JP2005330967A - 軽量気体用真空ポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】軽量気体に対して高い圧縮比を有する真空ポンプシステムおよびその方法を提供する。
【解決手段】あるシステムに接続するための導入口を有する一次真空ポンプと、前記一次真空ポンプの排気口に接続された導入口を有する二次真空ポンプとを含む真空ポンプシステム。前記一次真空ポンプは、前記導入口と前記排気口の間に複数の間隙シールを有する無給油型の容量式真空ポンプである。前記一次真空ポンプはスクロール真空ポンプであってもよく、前記二次真空ポンプは無給油のダイアフラムポンプであってよい。前記システムは、前記一次真空ポンプの前記排気口に接続され、選択された条件、例えば前記一次真空ポンプの前記排気口での圧力レベルに応じて、前記一次真空ポンプの前記排気口を両ポンプ間の排気路に接続するように構成された弁を含んでもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空ポンプシステムおよびその方法に関し、さらに詳しくは、ヘリウムや水素のような軽量気体に対して高い圧縮比を有する真空ポンプシステムおよびその方法に関する。

ヘリウム質量分析計による漏れの検出は、よく知られた漏洩検出方法である。封止された被検体中の最も小さい漏れ部分でも通過するトレーサーガスとして、ヘリウムが利用される。次にヘリウムは漏洩検出装置に導入され、測定される。ヘリウムの量が漏洩速度に対応する。この装置の重要な部分は、ヘリウムを検出および測定する質量分析計のチューブである。導入気体はヘリウム成分を分離するために分析計チューブによって電離されて質量分析が行われ、その後ヘリウム成分が測定される。１つのやり方では、被検体の内部を漏洩検出装置の試験ポートに接続する。ヘリウムを、被検体の外面に吹き付けて、漏れ部分を通って内部に浸透させ、漏洩検出装置で測定する。

分析計チューブに対する１つの要求は、ヘリウムその他の気体を取り入れる導入口を比較的低い圧力、典型的には２×１０^-4Ｔｏｒｒよりも低く保つことである。そのために漏洩検出装置は通常真空ポンプシステムを含むが、これは粗引きポンプ、拡散ポンプまたはターボ分子ポンプおよびそれに付属する前段ポンプ、ならびにコールドトラップを含むことがある。ヘリウム質量分析計用の漏洩検出装置のための真空ポンプシステムは、例えば1985年2月19日にFruzzettiらに交付された特許に係る下記特許文献１および1988年4月5日にFruzzettiらに交付された特許に係る下記特許文献２で説明されている。

ヘリウム質量分析計用の漏洩検出装置が抱える問題は、分析計チューブの導入口を所定の圧力に維持するために使用される真空ポンプシステムが、ヘリウムのような軽いガスに対しては低い圧縮比を示す場合があるということである。その結果、周囲環境のヘリウムが逆方向に真空ポンプシステムに流れ、質量分析計によって測定される可能性がある。真空ポンプシステムを通るヘリウムは被検体内の漏れを表すものではないので、間違った測定結果をもたらす。被検体にヘリウムを吹き付けると周囲のヘリウム濃度が上昇し、真空ポンプシステムを逆方向に流れるヘリウムの量が増加し、その結果この問題が更に深刻になる。

ヘリウム質量分析計の漏洩検出装置では、スクロール式真空ポンプが使用されてきた。スクロールポンプは、粗引きポンプおよび／またはバッキングポンプとして使用できる。質量分析計用漏洩検出装置で高真空ポンプの補助として構成されたスクロールポンプが、1996年8月6日にGrenciらに交付された特許に係る下記特許文献３に開示されている。
米国特許第4,499,752号明細書 米国特許第4,735,084号明細書 米国特許第5,542,828号明細書

従来のスクロール真空ポンプは、ヘリウムのような軽い気体に対しては圧縮比が比較的低くなる。圧縮比を高くするには、スクロール真空ポンプ内の間隙を小さくし、また螺旋形のスクロールブレードの巻き数を多くすればよい。しかしこの方法では、スクロール真空ポンプのコストが大幅に増大してしまい、低コストおよび／または可搬型の用途には適用できない。

そのため、改良された軽量気体用真空ポンプシステムおよびその方法が求められていた。

本発明の第一の態様によれば、真空ポンプシステムが提供される。この真空ポンプシステムは、あるシステムに接続するように構成された導入口と、排気口とを有する一次真空ポンプと、前記一次真空ポンプの排気口に接続された導入口を有する二次真空ポンプとを含んでいる。一次真空ポンプは、導入口と排気口の間に複数の間隙シールを有する、無給油型の容積式真空ポンプである。前記真空ポンプシステムは、一次真空ポンプの排気口に接続されて選択された条件に応じて一次真空ポンプの排気口を両ポンプ間の排気路に接続するように構成された弁を更に有していてもよい。

一次真空ポンプは、スクロール真空ポンプ、多段（ステージ）ルーツ真空ポンプ、多段ピストン式真空ポンプ、スクリュー式ポンプまたはフック・爪ポンプを備えていてもよい。二次真空ポンプは、無給油型のダイアフラムポンプまたは無給油型のスクロール真空ポンプを備えていてもよい。弁は、所定の圧力差に応答して開くように設定されたポペット弁を備えていてもよい。別の実施形態では、弁はシステム内の検出圧力に応じて一次真空ポンプの排気口を両ポンプ間の排気路に接続するように構成された制御可能な弁を備えていてもよい。

本発明の第二の態様によれば、ポンプで真空に引くための方法が提供される。この方法は、システムに接続された導入口と、排気口とを有する一次真空ポンプでシステムを真空に引くことと、一次真空ポンプの排気口に接続された導入口を有する二次真空ポンプで一次真空ポンプを補助することとを含む。一次真空ポンプは、導入口と排気口との間に複数の間隙シールを有する、無給油型の容積式真空ポンプを備えている。前記方法は、一次真空ポンプの排気口を選択された条件に応じて両ポンプ間の排気路に接続することを更に含んでもよい。

本発明の第三の態様によれば、真空ポンプシステムが提供される。この真空ポンプシステムは、あるシステムに結合するように構成された導入口と、排気口を有する一次真空ポンプであって、無給油型スクロール真空ポンプを備えた一次真空ポンプと、前記一次真空ポンプの排気口に接続された導入口を有する二次真空ポンプと、前記一次真空ポンプの排気口に接続されて選択された条件に応じて一次真空ポンプの排気口を両ポンプ間の排気路に接続するように構成された弁とを含む。

本発明をより良く理解するために、添付図面を参照する。
本発明の第一の実施形態による真空ポンプシステム１０のブロック図を、図１に示す。真空ポンプシステム１０は一次真空ポンプ１２と二次真空ポンプ１４とを含み、更に弁１６を含んでいてもよい。一次真空ポンプ１２は、真空に引くべきシステム２４に接続された導入口２０を有する。一次真空ポンプ１２は、更に排気口３０を含む。第二の真空ポンプ１４は、導管４２を介して一次真空ポンプ１２の排気口３０に接続された導入口４０を有する。第二の真空ポンプ１４は更に排気口５０を含む。オプションの弁１６は、一次真空ポンプ１２の排気口３０と二次真空ポンプ１４の導入口４０との間の導管４２に接続されている。弁１６を開くと、一次真空ポンプ１２の排気口３０がポンプ間の排気口６０に接続されており、二次真空ポンプ１４は効果的に迂回される。

一次真空ポンプ１２としては、導入口２０と排気口３０との間に複数の間隙シールを有する無給油（オイルフリー）型、すなわちドライタイプの容積式真空ポンプを使用できる。無給油型の真空ポンプとは、その作動容積内で油を使用しないものを言う。真空ポンプの作動容積から隔離された部分、例えばモーター、歯車、ベアリングなどには油を使用できることが理解されるであろう。スクロール真空ポンプは、導入口と排気口との間に複数の間隙シールを有する真空ポンプの一例である。適当なスクロール真空ポンプとして、Varian SH100がある。導入口と排気口との間に複数の間隙シールを有する無給油型真空ポンプの別のタイプに、無給油型多段（ステージ）ルーツポンプ、無給油型多段ピストンポンプ、無給油型スクリューポンプおよび無給油型フック・爪ポンプがある。これらの一次ポンプはすべて、無給油型の容積式装置である。これらのポンプには、導入口と排気口との間の複数の間隙シールによってそれぞれ隔離された複数のガスポケットを形成するための、緊密に作動する間隙が形成されている。これらのポンプの市販されている例としては（１）スクリューポンプ：Kashiyama HC-60、（２）ルーツポンプ：Alcatel ACP 28、（３）フック・爪ポンプ：Edwards QDP40、および（４）ピストンポンプ：Pfeiffer XtraDry 150-2がある。

スクロール真空ポンプは、固定および回転スクロールエレメントと駆動機構とを含む。固定および回転スクロールエレメントは、それぞれスクロール板と、前記スクロール板から延設された螺旋スクロールブレードとを含む。スクロールブレードは互いにかみ合わされてブレード間ポケットを規定している。駆動機構は回転スクロールエレメントを固定スクロールエレメントに対して回転させ、それによりブレード間ポケットをポンプの排気口に向かって移動させる。スクロールブレードの先端の溝の中に配設された先端シールは、スクロールエレメント同士の間をシールする。ブレード間ポケットは、スクロールポンプの複数のステージと見なすことができ、そして先端シールは隣接するブレード間ポケットの間の間隙のシールを与えるものと見なせる。このように、スクロール真空ポンプはその導入口と排気口との間に複数の間隙シールを有する。

二次真空ポンプ１４としては、比較的安価な無給油型真空ポンプを使用できる。その一例は無給油ダイアフラム式真空ポンプである。適当なダイアフラム真空ポンプとして、KNF N84.3がある。別の実施形態では、二次真空ポンプ１４として無給油型スクロール真空ポンプを使用できる。弁１６を使用する実施形態では、比較的低い質量流量が必要となるまでは二次真空ポンプ１４を迂回するので、二次真空ポンプ１４の排気容量は一次真空ポンプ１２の容量よりも小さくてもよい。

ある実施形態では、弁１６はポンプ間排気口６０を通って大気に排気するばね付勢されたポペット弁である。弁１６は、一次真空ポンプ１２の排気口３０における圧力が大気圧を超えた時に自動的に開き、排気口３０における圧力が大気圧よりも低くなった時に自動的に閉じるように設定されていてもよい。従って弁１６は、質量流量が大きい期間中だけ開放される。２台の真空ポンプを合わせた質量スループットは、一次真空ポンプの容量のみに依存し、二次真空ポンプの容量には依存しない。システム２４から気体を排出すると、気体の大部分は一次真空ポンプ１２を通り、弁１６を通って大気に排気される。質量流量が減少すると、二次真空ポンプ１４が導管４２内を排気して大気圧よりも低くすることにより弁１６をシールさせる。弁１６は、弁１６をまたいで圧力差によって閉鎖状態に維持される。その後は一次真空ポンプ１２と二次真空ポンプ１４とは直列に接続されて、システム２４の排気を行う。一次真空ポンプ１２の排気領域はその後、二次真空ポンプ１４のベース圧力に近いレベルまで排気が行われる。気体が大気中に放出されない場合は、排気口５０とポンプ間排気口６０とは共通の排気管路（図示せず）に接続されていてもよい。

真空ポンプシステム１０は、ヘリウムや水素のような軽量気体に対して高い圧縮比を必要とするシステムを真空に排気するのに特に有用である。従ってシステム２４はヘリウム質量分析計用漏洩検出装置であってもよい。しかし真空ポンプシステム１０はこれに限定されず、軽量気体に対して高い圧縮比を必要とする任意のシステムにおいて使用でき、またその他のシステムでも使用可能である。

無給油型の一次真空ポンプ１２および無給油型の二次真空ポンプ１４を直列で運転することにより、軽量気体の圧縮比はいずれかのポンプを単独で使用した場合よりもはるかに高くなり、また個々のポンプの圧縮比を掛け合わせたものよりもかなり高くなる。一次真空ポンプの排気圧力を低くすると、軽量気体を圧縮するこのポンプの能力を飛躍的に向上することができる。この効果は、ヘリウム質量分析計用漏洩検出装置で測定できる。すなわち、漏洩検出装置で検出可能なバックグランドのヘリウム濃度はきわめて低くなる。例えば毎分１００リットル（lpm）の排気能力を有するスクロール真空ポンプを単独で使用した場合、ヘリウム濃度が１０００ｐｐｍの環境で約５×１０^-8（毎秒標準立方ｃｍ）のバックグランドのヘリウムが示される。このスクロール真空ポンプと直列に5 lpmのダイアフラム真空ポンプを接続すると、検出されるバックグランドのヘリウム濃度は１０００分の１以下に下がる。スクロール真空ポンプおよびダイアフラム真空ポンプの単独でのベース圧力は、それぞれ10ｍＴｏｒｒおよび4 Ｔｏｒｒであった。もしも一次真空ポンプの排気効率が一定であったとすれば、直列に接続された２台のポンプ全体の圧縮比は、上の例の場合１９０（７６０／４）倍高くなるだけである。ところがバックグランドのヘリウム濃度が１０００分の１以下に下がるため、一次真空ポンプのヘリウム排気効率は大幅に高くなったはずである。

本発明の第二の実施形態による真空ポンプシステム１０のブロック図を図２に示す。図１および図２において類似の要素は同一の参照符号を有する。図２の実施形態において、弁７０は一次真空ポンプ１２の排気口３０に接続された導入口７２を有する。弁７０の第一の出口７４は二次真空ポンプ１４の導入口４０に接続されており、弁７０の第二の出口７６はポンプ間排気口６０としての役割を果たす。弁７０は電子的または空圧で制御される二方弁であってもよい。弁７０は、入り口７２が第一の出口７４に連通される第一の状態と、入り口７２が第二の出口７６に連通される第二の状態とを有することができる。弁７０の状態はライン８０上の制御信号で制御される。図２の実施形態では、弁７０はシステム２４内の圧力を表す信号によって制御される。従って例えばシステム２４内の圧力が選択されたレベルよりも高ければ弁７０は入口７２を第二の出口７６に連通させ、システム２４内の圧力が選択されたレベルよりも低ければ入口７２を第一の出口７４に連通させることができる。別の実施形態では、弁７０を異なる条件、例えば一次真空ポンプ１２の排気口３０での圧力によって制御することができる。

図２の実施形態では、二次真空ポンプ１４は試験、例えば漏洩試験が行われているときに運転可能とし、試験が行われていないときは運転不可とすることができる。試験が行われていないときに二次真空ポンプ１４を運転不可とすることにより、電力消費を軽減することができる。図示のように、二次真空ポンプ１４に供給される電源Ｖと直列に、制御可能なスイッチ８２が接続される。試験が行われているときは試験信号がスイッチ８２を閉じ、試験が行われていないときはスイッチ８２を開く。システム２４内から残留軽量ガスを排気するための十分な時間を確保するために、試験前にスイッチ８２を事前に閉じることができることが理解されるであろう。更に、二次真空ポンプ１４を運転可能および不可とするために、本発明の範囲内で別の方法を使用できることも、理解されるであろう。

本発明の第三の実施形態による真空ポンプシステム１０のブロック図を図３に示す。図１および図３において類似の要素は同一の参照符号を有する。図３の実施形態において、一次真空ポンプは無給油型スクロール真空ポンプ９０であり、二次真空ポンプは無給油ダイアフラムポンプ９２である。１つの具体的な実施においては、スクロール真空ポンプ９０は排気速度50 lpmを有し、ベース圧力が500ｍＴｏｒｒの小型の無給油スクロールポンプであり、ダイアフラムポンプ９２は5 lpm のKNF N84.3である。

更に図３は、本発明の実施形態において使用できるパッケージ方法を示す。１つの実施形態では、システム２４、スクロール真空ポンプ９０またはその他の一次真空ポンプ、ダイアフラムポンプ９２またはその他の二次真空ポンプおよび弁１６またはその他の弁を、図３において破線で模式的に示される単一のパッケージ１００内に収納することができる。このようなパッケージ構成は、コンパクトかつ／または携帯用のシステムにとって有用である。一例として、システム２４はヘリウム質量分析計漏洩検出装置であってもよい。別の実施形態では、スクロール真空ポンプ９０またはその他の一次真空ポンプ、ダイアフラムポンプ９２またはその他の二次真空ポンプおよび弁１６もしくはその他の弁を、図３において模式的に破線で示される１つのパッケージ１１０内に収めることができる。

以上説明してきた様々な例示的な非限定的実施形態およびその各態様から、当業者には様々な変更および変形が明らかとなるであろう。かかる変更や変形は、本発明の限定を意図するのではなく例示と説明を目的とする本開示に含まれることが意図されている。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれと均等なものの適切な構成から判断されるものとする。

本発明の第一の実施形態による真空ポンプシステムのブロック図である。 本発明の第二の実施形態による真空ポンプシステムのブロック図である。 本発明の第三の実施形態による真空ポンプシステムのブロック図である。

Claims (20)

1. あるシステムに結合するように構成された導入口、および排気口を有し、前記導入口と前記排気口との間に複数の間隙シールを有する無給油型の容量式真空ポンプを備えた一次真空ポンプと、
   前記一次真空ポンプの前記排気口に接続された導入口を有する二次真空ポンプとを含む真空ポンプシステム。
2. 前記一次真空ポンプがスクロール真空ポンプを備えている、請求項１記載の真空ポンプシステム。
3. 前記一次真空ポンプが多段ルーツ真空ポンプを備えている、請求項１記載の真空ポンプシステム。
4. 前記一次真空ポンプが多段ピストン真空ポンプを備えている、請求項１記載の真空ポンプシステム。
5. 前記一次真空ポンプがスクリュー真空ポンプを備えている、請求項１記載の真空ポンプシステム。
6. 前記一次真空ポンプがフック・爪真空ポンプを備えていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプシステム。
7. 前記二次真空ポンプが無給油型ダイアフラム真空ポンプを備えている、請求項１記載の真空ポンプシステム。
8. 前記二次真空ポンプが無給油型スクロール真空ポンプを備えている、請求項１記載の真空ポンプシステム。
9. 前記一次真空ポンプの前記排気口に接続されて、選択された条件に応じて両ポンプ間の排気路を提供するように構成された弁を更に有する、請求項１記載の真空ポンプシステム。
10. 前記二次真空ポンプが前記一次真空ポンプよりも小さな排気容量を有する、請求項９記載の真空ポンプシステム。
11. 前記弁が、当該弁をまたいでの所定の圧力差に応じて自動的に開くように構成されたポペット弁を備えている、請求項９記載の真空ポンプシステム。
12. 前記弁が、前記システム内の検出された圧力レベルに応じて、前記一次真空ポンプの前記排気口を前記ポンプ間排気路に接続するように構成された制御可能な弁を備えている、請求項９記載の真空ポンプシステム。
13. 前記一次真空ポンプと前記二次真空ポンプとが、単一のハウジング内に収納されている、請求項１記載の真空ポンプシステム。
14. 前記一次真空ポンプと前記二次真空ポンプとが、軽量気体に対して高い圧縮比を与えるように構成されている、請求項１記載の真空ポンプシステム。
15. あるシステムに接続された導入口、および排気口を有し、前記導入口と前記排気口との間に複数の間隙シールを有する無給油型の容量式真空ポンプを備えた一次真空ポンプで、前記システムを排気することと、
    前記一次真空ポンプの前記排気口に接続された導入口を有する二次真空ポンプで、前記一次真空ポンプを補助することとを含む真空排気方法。
16. 選択された条件に応じて、前記一次真空ポンプの前記排気口を、両ポンプ間の排気路に接続することを更に含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記一次真空ポンプで前記システムを真空に排気することが、無給油型スクロール真空ポンプで前記システムを排気することを含み、前記二次真空ポンプで前記一次真空ポンプを補助することが、無給油型ダイアフラムポンプで前記一次真空ポンプを補助することを含む請求項１６に記載の方法。
18. あるシステムに接続するように構成された導入口、および排気口を有し、無給油型のスクロール真空ポンプを備えた一次真空ポンプと、
    前記一次真空ポンプの前記排気口に接続された導入口を有する二次真空ポンプと、
    前記一次真空ポンプの前記排気口に接続され、選択された条件に応じて前記一次真空ポンプの前記排気口を両ポンプ間の排気路に接続するように構成された弁とを含む真空ポンプシステム。
19. 前記二次真空ポンプが無給油型ダイアフラムポンプを備えている、請求項１８記載の真空ポンプシステム。
20. 前記弁が、当該弁をまたいでの所定の圧力差に応じて自動的に開くように構成されたポペット弁を備えている、請求項１９記載の真空ポンプシステム。

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