JP7342574B2

JP7342574B2 - 真空ポンプ

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Publication number: JP7342574B2
Application number: JP2019177839A
Authority: JP
Inventors: 裕章木村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-09-27
Also published as: JP2021055588A

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

チャンバを高真空に排気する真空ポンプの一つとしてターボ分子ポンプがある（例えば、特許文献１参照）。ターボ分子ポンプにおいては、タービン翼や円筒ロータが形成されたポンプロータを高速回転させることで排気作用を発生させている。吸気口側の低圧なガスは、ポンプロータの排気作用によりより圧力の高いガスとされて、ポンプロータの排気側へと排出され、さらに、ターボ分子ポンプの排気ポートに接続されたバックポンプによりポンプ外へと排出される。

特開平１１－２３００８７号公報

ポンプロータの排気側の圧力は混合流領域から粘性流領域に亘る圧力範囲となるので、ポンプロータから排出されるガスはポンプロータと同様に高速回転しながら排出される。そのため、高速回転しているガスをポンプロータの排気側空間からポンプ外へとスムーズに排出するためには、排気側空間から排気ポート出口までのガス流路の構造が重要になってくる。ガス流路の構造が不適切な場合には、排出するガスの流れの影響によってガス流路に生成物が過剰に堆積したり、排気側空間の圧力が高くなってポンプロータを回転駆動するモータの消費電力増加を招いたりする。

本発明の態様による真空ポンプは、回転するロータと、前記ロータに対するガス流入路と、前記ロータにより排気されたガスを排出するガス排出路と、を備え、ロータ中心軸に直交する平面において、前記ガス排出路の流路中心軸を前記平面に投影した第１投影直線、および、前記第１投影直線と２点で交わり前記ロータ中心軸を中心とする第１仮想円を仮定したときに、前記第１仮想円は、前記第１投影直線により長い第１円弧と短い第２円弧とに２分割され、前記ロータは、前記第１円弧の第１端点から第２端点の方向に回転しており、前記ガス排出路の排出方向は、前記第１円弧の第１端点から前記第１投影直線に沿って前記第１仮想円の外側に向かう方向である。

本発明によれば、流入または排出するガスの影響を低減することができる。

図１は、第１の実施の形態の真空ポンプを示す断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。図３は、流路の中心軸の位置関係を説明する図である。図４は、比較例を示す断面図である。図５は、変形例１を示す断面図である。図６は、図５のＢ１－Ｂ１断面図である。図７は、図６のＢ２－Ｂ２断面図である。図８は、変形例２を示す断面図である。図９は、変形例３を示す図である。図１０は、図９のＥ矢視図である。図１１は、第２の実施の形態の真空ポンプを示す断面図である。図１２は、図１１のＣ１－Ｃ１断面図である。図１３は、図１１のＣ２－Ｃ２断面図である。図１４は、パージガスをシャフト空間に導入する場合を示す図である。

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。
－第１の実施の形態－
図１は、真空ポンプの一例を示す図であり、ターボ分子ポンプ１の断面図である。複数の回転翼段２Ａおよびロータ円筒部２Ｂを備えるポンプロータ２は、磁気軸受１１ａ，１１ｂ，１１ｃによって磁気浮上支持されるシャフト５に締結されている。シャフト５はモータ１２によって回転駆動される。なお、磁気軸受１１ａ～１１ｃが作動していない状態では、シャフト５はメカニカルベアリング３ａ，３ｂによって支持される。

ポンプロータ２の軸方向上下に並んだ複数の回転翼段２Ａに対して、複数の固定翼段４Ａが交互に配設されている。複数の回転翼段２Ａおよび複数の固定翼段４Ａにより、ターボ分子ポンプ１のタービン翼段が構成される。固定翼段４Ａの後段（図示下方）には、ロータ円筒部２Ｂと共にドラッグポンプ段を構成するネジステータ４Ｂが設けられている。

メカニカルベアリング３ａ，３ｂ、磁気軸受１１ａ～１１ｃおよびモータ１２は、ベース６に設けられている。ベース６には、ロータ円筒部２Ｂおよびネジステータ４Ｂの下端側に排気側空間６００が形成されている。ベース６に固定され排気ポート７およびパージポート８は、流路６２，６３を介して排気側空間６００に連通している。排気ポート７には流路６２に連通する流路７１が形成され、パージポート８には流路６３と連通する流路８１が形成されている。

ターボ分子ポンプ１の吸気口１ａから流入したガス分子は、破線矢印Ｒ１のような経路で排気側空間６００へ排気される。図示していないが、排気ポート７にはバックポンプが接続され、排気側空間６００のガスは流路６２，７１を通ってポンプ外に排気される。大流量のガスを排気するとロータ温度が上昇し、特にロータ円筒部２Ｂにおける温度上昇が顕著になる。その場合、ロータ円筒部２Ｂの温度上昇を抑えるために、パージポート８から冷却用のガス（例えば、窒素ガス）を排気側空間６００に導入することがある。

図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。図２では、断面平面とポンプロータ２のロータ中心軸Ｊ０（図１参照）とが交わる点を原点Ｏとしてｘｙ軸を表示した。また、ｙ軸は、ベース６に形成された流路６２，６３の中心軸Ｊ１，Ｊ２に対して平行となるように設定した。ロータ円筒部２Ｂの断面は、中心部分のベース６を隙間を介して囲むようなリング形状となっている。図２では、ネジステータ４Ｂは想像線（二点鎖線）で示したが、ネジステータ４Ｂの断面は、ロータ円筒部２Ｂを隙間を介して囲むようなリング形状となっている。排気されるガスは、ロータ円筒部２Ｂとネジステータ４Ｂとの隙間を紙面の裏面側へと排気され、排気側空間６００へ排出される。

ベース６に形成された流路６２，６３の中心軸Ｊ１，Ｊ２は、ｙ軸からずれている。排気ポート７の流路７１は、ベース側の流路６２と同軸になっている。同様に、パージポート８の流路８１は、ベース側の流路６３と同軸になっている。このように、本実施の形態では、ロータ円筒部２Ｂ（すなわち排気側空間６００）に連通する排気用の流路６２，７１の中心軸Ｊ１を、ポンプロータ２の中心軸からずらして配置している。また、ネジステータ４Ｂの排気側（すなわち排気側空間６００）に連通する吸気用の流路６３，８１の中心軸Ｊ２を、ポンプロータ２の中心軸からずらして配置している。

図３は、流路６２，６３，７１，８１の中心軸の位置関係を説明する図である。ここでの位置関係とは、ロータ中心軸Ｊ０に直交する平面における位置関係を表している。なお、図１、２に示す例では、流路６２，６３，７１，８１は、中心軸Ｊ１，Ｊ２がｘｙ平面内すなわちロータ中心軸Ｊ０に直交する平面内となるように形成されているが、本実施の形態は中心軸Ｊ１，Ｊ２がｘｙ平面に対して斜めに交わっている場合にも適用される。中心軸Ｊ１，Ｊ２がｘｙ平面に対して斜めに交わっている場合には、中心軸Ｊ１，Ｊ２をロータ中心軸Ｊ０に直交する平面に投影したときの投影直線Ｊ１１，Ｊ１２を中心軸Ｊ１，Ｊ２の代わりに用いて位置関係を表す。図３では、中心軸Ｊ１，Ｊ２がｘｙ平面に対して斜めに交わっている場合も考慮して、投影直線Ｊ１１，Ｊ１２を用いて表示した。なお、図３には、後述する流路６４の中心軸Ｊ４の投影直線Ｊ１４についても表示している。

図３において、二点鎖線で示す円Ｃはｘｙ座標軸の原点Ｏを中心とする仮想円である。まず、排気ポート７に関する投影直線Ｊ１１について説明する。投影直線Ｊ１１は、仮想円Ｃと２点Ｐ１，Ｐ３で交わる。仮想円Ｃは、投影直線Ｊ１１により長さの異なる２つの円弧Ｐ１Ｐ２Ｐ３および円弧Ｐ１Ｐ５Ｐ３に分割される。すなわち、投影直線Ｊ１１の位置は、仮想円Ｃの中心Ｏからずれている。ポンプロータ２は、Ｒ２で示すように、長さの長い方の円弧Ｐ１Ｐ５Ｐ３の端点Ｐ１（第１端点）から端点Ｐ３（第２端点）の方向に回転している。排気ポート７から排出されるガスの排出方向Ｒ５は、円弧Ｐ１Ｐ５Ｐ３の端点Ｐ１から投影直線Ｊ１１に沿って仮想円Ｃの外側に向かう方向である。

一方、パージポート８に関する投影直線Ｊ１２は、仮想円Ｃと２点Ｐ４，Ｐ６で交わる。仮想円Ｃは、投影直線Ｊ１２により長さの異なる２つの円弧Ｐ４Ｐ２Ｐ６および円弧Ｐ４Ｐ５Ｐ６に分割される。すなわち、投影直線Ｊ１２の位置は、仮想円Ｃの中心Ｏからずれている。ポンプロータ２は、長さの長い方の円弧Ｐ４Ｐ５Ｐ６の端点Ｐ６（第１端点）から端点Ｐ４（第２端点）の方向に回転している。パージポート８から流入するガスの流入方向Ｒ６は、投影直線Ｊ１２に沿って仮想円Ｃの外側から円弧Ｐ４Ｐ５Ｐ６の端点Ｐ４（第２端点）へ向かう方向である。

図２、３に示す構成の特徴を説明する前に、図４に示すような構成の比較例について説明する。比較例では、流路６２，７１の中心軸がｙ軸と一致するように排気ポート７が設けられ、流路６３，８１の中心軸がｙ軸と一致するようにパージポート８が設けられている。ロータ円筒部２Ｂは実線矢印Ｒ２で示す時計回りに回転しており、排気側空間６００に排気されたガスもロータ円筒部２Ｂに連れ回されるように時計回りに回転している。破線矢印Ｒ３は排気側空間６００に排出されたガスの流れを示している。

ベース６の流路６２および排気ポート７の流路７１の方向は、排気側空間６００内のガスの流れに対して直交している。そのため、排気ポート７からガスが排出される際に、矢印Ｒ４１のように流路６２，７１の内周面の図示左側の面へのガスの衝突が激しく、この面に生成物が堆積しやすい。また、矢印Ｒ４１のようなガスの衝突に加えて、流路６２，７１の図示右側の領域では矢印Ｒ４２で示すようなガスの渦が生じやすい。すなわち、排気側空間６００内のガスの流れに対して流路６２，７１の方向が直角になっているため排気抵抗が増加し、コンダクタンスの低下およびモータ消費電力の増加を招いている。

また、パージポート８に関しても、流路６３，８１の方向が排気側空間６００内のガスの流れに対して直交している。この場合、供給されるパージガスは、パージポート８から排気側空間６００に直角に流れ込むと共に、矢印Ｒ４３で示すような渦が生じる。そのため、パージガスは、排気側空間６００内で破線矢印Ｒ３のように回転しているガスの流れを妨げる働きをし、ロータ円筒部２Ｂの回転に対しても抵抗となる。その結果、モータ消費電力の増加を招く。

一方、図２に示す構成の場合、図３に示すように排気用ガス流路である流路６２，７１の中心軸Ｊ１の投影直線Ｊ１１は、仮想円Ｃの中心である原点Ｏすなわちロータ中心軸Ｊ０よりも図示右方向にずれている。そのため、排気側空間６００のガスの流れＲ３から排気ポート７に分岐するガス流Ｒ５の分岐角度θが、図４の場合の分岐角度（ほぼ９０度）よりも小さくなる。その結果、図２の流路６２，７１の図示左側（回転方向）の内周面へのガスの衝突が緩和されると共に、流路６２，７１の図示右側（回転逆方向）の面付近における渦の生成も抑えられる。すなわち、生成物の堆積の抑制、モータ消費電流の増加の抑制を図ることができる。

また、パージガスを流入させるパージポート８に関しては、流路６３，８１の中心軸Ｊ２の投影直線Ｊ１２は、仮想円Ｃの中心である原点Ｏよりも図示右方向にずれている。そのため、パージポート８から排気側空間６００のガスの流れＲ３に流入するガス流Ｒ６の合流角度θは、図４に示す場合の合流角度（ほぼ９０度）よりも小さくなる。その結果、パージポート８から流入するガス流Ｒ６の、排気側空間６００の回転するガスの流れＲ３を妨げる効果が小さくなり、排気抵抗によるモータ消費電力の増加を抑えることができる。

(変形例１)
図５は変形例１を説明する図であり、排気ポート７がベース６の外周面ではなく底面に設けられている場合を示す。この場合には、同軸関係にある流路６２，７１の中心軸Ｊ１は、ロータ中心軸Ｊ０に対してねじれの位置の関係になっている。

図６は図５のＢ１－Ｂ１断面図であり、図７は図６のＢ２－Ｂ２断面図である。図６に示すように、排気側空間６００の底面部分には、ベース６の底面に形成された流路６２の開口６２ａが形成されている。図７に示すように、流路６２，７１の中心軸Ｊ１は、排気側空間６００の底面部分に対して斜めに交差している。図６の一点鎖線Ｊ１１は、流路６２，７１の中心軸Ｊ１をｘｙ平面に投影した投影直線である。

このように、流路６２，７１の中心軸Ｊ１が排気側空間６００の底面部分に対して斜めに交差している場合であっても、図１に示す構成の場合と同様に、図３に示す投影直線Ｊ１１と同様の位置関係を有している。すなわち、投影直線Ｊ１１は仮想円Ｃと２点Ｐ１，Ｐ３で交わり、投影直線Ｊ１１により仮想円Ｃが長さの異なる２つの円弧Ｐ１Ｐ２Ｐ３および円弧Ｐ１Ｐ５Ｐ３に分割される。投影直線Ｊ１１は、仮想円Ｃの中心Ｏからずれていることになる。ポンプロータ２は、Ｒ２で示すように、長さの長い方の円弧Ｐ１Ｐ５Ｐ３の端点Ｐ１（第１端点）から端点Ｐ３（第２端点）の方向に回転している。排気ポート７から排出されるガスの排出方向Ｒ５は、円弧Ｐ１Ｐ５Ｐ３の端点Ｐ１から投影直線Ｊ１１に沿って仮想円Ｃの外側に向かう方向である。

このように、排気ポート７がベース６の底面に斜めに固定される場合であっても、排気ポート７の中心軸Ｊ１の投影直線Ｊ１１を図３に示すような位置関係とすることで、生成物堆積の抑制、排気コンダクタンスの低下の抑制を図ることができる。排気コンダクタンスの低下が抑制されることで排気側空間６００の圧力上昇が低減され、モータ消費電力の増加が抑制される。

（変形例２）
図８は、変形例２を示す図である。変形例２では、ベース６に形成されたパージガス用の流路６４は、流出口がロータ円筒部２Ｂの内周面側に形成されている。図２には、変形例２における流路６４も破線で示した。図２から分かるように、パージガスはロータ円筒部２Ｂの内周面へ向けて矢印Ｒ７の方向に流出される。Ｊ４は流路６４の中心軸である。

図３に示した中心軸Ｊ４の投影直線Ｊ１４は仮想円Ｃと２点Ｐ１０，Ｐ１１で交わり、投影直線Ｊ１４により仮想円Ｃが長さの異なる２つの円弧Ｐ１０Ｐ５Ｐ１１および円弧Ｐ１０Ｐ２Ｐ１１に分割される。すなわち、投影直線Ｊ１４の位置は、仮想円Ｃの中心Ｏからずれている。ポンプロータ２は、長さの長い方の円弧Ｐ１０Ｐ２Ｐ１１の端点Ｐ１０から端点Ｐ１１の方向に回転している。流路６４から流入するパージガスの流入方向Ｒ７は、投影直線Ｊ１４に沿って仮想円Ｃの内側から円弧Ｐ１０Ｐ２Ｐ１１の端点Ｐ１０へ向かう方向である。

例えば、図２において、仮に流路６４をｙ軸の右側に配置した場合には、ロータ円筒部２Ｂの回転を阻害するような抵抗となる。一方、変形例２では、図３のように、排気側空間６００のガスの流れＲ３に対して流入方向Ｒ７で流入するパージガスの合流角度θは、９０度よりも小さくなる。そのため、上述した第１の実施の形態の場合と同様に、生成物の堆積の抑制、モータ消費電流の増加の抑制を図ることができる。

上述した図８に示す例では、ロータ円筒部２Ｂの内周面へ向けて矢印Ｒ７の方向にパージガスを供給したが、図１４に示す例のように、磁気軸受１１ａ～１１ｃやモータ１２が設けられている空間にパージガスを導入するようにしても良い。図１４では、ベース６に形成された流路６３は、パージポート８の流路８１と、シャフト５に固定されたロータディスク５１の配置空間とを接続するように設けられている。シャフト５が配置される空間には、磁気軸受１１ａ～１１ｃ、モータ１２および変位センサ等が設けられており、これらの電子部品の腐食を防止するために、流路６３を介してパージガスを導入している。

（変形例３）
図９，１０は、変形例３を説明する図である。変形例３では、ターボ分子ポンプ１の吸気口に取り付けられるＬ型のチャンバ９の構造について説明する。このようなＬ型のチャンバ９は、例えば、装置側のチャンバ内の構造物に対するポンプロータ２からの放射熱の影響を防止する場合に用いられる。通常、吸気ポート９１のフランジ９０は、ゲートバルブ等を介して装置側のチャンバに接続される。

図１０は、図９のＥ矢視図である。ターボ分子ポンプ１の吸気口側から見た場合、ポンプロータ２は破線矢印Ｒ２で示すように時計回りの方向に回転している。吸気ポート９１から流入するガスの流量が大きくて、ポンプ吸気口圧力が混合流領域の圧力範囲まで上昇するような場合、ロータ回転方向Ｒ２に回転するガス流がチャンバ９内において生じやすくなる。そのような場合、図１０のｘ軸よりも図示上側に流入するガスの流れは、回転するガス流の流れを妨げる方向となる。逆に、ｘ軸よりも図示下側に流入するガスの流れは、回転するガス流とほぼ同じ方向となる。

吸気ポート９１の中心軸はＪ１０であるが、中心軸Ｊ１０をロータ中心軸Ｊ０に直交する平面に投影した投影直線の位置関係は、図３に示したパージポート８に関する投影直線Ｊ１２の場合と同様となる。すなわち、中心軸Ｊ１０の投影直線を図３の投影直線Ｊ１２と見做した場合、投影直線Ｊ１２は仮想円Ｃと２点Ｐ４，Ｐ６で交わり、仮想円Ｃを長さの異なる２つの円弧Ｐ４Ｐ２Ｐ６および円弧Ｐ４Ｐ５Ｐ６に分割する。投影直線Ｊ１２の位置は仮想円Ｃの中心Ｏからずれており、図１０では中心軸Ｊ１０がロータ中心軸Ｊ０に対して図示下側にずれている。そのため、吸気ポート９１の中心軸Ｊ１０がｘ軸と一致している場合と比較して、チャンバ９内の回転するガス流に逆行するガスの割合が小さくなる。その結果、流入するガスによる排気抵抗を抑えることができ、モータ消費電力の低減を図ることができる。

－第２の実施の形態－
図１１～１３は、第２の実施の形態を説明する図である。図１１はターボ分子ポンプ１００のロータ中心軸Ｊ０に沿った断面図である。図１２は図１１のＣ１－Ｃ１断面図であり、図１２はＣ２－Ｃ２断面図である。第２の実施の形態のターボ分子ポンプ１００は、質量分析装置等の排気に用いられる。質量分析装置では圧力領域の異なる真空室が複数設けられており、複数の吸気口を有するターボ分子ポンプ１００を用いることで、複数の真空室を一台のターボ分子ポンプ１００で排気することができる。

図１１に示すように、ターボ分子ポンプ１００は、第１吸気口７１，第２吸気口７２および第３吸気口７３が形成されたハウジング７０と、排気ポート８５が設けられたベース８０とを備えている。ハウジング７０の内部に設けられたシャフト５には、第１タービンロータ２０および第２タービンロータ３０が固定されている。シャフト５を回転駆動するモータ１２は、ベース８０に設けられている。

シャフト５は、永久磁石４３，４４を用いた磁気軸受とベース８０に設けられたボールベアリング８４とによって支持されている。永久磁石４４はシャフト５に固定され、永久磁石４３は磁石ホルダ４０に保持されている。磁石ホルダ４０はホルダ支持部４１に固定され、そのホルダ支持部４１はハウジング７０に固定されている。磁石ホルダ４０には、ボールベアリング４２が設けられている。ボールベアリング４２は、永久磁石４４と永久磁石４３とが接触しないようにシャフト５の振れ回りを規制する規制部材として機能する。

第１タービンロータ２０には、複数のタービン翼が形成された第１タービン翼段２１が軸方向に複数段形成されている。複数の第１タービン翼段２１に対して、複数のタービン翼が形成された第１固定翼段２２が軸方向に交互に配置されている。複数の第１タービン翼段２１と複数の第１固定翼段２２とにより、第１ターボ分子ポンプステージＴＰ１が構成される。

第２タービンロータ３０には、複数のタービン翼が形成された第２タービン翼段３１が軸方向に複数段形成されている。複数の第２タービン翼段３１に対して、複数のタービン翼が形成された第２固定翼段３２が軸方向に交互に配置されている。複数の第２タービン翼段３１と複数の第２固定翼段３２とにより、第２ターボ分子ポンプステージＴＰ２が構成される。第１固定翼段２２および第２固定翼段３２の軸方向の位置決めは、スペーサ２３，３３，５０によって行われる。

第２タービンロータ３０には、第２タービン翼段３１よりもポンプ下流側に、円板部３４が形成されている。円板部３４には、第１ロータ円筒部６７と第２ロータ円筒部６８が固定されている。第２ロータ円筒部６８は、第１ロータ円筒部６７の内周側に配置される。第１ロータ円筒部６７の外周側には円筒形状の第１ネジステータ６５が設けられ、第１ロータ円筒部６７と第２ロータ円筒部６８との間には円筒形状の第２ネジステータ６６が設けられている。第１ネジステータ６５の排気上流側には、ハウジング７０の第３吸気口７３と対向する位置に、ガス流入路として機能する貫通孔６５ａが形成されている。

図１２のＣ１－Ｃ１断面図に示すように、第１ネジステータ６５の内周面、第２ネジステータ６６の外周面と内周面、および、第２ロータ円筒部６８の内周面が対向するベース８０の対向面には、ネジ溝およびネジ山がそれぞれ形成されている。第１ロータ円筒部６７、第２ロータ円筒部６８、第１ネジステータ６５、第２ネジステータ６６と、ベース８０の対向面に形成されたネジ溝およびネジ山とにより、ホルベック（Holweck）ポンプステージＨＰが構成される。

図１１の第１吸気口７１から流入したガスは、第１ターボ分子ポンプステージＴＰ１によって第１ターボ分子ポンプステージＴＰ１の下流側に排気される。また、第２吸気口７２からスペーサ５０の開口５０ａを通過して流入したガス、および、第１ターボ分子ポンプステージＴＰ１により排気されたガスは、第２ターボ分子ポンプステージＴＰ２によって第２ターボ分子ポンプステージＴＰ２の下流側に排気される。第２ターボ分子ポンプステージＴＰ２により排気されたガス、および、第３吸気口７３から第１ネジステータ６５の貫通孔６５ａを通って流入したガスは、ホルベックポンプステージＨＰによって排気される。ホルベックポンプステージＨＰにより排気されたガスは、ベース８０に形成された排気用の流路８１，８２を通過して、排気ポート８５から排出される。

第１吸気口７１，第２吸気口７２，第３吸気口７３の圧力Ｐは、Ｐ（７１）＜Ｐ（７２）＜Ｐ（７３）のように下流側ほど高くなる。例えば、圧力Ｐ（７１）が分子流領域の初力範囲で、圧力Ｐ（７２）が混合流領域の圧力範囲で、圧力Ｐ（７３）が混合流領域～粘性流領域の圧力範囲のようになる。

第１ネジステータ６５と第１ロータ円筒部６７と隙間にあるガスは、ロータ回転方向に回転しながら排気下流側に排気される。図１２に示すように、混合流領域～粘性流領域のガスが流入する第３吸気口７３および貫通孔６５ａの中心軸Ｊ６は、ロータ中心軸Ｊ０が通るｘ軸からずれている。中心軸Ｊ６をロータ中心軸Ｊ０に直交する平面に投影した投影直線の位置関係は、図３に示したパージポート８に関する投影直線Ｊ１２の場合と同様となる。

すなわち、中心軸Ｊ６の投影直線を図３の投影直線Ｊ１２と見做した場合、投影直線Ｊ１２は仮想円Ｃと２点Ｐ４，Ｐ６で交わり、仮想円Ｃを長さの異なる２つの円弧Ｐ４Ｐ２Ｐ６および円弧Ｐ４Ｐ５Ｐ６に分割する。投影直線Ｊ１２の位置は仮想円Ｃの中心Ｏからずれており、図１２では中心軸Ｊ６がロータ中心軸Ｊ０に対して図示上側にずれている。そのため、ロータ回転方向Ｒ２に回転するガス流に対して第３吸気口７３から流入するガスの合流角度は、９０度よりも小さくなる。その結果、ロータ回転方向に回転しながら排気されるガスの流れを妨げる働きが小さくなり、排気抵抗によるモータ消費電力の増加を抑えることができる。

図１３は図１１のＣ２－Ｃ２断面図であり、第２吸気口７２の配置を説明する図である。上述したように第２吸気口７２の圧力は第１吸気口７１の圧力よりも高く、ガス流量によっては混合流領域となる。このような圧力領域では、タービン翼段で構成される第２ターボ分子ポンプステージＴＰ２においても、ロータ回転方向に沿ったガスの流れが生じやすい。そのため、図１２に示す第３吸気口７３の中心軸Ｊ６の場合と同様に、第２吸気口７２およびスペーサ５０の開口５０ａの中心軸Ｊ８をロータ中心軸Ｊ０に対して図示上側に、ずらすことで、排気抵抗によるモータ消費電力の増加を抑えることができる。

なお、圧力が分子流領域の圧力範囲である第１吸気口７１に関しては、第２吸気口７２および第３吸気口７３のように、ｘ軸に対してロータ回転方向にずらす構成とはしていない。しかしながら、大流量のガスを排気する場合も考慮して、第２吸気口７２および第３吸気口７３の場合と同様に、第１吸気口７１の中心軸をロータ中心軸Ｊ０に対して同様にずらすようにしても良い。

上述した複数の例示的な実施の形態および変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

［１］一態様に係る真空ポンプは、回転するロータと、前記ロータに対するガス流入路と、前記ロータにより排気されたガスを排出するガス排出路と、を備え、ロータ中心軸に直交する平面において、前記ガス排出路の流路中心軸を前記平面に投影した第１投影直線、および、前記第１投影直線と２点で交わり前記ロータ中心軸を中心とする第１仮想円を仮定したときに、前記第１仮想円は、前記第１投影直線により長い第１円弧と短い第２円弧とに２分割され、前記ロータは、前記第１円弧の第１端点から第２端点の方向に回転しており、前記ガス排出路の排出方向は、前記第１円弧の第１端点から前記第１投影直線に沿って前記第１仮想円の外側に向かう方向である。

例えば、図３の投影直線Ｊ１１は、仮想円Ｃを長い円弧Ｐ１Ｐ５Ｐ３と短い円弧Ｐ１Ｐ２Ｐ３とに２分割しており、仮想円Ｃの中心Ｏに対するずれは、ガス排出路のガス流Ｒ５の排気側空間６００のガスの流れＲ３からの分岐角度θが９０度よりも小さくなる方向にずれている。その結果、生成物の堆積の抑制、モータ消費電流の増加の抑制を図ることができる。

［２］上記［１］に記載の真空ポンプにおいて、前記ガス流入路は前記ロータの外周側からガスを流入させる構成であって、ロータ中心軸に直交する平面において、前記ガス流入路の流路中心軸を前記平面に投影した第２投影直線、および、前記第２投影直線と２点で交わり前記ロータ中心軸を中心とする第２仮想円を仮定したときに、前記第２仮想円は、前記第２投影直線により長い第３円弧と短い第４円弧とに２分割され、前記ロータの回転方向は、前記第３円弧の第１端点から第２端点の方向であって、前記ガス流入路の流入方向は、前記第２投影直線に沿って前記第２仮想円の外側から前記第３円弧の第２端点へ向かう方向である。

例えば、図２のパージポート８の中心軸Ｊ２や図１２の第３吸気口７３の中心軸Ｊ６のロータ中心軸Ｊ０に直交する平面への投影直線Ｊ１２は、図３に示すように、仮想円Ｃの中心Ｏに対するずれが、ロータ回転に伴うガス流Ｒ３に対するガス流入路からのガス流Ｒ６の合流角度θが９０度より小さくなる方向にずれている。その結果、流入するガスの排気抵抗によるモータ消費電力の上昇を抑えることができる。

［３］上記［１］に記載の真空ポンプにおいて、前記ガス流入路は前記ロータの内周側からガスを流入させる構成であって、ロータ中心軸に直交する平面において、前記ガス流入路の流路中心軸を前記平面に投影した第３投影直線、および、前記第３投影直線と２点で交わり前記ロータ中心軸を中心とする第３仮想円を仮定したときに、前記第３仮想円は、前記第３投影直線により長い第５円弧と短い第６円弧とに２分割され、前記ロータの回転方向は、前記第５円弧の第１端点から第２端点の方向であって、前記ガス流入路の流入方向は、前記第３投影直線に沿って前記第３仮想円の内側から前記第５円弧の第１端点へ向かう方向である。

例えば、図３のパージガス用の流路６４のようにロータ円筒部２Ｂの内周側からパージガスを流入させる構成においては、流路６４の中心軸Ｊ７をロータ中心軸Ｊ０に直交する平面へ投影したときの投影直線Ｊ１４は、仮想円Ｃの中心Ｏに対するずれが、ロータ回転に伴うガス流Ｒ３に対する流路６４からのガス流Ｒ７の合流角度θが９０度より小さくなる方向にずれている。その結果、流入するパージガスの排気抵抗によるモータ消費電力の上昇を抑えることができる。

［４］上記［２］に記載の真空ポンプにおいて、前記ロータに形成された円筒ロータと、排気用隙間を介して前記円筒ロータの外周側に配置される円筒ステータと、を備え、前記円筒ステータの排気上流側には、前記円筒ステータを外周側から内周側へと貫通して前記排気用隙間に連通する前記ガス流入路が形成されている。

例えば、図１２に示すように、円筒形状の第１ネジステータ６５の排気上流側には、第１ネジステータ６５を外周側から内周側へと貫通する貫通孔６５ａがガス流入路として形成されている。この場合も、貫通孔６５ａから流入するガス流は、円筒ロータ６７の回転方向に流れるガス流に対する合流角度が９０度よりも小さいので、ポンプ内のガスの流れを妨げる働きが小さくなり、モータ消費電力の増加を抑えることができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。例えば、上述した実施形態では、ターボ分子ポンプステージとホルベックポンプステージとを備えるターボ分子ポンプを例に説明したが、ターボ分子ポンプステージのみで構成される真空ポンプやホルベックポンプステージのみで構成される真空ポンプ、すなわち分子ポンプと呼ばれる真空ポンプにも適用することができる。

１…ターボ分子ポンプ、２…ポンプロータ、６…ベース、７…排気ポート、８…パージポート、５０ａ…開口、６２，６３，６４，７０，７１，７３，８１，８２…流路、６５…第１ネジステータ、６５ａ…貫通孔、６６…第２ネジステータ、６７…第１ロータ円筒部、６８…第２ロータ円筒部、６００…排気側空間、Ｃ…仮想円、Ｊ１～Ｊ４，Ｊ６，Ｊ８，Ｊ１０…中心軸、Ｊ１１，Ｊ１２，Ｊ１４…投影直線

Claims

回転するロータと、
前記ロータに対するガス流入路と、
前記ロータにより排気されたガスを排出するガス排出路と、を備え、
ロータ中心軸に直交する平面において、前記ガス排出路の流路中心軸を前記平面に投影した第１投影直線、および、前記第１投影直線と２点で交わり前記ロータ中心軸を中心とする第１仮想円を仮定したときに、
前記第１仮想円は、前記第１投影直線により長い第１円弧と短い第２円弧とに２分割され、
前記ロータは、前記第１円弧の第１端点から第２端点の方向に回転しており、
前記ガス排出路の排出方向は、前記第１円弧の第１端点から前記第１投影直線に沿って前記第１仮想円の外側に向かう方向であり、
前記ガス流入路は前記ロータの内周側からガスを流入させる構成であって、
ロータ中心軸に直交する平面において、前記ガス流入路の流路中心軸を前記平面に投影した第３投影直線、および、前記第３投影直線と２点で交わり前記ロータ中心軸を中心とする第３仮想円を仮定したときに、
前記第３仮想円は、前記第３投影直線により長い第５円弧と短い第６円弧とに２分割され、
前記ロータの回転方向は、前記第５円弧の第１端点から第２端点の方向であって、
前記ガス流入路の流入方向は、前記第３投影直線に沿って前記第３仮想円の内側から前記第５円弧の第１端点へ向かう方向である、真空ポンプ。