(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動翼を有し、吸気口と排気口を有するポンプ容器内に回転自在に配置されたロータと、
前記ポンプ容器内に収容され、前記動翼の間に配置される固定翼を有するステータと、
前記固定翼を支持する位置に冷凍機によって冷却可能に構成された冷却ステータリングと、
前記ロータ側に配置されるシールベローズと該シールベローズに非接触状態で前記ポンプ容器側に配置された断熱材と前記シールベローズの吸気口側及び排気口側のそれぞれに固着された断熱リングとから構成され、前記冷却ステータリングの排気口側に気密に連結された断熱性を有する断熱シールリングと、を有し、
前記冷却ステータリングは、吸気口側及び排気口側にそれぞれ配設された断熱材を介して前記ステータに連結されるとともに、前記ロータの吸気口側端部よりも吸気口側に延長して配設され、
前記動翼は、吸気口側に配置されたターボ翼と排気口側に配置されたネジ溝形状の構成とからなり、
前記断熱シールリングは、前記ステータの、前記ターボ翼と前記ネジ溝形状の構成部分との連結位置に対向する部分に配設されていることを特徴とする分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータを超高速で回転させることで気体分子を排気する方式の分子ポンプに関し、特に、水に対する排気性能の向上が図られていると共に、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能も改善されている分子ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
分子ポンプの排気性能を補完的に改善する手段としては、分子ポンプの吸気口側に冷却トラップを組合せる方法が提案されている。
【０００３】
例えば、図５に示すように、吸気口２と排気口３を有するポンプ容器１内に回転自在に配置された動翼としてのターボ翼１１と排気口３側にネジ溝形状部分を有するロータ１４と、ターボ翼１１の間に配置される固定翼としてのステータ翼１９とステータリング２０、ステータ１５とで構成される複合型の分子ポンプと、その吸気口２側にニップル状の別個のトラップ容器５を取り付け、トラップ容器５内に冷凍機２４と接続されて極低温に冷却され、水分子を凍結捕集する冷却パネル（冷却トラップ面）２５を配置したものが提案されている（特開平６−５８２９１号）。この従来例では、冷却パネル（冷却トラップ面）２５によって水に対する排気性能を大幅に向上させることができるが、その一方、他の気体に対してはコンダクタンス影響によって排気性能が低下してしまうという問題点がある。また、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能を改善させる効果はほとんどないという問題点もある。
【０００４】
図６は、冷却パネル２５を、分子ポンプの容器（ポンプ容器）１自体の内部に配置したものである（特開平６−３３０８８６号）。排気性能の改善効果等は、図５（特開平６−５８２９１号）の構成と基本的に同じである。
【０００５】
なお、冷却パネル２５の冷却面の構成には、液体窒素などの冷媒を用いたものや、最近では１段式のヘリウム冷凍機を用いたものが使用されている。
【０００６】
前述した従来例の構成での冷却パネル（冷却トラップ面）の作用は、大気中に含まれ、真空容器壁面などの構成材料表面や材料内部から多量に放出される水に対する排気性能を大幅に補完することで、真空排気ポンプの系全体としての排気性能を改善するものである。
【０００７】
【発明により解決しようとする課題】
しかしながら、上記の例に示されるような従来の分子ポンプと冷却パネル（冷却トラップ面）との組合わせでは、水に対する排気性能は大きく改善されるものの、分子ポンプの吸気口と真空処理装置との間に冷却パネル（冷却トラップ面）を配置するため、冷却パネル（冷却トラップ面）による気体のコンダクタンスの低下に伴い、水以外の気体に対しては、逆に、排気性能が低下することが問題となる。
【０００８】
また、将来的に半導体や電子部品などの製造に用いられる真空処理装置において、装置内の残留気体が不純物として種々の用途に悪影響を及ぼすことを極力排除するため、装置の到達圧力を更に下げる必要が生じることを考慮すると、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能の改善を図ることが重要になるが、上記の例に示されるような従来の分子ポンプと冷却パネル（冷却トラップ面）との組合わせでは、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能の改善には、ほとんど効果がないことも解決しなければならない課題である。
【０００９】
分子ポンプにとっては、水に対する排気速度を改善することと同時に、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能を改善し、なおかつ、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体以外の気体に対しても排気性能を低下させないことが将来的に大きな課題となっている。
【００１０】
本発明の目的は、上記の問題点及び課題を解決することにあり、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能を改善すると共に、これら以外の気体に対する排気性能も低下することのないような分子ポンプを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、動翼を有し、吸気口と排気口を有するポンプ容器内に回転自在に配置されたロータと、
前記ポンプ容器内に収容され、前記動翼の間に配置される固定翼を有するステータと、
前記固定翼を支持する位置に冷凍機によって冷却可能に構成された冷却ステータリングと、
前記ロータ側に配置されるシールベローズと該シールベローズに非接触状態で前記ポンプ容器側に配置された断熱材と前記シールベローズの吸気口側及び排気口側のそれぞれに固着された断熱リングとから構成され、前記冷却ステータリングの排気口側に気密に連結された断熱性を有する断熱シールリングと、を有し、
前記冷却ステータリングは、吸気口側及び排気口側にそれぞれ配設された断熱材を介して前記ステータに連結されるとともに、前記ロータの吸気口側端部よりも吸気口側に延長して配設され、
前記動翼は、吸気口側に配置されたターボ翼と排気口側に配置されたネジ溝形状の構成とからなり、
前記断熱シールリングは、前記ステータの、前記ターボ翼と前記ネジ溝形状の構成部分との連結位置に対向する部分に配設されていることにより前記課題の解決を図ったものである。
【００１２】
すなわち、本発明の分子ポンプは、真空処理装置４側に接続している吸入口から進入した気体分子が、水分子を凍結捕集するのに適した約６０Ｋ〜１２３Ｋに冷却されたステータ面に衝突することで、熱運動エネルギーを失い、気体分子の熱運動速度が大きく低下する構造を採用している。これにより、本発明の分子ポンプによれば、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する分子ポンプの排気効率を大幅に改善することができる。
【００１３】
例えば、室温約３００Ｋの気体が１００Ｋの冷却パネルに衝突して約３分１の温度になった場合、気体分子の熱運動速度は√３分の１となり、速度の低下に見合った分だけ軽い気体分子の排気効率を改善させることができる。実際には、ロータのターボ翼の回転速度と、気体分子の熱運動速度の比が分子ポンプの排気性能を左右するため、気体分子の温度が下がった値そのままに排気性能が向上するわけではないが、吸入口から進入してきた気体分子の温度を低下できることが排気性能改善の第一の目安となる。
【００１４】
なお従来の分子ポンプの構成のように、ポンプ吸気口側に冷却パネル（冷却トラップ面）を形成した場合にも、冷却パネル（冷却トラップ面）に衝突した時点では気体分子が熱運動速度を減少させることになるが、従来の分子ポンプの構成では、冷却パネル（冷却トラップ面）に衝突しない気体分子や、冷却パネル（冷却トラップ面）に衝突した後、更に分子ポンプの容器の常温表面に衝突してエネルギーを再び受けてしまう気体分子も多く存在することから、全体的な結果として、分子ポンプにおける水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能の改善効果はほとんどみられなかった。また、従来の分子ポンプの構成では、その他の気体に対するコンダクタンス減少の影響が大きく、逆にその他の気体に対する排気性能を低下させることが問題である。
【００１５】
しかし、ステータの一部に極低温の冷却面を形成することとした本発明の分子ポンプによれば、真空処理装置４側に接続している吸入口から進入した気体分子に直接作用してその温度を低下させ、熱運動速度を減少させることができるので、従来の分子ポンプの構成のように、いったん熱運動速度を減少させた気体分子が再びエネルギーを受けてしまう割合が非常に少ない。また水以外の他の気体に対するコンダクタンス影響も全くない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照して本発明を説明すると、本発明の分子ポンプは、吸気口２と排気口３を有するポンプ容器１内に回転自在に配置された動翼を有するロータ１４と、当該動翼の間に配置される固定翼を有するステータとからなり、ロータ１４を回転させることで気体分子を排気する方式の分子ポンプにおいて、ステータの一部に極低温の冷却面が形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
前記において、分子ポンプの構造は、吸気口２側が動翼としてのターボ翼１１、排気口３側がロータ１４のネジ溝形状部分という構成になっている複合型の分子ポンプ又は、ターボ翼だけで構成されるターボ型の分子ポンプのいずれかとすることができる。いずれの構造を採用しても、水に対する排気性能を改善できると共に、真空処理装置４側に接続している吸入口から進入した気体分子に直接作用してその温度を低下させ、熱運動速度を減少させることによって水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する分子ポンプの排気効率を大幅に改善させる事ができ、その一方、水以外の他の気体に対するコンダクタンスの影響による排気性能の低下という問題を生じさせることはない。
【００１８】
前記の分子ポンプにおいて、ステータのどの部分、またステータのいかなる範囲に極低温の冷却面を形成するか、すなわち冷却するステータの段数をどの程度にするかは、分子ポンプに必要とされる排気性能や使用する冷凍機の冷凍能力などのバランスを考慮して任意に決めることができる。ただし、真空処理装置４側に接続している吸入口から進入した気体分子に直接作用してその温度を低下させ、熱運動速度を減少させるために、分子ポンプの吸気口２側に近い領域にステータの極低温の冷却面を形成しておくことが望ましい。
【００１９】
例えば、前記の分子ポンプにおいて、ステータの極低温の冷却面を、ロータの分子ポンプ吸気口側の位置よりも分子ポンプの吸気口側方向に延長して形成しておくこともできる。この構造にすれば、前記の水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能の改善効果に加えて、分子ポンプの吸気口側での水に対する排気性能を更に大きく向上させることが可能になる。
【００２０】
前記の分子ポンプにおいて、極低温の冷却面は、１段式のヘリウム冷凍機を用いて形成することができる。
【００２１】
ここで、１段式のヘリウム冷凍機として、パルスチューブ冷凍機を用いれば、形状をコンパクトに構成できるため、分子ポンプの側面から取付けることが非常に容易になり、また冷凍機部分に可動部分を持たないため、メンテナンスをほとんど行わなくてもよく、産業的な実施面でのメリットが大きくなる。
【００２２】
前記の分子ポンプにおいて、分子ポンプ容器内でステータの極低温の冷却面が形成されている部分と、分子ポンプ容器内でステータの極低温の冷却面が形成されていない部分との間に断熱シールリングを介挿することもできる。このようにすれば、断熱シールリングを介挿する位置を任意に変更することにより、分子ポンプに必要とされる排気性能や使用する冷凍機の冷凍能力などのバランスに考慮して、適切な範囲でステータの極低温の冷却面を形成することができる。また、このようにすれば、ステータの極低温の冷却面が形成されている部分の分子ポンプ容器内を吸気口側だけに真空的に連結させることができるので、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体が分子ポンプの吸気口側に逆拡散することを防止でき、これらの気体に対する排気性能を一層、改善させることができる。
【００２３】
【実施例】
以下に、本発明の実施形態を添付図に基づいて説明する。なお、本発明の実施形態を説明する図１乃至図４において、従来の分子ポンプの構成を図示した図５、図６に採用されている構成部品と同一のものについては、図１乃至図６において共通する符号を用いている。
【００２４】
図１に図示した本発明に基づく分子ポンプは、吸気口２と排気口３を有するポンプ容器１内に回転自在に配置された動翼を有するロータ１４と、動翼の間に配置される固定翼を有するステータとからなり、回転駆動用モータのシャフト１２を介してロータ１４を回転させることで気体分子を排気する方式の分子ポンプにおいて、その構造が、吸気口２側に動翼としてのターボ翼１１、排気口３側にロータ１４のネジ溝形状の構成部分１４ａとなっている複合型の分子ポンプの例を現すものである。
【００２５】
本発明の分子ポンプでは、ステータの一部に極低温の冷却面が形成される構成となっており、この図１図示の実施例においては、ターボ翼１１部分のステータに極低温の冷却面が形成されている。
【００２６】
すなわち、ターボ翼１１部分のステータは、固定翼である冷却ステータ翼１３が冷却ステータリング１６、１７ａで支持され、通常のターボ型の分子ポンプのステータ構造と同じ構造に構成された上で、全体が冷凍機２４によって極低温  （約６０Ｋ〜１２３Ｋ）に冷却されている。
【００２７】
一方、ロータ１４のネジ溝形状の構成部分１４ａの部分のステータ１５及びポンプ容器１は室温状態にあるため、冷却ステータリング１６、１７ａは、断熱シールリング２１及び上下の断熱材２２、２３ａを用いることで、断熱状態を維持できる構造に組み立てられている。
【００２８】
断熱シールリング２１は真空に密閉された形状となっており、これによって、ステータの極低温の冷却面を形成する冷却ステータ翼１３及び冷却ステータリング１６、１７ａと、ポンプ容器１の間の空間及び冷凍機２４の内側は分子ポンプの吸気口２側だけに連結されて真空に排気する構造となっている。
【００２９】
断熱シールリング２１は、冷却ステータリング１６の断熱のために形成されており、ポンプ容器１との間の隙間を通って水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体が分子ポンプの吸気口２側に逆拡散することを防ぐ役割をはたしている。このような断熱シールリング２１を採用すれば、本発明の分子ポンプによる水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能をより一層改善させることができる。
【００３０】
断熱シールリング２１は、断面形状を拡大して現した図４図示のように、例えば、熱伝導度の小さいステンレス製のシールベローズ２７を適当なサイズに形成し、これを上下でステンレス製の断熱リング２６ａ、２６ｂに溶接又はロー付けで接合することによって、真空にシールされた構造を容易に形成することができる。
【００３１】
なお、断熱材２２が一体のリング形状で真空に密閉構造を取れる形状であれば、シールベローズ２７の部分を省略することも可能である。
【００３２】
また、断熱材２２、２３ａ、２３ｂはセラミックなどで構成し、内周上の数ヶ所に適正配置することで構成される。
【００３３】
なおステータのどの部分にまで極低温の冷却面を形成するか、すなわち冷却するステータの段数をどの程度にするかは、断熱シールリング２１の挿入する位置を変更することにより、任意に設定することができ、分子ポンプに必要とされる排気性能や使用する冷凍機２４の冷凍能力などのバランスを考慮して決めることができる。
【００３４】
また、図１図示の実施例では分子ポンプの基本構造が、吸気口２側に動翼としてのターボ翼１１、排気口３側にロータ１４のネジ溝形状の構成部分１４ａとなっている複合型の分子ポンプを用いて説明したが、ターボ翼１１部分の構造を分子ポンプ全体に延長することで、ロータとステータの基本構造がターボ翼だけで構成されるターボ型の分子ポンプについても、容易にステータの一部に極低温の冷却面が形成されている構成とすることができる。
【００３５】
図２は、ロータ及びステータの基本構造がネジ溝形状だけの構成からなるドラッグ型の分子ポンプにおいて、ステータの一部に極低温の冷却面が形成されている分子ポンプの参考実施例を示した縦断面図である。図１の例と同じように、断熱シールリング２１の挿入する位置を任意に変えることで、ステータの極低温の冷却面の範囲を任意に設定することが可能である。
【００３６】
図３は、図１と同様な複合型の分子ポンプ構造において、ステータの極低温の冷却面を、ロータの分子ポンプ吸気口２側の位置よりも分子ポンプの吸気口２側方向に延長して形成した実施例を示したものである。図１図示の実施例の構成に、上側の冷却ステータリング１８を追加し、図１図示の場合の断熱材２３ａの形状を断熱材２３ｂのように変えることで容易に構成することができる。
【００３７】
図１乃至図３のいずれの構成においても、また図示していないロータとステータの基本構造がターボ翼だけで構成されるターボ型の分子ポンプにおいても、本発明の分子ポンプによれば、ステータの一部に極低温（約６０Ｋ〜１２３Ｋ）の冷却面が形成されているので、分子ポンプで排気する気体に対して何らコンダクタンス低下による影響を及ぼすことなく、その一方、水に対する改善された排気性能を持たせることが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、ステータの一部分に極低温の冷却面を設けた構造をとるため、従来の分子ポンプと冷却パネル（冷却トラップ）とを組み合わせた構造の場合のように冷却パネルによる気体のコンダクタンス低下に伴い水以外の気体に対する排気性能が低下する事もなく、従来の分子ポンプが、本来有する排気性能を最大限に活かした上で、水に対する排気性能をさらに向上させることができ、しかも、水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能は、直接的で効果的な冷却によって改善させることができる。
【００３９】
水素やヘリウムなどの分子量の小さい気体に対する排気性能は、これらの気体が分子ポンプの吸気口側に逆拡散することを防止するための断熱シールリング２１を組み合わせた構造を採用すれば、一層、改善させることができる。
【００４０】
本発明の分子ポンプによれば、１台の分子ポンプ構造の中であらゆる気体に対する排気性能を改善させることができ、産業上、非常に有益な設計構造を有する分子ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  複合型の分子ポンプにおける本発明による分子ポンプの構造を説明する縦断面図。
【図２】  ドラッグ型の分子ポンプにおける本発明による分子ポンプの構造を説明する縦断面図。
【図３】    複合型の分子ポンプにおいて、ステータの冷却面が吸気口側に向って延ばされている本発明による分子ポンプの構造を説明する縦断面図。
【図４】  本発明による分子ポンプにおける断熱シール構造を拡大した縦断面図。
【図５】  従来技術による分子ポンプと冷却トラップの組合せ例を示す縦断面図。
【図６】  従来技術による分子ポンプで、ポンプ容器内部に冷却トラップを配置した例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１    ポンプ容器
２    吸気口
３    排気口
４    真空処理装置
１１  ターボ翼
１３  冷却ステータ翼
１４  ロータ
１５  ステータ
１６、１７ａ、１７ｂ、１８  冷却ステータリング
２１  断熱シールリング
２２、２３ａ、２３ｂ  断熱材
２４  冷凍機
２６ａ、２６ｂ  断熱リング
２７  シールベローズ
【図１】
0004504476.tif 000002
【図２】
0004504476.tif 000003
【図３】
0004504476.tif 000004
【図４】
0004504476.tif 000005
【図５】
0004504476.tif 000006
【図６】
0004504476.tif 000007