JPH084652A - Cryopump - Google Patents
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- JPH084652A JPH084652A JP6140007A JP14000794A JPH084652A JP H084652 A JPH084652 A JP H084652A JP 6140007 A JP6140007 A JP 6140007A JP 14000794 A JP14000794 A JP 14000794A JP H084652 A JPH084652 A JP H084652A
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- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
- F04B37/06—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
- F04B37/08—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は真空排気用のクライオポ
ンプに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cryopump for evacuation.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図３は従来のクライオポンプの断面図で
ある。１はギフォード・マクマホンサイクル等に適用さ
れるピストンまたはディスプレーサを用いた往復動式冷
凍機、２は前記冷凍機１に供給するヘリウムガスを高圧
にするガス圧縮機、３は高圧ヘリウムガスを冷凍機１に
供給するための高圧ガス配管、４は冷凍機１からの戻り
の低圧ヘリウムガスが通る低圧ガス配管、５は冷凍機１
の第一段シリンダ、６は第二段シリンダ、７は冷凍機１
が寒冷を発生する第一段ヒートステーション、８は第二
段ヒートステーション、９は第一段ヒートステーション
７に取付けられたシールド、１０は第二段ヒートステー
ション８に取付けられたクライオパネル、１１はクライ
オパネル１０の上部に取付けられたバッフル、１２はポ
ンプケース、１３はクライオポンプにより真空排気をす
る真空容器、１４はポンプケース１２と真空容器１３を
接続するためのフランジ、１５は真空を保持するための
シール、１６は冷凍機１とポンプケース１２の結合部で
溶接等により結合されている。１７は真空容器１３の真
空部である。2. Description of the Related Art FIG. 3 is a sectional view of a conventional cryopump. Reference numeral 1 is a reciprocating refrigerator using a piston or displacer applied to a Gifford-McMahon cycle, 2 is a gas compressor for increasing the pressure of helium gas supplied to the refrigerator 1, and 3 is a refrigerator for high-pressure helium gas. 1 is a high pressure gas pipe, 4 is a low pressure gas pipe through which low pressure helium gas returned from the refrigerator 1 passes, and 5 is a refrigerator 1.
First stage cylinder, 6 is the second stage cylinder, and 7 is the refrigerator 1.
Is a first-stage heat station that produces cold, 8 is a second-stage heat station, 9 is a shield attached to the first-stage heat station 7, 10 is a cryopanel attached to the second-stage heat station 8, and 11 is A baffle attached to the upper part of the cryopanel 10, 12 is a pump case, 13 is a vacuum container for evacuating by a cryopump, 14 is a flange for connecting the pump case 12 and the vacuum container 13, and 15 is a vacuum. A seal 16 for connecting the refrigerator 1 and the pump case 12 is joined by welding or the like. Reference numeral 17 is a vacuum portion of the vacuum container 13.
【０００３】このような構成のクライオポンプにおい
て、ガス圧縮機２で高圧にされたヘリウムガスは冷凍機
１の第一段シリンダ５及び第二段シリンダ６に内蔵され
たピストンまたはディスプレーサが１分間に１２０回程
度の往復動を行って高圧ヘリウムガスを断熱膨張させる
ことによってガスが低温となり、間欠的に第一段ヒート
ステーション７及び第二段ヒートステーション８に寒冷
を発生する。In the cryopump having such a structure, the helium gas, which has been pressurized to a high pressure by the gas compressor 2, is supplied to the first stage cylinder 5 and the second stage cylinder 6 of the refrigerator 1 by a piston or a displacer for 1 minute. By reciprocating about 120 times and adiabatically expanding the high-pressure helium gas, the temperature of the gas becomes low, and cold is intermittently generated in the first-stage heat station 7 and the second-stage heat station 8.
【０００４】シールド９は第一段ヒートステーション７
に熱的に接続されて冷却されており、また、パッフル１
１もシールド９を介して冷却されており、いずれも温度
は８０Ｋ前後である。The shield 9 is the first stage heat station 7.
Is thermally connected to and cooled by the
1 is also cooled via the shield 9, and the temperature is about 80K in each case.
【０００５】第二段ヒートステーション８及びクライオ
パネル１０の温度は２０Ｋ程度に冷却される。真空容器
１３内部のガス及び水蒸気は真空部１７からバッフル１
１に衝突して温度が下げられた後、シールド９内部に入
る。比較的高沸点のガス（例えば、酸素ガス等の沸点８
０Ｋ以上のガス）及び水蒸気はバッフル１１、シールド
９に凝縮され、低沸点のガス（例えば、窒素ガス、水素
ガス等の沸点８０Ｋ以下のガス）はクライオパネル１０
に凝縮される。The temperatures of the second stage heat station 8 and the cryopanel 10 are cooled to about 20K. Gas and water vapor inside the vacuum container 13 are transferred from the vacuum section 17 to the baffle 1
After colliding with 1, the temperature is lowered, and then the inside of the shield 9 is entered. Gases with a relatively high boiling point (for example, a boiling point of oxygen gas 8
Gas of 0 K or more) and water vapor are condensed in the baffle 11 and the shield 9, and low boiling point gas (for example, gas of boiling point 80 K or less such as nitrogen gas and hydrogen gas) is cryopanel 10.
Is condensed into.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】前述の従来のクライオ
ポンプには解決すべき次の課題があった。即ち、従来の
クライオポンプでは第二段ヒートステーションに取付け
られたクライオポンプの温度が２０Ｋ程度であったた
め、真空容器からの排気ガスに水素、ヘリウム等低沸点
のガスが含まれている場合、クライオポンプの排気能力
が低下し、真空容器を高真空まで排気するのが困難であ
った。The above-mentioned conventional cryopump has the following problems to be solved. That is, in the conventional cryopump, the temperature of the cryopump attached to the second stage heat station was about 20K, so when the exhaust gas from the vacuum container contains a low boiling point gas such as hydrogen or helium, The evacuation capacity of the pump was lowered, and it was difficult to evacuate the vacuum container to a high vacuum.
【０００７】また、最近、寒冷発生源である冷凍機の改
良が進んだ結果、第三段ヒートステーションを増設しク
ライオパネルの最低温度を４Ｋ程度まで下げる構造が可
能となったが、排気ガスにヘリウムが多く含まれる場合
は上記と同様にクライオポンプの排気能力が低下し、真
空容器を高真空まで排気するのが困難であった。Further, as a result of recent improvements in the refrigerator, which is the source of cold generation, it has become possible to add a third-stage heat station and lower the minimum temperature of the cryopanel to about 4K, When a large amount of helium is contained, the exhaust capacity of the cryopump is reduced as in the above case, and it is difficult to exhaust the vacuum container to a high vacuum.
【０００８】本発明は、以上の問題点を解決することが
できる低温で作動し、排気ガスの種類に関係なく高真空
が得られるクライオポンプを提供することを目的として
いる。An object of the present invention is to provide a cryopump which can solve the above problems and which operates at a low temperature and can obtain a high vacuum regardless of the type of exhaust gas.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】そのため本発明は、クラ
イオポンプの第三ヒートステーションに超伝導マグネッ
ト、磁性体とからなる磁気冷凍機構を設けてその磁気冷
凍効果により前記磁性体の温度を低下させて、温度４Ｋ
以下のクライオパネル面を実現したクライオポンプを提
供し、又、第三ヒートステーションの具体的な構成とし
て、シールドと密閉円筒容器とをヒートステーションに
設けて、超伝導マグネットと磁性体とを取付ける構成の
クライオポンプも提供する。Therefore, according to the present invention, a magnetic refrigeration mechanism including a superconducting magnet and a magnetic body is provided in the third heat station of the cryopump, and the temperature of the magnetic body is lowered by the magnetic refrigeration effect. Temperature 4K
A cryopump that realizes the following cryopanel surface is provided, and as a specific configuration of the third heat station, a shield and a closed cylindrical container are provided in the heat station, and a superconducting magnet and a magnetic body are attached. We also offer a cryo pump.
【００１０】即ち、本発明は、（１）ギフォード・マク
マホンサイクル等の冷凍サイクルを使用した多段のヒー
トステーションを有する冷凍機を寒冷発生源とするクラ
イオポンプにおいて、前記冷凍機の絶対温度４Ｋレベル
の第三段ヒートステーションの近辺に超伝導マグネット
と磁性体とからなる磁気冷凍機構を設置してなることを
特徴とするクライオポンプを提供する。That is, the present invention relates to (1) a cryopump using a refrigerator having a multi-stage heat station using a refrigeration cycle such as Gifford-McMahon cycle as a cold source, wherein the absolute temperature of the refrigerator is 4K level. Provided is a cryopump having a magnetic refrigeration mechanism including a superconducting magnet and a magnetic material installed near a third-stage heat station.
【００１１】又、（２）前述の（１）の発明において、
前記第三段ヒートステーションにはシールドと、同シー
ルド内に密閉円筒容器とを設け、同シールドには前記超
伝導マグネットを取付け、同密閉円筒容器内に前記磁性
体を設けてなることを特徴とするクライオポンプも提供
するものである。(2) In the invention of (1) above,
The third-stage heat station is provided with a shield and a sealed cylindrical container inside the shield, the shield is provided with the superconducting magnet, and the magnetic body is provided inside the sealed cylindrical container. It also provides a cryopump.
【００１２】[0012]
【作用】本発明は前述のような手段により、（１）クラ
イオポンプの寒冷発生源となる冷凍機の絶対温度４Ｋレ
ベルの第三ヒートステーションに超伝導マグネットと磁
性体とからなる磁気冷凍機構を設置したことにより、こ
の磁気冷凍機構の超伝導マグネットから発生する強い磁
場を磁性体に印加した場合の磁性体の発熱、磁場を除去
した場合の吸熱が発生する磁気熱量効果を利用して磁性
体の温度を低下させる。この磁性体により第三ヒートス
テーションの温度を更に低下させて温度４Ｋ以下のクラ
イオパネル面を実現すると共に排気ガスの種類に関係な
く、低沸点ガスでも有効に排気され、排気能力（排気速
度）が飛躍的に大きいクライオポンプを提供できる。そ
の結果、短時間で真空容器の到達真空度を高くできる。According to the present invention, (1) a magnetic refrigerating mechanism including a superconducting magnet and a magnetic material is provided in a third heat station having a refrigerating machine which is a source of cold generation of a cryopump at an absolute temperature of 4K level. Due to the installation, the magnetic substance is heated by utilizing the magnetocaloric effect of generating heat from the magnetic substance when a strong magnetic field generated from the superconducting magnet of the magnetic refrigeration mechanism is applied to the magnetic substance, and absorbing heat when the magnetic field is removed. Lower the temperature of. This magnetic material further lowers the temperature of the third heat station to realize a cryopanel surface with a temperature of 4K or less, and regardless of the type of exhaust gas, even low boiling point gas is effectively exhausted, and the exhaust capacity (exhaust speed) is It is possible to provide a dramatically large cryopump. As a result, the ultimate vacuum of the vacuum container can be increased in a short time.
【００１３】更に、（２）の発明として、第三ヒートス
テーションにシールドを設け、更にこのシールド内に密
閉円筒容器を設けて、超伝導マグネットはシールドの外
周に、磁性体は密閉円筒容器内にそれぞれ取付ける構成
としたので、（１）の発明の作用に加え、超伝導マグネ
ットの励磁による磁性体の冷却が効果的になされるもの
である。Further, as the invention of (2), a shield is provided in the third heat station, and a sealed cylindrical container is further provided in the shield, the superconducting magnet is provided on the outer periphery of the shield, and the magnetic material is provided in the sealed cylindrical container. Since they are attached to each other, in addition to the function of the invention of (1), the cooling of the magnetic body by the excitation of the superconducting magnet is effectively performed.
【００１４】[0014]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体
的に説明する。図１は本発明の一実施例に係るクライオ
ポンプの断面図、図２は磁気冷凍法を説明する磁気冷凍
サイクル線図である。なお、図１において、符号１乃至
９，１１乃至１７は図３に示す従来例の構成部材と同じ
であるので、詳しい説明は省略し、そのまま引用して説
明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a cryopump according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a magnetic refrigeration cycle diagram for explaining the magnetic refrigeration method. Note that, in FIG. 1, reference numerals 1 to 9 and 11 to 17 are the same as those in the conventional example shown in FIG.
【００１５】図１において、２１は第二段ヒートステー
ション８に取付けられたシールド、２２はシールド２１
を介して冷却されるバッフルで、バッフル１１の下部に
取付けられている。２３は第三段ヒートステーション、
２４はシールド、２５はシールド２４に取付けられた超
伝導マグネット、２６はシールド２４を介して冷却され
るバッフルで、バッフル２２の下部に取付けられてい
る。シールド２１及びバッフル２２の温度は２０Ｋ程度
に冷却される。また、第三段ヒートステーション２３、
シールド２４、超伝導マグネット２５及びバッフル２６
の温度は４Ｋ程度に冷却される。In FIG. 1, 21 is a shield attached to the second stage heat station 8 and 22 is a shield 21.
It is a baffle that is cooled via the and is attached to the lower part of the baffle 11. 23 is the third stage heat station,
Reference numeral 24 is a shield, 25 is a superconducting magnet attached to the shield 24, and 26 is a baffle cooled via the shield 24, which is attached to the lower portion of the baffle 22. The temperature of the shield 21 and the baffle 22 is cooled to about 20K. In addition, the third stage heat station 23,
Shield 24, superconducting magnet 25 and baffle 26
Is cooled to about 4K.
【００１６】２７は、第三段ヒートステーション２３に
取付けられた密閉した円筒状容器である。この円筒容器
２７の底部は第三段ヒートステーション２３と兼用した
構造となっており、温度４Ｋ程度に冷却される。円筒容
器２７の側面部（筒状部）は熱伝導率の小さい材料で作
られており、側面部を通しての底部と上部の固体による
伝熱量は小さい構造となっている。また、円筒容器２７
の上部はクライオパネル３５と兼用した構造となってい
る。27 is a closed cylindrical container attached to the third stage heat station 23. The bottom of this cylindrical container 27 is also used as the third stage heat station 23, and is cooled to a temperature of about 4K. The side surface (cylindrical portion) of the cylindrical container 27 is made of a material having a low thermal conductivity, and the amount of heat transferred by the solids at the bottom and the upper portion through the side surface is small. In addition, the cylindrical container 27
The upper part of the structure is also used as the cryopanel 35.
【００１７】２８は円筒容器２７の中央部に設けられた
磁性体である。磁性体２８の代表的なものとして、ＧＧ
Ｇ（Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ12, ガドリニウム・ガリウム・ガー
ネット）等がある。２９，３０は円筒容器２７内部の磁
性体２８の下部，上部に設けられた空間であり、高圧ヘ
リウムガスが封入されている。Reference numeral 28 is a magnetic body provided in the central portion of the cylindrical container 27. As a typical example of the magnetic body 28, GG
G (Gd 3 Ga 5 O 12 , gadolinium gallium garnet) and the like. Reference numerals 29 and 30 denote spaces provided below and above the magnetic body 28 inside the cylindrical container 27, and are filled with high-pressure helium gas.
【００１８】３１は前記の下部空間２９に設けられた熱
伝導率の小さい材料で作られたヒートスイッチ、３２は
ヒートスイッチ３１に設けられた小型超伝導マグネッ
ト、３３は上部空間３０に設けられた熱伝導率の小さい
材料で作られたヒートスイッチ、３４はヒートスイッチ
３１とヒートスイッチ３３とを連結したガイドピンであ
り、磁性体２８をルーズに貫通している。Reference numeral 31 is a heat switch provided in the lower space 29, which is made of a material having a small thermal conductivity, 32 is a small superconducting magnet provided in the heat switch 31, and 33 is provided in the upper space 30. A heat switch 34 made of a material having a low heat conductivity is a guide pin connecting the heat switch 31 and the heat switch 33, and penetrates the magnetic body 28 loosely.
【００１９】超伝導マグネット２５が磁場を発生する
と、小型超伝導マグネット３２の磁場との相互作用でマ
グネットが上下方向に力を受け、この力によりガイドピ
ン３４に連結されたヒートスイッチ３１，３３が同時に
上下に滑らかに動く構造となっている。ガイドピン３４
が図１に示すように上死点まで移動した場合、ヒートス
イッチ３１の上面は磁性体２８の下面と接し、磁性体２
８の下面は殆んど全面がヒートスイッチ３１に覆われ、
ガイドピン３４が逆に下死点まで移動した場合、ヒート
スイッチ３３の下面は磁性体２８の上面と接し、磁性体
２８の上面は殆んど全面がヒートスイッチ３３に覆われ
る構造となっている。３５は円筒容器２７の上面に取付
けられたクライオパネルで、一部は円筒容器２７の上面
と兼用している。When the superconducting magnet 25 generates a magnetic field, the magnet receives a vertical force due to the interaction with the magnetic field of the small superconducting magnet 32, and this force causes the heat switches 31, 33 connected to the guide pin 34. At the same time, it has a structure that moves smoothly up and down. Guide pin 34
1 moves to the top dead center as shown in FIG. 1, the upper surface of the heat switch 31 contacts the lower surface of the magnetic body 28, and the magnetic body 2
The lower surface of 8 is almost entirely covered with the heat switch 31,
When the guide pin 34 moves to the bottom dead center on the contrary, the lower surface of the heat switch 33 contacts the upper surface of the magnetic body 28, and the upper surface of the magnetic body 28 is almost entirely covered by the heat switch 33. . Reference numeral 35 denotes a cryopanel attached to the upper surface of the cylindrical container 27, and a part thereof also serves as the upper surface of the cylindrical container 27.
【００２０】前述のように、本発明の実施例において
は、図３に示す従来のクライオポンプに第三ヒートステ
ーション２３を設けて、温度を４Ｋレベルにすると共
に、更に４Ｋレベル以下とするために、磁気冷凍機構を
設けたものである。磁気冷凍機構は、シールド２４に超
伝導マグネット２５を設け、円筒状容器２７、この中に
空間２９，３０を有して設けられた磁性体２８、上，下
のヒートスイッチ３１及び３３、これらを連結するガイ
ドピン３４、ヒートスイッチ３１に設けられた小型超伝
導マグネット３２からなる機構となっている。このよう
な機構によりクライオパネル３５の温度を４Ｋレベル以
下に冷却する。As described above, in the embodiment of the present invention, the third heat station 23 is provided in the conventional cryopump shown in FIG. 3 in order to bring the temperature to the 4K level and further to make it below the 4K level. , A magnetic refrigeration mechanism is provided. The magnetic refrigeration mechanism is provided with a superconducting magnet 25 on the shield 24, a cylindrical container 27, a magnetic body 28 having spaces 29 and 30 therein, upper and lower heat switches 31 and 33, and these. The mechanism includes a guide pin 34 to be connected and a small superconducting magnet 32 provided in the heat switch 31. With such a mechanism, the temperature of the cryopanel 35 is cooled to the 4K level or lower.
【００２１】図２は磁気冷凍サイクルの図で、磁気冷凍
法とは、磁性体に強い外磁場を加えた場合に磁性体が発
熱し、その加えた外磁場を除くと吸熱する磁気熱量効果
と呼ばれる現象を利用したものである。即ち、図２にお
いて理想的な場合を次に説明する。FIG. 2 is a diagram of a magnetic refrigeration cycle. The magnetic refrigeration method is a magnetocaloric effect in which a magnetic substance generates heat when a strong external magnetic field is applied to the magnetic substance and absorbs heat when the external magnetic field is removed. It utilizes the phenomenon called. That is, the ideal case in FIG. 2 will be described below.
【００２２】（１→２）：（等温磁化過程）、等温（Ｔ
1 ＝一定）という条件下で磁場をＨ 1 からＨ2 まで増加
して磁性体を磁化する。磁性体は磁化される過程で磁気
エントロピー（ΔＳ）を高熱源に放出する。（磁性体の
放熱量Ｑ1)高熱源とは図１では第三段ヒートステーショ
ン２３に相当する。(1 → 2): (isothermal magnetization process), isothermal (T
1 = Constant) 1To H2Increased to
And magnetize the magnetic body. A magnetic substance is magnetized in the process of being magnetized.
Emit entropy (ΔS) to a high heat source. (Of magnetic material
Heat dissipation Q1) High heat source is the third stage heat station in Fig. 1.
23.
【００２３】（２→３）：（断熱消磁過程）、磁性体と
外界との熱交換を遮断（断熱）した後、磁場をＨ2 から
Ｈ3 まで下げる。この過程で磁性体の温度はＴ1 からＴ
2 へ下がる。(2 → 3): (adiabatic degaussing process), after the heat exchange between the magnetic body and the outside is blocked (insulated), the magnetic field is lowered from H 2 to H 3 . During this process, the temperature of the magnetic substance changes from T 1 to T
Go down to 2 .
【００２４】（３→４）：（等温消磁過程）、磁性体と
低熱源（冷却しようとする物質）との間で熱交換を行わ
せる過程（等温）で、磁場をＨ3 からＨ4 まで減少して
いく。（磁性体の吸熱量Ｑ2)低熱源とは図１ではクライ
オパネル３５に相当する。(3 → 4): (isothermal demagnetization process), in the process of causing heat exchange between the magnetic substance and the low heat source (the substance to be cooled) (isothermal), the magnetic field is changed from H 3 to H 4. Will decrease. (Endothermic amount Q 2 of magnetic material) The low heat source corresponds to the cryopanel 35 in FIG. 1.
【００２５】（４→１）：（断熱磁化過程）、磁場をＨ
4 からＨ1 まで断熱の条件下で増加する過程であり、こ
の過程で磁性体の温度がＴ2 からＴ1 まで上昇する。(4 → 1): (adiabatic magnetization process), magnetic field H
This is the process of increasing from 4 to H 1 under adiabatic conditions, and in this process, the temperature of the magnetic substance rises from T 2 to T 1 .
【００２６】以上のような磁気カルノーサイクルを繰り
返すことにより、高熱源（温度Ｔ1の第三段ヒートステ
ーション２３）にはＱ1 の熱量を放熱し、低熱源（温度
Ｔ2のクライオパネル３５）にはＱ2 の熱量が吸熱さ
れ、従って、クライオパネル３５の温度がＴ1(４Ｋ）以
下に低下すると共にこのような低温でクライオパネル３
５に凝縮するガスの熱量を吸熱できる。また、カルノー
サイクルを採用しているため理論的にも寒冷発生効率は
高くなっている。By repeating the above magnetic Carnot cycle, the heat quantity of Q 1 is radiated to the high heat source (third stage heat station 23 of temperature T 1 ) and the low heat source (cryopanel 35 of temperature T 2 ) is radiated. The amount of heat of Q 2 is absorbed in the cryopanel 35. Therefore, the temperature of the cryopanel 35 is lowered to T 1 (4K) or less and the cryopanel 3 is kept at such a low temperature.
The amount of heat of the gas condensed to 5 can be absorbed. Also, since the Carnot cycle is adopted, the efficiency of cold generation is theoretically high.
【００２７】次に図１の構成での本実施例の作用につい
て説明するが、クライオポンプを作動するにはまず、予
冷が必要であり、予冷の手順を説明した後、図２のサイ
クル線図に沿って１→２→３→４→１の順に以下説明す
る。Next, the operation of the present embodiment in the configuration of FIG. 1 will be described. To operate the cryopump, first, precooling is necessary. After explaining the precooling procedure, the cycle diagram of FIG. A description will be given below in the order of 1 → 2 → 3 → 4 → 1.
【００２８】第一段ヒートステーション７、シールド
９、バッフル１１は温度８０Ｋ程度に冷却されている。
第二段ヒートステーション８、シールド２１、バッフル
２２は温度２０Ｋ程度に冷却されている。第三段ヒート
ステーション２３、シールド２４、超伝導マグネット２
５、バッフル２６は温度４Ｋ程度に冷却されている。こ
こまでの冷却方法は図３に示す従来例と同様である。The first-stage heat station 7, the shield 9, and the baffle 11 are cooled to a temperature of about 80K.
The second stage heat station 8, the shield 21, and the baffle 22 are cooled to a temperature of about 20K. Third stage heat station 23, shield 24, superconducting magnet 2
5. The baffle 26 is cooled to a temperature of about 4K. The cooling method so far is the same as that of the conventional example shown in FIG.
【００２９】円筒容器２７、磁性体２８、ヒートスイッ
チ３１，３３、小型超伝導マグネット３２、クライオパ
ネル３５を温度４Ｋ程度に冷却するには次の手順を行
う。まず、ヒートスイッチ３１，３３が下死点の位置
（図１は上死点）にある場合（ヒートスイッチ３１，３
３が上死点にある場合も以下に説明する手順と類似方法
で冷却できる。) 、下部空間２９内部に封入された高圧
ヘリウムガスが第三段ヒートステーション２３との熱伝
導作用により小型超伝導マグネット３２、ヒートスイッ
チ３１、磁性体２８、円筒容器２７を温度４Ｋ程度まで
冷却する。To cool the cylindrical container 27, the magnetic body 28, the heat switches 31, 33, the small superconducting magnet 32, and the cryopanel 35 to a temperature of about 4K, the following procedure is performed. First, when the heat switches 31 and 33 are at the bottom dead center position (top dead center in FIG. 1) (heat switches 31 and 3).
When 3 is at the top dead center, cooling can be performed by a method similar to the procedure described below. ), The high-pressure helium gas filled in the lower space 29 cools the small superconducting magnet 32, the heat switch 31, the magnetic body 28, and the cylindrical container 27 to a temperature of about 4K by the heat conduction action with the third-stage heat station 23. .
【００３０】次に、小型超伝導マグネット３２に電流を
流すと超伝導マグネット２５が発生している磁場の作用
によりヒートスイッチ３１、３３は上死点の位置（図１
に示す位置）に移動する。この時上部空間３０内部に封
入された高圧ヘリウムガスの作用によりクライオパネル
３５は冷却される。上記の操作を数回繰り返すことによ
り円筒容器２７、磁性体２８、ヒートスイッチ３１，３
３、小型超伝導マグネット３２、クライオパネル３５を
温度４Ｋ程度に冷却できる。Next, when an electric current is passed through the small superconducting magnet 32, the heat switches 31, 33 are moved to the position of the top dead center by the action of the magnetic field generated by the superconducting magnet 25 (see FIG. 1).
Position). At this time, the cryopanel 35 is cooled by the action of the high-pressure helium gas sealed inside the upper space 30. By repeating the above operation several times, the cylindrical container 27, the magnetic body 28, the heat switches 31, 3
3. The small superconducting magnet 32 and the cryopanel 35 can be cooled to a temperature of about 4K.
【００３１】次に図１、図２により、磁気冷凍法により
クライオパネル３５を温度４Ｋ以下に冷却する場合の手
順を具体的に説明する。Next, the procedure for cooling the cryopanel 35 to a temperature of 4 K or less by the magnetic refrigeration method will be specifically described with reference to FIGS. 1 and 2.
【００３２】（１→２）：（等温磁化過程）、ヒートス
イッチ３１，３３は下死点にあり、ヒートスイッチ３３
の下面は磁性体２８の上面に接している。この状態で、
超伝導マグネット２５の磁場をＨ1 からＨ2 まで増加す
ると、磁性体２８から発生する熱（Ｑ1)は下部空間２９
に封入された高圧ヘリウムガスを介して第三段ヒートス
テーション２３に吸収される。磁性体２８の上面は前述
のように熱伝導率の小さいヒートスイッチ３３で覆われ
ているのでクライオパネル３５への伝熱量は非常に小さ
い。この状態では、磁性体２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)に保
持される。(1 → 2): (isothermal magnetization process), the heat switches 31, 33 are at the bottom dead center, and the heat switch 33
The lower surface of is in contact with the upper surface of the magnetic body 28. In this state,
When the magnetic field of the superconducting magnet 25 is increased from H 1 to H 2 , the heat (Q 1 ) generated from the magnetic substance 28 is generated in the lower space 29.
Is absorbed by the third-stage heat station 23 via the high-pressure helium gas sealed in. Since the upper surface of the magnetic body 28 is covered with the heat switch 33 having a small thermal conductivity as described above, the amount of heat transferred to the cryopanel 35 is very small. In this state, the temperature of the magnetic body 28 is maintained at 4K (T 1 ).
【００３３】（２→３）：（断熱消磁過程）、小型超伝
導マグネット３２の電流の向きを変え、ヒートスイッチ
３１，３３を上死点まで移動させる。（図１の状態とな
る）同時に超伝導マグネット２５の磁場をＨ2 からＨ3
まで下げる。この過程で磁性体２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)
以下に下がる。(2 → 3): (adiabatic demagnetization process), the direction of the electric current of the small superconducting magnet 32 is changed, and the heat switches 31, 33 are moved to the top dead center. (The state shown in FIG. 1). At the same time, the magnetic field of the superconducting magnet 25 is changed from H 2 to H 3.
Lower to. In this process, the temperature of the magnetic body 28 is 4K (T 1 ).
Go down below.
【００３４】（３→４）：（等温消磁過程）、図１の状
態で、上部空間３０に封入された高圧ヘリウムガスを介
して磁性体２８が発生した寒冷によりクライオパネル３
５は４Ｋ以下に冷却される。又、前記と同じく、ヒート
スイッチ３１が磁性体２８の下面を完全に覆っているの
で第三ヒートステーション２３への熱伝達はなく、第三
ヒートステーションは冷却されない。同時に超伝導マグ
ネット２５の磁場をＨ 3 からＨ4 まで減少する。(3 → 4): (isothermal demagnetization process), the state of FIG.
The high pressure helium gas sealed in the upper space 30
Due to the cold generated by the magnetic substance 28, the cryopanel 3
5 is cooled below 4K. Also, as before, heat
The switch 31 completely covers the lower surface of the magnetic body 28.
There is no heat transfer to the third heat station 23.
The heat station is not cooled. Superconducting mug at the same time
H of the magnetic field of the net 25 3To HFourDecrease to.
【００３５】（４→１）：（断熱磁化過程）、小型超伝
導マグネット３２の電流の向きを変え、ヒートスイッチ
３１，３３を下死点まで移動させる。同時に超伝導マグ
ネット２５の磁場をＨ4 からＨ1 まで増加する。磁性体
２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)まで上昇する。(4 → 1): (adiabatic magnetization process), the direction of the electric current of the small superconducting magnet 32 is changed, and the heat switches 31, 33 are moved to the bottom dead center. At the same time, the magnetic field of the superconducting magnet 25 is increased from H 4 to H 1 . The temperature of the magnetic body 28 rises to 4K (T 1 ).
【００３６】以上のような磁気冷凍サイクルを繰り返す
ことにより、定常的に温度４Ｋ以下の寒冷を発生でき、
クライオパネル３５の温度を４Ｋ以下に保持できること
になる。By repeating the magnetic refrigeration cycle as described above, it is possible to constantly generate a cold temperature of 4 K or less,
The temperature of the cryopanel 35 can be kept below 4K.
【００３７】クライオポンプ運転時は、真空容器１３内
部のガス及び水蒸気は真空部１７からバッフル１１に衝
突して温度が下げられた後、シールド９内部に入る。比
較的高沸点のガス（例えば、酸素ガス等の沸点８０Ｋ以
上のガス）及び水蒸気はバッフル１１、シールド９に凝
縮され、低沸点のガス（例えば、窒素ガス、水素ガス、
ヘリウムガス等の沸点８０Ｋ以下のガス）はバッフル２
２に衝突して温度が下げられた後、シールド２１内部に
入る。During operation of the cryopump, the gas and water vapor inside the vacuum vessel 13 collide with the baffle 11 from the vacuum section 17 to lower the temperature, and then enter the inside of the shield 9. A gas having a relatively high boiling point (for example, a gas having a boiling point of 80 K or more such as oxygen gas) and water vapor are condensed in the baffle 11 and the shield 9, and a low boiling point gas (for example, nitrogen gas, hydrogen gas,
Baffle 2 for gases with a boiling point of 80K or less such as helium gas)
After colliding with 2, the temperature is lowered, and then the inside of the shield 21 is entered.
【００３８】窒素ガス、水素ガス等沸点２０Ｋ以上のガ
スはバッフル２２、シールド２１に凝縮される。バッフ
ル２２、シールド２１に凝縮されなかった水素ガスの一
部やヘリウムガスはバッフル２６に衝突してシールド２
４内部に入る。Gases having a boiling point of 20 K or more such as nitrogen gas and hydrogen gas are condensed on the baffle 22 and the shield 21. A part of the hydrogen gas and the helium gas which are not condensed in the baffle 22 and the shield 21 collide with the baffle 26 and are shielded by the shield 2.
4 Enter inside.
【００３９】水素ガスやヘリウムガスはバッフル２６、
シールド２４に凝縮されるがバッフル２６、シールド２
４に凝縮されなかったヘリウムガスの一部は温度４Ｋ以
下のクライオパネル３５に確実に凝縮されることにな
る。The baffle 26 is used for hydrogen gas and helium gas.
Baffle 26, shield 2 condensed on shield 24
Part of the helium gas not condensed in No. 4 will be surely condensed in the cryopanel 35 having a temperature of 4K or less.
【００４０】[0040]
【発明の効果】以上、具体的に説明したように、本発明
においては、ギフォード・マクマホンサイクル等の冷凍
サイクルを使用した冷凍機を寒冷発生源とするクライオ
ポンプにおいて、冷凍機の第三段ヒートステーションに
超伝導マグネットと磁性体を設置し、磁気冷凍効果によ
り磁性体の温度を低下させて、温度４Ｋ以下のクライオ
パネル面を実現すると共に排気ガスの種類に関係なく排
気能力（排気速度）が飛躍的に大きいクライオポンプが
可能となる。その結果、短時間で真空容器の到達真空度
を高くできる。As described above in detail, in the present invention, in the cryopump using the refrigerator using the refrigeration cycle such as Gifford-McMahon cycle as the cold source, the third stage heat of the refrigerator is used. A superconducting magnet and a magnetic body are installed in the station, and the temperature of the magnetic body is lowered by the magnetic refrigeration effect to realize a cryopanel surface with a temperature of 4K or less, and the exhaust capacity (exhaust speed) regardless of the type of exhaust gas. A dramatically large cryopump is possible. As a result, the ultimate vacuum of the vacuum container can be increased in a short time.
【図１】本発明の一実施例に係るクライオポンプの全体
構成を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an overall configuration of a cryopump according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明に適用される磁気冷凍サイクルの図であ
る。FIG. 2 is a diagram of a magnetic refrigeration cycle applied to the present invention.
【図３】従来のクライオポンプの全体構成を示す断面図
である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a conventional cryopump.
１ 往復動冷凍機 ５ 第一段シリンダ ６ 第二段シリンダ ７ 第一段ヒートステーション ８ 第二段ヒートステーション １２ ポンプケース １３ 真空容器 ２１ シールド ２２ バッフル ２３ 第三段ヒートステーション ２４ シールド ２５ 超伝導マグネット ２６ バッフル ２７ 円筒状容器 ２８ 磁性体 ２９ 空間 ３０ 空間 ３１ ヒートスイッチ ３２ 小型超伝導マグネット ３３ ヒートスイッチ ３４ ガイドピン ３５ クライオパネル 1 Reciprocating refrigerator 5 First stage cylinder 6 Second stage cylinder 7 First stage heat station 8 Second stage heat station 12 Pump case 13 Vacuum container 21 Shield 22 Baffle 23 Third stage heat station 24 Shield 25 Superconducting magnet 26 Baffle 27 Cylindrical container 28 Magnetic substance 29 Space 30 Space 31 Heat switch 32 Small superconducting magnet 33 Heat switch 34 Guide pin 35 Cryopanel
Claims (2)
凍サイクルを使用した多段のヒートステーションを有す
る冷凍機を寒冷発生源とするクライオポンプにおいて、
前記冷凍機の絶対温度４Ｋレベルの第三段ヒートステー
ションに超伝導マグネットと磁性体とからなる磁気冷凍
機構を設置してなることを特徴とするクライオポンプ。1. A cryopump using a refrigerator having a multi-stage heat station using a refrigeration cycle such as Gifford-McMahon cycle as a cold source.
A cryopump, characterized in that a magnetic refrigeration mechanism comprising a superconducting magnet and a magnetic material is installed in a third stage heat station of the refrigerator having an absolute temperature of 4K level.
ルドと、同シールド内に密閉円筒容器とを設け、同シー
ルドには前記超伝導マグネットを取付け、同密閉円筒容
器内に前記磁性体を設けてなることを特徴とする請求項
１記載のクライオポンプ。2. A shield is provided in the third-stage heat station, and a sealed cylindrical container is provided in the shield, the superconducting magnet is attached to the shield, and the magnetic body is provided in the sealed cylindrical container. The cryopump according to claim 1, wherein:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6140007A JPH084652A (en) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | Cryopump |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6140007A JPH084652A (en) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | Cryopump |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH084652A true JPH084652A (en) | 1996-01-09 |
Family
ID=15258770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6140007A Withdrawn JPH084652A (en) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | Cryopump |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH084652A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013204973A (en) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Toshiba Corp | Magnetic refrigeration device and magnetic refrigeration system |
| CN107424853A (en) * | 2017-04-24 | 2017-12-01 | 上海交通大学 | A kind of electromagnetic clutch active control contact apparatus for heating switch for cryogenic system |
| CN107731579A (en) * | 2017-09-29 | 2018-02-23 | 上海润理真空技术有限公司 | A kind of heat transfer applied to vacuum equipment switchs |
| CN110608149A (en) * | 2018-06-14 | 2019-12-24 | 上海优拓低温技术有限公司 | Low-temperature pump |
-
1994
- 1994-06-22 JP JP6140007A patent/JPH084652A/en not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013204973A (en) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Toshiba Corp | Magnetic refrigeration device and magnetic refrigeration system |
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| CN110608149A (en) * | 2018-06-14 | 2019-12-24 | 上海优拓低温技术有限公司 | Low-temperature pump |
| CN110608149B (en) * | 2018-06-14 | 2022-02-25 | 上海优拓低温技术有限公司 | Low-temperature pump |
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