JP3155366B2 - ターボ分子ポンプ用クライオトラップ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はターボ分子ポンプで排気
される気体のうち、特に水分子をトラップするターボ分
子ポンプ用クライオトラップに関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】ターボ分子ポンプ単体で
は排気速度が非常に小さい水分に対して、その排気速度
を向上し、水分子の少ない真空を実現するためにターボ
分子ポンプにクライオトラップを併用することが多い。
また、水分子の少ない真空は最近では半導体の製造など
で非常に重要となっており、この水分子の少ない真空を
実現させるのにクライオトラップ付ターボ分子ポンプが
用いられている。

【０００３】従来のターボ分子ポンプ用クライオトラッ
プ３０は、図６及び図７に示されるように、ターボ分子
ポンプ４１の吸入口部４６にフランジ部４５を当接させ
て接続され、このクライオトラップ３０のケーシング３
１内には、コイル状のパイプ３３と筒状のトラップ３４
が配設されている。コイル状のパイプ３３の一端には冷
媒をパイプ３３内に導入させる導入口３３ａが形成さ
れ、他端には冷媒をパイプ３３外に導出させる導出口３
３ｂが形成されている。この周外方にはこのパイプ３３
のコイル径のほぼ２倍の径である上述した筒状のクライ
オトラップ３４が配設されている。クライオトラップ３
４はパイプ３３中を流れる冷媒からの熱伝導を受けてこ
れとほぼ同様の温度−２００℃〜−１００℃に冷却され
る。

【０００４】クライオトラップ３０の下端に接続されて
いるターボ分子ポンプ４１はポンプ容器４２内に、図８
のＡ及びＢに示す翼角αを有する翼４３ａが全周に配列
された動翼ディスク４３と、これと反対の翼角を有する
翼４４ｂを配列させた固定ディスク４４を上下に交互に
配設し、動翼ディスク４３のみ、示されていない駆動モ
ータにより矢印Ｖの方向に回転させる。

【０００５】このような構造を有するクライオトラップ
３０は、上端のフランジ部３２が真空槽（図示せず）に
接続され、上部吸気口３２ａを通って真空槽からケーシ
ング３１内に飛び込んだ水分子の一部を、パイプ３３の
表面やトラップ３４面に凝縮することにより、空間から
排除させる。また、クライオトラップ３０を通過した水
分や−２００℃〜−１００℃程度の温度では凝縮しない
アルゴンや水素などの気体は、領域Ａの動翼ディスク４
３方向に飛んでいき、図８のＡ及びＢに示す翼４３ａに
当たると、動翼ディスク４３が矢印Ｖ方向に回転してい
ることから、領域Ａから領域Ｂに向かう通過確率が、こ
の逆の領域Ｂから領域Ａに向かう通過確率より大とな
り、気体分子は領域Ａから領域Ｂへ、領域Ｂから領域
Ａ’へ、更に領域Ａ’から領域Ｂ’へと次々に排気され
る。

【０００６】以上、水分をトラップさせる方法として、
筒体のトラップ面を有するクライオトラップ３０を説明
したが、他に水分子をトラップさせる方法として、図９
に示すケーシング３６内にシェブロン３７を配設させ
て、これをトラップ面とするシェブロンタイプのクライ
オトラップ３５と、図１０に示すケーシング３９内にル
ーバ４０を配設させて、これをトラップ面とするルーバ
タイプのクライオトラップ３８がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の筒体の
トラップ面を有するクライオトラップでは、ケーシング
内に配設された筒体のクライオトラップのトラップ面積
は小さく、筒体が垂直方向に配設されているため、真空
槽からターボ分子ポンプ内の動翼ディスクを見通せる構
造となっているため、吸入口より飛び込んだ水分子がこ
のクライオ面に衝突する確率は低く、多くがターボ分子
ポンプ翼列に衝突する。翼列に衝突した分子は衝突した
一部が排気されるが、多くは排気されないで他方向に再
放出され、真空容器側に戻る。このときもクライオ面の
面積が少ないため、そこに衝突して凝縮する確率が少な
く、多くの水分子が真空容器側へ逆流する。また、ター
ボ分子ポンプ本体から放出される水分子の真空容器側へ
の逆流についても同様である。すなわち、このような構
造では、水分子に対する排気速度は大きくなく、水分圧
の低いクリーンな真空を得るのが困難になる。

【０００８】一方、シェブロンをクライオ面としたよう
な吸入口より見通せない構造のクライオトラップの場合
は、水分子に対する排気速度はクライオトラップの吸気
口の面積に対応する最大の理想的排気速度になるが、タ
ーボ分子ポンプで排気すべき他のアルゴンや水素に対し
てこのトラップの存在が抵抗となり、すなわちコンダク
タンスが約１／４と小さく、これら気体に対する排気速
度を同じにしようとすると、大きなターボ分子ポンプを
使用する必要がでてくる。また、ルーバをクライオ面と
した場合は先に説明した筒体のタイプの場合とシェブロ
ンタイプとの中間になる。すなわち、水分子に関する排
気速度はシェブロンタイプ程理想的でないが、アルゴン
や水素の排気速度は筒体のタイプよりも劣る。

【０００９】本発明は上記問題に鑑みてなされ、水分子
に対しては逆流を防止し、理想的な排気速度を保ち、ア
ルゴンや水素の排気速度の低下が少ないターボ分子ポン
プ用クライオトラップを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の目的は、クライオ
トラップ面が、ターボ分子ポンプの吸入口に取り付けた
クライオトラップケーシングの内周に沿って配設された
筒体と、前記ターボ分子ポンプの円筒体ロータの最上段
の翼列の形成されていない部位の近傍の直上方に配設さ
れ、前記円筒体ロータの外周壁面の径と同一の円形の平
板とからなることを特徴とするターボ分子ポンプ用クラ
イオトラップによって達成される。

【００１１】または以上の目的は、クライオトラップ面
が、ターボ分子ポンプのケーシングの吸入口部の内周に
沿って配設された筒体と、前記ターボ分子ポンプの円筒
体ロータの最上段の翼列の形成されていない部位の近傍
の直上方に配設され、前記円筒体ロータの外周壁面の径
と同一の円形の平板とからなることを特徴とするターボ
分子ポンプ用クライオトラップによって達成される。

【００１２】

【作用】クライオトラップ面がターボ分子ポンプの円筒
体ロータの最上段の、翼列の形成されていない部位の近
傍の直上方と、クライオトラップケーシングの内周に沿
って、またはターボ分子ポンプ用クライオトラップのケ
ーシングの吸入口部の内周に沿って配設されたので、タ
ーボ分子ポンプの翼列に飛び込んで再放出された水分子
が、有効にクライオトラップ面に凝縮され、水分子以外
の気体も、クライオトラップ面を形成する筒体及び平板
に影響を受けることなく、ターボ分子ポンプにより排気
される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例によるターボ分子ポン
プ用クライオトラップについて、図面を参照して説明す
る。

【００１４】図１はターボ分子ポンプ６と真空槽３がタ
ーボ分子ポンプ用クライオトラップ１を介在させて取り
付けられているところを示す。これらは真空槽３とクラ
イオトラップがクライオトラップ１の上端部のフランジ
部２ａと真空槽３の下端部のフランジ部３ａとで気密に
取り付けられ、またクライオトラップ１とターボ分子ポ
ンプ６がクライオトラップ１の下端部のフランジ部２ｂ
とターボ分子ポンプ６の上端部のフランジ部６ａとで気
密に取り付けられている。

【００１５】図において、最下方に配設されているター
ボ分子ポンプ６の円筒状のポンプケース１４内には全体
を１個の素材から切削加工されている円筒形ロータ１３
が設けられ、この円筒形ロータ１３は円筒体支持部１３
ａ（径内方の全領域を含む）と動翼ディスク７と、この
周部に形成されている翼７ａとからなり、複数の動翼デ
ィスク７はポンプケース１４側に固定されている固定デ
ィスク８とで、交互に上下方向に配列されている。円筒
形ロータ１３は駆動モータ１０のシャフト１１に固定さ
れ、駆動モータ１０が駆動すると、円筒形ロータ１３の
動翼ディスク７の翼７ａの翼列が、分子の熱運動速度と
ほぼ同程度の速さで回転運動する。また、複数枚の固定
ディスク８は一枚毎に固定ディスク取付部材１２、１２
に挟着されてポンプケース１４の内壁に固定されてい
る。円筒形ロータ１３の上部のフランジ部６ａの内方に
は、真空槽内の気体を吸入する吸入口部Ｄが設けられタ
ーボ分子ポンプ６の下方には排気口９が設けられ、図示
されていない補助真空ポンプが接続されている。

【００１６】ターボ分子ポンプ６の上部に接続されてい
るクライオトラップ１には、円筒形状のケーシング２の
内周壁部に沿って金属製で筒状の板材からなるトラップ
４が配設され、円筒体ロータ１３の翼７ａが配列されて
いない部分の直上方には、金属製で円形の平板からなる
トラップ５が配設されている。すなわち、図１で明示さ
れるように、円筒体ロータ１３の外径もしくは動翼ディ
スク７の内径と同一の径の平板から成るトラップ５が配
設されている。また図示されていないが、これらトラッ
プ４、５は冷凍機による冷凍サイクルによる冷却熱でク
ライオトラップ面を冷却してもよいし、パイプを用いて
液体窒素等の冷媒をパイプ内に循環させ、この液体窒素
の冷却熱によりクライオトラップ面を冷却してもよい。
但し、トラップ４、５に水分子が凝縮できるようにクラ
イオトラップ面を１００Ｋ程度に冷却する。

【００１７】図において最上部に配設されている真空槽
３はこの内部の真空室Ｃに試料が配置され、例えば半導
体の製造や真空空間での顕微鏡観察などの作業が行われ
る。

【００１８】以上、本発明の実施例によるターボ分子ポ
ンプ用クライオトラップの構成について説明したが、次
にその作用について説明する。

【００１９】クライオトラップ１のケーシング２内のト
ラップ４、５が図示されていない冷却手段により冷却さ
れ、排気口９に接続されている、同じく図示されていな
い補助真空ポンプとターボ分子ポンプ６の駆動モータ１
０とを駆動させると、真空槽３の真空室Ｃ内の気体は真
空室Ｃからクライオトラップ１のケーシング２の方向へ
飛んでいく。ケーシング２内に飛んできた気体のうち、
トラップ４、５のトラップ面に衝突した水分子は、これ
らトラップ面が１００Ｋ程度に冷却されているので、こ
こで凝縮される。この温度より凝縮温度の低い、水素、
アルゴン等の気体はこのトラップ面には凝縮されない。

【００２０】トラップ面に衝突しなかった水分子や水
素、アルゴン等の気体は、ケーシング２内を通過する
と、動翼ディスク７の上面やポンプケース１４の内壁に
衝突する。これらポンプケース１４内の各部に衝突した
気体のうち、静止面に衝突した気体は図２に示すよう
に、余弦法則による方向分布で衝突面から各矢印の方向
へ再放出される。他方、回転運動をしている動翼ディス
ク７に衝突した気体のうち、一部は翼７ａ、７ａの隙間
から排気され、それ以外の残りの気体は図３のＡ及びＢ
に示すような方向分布（但し、翼列が気体の分子の速度
と同じ程度の速度で回転している場合）で衝突面から放
出される。気体分子が動翼ディスク７のＰ点に衝突した
場合、矢印ａで示す動翼ディスク７の回転方向の接線の
上方、すなわち動翼ディスク７の外周方向の上方に放出
される割合が大きく、これらの水分子はトラップ４に飛
んでいき、トラップ面に凝縮される。他方、衝突点Ｐで
動翼ディスク７の中心方向に放出された水分子は、トラ
ップ５に飛んでいきトラップ面に凝縮される。これによ
り、真空室から吸入口部Ｄに飛んできた水分子の多く
が、トラップ４、５のトラップ面に凝縮される。また、
動翼ディスク７や、その翼７ａ、７ａの隙間から逆流さ
れる水分子も同様な方向分布で放出され、殆どがトラッ
プ４、５のトラップ面に凝縮される

【００２１】水素、アルゴン等のターボ分子ポンプで排
気すべき気体の排気に対しては、トラップ５の配設され
た位置が動翼ディスク７の翼７ａの翼列のない直上方に
あり、実際にはターボ分子ポンプ６として排気能力のな
い部分を覆っているのみであり、このトラップ５の存在
により、ターボ分子ポンプ６の、水素やアルゴン等に対
する排気速度には全く影響しないといっていい。更に、
クライオトラップ１はケーシング２の内周壁に沿ってト
ラップ４が配設されているので、このクライオトラップ
１のコンダクタンスはクライオトラップ１のケーシング
２のコンダクタンスとほぼ同等となり、大きなコンダク
タンスを与える。また、このコンダクタンスは、ほぼこ
の筒状のケーシング２の長さにほぼ反比例するが、この
クライオトラップ１は高性能であり、長さを大きくとる
必要がない。従って、大きなコンダクタンスでターボ分
子ポンプ６の、水素、アルゴン等の気体の排気性能の低
下を殆ど生じさせない。

【００２２】次に、本発明の第２実施例によるターボ分
子ポンプ用クライオトラップの構成について、図面を参
照して説明する。尚、ターボ分子ポンプの作動部につい
ては第１実施例と同様であるので詳細な説明は省略す
る。

【００２３】図４は全体としてターボ分子ポンプ１５を
示し、このターボ分子ポンプ１５のポンプケース１６は
筒状であり、上部にフランジ部１７が形成される。この
フランジ部１７の内方の開口には吸入口部１７ａが設け
られている。また、この吸入口部１７ａが形成されてい
るポンプケース１６の内周には、これに沿って筒状の金
属製の板材からなるトラップ１８が配設されている。す
なわち本実施例によるターボ分子ポンプ用クライオトラ
ップは、ターボ分子ポンプ１５の吸入口部１７ａに配設
されている。また、円筒形ロータ２７の動翼ディスク２
０に、翼２０ａが形成されていない部分の直上方には、
金属製の円形の平板からなるトラップ１９が配設されて
いる。これらトラップ１８、１９は第１実施例と同様な
方法で、トラップ面が水分子を凝縮させる１００Ｋ程度
に冷却される。

【００２４】次に、本発明のターボ分子ポンプ用クライ
オトラップの上記第２実施例の変形例の構成について、
図面を参照して説明する。

【００２５】図５は全体としてターボ分子ポンプ２１を
示し、このターボ分子ポンプ２１のポンプケース２２は
筒状であり、上部でほぼヘの字形状に屈曲して形成され
ており、ポンプケース２２の上端部のフランジ部２３の
内方に形成される、吸入口部２３ａで径が上方に行くほ
ど小さくなっている。また、ポンプケース２２のヘの字
形状に屈曲された内周面に沿って、同じくヘの字に屈曲
された筒状の金属製の板材からなるトラップ２４が配設
されている。また、円筒形ロータ２８の動翼ディスク２
６に翼２６ａが形成されていない部分の直上方には、金
属製の円形の平板からなるトラップ２５が配設されてい
る。すなわち本第２実施例の変形例のターボ分子ポンプ
用クライオトラップも、ターボ分子ポンプ２１内の吸入
口部２３ａに配設されている。また、これらトラップ２
４、２５も、第１実施例と同様な方法で、トラップ面が
水分を凝縮させる１００Ｋ程度に冷却される。

【００２６】以上、図４に本発明の第２実施例によるタ
ーボ分子ポンプ用クライオトラップ、図５にその変形例
を示したが、これらクライオトラップでも第１実施例と
同様にトラップ面に、水分を効率良く凝縮できることは
明らかであり、更に本第２実施例及びこの変形例では、
第１実施例のようにクライオトラップ１のケーシング２
が配設されていないので、第１実施例よりもコンダクタ
ンスを大きくすることができ、水素、アルゴン等の気体
の排気能力を向上させることができる。

【００２７】以上、本発明の各実施例について説明した
が、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発
明の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００２８】例えば、以上の第１実施例ではターボ分子
ポンプ用クライオトラップ１をターボ分子ポンプ６と別
に設けて、トラップをケーシング２内に配設させたが、
これを更に重複させて、第２実施例のようにターボ分子
ポンプの吸入口部にも設ければ、より効率良く水分子を
凝縮することができる。また、第１実施例のクライオト
ラップ１のケーシング２内にトラップ５のみを設け、タ
ーボ分子ポンプ６の吸入口部の内周壁に沿って筒状のト
ラップを設けてもよく、その組み合わせは種々多様にあ
る。

【００２９】また、以上の各実施例ではトラップを１０
０Ｋ程度の温度としたが、真空槽内の圧力と各種気体の
平衝蒸気圧を考慮して、トラップの冷却温度を変えるこ
とにより水分子以外の他の気体をトラップ面に捕獲する
ようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のターボ分子
ポンプ用クライオトラップによれば、効率良く水分子を
トラップすることができ、かつコンダクタンスを低下さ
せることなく、水素、アルゴン等の気体の排気性能を劣
化させることなく排気できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるターボ分子ポンプ用
クライオトラップがターボ分子ポンプに取り付けられて
いるのを示す縦断面図である。

【図２】排気されようとする気体が静止部に衝突して放
出されたときの分布を示す図である。

【図３】Ａは気体が動翼ディスクの翼列に衝突して放出
されたときの方向分布を示す平面図である。Ｂは同側面
図である。

【図４】本発明の第２実施例によるターボ分子用クライ
オトラップがターボ分子ポンプの吸入口部に配設されて
いるのを示す部分破断正面図である。

【図５】同第２実施例の変形例を示す部分破断正面図で
ある。

【図６】従来のターボ分子ポンプ用クライオトラップの
平面図である。

【図７】同正面図である。

【図８】Ａは動翼ディスクの翼列を示す平面図である。
Ｂは同側面図である。

【図９】シェブロンタイプのターボ分子ポンプ用クライ
オトラップを示す断面図である。

【図１０】ルーバタイプのターボ分子ポンプ用クライオ
トラップを示す断面図である。

【符号の説明】

１ クライオトラップ ２ ケーシング ４ トラップ ５ トラップ ６ ターボ分子ポンプ １３ 円筒形ロータ １５ ターボ分子ポンプ １７ａ 吸入口部 １８ トラップ １９ トラップ ２１ ターボ分子ポンプ ２３ａ 吸入口部 ２４ トラップ ２５ トラップ ２７ 円筒形ロータ ２８ 円筒形ロータ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クライオトラップ面が、ターボ分子ポン
   プの吸入口に取り付けたクライオトラップケーシングの
   内周に沿って配設された筒体と、前記ターボ分子ポンプ
   の円筒体ロータの最上段の翼列の形成されていない部位
   の近傍の直上方に配設され、前記円筒体ロータの外周壁
   面の径と同一の円形の平板とからなることを特徴とする
   ターボ分子ポンプ用クライオトラップ。
2. 【請求項２】 クライオトラップ面は、ターボ分子ポン
   プのケーシングの吸入口部の内周に沿って配設された筒
   体と、前記ターボ分子ポンプの円筒体ロータの最上段の
   翼列の形成されていない部位の近傍の直上方に配設さ
   れ、前記円筒体ロータの外周壁面の径と同一の円形の平
   板とからなることを特徴とするターボ分子ポンプ用クラ
   イオトラップ。