JPH06280785A - 多段ガス吸込装置用真空ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 操作が容易であり，コストが安くかつ占有面
積が少なくてすむガス分析装置用の効率的に動作する多
段ガス吸込装置用真空ポンプ装置を提供する。 【構成】 ポンプ装置はターボ分子ポンプ（５）および
後置された１つ以上のポンプ段（６）で構成され，前記
ポンプ段（６）のロータはターボ分子ポンプのロータと
同じ軸上に設けられている。大気圧に対し吐出する他の
ドライポンプ（８）は間欠運転される。ポンプ段の間に
吸込接続口（９）が設けられている。大気に対し吐出す
るポンプの間欠運転は第１のポンプユニット（４）の駆
動モータの電流または出力に依存して制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は請求項１の上位概念に記
載の真空ポンプ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガス分析をするためには，ガス状または
液状で存在する分析すべき物質は分析装置のために特定
のガス状態としなければならない。これは通常相互に接
続された真空室からなる装置内で行われる。この中で，
既にガス状で吸い込まれた物質または液体として対応す
る圧力によりまたは他の方法でガス状に形成された物質
が種々の段においてガス分析装置の動作圧力に減圧され
る。真空室からなる装置は相互にオリフィス壁により分
離された複数の中間室から構成されている。個々の室内
には分析方法によりあらかじめ与えられた異なる圧力が
かかっている。

【０００３】通常の装置においては，真空室にそれぞれ
個々に所要圧力および吸込能力を提供する真空ポンプま
たはポンプ装置が設けられている。このためには通常種
々の動作方法および種々の駆動方法を有するポンプが必
要である。低圧範囲においてはポンプの組合せが必要と
される（たとえばターボ分子ポンプと予ポンプとの組合
せ）。このような装置はきわめて高価である。これらは
大きな占有面積を有しかつ高いコストを伴うことにな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】操作が容易であり，コ
ストが安くかつ占有面積が少なくてすむガス分析装置用
の効率的に動作する真空ポンプ装置を提供することが本
発明の課題である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この課題は請求項１の特
徴により解決される。請求項２−１２は本発明の他の好
ましい実施態様を示している。

【０００６】ターボ分子ポンプの作業圧力はポンプが分
子流れ領域においてのみ完全に有効であるので，高い方
の圧力が制限されている。したがってポンプは予真空ポ
ンプとの組合せにおいてのみ動作する。ポンプは通常２
段の回転容積式ポンプである。近年，ターボ分子ポンプ
にたとえばホルヴェックポンプのタイプの分子ポンプを
接続してターボ分子ポンプの動作領域をさらに高い圧力
へ拡張することに成功した。これにより，ポンプサイズ
および終圧によっては予真空を得るための費用を低減す
ることが可能になった。とくにオイルシール予真空ポン
プをドライポンプたとえば膜ポンプにより置き換えるこ
とが可能になった。これはとくにオイルフリー真空が必
要とされる場合に行われた。

【０００７】請求項１の上位概念に記載のコンパクトな
ポンプ装置を使用することにより，新たな課題が設定さ
れる。個々の真空室に対し必要な圧力比および吸込能力
の大きさの決定の問題はそれぞれの真空室に対して別個
のポンプを使用することにより個々に解決可能であっ
た。コンパクトなポンプ装置を使用することによっては
これはもはや可能ではない。この場合吸込接続口の正確
な寸法決定および配置により，ガス吸込装置の個々の段
の機能が影響を受けない程度に個々のポンプ段の入口お
よび出口間の逆流が回避されることが達成されなければ
ならない。これは請求項１の特徴に対応して大きさを決
定することにより解決される。

【０００８】吸込接続口は配管装置を介して接続フラン
ジと接続される。個々の真空室と接続フランジとの間の
接続を容易に形成するために，接続フランジはたとえば
高真空フランジと同じ平面内に配置してもよい。たとえ
ば四角形のポンプハウジングの上側および側面へ直角に
配置することもまた可能である。

【０００９】種々の分子ポンプ段を比較すると，とくに
高いガス流量を得るためには，ホルヴェックポンプはと
くに幾何形状寸法に関連する真空技術的データに関して
他の構造タイプに対し明らかな利点を有することがわか
る。

【００１０】本発明の他の実施態様のためにおよびとく
にポンプ段の種々の構造部分の寸法決定および位置決め
のために，下記の数式を用いて個々のポンプ段の間の圧
力およびその圧縮比がガス負荷および室間の移動コンダ
クタンスにより計算される。これからそれ自身既知の方
法によりポンプ設計を可能にするポンプ特性データが得
られる。

【００１１】

【表１】 図示のスケッチは本発明によるポンプ装置すなわちたと
えば多室配置の分析装置におけるいわゆるスプリットフ
ローポンプの典型的な使用方法を示す。測定ガスはこの
場合大気圧から毛細管を介して予ポンプ２によりポンピ
ングされる第１の室内に吸い込まれる。ポンプ段３，４
および５は移動コンダクタンスＣ23，Ｃ34およびＣ45か
ら得られるガス流量Ｑ3，Ｑ4およびＱ5をポンプ移送す
る。

【００１２】Ｓ2i−Ｓ5iは既知の法則で計算できる損失
なしの「内部」吸込能力を示し，Ｓiは損失コンダクタ
ンスＣ2−Ｃ5により低減された「外部」有効吸込能力を
示しまたＫ023，Ｋ034およびＫ045は段３，４および５
内の流量が０の場合の内部圧力比を示すものと仮定すれ
ば，マトリックス計算（１）により流入ガス量Ｑ3−Ｑ5
および室内の圧力Ｐ3−Ｐ5の間の下記のポンプ特性関係
が得られる。

【００１３】

【数１】 この場合ガス流量Ｑiの発生源は重要ではない。分子流
れの場合個々の成分は相互作用を与えないので，流入混
合物内の各ガスタイプに対してこのような等式が成立す
る。

【００１４】スケッチに示すように流量Ｑi（ｉ＞１）
がすべてＱ1から出てくる場合のみを考えると，通常圧
力レベルおよびポンプ移送されるガス流量は室から室へ
著しく減少する（Ｐ2＞＞Ｐ3＞＞Ｐ4＞＞Ｐ5およびＱ1
＞＞Ｑ2＞＞Ｑ3＞＞Ｑ4＞＞Ｑ5）。次の簡単な関係が得
られる：

【数２】

【数３】 数式（１）および（２）を組み合わせることによりポン
プ移送すべき系の与えられたコンダクタンスＣi，i＋１
の場合の室の間の圧力比Ｋ23，Ｋ34およびＫ45の計算が
できる。系の機能のために必要な圧力Ｐiおよびそれか
ら計算される吸込能力と共にポンプの個々の段の設計の
ために必要な基準値が得られる。

【００１５】

【数４】

【数５】

【数６】 数式（３），（４），（５）および（６）を用いてここ
ですべての室圧力Ｐ2−5が決定される。

【００１６】これらの数式から真空技術的データに関し
てポンプ系統の最適な形状および寸法決定手法が得られ
る。たとえば数式（５）から明らかなように，運転中に
室３および４の間に発生する圧力比Ｋ34はとくに値Ｋ03
4により決定される。この値は構造的な変更により変え
ることができる。圧力比Ｋ34を大きくするためにはＫ03
4もまたできるだけ大きくなければならない。これは，
請求項４の教示により，対応する吸込接続口の高さにお
けるホルヴェック段のチャネル深さをポンプ移送方向と
は反対方向の逆流が著しく減少されるように形成するこ
とにより得られる。そのために吸込接続口の位置におけ
るチャネル深さが減少される。しかしながらターボ分子
ポンプの最終段により供給されるガス量を受入可能にす
るためにホルヴェック段はその入口側において十分に高
い吸込能力を有していなければならないので，この位置
において対応する大きなチャネル深さが存在しなければ
ならない。この結果，チャネル深さは吸込接続口の位置
からポンプ移送方向とは反対方向に入口側へ連続的にま
たは段階的に拡大される。チャネル深さを変化させるこ
とによりポンプ装置の他の位置における圧力レベルが制
御可能である。

【００１７】吸込接続口の位置においてホルヴェック段
はさらにガス量を受け取らなければならない。吸込能力
をポンプ移送方向において大きなガス量に対して適合さ
せるために，チャネル深さはこの位置からポンプ移送方
向へ再び拡大されなければならない。

【００１８】請求項８および９に記載の対策はコンダク
タンスＣ3ないしＣ5を大きくするように働きしたがって
吸込能力Ｓ2ないしＳ5を改善するように働き，このこと
は同様に上記数式の結果よりも圧力比Ｋ23，Ｋ34および
Ｋ45を大きくする。

【００１９】上記のように，大気圧に対し吐出するポン
プを膜ポンプとして形成することは特定の使用例におい
て有意義である。

【００２０】しかしながら膜ポンプは，その寿命が圧縮
室をシールする膜の常時の弾性変形により制限されると
いう欠点を有する。しかしながらその寿命が膜ポンプの
寿命より長い真空装置においても膜ポンプの利点を利用
するために，請求項１０に記載のように膜ポンプを間欠
運転することは有意義である。

【００２１】しかしながらこの場合，間欠運転により発
生する圧力変動が装置全体の機能に影響を与えないよう
に注意しなければならない。このためにその出口が膜ポ
ンプに接続されているポンプ段は請求項１１に記載のよ
うに十分高い圧力比を有していなければならない。

【００２２】間欠運転の制御すなわち膜ポンプのスイッ
チのオン／オフは予真空圧力に応じて行われなければな
らない。予真空圧力のための尺度は特定限界内における
ターボ分子ポンプの電流容量または出力容量である。駆
動エレクトロニクを介してこれらの値は容易にアクセス
可能であるので，これにより優れた制御方法が得られ
る。

【００２３】大気に対し吐出するポンプ段に対しては膜
ポンプが例として挙げられている。しかしながら，本発
明はあらゆるタイプのドライな予ポンプを使用してもよ
い。

【００２４】ポンプ装置内の凝縮部分を除去するために
ポンプ段とガス分析装置の段との間に収着および／また
は凝縮手段が設けられている。

【００２５】図面を用いて本発明を４段ガス吸込装置を
例として詳細に説明する。

【００２６】

【実施例】ガス吸込口３を有するガス分析装置２のため
の複数の室１からなるガス導入装置が真空ポンプ装置に
より真空にされる。真空ポンプ装置はこの実施例におい
ては第１のポンプユニット４で構成されている。このポ
ンプユニットは多段ターボ分子ポンプ５とおよびたとえ
ばホルヴェックの構造タイプのような分子ポンプ６とが
組み合わされて構成されている。このポンプユニットの
個々の段はそれらが１つの共通なハウジング内に存在す
るように相互に接続されまたロータは共通軸に取り付け
られている。これにより，この第１のポンプユニット全
体を１つの共通モータにより駆動することが可能であ
り，モータは駆動エレクトロニク７により駆動される。

【００２７】さらに制御ユニット１２を有する大気圧に
対し吐出するドライな真空ポンプ８が存在する。この制
御ユニットは第１のポンプユニット４のための駆動エレ
クトロニク７内に組み込まれている。ポンプユニット４
の個々の段の間および第１のポンプユニットと大気に対
し吐出するポンプ８との間に吸込接続口９が設けられて
いる。第１のポンプユニットの中間段の例において，位
置１０における入口圧力レベルおよび位置１１における
出口圧力レベルが決定される。収着または凝縮装置が１
３で示され，この収着または凝縮装置は１つのポンプ段
とガス分析装置の１つの段との間に設けられている。

【００２８】図２においてポンプユニット４は２段のタ
ーボ分子ポンプ５ａ，５ｂと１つのホルヴェックポンプ
６との組合せとして示されている。吸込接続口９は接続
フランジ１５，１６，１７と接続され，接続フランジ１
５，１６，１７は高真空フランジ１４と同じ平面内に配
置されている。コンダクタンスを増大して吸込接続口９
の位置における吸込能力を向上するためにリングチャネ
ル１８が設けられ，リングチャネル１８は吸込接続口と
ポンプ室との間に広い接続口を形成している。

【００２９】図３にホルヴェックポンプとして形成され
ている後置されたポンプ段６の断面図が示されている。
この断面図は吸込接続口９の１つがホルヴェックポンプ
のチャネル１９内に入り込む位置を示している。回転部
分が２０で示されている。ポンプ移送方向は矢印で示さ
れている。吸込接続口９がホルヴェックポンプのチャネ
ル１９内に入り込む位置においてチャネル１９はその深
さがポンプ移送方向とは反対側においてその深さが減少
され，次に入口側２１に進むに従って再び拡大される。
吸込接続口からポンプ移送方向にチャネル深さは反対側
よりも大きくなっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガス吸込装置と接続されたポンプ装置の略示図
を示す。

【図２】第１のポンプユニット４の実際設計形状の一実
施例を示す。

【図３】吸込ノズルがホルヴェックポンプに入り込む位
置における図２の断面図を示す。

【符号の説明】

１ 室 ２ ガス分析装置 ３ 多段ガス吸込装置 ４ ポンプユニット ５ 多段ターボ分子ポンプ ５ａ，５ｂ 多段ターボ分子ポンプの段 ６ 後置されたポンプ段 ７ 駆動エレクトロニク ８ ドライポンプ段 ９ 吸込接続口 １０ 入口圧力レベルの位置 １１ 出口間にレベルの位置 １２ 制御装置 １３ 収着および／または凝縮装置 １４ 高真空接続口 １５，１６，１７ 接続フランジ １８ リングチャネル １９ チャネル深さ ２０ 回転部分 ２１ 入口側

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータディスクおよびステータディスク
   を有する多段ターボ分子ポンプ（５）と，予真空側方向
   に後置された１つ以上のポンプ段（６）であってそのロ
   ータがターボ分子ポンプのロータと同じ軸上にありこれ
   により第１のポンプユニットを形成するところの前記ポ
   ンプ段（６）とおよび大気圧に対し吐出する他のドライ
   ポンプ段（８）とで構成される多段ガス吸込装置（３）
   用真空ポンプ装置において：個々のポンプ段の圧力比お
   よび吸込能力に関して，ポンプ段内部における出口圧力
   レベルの位置（１１）から入口圧力レベルの位置（１
   ０）への逆流が出口レベルの位置および入口レベルの位
   置と接続されているそれぞれの真空室の間のガス流れに
   比較して小さくなるように寸法が決められかつ配置され
   た吸込接続口（９）が個々の段の間に設けられているこ
   とを特徴とする多段ガス吸込装置用真空ポンプ装置。
2. 【請求項２】 吸込接続口（９）が高真空接続口（１
   ４）と同じ平面内に配置されている接続フランジ（１
   ５，１６，１７）と接続されていることを特徴とする請
   求項１の真空ポンプ装置。
3. 【請求項３】 吸込接続口（９）が高真空接続口（１
   ４）に対し直角に配置されている接続フランジ（１５，
   １６，１７）と接続されていることを特徴とする請求項
   １の真空ポンプ装置。
4. 【請求項４】 後置されたポンプ段（６）がホルヴェッ
   クポンプのタイプの分子ポンプであることを特徴とする
   請求項１ないし３のいずれかの真空ポンプ装置。
5. 【請求項５】 後置されたポンプ段（６）がゲーデのタ
   イプの分子ポンプであることを特徴とする請求項１ない
   し３のいずれかの真空ポンプ装置。
6. 【請求項６】 ホルヴェックポンプ段のプロフィルが吸
   込接続口の高さにおいて，低圧側の方向へチャネル深さ
   （１９）が減少され次に前段のガス量が受入可能なよう
   にポンプ段の入口側（２１）へ再び拡大されていること
   を特徴とする請求項４の真空ポンプ装置。
7. 【請求項７】 チャネル深さが吸込接続口の位置からポ
   ンプ移送方向において反対方向におけるより大きいこと
   を特徴とする請求項６の真空ポンプ装置。
8. 【請求項８】 ターボ分子ポンプの両方の段（５ａおよ
   び５ｂ）の間に存在する吸込接続口の位置に固定案内シ
   ョベルが設けられ，固定案内ショベルはガス流れをター
   ボ分子ポンプのポンプチャネルの方向に転向させるよう
   に形成されていることを特徴とする前出請求項のいずれ
   かの真空ポンプ装置。
9. 【請求項９】 ハウジングが吸込接続口の高さの１つ以
   上の位置においてリングチャネル（１８）により包囲さ
   れ，リングチャネル（１８）はポンプ室と吸込接続口と
   の間に広い接続口を形成することを特徴とする前出請求
   項のいずれかの真空ポンプ装置。
10. 【請求項１０】 大気圧に対し吐出するポンプ段（８）
    が間欠的に運転されることを特徴とする請求項１の真空
    ポンプ装置。
11. 【請求項１１】 大気圧に対し吐出するポンプ段に隣接
    するポンプ段が，前記大気圧に対し吐出するポンプ段の
    間欠運転の結果発生する圧力変動がガス分析装置に対し
    特定の限界内に抑えられるように選択されることを特徴
    とする請求項１０の真空ポンプ装置。
12. 【請求項１２】 第１のポンプユニット（４）の駆動モ
    ータの電流値または出力値が予選択された電流値または
    出力値を超えたときに大気圧に対し吐出するポンプのス
    イッチが入れられまた第２の予選択値を下回ったときに
    スイッチが切られることを特徴とする請求項１０または
    １１のいずれかの真空ポンプ装置。
13. 【請求項１３】 間欠運動のための制御装置（１２）が
    第１のポンプユニット（４）の駆動エレクトロニク
    （７）の構成部分であることを特徴とする請求項１０，
    １１または１２のいずれかの真空ポンプ装置。
14. 【請求項１４】 ポンプ段とガス分析装置の段との間の
    １つ以上の位置に設けられた収着および／または凝縮装
    置（１３）によりポンプ移送すべきガス流れから凝縮部
    分が分離されることを特徴とする前出請求項のいずれか
    の真空ポンプ装置。