JP5319118B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプに関し、特に、多チャンバを差圧ポンプ式に排気するのに適した多ポート複合真空ポンプに関する。

差圧ポンプ式質量分析計（マススペクトロメータ）システムでは、サンプル及びキャリヤガスが、その分析のために質量分析計に導入される。かかる一例が、図１に記載されている。図１を参照すると、かかるシステムでは、第１の排気インターフェースチャンバ１２及び第２の排気インターフェースチャンバ１４のすぐ次に位置する高真空チャンバ１０が設けられている。第１の排気インターフェースチャンバ１２は、排気式質量分析計システムにおける圧力の最も高いチャンバであり、イオンをイオン源（ソース）から第１のインターフェースチャンバ１２内へ引き込むようにするオリフィス又は毛管を有するのがよい。第２の排気インターフェースチャンバ１４は、第１の排気インターフェースチャンバ１２からのイオンを高真空チャンバ１０内に案内するイオン光学系を有するのがよい。この例では、使用にあたり、第１の排気インターフェースチャンバ１２は、約１ミリバール（１０²Ｐａ）の圧力状態にあり、第２の排気インターフェースチャンバ１４は、約１０^-2〜１０^-3ミリバール（１〜１０^-1Ｐａ）の圧力状態にあり、高真空チャンバは、約１０^-5ミリバール（１０^-3Ｐａ）の圧力状態にある。

複合真空ポンプ１６により高真空チャンバ１０及び第２の排気インターフェースチャンバ１４を排気することができる。この例では、真空ポンプ１６は、各々が１組のターボ分子段の形態をした第１のポンプセクション１８及び第２のポンプセクション２０と、ホルベック（Holweck）ドラッグ機構２２の形態をした第３のポンプセクションを有し、ホルベックドラッグ機構に代えて別の形態のドラッグ機構、例えばジーグバーン（Siegbahn）又はゲーデ（Gaede）機構を用いてもよい。ターボ分子段の各組は、よく知られた傾斜構造を有するロータ１９ａ，２１ａ及びステータ１９ｂ，２１ｂの多数の羽根対（図１では３つであるが、任意適当な数であってもよい）を有している。ホルベック機構２２は、多数の回転シリンダ２３ａ及びそれに対応する環状ステータ２３ｂ及び螺旋チャネル（図１では２つであるが、任意適当な数であってもよい）をそれ自体よく知られている仕方で有している。

この例では、第１のポンプ入口２４が、高真空チャンバ１０に接続され、第１のポンプ入口２４を通してポンプ送りされた流体は、ターボ分子段の両方の組１８，２０を順番に通り、そしてホルベック機構２２を通って出口３０を介して真空ポンプから出る。第２のポンプ入口２６が、第２のインターフェースチャンバ１４に接続され、第２のポンプ入口２６を通してポンプ送りされた流体は、ターボ分子段の１つの組２０及びホルベック機構２２を通り、出口３０を介して真空ポンプから出る。この例では、第１のインターフェースチャンバ１２は、バッキングポンプ（図示せず）に連結されるのがよく、このバッキングポンプも又、複合真空ポンプ１６の出口３０から流体をポンプ送りする。各ポンプ入口２４、２６から入った流体が真空ポンプ１６から出る前に互いに異なる数のターボ分子段を通るので、真空ポンプ１６は、チャンバ１０，１４内に所要の真空レベルをもたらすことができる。

幾つかのかかる適用例では、例えば図１に示すホルベック機構は、典型的には、約０．０１〜０．１ミリバール（１〜１０Ｐａ）の背圧（支持圧）を第２のポンプセクション２０に付与する。１０^-3ミリバール（０．１Ｐａ）以上の入口圧力を生じさせるためにかかる比較的高い背圧を有するポンプセクションのターボ分子段を用いることは、真空ポンプ内に過度の熱を発生させると共に、深刻な性能損失を引き起こす場合があり、ポンプの信頼性を害する場合さえある。この点に鑑みて、本出願人の国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００４１１４号明細書は、第２のポンプセクション２０が雄ねじ形、即ち、螺旋形ロータを有する複合真空ポンプを記載し、上記国際特許出願の内容を本明細書に援用する。かかる複合真空ポンプ４０を図２に示し、その螺旋形ロータを符号４２で示す。かかるポンプでは、その使用中、螺旋形ロータの螺旋部の入口部は、ターボ分子段のロータのように挙動し、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ポンプ送り動作を行う。上述した国際特許出願に記載されているように、１組のターボ分子段に代えてかかる深い溝を有する螺旋形ロータを用いた場合の利点は、これによって得られるポンプ送り能力が同等であり、しかも電力消費量レベル及び熱発生レベルが低いことにある。

本発明の少なくとも好ましい実施形態の目的は、螺旋形ロータを有するポンプセクションを含む差圧ポンプ式多ポート複合真空ポンプの性能を一段と向上させることにある。

本発明は、第１の特徴では、真空ポンプであって、第１のポンプセクションと、第１のポンプセクションの下流側に位置する第２のポンプセクションと、第２のポンプセクションの下流側に位置する第３のポンプセクションと、第１のポンプ入口と、第２のポンプ入口と、を有し、第１のポンプ入口から真空ポンプに入った流体は、第１〜第３ポンプセクションの各々を通過してポンプ出口に向かって流れ、第２のポンプ入口から真空ポンプに入った流体は、第２及び第３のポンプセクションのみを通過し前記ポンプ出口に向かって流れ、第３のポンプセクションは、そのステータに形成された螺旋溝を有し、第１及び第２のポンプセクションのうちの少なくとも一方は、少なくとも１段のターボ分子段と、ターボ分子段の下流側に位置し且つ螺旋溝を有するロータと、を有する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既知のポンプにおいて、第２のターボポンプセクション２０全体を、少なくとも１段のターボ分子ポンプ段及びその下流側に位置する雄ねじ形、即ち、螺旋形ロータの両方を有するポンプセクションに効果的に置き換えることができる。かかる構成では、使用中、螺旋部の入口部は、ターボ分子段のロータのように挙動し、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ポンプ送り動作を行う。比較すると、図１に符号２２で示すねじ山のように、静止したねじ山を有するホルベック機構は、ねじ山とシリンダとの間の名目上半径方向の相互作用により流体をポンプ送りする。この機構は、ねじ山の一定の半径方向深さを越えたところでは、半径方向相互作用の回数の減少に起因して効率が低くなり、この理由で、「静的」ホルベック機構の典型的な能力は、これと等しい直径のターボ分子段の能力よりも低く制限され、このターボ分子段は、名目上、軸線方向の相互作用によりポンプ送りを行い、大きな半径方向羽根深さを有する。雄ねじ形ロータを設けることにより、雄ねじ形ロータのねじ山の入口部を、静的ホルベック機構の螺旋溝よりも半径方向に非常に深く作ることができ、その結果、ポンプ送り能力が著しく高くなる。ホルベック機構及びその取付けに関して本明細書で用いる「回転」及び「静的」という用語は、ガスの基準系を参照している。即ち、「静的ホルベック機構」は、入口又は出口のところでのガス分子の平均移動方向に対して回転しないホルベック機構を意味している。同様に、「回転ホルベック機構」は、入口又は出口のところのガス分子の平均移動方向に対して回転しているホルベック機構を意味している。

本出願人の国際出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００４１１４号明細書に記載されているように、１組のターボ分子段に代えて、深い溝を有する螺旋形ロータを用いた場合の利点は、高い入口圧力（１０^-3ミリバール、即ち、０．１Ｐａ以上）においてもたらされるポンプ送り能力が同等であり、しかも電力消費量レベル及び熱発生レベルが低いことにある。ポンプの長さを最小に抑えるために、少なくとも１段のターボ分子段、好ましくは１段だけ又は２段のターボ分子ポンプ送り段を螺旋形ロータの前、即ち、その上流側に追加することにより、螺旋形ロータは、これらターボ分子段の受ける背圧を減少させるのに役立つ。その結果、第２のポンプ送り段の電力消費量を図１に示すポンプの連続消費量よりも大きく増大させることなく、第２のポンプ送り段のポンプ送り能力を一段と向上させることができる。

ポンプのサイズ／長さの増大を最小に抑える一方で、必要とされるシステム性能を増大させることにより、ポンプは、ポンプサイズを最小に抑え又は増大させない状態で分析計中へのサンプル流量を増大させるために＜例えば中間チャンバのところに高い質量流量を必要とするベンチポップ（bench-top）型質量分析計システムの多数のチャンバを差圧ポンプ送りするのに用いられる複合ポンプとして用いるのに特に適したものになり得る。

流体が螺旋羽根に対して最大の相対速度で螺旋形ロータに流入することを確保し、それにより、ポンプ送り性能を最適化するために、上述した少なくとも１段のターボ分子段は、好ましくは、螺旋形ロータに流入した流体の分子が、ステータ段を上述の少なくとも１段のターボ分子区分の最終段として螺旋形ロータの入口側に隣接して配置することにより、上述の少なくとも１段のターボ分子段のステータの表面から放出されるように構成される。

分子がロータの入口側から出口側に向かって移動すると、ポンプ送り作用は、静的ホルベック機構のポンプ送り作用と同様であり、このポンプ送り作用は、回転要素と静止要素との間の半径方向相互作用に起因している。したがって、螺旋形ロータは、好ましくは、入口側から出口側まで徐々に変化するねじ山深さを有し、好ましくは、入口側は出口側よりも深い。さらに、螺旋ロータは、好ましくは、出口側の螺旋角度とは異なる螺旋角度を入口側に有し、ねじ山深さと螺旋角度の両方は、好ましくは、入口側から出口側までポンプセクションの軸線方向長さに沿ってスムーズに減少する。

好ましい構成では、第１のポンプセクションは、少なくとも１段のターボ分子段、好ましくは少なくとも３段のターボ分子段を有する。第１のポンプセクションと第２のポンプセクションは、互いに異なる寸法／直径のものであるのがよい。これにより、選択的なポンプ送り性能が得られる。

第３のポンプセクションは、好ましくは、分子ドラッグポンプ機構、例えば、１段又は２段以上のポンプ送り段を含むホルベックポンプ機構を有する。既知のように、かかるポンプ機構は、代表的には、円筒形ロータと、螺旋溝が形成されたステータとを有する。静止表面を螺旋形ロータ段の出口に隣接して提供して、ステータに形成された螺旋溝を有する第３のポンプセクションを設けることにより、ポンプ性能を一段と最適化できる。

本発明は又、２つのチャンバと、これらのチャンバの各々を排気するための上述の真空ポンプを有する差圧ポンプ式の真空システムを提供する。１０^-3ミリバール（１０^-1Ｐａ）以上、より好ましくは５×１０^-3ミリバール（５×１０^-1Ｐａ）以上の圧力を発生させるべきチャンバから流体をポンプ送りするように構成されたポンプセクションのうちの１つは、好ましくは、雄ねじ形ロータを有する。

次に、添付の図面を参照して本発明の好ましい種々の特徴を説明するが、これらは例示に過ぎない。

図３を参照すると、図１を参照して上述した差圧ポンプ式質量分析計システムの少なくとも高真空チャンバ１０及び中間チャンバ１４を排気するのに適した真空ポンプ１００の実施形態が、多部品本体１０２を有し、多部品本体１０２内に、駆動シャフト１０４が取付けられている。駆動シャフト１０４の回転は、その周りに設けられたモータ（図示せず）、例えばブラシレス直流電動機によって行なわれる。駆動シャフト１０４は、互いに反対側に位置する軸受（図示せず）に取付けられている。駆動シャフト１０４は、例えば、ハイブリッド永久磁石軸受及び油潤滑式軸受システムで支持されるのがよい。

真空ポンプ１００は、３つのポンプセクション１０６，１０８，１１２を有している。第１のポンプセクション１０６は、１組のターボ分子段を有している。図３に示す実施形態では、１組のターボ分子段１０６は、よく知られている傾斜構造を有する４枚のロータ羽根（動翼）及び３枚のステータ羽根（静翼）を有している。ロータ羽根を符号１０７ａで示し、ステータ羽根を符号１０７ｂで示す。この例では、ロータ羽根１０７ａは、駆動シャフト１０４に取付けられている。

第２のポンプセクション１０８は、少なくとも１段のターボ分子段１０９ａ，１０９ｂと、その下流側に位置する雄ねじ形ロータ１０９ｃとを有している。図示の実施形態では、第２のポンプセクション１０８は、１段のターボ分子段を有しているけれども、必要に応じて、２段又は３段以上のターボ分子ポンプ段を有していてもよい。ターボ分子段は、雄ねじ形ロータ１０９ｃに隣接したロータ羽根１０９ａ及びステータ羽根１０９ｂを有している。雄ねじ形ロータ１０９ｃを、図４に詳細に示す。この雄ねじ形ロータ１０９ｃは、駆動シャフト１０４が貫通するボア１１０と、螺旋溝１１１ｂを構成する雄ねじ山１１１ａとを有している。雄ねじ山１１１ａの深さ、即ち、螺旋溝１１１ｂの深さは、ロータ１０９の入口側１１１ｃから出口側１１１ｄに向かって徐々に変化するように設計されるのがよい。この実施形態では、雄ねじ山１１１ａの入口側１１１ｃは、その出口側１１１ｄよりも深いけれども、このことが本質的であるというわけではない。雄ねじ形ロータ１０９ｃの螺旋角度、即ち、駆動シャフト１０４の軸線と垂直な平面に対する雄ねじ山１１１ａの傾き角度も入口側１１１ｃから出口側１１１ｄまで変化しているのが良く、この実施形態では、出口側１１１ｄの螺旋角度は、入口側１１１ｃの螺旋角度よりも浅い、即ち、小さいけれども、このことも本質的であるというわけではない。

図３に示すように、第１及び第２のポンプセクション１０６、１０８の下流側には、ホルベック機構又は他の形式のドラッグ機構の形態をした第３のポンプセクション１１２が設けられている。この実施形態では、ホルベック機構は、２つの回転シリンダ１１３ａ，１１３ｂと、それに対応する環状ステータ１１４ａ，１１４ｂとを有し、環状ステータ１１４ａ，１１４ｂは、それ自体既知の仕方で螺旋形チャネルが形成されている。回転シリンダ１１３ａ，１１３ｂは、好ましくは、炭素繊維材料で作られ、駆動シャフト１０４に設けられたディスク１１５に取付けられている。この例では、ディスク１１５も、駆動シャフト１０４に取付けられている。ホルベック機構１１２の下流側には、ポンプ出口１１６が設けられている。

回転要素１０７ａ，１０９ａ，１０９ｃ，１１５を駆動シャフト１０４に個々に取付ける代わりに、これら要素の１つ又は２つ以上を、駆動シャフト１０４に取付けられた共通のインペラ又は羽根車に、好ましくは一体に設けても良く、ホルベック機構１１２の炭素繊維回転シリンダ１１３ａ，１１３ｂは、これら一体型回転要素の機械加工に引続いて、回転ディスク１１５に取付けられる。

図３に示すように、真空ポンプ１００は、２つの入口を有しており、この実施形態では、２つの入口しか用いられていないが、３つ又は４つ以上の追加の入口を有してもよく、この入口は、選択的に開閉できるのがよく、例えば、互いに異なる流れを機構の特定の部分に案内する内部バッフル又は板を利用するのがよい。第１の低流体圧力入口１２０は、全てのポンプセクションの上流側に配置されている。第２の高流体圧力入口１２２は、第１のポンプセクション１０６と第２のポンプセクション１０８との間に配置されている。

使用にあたり、各入口は、差圧ポンプ排気式真空システムのそれぞれのチャンバに連結されている。低圧チャンバ１０から第１の入口１２０を通って流れる流体は、第１〜第３のポンプセクション１０６，１０８，１１２の各々を通過して、ポンプ出口１１６を通って真空ポンプ１００から出る。流体が第２のポンプセクション１０８の螺旋形ロータ１０９ｃに螺旋羽根（ねじ山）に対する最大の相対速度で入ることを確保し、それにより、ポンプ性能を最適化するために、図示のように、第２のポンプセクション１０８のターボ分子段は、螺旋形ロータ１０９に入る流体の分子が上記ターボ分子段のステータ１０９ｂの表面から放出されているように構成されることが好ましく、第２のポンプセクションに続くホルベック機構１１２の段も、ロータ１０９の出口側１１１ｄのところで静止表面を提供するよう静止していることが好ましい。

中圧チャンバ１４から第２の入口１２２を通ってポンプ１００に流入した流体は、第２及び第３のポンプセクション１０８，１１２のみを通過してポンプ出口１１６を通ってポンプから流出する。高圧チャンバ１２から第３の入口１２４を通過した流体は、バッキングポンプ（図示せず）により排出でき、このバッキングポンプも又、出口１１６を介してポンプ１００を支援する。

この実施形態では、使用にあたり、第１のインターフェースチャンバ１２は、約１ミリバール（１０²Ｐａ）の圧力状態にあり、第２のインターフェースチャンバ１４は、約１０^-2〜１０^-3ミリバール（１〜１０^-1Ｐａ）の圧力状態にあり、高真空チャンバ１０は、約１０^-5ミリバール（１０^-3Ｐａ）の圧力状態にある。かくして、図３に示す実施形態では、図１に示す例と比較して、第２のインターフェースチャンバ１４内の圧力を増大させることができる。圧力を約１０^-3ミリバール（１０^-1Ｐａ）から１０^-2ミリバール（１Ｐａ）に増大させることにより、固定流量のためのポンプ送り速度に関する要件は、新しい圧力に対する前の圧力の比だけ軽減される。したがって、例えば、圧力を１０倍に増大させると共に流量を２倍にした場合、新しい圧力におけるポンプ送り速度を１／５にすることができる。ただし、使用にあたり、第２のインターフェースチャンバ１４からの流量を最大にするには、ポンプ送り速度をできるだけ高く維持するのが有利であることは明らかである。第２のインターフェースチャンバ１４内に約１０^-2ミリバール（１Ｐａ）の圧力を維持することに関して、例えば図１のターボ分子ポンプセクション２０は、図３の第２のポンプセクション１０８と同じ程度効果的であるというわけではなく、使用中、第２のポンプセクション１０８よりも多くの電力を消費し、第２のポンプセクション１０８よりも多量の熱を発生させ、その有効性能範囲から一層外れて動作することに起因して、潜在的に性能を低下させる。

かくして、図１に示す既知の構成と比較すれば、上述した実施形態の特定の利点は、ポンプのサイズを増大させることなく、中間チャンバ１４からポンプに流入する流体の質量流量を少なくとも２倍にすることができることにある。これを考慮すると、中間チャンバ１４から高真空チャンバ１０に流入するサンプルの流量も増大させることができ、それにより、差圧ポンプ式質量分析計システムの性能が向上する。

差圧ポンプ式質量分析計システムを排気するのに適した既知の多ポート真空ポンプの概略的な断面図である。 国際出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００４１１４号明細書に記載された多ポート真空ポンプの概略的な断面図である。 図１の差圧ポンプ式質量分析計システムを排気するのに適した多ポート真空ポンプの実施形態の概略的な断面図である。 図３の真空ポンプの雄ねじ形ロータを示す図である。

Claims (11)

1. 真空ポンプであって、
   第１のポンプセクションと、
   前記第１のポンプセクションの下流側に位置する第２のポンプセクションと、
   前記第２のポンプセクションの下流側に位置する第３のポンプセクションと、
   第１のポンプ入口と、
   前記第１のポンプセクションと前記第２のポンプセクションの間に配置された第２のポンプ入口と、を有し、
   前記第１のポンプ入口から前記真空ポンプに入った流体は、前記第１〜第３ポンプセクションの各々を通過してポンプ出口に向かって流れ、
   前記第２のポンプ入口から前記真空ポンプに入った流体は、前記第２及び第３のポンプセクションのみを通過し前記ポンプ出口に向かって流れ、
   前記第１のポンプセクションは、少なくとも１段のターボ分子ポンプ段を含み、
   前記第２のポンプセクションは、少なくとも１段のターボ分子ポンプ段と、前記ターボ分子段の下流側に位置し且つ所定深さの螺旋溝を有する雄ねじ形ロータを含み、
   前記第１のポンプセクション及び前記第２のポンプセクションは、前記第１のポンプ入口及び前記第２のポンプ入口に対して軸線方向に変位し、
   前記第３のポンプセクションは、分子ドラッグポンプ機構を含み、前記分子ドラッグ機構は、そのステータに形成された螺旋溝を有する、真空ポンプ。
2. 前記雄ねじ形ロータの螺旋溝の深さは、前記雄ねじ形ロータの入口側から出口側まで変化する、請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記雄ねじ形ロータの螺旋溝の深さは、前記雄ねじ形ロータの入口側から出口側まで減少する、請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
4. 前記雄ねじ形ロータの螺旋溝の傾き角度は、前記雄ねじ形ロータの入口側から出口側まで変化する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
5. 前記雄ねじ形ロータの螺旋溝の傾き角度は、前記雄ねじ形ロータの入口側から出口側まで減少する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
6. 前記雄ねじ形ロータの螺旋溝の入口側の深さは、前記ステータの螺旋溝の入口側の深さよりも深い、請求項１〜５のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
7. 前記第１のポンプセクションは、少なくとも３段のターボ分子段を有する、請求項１に記載の真空ポンプ。
8. 前記分子ドラッグポンプ機構は、ホルベック（Holweck）ポンプ機構を有する、請求項１に記載の真空ポンプ。
9. 差圧ポンプ式の真空システムであって、
   ２つのチャンバと、
   前記２つのチャンバの各々を排気する請求項１〜８のいずれか１項に記載の真空ポンプと、を有する真空システム。
10. １０^-3ミリバール以上の圧力を発生させるべきチャンバから流体をポンプ送りするように構成された前記ポンプセクションのうちの１つは、雄ねじ形ロータを有する、請求項９に記載の真空システム。
11. ５×１０^-3ミリバール以上の圧力を発生させるべきチャンバから流体をポンプ送りするように構成された前記ポンプセクションのうちの少なくとも１つは、雄ねじ形ロータを有する、請求項９又は１０に記載の真空システム。

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