JPH11117864A - 小形のインライン型クライオゼニック水ポンプ - Google Patents

小形のインライン型クライオゼニック水ポンプ

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JPH11117864A
JPH11117864A JP10233243A JP23324398A JPH11117864A JP H11117864 A JPH11117864 A JP H11117864A JP 10233243 A JP10233243 A JP 10233243A JP 23324398 A JP23324398 A JP 23324398A JP H11117864 A JPH11117864 A JP H11117864A
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ステファン・アール・マッテ
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ダグラス・エフ・エイトケン
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マーク・クレモンス
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B37/08—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D8/00—Cold traps; Cold baffles
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトなインライン型クライオゼニック
水ポンプを提供する。 【解決手段】 本発明の水ポンプ１０からなる低温捕捉
器は、流体通路を形成する流体導管２２を有している。
流体導管２２は、流体の流れ方向に沿ってある長さを持
ち、かつ流れ通路と直交する方向にある幅を持ってい
る。流体導管２２の上記幅は、その長さよりも大きい。
クライオポンプアレイ２０は中央の開口２４を囲む外側
リム２０ａを有しており、流体導管２２の内部に流体の
流れ方向と直交するように配置されて、流体通路が前記
アレイ２０の中央開口２４を通って延びるように設定さ
れている。前記外側リム２０ａが流体通路から水蒸気を
捕捉する。前記アレイ２０は、ある厚さｔと横幅ＴＷと
リム幅Ｗとを有している。前記横幅ＴＷ及びリム幅Ｗは
前記厚さｔよりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、寸法を小さくした
インライン型クライオゼニック水ポンプに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】ターボ分
子真空ポンプのような真空ポンプは、製造設備で使用さ
れる真空処理チャンバとしてしばしば用いられる。この
ターボ分子ポンプは、処理チャンバから種々のガスを除
去するのに効率的ではあるが、水蒸気を除去するのには
効率的でない。その結果、水蒸気の排出能力を改善する
ために、複数の低温捕捉器がターボ分子ポンプと処理チ
ャンバとの間にインライン型に設置される。そのように
配置された低温捕捉器は、流体の通路に配置されたクラ
イオポンプアレイ（クライオポンプ列）上に水蒸気を凝
縮させることによって、処理チャンバから水蒸気を除去
する。
【０００３】通常、低温捕捉器は、処理チャンバとター
ボ分子ポンプとの間に装着される両端フランジ付きの流
体導管を有している。クライオポンプアレイは、前記流
体導管の内部に設けられて、クライオポンプ冷凍機によ
って冷却される。米国特許５，４８３，８０３号に記載
の低温捕捉器は、薄肉の管状クライオポンプアレイを用
いることによって、そこを通過する窒素及びアルゴンの
ような非凝縮ガスに対して最小の流れ抵抗を持つように
設計されている。最も一般的な管状クライオポンプアレ
イは、直径が８インチで、長さが６インチである。この
サイズの管状クライオポンプアレイを用いると、長さ約
９インチの流体導管を有する低温捕捉器となってしま
う。管状のクライオポンプアレイの表面に沿って水蒸気
が凝縮する一方で、非凝縮ガスを、前記クライオポンプ
アレイの開いた中央部を通ってほぼ制約を受けることな
く通過させる。
【０００４】しかしながら、場合によっては、設置空間
が限られていて、従来のインライン型低温捕捉器をター
ボ分子ポンプと処理チャンバとの間に装着する十分な空
間がない場合がある。本発明は、そのような場合に適し
たコンパクトな低温捕捉器を提供することを目的として
いる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の低温捕捉器は、流体通路を形成する流体導
管を有している。流体導管は、流体の流れ方向に沿って
ある長さを持ち、かつ流れ通路と直交する方向にある幅
を持っている。流体導管の上記幅は、その長さよりも大
きい。クライオポンプアレイは中央の開口を囲む外側リ
ムを有しており、流体導管の内部に流体の流れ方向と直
交するように配置されて、流体通路が前記アレイの中央
開口を通って延びるように設定されている。前記外側リ
ムが流体通路から水蒸気を捕捉する。前記アレイは、あ
る厚さと横幅とリム幅とを有している。前記横幅及びリ
ム幅は前記厚さよりも大きい。
【０００６】好ましい実施形態では、熱伝導性のストラ
ット（支持材）が前記クライオポンプアレイから前記流
体通路に直交する方向に流体導管を貫通し、前記アレイ
をクライオゼニック冷却源に熱伝導可能に接続して、前
記アレイをクライオゼニック温度、つまり気体を凝縮し
て捕捉できる温度にまで冷却する。前記クライオポンプ
アレイは、シートメタル（金属の薄板）から形成され
て、貫通した開口を有する平坦な環状の部材である。前
記流体導管は、前記低温捕捉器を処理チャンバに連結す
るための上流側フランジと、前記低温捕捉器を真空ポン
プに連結するための下流側フランジとを有している。前
記真空ポンプは、好ましくはターボ分子ポンプであり、
前記クライオゼニック冷却源は、好ましくはクライオゼ
ニック冷凍機である。
【０００７】本発明の低温捕捉器は、ターボ分子ポンプ
のような真空ポンプの水排出速度を増大させる一方で、
流体通路の長さの増大を最小限にとどめ、同時に、非凝
縮ガスがターボ分子ポンプに流れ込む際の抵抗を極力抑
制する。これにより、以前は低温捕捉器を用いることが
出来なかったような狭い空間にも、低温捕捉器を用いる
ことが出来る。従来の低温捕捉器は、大きな表面積のア
レイが必要であるとの考えに基づいて設計されていた。
例えば、米国特許５，４８３，８０３号は、細長い導管
の内部に設けた長い円筒体、または導管を越えて延びた
平坦なシートを用いていた。これに対し、本発明は導管
の内部に設けた平坦なシートを用いている。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の前記目的及び他の目的、
構成及び効果は、添付の図面に示された好ましい実施形
態の記述から明らかとなるであろう。図面において、同
様な符号は同一部分を示す。図１〜３において、本発明
の低温捕捉器は水ポンプ１０として構成されている。水
ポンプ１０は、上流側フランジ１１ａと下流側フランジ
１１ｂを有するポンプ本体１０ａを備えている。流体導
管２２（図２）は、ポンプ本体１０ａを通って延びる流
体通路を有している。クライオゼニック冷凍機１６は、
ポンプ本体１０ａの側部に装着されて、ポンプ本体１０
ａから側方、つまり径方向に延びている。
【０００９】図２に示すように、冷凍機１６は、低温フ
ィンガー３０を有しており、このフィンガー３０が、中
央に貫通した開口を有する平坦な、つまり平板状の環状
クライオポンプアレイ２０に熱伝導性を保って連結され
て、このアレイ２０をクライオゼニック温度、つまり気
体を凝縮させる温度にまで冷却する。前記クライオポン
プアレイ２０は流体導管２２の流れ方向中間部に位置し
ており、流体導管２２の周面に沿って延びて水蒸気をそ
の上に凝縮させる。前記クライオポンプアレイ２０の主
面は、流体導管２２の流れ通路に対して直交する方向に
位置しており、前記アレイ２０の中の開口２４（図３）
を通って流体通路が延びるようになっている。開口２４
は大きなもので、流体導管の中心部に位置しており、こ
れによって、流体導管を通るガスの流れに対してほとん
ど流れ抵抗を示さないようになっている。
【００１０】ポンプ本体１０ａは、下流側フランジ１１
ｂに設けられて流体導管２２と同心状に位置する多数の
クランプ１８によって、図１に示すターボ分子真空ポン
プ１２に装着されている。ポンプ本体１０ａの上流側フ
ランジ１１ａは、処理チャンバ１４ａのフランジ１４に
装着されている。こうして、処理チャンバ１４ａから水
ポンプ１０を通ってターボ分子ポンプ１２に至るインラ
イン型の流体通路が形成されている。
【００１１】次に、上記構成の動作を説明する。処理チ
ャンバ１４ａを真空排気するために、冷凍機１６が駆動
され、前記クライオポンプアレイ２０をクライオゼニッ
ク温度にまで冷却する。ターボ分子ポンプ１２が駆動さ
れ、ターボ分子ポンプ１２の回転するタービン翼が、ガ
スを処理チャンバ１４ａから水ポンプ１０を通して取り
込みはじめる。非凝縮ガスは前記クライオポンプアレイ
２０を通過する一方で、水蒸気は前記アレイ２０の表面
に凝縮する。窒素及びアルゴンのような残留する非凝縮
ガスは、ターボ分子ポンプ１２によって、このシステム
から排出される。クライオポンプアレイ２０が凝縮した
水蒸気によって飽和したとき、周期的に水ポンプ１０が
再駆動されて、クライオポンプアレイ２０に捕捉された
水蒸気を除去する。
【００１２】クライオポンプアレイ２０は、「流体導管
２２及びクライオポンプアレイ２０の中央開口２４を通
るガスは、分子流れとなって流れる」という原理に従っ
て作動する。分子流の中のガス分子はすべての方向にダ
ンラムに移動するので、水ポンプ１０を通る水蒸気分子
は、クライオポンプアレイ２０の上流側及び下流側の主
面の両方に、同一の確率で衝突する。クライオポンプア
レイ２０は、水ポンプ１０を通過する水蒸気の約９０％
を捕捉する能力を持つ。例えば、もし４インチのターボ
分子ポンプ１２を水ポンプ１０無しで使用した場合、水
排気速度は、１０-5torrの圧力で毎秒約２５０リッター
に過ぎない。ターボ分子ポンプ１２に水ポンプ１０を付
加することにより、水排気速度が１０-5torrの圧力で毎
秒１３００リットルにまで向上する。
【００１３】次に、水ポンプ１０をより詳しく説明す
る。冷凍機１６は、一般的な１段のギフォード・マクマ
ーホン（Gifford-MacMahon）冷凍機を使用するのが好ま
しい。低温フィンガー３０の内部でディスプレーサがモ
ータ駆動機構によって駆動されて、その中の冷媒を膨張
させて低温フィンガー３０を冷却する。冷媒は、通常、
高圧ヘリウムガスである。高圧の冷媒ガスは、図１の供
給口３２から冷凍機１６に供給され、排出口３４から排
出される。
【００１４】冷凍機１６の低温フィンガー３０は、図２
に示す熱伝導性のストラット（支持材）２８に、高熱伝
導性が保たれるように接続されている。このストラット
２８は、ポンプ本体１０ａの側部に設けた開口１３を通
って、流体導管２２の内部に延びている。開口１３の内
面は、ストラット２８から離れており、これによって両
者間の熱的な短絡を防止している。ストラット２８は、
前記アレイ２０に高熱伝導性が保たれるように連結され
ており、孔２６に通したボルトによってアレイ２０に固
定されている。ストラット２８は、好ましくは、銅のよ
うな高熱伝導性のシートメタルから形成され、約０．２
５インチの厚さに設定されている。ストラット２８は、
低温フィンガー３０に直接ボルト止めするか、又は、取
り付けスリーブを介して低温フィンガー３０に取り付け
ることもできる。
【００１５】前記クライオポンプアレイ２０は、ストラ
ット２８によって流体導管２２の内部に保持されてお
り、前記アレイ２０の主面が流体導管の流体通路に対し
て直交している。クライオポンプアレイ２０の外周面
は、好ましくは、流体導管の内周面から０．１２５〜
０．２５インチ離れて、流体導管２２との間で熱的な短
絡を防止する。クライオポンプアレイ２０は、大きな中
心開口２４を有することによって、貫通して開口したタ
イプとなっており、クライオポンプアレイ２０を通って
流れるガスに対してほとんど抵抗を示さないので、ター
ボ分子ポンプ１２の排気速度はほとんど悪影響を受けな
い。クライオポンプアレイ２０の開口２４は、アレイ２
０の外縁を形成する外径面と同心状に設けられて、この
開口２４を通るガスの流量を最大にする。前記外縁と一
定の幅Ｗ（図３）をもって、クライオポンプアレイ２０
の外側リム２０ａが形成されている。水を排出するため
に、冷凍機１６は前記アレイ２０を、９０ｋから１３０
ｋの温度範囲、最も好ましくは１０７ｋの温度にまで冷
却するのが好ましい。
【００１６】クライオポンプアレイ２０は、好ましく
は、銅のような高熱伝導性の金属のシートから形成さ
れ、０．０８３インチから０．２５インチまでの厚さｔ
（図２）を有する。前記アレイは、薄く形成するのが好
ましい。その理由は、薄いアレイの方が、厚いアレイよ
りも早く冷却され、かつ、ガスとの間に大きな熱伝導率
を有するからである。アレイ２０の厚さｔは、好ましく
は０．２５インチ程度であるが、適切な温度勾配を与え
る必要がある場合には、０．２５インチを越える厚さｔ
としてもよい。開口２４は、好ましくは円形であるが、
多角形としてもよい。さらに、アレイ２０は傾斜した、
又は波うった表面を有していてもよい。しかしながら、
クライオポンプアレイ２０を平坦なものとして、水ポン
プ１０を通る流体導管２２の長さが最小になるようにす
るのが最も好ましい。
【００１７】前記アレイ２０の外径（横断方向の幅、つ
まり横幅）ＴＷは、流体導管２２の内径に依存してお
り、１０インチから数インチまで、さまざまな大きさを
取ることが出来る。クライオポンプアレイ２０の開口２
４の直径は、さまざまな大きさに変更して、広いリム幅
Ｗ（図３）又は狭いリム幅Ｗを取ることが出来る。広い
リム幅Ｗにすると、水の排気速度が大きくなり、ガスと
の熱伝導率が低くなる。これとは逆に、狭いリム幅Ｗに
すると、水排気速度は遅くなるが、ガスとの熱伝導率が
高くなる。いずれの場合でも、アレイ２０の内径及びリ
ム幅Ｗの両方ともが、厚さｔよりも大きいのが好まし
い。
【００１８】クライオポンプアレイ２０は、内径（Ｉ
Ｄ）と外径（ＯＤ）との比が約０．６〜０．８であるの
が好ましい。図４及び図５からわかるように、前記比率
にすると、水排出速度が最大値の６０％〜９０％の範囲
となり、他方、空気速度は１０％〜２０％低下するのみ
である。一般に、水蒸気は真空システムから除去するの
が困難であるのに対し、空気は容易に除去できる。一例
では、クライオポンプアレイ２０の外径が７．６３イン
チで内径が５．４３インチである。これは、ＩＤとＯＤ
の比が０．７となり、水蒸気を８０％捕捉し、ターボ分
子ポンプ１２の性能を１５％低下させるだけで済む。
【００１９】水ポンプ１０が小型化する結果、径と長さ
の比が８．１の流体導管２２を持つポンプ１０が得られ
る。例えば、内径ＩＤが８インチの流体導管２２は、上
流側フランジ１１ａから下流側フランジ１１ｂまで、流
体通路に沿って約１インチの長さとなる。こうして、タ
ーボ分子ポンプ１２の水排出能力が大きく改善され、か
つ処理チャンバ１４ａとターボ分子ポンプ１２との間の
流体通路の長さの増大を極力抑制することが出来る。
【００２０】均等物 以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施例を説明
したが、当業者であれば、本件明細書を見て、特許請求
の範囲に記載の発明の思想から逸脱しない範囲内で、種
々の変更および修正を容易に想定するであろう。また、
当業者であれば、日常的な実験程度で、本発明の実施形
態と均等な技術を認識できるであろう。本出願は、その
ような均等技術も本願の特許請求の範囲に含むことを意
図している。例えば、水ポンプ１０、アレイ２０及びス
トラット２８の寸法は、適用対象に応じて変えることが
できる。また、もしも流体導管２２が円形でない断面形
を有する場合、クライオポンプアレイ２０の外周面も、
流体導管２２の断面形状に合わせた形状とすることがで
きる。さらに、クライオポンプアレイ２０は冷凍機１６
に直接取り付けることもできる。ターボ分子ポンプを水
ポンプ１０と組み合わせて使用するのが好ましいが、水
ポンプ１０は、拡散ポンプのような他のタイプの真空ポ
ンプと組み合わせることもできる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
流体通路に沿った長さの短いコンパクトなインライン型
クライオゼニック水ポンプが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】真空ポンプに連結されて処理チャンバのフラン
ジの上部に配置された本発明の水ポンプを示す斜視図で
ある。
【図２】本発明の水ポンプの拡大した斜視図である。
【図３】本発明の水ポンプに使用された好ましいクライ
オポンプアレイを示す平面図である。
【図４】クライオポンプアレイの水排出速度を百分率
で、ＩＤ／ＯＤ比（内外径比）の関数として示す特性図
である。
【図５】クライオポンプアレイの空気排出速度の損失を
百分率で、ＩＤ／ＯＤ比の関数として示す特性図であ
る。
【符号の説明】
１０…低温捕捉器（水ポンプ）、１１ａ，１１ｂ…フラ
ンジ、１２…ターボ分子ポンプ、１４…処理チャンバ、
１６…冷凍機、２０…クライオポンプアレイ、２０ａ…
外側リム、２２…流体導管、２４…開口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステファン・アール・マッテ アメリカ合衆国，マサチューセッツ州 02056，ノーフォーク，マグノリア サー クル ６ (72)発明者 ダグラス・エフ・エイトケン アメリカ合衆国，ニューハンプシャー州 03102，ベッドフォード，ローズウェル ロード 60 (72)発明者 マーク・クレモンス アメリカ合衆国，マサチューセッツ州 01581，ウエストボロ，ピカディリー ウ ェイ 61

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内部に流体通路を有し、流体通路に沿っ
    た通路長さよりも、流体通路に直交する通路幅のほうが
    大きく設定された流体導管と、 前記流体導管の内部に位置する中央の開口を取り囲み流
    体通路から水蒸気を捕捉する外側リムを有するクライオ
    ポンプアレイとを有し、 前記中央の開口は、前記流体導管内に位置し、かつ流体
    通路がこの中央の開口を通って延びるように、流体通路
    に直交して配置されており、 前記クライオポンプアレイは、直交方向の幅及びリム幅
    が厚さよりも大きく設定されている低温捕捉器。
  2. 【請求項２】 請求項１において、さらに、前記クライ
    オポンプアレイから前記流体導管を横切って流体通路に
    まで延び、前記アレイをクライオゼニック冷却源に接続
    して前記アレイをクライオゼニック温度にまで冷却させ
    る熱伝導性ストラットを有している低温捕捉器。
  3. 【請求項３】 請求項２において、前記流体導管はさら
    に、低温捕捉器を処理チャンバに接続するための上流側
    フランジを有している低温捕捉器。
  4. 【請求項４】 請求項３において、前記流体導管はさら
    に、低温捕捉器を真空ポンプに接続するための下流側フ
    ランジを有している低温捕捉器。
  5. 【請求項５】 請求項４において、前記真空ポンプはタ
    ーボ分子ポンプである低温捕捉器。
  6. 【請求項６】 請求項２において、前記クライオゼニッ
    ク冷却源はクライオゼニック冷凍機である低温捕捉器。
  7. 【請求項７】 請求項１において、前記クライオポンプ
    アレイはシートメタルから形成された平坦な環状の部材
    である低温捕捉器。
  8. 【請求項８】 請求項１において、前記クライオポンプ
    アレイは貫通して開口している低温捕捉器。
  9. 【請求項９】 内部に流体通路を有し、流体通路に沿っ
    た長さよりも、流体通路に直交する通路幅の方が大きく
    設定された流体導管と、 前記流体導管内に配置されて中央の開口を取り囲み、前
    記流体通路から水蒸気を捕捉する外側リムを有する平坦
    な環状の部材を有するクライオポンプアレイと、 前記クライオポンプアレイから前記流体導管を横切って
    前記流体通路にまで延びて前記クライオポンプアレイを
    クライオゼニック冷凍機に高熱伝導性を保って接続して
    前記クライオポンプアレイをクライオゼニック温度にま
    で冷却する熱伝導性ストラットとを備え、 前記流体導管はさらに、ポンプ本体の上流側に設けられ
    て低温捕捉器を処理チャンバに連結する上流側フランジ
    と、前記低温捕捉器を真空ポンプに連結する下流側フラ
    ンジとを有しており、 前記中央の開口は、前記流体導管内に位置し、かつ流体
    通路がこの中央の開口を通って延びるように、流体通路
    に直交して配置されており、 前記クライオポンプアレイは、その横断方向の幅及びリ
    ム幅が厚さよりも大きく設定されている低温捕捉器。
  10. 【請求項１０】 請求項９において、前記真空ポンプは
    ターボ分子ポンプである低温捕捉器。
  11. 【請求項１１】 請求項９において、前記クライオポン
    プアレイは貫通して開口している低温捕捉器。
  12. 【請求項１２】 内部に流体通路を有し、流体通路に沿
    った長さよりも流体通路に直交する通路幅の方が大きく
    設定された流体導管を備えた低温捕捉器を用いて水蒸気
    を捕捉する方法であって、 前記流体導管内に位置する中央の開口を取り囲む外側リ
    ムを有するクライオポンプアレイを設けて、前記中央の
    開口を前記流体通路が前記中央の開口を通って延びるよ
    うに前記流体通路を横切って配置し、前記クライオポン
    プアレイの厚さよりも、クライオポンプアレイの横幅及
    びリム幅の方を大きく設定し、 水蒸気を前記流体通路から前記クライオポンプアレイの
    外側リムの上に捕捉する水蒸気の捕捉方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１２において、さらに、前記ク
    ライオポンプアレイから前記流体導管を横切って前記流
    体通路にまで延びる熱伝導性ストラットを用いて、前記
    クライオポンプアレイを前記クライオゼニック冷却源に
    高熱伝導性を保って接続することにより、前記クライオ
    ポンプアレイをクライオゼニック温度にまで冷却する水
    蒸気の捕捉方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１２において、さらに、前記低
    温捕捉器を処理チャンバに接続する水蒸気の捕捉方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１４において、さらに、前記低
    温捕捉器に真空ポンプを接続し、この真空ポンプを用い
    て前記処理チャンバから前記流体通路を通ってガスを排
    出する水蒸気の捕獲方法。
JP23324398A 1997-08-20 1998-08-19 小形のインライン型クライオゼニック水ポンプ Expired - Lifetime JP4283915B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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