JP3912964B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸方向に交互に配列された複数の動翼（回転翼）及び静翼（固定翼）によって、吸気口から吸引したガスを排気口へ真空排気するターボ分子ポンプに関するものである。
特に本発明では、ガス分圧が高くなると固化が生じるガスを吸引する場合であっても、ターボ分子ポンプ内での固化物の付着を効果的に防止できるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来のターボ分子ポンプの縦断面図を示すものである。同図に示すようにケーシング１（ポンプ本体）には、ガスの吸気口２及び排気口３が設けられ、その間には、静翼（固定翼）４がスペーサ１９によってその位置が固定されて取り付けられている。
【０００３】
ロータ６には動翼（回転翼）５とねじ溝ポンプ段９が取付けられ、回転軸７によって回転される。そして、複数の動翼５と複数の静翼４とが軸方向に交互に配設されている。
【０００４】
回転軸７と、この回転軸７の周りに配置されたステータ８との間には、ロータ６を高速回転させるために、上部の磁気軸受１０と下部の磁気軸受１１と軸方向軸受としての磁気軸受１２とモータ１３が設けられている。
【０００５】
ケーシング１の外に位置する加熱部１５は、加熱用電気ヒータ１４によって加熱され、熱良導体１７を介して放熱板２０へ熱を伝えている。
【０００６】
加熱部１５とケーシング１との間には断熱スペーサ１８が介装され、ケーシング１及びステータ８は、加熱部１５，熱良導体１７及び放熱板２０から熱隔離されている。また、放熱板２０の外周面とケーシング１の内側のスペーサ１９との間の空間には、熱遮蔽板２１が装設されており、この熱遮蔽板２１により、放熱板２０からの放射熱をスペーサ１９及びケーシング１側へ伝えないように遮蔽している。
【０００７】
また、放熱板２０とケーシング１側の間には、ガスがバイパスしないように、Ｏリング２３によりシールがされている。
【０００８】
ケーシング１には、冷却用の冷却通路２２が設けられており、この冷却通路２２を通過する冷却水によってケーシング１が冷却され、アルミ合金材料により構成されたロータ６の温度が許容温度以下に抑えられるようになっている。
【０００９】
以上のターボ分子ポンプでは、動翼５と回転軸７とを持つロータ６がモータ１３により高速回転すると、ガスは、ガス吸気口２から動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９のガス流路を経て排気口３の方向へ流れて真空排気され、吸気口２が高真空になると共に排気口３が低真空となる。
【００１０】
このとき、加熱部１５を電気ヒータ１４等の加熱手段により加熱し、加熱部１５の熱を熱良導体１７を経て放熱板２０に伝え、同放熱板２０を加熱し、ねじ溝ポンプ段９，回転体及びその周辺部のガス温度を上げて固化物の付着を防止している。
【００１１】
ここで「固化物の付着」について説明する。このターボ分子ポンプは、例えば、半導体製造装置を真空引きする場合に使用されており、この場合には、塩化アルミガスを吸引することがある。この塩化アルミの昇華特性は、図４に示すようになっており、ガス圧が高くなるにつれて昇華温度も高くなり、グラフ線から下が固体になる範囲を示している。ターボ分子ポンプでは、吸気口２側が高真空（分圧が低い）で排気口３側が低真空（分圧が高い）となるため、排気口３側のねじ溝ポンプ段９側において分圧が高くなり固化が発生し易い。このため分圧の高い排気口３側において加熱して、固化物の付着を防いでいるのである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来のターボ分子ポンプは、ガスを排気する際、ポンプ内部の発熱により、回転体が高温になるため、回転体材料に使用されているアルミ合金材料がクリープや強度低下を起こす原因になっており、この対策としてケーシング（ポンプ本体）１が冷却水等の冷却手段により冷却されている。
【００１３】
しかしながら、ケーシング１を冷却すると、ケーシング１内の温度が、排気するガスの昇華温度以下になり、ガス流路の内部に固化物が付着し、ポンプの性能低下や接触による故障等を引き起こすので、ねじ溝ポンプ段９〜ガス出口周りのガス流路に放熱板２０を設けて電気ヒータ等の加熱手段によって加熱し、ガス温度を固化温度以上に加熱していたが、加熱温度が十分に届かない部分の排気口３に近い下流側の静翼４の近傍には、固化物が付着してしまう現象が起きていた。
【００１４】
このため、固化物を定期的に取り除くメンテナンス作業が必要となり、ターボ分子ポンプの操業が低下するという問題があった。
【００１５】
またケーシング１を冷却すると、ケーシング１内の温度が、排気するガスの昇華温度以下になり、ガス流路の内部に固化物が付着し、ポンプの性能低下や接触による故障等を引き起こすので、ねじ溝ポンプ段９〜ガス出口周りのガス流路に放熱板２０を設けて外部からの電気ヒータ等の加熱手段によって加熱し、ガス温度を固化温度以上に加熱するためには、電気ヒータの容量を大きくする必要があった。
【００１６】
本発明は、上記従来技術の問題を解消するために提案するものであり、放熱板を下流側の静翼またはスペーサに接触させることで、ガス温度を昇華温度以上に加熱して固化物の付着を防止し、ケーシング内部の洗浄等のメンテナンス作業を不要にできるターボ分子ポンプを提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、ケーシング内に、軸方向に交互に配列された複数の動翼及び複数の静翼と、前記複数の静翼相互を軸方向に離間しつつ位置固定するため軸方向に並んで配置されたスペーサと、ガス流路のうち前記動翼及び前記静翼よりも下流側に位置するガス流路を外部から供給された熱で加熱する放熱板とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記放熱板の上流側部分に形成されており、複数の前記スペーサのうち前記静翼の下方に位置するスペーサに接触している熱伝導部と、
前記熱伝導部よりも下流側に配置されており、熱が前記ケーシングに伝わるのを防止する下流側の断熱スペーサと、
前記熱伝導部よりも上流側に位置しつつ前記スペーサに介装された上流側の断熱スペーサとを設けたことを特徴とする。
また本発明の構成は、ケーシング内に、軸方向に交互に配列された複数の動翼及び複数の静翼と、前記複数の静翼相互を軸方向に離間しつつ位置固定するため軸方向に並んで配置されたスペーサと、ガス流路のうち前記動翼及び前記静翼よりも下流側に位置するガス流路を外部から供給された熱で加熱する放熱板とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記放熱板の上流側部分に形成されており、複数の前記静翼のうち下流側の静翼に接触している熱伝導部と、
前記熱伝導部よりも下流側に配置されており、熱が前記ケーシングに伝わるのを防止する下流側の断熱スペーサと、
前記熱伝導部よりも上流側に位置しつつ前記スペーサに介装された上流側の断熱スペーサとを設けたことを特徴とする。
【００１９】
また本発明の構成は、上流側の断熱スペーサの位置は、ケーシング内でのガス圧力とガス固化温度と動翼温度により決定されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお従来技術と同一部分には同一符号を付して説明をする。
【００２３】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるターボ分子ポンプの縦断面図を示すものである。同図に示すようにケーシング１（ポンプ本体）には、ガスの吸気口２及び排気口３が設けられ、その間には、静翼（固定翼）４がスペーサ１９によってその位置が固定されて取り付けられている。
【００２４】
ロータ６には動翼（回転翼）５とねじ溝ポンプ段９が取付けられ、回転軸７によって回転される。そして、複数の動翼５と複数の静翼４とが軸方向に交互に配設されている。結局、吸気口２から排気口３に至るガス流路には、交互配置された複数の動翼５及び複数の静翼４と、ねじ溝ポンプ段９が、ガスの流れ方向に沿い順に設置されている。
【００２５】
回転軸７と、この回転軸７の周りに配置されたステータ８との間には、ロータ６を高速回転させるために、上部の磁気軸受１０と下部の磁気軸受１１と軸方向軸受としての磁気軸受１２とモータ１３が設けられている。
【００２６】
ケーシング１の外に位置する加熱部１５は、加熱用電気ヒータ１４によって加熱され、熱良導体１７を介して放熱板２０へ熱を伝えている。この放熱板２０は、ねじ溝ポンプ段９が位置するガス流路を加熱する、即ち、ガス流路のうち動翼５及び静翼４よりも下流側に位置するガス流路を加熱する。
【００２７】
加熱部１５とケーシング１との間には断熱スペーサ１８が介装され、ケーシング１及びステータ８は、加熱部１５，熱良導体１７及び放熱板２０から熱隔離されている。また、放熱板２０の外周面とケーシング１の内側のスペーサ１９との間の空間には、熱遮蔽板２１が装設されており、この熱遮蔽板２１により、放熱板２０からの放射熱をスペーサ１９及びケーシング１側へ伝えないように遮蔽している。
【００２８】
また、放熱板２０とケーシング１側の間には、ガスがバイパスしないように、Ｏリング２３によりシールがされている。
【００２９】
ケーシング１には、冷却用の冷却通路２２が設けられており、この冷却通路２２を通過する冷却水によってケーシング１が冷却され、アルミ合金材料により構成されたロータ６の温度が許容温度以下に抑えられるようになっている。
【００３０】
ここまでの構成は従来技術と同一であるが、本実施の形態では更に、次の様な新規な構成が採用されている。
【００３１】
即ち、複数のスペーサ１９は、複数の静翼４を軸方向に離間しつつ位置固定するため、軸方向に並んで配置されている。放熱板２０は、ねじ溝ポンプ段９とスペーサ１９の間のガス流路、即ち、ガス流路のうち動翼５及び静翼４よりも下流側に位置するガス流路に装設されると共に、排気口３に近い下流側の静翼４ｂに熱を伝達させるため、熱伝導部２０ａを介して、複数のスペーサ１９のうち下流側の静翼４ｂの下方に位置するスペーサ１９に面接触している。
なお、放熱板２０を下流側の静翼４ｂに接触させるように構成してもよい。
【００３２】
また、排気口３に近い下流側の静翼４ｂと吸気口２に近い上流側の静翼４ａとの間に断熱スペーサ１８ａを設け、また、熱伝導部２０ａを介して放熱板２０が接触しているスペーサ１９と熱伝導部２０ａの直下のケーシング１との間にも断熱スペーサ１８ｂを設けて熱隔離をしている。
【００３３】
なお断熱スペーサ１８ａの位置は、ケーシング１内でのガス圧力とガス固化温度と動翼５の温度を考慮して決定している。具体的には、
(1) ガス圧力が高い場合には、断熱スペーサ１８ａの位置を、更に上流側に設定することができ、
(2) ガス固化温度が高い場合には、断熱スペーサ１８ａの位置を、更に下流側に設定することができ、
(3) 動翼温度が高い場合には、断熱スペーサ１８ａの位置を、更に下流側に設定することができる。
【００３４】
以上のターボ分子ポンプでは、動翼５と回転軸７とを持つロータ６がモータ１３により高速回転すると、ガスは、ガス吸気口２から動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９のガス流路を経て排気口３の方向へ流れて真空排気され、吸気口２が高真空になると共に排気口３が低真空となる。
【００３５】
このとき、加熱部１５を電気ヒータ１４等の加熱手段により加熱し、加熱部１５の熱を熱良導体１７を経て放熱板２０に伝え、同放熱板２０を加熱し、ねじ溝ポンプ段９、回転体及びその周辺部のガス温度を上げて固化物の付着を防止している。
【００３６】
このとき、放熱板２０からの放熱温度は、アルミ合金材からなる回転体等の強度に影響しない範囲で、ガスの昇華温度より高い温度となるように、加熱部１５を加熱する電気ヒータ１４が制御されている。
【００３７】
一方、ロータ６で発生した熱は、動翼５→上流側の静翼４ａ→スペーサ１９→ケーシング１に伝わり、ケーシング１の対流で冷却される経路と、ロータ６→ステータ８→ケーシング１に伝わり、冷却通路２２の冷却水で冷却される経路とで、回転体の温度上昇を許容温度以下に抑えている。
【００３８】
上記のターボ分子ポンプでは、吸気口２からのガス圧力は、動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９を経て次第に圧力が高くなり、排気口３から排気される。このガス圧力の変化に対応して、ガス圧力が高くなり昇華温度も高くなる位置へ放熱板２０を配置し、ガスの昇華温度より高くなるように放熱温度が設定されている。
【００３９】
しかも、放熱板２０を下流側の静翼４ｂまたは下流側のスペーサ１９に接触させているので、放熱板２０はねじ溝ポンプ段９及び下流側の静翼４ｂのガス流路のガス温度を昇華温度以上に加熱して固化物の付着を防止することができる。このため、ケーシング１内部の洗浄等のメンテナンス作業を不要にでき、連続運転が可能となる。
【００４０】
更に、加熱したい下流側の静翼４ｂとロータ温度を冷却するための伝熱経路となる上流側の静翼４ａの間に断熱スペーサ１８ａを入れているのでロータの全体温度を上昇させることなく昇華温度の高い下流側のガス流路のみを昇温することが可能となった。これにより回転体のクリープや強度低下することなくプロセスガスの固化付着を防止することができる。
【００４１】
以上のとおり第１の実施の形態では、放熱板２０によってガス流路の温度を上昇させて、アルミ合金材料からなる回転体等の強度に影響しない温度範囲で、かつ、ガスの昇華温度より高くしたので、ガス流路への固化物の付着が防止される効果がある。
なお第１の実施の形態ではねじ溝ポンプ段のあるターボ分子ポンプを説明したが、本発明は、ねじ溝ポンプ段のないターボ分子ポンプにも適用することができる。
【００４２】
＜第２の実施の形態＞
図２は、本発明の第２の実施の形態にかかるターボ分子ポンプの縦断面図を示すものである。同図に示すようにケーシング１（ポンプ本体）には、ガスの吸気口２及び排気口３が設けられ、その間には、静翼（固定翼）４がスペーサ１９によってその位置が固定されて取り付けられている。
【００４３】
ロータ６には動翼（回転翼）５とねじ溝ポンプ段９が取付けられ、回転軸７によって回転される。そして、複数の動翼５と複数の静翼４とが軸方向に交互に配設されている。結局、吸気口２から排気口３に至るガス流路には、交互配置された複数の動翼５及び複数の静翼４と、ねじ溝ポンプ段９が、ガスの流れ方向に沿い順に設置されている。
【００４４】
回転軸７と、この回転軸７の周りに配置されたステータ８との間には、ロータ６を高速回転させるために、上部の磁気軸受１０と下部の磁気軸受１１と軸方向軸受としての磁気軸受１２とモータ１３が設けられている。
【００４５】
ケーシング１の外に位置する加熱部１５は、加熱用電気ヒータ１４によって加熱され、熱良導体１７を介して放熱板２０へ熱を伝えている。この放熱板２０は、ねじ溝ポンプ段９が位置するガス流路を加熱する、即ち、ガス流路のうち動翼５及び静翼４よりも下流側に位置するガス流路を加熱する。
【００４６】
加熱部１５とケーシング１との間には断熱スペーサ１８が介装され、ケーシング１及びステータ８は、加熱部１５，熱良導体１７及び放熱板２０から熱隔離されている。また、放熱板２０の外周面とケーシング１の内側のスペーサ１９との間の空間には、熱遮蔽板２１が装設されており、この熱遮蔽板２１により、放熱板２０からの放射熱をスペーサ１９及びケーシング１側へ伝えないように遮蔽している。
【００４７】
また、放熱板２０とケーシング１側の間には、ガスがバイパスしないように、Ｏリング２３によりシールがされている。
【００４８】
ケーシング１には、冷却用の冷却通路２２が設けられており、この冷却通路２２を通過する冷却水によってケーシング１が冷却され、アルミ合金材料により構成されたロータ６の温度が許容温度以下に抑えられるようになっている。
【００４９】
ここまでの構成は従来技術と同一であるが、本実施の形態では更に、次の様な新規な構成が採用されている。
【００５０】
即ち、放熱板２０の下端面には、良熱伝導体２４が取付けられている。この良熱伝導体２４の端面（上端面）には、コイル２５を埋め込むためのドーナツ状の溝が形成されており、同溝にコイル２５が埋め込まれている。また、同溝はコイルを埋め込んだ状態で腐食性ガスの侵入を防ぐため耐蝕性，絶縁性および気密性に優れた材料であるエポキシ系樹脂等でモールドされて密閉されている。
【００５１】
コネクタ２６は、外部からコイル２５に高周波電流を供給するものであり、ポンプ内部の真空を維持できるよう気密性のすぐれたものを使用している。このコネクタ２６のピンにはコイル２５につながるリード線が接続されると共に、外部に配置したインバータ等の高周波電源２７が接続されている。このため、高周波電源２７から出力された高周波電流が、コネクタ２６を介してコイル２５に供給されるようになっている。
【００５２】
以上のターボ分子ポンプでは、動翼５と回転軸７とを持つロータ６がモータ１３により高速回転すると、ガスは、ガス吸気口２から動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９のガス流路を経て排気口３の方向へ流れて真空排気され、吸気口２が高真空になると共に排気口３が低真空となる。
【００５３】
このとき、ポンプ内部に設けられた放熱板２０に取付けられた良熱伝導体２４に埋め込まれたコイル２５に、インバータ等の高周波電源２７で高周波電流を流すことにより、コイル２５に発生する銅損、及び、良熱伝導帯２４で発生する鉄損により良熱伝導体２４が加熱され、良熱伝導体２４に直結している放熱板２０に熱を伝え、同放熱板２０を加熱する。このようにして加熱された放熱板２０はガス流路を加熱するため、ねじ溝ポンプ段９、下流側静翼４ｂ、回転体及びその周辺部への固化物の付着を防止する。なお前述した「銅損」は、コイル２５のコイル巻数，高周波電流値及び高周波電流の周波数に比例し、前述した「鉄損」は、コイル２５の巻数，高周波電流値に比例し及び高周波電流の周波数の約２乗に比例する。
【００５４】
放熱板２０からの放熱温度は、アルミ合金材からなる回転体等の強度に影響しない範囲で、ガスの昇華温度より高い温度となるように、高周波電流値又は周波数が制御されている。なお高周波電源２７は、電流値が２〜３Ａで、周波数が２０００〜３０００Ｈｚの高周波電流をコイル２５に供給する
【００５５】
更に、排気口３での固化物の付着を防止するために、排気口３のポンプ外部に設けられた加熱部１５を電気ヒータ１４により加熱し、加熱部１５の熱をポンプ内部の熱良導体１７を経て良熱伝導体２４に伝え、放熱板２０を加熱する構造も併用することができる。図２は本機構を併用した事例を示す。
【００５６】
なお、この場合もアルミ合金材からなる回転体等の強度に影響しない範囲で、ガスの昇華温度より高い温度となるように、加熱部１５を加熱する電気ヒータ１４が制御されている。
【００５７】
上記のターボ分子ポンプでは、吸気口２からのガス圧力は、動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９を経て次第に圧力が高くなり、排気口３から排気される。このガス圧力の変化に対応して、ガス圧力が高くなり昇華温度も高くなる位置へ放熱板２０を配置し、ガスの昇華温度より高くなるように放熱温度が設定されている。
【００５８】
しかも、コイル２５に高周波電流を流して放熱板２０を直接加熱する方法としたので、従来のケーシング１による伝熱損失を削除でき、低電力で目標温度に昇温することが可能となった。つまり、ケーシング１全体を加熱することなく、放熱板２０をうず電流により直接加熱するため、ガス流路のうち固化が生じやすい部分のみをねらって効果的な加熱ができるのである。また、コイル２５に通電する高周波電流の周波数を高くすれば更に小型化できる。
【００５９】
更に、内部で放熱板２０を直接昇温させる構造としたので加熱機構を簡素化でき、低電力化できることでも加熱部の小型化に寄与できた。
【００６０】
以上のとおり第２の実施の形態では、放熱板２０によってガス流路の温度を上昇させて、アルミ合金材料からなる回転体等の強度に影響しない温度範囲で、かつ、低電力、小型、簡素機構でガス流路への固化物の付着が防止される効果がある。
なお第２の実施の形態ではねじ溝ポンプ段のあるターボ分子ポンプを説明したが、本発明は、ねじ溝ポンプ段のないターボ分子ポンプにも適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上実施例と共に具体的に説明したように本発明では、ケーシング内に、軸方向に交互に配列された複数の動翼及び複数の静翼と、前記複数の静翼相互を軸方向に離間しつつ位置固定するため軸方向に並んで配置されたスペーサと、ガス流路のうち前記動翼及び前記静翼よりも下流側に位置するガス流路を外部から供給された熱で加熱する放熱板とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記放熱板の上流側部分に形成されており、複数の前記スペーサのうち前記静翼の下方に位置するスペーサに、または複数の前記静翼のうち下流側の静翼に、接触している熱伝導部と、
前記熱伝導部よりも下流側に配置されており、熱が前記ケーシングに伝わるのを防止する下流側の断熱スペーサと、
前記熱伝導部よりも上流側に位置しつつ前記スペーサに介装された上流側の断熱スペーサとを設けた構成とした。
また本発明では、上流側の断熱スペーサの位置は、ケーシング内でのガス圧力とガス固化温度と動翼温度により決定されている構成とした。
【００６２】
このような構成にしたため、放熱板はねじ溝ポンプ段及び下流側静翼のガス流路のガス温度を昇華温度以上に加熱して固化物の付着を防止しケーシング内部の洗浄等のメンテナンス作業を不要にでき、連続運転が可能となるので、ターボ分子ポンプの操業度を一段と高める効果を奏したものであり産業上極めて有益なものである。
さらに、加熱したい下流側静翼とロータ温度を冷却するための伝熱経路となる上流側静翼の間に断熱スペーサを入れているのでロータの全体温度を上昇させることなく昇華温度の高い下流側のガス流路のみを昇温することが可能となった。これにより回転体のクリープや強度低下することなくプロセスガスの固化付着を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるターボ分子ポンプを示す縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態にかかるターボ分子ポンプを示す縦断面図。
【図３】従来のターボ分子ポンプを示す縦断面図。
【図４】塩化アルミ（ＡｌＣｌ3 ）の分圧と昇華温度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１ ケーシング
２ 吸気口
３ 排気口
４ 静翼
５ 動翼
６ ロータ
７ 回転軸
８ ステータ
９ ねじ溝ポンプ段
１０，１１，１２ 磁気軸受
１３ モータ
１４ 加熱用電気ヒータ
１５ 加熱部
１７ 熱良導体
１８，１８ａ，１８ｂ 断熱スペーサ
１９ スペーサ
２０ 放熱板
２１ 熱遮蔽板
２２ 冷却通路
２３ Ｏリング
２４ 良熱伝導体
２５ コイル
２６ コネクタ
２７ 高周波電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸方向に交互に配列された複数の動翼（回転翼）及び静翼（固定翼）によって、吸気口から吸引したガスを排気口へ真空排気するターボ分子ポンプに関するものである。
特に本発明では、ガス分圧が高くなると固化が生じるガスを吸引する場合であっても、ターボ分子ポンプ内での固化物の付着を効果的に防止できるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来のターボ分子ポンプの縦断面図を示すものである。同図に示すようにケーシング１（ポンプ本体）には、ガスの吸気口２及び排気口３が設けられ、その間には、静翼（固定翼）４がスペーサ１９によってその位置が固定されて取り付けられている。
【０００３】
ロータ６には動翼（回転翼）５とねじ溝ポンプ段９が取付けられ、回転軸７によって回転される。そして、複数の動翼５と複数の静翼４とが軸方向に交互に配設されている。
【０００４】
回転軸７と、この回転軸７の周りに配置されたステータ８との間には、ロータ６を高速回転させるために、上部の磁気軸受１０と下部の磁気軸受１１と軸方向軸受としての磁気軸受１２とモータ１３が設けられている。
【０００５】
ケーシング１の外に位置する加熱部１５は、加熱用電気ヒータ１４によって加熱され、熱良導体１７を介して放熱板２０へ熱を伝えている。
【０００６】
加熱部１５とケーシング１との間には断熱スペーサ１８が介装され、ケーシング１及びステータ８は、加熱部１５，熱良導体１７及び放熱板２０から熱隔離されている。また、放熱板２０の外周面とケーシング１の内側のスペーサ１９との間の空間には、熱遮蔽板２１が装設されており、この熱遮蔽板２１により、放熱板２０からの放射熱をスペーサ１９及びケーシング１側へ伝えないように遮蔽している。
【０００７】
また、放熱板２０とケーシング１側の間には、ガスがバイパスしないように、Ｏリング２３によりシールがされている。
【０００８】
ケーシング１には、冷却用の冷却通路２２が設けられており、この冷却通路２２を通過する冷却水によってケーシング１が冷却され、アルミ合金材料により構成されたロータ６の温度が許容温度以下に抑えられるようになっている。
【０００９】
以上のターボ分子ポンプでは、動翼５と回転軸７とを持つロータ６がモータ１３により高速回転すると、ガスは、ガス吸気口２から動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９のガス流路を経て排気口３の方向へ流れて真空排気され、吸気口２が高真空になると共に排気口３が低真空となる。
【００１０】
このとき、加熱部１５を電気ヒータ１４等の加熱手段により加熱し、加熱部１５の熱を熱良導体１７を経て放熱板２０に伝え、同放熱板２０を加熱し、ねじ溝ポンプ段９，回転体及びその周辺部のガス温度を上げて固化物の付着を防止している。
【００１１】
ここで「固化物の付着」について説明する。このターボ分子ポンプは、例えば、半導体製造装置を真空引きする場合に使用されており、この場合には、塩化アルミガスを吸引することがある。この塩化アルミの昇華特性は、図４に示すようになっており、ガス圧が高くなるにつれて昇華温度も高くなり、グラフ線から下が固体になる範囲を示している。ターボ分子ポンプでは、吸気口２側が高真空（分圧が低い）で排気口３側が低真空（分圧が高い）となるため、排気口３側のねじ溝ポンプ段９側において分圧が高くなり固化が発生し易い。このため分圧の高い排気口３側において加熱して、固化物の付着を防いでいるのである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来のターボ分子ポンプは、ガスを排気する際、ポンプ内部の発熱により、回転体が高温になるため、回転体材料に使用されているアルミ合金材料がクリープや強度低下を起こす原因になっており、この対策としてケーシング（ポンプ本体）１が冷却水等の冷却手段により冷却されている。
【００１３】
しかしながら、ケーシング１を冷却すると、ケーシング１内の温度が、排気するガスの昇華温度以下になり、ガス流路の内部に固化物が付着し、ポンプの性能低下や接触による故障等を引き起こすので、ねじ溝ポンプ段９〜ガス出口周りのガス流路に放熱板２０を設けて電気ヒータ等の加熱手段によって加熱し、ガス温度を固化温度以上に加熱していたが、加熱温度が十分に届かない部分の排気口３に近い下流側の静翼４の近傍には、固化物が付着してしまう現象が起きていた。
【００１４】
このため、固化物を定期的に取り除くメンテナンス作業が必要となり、ターボ分子ポンプの操業が低下するという問題があった。
【００１５】
またケーシング１を冷却すると、ケーシング１内の温度が、排気するガスの昇華温度以下になり、ガス流路の内部に固化物が付着し、ポンプの性能低下や接触による故障等を引き起こすので、ねじ溝ポンプ段９〜ガス出口周りのガス流路に放熱板２０を設けて外部からの電気ヒータ等の加熱手段によって加熱し、ガス温度を固化温度以上に加熱するためには、電気ヒータの容量を大きくする必要があった。
【００１６】
本発明は、上記従来技術の問題を解消するために提案するものであり、放熱板を下流側の静翼またはスペーサに接触させることで、ガス温度を昇華温度以上に加熱して固化物の付着を防止し、ケーシング内部の洗浄等のメンテナンス作業を不要にできるターボ分子ポンプを提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、ケーシング内に、軸方向に交互に配列された複数の動翼及び複数の静翼と、前記複数の静翼相互を軸方向に離間しつつ位置固定するため軸方向に並んで配置されたスペーサと、ガス流路のうち前記動翼及び前記静翼よりも下流側に位置するガス流路を外部から供給された熱で加熱する放熱板とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記放熱板の上流側部分に形成されており、複数の前記スペーサのうち前記静翼の下方に位置するスペーサに接触している熱伝導部と、
前記熱伝導部よりも下流側に配置されており、熱が前記ケーシングに伝わるのを防止する下流側の断熱スペーサと、
前記熱伝導部よりも上流側に位置しつつ前記スペーサに介装された上流側の断熱スペーサとを設けたことを特徴とする。
また本発明の構成は、ケーシング内に、軸方向に交互に配列された複数の動翼及び複数の静翼と、前記複数の静翼相互を軸方向に離間しつつ位置固定するため軸方向に並んで配置されたスペーサと、ガス流路のうち前記動翼及び前記静翼よりも下流側に位置するガス流路を外部から供給された熱で加熱する放熱板とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記放熱板の上流側部分に形成されており、複数の前記静翼のうち下流側の静翼に接触している熱伝導部と、
前記熱伝導部よりも下流側に配置されており、熱が前記ケーシングに伝わるのを防止する下流側の断熱スペーサと、
前記熱伝導部よりも上流側に位置しつつ前記スペーサに介装された上流側の断熱スペーサとを設けたことを特徴とする。
【００１９】
また本発明の構成は、上流側の断熱スペーサの位置は、ケーシング内でのガス圧力とガス固化温度と動翼温度により決定されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお従来技術と同一部分には同一符号を付して説明をする。
【００２３】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるターボ分子ポンプの縦断面図を示すものである。同図に示すようにケーシング１（ポンプ本体）には、ガスの吸気口２及び排気口３が設けられ、その間には、静翼（固定翼）４がスペーサ１９によってその位置が固定されて取り付けられている。
【００２４】
ロータ６には動翼（回転翼）５とねじ溝ポンプ段９が取付けられ、回転軸７によって回転される。そして、複数の動翼５と複数の静翼４とが軸方向に交互に配設されている。結局、吸気口２から排気口３に至るガス流路には、交互配置された複数の動翼５及び複数の静翼４と、ねじ溝ポンプ段９が、ガスの流れ方向に沿い順に設置されている。
【００２５】
回転軸７と、この回転軸７の周りに配置されたステータ８との間には、ロータ６を高速回転させるために、上部の磁気軸受１０と下部の磁気軸受１１と軸方向軸受としての磁気軸受１２とモータ１３が設けられている。
【００２６】
ケーシング１の外に位置する加熱部１５は、加熱用電気ヒータ１４によって加熱され、熱良導体１７を介して放熱板２０へ熱を伝えている。この放熱板２０は、ねじ溝ポンプ段９が位置するガス流路を加熱する、即ち、ガス流路のうち動翼５及び静翼４よりも下流側に位置するガス流路を加熱する。
【００２７】
加熱部１５とケーシング１との間には断熱スペーサ１８が介装され、ケーシング１及びステータ８は、加熱部１５，熱良導体１７及び放熱板２０から熱隔離されている。また、放熱板２０の外周面とケーシング１の内側のスペーサ１９との間の空間には、熱遮蔽板２１が装設されており、この熱遮蔽板２１により、放熱板２０からの放射熱をスペーサ１９及びケーシング１側へ伝えないように遮蔽している。
【００２８】
また、放熱板２０とケーシング１側の間には、ガスがバイパスしないように、Ｏリング２３によりシールがされている。
【００２９】
ケーシング１には、冷却用の冷却通路２２が設けられており、この冷却通路２２を通過する冷却水によってケーシング１が冷却され、アルミ合金材料により構成されたロータ６の温度が許容温度以下に抑えられるようになっている。
【００３０】
ここまでの構成は従来技術と同一であるが、本実施の形態では更に、次の様な新規な構成が採用されている。
【００３１】
即ち、複数のスペーサ１９は、複数の静翼４を軸方向に離間しつつ位置固定するため、軸方向に並んで配置されている。放熱板２０は、ねじ溝ポンプ段９とスペーサ１９の間のガス流路、即ち、ガス流路のうち動翼５及び静翼４よりも下流側に位置するガス流路に装設されると共に、排気口３に近い下流側の静翼４ｂに熱を伝達させるため、熱伝導部２０ａを介して、複数のスペーサ１９のうち下流側の静翼４ｂの下方に位置するスペーサ１９に面接触している。
なお、放熱板２０を下流側の静翼４ｂに接触させるように構成してもよい。
【００３２】
また、排気口３に近い下流側の静翼４ｂと吸気口２に近い上流側の静翼４ａとの間に断熱スペーサ１８ａを設け、また、熱伝導部２０ａを介して放熱板２０が接触しているスペーサ１９と熱伝導部２０ａの直下のケーシング１との間にも断熱スペーサ１８ｂを設けて熱隔離をしている。
【００３３】
なお断熱スペーサ１８ａの位置は、ケーシング１内でのガス圧力とガス固化温度と動翼５の温度を考慮して決定している。具体的には、
(1) ガス圧力が高い場合には、断熱スペーサ１８ａの位置を、更に上流側に設定することができ、
(2) ガス固化温度が高い場合には、断熱スペーサ１８ａの位置を、更に下流側に設定することができ、
(3) 動翼温度が高い場合には、断熱スペーサ１８ａの位置を、更に下流側に設定することができる。
【００３４】
以上のターボ分子ポンプでは、動翼５と回転軸７とを持つロータ６がモータ１３により高速回転すると、ガスは、ガス吸気口２から動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９のガス流路を経て排気口３の方向へ流れて真空排気され、吸気口２が高真空になると共に排気口３が低真空となる。
【００３５】
このとき、加熱部１５を電気ヒータ１４等の加熱手段により加熱し、加熱部１５の熱を熱良導体１７を経て放熱板２０に伝え、同放熱板２０を加熱し、ねじ溝ポンプ段９、回転体及びその周辺部のガス温度を上げて固化物の付着を防止している。
【００３６】
このとき、放熱板２０からの放熱温度は、アルミ合金材からなる回転体等の強度に影響しない範囲で、ガスの昇華温度より高い温度となるように、加熱部１５を加熱する電気ヒータ１４が制御されている。
【００３７】
一方、ロータ６で発生した熱は、動翼５→上流側の静翼４ａ→スペーサ１９→ケーシング１に伝わり、ケーシング１の対流で冷却される経路と、ロータ６→ステータ８→ケーシング１に伝わり、冷却通路２２の冷却水で冷却される経路とで、回転体の温度上昇を許容温度以下に抑えている。
【００３８】
上記のターボ分子ポンプでは、吸気口２からのガス圧力は、動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９を経て次第に圧力が高くなり、排気口３から排気される。このガス圧力の変化に対応して、ガス圧力が高くなり昇華温度も高くなる位置へ放熱板２０を配置し、ガスの昇華温度より高くなるように放熱温度が設定されている。
【００３９】
しかも、放熱板２０を下流側の静翼４ｂまたは下流側のスペーサ１９に接触させているので、放熱板２０はねじ溝ポンプ段９及び下流側の静翼４ｂのガス流路のガス温度を昇華温度以上に加熱して固化物の付着を防止することができる。このため、ケーシング１内部の洗浄等のメンテナンス作業を不要にでき、連続運転が可能となる。
【００４０】
更に、加熱したい下流側の静翼４ｂとロータ温度を冷却するための伝熱経路となる上流側の静翼４ａの間に断熱スペーサ１８ａを入れているのでロータの全体温度を上昇させることなく昇華温度の高い下流側のガス流路のみを昇温することが可能となった。これにより回転体のクリープや強度低下することなくプロセスガスの固化付着を防止することができる。
【００４１】
以上のとおり第１の実施の形態では、放熱板２０によってガス流路の温度を上昇させて、アルミ合金材料からなる回転体等の強度に影響しない温度範囲で、かつ、ガスの昇華温度より高くしたので、ガス流路への固化物の付着が防止される効果がある。
なお第１の実施の形態ではねじ溝ポンプ段のあるターボ分子ポンプを説明したが、本発明は、ねじ溝ポンプ段のないターボ分子ポンプにも適用することができる。
【００４２】
＜第２の実施の形態＞
図２は、本発明の第２の実施の形態にかかるターボ分子ポンプの縦断面図を示すものである。同図に示すようにケーシング１（ポンプ本体）には、ガスの吸気口２及び排気口３が設けられ、その間には、静翼（固定翼）４がスペーサ１９によってその位置が固定されて取り付けられている。
【００４３】
ロータ６には動翼（回転翼）５とねじ溝ポンプ段９が取付けられ、回転軸７によって回転される。そして、複数の動翼５と複数の静翼４とが軸方向に交互に配設されている。結局、吸気口２から排気口３に至るガス流路には、交互配置された複数の動翼５及び複数の静翼４と、ねじ溝ポンプ段９が、ガスの流れ方向に沿い順に設置されている。
【００４４】
回転軸７と、この回転軸７の周りに配置されたステータ８との間には、ロータ６を高速回転させるために、上部の磁気軸受１０と下部の磁気軸受１１と軸方向軸受としての磁気軸受１２とモータ１３が設けられている。
【００４５】
ケーシング１の外に位置する加熱部１５は、加熱用電気ヒータ１４によって加熱され、熱良導体１７を介して放熱板２０へ熱を伝えている。この放熱板２０は、ねじ溝ポンプ段９が位置するガス流路を加熱する、即ち、ガス流路のうち動翼５及び静翼４よりも下流側に位置するガス流路を加熱する。
【００４６】
加熱部１５とケーシング１との間には断熱スペーサ１８が介装され、ケーシング１及びステータ８は、加熱部１５，熱良導体１７及び放熱板２０から熱隔離されている。また、放熱板２０の外周面とケーシング１の内側のスペーサ１９との間の空間には、熱遮蔽板２１が装設されており、この熱遮蔽板２１により、放熱板２０からの放射熱をスペーサ１９及びケーシング１側へ伝えないように遮蔽している。
【００４７】
また、放熱板２０とケーシング１側の間には、ガスがバイパスしないように、Ｏリング２３によりシールがされている。
【００４８】
ケーシング１には、冷却用の冷却通路２２が設けられており、この冷却通路２２を通過する冷却水によってケーシング１が冷却され、アルミ合金材料により構成されたロータ６の温度が許容温度以下に抑えられるようになっている。
【００４９】
ここまでの構成は従来技術と同一であるが、本実施の形態では更に、次の様な新規な構成が採用されている。
【００５０】
即ち、放熱板２０の下端面には、良熱伝導体２４が取付けられている。この良熱伝導体２４の端面（上端面）には、コイル２５を埋め込むためのドーナツ状の溝が形成されており、同溝にコイル２５が埋め込まれている。また、同溝はコイルを埋め込んだ状態で腐食性ガスの侵入を防ぐため耐蝕性，絶縁性および気密性に優れた材料であるエポキシ系樹脂等でモールドされて密閉されている。
【００５１】
コネクタ２６は、外部からコイル２５に高周波電流を供給するものであり、ポンプ内部の真空を維持できるよう気密性のすぐれたものを使用している。このコネクタ２６のピンにはコイル２５につながるリード線が接続されると共に、外部に配置したインバータ等の高周波電源２７が接続されている。このため、高周波電源２７から出力された高周波電流が、コネクタ２６を介してコイル２５に供給されるようになっている。
【００５２】
以上のターボ分子ポンプでは、動翼５と回転軸７とを持つロータ６がモータ１３により高速回転すると、ガスは、ガス吸気口２から動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９のガス流路を経て排気口３の方向へ流れて真空排気され、吸気口２が高真空になると共に排気口３が低真空となる。
【００５３】
このとき、ポンプ内部に設けられた放熱板２０に取付けられた良熱伝導体２４に埋め込まれたコイル２５に、インバータ等の高周波電源２７で高周波電流を流すことにより、コイル２５に発生する銅損、及び、良熱伝導帯２４で発生する鉄損により良熱伝導体２４が加熱され、良熱伝導体２４に直結している放熱板２０に熱を伝え、同放熱板２０を加熱する。このようにして加熱された放熱板２０はガス流路を加熱するため、ねじ溝ポンプ段９、下流側静翼４ｂ、回転体及びその周辺部への固化物の付着を防止する。なお前述した「銅損」は、コイル２５のコイル巻数，高周波電流値及び高周波電流の周波数に比例し、前述した「鉄損」は、コイル２５の巻数，高周波電流値に比例し及び高周波電流の周波数の約２乗に比例する。
【００５４】
放熱板２０からの放熱温度は、アルミ合金材からなる回転体等の強度に影響しない範囲で、ガスの昇華温度より高い温度となるように、高周波電流値又は周波数が制御されている。なお高周波電源２７は、電流値が２〜３Ａで、周波数が２０００〜３０００Ｈｚの高周波電流をコイル２５に供給する
【００５５】
更に、排気口３での固化物の付着を防止するために、排気口３のポンプ外部に設けられた加熱部１５を電気ヒータ１４により加熱し、加熱部１５の熱をポンプ内部の熱良導体１７を経て良熱伝導体２４に伝え、放熱板２０を加熱する構造も併用することができる。図２は本機構を併用した事例を示す。
【００５６】
なお、この場合もアルミ合金材からなる回転体等の強度に影響しない範囲で、ガスの昇華温度より高い温度となるように、加熱部１５を加熱する電気ヒータ１４が制御されている。
【００５７】
上記のターボ分子ポンプでは、吸気口２からのガス圧力は、動翼５，静翼４及びねじ溝ポンプ段９を経て次第に圧力が高くなり、排気口３から排気される。このガス圧力の変化に対応して、ガス圧力が高くなり昇華温度も高くなる位置へ放熱板２０を配置し、ガスの昇華温度より高くなるように放熱温度が設定されている。
【００５８】
しかも、コイル２５に高周波電流を流して放熱板２０を直接加熱する方法としたので、従来のケーシング１による伝熱損失を削除でき、低電力で目標温度に昇温することが可能となった。つまり、ケーシング１全体を加熱することなく、放熱板２０をうず電流により直接加熱するため、ガス流路のうち固化が生じやすい部分のみをねらって効果的な加熱ができるのである。また、コイル２５に通電する高周波電流の周波数を高くすれば更に小型化できる。
【００５９】
更に、内部で放熱板２０を直接昇温させる構造としたので加熱機構を簡素化でき、低電力化できることでも加熱部の小型化に寄与できた。
【００６０】
以上のとおり第２の実施の形態では、放熱板２０によってガス流路の温度を上昇させて、アルミ合金材料からなる回転体等の強度に影響しない温度範囲で、かつ、低電力、小型、簡素機構でガス流路への固化物の付着が防止される効果がある。
なお第２の実施の形態ではねじ溝ポンプ段のあるターボ分子ポンプを説明したが、本発明は、ねじ溝ポンプ段のないターボ分子ポンプにも適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上実施例と共に具体的に説明したように本発明では、ケーシング内に、軸方向に交互に配列された複数の動翼及び複数の静翼と、前記複数の静翼相互を軸方向に離間しつつ位置固定するため軸方向に並んで配置されたスペーサと、ガス流路のうち前記動翼及び前記静翼よりも下流側に位置するガス流路を外部から供給された熱で加熱する放熱板とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記放熱板の上流側部分に形成されており、複数の前記スペーサのうち前記静翼の下方に位置するスペーサに、または複数の前記静翼のうち下流側の静翼に、接触している熱伝導部と、
前記熱伝導部よりも下流側に配置されており、熱が前記ケーシングに伝わるのを防止する下流側の断熱スペーサと、
前記熱伝導部よりも上流側に位置しつつ前記スペーサに介装された上流側の断熱スペーサとを設けた構成とした。
また本発明では、上流側の断熱スペーサの位置は、ケーシング内でのガス圧力とガス固化温度と動翼温度により決定されている構成とした。
【００６２】
このような構成にしたため、放熱板はねじ溝ポンプ段及び下流側静翼のガス流路のガス温度を昇華温度以上に加熱して固化物の付着を防止しケーシング内部の洗浄等のメンテナンス作業を不要にでき、連続運転が可能となるので、ターボ分子ポンプの操業度を一段と高める効果を奏したものであり産業上極めて有益なものである。
さらに、加熱したい下流側静翼とロータ温度を冷却するための伝熱経路となる上流側静翼の間に断熱スペーサを入れているのでロータの全体温度を上昇させることなく昇華温度の高い下流側のガス流路のみを昇温することが可能となった。これにより回転体のクリープや強度低下することなくプロセスガスの固化付着を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるターボ分子ポンプを示す縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態にかかるターボ分子ポンプを示す縦断面図。
【図３】従来のターボ分子ポンプを示す縦断面図。
【図４】塩化アルミ（ＡｌＣｌ3 ）の分圧と昇華温度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１ ケーシング
２ 吸気口
３ 排気口
４ 静翼
５ 動翼
６ ロータ
７ 回転軸
８ ステータ
９ ねじ溝ポンプ段
１０，１１，１２ 磁気軸受
１３ モータ
１４ 加熱用電気ヒータ
１５ 加熱部
１７ 熱良導体
１８，１８ａ，１８ｂ 断熱スペーサ
１９ スペーサ
２０ 放熱板
２１ 熱遮蔽板
２２ 冷却通路
２３ Ｏリング
２４ 良熱伝導体
２５ コイル
２６ コネクタ
２７ 高周波電源
Claims (3)
- ケーシング内に、軸方向に交互に配列された複数の動翼及び複数の静翼と、前記複数の静翼相互を軸方向に離間しつつ位置固定するため軸方向に並んで配置されたスペーサと、ガス流路のうち前記動翼及び前記静翼よりも下流側に位置するガス流路を外部から供給された熱で加熱する放熱板とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記放熱板の上流側部分に形成されており、複数の前記スペーサのうち前記静翼の下方に位置するスペーサに接触している熱伝導部と、
前記熱伝導部よりも下流側に配置されており、熱が前記ケーシングに伝わるのを防止する下流側の断熱スペーサと、
前記熱伝導部よりも上流側に位置しつつ前記スペーサに介装された上流側の断熱スペーサとを設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。 - ケーシング内に、軸方向に交互に配列された複数の動翼及び複数の静翼と、前記複数の静翼相互を軸方向に離間しつつ位置固定するため軸方向に並んで配置されたスペーサと、ガス流路のうち前記動翼及び前記静翼よりも下流側に位置するガス流路を外部から供給された熱で加熱する放熱板とを備えたターボ分子ポンプにおいて、
前記放熱板の上流側部分に形成されており、複数の前記静翼のうち下流側の静翼に接触している熱伝導部と、
前記熱伝導部よりも下流側に配置されており、熱が前記ケーシングに伝わるのを防止する下流側の断熱スペーサと、
前記熱伝導部よりも上流側に位置しつつ前記スペーサに介装された上流側の断熱スペーサとを設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。 - 上流側の断熱スペーサの位置は、ケーシング内でのガス圧力とガス固化温度と動翼温度により決定されていることを特徴とする請求項１または請求項２のターボ分子ポンプ。
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