JP4114423B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置や分析装置などにおける中真空から高真空領域を形成するために使用されるターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ機構の原理を利用して分子、ガス等の排気を行なうターボ分子ポンプは従来より図２に示すような構成をなしている。すなわち、１はポンプ機台部で内方にはモータ２を収容するとともに下方左側面には排気口７が設けられている。このポンプ機台部１の上方にはターボ分子ポンプの主体であるターボ機構を収容するハウジング５が架設され、このポンプ機台部１とハウジング５とはそれぞれのフランジ１Ｆ、５Ｆにて気密に接合され一体となっている。８はこのための固定ボルトである。
【０００３】
モータ２の上方から突出している回転軸３には回転体４が固設されている。この回転体４は略円錐体状を呈していて、モータ２によって高速回転されるが、その上方部にターボ機構ＴＫが設けられ、下方には段付きの円筒部４Ｎが形成されている。すなわち、回転体４の上方にはその円周部に回転翼Ｂ１、Ｂ２…Ｂ９が一体的に設けられている。この回転翼Ｂ１、Ｂ２…Ｂ９は上段より下方へ９枚の回転翼が一定の間隔を有して回転体４に形成されている。この回転翼Ｂ１〜Ｂ９に対して、外方のハウジング５の内周面からは、内方に突出する固定翼Ｔ１〜Ｔ８が張設されている。
【０００４】
Ｓ１からＳ９はスペーサで、前記固定翼Ｔ１〜Ｔ８を所定間隔で保持しハウジング５内に固定するためのものである。これら回転翼Ｂ１〜Ｂ９と固定翼Ｔ１〜Ｔ８の組み合わせによってターボ機構ＴＫが構成される。この回転体４の下方における円筒部４Ｎは前述したとおり外径が３つに分けられそれぞれ径が異なる３段形となっていて、その外方には外周にねじ溝が形成され、かつポンプ機台部１側に固定のねじ溝付きの円筒１Ｎに近接して対応し、ねじ溝ポンプＮＰが構成されている。このねじ溝ポンプＮＰはドラッグポンプとして機能する。
【０００５】
ねじ溝は図示のとおり、下方になるにつれてそのねじ溝の深さ部分が小さい円錐上をなし粘性流領域における分子を引き込んで排気するようになっている。こうしてターボ機構ＴＫとねじ溝ポンプＮＰの協働によって吸気口６からのガス分子が圧縮され下方の排気口７より排出されるようになっている。９は吸気口６側のフランジでハウジングと気密状態で一体化されており、被排気側たとえば半導体製造装置における反応室（図示せず）などに接合される。あるいはダクト（図示せず）を介して接合される。
【０００６】
図２に示されるターボ分子ポンプは、ターボ機構によるターボ分子ポンプ機構とねじ溝機構によるねじ溝ポンプ機能を有機的に結合したもので通常ハイブリッド形ターボ分子ポンプと称されている。もちろんこのようなハイブリッド形でないターボ分子機構のみからなるターボ分子ポンプも提供されている。
【０００７】
以上説明したとおり、回転体４および回転翼Ｂ１〜Ｂ９はモータ２にて高速回転駆動されるが、分子を排気するために通常数万ｒｐｍの回転数で回転駆動される。また固定翼Ｔ１〜Ｔ８については上述のとおりそれぞれスペーサＳ１〜Ｓ９を介して積層状に配置されているが、この各スペーサＳ１〜Ｓ９の幅は通常図示のとおり吸気口６側は大きく、排気口７側になるにつれて幅が小さく設定され平均数ミリの大きさに設定されている。これはターボ機能を発揮させる関係で吸気口６側の固定翼Ｔ１や回転翼Ｂ１を幅広にし、排気口７側の固定翼Ｔ８や回転翼Ｂ９の幅を小さくする必要があり、その関係で各スペーサＳ１〜Ｓ９の幅に差が設けられているのである。
なお、これら各スペーサＳ１〜Ｓ９は、通常その材質の引張強さや密度はすべて等しい材料でもって製作されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上詳述したとおり、ターボ分子ポンプにおいては、ターボ機構を構成する回転翼Ｂ１〜Ｂ９が高速で回転駆動される。一方ターボ分子ポンプは、各種の流体を排気するために使用され、その長期使用の過程で腐蝕ガスなども取り扱われる。このようなことから回転体４に応力腐蝕割れが生じることがある。すなわち、図１はこの状況を説明するための図であるが、（Ａ）図は回転体４を取り出して示す図であり、（Ｂ）図は（Ａ）図における回転体４の一部Ｍに亀裂部Ｋが発生した状態を拡大して示す図である。
【０００９】
図１に示すように回転体４は上部が円錐状をなしその円錐部に回転翼Ｂ１〜Ｂ９が一体的に付設されているが、この回転翼Ｂ１〜Ｂ９は円筒体を加工して一段、一段が形成されている。したがって、一旦亀裂部Ｋが生じると（Ｂ）図に示すように、回転による遠心力も作用して亀裂部Ｋが拡大する。すなわち、亀裂部Ｋの下方から回転体４がめくれあがり、そして回転体４の本体側から分裂し、上方へ変形して分断され外方へ飛散することになる。
【００１０】
この場合、回転体４から分断された回転体４の破片Ｈは、回転が高速回転であるために大きな遠心力を受ける。すなわち、遠心力Ｆは図３（Ａ）で示すように回転数Ｎの２乗に比例する。
したがって、たとえば半径１０ｃｍの地点にて１０ｇの破片Ｈが飛散したとすると、その遠心力ＦＨは図３（Ｂ）のとおりの大きさとなる。この場合、回転角速度を７００００ｒｐｍ（≒７３２９ｒａｄｐｓ）とする。
すなわち、約５３７０Ｎの力（エネルギー）が発生し、これが外方にあるスペーサＳ１〜Ｓ９に打ち込まれることになる。１つのスペーサたとえばＳ１に相当大きなエネルギーが与えられることになる。
【００１１】
この衝撃によるエネルギーの衝突によって、その衝撃を受けたスペーサＳ１は膨張し、外部装置すなわちハウジング５やハウジング５を支持する外部装置等に衝撃を与えることになる。このとき回転体４の応力腐蝕割れなどによる衝撃力は、ターボ分子ポンプ内部で考慮した場合、分裂した回転体４の破片Ｈは、軸芯方向における個々の異なる位置でその運動エネルギーの大きさは異なる。これは直径、容量等が異なるためである。このように各スペーサＳ１〜Ｓ９が衝撃で受ける運動エネルギーは異なる。
【００１２】
したがって、各スペーサＳ１〜Ｓ９が全段にわたって引張強さの等しい材質の材料で製作されている場合、運動エネルギーの大きい回転体４の破片Ｈが衝突するスペーサＳ１〜Ｓ９ほどその膨張量は大きく、そのためハウジング５の膨張も大きくなる。このハウジング５の局所的な膨張は外部装置に干渉する。さらに各スペーサＳ１〜Ｓ９がすべて密度（比重）の等しい材質の材料で製作されている場合、最も大きな運動エネルギーを有する回転体４の破片Ｈが衝突したスペーサたとえばＳ１は、その破片ＨとそのスペーサＳ１が一体となった後のエネルギーも最も大きく他段のスペーサＳ２〜Ｓ９に比較してハウジング５に与える衝撃力が大きくなる。この衝撃力は直接に外部装置へ伝達されるものであり、この衝撃力を小さくすることが課題となっている。
本発明はこのような課題を解消するターボ分子ポンプを提供せんとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供するターボ分子ポンプは、上記課題を解決するために、回転体から分断された破片の運動エネルギーが大きい部位に相当するスペーサについては、そのスペーサの材料はその引張強さを他のスペーサより大きく設定するものである。さらに本発明によるターボ分子ポンプは、スペーサの材質として引張強さのみでなく、その材料の密度に着目し、衝撃を受ける運動エネルギーが大きいスペーサについては、その材質としての密度が他のスペーサの密度より大きく設定し、その材料を使用して製作するようにしたものである。
このような構成によって大きな衝撃を受けたスペーサは、その引張強さが他に比して大きく、その膨張量が抑制される。また、密度を他に比して大きくすることで、破片とスペーサとが一体となるがそのときの運動エネルギーは減少される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるターボ分子ポンプについてその構成、作動を説明する。
本発明が提供するターボ分子ポンプは、各スペーサＳ１〜Ｓ９を構成する材料を特定する点を要旨とするもので、したがって機構的な構成は図１、図２と変るものではない。
各スペーサＳ１〜Ｓ９の材質すなわち引張強さと密度を特定する点に特徴を有する。以下具体的な実施例を挙げて説明する。
【００１５】
実施例１
破壊後の回転体４の破片Ｈの運動エネルギーは軸方向に異なるため、その運動エネルギーの大きさに合わせて、スペーサの引張強さを設定する。
Ｅ１＝吸気口６側の破片Ｈの運動エネルギー
Ｅ２＝排気口７側の破片Ｈの運動エネルギー
σ１＝吸気口６側のスペーサＳ１の引張強さ
σ２＝排気口７側のスペーサＳ９の引張強さ
Ｅ１＞Ｅ２のときσ１＞σ２と設定すれば、σ１＝σ２の場合と比較して、ハウジング５の局所的な膨張が抑制でき、結果としてターボ分子ポンプの構造を変更することなく外部装置へ干渉を防止することができる。
【００１６】
実施例２
上記実施例１を一般化した例はつぎのとおりである。この場合、Ｋは中間位置におけるスペーサの順位数を示し、またＮは最下段すなわち、排気口最寄のスペーサの順位数具体的には図示例では９の値である。
Ｅ１、Ｅ２…Ｅｋ−１、Ｅｋ、Ｅｋ＋１、…Ｅｎ＝破片Ｈの運動エネルギー
σ１、σ２、…σｋ−１、σｋ、σｋ＋１、…σｎ＝破片Ｈの運動エネルギーＥ１、Ｅ２…Ｅｋ−１、Ｅｋ、Ｅｋ＋１、…Ｅｎに対応するスペーサの引張強さ
Ｅ１＜＝Ｅ２＜＝…Ｅｋ−１＜Ｅｋ＜Ｅｋ＋１…＜＝Ｅｎの場合、σ１＜＝σ２＜＝…σｋ−１＜σｋ＜σｋ＋１…＜＝σｎとすることで、σ１＝σ２＝…σｋ−１＝σｋ＝σｋ＋１…＝σｎの場合に比較してスペーサたとえばＳ１の膨張量の違いを抑制することができる。結果としてハウジングの局所的な膨張を抑制でき、スペーサＳ１の材質変更のみ実施しターボ分子ポンプの構造を変更することなく、外部装置への干渉を抑制することができる。
【００１７】
実施例３
σ１＝最上段スペーサの引張強さ
σ２＝他段スペーサの引張強さ
σ１（最上段スペーサＳ１の引張強さ）＞σ２（他段スペーサＳ２〜Ｓ９の引張強さ）とされているので、ハウジング５の局部的膨張を防ぐことができ、外部装置への干渉を防止できる。また、最上段スペーサＳ１の引張強さのみを大きくすることは、全段のスペーサのＳ１〜Ｓ９引張強さを大きくする場合と比較して安価に製作できる。
【００１８】
実施例４
破壊後の回転体４から分断された破片Ｈの運動エネルギーは軸方向に異なり、その運動エネルギーの大きさに合わせて、スペーサＳ１〜Ｓ９の密度を設定する。
Ｅ１＝吸気口６側の破片Ｈの運動エネルギー
Ｅ２＝排気口７側の破片Ｈの運動エネルギー
ρ１＝吸気口６側のスペーサの密度
ρ２＝排気口７のスペーサの密度
Ｅ１＞Ｅ２のときρ１＞ρ２と設定すれば、ρ１＝ρ２の場合と比較して、回転体破片のスペーサＳ１への衝突後の運動エネルギーを小さくできる。結果としてハウジング５へ与える衝撃力が小さくでき、ターボ分子ポンプの構造を変更することなく、外部装置へ与える衝撃力を緩和できる。
【００１９】
実施例５
上記実施例４を一般化した例はつぎのとおりである。この場合の、ＫとＮの値は、前記実施例２の場合と同様である。
Ｅ１、Ｅ２…Ｅｋ−１、Ｅｋ、Ｅｋ＋１、…Ｅｎ＝破片Ｈの運動エネルギー
ρ１、ρ２、…ρｋ−１、ρｋ、ρｋ＋１、…ρｎ＝回転体破片の運動エネルギーＥ１、Ｅ２…Ｅｋ−１、Ｅｋ、Ｅｋ＋１、…Ｅｎに対応するスペーサの密度
Ｅ１＜＝Ｅ２＜＝…Ｅｋ−１＜Ｅｋ＜Ｅｋ＋１…＜＝Ｅｎの場合、ρ１＜＝ρ２＜＝…ρｋ−１＜ρｋ＜ρｋ＋１…＜＝ρｎとすることで、ρ１＝ρ２＝…ρｋ−１＝ρｋ＝ρｋ＋１…＝ρｎの場合に比較して破片ＨのスペーサＳ１への衝突後の運動エネルギーを小さくできる。結果としてハウジング５へ与える衝撃力が小さくでき、ターボ分子ポンプの構造を変更することなく、外部装置へ与える衝撃力を緩和できる。
【００２０】
実施例６
ρ１＝最上段スペーサの密度
ρ２＝他段スペーサの密度
ρ１（最上段スペーサＳ１の密度）＞ρ２（他段スペーサＳ２〜Ｓ９の密度）とすることで、最上段スペーサＳ１を通じて外部装置へ伝達される衝撃力を小さくでき、衝撃力全体の緩和となる。また、最上段スペーサＳ１の密度のみを大きくすることは、全段のスペーサＳ１〜Ｓ９の密度を大きくする場合と比較して安価に製作できる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明が提供するターボ分子ポンプは以上詳述したとおりであるから、つぎのような利点を有する。
スペーサの材質を変更することだけで、ポンプ構造を変更することなく破片の衝突によるスペーサの局所的な膨張は生起せず、外部装置への干渉を防止することができる。
【００２２】
さらに、スペーサの材質を変更することだけで、ポンプ構造を変更することなく外部装置へ与える衝撃力を緩和することができる。
特にターボ分子ポンプの殆どは吸気口に最寄の回転翼が大きく、この回転翼部を中心とする破片の運動エネルギーも最大となる。したがって最上段スペーサの引張強さまたは密度のみを他段のスペーサの引張強さまたは密度よりも大きくすることは、全段の引張強さまたは密度を大きくする場合と比較して安価に製作できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボ分子ポンプにおける回転体の亀裂による分裂状態を示す図である。
【図２】ターボ分子ポンプの構成を示す縦断面図である。
【図３】破片が分断されるときの遠心力を解説する式を示す図である。
【符号の説明】
１…ポンプ機台部
２…モータ
３…回転軸
４…回転体
５…ハウジング
６…吸気口
Ｂ１〜Ｂ９…回転翼
Ｔ１〜Ｔ８…固定翼
Ｓ１〜Ｓ９…スペーサ
Ｈ…破片

Claims (2)

1. 円筒状のハウジング内に軸受を介して回転体を軸着するとともに、この回転体の外周部でかつ軸芯方向に取り付けられた複数個の回転翼車と、この複数個の回転翼車に対応して前記ハウジング内に配置された複数個の固定翼車と、この複数個の固定翼車にて前記ハウジング内周面部に介設され各固定翼車を所定間隔にて保持する複数段のスペーサとを有し、前記ハウジングの軸方向一端側の吸気口からのガスを圧縮して他端側の排気口に排出するターボ分子ポンプにおいて、吸気口側に最寄りのスペーサの引張強さが他段のスペーサの引張強さよりも大きい材料で構成されたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 円筒状のハウジング内に軸受を介して回転体を軸着するとともに、この回転体の外周部でかつ軸芯方向に取り付けられた複数個の回転翼車と、この複数個の回転翼車に対応して前記ハウジング内に配置された複数個の固定翼車と、この複数個の固定翼車にて前記ハウジング内周面部に介設され各固定翼車を所定間隔にて保持する複数段のスペーサとを有し、前記ハウジングの軸方向一端側の吸気口からのガスを圧縮して他端側の排気口に排出するターボ分子ポンプにおいて、吸気口側に最寄りのスペーサの密度が他段のスペーサの密度より大きい材料で構成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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