JP2007507658A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

真空ポンプは、第１排気部分（１０６）と、第１排気部分から下流の第２排気部分（１０８）と、を含む。ポンプは、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって排気部分の各々を通過することができるようにする第１ポンプ入口（１２０）と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって第２排気部分だけを通過することができるようにする第２ポンプ入口（１２２）と、を含む。第２排気部分（１０８）は、雄ねじロータ（１０９）を含む。

Description

本発明は、真空ポンプに関し、特に、多室の差動排気に適した多ポートを有する複合真空ポンプに関する。

差動排気式質量分析計装置では、試料及びキャリヤガスが分析のために質量分析計に導入される。このような例の１つを図１に示す。図１を参照すると、このような装置では、排気された第１インターフェース室１２及び排気された第２インターフェース室１４に直ぐ続く高真空室１０が存在する。第１インターフェース室１２は、排気された分析計装置の最高圧力室であり、且つオリフィス又は毛管を有し、イオンがイオン源からこのオリフィス又は毛管を通して第１インターフェース室１２に吸い込まれる。第２インターフェース室１４は、イオンを第１インターフェース室１２から高真空室１０に案内するためのイオン光学要素を含む。この例では、使用中、第１インターフェース室１２は１ミリバール位の圧力であり、第２インターフェース室１４は１０^-3ミリバール位の圧力であり、高真空室は１０^-5ミリバール位の圧力である。

高真空室１０及び第２インターフェース室１４は、複合真空ポンプ１６によって排気することができる。この例では、真空ポンプは、各々一組のターボ分子段の形態をなした第１排気部分１８及び第２排気部分２０と、ホルウィック（Ｈｏｌｗｅｃｋ)ドラック機構２２の形態をなした第３排気部分と、を有し、シーグバーン(Ｓｉｅｇｂａｈｎ）又はゲーデ（Ｇａｅｄｅ）機構のような別の形態のドラッグ機構をその代わりに使用してもよい。各組のターボ分子段は、周知の傾き構造の多数（図１には３個示されているが、適当な数を設けてもよい）のロータ１９ａ、２１ａとステータブレード１９ｂ、２１ｂの対からなる。ホルウィック機構２２は、多数（図１には３個示されているが、適当な数を設けてもよい）の回転シリンダ２３ａとそれに対応する管状ステータ２３ｂ及び螺旋チャンネルをそれ自体周知の方法で含む。

この例では、第１ポンプ入口２４は高真空室１０に連結され、入口２４を通して排気された流体は、両組のターボ分子段を順に通過し、そしてホルウィック機構２２を通過し、出口３０を経てポンプを出る。第２ポンプ入口２６が第３インターフェース室１４に連結され、入口２６を通して排気された流体は１組のターボ分子段及びホルウィック機構２２を通過し、出口３０を経てポンプを出る。この例では、第１インターフェース室１２は、補助ポンプ（図示せず）に連結され、補助ポンプは、また複合真空ポンプ１６の出口３０から流体を排気する。各ポンプ入口に入る流体が、ポンプから出る前にそれぞれ異なる数の段を通過すると、ポンプ１６は、室１０、１４内に所要の真空レベルをもたらすことが出来る。

装置の性能を増大させるためには、試料及びガスの質量流量を増大させることが望ましい。図１に示すポンプについては、これは、第２排気部分２０のターボ分子段のロータ２１ａ及びステータ２１ｂの直径を大きくして複合真空ポンプ１６の容量を増大させることによって装置の圧力に影響を及ぼすことなく達成される。例えば、ポンプ１６の容量を２倍にするためには、ロータ２１ａ及びステータ２１ｂの面積は、サイズが２倍になるように要求される。ポンプ１６の全体のサイズ、かくして、質量分析計装置の全体のサイズを増大させるのに加えて、ポンプ１６は、第２排気部分２０のより大きなロータ及びステータにより、駆動シャフト３２に作用する質量増加に照らして駆動しにくくなる。変形例として、装置の流量を増大させ、そしてポンプの容量を増大させなければ、ターボ分子段２０への入口での圧力は動作限度を超えるかもしれない。ほぼ１０^-3ミリバール以上の動作は、過剰な熱の発生及び厳しい性能損失を引き起し、ポンプの信頼性にとって不利益ですらある。

本発明の少なくとも好ましい実施形態の目的は、排気された装置内の質量流量を、ポンプのサイズを著しく増大させることなく特に要求される場合に、増大させることができる、差動排気、多ポート、複合真空ポンプを提供することにある。

第１の側面では、本発明は、第１排気部分と、第１排気部分から下流の第２排気部分と、第２排気部分から下流の第３排気部分と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって排気部分の各々を通過することができるようにする第１ポンプ入口と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって第２及び第３排気部分だけを通過することができるようにする第２ポンプ入口と、を含み、第３排気部分は、そのステータに形成された螺旋溝を含み、第１及び第２排気部分の少なくとも一方は、そのロータに形成された螺旋溝を含む、真空ポンプを提供する。

かくして、例えば、図１を参照して説明した周知のポンプの第２ターボ分子排気部分２０を、雄ねじロータ又は螺旋ロータを有する排気部分で効果的に置換することができる。このような構成では、螺旋の入口は、使用中、ターボ分子段のロータのように振る舞い、かくして、軸線方向相互作用と半径方向相互作用の両方により排気作用を行う。比較して、図１に２２で指示した静止ねじ山のような静止ねじ山を有するホルウィック機構は、ねじ山とシリンダの間の公称的に半径方向の相互作用によって流体を排気する。ねじ山の一定の半径方向深さの外に、この機構は、半径方向相互作用の数の減少により、効率が小さくなり、「静止」ホルウィック機構の典型的な容量が、公称的に軸線方向の相互作用によって排気し、且つより大きな半径方向ブレード深さを有する等直径のターボ分子段の容量よりも小さい容量に制限されるのはこの理由のためである。雄ねじロータを設けることによって、雄ねじロータのねじ山の入口を静止ホルウィック機構の螺旋溝よりも半径方向に深くすることができ、その結果、排気容量が著しく高くなる。適切な設計によって、雄ねじ深溝螺旋ロータの容量は、例えば、１０^-3ミリバールの低入口圧力で動作しているとき、等直径のターボ分子段の容量に匹敵することがある。ターボ分子段に代わりにこのような深溝螺旋ロータの使用の利点は、深溝螺旋ロータが、より高い入口圧力（１０^-3ミリバール以上）でより高い容量を提供する事が出来るとともに、電力消費／熱の発生を低レベルにし、ターボ分子ポンプの動作窓（ｏｐｅｒａｔｉｏａｎｌ ｗｉｎｄｏｗ）のファクターを制限することである。深溝螺旋ロータを利用し、入口圧力を、ターボ分子ポンプにとって理想的である入口圧力以上に上昇させることによって、有効排気容量の増大を要求することなくもっと多くの流量を排気することができ、かくして、ポンプのエンベロープのサイズを増大させることなく装置の高い排気性能の要求を満たす。

要求される場合に装置性能を増大させながらポンプのサイズ／長さの増大を最小にすることは、ポンプサイズの最小の増大で又は増大なしに分析計への試料流量を増大させるために、例えば中間室により大きな質量流量を要求する卓上質量分析計装置の差動排気多室用の複合ポンプとして使用するのに特に適したポンプを作ることができる。

その上ステータに形成された螺旋溝を有する第３排気部分を設けることによって、螺旋ロータ段の出口に隣接して静止面を提供することは、ポンプ性能を更に最適にすることができる。

分子がロータの入口側から出口側に移行すると、排気作用は、静止ホルウィック機構の排気作用と似ており、これは転要素と定置要素の間の半径方向相互作用による。したがって、螺旋ロータは、好ましくは、入口から出口までテーパしたネジ山深さ（入口側のほうが出口側におけるよりも深い）を有する。その上、螺旋ロータは、好ましくは、入口側で、出口側での螺旋角度と異なる螺旋角度を有し、ねじ山の深さと螺旋角度の両方を入口側から出口側に向かって排気部分の軸線方向長さに沿ってなめらかに減少させるのが好ましい。

好ましい実施形態では、第１排気部分は、少なくとも１つのターボ分子段、好ましくは、少なくとも３つのターボ分子段からなる。第１及び第２排気部分は異なるサイズ／直径のものがよい。これは、選択的な排気性能を提供することができる。

かくして、好ましくは、螺旋ロータは、少なくとも１つのターボ分子段から下流に置かれる。流体が、螺旋ブレードに対して最大の相対速度で螺旋ロータに確実に入り、それによって排気性能を最適にするために、ターボ分子段は、好ましくは、螺旋ロータに入る流体の分子が、ステータ段を、螺旋ロータの入口側に隣接してターボ分子部分の最後の段として置くことによってターボ分子段のステータの表面から放出されたように構成される。
螺旋ロータに加えて、第２排気部分は、螺旋ロータから下流に少なくとも１つのターボ分子排気段を更に含むのがよい。第２入口を、それが螺旋ロータから軸線方向に隔てられるのではなく、螺旋ロータのまわりに部分的に延びるように位置決めすることによって、第２入口に連結された室からの分子の捕獲速度を、特に比較的軽いガスについて、改善することができ、それによって、第２入口から排気される室内の圧力を減ずる。したがって、第２の側面では、本発明は、第１は排気部分と、該第１排気部分から下流の第２排気部分と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって、第１排気部分と第２排気部分の両方を通過することができるようにする第１ポンプ入口と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって、前記排気部分の内の第２排気部分だけを通過することができるようにする第２出口と、を含み、第１及び第２排気部分の一方が、雄ねじロータを含み、第１及び第２ポンプ入口の一方が、雄ねじロータのまわりに少なくとも部分的に延びる、真空ポンプを提供する。

本発明はまた、２つの室と、該室の各々を排気するための上記の如きポンプとを含む差動排気真空装置を提供する。１０^-3ミリバール以上、好ましくは、５×１０^-3ミリバール以上の圧力を発生させることになっている室から流体を排気するように構成された排気部分の一方は、好ましくは、雄ねじロータからなる。

今、本発明の好ましい特徴を、添付図面を参照して単なる例示として説明する。

図２を参照すると、図１を参照して上で説明した差動排気質量分析計装置の少なくとも高真空室１０及び中間室１４を排気するのに適した真空ポンプ１００の第１実施形態は、多構成要素本体１０２を含み、シャフト１０４がこの本体内に取り付けられている。シャフトの回転は、シャフトのまわりに位置決めされたモータ（図示せず）、例えば、ブラシレス直流モータによって行われる。シャフト１０４は、対向した軸受（図示せず）に取り付けられている。例えば、駆動シャフト１０４は、ハイブリッド永久磁石軸受及びオイル潤滑軸受装置によって支持されるのがよい。

ポンプは、３つの排気部分１０６、１０８、１１２を含む。第１排気部分１０６は、１組のターボ分子段からなる。図２に示す実施形態では、１組のターボ分子段１０６は、周知の角度構造の３つのロータブレード及び３つのステータブレードからなる。ロータブレードを１０７ａで指示し、ステータブレードを１０７ｂで指示する。この例では、ロータブレード１０７ａは、駆動シャフト１０４に取り付けられる。

第２排気部分１０８は、図３に詳細に示すように、雄ねじロータ１０９からなる。ロータ１０９は、駆動シャフト１０４の通るボア１１０と、螺旋溝１１１ｂを構成する雄ねじ山１１１ａと、を含む。ねじ山１１１ａの深さ、かくして、溝１１１ｂの深さは、ロータ１０９の入口側１１１ｃから出口側１１１ｄに向かってテーパするように設計することができる。この実施形態では、ねじ山１１１ａは、出口側におけるよりも入口側における方が深いが、これは本質的ではない。ロータの螺旋角度、即ち、シャフト１０４と垂直な平面に対するねじ山の傾斜角度も、入口側から出口側まで変化してもよく、この実施形態では、螺旋角度は、入口側におけるようも出口側における方が浅いが、これも本質的ではない。

図２に示すように、第１及び第２排気部分の下流に、ホルウィック又は他のタイプのドラッグ機構の形態をなした第３排気部分１１２がある。この実施形態では、ホルウィック機構は、２つの回転シリンダ１１３ａ，１１３ｂ及びそれ自体周知の方法で形成された螺旋チャンネルを有する対応する環状ステータ１１４ａ，１１４ｂを含む。回転シリンダ１１３ａ，１１３ｂは、好ましくは、炭素繊維材料で形成され、そして、駆動シャフト１０４に置かれたディスク１１５に取り付けられている。この例では、ディスク１１５も駆動シャフト１０４に取り付けられている。ホルウィック機構１１２の下流には、ポンプ出口１１６がある。

回転要素１０７ａ，１０９及び１１５を駆動シャフト１０４に個々に取り付けることの代替として、１つ又はそれ以上のこれらの要素は、駆動シャフト１０４に取り付けられた共通のインペラーに置かれ、好ましくは、インペラーと一体であり、ホルウィック機構１１２の炭素繊維製の回転シリンダ１３ａ，１３ｂはこれらの一体の回転要素の機械加工に続いて回転ディスク１１５に取り付けられる。

図２に示すように、ポンプ１００は、２つの入口を有している。この例では、たった２つの入口が使用されているが、ポンプは、選択的に開閉させることができ、そして例えば異なる流量流れを機構の特定部分に案内する内部バッフルを使用することができる３つ又はそれ以上の入口を有していてもよい。第１の低流体圧力入口１２０は、排気部分の全ての上流に置かれる。第２の高流体圧力入口１２２は、第１排気部分１０６と第２排気部分１０８の間に置かれる。

使用中、各入口は、差動排気質量分析計装置のそれぞれの室に連結される。低圧力室１０から入口１２０を通過する流体は、排気部分１０６、１０８、１１２の各々を通過し、そしてポンプ出口１１６を経てポンプ１００を出る。流体が、螺旋ブレード（ねじ山）に対して最小の相対速度で第２排気段１０８の螺旋ロータ１０９に確実に入るようにするために、それによって排気性能を最適にするために、この実施形態では、第１排気部分１０６は、好ましくは、螺旋ロータ１０９に入る流体の分子が排気部分１０６の最後のステータ１０７ｃの表面から放出されるように構成され、ホルウィック機構１１２の引き続く段も、ロータ１０９の出口側１１１ｄに静止面を提供するように好ましくは不動である。

中間圧力室１４から第２入口１２２を通過する流体は、ポンプ１００に入り、排気部分１０８，１１２だけを通過し、ポンプ出口１１６を経てポンプ１００を出る。高圧室１２から第３入口１２４を通過する流体は、補助ポンプ（図示せず）によって排気され、補助ポンプも出口１１６を経てポンプ１００を補助する。

この実施形態では、使用中、第１インターフェース室１２は１ミリバール位の圧力であり、第２インターフェース室１４は１０^-2−１０^-3ミリバール位の圧力であり、高真空室１０は１０^-5ミリバール位の圧力である。かくして、図１に示す例と比較すると、図２に示す実施形態では、第２インターフェース室１４内の圧力を増大させることができる。１０^-3ミリバール位から１０^-2ミリバール位まで圧力を増大させる事によって、排気速度の要求を、一定流量について旧圧力対新圧力の比だけ減少させる。従って、例えば、圧力を１０倍上昇させ、流量を２倍にするならば、この新圧力での排気速度を５倍減少させることができるが、使用中、第２インターフェース室からの流量を最大にするために排気速度をできるだけ高く維持することが有利であることは明らかである。図１に２０で指示したようなターボ分子排気部分は、第２排気部分１４に１０^-2ミリバール位の圧力を維持する時図２の排気部分１０８ほど有効ではなく、そして、使用中、排気部分１０８よりももっと熱を発生し、電力をもっと消費し、潜在的に、その有効性能範囲の遥か外側で作動することにより性能が減ずる。

かくして、上記の実施形態の特別な利点は、中間室１４からポンプに入る流体の質量流量を、ポンプのサイズを増大させることなく、図１に示す周知の構成と比較して少なくとも２倍にすることができることである。これに照らして、中間室から高真空室１０に入る試料の流量をも増大させることができ、差動排気質量分析計装置の性能を増大させる。

図４（ａ）及び４（ｂ）は、図１を参照して上で説明した差動排気質量分析計装置の少なくとも高真空室１０及び中間室１４を排気するのに適した真空ポンプ２００の第２実施形態を示す。第２実施形態は、第２排気部分１０８が第１排気部分１０６に向かって延ばされている点を除けば第１実施形態と同様である。これは、図４（ａ）に示すように、第２排気部分の長さを増大させるだけで（長さの増大は２０９で指示され、）或いはロータ１０９を第１排気部分１０６に向かって移動させることによって達成される。その結果、第１と第２の排気部分１０６、１０８の両方を、第１実施形態におけるように、第１及び第２入口１２０、１２２に対して軸線方向に移動させるのではなく、第２排気部分１０８の一部は、第２入口１２２が、第２排気部分１０８のまわりに部分的に延びるように、今や第２入口に軸線方向に隣接する。図５は、少なくとも第２入口が、ポンプ２００の本体１０２の円筒内壁２０２のまわりにどのように部分的に延びているかを示す。螺旋ロータ１０９の一部を第２入口１２２を介して中間室１４に晒すことによって、室１４からの分子の捕獲速度を、第１実施形態と比較して改善することができ、それによって、中間室１４の圧力を更に下げ、差動排気質量分析計装置の性能を更に増大させる。

図６（ａ）及び６（ｂ）は、図１を参照して上で説明した差動排気質量分析計装置の少なくとも高真空室１０及び中間室１４を排気するのに適した真空ポンプ３００の第３実施形態を示す。この第３実施形態は、第２排気部分２０が第２排気部分２０及び第１排気部分１８のターボ分子段間に置かれた螺旋ロータ３０２を今含んでいる以外は、図１に示す先行技術のポンプ１６と同様である。上記の第２実施形態におけるように、第２排気部分２０の一部は、第２入口２６が、第２排気部分２０の螺旋ロータ３０２のまわりに部分的に延びるように、今や第２入口２６に軸線方向に隣接する。第２排気部分１８の螺旋ロータ３０２の一部を中間室１４に円周方向に晒すことにより、中間室１４からの分子の捕獲速度を、第１実施形態と比較して改善することができ、それによって、中間室１４の圧力を更に下げ、差動排気質量分析計装置の性能を更に増大させる。

差動排気質量分析計装置を排気するのに適した周知の多ポート真空ポンプの簡略断面図である。 図１の差動排気質量分析計装置を排気するのに適した多ポート真空ポンプの第１実施形態の簡略断面図である。 図２に示すポンプの雄ねじロータを示す。 図１の差動排気質量分析計装置を排気するのに適した多ポート真空ポンプの第２実施形態の簡略断面図である。 図４（ａ）のポンプの平面図である。 図４（ａ）のポンプのポンプ入口の形体を示す。 図１の差動排気質量分析計装置を排気するのに適した多ポート真空ポンプの第３実施形態の簡略断面図である。 図６（ａ）のポンプの平面図である。

Claims (29)

1. 第１排気部分と、第１排気部分から下流の第２排気部分と、第２排気部分から下流の第３排気部分と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって排気部分の各々を通過することができるようにする第１ポンプ入口と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって第２及び第３排気部分だけを通過することができるようにする第２ポンプ入口と、を含み、第３排気部分は、そのステータに形成された螺旋溝を含み、第１及び第２排気部分の少なくとも一方は、そのロータに形成された螺旋溝を含む、真空ポンプ。
2. ロータの螺旋溝の深さは、その入口側からその出口側まで変化する、請求項１に記載のポンプ。
3. ロータの螺旋溝の深さは、その入口側からその出口側まで減少する、請求項１又は２に記載のポンプ。
4. ロータの螺旋溝の傾斜は、その入口側からその出口側まで変化する、請求項１ないし３のいずれかに記載のポンプ。
5. ロータの螺旋溝の傾斜は、その入口側からその出口側まで減少する、請求項１ないし４のいずれかに記載のポンプ。
6. ロータの入口側での溝の深さは、ロータの出口側での溝の深さよりも大きい、請求項１ないし５のいずれかに記載のポンプ。
7. 第１及び第２排気部分の前記一方は、前記ロータから下流の少なくとも１つのターボ分子段からなる、請求項１ないし６のいずれかに記載のポンプ。
8. 第２排気部分は、前記ロータからなる、請求項１ないし７のいずれかに記載のポンプ。
9. 第１排気部分は少なくとも１つのターボ分子段からなる、請求項８に記載のポンプ。
10. 第１排気部分のターボ分子段は、使用中、ロータの螺旋溝に入る流体の分子がそのステータの表面から放出されるように構成される、請求項９に記載のポンプ。
11. 第１排気部分は、少なくとも３つのターボ分子段からなる、請求項９又は１０に記載のポンプ。
12. 第１排気部分と第２排気部分の両方は、第１及び第２入口に対して軸線方向に移動される、請求項１ないし１１のいずれかに記載のポンプ。
13. 第１及び第２入口の一方は、ロータのまわりに少なくとも部分的に延びる、請求項１ないし１２のいずれかに記載のポンプ。
14. 第１は排気部分と、該第１排気部分から下流の第２排気部分と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって、第１排気部分と第２排気部分の両方
    を通過することができるようにする第１ポンプ入口と、流体がポンプに入り、ポンプ出口に向かって、前記排気部分の内の第２排気部分だけを通過することができるようにする第２出口と、を含み、第１及び第２排気部分の一方が、雄ねじロータを含み、第１及び第２ポンプ入口の一方が、雄ねじロータのまわりに少なくとも部分的に延びる、真空ポンプ。
15. 雄ねじロータは、螺旋溝を含む、請求項１４に記載のポンプ。
16. ロータの螺旋溝の深さは、その入口側からその出口側まで変化する、請求項１５に記載のポンプ。
17. ロータの螺旋溝の深さは、その入口側からその出口側まで減少する、請求項１５又は１６に記載のポンプ。
18. ロータの螺旋溝の傾斜は、その入口側からその出口側まで変化する、請求項１５ないし１７のいずれかに記載のポンプ。
19. ロータの螺旋溝の傾斜は、その入口側からその出口側まで減少する、請求項１５ないし１８のいずれかに記載のポンプ。
20. 第１及び第２排気部分の前記一方は、雄ねじロータから下流の少なくとも１つのターボ分子段からなる、請求項１５ないし１９のいずれかに記載のポンプ。
21. 第２排気部分は、前記雄ねじロータからなり、第２入口は、ロータのまわりに少なくとも部分的に延びる、請求項１５ないし２０のいずれかに記載のポンプ。
22. 第１排気部分は、少なくとも１つのターボ分子段からなる、請求項２１に記載のポンプ。
23. 第１排気部分は、少なくとも３つのターボ分子段からなる、請求項２１又は２２に記載のポンプ。
24. ターボ分子段は、使用中、該ターボ分子段から雄ねじ山に入る流体の分子がそのステータの表面から放出されるように構成される、請求項２２又は２３に記載のポンプ。
25. 第１及び第２排気部分から下流にあって、これら排気部分を通して流体を受け、流体を出口に向かって排出させるための少なくとも１つの追加の排気部分を含む、請求項１５ないし２４のいずれかに記載のポンプ。
26. 前記少なくとも１つの追加の排気部分は、分子ドラッグ段からなる、請求項２５に記載のポンプ。
27. ２つの室と、室の各々を排気するための、請求項１ないし２６のいずれかに記載のポンプと、を含む差動排気真空ポンプ。
28. １０^-3ミリバール以上の圧力を発生させることになっている室から流体を排気するように構成された排気部分の一方は、雄ねじロータからなる、請求項２７に記載のポンプ。
29. ５×１０^-3ミリバール以上の圧力を発生させることになっている室から流体を排気するように構成された排気部分の一方は、雄ねじロータからなる、請求項２７又は２８に記載のポンプ。

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