JP6488898B2 - 真空ポンプおよび質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプおよび質量分析装置に関する。

質量分析装置では、複数の分析ユニット毎に使用圧力領域が異なる。このような分析装置用の真空ポンプとして、複数の吸気口を有する真空ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の真空ポンプは３つのポンプステージを備えており、第１ポンプステージの吸気側に設けられた第１吸気口と、第１ポンプステージと第２ポンプステージとの間に設けられた第２吸気口と、第２ポンプステージと第３ポンプステージとの間に設けられた第３吸気口とを備えている。

特開２０１４−１４７３号公報

ところで、複数の吸気口を備える真空ポンプでは、第１ポンプステージは第１吸気口から流入した気体を排気しているが、第２ポンプステージは第１ポンプステージで排気された気体と第２吸気口から流入した気体とを排気している。同様に、第３ポンプステージでは、第２ポンプステージで排気された気体と第３吸気口から流入した気体とを排気している。例えば、第３ポンプステージの排気流量は，第２ポンプステージの排気流量と比べて数倍〜十数倍となっている。

そのため、複数の吸気口を有する真空ポンプの場合、各ポンプステージは、それぞれのポンプステージに要求される吸気圧力や排気流量に適した構成とすることが求められる。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、第１ポンプステージと、前記第１ポンプステージよりもポンプ下流側に設けられた第２ポンプステージと、前記第１ポンプステージの吸気側に設けられた第１吸気口と、前記第１ポンプステージよりも下流側に設けられ、前記第２ポンプステージに連通する第２吸気口と、を備える真空ポンプであって、前記第１ポンプステージは、小流量に適したジーグバーンポンプ部とターボ分子ポンプ部とで構成され、前記第２ポンプステージは、大流量に適したホルベックポンプ部で構成され、前記第２吸気口は前記第２ポンプステージの排気流路の上流端部と下流端部との間に設けられ、前記ホルベックポンプ部のステータには貫通孔が形成され、前記第２吸気口から流入したガスを、前記貫通孔を介して前記第２ポンプステージの排気流路の上流端部と下流端部との間に導入し、前記第１ポンプステージと前記第２ポンプステージとの間には吸気口が設けられておらず、前記第２ポンプステージから前記第１ポンプステージへの気体の逆流を抑制する。
さらに好ましい実施形態では、前記ジーグバーンポンプ部は、小流量に適する値に溝角度、溝深さ、溝幅、溝本数が設定されている。
さらに好ましい実施形態では、第１ポンプステージよりもポンプ上流側に設けられた第３ポンプステージと、前記第３ポンプステージの吸気側に設けられた第３吸気口とをさらに備え、前記第３ポンプステージは、小流量に適したジーグバーンポンプ部とターボ分子ポンプ部とで構成されている。
本発明の好ましい実施形態による質量分析装置は、上記の真空ポンプと、第１の分析ユニットと、前記第１の分析ユニットよりも高い圧力領域で動作する第２の分析ユニットと、前記第１の分析ユニットが収納され、前記真空ポンプの第１吸気口が接続される第１排気口を有する第１チャンバと、前記第２の分析ユニットが収納され、前記真空ポンプの第２吸気口が接続される第２排気口を有する第２チャンバと、を備える。

本発明によれば、複数の吸気口を有する真空ポンプの排気性能の向上を図ることができる。

図１は、本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す外観斜視図である。 図２は、真空ポンプの断面図である。 図３は、図２のＡ１−Ａ１断面図である。 図４は、ポンプステージが３つの場合の真空ポンプの一例を示す図である。 図５は、質量分析装置の一例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す外観斜視図である。真空ポンプ１は、第１ハウジング７０と第２ハウジング８０とを備えている。第１ハウジング７０には、第１吸気口７２および第２吸気口７３が形成されたフランジ部７５が設けられている。各吸気口７２，７３には、それぞれシールリングが装着されるシールリング溝７２ａ，７３ａが形成されている。第２ハウジング８０には後述するようにモータが設けられ、第２ハウジング８０の表面（真空ポンプ１の底面）には放熱フィン８６が形成されている。

図２は、真空ポンプ１を軸方向に沿って断面した断面図である。また、図３は、図２のＡ１−Ａ１断面図である。第１ハウジング７０の内部には、ポンプロータ３０およびモータロータ９０が固定されたシャフト１０が設けられている。シャフト１０は、永久磁石４３，４４を用いた磁気軸受とボールベアリング８４とによって支持されている。モータロータ９０の外周側に設けられたモータステータ９１は、第２ハウジング８０に保持されている。ボールベアリング８４は、第２ハウジング８０に固定されるベアリングホルダ８３に保持されている。

永久磁石４４は、シャフト１０の図示右端部に形成された凹部内に固定されている。永久磁石４４の内側に配置された永久磁石４３は、磁石ホルダ４０に保持されている。磁石ホルダ４０はホルダ支持部４１に固定され、そのホルダ支持部４１は第１ハウジング７０に固定されている。磁石ホルダ４０には、ボールベアリング４２が設けられている。ボールベアリング４２は、永久磁石４４と永久磁石４３とが接触しないようにシャフト１０の振れ回りを規制する規制部材として機能する。

真空ポンプ１は、第１ポンプステージＰ１と第２ポンプステージＰ２とを備えている。第１ポンプステージＰ１は、複数の回転翼段３１および複数の固定翼段３２から成るターボ分子ポンプ部と、回転プレート３５およびネジ溝固定プレート３６，３７から成るジーグバーン（siegbahn）ポンプ部とを備えている。ネジ溝固定プレート３６の回転プレート３５に対向する面、および、ネジ溝固定プレート３７の表裏両面には、径方向のネジ溝（螺旋溝）が形成されている。

回転翼段３１および固定翼段３２は、それぞれ複数のタービン翼を有している。回転翼段３１および回転プレート３５は、ポンプロータ３０に設けられている。固定翼段３２の軸方向（図示左右方向）の位置決めは、スペーサ３３，５０によって行われる。

第２ポンプステージＰ２は、第１円筒ロータ６２および第２円筒ロータ６３と、第１ネジステータ６０および第２ネジステータ６１とを備え、ホルベック（Holweck）ポンプを構成している。第１円筒ロータ６２および第２円筒ロータ６３は、ポンプロータ３０の図示右端に設けられた円板部３４に固定されている。第１ネジステータ６０は第１円筒ロータ６２の外周側に設けられている。第２ネジステータ６１は、第１円筒ロータ６２と第２円筒ロータ６３との間に設けられている。ホルベック（Holweck）ポンプにおける第１および第２ネジステータ６０，６１には、軸方向にネジ溝（螺旋溝）が形成されている。第１ネジステータ６０には、第１ハウジング７０の第２吸気口７３と対向する位置に、貫通孔６０ａが形成されている。

図３に示すように、第１ネジステータ６０の内周面、第２ネジステータ６１の外周面と内周面、および、第２円筒ロータ６３の内周面が対向する第２ハウジング８０の対向面には、ネジ溝およびネジ山がそれぞれ形成されている。

図２の第１吸気口７２から流入した気体は、第１ポンプステージＰ１により第１ポンプステージＰ１の下流側、すなわち第２ポンプステージＰ２の吸気側に排気される。第１ポンプステージＰ１により排気された気体、および、第２吸気口７３から流入した気体は、ホルベックポンプである第２ポンプステージにより排気される。第２ポンプステージにより排気された気体は、第２ハウジング８０に形成された排気通路８１，８２を通過して、排気ポート８５から排出される。

このように、第１ポンプステージＰ１と第２ポンプステージＰ２とでは、排気する気体の流量が異なる。一般的に、第２吸気口７３の圧力Ｐ（７３）は第１吸気口７２の圧力Ｐ（７２）の１０倍以上であり、第２ポンプステージで排気される気体の流量は、第１ポンプステージの流量の数倍〜十数倍となる。このようにポンプステージによって流量が異なる場合、各ポンプステージの設定も流量に応じた最適なものとするのが好ましい。また、真空ポンプ１を質量分析装置等の分析装置に用いる場合、第１吸気口７２は比較的高真空なチャンバに接続されることを考慮する必要がある。

本実施形態では、大きな流量を必要とされる第２ポンプステージＰ２には、大流量に適したホルベックポンプを用いた。さらに、小流量の第１ポンプステージＰ１は、ターボ分子ポンプ部とジーグバーンポンプ部とを組み合わせることで小流量に適したポンプステージとした。ジーグバーンポンプもホルベックポンプもネジ溝ポンプであるが、軸方向のネジ溝で構成されるホルベックポンプは大流量排気に適しており、径方向のネジ溝で構成されるジーグバーンポンプは小流量排気に適している。そのため、本実施の形態では流量の小さな第１ポンプステージＰ１にはジーグバーンポンプ部を設け、流量の大きな第２ポンプステージＰ２にはホルベックポンプ部を用いている。

さらに、第１吸気口の圧力に要求される高真空（低圧力）を満足するように、小流量排気に適したジーグバーンポンプ部に加えて、高真空排気に適したターボ分子ポンプ部を設けた。その結果、第１ポンプステージＰ１は、低流量かつ高真空対応（高圧縮比）のポンプステージとなっている。なお、ジーグバーンポンプ段におけるネジ溝の設計パラメータとしては、溝角度，溝深さ，溝幅，溝本数等がある。これらの設計パラメータを小流量に適した値に設定することで、小流量対応のジーグバーンポンプ段とすることができる。

例えば、このような性能の第１ポンプステージＰ１をターボポンプだけで構成しようとした場合、回転翼段および固定翼段の段数を増やす必要がある。そのため、ジーグバーンポンプ部とターボ分子ポンプ部との組み合わせとした場合に比べて、第１ポンプステージＰ１の軸方向寸法が大きくなるという欠点を有している。

ところで、特開２００５−３０２０９号公報には、吸気口を２つ備える真空ポンプとして、ターボ分子ポンプ部、ジーグバーンポンプ部およびホルベックポンプ部を備える真空ポンプが開示されている。しかしながら、特開２００５−３０２０９号公報に記載の真空ポンプは、ネジ溝ポンプを２つに分割し、その分割した部分に第２吸気口を設けるという技術思想の発明であって、本来の第１ポンプステージであるターボ分子ポンプ部にネジ溝ポンプであるジーグバーンポンプを追加して、新たな第１ポンプステージとしたものである。それにより第２吸気口の圧力は高められるが、ジーグバーンポンプを追加した分だけ第１ポンプステージの軸方向寸法が大きくなってしまう。

一方、本実施の形態における第１ポンプステージＰ１は、従来のように第１ポンプステージとして機能するターボ分子ポンプ部にネジ溝ポンプを単に追加したものではない。すなわち、真空ポンプ１の第１ポンプステージＰ１は、第１ポンプステージＰ１に要求される小流量排気と、第１吸気口７２において要求される圧力とを満足するように、小流量に適したジーグバーンポンプ部とターボ分子ポンプ部とを組み合わせたものである。そのため、それらの要求を満足しつつ、第１ポンプステージＰ１の軸方向寸法をより短く抑えることができる。

（貫通孔６０ａに関する説明）
また、本実施の形態では、図２に示すように、第２吸気口７３から流入したガスを、第１ネジステータ６０の貫通孔６０ａから第２ポンプステージＰ２の排気流路の上流端部と下流端部との間に導入するようにしている。ここで、第２ポンプステージＰ２の排気流路の上流端部とは、図２の符号Ｂ１で示す部分である。また、下流端部とは、符号Ｂ２で示す部分である。

貫通孔６０ａから流入した気体は、第１ネジステータ６０と第１円筒ロータ６２との隙間に流入し、ポンプ作用により下流側（図２の左側）に排気されることになる。また、貫通孔６０ａは第２ポンプステージＰ２の排気流路の途中に接続されているので、貫通孔６０ａから流入した気体が接続位置よりも上流側へ逆流するのを抑制することができる。その結果、逆流による第１吸気口７２の圧力の上昇を防止することができる。

一方、例えば、特開２００５−３０２０９号公報に記載の真空ポンプでは、第２吸気口は第１ポンプステージと第２ポンプステージとの間に設けられている。すなわち、第２吸気口から流入する気体とジーグバーンポンプ部で排気された気体とが合流し、合流した後にホルベックポンプ部により排気されるような構成となっている。そのため、本実施の形態と比べて、第１ポンプステージ側への逆流が顕著となり、その逆流の影響で第１吸気口の圧力が上昇するおそれがある。

（変形例）
図４は、ポンプステージが３つの場合の真空ポンプ１の一例を示す図である。図４に示す真空ポンプ１は、第１ポンプステージＰ１、第２ポンプステージＰ２，第３ポンプステージＰ３を備えている。ポンプステージＰ１〜Ｐ３に対応して、第１ハウジング７０には、第１吸気口１７１，第２吸気口１７２および第３吸気口１７３が形成されている。なお、図４の真空ポンプ１は、図２の真空ポンプ１の第１ポンプステージＰ１の上流側にさらにポンプステージを設けたものである。すなわち、第２ポンプステージＰ２は図２に示す第１ポンプステージＰ１に対応しており、第３ポンプステージＰ３は図２に示す第２ポンプステージＰ２に対応している。なお、第２および第３ポンプステージＰ２，Ｐ３については、図２に示した第１および第２ポンプステージＰ１，Ｐ２と同様の構成なので、説明を省略する。

変形例は、図２で説明した第１ポンプステージＰ１の考え方を、図４の第１ポンプステージＰ１および第２ポンプステージＰ２に適用したものである。第１ポンプステージＰ１は、ターボ分子ポンプ部を構成する回転翼段２１および固定翼段２２と、ジーグバーンポンプ段を構成する回転プレート２５およびネジ溝固定プレート２６，２７とを備えている。回転翼段２１および回転プレート２５は、シャフト１０に固定されたポンプロータ２０に形成されている。

第１吸気口１７１から流入した気体は、第１ポンプステージＰ１によって第１ポンプステージＰ１の下流側に排気される。また、第２吸気口１７２から流入した気体、および、第１ポンプステージＰ１により排気された気体は、第２ポンプステージＰ２によって第２ポンプステージＰ２の下流側に排気される。第２ポンプステージＰ２により排気された気体、および、第３吸気口１７３から流入した気体は、第３ポンプステージＰ３によって排気される。第３ポンプステージＰ３により排気された気体は、第２ハウジング８０に形成された排気通路８１，８２を通過して、排気ポート８５から排出される。吸気口１７１，１７２，１７３の圧力Ｐは、Ｐ（１７１）＜Ｐ（１７２）＜Ｐ（１７３）のように下流側ほど高くなる。

上述したように、図４の第１ポンプステージＰ１は、その下流側に設けられた第２ポンプステージＰ２と同様にターボ分子ポンプ部とジーグバーンポンプ部とを組み合わせたものである。図４に示す真空ポンプ１の場合、第１ポンプステージＰ１の排気流量は、第２ポンプステージＰ２の排気流量よりもさらに小さい。また、第１吸気口１７１の圧力は、第２吸気口１７２の圧力よりも低い。そのため、第１ポンプステージＰ１のジーグバーンポンプ部は、第２ポンプステージＰ２のジーグバーンポンプ部よりもさらに小流量に最適化されている。さらに、第１吸気口１７１の要求圧力を満足するように、第１ポンプステージＰ１のターボ分子ポンプ部は、第２ポンプステージＰ２のターボ分子ポンプ部よりも高真空タイプに最適化された翼形状とされている。

（質量分析装置）
図５は、複数の吸気口を備える真空ポンプを搭載する質量分析装置１００の一例を示す図である。質量分析装置１００には３つの真空チャンバを備えており、図４に示した３つの吸気口１７１〜１７３を備える真空ポンプ１が適用される。図５では、エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）を用いた液体クロマトグラフ質量分析装置の概略構成を示した。

質量分析装置１００は、イオン化室１５０と質量分析部１１０とを備えている。質量分析部１１０には、イオン化室１５０に隣接する第１中間室１１３と、第１中間室に隣接する第２中間室１１４と、第２中間室１１４に隣接する分析室１１５とがそれぞれ隔壁を介して設けられている。

真空ポンプ１の第１吸気口１７１は、分析室１１５の排気口１３１に接続される。真空ポンプ１の第２吸気口１７２は、第２中間室１１４の排気口１３２に接続される。真空ポンプ１の第３吸気口１７３は、第１中間室１１３の排気口１３３に接続される。このように、圧力領域の異なる３つの空間（第１中間室１１３、第２中間室１１４および分析室１１５）を一つの真空ポンプ１で排気する。

イオン化室１５０にはイオン化用スプレー１５１が設けられている。液体クロマトグラフ部ＬＣで成分分離された液体試料は、配管１５２によりイオン化用スプレー１５１に供給される。図示していないがイオン化用スプレー１５１にはネブライズガスが供給され、液体試料はイオン化用スプレー１５１により噴霧される。イオン化用スプレー１５１の先端には高電圧が印加されており、噴霧の際にイオン化される。第１中間室１１３とイオン化室１５０との間にはヒータブロック１１２が設けられており、ヒータブロック１１２にはイオン化室１５０と第１中間室１１３とを連通する脱溶媒管１２０が設けられている。脱溶媒管１２０は、イオン化室１５０で生成されたイオンや試料の液滴が通過する際に、脱溶媒化およびイオン化を促進する機能を有している。

第１中間室１１３には、第１イオンレンズ１２１が設けられている。第２中間室１１４には、オクタポール１２３とフォーカスレンズ１２４とが設けられている。第２中間室１１４と分析室１１５との間の隔壁には、細孔を有する入口レンズ１２５が設けられている。分析室１１５には、第１四重極ロッド１２６と、第２四重極ロッド１２７と、検出器１２８とが設けられている。

イオン化室１５０で生成されたイオンは、脱溶媒管１２０、第１中間室１１３の第１イオンレンズ１２１、スキマー１２２、第２中間室１１４のオクタポール１２３及びフォーカスレンズ１２４、入口レンズ１２５を順に経て分析室１１５に送られ、四重極ロッド１２６、１２７により不要イオンが排出され、検出器１２８に到達した特定イオンのみが検出されることになる。

以上説明したように、真空ポンプ１は、図２に示すように、第１ポンプステージＰ１と、第１ポンプステージＰ１よりもポンプ下流側に設けられた第２ポンプステージＰ２と、第１ポンプステージＰ１の吸気側に設けられた第１吸気口７２と、第１ポンプステージＰ１よりも下流側に設けられ、第２ポンプステージＰ２に連通する第２吸気口７３と、を備え、第１ポンプステージＰ１は、小流量に適したジーグバーンポンプ部（３５〜３７）とターボ分子ポンプ部（３１，３２）とで構成され、第２ポンプステージＰ２は、大流量に適したホルベックポンプ部（６０〜６３）で構成されている。

第１ポンプステージＰ１は、小流量に適したジーグバーンポンプ部（３５〜３７）とターボ分子ポンプ部（３１，３２）とで構成されているので、小流量という実際の使用条件を十分満足し、第１吸気口７２における圧力を必要とされる低圧力（高真空）に保持することができる。また、小流量および高真空という要求を満足するように、ターボ分子ポンプ部と小流量に適したジーグバーンポンプ段とを組み合わせているので、従来に比べて第１ポンプステージＰ１の軸方向寸法を小さくすることができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…真空ポンプ、１０…シャフト、２０、３０…ポンプロータ、２１，３１…回転翼段、２２，３２…固定翼段、２５，３５…回転プレート、２６，２７，３６，３７…ネジ溝固定プレート、６０ａ…貫通孔、６０…第１ネジステータ、６１…第２ネジステータ、６２…第１円筒ロータ、６３…第２円筒ロータ、７０…第１ハウジング、７２，１７１…第１吸気口、７３，１７２…第２吸気口、１７３…第３吸気口、７５…フランジ部、８０…第２ハウジング、８１，８２…排気通路、１００…質量分析装置、１１０…質量分析部、１１３…第１中間室、１１４…第２中間室、１１５…分析室、１２１…第１イオンレンズ、１２３…オクタポール、１２４…フォーカスレンズ、１３１，１３２，１３３…排気口、１５０…イオン化室

Claims (4)

1. 第１ポンプステージと、
   前記第１ポンプステージよりもポンプ下流側に設けられた第２ポンプステージと、
   前記第１ポンプステージの吸気側に設けられた第１吸気口と、
   前記第１ポンプステージよりも下流側に設けられ、前記第２ポンプステージに連通する第２吸気口と、を備える真空ポンプであって、
   前記第１ポンプステージは、小流量に適したジーグバーンポンプ部とターボ分子ポンプ部とで構成され、
   前記第２ポンプステージは、大流量に適したホルベックポンプ部で構成され、
   前記第２吸気口は前記第２ポンプステージの排気流路の上流端部と下流端部との間に設けられ、前記ホルベックポンプ部のステータには貫通孔が形成され、前記第２吸気口から流入したガスを、前記貫通孔を介して前記第２ポンプステージの排気流路の上流端部と下流端部との間に導入し、前記第１ポンプステージと前記第２ポンプステージとの間には吸気口が設けられておらず、前記第２ポンプステージから前記第１ポンプステージへの気体の逆流を抑制する、真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプであって、
   前記ジーグバーンポンプ部は、小流量に適する値に溝角度、溝深さ、溝幅、溝本数が設定されている、真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプであって、
   第１ポンプステージよりもポンプ上流側に設けられた第３ポンプステージと、
   前記第３ポンプステージの吸気側に設けられた第３吸気口とをさらに備え、
   前記第３ポンプステージは、小流量に適したジーグバーンポンプ部とターボ分子ポンプ部とで構成されている、真空ポンプ。
4. 請求項１または２に記載の真空ポンプと、
   第１の分析ユニットと、
   前記第１の分析ユニットよりも高い圧力領域で動作する第２の分析ユニットと、
   前記第１の分析ユニットが収納され、前記真空ポンプの第１吸気口が接続される第１排気口を有する第１チャンバと、
   前記第２の分析ユニットが収納され、前記真空ポンプの第２吸気口が接続される第２排気口を有する第２チャンバと、を備える質量分析装置。

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