JP5274468B2 - 分子ドラグポンプ機構 - Google Patents

Description

本発明は、分子ドラグポンプ機構に関し、特にシーグバーンポンプ機構に関する。

分子ドラグポンプ機構は、低圧時に高速で運動する面に衝突する気体分子は、その運動する面から速度成分を得ることができるという一般的原理に基づいて動作する。結果として、分子は、分子が衝突する面と同じ方向の運きをとる傾向があり、これにより分子がポンプ内で動かされてポンプの吐出口付近で比較的高い圧力が生み出される。

一般に、これらのポンプ機構は、ロータと、このロータに相対する１又はそれ以上の渦巻状又は螺旋状の流路を設けたステータとを含む。分子ドラグポンプ機構の１つのタイプに、シーグバーンポンプ機構があり、この機構はステータの外周からステータの中心へ向けて延びる螺旋状の流路を定めるディスク状のステータ要素に相対する回転平坦要素を備える。

図１は、多段シーグバーンポンプ機構を含む真空ポンプの一部の断面図である。この真空ポンプは、モータ１６によって長手方向軸線１４を中心に回転する、複数組の軸受１２により支持される駆動シャフト１０を含む。駆動シャフト１０には、共に回転するインペラ１８が装着される。インペラ１８は、シーグバーンポンプ機構の複数のロータ要素２０を備え、これらのロータ要素２０は、軸線１４に対して実質的に直角に、駆動シャフト１０から外向きに延びる平坦なディスク状部材の形態である。ロータ要素２０の間には、シーグバーンポンプ機構の複数のステータ要素２２が配置される。図２にさらに詳細に示すように、各ステータ要素２２は、ステータ要素の各それぞれの側面上に配置された複数の壁２４、２５を備える。壁２４は、ステータ要素２２の一方の側面上に複数の螺旋状の流路２６を定め、また壁２５は、ステータ要素２２の他方の側面上に複数の螺旋状の流路２７を定める。

螺旋状の流路２６は、駆動シャフト１０の回転、ひいては流路２６に隣接して配置されたロータ要素の回転でポンプ作用を生み出すように形成され、このポンプ作用により、ステータ要素２２の一方の側面において、ステータ要素２２の外縁２８からステータ要素１６の中央開口部３０へ向かうガスの流れが作り出される。これとは逆に、螺旋状の流路２７は、ステータ要素２２の他方の側面において、中央開口部３０からステータ要素２２の外縁２８へ向けて逆流するガスの流れを作り出すポンプ作用を生み出すように形成され、この外縁２８からガスはポンプ機構の次のステージへ向けて流れる。

ポンプ組立て中、インペラ１８は駆動シャフト１０上に装着され、インペラ１８のロータ要素２０の間にステータ要素２２が次々に組み立てられる。１つの公知の組立技術では、個々のステータ要素２２を直径上で切断することにより、各ステータ要素２２は、２つの半環状のセクション３２、３４に分割される。各ステータ要素２２の２つのセクション３２、３４は、インペラ１８のロータ要素２０のそれぞれの対の間に径方向に挿入されることにより、１つのステータ要素２２の外縁２８が、隣接するステータ要素２２の外縁２８に当接した状態で、セクション３２、３４が環状のステータ要素２２を再形成するようになる。この後、インペラ１８に対してステータ要素２２を保持するために、ステータ要素２２の周囲にケーシング３６が組み立てられる。

ステータ要素２２を切断することにより、組み立てた真空ポンプの各ステータ要素２２の２つのセクション３２、３４の切断面の間に空隙４０が生じる。この空隙４０は、ステータ要素２２の厚さを貫いて流路２７、２５の間に、また、ステータ要素２２の周囲、すなわちステータ要素２２とケーシング３６との間に、図１及び図２に矢印４２で示す漏れ経路を開く。ステータ要素２２のセクション３２、３４間の空隙４０のサイズを最小化するために、高価なワイヤ侵食法を使用してステータ要素２２が切断され、空隙のサイズは１００μｍから１５０μｍの間にまで減少される。しかしながら、このサイズの空隙の存在でも、シーグバーンポンプ機構の圧縮力がなおも大きく損なわれることが判明した。

第１の態様では、本発明は、ロータ要素と、ロータ要素の近傍に配置されたステータ要素とを備えたシーグバーンポンプ機構を提供し、ロータ要素とステータ要素の一方は、ロータ要素とステータ要素の他方に向けて延びるとともに複数の螺旋状の流路を定める複数の壁を備え、ステータ要素は、複数のセクションと、これらのセクションを互いに接触させるための手段とを含む。

ステータ要素のセクションを互いに接触させるための手段を設けることにより、セクション間の空隙のサイズを低減させることができ、従ってステータ要素のセクション間でガスが漏れる割合を低下させることができる。これにより、ポンプ機構のガス圧縮を大幅に向上させることができる。

例えば、セクションを一体にするために、ステータ要素のセクションの周囲に剛性のスライドリング又はチェーンを配置することができる。或いは、セクションを一体にするように促すための手段により、セクションを互いに接触させるための手段を適宜提供することもできる。例えば、弾性部材をセクションの周縁の周囲に配置して、セクションを接触するように促すことができる。この弾性部材として、セクションを取り囲むＯリング密封要素を挙げることができる。セクションを互いに接触させるための手段をセクションの周縁の周囲に配置することにより、ステータ要素の周囲に延びて、シーグバーンポンプ機構の周囲に配置されたケーシングの内面と係合し、この結果ケーシングとステータ要素の間のガスの流れを妨げるシールを提供することもできる。

上記のロータ要素及びステータ要素の一方は、鋳造及び／又は機械加工により製造することができる。複数の壁は、ステータ要素内に形成されることが好ましいが、ロータ要素内に形成してもよい。

本発明はまた、上述のような少なくとも１つのシーグバーンポンプ機構を含む真空ポンプも提供する。第２の態様では、本発明は、駆動シャフトと、駆動シャフト上に配置されたロータ要素及び駆動シャフトの周囲であり且つロータ要素の近傍に配置された環状のステータ要素を備えたシーグバーンポンプ機構と、を含む真空ポンプを提供し、ロータ要素及びステータ要素の一方は、ロータ要素及びステータ要素の他方に向けて延びるとともに複数の螺旋状の流路を形成する複数の壁を備え、ステータ要素は、複数のセクションと、これらのセクションを互いに接触させるための手段とを含む。

シーグバーンポンプ機構は、駆動シャフト上に配置された複数のロータ要素と、ロータ要素の間に配置された複数のステータ要素とを備えることができ、個々のステータ要素は、これらのステータ要素のセクションを互いに接触させるための手段を含む。これらの、すなわち各ステータ要素のセクションを互いに接触させるための手段は、本発明の第１の態様に関して前述したようなものであってよい。

真空ポンプは、シーグバーンポンプ機構の上流に少なくとも１つのターボ分子ポンプ段を備えることができる。真空ポンプはまた、シーグバーンポンプ機構の下流に追加の分子ドラッグ段及び／又は流体力学段を備えることもできる。これらの下流段の例には、ホルベック、ゲーデ、及び／又は再生ポンプ機構が含まれる。

次に、添付図面を参照しながら本発明の好ましい特徴について例示的に説明する。

シーグバーンポンプ機構を備えた公知の真空ポンプの一部の断面図である。 図１に示す機構のステータ要素の斜視図である。 シーグバーンポンプ機構を備えた真空ポンプの例の一部の断面図である。

図３は、真空ポンプの一部を示す図である。この真空ポンプは、モータ１０６によって長手方向軸線１０４を中心に回転するための、複数組の軸受１０２により支持された駆動シャフト１００を含む。駆動シャフト１００には、これと共に回転するインペラ１０８が装着される。インペラ１０８は、シーグバーンポンプ機構の複数のロータ要素１１０、１１２、１１４を備える。この例では、ロータ要素は、駆動シャフト１００から外向きに、軸線１０４に対して実質的に垂直方向に延びる平坦なディスク状部材の形態である。

シーグバーンポンプ機構の複数のステータ要素は、ロータ要素の間に配置される。この例では、シーグバーンポンプ機構は、３つのロータ要素１１０、１１２、１１４及び２つのステータ要素１２０、１２２を備えるが、真空ポンプの所望のポンピング性能を満たすために、必要に応じて任意の数のロータ要素及びステータ要素を設けることもできる。

各ステータ要素１２０、１２２は、環状ステータ要素の形態であり、隣接するロータ要素の方向へ延びる複数の壁を備える。例えば、ステータ要素１２０を参照すると、このステータ要素１２０は、各それぞれの側面上に配置された複数の壁１２４、１２５を備える。壁１２４は、ロータ要素１１０の方向へ延び、ステータ要素の一方の側面上に複数の螺旋状の流路１２６を定める。壁１２５は、ロータ要素１１２の方向へ延び、ステータ要素の他方の側面上に複数の螺旋状の流路１２７を定める。ステータ要素１２２は、ステータ要素１２０と同様の態様で形成される。

ステータ要素１２０、１２２の壁の高さは、シーグバーンポンプ機構に沿って軸方向に、すなわちポンプ機構の入口１３０からポンプ機構の出口１３２へ向けて軸方向に低くなり、それにより、流路の容積は、出口１３２へ向けて徐々に減少して、ポンプ機構内を通過するガスを圧縮するようになる。

各ステータ要素は複数のセクションに切断され、これらは駆動シャフト１００の周囲で組み立てられる。この例では、各ステータ要素は２つの半環状のセクションを含む。任意の適当な処理、例えばワイヤ侵食法により、ステータ要素を切断することができる。

ポンプ機構を組み立てるには、インペラ１０８を駆動シャフト１００上に装着し、インペラ１８のロータ要素間にステータ要素１２０、１２２を次々に組み立てる。最初にステータ要素１２２のセクション１４０、１４２をロータ要素１１２、１１４間に配置し、ステータ要素１２２の外縁の下面をモータ１０６の周囲に延びるハウジング１３６の上面１３４と係合させる。次に、ステータ要素１２２の外周１４６の周囲に配置され、セクション１４０、１４２を駆動シャフト１００の方向へ促し、かくしてセクション１４０、１４２の切断面に沿って接触させる弾性部材１４４により、ステータ要素１２２のセクション１４０、１４２を互いに接触させる。この例では、弾性部材１４４は、好ましくは、エラストマ材料で形成された弾力性のあるＯリング密封部材により構成される。ステータ要素１２２の周縁の周囲に溝を設けて、ステータ要素１２２の周囲の弾性部材１４４の配置を容易にすることができる。

次に、ロータ要素１１０、１１２間にステータ要素１２０のセクション１５０、１５２を配置し、ステータ要素１２０の外縁の下面をステータ要素１２２の外縁の上面と係合させる。その後、ステータ要素１２０の外周１５６の周囲に配置された弾性部材１５４により、ステータ要素１２０のセクション１５０、１５２を互いに接触させる。この場合も、この弾性部材１５４を弾力性のあるＯリング密封部材で構成することができる。

シーグバーンポンプ機構の組立て及びこのポンプ機構の上流に配置されるターボ分子ポンプ機構のような任意のポンプ機構の組立て後に、インペラ１０８に対してステータ要素１２０、１２２を保持するために、ステータ要素１２０、１２２の周囲にケーシング１６０を組み立てる。図３に示すように、ケーシング１６０の内面は、弾性部材１４４、１５４と係合する。

ポンプの使用中、ガスは、入口１３０を通ってシーグバーンポンプ機構内へ運ばれる。ステータ要素１２０に対するロータ要素１１０の回転によりポンプ作用が生み出され、この作用により、ステータ要素１２０の一方の側面上の流路１２６に沿って、ステータ要素の外縁からステータ要素１２０の中央開口部１７０へ向けてガスが流れるようになる。ステータ要素１２０に対するロータ要素１１２の回転により同様のポンプ作用が生み出され、この作用により、ステータ要素１２０の他方の側面上で、流路１２７に沿って中央開口部１７０からステータ要素１２０の外周へ逆方向へ向けてガスが流れ、ガスがこの外周からステータ要素１２２の流路内へ流入し、同様の態様でポンプ機構の出口１３２へ向けてポンピングされる。

弾性部材１４４、１５４の設置は多くの目的を果たす。第１に、それぞれのステータ要素１２０、１２２のセクションを互いに接触させることにより、セクション間のガスの漏れを大幅に低減させ、この結果シーグバーンポンプ機構の圧縮を向上させることができる。第２に、個各ステータ要素の周囲に環状の密封部材を設け、これをポンプ機構用のケーシング１６０の内面と接触させることにより、ステータ要素とケーシングとの間のガスの漏れを防ぐことができる。

Claims (13)

1. ロータ要素と、該ロータ要素の近傍に配置されたステータ要素とを含むシーグバーンポンプ機構であって、
   前記ロータ要素及び前記ステータ要素の一方は、該ロータ要素及び該ステータ要素の他方の方向へ延びるとともに複数の螺旋状の流路を定める複数の壁を備え、
   前記ステータ要素は、複数のセクションを備え、弾性部材が、複数のセクションを接触するように促すために、当該セクションの外周に沿って設けられている、
   ことを特徴とするシーグバーンポンプ機構。
2. 前記弾性部材は、前記ロータ要素及び前記ステータ要素を取り囲むケーシングとともにシールを形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ機構。
3. 弾性部材の配置を容易にするための溝が、ステータ要素の周囲に設けられている、請求項１又は２に記載のポンプ機構。
4. 前記弾性部材は、Ｏリング密封要素を含む、ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ機構。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の少なくとも１つのシーグバーンポンプ機構を含む、
   ことを特徴とする真空ポンプ。
6. 駆動シャフトと、シーグバーンポンプ機構とを備えた真空ポンプであって、
   前記シーグバーンポンプ機構は、前記駆動シャフト上に配置されたロータ要素と、前記駆動シャフトの周囲であり且つ前記ロータ要素の近傍に配置された環状のステータ要素とを備え、
   前記ロータ要素及び前記ステータ要素の一方は、該ロータ要素及び該ステータ要素の他方の方向へ延びるとともに複数の螺旋状の流路を定める複数の壁を備え、
   前記ステータ要素は、複数のセクションを備え、弾性部材が、複数のセクションを接触するように促すために、当該セクションの外周に沿って設けられている、ことを特徴とする真空ポンプ。
7. 前記弾性部材は、該セクションを駆動シャフト方向へ促す
   ことを特徴とする請求項６に記載の真空ポンプ。
8. 前記弾性部材は、前記ロータ要素及び前記ステータ要素を取り囲むケーシングとともにシールを形成する、
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の真空ポンプ。
9. 前記弾性部材は、弾力性のあるＯリング密封要素を含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載の真空ポンプ。
10. 前記シーグバーンポンプ機構は、前記駆動シャフト上に配置された複数の前記ロータ要素と、前記ロータ要素の間に配置された複数の前記環状のステータ要素とを備え、
    各ステータ要素は、該ステータ要素の前記セクションを接触させるための弾性部材を含む、ことを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
11. 前記シーグバーンポンプ機構の上流に少なくとも１つのターボ分子ポンプ段を備える、ことを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
12. 前記シーグバーンポンプ機構の下流に少なくとも１つのポンプ機構を含む、
    ことを特徴とする請求項６から請求項１１のいずれかに記載の真空ポンプ。
13. 前記少なくとも１つのポンプ機構は、ホルベックポンプ機構、ゲーデポンプ機構、及び／又は再生ポンプ機構を含む、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の真空ポンプ。

Images