JP2008530433A - 分子ドラッグ真空ポンプ用バッフル構造 - Google Patents

Abstract

【課題】逆行漏洩が低レベルである、改良された分子ドラッグ真空ポンプを提供する。
【解決手段】分子ドラッグコンプレッサ２２は、軸の周りに回転するように駆動シャフト３４、１０６に連結されたロータディスク３０、１００と、ロータディスクの周囲に配置されて、接線流チャネル１１０、１１２と、接線流チャネルへの入口１１５と接線流チャネルからの出口１２０とを規定しているステータ３２、１０２、１０４と、出口に近い接線流チャネル内に設けられた固定バッフル１１４とを含む。バッフル１１４とロータディスク３０、１００との間には空隙が形成されている。ロータディスクに面したバッフルの表面には、バッフル１１４とロータディスク３０、１００との間の空隙を通るガス乱流を生じさせ、それによって漏洩を低減するように構成されたキャビティ３３０が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、密閉真空チャンバの排気のために使用される真空ポンプに関し、さらに詳細には、真空ポンプの分子ドラッグ真空ポンピングステージ用のバッフル構造に関する。この分子ドラッグ真空ポンピングステージは、ハイブリッドターボ分子真空ポンプに利用できるが、このような用途に限定されるものではない。

従来のターボ分子真空ポンプは、吸気口と、複数個の軸流ポンピングステージを含む内部チャンバと、排気口とを有するハウジングを含む。排気口は、典型的には粗真空ポンプに取り付けられている。各軸流ポンピングステージは、傾斜ブレードを有するステータと、傾斜ブレードを有するロータとを含む。ロータブレードとステータブレードとは、反対方向に傾斜している。ロータブレードは高速回転されて吸気口と排気口との間のガスのポンピングを行なう。典型的なターボ分子真空ポンプは、９〜１２の軸流ポンピングステージを含んでもよい。

従来のターボ分子真空ポンプの変形は、しばしばハイブリッド真空ポンプと呼ばれるが、それらは先行技術において公知である。先行技術のある構造においては、１個以上の軸流ポンピングステージは、分子ドラッグコンプレッサを形成する分子ドラッグステージと置換されている。この構造は、１９９３年８月２４日にＣａｓａｒｏ他に対し発行された特許に係る下記特許文献１に開示されている。共通のハウジング内に軸流ターボ分子コンプレッサと分子ドラッグコンプレッサとを含むハイブリッド真空ポンプは、バリアン・インコーポレイテッドにより販売されている。他のハイブリッド真空ポンプは、１９９１年１２月２４日に池上他に対し発行された特許に係る下記特許文献２と、１９９８年１２月１５日にＳｃｈｏｆｉｅｌｄに対し発行された特許に係る下記特許文献３と、２０００年１０月２４日にＳｔｏｎｅｓに対し発行された特許に係る下記特許文献４とに開示されている。

分子ドラッグコンプレッサは、ロータディスクとステータとを含む。ステータは接線流チャネルと、その接線流チャネルの入口と出口とを限定している。しばしばストリッパとよばれる固定バッフルは、接線流チャネル内に配置されて入口と出口とを分離する。当該分野において公知のように、ロータディスクの運動量が接線流チャネル内のガス分子に移送され、それによって分子を出口に向かわせる。分子ドラッグコンプレッサのロータディスクとステータとは、小さい空隙により分離されており、この空隙は典型的には０．００５インチのオーダであって、空隙を介しての漏洩を限定しながらディスクを制限なく回転させられるように選択される。

軸流ターボ分子コンプレッサと分子ドラッグコンプレッサとを含む先行技術の真空ポンプは、一般に種々の条件下で満足できる能力を発揮する。しかしながら、改良が望まれている。分子ドラッグステージに生じる能力低下の１つの原因は、ロータディスクとステータとの間の空隙を介しての逆行漏洩である。具体的な例では、ガスが分子ドラッグステージの出口から固定バッフルとロータディスクとの間の空隙を通って入口へ漏洩し、それによってポンピングステージの達成可能な圧力比を低下させることがある。固定バッフルとロータディスクとの間の空隙を小さくすることにより漏洩を低減することができる。しかしながら、空隙のサイズを小さくするには、精度を上げる必要があり、それによってコストも増す。さらに、空隙を非常に小さくすると、作動中のロータディスクとステータとの間に望まない接触が起るリスクが大きくなる。
米国特許第５，２３８，３６２号明細書 米国特許第５，０７４，７４７号明細書 米国特許第５，８４８，８７３号明細書 米国特許第６，１３５，７０９号明細書

したがって、逆行漏洩が低レベルである、改良された分子ドラッグ真空ポンプが必要とされている。

本発明の第１の局面によれば、分子ドラッグコンプレッサは軸の周りに回転できるように駆動シャフトに結合されたロータディスクと、前記ロータディスクの周囲に配置されて、接線流チャネルと、接線流チャネルへの入口と、接線流チャネルからの出口とを規定しているステータと、前記出口に近い接線流チャネル内に配置された固定バッフルとを含む。バッフルとロータディスクとの間には空隙が形成されている。ロータディスクに面したバッフルの表面は、バッフルとロータディスクとの間の空隙を通過するガス乱流を生じさせ、それによって漏洩を低減するように構成されたキャビティ（空洞）を有している。

本発明の第２の局面によれば、一体型高真空ポンプは、軸を有するポンプハウジングと、前記ハウジング内に配置され、モーター駆動シャフトに結合されている軸流ターボ分子コンプレッサと、前記ハウジング内に配置され、モーター駆動シャフトに結合されている分子ドラッグコンプレッサとを含む。分子ドラッグコンプレッサは、軸の周りに回転できるようにモーター駆動シャフトに結合されているロータディスクと、ロータディスクの周囲に配置されて、接線流チャネルと、接線流チャネルへの入口と、接線流チャネルからの出口とを規定しているステータと、出口に近い接線流チャネル内に設けられた固定バッフルとを有する少なくとも１つの分子ドラッグステージを含む。バッフルとロータディスクとの間には空隙が形成されている。ロータディスクに面したバッフルの表面には、バッフルとロータディスクとの間の空隙を通るガス乱流を生じさせ、それによって漏洩を低減するように構成されたキャビティが設けられている。

本発明の第３の局面によれば、モーター駆動シャフトに結合されたロータディスクと、ロータディスクの周囲に配置されて、接線流チャネルと、接線流チャネルへの入口と、接線流チャネルからの出口とを規定しているステータと、出口に近い接線流チャネル内に設けられた固定バッフルとを含み、前記バッフルとロータディスクとの間には空隙が形成されている、分子ドラッグコンプレッサの作動方法が提供される。この方法は、バッフルとロータディスクとの間の空隙を通るガス乱流を生じさせ、それによって漏洩を低減することを含む。

本発明のよりよい理解のために、本発明に参照として含まれる添付図面を参照する。
本発明が組み込まれるのに適した一体型高真空ポンプが図１に示されている。ハウジング１０は、吸気口１４と排気口１６とを有する内部チャンバ１２を規定している。ハウジング１０は、排気されるべき真空チャンバ（図示せず）への吸気口１４を密閉する真空フランジ１８を含む。排気口１６は典型的には粗真空ポンプ（図示せず）に連結されている。真空ポンプが大気圧にまで排気できる場合には、粗ポンプは不要である。ハウジング１０内には、典型的には数個の軸流ターボ分子ステージを含む軸流ターボ分子コンプレッサ２０と、典型的には数個の分子ドラッグステージを含む分子ドラッグコンプレッサ２２とが配置されている。一般に、軸流ターボ分子コンプレッサ２０は１個以上の軸流ターボ分子ステージを含んでおり、分子ドラッグコンプレッサ２２は１個以上の分子ドラッグステージを含んでいる。

軸流ターボ分子コンプレッサ２０の各ステージは、ロータ２４とステータ２６とを含む。各ロータおよびステータは、当該分野において公知の傾斜ブレードを有している。分子ドラッグコンプレッサ２２の各ステージはロータディスク３０とステータ３２とを含む。分子ドラッグコンプレッサ２２については下記にさらに詳細に説明する。各ターボ分子ステージのロータ２４と各分子ドラッグステージのロータ３０とは、駆動シャフト３４に取り付けられている。駆動シャフト３４は、モータハウジング３８内に配置されたモータにより高速回転される。

分子ドラッグコンプレッサ２２の第１構造が図２〜図４に示されている。この分子ドラッグコンプレッサにおいて、ステータには１個以上の接線流チャネルが設けられている。各接線流チャネルは、固定バッフルにより分離された入口と出口とを有している。ディスクが高速で回転されると、ロータディスクにより生じた分子ドラッグにより、ガスが接線流チャネルを通ってポンプ移動する。

図２〜図４に示されているように、分子ドラッグステージはロータディスク１００と、ハウジング１０５内に装着された上部ステータ部１０２と、下部ステータ部１０４とを含む。上部ステータ部１０２はディスク１００の上面の近くに位置し、下部ステータ部１０４はディスク１００の下面の近くに位置している。上部および下部ステータ部１０２および１０４は、共に、分子ドラッグステージのためのステータを構成している。ロータディスク１００は、高速回転するためにシャフト１０６に取り付けられている。

上部ステータ部１０２は、ディスク１００の上面と対向して配置されている上部接線流チャネル１１０を有している。下部ステータ部１０４は、ディスク１００の下面と対向して配置されている下部接線流チャネル１１２を有している。図２〜図４の構造において、接線流チャネル１１０および１１２は、円形であり、かつディスク１００と同軸である。上部ステータ部１０２は、１つの円周位置において接線流チャネル１１０を遮断する固定バッフル１１４を含む。チャネル１１０は、バッフル１１４の一方の側で入口１１６を介して前のステージからガスを受け取る。ロータディスク１００により生じた分子ドラッグにより、ガスが接線流チャネルを通ってポンプ移動する。バッフル１１４のもう１つの側では、ステータ部１０２および１０４に形成された導管１２０が、ディスク１００の外周縁の周りでチャネル１１０および１１２を相互連通している。下部ステータ部１０４は、１つの円周位置において下部接線流チャネル１１２を遮断する固定バッフル１２２を含む。下部チャネル１１２は、ディスク１００の上面から導管１２０を介してバッフル１２２の一方の側でガスを受け取り、バッフル１２２の他方の側で導管１２４を介してガスを次のステージに排出する。

作動中には、ガスは導管１１６を介して前のステージから受け取られる。前のステージは、分子ドラッグステージ、軸流ターボ分子ステージ、または他の適切なポンピングステージであってもよい。ガスは、ディスク１００の回転により生じた分子ドラッグにより、上部接線流チャネル１１０の円周の周りにポンプ移動される。このガスは次に、ディスク１００の外周の周りの導管１２０を通過して、下部接線流チャネル１１２に移動する。ガスは次に、分子ドラッグにより下部接線流チャネル１１２の円周の周りにポンプ移動され、そして導管１２４を介して次のステージまたはポンプの排気口へ排気される。図２〜図４に示した構造において、上部チャネル１１０と下部チャネル２１２とは、ガスが上部および下部チャネルを直列に流通するように、互いに連通されている。同様に図２〜図４に示した構造において、上部接線流チャネル１１０と下部接線流チャネル２１２とは、ディスク１００の外周縁から内側に離間している。この構造によって、導管１２０を介するものを除いて、ディスク１００の外縁の周りのチャネル１１０とチャネル１１２との間のガス漏れを制限される。

分子ドラッグステージの第２構造が図５Ａおよび図５Ｂに示されている。ロータディスクの外周に近い分子ドラッグステージの部分断面図が示されている。図５Ａおよび図５Ｂの構造において、ロータディスク１５０は、上部ステータ部１５２と下部ステータ部１５４との間に位置している。上部ステータ部１５２は、ロータディスク１５０の上方で上部接線流チャネル１６０を規定しており、下部ステータ部１５４は、ロータディスク１５０の下方で下部接線流チャネル１６２を規定している。周縁ステータ部１５６は、ロータディスク１５０の外周から離間して位置しており、その結果、上部および下部接線流チャネル１６０および１６２は、効果的に平行に連結されている。図５Ｂに示されているように、各接線流チャネルを介する場合を除いて、入口と出口との間のガス流を実質的に遮断するように、固定バッフル１６６は、１つの円周位置において接線流チャネル１６０および１６２内に位置している。

分子ドラッグステージの第３構造が図６Ａおよび図６Ｂに示されている。ロータディスクの外周に近い分子ドラッグステージの部分断面図が示されている。ロータディスク１８０は、上部ステータ部１８２と下部ステータ部１８４との間に位置している。上部ステータ部１８２は、上部接線流チャネル１９０を規定しており、下部ステータ部１８４は、下部接線流チャネル１９２を規定している。ディスク１８０の外周と周縁ステータ部１８６との間の小さい空隙１９４は、ロータディスク１８０の回転を可能にしているが、接線流チャネル１９０および１９２の間のガス流を実質的に遮断している。このようにして、接線流チャネル１９０および１９２は直列に連通することができる。図６Ｂに示されているように、固定バッフル１９６は、１つの円周位置において上部接線流チャネル１９０内に位置しており、かつ固定バッフル１９８は１つの円周位置において下部接線流チャネル１９２内に位置している。固定バッフル１９６および１９８の各々は、各接線流チャネルの入口と出口との間に位置していて、各接線流チャネル以外の出口と入口との間のガス流を実質的に遮断している。

分子ドラッグステージの接線流チャネルが種々の構造および形状を有してもよいことは、理解されるであろう。しかしながら、それぞれの場合に、固定バッフルは、典型的には接線流チャネルの１つの円周位置に配置されて、各接線流チャネルを介するものを除き入口と出口との間の直接のガス流を実質的に遮断する。それにもかかわらず、ロータディスクと固定バッフルとの間の空隙を介して、いくらかのガスが漏洩する。このようなロータディスクと固定バッフルとの間の空隙を介しての逆行漏洩は、真空ポンプの能力を低下させる。

本発明の一局面が図７および図８に示されている。分子ドラッグステージの部分的な概略立面図および平面図のそれぞれが示されている。ロータディスク３００は、軸３０２の周りを回転する。ロータディスク３００の上方に位置するステータ３０４は、接線流チャネルの１つの円周位置３０６を規定している。ステータ３０４はさらに、接線流チャネル３０６への入口３０８を規定し、かつ接線流チャネル３０６からの出口３１０を限定している。固定バッフル３２０は、出口３１０近くの接線流チャネル３０６内に配置されている。バッフル３２０はステータ３０４の一体的な部分であってもよいが、そうでなくてもよい。

バッフル３２０のロータディスク３００に面する表面３２４には、キャビティ（空洞）３３０が設けられている。ロータディスク３００は、空隙３３２の分だけ表面３２４から離れており、真空ポンプの作動中に表面３２４に対して移動する。キャビティ３３０は、表面３２４から固定バッフル３２０内に延びており、表面３２４が平坦な場合と比較して、ロータディスク３００と固定バッフル３２０との間の空隙３３２を通過するガス流を減少させるように形成されている。キャビティ３３０は、空隙３３２を通過するガス流内に効果的に乱流を起し、それによってガス流を減少させる。キャビティ３３０は、本発明の範囲内で種々の形状を有することができる。

バッフル３２０の表面のキャビティは、空隙３３２を通過するポンプされたガスの移動を減少させる。バッフルの表面にキャビティを設けることにより、空隙内のガス流は乱流となり、したがって減少する。キャビティは、バッフルのロータディスクに面した表面の多数の溝、穴または小さい凹みを用いて形成することができる。
キャビティ３３０の形は、空隙３３２の大きさ、すなわちロータディスク３００とバッフル３２０の表面３２４との間の間隔によって決まる。空隙３３２は典型的には０．１２５〜０．２５０ｍｍの範囲であるが、この範囲には限定されない。キャビティ３３０の全面積は、好ましくはロータディスク３００に面する表面３２４の３０〜７０パーセントの範囲である。キャビティ３３０は、好ましくはバッフル３２０とロータディスク３００との間の空隙の１〜１０倍の大きさを有する。キャビティの横方向の大きさに対する典型的な深さの比は、好ましくは１に近いが、重大な影響がなければ１よりも大きくしてもよい。

キャビティは、図８に示したように、互い違いの列を形成する単純な円筒状孔であってもよい。したがって、列３４０は、ロータディスク３００の回転方向に直角な方向の列３４２からずれている。他の実施形態において、キャビティ３３０は、断面が半円、半楕円、三角形または長方形であってもよい。図９は、ロータディスク３００の回転方向にほぼ直角の方向に長い、細長いキャビティ３５０を示している。図１０は、互い違いの列３６２および３６４に配置された長方形のキャビティ３６０を示している。キャビティの横方向の大きさは好ましくは０．２５〜１．２５ｍｍの範囲である。

本発明のいくつかの実施形態と１つの例を詳細に説明してきたが、当業者には種々の変形および改良が想起されるであろう。そのような変形および改良は本発明の精神および範囲内を対象とするものである。さらに、本明細書に挙げた全てのパラメータは例示のためのものであり、実際のパラメータは本発明のシステムが使用される具体的な用途によって決まることは、当業者は容易に理解するであろう。したがって、上記説明は単に例として挙げたものであり本発明を限定するものではない。本発明は下記の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定される。

軸流ターボ分子コンプレッサと分子ドラッグコンプレッサとを含む高真空ポンプの断面立面図である。 分子ドラッグ真空ポンピングステージの第１構造の断面立面図である。 図２の線３−３に沿った、分子ドラッグステージの断面平面図である。 図３の線４−４に沿った、分子ドラッグステージの部分的な断面立面図である。 分子ドラッグ真空ポンピングステージの第２構造の部分断面図であって、接線流チャネルを示す。 図５Ａの分子ドラッグステージの部分断面図であって、入口と出口との間の固定バッフルを示す。 分子ドラッグ真空ポンピングステージの第３構造の部分断面図であって、接線流チャネルを示す。 図６Ａの分子ドラッグステージの部分断面図であって、入口と出口との間の固定バッフルを示す。 分子ドラッグステージの部分的な概略断面立面図であって、本発明の第１実施形態による、ガス乱流生成のためのキャビティを有するバッフルを示す。 図７の分子ドラッグステージの部分的な断面平面図である。 バッフルの部分的な概略断面平面図であって、本発明の第２実施形態によるキャビティのパターンを示す。 分子ドラッグステージの部分的な断面平面図であって、本発明の第３実施形態によるキャビティのパターンを有する固定バッフルを示す。

Claims (17)

1. 軸の周りに回転するように駆動シャフトに結合されたロータディスクと、
   前記ロータディスクの周囲に配置されて、接線流チャネルと、前記接線流チャネルへの入口と、前記接線流チャネルからの出口とを規定しているステータと、
   前記出口に近接した前記接線流チャネル内に設けられた固定バッフルであって、当該バッフルと前記ロータディスクとの間には空隙が形成されており、前記ロータディスクに面した当該バッフルの表面には、当該バッフルと前記ロータディスクとの間の前記空隙を通るガス乱流を生じさせ、それによって漏洩を低減するように構成されたキャビティが設けられている、固定バッフルとを含む、分子ドラッグコンプレッサ。
2. 前記バッフルに設けられた前記キャビティは、断面が正方形、長方形、三角形、半円形または半楕円形である、請求項１に記載の分子ドラッグコンプレッサ。
3. 前記バッフルに設けられた前記キャビティは、前記キャビティの横方向の大きさに等しいかそれよりも大きい深さを有している、請求項１に記載の分子ドラッグコンプレッサ。
4. 前記バッフルに設けられた前記キャビティは、ディスクの回転方向に大略的に直角の２列以上のキャビティの列として構成されている、請求項１に記載の分子ドラッグコンプレッサ。
5. 前記キャビティの列は、前記ディスクの回転方向に直角に互い違いに配置されている、請求項４に記載の分子ドラッグコンプレッサ。
6. 前記キャビティは、前記ロータディスクに面している前記バッフルの前記表面の３０〜７０パーセントに及んでいる、請求項１に記載の分子ドラッグコンプレッサ。
7. 前記バッフルに設けられた前記キャビティは、前記バッフルと前記ロータディスクとの間の空隙の１〜１０倍の大きさを有する、請求項１に記載の分子ドラッグコンプレッサ。
8. 軸を有するポンプハウジングと、
   前記ハウジング内に配置され、かつモータ駆動シャフトに結合されている軸流ターボ分子コンプレッサと、
   前記ハウジング内に配置され、かつ前記モータ駆動シャフトに結合されている分子ドラッグコンプレッサであって、少なくとも１つの分子ドラッグポンピングステージを含む分子ドラッグコンプレッサとを含み、
   前記少なくとも１つの分子ドラッグポンピングステージが、
   軸の周りに回転するように前記モータ駆動シャフトに結合されたロータデ ィスクと、
   前記ロータディスクの周囲に配置されて、接線流チャネルと、前記接線流チャネルへの入口と、前記接線流チャネルからの出口とを規定しているステータと、
   前記出口に近接した前記接線流チャネル内に設けられた固定バッフルであって、当該バッフルと前記ロータディスクとの間には空隙が形成されており、前記ロータディスクに面した当該バッフルの表面には、当該バッフルと前記ロータディスクとの間の前記空隙を通るガス乱流を生じさせ、それによって漏洩を低減するように構成されたキャビティが設けられている、固定バッフルとを含む、一体型高真空ポンプ。
9. 前記バッフルに設けられた前記キャビティは、断面が正方形、長方形、三角形、半円形または半楕円形である、請求項８に記載の一体型高真空ポンプ。
10. 前記バッフルに設けられた前記キャビティは、前記キャビティの横方向の大きさに等しいかそれよりも大きい深さを有している、請求項８に記載の一体型高真空ポンプ。
11. 前記バッフルに設けられた前記キャビティは、ディスクの回転方向に大略的に直角の２列以上のキャビティの列として構成されている、請求項８に記載の一体型高真空ポンプ。
12. 前記キャビティの列は、前記ディスクの回転方向に直角に互い違いに配置されている、請求項１１に記載の一体型高真空ポンプ。
13. 前記キャビティは、前記ロータディスクに面している前記バッフルの前記表面の３０〜７０パーセントに及んでいる、請求項８に記載の一体型高真空ポンプ。
14. 前記バッフルに設けられた前記キャビティは、前記バッフルと前記ロータディスクとの間の空隙の１〜１０倍の大きさを有する、請求項８に記載の一体型高真空ポンプ。
15. 駆動シャフトに結合されたロータディスクと、前記ロータディスクの周囲に配置されて、接線流チャネルと、前記接線流チャネルへの入口と、前記接線流チャネルからの出口とを規定しているステータと、前記出口に近接した前記接線流チャネル内に設けられた固定バッフルであって、当該バッフルと前記ロータディスクとの間に空隙が形成されている固定バッフルとを含む、分子ドラッグコンプレッサの作動方法であって、
    前記バッフルと前記ロータディスクとの間の前記空隙を通るガス乱流を生じさせ、それによって漏洩を低減するステップを含む、分子ドラッグコンプレッサの作動方法。
16. ガス乱流を生じさせることは、前記ロータディスクに面した前記バッフルの表面にキャビティを形成することを含む、請求項１５に記載の方法。
17. キャビティの形成は、断面が正方形、長方形、半円形または半楕円形であるキャビティを前記バッフルに形成することを含む、請求項１６に記載の方法。

Images