JP5718907B2 - 軸方向力均衡手段を有する再生式真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、流体媒体（気体又は液体）をポンプ輸送するポンプに関する。特に、本発明は、再生式真空ポンプとして構成された真空ポンプに関する（しかしながら、これには限定されない）。

本発明を真空ポンプに関して以下に説明するが、本発明は、真空ポンプには何ら限定されず、他形式のポンプ、例えば液体ポンプ、気体圧縮機等にも同様に利用できることはいうまでもない。

再生式ポンプ輸送（吸込み吐出し）機構体を有する真空ポンプが従来公知である。公知の再生式ポンプ輸送機構体は、ロータブレード（回転翼）の複数の環状アレイを有し、これらロータブレードアレイは、ロータに取り付けられると共にロータからステータに形成されているそれぞれの環状チャネル中に軸方向に延びている。ロータの回転により、ブレードは、チャネルに沿って進み、それにより気体渦が生じ、この気体渦は、ポンプ輸送機構体の入口と出口との間の流路に沿って流れる。

この種の真空ポンプの例が当該技術分野において知られており、かかるポンプの特定のバリエーションが欧州特許第０５６８０６９号明細書及び同第１１７０５０８号明細書に記載されている。これら特許文献に記載されている再生式ポンプ輸送機構体は、ポンプ要素がロータの各側に設けられた円板状の形態で形成されたロータを有する場合がある。ポンプ輸送された気体は、この気体がロータの一方の側部に沿って入口から流れ、次にロータの他方の側まで、そしてここから出口まで先に連続的に移送されるよう構成された流路を辿る。

欧州特許第０５６８０６９号明細書 欧州特許第１１７０５０８号明細書

本発明は、従来型ポンプと比べて改良されたポンプを提供する。

したがって、再生式ポンプ輸送機構体を有する真空ポンプに用いられる真空ポンプロータであって、ロータは、全体として円板状の形態を有し、ロータは、真空ポンプのステータに対して回転可能に軸方向シャフトに取り付け可能であり、ロータは、ロータ特徴部が設けられた互いに反対側の第１及び第２の表面を有し、各ロータ特徴部は、ポンプロータとステータとの間に形成されていて、気体を互いに反対側の第１及び第２の表面に沿って入口から出口まで同一の半径方向にポンプ輸送するポンプ段の一部分を構成し、ポンプ段の複数の部分を互いに連結する導管が設けられていることを特徴とするロータが提供される。その結果、導管は、ロータ前後の圧力不均衡状態を補償することができる手段となる。導管は、ロータを貫通して延び又は導管は、ステータ内に設けられるのが良い。さらに、ロータは、入口から出口まで流れたポンプ輸送気体を圧縮するよう構成された少なくとも２つのポンプ段を有するのが良く、入口の近くに設けられた第１のポンプ段は、出口の近くに設けられた第２のポンプ段よりも低い圧力で動作可能であり、導管は、第２のポンプ段のところに設けられる。また、導管は、ポンプ段の複数の部分を互いに連結するよう構成された複数本の別々の気体通路を有するのが良い。

加うるに、本発明は、上述のロータを有する真空ポンプであって、ポンプは、第１及び第２の表面を備えたステータを更に有し、各表面は、第１又は第２のロータ表面のうちの一方に向くよう配置され、ステータ表面は各々、ポンプ段に気体流路を形成するようロータ特徴部のうちの１つと協働するよう構成された同心チャネルを有することを特徴とする真空ポンプを提供する。

加うるに、ステータ及びロータの第１及び第２の表面は、平坦であり、ステータチャネルは、ステータ表面の下に延びるよう配置されるのが良く、ロータ特徴部は、ロータ表面の下に延びるよう配置されるのが良い。加うるに、ポンプ段からの気体の漏れを減少させるために気体シールがロータとステータとの間に形成されるのが良く、気体シールは、向かい合ったステータ表面及びロータ表面の平坦部分から成る。かくして、互いに向かい合ったロータとステータの平坦な表面は、気体シール装置を形成するよう互いに協働し、これを達成するため、ステータの第１及び第２の表面は、平面状であり且つ互いに平行であるよう配置されるのが良い。

本発明は、ポンプであって、ステータに対して回転可能に軸方向シャフトに取り付けられた全体として円板状のポンプロータを含む再生式ポンプ輸送機構体を有し、ポンプロータは、表面内に設けられると共にポンプロータとステータとの間に形成されていて、気体をポンプ輸送機構体の入口から出口までポンプ輸送するための流路の少なくとも一部分を構成するロータ特徴部を有し、ポンプロータ及びステータは、ポンプ作動中、ロータとステータとの間の軸方向隙間を制御するよう構成された軸方向気体ベアリングを有することを特徴とするポンプを提供する。かくして、ポンプのこの構成により、ロータに設けられていて、ポンプのロータ及びステータコンポーネント相互間の軸方向隙間の制御具合を向上させることができる気体ベアリングが提供される。

代替的に又は追加的に、本発明は、ポンプであって、ステータに対して回転可能に軸方向シャフトに取り付けられた全体として円板状のポンプロータを含む再生式ポンプ輸送機構体を有し、ポンプロータは、各々に一連の異形凹部が同心円の状態で形成された第１及び第２の表面と、ステータの表面に形成されていて、ポンプロータの第１又は第２の表面のうちの一方に向いたステータチャネルとを有し、前記同心円の各々は、ポンプ入口と出口との間に延びる気体流路の一区分を形成するようステータチャネルの一部分と整列しており、ポンプロータは、流路の一区分を小区分に分割し、気体が任意の小区分に沿って出口に向かって同時に流れることができるようになっている。その結果、ポンプ輸送されている気体は、ロータの両方の表面に沿って並行に流れる。かくして、この形態により、ロータの各側の気体圧力を実質的に互いに等しくすることができ又は均衡させることができるポンプ輸送機構体を提供することができる。

代替的に又は追加的に、本発明は、再生式ポンプロータであって、ポンプステータに対して回転可能に軸方向シャフトに取り付けることができる全体として円板状のポンプロータを有し、ポンプロータは、各々に一連の異形凹部が同心円の状態で形成された第１及び第２の表面を有すると共にステータの表面に形成されたステータのチャネルに向くよう構成され、使用中、同心円の各々は、真空ポンプの入口と出口との間に延びる気体流路の一区分を形成するようステータチャネルの一部分と整列し、気体流路は、気体が第１の表面及び第２の表面に沿って入口に向かって同時に流れることができるようロータによって分割されている。かくして、この形態により、ロータの各側の気体圧力を実質的に互いに等しくすることができ又は均衡させることができるポンプ輸送ロータ機構体を提供することができる。

軸方向気体ベアリングは、ポンプロータに設けられたロータ側部品と、前記ステータに設けられたステータ側部品とから成るのが良い。この構成により、比較的少ないコンポーネント上に多数のポンプ部品を比較的容易に作ることができる。

ステータは、ポンプロータの軸方向側部にそれぞれ隣接して配置された２つのステータ部分を有し、ロータ特徴部は、ポンプロータの軸方向側部の各々に設けられ、流路は、ポンプロータによって小流路に分割され、気体がポンプロータの各軸方向側部に沿って同時に出口まで流れることができるようになっている。加うるに、小流路は、ポンプロータの半径方向中心線に関して対称であるように配置可能である。加うるに、第１及び第２の流路小部分をポンプロータの両側に設けられた第１及び第２の表面によって構成することができ、第１及び第２のステータチャネルは、それぞれ、ポンプロータの第１及び第２の表面の各々にそれぞれ向いている。さらに、第１のステータチャネルにより構成された第１の流路小区分及び第２のステータチャネルにより構成された第２の流路小区部は、等しい量の気体をポンプ輸送するよう配置可能である。さらに、第１及び第２の流路小区分は、例えばポンプロータの内側半径方向位置からの気体を半径方向外側の位置に差し向けるよう気体を同一の半径方向に差し向けるよう配置可能である。この構成により、バランスのとれたポンプ輸送構成が得られ、それにより、ポンプ輸送された気体によってロータの各側に及ぼされる圧力は、互いに実質的に等しくなる。その結果、ロータポンプコンポーネントとステータポンプコンポーネントとの間の軸方向隙間を比較的僅かな距離に維持することができ、それにより、ロータとステータとの間の気体漏れが減少し、それによりポンプ輸送効率を向上させることができる。

軸方向気体ベアリングのロータコンポーネントは、ポンプの作動中、ロータとポンプのステータとの間の軸方向回転隙間を制御するために気体ベアリングのステータコンポーネントと協働するよう構成可能である。さらに、軸方向気体ベアリングのコンポーネントの一部分は、第１の表面と同一平面内に位置する。軸方向気体ベアリングは、ポンプロータの各軸方向側部に設けられていて、ステータ部分のそれぞれに設けられたステータ側部品と協働することができるロータ側部品を有するのが良く、その結果、流路に沿ってポンプ輸送された気体は、ロータの各軸方向側の２つの部品相互間を通ることができるようになっている。換言すると、排出された気体は、気体ベアリングを作動させるのに必要な気体の少なくとも一部分を供給するために利用可能である。その結果、ポンプ送りされた気体を用いて軸方向気体ベアリングを駆動することができる。

再生式ポンプ輸送機構体の入口は、ポンプの半径方向内側部分に設けられるのが良く、出口は、ポンプの半径方向外側部分に設けられる。かくして、気体流路は、ポンプ輸送されている気体が機構体の内側部分から機構体の外側部分に流れるように構成されている。加うるに、空気ベアリングが出口の近くに位置するポンプロータ及びステータの半径方向外側部分のところに設けられている場合、高い「出口圧力」の状態にある気体は、ベアリングを駆動するために使用できる。さらに、この構成により、ポンプロータとステータとの間の軸方向回転隙間が４０μｍ未満、３０μｍ未満、２０μｍ未満又は１５μｍ未満のうちのいずれか１つのオーダであるようにすることができる。確かに、隙間は、約８μｍであるのが良い。かかる隙間は、代表的には、従来型再生式ポンプ機構体で達成できる隙間よりも極めて小さい。その結果、ロータとステータとの間のポンプ輸送された気体の漏れを最小限に抑えることができ、それにより、ポンプ効率及び／及びスループットの潜在的な向上が達成される。

さらに、ポンプの機構体の表面は、コンポーネントの構成材料よりも硬質の材料で被覆されるのが良い。例えば、ロータ特徴部が設けられたポンプロータ表面の少なくとも一部分、ポンプロータの表面に向いたステータ表面又は軸方向気体とベアリングを有するポンプロータ又はステータの表面をかかる材料で被覆するのが良い。被覆材料は、ニッケルＰＴＦＥマトリックス、陽極処理アルミニウム、炭素を主成分とする材料又はこれら組み合わせのうちのいずれか１つであるのが良い。さらに、炭素を主成分とする材料は、ダイヤモンド材料又は化学気相成長（ＣＶＤ）法によって成膜された合成ダイヤモンド材料のうちの任意の１つであるのが良い。かかる硬質被膜は、ポンプコンポーネントを摩耗から保護するのを助けるために使用できる。また、被膜は、ポンプ輸送された気体流中に同伴されている粒子がポンプロータとステータとの間の隙間空間に入るのを阻止するのに役立ち得る。

ポンプロータの第１及び第２の表面は、互いに平行に配置されるのが良い。また、有利には、第１及び第２の表面は、平坦な表面（即ち、平面状の表面）を有するよう構成されるのが良く、第１の表面の平面は、第２の表面の平面に平行である。さらに、軸方向気体ベアリングコンポーネントの一部分は、第１の表面か第２の表面かのいずれかと同一の平面内に位置するよう配置されるのが良い。その結果、表面は、比較的高い平坦度まで機械加工され、ラップ仕上げされ又は研磨されるのが良い。これは、ロータポンプコンポーネントとステータポンプコンポーネントとの間の僅かな軸方向隙間を維持するのを助けることができる。

本発明の他の好ましい観点及び／又はオプションとしての観点が本明細書において説明されると共に添付の図面に記載されている。

次に、本発明の内容を良好に理解することができるようにするため、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明するがこれは一例に過ぎない。

真空ポンプを概略的に示す図である。 図１に示された真空ポンプのロータの平面図である。 図１に示された真空ポンプのステータの平面図である。 図２に示されたロータのロータ特徴部を詳細に示す図である。 変形例としてのロータ特徴部を詳細に示す図である。 本発明の一観点としてのポンプの略図である。 本発明の一観点としての別のポンプの略図である。

図１を参照すると、再生式ポンプ輸送機構体１１を有する真空ポンプ１０が示されている。真空ポンプは、排気されるべき装置又はチャンバに連結可能な入口１３及び代表的には大気への排気を行なう出口１５を有している。図１に示されている真空ポンプは、再生式ポンプ輸送機構体の上流側に配置された分子ドラッグポンプ輸送機構体９０を更に有し、これについては以下に詳細に説明する。

再生式ポンプ輸送機構体は、ステータ１６に対して回転可能に軸方向シャフト１４に取り付けられた全体として円板状のロータ１２を有している。シャフトは、モータ１８によって駆動され、このシャフトは、１０，０００ｒｐｍ〜７５，０００ｒｐｍの速度、好ましくは約４０，０００ｒｐｍの速度で回転することができる。ロータ１２は、ロータを回転させると、気体をステータに設けられたチャネル２２に沿ってポンプ輸送機構体の入口２４と出口２６との間の流路を辿ってポンプ輸送する複数個のロータ特徴部２０を有している。入口及び出口は、図３に詳細に示されている。以下に詳細に説明するように、ロータ特徴部は、ロータの平面状の軸方向に向いた表面の各々に形成された凹部である。

ロータ１２及びステータ１６は、ロータとステータとの間の軸方向隙間Ｘを制御する軸方向気体ベアリング２８を有している。受動型磁気ベアリング３０がステータ１６に対するロータ１２の半径方向位置を制御する。

軸方向気体ベアリング２８は、ポンプロータに設けられたロータ側部品３２と、ステータに設けられたステータ側部品３４とから成っている。このベアリングは、低真空又は大気圧状態で、出口２６の近くに位置するポンプ輸送機構体の一部として設けられている。気体ベアリングは、これによりチャネルからのポンプ輸送気体の漏れを減少させると共に高効率小型ポンプを製作するのに必要なロータとステータとの間の僅かな軸方向回転隙間の実現が可能なので有益である。本発明の実施形態において達成可能な代表的な軸方向隙間は、３０μｍ未満、それどころか５〜１５μｍである。

空気ベアリングが僅かな軸方向回転するのを生じさせることができるが、空気ベアリングは、比較的重い荷重を支えるには好適ではない。したがって、図１では、ステータ１６は、ロータの軸方向側部４０，４２にそれぞれ隣接して配置された２つのステータ部分３６，３８を有し、ロータは、その各軸方向側部に設けられていて、気体をステータ部分２６，２８のそれぞれに設けられたチャネル２２に通して入口２４と出口２６との間のそれぞれの流路に沿ってポンプ輸送するためのロータ特徴部２０を有している。このように、流路は、ロータによって分けられ又は分割され、分割された小流路がロータ１２の軸方向中心線に関して鏡像関係をなし、ポンプ輸送された気体は、ロータの両側部に沿って並行して（同一の半径方向に）流れるようになっている。ポンプ輸送中に生じた力は、一般に、空気ベアリング２８が加えられた荷重に耐えることができる程度まで均衡化される（即ち、ポンプ輸送された気体により及ぼされる正味の荷重はゼロである）。換言すると、ポンプ輸送機構体によってポンプ輸送されると共に圧縮されている気体は、軸方向荷重をポンプ輸送機構体のロータ及びステータに及ぼすであろう。上述の構成により、実質的に０Ｎ（ゼロニュートン）に等しい正味の軸方向荷重がロータに加えられる。というのは、ロータの各側に加わる軸方向荷重は、典型的には大きさが等しく且つ互いに逆方向に加えられるので、互いに打ち消し合うからである。

しかしながら、ロータとステータがポンプ作動中に互いに衝突しないように努力すると共に保証するため、それぞれのポンプ段についてロータの各側で圧力を均衡化させることができる装置を提供することが必要な場合がある。図１及び図６に示されたロータは、入口２４と出口１５との間に３つのポンプ段を有する。ポンプの各段は、ロータの互いに反対側の表面にそれぞれ設けられたロータ特徴部２０を有する。換言すると、ロータ円板１２の一方の側のロータ特徴部は、ポンプ段の一部分をなし、ロータの反対側の他方の側部のロータ特徴部は、ポンプ段の他の部分を形成する。即ち、各ポンプ段は、ロータ円板の各側に設けられる２つの部分段に分割される。

ポンプ部分段の相互間又はそれぞれの前後の圧力不均衡状態（即ち、１つのポンプ部分段の圧力は、ロータ円板の反対側に設けられているポンプ部分段のそれぞれの圧力よりも高い）により、ロータの一方の側のロータとステータとの間の隙間は、ロータの他方の側の隙間に対して増大する場合がある。これ自体の結果として、ロータの側に応じて隣り合うポンプ段相互間の漏れ量に差が生じ、即ち、漏れ量は、隙間が最も大きい側で大きい。極端な圧力不均衡状態の場合では、ロータとステータが互いに衝突し、それによりポンプ機構体の損傷が生じる。

圧力不均衡状態は、多くの理由で生じる場合があるが、ロータとステータとの間の隙間が比較的僅か（例えば、３０ミクロン未満）であるポンプ又は比較的大きな圧縮比を有するポンプでは、上述の潜在的な問題を回避するのに役立つようにするためにロータ又はステータの上面及び下面上のポンプ部分段をクロスコネクト状態でマッチングさせることによりマッチング状態のポンプ部分段前後の圧力を均衡化させることが重要であることが判明した。

圧力を均衡化させる第１の方式は、図６に示されている外側部分によって達成できる。ロータの各側に設けられているそれぞれのステータチャネル又は導管２２は、気体がロータの互いに反対側のそれぞれの段相互間に流れ、それによりロータ前後の圧力不均衡状態を減少させ又はなくすよう導管２００により互いに結合されている。

図７に示されているような第２の方式は、圧力を均衡化させるために提供されている。ロータ前後の圧力差は、気体がロータの一方の側から別の場所で他方の側に流れることができるようにするようロータを貫通して延びる貫通穴又は導管２２０を提供することにより均衡化できる。多くの気体通路がポンプ段の周りの別々の場所に配置されるのが良く、それにより万一圧力不均衡状態が生じた場合であっても、別々のポンプ段内における気体の均等な分布状態の提供を助けることができる。例えば、１つのポンプ段の周りの均等に分布して位置する場所に４つ又は５つの貫通穴又は導管を設けるのが良い。この構成例では、貫通穴は、ロータ特徴部の底部のところ又はポンプ段のロータ特徴部相互間に位置した平坦な表面のところに設けられるのが良い。

圧力不均衡状態は、他のポンプ段に対して高い圧力状態で動作するポンプ段に最もマイナスの影響を及ぼす恐れがある。さらに、図７に示されている構成例では、いわゆる排気段（高い圧力状態で動作する）がロータ１２を駆動する回転シャフト１４から見て最も遠くに配置されている。かくして、この構成例では、排気段中の圧力の不均衡状態によりロータに加えられるトルクにより、ロータ１２は、ねじれてステータ１６との軸方向整列状態から外れる場合がある。その結果、ステータ１６とロータ１２は、互いに衝突する場合がある。多段ポンプの少なくとも排気段前後の圧力均衡化手段を設けることは、ポンプの誤作動を引き起こす圧力不均衡状態の発生の恐れを防御する上で好ましい。

ポンプ段に先立って、ロータは、ロータの一方の軸方向側部からロータの他方の軸方向側部に気体を通過させることができる図１に破線で示された少なくとも１つの貫通ボア２５を有している。貫通ボア２５により、気体をロータの各軸方向側部で流路に沿ってポンプ輸送することができる。

ロータの上面４０とステータ部分３６との間の軸方向隙間及びロータの下面４２とステータ部分３８との間の軸方向隙間を制御するため、軸方向気体ベアリング２８は、ロータの各軸方向側部に設けられたロータ側部品４４，４６を有している。ロータ側部品４４，４６は、ステータ部分３６，３８にそれぞれ設けられたステータ側部品４８，５０と協働可能であり、その結果、排気領域の気体は、ベアリングコンポーネント相互間の空間内に入ってロータと両方のステータ部分との間の軸方向隙間Ｘを制御するようになっている。さらに、流路に沿ってポンプ輸送された気体は、ロータの各軸方向側部で２つの部品、即ち、部品４４，４８と部品４６，５０との間を流れてベアリングに利用される気体の少なくとも一部分を形成するようになっている。

図１及び図３に詳細に説明されているように、入口２４は、ポンプ輸送機構体１１の半径方向内側部分のところに設けられ、出口２６は、ポンプ輸送機構体の半径方向外側部分のところに設けられている。機構体の半径方向外側部分は、半径方向内側部分よりも比較的高い圧力状態にある。典型的には、ポンプは、大気に又は比較的低い真空に排気する。気体ベアリングは、低真空状態でポンプ輸送機構体の半径方向外側部分のところに設けられている。というのは、この気体ベアリングは、ロータをステータに対して支持するのに十分な量の気体を必要とするからである。先行技術の再生式機構体では、入口は、典型的には、半径方向外側部分のところに設けられ、出口は、半径方向内側部分のところに設けられている。しかしながら、気体ベアリングを用いる場合、ベアリングをロータ及びステータの外側半径方向部分のところに設けることが好ましい。というのは、それにより、高い安定性が得られると共に軸方向隙間Ｘを正確に制御することができるからである。したがって、この実施形態では、入口の配設場所と出口の配設場所は、気体ベアリングが比較的高い圧力状態の出口の近くの外側半径方向部分のところに位置して作動のために十分な気体を受け入れるだけでなく高い支持作用及び安定性を提供するよう交換可能である。ポンプ輸送機構体の出口を外側半径方向部分のところに設けた場合の追加の利点として、気体の流れ中に同伴された粒子が遠心力によって全体として出口に向かって押され、そしてポンプ輸送機構体から押し出されるということにある。

次に、図２及び図３を参照して気体ベアリングについて詳細に説明する。図２は、ロータ図２の上側軸方向側部４０の平面図、図３は、ステータ部分３６の平面図である。

図２では、気体ベアリングのロータ側部品３２は、ロータの外側半径方向部分のところに配置され、このロータ側部品は、対称の支承力をロータに及ぼすようロータの周囲に沿って均等に分布して配置された複数のベアリング表面５２を有する。ベアリング表面は、ロータの上面４０と同一高さ位置にあり又はこれと同一平面内に位置している。凹み部分５４が回転方向Ｒ（この例では、反時計回りの方向）に関してベアリング表面５２の前縁のところにそれぞれ設けられている。凹み部分５４は各々、ベアリング表面から見て互いに異なる深さだけ凹み、深さがベアリング表面に向かって減少する２つの凹み表面５６，５８を有している。凹み表面５６は、円板１２の上面４０から見て約１ｍｍの相対的深さのところに位置している。凹み表面５８は、上面４０から見て約１５μｍという比較的浅いところに位置している。

図３に示されたステータ側部品４８は、ロータベアリング表面５２の半径方向距離と同等の半径方向距離にわたって延びる平面状の周方向ベアリング表面６０を有している。ベアリング表面６０は、ステータ部分３６，３８の平面状の表面６９，７１と同一高さ位置にあり又はこれと同一平面内に位置している。

理解されるように、変形構成例では、ベアリング表面５２がステータに設けられ、周方向ベアリング表面６０がロータに設けられても良い。

使用にあたり、深い凹み表面５６は、ステータのベアリング表面６０と一緒になって、出口２６を通って排出された周囲空気又は気体を取り込む。ロータの回転により、取り込まれた気体は、段付きの表面５８とステータ表面６０との間に押し込められ、それによりこの気体が中間ポケットの浅い深さ部によって圧縮されているときに圧力が増大する。深いポケットとベアリング表面との間の段部により、圧力の漸次増大が可能であり、したがって、ベアリング表面５２とステータ表面６０との間における気体の流れが促進される。次に、気体は、ベアリング表面５２とステータ表面６０との間で押され、それにより気体が圧縮されているときに圧力が増大する。軸方向隙間Ｘは、ベアリング表面５２とステータ表面６０との間の距離によって制御され、この場合、比較的高い圧力の気体がロータを支持すると共にステータに対する軸方向運動に抵抗する。即ち、ロータの両方の軸方向側部の支承構造体は、一緒になって、両方の軸方向における運動に抵抗する。代表的には、ベアリング表面５２とステータ表面６０との間の軸方向隙間は、１０〜３０μｍ、好ましくは１５μｍである。

ベアリング表面５２と凹み部分５４との間の前縁６２は、半径方向（破線で示されている）に対して角度をなしており、したがって、１本又は複数本の流路に沿う粒子は、使用中、遠心力の作用で前縁６２によってポンプ出口１５に向かって下流に差し向けられるようになる。この例では、角度は、約３０°である。ただし、必要に応じて他の角度を採用することができる。同様に、凹み表面５６，５８相互間の交線又は交差部６４も又、半径方向に対して角度をなしており、したがって、流路に沿う粒子は、出口の方へ差し向けられるようになる。交差部６４及び前縁６２の角度は、好ましくは、表面５８又はベアリング表面５２上でこれに沿って進む気体が内側半径方向の場所及び外側半径方向の場所のところでほぼ同一距離進んで圧力がこれら表面を横切ってほぼ等しくなるよう同一である。かかる角度相互間には僅かな差がある。というのは、ロータの接線方向速度が表面の内側半径方向場所よりも外側半径方向場所の方が高いからである。

空気ベアリング表面は、セラミックで作られ又はセラミックで被覆されるのが良い。というのは、かかる材料は、気体ベアリングに適した比較的平坦且つ低摩擦性の表面を提供するからである。ロータの作動を開始すると、ロータとステータは、当初接触状態にあり、速度が約１０００ｒｐｍに達するまでこすれ合う。ロータが十分な速度にいったんなると、気体ベアリングは、ロータをステータから遠ざけて支持する。したがって、好ましくは、気体ベアリングの表面は、非常に滑らかであり又は自滑性である。

ロータとステータの相対的半径方向位置決めは、図１に示されている受動型ベアリング３０によって制御されるのが良い。変形構成例では、ボールベアリングを採用しても良い。しかしながら、磁気ベアリングは、或る特定の真空ポンプ用途にとって好ましいかもしれない乾式ベアリングである。さらに、比較的高速で作動されるように構成されたこの種の小型ポンプでは、気体ベアリングと磁気ベアリングの組み合わせにより、回転に対する抵抗が比較的小さい無接触ベアリング構成が提供される。加うるに、気体ベアリングは、軸方向における磁気ベアリング要素の相対運動に抵抗する。磁気ベアリングの故障に備えてバックアップベアリング（図示せず）を設けるのが良い。

次に、図２〜図５を参照してこの実施形態の再生式ポンプ輸送機構体について詳細に説明する。

ロータの平面状の平坦な表面４０，４２は、ステータ部分３６，３８の平面状の平坦な表面６９，７１のすぐ隣りに位置する共にこれらに平行である。ロータ１２のロータ特徴部２０は、ロータの平面状表面４０，４２に同心円６６をなして又は環状アレイの状態で設けられた一連の異形凹部（又はバケット）によって形成されている。この実施形態では、これら特徴部は、両方の表面４０，４２に形成されている。ただし、他の構成例では、ロータ凹部は、ロータの一方の軸方向側部にのみ設けられても良い。図２では、凹部２０の７つの同心円が示されているが、要件に応じてこれよりも多い又は少ない数の同心円を設けることが可能である。複数本の全体として周方向のチャネル６８が第１のステータ部分３６の平面状表面６９に形成されていて、ロータの一方の面４０に形成されている同心円６６と整列している。第２の複数本の全体として周方向のチャネル６８が第２のステータ部分３８の平面状表面７１に形成されていて、ロータの他方の面４２に形成されている同心円６６と整列している。注目されるように、分かりやすくするために図３では３本のチャネル６８しか示されていないが、図２に示されたロータに用いられるようになったステータは、７つの同心円６６の各々と整列した７本のチャネルを有する。

一方の軸方向側部のロータ及びステータの平面状表面４０，６９及び他方の軸方向側部の平面状表面４２，７１は、各々、軸方向回転隙間Ｘだけ隔てられている。回転隙間が小さいので、凹部及びチャネル６８からの気体の漏れが生じにくいようになり、その結果、気体流路７０がポンプ輸送機構体の入口２４から出口２６までロータの各側に形成されるようになる。したがって、ロータを回転させると、異形凹部は、流路に沿って流れる気体渦を生じさせる。換言すると、互いに向かい合うと共にポンプ段相互間（又は隣り合う気体流路相互間）に設けられているステータ表面及びロータ表面の平坦な又は平面状の部分は、ポンプ段又は流路からの気体の漏れを減少させるシールとしての役目を果たし、ステータ表面及びロータ表面のそれぞれの平面状部分は、隣り合うポンプ段相互間に気体シールを形成するよう互いに協働する。

ステータチャネル６８は、これらの広がりの大部分にわたって周方向であるが、これらステータチャネルは、気体を或る１本のチャネルから半径方向外側チャネルに差し向けるための全体として真っ直ぐな区分７２を有している。かくして、これら真っ直ぐな区分は、これまた気体を或る１本のポンプチャネルから次のポンプチャネルまで移送するよう働く従来型再生式ポンプに見受けられるいわゆる「ストリッパ」と類似している。異形凹部２０は、図３に破線で示されているようにロータの平面状表面６９を横切る。

公知の再生式ポンプ輸送機構体では、ロータ特徴部は、典型的には、羽根であり、これら羽根は、ロータ表面の平面から出てステータ表面の平面とオーバーラップする。これら羽根は、ロータの同心円と整列したステータのチャネル中に突き出る同心円の状態で配置されている。かかる先行技術のロータの回転時、これら羽根は、気体を流路に沿って圧縮する気体渦を発生させる。ロータの１枚又は複数枚の羽根を支持する部材と流路からの気体の滲出を制御するチャネルとの間には半径方向隙間が存在する。ポンプの作動により、ポンプの部品は、温度が上昇するが、ロータは、典型的には、ステータの温度上昇よりも高く温度が上昇する。温度上昇により、最も顕著には半径方向におけるロータ及びステータの膨張が生じる。ロータがステータの度合いとは異なる度合いまで膨張すると、ロータの１枚又は複数枚の羽根を支持する部材とステータとの間の半径方向隙間は、ロータの１枚又は複数枚の羽根の支持部材がステータに接触しないよう膨張速度差に順応するほど十分大きくなければならない。したがって、必然的に、半径方向隙間は、比較的大きいので流路からの気体の漏れを許容する。

本実施形態では、ロータ及びステータの平面状表面４０，６９と平面状表面４２，７１との間の軸方向回転隙間Ｘは、流路の密封具合（即ち、流路の連続した円又はラップ相互間の密封具合）を制御する。この構成例が図１に明確に示されており、ここでは、３つのラップが示されている。機構体の半径方向外側部分のところの高圧チャネルからこれから見て半径方向内方の低圧チャネルへの気体の漏れが生じにくいようになる。というのは、軸方向隙間は小さく、好ましくは５０μｍ未満、より好ましくは１０μｍ〜３０μｍ、最も好ましくは約１５μｍだからである。この構成例では、気体ベアリングは、流路からの滲出が許容可能に僅かであるよう十分に小さい軸方向回転隙間を提供することができる。さらに、軸方向におけるロータとステータとのオーバーラップが存在しない。したがって、滲出を増大させないでロータとステータとの間の半径方向における膨張差に容易に順応することができる。というのは、半径方向における膨張は、ロータとステータとの間の軸方向隙間Ｘに影響を及ぼさないからである。半径方向膨張差により、ステータのチャネルとロータの同心円との間に僅かな位置合わせ不良が生じる場合があるが、かかる位置合わせ不良は、ポンプ輸送にそれほど悪影響を及ぼさない。

表面から軸方向に延びる羽根ではなく、凹部をロータ表面に設けたことによるもう１つの利点として、例えばフライス加工又は鋳造により凹部を容易に作ることができる。さらに、ロータ表面及びステータ表面を比較的高い表面平坦度を備えた平坦な表面及び高い公差レベルに機械加工し、ラップ仕上げし又は研磨することができる。これにより、ロータ及びステータの相対的表面は、互いに衝突することなくポンプ作動中、極めて僅かな距離の範囲内で互いに通ることができる。その結果、ステータの頂面６９，７１は、平坦であり且つ平面状である。同様に、ポンプ凹部２０は、ロータの平面状頂面４０，４２から垂下している。かくして、平面状ロータ平面及び平面状ステータ表面は、隣り合う同心ポンプ輸送アレイ相互間の気体の流れを阻止するよう働く。換言すると、平坦な表面は、上述したようにそれぞれのポンプ輸送段を封止する。

次に、図４及び図５を参照してロータに形成された凹部について詳細に説明する。なお、図４及び図５は、それぞれ、凹部の第１の実施例及び第２の実施例を示している。

図４ａは、図４ｂに示されている中心線Ｃに沿うロータ凹部２０の円６６の断面図である。図４ｂは、ロータの円６６の平面図である。凹部は、使用の際、これらが流路７０に沿う気体渦の流れ方向に運動量を気体に与えるよう形作られている。即ち、凹部は、流路７０に沿って気体と相互作用して流路中に気体渦を発生させると共にこれを維持する。渦を発生させると共に維持することに加えて、凹部と気体の相互作用により、気体が圧縮され、それにより渦度が増大し又は気体が流路に沿って高速回転する速度が増大する。

図４に示されているように、凹部２０が全体としてロータ１２の平面状表面４０のうちの一表面に設けられた非対称切れ目によって形成されている。凹部は、回転方向Ｒに対して先導部分７２及び後続部分７４を有している。先導部分は、凹部の深さＤを傾斜した前縁７６から次第に増大させることによって形成されている。この点に関し、前縁７６は、平面状表面４０に対して約３０°（±１０°）の角度をなしている。後続部分は、後縁７８までの深さＤの比較的急な減少によって形成されている。後続部分は、先導部分に対してほぼ直角をなすと共に平面状表面４０と約６０°（±１０°）の角度をなしている。後続部分７６は、方向Ｒに対して約１８０°方向転換し、渦中の変化する気体の流れ方向にほぼ近い湾曲した表面を形成する。点“ａ”と点“ｂ”との間の中心線Ｃに沿う距離と中心線Ｃに垂直な方向における凹部の幅の比は、約０．７：１である。

使用にあたり、ロータを方向Ｒに回転させると、気体は、前縁７６の点“ａ”のところで凹部に入る。点“ａ”のところでは、渦の流れ方向は、全体として、湾曲面７４と先導部分の両方（約３０°）に平行である。図４ｂの矢印は、流れ方向「羽根キャビティ中への空気流」を示している。湾曲した後続部分７４の角度及び先導部分７２の角度は、凹部が渦中の気体の流れ方向と補角をなしたときに凹部に流入する気体の量を増大させる。凹部内の気体は、湾曲した後続部分７４回りに差し向けられる。図４ｂの平面図から理解されるように、気体は、約９０°〜約１８０°方向転換され、その結果、気体が凹部から流出するときに、気体は、全体として直角に又は気体が凹部に流入した方向とは逆に流れるようになる。さらに、気体は、これが後続部分の出口点“ｂ”に近づいたときに迅速に方向転換され、それにより、運動量が気体に与えられ、気体が流路７０に沿って圧縮される。先導部分７２は、気体が後続部分７４に沿って流れているときに深さが次第に増大し、ついには、先導部分が点“ｄ”のところで凹部の最も深い部分に達するようになる。

凹部の第２の実施例が図５に示されている。図５ａは、凹部の平面図である。図５ｂは、ロータ及びステータの中心線Ｃに沿って取った断面図である。図５ｃは、中心線Ｃに垂直な線に沿って取った凹部及びチャネルの断面図である。

図４に示されている凹部とは異なり、図５に示されている凹部は、対称である。凹部２０は、全体として、ロータ１２の平面状表面４０，４２のうちの一表面に入れられた対称の切れ目によって形成されている。凹部は、先導部分７８及び後続部分８０を有している。先導部分は、凹部の深さを傾斜前縁８２から次第に増大させることによって形成されている。この点に関し、先導部分は、平面状表面４０に対して約３０°（±１０°）の角度をなしている。後続部分８０は、後縁８４までの深さの比較的急な減少によって形成されている。先導部分は、湾曲した表面により後続部分に滑らかに移行している。後続部分７６は、約１８０°方向転換し、渦中の変化する気体の流れ方向にほぼ近い湾曲した表面を形成する。前縁８２は、中心線Ｃに対して直角をなしている。

使用にあたり、ロータを方向Ｒに回転させると、気体は、前縁７６のところで凹部に流入する。渦の流れ方向は、３０°に近く、全体として中心線Ｃに平行な角度をなして凹部に入る。図５ｂの矢印は、流れ方向「気体流入」を示している。湾曲した後続部分の角度は、全体として、入口のところの流れ方向と整列している。凹部内の気体は、湾曲した後続部分８０回りに差し向けられる。図５ｂの平面図から理解されるように、気体は、約１８０°方向転換し、その結果、気体が凹部から流出しているとき、気体は、気体が凹部に入った方向とは全体として逆の方向に流れ、それにより、運動量が気体に与えられ、気体は、流路７０に沿って圧縮される。

図５ｃは、凹部２０及びステータチャネル６８により形成された導管内の気体渦の流れ方向を示している。

ロータ表面及び／又はステータ表面のいずれか一方に施された被膜は、摩耗の減少を助けることができる。ポンプの開始段階の際、ロータが回転増速して作業速度に達すると、ロータ及びステータの表面は、互いに接触してこすれ合う恐れが生じる。このこすれは、軸方向空気ベアリングが動作していないときにロータがしきい値レベル以下の速度で回転している間に生じる。このしきい値を超えると、空気ベアリングは、ロータコンポーネントとステータコンポーネントを分離するのに十分な「揚程」をもたらす。硬化されると共に／或いは自滑性の被膜を施すことにより、摩耗の大きさを制御し又は制限することができる。さらに、被膜は、ポンプ輸送された気体流中に同伴されている粒子がロータとステータとの間の隙間に入るのを阻止するのを助けることができる。これは、ロータコンポーネントとステータコンポーネントとの間の比較的僅かな隙間に起因した特定の問題として把握されている。或る特定の直径又はサイズの塵粒子等がこの隙間の中に入り込むことができる場合、塵粒子は、研磨剤として働く場合があり、それによりポンプコンポーネントに過度の摩耗を与える。最も悪い場合では、ポンプが焼き付く場合がある。

多くの適当な被膜が想定されるが、被膜材料は、ニッケルＰＴＦＥマトリックス、陽極処理アルミニウム、炭素を主成分とする材料又はこれらの組み合わせのうちのどれか１つであるのが良い。さらに、化学気相成長（ＣＶＤ）法により成膜されたダイヤモンドライク材料（ＤＬＭ）又は合成ダイヤモンド材料のうちのいずれか一方であるのが良い。被膜がロータとステータの両方に被着される同種の材料のものである必要はなく、互いに異なる被膜を選択して被膜の各特性を利用しても良い。例えば、ステータコンポーネントは、自滑性被膜で被覆され、ロータは、ダイヤモンドライク材料で被覆される。他の表面処理法、例えばプラズマ陽極アーク表面処理を使用することができる。

図１に示されている実施形態では、再生式ポンプ輸送機構体１１は、上流側分子ドラッグポンプ輸送機構体９０と直列関係をなしている。分子ドラッグポンプ輸送機構体９０は、この実施形態では、ジーグバーン（Siegbahn）ポンプ輸送機構体であり、この機構体は、ステータに対して回転可能に軸方向シャフト１４に取り付けられた全体として円板状のロータ９２を有している。ステータは、ロータ円板９２の各軸方向側部に設けられたステータ部分９４，９６によって形成されている。各ステータ部分は、ロータ円板に向かって延びると共に複数本の螺旋チャネル１００を構成する複数の壁９８を有している。気体ベアリング２８が再生式ポンプ輸送機構体のロータを支持し、再生式ポンプ輸送機構体とジーグバーンポンプ輸送機構体の両方がシャフト１４に取り付けられているので、気体ベアリングは、ジーグバーン機構体のロータに対する軸方向支持体となる。使用にあたり、ジーグバーン機構体中の流路が矢印によって示されており、この流路は、ロータの第１の又は上側軸方向側部上でこれに沿って半径方向外方に且つロータの第２の又は下側軸方向側部に沿って半径方向内方に延びている。

ステータに対するロータの半径方向配設場所は、ベアリング３０によって制御され、このベアリングは、受動式磁気ベアリングである。上述したように、ベアリング構造体は両方共、非接触型乾式ベアリングであり、これらベアリングは、乾式ポンプ輸送環境に特に適している。

再生式ポンプ輸送機構体１１とジーグバーンポンプ輸送機構体の組み合わせにより、１時間当たり１０立方メートルのポンプ送りを行なうことができ、しかも既存のポンプよりも比較的小型である真空ポンプが提供される。

本発明の変形実施形態が特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって想定される。例えば、貫通ボア２５は、ロータを貫通して設けられた一連のボアから成っていても良い。

Claims (6)

1. 再生式ポンプ輸送機構体を有する真空ポンプであって、
   全体として円板状の形態を有し、真空ポンプのステータに対して回転可能に軸方向シャフトに取り付け可能なロータを備え、前記ロータは、反対側の平坦な第１及び第２の表面を有し、各ロータ表面は、同心円状に配置された、複数列の異形凹部を有し、
   真空ポンプは、さらに、
   平坦な第１及び第２のステータ表面を有し、各ステータ表面は、ロータの対応する同心円に対向し、かつ整列する複数のチャネルを有し、ロータの各側に、ロータの各側においてポンプ機構体の入口から出口まで同一の径方向に気体をポンプ輸送するための複数のポンプ段を形成し、
   ロータの各側の少なくとも排出ポンプ段を互いに連結し、少なくとも排出ポンプ段内の圧力を均衡化するためにガスを通過させる導管を備える、真空ポンプ。
2. 前記導管は、前記ロータを貫通している、請求項１記載の真空ポンプ。
3. 前記ロータは、ステータ内に設けられている、請求項１記載の真空ポンプ。
4. ロータの各側にある、整合したポンプ段を相互に連結する導管を備え、整合したポンプ段内の圧力を均衡化するためにガスを通過させる、請求項１乃至３の何れか１項に記載の真空ポンプ。
5. 前記導管又は各導管は、前記ポンプ段の前記複数の部分を互いに連結するよう構成された複数本の別々の気体通路を有する、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の真空ポンプ。
6. 前記ポンプ段の間からの気体の漏れを減少させるために、少なくとも１つの気体シールが前記ロータと前記ステータとの間に形成され、前記気体シールは、向かい合った前記ステータ表面及び前記ロータ表面の平坦部分から成る、請求項５記載の真空ポンプ。

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