真空ポンプU 12クライオポンプUIVac cryo-u 12 hsp

低温ポンプは低温真空ポンプ、冷ポンプ、凝縮ポンプとも呼ばれている。クライオポンプの冷却源は、低温液体（液体窒素又は液体ヘリウム）であってもよく、低温冷凍機であってもよい。ここでは、2つの温度レベルで冷房を発生させ、それぞれ2つの低温表面を冷却し、抽出されたガスは低温表面に冷却される冷凍機種のクライオポンプを紹介します。

1.クライオポンプYes

真容器内には極低温面が設けられ、凝縮と吸着により容器内のガスを捕捉し排気するポンプが設けられている。
機械的運動部品が少なく、油を使用しないため、清浄な高真空を実現することができる。
クライオポンプを効率的に排気するためには、凝縮時の蒸気圧、吸着時の吸着平衡圧は10−8 Pa以下でなければならない。
図1は、各ガスの蒸気圧であり、窒素ガスの蒸気圧よりも低いガスであり、極低温面（低温面または低温バッフル）が20 K以下に冷却された場合、その蒸気圧は10−8 Pa以下である。水素、ヘリウム、ネオンなどの蒸気圧の高いガスは20 Kでは凝縮排気できないため、20 K以下の吸着剤で排気する。
このようにして、クライオポンプはすべてのガスを排出して超高真空を得ることができる。

図1.各種ガスの蒸気圧

冷凍表面を形成する方法としては、通常、閉鎖サイクルの小型ヘリウム冷凍機が用いられる。クライオポンプは小型ヘリウム冷凍機を使用し、貯液型クライオポンプのように定期的に冷媒を補給する必要がなく、簡単な操作で清浄な超高真空を得ることができ、長時間、安定した連続運転ができる。

2.クライオポンプの動作原理と構造

CRYO−U 8 Hを例にクライオポンプの構成を説明する。
クライオポンプの冷凍機は2段式で、1段は大きな冷凍能力を持ち、80 K以下に冷却することができ、2段の冷凍能力は小さく、10 ~ 12 Kに冷却することができる。
15 Kバッフル（1）（凝縮板）と15 Kバッフル（2）（吸着板）は冷凍機の2段に設置された80 Kバッフルと80 Kバッフルバケットは冷房能力の大きい1段に設置され、室温からの熱放射（放射）を防止する。また、吸着剤表面が被覆されないようにするために、濃縮性ガスが入り込めないバッフルの内側に吸着剤が取り付けられている。

図2.CRYO-U 8 H

クライオポンプの主な排気ガスは、以下の（1）〜（3）等である。

（1）空気（N 2、O 2）：真空設備の粗引き後の残留ガス

（2）放出ガス1 H 2 O：真空容器表面（通常の真空機器の中で最大の部分）に吸着し、ガラス、プラスチック、セラミックスから放出されるガスの主成分

2 H 2：真空容器の金属壁内部拡散放出（超高、真空の問題）高温、溶融金属（特にアルミニウム）放出（蒸着、スパッタリング）

3-CO、CO2、
CH 4、CnHm：真空設備の壁面の汚れ

（3）導入ガス4 Ar：スパッタ装置

5 H 2：イオン注入

6 O 2：酸化物

7その他

蒸気圧力計によると、水蒸気（H 2 O）温度が130 K以下であれば、蒸気圧は10−8 Pa以下、窒素（N 2）、酸素（O 2）、一酸化炭素（CO）、アルゴン（Ar）などのガスは、蒸気圧が高いために80 Kで凝縮できず、20 K以下のバッフル（1）の外面を通過して凝縮と排気する必要がある。

ヘリウム（He）、水素（H 2）、ネオン（Ne）などのより蒸気圧の高いガスは10〜20 Kの温度で凝縮しないため、15 Kバッフル（1）（凝縮板）の内側に取り付けられた吸着剤により吸着・排気される。吸着剤は15 Kバッフル（2）（吸着板）に取り付けられ、吸着剤表面が被覆されないように濃縮性ガスが入り込めないバッフルの内側に吸着剤が取り付けられている。
80 K遮蔽バケツ、80 K遮蔽板、15 K遮蔽板（1）の外面は鏡面であり、室温の放射熱を反射することができる。80 K遮蔽バケツの内面が黒化処理されているのは、室温放射が80 K遮蔽の内面で反射するのを防ぐためであり、15 K遮蔽板に入射する。クライオポンプを正常に動作させるためには、80 Kシールドバケツ、80 Kバッフルの温度は130 K以下、15 Kバッフルは20 K以下でなければならない。

これらの温度を確認できるように、80 KバッフルにCA熱電対、15 Kバッフルに水素蒸気圧温度計（H 2 VP）及びMB型低温熱電対温度計を取り付けた。（CA熱電対130 Kの標準起電力は−5.5 mVである。）

3.クライオポンプの再生と安全弁

油拡散ポンプとターボ分子ポンプは圧縮排出されたガスをポンプの外に放出するが、低温ポンプは凝縮と吸着によって15 Kバッフルに貯蔵されるため、定期的に放出と再生しなければならない。
再生とは、クライオポンプの温度を室温まで上昇させ、凝縮または吸着したガスをガス状態に戻すことを意味する。大量のガスが貯蔵された低温が密封状態にある場合、クライオポンプの内部は再生中に高圧ガスになる可能性があるため、クライオポンプに安全弁を取り付ける必要がある。
安全弁の作動圧力は20 kPa（表圧）に設定した。
安全弁を使用するのは安全のためですので、安全弁を閉じたり、他の目的で使用したりしないでください。
また、再生中にガス放出弁として使用しないでください。安全弁が作動すると、パージガス中の塵埃等がo−ring表面に付着し、漏れの原因となる。

4.クライオポンプシステム

クライオポンプシステムは基本的に

《1》クライオポンプユニット（冷凍機ユニットを含む）
《2》圧縮機ユニット
《3》ホース（2本）

構成し、図3に示すように接続した後。クライオポンプ便の起動（クライオポンプは大気圧では起動できない）と再生には粗ポンプ（顧客が準備する）が必要である。

図3.クライオポンプシステム

クライオポンプの性能

クライオポンプの主な性能は、（1）冷却降温特性（2）排気速度（3）排気容量（4）最大流量（5）交差圧力（6）限界圧力（7）熱負荷能力などである。
これらの項目について、以下に説明する。

1.冷却冷却冷却（クールダウン）特性

クライオポンプは大気圧では起動できないので、粗ポンプが必要です。回転ポンプを用いて粗引きを行った場合、ULVAC Cryoのクライオポンプ40 Paは油蒸気の還流を起こさない。ポンプに残ったガスはすべてクライオポンプ内の吸着剤に吸着される。冷却時間は以下の要因により影響される。

表1.冷却時間に影響を与える要因

要因

れいきゃくじかん

1.粗引き圧 高 延长

2.ポンプの温度高延長

3.粗引き後の残留ガスの構成乾燥（ポンプ内乾燥）延長

水分が多く減少する

4.ポンプの汚染が延長された

冷却時間は再生方法の影響を受ける。窒素パージや加熱ベルトを用いて温度を上昇させると、水分が少なくなり乾燥し、真空断熱が実現しにくくなるため、冷却時間が長くなる。また、微小な漏れは冷却時間の延長や冷却不能にもつながるので注意してください（安全弁からの漏れは特に注意してください）。また、60 Hz領域の冷却速度は50 Hz領域より10〜15%速い。一般的に、冷却時間は、表4〜2に示すように、15 Kバッフルの温度が20 K未満であるために必要な時間と定義される。

2.排気速度特性

2−1.水に対する排気性能

冷凍面の温度が150 K以下であれば、冷凍面水の凝縮確率はほぼ1である。一般に、クライオポンプ80 K遮蔽タンクと80 Kの運転中の温度は130 K以下（通常は約80 K）であるため、クライオポンプの水に対する排気速度は80 K遮蔽タンクの口径の理想的な排気速度に等しい。分子量Mガスの単位面積当たりの理想排気速度sをs=62.5／M 1／2（L／s／cm 2）（20℃）水とすると、M＝18の理想排気速度はs＝14.7（L／s／cm 2）となる。80 Kシールドバケツの吸気口面積A（cm 2）、クライオポンプによる水の排気速度SはS=s・A（L/s）である。

例えば、8型のクライオポンプ、80 Kシールドバケツの吸気口面積は約275 cm 2、水への排気速度は4000 L/sである。80 Kバッフルにおいて凝縮及び排出されるガス（例えば、CO 2、NH 4）について同様の計算を行った。CRYO-U 8 HによるCO 2の排気速度計算は、水に対する排気速度が4000 L/s、CO 2の分子量が44、SCO2=SH2O X ( 18 / 44 )1/2=2560 L/s。

表2.クライオポンプの水に対する排気速度

こうけい

モデル

排気速度（L/s）

6時間2100

8u8h，U8H-U，U8HSP 4000

10ドル、6900ドル

12u12h、U12H-K2、U12HSP 9500

16u16，U16P 16000

20 U20P 29000

22時間39,000

30u30h 70000

2−2.Ar、N 2（凝縮性ガス）の排気特性

N 2、Ar、CO、O 2などの比較的高い蒸気圧を有するガスは、80 Kバッフルまたは80 Kによって遮蔽されず、20 K未満の温度で凝縮および排出される。
冷凍面温度が20 K以下であれば、冷凍面の凝縮性ガスの捕捉確率は1であり、また、分子流動領域における吸気口から低温バッフルへの伝導は一定であるため、分子流動領域における低温ポンプの排気速度は一定である。

製品マニュアルにおけるクライオポンプの排気速度値は、分子流領域における窒素ガスの排気速度である。窒素ガスの意外な分子量Mの凝縮性ガスの排気速度は、以下の式計算により求めた。

SM=SN2×（28／M）1/2（L/s）・・・・・・・(1)
シリアル番号

2：窒素ガスの排気速度（L/s）

例えば、CRYO−U 8 Hによるアルゴンガスの排気速度は、表6−3からSN 2＝1700（L／s）、アルゴンガスの分子量M＝40が分かるように、この式により算出される
ザル=1700 X（28/40）1/2=1400 L/s

図1.窒素ガスに対するCRYO-Uの排気速度

モデル

排気速度（L/s）

u 6時間750

U8H/U8H-U/U8HSP 1700

U10P 2300

U12H 4000

U12HSP 4100

U16/U16P 5000

20ペンス10000

U22H 17000

30時間28,000

表3.各種クライオポンプによる窒素ガスの排気速度（製品マニュアル値）

気流が分子流から中間流（遷移流）に変化すると、コンダクタンスは圧力に比例するため、排気速度が増加する。しかし、クライオポンプに入力される熱は圧力の増加とともに増加するため、熱負荷が冷凍機の冷房能力を超えるとクライオポンプの排気限界に達する。ULVAC Cryoは、この熱負荷に基づいて、低温フラップ温度が20 Kに達したときの流量を最大流量と定義する（図6−1○点）。最大流量は冷房能力が強くなるにつれて増加するが、いくら冷房能力が強くても凝縮層の熱伝導率には限界があるため、厚さ方向に温度勾配が現れる。凝縮層の表面温度が限界を超えすぎるとガスが凝縮しないため、排気速度が0となり物理排気限界となる。

2−3.H 2、He、Ne（非凝縮性ガス）の排気速度

H 2、He、Neは蒸気圧が最も高いガスであり、20 K前後では蒸気圧が高すぎて凝縮によって排出できないため、非凝縮性ガスとも呼ばれる。これらのガスは凝縮により排出できないので、20 K以下に冷却した吸着剤で吸着することで排気する。吸着剤が非凝縮性ガスを吸着すると飽和するため、排気速度が徐々に低下する。排気速度が初期値の80%まで低下したときに排出されるガス量を排気量と定義する（後述）。
非凝縮性ガスの中で、水素は排出ガスの重要な成分であり、応用上重要なガスでもあるため、詳細な研究を経て仕様を確定した。ネオンガスの使用例は少ないので、データは少ない。また、ヘリウムガスは最も吸着されにくいガスであり、アルゴンガスの1/100〜1/1000しか排出されないため、クライオポンプを用いて排気することは推奨されていない。

モデル
れいとうウラン

はいきそくど
（L/s）

さいだいりゅうりょう
(Pa・L/s)

排気流量
(Pa・L)

-26時間1100 1.1×102 3.1×105

-u 8時間2700 2.4×102 1.0×106

-U8HSP 3200 2.4×102 1.0×106

-U10PU 3600 1.5×102 6.7×105

-U12H 6000 4.1×102 9.8×105

-U12HSP 6000 4.1×102 1.6×106

-U16 10000 4.1×102 2.4×106

-U16P 10000 4.5×102 2.4×106

-U20P 18000 5.0×102 4.6×106

-U22H 25000 1.3×103 8.5×106

-U30H 43000 7.4×102 1.5×107

表4.水素に対するCRYO-Uの排気特性

図2.水素に対するCRYO-Uの排気速度

3.クライオポンプの排気容量

3−1.凝固性ガスの排気容量

凝縮によって排出されるガスは、（1）バケツまたは80 Kバッフルから排出されるガス（主に水）と、（2）15 Kバッフルから排出されるガス（窒素、アルゴン、酸素など）である。

（1）水に対する排気容量
水が80 Kバッフルに凝結し、氷の厚さが増加すると、80 Kバッフルのコンダクタンスが低下し、15 Kバッフルによる凝縮と吸着排気ガスの排気速度も低下する。再生が必要なため、このとき排出される水量は排気容量であり、明確な水の排気容量の定義はない。しかし、下表の値は水の排気限界の大まかな指導とすることができる。（排気量の単位はg（グラム）ですので注意）

モデル

排気容量（g）

低温U 6 H 40

低温U 8 H，U 8 H-u 90

低温U 10 PU 170

低温U 12 H 260

低温U 16、U 16 P 500

低温U 20 P 1000

低温U 22 H 1400

表5.クライオポンプによる水の排気容量（参考）

（1）水が多い場合

プラスチック

ガラス

セラミックス

（2）水が多い場合の再生注意点

温度が上がると氷が溶ける

粗引きの場合は、水を冷凍しない

ポンプ内から水を除去する

回転ポンプの性能を点検する（油乳化注意）

（2）アルゴンガスの排気容量

15 K凝縮板を介して凝縮して排出されるガスにおける難題は、スパッタリングプロセスにおけるアルゴンガスの排気容量である。15 Kバッフルの外面凝縮アルゴン層の厚さが増加し、温度の高い80 Kバッフルと80 Kシールドバケツに接触したり、アルゴン層自体の温度勾配が増加したりして、アルゴン表面温度を上昇させたりします。このような場合、いずれも凝縮ができなくなります。このとき、排出されるアルゴンガス量は排気容量である。ULVAC Cryoは、アルゴンガスの排気容量を「メインバルブを閉じ、メインバルブを閉じてから5分後に圧力が1.3 X 10−4 Pa以下に低下しないアルゴンガスの排出量」と定義する。図6-3は200 CCMのアルゴンガスを連続的に導入し、導入を停止して5分後にCRYO-U 12 HSPの圧力値であり、排気量が4.3×108 Pa・Lを超えて開始し、圧力が突然回復したため、排気量は4.3×108 Pa・Lであった。表6−6に各タイプのクライオポンプのアルゴン排出能力を示す。

図3.CRYO-U 12 HSPの圧力回復（測定例）

機種CRYO-

排気容量（Pa・L）

-26時間5.6×107

-U8H，U8H-U 1.0×108

-U8HSP 2.5×108

-U10PU 1.0×108

-U12H 2.1×108

-U12HSP 4.3×108

-U16，U16P 4.3×108

-U20P 5.8×108

-U22H 8.1×108

-U30H 7.8×108

3−2.非凝縮性ガスの排気容量

水素、ヘリウム、ネオンなど10 K前後の凝縮によって排出できないガスは、15 Kバッフル内側の吸着剤に吸着されて排気される。そのため、吸着量の増加に伴って飽和状態に近づき、（1）排気速度が低下し、（2）吸着平衡圧力が高くなり、排気性能が徐々に低下し、最終的に排気ができなくなる。ULVAC Cryoは、水素に対する排気容量を、水素に対する排気速度が初期排気速度の80%まで低下するまでの水素吸着量と定義する。吸着剤が所定の吸着能力を発揮できるようにするためには、吸着剤を洗浄する必要がある。吸着剤の汚染は

（1）凝縮性ガス（主に空気）を吸着する場合
（2）水分吸着時
（3）油蒸気吸着時

これらの物質が大量に吸着されると、水素を吸着する能力が低下する。再生クライオポンプにより空気と水分を除去することができるが、油蒸気が吸着されると再び除去されることができず、その場合は15 Kバッフル（2）（吸着板）を交換しなければならない。水素に対するクライオポンプの吸着性能を維持するためには、オイル蒸気がクライオポンプに還流することを絶対に避けなければならない。
図4は、Sが排気速度、Cが排気容量である水素ガスの排気速度と水素ガスの排気容量との関係図である。各モデルの排気速度と排気容量については、図4を参照してください。

図4.水素ガスに対する排気速度と排気容量の関係

4.クライオポンプの熱負荷と最大流量

クライオポンプの熱負荷は放射熱とガス負荷（ガス熱伝導、凝縮熱）であり、それぞれ以下の式を与える。

σ

：ボルツマン定数5.67×10-12 W/cm 2/K 4

εAV

：平均放射率

時間T 1

：低温面の温度（K）

時間T 2

：高温面の温度（K）

A.

：熱受容面積（cm 2）

A 1：内側A 2：外側

γ

：ガスの比熱比

ａ0

：平均熱適応係数

Ｐ

：圧力（Pa）

M

：分子量

時間T 1

：圧力P測定点の温度（K）

時間T 2

：低温面の温度（K）

A：熱受容面積（cm 2）

平均熱適応係数a 0式（A 1＜A 2）



適応係数a 1，a 2（近似値）

γ

：凝縮熱（H 2、He、Neの場合、吸着熱）（W/Pa・L/s）

ωǒ

：低温面の温度（K）

電報

：ガスの温度（K）

S

：クライオポンプの排気速度（L/s）SP：（Pa・L/s）

P

：プレス（Torr）

CP

：ガスの平均比熱（W/（Pa・L/s）/K）

冷凍機1段の熱負荷は放射熱とガスの伝導熱であり、10−1 Paの範囲で連続的に使用しない限り、通常はほとんどが放射熱である。冷凍機2段の冷凍能力は1段の熱負荷に影響され、1段の熱負荷が増加すると2段の冷凍能力が低下し、最大流量も低下する。
そのため、クライオポンプを導入するガス量が多い場合は、クライオポンプを清潔に保ち（輻射熱を減少させ）、熱輻射による熱過負荷を減少させてください。通常、大型クライオポンプの方が受熱面積が大きく、より多くの熱放射があるため、より大きな冷凍能力を必要とする冷凍機。クライオポンプの最大流量は、標準輻射熱時に、凝縮熱（または吸着熱）がクライオポンプの温度を20 Kに到達させたときの流量と定義される。ポンプの口径が同じであれば、冷凍機の冷凍能力が大きいほど、または排気速度が大きいほど、最大流量も大きくなる。例えばCRYO−U 16とU 16 Pの口径は同じで、同じ排気速度があり、U 16 Pの冷凍機（R 50）の場合はU 16の冷凍機（R 20）よりも冷房能力が高いため、最大流量も大きい。
クライオポンプの最大作動圧力Pmaxは、最大流量Qmaxをこのときの排気速度Smaxで除することにより求められる。(Pmax=Qmax/Smax)。アルゴンガスの場合、Pmaxは約10-1 Paであり、これは中間流である。表7に各モデルの最大流量を示す。

クライオポンプの最大流量

アルゴン
（Pa・L/s）

水素
（Pa・L/s）

低温U 6 H

1.1×103 1.1×102

低温U 8 H、U 8 H-U、U 8 HSP

1.2×103 2.4×102

低温U 10 PU

8.0×102 1.5×102

低温U 12 H

2.0×103 4.1×102

低温U 16

1.4×103 4.1×102

低温U 16 P

1.6×103 4.5×102

低温U 20 P

1.1×103 5.0×102

低温U 22 H

4.1×103 1.3×103

低温U 30 H

2.7×103 7.4×102

5.クロスプレス（cross over）

交差圧力は、真空槽が粗引きされたときにメインバルブを開いてクライオポンプに切り替えたときの真空槽の圧力（粗加圧力）である。このとき許容される最大粗引抜き圧力は最大許容交差圧力である。メインバルブが開いた瞬間に真空槽種のガスがクライオポンプに流入し、ガスの量が限界を超えるとクライオポンプは再び排気能力を回復できず、温度が上昇し、排気されたガスはすべて放出される。限界ガス量（処理可能な最大ガス吸入量）を真空チャンバの容積で除して最大許容交差圧力を求めた。

処理可能な最大ガス吸入量は、排気性能を回復する限界値（通常、低温バッフルの温度は20 Kを超える）である。通常は安全上の考慮にあり、粗引抜き圧力限界は（1）式種で求めた最大許容交差圧力の1/2である。また、安全係数を高めたい場合は、クライオポンプダンパ温度が20 Kを超えないときの値を最大許容交差温度に設定することができる。処理可能な最大ガス吸入量は、クライオポンプ上の熱負荷とクライオポンプ中の凝縮ガス量に応じて変化する。

表6〜8は、種々の型式で処理可能な最大ガス吸入量（空気に対する）の参考である。例えば、U 8 Hの場合、容積100 Lの真空容器の最大許容交差圧力Pmaxは処理可能な最大吸入ガス量133000 Pa・Lであり、Pmax≦133000 Pa・L／100 L＝1330 Paであり、粗引き1330 Pa以下である。通常、安全係数は2被以上、すなわち粗引圧力は665 Paとする。通は20 Kを超えないように、処理可能な最大吸入ガス量は20000 Paであれば、P=2000/100=200 Paである。真空容器の容積が大きく、粗抽気圧力が40 Pa以下の場合、油蒸気の還流を防止し、より大きなポンプを取り付けるか、ポンプの数を増やして、粗加工圧力を40 Pa以上にする措置を取らなければならない。

6.到着

クライオポンプのガス流量がない場合の到達圧力は、凝縮性ガスの低温面温度における各種ガスの蒸気圧力と凝縮係数（1と仮定）であり、以下の式に代入して求めた。

Pg=Ps（Tg/Ts）1/2

三体

：低温面の温度10～20 K

に言及

：温度Ts時のガス蒸気圧（水素は吸着平衡圧）（Pa）

電報

：ガス温度～300 K

凝縮性ガスの中で蒸気圧が最も高いガスは窒素ガスであり、窒素ガスに対して低温面温度10−20 Kで到達圧力を図6に示す。通常、負荷がない状態では、クライオポンプダンパは10-12 K、蒸気圧は~ 10-21 Paであり、実際の使用時には無視できる。非凝縮性ガス水素に対する限界圧力は吸着平衡圧力によって決定される。図6−7に示すように、クライオポンプに使用される活性炭は非常に大きな水素吸着能力を有し、超高真空中で運転する場合、水素の排気量が非常に小さいため、水素の吸着平衡圧力Paも無視できる。（例えば、U 8 H（SH 2 O＝2700 L／s）が1.3 X 10−8 Paで1ヶ月連続運転した水素の吸着量はQ＝1.3×10−8 x 2700×30 x 24×3600＝91 Paであるため、クライオポンプの限界圧力はクライオポンプに導入されるガス量と排気速度によって決まる。通常、クライオポンプ単体の限界圧力は、クライオポンプにブラインドフランジを使用した場合のクライオポンプ最小ガス流入量によって測定される。また、限界圧力はクライオポンプの仕様（標準仕様と超高真空仕様）、粗引き圧力、ベーキングの有無などによって大きく異なります。通常、O-RING、粗引き40 Pa、無焼成の場合、12時間運転の限界圧力は（1〜4）X 10−6 Paである。図6〜7は、ベークがある場合とない場合の残留ガス組成の測定を示している。また、表6〜9は、単一クライオポンプの限界圧力の基準値を示している。超高真空規格ベーキングの場合、10−10 TPaの真空を得ることができる。装置の限界圧力は、装置から放出されるガス量（P＝Q／S）に依存する。

図6.蒸気圧による限界圧力

活性炭の水素吸着温度曲線

クライオポンプの限界圧力（参考）

仕様

粗引抜き圧力（Pa）

やきつけ

限界（Pa）

標準

40
40なし
（100～150℃）×（3～10h）（1～4）×10-6
(1～4)×10-7

超高真空

10-2～10-3
10-2～10-4
10-2～10-3なし
（200～220℃）×（3～8h）
（200〜220℃）×約20 h 10−8
10-9
10-10

［クライオポンプの基礎知識5］

冷凍機の構造と冷凍原理

冷凍機の構造と冷凍原理
1.冷凍原理（一般説明用）

図1.冷凍原理

クライオポンプ用の代表的な冷凍サイクルは
（1）Gifford-McMahonサイクル（G-Mサイクル）
（2）Modified-Solvayサイクル（M-Solvayサイクル）

2.クライオポンプで使用する冷凍サイクル
CRYO−U 8 Hを例にクライオポンプの構成を説明する。
クライオポンプの冷凍機は2段式で、1段は大きな冷凍能力を持ち、80 K以下に冷却することができ、2段の冷凍能力は小さく、10 ~ 12 Kに冷却することができる。
15 Kバッフル（1）（凝縮板）と15 Kバッフル（2）（吸着板）は冷凍機の2段に設置された80 Kバッフルと80 Kバッフルバケットは冷房能力の大きい1段に設置され、室温からの熱放射（放射）を防止する。

図2−2は、G−Mサイクルの動作原理とP−V線図（膨張室の圧力Pと容積Vとの関係）である。

2−1.G−Mサイクル
G−MサイクルはGiffordが1950年代末に開発した冷凍サイクル方式であり、ディスプレーサの駆動方式は機械駆動と作業ガス圧力差を利用した駆動である。G-Mサイクルは非常に効率的であるが、駆動速度が遅い可能性があり、また、内部に使用されているシールは負荷が軽く、信頼性の高い冷凍サイクル方式である。ここで、ULVAC Cryoに用いられる機械式圧縮機駆動の冷凍サイクルについて説明する。

Aディスプレーサはシリンダの最下部にある。このとき、低圧バルブは閉じ、高圧バルブは開く。

↓

（a）シリンダの室温部分と低温部分は高圧ガスで充填される。

↓

Bシリンダ内部が高圧になる。

↓

（b）ディスプレーサが引き上げられ、室温のヘリウムガスが蓄冷器で冷却されながら、低温部分が充填される。

↓

C低温部面積が最大である。このとき高圧バルブは閉じ、低圧バルブは開く。

↓

（c）クライオポンプ部分の高圧ガスは蓄冷器を介して放出される。このときSimon膨張によりガスの問題が低下し、低温が発生する。

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D低温部分圧力。

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（d）ディスプレーサが押下されて冷却され、ヘリウムガスは蓄冷器で冷却されながら室温部分に移される。

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Aを返して、サイクルが完了します。

このように、理想的なG-MサイクルP-V曲線は正方形であり、1サイクルの周期がt秒であれば、理想冷凍能力

Q idealは以下の式により求められる
Q理想値=W/t

実際の冷凍機は、15 K以下の極低温が得られる2段式構造である。また、構造を簡素化するため、蓄冷器はディスプレーサの内部に内蔵され、ディスプレーサと一体化して集積されている。1段と2段のシールは差圧がなく、シールの負荷が軽く、耐用年数が長く信頼性が高い。

クライオポンプCRYO-Uシリーズ低温U 12 HSP低温U 16低温U 16 F

UIVac の低温u 12熱ショック蛋白質

標準仕様

直径は6'から30'までさまざまなモデルがあります。

用途：

真空めっき膜、表面分析、半導体加工、スパッタめっき膜、イオン注入など。

利点：

他の真空ポンプでは作成できない極めて清浄な真空環境を作り出し、すべての種類のガスを排出することができ、液体ヘリウムを必要としないため、ランニングコストが安く、任意の方向に設置することができ、設計がコンパクトで軽量で、操作が簡単で、排気速度がイオンポンプ、ターボ分子ポンプなどよりはるかに高い。

低温U 12 HSP