JP2005180265A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】回転体を効率良く冷却してクリープ変形による破損を防止する。
【解決手段】ポンプケース１の内部に収容されるロータ１１とステータ２１を熱伝導率の高い金属材料ｍで成形し、この金属材ｍの肉厚内部に強化繊維ｆを装填して補強することによって、運転中のロータ１１に加わる応力に対しての耐久性を向上させ、高温化したロータ１１の熱量をステータ２１に輻射熱伝達してポンプケース１から外気へと効率良く放熱させるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体製造装置や液晶ディスプレイパネル製造装置において使用される真空ポンプに関する。

半導体製造工程の中のドライエッチングやＣＶＤのプロセスでは、真空チャンバ内の圧力を減圧して所定の真空度を得るために真空ポンプが使用される。

真空ポンプの例としてはターボ分子ポンプが知られている。このポンプはポンプケース内部にロータと一体のロータ軸が回転可能に軸支されており、ロータの外壁面に複数段のロータ翼が設けられ、ポンプケースの内壁面にはロータ翼の段間に交互に位置決めされた複数段のステータ翼が設けられている。そして、ロータ軸を高速回転させ、回転するロータ翼と固定されたステータ翼との相互作用により、真空チャンバに接続された吸気口から吸入されたガス分子を圧送して排気口から排気することで真空チャンバ内の圧力が減圧される。

このターボ分子ポンプでは、ロータとロータ翼からなる回転体は、ポンプ運転中におけるガスの圧縮熱や摩擦熱によって温度上昇して高温化する。また回転体の定格回転数は一般に２万〜５万ｒｐｍと高速であり、回転体は遠心力による大きな引張応力を受ける。このため長時間にわたり運転を続けると、高温かつ引張応力を受けた状態の回転体には塑性歪みが徐々に増加してクリープ変形が生じ、微小な隙間を隔てて対峙している固定側に接触してしまう。この接触が原因で回転体の一部に亀裂が生じ、そこに応力が集中して回転体が破損することがある。

このような回転体の破損がポンプの運転中に起きると、破断したロータ翼の破片がステータ翼に衝突したり、回転体のバランスが崩れてロータ円筒部がポンプケース内のステータに衝突したりする。そして、その衝突エネルギーがポンプケースに伝達され、高速運転中の真空ポンプにはポンプ全体を周方向にねじり回転させる強大な回転モーメントが発生してしまう。すると、この回転モーメントが原因でポンプケースがねじ曲がり変形する、ポンプケースと真空チャンバを締結しているボルトが破損して真空チャンバから脱落する、または真空チャンバに損傷を与える等の不具合を引き起こす危険性がある。

そこで、特許文献１に開示された真空ポンプでは、回転モーメントによる不具合を解消するために、ポンプケースの内部で回転体の運動エネルギーを吸収低減させる構造を採用している。すなわち、このポンプにはロータに対峙するステータとポンプケースとの間に回動自在な剛性リングが設置されており、回転体の破損によりロータの一部がステータに衝突した場合に、その運動エネルギーが伝達されて剛性リングが回転動作するようになっている。そして、この回転時に発生する摩擦エネルギーや剛性リングの歪みエネルギーに費やされて運動エネルギーが低減していくことで、回転モーメントがポンプケースに到達するのを阻止している。

特開２００３−１５５９９６号公報（図１参照）

真空ポンプにおいて、このように回転体破損という不具合が発生する要因として回転体が過熱することがあるので回転体の冷却を行うことが肝要である。その方法には大別して伝導放熱方法と輻射放熱方法があり、前者の例では軸受を通じて熱伝導させる方法とポンプケース内に充填したパージガスを通じて熱伝導させる方法が、また後者の例ではロータからの熱量をステータとポンプケースに輻射熱伝達させる方法がある。

ところが、前者のうち軸受による伝導放熱方法の場合には、磁気軸受のような非接触式の軸受構造を採用するとロータ軸から軸受への熱伝導が期待できない。またパージガスによる伝導放熱方法の場合には、ガスを多く流すとポンプ内部および真空チャンバの圧力が変動するため、放熱できる熱量が制約される。

一方で、後者の輻射放熱方法を採用した場合には次のような不具合がある。

例えば特許文献１の真空ポンプでは、高速回転するロータがステータに衝突した時の衝撃力を剛性リングに吸収させる構造であり、その衝撃力に耐え得るように剛性リングの機械的強度を高くしなければならない。そこで、この剛性リングはステンレス鋼やクロムモリブデン鋼等の鋼材で構成されている。

ところが、これらの鋼材はロータやステータを構成するアルミニウム合金等の金属材料に比べて熱伝導率が極めて低いものである。このため、回転体の熱をロータからステータを通じてポンプケースへと熱伝達させる場合に、ステータとポンプケースとの間に熱伝導率の低い剛性リングが介在することになり、ロータからステータへと輻射により伝達した熱量が剛性リングに阻まれてポンプケースへと伝わらなくなる。よって、ロータからステータ，ポンプケースへの熱量の移動が制約されるため、ロータやステータの温度が上昇してしまうという問題がある。

さらに、鋼材は金属材料よりも高価で比重が大きく、鋼材で成形した剛性リングをポンプケース内部に設置する場合には、ポンプ製造のコストアップと重量の増大化に繋がるという欠点もある。なお、製造のコストダウンを図るために剛性リングを鋳造する方法も考えられるが、鋳造品は圧延材や鍛造品に比べて機械的強度が極端に低下するので、剛性リングの肉厚を大きく成形する等の剛性強化対策を施す必要があり、剛性リングの肉厚増加に伴ってポンプの外形寸法が大型化してしまうので望ましくない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ロータのクリープ変形による破損を防止し、かつ鋼高剛性リングのような熱伝導率の悪い部材を用いずにステータ側の剛性を強化することで、回転モーメントの発生による不具合を解消して長期にわたり安全に使用できる信頼性の高い真空ポンプを提供することにある。

本発明は、上述した目的を達成するために、ポンプケース内部で回転可能に軸支されたロータの回転運動によって、該ポンプケース内部に吸気されたガス分子を圧縮しながら移送して該ポンプケース外部に排気する真空ポンプにおいて、前記真空ポンプを構成するポンプ構成部材の内部に強化繊維が装填されていることを特徴とする真空ポンプを提供するものである。

ここで、装填する強化繊維の形態としては各種考えられるが、例えば強化繊維の繊維束をロータの回転軸線に対して垂直方向にフープ巻きした繊維芯材や、またはロータの回転軸線に対して偏角を付けてヘリカル巻きした繊維芯材や、あるいは強化繊維の繊維束を平織り，綾織り，朱子織りして織物組織を形成した繊維クロスを使用することができる。

また、本真空ポンプは主にポンプケース，ポンプケース内に回転可能に収容されるロータ，ロータと対峙して固定されるステータ，ロータを回転可能に支持して電装品を内蔵するステータコラム等の各種ポンプ構成部材を備えて構成されるが、好ましい実施態様としてはロータの円筒部やステータの円筒部の肉厚内部に強化繊維を装填するものとする。

ロータに強化繊維を装填する場合には、繊維芯材の繊維束をロータの半径方向外方に延長させ、その繊維束を内部に装填してロータの円筒部外壁面から突設したブレード部を備える構成や、ブレード部の内部に強化繊維の繊維束を織り込んだ繊維クロスを装填する構成を採用することができる。また、ロータの円筒部とブレード部との繋ぎ部分は特に回転体応力が集中し易い部位であることから、この部分には前記繊維クロスを装填して補強することが望ましい。

さらに好ましい実施態様としては、ロータ内での応力の相違に応じて、フープ巻きした繊維芯材を装填する部位と、ヘリカル巻きした繊維芯材か繊維クロスを装填する部位とを備えるものとする。例えばロータのブレード部を備えていない円筒部近傍ではフープ巻きの繊維芯材を採用し、ロータのブレード部を備えた円筒部近傍ではヘリカル巻きの繊維芯材か繊維クロスを採用する。フープ巻きの繊維芯材が装填された部位と、ヘリカル巻きの繊維芯材か繊維クロスが装填された部位とは、両者一体に成形されていることが望ましいが、両者を別体で製作して溶接や接着により接合しても良い。

一方、ステータに強化繊維を装填する場合には、ヘリカル巻きした繊維芯材か繊維クロスを装填することが望ましい。また、ステータは円筒部内壁面にネジ溝部を刻設してネジ山部を備えていても良く、この場合には加工性を考慮して強化繊維の繊維束はネジ山部を除く円筒部の内部に装填するものとする。

なお、強化繊維の種類としては、ガラス繊維，カーボン繊維，アラミド繊維が挙げられる。使用する強化繊維の繊維束の特性としては引張弾性率が高く、かつ引張破断強度が高いものが望ましい。また、強化繊維が装填されるポンプ構成部材は、軽量性，加工性，熱伝導性の観点からアルミニウム合金，マグネシウム合金等の金属材料で構成される。ここで、金属材料と強化繊維との界面反応による繊維の劣化を防ぎ、両者のぬれ性と接着強度を高めるために、強化繊維の表面にコーティング剤が塗工されていると良い。使用可能なコーティング剤としてはニッケル，亜鉛，銅，クロム，シリコンが挙げられる。この中で代表的なアルミニウム合金とのぬれ性を考えるとニッケル，亜鉛が好適である。

本発明の真空ポンプによると、ポンプケースの内部に収容されるロータとステータが熱伝導率の高い金属材料で成形され、かつ金属材料の肉厚内部に強化繊維が装填されているため、ポンプ運転中のロータに加わる応力に対しての耐久性が向上するとともに、ロータの熱量をステータに輻射熱伝達してポンプケースへ効率良く放熱でき、ロータのクリープ変形による破損が低減され、回転モーメントの発生による不具合も解消されて長期にわたり安全に使用できるという効果を有する。

以下、本発明の実施例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本実施例の真空ポンプの全体構造を示すものである。この真空ポンプＰは半導体製造装置において真空チャンバＣ内の圧力を減圧する運動量輸送式のポンプであり、ポンプケース１の内部にターボ分子ポンプ機構部Ｐｔとネジ溝ポンプ機構部Ｐｓを備えた複合型ポンプである。

ポンプケース１は、厚肉円筒状のベース１−１の上に薄肉円筒状のカバー１−２を被せて締結部材５で連結し、ベース１−１の底面開口部を円盤状の底蓋１−３で塞いだ構造になっている。カバー１−２の上面開口部はガス分子の入口となる吸気口２とされ、ベース１−１の側面にはガス分子の出口となる排気口３が開口される。

この真空ポンプＰは、吸気口２の周縁部に延設したフランジ４が真空チャンバＣの排気口周縁部に締結部材５で固定され、排気口３に嵌着した排気パイプ６が容積移送式の補助ポンプＰｖの吸気口に連結されて真空装置の一部を構成している。

前記ポンプケース１の内部にはロータ１１が回転可能に収容される。本実施例のロータ１１は、略円筒状のロータ本体１２の外壁面にロータ翼１３を備えている。つまり、ロータ本体１２の外壁面上側には所定傾斜角のブレード部１３ａを放射状に複数列形成したロータ翼１３が軸方向に複数段設けられており、ロータ本体１２の外壁面下側は平滑な円筒面になっている。

また、ポンプケース１の内部にはステータ２１が設置される。本実施例のステータ２１は、カバー１−２内壁面とロータ１１外壁面との間の空間を埋める肉厚の円筒部２１ａを備え、ロータ本体１２外壁面と微小な隙間Ｇ１を隔てて嵌め込み固定されている。円筒部２１ａの内壁面にはその上端部から下端部にかけて螺旋状のネジ溝部２１ｂを刻設してネジ山部２１ｃが形成される。一方、ポンプケース１内上方には、ロータ翼１３のブレード部１３ａと反対傾斜角のブレード部２３ａを放射状に複数列形成したステータ翼２３が設けられており、ステータ翼２３は複数段のロータ翼１３，１３間に微小な隙間Ｇ２を隔てて交互に位置決め固定される。本実施例ではステータ翼２３の位置決め手段として、ステータ２１の上に円環状のスペーサ２４を複数枚積層し、スペーサ２４，２４間にステータ翼２３を配置してその外周縁部を挟持する構造となっている。

前記ロータ１１の軸心には円柱状のロータ軸３１が締結されており、ロータ軸３１はベース１−１上に締結部材５で固定した厚肉円筒状のステータコラム３２で支持される。本実施例ではその支持構造に磁気浮上式の軸受構造を採用している。

すなわち、前記ロータ軸３１は、半径方向の磁気吸引力を発生させるラジアル電磁石３３ａと、軸方向の磁気吸引力を発生させるアキシャル電磁石３３ｂを備えた磁気軸受３３で支持される。ラジアル電磁石３３ａはロータ軸３１外周面に積層した高透磁率の鋼板３１ａを挟んで対向配置され、アキシャル電磁石３３ｂはロータ軸３１下端に装着した高透磁率のアキシャルディスク３１ｂを挟んで上下に対向配置される。そして、ラジアル電磁石３３ａを励磁させて鋼板３１ａを吸引し、アキシャル電磁石３３ｂを励磁させてアキシャルディスク３１ｂを吸引することで、ロータ軸３１は半径方向と軸方向の所定位置で浮上支持される。またロータ軸３１はラジアルセンサ３４で半径方向の変位量、アキシャルセンサ３５で軸方向の変位量が検出され、前記電磁石３３ａ，３３ｂに励磁させる磁力を調整して半径方向と軸方向の位置が制御される。

前記磁気軸受３３に加え、ステータコラム３２は保護用のドライベアリング３６を内蔵している。このベアリング３６はステータコラム３２の内壁面に装着した外輪とその内周で可動する内輪との間にボールを有する転がり軸受であり、ボールと内外輪の両転動面には固体潤滑剤をコーティングしてある。同ベアリング３６は磁気軸受３３の正常時にはロータ軸３１に非接触であり、磁気浮上しているロータ軸３１が磁気軸受３３の電源異常で落下した時には、ロータ軸３１の段部を内輪で支持してロータ翼１３とステータ翼２３との接触に起因するロータ１１の損傷を防ぐ役割を果たす。

さらに、浮上支持されたロータ軸３１は、ステータコラム３２に内蔵された駆動モータ３７に通電して高速回転するようになっている。駆動モータ３７はＤＣブラシレスモータやＡＣサーボモータ等からなり、ロータ軸３１の軸方向の略中心位置に配置される。同モータ３７によってロータ１１とロータ軸３１は同軸度を保ちながら高速回転するが、その回転数は回転数センサ３８で検出して制御される。

本実施例の真空ポンプＰはこのような各種ポンプ構成部材を備えて構成されるが、これらの構成部材のうちカバー１−２，底蓋１−３，締結部材５，およびロータ軸３１は、引け巣等によるリークを防ぎ、かつ比強度を確保する観点からステンレス鋼等の鋼材ｓで成形されている。

これに対して、ベース１−１，ロータ１１，ステータ２１，ステータ翼２３，スペーサ２４，およびステータコラム３２は、軽量性，加工性，熱伝導性を考慮して金属材料ｍで成形される。この種の金属材料ｍとしてはアルミニウム合金，マグネシウム合金等の軽合金が用いられる。

本実施例では、金属材料ｍからなる構成部材のうち図１中斜線で示したロータ１１とステータ２１は、その機械的強度を補強するために金属材ｍの肉厚内部に強化繊維ｆを装填した金属マトリックス複合材で構成される。使用する強化繊維ｆはガラス繊維，カーボン繊維，アラミド繊維の中から選ばれ、これらの強化繊維ｆの繊維束ｆ１は単体で使用しても任意に組み合わせて使用しても良い。強化繊維ｆの繊維束ｆ１の特性としては引張弾性率が高く、かつ引張破断強度が高いものが望ましい。かかる金属材料ｍの内部に強化繊維ｆを装填してなる構成部材は、以下に説明する芯材成形工程と外装材成形工程を経て成形される。

図２ａに示すように、芯材成形工程ではフィラメントワインディング（以下「ＦＷ」と略す）法を利用できる。ＦＷ法では、まず回転軸５１で支持した円柱状の芯型５２を回転動作させる。次いで、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維ｆの繊維束ｆ１を給糸スタンド５３から繰り出していき、回転中の芯型５２を軸方向に往復動作させて芯型５２の外周に繊維束ｆ１を順次巻き付けていく。そして、繊維束ｆ１を巻き終えた後、前記樹脂を硬化させて脱型することで円筒状の繊維芯材ｆ２が得られる。なお、この樹脂材は繊維束が次の工程までバラバラにならないように仮接着するためのものである。

こうしたＦＷ法による強化繊維ｆの巻装形態には、代表的なものとしてフープ巻きとヘリカル巻きが挙げられる。

図３ａに示すように、フープ巻きした繊維芯材ｆ２１は、回転中の芯型５２を回転軸５１の長手方向に一定速度で進行させて繊維束ｆ１を軸方向に所定ピッチで平行に巻き付けたものである。このフープ巻きは、回転軸５１に対して垂直な周方向の応力（以下「周方向応力」という）Ｆ１に対して強度を確保できる巻き方である。

図３ｂに示すように、ヘリカル巻きした繊維芯材ｆ２２は、芯型５２を回転軸５１に対して所定角度偏角させて回転させることで繊維束ｆ１を軸方向に所定ピッチで交差するように巻き付けたものである。このヘリカル巻きは、前記周方向応力Ｆ１に加えて、回転軸５１に対して平行な軸方向の応力（以下「軸方向応力」という）Ｆ２に対しても強度を確保できる巻き方である。

また、周方向応力Ｆ１と軸方向応力Ｆ２の両応力に対して強度を付与する手段としてはＦＷ法で成形する繊維芯材ｆ２の他にも各種形態が考えられる。例えば、図３ｃに示す織物組織のように、強化繊維ｆの繊維束ｆ１をタテとヨコに組み合わせて一定の規則で交錯するように織り込んだ繊維クロスｆ３を使用することも可能である。

平織りした繊維クロスｆ３１はタテとヨコにそれぞれ１本づつ交互に交錯して織り込んだもので、タテとヨコにほぼ同等の引張強度を備え、平面形状の部材内部への装填に適している。綾織りした繊維クロスｆ３２は、タテ１本がヨコ１本の上を通り次のヨコ２本の下を通るように織り込んだものであり、朱子織りした繊維クロスｆ３３は、タテとヨコの交錯点が一定間隔でしかも隣り合わないように織り込んだものである。綾織りと朱子織りは柔軟で型馴染みが良く曲面形状の部材内部への装填に適している。

そして、上述した繊維芯材ｆ２や繊維クロスｆ３における形態，ピッチ，張力等の諸条件は、強化繊維ｆを装填する構成部材の形状，大きさ，応力等に応じて適宜変化させるものとする。

続いて、外装材成形工程では図２ｂに示すダイキャスト鋳造法を利用できる。この鋳造法では、前記芯材成形工程で成形した繊維芯材ｆ２や繊維クロスｆ３を所要形状の固定型５４内のキャビティ５５にセットして可動型５６を型締めし、溶融させた金属材料ｍをプランジャー５７でキャビティ５５内に流し込む。そして、金属材料ｍを加圧して凝固させ、型開き後に切削等の成形を行うことで所要形状の成形品が得られる。この外装材成形工程において、あらかじめ強化繊維ｆの表面にコーティング剤を塗工しておくことが望ましい。これは、金属材料ｍと強化繊維ｆとの界面反応による強化繊維ｆの劣化を防ぎ、両者のぬれ性と接着強度を高めるためである。使用するコーティング剤としてはニッケル，亜鉛，銅，クロム，シリコンが挙げられる。この中で代表的なアルミニウム合金とのぬれ性を考えるとニッケル，亜鉛が好適である。

図４乃至７は上述した工程を経て成形されたロータの構造を示している。図４に示すように、本実施例のロータ１１は略円筒状をなすロータ本体１２と、ロータ本体１２の外壁面に突設されたロータ翼１３からなる翼付き円筒体である。ロータ本体１２の円筒部１２ａの上側外壁面には、放射状に延設した複数列のブレード部１３ａ，１３ａ，…が形成され、これらのブレード部１３ａの集合体がロータ翼１３を構成している。かかるロータ１１において、金属材料ｍの肉厚内部には、強化繊維ｆの繊維束ｆ１をロータ１１の回転軸線Ｌに対して垂直方向にフープ巻きした繊維芯材ｆ２１を有する部位と、同回転軸線Ｌに対して偏角を付けてヘリカル巻きした繊維芯材ｆ２２か、または織物組織の繊維クロスｆ３を有する部位とを備えるものとする。

本実施例では、ロータ本体１１において、ブレード部１３ａを備えていない円筒部１２ａの内部には前記フープ巻きした繊維芯材ｆ２１が装填されており、ブレード部１３ａを備えた部位とその近傍にある括れ部１２ｂの内部には前記ヘリカル巻きした繊維芯材ｆ２２が装填されている。

また、ロータ翼１３を構成する各ブレード部１３ａ，１３ａ，…の内部には、図５に示すようにロータ本体１２内部でヘリカル巻きした繊維芯材ｆ２２の繊維束ｆ１をその半径方向外方に延設した構成や、図７に示すようにロータ本体１２内部の繊維芯材ｆ２とは別個に強化繊維ｆの繊維束ｆ１を綾織りした繊維クロスｆ３２を装填する構成を採用することができる。

さらに、図６に示すように円筒部１２ａとブレード部１３ａとの繋ぎ部１２ｃの内部には前記綾織りした繊維クロスｆ３２が装填されている。

このような構成によって、ロータ本体１２とロータ翼１３を構成する金属材料ｍの強度が補強され、ロータ１１の剛性は飛躍的に向上する。ここで、ロータ１１の内部で様々な形態の強化繊維ｆを備えることとしたのは以下の理由による。

一般に、幾何学的円筒体が回転する場合、図８に示すようにその回転する円筒体には遠心力によって回転軸線Ｌに対して垂直な周方向応力Ｆ１が作用する。この周方向応力Ｆ１に対して強度を付与するには前記フープ巻きが好適である。すなわち、高速回転中のロータ１１において、ブレード部１３ａを備えていない円筒部１２ａにはかかる幾何学的円筒体と同様に主に周方向応力Ｆ１が作用するものと考えられることから、図４ａに示すように強化繊維ｆの繊維束ｆ１をロータ１１の回転軸線Ｌに対して垂直方向にフープ巻きした繊維芯材ｆ２１を装填する構成を採用した。

一方、厳密には幾何学的円筒体ではない非円筒体部分が回転する場合、図８に示すようにその回転する非円筒体には前記周方向応力Ｆ１に加えて回転軸線Ｌに対して平行な軸方向応力Ｆ２と回転軸線Ｌに垂直な半径方向の応力（以下「半径方向応力」という）Ｆ３も作用する。この全応力に対して強度を付与するには前記ヘリカル巻きが好適である。すなわち、高速回転中のロータ１１において、ブレード部１３ａを備えた円筒部１２ａとその近傍にある括れ部１２ｂにはかかる非円筒体と同様に周方向応力Ｆ１と軸方向応力Ｆ２，半径方向応力Ｆ３が作用するものと考えられ、かつ円筒部１２ａと連続する壁面であることを考慮して、フープ巻きした繊維芯材ｆ２１に続けて強化繊維ｆの繊維束ｆ１をロータ１１の回転軸線Ｌに対して偏角を付けてヘリカル巻きした繊維芯材ｆ２２を装填する構成を採用した。

さらに、円筒部１２ａとブレード部１３ａとの繋ぎ部１２ｃでは、図６に示すように周方向応力Ｆ１と軸方向応力Ｆ２，半径方向応力Ｆ３の全応力が集中する部位であり、この部位は特に強度が必要であると考えられることから、本実施例ではこの繋ぎ部１２ｃの内部に強化繊維ｆの繊維束ｆ１を綾織りした繊維クロスｆ３２を装填する構成を採用した。

このように、強化繊維ｆの繊維束ｆ１をヘリカル巻きした巻装形態または織物組織を有する部位と、フープ巻きした巻装形態を有する部位とは、本実施例のように両者一体に成形することが望ましいが、両者を別体で製作して溶接や接着により接合することも可能である。

次に、図９および１０は上述した工程を経て成形されたステータの構造を示している。本実施例のステータ２１は厚肉に成形された円筒部２１ａを備え、円筒部２１ａの内壁面に螺旋状のネジ溝部２１ｂを刻設してネジ山部２１ｃが形成される。かかるステータ２１において、金属材料ｍの肉厚内部には、強化繊維ｆの繊維束ｆ１をロータ１１の回転軸線Ｌに対して偏角を付けてヘリカル巻きした繊維芯材ｆ２２か、または織物組織の繊維クロスｆ３を有する部位を備えるものとする。

本実施例において、ステータ２１はその加工性を考慮してネジ山部２１ｃを除く円筒部２１ａの内部に、強化繊維ｆの繊維束ｆ１を綾織りした帯状の繊維クロスｆ３２が装填されている。なお、図９および１０では、説明の便宜上、金属材料ｍの肉厚内部から繊維クロスｆ３２を所定量引き出した状態を表わしている。

このように、ステータ２１の内部にも強化繊維ｆを装填して補強したのは、以下の理由による。すなわち、本実施例ではロータ１１の機械的強度を高めているが、万が一ポンプ運転中にロータ１１の破損が生じ、破断したロータ翼１３の破片が衝突したりロータ本体１１が衝突したりしても、その運動エネルギーをステータ２１の肉厚内部の歪みエネルギーに加えて強化繊維ｆの破断エネルギーで吸収させて外部のポンプケース１に伝達させないようにするためである。また、強化繊維ｆの形態をヘリカル巻きや織物組織にしたのは、破断したロータ翼１３の破片はロータ１１の遠心力によって接線方向に飛散するので、この破片と衝突するステータ２１では周方向応力Ｆ１と軸方向応力Ｆ２を複合した応力が発生するものと考えられ、この複合した応力に対して充分な強度を付与するためである。

以上が本実施例の真空ポンプの構造であるが、最後にこの真空ポンプの作用を図１に基づき説明する。

はじめに、補助ポンプＰｖを作動させて真空チャンバＣ内の大気を粗引きし、真空チャンバＣ内の圧力が真空ポンプＰの作動可能な背圧範囲になるまで減圧する。そして、真空ポンプＰの電源を投入して駆動モータ３７を駆動させると、前段のターボ分子ポンプ機構部Ｐｔでは、ロータ本体１２と複数段のロータ翼１３，１３，…が同期して定格回転数で高速回転する。ここでは、回転するロータ翼１３のブレード部１３ａと、固定されたステータ翼２３のブレード部２３ａとの相互作用によって次のような排気動作が行われる。

まず吸気口２付近にある自由分子流状態のガス分子は、最上段のロータ翼１３とステータ翼２３に衝突してポンプ内に吸入される。吸入されたガス分子は、次に中間段にあるロータ翼１３とステータ翼２３に衝突して移送方向の運動量が付与される。この運動量が付与されたガス分子は、圧縮段のロータ翼１３とステータ翼２３に交互に衝突し、徐々に中間流の状態に圧縮されていく。この中間流状態に圧縮されたガス分子は後段のネジ溝ポンプ機構部Ｐｓへと移送される。

続くネジ溝ポンプ機構部Ｐｓでは、前記ロータ軸３１の回転駆動に伴ってロータ本体１２が回転している。ここでは、回転するロータ本体１２の円筒部１２ａと、固定されたステータ２１のネジ溝部２１ｂとの相互作用によって次のような排気動作が行われる。

まず前段から移送されてきた中間流のガス分子は、円筒面１２ａとネジ溝２１ｂとの隙間Ｇ２で形成された螺旋状の狭い流路に案内されて、さらに圧力の高い粘性流の状態に圧縮されていく。そして、この圧縮された粘性流のガス分子はネジ溝２１ｂの下端部から抜けて排気口３から排出される。こうして、真空チャンバＣ内の圧力はプラズマ反応に最適な真空度に減圧される。

このような真空ポンプＰの運転を長時間にわたって続けると、ロータ本体１２とロータ翼１３を備えたロータ１１は、ガス分子の圧縮熱や摩擦熱によって温度上昇して高温化するとともに、高速回転による遠心力で大きな引張応力を受ける。ところが、本実施例のロータ１１は金属材料ｍの内部に引張弾性率および引張破断強度が高い強化繊維ｆが装填されているため、従来のような金属材料単体のものに比べてロータ１１の耐久性を大幅に向上させることができる。

すなわち、ロータ１１において、ロータ本体１２の中でも円筒部１２ａのように周方向応力Ｆ１が作用する円筒体部分には金属材料ｍの内部に強化繊維ｆの繊維束ｆ１をフープ巻きした繊維芯材ｆ２１が装填され、括れ部１２ｂのように周方向応力Ｆ１と軸方向応力Ｆ２が作用する非円筒体部分には金属材料ｍの内部に同繊維束ｆ１をヘリカル巻きした繊維芯材ｆ２２が装填されている。このため、回転体に作用する応力に対しての機械的強度が高く、塑性歪みによるクリープ変形が起き難い構造になっている。

また、ロータ１１の中でも特にロータ翼１３を構成するブレード部１３ａや、ブレード部１３ａと円筒部１２ａとの繋ぎ部１２ｃのように応力が集中し易い部位は、金属材料ｍの内部に強化繊維ｆの繊維束ｆ１を織り込んだ繊維クロスｆ３が装填されている。このため、金属材料ｍの強度が重点的に補強され、集中した応力が強化繊維ｆの引張破断強度を超えない限り破断することはなく、ブレード部１３ａの破断や繋ぎ部１２ｃの折損等の不具合も可及的に防止できる。

また、強化繊維ｆが装填されたロータ１１とステータ２１は、アルミニウム合金，マグネシウム合金等の軽合金からなる金属材料ｍで鋳造されているため、加工精度に優れ、ポンプ製造のコストアップや重量の増大化を招く心配もない。そして、これらの金属材料ｍは鋼材に比べて熱伝導率が高く、高温化した回転体を効率良く冷却させることが可能である。

すなわち、ポンプケース１の内部では、回転するロータ１１の円筒部１２ａとステータ２１とが微小な隙間Ｇ１を隔てて対峙しており、ステータ２１に対してポンプケース１を構成するベース１−１とカバー１−２が接触した構造となっている。このため、輻射放熱方法を利用した場合に、高温化したロータ１１の熱量は円筒部１２ａから熱伝導率の高いステータ２１へと輻射熱伝達され、この輻射熱伝達された熱量はステータ２１内部で妨げられることなくベース１−１やカバー１−２を伝ってポンプケース１へと素早く伝達されるので、ポンプケース１から外気へと効率良く放熱してロータ１１の冷却を行うことができる。よって、回転モーメントが発生する最大の要因である回転体の高温化を防止してロータ１１の破損による不具合が解消される。

さらに、万が一ポンプ運転中にロータ１１を構成する強化繊維ｆの繊維束ｆ１が剪断されて破損が生じても回転モーメントによる最悪の事態は回避できる。すなわち、ロータ１１と対峙するステータ２１には、金属材料ｍの内部に強化繊維ｆの繊維束ｆ１をヘリカル巻きした繊維芯材ｆ２２や綾織りした繊維クロスｆ３２が装填されている。このためロータ１１の破損によって、破断したロータ翼１３の破片が衝突したりロータ本体１１が衝突したりしても、その運動エネルギーはステータ２１の肉厚内部にある高弾性かつ高強度の強化繊維ｆを破断しようとするエネルギーとして費やされて吸収され、外部のポンプケース１に伝達されることがない。したがって、ポンプケース１がねじ曲がり変形する、ポンプケース１と真空チャンバＣを固定している締結部材５が破損して真空チャンバＣから脱落する、さらには真空チャンバＣに損傷を与える等の不具合が解消される。

以上説明したように、本実施例の真空ポンプＰでは、ロータ１１やステータ２１の構成において熱伝導率の高い金属材料ｍの強度を強化繊維ｆで補強することにより、運転中のロータ１１に加わる応力に対しての耐久性が向上し、高温化したロータ１１の熱量をステータ２１に輻射熱伝達して効率良く放熱できるので、ロータ１１のクリープ変形による破損が低減され、回転モーメントの発生による各種不具合も解消されて長期にわたり安全に使用することが可能になる。

本実施例の真空ポンプの全体構造を示す縦断面図。 芯材成形工程と外装材成形工程を説明する概略図。 繊維芯材と繊維クロスの例を示す模式図。 ロータの構造を示す部分断面図。 図１のＡ方向矢視図。 図５のＣ部拡大図。 ロータの別構造例を示す平面図。 回転体の応力状態を示す説明図。 ステータの構造を示す部分断面図。 図１のＢ方向矢視図。

符号の説明

Ｐ 真空ポンプ
ｍ 金属材料
ｆ 強化繊維
ｆ１ 繊維束
ｆ２ 繊維芯材
ｆ３ 繊維クロス
１ ポンプケース
１１ ロータ
１２ ロータ本体
１２ａ 円筒部
１２ｂ 括れ部
１２ｃ 繋ぎ部
１３ ロータ翼
１３ａ ブレード部
２１ ステータ
２１ａ 円筒部
２１ｂ ネジ溝部
２１ｃ ネジ山部
２３ ステータ翼
２３ａ ブレード部

Claims (19)

1. ポンプケース内部で回転可能に軸支されたロータの回転運動によって、該ポンプケース内部に吸気されたガス分子を圧縮しながら移送して該ポンプケース外部に排気する真空ポンプにおいて、前記真空ポンプを構成するポンプ構成部材の内部に強化繊維が装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維の繊維束を前記ロータの回転軸線に対して垂直方向にフープ巻きした繊維芯材が装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維の繊維束を前記ロータの回転軸線に対して偏角を付けてヘリカル巻きした繊維芯材が装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維の繊維束を平織り，または綾織り，あるいは朱子織りした繊維クロスが装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
5. ポンプケース内部で回転可能に軸支されたロータの回転運動によって、該ポンプケース内部に吸気されたガス分子を圧縮しながら移送して該ポンプケース外部に排気する真空ポンプにおいて、前記真空ポンプを構成するポンプ構成部材のうちで前記ロータの円筒部の内部に強化繊維が装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
6. 請求項５に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維の繊維束が前記ロータの半径方向外方に延設され、該延設された繊維束を内部に装填して前記ロータの円筒部外壁面から突設されたブレード部を備えたことを特徴とする真空ポンプ。
7. 請求項５に記載の真空ポンプにおいて、前記ロータの円筒部外壁面から突設されたブレード部を備え、該ブレード部の内部に前記強化繊維の繊維束を平織り，または綾織り，あるいは朱子織りした繊維クロスが装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
8. 請求項６または７に記載の真空ポンプにおいて、前記ロータの円筒部とブレード部との繋ぎ部分の内部に、前記強化繊維の繊維束を平織り，または綾織り，あるいは朱子織りした繊維クロスが装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
9. 請求項５乃至８のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維の繊維束を前記ロータの回転軸線に対して垂直方向にフープ巻きした繊維芯材が装填されている部位と、前記強化繊維の繊維束を前記ロータの回転軸線に対して偏角を付けてヘリカル巻きした繊維芯材か、前記強化繊維の繊維束を平織り，または綾織り，あるいは朱子織りした繊維クロスが装填されている部位とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
10. 請求項９に記載の真空ポンプにおいて、前記ロータのブレード部を備えていない円筒部近傍には前記フープ巻きの繊維芯材が装填され、前記ロータのブレード部を備えた円筒部近傍には前記ヘリカル巻きの繊維芯材か前記繊維クロスが装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
11. 請求項１０に記載の真空ポンプにおいて、前記ロータは、前記フープ巻きの繊維芯材が装填されている部位と、前記ヘリカル巻きの繊維芯材か前記繊維クロスが装填されている部位とが一体成形されていることを特徴とする真空ポンプ。
12. 請求項１０に記載の真空ポンプにおいて、前記ロータは、前記フープ巻きの繊維芯材が装填されている部位と、前記ヘリカル巻きの繊維芯材か前記繊維クロスが装填されている部位とが別体成形された後に接合されていることを特徴とする真空ポンプ。
13. ポンプケース内部で回転可能に軸支されたロータの回転運動によって、該ポンプケース内部に吸気されたガス分子を圧縮しながら移送して該ポンプケース外部に排気する真空ポンプにおいて、前記真空ポンプを構成するポンプ構成部材のうちで前記ロータと対峙するステータの円筒部の内部に強化繊維が装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
14. 請求項１３に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維の繊維束を前記ロータの回転軸線に対して偏角を付けてヘリカル巻きした繊維芯材か、前記強化繊維の繊維束を平織り，または綾織り，あるいは朱子織りした繊維クロスが装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
15. 請求項１３または１４に記載の真空ポンプにおいて、前記ステータの円筒部内壁面にネジ山部を備え、前記強化繊維の繊維束が該ネジ山部を除いたステータの円筒部の内部に装填されていることを特徴とする真空ポンプ。
16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維はガラス繊維，またはカーボン繊維，あるいはアラミド繊維から選ばれる繊維であることを特徴とする真空ポンプ。
17. 請求項１６に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維はその表面にコーティング剤が塗工されていることを特徴とする真空ポンプ。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、前記強化繊維が装填されたポンプ構成部材は金属材料で構成されていることを特徴とする真空ポンプ。
19. 請求項１８に記載の真空ポンプにおいて、前記金属材料はアルミニウム合金，またはマグネシウム合金であることを特徴とする真空ポンプ。

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