JP4978489B2 - ケーシングのフランジ構造、ターボ分子ポンプおよび真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ケーシングのフランジ構造、ターボ分子ポンプおよび真空ポンプに関する。

ケーシング内で高速回転する回転体を有するターボ分子ポンプにおいては、回転体が破壊した際のエネルギーをフランジの変形によって吸収するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載のフランジには、ケーシング取付用のボルトが挿通するボルト孔が周方向に複数設けられ、この各ボルト孔の外側に薄肉部を介してそれぞれ貫通孔が設けられる。これにより回転体の破壊時に、ボルトの相対移動によって薄肉部を変形させ、回転体の破壊のエネルギーを吸収する。

特開２００４−１６２６９６号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のフランジでは、ボルト孔の外側の薄肉部の変形によりボルトの進路が塞がれてボルトの相対移動が妨げられ、効率よく破壊のエネルギーを吸収することができない。

本発明によるケーシングのフランジ構造は、ロータを収容するケーシングの端部に設けられ、ボルトを介して相手側部材に締結されるフランジの構造であって、ボルトの取付位置に対応し、フランジの表面に周方向にかけて長手状に形成された有底溝を有し、有底溝の底面には、ロータの回転方向側端部にボルトが貫通するためのボルト孔が開口され、ボルト孔の近傍の第１の部位からロータの回転方向の反対側端部である第２の部位にかけて、少なくとも、第２の部位における幅が、ボルト孔よりも狭く、ボルトの直径よりも小さい長孔状のスリット孔が開口されていることを特徴とする。
また、本発明によるケーシングのフランジ構造は、ロータを収容するケーシングの端部に設けられ、ボルトを介して相手側部材に締結されるフランジの構造であって、ボルトの取付位置に対応し、フランジの表面に周方向にかけて長手状に形成された有底溝を有し、有底溝の底面には、ロータの回転方向側端部にボルトが貫通するためのボルト孔が開口され、ボルト孔の近傍の第１の部位からロータの回転方向の反対側端部である第２の部位にかけて、長孔状のスリット孔が開口され、ボルト孔に貫通されるボルトと前記ボルト孔との間に、前記ボルト挿入用の円筒部を有するカバーが設けられ、前記長孔状のスリット孔は、少なくとも、第２の部位における幅が、ボルト孔よりも狭く、カバーの前記円筒部の外径よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、フランジの表面に長手状に有底溝を形成し、この有底溝にボルト孔とスリット孔を開口するようにしたので、ロータの破壊時にボルトがスリット孔に沿って相対移動し、ロータの破壊のエネルギーを効率よく吸収することができる。

−第１の実施の形態−
以下、図１〜図４を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第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り、図２は、このターボ分子ポンプの取付状態を示す図である。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１は、略円筒形状の外側ケーシング２と、外側ケーシング２の下部に取り付けられるベース３と、外側ケーシング２に収容され、ベース３に回転可能に支持されるロータ４とを有する。

図２に示すように外側ケーシング１の上部のフランジ２１は、半導体製造装置側の真空チャンバ７のフランジ７１にボルト１０によって固定される。なお、ボルト１０はフランジ２１のボルト孔２２を貫通し、フランジ７１に設けられたネジ部７２に螺合されるが、ボルト孔２２の周囲の構成については後述する。

図１に示すようにロータ４の外周面には、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４３が交互に挿設されている。各段の固定翼４３はスペーサ４８を介して積層されている。ロータ４の回転翼４１の下方には回転円筒部４２が形成されている。ベース３側には回転円筒部４２に対向して固定円筒部が４４が設けられ、固定円筒部４４の内周面に螺旋状溝が形成されている。以上の回転翼４１と固定翼４３はタービン翼部を構成し、回転円筒部４２と固定円筒部４４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５１およびアキシャル磁気軸受け５２により非接触支持され、モータ６により回転駆動される。磁気軸受け５１，５２には、ロータ４の浮上位置を検出するためのラジアル変位センサ５３，５４およびスラスト変位センサ５５がそれぞれ設けられている。モータ６は例えばＤＣブラシレスモータであり、ロータ４のシャフト部４５に、永久磁石が内蔵されたモータロータ６１が装着され、ベース３側に、回転磁界を形成するためのモータステータ６２が設けられている。

シャフト部４５の下端にはセンサターゲット４６が設けられ、センサーターゲット４６と対向する位置にギャップセンサ５５が設けられている。なお、５６，５７は、非常用のメカニカルベアリングである。

このようなターボ分子ポンプ１では、ロータ４の高速回転により吸気口１ａ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排気口１ｂから排気される。これにより吸気口１ａ側が高真空状態となる。この際、何らかの原因により高速回転中のロータ４が破壊すると、遠心力によってロータ４が周囲に飛散し、その飛散物により外側ケーシング２にはロータ４の回転方向と同方向の回転トルクが作用する。この回転トルクは上部のフランジ２１を介して真空系のフランジ７１に作用するため、真空系の装置が破損するおそれがある。これを防止するため、本実施の形態では以下のようにポンプ本体１のフランジ２１を構成する。

図３（ａ）は、第１の実施の形態に係るフランジ２１の構成を示す正面図（図１の矢視III図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。フランジ２１の上面には、ボルト１０の締結位置に対応して所定深さの座グリ２３（有底溝）が設けられている。座グリ２３は、円周方向に所定範囲（例えば５°〜１０°程度）にわたって等間隔に複数延設され、座グリ２３の下方にフランジ厚さの薄い薄肉部２１ａが形成されている。薄肉部２１ａは、後述するようにボルト１０の相対移動によって変形可能な厚さに形成され、薄肉部２１ａが変形しやすいようにボルト１０はフランジ２１よりも硬度が高いものが用いられる。なお、ボルト１０とフランジ２１の硬度が同じであってもよい。

各座グリ２３の幅方向中央かつロータ４の回転方向側端部には、それぞれ座グリ２３の幅よりも小径のボルト孔２２が穿設されている。このボルト孔２２に連設して座グリ２３の幅方向中央には、ロータ４の回転方向の反対側端部にかけてスリット孔２４が開口されている。スリット孔２４の幅は貫通孔２２の直径よりも小さく、さらにボルト１０の直径よりも小さい。なお、図３（ａ）の２５は、吸気口１ａに張設されたはネットである。

フランジ２１の表面の加工は以下のように行う。まず、大径のエンドミルで長孔状に座グリ２３を加工し、薄肉部２１ａを形成する。次いで、小径のエンドミルでスリット孔２４を加工するとともに、ドリルでボルト孔２２を加工する。

第１の実施の形態では、何らかの原因により高速回転中のロータ４が破壊すると、ロータ４の飛散物による回転トルクがケーシング２に作用し、フランジ２１がロータ４の回転方向に回転する。この際、ボルト１０はフランジ７１に拘束されているため、フランジ２１の回転にボルト１０は追従しない。このため、図４に示すようにボルト２２がスリット孔２４に食い込んでスリット孔２４が押し広げられ、ボルト２２がロータ４の回転方向とは反対側にスリット孔２４に沿って相対移動する。これによりボルト２２とスリット孔２４の間の摩擦によりロータ破壊のエネルギーが消費される。その結果、フランジ２１からフランジ７１へのトルクの伝達量を低減でき、真空系の装置の破損を防止できる。

第１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）ケーシング２のフランジ２１の表面に周方向にかけて複数の座グリ２３を長孔状に形成し、この座グリ２３の一端部側（ロータ回転方向側）にそれぞれボルト孔２２を開口するとともに、ボルト孔２２に連なり座グリ２３の他端部側（ロータ回転方向の反対側）にかけてそれぞれスリット孔２４を開口するようにした。これによりロータ４の破壊時には、ボルト１０がスリット孔２４に案内され、スリット孔２４の両側を押し広げながらボルト１０がフランジ２１を相対移動するので、ボルト１０の周囲に摩擦力が作用することにより、破壊エネルギーを効率よく吸収することができる。すなわち薄肉部２１ａがスリット孔２４の外側に変形するので、薄肉部２１ａの変形後もボルト１０の進路は邪魔されず、ボルト１０はスリット孔２４に沿って相対移動することができ、ボルト１０の周面に、より多くの摩擦力を作用させることができる。

（２）フランジ２の表面に座グリ２３を設け、この座グリ２３にボルト孔２２とスリット孔２４を開口するようにしたので、加工が容易であり、安価に構成できる。
（３）座グリ２３の幅方向中央にスリット孔２４を設け、スリット孔２４の両側に薄肉部２１ａを形成するので、ボルト１０の両側に摩擦力が作用し、エネルギーの吸収量が大きい。
（４）ボルト孔２２とスリット孔２４を連通させるようにしたので、ロータ４が破壊した際にボルト孔２２からスリット孔２４へとボルト１０を容易に相対移動させることができ、所望の衝撃吸収効果が得られる。

−第２の実施の形態−
図５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。
第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なるのは、スリット孔２４の形状である。すなわち第１の実施の形態では、スリット孔２４の幅を長手方向に均一としたが、第２の実施の形態では、幅を徐々に狭くする。図５（ａ）は、第２の実施の形態に係るフランジ２１の構成を示す正面図であり、図５（ｂ）はその要部拡大図、図５（ｃ）は図５（ａ）のｃ−ｃ線断面図である。なお、図３と同一の箇所には同一の符号を付している。

図５に示すように、スリット孔２４１は長手方向に沿ってテーパ状に形成されており、スリット孔２４１の幅はボルト孔側端部２４１ａにおいて最大で、ボルト孔２２から離れるに従い徐々に狭くなっている。図５（ｂ）の点線は図３のスリット孔２４の幅に相当し、ボルト孔側端部２４１ａの幅は図３のものより広い。これによりロータ４の破壊によってフランジ２１にトルクが作用した際に、ボルト１０を確実にスリット２４１に導くことができ、安定した衝撃吸収効果が得られる。なお、スリット孔２４１を長手方向に沿って全てテーパ状とするのではなく、長手方向の途中までテーパ状とし、残りを幅一定としてもよい。

−第３の実施の形態−
図６を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。以下では第２の実施の形態との相違点を主に説明する。
第３の実施の形態が第２の実施の形態と異なるのは、座グリ２３の形状である。すなわち第２の実施の形態では、薄肉部２１ａの厚さが一定となるように座グリ２３を設けたが、第３の実施の形態では、以下のように座グリの深さを変更する。図６（ａ）は、第３の実施の形態に係るフランジ２１の構成を示す正面図であり、図６（ｂ）はその要部拡大図、図６（ｃ）は図６（ａ）のｃ−ｃ線断面図である。なお、図５と同一の箇所には同一の符号を付している。

図６に示すようにボルト孔２２の周囲の座グリ２３１の深さは、スリット孔２４１の周囲の座グリ２３２の深さよりも浅く形成されている。これによりボルト孔２２の周囲の薄肉部２１ａの厚さは図５のものよりも厚くなる。このためボルト孔２２の周囲のフランジ剛性が高まり、ボルト１０の締結力によってフランジ２１が変形することを防止できる。なお、図３のボルト孔２２の周囲の薄肉部２１ａの厚さを、同様に厚くしてもよい。

−第４の実施の形態−
図７を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。以下では第３の実施の形態との相違点を主に説明する。
第４の実施の形態が第３の実施の形態と異なるのは、座グリ２３の形状である。すなわち第３の実施の形態では、ボルト孔２２の周囲の座グリ２３１の深さを浅くしたが、第４の実施の形態では、さらにスリット孔２４１の周囲の座グリ２３２の深さを変更する。図７（ａ）は、第４の実施の形態に係るフランジ２１の構成を示す正面図であり、図７（ｂ）はその要部拡大図、図７（ｃ）は図７（ａ）のｃ−ｃ線断面図である。なお、図６と同一の箇所には同一の符号を付している。

図７に示すようにスリット孔２４１の周囲の座グリ２３２の深さは、ボルト孔側端部２４１ａから反対側端部２４１ｂにかけ、長手方向に沿って段階的に深くなっている。すなわち座グリ２３２Ａよりも座グリ２３２Ｂの方が深く、座グリ２３２Ｂよりも座グリ２３２Ｃの方が深い。これにより座グリ２３２の幅が狭くなるに従い薄肉部２１ａの厚さが薄くなるので、図６のものに比べボルトが端部まで変形しやすくなる。その結果、スリット孔２４１の全長にわたってロータ破壊のエネルギーを消費できるため、エネルギーの消費量が増し、フランジ７１へのトルク伝達量を一層低減できる。なお、図７では座グリ２３２の深さを３段階に変更したが、２段階、または４段階以上に変更してもよい。図３，５の座グリ２３の深さを同様に変更することもできる。

−第５の実施の形態−
図８を参照して本発明の第５の実施の形態について説明する。
第５の実施の形態では、ボルト孔２２とボルト１０の間にカバー２６を挿入する。図８（ａ）は第５の実施の形態に係るフランジ２１の構成を示す正面図であり、図８（ｂ）はその要部拡大図、図８（ｃ）は図８（ａ）のｃ−ｃ線断面図である。なお、図５と同一の箇所には同一の符号を付している。

カバー２６は、円筒形状の円筒部２６１と円筒部２６１の一端側に形成されたリング状の座金部２６２とを有する。円筒部２６１の外径はボルト孔２２の外径とほぼ等しく、円筒部２６１はボルト孔２２に圧入によって挿入され、カバー２６はフランジ２１に一体に固定されている。座金部２６２はフランジ面に当接し、円筒部２６１内にはボルト１０が挿入されている。なお、ボルト１０の外径はスリット孔２４１の幅より小さくても構わない。

第５の実施の形態では、ロータ４の破壊によってフランジ２１にトルクが作用すると、ボルト１０とともにスリット孔２４１に沿ってカバー２６が相対移動する。これによりカバー２６とスリット孔２４１の間の摩擦、およびカバー部材の変形によりロータ破壊のエネルギーが消費される。この場合、ボルト１０の表面はカバー２６で覆われ、ボルト自体はスリット孔２４に食い込まないので、ボルト表面のねじ山部およびねじ谷部の応力集中を緩和でき、ボルト１０の破損を防止して安定した衝撃吸収効果が得られる。なお、カバー２６は、スリット孔２４１への食い込み時に焼き付かないようにフランジ２１とは異なる種類の金属によって構成することが好ましく、また、薄肉部２１ａを変形させやすいようにフランジ２１よりも硬い材質のものとすることが好ましい。

なお、図８では、テーパ状のスリット孔２４１を有するものとして説明したが、幅一定のスリット孔２４を有するもの（例えば図３）にも同様にカバー２６を挿入できる。また、座グリ面がフラットなタイプのボルト孔２２にカバー２６を挿入する場合だけでなく、図９（ａ），（ｂ）に示すように段付き状の座グリ２３１，２３２を設けた場合にも同様にカバー２６を挿入することができる。この場合の薄肉部２１ａの変形の例を図１０（ａ），（ｂ）に示す。図１０（ａ）の斜線部は、カバー２６によって外側に押しのけられた薄肉部２１ａの領域（変形領域）である。図１０（ｂ）ではボルト１０の軸部１０ａは変形していないが、図１１に示すように軸部１０ａを変形させることもできる。このようにボルト１０が変形することで、ロータ４の破壊によるエネルギーをより多く消費できる。

図１２は、ボルト１０の剪断試験結果の一例を示す図である。図中、Ｌ１（実線）は、第５の実施の形態に係るターボ分子ポンプのフランジ２１をボルト１０で固定した状態で、フランジ２１にロータ回転方向の試験力を付加した場合のフランジ２１の変位量と試験力との関係を示す特性である。なお、Ｌ２（点線）は、本実施の形態の比較例であり、単なるフランジにロータ回転方向の試験力を付加した場合のフランジの変位量と試験力との関係を示している。本実施の形態によれば、単なるフランジを用いた場合に比べ、ボルト１０が破断するまでのフランジ２１の変位量が大きく、最大試験力も大きい。

以上では、フランジ２１の表面に周方向にかけて長手状に座グリ２３、すなわち有底溝を形成したが、有底溝の形状は上述したものに限らない。ロータ４の回転方向側端部の座グリ面にボルト孔２２を開口し、それに連なるボルト孔側端部２４１ａ（第１の部位）からロータ４の回転方向の反対側端部２４１ｂ（第２の部位）にかけてスリット孔２４を開口したが、少なくともボルト孔２２の近傍にスリット孔２４のボルト孔側端部２４１ａを形成するのであれば、ボルト孔２２からスリット孔２４を離して設けてもよい。ボルト孔２２およびスリット孔２４を座グリ２３の幅方向中央に設けたが、中央からずらしてもよい。第５の実施の形態では、ボルトの周囲にカバー２６を設けたが、カバー部材としてのカバー２６の形状は上述したものに限らない。例えばカバー２６の外径をボルト孔２２の内径よりも小さく形成し、ボルト１０の締結時にボルト孔２２にカバー２６を挿入するようにしてもよい。ボルト孔２２への挿入を容易にするため、図１３に示すようにカバー２６に軸方向のスリット２６ａを設けてもよい。

以上では、ターボ分子ポンプのケーシング２の端部に設けられるフランジ２１の構造について説明したが、ケーシング内に回転可能に支持されたロータと、ロータに対応して配設されたステータとを備える他の真空ポンプ（例えばドラッグポンプなど）のフランジ構造にも同様に適用できる。また、高速回転するロータを収容するケーシングであれば、真空ポンプ以外のケーシング（例えばガスタービンのケーシングなど）にも、適用可能である。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態のフランジ構造に限定されない。

本発明の第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のターボ分子ポンプの取付状態を示す図。 第１の実施の形態に係るフランジ構造を示す図。 第１の実施の形態におけるロータ破壊時の動作を示す図。 第２の実施の形態に係るフランジ構造を示す図。 第３の実施の形態に係るフランジ構造を示す図。 第４の実施の形態に係るフランジ構造を示す図。 第５の実施の形態に係るフランジ構造を示す図。 図８の変形例を示す図。 図９の動作の一例を示す図。 図９の動作の他の例を示す図。 第５の実施の形態に係るフランジ構造によるボルトの剪断試験結果の一例を示す図。 第５の実施の形態に係るフランジ構造に用いるカバーの変形例を示す図。

符号の説明

２ ケーシング
４ ロータ
４１ 回転翼
４３ 固定翼
１０ ボルト
２１ フランジ
２１ａ 薄肉部
２２ ボルト孔
２３，２３１，２３２，２３２Ａ〜２３２Ｃ 座グリ
２４，２４１ スリット孔
２６ カバー

Claims (10)

1. ロータを収容するケーシングの端部に設けられ、ボルトを介して相手側部材に締結されるフランジの構造であって、
   前記ボルトの取付位置に対応し、前記フランジの表面に周方向にかけて長手状に形成された有底溝を有し、
   前記有底溝の底面には、前記ロータの回転方向側端部に前記ボルトが貫通するためのボルト孔が開口され、前記ボルト孔の近傍の第１の部位から前記ロータの回転方向の反対側端部である第２の部位にかけて、少なくとも、前記第２の部位における幅が、前記ボルト孔よりも狭く、前記ボルトの直径よりも小さい長孔状のスリット孔が開口されていることを特徴とするケーシングのフランジ構造。
2. ロータを収容するケーシングの端部に設けられ、ボルトを介して相手側部材に締結されるフランジの構造であって、
   前記ボルトの取付位置に対応し、前記フランジの表面に周方向にかけて長手状に形成された有底溝を有し、
   前記有底溝の底面には、前記ロータの回転方向側端部に前記ボルトが貫通するためのボルト孔が開口され、前記ボルト孔の近傍の第１の部位から前記ロータの回転方向の反対側端部である第２の部位にかけて、長孔状のスリット孔が開口され、
   前記ボルト孔に貫通される前記ボルトと前記ボルト孔との間に、前記ボルト挿入用の円筒部を有するカバー部材が装着され、
   前記長孔状のスリット孔は、少なくとも、前記第２の部位における幅が、ボルト孔よりも狭く、前記カバー部材の前記円筒部の外径よりも小さいことを特徴とするケーシングのフランジ構造。
3. 請求項１または２に記載のケーシングのフランジ構造において、
   前記スリット孔は、前記ボルト孔に連なって設けられていることを特徴とするケーシングのフランジ構造。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のケーシングのフランジ構造において、
   前記ボルト孔および前記スリット孔は、それぞれ前記有底溝の底面の幅方向中央に設けられていることを特徴とするケーシングのフランジ構造。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーシングのフランジ構造において、
   前記第１の部位におけるスリット孔の幅は、前記第２の部位におけるスリット孔の幅よりも広く形成されていることを特徴とするケーシングのフランジ構造。
6. 請求項１に記載のケーシングのフランジ構造において、
   前記第１の部位におけるスリット孔の幅は、前記ボルトの直径よりも大きく形成されていることを特徴とするケーシングのフランジ構造。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のケーシングのフランジ構造において、
   前記第１の部位における前記有底溝の深さは、前記第２の部位における前記有底溝の深さよりも浅く形成されていることを特徴とするケーシングのフランジ構造。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のケーシングのフランジ構造において、
   前記ボルト孔の周囲の前記有底溝の深さは、前記スリット孔の周囲の前記有底溝の深さよりも浅く形成されていることを特徴とするケーシングのフランジ構造。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のフランジ構造を有し、前記ボルトを介して真空系側の部材に締結されるケーシングと、
   前記ケーシング内に回転可能に支持され、ロータ翼が形成されたロータと、
   前記ロータ翼に対応して配設されたステータ翼を有するステータとを備えることを特徴とするターボ分子ポンプ。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のフランジ構造を有し、前記ボルトを介して真空系側の部材に締結されるケーシングと、
    前記ケーシング内に回転可能に支持されたロータと、
    前記ロータに対応して配設されたステータとを備えることを特徴とする真空ポンプ。
    

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