JP2014111939A

JP2014111939A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP2014111939A
Application number: JP2013250093A
Authority: JP
Inventors: Bernd Koci; ベルント・コチ
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-06-19
Also published as: EP2740943A3; DE102012222230A1; EP2740943A2; CN103850949A; EP2740943B1

Abstract

【課題】高い気体負荷及び搬送速度で確実に稼働され得ると同時に、長い稼働寿命を有し、さらに低コストで製造可能である、真空ポンプを提供する。
【解決手段】真空ポンプの少なくとも１つの構成要素３０が、金属とナノ粒子とを含有する材料から成り、１つの固定子と少なくとも１つの回転子機構３０とが設けられていて、この回転子機構３０は、固定子に対して回転可能に軸支されている。また、前記金属は、例えばアルミニウムのような合金金属、特にある一定型式のアルミニウム合金を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空ポンプ、特にターボ分子ポンプに関し、且つ真空ポンプを製造するための方法に関する。

特にターボ分子ポンプのような真空ポンプが、真空チャンバ内に高い真空度を作るために適し、例えばコーティング技術及び半導体技術において、当該技術で実施すべき工程ステップのために必要な真空を作るために使用される。典型的な半導体工程は、連続する複数の工程ステップから成る。これらの工程ステップでは、様々なプロセスガスがそれぞれ、当該真空チャンバ内に流入される。次いで、当該プロセスガスは、この真空チャンバから排出される必要がある。この方法のコストを節減するために重要なサイクル時間を可能な限り減少させるため、真空ポンプの搬送量及び搬送出力を増大させること、及び、当該増大のため、例えば、真空ポンプを高い回転速度で駆動させることが試みられている。

さらに、より高い搬送量及び回転速度は、ポンプ構成要素の、機械負荷を増大させ、著しい発熱を引き起こし、したがって熱負荷を増大させる。

従来の技術では、ターボ分子ポンプの回転翼円板のための様々な材料が提唱されている。当該材料は、増大した熱負荷及び機械負荷に耐えなければならない。例えば、米国特許第６，０９５，７５４号明細書は、ターボ分子ポンプの回転翼円板の動翼用の、金属マトリックスと強化添加剤とから成る合成材料を使用することが記載されている。国際公開第２００７／１２５１０４号パンフレットは、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系の鍛練用合金を含有するアルミニウム合金から成る翼を有するターボ分子ポンプの回転子と固定子とを記載している。当該翼は、上昇した温度に耐えなければならない。

上記の材料を使用した場合でも、例えば半導体技術において、高い気体負荷及び搬送速度で稼働させるための当該公知の真空ポンプの能力には、限界がある。例えば、半導体製造時の特別な工程ステップで、搬送すべき気体の量が、短期間に流入すると、回転子の回転数が短期間に低下する。その結果、特に回転数が高い場合に、強い材料負荷が、回転しているポンプ構成要素にかかり、当該ポンプ構成要素の温度が上昇する。したがって、高い機械負荷及び熱負荷が突然に発生する。当該ポンプ構成要素の限界のある負荷能力に起因して、当該負荷は、当該公知の真空ポンプを早期に故障させうる。そして、当該真空ポンプの寿命が減少する。

米国特許第６，０９５，７５４号明細書国際公開第２００７／１２５１０４号パンフレット独国特許出願公開第１０２００７０４４０３１号明細書国際公開第２０１０／０９１７９０号パンフレット国際公開第２０１０／０９１７０４号パンフレット国際公開第２０１０／１０２６５５号パンフレット国際公開第２０１０／０９１７８９号パンフレット国際公開第２０１０／０９１７９１号パンフレット国際公開第２０１１／０３２７９１号パンフレット

Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ３５４，５６-５８，１９９１Ｂａｃｏｎ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ３４，１９６０，２８３−９０

本発明の課題は、高い気体負荷及び搬送速度で確実に稼働され得る、同時に長い稼働寿命を有する、さらに低コストで製造可能である、真空ポンプを提供することにある。当該真空ポンプの寿命が、高い機械負荷及び熱負荷によって短くなることなしに、特に当該真空ポンプは、例えば半導体製造時に同時に且つ特に周期的に繰り返し発生する当該高い機械負荷及び熱負荷にも耐えなければならない。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する真空ポンプ、特にターボ分子ポンプによって解決される。

本発明によれば、真空ポンプの少なくとも１つの構成要素が、金属とナノ粒子とを含有する材料を含む又は当該材料から成る。当該ポンプ構成要素が、ナノ粒子を添加することによって強化される。当該強化は、真空ポンプの稼働時に高い気体負荷及び搬送速度によって発生する機械負荷及び熱負荷に対抗するように、構成要素、例えばターボ分子ポンプの回転翼円板の信頼性を向上させる。同時に、当該ポンプ構成要素は、真空ポンプでの使用のために有益なその金属的な又は金属に似た材料特性を維持している。

金属材料が、ナノ粒子によって強化されるために、特に当該ポンプ構成要素は、向上した強度を有する、つまり特に、非常に高い温度強度及び疲労強度を有する。ナノ粒子が、金属中の転位移動又は格子欠陥を阻止し、これによって高い転位密度を保証し、これに応じて材料の高い強度を保証することが推測される。同時に、当該材料は、高い負荷時でもクリープひずみが小さい。このため、回転翼円板の、クリープひずみによって引き起こされる破損の危険が回避される。

したがって、高い気体負荷及び搬送出力によって稼働され得るにもかかわらず、長い稼働寿命の真空ポンプが提供され得る。以下で詳しく説明するように、当該真空ポンプは、簡単な手段によって且つ低コストで製造され得る、したがって安価に入手可能である。

さらに、当該真空ポンプの高い耐負荷性は、真空ポンプの流出側の圧力、すなわち真空ポンプが搬送された気体をその稼働時に予備真空圧力に圧縮する当該予備真空圧力を、公知の真空ポンプと比較して高くすることを可能にする。この理由から、予備真空ポンプが、小さい出力で稼働され得る。気体を予備真空圧力から大気圧に圧縮するため、当該予備真空ポンプは、真空ポンプの流出口に接続されている。さらに、原理的には、予備真空ポンプの使用が完全に省略され得る。すなわち、真空ポンプが、搬送された気体を大気圧に直接圧縮するように、高いポンプ出力によって確実に稼働され得る真空ポンプ、特にターボ分子ポンプが提供され得る。

本発明の好適な実施の形態は、従属請求項、明細書及び図面に記載されている。

ナノ粒子とは、カーボンナノ粒子、特にカーボンナノチューブを言う。

特に、真空ポンプは、１つの固定子と少なくとも１つの回転子機構とを有する。この場合、この回転子機構は、当該固定子に対して回転可能に軸支されている。当該真空ポンプは、原理的にはターボ分子ポンプとして、ホルベック式真空ポンプとして、サイドチャネル式真空ポンプとして若しくはルーツ式ポンプとして又は上記のポンプ方式のうちの幾つかの方式を組み合わせたもの、つまり複合真空ポンプとして構成され得る。

金属とは、純金属、すなわち単一成分の金属合金と、従来の意味の合金、すなわち多成分の合金との双方を意味する。

特に、当該金属は、例えばアルミニウム、マグネシウム、チタンのような軽金属又は上記の元素のうちの１つ又は複数の元素を含む合金である。同様に、銅又は銅合金が、当該金属に属され得る。アルミニウムから成る回転する構成要素の、アルミニウムに特有の軽い重量と、これに関連する小さい遠心力とに起因して、特にアルミニウム又はアルミニウム合金又はアルミニウム粉末合金が、金属として適する。したがって、当該結果として生成された材料から製造された構成要素が、高い機械負荷及び熱負荷に対抗する著しく改良された信頼性を有するように、機械特性及び熱特性が、ナノ粒子を添加することによって純金属と比べて改良される。型式５ＸＸＸ、特に型式５０８３のアルミニウム合金が使用されるときに、非常に高い耐負荷性が得られる。型式２ＸＸＸ、特に型式２６１８のアルミニウム合金を使用するときでも、高い機械信頼性及び熱信頼性が達成され得る。したがって、当該アルミニウム合金、特に型式５ＸＸＸ、例えば５０８３又は２ＸＸＸ、例えば２６１８のうちの１つのアルミニウム合金が、対応するＤＩＮ規格のＥＮ５７３−１，２，３に対応する。すなわち、型式５０８３のアルミニウム合金は、ＤＩＮ規格で規定されたＥＮＡＷ−５０８３に対応する。つまり、型式２６１８のアルミニウム合金は、ＤＩＮ規格で規定されたアルミニウム合金ＥＮＡＷ−２６１８Ａに対応する。高い強度を達成するためには、固溶強化型合金が使用され得る。ポンプ構成要素の材料は、一般には１６０ＨＶより高いビッカース硬度を有する。

金属が、０．５〜１０重量％、特に１〜９重量％、さらに好ましくは２〜４重量％のナノ粒子を含むときに、当該構成要素の非常に高い強度が達成される。当該金属の残りの部分は、少なくともほぼ完全に金属又は金属合金から成る。

当該金属とナノ粒子とが一緒に、特に一定の構造を成す。この場合、当該金属は、ナノ粒子が埋設されているマトリックスを形成し得る。ナノ粒子の少なくとも一部が、金属中に散在して存在し、その少なくとも一部が、当該金属によって形成されたマトリックス中に散在して埋設されているときに、非常に高い強度が達成される。当該ナノ粒子は、少なくともほぼ等方性に、且つ特にほぼ均等に、当該金属中に分布している。このため、同一に好ましい機械特性及び熱特性が、構成要素の全ての領域内と全ての空間方向とで保証され得る。

好適な実施の形態によれば、当該材料は、当該金属によって生成された、１〜４００ｎｍ、好ましくは１〜２００ｎｍの平均粒径を有する粒子を含む。微結晶とも呼ばれる粒子が、特にナノ粒子によって少なくとも部分的に互いに分離されている。このため、材料の非常に高い強度が得られる。特に結晶粒界に沿って延在するナノ粒子が、金属中の粒子成長及び転位移動を阻止することが想定される。このため、材料の非常に高い強度が保証される。金属の結晶粒界に沿って延在するナノ粒子のほかに、粒子の少なくとも一部の中に延在するナノ粒子も存在し得る。強度が、当該ナノ粒子の存在によってさらに向上される。当該ナノ粒子が、その粒子と隣接した粒子とを互いに保持し、したがって材料の強度をさらに向上させることが推測される。

ナノ粒子の少なくとも一部又はその平均が、少なくとも３、好ましくは少なくとも１０、特に好ましくは少なくとも３０のアスペクト比、すなわち横断面の直径に対する長さの比を有する。

ナノ粒子とは、特に、ナノスケールの範囲内にある、すなわち１〜１．０００ｎｍの範囲内にある、好ましくは１〜１００ｎｍの範囲内にある２つ又は３つの外径を有する粒子を意味する。その結果、ナノ繊維も、当該用語に含まれている。材料の強度と材料の加工性に関する有利な効果が、特にカーバイド、ニトリド及びシリサイドから成るナノ粒子のような無機質のナノ粒子を特に使用するときに奏される。非常に高い強度は、カーボンナノ粒子、特にカーボンナノチューブ、つまり「ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ（ＣＮＴ）」によって達成される。それ故に、ナノ粒子の少なくとも一部、特にそのほぼ全部が、カーボンナノチューブによって形成されていることが好ましい。

好適な実施の形態によれば、丸く巻かれた構造又は螺旋構造を成すカーボンナノチューブが、ナノ粒子として提唱されている。継目なしに閉じられている円柱構造の代わりに、当該ナノチューブの１つ又は複数のカーボン層が、螺旋状の横断面を有する。当該丸く巻かれた複数のカーボン層が、互いに分離された２つの長手側面を有する。この構造を成すカーボンチューブ及び当該ナノチューブの製造は、例えば、Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ３５４，５６-５８，１９９１及びＢａｃｏｎ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ３４，１９６０，２８３−９０に記載されている。

当該カーボンナノチューブは、丸く巻かれた複数のグラファイト層を有する螺旋構造を有してもよい。この場合、各グラファイト層が、重なり合って配置された２つ以上のカーボン層を有する。当該複数のカーボン層は一緒に、上記の螺旋構造を形成する。この場合、全てのカーボン層の長手縁部が、互いに巻かれている。その構造が多層螺旋構造とも呼ばれる当該カーボンチューブ及びその製造は、独国特許出願公開第１０２００７０４４０３１号明細書に記載されている。当該ナノチューブのこれらのカーボン層の開いている長手側面間に形成された不連続部分が、ナノチューブを金属に非常に密接に結合させる。このため、材料の強度が向上される。さらに、当該カーボンナノチューブの閉鎖されていなくて、これらのカーボン層の長手側面の領域内で開いている横断面に起因して、当該カーボンナノチューブは、一般には真っ直ぐな軌道ではなくて、２つのカーブ間に配置された比較的短い直線部分を有する、湾曲されているカーブ軌道に沿って進行する結果、互いにもつれ合っている複数のカーボンナノチューブを有する凝集塊又は凝集クラスターを形成する。当該凝集塊は、散在したカーボンナノチューブと比較してより簡単に且つより少ない安全対策で取り扱い可能である。このため、製造コストが減少される。

当該多層螺旋ナノチューブの一番外側の層の少なくとも一部が、特に圧力を印加することによってひび割れされ得る。金属とのさらに密接な結合が、当該圧力の印加によって可能になる。

当該カーボンナノチューブの平均外径は、５〜２５ｎｍ、特に約１３ｎｍである。当該ナノチューブの平均長さは、０．５〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍである。その結果、ナノチューブの非常に高いアスペクト比が得られる。当該ナノチューブの内径は、２〜１５ｎｍ、好ましくは３〜８ｎｍである。当該ナノチューブは、燃焼工程によって得られた９５％より多い、好ましくは９９％より多い炭素成分を有し得る。例えば、ＢａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌＳｉｅｎｃｅ社、５１３６８Ｌｅｖｅｒｋｕｓｅｎが、商標名Ｂａｙｔｕｂｅｓ（登録商標）を付して販売しているカーボンナノチューブが使用され得る。

好適な実施の形態によれば、構成要素の材料が、粉末冶金法によって金属とナノ粒子とを含む粉末状の合成材料から得られる。当該方法によって、金属とナノ粒子とから成る非常に一様な構造が、特に当該金属中のナノ粒子の均等な分布を伴って保証され得る。粉末状の原材材料を、好ましくは一定に結合している、特に少なくともほぼ孔なしに又は僅かに多孔性な基本材に変換する当該粉末冶金法は、特に同時の熱供給時に機械変形工程を有する。例えば、ほぼ円形の横断面を有する長めの基本材が、当該変形工程によって製造され得る。この基本材は、例えばほぼ円柱形又はピン形であり、５０〜２００ｎｍ、好ましくは６０〜１２０ｎｍの直径を有し得る。この基本材は、プレート状に又は板状に形成されてもよい。例えば、当該粉末冶金法は、熱間等方加圧法（ＨＩＰ）又は押出加圧法つまり粉末状の合成材料を押し出す方法を有し得る。原理的には、変形工程は、圧延工程を有してもよい。当該粉末冶金法の実施中の金属中の転位移動又は格子欠陥が、ナノ粒子によって回避される。その結果、当該粉末冶金法の実施後と、必要に応じて実施される加熱処理後にも、当該材料は、高い転位密度を有し、したがって当該粉末冶金法で製造された金属が、これに応じて高い強度を有する。

粉末状の原材料が、金属粉末をナノ粒子と混合することによって合金にされているときに、非常に良好な特性を有するポンプ構成要素が得られる。当該合金工程は、金属にナノ粒子を良好に混入させ、個々の粉末粒子中のナノ粒子と金属との間を不変に結合させる。その結果、当該冶金法から製造された材料が、同様に非常に高い強度を有する。

当該粉末状の原材料は、特に金属粒子とナノ粒子とが機械式に合金を製造することによって加工されることを有する方法によって入手可能である。その結果、当該製造された合成材料は、微結晶とも呼ばれる金属粒子を有する。当該金属粒子は、１〜１００ｎｍ、特に１０〜１００ｎｍの範囲内の平均粒径を有する、又は１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内の平均粒径を有する。当該金属粒子の少なくとも一部が、ナノ粒子によって互いに分離されている。当該粒径を有する材料が、完成されるポンプ構成要素の強度を非常に高くする。さらに、当該原材料は、工業規模で製造され得るので、安価に入手可能である。

適切な粉末状の合成材料を製造するための方法及びこの方法によって入手可能な合成材料が、例えばＢａｙｅｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社の国際公開第２０１０／０９１７９０号パンフレットに記載されている。この粉末状の合成材料は、特に国際公開第２０１０／０９１７９０号パンフレットに記載されている本発明として記載されている方法によって入手可能な合成材料である。国際公開第２０１０／０９１７９０号パンフレットのこのことに関する内容は、特許文献として本明細書に記載されている。同様に、粉末状の原材料は、国際公開第２０１０／０９１７９０号パンフレットのファミリーパテントのうちの１つのファミリーパテントに記載されている本発明として記載されている方法によって入手され得る。当該明細書のこのことに関する内容が、同様に特許文献として本明細書に記載されている。特に、ＢａｙｅｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社の国際公開第２０１０／０９１７０４号パンフレット、国際公開第２０１０／１０２６５５号パンフレット、国際公開第２０１０／０９１７８９号パンフレット、国際公開第２０１０／０９１７９１号パンフレット及び国際公開第２０１１／０３２７９１号パンフレットが、当該方法を記載している。

真空ポンプの構成要素の少なくとも一部が製造され得る材料が、ＢａｙｅｒＭａｔｅｒｉａｌＳｉｅｎｃｅ社、５１３６８ＬｅｖｅｒｋｕｓｅｎからＢａｙａｌ−Ｃ（登録商標）の商品名で入手可能である。

真空ポンプの、当該説明されている材料を含む構成要素は特に、真空ポンプの稼働中に搬送された媒体に接触し、特にポンプの能動構造を成す構成要素である。非常に強い負荷が、高いポンプ負荷時に発生する機械負荷及び熱負荷によって当該構成要素に印加される。その結果、説明されている材料を有する当該構成要素の構造が、非常に重大な影響を真空ポンプの寿命に及ぼす。

好適な実施の形態によれば、当該構成要素は、真空ポンプの回転子機構である。当該回転子機構は、真空ポンプの稼働時に回転式に駆動され、特に真空ポンプの能動構造を成す。例えば、当該構成要素は、真空ポンプのターボ分子ポンプ段の回転翼円板を有する又はこの回転翼円板から成る。したがって、真空ポンプの可能なポンプ出力及び寿命の非常に著しい増大が、当該説明されている材料によって達成される。何故なら、機械的に且つ熱的に非常に強い負荷が、高い気体負荷及び搬送速度によって回転翼円板、特に当該回転翼円板の動翼に印加されるからである。この場合、当該回転翼円板は、真空ポンプの独立した１つの構造部品でもよい又はより大きい１つの回転構成要素の一部でもよい。当該回転翼円板は、例えばローターシャフトと一緒に一体的に形成されてもよい又は回転軸に結合されている支持リングを有してもよい。真空ポンプの構成要素は、釣鐘形の回転子機構によって形成されてもよい、例えばターボ分子ポンプ段の釣鐘形回転子によって形成されてもよい。この釣鐘形回転子は、ターボ分子ポンプ段の特に１つ又は複数の回転翼円板を有してもよい。

当該回転翼円板は、真空ポンプの能動構造として特に複数の動翼を有する。これらの動翼の全体又はその一部がそれぞれ、説明されている材料から成り、回転翼円板の支持リング又はローターシャフトの周りに、例えば冠状に配置されている。搬送方向に、すなわち特に回転翼円板の平面に対して垂直に指向された衝撃を気体分子に対して与えるため、当該動翼は、例えば、半径方向に指向された長手延在部分と、回転方向に対向するように形成された表面とを有する。

ターボ分子ポンプの代わりに、当該回転子機構は、ホルベック式真空ポンプ段、ジークバーン式真空ポンプ段、サイドチャネル式真空ポンプ段又はルーツ式ポンプ段の一部でもよい。ホルベックシリンダが、特に滑らかなシリンダカバー状の、真空ポンプの能動面を有する。当該能動面は、静翼に対向するように回転する。当該静翼は、螺旋状のねじ溝を有する。排気される作動ガスが、当該ねじ溝内に送られる。同様に、静翼の代わりに、ホルベック動翼が、螺旋状のねじ溝を有するねじを有し、例えば静翼の滑らかな表面に対向するように回転することも可能である。動翼が、静翼に対して回転し、このときに、動翼と静翼との双方の、互いに対向している、特にシリンダカバー状の表面がそれぞれ、螺旋状の溝を有するねじを備える構造も可能である。真空ポンプの能動的な作動ガスが、当該溝内を流れる。この場合、一方の翼のねじの回転方向が、他方の翼のねじの回転方向に対して反対方向である。

特に、当該ポンプ構成要素は、説明されている材料の少なくとも一部から形成された基本材を機械加工する方法によって入手可能である。この基本材は、半製品でもよい。例えば、当該加工は、材料除去加工、特に切削加工でもよい。当該材料の高い機械強度にもかかわらず、製造時に、当該材料を可塑変形させる必要なしに、これに伴う、当該材料の不利な変形の危険が発生することなしに、望ましい構造と必要に応じて真空ポンプの能動構造とを有する真空ポンプ構成要素が、当該方法によって製造され得る。例えば、１つの回転翼円板の複数の動翼が、当該動翼の、回転方向を向いていて且つこの回転方向に対向するように形成された表面と一緒に、材料を除去する方法によって、基本材からほぼ完全に完成され得る。このため、当該ポンプ構成要素の製造時に、基本材が、可塑変形することが全くない。

また、本発明は、金属とナノ粒子、特にカーボンナノチューブとを含有する材料を有する又は当該材料から成る、真空ポンプ用の構成要素、特にターボ分子ポンプ用の回転翼円板に関する。本発明の真空ポンプに関連する当該真空ポンプの構成要素関して記載されている好適な実施の形態及び利点は、対応する使用における本発明の構成要素の好適な実施の形態及び利点である。

さらに、本発明は、真空ポンプ、特にターボ分子ポンプ又は当該真空ポンプ用の構成要素を製造するための方法に関する。当該方法は、真空ポンプの１つの構成要素又は構成要素の少なくとも一部が、金属とナノ粒子とを含有する金属から製造されることを有する。

金属とナノ粒子とを含有する金属から当該構成要素を製造すると、高いポンプ出力と高いガス負荷とによって長期にわたって且つ確実に稼働され得、同時に長い稼働寿命を有する真空ポンプが構成される。当該方法は、特に上述されているような本発明の真空ポンプを製造するために実施され得る。本発明の真空ポンプ及びこの真空ポンプの製造又は使用可能性に関してここに記載されている好適な実施の形態及び利点は、対応する使用における本発明の方法の好適な実施の形態及び利点である。したがって、有益な機械特性及び熱特性を呈する構成要素を有する真空ポンプが、当該方法によって提供される。この場合、さらに、真空ポンプの構成要素の特性及びその材料は、方法パラメータを変更することによって簡単に且つ適切に調整され得る。

ナノ粒子は、カーボンナノ粒子、特にカーボンナノチューブでもよい。

好適な実施の形態によれば、当該構成要素の形成工程は、少なくとも一部が当該材料から形成された、この構成要素のための基本材の機械加工を有する。この機械加工は、例えば、フライス切削加工、旋盤加工、研磨加工、鋸切断加工、孔開け加工又は切断加工のような、特に金属除去加工、特に切削加工を有する。このため、希望する形を成すポンプ構成要素が、材料の可塑変形が必要であることなしに製造され得る。その結果、材料の好ましい特性が損なわれない。この場合、しかし、原理的には、当該可塑変形が発生することは排除されていない。

例えば、真空ポンプのターボ分子ポンプ段用の少なくとも１つの回転翼円板が、金属除去加工によって基本材から完成され得る。この場合、好ましくは、回転翼円板の動翼の、回転方向を向いていて且つこの回転方向に対向するように形成された表面が、材料除去加工によって完成される。当該基本材は、初めは、例えば、長めで、特にほぼ円柱形を成してもよい。この場合、例えば、当該円柱形の基本材の円盤状の部分が切り取られ得る。次いで、回転翼円板の、真空ポンプの能動的な動翼構造が、材料除去加工によって当該基本材から完成される。当該基本材は、プレート状に又は板状に形成されてもよい。

また、特にターボ分子ポンプ段用の釣鐘形の回転子が、特に材料除去加工によって基本材から製造され得る。この場合、当該釣鐘形の回転子は、ターボ分子ポンプ段の１つ以上の回転翼円板を有してもよい。

或る実施の形態によれば、粉末状の合成材料が提供される。当該粉末状の合成材料は、金属とナノ粒子とを含む。当該粉末状の合成材料は、粉末冶金法によって構成要素又は構成要素用の基本材に加工される。

当該粉末状の合成材料の加工は、機械変形を有してもよい。この場合、同時に、熱が、当該合成材料に供給される。例えば、構成要素又は構成要素の基本材が、押出加圧法つまり押し出す方法及び／又は熱間等方加圧法（ＨＩＰ）によって粉末状の合成材料から完成され得る。したがって、粉末状の合成材料中に含まれているナノ粒子が、金属中の転位移動又は格子欠陥を回避する。その結果、加熱の下での変形の実施時でも、高い転位密度、及び、当該粉末から生成された材料に対応する高い強度が保証される。

特に、当該粉末状の合成材料の提供は、金属粉末をナノ粒子と混合して機械式に合金を製造することを有する。好ましくは、使用される当該粉末状の合成材料の提供は、ＢａｙｅｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社の上記の公開公報のうちの１つの公開公報にしたがって、本発明にしたがって記載されている方法として入手可能である、又は当該公開公報に記載されている方法にしたがって製造されている。

特に、当該金属は、粉末状の合成材料中に１〜２００ｎｍの平均粒径を有するように、当該合金の製造が実施される。この場合、当該金属の粒子の少なくとも一部が、ナノ粒子によって互いに分離されている。

当該機械的な合金の製造は、特に粉砕工程を有する、特に高エネルギー粉砕工程を有する。この粉砕工程は、例えば、粉砕チャンバと、この粉砕チャンバ内で自由に運動する粉砕体としての球とを有するボールミルを使用して実施され得る。当該機械的な合金の製造は、合金の製造に関与する繰り返される変形工程、粉砕工程及び結合溶着を有してもよい。当該粉砕工程は、３５０〜１０００回／分、好ましくは５００〜８００回／分で稼働され得、当該粉砕チャンバは、回転軸に対して垂直の平面内で２５０〜１０００ｍｍの直径を有し得る。当該球は、少なくとも５ｍ／秒、好ましくは少なくとも８ｍ／秒、さらに好ましくは少なくとも１１ｍ／秒の速度に加速され得る。粉砕期間は、４５〜２４０分、好ましくは９０〜１２０分でもよい。当該粉砕作用によって、金属の粒形が減少され得、同時に、金属とナノ粒子との間の密接な結合が形成され得る。したがって、ナノ粒子が、金属粒子の少なくとも一部を互いに分離する、又は、当該ナノ粒子の一部が、金属粒子中にさらに侵入される。

当該ナノ粒子は、機械的に合金を製造する前は、特にナノ粒子の凝集塊から成る、特に互いにもつれている又は絡まったカーボンナノチューブのクラスター塊又は凝集塊から成る粒子として存在する。このため、ナノ粒子の取扱性が著しく向上され得、当該取扱性に必要な安全対策が簡略化され得る。特に、凝集塊のうちの少なくとも９５％の凝集塊が、１００μｍより大きい粒径を有する。

特に、当該機械的に合金を製造するために提唱されているナノ粒子は、触媒化学気相蒸着法、つまりＣａｔａｌｙｔｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＣＶＤによって製造される。特に、当該粒子は、例えば流動層反応器内で実施される流動層法によって生成され得る。対応するナノ粒子又はナノ粒子のクラスター塊を製造するための例示的な方法が、ＢａｙｅｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社の上記の公開公報と独国特許出願公開第１０２００７０４４０３１号明細書とに記載されている。これらの公開公報に記載されている方法は、多層螺旋タイプのカーボンナノチューブを生成する。当該多層螺旋タイプのカーボンナノチューブの丸められた円筒形状に起因して、当該カーボンナノチューブは、上述の結合しているクラスター塊又は凝集塊を非常に良好に形成する。例えば、Ｂａｙｔｕｂｅｓ（登録商標）が使用され得る。

当該カーボンナノチューブは、機械的に合金を製造する前に処理されてもよい。当該カーボンナノチューブの少なくとも一部の少なくとも一番外側のカーボン層がひび割れするように、当該処理は、カーボンナノチューブに圧力を印加することを有してもよい。したがって、少なくとも５ＭＰａ、好ましくは少なくとも７．５ＭＰａの圧力が、クラスター塊に印加され得る。

機械的に合金を製造するときに使用される金属粉末は、例えば金属溶液を噴霧することによって製造され得る。混合結晶の固化が、当該粉末の製造の前又は後に実施され得る。

さらに、本発明は、ここで説明されている本発明の方法にしたがって入手可能である真空ポンプ又は真空ポンプの構成要素に関する。当該方法に関してここに記載されている好適な実施の形態及び利点は、対応する使用における、当該方法にしたがって入手可能な真空ポンプ又は構成要素の好適な実施の形態及び利点である。

以下に、本発明を好適な実施の形態に基づいて添付図面を参照して例示的に説明する。

本発明の実施の形態による真空ポンプの縦断面図である。一部を切り取ってある、図１に示された真空ポンプの一部の投影図である。本発明の実施の形態による方法で使用するための流動層反応器を示す。図３の反応器によって製造されたカーボンナノチューブの断面投影図である。当該方法で使用するための金属粉末を製造するための装置を示す。当該方法で使用するためのボールミルを示す。本発明の実施の形態による真空ポンプの構成要素を製造するための基本円筒体を示す。

図１は、本発明の実施の形態による、ターボ分子ポンプとして形成された真空ポンプを示す。この真空ポンプの複数の部品から成るハウジング１０が、その高真空側にフランジ１２を有する。当該真空ポンプは、このフランジ１２によって排気すべき真空チャンバに接続可能である。このフランジ１２は、吸引口１４を有する。当該真空ポンプは、この吸引口１４を通じて気体を吸引する。

当該真空ポンプは、この真空ポンプの回転軸１６を中心にして回転可能に軸支されたローターシャフト１８を有する回転子を備える。このローターシャフト１８は、電動機によって回転式に駆動可能である。この電動機は、固定子側の動作コイル２０と回転子側の駆動磁石２２とを有する。このローラーシャフト１８は、回転軸１６の方向に互いに間隔をあけてコロ軸受として形成された２つの軸受２４，２６によって回転可能に軸支されている。吸入口１４の近くに位置決めされている当該軸受２６の代わりに又はこの軸受２６に加えて、永久磁石磁気軸受が設けられてもよい。この永久磁石磁気軸受は、真空ポンプの吸入口１４の領域内に配置され、且つ真空室の汚染を回避するために潤滑剤なしに形成され得る。

ローターシャフト１８が、半径方向に指向された、動翼２８を有する複数の回転翼円板３０を支持する。これらの回転翼円板３０は、ハウジング１０に固定され、且つ同様に翼を有する複数の静翼３２間に配置されていて、軸方向にこれらの静翼３２と互い違いに配置されている。当該回転翼円板３０及び静翼３２は、ターボ分子ポンプ機構を形成する。このターボ分子ポンプのポンプ作用が、吸入口１４を通じて吸入された気体をポンプ流出口３４に搬送する。ポンプの希望する性能を保証するため、原理的には、例えば、１つ又は複数のホルベック式真空ポンプ段、ジークバーン式真空ポンプ段又はサイドチャネル式真空ポンプ段のような、さらに別の、特に分子ポンプ段が、当該ターボ分子段と流出口３４との間の流れ方向に内に設けられ得る。

図２は、一部を切り取ってある、図１の真空ポンプの一部の投影図である。ローターシャフト１８（図１）に固定すべき１つの支持リング３６と、この支持リング３６から半径方向に直立している複数の動翼２８とを有する回転翼円板３０が示されている。搬送方向に指向された衝撃を搬送される気体分子に対して伝達するため、これらの動翼２８は、回転軸１６に対して接線の方向に指向された回転方向に対向するように形成された複数の表面４０を有する。

当該回転翼円板３０は、基本円筒体から１つの部材にフライス切削加工されていて、且つカーボンナノチューブと混合されたアルミニウム合金を含有する金属から成る。このため、高い気体負荷及びポンプ出力時でも、真空ポンプの高い稼働寿命が保証される。

以下に、本発明の実施の形態にしたがって真空ポンプを製造するための方法を、図３〜７を参照して説明する。

図３は、触媒化学気相蒸着法ＣＣＶＤによってカーボンナノチューブを、当該方法のための原材料として製造するための流動層反応器４２を示す。この反応器４２は、加熱装置４４によって加熱される。この反応器４２は、その下端部に不活性ガス及び反応ガスを供給するための流入口４６を有し、この反応器４２の窒素、不活性ガス及び副産物を排気するための流出口４８を有し、触媒を供給するための触媒流出口５０を有し、製造されたカーボンナノチューブを取り出すための取出口を有する。

当該ナノチューブを製造するため、最初に、窒素が、不活性ガスとして下端部４６を通じて供給され、反応器４２が、加熱装置４４によって約６５０℃の温度に加熱される。このため、触媒が、３０μｍ〜１００μｍの粒子サイズを有する凝集粒子として上の流入口５０を通じて供給される。この場合、特に当該触媒は、コバルト又はマンガンを母材とする遷移金属触媒であり、コバルトとマンガンとの分子量の比は、例えば２：３と３：２との間にある。次いで、気体状の反応物質５６が、流入口４６を通じて供給される。この反応物質５６は、炭素源としての炭化水素ガスと不活性ガスとを含む。反応物質ガスと不活性ガスとの比は、約９：１である。

流動層法の場合、炭素が、丸められた円筒状の多層螺旋構造を成すカーボンナノチューブとして触媒粒子に対して析出される。この場合、多数のチューブが、０．０５ｍｍ〜５ｍｍの平均直径を有する凝集クラスター又は凝集塊を形成する。当該凝集クラスター又は凝集塊は、粒子として取出口５２から取り出され得る。

図４は、上述されている方法で製造された、切断されているカーボンナノチューブの一部を示す。当該カーボンナノチューブは、図４に大まかにのみ示された複数のカーボン層５８を有する。これらのカーボン層は、チューブ状の横断面を形成するために互いに巻き付けられる。この横断面形状に起因して、当該チューブは、凝集塊の形成を促進する、湾曲されている又は丸められた形を成し、その後の処理時に金属材料と密接に結合する。

約９．８ＭＰａの圧力が、取り出された凝集塊に印加される。個々のカーボンナノチューブの少なくとも一番外側の層５８が、当該圧力の印加によってひび割れする。これによって、当該カーボンナノチューブの表面が、或る程度ざらざらにされ、金属とのさらにより密接な結合が可能になる。

図５は、金属粉末を製造するための装置を示す。この装置は、溶融アルミニウム合金を有する溶融チャンバ６０を備える。当該金属が、ノズル６４を通じたアルゴンの作動ガスの圧力によってチャンバ６６内に噴霧され、当該噴霧によって飛散される。このチャンバ６６内では、当該飛散された金属が、別のノズル６８を通じてこのチャンバ６６内に噴霧されるアルゴンガスによって冷却される。この場合、当該飛散された金属滴が、粒子に凝固される。当該粒子は、金属粒子としてチャンバ６６の底に堆積する。

図６は、上述されている方法で製造されたカーボンナノチューブから成る粒子を当該金属粒子と混合して機械式に合金を製造するためのボールミルを示す。このボールミルは、チャンバ７０を有する。このチャンバ７０内では、回転子が、この図面に対して垂直に指向された回転軸を中心にして矢印７６の方向に回転するように駆動可能である。この回転子は、軸方向に前後して対を成して配置された複数のアーム７２を有する。この場合、当該アーム７２の外側端部が、その駆動中に少なくとも８ｍ／ｓ又は少なくとも１１ｍ／ｓの速度に達し得る。チャンバ７０内に設けられている硬い金属球７４が、当該速度によって適切に加速される。

機械式に合金を製造するため、チャンバ７０が、カーボンナノチューブの凝集塊と金属粉末とから成る粉末で充填される。複数の球７４同士が、粉砕中に衝突すると、これらの球７４間に存在する材料、すなわち金属粒子及びカーボンナノチューブが、繰り返し変形され、破砕され、互いに溶着される。その結果、カーボンナノチューブが、金属粒子中で溶着され、粉末状の合成材料が生成される。この合成材の粒子が、金属及びカーボンナノチューブを含有する。当該金属及びカーボンナノチューブは、当該粒子中で互いに溶着されていて、且つ合金を形成する。この場合、カーボンナノチューブのほぼ均質な分布が、金属粒子中で発生する。金属の粒径が、当該粉砕によって減少され、カーボンナノチューブが、当該金属中に埋設される。その結果、当該カーボンナノチューブが、当該金属の結晶粒界に沿って延在する、又は金属粒子中に埋設されている。

固体が、例えば押出法のような、粉末冶金法によって得られた粉末状の合成材料から生成される。この固体は、真空ポンプの回転翼円板のための基本材として使用される。

図７は、当該方法で製造された、ほぼ円柱状の基本材７８を示す。１つの回転翼円板を製造するため、その回転翼円板の円板状の基本形に相当する１つの円板が、この基本材７８から切り離され得る。次いで、この円板は、支持リングとこの支持リングに半径方向につながっている動翼とのフライス切削加工によって１つの回転翼円板に加工され得る。個々の回転翼円板の代わりに、例えば、釣鐘形の回転子も製造され得る。

１０ハウジング
１２フランジ
１４吸入口
１６回転軸
１８ローターシャフト
２０動作コイル
２２駆動磁石
２４軸受
２６軸受
２８動翼
３０回転翼円板
３２静翼
３４ポンプ流出口
３６支持リング
４０直立面
４２流動層反応器
４４加熱装置
４６流入口
４８流出口
５０触媒流入口
５２取出口
５４触媒の凝集粒子
５６反応物質
５８カーボン層
６０溶融チャンバ
６２作動ガス
６４ノズル
６６チャンバ
６８ノズル
７０チャンバ
７２アーム
７４球
７６矢印
７８基本材

Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ３５４，５６−５８，１９９１Ｂａｃｏｎ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ３４，１９６０，２８３−９０

好適な実施の形態によれば、丸く巻かれた構造又は螺旋構造を成すカーボンナノチューブが、ナノ粒子として提唱されている。継目なしに閉じられている円柱構造の代わりに、当該ナノチューブの１つ又は複数のグラフェン層が、螺旋状の横断面を有する。当該丸く巻かれた複数のグラフェン層が、互いに分離された２つの長手側面を有する。この構造を成すカーボンチューブ及び当該ナノチューブの製造は、例えば、Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ３５４，５６−５８，１９９１及びＢａｃｏｎ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ３４，１９６０，２８３−９０に記載されている。

当該カーボンナノチューブは、丸く巻かれた複数のグラファイト層を有する螺旋構造を有してもよい。この場合、各グラファイト層が、重なり合って配置された２つ以上のグラフェン層を有する。当該複数のグラフェン層は一緒に、上記の螺旋構造を形成する。この場合、全てのグラフェン層の長手縁部が、互いに巻かれている。その構造が多層螺旋構造とも呼ばれる当該カーボンチューブ及びその製造は、独国特許出願公開第１０２００７０４４０３１号明細書に記載されている。当該ナノチューブのこれらのグラフェン層の開いている長手側面間に形成された不連続部分が、ナノチューブを金属に非常に密接に結合させる。このため、材料の強度が向上される。さらに、当該カーボンナノチューブの閉鎖されていなくて、これらのグラフェン層の長手側面の領域内で開いている横断面に起因して、当該カーボンナノチューブは、一般には真っ直ぐな軌道ではなくて、２つのカーブ間に配置された比較的短い直線部分を有する、湾曲されているカーブ軌道に沿って進行する結果、互いにもつれ合っている複数のカーボンナノチューブを有する凝集塊又は凝集クラスターを形成する。当該凝集塊は、散在したカーボンナノチューブと比較してより簡単に且つより少ない安全対策で取り扱い可能である。このため、製造コストが減少される。

当該カーボンナノチューブは、機械的に合金を製造する前に処理されてもよい。当該カーボンナノチューブの少なくとも一部の少なくとも一番外側のグラフェン層がひび割れするように、当該処理は、カーボンナノチューブに圧力を印加することを有してもよい。したがって、少なくとも５ＭＰａ、好ましくは少なくとも７．５ＭＰａの圧力が、クラスター塊に印加され得る。

図４は、上述されている方法で製造された、切断されているカーボンナノチューブの一部を示す。当該カーボンナノチューブは、図４に大まかにのみ示された複数のグラフェン層５８を有する。これらのグラフェン層は、チューブ状の横断面を形成するために互いに巻き付けられる。この横断面形状に起因して、当該チューブは、凝集塊の形成を促進する、湾曲されている又は丸められた形を成し、その後の処理時に金属材料と密接に結合する。

１０ハウジング
１２フランジ
１４吸入口
１６回転軸
１８ローターシャフト
２０動作コイル
２２駆動磁石
２４軸受
２６軸受
２８動翼
３０回転翼円板
３２静翼
３４ポンプ流出口
３６支持リング
４０直立面
４２流動層反応器
４４加熱装置
４６流入口
４８流出口
５０触媒流入口
５２取出口
５４触媒の凝集粒子
５６反応物質
５８グラフェン層
６０溶融チャンバ
６２作動ガス
６４ノズル
６６チャンバ
６８ノズル
７０チャンバ
７２アーム
７４球
７６矢印
７８基本材

Claims

真空ポンプにおいて、
前記真空ポンプの少なくとも１つの構成要素（３０）が、金属とナノ粒子とを含有する材料を含む又は当該材料から成ることを特徴とする真空ポンプ。
１つの固定子と少なくとも１つの回転子機構（３０）とが設けられていて、この回転子機構（３０）は、前記固定子に対して回転可能に軸支されていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
前記金属は、例えばアルミニウムのような合金金属、特に型式５０８３又は２６１８のアルミニウム合金を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
前記金属は、０．５〜１０重量％、好ましくは１〜９重量％、さらに好ましくは２〜４重量％のナノ粒子を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記金属は、１〜４００ｎｍ、特に１〜２００ｎｍの平均粒径を有する粒子を形成し、特に、前記粒子が、前記ナノ粒子によって少なくとも部分的に互いに分離されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記ナノ粒子は、少なくとも３、好ましくは少なくとも１０、特に好ましくは少なくとも３０のアスペクト比を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
カーボンナノチューブが、ナノ粒子として設けられていて、当該カーボンナノチューブは、丸く巻かれた複数のグラファイト層を有する螺旋構造を成し、各グラファイト層が、重なり合って配置された２つ以上のカーボン層（５８）を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記材料は、粉末冶金法によって金属とナノ粒子とを含む粉末状の合成材料から得られ、この粉末状の合成材料は、特に金属粉末をナノ粒子と混合して機械式に合金を製造することによって入手可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記構成要素は、前記真空ポンプの回転子機構であり、特にこの真空ポンプのターボ分子ポンプ段の回転翼円板（３０）を有するか又はこの回転翼円板（３０）から成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記回転翼円板（３０）は、複数の動翼（２８）を有し、これらの動翼（２８）の全体又はその一部がそれぞれ、前記金属から成ることを特徴とする請求項９に記載の真空ポンプ。
特に請求項１〜１０のいずれか１項に記載の真空ポンプを製造するための方法において、
当該方法は、前記真空ポンプの少なくとも１つの構成要素（３０）の少なくとも一部が、金属とナノ粒子とを含有する金属から製造されることを有する当該方法。
前記構成要素（３０）の形成工程は、少なくとも一部が前記材料から形成された、前記構成要素のための基本材（７８）の機械加工を有し、この機械加工は、特に金属除去加工を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
金属とナノ粒子とを含有する粉末状の合成材料が提供され、この粉末状の合成材料は、粉末冶金法によって前記構成要素又は前記構成要素（３０）のための基本材に加工されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の方法。
前記粉末状の合成材料の提供は、金属粉末をナノ粒子と混合して機械式に合金を製造することを有し、特に、前記金属が、前記粉末状の合成材料中に１〜２００ｎｍの平均粒径を有するように、当該合金の製造が実施され、前記金属の粒子の少なくとも一部が、前記ナノ粒子によって互いに分離されていることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法にしたがって得られる又は入手可能である真空ポンプ。