JPH07167051A

JPH07167051A - 液体ヘリウム冷却クライオポンプ

Info

Publication number: JPH07167051A
Application number: JP31706493A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Miyamoto; 和夫宮本; Fumio Watanabe; 文夫渡辺
Original assignee: Sukegawa Electric Co Ltd; Musashino Engineering Co Ltd
Current assignee: Sukegawa Electric Co Ltd; Musashino Engineering Co Ltd
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】従来のクライオポンプのように液体窒素でシ
ュラウドを冷却する必要がなく、構造および操作性が簡
単な液体ヘリウム冷却クライオポンプを提供すること。【構成】液体ヘリウムで冷却された絶対温度4.2゜Ｋの
クライオ面に、ガス分子を吸着させて排気する液体ヘリ
ウム冷却クライオポンプにおいて、4.2゜Ｋの液体ヘリウ
ム容器と、真空容器壁との間に、シュラウドを配置して
構成され、このシュラウドは、一方で前記液体ヘリウム
容器に連通すると共に、他方でポンプ外に連通するもの
であって、前記液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムから
蒸発したヘリウム蒸気を循環させて冷却する自己冷却型
シュラウドであること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超高真空装置、表面分
析装置、加速器などに用いられる真空ポンプに関するも
ので、より詳細には、液体ヘリウムを用いたクライオポ
ンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】10^-10Pa以下の極高真空が比較的簡単に
得られるポンプとして、冷却されたクライオ面にガスを
吸着固化して排気する液体ヘリウムポンプが古くから知
られている。このポンプは排気速度が非常に大きく、宇
宙模擬室や核融合実験装置などの比較的大型装置に用い
られて来たが、ポンプが極めてクリーンで汚染源がない
ことから、最近では表面分析装置や半導体製造装置にも
使われている、非常に広範囲に利用されているポンプで
ある。

【０００３】液体ヘリウムポンプは、伝統的に液体ヘリ
ウム容器とそれを取り囲む液体窒素容器と、これに連続
するバッフルから成っている。これは、4.2゜Ｋの液体ヘ
リウム容器およびクライオ面が、直接室温（〜300゜Ｋ）
の真空壁に対面していると、壁面より受ける熱輻射が大
きすぎ、高価な液体ヘリウムはたちまち蒸発してしまう
からである。

【０００４】これを防ぐために、4.2゜Ｋの液体ヘリウム
容器と、室温の真空容器壁との間に、77゜Ｋの液体窒素
容器およびこれに連続したバッフルを配置する。従っ
て、従来の液体ヘリウム冷却クライオポンプは液体ヘリ
ウム容器と液体窒素容器の２重構造が必要で、非常に複
雑な構造となっていた。

【０００５】さらに、このポンプを働かせるには、液体
ヘリウムと液体窒素の２種類の寒剤が必要であり、そし
て何よりも問題なことは、外容器に度々液体窒素を補給
しなければポンプの排気速度が変化し、真空系の圧力変
動を引き起こすという点にあった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の液体ヘリウムポ
ンプでは、液体窒素の補給は続けたとしても、液体ヘリ
ウムも蒸発し続けるので、77゜Ｋの窒素蒸気と4.2゜Ｋの
ヘリウム蒸気の両方のガスを大気に捨てていたことにな
る。しかし、4.2゜Ｋの温度から蒸発したヘリウム蒸気
は、77゜Ｋの液体窒素温度に比べれば遥かに低く、この
ヘリウム蒸気を有効に利用すれば、液体窒素なしで従来
を上回る液体ヘリウム冷却クライオポンプを提供するこ
とが可能で、前述の課題を根本から改良することができ
る。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、上述の課題を解決することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、液体
ヘリウムで冷却された絶対温度4.2゜Ｋのクライオ面に、
ガス分子を吸着させて排気する液体ヘリウム冷却クライ
オポンプにおいて、4.2゜Ｋの液体ヘリウム容器と、真空
容器壁との間に、シュラウドを配置して構成され、この
シュラウドは、一方で前記液体ヘリウム容器に連通する
と共に、他方でポンプ外に連通するものであって、前記
液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムから蒸発したヘリウ
ム蒸気を循環させて冷却する自己冷却型シュラウドであ
ること特徴とする。

【０００９】本発明において、好ましくは、前記シュラ
ウド表面および真空容器内壁が、金、銀、銅、又はアル
ミニウムの低輻射率金属で製作されるものである。

【００１０】さらに好ましくは、前記液体ヘリウム容器
と前記シュラウドを２重管構造のパイプで吊下固定する
と共に、蒸発したヘリウムガスが該パイプの２重管の間
を通ってポンプ外に放出されるものである。そして、こ
の場合、好ましくは、前記液体ヘリウム容器と前記シュ
ラウドを吊下固定する２重管構造のパイプは、内側にジ
ルコニア・セラミックを用い、外側には金属ベローズを
用いるものである。

【００１１】

【作用】前記本発明による液体ヘリウム冷却クライオポ
ンプは、4.2゜Ｋの液体ヘリウム容器と、室温の真空容器
壁との間に、該液体ヘリウムから蒸発したヘリウム蒸気
を循環させるシュラウドを配置しているので、このシュ
ラウドが、気化ヘリウムの自己冷却によって、4.2゜Ｋと
室温との中間温度に保持して熱シールドすることとな
り、従来のクライオポンプのように液体窒素でシュラウ
ドを冷却する必要がない。従って、液体窒素容器を不要
として、構造および操作性が簡単になる。

【００１２】また、本発明の液体ヘリウム冷却クライオ
ポンプのシュラウド、液体ヘリウム容器および真空容器
の主なる構成材料を、熱輻射率の非常に小さい金、銀、
銅およびアルミニウムで製作した場合は、シュラウドが
室温の真空壁から受ける輻射熱、液体ヘリウム容器がシ
ュラウドから受ける輻射熱、のそれぞれを最小にするこ
とができ、輻射エネルギーによって失われる、液体ヘリ
ウムの消費量を非常に小さくすることができる。

【００１３】さらに液体ヘリウム容器およびシュラウド
を吊下固定する前述の材料および構造は、熱伝導によっ
て流入する熱量を最小にし、且熱交換できるように設計
されているので無駄がなく、液体ヘリウムの消費量を非
常に小さくすることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に示す
一実施例を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発
明の一実施例を示す側断面図である。図１において、符
号１は、ヘリウム蒸気循環式液体ヘリウム冷却クライオ
ポンプを収める無酸素銅製の半球状真空容器である。２
は同じく無酸素銅製の半球状ヘリウム容器で、容器の円
盤底部２ａがクライオ面で、真空中のガスは主にこの面
に吸着される。３は液体ヘリウム容器２と真空容器壁１
との間に相似形に配置される無酸素銅製の半球状熱放射
シールド・シュラウドである。

【００１５】前記ヘリウム容器２とシュラウド３は、ス
テンレス製の熱シールドパイプ５に電子ビーム溶接され
ており、一体構造になっている。また、シュラウド３に
は無酸素銅製のシブロン型バッフル４が取付けられてお
り、ガス分子はバッフルに衝突しながらクライオ面に達
するが、外気温からの熱輻射は直接クライオ面に入射で
きないようになっている。

【００１６】シールドパイプ５の側面には、蒸発したヘ
リウムガスが通過できる小穴５ａが設けられており、小
穴５ａはシュラウド３の金属内部に設けられた気化ヘリ
ウム循環通路の溝３ｂに連続している。この溝３ｂはシ
ュラウドの半球の縁まで達したところで円周に沿って２
方向に分かれ、縁を半周した後、再び溝３ｃで合流し、
シールドパイプ６とベローズ７との空間５ｂに連続して
いる。

【００１７】シュラウド３の上方の円環状縁３ａには、
外気から伝導によって伝わってくる熱を最小にするため
に、伝導距離を長くすることのできるステンレス製の熱
シールド・ベローズ７が、電子ビームで溶接されてい
る。ベローズ７の上の縁は、真空容器１に連続するステ
ンレス製ホールダー８に同じく電子ビーム溶接されてい
る。

【００１８】一方、熱シールドパイプ５の上方内側に
は、ネジ溝５ｃが設けられ、このネジ溝にジルコニア・
セラミック製パイプ６が嵌め込まれている。さらに、パ
イプ６はポンプ吊下ホールダー８に設けられたネジ溝に
同じようにして嵌め込まれている。

【００１９】真空容器１の下方の外周にはポンプ取り付
け用のフランジ９が設けられており、フランジ９は、例
えば非排気系真空容器１２の取り付けフランジ１１にボ
ルトを用いて取り付けられる。排気口１３には、例えば
真空バルブが取り付けられ、当該バルブの下にはターボ
分子ポンプのような粗引きポンプがつながれる。

【００２０】次に上述した実施例の図１の構成におい
て、本発明の液体ヘリウム冷却クライオポンプの動作原
理を説明する。

【００２１】排気口１３を通じて、別のポンプであらか
じめ10^-1〜10^-2Paまで予備排気しておく。この状態で液
体ヘリウム注入口１０から、液体ヘリウムＡが液体ヘリ
ウム容器２に溜め込まれる。液体ヘリウムＡが溜まった
ら、注入口１０には栓Ｂをして、ここからヘリウム蒸気
が漏れないようにする。

【００２２】液体ヘリウムＡから蒸発したヘリウム蒸気
は、矢印を通過し、矢印から小穴５ａを抜け、循環
用の溝３ｂを矢印の方向に進み、縁のところで２方向
に分かれ、互いに縁を半周して反対側で合流し、溝３ｃ
に出て矢印の方向に進む。さらに矢印のように進
み、パイプ６とベローズ７の間を矢印の方向に上昇
し、矢印を通ってポンプ外に抜ける。矢印乃至の
ヘリウムの通過経路は、真空容器内に通じていないこと
は言うまでもない。

【００２３】矢印乃至のヘリウムの流れにより、ヘ
リウム蒸気の温度は極低温の矢印の箇所（4.2゜Ｋ）か
ら矢印の箇所（室温）へと徐々に上昇する。この流れ
の中で、シュラウド３は4.2゜Ｋと室温との中間の温度勾
配にあり、またシュラウド３は銅製であるから略均一
で、4.2゜Ｋと室温の中間に落ち着く。

【００２４】シュラウド３の温度は一定ではないが、熱
輻射のフィードバック作用によって液体ヘリウムの消費
量は最小となる。すなわち、シュラウド３の温度が高い
場合は、液体ヘリウム容器２の受ける輻射エネルギーも
大きくなり、液体ヘリウムの蒸発量は多くなる。すると
矢印から矢印へと循環するヘリウム蒸気の量も多く
なり、シュラウド３の冷却は促進される。反対に、シュ
ラウド３の温度が低くなった場合は、液体ヘリウムの蒸
発量は少なくなるが、シュラウド３と真空容器１との温
度差が大きくなるので、シュラウド３が受ける輻射エネ
ルギーはより大きくなって、シュラウド３の温度は上昇
するように熱シールドのフィードバックが働く。

【００２５】この場合、熱シールドパイプ５は最も熱伝
導性の悪いステンレス製で製作されているので、液体ヘ
リウム容器２とシュラウド３が熱伝導良好な銅で製作さ
れていたとしても、適当な温度勾配を持たせることがで
きる。また、銅とステンレスの膨張係数は、極低温の液
体ヘリウム温度から、ベーキングに必要な500゜Ｋまで略
同じであり、昇温、冷却を行ったとしても、溶接部に割
れが入るなどの心配がない。

【００２６】さらに、真空容器１、シュラウド３および
バッフル４、液体ヘリウム容器２のいずれも、その表面
は熱輻射率の非常に小さい無酸素銅で製作されているた
め、シュラウド３およびバッフル４が真空容器１の壁か
ら受ける熱輻射、液体ヘリウム容器２がシュラウド３お
よびバッフル４から受ける熱輻射のそれぞれが、最小と
なり、液体ヘリウムの蒸発を押えることができる。

【００２７】さらに液体ヘリウム容器２およびシュラウ
ド３を吊下固定する材料および構造は、熱伝導によって
流入する熱量を最小にし、２重構造の吊下パイプによっ
て流入する熱と、ヘリウムガスが効率よく熱交換され
て、真空側に放出されるヘリウムガスは最小になるよう
に設計されている。

【００２８】すなわち、吊下固定するパイプ６は、実施
例の場合、ジルコニアセラミックで構成されている。こ
のジルコニアセラミックは、アルミナセラミックの２倍
の曲げ強度が有り、熱伝導率は１桁以上小さい特性を持
っているが、多孔質でガス放出が大きいので、このセラ
ミックパイプは大気圧側（ヘリウム循環側）に配置さ
れ、その外周はガス放出が小さいステンレス製のベロー
ズ７で完全に密封している。また、ベローズ７は肉が薄
く、蛇行しており、熱伝導率が小さいステンレス鋼なの
で、このベローズ７を伝導してくる熱量も非常に小さ
い。

【００２９】図１の実施例では、真空容器１、液体ヘリ
ウム容器２、シュラウド３を半球状で示したが、形状は
これに限ったことではなく、従来のように円筒形、長方
形などいかなる形状であっても構わない。また、バッフ
ル４もシブロン型に限ったことではなく、傘型やスダレ
型などいかなる形状であってもよい。すなわち本発明
は、4.2゜Ｋの液体ヘリウム容器と、室温の真空容器壁と
の間に、液体ヘリウムから蒸発したヘリウム蒸気を循環
させて冷却する自己冷却型シュラウドが配置され、該シ
ュラウドを4.2゜Ｋと室温との中間温度に保持することに
よってクライオ面を熱シールドし、液体ヘリウムの消費
量を小さくするように設けられるものであり、従って、
本発明の要旨に適合する限り、他の構成を採用すること
ができるものである。

【００３０】また、図１の実施例では、真空容器１、液
体ヘリウム容器２、シュラウド３、バッフル４を無酸素
銅で製作した例で示したが、材料はこれに限ったことで
はなく、アルミニウム、金めっきステンレス又は銅、銀
めっきステンレス或いは銅など、熱輻射率が0.03以下の
表面を持つ低輻射率材料の組み合わせであるならば、い
かなる材料の組み合わせであっても構わない。

【００３１】さらに、図１の実施例では、シュラウド３
のヘリウム蒸気の通路を、シュラウド内に彫り込まれた
溝の例で示したが、構造はこれに限られずに、図１の小
穴５ａに細い循環パイプの一端を溶接し、他端を空間５
ｂに連通するように溶接して、この循環パイプの側面を
シュラウドやバッフルに接触させて冷却するようにして
もよい。すなわち、液体ヘリウムから蒸発したヘリウム
蒸気を循環させてシュラウドが冷却され、該シュラウド
が4.2゜Ｋと室温との中間温度に保持されるならばいかな
る方式であっても構わない。

【００３２】また、液体ヘリウム容器２とシュラウド３
を吊下固定する２重管構造のパイプは、内側のパイプ６
にジルコニア・セラミックを用い、外側のパイプ７には
ステンレス鋼のベローズを用いた例で示したが、２つの
パイプはこの構造および材質に限られずに、他のセラミ
ックや金属の組み合わせでもよい。以上を要するに、パ
イプが液体ヘリウム容器とシュラウドを吊下固定すると
共に、蒸発したヘリウムガスと、外気からパイプを通し
て流入してくる熱が効率良く熱交換できる構造であるな
らばいかなる構造であっても構わない。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る液体
ヘリウム冷却クライオポンプによれば、次のような効果
ないし利点が得られる。

【００３４】（１）絶対温度4.2゜Ｋの液体ヘリウム容
器と、室温（〜300゜Ｋ）の真空容器壁との間に、液体ヘ
リウム容器内の液体ヘリウムから蒸発したヘリウム蒸気
を循環させるシュラウドを配置しているので、シュラウ
ドはヘリウムの自己冷却によって、4.2゜Ｋと室温との中
間温度に保持され、液体ヘリウム容器を室温の輻射から
熱シールドできる。従って、従来のクライオポンプのよ
うに液体窒素でシュラウドを冷却する必要がなくなり、
構造も、操作性も簡単になる。

【００３５】（２）シュラウド、バッフル、液体ヘリ
ウム容器は勿論、真空容器の内壁も熱輻射の非常に小さ
い金、銀、銅およびアルミニウムで製作した場合は、シ
ュラウドが室温の真空壁から受ける輻射熱、液体ヘリウ
ム容器がシュラウドから受ける輻射熱、のそれぞれの輻
射量を最小にすることができ、輻射エネルギーによって
失われる、液体ヘリウムの消費量を非常に小さくするこ
とができる。

【００３６】（３）液体ヘリウム容器とシュラウドを
吊下固定する材料および構造は、熱伝導によって流入す
る熱量を最小にし、且熱交換できるような材料選択と構
造設計を行うことにより、液体ヘリウムの蒸発の無駄が
なく、液体ヘリウムの消費量を非常に小さくすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例としての液体ヘリウム冷却クラ
イオポンプの側断面図。

【符号の説明】

１真空容器２液体ヘリウム容器２ａクライオ面３シュラウド３ａ円環状縁３ｂ溝３ｃ溝４バッフル５シールドパイプ５ａ小穴５ｂ空間５ｃネジ溝６パイプ７ベローズ８ホールダー９フランジ１０液体ヘリウム注入口Ａ液体ヘリウムＢ栓

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体ヘリウムで冷却された絶対温度4.2゜
Ｋのクライオ面に、ガス分子を吸着させて排気する液体
ヘリウム冷却クライオポンプにおいて、 4.2゜Ｋの液体ヘリウム容器と、真空容器壁との間に、シ
ュラウドを配置して構成され、前記シュラウドは、一方で前記液体ヘリウム容器に連通
すると共に、他方でポンプ外に連通するものであって、
前記液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムから蒸発したヘ
リウム蒸気を循環させて冷却する自己冷却型シュラウド
であること特徴とする液体ヘリウム冷却クライオポン
プ。
【請求項２】前記シュラウド表面および真空容器内壁
は、金、銀、銅、又はアルミニウムの低輻射率金属で製
作されていることを特徴とする前記請求項１記載の液体
ヘリウム冷却クライオポンプ。
【請求項３】前記液体ヘリウム容器と前記シュラウド
を２重管構造のパイプで吊下固定すると共に、蒸発した
ヘリウムガスが該パイプの２重管の間を通ってポンプ外
に放出されることを特徴とする前記請求項１記載の液体
ヘリウム冷却クライオポンプ。
【請求項４】前記液体ヘリウム容器と前記シュラウド
を吊下固定する２重管構造のパイプは、内側にジルコニ
ア・セラミックを用い、外側には金属ベローズを用いた
ことを特徴とする前記請求項３記載の液体ヘリウム冷却
クライオポンプ。