WO2018066471A1 - 真空ポンプ、ならびに真空ポンプに備わるらせん状板、スペーサおよび回転円筒体 - Google Patents

Abstract

【課題】排気能力は高く保ちつつ、かつ、消費電力は小さい真空ポンプを実現する。 【解決手段】本発明の実施形態に係る真空ポンプでは、配設するらせん状板の外径を、上流側よりも下流側を小さくする。つまり、下流側に配設するらせん状板のブレード長を上流側に配設するらせん状板のブレード長よりも短くした段差部を設ける。さらに、段差部に配設されるスペーサにニゲ形成部を設け、段差部における上流側のスペーサ（すなわち、外径を小さくしていないらせん状板と対向するスペーサ）と下流側のスペーサ（すなわち、外径を小さくしたらせん状板と対向するスペーサ）が接触する接触面の内径を一致させる。この構成により、排気能力は高く保ちつつ、かつ、消費電力が少ない真空ポンプを実現することができる。

Description

真空ポンプ、ならびに真空ポンプに備わるらせん状板、スペーサおよび回転円筒体

　本発明は、真空ポンプ、ならびに真空ポンプに備わるらせん状板およびスペーサに関する。
　詳しくは、特に下流側に配設されるらせん状板に生じる応力を軽減する真空ポンプ、ならびに真空ポンプに備わるらせん状板およびスペーサに関する。

　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、回転部と固定部から構成され排気機能を発揮する構造物である気体移送機構が収納されている。
　この気体移送機構のうち、回転部に配設されるらせん状板と、固定部に配設される固定円板との相互作用によってガスを圧縮する構成のものがある。

特表２０１５－５０５０１２号

　特許文献１には、真空ポンプの回転円筒の側面にらせん状板（螺旋翼３０など）が設置され、当該らせん状板において少なくとも１つ設けられたスロット４０（本願の説明ではスリットと称する構成）内に、アレイ状の穴部（穿孔３８など）が設けられた固定円板（有孔交差要素１４など）が配設される技術について記載されている。
　図７は、上述したようなアレイ状の穴部が設けられた固定円板１０が備わる従来の真空ポンプ１０００を説明するための図である。
　図８は、上述したようなアレイ状の穴部が設けられた固定円板１０が備わる従来の複合型真空ポンプ１１００を説明するための図である。
　まず、図７に示したように、従来の真空ポンプ１０００では、らせん状板９は、上流側から下流側に至るまで、いずれも同じ外径で構成されている。
　また、図８に示したように、ターボ分子ポンプ部Ｔおよびねじ溝ポンプ部Ｓを備える従来の複合型真空ポンプ１１００でも、らせん状板９は、上流側から下流側に至るまで、いずれも同じ外径で構成されている。

　このような構造の真空ポンプ１０００（１１００）では、以下に記すような応力に係る課題があった。
　真空ポンプ１０００（１１００）の排気能力を向上させるためには、一般的に、らせん状板９の上流側の面（らせん面）と水平面（仮想直線）とで形成される角度を、真空ポンプ（１０００、１１００）の上流側では大きくし、一方、下流側では小さくする構成が望ましい。
　しかし、下流側において当該角度を小さくすると、らせん状板９の付け根（ロータ８とらせん状板９の接合部分）の応力が上昇（応力集中）する虞があった。
　そのため、らせん状板９の回転数を制限するか、下流側の当該角度を大きくするなどして応力を緩和する必要があった。

　本発明は、特に下流側に配設されるらせん状板に生じる応力を軽減する真空ポンプ、ならびに真空ポンプに備わるらせん状板、スペーサおよび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、前記外装体に内包され、回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸または前記回転軸に配設された回転円筒体の外周面にらせん状に配設された、少なくとも１つのスリットが設けられるらせん状板と、前記らせん状板の前記スリット内に、当該スリットと所定の間隔を設けて配設され、貫通した穴部を有する固定円板と、前記固定円板を固定するスペーサと、前記らせん状板と前記固定円板との相互作用により前記吸気口側から吸気した気体を前記排気口側へ移送する真空排気機構と、を備える真空ポンプであって、前記スリットの少なくとも１つを境にして前記らせん状板の外径が縮小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、前記固定円板の少なくとも１つを境にして前記スペーサの内径が縮小す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、前記固定円板を介して対向する前記スペーサのうち少なくともどちらか一方に、当該固定円板と当該スペーサとの接触面の内径を等しくするニゲ形成部を有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、前記ニゲ形成部は、前記らせん状板と対向する側の側面の少なくとも一部に、下流側へ向かって傾斜する傾斜部を有することを特徴とする請求項３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、前記ニゲ形成部の下端の水平位置は、当該ニゲ形成部を有する前記スペーサと所定の間隙を介して対向する前記らせん状板の上流面の水平位置と一致することを特徴とする請求項３または請求項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から請求項５の少なくとも１項に記載の真空ポンプに備わるらせん状板を提供する。
　請求項７記載の本願発明では、前記請求項２から請求項５の少なくとも１項に記載の真空ポンプに備わるスペーサを提供する。
　請求項８記載の本願発明では、前記請求項６に記載のらせん状板を備える回転円筒体を提供する。

　本発明によれば、真空ポンプに配設されるらせん状板のうち、特に下流側に配設されるらせん状板におけるロータ８とらせん状板９の接合部分（付け根）の応力を軽減することができる。そのため、下流側のらせん状板を理想的な角度とすることができる。
　その結果、排気能力は高く保ちつつ、かつ、消費電力は小さい真空ポンプを実現することができる。
　また、外径が縮小する部分（段差部）のスペーサにニゲを形成することで、固定円板１０を挟持する荷重を上下均等にすることができるので、固定円板１０が上流側へ反って（反り返って）しまうことを低減することができる。さらに、段差部を通過するガスの流れを滑らかにすることができるので、反応生成物の堆積を低減することができる。

本発明の実施形態１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１に係るらせん状板およびスペーサを説明するための図である。 本発明の実施形態２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２に係るらせん状板およびスペーサを説明するための図である。 本発明の実施形態３に係る複合型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４に係る複合型真空ポンプの概略構成例を示した図である。 従来技術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、配設するらせん状板の外径を、上流側よりも下流側を小さくする。つまり、下流側に配設するらせん状板のブレード長を上流側に配設するらせん状板のブレード長よりも短くする。以降、この部分を段差部と称する。
　さらに、上述したように外径を小さくしたらせん状板と所定のクリアランス（隙間）を介して対向するスペーサのうち、段差部に配設されるスペーサにニゲ形成部を設ける。このニゲ形成部を設けることで、段差部における上流側のスペーサ（すなわち、外径を小さくしていないらせん状板と対向するスペーサ）と下流側のスペーサ（すなわち、外径を小さくしたらせん状板と対向するスペーサ）が接触する接触面を一致させる。
　さらに、スペーサに形成するニゲ形成部は、内径側の少なくとも一部を、下流側へ向かってやや傾斜させる。
　上述した構成により、真空ポンプにおける下流側の応力を軽減することができる。また、下流側における排気機構の断面積を小さくすることができる。その結果、真空ポンプの消費電力を軽減することができる。

（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６を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施形態１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、大きく分けて、回転自在に支持された回転部（ロータ部）と、筐体に対して固定された固定部（ステータ部）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。

　気体移送機構のうち回転部は、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（回転円筒体）８、ロータ８に設けられた複数枚のらせん状板９、らせん状板９００を備える。
　各らせん状板９およびらせん状板９００は、シャフト７の軸線に対して放射状に伸び、かつ、螺旋流路を形成するように伸びたらせん状の円板部材により構成されている。なお、当該円板部材には、シャフト７の軸線に対して水平方向に少なくとも１つのスリットが形成される。
　ここで、本実施形態では、吸気口４側（上流側）に設けられるらせん状板９よりも短いブレード長（半径方向の長さ）を有するらせん状板９００が、段差部を境にして排気口６側（下流側）に設けられる。
　なお、らせん状板９００は、ロータ８と一体に形成される構成にしてもよいし、別部品としてロータ８に配設される構成にしてもよい。

　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２０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２０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３０、３１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４０が設けられている。

　気体移送機構のうち固定部は、筐体（ケーシング２）の内周側に形成されている。
　この固定部には、円筒形状をしたスペーサ７０、スペーサ７００により互いに隔てられて固定されている固定円板１０が配設されている。
　固定円板１０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をした板状部材であり、少なくとも一部に貫通している孔である穴部（孔部）が形成されている。本実施形態では、半円形状（不完全な円形状）の部材を接合することにより円形形状に形成され、ケーシング２の内周側において、らせん状板９と互い違いに、軸線方向に複数段配設されている。なお、段数については、真空ポンプ１に要求される排出性能（排気性能）を満たすために必要な任意の数の固定円板１０および（あるいは）らせん状板９を設ける構成にすればよい。

　スペーサ７０、スペーサ７００は、円筒形状をした固定部材であり、各段の固定円板１０は、このスペーサ７０、スペーサ７００によって互いに隔てられて固定される。
　ここで、本実施形態では、吸気口４側（上流側）に設けられるスペーサ７０よりも小さい内径を有するスペーサ７００が、段差部を境にして排気口６側（下流側）に設けられる。
　このような構成により、真空ポンプ１は、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。

（実施形態１）
　上述した真空ポンプ１に配設されるらせん状板９００およびスペーサ７００について図２を用いて説明する。
　図２は、本発明の実施形態１に係るらせん状板９００およびスペーサ７００を説明するための図であり、図１において点線Ａで示した段差部付近の拡大図である。
　図２に示したように、上流（吸気口４）側に配設されるらせん状板９よりもブレード長が短いらせん状板９００が、下流（排気口６）側に配設される。このブレード長が短くなる境は、本実施形態１では、らせん状板９に形成されるいずれかのスリットを境にし、ブレード長を短くした１つ目以降（下流側）のらせん状板をらせん状板９００とする。なお、ブレード長が変化する段差部は、２箇所以上に設けてもよい。
　そして、上流側に設けられるスペーサ７０よりも小さい内径を有するスペーサ７００が、らせん状板９００と所定の隙間（間隙／クリアランス）を介して対向して配設される。つまり、固定円板１０は、段差部においては、内径が異なるスペーサ７０とスペーサ７００によって挟持される構成となる。

　この、下流側に配設するらせん状板９００の外径を上流側よりも小さくする構成により、真空ポンプ１の下流側のらせん状板９００に生じる応力を軽減することができる。また、下流側における排気機構の断面積を小さくすることができる。その結果、真空ポンプ１の消費電力を軽減することができる。

（実施形態２）
　図３は、本発明の実施形態２に係る真空ポンプ１００の概略構成例を示した図である。
　なお、実施形態１と同等の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
　本実施形態２では、上述した実施形態１と同様に、上流側に設けられるスペーサ７０よりも小さい内径を有するスペーサ７００が、段差部を境にして下流側に設けられる。
　ここで、本実施形態２では、スペーサ７１０が設けられる。
　なお、上述したスペーサ７１０よりも下流側には、先述した実施形態１と同様のスペーサ７００が設けられる。

　図４は、本発明の実施形態２に係るらせん状板９００およびスペーサ７１０を説明するための図であり、図３において点線Ｂで示した段差部の拡大図である。
　図４に示したように、本実施形態２では、らせん状板９００と所定の隙間を介して対向するスペーサ７００のうち、段差部に配設されるスペーサ７１０には、ニゲＮを形成するためのニゲ形成部７１５を設ける。
　このニゲ形成部７１５は、段差部における上流側（すなわち、外径を小さくしていないらせん状板９と対向）のスペーサ７０と固定円板１０が接触する接触面７２と、下流側（すなわち、外径を小さくしたらせん状板９００と対向）のスペーサ７１０と当該固定円板１０が接触する接触面７１１の、接触面積が一致するようにスペーサ７１０の上流側を加工することで形成することができる。
　つまり、本実施形態２では、段差部における固定円板１０は、上流側で内径が等しく且つ下流側で内径が異なる２つのスペーサ７０およびスペーサ７１０によって挟持される構成となる。

　この、固定円板１０が挟持される部分の上（接触面７２）と下（接触面７１１）の接触幅を合わせる構成により、固定円板１０を上下から均等に押さえて（挟持して）固定することができる。その結果、固定円板１０が、挟持されて固定される組み立ての行程あるいは排気中に、上流側へ反って（反り返って）しまうことを低減することができる。

　さらに、ニゲ形成部７１５における真空ポンプ１００の軸方向中心側の面であるニゲ形成部内径面７３は、少なくとも一部を、下流側へ向かってやや傾斜する構成にすることが望ましい。
　より詳しくは、図４に示したように、径方向水平面とニゲ形成部内径面７３とが傾斜角θを有する構成にする。この傾斜角θは、段差部における固定円板１０およびらせん状板９００のクリアランス幅Ｒと、スペーサ７１０（ニゲ形成部７１５）におけるスペーサ７０よりも延伸された延伸部分の径方向幅ｒとにより定められる範囲内で、なるべく大きな値が望ましい。
　この傾斜角θを有する構成により、段差部を通過するガスの流れを滑らかにすることができる。その結果、特にニゲ形成部７１５のニゲ形成部内径面７３付近における反応生成物の堆積を低減することができる。

　さらに、段差部の深さを決めるニゲ形成部内径面７３の下流側末端（すなわち、ニゲ形成部７１５の最下面であり、図４に２つ示した二点鎖線のうち下の二点鎖線で示される部分）の位置・高さ（矢印β）は、らせん状板９００の上流面の位置・高さ（矢印α）と一致させる構成が望ましい。

　上述したようにニゲ形成部７１５を構成することにより、スペーサ７１０の軸方向側面とらせん状板９００の軸方向側面とで形成される隙間で生じる相互作用を、最大限に活かすことができる。

　上述した各実施形態では、真空ポンプ１（１００）に１つ（１箇所）の段差部を設ける構成にしたが、これに限られることはなく、段差部を２箇所以上に設ける構成にしてもよい。つまり、らせん状板９００により形成された段差部よりも下流側に、さらに、らせん状板９００よりもブレード長が短いらせん状板を設ける構成にしてもよい。その場合は、スペーサ７００（７１０）についても、該当する２箇所目の段差部を境にして下流側に、スペーサ７００よりも小さい内径を有するスペーサが設けられる構成となる。

（実施形態３）
　図５は、本発明の実施形態３に係る複合型真空ポンプ１１０の概略構成例を示した図である。
　実施形態３に係る複合型真空ポンプ１１０では、吸気口４側にターボ分子ポンプ部Ｔが、そして、排気口６側にねじ溝ポンプ部Ｓが配設され、その間に、上述したらせん状板９００とスペーサ７００を備える構成が配設される。
　より詳しくは、ターボ分子ポンプ部Ｔは、ロータ８における吸気口４側に、複数枚のブレード形状をした回転翼９０および固定翼９１を備える。固定翼９１は、シャフト７の軸線に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、回転翼９０と互い違いに、軸線方向に複数段配設されている。
　また、ねじ溝ポンプ部Ｓは、ロータ円筒部（スカート部）８ａおよびねじ溝排気要素７１を備える。ロータ円筒部８ａ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である。ねじ溝排気要素７１は、ロータ円筒部８ａとの対向面にネジ溝（らせん溝）が形成されている。
　ねじ溝排気要素７１におけるロータ円筒部８ａとの対向面側（すなわち、真空ポンプ１１０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８ａの外周面と対面しており、ロータ円筒部８ａが高速回転すると、複合型の真空ポンプ１１０で圧縮されたガスがロータ円筒部８ａ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７１におけるロータ円筒部８ａとの対向面と、ロータ円筒部８ａ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７１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７１に形成されたネジ溝の方向は、ネジ溝内をロータ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、ネジ溝の深さは、排気口６に近づくにつれて浅くなるようになっており、ネジ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、複合型の真空ポンプ１１０は、当該真空ポンプ１１０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。

　この複合型の真空ポンプ１１０の構成により、ターボ分子ポンプ部Ｔで圧縮されたガスは、次に本実施形態のらせん状板９００とスペーサ７００を備える部分で圧縮され、さらに、ねじ溝ポンプ部Ｓで圧縮されるので、より真空化性能を高めることができる。

（実施形態４）
　図６は、本発明の実施形態４に係る複合型真空ポンプ１２０の概略構成例を示した図である。
　なお、実施形態３と同等の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
　実施形態４に係る複合型真空ポンプ１２０では、吸気口４側にターボ分子ポンプ部Ｔが、そして、排気口６側にねじ溝ポンプ部Ｓが配設され、その間に、上述したらせん状板９００とスペーサ７１０およびスペーサ７００を備える構成が配設される。
　この複合型の真空ポンプ１２０の構成により、ターボ分子ポンプ部Ｔで圧縮されたガスは、次に本実施形態のらせん状板９００とスペーサ７１０およびスペーサ７００を備える部分で圧縮され、さらに、ねじ溝ポンプ部Ｓで圧縮されるので、より真空化性能を高めることができる。

　上述した段差部を設ける構成により、本実施形態では、真空ポンプ１（１００、１１０、１２０）の下流側のらせん状板９００に生じる応力を軽減することができる。また、下流側における排気機構の断面積を小さくすることができる。その結果、真空ポンプ１（１００、１１０、１２０）の消費電力を軽減することができる。

　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、そして、本発明が当該改変されたものにも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
　　８ａ　ロータ円筒部
　　　９　らせん状板
　　１０　固定円板
　　２０　モータ部
　　３０　径方向磁気軸受装置
　　３１　径方向磁気軸受装置
　　４０　軸方向磁気軸受装置
　　７０　スペーサ
　　７１　ねじ溝排気要素
　　７２　接触面
　　７３　ニゲ形成部内径面
　　８０　ステータコラム
　　９０　回転翼
　　９１　固定翼
　１００　真空ポンプ
　１１０　真空ポンプ（複合型）
　１２０　真空ポンプ（複合型）
　７００　スペーサ
　７１０　スペーサ
　７１１　接触面
　７１５　ニゲ形成部
　９００　らせん状板
１０００　従来の真空ポンプ
１１００　従来の真空ポンプ（複合型）

Claims (8)

1. 　吸気口と排気口が形成された外装体と、
   　前記外装体に内包され、回転自在に支持された回転軸と、
   　前記回転軸または前記回転軸に配設された回転円筒体の外周面にらせん状に配設された、少なくとも１つのスリットが設けられるらせん状板と、
   　前記らせん状板の前記スリット内に、当該スリットと所定の間隔を設けて配設され、貫通した穴部を有する固定円板と、
   　前記固定円板を固定するスペーサと、
   　前記らせん状板と前記固定円板との相互作用により前記吸気口側から吸気した気体を前記排気口側へ移送する真空排気機構と、
   を備える真空ポンプであって、
   　前記スリットの少なくとも１つを境にして前記らせん状板の外径が縮小することを特徴とする真空ポンプ。
   
2. 　前記固定円板の少なくとも１つを境にして前記スペーサの内径が縮小することを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
   
3. 　前記固定円板を介して対向する前記スペーサのうち少なくともどちらか一方に、当該固定円板と当該スペーサとの接触面の内径を等しくするニゲ形成部を有することを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
   
4. 　前記ニゲ形成部は、前記らせん状板と対向する側の側面の少なくとも一部に、下流側へ向かって傾斜する傾斜部を有することを特徴とする請求項３に記載の真空ポンプ。
   
5. 　前記ニゲ形成部の下端の水平位置は、当該ニゲ形成部を有する前記スペーサと所定の間隙を介して対向する前記らせん状板の上流面の水平位置と一致することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の真空ポンプ。
   
6. 　前記請求項１から請求項５の少なくとも１項に記載の真空ポンプに備わるらせん状板。
   
7. 　前記請求項２から請求項５の少なくとも１項に記載の真空ポンプに備わるスペーサ。
   
8. 　前記請求項６に記載のらせん状板を備える回転円筒体。

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