JP3558733B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は広範な圧力帯域で効率よく排気することができ、構造も簡単な真空ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、真空ポンプとしてはターボ分子ポンプ、ねじ溝ポンプ、スクロールポンプおよびドラッグポンプ等があり、特にターボ分子ポンプはロータの外周面に回転翼を備えるものとして、ねじ溝ポンプはロータの外周面にねじ部を備えるものとして知られている。
【０００３】
ターボ分子ポンプは図７に示す如く高真空側で排気効率がよく、ねじ溝ポンプ、スクロールポンプおよびドラッグポンプは図８に示す如く低真空側で排気効率がよいという特性を有する。
【０００４】
また、低真空から高真空領域までの幅広い排気を可能とする観点から開発された真空ポンプとして、たとえば上記のようなターボ分子ポンプとねじ溝ポンプを複合した、いわゆる広帯域型複合ポンプも知られている。
【０００５】
この種の広帯域型複合ポンプについては、図９（ａ）に示す如く一つの駆動軸５０により回転翼ａとねじ部ｂの双方が同時に回転する構造、同図（ｂ）に示す如く別個独立に回転する二つの駆動軸５１，５２により回転翼ａとねじ部ｂがそれぞれ別々に回転する構造、または同図（ｃ）に示す如くねじ部ｂ側から回転翼ａ側を切り離すための切離機構５３を設け、これにより一つの駆動軸５４で回転翼ａおよびねじ部ｂの双方回転と、ねじ部ｂのみの回転とを適宜選択可能とした構造がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の広帯域型複合ポンプにあっては次のような問題点を有している。
【０００７】
図９（ａ）に示す構成によると、回転翼ａおよびねじ部ｂの双方が同時に回転するものであるため、低真空側においてはターボ分子ポンプ部（回転翼ａのある部分）の受ける負荷が過大となることから、図１０（ｂ）点線（８）で示すように回転数の低下や発熱を招き、ねじ溝ポンプ部（ねじ部ｂのある部分）のもつ本来の性能が発揮されず、排気効率が悪く、排気作動可能な圧力帯域が狭くなる（図１０（ａ）実線（９）参照）。
【０００８】
なお、回転数低下を防止する観点から、その回転に要するモータを大きなものとすると、それだけ消費電力が増大する等の不具合がある。
【０００９】
図９（ｂ）および（ｃ）に示す構成のものは、ともにターボ分子ポンプ部とねじ溝ポンプ部の独立した回転を可能とするものであるから、上記のような不具合を回避することは可能であるが、その構造上次のような欠点を有する。
【００１０】
すなわち、図９（ｂ）に示す構成にあっては、ターボ分子ポンプ部とねじ溝ポンプ部の独立した回転が二つの駆動軸５１，５２によるものであるため、複数の駆動軸を必要とするばかりでなく、駆動軸についての減速機構や複数のコントローラ等も必要となり、機器全体が複雑なものとなる。
【００１１】
一方、図９（ｃ）に示す構成にあっては、そのような独立の回転が切離機構５３によるものであるため、その切り離しの構造が複雑であることから、これもまた機器全体が複雑なものとなる。
【００１２】
この発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは広範な圧力帯域で効率よく排気することができ、構造も簡単な真空ポンプを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、一定の圧力帯域で回転によるガスの排気を行うとともに、その排気のための翼部またはねじ部を備えてなる第１の回転ポンプ部と、上記第１の回転ポンプ部とは異なる圧力帯域で回転によるガスの排気を行うとともに、その排気のための翼部またはねじ部を備えてなる第２の回転ポンプ部と、上記第１の回転ポンプ部と第２の回転ポンプ部との間に設けられたすべり機構とを有し、
上記すべり機構は、
上記第１の回転ポンプ部側に備えられた第１の接合部材と、上記第２の回転ポンプ部側に備えられ上記第１の接合部材と接触または磁気的に非接触で接合する第２の接合部材とを有し、
一方のポンプ部に作用する負荷が上記第１の接合部材と第２の接合部材との接合力よりも小さいときは、その接合力により第１の回転ポンプ部と第２の回転ポンプ部とが一体に回転し、上記一方のポンプ部に作用する負荷が上記接合力を上回ると、その負荷により上記第１および第２の接合部材が互いにすべるようになり、
上記第１の接合部材および第２の接合部材は、
第１の磁石体とこの第１の磁石体と吸引し合う第２の磁石体、第１の当接部とこの第１の当接部に摺動可能に接する第２の当接部、磁性流体とこの磁性流体に接するように挿入された突起部、のいずれかより選択される
ことを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明は第１の回転ポンプ部が、回転可能に配設された筒体からなるねじポンプロータと、上記ねじポンプロータの外周面に設けたねじ部とを備え、第２の回転ポンプ部が、回転可能に配設された筒体からなるターボポンプロータと、上記ターボポンプロータの外周面側に設けた翼部とを備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の真空ポンプにおいて、上記第１の接合部材および第２の接合部材が、それぞれ第１および第２の磁石体であって、これらの磁石体が永久磁石からなることを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の真空ポンプにおいて、上記第１の接合部材および第２の接合部材が、それぞれ第１および第２の磁石体であって、これらの磁石体のうちいずれか一方が電磁石からなることを特徴とする。
【００２１】
【作用】
この発明は、第１および第２のポンプ部のいずれかに過大な負荷が作用する圧力帯域では両回転ポンプ部間にその負荷に応じたすべりが生じ、負荷を受けた側の回転ポンプ部の回転が停止する。
【００２２】
【実施例】
以下、この発明に係る真空ポンプの実施例について図１ないし図６を用い詳細に説明する。
【００２３】
この真空ポンプは図１に示すようにケーシング１内に、第１の回転ポンプ部としてねじ溝ポンプ部２、および第２の回転ポンプ部としてターボ分子ポンプ部３を備える。
【００２４】
ねじ溝ポンプ部２は筒体からなるねじポンプロータ２００とねじ部２０１から構成されており、ねじポンプロータ２００はその内側に位置する軸部４に一体に設けられ、かつ軸部４を中心に回転可能に支持され、またねじ部２０１はねじポンプロータ２００の外周面に形成されている。
【００２５】
ねじポンプロータ２００の内側には軸部４の外周面と対向する位置にステータ５が設けられ、ステータ５にはモータ６の固定子６００が設置されており、また軸部４にはこの固定子６００と対向する位置に当該モータ６の回転子６０１が配設されている。
【００２６】
一方、ターボ分子ポンプ部３はねじ溝ポンプ部２と直列に配置され、かつ筒体からなるターボポンプロータ３００と翼部３０１から構成されている。
【００２７】
ターボポンプロータ３００はその内側の軸部７にベアリング８，８を介して回転可能に取り付けられており、軸部７はねじ溝ポンプ部２の軸部４の延長線上に位置し、かつ一端がねじポンプロータ２００の端面に一体に固定されている。
【００２８】
翼部３０１はターボポンプロータ３００の外周面側に設けられ、かつ複数の回転翼３０１ａと固定翼３０１ｂから構成されており、回転翼３０１ａと固定翼３０１ｂはターボポンプロータ３００の回転中心軸線に沿って交互に配設され、回転翼３０１ａはターボポンプロータ３００の外周面に一体に、また固定翼３０１ｂはケーシング１の内壁面に一体に設けられている。
【００２９】
ターボ分子ポンプ部３とねじ溝ポンプ部２との間にはすべり機構として磁気カップリング部９が設けられており、磁気カップリング部９は第１および第２の磁石体（接合部材）９００，９０１から構成されている。
【００３０】
第１の磁石体９００はねじ溝ポンプ部２とターボ分子ポンプ部３との間に位置し、かつねじ溝ポンプ部２側に取り付けられている一方、第２の磁石体９０１は第１の磁石体９００と対向し、かつターボ分子ポンプ部３側に取り付けられている（図２参照）。
【００３１】
また、第１および第２の磁石体９００，９０１は永久磁石から構成され、互いに吸引し合うように設けられているとともに、ねじ溝ポンプ部２およびターボ分子ポンプ部３の回転中心回りに環状に複数配設されている（図３参照）。
【００３２】
このような構成のすべり機構は吸引力によりターボ分子ポンプ部３とねじ溝ポンプ部２を磁気的に非接触に接合するとともに、その接合力（吸引力）を上回る過大な負荷がターボ分子ポンプ部３に作用するときは当該負荷に基づきすべりが生じ、ねじ溝ポンプ部２のみの回転を可能とするものである。
【００３３】
なお、ターボ分子ポンプ部３のみでは高真空側で排気効率がよく、ねじ溝ポンプ部２のみでは低真空側で排気効率がよい。このように効率のよい圧力帯域に差が生じるのは、ターボ分子ポンプ部３は高真空側においてガスの排気に有効な翼部３０１を備えるのに対し、ねじ溝ポンプ部２は低真空側においてガスの排気が有効なねじ部２０１を備えるためである。
【００３４】
次に、上記の如く構成された真空ポンプの動作を図１に基づき説明する。
【００３５】
この真空ポンプによれば、運転開始当初のように排気しようとするガスの圧力が高い帯域（低真空側）では、ターボ分子ポンプ部３は回転せず、ねじ溝ポンプ部２のみが回転する。
【００３６】
すなわち、モータ６を起動すると、ねじポンプロータ２００の回転力が磁気カップリング部９を介してターボポンプロータ３００側に伝達されようとする。
【００３７】
しかし、低真空側ではターボ分子ポンプ部３に過大な負荷が作用し、その負荷が磁気カップリング部９の吸引力を上回り、磁気カップリング部９でのすべりが大きなものとなる。
【００３８】
そのため、ねじポンプロータ２００の回転力はターボポンプロータ３００側に伝達されず、よってターボ分子ポンプ部３は回転せず、ねじ溝ポンプ部２のみが回転し、そのねじ部２０１によるガスの排気が行われる。
【００３９】
このように、低真空側では磁気カップリング部９でのすべりを通じてターボ分子ポンプ部３にかかる負荷が逃げ、その負荷による回転数の低下や発熱が防止される。
【００４０】
さらに、排気しようとするガスの圧力が次第に低下し、高真空側に至ると、これに伴いターボ分子ポンプ部３に作用する負荷が磁気カップリング部９の吸引力を下回り、その吸引力によりターボ分子ポンプ部３とねじ溝ポンプ部２とが非接触に接合される。
【００４１】
これにより、ねじポンプロータ２００の回転力が磁気カップリング部９を介してターボポンプロータ３００側に伝達され、その結果、ねじ溝ポンプ部２に加えて、ターボ分子ポンプ部３も回転し、その翼部３０１によるガスの排気が行われる。
【００４２】
すなわち、この実施例の真空ポンプは、ターボ分子ポンプ部３に過大な負荷が作用する圧力帯域（低真空側）ではターボ分子ポンプ部３とねじ溝ポンプ部２間にその負荷に応じたすべりが生じ、ターボ分子ポンプ部３の回転が停止するように構成したものである。このため過大な負荷を受けながらターボ分子ポンプ部３が回転し続ける不具合、すなわち回転数の低下や発熱を防止でき、排気効率の向上と、排気作動可能な圧力帯域の拡大を図れる。
【００４３】
しかも、この真空ポンプによると、負荷に基づくターボ分子ポンプ部３の回転停止がねじ溝ポンプ部２とターボ分子ポンプ部３間を切り離す機構によるのではなく、すべりによるものであるため、機器構造も簡単である。
【００４４】
なお、すべり機構については図４あるいは図５に示す構造のものを適用することができる。
【００４５】
図４のすべり機構は固体摩擦を利用したものであり、第１および第２の当接部（接合部材）１０，１１から構成されている。
【００４６】
第１の当接部１０はねじ溝ポンプ部２とターボ分子ポンプ部３との間に位置し、かつねじ溝ポンプ部２側に取り付けられている一方、第２の当接部１１は第１の当接部１０に摺動可能に接し、かつターボ分子ポンプ部３側に取り付けられている。
【００４７】
このような構成のすべり機構は両当接部１０，１１間に生じる摩擦力によりターボ分子ポンプ部３とねじ溝ポンプ部２を接合するとともに、その接合力（摩擦力）を上回る過大な負荷がターボ分子ポンプ部３に作用するときには当該負荷に基づきすべりが生じ、ねじ溝ポンプ部２のみの回転を可能とするものである。
【００４８】
図５のすべり機構は流体の粘性を利用したものであり、ねじ溝ポンプ部２とターボ分子ポンプ部３との間に磁性流体１２を備える。
【００４９】
磁性流体（第１の接合部材）１２はねじポンプロータ２００の端面に形成した環状の注入溝１３に充填されており、また注入溝１３には突起部（第２の接合部材）１４の先部が磁性流体１２と接するように挿入配設され、突起部１４の後部はターボポンプロータ３００に固定されている。つまり磁性流体１２はねじ溝ポンプ部２に直接接するとともに、突起部１４を介してターボ分子ポンプ部３に接するように設けられている。

【００５０】
注入溝１３の内外両側壁には磁性流体１２の流出を防止するための電磁石１５が埋設されている。
【００５１】
このような構成のすべり機構は磁性流体１２を介してねじ溝ポンプ部２とターボ分子ポンプ部３を接合する、つまり磁性流体１２の粘性で突起部１４を注入溝１３に拘束し、これによりターボ分子ポンプ部３とねじ溝ポンプ部２の接合を図るとともに、その接合力（粘性による拘束力）を上回る過大な負荷がターボ分子ポンプ部３に作用するときは当該負荷に基づきすべりが生じ、ねじ溝ポンプ部２のみの回転を可能とするものである。
【００５２】
特に、このすべり機構では磁性流体１２のすべてを電磁石１５側に吸引して磁性流体１２と突起部１４を非接触とし、これによりねじ溝ポンプ部２とターボ分子ポンプ部３との接合を解除でき、またその接合力の変更も電磁石１５の吸引力の調節を通じて容易に行える。
【００５３】
なお、第１および第２の磁石体９００，９０１についてはいずれか一方あるいは両方を電磁石としてもよい。このように電磁石とする場合は励磁電流を変更するのみでターボ分子ポンプ部３とねじ溝ポンプ部２の磁気的接合力を容易に変更できる。
【００５４】
第１の回転ポンプ部についてはねじ溝ポンプ部２に限定されず、ターボ分子ポンプ部３とは異なる圧力帯域で回転によるガスを排気を行う他のターボ分子ポンプ部とすることもでき、また第２の回転ポンプ部についてはターボ分子ポンプ部３に限定されず、ねじ溝ポンプ部２とは異なる圧力帯域で回転によるガスを排気を行う他のねじ溝ポンプ部とすることもでき、両回転ポンプ部ともその形式は問わない。つまり第１および第２の回転ポンプ部は互いに異なる圧力帯域で回転によるガスの排気を行うポンプであればよい。
【００５５】
図６は本実施例装置の排気特性を示したものであり、その排気特性は実線（３）で示す通り、ねじ溝ポンプ部２単品の特性（一点鎖線（２）参照）とターボ分子ポンプ部３単品の特性（一点鎖線（１）参照）との両者を複合したものとなる。
【００５７】
【発明の効果】
この発明に係る真空ポンプにあっては、上記の如く第１および第２の回転ポンプ部のいずれかに過大な負荷が作用する圧力帯域では両回転ポンプ部間にその負荷に応じたすべりが生じ、負荷を受けた側の回転ポンプ部の回転が停止するように構成したものである。このため過大な負荷を受けながら回転ポンプ部が回転し続ける不具合、すなわち回転数の低下や発熱を防止でき、排気効率の向上と、排気作動可能な圧力帯域の拡大を図れる。
【００５８】
しかも、この真空ポンプにあっては、負荷に基づく回転ポンプ部の回転停止動作が第１および第２の回転ポンプ部間を切り離す機構によるのではなく、すべりによるものであるため、機器構造も簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の断面図。
【図２】図１に示すＡ部周辺の詳細説明図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図。
【図４】この発明の他の実施例の断面図。
【図５】この発明の他の実施例の断面図。
【図６】この発明の実施例装置の特性図。
【図７】ターボ分子ポンプの特性図。
【図８】ねじ溝ポンプ等の特性図。
【図９】従来の広帯域型複合ポンプの説明図。
【図１０】従来の広帯域型複合ポンプの特性図。
【符号の説明】
２ ねじ溝ポンプ部（第１の回転ポンプ部）
３ ターボ分子ポンプ部（第２の回転ポンプ部）
９ 磁気カップリング部（すべり機構）
１０ 第１の当接部
１１ 第２の当接部
１２ 磁性流体
２００ ねじポンプロータ
２０１ ねじ部
３００ ターボポンプロータ
３０１ 翼部
９００ 第１の磁石体
９０１ 第２の磁石体

Claims (4)

1. 一定の圧力帯域で回転によるガスの排気を行うとともに、その排気のための翼部またはねじ部を備えてなる第１の回転ポンプ部と、
   上記第１の回転ポンプ部とは異なる圧力帯域で回転によるガスの排気を行うとともに、その排気のための翼部またはねじ部を備えてなる第２の回転ポンプ部と、
   上記第１の回転ポンプ部と第２の回転ポンプ部との間に設けられたすべり機構とを有し、
   上記すべり機構は、
   上記第１の回転ポンプ部側に備えられた第１の接合部材と、上記第２の回転ポンプ部側に備えられ上記第１の接合部材と接触または磁気的に非接触で接合する第２の接合部材とを有し、
   一方のポンプ部に作用する負荷が上記第１の接合部材と第２の接合部材との接合力よりも小さいときは、その接合力により第１の回転ポンプ部と第２の回転ポンプ部とが一体に回転し、上記一方のポンプ部に作用する負荷が上記接合力を上回ると、その負荷により上記第１および第２の接合部材が互いにすべるようになり、
   上記第１の接合部材および第２の接合部材は、
   第１の磁石体とこの第１の磁石体と吸引し合う第２の磁石体、第１の当接部とこの第１の当接部に摺動可能に接する第２の当接部、磁性流体とこの磁性流体に接するように挿入された突起部、のいずれかより選択される
   ことを特徴とする真空ポンプ。
2. 第１の回転ポンプ部が、
   回転可能に配設された筒体からなるねじポンプロータと、
   上記ねじポンプロータの外周面に設けたねじ部と
   を備え、
   第２の回転ポンプ部が、
   回転可能に配設された筒体からなるターボポンプロータと、
   上記ターボポンプロータの外周面側に設けた翼部と
   を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
3. 上記第１の接合部材および第２の接合部材が、それぞれ第１および第２の磁石体であって、これらの磁石体が永久磁石からなることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
4. 上記第１の接合部材および第２の接合部材が、それぞれ第１および第２の磁石体であって、これらの磁石体のうちいずれか一方が電磁石からなることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。

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