JP3868530B2 - 冷却ガス機構を備えた分子真空ポンプの作動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷却ガス機構を備えた分子真空ポンプの作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
様々な構造の分子真空ポンプが、気体の輸送のために、ないしは真空を発生させるために使用されている。分子真空ポンプを有効に利用し得る作動領域は、分子流領域、即ち気体分子の平均自由行程がポンプの幾何学的寸法より大きい圧力領域から、層流領域、即ち気体分子の平均自由行程がポンプの幾何学的寸法より小さい圧力領域までの領域にわたっている。層流領域では気体を連続体とみなすことができる。ポンプ動作及びポンプ構造にとって特に重要な特性は、気体の内部摩擦及び熱伝導率である。
【０００３】
特に高真空技術の分野、ないしは超高真空技術の分野では、ターボ分子ポンプ（これについては、Ｗ．Ｂｅｃｋｅｒ， Ｖａｋｕｕｍｔｅｃｈｎｉｋ １５ （１９６６）を参照されたい）の形式の分子真空ポンプが使用されている。これより高い排出圧力領域に対応するものとしては、ジークバーン形分子真空ポンプ（これについては、Ｍ．Ｓｉｅｇｂａｈｎ， Ａｒｃｈ． Ｍａｔｈ． Ａｓｔｒ． Ｆｙｓ． ３０ Ｂ（１９４３）を参照されたい）や、ホルベック形分子真空ポンプ（これについては、Ｍ．Ｈｏｌｗｅｃｋ， Ｃｏｍｐｔｅｓ ｒｅｎｄｕｓ １７７（１９２３），４３を参照されたい）が使用されている。ジークバーン形やホルベック形の分子真空ポンプは、単独で使用されることもあれば、ターボ分子ポンプと組合わせて使用されることもある。ターボ分子ポンプと組合わせて使用することによって、そのターボ分子ポンプの作動領域をより排出圧力の高い領域へシフトさせることができる。
【０００４】
いかなる形式の分子ポンプも、それが機能するためには、基本的に、回転側の部材と固定側の部材との間の間隔を非常に狭くして、逆流及び逆輸送損失を小さく抑える必要がある。更に、あらゆる形式の分子ポンプに共通していることとして、回転側の部材の周速度に対し、ポンプの圧力比は指数関数的に変化し、ポンプの排気速度は一次関数的に変化するということがある。そのため分子ポンプは高い回転数で運転される。かかる運転条件下においては、ロータとステータとの間に最小限度の間隙を確保することが極めて重要になる。これについては、運転中のロータの熱膨張が決定的な要因となる。ロータの温度上昇、並びにステータ側の部材の温度上昇の発生原因には様々なものがあり、例えば、そのポンプが取扱っている気体の摩擦や圧縮に伴う損失、駆動機構の渦電流損失、ボールベアリングの摩擦損失ないし磁気軸受の渦電流損失等があり、更に設置場所の如何によっては外部磁場の影響もその原因となり得る。
【０００５】
ハウジングに固定連結されているステータ側の部材の温度は空冷ないし水冷という方法で抑制することができるが、ロータに対してはそのような方法を適用することができない。ロータは大抵の場合、ステータ側の部材から熱的に遮断された状態にある。ロータは、その軸支方式によって、完全無接触状態で磁気軸受構造中に浮上しているか、或いは、ボールベアリングを介してステータ側の部材と最小限の接触しかしていないかのいずれかである。真空中で動作しているため、対流による熱伝導も僅かである。殆ど熱放射による温度平衡化が行われるだけである。しかしながら、この熱放射による温度平衡化も不十分であり、これによってロータの温度を高い信頼性をもって抑制することは不可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、特にロータを効果的に冷却することができる能力を備えた、分子ポンプの作動方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１の特徴部分に記載した要件によって達成されている。請求項２ないし４は、本発明の実施態様を記載したものである。
【０００８】
分子ポンプは、ロータ側の部材とステータ側の部材とがいずれも大きな表面積を持ち、しかも非常に狭い間隔をもって互いに対向しているため、分子ポンプの中へ、そのポンプを冷却するための、また特にそのロータからステータへ熱を輸送するための、低温のガスを導入することは非常に効果的である。ただし、このガスの導入によって生じるポンプ動作の乱れを極力抑えるためには、導入するガスの量をポンプが本来取扱う気体の量と比べて少なくせねばならない。そのためには、冷却ガスの熱伝導率がそれだけ大きなものであることが必要である。
【０００９】
導入された冷却ガスは、ポンプ動作によって捕捉されて輸送されると共に圧縮されるため、そのことによって発生する余分な摩擦作用が、更に大きな温度上昇を引き起こすという事態も回避せねばならない。そのためには、その冷却ガスの内部摩擦が、ポンプが本来取扱う気体の内部摩擦と比べて小さいことが必要である。
【００１０】
上述の２つの必要条件を考察するために熱伝導率λと内部摩擦ηとが分子量Ｍに対してどのような関係にあるかを考えることにする。すると、λは１／Ｍ^1/2 に比例し、ηはＭ^1/2 に比例することが分かる。これは、分子量が小さいほど熱伝導率は大きく内部摩擦は小さいということを意味している。従って冷却ガスには、例えばヘリウムのように分子量の小さなガスが特に適している。またそのような冷却ガスは、一般的に、分子真空ポンプが本来取扱う気体の分子量が大きい場合には更に有利なものとなる。
【００１１】
冷却ガスの導入量は、熱の輸送量を最大にし得る量にするのがよい。熱の輸送量は層流領域に達したならば最大になる。熱伝導率は、圧力が分子流領域から層流領域まで変化して行く間は、圧力の上昇と共に増大して行くが、層流領域に達した後にはもはや圧力に左右されず一定の値を取るようになる。層流領域は、分子の平均自由行程が容器の両壁間の幾何学的寸法より小さいという特徴を有する領域である。このことから、例えばロータ・ディスクとステータ・ディスクとの間の間隔が約１ｍｍである場合には、冷却ガスの作動圧力を約０．１ミリバール（約１０Ｐａ）とすればよいことが分かる。
【００１２】
冷却ガスを分子真空ポンプへ導入する導入位置は、様々な位置とすることができ、ポンプの特性及びポンプ動作の特性に応じて導入位置を定めればよい。ポンプの高真空側へ注入すれば、それによって、互いに対向しているステータ及びロータの幾つもの表面のうち冷却ガスで洗われる表面の数が最大になるため、最大限の冷却効果が得られるという利点が得られる。ただし、ポンプの高真空側へ注入する場合には、それによってポンプ動作が大きく損なわれることがないということを確かめておく必要がある。分子量の小さい冷却ガスを使用すると、個々の分子ポンプの特性の如何によっては圧力比が非常に小さくなることもあるため、そのような冷却ガスを使用するとき、高真空側への注入が有利となるのは、ポンプそれ自体が非常に高い圧縮を行えるものである場合に限られる。
【００１３】
冷却ガスをポンプの背圧側へ注入する場合には、圧力比はそれほど重要な問題にはならない。この場合には、互いに対向している幾つもの表面のうちの僅かな表面しか熱交換のために利用できないが、その代わりに、注入する冷却ガスの圧力を、その冷却ガスの熱伝導率が確実に最大値に達し得るような圧力領域内の圧力にすることができる。更に、この注入位置では、しばしば、掃気用ガスを注入するようにしてあるという事実を利用することもできる。即ち、そのようにしてある場合には、冷却ガスを掃気用ガスに混合すればよい。以上に説明した２つの位置の中間位置へ冷却ガスを注入することも可能であり、ポンプ形式ないしポンプ動作方式によっては、そうすることによって、上述の利点を享受し、しかも欠点を軽減することができる。
【００１４】
本発明にかかる方法によれば、ポンプの特性並びにポンプ動作の特性に応じて分子ポンプのロータを冷却することができ、それによって、過酷な使用条件下においてもその温度を許容最大値以下に維持することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
これより本発明の具体的な実施の形態を、添付図面を参照しつつ詳細に説明して行く。
ここに具体例として示す分子真空ポンプは、複数枚のロータ・ディスク２と複数枚のステータ・ディスク３とを備えたターボ分子ポンプ１と、回転部材５と固定部材６とを備えたホルベック形分子ポンプ４とを組合わせたものである。このポンプのそれら２つの部分に対して、共通の駆動機構７と、共通の軸受８、９とが備えられている。高真空側には吸入口フランジ部１０が備えられている。気体排出口を１１で示した。この具体例では、選択的に使用できるように、複数の冷却ガス注入用の接続管部を設けてあり、それらを１２、１３、１４で示した。接続管部１３及び１４は、掃気用ガス注入口としても使用することができる。冷却ガスを高真空側へ注入する場合には、接続管部１２から注入する以外に、吸入口フランジ部１０から注入することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明方法に使用するのに好適な分子真空ポンプの断面側面図である。
【符号の説明】
１ ターボ分子ポンプ部分
２ ロータ・ディスク
３ ステータ・ディスク
４ ホルベック形分子ポンプ部分
５ 回転部材
６ 固定部材
７ 駆動機構
８、９ 軸受
１０ 吸入口フランジ部
１１ 気体排出口
１２、１３、１４ ガス注入口

Claims (4)

1. 気体の輸送並びに圧力比の発生及び維持のための分子真空ポンプの作動方法において、
   吸入口フランジ部（１０）と気体排出口（１１）との間に補助的なガス注入口（１２、１３ないし１４）を備え、該ポンプを冷却するために、また特にそのロータを冷却するために、前記ガス注入口を介して、該ポンプの内部空間へ、圧縮すべき気体の熱伝導率より大きな熱伝導率を有する冷却ガスを注入することを特徴とする分子真空ポンプの作動方法。
2. 前記冷却ガスの内部摩擦が、ポンプが取扱うべき前記気体の内部摩擦より小さいことを特徴とする請求項１記載の分子真空ポンプの作動方法。
3. ポンプが取扱うべき前記気体の分子量より小さな分子量の冷却ガスを用いることを特徴とする請求項１または２記載の分子真空ポンプの作動方法。
4. 前記冷却ガスの注入量を、所与の幾何学的寸法及び所与の圧力において最大の熱伝導率が得られるように、圧力が増大しても熱伝導率が一定に保たれる圧力領域に達する注入量とすることを特徴とする請求項１から３までのいずれか記載の分子真空ポンプの作動方法。

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