JP2014051952A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの温度上昇によるクリープ速度を遅くする。
【解決手段】ターボ分子ポンプ１は、ケース部材１１の内部にロータ翼６、ステータ翼７およびスペーサ２０を備えている。最上段から６段目のスペーサ２０ａの外周側を、大気圧側である外部側に延出し、ベース１３の上面に達する冷却用厚肉部２１を形成する。冷却用厚肉部２１に冷却管５２を設け、また、冷却用厚肉部２１の内周側面を、７、８段目のスペーサ２０の外周側面に接触させ、保持する。冷却管５２内を循環する冷却媒体により、冷却用厚肉部２１を介して、スペーサ２０、ステータ翼７およびロータ翼６が冷却される。
【選択図】図１

Description

この発明は、多段に設けられたロータ翼と、ロータ翼間に設けられたステータ翼と、ステータ翼を支持するスペーサとを有するターボ分子ポンプに関する。

高真空あるいは超高真空を得るターボ分子ポンプは、ロータ翼とステータ翼とにより構成される翼排気部により、吸気口側から吸入した気体分子を排気ポート側に排気する。高速回転するロータ翼が気体分子に衝突する際に発生する摩擦熱は、ロータ翼からステータ翼を介してケース部材に伝達される。

ロータ翼を有するロータが摩擦熱により高温となるとクリープの速度が速くなるので、ケース部材に冷却管を設け、冷却管内に冷却媒体を循環してターボ分子ポンプを冷却する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−９０６２３号公報

近年、半導体装置の製造等において、ウエハが大型化してきており、プロセスチャンバ内に導入するガスの流量が増大する傾向となっている。ガスの流量が増大すると、ロータ翼における摩擦熱が大きくなり、ロータが高温となる。このため、ケース部材に冷却管を設けただけでは、ロータが許容温度を超え、クリープの速度が速くなっている。

この発明のターボ分子ポンプは、ケース部材と、ケース部材内に収容され、多段に配列されたロータ翼を有するロータと、ロータと同軸に設けられたロータ軸と、ケース部材の内面に設けられ、ロータ翼間に配置された複数のステータ翼と、各ステータ翼を支持する複数のスペーサと、を備え、複数のスペーサの１つは、上方または下方に隣接する少なくとも１つのスペーサの外周側面を覆う冷却用厚肉部を有し、冷却用厚肉部に、冷却媒体が循環する冷却管が設けられている。

この発明によれば、スペーサの冷却用厚肉部に設けた冷却管を介してロータを十分に冷却することができるので、ロータのクリープの速度を遅くすることができる。

この発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図。 従来品と実施例におけるスペーサおよびロータの温度分布を対比して示す図。 本発明のターボ分子ポンプの実施形態２を示す断面図。 本発明のターボ分子ポンプの実施形態３を示す断面図。 本発明のターボ分子ポンプの実施形態４を示す断面図。

-実施形態１-
以下、図面を参照して本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を説明する。
図１は、磁気軸受式のターボ分子ポンプの断面図である。ターボ分子ポンプ１は、上ケース１２とベース１３とを有するケース部材１１を備えている。詳細は後述するが、スペーサ２０の一部である冷却用厚肉部２１もケース部材１１を構成している。上ケース１２の上端側には上部フランジ４４が、下端側には下部フランジ４３が設けられている。上ケース１２は例えばＳＵＳで形成され、ベース１３は、例えば、アルミニウムにより形成されている。

ケース部材１１の中心軸上には、ロータ軸５が配置されている。ロータ軸５には、同軸にロータ８が取り付けられている。ロータ８は、例えば、アルミニウムにより形成されており、ボルト等の締結部材（図示せず）により、ロータ軸５に強固に固定されている。
ロータ軸５は、ラジアル方向の磁気軸受３１（２箇所）およびスラスト方向の磁気軸受３２（上下一対）によって非接触で支持される。ロータ軸５の浮上位置は、ラジアル変位センサ３３ａ、３３ｂおよびアキシャル変位センサ３３ｃによって検出される。磁気軸受３１、３２によって回転自在に磁気浮上されたロータ軸５は、モータ３５により高速回転駆動される。

ロータ軸５の下面には、メカニカルベアリング３４を介してロータディスク３８が取り付けられている。また、ロータ軸５の上部側にはメカニカルベアリング３６が設けられている。メカニカルベアリング３４、３６は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはメカニカルベアリング３４、３６によりロータ軸５が支持される。

ロータ８は、上部側と下部側の二段構造を有し、上部側には複数段のロータ翼６が設けられている。最下段のロータ翼６から下方は、ロータ円筒部９とされている。

ロータ８のロータ円筒部９の外周側には、リング状のねじステータ１４が締結部材（図示せず）によりベース１３に固定されている。ねじステータ１４はほぼ円筒形状に形成され、内面側にねじ溝部（図示せず）が形成されている。

ねじステータ１４、およびねじステータ１４に対応する部分より下方のロータ軸５は、ベース１３内に収容されている。ベース１３の上端部には、その外周形状が、平面視で円形または多角形のフランジ４１が形成されている。
フランジ４１の下面には、溝４２が形成されており、溝４２内には冷却水等の冷却媒体が循環する冷却管５１が設けられている。
ベース１３には排気ポート４５が設けられ、この排気ポート４５にバックポンプが接続される。

ロータ８のロータ翼６は、一実施の形態においては、８段に形成されており、各ロータ翼６間および最上段のロータ翼６の上部に、合わせて７段のステータ翼７が配置されている。各ステータ翼７間、および最上段のステータ翼７の上方と、最下段のステータ翼７の下方に、合わせて８段のスペーサ２０が配置されている。各段のステータ翼７は、それぞれ、一対の半円形に形成され、スペーサ２０はそれぞれ円形に形成されている。各ステータ翼７と各スペーサ２０とが、ロータ８の外周方向から差し込まれて、ロータ軸５の中心軸を通る中心線上で、双方の端面が接している。ステータ翼７とスペーサ２０とは、例えば、アルミニムにより形成されている。

８個のスペーサ２０の中、１つは外周側に引き出され、外周面が外部に露出している。この部分は、下方側、すなわち、ベース１３側に向かって延出された冷却用厚肉部２１とされている。以下において、冷却用厚肉部２１を有するスペーサ２０を２０ａと称し、他のスペーサ２０と区別する。冷却用厚肉部２１は、ベース１３のフランジ４１と上ケース１２のフランジ４３との間に挟持されている。冷却用厚肉部２１の外周側面は、上ケース１２の下部フランジ４３の外周側面およびベース１３のフランジ４１の外周側面と同一面となっている。また、冷却用厚肉部２１の内周側面は、上ケース１２の内周側面と同一面となっている。換言すれば、上ケース１２の内周側面と冷却用厚肉部２１の内周側面とは、ロータ８の軸芯からの半径が同一である。

スペーサ２０ａの冷却用厚肉部２１の外周側面には、内周側に向けて窪んだ溝２２が設けられており、この溝２２内には冷却水等の冷却媒体が循環する冷却管５２が設けられている。

各ステータ翼７は、スペーサ２０、２０ａにより支持されて、各ロータ翼６間に配置されている。
一実施の形態においては、冷却用厚肉部２１を有するスペーサ２０ａは、上方より６段目に位置しており、これよりも上方に位置する５個のスペーサ２０は、各外周側面が、上ケース１２の内周側面に接して保持されている。

スペーサ２０ａよりも下方に位置する、７段目、８段目の２つのスペーサ２０は、各外周側面が、冷却用厚肉部２１の内周側面に接して保持されている。また、８段目、すなわち、最下段のスペーサ２０は、下端面がベース１３のフランジ４１に形成された上段部４１ａにより支持されている。

冷却用厚肉部２１は、上ケース１２の下部フランジ４３とベース１３のフランジ４１との間に介装され、下部フランジ４３、冷却用厚肉部２１およびフランジ４１を厚さ方向に貫通するボルト等の締結部材（図示せず）により連結される。下部フランジ４３と冷却用厚肉部２１との間および冷却用厚肉部２１とフランジ４１との間には、それぞれ、シール部材が介装され、ケース部材１１は密封構造とされる。

このように、ターボ分子ポンプ１は、上ケース１２と冷却用厚肉部２１とにより形成される内部空間にタービン排気部２を有し、ベース１３の内部空間にねじ溝排気部３を有している。タービン排気部２は複数段のロータ翼６と複数段のステータ翼７とで構成され、ねじ溝排気部３はロータ円筒部９とねじステータ１４とで構成されている。

上ケース１２の上端に形成された上部フランジ４４は、締結部材（図示せず）により、図示しない半導体装置製造装置などの真空チャンバの排気系の取付部に締結される。ロータ軸５を磁気浮上させ、この状態でモータ３５により高速回転駆動すると真空チャンバ内の気体分子が、上ケース１２の上部に設けられた吸気口１５から流入する。吸気口１５から流入した気体分子はタービン排気部２において、下流側へと叩き飛ばされる。図示はしないが、ロータ翼６とステータ翼７とは翼の傾斜の向きが逆であり、且つ、傾斜角度は、高真空側である前段側から下流側である後段側に向けて、気体分子が逆行しにくい角度に変化して形成されている。気体分子は、タービン排気部２において圧縮されて図示下方のねじ溝排気部３へ移送される。

ねじ溝排気部３においては、ねじステータ１４に対してロータ円筒部９が高速回転すると粘性流による排気機能が発生し、タービン排気部２からねじ溝排気部３へと移送された気体は圧縮されながら排気ポート４５へ移送され排気される。

ロータ軸５と同軸に固定されたロータ８が高速回転すると、各段のロータ翼６が吸気口１５から吸引された気体分子に衝突して摩擦熱が発生し、ロータ翼６の温度が上昇する。 この場合、従来では、摩擦熱は、ロータ翼６、ステータ翼７、スペーサ２０およびベース１３の順に伝達され、ベース１３に設けられた冷却管５１を循環する冷却媒体により冷却されるものであった。
これに対し、本実施形態においては、ロータ翼６に発生した摩擦熱は、スペーサ２０ａの冷却用厚肉部２１に設けられた冷却管５２を循環する冷却媒体によって冷却される。このため、冷却効果を、従来よりもはるかに大きくすることができる。

図２は、スペーサ２０とロータ８の温度分布を、従来のターボ分子ポンプと実施形態のターボ分子ポンプ（以下、実施例と呼ぶ）において対比するための図である。従来のターボ分子ポンプは、ベース１３のフランジ４１にのみ冷却管５１を設けたものであり、以下、比較例と呼ぶ。比較例、実施例ともに、上ケース１２の上部フランジ４４の温度を９０℃、冷却管５１、５２内を循環する冷却液を、温度２５℃の冷却水とした。
スペーサ２０の温度およびロータ８の温度のいずれについても、従来品を点線により、実施例の場合を実線により示している。図２における横軸のスペーサ段数は、最上段からの段数である。

従来品において、スペーサ２０の温度は、上段側のものが高く下段側に向かうに従ってほぼ直線状に漸次低下している。
これに対し、本発明の一実施の形態においては、上述した如く、６段目のスペーサ２０ａの外周部を大気圧側である外部側に延出して冷却用厚肉部２１を形成した。また、冷却用厚肉部２１の外周側面に溝２２を形成し、この溝２２内に冷却管５２を設け、冷却管５２内に２５℃の冷却水を循環した。冷却用厚肉部２１の内周側面は、７、８段目のスペーサ２０の外周側面に接触して、各スペーサ２０を保持する構造となっている。

このため、一実施の形態においては、６段目のスペーサ２０ａと、７、８段目のスペーサ２０が冷却管５２内を循環する冷却水により冷却される。６段目のスペーサ２０ａと、７、８段目のスペーサ２０が冷却されることにより、６、７段目のステータ翼７が冷却される。また、６〜８段目のスペーサ２０ａ、２０が冷却されることにより、１〜５段目のスペーサ２０およびステータ翼７も冷却される。
従って、一実施の形態におけるスペーサ２０の温度については、図２に図示されるように、最上段のスペーサ２０と最下段のスペーサ２０を除く、中間のスペーサ２０の温度を、比較例よりも低くすることができる。

ステータ翼７の温度が下がると、これに伴って、ロータ翼６の温度が下がる。
このため、ロータ８の温度は、従来品がほぼ１３０℃であるに比し、本実施形態の場合では、ほぼ１２０℃と、１０℃程度、低減することができる。
このように、一実施の形態のターボ分子ポンプ１によれば、ロータ８の冷却効率が向上するので、ロータ８のクリープの速度を遅くすることができる。

ロータ翼６を有するロータ８、ステータ翼７およびスペーサ２０、２０ａを上ケース１２内に収容するには下記の手順で行う。
（１）最下段（８段目）のスペーサ２０をベース１３のフランジ４１の上段部４１ａ上に配置する。スペーサ２０は、半円形状部材として形成されており、相互に、ロータ軸５の反対面側に配置する。
（２）ロータ翼６を有するロータ８をロータ軸５上に配置し、締結部材（図示せず）により、ロータ軸５に固定する。工程（１）、（２）は逆の順序で行ってもよい。
（３）最下段（７段目）のステータ翼７を、最下段（８段目）と７段目のロータ翼６の間から差し込み、最下段（８段目）のスペーサ２０上に配置する。ステータ翼７は、一対の半円形状部材として形成されており、それぞれ、ロータ軸５の反対側の側面から差し込む。

（４）最下段（７段目）のステータ翼７上に、７段目のスペーサ２０を配置する。
（５）６段目のステータ翼７を、７段目と６段目のロータ翼６の間から差し込み、７段目のスペーサ２０上に配置する。
（６）溝２２が形成された冷却用厚肉部２１を有するスペーサ２０ａを、６段目のステータ翼７上に配置する。このとき、冷却用厚肉部２１の内周側面を、７、８段目のスペーサ２０の外周側面に接触させ、７、８段目のスペーサ２０を保持する。

（７）以下、５〜１段目のステータ翼７と、５〜１段目のスペーサ２０とを、交互に、配置していく。
（８）最上段（１段目）のスペーサ２０を、最上段（１段目）のステータ翼７上に配置した後、上ケース１２を上方から降下させて、上ケース１２内に、１〜５段目のスペーサ２０、１〜５段目のステータ翼７およびロータ８の上部側を収容する。この時、上ケース１２の下部フランジ４３の下面は、冷却用厚肉部２１の上面上に載置される。
（９）そして、上述した如く、下部フランジ４３、冷却用厚肉部２１およびフランジ４１を厚さ方向に貫通するボルト等の締結部材（図示せず）により連結することにより、連結部において外部とは密封されたケース部材１１が構成される。
なお、（６）の工程における下部フランジ４３と冷却用厚肉部２１との間および（９）の工程における冷却用厚肉部２１とフランジ４１との間には、それぞれ、シール部材を介装させる。

-実施形態２-
図３は、本発明のターボ分子ポンプ１の実施形態２の断面図である。
実施形態２が、図１に示す実施形態１と相違する点は、スペーサ２０Ａの冷却用厚肉部２１Ａは、外周側面の一部のみが外部に露出している点である。
すなわち、図１に図示されたスペーサ２０ａは、冷却用厚肉部２１の外周側面の全面が外部に露出している。これに対し、図３に図示されたスペーサ２０Ａでは、冷却用厚肉部２１Ａの外周側面は、その一部である下部側のみが外部に露出しており、上部側は、上ケース１２の下部フランジ４３により覆われている。

上ケース１２は、例えば、ＳＵＳにより形成されており、スペーサ２０、２０Ａは、例えば、熱伝導率の高いアルミニウムで形成されている。実施形態２においては、スペーサ２０Ａの上部側を上ケース１２の下部フランジ４３で覆う構造であるので、引張強度の小さいスペーサ２０Ａが上ケース１２により保護される。このため、ターボ分子ポンプ１のロータ８が破壊された場合に、破壊エネルギをケース部材１１により吸収することができる。

実施形態２において、冷却管５２は、冷却用厚肉部２１Ａにおける、外部に露出された下部側の外周側面に設けられた溝２２内に設けられている。冷却管５２は、冷却用厚肉部２１Ａにおける、上ケース１２の下部フランジ４３により覆われた部分に設けることも可能である。
しかし、冷却管５２を、下部フランジ４３により覆われた部分に設ける構造とすると、冷却管５２から漏出する冷却媒体を処理する構造が複雑となる。このため、冷却管５２は、冷却用厚肉部２１Ａにおける、外部に露出された外周側面に対向部分に設けることが望ましい。
なお、実施形態２における他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。

-実施形態３-
図４は、本発明のターボ分子ポンプ１の実施形態３の断面図である。
実施形態３が、図１に示す実施形態１と相違する点は、上から７段目、換言すれば、最下段から２段目に位置するスペーサ２０を、冷却用厚肉部２１Ｂを有するスペーサ２０Ｂとした点である。
スペーサ２０Ｂは、冷却用厚肉部２１Ｂが、上方側および下方側に延出されており、上方側では、上方に隣接するスペーサ２０の外周側面を覆っている。また、下方側は、下方に隣接するスペーサ２０の外周側面を覆い、ベース１３のフランジ４１の上面に支持されている。
実施形態３のターボ分子ポンプ１においても、実施形態１の場合と同様な効果を奏する。
実施形態３における他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。

-実施形態４-
図５は、本発明のターボ分子ポンプ１の実施形態４の断面図である。
実施形態４が、図１に示す実施形態１と相違する点は、上から８段目、換言すれば、最下段に位置するスペーサ２０を、冷却用厚肉部２１Ｃを有するスペーサ２０Ｃとした点である。
スペーサ２０Ｃは、冷却用厚肉部２１Ｃが、上方側および下方側に延出されており、上方側では、上方に隣接する２つのスペーサ２０の外周側面を覆っている。また、下方側は、ベース１３側に延出され、下面がフランジ４１の上面に支持されている。
実施形態４のターボ分子ポンプ１においても、実施形態１の場合と同様な効果を奏する。
実施形態４における他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。

以上説明した通り、本発明の各実施形態に示すターボ分子ポンプ１では、スペーサ２０ａ、２０Ａ〜２０Ｃを外周側に延出して冷却用厚肉部２１、２１Ａ〜２１Ｃを形成し、冷却用厚肉部２１、２１Ａ〜２１Ｃに、冷却媒体が循環する冷却管５２を設けた。このため、ロータ８の冷却効果を増大することができ、ロータ８のクリープの速度を遅くすることができ、ターボ分子ポンプ１の寿命を長くすることができる。
また、冷却用厚肉部２１、２１Ａ〜２１Ｃの外周側面が露出する部分に、内方に窪んだ溝２２を設け、この溝２２内に冷却管５２を設けた。このため、冷却管５２から漏出する冷却媒体の処理に対して簡単な構造とすることができる。
上記の実施形態では、冷却管５１および５２を設けているが、少なくとも冷却管５１を設けていればよい。

なお、実施形態３、４として図４、５に図示したターボ分子ポンプ１おいて、冷却用厚肉部２１Ｂ、２１Ｃの外周側面の一部を、実施形態２として図３に図示した場合と同様に、上ケース１２により覆うようにしてもよい。冷却用厚肉部２１Ａ〜２１Ｃの外周側面をベース１３により覆う構造としたり、上ケース１２とベース１３の両部材により覆う構造としたりすることもできる。

上記各実施形態では、冷却用厚肉部２１、２１Ａ〜２１Ｃを有するスペーサ２０ａ、２０Ａ〜２０Ｃを最上段から６段目のスペーサ２０として例示した。しかし、冷却用厚肉部を有するスペーサを設ける位置は、この位置に限定されるものではない。スペーサ２０の温度は、下流側のものほど高くなるので、最下段のスペーサ２０を含み、この上の数段のスペーサ２０を最大に冷却することが好ましい。このため、全段のスペーサ２０中、下段側の１/２〜１/３のスペーサ２０のいずれかに冷却用厚肉部を設けることが効果的である。
さらに、冷却用厚肉部の下方側に位置するすべてのスペーサを、その外周側面が冷却用厚肉部により覆うことによって、冷却の効果をより高めることができる。また、冷却用厚肉部に覆われているスペーサの数を、冷却用厚肉部に覆われていないスペーサの数よりも少なくすることが好ましい。これにより、冷却用厚肉部に覆われているスペーサを集中的に効率的に冷却することができる。

上記各実施形態において、ロータ翼６を８段有するターボ分子ポンプ１として例示したが、本発明は、ロータ翼６の段数が、例えば、６〜１０段の、他の段数のターボ分子ポンプ１に対しても適用が可能である。
また、電源装置が、ケース部材１１に一体的に設けられているターボ分子ポンプにも適用することができる。

その他、本発明は、発明の趣旨の範囲において種々変形して適用することが可能であり、要は、ステータ翼を支持するスペーサの１つに冷却用厚肉部を形成し、この冷却用厚肉部に冷却媒体が循環する冷却管を設けるようにしたものであればよい。

１ ターボ分子ポンプ
２ タービン排気部
３ ねじ溝排気部
６ ロータ翼
７ ステータ翼
８ ロータ
１１ ケース部材
１２ 上ケース
１３ ベース
２０、２０ａ、２０Ａ〜２０Ｃ スペーサ
２１、２１Ａ〜２１Ｃ 冷却用厚肉部
２２ 溝
５１、５２ 冷却管

Claims (5)

1. ケース部材と、
   前記ケース部材内に収容され、多段に配列されたロータ翼を有するロータと、
   前記ロータと同軸に設けられたロータ軸と、
   前記ケース部材の内面に設けられ、前記ロータ翼間に配置された複数のステータ翼と、
   前記各ステータ翼を支持する複数のスペーサと、を備え、
   前記複数のスペーサの１つは、上方または下方に隣接する少なくとも１つの前記スペーサの外周側面を覆う冷却用厚肉部を有し、
   前記冷却用厚肉部に、冷却媒体が循環する冷却管が設けられている、ターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記冷却用厚肉部は、外周側面の少なくとも一部が前記ケース部材から露出され、この露出された部分に前記冷却管が設けられている、ターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記ケース部材は、上ケースとベースとを有し、前記冷却用厚肉部は、前記上ケースと前記ベースとの間に固定されている、ターボ分子ポンプ。
4. 請求項３に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記冷却用厚肉部の外周側面の一部は、前記上ケースによって覆われている、ターボ分子ポンプ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記冷却用厚肉部の下方側に位置するすべての前記スペーサは、その外周側面が前記冷却用厚肉部により覆われている、ターボ分子ポンプ。

Images