|
|
【発明の名称】 |
真空ポンプ用ポンピングステージ |
| 【発明者】 |
【氏名】ロベルト セルッティ
【氏名】シルヴィオ ジョルス |
【課題】ポンピングステージに於いてポンピングレートと排気圧との間で最適バランスを可能にする改良型形状を持った、真空ポンプ用ポンピングステージを提供すること。
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】ポンプモータにより回転駆動される回転可能軸（５）に固定された回転子ディスク（７）と、ポンプ本体に固定された固定子リング（１１）であって、少なくとも1つの気体ポンピングチャンネル（３）が、前記回転子ディスクと前記固定子リングとの間に設けられ、気体を前記ポンピングチャンネル（３）内へ取り入れる入口部（１３）と、前記気体を前記ポンピングチャンネル（３）から排出する出口部（１５）と、そして、前記入口部（１３）と前記出口部（１５）との間の前記ポンピングチャンネル（３）内に設けられ、前記ポンピングチャンネル（３）に於いて、気体の入口部と出口部の間に気密性を保つよう構成されたそらせ板あるいは“ストリッパー”（１７）と、から成り、前記ポンピングチャンネルの軸方向伸張範囲即ち高さが、前記入口部（１３）と前記出口部（１５）との間の前記ポンピングチャンネル（３）の外周に沿って変動している事を特徴とするターボ分子真空ポンプ用ポンピングステージ（１）。
【請求項２】軸心方向に測定された、前記回転子ディスク（７）と前記固定子リング（１１）と間の間隔（h1, h2）は、前記回転子ディスク（７）の少なくとも1つの面に関して、前記入口部と前記出口部との間で変動する事を特徴とする請求項１に記載のポンピングステージ（１）。
【請求項３】前記ポンピングチャンネル（３）の高さは、前記入口部（１３）と前記出口部（１５）との間で減少している事を特徴とする請求項２に記載のポンピングステージ（１）
【請求項４】前記ポンピングチャンネル（３）の高さは、前記回転子ディスクに関して左右対称の輪郭に基づき、前記回転子ディスクの両面に関して変動する事を特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載のポンピングステージ（１）
【請求項５】前記ポンピングチャンネル（３）の高さは、一次式(law)に基づき変動する事を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のポンピングステージ（１）。
【請求項６】前記ポンピングチャンネル（３）の高さは、多項式に基づき変動する事を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のポンピングステージ（１）。
【請求項７】前記ポンピングチャンネル（３）の高さは、指数関数式に基づき変動する事を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のポンピングステージ（１）。
【請求項８】前記ポンピングチャンネル（３）の高さは、三角関数式に基づき変動する事を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のポンピングステージ（１）。
【請求項９】半径方向に測定された、前記回転子ディスク（７）と前記固定子リング（１１）と間の間隔（d1, d2）は、前記入口部（１３）と前記出口部（１５）との間で、前記ポンピングチャンネル（３）の外周に沿って変動する事を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のポンピングステージ（１）。
【請求項１０】前記回転子ディスク（７）と前記固定子リング（１１）との間の半径方向に測定された間隔（d1, d2）と、前記ポンピングチャンネル（３）の前記高さ（h1,h2）とは、前記入口部（１３）にて同一最高値（h1, d1）を、そして、前記出口部（１５）にて同一最小値（h2, d2）を有するとともに、同一式に基づいて前記ポンピングチャンネル（３）の外周に沿って変動する事を特徴とする請求項９に記載のポンピングステージ（１）。
【請求項１１】ポンピングステージ（１）は、平行して動作する２つ以上のポンピングチャンネル（3a, 3b, 3c）を含み、各ポンピングチャンネル（3a, 3b, 3c）は、入口部（13a, 13b, 13c）と、出口部（15a,15b,15c）と、1つのチャンネルの出口部を後続のチャンネルの入口部から離間させる“ストリッパー”（17a, 17b, 17c）とを有する事と、前記ポンピングチャンネル（3a, 3b, 3c）の高さは、入口部（13a, 13b, 13c）と出口部（15a,15b,15c）との間に於いて同一式に基づき減少している事とを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のポンピングステージ（１）。
【請求項１２】前記回転子ディスク（７）は周囲羽根部材（２１）を備え、前記羽根部材（２１）は、前記回転子ディスク（７）の面に対して垂直な面に延設されているとともに、なるべくはディスク外周に沿って均一に離間されている事を特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のポンピングステージ（１）。
【請求項１３】ポンピングステージ（１）はC形横断面を有する事と、前記入口部（１３）と前記出口部（１５）とは前記回転子ディスクの対向する側にそれぞれ設けられている事とを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記載のポンピングステージ（１）。
【請求項１４】複数のポンピングステージを有するターボ分子真空ポンプであって、各ポンピングステージは、ポンプモータにより回転駆動される回転可能軸（５）に固定された回転子ディスク（７）と、ポンプ本体に固定された固定子リング（１１）であって、少なくとも1つの気体ポンピングチャンネル（３）は、前記回転子ディスク（７）と前記固定子リング（１１）との間に設けられ、気体を前記ポンピングチャンネル（３）内へ取り入れる入口部（１３）と、前記気体を前記ポンピングチャンネル（３）から排出する出口部（１５）と、そして、前記入口部（１３）と前記出口部（１５）との間の前記ポンピングチャンネル（３）内に設けられるとともに、前記ポンピングステージに於いて、気体の入口と出口の間に気密性を保つよう構成されたそらせ板あるいは“ストリッパー”（１７）と、から成り、請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の少なくともひとつのポンピングステージ（１）を含む事を特徴とするターボ分子真空ポンプ。
【請求項１５】ターボ分子ポンプは、ポンプの吸引側に設けられるとともに分子流れに於いて動作する事が可能な第１ポンピングステージグループと、前記第１グループの下手側に設けられた第２ポンピングステージグループとを含み、前記第２グループは少なくとも大気圧に近い圧力にて気体を排気する事ができるよう構成されいる事と、前記第２ポンピングステージグループは軸方向テーパ状チャンネルを有するポンピングステージを含む事とを特徴とする請求項１４に記載のターボ分子ポンプ。
【請求項１６】軸方向テーパ状チャンネルを有するポンピングステージ（１）の少なくとも1つは、周囲羽根部材（２１）を備えた回転子ディスク（７）を含み、前記羽根部材（２１）は、前記ディスク（７）の面に対して垂直な面に設けられているとともに、なるべくはディスク外周に沿って均一に離間されている事を特徴とする請求項１５に記載のターボ分子ポンプ。
|
【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用ポンピングステージ(pumping stage)に関する。更に詳しくは、本発明はターボ分子ポンプとして知られているタイプの真空ポンプ用ポンピングステージに関する。特に、本発明は、ターボ分子ポンプにおけるポンピングレート(pumping rate)と排気圧との間で最適バランス(trade-off)を可能にする改良型形状を持ったポンピングステージに関する。【０００２】
【従来の技術】通常、ターボ分子ポンプは、縦続の２つの異なるタイプのポンピングステージを含む。ターボ分子ステージと呼ばれる第１ステージグループは、ポンプの吸引部即ち高真空部に位置しており、これらのステージは分子流れ状況に於いて極めて低い圧力で作動するよう設計されている。【０００３】分子吸収ステージと呼ばれる第２ステージグループは、ポンプの排気部即ち“低”部に位置しており、これらのステージは粘性流れ状態に至るまで高圧力で作動するよう設計されている。ターボ分子ポンプに於いて気体ポンピング分子吸収ステージは通常、ポンプ本体に形成された固定子チャンネルと、全体に装着されて、ポンプモータによって回転駆動される回転軸とともに回転する回転子ディスクとの組み合わせにより構成されることは周知である。 気体がポンプにより流動して排出されるところの、対応する接線方向ポンピングチャンネル(pumping channels)は、固定子チャンネルと回転子ディスクとの間に形成される。【０００４】ポンピングチャンネルは、対応する入口部と出口部とを介して相互に連通しており、これらの入口部と出口部は、一つのステージにおける出口部が、第２の下手側ステージにおける入口部と一直線状になるよう軸方向に配列されている。入口部と出口部との間で、ポンピングチャンネルは、“ストリッパー”(stripper)とも呼ばれるブロック材即ち障害部材により外周方向に遮断される。 この障害部材は、通常、固定子チャンネル内に形成され、入口領域と出口領域との間のシール部材として作用する。【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ターボ分子真空ポンプの開発に於いて、気体を大気圧にて排出するのが困難であるという問題がある。 ポンプがこの要求事項を満足することが出来ない場合、通常、メインポンプからの出口に第２のポンプユニットを設けて、所望の圧力レベルに到達可能にする。第２のポンプを設ける必要なく、大気圧にて直接排気することができるターボ分子ポンプを得るためにこれまで多大な努力がなされてきた。【０００６】すなわち、ヴァリアン社に対して付与されたUS特許第5,456,575号は、気体圧縮機能を増大させることができるとともにターボ分子ポンプの動作範囲を拡大することができるよう構成された半径方向テーパ部を、外周に沿って設けたポンピングチャンネルを開示している。現在までのところ、一般的に、入口部と出口部との間のチャンネルの軸方向の横断寸法（即ちチャンネル高さ）は変動させずに、入口部と出口部との間のチャンネルの半径方向横断面(即ち幅)を変動させる可能性のみが考慮されてきた。【０００７】周知のように、チャンネル高さは、ポンピングステージのポンピングレートや排気圧のような、重要な特徴に対して多大な且つ異なる影響を与える重要なパラメータである。更に詳しくは、分子吸収ステージに於いて、最大排気圧はチャンネル高さの2乗に反比例する。その結果、ポンピングチャンネルは、高い排気圧を得るために、可能な限り低い高さで形成されている。【０００８】他方、ポンピングレートは、チャンネル入口の横断面積に、従って、チャンネル高さに正比例する。 これにより、逆の解決策、即ち、高さの高いポンピングチャンネルの形成ということになる。かくして、現在のターボ分子ポンプに於いては、特に、分子吸収ステージに関する限り、ポンピングレートを有利にするために最大排気圧を犠牲にするか、或いは、最大排気圧を有利にするためにポンピングレートを犠牲にすることにより、バランスを見つけなければならないことになる。
【０００９】本発明の主目的は、排気圧とポンピングレートとの間で最適均衡状態をもたらし得るターボ分子ポンプ用ポンピングステージを形成することにある。更に、本発明の目的は、従来のポンピングステージにより得られるよりも高い圧力にて気体を排気することができるターボ分子ポンプ用分子吸収ステージを形成することにある。更に、本発明の目的は、粘性流れに於いて、従来のポンピングステージの場合よりも、エネルギ消散が低いことを特徴とするターボ分子ポンプ用分子吸収ステージを形成することにある。【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係るポンピングステージは、ポンピングステージ入口部での横断面積に依存するポンピングレートを高く維持することができるとともに、均一高さを有するチャンネルを使用する場合よりも、かなり大きな排気圧を得ることができるよう構成された軸方向テーパ部を有することを特徴とする。【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の種々の実施例を、添付図面を参照に、以下、詳細に説明する。以下の図面の説明に於いて、本発明の異なる実施例に属するものであっても、同一機能を有する部分や部材は同一参照番号で示している。図１〜図３には、ターボ分子ポンプ用の本発明に係る分子吸収ポンピングステージ１が概略示されている。【００１２】ポンピングステージ１は、ゲーデ(Gaede)タイプのいわゆる分子吸収ステージであり、相対的に低い圧力で動作する“高い”ターボ分子ステージの下手側ポンプに含まれるものである。 しかしながら、本発明は、より詳細に説明するように、羽根付きのあるいはスムースな回転ディスクを有するポンピングステージに適応することができる。ポンピングステージ１は、C形横断面を有する接線方向ポンピングチャンネル３を含み、これは、ポンプモータにより回転される軸５に固定された回転子ディスク７と、ポンプ本体に結合された固定子リング１１との間に設けられている。【００１３】入口部１３は、ステージ１の上手側に位置するポンピングステージ部分あるいはポンプの吸引口と連通しており、ポンピングステージ１内へ気体を導入するよう構成されており、出口部１５は、後続のステージあるいはポンプの排気口方向へ、ステージ１から気体を排気するよう構成されている。そらせ板あるいはストリッパー１７は、入口部１３と出口部１５との間に設けられ、回転子ディスク表面と固定子表面との間の0.5~0.6 mmの小さな開口部１９を介して、チャンネル３の入口領域と出口領域の間を気密状態にする。
【００１４】ポンピングチャンネル３は半径方向にテーパ状にされ、そして、入口部１３に於いて幅d1を、出口部１５に於いて幅d2を有する。都合の良いことに、ポンピングチャンネル３は軸方向にもテーパ状に形成されている。実際のところ、回転子７と固定子1１との間の軸方向間隔は回転子の円周に沿って変動し、ポンピングステージ１の入口部１３での値h1から、ポンピングステージ１の出口部１５での値h2へと減少している。
【００１５】ポンピングステージ１の概略円筒状断面図である図３に於いてよりわかり易く示すように、ポンピングチャンネル高さは、入口部１３と出口部１５との間で、ポンピングチャンネル３に沿って徐々に減少している。図示する実施例に於いて、ポンピングチャンネル３に於ける高さの変化は直線状であり、回転子ディスクに関して左右対称であることが理解されよう。尚、ポンピングチャンネル３の高さが多項式的に、指数関数的に或いは三角関数式に基づいて変化するよう構成された、軸方向テーパチャンネルを有するポンピングステージを設けることもできる。【００１６】この点に関し、図３aは、ポンピングチャンネル３の高さが、入口部１３と出口部１５との間で、指数関数的に減少するポンピングステージ１の展開図である。同様に、チャンネルが、図示する実施例のように軸方向及び半径方向の両方向に於いてにテーパ状になっているか、或いは軸方向にのみテーパ状になったポンピングステージを設けることもできる。更にまた、前記変動が回転子ディスクに関して左右対称ではないような、半径方向及びもしくは軸方向にテーパ状になったチャンネルを有するポンピングステージを設けることもできる。特に、軸方向テーパは、ディスクの一側或いは他側にのみ設けることも可能である。【００１７】周知のように、直径の大きなポンピングステージの場合、チャンネル長さは過剰になり、全体的に利用されることはできない。というのも、所定の限界範囲を超えるとポンピングは無効になるからである。そこで、ポンピングステージの外周を２つ以上の部分に分割して、並行的に動作する多数のポンピングチャンネルとして形成すると有利になる。図４は、本発明の第２の改変例に係るポンピングステージ１を示している。この改変例は３つのポンピングチャンネル３a、３ｂ、３ｃを有していることを特徴としている。これらのポンピングチャンネル３a、３ｂ、３ｃはそれぞれ入口部１３a、１３ｂ、１３ｃとそれぞれ出口部１５a、１5b、１５ｃとを有し、これらの入口部はそれぞれ上部ステージの対応するチャンネルと連通し、これらの出口部はそれぞれ下部ステージの対応するチャンネルと連通している。それぞれのストリッパー１７a、１７ｂ、１７ｃはそれぞれの出口部１５a、１5b、１５ｃに設けられ、一つのチャンネルの出口部を、後続のチャンネルの入口部から離間させている。
【００１８】図５は、図４に示すポンピングステージの概略円筒状横断面図であり、並行的に動作する３つのポンピングチャンネルの内の２つだけを示したものであるが、この図５から良くわかるように、それぞれのポンピングチャンネル３a、３ｂ、３ｃの高さは、それぞれの入口部１３a、１３ｂ、１３ｃと出口部１５a、１5b、１５ｃとの間で徐々に減少して、これにより、ポンピングステージ１に対して鋸歯状の外周輪郭を与えている。【００１９】先に説明したように、本発明は回転子ディスクを備えたポンピングステージに適応することができる。特に、回転子ディスク７が、スムースなものではなく、回転子ディスク７の面に対して垂直な面に於いて周辺羽部材２１を有する、図６に示すようなポンピングステージに適応することができる。なるべくは、これらの羽部材は回転子ディスク７の外周に均一に配分されているのが好ましい。このような回転子ディスクを使用すると、ポンピングステージはいわゆる“再生力のある”ものになる。かくして、本発明によれば、軸方向にテーパ状のチャンネルを持った再生力のあるポンピングステージを形成することができる。【００２０】本発明の改変例に於いて、ポンピングされる気体は入口部１３を介してポンピングステージ１に入り、ポンピングチャンネル３内部を出口部１５まで移動しながら圧縮され、この出口部１５を介して、気体は次のポンピングステージ即ちポンプの排気部へ到達する。図７は、入口部１３と出口部１５との間でポンピングステージに於いて得られた圧力差△pを、排気圧力Pforeに対してプロットしたものである。図７に於いて、半径方向及び軸方向に直線的にテーパ状になった、本発明に係るポンピングチャンネルの性能（線P1）を、均一断面のポンピングチャンネルの性能（線P2）と比較している。尚、これらのチャンネルは、ポンピングステージの入口部に於いて同一の高さを有している。
【００２１】圧力が4mbarを下回る範囲では、いずれの場合でも、圧力差△pは排気圧力Pforeの増大につれて直線的に増大しており、２つの曲線は実質的に重なり合っている。ところが、排気圧力Pforeが4mbarを超えると、均一高さのチャンネルに於いては飽和現象が発生して、圧力差△pは一定状態となる。反対に、軸方向テーパ状チャンネルの場合は、圧力Pforeを関数とする圧力差△pの直線状の増加は、その後もほぼ同一傾斜で継続し、そして、約１０mbarというかなり高いPfore値、つまり、均一高さのチャンネルの場合の飽和状態の値の約2.5倍である圧力差△pの値で、飽和現象が発生している。【００２２】図８は、入口圧力が一定の場合の、排気圧力Pforeを関数とするポンピングステージのポンピングレートVを示している。図８に於いても、半径方向及び軸方向に直線状テーパ部を備えた本発明に係るポンピングチャンネルの性能（線V1）を、均一断面のポンピングチャンネルの性能（線V2）と比較している。尚、これらのチャンネルはポンピングステージの入口部に於いて同一の高さを有している。圧力Pforeの値が極めて低い、つまり、２mbarを下回る場合、ポンピングレートは、均一断面のポンピングチャンネルの方が少し高い。 ところが、均一断面のポンピングチャンネルの場合、圧力Pforeが２mbarを超えると、ポンピングレートは急激に減少する。反対に、テーパ状のポンピングチャンネルの場合、ポンピングレートは、Pfore値が６mbar付近になるまで一定に維持される。【００２３】図７及び図８のグラフは、軸方向及び半径方向の寸法が変動しない従来のチャンネルに対する、本発明により得られる高い排気圧と高い圧縮比に関する利点を明白に示している。更に、ポンピングチャンネル３の軸方向テーパ部は、圧縮に関する機能がより高くなることと乱流傾向がより小さくなることにより、電力損の減少に役立つものである。これをレイノルズ数に対するより良い制御について表現すると次のようになる：【００２４】
【数１】
【００２５】ここで、ρはポンピングされる気体の密度であり、Vはポンピングチャンネルの平均気体流速であり、hはチャンネル高さであり、ηはポンピングされる気体の粘度である。実際のところ、レイノルズ数はポンピングチャンネル高さに比例し、そして、ポンピングステージ１に沿うこの高さの変動により、特に圧力がポンピングステージ１に沿って増大するにつれて生じる高さの減少により、レイノルズ数に対してより良い制御を行うことができる。このことは、圧力値が１０mbarを超える場合、つまり、乱流効果が重要になりうる圧力値の場合、特にそうである。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】５０２２１１４３４
【氏名又は名称】ヴァリアン ソシエタ ペル アジオーニ
|
| 【出願日】 |
平成１５年５月６日（２００３．５．６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８７７０１
【弁理士】
【氏名又は名称】稲岡 耕作 （外１名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００３−３２２０９５（Ｐ２００３−３２２０９５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年１１月１４日（２００３．１１．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２００３−１２８３５７（Ｐ２００３−１２８３５７） |
|