(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入口を有する真空ポンプであって、
第１及び第２のポンピングステージと、
各々、チャンバから気体分子を受け入れるように配置された第１及び第２の入口と、
ポンプから気体分子を排出するように配置された出口と、を備え、
第１ポンピングステージと第２ポンピングステージは、入口から出口までの流路を形成し、この流路は、第１入口に入った分子が第１及び第２ポンピングステージを通って出口まで流れるように、且つ第２入口に入った分子が中間ステージ容積及び第２ポンピングステージを通るように配置されている真空ポンプにおいて、
第１及び第２ポンピングステージの各々は、ターボ分子サブステージ及び分子吸収サブステージを備えていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
第１ポンピングステージと第２ポンピングステージとの間には、中間ステージ容積が配置されており、ポンプは、この中間ステージ容積内の圧力が０．００１mbar乃至１mbarとなるように作動可能になっている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
分子吸収サブステージは、それぞれ対応するターボ分子サブステージの下流に配置されている、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
第１及び第２ポンピングステージの各々のロータ要素が、モータによって駆動されるロータシャフトに取り付けられている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
第１ポンピングステージよりも上流に配置された第３ポンピングステージを備え、第３入口が、チャンバから第３ポンピングステージに気体分子を受け入れるようになっている請求項１に記載の装置。
【請求項６】
第３ポンピングステージは、ターボ分子サブステージで構成されている、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
第３ポンピングステージのロータ要素が、ロータシャフトに取り付けられている、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
第３ポンピングステージを通過する流路が、第３入口に入る分子が第３ポンピングステージ、第１ポンピングステージ、及び第２ポンピングステージを通って出口に向かうように配置されている、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
第１ポンピングステージ又は第２ポンピングステージの分子吸収サブステージは、Seigbahn分子吸収サブステージ、Holweck分子吸収サブステージ、及びGaede分子吸収サブステージの何れか、又はこれらの組み合わせで構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ポンプの入口と協働するようになった入口を有する複数のチャンバを備える質量分光計をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の入口を有する真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の入口を有する真空ポンプは当該技術でよく知られている。ターボ分子ポンプとして構成されたこのようなポンプの例が、米国特許第６，７０９，２２８号に記載されている。このタイプのポンプは、他の用途の中でもとりわけ複数のチャンバを差圧ポンピングするのに適している。
【０００３】
差圧ポンプ型の質量分光システムでは、分析のためにサンプルとキャリアガスを質量分析器に導入する。典型的には、サンプルはイオン化され、キャリアガスの電荷はゼロである。このような質量分光計の例を図１に示す。図１を参照して、このようなシステムには、高真空チャンバ１０が設けられており、次いで第１及び第２の真空化されたインターフェイスチャンバ１２，１４が設けられている。第１インターフェイスチャンバ１２は、真空化された分光システムにおいて最も圧力が高いチャンバであり、イオン源から第１インターフェイスチャンバ１２までサンプルイオンを引くためのオリフィス又は毛管と、イオンをイオン源から第２インターフェイスチャンバ１４に導くためのイオン光学系とを備える。第２の中間チャンバ１４は、イオンを第１インターフェイスチャンバ１２から高真空チャンバ１０に導くための追加のイオン光学系を備える。この例では、使用において、第１インターフェイスチャンバの圧力は、約１mbarであり、第２インターフェイスチャンバの圧力は、約１０-3mbarであり、高真空チャンバの圧力は、約１０-5mbarである。イオン化されていないガスは、真空ポンプによって質量分光計チャンバから除去される。
【０００４】
高真空チャンバ１０と、第２インターフェイスチャンバ１４の両者は、複数の入口を有する複合真空ポンプ１６によって排気される。この例では、真空ポンプは、２つのセット１８，２０のターボ分子ステージで構成される２つのポンピングセクションと、Holweck-drag機構２２で構成される第３のポンピングセクションを有する。Holweck-drag機構の代わりにSiegbahn又はGaede機構のような他のドラッグ機構を使用してもよい。ターボ分子ステージの各々のセット１８，２０は、公知の角度付きの構造を有する、複数のロータ１９a，２１a及びブレード対（図１には３つ示しているが、他の適当な数の対を用いてもよい）を有する。Holweck機構２２は、複数の回転シリンダ２３a（図１には２つ示しているが、他の適当な数のシリンダを用いてもよい）と、対応する環状ステータ２３bと、それ自体公知である螺旋溝とを有する。
【０００５】
この例では、第１ポンプ入口２４が、高真空チャンバ１０に連結されており、入口２４を通って圧送された流体（気体分子）は、順次、二組のターボ分子ステージ１８，２０を通過し、さらにHowleck機構２２を通過して出口３０を通じてポンプから排出される。第２ポンプ入口２６は、第２インターフェイスチャンバ１４に連結されており、入口２６を通って圧送された流体は、１つのターボ分子ステージ２０及びHolweck機構２２を通過して出口３０を通じてポンプから排出される。第１インターフェイスチャンバ１２は、補助ポンプ３２に連結されており、この補助ポンプ３２は、複合真空ポンプ１６の出口３０から流体を圧送する。各ポンプ入口に入る流体が、ポンプから排出される前に、それぞれ異なる複数のステージを通過すると、ポンプ１６は、チャンバ１０，１４内において要求される真空レベルを提供することができる。
【０００６】
図２は、差圧ポンプ型の質量分光計と使用するのに適した、更なる公知の複合ポンピングシステムを示す。この場合、質量分光計は、異なる圧力に向けて圧送される４個のチャンバを備えている。即ち、第３のチャンバ１３が、第１インターフェイスチャンバ１２と第２インターフェイスチャンバ１４の間に配置されている。この例では、真空ポンプは、二組のターボ分子ステージ１８，２０で構成される２つのポンピングセクションと、Siegbahn分子吸収機構２２で構成される第３ポンピングセクションとを有する。Siegbahn機構の代わりにHolweck-drag又はGaede機構のような他の吸収機構を使用してもよい。第３ポンプ入口２８が、第３チャンバを連結し、入口２８を通って圧送された流体は、Siegbahn機構又はポンプの中間ステージ２２を通過して出口３０を通じてポンプから排出される。典型的には、第３チャンバは、粘性流領域と分子流領域の間の転移流領域の圧力まで圧送される。転移流領域は、一般的には、０．０１から０．１mbarの間であると考えられている。
【０００７】
或る用途では、図１に示したようなHolweck機構では、典型的には約０．０１mbar乃至０．１mbarの補助圧力を第２ポンピングセクションに提供する。このように比較的高い補助圧力を有するポンピングセクションにおいてターボ分子ステージを使用して入口の圧力を１０-3mbarよりも高くすると、ポンプ内で多量の熱及び深刻な性能損失を生じさせ、さらには、ポンプの信頼性を損ねる可能性がある。WO2006/090103には、螺旋状のロータを有する複合ポンプが記載されている。このようなポンプでは、使用中、螺旋状のロータの螺旋の入口がターボ分子ステージのロータのように振る舞い、従って、軸方向及び周方向の相互作用によってポンピング動作をもたらす。
【０００８】
或る用途では、質量分光システムの性能を向上させるために、質量分光システムにおいて、一般的には質量流量（ガス流量）を多くする要求がある。システムの性能を向上させるために、高真空チャンバ１０内の中性キャリアガスの分圧を低く維持しながら、供給源からチャンバ１２へのサンプルとキャリアガスの質量流量を増加させることが望ましい。この場合、キャリアガスが高真空チャンバ１０に到達する前にキャリアガスを取り除くために、中間チャンバ１３，１４の一つにおいて追加のポンピングが必要となる。これは、（図１と２との関係で示すように）ポンピングステージ及びチャンバの追加、ポンピングステージの容量又はポンピング速度の増加、又はポンピングポートの導電性の向上を含む幾つかの方法によって達成することができる。
【０００９】
図１又は２に示すポンプでは、セット２０のロータ２１aとステータ２１bの直径を増やして複合真空ポンプ１６の容量を増加させることによって高い質量流量を得ることができる。例えば、セクション２０と１８との間の中間ステージにおいてポンプ１６の容量を二倍にするためには、ロータ２１aとステータ２１bの領域の大きさを二倍にする必要がある。分子吸収ステージでは、上流の分子ターボステージを通過した分子を十分に圧送するために容量を増やす必要がある。ターボ分子ポンプ構造と比較して、このようなポンピングステージの比較的少ないポンピング容量を考えると、増加した容積を有する分子吸収ステージによって占められる追加の体積は十分である。これによりポンプ１６全体の大きさが大きくなり、従って、質量分光システム全体の大きさも大きくなる。その上、ポンピング速度を増加させると、非分子流れ状態においてポンプの消費電力を著しく増加させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した、複数の入口を有する真空ポンプに関連した問題を改善することを目的とする。さらには、本発明は、ポンプの電力消費量に実質的な影響を与えることなく、（排他的ではないが）特に転移流領域における性能が向上した複数の入口を有する真空ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するために、本発明は、従来技術で説明したように複数の入口を有する複合真空ポンプにおいて、第１及び第２ポンピングステージの各々は、出口の前の最終のポンピングステージに配置されたターボ分子サブステージと、最終ポンピングステージの前のターボ分子ステージに配置された分子吸収サブステージを備えている。
【００１２】
より具体的には、間に中間ステージ容積を有する第１及び第２ポンピングステージと、それぞれチャンバから気体分子を受け入れるようになった第１及び第２入口と、ポンプから気体分子を排出するようになった出口とを備え、第１及び第２ポンピングステージは、入口から出口までの流路を提供し、流路は、入口に入った分子が第１ポンピングステージ、中間ステージ容積、及び第２ポンピングステージの少なくとも一部を通って出口にいくように、且つ第２入口に入った分子が中間ステージ容積及び第２ポンピングステージの少なくとも一部を通って出口に行くように構成された、複数の入口を有する真空ポンプにおいて、第１及び第２ポンピングステージの各々は、ターボ分子サブステージ及び分子吸収サブステージを備えていることを特徴とする真空ポンプを提供する。従って、ターボ分子サブステージは、補助圧力を減らすように作用し、各分子吸収サブステージの気体流量が増える。さらに各分子吸収サブステージは、ターボ分子ポンピングサブステージの補助ステージとして作用する。
【００１３】
好ましくは、分子吸収ステージは、それぞれ対応するターボ分子サブステージの下流に配置されている。従って、使用中、分子吸収サブステージに対して、ターボ分子サブステージの速いポンピング速度又は多い容量は、ポンプの気体流量を増やす。
【００１４】
好ましくは、第１及び第２ポンピングステージの間には中間ステージがあり、使用中、ポンプは、中間ステージ容積が典型的の圧力が０．００１mbar乃至０．１mbar、又は０．０１mbar乃至０．１mbarとなるように作動する。
【００１５】
好ましくは、第１及び第２ポンピングステージの各々のロータ要素が、ロータシャフトに設けられており、モータによって駆動されるようになっている。従って、ポンピング要素を作動させるために一つのモータを配置すればよい。
【００１６】
好ましくは、第３ポンピングステージが、第１ポンピングステージよりも上流に配置されており、第３入口が、チャンバから第３ポンピングステージに気体分子を受け入れるようになっている。さらに、第３ポンピングステージは、ターボ分子サブステージで構成されている。従って、第３ポンピングステージは、ターボ分子要素だけで構成され、第３入口を、第１又は第２入口よりも低い圧力まで排気することができる。さらに、全てのロータ要素を同じモータで駆動することができるように、第３ポンピングステージのロータ要素をロータシャフトに取り付けることができる。従って、追加のポンピング性能を得ることができる。さらに、第３ポンピングステージを通過する流路が設けられており、第３入口に入った分子が、第１、第２、及び第３ポンピングステージをそれぞれ通過して出口に流れる。従って、第３入口において高真空圧力を達成することができる。
【００１７】
好ましくは、第１ポンピングステージ又は第２ポンピングステージの分子吸収サブステージは、Seigbahn分子吸収サブステージ、Holweck分子吸収サブステージ、及びGaede分子吸収サブステージの何れか、又はこれらの組み合わせで構成されている。
【００１８】
本発明の実施形態を、例示の方法により、図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】公知の複数の入口を有する複合真空ポンプの概略図である。
【図２】他の公知の複数の入口を有する複合真空ポンプの概略図である。
【図３】本発明の実施形態による複数の入口を有する複合真空ポンプの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態を図３に示し、ここでは、上述したシステムの特徴には、同一の参照番号を付与している。ポンプ１１６は、チャンバ１２、１３、１４及び１０を備える差圧ポンピング質量分光計１１０に連結され、チャンバは、上述したように異なる真空レベルにまで圧送されるように配置されている。図示している各々のチャンバは、それぞれ、出口２５、２８、２６及び２４を有している。補助ポンプ３２が、第１チャンバ１２を排気するように、且つポンプ１１６の出口に補助圧力を提供するように配置されている。
【００２１】
ポンプは、各々、３つのポンピング中間ステージ１１８、１２０及び１２２を備えている。従って、質量分光計の最後の高真空チャンバ１００から排気された気体分子は、ポンプの出口３０の中間ステージの全てを通過し、第２チャンバ１４からの気体分子は、第２ステージ及び第３ステージ（それぞれ１２０及び１２２）を通過し、さらに、第３チャンバ１３からの気体分子は、第３ステージだけを通過する。
【００２２】
第１ポンピングステージ１１８は、複数のロータブレード１１９ａと、ステータブレード１１９ｂで作られた、従来のターボ分子ステージを備えている。典型的には、質量分光計の最終チャンバ１０において要求される圧力は、１０-5mbarの領域内である。従って、この構造のターボ分子ポンプは、効率的に、これらの圧力を容易に達成することができる。
【００２３】
第２ポンピングステージ１２０は、ターボ分子サブステージ１２０A及び分子吸収サブステージ１２０Bを備えている。ターボ分子サブステージは、従来のロータブレード１２１aと、ステータブレード１２１bとを備えている。分子吸収サブステージは、回転ディスク１２１cと、螺旋状の溝を備えるステータ要素１２１dを有している。図３に示す実施形態では、分子吸収ステージは、Seigban分子吸収として構成されている。これは、この構造は、質量分光計用途に適した比較的コンパクトな位相を提供する。しかしながら、本発明は、Seigban分子吸収構造に限定されるものではなく、どんな分子吸収ポンプ構造を用いてもよい。
【００２４】
第３ポンピングステージ１２２は、ターボ分子サブステージ１２２A及び分子吸収サブステージ１２２Bを備える。ターボ分子サブステージは、従来のロータブレード１２３a及びステータブレード１２３bを備える。分子吸収サブステージは、回転ディスク１２３c及び螺旋状溝を備えるステータ要素１２３dを備えている。図３の実施形態では、第３ポンピングステージにある分子吸収ステージは、Seigban分子吸収として構成されている。この構造は、質量分光計用途に適した比較的コンパクトな位相を提供する。図に示す構造は、（滑らかな表面を有する回転ディスクを備える）３つのロータ要素を備えるSeigbanステージで構成されており、（それぞれ両面に螺旋状溝を有する２枚のディスクを備える）４つのステータ要素を備えている。当然のことながら、本発明は、Seigban分子吸収構造に限定されるものではなく、どんな分子吸収ポンプ構造を用いてもよい。
【００２５】
このポンプ構成は、第２ポンピングステージへの分子吸収補助ステージ、及び第３ポンピングステージにターボ分子ブースタステージを提供する。この構成によって、本発明のこの実施形態は、差圧ポンピング真空システムにおいてポンプの中間ステージの速度を速め、これにより、中間ステージは、転移圧力領域（典型的には、０．０１から０．１mbar）において作動可能になる。同時に、電力消費を比較的低く維持することができる。
【００２６】
分子吸収ポンプ機構は、ターボ分子ポンプのような他の機構に比べて
比較的低い電力を消費することが知られている。しかしながら、これらの機構は、ターボ分子ブレードのような他の機構と比べて比較的ポンピング速度が遅い。ポンプを上述したように構成することによって、中間ポンピング速度を速めることができた。これは、複数のターボ分子ブレード１２３aを分子吸収ステージの上流に導入することによって達成される。コンピュータモデリングによれば、個別段階の実験データにおいて、この構成は、図２に示す構成と比較して、ポート２８が０．１mbarにおいて２倍のポンピング速度をもたらすことができる。低圧では、さらに性能を向上させることができる。
【００２７】
遷移流領域において作動するとき、ターボ分子ポンピングステージに関連する電力消費は、比較的高い作動圧力によって過大になる。これを防ぐために、中間ステージポート２８及び下流のターボ分子ステージ１２０A及び１１８の間に分子吸収サブステージ１２０Bが設けられている。その上、中間ステージポート２８の下流にターボ分子ポンピングサブステージ１２２Aを提供することによって、吸収ステージによって提供されるポンピング速度を速めることができる。その結果、ポンプ内の流速を早めることができる。
【００２８】
ターボ分子サブステージ１２２Aの設計は、遷移圧送領域において最大の性能及び最小の電力を提供するために注意深く選択される。これは、ブレードの長さ、ブレードの角度及び数、並びにブレードの軸方向の長さを含む。これらの全ての要素を、システムの特定のポンピング要求のために最適化することができる。
【００２９】
中間ステージポート２８の上流に分子吸収サブステージ１２０Bを提供することによって、上流のターボ分子ステージの電力消費を減らすように機能する。
【００３０】
従って、Seigban機構の位相的な利点と共に説明したレイアウトを組み合わせることによって、電力消費を最小限にしてポンピング速度を速めることができる。
【００３１】
上述の実施形態は、どのように本発明を実施するかについての例示である。当業者であれば、本発明の思想の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態の変形例を思いつくであろう。例えば、ポンプの用途において要求される流速のために、分子吸収ステージの異なる構造を適宜使用することができる。例えば、最終分子吸収ステージは、大気圧まで排気するように構成され、補助ポンプの必要性をなくす。ポンプの全長を短くするために種々の入口構造を使用することによって中間ステージの体積を減らすことができる。本発明を、差圧ポンプ型の質量分光システムに適用して説明したが、本発明はこの用途に限定されるものではなく、本発明の実施形態は他の用途においても使用することができる。
【図１】
0005636002.tif 000002
【図２】
0005636002.tif 000003
【図３】
0005636002.tif 000004