JP2006207612A - フランジおよびこのフランジを備えたターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 回転体４が腐蝕によって破断しフランジ部に衝撃エネルギーが発生してもボルトが変形することはなく、フランジ部の離脱が生じないフランジを提供する。
【解決手段】 フランジ１２に穿設されたボルト１３用の貫通孔１２Ｈに連接し、かつ貫通孔１２Ｈの中心を通るピッチ円の円周方向における両側の近傍に凹部１２Ｋが設けられている。凹部１２Ｋはフランジ１２の端面側から座ぐり加工等にて穿設された凹部空間で貫通孔１２Ｈとは重なり合う形で連接されフランジ１２の厚さ全域の深さではなく、下方に肉薄部１２Ｎを残存させた構成となっている。貫通孔１２Ｈの径が円周方向にそのまま移動した形の楕円形状を呈している。貫通孔１２Ｈに連接して凹部１２Ｋが形成されている。この凹部１２Ｋにより残存する肉薄部１２Ｎが衝撃エネルギーを受けたとき圧砕される。この変形現象で衝撃エネルギーの吸収が行われるが、この際ボルト１３は曲折は生起しない。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内方に回転体等が収納された筒状筐体の外周に展設され、該筐体を固定部に取り付けるためのフランジ、およびポンプ機能を有するターボ機構を内装した筒状筐体にフランジを展設したターボ分子ポンプに関する。

このようなターボ分子ポンプは、主に半導体その他の電子部品の製造装置に使用されるが、その主体をなすターボ機構が円筒状のケーシング（筐体）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、他方側の排気口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。

従来におけるターボ分子ポンプの一般的な例を示すと図１２に示すとおりである。なお、この図１２は被排気部ＨＶに接合された状態を示している。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４Ｎが形成されていて、この円筒部４Ｎには外周に複数段の回転翼Ｂ１〜Ｂ８（図面には８段の場合を示し、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ＴＫが構成されている。なお、図１２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及び８Ｔ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及び８Ｔ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下部ケーシング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はモレキュラー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は排気特性が良く、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１０と円筒ロータと組合わせ、その対抗面の一方にねじ溝を形成したモレキュラードラッグポンプＮＰなどがある。
このターボ分子ポンプＴＰは、ケーシング５の吸気口６側に一体的に形成された吸気口フランジ５Ｆを介して吸気口６側が半導体製造装置などの被排気部ＨＶのフランジＦに接合される。接合には通常ボルト１１を利用したボルト結合方式が採用される。

このようなターボ分子ポンプＴＰにおいて、回転翼Ｂ１〜Ｂ８が万が一応力腐蝕割れなどにより破壊したときは、分裂して半径方向に飛散し、ケーシング５の内周に配置されているスペーサＳや固定翼Ｔ１〜Ｔ７に衝突する。この衝突によって、回転翼Ｂ１〜Ｂ８の破片がスペーサＳおよび固定翼Ｔ１〜Ｔ７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５に衝突する。この衝突によりケーシング５にはトルクすなわち衝撃エネルギーが発生する。このトルクはケーシング５そして吸気口フランジ５Ｆを介して被排気部ＨＶに伝達され、この衝撃によってターボ分子ポンプＴＰと被排気部ＨＶとの接合が破壊し排気が不可能になる。すなわち、たとえば被排気部ＨＶが上述したように半導体製造装置の場合、成膜室の真空が突然大気圧となり、製造中の半導体が不良品となる。

このようなフランジと固定部との結合関係にはターボ分子ポンプのみでなく、特に内方に回転体を収容した電動機と機台との取り付けなど筒状筐体と固定部とを固定するフランジにおいても共通する事項である。このような事情から、この衝撃を緩和させるためにケーシングすなわち筒状筐体と一体のフランジを他の固定部のフランジに結合するボルト結合の方法について工夫が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。

これらの工夫例を以下図示例にしたがって説明する。まず第１の例を図１１に示す。
図１１は吸気口フランジ５Ｆと被排気部ＨＶのフランジＦの接合を部分的に示す図であるが、吸気口フランジ５Ｆに衝撃エネルギーを受けたときボルト１１が曲折してエネルギーの吸収を可能にするものである。ＳＴはボルト１１が曲折するのを許容するために吸気口フランジ５Ｆに形成したスペースである。このスペースＳＴはボルト１１の曲折を許容するためでその幅もボルト１１の径と同程度の大きさに設定され、しかも深さも吸気口フランジ５Ｆの厚さの半分程度になっている。したがって、このスペースＳＴの下方の肉付部は衝撃エネルギーが発生したときボルト１１と衝突しても圧壊することはなくボルト１１が曲折する。

図８に示す工夫例は、ボルト１１に近接した位置でこのボルト１１のための貫通孔５Ｈの円周方向の両側に薄肉部Ｔを形成した例で、この薄肉部Ｔは貫通形のスリット５Ｋの穿設により形成されている。図９は図８における吸気口フランジ５Ｆのみを平面的に示す図である。このような構成では、衝撃が発生すると図１０に示すとおりボルト１１が曲折するが、この現象は薄肉部Ｔの存在によってそれが可能となる。すなわち、薄肉部Ｔの破壊とボルト１１の曲折によりエネルギーの吸収が行われる。なお図８、図１０においてＦは被排気部ＨＶ側のフランジを示している。

さらに図７に示す例は、ボルト１１の外周部に弾性体具体的にはゴム等の円筒Ｐを嵌合させるものである。この場合円筒Ｐは被排気部（図示せず）側のフランジＦの側も貫設して設置されているが、衝撃エネルギーの発生により円筒Ｐが変形し、ボルト１１の曲折が許容されて衝撃エネルギーの吸収が行われる。
特許３４２６７３４号公報 特開平８−１１４１９６号公報 特開２００４−１６２６９６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が遠心破壊した場合は高速回転状態で破裂するため、ケーシング５ならびに下部ケーシング９に大きなトルクすなわち、衝撃エネルギーを与える。ケーシング５に与えられた衝撃によるトルクは、上述したとおりターボ分子ポンプＴＰを被排気部ＨＶに固定するボルト１１が曲折され衝撃エネルギーが吸収されることになる。
この衝撃エネルギーとそのエネルギーによる破壊、変形は、仕事量と力積との関係にある。力積Ｋは発生する力Ｆとその力Ｆの作用する距離Ｘの積であり、つぎの式が成立する。
Ｋ＝Ｆ×Ｘ
この関係により、仕事量すなわち力積Ｋは一定であるので、Ｘを大きくすることにより、力Ｆが小さくなる。したがって、弱い部分を設け、その部分の曲げ、変形によりＸを大きくすることにより、ボルト１１に作用する力を小さくして、破壊を防ぐことが可能となる。
しかしながらボルト１１の曲折は、図１０に示すように吸気口フランジ５Ｆと被排気部ＨＶのフランジＦとの接合が破壊されることになり、上述したとおりたとえば半導体製造中に大気開放という事態が生起する。このような事態は、製造は中断されることになり、製造中の半導体は不良品となるのみならず生産性を著しく低下させることになる。
本発明はこのような問題を解消できるフランジおよびこのようなフランジを備えたターボ分子ポンプを提供しようとするものである。

本発明が提供するフランジは、上記課題を解決するために、固定部に対してボルトを貫設させて固定されるフランジであって、前記ボルトのための貫通孔を穿設するとともに、この貫通孔に連接し前記フランジの厚さより小さい深さで肉薄部を残存させた円形状の凹部を設けたものである。この肉薄部の存在によってフランジにトルクの衝撃エネルギーが発生したとき、この肉薄部が破壊ないし圧壊され衝撃エネルギーが吸収されることになり、ボルトの曲折は生起しない。

さらに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、回転駆動されることによりポンプ機能を発揮するターボ機構を内方に収容した筒状筐体と、この筒状筐体の外周に展設され固定部に対してボルトを貫設して固定するためのフランジとを有するターボ分子ポンプにおいて、前記フランジには前記ボルトのための貫通孔を穿設するとともに、この貫通孔に連接し前記フランジの厚さより小さい深さで肉薄部を残存させた円形状の凹部を設けたものである。肉薄部がトルクの衝撃エネルギーを受けると圧壊され衝撃エネルギーの吸収が行われることになる。この場合もボルトの曲折は生起しない。

本発明はフランジ部におけるボルト用の貫通孔に連接して凹部の形成により肉薄部を設けたものであり、フランジがトルクの衝撃エネルギーを受けた場合、フランジが回転変位するが、肉薄部が破壊あるいは圧壊し、ボルトは曲折されることなく衝撃エネルギーが吸収される。しかもこの凹部および肉薄部も共に加工は容易でしかも構成も簡略であり安価な構成にて目的を達成することができる。

本発明が提供するフランジおよびこのフランジを備えたターボ分子ポンプは、そのフランジにおけるボルト貫通孔に連接して凹部を形成したものであり、しかもその凹部の形成と同時にフランジ部の厚さにより小さい寸法の肉薄部を形成した点を特徴とするものである。本発明の最も特徴とする点はボルト用の貫通孔に連接して凹部と肉薄部を形成することであるが、その肉薄部の厚さ換言すれば凹部の深さを発生し得るトルク衝撃エネルギーの大きさを考慮して設定される点にある。肉薄部の位置はフランジの底部が望ましく加工も容易になる。

以下本発明によるフランジを図１と図２に示す例にしたがって説明する。図１、図２は一般的なフランジ同士の結合たとえば電動機１６の筐体に付設されたフランジ１２が固定部１４に取り付けられる例を示すが、図１は平面図であり、図２は縦断面図である。フランジ１２に穿設されたボルト１３用の貫通孔１２Ｈに連接し、かつ貫通孔１２Ｈの中心を通るピッチ円の円周方向における両側の近傍に凹部１２Ｋが設けられている。この凹部１２Ｋの構成は図２の断面図に詳しく示されている。図２は、ボルト１３がフランジ１２の貫通孔１２Ｈを貫通して固定部１４にねじ込まれた部位を拡大して示す図である。図１と図２から明らかなとおり、凹部１２Ｋはフランジ１２の端面側から座ぐり加工等にて穿設された凹部空間で貫通孔１２Ｈとは重なり合う形で連接されるとともに、フランジ１２の厚さ全域の深さではなく、下方に肉薄部１２Ｎを残存させた構成となっている。これらは平面図である図１にも示されている。この肉薄部１２Ｎは材質の強度にもよるが、フランジ１２の厚さの１０パーセントから１５パーセント程度までが望ましい。それはこの程度の厚さが衝撃エネルギーを効率よく吸収するためである。

座ぐり加工はエンドミル（円形）で行う関係から貫通孔１２Ｈと同様円形であり、円形の孔と円形の穴の連接となり、この場合はひょうたん形になるが、図１に示すように、ひょうたんのくびれ部も除去して貫通孔１２Ｈの径が円周方向にそのまま移動した形の楕円形に近い形を呈している。すなわち、三日月状の凹部１２Ｋが形成され、肉薄部１２Ｎも三日月状の板状をなしている。このような構成により貫通孔１２Ｈに連接して凹部１２Ｋが形成されている。この凹部１２Ｋにより残存する肉薄部１２Ｎが衝撃エネルギーを受けたとき圧砕されるのである。

このフランジ１２における肉薄部１２Ｎの圧砕変形は状況によっては圧壊であり破壊でもある。本発明はこれらの変形現象が完全に行われて衝撃エネルギーの吸収が行われる点に特徴がある。しかもこの際ボルト１３の曲折は生起せず、したがってフランジ１２が固定部１４から離脱されることはない。
つぎに本発明を実施したターボ分子ポンプを図３の図面に示す実施例にしたがって説明する。

図３は、本発明をターボ分子ポンプＴＰに適用した実施例の構成を断面して示している。この図３は図１２に示す構成とほぼ同様であるが左方の吸気口フランジ５Ｆの断面部分のみは発明の構成を理解しやすくするために円周方向の断面図が示されている。円筒状のケーシング５および下部ケーシング９の内部には高速回転する回転体４が３個の磁気軸受８Ａ、８Ｒ、８Ｔにより支持されている。回転体４の上部は回転翼Ｂ１〜Ｂ８を有しており、この回転翼Ｂ１〜Ｂ８と交互に配置される形で固定翼Ｔ１〜Ｔ７が設けられ、固定翼Ｔ１〜Ｔ７はスペーサＳによって位置決めされている。５Ｆはケーシング５と一体に形成された吸気口フランジで、ボルト１１にて被排気部ＨＶのフランジＦに接合され結合されている。そしてこの吸気口フランジ５Ｆに、ボルト１１が曲折しないで衝撃エネルギーを吸収する手段を設けたものである。なお図３において図１２と同一の符号で示される部品は図１２と同様の機能をするものであり詳細な説明は省略する。

本発明が提供するターボ分子ポンプは、以上の構成において吸気口フランジ５Ｆ側に特殊な変形部を設け、この変形によってケーシング５や下部ケーシング９が受けた衝撃エネルギー（トルク）を吸収し、しかもボルト１１に対してはその変形を生じさせないようにしたものである。
具体的には、吸気口フランジ５Ｆを平面的に示す図４に示すように、吸気口フランジ５Ｆに穿設されたボルト１１用の貫通孔５Ｈに連接し、かつ貫通孔５Ｈの中心を通るピッチ円の円周方向における両側の近傍に凹部１５Ｋが設けられている。この凹部１５Ｋの構成は図５の断面図に詳しく示されている。図５に示す構成は図２と同様で、肉薄部５Ｎが衝撃エネルギーを受けた際破壊して衝撃エネルギーの吸収が行われる。したがってボルト１１が曲折することはない。その結果、吸気口フランジ５Ｆが図３におけるフランジＦから離脱することはない。

本発明が提供するフランジＦならびにターボ分子ポンプＴＰの特徴は以上説明したとおりであるが、本発明は上記ならびに図示例に限定されるものではない。たとえばターボ分子ポンプＴＰの発明における図示例では肉薄部５Ｎが吸気口フランジ５Ｆの底部に付設されているが、この肉薄部５Ｎを凹部１５Ｋの中段位置に付設するようにすることができる。ただこの場合は吸気口フランジ５Ｆの両面から座ぐり加工をする必要がある。このことは図１および図２に示す一般のフランジＦについても適用可能である。

また肉薄部５Ｎの特殊な変形例として、肉薄部５Ｎの設置方向をボルト１１の軸心に対して傾斜させた傾斜形の形状にすることも可能である。すなわちスリバチ状の肉薄部で加工は図示例の方向に比較して困難であるが、後述するような放電加工で可能である。吸気口フランジ５Ｆの材質や大きさなどから傾斜型とすることで衝撃エネルギーの吸収をより効果的に行わせることが可能である。なお、この肉薄部の厚さについて、上述にて吸気口フランジ５Ｆの厚さの１０パーセントから１５パーセントにすることが望ましいと説明したが、吸気口フランジ５Ｆの材料によりこの数値は変動するものであり、この数値に限定されるものではない。凹部１２Ｋ、１５Ｋの形状についても図示例に限定されず、たとえば実施例の領域を含む広領域の楕円にすることもできる。このことは図１および図２に示す一般のフランジＦについても適用可能である。

さらに、肉薄部５Ｎ、１２Ｎの変形例としては、図６に示すような例を挙げることができる。この図６の変形例は肉薄部１２Ｎをボルト１３の軸心に対して垂直方向に３個設けた例であるが、放電加工などによって、このような加工も可能である。このように肉薄部１２Ｎを複数個設ける場合、個数は２個ないし３個が適正であるがこれに限定されない。尚、図６においては図２と同一の符合で示される部品は図２と同一の部品であり、詳細な説明は省略する。また、この変形例は本発明が提供するターボ分子ポンプＴＰの場合の肉薄部５Ｎの構成としても適用可能である。さらに一般のフランジに関する発明についての実施例では電動機を例に説明したが、電動機のみならず回転体を内装するあらゆる筐体のフランジにも適用可能であり、本発明はこれらの変形例も包含する。

本発明が提供するフランジの構成を平面的に示す図である。 本発明の要部の構成を縦断面して示す図である。 本発明が提供する分子ポンプの構成を縦断面して示す図である。 本発明が提供する分子ポンプの要部構成の平面を示す図である。 本発明が提供する分子ポンプの要部構成を示す図である。 本発明が提供するフランジの変形例の構成を示す図である。 従来におけるフランジの構成を縦断面して示す図である。 従来におけるフランジの構成を縦断面して示す図である。 従来におけるフランジの構成を平面図で示す図である。 従来におけるフランジの構成の機能を示す縦断面図である。 従来におけるフランジの構成を断面して示す図である。 従来におけるターボ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 ケーシング
５Ｆ 吸気口フランジ
５Ｋ スリット
５Ｎ、１２Ｎ 肉薄部
５Ｈ 貫通孔
６ 吸気口
７ 排気口
８Ａ、８Ｒ、８Ｔ 磁気軸受
９ 下部ケーシング
１０ ステータリング
１１、１３ ボルト
１２、Ｆ フランジ
１２Ｈ 貫通孔
１２Ｋ、１５Ｋ 凹部
１４ 固定部
１６ 電動機
Ｂ１〜Ｂ８ 回転翼
ＨＶ 被排気部
Ｐ 円筒
Ｓ スペーサ
ＳＴ スペース
Ｔ 薄肉部
Ｔ１〜Ｔ７ 固定翼
ＴＫ ターボ機構
ＴＰ ターボ分子ポンプ
ＮＰ ねじ溝ポンプ

Claims (6)

1. 固定部に対してボルトを貫設させて固定されるフランジであって、前記ボルトのための貫通孔を穿設するとともに、この貫通孔に連接し前記フランジの厚さより小さい深さで肉薄部を残存させた円形状の凹部を設けたことを特徴とするフランジ。
2. 肉薄部はその厚さがフランジが衝撃エネルギーを受けたとき圧壊して衝撃エネルギーを吸収し得る値に設定されていることを特徴とする請求項１記載のフランジ。
3. 肉薄部が複数個設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のフランジ。
4. 回転駆動されることによりポンプ機能を発揮するターボ機構を収容した筒状筐体と、この筒状筐体の外周に展設され固定部に対してボルトを貫設して固定するためのフランジとを有するターボ分子ポンプにおいて、前記フランジには前記ボルトのための貫通孔を穿設するとともに、この貫通孔に連接し前記フランジの厚さより小さい深さで肉薄部を残存させた円形状の凹部を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
5. 肉薄部はその厚さがフランジが衝撃エネルギーを受けたとき圧壊して衝撃エネルギーを吸収し得る値に設定されていることを特徴とする請求項４記載のターボ分子ポンプ。
6. 肉薄部が複数個設けられていることを特徴とする請求項４または請求項５記載のターボ分子ポンプ。

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