JP5136262B2

JP5136262B2 - 回転真空ポンプ

Info

Publication number: JP5136262B2
Application number: JP2008192335A
Authority: JP
Inventors: 正人小亀
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: JP2010031678A

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ等の回転真空ポンプに関する。

ケーシング内で高速回転するロータを有するターボ分子ポンプにおいては、ロータの破壊によるエネルギーが外側ケーシングを介して真空装置側に伝達されるのを防ぐ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記載のものは、外側ケーシングを真空装置側の上部ケーシングとその下方の下部ケーシングとに分割し、下部ケーシングでロータ破壊時のエネルギーを吸収するようにしている。

特開２００３−１４８３８０号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のものは、上部ケーシングと下部ケーシングがボルトで締結されるため、ロータ破壊時のエネルギーは下部ケーシングを介して上部ケーシングに伝わりやすく、真空装置側を破損するおそれがある。

本発明の請求項１に係る発明は、回転円筒部を有するロータと、回転円筒部の周囲に配設され、回転円筒部との間でガス通路を形成する固定円筒と、固定円筒を支持する支持部材とを備え、支持部材のロータ回転軸方向の端部には、固定円筒がロータ回転軸方向に嵌合する嵌合部と、嵌合部に連なり、固定円筒の取付方向反対側のロータ回転軸方向にかけて徐々に径が大きくなるテーパ部を有する凹部とが設けられ、固定円筒の外周面とこれに対向する支持部材の内周面との間に、固定円筒の変形用の隙間が設けられ、隙間の径方向の長さは、嵌合部における固定円筒のロータ回転軸方向の嵌合長さよりも長いことを特徴とする。
本発明の請求項２に係る発明は、周面に多段の回転翼が形成されたディスク部と、ディスク部の下方に延設された回転円筒部とを有するロータと、回転翼の最下段の回転翼の下方において回転円筒部の周囲に配設され、回転円筒部との間でガス通路を形成する固定円筒と、固定円筒を支持する支持部材とを備え、支持部材のロータ回転軸方向の上端部には、固定円筒がロータ回転軸方向に嵌合する嵌合部と、嵌合部に連なり、固定円筒の取付方向反対側のロータ回転軸方向にかけて徐々に径が大きくなるテーパ部を有する凹部とが設けられ、固定円筒の外周面とこれに対向する支持部材の内周面との間に、固定円筒の変形用の隙間が設けられ、固定円筒の上面と最下段の回転翼との間に隙間が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、固定円筒の取付用の支持部材の端部に凹部を設け、この凹部の内周面とこれに対向する固定円筒の外周面との間の隙間が徐々に増大するようにした。これにより固定円筒は、支持部材により周囲を拘束されつつロータの飛散物からの回転トルクによって回転可能であり、ロータ破壊時のエネルギーがケーシングに伝達されることを防ぐことができる。

以下、図１，２を参照して本発明による回転真空ポンプをターボ分子ポンプとして用いる場合の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明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、図１の要部拡大図である。この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１に示す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の上面に載置される略円筒形状のケーシング２と、ケーシング２内に回転可能に収容されるロータ３とを有する。ベース１とケーシング２はＯリング５１を介してボルト５２によって締結されている。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３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。ロータ３のディスク部３０の周面には、上下方向に間隔をあけて複数段の回転翼３１が形成され、ディスク部３０の下方には、略円筒形状の回転円筒部３２が延設されている。すなわち高真空側に回転翼３１が、低真空側に回転円筒部３２が設けられている。回転円筒部３２の外径はディスク部３０の外径よりも大きい。ロータ３の回転軸部３ａは、ベース１の内部に回転可能に支持され、ロータ３は回転軸ＣＬを中心に回転する。

ロータ３の各段の回転翼３１の間には、固定翼２１が交互に挿設され、回転翼３１と固定翼２１の間に、上下方向にガス通路ＰＡ１が形成されている。各段の固定翼２１はスペーサ２２を介して積層され、固定翼２１とスペーサ２２により積層体２３が形成されている。スペーサ２２は略リング形状をなし、固定翼２１は、周方向に２分割した半割れ形状をなしている。積層体２３は、ボルト５２の締結力により、ベース１の上端の支持部１ａとケーシング２の上端の支持部２ｂの間に挟持され、積層体２３の周囲がケーシング２で覆われている。

回転円筒部３２の周囲には、回転円筒部３２の外周面に対向して固定円筒２４が配設され、回転円筒部３２と固定円筒２４の間に、上下方向にガス通路ＰＡ２が形成されている。固定円筒２４の内周面には螺旋状溝２５が形成されている。以上の回転翼３１と固定翼２１はタービン翼部を構成し、回転円筒部３２と固定円筒２４はモレキュラードラッグポンプ部を構成する。

ロータ３は、上下一対のラジアル磁気軸受け４およびアキシャル磁気軸受け５により非接触支持され、モータ６により回転駆動されるモータ６は例えばＤＣブラシレスモータであり、ロータ３の回転軸部３ａに、永久磁石が内蔵されたモータロータが装着され、ベース１側に、回転磁界を形成するためのモータステータが設けられている。なお、７は、磁気軸受け４，５の故障時に機能する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において、モータ駆動によりロータ３を高速回転させると、ケーシング２の上端の吸気口９からガス分子が流入する。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ＰＡ１，ＰＡ２をそれぞれ経て排気口９から排気される。このガス分子の流れにより吸気口８側が高真空状態となる。

高速回転中のロータ３は、とくに回転円筒部３２が高応力となり、回転円筒部３２の下端から亀裂が発生し、上方に向けて亀裂が進展するおそれがある。この亀裂によって回転円筒部３２が破壊すると、破壊による飛散物が遠心力によって固定円筒２４に衝突し、固定円筒２４にロータ３の回転方向と同方向の回転トルクが作用する。この回転トルクはベース１およびケーシング２を介して真空系のフランジに作用するため、真空系の装置を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固定円筒２４をベース１から支持する。

図２に示すようにベース１の上端面の内径側角部には、全周にわたって凹部１０が形成されている。凹部１０は、ベース１の上端面から下方かつ内径側に斜めに形成されたテーパ部１１と、テーパ部１１の内径側にて下方（ロータ回転軸方向）に形成された嵌合部１２とを有する。嵌合部１２の底面１３は平坦に形成されている。

一方、固定円筒２４の外周面には、全周にわたってリング部２６が突設されている。リング部２６はベース１の嵌合部１２に嵌合され、嵌合部１２の底面１３にボルト２７で締結されている。これにより固定円筒２４がベース１に対して位置決めされている。この場合、ボルト２７の径、材質、および本数は、通常のポンプ運転時に固定円筒２４がずれなく固定できる程度に設定されている。すなわち、本実施の形態では、ロータ破壊時の回転トルクによって固定円筒２４がベース１から容易に分離するようにボルト２７の締結力を最小限とし、ボルト２７の強度を低くしている。ボルト２７の中心部に貫通穴を開けて孔空きボルトとして、ボルト２７の強度を低くすることもできる。

リング部２６の上下方向の厚さは嵌合部１２の長さＬ１よりも長く、リング部２６は嵌合部１２よりも上方に突出している。すなわち嵌合部１２の長さＬ１は固定円筒２４の位置を規制するために必要最小限であればよく、例えば２mm程度が好ましい。ベース１には固定円筒２４の周囲を覆うように筒部１ｂ（図１）が設けられ、この筒部１ｂの内周面と固定円筒２４の外周面との間には、全周にわたって隙間ＳＰが設けられている。隙間ＳＰの径方向の長さＬ２は、嵌合長さＬ１よりも長い。

以上のように構成されたターボ分子ポンプの主要な動作を説明する。モータ駆動によりロータ３を高速で回転させているとき、回転円筒部３２の下端に亀裂が生じると、この亀裂を起点にしてロータ３が破壊する。このときロータ３の破壊による飛散物は、下端からの亀裂のために上方に飛散し、固定円筒２４の内周面に衝突する。これにより固定円筒２４に回転トルクが作用するとともに、上方に押し上げ力が作用し、ボルト２７が破断する。

ボルト２７が破断すると、固定円筒２４がベース１の底面１３から離間する。これにより固定円筒２４はベース１内で摩擦力を受けて回転しつつ上方に持ち上げられる。この固定円筒２４の回転によりロータ破壊時のエネルギーを吸収でき、ケーシング２へのエネルギーの伝達を防ぐことができる。すなわち固定円筒２４がロータ３の飛散物の衝撃を受けてベース内を回転するので、ベース１に回転トルクが作用することを防止でき、真空装置側の破損を防ぐことができる。

この場合、固定円筒２４の嵌合長さＬ１は短いため、固定円筒２４が上方に持ち上げられると、すぐにベース１との嵌合が外れる。この状態では、固定円筒２４はテーパ部１１により周囲を拘束され、図３に示すようにテーパ部１１に沿って持ち上がられる。このため、固定円筒２４は、ロータ回転軸ＣＬとほぼ同軸状に回転するので、固定円筒２４が回転中のロータ３と強く接触することを防止でき、固定円筒２４からベース１およびケーシング２への衝撃力を緩和できる。

さらに本実施の形態では、固定円筒２４とベース１との間に隙間ＳＰを設けているので、固定円筒２４の変形により固定円筒２４の周壁がベース１の内周面に接触することを防止でき、ベース１への衝撃力を低減できる。また、隙間ＳＰの長さＬ２を嵌合部１２の長さＬ１よりも長くしているので、固定円筒２４がロータ飛散物からの衝撃によってベース１内で傾いた場合に、固定円筒２４がベース１に接触する前に嵌合部１２の嵌合が外れる。このため、固定円筒２４がテーパ部１１に沿って回転する前にベース１に衝撃力が作用することを防ぐことができる。

本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）ベース１の上端面に、固定円筒２４の取付用の凹部１０を設け、凹部１０にテーパ部１１と嵌合部１２を形成して、凹部１０（テーパ部１１）の内周面とこれに対向する固定円筒２４（リング部２６）の外周面との間の隙間が上方にかけて徐々に増加するようにした。これによりロータ破壊時に固定円筒２４が上方に持ち上げられ、テーパ部１１によって周囲を拘束されながらベース内を回転するので、ロータ破壊の衝撃がベース１に作用することを防ぐことができ、ロータ破壊時のエネルギーを効果的に吸収できる。固定円筒２４が上昇するにしたがいテーパ部１１とリング部２６の間の最小隙間が徐々に大きくなるので、ベース１からの拘束力が小さくなって固定円筒２４が回転しやすくなるとともに、固定円筒２４の回転トルクがベース１に伝わりにくくなり、ベース１に作用する衝撃力を低減できる。

（２）嵌合部１２の上方にて凹部１０の形状をテーパ状（テーパ部１１）としたので、ロータ３と固定円筒２４の間の同軸のずれが急激に大きくなることを防ぐことができ、固定円筒２４がロータ３に接触してロータ３の回転エネルギーが固定円筒２４に局所的に作用することを防ぐことができる。
（３）ベース１と固定円筒２４の間に径方向に隙間ＳＰを設けるようにしたので、ロータ３の飛散物の衝突により固定円筒２４が変形した際に、その衝撃力がベース１側に伝達されるのを防ぐことができる。
（４）隙間ＳＰの径方向の長さＬ２を固定円筒２４の嵌合長さＬ１よりも長くしたので、固定円筒２４がロータ飛散物からの衝撃によりベース１内で傾いた場合であっても、ベース１に衝撃力が作用することを防ぐことができる。

なお、上記実施の形態では、嵌合部１２をロータ回転軸方向と平行に設けたが、図４に示すように嵌合部１２を傾斜して設け、テーパ部１１と嵌合部１２が連続するようにしてもよい。

上記実施の形態では、ベース１と固定円筒２４の間に径方向に隙間ＳＰを設け、この隙間ＳＰの径方向長さＬ２を嵌合長さＬ１よりも長くしたが、長さＬ１，Ｌ２の関係はこれに限らない。ロータ３を回転可能に支持するベース部材としてのベース１および積層体２３の周囲を覆うケース部材としてのケース２の構成は上述したものに限らない。以上では、本発明をターボ分子ポンプに適用する場合について説明したが、他の回転真空ポンプ（例えばドラッグポンプなど）にも本発明を同様に適用できる。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回転真空ポンプに限定されない。

本発明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。本実施の形態の動作の一例を示す図。本発明の変形例を示す図。

符号の説明

１ベース
２ケーシング
３ロータ
１０凹部
１１テーパ部
１２嵌合部
２１固定翼
２４固定円筒
３１回転翼
３２回転円筒部
ＳＰ隙間

Claims

回転円筒部を有するロータと、
前記回転円筒部の周囲に配設され、前記回転円筒部との間でガス通路を形成する固定円筒と、
前記固定円筒を支持する支持部材とを備え、
前記支持部材のロータ回転軸方向の端部には、前記固定円筒がロータ回転軸方向に嵌合する嵌合部と、前記嵌合部に連なり、前記固定円筒の取付方向反対側のロータ回転軸方向にかけて徐々に径が大きくなるテーパ部を有する凹部とが設けられ、
前記固定円筒の外周面とこれに対向する前記支持部材の内周面との間に、前記固定円筒の変形用の隙間が設けられ、前記隙間の径方向の長さは、前記嵌合部における前記固定円筒のロータ回転軸方向の嵌合長さよりも長いことを特徴とする回転真空ポンプ。
周面に多段の回転翼が形成されたディスク部と、前記ディスク部の下方に延設された回転円筒部とを有するロータと、
前記回転翼の最下段の回転翼の下方において前記回転円筒部の周囲に配設され、前記回転円筒部との間でガス通路を形成する固定円筒と、
前記固定円筒を支持する支持部材とを備え、
前記支持部材のロータ回転軸方向の上端部には、前記固定円筒がロータ回転軸方向に嵌合する嵌合部と、前記嵌合部に連なり、前記固定円筒の取付方向反対側のロータ回転軸方向にかけて徐々に径が大きくなるテーパ部を有する凹部とが設けられ、
前記固定円筒の外周面とこれに対向する前記支持部材の内周面との間に、前記固定円筒の変形用の隙間が設けられ、
前記固定円筒の上面と前記最下段の回転翼との間に隙間が設けられていることを特徴とする回転真空ポンプ。