JPH09177695A

JPH09177695A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JPH09177695A
Application number: JP8331881A
Authority: JP
Inventors: Nigel Paul Schofield; ポールショーフィールドナイジェル
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1997-07-11
Also published as: US5772395A; EP0779434A1; GB9525337D0

Abstract

(57)【要約】【課題】一般に螺旋状部材を使用するポンプ設計であ
るが、高いポンピング効率を発揮する優れたポンプ設計
を提供することにある。【解決手段】直径の異なる少なくとも２つのシリンダ
を有し、該シリンダはこれらの間に環状空間を形成すべ
く互いに同心状に配置され、前記環状空間内に配置され
てシリンダの間に螺旋状通路を形成する螺旋状部材を更
に有する真空ポンプ組立体において、螺旋状部材に対し
てシリンダを、またはシリンダに対して螺旋状部材を、
これらの長手方向軸線の回りで回転させる手段を設けた
ことを特徴とする真空ポンプ組立体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は真空ポンプに関し、
より詳しくは、分子ドラッグポンプ（moleculardrag pu
mps) として知られているポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】分子ドラッグポンプは、高速移動面に衝
突するガス分子は、低圧で、移動面から速度成分を付与
されるという一般的原理に基づいて作動する。この結
果、分子はこれらが衝突する面と同じ運動方向に運動す
る傾向があり、従って、分子はポンプを通って強く押し
出され、ポンプ吐出口の近傍で比較的高圧で排出され
る。分子ドラッグ作動モードを用いる真空ポンプの形式
として「ホルベック（Holweck)」ポンプがあり、このポ
ンプでは、異なる直径をもつ２つの同軸中空シリンダの
うちの外側シリンダの内面（または小径シリンダの外
面）に取り付けられかつ両シリンダの間の空間を実質的
に占拠する螺旋ねじにより、両シリンダ間に螺旋状ガス
通路が形成されている。

【０００３】このようなホルベックポンプでは、一方の
シリンダがその長手方向軸線の回りで高速回転され、螺
旋の一端に存在するガスが、ガス通路に隣接するスピニ
ングシリンダ面とのガス分子の衝突により引き起こされ
る分子ドラッグ効果により、両シリンダ間の螺旋状ガス
通路に沿って押し出され、これによりポンピング効果が
確立される。一般に、分子ドラッグポンプの場合には、
シリンダの回転速度は、例えば20,000回転／分以上の高
速である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、一般に螺旋
状部材を使用するポンプ設計であるが、高いポンピング
効率を発揮する優れたポンプ設計に関する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、直径の
異なる少なくとも２つのシリンダを有し、該シリンダは
これらの間に環状空間を形成すべく互いに同心状に配置
され、前記環状空間内に配置されてシリンダの間に螺旋
状通路を形成する螺旋状部材を更に有する真空ポンプ組
立体において、螺旋状部材に対してシリンダを、または
シリンダに対して螺旋状部材を、これらの長手方向軸線
の回りで回転させる手段を設けた真空ポンプ組立体が提
供される。大きい直径のシリンダは、小さい直径のシリ
ンダを収容するため中空にする必要があり、小さい直径
のシリンダも、重量を最小にするため中空にするのが好
ましい。

【０００６】螺旋状部材およびシリンダの両方を回転さ
せることもできるが、通常は、これらを相対回転させる
のに、シリンダのみまたは螺旋状部材のみを回転させ
る。好ましい実施形態では、シリンダは静止螺旋状部材
の回りで回転される。回転速度は、あらゆる場合におい
て、10,000〜30,000回転／分に定めることができる。回
転シリンダの場合には、通常、これらの両シリンダは同
速度で回転され、両シリンダは同じロータ組立体に取り
付けられる。シリンダは、同方向に回転しなければなら
ない。螺旋状部品と１つのシリンダ壁面とを相対運動さ
せる既知のホルベック設計とは異なり、本発明は、螺旋
状部材と２つのシリンダ壁面とを相対運動させ、これに
より高い正味ガス速度従って螺旋状部材を通る高い圧縮
が生じ、従って高い全体的効率が得られる。

【０００７】シリンダ、特に回転されるシリンダは、例
えばアルミニウムのような金属シート、プラスチック材
料または繊維強化材料から有効に作ることができる。一
方または両方の「シリンダ」は、テーパ状断面、より詳
しくは円錐状または截頭円錐状にすることができる。し
かしながら、このような全ての「シリンダ」は、本願で
はシリンダの基本的用語に含まれるものである。テーパ
状断面の「シリンダ」の場合には、環状空間の断面は、
螺旋状ガス通路の入口を大きくかつ出口を小さくして、
ポンピング効率を高めるのが好ましい。好ましい実施形
態では、ポンプ組立体は３つ以上のシリンダを有し、こ
れらの全てのシリンダは、隣接シリンダの間に形成され
る環状空間と同心状に配置され、各環状空間内には螺旋
状部材が配置されて、隣接するシリンダとの間に螺旋状
通路を形成している。このような実施形態では、シリン
ダを回転できるようにしかつ螺旋状部材を静止させるの
が非常に好ましい。

【０００８】シリンダが回転できる場合には、存在する
シリンダの個数に係わりなく、本発明の装置には、（慣
用的なホルベック設計と同様に）ポンプの本体部品に螺
旋ねじを設け、本体部品と最外方シリンダの外面との間
に別の螺旋状通路を形成するのが好ましい。螺旋状部材
に関して説明すると、螺旋状部材は、これが関連するシ
リンダとは独立してポンプ装置に設ける必要があるけれ
ども、各シリンダの関連壁には充分に近接させ、シリン
ダ壁と螺旋状部材との間に必要な螺旋状ガス通路が形成
されるようにする。このようなガス通路は１つのみを設
けることができるけれども、ガススループットおよびポ
ンピング効率を高めるには、螺旋状部材は、１つ以上
（例えば４つ、６つまたは８つ）のガス通路を互いに平
行に形成するのが好ましい。特にこの場合には、各ガス
通路は、「螺旋」のターンの一部にのみ形成するのが有
効であり、実際には、完全螺旋状通路ではなく部分螺旋
状（すなわち弧状）通路として簡単化される。

【０００９】好ましい実施形態では、螺旋のピッチは螺
旋状部材の長さ方向に沿って変化しており、ピッチはポ
ンプ（組立体）の出口より入口の方が大きい。すなわ
ち、螺旋状部材の螺旋状通路を形成する部品の、長手方
向軸線に対して垂直な平面に対する角度は、出口におけ
る角度より入口における角度の方が大きく（例えば、入
口では約３０°、出口では１５°に過ぎない）、かつこ
れらの角度範囲内で徐々に変化する。同じ真空ポンプ
に、上記のような２つ以上のポンプ組立体を使用するこ
とができる。この場合には、次段（単一または複数）を
同じロータに取り付けても、別のロータに取り付けても
よいが、前者の方が好ましい。本発明のポンプ組立体
は、「単独形」真空ポンプとして使用できるが、同じポ
ンプ本体内の他のポンプ機構または別のポンプと組み合
わせても有効に使用できる。

【００１０】例えば、螺旋状通路（単一または複数）へ
の入口を横切るようにして入口インペラを付加して、特
に分子が流れる間に入口を通るガス分子の押し出しを補
助し、これによりポンピング速度を高めることができ
る。このようなインペラは、ターボ分子ポンプの頂段の
インペラと非常に良く似たものであり、かつ主ポンプロ
ータ（シリンダまたは螺旋状部材）と一緒に回転（好ま
しくは、主ポンプロータと同速度で回転）できかつ好ま
しくは同一ロータに取り付けられた同一平面内の円形配
列ブレードからなる。他の例として、ポンプ組立体の出
口に慣用的なホルベック段またはジーグバーン段（sieg
bahn stages)を使用して、正味圧縮比を高めることがで
きる。出口での付加段は再生段（単一または複数）にす
ることができる。より詳しくは、平坦面（単一または複
数）または回転ディスクの周縁部に取り付けられたブレ
ードが、回転ブレードに関連する体積の回りに形成され
る通路を通して分子を押し出す。このような再生段の使
用により、一般に、ポンプが、全体として、大気圧中に
直接排気できるようになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明のより良き理解を図るた
め、本発明の一例を示す添付図面を参照して以下に本発
明を説明する。図面を参照すると、図１には、本発明の
真空ポンプ組立体が、その最も簡単化した形態で示され
ている。真空ポンプ組立体はポンプ本体１を有し、該ポ
ンプ本体内には、軸２がその長手方向軸線の回りで回転
できるように取り付けられており、該軸２の上端部に
は、図示のように円形ディスク３が取り付けられてい
る。ディスク３は、図示のように、２つの中空シリンダ
４、５の下端部を支持しており、これらの両シリンダは
互いに同軸状に配置されている。シリンダ４、５は、こ
れらがディスク／シリンダ組立体が高速で回転する間
に、円筒状の形状を保持できる態様でディスク３に固定
される。

【００１２】シリンダ４、５はこれらの間に環状空間６
を形成しており、該環状空間６内には図２に示すような
形状（縮尺は正確でない）の静止螺旋状部材７が配置さ
れている。螺旋状部材７は、両シリンダ４、５の壁と螺
旋状部材７の個々の部品８、９、１０、１１、１２、１
３、１４、１５とにより形成される８つの個々の部分螺
旋状ガス通路を有している。シリンダ壁と螺旋状部材の
部品との間の間隔は、これらが直接接触しない範囲でで
きる限り小さくする。螺旋状部材７の支持リング１６は
ポンプ本体１の頂部の一部を形成し、他の支持リング１
７も同様である。また、螺旋状部材７は下方の支持リン
グ１８を有している。従って、螺旋状部材７は、部分螺
旋状ガス通路への個々の入口がポンプ本体１の頂部と整
合するようにして、シリンダ４、５に対して図１に示す
態様でポンプ本体１内に配置される。

【００１３】ポンプ組立体の使用に際し、軸２は、モー
タ手段（図示せず）により例えば30,000回転／分で回転
され、これにより両シリンダ４、５も同速度で回転す
る。ガス分子は、矢印Ａで示す方向で部分螺旋状ガス通
路内に吸引され、上記のようにしてガス通路に通されて
８つの個々の出口で螺旋状部材７から排出され、更にデ
ィスク３の排出孔を矢印Ｂの方向に排出され、ポンプ組
立体の出口（図示せず）へと導かれる。図３を参照する
と、ここには、図１に示したポンプ組立体と基本的に同
じ形式であるが、３つの中空シリンダ１０１、１０２、
１０３を有しかつ該シリンダ内に２つの螺旋状部材１０
４、１０５が配置されている点で異なっているポンプ組
立体が示されている。

【００１４】螺旋状部材１０４、１０５は図２に示した
螺旋状部材と同じ構造形式からなるが、各通路が、螺旋
状部材の部品と３つのシリンダ壁のうちの２つの隣接シ
リンダ壁とにより形成されている点で異なっている。図
１に示した組立体と同様に、シリンダの基部が図示のよ
うにディスク１０６に固定されており、該ディスク１０
６自体は、ポンプ本体１０８内で高速回転できる軸１０
７に取り付けられている。螺旋状部材はポンプ本体の頂
部内の所定位置に保持されかつ図１の組立体と同様にし
てポンプ本体内に支持されている。従って図３のポンプ
組立体は、２つの螺旋状部材の各々に関連する個々の入
口を有し、ガスの流れは矢印Ａ、Ｂで示されている。

【００１５】図４は図１に示したポンプ組立体と同じ形
式であるが、２つの中空シリンダのうちの内側の中空シ
リンダとしてテーパ状中空シリンダ２０１を使用し、か
つ、これに対応する形状の螺旋状部材２０２とを使用し
ている点で異なっている。軸２０４に取り付けられたデ
ィスク２０３へのシリンダ２０１の取付けおよびポンプ
本体２０５の頂部内での螺旋状部材２０２の支持は、図
１の組立体に関連して説明した構造と本質的に全く同じ
である。テーパ状シリンダの使用により得られる長所
は、シリンダ２０１と外側シリンダ２０６と螺旋状部材
２０１との間に形成される部分螺旋状ガス通路の入口の
方が出口より幅広になり、従って、矢印Ａと矢印Ｂとの
間を通るガススループットおよび圧縮比を大きくできる
ことである。

【００１６】図５に示すポンプ組立体は、図１に示した
ものと同じ形式であるが、円筒状ポンプ本体３０２の内
面に「ホルベック」螺旋ねじ３０１が付加されている点
で異なっている。この場合にも、軸３０６に取り付けら
れたディスク３０５への２つのシリンダ３０３、３０４
の取付け、両シリンダの間での螺旋状部材の位置決めお
よびポンプ本体３０２の頂部内での保持は、図１の組立
体の構造と本質的に同じである。ねじ３０１の形態をな
すホルベック段を設け（および、シリンダ３０４の外面
に対するねじ３０１の近接位置決め）すると、螺旋状部
材３０７により形成される個々の通路（矢印Ａ、Ｂの方
向の通路）および螺旋ねじ３０１により形成される別の
通路（矢印Ｃ、Ｄの方向の通路）により、ポンプ効率お
よびガススループットを高めることができる。

【００１７】図６に示すポンプ組立体も図１に示したも
のと同じ形式であるが、２つのシリンダ４０２、４０３
（両シリンダはポンプ本体４０６内で高速回転できるよ
うに軸４０５に取り付けられたディスク４０４に取り付
けられている）のうちの内側のシリンダの頂部に図示の
ように取り付けられたインペラ４０１が付加されている
点で異なっている。インペラ４０１は、ポンプ本体４０
６の上方延長部内にぴったりと（但し、接触しないよう
に）嵌合されている。インペラは、ターボポンプの頂段
に使用されるものと同じであり、同一平面内の円形配列
ブレードを有している。このようなインペラは、ガス分
子を、矢印Ａ、Ｂの方向でポンプに押し込む補助をする
のに有効である。

【００１８】最後に、図７には、本発明のポンプ組立体
に使用する別の螺旋状部材を示す。この螺旋状部材は、
該部材の頂部および底部にリンク連結されかつ個々の螺
旋状部材５０２に取り付けられた垂直補強部材５０１を
有する。このような構成は、部材が全体として過度に撓
み易くならないようにして、長い螺旋状通路の使用を可
能にする。この螺旋状部材では、内側支持リング５０３
のみが設けられており、図２に示す螺旋状部材のリング
１６に相当する外部支持リングは設けられていない。図
７に示す部材では、個々の螺旋状部材５０２と同数（そ
れぞれ６つ）の垂直強化部材５０１が設けられている。
しかしながら、垂直強化部材の数は、螺旋状部材の全体
としての所要剛性に基づいて増減させることができる。

【００１９】本発明の全ての形式のポンプ組立体におい
て、軸従ってシリンダは、30,000回転／分までまたはこ
れ以上の速度で回転させるのが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】２つの回転シリンダを使用する本発明の真空ポ
ンプ組立体を示す概略図である。

【図２】図１に示す真空ポンプ組立体の螺旋状部材を示
す概略図である。

【図３】３つの回転シリンダを使用する本発明の真空ポ
ンプ組立体を示す概略図である。

【図４】円錐状「シリンダ」を使用する本発明の真空ポ
ンプ組立体を示す概略図である。

【図５】ポンプ本体に標準形ホルベック螺旋状部品を使
用する本発明の真空ポンプ組立体を示す概略図である。

【図６】入口にインペラを使用する本発明の真空ポンプ
組立体を示す概略図である。

【図７】本発明の真空ポンプ組立体に使用する別の螺旋
状部材を示す概略図である。

【符号の説明】

１ポンプ本体２軸３ディスク４、５中空シリンダ６環状空間７静止螺旋状部材８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５螺旋状
部材の個々の部品１６、１７支持リング

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【手続補正書】

【提出日】平成９年１月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直径の異なる少なくとも２つのシリンダ
を有し、該シリンダはこれらの間に環状空間を形成すべ
く互いに同心状に配置され、前記環状空間内に配置され
てシリンダの間に螺旋状通路を形成する螺旋状部材を更
に有する真空ポンプ組立体において、螺旋状部材に対し
てシリンダを、またはシリンダに対して螺旋状部材を、
これらの長手方向軸線の回りで回転させる手段を設けた
ことを特徴とする真空ポンプ組立体。
【請求項２】両シリンダは中空であることを特徴とす
る請求項１に記載の真空ポンプ組立体。
【請求項３】シリンダが静止螺旋状部材に対して回転
されることを特徴とする請求項１または２に記載の真空
ポンプ組立体。
【請求項４】相対回転速度は10,000〜30,000回転／分
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に
記載の真空ポンプ組立体。
【請求項５】少なくとも３つのシリンダを有し、これ
らの全てのシリンダは、隣接シリンダの間に形成される
環状空間と同心状に配置され、各環状空間内には螺旋状
部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜４の
いずれか１項に記載の真空ポンプ組立体。
【請求項６】シリンダは回転でき、本体部品と最外方
シリンダの外面との間には別の螺旋状通路が形成される
ように、ポンプの本体部品に配置された螺旋ねじを有す
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載
の真空ポンプ組立体。
【請求項７】螺旋状部材が、シリンダの間に１つのガ
ス通路を形成していることを特徴とする請求項１〜６の
いずれか１項に記載の真空ポンプ組立体。
【請求項８】シリンダ間に１つ以上のガス通路が形成
されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１
項に記載の真空ポンプ組立体。
【請求項９】螺旋状部材のピッチはその長さ方向に沿
って変化しており、ピッチはポンプ（組立体）の出口よ
り入口の方が大きいことを特徴とする請求項１〜８のい
ずれか１項に記載の真空ポンプ組立体。
【請求項１０】ポンプ組立体の入口に設けられたイン
ペラと協働することを特徴とする請求項１〜９のいずれ
か１項に記載の真空ポンプ組立体。
【請求項１１】ポンプ組立体の出口に設けられた別の
ポンプ段と協働して正味圧縮比を高めることを特徴とす
る請求項１〜１０のいずれか１項に記載の真空ポンプ組
立体。