JPWO2008136084A1 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

ターボ分子ポンプは、回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、回転翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さを、回転翼の外周に近づくほど小さくした。

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは、固定翼に対して回転翼を高速回転させて真空排気を行うものである。従来、回転翼および固定翼は平板翼を一定の翼角度で設けていたため、吸気口側から翼を見た場合に、隣り合う翼と翼との隙間が外周に近付くほど大きくなっている。一般的には、内周と外周の中間における翼寸法および隙間寸法に基づく性能が目標性能となるように設計される。しかしながら、外周側では隙間寸法が大きすぎるとともに、逆に、内周側では隙間寸法が小さすぎて最適な排気性能が得られなかった。

近年、上述した平板翼に代えて、翼の角度を外周部と内周部とで変化させた「ねじり翼」がターボ分子ポンプに採用されつつある（例えば、特許文献１参照）。このようねじり翼を採用することにより、外周側および内周側における隙間寸法を最適化することが可能である。

特開平１０−８９２８４号公報

しかしながら、ねじり翼では外周部ほど翼角度が小さいので、それに応じて外周部ほど翼面積が大きくなり、外周部の重量増加による翼根元部分の応力増加が問題となる。一方、応力が大きくなるのを避けようと翼厚さを薄くして軽量化すると、根元部分の応力は軽減されるが、翼の固有振動数が低くなって共振を引き起こしやすくなるという問題があった。

本発明によるターボ分子ポンプは、回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、回転翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さを、回転翼の外周に近づくほど小さくした。
本発明によるターボ分子ポンプにおいて、回転翼に設けられたブレードの翼角度を、回転翼の外周に近づくほど小さくすることができる。あるいは、固定翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さを、固定翼の内周に近づくほど小さくすることができる。さらに、回転翼と固定翼との隙間がほぼ一定となるように、ブレードの回転軸の方向の高さを設定することができる。
本発明によるターボ分子ポンプの他の態様では、回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、固定翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さを、固定翼の内周に近づくほど小さくした。
また、本発明のターボ分子ポンプにおいて、固定翼に設けられたブレードの翼角度を、固定翼の外周に近づくほど小さくしても良い。

本発明によれば、排気性能の低下や翼の振動特性の変化を抑えつつ、翼の強度向上を図ることができる。

本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。 回転翼２１の一部を示す斜視図である。 固定翼１１を示す斜視図である。 平板翼を用いた回転翼を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は回転翼の一部を示す平面図である。 ブレード２１０の翼形状を説明する図であり、（ａ）は平板翼のブレード４０とねじり翼のブレード４２０とを示し、（ｂ）はブレード４２０とブレード２１０とを示す 回転翼の解析結果を示す図である。 回転翼の解析結果を示す図である。 変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良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ンプの一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ本体の断面図である。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプ本体１と、ポンプ本体１に電源を供給し回転駆動を制御するコントローラ（不図示）とから成る。

ポンプ本体１のケーシング３の内部には、複数段の回転翼２１および回転円筒部２２が形成されたロータ２０が設けられている。図２は回転翼２１の一部を示したものであり、ロータ外周の一周にわたって形成された複数のブレード２１０によって、一段分の回転翼２１が形成される。ロータ２０はシャフト７にボルト締結されている。ロータ２０が固定されたシャフト７は、上下一対のラジアル磁気軸受３１，３２およびスラスト磁気軸受３３によって非接触式に支持され、モータ６により回転駆動される。なお、ロータ２０は、高速回転に耐えられるようにアルミ合金などの金属材料で製作される。

一方、ポンプ本体１のベース１０側には、複数段の固定翼１１および固定円筒部１２が設けられている。図３は固定翼１１を示す斜視図である。固定翼１１は、半リング状の外枠１１０および内枠１１２と、その間に形成された複数のブレード１１１を備えている。この固定翼１１をロータ２０を囲むように一対配置することで、一段分の固定翼１１が形成される。そして、軸方向に交互に配置された複数段の回転翼２１と複数段の固定翼１１とによりタービンブレード翼部が構成される。複数段の固定翼１１は、外枠１１０をスペーサ１３に挟持されるようにしてケーシング３内の所定位置に保持されている。

また、タービンブレード翼部の下流側に配置された回転円筒部２２と固定円筒部１２とによりモレキュラードラッグポンプ部が構成されている。回転円筒部２２は固定円筒部１２の内周面に近接して設けられており、固定円筒部１２の内周面には螺旋溝が形成されている。モレキュラードラッグポンプ部では、固定円筒部１２の螺旋溝と高速回転する回転円筒部２２とにより、粘性流による排気機能が行われる。

図１に示すタービンブレード翼部とモレキュラードラッグポンプ部とを結合させたターボ分子ポンプは、広域型ターボ分子ポンプと称されている。吸気口１４から流入したガス分子はタービンブレード翼部によって図示下方へと叩き飛ばされ、下流側に向かって圧縮排気される。その圧縮されたガス分子は、さらにモレキュラードラッグポンプ部によって圧縮され、排気ポート１５から排出される。

図１に示したターボ分子ポンプでは、吸気口側から数えて４段目までに関して、固定翼１１および回転翼２１の軸方向の高さ寸法である翼高さが、外周部と内周部とで異なっている。すなわち、回転翼２１の場合には内周部の方が外周部よりも翼高さが大きくなっている。逆に、固定翼１１の場合には、回転翼２１の翼高さの変化に合わせて、外周部の方が内周部よりも翼高さが大きくなっている。さらに、回転翼２１の１段目から４段目までには「ねじり翼」を採用した。図２に示すように、回転翼２１の翼角度は、ブレード２１０の先端に近づくほど小さくなっている。すなわち、先端部２１０ｂの翼角度θ２は、根元部２１０ａの翼角度θ１に比べて小さくなっている。

図４は、比較のために、「平板翼」による従来の回転翼を示したものである。図４（ａ）はロータ２０に形成された回転翼４１を示す斜視図であり、軸方向に複数段形成されたものの一段分を示したものである。この場合、回転翼４１のブレード４１０の翼角度は、根元部から先端部まで同一となっている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した回転翼４１の一部を吸気口側から見た平面図である。平面図における回転翼４１のブレード４１０の形状は長方形を成しており、根元部から先端部まで同一の幅寸法になっている。そのため、隣接するブレード４１０との隙間、すなわち、上方から見たときに見通せる隙間の間隔は、外周側である先端部ほど大きくなっている。図示は省略するが、固定翼の場合も、ブレードの翼形状は回転翼４１と同様の「平板翼」が用いられている。

図５は、図１の１段目から４段目の回転翼２１に形成されたブレード２１０の翼形状を説明する図である。図５（ａ）は、翼高さ（軸方向の高さ）が等しい平板翼ブレード４１０とねじり翼ブレード４２０とを示したものである。二点差線で示す平板翼ブレード４１０も実線で示すねじり翼４２０も、根元部においては同一の翼角度θ１を有している。そして、平板翼ブレード４１０は根元部から先端部まで翼角度が同一角度θ１である。一方、ねじり翼ブレード４２０の場合には、根元部から先端部に近づくにつれて翼角度が徐々に小さくなり、先端部では角度θ２（＜θ１）となっている。

ブレード４１０，４２０の翼高さをｈとすれば、ブレード４１０，４２０の先端における周方向の幅Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、Ｌ１＝ｈ／tanθ１、Ｌ２＝ｈ／tanθ２と表され、Ｌ２＞Ｌ１となっている。すなわち、吸気口側から見た翼間隙間を小さくすることができ、排気性能の向上をはかることができる。一方で、翼先端部分の重量が増加するため、翼の根元部分の応力（引張応力）が大きくなるという欠点も有している。

そこで、本実施の形態における回転翼２１では、図１に示したように回転翼２１の翼高さを先端部ほど小さくなるようにした。それにより、ブレード２１０の重量増加を抑制し、翼根元部の応力を低下させるようにした。図５（ｂ）は図５（ａ）に示したねじり翼ブレード４２０の下側を斜めに削除して回転翼２１のブレード２１０を形成した場合を示す。この場合、先端におけるブレード２１０の周方向長さＬ３はねじり翼ブレード４２０の周方向長さＬ２比べると小さいので、排気性能は若干低下する。しかし、ブレード２１０の先端部の翼角度をθ２より大きくすることで、根元部の応力を変えずに排気性能の低下を防止することができる。

図６は、従来の平板翼、従来のねじり翼および本発明による翼を回転翼に適用した場合の解析結果を示したものであり、根元応力および固有振動数を示す。回転数などの計算条件については全て同一条件とし、ねじれ翼の角度はいずれの翼の場合もほぼ同程度の排気性能が得られるように設定した。翼高さに関しては、従来の平板翼およびねじり翼は径によらず１５ｍｍとし、本発明による翼では外形部を１３ｍｍ、内径部を１７ｍｍとし、外形部と内径部との中間が１５ｍｍとなるようにした。なお、本発明による翼については、翼厚さの異なる２種類について計算を行った、翼Ａは従来の平板翼およびねじり翼と同一厚さとし、翼Ｂは翼Ａよりも厚くした。

根元応力を比較すると、従来と同一厚さの翼Ａでは、従来の平板翼の根元応力に対して約１６％低減することができた。一方、翼の固有振動数を比較すると約１２％低下している。しかし、従来のねじり翼に比べれば、固有振動数が約３％高くなっており、若干改善されている。翼Ｂは、翼Ａよりも翼厚さを厚くして、固有振動数の改善を図ったものである。その結果、固有振動数を従来の平板翼よりも約１０％高くすることができ、根元応力についても、翼Ａよりは約２％大きくなっているが、従来の平板翼に比べれば約１４％低減することができる。

図３に示す固定翼１１では、半円状の板材を切削加工することで、複数のブレード１１１を形成するようにしている。固定翼１１の場合、ロータ２０に形成されたブレード２１０と異なり共振という問題はなく、大気突入時の吸気口側への全体的な変位が問題となる。大気突入時にブレード１１１に加わる風力は、回転翼２１の周速にほぼ比例する。すなわち、ブレード１１１の各部分には、その位置の半径の２乗に比例する上向きの力が作用することになる。また、この風力は、ブレード１１１の翼角度が小さいほど大きくなる。

その結果、ブレード１１１は、外枠１１０と固定翼１１とが繋がっている根元部分が折れ曲がるように上方に変形し、内枠１１２の部分が上方に変位して固定翼２１に接触するおそれがあった。そこで、本実施の形態では、ブレード１１１の外周側の翼高さを大きくすることで固定翼１１の剛性の向上を図り、大気突入時の変形を抑えるようにした。

図７は、従来の平板翼、従来のねじり翼および本発明による翼のそれぞれの場合における、大気突入時の浮き上がりの解析結果について示したものである。浮き上がりは、内枠１１２の位置において最も大きくなる。本発明による翼では、翼角度は、従来の平板翼と同じように外形部（根元部）も内径部（先端部）も同じとした。

図７に示すように、大気突入時の浮き上がりは、従来の平板翼の場合よりも約１８％小さくなった。ねじり翼と比べると、約４０％も浮き上がりを抑制することができた。そのため、図３に示す固定翼１１では平板翼としたが、翼形状をねじり翼とし、浮き上がり量が許容範囲内に収まる程度まで翼先端部の翼角度を小さくすることができる。それによって、排気性能の向上を図ることができる。

図８は変形例を示す図である。上述した実施の形態では、回転翼２１の下面および固定翼１１の上面を傾斜させることで翼根元部分の翼高さを大きくしたが、図８（ａ）に示す変形例では、回転翼２１および固定翼１１の上下の面を傾斜させるようにした。また、図８（ｂ）に示す変形例では、固定翼１１の上面を傾斜させる代わりに、段形状とすることで根元部（外周側）の翼高さを先端部（内周側）の高さに比べて高くした。

なお、図１や図８（ａ）に示した回転翼２１および固定翼１１の場合には、回転翼２１と固定翼１１との軸方向隙間が外周部と内周部とでほぼ等しくなるような翼形状となっているので、回転翼２１と固定翼１１との隙間を平板翼の場合と同様に小さくすることができる。

上述したように、本実施の形態によれば、排気性能の低下を押さえつつ、回転翼２１の翼根元部の応力を低くするとともに、その固有振動の低下を抑えることができる。また、固定翼１１に関しては、大気突入時の浮き上がりを低減することができる。さらに、浮き上がり低減によりねじり翼の採用が可能となり、固定翼１１にねじり翼を採用することで排気性能の向上も可能となる。

なお、図１に示した実施の形態では、回転翼２１および固定翼１１で構成されるタービンブレード翼部と、回転円筒部２２および固定円筒部１２で構成されるモレキュラードラッグポンプ部とを備えた広域型のターボ分子ポンプを例に説明したが、全翼タイプのターボ分子ポンプにも同様に適用することができる。

また、回転翼２１にねじり翼を採用したが、平板翼であっても、翼高さを根元部分から先端部分にかけて小さくすることによる効果は同様に得ることができる。さらに、根元部の翼高さを先端部よりも高くする構成は、必ずしも回転翼２１および固定翼１１の両方でなくてもよく、回転翼２１のみや、固定翼１１のみに採用しても良い。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。

本発明によるターボ分子ポンプは、回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、回転翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さを、回転翼の外周に近づくほど小さくし、かつ、固定翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さを、固定翼の内周に近づくほど小さくした。
本発明によるターボ分子ポンプの他の態様では、回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、前記回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、回転翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さおよびブレードの翼角度を、回転翼の外周に近づくほど小さくし、かつ、固定翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さを、固定翼の内周に近づくほど小さくした。
本発明によるターボ分子ポンプにおいて、回転翼と固定翼との隙間がほぼ一定となるように、ブレードの回転軸の方向の高さを設定することができる。
本発明によるターボ分子ポンプの他の態様では、回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備え、固定翼に設けられたブレードの回転軸の方向の高さを、固定翼の内周に近づくほど小さくした。
また、本発明のターボ分子ポンプにおいて、固定翼に設けられたブレードの翼角度を、固定翼の外周に近づくほど小さくしても良い。

Claims (6)

1. 回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、前記回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記回転翼に設けられた前記ブレードの前記回転軸の方向の高さを、前記回転翼の外周に近づくほど小さくしたターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記回転翼に設けられた前記ブレードの翼角度を、前記回転翼の外周に近づくほど小さくしたターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記固定翼に設けられた前記ブレードの前記回転軸の方向の高さを、前記固定翼の内周に近づくほど小さくしたターボ分子ポンプ。
4. 請求項３に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記回転翼と前記固定翼との隙間がほぼ一定となるように、前記ブレードの前記回転軸の方向の高さを設定したターボ分子ポンプ。
5. 回転体から放射状に形成された複数のブレードを有する回転翼と、前記回転体の回転軸に対して放射状に配置された複数のブレードを有する固定翼とを交互に複数段備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記固定翼に設けられた前記ブレードの前記回転軸の方向の高さを、前記固定翼の内周に近づくほど小さくしたターボ分子ポンプ。
6. 請求項３〜５のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記固定翼に設けられた前記ブレードの翼角度を、前記固定翼の外周に近づくほど小さくしたターボ分子ポンプ。

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