(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのハブ（８）およびハブに固定された少なくとも１つのスリーブ（１０）を有するロータ（２）と、隙間幅（１００、１０６）を有する隙間（３０、６４）を形成して、スリーブ（１０）を包囲し、スリーブ（１０）に対して同心に配置されている少なくとも１つのステータ（２０）と、を備えた真空ポンプであって、
隙間幅（１００、１０６）が変化すること、ロータ（２）が転がり軸受（４）により回転可能に支持されており、隙間幅（１００、１０６）が、転がり軸受（４）に向かって低減すること、及び、ロータ（２）を支持するために永久磁気軸受（４０）が設けられていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
永久磁気軸受（４０）がスリーブ（１０）の第１の端部（１２、１２’）に付属されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
スリーブ（１０）の、ハブ（８）とは反対側にある自由な第２の端部（１４）が、転がり軸受（４）の高さに配置されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
スリーブ（１０）の、ハブ（８）とは反対側にある自由な第２の端部（１４）が、ハブ（８）と転がり軸受（４）との間の間隔（１０２）の０．８倍および１．２倍の間の範囲内の軸方向高さに配置されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
ハブ（８）と永久磁気軸受（４０）との間にターボ分子ポンプ構造（５０）が設けられていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
スリーブ（１０）の第１の端部（１２、１２’）がハブ（８）に固定されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
第２のスリーブ（１６）がハブ（８）に固定され且つハブ（８）の、第１のスリーブ（１０）とは反対側に配置されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項８】
請求項７に記載の真空ポンプにおいて、
第２のスリーブ（１６）が、真空ポンプのハブ（８）と永久磁気軸受（４０）との間に配置されている第２のハブ（８ｂ）に固定されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
スリーブ（１０）がハブ（８）と接着結合により結合されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
ハブ（８）が少なくとも１つの開口（６０）を有し、
開口（６０）は、スリーブ（１０）とスリーブ（１０）の内側に同心に配置された中間ステータ（６２）との間にガスを流入させ、
中間ステータ（６２）がスリーブ（１０）と共に、ポンプ作用内側隙間（６４）を形成し、
ポンプ作用内側隙間（６４）の隙間幅（１０６）が変化し且つ真空ポンプの転がり軸受（４）に向かって低減していることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
隙間幅（１００、１０６）が線形にまたは段階的に低減することを特徴とする真空ポンプ。
【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】
数十年来、市場において、例えばガス分析および半導体製造におけるような多くの種々の工業用途において成果のあるターボ分子ポンプは、一部、いわゆる複合ポンプとして形成されている。複合ポンプとは、ポンプのロータに、ターボ分子ポンプ・セクションのほかに、分子ポンプ段が設けられていることを意味する。
【０００３】
このような分子ポンプ段の成果のある構造タイプは、その発明者の名前をつけてホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）ポンプ段と呼ばれる。たいていの場合滑らかなスリーブが、スリーブの内側または外側に配置されたステータ内で回転し、ステータは、スリーブに向かい合う側に、一般に、複数の螺旋状溝を有している。ステータとスリーブとの間に隙間が存在し、隙間は、一般に、１ｍｍより小さい幅であり、しばしば数分の１ｍｍにすぎず、例えば０．１ｍｍの数倍である。
【０００４】
隙間の寸法決定に対しては、幾何形状データ、例えば製造公差、運転中の遠心力のスリーブ直径への影響および熱膨張が決定的な要因となる。これらの影響は広い隙間寸法を形成し、この広い隙間寸法は、真空データの質例えば圧縮を制限することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の課題は、改善された真空データを有するホルベック・ポンプ段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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ないし１３は、本発明の有利な変更態様を与える。
スリーブとステータとの間の隙間の隙間幅が変化し、この場合、隙間の隙間幅は、真空ポンプの軸方向に変化し且つ種々の軸方向高さにおいて異なる値をとることが好ましい。一定ではない隙間幅は、それぞれの軸方向高さの範囲内において予想されるロータの最大半径方向変位に簡単に適合可能であり、これにより、ポンプ効率が上昇される。
【０００７】
スリーブは、第１の端部、およびハブとは反対側のフリーな第２の端部、を有していてもよい。
好ましい一実施形態により、真空ポンプのロータは転がり軸受により回転可能に支持され、および隙間幅は転がり軸受に向かって低減する。転がり軸受の小さい遊びに基づいて狭い隙間が達成され、これにより、真空データは著しく改善される。例えばヘリウムのような軽いガスの場合、例えば圧縮が１０倍は十分に改善可能である。
【０００８】
ロータを支持するために、転がり軸受のほかに永久磁気軸受が使用可能である。この場合、永久磁気軸受は大きな遊びを有し、したがって大きな隙間を必要とするので、要求された隙間形状が適用されることが特に有利である。このとき、隙間は、永久磁気軸受の方向に広く且つ転がり軸受の方向に狭いこと、ないしは永久磁気軸受の方向に増加する隙間幅を有すること、が好ましい。しかしながら、従来技術においては、隙間は永久磁気軸受の遊びに応じて決定されてきた。請求項１ないし１３の特徴を利用することにより、この数十年間利用されてきた方法とは異なり、少なくとも部分的に、永久磁気軸受内の遊びを考慮しない隙間が達成される。したがって、ロータを永久磁気軸受および転がり軸受で支持する場合、特に有利な効率上昇が得られる。
【０００９】
スリーブおよびステータが、ホルベック・ポンプ段の部分であること、またはホルベック・ポンプ段を形成すること、が好ましい。スリーブはハブにより支持されていてもよい。スリーブは真空ポンプの回転軸に対して同心に且つ特に回転対称に形成されていることが好ましく、および回転軸に対して同軸の円筒スリーブの形を有していることが好ましい。
【００１０】
原理的に、本発明の範囲内において、隙間幅が転がり軸受の方向に低減するのではなく、例えば転がり軸受の方向に定常的にまたは段階的に増加することもまた考えられる。
一実施形態により、真空ポンプが軸方向に直列に配置された２つのスリーブを含み、これらのスリーブは、特に共に共通のホルベック段を形成しても、または共通のホルベック段の部分であってもよい。この場合、２つのスリーブは、共に、ステータと共に隙間を形成する、ロータの特に円筒スリーブ形状表面および／または滑らかな表面の少なくとも一部を形成してもよい。スリーブの少なくとも１つがそれに固定されているハブは、この場合、軸方向にスリーブの間に存在していてもよく、且つスリーブは、ハブに対して反対軸方向に伸長していてもよい。両方のスリーブは、原理的に、同じハブに配置されていても、ないしは同じハブにより支持されていてもよい。スリーブは異なるハブにより支持されていてもよく、この場合、２つのハブは軸方向に相互に間隔をなして配置され、および／または２つのハブの１つが、真空ポンプの他のハブと永久磁気軸受との間に配置されている。
【００１１】
真空ポンプのスリーブが、その軸方向端部から間隔をなしている範囲内において、ないしはその軸方向端部間に配置された範囲内において、ハブと結合されていても、またはハブにより支持されていてもよく、この場合、スリーブはハブから反対軸方向に伸長する。
【００１２】
真空ポンプは、スリーブの内側に同心に配置されたステータおよびスリーブの外側に同心に配置されたステータを含んでいてもよく、この場合、各ステータは、スリーブと、隙間幅を有する隙間を形成し、およびこの場合、両方の隙間は相互に並列にポンピングし、即ち、例えばその下流側端部において合流されていることが好ましい。したがって、内側のステータにより形成された隙間は、ハブの１つまたは複数の開口を介して、供給されるべきガスを受入可能であり、１つまたは複数の開口は、隙間に対してそれぞれ１つのガス入口を形成する。両方の隙間はそれぞれ、１つのホルベック段の部分であってもよい。外側ステータにより形成された隙間の隙間幅および／または内側ステータにより形成された隙間の隙間幅は、特に軸方向において変化し且つ特に転がり軸受に向かって低減してもよい。有利な一実施形態により、内側ステータにより形成された隙間の隙間幅は、外側ステータにより形成された隙間幅よりもより大きく変化し且つ特に転がり軸受に向かってより大きく増加してもよいし、低減させてもよい。代替態様または追加態様として、内側ステータにより形成された隙間の最小隙間幅は外側ステータにより形成された隙間の最小隙間幅より小さくてもよい。これにより、両方の隙間の回転軸からの異なる半径方向間隔およびこれにより形成される異なる相対速度に基づく、両方のポンプ段の異なるポンプ特性が補償され、この結果、特にポンプ段の並列運転において改善されたポンプ特性が達成される。一方の隙間の隙間幅特に外側ステータにより形成された隙間幅は、原理的に、一定であってもよい。
【００１３】
１つのスリーブまたは複数のスリーブの外側表面および内側表面の並列ポンピング配置においてもまた、転がり軸受に向かって低減する隙間幅が形成されることが有利である。この場合、隙間幅低減は、相互に並列の異なるポンピング隙間の圧縮のきわめて正確な同調を可能にし、例えば、静止構成要素と運動構成要素との間（又は、静止構成要素と移動しない構成要素との間）の異なる相対速度の圧縮への影響が補償可能である。
【００１４】
有利な一実施形態により、隙間幅は線形にまたは段階的に低減または増加する。隙間幅は、原理的に、隙間長さの一部にわたりまたは隙間長さの全長にわたり変化してもよい。隙間幅は、例えば、第１のセクションにおいては変化し且つ第２のセクションにおいては一定であってもよい。同様に、隙間幅は、種々のセクションにおいて異なって変化してもよく、且つ例えば第１のセクションにおいては定常的におよび特に線形に、および第２のセクションにおいては段階的に、増加または低減してもよい。隙間幅はその全長にわたり同じ軸方向に増加または低減してもよいが、隙間幅は、第１のセクションにおいては軸方向に増加し且つ他のセクションにおいては同じ軸方向に低減してもよい。種々のセクションが、隙間の異なる軸方向長さセクションにより形成されていることが好ましい。スリーブの軸方向長さの一部にわたりまたはスリーブの軸方向長さの全長にわたり存在する軸方向における隙間幅の変化は、スリーブの全周にわたり与えられていてもよいが、このことは必ずしもそうでなくてもよい。
【００１５】
隙間は、少なくともその軸方向長さの一部にわたり、および特にその軸方向長さのほぼ全長にわたり、ほぼ円錐形にまたは円錐台形状に形成されていてもよい。
一実施例およびその変更態様により、本発明を詳細に説明し且つそれらの利点を解明することとする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、２つの転がり軸受を有するホルベック段のロータおよびステータの略断面図を示す。
【図２】図２は、転がり軸受および永久磁気軸受により支持された、ホルベック段のロータおよびステータの略断面図を示す。
【図３】図３は、ホルベック段のスリーブおよびステータの略断面図を示す。
【図４】図４は、ターボ分子ポンプ要素および複数のスリーブを有するロータ並びにステータの略断面図を示す。
【図５】図５は、並列に作用するスリーブを有するロータの略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、真空ポンプのロータ２およびステータ２０が略図で示されている。ロータ２はハブ８を有し、ハブ８はスリーブ１０を支持する。
ロータ２は転がり軸受４により回転可能に支持され、転がり軸受４は、ハブ８に対して間隔１０２をなして存在する。ロータ２をさらに支持するために、第２の転がり軸受６が設けられていてもよい。
【００１８】
スリーブ１０に対して同心にステータ２０が設けられ、ステータ２０は、隙間３０を形成して、スリーブ１０を包囲する。ステータ２０はその半径方向内側表面上に螺旋状溝２４を有するか、またはポンプ効果を達成するために適切な対応ポンプ構造を有している。溝の間にウェブ２２が残される。隙間３０は幅１００を有し、幅１００は、スリーブ１０に向かい合うウェブ２２の表面とスリーブ１０の表面との間に決定される。ステータ側のポンプ構造に追加してまたはその代わりに、スリーブ１０が、ポンプ効果を達成するために適切なポンプ構造を有していてもよく、ここで、隙間３０の隙間幅１００は、この場合もまた、ポンプ構造のウェブの表面に関するものである。
【００１９】
ロータ２は駆動装置により回転される。この場合、駆動装置は、ステータ側にモータ・コイル４２を、およびロータ側に駆動磁石４４を、含んでいてもよい。回転数は、スリーブ１０とステータ２０との間の隙間３０内に分子ポンプ効果が形成されるように決定される。これにより、ガスは、転がり軸受４に向けられた方向１０４にポンピングされる。
【００２０】
スリーブは第１の端部１２を有し、第１の端部１２においてスリーブはハブ８に固定されていてもよい。この場合、接着結合が行われてもよく、接着結合は、ハブ８およびスリーブ１０の材料ペアの選択を容易にすることが有利である。第２の端部１４は、ハブ８とは反対側にあって自由端となっている（すなわち、フリーである）。スリーブ１０の長さに応じてそれぞれ、この第２の端部１４がハブ８と転がり軸受４との間に配置されていてもよい。代替態様として、転がり軸受４がハブ８と第２の端部１４との間に存在していてもよい。
【００２１】
回転によりスリーブ１０は拡大する。したがって、スリーブ１０およびディスク８を異なる材料で形成することが有利であり、スリーブ１０は例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）から形成され、ハブ８はアルミニウムから形成される。この場合、ハブ８は遠心力および温度の影響を受けてスリーブ１０よりもより大きく拡大することが観察される。第２の転がり軸受６を使用したとき、ハブ８の伸びは特定の値である。ここで、隙間３０を、この伸びに基づいて決定するのではなく、隙間幅１００が転がり軸受４に向かって低減するように形成することが提案される。この円錐形隙間３０により、ポンピング方向に真空データがより良好になることになる。実際に、軽いガスに対しては、例えば圧縮が１０倍は十分に改善される。転がり軸受４の小さな遊びに基づき、この場合、隙間幅１００は最小にすることが可能である。
【００２２】
有利な一変更態様において、第２の端部１４は、ハブ８と転がり軸受４との間の間隔１０２の０．８倍および１．２倍の間の範囲内の軸方向高さに配置されている。真空データの改善の利点はこれにより顕著となり、その理由は、軸方向高さのこの範囲内において、スリーブ１０の変位は小さく且つきわめて狭い隙間３０が選択可能であるからである。
【００２３】
したがって、次に有利な一変更態様において、第２の端部１４は転がり軸受４の高さに存在し、その理由は、このとき、隙間３０および最小隙間幅１００の内部に最高作動圧力が形成されるからである。
【００２４】
図２は、ロータ２を支持するために、第２の転がり軸受６の代わりに永久磁気軸受４０が設けられている一変更態様を示す。このような軸受４０の利点は、高真空に適していることおよび摩耗がないことにある。しかしながら、永久磁気軸受４０は、真空ポンプ内において可能な構造寸法の場合、最新の磁気材料を使用した場合においても、半径方向に転がり軸受４、６よりもより小さい剛性を有している。これは、例えば組込姿勢のような運転条件に応じてそれぞれ、永久磁気軸受４０においてのみならず、転がり軸受４までの間隔１０２内に存在するハブ８の範囲内においてもまた、ロータ２の半径方向変位がより大きいことを意味する。したがって、従来技術によっては、ステータ２０とスリーブ１０との間の隙間３０の隙間幅１００は、その全長にわたり、ハブ８の変位に基づいて決定されてきた。この場合、スリーブの材料に応じてそれぞれ、スリーブ１０の遠心力による伸びもまた考慮された。ここで、隙間幅１００は転がり軸受４に向かって低減することが提案される。これにより、ポンピング方向１０４に小さくなっていく寸法によって上昇されるポンプ効果に基づき、真空データが改善される。これは、特に、考え方の一変更態様により永久磁気軸受４０がスリーブ１０の第１の端部１２に付属されているとき、即ち、特にスリーブ１０の軸方向に見てスリーブ１０の第１の端部１２から間隔をなしているが、離れている間隔がスリーブ１０の第２の端部１４からよりは小さいとき、に達成される。
【００２５】
スリーブ１０が炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＫ）から製造されている一変更態様は有利であり、これにより、転がり軸受４に向かって、特に転がり軸受４の高さにおいて、きわめて小さい隙間３０が達成される。
【００２６】
上記の特徴と組み合わせ可能な他の形態特徴を、図３により説明することとする。ロータ２およびステータ２０並びに図の右側に隙間長さにわたる隙間幅１００の経過が示されている。
【００２７】
スリーブ１０の第１の端部１２は、ハブ８と、例えば、接着結合、はめ込み結合または焼きばめ結合により結合されていてもよい。代替態様として、スリーブ１０は、図３において点線で示されているように、ハブ８を超えて軸方向に突出されていてもよい。この場合、ハブ８は、ハブ８を超えて突出されたスリーブ１０の点線で示された第１の端部１２′と、スリーブ１０の第２の端部１４との間に配置されている。このとき、ステータ２０は、それに対応して、同様に点線で示されているように延長されていてもよい。製造を簡単にするために、ステータ２０を、ステータ分割線１１０に沿って分割し且つ複数部品として形成することもまた考えられる。
【００２８】
隙間長さ１０８にわたる隙間幅の連続線形変化の代わりに、隙間幅の変化がセクションごとに行われてもよい。例として、第１および第２のセクション９０および９２への分割が示されている。例として示された第１の経過９４により、隙間幅は、はじめは線形に低減し、次に常に一定の部分に移行する。例として示された第２の経過９６により、隙間幅の低減は段階的に行われ、隙間幅は、第２の端部１４から第１の端部１２に向かってジャンプ状（階段状）に増加する。換言すれば、隙間幅は、第１の端部１２から第２の端部１４に向かってジャンプ状（階段状）に低減する。
【００２９】
図４の変更態様は、転がり軸受４および永久磁気軸受４０により支持されたロータ２を示す。ハブ８と永久磁気軸受４０との間にターボ分子ポンプ構造５０が設けられ、ターボ分子ポンプ構造５０は永久磁気軸受４０の構成要素を包囲していてもよい。
【００３０】
ハブ８は第１のスリーブ１０およびこれに追加して第２のスリーブ１６を支持し、第２のスリーブ１６は、ハブ８に固定されているかまたはハブ８と一体に形成され、且つハブの、第１のスリーブ１０とは反対側に配置されている。ステータ２０は、隙間を形成して、第１のスリーブおよび第２のスリーブ１６を同心に包囲する。両方のスリーブ１０、１６の長さにわたり伸長するこの隙間は、既に示した観点に基づいて形成されている。特に、隙間幅は、隙間長さ１０８にわたり、転がり軸受４の方向に低減する。この配置は、第２のスリーブ１６に対する材料としてメタルの使用を可能にし、その理由は、隙間は、このとき、遠心力による最大の拡大の範囲内に最大の隙間幅を有しているからである。
【００３１】
ハブ８は、ハブ分割線１１２に沿ってロータの縦軸の方向に分割されていてもよく、これにより、第２のハブ８ｂが形成され、第２のハブ８ｂは第１のハブから間隔をなして設けられていてもよい。
【００３２】
分子ポンプ・セクションを形成するための他のスリーブ、例えば、第１のスリーブ１０の内側に同心に配置されている第３のスリーブ１８、が存在していてもよい。
図５に略図で示されている変更態様により、ロータ２に固定されたハブ８上に少なくとも１つの開口６０を設けること、および第１のスリーブ１０に対して同心に且つ第１のスリーブ１０の半径方向内側に中間ステータ６２を配置すること、が提案される。中間ステータ６２は第１のスリーブ１０と共にポンプ作用内部隙間６４を形成する。第１のスリーブ１０は、さらに、隙間３０を形成して、第１のスリーブ１０を同心に包囲するステータ２０と協働してポンプ作用を形成する。この配置により、並列に作動する１つのポンプ段ないしは並列に作動する２つのポンプ段が形成され、１つないしは２つのポンプ段内において、第１のスリーブの外側および内側に沿ってガスが供給される。分子ポンプにおいて、ポンプ作用は、運動構造部分の静止構造部分に対する相対速度の関数である。したがって、効果的な並列ポンピング配置を提供することは簡単ではない。ここで、隙間３０の隙間幅１００および／又は隙間６４の隙間幅１０６が、転がり軸受４に向かって低減することが提案される。この低減は、隙間幅変化の選択により、それぞれの隙間３０、６４により達成される圧縮、即ち、隙間始端および隙間終端間の圧力比、の微細調節を可能にする。この微細調節は、従来技術においてよりもより良好な効率データを有するきわめて効果的な並列ポンピング・ホルベック段を与える。
【００３３】
第１のスリーブ１０に追加して、第１のスリーブ１０に対して同心に且つ中間ステータ６２の半径方向内側に、第３のスリーブ１８が配置されていてもよい。即ち、他のポンプ通路が形成される。図４に示すように、他のスリーブが組み合わされてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
２  ロータ
４  転がり軸受
６  第２の転がり軸受
８  ハブ（ディスク）
８ｂ  第２のハブ
１０  第１のスリーブ
１２、１２′  第１の端部
１４  第２の端部
１６  第２のスリーブ
１８  第３のスリーブ
２０  ステータ
２２  ウェブ
２４  溝
３０、６４  隙間
４０  永久磁気軸受
４２  モータ・コイル
４４  駆動磁石
５０  ターボ分子ポンプ構造
６０  開口
６２  中間ステータ
９０  第１のセクション
９２  第２のセクション
９４  隙間幅の経過（線形）
９６  隙間幅の経過（段階的）
１００、１０６  隙間幅
１０２  間隔
１０４  ポンピング方向
１０８  隙間長さ
１１０  ステータ分割線
１１２  ハブ分割線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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