JP2627437B2 - 複合真空ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （１）産業上の利用分野 本発明は粒子加速器、核融合実験、同位体分離等の実
験研究装置、電子顕微鏡、表面分析計等の分析計測装
置、及び半導体製造真空装置等の工業用真空装置におい
て、大気圧から高真空及び超高真空にわたる吸入圧範囲
で清浄な真空を確実に生成にできる有用な複合分子ポン
プに関する。

（２）従来の技術 従来この種の複合分子ポンプとして、第20図の如く吸
気口（ａ）と排気口（ｂ）とを有する筐体（ｃ）内に、
該吸気口（ａ）側からターボ分子ポンプ部（ｄ）、ねじ
溝ポンプ部（ｅ）及び渦流ポンプ部（ｆ）を順次配設し
たものが知られている。尚（ｈ）はこれらターボ分子ポ
ンプ部（ｄ）、ねじ溝ポンプ（ｅ）及び渦流ポンプ部
（ｆ）のロータ（ｇ）の回転軸、（ｉ）は該回転軸
（ｈ）を回転させるモータを示す。

（３）発明が解決しようとする問題点 この従来の複合分子ポンプによれば、十分に安定した
圧縮性能をもたせ、且つ排気速度を伸長させるために、
渦流ポンプ部（ｆ）を８段以上に形成し更に該渦流ポン
プ部（ｆ）の前段のねじ溝ポンプ部（ｅ）のロータ外径
を渦流ポンプ部（ｆ）の外径と同等以上とする構成にな
っている。

又ターボ分子ポンプ部（ｄ）の排気性能を特に分子量
の小さい水素（H₂）等に対して十分もたせるためにはね
じ溝ポンプ部（ｅ）の排気速度を十分大きくしなければ
ならないため、ねじ溝ポンプ部（ｅ）のねじ溝の幅を広
くし、更に圧縮比を十分高くするためねじ溝の全長を長
くすることが必要となり、その結果ねじ溝ポンプ部
（ｅ）のロータは軸方向に対して伸長した構成となり、
総合したロータ（ｇ）はその全長が比較的長く、且つ外
径も大きくなる。

かくて従来の複合分子ポンプにおいては、ロータが一
体形状で軸端創荷方式をとっているため、ロータ（ｇ）
の高速回転に伴い回転軸（ｈ）に曲げモーメントが働き
振動を誘発する。しかもねじ溝ポンプ部（ｅ）は肉厚の
外筒部分が大となると共に、重くて、総合したロータ
（ｇ）の全長が長くなるから、回転軸廻りの慣性モーメ
ントIzが大になると共に、軸中心線に直交する、ｘ軸及
びｙ軸の廻りの慣性モーメントIx及びIyが非常に大きく
なる。高速回転する回転体が振動が少なく安定した高速
運転をできるためには、Ix、IyがIzと同等か又はより小
であることが必要である。第20図の従来の複合分子ポン
プではIx、IyがIzよりも大になり、振動が少なく安定し
た高速運転をできるように動釣合をとることが困難とな
る問題点があった。

本発明は、これらの問題点を解消し、大気圧から超高
真空にわたる圧力範囲で大きな排気速度を有する複合分
子ポンプを安価に提供することを目的とする。

（４）問題点を解決するための手段 この問題を達成すべく本発明は、吸気口と排気口を有
する筐体内に、該吸気口側からターボ分子ポンプ部、円
周溝真空ポンプ部及び渦流ポンプ部を順次配設し、該円
周溝ポンプ部は、複数の回転円板の周辺部を切欠いて形
成した切込段部と該回転円板が介入されるステータに形
成の環状の凹部とにより前記各回転円板の周辺部に形成
された通風路と、隣り合う該通風路間を連通する連通路
とからなることを特徴とする。

（５）作用 運転の初期状態において、吸気口に流入した気体は主
として渦流ポンプ部で乱流状態となって圧縮排気され、
その後該流入気体は分子流状態でターボ分子ポンプ部に
流入し該ターボ分子ポンプ部の高速回転する動翼と静翼
とによりこの部分を移送圧縮される。そして連設された
円周溝ポンプ部において、この圧縮移動された気体は高
速回転する回転円板、特にその周辺部の気体摩擦による
モレキュラードラッグ効果による輸送効果を生じて大き
な排気速度と十分な圧縮作用を受けて分子流から粘性流
となり、次の渦流ポンプ部の吸入口に流入し、更に該渦
流ポンプ部において圧縮されほヾ大気圧まで圧縮されて
排気口から大気に放出される。

（６）実 施 例 本発明の複合真空ポンプの１実施例を第１図乃至第８
図に従って説明する。

（１）は筐体を示し、該筐体（１）内には上部にター
ボ分子ポンプ部（２）とその下方に円周溝ポンプ部
（３）と更にその下方に渦流ポンプ部（４）が設けられ
ており、前記ターボ分子ポンプ部（２）はロータ（５）
の外周面に突設した多数の動翼（2a）と前記筐体（１）
の内周面に突設した多数の静翼（2b）とからなり、又前
記円周溝ポンプ部（３）は前記ロータ（５）の外周面に
３枚の回転円板（3a）が突設されており、これら回転円
板（3a）はその上方から下方になるに従って板厚を順次
大から小にすると共に両面の周辺部を切欠いて切込段部
（3b）（3b）に形成し、これら各回転円板（3a）の切込
段部（3b）（3b）の切込み深さを上方から下方になるに
従って前述と同様に大から小にした。又（3c）は前記筐
体（１）の内面に固定したステータを示し、該ステータ
（3c）は前記回転円板（3a）に相当する位置において該
回転円板（3a）が介入される環状の凹部（3d）が形成さ
れており、該凹部（3d）と前記切込段部（3b）（3b）に
より前記各回転円板（3a）の周辺部の両面に通風路（3
e）（3e）を形成した。

ここで各回転円板（3a）の通風路（3e）（3e）におけ
る回転円板（3a）側とステータ（3c）側の対向面間の距
離ｂは前述の如く切込段部（3b）（3b）の切込み深さに
応じて上方から下方になるに従って大から小になる。そ
して前記各凹部（3d）に、前記回転円板（3a）の周辺部
が通過する部分を截除した隔壁（3f）を前記ステータ
（3c）より突設して該隔壁（3f）により通風路（3e）
（3e）を区切り、隣り合う回転円板（3a）（3a）の通風
路（3e）（3e）及び（3e）（3e）において上流側の回転
円板（3a）の通風路（3e）（3e）の隔壁（3f）の他側の
終端部と下流側の回転円板（3a）の通風路（3e）（3e）
の隔壁（3f）の１側の始端部との間を連通路（3g）によ
り連通し、更にこれら隔壁（3f）及び連通路（3g）を第
２図乃至第８図の如く上流側から下流側に至るに従って
その位置を順次ずらせて形成し、かくて吸気口（12）か
らの気体分子は連通路（3g）を介して送られながら各回
転円板（3a）の通風路（3e）（3e）において順次圧縮さ
れ、相当に高い圧縮比が得られる。そして最も上流側の
回転円板（3a）の通風路（3e）（3e）の隔壁（3f）の１
側の始端部を第１図の如くターボ分子ポンプ部（２）か
らの第１中間吸気口（６）に、又最も下流側の回転円板
（3a）の通風路（3e）（3e）の隔壁（3f）の他側の終端
部を第１図の前記渦流ポンプ部（４）の第２中間吸気口
（７）に連通した。

又渦流ポンプ部（４）は前記ロータ（５）の外周面に
突設し放射状の凹部（4d）を有する多数のラジアルブレ
ード（4a）とこれらにそれぞれ対向する吸込流路（4b）
を有するステータ（4c）とからなり、該流路（4b）の終
端部を第１図の如く排気口（13）に連通した。

又前記各ポンプ部（２）、（３）、（４）のロータ
（５）の軸（5a）は、前記筐体（１）の下方部のモータ
筐体（1a）から上方に突出する円筒（1b）の上方部に設
けた上部軸受（8a）及び該モータ筐体（1a）の底板（1
c）に設けた下部軸受（8b）によって支持され、又前記
軸（5a）の下方部には前記モータ筐体（1a）内に設けた
インダクションモータ、ヒステリシスモータ等からなる
高周波モータ（９）のロータ（9a）が固定されていると
共に、該軸（5a）の下端部は前記底板（1c）の下方に設
けた潤滑油槽（10）内の潤滑油中に没入しており、前記
高周波モータ（９）の駆動による前記軸（5a）の高速回
転による遠心力によって潤滑油が該軸（5a）の中心孔
（11）及びその枝孔（11a）（11a）を経て前記上部軸受
（8a）に供給される。又下部軸受（8b）は前記モータ筐
体（1a）の内周に設けた溝より潤滑油が供給される。

かくて前記各ポンプ部（２）、（３）、（４）の動翼
（2a）、回転円板（3a）、ラジアルブレード（4a）はロ
ータ（５）に一体に構成されているので高速回転によっ
ても振動も小さく騒音が殆ど発生しない。尚（12）は吸
気口、（13）は排気口を示す。

次に上記実施例の複合真空ポンプの作動を説明する。

高周波モータ（９）の駆動によりロータ（５）が回転
し始めると、その初期状態において吸気口（12）に流入
した気体は、乱流から中間流状態となりターボ分子ポン
プ部（２）の回転する動翼（2a）に衝突し、該動翼（2
a）と前記筐体（１）から突設した静翼（2b）との作用
により、該動翼（2a）の移動する円周方向と、軸に平行
な下方向の運動量が与えられ、積層された前記動翼（2
a）及び静翼（2b）の回転により下方に圧縮移動する。
尚、分子ポンプ部（２）は始動時の加速中は、密度の高
い気体がポンプ内に存在することによる風損と、回転体
の慣性モーメントに対する加速トルクが大きくなるが、
前記高周波モータ（９）の入力電流が過大にならないよ
うに回転数を制御している。

次に前記分子ポンプ部（２）により圧縮移動された気
体は第１中間吸気口（６）を経て前記ロータ（５）に一
体に形成された円周溝ポンプ部（３）の回転円板（3a）
の最も高速回転移動する周辺部の切込段部（3b）（3b）
の両面に当ってこの時の気体分子摩擦によるモレキュラ
ードラッグ効果により輸送効果が生じ連通路（3g）を介
して各回転円板（3a）の通風路（3e）（3e）を第２図の
矢印の如く順次輸送され、分子流から粘性流にある圧力
領域において排気作用を生じて全体として大きな圧縮比
を実現し、第２中間吸気口（７）を経て前記ロータ
（５）に一体に形成された渦流ポンプ部（４）のラジア
ルブレード（4a）の回転により圧縮される。そしてその
圧縮比は1.45〜2.0であり、該ラジアルブレード（4a）
を10段前後の多数段重ねることにより約70の圧縮比が得
られ、かくてこの圧縮比により、渦流ポンプ部では700P
a（5.2トル）以下から大気圧の領域にわたる吸入圧から
大気圧まで圧縮できる。従って本実施例の複合真空ポン
プによれば大気圧から超高真空まで大きな排気速度で気
体を排気可能となる。

ここで、発明者の実験によれば、ターボ分子ポンプ部
（２）の動翼（2a）の外径を200mmとし円周溝ポンプ部
（３）を３段とし渦流ポンプ部（４）のロータ外径を13
0mmとしたものを用意して、吸気口圧力−排気速度曲線
を求めたところ第９図のグラフが得られ、このグラフの
曲線は従来の複合真空ポンプに補助真空ポンプを接続し
た場合と略同一曲線であり、このことにより実施例の真
空ポンプは補助真空ポンプが不必要で１台の真空ポンプ
により大気圧から超高真空まで排気できることがわか
る。又第10図乃至第12図は円周溝ポンプ部（３）の第２
実施例を示し、該実施例においては前記各回転円板（3
a）の通風路（3e）（3e）における回転円板（3a）側と
ステータ（3c）側の対向面間の距離ｂが始端部から終端
部に向って徐々に小となるように形成し、圧縮性能を向
上したものである。

第13図は円周溝ポンプ部の第３実施例を示し、該実施
例においては、前記各回転円板（3a）の周辺部の切込段
部（3b）（3b）の個所の肉厚を外方になるに従って徐々
に薄く形成すると共に、これら切込段部（3b）（3b）と
これらに対向する前記凹部（3d）の内面との間の距離ｂ
は半径方向のいずれの位置でも等しくなるように該凹部
（3d）を外方に向うのに従って間隔が狭くなるように形
成したものである。

第14図乃至第17図は円周溝ポンプ部（３）の第４実施
例を示し、各回転円板（3a）の吸気口と吐出口を中心に
対して対称の位置に２個所設け、並列に排気圧縮するよ
うにして、排気速度を２倍にしたものである。

第18図は渦流ポンプ部（４）の第２実施例を示し、吸
込流路（4d）をラジアルブレード（4a）の両側に並列に
設けたもので次の段の通風路断面を並列部の70％とした
構造を示す。

第19図は渦流ポンプ部（４）の第３実施例を示し、一
枚のラジアルブレード（4a）の両面に凹部（4b）を設け
４段のポンプ要素を構成したものを示したものである。

そして第18図の実施例のものと第19図の実施例のもの
１〜２個とを組合せる等、少ない段重ねによっても実質
上多数段のラジアルブレードの渦流ポンプ部に相当す
る。

（７）発明の効果 このように本発明によると吸気口と排気口とを有する
筐体内に、いづれも排気圧縮作動部に真空ポンプ油が全
く存在しないターボ分子ポンプ部、円周溝ポンプ部及び
渦流ポンプ部とを吸気口側から順次配設し、吸気口から
の気体をターボ分子ポンプ部において一旦圧縮移送して
から円周溝ポンプ部においてその回転円板の特に高速に
回転する周辺部により前記気体が気体分子摩擦によるモ
レキュラードラッグで効率的な輸送効果を生ずると共
に、円周溝ポンプ部の排気速度を決定する第１段目の回
転円板の通風路への吸気口を半径方向に大きな寸法をと
ることが可能となり、かくて大きな排気速度を得ること
ができ、更に渦流ポンプ部に設けた多数のラジアルブレ
ードにより高い圧縮比が得られ、大気圧から超高真空に
わたる吸入範囲で各圧力分野に対応して十分な排気速度
を気体の分子量及び化学性質に関係なく得られ、且つ吸
気口側から排気口側に至る回転体は円周溝ポンプ部の大
きな排気性能の効果により、従来より軸方向の長さを著
しく短縮し得て各ポンプ部のロータが小型に一体化で
き、回転軸の端部に結合した単ロータ形に構成可能とな
り、振動の発生を抑止できると共に、小型軽量なロータ
に高精度の加工を要求されず、かくてコンパクトで且つ
軽量でオイルフリーの清浄な真空を生成できる真空ポン
プが廉価に得られる効果を有する。さらに本発明による
複合真空ポンプは、アルミニウム合金で一体化したロー
タ及びステータに耐食性をコーティングすることにより
有害な腐食性のガスに対する耐食性をもち、潤滑油が汚
染されることがなく、また構成するポンプ部がすべて気
体に対して遠心方向の流速を与えるものであり、各段の
吐出口を半径方向の外周部に設けてあって、ポンプがプ
ロセスガスと共に粉粒体を吸入したり、あるいは圧縮中
に化学反応により粉粒体を生じても、支障なく運転し、
粉粒を排気口に順次排出する効果を有するから、半導体
製造真空装置等において極めて有用で経済的効果が大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合真空ポンプの第１実施例の全体の
断面図、第２図は第１図のＩ−Ｉ線截断面図、第３図は
第２図のII−II線截断面図、第４図は第２図のIII−III
線截断面図、第５図は第２図のIV−IV線截断面図、第６
図は第２図のＶ−Ｖ線截断面図、第７図は第２図のVI−
VI線截断面図、第８図は第２図のVII−VII線截断面図、
第９図は吸気口圧力と排気速度との関係を示すグラフ、
第10図乃至第12図は円周溝ポンプ部の第２実施例の部分
断面図、第13図は円周溝ポンプ部の第３実施例の部分断
面図、第14図は円周溝ポンプ部の第４実施例を示す第２
図に相当する断面図、第15図は第14図のＩ−Ｉ線截断面
図、第16図は第14図のII−II線截断面図、第17図は第14
図のIII−III截断面図、第18図は渦流ポンプ部の第２実
施例を示すロータの個所の縦断面図、第19図は渦流ポン
プ部の第３実施例を示すロータの個所の縦断面図、第20
図は従来の複合分子ポンプの断面図である。 （１）……筐体 （２）……ターボ分子ポンプ部 （３）……円周溝ポンプ部 （４）……渦流ポンプ部 （12）……吸気口 （13）……排気口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井口 昌司 東京都八王子市椚田町1221 株式会社大 阪真空機器製作所八王子工場内 (56)参考文献 特開 昭57−59098（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−85290（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸気口と排気口を有する筐体内に、該吸気
   口側からターボ分子ポンプ部、円周溝ポンプ部及び渦流
   ポンプ部を順次配設し、該円周溝ポンプ部は、複数の回
   転円板の周辺部を切欠いて形成した切込段部と該回転円
   板が介入されるステータに形成の環状の凹部とにより前
   記各回転円板の周辺部に形成された通風路と、隣り合う
   該通風路間を連通する連通路とからなることを特徴とす
   る複合真空ポンプ。