ターボ分子ポンプはどのように機能しますか?
1913年以来よく知られている分子ポンプの原理は、移送されるガス粒子が高速で動くローターの表面に衝突することで、必要なフロー方向に衝撃を受けることです。ローターの表面（通常はディスク形状）はステータの固定面を備え、ガスがバッキングポートに送られる間にある空間を形成します。元のゲーデ分子ポンプとその修正版では、間にある空間（輸送チャネル）が非常に狭く、構造的に難しく、機械的な汚染に弱いという問題がありました。
ターボ分子ポンプの動作原理
50年代の終わりには、タービンのような設計とゲーデのアイデアの修正により、「ターボ分子ポンプ」と呼ばれる技術的に実行可能なポンプを作ることが可能になりました。ステータとローターディスクの間のスペースはミリメートル単位で作られているため、本質的に大きな公差を得ることができました。その結果、運用のセキュリティが強化されました。しかしながら、ローターブレードの周速度（外側リムにおける）が、移送される分子の平均熱速度の大きさのオーダーに達した場合にのみ、重要な移送効果が達成されます。気体運動論では、c- oについて式1.17が成り立ちます。
モル質量Mの関数としてのガスのタイプへの依存が含まれています。cgs単位（R = 83.14 · 106 mbar · cm3 / mol · K）に関する計算結果を以下の表に示します。
表2.4モル質量Mの関数としてのc
一方、ガスの種類に対するポンプ速度の依存度はかなり低くなります
ゼロ処理能力での圧縮k0の依存性、したがって圧縮kの依存性、なぜなら
図2.55の実験的に決定された関係によって示されるように、より大きくなります。
例：
そのように理論から、
これは、図2.55から実験的に決定されたk0（N2）= 2.0 · 108の値と予想通り（一桁分）よく一致しています。今日一般的な個々のローター段階の最適化を考慮すると、この考慮事項はポンプ全体ではもはや正しいものではありません。図2.56に示されているのは、最新のTURBOVAC 340 Mで測定された値です。
図2.55 TURBOVAC 450 -モル質量Mの関数としての最大圧縮k0
図2.56背圧の関数としてのH2、He、およびN2のターボ分子ポンプTURBOVAC 340 Mの最大圧縮k0
ターボ分子ポンプの動作のポンプアニメーションを見るには、以下のビデオをご覧ください
Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold
ターボ分子ベアリングの種類の長所と短所
この条件を満たすには、ターボ分子ポンプにcの高いローター速度と同じ大きさのローターの円周速度が必要です。これらは、直径が大きいローター（TURBOVAC 1000）を持つポンプの場合は約36,000 rpmから、直径が小さいローター（TURBOVAC 35/55）の場合は72,000 rpmまでの範囲です。このような高速は、信頼性の高いベアリングのコンセプトについての質問を自然に提起します。ライボルトには3つのコンセプトがあり、その利点と欠点を以下に詳しく説明します。
オイル潤滑/鋼球ベアリング
+オイル循環オイル潤滑油による粒子との良い適合性
-垂直方向にのみ設置可能
+最小限のメンテナンス
グリース潤滑/ハイブリッドベアリング
+いずれの方向でも設置可能
+モバイルシステムに最適
±空冷は多くの用途に適しています
+永久潤滑（ベアリングの）
潤滑剤不使用/磁気サスペンション
+摩耗なし
+メンテナンスなし
+炭化水素を一切含まない
+騒音と振動レベルの低減
+いずれの方向でも設置可能
鋼球ベアリング/ハイブリッドボールベアリング（セラミックボールベアリング）：
ボールとレースの間の薄い潤滑フィルムのわずかな断裂であっても、同じタイプの材料を使用すると、接触点で微細熔接が発生する可能性があります。これにより、ベアリングのサービス期間が大幅に短縮されます。ハイブリッドベアリング（レース：スチール、ボール：セラミック）と呼ばれる異なる材料を使用することで、微細熔接の効果を回避できます。
最もエレガントなベアリングコンセプトは、磁気浮上方式のコンセプトです。1976年の初期に、ライボルトは磁気浮上式ターボ分子ポンプを提供しました。これは伝説的なシリーズ550Mと560Mです。その時点で、純粋にアクティブな磁気浮上方式（つまり、電磁石を使用）が使用されていました。電子機器の進歩と「システムKFA J ü lich」をベースにした永久磁石（受動磁気浮上方式）の使用により、磁気浮上方式の概念が広く普及しました。このシステムでは、ローターは動作中に磁気力によって接触することなく安定した位置に維持されます。絶対に潤滑油は必要ありません。シャットダウンのために、いわゆるタッチダウンベアリングを内蔵しています。
ターボ分子ポンプの概略図
図2.52は、典型的なターボ分子ポンプの断面図を示しています。ポンプは、垂直設計の軸流コンプレッサーで、そのアクティブ部分またはポンプ部分は、ローター（6）とステータ（2）で構成されています。タービンブレードは、ステータおよびローターの周囲に配置されています。円形ブレード列の各ローター-ステータの組が1つの段階となり、組立は直列に取り付けられた複数の段階で構成されます。ポンプで送られるガスは、入口フランジ（1）の開口部から直接到達します。つまり、コンダクタンスが失われることなく、ローターとステータの組立の上部ブレードのアクティブなポンプ領域に到達します。これには、特に大きな半径方向スパンのブレードが装備されており、大きな環状入口領域が可能です。これらの段階で捕捉されたガスは、ブレードの半径方向スパンが短い下部圧縮段階に転送され、そこでガスは背圧または低真空圧に圧縮されます。タービンローター（6）はドライブシャフトに取り付けられており、モーターハウジングに収容された2個の高精度ボールベアリング（8および11）でサポートされています。ローターシャフトは、ローター内の前段真空スペースに収納された中周波数のモーターによって直接駆動されるため、外部大気へのロータリーシャフトのリードスルーは必要ありません。このモーターは、外部周波数コンバーター（通常は、非常に低いノイズレベルを保証するソリッドステート周波数コンバーター）によって電源供給され、自動的に制御されます。例えば、放射線にさらされる領域では、モータージェネレータ周波数コンバーターが使用されます。
図2.52グリース潤滑済みTURBOVAC 151ターボ分子ポンプの概略図。
- 高真空入口フランジ
- ステータパック
- ベントフランジ
- 前段真空フランジ
- スプリンタガード
- ローター
- ポンプケーシング
- ボールベアリング
- 冷却水接続
- 三相モータ
- ボールベアリング
垂直ローター-ステータ設定は、入口でのガスの最適なフロー条件を提供します。高回転速度での振動のない動を保証するために、タービンは組立中に2つのレベルで動的にバランス調整されます。
ターボ分子ポンプのポンプ速度
図2.53異なるターボ分子ポンプの空気に対するポンプ速度
図2.54 H2、He、N2およびArのTURBOVAC 600のポンプ速度曲線
ターボ分子ポンプの圧縮比
ターボ分子ポンプの圧縮比（単に圧縮と呼ばれることもあります）は、ポンプの前段真空フランジのガス成分1つの分圧と、高真空フランジにおける分圧の比であり、最大圧縮k0は処理量ゼロで検出されます。物理的な理由から、ターボ分子ポンプの圧縮率は、高分子の場合は非常に高く、低分子の場合はかなり低くなります。圧縮と分子量の関係を図2.55に示します。図2.56は、背圧の関数としてのTURBOVAC 340 MのN 2、HeおよびH2の圧縮曲線です。重い炭化水素分子の圧縮比が高いため、ターボ分子ポンプは、1つまたは複数の冷却仕切やトラップを使用せずに真空チャンバーに直接接続でき、真空チャンバー内の炭化水素の分圧を測定するリスクもありません（炭化水素フリー真空!）。図2.57：TURBOVAC 361上の残留ガススペクトルもご覧ください）。ロータリーバッキングポンプで達成される水素の部分圧力は非常に低いため、ターボ分子ポンプはH2の圧縮がかなり緩やかであるにもかかわらず、10-11 mbarの範囲の到達圧力を達成することができます。このように非常に低い圧力を生成するには、もちろん、UHV技術の一般的な規則を厳密に遵守する必要があります。真空チャンバーとターボ分子ポンプの上部を焼き固め、金属シールを使用する必要があります。非常に低い圧力では、残留ガスは主にチャンバーの金属壁から発生するH2で構成されます。図2.57のスペクトルは、7 · 10-10 mbar窒素相当の到達圧力におけるターボ分子ポンプの入口前の残留ガス組成を示しています。ガスの総量に占めるH2の割合は、約90～95%になるようです。「より重い」分子の割合が大幅に減少し、44を超える質量が検出されませんでした。残留ガススペクトルの品質評価における重要な基準は、真空ポンプシステムで使用される潤滑剤からの測定可能な炭化水素です。もちろん、「絶対的な炭化水素フリー真空」は、例えば磁気浮上式ターボ分子ポンプやドライ圧縮バッキングポンプなど、潤滑油のないポンプシステムでのみ生成できます。正常に作動した場合（どのような停止状態でも排気）、正常なターボ分子ポンプのスペクトルでも炭化水素は検出されません。
図2.57 TURBOVAC 361上のスペクトル
M =質量数=イオン化における相対モル質量1
I =イオン電流
その他のタイプのターボ分子ポンプ
ターボ分子ポンプのさらなる開発は、ハイブリッドまたは複合ターボ分子ポンプです。これは実際には、1つのケーシング内の共通シャフト上の2つのポンプです。分子フロー領域の高真空段階は、従来のターボ分子ポンプであり、粘性フロー範囲の2番目のポンプは分子ドラッグまたは摩擦ポンプです。
ライボルトは、一体型ホルベック段（スクリュー型コンプレッサー）を備えたTURBOVAC 55などのポンプや、例えばHY. CONE 60またはHY. CONE 200など、シーグバーン段（スパイラルコンプレッサー）を組み込んだポンプを製造しています。必要な背圧は数mbarになるため、バッキングポンプは約5～10 mbarから大気圧まで圧縮するだけで済みます。HY. CONEの断面図は図2.52aに示されています。
図2.52a HY.CONEターボ分子ポンプの断面図。
- 真空ポート
- 高真空フランジ
- ローター
- ステータ
- ベアリング
- モータ
- ファン
- ベアリング
バッキングポンプを使用したターボ分子ポンプの操作方法
一般的に、ターボ分子ポンプは、バッキングポンプと一緒に始動して、バッキングポンプから真空チャンバーへのオイルの逆流を減らす必要があります。ターボ分子ポンプの開始遅延は、バッキングポンプセットがかなり小さく、真空チャンバーが大きい場合に意味があります。バックポンプSVのポンプ速度（m3/h）と真空チャンバーの容積（m3）が既知の場合、ターボ分子ポンプのカットイン圧力を推定することができます。
同時開始時間
2.24a
および遅延開始時
2.24 b
カットイン圧力：
2.24 c
同時開始時間
および遅延開始時
カットイン圧力：
（2.24）
より大きな容量を排気する場合、ターボ分子ポンプのカットイン圧力は、図2.58の図を使用して決定することもできます。
図2.58大型容器を排気する際のターボ分子ポンプのカットイン圧力の決定
ベントによるターボ分子ポンプ内の逆拡散の防止
電源をオフにした後、または電源異常が発生した場合は、必ずターボ分子ポンプを通気して、前段真空側から真空チャンバーに炭化水素の逆拡散がないようにしてください。ポンプのスイッチを切った後は、水蒸気の凝縮を防ぐために冷却水の供給も停止する必要があります。ローターを保護するため、操作説明書に記載されている（最小）通気時間に従うことをお勧めします。通常のバルブまたは電源異常時の換気バルブを使用して排気を行うために、既に焼結金属製スロットルを備えた排気フランジを介して（バリアガスを使用する場合を除く）ポンプを通気する必要があります。
バリアガスの運用
バリアガス設備を備えたポンプの場合、モータースペースとベアリングを腐食性培地から保護するために、ドライ窒素などの不活性ガスを特殊なフランジを通して供給します。特殊なバリアガスおよびベントバルブは、必要な量のバリアガスを測定し、通気バルブとしても機能します。
振動の分離
TURBOVACポンプは正確にバランスがとれており、通常は装置に直接接続できます。電子顕微鏡などの高感度装置の場合にのみ、振動を最小限に抑える振動吸収装置を取り付けることをお勧めします。磁気浮上式ポンプの場合、真空装置への直接接続は通常、このようなポンプによって発生する振動が非常に低いためにうまくいきます。
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参考資料
- 真空記号
- 単位の用語集
- 参考資料と情報源
真空記号
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真空技術図でポンプの種類とポンプシステムの部品を視覚的に表現するために一般的に使用される記号の用語集
単位の用語集
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真空技術で使用される測定単位の概要、記号の意味、および歴史的な単位に相当する現在の単位
参考資料と情報源
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