KR101104171B1 - 크라이오 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재생 효율의 향상을 도모할 수 있는 크라이오 펌프에 관한 것으로, 진공 생성시에 물 이외의 분자와 함께 물분자를 응고 또는 흡착시키는 것이어도 재생 시간의 단축을 도모하는 것을 과제로 한다.
실린더(14, 15) 내에서 디스플레이서(14A, 15A)가 왕복 운동하는 것에 의해 팽창실에서 한랭을 발생시키는 냉동기(5)와, 상기 팽창실에서 발생된 한랭에 의해 냉각되는 실드(9) 및 크라이오 패널(10)과, 실드(9) 및 크라이오 패널(10) 등을 내부에 수납하는 진공 용기(4)를 가지며, 실드(9) 및 크라이오 패널(10)을 역전 승온시킬 수 있는 크라이오 패널에 있어서, 실드(9)에, 액화된 물 이외의 분자를 실드(9)로부터 진공 용기(4)로 유출시키는 유출구멍(18)과, 재생에 의해 발생된 물분자(23)를 저장할 수 있는 저장 용량을 가지는 물 저장부(20)를 형성한다.

Description

크라이오 펌프{Cryopump}

본 발명은 크라이오 펌프에 관한 것으로, 특히 재생 효율의 향상을 도모할 수 있는 크라이오 펌프에 관한 것이다.

예를 들면, 반도체 제조 설비에 있어서는 고진공을 실현할 필요가 있어, 이러한 고진공을 실현할 수 있는 진공 펌프로서 크라이오 펌프가 많이 이용되고 있다. 이 크라이오 펌프는 진공 생성의 원리상 냉동기가 필요하다. 이 크라이오 펌프에 이용되는 냉동기로는 기포드·맥마혼 사이클형 냉동기(이하 GM형 냉동기라고 한다)가 알려져 있다. 그리고 GM형 냉동기와 진공 용기 내에 배치된 크라이오 패널 및 실드를 열적으로 접속해 두어, 냉각 과정에 있어서 진공 용기 내의 기체(예를 들면, 아르곤 가스 등)를 크라이오 패널 등에 응고 또는 흡착시키는 것에 의해 고진공을 실현한다.

이러한 크라이오 펌프는 그 구조상 재생이 필요하다. 이 재생이란 크라이오 패널 등에 냉각 과정에서 응고 또는 흡착된 분자에 열을 가해 승온시키는 것에 의해 당해 분자를 액화 및 기화시켜 펌프 용기 밖으로 방출하는 처리를 말한다.

크라이오 펌프의 재생시에는 크라이오 패널 및 실드가 히터 등의 승온 장치에 의해 승온되고, 또한 질소 가스 등의 퍼지 가스가 진공 용기 내에 도입된다. 이것에 의해 크라이오 패널 및 실드에 응고된 분자는 액화되어 자연 낙하해 실드의 내부에 액체가 고인 상태가 된다. 이 상태에서 모든 액체를 기화시켜 배출하려고 한 경우, 실드는 내부에 잔류하는 액체에 의해 냉각되기 때문에, 이 잔류 액체가 기화되는데 장시간을 필요로 하고, 따라서 재생 효율이 저하되어 버린다고 하는 문제점이 있다.

그래서, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이 실드에 구멍부를 형성하고, 이 구멍부를 통하여 액체 분자를 진공 용기 내로 유입시키는 구성으로 한 크라이오 펌프가 제안되어 있다. 이 구성의 크라이오 펌프에서는 상온인 진공 용기의 열을 액체 분자의 기화에 이용하는 것이 가능해져 실드에 구멍을 형성하지 않은 크라이오 펌프에 비해 재생 효율의 향상을 도모할 수 있다.

일본공개특허공보평05-033766호

그러나 크라이오 펌프가 접속되는 반도체 제조 설비에 따라서는, 크라이오 펌프는 진공 생성시에 있어서 아르곤 등의 가스와 함께 물분자가 응고되는 경우가 있다. 이와 같이 물 이외의 분자와 함께 물분자가 응고된 크라이오 펌프에 대해 재생 처리했을 경우, 실드에는 먼저 상기 서술한 물 이외의 액체가 고이고, 그 후에 물이 고이게 된다. 그리고, 이 물 이외의 액체 및 물은 실드에 형성된 구멍을 지나 진공 용기 내로 유입된다.

아르곤 등의 가스는 일반적으로 비점이 낮아(아르곤의 비점: -185.9℃), 물의 비점(99.974℃)과 크게 다르다. 이 때문에, 액화된 아르곤 분자 등이 진공 용기로부터 기화되어 진공 용기로부터 제거되었다고 해도 물은 진공 용기 내에 잔류된다.

일반적으로 크라이오 펌프의 진공 용기에는 히터 등의 가열 수단은 형성되어 있지 않고, 따라서 진공 용기의 온도는 실온까지 밖에 오르지 않는다. 그러나, 비점이 낮은 아르곤 등은 실온 정도의 온도에서도 모두 기화되어 단시간에 진공 용기 내로부터 제거할 수 있다.

이에 반해 비점이 실온보다 높은 물이 진공 용기 내에 잔류된 경우에는, 이것이 기화되어 크라이오 펌프로부터 제거되는 데는 긴 시간을 필요로 하고, 이 영향에 의해 결국 재생에 긴 시간을 필요로 하여 재생 효율이 저하되어 버린다고 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 서술한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 진공 생성시에 물 이외의 분자와 함께 물분자가 응고되는 것이어도 재생 시간의 단축을 도모할 수 있는 크라이오 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 한 국면의 크라이오 펌프는 실린더 내에서 디스플레이서가 왕복 운동하는 것에 의해 팽창실에서 한랭을 발생시키는 냉동기와, 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 수용되며 상기 팽창실에서 발생된 한랭에 의해 냉각되는 크라이오 패널과, 상기 진공 용기 내에 수용되어 상기 팽창실에서 발생된 한랭에 의해 냉각됨과 함께, 상기 크라이오 패널을 당해 진공 용기의 복사열로부터 보호하는 컵 형상의 실드와, 상기 실드의 상기 컵 형상의 상부 개구부에 배치되는 루버와, 재생시에 상기 크라이오 패널 및 실드를 승온시키는 승온 장치를 포함하며, 상기 크라이오 패널 및 상기 실드에 상기 진공 용기 내의 분자를 응고 또는 흡착시키는 크라이오 펌프에 있어서, 상기 실드는, 상기 컵 형상의 저부 또는 측부에 형성되는 구멍부와, 상기 구멍부의 위치에 의해 상기 컵 형상의 저부에 규정되는 저장 용량으로서, 재생시에 상기 루버, 상기 실드 또는 상기 크라이오 패널로부터 이탈하여 액화되는 물분자를 저장할 수 있는 저장 용량을 가지는 물 저장부를 구비한다.

또한 상기 구멍부에는 상기 실드의 내측을 향해 돌출되어 당해 구멍부를 둘러싸는 제방부가 형성되어도 된다.

또한 상기 실드의 저면은 경사져 있고 또한 상기 구멍부는 당해 경사진 저면에 형성되어 있으며, 상기 물 저장부는 당해 경사면에 있어서의 상기 구멍부보다 낮은 영역에 형성되어도 된다.

또한 상기 승온 장치는 상기 디스플레이서를 정방향 회전 및 역방향 회전시킬 수 있는 가역 모터를 포함하며, 그 가역 모터를 역전 방향으로 회전시켜 냉동 사이클을 반전시키는 것에 의해 상기 실드를 승온시켜도 된다.

본 발명에 의하면 액화된 물 이외의 분자를 진공 용기로 유출하기 위한 유출구멍을 실드에 형성한 것에 의해, 액화된 물 이외의 분자는 상온인 진공 용기의 열을 이용해 기화되어 배출되기 때문에 단시간에 효율적으로 크라이오 펌프로부터 배출할 수 있다.

또한 액화된 상태의 물분자는 실드에 형성한 물 저장부에 의해 유출구멍으로부터 진공 용기에 유출되는 것이 방지되어 이 물 저장부(실드)에 잔류한다. 실드는 승온 장치에 의해 상온 이상으로 승온시키는 것이 가능하고, 따라서 실드에 형성된 물 저장부에 물이 잔류되었다 해도, 이것을 단시간에 기화시켜 크라이오 펌프로부터 배출할 수 있다. 따라서, 액화된 물 이외의 분자 및 물분자 모두 크라이오 펌프로부터 단시간에 배출할 수 있어 재생 시간의 단축을 도모할 수 있다.

도 1은 실시 형태의 크라이오 펌프의 구성도이다.
도 2는 실시 형태의 크라이오 펌프의 구성도이며, 실드나 크라이오 패널에 고체상 가스가 응고 또는 흡착된 상태를 나타내는 도이다.
도 3은 실시 형태의 크라이오 펌프의 구성도이며, 재생 처리를 설명하기 위한 도이다(1).
도 4는 실시 형태의 크라이오 펌프의 구성도이며, 재생 처리를 설명하기 위한 도이다(2).
도 5는 배출 시간 특성을 종래와 비교해 나타내는 도이다.
도 6은 실시 형태의 변형예의 크라이오 펌프의 구성도이다.
도 7은 실시 형태의 변형예의 크라이오 펌프의 구성도이다.
도 8은 실시 형태의 변형예의 크라이오 펌프의 구성도이다.

이하, 본 발명의 크라이오 펌프를 적용한 실시 형태에 대해 설명한다.

도 1은 실시 형태의 크라이오 펌프를 나타낸다. 크라이오 펌프(1)는 도시하지 않은 처리 챔버(예를 들면, 반도체 제조장치의 처리 챔버)에 장착되어 이 처리 챔버 내를 진공으로 하는 것이다. 이 크라이오 펌프(1)는 대략 압축기(3), 진공 용기(4), 냉동기(5), 실드(9), 크라이오 패널(10) 등에 의해 구성되어 있다. 또한 재생시에 있어서의 실드(9) 및 크라이오 패널(10)의 승온은 냉동기(5)의 냉각 사이클을 반전시키는 것에 의해 행하는 이른바 역전 승온을 이용하고 있다.

압축기(3)는 헬륨 가스 등의 냉매 가스를 승압하여 냉동기(5)에 보내고, 또한 냉동기(5)에서 단열 팽창된 냉매 가스를 회수해 다시 승압하는 기능을 한다. 진공 용기(4)는 상기 서술한 처리 챔버에 장착되는 것으로, 이 내부에 냉동기(5)의 실린더(14, 15), 실드(9) 및 크라이오 패널(10) 등이 배치된다.

진공 용기(4)에는 러핑 배관(13A) 및 퍼지 배관(17)이 접속되어 있다. 러핑 배관(13A)은 러핑 펌프(13)(진공 펌프)에 접속되어 있고, 진공 처리 개시시에 있어서 진공 용기(4) 내의 가스를 러핑한다. 또한 퍼지 배관(17)은 예를 들어 질소 가스 공급 수단에 접속되어 있고, 후술하는 재생시에 있어서 진공 용기(4) 내에 퍼지 가스(질소 가스)를 공급한다. 또한 진공 용기(4)와 처리 챔버 사이에는 도시하지 않은 게이트 밸브가 배치되어 있고, 게이트 밸브를 닫는 것에 의해 진공 용기(4)는 처리 챔버에 대해 기밀하게 격리된 상태가 된다.

냉동기(5)는 GM형 냉동기이며, 제1단 실린더(14), 제2단 실린더(15) 및 가역 모터(16) 등에 의해 구성되어 있다. 제1단 실린더(14)의 내부에는 제1단 디스플레이서(14A)가 도면 중 좌우 방향으로 왕복 운동 가능하게 배치되어 있고, 또한 제2단 실린더(15)에는 제2단 디스플레이서(15A)가 도면 중 좌우 방향으로 왕복 운동 가능하게 배치되어 있다. 이 제1단 디스플레이서(14A)와 제2단 디스플레이서(15A)는 연결되어 있고, 가역 모터(16)를 구동원으로 하여 상기와 같이 각 실린더(14, 15) 내에서 왕복 운동한다.

제1단 실린더(14)와 제1단 디스플레이서(14A) 사이에는 제1단 팽창실이 형성되고, 또한 제2단 실린더(15)와 제2단 디스플레이서(15A) 사이에는 제2단 팽창실이 형성된다. 이 제1 및 제2단 팽창실은 각 디스플레이서(14A, 15A)의 왕복 운동에 의해 그 체적이 변화되는 구성으로 되어 있다.

가역 모터(16)는 정방향 회전 및 역방향 회전이 가능한 모터이다. 이 가역 모터(16)는 도시하지 않은 컨트롤러에 접속되어, 이 컨트롤러의 지시에 따라 진공 처리시에는 정방향 회전하고 재생시에 있어서 역방향 회전한다.

제1단 실린더(14)의 외주에는 제1단 냉동 스테이지(7)가 배치되어 있다. 또한 이 제1단 냉동 스테이지(7)에는 실드(9)가 배치되어 있다.

이 실드(9)는 진공 용기(4)의 복사열로부터 크라이오 패널(10)을 보호하기 위한 부재이며, 상부가 개구된 컵 형상의 부재이다. 또한 실드(9)의 상부 개구부에는 루버(12)가 배치된다. 이 루버(12)는 진공 용기(4)의 상부 개구에 근접하여 배치된다.

실드(9)의 저면에는 유출구멍(18)(구멍부)이 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는 실드(9)의 저면은 수평면으로 되어 있고, 유출구멍(18)은 그 중앙위치에 형성되어 있다. 또한 이 유출구멍(18)은 실드(9)의 내부를 향해(도면 중 상방을 향해) 돌출된 제방부(19)를 가진다.

제방부(19)는 유출구멍(18)을 둘러싸도록 형성된다. 이 제방부(19)는 예를 들면 실드(9)의 저면을 프레스 펀칭 가공하는 것에 의해, 유출구멍(18)과 함께 동시 형성하는 것이 가능하다. 또한 유출구멍(18)의 개구부에 통형의 부재를 용접 등에 의해 접합해 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이 실드(9)의 저면에 유출구멍(18)을 둘러싸도록 제방부(19)를 형성하는 것에 의해 실드(9)의 저부에는 물 저장부(20)가 형성된다. 이와 같이, 물 저장부(20)가 형성되는 것에 의해 후술하는 승온 공정의 초기 단계에 있어서 실드(9)의 저부에 액화된 물 이외의 분자가 적하되어도, 즉시 이것이 유출구멍(18)으로부터 진공 용기(4) 내로 유출되는 일은 없고 일단 실드(9)의 저부에 고인다. 그리고, 액화된 물 이외의 분자의 액면이 이 제방부(19)의 높이를 넘은 시점에서 액화된 물 이외의 분자는 유출구멍(18)을 통하여 진공 용기(4) 내로 유출된다. 또한 액화된 물 이외의 분자를 배출한 후, 승온 공정의 후기 단계에 있어서 생기는 물(액화된 물분자)이 실드(9)의 저부에 적하되는데, 이 물은 물 저장부(20)에 고여 진공 용기(4)로 유출되지 않게 구성되어 있다. 또한 물 저장부(20)의 상세한 기능에 대해서는 설명의 편의상 후술한다.

또한 제2단 실린더(15)의 외주에는 제2단 냉동 스테이지(8)가 배치되어 있다. 이 제2단 냉동 스테이지(8)에는 크라이오 패널(10)이 배치되어 있다. 이 크라이오 패널(10)은 그 내주면에 활성탄(11)이 배치되어 있다.

상기 구성으로 된 크라이오 펌프(1)에 있어서 진공 처리하는 경우에는, 먼저 러핑 펌프(13)를 구동해 처리 챔버 및 진공 용기(4) 내의 가스를 러핑하고, 예를 들어 10^-2Torr 정도까지 감압 처리한다. 이 러핑 처리가 종료되면 러핑 펌프(13)를 정지시킨 다음, 가역 모터(16)를 정방향으로 회전시킨다.

이것에 의해 냉동기(5)는 냉각 모드가 되고, 압축기(3)로부터 제1단 팽창실 및 제2단 팽창실에 공급된 냉매 가스는 각 디스플레이서(14A, 15A)의 이동에 수반해 단열 팽창되어 한랭을 발생시킨다. 이것에 의해 제1단 냉동 스테이지(7)는 예를 들어 30∼100K로 냉각되고, 그 결과 실드(9) 및 루버(12)는 30∼100K로 냉각된다. 또한 제2단 냉동 스테이지(8)는 예를 들면 4∼20K로 냉각된다. 그 결과, 크라이오 패널(10)은 4∼20K로 냉각된다.

처리 챔버 내의 기체는 상부 개구로부터 진공 용기(4) 내로 진입하고, 물분자는 주로 실드(9)(그 중에서 특히 루버(12))에서 응고되며, 물분자 이외의 아르곤이나 질소는 주로 크라이오 패널(10)에서 응고되고, 또한 수소, 네온, 헬륨 등은 주로 활성탄(11)에 흡착된다. 이것에 의해 처리 챔버는 배기되어 고진공을 실현할 수 있다.

그런데, 상기와 같이 처리 챔버 내로부터 배기되는 물분자 이외의 기체 분자는 실드(9), 크라이오 패널(10), 활성탄(11) 등에 응고 또는 흡착된다. 또한 물분자도 실드(9) 및 크라이오 패널(10)에 응고된 상태가 된다. 또한 이하의 설명에 있어서 실드(9) 및 크라이오 패널(10)에 응고 또는 흡착된 물분자 이외의 기체 분자와 응고된 물분자를 함께 포착 분자(21)라고 부른다.

도 2는 포착 분자(21)가 실드(9) 및 크라이오 패널(10)에 응고 또는 흡착된 상태를 나타낸다. 이 실드(9) 및 크라이오 패널(10)에 응고 또는 흡착된 포착 분자(21)의 양이 많아지면 크라이오 펌프(1)의 배기 성능이 저하된다. 이 때문에, 크라이오 펌프(1)에 응고 또는 흡착된 포착 분자(21)를 배출하는 재생 처리가 필요한 것은 상기 서술한 바와 같다.

다음으로, 크라이오 펌프(1)의 재생 처리에 대해 설명한다.

재생 처리가 개시되면, 먼저 게이트 밸브를 닫아 진공 용기(4)와 처리 챔버를 기밀하게 격리된 상태로 한다. 계속해서, 퍼지 배관(17)으로부터 진공 용기(4) 내에 퍼지 가스를 도입함과 함께 도시하지 않은 드레인 밸브를 열고, 또한 가역 모터(16)를 역방향 회전시킨다.

퍼지 가스는 상온의 가스이기 때문에 이 퍼지 가스의 열에 의해 포착 분자(21)는 승온되어 액화된다. 또한 가역 모터(16)가 역방향 회전하는 것에 의해 냉동기(5)의 냉각 사이클은 반전되고, 제1 및 제2단 팽창실에서 냉매 가스는 단열 압축되어 단열 압축열을 발생한다(이하, 이 승온을 역전 승온이라고 한다). 이 단열 압축열은 각 실린더(14, 15) 및 냉동 스테이지(7, 8)를 통하여 실드(9) 및 크라이오 패널(10)을 승온 시키고, 이것에 의해서도 포착 분자(21)는 승온되어 액화된다.

상기와 같이 퍼지 가스 및 실드(9) 및 크라이오 패널(10)의 승온에 의해 포착 분자(21)에 포함되는 분자 중 물보다 비점이 낮은 분자(아르곤, 질소, 수소, 네온, 헬륨 등)가 먼저 액화되어 액체 분자(22)가 발생한다. 이하, 액체 분자(22)란 물분자 이외의 아르곤, 질소, 수소, 네온, 헬륨 등이 액화된 분자를 말한다.

이 액체 분자(22)는 컵 형상의 실드(9)의 저부에 중력에 의해 낙하된다. 상기 서술한 바와 같이, 실드(9)에는 제방부(19)가 형성되는 것에 의해 물 저장부(20)가 형성되어 있기 때문에, 낙하된 액체 분자(22)는 즉시 유출구멍(18)으로부터 진공 용기(4)로 유출되는 일은 없고 일단 물 저장부(20) 내에 고인다.

재생 처리가 진행되어 액체 분자(22)의 발생량이 증대하면, 액체 분자(22)는 물 저장부(20)로부터 넘쳐 흘러 유출구멍(18)을 통하여 진공 용기(4) 내로 유입된다. 도 3은 대략 모든 액체 분자(22)가 진공 용기(4)로 유출된 상태를 나타낸다. 이 상태에서는 비점이 높은 물은, 루버(12) 등에 응고된 그대로의 상태로 되어 있다(이 상태의 물분자를 도 3에 부호 21A로 나타낸다). 또한 상기 서술한 바와 같이 실드(9)는 냉동기(5)에 의해 역전 승온에 의해 승온되어 있고, 또한 물 저장부(20)에 고인 액체 분자(22)는 적기 때문에 도 3에서는 실드(9)에 고인 액체 분자(22)가 이미 기화된 상태를 나타낸다.

진공 용기(4)로 유입된 액체 분자(22)는 물분자 이외의 아르곤, 질소 등의 분자이기 때문에, 상온으로 유지되는 진공 용기(4)의 열로 용이하게 기화된다. 따라서, 실드(9)에 유출구멍(18)을 형성하여 액체 분자(22)를 실드(9)로부터 진공 용기(4)로 유출 가능하게 구성하는 것에 의해, 액체 분자(22)를 단시간에 크라이오 펌프(1)로부터 배출할 수 있어 재생 효율의 향상을 도모할 수 있다.

액체 분자(22)의 크라이오 펌프(1)로부터의 배출이 종료된 후, 더욱 퍼지 가스의 도입 및 냉동기(5)의 역전 승온을 계속하면, 응고되어 있던 물분자(도 3 중 부호 21)가 액화되어 발생한 물분자(23)가 실드(9)의 저부로 낙하하게 된다(도 4 참조).

1회의 재생 처리에 있어서의 물분자(23)의 발생량은 액체 분자(22)의 발생량에 비하면 적고, 또한 이 1회의 재생 처리에서 발생하는 물분자(23)의 양은 경험적으로 알 수 있다. 본 실시 형태에서는 물 저장부(20)의 용적을 이 1회의 재생 처리에서 발생되는 물분자(23)의 양에 기초하여 설정하고 있다. 즉, 물 저장부(20)의 용적은 1회의 재생 처리에서 발생되는 물분자(23)의 양과 대략 동일한 용적으로 설정되어 있다.

여기서, 물 저장부(20)의 용적은 실드(9)의 저면 형상과 제방부(19)의 위치 및 높이에 의해 정해진다. 예를 들면, 도 1 내지 4에 나타내는 바와 같이, 저면이 평면인 컵 형상의 실드(9)에 있어서 제방부(19)가 저면의 중심에 배치되는 경우에는 제방부(19)의 높이는 약 3∼12㎜인 것이 바람직하다.

실드(9)는 진공 용기(4)의 복사열로부터 크라이오 패널(10)을 보호하기 위해 형성되어 있다. 이 때문에, 진공 용기(4)의 구경이 커도 유출구멍(18)의 구경은 어느 일정한 값으로 설정되는 것이 바람직하다.

크라이오 펌프는 사용되는 환경에 따라 내부에 저장되는 물분자의 양을 개략 산정할 수 있다. 물 저장부(20)의 용량은 이와 같이 크라이오 펌프내에 저장 가능한 물분자의 양에 맞추어 설정하면 되고, 그를 위해 필요한 제방부(19)의 높이는 약 3∼12㎜인 것이 바람직하다.

이와 같이 제방부(19)의 높이와 물 저장부(20)의 용량이 설정되는 것에 의해 물 저장부(20)에 고인 물분자(23)는 유출구멍(18)을 통하여 진공 용기(4)에 유출되지 않게 할 수 있다.

상기와 같이 물 저장부(20)에 고인 물분자(23)는 비점이 액체 분자(22)에 비해 높지만, 실드(9)는 역전 승온에 의해 상온 이상으로 승온된다(진공 용기(4)보다 높은 온도로 승온되어 있다). 따라서, 액체 분자(22)에 비해 높은 비점을 가지는 물분자(23)여도 실드(9)의 물 저장부(20)에 있어서 단시간에 기화시켜 크라이오 펌프(1)로부터 배출할 수 있다.

따라서, 본 실시 형태의 크라이오 펌프(1)에 의하면, 진공 용기(4)에 유입된 액체 분자(22)와 물 저장부(20)에 잔류된 물분자(23)는 모두 단시간에 기화되어 배출할 수 있고, 따라서 크라이오 펌프(1)의 재생 시간의 단축을 도모할 수 있다.

도 5는 본 실시 형태의 크라이오 펌프(1)에 있어서의 물분자(23)의 배출 시간을 종래의 크라이오 펌프에서 필요로 하는 배출 시간과 비교해 나타내는 도이다. 동일 도면에서는 가로축에 시간을 나타내고, 세로축에 온도를 나타내고 있다. 또한 동일 도면에 있어서 화살표 TA1로 나타내는 것은 본 실시 형태의 크라이오 펌프(1)에 있어서의 제1단 냉동 스테이지(7)의 온도 변화이며, 화살표 TA2로 나타내는 것은 본 실시 형태의 크라이오 펌프(1)에 있어서의 제2단 냉동 스테이지(8)의 온도 변화이다.

또한 비교예로서 예시한 것은 제방부(19)(물 저장부(20))가 형성되어 있지 않은 크라이오 펌프의 온도 특성이다. 이 비교예의 크라이오 펌프는 제방부(19)(물 저장부(20))가 형성되어 있지 않은 것 외에는 크라이오 펌프(1)와 대략 동일한 구성으로 되어 있다. 도면 중 화살표 TB1로 나타내는 것은 비교예와 관련되는 크라이오 펌프(1)에 있어서의 제1단 냉동 스테이지의 온도 변화이며, 화살표 TB2로 나타내는 것은 비교예와 관련되는 크라이오 펌프에 있어서의 제2단 냉동 스테이지의 온도 변화이다.

그리고, 본 실시 형태의 크라이오 펌프(1)에서는 물 저장부(20)에 20그램의 물을 넣은 상태로 역전 승온 처리하고, 비교예와 관련되는 크라이오 펌프에서는 진공 용기 내에 20그램의 물을 넣은 상태로 역전 승온 처리하여 각각의 온도(TA1, TA2, TB1, TB2)를 측정했다. 이 실험 결과가 도 5에 나타나는 온도 특성이다.

여기서 배출 시간은 제1단 냉동 스테이지가 목표 온도(T1)가 됨과 함께 제2단 냉동 스테이지가 목표 온도(T2)가 된 시각(t1)으로부터 물이 모두 배출되는 것에 의해 진공 용기의 내부 압력이 소정 압력 이하가 된 시각(즉, 쿨 다운을 개시하는 시각. 실시 형태에서는 t2, 비교예에서는 t3)까지의 시간을 말한다.

이 실험 결과, 본 실시 형태의 크라이오 펌프(1)로는 물을 배기하는데 54분이 걸린 것에 반해, 비교예의 크라이오 펌프로는 77분이나 필요했다. 이것에 의해, 본 실시 형태의 크라이오 펌프(1)에 의하면 종래 구성의 크라이오 펌프에 비해 재생 시간을 큰 폭으로 단축시킬 수 있다는 것이 실증되었다.

또한 실제의 재생시에 있어서는 물분자(23) 뿐만 아니라 액체 분자(22)의 배출 처리를 하는데, 비점이 낮은 액체 분자(22)의 배출은 액체 분자(22)에 비해 비점이 높은 물분자(23)의 배출보다 빨리 종료되고, 따라서 재생 시간은 물분자(23)의 배출 시간에 의존하게 된다. 이 때문에, 본 실험 결과는 물분자(23)와 함께 액체 분자(22)를 배출하는 실제의 재생 처리를 반영하고 있다고 할 수 있다.

도 6은 도 1 내지 도 4에 나타낸 크라이오 펌프(1)의 변형예인 크라이오 펌프(30)를 나타낸다. 도 1 내지 도 4에 나타낸 크라이오 펌프(1)에서는 물분자(23)가 진공 용기(4)에 유출구멍(18)을 통하여 유출되는 것을 방지하기 위해 제방부(19)를 형성하고, 이것에 의해 실드(9)의 저부에 물 저장부(20)를 형성하는 구성으로 하고 있었다.

이에 반해 본 변형예와 관련되는 크라이오 펌프(30)에서는, 실드(9)의 저부를 경사면(31)으로 하고, 이 경사면(31)의 경사 방향의 상방 위치에 유출구멍(18)을 형성한 것이다. 이러한 구성으로 함으로써도 도 6에 나타내는 바와 같이 실드(9)의 저부에 물분자(23)를 잔류시키는 물 저장부(32)를 형성할 수 있고, 도 1 내지 도 4에 나타낸 크라이오 펌프(1)와 동일한 작용 효과를 나타내는 크라이오 펌프를 실현할 수 있다.

또한 도 7에 나타내는 바와 같이, 유출구멍(18)은 실드(9)의 측면에 있어서 물 저장부(20)의 용량을 소정 용량으로 설정할 수 있는 높이에 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 제방부는 반드시 필요한 것은 아니다.

또한 이상에서는 냉동기(5)가 진공 용기(4)의 측방으로부터 삽입되는 가로형 크라이오 펌프의 형태에 대해 설명했는데, 도 8에 나타내는 바와 같이 냉동기(5)가 진공 용기(4)의 하측으로부터 삽입되는 세로형 크라이오 펌프에 있어서도 유출구멍(18) 및 제방부(19)를 형성할 수 있다. 세로형 크라이오 펌프에서는 진공 용기(4) 및 실드(9)의 저부 중앙으로부터 연직 상방향으로 냉동기(5)가 삽입되기 때문에 실드(9)의 저부의 중앙으로부터 오프셋된 위치에 유출구멍(18) 및 제방부(19)를 형성하면 된다. 또한 실드(9)의 저면이 지름 방향 외측으로부터 중심을 향해 깊게 되어 있는 경우에는 그 저면의 형상에 따라 원하는 물 저장부(20)의 용량이 확보되도록 제방부(19)의 높이를 설정하면 된다.

또한 이상의 설명에서는 승온 장치로서 가역 모터(16)를 구비하는 형태에 대해 설명했는데, 가역 모터(16)에 더해, 또는 이것을 대신하여 승온시키기 위한 히터를 구비해도 된다.

이상, 본 발명의 예시적인 실시 형태의 크라이오 펌프에 대해 설명했는데, 본 발명은 구체적으로 개시된 실시 형태에 한정되지 않고, 특허청구의 범위로부터 일탈하는 일 없이 여러 가지의 변형이나 변경이 가능하다.

1, 30 : 크라이오 펌프
3 : 압축기
4 : 진공 용기
5 : 냉동기
7 : 제1단 냉동 스테이지
8 : 제2단 냉동 스테이지
9 : 실드
10 : 크라이오 패널
11 : 활성탄
12 : 루버
13 : 러핑(roughing) 펌프
14 : 제1단 실린더
14A : 제1단 디스플레이서
15 : 제2단 실린더
15A : 제2단 디스플레이서
16 : 가역 모터
17 : 퍼지 배관
18 : 유출구멍
19 : 제방부
20, 32 : 물 저장부
21 : 포착 분자
21A : 물분자(응고 상태)
22 : 액체 분자
23 : 물분자
31 : 경사면

Claims (4)

1. 실린더 내에서 디스플레이서가 왕복 운동하는 것에 의해 팽창실에서 한랭을 발생시키는 냉동기와, 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 수용되어 상기 팽창실에서 발생된 한랭에 의해 냉각되는 크라이오 패널과, 상기 진공 용기 내에 수용되어 상기 팽창실에서 발생된 한랭에 의해 냉각됨과 함께, 상기 크라이오 패널을 당해 진공 용기의 복사열로부터 보호하는 컵 형상의 실드와, 상기 실드의 상기 컵 형상의 상부 개구부에 배치되는 루버와, 재생시에 상기 크라이오 패널 및 실드를 승온시키는 승온 장치를 포함하며, 상기 크라이오 패널 및 상기 실드에 상기 진공 용기 내의 분자를 응고 또는 흡착시키는 크라이오 펌프에 있어서,
   상기 실드는,
   상기 컵 형상의 저부 또는 측부에 형성되는 구멍부와,
   상기 구멍부의 위치에 의해 상기 컵 형상의 저부에 규정되는 저장 용량으로서, 재생시에 상기 루버, 상기 실드, 또는 상기 크라이오 패널로부터 이탈하여 액화되는 물분자를 저장할 수 있는 저장 용량을 가지는 물 저장부를 구비하는 크라이오 펌프.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 구멍부에는 상기 실드의 내측을 향해 돌출되어 상기 구멍부를 둘러싸는 제방부가 형성되는 크라이오 펌프.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 실드의 저면은 경사져 있고 또한 상기 구멍부는 당해 경사진 저면에 형성되어 있으며, 상기 물 저장부는 당해 경사면에 있어서의 상기 구멍부보다 낮은 영역에 형성되는 크라이오 펌프.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 승온 장치는 상기 디스플레이서를 정방향 회전 및 역방향 회전시킬 수 있는 가역 모터를 포함하며, 상기 가역 모터를 역전 방향으로 회전시켜 냉동 사이클을 반전시키는 것에 의해 상기 실드를 승온시키는 크라이오 펌프.

Images