(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス分離分野において、物理的性質中の非常に小さい違いがある成分の混合物、特に元素および化合物の同位体を分離のモーメントベースのガス分離工程を提供する。【解決手段】Ｎ個の分離ステージ８０１〜８０９を含む分離ガス混合物のためのシステムで、個々のステージは、ハウジング、入り口および出口終端があるターボ分子ポンプアセンブリ、入り口終端に隣接し、入り口ポートおよび第１の出口ポートがある第１のチャンバー、出口終端に隣接し、第２の出口ポートがある第２のチャンバーがあり、分離ステージｎの入り口ポートは、隣接するステージｎ＋１の第１の出口ポートに接続されており、ステージｎの第２の出口ポートは、ステージｎ＋１の入り口ポートに接続され、ステージｎが１の第１のチャンバーおよびステージｎ＝Ｎの第２のチャンバーは、それぞれ第１のおよび第２の生産物出口から分離ガスを採取できる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含むガス混合物の分離のためのシステム：
（ａ）複数の分離ステージ（個々のステージを参照番号ｎによって示し、ｎは１とＮを含む１〜Ｎの値である整数であり、そしてＮはステージの全数である）で、個々のステージが以下を含む、
（ａ１）ハウジング；
（ａ２）該ハウジング内に配置され、そして入り口終端および出口終端があるターボ分子ポンプアセンブリ；
（ａ３）該ターボ分子ポンプの入り口終端に隣接し、そして入り口ポートおよび第１の出口ポートがある該ハウジング内の第１のチャンバー；および、
（ａ４）該ターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接し、そして第２の出口ポートがある該ハウジング内の第２のチャンバー；
（ｂ）隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路；
（ｃ）該分離ステージｎ＋１の入り口ポートと、分離ステージｎの第２の出口ポートとを接続する通路；
（ｄ）参照番号がｎ（ここで、供給ステージの参照番号ｎは、１とＮを含む１〜Ｎの値である整数）であり、そして供給ステージとして定義されるいずれかの分離ステージの入り口ポートとフロー連通する供給通路；
（ｅ）参照番号ｎが１である分離ステージの第１のチャンバーとフロー連通する第１の生産物回収通路；および、
（ｆ）参照番号ｎがＮである分離ステージの第２のチャンバーとフロー連通する第２の生産物回収通路。
【請求項２】
以下を含む請求項１のシステム：
（ａ５）隣接する分離ステージｎ−１の第２の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路；および、
（ａ６）隣接する分離ステージｎ−１の入り口ポートと、分離ステージｎの第１の出口ポートとを接続する通路。
【請求項３】
供給ステージの参照番号ｎが２である請求項１のシステム。
【請求項４】
供給ステージの参照番号ｎがＮである請求項１のシステム。
【請求項５】
供給ステージの参照番号ｎが２を超え且つＮ未満である請求項２のシステム。
【請求項６】
隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路内に設置されるブースターポンプを含み、該ブースターポンプが、隣接する分離ステージｎ＋１からステージｎへのガスの移送に適合する請求項１のシステム。
【請求項７】
当該ブースターポンプと、分離ステージｎの入り口ポートとの間の通路に設置されるフローコントロールデバイスを含む請求項６のシステム。
【請求項８】
当該供給通路が、供給ステージの入り口ポートと、フローコントロールデバイスの出口との間の通路とフロー連通する請求項７のシステム。
【請求項９】
当該フローコントロールデバイスが、スロットルバルブおよびフロー制限オリフィスからなる群から選択される請求項７のシステム。
【請求項１０】
第１の生産物回収通路内に設置され、そして分離ステージｎが１のチャンバーからの生産物ガスを回収するために適合された生産物回収ポンプを含む請求項２のシステム。
【請求項１１】
第２の生産物回収通路内に設置され、そして分離ステージｎがＮの第２のチャンバーから生産物ガスを回収するために適合された生産物回収ポンプを含む請求項２のシステム。
【請求項１２】
隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路内に設置されるフローコントロールデバイスを含む請求項１のシステム。
【請求項１３】
当該フローコントロールデバイスが、スロットルバルブおよびフロー制限オリフィスからなる群から選択される請求項１２のシステム。
【請求項１４】
分離ステージｎ＋１の入り口ポートと、分離ステージｎの第２の出口ポートとを接続する通路内に設置されるフローコントロールデバイスを含む請求項１のシステム。
【請求項１５】
当該フローコントロールデバイスが、スロットルバルブおよびフロー制限オリフィスからなる群から選択される請求項１４のシステム。
【請求項１６】
以下を含むガス混合物の分離のためのデバイス
（ａ）軸を有する円筒形ハウジング；
（ｂ）該ハウジング内に配置され、そして入り口終端および出口終端があるターボ分子ポンプアセンブリ；
（ｃ）ターボ分子ポンプアセンブリの入り口終端に隣接する該ハウジング内の第１のチャンバー、該チャンバーは、ターボ分子ポンプアセンブリの入り口終端に供給ガスを送達するために、該ポンプアセンブリの軸上または軸に隣接して適合された供給ガスの入り口、および供給ガスの入り口から離間し第１のガス生産物の回収に適合した第１の出口ポートを有する；および、
（ｄ）ターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接し、第２のガス生産物の回収に適合した第２の出口ポートがある該ハウジング内の第２のチャンバー。
【請求項１７】
第１のチャンバー内に配置され、そしてターボ分子ポンプアセンブリの軸に直交する平面内に位置するガス分配バッフルを含み、該バッフルの１つの側が供給ガスの入り口終端でターボ分子ポンプアセンブリのローターに隣接する、請求項１６のデバイス。
【請求項１８】
供給ガスの入り口が、ターボ分子ポンプアセンブリの軸上または軸に隣接してガス分配バッフルを通過する供給ガスの入り口管を含む請求項１７のデバイス。
【請求項１９】
ターボ分子ポンプアセンブリに向き合った側上のガス分配バッフルに取り付けられている複数のフローガイドフィンを含み、該フローガイドフィンが、ガス分配バッフルと伴に供給ガス管の交差点から放射状に外側へ伸びる請求項１８のデバイス。
【請求項２０】
以下を含むガス混合物の分離のための方法：
（ａ）第２の成分が第１の成分より大きい分子量である少なくとも第１の成分および第２の成分を含む供給ガス混合物を与える工程；
（ｂ）以下を含むガス分離システムを与える工程
（ｂ１）参照番号ｎ（ｎは１とＮを含む１〜Ｎの値である整数であり、そしてＮはステージの全数である）によって示される個々のステージである複数の分離ステージであって、個々のステージが以下を含む：
ハウジング、
該ハウジング内に配置され、そして入り口終端および出口終端があるターボ分子ポンプアセンブリ、
ターボ分子ポンプアセンブリの入り口終端に隣接し、そして入り口ポートおよび第１の出口ポートがある該ハウジング内の第１のチャンバー、および
該ターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接し、そして第２の出口ポートがある該ハウジング内の第２のチャンバー；
（ｂ２）隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路；
（ｂ３）該分離ステージｎ＋１の入り口ポートと、分離ステージｎの第２の出口ポートとを接続する通路；
（ｂ４）参照番号がｎ（ここで、供給ステージの参照番号ｎは、１とＮを含む１〜Ｎの値である整数）であり、そして供給ステージとして定義されるいずれかの分離ステージの入り口ポートとフロー連通する供給通路。
（ｂ５）分離ステージｎが１の第１のチャンバーとフロー連通する第１の生産物回収通路；および、
（ｂ６）分離ステージｎがＮの第２のチャンバーとフロー連通する第２の生産物回収通路。
（ｃ）当該供給通路へ供給ガス混合物を導入し、そして複数の分離ステージ内のガスを分離する工程；
（ｄ）第１の成分を富化した第１の生産物ガスを、第１の生産物回収通路を経由して回収する工程；および、
（ｅ）第２の成分に富化した第２の生産物ガスを、第２の生産物回収通路を経由して回収する工程。
【請求項２１】
前記供給ガス混合物が、２８ＳｉＨ４、２９ＳｉＨ４、および３０ＳｉＨ４を含む請求項２０の方法。
【請求項２２】
前記供給ガス混合物が、２８ＳｉＦ４、２９ＳｉＦ４、および３０ＳｉＦ４を含む請求項２０の方法。
【請求項２３】
前記供給ガスが、酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、およびキセノンからなる群から選択される２種または３種以上の成分を含む請求項２０の方法。
【請求項２４】
前記供給ガスが、水素、重水素およびトリチウムからなる群から選択される２種または３種以上の成分を含む請求項２０の方法。
【請求項２５】
前記供給ガスが、ヘリウム、水素、重水素およびトリチウムからなる群から選択される２種または３種以上の成分を含む請求項２０の方法。
【請求項２６】
いずれかの分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力が、約１０−５トール〜約１０−１０トールである請求項２０の方法。
【請求項２７】
いずれかの分離ステージの第２のチャンバー中のガス圧力が、約１０−２トール〜約１０トールの間である請求項２０の方法。
【請求項２８】
参照番号がｎである分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力が、参照番号がｎ＋１である隣接する分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力未満である請求項２０の方法。
【請求項２９】
２〜１０のファクターで、参照番号がｎである分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力が、参照番号がｎ＋１である分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力未満である請求項２８の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ガス混合物の分離のための工程は、成分間の分離を達成するために、成分の物理的および化学的性質中の違いを利用する。ガス混合物の広範な範囲は、以下を含むガス分離技術において開発された工程によって分離可能である：例えば、蒸留、化学的蒸留、吸着、吸収、膜を通した拡散、熱拡散、遠心分離、電磁気分離、ノズル分離、サイクロ（登録商標）ン、分子ドラグタイプポンプ、化学的交換反応、イオン交換工程、光化学的分離、電気分解、エレクトロマイグレーション、および真空アーク分離。
【背景技術】
【０００２】
多くのガス分離工程では、選択される成分性質中の違いは、妥当な装置サイズおよび資本コストの分離システムの設計を可能にするのに充分である。いくつかの分離では、しかし、成分の物理的および化学的性質が非常に近いため、例えば、元素または化合物の同位体の分離は、同位体の物理的および化学的性質中の違いが非常に小さいため、所望の分離が困難であり、結果として大きく、複雑で、コストのかかる分離装置となる。
【０００３】
ガス分離工程の１つのクラスは、分離される成分の分子量中の違いに基づいている。このクラスの工程において、流速勾配およびフロー方向における変化がガス混合物に与えられ、そしてこれが個々のガス分子のモーメントおよび速度中の違いを起こす。これらの違いが、そこで分離を達成するために使用される。そうしたモーメントベースの工程は、例えば、ガス遠心分離、ノズル分離、およびサイクロ（登録商標）ン分離を含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガス分離分野において、物理的性質中の非常に小さい違いがある成分の混合物、特に元素および化合物の同位体を分離するために使用可能である改善されたモーメントベースのガス分離工程へのニーズがある、このニーズは、請求項に記載し、そして定義される発明の態様で対応する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の１つの態様は、以下を含むガス混合物の分離のためのシステムに関する：
（ａ）複数の分離ステージ（個々のステージを参照番号ｎによって示し、ｎは１とＮを含む１〜Ｎの値である整数であり、そしてＮはステージの全数である）で、個々のステージが以下を含む、ハウジング；該ハウジング内に配置され、そして入り口終端および出口終端があるターボ分子ポンプアセンブリ；該ターボ分子ポンプの入り口終端に隣接し、そして入り口ポートおよび第１の出口ポートがある該ハウジング内の第１のチャンバー；および該ターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接し、そして第２の出口ポートがある該ハウジング内の第２のチャンバー；
（ｂ）隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路；
（ｃ）該分離ステージｎ＋１の入り口ポートと、分離ステージｎの第２の出口ポートとを接続する通路；
（ｄ）参照番号がｎであり、供給ステージとして定義されるいずれかの分離ステージの入り口ポートとフロー連通（ｉｎ ｆｌｏｗ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ)する当該供給通路、ここで、供給ステージの参照番号ｎは１とＮを含む１〜Ｎの値である整数であり；
（ｅ）参照番号ｎが１である分離ステージの第１のチャンバーとフロー連通する第１の生産物回収通路；および、
（ｆ）参照番号ｎがＮである分離ステージの第２のチャンバーとフロー連通する第２の生産物回収通路。
【０００６】
該システムは、さらに隣接する分離ステージｎ−１の第２の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路および隣接する分離ステージｎ−１の入り口ポートと、分離ステージｎの第１の出口ポートとを接続する通路を含んでもよい。
【０００７】
本態様の一態様においては、供給ステージの参照番号ｎが２であり、別の態様では、供給ステージの参照番号ｎがＮである。あるいは、供給ステージの参照番号ｎは、２を超え且つＮ未満でもよい。
【０００８】
このシステムは、隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路内に設置されるブースターポンプを含んでもよく、ブースターポンプが、隣接する分離ステージｎ＋１からステージｎへのガスの移送に適合する。フローコントロールデバイスは、当該ブースターポンプと、分離ステージｎの入り口ポートとの間の通路に設置されてもよい。当該供給通路は、供給ステージの入り口ポートと、当該フローコントロールデバイスの出口との間の通路とフロー連通してもよい。当該フローコントロールデバイスは、スロットルバルブ、またはフロー制限オリフィスでもよい。
【０００９】
このシステムは、第１の生産物回収通路内に設置され、そして分離ステージｎが１のチャンバーからの生産物ガスを回収するために適合された生産物回収ポンプを含んでもよい。このシステムは、第２の生産物回収通路内に設置され、そして分離ステージｎがＮの第２のチャンバーから生産物ガスを回収するために適合された生産物回収ポンプを含んでもよい。
【００１０】
このシステムは、隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路内に設置されるフローコントロールデバイスを含んでもよく；このフローコントロールデバイスは、スロットルバルブまたはフロー制限オリフィスであってもよい。
【００１１】
システムは、分離ステージｎ＋１の入り口ポートと、分離ステージｎの第２の出口ポートとを接続する通路内に設置されるフローコントロールデバイスを接続する通路内に構成されてもよく；このフローコントロールデバイスは、スロットルバルブ、またはフロー制限オリフィスであってもよい。
【００１２】
本発明の別の態様は、以下を含む混合物の分離のためのデバイスを含む：軸を有する円筒形ハウジング；該ハウジング内に配置され、そして入り口終端および出口終端があるターボ分子ポンプアセンブリ；ターボ分子ポンプアセンブリの入り口の終端に隣接する該ハウジング内の第１のチャンバー、該チャンバーは、ターボ分子ポンプアセンブリの入り口終端に供給ガスを送達するために、該ポンプアセンブリの軸上または軸に隣接して適合された供給ガスの入り口、および供給ガスの入り口から離間し第１のガス生産物の回収に適合した第１の出口ポートを有する；およびターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接し、第２のガス生産物の回収に適合された第２の出口ポートがある該ハウジング内の第２のチャンバー。
【００１３】
デバイスは、第１の第１のチャンバー内に配置され、そしてターボ分子ポンプアセンブリの軸に直交する平面内に位置するガス分配バッフルを含んでもよく、該バッフルの１つの側が、供給ガスの入り口終端でターボ分子ポンプアセンブリのローターに隣接する。供給ガスの入り口は、ターボ分子ポンプアセンブリの軸上または軸に隣接してガス分配バッフルを通過する供給ガスの入り口管を含んでもよい。デバイスは、ターボ分子ポンプアセンブリに向き合った側の上のガス分配バッフルに取り付けられている複数のフローガイドフィンを含んでもよい、ここでフローガイドフィンは、ガス分配バッフルと伴に供給ガス管の交差から、放射状に外側へ伸びる。
【００１４】
ほかの態様は、以下を含むガス混合物の分離のための方法に関する：
（ａ）第２の成分が第１の成分より大きい分子量がある少なくとも第１の成分および第２の成分を含む供給ガス混合物を与える工程；
（ｂ）以下を含むガス分離システムを与える工程（ｂ１）参照番号ｎ（ｎは１とＮを含む１〜Ｎの値である整数であり、そしてＮはステージの全数である）によって示される個々のステージである複数の分離ステージであって、個々のステージが以下を含む：
ハウジング、
該ハウジング内に配置され、そして入り口終端および出口終端があるターボ分子ポンプアセンブリ、ターボ分子ポンプアセンブリの入り口終端に隣接し、そして入り口ポートおよび第１の出口ポートがある該ハウジング内の第１のチャンバー、および該ターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接し、そして第２の出口ポートがある該ハウジング内の第２のチャンバー；
（ｂ２）隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路；
（ｂ３）該分離ステージｎ＋１の入り口ポートと、分離ステージｎの第２の出口ポートとを接続する通路；
（ｂ４）参照番号がｎ（ここで、供給ステージの参照番号ｎは、１とＮを含む１〜Ｎの値である整数）であり、そして供給ステージとして定義されるいずれかの分離ステージの入り口ポートとフロー連通する供給通路。
（ｂ５）分離ステージｎが１の第１のチャンバーとフロー連通する第１の生産物回収通路；および、
（ｂ６）分離ステージｎがＮの第２のチャンバーとフロー連通する第２の生産物回収通路。
（ｃ）当該供給通路へ供給ガス混合物を導入し、そして複数の分離ステージ内のガスを分離する工程；
（ｄ）第１の成分に富化した第１の生産物ガスを第１の生産物回収通路を経由して回収する工程；および、
（ｅ）第２の成分に富化した第２の生産物ガスを、第２の生産物回収通路を経由して回収する工程。
【００１５】
供給ガス混合物は２８ＳｉＨ４、２９ＳｉＨ４、および３０ＳｉＨ４を含んでもよく、またはＳｉＦ４、２９ＳｉＦ４、および３０ＳｉＦ４を含んでもよい。あるいは、供給ガスは、酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、およびキセノンからなる群から選択される２種または３種以上の成分を含んでもよい。別のほかの供給ガスは、水素、重水素およびトリチウムからなる群から選択される２種または３種以上の成分を含んでもよい。また別の供給ガスは、ヘリウム、水素、重水素およびトリチウムからなる群から選択される２種または３種以上の成分を含んでもよい。
【００１６】
いずれかの分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力は、約１０−５トール〜約１０−１０トールの間であってもよい。いずれかの分離ステージの第２のチャンバー中のガス圧力は、約１０−２トール〜約１０トールの間であってもよい。
【００１７】
参照番号がｎである分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力は、参照番号がｎ＋１である隣接する分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力未満であってもよい。ファクターが２〜１０であり参照番号がｎである分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力は、参照番号がｎ＋１である分離ステージの第１のチャンバー中のガス圧力未満であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の態様は、成分の分子量の違いに基づいた、ガス混合物の種々のタイプの分離のためのコスト効果的な方法を与える。本発明の態様は、例えば２８ＳｉＨ４、２９ＳｉＨ４、および３０ＳｉＨ４の混合物の分離において、ガス状２８ＳｉＨ４の同位体冨化に適用可能であり、または２８ＳｉＦ４、２９ＳｉＦ４、および３０ＳｉＦ４の混合物において、同位体２８ＳｉＦ４に富化した生産物を与える。別の態様では、該方法は、酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、およびキセノンからなる群から選択される２種または３種以上の成分を含むガス混合物を分離するために使用される。別の代表的な適用では、例えば、Ｎ２から微量炭化水素の除去、またはＣＦ４からの微量Ｃ２Ｆ６の除去等、微量不純物はバルク生産物から除去可能である。
【００１９】
２８ＳｉＨ４等の同位体富化シリコン前駆体は、同位体富化シリコン層の製造のために、半導体産業では有用である、それによって層に増加した熱伝導性を与える。そうした層は、デバイスの運転温度を減少させることが見出され、そしてそれによってさらに信頼性のあるマイクロエレクトロニクスデバイスを形成する。商業的に有用な同位体冨化の別の例は、水素（Ｈ２）、トリチウム（Ｔ２）、およびそれらの化合物（例えばＨＤ）から重水素（Ｄ２）の分離、または重水素化シラン（ＳＤ４）等のヘリウム、水素、重水素およびトリチウムの形成である。重水素および重水素化化合物の混合物は、Ｓｉ−Ｄ結合を形成するための垂下するシリコン表面の結合の不動態化のためには有用である。そうした結合は、従来のＳｉ−Ｈ表面結合よりさらに信頼性のあるマイクロエレクトロニクスデバイスを形成するために見出されてきた。
【００２０】
ガス状の元素または化合物の同位体混合物の冨化は、同位体のほとんど同一の熱物理的および化学的性質によって困難である。同位体の混合物の分離のために使用されるガス遠心分離機または蒸留カラムのステージ分離ファクターは、通常低く、多数ののステージが同位体の冨化を有効にするために必要である。これらの工程は、また高額な資本および運転コストが掛かり、そして専門の装置が所望の分離を有効にするために必要である。新しく富化したガス状の同位体生産物の評価は、技術的および商業上可能性を決定するために、１ｋｇ未満の材料を必要とする可能性がある。新しい同位体生産物の小さい新興市場は、大きいスケール生産に必要な高い価格を正当化できない可能性がある。例えば、化学的強化蒸留を使用したＳｉＦ４等のガス状の化合物の同位体冨化は、所望の程度のＳｉＦ４同位体冨化を達成するために、数百フィート高のカラムで数百万ドルの投資を必要とする可能性がある。
【００２１】
本発明の態様は、比較的低コストて、商業的に有用な装置を使用して、ガス状の同位体混合物およびほかの分離が困難なガス混合物の分離に適した工程を与える。工程は、物理的に小さく且つ経済的なスケールで実施するため実用的であり、これは生産物が、高い単位コストで小さいボリュームの専門生産物として販売される場合、重要である。成長するマーケットボリュームに見合うために増産が必要な場合は、工程ではまた装置キャパシティーのスケールアップの準備が可能である。小さい初期スケールで且つ低い初期の資本投資を実現するために、工程は所望の冨化を達成するために、比較的少ないステージ数を使用する。
【００２２】
本発明の態様は、特別に適合されたターボ分子ポンプアセンブリがある複数の分離デバイスを利用して大量の異種のガス混合物を分離するために、段階的な工程を利用する。ターボ分子ポンプアセンブリは、本願では、個々のローターが２つの固定されたステーター間で回転する高速回転の複数のローターがあるタイプのタービンポンプとして定義される。下記のいくつかの態様、同軸のローターの束中のエンドローターは、隣接する単一のステーターを回転する。ローターは、通常傾いたタービンタイプブレードまたは斜めのチャネルがあり、ステーターは、通常ローターブレードの反対方向に傾いたブレードまたは斜めのチャネルである。ローターおよびステーターブレードは、ポンプ入り口からポンプ出口へ、所与のガス分子の伝送の可能性を最大化することを意図した角度で、傾いている。ターボ分子ポンプアセンブリは、下に詳細に記載するように、複数の入り口および出口ポートがあるハウジング中に設置される。ターボ分子ポンプは、入り口および出口があるハウジング中のターボ分子ポンプアセンブリがある商業的に有用なデバイスとして定義されており、該ターボ分子ポンプは、１０−１０トールもの超低圧を達成するために使用される高効率真空ポンプとして、設計され運転される。
【００２３】
ステージまたは分離ステージは、少なくとも１つの入り口および少なくとも２つの出口があするガス分離デバイスとして定義されており、異なる分子量の少なくとも２つの成分である該ガス混合物は、入り口を通ってデバイスへ導入される、より低い分子量成分の１つに富化したより軽いガス流は、第１の出口を通って回収され、そしてより高い分子量成分の１つに富化したより重いガス流は、第２の出口を通って回収される。分離ステージは、下記のように、連続して使用されてもよく、ここで、該第１のステージからのより重いガス流は、隣接する第２のステージの入り口に導入され、そして第２のステージからより軽いガス流は、第１のステージの入り口に導入される。
【００２４】
第１のおよび第２の領域に適用される“フロー連通する”の語は、該ガスが第１の領域から第２の領域へ接続したパイピングおよび／又は中間領域を通って流れることが出来ることを意味する。第１のおよび第２の領域に適用される“へ接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｔｏ）”の語は、該ガスが第１の領域から第２の領域へ接続するパイピングを通って、流れることができることを意味する。
【００２５】
本願中で使用される不定冠詞“ａ”および“ａｎ”は、明細書および請求項中に記載された本発明の態様中のなんらかの特性に適用されたときは、１または２以上を意味する。“ａ”および“ａｎ”の使用はそうした制限が具体的に記載されなければ、単一の特性の意味に限定しない。定冠詞“ｔｈｅ”先行する単数のまたは複数の名詞または名詞句は、特別な特性または特殊な特性を意味し、それが使用される内容によって単数のまたは複数の暗示的意味である可能性がある。形容詞“ａｎｙ”は、質に関係なく、１つ、いくつか、または全てを意味する。第１の実体と第２の実体との間に配置される“および／又は”の語は、（１）第１の実体、（２）第２の実体、および（３）第１の実体および第２の実体の１つを意味する。
【００２６】
ターボ分子ポンプアセンブリ中のガス分子は、回転するローターと衝突し、そしてローターの機械的エネルギーが、ガス分子に移され、それによって所望の方向に分子モーメントを与える。衝突は、通常より軽い分子よりもより重い分子に、より大きいモーメントを与え、このモーメントの違いは、ターボ分子ポンプアセンブリの入り口から出口への、より重い分子の選択的な移動を促進する。ターボ分子ポンプアセンブリの様々なタイプは、当技術分野で公知であり、アルカテル（Ａｌｃａｔｅｌ  （アディクセン：Ａｄｉｘｅｎ））社、ファイファーへリックステクノロジー（Ｐｆｉｅｉｆｆｅｒ  Ｈｅｌｉｘ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、およびカートＪレスカー（Ｋｕｒｔ  Ｊ．Ｌｅｓｋｅｒ）社等の製造メーカーによって販売される商業的に入手可能なターボ分子ポンプが使用される。
【００２７】
ターボ分子ポンプは、通常１０−３〜１０−１２トールの圧力範囲で運転され、そして超高真空のレベルを生成するための真空のポンプとして利用される。ターボ分子ポンプの出口は、通常フォアラインポンプとして記載される従来の真空のポンプに接続される。個々のタイプのターボ分子ポンプは、ポンプで引かれるガスに依存する特徴的な圧縮比ＣＲを有する。２つの商業的に入手可能なターボ分子ポンプの典型的なＣＲ値が、図１および２与えられており、ＣＲは、個々のガスのための低い運転圧力で、最大値に増加することを示す。この最大のＣＲ値は、ガスをゼロフローで圧縮するポンプ能力の尺度であり、そしてゼロのガスフローでの入り口圧力に対する出口圧力の割合として定義される。これは、例えば真空掃除機ホースの入り口（吸引）終端を閉じることと等しく、ホースの閉じた入り口終端で測定される圧力に対する出口圧力（１気圧）の割合を決定する。
【００２８】
水素分子は軽く回転ブレードより早く移動できるため、水素は図１および２中に具体的に示すように、全てのガスの中でもっとも低い圧縮比である。熱平衡したコンテナ中のガスの混合物では、何らかの種の分子速度の二乗平均平方根ｖｒｍｓは、（式１）によって与えられる。
Ｖｒｍｓ＝（３ＲＴ／ＭＷ）１／２         （式１）
ここでＭＷは分子の分子量であり、Ｒは、一般ガス定数であり、そしてＴは、ガスの絶対温度である。したがって、軽いガスはより重くより遅い分子が拡散できるよりも、ターボ分子ポンプ中でポンプフォアライン（すなわち、ポンプ出口）からポンプ入り口へ、より容易に拡散可能である。これは、ブレードに当たることなくタービンローターを通って“逆流”する、より軽いガスのフラクションが、より軽いガス分子のより速い熱運動速度のために、より重いガスのフラクションより高いことを意味する。
【００２９】
分離デバイス中のターボ分子ポンプアセンブリの圧縮比は、ポンプで引かれるチャンバー（すなわち、入り口）中のいずれかの特定のガス成分の部分的な圧力ｐを直接的に決定する。より軽いガスは、したがってより重いガスより、ポンプで引かれるチャンバー中でより高い部分圧であり、そして該ガスは、ポンプで引かれるチャンバー（すなわち、ポンプ入り口）中で、より軽い種に富んでいる。より重い成分は、より軽い成分よりポンプ出口でより高い部分圧であり、そしてガスはポンプ吐出においてより重い種に富んでいる。
【００３０】
低圧（すなわち、約１０−２トールより下）では、ガス混合物中の所与のガスのＣＲ値は、ほかの存在するガス種とほぼ独立しており、該ガス混合物は、理想的なガスフローに、ほぼ従うと考えてもよい。２つの成分ガス混合物のためのターボ分子ポンプアセンブリを使用した分離デバイスの基本分離ファクターｑ０は、式２によって定義することが出来る。
ｑ０〜ＣＲ１／ＣＲ２（式２）
ここで、下付き文字１および２は、混合物中の２つの種を意味する。
【００３１】
文献から取られた種々のガスの最大ＣＲの値およびターボ分子ポンプの設計が表１に列挙されており、図３中のＭＷに対してプロットされる。プロットされる値の最小二乗回帰の当てはめは、以下の経験に基づいた関係を与える：
ＣＲ＝６８．７（ＭＷ）４．８３                  （式３）
関数を当てはめたｒ２乗の値は、０．９８０である。上の式は、個々のガスの分子量値だけを使用するいかなる二成分ガス混合物のための基本分離ファクターを予測するために使用可能である。
【００３２】
【表１】
2007296517.tif 000003
【００３３】
（式３）を（式２）に代入することによって、ターボ分子ポンプアセンブリ使用する分離デバイス中の種１および２の分離ファクターのための以下の経験式が得られる：
ｑ０〜（ＭＷ１／ＭＷ２）４．８３         （式４）
これは、（式５で）与えられる十分に既知のガス状拡散工程のための分離ファクターと比較されてもよい。
ｑ０〜（ＭＷ１／ＭＷ２）１／２          （式５）
ターボ分子ポンプアセンブリ使用する分離デバイスのための分離は、ガス状拡散工程のそれよりはっきりと高いように見える。
【００３４】
本発明の一実施態様では、ターボ分子ポンプアセンブリ使用する分離デバイスは、ステージを形成するために、平行に配置されてもよい。ステージは、下に記載されたように逆流カスケードを形成するように、連続して配置されてもよい。適用されるパラメーターに応じて、ほかの平行なおよび連続したポンプ配置が使用可能である。生産物および供給フローＲｐおよびＲｏをそれぞれ豊富にするために必要なステージ数Ｓは、式６によって与えられる。
Ｓ＋１〜ｌｎ（ＲＰ／ＲＯ）／ｌｎ（ｑ０）                 （式６）
ここで、Ｒはモル比、重量比、モル％、または重量％の単位で表されることが可能である。
【００３５】
ターボ分子ポンプは、本発明の態様に従ったガス混合物分離デバイスとして運転するために、改良可能である。１つのそうした改良が、例示態様を示すために、図４に具体的に示される。ガス混合物分離デバイス４０１は、一般的に軸４０５がある円筒型のハウジング４０３を含み、ここで該ハウジングは、ターボ分子ポンプアセンブリ４０７を囲む。分離デバイス４０１は、ターボ分子ポンプアセンブリの入り口終端に隣接するハウジングの上端に第１のチャンバー４０９およびターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接するハウジングの下端に第２のチャンバー４１１を含む。
【００３６】
第１のチャンバー４０９は、ターボ分子ポンプアセンブリ４０７の入り口終端に接触する第１のチャンバーに、供給ガス混合物４５０を移送するのに適合した供給ガスの入り口４１３および第１のチャンバーから第１のガス生産物４４９を回収するのに適合した第１の出口ポート４１５を含む。第１のチャンバー４０９中の供給ガスの入り口４１３および第１の出口ポート４１５は、他の場所が可能であり、供給ガスの入り口４１３は、なんらかの所望の配列で、第１の出口ポート４１５から離間していてもよい。ターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接するハウジングの下端にある第２のチャンバー４１１は、第２のチャンバー４１１から第２のガス生産物フロー４１８を回収するために適合される第２の出口ポート４１７を含む。第２のチャンバー４１１の外周上に設置されるとして示されるが、第２の出口ポート４１７は、所望のとおりに第２のチャンバー４１１のいかなる部分の上に設置されてもよい。
【００３７】
ターボ分子ポンプアセンブリ４０７は、中心駆動シリンダーまたはシャフト４３１の上に固定的に取り付けられた例示的ローター４１９、４２１、４２３、４２５、４２７、および４２９によってここに示される複数のローターを含む。ローターおよび中心駆動シリンダーは、一般的に軸４０５と同軸である。いかなる数のローターを用いてもよく、ローターの数は、典型的な分離デバイスでは、１〜２０である可能性がある。ローターは、ステーター４３３、４３５、４３７、４３９、４４１、および４４３によって、本願中に具体的に示すように、ハウジングの内側の壁に接続される複数のステーター間に、または隣接して位置する。ステーターの数は、ローターの数に基づいて選択される。本実施例では、等しい数のローターおよびステーターがあり、ローター４１９の上面は、第１のチャンバー４０９に隣接する。
【００３８】
ローターは、例えば、タービンブレードまたはチャネルディスク等のターボ分子ポンプ技術中の既知のいかなるタイプの設計配置を使用してもよい。同様に、ステーターは、例えば、固定されるブレード、チャネルおよび／又は穴あきディスク、または多孔性ディスク等のターボ分子ポンプ技術中の既知のいかなるタイプの設計配置を用いてもよい。あるいは、ローターおよびステーターを、本願中に記載されたガス分離デバイスでの使用のための特定の特性を備えて設計してもよい。
【００３９】
上に定義されるように、ターボ分子ポンプアセンブリは、通常ローターステーターアセンブリ、駆動シャフト、および駆動モーターを含む。ターボ分子ポンプアセンブリは、商業的に入手可能なターボ分子ポンプの一部として与えられてもよく、ここに記載された様に、分離デバイスとしての使用のために改良されてもよい。分離デバイスとしての使用のために改良される可能性のあるターボ分子ポンプの代表的な製造メーカーは、例えば、アルカテル（アディクセン）、ファイファー、へリックステクノロジー、およびカートＪレスカー社を含む。
【００４０】
ローター４１９〜４２９を含むローターアセンブリおよび中心駆動シリンダー４３１は、同軸のシャフト４４７を経由するモーター４４５によって駆動される。典型的な回転速度は、２４、０００ｒｐｍ〜８０、０００ｒｐｍの範囲である。ターボ分子ポンプアセンブリ４０７は、通常示されるような垂直の軸に配列されるが、いかなる方向に配列することも可能である。
【００４１】
ガス混合物分離デバイス４０１の運転では、１０−５〜１０−１０トール間の典型的な圧力にある混合供給ガス流４５０は、より軽い成分に富化した充分に混合されたガスを含む第１のチャンバー４０９を含む供給ガスの入り口４１３を経由して導入される。混合ガスは、接触回転ローター４１９を通って、そして一部分のより重い成分は、上記のようなターボ分子ポンプアセンブリ４０７中のローターステーター配列を通って、優先的に移動する。第１のチャンバー４０９中のより軽い成分に富化した一部分のガス第１の生産物フロー４４９として、第１の出口ポート４１５を経由して回収される。
【００４２】
ターボ分子ポンプアセンブリ４０７中の一連のローターステーターエレメントを通過するガスは、連続的により重い成分に富化し、そしてターボ分子ポンプアセンブリから、第２のチャンバー４１１にこの様に通過するガス混合物は、より重い成分に富化している。より重い成分に富化した第２のガス生産物は、フロー４１８として第２の出口ポート４１７を経由して、そこから回収される。
【００４３】
図４のガス混合物分離デバイス４０１は、図５に示される態様中に示すように、改良してもよい。この改良システムでは、ガス分配バッフル５０１は、示すようにバッフルの中心を通る供給ガスの入り口管５０３を伴う第１のチャンバー４０９内に設置される。ガス分配バッフル５０１は、ターボ分子ポンプアセンブリ４０７の軸４０５に直行する平面にあり、バッフルの１つの側は、ターボ分子ポンプの入り口終端で、ローター４１９の上部表面に隣接する。バッフル５０１は、ローター４１９の上部表面と、入り口管５０３からの供給ガスの接触を高めるように作用し、それによって第１のチャンバー４０９中の分離を改善する。第１のチャンバー４０９中のより軽い成分に富化したガスの部分５０５は、第１の出口ポート４１５を経由して流れ、そして第１の生産物フロー５０９として回収される。
【００４４】
図６のガス分配バッフル５０１は、供給ガスの入り口管５０３に接続される単一のディスク６０１であってもよい。フロー方向デバイスは、第１のチャンバー４０９内でガスフローを所望のパターンに向けるために、ディスク６０１の面に接続されていてもよい。１つのそうした態様が、図７中に示される。ここで、複数のフローガイドフィン７０１が、ターボ分子ポンプアセンブリに対向する側のガス分配バッフルに接続されており、フローガイドフィンが、示すようにガス分配バッフル６０１を伴う供給ガス管５０３の交差点から放射状に外側へ伸びている。この配置は、上部ローター４１９の面上の供給ガス混合物の放射状流を促進し、そしてそれによってローターとのガス接触を高め第１のチャンバー４０９中の分離を増加させる。
【００４５】
図４および５中に示されるガス混合物分離デバイスに、単一のターボ分子ポンプアセンブリを取り囲む単一のハウジングがある一方で、設計フロー速度および圧力割合によって、他の配置が可能である。例えば、ハウジングは、平行に運転する２つのターボ分子ポンプアセンブリを取り囲み、そして共通のシャフトの同軸上に取り付けられ、単一のモーターによって駆動される。別の態様では、個々が別々の駆動システムを持つ２種または３種以上のターボ分子ポンプアセンブリは、個々が別々のハウジングを持ち、単一のハウジング内に平行に配置されてもよい。あるいは、２種または３種以上のターボ分子ポンプアセンブリは、単一の分離デバイスを形成するために、平行に配置されてもよい。ターボ分子ポンプアセンブリのための他の平行且つ連続した配置は、種々の設計要件を満足するために、想定可能である。
【００４６】
上記の複数のガス混合物分離デバイスは、高い分離効率を与えるマルチステージシステムを形成するために、組み立ててもよい。マルチステージ分離システムの例示的態様が図８中に示されており、連続する複数の分離ステージで、参照番号ｎによって示される個々のステージ、参照番号ｎ（ここで、ｎは端を含み、そしてＮはステージの全数である１〜Ｎの値である整数である）によって示される個々のステージを表す。個々のステージは、図４および５を参照して、分離デバイス上記のデバイスのいずれかに類似の分離デバイスを利用してもよい、ここで個々のステージが以下を含む：ハウジング、該ハウジング内に配置され、そして入り口終端および出口終端があるターボ分子ポンプアセンブリ、該ターボ分子ポンプの入り口終端に隣接し、そして入り口ポートおよび第１の出口ポートがある該ハウジング内の第１のチャンバー、および該ターボ分子ポンプアセンブリの出口終端に隣接し、そして第２の出口ポートがある該ハウジング内の第２のチャンバー。あるいは、ステージは、上記のようなターボ分子ポンプアセンブリを使用する他の分離デバイスの態様を含んでもよい。
【００４７】
マルチステージシステムは、隣接する分離ステージｎ＋１の第１の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路および該分離ステージｎ＋１の入り口ポートと、分離ステージｎの第２の出口ポートとを接続する通路を含む。当該供給通路は、参照番号がｎ（ここで供給ステージの参照番号ｎは、１とＮを含む１〜Ｎの値である整数）であり、そして供給ステージとして定義されるいずれかの分離ステージの入り口ポートと、フロー連通が与えられる。どのステージも、供給ステージであることが可能であり、システムには１以上の供給ステージがあることが可能である。第１の生産物回収通路は、参照番号ｎが１である分離ステージの第１のチャンバーフローと連通し、第２の生産物回収通路は、参照番号ｎがＮである分離ステージの第２のチャンバーとフロー連通する。
【００４８】
ある態様では、システムは、また隣接する分離ステージｎ−１の第２の出口ポートと、分離ステージｎの入り口ポートとを接続する通路および隣接する分離ステージｎ−１の入り口ポートと、分離ステージｎの第１の出口ポートとを接続する通路を含む。
【００４９】
図８中に具体的に示す態様を参照すると、５つの分離デバイス８０１、８０３、８０５、８０７、および８０９が、それぞれ汎用ステージ１、ｎ−１、ｎ、ｎ＋１、およびＮとして示される。このシステムでは、汎用ステージ１は、より軽い成分に富化した第１の生産物がライン８１１を経由してターボ分子ブースターポンプ８４１およびフォアラインポンプ８４３によって回収される第１のステージであり、そして汎用ステージＮは、より重い成分に富化した第２の生産物が、ライン８１３およびフォアラインポンプ８１４を経由して、回収される最終ステージである。ステージの数Ｎは、１〜１０００の範囲であってもよい。本態様では、供給ガス混合物は、ほぼ大気圧で、ライン８１５、フィルター８１５ａ、およびフロー制限オリフィス８１５ｂを経由して、システムに導入される。供給は、ライン８１７、フィルター８１７ａ、およびフロー制限オリフィス８１７ｂを経由して汎用ステージｎ−１から回収される中間段階の重いガスのフラクションが、ライン８１９、フィルター８１９ａ、およびフロー制限オリフィス８１９ｂを経由する汎用ステージｎ＋１から回収される中間段階の軽いガスのフラクションと混合される。フロー制限するオリフィス８１５ｂ、８１７ｂ、および８１９ｂは圧力を減少させ、ライン８１５、８１７、および８１９、それぞれからガスのフローをコントロールするために役立つ。フィルター８１５ａ、８１７ａ、および８１９ａは、任意選択的であり、そしてシステム中の浮遊微粒子材料によって可能性のある閉塞から、フロー制限オリフィス８１５ｂ、８１７ｂ、および８１９ｂを保護する。類似のフィルターは、下に記載されており、これらもまた任意選択的であり、そして下向きのフロー制限オリフィスの保護と同じ機能を与える。
【００５０】
ライン８２１中の混合されたガスは、分離デバイス８０５の第１のチャンバー内、すなわち、本態様が、供給ステージとして定義される汎用ステージｎに流れる。分離デバイス８０５の第１のチャンバー中の圧力は、１０−５〜１０−１０トールの範囲である可能性がある。より軽い成分とより重い成分間の分離は、上記の様な分離デバイス８０５内で行われる。より軽い成分に富化した第１のガス生産物（すなわち、中間段階の軽いガスのフラクション）は、ブースターポンプ８２５によってライン８２３を経由して回収され、ライン８２７、任意選択的なフィルター８２７ａ、およびフロー制限オリフィス８２７ｂを経由して流れ、そして前のステージｎ−２（示されていない）からのライン８２９中の第２のガス生産物（すなわち、中間段階の重いガスのフラクション）と混合される。ライン８３１中の混合されたガスは、汎用ステージｎ−１、すなわち、分離デバイス８０３の入り口ポートに入る。ブースターポンプ８２５は、任意選択的であり、そしてステージｎからステージｎ−１へガスを移送するために必要な場合に、圧力の上昇を与える。ブースターポンプ８２５は、分離デバイス８０１、８０３、８０５、８０７、および８０９中で使用されるポンプに類似するターボ分子ポンプアセンブリを利用してもよい。
【００５１】
分離デバイス８０３、すなわち、汎用ステージｎ−１を通ったガスフローは、上記のように分離され、ライン８１７を経由する中間段階の重いガスのフラクションを与え、そしてライン８３３を経由する分離デバイス８０３から流れる第１のガス生産物、またはさらにより軽い成分に富化した中間段階の軽いガスのフラクションは、任意選択的なブースターポンプ（示されていない）を通過する。この軽いガスのフラクションは、汎用ステージｎ−３（示されていない）からのより重い成分に富化した第２のガス生産物と混合され、そして混合されたガスは、汎用ステージｎ−２（示されていない）の入り口ポートに流れる。
【００５２】
運転は、一連のガスフローは、より軽い成分に富化し、そしてより重い成分を減少させた汎用ステージ１または分離デバイス８０１で終了する要求に応じて一連のステージを通して同様に続く。より軽い成分にさらに富化した第１のガスのフラクションは、任意選択的なターボ分子ブースターポンプ８３５を経由するステージ２（示されていない）から回収され、ライン８３７、任意選択的なフィルター８３７ａ、フロー制限オリフィス８３７ｂを通過し、軽いガス生産物のライン８３９中の減少した圧力部分と混合され、そして混合ガスは、汎用ステージ１または分離デバイス８０１の入り口ポートに流れる。分離デバイス８０１を通るガスフローは、上記のように分離され、ライン８１１を経由する汎用ステージ１から軽いガス生産物を与える。このガスは、任意選択的なターボ分子ブースターポンプ８４１を通し、およびフォアポンプ８４３を通して回収され、ライン８４５中に通常大気圧で、または大気圧近辺の軽いガス生産物を与える。この軽いガス生産物は、ライン８４７を通って放出される最終の軽いガス生産物と、軽いガス部分に分離され、該部分ライン８４９、任意選択的なフィルター８４９ａ、およびフロー制限オリフィス８４９ｂを経由して流れ、上記の様な分離デバイス８０１を供給するライン８３９内の減少した圧力軽いガスを与える。中間段階の重いガスのフラクションは、ライン８５１を経由して分離デバイス８０１から回収され、任意選択的なフィルター８５１ａおよびフロー制限オリフィス８５１ｂを通って流れ、そして汎用ステージ２（示されていない）の入り口ポートへ、ライン８５２を経由して流れる。
【００５３】
分離デバイス８０５、すなわち、汎用ステージｎからの重いガスのフラクションは、ライン８５３、任意選択的なフィルター８５３ａ、およびフロー制限オリフィス８５３ｂを経由して放出され、汎用ステージｎ＋２（示されていない）からライン８５５を経由する軽いガスのフラクションと混合され、そしてライン８５７中の該混合ガス流は、分離デバイス８０７、すなわち、汎用ステージｎ＋１の供給ポートに導入される。分離デバイス８０７、すなわち、汎用ステージｎ＋１を通るガスフローは、上記の様に分離され、ライン８５９を経由する中間段階の重いガスのフラクション、およびライン８６１を経由する中間段階の軽いガスのフラクションを与える。該軽いガスのフラクションは、任意選択的なターボ分子ブースターポンプ８６３を通過して、上記のライン８１９を経由する軽いガスのフラクションを与える。ライン８５９を経由する中間段階の重いガスのフラクションは、任意選択的なフィルター８５９ａおよびフロー制限オリフィス８５９ｂを通って、汎用ステージｎ＋２（示されていない）の入り口ポートへ流れる。汎用ステージｎ＋２（示されていない）から軽いガスのフラクションは、任意選択的なターボ分子ブースターポンプ８６５を通って流れライン８６７、任意選択的なフィルター８６７ａを経由して、軽いガスのフラクションを与え、フロー制限オリフィス８６７ｂを流れ、そして上記のライン８５５中の軽いガスのフラクションを与える。
【００５４】
運転は、必要に応じて一連のガスフローがより軽い成分を減少させより重い成分を富化し、そして汎用ステージＮまたは分離デバイス８０９で終了する一連のステージを通じて同様に続く。より重い成分に富化した重いガスのフラクションは、ライン８６９を経由してステージＮ−１（示されていない）から回収され、そして汎用ステージＮの供給ポートへ導入される。分離デバイス８０９を通ったガスフローは、上記の様に分離され、ターボ分子ブースターポンプ（示されていない）へ、そしてステージＮ−１（示されていない）へ流れるライン８７１を経由する軽いガス生産物と中間段階の軽いフラクションを与える。最終の重いガス生産物は、ライン８１３を経由してフォアポンプ８１４によって回収される。
【００５５】
上記のマルチステージシステム中の何れかの分離ステージは、ステージの所望の出口圧力に応じて重い生産物の出口または中間段階の重いフラクション出口とフロー連通するフォアポンプ（示されていない）を含んでもよい。
【００５６】
いずれかの商業的に入手可能なターボ分子ポンプは、上記の態様中のブースターポンプのために使用してもよく、上記の様に、分離デバイス中での使用のために改良されてもよい。代表的なターボ分子ポンプの製造メーカーは、例えば、アルカテル（アディクセン）、ファイファー、へリックステクノロジー、およびカートＪレスカー社を含む。
【００５７】
上記の態様中のターボ分子ブースターポンプの何れかで、ターボ分子ポンプ出口とフロー連通する入り口（吸引）終端があるフォアポンプを使用してもよい。フォアポンプは、真空のシステムの初期の排気および運転ターボ分子ポンプの出口からの連続的なガスの除去を与えるために役立つ。そうしたフォアポンプの例は、ロータリーベインポンプおよびダイアフラムポンプを含む。なんらかの商業的に使用可能であるポンプは、上の態様中で使用されてもよく、代表的なフォアポンプの製造メーカーはバリアン社である。
【００５８】
図８の例示的な段階的なシステムが、図解の目的で、垂直の配置で示されるが、ステージはいずれかの所望の配置で配置可能である。例えば、複数のステージは、生産設備中の必要な床スペースを最小化するために、水平のおよび／又は垂直の平面中に平行および／又は直交する軸に沿って配置できる。別の例では、循環する配置が単一の平面中内または複数の平行な平面内で使用出来る。上記のフロー制限オリフィスの何れかは、所望であれば調節可能なスロットルバルブで置き換えてもよい。
【００５９】
図８を参照して上記の例では、供給ガスは、複数ステージの軽い生産物に冨化したセクションと、複数ステージの重い生産物冨化したセクションとの間に位置する中間ステージに導入される。別の態様では、供給ガスは、１とＮを含む１〜Ｎの参照番号であるいずれかの汎用ステージへ導入されてもよい。供給ステージの選択は、生産物純度および回収要件によって決定される。一実施態様では、例えば、所望の生産物は、多成分混合物中の最も軽い成分であり、高純度および高回収が要求されており、そして重い成分の回収が必要ない。このケースにおいては、供給ステージは汎用ステージＮであろうし、供給ガスは図８のライン８６９中の中間段階ガスと混合されるであろう。別の態様では、所望の生産物は、多成分の混合物中の最も重い成分であり、高純度および高回収が要求されており、軽い成分回収する必要がない。このケースにおいては、供給ステージは、汎用ステージ１であろうし、供給ガスは、図８のライン８５２中の中間段階ガスと混合される。別の態様では、複数の供給ガスフローは、所望の生産物成分の異なる濃度であり、システムの適切なステージで導入される複数の供給ステージが、想定可能である。
【００６０】
図８の例中のガスの中間段階フローは、ステージ間の圧力差によって行われる。所与のステージ中の個々のターボ分子ポンプアセンブリは、ステージの入り口終端から出口終端へのガス圧力を増加するように運転するため、圧力差は、本質的に個々のステージ中で起こるであろう。圧力は、より重い成分が冨化する方向で、ターボ分子ポンプアセンブリによって増加しているため、ステージからステージへ中間段階の重いガスのフラクションを動かすために必要な圧力差は、本質的に充分である可能性がある。ステージからステージへ中間段階の軽いガスのフラクションを動かす有用な圧力差は、しかし、システム設計およびターボ分子ポンプアセンブリの運転の特徴によるであろう、最も重要なことは、供給ガス混合物中の成分のポンプ圧縮比および最大可能ポンプの出口圧力である。圧縮比およびポンプの出口圧力が充分高ければ、ステージからステージへ軽いガスのフラクションを動かす中間段階ブースターポンプは、必要ないかもしれない。しかし、もし圧縮比が不充分であれば、ブースターポンプは、図８の例で示される様に、個々のステージ間で必要となる可能性がある。別のケースでは、ブースターポンプは、いくつかのステージ間でだけ必要となる可能性がある。
【００６１】
したがって、異なる運転態様が、システム設計およびターボ分子ポンプアセンブリの運転の特徴により想定可能である。第１の態様では、全てのステージは、同一の第１のチャンバー（すなわち、入り口終端）圧力、および同一の第２のチャンバー（すなわち、出口終端）圧力で運転されるであろうし、そして圧力ブースターが個々の軽いガスの中間段階フローで使用されるであろう。第２の態様では、個々のステージの第１のチャンバー（すなわち、入り口終端）中の圧力は、軽い成分冨化の方向で（例えば図８中のステージＮからステージ１へ）単調に減少するであろうし、そして圧力ブースターは必要ではないであろう。第３の態様では、圧力ブースターが使用されるが、全てのステージではないであろう。第１群の一連のステージ中の第１のチャンバー圧力は、軽いガスのフラクションの中間段階フローを行うために充分であろう、圧力ブースターは、ステージの第１の群の軽いガスの出口に設置されるであろうし、圧力ブースターは軽いガスのフラクションの中間段階フロー、および要求に応じて、その他を行うための充分な圧力勾配がある第２の数の一連のステージへ放出するであろう。
【００６２】
上記の態様のための典型的なステージ運転圧力は、ポンプ特徴および分離される混合物によって変わるかもしれない。典型的なステージ入り口圧力は、１０−５〜１０−１０トールの範囲中で、典型的なステージ出口圧力は１０〜１０−２トールの範囲中である可能性がある。
上記の分離デバイス中の典型的な運転温度は０℃〜３０℃の範囲、または通常２０℃近辺である。
【実施例】
【００６３】
実施例１
０．２１／０．７９のモル比率のＯ２／Ｎ２混合物を、上記の様に分離デバイス使用して９９．０モル％Ｏ２および１．０モル％Ｎ２を含む生産物ガスに富化する。ステージ分離ファクター以下の式４から推測される。
ｑｏ〜（３２／２８）４．８３＝１．９１
これは、ほかの方法に比較して、空気分離には、過度な高ステージ分離ファクターを示す。冨化を完了するために必要なステージＳの全数は、下の式６から見出せる。
Ｓ＋１〜ｌｎ［（０．９９／０．０１）／（０．２１／０．７９）］／ｌｎ（１．９１）＝９．１５
Ｓ〜８．１５〜９
この様にたった９ターボ分子ポンプステージが、必要とされる９９％へのＯ２冨化を行うために必要である。
【００６４】
実施例２
モル比率０．９２２３／０．０４６７／０．０３１０の２８ＳｉＦ／２９ＳｉＦ／３０ＳｉＦ４混合物を、上記の様に、分離デバイス使用して、９９．０モル％２８ＳｉＦ４および１．０モル％２９ＳｉＦ４／３０ＳｉＦ４に富化する。２９ＳｉＦ４は１０５の分子量であり、３０ＳｉＦ４は１０６の分子量である。しかし、２９ＳｉＦ４／３０ＳｉＦ４の混合物は、保守的に推定して１０５の平均分子量である。式４からのステージ分離ファクターは、次のようである、
ｑｏ〜（１０５／１０４）４．８３＝１．０４７３
これは、同位体分離には、過度に高ステージ分離ファクターを表す。この結果は、図４内に示される回帰当てはめ曲線のより高分子量のガスへの補外に基づいている。冨化を完了するために必要な分離ステージＳの全数は、以下の式６に見出せる。
Ｓ＋１〜ｌｎ［（０．９９／０．０１）／（０．９２２／０．０７８）］／ｌｎ（１．０４７３）＝４６．００、そしてＳは４５に等しい。
この様にたった４５のターボ分子ポンプステージが、必要とされる２８ＳｉＦ４の９９．０％への冨化を行うために必要である。
【００６５】
実施例３
ＳｉＨ４の同位体冨化は、分子のより高い分子量割合、およびそれに応じたより高いステージ分離ファクターにより、ＳｉＦ４より容易である。モル比率０．９２２３／０．０４６７／０．０３１０である２８ＳｉＨ４／２９ＳｉＨ４／３０ＳｉＨ４混合物を、上記の様に、分離デバイス使用して、９９．０モル％２８ＳｉＨ４および１モル％２９ＳｉＨ４に富化した。
２９ＳｉＨ４は、３３の分子量であり、３０ＳｉＨ４は、３４の分子量である。しかし、２９ＳｉＨ４／３０ＳｉＨ４の混合物は、３３の平均分子量であると保守的に推定される。式４からのステージ分離ファクターは、以下のように保守的に決定される。
ｑｏ〜（３３／３２）４．８３＝１．１６
これは、同位体分離としては過度に高いステージ分離ファクターを表す。冨化を完了するために必要なステージＳの全数は、式６から次のように見出せる。
Ｓ＋１〜ｌｎ［（０．９９／０．０１）／（０．９２２／０．０７８）］／ｌｎ（１．１６）＝１４．３３
Ｓ〜１３．３３〜１４
この様にたった１４ターボ分子ポンプステージが、必要な２８ＳｉＨ４９９．０％への冨化を行うために必要である。
【００６６】
分離デバイスは、分離ステージとして、改良されたアルカデル（アディクセン）型ＡＴＰ９００ターボ分子ポンプ、ブースターポンプとして、ストックアルカテル（アディクセン）型ＡＴＰ９００ターボ分子ポンプ、およびフォアポンプとしてパスカル型２００５を使用する。アディクセン型ＡＴＰ９００ポンプは、最高３．８ｘ１０−１０トールの出口圧力（負荷なしで）およびＳｉＨ４のための約０．１トールより下の圧力で、約９００リッター／秒のポンピングスピードである。ＳｉＨ４入り口フロー下で、個々のポンプを、第１のチャンバー（すなわち、入り口終端）中で３．８ｘ１０−９トールで運転する。２８ＳｉＨ４の分子量は、図３の回帰当てはめ曲線の範囲内である。式３から計算される２８ＳｉＨ４のための圧縮比は、６８．７（３２）４．８３＝１．２７９ｘ１０９である。したがって個々のターボ分子ポンプの第２のチャンバー（すなわち、出口終端）は、（３．８×１０−９）（１．２７９×１０９）＝４．８６トールである。個々のフロー制限オリフィス（またはスロットルバルブ）を、これらの圧力下で所望のフロー流速を与えるように設定する。図８の代表的な分離ステージｎ内および周辺での圧力を、図９中の本実施例で示す。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、商業的に入手可能なターボ分子ポンプのゼロフロー圧縮比対フォアライン圧力のプロットである。
【図２】図２は、別の商業的に入手可能なターボ分子ポンプのゼロフロー圧縮比対フォアライン圧力のプロットである。
【図３】図３は、表１のデータからのゼロフロー圧縮比対ガス分子量のプロットである。
【図４】図４は、本発明の態様に従った分離デバイスのスキーム図である。
【図５】図５は、本発明の別の態様に従った分離デバイスのスキーム図である。
【図６】図６は、図５のデバイス中で使用される供給分配バッフルである。
【図７】図７は、図５のデバイス中で使用される別の供給分配バッフルである。
【図８】図８は、図４または図５の分離デバイスを利用した複数のステージの分離システムの図式フローダイアグラムである。
【図９】図９は、実施例３のガス圧力を示すの図８のセグメントの図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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