JP2008280977A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】気体分子の逆流を低減して排気性能の向上を図ることができるターボ分子ポンプの提供。
【解決手段】複数段の固定翼１１は、複数段の回転翼２１が形成されたロータ２０の外周面を囲むように配置される。各固定翼１１はスペーサ１３により所定間隔に保持され、回転翼２１に対して回転軸方向に交互に配設される。回転翼２１の外周側端面とその外周側端面と対向するスペーサ１３の内周面との間にラビリンス効果を有する手段を備えたことにより、気体分子の逆流を低減され、排気性能が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは、固定翼に対して回転翼を高速回転させて真空排気を行うものである（例えば、特許文献１参照）。回転体は磁気軸受によって非接触支持されているため、回転体とその周辺部品との間にはギャップを設ける必要がある。そのため、固定翼先端とそれに対向するロータ側面との間、および、回転翼先端とそれに対向するスペーサ側面との間にもギャップが形成されている。回転側と静止側との接触が確実に防止されるように、このギャップは回転体の遠心力膨張、熱膨張、部品公差などを考慮して設定される。

特開２００５−１０５８４６号公報

しかしながら、そのギャップから気体分子が排気方向とは逆方向に逆流するため、その分だけ排気性能が低下してしまうという問題があった。

請求項１の発明によるターボ分子ポンプは、ロータの外周面に形成された複数段の回転翼と、ロータ外周面を囲むように配置され、複数段の回転翼に対して回転軸方向に交互に配設された複数段の固定翼と、複数段の固定翼の各々の軸方向間隔を所定間隔に保つスペーサリングと、回転翼の外周側端面とその外周側端面と対向するスペーサリングの内周面との間にラビリンス効果を有する手段を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明によるターボ分子ポンプは、ロータの外周面に形成された複数段の回転翼と、ロータ外周面を囲むように配置され、前記複数段の回転翼に対して回転軸方向に交互に配設された複数段の固定翼と、複数段の固定翼の各々の軸方向間隔を所定間隔に保つスペーサリングと、固定翼の内周側端面とその内周側端面と対向するロータ外周面との間にラビリンス効果を有する手段を備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、ラビリンス効果を有する手段は、固定翼の内周側端面およびその内周側端面と対向するロータ外周面のいずれか一方に形成された凹部と他方に形成された凸部とで構成され、ロータの回転時には、少なくとも凹部内に凸部の一部が入り込んでいることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、ラビリンス効果を有する手段は、固定翼の内周側端面または該内周側端面に対向するロータ外周面に形成されたネジ溝を備えることを特徴とする。

本発明によれば、気体分子の逆流を低減することで、排気性能の向上を図ることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、ポンプ本体１の断面図である。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプ本体１と、ポンプ本体１に電源を供給し回転駆動を制御するコントローラ（不図示）とから成る。

ポンプ本体１のケーシング３の内部には、互いにボルト締結されたロータ２０とシャフト７とから成る回転体が設けられている。ロータ２０が固定されたシャフト７は、ベース１０のステータコラム１０ａに設けられた上下一対のラジアル磁気軸受３１，３２およびスラスト磁気軸受３３によって非接触式に支持され、モータ６により回転駆動される。ポンプ停止時（磁気浮上停止時）や停電時には、シャフト７は保護用のタッチダウンベアリング２６，２７によって支持される。

ロータ２０には、複数段の回転翼２１および回転円筒部２２が形成されている。一方、ベース１０側には、ケーシング３の内周面に沿ってリング状のスペーサ１３が複数積層され、そのスペーサ１３によって上下に挟まれるように複数段の固定翼１１が設けられている。さらに、複数段の固定翼１１の下部には、内周面に螺旋溝が形成された固定円筒部１２が設けられている。なお、図１に示すターボ分子ポンプでは、１〜４段目までの固定翼１１と、５〜８段目の固定翼１１とでは製造方法が異なっており、後述するように形状も異なっている。

本実施の形態のターボ分子ポンプでは、軸方向に交互に配置された複数段の回転翼２１と複数段の固定翼１１とによりタービン翼部が構成され、回転円筒部２２と固定円筒部１２とによりモレキュラードラッグポンプ部が構成される。回転円筒部２２は固定円筒部１２の内周面に近接して設けられており、固定円筒部１２の内周面には螺旋溝が形成されている。モレキュラードラッグポンプ部では、固定円筒部１２の螺旋溝と高速回転する回転円筒部２２とにより、粘性流による排気機能が行われる。

図１に示すタービン翼部とモレキュラードラッグポンプ部とを結合させたターボ分子ポンプは、広域型ターボ分子ポンプと称されている。吸気口１４から流入したガス分子はタービン翼部によって図示下方へと叩き飛ばされ、下流側に向かって圧縮排気される。その圧縮されたガス分子は、さらにモレキュラードラッグポンプ部によってさらに圧縮され、排気ポート１５から排出される。

図２は、図１に示した回転翼２１および固定翼１１の先端部分の詳細構造を示す図である。図２（ａ）は上から一段目の回転翼２１および固定翼１１を示したものであり、２〜４段目もそれぞれ同様の形状になっている。一方、図２（ｂ）は上から７段目の回転翼２１および固定翼１１を示したものであり、５，６および８段目も同様の形状になっている。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、ロータ２０に形成された各回転翼２１の先端には凹部２１ｂが形成されている。回転翼２１の先端の外周側に配置されたスペーサ１３の内周面には、凹部２１ｂと対向するように凸部１３ａが形成されている。一方、固定翼１１の場合には、内周側の先端に凹部１１ｂが形成されている。そして、ロータ２０の凹部１１ｂが対向する面には、凸部２０ａが一周にわたって形成されている。

図３（ａ）は、回転翼２１の先端を、図２（ａ）の矢印Ｂで示すようにスペーサ１３側から見た場合の図を示したものである。回転翼２１は所定の翼角度を有するブレードであって、周方向に所定間隔で複数配設されている。スペーサ１３の内周面に形成された凸部１３ａはリング状の凸部であって、二点鎖線で示すように各回転翼２１の凹部２１ｂに対向する位置に形成されている。

図３（ｂ）は、１〜４段目に設けられた固定翼１１の一部を示す斜視図である。固定翼１１は半リング状の板状部材であって、この半リング状の固定翼１１を一対用いることで、一段分のリング状の固定翼１１が構成される。固定翼１１の形成方法としては、一般的に、薄板材を曲げ加工して形成する方法と、厚い板材を切削加工して形成する方法とがある。

図３（ｂ）に示す固定翼１１の場合には切削加工により形成される。すなわち、半リング状の板材に、斜め方向の貫通穴１１３を切削加工で複数形成することで、内周リブ部１１４と、外周リブ部１１６と、それらを連結する翼部１１０ａとが形成される。貫通穴１１３と隣接する貫通穴１１３の間に残った部分が、翼部１１０ａを形成している。内周リブ部１１４の内周面には、上述した凹部１１ｂが周方向に半リング状に形成される。

図２（ａ）に示すように、外周リブ部１１６をスペーサ１３により挟持することにより、固定翼１１が所定位置に位置決めされる。このとき、内周リブ部１１４の内周面に形成された凹部１１ｂは、ロータ外周の凸部２０ａに対向する。

一方、５段目よりも下側に配設された固定翼１１には、曲げ加工による固定翼が採用されている。図４は、曲げ加工による固定翼１１を示す斜視図であり、半リング状の固定翼１１を２つ用いることでリング状の固定翼１１の１段分が構成される。固定翼１１には内周リブ部１１１と外周リブ部１１２とが設けられており、それらの間には複数のブレード１１０ｂが形成されている。

図２には図示していないが、各ブレード１１０ｂは幅の狭い支持部を介して外周リブ部１１２および内周リブ部１１１に支持されている。この支持部を捻るようにブレード１１０ｂを曲げ加工することで、ブレード１１０ｂに所定の翼角度が形成される。図２（ｂ）に示すように、外周リブ部１１２をスペーサ１３により挟持すると、内周リブ部１１１の一部がロータ２０の外周に形成された凹部２０ｂ内に入り込む。なお、停止時においては、内周リブ部１１１が凹部２０ｂ内に入り込んでいなくても構わない。

なお、図２は、ロータ２０が回転停止している状態に関して記載したものであり、図２（ａ）においては、回転翼先端と凸部１３ａとの間、および、固定翼先端と凸部２０ａとの間には隙間ができている。図２（ｂ）の固定翼先端と凸部１３ａとの間にも隙間ができている。

図５の（ａ）は従来のターボ分子ポンプの回転翼５０を示し、（ｂ）は本実施の形態による回転翼２１を示す。実際にポンプを使用している場合には、ロータ２０には回転による遠心力膨張が生じる。図５では、実線は回転時の状況を示し、破線は停止時の状況を示している。

図５（ａ）において、ロータ回転時には、回転翼５０とスペーサ１３との隙間はΔＧ１となり、固定翼５１とロータ２０との隙間はΔＧ４となる。回転翼５０および固定翼５１の寸法は、これらの隙間ΔＧ１，ΔＧ４が少なくとも磁気軸受部の隙間よりも大きくなるように設定されている。

ところで、隙間が大きいと気体分子の逆流量が多くなり、排気性能の低下を招く。分子が吸気口側から排気口側に通過する確率をM12、逆に分子が排気口側から吸気口側に通過する確率をM21とすると、吸気口側圧力P1と排気口側圧力P2との間には次式（１）のような関係がある。そのため、排気性能の点では、隙間はできる限り小さくするのが好ましい。
P2／Pl＝M12／M21 …（１）

しかしながら、上述した隙間ΔＧ１，ΔＧ４は、少なくとも磁気軸受部の隙間よりも大きくなるように設定され、ゼロとすることはできない。そこで、本実施の形態では、図５（ｂ）に示すように、回転翼２１とスペーサ１３との隙間、および、固定翼１１とロータ２０との隙間をラビリンス構造とすることで、隙間の影響を抑制して排気性能の向上を図るようにした。

回転翼先端の隙間ΔＧ１，ΔＧ２の部分において、吸気口側から排気口側が見通せないような構造とするには、回転時において、図２に示す寸法ΔＧ２，Aoutの間に次のような関係が成り立っていれば良い。
ΔＧ２≦Aout …（２）

隙間ΔＧ１，ΔＧ２は磁気軸受部の隙間よりも大きく設定する必要があり、ここでは、その値をΔＧ（＝ΔＧ１＝ΔＧ２）とする。そうすると、「Aout＝h1（凸部１３ａの高さ）」となるので、式（２）は次式（３）となる。
h1＝Aout≧ΔＧ …（３）

ここで、スペーサ１３の内周の半径をRout、停止時の回転翼２１の半径をrout、回転時の半径の膨張をΔrとすると、次式（４）が満足されるようにRout，routを設定すれば良い。
ΔＧ＋Δｒ＝Rout−rout …（４）

一方、固定翼１１の先端部分に関しても、同様に設定すれば良い。すなわち、隙間ΔＧ４に対して、次式（５）が成り立つようにすれば良い。ここでもΔＧ３＝ΔＧ４＝ΔＧのように設定すると、「Ain＝h2」となるので、式（５）は式（６）のようになる。停止時の隙間ΔＧ３はΔＧ＋Δｒのように設定される。なお、図２（ａ）の回転翼２１，固定翼１１に関する考え方は、図２（ｂ）に示した回転翼２１，固定翼１１にも同様に適用できる。
ΔＧ４≦Ain …（５）
h2＝Ain≧ΔＧ …（６）

図６は、変形例を示す図であり、（ａ）は図２の（ａ）と同様に、上から一段目の回転翼２１および固定翼１１を示したものであり、（ｂ）はＣ矢視図である。変形例においては、固定翼１１の内周側先端のラビリンス構造に、ネジ溝１１７を採用した。すなわち、固定翼１１のロータ２０に対向する内周面にネジ溝部１１７が形成されている。図６（ｂ）に示すように、ネジ溝部１１７には斜め方向に傾いた溝１１７ａが複数形成され、溝１１７ａと凸部１１７ｂとが交互に配置されている。

このネジ溝部１１７に対してロータ２０がＲ方向に回転すると、図１に示したモレキュラードラッグポンプ部と同様の排気作用が生じる。そのため、逆流防止するラビリンス効果に加えて、積極的に気体を下流側へと排気する効果も有しているので、図２に示すラビリンス構造よりも逆流防止作用は優れている。このネジ溝部１１７の排気作用は、排気口側に近いものほど効果的に作用する。また、変形例の場合、ネジ溝部１１７は固定翼１１側にだけ形成すれば良く、ロータ２０側に凸部を形成する必要がないので加工が簡単になる。なお、ネジ溝１１７をロータ２０側に形成しても、同様の効果を奏することができる。

上述したように、本実施の形態のターボ分子ポンプでは、回転翼２１および固定翼１１の先端部分をラビリンス構造とすることで気体の直線的な逆流を防止し、排気性能の向上を図ることができる。また、従来よりも隙間ΔＧを大きく設定することができるので、外乱が加わった際の回転体の接触を防止することができる。さらに変形例のようにラビリンス構造をネジ溝部１１７とすることで、排気性能向上をより高めることができる。

なお、図２（ａ）に示した構成では、回転翼２１および固定翼１１の先端に凹部を形成し、それらと対向するスペーサ１３およびロータ２０に凸部を形成したが、逆に、回転翼２１および固定翼１１の先端に凸部を形成し、スペーサ１３およびロータ２０に凹部を形成するようにしても構わない。また、停止時に、凹部１１ｂ，２１ｂ内に凸部２０ａ，１３ａの一部が挿入されるような構成であっても構わない。

なお、上述した実施の形態では、ハイブリッド型ターボ分子ポンプを例に説明したが、全翼タイプのターボ分子ポンプにも同様に適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。 回転翼２１および固定翼１１のラビリンス構造を示す図であり、（ａ）は上から一段目の回転翼２１および固定翼１１を示したものであり、（ｂ）は下から２段目の回転翼２１および固定翼１１を示したものである。 （ａ）は、回転翼２１の外周部の構造を示す図であり、（ｂ）は固定翼１１の内周側の構造を示す図である。 曲げ加工による固定翼１１を示す斜視図である。 ロータ回転時と停止時とを対比して示す図であり、（ａ）は従来のターボ分子ポンプの回転翼５０を示し、（ｂ）は本実施の形態による回転翼２１を示す。 変形例を示す図である。

符号の説明

１：ポンプ本体、１１，５１：固定翼、１３：スペーサ、１３ａ，２０ａ，１１７ｂ：凸部、２０：ロータ、２１，５０：回転翼、２１ｂ：凹部、２２：回転円筒部、１０：ベース、１１：固定翼、１２固定円筒部、１１０ａ：翼部、１１０ｂ：ブレード、１１３：貫通孔、１１１，１１４：内周側リブ部、１１２，１１６：外周側リブ部、１１７：ネジ溝部、１１７ａ：溝

Claims (4)

1. ロータの外周面に形成された複数段の回転翼と、
   前記ロータ外周面を囲むように配置され、前記複数段の回転翼に対して回転軸方向に交互に配設された複数段の固定翼と、
   前記複数段の固定翼の各々の軸方向間隔を所定間隔に保つスペーサリングと、
   前記回転翼の外周側端面とその外周側端面と対向する前記スペーサリングの内周面との間にラビリンス効果を有する手段を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. ロータの外周面に形成された複数段の回転翼と、
   前記ロータ外周面を囲むように配置され、前記複数段の回転翼に対して回転軸方向に交互に配設された複数段の固定翼と、
   前記複数段の固定翼の各々の軸方向間隔を所定間隔に保つスペーサリングと、
   前記固定翼の内周側端面とその内周側端面と対向する前記ロータ外周面との間にラビリンス効果を有する手段を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ラビリンス効果を有する手段は、前記固定翼の内周側端面およびその内周側端面と対向する前記ロータ外周面のいずれか一方に形成された凹部と他方に形成された凸部とで構成され、
   前記ロータの回転時には、少なくとも前記凹部内に前記凸部の一部が入り込んでいることを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ラビリンス効果を有する手段は、前記固定翼の内周側端面または該内周側端面に対向する前記ロータ外周面に形成されたネジ溝を備えることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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