JP2003065282A - ターボ分子ポンプ - Google Patents
ターボ分子ポンプInfo
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D19/00—Axial-flow pumps
- F04D19/02—Multi-stage pumps
- F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
- F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
- F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
- F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ポンプケーシングの変形を防止でき、装置に
伝達される衝撃力を低減することができるターボ分子ポ
ンプの提供。 【解決手段】 円筒形状の内側ケーシング１４を、ター
ボ分子ポンプ部ＴＰのスペーサリング９とポンプケーシ
ング１との間に設けた。万一、高速回転時にロータ４が
破損した場合には、ロータ破壊時の衝撃力は内側ケーシ
ング１４が塑性変形することにより吸収される。その結
果、装置７に伝達される衝撃力を低減することができ
る。さらに、ポンプケーシング１の内周面と内側ケーシ
ング１４の外周面との隙間寸法Ｇをロータ破片衝突によ
る内側ケーシング１４の径方向変形量よりも大きくした
ことにより、ポンプケーシング１の変形を防止すること
ができる。
伝達される衝撃力を低減することができるターボ分子ポ
ンプの提供。 【解決手段】 円筒形状の内側ケーシング１４を、ター
ボ分子ポンプ部ＴＰのスペーサリング９とポンプケーシ
ング１との間に設けた。万一、高速回転時にロータ４が
破損した場合には、ロータ破壊時の衝撃力は内側ケーシ
ング１４が塑性変形することにより吸収される。その結
果、装置７に伝達される衝撃力を低減することができ
る。さらに、ポンプケーシング１の内周面と内側ケーシ
ング１４の外周面との隙間寸法Ｇをロータ破片衝突によ
る内側ケーシング１４の径方向変形量よりも大きくした
ことにより、ポンプケーシング１の変形を防止すること
ができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置や
分析装置の真空排気装置として用いられるターボ分子ポ
ンプに関する。
分析装置の真空排気装置として用いられるターボ分子ポ
ンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】ターボ分子ポンプでは、複数段の回転翼
が形成されたロータと複数段の固定翼とがポンプケーシ
ング内に設けられている。これらの回転翼および固定翼
は交互に配設されており、ロータを高速回転することに
より気体をポンプ背圧側に排気することができる。各固
定翼の軸方向間隔は、スペーサリングによって所定値に
保たれている。
が形成されたロータと複数段の固定翼とがポンプケーシ
ング内に設けられている。これらの回転翼および固定翼
は交互に配設されており、ロータを高速回転することに
より気体をポンプ背圧側に排気することができる。各固
定翼の軸方向間隔は、スペーサリングによって所定値に
保たれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、高速回転す
るロータが万一破壊した場合には、ロータは分裂してロ
ータ径方向に飛散し、スペーサリングに衝突する。上述
したように、スペーサリングは固定翼の間隔を保持する
ために設けられたものであり、ポンプ重量軽減という要
請から、なるべく肉厚を薄くして軽量に作られている。
そのため、ロータ破壊の衝撃力に対して強度不足であ
り、実質上はポンプケーシングで衝撃力を受け止めるよ
うな設計が成されている。すなわち、ポンプケーシング
の肉厚は、ロータ破壊が起こっても変形しないような充
分な厚さに設定されることが多い。
るロータが万一破壊した場合には、ロータは分裂してロ
ータ径方向に飛散し、スペーサリングに衝突する。上述
したように、スペーサリングは固定翼の間隔を保持する
ために設けられたものであり、ポンプ重量軽減という要
請から、なるべく肉厚を薄くして軽量に作られている。
そのため、ロータ破壊の衝撃力に対して強度不足であ
り、実質上はポンプケーシングで衝撃力を受け止めるよ
うな設計が成されている。すなわち、ポンプケーシング
の肉厚は、ロータ破壊が起こっても変形しないような充
分な厚さに設定されることが多い。
【０００４】しかしながら、ポンプケーシングを頑丈に
すると衝撃力がポンプケーシングで吸収されず、ポンプ
が取り付けられた装置に直に伝達されることになる。そ
の結果、装置がダメージを受けてしまうという問題があ
った。また、ポンプケーシングが変形して衝撃力を吸収
するような設計の場合、変形したポンプケーシングがポ
ンプ周辺の装置と干渉するという問題があった。
すると衝撃力がポンプケーシングで吸収されず、ポンプ
が取り付けられた装置に直に伝達されることになる。そ
の結果、装置がダメージを受けてしまうという問題があ
った。また、ポンプケーシングが変形して衝撃力を吸収
するような設計の場合、変形したポンプケーシングがポ
ンプ周辺の装置と干渉するという問題があった。
【０００５】本発明の目的は、万一ロータ破壊が起こっ
た場合でも、ポンプケーシングの変形を防止できるとと
もに、装置に伝達される衝撃力を低減することができる
ターボ分子ポンプを提供することにある。
た場合でも、ポンプケーシングの変形を防止できるとと
もに、装置に伝達される衝撃力を低減することができる
ターボ分子ポンプを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１および図７に対応付けて説明する。 （１）図１に対応付けて説明すると、請求項１の発明
は、複数段の回転翼２が形成されたロータ４と複数段の
固定翼５とをポンプケーシング１内に備え、ロータ４を
回転させて気体を排気するターボ分子ポンプに適用さ
れ、ロータ破損時のロータ破片衝突による圧力Ｐに対し
て外径と内径との比ｋが次式を満足するような円筒状ケ
ーシング１４を、ポンプケーシング１とロータ４との間
に設け、ポンプケーシング１の内周面と円筒状ケーシン
グ１４の外周面との隙間寸法Ｇを、ロータ破片衝突によ
る円筒状ケーシング１４の径方向変形量よりも大きくし
たことにより上述の目的を達成する。
図１および図７に対応付けて説明する。 （１）図１に対応付けて説明すると、請求項１の発明
は、複数段の回転翼２が形成されたロータ４と複数段の
固定翼５とをポンプケーシング１内に備え、ロータ４を
回転させて気体を排気するターボ分子ポンプに適用さ
れ、ロータ破損時のロータ破片衝突による圧力Ｐに対し
て外径と内径との比ｋが次式を満足するような円筒状ケ
ーシング１４を、ポンプケーシング１とロータ４との間
に設け、ポンプケーシング１の内周面と円筒状ケーシン
グ１４の外周面との隙間寸法Ｇを、ロータ破片衝突によ
る円筒状ケーシング１４の径方向変形量よりも大きくし
たことにより上述の目的を達成する。
【数３】Ｐ＞（σｓ／２）・（ｋ２−１）／ｋ２
ただし、σｓは内側ケーシング１の降伏応力である。
（２）図７に対応付けて説明すると、請求項２の発明
は、複数段の回転翼２が形成されたロータ４と、複数段
の固定翼５と、複数段の固定翼５を位置決めするスペー
サリング３０とをポンプケーシング１内に備え、ロータ
４を回転させて気体を排気するターボ分子ポンプに適用
され、スペーサリング３０の外径と内径との比ｋを、ロ
ータ破損時のロータ破片衝突による圧力Ｐに対して次式
を満足するように設定し、かつ、スペーサリング３０の
外周面とポンプケーシング１の内周面との隙間寸法Ｇ
を、ロータ破片衝突によるスペーサリング３０の径方向
変形量よりも大きくしたことにより上述の目的を達成す
る。
は、複数段の回転翼２が形成されたロータ４と、複数段
の固定翼５と、複数段の固定翼５を位置決めするスペー
サリング３０とをポンプケーシング１内に備え、ロータ
４を回転させて気体を排気するターボ分子ポンプに適用
され、スペーサリング３０の外径と内径との比ｋを、ロ
ータ破損時のロータ破片衝突による圧力Ｐに対して次式
を満足するように設定し、かつ、スペーサリング３０の
外周面とポンプケーシング１の内周面との隙間寸法Ｇ
を、ロータ破片衝突によるスペーサリング３０の径方向
変形量よりも大きくしたことにより上述の目的を達成す
る。
【数４】Ｐ＞（σｓ／２）・（ｋ２−１）／ｋ２
ただし、σｓはスペーサリング３０の降伏応力である。
【０００７】なお、上記課題を解決するための手段の項
では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態
の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態
に限定されるものではない。
では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態
の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態
に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を説明する。 −第１の実施の形態− 図１はターボ分子ポンプの断面図であり、ターボ分子ポ
ンプの要部を示したものである。図１に示すターボ分子
ポンプは複合型ターボ分子ポンプであり、ターボ分子ポ
ンプ部ＴＰとドラッグポンプ部ＤＰとから成る。ポンプ
ケーシング１内には、複数段の回転翼２およびドラッグ
ポンプ回転部３が形成されたロータ４と、複数段の固定
翼５と、ドラッグポンプ固定部６とを備えている。
の形態を説明する。 −第１の実施の形態− 図１はターボ分子ポンプの断面図であり、ターボ分子ポ
ンプの要部を示したものである。図１に示すターボ分子
ポンプは複合型ターボ分子ポンプであり、ターボ分子ポ
ンプ部ＴＰとドラッグポンプ部ＤＰとから成る。ポンプ
ケーシング１内には、複数段の回転翼２およびドラッグ
ポンプ回転部３が形成されたロータ４と、複数段の固定
翼５と、ドラッグポンプ固定部６とを備えている。
【０００９】複数段ある回転翼２のそれぞれは複数のタ
ービン翼を有しており、それらはロータ軸を囲むように
等間隔で設けられている。一方、固定翼５の場合も、１
段当たりに複数のタービン翼を有しており、それらはロ
ータ４の周囲に等間隔で配設されている。各固定翼５は
スペーサリング９と交互に積層され、固定翼５の軸方向
間隔はスペーサリング９により所定値に保持されてい
る。各回転翼２は、所定間隔に保持された固定翼５の間
を回転する。
ービン翼を有しており、それらはロータ軸を囲むように
等間隔で設けられている。一方、固定翼５の場合も、１
段当たりに複数のタービン翼を有しており、それらはロ
ータ４の周囲に等間隔で配設されている。各固定翼５は
スペーサリング９と交互に積層され、固定翼５の軸方向
間隔はスペーサリング９により所定値に保持されてい
る。各回転翼２は、所定間隔に保持された固定翼５の間
を回転する。
【００１０】複数段の回転翼２と複数段の固定翼５とで
ターボ分子ポンプ部ＴＰが構成され、ドラッグポンプ回
転部３とドラッグポンプ固定部６とでドラッグポンプ部
ＤＰが構成される。ドラッグポンプ回転部３およびドラ
ッグポンプ固定部６の対向面のいずれか一方には、ねじ
溝等が形成されている。ポンプケーシング１の吸気口フ
ランジ１ａは、真空排気すべきチャンバー７にボルト８
等により固定される。
ターボ分子ポンプ部ＴＰが構成され、ドラッグポンプ回
転部３とドラッグポンプ固定部６とでドラッグポンプ部
ＤＰが構成される。ドラッグポンプ回転部３およびドラ
ッグポンプ固定部６の対向面のいずれか一方には、ねじ
溝等が形成されている。ポンプケーシング１の吸気口フ
ランジ１ａは、真空排気すべきチャンバー７にボルト８
等により固定される。
【００１１】ロータ４は軸受１０により回転自在に支持
されており、モータ１１により高速回転される。軸受１
０にはメカニカルベアリングや磁気軸受け等が用いられ
る。ターボ分子ポンプのベース部１２には排気ポート１
３が設けられており、この排気ポート１３にはターボ分
子ポンプの補助ポンプ（不図示）が接続される。補助ポ
ンプには、油回転ポンプやドライポンプなどが使用され
る。ロータ４がモータ１１により高速回転されると、チ
ャンバ７内の気体は矢印Ｒのようにベース部１２側へと
排気される。ベース部１２側に排気された気体は、排気
ポート１３に接続された補助ポンプによりポンプ外へと
排気される。
されており、モータ１１により高速回転される。軸受１
０にはメカニカルベアリングや磁気軸受け等が用いられ
る。ターボ分子ポンプのベース部１２には排気ポート１
３が設けられており、この排気ポート１３にはターボ分
子ポンプの補助ポンプ（不図示）が接続される。補助ポ
ンプには、油回転ポンプやドライポンプなどが使用され
る。ロータ４がモータ１１により高速回転されると、チ
ャンバ７内の気体は矢印Ｒのようにベース部１２側へと
排気される。ベース部１２側に排気された気体は、排気
ポート１３に接続された補助ポンプによりポンプ外へと
排気される。
【００１２】ターボ分子ポンプ部ＴＰに対応した位置の
スペーサリング９とポンプケーシング１との間には、円
筒形状の内側ケーシング１４が設けられている。内側ケ
ーシング１４とポンプケーシング１との間にはギャップ
Ｇが設けられている。内側ケーシング１４はロータ４が
破壊したときの衝撃力を吸収するものであり、内側ケー
シング１４がギャップＧの範囲内で塑性変形することに
よりエネルギーが吸収される。その結果、ポンプケーシ
ング１を介したチャンバ７への衝撃や、ポンプケーシン
グ１の変形によるポンプ周囲に設けられた装置との干渉
を防止することができる。
スペーサリング９とポンプケーシング１との間には、円
筒形状の内側ケーシング１４が設けられている。内側ケ
ーシング１４とポンプケーシング１との間にはギャップ
Ｇが設けられている。内側ケーシング１４はロータ４が
破壊したときの衝撃力を吸収するものであり、内側ケー
シング１４がギャップＧの範囲内で塑性変形することに
よりエネルギーが吸収される。その結果、ポンプケーシ
ング１を介したチャンバ７への衝撃や、ポンプケーシン
グ１の変形によるポンプ周囲に設けられた装置との干渉
を防止することができる。
【００１３】次いで、内側ケーシング１４の厚さＴの算
出方法について説明する。厚さＴを算出する際には、次
のように２段階に分けて考える。 (1)破損したロータ４が内側ケーシング１４におよぼす
衝撃力を算出する。 (2)算出された衝撃力と内側ケーシング１４が塑性変形
する条件とから厚さＴを算出する。
出方法について説明する。厚さＴを算出する際には、次
のように２段階に分けて考える。 (1)破損したロータ４が内側ケーシング１４におよぼす
衝撃力を算出する。 (2)算出された衝撃力と内側ケーシング１４が塑性変形
する条件とから厚さＴを算出する。
【００１４】《衝撃力の算出》衝撃力計算に関して、本
実施の形態では以下のことを仮定する。 (1)ロータ４は均一の粒状に破壊される。 (2)運動量保存則に基づいて衝撃力を導出する。 ここでは、計算を簡単にするために、ロータ４を複数の
ブロックに分けて衝撃力を計算し、最後にそれらの和を
取ることにする。図２はロータ４の断面図である。図１
に示した内側ケーシング１４はターボ分子ポンプ部ＴＰ
の周囲を囲むように設けられており、以下では、ロータ
４のターボ分子ポンプ部ＴＰに関して衝撃力を計算す
る。
実施の形態では以下のことを仮定する。 (1)ロータ４は均一の粒状に破壊される。 (2)運動量保存則に基づいて衝撃力を導出する。 ここでは、計算を簡単にするために、ロータ４を複数の
ブロックに分けて衝撃力を計算し、最後にそれらの和を
取ることにする。図２はロータ４の断面図である。図１
に示した内側ケーシング１４はターボ分子ポンプ部ＴＰ
の周囲を囲むように設けられており、以下では、ロータ
４のターボ分子ポンプ部ＴＰに関して衝撃力を計算す
る。
【００１５】図１では詳細を示さなかったが、図２に示
すようにロータ４はロータシャフト２０にボルト締結や
圧入により固定されている。このロータシャフト２０に
モータ回転子が設けられる。衝撃力を計算する際には、
ロータ４のターボ分子ポンプ部ＴＰをそれぞれ回転翼２
が１段ずつ含まれるように複数のブロックに分割する。
図２に示すロータ４ではターボ分子ポンプ部ＴＰに回転
翼２が５段あるので、５つのブロックに分割する。
すようにロータ４はロータシャフト２０にボルト締結や
圧入により固定されている。このロータシャフト２０に
モータ回転子が設けられる。衝撃力を計算する際には、
ロータ４のターボ分子ポンプ部ＴＰをそれぞれ回転翼２
が１段ずつ含まれるように複数のブロックに分割する。
図２に示すロータ４ではターボ分子ポンプ部ＴＰに回転
翼２が５段あるので、５つのブロックに分割する。
【００１６】さらに、各ブロック毎に、斜線を施したロ
ータ円筒部２１と回転翼２とに分けて計算をする。実際
には、各ブロックのロータ円筒部２１は単純な円筒形状
ではなく複雑な形状をしているので、各ロータ円筒部２
１を更に複数の円筒形状部分に分割して考える。計算手
順としては、分割されたそれぞれに関して内側ケーシン
グ１４に与える衝撃力を計算し、計算された衝撃力の和
を取ることによりターボ分子ポンプ部ＴＰ全体の衝撃力
を算出する。
ータ円筒部２１と回転翼２とに分けて計算をする。実際
には、各ブロックのロータ円筒部２１は単純な円筒形状
ではなく複雑な形状をしているので、各ロータ円筒部２
１を更に複数の円筒形状部分に分割して考える。計算手
順としては、分割されたそれぞれに関して内側ケーシン
グ１４に与える衝撃力を計算し、計算された衝撃力の和
を取ることによりターボ分子ポンプ部ＴＰ全体の衝撃力
を算出する。
【００１７】（ａ）一つのロータ片が内側ケーシングに
与える衝撃力の計算 上記（１）の条件に示したように、ロータ４は遠心破壊
により多数のロータ片に分割され、それらのロータ片が
内側ケーシングに衝突すると考えるので、まずロータ片
一つに関して衝撃力を計算する。図３は、内側ケーシン
グ１４の横断面の一部およびロータ片２３を示す図であ
る。図３のロータ片２３は、半径方向，半径ｒの円周方
向および回転軸方向（図示表裏方向）に対して単位長さ
を有する微小片である。
与える衝撃力の計算 上記（１）の条件に示したように、ロータ４は遠心破壊
により多数のロータ片に分割され、それらのロータ片が
内側ケーシングに衝突すると考えるので、まずロータ片
一つに関して衝撃力を計算する。図３は、内側ケーシン
グ１４の横断面の一部およびロータ片２３を示す図であ
る。図３のロータ片２３は、半径方向，半径ｒの円周方
向および回転軸方向（図示表裏方向）に対して単位長さ
を有する微小片である。
【００１８】ロータ破壊時に半径ｒ，回転角度θ＝０の
位置にあったロータ片２３は、破壊後は接線方向（図示
上方）に進行する。ロータ片２３の質量をｍ，破壊時の
ロータ４の角速度をωとすると、ロータ片２３の速さは
ｒωとなる。ロータ片２３が内側ケーシング１４に与え
る衝撃力ｆ０は、ロータ片２３と内側ケーシング１４と
の衝突時間をｔとすると運動量保存側から式（１）で与
えられる。ロータ片２３と内側ケーシング１４との衝突
点の角度をθとすると、衝撃力ｆ０の半径方向の分力ｆ
ｒ０は式（２）で計算される。内側ケーシング１４の内
面の半径をＲとすると、衝突点の角度θは式（３）によ
り算出される。
位置にあったロータ片２３は、破壊後は接線方向（図示
上方）に進行する。ロータ片２３の質量をｍ，破壊時の
ロータ４の角速度をωとすると、ロータ片２３の速さは
ｒωとなる。ロータ片２３が内側ケーシング１４に与え
る衝撃力ｆ０は、ロータ片２３と内側ケーシング１４と
の衝突時間をｔとすると運動量保存側から式（１）で与
えられる。ロータ片２３と内側ケーシング１４との衝突
点の角度をθとすると、衝撃力ｆ０の半径方向の分力ｆ
ｒ０は式（２）で計算される。内側ケーシング１４の内
面の半径をＲとすると、衝突点の角度θは式（３）によ
り算出される。
【数５】ｍｒω＝ｆ０ｔ …（１）
ｆｒ０＝ｆ０・sinθ
＝（ｍｒω／ｔ）sinθ …（２）
θ＝cos−１（ｒ／Ｒ） …（３）
【００１９】（ｂ）ロータ円筒部２１の衝撃力の計算
式（２）で算出したロータ片２３は、図４の破線で示し
た周長さ２πｒの部分の単位長さに相当するので、周長
さ２πｒに拡張した衝撃力ｆｒ１は、式（４）により与
えられる。これは、半径ｒで回転軸方向および半径方向
の厚さが単位長さのリング状部分に関する衝撃力に相当
する。
た周長さ２πｒの部分の単位長さに相当するので、周長
さ２πｒに拡張した衝撃力ｆｒ１は、式（４）により与
えられる。これは、半径ｒで回転軸方向および半径方向
の厚さが単位長さのリング状部分に関する衝撃力に相当
する。
【数６】ｆｒ１＝２πｒ・ｆｒ０
＝（２πｍｒ２ω／ｔ）sinθ …（４）
【００２０】さらに、式（３）に関してロータ円筒部２
１の内側半径Ｒｉｎから外側半径Ｒ ｏｕｔまでの和を取
ると、回転軸方向の厚さが単位長さで図４の斜線を施し
た部分２４に関する衝撃力ｆｒ２が求められる。この衝
撃力ｆｒ２は式（５）で与えられる。
１の内側半径Ｒｉｎから外側半径Ｒ ｏｕｔまでの和を取
ると、回転軸方向の厚さが単位長さで図４の斜線を施し
た部分２４に関する衝撃力ｆｒ２が求められる。この衝
撃力ｆｒ２は式（５）で与えられる。
【数７】
【００２１】また、注目しているブロックのロータ円筒
部２１の回転軸方向厚さをＲＨとすると、このロータ円
筒部２１の衝撃力は式（６）により算出される。なお、
ロータ片２３と内側ケーシング１４との衝突角度θは式
（３）により計算されるので、ロータ片２３が半径Ｒ
ｉｎ〜Ｒｏｕｔのどの位置にあったかによりθはそれぞ
れ異なる。例えば、半径Ｒｉｎの位置のロータ片２３は
角度θｉｎ＝cos−１（Ｒｉｎ／Ｒ）となり、半径Ｒ
ｏｕｔの位置のロータ片はθｏｕｔ＝cos−１（Ｒ
ｏｕｔ／Ｒ）となる。
部２１の回転軸方向厚さをＲＨとすると、このロータ円
筒部２１の衝撃力は式（６）により算出される。なお、
ロータ片２３と内側ケーシング１４との衝突角度θは式
（３）により計算されるので、ロータ片２３が半径Ｒ
ｉｎ〜Ｒｏｕｔのどの位置にあったかによりθはそれぞ
れ異なる。例えば、半径Ｒｉｎの位置のロータ片２３は
角度θｉｎ＝cos−１（Ｒｉｎ／Ｒ）となり、半径Ｒ
ｏｕｔの位置のロータ片はθｏｕｔ＝cos−１（Ｒ
ｏｕｔ／Ｒ）となる。
【数８】
【００２２】ロータ４のターボ分子ポンプ部ＴＰはＮ個
のブロックに分割されているので、それらを合わせたロ
ータ円筒部２１全体について式（６）を適用すると、ロ
ータ円筒部２１全体に関する衝撃力ｆｒ４が次式（７）
により算出される。ＲＨ，Ｒ ｉｎ，Ｒｏｕｔはブロック
毎に異なるのでそれぞれＲＨ(N)，Ｒｉｎ(N)，Ｒｏｕ ｔ
(N)と記す。
のブロックに分割されているので、それらを合わせたロ
ータ円筒部２１全体について式（６）を適用すると、ロ
ータ円筒部２１全体に関する衝撃力ｆｒ４が次式（７）
により算出される。ＲＨ，Ｒ ｉｎ，Ｒｏｕｔはブロック
毎に異なるのでそれぞれＲＨ(N)，Ｒｉｎ(N)，Ｒｏｕ ｔ
(N)と記す。
【数９】
【００２３】（ｃ）回転翼２の衝撃力の算出
次に、図５を参照して回転翼２の衝撃力を算出する。回
転翼２は複数のタービン翼を有しており、図５に示すよ
うに１つのタービン翼の幅（回転方向の長さ）をＷＷ、
半径方向の長さをＷＬとする。この場合、ロータ円筒部
２１の計算における周長さ２πｒを幅ＷＷで置き換え、
ＷＬ＝Ｒｏｕｔ−Ｒｉｎと考えれば、ロータ円筒部２１
の計算と同様にして衝撃力が算出できる。すなわち、式
（２）にＷＷを乗じた式（８）によりｆｒ１対応するｆ
ｒ１’が算出される。
転翼２は複数のタービン翼を有しており、図５に示すよ
うに１つのタービン翼の幅（回転方向の長さ）をＷＷ、
半径方向の長さをＷＬとする。この場合、ロータ円筒部
２１の計算における周長さ２πｒを幅ＷＷで置き換え、
ＷＬ＝Ｒｏｕｔ−Ｒｉｎと考えれば、ロータ円筒部２１
の計算と同様にして衝撃力が算出できる。すなわち、式
（２）にＷＷを乗じた式（８）によりｆｒ１対応するｆ
ｒ１’が算出される。
【数１０】ｆｒ１’＝ＷＷ・ｆｒ０
＝（ｍｒωＷＷ／ｔ）sinθ …（８）
ただし、θ＝cos−１（ｒ／Ｒ）である。
【００２４】式（８）を半径方向に拡張すると、衝撃力
ｆｒ２に対応するｆｒ２’が式（９）により算出され
る。
ｆｒ２に対応するｆｒ２’が式（９）により算出され
る。
【数１１】
【００２５】さらに、式（９）を回転翼２の回転軸方向
の厚みＷＨ方向に拡張すると、回転翼２の一つによる衝
撃力ｆｒ３’が式（１０）により算出される。
の厚みＷＨ方向に拡張すると、回転翼２の一つによる衝
撃力ｆｒ３’が式（１０）により算出される。
【数１２】
【００２６】回転翼２に含まれるタービン翼の数をＳと
すると、１ブロックに関する回転翼２の衝撃力は、式
（１０）をＳ倍したものになる。各ブロックの回転翼２
の衝撃力の和ｆｒ４’は次式（１１）のように表され
る。その場合、ＷＷ，ＷＨ，Ｓ，ＲｉｎおよびＲｏｕｔ
は、それぞれブロック毎に異なるのでＷＷ(N)，Ｗ
Ｈ(N)，Ｓ(N)，Ｒｉｎ(N)およびＲｏｕｔ(N)のように表
される。
すると、１ブロックに関する回転翼２の衝撃力は、式
（１０）をＳ倍したものになる。各ブロックの回転翼２
の衝撃力の和ｆｒ４’は次式（１１）のように表され
る。その場合、ＷＷ，ＷＨ，Ｓ，ＲｉｎおよびＲｏｕｔ
は、それぞれブロック毎に異なるのでＷＷ(N)，Ｗ
Ｈ(N)，Ｓ(N)，Ｒｉｎ(N)およびＲｏｕｔ(N)のように表
される。
【数１３】
【００２７】（ｄ）ターボ分子ポンプ部ＴＰ全体の衝撃
力 ロータ４のターボ分子ポンプ部ＴＰ全体が内側ケーシン
グ１４に与える衝撃力は、上述したロータ円筒部２１の
衝撃力ｆｒ４と回転翼２の衝撃力ｆｒ４’との和にな
り、その和ｆｒ５は次式（１２）のように表される。
力 ロータ４のターボ分子ポンプ部ＴＰ全体が内側ケーシン
グ１４に与える衝撃力は、上述したロータ円筒部２１の
衝撃力ｆｒ４と回転翼２の衝撃力ｆｒ４’との和にな
り、その和ｆｒ５は次式（１２）のように表される。
【数１４】
【００２８】《内側ケーシング１４の厚さＴの算出》図
１に示したように内側ケーシング１４の内側にはスペー
サリング９が設けられているので、厳密には衝撃力はス
ペーサリング９と内側ケーシング１４とにより吸収され
る。しかし、従来のターボ分子ポンプではスペーサリン
グ９は固定翼５の間隔を所定値に位置決めするために設
けられていて、ロータ破壊を考慮して設計されることは
なかった。すなわち、ロータ破壊の衝撃力はポンプケー
シング１で受けるような設計になっていた。そこで、本
実施の形態においても、ロータ破壊の衝撃力は全て内側
ケーシング１４にかかるとして厚さＴの算出を行う。
１に示したように内側ケーシング１４の内側にはスペー
サリング９が設けられているので、厳密には衝撃力はス
ペーサリング９と内側ケーシング１４とにより吸収され
る。しかし、従来のターボ分子ポンプではスペーサリン
グ９は固定翼５の間隔を所定値に位置決めするために設
けられていて、ロータ破壊を考慮して設計されることは
なかった。すなわち、ロータ破壊の衝撃力はポンプケー
シング１で受けるような設計になっていた。そこで、本
実施の形態においても、ロータ破壊の衝撃力は全て内側
ケーシング１４にかかるとして厚さＴの算出を行う。
【００２９】ロータ破壊により生じた多数のロータ片２
３は内側ケーシング１４の内側表面全体に衝突するの
で、衝撃力ｆｒ５を内側ケーシング１４の内側表面積Ａ
で割った圧力Ｐ（＝ｆｒ５／Ａ）が内側ケーシング１４
に内圧として印加されるとみなす。そして、トレスカの
降伏条件（Tresca yield condition）に内圧Ｐを適用す
ることにより、内側ケーシング１４の厚さＴを算出す
る。
３は内側ケーシング１４の内側表面全体に衝突するの
で、衝撃力ｆｒ５を内側ケーシング１４の内側表面積Ａ
で割った圧力Ｐ（＝ｆｒ５／Ａ）が内側ケーシング１４
に内圧として印加されるとみなす。そして、トレスカの
降伏条件（Tresca yield condition）に内圧Ｐを適用す
ることにより、内側ケーシング１４の厚さＴを算出す
る。
【００３０】トレスカの降伏条件は式（１３）のように
表される。式（１３）において、Ｐ ｅは内側ケーシング
１４が降伏する内圧、σｓは内側ケーシング１４に用い
られている材料の降伏応力、ａおよびｂは内側ケーシン
グ１４の外半径および内半径であり、ｋ＝ａ／ｂであ
る。すなわち、Ｐ（＝ｆｒ５／Ａ）の大きさがＰ＞Ｐｅ
となった場合に、内側ケーシング１４が塑性変形する。
表される。式（１３）において、Ｐ ｅは内側ケーシング
１４が降伏する内圧、σｓは内側ケーシング１４に用い
られている材料の降伏応力、ａおよびｂは内側ケーシン
グ１４の外半径および内半径であり、ｋ＝ａ／ｂであ
る。すなわち、Ｐ（＝ｆｒ５／Ａ）の大きさがＰ＞Ｐｅ
となった場合に、内側ケーシング１４が塑性変形する。
【数１５】
Ｐｅ＝（σｓ／２）・（ｋ２−１）／ｋ２ …（１３）
【００３１】図６の曲線は、式（１３）で表されるＰｅ
を（ｋ，Ｐｅ）座標上に描いたものである。Ｐ＝Ｐｅを
満たすときのｋをｋ１とすれば、内側ケーシング１４が
塑性変形するためには、内側ケーシング１４の外半径ａ
および内半径ｂは式（１４）の条件を満たすように設定
しなければならない。ａ＝ｂ＋Ｔであるから、式（１
４）を厚さＴで表すと式（１５）のようになる。
を（ｋ，Ｐｅ）座標上に描いたものである。Ｐ＝Ｐｅを
満たすときのｋをｋ１とすれば、内側ケーシング１４が
塑性変形するためには、内側ケーシング１４の外半径ａ
および内半径ｂは式（１４）の条件を満たすように設定
しなければならない。ａ＝ｂ＋Ｔであるから、式（１
４）を厚さＴで表すと式（１５）のようになる。
【数１６】１＜（ａ／ｂ）＜ｋ１ …（１４）
０＜Ｔ＜（ｋ１−１）ｂ …（１５）
【００３２】なお、変形した内側ケーシング１４がポン
プケーシング１に干渉しないようにするためには、内側
ケーシング１４と外側のポンプケーシング１とのギャッ
プ寸法Ｇを、厚さＴの内側ケーシング１４の塑性変形量
よりも大きく設定すれば良い。内側ケーシング１４の塑
性変形量は、ロータ片２３の運動エネルギー、内側ケー
シング１４の厚さＴおよび材質に依存しており、内側ケ
ーシング１４の厚さＴを薄くするにつれて寸法Ｇは大き
くなる。この寸法Ｇは計算により推定しても良いし、実
験的に測定しても良い。
プケーシング１に干渉しないようにするためには、内側
ケーシング１４と外側のポンプケーシング１とのギャッ
プ寸法Ｇを、厚さＴの内側ケーシング１４の塑性変形量
よりも大きく設定すれば良い。内側ケーシング１４の塑
性変形量は、ロータ片２３の運動エネルギー、内側ケー
シング１４の厚さＴおよび材質に依存しており、内側ケ
ーシング１４の厚さＴを薄くするにつれて寸法Ｇは大き
くなる。この寸法Ｇは計算により推定しても良いし、実
験的に測定しても良い。
【００３３】第１の実施の形態のターボ分子ポンプで
は、ロータ破壊時の衝撃力が内側ケーシング１４の塑性
変形により吸収され、装置への衝撃を低減することがで
きる。また、変形した内側ケーシング１４がポンプケー
シング１に干渉しないのでポンプケーシング１の変形を
防止することができ、ポンプ周辺装置との干渉を防止す
ることができる。さらに、ポンプケーシング１の強度は
ポンプ重量に耐えられる程度の厚さがあれば良く、ロー
タ破壊にも充分耐えられるようなケーシング厚さに設定
されていた従来のターボ分子ポンプに比べて、ポンプ重
量の低減を図ることができる。
は、ロータ破壊時の衝撃力が内側ケーシング１４の塑性
変形により吸収され、装置への衝撃を低減することがで
きる。また、変形した内側ケーシング１４がポンプケー
シング１に干渉しないのでポンプケーシング１の変形を
防止することができ、ポンプ周辺装置との干渉を防止す
ることができる。さらに、ポンプケーシング１の強度は
ポンプ重量に耐えられる程度の厚さがあれば良く、ロー
タ破壊にも充分耐えられるようなケーシング厚さに設定
されていた従来のターボ分子ポンプに比べて、ポンプ重
量の低減を図ることができる。
【００３４】上述した第１の実施の形態では、複合型の
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、
上述した衝撃力の計算式や塑性変形の条件式は算出方法
の一例を述べたものであり、種々の計算方法が適用可能
である。
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、
上述した衝撃力の計算式や塑性変形の条件式は算出方法
の一例を述べたものであり、種々の計算方法が適用可能
である。
【００３５】−第２の実施の形態−
図７は本発明によるターボ分子ポンプの第２の実施の形
態を示す図である。図７は図１と同様の断面図であり、
同一部分には同一符号を付した。上述した第１の実施の
形態では、ロータ破壊時の衝撃力を吸収する内側ケーシ
ング１４をポンプケーシング１内に設けたが、第２の実
施の形態では固定翼５をスペーサリング３０に内側ケー
シング１４と同様の機能を付加するようにした。内側ケ
ーシング１４と同様に、スペーサリング３０の厚さを
Ｔ、スペーサリング３０とポンプケーシング１とのギャ
ップ寸法をＧとする。その他の部分は図１に示したター
ボ分子ポンプと同様の構成である。
態を示す図である。図７は図１と同様の断面図であり、
同一部分には同一符号を付した。上述した第１の実施の
形態では、ロータ破壊時の衝撃力を吸収する内側ケーシ
ング１４をポンプケーシング１内に設けたが、第２の実
施の形態では固定翼５をスペーサリング３０に内側ケー
シング１４と同様の機能を付加するようにした。内側ケ
ーシング１４と同様に、スペーサリング３０の厚さを
Ｔ、スペーサリング３０とポンプケーシング１とのギャ
ップ寸法をＧとする。その他の部分は図１に示したター
ボ分子ポンプと同様の構成である。
【００３６】スペーサリング３０による衝撃力吸収を算
出する際には、第１の実施の形態と同様に、ロータ４の
ターボ分子ポンプ部ＴＰの部分について衝撃力を計算す
る。そのため、衝撃力に関する計算は上述した式（１）
〜（１２）と全く同一である。また、第１の実施の形態
で使用した、符号ａ，ｂ，σｓをスペーサリング３０の
外半径，内半径およびスペーサリング３０を構成する材
料の降伏応力と置き換えることにより、式（１３）〜
（１５）も同様に成り立つ。
出する際には、第１の実施の形態と同様に、ロータ４の
ターボ分子ポンプ部ＴＰの部分について衝撃力を計算す
る。そのため、衝撃力に関する計算は上述した式（１）
〜（１２）と全く同一である。また、第１の実施の形態
で使用した、符号ａ，ｂ，σｓをスペーサリング３０の
外半径，内半径およびスペーサリング３０を構成する材
料の降伏応力と置き換えることにより、式（１３）〜
（１５）も同様に成り立つ。
【００３７】その結果、第２の実施の形態のターボ分子
ポンプでは、ロータ破壊時の衝撃力がスペーサリング３
０の塑性変形により吸収され、装置への衝撃を低減する
ことができる。また、ギャップ寸法Ｇがスペーサリング
３０の変形量よりも大きく設定されているので、変形し
たスペーサリング３０がポンプケーシング１に干渉する
ことが無い。そのため、ロータ破壊によるポンプケーシ
ング１の変形を防止することができ、ポンプ周辺装置と
の干渉を防止することができる。さらに、スペーサリン
グ３０に固定翼位置決め固定の機能と衝撃吸収の機能と
を兼用させたことにより、コスト増を抑えることができ
る。
ポンプでは、ロータ破壊時の衝撃力がスペーサリング３
０の塑性変形により吸収され、装置への衝撃を低減する
ことができる。また、ギャップ寸法Ｇがスペーサリング
３０の変形量よりも大きく設定されているので、変形し
たスペーサリング３０がポンプケーシング１に干渉する
ことが無い。そのため、ロータ破壊によるポンプケーシ
ング１の変形を防止することができ、ポンプ周辺装置と
の干渉を防止することができる。さらに、スペーサリン
グ３０に固定翼位置決め固定の機能と衝撃吸収の機能と
を兼用させたことにより、コスト増を抑えることができ
る。
【００３８】［変形例］図８は、図７に示したターボ分
子ポンプの変形例を示す図である。図８のターボ分子ポ
ンプでは、ドラッグポンプ固定部６０の外周側に肉抜き
部６１を形成した。その結果、ロータ破壊時にドラッグ
ポンプ固定部６０が塑性変形し、ドラッグポンプ回転部
３の衝撃力が吸収される。なお、ドラッグポンプ固定部
６０の厚さＴ１やギャップ寸法Ｇ１は、上述した第１の
実施の形態と同様にして算出すれば良い。
子ポンプの変形例を示す図である。図８のターボ分子ポ
ンプでは、ドラッグポンプ固定部６０の外周側に肉抜き
部６１を形成した。その結果、ロータ破壊時にドラッグ
ポンプ固定部６０が塑性変形し、ドラッグポンプ回転部
３の衝撃力が吸収される。なお、ドラッグポンプ固定部
６０の厚さＴ１やギャップ寸法Ｇ１は、上述した第１の
実施の形態と同様にして算出すれば良い。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ロータ破壊時の衝撃力は円筒状ケーシングやスペーサリ
ングが塑性変形することにより吸収され、ターボ分子ポ
ンプが取り付けられた装置への衝撃力の伝達を低減する
ことができる。また、円筒状ケーシングおよびスペーサ
リングの外周面とポンプケーシングの内周面との隙間
は、円筒状ケーシングおよびスペーサリングの径方向変
形量より大きく設定されているので、塑性変形した円筒
状ケーシングおよびスペーサリングがポンプケーシング
に干渉することがなく、ポンプケーシングの変形を防止
できる。
ロータ破壊時の衝撃力は円筒状ケーシングやスペーサリ
ングが塑性変形することにより吸収され、ターボ分子ポ
ンプが取り付けられた装置への衝撃力の伝達を低減する
ことができる。また、円筒状ケーシングおよびスペーサ
リングの外周面とポンプケーシングの内周面との隙間
は、円筒状ケーシングおよびスペーサリングの径方向変
形量より大きく設定されているので、塑性変形した円筒
状ケーシングおよびスペーサリングがポンプケーシング
に干渉することがなく、ポンプケーシングの変形を防止
できる。
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図であり、タ
ーボ分子ポンプの断面図である。
ーボ分子ポンプの断面図である。
【図２】ロータ４の断面図である。
【図３】内側ケーシング１４の横断面の一部およびロー
タ片２３を示す図である。
タ片２３を示す図である。
【図４】ロータ円筒部２１および内側ケーシング１４の
横断面の一部を示す図である。
横断面の一部を示す図である。
【図５】内側ケーシング１４の横断面の一部および回転
翼２を示す図である。
翼２を示す図である。
【図６】Ｐｅの曲線を示す図である。
【図７】本発明によるターボ分子ポンプの第２の実施の
形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの断面図であ
る。
形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの断面図であ
る。
【図８】図７に示したターボ分子ポンプの変形例を示す
断面図である。
断面図である。
１ ポンプケーシング
２ 回転翼
３ ドラッグポンプ回転部
４ ロータ
５ 固定翼
６，６０ ドラッグポンプ固定部
９，３０ スペーサリング
１４ 内側ケーシング
ＴＰ ターボ分子ポンプ部
ＤＰ ドラッグポンプ部
Claims (2)
- 【請求項１】 複数段の回転翼が形成されたロータと複
数段の固定翼とをポンプケーシング内に備え、前記ロー
タを回転させて気体を排気するターボ分子ポンプにおい
て、 ロータ破損時のロータ破片衝突による圧力Ｐに対して外
径と内径との比ｋが次式を満足するような円筒状ケーシ
ングを、前記ポンプケーシングと前記ロータとの間に設
け、前記ポンプケーシングの内周面と前記円筒状ケーシ
ングの外周面との隙間寸法を、前記ロータ破片衝突によ
る前記円筒状ケーシングの径方向変形量よりも大きくし
たことを特徴とするターボ分子ポンプ。 【数１】Ｐ＞（σｓ／２）・（ｋ２−１）／ｋ２ ただし、σｓは内側ケーシングの降伏応力である。 - 【請求項２】 複数段の回転翼が形成されたロータと、
複数段の固定翼と、前記複数段の固定翼を位置決めする
スペーサリングとをポンプケーシング内に備え、前記ロ
ータを回転させて気体を排気するターボ分子ポンプにお
いて、前記スペーサリングの外径と内径との比ｋを、ロ
ータ破損時のロータ破片衝突による圧力Ｐに対して次式
を満足するように設定し、かつ、前記スペーサリングの
外周面と前記ポンプケーシングの内周面との隙間寸法
を、前記ロータ破片衝突による前記スペーサリングの径
方向変形量よりも大きくしたことを特徴とするターボ分
子ポンプ。 【数２】Ｐ＞（σｓ／２）・（ｋ２−１）／ｋ２ ただし、σｓはスペーサリングの降伏応力である。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001251717A JP2003065282A (ja) | 2001-08-22 | 2001-08-22 | ターボ分子ポンプ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001251717A JP2003065282A (ja) | 2001-08-22 | 2001-08-22 | ターボ分子ポンプ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003065282A true JP2003065282A (ja) | 2003-03-05 |
Family
ID=19080315
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001251717A Pending JP2003065282A (ja) | 2001-08-22 | 2001-08-22 | ターボ分子ポンプ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003065282A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008510093A (ja) * | 2004-08-11 | 2008-04-03 | ザ・ビーオーシー・グループ・インコーポレーテッド | 一体型高真空ポンピングシステム |
| WO2015040898A1 (ja) * | 2013-09-17 | 2015-03-26 | エドワーズ株式会社 | 真空ポンプの固定部品 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1162879A (ja) * | 1997-08-20 | 1999-03-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ターボ分子ポンプ |
| JP2001082379A (ja) * | 1999-02-19 | 2001-03-27 | Ebara Corp | ターボ分子ポンプ |
-
2001
- 2001-08-22 JP JP2001251717A patent/JP2003065282A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1162879A (ja) * | 1997-08-20 | 1999-03-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ターボ分子ポンプ |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008510093A (ja) * | 2004-08-11 | 2008-04-03 | ザ・ビーオーシー・グループ・インコーポレーテッド | 一体型高真空ポンピングシステム |
| JP4931811B2 (ja) * | 2004-08-11 | 2012-05-16 | エドワーズ・バキューム・インコーポレーテッド | 一体型高真空ポンピングシステム |
| KR101224337B1 (ko) | 2004-08-11 | 2013-01-21 | 에드워즈 배큠 인코포레이티드 | 가스 운반용 일체형 진공 펌핑 시스템, 가스 운반용 장치 및 가스 운반 방법 |
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| KR20160055119A (ko) * | 2013-09-17 | 2016-05-17 | 에드워즈 가부시키가이샤 | 진공 펌프의 고정 부품 |
| US10260515B2 (en) | 2013-09-17 | 2019-04-16 | Edwards Japan Limited | Stator component of vacuum pump |
| US10508657B2 (en) | 2013-09-17 | 2019-12-17 | Edwards Japan Limited | Stator component of vacuum pump |
| KR102167209B1 (ko) | 2013-09-17 | 2020-10-19 | 에드워즈 가부시키가이샤 | 진공 펌프의 고정 부품 |
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|---|---|---|---|
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071106 |
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|
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