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INTECH GmbH
空気または他の気体で満たされていない空の空間は真空と呼ばれます。真空のための理想的な条件は、宇宙空間のみに存在しながら、実験室または産業では、真空が真空ポンプによって生成されます。真空の品質には、用途に応じてあらゆる要求が課せられ、真空の適用分野は、低、中、高、超高真空に細分されます。高真空を作るための手段の1つはターボ分子ポンプです。
ターボ分子ポンプは、入口と出口の許容圧力から成るパラメータのみで動作する圧縮機として考えられます。稼働のために、入口と出口での圧力が特定のレベルより低くなければならないことを意味します。この条件では、主ポンプが動作を開始できるように、必要なレベルまで圧力を下げる追加のポンプの使用を必要とします。また、入力圧力が十分に低いと主ポンプが効率的に圧送するために出口圧力を維持することも必要です。これは、通常、主ポンプの出口でのブーストポンプによって達成されます。ポンプは入口に流入する気体を圧縮し、出口ではそれが濃縮されます。真空システム内の気体は、粘性状態、分子状態またはその間の中間状態で存在します。システムが大気圧から高真空に変換すると、システム内の気体はこのすべての状態を通過します。
ターボ分子ポンプは長年にわたり知られており、拡散ポンプと共に、高速媒質移動ポンプのクラスに属します。ターボポンプでは、高速表面との相互作用により気体が正しい方向に移動します。ドイツ技術者のゲーデ氏は、1912年に既にこの技術を使って気体を圧送する方法を確立しました。彼はその理論を確認するために単純な分子ポンプを設計しました。
そのポンプの速度特性は、当時のローターの回転速度を制限していた部品およびベアリングの製造技術のせいで、低くかったのです。ゲーデ氏のポンプが広く使用されなかったもう1つの理由は、ポンプの可動部品間の隙間を一定に維持する必要があったことです。
ターボ分子ポンプは1957年にドイツの技術者ベッカー氏によって開発されました。開発以来、ターボ分子ポンプは、理論的にも実用的にも急速に発展しました。1960年から1963年の期間に科学者のクルーガー氏とシャピロ氏は、ポンプ容量の計算とタービンの形状の最適化の基本的な方法を開発しました。
ターボ分子ポンプは、高い信頼性、生産性、清潔性を特徴としますが、コストも高くなります。
ターボ分子ポンプは、運動真空ポンプ群に属します。その設計は、タービンに似ていて、ブレードを備えたディスクを有するタービンに類似した多段ローターは、本体内で回転します。回転子は高強度のアルミニウム合金製であることが多く、回転子の内面及び外面は、移送するために固定子表面と相互作用するらせん状の溝が形成されるように作られます。すなわち、ローターの内面および外面は、細長い移送チャンネルを形成します。溝の寸歩、形状および公差は、多段圧縮が可能になるためにポンプ入口側から出口側まで変化します。高品質のターボ分子ポンプは、約10-9の窒素圧縮比を達成できます。ターボ分子ポンプの移送効率が圧送される気体の分子量が増加するとともに低下します。
回転子、モーターおよびベアリングは、ターボ分子ポンプ内の振動源となることがあります。動的バランス調整は、回転子の不均衡を低レベルに低減できます。したがって、回転軸に沿った不均一な質量分布の結果として生じる力は最小限に抑えられます。
動力源の振動は、ステーターとローターが相互作用する際に発生します。この振動に加えて、サスペンションとベアリングの可動部品も振動を発生します。それにもかかわらず、モーターおよびベアリングによって生成される全振動は、ローターの不均衡によって生じる振動よりも小さいです。ベアリングが故障したり、ポンプシステムに接続したりすると、ベアリングからの振動が増加する可能性があります。後者の場合、システム設計は、質量および剛性レベルを変更することによって、またはポンプとシステムとの間に絶縁体を設置することによって適合されなければなりません。
特別なサスペンション設計は、ターボ分子ポンプの高い耐摩耗性とその機能の純度を保証します。このポンプのサスペンションには、セラミックボールと固体潤滑のベアリングがあります。ボールは窒化ケイ素でできており、多くの利点があります。
このようなベアリングは、鋼製ベアリングの2倍の硬さを持ち、最小圧力および接触面で高い耐久性を持ちます。ベアリング構造の硬度は、ポンプ措置の信頼性と品質に大きな影響を与えます。
ボールの材料の比較的低い重量および（鋼材料よりも40％低い）密度は、負担と遠心力の影響に起因する内部応力を低減します。ボールの材料の低い摩擦係数は、部品の表面安定性のために寿命を延ばします。加えて、窒化シリコンは高い温度安定性を持っています。このベアリングに使用される固体の潤滑剤は、ポンプの確実な機能に貢献し、追加の予防の必要性を排除します。
ターボ分子ポンプの簡単な設計は、多数のブレードが取り付けられた回転ディスクからなります。ディスクが回転すると、ブレードは入ってくる気体の分子に作用し、ブレードから気体への機械的エネルギーを伝達し、分子は入口管からステーターにある溝を通って流されます。次いで、気体は、排出口に達するまでそれぞれの段階で圧縮され、そこからブースターポンプによって排出されます。
気体は、吸引管を通ってポンプに入り、次に複数のターボ分子段階で圧縮され、ブースターポンプに送られます。ターボ分子ポンプは、高い気体負荷で約50Paまでの前真空圧力を作り出すことができます。
ターボ分子ポンプは、複数の段階に配置される動翼と静翼で構成されます。
回転子と固定子の羽根からなるポンプによる圧送は、 高速回転羽根から汲み出される気体の分子にパルスを伝達することによって達成されます。表面に衝突する分子はしばらく蓄積し、一方、ブレードの速度が熱分子速度に足されます。
ポンプは、24000〜90000rpmの範囲の回転子速度で作動することができ、モーター発電機複合機を含む様々な動力源によって駆動することがあります。
ポンプの速度および圧縮比は、ローターの形状およびその速度によります。ターボ分子ポンプは、水平または垂直の設計に分類されます。
ポンプを水平に取り付けるときは、ポンプベアリングの近くに凝縮（水蒸気、前真空ラインからの油蒸気）が蓄積するのを避けるため、出口フランジを下に向けることにより、損傷の危険性を防ぎます。
真空技術は実用化の可能性があったため、急速に発展しました。食品産業や医薬品、熱核融合、粒子加速、電子部品、産業資材、半導体を含む宇宙産業などの最新産業に広く使われています。科学産業の様々な分野では、高真空だけでなく、不純物のないクリーンな真空が必要です。そのため、ターボ分子ポンプは真空技術の3つの分野、すなわち薄膜コーティング噴霧、半導体製造および漏れセンサー製造において重要な役割を果たします。ターボ分子ポンプは、超高真空に関連する高エネルギー物理学および研究に関連する分野でも応用されています。気体、液体およびプラズマの現代の分析方法はすべて、質量分析計に基づいており、それぞれの適切な真空を必要とします。また、電子顕微鏡や他の分析装置の場合、表面で高真空が必要です。高真空適用の90％の場合には、ターボ分子ポンプが完全に適合します。ターボ分子ポンプは、10 -3〜10 -10 mbarの範囲のクリーンな真空を生成することができます。
半導体産業では、ターボ分子ポンプが以下のプロセスに使用されます。
これらの適用分野では、時に有害な気体を圧送する必要があります。
メンテナンス
通常、ターボ分子ポンプは長年稼働し、メンテナンスがほとんど必要ありません。通常、オイルタンクと循環システムを備えたポンプでは、6ヶ月ごと、またはオイルが茶色になったときにオイルを交換する必要があります。粘性のグリースを使用するターボポンプでは、グリースを6ヶ月ごとに交換する必要があります。ターボ分子ポンプのベアリングの耐用期間は2〜3年です。ベアリングの交換は、高速ローターの微調整が必要であるため、訓練を受けた人が行う必要があります。
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