Wolfgang Gaedeによる分子エアポンプ
Wolfgang Gaede没後80周年記念 Guide PfefferieとGerhard Voss
歴史的なイメージで見る分子エアポンプの内部構造
Wolfgang Gaedeは1945年6月24日、ミュンヘンで死去しました。この記事では、著者たちは彼の没後80 周年を記念し、E. Leyboldの後継者たちが開発した分子エアポンプの内部構造を明らかにするイメージを初めて公開します。
Gaedeの分子真空ポンプの特許
Imperial Patent Office [ ベルリン ] - 特許番号 239213 Dr. Wolfgang Gaede in Freiburg im Breisgau - 回転式真空ポンプ - 1909年1月3日時点でドイツで特許取得
特許第239213号のタイトルは、最初は特にドラマチックに聞こえないかもしれません。しかし、「回転真空ポンプ」という名称の背後には、真空技術における真のマイルストーンである分子エアポンプがあります。
Wolfgang Gaede 氏は、上記の特許仕様書で次のように述べています。「分子エアポンプは、排気されるガスと急速に動く固体表面との間の摩擦のみを利用してガスを移送します。水銀やオイルなどの「シーリングフルード」の使用は不要です。」これは現在の用語で言えば、Wolfgang Gaedeの分子エアポンプは世界初のドライ圧縮式真空ポンプであったことを意味します。
図 1 [3] は、左側にGaedeの特許に基づいてライボルトが製造した分子エアポンプを示しており、ここではX線管の排気を示しています。当然ながら、ライボルトのロータリーベーンポンプがフォアバキュームポンプとして使用されています。
分子エアポンプの動作原理
Wolfgang Gaedeは、学位論文 [1] で「気体の外部摩擦」という用語を導入し、気体分子と急速に動く固体表面との相互作用を説明しました。彼の分子エアポンプはまさにこの原理に基づいて作動します。ポンプの動作原理の概略図は、1912年に E. Leybold's Nachfolger によって発表された新型高真空ポンプに関する予備的報告 [2] に掲載されています。
[2] に含まれる「図 2 」は、この記事では図 2 として再現されています。次の原文が添えられています。「深さb、幅aの溝がシリンダー A に切り込まれており、シリンダーAは軸 a の周りを回転します。距離h' で、A は円筒形のハウジング B に囲まれています。片側には、ラメラコーム Cがハウジング B に取り付けられており、溝の中に突き出ています。」 [ 図1（左）では、ローター A が軸aを中心に高速で時計回りに回転すると、ガスが n から m に移送されます。ガスが C と A の間の隙間を通って m から n に逆流するとき、望ましくないガス流量の損失が発生します。したがって、ポンプの技術的実現では、この隙間は幅が数百分の1ミリメートル以下でなければなりません。] [ 可能な限り最高の高真空を達成するには、ポンプ吸気口（高真空側）と排気口（補助真空側）の間でガスを大幅に圧縮する必要があります。これは次の原理によって達成されます :] 「個々の溝は直列に接続され、開口部 m が n₁、m ₁ から n₂ などに接続されます。その結果、ガス圧力はローターの端から中心に向かって連続的に減少します。」
ライボルトによる技術設計
図3[3] は、ローター軸 a に沿った長手方向断面におけるライボルトの分子エアポンプの技術的設計を示しています。図3で斜線で示されているハウジングBは、上部アセンブリーKを支持し、「気密」状態で固定されています。真鍮製シリンダーで作られたローターAは、軸aにしっかりと連結されています。真鍮製シリンダーには、ディスクコームC（暗いハッチング）が延びる溝 D が切削されています。さらに、Sはポンプの高真空側の吸気口を示し、Hは軸aを駆動するために使用されるプーリーを示しています。ポンプの真の秘密は上部アセンブリーK内にあることは注目に値します。そこには図面や写真も存在しない複雑なガス分配チャネルシステムが含まれています。
ライボルトのポンプの内部を見る
分子エアポンプの内部構造を探るため、まず上部アセンブリーKを固定している4本のネジを取り外しました。ネジを緩めたら、アセンブリーをハウジング Bから持ち上げることができ、私たちは本当に驚きました。アセンブリーとハウジングの間にガスケットはなく、真鍮の上にグリースを少量塗布しただけでした。
図4は、反転した上部アセンブリーKの下面とハウジングBの上面の両方を示しています。図6のKの下面を詳しく見ていきます。Bの上面には、Bの内部に接続されている一連のスロットがあり、ローターの溝にもつながっています。さらに、ディスクコームCは、Bの上部に取り付けられており、ポンプの縦軸と平行になっています。取り付けネジ用の穴も図4に示されています。図3に示すコンポーネントE、F、G 、およびHを取り外した後、ローターAを取り出してて測定することができました。測定値によると、直径は100.00 + 0.01 mm です。ラメラコームとローター間の相互作用を示すために、真鍮の単一片から削り出したコームをローターの溝に挿入しました。これは図5に詳しく示されています。
図2に示すようにメカニズムが機能するためには、100分の1ミリメートル単位の精密な機械的精度と再現性が絶対に不可欠です。ライボルトはすでに1912年にこのレベルの精度を達成していました。
上側アセンブリーKの下側を詳細に示す図6では、分子エアポンプの「秘密の」内部構造に迫ります。金属洗浄液を使用して、内部チャンネルをトレースしました。
これにより、高真空（HV）側と補助真空（FV）側の間の複雑なガス経路を詳細に追跡することができました。高真空側のインレット（HV コネクターS、図 6）は図6の位置1に接続されています。そこから、ローターはガスを右側の位置2に移送します。つまり、K（E. Leybold's Nachfolger，Coeln and Berlin，German Imperial Patent）のラベル側から見た場合、ローターは反時計回りに回転する必要があります。
軟質はんだで満たされた目に見えるチャネルを通って、ガスは右側2から左側2へ、次にローターを通って右側3へ、Kのチャネルを通って左側3へ 、ローターを通って右側6へ、Kのチャネルを通って左側6 へ 、ローターを通って右側4へ、Kのチャネルを通って左側4へ、ローターを通って右側7へ、Kのチャネルを通って左側7へ、ローターを通って右側5へ、Kのチャネルを経由して左側5へ、ローターを経由して右側8へ、最後にKのチャネルを経由して左側8へ、そこからフォアバキュームポンプに接続されている環状溝（FV位置）に到達します。
長い説明で申し訳ありませんが、113年後、それを書き留めて文書化する必要がありました。こうして、ガスがポンプの中心から抽出されるというWoldgang Gaedeの説明を実験的に確認することができました。Kの内部チャネルシステムの正確な構造は、おそらくX線を用いてのみ非破壊検査によってのみ明らかにできる可能性が高いです。フォアバキュームポンプに接続されている溝は、高真空領域をリング状に囲んでいることに留意してください。
この設計により、環境（1000 mbar）から溝（0.1 mbar）への空気漏れがフォアバキュームポンプによって確実に遮断されます。環状溝と位置1との間の圧力差は、通常、周囲雰囲気と溝との間の圧力差の10,000分の1です。その結果、溝から位置1への漏れは、環境から溝への漏れよりもはるかに小さくなります。まとめ：環状溝は、周囲雰囲気の空気漏れから高真空領域を保護します。
エピローグ
ライボルトにとって、2台のオリジナルの分子エアポンプがゲーデアーカイブに保存されていることは幸運なことです。この幸運な状況から、ポンプの1台を動作状態に戻すというアイデアが生まれました。これは成功しましたが、ポンプの動作を完全に最適化するためにまだやるべきことが残っています。
参考資料
[1] Wolfgang Gaede Habilitation Thesis：The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau，1912 [2] Gaede E. Leybold's Nachfolger，Cöln a[m] Rh[ein] 博士による新しい高真空ポンプ（分子空気ポンプ）に関する予備的報告 、1912 [3] Gaede E. Leybold's Nachfolger，Cöln a[m] Rh[ein] 博士による分子空気ポンプに関する特別価格リスト番号 VI、1912
著者：
Guido Pfefferle
プロトタイピングとツーリング E メール：[email protected]
Gerhard Voss 博士
ゲーデアーカイブ ケルン
Eメール：[email protected]
