JP3144272U - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸とロータの嵌め合い部の弛みを防止するターボ分子ポンプを提供する。
【解決手段】磁気軸受けにより回転可能に保持され、回転駆動される回転軸３と、外周部に複数段の回転翼が形成されて、回転軸３の先端部に一体に固定されるとともに、回転軸３よりも線膨張係数の大きい材質によって構成されるロータ４と、ロータ４の周囲に配設された複数段の静止翼を有するステータとを備える。ロータ４の中央部に、貫通穴４８が設けられ、この貫通穴４８に回転軸３の先端部が嵌合して固定され、回転軸３の先端部には、回転軸３よりも線膨張係数の大きい材質からなる充填材２５が充填される。
【選択図】図２

Description

本考案は、回転軸の先端部にロータを結合してなるターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは、回転軸の先端部にロータを結合して回転体を構成する。一般に、ロータは比強度の大きいアルミウム合金等により構成されるのに対し、回転軸は軸受けによって支持されるため鉄などにより構成される。このようなターボ分子ポンプに関する先行技術文献としては、以下の特許文献１に記載のものがある。

特開２００３−１７２２９０号公報

上記特許文献１に記載のターボ分子ポンプは、ロータの中央部の貫通穴に回転軸の先端部を嵌合した構成をなす。しかしながら、アルミニウムは鉄よりも線膨張係数が高いため、上述した構成では、ロータの回転時に温度上昇に伴い嵌め合い部に弛みが生じるおそれがある。

本考案によるターボ分子ポンプは、磁気軸受けにより回転可能に保持され、回転駆動される回転軸と、外周部に複数段の回転翼が形成されて、回転軸の先端部に一体に固定されるとともに、回転軸よりも線膨張係数の大きい材質によって構成されるロータと、ロータの周囲に配設された複数段の静止翼を有するステータとを備えたターボ分子ポンプであって、ロータの中央部には、凹部または貫通穴が設けられ、この凹部または貫通穴に回転軸の先端部が嵌合して固定され、回転軸の先端部には、回転軸よりも線膨張係数の大きい材質からなる充填材が充填されることを特徴とする。

本考案によれば、ロータに嵌合する回転軸の先端部に、回転軸よりも線膨張係数の大きい材質からなる充填材を充填するようにしたので、回転軸が充填材の熱膨張によって押し広げられ、嵌め合い部の弛みを防止できる。

−第１の実施の形態−
以下、図１、２を参照して本考案の第１の実施の形態について説明する。
図１は、本考案の第１の実施の形態に係るターボ分子ポンプの全体構成を示す断面図である。ターボ分子ポンプは、例えば半導体製造装置に用いられる真空ポンプである。なお、説明の便宜上、以下では図示のようにターボ分子ポンプの上下方向を定義する。

図１に示すようにターボ分子ポンプのポンプ本体Ｔは、ベース１と、ベース１の上面に固定される略円筒形状のケーシング２と、ベース１の内部に回転可能に支持される回転軸３と、回転軸３の上端部３ａに結合されるロータ４とを有する。ケーシング２の上端フランジ部２ａは、図示しない半導体製造装置側の真空チャンバのフランジに、ボルトによって締結される。

ロータ４の外周部には、上下方向に間隔をあけて複数段の回転翼４１が形成され、各段の回転翼４１の間に固定翼４２が交互に挿設されている。各段の固定翼４２はスペーサ４３を介して積層され、固定翼４２とスペーサ４３により積層体４４（ステータ）が形成されている。ケーシング２の下端面は、Ｏリングを介してベース１の上面にボルト２１で締結され、これによりベース１の上端面とケーシング２の上端フランジ部２１の内径側端面との間に積層体４４が挟持される。

ロータ４の回転翼４１の下方には回転円筒部４５が形成されている。回転円筒部４５の周囲には固定円筒部４６が配設され、固定円筒部４６の内周面に螺旋状溝４６ａが形成されている。以上の回転翼４１と固定翼４２はタービン翼部を構成し、回転円筒部４５と固定円筒部４６はモレキュラードラッグポンプ部を構成する。

ロータ４は、上下一対のラジアル磁気軸受け５およびスラスト磁気軸受け６により非接触支持され、モータ７により回転駆動される。モータ７は例えばＤＣブラシレスモータにより構成される。すなわち、回転軸３に永久磁石が内蔵され、回転軸３の周囲には回転磁界を形成するためのモータステータが配置されている。

ベース１には非常用のメカニカルベアリング８が設けられ、磁気軸受け５，６に異常が生じた場合に、回転軸３はメカルベアリング８により支持される。この際、回転軸３が損傷しないように、回転軸３は炭素鋼などの硬度の高い材料によって構成されている。一方、ロータ４は、遠心力に耐えられるように比強度の高いアルミニウム合金によって構成されている。

このようなターボ分子ポンプでは、モータ７の駆動によりロータ４を高速回転させると、吸気口１０からガス分子が流入し、このガス分子はタービン翼部およびモレキュラードラッグポンプ部のガス通路をそれぞれ経て圧縮され、排気口１１から排気される。これにより吸気口１０側が高真空状態となる。

ところで、ロータ４を構成するアルミニウム合金は、回転軸３を構成する炭素鋼よりも線膨張係数が大きい。そして、図１では、回転軸３の上端部３ａの外周面にロータ４を嵌合しているため、ロータ４が高速回転して高温になると、嵌め合いが弛み、軸振動が増大するおそれがある。これを防止するため、本実施の形態は以下のように嵌め合い部を構成する。

図２（ａ）は、嵌め合い部の構成を示す図１の要部拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の矢視（ｂ）図である。回転軸３の上端部には、軸方向に対して垂直にボルト締結面３１が形成され、ボルト締結面３１の中央部から上方に突出して凸部３２が形成されている。ロータ４の上端面には凹部４７が設けられ、凹部４７の中央に貫通穴４８が開口されている。

貫通穴４８には回転軸３の凸部３２が嵌合し、ロータ４の端面にボルト締結面３１が当接して、回転軸３とロータ４はボルト２２で締結されている。凸部３２の外径は貫通穴４８の径よりもやや大きめに形成され、ロータ４を加熱して貫通穴４８の径を広げることにより回転軸３が貫通穴４８に嵌合されている。すなわちロータ４は回転軸３に焼き嵌めされている。

凸部３２の中央には軸方向にかけて所定深さの有低穴３３が設けられ、有低穴３３に丸棒状の充填材２５が充填されている。充填材２５はロータ４と同一のアルミニウム合金により構成されている。充填材２５の外径は有低穴３３の径と同一またはやや大きめに形成され、焼き嵌めによって充填材２５が有低穴３３に隙間なく挿入されている。なお、充填材２５を打ち込んで有低穴３３に挿入することもできる。

このような構成では、ロータ４の回転時にロータ４が高温になると、ロータ４が熱膨張して貫通穴４８の径が拡大し、これと同一の割合で充填材２５の径も拡大する。これにより凸部３２が充填材２５によって径方向外側に押し広げられ、充填材２５がない場合よりも凸部３２の外径が大きくなる。その結果、温度上昇による嵌め合いの弛みを防止することができ、ロータ４と回転軸３の芯ずれの発生を防止し、軸振動の増加を抑えることができる。嵌め合いの弛みが防止されることで、回転軸３とロータ４の高い結合力を維持でき、回転体の固有値の低下も防止できる。

以上の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）アルミニウム合金製のロータ４の中央部に貫通穴２８を設け、この貫通穴２８に鋼製の回転軸３の先端の凸部３２を嵌合して固定するとともに、回転軸３の先端部中央の有低穴３３に、アルミニウム合金製の充填材２５を充填するようにした。これにより高温時に充填材２５の熱膨張により凸部３２が外側に押し広げられるため、凸部３２が貫通穴２８に密着して嵌め合い部の弛みを防止することができ、軸振動の増加を抑えることができる。
（２）回転軸３に凸部３２を設けてロータ４を嵌合するので、線膨張係数の大きいロータ４を加熱すればよく、焼き嵌めが容易である。これに対しロータ４の中央に凸部を、回転軸３の中央に凹部を設けて嵌合する場合には、線膨張係数の小さい回転軸３を加熱しなければならず、しかも回転軸３の周囲には電子部品が設けられるため、焼き嵌めが困難である。
（３）ロータ４は中央に貫通穴４８を設けるだけなので、構成が容易である。

−第２の実施の形態−
図３を参照して本考案の第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、充填材２５の軸方向の長さである。なお、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図３は、第２の実施の形態に係るターボ分子ポンプの回転軸３とロータ４の嵌め合い部の構成を示す図である。なお、図２と同一の箇所には同一の符号を付している。図３では、充填材２５の下端部はボルト締結面３１よりも上方に位置し、充填材２５の長さが図２のものよりも短くなっている。

このように充填材２５をボルト締結面３１よりも上方にのみ、つまり凸部３２からはみ出さずに設けることで、凸部３２の上部に充填材２５の膨張による押し付け力が作用し、凸部３２は点線で示すように上部がラッパ状に変形する。これによりロータ４を軸方向回転軸３側に押し付けるような力が作用するため、ロータ４と回転軸３の結合力をより強固にすることができ、ロータ４と回転軸３の芯ずれの発生を確実に防止できる。

−第３の実施の形態−
図４を参照して本考案の第３の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、回転軸３の凸部３２の形状である。すなわち第３の実施の形態では凸部３２にスリットを設ける。なお、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図４は、第３の実施の形態に係るターボ分子ポンプの回転軸３とロータ４の嵌め合い部の構成を示す図であり、図２と同一の箇所には同一の符号を付している。なお、図４（ａ）のＡ部は、凸部３２の断面形状ではなく表面形状を示している。凸部３２には、周方向等間隔に複数（図では６個）のスリット３４が設けられている。スリット３４は凸部３２の上端面から下方にかけて設けられ、スリット３４の下端の位置はボルト締結面３１よりも上方にある。

このように凸部３２に軸方向にかけてスリット３４を設けることで、凸部３２の剛性が低下し、凸部３２が変形しやすくなる。これにより充填材２５の熱膨張によって凸部３２が容易に押し広げられ、貫通穴３４と凸部３２の密着状態を維持することができ、嵌め合い部の弛みを確実に防止することができる。

なお、図４では、凸部３２の周面を径方向に貫通してスリット３４を設けたが、貫通しないで凸部３２の外周面のみまたは内周面のみにスリット３４を設けることで、凸部３２の剛性を低下させるようにしてもよい。充填材２５の軸方向の長さを図３に示すように短くしてもよい。

−第４の実施の形態−
図５を参照して本考案の第４の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、充填材２５の形状である。すなわち第４の実施の形態では充填材２５にバランス修正部を設ける。なお、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図５は、第４の実施の形態に係るターボ分子ポンプの回転軸３とロータ４の嵌め合い部の構成を示す図である。なお、図２と同一の箇所には同一の符号を付している。図５に示す充填材２５は、凸部３２の有低穴３３に挿入される嵌合部２５０と、嵌合部２５０の上端に連なるバランス修正用のバランス修正部２５１とを一体に有する。

バランス修正部２５１はロータ４の貫通穴４８よりも大径であり、凸部３２の上端面は、ロータ４の凹部４７の底面４７０よりも下方に位置し、バランス修正部２５１の下端面が底面４７０に当接している。なお、図５では、充填材２５の下端部はボルト締結面３１よりも上方に位置しているが、ボルト締結面３１より下方に延設してもよい。凸部３２にスリット３４（図４）を設けてもよい。

第４の実施の形態における充填材２５は、回転軸３よりも線膨張係数が大きく、かつ、腐食性を有するステンレス製の金属によって構成される。これにより充填材２５の熱膨張により凸部３２が押し広げられ、嵌め合い部の弛みを防止することができる。また、第４の実施の形態では、充填材２５のバランス修正部２５１の一部を切削したり、あるいは錘を負荷することにより、回転体のバランス修正を行う。これにより回転体のアンバランスを小さくすることができ、軸振動を抑えることができる。

ターボ分子ポンプは腐食性ガスの流れる環境で使用されるが、第４の実施の形態では、充填材２５を耐食性のある金属によって構成しているので、充填材２５の表面にメッキ等を施す必要がない。このため充填材２５の一部を切削したままの状態、つまりバランス修正したままの状態で用いることができ、良好な回転バランスが得られる。これに対し、充填材２５を耐食性のある金属によって構成していない場合には、バランス修正部２５１の一部を切削した後に、その表面をメッキ等で保護する必要があり、これにより回転バランスが崩れるおそれがある。

なお、バランス修正部２５１を有する充填材２５の構成は図５に示したものに限らない。例えば図５では、ロータ４と回転軸３をボルト２２で締結するようにしたが、図６に示すようにバランス修正部２５１を貫通したボルト２２によってロータ４と回転軸３を締結するようにしてもよい。これにより充填材２５がボルト２２によって固定され、ロータ４の回転時に充填材２５の軸方向の位置がずれることを防止できる。

上記実施の形態では、回転軸３の先端部中央の凸部３２に丸棒状の充填材２５を挿入するようにしたが、充填材２５の形状はこれに限らない。ロータ４の中央に貫通穴２８を設けて回転軸３の先端を嵌合するようにしたが、貫通穴２８の代わりに凹部を設けて回転軸３を嵌合するようにしてもよい。充填材２５をロータ４と同一のアルミニウム合金により構成したが、少なくとも回転軸３より線膨張係数の大きい材質によって構成されるのであれば、充填材２５の材質はいかなるものでもよい。

本考案は、ロータ４と回転軸３の嵌め合い部の構成に特徴を有するのであり、その他の構成はいかなるものでよく、ターボ分子ポンプの全体構成は図１に示したものに限らない。すなわち、本考案の特徴、機能を実現できる限り、本考案は実施の形態のターボ分子ポンプに限定されない。

本考案の第１の実施の形態に係るターボ分子ポンプの全体構成を示す断面図。 図１の要部拡大図。 第２の実施の形態に係るターボ分子ポンプの要部拡大図。 第３の実施の形態に係るターボ分子ポンプの要部拡大図。 第４の実施の形態に係るターボ分子ポンプの要部拡大図。 図５の変形例を示す図。

符号の説明

３ 回転軸
３２ 凸部
３４ スリット
４ ロータ
４１ 回転翼
４２ 固定翼
４４ 積層体
４８ 貫通穴
２５ 充填材
２５１ バランス修正部

Claims (5)

1. 磁気軸受けにより回転可能に保持され、回転駆動される回転軸と、
   外周部に複数段の回転翼が形成されて、前記回転軸の先端部に一体に固定されるとともに、前記回転軸よりも線膨張係数の大きい材質によって構成されるロータと、
   前記ロータの周囲に配設された複数段の静止翼を有するステータとを備えたターボ分子ポンプであって、
   前記ロータの中央部には、凹部または貫通穴が設けられ、この凹部または貫通穴に前記回転軸の先端部が嵌合して固定され、
   前記回転軸の先端部には、前記回転軸よりも線膨張係数の大きい材質からなる充填材が充填されることを特徴とす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、
   前記回転軸の先端部には、前記ロータの端面に締結される締結面が軸方向に垂直に形成されるとともに、前記ロータの中央部に嵌合する凸部がこの締結面よりも軸方向に突出して形成され、
   前記充填材は、前記締結面を超えない範囲で前記凸部に充填されることを特徴とす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、
   前記充填材が充填された前記回転軸の周面には、軸方向にかけてスリットが設けられることを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記充填材の端部には、前記回転軸の端面よりも突出してバランス修正用のバランス修正部が設けられることを特徴とするターボ分子ポンプ。
5. 請求項４に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記充填材は、耐食性を有する金属により構成されることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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