JPS61283794A - タ−ボ分子ポンプ - 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、ケーシング内にその軸線方向に多段に設けら
れた静翼と、この静翼間に位置し、かつケーシングの中
心に位置するロータ外周に設けられた動翼とを備えたタ
ーボ分子ポンプに関するものである。

（従来の技術） 従来ターボ分子ポンプは、ロータ中心軸より放射状に形
成された動翼と、ケーシング外周よりロータ中心に向う
静翼とを有し、となり合う動翼間のロータ外径は一定で
あるか（特開昭５９−１６８２９５号公報等）、或いは
吸入口側のみのロータ外径を分子の吸込み量を多くする
ためやロータの重心の位置やロータ中心軸に直交する軸
に対する慣性モーメントを適当にするために数段だけ小
さく取り、残りの吐出口側数段は大きく取ることにより
各段で差圧を保たせる構造（特開昭５９−４１６９９．
５９−１１９０９４号公報等）のいずれかである。これ
らの構造を有する従来のターボ分子ポンプは、気体分子
をロータ中心軸にそって吸入側より吐出側に圧縮・排気
するが、動翼がロータ中心軸より放射線上に、また静翼
がロータ中心軸方向に向って放射線上に設けられている
ため、動・静翼は気体分子に径方向の運動量をほとんど
与えていない。つまり吸入側から吐出側に向かう気体分
子は動・静翼内をロータ中心軸にほぼ平行に移動するこ
とになる。そこで従来構造のターボ分子ポンプでは、吐
出側最下段においても動翼根元径は比較的小さい値に保
たれるため、動翼先端径および根元径の平均値と回転値
から決まる平均真速度が全段にわたり小さい値になり、
排気効率もそれに伴なって低くなるという欠点を有して
いる。更に吸入口側数段と吐出口側数段で動翼半径が大
幅に変化するターボ分子ポンプにおいては、吸入側より
圧縮された気体分子がロータ外径の大きくなる第１番目
のロータ上面に衝突し、この部分ではポンプ作用が有効
に行えていないという欠点を有している。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記の点に鑑みてなされるものであって、ター
ボ分子ポンプにおいて排気効率を向上することを目的と
する。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点を解決する手段として、ケーシング
内にその軸線方向に多段に設けられた静翼と、この静翼
間に位置し、かつケーシングの中心に位置するロータ外
周に設けられた動翼とを備えるターボ分子ポンプにおい
て、前記静翼と前記動翼の少なくとも一方では、前記ロ
ータの中心軸からの放射線に対して所定の振り角を有し
て設けられるとともに、前記ロータの外径は前記ケーシ
ング内の気体分子の流れに沿って排気側に近づくほど太
き（設定されている。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。第
１図は本発明のターボ分子ポンプの一実施例を示す縦断
面図である。

ケーシング内で回転するロータ２は、一体に回転する多
段の動翼３を外周に有し、動翼３の先端には、第２図、
第３図に示す様にロータ２の回転を中心とする円周上に
、リング部３ａが一体に形成されている。リング部３ａ
はワイヤーカット加工等により、各段の動翼３と同時に
一体に形成される。又は動翼３の先端に溶接加工等によ
り一体に固着して形成される。

ロータ２の外周面で、静翼４の先端と対向すく外周面に
は、ねじ溝２ａが形成されている。ねじ溝２ａは、ロー
タ２の回転方向（第２図、第３図等に矢印Ｎで示す）に
対応して、いわゆる左おねじの形体を成しており、その
溝角度、深さ、幅、条数等は、排気する分子の運動速度
とロータ２の回転速度・開口率等から算出される分子の
輸送確立を高く保つように設計される。本実施例におい
ては、動翼３の先端径１２５ｆｌ、吸入口側第１段目の
動翼根元径８０鰭、一枚の動翼高さ約２ＩＩ１１の１０
段のターボ分子ポンプに対して、ロータ２各段に溝角度
２５＠、溝深さ１．５　ｍｍ、溝幅１．５　ｍｍのねじ
溝が全周に６０条形成されている。またロータ２の各段
はボルト７によって一体に排出されている。

動翼３の各々の翼先端は、第２図、第３図に示す様に、
ロータ２中心軸からのβ放射線に対して排気する分子の
運動速度とロータ回転速度、動翼有効径等より算出され
る所定の振り角βだけ傾きを有している。更にとなりあ
う動翼３間のロータ２外周は、吸入口５より吐出口６に
向うに従って階段状に外径が大きくなっていることを特
徴としている。

本実施例において、動翼３の諸元は、先端半径１２５Ｎ
、吸入口５側第１段目の動翼根元半径が８０鰭、翼角度
が１５°、ロータ２の中心軸からの放射線ｌに対しての
振り角βが１２°、一枚の動翼３の高さが約２鶴である
。これら動翼３が全周３６枚の等間隔ピッチで最上段を
形成し１．更に動翼３の根元半径が３ｆｉ程度ずつ各段
で大きくなる動翼が１０段配設されてロータ２を形成し
ている。

また、ケーシング１内部で各段の動翼３の間に位置して
交互に組合わされる多段の静翼４は、各段の静翼４の先
端部に第２図、第４図に示す様なリング部４ａが一体に
形成されている。リング部４ａは、第７図に示す様にそ
の円周上で２分割される様に形成された後、リング部４
ａがロータ２の回転軸を中心とする円周上に、かつロー
タ２のねじ溝２ａと対向する様に位置を固定される。静
翼４の根元は、ケーシング１内に配設される環状のスペ
ーサ８によって挾まれて固定される。

スペ・−サ８の内周面にはロータ２の回転と対応して第
２図に示す様に右めねじ形体を成すねじ溝８ａが形成さ
れている。ねじ溝８ａは、上記ロータ２におけるねじ溝
２ａとほぼ同様に設計されており、本実施例においては
溝角度２５°、深さ１゜５ｎ、溝幅３．５　ｕ＋のねじ
溝が全周に６０条形成されている。

多段の静翼４先端は、前述の動翼３と同様な算出で求め
られる所定の角度だけ傾きを有しており、第４図に示す
様にロータの中心に向う放射線ｌに対して所定の振り角
Ｔだけ傾いている。更に、各静翼４先端内径は、ロータ
２外径と同様、吸入口５より吐出口６に向うに従って大
きくなるように設定されている。本実施例においては静
翼根元内径１２５ｍｎ、翼角度１５°、ロータ２中心に
向う放射線ｌに対して静翼先端の振り角βが１２°、一
枚の静翼４の高さが約３鶴であり、静翼先端内径は各段
とも対向するロータ２外周と接触することなくロータ２
が高速回転するために、各段のロータ２の外周よりｌ　
ｎ＋程度大きく設定されている。

これらの１０段の静翼４が上述の１０段の動翼３と交互
に組合わされることにより気体分子の排気を可能として
いる。

第１図において、ケーシング１の内部においてロータ２
が回転すると動翼３及び静翼４の作用により、気体分子
は真空チャンバに連結される吸込み側の吸気口５より排
気口６へ排気される。ロータ２及びシャフト９は、モー
タ回転子１０、モータ固定子１１から成る高周波モータ
により駆動され、シャフト９は軸受１２及び軸受１３に
よって支えられている。尚、ロータ２のねじ溝２ａスペ
ーサ８のねじ溝８ａは、スパイラルグループポンプと同
様に作用し、気体分子を吸入側から吐出側へ輸送する。

次に本発明の作用・効果について従来型ポンプと比較す
る。

先ず、ターボ分子ポンプの原理を第５図で簡単に説明す
れば、翼速度Ｖで高速回転する動翼３によって分割され
た領域（ｉ）、　　（ｉｉ）において吸入側の領域（ｉ
）に存在する分子流領域の気体分子のうち吐出側の領域
（ｉｉ　）に到達する分子は、翼に衝突することなく直
接通り抜ける（図中点線の矢印で示す）、翼のＸ面に衝
突してから通り抜ける（図中２点鎖線の矢印で示す）、
翼のＹ面に衝突してから通り抜ける（図中１点鎖線の矢
印で示す）のいづれかである。逆に領域（ｉｉ　）に存
在し、領域（ｉ）に到達する分子も上記３種めいづれか
となる。これら３種類の輸送確率は、翼形状、特に翼角
α、翼の節弦比Ｓｏ＝　（Ｓｔ＋３ｒ）２・ｂ（但しＳ
ｔ：動翼先端ピッチ、Ｓｒ：動翼根元ピッチ、ｂ：翼コ
ードである。）等に依存し、これらを元に計算すること
により理論的に求められる。

そこで本実施例の諸元を用いて気体分子の輸送確率を求
め、従来型ターボ分子ポンプを上述実施例で説明した本
発明のターボ分子ポンプを比較する。

従来型のターボ分子ポンプは比較するために第１段目よ
り最終段までロータ外形、動静翼の翼先端半径・翼根元
半径が同一の場合を考える。この動翼は第８図に示す様
にロータ中心より放射線ｌ上に、また静翼は各翼がロー
タ中心軸に向って放射線上に設けられ、他の諸元は動・
静翼共、上述したターボ分子ポンプの動・静翼第１段と
同じとする。

上述の本発明ポンプと従来のポンプとの２種類のターボ
分子ポンプの第１段目の動翼部のみを考えると、ｃｅ、
　Ｓｔ；Ｓｒ、　　ｂ、　　Ｓｏ等輸送確率を求める諸
元は同一である。このため、同一面上のとなりあう動翼
間を抜ける確率、Ｘ面に衝突した後に反対側に抜ける確
率、Ｙ面に衝突した後に反対側に抜ける確率の各々と、
翼速度比Ｃ（Ｃ＝Ｖ２ＲＴＭで求められる。但し■は動
翼速度、Ｒはガス定数、Ｔは温度、Ｍは気体の分子数）
の関係は両ターボ分子ポンプで等しくなり、上述３種の
各通り抜ける確率と翼速度比Ｃの関係を求めた結果が第
６図であり、各確率を翼速度比について合計した結果が
第７図である。第６図、第７図は動翼速度■が気体分子
速度に比べて小さいときに、動翼を通り抜けて分子が輸
送される確率を示す。

ここで両ターボ分子ポンプにおいてロータを４００００
ｒｐｍで回転させたとすれば両者の第１段目の有効翼径
（＝（翼先端半径＋翼根本半径）／２）は等しく、Ｖ＃
　２６８ｍ／ｓｅｃ、Ｒ＝８．３２　Ｘ　１０マｅｒｇ
　−ｍｏｌ−’　・ｄｅｇ−’、　Ｔ＝　２９３°に、
　Ｍ＝２８　（排気する気体分子を窒素とした場合）と
なり、Ｃ＃０．５１となる。ここでＣ＝０．５１のとき
の輸送確率が吸気口側領域（ｉ）より排気口側領域（ｉ
ｉ）へ通り抜ける確率であり、Ｃ＝−〇、５１のときの
輸送確率が排気口側領域（ｉｉ　）より吸気口側領域（
ｉ）へ通り抜ける確率となる。つまり、Ｃ＝±０．５１
の輸送確率の差が最終的に第１段目の吸気口（！ＩＩＩ
ＴＪ域（１）より排気口側へ領域（１１）へ排気する確
率となる。

第６図より、動翼速度■が分子速度に比べて小さいとき
、Ｙ面に衝突して排気する分子が最終的に通り抜ける確
率の約８０％をしめることが明らかである。Ｙ面に衝突
して排気される気体分子は余弦則に従って放出されるの
で振り角を有さない動・静翼より成る従来のターボ分子
ポンプでは、気体分子はロータの回転軸と平行な軸平行
流となり、各段で分子と動翼の翼速度比は一定であり、
輸送確率も変わらないこととなる。

一方、本発明の振り角β、Ｔを有する動・静翼３．４を
用いると、第１段目が動・静翼３，４のＹ面に衝突した
気体分子は（第３図、第４図参照）ロータ２の外周側に
向って輸送される確率が高くなり、多段の動・静翼のＹ
面に衝突することによって、気体分子はロータ２回転軸
と平行流とならずにロータ２の回転軸からその外方に向
って流れる軸斜流となる。またロータ２の外径は吸入側
から吐出側に近づくに応じて、大きく設定されているの
で、第１段目の有効翼径と比較して下段の有効翼径が大
きくなる。このため、吐出側に近づく程速度比が上昇し
、軸斜流化した気体分子は、第７図に示す様にその翼速
度比に応じて吸入側から吐出側への輸送確率が上昇する
。すなわち排気効率が向上することになる。

これを数値で表わせば前述比較の両ターボ分子ポンプに
おいて、排気する気体分子を窒素とした場合、本発明の
ターボ分子ポンプは従来型に比べ、ロータの回転速度は
ほぼ同一で最大圧縮比で約１０倍の性能向上となった。

上述実施例では動翼がロータ中心軸からの放射線より所
定の角度（振り角β）だけ傾きを有し、静翼がロータ中
心軸に向う方向より所定の角度（振り角γ）だけ傾きを
有することにより斜流ポンプとしたが、上述のいづれか
、つまり動翼だけが傾きを有するか、或いは静翼だけが
傾きを有する構造としても、この傾きを有する翼で分子
が偏向し軸斜流となるため同様の効果がある。

また、上述実施例においては、動・静翼各１゜段全ての
翼列について所定の振り角としたが、排気する気体分子
の種類・分子数、動・静翼の他諸元、ロータ回転数等に
より各段の翼の振り角、ロータの末広がり形状を変えて
も良い。

更に一部を従来型の動・静翼・ロータ形状とし、残りの
数段を本発明の振り角を有する動・静翼及び階段上の末
広がりのロータとを併用しても良い。

また本発明の上述実施例ではロータの回転数、排気する
分子の分子量等の関係上、動翼速度が分子速度に比べて
小さいので、前述動・静翼７面に衝突して通り抜ける確
率が高いため、動翼の振り角はロータ中心軸から放射線
！より回転方向に振り角βの傾きを有し、静翼の傾き角
は逆方向に振り角Ｔの傾きを有しているが、動翼速度が
分子速度に比べて大きい゛とき、つまり動・静翼のＸ面
に衝突して通り抜ける確率が高い条件の下で使用する場
合には動・静翼の振り角β、γは第３図、第４図に示す
方向と逆方向に傾くことになる。

更に、ロータ外形が階段状に末広がりとする形状の他、
動翼根元部を含めなめらかに末広がりとなる形状を有す
る構造としても良い事は明らかである。

尚、動・静翼がロータ中心軸からの放射線ｌ上に設けら
れている従来のターボ分子ポンプを用い、ロータ外周の
みを吸入口から吐出側に近づく程階段状に末広がりとし
たものでは排気コンダクタンス＃−（翼間通路の気体分
子の流れ通り抜は易さ）の低下を招き総合排気効率は低
下する。また、本発明の動・静翼を用い、ロータ外径を
円柱とした場合にも、翼速度比の低い動翼根元、静翼先
端部で吐出側より吸入側に排気分子の逆流を上昇させる
ため有効ではない。

（発明の効果） 以上述べた様に、本発明の静翼と動翼の少なくとも一方
は、ロータの中心軸からの放射線に対して所定の振り角
を有して設けられることにより、排気する気体分子を翼
速度の高い方向、つまり気体分子が排気側に近づくほど
動翼先端、静翼根元の方に向うことになる。更にこの気
体分子の流れに沿ってロータ外径が排気側に近づく程大
きく設定されているので、気体分子の排気効率が向上す
ると言う優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は第
１図に示したポンプの部断面斜視図、第３図はロータ・
動翼の上面図、第４図は静翼の上面図面、第５図は本発
明の詳細な説明するに供する図、第６．第７図は各々気
体分子の輸送確率を示すグラフ、第８図は従来のターボ
分子ポンプの部分正面図である。 ｌ・・・ケーシング、２・・・ロータ、３・・・動翼、
４・・・静翼、５・・・吸気口、６・・・吐出口、β、
Ｔ・・・振り角。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ケーシング内にその軸線方向に多段に設けられた静翼と
   、この静翼間に位置し、かつケーシングの中心に位置す
   るロータ外周に設けられた動翼とを備えるターボ分子ポ
   ンプにおいて、前記静翼と前記動翼の少なくとも一方で
   は、前記ロータの中心軸からの放射線に対して所定の振
   り角を有して設けられるとともに、前記ロータの外径は
   前記ケーシング内の気体分子の流れに沿って排気側に近
   づくほど大きく設定されていることを特徴とするターボ
   分子ポンプ。