KR101456843B1

KR101456843B1 - 리크 디텍터

Info

Publication number: KR101456843B1
Application number: KR1020137015207A
Authority: KR
Inventors: 요시카즈 마츠모토; 노리마사 세토; 다이스케 나카무라; 아키히로 마에다
Original assignee: 가부시키가이샤 알박
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2014-11-04
Also published as: JPWO2012066715A1; TW201237384A; EP2642266A4; JP5581398B2; RU2545468C2; CN103189724B; RU2013127277A; EP2642266A1; TWI519772B; WO2012066715A1; KR20130090419A; US20130199275A1; CN103189724A

Abstract

검출 감도가 높고, 헬륨 가스에 대한 반응 속도도 빠르다고 하는 기능을 손상시키지 않고, 시험체의 진공 배기 개시 후에 신속하게 리크 테스트를 개시할 수 있는 사용하기가 좋은 리크 디텍터를 제공한다. 서치 가스를 검지하는 질량 분석관(2)과, 하우징(31) 내부에 회전축(32)에 장착된 회전익(33)과 고정익(34)을 교대로 복수단 가지고, 회전축을 회전 구동하는 구동원(35)을 설치한 터보 분자 펌프(3)를 구비한다. 하우징 중에서, 최상단에 위치하는 회전익(33a)의 대향하는 벽면(31a)에, 시험체(TP)에 연통하는 흡기 포트(36)와 질량 분석관이 접속되는 접속 포트(37)를 서로 이격시켜서 개설한다. 그리고, 터보 분자 펌프의 흡기 포트와 시험체를 접속관을 통해 접속하고, 이 시험체 내부로부터 서치 가스를 질량 분석관에 도입하여 누설 검지를 행한다.

Description

리크 디텍터{LEAK DETECTOR}

본 발명은 리크 디텍터에 관한 것으로, 조기에 누설 검지를 행할 수 있는 사용하기에 편리한 것에 관한 것이다.

기밀 용기, 배관이나 밸브 등의 시험체로부터 매우 작은 리크의 유무를 검지하는 누설 검지(리크 테스트)에 리크 디텍터를 이용하는 것이 종래부터 알려져 있다. 이런 종류의 리크 디텍터는 진공 중에 누설되는 서치 가스를 이온 전류로서 정량적으로 검지할 수 있는 질량 분석관과, 하우징 내에 회전축에 장착된 회전익과 고정익을 교대로 복수단 가지고, 회전축을 회전 구동하는 구동원을 설치한 터보 분자 펌프와, 이 터보 분자 펌프의 배압 측의 포어 펌프를 구비하는 것이 일반적으로 이용된다. 이 경우, 도 4에 도시하는 바와 같이, 터보 분자 펌프(a)의 흡기 포트(a1)로 통하는 주관로(b)의 단부와, 도시하지 않은 시험체가 접속관을 통해 접속됨과 동시에, 이 주관로(b)에 질량 분석관(c)을 끼워 설치한 것이 예를 들어, 특허 문헌 1에서 알려져 있다.

여기서, 터보 분자 펌프(a)의 흡기 포트(a1)는 통상, 최상단에 위치하는 회전익(a2)을 향하도록 (즉, 터보 분자 펌프(a)의 배기 속도가 가장 빨라지는 장소에) 설치되어 있다. 이것에 의하면, 시험체의 테스트 포트에 도입된 헬륨 가스 등의 서치 가스가 흐르는 주관로(b)에 질량 분석관(c)이 존재하기 때문에, 검출 감도가 높고, 헬륨 가스에 대한 반응 속도도 빠르다고 하는 이점이 있다.

그러나, 상기 종래 예의 것에서는, 질량 분석관(c)과 흡기 포트(a1)가 연통하고, 양자 사이에는 압력 차이가 생기지 않는 구조이기 때문에, 흡기 포트(a1)의 압력이 질량 분석관(c)의 측정 동작 가능한 압력까지 도달하지 않으면, 리크 테스트를 개시할 수가 없다고 하는 문제가 있다. 이 때문에, 예를 들어, 시험체의 용적이 커서, 그 내부의 진공 배기에 시간이 걸리는 경우에는, 리크 테스트 개시까지 시간이 걸려서 사용하기가 나쁘다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 제2655315호 공보

본 발명은 이상의 점을 고려하여, 검출 감도가 높고, 헬륨 가스에 대한 반응 속도도 빠르다고 한 기능을 손상시키지 않고, 시험체의 진공 배기 개시 후에 신속하게 리크 테스트를 개시할 수 있는 사용하기가 좋은 리크 디텍터를 제공하는 것을 그 과제로 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 서치 가스를 검지하는 질량 분석관과, 하우징 내에 회전축에 장착된 회전익과 고정익을 교대로 복수단 가지고, 회전축을 회전 구동하는 구동원을 설치한 터보 분자 펌프를 구비하고, 이 터보 분자 펌프의 흡기 포트와 시험체를 접속관을 통해 접속하고, 이 시험체 내부로부터 서치 가스를 질량 분석관에 도입하여 누설 검지를 행하는 리크 디텍터에 있어서, 상기 하우징 중에서, 가장 고진공 측에 위치하는 회전익의 대향하는 벽면에, 시험체에 연통하는 흡기 포트와 질량 분석관이 접속되는 접속 포트를 서로 이격시켜서 개설(開設)한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 리크 테스트의 개시에 앞서서, 예를 들어, 시험체의 테스트 포트와, 리크 디텍터의 흡기 포트(또는, 흡기 포트로부터 연장되는 주관로의 단부)를 접속관을 통해 접속한다. 다음으로, 터보 분자 펌프를 가동시켜서(통상, 터보 분자 펌프의 배압 측에 포어 펌프가 설치되고, 이 포어 펌프를 통해 시험체가 개략적으로 진공 배기된다. 또한, 시험체에 진공 펌프가 설치되어 있는 경우에는, 이 진공 펌프를 가동시켜도 좋다.), 시험체를 진공 배기하여 간다. 이때, 질량 분석관도 또한 진공 배기된다. 여기서, 본 발명에서는, 터보 분자 펌프의 하우징 중에서, 가장 고진공 측의 회전익(예를 들어, 회전익을 구성하는 각 날개가 회전축의 직경 방향 외측을 향해 설치된 것에서는, 구동원으로부터 회전익으로 향하는 방향을 위(上)로 하여, 최상단에 위치하는 회전익)의 대향하는 벽면에 흡기 포트와 접속 포트를 이격 배치하였기 때문에, 이 벽면 내측과 가장 고진공 측의 회전익과의 사이에 존재하는 공간의 컨덕턴스에 의해, 흡기 포트와 접속 포트와의 사이에 압력 차이가 생긴다(즉, 접속 포트가 흡기 포트보다 낮은 압력이 된다). 이 때문에, 질량 분석관 내부의 압력이 측정 동작 가능한 압력에 도달하면, 흡기 포트의 압력, 나아가서는 시험체 내부의 압력에 관계없이, 리크 테스트를 개시할 수가 있다.

예를 들어, 접속 포트에 설치한 진공계가 소정 값에 이르면, 리크 테스트를 개시한다. 이 경우, 시험체 외측으로부터 서치 가스인 헬륨 가스를 국소적으로 취부하여 가서, 리크가 존재하면, 이 헬륨 가스가 시험체 내부에 흡입되어 접속관을 지나서 터보 분자 펌프의 흡기 포트로 인도된다. 여기서, 시험체 내부로부터 터보 분자 펌프의 흡기 포트로 도입된 기체 중에서, 질소나 산소라고 하는 대기 중에 많이 포함되는 성분은 상기 벽면 내측과 가장 고진공 측의 회전익과의 사이에 존재하는 상기 공간에서의 확산성이 낮고, 가장 고진공 측의 회전익에 의해 배기되어 버린다.

한편으로, 서치 가스로서 일반적으로 이용되는 헬륨 가스 등은 상기 질소나 산소와 비교하여 가볍고, 상기 공간에 도입되었을 때의 평균 속도가 빨라진다. 이 때문에, 서치 가스의 이 공간에서의 확산성이 높고, 서치 가스가 흡기 포트를 지나서 질량 분석관에도 많이 도달하게 된다. 그 결과, 검출 감도가 높고, 헬륨 가스에 대한 반응속도도 빠르다고 하는 기능을 손상시키지 않고, 확실히 리크 검지를 행할 수가 있다.

본 발명에서는, 흡기 포트와 접속 포트와의 사이의 컨덕턴스가 흡기 포트의 실효 배기 속도의 1/10 이하로 하면 좋다. 이것에 의하면, 흡기 포트와 접속 포트와의 사이에 적어도 1 자릿수 이상의 압력 차이가 생기게 할 수가 있고, 시험체의 진공 배기 개시 후에 신속하게 리크 테스트를 개시할 수 있다. 이 경우, 상기 공간의 컨덕턴스는 터보 분자 펌프 자체의 배기 속도나 가스 종을 고려하여, 예를 들어, 이 공간의 용적(예를 들어, 케이스 내면과 최상단의 회전익과의 사이의 거리), 접속 포트 및 흡기 포트의 개구 직경이나 접속 포트와 흡기 포트와의 각 구멍 축간의 거리를 적당하게 설정하여 조절할 수가 있다.

도 1은 본 발명의 리크 디텍터의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 II-II 선에 따른 단면도이다.
도 3은 실험 결과를 도시하는 그래프이다.
도 4는 종래예의 리크 디텍터의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여, 진공 처리 장치의 진공 챔버를 포함하는 기밀 용기, 배관이나 밸브 등의 시험체(TP)로부터 매우 작은 리크의 유무를 검지하는 본 발명의 실시 형태의 리크 디텍터를 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 리크 디텍터(LD)는 케이스(1)를 구비하고, 그 내부에는, 질량 분석관(2)과, 터보 분자 펌프(3)와, 그 배압 측의 포어 펌프(4)를 구비한다. 터보 분자 펌프(3)로서는, 하우징(31) 내에, 회전축(32)에 장착된 회전익(33)과 고정익(34)을 교대로 복수단 가지고, 회전축(32)을 회전 구동하는 구동원(35)을 설치한 것이 이용될 수 있다. 이하에서는, 구동원(35)으로부터 회전익(33)으로 향하는 방향을 위(도 1 중, 상하 방향)로 하여 설명한다. 이 경우, 상기 구성의 터보 분자 펌프(3)에서는, 가동시, 최상단에 위치하는 회전익(33a) 측이 가장 고진공 측이 된다. 또한, 터보 분자 펌프(3)에 대해서는, 공지의 것이 이용될 수 있지만, 후술하는 바와 같이, 최상단에 위치하는 회전익(33a)과, 이것에 대향하는 하우징(31)의 벽면(31a)과의 간격이 소정 값으로 설정되는 점에서 상이하다. 또한, 포어 펌프(4)도 또한 특히 제한은 없고, 로터리 펌프 등을 이용할 수가 있다.

하우징(31) 중에서, 최상단에 위치하는 회전익(33a)의 대향하는 벽면(가장 고진공 측에 위치하는 회전익(33a)에 대향하는 하우징의 표면)(31a)에는, 회전축(32)의 축선으로부터 직경 일 측으로 옮겨서, 소정의 개구 직경으로 흡기 포트(36)가 설치되어 있다(도 2 참조). 흡기 포트(36)에는, 케이스(1)의 표면에 설치한 플랜지 부착 포트(11)로 통하는 주관로(5)가 접속되어 있다. 주관로(5)에는 전자 개폐 밸브(6a)가 끼워 설치되고, 또한, 전자 개폐 밸브(6a)와 포트(11)와의 사이에서, 주관로(5)에는 부관로(7)가 접속되어 있다. 부관로(7)에는, 다른 전자 개폐 밸브(6b)가 끼워 설치되고, 포어 펌프(4)에 접속되어 있다. 또한, 도 1 중에서, 6c는 터보 분자 펌프(3)와 포어 펌프(4)와의 사이의 경로를 개폐하는 다른 전자 개폐 밸브이다.

또한, 하우징(31)의 벽면(31a)에는, 회전축(32)의 축선에 대하여 흡기 포트(36)와 대칭으로 접속 포트(37)가 설치되어 있다. 그리고, 이 접속 포트(37)에, 질량 분석관(2)이 장착되어 있다. 여기서, 질량 분석관으로서는, 예를 들어, 자기장 편향형의 것이 이용될 수 있다. 이 경우, 특히 도시하여 설명하지 않지만, 질량 분석관(2)은, 필라멘트와 그리드를 가져서 내부의 가스 성분을 이온화하는 이온 소스와, 헬륨 이온을 포집하는 이온 콜렉터와, 이온 소스에서 생성된 양 이온 중 헬륨 이온만을 이온 콜렉터로 인도하는 자석을 구비한다. 그리고, 이온 콜렉터에 부설된 도시하지 않은 전류계에서, 이 이온 콜렉터를 흐르는 이온 전류가 검출된다. 또한, 본 실시 형태의 질량 분석관(2)은 이온 소스의 주위에 다른 이온 콜렉터가 설치되고, 이 질량 분석관(2) 내부의 전체 압력도 측정하는 전리 진공계로서의 역할을 완수하게 되어 있다. 또한, 질량 분석관(2)은 상기로 한정되는 것은 아니고, 다른 형태의 것을 이용할 수가 있고, 또한, 진공계는 별개로 설치하도록 하여도 좋다.

상기 각 부품의 작동 등의 제어는 컴퓨터나 시퀀서 등을 구비한 도시하지 않은 제어 수단에 의해 총괄 제어된다. 이 경우, 제어 수단에는, 이온 전류로부터 리크 값을 산출하기 위한 산출표나 리크 테스트 시의 리크 디텍터(LD)의 제어 프로그램(작동 시퀀스) 등이 미리 기억된 ROM 등의 기억 수단이 부설되어 있다. 이하, 서치 가스로서 헬륨을 이용한, 본 실시 형태의 리크 디텍터(LD)를 이용한 시험체(TP)에 대한 리크 테스트를 설명한다.

먼저, 개폐 밸브(6c)만을 열고, 다른 개폐 밸브(6a, 6b)를 닫은 상태에서, 터보 분자 펌프(3)와 포어 펌프(4)를 가동하고, 리크 디텍터(LD)를 스탠바이 상태로 한다. 이 상태에서, 리크 디텍터(LD)의 포트(11)와 시험체(TP)의 테스트 포트(TP1)를 접속관(8)을 통해 접속한다. 다음으로, 개폐 밸브(6c)를 닫음과 동시에, 개폐 밸브(6b)를 열고, 접속관(8)을 통해 시험체(TP)를 개략적으로 진공 배기한다. 그리고, 부관로(7) 내부의 압력을 도시하지 않은 피라니 진공계로 측정하고, 소정 압력까지 진공 배기되면, 개폐 밸브(6c, 6a)를 순차적으로 열고, 주로 터보 분자 펌프(3)에서 시험체(TP)를 진공 배기한다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 터보 분자 펌프(3)의 하우징(31)의 벽면(31a)에 흡기 포트(36)와, 질량 분석관(2)으로 통하는 접속 포트(37)를 소정 간격을 두어 이격 배치하였기 때문에, 벽면(31a)의 내면과 최상단의 회전익(33a)과의 사이에 존재하는 공간(S)의 컨덕턴스에 의해, 흡기 포트(36)와 접속 포트(37)와의 사이에는 압력 차이가 생긴다(즉, 접속 포트(37)가 흡기 포트(36)보다 낮은 압력이 된다). 이 경우, 상기 공간(S)을 통한 흡기 포트(36)와 접속 포트(37)와의 사이의 컨덕턴스(C)가 흡기 포트(36)에서의 실효 배기 속도(S')의 1/10 이하가 되도록 하면, 흡기 포트(36)와 접속 포트(37)와의 사이에 적어도 1 자릿수 이상의 압력 차이가 생기게 할 수가 있다.

상기 공간(S)의 컨덕턴스는 터보 분자 펌프(3) 자체의 배기 속도나 가스 종을 고려하여, 예를 들어, 이 공간의 용적(하우징(31) 내면과 최상단의 회전익(33a)과의 사이의 간격(D)을, 바람직하게는 5 mm 이하로 설정), 흡기 포트(36) 및 접속 포트(37)의 각각의 개구 직경(예를 들어, 배기 속도가 70 L/s의 것에서는, 예를 들어, 7 mm 이상으로 설정), 또는, 흡기 포트(36)와 접속 포트(37)와의 각 구멍 축간의 거리 L(상기와 동일한 배기 속도의 경우, 바람직하게는 50 mm 이상) 등을 적당하게 설정함으로써 희망하는 대로 조절할 수가 있다.

구체적으로는, 배기 속도(S)가 70 L/s인 터보 분자 펌프에서, 흡기 포트(36) 및 접속 포트(37)의 개구 직경을 Φ 7 mm, 구멍 축간 거리(L)를 50 mm, 간격(D)을 2 mm로 설정하였을 경우, 상기 공간(S)을 통한 흡기 포트(36)와 접속 포트(37)와의 사이에서의 컨덕턴스(C)는 얇은 평행 2면의 분자 흐름 컨덕턴스(Ct)의 모델로서 고려한 경우, 0.2 L/s 정도라고 추측된다. 그리고, 흡기 포트(36)에서의 실효 배기 속도를 S'을, 컨덕턴스(C)의 합성식 1/S＇= 1/S+1/C로부터 산출하면, 10 L/s 이상으로 추측된다. 이에 따라, 컨덕턴스(C)는 흡기 포트(36)의 실효 배기 속도(S')의 2% 이하로 되어, 결과적으로, 접속 포트(37)의 압력은 흡기 포트(36)의 압력의 2% 이하, 즉, 1/50 이하의 압력으로 유지될 수 있다. 바꾸어 말하면, 질량 분석관(2)의 동작 압력의 50배 이상의 압력으로 기체를 도입할 수가 있다. 또한, 상기로부터, 시험체(TP)의 리크 테스트 개시 시기를 앞당기기 위해서는, 컨덕턴스를 가능한 한 작게 하면 좋다는 것을 알 수 있다.

다음으로, 질량 분석관(2)에서 측정한 압력이 소정 값에 이르면(이 경우, 흡기 포트(36)의 압력은 접속 포트(37)의 압력보다 1 자릿수 이상 높다), 시험체(TP)의 외측으로부터 스프레이 건 등에 의해 헬륨 가스를 취부하여 간다. 이때, 시험체(TP)에 리크가 존재하면, 그 누설 장소로부터 헬륨 가스가 시험체(TP) 내에 흡입되고, 접속관(8) 및 주관로(5)를 지나서 흡기 포트(36)로부터 터보 분자 펌프(3)로 끌려 들어간다.

여기서, 시험체(TP) 내부로부터 터보 분자 펌프(3)의 흡기 포트(36)로 도입된 기체 중에서, 질소나 산소라고 하는 대기 중에 많이 포함되는 성분은 공간(S)에서의 확산성이 낮고, 최상단의 회전익(33a)에 의해 배기된다. 한편으로, 서치 가스인 헬륨 가스는 상기 질소나 산소와 비교하여 가볍고, 상기 공간(S)에 도입되었을 때의 평균 속도가 빨라지고, 확산성이 높고, 접속 포트(37)를 지나서 질량 분석관(2)에도 많이 도달하게 된다. 그 결과, 검출 감도가 높고, 헬륨 가스에 대한 반응 속도도 빠르다고 하는 기능을 손상시키지 않고, 확실히 리크 검지를 행할 수가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 질량 분석관(2) 내부의 압력이 측정 동작 가능한 압력에 도달하면, 흡기 포트(36)의 압력, 나아가서는 시험체(TP) 내부의 압력에 관계없이, 리크 테스트를 개시할 수가 있고, 결과적으로, 상기 종래 예의 것과 비교하여, 시험체(TP)의 진공 배기 개시 후에 신속하게 리크 테스트를 개시할 수 있다. 게다가, 검출 감도가 높고, 헬륨 가스에 대한 반응 속도도 빠르다고 하는 기능은 손상되지 않으면서, 확실히 리크 검지를 행할 수가 있다.

다음으로, 흡기 포트(36)와 접속 포트(37)와의 사이에 압력 차이가 생기는 것을 확인하는 실험을 행하였다. 터보 분자 펌프로서 질소 가스의 배기 속도가 70 L/s, 흡기 포트와 접속 포트 사이의 거리를 35 mm, 하우징의 벽면과 회전익과의 간격을 1 mm로 한 것을 구비한, 도 1에 도시하는 리크 디텍터(LD)를 이용하여(발명품), 흡기 포트 및 질량 분석관의 압력을 각각 측정하였다.

비교 실험으로서, 터보 분자 펌프로서 질소 가스의 배기 속도가 70 L/s인 것을 구비한, 도 4에 도시하는 리크 디텍터를 이용하여(종래 제품), 흡기 포트 및 질량 분석관의 압력을 각각 측정하였다. 도 3은 흡기 포트 및 질량 분석관의 압력의 관계를 도시하는 그래프이다. 또한, 도 3 중, ■이 종래 제품이며, ○가 발명품이다. 이것에 의하면, 종래 제품에서는, 질량 분석관과 흡기 포트가 연통하고 있음으로써 양자 사이에는 압력 차이가 거의 생기지 않는다는 것이 확인되었다. 그것에 대하여, 발명품에서는, 질량 분석관의 압력은 흡기 포트의 압력보다 약 1/100이 되어, 효과적으로 흡기 포트(36)와 접속 포트(37) 사이에는 압력 차이를 생기게 할 수가 있는 것을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명의 실시 형태의 리크 디텍터에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 형태의 것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 흡기 포트와 접속 포트는 대칭으로 설치할 필요가 없고, 희망하는 컨덕턴스가 얻어지는 범위에서 임의로 변경될 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 터보 분자 펌프로서, 회전익을 구성하는 각 날개가 통 모양인 회전축의 직경 방향 외측을 향해 설치된 것을 예로 설명하고 있지만, 회전익을 구성하는 날개가 통 모양의 회전축의 모선 방향에 따라 설치된 것과 같은 것에도, 본 발명은 적용할 수 있다. 이 경우에도 또한, 터보 분자 펌프의 하우징 중에서, 가장 고진공 측에 위치하는 벽면에, 흡기 포트와 접속 포트를 서로 이격시켜서 개설하면 좋다. 또한, 본 실시 형태에서는, 케이스 내부에 각 부품을 일체로 내장한 것을 예로 하였지만, 리크 디텍터의 형태는 이것으로 한정되지 않는다.

LD : 리크 디텍터 2 : 질량 분석관
3 : 터보 분자 펌프 31 : 하우징
32 : 회전축 33 : 회전익
33a : 최상단에 위치하는 회전익
34 : 고정익 35 : 구동원
36 : 흡기 포트 37 : 접속 포트
5 : 주관로(접속관) 8 : 접속관
TP : 시험체

Claims

서치 가스를 검지하는 질량 분석관과, 하우징 내부에 회전축에 장착된 회전익과 고정익을 교대로 복수단 가지고, 회전축을 회전 구동하는 구동원을 설치한 터보 분자 펌프를 구비하고, 이 터보 분자 펌프의 흡기 포트와 시험체를 접속관을 통해 접속하고, 이 시험체 내부로부터 서치 가스를 질량 분석관에 도입하여 누설 검지를 행하는 리크 디텍터에 있어서,
상기 하우징 중에서, 가장 고진공 측에 위치하는 회전익에 대향하는 벽면에, 시험체에 연통하는 흡기 포트와 질량 분석관이 접속되는 접속 포트를 서로 이격시켜서 개설한 것을 특징으로 하는 리크 디텍터.
청구항 1에 있어서,
흡기 포트와 접속 포트 사이의 컨덕턴스가 흡기 포트의 실효 배기 속도의 1/10 이하가 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 리크 디텍터.