JP2015059426A - 真空ポンプの固定部品 - Google Patents

Abstract

【課題】破壊エネルギー（ロータが回転中に破損したことによって生じる破壊のエネルギー）の低減、かつ、ポンプサイズのコンパクト化を図るのに好適な真空ポンプの固定部品と、これを備えた真空ポンプを提供する。【解決手段】真空ポンプＰにおいて、固定部品としてのスペーサ９又はネジ溝ポンプステータ８は、ポンプケースＣ内に収容された状態で、その外周面とポンプケースＣの内周面との間に、後記《条件》を満たす隙間Ｇ１を形成する。《条件》２ｄ／Ｄ ≰ εmaxなお、前記《条件》において、Ｄは固定部品（スペーサ９又はネジ溝ポンプステータ８）の外径、ｄは前記隙間の幅、εmaxは前記固定部品の破断伸びである。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプケース内でのロータの回転により吸気したガスを排気する真空ポンプの構成部品として、該ポンプケース内に収容される環状の固定部品に関する。

従来、ポンプケース内でのロータの回転により吸気したガスを排気する真空ポンプとしては、例えば、特許文献１に記載のターボ分子ポンプが知られている。同文献１のターボ分子ポンプは、ロータ（Ｒ）の回転により吸気口（フランジ１４ａ付近）からガスを吸気し、吸気したガスを排気口（１５ａ）から排気するように構成されている（同文献１の段落００２４の記載を参照）。

また、同文献１のターボ分子ポンプにおいては、ポンプケーシング（１４）の内側に内側ケーシング（１４２）を設け、更に、この内側ケーシング（１４２）の内側に前記ロータ（Ｒ）を収容する構成、及び、ロータ（Ｒ）が回転中に破損したことによって生じる破壊のエネルギー（以下「破壊エネルギー」という）を内側ケーシング（１４２）で吸収する手段として、前記内側ケーシング（１４２）と前記ポンプケーシング（１４）との間に隙間（Ｔ）を形成することで、破壊エネルギーによる内側ケーシング（１４２）の変形を可能とし、その変形によって破壊エネルギーを吸収する構成を採用している。

しかしながら、同文献１に記載のターボ分子ポンプによると、ロータ（Ｒ）の破壊エネルギーは内側ケーシング（１４２）の変形エネルギーに変換されて吸収されるが、その内側ケーシング（１４２）を構成する材料の伸び量を考慮して前記隙間（Ｔ）を設定していない。このため、前記隙間（Ｔ）を設けた割には、破壊エネルギーを十分に吸収することができない場合があった。また、省スペース化の観点から、ターボ分子ポンプのコンパクト化を図る上で、材料の伸び量を考慮しない前記隙間（Ｔ）の設定は、コンパクト化を実現する際の妨げの要因の一つとなっていた。

なお、前記括弧内の符号は、特許文献１で用いられている符号である。

特許第４１９７８１９号公報

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、破壊エネルギー（ロータが回転中に破損したことによって生じる破壊のエネルギー）の低減を図るのに好適な真空ポンプの固定部品と、これを備えた真空ポンプを提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、ポンプケース内でのロータの回転により吸気したガスを排気する真空ポンプの構成部品として、該ポンプケース内に収容される環状の固定部品であって、前記固定部品は、前記ポンプケース内に収容された状態で、その外周面と前記ポンプケースの内周面との間に、下記《条件》を満たす隙間を形成することを特徴とする真空ポンプの固定部品。
《条件》
２ｄ／Ｄ ≦ ε_max
Ｄ：前記固定部品の外径
ｄ：前記隙間の幅
ε_max：前記固定部品の破断伸び

前記本発明において、前記固定部品は、鋳造により製造されたことを特徴としてもよい。

前記本発明において、前記固定部品は、金型鋳造により製造された金型鋳物であることを特徴としてもよい。

前記本発明において、前記固定部品は、砂型鋳造後に熱処理を施した砂型鋳物であることを特徴としてもよい。

前記本発明において、前記固定部品は、前記鋳造により製造される際に、添加剤を加え、前記破断伸びを無垢材料物と同等にしたことを特徴としてもよい。

前記本発明において、前記固定部品は、アルミニウム合金からなることを特徴としてもよい。

また、本発明は、前記固定部品を備えた真空ポンプである。

本発明では、ポンプケース内に収容される環状の固定部品の具体的構成として、かかる固定部品は、ポンプケース内に収容された状態で、その外周面とポンプケースの内周面との間に、前記《条件》を満たす隙間を形成するものとした。このため、破壊エネルギーによって固定部品が最大に伸び変形した場合、つまり、固定部品がその破断伸び（ε_max）と略同程度付近まで伸び変形した場合でも、伸び変形した固定部品はポンプケースの内面に接触しないか、若しくは、軽く接触する程度で済むことから、伸び変形した固定部品を介してポンプケース側に破壊エネルギーが伝わる現象を効果的に防止でき、固定部品において破壊エネルギーを十分に吸収することが可能であり、かつ、ポンプケースの小型化を図りつつ、破壊エネルギーの低減を図るのに好適な真空ポンプの固定部品とこれを備えた真空ポンプを提供し得る。

本発明に係る真空ポンプの固定部品を備えた真空ポンプ断面図。 （ａ）は図１の真空ポンプを構成するスペーサ（半分）の断面図、（ｂ）はそのスペーサの平面図。 アルミニウム合金の応力ひずみ線図。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る真空ポンプの固定部品を備えた真空ポンプ断面図であり、図２において、（ａ）は図１の真空ポンプを構成するスペーサ（半分）の断面図、（ｂ）はそのスペーサの平面図である。

図１の真空ポンプＰは、例えば、半導体製造装置、フラット・パネル・ディスプレイ製造装置、ソーラー・パネル製造装置におけるプロセスチャンバやその他の密閉チャンバのガス排気手段等として利用される。

図１の真空ポンプＰにおいて、外装ケース１は、筒状のポンプケースＣとポンプベースＢとをその筒軸方向に締結手段Ｅで一体に連結することにより、有底の円筒形状になっている。

ポンプケースＣの上端部側（図１において紙面上方）はガス吸気口１Ａとして開口しており、また、ポンプベースＢにはガス排気口２を設けてある。なお、ガス吸気口１Ａは例えば半導体製造装置のプロセスチャンバ等、高真空となる図示しない密閉チャンバに接続され、ガス排気口２は、図示しない補助ポンプに連通接続される。

ポンプケースＣ内の中央部には円筒状のステータコラム３が設けられている。このステータコラム３はポンプベースＢ上に立設されており、ステータコラム３の外側にはロータ４が設けられ、ステータコラム３の内側には、ロータ４を支持する手段としての磁気軸受ＭＢや、該ロータ４を回転駆動する手段としての駆動モータＭＴなどの各種電装部品が内蔵されている。なお、磁気軸受ＭＢや駆動モータＭＴは公知であるため、その具体的な構成の詳細説明は省略する。

ロータ４は、ポンプベースＢ上に回転可能に配置され、ポンプベースＢとポンプケースＣとに内包されている。また、このロータ４は、ステータコラム３の外周を囲む円筒形状であって、連結部４Ａで直径の異なる２つの筒体（第１の筒体４Ｂと第２の筒体４Ｃ）をその筒軸方向に連結し、かつ、その第１の筒体４Ｂの上端面側を端部材４Ｄで塞いだ構造になっている。

ロータ４の内側には回転軸４１が取り付けられており、回転軸４１を前記ステータコラム３に内蔵の磁気軸受ＭＢで支持すること、及び、回転軸４１を前記ステータコラム３に内蔵の駆動モータＭＴで回転駆動することにより、ロータ４は、その軸心（前記回転軸４１）回りに回転可能に支持されるとともに、その軸心周りに回転駆動される構成になっている。この構成の場合、前記回転軸４１、ステータコラム３に内蔵の前記磁気軸受ＭＢ及び駆動モータＭＴがロータ４の支持及び駆動手段として機能する。これとは別の構成によりロータ４をその軸心周りに回転可能に支持し回転駆動してもよい。

図１の真空ポンプＰは、ポンプケースＣ内でのロータ４の回転により吸気口１Ａから吸気したガスを排気口２に導いて該排気口２より外部へ排気する手段として、ガス流路Ｒを備えている。

前記ガス流路Ｒの一実施形態として、図１の真空ポンプＰでは、そのガス流路Ｒ全体のうち、前半の吸気側ガス流路Ｒ１（ロータ４の連結部４Ａより上流側）は、ロータ４の外周面に配設された複数の回転翼６と、ポンプケースＣの内周面にスペーサ９を介して固定された複数の固定翼７とによって形成されるものとし、後半の排気側ガス流路Ｒ２（ロータ４の連結部４Ａより下流側）は、ロータ４の外周面（具体的には、第２の筒体４Ｃの外周面）とこれに対向するネジ溝ポンプステータ８とによりネジ溝状の流路として形成してある。

吸気側ガス流路Ｒ１の構成を更に詳細に説明すると、図１の真空ポンプＰにおいて、吸気側ガス流路Ｒ１を構成する回転翼６は、ロータ４回転中心等のポンプ軸心を中心として放射状に並んで複数配置されている。この一方、吸気側ガス流路Ｒ１を構成する固定翼７は、スペーサ９を介してポンプ径方向及びポンプ軸方向に位置決めされる形式でポンプケースＣの内周側に配置固定されるとともに、ポンプ軸心を中心として放射状に並んで複数配置されている。

そして、図１の真空ポンプＰでは、前記のように放射状に配置された回転翼６と固定翼７とがポンプ軸心に沿って交互に多段に配置されることにより、吸気側ガス流路Ｒ１が形成されるように構成してある。

以上の構成からなる吸気側ガス流路Ｒ１では、駆動モータＭＴの起動によりロータ４および複数の回転翼６が一体に高速回転することで、回転翼６がガス吸気口１Ａから入射したガス分子に下向き方向の運動量を付与する。この下向き方向の運動量を有するガス分子が固定翼７によって次段の回転翼側へ送り込まれる。以上のようなガス分子への運動量の付与と送り込み動作とが繰り返し多段に行われることによって、ガス吸気口側のガス分子は、吸気側ガス流路Ｒ１を通じて、排気側ガス流路Ｒ２の方向に順次移行するように排気される。

次に、前記排気側ガス流路Ｒ２の構成を更に詳細に説明すると、図１の真空ポンプＰにおいて、排気側ガス流路Ｒ２を構成するネジ溝ポンプステータ８は、ロータ４の下流側外周面（具体的には、第２の筒体４Ｃの外周面。以下も同様）を囲む環状の固定部品であって、かつ、その内周面側が所定隙間を隔ててロータ４の下流側外周面（具体的には、第２の筒体４Ｃの外周面）と対向するように配置してある。

また、このネジ溝ポンプステータ８の内周部にはネジ溝８Ａを形成してあり、ネジ溝８Ａは、その深さが下方に向けて小径化したテーパコーン形状に変化し、ネジ溝ポンプステータ８の上端から下端にかけて螺旋状に刻設してある。

そして、図１の真空ポンプＰでは、ロータ４の下流側外周面と前記ネジ溝８Ａを備えたネジ溝ポンプステータ８とが対向することで、前記排気側ガス流路Ｒ２がネジ溝状のガス流路として形成されるように構成してある。これとは別の実施形態として、図示は省略するが、例えば、かかるネジ溝８Ａをロータ４の下流側外周面に設けることにより、前記のような排気側ガス流路Ｒ２が形成される構成を採用することも可能である。

以上の構成からなる排気側ガス流路Ｒ２では、駆動モータＭＴの起動によりロータ４が回転すると、吸気側ガス流路Ｒ１からガスが流入し、ネジ溝８Ａとロータ４の下流側外周面でのドラッグ効果により、その流入したガスを遷移流から粘性流に圧縮しながら移送する形式で排気する。

《破壊エネルギーを吸収する手段の説明》
前記スペーサ９は、真空ポンプＰの構成部品としてポンプケースＣ内に収容される環状の固定部品（図２（ａ）（ｂ）を参照）であって、図１のようにネジ溝ポンプステータ８の上端部に多段に積層されている。そして、多段に積層されたスペーサ９間に固定翼７の外周端が介挿されることにより、固定翼７は、ポンプケースＣ内に位置決め固定されるように構成してある。

また、前記のように固定翼７を位置決め固定しているスペーサ９は、更に破壊エネルギーを吸収する手段としての機能も有している。すなわち図１の真空ポンプＰにおいて、前記スペーサ９は、ポンプケースＣ内に収容された状態で、その外周面とポンプケースＣの内周面との間に、下記《条件１》を満たす隙間Ｇ１を形成している。

《条件１》
２ｄ／Ｄ ≦ ε_max
Ｄ：固定部品（スペーサ９）の外径
２ｄ：隙間Ｇ１の幅
ε_max：固定部品（スペーサ９）の破断伸び（図３を参照）

ところで、先に説明したネジ溝ポンプステータ８も、スペーサ９と同じく、真空ポンプＰの構成部品としてポンプケースＣ内に収容される環状の固定部品である。そして、図１の真空ポンプＰでは、このネジ溝ポンプステータ８が、ポンプケースＣ内に収容された状態で、その外周面とポンプケースＣの内周面との間に、下記《条件２》を満たす隙間Ｇ２を形成するように構成してある。

《条件２》
２ｄ／Ｄ ≦ ε_max
Ｄ：固定部品（ネジ溝ポンプステータ８）の外径
２ｄ：隙間Ｇ２の幅
ε_max：固定部品（ネジ溝ポンプステータ８）の破断伸び（図３を参照）

図１の真空ポンプＰにおけるロータ４は、前述の通り、磁気軸受で支持され、例えば３００００ＲＰＭで高速回転するため、ロータ４がその周囲の部材に接触し破損したときに生じる破壊エネルギーは大きい。

しかしながら、図１の真空ポンプＰでは、スペーサ９やネジ溝ポンプステータ８の具体的な構成として、スペーサ９やネジ溝ポンプステータ８は、ポンプケースＣ内に収容された状態で、その外周面とポンプケースＣの内周面との間に、前記《条件１》または《条件２》を満たす隙間Ｇ１又はＧ２を形成するものとした。

このため、図１の真空ポンプＰによると、破壊エネルギーによってスペーサ９あるいはネジ溝ポンプステータ８が最大に伸び変形した場合、つまり、スペーサ９あるいはネジ溝ポンプステータ８がその破断伸び（ε_max）と略同程度付近まで最大に伸び変形した場合でも、伸び変形したスペーサ９あるいはネジ溝ポンプステータ８はポンプケースＣの内面に接触しないか、若しくは軽く接触する程度で済む。従って、伸び変形したスペーサ９やネジ溝ポンプステータ８を介してポンプケースＣ側に破壊エネルギーが伝わる現象は効果的に防止され、スペーサ９やネジ溝ポンプステータ８において殆どの破壊エネルギーを吸収することが可能である。

以上のように、図１の真空ポンプによると、スペーサ９やネジ溝ポンプステータ８において殆どの破壊エネルギーを吸収することが可能であるから、（１）破壊エネルギーによってポンプケースＣが破損し真空破壊が生じる可能性や、（２）破壊エネルギーがポンプケースＣに伝わることによってポンプケースＣに異常トルクが発生し、それによってポンプケースＣがガス吸気口１Ａ側を固定点として捩じれる可能性、並びに（３）真空ポンプＰのガス吸気口１Ａに接続される半導体製造装置のプロセスチャンバ等、真空ポンプＰ外の装置に破壊エネルギーが及ぶことで当該装置を破損する可能性の低減を図ることができ、真空ポンプの安全性が向上している。

スペーサ９やネジ溝ポンプステータ８は、それ自体が破壊エネルギーによって伸び変形することにより破壊エネルギーを吸収する手段として機能するものであるから、伸び性の優れた材料で形成することが望ましい。

図３は、アルミニウム合金についての応力ひずみ線図である。この応力ひずみ線図において、斜線の入った面積部分はアルミニウム合金が変形することによって吸収できる破壊エネルギー量（最大値）に相当する。この応力ひずみ線図からも分かるように、伸び性の良い材料（良く伸びる材料）の方が、斜線の面積部分が広くなり、破壊エネルギーの吸収量が多くなる。

一般に、同じアルミニウム合金からなる部品でも、それが無垢材料物である場合と鋳物である場合とでは、無垢材料物の方が伸び性に優れる。このため、図１の真空ポンプにおいて、スペーサ９やネジ溝ポンプステータ８をアルミニウム合金で形成する場合は、それらを無垢材料で形成してもよい。

しかしながら、無垢材料のスペーサ９やネジ溝ポンプステータ８は材料費が高く、真空ポンプＰ全体のコスト高を招くため、スペーサ９やネジ溝ポンプステータ８は、材料費が安くかつ無垢材料物と略同程度の伸び性を備えた鋳物で形成することが好ましい。

無垢材料物と略同程度の伸び性を備えた鋳物としては、金型鋳造により製造された金型鋳物、例えばＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金製の金型鋳物がある。なお、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、真空下での使用にも適しているため、図１の真空ポンプにおけるスペーサ９やネジ溝ポンプステータ８の構成材料として好適である。

前記『金型鋳物』とは、金型を用い、重力下で鋳造を行って製造した鋳物である。この種の金型鋳物は、砂型鋳物やダイキャスト製法による鋳物に比べて、伸び率が高く、無垢材料物に近い伸び率を有する。また、この種の金型鋳物の伸び性をより一層高める手段として、金型鋳物中にストロンチウム（Ｓｒ）などの添加剤を付加してもよい。前述のネジ溝ポンプステータ８やスペーサ９のような固定部品は、鋳造により製造される際に前記添加剤を加えることで、その破断伸びを無垢材料物と同等にすることが可能である。

砂型鋳物の中でも、砂型鋳造後に熱処理を施した砂型鋳物（以下「熱処理砂型鋳物」という）は、その熱処理の方法次第で、金型鋳物よりも伸び率が高く、無垢材料物に近い伸び率を有する場合がある。

以上のことから、図１の真空ポンプＰでは、スペーサ９やネジ溝ポンプステータ８の具体的な構成として、それらを金型鋳造により製造されたＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金製の金型鋳物、または、熱処理砂型鋳物で形成している。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により多くの変形が可能である。

例えば、本発明は、図１の真空ポンプＰにおいて、ガス流路Ｒ中の吸気側ガス流路Ｒ１を省略した形式の真空ポンプや、排気側ガス流路Ｒ２を省略した形式の真空ポンプにも適用することが可能である。

１ 外装ケース
１Ａ ガス吸気口
２ ガス排気口
３ ステータコラム
４ ロータ
４１ 回転軸
４Ａ 連結部
４Ｂ 第１の筒体
４Ｃ 第２の筒体
４Ｄ 端部材
６ 回転翼
７ 固定翼
８ ネジ溝ポンプステータ
８Ａ ネジ溝
９ スペーサ
Ｂ ポンプベース
Ｃ ポンプケース
Ｄ スペーサ又はネジ溝ポンプステータの外径
Ｇ１ ポンプケースとスペーサの間の隙間
Ｇ２ ポンプケースとネジ溝ポンプスペーサとの間の隙間
ｄ 隙間の幅
ＭＢ 磁気軸受
ＭＴ 駆動モータ
Ｐ 真空ポンプ
Ｒ ガス流路
Ｒ１ 吸気側ガス流路
Ｒ２ 排気側ガス流路

Claims (7)

1. ポンプケース内でのロータの回転により吸気したガスを排気する真空ポンプの構成部品として、該ポンプケース内に収容される環状の固定部品であって、
   前記固定部品は、前記ポンプケース内に収容された状態で、その外周面と前記ポンプケースの内周面との間に、下記《条件》を満たす隙間を形成すること
   を特徴とする真空ポンプの固定部品。
   《条件》
   ２ｄ／Ｄ ≦ ε_max
   Ｄ：前記固定部品の外径
   ｄ：前記隙間の幅
   ε_max：前記固定部品の破断伸び
2. 前記固定部品は、鋳造により製造されたこと
   を特徴とする請求項１に記載の真空ポンプの固定部品。
3. 前記固定部品は、金型鋳造により製造された金型鋳物であること
   を特徴とする請求項２に記載の真空ポンプの固定部品。
4. 前記固定部品は、砂型鋳造後に熱処理を施した砂型鋳物であること
   を特徴とする請求項２に記載の真空ポンプの固定部品。
5. 前記固定部品は、前記鋳造により製造される際に、添加剤を加え、前記破断伸びを無垢材料物と同等にしたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の真空ポンプの固定部品。
6. 前記固定部品は、アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の真空ポンプの固定部品。
7. 請求項１ないし６に記載の固定部品を備えた真空ポンプ。

Images