JP5434684B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、ターボ分子プンプに関する。

半導体製造装置または分析装置等を中真空から超高真空にする際、ターボ分子ポンプが用いられる。
ターボ分子ポンプは排気速度を大きくするためにロータの回転速度を大きくし、また、ロータ翼の直径を可能な限り大きくしている。このため、ターボ分子ポンプが取り付けられる装置の排気系の口径よりもターボ分子ポンプのロータ翼の直径の方が大きくなることもある。この場合には、ターボ分子ポンプの吸気口の直径を、取り付けられる装置のサイズに合わせる必要がある。このためには、ケース部材に、ロータ翼の外周部分を覆う絞り部を設けて、ケース部材に設ける吸気口の直径をロータ翼の直径よりも小さいサイズにする。

ところで、高速回転をするターボ分子ポンプにおいては、外部からの異常振動や内部における異常事態が発生することにより、万一、ロータが遠心破壊を起こすと、大きな回転エネルギを有するロータが分裂して飛散することになる。分裂した破片がケース部材を直撃することにより、ケース部材が変形や破断されるのを防止するために、ケース部材とロータ翼の外周との間に内部ケースを設けた構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。内部ケースは、分裂したロータの破片の回転エネルギを吸収するので、ケース部材への衝撃を小さくすることができる。

特開平１１−６２８７９号公報

上記先行文献に記載されたターボ分子ポンプでは、ケース部材とロータ翼の外周との間に内部ケースが設けられているので、ロータの半径方向におけるケース部材の衝撃波及を少なくする。
しかし、ロータが分裂した場合、ロータには、遠心力による半径方向外側への力と共に軸方向へのスラスト力が作用しているため、破片は螺旋状を描きながら吸気口側に飛散する。
このため、ロータ翼の直径より小さい吸気口を有し、そのためにロータ翼の直径より小さい絞り部を有するケース部材を備えたターボ分子ポンプに対しては、上記先行文献に記載された内部ケースでは、ケース部材への衝撃を低減することができない。

この発明のターボ分子ポンプは、スペーサに支持されたステータ翼と、ロータ翼とがロータの軸方向に積層して配置され、最上段のロータ翼側に吸気口が形成されたケース部材を有し、ケース部材の吸気口の直径がロータ翼の直径より小さいサイズであるターボ分子ポンプにおいて、最上段のロータ翼の上面側におけるケース部材内面と最上段のロータ翼の上面との間に、少なくとも一部がケース部材の内面から離間した衝撃干渉部材が設けられ、衝撃緩衝部材は、最上段のスペーサの上面上に取り付けられることなく載置されており、衝撃緩衝部材は、ロータの破片の運動エネルギを吸収する際、最上段のスペーサの上面上を回転可能であることを特徴とする。

この発明によれば、吸気口側に飛散するロータの破片の回転エネルギを衝撃干渉部材により吸収することができる。特に、衝撃緩衝部材は、最上段のスペーサの上面上を回転してロータの破片の運動エネルギを吸収するので、ケース部材への衝撃を、一層、緩和するという効果を奏する。

この発明のターボ分子ポンプの実施形態１を示す断面図。 図１に図示された衝撃干渉部材および最上段のスペーサの斜視図。 この発明のターボ分子ポンプの実施形態２を示す断面図。 この発明の衝撃干渉部材の変形例１を示す斜視図。 この発明の衝撃干渉部材の変形例２を示す斜視図。 この発明の衝撃干渉部材の変形例３を示す斜視図。

（実施形態１）
図１は、以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。図１に図示されたターボ分子ポンプ１は、磁気軸受式ターボ分子ポンプである。ターボ分子ポンプ１は、上ケース１２とベース１３とがシール部材４２により外部から密封されたケース部材１１を備えている。ケース部材１１の内部中心には、複数段のロータ翼４ａを有するロータ４が回転可能に配置されている。

このターボ分子ポンプ１は、上ケース１２の内部空間に翼排気部２を有し、ベース１３の内部空間にネジ溝排気部３を有する複合タイプのターボ分子ポンプである。翼排気部２は複数段のロータ翼４ａと複数段のステータ翼６とで構成され、ネジ溝排気部３はロータ円筒部４ｂとネジステータ７とで構成されている。

ロータ翼４ａとステータ翼６とは、ポンプの軸方向（図示上下方向）に交互に配設されている。ベース１３上における上ケース１２の内面にはリング状のスペーサ５が複数積層されており、各ステータ翼６の外周部は上下のスペーサ５によって挟持されて保持されている。円筒形状のネジステータ７の内周面にはネジ溝（図示せず）が形成されている。ロータ４の下部には、外周面にネジステータ７の内周面に僅かなギャップで対面するネジ溝が形成されたロータ円筒部４ｂが形成されている。ネジステータ７は、ボルト４１によってベース１３に固定されている。

複数段のロータ翼４ａおよびロータ円筒部４ｂが形成されたロータ４は、ベース１３に設けられたラジアル磁気軸受３１およびスラスト磁気軸受３２により非接触状態で支持される。磁気軸受３１、３２により非接触で支持されているロータ４は、モータ９により回転駆動される。ロータ４の磁気浮上位置は、ギャップセンサ３３ａ、３３ｂ、３３ｃにより検出される。３４は、ロータ４が磁気軸受３１、３２による磁気作用で浮上されていない状態において、ロータ４を支持する機械式の保護ベアリングである。

上ケース１２の上部には吸気口１５が形成されている。吸気口１５の直径Ｄ_inは、ロータ翼４ａの直径Ｄ_Rより小さいサイズである。このため、上ケース１２には、翼排気部２の上部、換言すれば、最上段のロータ翼４ａの上部には、ロータ翼４ａの直径Ｄ_Rより小さくなるように絞り部１２ａが形成されている。

吸気口１５から流入した気体分子は翼排気部２において、高速回転するロータ翼４ａにより叩き飛ばされステータ翼６に当てられる。図示はしないが、ロータ翼４ａとステータ翼６とは翼の傾きの向きが逆であり、且つ、高真空側である前段側から下流側である後段側に向けて、気体分子が逆行しにくい角度に変化されている。気体分子は、翼排気部２において圧縮されて図示下方のネジ排気部３へ移送される。

ネジ排気部３においては、ネジステータ７に対してロータ円筒部４ｂが高速回転すると粘性流による排気機能が発生し、翼排気部２からネジ溝排気部３へと移送された気体は圧縮されながら排気口４５方向へ移送され真空排気される。なお、本実施の形態では、ネジ溝構成を有するネジ溝排気部３としているが、ネジ溝構成以外の構成も含め、粘性流による排気機能を発揮する部分はドラッグポンプ部と呼ばれる場合もある。

最上段ロータ翼４ａの上部には、衝撃干渉部材２０が設置されている。衝撃干渉部材２０は、最上段のロータ翼４ａの上面と上ケース１２の絞り部１２ａの内面との間に配置されている。最上段のスペーサ５の上面は、最上段のロータ翼４ａの上面より上方、すなわち吸気口１５側に位置しており、衝撃干渉部材２０は最上段のスペーサ５の上面に載置されている。

図２は、衝撃干渉部材２０および最上段のスペーサ５（以下、最上段のスペーサ５を、単にスペーサ５とする）の斜視図である。スペーサ５は、上ケース１２の内面に接面する外面５１ａを有する下部５１と、下部５１より小さい外径を有し、下部５１に一体に形成された上部５２を有する。上部５２の外面５２ａは下部５１の外面５１ａの内方に位置している。衝撃干渉部材２０は、基部２１と、この基部２１に一体に形成された傾斜部２２を有するリング形状を有し、基部２１の下面がスペーサ５の上部５２の上面に載置されている。

衝撃干渉部材２０の傾斜部２２は、上ケース１２の絞り部１２ａからほぼ数ｍｍ離間するように、絞り部１２ａに沿って傾斜するリング形状を有する。傾斜部２２には、直径Ｄ_oが絞り部１２ａの内径Ｄ_sより小さいサイズの開口部２４が形成されている。また、傾斜部２２には、厚さ方向に貫通する多数の円形の開口部２３が形成されている。

ここで、装置の内外に異常が発生し、高速回転するロータ４が分裂した場合、ロータ４には、遠心力による半径方向外側への力と共に軸方向へのスラスト力が作用しているため、破片は螺旋状を描きながら吸気口１５側に飛散する。
しかし、本発明のターボ分子ポンプにおいては、上ケース１２の絞り部１２ａの前面に衝撃干渉部材２０が配置されている。分裂したロータ４の破片は衝撃干渉部材２０に衝突し、衝撃干渉部材２０が変形することにより、破片のもつ運動エネルギが吸収される。

この場合、衝撃干渉部材２０は、上ケース１２の内面とは離間して配置されているため、変形する際に上ケース１２に直接衝撃を伝達することがない。しかも、衝撃干渉部材２０は、単にスペーサ５の上面に載置されているだけで、上ケース１２に取り付けられているものではない。したがって、衝撃干渉部材２０は、破片の運動エネルギを吸収する際、スペーサ５上を上ケース１２の内面に沿って回転することになり、一層、上ケース１２への衝撃を緩和することができる。

衝撃干渉部材２０の傾斜部２２は、内周側の先端の直径Ｄ_oが絞り部１２ａの内径Ｄ_sより小さいサイズを有している。このため、上ケース１２の吸気口１５から引き込む気体の抵抗となる。そこで、本発明おけるターボ分子ポンプ１における実施形態では、衝撃干渉部材２０に開口部２３が形成されている。つまり、傾斜部２２に形成された開口部２３は、真空排気の抵抗を緩和するためのものである。この開口部２３は、傾斜部２２が、分裂したロータ４の破片の運動エネルギの吸収に必要な剛性を確保しつつ、真空排気の抵抗緩和を満足するようなサイズとされる。

限定する意図ではなく、衝撃干渉部材２０の材料の好適な一例を示すと、ＳＵＳ３０４、構造用炭素鋼Ｓ２５Ｃ、Ｓ３５Ｃ、Ｓ４５Ｃ等が挙げられる。ＳＵＳ３０４の場合も含め、衝撃干渉部材２０の基部２１の外面、すなわち、上ケース１２の内面に対面する面には、ニッケル等のめっき層を施しておくことが望ましい。また、炭素鋼等の耐腐食性が十分でない材料の場合には、全面に、腐食防止用のニッケル等のめっき層を形成する必要がある。

（実施形態２）
実施形態１におけるターボ分子ポンプ１は、最上段のロータ翼４ａと上ケース１２の絞り部１２ａとの間に配置された衝撃干渉部材２０のみを有する。
分裂したロータ４の飛散運動を考慮すれば、実施形態１に示されたターボ分子ポンプ１は、十分、ケース部材１１への衝撃を緩和することが可能である。
実施形態２として図３に示すターボ分子ポンプ１Ａは、ケース部材１１への衝撃緩和に対し、より厳密な構造を有する。
図３に図示されたターボ分子ポンプ１Ａが、実施形態１のターボ分子ポンプ１と異なる１つの相違点は、ケース部材１１内に衝撃干渉部材２０と共に保護用の内ケース６１を備えている点である。また、他の相違点は、ネジステータ６３が内ケース６１と成形により一体化して形成されている点である。

内ケース６１は、上ケース１２側に位置する径大部６２とベース１３側に位置する小径部６３を有し、径大部６２と小径部６３の中間においてボルト４１によりベース１３に取り付けられている。径大部６２の外面は、上ケース１２の内面から数ｍｍ離間して配置されている。径大部６２の内面側には、スペーサ５とステータ翼６とが交互に複数段積層されている。最上段のスペーサ５は内ケース６１の径大部６２にボルト４３により固定されている。

最上段のスペーサ５の上面は、最上段のロータ４ａの上面より上方に位置し、この最上段のスペーサ５の上面に衝撃干渉部材２０が載置されている。衝撃干渉部材２０の形状・機能等は実施形態１に説明した通りである。

内ケース６１の小径部６３の外面はベース１３の内面から数ｍｍ離間して配置されている。小径部６３の内周面には、ロータ円筒部４ｂの外周面に形成されたネジ溝に僅かなギャップで対面するネジ溝が形成されている。
その他の構成および機能は、実施形態１におけるものと同様であり、同一の構成要素に同一の参照番号を付して説明を省略する。

実施形態２に示すターボ分子ポンプ１Ａにおいても、最上段のロータ翼４ａと上ケース１２の絞り部１２ａとの間に、衝撃干渉部材２０が配置されている。このため、分裂したロータ４の破片は、衝撃干渉部材２０に衝突し、衝撃干渉部材２０が変形することにより、破片の運動ネルギが吸収され、上ケース１２には、直接、衝撃が伝達されない。また、衝撃干渉部材２０は、単にスペーサ５の上面に載置されているだけであるため、破片の運動エネルギを吸収する際、スペーサ５上を上ケース１２の内面に沿って回転し、一層、上ケース１２への衝撃を緩和することができる。

同時に、実施形態２に示すターボ分子ポンプ１Ａにおいては、上ケース１２側に位置する径大部６２とベース１３側に位置する小径部６３を有する保護用の内ケース６２を備えている。このため、分裂したロータ４の破片が、上ケース１２の翼排気部２に対応する領域およびベース１３のネジ排気部２に対応する領域に向けて飛散した場合でも、ケース部材１１への衝撃波及を緩和することができる。
衝撃干渉部材２０は、図２に図示される構造に限られるものではなく、種々、変形して用いることができる。以下に、衝撃干渉部材２０の変形例を数例示す。

（衝撃干渉部材の変形例１）
図４は、衝撃干渉部材の変形例１を示す斜視図である。図４に図示された衝撃干渉部材７０は、基部７１と、基部７１に一体に形成された多数の突出部７２を有する。各突出部７２は中心側に向けて上昇するように傾斜しており、各突出部７２間はスリット状の開口部７３により離間されている。
すなわち、この変形例１は、衝撃干渉部材７０に、真空排気の抵抗を緩和するために設けられる開口部を、スリット状にしたものである。

（衝撃干渉部材の変形例２）
図５は、衝撃干渉部材の変形例２を示す斜視図である。図５に図示された衝撃干渉部材８０は、全体が平坦な形状とされたものである。
この衝撃干渉部材８０は、リング状の基部８１に、その内周側において連通する多数のスリット状の開口部８３を設け、この開口部８３により相互に離間された多数の突出部８２が形成されている。換言すれば、変形例１に示す衝撃干渉材７０を、その全体を平坦としたような形状を有している。
この場合、内周側に連通するスリット状の開口部８３を、内周側に連通しない、円形や楕円形の貫通孔としてもよい。

（衝撃干渉部材の変形例３）
図６は、衝撃干渉部材の変形例３を示す斜視図である。図６に図示された衝撃干渉部材９０は、基部９１上に、メッシュ部９２が設けられた構造を有する。
メッシュ部９２は、多数の細孔が形成されるように金属細線を織った金属織布あるいは、無数の細孔が形成された金属板等により形成されている。メッシュ部９２は、図６では基部９１に対して傾斜して形成されているが、基部９１と平坦状に形成してもよい。

なお、衝撃干渉部材は、開口部の直径Ｄ_oが上ケース１２の絞り部１２ａの内径Ｄ_sよりも小さいサイズを有するものに限られない。衝撃干渉部材の開口部の直径Ｄ_oは、ケース部材１１の絞り部１２ａの内径Ｄ_sと同一またはそれ以下のサイズであってもよい。衝撃干渉部材の開口部の直径Ｄ_oが絞り部１２ａの内径Ｄ_sと同一またはそれ以下のサイズの場合には、真空排気の抵抗としての影響が小さくなるので、厚さ方向に貫通する開口部２３，７３，８３等は形成しなくてもよい。

また、衝撃干渉部材は、平坦状または傾斜部を有するものに限らない。階段状に形成したり、ジグザグ形状としたりしてもよい。傾斜部を有する形状の場合でも、傾斜部を断面形状が直線状であるものに限らず、断面が凹状あるいは凸状に湾曲する形状としてもよい。また、上記した各形状の一部を組み合わせた複合形状を有するものであってもよい。

また、磁気軸受式ターボ分子ポンプを実施形態として説明したが、本発明は軸軸受式に限らず適用することが可能である。その他、本発明は、発明の趣旨の範囲において種々変形して適用することが可能であり、要は、スペーサに支持されたステータ翼と、ロータ翼とがロータの軸方向に積層して配置され、最上段のロータ翼側に吸気口が形成されたケース部材を有し、ケース部材の吸気口の直径がロータ翼の直径より小さいサイズであるターボ分子ポンプにおいて、最上段のロータ翼の上面側におけるケース部材内面と最上段のロータ翼の上面との間に、少なくとも一部がケース部材の内面から離間した衝撃干渉部材が設けられているものであればよい。

１、１Ａ ターボ分子ポンプ
４ ロータ
４ａ ロータ翼
５ スペーサ
６ ステータ翼
１１ ケース部材
１２ 上ケース
１３ ベース
１５ 吸気口
２０、７０、８０、９０ 衝撃干渉部材
２２ 傾斜部
２３、７３、８３ 開口部

Claims (6)

1. スペーサに支持されたステータ翼と、ロータ翼とがロータの軸方向に積層して配置され、最上段のロータ翼側に吸気口が形成されたケース部材を有し、前記ケース部材の吸気口の直径が前記ロータ翼の直径より小さいサイズであるターボ分子ポンプにおいて、
   前記最上段のロータ翼の上面側における前記ケース部材内面と前記最上段のロータ翼の上面との間に、少なくとも一部が前記ケース部材の内面から離間した衝撃干渉部材が設けられ、前記衝撃緩衝部材は、最上段の前記スペーサの上面上に取り付けられることなく載置されており、前記衝撃緩衝部材は、前記ロータの破片の運動エネルギを吸収する際、最上段の前記スペーサの上面上を回転可能であることを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記衝撃干渉部材は、前記ケース部材の内面に案内されて回転可能なリング形状を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、最上段の前記スペーサの上面は前記最上段のロータ翼の上面より前記吸気口側に近い上方に位置することを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記ステータ翼と前記ロータ翼が積層された領域における前記ケース部材の内面に、前記ケース部材の内面から離間して保護用の内部ケースが設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記衝撃干渉部材は、厚さ方向に貫通する開口部を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記衝撃干渉部材は、平坦な基部と、前記基部に一体に形成され、内周側が前記吸気口側に向かって上り勾配である傾斜部とを有することを特徴とするターボ分子ポンプ。

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