JPH01170793A - 複合真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体製造装置などの真空室から空気を排除
し、清浄な真空を作り出す複合真空ポンプの改良に関す
るものである。

（従来の技術） 一般に、この種の複合真空ポンプとして、例えば、特開
昭６０−２５２１９７号公報に開示されているように、
真空室に開放される流入口と大気に開放される流出口と
が凹設されたケーシング内に、該流入口から流出口に向
って、ねじ溝形圧縮ポンプ、遠心形圧縮ポンプ及び渦流
形圧縮ポンプを順次配設したものがある。そして、先ず
、ねじ溝形圧縮ポンプにより真空室より空気をケーシン
グ内に吸込み圧縮した後、遠心形圧縮ポンプで圧縮し、
更に、渦流形圧縮ポンプで圧縮して大気に放出するよう
にしており、これにより上記真空室を清浄な真空状態に
している。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した複合真空ポンプにおいて、渦流形圧縮ポンプは
、ハブの外周面に複数枚の羽根が突設されて成る羽根車
が流体の主流路を有するハウジング内に収納されて構成
され、該主流路に導入した空気を羽根の回転によって螺
旋運動させつつ圧縮している。そして、該渦流形圧縮ポ
ンプは、２台同じものを並設しており、つまり、同じ羽
根枚数のものを用い、上流側の渦流形圧縮ポンプで圧縮
した空気を、さらに下流側の渦流形圧縮ポンプで圧縮し
ている。

しかしながら、本気の動粘性係数及びレイノルズ数は圧
力によって異なり、羽根表面の境界層厚さが異なること
になる。つまり、圧りの低い真空側である上流側の′ａ
流形圧縮ポンプにおける羽根表面の境界層は厚く、圧力
の高い大気側である下流側の渦流形圧縮ポンプにおける
羽根表面の境界層は薄くなることになる。従って、同じ
羽根枚数の６のを用いると、上流側の渦流形圧縮ポンプ
において、各羽根間の通路断面積が小さくなり、空気流
量が低下すると共に、空気がスムーズに流れないことに
なり、圧縮比が低く、ポンプ性能が悪いという問題があ
った。さりとて、低圧力に対応して羽根枚数を設定する
と、高圧力である下流側において、空気に与えられる角
運動エネルギが低下して圧縮比が悪くなるという問題が
ある。

本発明は、斯かる点に鑑み、圧力の高低に伴って羽根車
の羽根枚数を異ならせることにより、空気圧に合致した
通路広さを確保し、圧縮比を高めてポンプ性能の向上を
図ることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明が講じた手段は、第
１図及び第３図に示すように、先ず、流入口（１０ａ）
及び流出口（１０ｂ）とが凹設されたケーシング（１０
）内に、該流入口（１０ａ）側にねじ溝形圧縮ポンプ（
Ｓ）が、流出口（１０ｂ）側に複数の渦流形圧縮ポンプ
（Ｖ）、（Ｖ）。

・・・が多段に組合わせて配設された複合真空ポンプを
対象としている。

そして、上記渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）は、ハブ（３１）
の外周面（３１ａ）又は側面に複数枚の羽根（３２）、
（３２）、・・・が突設されて成る羽根車（３）がハウ
ジング（２）内に収納されて構成されている。加えて８
、該８渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）、（Ｖ）、・・・の羽根
枚数（Ｎ）は上記流入口（１０ａ）側の渦流側圧縮ポン
プ（Ｖ）の方が流出口（１０ｂ）側の渦流側圧縮ポンプ
（Ｖ）より少なく設定された構成としている。

（作用） 上記構成により、本発明では、ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ
）及び渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）、（Ｖ）。

・・・を駆動すると、例えば、真空室内の空気が流入口
（１０ａ）よりケーシング（１０）内に吸込まれ、先ず
、上記ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）によって圧縮される。

その後、この圧縮空気は渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）のハウ
ジング（２）内に導入し、羽根車（３）の羽根（３２）
によって螺旋運動しつつ圧縮されることになる。そして
、この圧縮空気はさらに上記複数の渦流形圧縮ポンプ（
■）。

（Ｖ）、・・・で順次圧縮され、流出口（１０ｂ）より
、例えば大気に放出される。

この圧縮動作中において、流入口（１０ａ）側の渦流形
圧縮ポンプ（Ｖ）にあっては、流出口（１０ｂ）側の渦
流形圧縮ポンプ（Ｖ）に比して、真空室の真空状態に近
いので圧力が低く、羽根　　′（３２）の表面の境界層
が厚くなることになる。

そこで、この流入口（１０ａ）側の渦流形圧縮ポンプ（
Ｖ）における羽根（３２）の枚数（Ｎ＞を少なくし、羽
根（３２）間の通路断面積を広くしているので、空気が
十分に流れると共に、スムーズに流れることになり、圧
縮比を高めることができ、ポンプ性能を向上させること
ができる。特に、渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）、（Ｖ）、・
・・を多段に組合わせた場合、空気圧力に対応した羽根
枚数に設定するので、各圧縮ポンプ（Ｖ）、（Ｖ）、・
・・がそれぞれ高圧縮性能を発揮することになり、−層
ポンプ効率を向上させることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図及び第２図に示すように、（１）は複合真空ポン
プであって、半導体製造装置などの真空室から空気を排
除し、清浄な真空を作り出すものである。

該複合真空ポンプ（１）は、ケーシング（１ｏ）内にね
じ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）と２台の渦流形圧縮ポンプ（Ｖ
＋　＞、（Ｖｚ　）とが多段に組み合されて収納されて
いる。該ケーシング（１０）の上部中央には上記真空室
に開放される流入口（１０ａ）が、下部側面には大気に
開放される流出口（１０ｂ）がそれぞれ凹設されている
。更に、上記ケーシング（１０）内には中央部に駆動軸
（１１）が上下に亘って設けられ、該駆動軸（１１）は
円筒状のボス部材（Ｉｌａ）が一体に回転するように外
嵌されると共に、上端部がケーシング（１０）上部のフ
レーム（１０ｃ）に、下端部がケーシング（１０）の底
部に回転自在に嵌合されて支持されている。また、上記
駆動軸（１１）の下部には駆動モータ（１２）が連結さ
れており、該駆動モータ（１２）はケーシング（１０）
に固定されたステータ（１２ａ）と、駆動軸（１１）が
嵌挿されたロータ（１２ｂ）とより成り、上記駆動軸（
１１）を回転するようにしている。

上記ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）は、上下一対の円板状ロ
ータ（１３）、（１３）と、上下一体の円環状のステー
タ（１４）、（１４）とが交互に重畳配設されて成り、
上記ケーシング（１ｏ）の流入口（１０ａ）ＩＩ（第１
図において上部）に設けられている。上記ロータ（１３
）、（１３）は中央部に上記駆動軸（１１）が嵌入され
て水平に該駆動軸（１１）に固定されると共に、該両ロ
ータ（１３）、（１３）は上記ボス部材（１１ａ）によ
り所定間隔を存して並設され、上記駆動軸（１１）の回
転によって回転するように成っている。また、上記ステ
ータ（１４）、（１４）は外周縁部にてケーシング（１
０）に水平に固定されると共に、上部のステータ（１４
）は上記両ロータ（１３）、（１３）間に、下部のステ
ータ（１４）は下部のロータ（１３）の下方にそれぞれ
並設されており、上記各ロータ（１３）、（１３）と各
ステータ（１４）、＜１４）とは対向面が近接するよう
に設けられている。更に、上記上ｍ（７）ステータ（１
４）の両面及び下部のステータ（１４）の上面にはそれ
ぞれ螺旋溝（１４ａ＞、（１４ａ）、（１４ａ）が削設
されて３段のポンプ段に構成しており、上記ロータ（１
３）、（１３）の回転により流入口（１０ａ）からケー
シング（１０）内に空気を吸込み、上記各螺旋溝（１４
ａ　＞、（１４ａ　）、（１４ａ　）に導入して圧縮し
、上記渦流形圧縮ポンプ（Ｖ＋　）、（Ｖｚ　）に送り
出している。

一方、上記両温流形圧縮ポンプ（Ｖ＋　＞、　　（Ｖｚ
）は、空気を螺旋状に移送しつつ圧縮しており、ハウジ
ング（２）内に羽根１１（３）が収納されて構成されて
おり、該ハウジング（２）は、第１図において上下に分
割された第１ハウジング部材（２１）と第２ハウジング
部材（２２）とを一体内に組合わせて形成されている。

そして、該両ハウジング部材（２１）、（２２）は、上
記羽根車（３）の両端面を覆うディスク部＜２１ａ　）
。

（２２ａ）と、該ディスク部（２１ａ　）、（２２ａ）
の外周縁に連続形成され、半円弧状の環状凹部を有する
半トーラス部（２１ｂ）、（２２ｂ）と、上記ディスク
部（２１ａ　）、（２２ａ　）及び半トーラス部（２１
ｂ　）、（２２ｂ　）を覆う外函部（２１ｃ　）、（２
２ｃ　）とより構成されている。

また、上記両半トーラス部（２１ｂ＞、（２２ｂ）は中
空環状部（２３）を形成しており、該中空環状部（２３
）内が空気の主流路（２４）に構成される一方、上記外
函部（２１ｃ　）、（２２ｃ　）内が冷却水等が循環す
る冷却路（２１ｄ）、（２２ｄ）に成っており、該冷却
路（２１ｄ）、（２２ｄ）には冷却水等の流入管（２５
ａ＞及び流出管（２５ｂ）が連通されている。

上記中空環状部（２３）内の主流路（２４）には、空気
の流れを案内する環状ガイド部材（４）が配設されてお
り、該ガイド部材（４）の外周面と中空環状部（２３）
の内周面との間が上記主流路（２４）に成っている。ま
た、上記ガイド部材（４）の外周部には、遠心方向に突
出した複数個の支持片（図示省略）が周方向に所定間隔
を存して一体的に形成されている。そして、該支持片の
外端部が上記ハウジング（２）の中空環状部（２３）に
嵌合されていて、上記ガイド部材（４）がハウジング（
２）に主流路（２４）の中心軸上に固定支持されている
。

更に、上記主流路（２４）には、中空環状部（２３）の
内周面からガイド部材（４）の外周面に亘る所定幅のス
トリッパ部材（５）が設けられていて、上記ガイド部材
（４）を支持すると共に、上記主流路（２４）を高圧側
と低圧側とに区画している。そして、該ストリッパ部材
（５）の内周部には上記羽根１ｍ！（３）が通る案内路
（５１）が削設されており、咳ストリッパ部材（５）の
−側方（第２図において右側）には第１ハウジング部＠
（２１）の半トーラス部（２１ｂ）に空気の吸込口（６
１）が、他側方（第２図において左側）には第２ハウジ
ング部材（２２）の半トーラス部（２２ｂ）に空気の吐
出口（６２）がそれぞれ凹設されていて、該吸込口（６
１）から導入された空気と吐出口（６２）から吐出され
る空気とがストリッパ部材（５）で合流しないように構
成されている。

一方、上記羽根車（３）は、円板状のハブ（３１）の外
周面＜３１ａ　）に複数枚の羽根（３２）が放射状に延
設されて構成されている。該ハブ（３１）の両端面は上
記両ハウジング部材（２１）、（２２）のディスク部（
２１ａ　＞、（２２ａ　）が近接して覆われており、該
ハブ（３１）の中央部に上記駆動軸（１１）が貫通して
ボス部材（１１ａ＞により連結されている。該駆動軸（
１１）は上記主流路（２４）及びガイド部材（４）と同
心上に位置し、上記両ハウジング部材（２１＞。

（２２）のディスク部（２１ａ　）、（２２ａ　）を貴
通し、上記モータ（１２）の駆動により羽根車（３）が
回転するように成っている。また、上記ハブ外周面（３
１ａ）は、駆動軸（１１）と同心上の円筒面に形成され
、上記主流路（２４）外周面の一部を構成している。

上記羽根車（３）の羽根（３２）は、第３図（ａ）、（
ｂ）に示すように、上記ハブ外周面（３１ａ　）より遠
心方向に突出して上記主流路（２４）内に臨んでおり、
先端が上記ガイド部材（４）の内周部に近接するように
形成されている。

更に、該羽根（３２）は、上記ハブ（３１）の両端面に
亘って形成され、空気が羽根前縁（３２ａ）から後縁（
３２ｂ）に通り抜けると、上記ハブ（３１）の前面から
後面に通り抜けるように成っており、該羽根（３２）の
通過時の流れがほぼ軸流流れになり、この羽根（３２）
通過時に角運動エネルギが空気に与えられるように構成
されている。

更に、上記羽根（３２）は、翼′形が略三日月状に形成
されて所定の反りを有するように形成されており、該羽
根（３２）の流入角（β１）及び流出角（β２）は、例
えば、４５°に形成され、該流入角（β１）によって空
気がスムーズに羽根（３２）に流入する一方、流出角（
β２）によって羽根（３２）の流出時に大きなエネルギ
が与えられるように成っている。

尚、上記両温流形圧縮ポンプ（Ｖ＋　＞、（Ｖｚ　）に
おいては、図示しないが、流入口（１０ａ）の渦流形圧
縮ポンプ（Ｖ＋　）の吐出口（６２）と流出口（１０ｂ
）の渦流形圧縮ポンプ（■２）の吸込口（６１）とが接
続されていて、該両圧縮ポンプ（Ｖ＋　）、（Ｖｚ　）
で順次空気を圧縮して大気に放出するようにしている。

次に、本発明の特徴として、上記２台の渦流形圧縮ポン
プ（Ｖ＋　）、（Ｖｚ　）は、羽根（３２）の枚数（Ｎ
＞が異なるように構成されている。すなわち、真空側に
位置する流入口（１，０ａ）の渦流形圧縮ポンプ（Ｖ＋
　＞（第１図において上側）における羽根枚数（Ｎ）は
少なく、大気側に位置する流出口（１０ｂ）側の渦流形
圧縮ポンプ（Ｖｚ）（第１図において下側）における羽
根枚数（Ｎ）は多く設定されている。そして、第３図（
ａ　）に示すように、流入口（１０ａ）側の渦流形圧縮
ポンプ（■１）においては、各羽根（３２）、（３２）
、・・・間の間隔（Ｗｌ）は大きく形成され、空気通路
の断面積が広く形成されている。−方、第３図（ｂ）に
示すように、流出口（１０ｂ）側の渦流形圧縮ポンプ（
■２）においては、各羽根（３２）、（３２）、・・・
間の間隔（Ｗ２）は小さく形成され、空気通路の断面積
が狭く形成されている。

そこで、この羽根枚数（Ｎ＞の設定原理について説明す
る。

先ず、上記ねじ溝圧縮ポンプ（Ｓ）は０．００５Ｔｏｒ
ｒ〜１０ＴＯｒｒの範囲で、上記両温流形圧縮ポンプ（
Ｖ＋　）、（Ｖｚ　）は１０Ｔｏｒｒ　〜７６Ｑ　Ｔｏ
ｒｒの範囲で作動するようにしている。そして、空気の
動粘性係数νは次式で、 ν＝μ／ρ　　　　　　　　　　・・・■μ：粘性係数 ρ：密度 また、レイノルズ係数Ｒｅは次式で、 Ｒｅ−ｖ−ｄ／ν　　　　　　　・・・■Ｖ：代表速度 ｄ　：代表長さ それぞれ表わされる。そして、流入口（１０ａ）側の渦
流形圧縮ポンプ（Ｖ＋　）において、吸込空気圧が上述
のＩ＜１０Ｔｏｒｒで、大気圧が７６０７　ｏｒｒであ
るので、大気中に比して動粘性係数νは７６倍に、レイ
ノルズ数Ｒｅは１／７６倍になり、第３図（ａ　）に示
すように、境界層（Ｍ）が厚くなる。一方、流出口（１
０ｂ）側の渦流形圧縮ポンプ（Ｖｚ）にあっては、空気
圧が大気圧に近（なるので、動粘性係数νは小さく、レ
イノルズ数Ｒｅは大きくなる。従って、１上述の如く羽
根枚数（Ｎ）を異なるようにしている。具体的には、流
入口（１０ａ＞側の渦流形圧縮ポンプ（ｖｌ）の羽根枚
数（Ｎ）を７５〜１００枚に、流出口（１０ｂ）側の渦
流形圧縮ポンプ（■２）の羽根枚数（Ｎ）を１１２〜１
５０枚に設定している。

次に、上記複合真空ポンプ（１）の作用について説明す
る。

先ず、駆動用モータ（１２）を始動すると、ねじ溝形圧
縮ポンプ＜８）及び渦流形圧縮ポンプ（ｖｌ　）　、　
　（Ｖｚ　）が共に起動し、真空室の空気が流入口（１
０ａ）よりハウジング（１０）内に吸込まれる。この吸
込まれた空気は、先ず、上記ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）
の両ロータ（１３）。

（１３）の回転により、上部ステータ（１４）の上面螺
旋溝（１４ａ＞に導入して求心方向に螺旋運動した後、
下面螺旋溝（１４ａ）に移って遠心方向に螺旋運動し、
その後、下部ステータ（１４）の上面螺旋溝（１４ａ）
に移り、再び求心方向に螺旋運動して空気は１０Ｔｏｒ
ｒ程度に圧縮されて下方に吐出される。

続いて、上記ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）より吐出された
空気は、流入口（１０ａ）側の渦流形圧縮ポンプ（Ｖ＋
　）の吸入口（６１）より主流路（２４）に導入し、羽
根車（３）の回転により該主流路（２４）内を螺旋運動
しつつ主流路（２４）の軸方向に進み、この螺旋運動中
において羽根（３２）により角運動エネルギが与えられ
て圧縮される。その後、上記空気は流入口（１０ａ）側
の渦流形圧縮ポンプ（ｖｌ）の吐出口（６２）より吐出
し、流出口（１０ｂ）側の渦流形圧縮ポンプ（ｖｌ）の
吸込口（６１）より該圧縮ポンプ（■２）の主流路（２
４）に吸込まれ、上述と同様に螺旋運動して７６０Ｔｏ
ｒｒ程度に圧縮され、吐出口（６２）より吐出して、ハ
ウジング（１０）の流出口（１０ｂ）より大気に放出さ
れる。

この圧Ｓ＊動作中において、流入口（ｉｏａ＞＠の渦流
形圧宿ポンプ（■１）の空気圧は低く、羽根（３２）表
面の境界層（Ｍ）は厚くなるが、羽根枚数（Ｎ）が少な
く、空気通路の断面積が広く形成されているので、各羽
根（３２）、（３２）。

・・・間を空気が十分通ることになり、しかも、スムー
ズに流れるので、圧縮比が高くなり、十分圧縮されて、
流出口（１０ｂ）側の渦流形圧縮ポンプ（ｖｌ）に移る
ことになる。そして、該圧縮ポンプ（■２）においては
、空気圧が上昇して境界層が薄くなるので、羽根枚数（
Ｎ）が多く形成されており、空気は充分な角運動エネル
ギが与えられ、所定圧に圧縮されることになる。従って
、ポンプ性能を従来に比して著しく向上させることがで
きる。

第４図は、上記両温流形圧ポンプ（Ｖ＋）。

（■２）のポンプ性能を示しており、横軸は対数目盛で
背圧（Ｔｏｒｒ）を示し、縦軸は締切点の圧力係数ｖｌ
を示している。尚、この圧力係数Ｖｉは次式で表わされ
る。

ψ−−ΔＰ／（γ／２１Ｊ　　）　　ｖ２２　　　　・
・・■ΔＰ：圧力上昇値 Ｔ：吸込空気の比重量 ｇ゛：重力加速度 Ｕｚ：羽根車（３）の外周′ａ度 この、第４図において、Ｐ　＋は流入口（１０ａ）側の
渦流形圧縮ポンプ（Ｖｌ）、Ｐ２は流出口（１０ｂ）側
の渦流形圧縮ポンプ（■２）を示している。従って、背
圧が低い約５０　Ｔ　ｏｒｒ以下で羽根枚数（Ｎ）を多
くし、約５０　Ｔ　ｏｒｒ以上で羽根枚数（Ｎ＞を少な
くすることにより、ポンプ性能が従来のように同じ羽根
枚数の場合に比して向上することになる。

尚、本実施例は、ｍ流形圧縮ポンプ（Ｖ）を２台設けた
が、３台以上設けてもよく、それぞれ空気圧によって羽
根枚数を設定すればよい。

また、羽根（３２）は、ハブ（３１）の外周部側面を主
流路（２４）に沿った円弧面に形成して該側面に設ける
ようにしてもよい。

また、ガイド部材（４）は必ずしも設ける必要はない。

（発明の効果） 以上のように、本発明の複合真空ポンプによれば、流入
口側の渦流形圧縮ポンプの羽根枚数を流出口側の渦流形
圧縮ポンプの羽根枚数より少なくしたために、該流入口
側の渦流形圧縮ポンプにおける各羽根間の通路断面積が
広いので、空気圧が低（、羽根表面の境界層が厚い場合
においても充分な空気流通りを確保することができると
共に、空気がスムーズに流れることから、圧縮比を高め
ることができ、ポンプ性能の向上を図ることができる。

また、複数の渦流形圧縮ポンプにおいて、空気圧力に応
じて羽根枚数を設定することができるので、該各圧縮ポ
ンプが高圧縮性能を発揮することになり、−層ポンプ性
能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は複合真空ポンプ
の縦断面図、第２図は第１図■−■線における断面図で
ある。第３図＜ａ　＞及び（ｂ）はそれぞれ渦流形圧縮
ポンプにおける第２図■−■線の展開図である。第４図
は渦流形圧縮ポンプの背圧に対する圧力係数の特性図で
ある。 （１）・・・複合真空ポンプ、（２）・・・ハウジング
、（３）・・・羽根車、（１０）・・・ケーシング、（
１０ａ）・・・流入口、（１０ｂ）・・・流出口、（２
３）・・・中空環状部、（２４）・・・主流路、（３１
）・・・ハブ、（３１ａ　）　・ｔｓプ外周面、（３２
）　・・・羽根、（Ｓ）・・・ねじ溝形圧縮ポンプ。 ノー！“

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）流入口（１０ａ）と流出口（１０ｂ）とが凹設さ
   れたケーシング（１０）内に、該流入口（１０ａ）側に
   ねじ溝形圧縮ポンプ（Ｓ）が、流出口（１０ｂ）側に複
   数の渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）、（Ｖ）、・・・が多段に
   組合わせて配設された複合真空ポンプであつて、上記渦
   流形圧縮ポンプ（Ｖ）は、ハブ（３１）の外周面（３１
   ａ）又は側面に複数枚の羽根（３２）、（３２）、・・
   ・が突設されて成る羽根車（３）がハウジング（２）内
   に収納されて構成され、該各渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）、
   （Ｖ）、・・・の羽根枚数（Ｎ）は上記流入口（１０ａ
   ）側の渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）の方が流出口（１０ｂ）
   側の渦流形圧縮ポンプ（Ｖ）より少なく設定されている
   ことを特徴とする複合真空ポンプ。