JP5577798B2 - 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。ロータの回転速度は、例えば、毎分2万〜4万回転あるいはそれ以上となる。
このような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と、ロータに、例えば、数万Ｎ・ｍ程度の極めて大きな破壊トルクが作用する。

このため、万一、ロータが遠心破壊を起こすと、この大きな破壊トルクによって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、ケース部材が変形したり破断したりする。
この対応として、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、外側の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、分裂して飛散したローラの破片による衝撃波及を少なくする構造とされている。
つまり、ロータに作用する破壊トルクを小さくする構造ではない。従って、大きな破壊トルクに抗し得る材料およびサイズが必要であり、装置が大型化したり、構造または組立が複雑となったりする。

この発明のターボ分子ポンプは、ケース部材の内側に配置された回転軸と、回転軸の軸方向に沿って複数段に形成されたロータ翼と、前記複数段に形成されたロータ翼の下方側に設けられ、ネジ溝が形成されたロータ円筒部とを有するロータと、ロータの各ロータ翼間に配置されたステータ翼と、軸方向に所定の幅を有し、ロータの外周部に嵌合されたリング部材と、を具備し、リング部材は、ロータのロータ円筒部の軸方向における上部側外周部の一部に嵌合されていることを特徴とする。

この発明によれば、ロータの外周部に、ロータとは別体のリング部材を嵌合するので、ロータに亀裂が発生した場合でも、亀裂の進展を抑制し破壊トルクを低減することができる。

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に図示されたロータ円筒部付近の拡大断面図。 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。 この発明のターボ分子ポンプの実施形態３を示す断面図。 この発明のターボ分子ポンプの実施形態４を示す断面図。 この発明のターボ分子ポンプの実施形態５を示す断面図。

（実施形態１）
以下、図を参照して本発明を実施するため一実施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実施形態１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、シール部材４２により外部から密封された上ケース１２とベース１３からなるケース部材１１を備えている。ケース部材１１の内部中心には、回転軸４ｃの周囲に、この回転軸の軸方向（図示上下方向）に複数段に配列されたロータ翼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１１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８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。ロータ４には、ベース１３内に配置されたロータ円筒部４ｂが一体に形成されている。ロータ円筒部４ｂの外周にはネジ溝４ｂ２が形成されており、その外周に円筒形状のネジステータ８が配置されている。ネジステータ８は、ボルト４１によってベース１３に固定されている。ロータ円筒部４およびネジステータ８については、ネジ溝構造を含めてその詳細を後述する。

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、その回転軸４ｃがベース１１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。ロータ４は、回転軸４ｃが磁気軸受３１、３２により非接触で支持されて、モータ３５により回転駆動される。ロータ４の回転軸４ｃ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の回転軸４ｃ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の回転軸４ｃを支持する機械式の保護ベアリングである。また、３６は冷却水パイプである。

フランジ１７は、締結部材（図示せず）により、図示しない真空チャンバの排気系のフランジに取りつけられる。モータ３５によりロータ４を回転駆動すると真空チャンバ内の気体分子が吸気口１５から流入する。吸気口１５から流入した気体分子は翼排気部２において、下流側へと叩き飛ばされる。図示はしないが、ロータ翼４ａとステータ翼６とは翼の傾斜の向きが逆であり、且つ、傾斜角度は、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して形成されている。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溝排気部３へ移送される。

ネジ溝排気部３においては、ネジステータ８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。

図２は、ロータ４の回転軸４ｃの一方側におけるロータ円筒部４ｂおよびその付近の拡大断面図である。
ロータ円筒部４ｂのネジ溝排気部３は、ロータ円筒部４ｂの外周に螺旋状に形成された複数条の突起４ｂ１を有する。各突起４ｂ１の間は、突起４ｂ１から平坦状に窪んだネジ溝４ｂ２が形成されている。ロータ円筒部４ｂの外周には、上述した如く、ボルト４１によりベースに固定されたネジステータ８が配置されている。ネジステータ８は、ロータ円筒部４ｂとの対向面側に凹部８ａを有し、凹部８ａはロータ円筒部４ｂの各突起４ｂ１と僅かな間隙を有する位置に設けられる。

ロータ円筒部４ｂのネジ溝排気部３の上部には、突起４ｂ１とほぼ同じ幅で、同一の高さ、つまり、径が同一の段部４ｄが形成され、この段部４ｄの外周にはリング部材２１が取り付けられている。リング部材２１は、段部４ｄの幅とほぼ同じ幅を有し、リング部材２１自体の厚さ分だけ、段部４ｄの表面から突き出し、ロータ円筒部４ｂの外周に沿って1周している。
また、リング部材２１に対向するネジステータ８の内面側に形成された凹部８ａは、気体分子が排気される経路の幅（断面積）を他の部分と同一にするためのものである。従って、この凹部８ａの深さは、リング部材２２の厚さとほぼ同一である。

リング部材２１のロータ円筒部４ｂへの取り付けは焼き嵌めによるものである。つまり、リング部材２１を加熱して膨張させ、ロータ４のロータ円筒部４ｂの下部側から差し込み、ロータ円筒部４ｂの凹部の位置で冷却してロータ円筒部４ｂの凹部内に嵌合する方法による。
リング部材の材料は、合金を含むアルミニウム系金属またはステンレス鋼などを用いることができる。この場合、ロータ４と同一の材料であってもよい。

ここで、リング部材２１の作用について説明する。
ロータ４において、ロータ円筒部４ｂが回転軸の軸芯から最大距離に位置し、また、この部分に突起４ｂ１およびネジ溝４ｂ２が形成されていることから、ロータ４の回転に伴う遠心力による応力は、この部分が他の部分より大きくなる。このため、通常、ロータ４の亀裂は、ロータ円筒部４ｂの下端部が発生の起点となる。発生した亀裂は、ロータ４に作用する回転トルクが大きいため、瞬時に他の部分に進展し、ロータ４は大きな破壊トルクにより分裂される。

しかし、本発明の場合、ロータ円筒部４の上部側が、焼き嵌めにより嵌合されたリング部材２１により締結されている。このリング部材２１は、例え、ロータ４と同一の材料で構成されている場合であっても、ロータ４とは別部材である。このため、ロータ円筒部４ｂに生じた亀裂は、即座には、リング部材２１には進展しない。すなわち、リング部材２１により、ロータ円筒部４ｂの亀裂の進展は、一旦、停止する。
従って、この後、リング部材２１に亀裂が生じたり、リング部材２１が分裂したりしたとしても、その際における破壊トルクは大幅に減じられることになる。
このようにして、リング部材２１によりロータ４に作用する破壊トルクを低減することができる。

（実施形態２）
図３は、本発明のターボ分子ポンプの実施形態２を示し、図２に図示されたロータ４のロータ円筒部４ｂ付近の拡大断面図である。
実施形態１において、リング部材２１は、ねじ溝排気部３の突起４ｂ１の幅とほぼ同じ幅を有しており、また、リング部材２１に対向するネジステータ８の内面側の部分には、凹部８ａが形成されている構造であった。これに対し、図３に図示された実施形態２においては、ロータ円筒部４におけるネジ溝排気部３の上部に形成された段部４ｄ’は、ねじ溝排気部３の突起４ｂ１よりも幅広く形成されている。そして、この段部４ｄ’の外周に焼き嵌めにより取り付けられたリング部材２２は、段部４ｄ’の幅に近い幅を有し、ねじ溝排気部３の突起４ｂ１よりも広い幅を有する。段部４ｄ’の高さ、すなわち径は、突起４ｂ１の高さと同一である。従って、実施形態１の場合と同様に、リング部材２２自体の厚さ分だけ、段部４ｄ’の表面から突き出し、ロータ円筒部４ｂの外周に沿って1周している。

また、図３に図示された実施形態２においては、リング部材２２の外周には、ネジステータ８は形成されていない。つまり、リング部材２２は、翼排気部２とネジ溝排気部３の境界部に形成されている。
実施形態２においては、リング部材２２の幅を大きくしているので、ロータ４に作用する破壊トルクの低減効果をより大きくすることができる。

（実施形態３）
実施形態１および２においては、リング部材２１または２２は、ネジ溝排気部３の上部におけるロータ円筒部４ｂの外周に設けられた構造である。図４に図示された実施形態３においては、リング部材２３は、ネジ溝排気部３の機能を有する構造を有している。
つまり、ロータ円筒部４ｂにおけるネジ溝排気部３の上部に形成された段部４ｄ’の外周に設けられたリング部材２３は、複数の突起２３ａとネジ溝２３ｂを有する。

リング部材２３の突起２３ａとネジ溝２３ｂは、それぞれ、ロータ円筒部４に設けられた突起４ｂ１およびネジ溝４ｂ２とは異なる径を有している。また、リング部材２３に対向するネジステータ８の内面側の部分には、凹部８ａが形成されている。ネジステータ８の凹部８ａは、リング部材２３の各突起２３ａと僅かな間隙を有する位置に設けられている。リング部材２３をロータ円筒部４ｂに嵌めるには、突起４ｂ１およびネジ溝４ｂ２が形成されたロータ円筒部４ｂにリング部材２３を焼き嵌めにより取り付けるようにしてもよい。

また、ロータ円筒部４ｂにおけるネジ溝排気部３を形成する領域全体を突起４ｂ１の外径寸法に仕上げておき、ネジ溝４ｂ２を形成する前に、リング部材２３を焼き嵌めにより、図示の如く、所定の位置に取り付けるようにしてもよい。この場合、リング部材２３をロータ円筒部４ｂに取り付けた後に、ネジ溝４ｂ２を形成すればよい。
さらに、上記いずれの方法においても、リング部材２３に各突起２３ａおよびネジ溝２３ｂを形成するのは、リング部材２３をロータ円筒部４ｂに取り付ける前であってもよいし、リング部材２３をロータ円筒部４ｂに取り付けた後でもよい。
実施形態３では、リング部材２３にネジ溝排気部３の機能を持たせたので、破壊トルクを低減する効果を有する装置の小型化を図ることができる。

（実施形態４）
図５に図示された実施形態４は、リング部材２４に、翼排気部２およびネジ溝排気部３の機能を持たせた構造の一例を示す。
この実施形態４においては、ロータ円筒部４ｂのネジ溝排気部３の上部には、ネジ溝排気部３の突起４ｂ１と同一の径の段部４ｅが形成されている。この段部４ｅの外表面にリング部材２４が焼き嵌めにより取り付けられている。リング部材２４は、上部に最下段のロータ翼４ａの機能を果たすロータ翼部２４ａを有し、下部にネジ溝排気部３の機能を果たす突起２４ｂを有する。ネジステータ８の凹部８ａは、ロータ円筒部４ｂの各突起４ｂ１と僅かな間隙を有する位置に設けられている。ネジステータ８の凹部８ａとリング部材２４の突起２４ｂとの隙間は、ネジ溝排気部３の突起４ｂ１とネジステータ８の内面との隙間と同一である。
この構造では、リング部材２４が最下段のロータ翼４ａと、ネジ溝排気部３の突起４ｂ１の一部の部材を兼ねているため、より一層、装置の小型化が可能となる。

（実施形態５）
実施形態１〜４では、本発明を、ネジ溝排気部３を有するターボ分子ポンプ１に適用した場合で説明した。
図６に図示された実施形態５は、ネジ溝排気部３を有していないターボ分子ポンプ１Ａの一実施例を示す。
図６に図示されたターボ分子ポンプ１Ａにおいては、ロータ４は、図１に図示されたロータ円筒部４ｂを有していない。ロータ円筒部４ｂを有するターボ分子ポンプ１の場合には、ロータ円筒部４ｂの下端部が亀裂発生の起点となることが多かった。
これに対して、ロータ円筒部４ｂを有していないターボ分子ポンプ１Ａの場合には、ロータ４の上部側が、亀裂発生の起点となることが多い。つまり、ロータ４の回転に伴う遠心力による応力の大きさは、ロータ円筒部４ｂの下端部の次に、ロータ４の上部が大きくなる。

このため、図６に図示された実施形態５では、最上段のロータ翼４ａが焼き嵌めされたリング部材２５により形成されている。図６においては、リング部材２５の上面は、ロータ４の上面と同一面となっているが、リング部材２５の上面をロータ４の上面より低くしてもよい。その場合には、ロータ４のリング部材２５の上面から突き出す部分をボス部としてその下部に凹部を形成し、このロータ４の凹部にリング部材２５を嵌合するようにしてもよい。リング部材２５をステンレス鋼等で形成すれば、ロータ分裂時の破壊トルクを一層低減することができる。
図６における他の構成は、図１に図示された構成と同一であり、同一の構成要素に同一の図面参照番号を付し、その説明を省略する。

なお、上記各実施形態では、各リング部材２１〜２５をロータ４の軸方向における一箇所に取り付けた場合で説明した。しかし、実施形態１〜５に示したロータ４の各位置に設けたリング部材を適宜選択して組み合わせ、ロータ４の複数の箇所に設けるようにしてもよい。

また、各リング部材２１〜２５の軸方向における幅も、例えば、ネジ溝排気部３の複数の突起４ｂ１または複数のネジ溝４ｂ２に跨る幅、あるいは翼排気部２の複数のロータ翼４ａに跨る幅となるように適宜幅広にしてもよい。

また、各リング部材２１〜２５は、焼き嵌めによりロータ４に取り付ける場合で説明した。しかし、ロータ４がリング部材によって締結され、両部材が一体的に固定される方法例えば、ボルトによる締結あるいはかしめ等、他の方法によることもできる。

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、本発明は磁気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、ケース部材の内側に配置され、回転軸と回転軸の軸方向に沿って複数段に形成されたロータ翼とを有するロータと、ロータの各ロータ翼間に配置されたステータ翼と、軸方向に所定の幅を有し、ロータの外周部に嵌合されたリング部材と、を具備するものであればよい。

１、１Ａ ターボ分子ポンプ
２ 翼排気部
３ ネジ溝排気部
４ ロータ
４ａ ロータ翼
４ｂ ロータ円筒部
４ｃ 回転軸
５ スペーサ
６ ステータ翼
８ ネジステータ
１１ ケース部材
１２ 上ケース
１３ ベース
２１〜２５ リング部材

Claims (5)

1. ケース部材の内側に配置された回転軸と、
   前記回転軸の軸方向に沿って複数段に形成されたロータ翼と、前記複数段に形成されたロータ翼の下方側に設けられ、ネジ溝が形成されたロータ円筒部とを有するロータと、
   前記ロータの前記各ロータ翼間に配置されたステータ翼と、
   軸方向に所定の幅を有し、前記ロータの外周部に嵌合されたリング部材と、を具備し、
   前記リング部材は、前記ロータの前記ロータ円筒部の軸方向における上部側外周部の一部に嵌合されてい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、前記リング部材は焼き嵌めにより前記ロータに嵌合されてい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、
   前記リング部材は、前記ロータ円筒部のネジ溝上部の外周部に嵌合されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項１または２記載のターボ分子ポンプにおいて、前記リング部材は、外周にねじ溝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または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記リング部材は前記ロータ円筒部のネジ溝および最下段のロータ翼を構成することを特徴とするターボ分子ポンプ。
   

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