JP4136402B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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吸気口からポンプ排気口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】
従来のターボ分子ポンプでは、数万ｒｐｍで高速回転するロータが破壊した場合のことを考慮して、ポンプケーシングを頑丈に設計し、たとえロータが破壊してもポンプケーシング自体は破壊されないように構成されている。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伝達されることになる。その結果、衝撃により装置がダメージを受けてしまうという問題があった。
【０００４】
そのため、特開平１１−６２８７９号公報に開示されているターボ分子ポンプでは、装置への衝撃を低減するためにポンプケーシングを内外の２重構造としている。そして、ロータ破片の回転エネルギーを、内部ケーシングの変形、内部ケーシング固定部の破損および内部ケーシングの回転により吸収するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−６２８７９号公報に記載されているターボ分子ポンプでは、内部ケーシングがポンプベース部にボルト固定されており、ロータ破片の衝撃によって生じる内部ケーシングの回転力によりボルトが剪断破壊されるような構造となっている。そのため、ボルトが剪断破壊される際の衝撃が、ポンプベース部および外側のケーシングを介して装置に伝達されてしまうという欠点があった。
【０００６】
本発明の目的は、ロータ破壊時の装置への衝撃伝達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。
【０００８】
請求項１の発明は、回転翼を有するロータと、固定翼と、固定翼を位置決めするスペーサリングと、スペーサリングの径方向周囲を囲むとともに、一端側には真空装置接続用フランジを設けるとともに、他端側にはその内周面にリング状凸部を設けた外側ケーシングと、外側ケーシングを他端側で固定するベース部と、外側ケーシングおよびスペーサリングの各々との間に径方向にそれぞれと隙間を設けて配設され、外側ケーシングおよびベース部により回転軸方向に沿って挟持される筒状内側ケーシングと、ベース部と内側ケーシングとの間で回転軸方向に挟持されて弾性変形することにより内部ケーシングを弾性支持するとともに、リング状凸部により外周面が押圧されるリング状弾性部材とを備え、内側ケーシングと弾性部材、リング状凸部と弾性部材、およびベース部と弾性部材がそれぞれ接触する面においてポンプ内部を真空シールすることを特徴とする。
【０００９】
【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は本発明による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、ターボ分子ポンプ部ＴＰとドラッグポンプ部ＤＰとを備える複合型ターボ分子ポンプである。ベース１には軸受およびモータを有する軸受・モータ部２が設けられている。ロータ３は、軸受・モータ部２によって支持および回転駆動される。ロータ３を支持する軸受には、メカニカルベアリングや磁気軸受け等が用いられる。これらのモータや磁気軸受は、コネクタ１４を介して不図示のコントローラと接続される。
【００１０】
ロータ３には軸方向に沿って回転翼４が複数段形成され、回転翼４の図示下側にはドラッグポンプ回転部５が形成されている。上下に隣り合った２組の回転翼４の間には固定翼６がそれぞれ配設されている。これらの固定翼６は、上下方向に積層された複数のスペーサリング７によって位置決め及び固定されている。回転翼４および固定翼６にはタービン翼が形成されている。また、ベース１には、ドラッグポンプ回転部５を微小な隙間を隔てて囲む円筒状のドラッグポンプ固定部８が配設されている。ドラッグポンプ回転部５およびドラッグポンプ固定部８の対向面の少なくとも一方には、ねじ溝等が形成されている。上述したターボ分子ポンプ部ＴＰは複数段の回転翼４と複数段の固定翼６とで構成され、ドラッグポンプ部ＤＰはドラッグポンプ回転部５とドラッグポンプ固定部８とで構成されている。
【００１１】
スペーサリング７の外側には、二重構造のケーシング９，１０が設けられている。外側ケーシング９は従来の分子ポンプのケーシングや外筒に相当するものであり、真空シール装着溝１１ａを有するフランジ１１を備えている。外側ケーシング９はボルト１２によってベース１に固定されている。１６は外側ケーシング９とベース１との接続部に設けられた真空シールであり、Ｏリング等が用いられる。ターボ分子ポンプを真空装置に装着する場合には、外側ケーシング９のフランジ１１を装置側のフランジに固定する。また、スペーサリング７と外側ケーシング９との間には内側ケーシング１０が設けられている。内側ケーシング１０は、スペーサリング７および外側ケーシング９の各々と隙間を設けて配設されている。
【００１２】
モータによりロータ３を高速回転して回転翼４およびドラッグポンプ回転部５を固定翼６およびドラッグポンプ固定部８に対して回転させると、それぞれ排気作用が生じる。その結果、真空装置側の気体が、矢印Ｒのように吸気口からベース１に設けられた排気ポート１３側へと排気される。排気ポート１３には補助ポンプである油回転ポンプやドライポンプ等（不図示）が接続される。
【００１３】
図２はケーシング９，１０の部分の拡大図である。積層されたスペーサリング７は、符号Ｄで示す部分において、下端が下側のスペーサリング７の上端に形成された溝７ａに嵌合している。そのため、積層されたスペーサリング７は、上端および下端がそれぞれ上下に隣り合ったスペーサリング７の下端および上端と勘合して一体となり、径方向にずれることはない。スペーサリング７が積層されると隙間２３が形成され、この隙間２３内に固定翼６の外周端部が挟み込まれる。上述したように外側ケーシング９をボルト１２を用いてベース１に固定すると、積層されたスペーサリング７が外側ケーシング９のフランジ１１とベース１との間に挟まれる。積層されて一体となったスペーサリング７の径方向の位置決めは、ベース１の周面１ａとフランジ１１の内周面１１ａとの嵌合によって行われる。さらに、外側ケーシング９の径方向位置決めは、ベース１の周面１ｂと外側ケーシング９の内周面との嵌合によって行われる。
【００１４】
内側ケーシング１０とベース１との間にはＯリング等の弾性部材２０が設けられている。外側ケーシング９をベース１に固定すると、内側ケーシング１０の上端面は外側ケーシング９のフランジ１１に当接し、図示下方に付勢されて弾性部材２０を圧縮する。すなわち、内側ケーシング１０の下端は弾性支持されている。そのため、内側ケーシング１０は弾性材２０の弾性力によって回転軸線に沿ってフランジ１１側に付勢されているので、がたつくことはない。
【００１５】
スペーサリング７と内側ケーシング１０との間、および、内側ケーシング１０と外側ケーシング９との間には、それぞれ隙間２１，２２が形成されている。隙間２１とポンプ内部空間とは、スペーサリング７の一つに形成された貫通穴７ａを介して連通している。同様に、隙間２１と隙間２２とは、内側ケーシング１０に形成された貫通穴１０ａを介して連通している。ターボ分子ポンプが作動するとポンプ内部は大気圧よりも低い真空状態となるが、ポンプ内部圧力は複数ある回転翼４および固定翼６の下段になるほど高くなる。そのため、貫通穴７ａ，１０ａを介してポンプ内空間と連通している隙間２１，２２の圧力は、穴付きスペーサリング７が設けられている部分の圧力とほぼ等しくなる。外側ケーシング９とベース１との接続部分には、隙間２２に大気が侵入しないように真空シール１６が設けられている。
【００１６】
本実施の形態では、外側ケーシング９はポンプ内を真空に保つためのケーシングであり、従来のターボ分子ポンプのケーシングや外筒と同様の機能を有している。一方、内側ケーシング１０は、高速回転中にロータ３が破壊したときの衝撃吸収のために設けられている。高速回転中にロータ３が破壊すると、回転翼４の部分のロータ破片は遠心力によりスペーサリング７を膨張させながら内側ケーシング１０に衝突する。なお、ロータ破壊時の衝撃の大部分はロータ４のターボ分子ポンプ部ＴＰがケーシング９，１０に与えるものであり、本実施の形態では固定翼部分のケーシング構造に特徴がある。
【００１７】
ロータ破片は径方向に関する運動エネルギーと回転方向に関する運動エネルギーを有しているので、内側ケーシング１０には遠心力方向だけでなく回転方向にも衝撃が加わる。上述したように、内側ケーシング１０の下部は弾性部材２０により弾性的に支持されているので、破片衝突による回転方向の衝撃が加わると回転を始める。すなわち、内側ケーシング１０は回転しながら径方向に塑性変形する。その結果、破片のエネルギーは内側ケーシング１０の塑性変形と、内側ケーシング１０の回転による摩擦力により吸収され、ターボ分子ポンプが装着されている装置への衝撃力を大幅に緩和することができる。
【００１８】
隙間２２のギャップ寸法Ｇ２は、塑性変形した内側ケーシング１０が外側ケーシング９に接触しないように、衝撃力による内側ケーシング１０の塑性変形量よりも大きく設定されている。一方、隙間２１のギャップ寸法Ｇ１については、スペーサリング７の外側に内側ケーシング１０を配設する際の組み付け易さを考慮して設定すれば良く、内側ケーシング１０の内面加工については精度が要求されない。そのため、内側ケーシング１０の内周面をスペーサリング７の外周面に密着させる構造に比べて、薄肉部材である内側ケーシング１０の加工コストを低減することできる。
【００１９】
［第１変形例］
図３は上述したターボ分子ポンプの第１変形例を示す図である。図３は内側ケーシング１０の変形例であり、（ａ）は内側ケーシング１００をフランジ１１側から見た図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、その他の構成については上述したターボ分子ポンプと同様である。内側ケーシング１００の場合には、上端部分を櫛歯状に切り欠いた凹凸形状としている。上端面には凹部１００ａと凸部１００ｂとが交互に形成されており、平面状の端面の場合に比べてフランジ１１との接触面積を低減することができる。そのため、内側ケーシング１０が衝撃力により回転する際の摩擦力を小さくすることができ、フランジ１１に伝わる回転方向の衝撃力をより低減することができる。
【００２０】
また、摩擦係数の小さなフッ素樹脂を含んだ弾性体を弾性部材２０に用いたり、内側ケーシング１０，１００の上端面にフッ素樹脂層を形成したりしても良く、それによって内側ケーシング１０，１００が回転する際の摩擦力が小さくなる。
【００２１】
［第２変形例］
図４は上述したターボ分子ポンプの第２変形例を示す図である。図４は上述した図２に対応する図であり、第２変形例では外側ケーシング９０とベース１０１との接続部の構造が異なるだけで、その他の構造は図１に示したターボ分子ポンプと同様である。上述した図１のターボ分子ポンプでは、真空シール１６を面シールとした。しかし、図４に示す第２変形例では、真空シール１６を軸シールとし、ベース１０１の周面１０１ｂに装着する構造とした。そのため、ベース外径を小さくすることができ、ポンプの小型軽量化を図ることができる。なお、外側ケーシング９０の径方向の位置決めは、外側ケーシング９０の内周面９０ａとベース１０１の周面１０１ｃとの嵌合によって行われる。
【００２２】
［第３変形例］
図５は上述したターボ分子ポンプの第３変形例を示す図である。図５において、（ａ）は図４と同様の部分を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。第３変形例では、弾性部材２０は内側ケーシング１０の弾性支持機能とともに、外側ケーシング９１とベース１０２との接続部の真空シール機能も兼ね備えている。弾性部材２０には、例えば、Ｏリングシールが用いられる。
【００２３】
外側ケーシング９１の下端部内周面側にはシール面９２ａを有するリング状凸部９２が形成されている。外側ケーシング９１をベース１０２に固定すると弾性部材２０が圧縮変形され、図５（ｂ）に示すように、ベース面１０２ｄとの間にシール部Ｓ１が形成され、リング状凸部９２のシール面９２ａとの間にシール部Ｓ２が形成され、内側ケーシング１０の下端面１０ｂとの間にシール部Ｓ３が形成される。その結果、シール部Ｓ１〜Ｓ３によってポンプ内とポンプ外とが遮断される。
【００２４】
また、内側ケーシング１０の径方向の位置決めは、内側ケーシング１０の内周面１０ｃとベース１０２の周面１０２ｃとの嵌合によって行われる。さらに、外側ケーシング９１の径方向の位置決めは、外側リング状凸部９２のシール面９２ａが内側ケーシング１０の外周面１０ａと嵌合することにより行われる。このように、第３変形例における弾性部材２０は、図４に示した弾性部材２０の機能と真空シール１６の機能とを兼ね備えている。その結果、部品点数および組立工数の低減を図ることができる。
【００２５】
［第４変形例］
図６は上述したターボ分子ポンプの第４変形例を示す図である。図６において、（ａ）は外側ケーシング９３とベース１０２との接続部分を示したものであり、（ｂ）は（ａ）のＣ１部拡大図、（ｃ）は（ａ）のＣ２部拡大図である。上述した第３変形例では、図５（ｂ）に示すように外側ケーシング９１の内周面９２ａと内側ケーシング１０の外周面１０ａとの嵌合によって、外側ケーシング９１の径方向位置決めを行っていた。
【００２６】
一方、第４変形例では、図６（ｃ）に示すように外側ケーシング９３の下端外周部分に位置決め部９４を形成し、位置決め部９４の内周面９４ａとベース１０２の周面１０２ｆとの嵌合によって、外側ケーシング９３の径方向位置決めを行う。そのため、外側ケーシング９３のリング状凸部９５は、その内周面９５ａが弾性部材２０とだけ接触するような形状とされている。シール部Ｓ１〜Ｓ３によってポンプ内とポンプ外とが遮断される構造などのその他の構成は、第３変形例と同様である。
【００２７】
上述した第４変形例では、外側ケーシング９３の下端部分における内側ケーシング１０との嵌合を省略しているため、外側ケーシング９３に伝達される衝撃を第３変形例よりも低減することができる。
【００２８】
上述したように、本実施の形態のターボ分子ポンプでは、図２に示すように内側ケーシング１０を外側ケーシング９のフランジ１１とベース１との間に挟持するとともに、内側ケーシング１０とベース１との間に弾性部材２０を配設した。すなわち、衝撃吸収用の内側ケーシング１０は一端が弾性的に支持されているため、内側ケーシング１０にロータ破片の衝撃が加わった際に、ベース１や外側ケーシング９に衝撃をほとんど与えること無く回転することができる。
【００２９】
なお、上述した実施の形態では弾性部材２０を内側ケーシング１０とベース１との間に設けたが、内側ケーシング１０とフランジ１１との間に設けても良い。さらに、弾性部材２０を内側ケーシング１０の上下両端に設けても良い。また、上述した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、本発明は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。
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、弾性部材を設けたことにより内側ケーシングは外側ケーシングとベース部との間に弾性的に支持され、内側ケーシングにロータ破片の衝撃が加わった際に、内側ケーシングは容易に回転をすることができる。その結果、ベース部や外側ケーシングを介して装置側に伝達される衝撃を大幅に低減することができる。
また、弾性部材が真空シール機能を兼ねているので、部品点数の増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボ分子ポンプの断面図である。
【図２】ケーシング９，１０の部分の拡大図である。
【図３】ターボ分子ポンプの第１変形例を示す図であり、（ａ）は内側ケーシング１００をフランジ１１側から見た図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】ターボ分子ポンプの第２変形例を示す図である。
【図５】ターボ分子ポンプの第３変形例を示す図であり、（ａ）は図４と同様の部分を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。
【図６】ターボ分子ポンプの第４変形例を示す図であり、（ａ）は外側ケーシング９３とベース１０２との接続部分を示したものであり、（ｂ）は（ａ）のＣ１部拡大図、（ｃ）は（ａ）のＣ２部拡大図である。
【符号の説明】
１，１０１，１０２ ベース
３ ロータ
４ 回転翼
５ ドラッグポンプ回転部
６ 固定翼
７ スペーサリング
８ ドラッグポンプ固定部
９，９１，９３ 外側ケーシング
１０，１００，１０１，１０２ 内側ケーシング
１１ フランジ
２０ 弾性部材

Claims (1)

1. 回転翼を有するロータと、
   固定翼と、
   前記固定翼を位置決めするスペーサリングと、
   前記スペーサリングの径方向周囲を囲むとともに、一端側には真空装置接続用フランジを設けるとともに、他端側にはその内周面にリング状凸部を設けた外側ケーシングと、
   前記外側ケーシングを前記他端側で固定するベース部と、
   前記外側ケーシングおよび前記スペーサリングの各々との間に径方向にそれぞれと隙間を設けて配設され、前記外側ケーシングおよび前記ベース部により回転軸方向に沿って挟持される筒状内側ケーシングと、
   前記ベース部と前記内側ケーシングとの間で前記回転軸方向に挟持されて弾性変形することにより前記内部ケーシングを弾性支持するとともに、前記リング状凸部により外周面が押圧されるリング状弾性部材とを備え、
   前記内側ケーシングと前記弾性部材、前記リング状凸部と前記弾性部材、および前記ベース部と前記弾性部材がそれぞれ接触する面においてポンプ内部を真空シールすることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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