が比較的小さいので、比較的短い時間で冷やすことができる。

複数の伝熱体６２のすべてが同じ材料（例えば、第２の材料）で形成されている。ただし、これは必須ではない。複数の伝熱体６２の少なくとも一部（例えば、少なくとも１つの伝熱体６２）が第２の材料で形成され、複数の伝熱体６２の他の一部（例えば、残りの伝熱体６２）が第２の材料と異なる材料（例えば、第１の材料）で形成されていてもよい。このようにして、複数の伝熱体６２の少なくとも一部の熱伝導率が、複数の伝熱体６２の他の一部の熱伝導率より大きく、または小さくてもよい。複数の伝熱体６２の少なくとも一部の密度が、複数の伝熱体６２の他の一部の密度より大きく、または小さくてもよい。複数の伝熱体６２の少なくとも一部の熱容量が、複数の伝熱体６２の他の一部の熱容量より大きく、または小さくてもよい。

伝熱体６２の材料が、伝熱体６２の場所（例えば、軸方向高さ）に応じて選択されてもよい。例えば、複数の伝熱体６２のうち低温冷却ステージに比較的近い位置に配置される１以上の伝熱体６２が第１の材料で形成され、比較的遠い位置に配置される他の１以上の伝熱体６２が第２の材料で形成されてもよい。言い換えると、複数の伝熱体６２のうち第１の伝熱体６２が第１の材料で形成され、第２の伝熱体６２が第２の材料で形成されてもよい。第１の伝熱体６２は第１の軸方向高さに配置され、第２の伝熱体６２は第２の軸方向高さに配置され、第１の軸方向高さが第２の軸方向高さよりも低温冷却ステージに近くてもよい。第１及び第２の伝熱体６２は、軸方向においてクライオポンプ吸気口と低温冷却ステージとの間に配置されていてもよい。

なお、伝熱ブロック６３は、第１の材料で形成されていてもよい。または、伝熱ブロック６３は、第２の材料で形成されていてもよい。

実施の形態に係るクライオポンプ１０においては、上部クライオパネル６０ａと伝熱体６２の軸方向の積み重ね構成が採用されている。これにより、第２段クライオパネルアセンブリ２０の上部構造２０ａがクライオパネル取付構造も含めて軸対称に構成されている。非対称な取付構造をもつ典型的なクライオポンプとは異なり、上部クライオパネル６０ａの有効なクライオパネル面積（すなわち吸着領域６６及び／または凝縮領域）をより広くすることができる。こうした設計を適用したあるクライオポンプにおいては、第２段クライオパネルアセンブリ２０の吸着領域６６をおよそ１５％増やすことができる。これにより、非凝縮性気体の吸蔵量がおよそ１５％増加される。また、非凝縮性気体の排気速度は、およそ２％増えると見積もられる。このように、クライオポンプ１０の排気性能が向上される。

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、少なくとも１つの上部クライオパネル６０ａが逆円錐台状である。しかしながら、図６に示されるように、少なくとも１つの上部クライオパネル６０ａは、伝熱体６２の円形状端面より大径の平坦円盤であってもよい。このように、上部クライオパネル６０ａは、平板であり、例えば円盤状であってもよい。上部クライオパネル６０ａは、複数の貫通穴８０を備えてもよい。

上述の実施の形態においては、上部構造２０ａを例として説明したが、上述の構成は、下部構造２０ｂに適用することもできる。その場合、文脈の許す限り、上部構造２０ａを「下部構造２０ｂ」、上部クライオパネル６０ａを「下部クライオパネル６０ｂ」と読み替えればよい。

本発明の実施形態は以下のように表現することもできる。

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、複数のクライオパネルと、軸方向に柱状に配列された複数の伝熱体と、を備え、前記複数のクライオパネルおよび前記複数の伝熱体が軸方向に積み重ねられている低温クライオパネル部と、を備えることを特徴とするクライオポンプ。

２．前記複数のクライオパネルは、第１の熱伝導率を有する第１の材料で形成され、前記複数の伝熱体の少なくとも一部は、第２の熱伝導率を有する第２の材料で形成され、前記第２の熱伝導率は、前記第１の熱伝導率より小さいことを特徴とする実施形態１に記載のクライオポンプ。

３．前記複数のクライオパネルは、第１の熱容量を有し、前記複数の伝熱体は、第２の熱容量を有し、前記第２の熱容量は、前記第１の熱容量より小さいことを特徴とする実施形態１または２に記載のクライオポンプ。

４．前記複数の伝熱体は、軸方向に円柱状に配列され、前記複数の伝熱体の各々が円形状端面を有することを特徴とする実施形態１から３のいずれかに記載のクライオポンプ。

５．少なくとも１つのクライオパネルは、伝熱体の円形状端面に相当する大きさの中心円盤と、前記中心円盤から前記クライオポンプ吸気口に向けて傾斜した円錐状クライオパネル面と、を備えることを特徴とする実施形態４に記載のクライオポンプ。

６．少なくとも１つのクライオパネルは、伝熱体の円形状端面より大径の平坦円盤であることを特徴とする実施形態４または５に記載のクライオポンプ。

７．前記低温クライオパネル部は、前記複数のクライオパネルおよび前記複数の伝熱体を軸方向に貫通する締結部材を備えることを特徴とする実施形態１から６のいずれかに記載のクライオポンプ。

８．前記複数のクライオパネルおよび前記複数の伝熱体は、前記クライオポンプ吸気口と前記低温冷却ステージとの間で軸方向に積み重ねられていることを特徴とする実施形態１から７のいずれかに記載のクライオポンプ。

９．前記低温クライオパネル部は、クライオパネルと伝熱体との間に介在層を備えることを特徴とする実施形態１から８のいずれかに記載のクライオポンプ。

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、 ２０ａ 上部構造、 ２２ 第１冷却ステージ、 ２４ 第２冷却ステージ、 ３０ 放射シールド、 ６０ クライオパネル、 ６２ 伝熱体、 ８４ 介在層、 ８６ 締結部材。

Claims (13)

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と、を備え、
   前記低温クライオパネル部の上部構造は、前記クライオポンプ吸気口と前記低温冷却ステージとの間で軸方向に配列された複数の上部クライオパネルと、軸方向に柱状に配列された複数の伝熱体と、を備え、各上部クライオパネルが金属で形成され、各伝熱体が金属で形成され、前記複数の上部クライオパネルおよび前記複数の伝熱体が前記上部構造の中心部で軸方向に積み重ねられ、
   前記低温クライオパネル部の下部構造は、複数の下部クライオパネルと、前記低温冷却ステージから軸方向下方に延びているパネル取付部材と、を備え、前記複数の下部クライオパネルが前記パネル取付部材を介して前記低温冷却ステージに取り付けられていることを特徴とするクライオポンプ。
2. 前記上部クライオパネルは、第１金属で形成され、前記伝熱体は、第２金属で形成され、前記第１金属は、前記第２金属と異な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. 前記第１金属は、第１の熱伝導率を有し、前記第２金属は、第２の熱伝導率を有し、前記第２の熱伝導率は、前記第１の熱伝導率より小さいことを特徴とする請求項２に記載のクライオポンプ。
4. 前記複数の上部クライオパネルは、第１の熱容量を有し、前記複数の伝熱体は、第２の熱容量を有し、前記第２の熱容量は、前記第１の熱容量より小さい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. 前記複数の伝熱体は、軸方向に円柱状に配列され、前記複数の伝熱体の各々が円形状端面を有す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. 少なくとも１つの上部クライオパネルは、伝熱体の円形状端面に相当する大きさの中心円盤と、前記中心円盤から前記クライオポンプ吸気口に向けて傾斜した円錐状クライオパネル面と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のクライオポンプ。
7. 少なくとも１つの上部クライオパネルは、伝熱体の円形状端面より大径の平坦円盤であることを特徴とする請求項５または６に記載のクライオポンプ。
8. 前記低温クライオパネル部の上部構造は、前記複数の上部クライオパネルおよび前記複数の伝熱体を軸方向に貫通する締結部材を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のクライオポンプ。
9. 前記伝熱体の中心部は固形物とされていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のクライオポンプ。
10. 前記低温クライオパネル部の上部構造は、上部クライオパネルと伝熱体との間に介在層を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のクライオポンプ。
11. 前記伝熱体の外径は、前記上部クライオパネルの外径の１／２より小さく、１／１０より大きいことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のクライオポンプ。
12. 前記複数の上部クライオパネルおよび前記複数の伝熱体は、クライオポンプ中心軸上に配置され、前記低温冷却ステージは、前記クライオポンプ中心軸から外れて配置されている請求項１から１１のいずれかに記載のクライオポンプ。
13. 前記複数の上部クライオパネルおよび前記複数の伝熱体は、前記クライオポンプ中心軸に垂直な方向に延在する伝熱ブロックにより前記低温冷却ステージに固定されている請求項１２に記載のクライオポンプ。

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