KR19990036678A - 고속의 가스 흡수속도를 갖는 게터펌프 - Google Patents

Abstract

게터펌프(10)가 기술되어 있는데, 상기 게터펌프의 원통형 챔버(12)내측에는 서로 평행하고 상기 챔버축선에 평행한 3개 내지 8개의 게터 구조물(13,13', ...)이 있으며, 상기 각각의 구조물은 중앙 지지대(15,15', ...)에 의해 지지된 게터재료의 디스크(14,14', ...)로 형성되어 있다. 게터소자는 펌프축선 주위에 대칭으로 배열되어 있으며 게터재료의 활성화 및 작동에 필요한 히터부재(16)가 내장된 중앙공동을 형성하고 있다. 이러한 펌프는 유사한 칫수의 게터펌프에 비해 고속의 흡수속도를 가진다.

Description

고속의 가스 흡수속도를 갖는 게터펌프

본 발명은 고속의 가스흡수기를 갖는 게터펌프에 관한 것이다.

게터펌프는 본 기술분야에 오래전부터 알려져 있으며 특히, 가동부재를 구비하지 않은 정적 펌프로 알려져 있다. 상기 펌프의 작동은 비-증발성 게터재료(본 기술분야에서 NEG로 공지됨)에 의해 제조된 소자들에 의한 산소, 수소, 물 및 탄소 산화물과 같은 반응성 가스종의 화학흡착에 근거한다. 상기 NEG재료는 티타늄- 또는 지르코늄-계 합금이다.

게터 펌프는 게터재료가 밀리미터보다 작은 두께의 층으로, 일반적으로 평탄한 금속 지지판상에 피복된 것으로 공지되어 있다. 게터펌프는 폭넓게 사용되지만, 게터재료의 양이 작으므로 가스 흡수성능이 작은 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해서, 본 출원인은 최근에 게터 소자가 소결 게터재료 분말로 제조된 다공체로 구성된, 가스 흡수성능을 증대시킨 펌프를 제공하였다. 이러한 형태의 펌프가 예를들어, 미국 특허 제 5,320,496호 및 동 5,324,172호에 기술되어 있다. 상기 펌프는 복수의 게터 다공체가 포함되어 있는 원통형 금속챔버를 구비하고 있다. 상기 양 공보에 기술된 발명의 경우에, 게터 다공체세트가 펌프의 중심부에 원통형 공동을 남겨둔채 상기 챔버의 원주위를 꽉 채우고 있으며 게터재료의 활발한 작동과 효율적인 작동을 위한 히터를 상기 원통형 공동에 내장하고 있다.

상기 펌프들은 가스흡수 성능을 최대로 발휘하도록 설계되나, 가스의 흡수 속도를 최대로 발휘하지 못하게 하는 펌프에 필요한 몇몇 특징이 내재되어 있다. 특히, 상기 펌프들은 펌프 몸체의 내벽과 게터 몸체세트 사이의 일부에 감소된 가스 콘덕턴스를 가지며 상기 게터 몸체의 최외측 원주위는 게터몸체 내부의 자체 전도에 의해 간접적으로만 가열된다. 이러한 사실들은 펌프의 중심부에 대해 최외측 원주위의 게터몸체상에 대한 가스분자의 효율적인 충돌 빈도수를 감소시킴으로써 전체 흡수속도를 감소시키게 된다. 상기 두 펌프의 설계에 있어서 약간의 변경이 있을 수 있지만, 후술하는 다음 특허에서와 같이 게터 몸체의 칫수 변경(두께, 직경 등) 및 펌프 내측에의 정밀한 배열 등에 기인한 것이므로 근본적으로 양호한 성능의 개선은 이루어지지 않는다.

게터 다공체를 구비한 다른 펌프들이 공지되어 있지만, 이들도 일반적으로 특별한 형태에만 유용하다.

내장된 히터를 구비한 중앙 지지대에 디스크 형상의 게터 몸체가 지지되어 있는 게터펌프가 EP-A-753663호에 공지되어 있다. 상기 펌프는 휴대용 기구에 사용하기 위한 것으로서 소형이고 낮은 히팅 동력을 필요로하지만 양호한 성능을 갖는 펌프를 제공하고자 하는 것을 목적으로 하나, 이러한 펌프는 대형 칫수로 제조될 때 양호한 특성을 유지하지 못한다.

특허출원 WO 96/17171호에는 전술한 특허중의 하나와 유사한 디스크형 게터펌프가 기술되어 있다. 상기 경우에, 펌프는 반도체를 제조하기 위한 기계와 합체되어 있다. 중앙 지지대를 구비한 게터 디스크세트는 하우징없이 작동챔버내측으로 도입되어 흡수속도는 빠르나, 이러한 펌프는 특수한 경우에만 사용할수 있으며 게터펌프가 파이프를 통해 적절한 과학기구에 연결되어 있는 경우에는 적용할 수 없다.

본 발명의 목적은 종래기술의 펌프에서 드러난 단점들을 극복할 수 있는 고 흡수속도를 갖는 펌프를 제공기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 펌프를 펌프의 축선에 수직한 면에 따라 취한 횡단면도.

도 2는 도 1의 횡단면도에 수직한 방향으로 본 펌프의 부분 절단도.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 펌프의 다른 이용가능성을 나타내는 도면.

도 6 및 도 7은 종래기술의 펌프를 도시하는 두 개의 횡단면도이며, 도 7a는 도 7 펌프의 상세도.

도 8은 본 발명의 펌프와 공지기술의 펌프에 대한 가스 흡수곡선들 사이의 비교를 위한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

12 : 챔버 13 : 게터구조물

14 : 디스크 15 : 지지대

16 : 히터 19 : 개구

21 : 기저부

이러한 목적은,

원통형 챔버를 형성하고 있는 금속하우징과,

소결 게터재료 분말에 의해 형성된 복수의 다공 디스크로 제조되고 중앙 지지대에 지지되며 상기 챔버의 중심주위에 또한 챔버 축선에 대해 평행하게 대칭으로 배열되어 있는 3개 내지 8개의 게터 구조물과,

상기 챔버의 중앙에 챔버와 동축으로 배열된 히터, 및

상기 게터구조물과 배출될 공간을 연결하며 상기 하우징의 벽에 형성되는 개구를 포함하는 게터펌프에 의해 달성된다.

이후, 본 발명은 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 펌프의 일예를 도시하는 도 1 및 도 2에는 지지대상에 디스크 형상의 6개의 게터구조물이 제공된 펌프가 횡단면도로서 도시되어 있는데, 전술한 바와같이 상기 구조물의 숫자는 3개 내지 8개, 바람직하게는 4개 내지 6개이다. 도 2에서, 도면의 간단화를 위해 단지 관점으로부터 멀리떨어진 3개의 구조물만을 도시하였으며 가장 멀리떨어진 구조물은 전체를 수직 전개도로 도시했지만 다른 것은 단지 부분적으로만 도시했다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 게터펌프는 블라인드 플랜지(21)에 의해 적어도 한 단부가 폐쇄된 일정한 길이의 튜브 또는 한 단부가 용접된 기저부를 갖는 일정한 길이의 튜브(해법은 도면에 도시하지 않음)로 구성될 수 있는 원통형 하우징(11)을 포함하며, 양 경우에 있어서 개방단부는 후술하는 바와같이 다른 블라인드 플랜지로 펌프를 폐쇄하는데 또는 배출될 파이프 또는 챔버에 연결하는데 사용될 수 있는 플랜지를 지지한다.

하우징(11)은 챔버(12)를 형성하며, 챔버(12)의 내측에는 게터 구조물(13, 13', ... )이 배열되며, 각각의 구조물은 중앙 지지대(15,15', ... )에 의해 지지되어 있는 디스크(14,14',14", ... )형상을 가진다. 상기 디스크는 (도면에 도시않은)스페이싱 부재에 의해 중앙 지지대를 따라 소정의 상호거리를 유지하고 있으며, 상기 스페이싱 부재는 디스크 또는 루우즈(loose)와 합체된 금속 링형태일 수 있으며, 상기 디스크에는 디스크의 나머지 부분보다 두꺼운 부분을 갖는 횡단면이 제공되어 디스크와 일체로 간극을 형성한다. 게터 구조물(13,13', ... )은 히터(16)가 내장된 중앙 주위의 챔버(12)내에 대칭으로 배열된다. 상기 도면에 저항히터가 도시되어 있으나, 후술하는 바와같이 다른 종류의 히터도 사용될 수 있다. 이러한 배열에 의하여, 펌프 중앙영역(17)의 공동 체적(18,18', ... ) 및 상기 챔버 원주위의 두 개의 인접한 게터 구조물 사이에 일련의 공동 체적이 존재하게 된다. 펌프의 전체 높이에 걸쳐 연장하는 이러한 공동체적은 상기 게터재료의 표면상으로 가스를 이송하는 전도성을 제공하므로 고속의 흡수속도를 얻는데 매우 중요하다.

하우징(11)은 펌프를 배출될 공간에, 또는 배관과의 접합을 위한 적합한 상대플랜지에 연결하기 위한 플랜지(20)를 구비한 개방단부(19)를 가진다. 상기 플랜지는 일반적으로 본 기술분야에 공지된 양태에 따라서 소정의 체적량에 따라 중합체 재료 또는 금속으로 제조된 하나 이상의 개스킷(도면에 도시않음)을 지지한다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 펌프를 사용하기 위한 가능성있는 형상이 도시되어 있다. 도 3은 진공기술분야에 공지된 양태에 따라서, 일반적으로 금속으로 제조되어 접합되는 배관(T)을 통해서 배출될 챔버(C)에 연결된 펌프(10)의 용도를 도시하고 있다. 도 4는 펌프(10)가 배출될 챔버에 플랜지(20)를 통해 직접 연결되어 있는 형태를 도시하고 있다. 끝으로, 도 5는 챔버(C)내측으로 직접 도입되어 있는 펌프(10)의 형태를 도시하고 있으며, 이 경우 펌프의 상부 개구(19)는 개방된 상태를 유지하고 플랜지(20)는 사용되지 않는 반면에, 하우징(11)은 게터 재료의 입자가 챔버를 통해 이동하는 것을 방지하고 게터 구조물의 균일한 가열을 위한 외피로서의 역할을 한다.

전술한 바와같이, 본 발명에 따라 챔버(12)내의 게터 구조물의 수는 3개 내지 8개, 양호하게는 4개 내지 6개 범위이다. 게터 구조물의 수가 3개 보다 작거나 8개보다 크면 챔버 내측공간의 비효율적인 충전으로 인한 결함을 초래한다. 특히, 게터구조물이 2개인 경우에는 영역(18,18')내의 공동체적이 초과하게 되는 반면에, 게터 구조물의 수가 8개 이상인 경우에는 펌프의 중심에 있는 영역(17)의 공동체적이 초과하여 전체 펌프의 크기는 동일하지만 게터 재료의 감소 및 상기 부재(16)의 가열효율을 감소시킨다. 최대의 효율을 얻기 위한 4개 내지 6개의 게터 구조물의 수는 게터구조물의 상호거리와 히터로부터의 거리, 및 게터재료의 체적과 영역(17,18,18')의 체적 전도율 사이의 문제점들을 조화시킨다.

게터재료(13,13', ... )는 적합한 금속영역상에 장착시킴으로써 소정의 형상을 유지할 수 있어서 챔버(12)내측으로 도입될 상기 구조물을 적층시킬 수 있다. 이와는 달리, 하우징(11)의 원형 기저부의 내측벽(22)에는 예를들어, 지지대(15,15', ... )의 단부를 유지하는 적합한 시이트(도시않음)가 제공될 수 있으며, 게터 구조물을 펌프내에 조립하기 위한 방법과 관련된 다른 상세 및 금속 영역은 도면에 도시하지 않았다. 전술한 조립방법 및 기타의 대체방법이 있을 수 있다는 것은 기계제작분야의 숙련자들에겐 당연하다.

하우징(11) 및 게터구조물의 지지대(15,15', ...)는 일반적으로 금속, 바람직하게 AISI 304L 또는 316L 스틸로 제조된다. 상기 하우징은 도입된 게터 구조물(13,13', ... )을 공간(12)내에 갖는 다양한 금속성분의 부재를 용접함으로써 단일체로서 얻을 수 있다. 그러나, 상기 하우징은 기밀형태로 서로 밀착될수 있는 바람직하게는 두 개의 부품으로 형성될 수 있으며, 예를들어 원형 기저부(21)는 동일한 하우징의 하부엣지와 일체로 되어 있는 상대플랜지상에 나사결합될 수 있는 블라인드 플랜지일 수 있으며, 상기 기밀성은 플랜지 사이에 놓인 하나 이상의 개스킷에 의해 보장될 수 있다. 이러한 구조는 펌프 보수작업, 예를들어 게터구조물의 히터의 교체작업을 가능하게 한다는 점에서 양호하다.

디스크(14,14',14", ... )는 게터재료 분말을 소결하기 위한 공지의 방법에 의해 제조된다. 폭넓은 게터재료가 사용될 수 있는데, 일반적으로 티타늄과 지르코늄을 함유하며 또한, 전이금속중에서 선택된 하나 이상의 원소와 알루미늄, 및 상기 하나 이상의 합금원소와 티타늄 및/또는 지르코늄의 혼합물을 함유한다. 게터펌프를 제조하는데 더 일반적으로 사용되는 재료들중에는 본 출원인에 의해 제조되어 상표명 St 707^TM로 시판되고 있는 중량 조성비 Zr 70%-V 24.6%-Fe 5.4% 합금이 있다. 혼합물은 본 출원인에 의해 제조되고 상표명 St 172로 시판되고 있는 중량비 60% St 707^TM합금 및 40% 지르코늄을 함유한다. 상기 용도로는 본 출원인에 의해 출원된 EP-A-719609호에 기술된 재료가 양호하며, 상기 공보에는 화학적 조성과 디스크 제조법이 상세히 설명되어 있다.

히터(16)는 예를들어, 석영램프 또는 본 기술분야에 공지된 바와같이 세라믹 지지대 주위에 금속 와이어를 나선형으로 감음으로써 얻어지는 저항을 이용한 램프 등으로 구성된다.

본 발명에 따른 펌프의 고속 펌핑속도는 특별한 형상으로 인한 것이다. 실제로, 도 6에 도시한 미국특허 제 5,320,496호의 펌프와 본 발명에 따른 펌프를 비교하면, 미국 공보의 펌프는 게터몸체(60,60', ... )의 원주위 영역내에 작은 가스 콘덕턴스를 갖는 것으로 보인다. 그 이유는 게터몸체의 외측면으로 가스가 거의 접근할수 없어서 전체 흡입속도가 감소되기 때문이다. 반대로, 전술한 바와같이 본 발명의 펌프는 높은 가스 콘덕턴스를 갖는데, 이는 영역(17,18,18', ... )내의 공동 체적으로 인해 게터소자의 모든 표면으로 가스가 용이하게 접근할 수 있기 때문이다.

전술한 미국특허 제 5,324,172호의 펌프의 경우에, 게터소자의 형상은 게터소자의 모든 표면으로 가스의 이송을 용이하게 할수 있으나 중앙 히터에 의한 방열효과는 최적일수 없다. 실제로, 도 7 및 도 7a에 도시한 바와같이 이러한 펌프에서는 직접 가열되는 게터소자부분은 측면에 있는 높이 및 두께에 해당하는 부분들에 불과하며, 나머지 부분들은 게터 내측몸체 자체의 열전도에 의해서만 가열될 뿐이다. 반대로, 본 발명에 따른 펌프에 있어서 히터(16)의 방열에 직접적으로 노출되는 게터소자의 표면은 훨씬 더 크며, 이는 디스크 원주에 두께를 곱한 값과 같다.

다음의 실시예는 공지기술에 따른 펌프와 본 발명에 따른 펌프의 흡입속도를 비교하기 위한 실험을 어떻게 수행하는 가를 설명한다.

실시예 1

본 발명에 따른 게터 펌프를 높이 135㎜, 내경 92㎜이고 상부가 개방되었으며 6개의 게터 구조물을 함유하고 있는 원통형 챔버형태로 제조하였으며, 상기 각각의 게터 구조물은 직경 2.54㎝인 50개의 디스크를 갖는다. 상부 개방부로부터 펌프를 관찰했을 때, 상기 6개의 게터 구조물은 환형으로 내접되어 있어서 직경 31㎜의 공동체적이 펌프의 중앙에 형성되며, 상기 구조물은 하우징의 내벽으로부터 약 3㎜ 이격되어 있다. 펌프의 중앙에는 게터재료를 가열하기 위한 석영램프가 내장되어 있다. 상기 디스크는 전술한 St 172 합금으로 제조된다. 상기 흡수속도의 실험은 실험가스로서 CO를 사용하여 250℃의 온도에서 ASTM F 798-82 표준법에 따라 수행되었다. 실험결과는 도 8에 이중대수의 곡선 1로서 나타냈으며, 가스 흡입속도(V)의 기울기가 밀리바아 당 리터(mbar·l)로 측정한 흡수 가스량의 함수로서 리터 당 초(l/s)로 표시되어 있다.

실시예 2(비교예)

적층된 게터 디스크 대신에 전술한 미국특허 공보 5,324,172호에 기술된대로 배열된 게터재료 시이트가 제공되어 있는 것을 제외하면, 실시예 1의 펌프와 동일한 칫수 및 재료를 갖는 펌프를 사용하여 실험을 반복하였다. 상부 개방부로부터 펌프를 관찰했을 때, 게터재료 시이트는 실시예 1의 펌프와 동일한 칫수를 갖는 환형으로 배열되어 있다. 이 실험 결과는 도 8의 곡선 2로서 나타냈다.

도 8의 곡선을 비교하면, 펌프의 칫수와 펌프 내부의 게터재료의 체적은 동일하며, 본 발명의 펌프는 초기에 종래기술의 펌프에 비해 약 5배 빠른 흡수속도를 가진다.

본 발명에 따라서 게터펌프의 가스 흡수속도를 빠르게 할 수 있다.

Claims (10)

1. 원통형 챔버(12)를 형성하고 있는 금속하우징(11)과,

   소결 게터재료 분말을 소결함으로써 형성된 복수의 다공 디스크(14,14',14", ... )로 제조되고 중앙 지지대(15,15', ...)에 지지되며 상기 챔버의 중심주위에 또한 챔버 축선에 대해 평행하게 대칭으로 배열되어 있는 3개 내지 8개의 게터 구조물(13,13', ...)과,

   상기 챔버의 중앙에 챔버와 동축으로 배열된 히터(16), 및

   상기 게터구조물과 배출될 공간을 연결하며 상기 하우징의 벽에 형성되는 개구(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
2. 제 1항에 있어서, 상기 게터구조물은 4개 내지 6개인 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
3. 제 1항에 있어서, 상기 하우징은 서로 진공 기밀방식으로 밀착된 두 개 이상의 부품으로 제조된 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
4. 제 3항에 있어서, 상기 하우징(11)의 원통형 벽의 하부엣지에 밀착될수 있는 블라인드 플랜지로 구성된 기저부(21)를 더 포함하며, 상기 기저부의 일부분에는 상대 플랜지가 몰딩되어 있는 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
5. 제 1항에 있어서, 게터재료로 형성된 디스크는 티타늄과 지르코늄 중에서 선택된 금속의 소결분말로 제조되는 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
6. 제 1항에 있어서, 게터재료로 형성된 디스크는 티타늄 및/또는 지르코늄 금속합금과, 전이금속 및 알루미늄 중에서 선택된 하나 이상의 원소로 이루어진 소결분말로 제조되는 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
7. 제 1항에 있어서, 게터재료로 형성된 디스크는 티타늄 및/또는 지르코늄 분말과, 티타늄 및/또는 지르코늄 및 전이금속과 알루미늄중에서 선택된 하나 이상의 원소를 함유하는 합금의 혼합물을 소결함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
8. 제 6항에 있어서, 게터재료로 형성된 디스크는 중량비로 Zr 70%-V 24.6%-Fe 5.4%의 조성을 갖는 합금을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
9. 제 7항에 있어서, 게터재료로 형성된 디스크는 중량비로 Zr 70%-V 24.6%-Fe 5.4%의 조성을 갖는 합금 분말과 금속 지르코늄 분말의 혼합물을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.
10. 제 9항에 있어서, 상기 분말 혼합물은 중량비로 합금 분말이 60%이고 금속 지르코늄 분말이 40%인 것을 특징으로 하는 고속의 흡수속도를 갖는 게터펌프.