KR101947226B1

KR101947226B1 - 게터 펌프

Info

Publication number: KR101947226B1
Application number: KR1020157008318A
Authority: KR
Inventors: 안토니오 보누치; 루카 바이알레
Original assignee: 사에스 게터스 에스.페.아.
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2019-02-12
Also published as: TW201433693A; BR112015007867B1; WO2014060879A1; BR112015007867A2; JP2015531457A; CN104685601A; CA2886111C; US9638183B2; ITMI20121732A1; US20140369856A1; RU2639293C2; TWI614404B; KR20150070123A; EP2791960B1; RU2015118130A; CA2886111A1; EP2791960A1; CN104685601B; JP6121549B2; ES2540580T3

Abstract

게터 펌프는 그 형상이 회전축(24)을 갖는 회전 입체인 케이싱(21, 21') 및 상기 게터 펌프 케이싱(21, 21') 내에 장착된 복수의 게터 카트리지(22, 23)를 포함하고, 각각의 카트리지(22, 23)는 선형 중앙 지지부(221, 231) 및 상기 선형 중앙 지지부(221, 231) 상에 장착된 이격된 게터 요소를 포함하고, 선형 중앙 지지부(221, 231)를 포함하고 회전축(24)에 평행한 평면은 게터 카트리지 배향 평면을 형성하고, 회전축(24)에 직교하고 선형 중앙 지지부(221, 231)의 중간점을 교차하는 평면은 게터 카트리지 위치설정 평면(222, 232)을 형성하고, 상기 위치설정 평면(222, 232)과 선형 중앙 지지부(221, 231)에 의해 형성된 각도(α, α')는 30° 이하이다.

Description

게터 펌프 {GETTER PUMP}

본 발명은 복수의 게터 카트리지(getter cartridge)를 포함하는 개량된 게터 펌프(getter pump)에 관한 것이다.

단독으로 또는 다른 유형의 펌프와 조합하여 사용되는 게터 펌프는 널리 사용되고 진가를 인정받고 있고, 본 출원인의 명의의 국제 특허 출원 WO 9858173, WO 2010/105944 및 WO 2009/118398과 같은 다양한 문헌에 설명되어 있다.

다른 유형의 진공 펌프와 게터 펌프의 조합은 진공 하에서 작동하는 표면 과학 시스템 분석기와 같은 특정 용례에서 뚜렷한 장점을 제공하지만, 이러한 조합된 사용을 허용하지 않는 제약이 존재할 때, 특히 H₂, CO, CO₂와 같은 활성 가스가 주 가스 소스이고 희가스의 펌핑이 문제가 되지 않을 때, 독립식 게터 펌프의 사용이 바람직하다.

중앙 지지부 상에 장착된 게터 재료의 복수의 디스크를 사용하는 특정 유형의 게터 펌프는 모두 출원인의 명의의 EP 0742370 및 EP 0753663에 설명되어 있고, 반면에 복수의 이러한 요소를 포함하는 펌프는 출원인의 명의의 US 6149392에 설명되어 있는데, 이들 문헌의 교시 및 내용은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있다.

US 6149392에서, 몇몇 용례에서, 높은 가스 수착(sorption) 용량보다는 높은 가스 수착 속도를 갖는 것이 더 중요하고 중대하다는 것이 인식되어 있는데, 전형적인 예는 전체 길이에 걸쳐 적절한 진공 레벨을 제공하기 위해 가속기의 상이한 섹션에 설치된 복수의 진공 펌프가 존재하는 입자 가속기의 경우이다.

본 발명자들은 이 문제점을 더 연구하였고, 펌핑 속도를 더 향상시키기는 것이 가능한 대안적인 상이한 구성을 발견하였다. 그 제1 태양에서, 본 발명은 그 형상이 회전 입체(solid of revolution)인 케이싱 및 상기 게터 펌프 케이싱 내에 장착된 복수의 게터 카트리지를 포함하고, 각각의 카트리지는 선형 중앙 지지부 및 상기 선형 중앙 지지부 상에 장착된 이격된 게터 요소를 포함하는 게터 펌프로 이루어진다. 선형 중앙 지지부를 포함하고 회전 입체축에 평행한 평면은 게터 카트리지 "배향 평면"을 형성하고, 케이싱축에 직교하고 선형 중앙 지지부의 중간점을 교차하는 평면은 게터 카트리지 "위치설정 평면"을 형성하고, 펌프는 위치설정 평면과 선형 중앙 지지부에 의해 형성된 각도가 30° 이하, 바람직하게는 10° 이하인 것을 특징으로 한다.

표현 "회전 입체"는 "회전축"이라 또한 정의되는, 동일한 평면 내에 놓인 주어진 축 둘레로 평면 영역을 회전시킴으로써 얻어진 모든 이들 입체도형을 포함하도록 의도된다. 본 발명의 통상의 가장 유용한 실시예에서, 회전 입체는 실린더이고, 반면에 다른 유용한 형상은 원추 또는 절두 원추 또는 이들의 조합이다. 더욱이, 본 발명에 있어서, 회전 입체가 이상적인 형상이고 펌프 케이스가 대신에 실제 물체인 것을 고려하여, 이상적인 기하학적 회전 형상으로부터의 작은 편차가 여전히 그 폭 및 범주 내에 있다.

가장 바람직한 실시예에서, 회전 입체가 실린더인 사실에 비추어, 이하의 예들에서, 게터 펌프 케이싱을 위한 이러한 형상을 특히 참조할 것이지만, 이는 단지 게터 펌프 외부 케이싱을 위한 적합한 기하학적 형상으로서 회전 입체의 더 넓은 개념의 비한정적인 실시예로서 간주되어야 한다.

본 발명이 이하의 도면의 도움으로 더 예시될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 게터 펌프의 구성 요소로서 본 발명에서 사용되는 종래 기술에 따른 게터 카트리지의 개략도를 도시한다.
도 1a는 종래 기술에 따른 게터 카트리지의 변형예의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 게터 펌프의 실시예의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 게터 펌프의 실시예의 평면도를 도시한다.
도 3a는 도 3에 도시된 실시예의 변형예의 평면도를 도시한다.

도면에서, 요소들의 치수 및 치수비는 정확하지 않을 수도 있고, 예를 들어 도 1에서와 같은 몇몇 경우에, 중앙 샤프트 직경에 대한, 디스크의 형태의 이격된 게터 요소의 직경은 도면 이해성을 향상시키기 위해 변경되어 있다.

본 발명에 따른 게터 펌프는 도 1에 개략적으로 표현된 것과 같은 복수의 게터 카트리지의 존재를 고려하는데, 각각의 게터 카트리지(10)는 지지부로서 작용하는 중앙 샤프트(11) 및 통상적으로 가장 바람직하게는 디스크의 형상을 갖는 복수의 이격된 게터 요소(12, 12',...12ⁿ)를 갖는다. 도 1에는, 중앙 샤프트에 게터 디스크를 고정하는 수단은, 이들이 본 발명의 이해를 위해 필수적인 것은 아니고 통상의 기술자의 지식 내에 있기 때문에 도시되어 있지 않다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 게터 펌프에 사용되는데 적합한 대안적인 게터 카트리지(100)는 등간격으로 이격되어 있지 않고 말단부들에 또는 디스크 스택 내에 몇몇 간극(gap)/공극(void)이 존재할 수도 있는 게터 디스크를 가질 수 있다. 이들 간극은 카트리지 자체 또는 예를 들어 전원 케이블 또는 피드스루(feed-through)와 같은 다른 요소들에 의해 제공되는 고려되어야 할 장애물들이 존재하는 경우에 유용하다. 따라서, 본질적으로 등간격으로 이격된 복수의 게터 요소를 갖는 게터 카트리지는 본 발명에 따른 펌프에 사용될 적합한 게터 카트리지의 단지 바람직한 비한정적인 예일 뿐이다.

게터 카트리지의 특징 및 특성은 이 지식이 통상의 기술자의 소유이기 때문에 더 상세히 설명되지 않을 것이고, 임의의 경우에 몇몇 상세 및 정보는 이미 언급된 EP 0742370 및 EP 0753663에 제시되어 있다. 본 발명에 있어서, 도 1에, EP 0742370에, EP 0753663에 그리고 US 6149392에 개시된 것과 같이, 게터 요소의 지지부로서 작용하는 샤프트(11)가 선형일 필요가 있고, 반면에 WO 9858173에 개시된 것과 같은 구성은 적합하지 않을 것이다. 선형 샤프트/지지부를 위한 가장 유용한 형상은 원통형이다.

본 발명은 특정 게터 재료에 한정되는 것은 아니고, 가스를 수착하고 열처리에 의해 재활성화되는 것이 가능한 임의의 적합한 재료가 이용될 수도 있고 본 발명의 범주 및 목적을 위한 게터 재료의 정의 내에 있게 된다는 것이 또한 주목되어야 한다. 이러한 재료의 지식 및 특성은 통상의 기술자에 이용 가능하고, 예를 들어 전술된 EP 0742370과 같은 다양한 소스로부터 용이하게 검색될 수도 있다. 특히 유리한 것은 적어도 30%의 티타늄, 지르코늄, 이트륨 중 하나 이상을 포함하는 게터 금속 또는 합금이다.

본 발명자들은, 복수의 게터 카트리지를 사용하여 게터 펌프의 속도를 더 향상시키려는 시도시에, US 6149392에 설명된 것들에 대한 개량을 제공하는 특정 구성을 발견하였다.

특히, 도 2는 본 발명에 따른 게터 펌프의 부분의 종단면도를 도시한다. 게터 펌프부(20)는 2개의 측벽(21, 21')에 의해 형성된 원통형 케이싱을 갖고, 그 기하학적 형상은 또한 회전축(24)에 의해 규정된다. 케이싱 내에는 2개의 게터 카트리지(22, 23)가 수용되어 있고, 각각의 게터 카트리지는 회전축(24)에 직교하고 카트리지 지지부(221, 231)의 중간점을 교차하는 그 자신의 위치설정 평면(222, 232)을 갖는다. 각각의 게터 카트리지 선형 지지부(221, 231)와 각각의 위치설정 평면에 의해 형성된 각도는 각각 α 및 α'로 지시되어 있다. 본 발명에 따른 게터 펌프에 있어서, 이들 각도는 30° 이하, 바람직하게는 10° 미만일 필요가 있다.

도 2에 도시된 게터 펌프는 2개의 상이한 위치설정 평면을 갖는, 즉 그 거리가 1.5 cm 초과인 위치설정 평면들을 갖는 2개의 게터 카트리지를 갖는데, 위치설정 평면들의 거리는 그 정의에 의해 이들 위치설정 평면이 서로 평행하기 때문에, 용이하게 결정 가능하다.

그 위치설정 평면들이 1.5 cm 이하인 거리를 갖는 게터 카트리지는, 게터 "서브조립체 평면"이라 정의될 것이고 본질적으로 동일한 평면 내에 놓인 게터 카트리지의 최저 위치설정 평면(즉, 유동 방향에 대해 상류측의 것)과 일치하는 본질적으로 동일한 평면 내에 놓인 게터 카트리지로 고려된다.

도 2에서, 케이싱에 게터 카트리지를 연결하는 수단은 이들이 통상적이고 예를 들어 납땜과 같은 통상의 기술자에 널리 알려져 있기 때문에 도시되어 있지 않다. 이와 관련하여, 선형 중앙 지지부의 말단부는 가능하게는 케이싱 상의 그 고정을 용이하게 하도록 굽혀질 수도 있고, 이에 의해 중앙 지지부는 적어도 게터 디스크를 유지하는 부분에서 선형이어야 한다는 것이 강조하는 것이 중요하다.

본 발명에 따른 게터 펌프 구조체에 사용되는데 적합한 게터 카트리지와 관련하여, 이들 게터 카트리지는 디스크 유지부 내에 cm 당 2 내지 7개의 게터 디스크를 유지하는, 그 길이가 4 내지 30 cm인 선형 중앙 지지부를 갖는다.

더욱이, 전원 및 제어 요소와 같은 게터 펌프의 외부의 부가의 요소들은 이들이 통상적이기 때문에 도시되어 있지 않다. 이들의 용도는 통상적으로 게터 디스크가 지지부를 가열함으로써 재활성화되도록 게터 카트리지의 선형 중앙 지지부에 전류를 공급하는 것이다. 가열과 관련하여, 가열은 대안적으로 게터 펌프의 케이싱을 가열하는 외부 소스에 의해 제공될 수도 있고, 시스템은 종종 몇몇 경우에 유리하게는 또한 게터 펌프를 가열하고 활성화하는데 사용될 수도 있는 백킹 시스템의 존재를 고려하기 때문에, 이러한 소스는 가능하게는 게터 펌프가 설치되어 있는 시스템 내에 미리 존재한다.

케이싱과 관련하여, 케이싱은 바람직하게는 원통형이고, 2개의 바람직한 실시예가 존재한다. 제1 실시예에서, 케이싱은 일 단부에서 일반적으로 측벽과 동일한 재료로 제조된 금속 기부에 의해, 다른 단부에서는 표준 진공 플랜지에 의해 폐쇄되어 있다.

제2 바람직한 실시예에서, 케이싱은 단지 측벽에 의해서만 형성되고, 이 구성에서 게터 펌프는 개방 단부형 케이싱을 가져, 가스 분자들이 게터 펌프를 가로질러 이동할 수 있게 된다. 이 구성은 예를 들어 본 발명에 따른 게터 펌프로 대체될 수도 있는 입자 가속기의 벽 섹션의 경우에서와 같이 부가의 요소인 것보다는 시스템에서, 펌프가 제2 바람직한 실시예에 따라 제조된 케이싱과, 예를 들어 동축으로 직접 일체화될 수도 있을 때 유용하다. 이 게터 펌프 구성은 그를 통해 이동하는 임의의 입자 또는 전자 빔과 간섭하지 않고 입자 가속기의 주 섹션 내부에 큰 수착 속도 및 용량을 분배하는 것을 허용한다.

본 발명에 따른 게터 펌프는 가장 적합하게는 독립식 펌프로서 사용되지만, 이들 게터 펌프는 또한 예를 들어 터보분자 펌프, 스퍼터 이온 펌프(SIP), 극저온 펌프, 또는 다른 NEG(Non Evaporable Getter: 비증발형 게터) 펌프와 같은, 다른 유형의 펌프와 결합된 펌핑 시스템에 사용될 수 있다.

동일한 게터 서브조립체 평면 내에 있는 게터 카트리지를 갖는 게터 펌프의 평면도가 도 3에 도시되어 있다. 게터 펌프(30)는 원통형 케이싱(31) 및 삼각형 배열을 갖는 동일한 게터 서브조립체 평면에 3개의 게터 카트리지(32, 33, 34)를 갖는다. 카트리지(32, 33)에 대한 게터 카트리지 배향 평면은 각도(β)를 형성하고, 카트리지(32, 34)에 대한 게터 카트리지 배향 평면은 각도(β')를 형성하고, 카트리지(33, 34)에 대한 게터 카트리지 배향 평면은 각도(β")를 형성한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 대략 β = β' = β" = 60°이다.

삼각형은 정삼각형이 아닐 수도 있기 때문에, 도 3은 단지 묘사적인 것이라는 것이 주목되어야 한다. 이는 동일한 게터 서브조립체 평면 내에 놓인 카트리지의 크기 및 수에도 또한 적용되는데, 예를 들어 이들의 길이는 상이할 수도 있고 게터 카트리지 배향 평면의 모든 가능한 교차부에 의해 형성된 정점들을 갖는 상이한 기하학적 다각형을 발생할 수도 있다. 이러한 다각형은 동일한 서브조립체 내에 놓인 게터 카트리지를 위한 배향 평면들에 의해 형성된 모든 각도가 130° 미만, 더욱 더 바람직하게는 90° 이하인 바람직한 조건을 충족한다.

도 3에 도시된 실시예의 관심있는 변형예가 도 3a에 도시되어 있는데, 도 3a는 몇몇 게터 디스크가 존재하지 않는 2개의 카트리지(330, 340)(이들은 도 1a에 도시된 카트리지들임)와 디스크가 본질적으로 등간격으로/균일하게 이격된 하나의 표준 게터 카트리지(320)를 갖고 제조된 게터 펌프(300)의 평면도를 도시하고 있다.

동일한 수의 카트리지를 사용하는 시스템들을 비교함으로써, 이는 표준 카트리지에 대한 감소된 용량 및 속도를 야기할 것이다. 그러나, 장점은 게터 카트리지를 배치하는 견지에서 더 많은 융통성이 존재하여, 케이스 또는 기하학적 제약을 고려하는 것을 허용하고, 따라서 더 많은 수의 카트리지를 펌프 내에 배치하는 것을 허용하여, 결국에는 펌프 기술적 특성의 전체 개량을 야기하는 사실에 있다.

본 발명에 따른 게터 펌프에서, 복수의 게터 서브조립체 평면 내에 복수의 카트리지를 갖는 것이 특히 유용하다. 게터 서브조립체 평면의 수는 게터 펌프 케이싱의 길이에 의해 결정되는데, 이러한 수는 바람직하게는 미터당 40 내지 80개 사이에 포함되고, 이에 따라 그 길이가 1 미터 미만인 케이싱에 대해 스케일링한다.

각각의 서브조립체 평면은 상이한 구성에 따라 배열된 상이한 수의 게터 카트리지를 가질 수도 있다. 이 경우에, 상이한 게터 서브조립체 평면 내의 인접한 다각형 정점들은 회전축에 평행하게 정렬되지 않고, 오히려 상이한 서브조립체 평면들 내에 놓인 인접한 다각형 정점들을 연결하는 라인이 서브조립체 평면들 자체(서로 평행함)와 80° 이하, 바람직하게는 60° 미만의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명이 이하의 비한정적인 예의 도움으로 더 예시될 것이다.

예 1

게터 카트리지의 세트가 준비되고, 각각의 카트리지는 1.3 mm 간격을 갖는 39개의 디스크를 포함한다. 디스크를 위해 사용된 게터 재료는 상표명 "St 172" 하에서 본 출원인에 의해 판매되는 Zr(82 wt%)-V(14.8 wt%)-Fe(3.2 wt%) 합금이다. 디스크는 1 mm 두께 및 25.4 mm의 직경을 갖는다. 카트리지의 말단부에서, 24.8 mm가 게터 요소가 없고, 이에 의해 선형 지지부의 전체 길이는 140 mm이다.

본 발명에 따른 펌프의 펌핑 속도의 평가가 행해지고, 펌프는 일 단부에서 기부에 의해 그리고 대향 단부에서 진공 플랜지에 의해 폐쇄된 140 mm의 높이 및 160 mm의 직경을 갖는 원통형 케이싱으로 이루어진다. 6개의 카트리지가 그 사이에 3 cm 거리를 갖는 2개의 별개의 서브조립체 평면 내에 배열되고, 동일한 서브조립체 평면 내의 카트리지를 위한 게터 카트리지 배향 평면들은 정삼각형을 형성하고, 반면에 상이한 게터 서브조립체 평면 내에 놓인 인접한 다각형 정점들을 연결하는 라인에 의해 형성된 각도는 약 23°이다. 평가의 결과는 2500 l/s 초과의 펌핑 속도를 제공한다.

예 2(비교예)

예 1의 동일한 세트로부터 다른 게터 카트리지들이 종래 기술에 따른 게터 펌프의 펌핑 속도를 평가하기 위해 사용된다. 폐쇄된 게터 펌프 케이싱은 예 1에서와 동일한 직경 및 높이를 갖지만, 선형 중앙 지지부를 갖는 위치설정 평면에 의해 형성된 각도가 90°인, 즉 선형 지지부가 케이싱의 벽에 평행하고, 카트리지가 상호간에 등간격으로 이격되어 케이싱의 주계(perimeter) 주위에 배치되는 이러한 방식으로 장착된 카트리지를 갖는다. 이 경우에, 평가의 결과는 2200 l/s 미만의 펌핑 속도를 제공한다.

Claims

회전축(24)을 갖는 회전 입체 형상인 케이싱(21, 21'; 31) 및 상기 케이싱(21, 21'; 31) 내에 장착된 복수의 게터 카트리지(10; 22, 23; 32, 33, 34; 320, 330, 340)를 포함하고, 각각의 카트리지는 선형 중앙 지지부(11; 221, 231) 및 상기 선형 중앙 지지부(11; 221, 231) 상에 장착된 이격된 게터 요소(12, 12', ..., 12ⁿ)를 포함하고, 선형 중앙 지지부(11; 221, 231)를 포함하고 상기 회전축(24)에 평행한 평면은 게터 카트리지 배향 평면을 형성하고, 상기 회전축(24)에 직교하고 선형 중앙 지지부(11; 221, 231)의 중간점을 교차하는 평면은 게터 카트리지 위치설정 평면(222, 232)을 형성하는 게터 펌프에 있어서,
상기 위치설정 평면(222, 232)과 상기 선형 중앙 지지부(11; 221, 231)에 의해 형성된 각도(α, α')는 30° 이하, 또는 10° 이하인 것을 특징으로 하는 게터 펌프.
제1항에 있어서, 상기 회전 입체는 실린더, 원추, 절두 원추의 군으로부터 선택되는 게터 펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이격된 게터 요소(12, 12', ..., 12ⁿ)는 티타늄, 지르코늄 및 이트륨 중 하나 이상을 적어도 30% 포함하는 금속 또는 합금으로 제조되는 게터 펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선형 중앙 지지부(11; 221, 231)는 4 내지 30 cm 사이에 포함된 길이를 갖고, cm 당 2 내지 7개의 게터 요소(12, 12', ..., 12ⁿ)를 지지할 수 있는 게터 펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 케이싱(31)은 일 단부에서 기부에 의해 그리고 대향 단부에서 진공 플랜지에 의해 폐쇄되는 게터 펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 케이싱(21, 21'; 31)은 개방 단부형인 게터 펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 2개의 게터 카트리지의 위치설정 평면은 1.5 cm 미만의 거리를 갖고, 이에 의해 상기 2개의 게터 카트리지는 게터 서브조립체 평면으로서 규정되는 본질적으로 동일한 위치설정 평면에 놓이는 게터 펌프.
제7항에 있어서, 동일한 게터 서브조립체 평면에 놓인 게터 카트리지를 위한 배향 평면에 의해 형성된 다각형의 정점들에서의 각도(β, β', β")는 130° 이하, 또는 90° 이하인 게터 펌프.
제8항에 있어서, 동일한 게터 서브조립체 평면은 삼각형 구성으로 배열된 3개의 게터 카트리지(32, 33, 34)를 포함하는 게터 펌프.
제8항에 있어서, 동일한 게터 서브조립체 평면은 정사각형 구성으로 배열된 4개의 게터 카트리지를 포함하는 게터 펌프.
제8항에 있어서, 상이한 게터 서브조립체 평면 내에 놓인 인접한 다각형 정점들을 연결하는 라인은 서브조립체 평면들 자체와 함께 80° 이하, 또는 60° 미만의 각도를 형성하는 게터 펌프.
제7항에 있어서, 상기 게터 서브조립체 평면의 수는 상기 케이싱(31)의 길이의 미터당 40 내지 80개 사이에 포함되는 게터 펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상이한 유형의 진공 펌프를 포함하는 펌핑 시스템에서 사용하기 위한 게터 펌프.
제13항에 있어서, 상기 진공 펌프는 스퍼터 이온 펌프, 터보분자 펌프, 극저온 펌프, NEG 펌프의 군으로부터 선택된 진공 펌프를 포함하는 게터 펌프.