JP2005133582A - 分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 回転体４が腐蝕によって破断しステータリング１０に衝突したとき、回転体４の破片が外部装置に悪影響を与える。このような課題を解決する分子ポンプを提供する。
【解決手段】 ステータリング１０の外周における肩部１０Ｓ（図４）に大口径のねじＮ１が施されており、このねじＮ１がベースを兼ねたケーシング９の内周に加工されたねじＮ２と締結されている。回転体４の回転方向と、この締結用のねじＮ１、Ｎ２が締まる方向は同じ方向にしておく。万一、回転体４が遠心破壊を起こした場合、破裂した回転体４の破片はステータリング１０に当たり衝撃による回転トルクを与えることになる。このとき、ステータリング１０とケーシング９はねじＮ１、Ｎ２で締結されており、ステータリング１０に与えられたトルクによって増し締めされることになる。したがって、ねじ山がつぶれてねじ結合が破壊されエネルギーが吸収される。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体製造装置や分析装置等において中真空から超高真空にわたる圧力範囲で真空排気に使用される分子ポンプ、具体的にはたとえばターボ分子ポンプ、あるいはねじ溝ポンプに代表されるモレキュラードラッグポンプなどに関する。

このような分子ポンプにおいて、その代表的なターボ分子ポンプは、その主体をなすターボ機構が円筒状のケーシング内に回転自在に保持され、ケーシングの一方側における吸気口からの分子、ガス等を吸気し、他方側に排気する構成をなしている。すなわち、ターボ機構はケーシングの中央部位の軸芯に配置された。回転体がケーシングに架設された上下の軸受にて回転自在に保持されるとともに、この回転体は同じくケーシングに架設されたモータにて高速回転されるよう連結されている。そして、このターボ機構は回転体の外周部に複数段固定された回転翼とケーシング側に固定された複数段の固定翼との組み合わせであって、この中で回転翼がモータにて高速回転、具体的には１分間に数万回転という回転速度で駆動され、ガス、分子を圧縮して排気する。

このようなターボ分子ポンプにおいては、回転翼が万が一応力腐蝕割れなどにより破壊したときは、回転翼は分裂して半径方向に飛散し、ケーシングの内周に配置されているスペーサや固定翼に衝突する。この衝突によって、回転翼の破片がステータリングやスペーサおよび固定翼と一体となり、この衝撃エネルギーにて半径方向に膨張し、ケーシングに衝突する。この衝突によりターボ分子ポンプの外方機器にも衝撃を与えることになる。このようなことから、この衝撃を緩和させるためにケーシングを二重構造にする方法などが採用されている（例えば特許公報１参照。）。

従来におけるターボ分子ポンプの一例を示すと図７に示すとおりである。以下このターボ分子ポンプＴＰの主体であるターボ機構ＴＫについて説明すると、回転軸３の上方部には一体的に円筒部が形成されていて、この円筒部には外周に複数段（具体的には８段）の回転翼Ｂ１〜Ｂ８（図面には最上段の回転翼Ｂ１と最下段の回転翼Ｂ８のみ符号を付しその他の符号は付記を省略している）が延設されている。この回転翼Ｂ１〜Ｂ８は軸芯方向に一定の間隔を有して配置されている。この回転軸３と回転翼Ｂ１〜Ｂ８などは一体的であり、回転体４を構成している。他方、上方に吸気口６が形成されたケーシング５の内周側からは、固定翼Ｔ１〜Ｔ７（図面には最上段の固定翼Ｔ１と最下段の固定翼Ｔ７のみ符号を付してその他の付記は省略している）が各回転翼Ｂ１〜Ｂ８と交互に設けられターボ機構が構成されている。なお、図７においてＳは各固定翼Ｔ１〜Ｔ７を一定の間隔で保持するためのスペーサである。７は排気口である。

この回転軸３はポンプ機台部１に架設された上下の磁気軸受８Ａ、８Ｒにて回転自在に保持されるとともに、モータ２と結合されている。すなわち、８Ａはアキシャル用の磁気軸受であり、また８Ｒはラジアル用の磁気軸受で、これらにより回転軸３を確実に軸受している。他方、モータ２の一方を構成する回転子（図示せず）がこの回転軸３に内設され一体的に取付られている。この回転子はポンプ機台部１に架設された電極コイル１Ｋと協働しモータ２を構成する。このモータ２にはインバータ（図示せず）から電気エネルギーが供給され、回転軸３を高速で回転駆動する。

そして、さらに回転体４の一部すなわち具体的には下方には円筒部４Ｎが一体的に形成され、しかもその外周にはねじ溝（この溝は図面では明確には開示されていない）が形成されている。なお、このねじ溝はステータリング１０の側に形成される場合もある。このねじ溝は下方になるにつれて溝の深さが浅い円錐上をなしている。しかもこの円筒部４Ｎの外周はベースを兼ねたケーシング９の内周に接合されたステータリング１０の内周面に近接している。このステータリング１０の内周面と前記円筒部４Ｎとの組合わせによってねじ溝ポンプＮＰが構成されている。このねじ溝ポンプＮＰはドラッグポンプとして機能し、粘性流領域における分子を引き込んで排気する。

このようなターボ分子ポンプＴＰは、ターボ機構ＴＫによるターボポンプ機構とねじ溝ポンプＮＰによるねじ溝ポンプ機能を有機的に結合したものであり、通常ハイブリッド形ターボ分子ポンプと称されている。ターボ分子ポンプＴＰとしては、このようなハイブリッド形のものが排気特性が良く、よく利用されている。なお、分子ポンプとしてはターボ機構ＴＫのみを採用するものと、上記したステータリングと外周にねじ溝が形成された回転体（円筒体）との組合わせのみからなるねじ溝ポンプＮＰなどがある。
特開平１１−６２８７９号公報

このようなターボ分子ポンプＴＰにおいて、回転体４は、上述したように毎分数万回転という高速で回転しており、したがってこの回転体４は運転時常に強い遠心力を受けている。万一、設計上の想定を超えた条件での使用により回転体４が遠心破壊した場合は、破裂した回転体４の破片は、ケーシング９の内周面に接合されたステータリング１０やスペーサＳに衝突したのち、ケーシング９に衝撃を与える。このとき、回転体４は高速回転状態で破裂するため、ケーシング９に大きなトルクを与える。ケーシング９に与えられた衝撃によるトルクは、ターボ分子ポンプが取付けられた機械装置に伝達されるため、ユーザの機械装置側ではこのトルクに耐えられる強度を確保するために頑丈な構造とする必要がある。したがって、装置の構成を簡素化するために回転体破壊の際の衝撃によるトルクを小さくしなければならないという課題を有している。このことはねじ溝ポンプのみからなる分子ポンプの場合にもいえることである。

本発明が提供する分子ポンプは、上記課題を解決するために、ケーシングとステータリングの互いの接合部にねじ部を設け、両者をねじ結合させたものである。このねじ部は大口径のねじを使用することになる。具体的にはつぎの２つの構成の分子ポンプを提供する。すなわち、第１に提供する分子ポンプは、ケーシングに対してステータリングがねじ結合状態を維持しながらの関係では相対的に回転できないねじ結合で構成され、第２に提供する分子ポンプは、ケーシングに対してステータリングがねじ結合状態を維持しつつ相対的に回転できるねじ結合で構成される。
本発明が第１に提供する分子ポンプによれば、設計時の想定を超えた条件での使用により万一高速回転中の回転体が遠心破壊した場合、割れた回転体の破片がステータリングに衝突し、ステータリングに一定値以上のトルクを与えるが、大口径のねじで締結されており、しかも回転体の回転方向と同一方向の回転に対してはその締結ねじによる動きしろがないため、このトルクによりねじを増し締めすることになる。したがって、ねじ山がつぶれてねじ結合が破壊されることになり、このことによってエネルギーが消費される。
他方、本発明が第２に提供する分子ポンプによれば、万一、高速回転中の回転体が遠心破壊した場合、ステータリングに衝突することにより一定値以上のトルクを与えるが、大口径のねじで締結されており、しかも回転体の回転方向と同一方向の回転に対してはその締結ねじによる動きしろがあり、このトルクによりねじが回転し、停止までの時間が長くなることでトルクが吸収される。これは運動量は力積に等しいという運動量保存の法則によるもので、破片がもつ運動量Ｗと、衝撃を受けたときの抵抗Ｆおよび抵抗する時間Ｔとの間にはＷ＝Ｆ・Ｔの関係が成り立つ。したがって、Ｔを大きくすることでＦすなわち抵抗力（衝撃力）を小さくできる。
さらに、本発明が第３に提供する分子ポンプによれば、ケーシングの内周面とこの内周面に接合保持されるスペーサの互いの接合面にねじを設け、両者をねじ結合する形としたものである。そして、衝撃によるトルクをスペーサが受けたとき回転し衝撃力を緩和させるようにしたものである。

回転体が回転中に破壊し、その破片がステータリングに衝突した際、動きしろがないねじ結合の場合は、ねじ山がつぶされてエネルギーを消費することになり、他方動きしろがある場合はねじが回転し停止までの時間が長くなり、ポンプ本体が取付けられるユーザの装置へ与えるトルクを従来よりも小さくすることができ、したがって分子ポンプを設置するユーザの装置構成を簡素化することができる。

本発明が提供する分子ポンプは、ターボ機構とねじ溝ポンプの組合わせを基本とする構成のポンプが最良である。これは排気特性が良好であるためである。すなわち、円筒状のケーシングの内部には回転体が軸受により支持され、この回転体の上方部にターボ機構が配置され、下方部にはドラックポンプとしてのねじ溝ポンプが配置される。具体的には、回転体の上部はターボ機構を構成する回転翼が複数段固設されており、この回転翼と交互に配置される形で固定翼がケーシングの内周側に設けられる。他方、前記したとおり回転体の下方部にはドラッグポンプ部が構成されている。具体的には回転体の下方位に位置する円筒部の外周面にねじ溝が形成され、この円筒部がケーシングの内周にねじ結合されたステータリングの内周面に近接して配置されている。このねじ溝はステータリングの内周面に形成される場合もある。

このねじ結合ではステータリングの外周に大口径のねじ加工が施され、ケーシングの内周に加工されたねじと締結される。したがって、回転体が遠心破壊を起こした場合、破裂した回転体の破片はステータリングに衝突し、この衝撃による回転トルクを与える。ステータリングは与えられたトルクによって回転しようとする。この回転体の破裂により生じたトルクで回転することで、エネルギーを消費することになり、ケーシング側に伝達されるトルクを緩和することができる。この場合、本発明はステータリングの回転を大きな抵抗（負荷）を与えながら許容する場合と、小さな負荷で一定の時間をかけて許容する場合の両者を包含する。大きな抵抗を与える方式としては、ステータリングに回転による動きしろを最初から与えず、ねじを破壊させて無理に回転を生起させる実施例であり、ねじを破壊させることで衝撃を緩和させる。あるいは回転方向と逆方向のトルクを与える実施例も考えられる。この場合は弾性体の弾力を回転体の回転方向と逆向きに作用させる装置を設ける。回転を容易に与える方式としてはねじ結合に動きしろをはじめから設けておくのが最良の実施例となる。

図１には本発明による第１の実施例が示されている。この実施例は上述したハイブリッド形ターボ分子ポンプの例でこの場合、要部とする点はＡ部にあるが、このＡ部を拡大して示す図が図４である。図４においてステータリング１０の外周における肩部１０Ｓに大口径のねじＮ１が施されており、このねじＮ１がベースを兼ねたケーシング９の内周に加工されたねじＮ２と締結されている。回転体４（図４に図示せず）の回転方向と、この締結用のねじＮ１、Ｎ２が締まる方向は同じ方向にしておく。万一、回転体４が遠心破壊を起こした場合、破裂した回転体４の破片はステータリング１０に衝突し、衝撃による回転トルクを与えることになる。このとき、ステータリング１０とケーシング９はねじＮ１、Ｎ２で締結されており、ステータリング１０に与えられたトルクによって増し締めされることになる。しかし、このねじＮ１、Ｎ２においては、回転体４の回転方向に動きしろがない、すなわち図４に示すようにステータリング１０の肩部１０Ｓとケーシング９は面接合していてお互いにこれ以上互いの方向に動く動きしろがないようにしている。したがって、回転体４の破裂により生じたトルクで増し締めされる。そのことによって、ねじＮ１、Ｎ２のねじ山はつぶされ、衝撃エネルギーを消費することになる。したがって、ケーシング９に伝達される衝撃を緩和することができる。なお、図１ならびに図４において図７と同一の符号で示される部品は図７と同一の部品であり同様の機能をするもので、詳細な説明は省略する。

図２には本発明による第２の実施例のターボ分子ポンプを示している。この実施例の場合、要部とする点はＢ部にあるが、このＢ部の構成は図５に拡大して示されている。図５においてステータリング１０の外周面全域に大口径のねじＮ３が施されており、このねじＮ３がベースを兼ねたケーシング９の内周に加工されたねじＮ４と締結されている。この場合、回転体４の回転方向と、このねじＮ３、Ｎ４が締まる方向は必ずしも同一である必要はない。万一、回転体４が遠心破壊を起こした場合、破裂した回転体４の破片はステータリング１０に当たり衝撃による回転トルクを与える。ステータリング１０とケーシング９はねじＮ３、Ｎ４で締結されており、ステータリング１０に与えられたトルクによって増し締めされる形となる。しかしこの場合、ねじＮ３、Ｎ４においては、図５に示すようにステータリング１０の上下方向に動きしろがあるため、ステータリング１０は回転することができる。回転体４が破裂により生じたトルクでステータリング１０が回転することで、回転しない機構の図１に示す分子ポンプに比べて、停止までの時間が長くなる。従って、ケーシング９側に伝達される衝撃を緩和することができる。なお、図２ならびに図５において図７と同一の符号で示される部品は図７と同一の部品であり同様の機能をするもので、詳細な説明は省略する。

図３には本発明による第３の実施例のターボ分子ポンプを示している。この実施例の場合、要部とする点はＣ部にあるが、このＣ部の構成は図６に拡大して示されている。すなわち、図６はケーシング５とベースを兼ねたケーシング９およびスペーサＳとの接合部を拡大して示している。ケーシング５の内周面にねじＮ５が加工して施され、スペーサＳにもねじＮ６が形成されて両者がねじ結合されている。同時にケーシング５とケーシング９との間もねじ結合されている。したがって、回転体４（図６には図示せず）の破片がスペーサＳに衝撃しトルクを与えたとき、スペーサＳが回転することにより図２の例と同様に衝撃を緩和することができる。なお、図３において図７と同一の符号で示される部品は図７と同一の部品であり同様の機能をするもので、詳細な説明は省略する。なお、１１は架台を示している。

以上の各実施例では、ステータリングとケーシングまたはケースとステータを大口径のねじで締結していた場合の例について説明したが、ステータリングの形状等により各種の組合わせが挙げられる。また、ステータリングを二重形にする方式もあり、これらの場合も同様の効果が得られる。
また、本説明ではターボ分子ポンプとドラッグポンプを結合させたポンプについて説明したが、ターボ分子ポンプのみで構成される分子ポンプやドラッグポンプのみで構成される分子ポンプにも適用できる。また、本実施例では、磁気軸受型のターボ分子ポンプで説明したが、玉軸受形の分子ポンプでも同様の効果が期待できる。

本発明が第１に提供する分子ポンプの構成を縦断面して示す図である。 本発明が第２に提供する分子ポンプの構成を縦断面して示す図である。 本発明が第３に提供する分子ポンプの構成を縦断面して示す図である。 図１のＡ部を拡大して示す図である。 図２のＢ部を拡大して示す図である。 図３のＣ部を拡大して示す図である。 従来における分子ポンプの構成を縦断面して示す図である。

符号の説明

１ ポンプ機台部
１Ｋ 電極コイル
２ モータ
３ 回転軸
４ 回転体
４Ｎ 円筒部
５、９ ケーシング
６ 吸気口
７ 排気口
８Ａ、８Ｒ 磁気軸受
１０ ステータリング
１０Ｓ 肩部
１１ 架台
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７、Ｂ８ 回転翼
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７ 固定翼
Ｓ スペーサ
ＴＫ ターボ機構
ＴＰ ターボ分子ポンプ
ＮＰ ねじ溝ポンプ
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５ ねじ

Claims (4)

1. 円筒状のケーシング内に軸受を介して回転自在に保持された回転体と、前記ケーシング内周側に接合されたステータリングと、回転体を高速回転させるモータを備え、回転体の外周面とステータリングの内周面を近接設置させてねじポンプ機構を構成し分子の排気を行う分子ポンプにおいて、前記ケーシングとステータリングは互いの接合部にねじ部が設けられてねじ結合できるように構成されるとともに、このねじ結合状態におけるステータリングは一定以上のトルク作用を受けたときのみケーシングに対して相対的に回転できるよう構成されていることを特徴とする分子ポンプ。
2. 回転体の一部の外周部に複数段の回転翼を取り付け、この複数段の回転翼に対応してケーシング内に配置された複数段の固定翼を配置しこの両者の組合わせによるターボ機構を構成したことを特徴とする請求項１記載の分子ポンプ。
3. ステータリングはケーシングに対して一定値以上のトルクが作用したときねじ結合が破壊されて相対的に回転するようねじ結合されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の分子ポンプ。
4. ステータリングはケーシングに対して一定値以上のトルクが作用したとき相対的に回転できるようねじ結合されていることを特徴とする請求項１記載の分子ポンプ。
   

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