JP2018035718A - 真空ポンプ、および真空ポンプに備わる回転円筒体 - Google Patents
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Abstract
Description
詳しくは、回転円筒体に加わる応力を低減する真空ポンプ、および真空ポンプに備わる回転円筒体に関する。
このようなロータ円筒部が設けられる真空ポンプを含め、一般的に真空ポンプでは、遠心力によりロータ円筒部の内径側に対して応力が生じ、その応力が設計基準値を超える虞があった。
図6は、従来の真空ポンプ1000を説明するための図である。
図6に示したように、従来の真空ポンプ1000には、ねじ溝排気要素20と隙間(クリアランス)を介して軸方向に対向してロータ円筒部1001が配設される。このロータ円筒部1001に応力が生じると、高温下での長期運動によってロータ円筒部1001が徐々に変形・膨張するクリープ現象が生じる。
このクリープ現象によりねじ溝排気要素20とロータ円筒部1001とのクリアランスが規定値量小さくなるまでの期間であるクリープ寿命は、メンテナンスコストの観点から可能な限り長い方がよい。
しかしながら、回転体の回転数を下げれば排気性能は低下してしまっていた。
請求項2記載の本願発明では、前記縮径部は、当該縮径部の外径側の一部に前記回転軸の軸方向と垂直な底面を有し、前記底面と当該縮径部の外径面とで形成される角度は直角であることを特徴とする請求項1に記載の真空ポンプ
を提供する。
請求項3記載の本願発明では、前記縮径部の前記底面の位置は、前記延伸部の起点の位置と一致することを特徴とする請求項2に記載の真空ポンプを提供する。
請求項4記載の本願発明では、前記縮径部は、前記延伸部の前記起点から終点にかけての少なくとも一部に勾配を設けることで形成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の真空ポンプを提供する。
請求項5記載の本願発明では、前記縮径部の前記勾配の起点は、前記延伸部の前記起点と一致することを特徴とする請求項4に記載の真空ポンプを提供する。
請求項6記載の本願発明では、前記請求項1から前記請求項5の少なくとも1項に記載された真空ポンプに備わる回転円筒体を提供する。
本発明の実施形態に係る真空ポンプでは、真空ポンプに備わるロータ円筒部(回転円筒体)の排気口側下部において、吸気口側の外径よりも小さい外径を有する縮径部(テーパ/面取り)が設けられる。
より詳しくは、ロータ円筒部の最下端部(排気口側端部)をねじ溝排気要素より長く設計して延伸部を設ける。そして、そのロータ円筒部の延伸部に、ロータ円筒部の吸気口側であり且つねじ溝排気要素と対向する部分(対向部)よりも外径の大きさが小さい縮径部を設ける。
ロータ円筒部においては、回転時に内径側に発生する応力は外径が小さいほど小さくなるので、上述した縮径部を有する構成により、回転体(ロータ円筒部など)の回転数を下げずとも、ロータ円筒部の内径側に発生する応力を低減させることができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1から図5を参照して詳細に説明する。
(真空ポンプ1の構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る真空ポンプ1の概略構成例を示した図であり、真空ポンプ1の軸線方向の断面図を示している。
なお、本発明の実施形態では、便宜上、回転翼の直径方向を「径(直径・半径)方向」、回転翼の直径方向と垂直な方向を「軸線方向(または軸方向)」として説明する。
真空ポンプ1の外装体を形成するケーシング(外筒)2は、略円筒状の形状をしており、ケーシング2の下部(排気口6側)に設けられたベース3と共に真空ポンプ1の筐体を構成している。そして、この筐体の内部には、真空ポンプ1に排気機能を発揮させる構造物である気体移送機構が収納されている。
本実施形態では、この気体移送機構は、回転自在に支持された回転体(回転翼9/ロータ円筒部10など)と、筐体に対して固定された固定部(固定翼30/ねじ溝排気要素20など)から構成されている。
また、図示しないが、真空ポンプ1の外装体の外部には、真空ポンプ1の動作を制御する制御装置が専用線を介して接続されている。
また、ベース3には、当該真空ポンプ1から気体を排気するための排気口6が形成されている。
各回転翼9は、シャフト7の軸線に対して垂直に放射状に伸びた円板形状の円板部材により構成される。
また、ロータ円筒部10は、ロータ8の回転軸線と同心の円筒形状をした円筒部材により構成される。本実施形態では、このロータ円筒部10に縮径部が設けられる。なお、縮径部については後述する。
さらに、ステータコラム80内には、シャフト7のモータ部に対して吸気口4側と排気口6側に、シャフト7をラジアル方向(径方向)に非接触で支持するための径方向磁気軸受装置が設けられている。また、シャフト7の下端には、シャフト7を軸線方向(アキシャル方向)に非接触で支持するための軸方向磁気軸受装置が設けられている。
なお、回転翼9と固定翼30は互い違いに配置され、軸線方向に複数段形成されるが、真空ポンプ1に要求される排出性能を満たすために、必要に応じて任意の数のロータ部品およびステータ部品を設けることができる。
ねじ溝排気要素20のロータ円筒部10との対向面には、ネジ溝(らせん溝)が形成されている。
ねじ溝排気要素20におけるロータ円筒部10との対向面側(すなわち、真空ポンプ1の軸線に平行な内周面)は、所定のクリアランスを隔ててロータ円筒部10の外周面と対面しており、ロータ円筒部10が高速回転すると、真空ポンプ1で圧縮されたガスがロータ円筒部10の回転に伴ってネジ溝にガイドされながら排気口6側へ送出されるようになっている。すなわち、ネジ溝は、ガスを輸送する流路となっている。
このように、ねじ溝排気要素20におけるロータ円筒部10との対向面と、ロータ円筒部10とが、所定のクリアランスを隔てて対向することにより、ねじ溝排気要素20の軸線方向側内周面に形成されたネジ溝でガスを移送する気体移送機構を構成している。
なお、ガスが吸気口4側へ逆流する力を低減させるために、このクリアランスは小さければ小さいほど好ましい。
また、ねじ溝排気要素20に形成されたらせん溝の方向は、らせん溝内をロータ8の回転方向にガスが輸送された場合、排気口6に向かう方向である。
また、らせん溝の深さは、排気口6に近づくにつれて浅くなるようになっており、らせん溝を輸送されるガスは排気口6に近づくにつれて圧縮されるようになっている。
上述した構成により、真空ポンプ1は、当該真空ポンプ1に配設される真空室(図示しない)内の真空排気処理を行うことができる。
上述したロータ円筒部10について、図2および図3を用いて詳細を説明する。
図2は、ロータ円筒部10における対向部10t、延伸部11、ならびに縮径部11aを説明するための図である。
図3は、ロータ円筒部10における対向部10tおよび延伸部11の拡大図である。
図2および図3(a)に示したように、ロータ円筒部10は、ねじ溝排気要素20と所定の隙間を隔てて軸線方向に対向する対向部10t、ねじ溝排気要素20よりも排気口6側に延伸した延伸部11ならびに縮径部11aを有する。
また、本実施形態では、ロータ円筒部10における対向部10tの内径をr、外径をRtとして説明する。そして、縮径部11aの最下端部(排気口6側)の外径をRs、縮径部11aの漸化外径をmとして説明する。なお、本実施形態では、「少しずつ変化する外径」という意味で「漸化外径」を用いる。
本実施形態に係る真空ポンプ1に備わるロータ円筒部10は、ねじ溝排気要素20よりも排気口6側に延伸した延伸部11において、延伸部11ではない部分のロータ円筒部10(対向部10t)の外径Rtよりも小さい漸化外径m(r<m<Rt)を有する縮径部11aが形成される。この漸化外径mは、吸気口4側から排気口6側にかけて値が小さくなる。
言い換えると、本実施形態に係るロータ円筒部10は、延伸部11の外径側において、所定の角度θa(図3(a))の勾配を有する部分(縮径部11a)を有する。この勾配は、例えば、延伸部11の外径側をテーパ形状に設計したり、あるいは延伸部11の外径側に面取りを施すなどして構成することができる。
なお、本実施形態では、所定の角度θaは、ロータ円筒部10の対向部10tにおける外径面の延長線Lと漸化外径mの延長線nとで形成される部分を指す。
図3(b)には、変形例1に係る縮径部11bが、図3(c)には、変形例2に係る縮径部11cが各々示されている。
縮径部は、図3(b)に示したように、上述した縮径部11aが有する所定の角度(勾配)θaよりも大きな角度θbを有する縮径部11bのように構成にしてもよい。
すなわち、縮径部11cは、吸気口4側が真空ポンプ1の軸方向と垂直な面F(底面)を有し、かつ、この面Fと縮径部11cの外径側面とで形成される角度が直角(R)になるように縮径部11cを構成する。この場合は、上述した所定の角度θcはθc=90度になる。
図4には、延伸部11の起点とは起点が異なる縮径部12を有するロータ円筒部100が、点線αで囲まれた部分の断面拡大図とともに示されている。
ΔLは、ロータ円筒部100における延伸部11の軸方向の長さ、長さaは縮径部
12における軸方向の長さ、そして、面積Aは縮径部12を形成するために切り取られた部分の断面積(切り取り面積/実線の斜線と2本の点線とで囲まれた直角三角形の部分)を各々示している。
図5は、応力低減効果を比較した表であり、縦軸にロータ円筒部100の内径における吸気口4側からの長さ(p)をとり、横軸にロータ円筒部100を備えた真空ポンプ1のロータ円筒部100の内径側の応力値(シミュレーション時の解析値)をとっている。
図5に示したように、切り取り面積Aを設けていない(すなわち、延伸部11および縮径部12を設けていない)「(面積A)無し」の解析値に対し、切り取り面積A(切り取った部分が三角形または長方形)を設けた構造の方が、縮径部12の内径側に発生する応力が小さくなることが分かる。
さらに、図5に示した解析結果により、切り取り面積Aを同値にした場合は、「a>m」の構成が最も応力を低減させることができることがわかる。
したがって、特別な制約が無い限り、ロータ円筒部100における延伸部11の軸方向の長さΔLを、縮径部12における軸方向の長さaよりも大きく設計する必要
はない。すなわち、必ずしもΔL>aになるように延伸部11および縮径部12を構成
しなくてもよい。
このように、ロータ円筒部100を備えた真空ポンプ1は、延伸部11および縮径部12の構造により、ロータ円筒部100の内径側に発生する応力を低減することがわかる。
なお、図4および図5では一例としてロータ円筒部100を用いたが、ロータ円筒部10を用いても同様の結果がいえる。
また、回転数を下げずともクリープ現象を防止することができるので、回転数を下げることによる真空ポンプ1の排気性能の低下を防止することができる。
あるいは、この構成によりロータ円筒部10(100)を含むロータ部の回転数を上げることができ得るので、真空ポンプ1の排気性能を向上させることができる。
2 ケーシング(外筒)
3 ベース
4 吸気口
5 フランジ部
6 排気口
7 シャフト
8 ロータ
9 回転翼
10 ロータ円筒部
10t 対向部
11 延伸部
11a 縮径部
11b 縮径部
11c 縮径部
12 縮径部
20 ねじ溝排気要素
30 固定翼
40 固定翼スペーサ
80 ステータコラム
100 ロータ円筒部
1000 従来の真空ポンプ
1001 ロータ円筒部
Claims (6)
- 吸気口と排気口が形成された外装体と、
前記外装体に固定され、ねじ溝を有するねじ溝型排気機構と、
前記外装体に内包され、回転自在に支持された回転軸と、
前記回転軸に配設され、前記ねじ溝型排気機構と隙間を介して対向する対向部および前記ねじ溝型排気機構よりも下流側に延伸した延伸部を有し、当該延伸部において前記対向部の外径よりも小さい外径を有する縮径部を備える回転円筒体と、
を具備することを特徴とする真空ポンプ。
- 前記縮径部は、当該縮径部の外径側の一部に前記回転軸の軸方向と垂直な底面を有し、前記底面と当該縮径部の外径面とで形成される角度は直角である
ことを特徴とする請求項1に記載の真空ポンプ。
- 前記縮径部の前記底面の位置は、前記延伸部の起点の位置と一致する
ことを特徴とする請求項2に記載の真空ポンプ。
- 前記縮径部は、前記延伸部の前記起点から終点にかけての少なくとも一部に勾配を設けることで形成される
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の真空ポンプ。
- 前記縮径部の前記勾配の起点は、前記延伸部の前記起点と一致する
ことを特徴とする請求項4に記載の真空ポンプ。
- 前記請求項1から前記請求項5の少なくとも1項に記載された真空ポンプに備わる回転円筒体。
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