JP4805151B2 - 差動ポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、改良された差動ポンプシステムに関する。

図１及び図２には代表的なスクロール圧縮機を示している。図１は、スクロール圧縮機１０の横断面図であって、この圧縮機は、固定スクロール１２と旋回スクロール１４とを備えている。固定スクロールは、略平坦な円板１６になっていて、円板からは、スクロール壁１８が垂直に延びている。旋回スクロールは、略平坦な円板２０になっていて、円板からは、スクロール壁２２が垂直に延びている。シャフト２６は、モータ２４によって回転する。シャフト２６に設けられた偏心軸部分２８は、旋回スクロール１４に固定される。軸部分２８が偏心運動すると、旋回スクロール壁２２は、固定スクロール壁１８に対して、旋回運動をする。この相対的な運動によって、流体は、スクロール壁構造の半径方向外側に設けられた入口３０から、スクロール壁構造の半径方向中央に設けられた出口ないし排出口へと、ポンプ送りされる。なお、ガスは、圧縮機の入口（図示せず）を通って圧縮機に入る。

図２は、図１の線II−IIに沿って示した横断面図であって、スクロール圧縮機のスクロール壁構造を示している。図２において、流体が流れる流路３４は、矢印を付けた線で示していて、スクロール壁構造における入口３０から出口３２へと、略螺旋状の経路になっている。入口３０から第１の圧力にて入ったガスは、４回転の間に、つまり４回巻きの間に、圧縮されてより高い圧力になってから、出口３２を通ってポンプから排出される。巻きの数は、図２に示した例よりも多くても少なくても良く、ポンプ送出に求められる要件に応じて選択することができる。スクロール壁が相対的に旋回運動すると、複数の三日月形のポケット状空間が壁同士の間に形成され、このポケット状空間は、半径方向内方へ押し込まれつつ、そのサイズが徐々に圧縮されていく。当業者には周知であるが、これらの三日月形のポケット状空間は、約３６０゜の範囲にわたり、三日月形のポケット状空間を捕らえている壁部分は、巻き部分と称される。

スクロール圧縮機は、これが潤滑剤不要のポンプである点で有用である。従って、スクロール圧縮機は、質量分析装置においてしばしば採用される。質量分析装置は、異なる圧力にて複数のチャンバのポンプ送出がなされ、チャンバ間には相互結合部が設けられているような、差動ポンプ型の一連のチャンバを備えている。第１のチャンバは、比較的高い圧力に保たれ（例えば２〜１０ミリバール）、最後のチャンバは比較的低い圧力に保たれる（例えば１０^-5ミリバール）。代表的には、低い圧力のチャンバはターボ分子ポンプでポンプ送出され、比較的高い圧力のチャンバは一次ポンプによってポンプ送出される。スクロール圧縮機は、一次ポンプとして適したポンプである。当業者には周知であるが、ターボ分子ポンプは、バッキングポンプを必要とし、ターボ分子ポンプからの排気ガスは、大気圧に比べて低い圧力であるから、これをバッキングポンプによってポンプ送出してから大気に排出する。従って、こうした差動ポンプシステムにおいては、少なくとも３台のポンプ、つまりターボ分子ポンプと、バッキングポンプと、比較的高い圧力のチャンバのためのポンプとが必要になる。

従って、本発明は、上述した問題点を解決するため、ターボ分子ポンプを備えた差動ポンプシステムにおいて従来技術においては必要であった一次ポンプとバッキングポンプとに代えて、単一のスクロール圧縮機のみを備える差動ポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明は、
差動ポンプシステムであって、このシステムが、
両者間に相互結合部を有してなる少なくとも２つのチャンバと、
他のチャンバより低い圧力にてポンプ動作すべく、片方のチャンバに入口を結合されたターボ分子ポンプと、
スクロール圧縮機とを備え、
前記スクロール圧縮機が、スクロール圧縮機のためのスクロール壁構造であって、このスクロール壁構造が、固定スクロール壁と旋回スクロール壁とから構成され、両者が一緒になって、同時に異なる圧力にてポンプ動作すべく、それぞれ入口を有する複数の流路を形成してなり、
前記複数の流路は、第１の入口から出口へと延びてなる第１の流路と、第２の入口から出口へと延びてなる第２の流路とを有し、
前記第２の入口は第１の流路から隔てられており、ポンプ動作中前記第２の入口の圧力は前記第１の入口の圧力より高く、
前記スクロール圧縮機の片方の入口は他のチャンバより高い圧力にてポンプ動作すべく他方のチャンバに結合され、スクロール圧縮機の他方の入口はターボ分子ポンプの排気口に結合されていることを特徴とする差動ポンプシステムである。

本発明のその他の好ましい観点については、特許請求の範囲に定義されている。
本発明を良く理解できるように、様々な実施形態を例示的に示し、添付図面を参照して以下に説明する。

図３〜図８に示したスクロール壁構造は、図１に示したスクロール圧縮機と略同一の全体構造になっているが、そのスクロール壁構造が異なっている。従って、スクロール圧縮機の一般的な動作については再び述べることはせずに、これらの構造については、スクロール壁構造を参照して説明することにする。

図３を参照すると、図示のスクロール壁構造４０は、固定スクロール壁４４を有する固定スクロール４２と、旋回スクロール壁４６を有する旋回スクロールとから構成される。図２に示したスクロール壁構造と同様に、スクロール壁構造４０は、半径方向外方部分には入口４８を、半径方向中央部分には出口５０を、有している。旋回スクロール壁４４と固定スクロール壁４６とによって、入口４８から出口５０へと延びる第１の流路５２が形成され、入口４８から第１の圧力にて流入したガスは、第１の圧力に比べて高い圧力である、第２の圧力にて出口５０から排出される。スクロール壁構造４０は、第２の入口５４を備え、これを通ったガスは第３の圧力にて流入し、第２の流路５３を流れて、第２の圧力にて出口５０から排出される。流路５２及び５３は、それぞれ入口４８と入口５４とを備えているが、第２の流路の全長を越えると、第１の流路５２は、第２の流路５３と合流する。入口５４を通ってガスが流入する第３の圧力は、第１の圧力に比べれば高く、第２の圧力に比べれば低い圧力である。従って、入口４８及び５４は、異なる圧力のガスをポンプ送出できる。第２の入口５４をどこに配置するかに応じて、第３の圧力つまり第２の入口にガスが入る圧力が定まる（すなわち、入口を排気口に近づけるほど、第３の圧力は高くなる。）。

スクロール壁構造４０によれば、例えば、差動ポンプシステムにおける相互に結合された２つのチャンバを、異なる圧力に保ちつつ、単一のスクロール圧縮機によってポンプ送出することができる。従って、必要なポンプが１個だけになるという、コストの節約になる。

図１２に示した差動ポンプシステムにおいて、スクロール壁構造４０を備えてなるスクロール圧縮機１６８は、第１の圧力にてポンプ動作すべく第２の入口５４を第１のチャンバ１７０に連通させ、ターボ分子ポンプ１７４をバッキングすべく第１の入口４８をターボ分子ポンプの排気口１７２に連通させて、配置されている。ターボ分子ポンプの入口１７６は、第２のチャンバ１７８に結合されていて、比較的低い圧力にてポンプ送出を行う。従って、ターボ分子ポンプを備えた差動ポンプシステムにおいては、従来技術においては必要であった一次ポンプとバッキングポンプとに代えて、単一のポンプだけがあれば良いことになる。

図１３には、第２の差動ポンプシステムを示していて、スクロール圧縮機１６８の第２の入口５４は第１のチャンバ１７０に結合され、第１の入口４８は、スプリット・フロー式のターボ分子ポンプ１８２の排気口１８０に結合されている。ターボ分子ポンプ１８２のメインの入口１８４は、ひとつのチャンバ１７８に結合され、第２の中間段階の入口１８６は、別のチャンバ１８８に結合されている。

図１４には、第３の差動ポンプシステムを示していて、スクロール圧縮機１６８の第２の入口５４は第１のチャンバ１７０に結合され、第１の入口４８は、スプリット・フロー式のターボ分子ポンプ１８２の排気口１８０と第２のチャンバ１９０とに結合されている。スプリット・フロー式のターボ分子ポンプ１８２と、相互結合された２つのチャンバ１７８及び１８８との関係は図１３の場合と同じである。

以下、様々なスクロール圧縮機の構造について詳しく述べるが、それらのいずれの構造も、図１２〜図１４に示した差動ポンプシステムに組み込むのに適したものである。
当業者は、かかる構造について、その他の多数の利点と用途を認識するだろう。
図４に示したスクロール壁構造６０は、固定スクロール壁６４を有する固定スクロール６２と、旋回スクロール壁６６を有する旋回スクロールとから構成される。構造６０は、第１の入口６８と、出口７０と、第２の入口７２とを備える。構造６０は、２つの開始点を有し、すなわち、２つの第１の流路７１は、入口６０から１回転ないし１巻き分だけ延びた後に、一点に収束している。第２の入口７２は、第１の流路７１が収束している場所に設けられる。第２の流路７３は、第２の入口７２から出口７０へと延びていて、第２の流路の全長を越えると、第１の流路７１と合流する。図４に示すように、２つの開始点を設けることによって、入口６８からポンプ送出するガスの量を増やすことができるという利益が得られる。スクロール構造６０におけるその他の点は、図３に示した構造と同じである。

また、複数の前記第１の入口が、それぞれ前記第１の流路を有していて、これらが単一の前記第１の流路において合流するようなスクロール壁構造を提供することも可能である。この構成によれば、第１の圧力にてポンプ送出するために、複数の入口が提供される。
図５〜図８は、図３に関連して説明したスクロール壁構造に対する、４つの改変例を示している。図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）、及び図８（ａ）は固定スクロール壁だけを示しており、また、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）、及び図８（ｂ）は、固定スクロール壁と旋回スクロール壁との両方を示している。

図３に示したスクロール壁構造４０においては、第２の入口５４は、第１の入口４８と出口５０との間における第１の流路５２に設けられている。従って、第２の入口５４の圧力は、入口４８の圧力に影響を与える。ある種の状況においては、第２の入口で圧力を隔離することは望ましい。図５に示した固定スクロール壁構造によれば、第２の入口を隔離することができる。これに関して、図５（ａ）は、固定スクロール壁７６を有する固定スクロール７４を示し、旋回スクロール壁７５は図５（ｂ）に示している。第１の流路７７は、第１の入口７８から出口８０まで延びている。第２の入口８２は、およそ１回巻き分の固定スクロール壁を介して、第１の流路７７から隔てられている。第２の流路８４は、第２の入口８２からおよそ３６０゜にわたって延びてから、第１の流路と合流して、合流した流路７７及び８４は出口８０へと至る。図５に示した構成によれば、第２の入口において、第１の入口７８の圧力とは独立して、圧力を維持ことが可能になる。しかしながら、第２の流路の少なくとも一部分（すなわち１巻き分未満）によって、第２の入口が第１の流路から隔てられている限り、ある程度の隔離を得ることができることを理解されたい。

図６（ａ）は、固定スクロール壁８８を有する固定スクロール８６を示し、旋回スクロール壁８９は図６（ｂ）に示している。第１の流路９０は、第１の入口９２から出口９４へと延びている。第２の入口９６は、およそ２回巻き分の固定スクロール壁を介して、第１の流路９０から隔てられている。第２の流路９８は、第２の入口９６からおよそ７００゜にわたって延びてから、第１の流路９０と合流して出口９４へと延びる。図６に示した構成が、図５に示した構成よりも優れている点は、例えば大きな差圧が求められる場合などに、第２の入口９６の圧力を第１の入口９２からより良く隔離できることである。
図５及び図６に示した構造は、それぞれの入口にてポンプ送りされるガス種をある程度、隔離することが望ましいような、ある種のポンプ用途においては、さらに有利である。従って、これらの構成によれば、第１の入口と第２の入口とは、２つの入口から独立しているので、互換的に用いることができる。

図４に示すように、第１の入口４８には、２つの開始点の構造を採用することが可能である。図７（ａ）は、固定スクロール壁１０２を有する固定スクロール１００を示し、旋回スクロール壁１０９は図７（ｂ）に示している。この構造は、第１の入口１０４と、第２の入口１０６と、出口１０８とを備えている。この構造においては、第１の入口１０４については単一の開始点があり、第２の入口１０６については２つの開始点がある。第１の流路１１０が、１回半巻き分だけ延びてから、第２の入口１０６に達する。第２の入口１０６においては、第１の流路１１０は、２つの第２の流路１１２と合流し、これは、第２の入口１０６から１回巻き分の固定スクロールを経て、単一の流路１１０及び１１２に収束して、出口１０８へと至る。第２の入口１０６に２つの開始点を設けることによって、より大量のガスを第２の入口を通してポンプ送出することができる。

図８（ａ）は、固定スクロール壁１１６を有する固定スクロール１１４を示し、旋回スクロール壁１１７は図８（ｂ）に示している。固定スクロールは、第１の入口１１８と、第２の入口１２０と、出口１２２とを備えている。この構造においては、第１の入口１１８と、第２の入口１２０との両方に、２つの開始点がある。これに関して、２つの第１の流路１２４は、第１の入口１１８から二股に分岐して、１回巻き分を越えて延びてから収束して、単一の第１の流路１２４になる。ひとつになった第１の流路は、第２の入口１２０に遭遇すると、２つの第２の流路１２６に合流し、この第２の流路は第２の入口１２０からおよそ１回巻き分だけ延びてから、収束して単一の第２の流路１２６になって、出口１２２へと続く。この構成の優れている点は、第１の入口１１８と第２の入口１２０とのいずれについても、大容量のポンプ送出が得られることである。

上述した構造に関しては、図１に示したような、片面のスクロール壁構造について説明した。片面式の圧縮機は、単一の固定スクロールと単一の旋回スクロールとから構成されていることが分かるだろう。図９は、単一のモータ１２８によって駆動される、２つの片面式のスクロール壁構造を示している。それぞれのスクロール壁構造は、固定スクロール１３０と、旋回スクロール１３２とを備え、これらが一緒になって、排気口１３８と第１の入口１４０と第２の入口１４２との間に、第１の流路１３４と第２の流路１３６とを形成している。従って、双子式のスクロール壁構造は、２〜４の異なる圧力をポンプ送出すべく、４つの流路を備える。

スクロール壁構造としては両面式のものも知られており、かかる構成においては、図１０及び図１１に模式的に示すように、単一の旋回スクロール１４１の両側にひとつずつの２つの固定スクロール１４３を設ける。上述したすべての実施形態及びその変形例は、両面式のスクロール圧縮機の構造に組み入れることができる。さらに、あるスクロール壁構造を片側の固定スクロールに設けると共に、他方の固定スクロールには、異なるスクロール壁構造を設けることもできる。変形例としては、図１１に示すように、両面式のスクロール構造の両側に、第１の入口１４４と第２の入口１４６とを設け、これらがそれぞれ流路１４８と流路１５０とをそれぞれの出口１５２及び１５４へ向かって有することで、異なる圧力でのポンプ送出を行うことができる。さらに、図１１に示した構造によれば、それぞれの流路１５２及び１５４に沿ってポンプ送出されるガス種を隔離することができる。図１１に示した構成を改変して、スクロール壁構造の側面に、それぞれ第２の入口を設けて、図９のようにしても良い。

図１０に示すように、両面式のスクロール壁構造は、構造の第１の側面における半径方向中央部分に入口１５６を備え、構造の半径方向外側部分に入口１５８を備える第１の流路１６０は、構造の第１の側面において、第１の入口１５６から半径方向外方へ延び、構造の第２の側面において、排気口１６２へと半径方向内方に延びている。第２の流路１６４は、構造の第２の側面において、第２の入口１５８から排気口１６２へと半径方向内方へ延びている。図示の如く、第１の流路は、第２の入口１５８にて、第２の流路と合流している。変形例としては、図５及び図６を参照して述べたように、１又は複数のスクロール壁構造の巻き部分によって、第２の入口１５８を第１の流路から隔て、排気口の付近において、第１の流路が第２の流路に合流するようにしても良い。第２の入口１５８は、中間的な入口として機能して、第１の入口１５６では第１の圧力にてポンプ動作すると共に、第２の入口１５８では第２の圧力にてポンプ動作させることができる。

特許請求の範囲によって定義された、本発明の範囲には、多数の変形例や応用例が包含されることを理解されたい。

図１は、従来技術によるスクロール圧縮機を示した断面図である。 図２は、図１の圧縮機のスクロール壁構造について、線II−IIに沿って示した断面図である。 図３は、スクロール壁構造を示した断面図である。 図４は、別のスクロール壁構造を示した断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態によるスクロール壁構造を示した横断面図であって、図５（ａ）は固定スクロール壁だけを示している。 図５は、本発明の第１の実施形態によるスクロール壁構造を示した横断面図であって、図５（ｂ）は、固定スクロール壁と旋回スクロール壁との両方を示している。 図６は、本発明の第２の実施形態によるスクロール壁構造を示した横断面図であって、図６（ａ）は固定スクロール壁だけを示している。 図６は、本発明の第２の実施形態によるスクロール壁構造を示した横断面図であって、図６（ｂ）は、固定スクロール壁と旋回スクロール壁との両方を示している。 図７は、さらに別のスクロール壁構造を示した横断面図であって、図７（ａ）は固定スクロール壁だけを示している。 図７は、さらに別のスクロール壁構造を示した横断面図であって、図７（ｂ）は、固定スクロール壁と旋回スクロール壁との両方を示している。 図８は、さらに別のスクロール壁構造を示した横断面図であって、図８（ａ）は固定スクロール壁だけを示している。 図８は、さらに別のスクロール壁構造を示した横断面図であって、図８（ｂ）は、固定スクロール壁と旋回スクロール壁との両方を示している。 図９は、２つのスクロール壁構造を示した模式図である。 図１０は、両面型のスクロール壁構造を示した模式図である。 図１１は、別の両面型のスクロール壁構造を示した模式図である。 図１２は、第１の差動ポンプシステムを示したシステム構成図である。 図１３は、第２の差動ポンプシステムを示したシステム構成図である。 図１４は、第３の差動ポンプシステムを示したシステム構成図である。

Claims (10)

1. 差動ポンプシステムであって、このシステムが、
   両者間に相互結合部を有してなる少なくとも２つの第１のチャンバと第２のチャンバと、
   第１のチャンバより低い圧力にてポンプ動作すべく、第２のチャンバに入口を結合されたターボ分子ポンプと、
   スクロール圧縮機とを備え、
   前記スクロール圧縮機が、スクロール圧縮機のためのスクロール壁構造であって、このスクロール壁構造が、固定スクロール壁と旋回スクロール壁とから構成され、両者が一緒になって、同時に異なる圧力にてポンプ動作すべく、それぞれ入口を有する複数の流路を形成してなり、
   前記複数の流路は、半径方向外方部分にある第１の入口から出口へと延びてなる第１の流路と、該第１の入口より半径方向外方中央部分にある第２の入口から出口へと延びてなる第２の流路とを有し、
   前記第２の入口は第１の流路から隔てられており、ポンプ動作中前記第２の入口の圧力は前記第１の入口の圧力より高く、
   前記スクロール圧縮機の前記第２の入口は前記第２のチャンバより高い圧力にてポンプ動作すべく第２のチャンバに結合され、スクロール圧縮機の第１の入口はターボ分子ポンプの排気口に結合されていることを特徴とする差動ポンプシステム。
2. 前記第２の入口は、前記第２の流路の一部分によって、前記第１の流路から隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の差動ポンプシステム。
3. 第２の入口は、前記スクロール壁構造における少なくとも１回巻き部分によって、第１の流路から隔てられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の差動ポンプシステム。
4. ポンプ動作中における第２の入口の圧力は、第１の入口の圧力に比べて高く、または、低くなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の差動ポンプシステム。
5. 前記スクロール圧縮機が、第１及び第２のスクロール壁構造を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の差動ポンプシステム。
6. スクロール壁構造における固定スクロール壁は、前記第１及び第２のスクロール壁構造に共通する固定スクロールの一部分として形成されていることを特徴とする請求項５に記載の差動ポンプシステム。
7. スクロール圧縮機における第２の入口は、他のチャンバより高い圧力にてポンプ動作すべく前記チャンバの前記他方に結合され、スクロール圧縮機における第１の入口は、ターボ分子ポンプを同ポンプの排気口に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の差動ポンプシステム。
8. スクロール圧縮機における第１の入口は、他のチャンバより高い圧力にてポンプ動作すべく前記チャンバの前記他方に結合され、スクロール圧縮機における第２の入口は、ターボ分子ポンプを同ポンプの排気口に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の差動ポンプシステム。
9. ターボ分子ポンプは、スプリット・フロー・ポンプであって、ターボ分子ポンプのステージ間の入口は、前記チャンバにポンプ動作すべく同チャンバに結合されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の差動ポンプシステム。
10. 前記スクロール圧縮機における第１の入口は、前記チャンバとターボ分子ポンプの排気口とに結合されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の差動ポンプシステム。

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