JP3971821B2

JP3971821B2 - 気体摩擦ポンプ

Info

Publication number: JP3971821B2
Application number: JP20148797A
Authority: JP
Inventors: アルミーン・コンラート; ハインリヒ・ロッツ; カルシュテン・レーゼ
Original assignee: プファイファー・ヴァキューム・ゲーエムベーハー
Priority date: 1996-08-10
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2017-07-28
Also published as: US5893702A; JPH1077990A; DE19632375A1; EP0828080A2; EP0828080A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホルベック形の気体摩擦ポンプに関し、より詳しくは、そのポンプ作用を発生するためのポンプエレメントが、平滑表面を有するロータエレメントである円筒形部材と、該円筒形部材と同心的で該円筒形部材を囲繞するステータエレメントである第２の円筒形部材とで構成されており、該第２の円筒形部材は互いに平行に延在する複数本の輸送通路を備えており、それら複数本の輸送通路は、溝と溝との間が突条部で区画された螺旋形の溝で形成されており、以上の構成により前記ロータエレメントと前記ステータエレメントとの間に輸送空間が画成されており、該輸送空間がポンプ作用によって気体を吸入口から排気口へ輸送するようにした気体摩擦ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体を輸送するための、様々な構成の気体摩擦ポンプが公知となっている。それら気体摩擦ポンプの動作方式は、運動する壁面から気体の粒子へ運動量が移転されるということに基づいたものである。この運動量の移転によって、所望の方向性を有する気体の流れを発生させている。気体摩擦ポンプのうち、気体分子の自由行程がそのポンプの代表的寸法より大きい圧力領域、即ち、分子流領域において作動するものは、分子ポンプと呼ばれている。
【０００３】
このような気体摩擦ポンプの最初のものは、ゲーデによって提案された（Ｗ．Ｇａｅｄｅ著、「Ａｎｎ．Ｐｈｙｓ．４１」（１９１３年）３３７ｆｆ）。その基本原理を受け継いだ、いわばゲーデ形ポンプの１つの変形構成というべきものに、ジークバーンが開発したポンプがある（Ｍ．Ｓｉｅｇｂａｈｎ著、「Ａｒｃｈ．Ｍａｔｈ．Ａｓｔｒ．Ｆｙｓ．３０Ｂ」（１９４３年））。ジークバーン形ポンプにおいて運動する壁面として用いられているのは、回転円板である。
【０００４】
気体摩擦ポンプの更に別の変形構成として、ホルベックが提案したものがある（Ｆ．Ｈｏｌｗｅｃｋ著、「ＣｏｍｐｔｅｓｒｅｎｄｕｓＡｃａｄ．Ｓｉｅｎｃｅ１７７」（１９２３年）４３ｆｆ）。ホルベック形ポンプでは、円筒体の表面が、運動する壁面として用いられている。
【０００５】
気体摩擦ポンプのその後の発展における大きな進歩は、ベッカーの構造であった（Ｗ．Ｂｅｃｋｅｒ著、「ＶａｃｋｕｕｍＴｅｃｈｎｉｋ９／１０（１９６６年））。ベッカーの構造においては、運動する複数の壁面と静止した複数の壁面とが交互に配設されており、それら運動する複数の壁面も、また静止した複数の壁面も、複数枚の羽根板を備えたタービン形の羽根車で形成されている。そのためこの構造の名称として、ターボ分子ポンプという名称が広く使用されるようになった。
【０００６】
最初にゲーデによって提案された気体摩擦ポンプから派生した、それら発展形態は、真空技術の分野において、また特に高真空技術並びに超高真空技術の分野において、ますます重要な役割を担うようになってきている。一方の、ベッカー形のターボ分子ポンプの作動領域と、他方の、ゲーデ形、ジークバーン形、ないしはホルベック形の気体摩擦ポンプの作動領域とは、異なった作動領域となっている。ターボ分子ポンプは、多数の段を直列に連結した構造とすることにより、高い圧力比を発生させることを目指しており、そのため、高真空領域及び超高真空領域での作動に特に適している。ただしターボ分子ポンプの作動領域は、高圧側に限界があり、その原因は、ターボ分子ポンプでは、ポンプ作用を発揮する部材どうしの間の間隙が広いため、例えば１０^-3ミリバール程度の低圧力でなければ完全な動作をしないからである。
【０００７】
ゲーデ形、ジークバーン形、及びホルベック形の気体摩擦ポンプは、ターボ分子ポンプの作動領域より更に高圧側の圧力領域に含まれる作動領域において良好に作動する。この種の気体摩擦ポンプは、単独で、その圧力領域において使用されることもあるが、その他に、ターボ分子ポンプと直列に接続して使用されることもある。この後者の使用形態、即ち、ターボ分子ポンプと気体摩擦ポンプとを組み合わせて使用するという構成形態は、ターボ分子ポンプの作動領域をより高い吐出圧の領域へシフトするものであり、優れた構成形態であるといえる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の種々のポンプには、実際にそれらを作動させる際に遭遇する、これまでのところ満足に解決されていない一連の問題が付随している。即ち、それらポンプの機能にとって重要なこととして、回転側部材と静止側部材との間の間隙を非常に小さくすることで、逆流損失ないし逆輸送損失を低く抑えねばならないということがある。これは特に、ゲーデ形、ジークバーン形、及びホルベック形の気体摩擦ポンプについていえることである。更に加えて、それら気体摩擦ポンプは（ターボ分子ポンプと同様に）、現在では、比較的高い圧力領域で使用されるばかりでなく、分子流領域でも使用されるようになってきており、分子流領域で使用する場合には、回転側部材と静止側部材との間の間隙が、ある条件を満たしていなければならず、その条件とは、その間隙が、ポンプが取り扱う気体の分子の平均自由行程より小さいという条件である。この条件を満たしていなければ、上述の種々のポンプは、そのポンプ本来の圧力比を分子流領域において完全に発生させることができない。
【０００９】
ところが、その間隙を小さくするということは、ポンプの機能に関する必要条件ではあるものの、それと同時に、ポンプの内容積を小さし、そのため吸入能力（吸入流量）を制限してしまうという結果をもたらす。そのため、ターボ分子ポンプで圧縮した気体を、その種のポンプで更に先へ輸送しようとしても、その輸送流量に限界があり、従って高圧側における吸入能力に限界があった。ターボ分子ポンプの作動領域を更に高圧側へ広げるためには、より高い吸入能力を備えた気体摩擦ポンプを組み合わせるようにすればよいが、ただしその気体摩擦ポンプは、そのような高い吸入能力を備えると同時に、そのポンプの各部寸法が分子流領域で作動可能な寸法になっていなければならない。
【００１０】
ゲーデ形及びジークバーン形の気体摩擦ポンプでは、そのポンプの基本的な機能に問題を生じることなしに、より高い吸入能力が得られるように改造することは構造的に不可能である。また、それら気体摩擦ポンプには固有の短所も付随しており、例えばジークバーン形の気体摩擦ポンプでは、気体がポンプ作用によって移動される方向が遠心力の方向とは逆であり、実際に上述の構成とした場合には、このことがポンプの性能低下の原因になる。
【００１１】
従って本発明の目的は、分子流領域に適合する気体摩擦ポンプであって、従来の構成と比べて格段に向上した吸入能力を備えており、しかも分子流領域がその作動領域から除外されないような気体摩擦ポンプを提供することにある。このポンプは、その各部寸法が従来の構成におけるものと同程度であって、しかもターボ分子ポンプと組み合わせて作動可能なものでなければならない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１又は２の特徴部分に記載した構成によって達成される。尚、請求項３乃至９は、本発明の実施の形態である構成例の、具体的な構造を記載したものである。
【００１３】
本発明は、複数の輸送空間を並列的に形成した構成であるため、従来の構成と比べて、必要容積が同等で、吸入能力を数倍に増強することができ、しかもその作動領域は分子流領域を除外していない。作動領域が分子流領域を含むということは、例えば高い圧力比を発生させる等の、そのポンプの特徴的な特性を維持する上で重要である。請求項３乃至６に記載したポンプの流入部の特別な構成は、その流入部における流速を高めることができるようにした構成であり、またそれによって、気体の流れを吸入口から互いに同心的な複数の輸送空間内へ導入する際に、非常に抵抗の少ない状態で導入することができるようにした構成である。請求項７に記載したステータ部材の構成は、必要容積をできる限り小さく抑えつつ、しかも組立作業を有利な方式で行えるようにした構成である。
【００１４】
内周側の円筒形部材と外周側の円筒形部材とでは周速が異なるため、発生する圧力比に差が生じるが、この圧力比の差は、請求項１又は２に記載したように、複数のロータ部材及び複数のステータ部材を、内周側の部材から外周側の部材へ行くにつれて次第にその軸心方向長さが短くなるようにすることによって、小さく抑えることができる。ただし、この圧力比の差は、ロータ部材とステータ部材との間の間隙を外周側から内周側へ向かうにつれて次第に狭くなるようにすることによっても、また、輸送通路の深さを外周側から内周側へ向かうにつれて次第に浅くなるようにすることによっても、小さく抑えることができる。
【００１５】
本発明にかかる気体摩擦ポンプの利点は、特にターボ分子ポンプと組み合わせたときに顕著なものとなる。複数の輸送空間を並列的に形成した構成とし、流入部の構成を適当なものとすることにより、非常に高い吸入能力を容易に達成することができ、またそれによって、ターボ分子ポンプがその背圧側へ吐出する気体を、何ら損失を発生させることなく全て受け取ることができ、そしてその受け取った気体を分子流の形のままで更に排気口まで輸送すると共に、その輸送の間に圧縮を加えることができる。これによってターボ分子ポンプの作動領域を２倍の圧力にまで高圧側へ拡大することができる。
【００１６】
作動領域を更に拡大することも可能であり、それには、本発明にかかる構成の気体摩擦ポンプの背圧側に、更に１台ないし複数台の気体摩擦ポンプを連結して直列運転するようにすればよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しつつ、本発明をその実施の形態に即して更に詳細に説明して行く。
図１は、ハウジング１内の気体摩擦ポンプを示しており、ハウジング１は吸入口２と排気口３とを備える。互いに同心的に配設された複数の円筒形部材５が、連結部材１０を介して軸４に連結されている。これらの、軸４、連結部材１０、及び複数の円筒形部材５によって、ロータユニット（ロータエレメント）が構成されている。このロータユニットの駆動装置及び支持装置は公知構造のものとすればよく、それらは本発明の根本概念にとって重要な意味を持つものではないため図１には示していない。ステータエレメントは、互いに同心的に配設された複数の円筒形部材６で構成されており、それら複数の円筒形部材６の各々がロータエレメントの複数の円筒形部材５の夫々を囲繞している。ステータエレメントの円筒形部材６には、螺旋形の複数本の輸送通路７が形成されており、隣り合った輸送通路７どうしは突条８によって区画されている。それら輸送通路７は、各々が、複数の円筒形部材５の平滑な外周面ないし内周面に対向するように形成されており、更に、それによって画成される互いに同心的な複数の輸送空間９が、互いに並列的に動作する複数のポンプ空間を構成するように、それら輸送通路７が形成されている。それら複数のポンプ空間は、吸入口２から流入してくる気体をポンプ作用によって排気口３へ輸送する。それによって発生する並列的な気体の流れは、それら輸送空間（ポンプ空間）の終端部において、例えばステータ部材に形成された適当な開口１２を介して、再び合流し、排気口３へ導かれる。
【００１８】
図２は、別の実施の形態を示した図である。この実施の形態では、ロータエレメントの複数の円筒形部材５の方に輸送通路７を形成してあり、ステータエレメントの複数の円筒形部材６は、平滑な表面を有する部材として形成されている。
【００１９】
複数の円筒形部材５を互いに連結している連結部材１０は複数の開口１１を備えており、それら開口１１によって、吸入口２と複数の輸送空間９とが連通している。連結部材１０の夫々の担持部１３は、それら担持部１３と複数の開口１１とで気体輸送構造が形成されるような構成することができる。図３には、その具体例として、気体輸送構造を、吸入口２に対して傾斜して延在している複数枚の羽根板１４で構成し得ることを示した。また、図４は、傾斜した複数の孔１５で構成された気体輸送構造を示した。
【００２０】
図５は、複数本の輸送通路を備えた円筒形部材の１つの実施の形態を示した図である。この実施の形態では、円筒形部材は、ジグザグ形状の構造を持つように形成されている。また、複数の円筒形部材の各々の内周面及び外周面の各々に、輸送通路７と突条８とが交互に形成される。この実施の形態によれば、スペースの利用効率が最適となり、よりコンパクトな構造で同等の吸入能力を達成することができる。
【００２１】
図６に示した実施の形態は、本発明にかかる気体摩擦ポンプをターボ分子ポンプ２０と組み合わせ得るようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる構成の１つの実施の形態を示した断面図である。
【図２】本発明にかかる構成の別の実施の形態を示した断面図である。
【図３】ロータの複数の円筒形部材を互いに連結する連結部材の１つの実施の形態を示した図である。
【図４】ロータの複数の円筒形部材を互いに連結する連結部材の別の実施の形態を示した図である。
【図５】輸送通路の１つの実施の形態を示した図である。
【図６】ターボ分子ポンプと組み合わせた本発明にかかる構成を示した図である。
【符号の説明】
２吸入口
３排気口
５ロータの円筒形部材
６ステータの円筒形部材
７輸送通路
８突条
９輸送空間

Claims

ホルベック形の気体摩擦ポンプであって、そのポンプ作用を発生するためのポンプエレメントが、平滑表面を有するロータエレメントである円筒形部材と、該円筒形部材と同心的で該円筒形部材を囲繞するステータエレメントである第２の円筒形部材とで構成されており、該第２の円筒形部材は互いに平行に延在する複数本の輸送通路を備えており、それら複数本の輸送通路は、溝と溝との間が突条部で区画された螺旋形の溝で形成されており、以上の構成により前記ロータエレメントと前記ステータエレメントとの間に輸送空間が画成されており、該輸送空間がポンプ作用によって気体を吸入口から排気口へ輸送するようにした気体摩擦ポンプにおいて、
互いに同心的に配設された複数の円筒形部材（５）によって前記ロータエレメントが構成されており、それに対応して前記ステータエレメントも互いに同心的に配設された複数の円筒形部材（６）によって構成されており、それらステータエレメントの複数の円筒形部材（６）の各々が前記ロータエレメントの前記複数の円筒形部材（５）の夫々を囲繞しており、また、前記互いに平行に延在する複数本の輸送通路（７）の各々が、前記ロータエレメントの前記複数の円筒形部材（５）の前記平滑表面である外周面ないし内周面に対向するように形成されており、更に、それによって画成される互いに同心的な複数の輸送空間（９）が、互いに並列的に動作する複数のポンプエレメントを構成するように、前記複数本の輸送通路（７）を形成してあり、それら複数のポンプエレメントが、前記吸入口（２）から流入してくる気体をポンプ作用によって前記排気口（３）へ輸送するようにしてあり、
前記ロータエレメントの前記互いに同心的に配設された複数の円筒形部材（５）は軸心方向長さが互いに異なり、前記ステータエレメントの前記互いに同心的に配設された複数の円筒形部材（６）は軸心方向長さが互いに異なり、それらによって構成されたポンプエレメントは、その軸心方向寸法が内周側から外周側へ向かうにつれて次第に小さくなっていることを特徴とする気体摩擦ポンプ。
ホルベック形の気体摩擦ポンプであって、そのポンプ作用を発生するためのポンプエレメントが、平滑表面を有するステータエレメントである円筒形部材と、該円筒形部材と同心的で該円筒形部材を囲繞するロータエレメントである第２の円筒形部材とで構成されており、該第２の円筒形部材は互いに平行に延在する複数本の輸送通路を備えており、それら複数本の輸送通路は、溝と溝との間が突条部で区画された螺旋形の溝で形成されており、以上の構成により前記ステータエレメントと前記ロータエレメントとの間に輸送空間が画成されており、該輸送空間がポンプ作用によって気体を吸入口から排気口へ輸送するようにした気体摩擦ポンプにおいて、
互いに同心的に配設された複数の円筒形部材（６）によって前記ステータエレメントが構成されており、それに対応して前記ロータエレメントも互いに同心的に配設された複数の円筒形部材（５）によって構成されており、それらロータエレメントの複数の円筒形部材（５）の各々が前記ステータエレメントの前記複数の円筒形部材（６）の夫々を囲繞しており、また、前記互いに平行に延在する複数本の輸送通路（７）の各々が、前記ステータエレメントの前記複数の円筒形部材（６）の前記平滑表面である外周面ないし内周面に対向するように形成されており、更に、それによって画成される互いに同心的な複数の輸送空間（９）が、互いに並列的に動作する複数のポンプエレメントを構成するように、前記複数本の輸送通路（７）を形成してあり、それら複数のポンプエレメントが、前記吸入口（２）から流入してくる気体をポンプ作用によって前記排気口（３）へ輸送するようにしてあり、
前記ステータエレメントの前記互いに同心的に配設された複数の円筒形部材（６）は軸心方向長さが互いに異なり、前記ロータエレメントの前記互いに同心的に配設された複数の円筒形部材（５）は軸心方向長さが互いに異なり、それらによって構成されたポンプエレメントは、その軸心方向寸法が内周側から外周側へ向かうにつれて次第に小さくなっていることを特徴とする気体摩擦ポンプ。
前記ロータエレメントの前記複数の円筒形部材（５）が連結部材（１０）を介して前記吸入口（２）の側で互いに連結されており、前記連結部材（１０）は複数の開口（１１）を備えており、それら複数の開口（１１）が、前記吸入口（２）を、前記互いに同心的な複数の輸送空間（９）に連通させていることを特徴とする請求項１または２記載の気体摩擦ポンプ。
前記ロータエレメントの複数の円筒形部材（５）を互いに連結している前記連結部材（１０）の構成は、担持部（１３）と前記複数の開口（１１）とで気体輸送構造が形成されるような構成であることを特徴とする請求項３記載の気体摩擦ポンプ。
前記ロータエレメントの複数の円筒形部材（５）を互いに連結している前記連結部材（１０）の構成は、前記担持部（１３）が、前記吸入口（２）の平面に対して傾斜して延在している複数枚の羽根板（１４）で形成され、それら羽根板（１４）が、前記吸入口（２）から流入する気体の流れを前記互いに同心的な複数の輸送空間（９）内へ導くような構成であることを特徴とする請求項４記載の気体摩擦ポンプ。
前記ロータエレメントの複数の円筒型部材（５）を互いに連結している前記連結部材（１０）は、傾斜した複数の孔（１５）を備えており、それら傾斜した複数の孔（１５）の構成は、前記吸入口（２）から流入する気体の流れが前記互いに同心的な複数の輸送空間（９）内へ導かれるような構成であることを特徴とする請求項４記載の気体摩擦ポンプ。
前記複数の輸送通路を備えた前記ロータエレメント又はステータエレメントの複数の円筒形部材（５又は６）は、その断面形状がジグザグ形状となるように形成されており、それによってそれらロータエレメント又はステータエレメントの複数の円筒形部材の各々の内周面及び外周面の各々に、輸送通路（７）と突条（８）とが交互に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の気体摩擦ポンプ。
該気体摩擦ポンプがターボ分子ポンプ（２０）と組み合わされ、それら双方のポンプの夫々のロータエレメントが１本の軸上に取り付けられており、該気体摩擦ポンプは該ターボ分子ポンプの背圧側に連結されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の気体摩擦ポンプ。
該気体摩擦ポンプの背圧側に少なくとも１台の更に別の気体摩擦ポンプが連結されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の気体摩擦ポンプ。