JP2019035367A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプロータを締結するボルトとポンプロータとの隙間を介した背圧側からポンプ吸気口側へのガスのリークを防止することができるターボ分子ポンプの提供。【解決手段】ターボ分子ポンプは、モータにより回転駆動されるシャフト４ｂと、ポンプロータ４ａと、ポンプロータ４ａをポンプ吸気口側から貫通して、ポンプロータ４ａをシャフト４ｂのポンプ吸気口側端部に締結する複数のボルト５０と、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結面の隙間を封止するＯリングシール５２と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプにおいては、ポンプロータが締結されたロータ軸をモータにより高速回転して真空排気を行っている。ポンプロータが高速回転すると、ポンプロータよりも上流の吸気口側は高真空となる。ポンプロータよりも下流である背圧側はバックポンプにより排気されており、バックポンプの性能に依存した低真空の圧力となる。

ところで、ロータ軸は背圧側に設けられているので、ポンプロータとロータ軸との締結部の一部が吸気口側および背圧側に露出していると、その締結部の隙間を介してガスが背圧側から吸気口側へとリークすることになる。そのようなリークがあるとターボ分子ポンプの圧縮比が低下し真空排気性能の悪化を招くおそれがある。

特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、ロータ軸とポンプロータはテーパ状の嵌め合いとなっている。そして、その嵌め合い部分からのリークを防止するために、ロータ軸端部を覆う蓋状部材をポンプロータに取り付け、その蓋状部材とポンプロータとの隙間をガスケットでシールする構造としている。

一方、特許文献２に記載のターボ分子ポンプでは、複数のボルトを用いてポンプロータをロータ軸に締結している。そして、組立性をより容易とするために吸気口側からボルト締めができるように、ポンプロータの締結部をボルトが高真空側から貫通するような構成としている。

特開平５−３１１８７８号公報 特開２００８−０３８８４４号公報

しかしながら、特許文献２に記載のような締結構造とした場合、ポンプロータに形成されたボルト孔がロータ軸との締結面まで貫通しているため、ポンプロータとロータ軸との締結面の隙間およびボルトとボルト孔との隙間を介して、背圧側のガスが吸気口側にリークするおそれがあった。

本発明の好ましい態様によるターボ分子ポンプは、モータにより回転駆動されるシャフトと、ポンプロータと、前記ポンプロータをポンプ吸気口側から貫通して、前記ポンプロータを前記シャフトのポンプ吸気口側端部に締結する複数のボルトと、前記ポンプロータと前記シャフトとの締結面の隙間または前記ボルトと前記ポンプロータとの隙間を封止するシール部材と、を備える。
さらに好ましい態様では、前記シール部材は、前記ポンプロータのボルト孔のポンプ吸気口側の縁に形成されたテーパ面、前記ボルトの外周面および前記ボルトのボルトヘッドで形成されるシール溝に配置され、前記テーパ面、前記外周面および前記ボルトヘッドにそれぞれ接触して前記ボルトと前記ポンプロータとの隙間を封止するＯリングシールである。
さらに好ましい態様では、前記ポンプロータのポンプ吸気口側に固定されるロータバランス修正用部材をさらに備え、前記ボルトは、前記ロータバランス修正用部材および前記ポンプロータをポンプ吸気口側から貫通して、前記ロータバランス修正用部材および前記ポンプロータを前記シャフトのポンプ吸気口側端部に締結し、前記シール部材は、前記ロータバランス修正用部材および前記ポンプロータのいずれか一方の締結面と、他方の締結面のボルト孔の縁に形成されたテーパ面と、前記ボルトの外周面とで形成されるシール溝に配置され、前記一方の締結面、前記テーパ面および前記外周面とそれぞれ接触して前記ボルトと前記ポンプロータとの隙間を封止するＯリングシールである。
さらに好ましい態様では、前記シール部材は、前記ポンプロータのボルト孔の内周または前記ボルトのボルト軸外周に装着されるＯリングシールである。
さらに好ましい態様では、前記シール部材は、前記複数のボルトを一括して囲むように配置され、前記ポンプロータと前記シャフトとの締結面の隙間を封止する。
さらに好ましい態様では、前記シール部材は、前記複数のボルト毎に該ボルトを囲むように設けられ、前記ポンプロータと前記シャフトとの締結面の隙間を封止する。
さらに好ましい態様では、前記シール部材は板状の金属ガスケットである。

本発明によれば、ポンプロータを締結するボルトとポンプロータとの隙間を介した背圧側からポンプ吸気口側へのガスのリークを防止することができる。

図１は、ターボ分子ポンプの一例を示す断面図である。 図２は、回転体の締結部の構成を説明する図である。 図３は、第１の変形例を示す図である。 図４は、ポンプロータ側に形成したシール溝を示す図である。 図５は、第２の変形例を示す図である。 図６は、第２の実施の形態を示す図である。 図７は、金属ガスケットを用いた場合を示す図である。 図８は、第２の実施の形態の変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、ターボ分子ポンプ１の一例を示す断面図である。なお、本実施の形態では磁気軸受式のターボ分子ポンプを例に説明するが、本発明は磁気軸受式に限らず適用可能である。ターボ分子ポンプ１は、回転翼４０と固定翼３０とで構成されるターボポンプ段と、円筒部４１とステータ３１とで構成されるネジ溝ポンプ段とを有している。ネジ溝ポンプ段においては、ステータ３１または円筒部４１にネジ溝が形成されている。回転翼４０および円筒部４１はポンプロータ４ａに形成されている。ポンプロータ４ａは、複数のボルト５０によりロータ軸であるシャフト４ｂに締結されている。ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとをボルト５０で締結して一体とすることで、回転体４が形成される。

軸方向に配置された複数段の回転翼４０に対して、複数段の固定翼３０が交互に配置されている。各固定翼３０は、スペーサリング３３を介してポンプ軸方向に積層されている。シャフト４ｂは、ベース３に設けられた磁気軸受３４，３５，３６によって非接触支持される。詳細な図示は省略したが、各磁気軸受３４〜３６は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりシャフト４ｂの浮上位置が検出される。

ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとをボルト締結した回転体４は、モータ１０により回転駆動される。磁気軸受が作動していない時には、シャフト４ｂは非常用のメカニカルベアリング３７ａ，３７ｂによって支持される。回転体４をモータ１０により高速回転すると、ポンプ吸気口側のガスは、ターボポンプ段（回転翼４０、固定翼３０）およびネジ溝ポンプ段（円筒部４１、ステータ３１）により順に排気され、排気ポート３８から排出される。

図２は、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結部の構成を説明する図である。図２（ａ）は、ポンプロータ４ａおよびシャフト４ｂのボルト締結部を示す図である。図１から分かるように、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結部（締結面）は、排気ポート３８に連通する背圧側に位置している。ポンプロータ４ａをシャフト４ｂに締結するボルト５０は、ポンプロータ４ａの吸気口側からポンプロータ４ａのボルト孔４２に挿通され、ボルト孔４２を貫通してシャフト４ｂに螺合している。シャフト４ｂの端面である締結面から突出する凸部４３が、ポンプロータの締結面に形成された凹部４４に嵌め合うことにより、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの間の位置決めが行われる。

各ボルト５０には、ボルト５０とポンプロータ４ａとの隙間を封止するＯリングシール５２がそれぞれ設けられている。図２（ｂ）は符号Ｂで示す部分の拡大図である。Ｏリングシール５２は、ボルト孔４２の吸気口側の縁に形成されたテーパ面４２ａと、ボルト５０のボルト軸５０ａの外周面５００と、ボルトヘッド５０ｂの下面５０１とで形成される三角形断面形状のシール溝に配置される。ボルト５０を締め付けるとシール溝内のＯリングシール５２が圧縮変形され、Ｏリングシール５２がテーパ面４２ａ、外周面５００および下面５０１に接触する。その結果、ボルト５０とボルト孔４２（すなわちポンプロータ４ａ）との隙間が、Ｏリングシール５２によって封止される。

図２（ａ）に示すように、シャフト４ｂは低真空である背圧側にあって、ボルト５０のボルトヘッド５０ｂは高真空である吸気口側にある。例えば、Ｏリングシール５２を設けない構成の場合には、破線矢印で示すように、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を通って背圧側のガスが高真空側にリークすることになり、圧縮比の低下を招く。

一方、本実施の形態では、Ｏリングシール５２を各ボルト５０に対して設けてボルト５０とボルト孔４２との隙間を封止するようにしたので、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を通した背圧側から吸気口側へのリークを防止することができ、リークによる圧縮比低下という問題を解決することができる。

（第１の変形例）
図３は、上述した実施の形態の第１の変形例を示す図である。第１の変形例では、回転体４に、回転体４のアンバランス修正に用いられるバランスリング６０が設けられている。回転体４にアンバランスがある場合には、バランスリング６０の一部をドリル等により削除してアンバランス修正を行う。図３に示した例では、ポンプロータ４ａの締結部下面に形成された凸部４５がシャフト４ｂの凹部４６と嵌合して互いの位置決めを行う。また、ポンプロータ４ａの締結部上面には凸部４７が形成されており、この凸部４７がバランスリング６０の孔部６１と嵌合することで、ポンプロータ４ａに対するバランスリング６０の位置決めが行われる。

図３（ｂ）は、締結部に設けられたＯリングシール５２の部分を詳細に示す拡大図である。Ｏリングシール５２は、バランスリング６０のボルト孔６２の締結面側の縁に形成されたテーパ面６２ａと、ボルト５０のボルト軸５０ａの外周面５００と、ポンプロータ４ａのバランスリング取り付け面４８とで形成される三角形断面形状のシール溝に配置される。ボルト５０によりポンプロータ４ａおよびバランスリング６０を共締めすると、シール溝内のＯリングシール５２が圧縮変形され、Ｏリングシール５２がテーパ面６２ａ、外周面５００およびバランスリング取り付け面４８に接触する。その結果、ボルト５０とボルト孔４２（すなわちポンプロータ４ａ）との隙間がＯリングシール５２によって封止され、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を介した背圧側から吸気口側へのガスのリークを防止することができる。

なお、図３に示す例では、Ｏリングシール５２が配置される三角形断面形状のシール溝をバランスリング６０側に形成したが、図４に示すようにシール溝をポンプロータ４ａ側に形成するようにしても良い。シール溝は、ボルト孔４２の吸気口側の縁に形成されたテーパ面４２ａと、ボルト軸５０ａの外周面５００と、バランスリング６０の締結面（下面）６３とで形成される。

バランスリング６０をポンプロータ４ａに固定すると、シール溝内のＯリングシール５２が圧縮変形され、Ｏリングシール５２がテーパ面４２ａ、外周面５００およびバランスリング６０の締結面６３に接触する。その結果、ボルト５０とボルト孔４２（すなわちポンプロータ４ａ）との隙間がＯリングシール５２によって封止され、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を介した背圧側から吸気口側へのガスのリークを防止することができる。

（第２の変形例）
図５は、第２の変形例を示す図である。図２〜４に示した構成では、三角形断面形状のシール溝に配置されたＯリングシール５２によってボルト５０とボルト孔４２との隙間を封止するようにしたが、図５に示すようにＯリングシール５３を軸シールとして用いても良い。図５（ａ）はポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結部分を示す図であり、図５（ｂ）はＯリングシール５３が配置された部分の拡大図である。

ボルト５０が挿通されるボルト孔４２の内周面には、Ｏリングシール５３が配置されるＯリング溝４２ｂが形成されている。Ｏリングシール５３はボルト５０の外周面５００とＯリング溝４２ｂの溝底面に接触して、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を封止する。そのため、シャフト４ｂが設けられた背圧側のガスが図５（ｂ）の破線矢印で示すようにボルト５０とボルト孔４２との隙間内に浸入しても、Ｏリングシールに５３によって吸気口側へのリークが防止される。

なお、図５に示した例では、Ｏリングシール５３をボルト孔４２に形成したＯリング溝に配置したが、Ｏリング溝をボルト５０のボルト軸５０ａの側に形成する構成であっても良い。なお、図５に示す例ではバランスリング６０が設けられていないが、バランスリング６０が設けられていても良い。

−第２の実施の形態−
図６は第２の実施の形態を示す図である。図６（ａ）は、図２（ａ）の場合と同様にポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結部分を示す図である。上述した第１の実施の形態では、ポンプロータ４ａをシャフト４ｂに締結するボルト５０とボルト孔４２（すなわちポンプロータ４ａ）との隙間をシール部材（Ｏリングシール５２，５３）で封止することで、背圧側から吸気口側へのガスのリークを防止している。

一方、第２の実施の形態では、図６に示すように、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結面にＯリングシール５４を設けることで、背圧側からボルト孔４２へのガスの浸入を防止することで、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を介した背圧側から吸気口側へのガスのリークを防止するようにした。

図６（ｂ）は、ポンプロータ４ａの締結面４９をシャフト４ｂ側から見た図である。ポンプロータ４ａは６本のボルト５０によってシャフト４ｂに締結されているので、ポンプロータ４ａの締結面４９には６つのボルト孔４２が形成されている。Ｏリングシール５４は、これら全てのボルト孔４２（すなわちボルト５０）を一括して囲むように円環状に配置されている。そのため、ポンプロータ４ａおよびシャフト４ｂの締結面の隙間がＯリングシール５４により封止され、背圧側からボルト孔４２とボルト５０との隙間へガスが浸入するのを防止することができ、背圧側から吸気口側へのガスのリークを防止することができる。また、ボルト本数に関係なく１つのＯリングシール５４により、背圧側から吸気口側へのガスのリークを防止することができる。

なお、図６（ａ）に示す例では、Ｏリングシール５４を配置するＯリング溝４９ａをポンプロータ４ａの締結面４９に形成したが、シャフト４ｂ側にＯリング溝を形成しても良い。いずれの場合も、Ｏリングシール５４は、ポンプロータ４ａおよびシャフト４ｂの締結面の隙間を封止する。

図７は、Ｏリングシール５４に代えて金属ガスケット５５をポンプロータ４ａおよびシャフト４ｂの締結面の隙間を封止するシール部材として用いた場合を示す。図７（ａ）はポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結部分を示す図であり、図７（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。金属ガスケット５５には、例えば塑性変形しやすい金属（例えば、銅やアルミニウム）を薄い板状にしたものが用いられる。リング形状の金属ガスケット５５には、ボルト５０が貫通する孔５５ａが６つ形成されている。

金属ガスケット５５をシャフト４ｂの締結面（図示上端面）に配置し、ポンプロータ４ａをボルト５０によりシャフト４ｂに締結すると、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの隙間が金属ガスケット５５により封止される。図７に示す締結構造の場合、シャフト４ｂの外周面とボルト５０との間のスペースが小さく図６に示すようなＯリングシール５４を配置する余裕がない。このような場合には、シール部材として金属ガスケットを用いるのが好ましい。なお、金属ガスケット５５に代えて非金属のガスケットを用いることも可能であるが、材料からのガス放出や耐熱性等を考慮すると金属であることが好ましい。

なお、図６，７に示す例ではバランスリング６０が設けられていないが、バランスリング６０が設けられていても良い。

図８は、第２の実施の形態の変形例を示す図である。図６，７に示したＯリングシール５４や金属ガスケット５５の場合、６本のボルト５０の全体を一括で囲むようにシール部材が配置されている。一方、図８に示す変形例では、１本のボルト５０を囲むように設けられたシール部材をボルト５０毎に配置するようにした。

図８（ａ）はＯリングシール５７を用いる場合を示したものであり、ボルト５０毎にＯリングシール５７が配置されている。図８（ｂ）は金属ガスケットに適用した場合であり、リング状の金属ガスケット５８がボルト５０毎に設けられている。ボルト孔４２とボルト５０との隙間は、ポンプロータ４ａおよびシャフト４ｂの締結面の隙間を介して背圧側と繋がっている。しかし、このようにボルト５０毎にシール部材を設けることでボルト５０の周囲のポンプロータ４ａおよびシャフト４ｂの締結面の隙間が封止され、背圧側からボルト孔４２とボルト５０との隙間へガスが浸入するのを防止できる。その結果、ボルト孔４２とボルト５０との隙間を介した背圧側から吸気口側へのガスのリークを防止することができる。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（Ｃ１）図５や図６等に示すように、ターボ分子ポンプ１においては、ポンプロータ４ａをポンプ吸気口側から貫通させたボルト５０を複数用いて、ポンプロータ４ａをシャフト４ｂのポンプ吸気口側端部に締結されている。そして、図６のようにシール部材であるＯリングシール５４でポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結面の隙間を封止したり、図５のようにＯリングシール５３でボルト５０とポンプロータ４ａのボルト孔４２との隙間を封止したりする。このような構成とすることで、シャフト４ｂが配置された背圧側からボルト５０とポンプロータ４ａとの隙間を介したポンプ吸気口側へのガスのリークを、Ｏリングシール５４，５３により防止することができる。

（Ｃ２）例えば、図２に示す締結構造の場合のように、Ｏリングシール５２を、ポンプロータ４ａのボルト孔４２のポンプ吸気口側の縁に形成されたテーパ面４２ａ、ボルト５０の外周面５００およびボルト５０のボルトヘッド５０ｂで形成される三角形断面形状のシール溝に配置し、Ｏリングシール５２をテーパ面４２ａ、外周面５００およびボルトヘッド５０ｂにそれぞれ接触させて、ボルト５０とポンプロータ４ａとの隙間、すなわち、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を封止するようにしても良い。

（Ｃ３）また、図３，４に示す締結構造のように、ポンプロータ４ａのポンプ吸気口側に固定されるロータバランス修正用部材であるバランスリング６０をさらに備える場合に、Ｏリングシール５２を、バランスリング６０およびポンプロータ４ａのいずれか一方の締結面（図３の場合にはポンプロータ４ａの締結面であり、図４の場合にはバランスリング６０の締結面６３）と、他方の締結面のボルト孔の縁に形成されたテーパ面（図３の場合にはテーパ面６２ａであり、図４の場合にはテーパ面４２ａ）と、ボルト５０の外周面５００とで形成される三角形断面形状のシール溝に配置し、Ｏリングシール５２を前記一方の締結面、前記テーパ面および外周面５００とそれぞれ接触させて、ボルト５０とポンプロータ４ａとの隙間、すなわち、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を封止するようにしても良い。

（Ｃ４）また、図５に示す締結構造の場合のように、Ｏリングシール５３をポンプロータ４ａのボルト孔４２の内周に装着して、ボルト５０とポンプロータ４ａとの隙間、すなわち、ボルト５０とボルト孔４２との隙間を封止するようにしても良い。また、Ｏリングシール５３をボルト軸５０ａの外周に装着するようにしても良く、ボルト孔４２の内周に装着した場合と同様の効果を奏する。

（Ｃ５）また、図６に示す締結構造の場合のように、Ｏリングシール５４を複数のボルト５０を一括して囲むように配置して、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結面の隙間を封止するようにしても良い。この構成においては、ボルト本数に関係なく一つのＯリングシール５４で隙間の封止を行うことができる。

（Ｃ６）また、図８（ａ）に示す構成のように、Ｏリングシール５７を複数のボルト５０毎にボルト５０を囲むように設けて、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結面の隙間を封止して、背圧側からボルト孔４２とボルト５０との隙間にガスが浸入するのを防止するようにしても良い。その結果、背圧側からポンプ吸気口側へのガスのリークを防止することができる。

（Ｃ７）また、図７に示すように、シール部材として板状の金属ガスケット５５を用いても良い。金属ガスケット５５を用いることで、Ｏリングシールを用いた場合に比べてシール部材からのガス放出を低減することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…ターボ分子ポンプ、４…回転体、４ａ…ポンプロータ、４ｂ…シャフト、４２，６２…ボルト孔、４２ａ，６２ａ…テーパ面、４２ｂ，４９ａ…Ｏリング溝、４８…バランスリング取り付け面、４９，６３…締結面、５０…ボルト、５０ａ…ボルト軸、５０ｂ…ボルトヘッド、５２〜５４，５７…Ｏリングシール、５５…金属ガスケット、５００…外周面

Claims (7)

1. モータにより回転駆動されるシャフトと、
   ポンプロータと、
   前記ポンプロータをポンプ吸気口側から貫通して、前記ポンプロータを前記シャフトのポンプ吸気口側端部に締結する複数のボルトと、
   前記ポンプロータと前記シャフトとの締結面の隙間または前記ボルトと前記ポンプロータとの隙間を封止するシール部材と、を備えるターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記シール部材は、
   前記ポンプロータのボルト孔のポンプ吸気口側の縁に形成されたテーパ面、前記ボルトの外周面および前記ボルトのボルトヘッドで形成されるシール溝に配置され、
   前記テーパ面、前記外周面および前記ボルトヘッドにそれぞれ接触して前記ボルトと前記ポンプロータとの隙間を封止するＯリングシールである、ターボ分子ポンプ。
3. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ポンプロータのポンプ吸気口側に固定されるロータバランス修正用部材をさらに備え、
   前記ボルトは、前記ロータバランス修正用部材および前記ポンプロータをポンプ吸気口側から貫通して、前記ロータバランス修正用部材および前記ポンプロータを前記シャフトのポンプ吸気口側端部に締結し、
   前記シール部材は、
   前記ロータバランス修正用部材および前記ポンプロータのいずれか一方の締結面と、他方の締結面のボルト孔の縁に形成されたテーパ面と、前記ボルトの外周面とで形成されるシール溝に配置され、
   前記一方の締結面、前記テーパ面および前記外周面とそれぞれ接触して前記ボルトと前記ポンプロータとの隙間を封止するＯリングシールである、ターボ分子ポンプ。
4. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記シール部材は、前記ポンプロータのボルト孔の内周または前記ボルトのボルト軸外周に装着されるＯリングシールである、ターボ分子ポンプ。
5. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記シール部材は、前記複数のボルトを一括して囲むように配置され、前記ポンプロータと前記シャフトとの締結面の隙間を封止する、ターボ分子ポンプ。
6. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記シール部材は、前記複数のボルト毎に該ボルトを囲むように設けられ、前記ポンプロータと前記シャフトとの締結面の隙間を封止する、ターボ分子ポンプ。
7. 請求項５または６に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記シール部材は板状の金属ガスケットである、ターボ分子ポンプ。

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