JP2000249091A

JP2000249091A - 複合型真空ポンプ

Info

Publication number: JP2000249091A
Application number: JP4924199A
Authority: JP
Inventors: Wataru Egawa; 亘江川
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】ねじ溝型ポンプ要素(A) と渦流型ポンプ要素
(B) とを組み合わせた複合型真空ポンプにおいて、回転
軸(2) のスラスト荷重を低減する。【解決手段】ねじ溝型ポンプ要素(A) と渦流型ポンプ
要素(B) とを回転軸(2)の両端部に離して配置し、各ポ
ンプ要素(A,B) のロータ(3,8) に作用する圧力差が逆向
きになるように気体通路(7a,7b) を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ねじ溝型ポンプ要
素と渦流型ポンプ要素とを組み合わせた複合型真空ポン
プに関し、特に、回転軸に作用するスラスト荷重の低減
策に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、実公平７−３４２３４号公報
に記載されているように、ねじ溝型ポンプ要素と渦流型
ポンプ要素とを組み合わせた複合型真空ポンプが提案さ
れている。この真空ポンプでは、さらにジグバーン型ポ
ンプ要素を組み合わせており、各ポンプ要素は、モータ
に連結された回転軸の一端側に直列に設けられている。
具体的には、ケーシングの吸気口側から排気口側に向か
って、ねじ溝型ポンプ要素のロータと、ジグバーン型ポ
ンプ要素のロータと、渦流型ポンプ要素のロータとがそ
の順に位置するように回転軸に固定し、かつ、各ポンプ
要素の気体通路を吸気口と排気口の間で連続させた構成
としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようにねじ溝型ポ
ンプ要素と渦流型ポンプ要素とを気体通路の上流側と下
流側で組み合わせたポンプにおいて、中間に上記ジグバ
ーン型などの他のポンプ要素を設けない場合は特に、渦
流型ポンプ要素で数Torrから１０torr程度までの真空領
域を受け持つ必要がある。このため、渦流型ポンプ要素
を多段にし、しかも径の大きな構造にする必要が生じ
る。

【０００４】ところで、上記従来の構成では、各ポンプ
要素のロータが回転軸の一端側にまとめて固定されてい
るので、各ロータの周囲で発生する大気圧との圧力差が
各ロータに対して同じ方向に作用し、各ロータにおける
圧力差とその作用面積の積の合計が、回転軸を支持する
軸受けにスラスト荷重として作用する。このうえ、上述
したような理由から渦流型ポンプ要素の径が大きくなる
と、そのロータの吸気側と排気側とで生じる圧力差がよ
り大きな面積に作用することになり、スラスト荷重が増
えることになる。

【０００５】本発明は、このような問題点に鑑みて創案
されたものであり、その目的とするところは、ねじ溝型
ポンプ要素と渦流型ポンプ要素とを組み合わせた複合型
真空ポンプにおいて、回転軸のスラスト荷重を低減する
ことである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、ねじ溝型ポン
プ要素と渦流型ポンプ要素とを回転軸の両端部に離して
配置して、各ロータに作用する大気圧との圧力差が逆向
きになるように気体通路を構成したものである。

【０００７】具体的に、本発明が講じた第１の解決手段
は、ケーシング(1) 内にねじ溝型ポンプ要素(A) と渦流
型ポンプ要素(B) とを備えた複合型真空ポンプを前提と
し、回転軸(2) の第１端側にねじ溝型ポンプ要素(A) の
ロータ(3) を固定するとともに、回転軸(2) の第２端側
に渦流型ポンプ要素(B) のロータ(8) を固定し、両ロー
タ(3,8) の周囲に発生する大気圧との圧力差が、各ロー
タ(3,8) に対して互いに逆向きに作用するように気体通
路(7a,7b) を構成したものである。

【０００８】また、本発明が講じた第２の解決手段は、
上記第１の解決手段において、ねじ溝型ポンプ要素(A)
の排気口(12)と渦流型ポンプ要素(B) の吸気口(17)とを
接続したものである。

【０００９】また、本発明が講じた第３の解決手段は、
上記第１または第２の解決手段において、回転軸(2)
を、ラジアル気体軸受け(5a,5b) を介してケーシング
(1) に支持するように構成したものである。

【００１０】また、本発明が講じた第４の解決手段は、
上記第１乃至第３の何れか１の解決手段において、回転
軸(2) を、スラスト気体軸受け(5d)を介してケーシング
（１）に支持するように構成したものである。

【００１１】また、本発明が講じた第５の解決手段は、
上記第４の解決手段において、渦流型ポンプ要素（Ｂ）
の気体通路(7b)をロータ(8) における第２端側の面に
構成すると共に、該ロータ(8) における第１端側の面を
スラスト気体軸受(5d)の軸受け面として構成したもので
ある。

【００１２】また、本発明が講じた第６の解決手段は、
上記第１乃至第５の何れか１の解決手段において、ねじ
溝型ポンプ要素(A) に、同心状で複数のねじ溝(T1,T2,T
3)からなる筒状通路(C1,C2,C3)を設けるとともに、気体
通路(7a)を、内外に隣合う筒状通路(C1,C2)(C2,C3)が第
１端側端部と第２端側端部で交互に連通路(C4,C5) を介
して連通した構成とし、かつ第２端側端部から第１端側
端部への方向に気体が流れる筒状通路(C2)を、該方向に
向かって小径になるようにテーパ状に形成し、さらに、
渦流型ポンプ要素(B) の気体通路(7b)を、ロータ(8) に
対して回転軸(2) の第２端側の面に配置したものであ
る。

【００１３】−作用− 上記第１の解決手段では、ねじ溝型ポンプ要素(A) のロ
ータ(3) に作用する大気圧との圧力差と、渦流型ポンプ
要素(B) のロータ(8) に作用する大気圧との圧力差が、
互いに逆向きになるように気体通路(7a,7b) が構成され
ているので、各ロータ(3,8) によるスラスト荷重は、互
いに相殺し合う方向に作用する。

【００１４】また、上記第２の解決手段では、ねじ溝型
ポンプ要素(A) と渦流型ポンプ要素(B) を直列に接続し
ているので、吸気口(11)から吸い込まれた気体は、ねじ
溝型ポンプ要素(A) の気体通路(7a)を通った後、渦流型
ポンプ要素(B) の気体通路(7b)を通って、外部に排出さ
れる。

【００１５】また、上記第３の解決手段では、回転軸
(2) の回転時のラジアル荷重が、ラジアル気体軸受け(5
a,5b) で支持され、第４の解決手段では、回転軸(2) の
回転時のスラスト荷重が、スラスト気体軸受け(5d)を介
して支持される。

【００１６】また、上記第５の解決手段では、渦流型ポ
ンプ要素(B) のロータ(8) を利用してスラスト気体軸受
け(5d)を構成するようにしているので、該ロータ(8) と
スラスト気体軸受け(5d)とを別々に設ける場合と比べ
て、部品点数が削減される。また、ロータ(8) の第１端
側の面にスラスト気体軸受け(5d)を設けるようにしたこ
とにより、渦流型ポンプ要素(B) の軸方向のクリアラン
スが安定する。

【００１７】上記第６の解決手段では、第１端側端部か
ら第２端側端部に向かう方向へ気体が流れる筒状通路(C
2)が、その方向に向かって小径になるようにテーパ状に
形成されているので、この筒状通路(C2)を軸方向に真っ
直ぐに形成した場合と比べて、この筒状通路(C2)と下流
側の筒状通路(C3)との間の連通路(C5)の外径が小さくな
り、その面積を小さくできる。

【００１８】ロータ(3) に作用する圧力差は、ポンプの
起動時などの低速回転域において、この連通路(C5)で比
較的大きな値となる。このため、この連通路(C5)の面積
が大きいと、ロータ(3) から回転軸(2) に作用するスラ
スト荷重が大きくなるのに対して、この第６の解決手段
では、連通路(C5)の面積が小さくなるので、該連通路(C
5)に作用する大気圧との圧力差によるスラスト荷重は小
さくなる。一方、この第６の解決手段では、テーパ状の
筒状通路(C2)にも圧力差が作用することになるが、その
圧力差は径の大きな部分になるほど小さくなるため、こ
のテーパ部分で発生するスラスト荷重は小さく、低速回
転域でのトータルとしてのスラスト荷重は従来よりも小
さくなる。

【００１９】

【発明の効果】上記第１の解決手段によれば、各ポンプ
要素(A,B) を回転軸(2) の両端部に離して配置すること
によって、各ロータ(3,8) によるスラスト荷重が互いに
相殺し合うように気体通路(7a,7b) を配置することが可
能となり、回転軸(2) に作用するスラスト荷重を低減す
ることができる。

【００２０】また、上記第２の解決手段によれば、ねじ
溝型ポンプ要素(A) と渦流型ポンプ要素(B) とを直列に
接続しているので、両ポンプ要素(A,B) を回転軸(2) の
両側に離して配置することによってスラスト荷重の低減
を図りながら、しかもポンプ性能が低下するのを防止で
きる。

【００２１】また、上記第３及び第４の解決手段によれ
ば、スラスト荷重が低減されたことから気体軸受け(5a,
5b,5d)を使用するようにしているので、他の種類の軸受
けを使用する場合に比べてコストダウンが可能となる。
特に、第３の解決手段では、ラジアル気体軸受け(5a,5
b) を使用しているので、ボールベアリング等を使用す
る場合に比べて回転軸(2) の振れを小さくでき、回転軸
(2) の振れが小さくなると、ねじ溝型ポンプ要素(A) に
おけるねじ溝の隙間を小さくすることができるから、渦
流型ポンプ要素(B) での到達圧が従来より高くても、ね
じ溝型ポンプ要素(A) が作用し出す利点がある。このた
め、従来は、数Torrから１０Torr程度で作用し出すねじ
溝型ポンプ要素(A) に合わせるために渦流型ポンプ要素
(B) を複数段にしたりする必要があったのに対して、渦
流型ポンプ要素(B) を単段にできるため、コストダウン
が可能となる。

【００２２】また、上記第５の解決手段によれば、部品
点数を削減することができるため、さらにコストダウン
を図ることが可能となる。さらに、渦流型ポンプ要素
(B) の軸方向のクリアランスが安定することから、ポン
プ性能が安定する利点がある。

【００２３】また、上記第６の解決手段によれば、回転
軸(2) からロータ(3) に作用する吸気口方向へのスラス
ト荷重を、特に起動時などの低速回転域において低減で
きるので、特にスラスト気体軸受け(5d)の使用が容易と
なり、複合型真空ポンプの低コスト化を実現できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る複
合型真空ポンプを図面に基づいて詳細に説明する。

【００２５】図１は、この複合型真空ポンプの全体構成
を示す縦断面図である。この複合型真空ポンプは、ねじ
溝型ポンプ要素(A) と渦流型ポンプ要素(B) とを組み合
わせて構成した真空ポンプであり、各ポンプ要素(A,B)
の吸気口(11,17) 及び排気口(12,18) を有する大略円筒
状のケーシング(1) 内に回転軸(2) が回転可能に設けら
れるとともに、この回転軸(2) の第１端（上端）側にね
じ溝型ポンプ要素(A)のロータ(3) が固定され、第２端
（下端）側に渦流型ポンプ要素(B) のロータ(8) が固定
されている。そして、各ポンプ要素(A,B) の気体通路(7
a,7b) は、後に詳細に説明するように、両ロータ(3,8)
の周囲に発生する大気圧との圧力差が各ロータ(3,8) に
対して互いに逆向きに作用するように構成されている。

【００２６】ねじ溝型ポンプ要素(A) は、回転軸(2) に
回転一体に設けられたロータ(3) と、ケーシング(1) に
固定されるとともに該ケーシング(1) の一部を構成する
部材でもあるステータ(4) とを備えている。この回転軸
(2) は、ケーシング(1) の中心線上を回転中心として回
転するように軸受け(5a,5b,5c,5d) を介して支持されて
いる。また、ケーシング(1) には、回転軸(2) を回転駆
動するモータ(6) が固定されている。

【００２７】ケーシング(1) は、上部ケーシング(13)
と、この上部ケーシング(13)にステータ(4) のベース部
(14)を介して固定される下部ケーシング(15)と、下部ケ
ーシング(15)の底面にボルト(B1)で固定されて該下部ケ
ーシング(15)の下端開口を閉塞する底部ケーシング(16)
とから構成されている。

【００２８】上部ケーシング(13)は、上端部が絞られた
円筒状の本体部(13a) と、この本体部(13a) の上端に固
定された吸気口フランジ(13b) と、本体部(13a) の下端
に設けられた固定用フランジ(13c) とを備えている。そ
して、吸気口フランジ(13b)に、上記吸気口(11)が形成
されていて、該吸気口フランジ(13b) は、図示しない真
空容器等に取り付けられるように構成されている。

【００２９】また、下部ケーシング(15)は、回転軸(2)
やモータ(6) を支持することから上部ケーシング(13)よ
りも肉厚に形成された本体部(15a) と、この本体部(15
a) の上端に一体に設けられた固定用フランジ(15b) と
を有している。そして、この下部ケーシング(15)の固定
用フランジ(15b) から、ステータ(4) のベース部(14)を
通して、ボルト(B2)を上部ケーシング(13)の固定用フラ
ンジ(13c) に締め付けることによって、上部ケーシング
(13)、ステータ(4) 、及び下部ケーシング(15)が一体化
する構造になっている。

【００３０】回転軸(2) は、２箇所に配置されたラジア
ル軸受け(5a,5b) と、２箇所に配置されたスラスト軸受
け(5c,5d) とを介して下部ケーシング(15)に支持されて
いる。ラジアル軸受け(5a,5b) は、それぞれ、動圧型ラ
ジアル気体軸受けであって、回転軸(2) の外周面（軸受
け面）に僅かな隙間（８〜１０ミクロン程度）を隔てて
対向する内周面を備えた第１，第２軸受け部材(51,52)
と、該回転軸(2) の軸受け面に形成されたヘリンボーン
溝(53,54) とから構成されている。

【００３１】上側の第１軸受け部材(51)は、下部ケーシ
ング(15)の上端面に固定され、下側の第２軸受け部材(5
2)は、下部ケーシング(15)の内周面下端部に固定されて
いる。また、回転軸(2) は、回転軸本体(21)と、該回転
軸本体(21)の下端にボルト(B3)で固定されたスリーブ(2
2)とから構成されている。そして、回転軸本体(21)の中
間部の外周面と、スリーブ(22)の外周面とが上記ヘリン
ボーン溝(53,54) の形成された軸受け面として構成さ
れ、両軸受け面は、互いに同一の外径に形成されてい
る。

【００３２】以上の構成により、回転軸(2) の回転時に
は、回転軸(2) の外周面と第１，第２軸受け部材(51,5
2) の内周面との間に生成される気体圧力による気体膜
を介して、回転軸(2) が軸受け部材(51,52) に非接触で
回転自在に支持される。

【００３３】スラスト軸受け(5c,5d) は、モータ(6) の
停止時における回転軸(2) の重量を支持する第１スラス
ト軸受け(5c)と、モータ(6) の回転に伴って回転軸(2)
に上向きに作用するスラスト荷重を受ける第２スラスト
軸受け(5d)とから構成されている。第１スラスト軸受け
(5c)は、セラミックボール(55)と、このセラミックボー
ルが点接触する低摩擦係数の支持板(56)とで構成されて
いる。

【００３４】また、第２スラスト軸受け(5d)は、動圧型
スラスト気体軸受けであって、上記第２軸受け部材(52)
と、上記スリーブ(22)に一体に形成されたスラスト円板
(57)とから構成されている。具体的には、スラスト円板
(57)の上面が、第２軸受け部材(52)の下面に対して僅か
な隙間（８〜１０ミクロン程度）を隔てて対向するよう
に配置されると共に、該スラスト円板(57)の上面に、図
１のII−II線断面図である図２に示すようにスパイラル
溝(58)が形成されている。

【００３５】以上の構成により、回転軸(2) の静止時等
には、回転軸(2) の下向きの荷重が第１スラスト軸受け
(5c)で支持されると共に、回転軸(2) の回転時には、回
転軸(2) に作用する上向きのスラスト力に抗して、スラ
スト円板(57)の上面と軸受け部材(52)の下面との間に生
成される気体圧力による気体膜を介して、回転軸(2)が
軸受け部材(52)に非接触で支持される。

【００３６】上記モータ(6) は、動圧型ラジアル気体軸
受け(5a),(5b) の間に配置されている。該モータ(6)
は、回転軸(2) に回転一体に外嵌合したモータロータ(6
1)と、このモータロータ(61)の外周側に配置され、下部
ケーシング(15)に固定されたモータステータ(62)とから
構成されている。モータロータ(61)の外径は、上記ヘリ
ンボーン溝(53,54) が形成された回転軸(2) の外周面と
実質的に同一の外径に形成されている。なお、下部ケー
シング(15)には、モータ(6) を冷却するための水冷管(1
5c) が内蔵されている。

【００３７】上記ねじ溝型ポンプ要素のロータ(3) は、
円板状のベース部(3a)と、該ベース部(3a)の外周縁に形
成された回転筒(3b)とから、下端が開口した有底筒状の
部材として構成されている。そして、このロータ(3)
は、ベース部(3a)が、上記回転軸(2) の上端部に対して
ボルト(B4)により回転一体に連結されている。

【００３８】ロータ(3) の回転筒(3b)の外周面と、上部
ケーシング(13)の内周面との間には、第１筒状通路(C1)
が形成されている。この第１筒状通路(C1)は、ロータ
(3) の回転筒(3b)の外周面に形成された第１ねじ溝(T1)
により構成されている。この第１ねじ溝(T1)は、回転筒
(3b)の上端側から下端側へ向かうほど、ねじ深さが浅く
なるように形成されている。また、回転筒(3b)の内周面
は、上端側から下端側にかけて大径になるように径変化
するテーパ面に形成されている。

【００３９】ステータ(4) は、このロータ(3) の回転筒
(3b)の内周面に対して僅かな隙間を隔てて対向するテー
パ状の外周面と、回転軸(2) の外周面に対して僅かな隙
間を隔てて対向する内周面とを有する固定筒(41)が、上
記ベース部(14)と一体に形成されたものである。そし
て、このロータ(3) の回転筒(3b)の内周面と、ステータ
(4) の固定筒(41)の外周面に、下方（排気口（第２端）
側端部）から上方（吸気口（第１端）側端部）に向かっ
て径が小さくなるテーパ状の第２筒状通路(C2)が形成さ
れ、固定筒(41)の外周面には、第２ねじ溝(T2)が形成さ
れている。また、ステータ(4) のベース部(14)には、上
記排気口(12)が形成されている。

【００４０】回転軸(2) は、ステータ(4) の固定筒(41)
の内周面と対向する外周面に第３ねじ溝(T3)を有し、こ
の回転軸(2) の外周面とステータ(4) の内周面との間
に、第３筒状通路(C3)が形成されている。なお、第１ね
じ溝(T1)と第３ねじ溝(T3)は互いにねじれ方向が同じで
あるが、第２ねじ溝(T2)は、ねじれ方向が第１及び第３
ねじ溝(T1,T3) とは逆向きに形成されている。

【００４１】また、第１筒状通路(C1)と第２筒状通路(C
2)は、ロータ(3) の下端部（第２端側端部）の連通路(C
4)を介して互いに連通し、第２筒状通路(C2)と第３筒状
通路(C3)は、ステータ(4) の上端部（第１端側端部）の
連通路(C5)を介して互いに連通している。そして、この
ように互いに連通した筒状通路(C1,C2,C3)によって、吸
気口(11)と排気口(12)の間の気体通路(7a)が構成されて
いる。

【００４２】気体通路(7a)は、第１筒状通路(C1)から第
３筒状通路(C3)にかけて、流路面積が徐々に小さくなる
ように形成されている。具体的に、第１筒状通路(C1)
は、上述したように第１ねじ溝(T1)の深さを下端側へ向
かって浅くしていることで流路面積が下流側ほど小さ
く、第２筒状通路(C2)は、全体がテーパ溝に形成されて
いることで流路面積が下流側ほど小さく、第３筒状通路
(C3)は、第１ねじ溝(T1)と同じように第３ねじ溝(T3)の
深さを下端側ほど浅くすることで流路面積が下流側ほど
小さくなっている。

【００４３】一方、渦流型ポンプ要素(B) は、上記スリ
ーブ(22)のスラスト円板(57)をロータ(8) として構成し
たもので、逆に言うと、渦流型ポンプ要素(B) のロータ
(8)の上面をスラスト気体軸受け(5d)の軸受け面として
構成している。

【００４４】渦流型ポンプ要素(B) は、ロータ(8) の下
面の外周縁部に形成された羽根(8a)と、ケーシング(1)
内の底部に形成された環状の気体通路(7b)とから構成さ
れている。ロータ(8) の下面と底部ケーシング(16)の上
面との間には、僅かな隙間があり、気体通路(7b)を流れ
る気体の圧力が、ロータ(8) の下面に対して作用するよ
うに構成されている。

【００４５】また、底部ケーシング(16)には吸気口(17)
が、下部ケーシング(15)には排気口(18)が、それぞれ、
気体通路(7b)と連通するように形成されている。そし
て、図示していないが、ねじ溝型ポンプ要素(A) の排気
口(12)と渦流型ポンプ要素(B)の吸気口(17)とが連結管
を介して接続され、両ポンプ要素(A,B) が直列接続され
ている。

【００４６】次に、この複合型真空ポンプの運転中の作
用について説明する。

【００４７】モータ(6) により回転軸(2) が回転駆動さ
れると、ねじ溝型ポンプ要素(A) の各ねじ溝(T1,T2,T3)
のポンプ作用により、吸気口(11)からケーシング(1) 内
に気体が吸い込まれると共に、該気体は、気体通路(7a)
を通る際に昇圧しながら排気口(12)から排気され、さら
に図示しない連結管を通って渦流型ポンプ要素(B) に吸
引されて、排気口(18)から大気圧で排気される。

【００４８】気体は、ねじ溝型ポンプ要素(A) の第１筒
状通路(C1)を通過する際は下向きに進行し、第２筒状通
路(C2)を通過する際は上向きに進行し、第３筒状通路(C
3)を通過する際は再度下向きに進行する。吸気口(11)側
と排気口(12)側とで圧力差のある気体の流れ方向が、こ
のように途中で変化することから、回転軸(2) には、ロ
ータ(3) を介して上向きのスラスト荷重が作用する。ま
た、仮に渦流型ポンプ要素(B) を設けない場合には、回
転軸(2) の下面側が大気圧となり、上面側が真空となる
ことから、回転軸(2) に大きな圧力差が作用するが、本
実施形態では、渦流型ポンプ要素(B) において気体を回
転軸(2) の下方の空気通路(7b)に通すようにしたことに
よって、回転軸(2) の下面側の圧力が下がるので、回転
軸(2) の上面側との圧力差が小さくなる。

【００４９】このため、回転軸(2) には、上向きのスラ
スト荷重だけでなく、下向きのスラスト荷重も作用して
いることになり、渦流型ポンプ要素(B) を設けない場合
と比較して、図３に示すようにスラスト荷重が回転数の
全域に亘って低減される（実線が本実施形態におけるス
ラスト荷重を示し、破線が渦流型ポンプ要素を設けない
場合のスラスト荷重を示している）。これに対して、渦
流型ポンプ要素(B) のロータ(8) を、従来技術で説明し
たようにねじ溝型ポンプ要素(A) のロータ(3)のすぐ下
方（つまり、該ロータ(3) と第１ラジアル気体軸受け(5
a)との間）に配置した場合には、渦流型ポンプ要素(B)
を設けない場合よりも、さらにスラスト荷重が増えるこ
とになるので、本実施形態の構成との差はさらに大きく
なる。

【００５０】なお、本実施形態では、第２筒状通路(C2)
をテーパ溝にしていることで、ストレートな通路の場合
よりもスラスト荷重を特に低速回転域において低減でき
る利点がある。そこで、第２筒状通路(C2)をテーパ溝に
した本実施形態のポンプとストレート溝にしたポンプと
を比較しながら、そのスラスト荷重の違いについて、図
４から図７を参照して説明する。なお、以下の説明で
は、符号や記号に添字ａ（テーパ状の通路に対応）とｂ
（ストレートの通路に対応）を付けて、両ポンプを区別
することとする。また、以下の説明では、便宜上、渦流
型ポンプ要素を設けないポンプについて比較を行うもの
とする。

【００５１】図４は、両ポンプをそれぞれ（ａ）図及び
（ｂ）図に模式的に表した図であり、図５は、回転軸
(2) の回転数が変化するのに伴って、第３ねじ溝(T3)の
到達圧（連通路(C5a,C5b) の圧力）Ｐ２と、第２ねじ溝
(T2a,T2b) の到達圧（連通路(C4a,C4b) の圧力）Ｐ３
ａ，Ｐ３ｂと、吸気口(11a,11b) の圧力Ｐ４ａ，Ｐ４ｂ
とが変化する様子を示している。

【００５２】図示するように、吸気口(11a,11b) におい
ては、圧力Ｐ４ａ，Ｐ４ｂは、いずれも回転数が約200r
psになるまでほぼ直線的に低下した後、回転数が約300r
psになるまで緩やかに低下して、10^-4Torr以下の圧力に
達するが、到達圧Ｐ２は、圧力Ｐ４ａ，Ｐ４ｂに比べて
変化が遅く、約400rpsになるまでほぼ直線的に緩やかに
低下した後、回転数が約500rpsになるまでさらに緩やか
に低下する。このため、両ポンプとも、モータ(6) の起
動開始から約200rpsまでは、圧力Ｐ４ａ，Ｐ４ｂと、圧
力Ｐ２との差が大きくなり、その後、定格回転数（この
例では700rps）まで圧力差が徐々に小さくなる。なお、
到達圧Ｐ３ａ，Ｐ３ｂは、Ｐ４ａ，Ｐ４ｂと近似した値
で推移しており、Ｐ４ａ，Ｐ４ｂに対する圧力差は小さ
い。また、排気口(12a,12b) に示したＰ１は、大気圧を
示している。

【００５３】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、図４（ａ）
及び図４（ｂ）の横断面図であり、各部の面積を概略的
に表している。比較例のポンプでは、面積Ｓ１に（Ｐ１
−Ｐ４ｂ）の圧力差が作用し、面積Ｓ５に（Ｐ２−Ｐ４
ｂ）の圧力差が作用し、面積Ｓ４に（Ｐ３ｂ−Ｐ４ｂ）
の圧力差が作用して、上向きのスラスト力が発生する。
そして、この場合、図５のグラフに示しているように低
速回転域でのＰ２とＰ４ｂとの圧力差が比較的大きく、
しかも連通路(C5b) の面積Ｓ５が比較的大きいことか
ら、図７のグラフに示すように、約200rpsのときにピー
クとなる大きなスラスト荷重Ｆｂが回転軸(2) に作用す
る。なお、面積Ｓ５が大きくなるのは、ポンプ性能を確
保するためにＤ３をある程度大きくしなければならない
ことに起因している。

【００５４】一方、テーパ通路にした場合には、ストレ
ート通路のものと直径Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４が同じであれ
ば、面積Ｓ１に対して（Ｐ１−Ｐ４ａ）の圧力差が作用
し、面積Ｓ４に対して（Ｐ３−Ｐ４ａ）の圧力差が作用
することは同じであるが、各圧力差自体が比較例よりも
小さいことと、第２筒状通路(C2a) をテーパ状に形成し
ているために圧力差（Ｐ２−Ｐ４ａ）の作用する連通路
(C5a) の面積Ｓ２がＳ５よりも小さくなることと、筒状
通路(C2a) の軸方向投影面積Ｓ３に作用する圧力差が、
そのテーパ面の下端側の大径部分ほど小さくなることか
ら、トータルのスラスト荷重Ｆａが低速回転域において
大幅に低減される。したがって、回転数の変化に伴うス
ラスト荷重Ｆａの変動は、図７に示すように緩やかで、
定格回転に至るまで大きなピークは発生していない。

【００５５】一方、図５のグラフに示しているように、
起動時等に回転軸の回転数が0〜約200rps の範囲で変化
しているときは、吸気口(11a,11b) の圧力Ｐ４ａはＰ４
ｂに比較して僅かに高くなっているが、300rpsを越える
と圧力Ｐ４ａとＰ４ｂはほぼ同じ（１０^-4Torr以下）と
なり、それ以降はポンプの能力についての実用上の差は
ほとんど生じていない。また、回転軸(2a,2b) が定格回
転に達すると、Ｐ２及びＰ３ａ，Ｐ３ｂもほぼ同じ程度
の小さな値になるので、回転軸(2a,2b) に作用するスラ
スト荷重Ｆａ，Ｆｂは図７に示すように両ポンプともほ
ぼ同じ値となる。

【００５６】なお、ポンプは、(ａ)回転数を増やす、
(ｂ)ロータ長さを長くする、(ｃ)ロータ径を大きくす
る、(ｄ)ロータ・ステータ間の隙間を小さくする、ある
いは(ｅ)ねじ溝型状を最適化することなどで真空性能を
高めることができるので、図５に示した程度の低速回転
域での到達圧の低下は、必要に応じて、設計事項の範囲
内で容易に調整することができる。

【００５７】ところで、真空ポンプにおいて、ねじ溝(T
1,T2,T3)のポンプ作用は、低圧域ほど効率が良くなる。
したがって、上述したように比較例の方が低速回転でも
低圧になりやすいことから、ねじ溝(T1,T2,T3)の作用効
率が高くなり、さらに圧力差が生じやすい傾向がある。
このことは、逆に言えば、テーパ通路のポンプの方が低
速域ではねじのポンプ作用が少ない（ただし、定格回転
では上述したようにポンプ作用にほとんど差はない）と
いうことであって、このようなことも、図４（ａ）のポ
ンプでスラスト荷重の大きなピークが生じないことに寄
与している。

【００５８】図７のグラフには、クリアランスを８ミク
ロン及び１０ミクロンに設定した場合のスラスト気体軸
受けの許容荷重Ｗ１，Ｗ２も示している。図示するよう
に、スラスト気体軸受けは、回転数が高くなるほど許容
荷重が大きくなり、また、クリアランスが小さいほど大
きな荷重を受けることができる。比較例では低速回転時
にスラスト荷重Ｆｂに大きなピークがあることからいず
れもスラスト気体軸受けも使用できないことが明らかで
あるが、テーパ通路の場合は、クリアランスが１０ミク
ロンのスラスト気体軸受けであっても使用可能となる。
このようにクリアランスをより小さくしなくても気体軸
受けの使用が可能となることで、低コスト化を実現でき
る上に、クリアランスの狭いものに比べて焼き付きなど
の不具合が生じにくい利点もある。

【００５９】−実施形態の効果− 本実施形態によれば、各ポンプ要素(A,B) を回転軸(2)
の両端部に離して配置することによって、ねじ溝型ポン
プ要素(A) のロータ(3) に作用する大気圧との圧力差
と、渦流型ポンプ要素(B) のロータ(8) に作用する大気
圧との圧力差が、互いに逆向きになるように気体通路(7
a,7b) を構成することができ、それによって、回転軸
(2) に作用するスラスト荷重を全回転域に亘って低減す
ることができる。

【００６０】また、両ポンプ要素(A,B) を回転軸(2) の
両側に離して配置することによってスラスト荷重の低減
を図ることができるだけでなく、ねじ溝型ポンプ要素
(A) と渦流型ポンプ要素(B) とを連結管によって直列に
接続しているので、ポンプ性能が低下するのを防止でき
る。ただし、スラスト荷重を低減するだけなら、両ポン
プ要素(A,B) の気体通路(7a,7b) は連結しなくてもよ
い。

【００６１】また、スラスト荷重が低減されたことから
気体軸受け(5a,5b,5d)を使用するようにしているので、
他の種類の軸受けを使用する場合に比べてコストダウン
が可能となる。特に、ラジアル気体軸受け(5a,5b) を使
用しているので、ボールベアリング等を使用する場合に
比べて回転軸(2) の振れを小さくでき、回転軸(2) の振
れが小さくなると、ねじ溝型ポンプ要素(A) におけるね
じ溝(T1,T2,T3)の隙間を小さくすることができるから、
渦流型ポンプ要素(B) での到達圧が従来より高くても、
ねじ溝型ポンプ要素(A) が作用し出す利点がある。この
ため、従来は、数Torrから１０Torr程度で作用し出すね
じ溝型ポンプ要素(A) に合わせるために渦流型ポンプ要
素(B) を複数段にしたりする必要があったのに対して、
渦流型ポンプ要素(B) を単段にできるため、コストダウ
ンが可能となる。

【００６２】また、渦流型ポンプ要素(B) のロータ(8)
を利用してスラスト気体軸受け(5d)を構成するようにし
ているので、該ロータ(8) とスラスト気体軸受け(5d)と
を別々に設ける場合と比べて部品点数を削減することが
でき、さらにコストダウンを図ることが可能となる。そ
して、スラスト気体軸受け(5d)によりスラスト方向のク
リアランスが安定するため、渦流型ポンプ要素(B) の性
能も安定することになる。

【００６３】また、第２ねじ溝(T2)をテーパ状の第２筒
状通路(C2)に形成したことによって、特に低速回転域で
回転軸(2) に作用するスラスト荷重を大幅に低減するこ
とができるために、特にスラスト軸受け(5d)に気体軸受
けを使用することが実用容易となり、真空ポンプの低コ
スト化を実現できる。

【００６４】また、ねじ溝型ポンプ要素(A) のみでは、
排気速度を大きくすることが困難であるが、本実施形態
ではねじ溝型ポンプ要素(A) の下流側に渦流型ポンプ要
素(B) を設けているので、十分な排気速度を得ることが
できる。

【００６５】

【発明のその他の実施の形態】なお、上記実施形態で
は、回転軸の軸受けに気体軸受け(5a,5b,5d)を使用して
いるが、本発明のポンプは、気体体軸受けでなく、他の
種類の軸受けを使用してもスラスト力を低減できる点で
効果的である。

【００６６】また、上記実施形態では、ねじ溝型ポンプ
要素の筒状通路(C2)をテーパ状に形成しているが、スト
レートにした場合でもスラスト荷重を全回転域に亘って
低減することは可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る複合型真空ポンプの全
体構成を示す縦断面図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】図１の真空ポンプにおける回転軸のスラスト荷
重を示すグラフである。

【図４】ねじ溝型ポンプ要素の概略構造図であり、
（ａ）はテーパ状のネジ溝のポンプ、（ｂ）はストレー
トのネジ溝のポンプを示している。

【図５】図４（ａ），（ｂ）に示したポンプの圧力特性
を示すグラフである。

【図６】図４（ａ），（ｂ）の横断面図である。

【図７】図４（ａ），（ｂ）に示したポンプにおいて回
転軸に作用するスラスト荷重を示すグラフである。

【符号の説明】

(1) ケーシング (2) 回転軸 (3) ロータ (4) ステータ (5a,5b) ラジアル気体軸受け (5d) スラスト気体軸受け (7a,7b) 気体通路 (8) ロータ (11,17) 吸気口 (12,18) 排気口 (A) ねじ溝型ポンプ要素 (B) 渦流型ポンプ要素 (C1) 第１筒状通路 (C2) 第２筒状通路 (C3) 第３筒状通路 (C4,C5) 連通路 (T1) 第１ねじ溝 (T2) 第２ねじ溝 (T3) 第３ねじ溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング(1) 内にねじ溝型ポンプ要素
(A) と渦流型ポンプ要素(B) とを備えた複合型真空ポン
プであって、回転軸(2) の第１端側にねじ溝型ポンプ要素(A) のロー
タ(3) が固定され、回転軸(2) の第２端側に渦流型ポン
プ要素(B) のロータ(8) が固定され、両ロータ(3,8) の
周囲に発生する大気圧との圧力差が、各ロータ(3,8) に
対して互いに逆向きに作用するように気体通路(7a,7b)
が構成されている複合型真空ポンプ。
【請求項２】ねじ溝型ポンプ要素(A) の排気口(12)と
渦流型ポンプ要素(B) の吸気口(17)とが接続されている
請求項１記載の複合型真空ポンプ。
【請求項３】回転軸(2) が、ラジアル気体軸受け(5a,
5b) を介してケーシング(1) に支持されている請求項１
または２記載の複合型真空ポンプ。
【請求項４】回転軸(2) が、スラスト気体軸受け(5d)
を介してケーシング(1) に支持されている請求項１乃至
３の何れか１記載の複合型真空ポンプ。
【請求項５】渦流型ポンプ要素(B) は、気体通路(7b)
がロータ(8) における第２端側の面に構成されると共
に、該ロータ(8) における第１端側の面がスラスト気体
軸受(5d)の軸受け面として構成されている請求項４記載
の複合型真空ポンプ。
【請求項６】ねじ溝型ポンプ要素(A) は、同心状で複
数のねじ溝(T1,T2,T3)からなる筒状通路(C1,C2,C3)を備
えるとともに、気体通路(7a)が、内外に隣合う筒状通路
(C1,C2)(C2,C3)が第１端側端部と第２端側端部で交互に
連通路(C4,C5) を介して連通するように構成され、第２
端側端部から第１端側端部への方向に気体が流れる筒状
通路(C2)が、該方向に向かって小径になるようにテーパ
状に形成され、渦流型ポンプ要素(B) は、気体通路(7b)が、ロータ(8)
に対して回転軸(2) の第２端側の面に配置されている請
求項１乃至５の何れか１記載の複合型真空ポンプ。