JPH0826877B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents
ターボ分子ポンプInfo
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- JPH0826877B2 JPH0826877B2 JP3043601A JP4360191A JPH0826877B2 JP H0826877 B2 JPH0826877 B2 JP H0826877B2 JP 3043601 A JP3043601 A JP 3043601A JP 4360191 A JP4360191 A JP 4360191A JP H0826877 B2 JPH0826877 B2 JP H0826877B2
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- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 9
- 210000003746 feather Anatomy 0.000 claims 1
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- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract 1
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- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D23/00—Other rotary non-positive-displacement pumps
- F04D23/008—Regenerative pumps
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
- F04D17/08—Centrifugal pumps
- F04D17/16—Centrifugal pumps for displacing without appreciable compression
- F04D17/168—Pumps specially adapted to produce a vacuum
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D19/00—Axial-flow pumps
- F04D19/02—Multi-stage pumps
- F04D19/04—Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
- F04D19/042—Turbomolecular vacuum pumps
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- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はターボ分子ポンプに関
し、特に、より高圧まで動作範囲を拡張できるよう圧縮
比を高めたターボ分子ポンプに関する。
し、特に、より高圧まで動作範囲を拡張できるよう圧縮
比を高めたターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のターボ分子ポンプは一般に10-7〜
10-1（又は１）Ｐa の動作範囲を有し、すなわちこれら
のポンプは大気に直接排気をすることができない。した
がって従来のターボ分子ポンプは、必要となる補助真空
を生成しかつ圧送された気体を大気圧で排出する補助ポ
ンプを連結する必要がある。しかしながら、補助ポンプ
の潤滑油によってターボ分子ポンプの汚れが生じ、これ
が低動作範囲における圧送作用を妨げる。これは短期間
におけるメンテナンスにより回避することができるが、
このために真空装置の高価な初期費用に加えてさらに運
転コストが上昇する。しかも、ターボ分子ポンプと補助
ポンプとの連結は手間がかかり、ほとんどの適用におい
て不都合となる。
10-1（又は１）Ｐa の動作範囲を有し、すなわちこれら
のポンプは大気に直接排気をすることができない。した
がって従来のターボ分子ポンプは、必要となる補助真空
を生成しかつ圧送された気体を大気圧で排出する補助ポ
ンプを連結する必要がある。しかしながら、補助ポンプ
の潤滑油によってターボ分子ポンプの汚れが生じ、これ
が低動作範囲における圧送作用を妨げる。これは短期間
におけるメンテナンスにより回避することができるが、
このために真空装置の高価な初期費用に加えてさらに運
転コストが上昇する。しかも、ターボ分子ポンプと補助
ポンプとの連結は手間がかかり、ほとんどの適用におい
て不都合となる。
【０００３】上記の補助ポンプの必要性を減じるため
に、いわゆる複合型ターボ分子ポンプが開発されてい
る。米国特許公報第 4732529号、第 4826393号及び第 4
797068号は、圧縮比上昇部を備えたターボ分子ポンプを
開示する。この圧縮比上昇部は、気体を高真空部から簡
単な排気装置（例えば薄板ポンプ）へ案内する螺旋溝付
きロータ（又はねじロータ）からなる。この種の複合型
ターボ分子ポンプは複数の補助真空ポンプからなる複雑
な排気装置を必要としないものの、気体を大気圧で排出
することができないためにやはり補助ポンプを必要とす
る。
に、いわゆる複合型ターボ分子ポンプが開発されてい
る。米国特許公報第 4732529号、第 4826393号及び第 4
797068号は、圧縮比上昇部を備えたターボ分子ポンプを
開示する。この圧縮比上昇部は、気体を高真空部から簡
単な排気装置（例えば薄板ポンプ）へ案内する螺旋溝付
きロータ（又はねじロータ）からなる。この種の複合型
ターボ分子ポンプは複数の補助真空ポンプからなる複雑
な排気装置を必要としないものの、気体を大気圧で排出
することができないためにやはり補助ポンプを必要とす
る。
【０００４】低い到達圧力（３×10-2Ｐa)に達しうる新
型のラフポンプが開発されている。「真空科学技術(J.V
ac.Sci.Technol.)」第６巻第４号2518〜2521（1988年７
／８月号）に記載されているように、このポンプは、半
径流ポンプ段及び排気側の周流ポンプ段を備えたターボ
真空ラフポンプであり、半径流ポンプ段は圧送気流を半
径方向に案内する溝付き通路内で回転する羽根車からな
り、周流ポンプ段はポンプが大気圧で排気可能であるよ
うに圧力を上昇させる。しかしながら、このポンプはタ
ーボ分子ポンプを代替し得ない単なるラフポンプであ
る。ターボ分子ポンプの到達圧力（10-7Ｐa)は、このラ
フポンプの到達圧力（10-2Ｐa)よりも数段低い値であ
る。
型のラフポンプが開発されている。「真空科学技術(J.V
ac.Sci.Technol.)」第６巻第４号2518〜2521（1988年７
／８月号）に記載されているように、このポンプは、半
径流ポンプ段及び排気側の周流ポンプ段を備えたターボ
真空ラフポンプであり、半径流ポンプ段は圧送気流を半
径方向に案内する溝付き通路内で回転する羽根車からな
り、周流ポンプ段はポンプが大気圧で排気可能であるよ
うに圧力を上昇させる。しかしながら、このポンプはタ
ーボ分子ポンプを代替し得ない単なるラフポンプであ
る。ターボ分子ポンプの到達圧力（10-7Ｐa)は、このラ
フポンプの到達圧力（10-2Ｐa)よりも数段低い値であ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、高圧縮比を備えたターボ分子ポンプを提供すること
にある。本発明の第２の目的は、補助ポンプを連結する
ことなく大気圧での排気が可能なターボ分子ポンプを提
供することにある。本発明の第３の目的は、同様の動作
範囲を有する従来の真空システムに比べて比較的扱いが
容易なターボ分子ポンプを提供することにある。
は、高圧縮比を備えたターボ分子ポンプを提供すること
にある。本発明の第２の目的は、補助ポンプを連結する
ことなく大気圧での排気が可能なターボ分子ポンプを提
供することにある。本発明の第３の目的は、同様の動作
範囲を有する従来の真空システムに比べて比較的扱いが
容易なターボ分子ポンプを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係るターボ分子ポンプは、互いに逆方向
に傾斜した羽根群をそれぞれに備えたロータ及びステー
タを交互に配設してなる、気体を軸流方向に圧送する複
数の軸流ポンプ段を吸気側に具備したターボ分子ポンプ
において、実質的に円滑な外周面を有した平板ロータ及
び該ロータと同一面上に配置されたステータからなるポ
ンプ段であって、それら平板ロータ及びステータの周辺
の一部に沿って相互間に、吸気口及び排気口に連通する
環状の自由通路を形成して、該吸気口から該排気口まで
気体を前記平板ロータに対し接線流方向に圧送する少な
くとも１つの接線流ポンプ段を、排気側で前記軸流ポン
プ段に結合したことを特徴とする。本発明の他の特徴に
よれば、粘性流れ範囲におけるポンプ効果を高めるため
に、ロータが複数の羽根を備えた羽根付ロータからなる
付加ポンプ段を、排気口の下流にさらに備えることがで
きる。
めに、本発明に係るターボ分子ポンプは、互いに逆方向
に傾斜した羽根群をそれぞれに備えたロータ及びステー
タを交互に配設してなる、気体を軸流方向に圧送する複
数の軸流ポンプ段を吸気側に具備したターボ分子ポンプ
において、実質的に円滑な外周面を有した平板ロータ及
び該ロータと同一面上に配置されたステータからなるポ
ンプ段であって、それら平板ロータ及びステータの周辺
の一部に沿って相互間に、吸気口及び排気口に連通する
環状の自由通路を形成して、該吸気口から該排気口まで
気体を前記平板ロータに対し接線流方向に圧送する少な
くとも１つの接線流ポンプ段を、排気側で前記軸流ポン
プ段に結合したことを特徴とする。本発明の他の特徴に
よれば、粘性流れ範囲におけるポンプ効果を高めるため
に、ロータが複数の羽根を備えた羽根付ロータからなる
付加ポンプ段を、排気口の下流にさらに備えることがで
きる。
【０００７】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。図１に示したように、本発明に係るターボ分
子ポンプは、従来公知のように、円筒形のポンプ胴３に
収容されたそれぞれロータ１ないし１ａ及びステータ２
ないし２ａからなる所定数の軸流ポンプ段を具備する。
ロータ１ａ及びステータ２ａからなるポンプ段をさらに
図２に示す。各ロータは回転軸６（以下、軸６という）
に取着されたディスク５からなり、ディスク５はその周
縁に半径方向へ突出する傾斜羽根７，７ａ，７ｂを担持
する。各ステータはロータの軸６を受ける中心穴を備え
た同様のディスクからなる。各ステータはポンプ胴３に
固定され、羽根９，９ａ，９ｂを備えたディスク８から
なる。この羽根９，９ａ，９ｂは、ロータの羽根７，７
ａ，７ｂの傾斜方向と反対方向に傾斜する。
説明する。図１に示したように、本発明に係るターボ分
子ポンプは、従来公知のように、円筒形のポンプ胴３に
収容されたそれぞれロータ１ないし１ａ及びステータ２
ないし２ａからなる所定数の軸流ポンプ段を具備する。
ロータ１ａ及びステータ２ａからなるポンプ段をさらに
図２に示す。各ロータは回転軸６（以下、軸６という）
に取着されたディスク５からなり、ディスク５はその周
縁に半径方向へ突出する傾斜羽根７，７ａ，７ｂを担持
する。各ステータはロータの軸６を受ける中心穴を備え
た同様のディスクからなる。各ステータはポンプ胴３に
固定され、羽根９，９ａ，９ｂを備えたディスク８から
なる。この羽根９，９ａ，９ｂは、ロータの羽根７，７
ａ，７ｂの傾斜方向と反対方向に傾斜する。
【０００８】吸気側から入る気体は（矢印Ａで示す）、
上記の軸流ポンプ段によって円筒形のポンプ胴３の軸線
に平行な方向へ圧送される。すなわち交互に配置したロ
ータ及びステータを通って、図１の矢印Ｂで示したよう
に気体の軸流が生じる。本発明によれば、異なる概念に
よる１つ又は複数のポンプ段が、軸流ポンプ段の下流に
付設される。図１にこのような２つのポンプ段を包括的
に参照符号10及び30を付して示す。各ポンプ段10及び30
はやはり、軸６に取着したロータとポンプ胴３に固定し
たステータとを備える。これらのポンプ段の構造細部を
図２〜図４に示す。
上記の軸流ポンプ段によって円筒形のポンプ胴３の軸線
に平行な方向へ圧送される。すなわち交互に配置したロ
ータ及びステータを通って、図１の矢印Ｂで示したよう
に気体の軸流が生じる。本発明によれば、異なる概念に
よる１つ又は複数のポンプ段が、軸流ポンプ段の下流に
付設される。図１にこのような２つのポンプ段を包括的
に参照符号10及び30を付して示す。各ポンプ段10及び30
はやはり、軸６に取着したロータとポンプ胴３に固定し
たステータとを備える。これらのポンプ段の構造細部を
図２〜図４に示す。
【０００９】図１〜図３に示したように、ポンプ段10は
軸６に固定した平板ディスクからなるロータ12を備え
る。ロータ12は、実質的同一面にありロータ12から離間
した環形状のステータ13によって包囲され、これにより
ロータとステータとの間に環状の自由通路14が形成され
る。バッフル15は上方の閉鎖板21及び下方の閉鎖板23に
それぞれ設けた吸気口17及び排気口18の間で通路14を遮
断する。閉鎖板21及び23は、例えば閉鎖板21の下向き縁
部22を接続する等適当な手段によって相互に連結され、
ポンプ段を収容する閉鎖ケーシングを形成する。軸６を
通すために、閉鎖板21及び23の双方に中心穴を設ける。
バッフル15は、図２及び図３に示したようにステータ13
の半径方向突起でもよいし、又はステータ13に堅固に固
定した別体の部材でもよい。
軸６に固定した平板ディスクからなるロータ12を備え
る。ロータ12は、実質的同一面にありロータ12から離間
した環形状のステータ13によって包囲され、これにより
ロータとステータとの間に環状の自由通路14が形成され
る。バッフル15は上方の閉鎖板21及び下方の閉鎖板23に
それぞれ設けた吸気口17及び排気口18の間で通路14を遮
断する。閉鎖板21及び23は、例えば閉鎖板21の下向き縁
部22を接続する等適当な手段によって相互に連結され、
ポンプ段を収容する閉鎖ケーシングを形成する。軸６を
通すために、閉鎖板21及び23の双方に中心穴を設ける。
バッフル15は、図２及び図３に示したようにステータ13
の半径方向突起でもよいし、又はステータ13に堅固に固
定した別体の部材でもよい。
【００１０】上記のポンプ段の動作を以下に説明する。
軸流ポンプ段によって圧送された気体は、吸気口17に入
り（図１及び図２に矢印Ｄで示す）、そして通路14に進
入する。ここで気体分子はロータ12の回転ディスクに衝
突し、ロータ12の接線方向成分速度を保持する（矢印Ｅ
で示す）。この過程により、気体分子は自由通路14内で
接線流に従って吸気口17から排気口18まで移送され、排
気口18を通って通路14から流出する（矢印Ｆで示す）。
自由通路14内で生じる気体の流れは、ロータの接線速度
方向に平行であるため「接線流」として説明する。
軸流ポンプ段によって圧送された気体は、吸気口17に入
り（図１及び図２に矢印Ｄで示す）、そして通路14に進
入する。ここで気体分子はロータ12の回転ディスクに衝
突し、ロータ12の接線方向成分速度を保持する（矢印Ｅ
で示す）。この過程により、気体分子は自由通路14内で
接線流に従って吸気口17から排気口18まで移送され、排
気口18を通って通路14から流出する（矢印Ｆで示す）。
自由通路14内で生じる気体の流れは、ロータの接線速度
方向に平行であるため「接線流」として説明する。
【００１１】上記の接線流ポンプ段10は分子流すなわち
過渡流の圧力範囲において効果的であり、出口圧力を従
来のターボ分子ポンプの一般的出口圧力である約１Ｐa
から103 Ｐa もしくはそれ以上まで高めることができ
る。より高い圧力範囲、すなわち粘性流れの範囲におい
ては、平板ディスクロータを備えたこの接線流ポンプ段
はもはや効果がない。そこで、図４に詳細に示したよう
な異なる形式のロータが、出口圧力をさらに大気圧まで
高めることができる。
過渡流の圧力範囲において効果的であり、出口圧力を従
来のターボ分子ポンプの一般的出口圧力である約１Ｐa
から103 Ｐa もしくはそれ以上まで高めることができ
る。より高い圧力範囲、すなわち粘性流れの範囲におい
ては、平板ディスクロータを備えたこの接線流ポンプ段
はもはや効果がない。そこで、図４に詳細に示したよう
な異なる形式のロータが、出口圧力をさらに大気圧まで
高めることができる。
【００１２】再び図１を参照すれば、粘性流れ範囲にお
いて効果的な第２の接線流ポンプ段が参照符号30で示さ
れる。ポンプ段30はポンプ段10の下流に連続して配置さ
れる。ポンプ段30はポンプ段10と同様に、下板33に連結
した下向き縁部32を備えた上板31からなる閉鎖ケーシン
グを備える。軸６はこのケーシング内を軸方向に延び、
周縁に羽根37，37ａ，37ｂを備えたディスクロータ35を
担持する。羽根37，37ａ，37ｂはロータ35の面に直交す
る面上に位置する。ロータと同一面にある環状ステータ
36がロータ35から離間してロータ35を包囲し、これによ
りロータの羽根の周縁とステータとの間に環状の自由通
路38が形成される。バッフル39は、上板31に設けた吸気
口40と下板33に設けた排気口41との間で、自由通路38を
遮断する。
いて効果的な第２の接線流ポンプ段が参照符号30で示さ
れる。ポンプ段30はポンプ段10の下流に連続して配置さ
れる。ポンプ段30はポンプ段10と同様に、下板33に連結
した下向き縁部32を備えた上板31からなる閉鎖ケーシン
グを備える。軸６はこのケーシング内を軸方向に延び、
周縁に羽根37，37ａ，37ｂを備えたディスクロータ35を
担持する。羽根37，37ａ，37ｂはロータ35の面に直交す
る面上に位置する。ロータと同一面にある環状ステータ
36がロータ35から離間してロータ35を包囲し、これによ
りロータの羽根の周縁とステータとの間に環状の自由通
路38が形成される。バッフル39は、上板31に設けた吸気
口40と下板33に設けた排気口41との間で、自由通路38を
遮断する。
【００１３】図１に示したように、ポンプ段10の排気口
18から排出された気体は、ポンプ段30の吸気口40に入り
（矢印Ｇで示す）、ロータとステータとの間の自由通路
38に進入する。ここで、気体分子はロータに衝突するこ
とにより運動エネルギーを獲得し、接線速度成分を有し
た回流が自由通路38内に生じ、気体は吸気口40から排気
口41へと圧送される。この最終段において、圧力は約10
5 Ｐa まで上昇するため、ポンプはポンプ胴３の排気口
43から直接大気に排気することができる。
18から排出された気体は、ポンプ段30の吸気口40に入り
（矢印Ｇで示す）、ロータとステータとの間の自由通路
38に進入する。ここで、気体分子はロータに衝突するこ
とにより運動エネルギーを獲得し、接線速度成分を有し
た回流が自由通路38内に生じ、気体は吸気口40から排気
口41へと圧送される。この最終段において、圧力は約10
5 Ｐa まで上昇するため、ポンプはポンプ胴３の排気口
43から直接大気に排気することができる。
【００１４】軸流ポンプ段及び接線流ポンプ段の両方を
備えた上記のターボ分子ポンプにおけるロータの周速度
は、通常 250ｍ／ｓ以上であり、好ましくは 350〜 400
ｍ／ｓである。例えば直径 100mm（0.１ｍ）のロータを
備えた小型ポンプにおいて、ロータの角速度（Ｖa)は毎
分 50000回転であり、周速度（Ｖp) 260ｍ／ｓを得る
（Ｖp ＝２πr ・Ｖa)。より大径のロータに対しては、
周速度を 250ｍ／ｓ以下に下げない条件で角速度を小さ
くすることができる。
備えた上記のターボ分子ポンプにおけるロータの周速度
は、通常 250ｍ／ｓ以上であり、好ましくは 350〜 400
ｍ／ｓである。例えば直径 100mm（0.１ｍ）のロータを
備えた小型ポンプにおいて、ロータの角速度（Ｖa)は毎
分 50000回転であり、周速度（Ｖp) 260ｍ／ｓを得る
（Ｖp ＝２πr ・Ｖa)。より大径のロータに対しては、
周速度を 250ｍ／ｓ以下に下げない条件で角速度を小さ
くすることができる。
【００１５】上記の説明から明らかなように、平板ロー
タ型式又は羽根付きロータ型式からなる軸流ポンプ段及
び接線流ポンプ段のいずれの個数も、本発明の範囲から
逸脱することなく特定の適用に従って変更することがで
きる。
タ型式又は羽根付きロータ型式からなる軸流ポンプ段及
び接線流ポンプ段のいずれの個数も、本発明の範囲から
逸脱することなく特定の適用に従って変更することがで
きる。
【図１】本発明によるターボ分子ポンプの部分軸方向断
面図である。
面図である。
【図２】図１のポンプの一部を示す斜視図で、第１実施
例による接線流ポンプ段を部分的に切欠いて示す。
例による接線流ポンプ段を部分的に切欠いて示す。
【図３】図２のポンプ段の部分切欠平面図である。
【図４】第２実施例による接線流ポンプ段の部分切欠斜
視図である。
視図である。
１，１ａ，12，35…ロータ ２，２ａ，13，36…ステータ ６…回転軸 ７，９，37…羽根 10，30…接線流ポンプ段 14，38…自由通路 15，39…バッフル 17，40…吸気口 18，41…排気口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャンパオロ レビ イタリア国，10143 トゥリン，ピアッツ ァ リソルジメント 20 (56)参考文献 特開 平２−49996（ＪＰ，Ａ)
Claims (8)
- 【請求項１】 互いに逆方向に傾斜した羽根群をそれぞ
れに備えたロータ及びステータを交互に配設してなる、
気体を軸流方向に圧送する複数の軸流ポンプ段を吸気側
に具備したターボ分子ポンプにおいて、実質的に円滑な外周面を有した平板 ロータ及び該ロータ
と同一面上に配置されたステータからなるポンプ段であ
って、それら平板ロータ及びステータの周辺の一部に沿
って相互間に、吸気口及び排気口に連通する環状の自由
通路を形成して、該吸気口から該排気口まで気体を前記
平板ロータに対し接線流方向に圧送する少なくとも１つ
の接線流ポンプ段を、排気側で前記軸流ポンプ段に結合
したことを特徴とするターボ分子ポンプ。 - 【請求項２】 前記排気口の下流に配置される付加ポン
プ段を排気側にさらに具備し、該付加ポンプ段は、複数
の羽根を備えた羽根付ロータ及び該ロータと同一面上に
配置されたステータからなり、それら羽根付ロータ及び
ステータの周辺の一部に沿って該羽根の周縁と該ステー
タとの間に、吸気口及び排気口に連通する環状の自由通
路を形成して、該吸気口から該排気口まで気体を前記羽
根付ロータに対し接線流方向に圧送する、請求項１記載
のターボ分子ポンプ。 - 【請求項３】 前記羽根は前記ロータの面に直交して設
けられる請求項２記載のターボ分子ポンプ。 - 【請求項４】 前記環状の自由通路は前記吸気口と前記
排気口との間に配置したバッフルにより両端部を定めら
れる請求項１〜３のいずれか１つに記載のターボ分子ポ
ンプ。 - 【請求項５】 気体を軸流方向に圧送する前記軸流ポン
プ段の前記ロータと、気体を接線流方向に圧送する前記
接線流ポンプ段の前記ロータとを共通の回転軸に取着し
た請求項１記載のターボ分子ポンプ。 - 【請求項６】 接線流式の前記付加ポンプ段の前記ロー
タをさらに前記回転軸に取着した請求項１，２又は５記
載のターボ分子ポンプ。 - 【請求項７】 前記軸流ポンプ段、前記接線流ポンプ段
及び前記付加ポンプ段の各々の前記ロータは、作動時に
各々少なくとも２５０ｍ／ｓの周速度で回転する請求項
５又は６記載のターボ分子ポンプ。 - 【請求項８】 前記接線流ポンプ段及び前記付加ポンプ
段の各々を、吸気口及び排気口を備えた上板及び下板か
らなるケーシングに収容した請求項１又は２記載のター
ボ分子ポンプ。
Applications Claiming Priority (2)
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