JPWO2012066715A1

JPWO2012066715A1 - リークディテクタ

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Publication number: JPWO2012066715A1
Application number: JP2012544083A
Authority: JP
Inventors: 松本　善和; 善和松本; 瀬戸　規正; 規正瀬戸; 大輔中邨; 章弘前田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: RU2013127277A; CN103189724A; CN103189724B; WO2012066715A1; KR101456843B1; EP2642266A4; TW201237384A; RU2545468C2; KR20130090419A; JP5581398B2; TWI519772B; EP2642266A1; US20130199275A1

Abstract

検出感度が高く、ヘリウムガスに対する反応速度も速いといった機能を損なうことなく、試験体の真空引き開始後に速やかにリークテストを開始し得る使い勝手の良いリークディテクタを提供する。サーチガスを検知する質量分析管２と、ハウジング３１内に回転軸３２に装着された回転翼３３と固定翼３４とを交互に複数段有し、回転軸を回転駆動する駆動源３５を設けたターボ分子ポンプ３とを備える。ハウジングのうち、最上段に位置する回転翼３３ａの対向する壁面３１ａに、試験体ＴＰに連通する吸気ポート３６と質量分析管が接続される接続ポート３７とを相互に離隔させて開設する。そして、ターボ分子ポンプの吸気ポートと試験体とを接続管を介して接続し、当該試験体内からサーチガスを質量分析管に導入して漏洩検知を行う。

Description

本発明は、リークディテクタに関し、早期に漏洩検知が行い得る使い勝手のよいものに関する。

気密容器、配管やバルブ等の試験体から微小なリークの有無を検知する漏洩検知（リークテスト）にリークディテクタを用いることが従来から知られている。この種のリークディテクタは、真空中に漏れるサーチガスをイオン電流として定量的に検知し得る質量分析管と、ハウジング内に回転軸に装着された回転翼と固定翼とを交互に複数段有し、回転軸を回転駆動する駆動源を設けたターボ分子ポンプと、当該ターボ分子ポンプの背圧側のフォアポンプとを備えるものが一般に用いられる。この場合、図４に示すように、ターボ分子ポンプａの吸気ポートａ１に通じる主管路ｂの端部と、図外の試験体とが接続管を介して接続されると共に、当該主管路ｂに質量分析管ｃを介設したものが例えば特許文献１で知られている。

ここで、ターボ分子ポンプａの吸気ポートａ１は、通常、最上段に位置する回転翼ａ２を臨むように（つまり、ターボ分子ポンプａの排気速度が最も速くなる箇所に）設けられている。これによれば、試験体のテストポートに導入されたヘリウムガス等のサーチガスが流れる主管路ｂに質量分析管ｃが存するため、検出感度が高く、ヘリウムガスに対する反応速度も速いという利点がある。

然しながら、上記従来例のものでは、質量分析管ｃと吸気ポートａ１とが連通し、両者間には圧力差が生じない構造であるため、吸気ポートａ１の圧力が、質量分析管ｃの測定動作可能な圧力まで到達しないと、リークテストを開始することができないという問題がある。このため、例えば試験体の容積が大きくて、その内部の真空引きに時間がかかる場合には、リークテスト開始までに時間がかかり、使い勝手が悪い。

特許第２６５５３１５号公報

本発明は、以上の点に鑑み、検出感度が高く、ヘリウムガスに対する反応速度も速いといった機能を損なうことなく、試験体の真空引き開始後に速やかにリークテストを開始し得る使い勝手の良いリークディテクタを提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、サーチガスを検知する質量分析管と、ハウジング内に回転軸に装着された回転翼と固定翼とを交互に複数段有し、回転軸を回転駆動する駆動源を設けたターボ分子ポンプとを備え、当該ターボ分子ポンプの吸気ポートと試験体とを接続管を介して接続し、当該試験体内からサーチガスを質量分析管に導入して漏洩検知を行うリークディテクタにおいて、前記ハウジングのうち、最も高真空側に位置する回転翼の対向する壁面に、試験体に連通する吸気ポートと質量分析管が接続される接続ポートとを相互に離隔させて開設したことを特徴とする。

本発明によれば、リークテストの開始に先立って、例えば試験体のテストポートと、リークディテクタの吸気ポート（または、吸気ポートから延びる主管路の端部）とを接続管を介して接続する。次に、ターボ分子ポンプを稼働させ（通常、ターボ分子ポンプの背圧側にフォアポンプが設けられ、このフォアポンプを介して試験体が粗真空引きされる。なお、試験体に真空ポンプが設けられている場合には当該真空ポンプを稼働させてもよい。）、試験体を真空引きしていく。このとき、質量分析管もまた真空引きされる。ここで、本発明では、ターボ分子ポンプのハウジングのうち、最も高真空側の回転翼（例えば、回転翼を構成する各羽根が回転軸の径方向外側に向かって設けられたものでは、駆動源から回転翼に向かう方向を上として、最上段に位置する回転翼）の対向する壁面に吸気ポートと接続ポートとを離隔配置したため、当該壁面内側と最も高真空側の回転翼との間に存する空間のコンダクタンスにより、吸気ポートと接続ポートとの間に圧力差が生じる（つまり、接続ポートが、吸気ポートより低い圧力となる）。このため、質量分析管内の圧力が測定動作可能な圧力に到達すれば、吸気ポートの圧力、ひいては試験体内の圧力に関係なく、リークテストを開始することができる。

例えば接続ポートに設けた真空計が所定値に達すると、リークテストを開始する。この場合、試験体外側からサーチガスたるヘリウムガスを局所的に吹き付けていき、リークが存すると、このヘリウムガスが試験体内に吸い込まれて接続管を経てターボ分子ポンプの吸気ポートへと導かれる。ここで、試験体内からターボ分子ポンプの吸気ポートへと導入された気体のうち、窒素や酸素といった大気中に多く含まれる成分は、上記壁面内側と最も高真空側の回転翼との間に存する上記空間での拡散性が低く、最も高真空側の回転翼により排気されてしまう。

一方で、サーチガスとして一般に用いられるヘリウムガス等は、上記窒素や酸素と比較して軽く、上記空間に導入されたときの平均速度が速くなる。このため、サーチガスの当該空間での拡散性が高く、サーチガスが吸気ポートを経て質量分析管にも多く到達するようになる。その結果、検出感度が高く、ヘリウムガスに対する反応速度も速いといった機能を損なうことなく、確実にリーク検知を行うことができる。

本発明においては、吸気ポートと接続ポートとの間のコンダクタンスが、吸気ポートの実効排気速度の１／１０以下とすればよい。これによれば、吸気ポートと接続ポートとの間に少なくとも１桁以上の圧力差が生じさせることができ、試験体の真空引き開始後に速やかにリークテストを開始し得る。この場合、上記空間のコンダクタンスは、ターボ分子ポンプ自体の排気速度やガス種を考慮して、例えば当該空間の容積（例えば、筐体内面と最上段の回転翼との間の距離）、接続ポート及び吸気ポートの開口径や接続ポートと吸気ポートとの各孔軸間の距離を適宜設定して調節することができる。

本発明のリークディテクタの構成を模式的に示す図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。実験結果を示すグラフ。従来例のリークディテクタの構成を模式的に示す図。

以下、図面を参照して、真空処理装置の真空チャンバを含む気密容器、配管やバルブ等の試験体ＴＰから微小なリークの有無を検知する本発明の実施形態のリークディテクタを説明する。

図１及び図２を参照して、リークディテクタＬＤは筐体１を備え、その内部には、質量分析管２と、ターボ分子ポンプ３と、その背圧側のフォアポンプ４とを備える。ターボ分子ポンプ３としては、ハウジング３１内に、回転軸３２に装着された回転翼３３と固定翼３４とを交互に複数段有し、回転軸３２を回転駆動する駆動源３５を設けたものが利用できる。以下においては、駆動源３５から回転翼３３に向かう方向を上（図１中、上下方向）として説明する。この場合、上記構成のターボ分子ポンプ３では、稼働時、最上段に位置する回転翼３３ａ側が最も高真空側となる。なお、ターボ分子ポンプ３については、公知のものが利用できるが、後述のように、最上段に位置する回転翼３３ａと、これに対向するハウジング３１の壁面３１ａとの間隔が所定値に設定される点で異なる。また、フォアポンプ４もまた特に制限はなく、ロータリポンプ等を用いることができる。

ハウジング３１のうち、最上段に位置する回転翼３３ａの対向する壁面（最も高真空側に位置する回転翼３３ａに対向するハウジングの上面）３１ａには回転軸３２の軸線から径方向一側にずらして、所定の開口径で吸気ポート３６が設けられている（図２参照）。吸気ポート３６には、筐体１の上面に設けたフランジ付きのポート１１に通じる主管路５が接続されている。主管路５には電磁開閉弁６ａが介設され、また、電磁開閉弁６ａとポート１１との間で主管路５には副管路７が接続されている。副管路７には、他の電磁開閉弁６ｂが介設され、フォアポンプ４に接続されている。なお、図１中、６ｃは、ターボ分子ポンプ３とフォアポンプ４との間の経路を開閉する他の電磁開閉弁６ｃである。

また、ハウジング３１の壁面３１ａには、回転軸３２の軸線に対して吸気ポート３６と対称に接続ポート３７が設けられている。そして、この接続ポート３７に、質量分析管２が装着されている。ここで、質量分析管としては、例えば磁場偏向型のものが用いることができる。この場合、特に図示して説明しないが、質量分析管２は、フィラメントとグリッドを有して内部のガス成分をイオン化するイオンソースと、ヘリウムイオンを捕集するイオンコレクタと、イオンソースにて生成された正イオンのうちヘリウムイオンのみをイオンコレクタへと導くマグネットとを備える。そして、イオンコレクタに付設された図外の電流計にて、このイオンコレクタを流れるイオン電流が検出される。また、本実施形態の質量分析管２は、イオンソースの周囲に他のイオンコレクタが設けられ、当該質量分析管２内の全圧をも測定する電離真空計としての役割を果たすようになっている。なお、質量分析管２は、上記に限定されるものではなく、他の形態のものを用いることができ、また、真空計は別個設けるようにしてもよい。

上記各部品の作動等の制御は、コンピュータやシーケンサ等を備えた図外の制御手段によって統括制御される。この場合、制御手段には、イオン電流からリーク値を算出するための算出表やリークテスト時のリークディテクタＬＤの制御プログラム（作動シーケンス）等が予め記憶されたＲＯＭ等の記憶手段が付設されている。以下に、サーチガスとしてヘリウムを用いた、本実施形態のリークディテクタＬＤを用いた試験体ＴＰに対するリークテストを説明する。

先ず、開閉弁６ｃのみを開弁し、他の開閉弁６ａ、６ｂを閉弁した状態で、ターボ分子ポンプ３とフォアポンプ４を稼働し、リークディテクタＬＤをスタンバイ状態とする。この状態で、リークディテクタＬＤのポート１１と試験体ＴＰのテストポートＴＰ１とを接続管８を介して接続する。次に、開閉弁６ｃを閉弁すると共に、開閉弁６ｂを開弁し、接続管８を介して試験体ＴＰを粗真空引きする。そして、副管路７内の圧力を図外のピラニ真空計で測定し、所定圧力まで真空引きされると、開閉弁６ｃ、６ａを順次開弁し、主としてターボ分子ポンプ３にて試験体ＴＰを真空引きする。

ここで、本実施形態では、ターボ分子ポンプ３のハウジング３１の壁面３１ａに吸気ポート３６と、質量分析管２に通じる接続ポート３７とを所定間隔を置いて離隔配置したため、壁面３１ａの内面と最上段の回転翼３３ａとの間に存する空間Ｓのコンダクタンスにより、吸気ポート３６と接続ポート３７との間には圧力差が生じる（つまり、接続ポート３７が、吸気ポート３６より低い圧力となる）。この場合、上記空間Ｓを通じた吸気ポート３６と接続ポート３７との間のコンダクタンスＣが吸気ポート３６における実効排気速度Ｓ’の１／１０以下となるようにすれば、吸気ポート３６と接続ポート３７との間に少なくとも１桁以上の圧力差が生じさせることができる。

上記空間Ｓのコンダクタンスは、ターボ分子ポンプ３自体の排気速度やガス種を考慮して、例えば当該空間の容積（ハウジング３１内面と最上段の回転翼３３ａとの間の間隔Ｄを、好ましくは５ｍｍ以下に設定）、吸気ポート３６及び接続ポート３７の夫々の開口径（例えば排気速度が７０Ｌ／ｓのものでは、例えば、７ｍｍ以上に設定）、または、吸気ポート３６と接続ポート３７との各孔軸間の距離Ｌ（上記と同じ排気速度の場合、好ましくは５０ｍｍ以上）等を適宜設定することで所望に調節することができる。

具体的には、排気速度Ｓが７０Ｌ／ｓのターボ分子ポンプにて、吸気ポート３６及び接続ポート３７の開口径をφ７ｍｍ、孔軸間距離Ｌを５０ｍｍ、間隔Ｄを２ｍｍに設定した場合、上記空間Ｓを通じた吸気ポート３６と接続ポート３７との間におけるコンダクタンスＣは、薄い平行２面の分子流コンダクタンスＣｔのモデルとして考えた場合、０．２Ｌ／ｓ程度と見積もられる。そして、吸気ポート３６における実効排気速度をＳ’を、コンダクタンスＣの合成式１／Ｓ’＝１／Ｓ＋１／Ｃから算出すると、１０Ｌ／ｓ以上と見積もられる。よって、コンダクタンスＣは、吸気ポートの実効排気速度Ｓ’の２％以下となり、結果として、接続ポート３７の圧力は、吸気ポート３６の圧力の２％以下、即ち、１／５０以下の圧力に維持できる。言い換えると、質量分析管２の動作圧力の５０倍以上の圧力で気体を導入することができる。また、上記から、試験体ＴＰのリークテスト開始時期を早めるには、コンダクタンスを可能な限り小さくすればよいことが判る。

次に、質量分析管２にて測定した圧力が所定値に達すると（この場合、吸気ポート３６の圧力は、接続ポート３７の圧力より１桁以上高い）、試験体ＴＰの外側からスプレーガン等によってヘリウムガスを吹き付けていく。このとき、試験体ＴＰにリークが存すると、その漏洩箇所からヘリウムガスが試験体ＴＰ内に吸い込まれ、接続管８及び主管路５を経て吸気ポート３６からターボ分子ポンプ３へと引き込まれる。

ここで、試験体ＴＰ内からターボ分子ポンプ３の吸気ポート３６へと導入された気体のうち、窒素や酸素といった大気中に多く含まれる成分は、空間Ｓでの拡散性が低く、最上段の回転翼３３ａにより排気される。一方で、サーチガスたるヘリウムガスは、上記窒素や酸素と比較して軽く、上記空間Ｓに導入されたときの平均速度が速くなり、拡散性が高く、接続ポート３７を経て質量分析管２にも多く到達するようになる。その結果、検出感度が高く、ヘリウムガスに対する反応速度も速いといった機能を損なうことなく、確実にリーク検知を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、質量分析管２内の圧力が測定動作可能な圧力に到達すれば、吸気ポート３６の圧力、ひいては試験体ＴＰ内の圧力に関係なく、リークテストを開始することができ、結果として、上記従来例のものと比較して、試験体の真空引き開始後に速やかにリークテストを開始し得る。しかも、検出感度が高く、ヘリウムガスに対する反応速度も速いといった機能は損なわれず、確実にリーク検知を行うことができる。

次に、吸気ポート３６と接続ポート３７との間に圧力差が生じることを確認する実験を行った。ターボ分子ポンプとして窒素ガスの排気速度が７０Ｌ/ｓ、吸気ポートと接続ポートの間の距離を３５ｍｍ、ハウジングの壁面と回転翼との間隔を１ｍｍとしたものを備えた、図１に示すリークディテクタを用い（発明品）、吸気ポート及び質量分析管の圧力を夫々測定した。

比較実験として、ターボ分子ポンプとして窒素ガスの排気速度が７０Ｌ/ｓのものを備えた、図４に示すリークディテクタを用い（従来品）、吸気ポート及び質量分析管の圧力を夫々測定した。図３は、吸気ポート及び質量分析管の圧力の関係を示すグラフである。なお、図３中、■が従来品であり、○が発明品である。これによれば、従来品では、質量分析管と吸気ポートとが連通していることで両者間には圧力差が殆ど生じないことが確認された。それに対して、発明品では、質量分析管の圧力は、吸気ポートの圧力より約１／１００になり、効果的に吸気ポート３６と接続ポート３７との間には圧力差を生じさせることができることが確認できた。

以上、本発明の実施形態のリークディテクタについて説明したが、本発明は、上記形態のものに限定されるものではない。例えば、吸気ポートと接続ポートは対称に設ける必要がなく、所望のコンダクタンスが得られる範囲で任意に変更できる。また、本実施形態では、ターボ分子ポンプとして、回転翼を構成する各羽根が筒状の回転軸の径方向外側に向かって設けられたものを例に説明しているが、回転翼を構成する羽根が筒状の回転軸の母線方向に沿って設けられたようなものにも、本発明は適用できる。この場合もまた、ターボ分子ポンプのハウジングのうち、最も高真空側に位置する壁面に、吸気ポートと接続ポートとを相互に離隔させて開設すればよい。さらに、本実施形態では、筐体内に各部品を一体に内蔵したものを例としたが、リークディテクタの形態はこれに限定されない。

ＬＤ…リークディテクタ、２…質量分析管、３…ターボ分子ポンプ、３１…ハウジング、３２…回転軸、３３…回転翼、３３ａ…最上段に位置する回転翼、３４…固定翼、３５…駆動源、３６…吸気ポート、３７…接続ポート、５…主管路（接続管）、８…接続管、ＴＰ…試験体。

ハウジング３１のうち、最上段に位置する回転翼３３ａの対向する壁面（最も高真空側に位置する回転翼３３ａに対向するハウジングの上面）３１ａには回転軸３２の軸線から径方向一側にずらして、所定の開口径で吸気ポート３６が設けられている（図２参照）。吸気ポート３６には、筐体１の上面に設けたフランジ付きのポート１１に通じる主管路５が接続されている。主管路５には電磁開閉弁６ａが介設され、また、電磁開閉弁６ａとポート１１との間で主管路５には副管路７が接続されている。副管路７には、他の電磁開閉弁６ｂが介設され、フォアポンプ４に接続されている。なお、図１中、６ｃは、ターボ分子ポンプ３とフォアポンプ４との間の経路を開閉する他の電磁開閉弁である。

具体的には、排気速度Ｓが７０Ｌ／ｓのターボ分子ポンプにて、吸気ポート３６及び接続ポート３７の開口径をφ７ｍｍ、孔軸間距離Ｌを５０ｍｍ、間隔Ｄを２ｍｍに設定した場合、上記空間Ｓを通じた吸気ポート３６と接続ポート３７との間におけるコンダクタンスＣは、薄い平行２面の分子流コンダクタンスＣｔのモデルとして考えた場合、０．２Ｌ／ｓ程度と見積もられる。そして、吸気ポート３６における実効排気速度をＳ’を、コンダクタンスＣの合成式１／Ｓ’＝１／Ｓ＋１／Ｃから算出すると、１０Ｌ／ｓ以上と見積もられる。よって、コンダクタンスＣは、吸気ポート３６の実効排気速度Ｓ’の２％以下となり、結果として、接続ポート３７の圧力は、吸気ポートの圧力の２％以下、即ち、１／５０以下の圧力に維持できる。言い換えると、質量分析管２の動作圧力の５０倍以上の圧力で気体を導入することができる。また、上記から、試験体ＴＰのリークテスト開始時期を早めるには、コンダクタンスを可能な限り小さくすればよいことが判る。

以上説明したように、本実施形態によれば、質量分析管２内の圧力が測定動作可能な圧力に到達すれば、吸気ポート３６の圧力、ひいては試験体ＴＰ内の圧力に関係なく、リークテストを開始することができ、結果として、上記従来例のものと比較して、試験体ＴＰの真空引き開始後に速やかにリークテストを開始し得る。しかも、検出感度が高く、ヘリウムガスに対する反応速度も速いといった機能は損なわれず、確実にリーク検知を行うことができる。

次に、吸気ポート３６を接続ポート３７との間に圧力差が生じることを確認する実験を行った。ターボ分子ポンプとして窒素ガスの排気速度が７０Ｌ/ｓ、吸気ポートと接続ポートの間の距離を３５ｍｍ、ハウジングの壁面と回転翼との間隔を１ｍｍとしたものを備えた、図１に示すリークディテクタＬＤを用い（発明品）、吸気ポート及び質量分析管の圧力を夫々測定した。

Claims

サーチガスを検知する質量分析管と、ハウジング内に回転軸に装着された回転翼と固定翼とを交互に複数段有し、回転軸を回転駆動する駆動源を設けたターボ分子ポンプとを備え、当該ターボ分子ポンプの吸気ポートと試験体とを接続管を介して接続し、当該試験体内からサーチガスを質量分析管に導入して漏洩検知を行うリークディテクタにおいて、

前記ハウジングのうち、最も高真空側に位置する回転翼に対向する壁面に、試験体に連通する吸気ポートと質量分析管が接続される接続ポートとを相互に離隔させて開設したことを特徴とするリークディテクタ。
吸気ポートと接続ポートとの間のコンダクタンスが吸気ポートの実効排気速度の１／１０以下となるように構成したことを特徴とする請求項１記載のリークディテクタ。