JPS6137474B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、粘性流領域に属する真空から分子流
域に属する真空まで、すなわち760Torr近傍から
10^-6Torr近傍までの広い範囲に亘つて、単一駆
動源で大気圧背圧に於て、排気作用を連続的に行
うように構成した高真空ポンプに関するものであ
る。

すなわち、回転円板と僅かの間隔で相対してい
る二つの内壁に穿設したらせん溝に沿つて外周か
ら内周へ排気する高真空側らせん溝分子ポンプに
於て、前記らせん溝を多条にかつ該多条のらせん
溝を形成する溝山上に、半径流方向ラビリンスシ
ール溝をそれぞれ穿設し、前記回転円板と該回転
円板と相対する内壁との間隔を0.2〜１mmにする
と共に、前記回転円板の両面吐出口側で該回転円
板と一体構造とした回転円筒を、前記内壁内で内
壁に穿設した多条のねじ溝つき内筒面と外筒面に
相対して0.2〜１mmの間隔を隔てた状態で高速に
回転することにより、排気を行う多条ねじ溝つき
ポンプを形成するとともに、該一体構造にある回
転円板と回転円筒の駆動軸を支承する軸受を回転
軸シールの大気圧側に配置して、多条ねじ溝つき
らせん溝分子ポンプを構成し、該ポンプの吐出口
と低真空側段ベーン真空ポンプ機構の吸入口を直
結して、分子ポンプとベーンポンプの二段直列排
気機構とし、両駆動軸を適当な伝導力変速機構で
結合して単一駆動源により作動させ、前記ベーン
ポンプの吐出口から大気に760Torrから10^-6Torr
台まで連続的に排気を行う高真空ポンプを提供す
るものである。

尚、らせん溝分子ポンプ、ねじ溝分子ポンプ及
びベーン真空ポンプの歴史は、いずれも古いが、
らせん溝分子ポンプ機構とねじ溝分子ポンプ機構
の溝の改良ならびに、ねじ溝つきらせん溝分子ポ
ンプとしての二段構成、そして該ねじ溝つきらせ
ん溝分子ポンプ、駆動軸の軸封の改良、更にはね
じ溝つきらせん溝分子ポンプとベーン真空ポンプ
の直列配置による単一駆動源作動の二段高真空ポ
ンプは本発明によつて始めて提案された事柄であ
る。

これらの提案された改良点について敷衍する。

先ず、第１の改良点について述べる。従来のら
せん溝分子ポンプは、背圧10^-1〜10^-2Torr台、吸
入側10^-6〜10^-7Torr台を目ざしていたがために、
10⁵以上の高圧縮比を要求されていた。従つて、
よく知られているように、回転円板と相対する二
つの内壁との隙間は、0.01mmから0.03mm程度で、
工作面はもとより作動信頼性の面からも実用的で
はなかつた。本発明は、先ずこのらせん溝分子ポ
ンプ機構を高真空側段ポンプとして10^-4〜
10^-6Torr近傍領域で作動させるようにして必要
圧縮比を10〜100程度にとどめること、更にらせ
ん溝山上に半径流方向のラビリンスシール溝を穿
設して前記回転円板と相対する二つの内壁との隙
間を通つて吸入口側へ排気された気体が逆流する
量を減少させることの２点により前記隙間の必要
量を0.2〜１mm程度に拡大出来るようにした。前
記0.2〜１mm程度の隙間は、現在実用化されてい
るルーツタイプ真空ポンプのローターとハウジン
グ間の隙間と比べて同程度ないしはそれ以上の値
であり、信頼性はもとより機械工作上からも十分
実用的である。

次に第２の改良点について述べる。前記らせん
溝分子ポンプは、前述したように圧縮比が10〜
100程度と小さいので、前記らせん溝分子ポンプ
の回転円板の両面吐出口側で、該回転円板と一体
構造とした回転円筒を前記らせん溝分子ポンプの
内壁内で該内壁に穿設したねじ溝つき内筒面と外
筒面に相対して0.3〜１mm程度の隙間で回転する
ことによるねじ溝分子ポンプを形成し、10^-3〜
10^-5Torr近傍領域で圧縮比100前後を補うように
した。尚、前記圧縮比100に対しては、ねじ溝を
多条にして隣りあうねじ溝間の圧力勾配を小さく
することと、ねじ溝ラビリンスシール作用により
排気気体逆流量を減少させること、更には円筒面
と外筒面の二段多条ねじ溝分子ポンプとして構成
することによる排気ねじ溝長さの増長等により、
古典ねじ溝分子ポンプで設計されていた前記隙間
の0.01〜0.03mmという値に対して、0.3〜１mm程度
の隙間で充分達成可能となつた。すなわち前記改
良点１と併せ、この多条ねじ溝つきらせん溝分子
ポンプは、実用工作レベルで全体として10³台以
上の圧縮比をもつように構成出来るようになつ
た。

続いて、第３の改良点について述べる。従来の
らせん溝分子ポンプ、ねじ溝分子ポンプとも背圧
側真空域に駆動軸を支承する軸受を配置し又背圧
側真空域に対する駆動軸の真空シールとしてパツ
キン類のシール機構が採用されていた。従つて、
軸受の潤滑剤が真空域に置かれることになり、軸
受の耐久性は勿論、背圧真空度も余り高真空にす
ることは出来なかつたし、又真空軸シールとして
のパツキン類も高速回転軸に対しては漏洩が大き
く、又耐久性も充分とはいえなかつた。これらの
事由により、従来タイプポンプでは、実用上
6000rpm以上の高速回転で背圧側を10^-2Torr以下
に保持することは不可能といえる状態にあつた。

そこで本発明では、駆動軸の真空軸シールに漏
洩量10^-8std c.c.／sec（He）以下の磁気流体シ
ールを用いることにより、漏洩量を飛躍的に少な
くするとともに、駆動軸を支承する軸受を磁気流
体シールに対して大気圧側に構成することにより
多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの背圧側真空
域を6000rpm以上の高速回転時でも10^-3〜
10^-4Torr台の真空度で保持出来ることが可能と
なつた。

更に、第４の改良点について述べる。従来のら
せん溝分子ポンプ、ねじ溝分子ポンプとも、その
排気速度は、その排気原理から周知されるよう
に、拡散ポンプ、軸流分子ポンプに比べて著るし
く小さく、この面からも実用面から姿を消す大き
な原因となつた。すなわち、排気速度はよく周知
されるように、溝の横断面積と、回転円板ならび
に回転円筒の周速に比例する関係にあるが、従来
のように背圧が高くかつ高い圧縮比を要求されて
いたらせん溝分子ポンプや、ねじ溝分子ポンプ、
それぞれ単体構成のポンプでは、溝の深さや溝数
を増加させることは難かしく、従つて排気速度も
大きくとれなかつた。

本発明では、背圧を10^-3Torr以上に高くし、
分子ポンプ部での必要圧縮比を従来の10⁵程度か
ら10³に低くするとともに、らせん溝分子ポンプ
とねじ溝分子ポンプを直列に配列し、各分子ポン
プ毎の必要な圧縮比を下げることにより、溝の深
さと溝数を増加して、排気速度を増加させるよう
にしても必要圧縮比を確保できるようになつた。

最後に第５の改良点について述べる。前記改良
１，２，３，４について述べてきた多条ねじ溝つ
きらせん溝分子ポンプは、原理的にねじ溝とらせ
ん溝をそれぞれ通過する気体が分子流域に於て作
動するポンプであり、背圧側を分子流域に保持す
る補助ポンプが必要である。従来のらせん溝分子
ポンプや、ねじ溝分子ポンプでは、この背圧側分
子流域程度の真空保持に対して別個の駆動源をも
ち、かつ別個に構成されたベーン真空ポンプを使
用し、この２台のポンプを配置することによつて
全体の排気系を構成するものであつた。すなわ
ち、先ず被排気系をベーン真空ポンプにより分子
流域に排気したのち、らせん溝分子ポンプないし
はねじ溝分子ポンプを作動させて高真空を確保す
るものでそれらを同時に駆動することはできなか
つた。すなわち、従来のらせん溝分子ポンプやね
じ溝分子ポンプでは、10⁵以上の高圧縮比でかつ
10^-2Torr台の背圧保持条件のため、被排気気体
の分子の平均自由行程からみてらせん溝や、ねじ
溝の深さを大きくとることが出来ず、特にいずれ
のポンプも吐出口側近傍の溝の深さは１mm前後の
値がとられていた。従つて、この深さの溝では、
0.5〜10Torr近傍で連続運転すると、圧縮仕事に
よる発熱が無視出来ない程大きくなり、回転円板
や回転円筒と、それらが相対する内壁面との隙間
が前述したように0.01〜0.03mm程度と小さい関係
もあり、熱膨張による接触事故につながる危険が
あり、背圧側の真空度にたえず注意する必要があ
つた。更に、10⁵以上の高圧縮比と10^-2Torrの背
圧保持条件では、らせん溝やねじ溝の全長にわた
つても、溝の深さ換言すれば溝の横断面積を大き
くとることが出来ないので、前記改良点４で述べ
た排気速度を大きく出来ないことは勿論、これら
のらせん溝分子ポンプやねじ溝分子ポンプの吐出
口側に直接ベーン真空ポンプ吸入口を連結して大
気圧から連続的に二段直列排気を行わせると、粘
性流域の場合、らせん溝分子ポンプやねじ溝分子
ポンプがベーン真空ポンプに対して排気抵抗とな
り、ベーン真空ポンプの排気速度を減じさせるよ
うに働らくので、粘性流域の排気のときには、ベ
ーン真空ポンプだけで行うようにバイパス配管を
設けていた。

そこで本発明は、10³程度の圧縮比、かつ10^-3
〜10^-4Torr台の背圧保持条件で、多条ねじ溝つ
きらせん溝分子ポンプを6000rpm以上の高速に作
動させるので、らせん溝とねじ溝の深さを被排気
気体の分子の平均自由行程からみて0.5〜10Torr
近傍の連続運転でも圧縮仕事による発熱を無視し
うる程度に大きく設計できること、ならびにらせ
ん溝とねじ溝の全長に亘つても溝深さ換言すれば
溝の横断面積を大きく設計できること、そしてら
せん溝とねじ溝を多条に形成されたこと、さらに
は多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの回転部と
それに相対する内壁との隙間が大きくこの隙間が
粘性流下での排気路として作用するなどの４点に
より、ベーン真空ポンプの粘性域での排気速度を
減じさせることのない前段ポンプとしての設計が
実現できることに着目して、この多条ねじ溝つき
らせん溝分子ポンプの吐出口に直接ベーン真空ポ
ンプ吸入口を連結して単一駆動源により同時に駆
動させ、大気圧から連続的に排気できる二段構造
ポンプとして構成出来ることを提案するものであ
る。

以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて説
明する。先ず、高真空側段らせん溝分子ポンプの
構成から説明する。１は高真空側段らせん溝分子
ポンプのライトハウジング、そして２は同じくら
せん溝分子ポンプのレフトハウジングである。前
記ライトハウジング１とレフトハウジング２と
は、Ｏリング１０を介して締付けボルト９により
固着されている。３は前記ライトハウジング１と
レフトハウジング２の間に形成された吸入口で、
図示しない被排気系に連通している。前記レフト
ハウジング２には、低真空側段ベーン真空ポンプ
の吸入口７に、インタメデイエイトハウジング４
の貫通孔６を介して連通する吐出孔５が穿設され
ている。前記ライトハウジング１をレフトハウジ
ング２にＯリング１０を介して締付けボルト９に
より嵌合して形成される真空排気室１１には、回
転円板１２が内包される。該回転円板１２の中心
側の両面には、該回転円板１２と一体となつた回
転円筒１３が突出している。前記回転円筒１３の
駆動軸１４の真空排気室１１に対する軸封は、前
記ライトハウジング１とレフトハウジング２にそ
れぞれ嵌合した磁気流体シール１５，１６により
行う。また前記駆動軸１４は、該磁気流体シール
１５，１６に対して大気圧側で、前記ライトハウ
ジング１とレフトハウジング２に嵌合した軸受１
７，１８によつて支承される。前記一方の軸受１
８は、前記駆動軸１４のラジアル負荷のみならず
スラスト方向位置固定をも行うことの出来るよう
に予圧をかけた２個の玉軸受ないしはアンギユラ
ー玉軸受である。又１９はオイルシールで、前記
一方の軸受１８用潤滑油のシールを行う。前記他
方軸受１７は、グリース密封型玉軸受である。

又、前記駆動軸１４には、貫通孔２０と冷却孔
２１がそれぞれ穿設される。つまり、該貫通孔２
０は、駆動軸１４中央部分で回転円筒１３両側に
ある真空排気室１１を連通するように穿設され、
又冷却孔２１は駆動軸１４のライトハウジング１
側端部に穿設される。そして、前記冷却孔２１内
にはライトハウジング１に形成した冷却水噴出ノ
ズル２２が配置される。２３は前記駆動軸１４の
冷却孔２１とは反対側端部に形成される歯車であ
る。前記冷却孔２１の深さは、磁気流体シール１
６が配置されている近傍までが良い。更に、前記
回転円筒１３の外周面２５と内周面２６には、い
ずれも４フツ化レジン（商品名テフロン）がコー
テイングされている。

次に、前記真空排気室１１内に内包される回転
円板１２は、前記ライトハウジング１の内壁２７
ならびに前記レフトハウジング２の内壁２８と
0.2〜１mmの間隙で相対して配置される。この内
壁２７，２８には、互いに逆まわりのらせん溝２
９，３０が対象に前記吸入口３から該回転円板１
２の中心方向に向つて順次溝深さが小さくなるよ
うに穿設されている。これらのらせん溝２９，３
０は前記内壁２７，２８に形成される中間排気室
３１，３２に連通する。これらの中間排気室３
１，３２は、前記回転円筒１３と回転円板１２と
の交接場所に相対する前記内壁２７，２８にそれ
ぞれ形成される。

ところで、前記回転円板１２が回転すると、前
記真空排気室１１内で分子流域にある気体が回転
円板１２に引摺られて、らせん溝２９，３０の中
を外周から内周に向つて排気されていく点は、従
来のらせん溝分子ポンプと同じ排気原理である
が、本発明ではこの点について次のような構成と
なつている。

第３図に一例として例示するように、前記らせ
ん溝２９が２９′，２９″，２９と４条に形成さ
れる。該らせん溝群２９，２９′，２９″，２９
が穿設されている前記内壁２７上の溝分割壁３
３，３３′，３３″，３３には、半径流ラビリン
スシール溝３４，３４′，３４″，３４がらせん
状に前記吸入口３側に関して閉鎖され、前記中間
排気室３１に関して開放されたように構成され
る。

尚、第３図において、本発明の一実施例とし
て、４条のらせん溝群２９，２９′，２９″，２９
形成例と、４条の半径流ラビリンスシール溝３
４，３４′，３４″，３４例を示したが、その他
の条数のらせん溝群、ラビリンスシール溝群を形
成してもよい。又、第１図に於て、半径流ラビリ
ンスシール溝３４の一実施例として横断面形状が
三角形の例を示したが、その他に台形形状溝、長
方形形状溝、又は鋸歯形状溝等でもよい。更に、
第３図において、ライトハウジング１の内壁２７
について示したが、レフトハウジング２の内壁２
８についても、らせん溝群３０、半径流ラビリン
スシール溝群７５が、鏡面対象に同じように形成
されることは図示するまでもなく明らかであろ
う。

一方、前記真空排気室１１において、前記回転
円板１２の中心側両面から突出する回転円筒１３
は、前記ライトハウジング１の内壁２７、ならび
にレフトハウジング２の内壁２８に各々形成され
る内筒面３５，３６、外筒面３７，３８と、0.5
〜１mmの間隙でそれぞれ相対して配置されるが、
この内筒面３５，３６にはねじ溝３９，４０が、
又外筒面３７，３８にはねじ溝４３，４４がそれ
ぞれ次のように穿設される。つまり、前記ねじ溝
３９，４０は、前記内筒面３５，３６上に、前記
中間排気室３１，３２から互いに逆まわりにし
て、前記内壁２７と内壁２８内でそれぞれ前記内
筒面３５，３６と、外筒面３７，３８を連絡する
ように形成されている第２中間排気室４１，４２
に向つて穿設される。又、前記ねじ溝４３，４４
は前記外筒面３７，３８上に、前記第２中間排気
室４１，４２から互いに逆まわりにして、前記吐
出孔５に連通する真空排気室１１の背圧側排気室
４５に向つて穿設される。

前述のように流路が構成されているため、前記
回転円筒１３が回転すると、前記中間排気室３
１，３２で分子流域にある気体が、回転円筒１３
に引摺られて、先ず内筒面３５，３６上に形成さ
れているねじ溝３９，４０の中を第２中間排気室
４１，４２に向つて排気されるとともに、更に第
２中間排気室４１，４２にある気体は、同じく回
転円筒１３に引摺られて、外筒面３７，３８上に
形成されているねじ溝４３，４４の中を背圧側排
気室４５に向つて排気されていく点は、従来のね
じ溝分子ポンプと同じ排気原理であるが、本発明
ではこれらのねじ溝が前述した如く多条に穿設さ
れる。

尚、第１図において、本発明の一実施例とし
て、前記内筒面３５，３６、外筒面３７，３８に
それぞれ穿設されるねじ溝３９，４０，４３，４
４の深さが一定にして示してあるが、前記内筒面
３５，３６上に形成されるねじ溝３９，４０につ
いては、第２中間排気室４１，４２に、又外筒面
３７，３８上に形成されるねじ溝４３，４４につ
いては、背圧側排気室４５に、それぞれ向うにつ
れて、それぞれのねじ溝の深さが順次浅くなるに
穿設してもよい。

以上により、回転円板１２と0.3〜0.5mmの間隔
で相対している二つの内壁２７，２８に穿設した
らせん溝２９，３０に沿つて、外周から内周へ排
気するらせん溝分子ポンプに於て、前記らせん溝
２９，３０を多条に、かつ該多条のらせん溝（例
えば２９，２９′，２９″，２９）を形成する溝
山上に、半径流ラビリンスシール溝（例えば３
４，３４′，３４″，３４）をそれぞれ穿設する
とともに、更に、前記回転円板１２の両面吐出口
側で、該回転円板１２と一体構造とした回転円筒
１３を、前記内壁２７，２８内で、該内壁２７，
２８に穿設した多条のねじ溝つき外筒面３７，３
８と内筒面３５，３６に相対して0.2〜１mmの間
隔を隔てた状態で、高速に回転させることによ
り、排気する多条ねじ溝ポンプを形成してなる多
条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプが高真空側段と
して構成される。

次に、低真空側段ベーン真空ポンプの構成を説
明する。４５はオイルケースで、前記レフトハウ
ジング２にガスケツト８０を介してボルト８１に
よつて固着される。４６は前記オイルケース４５
とレフトハウジング２とによつて形成される油溜
めである。４８はベーン真空ポンプシリンダで、
第４図に示す如く排出口４７を有している。この
排出口４７は大気圧背圧下にある。また、前記ベ
ーン真空ポンプシリンダ４８には前述した吸入口
７を有している。４９は前記ベーン真空ポンプシ
リンダ４８の側面カバープレートである。前記油
溜め４６内には、ベーン真空ポンプシリンダ４８
と側面カバープレート４９が、前述したインタメ
デイエイトハウジング４と共に、前記レフトハウ
ジング２にボルト５０によつて固着されている。
そして前記ベーン真空ポンプシリンダ４８の内面
には、第４図で示す如く、偏心しかつ微少な隙間
をもつて該ベーン真空ポンプシリンダ４８の内面
に接するように回転子５１を設ける。この回転子
５１には、摺動翼５２が遠心方向へ摺動自在に取
付けてある。５３はベーン真空ポンプの駆動軸で
あり、５４は前記回転子５１をベーン真空ポンプ
の駆動軸５３に嵌合するキーである。

このベーン真空ポンプ機構は、従来のゲーデタ
イプベーン真空ポンプと同じ構成にほかならず、
前記回転子５１が第４図において矢印の方向に回
転するにつれて、ベーン真空ポンプの吸入口７に
通ずるベーン真空ポンプシリンダ４８と回転子５
１との間に形成される排気空間５５が摺動翼５２
によつて掃引されて排気作用を行うもので、本高
真空ポンプにおける低真空側段ベーン真空ポンプ
として配置される。

次に、前記インタメデイエイトハウジング４内
に穿設された空間部５６には、前記多条ねじ溝つ
きらせん溝分子ポンプの駆動軸１４のレフトハウ
ジング２側端部に形成された歯車２３と、前記ベ
ーン真空ポンプの駆動軸５３の高真空側段多条ね
じ溝つきらせん溝分子ポンプ側端部に形成された
歯車５７とが噛合わされて、駆動力を前記ベーン
真空ポンプの駆動軸５３から多条ねじ溝つきらせ
ん溝分子ポンプの駆動軸１４へ伝える変速機構が
構成される。

尚、前記インタメデイエイトハウジング４に於
て、５８は冷却水通路であり、５９，６０は該冷
却水通路５８の冷却水の洩れ防止のＯリング、６
１はベーン真空ポンプの排気空間５５の大気圧に
対する密封のためのＯリングであり、又６２は前
記空間部５６への潤滑油供給口である。

又、６３は前記軸受１７に対する回転軸シール
で、メカニカルシールが配置され、冷却水噴出ノ
ズル２２から冷却孔２１へ供給される冷却水の軸
シールを行う。

更に、６４は前記インタメデイエイトハウジン
グ４の貫通孔６と多条ねじ溝つきらせん溝分子ポ
ンプの吐出孔５連結部との大気圧に対する真空密
封を行うＯリングである。

その他、６５は前記排気空間５５の大気圧に対
する密封のためのＯリングであり、６６と６７は
ベーン真空ポンプの駆動軸５３を側面カバープレ
ート４９とインタメデイエイトハウジング４で支
承する軸受であり、６８，６９，７０は同じくベ
ーン真空ポンプの駆動軸５３の軸封のオイルシー
ル、７１は前記オイルケース４５の大気排出口で
ある。

次に本発明の一実施例では、低真空側段ベーン
真空ポンプ機構に一段ベーン真空ポンプを例にと
つて説明したが、これを二段ベーン真空ポンプ構
造にしたものとしても、同じく実現可能であるこ
とは図示するまでもなく明らかであろう。又、本
発明の一実施例では、高真空側段多条ねじ溝つき
らせん溝分子ポンプの駆動軸１４と低真空側段ベ
ーン真空ポンプの駆動軸５３との間の伝動変速機
構として、第１図で示す如く、歯車伝動変速機構
の例をとつて説明したが、第５図のように高真空
側段多条ねじ溝つきらせん溝分子の駆動軸１４に
嵌合固定されたプーリ７２がベルト７３を介して
ベーン真空ポンプの駆動軸５３に嵌合固定された
プーリ７４に駆動力を伝えるベルト伝動変速機構
を構成する場合も同じく実現可能である。更に、
本発明の一実施例において、駆動軸１４の回転軸
シールとして、磁気流体シール１５，１６を用い
て説明したが、オイルシール、メカニカルシール
等でもよい。

以上の如き構成に於て、その作用は次の通りと
なる。

(A) 被排気系からの高真空側段多条ねじ溝つきら
せん溝分子ポンプ機構への気体の流れが分子流
領域の場合；すなわち、らせん溝２９，３０、
ねじ溝３９，４０，４３，４４のそれぞれを流
れる気体の平均自由行程がそれらの溝２９，３
０，３９，４０，４３，４４の深さよりも大き
い場合から説明する。

低真空側段ベーン真空ポンプの駆動軸５３を外
部の適当な駆動源により付勢すると、該ベーン真
空ポンプの駆動軸５３に形成された歯車５７と高
真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの駆
動軸１４に形成された歯車２３とを介して、駆動
力が高真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポン
プの駆動軸１４へ伝達される。この場合、高真空
側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの駆動軸
１４の回転数は6000rpm以上で、又低真空側段ベ
ーン真空ポンプの駆動軸５３は2000rpm前後でそ
れぞれ作動させるので、上述した動力伝達は増速
を伴うものである。高真空側段多条ねじ溝つきら
せん溝分子ポンプの駆動軸１４と一体構造にある
回転円板１２が、該回転円板１２と0.2〜１mm程
度の間隙で相対している二つの内壁２７，２８に
穿設したらせん溝２９，３０と同じ方向に、上述
したように、ベーン真空ポンプの駆動軸５３から
動力伝達機構を通して高速に回転するように付勢
されると、被排気系から吸入口３を経て侵入した
気体は、回転円板１２に引摺られてらせん溝２
９，３０の中を中間排気室３１，３２に向つて圧
縮排気される。第３図に示すように、本実施例で
は、らせん溝２９，３０と半径流ラビリンスシー
ル溝３４，７５とも各４条に穿設されるが（３
０，７５は第３図において鏡面対象形のため
略）、各条とも作用は同じであることはいうまで
もない。尚、らせん溝２９，３０による排気効率
は、半径流ラビリンスシール溝３４，７５によつ
て半径流方向の逆流もれが減少することにより高
められるとともに、半径流ラビリンスシール溝３
４，７５それ自体に於ても、回転円板１２に引摺
られて逆流もれ気体を中間排気室３１，３２に向
つて補促排気する作用を併せもつ。

次に、回転円板１２と一体構造にある回転円筒
１３が該回転円筒１３と0.2〜１mm程度の間隙で
相対している内筒面３５，３６に穿設したねじ溝
３９，４０に沿つて回転すると、前記中間排気室
３１，３２に圧縮排気されてきた気体は、回転円
筒１３に引摺られてねじ溝３９，４０の中を第２
中間排気室４１，４２へ圧縮排気される。更に、
前記回転円筒１３と0.3〜１mm程度の間隙で相対
している外筒面３７，３８に穿設したねじ溝４
３，４４に沿つても、同じく回転円筒１３に引摺
られて第２中間排気室４１，４２から背圧側排気
室４５へそれぞれ圧縮排気される。更に、尚背圧
側排気室４５は、貫通孔２０を介して高真空側段
多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの吐出口５と
連通しているので、圧縮排気されてきた被排気気
体は該吐出口５に到達する。

一方、ベーン真空ポンプは、周知されるよう
に、被排気系へ油蒸気が一部逆流することは避け
られないが、本発明によれば、この逆流油蒸気
が、インタメデイエイトハウジング４の貫通口６
と、多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの背圧側
排気室４５を介して、前記ねじ溝４３，４４、更
には第２中間排気室４１，４２を経てねじ溝３
９，４０へ侵入するが、多条ねじ溝のラビリンス
シール効果と多条ねじ溝分子ポンプ効果の２点に
より、逆流は阻止され、再び低真空側段ベーン真
空ポンプの吸入口７へ圧縮排気される。特にこの
逆流油蒸気は、空気や水よりも分子量が大きい炭
素数が４〜５以上の炭化水素化合物を主成分とす
るものであるので、分子ポンプが重い分子程圧縮
比が大きくなるという特性により、この排気作用
は有効に行われ、清浄な真空が達成される。尚、
回転円筒１３には非粘着性の４フツ化レジンのコ
ーテイングを施してあるので、油蒸気の付着によ
る回転円板１２へのオイルクリーピングが防止さ
れ、常に清浄な真空が生成される。

次に、高真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子
ポンプの吐出口５へ圧縮排気されてきた気体は、
インタメデイエイトハウジング４の貫通口６を介
して、低真空側段ベーン真空ポンプ吸入口７より
吸入され、従来からあるベーン真空ポンプの排気
作用と同じく、ベーン真空ポンプシリンダ４８と
回転子５１の排気室５５間が摺動翼５２によつて
掃引されて排気口４７と大気排出孔７１を介して
大気へ排気されていく。尚、前記高真空側段多条
ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの駆動軸１４の大
気圧に対する真空軸封として、漏洩量10^-8std
c.c.／sec（He）以下の磁気流体シール１５と１６
が使用されていること、及び該駆動軸１４を支承
する軸受１７，１８が大気圧側に配置されて軸受
潤滑剤による真空度低下をきたすことがないこと
の２点により、前記背圧側排気室４５は、回転中
でもほぼベーン真空ポンプの到達真空度近くに保
持することが出来る。即ち、ベーン真空ポンプ一
段構成であれば10^-1〜10^-2Torr台、二段構成であ
れば10^-3〜10^-4Torr台が保持される。

次に、ライトハウジング１に形成した冷却水噴
出ノズル２２は、外部から冷却用の水を駆動軸１
４に穿設された冷却孔２１に供給し、磁気流体シ
ール１５と１６で発生する摩擦熱と、回転円板１
２と回転円筒１３で発生する気体の若干の圧縮熱
を除去するものである。

又、インタメデイエイトハウジング４に形成し
た冷却水通路５８は、冷却用の水を外部から供給
され、インタメデイエイトハウジング４とレフト
ハウジング２の冷却ならびにベーン真空ポンプシ
リンダ４８等の冷却に寄与するものであり、ベー
ン真空ポンプの高速回転と高真空到達とを有利に
するように作用している。

以上により、分子流域に於て、高真空側段に多
条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプを、低真空側段
にベーン真空ポンプを直列に配置した二段構造ポ
ンプの作用を述べたが、このポンプの特性につい
て若干敷衍する。

(1) 多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプでの圧縮
仕事について； 今、多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの吸入
口３で、吸入圧P₁の気体が、らせん溝２９，３
０、ねじ溝３９，４０，４３，４４に沿つて順次
圧縮されて、吐出孔５でP₂までに圧縮されて吐出
される。この時の圧縮仕事は、吸入気体がP₁→P₂
と断熱圧縮を受けた時の仕事Ｗに相当し、 である。ここで、Ｋは比熱の比、V₁は吸入圧P₁
の時の気体の容積である。本多条ねじ溝つきらせ
ん溝分子ポンプ機構は、ねじ溝２９，３０、らせ
ん溝３９，４０，４３，４４とも10mm前後以上の
深さで設計されるので、被排気気体の平均自由工
程（N₂，O₂等）からみて、背圧側排気室４５が
10^-3Torr台に保持され始めて分子ポンプとして
働く。すなわち10^-2Torr以下の低真空度の時
は、分子ポンプとしては殆んど作動することな
く、従つて、アイドリング運転となるので、発熱
も無視しうることはいうまでもない。分子ポンプ
として作動する場合は、P₁は10^-3Torr台以上の
高真空の値をとるので、前記(イ)式でＷは極めて小
さい数値になり、非常に高い排気効率をもつポン
プが構成される。尚、発熱も極めて小さく、これ
については第５の改良点で詳述した。

(2) 多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプでの排気
速度について； １条のねじ溝及びらせん溝分子ポンプの排気速
度S₀は、隙間からの洩れを考えない場合、周知さ
れるように次式で表わされる。

S₀＝ｂｈｕ／２ …(ロ) ここで、ｂはらせん溝又はねじ溝２９，３０，
３９，４０，４３，４４の幅、ｈはらせん溝又は
ねじ溝２９，３０，３９，４０，４３，４４の深
さ、そしてｕは回転円板１２又は回転円筒１３の
周速である。本多条ねじ溝つきらせん溝分子ポン
プでは、第１，２，３，４の改良点の項で述べた
ような手段で前記(ロ)式に於て、ｂ，ｈ，ｕをとも
に大きく取れるようになつたことと条数を増加さ
せることにより、従来実用的でないとされていた
排気速度を実用的レベルとされている100／sec
以上に設計出来ることが可能となつた。

尚、このときの低真空側段ベーン真空ポンプの
排気特性について以下につけ加える。一般に、高
真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子に於て、
P₁，V₁を吸入口３での圧力、体積流量とし、
P₂，V₂を吐出口５での圧力、体積流量とする
と、排気される気体の質量は、吸入口３と吐出口
５では等しいから、次の関係が成立する。

Ｐ_２／Ｐ_１＝Ｖ_１／Ｖ_２ …(ハ) Ｐ_２／Ｐ_１は本ポンプの圧縮比で、前述したように10
³ 台の値が確保出来るので、Ｖ_１／Ｖ_２も同じく10³台と
な り、吐出口５での体積流量V₂も吸入口３での体
積流量V₁に比し極めて小さい値をとる。例えば
Ｐ_２／Ｐ_１＝1000とすると、V₂＝Ｖ_１／１０００となる
。従つて、 この場合、ベーン真空ポンプの排気速度として
は、V₁＝6000／分とすれば、V₂＝６／分以
上であれば理論的には良い。実際には、二段直列
配置に於けるベーン真空ポンプは、100／分以
上が通例配置されるので、被排気系が分子流域に
ある場合の排気の場合に、ベーン真空ポンプは高
真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの排
気作用に支障をきたすことはない。

(3) 多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプでの到達
真空度について； ねじ溝３９，４０，４３，４４及びらせん溝分
子ポンプの到達真空度r₀は、隙間からの洩れを考
えない場合、周知されるように次式で表わされ
る。

r₀＝exp〔θ／ｈLu〕 …(ニ) ここで、θは気体の摩擦に関した定数、ｈはら
せん又はねじ溝２９，３０，３９，４０，４３，
４４の深さ、Ｌはらせん又はねじ溝２９，３０，
３９，４０，４３，４４の長さ、そしてｕは回転
円板１２又は回転円筒１３の周速である。本多条
ねじ溝つきらせん溝分子ポンプは隙間が大きいの
で、前記(ニ)式をそのまま適用出来ないが、第１，
２，３，４の改良点の項で述べたような手段を講
じることにより、背圧10^-3Torr台で、10^-6Torr
台の到達真空度が可能である。

(B) 次に、被排気系からの高真空側段多条ねじ溝
つきらせん溝分子ポンプ機構への気体の流れが
粘性流域の場合；すなわち、らせん溝２９，３
０、ねじ溝３９，４０，４３，４４のそれぞれ
を流れる気体の平均自由行程がそれらの溝２
９，３０，３９，４０，４３，４４の深さより
も小さい場合について説明する。

低真空側段ベーン真空ポンプの駆動軸５３を外
部の適当な駆動源により付勢すると、該ベーン真
空ポンプの駆動軸５３に形成された歯車５７と高
真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの駆
動軸１４に形成された歯車２３とを介して、駆動
力が高真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポン
プの駆動軸１４へ伝達され、回転円板１２と回転
円筒１３が高速に回転するが、高真空側段多条ね
じ溝つきらせん溝分子ポンプでは、気体の流れが
粘性流であるので、周知されるように被排気系か
ら吸入口３を経て侵入した気体を圧縮して排気さ
せることは出来ない。この場合には、高真空側段
多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプは、その吐出
口５が低真空側段ベーン真空ポンプの吸入口７と
直列に連絡しているので、低真空側段ベーン真空
ポンプによる圧縮、排気作用に於ける気体の通路
となるのみである。すなわち、低真空側段ベーン
真空ポンプの駆動に伴い、被排気系から高真空側
段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの吸入口３
へ入つた被排気気体は、圧縮作用を受けることな
く、高真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポン
プを通過し、インタメデイエイトハウジング４の
貫通口６を介して、低真空側段ベーン真空ポンプ
の吸入口７より吸入されて、従来からあるベーン
真空ポンプの排気作用と同じように、ベーン真空
ポンプシリンダ４８と回転子５１の間の排気室間
５５が摺動翼５２によつて掃引されて排出口４７
と大気排出口７１を介して大気へ排気されてい
く。

以上により、粘性流域に於て、高真空側段に多
条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプを、低真空側段
にベーン真空ポンプを直列に配置した二段構造ポ
ンプの排気作用を述べたが、このポンプの特性に
ついて若干敷衍する。

(1) 多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプでの圧縮
仕事について； 粘性流の場合、本ポンプは上述したように圧縮
仕事はないとみなせるので、前記(イ)式でＰ_２／Ｐ_１≒
１と なり、かつＷ≒０である。従つて、発熱の問題は
ない。尚、分子流域と粘性流域の中間の領域とな
る0.1〜10Torr付近については若干の圧縮仕事が
なされるが、これについても第５の改良点で詳述
したように、発熱について問題はない程度の小さ
い値に抑えることが出来るし、更に前記冷却孔２
１への冷却水が駆動軸１４と一体構造となつた回
転円板１２と回転円筒１３の冷却をも行つてお
り、圧縮仕事からくる発熱の問題はない。

(2) 多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプでの排気
抵抗について； 今からに、高真空側段多条ねじ溝つきらせん溝
分子ポンプの回転円板１２と回転円筒１３が停止
している場合を仮定して、低真空側段ベーン真空
ポンプの吸入口７での排気速度をS₀、高真空側段
多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの吸入口３で
の有効排気速度をS₁、そして高真空側段多条ねじ
溝つきらせん溝分子ポンプの被排気気体に対する
通路としてのコンダクタンスをC₁とすると、 １／Ｓ_１＝１／Ｃ_１＋１／Ｓ_０ …(ホ) となり、有効排気速度S₁は、低真空側段ベーン真
空ポンプの排気速度S₀より小さくなる。これに対
し、本発明では、先ず第５の改良点で前述したよ
うに、多条にかつ横断面積の大きい溝を設計する
ということと、第１，２の改良点で前述したよう
に、隙間の拡大を可能にしたという２点により、
粘性流域での前記コンダクタンスC₁をベーン真
空ポンプの排気速度S₀に対して実用上差しつかえ
ない程度の大きさに出来るようになつた。すなわ
ち、前記(ホ)式でC₁≫S₀となり、S₁≒S₀に出来る
ようになつた。さらに、発明者による実験によれ
ば、本構成の二段構造ポンプに於ては、高真空側
段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプの回転円板
１２、回転円筒１３ともに、低真空側段ベーン真
空ポンプと同時に作動し高速回転しているので、
粘性流領域にあつてもらせん溝２９，３０、ねじ
溝３９，４０，４３，４４にそつて若干の気体の
輸送作用が派生されることを確認している。従つ
て、この場合、高真空側段多条ねじ溝つきらせん
溝分子ポンプは、低真空側段ベーン真空ポンプに
対してブースタポンプとして作用することにな
り、有効排気速度S₁は、コンダクタンスC₁を大
きくすることと併せ、低真空側段ベーン真空ポン
プの排気速度S₀を実質上損なわない範囲に十分余
裕をもつて設計出来ることを確認した。

以上により、被排気系から高真空側段多条ねじ
溝つきらせん溝分子ポンプへの気体の流れが、分
子流の場合でも粘性流の場合でも、低真空側段ベ
ーン真空ポンプとの直列二段配置構造に於て、単
一駆動源により同時に駆動させ、連続的に有効に
排気出来る二段構造ポンプが実現可能となつた。

ところで、第６図には、排気速度200／分の
ベーン真空ポンプの排気速度曲線の一例が示して
ある。また、第７図には、高真空側段多条ねじ溝
つきらせん溝分子ポンプの設計排気速度6000／
分、低真空側段ベーン真空ポンプの設計排気速度
200／分での本発明高真空ポンプの排気速度曲
線の一例が示してある。

以上の如く本発明によれば次の効果が得られ
る。

１ 従来のベーン真空ポンプだけでは10^-4Torr
以上の高真空度を得ることは不可能であること
は勿論、単一駆動源のポンプでその到達真空度
を10^-4Torr以下に有効かつ簡単な操作で可能
にするものは未開発にあつた。本発明によれ
ば、大気圧背圧下で760Torrから10^-6Torr台ま
での広い範囲に亘つて連続的に排気が可能な単
一駆動源の高真空ポンプが得られる。

２ 本発明によれば、高真空側段多条ねじ溝つき
らせん溝分子ポンプも、低真空側段ベーン真空
ポンプも完全に機械的な機構で排気するので、
不慮の圧力上昇（極端な場合大気圧突入）に対
しても油拡散ポンプやイオンポンプのように支
障をきたすことはないし、又駆動と同時に排気
作用が始まるので、油拡散ポンプにみられるよ
うな加熱準備時間の必要がなく、制御性にすぐ
れた高真空ポンプが得られる。

３ 本発明によれば、高真空側段に多条ねじ溝つ
きらせん溝分子ポンプが配置されるので、従来
ベーン真空ポンプや油拡散ポンプにみられる油
蒸気の被真空系への逆流の現象はなく、所謂ハ
イドロカーボンフリーの清浄真空が得られる。

４ 本発明によれば、低真空側段ベーン真空ポン
プの排気速度の傾向は、第６図に例示する排気
速度曲線にみられる如く、10^-1〜10^-2Torrより
高真空の領域では排気速度が急激に低下する
が、高真空側段に多条ねじ溝つきらせん溝分子
ポンプがメカニカルブースタポンプとして配置
されるので、10^- ₁〜10^-2Torrより高真空の中間
流域から分子流域の領域では、排気速度が大き
く向上し、これと組合せた本発明高真空ポンプ
の排気速度曲線の傾向としては、第７図に例示
するようになる。すなわち、760〜10^-1〜
10^-2Torrの粘性流域では、前記低真空側段ベ
ーン真空ポンプが効率的に作動し、10^-1〜
10^-2Torr以下の中間流域から分子流域では、
高真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポンプ
が効率的に作動することにより、全体として
760Torrから10^-6Torr台まで連続的に高い効率
で排気出来る高真空ポンプが構成される。

５ 本発明によれば、高真空側段多条ねじ溝つき
らせん溝分子ポンプは、従来のらせん溝分子ポ
ンプやねじ溝分子ポンプに比べて、排気速度が
大きく、又回転部分と固定壁の隙間も大きくな
り、信頼性が高められて、実用的な分子ポンプ
とすることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る高真空ポンプ
の駆動軸中心部に於ける駆動軸に平行な全体の縦
断面図、第２図は第１図に於ける一構成部品とし
ての高真空側段多条ねじ溝つきらせん溝分子ポン
プの駆動軸の斜視図、第３図は第１図に於ける一
構成部品としての高真空側段多条ねじ溝つきらせ
ん溝分子ポンプのライトハウジングの断面図、第
４図は第１図矢示Ａ−A′線に沿つて切断した断
面図、第５図は第１図に於ける伝動変速機構を変
形して示した全体の縦断面図、第６図は一般のベ
ーン真空ポンプの排気速度曲線図、そして第７図
は本発明に係る高真空ポンプの排気速度曲線図で
ある。 ５……吐出口、７……吸入口、１２……回転円
板、１３……回転円筒、１４，５３……駆動軸、
１５，１６……磁気流体シール、１７，１８……
軸受、２７，２８……内壁、２９，３０……らせ
ん溝、３４……半径流方向ラビリンスシール溝、
３５……内筒面、３７……外筒面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転円板と僅かの間隔で相対している二つの
   内壁に穿設したらせん溝に沿つて外周から内周へ
   排気する高真空側段らせん溝分子ポンプに於て、
   前記らせん溝を多条にかつ該多条のらせん溝を形
   成する溝山上に、半径流方向ラビリンスシール溝
   をそれぞれ穿設し、前記回転円板と該回転円板と
   相対する内壁との間隔を0.2〜１mmにすると共
   に、前記回転円板の両面吐出口側で該回転円板と
   一体構造とした回転円筒を、前記内壁内で内壁に
   穿設した多条のねじ溝つき内筒面と外筒面に相対
   して0.2〜１mmの間隔を隔てた状態で高速に回転
   することにより、排気を行う多条ねじ溝つきポン
   プを形成するとともに、該一体構造にある回転円
   板と回転円筒の駆動軸を支承する軸受を回転軸シ
   ールの大気圧側に配置して、多条ねじ溝つきらせ
   ん溝分子ポンプを構成し、該ポンプの吐出口と低
   真空側段ベーン真空ポンプ機構の吸入口を直結し
   て、分子ポンプとベーンポンプの二段直列排気機
   構とし、両駆動軸を適当な伝導力変速機構で結合
   して単一駆動源により作動させ、前記ベーンポン
   プの吐出口から大気に760Torrから10^-6Torr台ま
   で連続的に排気を行うことを特徴とする高真空ポ
   ンプ。