JP6150716B2 - コールドトラップ - Google Patents

Description

本発明は、コールドトラップに関する。

コールドトラップには、真空容器と真空ポンプとの間に配設されるインライン型と呼ばれる形式がある。真空容器の排気口と真空ポンプの吸気口とをつなぐ排気流路にコールドパネルが配置される。真空ポンプは例えばターボ分子ポンプである。インライン型のコールドトラップがターボ分子ポンプとともに使用される場合、コールドトラップは主として水蒸気を排気するために使用される。

特開２００９−２６２０８３号公報

インライン型のコールドトラップには、排気流路方向の厚さにより大きく二種類に分けられ、１つは薄型のコールドトラップであり、もう１つは厚型のコールドトラップである。薄型のコールドトラップには、バッフルや穴あき板のような平面的なコールドパネルが用いられる。厚型のコールドトラップには、例えば、排気流路方向に延びる表面を有する例えば筒型のコールドパネルが用いられる。

一般に、同一の口径の薄型コールドトラップと厚型コールドトラップとを比べると、厚型のほうがコールドパネルの表面積が大きい。そのため、厚型コールドトラップは、薄型コールドトラップに比べて、水蒸気の排気速度に関して有利である。また、排気流路のコンダクタンスに関しても、厚型コールドトラップが有利である。薄型コールドトラップは平面的なコールドパネルが排気流路の断面積の広い部分を占めるので、コンダクタンスが小さくなる。よって、厚型コールドトラップは、薄型コールドトラップに比べて、下流の真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ）の排気速度に関して有利である。

薄型のコールドパネルが適するのは、設置スペースが狭い場合である。例えば、真空容器の排気口に対して真空ポンプを横方向（つまり排気流路に垂直な方向）にずらして設置することが要求される場合がある。この場合、真空容器の排気口フランジに対し真空ポンプの吸気口フランジが偏心しているので、横方向に位置を変換するための変換フランジを排気口フランジと吸気口フランジとの間に介在させることになる。真空容器と真空ポンプとの間の元々狭い空間を変換フランジとコールドトラップとで分け合うので、コールドトラップの設置スペースは特に狭い。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、比較的大きい排気能力を有するインライン型コールドトラップを狭い設置スペースに適合することにある。

本発明のある態様によると、真空容器と該真空容器のための真空ポンプとの間に配設されるコールドトラップが提供される。コールドトラップは、前記真空容器の排気口から前記真空ポンプの吸気口への排気流路に配置されるコールドパネルと、前記排気流路を前記真空容器の排気口に接続するための入口部と、前記排気流路を前記真空ポンプの吸気口に接続するための出口部と、を備えるコールドパネル容器と、を備える。前記出口部は、前記入口部に対し偏心して設けられている。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、比較的大きい排気能力を有するインライン型コールドトラップを狭い設置スペースに適合することができる。

本発明のある実施形態に係る真空排気システムを概略的に示す断面図である。 本発明のある実施形態に係るコールドパネル容器を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係る真空排気システム１を概略的に示す断面図である。真空排気システム１は、コールドトラップ１０と、排気対象容積（例えば真空処理装置の真空容器１２）を排気するための主真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ１４）とを備える。主真空ポンプは高真空領域まで排気するための高真空ポンプである。主真空ポンプはコールドトラップ１０の後段に設けられている。なお主真空ポンプはディフュージョンポンプであってもよい。

真空排気システム１は、主真空ポンプに加えて、真空容器１２の粗引きをするための補助ポンプ１６を備える。補助ポンプ１６は、主真空ポンプの後段に設けられている。補助ポンプ１６は例えばドライポンプである。

ターボ分子ポンプ１４は、排気流路１８を介して真空容器１２に接続されている。コールドトラップ１０は、真空容器１２とターボ分子ポンプ１４との間に配置されている。コールドトラップ１０はいわゆるインライン型のコールドトラップである。コールドトラップ１０は、例えば、ターボ分子ポンプ１４の鉛直方向上方に配置されている。

排気流路１８は、真空容器１２からターボ分子ポンプ１４へと気体を流すための空間である。よって、排気流路１８は、真空容器１２側の入口開口２０と、ターボ分子ポンプ１４側の出口開口２２とを有する。排気されるべき気体は、真空容器１２から入口開口２０を通じて排気流路１８に進入し、出口開口２２を経てターボ分子ポンプ１４へと流れる。

真空排気システム１は、コールドトラップ１０とターボ分子ポンプ１４の吸気口３１との間にゲートバルブ１９を備える。ゲートバルブ１９は、出口開口２２の下方にてコールドトラップ１０に隣接している。ゲートバルブ１９を開くことによりターボ分子ポンプ１４を真空容器１２に接続し、ゲートバルブ１９を閉じることによりターボ分子ポンプ１４を真空容器１２から遮断することができる。例えば、コールドトラップ１０を再生する際には通常ゲートバルブ１９は閉じられる。

コールドトラップ１０は、コールドパネル２４と、コールドパネル２４を囲むコールドパネル容器２６と、コールドパネル２４を冷却するための冷凍機２８と、を備える。コールドパネル２４は、真空容器１２の排気口３０からターボ分子ポンプ１４の吸気口３１への排気流路１８に配置される。コールドパネル容器２６は、真空容器１２の排気口３０をゲートバルブ１９に接続するよう構成されている。

コールドパネル２４は、その表面に気体を凝縮により捕捉するよう構成されている。コールドパネル２４は全体が排気流路１８に露出されており、冷凍機２８により冷却されることにより排気流路１８を流れる気体の一部を表面に凍結して捕捉する。

コールドパネル２４は、排気流路１８の中心軸を囲むように筒型に形成されている。コールドパネル２４は、本体パネル３２と拡張パネル３４とを備える。拡張パネル３４は、軸方向に関して真空容器１２の排気口３０と本体パネル３２との間にある。拡張パネル３４及び本体パネル３２をそれぞれ、上部パネル及び下部パネルと呼ぶこともできる。

本体パネル３２は、コールドパネル２４の筒型部分であり、例えば円筒形状を有する。本体パネル３２は、入口開口２０から出口開口２２へと延在する。このようにして、コールドパネル２４は、排気流路１８における流れに平行に延びるコールドパネル表面を有する。こうした筒型形状は、排気流路１８のコンダクタンスを維持しつつ、大きい排気速度を実現することに役立つ。

拡張パネル３４は、コールドパネル２４の内向き延出部分である。拡張パネル３４は、排気流路１８の中心部が開放されるように排気流路１８の外周部から排気流路１８の中心部に向けて延びる。拡張パネル３４は例えば、中心部に開口を有する円形の平板である。拡張パネル３４は、本体パネル３２と同軸に本体パネル３２の上端に取り付けられている。拡張パネル３４により、コールドトラップ１０の排気速度を高めることができる。

コールドパネル容器２６は、排気流路１８を真空容器１２の排気口３０に接続するための入口部と、排気流路１８をターボ分子ポンプ１４の吸気口３１に接続するための出口部と、を備える。出口部は、ゲートバルブ１９に排気流路１８を接続する。このように、ゲートバルブ１９をターボ分子ポンプ１４とコールドトラップ１０との間に配置することにより、コールドトラップ１０の再生中に生じる液化物（例えば水）のターボ分子ポンプ１４への浸入をゲートバルブ１９により遮断することができる。

詳しくは後述するように、コールドパネル容器２６の出口部は、コールドパネル容器２６の入口部に対し偏心して設けられている。本実施形態においては、コールドパネル容器２６の出口部は、コールドトラップ１０を真空容器１２に取り付けた状態において出口部が真空容器１２の排気口３０に対し真空容器１２の外周側にずれて位置するように、コールドトラップ１０の入口部に対し偏心して設けられている。真空容器１２のある壁面において排気口３０は中心部にあり、その壁面において排気口３０から外周側にいくらか外れた場所にターボ分子ポンプ１４が設置される。このようにすれば、真空容器１２の中心側に配置されうる別の構成要素とターボ分子ポンプ１４との干渉を避けることができる。

コールドパネル容器２６の入口部は、コールドパネル容器２６を真空容器１２（または入口側でコールドトラップ１０に隣接する第１要素）に取り付けるための入口フランジ３６を備える。コールドパネル容器２６の出口部は、コールドパネル容器２６をコールドトラップ１０に出口側で隣接する第２要素（すなわちゲートバルブ１９）に取り付けるための出口フランジ３８を備える。入口フランジ３６及び出口フランジ３８はそれぞれ真空フランジである。入口フランジ３６と出口フランジ３８とは同径である。

また、コールドパネル容器２６は胴体部分４０を備える。胴体部分４０は排気流路１８を囲む導管である。胴体部分４０はその延在方向に一定の径を有する。胴体部分４０の内面との間に径方向に隙間を有して本体パネル３２が配置されている。本体パネル３２は、胴体部分４０に沿って出口フランジ３８の近傍まで延びている。拡張パネル３４は入口フランジ３６の内周面との間に径方向に隙間を有して配置されている。

このようにして、コールドパネル２４を内筒とし胴体部分４０を外筒とする二重の筒構造が構成されており、コールドパネル２４と胴体部分４０との間に環状空間が形成されている。コールドパネル２４の内側が排気流れの大半を通す主通路であり、この環状空間は排気流れの副通路である。このように排気流路１８は径方向に主通路と副通路とに仕切られている。

出口フランジ３８は、胴体部分４０の延在方向（図１においては上下方向）に入口フランジ３６から間隔を有して配設されている。つまり、入口フランジ３６と出口フランジ３８とは軸方向に離れており、胴体部分４０によって２つのフランジが互いに接続されている。入口フランジ３６に入口開口２０が形成され、出口フランジ３８に出口開口２２が形成されている。入口フランジ３６は、真空容器１２の排気口フランジ１３に取り付けられ、出口フランジ３８は、ゲートバルブ１９のフランジ（図示せず）に取り付けられる。

なお、コールドトラップ１０に真空容器１２を直に取り付けることに代えて、コールドトラップ１０と真空容器１２との間に別の要素（例えばゲートバルブ１９）が設けられていてもよい。この場合、入口フランジ３６は、コールドトラップに隣接する当該要素に取り付けられる。また、ゲートバルブ１９のような別の要素を介してコールドトラップ１０にターボ分子ポンプ１４を取り付けることに代えて、コールドトラップ１０がターボ分子ポンプ１４に直に取り付けられていてもよい。この場合、出口フランジ３８はターボ分子ポンプ１４の吸気口フランジに取り付けられる。

コールドパネル２４は、冷凍機２８の冷却ステージ２９に取り付けられている。あるいは、コールドパネル２４は、冷凍機２８の冷却ステージ２９とコールドパネル２４とを連結する伝熱部材により、冷凍機２８の冷却ステージ２９に熱的に接続されていてもよい。冷凍機２８は例えば、ギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）である。また冷凍機２８は単段式の冷凍機である。

本体パネル３２が冷凍機２８に熱的に接続されている。拡張パネル３４は、本体パネル３２を介して冷凍機２８に熱的に接続されている。あるいは、本体パネル３２と拡張パネル３４とはそれぞれ個別の伝熱経路によって冷凍機２８に熱的に接続されていてもよい。この場合、拡張パネル３４は本体パネル３２を経由せずに冷凍機２８に接続されてもよい。

胴体部分４０は、冷凍機２８を収容するための冷凍機ハウジング４２を、入口フランジ３６と出口フランジ３８との間に備える。冷凍機ハウジング４２はコールドパネル容器２６の一部を構成する。胴体部分４０の側面には、コールドパネル２４を冷凍機２８に連結するための側面開口が形成されており、側面開口の外周部から径方向外側に向けて、冷凍機２８の少なくとも一部を囲む冷凍機ハウジング４２が延びている。冷凍機ハウジング４２の末端には冷凍機取付フランジ４４が形成されており、冷凍機取付フランジ４４に冷凍機２８が取り付けられている。

図１に示される真空排気システム１による排気処理においては、ゲートバルブ１９を開放しターボ分子ポンプ１４を動作させることにより真空容器１２を排気して真空度を所望のレベルへと高める。ターボ分子ポンプ１４を作動させる前に、粗引き用の補助ポンプ１６により真空容器１２を排気してもよい。コールドトラップ１０は、排気流路１８を流れる水蒸気を捕捉可能とする温度（例えば１００Ｋ）に冷却される。ターボ分子ポンプ１４は通常水蒸気の排気速度が比較的小さいが、コールドトラップ１０を併用することにより大きな排気速度を実現することができる。

図２は、本発明のある実施形態に係るコールドパネル容器２６を概略的に示す図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視図である。図示されるように、入口フランジ３６は、複数の取付用ボルト穴４６と、真空シール部４８とを、フランジ面に備える。取付用ボルト穴４６は、入口フランジ３６の外周部において円周状に配列されている。真空シール部４８は径方向に関し取付用ボルト穴４６と胴体部分４０との間にある。出口フランジ３８についても同様に、取付用ボルト穴４６及び真空シール部を備える。

図２には、入口フランジ３６の中心である入口中心５０、胴体部分４０の中心である開口中心５２、及び出口フランジ３８の中心である出口中心５４を示す。胴体部分４０は、入口フランジ３６に対し偏心して設けられている。出口フランジ３８は、胴体部分４０に対し偏心して設けられている。よって、図示されるように、入口中心５０、開口中心５２、及び出口中心５４は互いに異なる位置にある。本実施形態においては、入口中心５０、開口中心５２、及び出口中心５４は、この記載の順に冷凍機ハウジング４２の軸線（すなわち冷凍機２８の軸線）に沿って直線的に並んでいる。開口中心５２は、入口中心５０と出口中心５４とを結ぶ線分の中点にある。

このようにすれば、コールドトラップ１０の開口径を比較的大きくすることができる。仮に、入口中心５０（または出口中心５４）と開口中心５２とが一致していたとすると、コールドトラップ１０の開口径は本実施形態に比べて小さくなるはずである。開口径が大きいことは、真空排気システム１の排気性能に貢献する。例えば、大型のコールドパネル２４を採用することが可能である。また、排気流路１８のコンダクタンスが大きいので、ターボ分子ポンプ１４の排気速度も大きくなる。

本実施形態によると、コールドトラップ１０の出口部がコールドトラップ１０の入口部に対し偏心して設けられている。すなわち、入口フランジ３６が出口フランジ３８に対し偏心して設けられている。これにより、コールドトラップ１０自体が横方向位置の変換フランジとしての機能を有する。よって、従来のように別個の変換フランジと真空容器（または真空ポンプ）との間に平面的な薄型コールドトラップを組み込むのではなく、コールドトラップ１０を真空容器１２とターボ分子ポンプ１４との間に設置することができる。コールドトラップ１０は、流れ方向に厚い筒型のコールドパネル２４を有する。こうしたコールドトラップ１０は排気速度及びコンダクタンスに優れるので、大きい排気能力を有するインライン型のコールドトラップ１０を狭い設置スペースに適合することができる。

例えば、ある口径（例えば８インチ）の薄型コールドトラップと変換フランジとの組み合わせに代えて、本実施形態に係るそれと同一口径のコールドトラップ１０を使用する場合には、同等のコンダクタンスで約２倍のコールドパネル面積を得ることができる。

本書においては、構成要素の位置関係をわかりやすく表すために、「軸方向」、「径方向」との用語を使用することがある。軸方向は排気流路１８に沿う方向（または胴体部分４０の延在方向）を表し、径方向は軸方向に垂直な方向を表す。便宜上、軸方向に関して真空容器１２に相対的に近いことを「上」、相対的に遠いことを「下」と呼ぶことがある。つまり、ターボ分子ポンプ１４から相対的に遠いことを「上」、相対的に近いことを「下」と呼ぶことがある。径方向に関しては、排気流路１８の中心に近いことを「内」、排気流路１８の周縁に近いことを「外」と呼ぶことがある。なお、こうした表現はコールドトラップ１０が真空容器１２及びターボ分子ポンプ１４に取り付けられるときの実際の配置とは関係しない。例えば、コールドトラップ１０は出口開口２２を鉛直方向に上向きとし入口開口２０を鉛直方向に下向きとして真空容器１２に取り付けられてもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施形態においては、コールドパネル２４は本体パネル３２と拡張パネル３４とにより構成されているが、本発明はこれに限られず、コールドパネル２４は種々の形状が可能である。例えば、更なるコールドパネル（例えば、流れ方向に沿って延びる少なくとも１つの平板パネル）が本体パネル３２の中に設けられていてもよい。また、コールドパネル２４は円筒には限られず、角筒でもよい。あるいは、コールドパネル２４は、バッフルや穴あき板のような平面的なコールドパネルを備えてもよい。

１０ コールドトラップ、 １２ 真空容器、 １４ ターボ分子ポンプ、 １８ 排気流路、 １９ ゲートバルブ、 ２４ コールドパネル、 ２６ コールドパネル容器、 ３０ 排気口、 ３６ 入口フランジ、 ３８ 出口フランジ、 ４０ 胴体部分。

Claims (7)

1. 真空容器と該真空容器のための真空ポンプとの間に配設されるコールドトラップであって、
   前記真空容器の排気口から前記真空ポンプの吸気口への排気流路に配置されるコールドパネルと、
   前記排気流路を前記真空容器の排気口に接続するための入口部と、前記排気流路を前記真空ポンプの吸気口に接続するための出口部と、を備えるコールドパネル容器と、を備え、
   前記入口部は、前記コールドパネル容器を前記真空容器または前記コールドトラップに隣接する第１要素に取り付けるための入口フランジを備え、前記入口フランジには入口開口が形成されており、
   前記出口部は、前記コールドパネル容器を前記真空ポンプまたは前記コールドトラップに隣接する第２要素に取り付けるための出口フランジを備え、前記出口フランジには出口開口が形成されており、
   前記入口開口の中心が前記入口フランジの中心から偏心し、かつ前記出口開口の中心が前記出口フランジの中心から偏心し、前記入口フランジの中心が前記出口フランジの中心から偏心していることを特徴とするコールドトラップ。
2. 前記コールドパネルは、前記排気流路の中心軸を囲むように筒型に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のコールドトラップ。
3. 前記コールドパネルは、前記排気流路の外周部から前記排気流路の中心部に向けて延びる延出部分を備え、前記延出部分は中心部に開口部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のコールドトラップ。
4. 前記出口部は、前記コールドトラップと前記真空ポンプの吸気口との間に配設されるゲートバルブに前記排気流路を接続することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコールドトラップ。
5. 前記真空ポンプは、ターボ分子ポンプであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のコールドトラップ。
6. 前記出口部は、前記コールドトラップを前記真空容器に取り付けた状態において前記出口部が前記真空容器の排気口に対し前記真空容器の外周側にずれて位置するように、前記入口部に対し偏心して設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のコールドトラップ。
7. 前記コールドパネル容器は、前記入口フランジと前記出口フランジとを繋ぐ胴体部分を備え、
   前記胴体部分は、前記入口フランジに対し偏心して設けられ、前記出口フランジは、前記胴体部分に対し偏心して設けられ、
   前記真空容器または前記第１要素に接続される前記入口フランジの面と、前記真空ポンプまたは前記第２要素に接続される前記出口フランジの面とは平行であり、それらの面に垂直な前記入口フランジの中心線と前記出口フランジの中心線とが一致せずかつ平行であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のコールドトラップ。

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