JPH025792A

JPH025792A - ターボ分子ポンプおよびその運転方法

Info

Publication number: JPH025792A
Application number: JP1048489A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Okumura; 勝弥奥村; Fumio Kuriyama; 文夫栗山; Yukio Murai; 幸夫村井; Manabu Tsujimura; 学辻村; Takuji Sobukawa; 拓司曽布川
Original assignee: Ebara Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Ebara Corp; Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-07
Filing date: 1989-03-02
Publication date: 1990-01-10
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JP2503267B2

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】［産業上の利用分野コ本発明は、気体分子同士の衝突が無視できるような低い
圧力の条件下で、複数の動翼およ静翼を組合せて相対的
に回転させることにより排気作用を得る真空ボン１、す
なわちターボ分子ポンプと、その運転方法に関する。

［従来の技術］従来のターボ分子ポンプを第７図を参照して説明する。

全体を符号１で示す従来のターボ分子ポンプは、モータ
２、その回転力を伝達するモータ軸３、モータ軸３に取
付けられたロータ４、そのロータ４に取付けられた複数
の動Ｘ５、その動翼５間に配：σされている複数の静翼
６、静＊６を取付けなスデータ７、吸気口８および排気
口９を形成したケーシング１０、動翼５および静翼６を
保護するための保護１４１１を含んでいる。そして運転
に際しては、モータ２を駆動して動ｇ５を分子流程度の
稀薄な雰囲気の中で高速回転させることにより、吸気口
８から気体分子を吸い込み、高い圧縮比にて圧縮し、排
気口９へ気体を移動せしめ、高真空を作り出す。

［発明が解決しようとする課題］このようなターボ分子ポンプは、取り扱う気体分子の分
子量により排気性能が異なる。そして分子量の小さい気
体分子を取り汲う場合には排気性能が著しく低下する。

排気性能は圧縮比が小さいほど低下するが、ここで圧縮
を示すパラメータとしての真速度Ｃは、Ｃ＝Ｖ／Ｖｍ　　　（Ｖは動翼の周速、Ｖｍは気体分子
の最大確率速度）なる式で示され、気体分子の最大確率速度ＶｍはＶ　ｍ
　＝　Ｊ−２Ｋ　Ｔ　／　Ｍ　　　　（Ｍは気体分子の
分子量、Ｋはボルツマン定数、Ｔは気体の絶対温度）な
る式で表される。これ等の式より明らかなように、気体
分子の分子量Ｍが小さければその最大確率速度Ｖｍが大
きくなり、真速度比Ｃが小さくなる。従って分子量の小
さい気体分子を取り晟う場合には排気性能が低下するの
である。そして排気性能が低い場合、ターボ分子ポンプ
の実際の運転に際して問題となることが多い。

この分子量の小さい気体による問題としては。

特に水蒸気の存在か悪影響をおよぼず。ターボ分子ポン
プを備えた系の一部が大気ｒ？ｌＦ！放となり大気がそ
の系に流入する場合、ターボ分子ポンプによって作られ
る１　０　　’Ｔｏ　ｒ　ｒないし１０−”Ｔ。

ｒ　ｒ　（１０−’＝ｎｍＨｇないし１０−１００−１
Ｏｇ　）程度の真空における残留ガスはその大部分が水
蒸気である。そしてこの残留水蒸気は真空度および真空
環境に悪影響をおよぼずのである。

ヘリウム冷凍機を使用し１５°Ｋから２０’に程度の超
低温の熱交換器を備えた所謂クライオ真空ポンプを用い
た場合には、水蒸気についての排気特性が良好となるの
で、」一連の不都合にある程度対処することができる。

しかしクライオ真空ポンプの場合は、（１）　冷凍機駆動に係わる起動・停止時間が長い、（２）　いわゆる溜め込み式なので、一定の負荷運転が
終了する毎に再生運転を長時間に亘って行う必要がある
、（３）　気体分子の種類により昇華温度か異なるため、
再生運転時には熱交換器の温度上昇に従って各種気体分
子は高濃度にて順次ポンプから分離排出されるが、この
分離排出に対応してその後の処理を行うことが困難であ
る。特に半導体製造プロセスにおいては、モノシラン（
ＳｉＨ４）、フッ化水素（ＨＦ　）のような有毒、高腐
蝕性、爆発性、可燃性の気体を窒素（Ｎ、）、ヘリウム
（Ｈｅ　）等の不活性ガスで希釈して使用するので、こ
れら各種気体が分謎排出されることに対応するのが非常
にむずかしい、というような問題点がある。

ここで、従来のターボ分子ポンプとクライオ真空ポンプ
とを組合わせることも考えられる。しかしこのような組
合せでは水素、ヘリウム以外の殆どの気体分子がクライ
オ真空ポンプで氷結捕集されてしまうので、ターボ分子
ポンプを設ける意味がなくなってしまう。

本発明は上記した従来技術の欠点に鑑みて提案されたも
のであり、分子量が小さい気体、特に水蒸気の排気特性
が良好であり、起動・停止操作が容易で連続運転が可能
なターボ分子ポンプを提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］本発明のターボ分子ポンプは、複数の動翼を備えたロー
タと、複数の静翼を備えたステータとを有し、吸気口か
ら気体分子を取り込み圧縮して排気口から排出するター
ボ分子ポンプにおいて、吸気口内に熱交換器を設け、こ
の熱交換器は冷媒配管を介して冷凍機に接続しており、
吸気口の上流側には締切弁が設けられている。

ここで、前記冷凍機は一１００℃ないし一１９０℃程度
の冷媒を供給する能力を有しているのが好ましく、そし
てこの冷凍機はデフロスト運転が可能な冷凍機であるか
あるいは吸気口においてヒータを設けているのが好まし
い。

そして、前記熱交換器は伝熱コイルおよび複数の伝熱プ
レートを含み、吸気口から吸引された気体分子が伝熱プ
レート間を通過するように該伝熱プレートは伝熱コイル
の上側および下側へ間隔を空けて配置されているのが好
ましい。

あるいは、前記熱交換器は、シリンダ状の伝熱コイルと
、該伝熱コイルを同心的に包囲するシリンダ状の伝熱部
材と、伝熱コイルと伝熱部材の間に設けられた複数の半
径方向伝熱プレートとを含み、伝熱コイル、伝熱部材お
よび伝熱プレートは吸気口から吸引された気体分子の流
れに対して平行に配置されているのが好ましい、ここで
、前記熱交換器は、前記シリンダ状の伝熱部材を同心的
に包囲し且つ該伝熱部材の外側に取付けられたシリンダ
状の熱シールド部材を更に含んでいるのが好ましい。

また、本発明のターボ分子ボン１の運転する方法におい
ては、吸気口の上流側に設けた締切弁を開放して吸気口
内に設けた熱交換器により水蒸気分子を氷結捕集する排
気運転工程と、前記締切弁を閉鎖し氷結捕集した水蒸気
分子を解氷放出する再生運転工程とを含んでいる。

ここで前記再生運転工程は、冷凍機を冷凍運転からデフ
ロスト運転に切換える工程を含んでいるか、あるいは冷
凍機の冷凍能力を維持または低減した上で吸気口に設け
たヒータにより冷凍能力を上回る加熱を行う工程を含ん
でいるのが好ましい。

しかしながら、再生運転工程は、単に締切弁を閉錯し且
つターボ分子ポンプの排気作用を継続することによって
行い得る。

［作用］本発明のターボ分子ポンプおよびその運転方法によれば
、排気運転を行う際には、吸気口の上流側に設けた締切
弁を開放し、冷凍機を冷凍運転して熱交換器に冷媒を送
出して冷却する。そして動翼を回転することによって気
体をポンプ内に吸い込むが、この際、その気体中に含ま
れる水蒸気は熱交換器により選択的に氷結捕集される。

その結果、ターボ分子ポンプの排気性能が向上し真空度
の高い良質な真空をつくることができる。また氷結捕集
されない分子量の小さな気体、例えば水素、ヘリウム等
も、熱交換器によって冷却されることによりその温度が
低下し気体分子性能が遅くなる。

これにより、翼速度比Ｃが大きくなり、ターボ分子ポン
プの排気性能が向上する。そして、従来のターボ分子ポ
ンプにおける問題点、すなわち分子量の小さい気体、特
に水蒸気の排気性能が悪いことが解消される。

一方、所定時間だけ排気運転行った後は、熱交ｔｆＶ４
器に氷結捕集された水蒸気を解氷し放出する再生運転を
行う必要がある。そのような再生運転を行う工程の場合
は、前記締切弁を閉鎖し、熱交換器に氷結捕集されてい
る水蒸気を加熱すれば良い。

この加熱を行う方式としては、冷凍機を冷凍運転からデ
フロスト運転に切換えて熱交換器を介して加熱を行う方
式や、あるいは冷凍機の冷凍能力を維持または低下し、
そして吸気口に設けたし−タによって冷凍能力以上の加
熱を行う方式等がある。

そして氷結捕集された水蒸気は、熱交換器あるいはヒー
タから熱を得て気化し、動翼および静翼の相互作用によ
り排出口から排気され、再生工程が行われるのである。

これにより、再生運転工程への切換えおよび再生運転に
要する時間が大巾に短縮される。

さらに、再生運転工程は、締切弁を閉鎖してターボ分子
ポンプの排気作用を継続せしめることのみによって行い
得る。この場合、上記したような水蒸気の加熱は不必要
である。

この再生運転工程は、例えば半導体製造プロセスにおい
てターボ分子ポンプの通常の作動における締切弁遮１ｔ
ｌｉ（閉鎖）時間を利用することによって、行うことが
できる。そして、これにより、再生運転のための特別な
時間を必要とすることなく、ターボ分子ポンプを連続し
て運転することが可能となるのである。

このように本発明によれば、起動・停止操作が容易でか
つ連続運転が可能であるという従来のターボ分子ポンプ
の利点を有しつつ、分子量の小さい気体、特に水蒸気の
排出ら効率的に行うことができるターボ分子ポンプが提
供されるのである。

なお、本発明によれば、排気すべき気体の成分およびＩ
Ｊｔ気運気運開時間づいて、熱交換器の形状および伝熱
面積を選択することができる。

［実施例］以下第１図ないし第６図を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す、全体を符号２０で
示すターボ分子ポンプは、複数の動翼２２を備えたロー
タ２４と、該動翼２２間に配置された複数の静翼２６を
取付けたステータ２８とを有している。そしてロータ２
４はモータ３０のモータ軸３２に取付けられており、ス
テータ２８はケーシング３４内に設けられている。この
ゲージング３４には吸気口３６と排気口３８が形成され
ており、吸気口３６の下流側（流路中排気口に近い側）
で複数の動翼２２および静翼２６の上流側には、これを
保護するための保護１１４０が設けられている。そして
吸気口３６の上流側には図示しない締切弁が配置されて
いる。

以上の構成に加えて第１図のターボ分子ポンプ２０には
、その吸気口３６において熱交’Ｉ’Ａ　２９４２が設
けられている。この熱交換器４２は冷媒配管４４を介し
て冷凍機４６に接続されている。ここで、冷凍機４６は
、例えば米国特許筒４１７６５２６号で開示されている
ように、その内部の切換弁（第１図では図示せず）によ
り低温の冷媒流体が常温の冷媒流体（またはホヴトガス
）かのいずれかを選択的に冷媒配管内に流すことができ
て、短時間で冷凍運転とデフロスト運転との切換を行い
得るタイプの冷凍機である。

第１図における熱交換器４２は、第２Ａ図ないし第４Ｂ
図で示すような構成を有している。第２Ａ図および第２
Ｂ図に示す熱交換器／１２Ａは、平面的な伝熱コイル７
２および複数の伝熱プレート７４を含んでおり、該伝熱
プレート７４は伝熱コイルの上側および下側へ間隔を空
けて設けられており、その結果、前記吸気口から吸引さ
れた気体分子は該伝熱プレート間を通過する。熱交換器
４２Ａは、冷凍機４６（第１図）から冷媒配？Ｆ４４（
第１図）を介して、冷却された冷媒が供給される。冷媒
は冷媒入ロア０を介して供給され、伝熱コイル７２およ
び伝熱プレート７４を冷却し、冷媒用１コア６より冷凍
機４６にもどされる。そして、水蒸気分子が冷却された
伝熱コイル７２および伝熱プレート７４に衝突したとき
、一定の確立をもって氷結捕集される。なお、第２Ｂ図
の矢印Ａはターボ分子ポンプ２０に吸引される気体の流
れを示す。

第３Ａ図および第３Ｂ図において示された熱交換器４２
Ｂは、シリンダ状の伝熱コイル７２−該伝熱コイル７２
−を同心的に包囲するシリンダ状の伝熱部材７４−１お
よび伝熱コイル７２−と伝熱部材７４−の間に設けられ
た複数の半径方向伝熱プレート７４″を含んでいる。伝
熱コイル７２−１伝熱部材７４゛および伝熱グレート７
４″は、吸気口から吸引された気体分子の流れに対して
平行に配置され、該流れに対する抵抗（排気抵抗）を小
さくしている。

第４Ａ図および第４Ｂ図に示ず熱交換器４２Ｃにおいて
は、シリンダ状の熱シールド部材７８がプレート７つに
よって熱交換器４２Ｃの外（１１へ同心的に取付けられ
ている。ここで、該熱交換器４２Ｃは第３Ａ図および第
３Ｂ図で示す熱交換器と同一の構造である。そして、熱
シールド部材７８は、輻射伝熱による熱損失（熱吸収）
を小さくするように作用する。

第１図に示す実施例において、先ず排気運転工程の際に
は、吸気口３６の上流側にある図示しない締切弁を開放
し、冷凍１１１４６を冷凍運転にして熱交換器４２へ低
温冷媒供給する。そしてモータ３０を回転して、吸気口
３６を介して気体を吸込めば、吸込まれた気体中の水蒸
気は熱交換器４２によって氷結捕集される。その結果、
第１図のターボ分子ポンプ２０の排気効率が向上して、
真空度の高い良質な真空が得られる。また、水蒸気以外
の分子量の小さい気体分子（水素、ヘリウムその他）は
、氷結捕集はされないが熱交換器４２と衝突することに
よってその気体温度が低下し、それにより翼速度比か大
きくなり、当該ポンプ２０の排気性能が向上する。

第５図で示す水蒸気の飽和蒸気圧のグラフを参照すると
、−８５℃で水蒸気の飽和蒸気圧は１０’Ｔｏ　ｒ　ｒ
　＜　１０−’ｎｍＨｇ）であり、−１４０℃で１０−
”　Ｔｏ　ｒ　ｒ　（１０−ＩｏＩｌｌＩＨｇ　）であ
る。

このことから、水蒸気を冷却して氷結捕集して排気運転
をすれば、得られた真空の真空度が向上することか分る
。

ここで、第５図における飽和蒸気圧のグラフは平衡状態
を表していることを考慮すると、水蒸気を効率よく氷結
捕集を行うためには一８５℃ないし一１４０℃よりもさ
らに低い温度が必要となる。

そのため、第１図の実施例においては冷熱源として一１
００℃ないし一１９０℃の冷媒を用いている。

第１図のターボ分子ポンプ２０を用いて所定時間の排気
運転を行った後、氷結捕集した分子を解氷・放出する再
生運転を行う際には、吸気Ｌ１３６の上流側にある第１
図では図示しない締切弁（第６図の符号９０で示す部材
と同一）を閉錯し、冷凍Ｒ４６をデフロス１〜運転に切
換えて、常温の冷媒流体あるいはホットガスを熱交換器
４２に供給して加熱する。その結果、熱交換器４２に氷
結捕集された水蒸気が熱交換器４２から熱を得て気化（
昇華）して、動翼２２と静翼２６との相互作用によって
排出されるのである。

次に第６図を参照して本発明の第２実施例について説明
する。第６図において、第１図と同一の部材は同一の符
号にて示されている。

第６図の実施例では、吸気口３６においては熱交換器４
２の他にヒータ５２が設けられている。

そして冷凍機４６Ａはデフロスト運転可能なタイプのも
のでなくても良い、この実施例において、排気運転工程
については第１図の実施例と同一であるが、再生運転工
程においては、冷凍機４６Ａの冷凍能力を維持あるいは
低下しつつ、ヒータ５２によって冷凍能力以上の加熱を
するという操作を行う、その結果、熱交換器４２に氷結
捕集された水蒸気はヒータ５２によって加熱され気化し
て、動翼２２および静翼２６の相互作用により排出され
るのである。尚、第６図において符号９０は締切弁、９
２は真空容器、あるいはそれに接続する配管を示す。

この実施例においては、冷凍機を冷凍運転とデフロスト
運転とに切換える必要がなく、運転切換の際の立ち上り
時間が不必要である。これにより、排気運転工程と再生
運転工程とからなる運転サイクルの効率をさらに向上さ
せることができる。

さらに、再生運転工程は、単に締切弁を閉鎖し且つター
ボ分子ポンプの排気作用を継続することによって行うこ
とができる。すなわち、第６図で示すターボ分子ポンプ
５０において、締切弁９０が閉鎖され且つ該ターボ分子
ポンプ５０の排気作用が継続する場合には、吸気口３６
の下流側にある空間、すなわちトラップ室、内の蒸気圧
が減少し、それにより、熱交換器４２上で氷結捕集され
た水蒸気の昇華が発生しあるいは昇華量が増大する。例
えば、トラップ室内の温度が一１２０℃であり肚つ締切
弁９０を閉鎖する以萌のトラ・ンプ室内の圧力が６　Ｘ
　１０−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒであると仮定する（第５図に
おけるポイントＡ）、この状態で、締切弁９０を閉鎖し
且つ排気作用を継続すれば、トラップ室内の水蒸気圧は
約ｌＸｌ０−’Ｔｏｒｒ（第５図におけるポイントＢ）
に減少する。従って、熱交換器４２上で氷結捕集された
水蒸気は昇華し、ロータ２４の動！２２とステータ２８
の静翼２６との相互作用によって排気されて、再生運転
工程が行われるのである。

このような再生運転工程は、第１実施例において必要と
されたような冷凍機４６の冷凍運転とデフロスタ運転と
の切換えを要しない、また、第２実施例において必要と
されたような熱交換８４２の加熱を要しない、従って、
再生運転工程にのみ用いられる特別な時間が必要では無
くなる。再生運転工程は、例えば半導体製造プロセスに
おけるターボ分子ポンプの通常の運転プロセス中の締切
弁遮断（開開）時間を用いることによって、行われるの
である。そして、ターボ分子ポンプを連続して運転する
ことか可能となり、さらに、第１および第２実施例に比
軸してターボ分子ポンプの効率を向上させることが可能
となる。

［発明の効果］以上説明したように本発明のターボ分子ポンプによれば
、排出すべき気体に含有される分子量の小さい気体分子
、特に水蒸気の存在による不都合を解消することができ
、しかも起動・停止が容易に行われる。そのため真空度
の高い良質な真空を短時間で得ることができる。

また、この発明によるターボ分子ポンプは、気体分子を
氷結捕集するために、ターボ分子ポンプ構成部品の一部
、例えばケーシングや静翼を冷却するためではなく、独
立の熱交換器を設けることにより、排気系の成分および
排気継続時間に基づいて熱交換器の形状および伝熱面積
を選択できるという特徴をもつ。

さらに、本発明によれば、再生運転工程にのみ費やされ
る時間を設定する必要がなく、ターボ分子ポンプを長時
間に亘り連続運転することができる。そのため、ターボ
分子ポンプの運転効率が非常に高くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のターボ分子ポンプの第１実施例の正面
断面図、第２Ａ図は第１図の熱交換器の一例を示す平面
図、第２Ｂ図はその正面図、第３Ａ図は熱交換器の他の
例を示す平面図、第３８図はそのＢ−Ｂ線断面図、第４
Ａ図はさらにその他の熱交換器を示す平面図、第４Ｂ図
はそのＢ−Ｂ線断面図、第５図は水蒸気の飽和蒸気圧の
グラフを示す図、第６図は本発明の第２実施例の正面断
面図、第７図は従来のターボ分子ポンプの正面断面図で
ある。１．２０．５０・・・ターボ分子ポンプ　　２．３０・
・・モータ　　３．３２・・・モータ軸４．２４・・・
ロータ　　５．２２・・・動翼６．２６・・・静翼　　
７．２８・・・ステータ　８．３６・・・吸気口　　９
．３８・・・排気口　　１０．３４・・・ゲージング　
　１１．４０・・・保護網　　４２・・・熱交換器　　
４４・・・冷媒配管　　４６．４６Ａ・・・冷凍機５２
・・・・ヒータ特許出願人　　　株式会社　東　　芝第２Ａ図第２Ｂ図第３Ａ図第３Ｂ図第４Ａ図４２Ｃ第４Ｂ図２Ｃ第５図温度（℃）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の動翼を備えたロータと、複数の静翼を備え
たステータとを有し、吸気口から気体分子を取り込み圧
縮して排気口から排出するターボ分子ポンプにおいて、
吸気口内に熱交換器を設け、この熱交換器は冷媒配管を
介して冷凍機に接続しており、吸気口の上流側には締切
弁が設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ
。
（２）前記冷凍機は、−１００℃ないし−１９０℃程度
の冷媒を供給する能力を有している請求項１記載のター
ボ分子ポンプ。
（３）前記冷凍機はデフロスト運転が可能である請求項
１記載のターボ分子ポンプ。
（４）吸気口内部にヒータを設けた請求項１記載のター
ボ分子ポンプ。
（５）前記熱交換器は伝熱コイルおよび複数の伝熱プレ
ートを含み、吸気口から吸引された気体分子が伝熱プレ
ート間を通過するように該伝熱プレートは伝熱コイルの
上側および下側へ間隔を空けて配置されている請求項１
記載のターボ分子ポンプ。
（６）前記熱交換器は、シリンダ状の伝熱コイルと、該
伝熱コイルを同心的に包囲するシリンダ状の伝熱部材と
、伝熱コイルと伝熱部材の間に設けられた複数の半径方
向伝熱プレートとを含み、伝熱コイル、伝熱部材および
伝熱プレートは吸気口から吸引された気体分子の流れに
対して平行に配置されている請求項１記載のターボ分子
ポンプ。
（７）前記熱交換器は、前記シリンダ状の伝熱部材を同
心的に包囲し且つ該伝熱部材の外側に取付けられたシリ
ンダ状の熱シールド部材を更に含んでいる請求項６のタ
ーボ分子ポンプ。
（８）ターボ分子ポンプを運転する方法において、吸気
口の上流側に設けた締切弁を開放して吸気口内に設けた
熱交換器により水蒸気分子を氷結捕集する排気運転工程
と、前記締切弁を閉鎖し氷結捕集した水蒸気分子を解氷
放出する再生運転工程とを含むことを特徴とするターボ
分子ポンプの運転方法。
（９）前記熱交換器は冷媒配管を介して冷凍機に接続さ
れており、そして前記再生運転工程は、冷凍機を冷凍運
転からデフロスタ運転に切換える工程を含んでいる請求
項８記載のターボ分子ポンプの運転方法。
（１０）前記熱交換器は冷媒配管を介して冷凍機に接続
されており、前記ターボ分子ポンプは吸気口内部にヒー
タを備えており、そして前記再生運転工程は前記冷凍機
の冷凍能力を維持または低減して前記ヒータを冷凍機の
冷凍能力を上回る程度に加熱する工程を備えている請求
項８記載のターボ分子ポンプの運転方法。
（１１）前記再生運転工程は、前記締切弁を閉鎖して前
記ターボ分子ポンプの排気作用を継続することにより行
われる請求項８記載のターボ分子ポンプの運転方法。