JP4853266B2

JP4853266B2 - ターボ分子ポンプ

Info

Publication number: JP4853266B2
Application number: JP2006334139A
Authority: JP
Inventors: 耕太大石
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: JP2008144694A

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、固定翼に対して回転翼を高速回転させて真空排気を行うものである。固定翼材料にはステンレスやアルミ等の薄板が用いられ、その薄板をプレス加工することにより固定翼の各ブレードの曲げ加工を行っている（例えば、特許文献１参照）。

固定翼は円環形状のものを半割れにすることで形成され、一対の固定翼により固定翼一段が構成される。固定翼の外周部には円弧状のリブが形成され、各ブレードは細くなった支持部を介してリブに支持されている。固定翼に設けられたリブをスペーサで上下から挟むことにより、固定翼を各回転翼間に保持している。このように、固定翼は外周部分を支持する片持ち構造であるため、固定翼に過大な負荷が加わったときに大きな撓みが生じ易い。そのため、上述した従来のターボ分子ポンプでは、回転翼に形成された内周側のリブに曲げ加工を施したり、半割形状の固定翼に結合部を設けたりして全体的な撓みを抑制するようにしている。

特開２０００−９０８８号公報

しかしながら、大気圧突入などによって高速回転中に固定翼に過大な負荷がかかった場合、スペーサによって挟持されているリブとブレードとの間の支持部が大きく変形するという問題があった。さらに、支持部への応力集中により支持部が折れてしまうとい問題もあった。

請求項１の発明は、回転翼と、半割れ式リブに支持部を介して支持された複数のブレードを有する固定翼と、リブを挟持して固定翼を回転翼に対して所定位置に保持する一対の保持部材とを備えるターボ分子ポンプに適用され、ブレードの排気上流側に設けられてブレードの排気上流側への変位を制限する第１の制限部と、ブレードの排気下流側に設けられてブレードの変位を制限する第２の制限部とを保持部材に形成し、排気上流側に設けられた第１の制限部および排気下流側に設けられた第２の制限部によりブレードを挟持して、ブレードに回転軸方向の予圧を与えることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、リブを挟持した一対の保持部はそれらの間に隙間を形成し、その隙間にブレードの外周部が収納されるようにしたものである。

本発明によれば、保持部材に設けられた制限部によりブレードの排気上流側への変位が制限されるので、大気突入時等におけるブレードの変位を低減することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、ポンプ本体１の断面図である。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプ本体１と、ポンプ本体１に電源を供給し回転駆動を制御するコントローラ（不図示）とから成る。

ポンプ本体１のケーシング３０の内部には、複数段の回転翼２１および回転円筒部２２が形成された回転体２０が設けられている。一方、ポンプ本体１のベース１０側には、複数段の固定翼１１および固定円筒部１２が設けられている。そして、軸方向に交互に配置された複数段の回転翼２１と複数段の固定翼１１とによりタービン翼部が構成される。

また、タービン翼部の下流側に配置された回転円筒部２２と固定円筒部１２とによりモレキュラードラッグポンプ部が構成されている。回転円筒部２２は固定円筒部１２の内周面に近接して設けられており、固定円筒部１２の内周面には螺旋溝が形成されている。モレキュラードラッグポンプ部では、固定円筒部１２の螺旋溝と高速回転する回転円筒部２２とにより、粘性流による排気能が行われる。

図１に示すタービン翼部とモレキュラードラッグポンプ部とを結合させたターボ分子ポンプは、ハイブリッド型ターボ分子ポンプと称される。吸気口３１から流入したガス分子Ｇはタービン翼部によって図示下方へと叩き飛ばされ、下流側に向かって圧縮排気される。その圧縮されたガス分子Ｇは、さらにモレキュラードラッグポンプ部によって圧縮され、排気ポート１４から排出される。

回転体２０は、上下一対のラジアル磁気軸受５１，５２およびスラスト磁気軸受５３によって非接触式に支持され、モータ６により回転駆動される。これらの磁気軸受には、ラジアル変位センサ７１，７２およびスラスト変位センサ７３が設けられている。２７，２８は非常用のメカニカルベアリングであり、２５はコントローラとの接続ケーブルが接続されるレセプタクルである。

図１に示すように固定翼１１は複数段設けられており、外周部分をスペーサ１３に挟持されるようにして所定位置に保持されている。固定翼１１に形成されるブレードの長さは、吸気口３１側から下流になるほど短くなっている。一般的に、固定翼１１は切削加工で形成する場合と、板材を曲げ加工して形成する場合とがあるが、加工コストを低減するために板金化による加工工程の簡略化が進んでいる。本発明は、板金加工により製作される固定翼に関する上記問題点を解決するために成されたものである。

図２は、一対の固定翼１１を示す斜視図である。各固定翼１１には内周側リブ１１１と外周リブ側１１２とが設けられており、それらの間には複数のブレード１１０が形成されている。図２には図示していないが、各ブレード１１０は幅の狭い支持部を介して外周側リブ１１２および内周側リブ１１１に支持されている。各ブレード１１０には、支持部を曲げ加工することにより所定の翼角度が付されている。

図３は、曲げ加工を行う前の固定翼１１を示す平面図である。円環状の金属板材に、スリット１１４をエッチングや打ち抜き加工等により形成する。その結果、ブレード１１０、内周側リブ１１１、外周側リブ１１２、支持部１１３の形状が形成される。その後、支持部１１３を捻るように曲げ加工することにより、各ブレード１１０に所定の翼角度が付加される。最後に、破線で示す分割線に沿って２分割すると、図２に示したような一対の固定翼１１が形成される。

図４は、スペーサ１３による固定翼１１の支持形態を示す図である。図５はスペーサ１３の形状を示す図である。図５に示すように、スペーサ１３の上面側には凸面１３０と、その内側の凹面１３１とが形成されている。一方、スペーサ１３の底面側には、階段状に形成された２つの面１３２，１３３が設けられている。凸面１３０および面１３２は、スペーサ１３を上下に重ねたときに上側スペーサ１３の面１３２と下側スペーサ１３の凸面１３０とが互いに対向するように形成されており、それらの面によって固定翼１１の外周側リブ１１２が挟持される。すなわち、図５のＳ１で示す部分に、外周側リブ１１２が挟持される。

固定翼１１の外周側リブ１１２を上下のスペーサ１３で挟持すると、上側スペーサ１３の面１３３と下側スペーサ１３の面１３１との間に隙間Ｓ２が形成される。この隙間Ｓ２には、図４に示すようにブレード１１０の支持部１１３と、ブレード１１０の一部が収納される。隙間Ｓ２の軸方向の高さ寸法は、ブレード１１０の軸方向寸法（すなわち、翼高さ）とほぼ同一に設定されている。そのため、支持部１１３に接続されているブレード１１０の外周部の軸方向への変位が、面１３１，１３３によって規制されることになる。

図６は、大気突入等によって固定翼１１に軸方向の力が作用したときの変位の様子を示す模式図である。図６の（ａ）は本実施の形態の場合を、（ｂ）は従来のターボ分子ポンプの場合を示す。本実施の形態では、ブレード１１０の外周部が上下のスペーサ１３によって形成された隙間Ｓ２（図５参照）に収納され、ブレード外周部の変位がスペーサ１３の面１３１，１３３によって制限されているので、固定翼１１の上方への変位は、ほぼ各ブレード１１０の変形によって生じることになる。計算機シミュレーションによれば内周側リブ１１１の部分の変位が最大となり、その値Dmaxは０．４６８ｍｍであった。

一方、図６（ｂ）に示す従来のターボ分子ポンプでは、外周側リブ１１２のみがスペーサ４３によって挟持される片持ち構造であるため、固定翼１１に軸方向の力が作用すると、比較的強度の弱い支持部１１３が大きく変形することになる。そのため、図６（ａ）の場合と同一条件でシミュレーションを行うと、内周側リブ１１１における最大変位Dmaxは１．０９０ｍｍとなる。よって、図６（ａ）に示すような構成とすることにより、最大変位を５０％程度まで低減できることがわかる。

このように、本実施の形態では、外周側リブ１１２をスペーサ１３により挟持するだけでなく、スペーサ１３の面１３１，１３３によりブレード１１０の軸方向の変位を制限するようにしたので、固定翼１１の最大変位Dmaxを低減することができる。さらに、支持部１１３への応力集中が緩和され、支持部１１３の破損を防止することができる。

なお、隙間Ｓ２の軸方向寸法に関しては、ブレード１１０の軸方向寸法よりも若干小さく設定した方が軸方向変位の抑制効果が向上する。固定翼１１では、支持部１１３を曲げ加工してブレード１１０を所定角度に設定しているので、隙間Ｓ２内に拘束されている部分のブレード角度が負荷によって小さくなるように変形しやすい。それが原因で、内周側リブ１１１の部分の変位がより大きくなってしまうことになる。しかし、隙間Ｓ２の軸方向寸法をブレード１１０の軸方向寸法よりも若干小さく設定してブレード１１０に予圧を与えておくことで、過大な負荷が加わったときの軸方向変位を小さく抑えることができる。

［変形例］
図７は本実施の形態の変形例を示す図である。ターボ分子ポンプにおいては、大気突入の際の大気は回転翼２１によって方向性が与えられるため、ターボ分子ポンプの吸気口側および排気口側のいずれから大気が突入した場合でも、固定翼１１は吸気口側に変位する力を受ける。そのため、上述した実施の形態のように、ブレード１１０の変位を制限する面をブレード１１０の上下両方に設けなくても良く、図７に示すスペーサ１３のように上方への変位を制限する面を設けるだけでもかまわない。ただし、上下両方に設けた方が、変位を抑制する効果が高い。また、図８に示す変形例のように、スペーサ１３の内側に凸部１３ａを複数形成し、その凸部１３ａの下面を上述した面１３３としても良い。

なお、上述した実施の形態では、ハイブリッド型ターボ分子ポンプを例に説明したが、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。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、スペーサ１３は保持部材を、面１３１，１３３および凸部１３ａは制限部を、面１３１は第２の制限部をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、ポンプ本体１の断面図である。一対の固定翼１１を示す斜視図である。曲げ加工を行う前の固定翼１１を示す平面図である。スペーサ１３による固定翼１１の支持形態を示す図である。スペーサ１３の形状を示す図である。固定翼１１に軸方向の力が作用したときの変位の様子を示す模式図であり、（ａ）は本実施の形態の場合を、（ｂ）は従来のターボ分子ポンプの場合を示す。変形例を示す図であり、上方への変位を制限する面のみをスペーサ１３に形成した場合を示す。ブレード１１０の変位を制限する凸部１３ａが形成されたスペーサ１３を示す図である。

符号の説明

１：ポンプ本体、１３：スペーサ、１３ａ：凸部、２０：回転体、２１：回転翼、２２：回転円筒部、１０：ベース、１１：固定翼、１２固定円筒部、１１０：ブレード、１１１：内周側リブ、１１２：外周側リブ、１１３：支持部、Ｓ１，Ｓ２：隙間、１３０〜１３３：面

Claims

回転翼と、半割れ式リブに支持部を介して支持された複数のブレードを有する固定翼と、前記リブを挟持して前記固定翼を前記回転翼に対して所定位置に保持する一対の保持部材とを備えるターボ分子ポンプにおいて、
前記ブレードの排気上流側に設けられて前記ブレードの排気上流側への変位を制限する第１の制限部と、前記ブレードの排気下流側に設けられて前記ブレードの変位を制限する第２の制限部とを前記保持部材に形成し、
排気上流側に設けられた前記第１の制限部および排気下流側に設けられた前記第２の制限部により前記ブレードを挟持して、前記ブレードに回転軸方向の予圧を与えることを特徴とするターボ分子ポンプ。
請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記リブを挟持した前記一対の保持部はそれらの間に隙間を形成し、その隙間に前記ブレードの外周部が収納されることを特徴とするターボ分子ポンプ。