JP6929601B2 - 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。クライオポンプはいわゆる気体溜め込み式の真空ポンプであるから、捕捉した気体を外部に定期的に排出する再生を要する。

特許第５６６９６５８号公報

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、クライオポンプの再生時間を短縮することにある。

本発明のある態様によると、クライオポンプは、クライオポンプハウジングと、前記クライオポンプハウジングに取り付けられた膨張機と、前記膨張機から作動ガスを回収して圧縮し、前記膨張機に圧縮された作動ガスを供給する圧縮機と、を備える極低温冷凍機と、前記クライオポンプハウジングにパージガスを供給するパージガスラインと、前記圧縮機の排熱を利用して前記パージガスを加熱するように前記パージガスラインに設置された熱交換器と、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、クライオポンプの再生時間を短縮することができる。

第１実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す。 第２実施形態に係るクライオポンプを概略的に示す。

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。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。クライオポンプ１０は、少なくとも１つのクライオポンプ本体１２と、極低温冷凍機１４と、クライオポンプ本体１２は、クライオポンプハウジング１６を備える。極低温冷凍機１４は、膨張機１８と、圧縮機２０とを備える。また、クライオポンプ１０は、パージガスライン２２と、冷却系２４と、第１熱交換器２６とを備える。

クライオポンプ本体１２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。

クライオポンプハウジング１６には、クライオパネルとも呼ばれる極低温面が収容されている。クライオポンプ本体１２の吸気口から進入する気体はこの極低温面に凝縮または吸着により捕捉される。極低温冷凍機１４の膨張機１８は、クライオパネルを冷却するようにクライオポンプハウジング１６に取り付けられている。クライオパネルの配置や形状などクライオポンプ本体１２の構成は、種々の公知の構成を適宜採用することができるので、ここでは詳述しない。

クライオポンプハウジング１６は、パージガスをクライオポンプハウジング１６に導入するためのパージバルブ２８と、クライオポンプハウジング１６から外部に流体を排出するためのベントバルブ３０とを備える。クライオポンプハウジング１６は、ラフバルブまたはそのほかのバルブや、圧力センサまたはそのほかのセンサを備えてもよい。

極低温冷凍機１４の圧縮機２０は、極低温冷凍機１４の作動ガスを膨張機１８から回収し、回収した作動ガスを昇圧して、再び作動ガスを膨張機１８に供給するよう構成されている。圧縮機２０と膨張機１８により作動ガスの循環回路すなわち極低温冷凍機１４の冷凍サイクルが構成され、それにより膨張機１８の冷却ステージが冷却される。作動ガスは通例、ヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。極低温冷凍機１４は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、そのほかの極低温冷凍機であってもよい。

極低温冷凍機１４の膨張機１８は、いわゆる逆転昇温を可能とするように構成されていてもよい。この場合、膨張機１８を駆動するモータ１９の正転時には作動ガスの膨張による冷凍サイクルが形成される一方、モータ１９の逆転時には作動ガスの圧縮による昇温サイクルが形成される。膨張機１８は、モータ回転方向を切り替えることによって、冷凍と昇温を切り替えることができる。膨張機１８の逆転昇温は、再生時にクライオポンプ本体１２を昇温するための熱源の１つとして使用することができる。

また、極低温冷凍機１４は、高圧配管３２と低圧配管３４とを備える。高圧配管３２は、圧縮機２０により圧縮された高圧の作動ガスを圧縮機２０から膨張機１８に供給するように圧縮機２０を膨張機１８に接続する。低圧配管３４は、膨張機１８での膨張により減圧された低圧の作動ガスを膨張機１８から圧縮機２０に回収するように圧縮機２０を膨張機１８に接続する。

圧縮機２０は、作動ガスを圧縮する圧縮機本体３６と、吐出ガス流路３８と、吸入ガス流路４０と、圧縮機筐体４２と、第２熱交換器４４とを備える。吐出ガス流路３８は、圧縮機本体３６の吐出口を高圧配管３２に接続し、吸入ガス流路４０は、圧縮機本体３６の吸入口を低圧配管３４に接続する。圧縮機本体３６による作動ガスの圧縮に伴い圧縮熱が発生する。よって、吸入ガス流路４０を流れる低圧の作動ガスに比べて、吐出ガス流路３８を流れる高圧の作動ガスは高温となる。圧縮機筐体４２は、圧縮機本体３６、吐出ガス流路３８、吸入ガス流路４０、および第２熱交換器４４を収容する。

パージガスライン２２は、クライオポンプハウジング１６にパージガスを供給するように構成されている。パージガスは、クライオポンプ１０の再生を効率的に行うために使用される。パージガスは、クライオポンプ本体１２を昇温するための熱源の１つとして使用される。また、パージガスは、クライオポンプ本体１２の内部に捕捉された気体の再気化を排出を促進することができる。パージガスは、極低温冷凍機１４の作動ガスとは通例異なるガスであり、例えば窒素ガスである。

パージガスライン２２は、パージガス源４６と、パージガス配管４８とを備える。パージガス配管４８は、パージガス源４６からパージバルブ２８にパージガスを供給するようにパージガス源４６をパージバルブ２８に接続する。パージバルブ２８を開くことにより、パージガス源４６からクライオポンプハウジング１６へのパージガス流れが許容される。パージバルブ２８を閉じることにより、パージガス源４６からクライオポンプハウジング１６へのパージガス流れが遮断される。供給されたパージガスは、ベントバルブ３０を通じてクライオポンプハウジング１６から排出されることができる。

パージガスライン２２は、クライオポンプ本体１２の周囲環境、例えば室温大気圧環境に設置されている。パージガスの温度は、例えば室温に調整されている。必要に応じて、パージガスは、室温より高温に加熱されたガス、または、室温より低温のガスであってもよい。本書において室温は、１０℃〜３０℃の範囲または１５℃〜２５℃の範囲から選択される温度であり、例えば約２０℃である。

冷却系２４は、圧縮機２０において作動ガスの圧縮に伴い発生する圧縮熱を圧縮機２０から取り除くように冷媒で圧縮機２０を冷却するように構成されている。冷却系２４は、冷媒を温調するとともに循環させるチラー５０と、冷媒供給流路５２と、冷媒回収流路５４と、圧縮機冷媒流路５６とを備える。冷媒は、例えば冷却水である。冷媒は、チラー５０によって、例えば、室温より低く、冷媒の凝固点（水の場合０℃）より高い温度に冷却される。

冷媒供給流路５２は、温調された冷媒をチラー５０から圧縮機冷媒流路５６に供給するようにチラー５０を圧縮機冷媒流路５６に接続する。冷媒回収流路５４は、圧縮機冷媒流路５６からチラー５０に冷媒を回収するようにチラー５０を圧縮機冷媒流路５６に接続する。冷却系２４のうちチラー５０、冷媒供給流路５２、および冷媒回収流路５４は、圧縮機２０の外に配置され、圧縮機冷媒流路５６は、圧縮機２０の中に配置されている。圧縮機冷媒流路５６は、圧縮機筐体４２に収容されている。

第２熱交換器４４は、吐出ガス流路３８と圧縮機冷媒流路５６で熱交換をするよう構成されている。吐出ガス流路３８を流れる作動ガスが、圧縮機冷媒流路５６を流れる冷媒で冷却される。よって、冷媒は第２熱交換器４４で加熱され、加熱された冷媒が冷媒回収流路５４へと流れる。冷媒回収流路５４を流れる冷媒は、室温より高温であり、例えば５０℃から７０℃の温度に加熱される。また、作動ガスは第２熱交換器４４で適温に冷却され、吐出ガス流路３８と高圧配管３２を通じて膨張機１８に供給される。このようにして、圧縮機本体３６で発生する圧縮熱は、第２熱交換器４４を介して作動ガスから冷媒へと輸送され、圧縮機２０から流出する冷媒とともに圧縮機２０から取り除かれる。

第１熱交換器２６は、圧縮機２０の排熱を利用してパージガスを加熱するようにパージガスライン２２に設置されている。第１熱交換器２６は、圧縮熱によって加熱された冷媒を熱源としてパージガスを加熱するように構成されている。

第１熱交換器２６は、圧縮機２０の外に配置されている。第１熱交換器２６は、圧縮機筐体４２の外側に隣接して圧縮機２０に設置されていてもよい。

第１熱交換器２６は、冷媒回収流路５４とパージガス配管４８で熱交換をするよう構成されている。パージガス配管４８を流れるパージガスが、冷媒回収流路５４を流れる冷媒で加熱される。パージガス源４６からパージガス配管４８に送出されたパージガスは第１熱交換器２６で加熱され、加熱されたパージガスがパージバルブ２８からクライオポンプハウジング１６に供給される。パージガスライン２２からクライオポンプハウジング１６に供給されるパージガスは、室温より高温であり、例えば４０℃から６０℃の温度に加熱される。冷媒は第１熱交換器２６で冷却されチラー５０へと戻る。このようにして、冷媒へと輸送された圧縮機２０の排熱を利用して、パージガスが加熱される。

第１熱交換器２６は、適用可能な任意の形式の熱交換器を適宜採用することができる。同様に、第２熱交換器４４は、適用可能な任意の形式の熱交換器を適宜採用することができる。

クライオポンプ１０の排気運転が継続されることによりクライオポンプ本体１２には気体が蓄積されていく。蓄積した気体を外部に排出するために、クライオポンプ本体１２の再生が行われる。再生が完了すれば、再び排気運転を始めることができる。

再生が開始されると、パージガスライン２２からクライオポンプハウジング１６にパージガスが供給される。極低温冷凍機１４の膨張機１８の逆転昇温によってクライオポンプ本体１２は加熱される。圧縮機２０の運転は再生中も継続されている。作動ガスの圧縮熱により、第２熱交換器４４で冷却系２４の冷媒が加熱される。加熱された冷媒により第１熱交換器２６でパージガスが加熱される。こうして、圧縮機２０の排熱を利用してパージガスを加熱し、加熱されたパージガスをクライオポンプハウジング１６に供給することができる。高温のパージガスが供給されるので、再生中のクライオポンプ本体１２の温度上昇を速くすることができる。

仮に第１熱交換器２６がパージガスライン２２に設置されていなかった場合には、室温のパージガスがクライオポンプ本体１２に供給される。これに対し、第１実施形態に係るクライオポンプ１０によれば、第１熱交換器２６が無い場合に比べて高温のパージガスをクライオポンプ本体１２に供給することができる。したがって、クライオポンプ本体１２を効率的に昇温し、再生時間を短縮することができるものと期待される。

また、第１実施形態に係るクライオポンプ１０によれば、これまで外部に捨てていた圧縮機２０の排熱を活用することができる。パージガスライン２２に電気ヒータを設置するなど他の加熱手段に比べて、クライオポンプ１０は、省エネルギー性に優れる。

さらに、第１実施形態に係るクライオポンプ１０によれば、既存のパージガスライン２２をほぼそのまま使用できる。パージガスライン２２の大幅な改造は必要ない。設置スペースの増大やコスト上昇などの負の影響を最小限に抑制することができる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係るクライオポンプ１０を概略的に示す。図示されるクライオポンプ１０は、第１熱交換器２６の構成に関して図１に示されるクライオポンプ１０と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

クライオポンプ１０は、クライオポンプハウジング１６を備えるクライオポンプ本体１２と、膨張機１８と圧縮機２０とを備える極低温冷凍機１４と、を備える。膨張機１８は、クライオポンプハウジング１６に取り付けられている。クライオポンプハウジング１６には、パージバルブ２８およびベントバルブ３０が設けられている。また、クライオポンプ１０は、パージガスライン２２と、冷却系２４と、第１熱交換器２６とを備える。

圧縮機２０は、圧縮機本体３６と、吐出ガス流路３８と、吸入ガス流路４０と、圧縮機筐体４２とを備える。吐出ガス流路３８は、圧縮機本体３６の吐出口を高圧配管３２に接続し、吸入ガス流路４０は、圧縮機本体３６の吸入口を低圧配管３４に接続する。

圧縮機２０には、第１熱交換器２６と第２熱交換器４４の両方が設けられている。圧縮機筐体４２は、圧縮機本体３６、吐出ガス流路３８、吸入ガス流路４０、第１熱交換器２６および第２熱交換器４４を収容する。

パージガスライン２２は、パージガス源４６と、パージガス配管４８とを備える。パージガス配管４８は、圧縮機２０の中に配置された圧縮機パージガス流路５８を備える。圧縮機パージガス流路５８は、圧縮機筐体４２に収容されている。パージガスは、パージガス源４６から圧縮機パージガス流路５８およびパージガス配管４８を通じてパージバルブ２８に供給される。パージガスは、パージバルブ２８からクライオポンプハウジング１６に供給される。

冷却系２４は、チラー５０と、冷媒供給流路５２と、冷媒回収流路５４と、圧縮機冷媒流路５６とを備える。第１実施形態とは異なり、第２実施形態では、第１熱交換器２６は、冷却系２４に設けられていない。

第１熱交換器２６は、圧縮機２０の排熱を利用してパージガスを加熱するようにパージガスライン２２に設置されている。第１熱交換器２６は、圧縮機２０によって圧縮された作動ガスを熱源としてパージガスを加熱するように構成されている。

第１熱交換器２６は、吐出ガス流路３８と圧縮機パージガス流路５８で熱交換をするよう構成されている。圧縮機パージガス流路５８を流れるパージガスが、吐出ガス流路３８を流れる作動ガスで加熱される。パージガス源４６からパージガス配管４８に送出されたパージガスは第１熱交換器２６で加熱され、加熱されたパージガスがパージバルブ２８からクライオポンプハウジング１６に供給される。作動ガスは第１熱交換器２６で冷却され第２熱交換器４４へと流れる。

第２熱交換器４４は、吐出ガス流路３８と圧縮機冷媒流路５６で熱交換をするよう構成されている。吐出ガス流路３８を流れる作動ガスが、圧縮機冷媒流路５６を流れる冷媒で冷却される。よって、冷媒は第２熱交換器４４で加熱され、加熱された冷媒が冷媒回収流路５４へと流れる。また、作動ガスは第２熱交換器４４で適温に冷却され、吐出ガス流路３８と高圧配管３２を通じて膨張機１８に供給される。

第１熱交換器２６と第２熱交換器４４はともに、圧縮機２０の吐出ガス流路３８に設置されている。第１熱交換器２６が第２熱交換器４４の上流に配置されている。すなわち、第１熱交換器２６は、圧縮機本体３６と第２熱交換器４４の間に位置する。第１熱交換器２６が圧縮機本体３６のすぐ下流に設けられているので、第１熱交換器２６は、パージガスをより高温の作動ガスと熱接触させることができる。よって、第１熱交換器２６は、パージガスをより高温に加熱することができる。

なお、クライオポンプ本体１２の耐熱温度による制約など、パージガスの過剰な昇温を抑制することが望まれる場合には、第１熱交換器２６と第２熱交換器４４の位置関係は逆でもよい。すなわち、第１熱交換器２６が第２熱交換器４４の下流に配置されてもよい。第２熱交換器４４は、圧縮機本体３６と第１熱交換器２６の間に位置してもよい。

第２実施形態に係るクライオポンプ１０によれば、圧縮機２０の排熱を利用してパージガスを加熱し、加熱されたパージガスをクライオポンプハウジング１６に供給することができる。高温のパージガスが供給されるので、再生中のクライオポンプ本体１２の温度上昇を速くすることができる。したがって、クライオポンプ本体１２を効率的に昇温し、再生時間を短縮することができるものと期待される。また、パージガスライン２２に電気ヒータを設置するなど他の加熱手段に比べて、クライオポンプ１０は、省エネルギー性に優れる。

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。

なお、図においては１台のクライオポンプ本体１２が示されているが、クライオポンプ１０は、複数のクライオポンプ本体１２を備えてもよい。この場合、極低温冷凍機１４は、少なくとも１つの圧縮機２０と、複数の膨張機１８とを備える。各膨張機１８が対応するクライオポンプ本体１２のクライオポンプハウジング１６に取り付けられている。複数のクライオポンプ本体１２は、独立して運転することができ、例えば、１台のクライオポンプ本体１２を再生しながら、残りのクライオポンプ本体１２は真空排気運転を継続することができる。

１０ クライオポンプ、 １４ 極低温冷凍機、 １６ クライオポンプハウジング、 １８ 膨張機、 ２０ 圧縮機、 ２２ パージガスライン、 ２４ 冷却系、 ２６ 第１熱交換器。

Claims (1)

1. クライオポンプハウジングと、
   前記クライオポンプハウジングに取り付けられた膨張機と、前記膨張機から作動ガスを回収して圧縮し、前記膨張機に圧縮された作動ガスを供給する圧縮機と、を備える極低温冷凍機と、
   前記クライオポンプハウジングにパージガスを供給するパージガスラインと、
   前記圧縮機の排熱を利用して前記パージガスを加熱するように前記パージガスラインに設置された熱交換器と、を備え、
   前記熱交換器は、前記圧縮機によって圧縮された作動ガスを熱源として前記パージガスを加熱するように構成されていることを特徴とするクライオポンプ。

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