JP5291363B2

JP5291363B2 - ポンプ

Info

Publication number: JP5291363B2
Application number: JP2008066480A
Authority: JP
Inventors: 公彦光田; 康晴山本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: WO2009113324A1; US20100284796A1; JP2009221938A; KR20100115362A; TWI416014B; CN101960149A; TW201000771A

Description

本発明は、例えば、超臨界ＣＯ₂流体あるいは液体ＣＯ₂を搬送するポンプに関するものである。

例えば、超臨界ＣＯ₂流体あるいは液体ＣＯ₂を搬送するポンプとして、半導体洗浄用の循環ポンプがある。近年の半導体デバイスの高集積化に伴い、ウェハの加工線幅も微細化が求められており、現在の主流である０．１８μｍに対して、将来は０．１０μｍ以下になると予想されている。ところが、従来の超純水等の液体を用いた半導体洗浄方式では、ウェハ乾燥時において、気体と液体の界面張力に起因する毛管力により、ウェハに形成されたレジストが倒壊するという現象（レジスト倒壊）が生じる場合がある。

このような不都合を解消するために、従来の超純水等の液体の代わりに、超臨界流体を用いた半導体洗浄装置が開発されている。超臨界流体は、液体と比較して非常に高い浸透性を有しており、どのような微細な構造にも浸透するものである。また、気体と液体との界面が存在しないので、乾燥時に毛管力が働かないという特徴を備えている。

超臨界流体としては、主として二酸化炭素（ＣＯ₂）が用いられる。二酸化炭素は、他の液体溶媒と比較して、比較的穏和な条件、即ち臨界温度３１．２℃，臨界圧力７．３８ＭＰａで、臨界密度４６８ｋｇ／ｍ³となる。また、常温、常圧では気体であるために、常温、常圧に戻すことによりガス化し、被洗浄物と汚染物の分離が容易にできるので、これにより、洗浄後の被洗浄物の乾燥が不要になるなど、洗浄プロセスの簡略化とコスト削減が可能となる。

このような超臨界ＣＯ₂流体を用いた半導体洗浄装置では、その超臨界ＣＯ₂流体は通常約２０ＭＰａに加圧されるので、これを循環させてウェハを洗浄するための循環ポンプとしては、高耐圧であるが故、いわゆるシールレス・キャンドモータポンプ形式のものが用いられる。また、軸受としては玉軸受が用いられ、これは半導体の洗浄剤としての揚液（超臨界ＣＯ₂流体）中において使用される。

この玉軸受にて、ロータに作用するラジアル荷重、及びスラスト荷重を受ける。また、羽根車側とは反対側の、軸端側軸受に設置した軸受予圧バネにて予圧荷重をコントロールし、玉軸受のいわゆる公転滑り（横滑り）防止を図る。また、軸受予圧荷重にて玉軸受のラジアル方向の剛性（バネ定数）をコントロールし、ロータの固有振動数の調整も行う。

このようなポンプとしては、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２００７−２３１９５８号公報

ところが、上述した従来のポンプにて、玉軸受は、粘性の低い超臨界ＣＯ₂流体（あるいは液体ＣＯ₂）内で使用されるので、揚液による潤滑は期待できない。そのため、玉軸受での摩耗が発生し、主軸及び羽根車が回転軸心の方向に沿って移動する。羽根車は、その回転により吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して吐出口から吐出するものであり、吐出口から吸込口への流体の逆流を防止するため、ケーシングと羽根車との間における軸方向隙間が非常に狭く設定されている。ところが、玉軸受での摩耗により主軸及び羽根車が回転軸心の方向に沿って移動すると、羽根車とケーシングとの間で干渉が発生し、ポンプ寿命が低下してしまうという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、寿命の延長を可能とするポンプを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明のポンプは、吸込口と吐出口を有するケーシングと、該ケーシング内に玉軸受により回転自在に支持される主軸と、該主軸の軸端部に連結される羽根車と、前記主軸を介して前記羽根車を駆動回転可能なキャンドモータと、を備え、前記羽根車の回転により前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して前記吐出口から吐出するポンプにおいて、前記羽根車における軸心方向前側に前部シュラウドが設けられると共に、前記羽根車における軸心方向後側に後部シュラウドが設けられ、前記ケーシングと前記前部シュラウドとの間に軸方向に対向する所定隙間が設けられると共に、前記ケーシングと前記前部シュラウドとの間に径方向に対向するシール部が設けられ、前記ケーシングにて、前記羽根車からの流体出口は、ディフューザ及びボリュート室を介して前記吐出口に連通され、前記ディフューザに絞り部が設けられる、ことを特徴とするものである。

請求項２の発明のポンプでは、前記シール部は、前記羽根車における軸心方向に並んで複数設けられることを特徴としている。

請求項３の発明のポンプでは、前記玉軸受に予圧を付与する予圧ばねが設けられ、該予圧ばねは、リング形状をなす波板材が複数積層されて構成されることを特徴としている。

請求項４の発明のポンプでは、前記羽根車は、回転駆動することで超臨界ＣＯ₂流体あるいは液体ＣＯ₂を搬送可能であり、半導体洗浄用循環ポンプとして用いられることを特徴としている。

請求項１の発明のポンプによれば、吸込口と吐出口を有するケーシング内に玉軸受により主軸を回転自在に支持し、この主軸の軸端部に羽根車を連結し、キャンドモータにより主軸を介して羽根車を駆動回転可能に構成し、羽根車における軸心方向前側に前部シュラウドを設けると共に、軸心方向後側に後部シュラウドを設け、ケーシングと前部シュラウドとの間に軸方向に対向する所定隙間を設けると共に、ケーシングと前部シュラウドとの間に径方向に対向するシール部を設けている。従って、シール部により吐出口から吸込口への流体の逆流を防止することができ、また、玉軸受の摩耗により主軸及び羽根車が回転軸心方向に移動しても、羽根車とケーシングとの間に所定隙間が設けられていることから、両者が干渉することはなく、ポンプ寿命を延長することが可能となる。
また、請求項１の発明のポンプによれば、羽根車からの流体出口をディフューザ及びボリュート室を介して吐出口に連通し、ディフューザに絞り部を設けるので、ディフューザの出口における流体流出角を大きくすることで、ディフューザの出口からボリュート室の入口までの損失を低減することができると共に、羽根車の移動を許容して干渉を防止することができる。

請求項２の発明のポンプによれば、シール部を羽根車における軸心方向に並んで複数設けるので、複数のシール部により羽根車とケーシングとの間における流体の漏れが低減され、吐出口から吸込口への流体の逆流を適正に防止することができる。

請求項３の発明のポンプによれば、玉軸受に予圧を付与する予圧ばねを設け、リング形状をなす波板材が複数積層されて予圧ばねを構成するので、予圧ばねにより玉軸受に予圧が付与されることで、玉軸受の公転滑りを抑制して長寿命化を可能とすることができると共に、波板材を複数積層されて予圧ばねを構成することで、ばねのつぶし代の変化量に対する荷重変化量を小さくし、適正な予圧を付与することができる。

請求項４の発明のポンプによれば、羽根車を回転駆動することで超臨界ＣＯ₂流体あるいは液体ＣＯ₂を搬送可能とし、半導体洗浄用循環ポンプとして用いるので、洗浄後の被洗浄物の乾燥が不要になり、洗浄プロセスの簡略化とコスト削減を可能とすることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るポンプの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係るポンプとしての半導体洗浄装置用循環ポンプを表す断面図、図２は、本実施例の半導体洗浄装置用循環ポンプの要部を表す拡大図である。

本実施例の半導体洗浄装置用循環ポンプは、図１及び図２に示すように、吸込口１１と吐出口１２を有するケーシング１３と、このケーシング１３内に玉軸受１４，１５により回転自在に支持される主軸１６と、この主軸１６の軸端部に連結される羽根車１７と、主軸１６を介して羽根車１７を駆動回転可能なキャンドモータ１８とを備え、羽根車１７の回転により吸込口１１から吸い込んだ流体を昇圧して吐出口１２から吐出可能に構成されている。

このケーシング１３は、リング形状をなす吐出・吸込側ケーシング２１とパージ側ケーシング２２とが円筒形状をなす外筒２３を挟んで配置され、連結ボルト２４により連結され、吸込・吐出側ケーシング２１の外側にマニホールド２５が固定され、連結ボルト２６により連結されて構成されている。そして、このマニホールド２５には、主軸１６の軸心の延長軸線上に揚液の吸込口１１が形成され、この吸込口１１の外周側に吐出口１２が形成されている。

玉軸受１４，１５は、アンギュラ玉軸受であって、吐出・吸込側ケーシング２１とパージ側ケーシング２２に装着され、主軸１６を回転自在に支持している。そして、この主軸１６の軸端部に羽根車１７が嵌合し、連結ボルト２７により固定されている。

なお、本実施例では、玉軸受１４，１５は、耐摩耗性及び耐食性の向上、高速回転時の遠心荷重を低減するために、内外輪及び玉にセラミック材料（例えば、窒化珪素Ｓｉ₃Ｎ₄、アルミナＡｌ₂Ｏ₃、炭化珪素ＳｉＣ等）を採用している。このように、軸受材料を総セラミックとすることで、外部から持ち込まれるパーティクルに対する耐摩耗性も向上する。また、ドラッグ損失（回転抵抗）が小さくなるように保持器の設計を行っている。これにより、公転滑り防止及び予圧荷重（スラスト軸受荷重）の低減が可能であり、玉軸受１４，１５の長寿命化を図ることができる。保持器の材料としては、洗浄剤に対する耐食性、耐摩耗性、高速回転に対する強度確保の観点より、ＰＥＥＫ材（ポリエーテル・エーテル・ケトン）を使用している。なお、ＰＥＥＫ材に代えて、ステンレス鋼やファイバーコンポジットを使用してもよい。

キャンドモータ１８は、外筒２３の内周部に固定された固定子２８と、この固定子２８と対向するように主軸１６の外周部に設けられた回転子２９とから構成されている。

一方、パージ側ケーシング２２には、主軸１６の軸心の延長軸線上に、吸い込んだ揚液の一部を吐出するパージ口３０が形成されている。また、パージ側ケーシング２２とアンギュラ玉軸受１５との間には、予圧ばね３１が挟持されている。この予圧ばね３１は、主軸１６の他端周辺に位置するリング状の波板ばねを複数積層したものとなっており、定圧ばね方式として玉軸受１５に軸方向の予圧を付与するものである。

従って、キャンドモータ１８に通電すると、固定子２８に対して回転子２９が回転し、この回転子２９と共に主軸１６が回転し、これに連動して羽根車１７が回転する。すると、吸込口１１より揚液が吸い込まれ、羽根車１７の遠心力により昇圧されて吐出口１２側に導かれて外部に吐出される。また、吸込口１１より吸い込まれた揚液の一部は、玉軸受１４，１５及びキャンドモータ１８内を通過して、これらを冷却してからパージ流れとしてパージ口３０より吐出される。

このように構成された循環ポンプにて、本実施例では、羽根車１７をクローズド式とし、ケーシング１３に対して主軸１６及び羽根車１７を軸心方向に対して所定量だけ移動自在に支持すると共に、ケーシング１３と羽根車１７との径方向でシールを形成している。

即ち、ケーシング１３を構成する吸込・吐出側ケーシング２１は、その中心部に吸込口１１に連通する収容孔４１が形成され、この収容孔４１の内周面に外周リング４２及び外周リング４３が固定されている。一方、羽根車１７は、軸心方向前側に設けられるリング形状をなす前部シュラウド４４と、軸心方向後側に設けられる円板形状をなす後部シュラウド４５との間に、複数の羽根４６が周方向に等間隔で設けられて構成されている。

この場合、前部シュラウド４４は、羽根車１７の径方向に水平な円板部４４ａと軸方向に水平な筒部４４ｂとを有している。そして、外周リング４３（ケーシング１３）の一端部と前部シュラウド４４における円板部４４ａの表面部との間に、軸方向に対向する所定隙間４７が設けられている。また、外周リング４３（ケーシング１３）の内周部と前部シュラウド４４における筒部４４ｂの外周部との間に、径方向に対向するシール部４８，４９が設けられている。このシール部４８，４９は、羽根車１７における径方向にずれ、羽根車１７における軸心方向に並んで設けられている。なお、シール部４８，４９は、複数設けることが望ましく、２つに限らず、３つ以上設けてもよい。

また、ケーシング１３にて、羽根車１７からの流体出口１７ａは、ディフューザ５１、ボリュート室５２、連通路５３を介して吐出口１２に連通されている。即ち、吸込・吐出側ケーシング２１とマニホールド２５との接合部には、羽根車１７からの流体出口１７ａが形成され、この流体出口１７ａに連通してディフューザ５１が形成されている。このディフューザ５１は、流体の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に変換するものである。ボリュート室５２は、吸込・吐出側ケーシング２１とマニホールド２５との接合部に渦巻状に形成されており、一端部がディフューザ５１に連通し、他端部が連通路５３に連通している。

そして、このディフューザ５１に絞り部が設けられている。即ち、ディフューザ５１は、羽根車１７からの流体出口１７ａ側の入口部の流路幅Ｗ_１（流路面積）に対して、ボリュート室５２側への出口部の流路幅Ｗ_２（流路面積）が狭く（小さく）形成されることで、絞り部を構成している。つまり、ディフューザ５１の入口部を出口部に対して大きくすることで、所定隙間４７による羽根車１７の軸心方向への移動を許容し、圧力流体を適正にディフューザ５１に導入することができる。

このディフューザ５１における絞り部の形状、つまり、傾斜角度は、ディフューザ５１の出口部からの流体流出角αと、ディフューザ５１における出口部の通路面積とボリュート室５２の面積との面積比Ｙに応じて設定される。ディフューザ５１からボリュート室５２に流れる流体は、ディフューザ５１の接線に対して流体流出角αを有しており、その速度Ｖは、周方向速度Ｖθと径方向速度Ｖｍに分けられる。ボリュート室５２の面積比Ｙは、ディフューザ５１における出口部の通路面積Ａｄとボリュート室５２の面積Ａｖとの比率（Ｙ＝Ａｄ／Ａｖ）である。

一般的に、ディフューザ５１の出口部からボリュート室５２の入口部までの摩擦損失と、ディフューザ５１の吐出速度とボリュート室５２の流入速度の速度差に起因する損失から見て、流体流出角αを１５°程度とすることで、ポンプ最大効率を確保することができる。また、ボリュート室５２の舌端での損失は、ボリュート室５２の舌端の取付角と流体流出角との差が大きすぎると生じる。ボリュート室５２の舌端には肉厚があることから、ボリュート室５２の舌端の取付角を数度（小さい角度）にすることは困難であるためである。

その結果、本実施例では、ディフューザ５１に絞り部が設けることで、ディフューザ５１の出口部における流体流出角αを大きくすることで、損失を低減する。また、ディフューザ５１における入口部の幅を大きくすることで、羽根車１７の軸方向の移動を許容する。この場合、ディフューザ５１を絞ると、径方向速度Ｖｍは上がるが、周方向速度Ｖθは角運動量保存により減速（自由渦流れ）する。従って，この径方向速度Ｖｍと周方向速度Ｖθの合計速度が減速する程度まで絞り形状とする。

従って、羽根車１７が回転すると、吸込口１１より揚液が吸い込まれ、羽根車１７の遠心力により昇圧される。この昇圧された揚液は、流体出口１７ａからディフューザ５１を通過することで、流体の速度エネルギが圧力エネルギに変換され、ボリュート室５２に流れ、連通路５３を通って吐出口１２から外部に吐出される。このとき、ケーシング１３と羽根車１７は、シール部４８，４９により径方向でシールされていることから、羽根車１７により昇圧された揚液は、吸込口１１に漏洩することなく、流体出口１７ａからディフューザ５１に適正に流れる。

また、主軸１６及び羽根車１７が所定隙間４７により軸心方向へ移動しても、シール部４８，４９により外周リング４３と前部シュラウド４４との位置関係が変位しないため、揚液が吸込口１１に漏洩することなく、ディフューザ５１に適正に流れる。

このように本実施例のポンプにあっては、吸込口１１と吐出口１２を有するケーシング１３内に玉軸受１４，１５により主軸１６を回転自在に支持し、この主軸１６の軸端部に羽根車１７を連結し、キャンドモータ１８により主軸１６を介して羽根車１７を駆動回転可能に構成し、羽根車１７における軸心方向前側に前部シュラウド４４を設けると共に、軸心方向後側に後部シュラウド４５を設け、ケーシング１３と前部シュラウド４４との間に軸方向に対向する所定隙間４７を設けると共に、ケーシング１３と前部シュラウド４４との間に径方向に対向するシール部４８，４９を設けている。

従って、シール部４８，４９により吐出口１２から吸込口１１への流体の逆流を防止することができ、また、玉軸受１４，１５などの摩耗により主軸１６及び羽根車１７が回転軸心方向に移動しても、羽根車１７とケーシング１３との間に所定隙間４７が設けられていることから、両者が干渉することはなく、ポンプ寿命を延長することが可能となる。

また、本実施例のポンプでは、シール部４８，４９を羽根車１７における軸心方向に並んで複数設けている。従って、複数のシール部４８，４９により羽根車１７とケーシング１３との間における流体の漏れが低減され、吐出口１２から吸込口１１への流体の逆流を適正に防止することができる。

また、本実施例のポンプでは、羽根車１７からの流体出口１７ａをディフューザ５１及びボリュート室５２を介して吐出口１２に連通し、ディフューザ５１に絞り部を設けている。従って、羽根車１７の流体出口１７ａからディフューザ５１に流出する流体における周方向の速度と径方向の速度との合計速度が減速することにより、ディフューザ５１にて流体の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に適正に変換することができる。

このとき、ディフューザ５１に絞り部が設けられており、ディフューザ５１の出口部における流体流出角αを大きくすることで、損失を低減することができる。また、ディフューザ５１における入口部の幅を大きくすることで、羽根車１７の軸方向の移動による羽根車出口のディフューザ入口における損失を低減することができる。

また、ディフューザ５１における絞り部の形状を、ディフューザ５１の出口部からの流体流出角と、ディフューザ５１の出口部とボリュート室５２の入口部との通路面積比に応じて設定している。従って、絞り部を適正形状に設定することで、ディフューザ５１における径方向の速度が増速するが、周方向の速度が減速し、その合計速度が減速することから、結果としてディフューザ５１で減速して流体の速度エネルギを圧力エネルギに適正に変換することができ、また、ボリュート室５２における流体の速度を適正にすることで、ポンプ効率を向上することができる。

また、本実施例のポンプでは、玉軸受１４，１５に予圧を付与する予圧ばね３１を設け、リング形状をなす波板材が複数積層されてこの予圧ばね３１を構成している。従って、予圧ばね３１により玉軸受１４，１５に予圧が付与されることで、玉軸受１４，１５の公転滑りを抑制して長寿命化を可能とすることができると共に、波板材を複数積層されて予圧ばね３１を構成することで、ばねのつぶし代の変化量に対する荷重変化量を小さくし、適正な予圧を付与することができる。

また、本実施例のポンプでは、羽根車１７を回転駆動することで超臨界ＣＯ₂流体あるいは液体ＣＯ₂を搬送可能とし、半導体洗浄用循環ポンプとして用いることで、洗浄後の被洗浄物の乾燥が不要になり、洗浄プロセスの簡略化とコスト削減を可能とすることができる。

なお、上述した実施例では、本発明のポンプを、半導体洗浄装置用循環ポンプとして説明したが、通常の遠心ポンプに適用してもよい。

本発明に係るポンプは、ケーシングと前部シュラウドとの間に軸方向に対向する所定隙間を設けると共に、ケーシングと前部シュラウドとの間に径方向に対向するシール部を設けることで、流体の漏洩と構成部材の摩耗を抑制して寿命の延長を可能とするものであり、いずれのポンプにも適用することができる。

本発明の一実施例に係るポンプとしての半導体洗浄装置用循環ポンプを表す断面図である。本実施例の半導体洗浄装置用循環ポンプの要部を表す拡大図である。

符号の説明

１１吸込口
１２吐出口
１３ケーシング
１４，１５玉軸受
１６主軸
１７羽根車
１８キャンドモータ
３１予圧ばね
４４前部シュラウド
４５後部シュラウド
４６羽根
４７所定隙間
４８，４９シール部
５１ディフューザ
５２ボリュート室

Claims

吸込口と吐出口を有するケーシングと、
該ケーシング内に玉軸受により回転自在に支持される主軸と、
該主軸の軸端部に連結される羽根車と、
前記主軸を介して前記羽根車を駆動回転可能なキャンドモータと、
を備え、前記羽根車の回転により前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して前記吐出口から吐出するポンプにおいて、
前記羽根車における軸心方向前側に前部シュラウドが設けられると共に、前記羽根車における軸心方向後側に後部シュラウドが設けられ、
前記ケーシングと前記前部シュラウドとの間に軸方向に対向する所定隙間が設けられると共に、前記ケーシングと前記前部シュラウドとの間に径方向に対向するシール部が設けられ、
前記ケーシングにて、前記羽根車からの流体出口は、ディフューザ及びボリュート室を介して前記吐出口に連通され、前記ディフューザに絞り部が設けられる、
ことを特徴とするポンプ。
前記シール部は、前記羽根車における軸心方向に並んで複数設けられることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
前記玉軸受に予圧を付与する予圧ばねが設けられ、該予圧ばねは、リング形状をなす波板材が複数積層されて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のポンプ。
前記羽根車は、回転駆動することで超臨界ＣＯ₂流体あるいは液体ＣＯ₂を搬送可能であり、半導体洗浄用循環ポンプとして用いられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のポンプ。