JP4457008B2 - 排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の排気装置に関する。

製品室または別の形式の受容器に、高真空範囲（≦１０^−３ｍｂａｒ）に位置する圧力を形成しようとする場合、吸込側の真空ポンプおよび周辺気圧（大気圧）側の真空ポンプ（予備真空ポンプ）を備えた排気装置を用いることが一般的である。吸込側の真空ポンプは、通常機械運動学的な真空ポンプとして形成されている。これにガスリングポンプ（Gasringpumpen）、ターボ真空ポンプ（アキシャル、ラジアル）ならびに分子真空ポンプおよびターボ分子ポンプが属する。

前述の圧力では、搬送しようとするガスは分子状態であり、これの意味するところによれば、方向付けされる流れは、個々のガス分子に所望の流れ方向である優先方向性を有するインパルスを与えるポンプ構造体によってしか達成することができない。ガス分子が、排気しようとする室内で優先的な運動方向性を有していないので、偶然にこのような運動方向性を有するガス分子しか、接続された真空ポンプの吸込管片に到達しない。

欧州特許公開第３６３５０３号明細書から、請求項１の上位概念に該当する形式の排気装置が公知である。機械運動学的な真空ポンプのロータおよびステータは円筒形に形成されている。できるだけ多くのガス分子を、室に接続された、つまり吸込側の真空ポンプの吸込管片に流入させるために、ロータは、直径で圧縮側に向かって増加する円錐形のハブを備えている。したがってハブとステータの円筒形の内面との間のウェブの幅は、圧縮側に向かって減少している。このような構造は、分子状態のガスのための流入横断面、つまり搬送しようとするガスの流入する吸込側のリング面が比較的大きくなっている点で有利である。したがって公知の形式の排気装置は、高いガス流量の要求の存在するような用途に特に適している。

したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の排気装置を改良して、高いガス流量の要求に関してさらに改善されたものを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載した構成手段を有する装置によって解決される。 分子状態のガスの流入する吸込側のリング面（本発明のポンプでは半径方向でさらに外側に位置する）によって、ロータハブが円筒形の構造を有している場合、流入横断面の拡大が達成される。なぜならば流入横断面は外側のロータ幾何学形状部分の半径の二乗で増加するからである。ロータ（ウェブ）の、ガス搬送作用を有する構成部材を半径方向外向きに変位することによって、周速がさらに高まり、これによってガス流量がさらに高められる。

特に有利には、ハブが従来技術の排気装置のように円錐形に形成されている。このように形成された排気装置では、流入横断面は、従来技術よりも数倍大きくなっている。

さらに有利には、吸込側の真空ポンプの縦断面図でみてロータの外径ならびにステータの内径の形状を表す線が、内向きに湾曲したカーブを成して次のように延びており、つまりカーブの傾きが吸込側から圧縮側に向かって増加するように延びている。特に有利には、線が実質的に双曲線の形状を有している。吸込側の真空ポンプのこのような構造は、搬送されるガスの最適でとりわけトラブルのない流れを保証し、ひいてはガス流量の改善目的に大きく貢献する。総じて出力密度の大幅な改善が達成され、つまり吸込側の真空ポンプの、ポンプ質量に対する出力性能比が、従来技術よりも著しく大きくなっている。

本発明の別の利点および詳細は実施例の説明から明らかである。

次に本発明の実施例を図示し、詳しく説明する。

図１〜図４には、本発明の排気装置を符号１で、吸込側の真空ポンプを符号２で、また単に記号で示した周辺気圧（大気圧）側の真空ポンプを符号３で示した。吸込側のポンプ２は機械運動学的な真空ポンプとして形成されている。吸込側の真空ポンプ２は、区分５，６，７を有する３部分から成るケーシング４を備えている。吸込側の区分５はフランジ８を備えており、フランジ８は吸込開口９を形成していて、かつ排気しようとするシステムへの接続に用いられる。ケーシング区分５の内壁１０は、機械運動学的な真空ポンプ２のステータ構成部材を成している。ケーシング区分５はロータ１１を包囲している。ロータ１１はハブ１２を備えており、ハブ１２は外側でガス搬送作用を有する構造体１３を支持している。構造体１３は、ここではウェブ状部材１４（特に図４参照）であり、ウェブ１４のリードおよび幅は、吸込側から圧縮側に向かって減少しており、これについてはたとえば欧州特許公開第３６３５０３号明細書から公知である。ロータ１１の回転軸線は符号１５で示した。ロータ１１の外側輪郭とステータ、つまりケーシング４の内壁との間にギャップ１６が設けられており、ギャップ１６は、問題となり得る逆流を回避するために、できるだけ小さく維持するのが望ましい。

少なくとも内側で円錐形に形成されたケーシング区分５は、実質的に円筒形の中位のケーシング区分６に支持されている。ケーシング区分５の下部は下位の端部区分１８でケーシング区分６に突入していて、それもロータ１１の圧縮側の端部まで突入している。ロータ１１とステータ８とによって搬送されるガスはリング室１９に到達する。リング室１９に出口管片２１が接続されている。出口管片２１は管路２２を介して周辺気圧側の真空ポンプ３と接続されている。

ハブ１２は中空に形成されている。吸込側の領域でハブ１２はディスク２３を備えており、ディスク２３はハブ１２内に設けられた圧縮側の中空室２４を吸込側から仕切っている。

下位のケーシング区分７はほぼ容器（ポット）状に形成されていて、かつ中位のケーシング区分６に固定されている。下位のケーシング区分７は、ハブ１２内に設けられた圧縮側の中空室２４と協働して、モータ室および支承部室を形成する。図１〜図３には、ロータのための駆動モータおよび支承部の図示は省略した。これらの構成要素は公知である。支承部は有利にはマグネット支承部（Magnetlager）から成っている。マグネット支承部は、高いロータ回転数に基づいて機械運動学的なポンプに特に適している。図４には、駆動システムおよび支承システムの、ケーシング区分７に突入する部分を示した。渦電流ブレーキ（？）の構成部材２６および非常運転支承部（Notlauflager）２５が看取できる。

図１および図２に示した実施例では、ロータ１１の外側輪郭およびステータ部分つまりケーシング２の内側輪郭１０は円錐形に形成されており、それもロータの外側輪郭およびステータの直径が、吸込側から圧縮側に向かって小さくなるように形成されている。これによって、接続された受容器（Rezipient）から除去しようとする分子のための流入横断面の所望の増加も、構造体１３の周速度の所望の増加も達成される。図２の実施例では、ロータ１１のハブ１２も円錐形に形成されていて、それもハブ直径が吸込側から圧縮側に向かって増加するように形成されている。搬送しようとする分子のための流入面は、このような構造によってさらに増加させられる。

図３および図４に示した実施例では、ロータ１１の外側輪郭およびステータ１０は内向きの湾曲形状を有している。実験および計算から、このような構造によって、ポンプ２を通る、大幅に改善された、つまりトラブルのないガス流を得ることができる、ということが判った。

特に有利には、ステータ１０およびロータ１１の外側輪郭は双曲線経過を有している。このような構造の結果を以下の計算式に示す：
ねじポンプの機能形式を表すための、大幅に簡素化された式に基づいて、スリップ−作用およびギャップ逆流を無視すると、以下の関係式を表すことができる：

この場合、
ｚ チャンネル数
ｈ ねじ山部深さ
Ｕ 周速度
ａ チャンネル幅
α ねじ山部リード
ｓ ねじ山部リード−上縁とステータとの間のギャップ
ｐ ねじ山部片ｄｘの平均圧力
η 粘度
ｑ ガス流束
を示すものである。

第１項はクエット流れを表し、第２項は圧力勾配によって生じるチャンネル逆流を示す。全幾何学データは、チャンネル深さを除いて、軸方向長さにわたって実質的に一定なものとして推測することができる。さらに第１項の分母は２に近づいていく。なぜならば比ｓ／ｈは次第に小さくなっていくからである。粘度も圧力とは無関係な値として近似される。

したがって：

または

を表すことができる。

これの意味するところによれば、予め与えられた圧力ｐおよびガス流束ｑに関して特定のチャンネル深さｈが存在し、ここでは圧力勾配は最大になる。このような最適なチャンネル深さはｄｈによるｄｐ／ｄｘの導関数によって見つけることができる：

または

したがってポンプに線状の圧力経過が生じる場合、ｘ軸としての回転軸線１５を有する座標系で、ロータの軸方向長さに関する双曲線状のチャンネル深さ経過が生じ、それも双曲線の傾きが吸込側から圧縮側に向かって減少するように生じる。ｘ軸およびｙ軸の位置は図３に示した。このような特性はＣＦＤソフトウェアを用いたシミュレーションによっても確認され、このシミュレーションは、ロータの外側輪郭が円錐形や円筒形である場合に、ロータの比較的小さなポンプ出力を示している。理想的なロータ設計では自動的に質量ひいては使用摩擦面が最小化されるので、直接的な比較で比較的高いガス流量を導くことができる。

このような計算では、ロータハブ１２の形状は差し当たり考慮されていない。ロータハブ１２は、図１〜図４に示したように、円筒形、円錐形、または外向きに湾曲した形状に形成することができる。製作を簡単にするという観点からみると、円錐形（図２）が有利である。トラブルのない流れの観点からみると、内向きの弱い湾曲形状（有利には双曲線形状）が有利である。

円錐形のステータと円筒形のロータハブとを備えた実施例を示す断面図である。

円錐形のステータと円錐形のロータハブとを備えた実施例を示す断面図である。

内向きに湾曲したステータと外向きに湾曲したロータハブとを備えた実施例を示す断面図である。

図３の実施例の詳細図である。

符号の説明

１ 排気装置、 ２ 真空ポンプ、 ３ 真空ポンプ、 ４ ケーシング、 ５，６，７ ケーシング区分、 ８ フランジ、 ９ 吸込開口、 １０ 内壁、 １１ ロータ、 １２ ハブ、 １３ 構造体、 １４ ウェブ、 １５ 回転軸線、 １６ ギャップ、 １８ 端部区分、 １９ リング室、 ２１ 出口管片、 ２２ 管路、 ２３ ディスク、 ２４ 中空室、 ２５ 非常運転支承部、 ２６ 構成部材

Claims (2)

1. 高真空領域の圧力に室を排気するための装置（１）であって、
   当該排気装置（１）が、吸込側の真空ポンプ（２）と周辺気圧側の真空ポンプ（３）とから成っており、吸込側の真空ポンプ（２）が、ロータ（１１）およびステータ（１０）を備えた機械運動学的な真空ポンプとして形成されており、機械運動学的な真空ポンプ（２）のステータ（１０）が、回転対称的な内面を備えており、該内面が、外側のロータ幾何学形状に適合されており、機械運動学的な真空ポンプ（２）のロータ（１１）が、ガス搬送作用を有する構造体（１３）を備えており、ガス搬送作用を有する構造体（１３）が、ねじ山状のウェブ（１４）から成っており、ウェブ（１４）のリードおよび幅が、吸込側から圧縮側に向かって減少しており、当該排気装置（１）が、これら記載の構造を有している形式のものにおいて、
   吸込側の真空ポンプ（２）のロータ（１１）の外径およびステータ（１０）の内径が、ウェブ（１４）のリードおよび幅と同様に、吸込側から圧縮側に向かって減少しており、
   吸込側の真空ポンプ（２）の縦断面図でみて、ロータハブ（１２）の形状を表す線が、ロータ（１１）の回転軸線（１５）からみて外向きに湾曲するカーブを成して延びており、回転軸線（１５）がｘ軸を成す座標系でみて、ロータ（１１）の回転軸線（１５）に対する該カーブの傾きが、吸込側から圧縮側に向かって減少しており、
   吸込側の真空ポンプ（２）の縦断面図でみて、ロータ（１１）の外径の形状ならびにステータ（１０）の内径の形状を表す線が、ロータ（１１）の回転軸線（１５）に向かって内向きに湾曲するカーブを成して延びており、回転軸線（１５）がｘ軸を成す座標系でみて、ロータ（１１）の回転軸線（１５）に対する該カーブの傾きが、吸込側から圧縮側に向かって減少していることを特徴とする、高真空領域の圧力に室を排気するための装置。
2. 湾曲した前記線が、実質的に双曲線の形状を有している、請求項１記載の装置。

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