JPH02502559A - 低温ソープションポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 低温ソープションポンプ 発明の分野 本発明は真空技術に関し、詳述すれば低温ソープション（収着）真空ポンプの構 造に関する。本発明は研究分野のみならず、電子機器、無線機器や他の工業分野 に広く使用されている真空機器に最も適しており、容積ｌＸｌ０””ｍ”から１ ×１０２ｍ”の真空室に圧力範囲Ｉ　ＸＩＯ’　ＰａからＩ　Ｘ　１０−”Ｐａ まで、若しくはＩ　ＸＩＯ２ＰａからＩ　Ｘ　１０−’Ｐａ以下の高清浄度の油 分を含まない真空を得るために予備排気装置と主排気装置の両方として使用する ことができる。

従来の技術 現在のところ、低温ソープションポンプの改良は、新しい構造のポンプを開発す ることと、新しいポンプ構成要素を開発することの両方の手法によってポンプの 設計を最適化する方法が取られている。上記両方の手法は共にポンプの排気特性 と低温特性とを改良することを目的としている。

公知の低温ソープションポンプとしては、蓋部と底部と、蓋部に設けられた入口 ノズルとを有するハウジングと、該ハウジング内に配置された、ガス透過スクリ ーンを有する低温剤容器と、上記入口ノズルと低温剤容器とを接続する伸縮継手 と、吸着剤と、低温剤を充填すると共に低温剤の蒸気を除去するための配管、と を設置したものがある。（ソビエト連邦科学協会機関誌の“実験技術と装置”１ ９８３年第６号第１２８頁から第１３２頁に記載のエヌ・ピー・ラリン氏による “ヘリウム低温ポンプを用いた超高真空装置”第１２９頁参照）上記ポンプの１ つの欠点は、このポンプによって油分を全く含まない高真空を真空容器内に得る ためには、液体窒素冷却の油蒸気トラップと共に用いる機械式の前段ポンプのよ うな付帯設備が必要となることである。現在使用されているこの種のトラップは 、液体窒素の消費率が高く１回の液体窒素充填により使用できる時間が１０から ３５時間程度と短いため、トラップや接続配管の再生や洗浄に相当な余分の労力 を必要とし、更にそれに伴ってトラップを室温から７７．４γまで冷却するため の非生産的用途に液体窒素が消費されることを考慮すると経済的でない。

他の公知の低温ソープションポンプは、蓋部と底部と、蓋部に設けられた入口ノ ズルとを有するハウジングと、このハウジングに収納されたガス透過スクリーン を有する低温剤容器と、上記入口ノズルと低温剤容器とを接続する伸縮継手と、 低温剤を充填すると共に低温剤の蒸気を除去するための配管と、低温剤容器内に 配置され、その一端がハウジング底部から外部に取り出されている真空伝熱器と を備えている。（ＳＯ。

Ａ、　１３３３８３３号公報） 上記装置の低温剤容器は内側と外側に配置された２つの同軸円筒形状をしており 、この２つの円筒は低温剤を充填する空間を形成し、内側の円筒内部には、該円 筒と同軸にガス透過スクリーンが配置され、吸着剤を充填する空間を形成してい る。上記ガス透過スクリーンに取り囲まれたポンプ中央部の空間は、吸着剤に排 気したガスを供給する役割を果している。前記真空伝熱器は低温剤容器内に配設 され、その一端は底部から取り出され、他の一端はハウジングの蓋部から取り出 されている。上記真空伝熱器は半周の螺旋形状をしており、低温剤容器の内側の 円筒の周囲を取り巻いていて次式で表わされる寸法になっている： ここでＲは螺旋の半径であり、ｄは真空伝熱器の直径、ｈは螺旋のリードである 。上記真空伝熱器は、機械式前段ポンプによる予備排気段階で用いられ、凍結ト ラップとして機能して、低温剤の温度で容易に凝縮するガスや蒸気、従って機械 式前段ポンプからの油蒸気も上記真空伝熱器の壁面で凝結させるようになってい る。

上述の装置は、低温剤容器が２つの同軸円筒の間の環状空間の形状であること、 及び内側の円筒とガス透過スクリーンとの間に配置される吸着剤の厚さが制限さ れてしまうことの欠点があり、吸着剤の容積とガス透過スクリーンの表面積がポ ンプの大きさに適合できず、ポンプ性能値、すなわち吸着能力と排気速度との低 下を生じている。

更に、上述のような構造と配置のため真空伝熱器の直径と長さが限定さてしまう 問題がある。すなわち、真空伝熱器の直径は低温剤容器の環状空間の幅で限定さ れるし、真空伝熱器の長さをポンプハウジング高さより低くすることはできない 。上記の真空伝熱器のパラメータ、すなわち直径と長さとは真空伝熱器の伝熱能 力を規定するため、これらパラメータの制限は真空伝熱器の伝熱能力を低下させ 真空室の予備排気に長時間を要することとなる。

また、上述の構造の低温剤容器は、ポンプ内部容積を有効に使って低温剤容器の 容積とその中に充填できる低温剤の量を増大することができない。低温剤容器の 容積が不充分なことは、ポンプの連続稼動時間が短かいこと、すなわち低温性能 が低いという結果を生じている。

発明の開示 本発明は、低温剤の容器と、吸着剤と、ガス透過スクリーンと上記低温剤容器内 に配置された真空伝熱器とを備えた低温ソープションポンプにおいて、ポンプの サイズは変えずにガス透過スクリーンの表面積を増大し、吸着剤容積を増し、真 空伝熱器の伝熱能力を高めることにより、排気性能を向上させてポンプの吸着能 力を増大して真空室の排気時間を短縮できるように上記構成要素を設計し、ポン プ内に配置することを目的としている。

上述の目的は、蓋部と、底部と、上記蓋部に配設した入口ノズルとを有するハウ ジングと、そのハウジング内に配置した低温剤の容器と、吸着剤と、ガス透過ス クリーンと、伸縮継手と、上記低温剤容器内に配置しその一端を底部から外部に 取り出した真空伝熱器と、低温剤の充填と、低温剤蒸気を除去するための配管と を備えた低温ソープションポンプにおいて、本発明により、上記低温剤容器を、 ポンプ中央部に一方を他方の上部に配置した２つのシェルの形に形成し、環状の 部材でこれら２つの容器を相互に接続し、上側のシェルには蓋部を備え、下側の 容器には底部を備えるようにすると共に、上記低温剤容器には、上記環状部材に 取着され、上記上側の容器を取り囲むようにした伝熱体を設け、上記上側の容器 と上記伝熱体と、上記環状部材に取着して設置したガス透過スクリーンとの間に 形成さた内部空間に吸着剤を、伝熱体とガス透過スクリーンとの間に配設し、伝 熱体を取り付けた真空伝熱器を上記低温容器内に上記低温容器シェルの全長にわ たり設置し、その真空伝熱器の端部を底部からハウジング外部に取り出した構造 とすることにより達成される。

低温剤容器を、ポンプ中央に設置した２つのケーシングの形状として、それらの 間を環状部材で接続すると共にこの環状部材に伝熱体を取付け、上側のシェルと 伝熱体との間に空間を形成する構造としたことにより、第１に上記環状部材を介 して低温剤により伝熱体を効果的に冷却することが可能となり、第２に伝熱体の 直径を最大限に増大することが可能となっている。

また、ガス透過スクリーンを、上記伝熱体と上側のシェルとの間に配設したこと により、スクリーンの直径を増大してガス透過スクリーンの表面積を増し、それ により排気速度を増大することが可能となっている。更に、吸着剤を伝熱体とガ ス透過スクリーンとの間に配設したことにより吸着剤を効率的に冷却できるよう になっている。こうして、伝熱体とガス透過スクリーンの直径を増大することに より吸着剤を収容する環状空間の断面積が増大するため、限られた吸着剤の厚さ においても吸着剤の全体量が増し、ポンプの吸着能力が向上している。

上記真空伝熱器の第二の端部は、第１の端部と同様にハウジング底部から外部に 出ており、光学的に密な環状の真空伝熱器を形成し、ガスや蒸気の分子の直線的 な飛行経路が生じないようになっている。

上記真空伝熱器を低温剤容器を形成するシェルの１つ内部に上述のように配設し たことにより真空伝熱器の直径を増大し、長さを短縮することが可能となり真空 伝熱器の伝熱能力が増加しそれにより真空室の排気時間が短縮されている。

更に、真空伝熱器の第２の端部を底部から外に出しているため、ポンプの蓋が自 由にセットでき、ポンプを真空室や機械式前段ポンプに接続する際の条件が改善 されポンプ操作が簡単になっている。

また、真空伝熱器に、低温剤容器内部にケーシング全長にわたって設置した伝熱 体を取り付けたことにより、容器内の低温剤のレベルやポンプの向き、すなわち 入口ノズルが上向きか下向きかとは無関係に真空伝熱器を真空室の予備排気時に 効果的に冷却できるため、予備排気の後の真空室排気の際に排気性能を最適化す るための条件を設定できる。

上記に加えて、低温剤容器を上述の構造としたことによりポンプ内の空間を有効 に利用でき、低温剤容器の容積とその中に充填できる低温剤の量とを増すことが できるため、ポンプの連続運転時間が延長され、それによりポンプの低温性能が 向上している。

低温剤の充填と、低温剤蒸気を除去するのに用いる２つの配管は、低温剤容器内 に設置し、それぞれ一端をハウジング底部から外部に取り出し、１つの配管の他 の一端は上側のシェルの蓋近くに配置し、第２の配管の他の一端は下側のシェル の底部近くに来るようにするのが有利である。

低温剤の充填と蒸気を除去するための配管を上述のように配置することで配管長 さが増加し、外部からの熱の侵入が低下し低温剤の蒸発量が減るためポンプの低 温特性が向上している。

更に、上述のような配置の構成としたことにより、低温剤の充填と低温剤蒸気の 除去の条件を悪化させることなく、ポンプをその姿勢、すなわち入口ノズルが上 向きか下向きか、とは無関係に運転することを可能にしている。この場合上記配 管の用途が変更されるだけである。また、同時に、もし必要な場合低温剤を容器 から急速に排出することが可能となっている。

また、ポンプハウジング内側の隙間には遮蔽板を設置することが好ましい。この 遮蔽板を設けることにより、ポンプハウジングから低温剤容器への輻射による熱 侵入が低減され、低温剤の蒸発が減少してポンプの低温性能が向上するからであ る。

また、前記伸縮継手内部にも同軸状に遮蔽板を設けることが望ましい。本発明に よるポンプ構造においては、ポンプハウジング内に設けた前記遮蔽板と共にこの 遮蔽板を設けることにより、真空室から伸縮継手への輻射による熱侵入が大幅に 低減されるからである。更に、真空室をポンプで排気する過程で、７８″にと２ ９５″にの間で温度が変化する上記伸縮継手表面では、水蒸気と、二酸化炭素や フレオン、それにある種の炭化水素等のガスの好ましくない凝結現象が生じ、凝 結過剰のため真空室を高真空まで排気する時間を増加させているが、上記遮蔽板 を設置することによりこの凝結現象をなくしてポンプ性能を向上させることがで きる。

また、ポンプには、１つはハウジング底部に固定し、他の１つはポンプの入口ノ ズルに固定した支柱を設け、それぞれ上側シェルの蓋部と下側シェル底部に設け た凹部で受承するようにすることが好ましい。上記の支柱と、シェルの蓋部と底 部の凹部を設けたことにより低温剤容器はポンプハウジング内に固定され、輸送 中にポンプの内部部品が損傷することを防止できる。

図面の概要 本発明は、以下に述べる本発明による低温ソープションポンプに関する説明と共 に添付図面を参照することにより、理解されよう。

ここで：第１図は、本発明による低温ソープションポンプの断面図。

第２図は第１図の■−■線に沿った断面図。

第３図は、本発明のポンプと真空室及び機械式前段ポンプとの接続を示す接続線 図である。

発明を実施するための最良の形態 本発明の低温ソープションポンプは蓋部２と底部３と蓋部２に配設された入口ノ ズル４とを有するハウジングｌ　（第４図）を備えている。また、このポンプに はポンプハウジング１との間に隙間６をあけて遮蔽板５が設置さている。また、 ポンプハウジング１の中央部には、上下に重ねて設置され、環状部材１０により 相互に連結された上側シェル８と下側シェル９との２つのシェルを有する低温剤 容器７が設けられている。この上側シェル８には蓋部１１が、また下側シェル９ には底部１２が設けられている。低温剤容器７には上記環状部材１０に固定した 伝熱体１３が設けられている。このようにして伝熱体１３の冷却は低温剤により 環状部材１０を介して行なわれる。

低温剤容器７を、ポンプ中央部に設置し、環状部材１０で相互に接続した２つの シェル８と９から成る構造とし、伝熱体１３を、上側シェル８との間に空間を設 けて環状部材１０に取り付けたことにより、第１には、伝熱体１３を環状部材１ ０を介して低温剤により冷却することができ、第２には伝熱体１３の直径を最大 限に増加することが可能となっている。

上記伝熱体１３は上側シェル８を取り囲み、伝熱体１３と上側シェル８との間に 形成された空間にはガス透過スクリーン１４が配置され、環状部材１０に取付け られている。伝熱体１３とガス透過スクリーン１４とはリング１５を介して連結 されている。

また、吸着剤１６は上記伝熱体１３とガス透過スクリーン１４との間に配置され ている。ガス透過スクリーン１４とシェル８との間の空間１７は、真空室から排 気されたガスを吸着剤１６に供給する役割を果たしている。

ガス透過スクリーン１４を伝熱体１３と上側シェル８との間の空間に配置したた め、スクリーンの直径を増加してガス透過スフリーフ１４０表面積を増大させる ことが可能となり、それにより排気速度が増大している。また、吸着剤１６を伝 熱体１３とガス透過スクリーン１４との間に配置したことにより真空室に吸着剤 の微粉が侵入することを防止しながら吸着剤１６を効果的に冷却することができ るようになっている。更に吸着剤１６の厚さが限られていても伝熱体１３とガス 透過スクリーン１４との直径が増大したことにより吸着剤を収容する環状部面積 が増加しているため、吸着剤の総容積は増加し、それによりポンプの吸着能力は 増大している。

入口ノズル４はベローズ構造の伸縮継手１８の一端（二接続されている。この伸 縮継手１８の他の一端は環状カバー１９に接続され、この環状カバー１９はリン グ１５に接続されている。

ハウジング１の内面と、伸縮継手１８、環状カバー１９、伝熱体１３、下側シェ ル９、下側シェル９の底部１２の外面との間の空間は“保護”真空部２０として 機能している。

伸縮継手１８には、伸縮継手と同軸に、間隔をあけて遮蔽板２１が設けられてい る。

下側シェル９の側面には環状断面のポケット２２が設けられ吸着剤１６を収容し ており、上記ポケット２２は前記保護真空部２０に面した部分がガス透過スクリ ーン２３で覆われている。ポケット２２内に収容された吸着剤１６は、前記保護 真空部２０から残留ガスを排気するためのものである。

下側シェル９の内部には真空室の予備排気に用いられ、凍結トラップとして機能 する真空伝熱器２４が設けられており、その壁面は機械式前段ポンプから真空室 に拡散する可能性のある、低温剤温度で容易に凝縮するガスや蒸気を凝結するよ うになっている。上記真空伝熱器２４は光学的に密な部材であり、その両端部２ ５と２６とはそれぞれ伸縮継手２７と２８とが設けられハウジング１の底部３か ら外部に取り出されている。

真空伝熱器２４の両端２５と２６とをポンプハウジング１の底部３から取り出し たことにより真空伝熱器を光学的に密にすることが可能となっている。真空伝熱 器を下側シェル９内部に配置したことにより真空伝熱器２４の直径を増大し、長 さを短縮することが可能となり、そのため真空伝熱器の伝熱能力が増加し、それ により真空室の予備排気に要する時間が短縮されている。

真空伝熱器２４には伝熱体２９と３０とが固定されていてそれぞれシェル８と９ 内部に、シェル全長にわたり設置されている。

真空伝熱器に伝熱体２９と３０とを設けたことにより、容器７内の低温剤のレベ ルやポンプ入口ノズルが上向きになっているか下向きになっているかとは無関係 に真空伝熱器２４の壁面内部を一定温度に保持することが可能となっている。

本ポンプには低温剤を充填するための配管３１（第２図）と低温剤蒸気を除去す るための配管３２が設けられており、これら配管は低温剤容器７のシェル８と９ 内部空間に配設されている。

配管３１と３２のそれぞれの一端３３と３４とはハウジング１から底部３を貫通 して取り出されており、Ｕ字形に形成さた配管３１の他の一端３５は下側シェル ９の底部１２近傍に配設され、配管３２の端部３６は上側シェル８の蓋１１近傍 に配置されている。

それぞれ、低温剤を充填するためと低温剤蒸気を除去するために用いる配管３１ と３２との構造と、これら配管のそれぞれの端部３５と３６の上述の配置により 低温剤容器７に、ポンプ入口ノズル４の上下の向きとは関係なく低温剤を充填す ることができる。すなわち、入口ノズル４が上向きになっている場合には低温剤 を配管３１を用いて充填し、入口ノズル４が下向きになるようにポンプが配置さ れているときには低温剤の充填に配管３２が使用される。

本ポンプにはポンプの軸線に沿って２つの支柱３７と３８とが設けられており、 支柱３７はハウジング１の底部３に固定されており、支柱３８は盲フランジ３９ を介して入口ノズル４に固定されている。上記支柱３７の端部は底部１２に設け た凹部４０と係合し、支柱３８の端部は蓋部１１に設けた凹部４１と係合してい る。

第３図は本発明による低温ソープションポンプ４２と、排気すべき真空室４３及 び機械式前段ポンプ４４との接続を示す線図である。

ポンプ４２０入ロノズル４はバルブ４５を介して真空室４３に接続されている。

真空伝熱体２４の一端２５は伸縮継手２７を介してバルブ４６に接続され、この バルブ４６を通して真空室４３と接続されており、真空伝熱器２４の他の一端２ ６は伸縮継手２８を介してバルブ４７に接続され、このバルブ４７を通して機械 式前段ポンプ４４に接続さている。また、前段ポンプ４４にはバルブ４８を介し て真空室４３が、バルブ４９を介して前記保護真空部２０が、又、バルブ５０を 介してポンプ４２の入口ノズル４の下流側全体がそれぞれ接続されている。

本発明の低温ソープションポンプは以下のように作動する。

最初にポンプ４２を起動するときには、機械式前段ポンプ４４がバルブ４９を介 してポンプ４２の保護真空部２０を排気するのに用いられる。通常、この操作は １年か２年に１度行なえば充分である。

ポンプ４２を運転可能とするためには、空間１７を含めて、入口ノズル４の下流 側のポンプ全容積をバルブ５０を介してポンプ４４により１００から４０Ｐａの 圧力になるまで排気する必要がある。

次に、低温剤、すなわち液体窒素が低温剤容器７に（ポンプの姿勢により）配管 ３１又は３２を介して充填される。低温剤容器７が冷却されると、前記ポケット ２２に収容された吸着剤も同様に冷却されて前記保護真空部２０に含まれた残留 ガスを吸収し、保護真空部２０内の圧力がＩ　Ｘ　１０−’Ｐａ又はそれ以下ま で低下して、ハウジング１から低温剤容器７への、残留ガスの分子熱交換による 熱侵入が低減される。低温剤容器７への熱侵入がポンプ入口の圧力とは無関係に 最小となるのはこのためである。

空間１７を含み、入口ノズル４下流側のポンプ全容積内の残留ガスは伝熱体１３ とガス透過スクリーン１４との間に設置された吸着剤１６により吸収される。

上記操作の全てが完了するとポンプは使用可能になる。

真空室４３の排気作業は、バルブ４８と共に前記機械式前段ポンプを用いて圧力 を１００から４０Ｐａまで低下させ、次にバルブ４６と４７とを介して真空伝熱 器２４を使用して圧力を５からＩＰａまで下げる予備段階を含んでいる。上記真 空室４３の排気の予備段階では真空伝熱器２４は凍結トラップとして機能し、そ の壁面は前段ポンプから拡散して来る油蒸気を凝結させる。

このため、バルブ４５を開いて真空室４４を、本発明のポンプ４２を用いて所望 の圧力まで排気する際にはバルブ４６と４７とは閉じられる。

産業上の利用可能性 本発明は、研究と開発の分野のみならず広い範囲の、電子機器、無線機器及び他 の工業においてｌＸｌ０−’ｍ”からｌＸｌ０”ｍ゛の容積の真空室に圧力範囲 １　ｘｉｏ５ＰａからＩ　Ｘｌ０−”Ｐａまで又はＩ　ＸＩＯ”　ＰａからＩ　 Ｘｌ０−’Ｐａまでの高清浄度の油分を含まない真空を得るために予備排気装置 と、主排気装置の両方の用途に使用するのに好適である。

ＦＩＩ３．ｆ Ｆ／Ｉ３ｚ 国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．蓋部と底部と上記蓋部に配設した入口ノズルとを有するハウジングと、上記 ハウジング内に収納した低温剤容器と、吸着剤と、ガス透過スクリーンと、伸縮 継手と、上記低温剤容器内に配設され、一端が上記底部からハウジングの外部へ 取り出された真空伝熱器と、低温剤充填と低温剤蒸気取り出しのための配管とを 備えた低温ソープションポンプにおいて、上記低温剤容器は、ポンプ中央部に一 方が他方の上部になるように配設されると共に環状部材により相互に接続され上 側のシエルには蓋部を備え、下側のシェルには底部を備えた２つのシエルの形に 形成されており、該低温剤容器には上記上側のシェルを取り巻き、上記環状部材 に取付けられた伝熱体が設けられ、上記上側のシェルとの間に空間を形成してお り、該空間内には上記環状部材に取付けられたガス透過スクリーンが設置され、 上記伝熱体と上記ガス透過スクリーンとの間には吸着剤が配設され、上記真空伝 熱器には上記低温剤容器シェル内に、該シエルの全長にわたって配設された伝熱 体が取着され、上記真空伝熱器の一端が底部から上記ハウジング外部に取り出さ れていることを特徴とする低温ソープシヨンポンプ
2. ２．低温剤充填と低温剤蒸気取り出しのための前記配管は、それぞれ前記低温剤 容器内部に配設され、前記配管の一端はそれぞれ底部から前記ハウジング外に取 り出されており、一方の配管の他の一端は前記上側のシェルの蓋部近傍に配置さ れ、もう一方の配管の他の一端は前記下側のシェルの底近傍に配置されているこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載のポンプ。
3. ３．前記ポンプハウジングの内側には、ハウジングと間隙をあけて遮蔽板が設け られていることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のポンプ。
4. ４．前記伸縮継手内側には、該伸縮継手と同軸状に遮蔽板が設けられていること を特徴とする請求の範囲第３項に記載のポンプ。
5. ５．支柱を備え、該支柱のうちの１つは前記ハウジング底部に固定され、もう一 方の支柱はポンプの前記入口ノズルに固定され、上記支柱を受承する凹部が前記 低温剤容器の上側のケーシング蓋部と下側のケーシング底部にそれぞれ設けられ ているごとを特徴とする請求の範囲第４項に記載のポンプ。