JP4519185B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は超高真空装置及びIＣや半導体等の製造に必要な真空発生装置に使用するターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは軸流圧縮機に似た形状の多段動翼翼列を持つロータと、該動翼翼列と交互に配置された多段の静翼翼列を持つステータとからなるポンプ機能部を有している。

このターボ分子ポンプの翼列の設計に新しい理論を適用して、自由分子流領域だけでなく、中間流領域においても有効な圧縮性能と排気速度を持つようにした例が知られている（例えば特許文献１参照。）。

特許第３５３２６５３号公報

従来のターボ分子ポンプの１例の縦断面図を図９に示した。ここでロータａは、ハブ部ｂに多数の軸流翼ｃからなる軸流翼列を多段に外方へ突出させて形成されている。

前記軸流翼列の翼は平板状の翼（平板翼）からなっており、その軸流翼列の円周方向の截断面における展開図の一例を図１０に示した。

前記特許文献１の特許公報に開示されているターボ分子ポンプの翼列も該公報の第２図に示されている如く、平板翼からなっている。

このような平板翼は曲げ剛性が小さいので、上流側の真空部に突発的な真空破壊が起こって、ロータ部に大気が突入したときには翼の変形が大きくなり、このため動翼と静翼とが接触して大きな事故となる危険性があった。

又、前記大気突入時の動翼と静翼との接触を避けるためには動翼の厚さを厚くする必要があるが、これはロータのハブ内周の応力を増大させるという問題点があった。

本発明はこれらの問題点を解消し、曲げ剛性が強く、ロータのハブ部にも過大な内部応力を発生させることがなく、且つ、平板翼よりも優れた排気性能を有する動翼を具備したターボ分子ポンプを提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成すべく、多段の軸流翼列からなるターボ分子ポンプにおいて、ロータを形成している少なくとも１段の動翼段の動翼の前記ロータの円周方向の翼断面において、前記動翼の先端部の翼断面形状は、該先端部の翼断面の上流側部分の背面側を回転方向後方に凸状に膨出させると共に該上流側部分の腹面側を回転方向後方に凹状となるように凹ませ、該先端部翼断面の下流側部分の背面側を回転方向前方に凹状となるように凹ませると共に、該下流側部分の腹面側を回転方向前方に凸状に膨出させて、該先端部翼断面の形状をＳ字状又は逆Ｓ字状に形成し、又前記動翼の根部の断面形状は、該根部翼断面の上流側部分の背面側を回転方向後方に凸状に膨出させると共に該上流側部分の腹面側は凹みのない直線状に形成し、更に該根部翼断面の下流側部分の腹面側を回転方向前方に凸状に膨出させると共に該下流側部分の背面側は凹みのない直線状に形成し、更に前記動翼の先端部と該動翼の根部との間の該動翼の側面は、該先端部の外形曲線と該根部の外形曲線とを結ぶ曲線群により形成の包絡面によって形成され、且つ該動翼の断面は、該先端部から該根部にかけて順次翼の断面積が大となるように形成されている。

本発明によれば、ロータのハブ内周の応力を増大させることなく翼の曲げ剛性を強くして、大気突入時の動翼と静翼の接触を防止することができる。

また、粘性流領域での排気速度を増加させることが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態の実施例を以下に示す。

本発明の実施例１を図１乃至図４により説明する。

図１は本実施例のターボ分子ポンプの動翼段１の任意の半径における円周方向截断面の展開図であり、該動翼段１を形成する動翼２の縦断面図（図１におけるI−I線截断面図）を図２に示した。

尚、矢印Ｚは動翼段１の回転方向を示し、Ａは前記動翼２の上流側、Ｂは同じく動翼２の下流側を示す。

各動翼２は、図１及び図２に示す如くその翼断面２ａの上方側即ちポンプの吸気口側の上流側の部分が回転方向の斜前方に又該翼断面２ａの下方側即ちポンプの排気口側の下流側の部分が回転方向の斜後方になるようにロータのハブ部３に固定され、且つ前記上流側の部分において回転方向後方に凸状に湾曲させると共に前記下流側の部分において回転方向前方に凸状に湾曲させて、翼断面２ａの中心線が逆Ｓ字状となるように形成し、更に該翼断面２ａの形状を中央部から両端部にかけて順次厚さを減じて、両端部の翼厚が最も薄くなるように形成した。

尚、本実施例では翼断面２ａを逆Ｓ字状としたが、これは動翼段１の回転方向が矢印Ｚの如く左回転の場合であり、もし動翼段の回転方向が図１とは逆のＺ´方向の右回転の場合にはＡ´の点線図示の如く翼断面の形状はＳ字状となる。

又、前記動翼２は、先端部（翼頂部）から根部まで前記翼断面２ａに示すのと同様の一様な断面形状を有するものとした。

次に本実施例の動翼段１を有するターボ分子ポンプの作用及び効果について説明する。

動翼２の翼断面２ａの中心線が逆Ｓ字状を呈する波形翼としたので、動翼２の曲げ剛性は従来の平板翼に較べて遥かに増大し、大気突入時の動翼と静翼との接触を防ぐことができる。

又、翼断面２ａの形状を両端部にかけて順次厚さを減ずるようにしたので、従来の平板翼と較べて動翼の重量はむしろ軽くなり、ハブ部３の内周の応力を増大させることなしに翼の曲げ剛性を向上させることができた。

又、翼断面２ａにおける上流側端部及び下流側端部の翼角度を寝かせたことにより、粘性流領域における排気速度を増加させて、ターボ分子ポンプの排気性能を増加させることができた。

この排気性能が増加する理由について、図３及び図４により説明する。

ターボ分子ポンプにおいては翼間の流れは分子流ないし粘性流であって、一般の軸流ターボ機械と違い、気体の慣性力は圧力差や粘性力に較べて無視できる。

以下では、ピッチ‐コード比は１、基準翼角度αは平板翼の場合に３５度となる場合を例に作用を説明する。

図４の表に示す如く、波形翼（本発明のもの）、平板翼、逆波形翼、回転方向前方に凸な翼、回転方向後方に凸な翼の５種類の翼に対して、コンピュータによる流れのシミュレーション解析を行なって、無次元排気流量及び無次元逆速度を比較した。

尚、ここで「逆波形翼」とは、本発明の波形翼とは逆に、翼断面の上流側を回転方向前方に凸状に又下流側を回転方向後方に凸状に湾曲させてＳ字状又は逆Ｓ字状の翼断面としたものである。

この結果、流れの流量は「逆波形翼＜回転方向前方に凸な翼＜回転方向後方に凸な翼＜平板翼＜波形翼」の順に大きくなり、その比は、０．７５：０．９３：０．９４：１：１．１７であることが判った。

即ち図４の表の中の無次元排気流量は翼速度に対する平均の流入流出速度のυ成分の比であるから波形翼の平均の流入流出角度は回転方向を基準にして約１６度である。従って、翼の吸入側の翼角度（α_I）と排気側の翼角度（α_Ｏ）が平均の流入流出角度と等しい約１６度のときに、気体は障害されずに流れることができる。つまり、基準翼角度αの３３．１度に対して吸入側と排気側の翼角度は約１７度小さいことが好適であることが判った。

このように、翼断面の上流側の部分を回転方向後方に凸状に湾曲させて翼端部の翼角度（α_I）を寝かせると共に、翼断面の下流側の部分を回転方向前方に凸状に湾曲させて翼端部Ｂの翼角度（α_Ｏ）と寝かせることにより、直線状の平板翼よりも排気性能を増加させることができた。

本発明の実施例２を図５及び図６により説明する。

図５は本実施例のターボ分子ポンプの動翼段１１の円周方向の展開図であり、１２は該動翼段１１を形成する動翼を示す。

又、図６は図５におけるII−II線截断面図（動翼１２の縦断面図）である。

本実施例の動翼１２は、翼の断面形状を前記実施例１におけるのと同様に翼断面の中心線が逆Ｓ字となるようにすると共に該断面図の中央部から両端部にかけて順次厚さを減じて、両端部の翼厚が薄くなるように形成し、更に該動翼１２の先端部（翼頂部）１２ａから該動翼１２の根部１２ｂに向かって翼の中央部の厚みが順次増大するように形成した。

このように動翼１２の先端部１２ａから根部１２ｂにかけて、順次翼の断面積が大となるようにしたので、本実施例の動翼１２は曲げ剛性が更に増強されたものとなり、万一の大気突入時における動翼と静翼とが接触する危険が更に減少したものとなった。

本発明の実施例３を図７及び図８により説明する。

図７は本実施例のターボ分子ポンプの動翼段２１の円周方向の展開図であり、２２は該動翼段２１を形成する動翼を示す。

又、図８は図７におけるIII−III線截断面図（動翼２２の縦断面図）である。

動翼２２は、先端部（翼頂部）２２ａの形状を前記実施例１における翼断面形状と同様に逆Ｓ字状にすると共に両端部の翼厚が薄くなるように形成している。

しかして、該動翼２２の根部２２ｂの断面形状は、該根部翼断面の上流側部分の背面側２２ｅを回転方向後方に凸状に膨出させると共に該上流側部分の腹面側２２ｆを直線状に形成し、更に該根部２２ｂの翼断面の下流側部分の腹面側２２ｇを回転方向前方に凸状に膨出させると共に該下流側部分の背面側２２ｈは直線状に形成して、該根部２２ｂの断面が、あたかも蝶ネクタイの如き形状を呈するようにした。

そして、動翼２２の前記先端部２２ａと前記根部２２ｂの中間部分の断面は、前記先端部２２ａと前記根部２２ｂとを結ぶ包絡線によって形成される断面形状となるようにした。

尚、ここで包絡線は翼先端部２２ａの外形曲線と翼根部２２ｂの外形曲線とを結ぶ曲線群からなり、該曲線群によって形成される包絡面が動翼２２の側面の形状を形作っている。

又、本実施例の動翼２２も先端部２２ａから根部２２ｂにかけて順次翼の断面積が大となるので、曲げ剛性の増大効果が得られると共に前記実施例２と比較してより良い排気性能のターボ分子ポンプとすることができる。

本発明のターボ分子ポンプは、超高真空装置及びＩＣや半導体等の製造に必要な真空発生装置に使用される。

本発明の実施例１のターボ分子ポンプの動翼段の円周方向截断面の展開図である。 図１におけるI−I線截断面図である。 実施例１における性能を説明するための説明図である。 同上性能を説明するための表である。 実施例２のターボ分子ポンプの動翼段の円周方向の展開図である。 図５におけるII−II線截断面図である。 実施例３のターボ分子ポンプの動翼段の円周方向の展開図である。 図７におけるIII−III線截断面図である。 従来のターボ分子ポンプの１例の縦断面図である。 従来のターボ分子ポンプの軸流翼列の円周方向截断面の展開図である。

符号の説明

１、１１、２１ 動翼段
２ａ 翼断面
１２ａ、１２ｂ 翼の先端部
１２ｂ、２２ｂ 翼の根部
２２ｅ、２２ｈ 翼の背面側
２２ｆ、２２ｇ 翼の腹面側
Ｚ 回転方向

Claims (1)

1. 多段の軸流翼列からなるターボ分子ポンプにおいて、ロータを形成している少なくとも１段の動翼段の動翼の前記ロータの円周方向の翼断面において、前記動翼の先端部の翼断面形状は、該先端部の翼断面の上流側部分の背面側を回転方向後方に凸状に膨出させると共に該上流側部分の腹面側を回転方向後方に凹状となるように凹ませ、該先端部翼断面の下流側部分の背面側を回転方向前方に凹状となるように凹ませると共に、該下流側部分の腹面側を回転方向前方に凸状に膨出させて、該先端部翼断面の形状をＳ字状又は逆Ｓ字状に形成し、又前記動翼の根部の断面形状は、該根部翼断面の上流側部分の背面側を回転方向後方に凸状に膨出させると共に該上流側部分の腹面側は凹みのない直線状に形成し、更に該根部翼断面の下流側部分の腹面側を回転方向前方に凸状に膨出させると共に該下流側部分の背面側は凹みのない直線状に形成し、更に前記動翼の先端部と該動翼の根部との間の該動翼の側面は、該先端部の外形曲線と該根部の外形曲線とを結ぶ曲線群により形成の包絡面によって形成され、且つ該動翼の断面は、該先端部から該根部にかけて順次翼の断面積が大となるように形成されているターボ分子ポンプ。

Images