真空ポンプ
【課題】真空ポンプをコンパクトに形成する。
【解決手段】第１の入口８０および第２の入口８２を有するハウジング４０と、および第１のポンプ段６０および第２のポンプ段７０と、を備えた真空ポンプであって、真空ポンプは、ガスが第１の入口８０を通過して第１のポンプ段６０内に到達するように、および、第２の入口８２を通過して第２のポンプ段７０内に到達したガスが、はじめに第２のポンプ段７０により圧縮され、次に第１のポンプ段６０により圧縮されるように形成されてい。コンパクトな真空ポンプを得るために、第２のポンプ段７０がホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）ポンプ段を含むことが提案される。
【解決手段】第１の入口８０および第２の入口８２を有するハウジング４０と、および第１のポンプ段６０および第２のポンプ段７０と、を備えた真空ポンプであって、真空ポンプは、ガスが第１の入口８０を通過して第１のポンプ段６０内に到達するように、および、第２の入口８２を通過して第２のポンプ段７０内に到達したガスが、はじめに第２のポンプ段７０により圧縮され、次に第１のポンプ段６０により圧縮されるように形成されてい。コンパクトな真空ポンプを得るために、第２のポンプ段７０がホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）ポンプ段を含むことが提案される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の真空ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空技術の幾つかの分野においては、その中に相互に結合された複数の室が直列に配置され且つ室の各々が別々の圧力レベルに保持される、室装置が存在する。このような構造は、例えば、質量分析計において使用される。質量分析計においては、粒子ビームが最高圧力を有する室内に流入し且つそれに続いて他の室を通過し、この結果、最終的に最低圧力を有する室内の分析計に到達する。最低圧力を有する室は超高真空レベルに存在し、最高圧力を有する室は低真空および中真空範囲内の予真空（背圧）レベルに存在する。
【０００３】
このような室装置を真空にするために、いわゆるスプリットフロー・ポンプが使用されてきた。スプリットフロー・ポンプは、第１の入口および第２の入口を有するハウジング並びに第１および第２のポンプ段を有している。スプリットフロー・ポンプは、ガスが第１の入口を通過して第１のポンプ段内に到達するように、および第２の入口を通過して第２のポンプ段内に到達したガスが、はじめに第２のポンプ段により圧縮され、次に第１のポンプ段により圧縮されるように形成されている。
【０００４】
ドイツ特許公開第４３３１５８９号はこのような真空ポンプを提供する。高真空および超高真空範囲に対するポンプ段はターボ分子ポンプ段として形成され、この場合、各ポンプ段は複数のいわゆるロータ／ステータ・パケットを有している。この真空ポンプをコンパクトに形成したいという希望が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ドイツ特許公開第４３３１５８９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の課題は、異なる圧力レベルに存在する複数の室を有する室装置の真空化を可能にし且つ同時にコンパクトである真空ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１の特徴を有する真空ポンプにより解決される。従属請求項２−５は有利な変更態様を与える。
超高真空圧力範囲に付属されている第２のポンプ段がホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）段を有し、ホルベック段は、この配置に基づいて、最低圧力を有する室を真空にする。従来技術において通常予真空（背圧）の持続性を向上させるために使用され、したがって、ターボ分子ポンプ段のガス流れ内でそれに続いて真空ポンプの出口の手前で使用されるホルベック段をこのように使用することは、第１および第２の入口間におけるきわめて高い圧力比を可能にする。この圧力比は、同じ構造長さを有するターボ分子ポンプ段においてよりも高い。したがって、同じ圧力比において、第２のポンプ段はターボ分子ポンプ段よりもコンパクトに構成される。
【０００８】
ホルベック段が軸の軸受を包囲する、請求項２に記載の変更態様において、さらによりコンパクトな形態が得られる。
他の入口を通過したガスがホルベック・ポンプ段内に流入するように、他の入口をホルベック・ポンプ段に配置する、請求項３に記載の特徴は、コンパクトな構造において追加の真空室を真空にすることを可能にする。
【０００９】
他の変更態様において、ホルベック・ポンプ段のステータおよび軸受をたわみ間隔だけ相互に偏心して配置するように設計されている。これにより、一方で、より狭い隙間寸法が達成される。これは達成される圧力比を改善するので、構造長さが短縮され且つ真空ポンプはよりコンパクトになる。他方で、これは、超高真空範囲内において軸を支持するために、潤滑剤を使用しない磁気軸受特に永久磁気軸受の使用を可能にする。
【００１０】
さらに他の変更態様により、第２の入口およびホルベック・ポンプ段の間に流動抵抗特に静置ターボディスクが配置されている。この場合、流動抵抗はホルベック段の体積流量よりも高い値を有しているので、ホルベック段からの逆流は低減される。これはホルベック段のより短い構造を可能にするので、真空ポンプはさらによりコンパクトになる。
【００１１】
実施例により本発明およびその変更態様を詳細に説明し、且つその利点を掘り下げることとする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１の実施例による２つの入口を設けた真空ポンプの断面図を示す。
【図２】図２は、第２の実施例による５つの入口を設けた真空ポンプの断面図を示す。
【図３】図３は、並列にポンピングするように設計されている高真空側ホルベック段の一変更態様の断面図を示す。
【図４】図４は、直列にポンピングするように設計されている高真空側ホルベック段の一変更態様の断面図を示す。
【図５】図５は、ホルベック・ポンプ段の半分の、縦軸に沿った断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、第１の例による真空ポンプおよび室装置が縦断面図で示されている。室ハウジング２内に予真空室４および高真空室１２が設けられ、予真空室および高真空室は高真空スリット２２を介して相互に結合されている。予真空スリット１４を通過して、例えば粒子ビームが予真空室内に到達可能である。
【００１４】
真空ポンプのポンプ・ハウジング４０は室ハウジングと真空気密に且つ着脱可能に結合されている。ポンプ・ハウジング内に軸４２が配置され、軸は高真空側軸受４４および予真空側軸受４８により回転可能に支持される。軸上に永久磁石５２が配置され、永久磁石は駆動コイル５０の磁界と協働し且つこれにより軸を高速回転させる。「高速」とは、このような真空ポンプの範囲内において、ポンプ能動部品が分子機構に基づいてポンプ作用を示し且つ数万ｒｐｍの回転速度が存在することを意味する。
【００１５】
真空ポンプは第１の入口８０および第２の入口８２を有する。第１の入口は予真空室４と結合され、一方、第２の入口は高真空室１２と結合されている。第１の入口８０を通過して真空ポンプ内に流入したガスは第１のポンプ段６０内に到達し、第１のポンプ段はそのポンプ作用により予真空室を第１の圧力レベルまで真空にする。第１のポンプ段はターボ分子ポンプ段として形成されているので、それぞれ羽根リングを設けたロータ・ディスク６２およびステータ・ディスク６４を有している。ステータ・ディスクはスペーサ・リング６６により軸方向に間隔をなして保持されている。第１のポンプ段は、ポンプ段の吸込領域と排出領域との間の要求圧力比に応じてそれぞれ、複数のロータ・ディスクおよびステータ・ディスクを含むことが可能である。ガスは第１のポンプ段によりポンプの出口５４に供給され且つ出口から真空ポンプを離れる。
【００１６】
第２の入口８２を通過してガスが高真空室１２から真空ポンプ内に流入し且つ第２のポンプ段７０によりポンピングされる。このポンプ段は、高真空室を、第１の圧力レベルより低い第２の圧力レベルまで真空にする。第２のポンプ段により排出されたガスは第１のポンプ段によりさらに供給される。
【００１７】
この構造により、真空ポンプは、ガスが第１の入口を通過して第１のポンプ段内に到達するように、および第２の入口を通過して第２のポンプ段内に到達したガスが、はじめに第２のポンプ段により圧縮され、次に第１のポンプ段により圧縮されるように形成されていることが達成される。
【００１８】
第２のポンプ段はホルベック・ポンプ段として形成されているので、ホルベック・ステータ７４を有し、ホルベック・ステータは本質的に肉厚の中空シリンダを含み、中空シリンダは、その内側においてねじ山状に伸長する四角断面の溝を設けている。このシリンダの内部を、軸と結合されたホルベック・シリンダ７２が伸長する。ホルベック・シリンダは高真空側軸受４４および軸受支持部４６を少なくとも一部包囲し、軸受支持部はこの軸受をポンプ・ハウジングに固定している。
【００１９】
ホルベック・ポンプ段としての第２のポンプ段の形態により、入口８０および８２の間の間隔が低減可能であるか、または同じ構造長さでより大きな圧力比が達成可能である。したがって、真空ポンプはよりコンパクトになる。この効果は、軸受がホルベック・シリンダの内部に配置されていることにより増幅される。さらに、軸を短くする可能性が得られ、その理由は、軸側のホルベック・シリンダが軸端を超えて有利に突出可能であるからである。これにより、軸は、ターボ分子ポンプの構造に基づく第２のポンプ段の形態においてよりも短くなる。より短い軸は、温度上昇における絶対軸膨張量がより小さくなり、したがって、真空技術的に有利な、ロータ・ディスクとステータ・ディスクとの間のより狭い軸方向隙間を設けること、および他のポンプ能動要素を設けることが可能であるので、有利である。より短い軸はさらにコンパクトな構造を形成する。
【００２０】
図２に、第２の例による真空ポンプおよび室装置が縦断面図で示されている。ここで、室ハウジング１０２内に、予真空室１０４および高真空室１１２のほかに３つの中間室１０６、１０８および１１０が配置されている。これらの室は相互にスリット１１６、１１８、１２０および１２２により結合されている。予真空室はさらに予真空スリット１１４を有している。例えば粒子ビームは、これらのスリットを通過して室内を貫通し、ここで次第により低くなる真空内に到達し、最終的に検出器１２４に衝突する。
【００２１】
真空ポンプのポンプ・ハウジング１４０は室ハウジングと真空気密に且つ着脱可能に結合されている。この場合、真空ポンプは、その入口１８０が室１０４と、その入口１８４が室１０６と、その入口１８６が室１０８と、その入口１８８が室１１０と、最後にその入口１８２が室１１２と結合されているように配置され、この場合、各結合は室から真空ポンプ内へのガス流れを可能にしている。
【００２２】
ポンプ・ハウジングの内部に軸１４２が設けられ、軸は予真空側において転がり軸受１４８により回転可能に支持される。高真空側においては永久磁気軸受１４４が軸を支持している。この受動磁気軸受のステータは軸受支持部１４６を介してポンプ・ハウジング内に支持されている。軸は１つまたは複数の永久磁石１５０を有し、永久磁石は１つまたは複数のコイル１５２により発生された回転磁界と協働し且つ軸を数万ｒｐｍの高速で回転させる。
【００２３】
真空ポンプは複数のポンプ段を有している。第１のポンプ段１６０はホルベック・ポンプ段として形成されている。そのホルベック・ステータ１６４は肉厚の中空シリンダを含み、その内側に四角断面のねじ山状溝が設けられている。ホルベック・シリンダ１６２は軸と結合され且つホルベック・ステータの内部に同軸に存在している。このポンプ段の吸込領域は、室からガスがポンプ段内に到達するように、入口１８０と結合されている。ポンプ段内において圧縮されたガスは出口１５４を通過して真空ポンプから排出され且つ図示されていない予真空ポンプ例えば膜ポンプに供給される。
【００２４】
ガス流れ内に前置されて、ターボ分子ポンプ段として形成されているポンプ段１６５が存在する。このポンプ段は、図１の第１の例により示されるように、羽根リングが設けられたロータ・ディスクおよびステータ・ディスクを有している。ロータ／ステータ対の数は希望する圧力比の関数である。ポンプ段１６５は入口１８４からガスを受け取り且つ第１のポンプ段１６０の方向にガスを排出する。ポンプ段１６５は、さらに、他のポンプ段１７５から排出されたガスを吸い込む。ポンプ段１７５は分子作用機構を有し、好ましくはターボ分子構造に基づく少なくとも１つのロータ・ディスクおよびステータ・ディスクを含む。このポンプ段は入口１８６を介して室１０８からガスを吸い込み、さらに、ポンプ段１７０から排出されたガスを供給する。したがって、真空ポンプは、ガス流れ内における次々の各ポンプ段が１つの室を真空にし且つその手前のポンプ段から排出されたガスをその先に供給する。
【００２５】
第２のポンプ段１７０は軸と結合されたホルベック・シリンダ１７２を含み、ホルベック・シリンダはホルベック・ステータ１７４の内部に存在し且つこれと協働する。第２のポンプ段１７０は入口１８２を介して室１１２からガスを吸い込む。さらに、ホルベック・ステータに通路が設けられ、通路は入口１８８を介して第２のポンプ段１７０内にガスを吸い込むことを可能にする。
【００２６】
第２のポンプ段のポンプ能動部品、本質的にホルベック・ステータ１７４およびホルベック・シリンダ１７２は、永久磁気軸受１４４の構成部品を包囲していることが有利である。これにより、きわめてコンパクトな構造が達成される。同時に、ホルベック・ポンプ段の使用は、入口１８２、１８８および１８６のそれぞれの間の高い圧力比を達成することを可能にする。したがって、コンパクトな真空ポンプにより従来よりも多い室を異なる圧力レベルまで真空にすることが可能である。５つの室を有する装置に対して、従来技術においては、ターボ分子ポンプ段が軸方向に長い構造を有し、したがって単一の真空ポンプの軸はきわめて長くなるので、第２の真空ポンプが必ず必要となるであろう。軸の長さは、ターボ分子ポンプ内の軸方向隙間が吸収可能な熱膨張によって制限される。これに関して、ロータとステータの接触危険が存在する。この危険は、図示の真空ポンプにより回避される。
【００２７】
図３−５により、以下に、単独でまたは組み合わせにおいて利点を示す改善が提供される。
図３に、第２のポンプ段２７０を含む真空ポンプの一部が断面図で示されている。軸受支持部２４６がポンプ・ハウジング２４０と結合され、軸受支持部は永久磁気軸受のステータ側磁気リング２５８を保持している。ステータ側磁気リングにロータ側磁気リング２５６が向かい合い、ロータ側磁気リングは軸２４２上に固定されている。同様に軸にハブ２６６が固定され、ハブはホルベック・シリンダ２７２を支持している。ここで、ポンプ段は外部ホルベック・ステータ２７４および内部ホルベック・ステータ２７６を含む。外部ホルベック・ステータはホルベック・シリンダの外壁と協働し、内部ホルベック・ステータはホルベック・シリンダの内壁と協働してガスを供給する。ハブは少なくとも１つの穴２６８を有し、ホルベック・シリンダの内側で供給されたガスはこの穴を通り抜けてポンプ段を離れることが可能である。ガスは入口２８２からホルベック・シリンダの内側および外側で並列に供給される。入口２８８を通過してガスは外部ホルベック・ステータとホルベック・シリンダとの間のポンプ段の部分内に到達する。
【００２８】
並列にポンピングするホルベック・ポンプ段の形態においては、入口２８８の軸方向寸法を選択するとき、それぞれのホルベック・シリンダおよびホルベック・ステータの間の相対速度は軸の軸線２９４までの間隔の増加と共に増大するという観点に注意することが有利である。これにより、間隔がより高いときにはホルベック・シリンダとホルベック・ステータとの協働によりより高い圧力比が発生される。これは入口２８８により補償可能であり、入口の軸方向寸法を介して圧力比は発生されない。したがって、圧力比における相違は補償可能である。異なる圧力比の問題は、同軸に配置された複数のホルベック・シリンダおよびホルベック・ステータにおいてより顕著である。
【００２９】
ポンプ段２７０の吸込領域の手前にコンダクタンス２９６が配置され、コンダクタンスはターボ分子構造に基づくステータ・ディスク２９６として形成されていることが有利である。ステータ・ディスクはポンプ段から入口２８２の方向への逆流を制限する。このコンダクタンスは並列にポンピングするように形成されたポンプ段２７０とは無関係に使用されてもよい。
【００３０】
実施例およびその変更態様に関して利用可能な他の有利な形態は、ホルベック・ステータと軸受との偏心配置である。ステータ側磁気リング２５８は、軸受の軸線２９２を形成する幾何形状中心を有している。軸は一方で軸線２９４を有し、ホルベック・ステータは軸線２９３を有している。軸の自重により軸は重力方向２９０に引っ張られるので、軸受および軸の軸線はたわみ間隔Ｄだけ相互にシフトされている。重力に関して軸の上側のホルベック・シリンダとホルベック・ステータとの間の隙間Ｓ１および重力に関して軸の下側のホルベック・シリンダとホルベック・ステータとの間の隙間Ｓ２ができるだけ等しい大きさであるとき、それはポンプ作用に対して有利である。これは、ホルベック・ステータの幾何形状軸線２９３および軸受の軸線２９２がたわみ間隔Ｄだけ相互に偏心して配置されていることにより達成される。
【００３１】
図４は他の形態の可能性を示す。ホルベック・ポンプ段として形成された第２のポンプ段３７０は、ホルベック・シリンダ３７２のほかに、ホルベック・シリンダ３７２に同軸に配置されている第２のホルベック・シリンダ３７８を含む。両方のホルベック・シリンダ３７２および３７８はハブ３６６と結合されている。内部ホルベック・ステータ３７６は両方のホルベック・シリンダの間に配置されている。入口３８２から入ったガスはホルベック・シリンダ３７８の外壁と内部ホルベック・ステータ３７６の内壁との間で供給され、且つハブ３６６において転向され、この結果、ガスは、内部ホルベック・ステータ３７６の外壁とホルベック・シリンダ３７２の内壁との間でさらに供給される。直列に形成された第３のポンプ・セクションとして、次に、ガスはホルベック・シリンダ３７２の外壁と外部ホルベック・ステータ３７４の内壁との間で供給される。このポンプ・セクション内に他の入口３８８からガスがポンプ段内に流入する。相互に入り組み且つ直列に貫流するポンプ・セクションとして形成されたポンプ段のこの形態は、さらによりコンパクトな構造を提供する。
【００３２】
軸受の構成要素特にステータ側磁気リング３５８は複数のアーム３３２を有する星形により支持され、これにより、簡単且つコンパクトな形態が形成される。内部ホルベック・ステータはこの星形のアームに固定されてもよい。アームの形状は、固有振動数が共振領域内に存在せず且つ軸の軸線に沿った曲げが小さく保持されるように形成されている。
【００３３】
軸の正面側に向かい合っているポンプ・ハウジング３４０の内壁３３４は傾斜して形成されていることが有利である。これは真空ポンプの排気効率を改善し、その理由は、分子がポンプ段内に到達する確率が上昇されるからである。例えば、分子は入射方向３３６から入って入口内を通過し且つ内壁３３４に衝突する。内壁から分子は反射方向３３８にポンプ段に向かって運動する。
【００３４】
ホルベック・ステータの一変更態様が図５に示されている。ホルベック装置の半分の、シリンダの軸線に沿った断面図が示されている。ホルベック装置はホルベック・ステータ５７４およびホルベック・シリンダ５７２により形成され、これらは相互に同軸に配置されている。両方の間に隙間Ｓ３が設けられ、この隙間は吸込領域５７６と排出領域５７８との間でほぼ一定の寸法を有している。ホルベック・ステータ内に、ホルベック・ステータの内側上を螺旋形に伸長する少なくとも１つの溝５８２が設けられている。溝の底５８４は１つの経過線５８６を形成し、この経過線は底からホルベック・シリンダまでの間隔の漸減を形成し、この場合、最大間隔は吸込領域側において且つ最小間隔は排出領域側において達成される。この円錐形状により、ホルベック・ポンプ段の排気速度は明らかに上昇され、このことは、特に、この実施例の第２のポンプ段に対して有利である。連続するそれぞれ２つのねじ山溝の間にウェブ５８８が存在し、ウェブは軸方向に幅５９０を有している。この幅は吸込領域と排出領域との間の軸方向長さにわたり変化してもよく、ねじ山の勾配もまた同様に変化する。吸込領域内においては高い勾配が有利であるが、排出領域に対してはより緩やかな勾配が好ましい。このタイプの形態はホルベック・ポンプ段の排気速度および圧縮を上昇させる。
【符号の説明】
【００３５】
２、１０２ 室ハウジング
４、１０４ 予真空室
１２、１１２ 高真空室
１４、１１４ 予真空スリット
２２、１２２ 高真空スリット
４０、１４０、２４０、３４０ ポンプ・ハウジング
４２、１４２、２４２ 軸
４４、１４４ 高真空側軸受
４６、１４６、２４６ 軸受支持部
４８、１４８ 予真空側軸受
５０、１５２ コイル
５２、１５０ 永久磁石
５４、１５４ 出口
６０、１６０ 第１のポンプ段
６２ ロータ・ディスク
６４ ステータ・ディスク
６６ スペーサ・リング
７０、１７０、２７０、３７０ 第２のポンプ段（ホルベック・ポンプ段）
７２、１６２、１７２、２７２、３７２、３７８、５７２ ホルベック・シリンダ
７４、１６４、１７４、２７４、２７６、３７４、３７６、５７４ ホルベック・ステータ
８０、１８０ 第１の入口
８２、１８２、２８２、３８２ 第２の入口
１０６、１０８、１１０ 中間室
１１６、１１８、１２０ スリット
１２４ 検出器
１６５、１７５ ポンプ段
１８４、１８６、１８８、２８８、３８８ 入口
２５６ ロータ側磁気リング
２５８、３５８ ステータ側磁気リング
２６６、３６６ ハブ
２６８ 穴
２９０ 重力方向
２９２ 軸受の軸線
２９３ ホルベック・ステータの軸線
２９４ 軸の軸線
２９６ 流動抵抗（コンダクタンス）
３３２ アーム
３３４ 内壁
３３６ 入射方向
３３８ 反射方向
５７６ 吸込領域
５７８ 排出領域
５８０ 供給方向
５８２ 溝
５８４ 底
５８６ 経過線
５８８ ウェブ
５９０ 幅
Ｄ たわみ間隔
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の真空ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空技術の幾つかの分野においては、その中に相互に結合された複数の室が直列に配置され且つ室の各々が別々の圧力レベルに保持される、室装置が存在する。このような構造は、例えば、質量分析計において使用される。質量分析計においては、粒子ビームが最高圧力を有する室内に流入し且つそれに続いて他の室を通過し、この結果、最終的に最低圧力を有する室内の分析計に到達する。最低圧力を有する室は超高真空レベルに存在し、最高圧力を有する室は低真空および中真空範囲内の予真空（背圧）レベルに存在する。
【０００３】
このような室装置を真空にするために、いわゆるスプリットフロー・ポンプが使用されてきた。スプリットフロー・ポンプは、第１の入口および第２の入口を有するハウジング並びに第１および第２のポンプ段を有している。スプリットフロー・ポンプは、ガスが第１の入口を通過して第１のポンプ段内に到達するように、および第２の入口を通過して第２のポンプ段内に到達したガスが、はじめに第２のポンプ段により圧縮され、次に第１のポンプ段により圧縮されるように形成されている。
【０００４】
ドイツ特許公開第４３３１５８９号はこのような真空ポンプを提供する。高真空および超高真空範囲に対するポンプ段はターボ分子ポンプ段として形成され、この場合、各ポンプ段は複数のいわゆるロータ／ステータ・パケットを有している。この真空ポンプをコンパクトに形成したいという希望が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ドイツ特許公開第４３３１５８９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の課題は、異なる圧力レベルに存在する複数の室を有する室装置の真空化を可能にし且つ同時にコンパクトである真空ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１の特徴を有する真空ポンプにより解決される。従属請求項２−５は有利な変更態様を与える。
超高真空圧力範囲に付属されている第２のポンプ段がホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）段を有し、ホルベック段は、この配置に基づいて、最低圧力を有する室を真空にする。従来技術において通常予真空（背圧）の持続性を向上させるために使用され、したがって、ターボ分子ポンプ段のガス流れ内でそれに続いて真空ポンプの出口の手前で使用されるホルベック段をこのように使用することは、第１および第２の入口間におけるきわめて高い圧力比を可能にする。この圧力比は、同じ構造長さを有するターボ分子ポンプ段においてよりも高い。したがって、同じ圧力比において、第２のポンプ段はターボ分子ポンプ段よりもコンパクトに構成される。
【０００８】
ホルベック段が軸の軸受を包囲する、請求項２に記載の変更態様において、さらによりコンパクトな形態が得られる。
他の入口を通過したガスがホルベック・ポンプ段内に流入するように、他の入口をホルベック・ポンプ段に配置する、請求項３に記載の特徴は、コンパクトな構造において追加の真空室を真空にすることを可能にする。
【０００９】
他の変更態様において、ホルベック・ポンプ段のステータおよび軸受をたわみ間隔だけ相互に偏心して配置するように設計されている。これにより、一方で、より狭い隙間寸法が達成される。これは達成される圧力比を改善するので、構造長さが短縮され且つ真空ポンプはよりコンパクトになる。他方で、これは、超高真空範囲内において軸を支持するために、潤滑剤を使用しない磁気軸受特に永久磁気軸受の使用を可能にする。
【００１０】
さらに他の変更態様により、第２の入口およびホルベック・ポンプ段の間に流動抵抗特に静置ターボディスクが配置されている。この場合、流動抵抗はホルベック段の体積流量よりも高い値を有しているので、ホルベック段からの逆流は低減される。これはホルベック段のより短い構造を可能にするので、真空ポンプはさらによりコンパクトになる。
【００１１】
実施例により本発明およびその変更態様を詳細に説明し、且つその利点を掘り下げることとする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１の実施例による２つの入口を設けた真空ポンプの断面図を示す。
【図２】図２は、第２の実施例による５つの入口を設けた真空ポンプの断面図を示す。
【図３】図３は、並列にポンピングするように設計されている高真空側ホルベック段の一変更態様の断面図を示す。
【図４】図４は、直列にポンピングするように設計されている高真空側ホルベック段の一変更態様の断面図を示す。
【図５】図５は、ホルベック・ポンプ段の半分の、縦軸に沿った断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、第１の例による真空ポンプおよび室装置が縦断面図で示されている。室ハウジング２内に予真空室４および高真空室１２が設けられ、予真空室および高真空室は高真空スリット２２を介して相互に結合されている。予真空スリット１４を通過して、例えば粒子ビームが予真空室内に到達可能である。
【００１４】
真空ポンプのポンプ・ハウジング４０は室ハウジングと真空気密に且つ着脱可能に結合されている。ポンプ・ハウジング内に軸４２が配置され、軸は高真空側軸受４４および予真空側軸受４８により回転可能に支持される。軸上に永久磁石５２が配置され、永久磁石は駆動コイル５０の磁界と協働し且つこれにより軸を高速回転させる。「高速」とは、このような真空ポンプの範囲内において、ポンプ能動部品が分子機構に基づいてポンプ作用を示し且つ数万ｒｐｍの回転速度が存在することを意味する。
【００１５】
真空ポンプは第１の入口８０および第２の入口８２を有する。第１の入口は予真空室４と結合され、一方、第２の入口は高真空室１２と結合されている。第１の入口８０を通過して真空ポンプ内に流入したガスは第１のポンプ段６０内に到達し、第１のポンプ段はそのポンプ作用により予真空室を第１の圧力レベルまで真空にする。第１のポンプ段はターボ分子ポンプ段として形成されているので、それぞれ羽根リングを設けたロータ・ディスク６２およびステータ・ディスク６４を有している。ステータ・ディスクはスペーサ・リング６６により軸方向に間隔をなして保持されている。第１のポンプ段は、ポンプ段の吸込領域と排出領域との間の要求圧力比に応じてそれぞれ、複数のロータ・ディスクおよびステータ・ディスクを含むことが可能である。ガスは第１のポンプ段によりポンプの出口５４に供給され且つ出口から真空ポンプを離れる。
【００１６】
第２の入口８２を通過してガスが高真空室１２から真空ポンプ内に流入し且つ第２のポンプ段７０によりポンピングされる。このポンプ段は、高真空室を、第１の圧力レベルより低い第２の圧力レベルまで真空にする。第２のポンプ段により排出されたガスは第１のポンプ段によりさらに供給される。
【００１７】
この構造により、真空ポンプは、ガスが第１の入口を通過して第１のポンプ段内に到達するように、および第２の入口を通過して第２のポンプ段内に到達したガスが、はじめに第２のポンプ段により圧縮され、次に第１のポンプ段により圧縮されるように形成されていることが達成される。
【００１８】
第２のポンプ段はホルベック・ポンプ段として形成されているので、ホルベック・ステータ７４を有し、ホルベック・ステータは本質的に肉厚の中空シリンダを含み、中空シリンダは、その内側においてねじ山状に伸長する四角断面の溝を設けている。このシリンダの内部を、軸と結合されたホルベック・シリンダ７２が伸長する。ホルベック・シリンダは高真空側軸受４４および軸受支持部４６を少なくとも一部包囲し、軸受支持部はこの軸受をポンプ・ハウジングに固定している。
【００１９】
ホルベック・ポンプ段としての第２のポンプ段の形態により、入口８０および８２の間の間隔が低減可能であるか、または同じ構造長さでより大きな圧力比が達成可能である。したがって、真空ポンプはよりコンパクトになる。この効果は、軸受がホルベック・シリンダの内部に配置されていることにより増幅される。さらに、軸を短くする可能性が得られ、その理由は、軸側のホルベック・シリンダが軸端を超えて有利に突出可能であるからである。これにより、軸は、ターボ分子ポンプの構造に基づく第２のポンプ段の形態においてよりも短くなる。より短い軸は、温度上昇における絶対軸膨張量がより小さくなり、したがって、真空技術的に有利な、ロータ・ディスクとステータ・ディスクとの間のより狭い軸方向隙間を設けること、および他のポンプ能動要素を設けることが可能であるので、有利である。より短い軸はさらにコンパクトな構造を形成する。
【００２０】
図２に、第２の例による真空ポンプおよび室装置が縦断面図で示されている。ここで、室ハウジング１０２内に、予真空室１０４および高真空室１１２のほかに３つの中間室１０６、１０８および１１０が配置されている。これらの室は相互にスリット１１６、１１８、１２０および１２２により結合されている。予真空室はさらに予真空スリット１１４を有している。例えば粒子ビームは、これらのスリットを通過して室内を貫通し、ここで次第により低くなる真空内に到達し、最終的に検出器１２４に衝突する。
【００２１】
真空ポンプのポンプ・ハウジング１４０は室ハウジングと真空気密に且つ着脱可能に結合されている。この場合、真空ポンプは、その入口１８０が室１０４と、その入口１８４が室１０６と、その入口１８６が室１０８と、その入口１８８が室１１０と、最後にその入口１８２が室１１２と結合されているように配置され、この場合、各結合は室から真空ポンプ内へのガス流れを可能にしている。
【００２２】
ポンプ・ハウジングの内部に軸１４２が設けられ、軸は予真空側において転がり軸受１４８により回転可能に支持される。高真空側においては永久磁気軸受１４４が軸を支持している。この受動磁気軸受のステータは軸受支持部１４６を介してポンプ・ハウジング内に支持されている。軸は１つまたは複数の永久磁石１５０を有し、永久磁石は１つまたは複数のコイル１５２により発生された回転磁界と協働し且つ軸を数万ｒｐｍの高速で回転させる。
【００２３】
真空ポンプは複数のポンプ段を有している。第１のポンプ段１６０はホルベック・ポンプ段として形成されている。そのホルベック・ステータ１６４は肉厚の中空シリンダを含み、その内側に四角断面のねじ山状溝が設けられている。ホルベック・シリンダ１６２は軸と結合され且つホルベック・ステータの内部に同軸に存在している。このポンプ段の吸込領域は、室からガスがポンプ段内に到達するように、入口１８０と結合されている。ポンプ段内において圧縮されたガスは出口１５４を通過して真空ポンプから排出され且つ図示されていない予真空ポンプ例えば膜ポンプに供給される。
【００２４】
ガス流れ内に前置されて、ターボ分子ポンプ段として形成されているポンプ段１６５が存在する。このポンプ段は、図１の第１の例により示されるように、羽根リングが設けられたロータ・ディスクおよびステータ・ディスクを有している。ロータ／ステータ対の数は希望する圧力比の関数である。ポンプ段１６５は入口１８４からガスを受け取り且つ第１のポンプ段１６０の方向にガスを排出する。ポンプ段１６５は、さらに、他のポンプ段１７５から排出されたガスを吸い込む。ポンプ段１７５は分子作用機構を有し、好ましくはターボ分子構造に基づく少なくとも１つのロータ・ディスクおよびステータ・ディスクを含む。このポンプ段は入口１８６を介して室１０８からガスを吸い込み、さらに、ポンプ段１７０から排出されたガスを供給する。したがって、真空ポンプは、ガス流れ内における次々の各ポンプ段が１つの室を真空にし且つその手前のポンプ段から排出されたガスをその先に供給する。
【００２５】
第２のポンプ段１７０は軸と結合されたホルベック・シリンダ１７２を含み、ホルベック・シリンダはホルベック・ステータ１７４の内部に存在し且つこれと協働する。第２のポンプ段１７０は入口１８２を介して室１１２からガスを吸い込む。さらに、ホルベック・ステータに通路が設けられ、通路は入口１８８を介して第２のポンプ段１７０内にガスを吸い込むことを可能にする。
【００２６】
第２のポンプ段のポンプ能動部品、本質的にホルベック・ステータ１７４およびホルベック・シリンダ１７２は、永久磁気軸受１４４の構成部品を包囲していることが有利である。これにより、きわめてコンパクトな構造が達成される。同時に、ホルベック・ポンプ段の使用は、入口１８２、１８８および１８６のそれぞれの間の高い圧力比を達成することを可能にする。したがって、コンパクトな真空ポンプにより従来よりも多い室を異なる圧力レベルまで真空にすることが可能である。５つの室を有する装置に対して、従来技術においては、ターボ分子ポンプ段が軸方向に長い構造を有し、したがって単一の真空ポンプの軸はきわめて長くなるので、第２の真空ポンプが必ず必要となるであろう。軸の長さは、ターボ分子ポンプ内の軸方向隙間が吸収可能な熱膨張によって制限される。これに関して、ロータとステータの接触危険が存在する。この危険は、図示の真空ポンプにより回避される。
【００２７】
図３−５により、以下に、単独でまたは組み合わせにおいて利点を示す改善が提供される。
図３に、第２のポンプ段２７０を含む真空ポンプの一部が断面図で示されている。軸受支持部２４６がポンプ・ハウジング２４０と結合され、軸受支持部は永久磁気軸受のステータ側磁気リング２５８を保持している。ステータ側磁気リングにロータ側磁気リング２５６が向かい合い、ロータ側磁気リングは軸２４２上に固定されている。同様に軸にハブ２６６が固定され、ハブはホルベック・シリンダ２７２を支持している。ここで、ポンプ段は外部ホルベック・ステータ２７４および内部ホルベック・ステータ２７６を含む。外部ホルベック・ステータはホルベック・シリンダの外壁と協働し、内部ホルベック・ステータはホルベック・シリンダの内壁と協働してガスを供給する。ハブは少なくとも１つの穴２６８を有し、ホルベック・シリンダの内側で供給されたガスはこの穴を通り抜けてポンプ段を離れることが可能である。ガスは入口２８２からホルベック・シリンダの内側および外側で並列に供給される。入口２８８を通過してガスは外部ホルベック・ステータとホルベック・シリンダとの間のポンプ段の部分内に到達する。
【００２８】
並列にポンピングするホルベック・ポンプ段の形態においては、入口２８８の軸方向寸法を選択するとき、それぞれのホルベック・シリンダおよびホルベック・ステータの間の相対速度は軸の軸線２９４までの間隔の増加と共に増大するという観点に注意することが有利である。これにより、間隔がより高いときにはホルベック・シリンダとホルベック・ステータとの協働によりより高い圧力比が発生される。これは入口２８８により補償可能であり、入口の軸方向寸法を介して圧力比は発生されない。したがって、圧力比における相違は補償可能である。異なる圧力比の問題は、同軸に配置された複数のホルベック・シリンダおよびホルベック・ステータにおいてより顕著である。
【００２９】
ポンプ段２７０の吸込領域の手前にコンダクタンス２９６が配置され、コンダクタンスはターボ分子構造に基づくステータ・ディスク２９６として形成されていることが有利である。ステータ・ディスクはポンプ段から入口２８２の方向への逆流を制限する。このコンダクタンスは並列にポンピングするように形成されたポンプ段２７０とは無関係に使用されてもよい。
【００３０】
実施例およびその変更態様に関して利用可能な他の有利な形態は、ホルベック・ステータと軸受との偏心配置である。ステータ側磁気リング２５８は、軸受の軸線２９２を形成する幾何形状中心を有している。軸は一方で軸線２９４を有し、ホルベック・ステータは軸線２９３を有している。軸の自重により軸は重力方向２９０に引っ張られるので、軸受および軸の軸線はたわみ間隔Ｄだけ相互にシフトされている。重力に関して軸の上側のホルベック・シリンダとホルベック・ステータとの間の隙間Ｓ１および重力に関して軸の下側のホルベック・シリンダとホルベック・ステータとの間の隙間Ｓ２ができるだけ等しい大きさであるとき、それはポンプ作用に対して有利である。これは、ホルベック・ステータの幾何形状軸線２９３および軸受の軸線２９２がたわみ間隔Ｄだけ相互に偏心して配置されていることにより達成される。
【００３１】
図４は他の形態の可能性を示す。ホルベック・ポンプ段として形成された第２のポンプ段３７０は、ホルベック・シリンダ３７２のほかに、ホルベック・シリンダ３７２に同軸に配置されている第２のホルベック・シリンダ３７８を含む。両方のホルベック・シリンダ３７２および３７８はハブ３６６と結合されている。内部ホルベック・ステータ３７６は両方のホルベック・シリンダの間に配置されている。入口３８２から入ったガスはホルベック・シリンダ３７８の外壁と内部ホルベック・ステータ３７６の内壁との間で供給され、且つハブ３６６において転向され、この結果、ガスは、内部ホルベック・ステータ３７６の外壁とホルベック・シリンダ３７２の内壁との間でさらに供給される。直列に形成された第３のポンプ・セクションとして、次に、ガスはホルベック・シリンダ３７２の外壁と外部ホルベック・ステータ３７４の内壁との間で供給される。このポンプ・セクション内に他の入口３８８からガスがポンプ段内に流入する。相互に入り組み且つ直列に貫流するポンプ・セクションとして形成されたポンプ段のこの形態は、さらによりコンパクトな構造を提供する。
【００３２】
軸受の構成要素特にステータ側磁気リング３５８は複数のアーム３３２を有する星形により支持され、これにより、簡単且つコンパクトな形態が形成される。内部ホルベック・ステータはこの星形のアームに固定されてもよい。アームの形状は、固有振動数が共振領域内に存在せず且つ軸の軸線に沿った曲げが小さく保持されるように形成されている。
【００３３】
軸の正面側に向かい合っているポンプ・ハウジング３４０の内壁３３４は傾斜して形成されていることが有利である。これは真空ポンプの排気効率を改善し、その理由は、分子がポンプ段内に到達する確率が上昇されるからである。例えば、分子は入射方向３３６から入って入口内を通過し且つ内壁３３４に衝突する。内壁から分子は反射方向３３８にポンプ段に向かって運動する。
【００３４】
ホルベック・ステータの一変更態様が図５に示されている。ホルベック装置の半分の、シリンダの軸線に沿った断面図が示されている。ホルベック装置はホルベック・ステータ５７４およびホルベック・シリンダ５７２により形成され、これらは相互に同軸に配置されている。両方の間に隙間Ｓ３が設けられ、この隙間は吸込領域５７６と排出領域５７８との間でほぼ一定の寸法を有している。ホルベック・ステータ内に、ホルベック・ステータの内側上を螺旋形に伸長する少なくとも１つの溝５８２が設けられている。溝の底５８４は１つの経過線５８６を形成し、この経過線は底からホルベック・シリンダまでの間隔の漸減を形成し、この場合、最大間隔は吸込領域側において且つ最小間隔は排出領域側において達成される。この円錐形状により、ホルベック・ポンプ段の排気速度は明らかに上昇され、このことは、特に、この実施例の第２のポンプ段に対して有利である。連続するそれぞれ２つのねじ山溝の間にウェブ５８８が存在し、ウェブは軸方向に幅５９０を有している。この幅は吸込領域と排出領域との間の軸方向長さにわたり変化してもよく、ねじ山の勾配もまた同様に変化する。吸込領域内においては高い勾配が有利であるが、排出領域に対してはより緩やかな勾配が好ましい。このタイプの形態はホルベック・ポンプ段の排気速度および圧縮を上昇させる。
【符号の説明】
【００３５】
２、１０２ 室ハウジング
４、１０４ 予真空室
１２、１１２ 高真空室
１４、１１４ 予真空スリット
２２、１２２ 高真空スリット
４０、１４０、２４０、３４０ ポンプ・ハウジング
４２、１４２、２４２ 軸
４４、１４４ 高真空側軸受
４６、１４６、２４６ 軸受支持部
４８、１４８ 予真空側軸受
５０、１５２ コイル
５２、１５０ 永久磁石
５４、１５４ 出口
６０、１６０ 第１のポンプ段
６２ ロータ・ディスク
６４ ステータ・ディスク
６６ スペーサ・リング
７０、１７０、２７０、３７０ 第２のポンプ段（ホルベック・ポンプ段）
７２、１６２、１７２、２７２、３７２、３７８、５７２ ホルベック・シリンダ
７４、１６４、１７４、２７４、２７６、３７４、３７６、５７４ ホルベック・ステータ
８０、１８０ 第１の入口
８２、１８２、２８２、３８２ 第２の入口
１０６、１０８、１１０ 中間室
１１６、１１８、１２０ スリット
１２４ 検出器
１６５、１７５ ポンプ段
１８４、１８６、１８８、２８８、３８８ 入口
２５６ ロータ側磁気リング
２５８、３５８ ステータ側磁気リング
２６６、３６６ ハブ
２６８ 穴
２９０ 重力方向
２９２ 軸受の軸線
２９３ ホルベック・ステータの軸線
２９４ 軸の軸線
２９６ 流動抵抗（コンダクタンス）
３３２ アーム
３３４ 内壁
３３６ 入射方向
３３８ 反射方向
５７６ 吸込領域
５７８ 排出領域
５８０ 供給方向
５８２ 溝
５８４ 底
５８６ 経過線
５８８ ウェブ
５９０ 幅
Ｄ たわみ間隔
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入口（８０；１８０）および第２の入口（８２；１８２；２８２；３８２）を有するポンプ・ハウジング（４０；１４０；２４０；３４０）と、および第１のポンプ段（６０；１６０）および第２のポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）と、を備えた真空ポンプであって、この場合、真空ポンプは、ガスが前記第１の入口を通過して前記第１のポンプ段内に到達するように、および前記第２の入口を通過して前記第２のポンプ段内に到達したガスが、はじめに前記第２のポンプ段により圧縮され、次に前記第１のポンプ段により圧縮されるように形成されている、前記真空ポンプにおいて、
前記第２のポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）がホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）ポンプ段を含むことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
前記ホルベック・ポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）が、軸（４２；１４２；２４２）の軸受（４４；１４４）を少なくとも一部包囲するシリンダ（７２；１７２；２７２；３７２；５７２）を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
【請求項３】
他の入口（１８８；２８８；３８８）を通過したガスが前記ホルベック・ポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）内に到達するように、前記他の入口が配置されてい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。
【請求項４】
前記ホルベック・ポンプ段のホルベック・ステータ（７４；１７４；２７４、２７６；３７４、３７６）の軸線（２９３）および前記軸受の軸線（２９２）がたわみ間隔（Ｄ）だけ相互に偏心して配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の真空ポンプ。
【請求項５】
第２の入口（８２；１８２；２８２；３８２）およびホルベック・ポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）の間に流動抵抗（２９６）特に静置ターボディスクが配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の真空ポンプ。
【請求項１】
第１の入口（８０；１８０）および第２の入口（８２；１８２；２８２；３８２）を有するポンプ・ハウジング（４０；１４０；２４０；３４０）と、および第１のポンプ段（６０；１６０）および第２のポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）と、を備えた真空ポンプであって、この場合、真空ポンプは、ガスが前記第１の入口を通過して前記第１のポンプ段内に到達するように、および前記第２の入口を通過して前記第２のポンプ段内に到達したガスが、はじめに前記第２のポンプ段により圧縮され、次に前記第１のポンプ段により圧縮されるように形成されている、前記真空ポンプにおいて、
前記第２のポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）がホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）ポンプ段を含むことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
前記ホルベック・ポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）が、軸（４２；１４２；２４２）の軸受（４４；１４４）を少なくとも一部包囲するシリンダ（７２；１７２；２７２；３７２；５７２）を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
【請求項３】
他の入口（１８８；２８８；３８８）を通過したガスが前記ホルベック・ポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）内に到達するように、前記他の入口が配置されてい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。
【請求項４】
前記ホルベック・ポンプ段のホルベック・ステータ（７４；１７４；２７４、２７６；３７４、３７６）の軸線（２９３）および前記軸受の軸線（２９２）がたわみ間隔（Ｄ）だけ相互に偏心して配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の真空ポンプ。
【請求項５】
第２の入口（８２；１８２；２８２；３８２）およびホルベック・ポンプ段（７０；１７０；２７０；３７０）の間に流動抵抗（２９６）特に静置ターボディスクが配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の真空ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−３３０２６（Ｐ２０１１−３３０２６Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６７８１８（Ｐ２０１０−１６７８１８）
【出願日】平成２２年７月２７日（２０１０．７．２７）
【出願人】（３９１０４３６７５）プファイファー・ヴァキューム・ゲーエムベーハー (44)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２７日（２０１０．７．２７）
【出願人】（３９１０４３６７５）プファイファー・ヴァキューム・ゲーエムベーハー (44)
【Ｆターム（参考）】
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