クライオポンプ及び真空排気方法
【課題】輻射熱の影響を抑えつつ高い排気性能を実現するクライオポンプを提供する。
【解決手段】クライオポンプ１０は、排気されるべき気体が進入する吸気口２０を有するクライオポンプ容器１２と、クライオポンプ容器１２の内部に配設される第２冷却ステージ２２を備える冷凍機１４と、第２冷却ステージ２２に熱的に接続される中間部材２８と、第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して吸気口２０から離れた位置に中間部材２８との接続部３２を有し、接続部３２から吸気口２０に向けて延在するクライオパネル２４と、を備える。例えば、吊り下げ型のパネル構造体１６を有するクライオポンプ１０が提供される。
【解決手段】クライオポンプ１０は、排気されるべき気体が進入する吸気口２０を有するクライオポンプ容器１２と、クライオポンプ容器１２の内部に配設される第２冷却ステージ２２を備える冷凍機１４と、第２冷却ステージ２２に熱的に接続される中間部材２８と、第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して吸気口２０から離れた位置に中間部材２８との接続部３２を有し、接続部３２から吸気口２０に向けて延在するクライオパネル２４と、を備える。例えば、吊り下げ型のパネル構造体１６を有するクライオポンプ１０が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオポンプ及び真空排気方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
例えば特許文献１には、ガス侵入方向に関して熱シールドパネルの背面側に放射状に取り付けられ、熱シールドパネルから背面方向に延びる複数の細長板状パネルを有するクライオポンプが記載されている。
【特許文献１】特開平２−３０８９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述のクライオポンプにおいては、排気されるべき気体が進入する開口に近接かつ対向して熱シールドパネルが設けられている。このため、熱シールドパネルにより下部のクライオパネルへの気体の流れが阻害され、クライオポンプの排気速度が低くなる。また、クライオポンプ断面の大半を占める比較的大面積の熱シールドパネルがクライオポンプの開口に近接して配置されているから、外部からの輻射による熱入力が大きくなる。このためクライオパネルを充分に冷却するために必要な消費エネルギーが大きくなってしまう。またクライオパネル温度が上昇して、排気性能に悪影響を与えるおそれもある。
【０００５】
そこで、本発明は、輻射熱の影響を抑えつつ高い排気性能を実現するクライオポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、クライオポンプに関する。このクライオポンプは、排気されるべき気体が進入する吸気口を有するクライオポンプ容器と、クライオポンプ容器内部に配設される冷却ステージを備える冷凍機と、冷却ステージに熱的に接続される中間部材と、冷却ステージよりも気体進入方向に関して吸気口から離れた位置に中間部材との接続部を有し、接続部から吸気口に向けて延在するクライオパネルと、を備える。
【０００７】
この態様によれば、クライオパネルは、吸気口に向けて延在し、吸気口から離れた位置で冷凍機の冷却ステージへと接続される。このため、吸気口から進入する気体分子流をクライオパネル表面へとより効率的に到達させることができる。その結果、高い排気速度を実現することができる。また、クライオパネルは、冷却ステージに熱的に接続するための中間部材に吸気口から離れた位置で接続される。これにより、吸気口外部から中間部材へと入射する輻射熱を低減することができる。よって、クライオパネルへの外部からの輻射熱の影響を低減することができる。
【０００８】
本発明の他の態様は、クライオポンプに関する。このクライオポンプは、冷凍機と、排気されるべき気体が進入する開口を有する熱シールドと、熱シールドの中心部よりも開口から離れた位置に冷凍機へと熱的に接続するための接続部を有し、接続部から開口に向けて延在するクライオパネルと、を備える。
【０００９】
この態様によれば、クライオパネルは、熱シールドの開口に向けて延在し、その開口から離れた位置で冷凍機へと接続される。よって、外部から進入する気体分子流がクライオパネル表面へとより効率的に到達可能となり、高い排気速度を実現することができる。また、クライオパネルは、開口から離れた位置で冷凍機に接続されるので、接続部を通じてクライオパネルに入射する輻射熱を低減することもできる。
【００１０】
本発明の他の態様は、クライオポンプに関する。このクライオポンプは、クライオポンプ内部容積において所定のレイアウトに配置されるクライオパネルと、クライオパネルが取り付けられるパネル取付面を有し、クライオパネルを前記レイアウトに支持するパネル取付部材と、を備えてもよい。パネル取付部材は、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を最小とするように配置されていていもよい。
【００１１】
本発明の他の態様は、真空排気方法に関する。この方法においては、冷凍機と、排気されるべき気体が進入する開口を有する熱シールドと、熱シールドに包囲されて配設され冷凍機へと熱的に接続されているクライオパネルと、を備えるクライオポンプが使用される。この方法は、熱シールドの中心部を越えて延在するクライオパネルを熱シールドの中心部よりも開口から離れた位置で冷凍機に熱的に接続し、冷凍機を駆動してクライオパネルを冷却し、クライオパネルのうち少なくとも熱シールドの中心部よりも開口に近接する端部で気体分子を捕捉する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、排気性能に優れるクライオポンプが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、以下に説明する本発明に係る実施形態の概要を説明する。一実施形態においては、重心位置を低くした吊り下げ型のクライオパネルを有するクライオポンプが提供される。例えば冷凍機の冷却ステージよりも下側にクライオパネルの重心位置を設ける。または、クライオポンプ容器または熱シールドの内部空間の中心部よりも下側にクライオパネルの重心位置を設けてもよい。このようにクライオパネルをクライオポンプ容器の下方に配置するために、冷却ステージからクライオポンプ容器下方へと延びるパネル取付部材または中間部材が、クライオパネルを機械的に支持しかつ冷凍機に熱的に接続するために設けられてもよい。このパネル取付部材によってクライオパネルは冷却ステージに吊り下げられた構成となる。
【００１４】
本明細書では便宜上、クライオポンプ内部容積において吸気口近傍を上部または上方と呼び、その反対側すなわちクライオポンプ内部容積深部を下部または下方と呼ぶ。同様に、クライオポンプ容器内部から吸気口に向かう向きを上向きと呼び、逆に吸気口からクライオポンプ容器内部へと向かう向きを下向きと呼ぶ。
【００１５】
クライオポンプは、第１の冷却温度レベルに冷却される第１のクライオパネルと、第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される第２のクライオパネルと、を備えてもよい。第１のクライオパネルには、第１の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。例えば基準蒸気圧（例えば１０＾−８Ｐａ）よりも蒸気圧が低い気体が排気される。第２のクライオパネルには、第２の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。第２のクライオパネルには、蒸気圧が高いために第２の温度レベルにおいても凝縮しない非凝縮性気体を捕捉するために表面に吸着領域が形成される。吸着領域は例えばパネル表面に吸着剤を設けることにより形成される。非凝縮性気体は、第２の温度レベルに冷却された吸着領域に吸着されて排気される。
【００１６】
凝縮された凝縮性気体により吸着領域が覆われた場合には非凝縮性気体の吸着領域への接触が妨げられることになる。そうすると非凝縮性気体の吸着性能が低下し、ひいては非凝縮性気体の排気性能が低下する。例えば気体の排気速度も低下するし、吸蔵量も低下する。よって、非凝縮性気体の排気性能を維持するためには、吸着領域を吸気口に露出しないように配置して凝縮性気体が吸着領域に到達しにくくすることが望ましい。よって、吸着領域は、例えば第１のクライオパネル、第２のクライオパネルの吸着領域以外の部分、またはクライオパネルと冷凍機とを接続する接続部材等により吸気口に対して遮蔽されることが望ましい。吸着領域を吸気口に対し遮蔽することにより、外部の熱源から入射する輻射熱の吸着性能への影響を低減することもできる。
【００１７】
ところが、クライオポンプの用途によっては吸着領域への凝縮性気体の凝縮があまり問題とはならない場合もある。例えばイオン注入装置用のクライオポンプが挙げられる。この用途においては第２のクライオパネルに凝縮される気体の使用量は少なく、クライオポンプの主目的は非凝縮性気体（例えば水素）の排気となる。よって、むしろ吸着領域を吸入口に向けて露出することによって非凝縮性気体を吸着領域に到達しやすくすることが望ましい。これにより高い排気速度を実現することができる。
【００１８】
しかし、単にクライオパネルを吸気口に向けて露出した場合には、外部の熱源からの輻射熱の影響を受けることになる。特に、第２のクライオパネルは例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度の極低温に冷却されるので、たとえクライオポンプ外部が常温であったとしても輻射熱の影響が大きい。特に、露出されているクライオパネル表面に吸着剤（例えば活性炭）が貼り付けられている場合には、パネル表面の輻射率（即ち吸収率）が高くなり、いっそう輻射熱の影響を受ける。輻射の熱入力により、吸着されていた気体分子が再放出され得る。また、輻射熱入力に抗して第２のクライオパネルを必要な温度レベルに冷却し維持するために、高い冷凍能力を有する冷凍機を要することになる。あるいは冷凍機の消費エネルギが大きくなる。
【００１９】
そこで、本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、吊り下げ型のクライオパネルを有する。これにより、クライオパネルを吸気口に露出させつつクライオポンプ内部容積の深部に配置して吸気口からの距離を大きくとることが可能となる。よって、露出されたクライオパネル吸着領域への輻射熱の影響を抑えつつ、非凝縮性気体に対する高い排気性能を実現することが可能となる。
【００２０】
クライオパネルの露出による排気速度の向上は、要求される排気速度を実現する吸着領域面積の低減に寄与する。パネルの露出により気体の流れ性が良好となり、吸着領域の単位面積当たりの排気速度が高くなるからである。つまり、要求排気速度を実現するために必要な吸着領域面積が少なくて済む。その結果、必要なパネル面積も低減される。それとともにクライオパネル構造体の重量も低減される。
【００２１】
パネル重量の低減により、クライオポンプの再生処理の所要時間が短縮される。クライオポンプはいわゆるため込み式の真空ポンプであるから、内部に蓄積された気体を適宜の頻度で外部に排出する再生処理が実行される。再生は、クライオパネルとしての動作温度よりも高温（例えば常温）にクライオパネルを昇温し、パネル表面に凝縮または吸着されている気体を再放出させて外部に排出し、再度クライオパネルの動作温度に冷却する処理である。再生時間を決める１つの大きな要因は、再冷却に要する時間である。再冷却時間は、パネル構造体重量に相関する。よって、本実施形態によればパネル構造体の重量が低減されるので、再冷却時間が短縮され、再生時間も短縮される。
【００２２】
上述の設計コンセプトの一具体例に係るクライオポンプは、クライオポンプ容器と、冷凍機と、中間部材と、クライオパネルと、を備える。クライオポンプ容器は、排気されるべき気体が進入する吸気口を有する。冷凍機は、クライオポンプ容器内部に配設される冷却ステージを備える。中間部材は、クライオパネルと冷却ステージとを熱的に接続する。クライオパネルは、冷却ステージよりも下方に中間部材との接続部を有し、接続部から上向きに延在する。
【００２３】
他の具体例に係るクライオポンプは、冷凍機と、クライオパネルと、を備える。クライオパネルは、クライオポンプ内部容積の中心部よりも下方に冷凍機へと熱的に接続するための接続部を有し、接続部から上向きに延在する。
【００２４】
他の具体例に係るクライオポンプは、クライオパネルと、パネル取付部材と、を備える。クライオパネルは、クライオポンプ内部容積において所定のレイアウトに配置される。パネル取付部材は、クライオパネルが取り付けられるパネル取付面を有し、クライオパネルを既定のレイアウトに支持する。パネル取付部材は、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を実質的に最小とするように配置される。パネル取付面は例えばクライオポンプ開口に対向する平面であってもよい。この場合、パネル取付部材は、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を実質的に最小とするようパネル取付面の法線方向の位置が定められていてもよい。
【００２５】
クライオパネルの表面には気体を凝縮または吸着により捕捉して排気するための極低温面が形成される。クライオパネル表面の少なくとも一部には気体を吸着するための吸着剤が取り付けられて吸着領域が形成される。吸着領域の少なくとも一部は、クライオポンプ開口面に露出される。吸着剤としては、例えば活性炭が使用される。クライオパネルの両面の全域に粒状の活性炭が接着され、パネルの全表面が吸着領域とされていてもよい。
【００２６】
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプ１０の一部を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の高真空環境を要する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プロセスに要求されるレベルにまで高めるために使用される。例えば１０＾−５Ｐａ乃至１０＾−８Ｐａ程度の高い真空度が実現される。
【００２７】
クライオポンプ１０は、ポンプ容器１２と、冷凍機１４と、パネル構造体１６と、熱シールド１８とを含んで構成される。図１に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１０とは一般に、筒状の熱シールド１８の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に沿って冷凍機１４の第２冷却ステージ２２が熱シールド１８の内部に挿入され配置されているクライオポンプ１０である。
【００２８】
なお、本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、熱シールド１８の軸方向に沿って冷凍機１４が挿入されて配置されているクライオポンプである。
【００２９】
図１は、ポンプ容器１２及び熱シールド１８の中心軸を含み、冷凍機１４の中心軸に直交する平面による断面を模式的に示す図である。図１では、真空チャンバからクライオポンプ内部への気体の進入方向を矢印Ａで表している。また、図２は、気体進入方向Ａから見たときのパネル構造体１６を模式的に示す図である。
【００３０】
なお、気体進入方向Ａは、クライオポンプ外部から内部に向かう方向と理解すべきである。図において気体進入方向Ａがクライオポンプ１０の軸方向に平行とされているのは、便宜上説明をわかりやすくするためにすぎない。クライオポンピング処理においてクライオポンプ内部へと進入する気体分子の実際の進入方向は、当然、図示される気体進入方向Ａに厳密に一致するものではなく、むしろ気体進入方向Ａに交差する方向であることが普通である。
【００３１】
ポンプ容器１２は、一端に開口２０を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成された部位を有する。ポンプ容器１２の内部にパネル構造体１６及び熱シールド１８が配設されている。開口２０は、排気されるべき気体が進入する吸気口として設けられている。開口２０はポンプ容器１２の筒状側面の上端部内面により画定される。ポンプ容器１２の上端部には径方向外側に向けて取付フランジ３０が延びている。クライオポンプ１０は、排気対象容積であるイオン注入装置等の真空チャンバに取付フランジ３０を用いて取り付けられる。なおポンプ容器１２の断面は円形状には限られず、他の形状例えば楕円形状や多角形形状であってもよい。
【００３２】
冷凍機１４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）である。また冷凍機１４は２段式の冷凍機であり、第１冷却ステージ（図示せず）及び第２冷却ステージ２２を有する。第２冷却ステージ２２は、ポンプ容器１２及び熱シールド１８に包囲され、ポンプ容器１２及び熱シールド１８の内部空間の中心部に配置されている。第１冷却ステージは第１の冷却温度レベルに冷却され、第２冷却ステージ２２は第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される。第２冷却ステージ２２は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１冷却ステージは例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。なお、第１の実施形態に係るクライオポンプ１０において、図６を参照して後述する第２の実施形態に係るクライオポンプ１０の冷凍機１４を用いることも可能である。
【００３３】
熱シールド１８は、冷凍機１４の第１冷却ステージに熱的に接続された状態で固定され、第１冷却ステージと同程度の温度に冷却される。熱シールド１８は、パネル構造体１６及び第２冷却ステージ２２を周囲の輻射熱から保護する輻射シールドとして設けられている。熱シールド１８もポンプ容器１２と同様に、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成されている。熱シールド１８はカップ状の形状に形成されている。ポンプ容器１２及び熱シールド１８はともに略円筒状に形成されており、同軸に配設されている。ポンプ容器１２の内径が熱シールド１８の外径を若干上回っており、熱シールド１８はポンプ容器１２の内面との間に若干の間隔をもってポンプ容器１２とは非接触の状態で配置される。
【００３４】
熱シールド１８の内部空間の中心部に冷凍機１４の第２冷却ステージ２２が配置されている。冷凍機１４は熱シールド１８の側面の開口から挿入され、その開口部に第１冷却ステージが取り付けられる。よって、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２は、熱シールド１８の中心軸上において開口２０と最深部との中間に配置される。
【００３５】
なお熱シールド１８の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には熱シールド１８の形状はポンプ容器１２の内面形状に相似する形状とされる。また、熱シールド１８は図示されるような一体の筒状に構成されていなくてもよく、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。
【００３６】
また熱シールド１８の開口にはバッフル２３が設けられている。本実施形態ではバッフル２３は、ルーバーである。ルーバー２３は、パネル構造体１６とは熱シールド１８の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。ルーバー２３は、熱シールド１８の開口側の端部に取り付けられており、熱シールド１８と同程度の温度に冷却される。ルーバー２３は、気体進入方向Ａから見たときに例えば同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。なお、ルーバー２３と真空チャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられている。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバを排気するときに開とされる。
【００３７】
パネル構造体１６は、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に熱的に接続された状態で固定されており、第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。パネル構造体１６は、複数のクライオパネル２４と、接続部材２６と、中間部材２８と、を備える。冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に接続部材２６が取り付けられ、接続部材２６に中間部材２８が取り付けられ、中間部材２８に複数のクライオパネル２４が取り付けられる。クライオパネル２４、接続部材２６、及び中間部材２８はともに例えば銅などの材質で形成される。銅を基材として表面をニッケルでメッキしたものを用いてもよい。また、銅に代えて、アルミニウムでクライオパネル２４等を形成してもよい。熱伝導度を重視する場合には銅を用いればよいし、軽量化ひいては再生時間の短縮を重視する場合にはアルミニウムを用いてもよい。
【００３８】
接続部材２６は、パネル構造体１６を第２冷却ステージ２２に熱的に接続しかつ機械的に支持するための連結部材として設けられている。中間部材２８は、接続部材２６を介して複数のクライオパネル２４を第２冷却ステージ２２へと熱的に接続し、かつクライオパネル２４を支持するパネル取付部材として設けられている。また、接続部材２６及び中間部材２８を併せてパネル取付部材であるとみなすこともできる。接続部材２６と中間部材２８とは、別体の部材として形成されていてもよいし、一体に形成されていてもよい。クライオパネル２４は、中間部材２８及び接続部材２６を介して冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に熱的に接続され、第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。中間部材２８及び接続部材２６も同様に第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。
【００３９】
パネル構造体１６は全体として、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２から下方または熱シールド１８の深部に向けて接続部材２６によって吊り下げられた構成を有する。接続部材２６は、パネル構造体１６を冷凍機１４に吊り下げて支持する吊下部材である。このため、パネル構造体１６を開口２０から離して配置することができる。その結果、開口２０を通じてパネル構造体１６に入射する輻射熱を低減することができる。また、パネル構造体１６と開口２０との間の空間を利用してクライオパネル面積を比較的大きくすることも可能となり、クライオポンプの排気性能の向上にも寄与する。
【００４０】
接続部材２６は、中間部材２８を第２冷却ステージ２２に吊り下げて支持する。中間部材２８は、第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して開口２０から離れた位置に配置される。中間部材２８は、複数のクライオパネル２４の末端部を支持する。クライオパネル２４は中間部材２８から上方または熱シールド１８の開口２０に向けて延在する。
【００４１】
よって、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２からクライオパネル２４の先端への伝熱経路は、熱シールド１８内部において蛇行する。すなわち、冷凍機１４からクライオパネル２４の先端への伝熱経路は、第２冷却ステージ２２から熱シールド１８の深部へと延び、折り返して熱シールド１８の開口２０に向けて延びる。伝熱経路は中間部材２８において折り返す。パネル構造体１６をこのような折り返し構造とすることにより、クライオパネル面積を大きくすることができる。これにより、クライオポンプ１０に高い排気性能を実現することが可能となる。
【００４２】
クライオパネル表面の少なくとも一部には気体を吸着するための吸着剤を設置するための吸着剤貼付面が形成される。本実施形態では、クライオパネル２４の両面の全域が吸着剤貼付面とされる。本実施形態では、クライオパネル２４の両面の全域に吸着剤２５が接着されて全表面が吸着領域とされている。吸着剤２５は例えば、粒状の活性炭である。すべての吸着剤貼付面が開口２０に露出されている。
【００４３】
クライオパネル２４は、中間部材２８に接続される末端部である接続部３２と、開口２０に最も近接する先端部３４と、接続部３２と先端部３４とを接続する中間部３６とを有する。本実施形態では、接続部３２と先端部３４と中間部３６とは１枚のプレートにより形成されている。接続部３２と先端部３４と中間部３６とはそれぞれが別体に形成され、互いに連結されて１枚のクライオパネル２４が形成されてもよい。クライオパネル２４は、接続部３２が中間部材２８に取り付けられる。例えば接続部３２の末端にフランジが形成され、ボルト及びナット等の適宜の固定手段によりそのフランジが中間部材２８に取り付けられる。なお、クライオパネル２４と中間部材２８とが一体の部材として形成されていてもよい。
【００４４】
中間部材２８が第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して開口２０から離れた位置に配置されているので、クライオパネル２４の接続部３２も同様に第２冷却ステージ２２よりも開口２０から離れた位置に配置される。クライオパネル２４は、接続部３２から開口２０に向けて延在する。クライオパネル２４の先端部３４は、熱シールド１８の中心部及び第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して開口２０に近接する位置に配置される。クライオパネル２４の中間部３６は、気体進入方向Ａに関して熱シールド１８の中心部及び第２冷却ステージ２２に相当する位置に配置される。クライオパネル２４は、熱シールド１８の内部空間の中心部を越えて接続部３２から先端部３４へと気体進入方向Ａに沿って延在する。
【００４５】
本実施形態では熱シールド１８とポンプ容器１２とはほぼ相似形状であるので、クライオパネル２４の接続部３２は、ポンプ容器１２の中心部よりも気体進入方向Ａに関して開口２０から離れている。また、クライオパネル２４の先端部３４は、ポンプ容器１２の中心部よりも気体進入方向Ａに関して開口２０に近接している。このように、クライオパネル２４が気体進入方向Ａに関して熱シールド１８またはポンプ容器１２の中心部を越えて延在されていることにより、気体進入方向Ａに沿って配置されるクライオパネル面積を大きくすることができる。これにより、クライオポンプ１０に高い排気性能を実現することが可能となる。
【００４６】
なお、クライオパネル２４は、先端部３４が熱シールド１８またはポンプ容器１２の中心部よりも下方または深部に配置されていてもよい。同様に、クライオパネル２４の先端部３４は、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２よりも下方に配置されていてもよい。この場合、クライオパネル２４は、先端部３４において折り返し構造を有し、クライオポンプ下方に向けて再度延在するようにしてもよい。つまり、クライオパネル２４は、接続部３２から先端部３４へと延び、先端部３４においてクライオポンプ下方に向けて折り返されるように形成されていてもよい。このようにすれば、気体進入方向Ａにおけるクライオパネル２４の長さを抑えつつパネル面積を大きくすることができる。また、輻射熱を避けるべくパネル構造体１６をポンプ底部にコンパクトに設けることも可能となる。クライオパネル２４の先端部３４の位置及び形状等は例えば、クライオポンプ１０への要求排気性能と外部からの輻射熱の影響とを考慮して定めればよい。
【００４７】
クライオパネル２４は、開口２０またはルーバー２３から間隔をあけて熱シールド１８の内部に配置され、開口２０またはルーバー２３に対して露出されている。クライオパネル２４と開口２０またはルーバー２３との間には上部空間３８が形成される。上部空間３８には、ポンプ外部から見たときにクライオパネル２４を遮蔽する遮蔽部材が設けられていない。このため、上部空間３８は、外部からの進入気体のクライオパネル２４への流れ性の向上に寄与する。よって、クライオパネル２４の単位面積当たりの排気速度が向上される。
【００４８】
クライオパネル２４は、少なくとも接続部３２が開口２０に向けて露出される。本実施形態では、クライオパネル２４の先端部３４及び中間部３６も開口２０に向けて露出される。このため、クライオパネル２４の全体が開口２０に向けて露出されている。よって、クライオパネル２４は、外部から熱シールド１８の内部空間に進入した気体分子を表面全域で直接的に受けることができる。クライオパネル２４の吸着剤貼付面の全体が気体分子を直接的に受けることができる。よって、吸着剤２５が開口２０に対して遮蔽されている構成とは異なり、効率的に気体を処理することができる。本実施形態ではクライオパネル２４の全表面が吸着領域とされているので、水素等の非凝縮性気体を効率的に排気することができる。このようなパネル構成は、非凝縮性気体を主たる排気気体とする例えばイオン注入装置用のクライオポンプとして好ましい。
【００４９】
また、クライオパネル２４は、気体進入方向Ａに平行に配置されている。本実施形態ではクライオパネル２４は中間部材２８に垂直に立設されている。よってクライオパネル２４は開口２０に対して垂直に配置されている。クライオパネル２４の両面を均等に排気に利用することができるので、効率的に気体を排気することができる。しかし、気体の流れ性及び外部からの輻射熱等を総合的に考慮して、気体進入方向Ａに交差するようクライオパネル２４を傾斜させて配置してもよい。
【００５０】
本実施形態では図２に示されるように、クライオパネル２４はそれぞれ放射状に配置される。冷凍機１４の挿入に必要となる部位を除いて、クライオパネル２４は等間隔に配置されている。例えば１０度乃至２０度の等角度間隔にクライオパネル２４は配置されている。クライオパネル２４は円板状の中間部材２８の径方向外周側に設けられており、中間部材２８の中心部にはパネルに包囲される円柱状空間が形成される。クライオパネル２４の幅は中間部材２８の径方向において例えば最外周部から中間部材２８の半径の半分程度の位置までを占めるように設定されている。この場合中間部材２８の中心部には中間部材２８の直径の半分程度の直径を有する円柱状空間が形成される。このように、クライオパネル２４を中間部材２８の表面で放射状に配置する場合にはパネルを中間部材表面の外周側に設け中心部に開放空間を形成することが好ましい。これにより中心部でのパネルの密集を避けることができるので気体の流れ性を良好にすることができる。
【００５１】
なお上述の実施形態とは異なるパネル配置を採用してもよい。例えば、放射状のパネル配置ではなく、各パネルを平行に配列したり、格子状に配置してもよい。各パネルの間隔は共通であってもよいし、異ならせてもよい。あるいは、中間部材２８の最外周部に中間部材２８と同径の円筒状外周パネルを設けてもよい。外周パネルに加えて小径の同心円筒パネルをさらに設けてもよい。
【００５２】
図１に示されるように、クライオパネル２４は、接続部３２から先端部３４に向けて連続的に幅が拡張された台形形状を有する。クライオパネル２４の外周側の側端部は気体進入方向Ａに平行とされ、内周側の側端部は気体進入方向Ａに交差する方向に延びている。クライオパネル２４の形状は、図１に示される台形形状には限られず、矩形形状であってもよいし、他の形状であってもよい。また、各クライオパネル２４の形状は、互いに異なっていてもよく、例えば複数種類の形状のクライオパネルを混在させてもよい。例えば、大型のクライオパネルと小型のクライオパネルとを混在させて配置してもよい。
【００５３】
中間部材２８は、例えば円板状の形状を有する平板状の部材である。中間部材２８の上面すなわち開口２０を向く面がパネル取付面となる。パネル取付面は円形の平面である。なお、中間部材２８は円板状の平板部材でなくてもよく、他の形状の平板部材であってもよい。あるいは中間部材２８は湾曲形状または屈曲形状を有していてもよく、例えば中心部に近づくほど開口２０に向けて近接するようなドーム状の形状であってもよい。この場合、パネル取付面は、ドーム状の湾曲面となる。
【００５４】
なお、中間部材２８の下面にもパネル取付面を形成して複数のクライオパネル２４を取り付けてもよい。この場合、隣接するパネル間において、気体の流通を促進させるためのスリットを中間部材２８に形成してもよい。このようにすればクライオポンプ底部側に向けて立設されているパネルへの気体流通を促進させることができる。
【００５５】
接続部材２６は、例えば第２冷却ステージ２２を包囲するように形成されている。接続部材２６は、開口２０側の一端に冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に取り付けられる冷凍機取付部を有し、ポンプ底部側の他端に中間部材２８に取り付けるためのフランジが形成されている。冷凍機取付部の周囲から吊下部がポンプ下方に向けて延び、吊下部の末端にフランジが形成される。接続部材２６のフランジは、ボルト及びナット等の適宜の固定手段により中間部材２８に取り付けられる。
【００５６】
接続部材２６とクライオパネル２４とは中間部材２８を介して間接的に接続される。しかし、クライオパネル２４の先端部３４への熱伝導性を向上させるために、クライオパネル２４の先端部３４に接続部材２６を直接に接続する伝熱経路を設けてもよい。この伝熱経路は、気体の流れ性への影響を最小化するように形成されることが好ましく、例えば気体進入方向Ａに平行に配置される面で構成されることが望ましい。
【００５７】
上述のように本実施形態においては、クライオパネル２４は例えば放射状かつ等間隔のレイアウトに配置される。パネル取付面を有するパネル取付部材としての中間部材２８は、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を最小とするように配置される。パネル取付面は例えばクライオポンプ１０の開口２０に対向しかつ平行に配置される円形の平面であり、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を最小とするように気体進入方向Ａに関する中間部材２８の位置が設定される。形態係数を最小化するようにパネル取付面の位置が定められることにより、パネル取付面への外部からの輻射熱入力を最小化することができる。よって、パネル構造体１６に入射する輻射熱を低減することができる。
【００５８】
一般に、２つの面Ａ１及び面Ａ２の間の輻射熱Ｑは、面Ａ１から面Ａ２を見たときの形態係数（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｆａｃｔｏｒ）φ１２を用いて、次式で表される。
Ｑ＝εσ（Ｔ１４−Ｔ２４）Ａ１φ１２
【００５９】
すなわち、輻射熱Ｑは形態係数φ１２に依存する。形態係数φ１２が大きいほど輻射熱Ｑが大きくなる。ここで、εは輻射率（すなわち吸収率）であり、σはシュテファン・ボルツマン定数であり、Ｔ１及びＴ２はそれぞれ面Ａ１及び面Ａ２の温度であり、Ａ１は面Ａ１の面積である。
【００６０】
輻射熱Ｑは輻射率εに比例する。輻射率εは黒体の場合ε＝１である。銅の表面にニッケルめっきがされている場合には、輻射率εは表面温度が例えば２０Ｋのとき０．０２７である。これに対して、活性炭は黒体であると考えられるから、金属のパネル表面に比べて輻射率εがきわめて大きい。また吸着剤として活性炭以外のものを使用するとしても、輻射率εは金属面に比べると相当大きくなる。よって、吸着剤がクライオポンプ開口面に露出されている場合には、吸着剤を通じてクライオパネルに入射する輻射熱が大きくなる。
【００６１】
形態係数φ１２は、一般に次式で表される。
【数１】
ここで、Ａｉ（ｉ＝１，２）は、面Ａｉの面積であり、ｌはｄＡ１ｄＡ２間の距離であり、βｉはｄＡｉ（ｉ＝１，２）の法線方向とｌのなす角度である。
【００６２】
したがって、クライオポンプ１０の中心軸上でパネル取付面を向く微小外部熱源を仮定すれば、パネル取付面の向き、パネル取付面の面積、及びクライオポンプ１０の中心軸上でのパネル取付面の位置を定めることにより形態係数が与えられる。上述のようにパネル取付面が例えばクライオポンプ１０の開口２０に対向し平行に配置される円形の平面である場合には、パネル取付面の径を小さくするとともにクライオポンプ１０の中心軸上において（つまり気体進入方向Ａにおいて）パネル取付面をポンプ底部に近接させることにより形態係数を小さくすることができる。距離ｌの形態係数への寄与が相対的に大きいと考えられるから、ポンプ中心軸上でのパネル取付面の位置のみを変数として形態係数を最小化してもよい。
【００６３】
本実施形態における放射状クライオパネル配置においてパネル取付面の形態係数を最小化するには、クライオパネル２４のポンプ下方の端部（すなわち接続部３２）に相当する位置にパネル取付面を形成すればよいことになる。外部熱源とパネル取付面との距離が最大化されるからである。
【００６４】
このように本実施形態によれば、所望の排気性能を実現するクライオパネルレイアウトが、最小の形態係数となるパネル取付面によって支持される。このため、要求排気性能の実現と輻射熱入力の低減との両立を図ることができる。
【００６５】
なお、パネル取付面及びパネル取付部材が熱シールド１８の最深部または側部に近接する場合には、熱シールド１８からの輻射も加味してパネル取付面の配置及び形状を設計してもよい。
【００６６】
上述のクライオポンプ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を用いて排気対象容積例えばイオン注入装置の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１４の駆動により第１冷却ステージ及び第２冷却ステージ２２が冷却され、熱シールド１８、ルーバー２３、及びパネル構造体１６も接続先の冷却ステージの冷却温度レベルに冷却される。クライオパネル２４は、第２冷却ステージ２２によって、接続部材２６及び中間部材２８含む蛇行伝熱経路を通じて冷却される。
【００６７】
冷却されたルーバー２３は、排気対象容積からクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。ルーバー２３の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はルーバー２３を通過して熱シールド１８内部へと進入する。進入した気体分子のうちパネル構造体１６の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えばアルゴンなど）は、パネル構造体１６の表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、パネル構造体１６の表面の吸着剤により吸着されて排気される。
【００６８】
イオン注入装置の真空チャンバを排気する場合には気体の大半が水素である。クライオパネル２４の先端部３４はクライオポンプ開口面に対し露出されており、先端部３４に設けられている吸着剤２５により水素ガスは特に効率的に吸着され排気される。クライオパネル２４の中間部３６及び接続部３２もクライオポンプ開口面に対して露出されているので、これらの部位でも進入気体が効率的に排気される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバ内部の真空度を所望のレベルに到達させることができる。
【００６９】
ここで、図３に示されるクライオポンプ１００と比較して、本実施形態における排気効率の向上及び再生時間の短縮について説明する。図３に示されるクライオポンプ１００は、パネル構造体１１６の構成を除き、図１に示されるクライオポンプ１０と同様の構成を有する。クライオポンプ１００は、ポンプ容器１１２、冷凍機１１４、パネル構造体１１６、熱シールド１１８を備える。クライオポンプ１００は横型のクライオポンプであり、熱シールド１１８の中心軸に垂直に冷凍機１１４が挿入され、冷凍機１１４の第２冷却ステージ１２２が熱シールド１１８の中心に配置されている。吸気口となる熱シールド１１８の開口１２０にはルーバー１２３が設けられている。
【００７０】
パネル構造体１１６は、クライオパネル１３０、パネル取付部材１３２、及び冷凍機取付部材１３４を備える。クライオパネル１３０は、開口１２０の近傍の末端でパネル取付部材１３２の下面に取り付けられ、ポンプ下方に向けて延びている。パネル取付部材１３２は、冷凍機１１４の第２冷却ステージ１２２とルーバー１２３との間において開口１２０に平行に配置されている円板状部材である。パネル取付部材１３２は、外部からクライオパネル１３０への輻射熱を低減する輻射シールドである。パネル取付部材１３２の下面中心部と第２冷却ステージ１２２とを冷凍機取付部材１３４が接続している。クライオパネル１３０は、パネル取付部材１３２及び冷凍機取付部材１３４を介して冷凍機１１４の第２冷却ステージ１２２に熱的に接続されている。クライオパネル１３０は、例えば台形形状の平板であり、ポンプ下方に延びるにつれて幅が拡張されるように配置されている。クライオパネル１３０の両面の全体に吸着剤貼付面が形成され、吸着材１２５としての例えば活性炭が接着されている。
【００７１】
図４は、パネル取付部材１３２を開口１２０側から見た図である。図４においては、パネル取付部材１３２の下面に取り付けられているクライオパネル１３０及び冷凍機取付部材１３４を破線で示している。クライオパネル１３０は、放射状かつ等角度間隔例えば１５度間隔に設けられている。冷凍機１１４の取付空間を確保するためにパネル取付部材１３２の下面の一部（図４においては右方）にはクライオパネル１３０は設けられていない。このため、パネル取付部材１３２には例えば合計１９枚のクライオパネル１３０が密集して設置されている。
【００７２】
また、パネル取付部材１３２には、貫通孔１３８が形成されている。貫通孔１３８は、開口１２０からクライオパネル１３０への気体の流れ性を良好にするために設けられている。貫通孔１３８は、パネル取付部材１３２の径方向においてクライオパネル１３０と冷凍機取付部材１３４との間に複数箇所例えば４箇所設けられている。パネル取付部材１３２は、クライオパネル１３０が取り付けられる外周部１４２と冷凍機取付部材１３４が取り付けられる中心部１４４との間の大半が貫通孔１３８により開放されている。外周部１４２と中心部１４４とは連結部１４０により接続されている。連結部１４０は直線状に形成されており、放射状に等間隔に例えば９０度間隔に４箇所設けられている。なお、気体の流れ性向上のために、パネル取付部材１３２は、２つの隣接するクライオパネル１３０間にスリットが設けられていてもよい。
【００７３】
このようにパネル取付部材１３２の外周部１４２と中心部１４４との間が開放されていることにより、気体の流れ性が向上されてパネル構造体１１６の中心部に気体分子が到達しやすくなる。このため、良好な排気性能を実現することができる。例えば、良好な排気速度及び吸蔵量を実現することができる。
【００７４】
本発明の第１の実施形態によれば、図３に示されるタコ足型のクライオポンプ１００と同等の排気速度を小さいパネル面積で実現することができる。一例として、タコ足型のクライオポンプ１００では１１０００Ｌ／ｓ乃至１２０００Ｌ／ｓの水素ガス排気速度を実現することができる。比較のため、本実施形態に係る吊り下げ型クライオポンプ１０において、タコ足型クライオポンプ１００と同様に合計１９枚の放射状パネルレイアウトを採用した場合を説明する。この場合、吊り下げ型クライオポンプ１０は、タコ足型クライオポンプ１００よりもパネル長さを２０％短くして活性炭貼付面積を２４％低減させても、同様に１１０００Ｌ／ｓ乃至１２０００Ｌ／ｓの水素ガス排気速度を達成することが実験により確認された。
【００７５】
このように、本実施形態によれば、活性炭設置領域の単位面積あたりの排気速度が大きく向上され、高い排気効率が実現される。また、要求排気速度を達成することが、よりコンパクトなパネル構造体１６によって可能となるので、パネル構造体１６をクライオポンプ１０の深部に配置して開口２０との間隔を大きく取ることができる。これにより、外部からクライオパネル２４への輻射熱も低減することができる。
【００７６】
また、このとき吊り下げ型クライオポンプ１０のクライオパネル２４の総重量は、タコ足型クライオポンプ１００に比べて２０％低減される。その結果、再生処理におけるクライオパネル２４及び表面の活性炭の再冷却時間が低減される。吊り下げ型クライオポンプ１０とタコ足型クライオポンプ１００とで同量の水素ガスを吸着により排気したときの再生時間は、タコ足型クライオポンプ１００では例えば１６８分間であるのに対し、吊り下げ型クライオポンプ１０では例えば１３２分間に短縮されることが実験により確認された。この２６分間の短縮は、再冷却時間の短縮によるものである。
【００７７】
このように、本実施形態によれば、吊り下げ型という新たなコンセプトを採用することにより、きわめて実用性に優れるクライオポンプを実現することができる。まず、クライオパネルへの輻射熱の影響軽減と高い排気効率の実現との両立を図ることができる。また、実用上充分な排気性能をコンパクトなクライオパネル構造体で達成することができる。さらに、再生時間を大きく短縮することもできる。
【００７８】
図５は、第１の実施形態の変形例を示す図である。上述の第１の実施形態に係るクライオポンプ１０においては、開口２０とクライオパネル２４の先端部３４との間隔は、熱シールド１８の最深部とパネル構造体最下部（すなわち中間部材２８）との間隔と同程度とされている。パネル構造体１６の上方及び下方の空間の中心軸方向の長さが同程度とされている。しかし、パネル構造体１６の上部空間３８は、パネル構造体１６の下方の空間に比べてより広くされてもよいし、狭くされてもよい。
【００７９】
例えば図５に示されるように、パネル構造体１６は、その重心位置がクライオポンプ内部空間の中心部よりも下方に位置するように設けられてもよい。この場合、パネル構造体１６の上部空間３８は、パネル構造体１６の下部空間４０よりも広くされている。より具体的に言えば、開口２０とクライオパネル２４の先端部３４との間隔が、ポンプ容器１２または熱シールド１８の最深部とクライオパネル２４の接続部３２との間隔よりも大きい。また、各クライオパネル２４の重心位置は、ポンプ内部空間の中心部または冷凍機１４の第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して開口２０から離れた位置に設けられている。このように上部空間３８を広くすることにより、外部からの輻射熱によるパネル構造体１６への影響を低減することができる。
【００８０】
また、パネル構造体１６をポンプ底部に設けることにより気体進入方向Ａのクライオパネル長さを長くすることが可能となるため、クライオパネル面積を大きくすることも可能となる。よって、排気性能の向上も図ることができる。
【００８１】
次に図６を参照して本発明の第２の実施形態に係るクライオポンプ１０を説明する。第２の実施形態に係るクライオポンプ１０は、冷凍機１４及びクライオパネル２４の位置関係に関して第１の実施形態とは異なる。第１の実施形態においてはクライオパネル２４がポンプ底部から開口２０に向けて第２冷却ステージ２２を越えて延びているのに対し、第２の実施形態においてはクライオパネル２４は冷凍機１４よりも開口２０に近接して配置されている。第２の実施形態では、パネル構造体１６の重心位置を低くするために冷凍機１４の取付位置がポンプ底部近傍とされている。
【００８２】
なお以下の説明では第１の実施形態と同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。第１の実施形態及びこれに付随して説明された各変形例は、第２の実施形態及びこれに付随して説明される各変形例に適宜組み合わせることも可能である。
【００８３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係るクライオポンプ１０の断面を模式的に示す図である。このクライオポンプ１０は、第１の実施形態と同様にいわゆる横型のクライオポンプである。
【００８４】
図６に示されるように冷凍機１４は、第１段シリンダ６、第２段シリンダ７、及びモータ（図示せず）を含む。第１段シリンダ６と第２段シリンダ７とは直列に接続されており、互いに連結される第１段ディスプレーサ８及び第２段ディスプレーサ９がそれぞれ内蔵されている。第１段ディスプレーサ８及び第２段ディスプレーサ９がモータによって第１段シリンダ６及び第２段シリンダ７の内部を往復動することにより、内部を流通するヘリウムガス等の冷媒が断熱膨張され寒冷が発生される。圧縮機５は、冷凍機１４の冷媒ガスを昇圧して冷凍機１４へと送出し、冷凍機１４で断熱膨張した冷媒ガスを回収して再び昇圧する。
【００８５】
第１段シリンダ６の第２段シリンダ７側の端部に第１冷却ステージ２１が設けられている。また、第２段シリンダ７の末端に第２冷却ステージ２２が設けられている。第１冷却ステージ２１及び第２冷却ステージ２２はそれぞれ第１段シリンダ６及び第２段シリンダ７に例えばろう付けで固定される。
【００８６】
カップ状の部材に形成されている熱シールド１８の開口２０にはバッフル２３が取り付けられている。バッフル２３はシェブロン形状とされている。ポンプ容器１２は、熱シールド及び冷凍機１４の第１段シリンダ６及び第２段シリンダ７を気密に収容するように形成されている。
【００８７】
熱シールド１８の側面において中心部よりもポンプ底部側に冷凍機取付孔４２が形成されている。冷凍機取付孔４２は熱シールド１８側面のポンプ底部近傍に形成されている。冷凍機１４の第２段シリンダ７及び第２冷却ステージ２２は冷凍機取付孔４２から熱シールド１８の中心軸方向に垂直な方向に沿って挿入されている。熱シールド１８は、冷凍機取付孔４２において第１冷却ステージ２１に熱的に接続された状態で固定される。このように第２の実施形態においては、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２は、気体進入方向Ａに関して熱シールド１８の中心部よりも開口２０から離れた位置に配置されている。同様に第２冷却ステージ２２は気体進入方向Ａに関してポンプ容器１２の中心部よりも開口２０から離れた位置に配置されている。また第２冷却ステージ２２は、クライオパネル２４の接続部３２よりも開口２０から離れてポンプ内部空間に配置されている。
【００８８】
第２冷却ステージ２２には、パネル構造体１６が熱的に接続された状態で固定される。第２冷却ステージ２２に接続部材２６が取り付けられ、接続部材２６に中間部材２８が取り付けられ、中間部材２８にクライオパネル２４が立設されている。中間部材２８は、例えば矩形の平板部材であり、中間部材２８の開口２０側の面にクライオパネル２４が垂直に立設されている。クライオパネル２４の両面の全体に吸着剤貼付面が形成され、吸着剤２５としての例えば活性炭が接着されている。
【００８９】
クライオパネル２４は例えば矩形の平板部材であり、気体進入方向Ａに関して長さの異なる２種類の寸法のクライオパネルが交互に設けられている。気体進入方向Ａに関する長さが大きいクライオパネルと長さが小さいクライオパネルとを混在させることにより、ポンプ内部空間において単位体積当たりの吸着領域の密度を開口２０からの距離に応じて調整することができる。図示されるように、開口２０の近傍では比較的クライオパネル２４が疎に配設され、開口２０から離れて中間部材２８近傍では比較的クライオパネル２４が密に配設される。その結果、開口２０近傍での気体の流れ性を良好にすることができる。それとともに中間部材２８近傍ではパネルが密集配置され大きなパネル面積を確保することができる。
【００９０】
第２の実施形態においては、ポンプ底部から開口２０に向けて、接続部材２６、中間部材２８、クライオパネル２４の順に配置されている。クライオパネル２４の接続部３２はポンプ容器１２または熱シールド１８の中心部よりも開口２０から離れた位置に設けられ、クライオパネル２４はポンプ容器１２または熱シールド１８の中心部よりも開口２０に近接する位置まで延在している。このようにしても、ポンプ内部空間の比較的下方にパネル構造体１６を設置することができるので、外部からの輻射熱を低減することができる。また、パネル構造体１６の上部に空間をとることができるので、気体の流れ性が向上され排気性能も向上される。また、パネル構造体１６の上部空間を利用して比較的大面積のクライオパネル２４を設置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプの一部を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプの一部を模式的に示す図である。
【図３】第１の実施形態の比較例のクライオポンプの一部を模式的に示す図である。
【図４】第１の実施形態の比較例のクライオポンプの一部を模式的に示す図である。
【図５】第１の実施形態の変形例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るクライオポンプの断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０ クライオポンプ、 １２ ポンプ容器、 １４ 冷凍機、 １６ パネル構造体、 １８ 熱シールド、 ２０ 開口、 ２１ 第１冷却ステージ、 ２２ 第２冷却ステージ、 ２３ バッフル、 ２４ クライオパネル、 ２５ 吸着剤、 ２６ 接続部材、 ２８ 中間部材、 ３２ 接続部、 ３４ 先端部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クライオポンプ及び真空排気方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
例えば特許文献１には、ガス侵入方向に関して熱シールドパネルの背面側に放射状に取り付けられ、熱シールドパネルから背面方向に延びる複数の細長板状パネルを有するクライオポンプが記載されている。
【特許文献１】特開平２−３０８９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述のクライオポンプにおいては、排気されるべき気体が進入する開口に近接かつ対向して熱シールドパネルが設けられている。このため、熱シールドパネルにより下部のクライオパネルへの気体の流れが阻害され、クライオポンプの排気速度が低くなる。また、クライオポンプ断面の大半を占める比較的大面積の熱シールドパネルがクライオポンプの開口に近接して配置されているから、外部からの輻射による熱入力が大きくなる。このためクライオパネルを充分に冷却するために必要な消費エネルギーが大きくなってしまう。またクライオパネル温度が上昇して、排気性能に悪影響を与えるおそれもある。
【０００５】
そこで、本発明は、輻射熱の影響を抑えつつ高い排気性能を実現するクライオポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、クライオポンプに関する。このクライオポンプは、排気されるべき気体が進入する吸気口を有するクライオポンプ容器と、クライオポンプ容器内部に配設される冷却ステージを備える冷凍機と、冷却ステージに熱的に接続される中間部材と、冷却ステージよりも気体進入方向に関して吸気口から離れた位置に中間部材との接続部を有し、接続部から吸気口に向けて延在するクライオパネルと、を備える。
【０００７】
この態様によれば、クライオパネルは、吸気口に向けて延在し、吸気口から離れた位置で冷凍機の冷却ステージへと接続される。このため、吸気口から進入する気体分子流をクライオパネル表面へとより効率的に到達させることができる。その結果、高い排気速度を実現することができる。また、クライオパネルは、冷却ステージに熱的に接続するための中間部材に吸気口から離れた位置で接続される。これにより、吸気口外部から中間部材へと入射する輻射熱を低減することができる。よって、クライオパネルへの外部からの輻射熱の影響を低減することができる。
【０００８】
本発明の他の態様は、クライオポンプに関する。このクライオポンプは、冷凍機と、排気されるべき気体が進入する開口を有する熱シールドと、熱シールドの中心部よりも開口から離れた位置に冷凍機へと熱的に接続するための接続部を有し、接続部から開口に向けて延在するクライオパネルと、を備える。
【０００９】
この態様によれば、クライオパネルは、熱シールドの開口に向けて延在し、その開口から離れた位置で冷凍機へと接続される。よって、外部から進入する気体分子流がクライオパネル表面へとより効率的に到達可能となり、高い排気速度を実現することができる。また、クライオパネルは、開口から離れた位置で冷凍機に接続されるので、接続部を通じてクライオパネルに入射する輻射熱を低減することもできる。
【００１０】
本発明の他の態様は、クライオポンプに関する。このクライオポンプは、クライオポンプ内部容積において所定のレイアウトに配置されるクライオパネルと、クライオパネルが取り付けられるパネル取付面を有し、クライオパネルを前記レイアウトに支持するパネル取付部材と、を備えてもよい。パネル取付部材は、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を最小とするように配置されていていもよい。
【００１１】
本発明の他の態様は、真空排気方法に関する。この方法においては、冷凍機と、排気されるべき気体が進入する開口を有する熱シールドと、熱シールドに包囲されて配設され冷凍機へと熱的に接続されているクライオパネルと、を備えるクライオポンプが使用される。この方法は、熱シールドの中心部を越えて延在するクライオパネルを熱シールドの中心部よりも開口から離れた位置で冷凍機に熱的に接続し、冷凍機を駆動してクライオパネルを冷却し、クライオパネルのうち少なくとも熱シールドの中心部よりも開口に近接する端部で気体分子を捕捉する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、排気性能に優れるクライオポンプが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、以下に説明する本発明に係る実施形態の概要を説明する。一実施形態においては、重心位置を低くした吊り下げ型のクライオパネルを有するクライオポンプが提供される。例えば冷凍機の冷却ステージよりも下側にクライオパネルの重心位置を設ける。または、クライオポンプ容器または熱シールドの内部空間の中心部よりも下側にクライオパネルの重心位置を設けてもよい。このようにクライオパネルをクライオポンプ容器の下方に配置するために、冷却ステージからクライオポンプ容器下方へと延びるパネル取付部材または中間部材が、クライオパネルを機械的に支持しかつ冷凍機に熱的に接続するために設けられてもよい。このパネル取付部材によってクライオパネルは冷却ステージに吊り下げられた構成となる。
【００１４】
本明細書では便宜上、クライオポンプ内部容積において吸気口近傍を上部または上方と呼び、その反対側すなわちクライオポンプ内部容積深部を下部または下方と呼ぶ。同様に、クライオポンプ容器内部から吸気口に向かう向きを上向きと呼び、逆に吸気口からクライオポンプ容器内部へと向かう向きを下向きと呼ぶ。
【００１５】
クライオポンプは、第１の冷却温度レベルに冷却される第１のクライオパネルと、第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される第２のクライオパネルと、を備えてもよい。第１のクライオパネルには、第１の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。例えば基準蒸気圧（例えば１０＾−８Ｐａ）よりも蒸気圧が低い気体が排気される。第２のクライオパネルには、第２の冷却温度レベルにおいて蒸気圧が低い気体が凝縮により捕捉されて排気される。第２のクライオパネルには、蒸気圧が高いために第２の温度レベルにおいても凝縮しない非凝縮性気体を捕捉するために表面に吸着領域が形成される。吸着領域は例えばパネル表面に吸着剤を設けることにより形成される。非凝縮性気体は、第２の温度レベルに冷却された吸着領域に吸着されて排気される。
【００１６】
凝縮された凝縮性気体により吸着領域が覆われた場合には非凝縮性気体の吸着領域への接触が妨げられることになる。そうすると非凝縮性気体の吸着性能が低下し、ひいては非凝縮性気体の排気性能が低下する。例えば気体の排気速度も低下するし、吸蔵量も低下する。よって、非凝縮性気体の排気性能を維持するためには、吸着領域を吸気口に露出しないように配置して凝縮性気体が吸着領域に到達しにくくすることが望ましい。よって、吸着領域は、例えば第１のクライオパネル、第２のクライオパネルの吸着領域以外の部分、またはクライオパネルと冷凍機とを接続する接続部材等により吸気口に対して遮蔽されることが望ましい。吸着領域を吸気口に対し遮蔽することにより、外部の熱源から入射する輻射熱の吸着性能への影響を低減することもできる。
【００１７】
ところが、クライオポンプの用途によっては吸着領域への凝縮性気体の凝縮があまり問題とはならない場合もある。例えばイオン注入装置用のクライオポンプが挙げられる。この用途においては第２のクライオパネルに凝縮される気体の使用量は少なく、クライオポンプの主目的は非凝縮性気体（例えば水素）の排気となる。よって、むしろ吸着領域を吸入口に向けて露出することによって非凝縮性気体を吸着領域に到達しやすくすることが望ましい。これにより高い排気速度を実現することができる。
【００１８】
しかし、単にクライオパネルを吸気口に向けて露出した場合には、外部の熱源からの輻射熱の影響を受けることになる。特に、第２のクライオパネルは例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度の極低温に冷却されるので、たとえクライオポンプ外部が常温であったとしても輻射熱の影響が大きい。特に、露出されているクライオパネル表面に吸着剤（例えば活性炭）が貼り付けられている場合には、パネル表面の輻射率（即ち吸収率）が高くなり、いっそう輻射熱の影響を受ける。輻射の熱入力により、吸着されていた気体分子が再放出され得る。また、輻射熱入力に抗して第２のクライオパネルを必要な温度レベルに冷却し維持するために、高い冷凍能力を有する冷凍機を要することになる。あるいは冷凍機の消費エネルギが大きくなる。
【００１９】
そこで、本発明の一実施形態に係るクライオポンプは、吊り下げ型のクライオパネルを有する。これにより、クライオパネルを吸気口に露出させつつクライオポンプ内部容積の深部に配置して吸気口からの距離を大きくとることが可能となる。よって、露出されたクライオパネル吸着領域への輻射熱の影響を抑えつつ、非凝縮性気体に対する高い排気性能を実現することが可能となる。
【００２０】
クライオパネルの露出による排気速度の向上は、要求される排気速度を実現する吸着領域面積の低減に寄与する。パネルの露出により気体の流れ性が良好となり、吸着領域の単位面積当たりの排気速度が高くなるからである。つまり、要求排気速度を実現するために必要な吸着領域面積が少なくて済む。その結果、必要なパネル面積も低減される。それとともにクライオパネル構造体の重量も低減される。
【００２１】
パネル重量の低減により、クライオポンプの再生処理の所要時間が短縮される。クライオポンプはいわゆるため込み式の真空ポンプであるから、内部に蓄積された気体を適宜の頻度で外部に排出する再生処理が実行される。再生は、クライオパネルとしての動作温度よりも高温（例えば常温）にクライオパネルを昇温し、パネル表面に凝縮または吸着されている気体を再放出させて外部に排出し、再度クライオパネルの動作温度に冷却する処理である。再生時間を決める１つの大きな要因は、再冷却に要する時間である。再冷却時間は、パネル構造体重量に相関する。よって、本実施形態によればパネル構造体の重量が低減されるので、再冷却時間が短縮され、再生時間も短縮される。
【００２２】
上述の設計コンセプトの一具体例に係るクライオポンプは、クライオポンプ容器と、冷凍機と、中間部材と、クライオパネルと、を備える。クライオポンプ容器は、排気されるべき気体が進入する吸気口を有する。冷凍機は、クライオポンプ容器内部に配設される冷却ステージを備える。中間部材は、クライオパネルと冷却ステージとを熱的に接続する。クライオパネルは、冷却ステージよりも下方に中間部材との接続部を有し、接続部から上向きに延在する。
【００２３】
他の具体例に係るクライオポンプは、冷凍機と、クライオパネルと、を備える。クライオパネルは、クライオポンプ内部容積の中心部よりも下方に冷凍機へと熱的に接続するための接続部を有し、接続部から上向きに延在する。
【００２４】
他の具体例に係るクライオポンプは、クライオパネルと、パネル取付部材と、を備える。クライオパネルは、クライオポンプ内部容積において所定のレイアウトに配置される。パネル取付部材は、クライオパネルが取り付けられるパネル取付面を有し、クライオパネルを既定のレイアウトに支持する。パネル取付部材は、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を実質的に最小とするように配置される。パネル取付面は例えばクライオポンプ開口に対向する平面であってもよい。この場合、パネル取付部材は、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を実質的に最小とするようパネル取付面の法線方向の位置が定められていてもよい。
【００２５】
クライオパネルの表面には気体を凝縮または吸着により捕捉して排気するための極低温面が形成される。クライオパネル表面の少なくとも一部には気体を吸着するための吸着剤が取り付けられて吸着領域が形成される。吸着領域の少なくとも一部は、クライオポンプ開口面に露出される。吸着剤としては、例えば活性炭が使用される。クライオパネルの両面の全域に粒状の活性炭が接着され、パネルの全表面が吸着領域とされていてもよい。
【００２６】
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプ１０の一部を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の高真空環境を要する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プロセスに要求されるレベルにまで高めるために使用される。例えば１０＾−５Ｐａ乃至１０＾−８Ｐａ程度の高い真空度が実現される。
【００２７】
クライオポンプ１０は、ポンプ容器１２と、冷凍機１４と、パネル構造体１６と、熱シールド１８とを含んで構成される。図１に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１０とは一般に、筒状の熱シールド１８の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に沿って冷凍機１４の第２冷却ステージ２２が熱シールド１８の内部に挿入され配置されているクライオポンプ１０である。
【００２８】
なお、本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、熱シールド１８の軸方向に沿って冷凍機１４が挿入されて配置されているクライオポンプである。
【００２９】
図１は、ポンプ容器１２及び熱シールド１８の中心軸を含み、冷凍機１４の中心軸に直交する平面による断面を模式的に示す図である。図１では、真空チャンバからクライオポンプ内部への気体の進入方向を矢印Ａで表している。また、図２は、気体進入方向Ａから見たときのパネル構造体１６を模式的に示す図である。
【００３０】
なお、気体進入方向Ａは、クライオポンプ外部から内部に向かう方向と理解すべきである。図において気体進入方向Ａがクライオポンプ１０の軸方向に平行とされているのは、便宜上説明をわかりやすくするためにすぎない。クライオポンピング処理においてクライオポンプ内部へと進入する気体分子の実際の進入方向は、当然、図示される気体進入方向Ａに厳密に一致するものではなく、むしろ気体進入方向Ａに交差する方向であることが普通である。
【００３１】
ポンプ容器１２は、一端に開口２０を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成された部位を有する。ポンプ容器１２の内部にパネル構造体１６及び熱シールド１８が配設されている。開口２０は、排気されるべき気体が進入する吸気口として設けられている。開口２０はポンプ容器１２の筒状側面の上端部内面により画定される。ポンプ容器１２の上端部には径方向外側に向けて取付フランジ３０が延びている。クライオポンプ１０は、排気対象容積であるイオン注入装置等の真空チャンバに取付フランジ３０を用いて取り付けられる。なおポンプ容器１２の断面は円形状には限られず、他の形状例えば楕円形状や多角形形状であってもよい。
【００３２】
冷凍機１４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）である。また冷凍機１４は２段式の冷凍機であり、第１冷却ステージ（図示せず）及び第２冷却ステージ２２を有する。第２冷却ステージ２２は、ポンプ容器１２及び熱シールド１８に包囲され、ポンプ容器１２及び熱シールド１８の内部空間の中心部に配置されている。第１冷却ステージは第１の冷却温度レベルに冷却され、第２冷却ステージ２２は第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される。第２冷却ステージ２２は例えば１０Ｋ乃至２０Ｋ程度に冷却され、第１冷却ステージは例えば８０Ｋ乃至１００Ｋ程度に冷却される。なお、第１の実施形態に係るクライオポンプ１０において、図６を参照して後述する第２の実施形態に係るクライオポンプ１０の冷凍機１４を用いることも可能である。
【００３３】
熱シールド１８は、冷凍機１４の第１冷却ステージに熱的に接続された状態で固定され、第１冷却ステージと同程度の温度に冷却される。熱シールド１８は、パネル構造体１６及び第２冷却ステージ２２を周囲の輻射熱から保護する輻射シールドとして設けられている。熱シールド１８もポンプ容器１２と同様に、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成されている。熱シールド１８はカップ状の形状に形成されている。ポンプ容器１２及び熱シールド１８はともに略円筒状に形成されており、同軸に配設されている。ポンプ容器１２の内径が熱シールド１８の外径を若干上回っており、熱シールド１８はポンプ容器１２の内面との間に若干の間隔をもってポンプ容器１２とは非接触の状態で配置される。
【００３４】
熱シールド１８の内部空間の中心部に冷凍機１４の第２冷却ステージ２２が配置されている。冷凍機１４は熱シールド１８の側面の開口から挿入され、その開口部に第１冷却ステージが取り付けられる。よって、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２は、熱シールド１８の中心軸上において開口２０と最深部との中間に配置される。
【００３５】
なお熱シールド１８の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には熱シールド１８の形状はポンプ容器１２の内面形状に相似する形状とされる。また、熱シールド１８は図示されるような一体の筒状に構成されていなくてもよく、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。
【００３６】
また熱シールド１８の開口にはバッフル２３が設けられている。本実施形態ではバッフル２３は、ルーバーである。ルーバー２３は、パネル構造体１６とは熱シールド１８の中心軸方向に間隔をおいて設けられている。ルーバー２３は、熱シールド１８の開口側の端部に取り付けられており、熱シールド１８と同程度の温度に冷却される。ルーバー２３は、気体進入方向Ａから見たときに例えば同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。なお、ルーバー２３と真空チャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられている。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバを排気するときに開とされる。
【００３７】
パネル構造体１６は、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に熱的に接続された状態で固定されており、第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。パネル構造体１６は、複数のクライオパネル２４と、接続部材２６と、中間部材２８と、を備える。冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に接続部材２６が取り付けられ、接続部材２６に中間部材２８が取り付けられ、中間部材２８に複数のクライオパネル２４が取り付けられる。クライオパネル２４、接続部材２６、及び中間部材２８はともに例えば銅などの材質で形成される。銅を基材として表面をニッケルでメッキしたものを用いてもよい。また、銅に代えて、アルミニウムでクライオパネル２４等を形成してもよい。熱伝導度を重視する場合には銅を用いればよいし、軽量化ひいては再生時間の短縮を重視する場合にはアルミニウムを用いてもよい。
【００３８】
接続部材２６は、パネル構造体１６を第２冷却ステージ２２に熱的に接続しかつ機械的に支持するための連結部材として設けられている。中間部材２８は、接続部材２６を介して複数のクライオパネル２４を第２冷却ステージ２２へと熱的に接続し、かつクライオパネル２４を支持するパネル取付部材として設けられている。また、接続部材２６及び中間部材２８を併せてパネル取付部材であるとみなすこともできる。接続部材２６と中間部材２８とは、別体の部材として形成されていてもよいし、一体に形成されていてもよい。クライオパネル２４は、中間部材２８及び接続部材２６を介して冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に熱的に接続され、第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。中間部材２８及び接続部材２６も同様に第２冷却ステージ２２と同程度の温度に冷却される。
【００３９】
パネル構造体１６は全体として、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２から下方または熱シールド１８の深部に向けて接続部材２６によって吊り下げられた構成を有する。接続部材２６は、パネル構造体１６を冷凍機１４に吊り下げて支持する吊下部材である。このため、パネル構造体１６を開口２０から離して配置することができる。その結果、開口２０を通じてパネル構造体１６に入射する輻射熱を低減することができる。また、パネル構造体１６と開口２０との間の空間を利用してクライオパネル面積を比較的大きくすることも可能となり、クライオポンプの排気性能の向上にも寄与する。
【００４０】
接続部材２６は、中間部材２８を第２冷却ステージ２２に吊り下げて支持する。中間部材２８は、第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して開口２０から離れた位置に配置される。中間部材２８は、複数のクライオパネル２４の末端部を支持する。クライオパネル２４は中間部材２８から上方または熱シールド１８の開口２０に向けて延在する。
【００４１】
よって、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２からクライオパネル２４の先端への伝熱経路は、熱シールド１８内部において蛇行する。すなわち、冷凍機１４からクライオパネル２４の先端への伝熱経路は、第２冷却ステージ２２から熱シールド１８の深部へと延び、折り返して熱シールド１８の開口２０に向けて延びる。伝熱経路は中間部材２８において折り返す。パネル構造体１６をこのような折り返し構造とすることにより、クライオパネル面積を大きくすることができる。これにより、クライオポンプ１０に高い排気性能を実現することが可能となる。
【００４２】
クライオパネル表面の少なくとも一部には気体を吸着するための吸着剤を設置するための吸着剤貼付面が形成される。本実施形態では、クライオパネル２４の両面の全域が吸着剤貼付面とされる。本実施形態では、クライオパネル２４の両面の全域に吸着剤２５が接着されて全表面が吸着領域とされている。吸着剤２５は例えば、粒状の活性炭である。すべての吸着剤貼付面が開口２０に露出されている。
【００４３】
クライオパネル２４は、中間部材２８に接続される末端部である接続部３２と、開口２０に最も近接する先端部３４と、接続部３２と先端部３４とを接続する中間部３６とを有する。本実施形態では、接続部３２と先端部３４と中間部３６とは１枚のプレートにより形成されている。接続部３２と先端部３４と中間部３６とはそれぞれが別体に形成され、互いに連結されて１枚のクライオパネル２４が形成されてもよい。クライオパネル２４は、接続部３２が中間部材２８に取り付けられる。例えば接続部３２の末端にフランジが形成され、ボルト及びナット等の適宜の固定手段によりそのフランジが中間部材２８に取り付けられる。なお、クライオパネル２４と中間部材２８とが一体の部材として形成されていてもよい。
【００４４】
中間部材２８が第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して開口２０から離れた位置に配置されているので、クライオパネル２４の接続部３２も同様に第２冷却ステージ２２よりも開口２０から離れた位置に配置される。クライオパネル２４は、接続部３２から開口２０に向けて延在する。クライオパネル２４の先端部３４は、熱シールド１８の中心部及び第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して開口２０に近接する位置に配置される。クライオパネル２４の中間部３６は、気体進入方向Ａに関して熱シールド１８の中心部及び第２冷却ステージ２２に相当する位置に配置される。クライオパネル２４は、熱シールド１８の内部空間の中心部を越えて接続部３２から先端部３４へと気体進入方向Ａに沿って延在する。
【００４５】
本実施形態では熱シールド１８とポンプ容器１２とはほぼ相似形状であるので、クライオパネル２４の接続部３２は、ポンプ容器１２の中心部よりも気体進入方向Ａに関して開口２０から離れている。また、クライオパネル２４の先端部３４は、ポンプ容器１２の中心部よりも気体進入方向Ａに関して開口２０に近接している。このように、クライオパネル２４が気体進入方向Ａに関して熱シールド１８またはポンプ容器１２の中心部を越えて延在されていることにより、気体進入方向Ａに沿って配置されるクライオパネル面積を大きくすることができる。これにより、クライオポンプ１０に高い排気性能を実現することが可能となる。
【００４６】
なお、クライオパネル２４は、先端部３４が熱シールド１８またはポンプ容器１２の中心部よりも下方または深部に配置されていてもよい。同様に、クライオパネル２４の先端部３４は、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２よりも下方に配置されていてもよい。この場合、クライオパネル２４は、先端部３４において折り返し構造を有し、クライオポンプ下方に向けて再度延在するようにしてもよい。つまり、クライオパネル２４は、接続部３２から先端部３４へと延び、先端部３４においてクライオポンプ下方に向けて折り返されるように形成されていてもよい。このようにすれば、気体進入方向Ａにおけるクライオパネル２４の長さを抑えつつパネル面積を大きくすることができる。また、輻射熱を避けるべくパネル構造体１６をポンプ底部にコンパクトに設けることも可能となる。クライオパネル２４の先端部３４の位置及び形状等は例えば、クライオポンプ１０への要求排気性能と外部からの輻射熱の影響とを考慮して定めればよい。
【００４７】
クライオパネル２４は、開口２０またはルーバー２３から間隔をあけて熱シールド１８の内部に配置され、開口２０またはルーバー２３に対して露出されている。クライオパネル２４と開口２０またはルーバー２３との間には上部空間３８が形成される。上部空間３８には、ポンプ外部から見たときにクライオパネル２４を遮蔽する遮蔽部材が設けられていない。このため、上部空間３８は、外部からの進入気体のクライオパネル２４への流れ性の向上に寄与する。よって、クライオパネル２４の単位面積当たりの排気速度が向上される。
【００４８】
クライオパネル２４は、少なくとも接続部３２が開口２０に向けて露出される。本実施形態では、クライオパネル２４の先端部３４及び中間部３６も開口２０に向けて露出される。このため、クライオパネル２４の全体が開口２０に向けて露出されている。よって、クライオパネル２４は、外部から熱シールド１８の内部空間に進入した気体分子を表面全域で直接的に受けることができる。クライオパネル２４の吸着剤貼付面の全体が気体分子を直接的に受けることができる。よって、吸着剤２５が開口２０に対して遮蔽されている構成とは異なり、効率的に気体を処理することができる。本実施形態ではクライオパネル２４の全表面が吸着領域とされているので、水素等の非凝縮性気体を効率的に排気することができる。このようなパネル構成は、非凝縮性気体を主たる排気気体とする例えばイオン注入装置用のクライオポンプとして好ましい。
【００４９】
また、クライオパネル２４は、気体進入方向Ａに平行に配置されている。本実施形態ではクライオパネル２４は中間部材２８に垂直に立設されている。よってクライオパネル２４は開口２０に対して垂直に配置されている。クライオパネル２４の両面を均等に排気に利用することができるので、効率的に気体を排気することができる。しかし、気体の流れ性及び外部からの輻射熱等を総合的に考慮して、気体進入方向Ａに交差するようクライオパネル２４を傾斜させて配置してもよい。
【００５０】
本実施形態では図２に示されるように、クライオパネル２４はそれぞれ放射状に配置される。冷凍機１４の挿入に必要となる部位を除いて、クライオパネル２４は等間隔に配置されている。例えば１０度乃至２０度の等角度間隔にクライオパネル２４は配置されている。クライオパネル２４は円板状の中間部材２８の径方向外周側に設けられており、中間部材２８の中心部にはパネルに包囲される円柱状空間が形成される。クライオパネル２４の幅は中間部材２８の径方向において例えば最外周部から中間部材２８の半径の半分程度の位置までを占めるように設定されている。この場合中間部材２８の中心部には中間部材２８の直径の半分程度の直径を有する円柱状空間が形成される。このように、クライオパネル２４を中間部材２８の表面で放射状に配置する場合にはパネルを中間部材表面の外周側に設け中心部に開放空間を形成することが好ましい。これにより中心部でのパネルの密集を避けることができるので気体の流れ性を良好にすることができる。
【００５１】
なお上述の実施形態とは異なるパネル配置を採用してもよい。例えば、放射状のパネル配置ではなく、各パネルを平行に配列したり、格子状に配置してもよい。各パネルの間隔は共通であってもよいし、異ならせてもよい。あるいは、中間部材２８の最外周部に中間部材２８と同径の円筒状外周パネルを設けてもよい。外周パネルに加えて小径の同心円筒パネルをさらに設けてもよい。
【００５２】
図１に示されるように、クライオパネル２４は、接続部３２から先端部３４に向けて連続的に幅が拡張された台形形状を有する。クライオパネル２４の外周側の側端部は気体進入方向Ａに平行とされ、内周側の側端部は気体進入方向Ａに交差する方向に延びている。クライオパネル２４の形状は、図１に示される台形形状には限られず、矩形形状であってもよいし、他の形状であってもよい。また、各クライオパネル２４の形状は、互いに異なっていてもよく、例えば複数種類の形状のクライオパネルを混在させてもよい。例えば、大型のクライオパネルと小型のクライオパネルとを混在させて配置してもよい。
【００５３】
中間部材２８は、例えば円板状の形状を有する平板状の部材である。中間部材２８の上面すなわち開口２０を向く面がパネル取付面となる。パネル取付面は円形の平面である。なお、中間部材２８は円板状の平板部材でなくてもよく、他の形状の平板部材であってもよい。あるいは中間部材２８は湾曲形状または屈曲形状を有していてもよく、例えば中心部に近づくほど開口２０に向けて近接するようなドーム状の形状であってもよい。この場合、パネル取付面は、ドーム状の湾曲面となる。
【００５４】
なお、中間部材２８の下面にもパネル取付面を形成して複数のクライオパネル２４を取り付けてもよい。この場合、隣接するパネル間において、気体の流通を促進させるためのスリットを中間部材２８に形成してもよい。このようにすればクライオポンプ底部側に向けて立設されているパネルへの気体流通を促進させることができる。
【００５５】
接続部材２６は、例えば第２冷却ステージ２２を包囲するように形成されている。接続部材２６は、開口２０側の一端に冷凍機１４の第２冷却ステージ２２に取り付けられる冷凍機取付部を有し、ポンプ底部側の他端に中間部材２８に取り付けるためのフランジが形成されている。冷凍機取付部の周囲から吊下部がポンプ下方に向けて延び、吊下部の末端にフランジが形成される。接続部材２６のフランジは、ボルト及びナット等の適宜の固定手段により中間部材２８に取り付けられる。
【００５６】
接続部材２６とクライオパネル２４とは中間部材２８を介して間接的に接続される。しかし、クライオパネル２４の先端部３４への熱伝導性を向上させるために、クライオパネル２４の先端部３４に接続部材２６を直接に接続する伝熱経路を設けてもよい。この伝熱経路は、気体の流れ性への影響を最小化するように形成されることが好ましく、例えば気体進入方向Ａに平行に配置される面で構成されることが望ましい。
【００５７】
上述のように本実施形態においては、クライオパネル２４は例えば放射状かつ等間隔のレイアウトに配置される。パネル取付面を有するパネル取付部材としての中間部材２８は、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を最小とするように配置される。パネル取付面は例えばクライオポンプ１０の開口２０に対向しかつ平行に配置される円形の平面であり、パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を最小とするように気体進入方向Ａに関する中間部材２８の位置が設定される。形態係数を最小化するようにパネル取付面の位置が定められることにより、パネル取付面への外部からの輻射熱入力を最小化することができる。よって、パネル構造体１６に入射する輻射熱を低減することができる。
【００５８】
一般に、２つの面Ａ１及び面Ａ２の間の輻射熱Ｑは、面Ａ１から面Ａ２を見たときの形態係数（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｆａｃｔｏｒ）φ１２を用いて、次式で表される。
Ｑ＝εσ（Ｔ１４−Ｔ２４）Ａ１φ１２
【００５９】
すなわち、輻射熱Ｑは形態係数φ１２に依存する。形態係数φ１２が大きいほど輻射熱Ｑが大きくなる。ここで、εは輻射率（すなわち吸収率）であり、σはシュテファン・ボルツマン定数であり、Ｔ１及びＴ２はそれぞれ面Ａ１及び面Ａ２の温度であり、Ａ１は面Ａ１の面積である。
【００６０】
輻射熱Ｑは輻射率εに比例する。輻射率εは黒体の場合ε＝１である。銅の表面にニッケルめっきがされている場合には、輻射率εは表面温度が例えば２０Ｋのとき０．０２７である。これに対して、活性炭は黒体であると考えられるから、金属のパネル表面に比べて輻射率εがきわめて大きい。また吸着剤として活性炭以外のものを使用するとしても、輻射率εは金属面に比べると相当大きくなる。よって、吸着剤がクライオポンプ開口面に露出されている場合には、吸着剤を通じてクライオパネルに入射する輻射熱が大きくなる。
【００６１】
形態係数φ１２は、一般に次式で表される。
【数１】
ここで、Ａｉ（ｉ＝１，２）は、面Ａｉの面積であり、ｌはｄＡ１ｄＡ２間の距離であり、βｉはｄＡｉ（ｉ＝１，２）の法線方向とｌのなす角度である。
【００６２】
したがって、クライオポンプ１０の中心軸上でパネル取付面を向く微小外部熱源を仮定すれば、パネル取付面の向き、パネル取付面の面積、及びクライオポンプ１０の中心軸上でのパネル取付面の位置を定めることにより形態係数が与えられる。上述のようにパネル取付面が例えばクライオポンプ１０の開口２０に対向し平行に配置される円形の平面である場合には、パネル取付面の径を小さくするとともにクライオポンプ１０の中心軸上において（つまり気体進入方向Ａにおいて）パネル取付面をポンプ底部に近接させることにより形態係数を小さくすることができる。距離ｌの形態係数への寄与が相対的に大きいと考えられるから、ポンプ中心軸上でのパネル取付面の位置のみを変数として形態係数を最小化してもよい。
【００６３】
本実施形態における放射状クライオパネル配置においてパネル取付面の形態係数を最小化するには、クライオパネル２４のポンプ下方の端部（すなわち接続部３２）に相当する位置にパネル取付面を形成すればよいことになる。外部熱源とパネル取付面との距離が最大化されるからである。
【００６４】
このように本実施形態によれば、所望の排気性能を実現するクライオパネルレイアウトが、最小の形態係数となるパネル取付面によって支持される。このため、要求排気性能の実現と輻射熱入力の低減との両立を図ることができる。
【００６５】
なお、パネル取付面及びパネル取付部材が熱シールド１８の最深部または側部に近接する場合には、熱シールド１８からの輻射も加味してパネル取付面の配置及び形状を設計してもよい。
【００６６】
上述のクライオポンプ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を用いて排気対象容積例えばイオン注入装置の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１４の駆動により第１冷却ステージ及び第２冷却ステージ２２が冷却され、熱シールド１８、ルーバー２３、及びパネル構造体１６も接続先の冷却ステージの冷却温度レベルに冷却される。クライオパネル２４は、第２冷却ステージ２２によって、接続部材２６及び中間部材２８含む蛇行伝熱経路を通じて冷却される。
【００６７】
冷却されたルーバー２３は、排気対象容積からクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。ルーバー２３の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はルーバー２３を通過して熱シールド１８内部へと進入する。進入した気体分子のうちパネル構造体１６の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えばアルゴンなど）は、パネル構造体１６の表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、パネル構造体１６の表面の吸着剤により吸着されて排気される。
【００６８】
イオン注入装置の真空チャンバを排気する場合には気体の大半が水素である。クライオパネル２４の先端部３４はクライオポンプ開口面に対し露出されており、先端部３４に設けられている吸着剤２５により水素ガスは特に効率的に吸着され排気される。クライオパネル２４の中間部３６及び接続部３２もクライオポンプ開口面に対して露出されているので、これらの部位でも進入気体が効率的に排気される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバ内部の真空度を所望のレベルに到達させることができる。
【００６９】
ここで、図３に示されるクライオポンプ１００と比較して、本実施形態における排気効率の向上及び再生時間の短縮について説明する。図３に示されるクライオポンプ１００は、パネル構造体１１６の構成を除き、図１に示されるクライオポンプ１０と同様の構成を有する。クライオポンプ１００は、ポンプ容器１１２、冷凍機１１４、パネル構造体１１６、熱シールド１１８を備える。クライオポンプ１００は横型のクライオポンプであり、熱シールド１１８の中心軸に垂直に冷凍機１１４が挿入され、冷凍機１１４の第２冷却ステージ１２２が熱シールド１１８の中心に配置されている。吸気口となる熱シールド１１８の開口１２０にはルーバー１２３が設けられている。
【００７０】
パネル構造体１１６は、クライオパネル１３０、パネル取付部材１３２、及び冷凍機取付部材１３４を備える。クライオパネル１３０は、開口１２０の近傍の末端でパネル取付部材１３２の下面に取り付けられ、ポンプ下方に向けて延びている。パネル取付部材１３２は、冷凍機１１４の第２冷却ステージ１２２とルーバー１２３との間において開口１２０に平行に配置されている円板状部材である。パネル取付部材１３２は、外部からクライオパネル１３０への輻射熱を低減する輻射シールドである。パネル取付部材１３２の下面中心部と第２冷却ステージ１２２とを冷凍機取付部材１３４が接続している。クライオパネル１３０は、パネル取付部材１３２及び冷凍機取付部材１３４を介して冷凍機１１４の第２冷却ステージ１２２に熱的に接続されている。クライオパネル１３０は、例えば台形形状の平板であり、ポンプ下方に延びるにつれて幅が拡張されるように配置されている。クライオパネル１３０の両面の全体に吸着剤貼付面が形成され、吸着材１２５としての例えば活性炭が接着されている。
【００７１】
図４は、パネル取付部材１３２を開口１２０側から見た図である。図４においては、パネル取付部材１３２の下面に取り付けられているクライオパネル１３０及び冷凍機取付部材１３４を破線で示している。クライオパネル１３０は、放射状かつ等角度間隔例えば１５度間隔に設けられている。冷凍機１１４の取付空間を確保するためにパネル取付部材１３２の下面の一部（図４においては右方）にはクライオパネル１３０は設けられていない。このため、パネル取付部材１３２には例えば合計１９枚のクライオパネル１３０が密集して設置されている。
【００７２】
また、パネル取付部材１３２には、貫通孔１３８が形成されている。貫通孔１３８は、開口１２０からクライオパネル１３０への気体の流れ性を良好にするために設けられている。貫通孔１３８は、パネル取付部材１３２の径方向においてクライオパネル１３０と冷凍機取付部材１３４との間に複数箇所例えば４箇所設けられている。パネル取付部材１３２は、クライオパネル１３０が取り付けられる外周部１４２と冷凍機取付部材１３４が取り付けられる中心部１４４との間の大半が貫通孔１３８により開放されている。外周部１４２と中心部１４４とは連結部１４０により接続されている。連結部１４０は直線状に形成されており、放射状に等間隔に例えば９０度間隔に４箇所設けられている。なお、気体の流れ性向上のために、パネル取付部材１３２は、２つの隣接するクライオパネル１３０間にスリットが設けられていてもよい。
【００７３】
このようにパネル取付部材１３２の外周部１４２と中心部１４４との間が開放されていることにより、気体の流れ性が向上されてパネル構造体１１６の中心部に気体分子が到達しやすくなる。このため、良好な排気性能を実現することができる。例えば、良好な排気速度及び吸蔵量を実現することができる。
【００７４】
本発明の第１の実施形態によれば、図３に示されるタコ足型のクライオポンプ１００と同等の排気速度を小さいパネル面積で実現することができる。一例として、タコ足型のクライオポンプ１００では１１０００Ｌ／ｓ乃至１２０００Ｌ／ｓの水素ガス排気速度を実現することができる。比較のため、本実施形態に係る吊り下げ型クライオポンプ１０において、タコ足型クライオポンプ１００と同様に合計１９枚の放射状パネルレイアウトを採用した場合を説明する。この場合、吊り下げ型クライオポンプ１０は、タコ足型クライオポンプ１００よりもパネル長さを２０％短くして活性炭貼付面積を２４％低減させても、同様に１１０００Ｌ／ｓ乃至１２０００Ｌ／ｓの水素ガス排気速度を達成することが実験により確認された。
【００７５】
このように、本実施形態によれば、活性炭設置領域の単位面積あたりの排気速度が大きく向上され、高い排気効率が実現される。また、要求排気速度を達成することが、よりコンパクトなパネル構造体１６によって可能となるので、パネル構造体１６をクライオポンプ１０の深部に配置して開口２０との間隔を大きく取ることができる。これにより、外部からクライオパネル２４への輻射熱も低減することができる。
【００７６】
また、このとき吊り下げ型クライオポンプ１０のクライオパネル２４の総重量は、タコ足型クライオポンプ１００に比べて２０％低減される。その結果、再生処理におけるクライオパネル２４及び表面の活性炭の再冷却時間が低減される。吊り下げ型クライオポンプ１０とタコ足型クライオポンプ１００とで同量の水素ガスを吸着により排気したときの再生時間は、タコ足型クライオポンプ１００では例えば１６８分間であるのに対し、吊り下げ型クライオポンプ１０では例えば１３２分間に短縮されることが実験により確認された。この２６分間の短縮は、再冷却時間の短縮によるものである。
【００７７】
このように、本実施形態によれば、吊り下げ型という新たなコンセプトを採用することにより、きわめて実用性に優れるクライオポンプを実現することができる。まず、クライオパネルへの輻射熱の影響軽減と高い排気効率の実現との両立を図ることができる。また、実用上充分な排気性能をコンパクトなクライオパネル構造体で達成することができる。さらに、再生時間を大きく短縮することもできる。
【００７８】
図５は、第１の実施形態の変形例を示す図である。上述の第１の実施形態に係るクライオポンプ１０においては、開口２０とクライオパネル２４の先端部３４との間隔は、熱シールド１８の最深部とパネル構造体最下部（すなわち中間部材２８）との間隔と同程度とされている。パネル構造体１６の上方及び下方の空間の中心軸方向の長さが同程度とされている。しかし、パネル構造体１６の上部空間３８は、パネル構造体１６の下方の空間に比べてより広くされてもよいし、狭くされてもよい。
【００７９】
例えば図５に示されるように、パネル構造体１６は、その重心位置がクライオポンプ内部空間の中心部よりも下方に位置するように設けられてもよい。この場合、パネル構造体１６の上部空間３８は、パネル構造体１６の下部空間４０よりも広くされている。より具体的に言えば、開口２０とクライオパネル２４の先端部３４との間隔が、ポンプ容器１２または熱シールド１８の最深部とクライオパネル２４の接続部３２との間隔よりも大きい。また、各クライオパネル２４の重心位置は、ポンプ内部空間の中心部または冷凍機１４の第２冷却ステージ２２よりも気体進入方向Ａに関して開口２０から離れた位置に設けられている。このように上部空間３８を広くすることにより、外部からの輻射熱によるパネル構造体１６への影響を低減することができる。
【００８０】
また、パネル構造体１６をポンプ底部に設けることにより気体進入方向Ａのクライオパネル長さを長くすることが可能となるため、クライオパネル面積を大きくすることも可能となる。よって、排気性能の向上も図ることができる。
【００８１】
次に図６を参照して本発明の第２の実施形態に係るクライオポンプ１０を説明する。第２の実施形態に係るクライオポンプ１０は、冷凍機１４及びクライオパネル２４の位置関係に関して第１の実施形態とは異なる。第１の実施形態においてはクライオパネル２４がポンプ底部から開口２０に向けて第２冷却ステージ２２を越えて延びているのに対し、第２の実施形態においてはクライオパネル２４は冷凍機１４よりも開口２０に近接して配置されている。第２の実施形態では、パネル構造体１６の重心位置を低くするために冷凍機１４の取付位置がポンプ底部近傍とされている。
【００８２】
なお以下の説明では第１の実施形態と同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。第１の実施形態及びこれに付随して説明された各変形例は、第２の実施形態及びこれに付随して説明される各変形例に適宜組み合わせることも可能である。
【００８３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係るクライオポンプ１０の断面を模式的に示す図である。このクライオポンプ１０は、第１の実施形態と同様にいわゆる横型のクライオポンプである。
【００８４】
図６に示されるように冷凍機１４は、第１段シリンダ６、第２段シリンダ７、及びモータ（図示せず）を含む。第１段シリンダ６と第２段シリンダ７とは直列に接続されており、互いに連結される第１段ディスプレーサ８及び第２段ディスプレーサ９がそれぞれ内蔵されている。第１段ディスプレーサ８及び第２段ディスプレーサ９がモータによって第１段シリンダ６及び第２段シリンダ７の内部を往復動することにより、内部を流通するヘリウムガス等の冷媒が断熱膨張され寒冷が発生される。圧縮機５は、冷凍機１４の冷媒ガスを昇圧して冷凍機１４へと送出し、冷凍機１４で断熱膨張した冷媒ガスを回収して再び昇圧する。
【００８５】
第１段シリンダ６の第２段シリンダ７側の端部に第１冷却ステージ２１が設けられている。また、第２段シリンダ７の末端に第２冷却ステージ２２が設けられている。第１冷却ステージ２１及び第２冷却ステージ２２はそれぞれ第１段シリンダ６及び第２段シリンダ７に例えばろう付けで固定される。
【００８６】
カップ状の部材に形成されている熱シールド１８の開口２０にはバッフル２３が取り付けられている。バッフル２３はシェブロン形状とされている。ポンプ容器１２は、熱シールド及び冷凍機１４の第１段シリンダ６及び第２段シリンダ７を気密に収容するように形成されている。
【００８７】
熱シールド１８の側面において中心部よりもポンプ底部側に冷凍機取付孔４２が形成されている。冷凍機取付孔４２は熱シールド１８側面のポンプ底部近傍に形成されている。冷凍機１４の第２段シリンダ７及び第２冷却ステージ２２は冷凍機取付孔４２から熱シールド１８の中心軸方向に垂直な方向に沿って挿入されている。熱シールド１８は、冷凍機取付孔４２において第１冷却ステージ２１に熱的に接続された状態で固定される。このように第２の実施形態においては、冷凍機１４の第２冷却ステージ２２は、気体進入方向Ａに関して熱シールド１８の中心部よりも開口２０から離れた位置に配置されている。同様に第２冷却ステージ２２は気体進入方向Ａに関してポンプ容器１２の中心部よりも開口２０から離れた位置に配置されている。また第２冷却ステージ２２は、クライオパネル２４の接続部３２よりも開口２０から離れてポンプ内部空間に配置されている。
【００８８】
第２冷却ステージ２２には、パネル構造体１６が熱的に接続された状態で固定される。第２冷却ステージ２２に接続部材２６が取り付けられ、接続部材２６に中間部材２８が取り付けられ、中間部材２８にクライオパネル２４が立設されている。中間部材２８は、例えば矩形の平板部材であり、中間部材２８の開口２０側の面にクライオパネル２４が垂直に立設されている。クライオパネル２４の両面の全体に吸着剤貼付面が形成され、吸着剤２５としての例えば活性炭が接着されている。
【００８９】
クライオパネル２４は例えば矩形の平板部材であり、気体進入方向Ａに関して長さの異なる２種類の寸法のクライオパネルが交互に設けられている。気体進入方向Ａに関する長さが大きいクライオパネルと長さが小さいクライオパネルとを混在させることにより、ポンプ内部空間において単位体積当たりの吸着領域の密度を開口２０からの距離に応じて調整することができる。図示されるように、開口２０の近傍では比較的クライオパネル２４が疎に配設され、開口２０から離れて中間部材２８近傍では比較的クライオパネル２４が密に配設される。その結果、開口２０近傍での気体の流れ性を良好にすることができる。それとともに中間部材２８近傍ではパネルが密集配置され大きなパネル面積を確保することができる。
【００９０】
第２の実施形態においては、ポンプ底部から開口２０に向けて、接続部材２６、中間部材２８、クライオパネル２４の順に配置されている。クライオパネル２４の接続部３２はポンプ容器１２または熱シールド１８の中心部よりも開口２０から離れた位置に設けられ、クライオパネル２４はポンプ容器１２または熱シールド１８の中心部よりも開口２０に近接する位置まで延在している。このようにしても、ポンプ内部空間の比較的下方にパネル構造体１６を設置することができるので、外部からの輻射熱を低減することができる。また、パネル構造体１６の上部に空間をとることができるので、気体の流れ性が向上され排気性能も向上される。また、パネル構造体１６の上部空間を利用して比較的大面積のクライオパネル２４を設置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプの一部を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るクライオポンプの一部を模式的に示す図である。
【図３】第１の実施形態の比較例のクライオポンプの一部を模式的に示す図である。
【図４】第１の実施形態の比較例のクライオポンプの一部を模式的に示す図である。
【図５】第１の実施形態の変形例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るクライオポンプの断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０ クライオポンプ、 １２ ポンプ容器、 １４ 冷凍機、 １６ パネル構造体、 １８ 熱シールド、 ２０ 開口、 ２１ 第１冷却ステージ、 ２２ 第２冷却ステージ、 ２３ バッフル、 ２４ クライオパネル、 ２５ 吸着剤、 ２６ 接続部材、 ２８ 中間部材、 ３２ 接続部、 ３４ 先端部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気されるべき気体が進入する吸気口を有するクライオポンプ容器と、
前記クライオポンプ容器内部に配設される冷却ステージを備える冷凍機と、
前記冷却ステージに熱的に接続される中間部材と、
前記冷却ステージよりも気体進入方向に関して前記吸気口から離れた位置に前記中間部材との接続部を有し、該接続部から前記吸気口に向けて延在するクライオパネルと、
を備えることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項２】
前記接続部は、前記吸気口に露出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。
【請求項３】
前記クライオパネルは、前記冷却ステージよりも前記気体進入方向に関して前記吸気口に近接する位置に先端部を有することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項４】
前記クライオパネルは、前記冷却ステージよりも前記気体進入方向に前記吸気口から離れた位置に重心を有することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項５】
前記クライオパネルは、前記接続部から前記先端部へと前記クライオポンプ容器の中心部を越えて前記気体進入方向に沿って延在することを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
【請求項６】
前記クライオポンプ容器の内部に配設され、前記冷却ステージ、前記中間部材、及び前記クライオパネルを包囲し、前記吸気口に対応する位置に開口を有する熱シールドをさらに備え、
前記クライオパネルは、前記接続部から前記先端部へと前記熱シールドの中心部を越えて前記気体進入方向に沿って延在することを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
【請求項７】
前記吸気口と前記先端部との間隔が、前記クライオポンプ容器の最深部と前記接続部との間隔よりも大きくされていることを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
【請求項８】
前記クライオパネルは、前記気体進入方向に平行に配置されるプレートを含むことを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項９】
冷凍機と、
排気されるべき気体が進入する開口を有する熱シールドと、
前記熱シールドの中心部よりも前記開口から離れた位置に前記冷凍機へと熱的に接続するための接続部を有し、該接続部から前記開口に向けて延在するクライオパネルと、
を備えることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項１０】
前記冷凍機は前記熱シールドに包囲されて配設される冷却ステージを備え、該冷却ステージは前記接続部よりも前記開口から離れて配置されることを特徴とする請求項９に記載のクライオポンプ。
【請求項１１】
クライオポンプ内部容積において所定のレイアウトに配置されるクライオパネルと、
前記クライオパネルが取り付けられるパネル取付面を有し、前記クライオパネルを前記レイアウトに支持するパネル取付部材と、を備えるクライオポンプであって、
前記パネル取付部材は、前記パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を最小とするように配置されていることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項１２】
前記パネル取付面はクライオポンプ開口に対向する平面であり、
前記パネル取付部材は、前記パネル取付面の法線方向の位置が前記形態係数を最小とするよう設定されていることを特徴とする請求項１１に記載のクライオポンプ。
【請求項１３】
冷凍機と、排気されるべき気体が進入する開口を有する熱シールドと、前記熱シールドに包囲されて配設され前記冷凍機へと熱的に接続されているクライオパネルと、を備えるクライオポンプを使用する真空排気方法であって、
前記熱シールドの中心部を越えて延在するクライオパネルを前記熱シールドの中心部よりも前記開口から離れた位置で前記冷凍機に熱的に接続し、
前記冷凍機を駆動して前記クライオパネルを冷却し、
前記クライオパネルのうち少なくとも、前記熱シールドの中心部よりも前記開口に近接する端部で気体分子を捕捉することを特徴とする真空排気方法。
【請求項１】
排気されるべき気体が進入する吸気口を有するクライオポンプ容器と、
前記クライオポンプ容器内部に配設される冷却ステージを備える冷凍機と、
前記冷却ステージに熱的に接続される中間部材と、
前記冷却ステージよりも気体進入方向に関して前記吸気口から離れた位置に前記中間部材との接続部を有し、該接続部から前記吸気口に向けて延在するクライオパネルと、
を備えることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項２】
前記接続部は、前記吸気口に露出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。
【請求項３】
前記クライオパネルは、前記冷却ステージよりも前記気体進入方向に関して前記吸気口に近接する位置に先端部を有することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項４】
前記クライオパネルは、前記冷却ステージよりも前記気体進入方向に前記吸気口から離れた位置に重心を有することを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項５】
前記クライオパネルは、前記接続部から前記先端部へと前記クライオポンプ容器の中心部を越えて前記気体進入方向に沿って延在することを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
【請求項６】
前記クライオポンプ容器の内部に配設され、前記冷却ステージ、前記中間部材、及び前記クライオパネルを包囲し、前記吸気口に対応する位置に開口を有する熱シールドをさらに備え、
前記クライオパネルは、前記接続部から前記先端部へと前記熱シールドの中心部を越えて前記気体進入方向に沿って延在することを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
【請求項７】
前記吸気口と前記先端部との間隔が、前記クライオポンプ容器の最深部と前記接続部との間隔よりも大きくされていることを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
【請求項８】
前記クライオパネルは、前記気体進入方向に平行に配置されるプレートを含むことを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
【請求項９】
冷凍機と、
排気されるべき気体が進入する開口を有する熱シールドと、
前記熱シールドの中心部よりも前記開口から離れた位置に前記冷凍機へと熱的に接続するための接続部を有し、該接続部から前記開口に向けて延在するクライオパネルと、
を備えることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項１０】
前記冷凍機は前記熱シールドに包囲されて配設される冷却ステージを備え、該冷却ステージは前記接続部よりも前記開口から離れて配置されることを特徴とする請求項９に記載のクライオポンプ。
【請求項１１】
クライオポンプ内部容積において所定のレイアウトに配置されるクライオパネルと、
前記クライオパネルが取り付けられるパネル取付面を有し、前記クライオパネルを前記レイアウトに支持するパネル取付部材と、を備えるクライオポンプであって、
前記パネル取付部材は、前記パネル取付面から所定の外部熱源を見たときの形態係数を最小とするように配置されていることを特徴とするクライオポンプ。
【請求項１２】
前記パネル取付面はクライオポンプ開口に対向する平面であり、
前記パネル取付部材は、前記パネル取付面の法線方向の位置が前記形態係数を最小とするよう設定されていることを特徴とする請求項１１に記載のクライオポンプ。
【請求項１３】
冷凍機と、排気されるべき気体が進入する開口を有する熱シールドと、前記熱シールドに包囲されて配設され前記冷凍機へと熱的に接続されているクライオパネルと、を備えるクライオポンプを使用する真空排気方法であって、
前記熱シールドの中心部を越えて延在するクライオパネルを前記熱シールドの中心部よりも前記開口から離れた位置で前記冷凍機に熱的に接続し、
前記冷凍機を駆動して前記クライオパネルを冷却し、
前記クライオパネルのうち少なくとも、前記熱シールドの中心部よりも前記開口に近接する端部で気体分子を捕捉することを特徴とする真空排気方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１６２０７４（Ｐ２００９−１６２０７４Ａ）
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３４００００（Ｐ２００７−３４００００）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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