JPS6146492A - 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、機械的真空ポンプの一種である分子ポンプに
関し、特に、排気作用を実行する溝形状の改良に係り、
例えば、中真空領域から低真空領域までにおける真空を
作り出すのに利用してを効なものに関する。

〔従来の技術〕

一般に、分子ポンプは、機械的に相対移動する動的壁面
と静的壁面とを利用し、そこに衝突した気体分子に確率
的に特定方向の速度ベクトルを与えることにより排気作
用を持たせるように構成されている。

従来の分子ポンプとして、所謂、軸流分子ポンプと呼ば
れるものと、ねし溝分子ポンプと呼ばれるものとがある
（必要ならば、特公昭４７−３３４４６号参照）。

軸流分子ポンプは、円筒形状のケーシング内に高速回転
するように支承された回転軸の外周に多数枚の動翼を斜
めに並設された移動板を複数枚、軸心方向に等間隔に配
して外嵌するとともに、内周に多数枚の静翼を斜めに並
設された固定板を移動板に鏡面対称になるように交互に
配してケーシングに固定することにより、構成されてい
る。

ねじ溝ポンプは、内外円周面を互いに近接して周方向に
相対回転するように配設し、この内外円周面の少なくと
も一方にねし溝を刻設することにより、構成されている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

軸流分子ポンプにおいては、所定の排気速度を確保しつ
つ圧縮比を高めるためには翼間を狭小に、かつ、多数枚
並設することにより、気体分子同士のｉ！ｉ突の発生を
可及的に抑制するように構成する必要があるが、翼加工
上および翼の機械的強度上、多数枚の翼を極狭小な間隔
で整列するのには限界があるため、気体分子の自由行程
が短くなり、気体分子同士の衝突の可能性が高まる低真
空領域については使用することができないという問題点
がある。

ねじ溝分子ポンプにおいては、比較的低真空領域での使
用は可能であるが、排気速度を大きくとることができな
いため、例えば、中真空雰囲気の処理室で発生している
ガスを排気するような場合において、ポンプによる排気
がガスの発生に追いつけない事態が起こるという問題点
がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決し
て、低真空領域から中真空領域まで使用することができ
る分子ポンプを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、回転により相対的に進行方向に背く溝の壁面
を傾斜させることにより、ポンプ作用を発揮する静的壁
面および動的壁面に対する気体分子の衝突の蓋然性を高
め、これにより、気体分子の自由行程が短い粘性流領域
（低真空領域に相当する。）においてもポンプの排気作
用を発揮し得るようにするとともに、同一圧縮比におい
て溝の断面積を最大限に確保するようになして排気速度
を大きくとるようにしたものである。

〔実施例１〕 第１図は本発明の一実施例である軸流分子ポンプを示す
縦断面図、第２図は第１図の■−り線に沿う拡大部分断
面図、第３図は第２図のｍ−ｍ線に沿う展開断面図、第
４図は第３図の部分斜視図、第５図、第６図および第７
図は作用を説明するための第４図のｙ−ｙ断面に相当す
る各拡大断面図である。

本実施例において、この軸流分子ポンプは略中空円柱形
状の気密室を形成しているケーシング１を備えており、
ケーシングｌの円形内周面により静的壁面２が形成され
ている。ケーシング１には吸入口３と吐出口４とがそれ
ぞれ開設されており、吸入口３は略中夫において、吐出
口４は両端部においてケーシングｌの気密室内にそれぞ
れ臨むように配設されている。

ケーシング１の内部には円柱形状の回転軸５が軸心を筒
心に合わせられて回転自在に支承されており、回転軸５
はケーシングｌの外部に設備されたモータ等の適当な駆
動手段により高速で回転されるようになっている０回転
軸５の外周上には、略円板形状に形成された複数枚の移
動板７が同数枚宛、吸入口３の両脇に左右対称となるよ
うに配置されて突設されており、各移動板７群は互いに
等間隔に整列されて軸心と略直角に固着されている。移
動板７の外周面には中空の略直角三角柱形状の動的溝８
が多数条、等間隔、かつ、互いに平行に切設されており
、隣り合うｉ＋ＩＳ８．８が形成する立ち上がり壁によ
り略直角三角柱形状の動翼９が実質的に構成されている
。

動的ｍ８は円周に対して所定の傾斜角（以下、リード角
ということがある。）αを与えられて切没されており、
この溝８のリード角αは、移動板７の回転に伴って吐出
口４の方向に進むように形成されている。このリード角
αにより、ケーシング１の静的壁面２における軸心と平
行な一直線りに動的溝８内において対向して行く点Ｐは
、移動板７の回転に伴って′１１ｊ８の長手方向に進行
することになる。

動的溝８はその短手方向の断面形状が略直角三角形状に
なる中空の略直角三角柱形状に形成されており、この中
空三角柱形状溝を形成している二つの壁面１０．１１の
うち、移動板７の回転方向を向いている壁面（以下、正
壁面ということがある。）　ｌＯは、この正壁面１０が
移動板７の軸直角断面を切ることによって描出される直
線が移動板７の軸心の法線と略一致するように、構成さ
れている。また、回転方向に背を向けている壁面（以下
、背壁面ということがある。）１１は、静的壁面２を向
く方向に軸心に対して（頃斜するように構成されている
。すなわち、背壁面１１が切ることによって描出される
直線はその外周端側が法線から離反するように１頃斜す
ることになる。

さらに、動的溝８を形成している正壁面１０と背壁面１
１とが互いになす挟角θは、次式（１）を略満足するよ
うに設定されている。

ｔａｎθ−Ｖ／ΣｖＸｋ・・１１１ ここで、■は移動板７の周速度、ΣＶは動的溝８におけ
る最大確立速度、ｋは比例定数である。

ｋは実験やコンビエータシュミレーション等によって適
宜求められる値である。

ケーシング１の内周には、円形リング形状に形成された
複数枚の固定板１２が同数枚宛、吸入口３の両脇に配分
されて突設されており、各固定板１２群は互いに等間隔
に整列されて軸心と略直角に固着されている。固定板１
２の内周面には多数条の静的溝１３が等間隔、かつ、互
いに平行に切設されており、隣り合う溝１３．１３が形
成する立ち上がり壁により、略直角三角柱形状の静翼１
４が多数枚、回転軸５の外周面に相対するように実質的
に構成されている。

静的溝１３も円周に対して所定のリード角βを与えられ
て切設されており、固定板１２は溝１３のリード角βが
移動板７における′／Ｒ８のリード角αと鏡面対称にな
るようにケーシング１に配設されている。このリード角
βにより、回転、軸５の外周面における軸心と平行な一
直線に溝１３の内部において対向して行（点は、回転軸
５の回転に伴ってｉ１３の長手方向に吐出口４へ向かう
ように相対的に進行することになる。

また、静的ｆＩ１３もその短手方向の断面形状が略直角
三角形状になるように形成されており、この断面三角形
状溝を形成している正壁面と背壁面との関係は、回転軸
５の外周面の回転方向に相対して、動的溝８における正
壁面１０と背壁面１１との関係と同じになるように形成
されている。

次に作用を説明する。

回転軸５が矢印Ｖ方向に高速回転されると、これと一体
になった移動板７上の動的溝８はケーシング１の静的壁
面２に対して周方向にそれぞれ移動する。

気体分子の平均自由行程（分子同士の衝突がない距離の
平均値）が動的溝８の正壁面１０から静的壁面２までの
距離よりも比較的長い場合、動的溝８に飛び込んだ分子
の多くは分子同士で確率的に殆ど衝突することなく、動
的ａ８の正壁面１０と静的壁面２とを交互に打つことに
なる。

そして、第３図に示されているように、正壁面１０に衝
突した気体分子Ｍ１はマクスウェルの反射によって乱反
射するため、分子Ｍｌが反射して進む方向の可能性は全
方位に分布することになる。

ところが、正壁面１０がリード角αをもって吐出側に傾
いているため、正壁面１０に衝突した分子Ｍ１は、マク
スウェルの反射によって吐出方向の速度ベクトル成分を
持つ確率が増加されることになる。すなわち、吐出口４
の方向に傾いた正壁面１０に衝突した分子が吐出口４の
方向へ向かう確率は、吸入口３の方向へ向かう確率より
も大きくなる。

逆に、背壁面１１にｆＥ突した分子Ｍｌ”　は背壁面１
１上で乱反射し、リード角αのため吸入口３の方向へ向
かう確率が太き（なる、ところが、静的壁面２から乱反
射して来る分子Ｍｌ’　は、移動板７の回転に伴うＤＪ
的溝８の周方向移動によって分子Ｍｌ’が背壁面１１に
当たる確率よりも正壁面ｌＯに当たる確率の方が遥かに
大きい。

したがって、全体として吐出口４へ向かう流れが発生す
ることになる。この流れがポンプの排気作用を行うわけ
である。

一方、回転軸５が高速回転されると、回転軸５の外周面
は固定板１２の静的溝１３の正壁面に対して周方向に移
動する。静的溝１３にはリード角αと鏡面対称のリード
角βが与えられているため、正壁面はやはり周方向に対
して吐出口４側に傾いている。

前段の動的ｉ８から吐出されて静的溝１３に飛び込んだ
分子は、静的溝１３の正壁面と回転軸５の外周面を交互
に打つことになる。そして、回転軸５の外周面に衝突し
た後に静的ｔ！ｌｌ１３の正壁面に衝突すると、分子は
吐出口４側に偏向した正壁面における乱反射によって吐
出方向に向かう確率が増加される。逆に、背壁面に衝突
した分子は吸入口３側へ向かう確率が大である。ところ
が、前述のように、回転軸５の回転に伴う固定板１２の
相対回転によって分子が正壁面に当たる確率の方が遥か
に大きいため、全体として吐出口４に向かう流れが発止
することになる。すなわち、静的１ｌｉＳ１３において
も分子ポンプの排気作用が行われることになる。

ここで、正壁面１０に衝突するように飛んで来る分子に
ついて見ると、動的溝８の背壁面１１から乱反射して来
る分子と、静的壁面２から反射して来る分子とがある。

背壁面１１から来て正壁面１０に衝突した分子は、吐出
側へ向かう確率と吸入側へ向かう確率とが相殺されて正
壁面１０に衝突しても吐出側への速度ベクトル成分を殆
ど付勢されないことになる。

これに対して、静的壁面２から反射して来る分子は、吐
出口４、吸入口３方向に対しては同じ確率で乱反射する
ため、これが正式面１０に衝突することによって吐出口
４へ向かう速度ベクトル成分を付勢されることになる。

すなわち、静的壁面２に衝突した分子が正壁面１０に衝
突した場合は、吐出口４、吸入口３方向へ進む確率は相
殺されず、吐出口４方向へ進む確率が高くなる。同様に
、静的壁面２に衝突した分子が背壁面１１に衝突した場
合は吸入口３方向へ進む確率が高い、ところが、マクス
ウェルの反射により、静的壁面２で反射した分子は移動
する動的溝８から見ると、相対的に正壁面１０に向かう
■の速度成分を与えられ、背壁面１１に対しては−■の
速度成分を付勢されたことになり、正壁面１０に衝突す
る確率が非常に太き（なる。

このようにして、静的壁面に衝突した分子が正壁面に衝
突することにより、全体の確率として吐出方向の速度ベ
クトル成分を有効に付勢されるのであるから、排気作用
を高めるためには、分子が静的壁面に衝突する蓋然性を
増加させる必要がある。

今、第５図に示されているように、動的溝が中空の直方
体形状であると仮定した場合、この断面矩形溝１５の回
転方向に向かう正壁面１６に衝突した分子Ｍ２は乱反射
するため、矢印Ａ２で示すように正壁面１６に平行な背
壁面１７に衝突する可能性もある。背壁面１７に衝突し
た分子Ｍ２は乱反射するため、分子Ｍ２が反射して進む
方向の可能性は全方位に分布することになる。ここで、
背壁面１７で乱反射した分子Ｍ２が静的壁面２のに衝突
する可能性を考えると、背壁面１７が静的壁面２と直角
をなすため、その可能性は、第５図における範囲Ｓ２に
略対応することになる。すなわち、分子Ｍ２の反射位！
ｔＰ２から正壁面１５の肩口に向けて引いた線と、静的
壁面２に直角をなす背壁面１７とが画する範囲Ｓ２であ
る。

次いで、背壁面１１を静的壁面２に向く方向に軸心に対
して傾斜悴せた本実施例における場合について、背壁面
１１で乱反射した分子が静的壁面２に衝突する可能性を
考えると、その可能性は、第６図における範囲Ｓ３に略
対応することになる。

すなわち、背壁面１１における分子Ｍ３の反射位置Ｐ３
から正壁面ｌＯの肩口に向けて引いた線と、反射位置Ｐ
３から背壁面１１の肩口に向けて引いた線とが画する範
囲Ｓ３である。

第５図と第６図との比較から明らかなように、背壁面１
７．１１への分子Ｍ２、Ｍ３の衝突位置Ｐ２と２３とが
静的壁面２に対して等距離であるならば、静的壁面２に
衝突する可能性は、傾斜している背壁面１１で乱反射し
た分子Ｍ３の方が、（頃斜している分だけ増加すること
になる。

また、正壁面と背壁面との間隔は傾斜している方がその
分だけ短いため、分子Ｍ３の方が背壁面１１に早く衝突
することになる。したがって、背壁面１１において乱反
射し、静的壁面２に衝突する頻度が増加することになる
。

このようにして、本実施例においては、動的溝８の回転
方向に背を向けた背壁面１１を静的壁面２に向けて軸心
に対して傾斜させたため、背壁面１１に衝突した分子が
静的壁面に衝突するＭ無性は高められることになる。

前述したように、静的壁面２に衝突してから正壁面１０
に衝突する分子が、正壁面１０の衝突によって吐出口４
へ向かう速度ベクトル成分を有効に付勢されるため、静
的壁面２に（ｌ・ｉ突する蓋然性が高められることによ
って、正壁面の単位面積当たりの排気作用は増強される
ことになり、分子ポンプ全体としての排気能力も高めら
れることになる。

次ぎに、第７図に示されているように、最大確率速度Σ
Ｖを持った分子Ｍ４が静的壁面２に対して直角に進行し
、動的溝８が周速度Ｖで移シＪする場合を考えると、こ
の分子Ｍ４は矢印Ａ４で示されているように、静的壁面
２と直角をなす面に対して傾斜角γの方向に動的溝８内
を相対的に進行することになる。この傾斜角γは次式（
２）により求められる。

ｒ−Ｖ／ΣＶ・・、・・（２） ここで、動的溝８の正壁面１０と背壁面１１とがなす挟
角θを見ると、挟角θは、前記式（１）、（２）により
、７Ｘｋ、で与えられる値に設定されていることになる
。

これは、静的壁面２に衝突して反射して来る分子は、背
壁面１１が傾斜角θを設定されていても背壁面１１に殆
ど衝突することなく、正壁面ｌＯに殆ど全て衝突するこ
と意味している。したがって、静的壁面２から反射して
来る分子は、正壁面１０に直接衝突することにより吐出
口４を向く速度ベクトルを効果的に付勢されることにな
る。

換言すれば、この動的ｔ１５８の三角形状の断面積は、
静的壁面２から反射して来る分子が直角壁面１０に殆ど
衝突する場合についての最良の断面積であることを忠味
するから、同し排気作用を得る場合についての最小の断
面積であると言うことができる。

したがって、第５図と第７図との比較した場合のように
、移動板上の断面直角三角形溝８群の総断面積が断面矩
形溝１５群の総断面積と同じになるように、動的溝８群
の条数を設定すれば、ａＪ的溝８の正壁面１１の総表Ｗ
ｉ槓が増加するため、分子ポンプ全体としての排気作用
を大きく設定することができることになる。

逆に、移動板上の断面直角三角膨満８群の正壁面１１の
総表面積を断面矩形溝１５の正壁面１６の総表面積と同
じに設定する場合、ずなわら、１２１ようとする排気作
用を同じに設定する場合、す」的溝８の断面積を増加す
ることができるため、排気速度を高めることができる。

但し、直角壁面１０と傾斜壁面１１との挟角θを定める
に当たっては、Ｖ／ΣＶについて、比例　　　　゛定数
ｋにより修正を加える必要がある。

なお、本実施例における′正壁面、背壁面および静的壁
面の作用を動的溝８について説明したが、静的溝１３に
ついても、静的壁面２とｔｌＢの壁面との関係が静的溝
１３と回転軸５の外周面との関係に相対的に置き換えら
れるだけであるから、同様の作用および効果が得られる
ことになる。

本実施例によれば、背壁面を傾斜させることにより、背
壁面で乱反射した分子が静的壁面に衝突するＭ無性を増
加させることができるため、分子が正壁面での衝突によ
って吐出方向への速度ベクトルを有効に付勢される機会
を増加することかでき、その結果、満−条光たりの吐出
方向への排気作用を増強することができる。

溝−条当たりの１ノ１気能力を増強することができるた
め、分子同士の衝突を回避すべくｌ？５幅（翼間隔に相
当する。）を極狭小にしなくとも、分子ポンプ全体とし
ての圧縮比を高めることができる。

したがって、分子同士の衝突の■熱性が高くなる低真空
領域についての使用をも実現することができる。

また、溝−条当たりの排気能力を増強することができる
ため、同じ圧縮比を確保する場合についての溝の総断面
積を増加することができ、その結果、分子ポンプの排気
速度を高めることができる。

したがって、例えば、中真空雰囲気の処理室で発生して
いるガスを遅れることなく排気することができる。

〔実施例２〕 第８図は本発明の他の実施例であるねじ溝分子ポンプを
示す縦断面図、第９図は第８図のＩＸ−ＩＸ線に沿う拡
大断面図である。

本実施例２が前記実施例１と異なる点は、動的溝がねじ
溝の態様に形成されている点にある。

才なわら、回転軸１８の外周には、動的溝としての複数
条のねし溝１９が同数宛、吸入口３の両脇に互いに左右
対称になるように配置されて刻設されており、ねじ溝１
９のリードは回転軸１８の回転に伴って吐出口４の方向
に進行するように設定されている。

ねし溝１９はその短手方向の断面形状が略直角三角形状
になるように形成されており、この断面直角二角形状の
溝１９を形成している二つの蝮旋壁面２０．２１のうち
、回転軸１８の回転方向を向いている正壁面２０は、こ
の正壁面２０が回転軸１８の直角断面を切ることにより
描出される直線が回転軸１Ｂの軸心の法線と略一致する
ように構成されている。また、回転方向に背を向けてい
る背壁面２１は静的壁面２を向く方向に軸心に対して傾
斜するようにそれぞれなっている。すなわち、傾斜壁面
２１が軸直角断面を切ることによって描出される直線は
、その外周端側か法線から離反するように傾斜すること
になる。

ねじ１Ｊｓ１９を形成している正壁面２０と背壁面２１
とが互いになす伏角θは、前式（１）を略満足するよう
に設定されている。

本実施例２における正壁面２０、背壁面２１および静的
壁面２の作用並びに効果は、前記実施例と同様であるが
、一本のねじｉｔ９は吸入口３から吐出口４までの全長
が極めて長いから高い圧縮比を得ることができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸説しない範囲において、種々変更可能であ
ることはいうまでもない。

例えば、回転方向を向く正壁面は、法線と略一致するよ
うに構成するに限らず、他の円周面、すなわち、前述し
たｎ的壁面に相当する面を向く方向に軸心対して傾斜さ
せてもよい。

回転方向を向く正壁面をも傾斜させると、正壁面に衝突
した分子が静的壁面に向いて反射する確率が高くなるた
め、分子が速度ベクトルの付勢を受ける機会が−Ｍ高ま
る結果、排気作用を一層向上させることができる。

しかし、この（頃斜した正壁面に衝突したときに分子に
付勢される速度ベクトルにおいて、吐出口の方向へ向か
わせる分力が減少するため、圧縮比が低下することがあ
る。したがって、回転方向を向く壁面は略直角に構成す
ることが望ましい。

円板の円周に形成される溝は、第１０図に示されている
溝８Ａのように、運動量の変化を利用した排気作用を得
るべく湾曲させてもよい、このような構成は、その排気
作用上、粘性！領域において特に有効である。

ねじ溝は回転軸側の外面周に刻設するに限らず、ケーシ
ング側の内周面に刻設するようにしてもよいし、内外周
面の両方に刻設するようにしてもよい。

〔効果〕

以上説明したように、本発明によれば、溝−条当たりの
排気能力を高めることができるため、中真空領域から低
夏空領域についての゛分子ポンプの使用を実現化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である軸流分子ポンプを示す
縦断面図、第２図は第１図の■−■線に沿う拡大部分断
面図、第３図は第２図の■−■線に沿う展開断面図、第
４図は第３図の部分斜視図、第５図、第６図および第７
図は作用を説明するための第４図のＹ−ＹｌｆＩ面に相
当する各拡大断面図である。 第８図は本発明の他の実施例であるねし溝分子ポンプを
示す縦断面図、第９図は第８図のＩＸ−ＩＸ線に沿う拡
大断面図である。 第１０図は変形例を示す第３図に相当する展開断面図で
ある。 １・・・ケーシング、２・・・静的壁面、３・・・吸入
口、４・・・吐出口、５・・・回転軸、６・・・回転駆
動装置、７・・・移動板、８・・・動的溝、９・・・動
翼、１０・・・回転方向を向く壁面（正壁面）、１１・
・・回転方向に背く壁面（背壁面）、１２・・・固定板
、１３・・・静的壁面、１４・・・静翼、１５・・・断
面矩形溝、１６・・・回転方向を向く壁面（正壁面）、
１７・・・回転方向に背く壁面（背壁面）、１８・・・
回転軸、１９・・・ねじ溝、２０・・・回転方向を向く
壁面（正壁面）、２１・・・回転方向に背く壁面（背壁
面）。 特　許　出　願　人　　三輪精機株式会社代理人　　弁
理士　　梶　　原　　辰　　也第１図　　− 第２図　　　第３図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）内外円周面が互いに近接して周方向に相対回転す
   るように配設され、内外円周面の少なくとも一方には溝
   が傾斜角をとって形成されており、該溝を形成している
   壁面のうち、少なくとも回転により相対的に進行方向に
   背く壁面が、他方の円周面を向く方向に軸心に対して傾
   斜していることを特徴とする分子ポンプ。
2. （２）溝を形成している壁面のうち、回転により相対的
   に進行方向を向く壁面は、軸心の直角断面を切る直線が
   軸心の法線と略一致するように構成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の分子ポンプ。
3. （３）回転により相対的に進行方向を向く壁面と、進行
   方向に背く壁面との挟角θは、その正接（ｔａｎθ）が
   、周速度／最大確率速度×比例定数、を略満足するよう
   に設定されていることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の分子ポンプ。
4. （４）溝が、円周面に互いに平行に多数条配設されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分子ポ
   ンプ。
5. （５）溝が、円周面に刻設されているねじ溝であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分子ポンプ。