JP5445143B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

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、回転翼と固定翼との組み合わせからなるタービン翼の作動により真空排気を行うものである。タービン翼は回転の軸を中心に放射状に形成されており、翼根元部分と翼先端部分とでは周速度が異なっている。そのため、翼根元と翼先端との中間点における翼角度および翼間隔に基づく性能が目標性能となるように最適設計される。

しかし、従来のように平板でタービン翼を構成した場合、中間点よりも外周側では、周速度の増加に比べて開口率の増加の方が大きくなり、中間点に比べて逆流の影響が大きくなって最適設計から外れてしまう。なお、本明細書では、タービン翼を軸方向から見たときに、反対側が見通せる部分の割合を開口率と呼ぶ。

そこで、タービン翼の翼角度を翼根元から翼外周にかけてしだいに小さくなるように変化させたねじり翼を採用し、外周部の開口率の増加を抑えた回転翼が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開平０２−６１３８７号公報

しかしながら、上述したねじり翼では、翼中間部分から翼外周部分において最適となるように翼角度を設定しているので、上述したように翼角度を翼根元から翼先端にかけてしだいに小さくなるように変化させるタービン翼の場合、周速度の小さな翼根元部分における翼角度が大きくなり過ぎ、排気性能への逆流の影響が大きくなってしまう。特に、大流量排気を行う状況において分子流から中間流に近付くと、この逆流による排気性能の低下が顕著となる。

本発明によるターボ分子ポンプは、回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、回転翼および固定翼の少なくとも一方に設けられたブレードを、該ブレードの翼角度が回転軸からの半径方向距離を変数とする式により設定されるねじり翼とし、翼角度の式を、ブレードの所定半径方向距離より外周側において開口率を考慮した最適翼角度を与える第１の式と、所定半径方向距離より内周側において気体分子の逆流を抑制する翼角度を与える第２の式とで構成し、所定半径方向距離における翼角度をαb、ブレードの最内周における翼角度をαin、ブレードの最外周における翼角度をαoutとしたとき、第１の式における翼角度αは条件「αout≦α≦αb」を満たすように外周側に向けて単調減少し、第２の式における翼角度αは条件「αb≧α≧αin」を満たすように内周側に向けて単調減少する又は内周側に向けて一定角度に維持される。また、第１および第２の式の少なくとも一方を、複数の式で構成することもできる。
本発明によるターボ分子ポンプの他の態様では、回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、ブレードは、その翼角度αが所定半径方向距離より外周側では条件「αout≦α≦αb」を満たすように外周側に向けて単調減少し、所定半径方向距離より内周側では条件「αb≧α≧αin」を満たすように内周側に向けて単調減少する又は内周側に向けて一定角度に維持されるねじり翼である。ただし、αbは所定半径方向距離における翼角度、αinはブレードの最内周における翼角度、αoutはブレードの最外周における翼角度である。
本発明によるターボ分子ポンプにおいて、回転翼のブレードを、式「｛Ｓx−（Ｈ／tanαx）｝／２≧｛Ｓy−（Ｈ／tanαy）｝／２」を満たすように形成することができる。ただし、Ｓxおよびαxはブレードの最外周から任意の距離におけるブレード間の距離および翼角度、Ｓyおよびαyはブレードの任意の距離よりも内周側の距離におけるブレード間の距離および翼角度、Ｈはブレードの軸方向高さである。

本発明によれば、ねじり翼において、翼外周側の翼角度を最適化しつつ、翼内周側における気体分子の逆流抑制効果を向上させることができる。

本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。 回転翼を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。 回転翼を示す斜視図である。 従来のねじり翼の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。 半径Ｒｔと翼角度αとの関係を示す図であり、（ａ）は直線的に変化するラインＬ１〜Ｌ４を示し、（ｂ）は曲線的に変化するラインＬ６を示す。 回転翼４Ｂの一部を軸に垂直な方向に切断した断面図である。 加工ツールの軌跡を説明する図である。

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。
−第１の実施の形態−
図１は本発明に係るターボ分子ンプの第１の実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ本体の断面図である。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２の内部には、複数段の回転翼４Ｂおよび回転円筒部４Ｄが形成されたロータ４が設けられている。図２に示すように、ロータ４には複数のブレード４０が放射状に形成されており、ロータ外周の一周にわたって形成されたブレード４０によって、一段分の回転翼４Ｂが構成されている。ロータ４はシャフト３にボルト締結されている。ロータ４が固定されたシャフト３は、上下一対のラジアル磁気軸受７およびスラスト磁気軸受８によって非接触式に支持され、モータＭにより回転駆動される。なお、ロータ４は、高速回転に耐えられるようにアルミ合金などの金属材料で製作される。

一方、ポンプ本体１のベース９側には、複数段の固定翼２Ｂおよび固定円筒部９Ｄが設けられている。図３は固定翼２Ｂを示す斜視図である。固定翼２Ｂは、半リング状の外枠２０および内枠２２と、その間に形成された複数のブレード２１を備えている。この固定翼２Ｂをロータ４を囲むように一対配置することで、一段分の固定翼２Ｂが形成される。そして、軸方向に交互に配置された複数段の回転翼４Ｂと複数段の固定翼２Ｂとによりタービンブレード翼部が構成される。複数段の固定翼２Ｂは、外枠２０をスペーサ２Ｓで上下から挟持することでケーシング２内の所定位置に保持されている。

また、タービンブレード翼部の下流側に配置された回転円筒部４Ｄと固定円筒部９Ｄ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４Ｄは固定円筒部９Ｄの内周面に近接して設けられており、固定円筒部９Ｄ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９Ｄの螺旋溝と高速回転する回転円筒部４Ｄとにより排気作用が発生する。

図１に示すタービンブレード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、広域型ターボ分子ポンプと称されている。吸気口５から流入したガス分子はタービンブレード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６から排出される。

図１に示すターボ分子ポンプでは、吸気口側から数えて４段目までの回転翼４Ｂおよび固定翼２Ｂには、後述するようなねじり翼が採用されている。なお、ねじり翼が適用される回転翼４Ｂおよび固定翼２Ｂの段数は、排気性能との兼ね合いにより適時決定される。まず、本実施の形態におけるねじり翼形状を説明する前に、図４，５を参照して従来のねじり翼の問題点について説明する。

図４は、従来のねじり翼を有する回転翼４００の一例を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。ロータ４の外周には、回転翼４００の一段分を構成する複数のブレード４０１が、ロータ４の軸Ｊを中心に放射状に形成されている。そのため、ブレード４００の間隔（以下ではブレード間距離と称する）Ｓは、内周側ほど小さくなっている。ターボ分子ポンプにおいては、一般的に、周速度が比較的大きくて排気性能を高く設定しやすい半径Ｒ１よりも外周側（Ｒout≧Ｒ≧Ｒ１）の範囲Ａ１において、排気性能が最適となるような翼設計が採用される。

ねじり翼の場合、最外周（翼先端部）における翼角度αoutは、最内周（翼根元部）における翼角度αinよりも小さく設定されている。ブレード４００を切削加工する際の加工プログラムにおいては、翼角度αと翼間距離Ｓとをパラメータとする一つの加工式が用いられる。従来は、半径Ｒに対して翼間距離Ｓも翼角度αもそれぞれ一定変化する加工式を用いて加工するのが一般的であり、その場合、翼先端から翼根元に向けて翼角度αが次第に大きくなるように設定される。図４に示す回転翼４００は、そのような条件で加工された回転翼である。

従来の場合の半径Ｒｔと翼角度αとの関係を示すと、図５（ａ）のラインＬ１のようになる。この場合、翼角度αが半径Ｒに対して一定の割合で増加している。ラインＬ１の傾き角度は、先端から中間近辺までの範囲Ａ１の部分において排気性能が最適となるように設定される。しかしながら、範囲Ａ２においても範囲Ａ１の場合と同じ割合で翼角度αを増加させているため、気体の逆流の影響を考えた場合、翼角度αが大きくなり過ぎてしまうという問題があった。

そこで、本実施の形態では、半径Ｒ１より内側の範囲Ａ２における翼角度αを、ラインＬ１とは別のラインＬ２〜Ｌ４に従って変化させるようにした。図５（ａ）に示すラインＬ２〜Ｌ４を式で表すと、次式（１），（２）のようになる。式（２）においてαin＞αbと設定するとラインＬ２が得られ、αin＝αbと設定するとラインＬ３が得られ、αin＜αbと設定するとラインＬ４が得られる。
（範囲Ａ１）：α＝αout＋（αb−αout）・（Ｄ／Ｇbout） …（１）
（範囲Ａ２）：α＝αin＋（αb−αin）・（Ｇ−Ｄ）／Ｇbin …（２）

式（１）、（２）のＤ，Ｇ，Ｇbout，Ｇbinは、図６に示す各部の寸法であり、αbは半径Ｒ１における翼角度である。図６は、回転翼４Ｂの一部を軸に垂直な方向に切断した断面図である。この断面図は図２に示したブレード４０の上端面の形状と同一形状を成しており、断面の輪郭線は加工ツールの軌跡を表していることになる。図６に示すように、Ｇはブレード４０の長さ、Ｇboutはブレード４０の最外周（先端）から半径Ｒ１までのブレード長さ、Ｇbinはブレード４０の最内周（根元）から半径Ｒ１までのブレード長さである。また、Ｄは最外周からの距離を示す。

図５（ａ）のラインＬ２はラインＬ１よりも傾きの大きさ（絶対値）が小さく、ラインＬ３では翼角度α＝一定となっている。また、ラインＬ４の場合には、翼根元（半径Ｒin）に近付くほど翼角度αが小さくなるように設定される。このように設定することにより、周速度が比較的大きくて排気性能を高く設定しやすい半径Ｒ１よりも外周側（Ｒout≧Ｒ≧Ｒ１）の範囲Ａ１においては、従来と同様に排気性能が最適となるような設定とすることができるとともに、周速度が比較的小さな範囲Ａ２（Ｒ１≧Ｒ）では、従来よりも気体分子の逆流抑制を重視した設定とすることができる。

なお、図５（ａ）では半径Ｒに対して翼角度αが直線的に変化するラインＬ１〜Ｌ４を採用したが、翼角度αが単調増加または単調減少するラインを採用するようにしても良い。また、図５（ｂ）に示すように半径Ｒ１にピークを有する一つのラインＬ５（放物線）のように、翼角度αを変化させるようにしても良い。この場合、従来のように翼間距離Ｓの変化を一定に変化させるとすれば、翼角度αおよびブレード間距離Ｓに関する加工式は、従来と同様に一つで良いことになる。

特に、図５（ａ）のように範囲Ａ１ではラインＬ１を採用し、範囲Ａ２においてラインＬ３もしくはＬ４に切り替える場合や、図５（ｂ）のようなラインＬ５を用いる場合を、まとめて式で表現すると、次式（３）、（４）のようになる。すなわち、範囲Ａ１では式（３）を満足するように翼角度αを設定し、範囲Ａ２では式（４）を満足するように翼角度αを設定する。この条件を満たすような加工式を用いてブレード４０を形成しても、上述したような作用効果を奏することができる。
αout≦α≦αb （範囲Ａ１）…（３）
αb≧α≧αin （範囲Ａ２）…（４）

図２に示す回転翼４Ｂは、図５（ａ）のラインＬ４のようにブレード４０を加工した場合であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。範囲Ａ１では、図２の回転翼４Ｂの場合も図４の回転翼４００の場合もラインＬ１の加工式で加工しているので、翼形状は同一形状となっている。しかし、範囲Ａ２では、回転翼４ＢはラインＬ４で示すように翼角度αが回転翼４００の場合よりも小さいため、開口率は従来の回転翼４００に比べて小さくなっている。その結果、周速度の比較的小さな内周側における気体分子の逆流を従来よりも抑えることができ、トータルとしての排気性能向上を図ることができる。なお、第１の実施形態では、図２に示した固定翼２Ｂのブレード２０の翼角度に関しても、回転翼４Ｂのブレード４０の場合と同様に設定される。

なお、図５（ａ）では、半径Ｒ１の前後のみで加工式を切り替えているが、式（３），（４）の条件を満たしていれば、さらに範囲Ａ１内または範囲Ａ２内において複数の加工式を用いても構わない。また、範囲Ａ１，Ａ２を分ける半径Ｒ１の大きさは一義的に決まるものではなく、圧縮比や排気速度などの排気性能のどの項目を重視するかによって異なる。

−第２の実施の形態−
上述した第１の実施の形態では、翼角度αの変化の傾向を、図５に示すように半径Ｒ１の前後で切り替えることにより、内周側（範囲Ａ２）における気体分子の逆流を抑えるようにしている。ところが、図５のラインＬ４やＬ５のように翼角度αが減少するものにおいては、減少の度合いが大きすぎると、ブレード４０を外周側から見たときに、加工ツールを入れるべき内周側のブレード間の隙間が外周側のブレード部分に隠れてしまう場合がある。そのような場合、外径方向からの加工が不可能となるため、軸方向から回転翼４Ｂの加工を行わざるを得ない。

しかし、図１に示すように、２〜４段目の回転翼４Ｂは、その上側に回転翼４Ｂがあるため、上下のブレード間隙間は固定翼一段分の寸法より若干大きい程度である。そのため、回転翼４Ｂを軸方向から加工するのは非常に難しい。そこで、第２の実施の形態では、第１の実施の形態の条件を満足しつつ、回転翼を外周側から加工できるようなブレード形状について説明する。なお、図３に示した固定翼２Ｂに関しては一段ずつ加工することができるので、軸方向からの加工が回転翼４Ｂに比べて容易である。

（第１のブレード形状）
第１のブレード形状では、ブレード４０の翼間距離Ｓを次式（５）を満たすように設定する。図６に示すブレード４０の最外周からの距離Ｄに関して、Ｄx＜Ｄyなる距離Ｄxにおける翼間距離をＳxとし、距離Ｄyにおける翼間距離をＳyとする。Ｈはブレード４０の軸方向の高さである。
｛Ｓx−（Ｈ／tanαx）｝／２≧｛Ｓy−（Ｈ／tanαy）｝／２ …（５）

図７は式（５）を説明する図であり、外周側から見た距離ＤxおよびＤyにおける加工ツールの軌跡Ｔx，Ｔyを示したものである。ブレード４０は外周側から加工されるので、図７において、内周側のツール軌跡Ｔyは外周側のツール軌跡Ｔxの内側にある必要がある。ここでは、翼角度αに対して、式（５）のように翼間距離Ｓを設定することにより図７に示すような関係が満たされ、ブレード４０を外周側から加工することが可能となる。なお、翼角度αに関しては式（１）、（２）や、式（３）、（４）のように設定すれば良い。

（第２のブレード形状）
第２のブレード形状では、距離Ｄにおけるブレード４０の翼間距離Ｓを次式（６）を満たすように設定する。この設定の場合、外周側から内周側にかけて一定の割合で翼間距離Ｓが減少しているので、ブレード４０を外周側から加工することが可能となる。式（６）は翼間距離Ｓに関する式であり、翼角度αに関しては式（１）、（２）や、式（３）、（４）のように設定すれば良い。
Ｓ＝Ｓout−(Ｓout−Ｓin)・(Ｄ／Ｇ) …（６）

（第３のブレード形状）
第３のブレード形状では、距離Ｄにおけるブレード４０の翼間距離Ｓを次式（７），（８）を満たすように設定する。Ｓbは半径Ｒ１における翼間距離であり、最内周（翼根元）の翼間距離Ｓcよりも大きく設定される。
（範囲Ａ１）：Ｓ＝Ｓout−(Ｓout−Ｓb)・(Ｄ／Ｇbout) …（７）
（範囲Ａ２）：Ｓ＝Ｓout−(Ｓb−Ｓin)・(Ｄ−Ｇbout)／Ｇbin …（８）

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、排気性能に対して支配的な翼外周から翼中間部分（範囲Ａ１）において最適な翼角度を設定しつつ、気体分子の逆流の影響が大きな翼内周部（範囲Ａ２）において逆流を抑制することができる。その結果、ターボ分子ポンプの排気性能向上を図ることができる。さらに、第２の実施の形態のように翼間距離Ｓを設定することにより、ねじり翼の加工が容易となる。

Claims (4)

1. 回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、前記回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、
   前記回転翼および固定翼の少なくとも一方に設けられた前記ブレードを、該ブレードの翼角度が前記回転軸からの半径方向距離を変数とする式により設定されるねじり翼とし、 前記翼角度の式を、前記ブレードの所定半径方向距離より外周側において開口率を考慮した最適翼角度を与える第１の式と、前記所定半径方向距離より内周側において気体分子の逆流を抑制する翼角度を与える第２の式とで構成し、
   前記所定半径方向距離における翼角度をαb、前記ブレードの最内周における翼角度をαin、前記ブレードの最外周における翼角度をαoutとしたとき、
   前記第１の式における翼角度αは条件「αout≦α≦αb」を満たすように外周側に向けて単調減少し、前記第２の式における翼角度αは条件「αb≧α≧αin」を満たすように内周側に向けて単調減少する又は内周側に向けて一定角度に維持されるターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記第１および第２の式の少なくとも一方を、複数の式で構成したターボ分子ポンプ。
3. 回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、前記回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、
   前記ブレードは、その翼角度αが所定半径方向距離より外周側では条件「αout≦α≦αb」を満たすように外周側に向けて単調減少し、前記所定半径方向距離より内周側では条件「αb≧α≧αin」を満たすように内周側に向けて単調減少する又は内周側に向けて一定角度に維持されるねじり翼であるターボ分子ポンプ。ただし、αbは前記所定半径方向距離における翼角度、αinは前記ブレードの最内周における翼角度、αoutは前記ブレードの最外周における翼角度である。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記回転翼のブレードを、式「｛Ｓx−（Ｈ／tanαx）｝／２≧｛Ｓy−（Ｈ／tanαy）｝／２」を満たすように形成したターボ分子ポンプ。
   ただし、Ｓxおよびαxはブレードの最外周から任意の距離におけるブレード間の距離および翼角度、Ｓyおよびαyはブレードの前記任意の距離よりも内周側の距離におけるブレード間の距離および翼角度、Ｈはブレードの軸方向高さである。

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