CN103893989A - 冷阱及冷阱的安装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有较快的排气速度的冷阱及冷阱的安装结构。本发明的冷阱（110）具备用于将排气对象容积连接到真空泵的导管（124）及被导管（124）包围的冷板（120），导管（124）在被排气侧具备入口凸缘（126），在真空泵侧具备出口凸缘（128），出口凸缘（128）在导管（124）的延伸方向上与入口凸缘（126）隔开间隔而配设，入口凸缘（126）的外径大于出口凸缘（128）的外径。

Description

冷阱及冷阱的安装结构

技术领域

本申请主张基于2012年12月26日申请的日本专利申请第2012-283119号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

本发明涉及一种冷阱及冷阱的安装结构。

背景技术

冷阱为通过将气体冻结在表面而进行捕捉来从环境气体中除去的装置。作为冷阱的用途之一，冷阱设置于主真空泵的跟前。水蒸气等平衡蒸汽压力较低的气体被冷阱捕捉，而平衡蒸汽压力较高的其他气体通过主真空泵排出。

专利文献1：美国专利第5483803号说明书

发明内容

本发明的一方式的例示性目的之一在于，提供一种具有较快的排气速度的冷阱及冷阱的安装结构。

根据本发明的一方式，提供一种冷阱，其设置于排气对象容积与用于该容积的真空排气的真空泵之间，其中，该冷阱具备：导管，用于将所述容积与所述真空泵连接；及冷板，被所述导管包围，所述导管在被排气侧具备入口凸缘，在真空泵侧具备出口凸缘，所述出口凸缘在所述导管的延伸方向上与所述入口凸缘隔开间隔而配设，所述入口凸缘的外径大于所述出口凸缘的外径。

根据本发明的一方式提供一种冷阱的安装结构，其中，该冷阱安装结构具备：导管，从被排气侧向真空泵侧延伸；入口凸缘，设置于所述导管的所述被排气侧；及出口凸缘，设置于所述导管的所述真空泵侧，所述入口凸缘的外径大于所述出口凸缘的外径。

另外，任意组合以上构成要件或在方法、装置、系统等之间相互置换本发明的构成要件或表现形式，作为本发明的形态同样有效。

发明效果

根据本发明能够提供一种具有较快的排气速度的冷阱及冷阱的安装结构。

附图说明

图1为示意地表示本发明的一实施方式所涉及的真空排气系统的图。

图2为概略表示本发明的另一实施方式所涉及的冷阱的侧剖视图。

图3为概略表示本发明的另一实施方式所涉及的冷阱的顶视图。

图中：10-冷阱，12-涡轮分子泵，13-排气流路，14-入口开口，15-出口开口，16-真空腔室，18-闸阀，20-冷板，22-制冷机，24-导管，26-入口凸缘，28-出口凸缘，30-中心板，32-外周板，110-冷阱，113-排气流路，114-入口开口，115-出口开口，120-冷板，124-导管，126-入口凸缘，128-出口凸缘，140-凸缘凹部，142-主体板，144-扩展板。

具体实施方式

图1为示意地表示本发明的一实施方式所涉及的真空排气系统的图。该真空排气系统具备冷阱（cold trap）10及用于对排气对象容积（例如真空处理装置的真空腔室16）进行排气的主真空泵（例如涡轮分子泵12）。主真空泵为用于排气至高真空区域的高真空泵。另外，主真空泵也可以是扩散泵。真空排气系统除主真空泵以外还可以具备用于进行真空腔室16的粗抽的辅助泵。

涡轮分子泵12通过排气流路13连接于真空腔室16。冷阱10配置于真空腔室16与涡轮分子泵12之间。冷阱10为所谓内嵌式冷阱。冷阱10例如配置于涡轮分子泵12的铅直方向的上方。

以下，为明确表示构成要件之间的位置关系，有时使用“轴向”、“径向”等术语。轴向表示沿排气流路13的方向（或导管24的延伸方向），径向表示与轴向垂直的方向。为方便起见，有时将轴向上离真空腔室16相对较近的称为“上”，相对较远的称为“下”。即，有时将离涡轮分子泵12相对较远的称为“上”，相对较近的称为“下”。在径向上，有时将离排气流路13的中心较近的称为“内”，离排气流路13的周缘较近的称为“外”。另外，这种表达方式与冷阱10安装于真空腔室16及涡轮分子泵12时的实际配置无关。例如，冷阱10可以以使出口开口15沿铅直方向朝上且使入口开口14沿铅直方向朝下的方式安装于真空腔室16。

排气流路13为用于使气体从真空腔室16流向涡轮分子泵12的空间。因此，排气流路13具有真空腔室16侧的入口开口14与涡轮分子泵12侧的出口开口15。应被排出的气体从真空腔室16通过入口开口14进入到排气流路13，并经由出口开口15流向涡轮分子泵12。

本实施方式中，入口开口14大于出口开口15。从入口侧观察时，入口开口14包含出口开口15。入口开口14为圆形，出口开口15与入口开口14为同心圆。

为从真空腔室16隔断冷阱10及涡轮分子泵12而设有闸阀18。闸阀18设于真空腔室16的开口部与冷阱10之间。闸阀18在入口开口14的上方与冷阱10相邻。通过打开闸阀18使真空腔室16连通于真空排气系统，以便能够进行排气，通过关闭闸阀18从真空腔室16隔断真空排气系统。例如，当对冷阱10进行再生时通常关闭闸阀18。

闸阀18可作为本真空排气系统的一部分来构成，也可以作为真空处理装置的一部分设于真空腔室16的开口部。并且，也可以不设置闸阀18，此时，冷阱10也可以直接安装于真空腔室16的开口部。如此，可以任意设置闸阀18，因此以下为方便说明，有时将真空腔室和闸阀统称为真空腔室。

冷阱10具备冷板20、以及用于冷却冷板20的制冷机22。冷板20构成为通过在其表面冷凝气体来进行捕捉。整个冷板20露出在排气流路13上，通过被制冷机22冷却而将流经排气流路13的一部分气体冻结在其表面而进行捕捉。并且，冷阱10具备将真空腔室16连接到涡轮分子泵12的导管24。

冷板20沿着与排气流路13中的气体流通方向（图1中为上下方向）垂直的面（图1中为左右方向）配置。即冷板20向径向扩展。冷板20在气体流通方向上的投影面积设定为占据与排气流路13的气体流通方向垂直的截面面积的大半。例如，冷板20在光学方面，除冷板20的外周端与导管24内表面之间的间隙以外，堵塞排气流路13。

导管24对排气流路13进行划定。如上所述，由于冷板20配置于排气流路13，因此冷板20被导管24包围。因此，导管24也能够被称为用于容纳冷板20的冷板壳体。导管24的截面面积随着导管24的延伸方向变化，以在其入口侧具有大口径且在出口侧具有小口径。入口侧的口径与入口开口14对应，出口侧的口径与出口开口15对应。图示例中，导管24的截面面积从入口开口14向出口开口15连续变化。导管24也可以在入口开口14与出口开口15之间具有使其截面面积不连续产生变化的阶梯差。

导管24具备两个真空凸缘。导管24在被排气侧具备入口凸缘26，在真空泵侧具备出口凸缘28。出口凸缘28在导管24的延伸方向（图1中为上下方向）上与入口凸缘26隔开间隔而配设。即入口凸缘26与出口凸缘28在轴向上相隔，两个凸缘通过导管24的筒部27彼此连接。入口凸缘26上形成有入口开口14，出口凸缘28上形成有出口开口15。

入口凸缘26安装于闸阀18的凸缘（未图示）上，出口凸缘28安装于涡轮分子泵12的凸缘（未图示）上。本实施方式中，闸阀18的公称直径大于涡轮分子泵12的入口凸缘的公称直径。为了与之对应，冷阱10的入口凸缘26的尺寸大于出口凸缘28的尺寸。例如，入口凸缘26的外径及内径大于出口凸缘28的外径及内径。由此，入口凸缘26以能够安装于真空腔室16或闸阀18的方式构成，出口凸缘28以能够安装于涡轮分子泵12的方式构成。

冷板20具备中心板30及外周板32。中心板30例如为具有多个金属制叶片的百叶窗。每个叶片形成为各自具有不同直径的圆锥台侧面的形状并排列成同心圆形。另外，中心板30可以形成为人字形且可以形成为其他形状，如格子形等。中心板30的外径小于出口开口15的口径（即出口凸缘28的内径）。外周板32例如为圆形环状的平板。另外，外周板32与中心板30相同，也可以形成为任意形状。

外周板32配设于中心板30的轴向上方。外周板32的外径大于出口开口15的口径。外周板32的内径相当于中心板30的外径。因此，从轴向观察时，能够观察到外周板32的中央开口到中心板30的几乎整体。因此，能够将外周板32称为上部板，中心板30称为下部板。

中心板30以覆盖排气流路13的中心部的至少一部分的方式配设。中心板30的外端远离导管24的筒部27的内表面。因此，中心板30与导管24的筒部27之间形成有连接入口开口14与出口开口15的环状空间38。外周板32以覆盖该环状空间38的至少一部分的方式配设。外周板32在中心板30的外侧向筒部27延伸。如此，冷板20能够被划分为径向内侧部分与径向外侧部分。

如此，外周板32形成冷板20的扩展部分。即，通过设置外周板32使轴向观察时的冷板20的投影面积向径向扩大。因此，能够提高冷阱10的排气速度。

冷板20安装于制冷机22的冷却台上。或者，冷板20也可以通过连结制冷机22的冷却台与冷板20的传热部件而与制冷机22的冷却台热连接。制冷机22例如为吉福特-麦克马洪式制冷机（所谓GM制冷机）。并且，制冷机22为单级式制冷机。

制冷机22与冷板20的中心板30热连接。外周板32通过中心板30与制冷机22热连接。或者，中心板30与外周板32也可以分别通过单独的传热路径与制冷机22热连接。此时，外周板32也可以不通过中心板30而与制冷机22连接。

导管24的筒部27的侧面形成有用于将冷板20连结到制冷机22的侧面开口34。包围制冷机22的至少一部分的制冷机壳36从侧面开口34的外周部向径向外侧延伸。因此，导管24在入口凸缘26与出口凸缘28之间具备用于容纳制冷机22的制冷机壳36。

通过图1所示的真空排气系统进行的排气处理中，通过开放闸阀18并使涡轮分子泵12动作，使真空腔室16进行排气来将真空度提高至所希望的级别。在使涡轮分子泵12动作之前，也可以通过粗抽用辅助泵对真空腔室16进行排气。冷阱10将流经排气流路13的水蒸气冷却至能够进行捕捉的温度（例如100K）。通常，涡轮分子泵12排出水蒸气的速度比较慢，而通过一并使用冷阱10能够实现较快的排气速度。

图2及图3为概略表示本发明的另一实施方式所涉及的冷阱110的图。图2表示包括冷阱110的中心轴在内的截面，图3表示从上面观察冷阱110的图。如同图1所示的冷板10，将图2及图3所示的冷板110组合到涡轮分子泵12，由此能够构成用于真空腔室16的真空排气系统。另外，在以下说明中，为言简意赅，在图2及图3所示的冷阱110中对于与图1所示的冷板10相同的构成要件，有时标注相同的符号以适当省略说明。

详细内容如同后述，冷阱110中，冷板120的径向外侧部分（例如扩展板144）具有大于导管124的被排气侧的内径的外径。为收容其径向外侧部分，凸缘凹部140形成于入口凸缘126上。

冷板120具备主体板142及扩展板144。主体板142具备筒形板146及挡板148。扩展板144、筒形板146及挡板148在轴向上自上而下依次以该顺序排列。扩展板144在轴向上位于真空腔室16（参考图1）与主体板142之间。能够将扩展板144、筒形板146及挡板148分别称为上部板、中间板及下部板。

筒形板146例如具有圆筒形状，从入口开口114朝出口开口115延伸。筒形板146的上端被入口凸缘126包围。另一方面，筒形板146的下端位于出口凸缘128的稍上方，且筒形板146的下端与出口凸缘128之间配置有挡板148。构成有以筒形板146为内筒且以导管124为外筒的双重筒结构，筒形板146与导管124之间形成有环状空间138。筒形板146的轴向中间部分连结着制冷机122，由此筒形板146通过制冷机122被冷却。另外，为促进入口开口114到出口开口115的气体流动，筒形板146的侧面也可以形成有开口。

与参考图1进行说明的中心板30相同，挡板148具有百叶窗结构。挡板148以光学地堵塞筒形板146的出口侧开口的方式构成。挡板148也可以具有其他任意形状。挡板148安装于筒形板146的下端部，由此挡板148经由筒形板146与制冷机122热连接。

在与扩展板144及筒形板146相比更靠排气流路113的下游侧配置挡板148，由此主要通过上游侧的扩展板144及筒形板146捕捉气体。因此，能够减少堆积在挡板148上的气体量。这有利于维持挡板148的气体流动。

与参考图1进行说明的外周板32相同，扩展板144为圆形环状板。扩展板144可以具有其他任意形状。扩展板144被入口凸缘126包围。扩展板144以覆盖筒形板146与导管124之间的环状空间138的方式配设。扩展板144的内径大致等于筒形板146的外径。主体板142通过扩展板144向径向外侧扩展。

扩展板144通过板安装部150安装于筒形板146的上端部。板安装部150例如在筒形板146的上端部沿周向等间隔（例如每隔90°）形成。如图3所示，扩展板144通过紧固螺栓等适当的方法被固定在板安装部150（图3中以虚线表示）。如此，扩展板144通过筒形板146与制冷机122热连接。另外，图3中，为明确图示，扩展板144上涂有浅灰色。

入口凸缘126以包围入口开口114的方式形成。入口凸缘126从导管124的筒部127的上端向径向外侧延伸。入口凸缘126以遍及导管124的整周的方式设置。入口凸缘126为用于在真空腔室或闸阀上安装冷阱110的真空凸缘。

入口凸缘126以使冷阱110适应真空腔室或闸阀的方式构成。例如，入口凸缘126的公称直径与真空腔室的开口部或闸阀的公称直径一致。或者，安装入口凸缘126的开口为方形时，入口凸缘126具有与其方形的公称尺寸相同的公称尺寸。

出口凸缘128以包围出口开口115的方式形成。出口凸缘128从导管124的筒部127的下端向径向外侧延伸。出口凸缘128以遍及导管124的整周的方式设置。出口凸缘128为用于将冷阱110安装到涡轮分子泵等主真空泵上的真空凸缘。

出口凸缘128以使冷阱110适应主真空泵的方式构成。例如，出口凸缘128的公称直径与主真空泵的入口凸缘的公称直径一致。

导管124为遍及其延伸方向具有相同口径的管道。如图所示，导管124具有长度比其直径短的短筒形状。导管124从入口开口114向出口开口115直线延伸。或者，导管124也可以在导管124的延伸方向上延伸得比导管124的直径更长。导管124也可以从入口开口114向出口开口115屈曲或弯曲延伸。

入口凸缘126具备内周部分152与外周部分154，内周部分152与外周部分154之间形成有轴向高度差D。内周部分152设置于导管124的筒部127的上端的径向外侧。

外周部分154为安装冷阱110而设。外周部分154为在内周部分152的径向外侧向轴向上方突出的凸部。外周部分154与内周部分152相比在轴向上更厚。外周部分154的上端面为用于安装的接触面156。将入口凸缘126安装到真空腔室或闸阀时，接触面156与真空腔室或闸阀抵接。外周部分154的下表面与内周部分152的下表面呈同一水平面。

入口凸缘126的高度差D因接触面156与内周部分152的上表面而形成。高度差D形成用于收容扩展板144的凸缘凹部140。凸缘凹部140为用于容纳扩展板144的外周部的环状空间，成为排气流路113的一部分。凸缘凹部140形成于入口凸缘126的整周。凸缘凹部140与扩展板144之间形成有间隙。因此，扩展板144以不与入口凸缘126接触的方式被入口凸缘126包围。

扩展板144不仅在径向上而且在轴向上也容纳于凸缘凹部140中。因此，能够不干涉闸阀等上方的部件而扩展冷板120。然而，只要不干涉闸阀等上方的部件，扩展板144也可以从凸缘凹部140朝上方突出。

根据本实施方式，入口凸缘126的内径大于出口凸缘128的内径。因此，冷阱110的入口侧的开口径大于出口侧的开口径。由此，通过在被排气侧设置较大的开口面积，使得气体（例如水蒸气）容易从排气对象容积进入排气流路113。因此，能够加快冷阱110的（例如水的）排气速度。

根据本实施方式，冷板120通过设置扩展板144而得以扩展。由此，有助于排气速度的有效面积（即轴向上观察时的投影面积）被扩大。因此，能够提高利用冷阱110进行的（例如水的）排气速度。并且，由于扩展板144向径向外侧扩展，因此与向径向内侧扩展时相比，能够进一步扩大板面积。将扩展板144配置在入口开口114也有助于排气速度的提高。

通过增设扩展部分，水的排气速度得以增强，因此，即使使用小口径的主真空泵也能够满足所要求的排气速度。然而，通常在现有的真空排气系统中，类似闸阀、冷阱、主真空泵等构成要件的口径均相同。根据本实施方式，入口凸缘126具有大尺寸，出口凸缘128具有小尺寸。因此，实际上能够在大口径的真空腔室开口或闸阀上适用小口径的主真空泵。主真空泵的小型化有利于降低真空系统的成本。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本发明并不限于上述实施方式而能够进行各种设计变更，且有各种变形例，并且这种变形例同样属于本发明的范围内的事实是本领域技术人员所认同的。

一实施方式中，冷板具备径向内侧部分及径向外侧部分，所述径向外侧部分在所述延伸方向上可以配设于所述径向内侧部分与所述容积之间。以此，能够将冷板的径向外侧部分配置于排气对象容积的附近。所述径向外侧部分可以具有大于所述导管的所述真空泵侧的内径的外径。所述径向外侧部分具有大于所述导管的所述被排气侧的内径的外径，所述入口凸缘上可以形成有用于收容所述径向外侧部分的凹部。以此，能够大大扩展冷板的径向外侧部分。

Claims (5)

1.一种冷阱，其设置于排气对象容积与用于该容积的真空排气的真空泵之间，所述冷阱的特征在于，具备：

导管，用于将所述容积与所述真空泵连接；及

冷板，被所述导管包围，

所述导管在被排气侧具备入口凸缘，在真空泵侧具备出口凸缘，所述出口凸缘在所述导管的延伸方向上与所述入口凸缘隔开间隔而配设，

所述入口凸缘的外径大于所述出口凸缘的外径。

2.根据权利要求1所述的冷阱，其特征在于，

所述冷板具备径向内侧部分与径向外侧部分，

所述径向外侧部分在所述延伸方向上配设于所述径向内侧部分与所述容积之间。

3.根据权利要求2所述的冷阱，其特征在于，

所述径向外侧部分具有比所述导管的所述真空泵侧的内径大的外径。

4.根据权利要求2或3所述的冷阱，其特征在于，

所述径向外侧部分具有比所述导管的所述被排气侧的内径大的外径，

所述入口凸缘上形成有用于收容所述径向外侧部分的凹部。

5.一种冷阱的安装结构，其特征在于，具备：

导管，从被排气侧向真空泵侧延伸；

入口凸缘，设置于所述导管的所述被排气侧；及

出口凸缘，设置于所述导管的所述真空泵侧，

所述入口凸缘的外径大于所述出口凸缘的外径。

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