JP6414401B2

JP6414401B2 - ターボ分子ポンプ

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Publication number: JP6414401B2
Application number: JP2014140467A
Authority: JP
Inventors: 智司久野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-07-08
Also published as: CN204805119U; JP2016017454A

Description

本発明は、ターボポンプ部とネジ溝ポンプ部とを備えるターボ分子ポンプに関する。

例えば、引用文献１に記載のようなターボポンプ部とネジ溝ポンプ部とを備えるターボ分子ポンプでは、吸気口から流入した気体分子をタービン翼段から成るターボポンプ部によりネジ溝ポンプ部に送り、さらに、より低真空側で排気機能を発揮するネジ溝ポンプ部により気体分子を圧縮する。

特開２０１４−９５３１５号公報

ところで、ネジ溝ポンプ部の吸気側開口領域はターボポンプ部の排気側開口領域に比べて小さく、また、前記吸気側開口領域（ネジ溝開口領域）の位置が前記排気側開口領域に比べてロータ軸側に偏っている場合が多い。そのような構造においては、ターボポンプ部により排気された気体分子がネジ溝にスムーズに流入できず、ターボポンプ部とネジ溝ポンプ部との間の流路における滞留時間が長くなる傾向となる。そのため、反応生成物が堆積しやすいガスを排気する場合には、流路における反応生成物の堆積が顕著になるおそれがある。

本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプは、複数の固定翼段および回転翼段を有するターボポンプ部と、円筒ロータおよびステータを有し、前記円筒ロータおよび前記ステータのいずれか一方にネジ溝が形成されたネジ溝ポンプ部と、前記ターボポンプ部から排出された気体分子を前記ネジ溝ポンプ部へと導く流路と、を備え、前記流路には、前記円筒ロータ方向に下り傾斜となっている傾斜面が設けられており、前記傾斜面は、散乱される気体分子の分布を前記円筒ロータの方向に偏らせて、前記流路における気体分子の滞留時間を短くするように構成されている。
さらに好ましい実施形態では、前記流路に面する前記ステータの壁面が前記傾斜面とされる。
さらに好ましい実施形態では、前記ステータが固定されるベースを備え、前記流路に面する前記ベースの壁面が前記傾斜面とされる。
本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプは、複数の固定翼段および回転翼段を有するターボポンプ部と、円筒ロータおよびステータを有し、前記円筒ロータおよび前記ステータのいずれか一方にネジ溝が形成されたネジ溝ポンプ部と、前記ターボポンプ部から排出された気体分子を前記ネジ溝ポンプ部へと導く流路と、前記ステータが固定されるベースと、前記ターボポンプ部の最下流側に配置された回転翼の先端に対向する面を有し、前記ベースに固定されるリング状部材と、を備え、前記流路には、前記円筒ロータ方向に下り傾斜となっている傾斜面が設けられ、前記流路に面する前記ステータの壁面および前記流路に面する前記リング状部材の壁面が前記傾斜面とされる。

本発明によれば、ターボポンプ部とネジ溝ポンプ部との間の流路において、気体分子を首尾よく排気でき、反応生成物堆積を抑制することができる。

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る。図２は、図１の破線Ａで示す部分の拡大図である。図３は、ステータ２２の上端面２２１の形状と気体分子の散乱方向との関係を説明する図である。図４は、従来のターボ分子ポンプにおける流路２００の壁面形状の一例を示す図である。図５は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。図６は、本実施の形態の第２の変形例を示す図である。図７は、本実施の形態の第３の変形例を示す図である。図８は、塩化アルミニウムの蒸気圧曲線Ｌ１を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するため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、ポンプユニット１の概略構成を示す断面図である。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプユニット１と、ポンプユニット１を駆動するコントロールユニット（不図示）とを備えている。なお、図１に示すターボ分子ポンプは磁気浮上式のターボ分子ポンプであるが、本発明は磁気浮上式のターボ分子ポンプに限定されない。

ポンプユニット１は、複数段の回転翼段１２およびロータ円筒部１３が形成されたロータ１０を備える。ポンプケーシング２３の内側には、前記複数段の回転翼段１２に対応して複数段の固定翼段２１が積層されるように配置されている。ロータ軸方向に積層された複数段の固定翼段２１は、それぞれスペーサ２９を介してベース２０上に配置されている。各回転翼段１２は、複数のタービン翼を有している。各固定翼段２１は、複数のタービン翼を有する半割状の回転翼を一対用いて構成されている。複数の回転翼段１２および固定翼段２１は、ターボポンプ部ＴＰを構成している。

ロータ円筒部１３の外周側には、円筒形状のステータ２２が微少隙間を介して配置されている。ステータ２２は、そのフランジ部２２０がベース２０にボルト固定されている。ロータ円筒部１３の外周面またはステータ２２の内周面のいずれか一方にはネジ溝が形成されており、ロータ円筒部１３とステータ２２とでネジ溝ポンプ部（ドラッグポンプ部と称する場合もある）ＳＰが構成される。図１に示す例では、ステータ２２にネジ溝２２ｇが形成されている。ターボポンプ部ＴＰにより排気された気体分子は、ネジ溝ポンプ部ＳＰによりさらに圧縮され、最終的には、ベース２０の排気管２６に接続されたバックポンプにより排気される。

ロータ１０はロータシャフト１１に固定され、そのロータシャフト１１はラジアル磁気軸受３２およびアキシャル磁気軸受３３により支持され、モータ３４によって回転駆動される。磁気軸受３２，３３が非動作時には、ロータシャフト１１はメカニカルベアリング３５ａ，３５ｂによって支持される。ラジアル磁気軸受３２，アキシャル磁気軸受３３，モータ３４およびメカニカルベアリング３５ｂは、ベース２０に固定されるハウジング３０に収納されている。

図２は、図１の破線Ａで示す部分の拡大図である。矢印を付した曲線Ｒは、排気される気体の流れをイメージしたものである。ターボポンプ部ＴＰにより排気された気体分子は、ターボポンプ部ＴＰとネジ溝ポンプ部ＳＰとの間に形成された流路２００に入り、さらに、その流路２００からネジ溝部２２ｇに流入する。

ところで、流路２００内の圧力は、排気する気体の流量にも依存するが、分子流、粘性流、それらの中間、いずれにも成り得る。分子流領域においては、気体分子同士の衝突よりも気体分子と壁面との衝突が支配的になり、壁面と衝突した気体分子の散乱方向の分布は余弦側（cosine law）に従うものと考えられている。そのため、ターボポンプ部ＴＰから流路２００に流入した気体分子は、単純に曲線Ｒのような軌跡でネジ溝部２２ｇに流入する訳ではない。

図３は、ステータ２２の上端面２２１の形状と気体分子の散乱方向との関係を説明する図である。図３（ａ）は、ステータ２２の上端面２２１がロータ軸に対して垂直の場合を示したものである。上端面２２１に接するように記載した直径１の円（三次元的には球）は、気体分子が散乱角θ方向に散乱される確率を示したものである。すなわち、上端面２２１の点Ｐに入射した気体分子が散乱角θ方向に散乱される確率は、点Ｐから散乱角θ方向に延ばした弦の長さcosθに比例する。図３（ｂ）に示すように、ステータ２２の上端面２２１が傾斜している場合にも、その傾斜面の法線ｎに関して、図３（ａ）の場合と同様に散乱される。

図３に示すような散乱確率を考慮し、本実施の形態では、図２に示すように流路２００に面する壁面が、ロータ軸方向に向かって下り傾斜となるように構成した。具体的には、図２に示すように、ベース２０の上端面２０１およびステータ２２の上端面２２１の法線（図３（ｂ）の矢印ｎで示す）の向きがロータ円筒部１３側に傾くように、上端面２０１，２２１を傾斜させている。

図４は、従来のターボ分子ポンプにおける流路２００の壁面形状の一例を示す図である。従来は、本実施の形態のように流路２００の壁面による気体分子の散乱方向は考慮されておらず、ベース２０およびステータ２２の各上端面２０１，２２１は、ロータ軸に対してほぼ垂直に形成されている。また、ネジ溝ポンプ部ＳＰにおけるネジ溝２２ｇの径方向位置は、最下段の回転翼段１２Ｌの翼根元に近い位置に設けられている。

ターボポンプ部ＴＰから流路２００に流入した気体分子の一部はネジ溝部２２ｇに直接入射するが、残りの大部分は、流路２００に面したベース２０の表面（上端面２０１や側面）やステータ２２の上端面２２１に入射する。そして、それらの面に入射した気体分子は、余弦法則に基づいて散乱されることになる。例えば、図４に示すように、図示右斜め上方向（ロータ軸方向）に散乱された気体分子Ｇ２は、最下段の回転翼段１２Ｌにより反射されてネジ溝ポンプ部ＳＰのネジ溝２２ｇに流入し、ネジ溝ポンプ部ＳＰによってより下流側に送られる。

しかしながら、図４に示す上端面２０１，２２１の法線はロータ軸に対して垂直となっているので、上端面２０１，２２１で散乱された気体分子は、図４の気体分子Ｇ１のように逆流してターボポンプ部ＴＰに向かう確率が最も高くなる。そのため、気体分子Ｇ２のように、ネジ溝ポンプ部ＳＰのネジ溝２２ｇに首尾良く導かれる確率が比較的小さく、多くの気体分子は流路２００に滞留する時間が長くなるものと推測される。そのように滞留が長くなるほど流路２００内の圧力が高くなり、反応生成物が堆積し易くなる。

一方、図２に示す本実施の形態では、上端面２０１，２２１の法線ｎがロータ軸方向に傾いているので、すなわち、上端面２０１，２２１がロータ円筒部１３方向に下り傾斜となっているので、ロータ軸方向に散乱される気体分子の割合は図４に示す場合と比べて大きくなる。その結果、ネジ溝ポンプ部ＳＰのネジ溝２２ｇに流入する確率も高くなり、流路２００における気体分子の滞留時間が短くなる。そして、流路２００に面する壁面（ベース２０の表面、ステータ２２の上端面２２１、最下段の回転翼段１２Ｌやロータ円筒部１３の表面など）に反応生成物が堆積するのを抑制することができる。

一般に、反応生成物が堆積しやすいガスを排気する場合には、ヒータ等を用いてベース２０やステータ２２の温度を高くするようにする場合が多い（後述する第３の変形例を参照）。また、塩素系や硫化フッ素系の反応生成物は、真空度が低くなるほど（すなわち、圧力が高くなる程）昇華温度が高くなり、堆積しやすくなる。例えば、反応生成物の蒸気圧曲線の一例を示すと、塩化アルミニウムの場合には図８に示すような蒸気圧曲線Ｌ１となっている。本実施の形態のターボ分子ポンプでは、流路２００におけるガスの滞留を改善できるので、流路２００における圧力を従来より低く抑えることができる。その結果、図８から分かるように、流路２００における圧力が低くなった分だけ、ベース２０やステータ２２の温度を低減することが可能となる。

なお、図４に示す従来の構成においても、面の角において面取りや、Ｒ面取りなどが施されていて、その微少領域においては面の法線がロータ軸方向を向いている場合がある。しかしながら、このような微少領域に限定される面取りやＲ面取りでは、図２に示すように上端面２０１，２２１を傾斜させる場合のような効果は期待できず、面取りやＲ面取りなどの構成は本願発明の構成とは区別されるべきものである。

図２に示す例では、上端面２０１，２２１の法線ｎがロータ軸方向に傾くような、すなわち、ロータ円筒部１３に向かって下り傾斜となっている傾斜面の例として、断面における傾斜面が直線で表されるような形状（円錐面の一部）としたが、これに限られるものではない。

（変形例１）
図５は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。図２に示した例では、ベース２０の上端面およびステータ２２の上端面を、図５の二点鎖線２０１ａで示すような傾斜角が一定な傾斜面（円錐面と同様の形状）とした。一方、図５に示す変形例では、流路２００に面する壁面の内、ベース２０の上端面２０１およびステータ２２の上端面２２１を、傾斜面２０１ａに対して図示下側に窪むような凹面としている。どちらの凹面（上端面２０１，２２１）も、ロータ円筒部１３に向かって下り傾斜となっており、上端面２０１，２２１の法線ｎはロータ軸側に傾いている。そのため、図２の場合と同様の効果を得ることができる。

（変形例２）
図６は、本実施の形態の第２の変形例を示す図である。図５に示す変形例では、流路２００に面する壁面の内、ベース２０の上端面２０１およびステータ２２の上端面２２１を、傾斜角が一定な傾斜面２０１ａに対して図示上側に突出するような凸面としている。どちらの凸面（上端面２０１，２２１）も、ロータ円筒部１３に向かって下り傾斜となっており、上端面２０１，２２１の法線ｎはロータ軸側に傾いている。そのため、図２の場合と同様の効果を得ることができる。

（変形例３）
図７は、本実施の形態の第３の変形例を示す図である。第３の変形例では、ベース２０上にリング状部材４０が配置されており、そのリング状部材４０の流路２００に面する面４０１を、ロータ円筒部１３に向かって下り傾斜となっている傾斜面としている。また、ステータ２２の上端面２２１は、図２の場合と同様の傾斜面となっている。このように、
ベース２０上にステータ２２の他にリング状部材４０のような部材を配置する場合には、その部材の流路２００に面する面の形状を、ロータ円筒部１３に向かって下り傾斜となっている傾斜面とすることで、図２の構成の場合と同様の効果を奏することができる。

以下では、リング状部材４０の機能について説明する。反応生成物が生じやすいガスを排気する場合、図７のように、ベース２０にヒータ４２を設けてステータ２２を昇温すると共に、回転翼段１２が過温度とならないように固定翼段２１を介して回転翼段１２を冷却する構成が採用されることが多い。図７では、ベース２０の上端付近に冷媒が流れる冷却通路４１を設けて、スペーサ１９および固定翼段２１を冷却するようにしている。

このような構成の場合、リング状部材４０が無い場合、最下段の回転翼段１２Ｌの先端が対向する壁面は、冷却によって温度が低下する。その結果、対向する壁面に反応生成物が堆積しやすくなり、堆積した反応生成物と回転翼段１２Ｌの先端とが干渉するおそれがある。リング状部材４０は、堆積した反応生成物と回転翼先端との接触を防止するために設けられたものである。回転翼先端と対向する壁面（ベース壁面）との間に介在するように配置されたリング状部材４０は、ベース２０のステータ２２が固定されている位置の近くに固定されている。そのため、リング状部材４０はヒータ４２よって間接的に加熱され、ステータ２２と同程度の温度になっている。その結果、回転翼段１２Ｌの先端に対向しているリング状部材４０への反応生成物の堆積が抑えられ、リング状部材４０が無い場合のように、回転翼段１２Ｌの先端が反応生成物と干渉するのを防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態におけるターボ分子ポンプは、複数の固定翼段２１および回転翼段１２を有するターボポンプ部ＴＰと、ロータ円筒部１３およびステータ２２を有し、ロータ円筒部１３およびステータ２２のいずれか一方にネジ溝部が形成されたネジ溝ポンプ部ＳＰと、ターボポンプ部ＴＰから排出された気体分子をネジ溝ポンプ部ＳＰへと導く流路２００と、を備える。そして、流路２００には、ロータ円筒部１３方向に下り傾斜となっている傾斜面（図２に示す上端面２０１，２２１）が設けられている。

流路２００に面する壁面の一部を上述のような傾斜面とすることにより、傾斜面で散乱された気体分子の分布がロータ円筒部１３方向に偏り、ネジ溝部２２ｇに流入し易くなる。その結果、流路２００における気体分子の滞留時間が短くなり、流路２０００における反応生成物の堆積を抑制することができる。

流路２００に面する壁面の一部を、ロータ円筒部１３方向に下り傾斜となっている傾斜面とする構成例としては、例えば、図２のようにステータ２２の流路２００に対向する面を傾斜面としても良いし、ベース２０の流路２００に面する上端面２０１を前記傾斜面としても良い。また、図７のようにリング状部材４０をベース２０に固定する場合には、ステータ２２の上端面２２１に加えて、リング状部材４０の流路２０に面する面４０１を、ロータ円筒部１３方向に下り傾斜となっている傾斜面とするのが好ましい。

なお、図２，５，６では上端面２０１，２２１の両方を傾斜面としたが、一方だけを傾斜面としても構わない。同様に、図７においては流路２０に面する面２２１，４０１の両方を傾斜面としたが、一方のみを傾斜面としても構わない。

上述した各実施例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施例での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１…ポンプユニット、１０…ロータ、１２…回転翼段、１３…ロータ円筒部、２０…ベース、２１…固定翼段、２２…ステータ、２２ｇ…ネジ溝部、４０…リング状部材、２００…流路、２０１，２２１…上端面、ＳＰ…ネジ溝ポンプ部、ＴＰ…ターボポンプ部

Claims

複数の固定翼段および回転翼段を有するターボポンプ部と、
円筒ロータおよびステータを有し、前記円筒ロータおよび前記ステータのいずれか一方にネジ溝が形成されたネジ溝ポンプ部と、
前記ターボポンプ部から排出された気体分子を前記ネジ溝ポンプ部へと導く流路と、
前記ステータが固定されるベースと、
前記ターボポンプ部の最下流側に配置された回転翼の先端に対向する面を有し、前記ベースに固定されるリング状部材と、を備え、
前記流路には、前記円筒ロータ方向に下り傾斜となっている傾斜面が設けられ、
前記流路に面する前記ステータの壁面および前記流路に面する前記リング状部材の壁面が前記傾斜面とされる、ターボ分子ポンプ。