(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングの内周に設置された固定翼と回転翼との組み合わせからなるターボ機構を複数段有するとともに、前記回転翼が付設された回転体と一体の回転軸が前記ケーシングと一体の固定部に対し軸受を介して回転自在に支持され、前記回転軸がモータによって回転駆動されることにより、ケーシングの吸気口からの分子を排気口に排気するポンプであって、前記ターボ機構の吸気口側または排気口側に固定円筒部を配設し、この固定円筒部の内周面に刻設されたねじ溝と前記回転体の外周面との協働によるねじ溝ポンプ機構を併設したターボ分子ポンプにおいて、前記固定円筒部を２重の円筒部材からなる分割体として構成するとともに、内側の円筒部材の肉厚を前記ねじ溝ポンプのねじの深さに対応して一様な厚さとしたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項２】
ケーシングの内周に設置された固定翼と回転翼との組み合わせからなるターボ機構を複数段有するとともに、前記回転翼が付設された回転体と一体の回転軸が前記ケーシングと一体の固定部に対し軸受を介して回転自在に支持され、前記回転軸がモータによって回転駆動されることにより、ケーシングの吸気口からの分子を排気口に排気するポンプであって、前記ターボ機構の吸気口側または排気口側に固定円筒部を配設し、この固定円筒部の内周面に刻設されたねじ溝と前記回転体の外周面との協働によるねじ溝ポンプ機構を併設したターボ分子ポンプにおいて、前記固定円筒部を２重の円筒部材からなる分割体として構成するとともに、内側の円筒部材を前記ケーシングに対して円筒部材の吸気口側端部または排気口側端部のみにて固定保持させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプ。
【請求項３】
ケーシングの内周に設置された固定翼と回転翼との組み合わせからなるターボ機構を複数段有するとともに、前記回転翼が付設された回転体と一体の回転軸が前記ケーシングと一体の固定部に対し軸受を介して回転自在に支持され、前記回転軸がモータによって回転駆動されることにより、ケーシングの吸気口からの分子を排気口に排気するポンプであって、前記ターボ機構の吸気口側または排気口側に固定円筒部を配設し、この固定円筒部の内周面に刻設されたねじ溝と前記回転体の外周面との協働によるねじ溝ポンプ機構を併設したターボ分子ポンプにおいて、前記固定円筒部を２重の円筒部材からなる分割体として構成するとともに、内側の円筒部材の吸気口側端又は排気口側端に薄肉のフランジ部を形成し、このフランジ部を介して前記それぞれの円筒部材を互いに結合したことを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプ。
【請求項４】
ケーシングの内周に設置された固定翼と回転翼との組み合わせからなるターボ機構を複数段有するとともに、前記回転翼が付設された回転体と一体の回転軸が前記ケーシングと一体の固定部に対し軸受を介して回転自在に支持され、前記回転軸がモータによって回転駆動されることにより、ケーシングの吸気口からの分子を排気口に排気するポンプであって、前記ターボ機構の吸気口側または排気口側に固定円筒部を配設し、この固定円筒部の内周面に刻設されたねじ溝と前記回転体の外周面との協働によるねじ溝ポンプ機構を併設したターボ分子ポンプにおいて、前記固定円筒部を２重の円筒部材で構成するとともに、内側の円筒部材の肉厚を、前記回転体が破壊したときに生起する衝撃力にて内側の円筒部材の内側表面全体が受ける内圧がトレス力の降伏条件式にて導出される内側の円筒部材の降伏する内圧より小さくなるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータにて回転軸と一体の回転体に付設され回転駆動される回転翼と、この回転翼に対向してケーシングに固定設置された固定翼との組み合わせからなるターボ機構を複数段備え、このターボ機構の作動によって前記ケーシングの吸気口側より排気口側へ排気を行うターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプは、回転翼と固定翼との組み合わせからなるターボ機構の作動により排気を行うもので、その構成は図３に示すとおりである。このターボ分子ポンプは、たとえばアルミニウム合金製の固定部１Ｆとケーシング１を主体として構成される固定側と、この固定部１Ｆの中央上方の保持枠１Ｍに軸受ＳＢを介して回転自在に支持され、モータＭにて回転駆動される回転軸５とこの回転軸５に一体的に結合された回転体２を主体として構成される回転側よりなっている。そして、この回転体２の外周には回転翼２Ｂが突出した形で付設されている。他方、ケーシング１の内周には、積層形にリング状のスペーサ１Ｓが設置され、この各スペーサ１Ｓ間に基端が保持され、かつ内方に突設された固定翼１Ｂが設けられている。この回転翼２Ｂと固定翼１Ｂとの組み合わせにより、ターボ機構Ｔが構成される。そして、このターボ機構Ｔの作動、すなわち回転翼２Ｂ側の高速回転によって、吸気口３から吸入したガス分子をこのターボ機構Ｔによって叩き飛ばし、排気口４に向かって圧縮排気するのである。
【０００３】
さらに、この回転体２の排気口４側の端部には、回転円筒部２Ｄが延設されていて、この回転円筒部２Ｄがケーシング１に固設された固定円筒部１Ｄの内周面に近接対応している。さらに、この固定円筒部１Ｄには、２点鎖線で示すように、内周面にねじ溝１Ｎが刻設されている。そして、このねじ溝１Ｎと回転円筒部２Ｄとの協働により、粘性流による排気機能が行われるモレキュラードラッグポンプすなわちねじ溝ポンプが構成されている。このように、ターボ機構によるポンプとモレキュラードラッグポンプとを結合させたターボ分子ポンプをハイブリッド形ターボ分子ポンプと称している。Ｂは排気口４を排気管（図示していない）に接続するためのベントである。
【０００４】
なお、回転体２も高速回転に耐えるために、アルミニウム合金などの金属材料で製作されている。また、図示例の場合、回転体２と一体の回転軸５は、上下一対配設されたラジアル用およびスラスト用の軸受ＳＢによって、保持枠１Ｍに対して支持される。
【０００５】
ところで、モータＭは回転軸５と保持枠１Ｍとの間で構成された高周波形のモータで、具体的には図３に示すように、回転軸５には回転子巻線が付設され、他方保持枠１Ｍの側の内周面には電機子巻線が設置され、この両者の組み合わせによって構成されている。この高周波形のモータＭによって、回転体２は毎分２００００〜１０００００回転で回転駆動される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなターボ分子ポンプにおいては、回転体２を構成する材料に欠陥があったり、あるいは腐蝕性ガスの排気等で回転体２の材料が徐々に腐蝕を受け使用を重ねるうちに強度が低下して高速回転による遠心力にて回転体２が破壊する場合がある。高速回転する回転体２が遠心破壊を起したときは、回転体２は分裂し半径方向に飛散し、固定円筒部１Ｄなどの固定側に衝突し衝撃力となる。このとき固定円筒部１Ｄが薄く強度が不足していると大きく変形し、ケーシング１に衝突してしまう。結果としてポンプ外部に衝撃を与えることになる。一方、固定円筒部１Ｄが厚くて回転体２が破壊しても変形しない場合には、衝撃が吸収されずポンプ外部に衝撃力を直接的に伝達してしまうことになる。この衝撃力は複合ポンプから外部の装置へと伝達される。この外部への伝達は各種装置、機器の損傷を招き耐久性を低下させることになる。
本発明はこのような課題を解決するターボ分子ポンプを提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供するターボ分子ポンプは、上記課題を解決するために、複数段のターボ機構を有するターボ分子ポンプにおいて、回転体を包囲する固定側の固定円筒部を２重の円筒部材からなる分割体として構成するとともに、内側の円筒部材の肉厚を前記ねじ溝ポンプのねじの深さに対応して一様な厚さとしたものである。さらに本発明は２重の円筒部材における内側部材の肉厚を固定円筒部が２重の円筒部材で構成するとともに、内側の円筒部材の肉厚を、前記回転体が破壊したときに生起する衝撃力にて内側の円筒部材の内側表面全体が受ける内圧がトレス力の降伏条件式にて導出される内側の円筒部材の降伏する内圧より小さくなるよう設定するものである。したがって、固定円筒部が受ける衝撃が緩わらげられる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施例にしたがって説明する。
本発明が第１に提供するターボ分子ポンプの構成は図１に示される。図１は本発明のターボ分子ポンプにおける要部を拡大して示す断面図で、図３と同一の符号で示される構成、部品は図３と同様であり、詳細な説明は省略する。
本発明は、固定円筒部を内側の円筒部材１ＤＮと外側の円筒部材１ＤＳによる２重の部材で構成し、これらを有機的に組み合わせた点に特徴を有する。すなわち、内側の円筒部材１ＤＮには上端部（吸気口側端部）に、フランジ部１ＤＦが形成されていて、このフランジ部１ＤＦが外側の円筒部材１ＤＳの上端部に形成された環状の凹部１ＤＫに嵌合され、両者が互いに固着されている。この嵌合固着によって内側の円筒部材１ＤＮは外側の円筒部材１ＤＳに対して位置決めされ固定保持される。
【０００９】
この内側の円筒部材１ＤＮと外側の円筒部材１ＤＳは、このフランジ部１ＤＦの環状の凹部１ＤＫへの嵌合により簡略にてかつ正確に嵌合される。しかもこの保持の仕方はいわゆる一端側で保持する片持式であって、保持が簡略であるとともに他方端が自由端となり、回転体２の破壊時における衝撃力を吸収するに有益である。
さらにこのフランジ部１ＤＦはその降伏する力を充分小さく設定されている。具体的には、このフランジ部１ＤＦは充分に肉厚が薄く形成されている。したがって、内側の円筒部材１ＤＮの膨張を許容するようになっている。
【００１０】
本発明が第２に提供するターボ分子ポンプは、２重に分割された内側の円筒部材１ＤＮと外側の円筒部材１ＤＳのうち、内側の円筒部材１ＤＮの肉厚をねじ溝１Ｎの深さに対応して一様の厚さにした点を特徴としている。すなわち、具体的にはねじ溝１Ｎの溝底の傾斜面と並行な斜面を有する形状になるような形とする。図１に示す実施例においては、円筒部材１ＤＮの外周を長手方向に３段階に分け、各段階においては同径として下方になるに従ってねじ溝１Ｎに対応し小径にして、全体的にはねじ溝１Ｎの深さに対応する一様な厚さとなっている。
【００１１】
このような形状は円筒部材１ＤＮの加工を容易にするためであるが、最も基本的にはテーパ状の円筒部材とするのが望ましい。ただ、この形状では加工が図示例に比して困難で熟練を要する。図示例以外の変形例としては、階段を３段以上の多段、たとえば４段、あるいは６段などにして各段同径とする形とすることもできる。
このような形状にすることによって、内側の円筒部材１ＤＮは回転体２の破壊の衝撃力によって変形するものの、一様な厚さのため局所的な変形を防止できる。
【００１２】
さらに本発明は、上記内側の円筒部材１ＤＮを一様な厚さとすることに加えて、この円筒部材１ＤＮの肉厚を降伏条件式から導出される厚さとした点に特徴を有するものである。
すなわち、回転体２が破壊したときに生起する衝撃力にて、円筒部材１ＤＮの内側表面全体が受ける内圧を実内圧とするとき、この実内圧をトレス力の降伏条件式にて導出される円筒部材１ＤＮの降伏する内圧（理論内圧）より小さくなるように円筒部材１ＤＮの肉厚を設定することである。ここで衝撃力について図２に示される原理図に従い明らかにするとつぎのとおりである。
【００１３】
図２において、各符号はつぎの内容である。
Ｍ＝回転体２が破壊したときの破片の質量
Ｒ＝回転体２の破片が破壊前に回転したときの半径
ＲＧ＝内側の円筒部材１ＤＮの内径
ＲＩ＝回転体２の内径
Ｒ０＝回転体２の外径
θ＝角度
ω＝回転体２の回転における角速度
ＲＨ＝回転体２の軸方向長さ
今、破壊が生起し、回転体２の破片が円筒部材１ＤＮに衝突したとすると、その衝突時間、厳密には衝突開始から衝突終了までの時間をｔとすると、回転体２が内側の円筒部材１ＤＮに与える衝撃力はつぎの式にて求められる。
0004660967.tif 000002
【００１４】
すなわち上式（１）に示すように、回転体２の破片が円筒部材１ＤＮに与える力Ｆ０は運動量保存の法則より（１）式で示される形となる。
したがって、円筒部材１ＤＮにおける角度θの半径方向の力ＦＲ０は（２）式で求められる。この（２）式に（１）式を代入すると（３）式が求められる。この（３）式は回転体２の破片１個のみについてであり、これを回転体２全体において衝突が起こるとすると、上記（３）式を半径Ｒの円周長さ２πＲ分だけ拡張すると（４）式のとおりとなる。
つぎにこの（４）式を半径Ｒ方向にＲＩからＲ０まで加算すると（５）式が得られる。このときθは半径Ｒの関数となるので（６）式が得られる。
【００１５】
つぎに（５）式に上記（４）式、（６）式を代入すると（７）式が得られる。そして更にこの（７）式を回転体２の軸方向の長さＲＨ分だけ拡張すると最終的には（８）式が得られる。
この（８）式におけるＦＲ３がすなわち回転体２が内側の円筒部材１ＤＮに与える衝撃力なのである。この衝撃力は下記の式で示す形の式として表現できる。この式におけるＦがすなわち全体の衝撃力である。
0004660967.tif 000003
この式からも明らかなように、この衝撃力Ｆは回転体２の半径Ｒが大きくなるほど大きく、円筒部材１ＤＮの内径ＲＧが大きくなるほど小さくなる。
【００１６】
さて、このような衝撃力Ｆが作用することから、この円筒部材１ＤＮの厚さを所定の大きさに設定しなければならない。すなわち、この衝撃力Ｆが円筒部材１ＤＮの内周面全域に作用するわけであるから、この作用による圧力は衝撃力Ｆを円周面面積で除算した圧力（実圧力）となる。この実圧力により大きな内圧力に耐えうる円筒部材１ＤＮであれば、回転体２の破壊によっても破壊するおそれはないということになる。
【００１７】
ところで、円筒部材１ＤＮが降伏する内圧力は理論上「トレス力の降伏条件」式にて求めることができる。この「トレス力の降伏条件」はつぎの式に示すとおりである。
0004660967.tif 000004
すなわち、上式において
ＰＥ＝円筒部材１ＤＮの降伏する内圧
δｓ＝円筒部材１ＤＮの降伏応力
ＲＮＡ＝円筒部材１ＤＮの内径
ＲＯＴ＝円筒部材１ＤＮの外径
を示している。Ｋは円筒部材１ＤＮの内外径比をあらわしている。ここでδｓは円筒部材１ＤＮの材質によって定まる値であり、したがって円筒部材１ＤＮの内径ＲＮＡ、外径ＲＯＴを設定する場合、その設定による結果の内圧ＰＥが上記した実圧力Ｆより大きくなるように内径ＲＮＡ、外径ＲＯＴを設定すればよいということになる。
【００１８】
本発明はこのような形で理論上求められる肉厚を有する内側の円筒部材１ＤＮを有することを特徴としている。したがって、回転体２の破壊による衝撃力や塑性変形する肉厚を計算によって求めることができ、また吸収したい衝撃力をも求めることができる。このことからポンプ外部の機器、装置への衝撃を適性に減少させることが可能となる。
【００１９】
本発明が提供するターボ分子ポンプは以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく、種々の変形実施例を包含するものである。
まず、内側の円筒部材１ＤＮを外側の円筒部材１ＤＳに対して固定保持する方法であるが、円筒部材１ＤＮの下方端、すなわち排気口側の端部を外側の円筒部材１ＤＳに対して片持ち形で保持させることも可能である。
図示例では回転円筒部２Ｄが回転軸の上端より傘のように吊設された構成のターボ分子ポンプが示されているが、この回転円筒部を上方向けに架設する形とすることもできる。この場合、回転円筒部としての２重の円筒部材はターボ分子ポンプの上方に設置することになる。さらには上下両方向に架設し断面がＨ形となる回転体とすることもできる。回転体２を磁気軸受にて支持するターボ分子ポンプにも本発明は適用可能である。
本発明は、これらすべての変形実施例を包含する
【００２０】
【発明の効果】
本発明が提供するターボ分子ポンプは以上詳述したとおりであるから、ポンプ全体を大形化することなく、そして回転体が破壊した場合、その衝撃力を減少することができる。したがって、ポンプ破壊時における衝撃に対して大形の対策をとる必要もなく、小型化にしてかつ経済的なポンプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボ分子ポンプの構成の要部を示す縦断面図である。
【図２】本発明によるターボ分子ポンプにおける原理を説明するための図である。
【図３】従来におけるターボ分子ポンプの構成を示す図である。
【符号の説明】
１…ケーシング
１Ｂ…固定翼
１Ｄ…固定円筒部
１ＤＮ…内側の円筒部材
１ＤＳ…外側の円筒部材
１ＤＦ…フランジ部
１ＤＫ…環状の凹部
１Ｓ…スペーサ
２…回転体
２Ｂ…回転翼
２Ｄ…回転円筒部
３…吸気口
４…排気口
５…回転軸
Ｔ…ターボ機構
【図１】
0004660967.tif 000005
【図２】
0004660967.tif 000006
【図３】
0004660967.tif 000007