WO2018043072A1 - 真空ポンプ、および真空ポンプに備わる回転円筒体 - Google Patents

Abstract

【課題】回転円筒体（回転体）の回転数を下げることなく応力を低減させることが可能な真空ポンプ、および真空ポンプに備わる回転円筒体を提供する。 【解決手段】本発明に係る真空ポンプは、真空ポンプに備わるロータ円筒部（回転円筒体）の排気口側下部において、吸気口側の外径よりも小さい外径を有する縮径部が設けられる。より詳しくは、ロータ円筒部の最下端部（排気口側端部）をねじ溝排気要素（ねじ溝型排気機構）より長く設計して延伸部を設ける。そして、そのロータ円筒部の延伸部に、ロータ円筒部の吸気口側であり且つねじ溝排気要素と対向する部分（対向部）よりも外径の大きさが小さい縮径部を設ける。上述した縮径部を有する構成により、回転体（ロータ円筒部）の回転数を下げずとも、ロータ円筒部の内径側に発生する応力を低減させることができる。

Description

真空ポンプ、および真空ポンプに備わる回転円筒体

　本発明は、真空ポンプ、および真空ポンプに備わる回転円筒体に関する。
　詳しくは、回転円筒体に加わる応力を低減する真空ポンプ、および真空ポンプに備わる回転円筒体に関する。

　配設される真空室内の真空排気処理を行うための真空ポンプには、回転体とねじ溝排気要素（ねじ溝型排気機構／ねじ溝ポンプ部）を備えているものがある。当該ねじ溝排気要素を備えた真空ポンプは、回転体における回転翼が配設された下側に、回転翼のない回転円筒体（ロータ円筒部）を設け、回転翼外側のねじ溝排気要素内のガスを圧縮する構成になっている。
　このようなロータ円筒部が設けられる真空ポンプを含め、一般的に真空ポンプでは、遠心力によりロータ円筒部の内径側に対して応力が生じ、その応力が設計基準値を超える虞があった。
　図６は、従来の真空ポンプ１０００を説明するための図である。
　図６に示したように、従来の真空ポンプ１０００には、ねじ溝排気要素２０と隙間（クリアランス）を介して軸方向に対向してロータ円筒部１００１が配設される。このロータ円筒部１００１に応力が生じると、高温下での長期運動によってロータ円筒部１００１が徐々に変形・膨張するクリープ現象が生じる。
　このクリープ現象によりねじ溝排気要素２０とロータ円筒部１００１とのクリアランスが規定値量小さくなるまでの期間であるクリープ寿命は、メンテナンスコストの観点から可能な限り長い方がよい。

特開平１０－２４６１９７号

　特許文献１には、高速で回転しても回転翼やそれを支持する箇所において局部的な応力や温度上昇を生じさせないことを目的として、回転翼の外径を排気口側と吸気口側とで異ならせる技術について記載されている。

　また、上述した特許文献１のような構成の他に、回転体（回転翼／回転円筒体）の回転数を下げることで応力を低減するようにしていた。
　しかしながら、回転体の回転数を下げれば排気性能は低下してしまっていた。

　本発明は、回転円筒体（回転体）の回転数を下げることなく応力を低減させることが可能な真空ポンプ、および真空ポンプに備わる回転円筒体を提供することを目的とする。

　請求項１記載の本願発明では、吸気口と排気口が形成された外装体と、前記外装体に固定され、ねじ溝を有するねじ溝型排気機構と、前記外装体に内包され、回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に配設され、前記ねじ溝型排気機構と隙間を介して対向する対向部および前記ねじ溝型排気機構よりも下流側に延伸した延伸部を有し、当該延伸部において前記対向部の外径よりも小さい外径を有する縮径部を備える回転円筒体と、を具備することを特徴とする真空ポンプを提供する。
　請求項２記載の本願発明では、前記縮径部は、当該縮径部の外径側の一部に前記回転軸の軸方向と垂直な底面を有し、前記底面と当該縮径部の外径面とで形成される角度は直角であることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ
を提供する。
　請求項３記載の本願発明では、前記縮径部の前記底面の位置は、前記延伸部の起点の位置と一致することを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプを提供する。
　請求項４記載の本願発明では、前記縮径部は、前記延伸部の前記起点から終点にかけての少なくとも一部に勾配を設けることで形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空ポンプを提供する。
　請求項５記載の本願発明では、前記縮径部の前記勾配の起点は、前記延伸部の前記起点と一致することを特徴とする請求項４に記載の真空ポンプを提供する。
　請求項６記載の本願発明では、前記請求項１から前記請求項５の少なくとも１項に記載された真空ポンプに備わる回転円筒体を提供する。

　本発明によれば、回転円筒体におけるクリープ寿命に起因する部分の応力を、回転数を下げずに低減することができるので、回転数を下げる設計にして応力を低減させる構成に比べて、排気性能を維持または向上させることができる。

本発明の実施形態に係る真空ポンプの概略構成例を示した図である。 本発明の実施形態に係るロータ円筒部を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るロータ円筒部を説明するための拡大図である。 本発明の実施形態に係る真空ポンプの応力低減効果を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る真空ポンプの応力低減効果を説明するための図である。 従来技術を説明するための図である。

（ｉ）実施形態の概要
　本発明の実施形態に係る真空ポンプでは、真空ポンプに備わるロータ円筒部（回転円筒体）の排気口側下部において、吸気口側の外径よりも小さい外径を有する縮径部（テーパ／面取り）が設けられる。
　より詳しくは、ロータ円筒部の最下端部（排気口側端部）をねじ溝排気要素より長く設計して延伸部を設ける。そして、そのロータ円筒部の延伸部に、ロータ円筒部の吸気口側であり且つねじ溝排気要素と対向する部分（対向部）よりも外径の大きさが小さい縮径部を設ける。
　ロータ円筒部においては、回転時に内径側に発生する応力は外径が小さいほど小さくなるので、上述した縮径部を有する構成により、回転体（ロータ円筒部など）の回転数を下げずとも、ロータ円筒部の内径側に発生する応力を低減させることができる。

（ｉｉ）実施形態の詳細
　以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図５を参照して詳細に説明する。
（真空ポンプ１の構成）
　図１は、本発明の第１実施形態に係る真空ポンプ１の概略構成例を示した図であり、真空ポンプ１の軸線方向の断面図を示している。
　なお、本発明の実施形態では、便宜上、回転翼の直径方向を「径（直径・半径）方向」、回転翼の直径方向と垂直な方向を「軸線方向（または軸方向）」として説明する。
　真空ポンプ１の外装体を形成するケーシング（外筒）２は、略円筒状の形状をしており、ケーシング２の下部（排気口６側）に設けられたベース３と共に真空ポンプ１の筐体を構成している。そして、この筐体の内部には、真空ポンプ１に排気機能を発揮させる構造物である気体移送機構が収納されている。
　本実施形態では、この気体移送機構は、回転自在に支持された回転体（回転翼９／ロータ円筒部１０など）と、筐体に対して固定された固定部（固定翼３０／ねじ溝排気要素２０など）から構成されている。
　また、図示しないが、真空ポンプ１の外装体の外部には、真空ポンプ１の動作を制御する制御装置が専用線を介して接続されている。

　ケーシング２の端部には、当該真空ポンプ１へ気体を導入するための吸気口４が形成されている。また、ケーシング２の吸気口４側の端面には、外周側へ張り出したフランジ部５が形成されている。
　また、ベース３には、当該真空ポンプ１から気体を排気するための排気口６が形成されている。

　回転体は、回転軸であるシャフト７、このシャフト７に配設されたロータ８、ロータ８に設けられた複数枚の回転翼９、排気口６側に設けられたロータ円筒部（スカート部）１０を備える。
　各回転翼９は、シャフト７の軸線に対して垂直に放射状に伸びた円板形状の円板部材により構成される。
　また、ロータ円筒部１０は、ロータ８の回転軸線と同心の円筒形状をした円筒部材により構成される。本実施形態では、このロータ円筒部１０に縮径部が設けられる。なお、縮径部については後述する。

　シャフト７の軸線方向中程には、シャフト７を高速回転させるためのモータ部が設けられ、ステータコラム８０に内包されている。
　さらに、ステータコラム８０内には、シャフト７のモータ部に対して吸気口４側と排気口６側に、シャフト７をラジアル方向（径方向）に非接触で支持するための径方向磁気軸受装置が設けられている。また、シャフト７の下端には、シャフト７を軸線方向（アキシャル方向）に非接触で支持するための軸方向磁気軸受装置が設けられている。

　筐体（ケーシング２）の内周側には、固定部（ステータ部）が形成されている。この固定部は、固定翼３０と、シャフト７の軸線に対し垂直な平面から所定の角度だけ傾斜してケーシング２の内周面からシャフト７に向かって伸びたブレードから構成されている。そして、固定翼３０は円筒形状をした固定翼スペーサ４０により互いに隔てられて固定されている。
　なお、回転翼９と固定翼３０は互い違いに配置され、軸線方向に複数段形成されるが、真空ポンプ１に要求される排出性能を満たすために、必要に応じて任意の数のロータ部品およびステータ部品を設けることができる。

　本実施形態に係る真空ポンプ１では、排気口６側にねじ溝排気要素２０（ねじ溝型排気機構）が配設される。
　ねじ溝排気要素２０のロータ円筒部１０との対向面には、ネジ溝（らせん溝）が形成されている。
　ねじ溝排気要素２０におけるロータ円筒部１０との対向面側（すなわち、真空ポンプ１の軸線に平行な内周面）は、所定のクリアランスを隔ててロータ円筒部１０の外周面と対面しており、ロータ円筒部１０が高速回転すると、真空ポンプ１で圧縮されたガスがロータ円筒部１０の回転に伴ってネジ溝にガイドされながら排気口６側へ送出されるようになっている。すなわち、ネジ溝は、ガスを輸送する流路となっている。
　このように、ねじ溝排気要素２０におけるロータ円筒部１０との対向面と、ロータ円筒部１０とが、所定のクリアランスを隔てて対向することにより、ねじ溝排気要素２０の軸線方向側内周面に形成されたネジ溝でガスを移送する気体移送機構を構成している。
　なお、ガスが吸気口４側へ逆流する力を低減させるために、このクリアランスは小さければ小さいほど好ましい。
　また、ねじ溝排気要素２０に形成されたらせん溝の方向は、らせん溝内をロータ８の回転方向にガスが輸送された場合、排気口６に向かう方向である。
　また、らせん溝の深さは、排気口６に近づくにつれて浅くなるようになっており、らせん溝を輸送されるガスは排気口６に近づくにつれて圧縮されるようになっている。
　上述した構成により、真空ポンプ１は、当該真空ポンプ１に配設される真空室（図示しない）内の真空排気処理を行うことができる。

（ロータ円筒部１０の構成）
　上述したロータ円筒部１０について、図２および図３を用いて詳細を説明する。
　図２は、ロータ円筒部１０における対向部１０ｔ、延伸部１１、ならびに縮径部１１ａを説明するための図である。
　図３は、ロータ円筒部１０における対向部１０ｔおよび延伸部１１の拡大図である。
　図２および図３（ａ）に示したように、ロータ円筒部１０は、ねじ溝排気要素２０と所定の隙間を隔てて軸線方向に対向する対向部１０ｔ、ねじ溝排気要素２０よりも排気口６側に延伸した延伸部１１ならびに縮径部１１ａを有する。
　また、本実施形態では、ロータ円筒部１０における対向部１０ｔの内径をｒ、外径をＲｔとして説明する。そして、縮径部１１ａの最下端部（排気口６側）の外径をＲｓ、縮径部１１ａの漸化外径をｍとして説明する。なお、本実施形態では、「少しずつ変化する外径」という意味で「漸化外径」を用いる。
　本実施形態に係る真空ポンプ１に備わるロータ円筒部１０は、ねじ溝排気要素２０よりも排気口６側に延伸した延伸部１１において、延伸部１１ではない部分のロータ円筒部１０（対向部１０ｔ）の外径Ｒｔよりも小さい漸化外径ｍ（ｒ＜ｍ＜Ｒｔ）を有する縮径部１１ａが形成される。この漸化外径ｍは、吸気口４側から排気口６側にかけて値が小さくなる。
　言い換えると、本実施形態に係るロータ円筒部１０は、延伸部１１の外径側において、所定の角度θａ（図３（ａ））の勾配を有する部分（縮径部１１ａ）を有する。この勾配は、例えば、延伸部１１の外径側をテーパ形状に設計したり、あるいは延伸部１１の外径側に面取りを施すなどして構成することができる。
　なお、本実施形態では、所定の角度θａは、ロータ円筒部１０の対向部１０ｔにおける外径面の延長線Ｌと漸化外径ｍの延長線ｎとで形成される部分を指す。

　また、本実施形態では、延伸部１１の起点（始点）と縮径部１１ａの起点が一致する構成にしたが、これに限ることはない。つまり、対向部１０ｔよりも延伸させた延伸部１１の吸気口４側の一部を対向部１０ｔと同じ大きさの外径Ｒｔとし、続けて、縮径していく漸化外径ｍを有する縮径部１１ａを設ける構成にしてもよい。すなわち、縮径部１１ａは、延伸部１１の少なくとも一部に形成される構成（後述する図４のロータ円筒部１００の構成を参照）にすればよい。

　また、本実施形態では、延伸部１１の最下端部（排気口６側）の外径Ｒｓと、縮径部１１ａの最下端部（排気口６側）における漸化外径ｍの値が一致する構成にしたが、これに限ることはない。つまり、縮径部１１ａの最下端部における漸化外径ｍの値と対向部１０ｔの内径ｒの値とが一致する構成にしてもよい。

　図３（ｂ）および（ｃ）は、縮径部１１ａ（図３（ａ））の変形例を説明するための図である。
　図３（ｂ）には、変形例１に係る縮径部１１ｂが、図３（ｃ）には、変形例２に係る縮径部１１ｃが各々示されている。
　縮径部は、図３（ｂ）に示したように、上述した縮径部１１ａが有する所定の角度（勾配）θａよりも大きな角度θｂを有する縮径部１１ｂのように構成にしてもよい。

　あるいは、図３（ｃ）に示したように、外径として漸化外径ｍを有する構成にするのではなく、縮径部全体が同じ外径を有する縮径部１１ｃのように構成にしてもよい。
　すなわち、縮径部１１ｃは、吸気口４側が真空ポンプ１の軸方向と垂直な面Ｆ（底面）を有し、かつ、この面Ｆと縮径部１１ｃの外径側面とで形成される角度が直角（Ｒ）になるように縮径部１１ｃを構成する。この場合は、上述した所定の角度θｃはθｃ＝９０度になる。

　なお、図３（ｃ）では、縮径部１１ｃに形成される吸気口４側の面Ｆは延伸部１１の起点の位置と一致する構成にしたが、これに限ることはない。縮径部１１ｃに形成される面Ｆの位置は、延伸部１１の起点よりも排気口６側に数ｍｍ程度下がった位置に形成される構成にしてもよい。すなわち、縮径部１１ｃは、延伸部１１の少なくとも一部に形成される構成にすればよい。

　図４および図５は、本実施形態に係る真空ポンプ１の応力低減効果を説明するための図である。
　図４には、延伸部１１の起点とは起点が異なる縮径部１２を有するロータ円筒部１００が、点線αで囲まれた部分の断面拡大図とともに示されている。
　ΔＬは、ロータ円筒部１００における延伸部１１の軸方向の長さ、長さａは縮径部１２における軸方向の長さ、そして、面積Ａは縮径部１２を形成するために切り取られた部分の断面積（切り取り面積／実線の斜線と２本の点線とで囲まれた直角三角形の部分）を各々示している。
　図５は、応力低減効果を比較した表であり、縦軸にロータ円筒部１００の内径における吸気口４側からの長さ（ｐ）をとり、横軸にロータ円筒部１００を備えた真空ポンプ１のロータ円筒部１００の内径側の応力値（シミュレーション時の解析値）をとっている。
　図５に示したように、切り取り面積Ａを設けていない（すなわち、延伸部１１および縮径部１２を設けていない）「（面積Ａ）無し」の解析値に対し、切り取り面積Ａ（切り取った部分が三角形または長方形）を設けた構造の方が、縮径部１２の内径側に発生する応力が小さくなることが分かる。
　さらに、図５に示した解析結果により、切り取り面積Ａを同値にした場合は、「ａ＞ｍ」の構成が最も応力を低減させることができることがわかる。
　したがって、特別な制約が無い限り、ロータ円筒部１００における延伸部１１の軸方向の長さΔＬを、縮径部１２における軸方向の長さａよりも大きく設計する必要はない。すなわち、必ずしもΔＬ＞ａになるように延伸部１１および縮径部１２を構成しなくてもよい。
　このように、ロータ円筒部１００を備えた真空ポンプ１は、延伸部１１および縮径部１２の構造により、ロータ円筒部１００の内径側に発生する応力を低減することがわかる。
　なお、図４および図５では一例としてロータ円筒部１００を用いたが、ロータ円筒部１０を用いても同様の結果がいえる。

　なお、本実施形態では、縮径部１２の勾配を断面において直線状で形成する構成としたが、これに限られることはない。たとえば、図示しないが、縮径部１２の勾配を断面において曲線状で形成する構成にしてもよい。

　上述した構成により、本実施形態では、ロータ円筒部１０（１００）を含む回転体の回転数を下げずに、ロータ円筒部１０（１００）におけるクリープ寿命に起因する部分である縮径部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２）の内径側にかかる応力を低減することができる。
　また、回転数を下げずともクリープ現象を防止することができるので、回転数を下げることによる真空ポンプ１の排気性能の低下を防止することができる。
　あるいは、この構成によりロータ円筒部１０（１００）を含むロータ部の回転数を上げることができ得るので、真空ポンプ１の排気性能を向上させることができる。

　なお、本発明の実施形態および各変形例は、必要に応じて各々を組み合わせる構成にしてもよい。

　また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができる。そして、本発明が当該改変されたものに及ぶことは当然である。

　　　１　真空ポンプ
　　　２　ケーシング（外筒）
　　　３　ベース
　　　４　吸気口
　　　５　フランジ部
　　　６　排気口
　　　７　シャフト
　　　８　ロータ
　　　９　回転翼
　　１０　ロータ円筒部
　１０ｔ　対向部
　　１１　延伸部
　１１ａ　縮径部
　１１ｂ　縮径部
　１１ｃ　縮径部
　　１２　縮径部
　　２０　ねじ溝排気要素
　　３０　固定翼
　　４０　固定翼スペーサ
　　８０　ステータコラム
　１００　ロータ円筒部
１０００　従来の真空ポンプ
１００１　ロータ円筒部

Claims (6)

1. 　吸気口と排気口が形成された外装体と、
   　前記外装体に固定され、ねじ溝を有するねじ溝型排気機構と、
   　前記外装体に内包され、回転自在に支持された回転軸と、
   　前記回転軸に配設され、前記ねじ溝型排気機構と隙間を介して対向する対向部および前記ねじ溝型排気機構よりも下流側に延伸した延伸部を有し、当該延伸部において前記対向部の外径よりも小さい外径を有する縮径部を備える回転円筒体と、
   を具備することを特徴とする真空ポンプ。
   
2. 　前記縮径部は、当該縮径部の外径側の一部に前記回転軸の軸方向と垂直な底面を有し、前記底面と当該縮径部の外径面とで形成される角度は直角であることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
   
3. 　前記縮径部の前記底面の位置は、前記延伸部の起点の位置と一致することを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
   
4. 　前記縮径部は、前記延伸部の前記起点から終点にかけての少なくとも一部に勾配を設けることで形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空ポンプ。
   
5. 　前記縮径部の前記勾配の起点は、前記延伸部の前記起点と一致することを特徴とする請求項４に記載の真空ポンプ。
   
6. 　前記請求項１から前記請求項５の少なくとも１項に記載された真空ポンプに備わる回転円筒体。

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