JP2021110286A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増加を抑制しつつ、大流量、高背圧条件における排気性能の向上を図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１は、複数のブレードが放射状に形成され、ロータ軸方向に設けられた複数段のロータ翼４０と、複数段のロータ翼４０に対してロータ軸方向に交互に配置され、複数のブレードが放射状に設けられた複数段のステータ翼３０と、を備え、複数段のロータ翼４０および複数段のステータ翼３０の少なくとも１段は、ブレード枚数が「素数×２」または「素数×２ｎ」に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは、タービン翼が形成されたステータ翼に対してタービン翼が形成されたロータ翼を高速回転させることにより、ポンプの吸気口から流入した気体分子をポンプの排気口へと排気する。ポンプロータに形成された複数段のロータ翼に対して、複数段のステータ翼がロータ軸方向に交互に配置されている。タービン翼に衝突した気体分子は、タービン翼によって排気下流側に向かう運動量を与えられて排気下流側へと移動し、ポンプの排気口から排気される。

高真空の条件下では、タービン翼段の１段分を気体分子が通過する間に分子間衝突がほとんどないと考えられるため、排気側から吸気側に向かう逆流分子のほとんどはタービン翼に跳ね返され、逆流分子による性能低下はそれほど考慮する必要がなかった。しかしながら、大流量、高背圧条件では、気体分子がタービン翼段の１段分を通過する間の分子間衝突が増加して気体分子の逆流の影響が顕著になり、排気性が低下するという問題が生じる。そのため、特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、ロータ翼およびステータ翼の翼形状を、逆流防止効果を発揮する形状とすることで、逆流の影響の低下を図っている。

特許第３０４７２９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、翼の傾きが吸気側から排気側にかけて変化する複雑な翼形状であるため、翼加工が難しく加工コスト増が問題となる。

本発明の態様によるターボ分子ポンプは、複数のブレードが放射状に形成され、ロータ軸方向に設けられた複数段のロータ翼と、複数段の前記ロータ翼に対してロータ軸方向に交互に配置され、複数のブレードが放射状に設けられた複数段のステータ翼と、を備え、前記複数段のロータ翼および前記複数段のステータ翼の少なくとも１段は、ブレード枚数が「素数×２」または「素数×２^ｎ」に設定されている。

本発明によれば、コスト増加を抑制しつつ、大流量、高背圧条件における排気性能の向上を図ることができる。

図１は、ターボ分子ポンプの概略構成を模式的に示した断面図である。 図２は、ロータ翼の一例を示す平面図である。 図３は、ステータ翼の一例を示す平面図である。 図４は、ターボポンプ段における排気の原理を説明する図である。 図５は、中間流・連続流条件における気体分子の逆流を説明する図である。 図６は、一対のステータ翼のブレード枚数が３６枚と３０枚の場合における重複領域Ｒ２ovを説明する図である。 図７は、一対のステータ翼のブレード枚数が３６枚と３４枚の場合における重複領域Ｒ２ovを説明する図である。 図８は、一対のステータ翼のブレード枚数が同一であって、かつ、ブレード位置の位相が一致している場合の、重複領域Ｒ２ovを説明する図である。 図９は、一対のステータ翼のブレード枚数が同一であって、かつ、ブレード位置の位相が角度ピッチＰに関してＰ／２だけ互いにずらした場合を示す図である。 図１０は、排気速度７０００Ｌ/ｓクラスの場合の実施例の翼構成を示す図である。 図１１は、排気速度５０００Ｌ/ｓクラスの場合の実施例の翼構成を示す図である。 図１２は、排気速度３０００Ｌ/ｓクラスの場合の実施例の翼構成を示す図である。 図１３は、排気速度７０００Ｌ/ｓクラスの場合の比較例の翼構成を示す図である。 図１４は、排気速度５０００Ｌ/ｓクラスの場合の比較例の翼構成を示す図である。 図１５は、排気速度３０００Ｌ/ｓクラスの場合の比較例の翼構成を示す図である。 図１６は、実施例と比較例の排気性能を示す図である。

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。図１は、ターボ分子ポンプ１の概略構成を模式的に示した断面図である。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種々のターボ分子ポンプに適用可能である。

ターボ分子ポンプ１は、複数段のステータ翼３０と複数段のロータ翼４０とで構成されるターボポンプ段と、ステータ３１と円筒部４１とで構成されるネジ溝ポンプ段とを有している。図１に示す例では、ターボポンプ段は８段のステータ翼３０と９段のロータ翼４０とで構成されているが、各段数はこれに限定されない。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。ロータ翼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。

複数段のステータ翼３０は、ポンプロータ４ａの軸方向に設けられた複数段のロータ翼４０に対して交互に配置されている。各ステータ翼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によって磁気浮上支持される。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、ポンプ吸気口側の気体は、ターボポンプ段（ロータ翼４０、ステータ翼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。排気ポート３８には補助ポンプが接続される。

図２、３は、ロータ翼４０およびステータ翼３０の一例を示す平面図である。図２は、ポンプロータ４ａの最上段に形成された１段目のロータ翼４０Ａ（４０）を吸気側から見た図である。ロータ翼４０Ａには、１６枚のブレード４００がポンプロータ４ａから放射状に形成されている。各ブレード４００は角度ピッチ２２．５度で形成されており、隣接するブレード４００間には破線で示すような表裏に貫通する貫通領域Ｒ１が形成されている。

図３は、図２に示すロータ翼４０Ａの排気下流側に隣接して配置される１段目のステータ翼３０Ａ（３０）を示す図である。ステータ翼３０Ａは、ロータ翼４０間に配置可能なように２つに分割されている。ステータ翼３０Ａは、半リング状の内側リブ部３０１の外径側に複数のブレード３００が放射状に形成されている。ステータ翼３０Ａは１６枚のブレード３００を有し、各ブレード３００は角度ピッチ２２．５度で形成されている。隣接するブレード３００間には、破線で示すような表裏に貫通する貫通領域Ｒ２が形成されている。なお、ステータ翼３０およびロータ翼４０のブレード枚数（翼枚数）の設定方法については後述する。また、貫通領域Ｒ１，Ｒ２については、ブレード枚数や翼形状の設定によっては形成されない場合もある。

（ターボポンプ段の排気の原理）
図４は、ターボポンプ段における排気の原理を説明する図であり、ターボポンプ段を図２の一点鎖線で示す円弧に沿ったＣ−Ｃ断面を示す図である。なお、図４では、ターボポンプ段の吸気口側からロータ翼４０の１段目（４０Ａ）、ステータ翼３０の１段目（３０Ａ）およびロータ翼４０の２段目（４０Ｂ）を示す。図２においてポンプロータ４ａは時計回りに回転し、そのときのＣ−Ｃ断面におけるロータ翼４０の周速度をＶとする。図４では、ステータ翼３０Ａのブレード３００に対して、ロータ翼４０のブレード４００が図示左方向に周速度Ｖで移動することになる。

（１）吸気側から入射する気体分子
ここで、吸気側からロータ翼４０Ａに対して、気体分子Ｍ１が速度Ｖm1で図示下方に入射した場合を考える。なお、隣接するブレード４００間の領域を隙間領域Ｒ１０と呼ぶことにする。ロータ翼４０Ａのブレード４００は図示左方向に周速度Ｖで移動しているので、ブレード４００から見た気体分子Ｍ１の相対速度Ｖm1rは、速度Ｖm1と速度−Ｖとを合成した右下方向の速度となる。速度Ｖm1の気体分子Ｍ１に関して、隙間領域Ｒ１０の一部である隙間領域Ｒ１０ａに入射したものは、右下方向に傾いたブレード４００の間をすり抜けるようにロータ翼４０Ａを通過してステータ翼３０Ａへ入射する。一方、隙間領域Ｒ１０の内の残りの一部である隙間領域Ｒ１０ｂに速度Ｖm1で入射した気体分子Ｍ１は、ブレード４００の裏面４００ｂに衝突する。

ブレード４００の裏面４００ｂに相対速度Ｖm1rで入射した気体分子Ｍ１は、裏面４００ｂで反射されて裏面４００ｂから出射される。このときの出射方向は必ずしも鏡面反射方向ではなく、それ以外の方向においても出射角度（法線からの角度）に依存した確率で存在すると考えられる。ブレード４００の裏面４００ｂは排気側を向くように傾いているので、その裏面４００ｂに入射した気体分子Ｍ１は排気側に出射される確率が高い。ここでは、気体分子Ｍ１が、裏面４００ｂの法線方向に相対速度Ｖm2rで出射された場合を考える。周速度Ｖで移動するブレード４００から相対速度Ｖm2rで出射された気体分子Ｍ１は、静止しているステータ翼３０Ａに対して速度Ｖm2で入射する。速度Ｖm2は相対速度Ｖm2rと速度Ｖとを合成した速度となり、気体分子Ｍ１は図４に示すように水平方向に対して浅い角度で左下方向に進む。

ブレード３００はブレード４００とは逆に左下斜め方向に傾いているので、ロータ翼４０Ａからステータ翼３０Ａに入射した気体分子Ｍ１のほとんどは、ブレード３００の間をすり抜けるようにステータ翼３０Ａを通過するか、または、ブレード３００の裏面３００ｂに衝突することになる。ブレード３００の裏面３００ｂは排気側を向くように傾いているので、その裏面３００ｂに入射した気体分子Ｍ１は、裏面３００ｂで反射されて２段目のロータ翼４０Ｂの方向に出射される確率が高い。そして、ステータ翼３０Ａからロータ翼４０Ｂに入射した気体分子Ｍ１は、吸気側からロータ翼４０Ａに入射した気体分子Ｍ１の場合と同様の過程を経て、ロータ翼４０Ｂから排気側へと移動することになる。

なお、ブレード３００の裏面３００ｂに入射した気体分子Ｍ１の内、裏面３００ｂから逆行するように速度Ｖm3で出射されて１段目のロータ翼４０Ａに入射する気体分子Ｍ１は、ブレード４００から見た相対速度Ｖm3rが出射速度Ｖm3と速度−Ｖとを合成した速度となる。そのため、ほとんどがブレード４００の裏面４００ｂに入射することになる。

一方、ロータ翼４０Ａのブレード４００の間をすり抜けてステータ翼３０Ａへ入射した気体分子Ｍ１は、一部がブレード３００間をすり抜け、残りの一部がブレード３００の上面３００ａに入射する。ブレード３００の上面３００ａは吸気側を向いているので、上面３００ａに入射した気体分子Ｍ１の一部、例えば、上面３００ａで反射されて、速度Ｖm6で上面３００ａから出射された気体分子Ｍ１は、再びロータ翼４０Ａに入射することになる。

周速度Ｖで移動するブレード４００から見た気体分子Ｍ１の相対速度Ｖm6rは、速度Ｖm6と速度−Ｖとを合成した速度となる。そのため、気体分子Ｍ１はブレード４００の裏面４００ｂに入射することになる。その後、気体分子Ｍ１は、ブレード４００の裏面４００ｂで反射されて裏面４００ｂから出射され、上述した相対速度Ｖm2rで出射した気体分子Ｍ１の場合と同様にステータ翼３０Ａに入射する。このように、ステータ翼３０に対してロータ翼４０が周速度Ｖで回転することで、吸気側から入射した気体分子Ｍ１のほとんどは排気側へと移送されることになる。

（２）排気側から入射する逆流分子
次に、排気側からロータ翼４０Ｂに入射する気体分子、すなわち、逆流分子について説明する。ここでは、図４に示す気体分子Ｍ２のように、気体分子Ｍ２が速度Ｖm4で図示上方に入射した場合を考える。ロータ翼４０Ｂのブレード４００は図示左方向に周速度Ｖで移動しているので、ブレード４００から見た気体分子Ｍ２の相対速度Ｖm4rは、速度Ｖm4と速度−Ｖとを合成した右上方向の速度となる。そのため、気体分子Ｍ２のほとんどがブレード４００の裏面４００ｂに衝突することになり、気体分子Ｍ２がブレード４００の間を吸気側方向にすり抜ける確率は小さい。

前述したように、ブレード４００の裏面４００ｂに入射した気体分子Ｍ２は、鏡面反射方向だけではなく、それ以外の方向にも反射される確率を有している。例えば、ブレード４００の裏面４００ｂから相対速度Ｖm5rで出射されて、排気側に設けられたステータ翼３０Ａに入射する場合もある。その場合、ブレード４００はステータ翼３０Ａのブレード３００に対して周速度Ｖで左方向に移動しているので、ブレード４００から相対速度Ｖm5rで出射された気体分子Ｍ２の、ブレード３００に対する速度Ｖm5は、相対速度Ｖm5rと周速度Ｖとを合成した速度となる。

上述した、ロータ翼４０Ａのブレード４００の裏面４００ｂに入射した気体分子Ｍ１の場合と同様に、ステータ翼３０Ａのブレード３００の裏面３００ｂに入射した気体分子Ｍ２の場合も、ほとんどが排気側のロータ翼４０Ｂの方向に反射され、ごくわずかがステータ翼３０Ａを排気側へ抜けてロータ翼４０Ａに入射する。このように排気側からロータ翼４０Ｂに入射した気体分子（逆流分子）のほとんどは排気側に排気されることになり、トータルとして吸気側から排気側へと気体分子が排気されることになる。

基本的にタービン翼段全段の排気性能は、「（吸気側から排気側にかけての排気作用による排気速度）−（排気側から吸気側への逆流成分の排気速度）」で算出される全段の排気速度で表される。小流量かつ高真空の条件（以下では、分子流条件と呼ぶことにする）では、ターボポンプ段の１段分（ステータ翼３０またはロータ翼４０）を気体分子が通過する間に分子間衝突がほとんどないとみなせるので、上述した排気の原理がほぼ成り立つと考えることができる。そのため、気体分子の逆流による性能低下をそれほど考慮する必要が無かった。

しかしながら、大流量、高背圧条件（以下では、中間流・連続流条件と呼ぶことにする）では、気体分子がターボポンプ段の１段分を通過する間に分子間衝突が発生しやすい。中間流・連続流条件における分子間衝突は、後述するように、気体分子の逆流を招きやすい。その結果、同じ翼構成であっても、中間流・連続流条件では、シミュレーションにより得られる排気性能が分子流条件の場合よりも低くなる。

図５は、分子間衝突が逆流の起因となることを説明する図である。図５では、ロータ翼４０のブレード４００と、そのロータ翼４０に隣接する一対のステータ翼３０のブレード３００を示している。一対のステータ翼３０は、翼構成は互いに同一であるが、ブレード３００の周方向の位相は互いにずれて配置されている。そのため、上下の一対のステータ翼３０は、お互いの貫通領域Ｒ２の内の一部の領域Ｒ２ovのみが重複している。以下では、この領域Ｒ２ovを重複領域と呼ぶことにする。すなわち、ロータ翼４０が無くステータ翼３０だけを考えた場合、下側のステータ翼３０を排気側から見たときに重複領域Ｒ２ovのみから吸気側を見通すことができる。なお、図４に記載されている一対のロータ翼４０Ａ，４０Ｂでは、ブレード４００の周方向の位相が一致しているので、貫通領域Ｒ１の全体が重複領域Ｒ１ovになっている。

中間流・連続流条件における気体分子の逆流は、図４に示した分子流条件における気体分子の逆流よりも、分子密度の高い領域から分子密度の低い領域に流れる密度流に起因する逆流がメインになる。密度流における逆流分子の流れは、排気側（高圧側）から吸気側（低圧側）に向かう傾向の速度ベクトルを持つ。その結果、逆流分子がロータ翼４０のブレード４００と衝突して周速度ベクトルと同じ向きの運動量を授受しても、他の気体分子との衝突により周速度ベクトルの影響が小さくなる。それにより、逆流分子の速度ベクトルは、吸気口方向のベクトル成分が支配的な速度ベクトルとなる。

例えば、図５に示すように、逆流する気体分子Ｍ３が、下側のステータ翼３０の排気側から速度Ｖm4で図示上方に入射した場合を考える。この場合、隙間領域Ｒ２０の内の貫通領域Ｒ２に入射した気体分子Ｍ３は、密度流の流れに乗ってブレード３００に衝突することなくステータ翼３０を吸気側へ通り抜ける。一方、隙間領域Ｒ２０の貫通領域Ｒ２以外の入射した気体分子Ｍ３はブレード３００と衝突し、ほとんどが排気側へ向かい、一部は貫通領域Ｒ２に入った後に密度流の流れに乗ってステータ翼３０を吸気側へ通り抜けると考えられる。そのため、貫通領域Ｒ２の断面積（投影断面積）が大きいステータ翼３０ほど気体分子の逆流が大きいと考えられる。

下側のステータ翼３０を吸気側へ通り抜けた気体分子Ｍ３は、密度流の状態でロータ翼４０の隙間領域Ｒ１０に入ることになる。分子流状態の気体分子Ｍ３の場合と異なり、密度流状態の気体分子Ｍ３に対しては、周速度Ｖで移動するブレード４００は流れを遮る遮蔽板のような作用をするものと考えられる。そのため、下側のステータ翼３０の貫通領域Ｒ２がブレード４００によって遮られていない状態においては、下側のステータ翼３０の貫通領域Ｒ２を通り抜けた密度流状態の気体分子Ｍ３の内、重複領域Ｒ２ovを通り抜けた気体分子Ｍ３のみが、上側のステータ翼３０を吸気側へ通り抜けることができる。

すなわち、図５のようにロータ翼４０を挟んで同一翼構成のステータ翼３０が配置されている場合、一対のステータ翼３０の重複領域Ｒ２ovが大きいほど密度流状態の気体分子Ｍ３の逆流が大きくなる。説明は省略するが、図４のようにステータ翼３０を挟んで同一翼構成のロータ翼４０が配置されている場合においても、ロータ翼４０の重複領域Ｒ１ovが大きいほど密度流状態の気体分子Ｍ３の逆流が大きくなる。本実施の形態では、一対のステータ翼３０または一対のロータ翼４０の重複領域がより小さくなるように、翼枚数または翼配置を工夫することで逆流の影響を低減し、中間流・連続流条件における排気性能の向上を図るようにした。

なお、前述したように、翼構成によっては、貫通領域Ｒ１，Ｒ２の無いステータ翼３０およびロータ翼４０が可能である。そのような場合でも、密度流状態の気体分子の流れはブレードを回り込むように逆流することになる。そのため、貫通領域Ｒ１，Ｒ２の無いステータ翼３０およびロータ翼４０の場合においても、翼枚数または翼配置を工夫することで逆流の影響を低減することができる。

（本実施の形態の翼構成）
上述したように、逆流の影響を低減するためには、上述した重複領域Ｒ１ov，Ｒ２ovをより小さくすることが必要である。まず、隣接する一対のロータ翼４０を考えた場合、ブレード枚数が同一よりも異なっている方が良い。同様に、隣接する一対のステータ翼３０の場合も、ブレード枚数が同一よりも異なっている方が良い。例えば、図４のロータ翼４０の場合のように、一対のロータ翼４０のブレード枚数が同一でかつ周方向の位相がそろっている場合には、一対のロータ翼４０の各貫通領域Ｒ１が互いに対向することとなり、一周３６０degにおける複数の重複領域Ｒ１ovの大きさの合計が最も大きくなる。すなわち、排気性能への逆流の影響が大きくなる。

本実施の形態では、複数段あるステータ翼３０およびロータ翼４０の少なくとも１段は、ブレード枚数（翼枚数）を「素数×２」または「素数×２^ｎ」に設定することで、重複領域Ｒ１ov，Ｒ２ovの低減を図るようにした。図６，７は、一対のステータ翼３０における重複領域Ｒ２ovを説明する図である。図６は、上段のブレード枚数３６枚のステータ翼３０と、下段のブレード枚数３０枚のステータ翼３０との組み合わせを示す。図７は、上段のブレード枚数３６枚のステータ翼３０と、ブレード枚数が３４＝１７×２＝「素数×２」の下段のステータ翼３０との組み合わせを示す。

なお、図６，７では、ほぼ半周分（１８０deg）のブレードを示しており、図６では、上段のステータ翼３０は１〜１９枚目のブレードを示し、下段のステータ翼３０は１〜１６枚目のブレードを示す。図７では、上段のステータ翼３０は１〜１９枚目のブレードを示し、下段のステータ翼３０は１〜１８枚目のブレードを示す。図６，７のいずれの場合も、１枚目の位置を一致させて図示した。

図６の場合、３６と３０との最大公約数は６なので、６０deg毎に上下のブレード３００の位置が一致する。図６に示すブレード形状の場合、ハッチングで示した重複領域Ｒ２ovが一周３６０degで２４か所ある。一方、図７のように下段のステータ翼３０のブレード枚を「素数×２」＝３４に設定した場合、３６と３４との最大公約数は２なので、１８０deg毎に上下のブレード３００の位置が一致することになる。図７のブレード形状は図６の場合と同一であり、重複領域Ｒ２ovは一周３６０degで２８か所の重複領域Ｒ２ovが生じている。

重複領域Ｒ２ovの周方向の寸法は、一致しているブレード３００の左右にあるものが最も大きく、一致しているブレード３００から遠ざかるほど小さくなる。図６に示す例では、一周３６０degで一致している箇所は６か所なので、一致しているブレード３００の左右の重複領域Ｒ２ovの数は１２である。一方、図７に示す例では、一周３６０degで一致している箇所は２か所なので、一致しているブレード３００の左右の重複領域Ｒ２ovの数は４である。そのため、一周３６０degに生じている複数の重複領域Ｒ２ovの周方向の寸法の合計は図７に示す翼構成の方が小さくなる。なお、図７に示すラインＡは翼枚数が図６の３６枚−３０枚の場合の重複領域Ｒ２ovの周方向寸法の合計を示し、ラインＢは翼枚数が３６枚−３４枚の場合の重複領域Ｒ２ovの周方向寸法の合計を示す。

このように、ブレード枚が「素数×２」であるステータ翼３０を含む図７の場合の方が、重複領域Ｒ２ovの周方向寸法の合計が小さくなる。その結果、排気性能への逆流の影響をより小さくすることができ、中間流・連続流条件における排気性能の向上を図ることができる。図６、７ではブレード枚数として「素数×２」を含む場合について説明したが、ブレード枚数として「素数×２^ｎ」を含む場合も、ブレード枚数に素数が因数として含まれるので、「素数×２」の場合と同様の効果を奏することができる。また、一対のロータ翼４０のブレード枚数に関しても、ステータ翼３０と同様の説明が成り立ち、同様の効果を奏することができる。

図６、７では一対のステータ翼３０に関して説明したが、複数段のステータ翼３０およびロータ翼４０で構成されるターボポンプ段に関して、次のように言うことができる。複数段のステータ翼３０およびロータ翼４０の少なくとも１段のブレード枚数を「素数×２」または「素数×２^ｎ」に設定することで、中間流・連続流条件における逆流の影響をより小さくすることができ、排気性能の向上を図ることができる。すなわち、下記(a1)、(a2)のいずれの場合においても、重複領域の周方向寸法の合計をより小さくすることができ、排気性能への逆流の影響をより小さくすることができる。
(a1) 複数段のステータ翼３０および複数段のロータ翼４０の一方だけに、ブレード枚数が「素数×２」または「素数×２^ｎ」である翼段を１段以上含む場合。
(a2) 複数段のステータ翼３０および複数段のロータ翼４０の両方に、ブレード枚数が「素数×２」または「素数×２^ｎ」である翼段を１段以上含む場合。

（変形例）
ところで、ブレード枚数を「素数×２」または「素数×２^ｎ」に設定した場合であっても、図８に示す一対のステータ翼３０のように、ブレード枚数が同一であって、かつ、ブレード位置の位相が一致している場合には、一周３６０degに存在する複数の隙間領域Ｒ１０の全てに、重複領域Ｒ２ov（＝貫通領域Ｒ２）が生じてしまうことになる。このような翼構成の場合には、図９に示すように、上下のブレード３００の位相を角度ピッチＰに関してＰ／２だけ互いにずらすことで、重複領域Ｒ２ovを小さくすることができる。図９に示す例ではＲ２ov＝０となっている。なお、ずらす量はＰ／２に限定されないが、Ｐ／２に設定した場合が重複領域Ｒ１ovの減少率が最も大きくなる。これは、ブレード枚数が「素数×２」または「素数×２^ｎ」である場合に限定されず、それ以外のブレード枚数に設定されている場合も同様のことが言える。

（実施例）
図１０〜１２は、上述した本実施の形態の翼構成を適用した場合のターボポンプ段の実施例を示したものであり、図１０は排気速度７０００Ｌ/ｓクラスの場合、図１１は排気速度５０００Ｌ/ｓクラスの場合、図１２は排気速度３０００Ｌ/ｓクラスの場合をそれぞれ示す。翼種の項において、数字はタービン翼段の段番号を表し、アルファベットのＳはステータ翼を、Ｒはロータ翼を表している。例えば、翼種＝３Ｒは、吸気側から３段目の翼段で、ステータ翼であることを示している。ターボポンプ段における翼段の総数は、図１０の排気速度７０００Ｌ/ｓクラスでは１５段、図１１の５０００Ｌ/ｓクラスでは１７段、図１２の３０００Ｌ/ｓクラスでは１７段に設定されている。分類の項は、ブレード枚数が「素数×２」、「素数×２^ｎ」およびその他のいずれであるかを表している。図１０〜１２のいずれの場合も、「素数×２」の翼段と「素数×２^ｎ」の翼段とを複数段備えている。

（比較例）
図１３〜１５は、図１０〜１２に示した実施例に対する比較例を示したものであり、「素数×２」の翼段も「素数×２^ｎ」の翼段も備えていない場合を例示した。図１３は排気速度７０００Ｌ/ｓクラスの場合、図１４は排気速度５０００Ｌ/ｓクラスの場合、図１５は排気速度３０００Ｌ/ｓクラスの場合をそれぞれ示す。

図１６は、図１０〜１２に示す実施例のターボポンプ段全段の排気速度と、図１３〜１５に示す比較例のターボポンプ段全段の排気速度とを比較したものである。なお、図１６では、ターボポンプ段の排気速度を図１０〜１２のターボポンプ段の場合を１とした場合の比率で、対応する図１３〜１５の比較例のターボポンプ段の排気速度を表した。性能低下率は、実施例に対する比較例の性能低下率を表す。タービン枚数として「素数×２」および「素数×２^ｎ」である翼段を含まない比較例では、いずれのクラスにおいても排気速度が実施例を下回っていることが分かる。そして、性能低下率は排気速度の大きなクラスのものほど顕著になっている。逆に言えば、排気速度クラスが大きいポンプほど、ブレード枚数を「素数×２」および「素数×２^ｎ」とすることの効果がより顕著に現れ、図１６に示すように５０００Ｌ/ｓクラス、７０００Ｌ/ｓクラスのターボ分子ポンプに適している。

上述した例示的な実施の形態、変形例および実施例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

［１］一態様に係るターボ分子ポンプは、複数のブレードが放射状に形成され、ロータ軸方向に設けられた複数段のロータ翼と、複数段の前記ロータ翼に対してロータ軸方向に交互に配置され、複数のブレードが放射状に設けられた複数段のステータ翼と、を備え、前記複数段のロータ翼および前記複数段のステータ翼の少なくとも１段は、ブレード枚数が「素数×２」または「素数×２^ｎ」に設定されている。複数段のロータ翼および複数段のステータ翼の少なくとも１段のブレード枚数を「素数×２」または「素数×２^ｎ」に設定することにより、排気側から吸気側への気体分子の逆流が抑えられ、中間流・連続流条件における排気性能の向上を図ることができる。

［２］上記［１］に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記複数段のロータ翼には、同じブレード枚数のロータ翼がロータ軸方向に２段以上連続して隣接する構成が含まれ、ロータ軸方向に隣接する一対の前記同じブレード枚数のロータ翼は、周方向の翼配置位相が互いにずれている。ロータ軸方向に隣接する同じブレード枚数のロータ翼４０の周方向の翼配置位相を互いにずらすことにより、排気側から吸気側を見通し可能な重複領域Ｒ１ovをより小さくすることができ、気体分子の逆流による排気性能の低下を抑制することができる。

［３］上記［１］または［２］に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記複数段のステータ翼には、同じブレード枚数のステータ翼がロータ軸方向に２段以上連続して隣接する構成が含まれ、ロータ軸方向に隣接する一対の前記同じブレード枚数のステータ翼は、周方向の翼配置位相が互いにずれている。ロータ軸方向に隣接する同じブレード枚数のステータ翼３０の周方向の翼配置位相を互いにずらすことにより、排気側から吸気側を見通し可能な重複領域Ｒ２ovをより小さくすることができ、気体分子の逆流による排気性能の低下を抑制することができる。

［４］上記［２］または［３］に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記周方向の翼配置位相のずれ量は、ブレードの周方向の角度ピッチをＰとしたときにＰ/２ピッチに設定されているのが好ましい。ずれ量をＰ/２ピッチとすることにより、重複領域Ｒ１ov，Ｒ２ovを可能な限り小さくすることができる。

［５］上記［１］または［４］までのいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、排気速度が５０００［Ｌ/ｓ］以上である。

［６］上記［１］または［４］までのいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、排気速度が７０００［Ｌ/ｓ］以上である。気体分子の逆流を抑制する効果は、図１６に示すように排気速度が大きなものほど大きく、排気速度５０００［Ｌ/ｓ］以上および排気速度７０００［Ｌ/ｓ］以上のターボ分子ポンプにおいて効果が顕著である。

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。例えば、図１に示すターボ分子ポンプ１はターボポンプ段とネジ溝ポンプ段とを有する構成であったが、本発明はターボポンプ段のみの全翼タイプのターボ分子ポンプにも適用することができる。

１…ターボ分子ポンプ、４…回転体、４ａ…ポンプロータ、３０，３０Ａ，３０Ｂ…ステータ翼、４０，４０Ａ，４０Ｂ…ロータ翼、３００，４００…ブレード、Ｍ１〜Ｍ３…気体分子、Ｐ…角度ピッチ、Ｒ１，Ｒ２…貫通領域、Ｒ１ov，Ｒ２ov…重複領域、Ｒ１０，Ｒ１０ａ，Ｒ１０ｂ，Ｒ２０…隙間領域

Claims (6)

1. 複数のブレードが放射状に形成され、ロータ軸方向に設けられた複数段のロータ翼と、
   複数段の前記ロータ翼に対してロータ軸方向に交互に配置され、複数のブレードが放射状に設けられた複数段のステータ翼と、を備え、
   前記複数段のロータ翼および前記複数段のステータ翼の少なくとも１段は、ブレード枚数が「素数×２」または「素数×２^ｎ」に設定されている、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、
   前記複数段のロータ翼には、同じブレード枚数のロータ翼がロータ軸方向に２段以上連続して隣接する構成が含まれ、
   ロータ軸方向に隣接する一対の前記同じブレード枚数のロータ翼は、周方向の翼配置位相が互いにずれている、ターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記複数段のステータ翼には、同じブレード枚数のステータ翼がロータ軸方向に２段以上連続して隣接する構成が含まれ、
   ロータ軸方向に隣接する一対の前記同じブレード枚数のステータ翼は、周方向の翼配置位相が互いにずれている、ターボ分子ポンプ。
4. 請求項２または３に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記周方向の翼配置位相のずれ量は、ブレードの周方向の角度ピッチをＰとしたときにＰ/２ピッチに設定されている、ターボ分子ポンプ。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   排気速度が５０００［Ｌ/ｓ］以上である、ターボ分子ポンプ。
6. 請求項１から４までのいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   排気速度が７０００［Ｌ/ｓ］以上である、ターボ分子ポンプ。

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