JP5767636B2 - 真空ポンプ - Google Patents

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    • F04D29/644Mounting; Assembling; Disassembling of axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps

Description

本発明は真空ポンプに関するものであり、特に半導体製造や高エネルギー物理学等の工業真空装置において、低真空から高真空及び超高真空にわたる圧力範囲で利用可能な真空ポンプに関するものである。
本明細書では、ターボ分子ポンプ部とネジ溝ポンプ部とを備える複合型真空ポンプを例に挙げて説明する。従来、この種の複合型真空ポンプは、図12に示す従来の一実施例の複合型真空ポンプの縦断面図のように、吸気口101と排気口102とを有する筐体103内に、該吸気口101側からターボ分子ポンプ部104と円筒形ネジ溝ポンプ部105を順次配設した構造となっている。尚、図13は図12のB部拡大図である。
なお、図12において、符号106は前記ターボ分子ポンプ部104及び円筒形ネジ溝ポンプ部105のロータ107の回転軸、108は該回転軸106を回転させるモータである。
また、従来の複合型真空ポンプ100では、前記円筒形ネジ溝ポンプ部105のロータ107はアルミ合金製であり、複合型真空ポンプの回転数の高速化は、円筒形ネジ溝ポンプ部105のロータ107の強度で制限される。
そこで、前記複合型真空ポンプのネジ溝ポンプ部のロータに、繊維強化プラスチック材(Fiber Reinforced Plastics、通称「FRP材」という。)を円筒形に成形してなる円筒ロータ109を使用し、強度アップを図るようにした構造も知られている。
繊維強化プラスチック材としては、アラミド繊維、ボロン繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ポリエチレン繊維などを用いたものがある。
しかしながら、複合型真空ポンプにおけるターボ分子ポンプ部104のロータ107の下端部に、繊維強化プラスチック材(以下、「FRP材」という)の円筒ロータ109を設置する場合、異種材料を組み合わせることになるため、熱膨張量や遠心力による変形量に差が生じる。そのため、接合部が緩む不具合や、逆に高い負荷がかかりFRP材製の円筒ロータ109が破損する虞があった。特に円筒の端面で繊維が途切れてしまうために、端面付近の強度は、他の部分に比べて低く、この部分に負荷がかかると容易に破損する虞があった。
また、一般に、接合部の形状は、円筒ロータ109の傾きを防止して同軸度を確保する観点、及び軽量化を図る観点から、ロータ107の接合部110は、円板部分110aと接合部分110bからなる断面L字状となっている。この構造の場合、接合部分110bの下部側が撓み、負荷を緩和する作用があるが、FRPの構造上、最も強度が弱い端面付近はほとんど撓まないため、負荷を緩和する作用がほとんどない。
そこで、従来から、その対策として、例えば特許文献1及び特許文献2で知られるような、様々な手段が提案されている。
すなわち、特許文献1の複合型真空ポンプでは、ターボ分子ポンプ部とネジ溝ポンプ部との熱膨張の差や遠心力による変形量の差を緩和するため、FRP材の支板を介して前記ターボ分子ポンプ部のロータと前記ネジ溝ポンプ部の円筒ロータを接合している。
特許文献2の複合型真空ポンプでは、ターボ分子ポンプ部とネジ溝ポンプ部との熱膨張の差や遠心力による変形量の差を緩和するため、FRP材における繊維の巻き付け角、及び、樹脂含有量等の成形条件や形状を工夫している。
特許第3098139号公報。 特開2004−278512号公報。
しかしながら、前記ターボ分子ポンプ部のロータと前記ネジ溝ポンプ部の前円筒ロータをFRP材の支板を介して接合するようにした特許文献1に記載される構造では、部品点数及び組立工数が増えるためにコストアップになるという問題点があった。また、精度良く組み立てるのが難しく、固定部との接触を避ける為にクリアランスを従来より広げることが必要となり、その結果、排気性能が低下するという問題点があった。
また、上述した特許文献2に記載される構造、すなわちFRP材における繊維の巻き付け角、及び、樹脂含有量等の成形条件や形状を工夫している構造では、FRP材の形状が複雑となるため、生産性が悪く、コストアップになるという問題点があった。
そこで、高負荷に耐え得る強度を有するとともに低コスト化が可能な、繊維強化プラスチック材を成形してなる円筒ロータを使用した複合型真空ポンプを提供するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項1記載の発明では、少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを構成する円筒ロータと、前記円筒ロータと回転軸とを接続する第2のロータとを備え、前記第2のロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対し、前記円筒ロータの側面の一部を接合して構成された真空ポンプにおいて、前記円筒ロータの上端面は、前記円筒ロータと前記第2のロータとの接触部より上側に突出されていることを特徴とする真空ポンプを提供する。
請求項2記載の発明では、少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを構成する円筒ロータと、前記円筒ロータと回転軸とを接続する第2のロータとを備え、前記第2のロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対し、前記円筒ロータの側面の一部を接合して構成された真空ポンプにおいて、前記接合部は、前記鍔状円環部より下方へ突出したL字状に形成されているとともに、前記円筒ロータの上端面は、前記鍔状円環部の下面より下側へ退避されていることを特徴とする真空ポンプを提供する。
請求項3記載の発明では、少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを構成する円筒ロータと、前記円筒ロータと回転軸とを接続する第2のロータとを備え、前記第2のロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対し、前記円筒ロータの側面の一部を接合して構成された真空ポンプにおいて、前記接合部は、前記鍔状円環部より上方へ突出したL字状に形成されているとともに、前記円筒ロータの上端面は、前記鍔状円環部の上側へ設置されていることを特徴とする真空ポンプを提供する。
請求項4記載の発明では、少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを構成する円筒ロータと、前記円筒ロータと回転軸とを接続する第2のロータとを備え、前記第2のロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対し、前記円筒ロータの側面の一部を接合して構成された真空ポンプにおいて、前記接合部は、前記鍔状円環部より下方へ突出したL字状に形成されているとともに、前記接合部の上部に小径部を設け、前記円筒ロータと前記第2のロータとの接触部は、前記鍔状円環部の下側へ退避されているとともに、前記円筒ロータの上端面は、前記接触部より上側に突出されていることを特徴とする真空ポンプを提供する。
請求項5記載の発明では、上記円筒ロータの突出部分の長さは、該円筒ロータの肉厚の2倍以上であることを特徴とする請求項1又は4記載の真空ポンプを提供する。
請求項6記載の発明では、上記第2のロータは、少なくともターボ分子ポンプ部あるいは渦流ポンプ部などのポンプ機構を構成することを特徴とする請求項1,2,3,4又は5記載の真空ポンプを提供する。
請求項1記載の発明では、円筒ロータの上端面を、円筒ロータと第2のロータとの接触部より上側に突出させることにより、他の部分に比べて材料強度の低い円筒の上端面に高負荷がかかるのを防ぐことが出来る。
請求項2記載の発明では、接合部を鍔状円環部より下方へ突出したL字状に形成するとともに、円筒ロータの上端面を前記鍔状円環部の下側へ退避させることにより、接合部の突出部が撓んで負荷を緩和することが出来るため、他の部分に比べて材料強度の低い円筒の上端面に高負荷がかかるのを防ぐことが出来る。
請求項3記載の発明では、接合部を鍔状円環部より上方へ突出したL字状に形成するとともに、円筒ロータの上端面を前記鍔状円環部の上側に設置することにより、接合部の突出部が撓んで負荷を緩和することが出来るため、他の部分に比べて材料強度の低い円筒の上端面に高負荷がかかるのを防ぐことが出来る。
請求項4記載の発明では、前記接合部を鍔状円環部より下方へ突出したL字状に形成するとともに、接合部の上部に小径部を設けて、円筒ロータと第2のロータとの接触部を鍔状円環部の下側へ退避させることにより、接合部の突出部が撓んで負荷を緩和することが出来る。さらに、円筒ロータの上端面を、接触部より上側に突出させることにより、他の部分に比べて材料強度の低い円筒の上端面に高負荷がかかるのを防ぐことが出来る。
請求項5記載の発明では、円筒ロータの突出部分の長さを、円筒ロータの肉厚の2倍以上とすることにより、他の部分に比べて材料強度の低い円筒の上端面に高負荷がかかるのを防ぐことが充分に出来る。
請求項6記載の発明では、第2のロータにターボ分子ポンプ部あるいは渦流ポンプ部などのポンプ機構を構成することにより、広い圧力範囲で動作可能な真空ポンプを提供することが出来る。
図1は本発明の一実施例として示す複合型真空ポンプの縦断面図である。
図2は同上真空ポンプにおけるターボ分子ポンプ部のロータとネジ溝ポンプ部の円筒ロータとの接合構造を示す縦断面図である。
図3は図2のA部拡大図である。
図4は同上真空ポンプにおけるターボ分子ポンプ部のロータとネジ溝ポンプ部の円筒ロータの接合方法を説明する図である。
図5は図3に示した接合構造の一変形例を示す図である。
図6は同上真空ポンプにおけるターボ分子ポンプ部のロータとネジ溝ポンプ部の円筒ロータの別の接合構造を示す縦断面図である。
図7は図6に示した接合構造の一変形例を示す図である。
図8は同上真空ポンプにおけるターボ分子ポンプ部のロータとネジ溝ポンプ部の円筒ロータのさらに別の接合構造を示す縦断面図である。
図9は同上真空ポンプにおけるターボ分子ポンプ部のロータとネジ溝ポンプ部の円筒ロータのさらに別の接合構造を示す縦断面図である。
図10は同上真空ポンプにおけるターボ分子ポンプ部のロータとネジ溝ポンプ部の円筒ロータのさらに別の接合構造を示す縦断面図である。
図11は本発明の他の実施例として示す真空ポンプの縦断面図である。
図12は従来の一実施例として示す複合型真空ポンプの縦断面図である。
図13は図12のB部拡大図である。
本発明は、高負荷に耐え得る強度を有するとともに低コスト化が可能な、繊維強化プラスチック材を成形してなる円筒ロータを使用した複合型真空ポンプを提供するという目的を達成するために、少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを有する円筒ロータと、ターボ分子ポンプ部あるいは過流ポンプ部などを有するロータとを備え、前記ロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対して前記円筒ロータの側面の一部が接合して構成された真空ポンプにおいて、前記接合部は、前記鍔状円環部と一体的に、且つL字状に形成されていることを特徴とする真空ポンプを提供することによって実現した。
以下、本発明の複合型真空ポンプについて、好適な実施例を添付図面を参照して説明する。図1及び図2は本発明に係る複合型真空ポンプを示すもので、図1はその縦断面図、図2は、そのポンプのターボ分子ポンプ部のロータとネジ溝ポンプ部の円筒ロータとの接合構造を示す縦断面図、図3は図2のA部拡大断面図、図4は、図2に示したターボ分子ポンプ部のロータとネジ溝ポンプ部の円筒ロータとの接合部分を分解して示す縦断面図である。
同図において、複合型真空ポンプ10は、吸気口11と排気口12を有する筐体13を備えている。該筐体13内には、上部にターボ分子ポンプ部14と、その下方に円筒形のネジ溝ポンプ部15が設けられているとともに、該ターボ分子ポンプ部14内と該ネジ溝ポンプ部15内を通って前記吸気口11と前記排気口12を連通してなる排気経路24が形成されている。
前記排気通路24は、より具体的には、前記ターボ分子ポンプ部14の後述する相対しているロータ17の外周面と前記筐体13の内周面の間の隙間及び前記ネジ溝ポンプ部15の後述する円筒ロータ21の外周面とステータ23の内周面の間の隙間を相互に連通させるとともに、前記ターボ分子ポンプ部14側の隙間上端側を前記吸気口11に連通させ、かつ、前記ネジ溝ポンプ部15側の隙間下端側を前記排気口12に連通して形成されている。
前記ターボ分子ポンプ部14は、回転軸16に固設されたアルミ合金製のロータ17の外周面に突設された多数の動翼18,18…と、前記筐体13の内周面に突設された多数の静翼19,19…との組み合わせからなる。
前記ネジ溝ポンプ部15は、前記ターボ分子ポンプ部14におけるロータ17の下端部の外周面に断面L字状に突設された鍔状円環部20の外周、すなわち接合部20aに圧入固着して取り付けられた円筒ロータ21と、該円筒ロータ21の外周と小隙間を有して対向し、該小隙間と共に前記排気経路24の一部を形成してなるネジ溝22が刻設されたステータ23とからなる。
前記ステータ23の前記ネジ溝22は、下方に行くに従って深さが浅くなるようにして形成されている。また、該ステータ23は、前記筐体13の内面に固定されている。そして、前記ネジ溝22の下端は前記排気経路24の最下流側において前記排気口12に連通され、前記ターボ分子ポンプ部14の前記ロータ17と前記ネジ溝ポンプ部15の前記円筒ロータ21の接合部分は、前記排気経路24の上流側に設置されている。
また、前記回転軸16の中間部には、モータ筐体25内に設けたインダクションモータ等の高周波モータ26のロータ26aが固定されている。該回転軸16は、磁気軸受で支承され、上部及び下部に保護軸受27,27が設けられている。
前記円筒ロータ21は、円周方向と軸方向の両方に力が分担するように繊維を配向させて、複合層として円筒形に形成してなる。
前記接合部20aは、前記円筒ロータ21の内径より若干大きく、該円筒ロータ21内に圧入嵌合可能な外径を有する接触部28と、接触部28の上方に位置し、かつ、前記円筒ロータ21の内径より小さな外径を有する小径部29を設けてなる。
そして、前記ロータ17は、図4に示すように、前記円筒ロータ21の上端側に前記接合部20aを対応させ、かつ、図1及び図2に示すように該接合部20aを該円筒ロータ21内に挿入させて該接合部20aの該接触部28を円筒ロータ21の内面に圧接させて該円筒ロータ21に取り付けられる。また、必要に応じて、該接触部28と円筒ロータ21との間を接着剤で固定する。
すなわち、本実施例の構造では、図3に詳細に示すように、接合部20aは、該接合部20aの上面と円筒ロータ21の上端面がほぼ一致する位置まで挿入すると、前記接触部28の外周面が前記円筒ロータ21の内周面と圧接し、また前記小径部29の外周面と前記円筒ロータ21の内周面の間に隙間S3が設けられる。さらに、本実施例の構造では、前記円筒ロータ21の上端面から前記接触部28までの距離、すなわち前記小径部29の距離S1は前記円筒ロータ21の肉厚tの2倍以上、また前記ターボ分子ポンプ部14の前記ロータ17の底面から前記接触部28までの距離S2を十分得るようにして形成されている。
次に、上記実施例の複合型真空ポンプの動作を説明する。前記高周波モータ26の駆動により前記吸気口11から流入する気体は、分子流あるいはそれに近い中間流状態にあり、その気体分子は前記ターボ分子ポンプ部14の回転する前記動翼18,18…と前記筐体13から突設した前記静翼19,19…との作用より、下方向に運動量が与えられ、該動翼18,18…の拘束回転と共に圧縮移動する。
また、前記圧縮移動された気体は、前記ネジ溝ポンプ部15において、回転する前記円筒ロータ21と、小間隙を有して形成された前記ステータ23に沿って流れるに従って深さが浅くなる前記ネジ溝22に導かれるようにして、粘性流状態まで圧縮されながら前記排気通路24内を流れて前記排気口12から排出される。
そして、前記円筒ロータ21と前記ロータ17とは、該円筒ロータ21の端面から十分な距離S1だけ離れた位置で接触しているので、該接触部28と該円筒ロータ21の間に高負荷がかかったとき、該接触部28が該小径部29に対して撓み、負荷を吸収して該円筒ロータ21を保護することができる。これにより簡単な構造であるにもかかわらず、高負荷に耐え得る強度を備え、回転の高速化を可能にする。また、前記接触部28と前記円筒ロータ21とが、該ターボ分子ポンプ部14のロータ17の底面より下側で接触しているので、該接触部28と該円筒ロータ21との間に高負荷がかかったとき、該接触部28の撓みがより一層得られることになる。
なお、上記複合型真空ポンプ10の構造において、例えば図5に示すように、前記接触部28の下端部に、前記円筒ロータ21の内径より小さな外径で傾斜するガイド傾斜面30を設けてなる構成にすると、前記ロータ17の接合部20aを該円筒ロータ21の上端部に挿入する際、該ガイド傾斜面30をガイドとしてスムーズに挿入させることができ、組立作業を容易にして低コスト化できる。また、組立時、接合部20aを冷やし、予め外径寸法を縮小させた状態にして挿入、すなわち冷やしバメして挿入するとさらに組立作業を容易にすることができる。
さらに、上記複合型真空ポンプ10の構造において、例えば図6に示すように、前記ターボ分子ポンプ部14の前記ロータ17側、すなわち前記小径部29の上端部に、前記円筒ロータ21の挿入量を規制するストッパー31を設けてなる構成にし、該円筒ロータ21の上端部に、該ロータ17の接合部20aを挿入する際、前記ストッパー31に前記円筒ロータ21の上部端面が当接するまで挿入させるようにすると、該ロータ17と円筒ロータ21を簡単に所定の位置に取り付けることができ、組立精度を安定化させることができる。
さらに、図6に示した変形例において、例えば図7に示すように、図5で示した構造と同様にして前記接触部28の下端部に、前記円筒ロータ21の内径より小さな外径で傾斜するガイド傾斜面30を設けてなる構成にすると、前記ロータ17の接合部20aを該円筒ロータ21の上端部に挿入する際、該ガイド傾斜面30をガイドとしてスムーズに挿入させることができ、組立作業を容易にして低コスト化できる。
また、上記複合型真空ポンプ10の構造において、例えば図8に示すように、前記円筒ロータ21の上端部を前記接合部20aの上端面より上方に大きく突き出した構造、あるいは図9に示すように、前記円筒ロータ21の上端部を前記接合部20aの下面面より下方に大きく退避させた構造にしてもよい。さらに、図8及び図9の構造において、図5及び図7に示した接合部20aの構造と同様に、ガイド傾斜面を設けると、前記ロータ17の接合部20aを該円筒ロータ21の上端部に挿入する際、該ガイド傾斜面30をガイドとしてスムーズに挿入させることができる。尚、図9の構造は、円筒ロータの上端を鍔上円環部の下方に退避させることで、円筒ロータ上端に掛かる応力を低減させることが出来る。このとき、円筒ロータの上端が鍔状円環部より上側に無くても、L字の部分が撓むことによって円筒ロータ上端に掛かる応力を低減させることが出来る。このように、円筒ロータ上端に掛かる応力を低減させる方法ということで発明の単一性は存在する。
尚、図8に示すように、円筒ロータ21の上端部を接合部20aの上端面より上方に大きく突き出した構造、あるいは、図9に示すように、円筒ロータ21の上端部を接合部20aの下面より下方に大きく退避させた構造においては、小径部29が無くても円筒ロータ21の上端部に作用する応力を小さくすることができる。または、図10に示すように、接合部を鍔状円環部より上方へ突出したL字状に形成し、円筒ロータの上端面を前記鍔状円環部の上側へ退避させても良い。
以上、本発明の具体的な実施例を説明したが、本発明の真空ポンプは本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が上述した変形例以外の改変されたものに及ぶことは当然である。
以上説明したように、本発明は複合型真空ポンプ以外の、FRP材で円筒形に成形してなる円筒ロータを使用する装置にも応用できる。例えば、図11に示す本発明の他の実施例の真空ポンプの縦断面図のように、ネジ溝ポンプ部のみを備える真空ポンプにも応用することができる。この場合、回転軸16に固設された鍔状円環部40の外周、すなわち接合部40aに、円筒ロータ41が圧入固着して取付けられる。尚、動作は、図1のネジ溝ポンプ部15の動作と同じである。
また、本発明は、FRP材を使用した円筒ロータを例にして説明したが、金属製の円筒ロータであっても同様の効果が期待できる。すなわち、円筒ロータの上部端面に掛かる応力が低減され、端面付近についたキズなどから亀裂が進展するのを防止できるため、金属製の円筒ロータであっても、ロータの強度を高くすることが出来る。
10 複合型真空ポンプ
11 吸気口
12 排気口
13 筐体
14 ターボ分子ポンプ部
15 ネジ溝ポンプ部
16 回転軸
17 ロータ
18 動翼
19 静翼
20、40 鍔状円環部
20a 接合部
21、41 円筒ロータ
22 ネジ溝
23 ステータ
24 排気通路
25 モータ筐体
26 高周波モータ
26a ロータ
27 保護軸受
28 接触部
29 小径部
30 ガイド傾斜面
31 ストッパー
38 接触部
39 小径部
40a 接合部

Claims (6)

  1. 少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを構成する円筒ロータと、
    前記円筒ロータと回転軸とを接続する第2のロータとを備え、
    前記第2のロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対し、
    前記円筒ロータの側面の一部を接合して構成された真空ポンプにおいて、
    前記円筒ロータの上端面は、前記円筒ロータと前記第2のロータとの接触部より上側に突出されていることを特徴とする真空ポンプ。
  2. 少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを構成する円筒ロータと、
    前記円筒ロータと回転軸とを接続する第2のロータとを備え、
    前記第2のロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対し、
    前記円筒ロータの側面の一部を接合して構成された真空ポンプにおいて、
    前記接合部は、前記鍔状円環部より下方へ突出したL字状に形成されているとともに、前記円筒ロータの上端面は、前記鍔状円環部の下面より下側へ退避されていることを特徴とする真空ポンプ。
  3. 少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを構成する円筒ロータと、
    前記円筒ロータと回転軸とを接続する第2のロータとを備え、
    前記第2のロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対し、
    前記円筒ロータの側面の一部を接合して構成された真空ポンプにおいて、
    前記接合部は、前記鍔状円環部より上方へ突出したL字状に形成されているとともに、前記円筒ロータの上端面は、前記鍔状円環部の上側へ設置されていることを特徴とする真空ポンプ。
  4. 少なくともネジ溝ポンプ部あるいはゲーデポンプ部などを構成する円筒ロータと、
    前記円筒ロータと回転軸とを接続する第2のロータとを備え、
    前記第2のロータに形成された鍔状円環部に付設された接合部に対し、
    前記円筒ロータの側面の一部を接合して構成された真空ポンプにおいて、
    前記接合部は、前記鍔状円環部より下方へ突出したL字状に形成されているとともに、前記接合部の上部に小径部を設け、
    前記円筒ロータと前記第2のロータとの接触部は、前記鍔状円環部の下側へ退避されているとともに、前記円筒ロータの上端面は、前記接触部より上側に突出されていることを特徴とする真空ポンプ。
  5. 上記円筒ロータの突出部分の長さは、該円筒ロータの肉厚の2倍以上であることを特徴とする請求項1又は4記載の真空ポンプ。
  6. 上記第2のロータは、少なくともターボ分子ポンプ部あるいは渦流ポンプ部などのポンプ機構を構成することを特徴とする請求項1,2,3,4又は5記載の真空ポンプ。
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