JP7305646B2 - magnetic shield for vacuum pump - Google Patents
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Description
本発明は、真空ポンプの磁気シールド、詳細にはターボ分子ポンプの磁気シールドに関する。 The present invention relates to magnetic shielding for vacuum pumps, and in particular to magnetic shielding for turbomolecular pumps.
ターボ分子ポンプは、様々な用途において超高真空を提供するために使用される。 Turbomolecular pumps are used to provide ultra-high vacuum in a variety of applications.
一般的に、ターボ分子ポンプは、ローターキャビティが位置付けられるポンプエンベロープを備えることができる。各ローターキャビティは、一群の1又は2以上のステータ及び対応するインペラ軸上に支持されたローターを収容することができる。最高速度において、インペラは、真空チャンバを排気するために軸線周りに約60,000rpmで回転することになる。 Generally, a turbomolecular pump can comprise a pump envelope in which a rotor cavity is positioned. Each rotor cavity can house a group of one or more stators and rotors supported on corresponding impeller shafts. At maximum speed, the impeller will rotate about its axis at about 60,000 rpm to evacuate the vacuum chamber.
一部の用途において、ターボ分子ポンプは、ポンプ機構の正常な作動を妨害するのに十分な強度のDC磁界に近接して配置される場合がある。この点に関しては、マルテンサイトステンレス鋼のポンプエンベロープを有するターボ分子ポンプは、最大35mTの最大強度を有する放射状DC磁界で作動するように開発されてきた。一般的に、マルテンサイトステンレス鋼のエンベロープは、ローターキャビティ内の平均磁界強度が6mTを超えないことを保証することができる。 In some applications, a turbomolecular pump may be placed in close proximity to a DC magnetic field of sufficient strength to interfere with normal operation of the pumping mechanism. In this regard, turbomolecular pumps with martensitic stainless steel pump envelopes have been developed to operate with radial DC magnetic fields with maximum intensities up to 35 mT. Generally, a martensitic stainless steel envelope can ensure that the average magnetic field strength in the rotor cavity does not exceed 6 mT.
しかしながら、質量分析計及び超伝導マグネットに近接して存在するような、100mTの平均強度の放射状DC磁界内において最大回転速度で作動することができるターボ分子ポンプがますます必要とされている。 However, there is an increasing need for turbomolecular pumps that can operate at maximum rotational speed in radial DC fields of 100 mT average strength, such as those present in close proximity to mass spectrometers and superconducting magnets.
本発明は、従来技術に関する上記及び他の問題に取り組むものである。 The present invention addresses these and other problems associated with the prior art.
従って、第1の態様において、本発明は、ローターキャビティを覆うポンプエンベロープを備える磁気シールド真空ポンプを提供し、磁気シールド真空ポンプは、ポンプエンベロープの少なくとも一部を円周方向に収容する外側磁気シールドと、ポンプエンベロープの収容された部分と少なくとも1つの外側磁気シールドとの間で長手方向に延びる円周チャネルとを備える。長手方向に延びる円周チャネルは、略環状断面を有することができ、エンベロープの収容された部分を円周方向に取り囲む。 Accordingly, in a first aspect, the present invention provides a magnetically shielded vacuum pump comprising a pump envelope covering a rotor cavity, the magnetically shielded vacuum pump comprising an outer magnetic shield circumferentially enclosing at least a portion of the pump envelope. and a circumferential channel extending longitudinally between the encased portion of the pump envelope and the at least one outer magnetic shield. The longitudinally extending circumferential channel can have a generally circular cross-section and circumferentially surrounds the encased portion of the envelope.
好ましくは、ポンプエンベロープの収容された部分は、少なくともポンプのローターキャビティの長さにわたって延びる。典型的には、ローターキャビティは、ポンプエンベロープの収容された部分の中に完全に位置することになる。 Preferably, the encased portion of the pump envelope extends at least the length of the rotor cavity of the pump. Typically, the rotor cavity will lie entirely within the encased portion of the pump envelope.
好ましくは、使用時、シールドされたポンプは、ポンプ入口の中心が300mT以上、好ましくは約300mT~約500mTの最大強度の、ポンプローターの回転軸に直交する放射状DC磁界内に配置された状態で作動した場合に最高作動温度を超えないことになる。好ましくは、ローターキャビティ内の平均磁界強度は、真空ポンプのポンプ入口の中心が磁気シールドの外面で300mT以上、好ましくは約300mT~約500mTの最大強度の、ポンプローターの回転軸に直交する放射状DC磁界内に配置された状態で、6mT、好ましくは5mTを超えない。 Preferably, in use, the shielded pump is placed in a radial DC magnetic field perpendicular to the axis of rotation of the pump rotor, centered at the pump inlet, of 300 mT or greater, preferably of about 300 mT to about 500 mT maximum intensity. When activated, the maximum operating temperature will not be exceeded. Preferably, the average magnetic field strength within the rotor cavity is a radial DC perpendicular to the axis of rotation of the pump rotor with a maximum strength of 300 mT or more, preferably from about 300 mT to about 500 mT, at the outer surface of the magnetic shield centered at the pump inlet of the vacuum pump. When placed in a magnetic field, it does not exceed 6mT, preferably 5mT.
付加的に又は代替的に、使用時、ポンプは、シールドされたポンプが、ポンプ入口の中心が100mTの平均半径方向状磁界強度の、ポンプローターの回転軸に直交する放射状DC磁界内に配置された状態で作動した場合に、例えば、過熱なしで作動することができるように構成することができる。好ましくは、使用時、真空ポンプのローターキャビティ内の平均磁界強度は、平均約6mTを超えず、好ましくは約5mTを超えない。 Additionally or alternatively, in use, the pump is placed in a radial DC magnetic field perpendicular to the axis of rotation of the pump rotor, with the shielded pump centered at the pump inlet, with an average radial field strength of 100 mT. For example, it can be configured so that it can operate without overheating when operated in a hot state. Preferably, in use, the average magnetic field strength within the rotor cavity of the vacuum pump does not exceed an average of about 6 mT, preferably does not exceed about 5 mT.
好都合には、ポンプの収容された部分と外側磁気シールドとの間で長手方向に延びる円周チャネルは、シールドとエンベロープが完全に別個であるように空隙がシールドとエンベロープとの間に設けられ、その結果、シールドからエンベロープに伝わる磁束が低減される。従って、結合されたシールド及びエンベロープは、磁束を真空ポンプローターキャビティの周りに案内し、ローターによって誘発された渦電流が低減する。空隙は、典型的には、実質的に環状断面を有する。 Advantageously, the circumferential channel extending longitudinally between the encased portion of the pump and the outer magnetic shield is provided with an air gap between the shield and the envelope so that the shield and the envelope are completely separate, As a result, the magnetic flux transmitted from the shield to the envelope is reduced. The combined shield and envelope thus guide magnetic flux around the vacuum pump rotor cavity and reduce rotor-induced eddy currents. The void typically has a substantially circular cross-section.
さらに、真空ポンプを冷却するために、空気などの流体はチャネルに沿ってポンプ圧送することができる。流体は、ポンプの収容された部分の外面を横切って、好ましくはポンプの収容された部分の外面の実質的に全てを、好ましくはポンプエンベロープの外面を横切ってポンプ圧送することができる。典型的には、真空ポンプを冷却する流体は、ポンプエンベロープの外面に接触する。 Additionally, a fluid such as air can be pumped along the channel to cool the vacuum pump. The fluid can be pumped across the outer surface of the contained portion of the pump, preferably substantially all of the outer surface of the contained portion of the pump, preferably across the outer surface of the pump envelope. Typically, the fluid that cools the vacuum pump contacts the outer surface of the pump envelope.
好都合には、このことは、真空ポンプの使用時の過熱を防止し、エンベロープ及び/又はシールドでもたらされた断熱をさらに補うことができる。 Advantageously, this prevents the vacuum pump from overheating when in use and can further compensate for the insulation provided by the envelope and/or shield.
好ましくは、流体は、好ましくはポンプローターの回転軸に実質的に平行な方向に、好ましくは実質的にローターキャビティの入口端部に向う方向に、チャネルの第1の端部から第2の端部にポンプ圧送することができる。付加的に又は代替的に、流体は、重力の作用に実質的に対抗する方向に進むように、第1の端部から第2の端部にポンプ圧送することができる。このような構成は、チャネルを均一に満たすのを助けることができる。 Preferably, the fluid flows from the first end to the second end of the channel, preferably in a direction substantially parallel to the axis of rotation of the pump rotor, preferably substantially towards the inlet end of the rotor cavity. It can be pumped to the part. Additionally or alternatively, the fluid can be pumped from the first end to the second end such that it travels in a direction that substantially opposes the action of gravity. Such a configuration can help fill the channels uniformly.
好ましくは、チャネルに入る流体の温度は、約10℃~約40℃、さらに好ましくは、約20℃~約30℃、例えば、22℃とすることができる。好都合には、これは、さらなる流体加熱/冷却装置の必要性を回避することができる。付加的に又は代替的に、冷却流体の温度及び流量は、ポンプを最大作動温度未満の温度に維持するように選択することができる。 Preferably, the temperature of the fluid entering the channel can be from about 10°C to about 40°C, more preferably from about 20°C to about 30°C, eg 22°C. Advantageously, this can avoid the need for additional fluid heating/cooling equipment. Additionally or alternatively, the temperature and flow rate of the cooling fluid may be selected to maintain the pump below the maximum operating temperature.
好ましくは、流体は、好ましくは、空気などのガスとすることができる。好ましくは、空気は、室温(22℃)である。 Preferably, the fluid may preferably be a gas, such as air. Preferably, the air is at room temperature (22°C).
ポンプエンベロープ及び/又は磁気シールドは、軟磁性材料を含むことができる。 The pump envelope and/or magnetic shield may comprise soft magnetic material.
本明細書において、軟磁性材料は、1000A/m未満の保磁力を有する強磁性材料であると理解することができる。付加的に又は代替的に、軟磁性材料は、約400~約4500の比透磁率を有する。好ましくは、軟磁性材料は、少なくとも約1.8Tの飽和磁束密度を有する。好都合には、このような軟磁性材料を含む磁気シールドは、比較的コンパクトであるが、それでも高強度磁界内で効果的なシールドをもたらすことができる。 In this specification, a soft magnetic material can be understood as a ferromagnetic material having a coercivity of less than 1000 A/m. Additionally or alternatively, the soft magnetic material has a relative permeability of about 400 to about 4500. Preferably, the soft magnetic material has a saturation flux density of at least about 1.8T. Advantageously, magnetic shields comprising such soft magnetic materials can be relatively compact, yet still provide effective shielding in high-intensity magnetic fields.
好ましくは、エンベロープ及び/又は外側磁気シールドは、0.2%未満炭素、好ましくは約0.2%~約0.05%炭素の純鉄又は軟鋼を含むことができる。好適な鋼は、070M20及びPD970-3を含む。好ましくは、鋼は、シールド及び/又はエンベロープが機械加工される前に完全に焼鈍される。しかしながら、典型的には、機械加工の後にさらなる熱処理は用いられない。好都合には、このプロセスは、構成要素のコストを大幅に低減するが、プロセスは、加工硬化の結果として硬磁性表面を残す場合があり、これには、次に、構成要素の特定の半径方向厚さを約2mmだけ増大させることによって対処することができる。 Preferably, the envelope and/or outer magnetic shield may comprise pure iron or mild steel with less than 0.2% carbon, preferably between about 0.2% and about 0.05% carbon. Suitable steels include 070M20 and PD970-3. Preferably the steel is fully annealed before the shield and/or envelope are machined. However, typically no further heat treatment is used after machining. Advantageously, although this process significantly reduces the cost of the component, the process may leave hard magnetic surfaces as a result of work hardening, which in turn requires a certain radial orientation of the component. It can be addressed by increasing the thickness by about 2 mm.
好ましくは、エンベロープ及び/又は外側磁気シールドは、無電解ニッケルメッキされる。好都合には、これによって、エンベロープを通るH2拡散が低減され、標準的なシーリング幾何形状を使用することができる。 Preferably, the envelope and/or the outer magnetic shield are electrolessly nickel plated. Advantageously, this reduces H 2 diffusion through the envelope and allows standard sealing geometries to be used.
好ましくは、エンベロープ及び外側磁気シールドは、実質的に同じ軟磁性材料を含むことができる。 Preferably, the envelope and the outer magnetic shield can comprise substantially the same soft magnetic material.
様々に成形された外側磁気シールドを使用して、真空ポンプのローターキャビティを磁気シールドすることができることを理解されたい。一実施形態において、真空ポンプ全体を収容することができるが、実際には、これは常には可能ではない。従って、典型的には、外側磁気シールドは、ポンプエンベロープの周りに適合する、例えば管体である、実質的に環状断面の中空開口の略円筒体である。ポンプエンベロープ及び/又は磁気シールド及び/又はチャネルは、実質的に環状断面とすることができるが、他の断面を使用することもできることを理解されたい。 It should be appreciated that various shaped outer magnetic shields can be used to magnetically shield the rotor cavity of a vacuum pump. In one embodiment, the entire vacuum pump can be accommodated, although in practice this is not always possible. Typically, therefore, the outer magnetic shield is a generally cylindrical body of hollow opening of substantially annular cross-section, for example a tubular body, which fits around the pump envelope. The pump envelope and/or magnetic shield and/or channel may be of substantially circular cross-section, although it should be understood that other cross-sections may be used.
外側磁気シールドの一端又は両端は、長手方向に延びるチャネルに流入/流出する流体の流れを助けるためにキャステレイトされる(castellated)ことができる。 One or both ends of the outer magnetic shield can be castellated to aid fluid flow into/out of the longitudinally extending channel.
付加的に又は代替的に、外側磁気シールドは、2又は3以上の長手方向に延びるセクション、好ましくは2つの長手方向に延びるセクションを備える。典型的には、各セクションは、25kg未満、好ましくは約15kg未満の質量を有する。好都合には、これによって、一人のオペレータが各セクションを運んで組み立てることができる。セグメント化されたシールドによって、シールドは、例えば、パイプ及びケーブル接続部などのシールドを貫通する必要がある設備の周りに適合することができる。 Additionally or alternatively, the outer magnetic shield comprises two or more longitudinally extending sections, preferably two longitudinally extending sections. Typically each section has a mass of less than 25 kg, preferably less than about 15 kg. Advantageously, this allows a single operator to carry and assemble each section. A segmented shield allows the shield to fit around installations that need to penetrate the shield, such as pipe and cable connections, for example.
各セクションのうちの1又は2以上は、半環状断面を有することができる。各セクションは、一緒に配置して、中空円筒体を形成することができる。セクションの合わせ面は、ぴったり合うように構成されており、磁気回路は、その間に延びる接合部を横切って実質的に維持される。 One or more of each section can have a semi-circular cross-section. Each section can be placed together to form a hollow cylinder. The mating surfaces of the sections are configured to fit together and the magnetic circuit is substantially maintained across the joints extending therebetween.
典型的には、2又は3以上のセクションは、使用に向けて、クランプされるか又は他の方法で互いに非永久的に隣接することになる。使用される場合、非永久的な固定は、各セクションが磁界の作用を受けて分離するのを防止するために十分な力に耐えることができるものである。非永久的な固定は、2又は3以上の部品を約300Nよりも大きな、好ましくは約350N~約500Nの力で一緒に保持することができる。 Typically, two or more sections will be clamped or otherwise non-permanently adjacent to each other for use. A non-permanent fixation, if used, is one that can withstand sufficient force to prevent the sections from separating under the action of a magnetic field. A non-permanent fixation can hold two or more parts together with a force greater than about 300N, preferably between about 350N and about 500N.
好ましくは、ポンプエンベロープ壁は、少なくとも約8mm、好ましくは約10mmから約25mmの半径方向厚さを有する。11mmは、一例である。外側磁気シールドなしでも、11mm完全焼鈍軟鋼ポンプエンベロープを有する真空ポンプは、35mTの最大強度の放射状DC磁界内に配置された場合、6mT未満の平均強度、典型的には5mT未満の平均磁界強度の磁界を含むローターキャビティをもたらすことができる。 Preferably, the pump envelope wall has a radial thickness of at least about 8 mm, preferably from about 10 mm to about 25 mm. 11 mm is an example. Even without an outer magnetic shield, a vacuum pump with an 11 mm fully annealed mild steel pump envelope has an average field strength of less than 6 mT, typically less than 5 mT, when placed in a radial DC magnetic field of maximum strength of 35 mT. A rotor cavity containing a magnetic field can be provided.
好ましくは、外側磁気シールドは、少なくとも約15mm、好ましくは約20mm~約40mmの半径方向厚さを有する。20mmは、一例である。 Preferably, the outer magnetic shield has a radial thickness of at least about 15mm, preferably about 20mm to about 40mm. 20 mm is an example.
好ましくは、長手方向に延びる円周チャネルは、少なくとも約3mm、好ましくは約5mm~約40mmの半径方向厚さを有する。5mmは、一例である。磁束は、チャネルによってもたらされた空隙を横切るのではなく外側磁気シールドの周りを動く傾向があるので、長手方向に延びる円周チャネルの厚さが厚いほど、ローターキャビティにもたらされる磁気シールドは良好である。 Preferably, the longitudinally extending circumferential channel has a radial thickness of at least about 3 mm, preferably from about 5 mm to about 40 mm. 5 mm is an example. Since the magnetic flux tends to move around the outer magnetic shield rather than across the air gap provided by the channel, the thicker the longitudinally extending circumferential channel, the better the magnetic shield provided to the rotor cavity. is.
当業者であれば、例示された厚さは好ましいが、外側磁気シールド、チャネル、及び/又はエンベロープの半径方向厚の各々は、特定の真空ポンプ、外形形状、及び意図された用途に応じて最適化できることを理解できるはずである。典型的には、ポンプ入口の中心がポンプの回転軸に直交する特定ピークの放射状DC磁界内に配置された場合、半径方向厚さは、真空ポンプのローターキャビティ内の平均磁界が6mT、好ましくは5mTの平均磁界強度を超えないことを保証するように最適化されることになる。 Those skilled in the art will appreciate that although the illustrated thicknesses are preferred, each of the outer magnetic shield, channel, and/or envelope radial thicknesses will be optimized depending on the particular vacuum pump, geometry, and intended application. You should be able to understand that it is possible to Typically, the radial thickness is 6 mT, preferably It will be optimized to ensure that an average field strength of 5 mT is not exceeded.
真空ポンプは、2以上の外側磁気シールド、例えば、各々の直径が徐々に増加する2、3、4、5又は6以上の実質的に同軸に整列された外側磁気シールドを備えることができる。好ましくは、長手方向に延びる円周チャネルは、各外側磁気シールド層とそれらの隣接したシールド層との間に提供される。好ましくは、ガス、例えば空気などの流体は、この長手方向に延びる円周チャネルの各々に沿ってポンプ圧送することができる。好都合には、これは、真空ポンプの使用時の過熱を防止すると共に、エンベロープ及び/又は各磁気シールドによってもたらされた追加の断熱を補償することができる。 The vacuum pump may comprise two or more outer magnetic shields, for example 2, 3, 4, 5 or 6 or more substantially coaxially aligned outer magnetic shields, each having a gradually increasing diameter. Preferably, longitudinally extending circumferential channels are provided between each outer magnetic shield layer and their adjacent shield layers. Preferably, a gas, eg a fluid such as air, can be pumped along each of the longitudinally extending circumferential channels. Advantageously, this can prevent overheating during use of the vacuum pump and compensate for the additional insulation provided by the envelope and/or respective magnetic shields.
用語「外側磁気シールド」は、ポンプエンベロープの少なくとも一部を円周方向に収容する磁気シールドと理解されたい。当業者であれば、これは、最外磁気シールドであることを必ずしも意味しないが、これは、実施形態において当てはまる場合があることを理解できるはずである。例えば、真空ポンプが複数の外側磁気シールドを備える構成において、真空ポンプエンベロープから最も遠いもののみが最外である場合があるが、当業者であれば、「外側磁気シールド」は、真空ポンプエンベロープを取り囲むシールド体のいずれかを指すことができることを理解できるであろう。同様に、単一の外側磁気シールドを備える実施形態において、このシールドは、最外磁気シールドとすることができる。 The term "outer magnetic shield" is to be understood as a magnetic shield that circumferentially encloses at least part of the pump envelope. Those skilled in the art will appreciate that this does not necessarily mean an outermost magnetic shield, although this may be the case in embodiments. For example, in a configuration in which the vacuum pump includes multiple outer magnetic shields, only the one furthest from the vacuum pump envelope may be the outermost, but those skilled in the art will understand that "outer magnetic shield" refers to the vacuum pump envelope. It will be appreciated that it can refer to any of the surrounding shield bodies. Similarly, in embodiments with a single outer magnetic shield, this shield may be the outermost magnetic shield.
好ましくは、外側磁気シールドの外面又は複数の外側磁気シールドを有する構成における最外磁気シールドが、最大約500mT、好ましくは約300mT~約400mTの最大放射状DC磁界強度に晒される場合、ポンプエンベロープ、特にローターキャビティ内の磁界は、平均約6mTを超えない、好ましくは、約5mTを超えない。 Preferably, the pump envelope, particularly the The magnetic field within the rotor cavity does not exceed an average of about 6 mT, and preferably does not exceed about 5 mT.
さらなる態様において、本発明は、最大35mTの最大強度を有する放射状DC磁界内で作動するように既に構成された真空ポンプの磁気シールドを強化する磁気シールド組立体を提供する。典型的には、真空ポンプは、強磁性ポンプエンベロープ、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼ポンプエンベロープ又は無電解ニッケルメッキされた軟鋼ポンプエンベロープを有する。 In a further aspect, the invention provides a magnetic shield assembly for enhancing the magnetic shielding of a vacuum pump already configured to operate in a radial DC magnetic field having a maximum intensity of up to 35mT. Typically, vacuum pumps have ferromagnetic pump envelopes, such as martensitic stainless steel pump envelopes or electroless nickel plated mild steel pump envelopes.
組立体は、真空ポンプの一部を円周方向に取り囲む外側磁気シールドを備えることができ、外側磁気シールドは、使用時、長手方向に延びる実質的に環状のチャネルの外面を定める内壁を有する。 The assembly may include an outer magnetic shield that circumferentially surrounds a portion of the vacuum pump, the outer magnetic shield having an inner wall that, in use, defines an outer surface of a longitudinally extending substantially annular channel.
好ましくは、外側磁気シールドは、1000A/m未満の保磁度を有する軟磁性材料を含む。付加的に又は代替的に、比透磁率は400~4500である。好ましくは、飽和磁束密度は少なくとも約1.8Tである。 Preferably, the outer magnetic shield comprises a soft magnetic material with coercivity less than 1000 A/m. Additionally or alternatively, the relative permeability is 400-4500. Preferably, the saturation flux density is at least about 1.8T.
使用時、組立体は、ポンプ入口の中心が100mTの平均半径方向磁界強度のポンプローターの回転軸に直交する放射状DC磁界内に配置された場合に、シールドされたポンプが作動することができるように構成することができる。好ましくは、使用時、真空ポンプのローターキャビティ内の平均磁界強度は、約6mTの平均を超えない、好ましくは約5mTを超えない。 In use, the assembly is such that the shielded pump can operate when the center of the pump inlet is placed in a radial DC magnetic field perpendicular to the axis of rotation of the pump rotor with an average radial field strength of 100 mT. can be configured to Preferably, in use, the average magnetic field strength within the rotor cavity of the vacuum pump does not exceed an average of about 6 mT, preferably does not exceed about 5 mT.
付加的に又は代替的に、使用時、組立体は、シールドされたポンプが、磁気シールドの外面に直接隣接した、最大約500mT、好ましくは約300mT~約400mTの最大半径方向磁界強度のDC磁界内で作動することができるように構成することができる。好ましくは、使用時、真空ポンプのローターキャビティ内の平均磁界強度は、約6mTの平均を超えない、好ましくは、約5mTを超えない。 Additionally or alternatively, in use, the assembly applies a DC magnetic field of maximum radial field strength of up to about 500 mT, preferably between about 300 mT and about 400 mT, with the shielded pump directly adjacent the outer surface of the magnetic shield. can be configured to operate within Preferably, in use, the average magnetic field strength within the rotor cavity of the vacuum pump does not exceed an average of about 6 mT, preferably does not exceed about 5 mT.
外側磁気シールドは、典型的には中空の略円筒体とすることができる。外側磁気シールドは、典型的には、真空ポンプのエンベロープの外径よりも大きな内径を有することができる。付加的に又は代替的に、ポンプエンベロープと外側磁気シールドとの間の直径の差は、両者の間に円周チャネルをもたらす。典型的には、外側磁気シールドは、真空ポンプのローターキャビティと同じか又はローターキャビティよりも大きな軸方向長さを有することができる。 The outer magnetic shield can typically be a hollow, generally cylindrical body. The outer magnetic shield can typically have an inner diameter that is larger than the outer diameter of the vacuum pump envelope. Additionally or alternatively, the difference in diameter between the pump envelope and the outer magnetic shield provides a circumferential channel therebetween. Typically, the outer magnetic shield can have an axial length that is the same as or greater than the rotor cavity of the vacuum pump.
外側磁気シールドは、2又は3以上のセクション、例えば、2、3、4、又は5又はそれ以上のセクションを備えることができる。典型的には、各セクションは、シールドの全長にわたって軸方向に延びるが、部分的に円周方向に延びる。好ましい実施形態において、シールドは、少なくとも1つの半環状セクションを備える。典型的には、いずれのセクションの重量も25kgを超えず、個々のセクションは、好ましくは15kgの質量を超えない。 The outer magnetic shield may comprise 2 or more sections, eg 2, 3, 4, or 5 or more sections. Typically, each section extends axially the full length of the shield, but partially circumferentially. In preferred embodiments, the shield comprises at least one semi-annular section. Typically the weight of any section does not exceed 25 kg and the individual sections preferably do not exceed a mass of 15 kg.
本発明の別の態様と同様に、チャネルは、冷却流体、好ましくはガス、例えば空気を外側磁気シールドと真空ポンプとの間に導くために使用することができる。好ましくは、冷却流体は、ポンプエンベロープの外面を横切ってポンプ圧送することができる。チャネルは、外側磁気シールドとポンプエンベロープが直接接触した場合と比較すると、外側磁気シールドによってもたらされるシールドを強化する。好都合には、チャネルと冷却流体を組み合わせることで、過熱することなく磁気シールドを強化することができる。 Similar to another aspect of the invention, channels can be used to direct a cooling fluid, preferably a gas such as air, between the outer magnetic shield and the vacuum pump. Preferably, the cooling fluid can be pumped across the outer surface of the pump envelope. The channel enhances the shielding provided by the outer magnetic shield when compared to direct contact between the outer magnetic shield and the pump envelope. Advantageously, the combination of channels and cooling fluid can enhance magnetic shielding without overheating.
外側磁気シールドは、軟鋼、好ましくは完全焼鈍軟鋼を含むことができる。実施形態において、外側磁気シールドの表面は、機械加工中に加工硬化する場合があるが、典型的には、機械加工後にさらなる熱処理は行わない。 The outer magnetic shield may comprise mild steel, preferably fully annealed mild steel. In embodiments, the surface of the outer magnetic shield may be work hardened during machining, but typically is not further heat treated after machining.
好ましくは、外側磁気シールドは、少なくとも約15mmの半径方向厚さを有し、及び/又は、長手方向に延びる円周チャネルは、少なくとも3mmの半径方向厚さを有する。 Preferably, the outer magnetic shield has a radial thickness of at least about 15 mm and/or the longitudinally extending circumferential channel has a radial thickness of at least 3 mm.
別の態様において、本発明は、真空ポンプのための磁気シールドを提供し、シールドは、真空ポンプの一部を取り囲むように構成された本体と、真空ポンプを冷却する流体を受け入れるように構成されたチャネルとを備える。典型的には、チャネルは、冷却流体をポンプの外面を横切って、好ましくはシールドと真空ポンプとの間に導く。典型的には、チャネルは、シールドによって取り囲まれた真空ポンプの一部を円周方向に取り囲む。典型的には、外側磁気シールドの内面は、冷却チャネルの外面を形成し、及び/又は、ポンプの外面は、冷却チャネルの内面を形成する。典型的には、流体は、好ましくは室温の空気などのガスである。好ましくは、真空ポンプは、ターボ分子ポンプである。典型的には、冷却流体温度及び流量は、ポンプを好ましい作動温度に維持するように選択される。 In another aspect, the invention provides a magnetic shield for a vacuum pump, the shield configured to receive a body configured to enclose a portion of the vacuum pump and a fluid for cooling the vacuum pump. channel. Typically, channels direct cooling fluid across the exterior surface of the pump, preferably between the shield and the vacuum pump. Typically, the channel circumferentially surrounds a portion of the vacuum pump surrounded by the shield. Typically, the inner surface of the outer magnetic shield forms the outer surface of the cooling channel and/or the outer surface of the pump forms the inner surface of the cooling channel. Typically the fluid is a gas such as air, preferably at room temperature. Preferably, the vacuum pump is a turbomolecular pump. Typically, the cooling fluid temperature and flow rate are selected to maintain the pump at the desired operating temperature.
好ましくは、本体は、少なくとも約15mmの半径方向厚さを有し、及び/又は、冷却チャネルは、少なくとも約3mmの半径方向厚さを有する。 Preferably, the body has a radial thickness of at least about 15 mm and/or the cooling channels have a radial thickness of at least about 3 mm.
別の態様において、本発明は、真空ポンプのための磁気シールドを製造する方法を提供する。 In another aspect, the invention provides a method of manufacturing a magnetic shield for a vacuum pump.
この方法は、軟鋼半製品を準備するステップと、この半製品を完全焼鈍するステップと、この完全焼鈍製品から磁気シールド又はそのセグメントを機械加工するステップとを含み、機械加工するステップ後、磁気シールド又はそのセグメントを真空ポンプに取り付ける前にさらなる熱処理は行わない。 The method includes the steps of providing a mild steel semifinished product, fully annealing the semifinished product, and machining a magnetic shield or a segment thereof from the fully annealed product, wherein after the machining step, the magnetic shield or no further heat treatment before attaching the segment to the vacuum pump.
本出願のほかの場所で説明するように、このプロセスは、ターボ分子ポンプのエンベロープ、及び/又は、ターボ分子ポンプのエンベロープを取り囲む外側磁気シールドを製造するために使用することができる。 As described elsewhere in this application, this process can be used to fabricate a turbomolecular pump envelope and/or an outer magnetic shield surrounding the turbomolecular pump envelope.
鋼を完全焼鈍するステップは、鋼を、その中に含有された全てのフェライトがオーステナイトに変わる温度に加熱するステップを含むことができる。その後、材料は、平衡微細構造を得て、全てのオーステナイトが粗い粒状組織を有するパーライト及びフェライトに変わるのを確実にするように室温(例えば、22℃)に非常にゆっくりと冷却させる。 Full annealing the steel may include heating the steel to a temperature at which all ferrite contained therein converts to austenite. The material is then allowed to cool very slowly to room temperature (eg, 22° C.) to obtain an equilibrium microstructure and ensure that all austenite transforms into pearlite and ferrite with a coarse grain structure.
磁気シールドがターボ分子ポンプのエンベロープである場合、エンベロープは、その後、無電解ニッケルメッキすることができる。 If the magnetic shield is the envelope of the turbomolecular pump, the envelope can then be electroless nickel plated.
従って、本発明は、上記プロセスに従って製造された磁気シールドを備える真空ポンプも提供する。 The invention therefore also provides a vacuum pump comprising a magnetic shield manufactured according to the above process.
本明細書で説明する本発明の全ての態様及び実施形態は、変更すべき点を変更して組み合わせることができることを理解されたい。 It is to be understood that all aspects and embodiments of the invention described herein can be combined mutatis mutandis.
本発明の好ましい特徴は、以下に添付図面を参照して例示的に説明される。 Preferred features of the invention are described below by way of example with reference to the accompanying drawings.
本発明は、磁気シールドを備える真空ポンプを提供する。 The present invention provides a vacuum pump with a magnetic shield.
図1に示すように、一実施例において、ターボ分子ポンプ(1)は、外側磁気シールド(2)、ポンプエンベロープ(3)、及び長手方向に延びる円周チャネル(4)を備える。ポンプエンベロープ(3)、外側磁気シールド(2)、及びチャネル(4)は、ターボ分子ポンプの長手軸(A)の周りに実質的に同軸に整列する。 As shown in FIG. 1, in one embodiment a turbomolecular pump (1) comprises an outer magnetic shield (2), a pump envelope (3) and a longitudinally extending circumferential channel (4). The pump envelope (3), outer magnetic shield (2) and channel (4) are substantially coaxially aligned around the longitudinal axis (A) of the turbomolecular pump.
本発明において、「軸方向の」「軸方向に」、及び「軸方向」は、ターボ分子ポンプの軸線「A」に平行な方向を指す。この方向は、一般的に、ポンプエンベロープ(3)、チャネル(4)、及び/又は外側磁気シールド(2)の半径方向厚さに対して直交しかつポンプエンベロープの外面及びシールドの内面に略平行とすることができる。 As used herein, "axial," "axially," and "axially" refer to directions parallel to the axis "A" of the turbomolecular pump. This direction is generally orthogonal to the radial thickness of the pump envelope (3), channel (4), and/or outer magnetic shield (2) and substantially parallel to the outer surface of the pump envelope and the inner surface of the shield. can be
例示するように、外側磁気シールド(2)は、ポンプエンベロープ(3)の半径方向厚さ(b)及びチャネル(4)の半径方向厚さ(c)よりも大きい半径方向厚さ(a)を有することができる。典型的に、外側磁気シールド(2)は、少なくとも15mm、好ましくは、少なくとも20mmの半径方向厚さ(a)を有する。 As illustrated, the outer magnetic shield (2) has a radial thickness (a) greater than the radial thickness (b) of the pump envelope (3) and the radial thickness (c) of the channel (4). can have Typically, the outer magnetic shield (2) has a radial thickness (a) of at least 15mm, preferably at least 20mm.
例示の外側磁気シールド(2)は、ローターキャビティ(5)の軸方向長さ(y)よりも長い軸方向長さ(x)を有する。好都合には、このことは、実質的に全てのローターキャビティ(5)が周囲の磁界からシールドされることを保証する。好ましくは、シールドされたローターキャビティ(5)の内部の平均磁界強度は6mT、好ましくは5mTを超えない。例示のターボ分子ポンプ(1)において、外側磁気シールド(2)は、ころ軸受(7)を備える下部ポンプ体(6)を取り囲む。外側磁気シールド(2)は、ジュビリークリップ(15)の締め付け作用及び本体(6)の基部に取り付けられたプレート(16)によって所定の位置に保持される。 The exemplary outer magnetic shield (2) has an axial length (x) that is greater than the axial length (y) of the rotor cavity (5). Advantageously, this ensures that substantially all rotor cavities (5) are shielded from surrounding magnetic fields. Preferably, the average magnetic field strength inside the shielded rotor cavity (5) does not exceed 6mT, preferably 5mT. In the exemplary turbomolecular pump (1), an outer magnetic shield (2) surrounds a lower pump body (6) with roller bearings (7). The outer magnetic shield (2) is held in place by the clamping action of jubilee clips (15) and a plate (16) attached to the base of the body (6).
チャネル(4)は、ポンプエンベロープ(3)の外面を横切って室温空気(約22℃)を導くために使用される。冷却空気は、ポンプの基部の入口(11)を通ってチャネル(4)にポンプ圧送され、ポンプの反対端の出口を通って流出し、例えば、出口は、外側磁気シールド(2)の上面のキャスタレーション(10)の間の隙間(9)であり、これらのキャスタレーション(castellation)は、使用時、ポンプエンベロープ(3)の半径方向に延びるフランジ(8)に係合する。これによって、ローターキャビティ(5)内の温度を好ましい範囲に維持することができ、ポンプエンベロープ(3)及び外側磁気シールド(2)の比較的良くない熱伝達特性が補われる。 A channel (4) is used to direct room temperature air (approximately 22° C.) across the outer surface of the pump envelope (3). Cooling air is pumped through an inlet (11) at the base of the pump into the channel (4) and exits through an outlet at the opposite end of the pump, e.g. The gaps (9) between the castellations (10) which in use engage radially extending flanges (8) of the pump envelope (3). This allows the temperature in the rotor cavity (5) to be maintained in a favorable range, compensating for the relatively poor heat transfer properties of the pump envelope (3) and the outer magnetic shield (2).
例示の長手方向に延びる円周チャネル(4)は、全長にわたって少なくとも3mmの半径方向厚さ(c)を有する。 An exemplary longitudinally extending circumferential channel (4) has a radial thickness (c) of at least 3 mm over its entire length.
図2により良く示すように、実施例において、管状の外側磁気シールド(2)は、2つの長手方向に延びるセクション(12、13)を備えるが、組み立てを助けるために、特定の真空ポンプの幾何形状に応じてより多くのセクションを使用することができる。各セクションは、拘束手段によって所定の位置に保持され、本実施例において、拘束手段は、外側磁気シールド(2)の円周に巻回されたジュビリークリップ(15)及び下部ポンプ本体(6)に取り付けられたプレート(16)を含む。ジュビリークリップ(15)は、少なくとも350Nの力に対応する。ポンプ(1)及び/又は磁気シールド(2)は、使用時に磁界の影響を受けて移動しないように実質的に静止した表面又は物体に固定することができる。 As better shown in FIG. 2, in an embodiment the tubular outer magnetic shield (2) comprises two longitudinally extending sections (12, 13), although in order to aid assembly, the particular vacuum pump geometry More sections can be used depending on the shape. Each section is held in place by restraining means, which in this example are a jubilee clip (15) wrapped around the circumference of the outer magnetic shield (2) and a lower pump body (6). Includes attached plate (16). The jubilee clip (15) accommodates a force of at least 350N. The pump (1) and/or the magnetic shield (2) can be fixed to a substantially stationary surface or object so that it will not move under the influence of the magnetic field in use.
例示のポンプエンベロープ(3)及び外側磁気シールド(2)の両方は、機械加工された完全焼鈍軟鋼(例えば、070M20、PD970-3)を含む。両者は無電解ニッケルメッキされたが、機械加工後にさらなる熱処理を行わなかった。エンベロープ(3)は、水素透過を防ぐために無電解ニッケルメッキすることができる。一方で、外側磁気シールド(2)は、シールドセグメント(12、13)に接近して取り付けてそれらの接合部の磁気抵抗を低減することができるように、無電解ニッケルプレートの薄くて頑丈でさらに磁気的性質の恩恵を受ける。 Both the exemplary pump envelope (3) and outer magnetic shield (2) comprise machined, fully annealed mild steel (eg, 070M20, PD970-3). Both were electroless nickel plated but did not undergo further heat treatment after machining. The envelope (3) can be electroless nickel plated to prevent hydrogen permeation. On the one hand, the outer magnetic shield (2) is made of thin, robust and more electroless nickel plates so that it can be mounted close to the shield segments (12, 13) to reduce the reluctance of their joints. Benefit from magnetic properties.
例示のポンプエンベロープ(3)は、全長にわたって少なくとも11mmの半径方向の厚さ(b)を有する。 An exemplary pump envelope (3) has a radial thickness (b) of at least 11 mm over its entire length.
例示したような外側磁気シールド、チャネル及びエンベロープを有する変更されたEdwards nEXT400(商標)を、入口(14)の中心が磁石に最も近い磁気シールドの外面で100mTの平均強度及び300mTの最大ピークを有する、ポンプの回転軸に直交したDC磁界内に位置した状態で配置した場合、ポンプのローターキャビティ内の平均磁界強度は、5mTを超えなかった。ポンプは、過熱することなく最大作動速度で作動した。磁界強度は、Lakeshore460型3チャンネルホール効果ガウスメーターを使用して測定した。 A modified Edwards nEXT400™ with outer magnetic shield, channel and envelope as illustrated with an average intensity of 100 mT and a maximum peak of 300 mT at the outer surface of the magnetic shield with the center of the inlet (14) closest to the magnet. , the average magnetic field strength in the rotor cavity of the pump did not exceed 5 mT when positioned in a DC magnetic field perpendicular to the pump's axis of rotation. The pump ran at maximum operating speed without overheating. Magnetic field strength was measured using a Lakeshore 460 3-channel Hall effect Gaussmeter.
様々な変更は、特許法の下で解釈される特許請求の範囲に定義されたような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく示された実施形態に行うことができることが認識されるであろう。 It will be appreciated that various changes can be made to the illustrated embodiments without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the claims as interpreted under patent law. deaf.
1 ターボ分子ポンプ、
2 外側磁気シールド
3 ポンプエンベロープ
4 長手方向に延びる円周チャネル
5 ローターキャビティ
6 下部ポンプ本体
7 ころ軸受
8 半径方向に延びるフランジ
9 隙間
10 キャスタレーション
11 入口
12 外側磁気シールドセクション(1)
13 外側磁気シールドセクション(2)
14 ポンプ入口
15 ジュビリークリップ
16 プレート
1 turbomolecular pump,
2 outer magnetic shield 3
13 outer magnetic shield section (2)
14
Claims (30)
a)前記真空ポンプのローターキャビティを取り囲むポンプエンベロープと、
b)前記ポンプエンベロープの少なくとも一部を円周方向に収容する外側磁気シールドと、
c)前記ポンプエンベロープの前記収容された部分と前記外側磁気シールドとの間で長手方向に延びる円周状の空気チャネルと、
を備え、
前記空気チャネルは、空気入口と空気出口を有する、真空ポンプ。 A magnetically shielded vacuum pump comprising:
a) a pump envelope surrounding a rotor cavity of said vacuum pump;
b) an outer magnetic shield circumferentially enclosing at least a portion of said pump envelope;
c) a circumferential air channel extending longitudinally between the encased portion of the pump envelope and the outer magnetic shield;
with
A vacuum pump, wherein the air channel has an air inlet and an air outlet.
及び/又は、
ii)前記外側磁気シールドは、少なくとも15mmの半径方向厚さを有し、
及び/又は、
iii)前記空気チャネルは、少なくとも3mmの半径方向厚さを有する、
請求項1から3のいずれか一項に記載の真空ポンプ。 i) said pump envelope has a radial thickness of at least 10 mm;
and/or
ii) said outer magnetic shield has a radial thickness of at least 15 mm;
and/or
iii) said air channels have a radial thickness of at least 3 mm;
Vacuum pump according to any one of claims 1 to 3.
及び/又は、
ii)前記空気チャネルは、少なくとも3mmの半径方向の厚さを有する、請求項14から21のいずれか一項に記載の装置。 i) said outer magnetic shield has a radial thickness of at least 15 mm;
and/or
ii) the air channel has a radial thickness of at least 3 mm ;
a)ターボ分子真空ポンプを準備するステップと、
b)前記真空ポンプの少なくとも一部を1又は2以上の磁気シールドで取り囲むステップと、
を含み、
前記磁気シールドのうちの1又は2以上は空気入口及び空気出口を有する空気チャネルをもたらし、前記空気チャネルの前記空気入口は使用中に前記真空ポンプを冷却する空気を受け入れるように構成されている、方法。 A method of assembling a vacuum pump for use in a radial DC magnetic field with a maximum field strength greater than 35 mT, comprising:
a) providing a turbomolecular vacuum pump;
b) surrounding at least a portion of said vacuum pump with one or more magnetic shields;
including
one or more of the magnetic shields provide an air channel having an air inlet and an air outlet, the air inlet of the air channel configured to receive air for cooling the vacuum pump during use; Method.
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