JP2010180732A - 回転式真空ポンプの締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】埋め込みボルトで回転真空ポンプを真空装置に締結する構成において、真空装置に伝達される衝撃を低減することができる締結構造の提供。
【解決手段】本発明は、高速回転ロータを有する回転式真空ポンプの吸気口フランジ(21)と真空装置とを埋め込みボルト(203)により締結する、回転式真空ポンプの締結構造である。吸気口フランジ(21)を貫通している埋め込みボルト(203)の非螺合部の少なくとも一部に、強度が該埋め込みボルトの埋め込み螺合部の強度以下である塑性変形部(203a)を設けた。その塑性変形部(203a)が吸気口フランジ(21)からの衝撃により塑性変形することで、真空装置に伝達される衝撃エネルギーを抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ターボ分子ポンプやモレキュラドラッグポンプ等の回転式真空ポンプの締結構造に関する。

高真空排気に用いられるターボ分子ポンプは、交互に配置された複数段の回転翼と複数段の固定翼とを備えている。各回転翼および固定翼は複数のタービンブレードから成り、回転翼はモータにより回転駆動されるロータに形成されており、固定翼はポンプのベースに固定されている。さらに、上述したタービンブレードに加えて、ドラッグポンプ段を備えたターボ分子ポンプも知られている。ドラッグポンプ段は、ロータ下部に形成された円筒部と、その円筒部と近接して配設されるネジ溝ステータとから成る。

そのようなターボ分子ポンプで真空チャンバを排気する場合、同一フランジ径でより大きな排気性能を出すために、外径のより大きなロータを用いる場合がある。その場合、ポンプケーシング形状は、文献１の図１に記載に記載されているように、フランジとロータ部分との間で絞り込むような形状となる。そのような形状の場合、通常のボルトを用いて装置側に固定することはできず、装置側に埋め込みボルトを取り付け、その埋め込みボルトに対してポンプ側フランジをナット締めして、両者のフランジを締結するような締結構造が採用される。

ターボ分子ポンプにおいては、タービンブレードおよび円筒部が形成されたロータは、毎分数万回転という高速で回転している。そのため、異常な外乱が作用するとロータとステータ側 とが接触するおそれがあり、その場合にはステータ側に大きな衝撃が加わることになる。また、ポンプ不具合によりロータ回転が急停止したり、ロータが破壊したりした場合には、さらに大きな衝撃が加わるとともに、ポンプを真空装置本体に締結しているボルトに大きな剪断力が加わる。

特開２００７−２１１６９６号公報

しかしながら、一般的な埋め込みボルトは、両端部にネジ部が形成され、それらの間は不完全ネジ部になっている。不完全ネジ部は、ネジ部に比べて断面積が大きくなるので、衝撃応力を受けた際に変形しにくく、ポンプ急停止時などにおける塑性変形によるエネルギー吸収が期待できない。その結果、装置側に過大な衝撃が伝達され、装置故障を招くという問題があった。

請求項１の発明は、高速回転ロータを有する回転式真空ポンプの吸気口フランジと真空装置とを埋め込みボルトにより締結する、回転式真空ポンプの締結構造であって、吸気口フランジを貫通している埋め込みボルトの非螺合部の少なくとも一部に、強度が該埋め込みボルトの埋め込み螺合部の強度以下である塑性変形部を設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、埋め込みボルトを、全ネジの埋め込みボルトとしたものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、非螺合部と埋め込み螺合部との間で、ネジピッチおよびネジリード角の少なくとも一方を異ならせたものである。
請求項４の発明は、請求項２に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、非螺合部の少なくとも埋め込み螺合部に接する領域を、ボルト部材よりも強度の低い被覆材で被覆したものである。
請求項５の発明は、請求項１に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、非螺合部の外径を埋め込み螺合部の外径よりも小さくして塑性変形部としたものである。
請求項６の発明は、請求項５に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、非螺合部の少なくとも埋め込み螺合部に接する領域を、ボルト部材よりも強度の低い被覆材で被覆し、該被覆材で被覆された領域の外径を螺合部の外径以上としたものである。

本発明によれば、埋め込みボルトで回転真空ポンプを真空装置に締結する構成において、真空装置に伝達される衝撃を低減することができる。

真空装置に取り付けられたターボ分子ポンプの概略構成を示す断面図である。 埋め込みボルト２の部分の拡大図である。 本実施の形態の第１の変形例を示す図である。 本実施の形態の第２の変形例を示す図である。 本実施の形態の第３の変形例を示す図である。 段付き長穴が形成された吸気口フランジ２１の形状を示す図である。 吸気口フランジ２１に衝撃が加わった場合の、埋め込みボルトの変形を示す模式図である。 従来の埋め込みボルトを用いた場合の締結構造を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、真空装置に取り付けられたターボ分子ポンプの概略構成を示す断面図である。ポンプケーシング３４内にはロータ３０が回転自在に設けられている。図１に示したターボ分子ポンプ１０は磁気軸受式のポンプであり、ロータ３０は、５軸磁気軸受を構成する電磁石３７，３８によって非接触支持される。磁気軸受によって磁気浮上されたロータ３０は、モータ３６により高速回転駆動される。

ロータ３０には、複数段の回転翼３２と円筒状のネジロータ３１とが形成されている。一方、固定側には、軸方向に対して回転翼３２と交互に配置された複数段の固定翼３３と、ネジロータ３１の外周側に設けられたネジステータ３９が設けられている。各固定翼３３は、スペーサリング３５を介してベース４０上に載置される。吸気口フランジ２１が形成されたポンプケーシング３４をベース４０に固定すると、積層されたスペーサリング３５がベース４０とポンプケーシング３４との間に挟持され、固定翼３３が位置決めされる。

真空装置側フランジ１には埋め込みボルト２が埋め込まれており、吸気口フランジ２１を真空装置側フランジ１に締結する際には、埋め込みボルト２に対してナット３を締め付けることで、フランジ１と吸気口フランジ２１とが締結される。ベース４０には排気ポート４１が設けられ、この排気ポート４１にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口側の気体分子は排気ポート４１側へと排気される。

図２は、埋め込みボルト２の部分の拡大図である。真空装置側フランジ１には、ネジ穴１ａが形成されており、そのネジ穴１ａには埋め込みボルト２が取り付けられている。図２に示す埋め込みボルト２は全ネジの埋め込みボルトであり、ポンプの吸気口フランジ２１を締結する際には、予め適当な量だけネジ込んで、埋め込みボルト２を真空装置側フランジ１に取り付けておく。埋め込みボルト２が吸気口フランジ２１のボルト挿通孔２１ａに挿入されるようにフランジ同士を合わせ、座金１０およびバネ座金１１を装着して、ナット３を締め付ける。

図８は、従来の埋め込みボルトを用いた締結方法を示す図である。埋め込みボルト４００は中央部分が不完全ネジ部４００ａになっており、その両端にネジ部４００ｂが形成されている。一方のネジ部４００ｂを装置側フランジのネジ穴１ａにネジ込み、ネジ部４００ｂの全体がネジ穴１ａに埋没するまで締め付けることにより、埋め込みボルト４００がフランジ１にしっかりと固定される。このような不完全ネジ部４００ａを有する埋め込みボルト４００を用いた場合、前述したようにロータ破壊等が生じた場合に、装置側に過大な衝撃が伝達されて装置故障を招くという問題があった。

一方、本実施の形態では、全ネジの埋め込みボルト２を用いているので、埋め込みボルト２のフランジ部分を貫通している部分は、有効断面積が図８の不完全ネジ部４００ａの場合よりも小さくなっている。そのため、衝撃に対してより変形しやすくなり、埋め込みボルト２が塑性変形することで衝撃エネルギーの一部を吸収することができ、装置側に伝達される衝撃を低減することができる。すなわち、図２に示す全ネジの埋め込みボルト２の場合、ナット３およびネジ穴１ａに螺合していない中央部分が、衝撃エネルギーを吸収する塑性変形部に相当している。

［変形例１］
図３は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。図３に示す埋め込みボルト２０３では、ボルトの中央部２０３ａ、すなわちネジ穴１ａおよびナット３のいずれにも螺合していない部分にはネジを形成せず、さらに径を細くした。中央部２０３ａの断面積は両端のネジ部２０３ｂの有効断面積以下としているので、中央部２０３ａの強度は両端のネジ部２０３ｂの強度以下となっている。このようにすることにより、埋め込みボルト２０３の中央部２０３ａが塑性変形しやすくなり、中央部２０３ａが塑性変形することにより衝撃エネルギーを吸収することができる。なお、有効断面積が両端ネジ部２０３ｂ以下の領域は、中央部２０３ａの全てであっても良いし、一部であっても良い。

［変形例２］
図４は、本実施の形態の第２の変形例を示す図である。埋め込みボルトを装置側フランジ１に取り付ける際には、埋め込み量が適切になるように管理する必要がある。埋め込み量が少ないと、装置側において強度不足となり、逆に埋め込み量が多すぎると、ナット３と螺合する部分の長さが不足し、ナット側での強度不足を招く。

そこで、図４（ａ）に示す埋め込みボルト２０１では、中央部分２０１ａのネジリード角を、両端のネジ部２０１ｂのネジリード角と異ならせた。その際、中央部分２０１ａおよびネジ部２０１ｂの長さは、埋め込み量および吸気口フランジ２１の厚さに応じて設定する。このように構成することで、埋め込みボルト２０１をフランジ１に取り付ける際に、必要以上にネジ込もうとしても、中央部分２０１ａはネジリード角がネジ穴１ａのネジリード角が異なっているので、適切な埋め込み量よりも多く埋め込まれることがなく、作業性が向上する。図４（ｂ）の埋め込みボルト２０２では、中央部２０２ａと両端のネジ部２０２ｂとでネジピッチが異なるように構成した。この場合も、ネジリード角を異ならせた場合と同様の効果が得られる。

［変形例３］
図５は、本実施の形態の第３の変形例を示す図である。上述した第２変形例では、全ネジタイプの埋め込みボルトの両端と中央とでネジ形状を変化させることで、埋め込み量を適切に管理できるようにした。一方、図５に示す埋め込みボルトでは、ボルトの中央部分を被覆材で被覆した。図５（ａ）は、図２に示した全ネジタイプの埋め込みボルト２に被覆材２ｃを施した場合であり、図５（ｂ）は図３に示した埋め込みボルト２０３に被覆材２０３ｃを施した場合を示す。このように被覆材２ｃ，２０３ｃを施して両端のネジ部２ｂ，２０３ｂの寸法を規定することにより、埋め込み量を適切な値に管理することができる。被覆材２ｃ，２０３ｃとしては、例えば、シール材や樹脂、ゴム、ウレタン等のボルト材よりも強度の低い材料が用いられる。そのため、衝撃が加わった際に埋め込みボルトが塑性変形するのを、被覆材が妨げることはない。

図６は、上述したような埋め込みボルトを用いた場合の、ターボ分子ポンプの吸気口フランジ２１の形状を示したものである。図６（ａ）は断面図であり、図６（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。図２に示した例では、ボルト挿通孔２１ａには単純は貫通孔が用いられていた。一方、図６に示す例では、ボルト挿通孔２１ａに加えて長穴２１ｂを形成して段付きのボルト用穴としている。なお、図６では、図２に示した埋め込みボルト２を使用しているが、他の埋め込みボルトに関しても同様に適用できる。

図７は，ポンプの吸気口フランジ２１に衝撃が加わった場合における、埋め込みボルトの変形を模式的に示したものである。例えば、ロータ破壊が発生した場合には、回転方向に回されるような力が吸気口フランジ２１に作用する。このような力が作用して、真空装置側フランジ１に対して吸気口フランジ２１が回転するように図示左方向にずれると、最初に、段付き長穴の符号Ｂで示す段の部分が埋め込みボルト２に当接することになる。その後、ボルト２の段Ｂに当接している部分を拘束した状態で吸気口フランジ２１がさらに回転すると、ボルト２の拘束されていない部分、すなわち長穴２１ｂを貫通している部分２ａがボルト挿通孔２１ａの部分において図７のように塑性変形し、衝撃エネルギーの一部が吸収されることになる。このように段付きの長穴を形成して、ボルト２が十分に塑性変形できる余裕空間を設けることで、塑性変形によるエネルギー吸収をより効果的に行うことができる。また、段付き長穴とすることで、剪断力が一箇所に集中するのが避けられ、ボルト破断を抑制することができる。

上述した実施の形態では、本発明をターボ分子ポンプに適用した場合について説明したが、例えば、モレキュラドラッグポンプのように、回転式真空ポンプであれば同様に適用することができる。モレキュラドラッグポンプでは、全体がネジ溝タイプのロータとなるため、同一口径のターボ分子ポンプに比べてロータ重量が大きくなりやすく、破壊時のような急停止時の衝撃も、より大きくなる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：真空装置側フランジ、１ａ：ネジ穴、２，２０１〜２０３，４００：埋め込みボルト、２ｃ、２０３ｃ：被覆材、３：ナット、２１：吸気口フランジ、２１ａ：ボルト挿通孔、２１ｂ：長穴、３０：ロータ、２０１ａ〜２０３ａ：中央部、２０１ｂ〜２０３ｂ，４００ｂ：ネジ部

Claims (6)

1. 高速回転ロータを有する回転式真空ポンプの吸気口フランジと真空装置とを埋め込みボルトにより締結する、回転式真空ポンプの締結構造であって、
   前記吸気口フランジを貫通している前記埋め込みボルトの非螺合部の少なくとも一部に、強度が該埋め込みボルトの埋め込み螺合部の強度以下である塑性変形部を設けたことを特徴とする回転式真空ポンプの締結構造。
2. 請求項１に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、
   前記埋め込みボルトが、全ネジの埋め込みボルトであることを特徴とする回転式真空ポンプの締結構造。
3. 請求項２に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、
   前記非螺合部と前記埋め込み螺合部との間で、ネジピッチおよびネジリード角の少なくとも一方を異ならせたことを特徴とする回転式真空ポンプの締結構造。
4. 請求項２に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、
   前記非螺合部の少なくとも前記埋め込み螺合部に接する領域を、ボルト部材よりも強度の低い被覆材で被覆したことを特徴とする回転式真空ポンプの締結構造。
5. 請求項１に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、
   前記非螺合部の外径を前記埋め込み螺合部の外径よりも小さくして前記塑性変形部としたことを特徴とする回転式真空ポンプの締結構造。
6. 請求項５に記載の回転式真空ポンプの締結構造において、
   前記非螺合部の少なくとも前記埋め込み螺合部に接する領域を、ボルト部材よりも強度の低い被覆材で被覆し、該被覆材で被覆された領域の外径を前記螺合部の外径以上としたことを特徴とする回転式真空ポンプの締結構造。
   

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