JP4195743B2

JP4195743B2 - ターボ分子真空ポンプ

Info

Publication number: JP4195743B2
Application number: JP26113098A
Authority: JP
Inventors: ポールショーフィールドナイジェル; ストーンズイアン
Original assignee: エドワーズリミテッド
Priority date: 1997-09-15
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: DE69820824D1; DE69820824T2; GB9719634D0; US6109864A; EP0902190A3; EP0902190B1; EP0902190A2; JPH11148485A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は真空ポンプ、一層詳しくは、ターボ分子ポンピングステージを含む真空ポンプに関する。
【０００２】
【従来技術】
真空ポンプの従来のターボ分子ステージ構造は交互に重なり合ったロータおよびステータを含む。各ステージは、効果的に、中実のディスクと、そこから半径方向（公称上）に延びる複数の羽根とを含む。羽根は、ディスクの周面まわりに等間隔に隔たっており、ロータステージの回転方向においてディスクの平面から半径線「まわり」に傾斜している。
ロータおよびステータの羽根は、ディスクの半径線に向かう側から見てそれぞれ正および負の勾配を有する。この配置は、流れ方向に急激な変化を生じさせ、電力消費量を高める高粘性流れ状態において効果を有する。
分子流れ状態において、従来のターボ分子ポンプの性能は、以下のようにして交互のロータステータ対によって圧送されるガスのかなりの分子に起因する。すなわち、
ｉ）入口のところでガスはランダムな動きをする。
【０００３】
ii) （たとえば）入口ステージ（ロータ）上の回転羽根は、羽根角度および相対的な羽根速度により、上向きよりもむしろ下向きに伝達する可能性が高く、それによって圧縮が生じる。
iii) 次のステージに向かうガスはロータ速度と等価の、ロータ方向における速度成分を有する。
iv) 次のステージ（ステータ）上の固定羽根も、羽根角度および相対ガス速度により、上向きよりもむしろ下向きに伝達の可能性を高くし、それによって圧縮が生じさせる。
v) ステータステージを出るガスは相対速度を持たない、すなわちランダムな運動をしない。
【０００４】
ここで、圧送されつつあるガスの或る種の他の分子が、分子流れ状態において、ポンプの各ステージと相互作用を行わず、影響を受けていないいくつかのステージを通過するという点に留意されたい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ポンプがロータステージだけからなる場合、第１ロータの表面を出た後のガスと回転羽根の間に相対速度はまったく存在せず、したがって、第２（およびそれ以降）のロータを通る優先的なガス方向がまったく存在しないことになる。
したがって、ロータだけ（またはステータだけ）からなるポンプの圧縮は非常に少ないかあるいは全然ないことになるが、電力消費量は劇的に減少することになる。
それ故、ロータおよびステータの両ステージがターボ分子ポンプ構成において必要なのは明らかである。各ステージの機能は２つの相を有する。すなわち、
ａ）羽根角度および相対速度から圧縮を得ること、及び、
ｂ）ガス分子を再方向付けして、ポンプを通る各ステージについてのガス、羽根間の相対速度を持続させること
である。
【０００６】
ターボ分子真空ポンプは、ロータディスクを取り付けた軸の高い回転速度で作動し、ロータディスクを取り付けたチャンバ内で高い真空レベルを達成するように設計される。ターボ分子ポンプは、一般的には、ガスを大気中に直接排出するようには使用できない。したがって、好ましくはターボ分子ポンプの作動の前にチャンバ内の圧力をポンプダウンさせる、すなわち「かき乱す」、異なったポンピング機構のバッキングポンプを使用し、ターボ分子ポンプの入口においてその出力を方向付けることが一般に必要である。
バッキングポンプは、ターボ分子ポンプの本体に組み込んで複合真空ポンプを形成してもよい。たとえば、ターボ分子ポンプのステージの後に、ポンプ全体を通るガス流に従って１つまたはそれ以上の分子ドラグステージ（たとえば、「Gaede」ステージまたは「Holiweck」ステージとして知られる）および再生するステージを続けて設け、大気に排出するようにしてもよい。
【０００７】
複合設計は異なったポンプステージ機構を含み、それらのロータをすべて単一の軸に固定し、各機構を異なった負圧領域でのポンピングに合わせてある。このようにして、機構の組み合わせが、入口から出口までポンプ全体を通して安定した圧力勾配を与える。
複合設計の主要な考慮事項は初期ポンプダウン中に必要な電力である。圧力勾配がポンプを横切って確立される前に、すべての機構は大気圧で回転している必要がある。この状態において、従来のターボ分子羽根（単純な単一機構ポンプあるいは複合ポンプのいずれでも）は、ロータ、ステータ間に大きい粘性剪断および乱流効果を発生し、その結果、高い、そしてしばしば非現実的な電力消費を招く。ポンプ軸の速度が速ければ速いだけ、電力消費量も大きくなる。電力消費量を減らすけれどモータボ分子ステージの数を減らすことは単純にポンプ性能に悪影響を及ぼすことになる。
【０００８】
ポンプの初期作動中に充分な軸速度が達成できる場合、粘性流れ状態でポンプ作用に適した機構がポンプの上流側圧力を減らし始め、それによって、ターボ分子羽根を回転させるのに必要な電力を減らし始める。次いで、軸速度が増大し、ポンプ入口の圧力がさらに低下し得る。
複合ポンプあるいはターボ分子粗引きポンプシステム(turbo-molecular roughing pump system)の一部としてのターボ分子部分の大気圧電力消費量を、ターボ分子ステージの数を減らすという単純な手段を実施することなく、最小にする必要がある。
本発明は、乱流および粘性剪断をほぼあるいは完全に除去し、過剰な電力消費量を必要とすることなく良好なポンピング性能を得るために適切な数のターボ分子ステージを使用できるようにすることによってターボ分子ポンプ設計を改造して上記の必要性を処理する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、交互の第１ステージ及び第２ステージを備えているターボ分子真空ポンプであって、第１ステージが、環状の包絡線内に配置した複数の羽根を含み、これらの羽根がディスクから半径方向に延びておりかつディスクの平面から半径線まわりに傾斜しており、第２ステージが、環状包絡線の平面に対して平行な平面内に配置した複数の同軸同心の截頭円錐形部材を含んでおり、羽根のうちの少なくともいくつかおよび截頭円錐形部材のうちの少なくともいくつかが、第１ステージ及び第２ステージを通して軸線方向の流路を形成するように軸線方向に整合し、一方のステージが他方のステージに対して回転する間、羽根と截頭円錐形部材との間で実質的に軸線方向の流路を形成できるに充分な整合状態にあることを特徴とするターボ分子真空ポンプを得ることができる。
【００１０】
一般に、ロータステージは、主軸線まわりに高速で回転できるようになっているポンプ軸に取り付けられ、ポンプ軸を中心として配置され、そして、ステータステージは、ポンプ本体に取り付けられ、ポンプ軸の主軸線を中心として配置される。
第１ステージの羽根は中央ディスクに取り付けられ、そこから半径方向に延びていて環状の包絡線を形成し、それ自体公知の方法でロータの移動方向に傾斜していると好ましい。これらの羽根はディスクの外周まわりに等間隔になっていなければならない。代表的には、第１ステージの場合、通常の配列で約２０枚の羽根がある。
第２ステージの截頭円錐形部材は、中央ディスクまわりの同平面に形成されていると好ましく、また、薄いストラットによって中央ディスクおよび互いに取り付けてあると好ましい。代表的には、第２ステージには２つから５つの截頭円錐形部材がある。
【００１１】
明らかに、第１ステージの環状包絡線および第２ステージの截頭円錐形配列は、ポンプ内に同軸に装着し、一方のステージの、他方のステージに対する回転中、第１ステージ及び第２ステージを通して軸線方向の流路を形成するように軸線方向に互いに整合していてガス流路がポンプの種々のステージを通して確立され得るようになっていなければならない。
好適な実施例において、第１ステージ（羽根）はロータを含み、第２ステージ（截頭円錐形部材）はステータを含み、半径方向に延びる羽根は、ロータの回転方向において、すなわち、第１ステージを通過するガス分子がポンプを通して押圧されるようにディスクの半径線まわりに傾斜している。
この好適な実施例においては、粘性流れ状態条件において、截頭円錐形部材は、従来のポンプ設計ほど、回転しているロータ羽根と関連したガス体と相互作用を行わない。実際、小さな乱流混合が生じ、電力消費量は低い。
【００１２】
分子流れ状態においては、ポンプの動作は次のように表すことができる。
ｉ）入口におけるガスは完全にランダムな運動をする。
ii) 第１ロータステージのところで、回転羽根は、羽根角度および相対羽根速度により、上向きよりも下向きの高い伝達可能性を生じ、それ故、従来の設計と同様に、圧縮を発生する。
iii) 次の（截頭円錐形）ステージに向かうガスはロータ速度に等しい、ロータ方向における速度成分を有し、ガスはステージ（先のロータから若干離れて接線方向に動くステージ）に入ったときにも、半径方向の速度成分を有する。
ｉｖ）直径方向セクションで見た場合、ステータ截頭円錐形部材は、従来の「半径方向」羽根と同様に機能し、ガスの半径方向速度成分に等しい相対速度を与える。効果的な羽根角度および間隔は従来の半径方向羽根で用いられるのと同様である。截頭円錐形部材における半径方向速度成分は、上向きよりも下向きに高い伝達可能性を与え、それによってガスの圧縮を発生する。
【００１３】
ｖ）ステータステージを出るガスは回転方向に相対速度を持たず、従って、ガスはランダムな運動を回復する。
ステージのこのような配置およびステータ、ロータとしてのステージの逆配置は、大気圧動作のために必要な電力消費量をかなり減少させるが、驚くべきことにはより低い圧力（より高い真空）動作でも全性能はほとんど低下しない。各ステージは２つの基本的な、先に述べた機能を達成する。すなわち、圧縮を与え、分子を再方向付けする。
半径方向のステージは、従来の半径方向羽根とほぼ同じように振る舞い、圧縮を発生し、適当なガス分子方向を与える。
円錐形ステージも半径方向ステージ間でガス分子の再方向付けを助けて相対速度要求を支援し、これにより、半径方向ステージが効果的に作動することが可能となる。円錐形ステージに入る半径方向速度成分は接線方向ロータ速度よりもかなり低く、その結果、圧縮が発生するが、これは従来のポンプ設計の半径方向羽根の場合よりもいくぶん低くなる。しかしながら、この圧縮低下が全体のポンプ性能の許容基準を低下させることはない。
【００１４】
或る種の他の好適な実施例においては、本発明のポンプは、第１ステージの羽根と第２ステージの円錐形部材の間隔を大きくする、たとえば、従来のポンプの、３ｍｍ〜４ｍｍの間隔から１０ｍｍまでの大きい間隔、たとえば、５ｍｍ〜１０ｍｍの大きい間隔に大きくすることによってさらに改良することができる。これによって、ガス分子が円錐形ステータ部材に入る前により高い割合の半径方向速度を有し、さらに粘性流に発生する剪断を減らすことができる。
それに加えて、ロータステージの羽根は、これらの羽根が配置されるリングの平面に対して円周方向に傾斜されているのに加えて、主軸線がもはや半径線上に位置しないほど後退角を持っていてもよい。これは、羽根を出る分子のための非接線方向軌跡バイアスを発生させ、それによって、円錐形部材における半径方向速度成分を増やし、ポンピング性能を全体的に向上させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明をもっとよく理解してもらうために、以下、例示として添付図面を説明する。
図面、特に図１および図２を参照すると、ここには、本発明の真空ポンプが示してある。この真空ポンプは、円形横断面のポンプ本体１を含み、その中に軸２が軸受手段（図示せず）によって設けられている。この軸は、その長手軸線（および本体１の長手軸線）まわりにモータ（図示せず）によって高速で回転するようになっている。
軸２には第１ポンプステージ３（この例ではロータステージ）が固定してあり、これは中実のディスク３を含む。このディスク３には複数の羽根４が取り付けてある。これらの羽根はディスク３の周面まわりに環状包絡線を描くように等間隔で配置してある（混乱を避けるために図面にはいくつかの羽根だけが示してある）。各羽根４の中心線はディスク３から放射状の半径線上に位置しているが、羽根そのものは矢印Ａによって示すように（また、図３の頂部ステージに示すように）羽根の回転方向に傾斜している。すなわち、羽根はそれらの半径方向軸線（中心線）まわりに、たとえば３０度回転しており、その結果、羽根に衝突するガス分子がステージを通して、またポンプ全体を通して押圧される。第１ステージ３の下には、第２ステージ５（ステータステージ）があり、これは中央孔を有する中実のディスク６を含む。この中央孔内では軸が回転する。この中央孔は複数の（３つの）同軸、同心で中空の截頭円錐形部材７と外側部材８とによって半径方向平面で囲まれている。外側部材８は円形横断面であり、本体１の内面に固定されている。
【００１６】
部材７、８およびディスク６は、半径方向平面（軸の軸線に対して直角）において図示しない連結ストラットによって固定保持さている。したがって、図１に最も明瞭に示すように、傾斜して等間隔に隔たった環状ギャップが部材７、８とディスク６との間に形成される。
羽根と部材７、８間の環状ギャップとの間で半径方向に、ポンプの種々のステージを通じてほぼ軸線方向の流路を形成できるに充分な整合状態があることが重要である。
図３は、その左側部分ａ）に、従来技術における、３ステージ式ポンプ装置を通るガス流の方向を示している。すなわち、ここでは、各ステージはステージ毎に交互に傾斜した羽根を含み、そのうちの２つのロータステージが矢印Ｂの方向に動く。流れは冒頭に述べた一般的な従来技術の説明に従う。
【００１７】
図３の部分ｂ）は、本発明によるポンプの２つのロータステージとステータステージを通る流れの方向を示しており、ここでも、流れは冒頭に説明した一般的な発明の説明に従う。
図４は、本発明の真空ポンプに組み込むための羽根付きロータの変形例を示している。このポンプは、図１に示す一般的な方法によってステータステージ（５）と隣接して回転することができる軸（図示せず）上に装着したロータ４１を備えた本体４０を有する。しかしながら、羽根はロータの平面内に中心線を有する、すなわち、軸の長手軸線に対して直角な中心線を有し、図３に全体的に示すように中心線まわりに回転しているが、羽根はロータの平面内でも傾斜しており、ロータの半径線に関して「後退角」を有し、もはや半径線上には位置していない。羽根のこの配列は分子流れ状態において羽根表面を出るガス分子に対して非接線方向軌跡バイアスを発生し、それによって、円錐体に向かう半径方向速度成分を大きくし、ポンプ性能を全体的に向上させる。
【００１８】
図面に示した具体的な実施例に関して、そして、一般的に、従来のターボ分子ポンプにおいて通常使用されると思われる離隔距離（１〜３ｍｍ）に比べて、比較的大きなロータステータ離隔距離、たとえば１０ｍｍまでの離隔距離を使用できる。離隔距離とは、ロータの羽根４の最下方部分と部材７、８の最上方部分の間（特に図１でわかる）のギャップである。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、乱流および粘性剪断をほぼあるいは完全に除去し、過剰な電力消費量を必要とすることなく良好なポンピング性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半径方向羽根ステージの一部と円錐形ステージを示す本発明の真空ポンプの概略斜視図である。
【図２】図１に示すポンプの平面図である。
【図３】従来のターボ分子ポンプと本発明の真空ポンプを概略的に示す。
【図４】本発明による羽根ステージロータの変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ポンプ本体
２軸
３中実ディスク
４羽根
５第２ステージ
６中実ディスク
７截頭円錐形部材
８截頭円錐形部材
４０ポンプ本体
４１ロータ

Claims

交互の第１ステージ及び第２ステージを備えているターボ分子真空ポンプであって、第１ステージが、環状の包絡線内に配置した複数の羽根を含み、これらの羽根がディスクから半径方向に延びておりかつディスクの平面から半径線まわりに傾斜しており、第２ステージが、環状包絡線の平面に対して平行な平面内に配置した複数の同軸同心の截頭円錐形部材を含んでおり、羽根のうちの少なくともいくつかおよび截頭円錐形部材のうちの少なくともいくつかが、第１ステージ及び第２ステージを通して軸線方向の流路を形成するように軸線方向に整合し、一方のステージが他方のステージに対して回転する間、羽根と截頭円錐形部材との間で実質的に軸線方向の流路を形成できるに充分な整合状態にあることを特徴とするターボ分子真空ポンプ。
ロータステージがポンプ軸に取り付けてありかつこのポンプ軸を中心にして配置してあり、このポンプ軸が、その主軸線まわりに高速で回転できるようになっており、ステータステージがポンプ本体に取り付けてありかつポンプ軸の主軸線を中心として配置してあることを特徴とする請求項１記載のターボ分子真空ポンプ。
第２ステージの截頭円錐形部材が中央ディスクまわりに同平面に形成してあることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ分子真空ポンプ。
第２ステージ内に２つ〜５つの截頭円錐形部材があることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のターボ分子真空ポンプ。
第１ステージ（羽根）がロータを含み、第２ステージ（截頭円錐形部材）がステータを含み、半径方向に延びる羽根がロータの回転方向においてディスクの半径線まわりに傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のターボ分子真空ポンプ。
第１ステージの羽根と第２ステージの截頭円錐形部材との間の離隔距離が５ｍｍから１０ｍｍのいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載のターボ分子真空ポンプ。
ロータステージの羽根が後退角で傾斜しており、これらの羽根の主軸線が半径線上に位置していないことを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のターボ分子真空ポンプ。