JP3935865B2

JP3935865B2 - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP3935865B2
Application number: JP2003192595A
Authority: JP
Inventors: 知明岡村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP2005030209A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空ポンプ、より具体的には、主吸気口の他に副吸気口が設けられ、ターボ分子ポンプ段に加えてねじ溝ポンプ段を有する複合ターボ分子ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、吸気側の圧力が１０^−３Ｔｏｒｒ以下の高真空とされ、排気側の圧力が数Ｔｏｒｒ程度とされた真空ポンプとして、ターボ分子ポンプ段と、軸方向ねじ溝ポンプ段またはジーグバーンポンプ段とを組み合わせた複合ターボ分子ポンプが知られている。
軸方向ねじ溝ポンプ段およびジーグバーンポンプ段は、ともに摩擦ポンプの一種である。軸方向ねじ溝ポンプ段は、回転体の周面または回転体に対向する静止側壁部に軸線方向にねじ溝が形成されており、このねじ溝に気体を軸線方向に通過させることよって排気するものである。ジーグバーンポンプ段は、回転板の端面またはこの端面に対向する静止側壁部に半径方向にねじ溝が形成されており、このねじ溝に気体を半径方向に通過させることよって排気するものである。
【０００３】
このような複合ターボ分子ポンプの一例として、特許文献１に記載されたものがある。図４に示されているように、この複合ターボ分子ポンプ１００は、主吸気口１０２に接続されたターボ分子ポンプ段１０４と、このターボ分子ポンプ段１０４の排気側に位置する軸方向ねじ溝ポンプ段１０６とを備えている。ターボ分子ポンプ段１０４及び軸方向ねじ溝ポンプ段１０６の回転部は、共通の回転軸１０８によって構成されている。軸方向ねじ溝ポンプ段１０６を構成する静止側ハウジングの内周面には、軸線方向にねじ溝が形成されている。
ターボ分子ポンプ段１０４と軸方向ねじ溝ポンプ段１０６との間には、副吸気口１１０が設けられている。
軸方向ねじ溝ポンプ段１０６の排気側には、排気口１１２が設けられている。
この複合ターボ分子ポンプは、主吸気口１０２において高真空で真空排気を行い、副吸気口１１０において主吸気口１０２よりも高い圧力で真空排気を行う。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４７３９３号公報（段落［０００９］〜［００１２］、及び図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような従来の複合ターボ分子ポンプ１００は、以下のような問題がある。
一般に、ターボ分子ポンプ段は、動翼を毎分数万回転させることによって高真空を実現するものであり、排気側の圧力としては所定以下の圧力（例えば０．１Ｔｏｒｒ）が要求される。したがって、従来の複合ターボ分子ポンプ１００では、副吸気口１１０の圧力が所定値以上（例えば数Ｔｏｒｒ）になった場合に運転することを想定していない。
特に、上記従来技術に示した複合ターボ分子ポンプ１００は、リークディテクタ（漏れ検出）に用いられるものであり、副吸気口１１０には漏れ検出を行う真空容器が接続される。したがって、ターボ分子ポンプ段１０４の排気側において必要とされる圧力が維持されて使用されるのを当然の前提としている。
【０００６】
しかし、オリフィスを介して接続された複数の部屋に異なる真空度を与えておき、それぞれの部屋で異なる分析を行う場合がある。この場合、一方の部屋に主吸気口を接続し、他方の部屋に副吸気口を接続し、一つの複合ターボ分子ポンプによって差動排気を行うといった方法が考えられる。しかも、副吸気口に接続された部屋の圧力は、分析上の理由から種々変更することが要求される。
しかし、上記従来の複合ターボ分子ポンプ１００では、副吸気口１１０の圧力はターボ分子ポンプ段１０４に要求される排気側圧力によって制限されるので、副吸気口１１０の圧力を例えば数Ｔｏｒｒといった高圧に変更することができない。
【０００７】
これを可能とするために、ターボ分子ポンプ段の排気側に軸方向ねじ溝ポンプ段をさらに設け、この軸方向ねじ溝ポンプ段の排気側に副吸気口を設けるという構成が考えられる。しかし、軸方向ねじ溝ポンプ段は、軸線方向にねじ溝が形成されているため、所定の圧縮比を確保しようとする場合、ねじ溝を軸線方向に延長させなければならない。これでは、ポンプの大きさを軸線方向に増大させることになり、製造コストが増大するだけでなく、コンパクト性に欠け商品価値も減少する。
【０００８】
以上の問題点に鑑み、本発明は、軸線方向の大きさを増大させずに、副吸気口の圧力が例えば数Ｔｏｒｒといった比較的高い圧力であっても差動排気できる真空ポンプを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の真空ポンプは以下の手段を採用する。
【００１０】
本発明の真空ポンプは、第一吸気口に吸気側が接続されたターボ分子ポンプ段と、該ターボ分子ポンプ段の排気側に位置するとともに、回転板の端面および／または該端面に対向する静止側壁部にねじ溝が半径方向に形成された半径方向ねじ溝ポンプ段と、該半径方向ねじ溝ポンプ段の排気側に位置するとともに、回転体の周面および／または該周面に対向する静止側壁部にねじ溝が軸線方向に形成された軸方向ねじ溝ポンプ段と、前記半径方向ねじ溝ポンプ段と前記軸方向ねじ溝ポンプ段との間に設けられた第二吸気口と、を備え、前記半径方向ねじ溝ポンプ段により、前記ターボ分子ポンプ段の排気側に必要とされる低圧に保持することを特徴とする。
【００１１】
第二吸気口とターボ分子ポンプ段との間に半径方向ねじ溝ポンプ段を配置することとしたので、第二吸気口の圧力が、ターボ分子ポンプ段の排気側に必要とされる圧力よりも高い場合であっても、ターボ分子ポンプ段の排気側に必要とされる低い圧力が確保される。
また、半径方向ねじ溝ポンプ段は、半径方向にねじ溝が形成されているので、軸方向ねじ溝ポンプ段に比べて、軸線方向の長さを短くすることができる。
また、半径方向内側に進むにつれて流路断面積が減少する半径方向ねじ溝ポンプ段に比べて、軸方向ねじ溝ポンプ段は流路断面積が略一定とされるので、半径方向ねじ溝ポンプ段よりも多くの流量を排気することができる。この軸方向ねじ溝ポンプ段の吸気側に第二吸気口を配置することとしたので、より多くの流量を第二吸気口から排気することができる。
【００１２】
さらに、本発明の真空ポンプは、第二吸気口における圧力が１〜１０Ｔｏｒｒとされている。
【００１３】
第二吸気口における圧力が１〜１０Ｔｏｒｒとされていても、半径方向ねじ溝ポンプ段が設けられているので、ターボ分子ポンプ段の排気側に必要とされる圧力が確保される。第二吸気口における圧力は、より好ましくは、１〜５Ｔｏｒｒとされる。ターボ分子ポンプ段の排気側に必要とされる圧力は、例えば、０．１Ｔｏｒｒである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。
図１には、複合ターボ分子ポンプ（真空ポンプ）１の縦断面図が示されている。
ケーシング３には、ターボ分子ポンプ段５と、このターボ分子ポンプ段５の排気側に設けられたジーグバーン段（半径方向ねじ溝ポンプ段）７と、このジーグバーン段７の排気側に設けられた軸方向ねじ溝ポンプ段９とが収容されている。
【００１５】
ケーシング３には、このケーシング３の中心軸線Ｌを中心として回転するロータ１３が設けられている。このロータ１３は、図において下方に位置する駆動モータ１５によって回転する。ロータ１３には、上方の主吸気口（第一吸気口）１７側から下方の排気口１９に向かって、ターボ分子ポンプ段５の動翼２１、ジーグバーン段７の回転円板（回転板）２３、軸方向ねじ溝ポンプ段９の回転円筒部２５が設けられている。このように、ターボ分子ポンプ段５、ジーグバーン段７および軸方向ねじ溝段９の回転部は、共通のロータ１３によって構成されている。
【００１６】
ターボ分子ポンプ段５は、その吸気側が主吸気口１７に接続されている。主吸気口１７は、例えば、質量分析計に接続される。
このターボ分子ポンプ段５は、複数の動翼２１と、これら動翼２１間に設けられた複数の静翼２７とを備えている。これら動翼２１及び静翼２７によって、主吸気口１７から流入した気体分子に運動量を与え、真空排気を行う。
【００１７】
ジーグバーン段７は、ロータ１３に取り付けられた回転円板２３と、この回転円板２３の両側部（図において上下）に形成された空間に挿入された固定円板３１とを備えている。固定円板３１は、ケーシング３内壁に固定されており、本実施形態では２枚用いられている。これら固定円板３１の端面と、この端面に対向する回転円板２３の端面との間で作用面が形成され、ポンプ作用が行われる。なお、上流側（図において上側）の上流側固定円板３１ａの上方にはターボ分子ポンプ段５の動翼２１ａが隣接しており、この動翼２１ａはジーグバーン段７の回転円板２３の役割を兼ねる。すなわち、この動翼２１ａの下端面と、上流側固定円板３１ａの上端面との間で作用面が形成される。
なお、本実施形態において、上流側とは、排気される気体の流れ方向を基準として規定されるものであり、吸気側を意味する。同様に、下流側とは排気側を意味する。
固定円板３１の両端面（上下面）には、図２に示すように、ねじ溝３２が半径方向に形成されている。同図には、固定円板３１の上端面が示されており、外周側から取り込んだ気体を内周側に導くように、ねじ溝３２が形成されている。
固定円板３１の下端面には、内周側から取り込んだ気体を外周側に導くように、上端面とは逆向きのねじ溝が形成されている（図示せず）。
【００１８】
軸方向ねじ溝ポンプ段９は、図１に示されているように、ロータ１３に設けられた回転円筒部２５と、この回転円筒部２５に対向して設けられた静止側壁部３３とを備えている。
回転円筒部２５は、ジーグバーン段７の排気側に延長形成されて下方に延在しており、中空の円筒形状を有している。回転円筒部２５の外周面には、ケーシング３の内周面（静止側壁部）３５が対向している。このケーシング内周面３５には、ねじ溝が軸線Ｌ方向に形成されている。このねじ溝は、気体が上方から下方へと軸線Ｌ方向に導かれるように形成されている。
また、回転円筒部２５の内周側には、この回転円筒部２５をケーシング内周面３５との間で挟み込むように、内挿部材３７が配置されている。この内挿部材３７は、ケーシング３の下方から挿入された状態で該ケーシング３に対して固定されている。内挿部材３７の外周面には、ねじ溝が軸線Ｌ方向に形成されている。このねじ溝は、気体が下方から上方へと軸線Ｌ方向に導かれるように形成されている。
【００１９】
ジーグバーン段７と軸方向ねじ溝ポンプ段９との間には、副吸気口（第二吸気口）４１が設けられている。副吸気口４１は、差動排気する際に用いられるものであり、主吸気口１７よりも圧力が高い部分を排気する。副吸気口４１は、ケーシング３に孔４３を形成することによって設けられており、この孔４３はジーグバーン段７の排気側の下流側固定円板３１ｂの下端面に向けて開口しており、一方は副吸気口用フランジ４５に向けて開口している。
【００２０】
軸方向ねじ溝ポンプ段９の排気側には、排気口１９が設けられている。この排気口１９を介して、主吸気口１７及び副吸気口４１から吸入した気体が複合ターボ分子ポンプ１外へと排出される。
【００２１】
次に、上記構成の複合ターボ分子ポンプ１の動作について説明する。
主吸気口１７及び副吸気口４１をそれぞれ、真空排気する容器に接続する。
排気口１９を、補助ポンプ（図示せず）に接続する。
この状態で、補助ポンプを動作させて、ターボ分子ポンプ段５が動作しうる真空度まで真空排気する。
その後、駆動モータ１５を起動し、ロータ１３を回転させる。
これにより、ターボ分子ポンプ段５の動翼２１が回転し、主吸気口１７から流入する気体分子に運動量を与えて真空排気する。
【００２２】
ターボ分子ポンプ段５によって排気された気体は、ジーグバーン段７へと流入する。
図３を用いて、ジーグバーン段７での気体流れを詳述する。最も下流側に位置する動翼２１ａを通過した気体が、この動翼２１ａの下面と、上流側固定円板３１ａの上端面との間に流入する（矢印Ａ参照）。この固定円板３１ａの上面には、図２に示したねじ溝３２が形成されており、これにより、気体は外周側から内周側に圧縮されつつ流れる。内周側に到達した気体は、下方へ進み、進行方向を外周側へと変更する。
そして、上流側固定円板３１aの下端面と上流側回転円板２３aの上端面との間を、内周側から外周側に向けて進行する。上流側回転円板２３aの下端面には、図２とは逆ねじのねじ溝３２が形成されているので、気体は内周側から外周側に向けて圧縮されつつ流れる。
外周に到達した気体は、下方へ進み、上流側回転円板２３aの下端面と下流側固定円板３１ｂの上端面との間を、外周側から内周側へと圧縮されつつ流れる。
内周側に到達した気体は、下方に進行した後に、下流側固定円板３１ｂの下端面と下流側回転円板２３ｂの上端面との間を、内周側から外周側へと圧縮されつつ流れる。
そして、排気側の軸方向ねじ溝ポンプ段９へと導かれる。
【００２３】
軸方向ねじ溝ポンプ段９へと導かれた気体は、回転円筒部２５とケーシング内周面３５との間に流入する。ケーシング内周面３５には、軸線Ｌ方向にねじ溝３６が形成されているので、これにより、気体は圧縮されつつ下方へと流れる。
下方に到達した気体は、内周側へ進み、向きを変えて上方向へと流れる。上方向に流れる気体は、回転円筒部２５の内周面と内挿部材３７の外周面との間を流れる（図１参照）。内挿部材３７の外周面には、軸線Ｌ方向にねじ溝が形成されているので、これにより、気体は圧縮されつつ上方へと流れる。
上方に到達した気体は、向きを下方へと折り返し、内挿部材３７の内周面と駆動モータ１５との間の空間を通過して、排気口１９へと流れる。
【００２４】
一方、副吸気口４１から流入した気体は、ジーグバーン段７と軸方向ねじ溝ポンプ段９との間に流れ込む。より詳細には、図３の矢印Ｂで示すように、ジーグバーン段７の下流側固定円板３１ｂの下端面に向けて流れ込んだ後に、ジーグバーン段７の上流側へ流れ込まずに、軸方向ねじ溝ポンプ段９の上流側へと流れ込む。そして、軸方向ねじ溝ポンプ段９によって真空排気される。
【００２５】
複合ターボ分子ポンプ１が高真空に到達したときの圧力は、おおよそ、主吸気口１７で１０^−３Ｔｏｒｒ以下、副吸気口４１で２〜３Ｔｏｒｒ程度、排気口１９で１０Ｔｏｒｒ程度となる。
【００２６】
以上説明した本実施形態に係る複合ターボ分子ポンプによれば、以下のような作用効果を奏する。
副吸気口４１の圧力が、２〜３Ｔｏｒｒといったターボ分子ポンプ段５の排気側に要求される圧力よりも高い場合であっても、副吸気口４１とターボ分子ポンプ段５との間に配置されたジーグバーン段７によって、ターボ分子ポンプ段５の排気側の圧力を、ターボ分子ポンプ段５の排気側に必要とされる低圧（例えば０．１Ｔｏｒｒ）に保持することができる。
【００２７】
ジーグバーン段７は、固定円板３１の端面にねじ溝３２が半径方向に形成されているので、軸線Ｌ方向の長さを短くすることができる。つまり、図３の矢印Ａに示されているように、気体は、端面を半径方向に概略４回通過することによって圧縮される。この場合、軸線Ｌ方向には、二つの固定円板３１ａ，ｂの厚みに、回転円板２３の厚みを加えた距離しか必要としない。これに対して、軸線Ｌ方向にねじ溝が形成された軸方向ねじ溝ポンプ段９では、同等の圧縮を得ようとする場合、半径方向に４回通過する長さだけ軸線Ｌ方向に距離を必要とする。したがって、ジーグバーン段７を採用することにより、複合ターボ分子ポンプ１の軸線方向の大きさをコンパクトにすることができる。
【００２８】
一方、ジーグバーン段７は、半径方向内側に進むにつれて、気体の流路断面積が減少する。つまり、図２に示されているように、ジーグバーン段７に外周から流入する気体に対して、当初、固定円板３１の略外径Ｒ１（正確にはねじ溝３２が形成されている最大径）に対応する流路断面積が確保される。しかし、気体が半径方向内側に流れるにしたがって、例えば点線で示した円Ｒ２のように、外径Ｒ１よりも小さな半径を有する円Ｒ２に対応する流路断面積しか確保されなくなる。このように、ジーグバーン段７は、半径方向内側に進むにつれて流路断面積が減少するので、気体が流れる際の抵抗が大きい。したがって、流量を大きくとれないという欠点がある。
これに対して、軸方向ねじ溝ポンプ段９は、周面にねじ溝が形成されているため、流路断面積を一定とすることができる。このため、ジーグバーン段７に比べて流量を大きくとれるという長所がある。本実施形態の複合ターボ分子ポンプ１は、この軸方向ねじ溝ポンプ段９の長所を取り入れて、副吸気口４１の排気側に軸方向ねじ溝ポンプ段９を配置することとした。これにより、副吸気口４１から流入する比較的大きな流量に対応することができる（図３の矢印Ｂ参照）。
【００２９】
なお、本実施形態において、ジーグバーン段７の固定円板３１の両端面に半径方向のねじ溝を形成した構成を示したが、回転円板２３の端面に半径方向のねじ溝を形成した構成としても良く、また、両円板３１，２３に半径方向のねじ溝を形成した構成としても良い。
また、軸方向ねじ溝ポンプ段９の静止側壁部３３（ケーシング３の内周面３５，内挿部材３７の外周面）に軸線Ｌ方向のねじ溝を形成した構成を示したが、回転円筒部２５の外周面および内周面にねじ溝を形成した構成としても良く、また、静止側壁部３３及び回転円筒部２５の両者にねじ溝を形成した構成としても良い。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、第二吸気口とターボ分子ポンプ段との間に半径方向ねじ溝ポンプ段を配置することとしたので、第二吸気口の圧力がターボ分子ポンプ段の排気側に必要とされる圧力よりも高い場合であっても、ターボ分子ポンプ段の排気側に必要とされる低い圧力を確保することができる。
したがって、第一吸気口と第二吸気口の圧力差を大きくした差動排気が可能となる。
【００３１】
半径方向ねじ溝ポンプ段は、半径方向にねじ溝が形成されているので、軸線方向の長さを短くすることができる。これにより、真空ポンプの全体の大きさをコンパクトにすることができる。
【００３２】
半径方向ねじ溝ポンプ段よりも気体に対する抵抗が少ない軸方向ねじ溝ポンプ段を第二吸気口の排気側に配置したので、半径方向ねじ溝ポンプ段に比べて大きな流量を第二吸気口から排気することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る真空ポンプを示した縦断面図である。
【図２】ジーグバーン段の固定円板の端面を示した平面図である。
【図３】ジーグバーン段を流れる気体の様子を示した縦断面図である。
【図４】従来の複合ターボ分子ポンプを示した縦断面図である。
【符号の説明】
１複合ターボ分子ポンプ（真空ポンプ）
５ターボ分子ポンプ段
７ジーグバーン段（半径方向ねじ溝ポンプ段）
９軸方向ねじ溝ポンプ段
１７主吸気口（第一吸気口）
４１副吸気口（第二吸気口）

Claims

第一吸気口に吸気側が接続されたターボ分子ポンプ段と、
該ターボ分子ポンプ段の排気側に位置するとともに、回転板の端面および／または該端面に対向する静止側壁部にねじ溝が半径方向に形成された半径方向ねじ溝ポンプ段と、
該半径方向ねじ溝ポンプ段の排気側に位置するとともに、回転体の周面および／または該周面に対向する静止側壁部にねじ溝が軸線方向に形成された軸方向ねじ溝ポンプ段と、
前記半径方向ねじ溝ポンプ段と前記軸方向ねじ溝ポンプ段との間に設けられた第二吸気口と、
を備え、
前記半径方向ねじ溝ポンプ段により、前記ターボ分子ポンプ段の排気側に必要とされる低圧に保持することを特徴とする真空ポンプ。
前記第二吸気口における圧力が、１〜１０Ｔｏｒｒとされていることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。