JP5772994B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプでは、タービン翼などの排気作用部が形成されたロータを数万ｒｐｍという高速回転することによって、真空チャンバ内のガスを排気している。この種のターボ分子ポンプとして、水冷機構によりモータ本体や電源部を冷却するものがある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００６−３４８７６５号公報

ターボ分子ポンプに接続されている機器の真空排気を行う場合、接続されている機器がたとえば露光装置などである場合、ターボ分子ポンプで発生する熱を接続されている機器へできるだけ伝えない方がよい。しかし、従来のターボ分子ポンプでは、ターボ分子ポンプで発生した熱が接続されている機器に伝達されるのを効果的に抑止し難かった。

（１） 本発明の好ましい態様によるターボ分子ポンプは、ロータ軸と一体に回転する複数のロータ翼と、複数のロータ翼との間に介装される複数のステータ翼とを略円筒状のケーシング内に収容し、ケーシングの一端側に設けられた吸気口フランジに接続した外部装置から排気口へ真空引きするターボ分子ポンプにおいて、 吸気口フランジ近傍のケーシングの外周部に冷却媒体を流通する略円筒状のケーシングと同軸である環状の冷却通路と、環状の冷却通路の冷却媒体の入口側に接続されて冷却媒体を環状の冷却通路に供給する供給通路と、ケーシングの他端側に接続されたベースと、ベース内に収容されて、ロータ軸に設けられた円筒状ロータ部と、円筒状ロータ部に対して隙間を介して配置された円筒状のステータとを含むドラッグポンプ部とを備え、ケーシングは、一端側に設けられた吸気口フランジであるケーシング上フランジと、ベースが接続される他端側のケーシング下フランジとを有し、ベースは、ケーシング下フランジと接続されるベース上フランジを有し、ケーシング下フランジは、外周部分に供給通路へ冷却媒体を供給する入口ポートが形成されていることを特徴とする。
（２） 本発明の他の好ましい態様によるターボ分子ポンプは、ロータ軸と一体に回転する複数のロータ翼と、複数のロータ翼との間に介装される複数のステータ翼とを略円筒状のケーシング内に収容し、ケーシングの一端側に設けられた吸気口フランジに接続した外部装置から排気口へ真空引きするターボ分子ポンプにおいて、吸気口フランジ近傍のケーシングの外周部に冷却媒体を流通する略円筒状のケーシングと同軸である環状の冷却通路を設け、ケーシングは、一端側に設けられた吸気口フランジ近傍からケーシングの他端側に向かって延在する円筒状の部位であって略一定の外径である小径部と、他端側の近傍から小径部に向かって延在する円筒状の部位であって、小径部よりも外径が大きく略一定の外径である大径部と、小径部と大径部との間で小径部から大径部に向かって径が大きくなるようにテーパ状に形成されて小径部と大径部とを接続するテーパ部とを有し、環状の冷却通路は、小径部とテーパ部との接続部近傍に設けられて、小径部とテーパ部との双方に接触することを特徴とする。

本発明によれば、ターボ分子ポンプで発生した熱が吸気口フランジに接続した外部装置に伝達されるのを効果的に抑止できる。

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。 ターボ分子ポンプ１の外観を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は底面図である。 冷却水パイプ３６Ａ〜３６Ｃの経路について模式的に示した図である。 冷却水パイプ３６Ｃの配設のバリエーションを示す図である。 冷却水パイプ３６Ｃの配設のバリエーションを示す図である。 冷却水パイプ３６Ｃの配設のバリエーションを示す図である。 冷却水パイプ３６Ｃの配設のバリエーションを示す図である。 冷却水パイプ３６Ｃの配設のバリエーションを示す図である。 冷却水パイプ３６Ｃの配設のバリエーションを示す図である。 冷却水パイプ３６Ｃの配設のバリエーションを示す図である。 冷却水パイプ３６Ｃの配設のバリエーションを示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための一実施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、シール部材４２により外部から密封されたケーシング（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、上ケース１２からベース１３にかけてケース部材１１の内部空間に設けられたドラッグポンプ部（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。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、複数積層されたスペーサ５と、ベース１３の上端面１３ａとの間で挟持されており、内周面にネジ溝８ａが形成されている。

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、その回転軸４ｃがベース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。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、３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃは冷却通路（冷却水パイプ）である。

フランジ１７ｂは、上ケース１２の図示下部のフランジであり、締結部材（図１では図示せず）により、ベース１３の上部のフランジ１３ｂに取り付けられている。フランジ１７ａは、上ケース１２の図示上部のフランジである。フランジ１７ａ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付けられる。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。

−−−ターボ分子ポンプ１の冷却について−−−
従来のターボ分子ポンプでは、発熱量が多いドラッグポンプ部３の近傍のベース１３を
冷却するため、本実施の形態のターボ分子ポンプ１における冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂに相当する冷却水パイプが設けられていた。ターボ分子ポンプ１ではロータ４を数万ｒｐｍという高速回転することで排気作用を生み出しているため、運転時のロータ４には強い遠心力が作用している。また、高速で回転するロータ翼４ａと排気するガスの分子との摩擦によって摩擦熱が生じるため、ロータ４の温度が上昇する。ロータ４の温度が過度に上昇すると熱膨張のためにロータ翼４ａとステータ翼６とが接触するおそれがある。また、たとえばフランジ１７ａに取り付けられる機器が露光装置などのように精度の高い温度管理を要する機器である場合には、ターボ分子ポンプ１で発生した熱を露光装置側にできるだけ伝えないようにすることが望ましい。

そこで、本実施の形態では、図１、図２に示すように、ベース１３を冷却する冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂだけでなく、上ケース１２を冷却する冷却水パイプ３６Ｃを設けている。図２（ａ）はターボ分子ポンプ１の側面図であり、図２（ｂ）はターボ分子ポンプ１の底面図である。冷却水パイプ３６Ｃは、フランジ１７ａに取り付けられた機器への熱伝達を抑制するため、フランジ１７ａの近傍、すなわち、上ケース１２の図１における図示上部に設けられる。冷却水パイプ３６Cを設けることでロータ4からステータ6，スペーサ5，上ケース１２の順に伝わった熱が機器へ熱伝達されるのを抑制するだけでなく，ケース1２を冷却し，それに伴ってスペーサ5，ステータ6も冷却し，ロータ４を冷却するという
効果も同時に得ることができる。冷却水パイプ３６Ｃは、たとえば、冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂと同様の熱伝導性の良い材料からなる管状の部材であって、上ケース１２の外周面に接するように（すなわち上ケース１２と同軸に）環状に形成されている。なお、冷却水パイプ３６Ａは、環状に形成された管状の部材であり、ベース１３の底面に配設されている。冷却水パイプ３６Ｂは、環状に形成された管状の部材であり、ベース１３の上部のフランジ１３ｂの下面に配設されている。

図３は、冷却水パイプ３６Ａ〜３６Ｃの経路について模式的に示した図である。冷却水パイプ３６Ａには、冷却水の入口３６１ａと出口３６２ａとが設けられている。冷却水パイプ３６Ｂには、冷却水の入口３６１ｂと出口３６２ｂとが設けられている。冷却水パイプ３６Ｃには、冷却水の入口３６１ｃと出口３６２ｃとが設けられている。図２，３に示すように、冷却水パイプ３６Ａの出口３６２ａと冷却水パイプ３６Ｂの入口３６１ｂとは接続管３７１で接続されている。冷却水パイプ３６Ｂの出口３６２ｂと冷却水パイプ３６Ｃの入口３６１ｃとは接続管３７２で接続されている。

ターボ分子ポンプ１における冷却水の流れは、図３の矢印で示すとおりである。すなわち、冷却水は、外部から冷却水パイプ３６Ａの入口３６１ａに供給される。冷却水パイプ３６Ａの入口３６１ａに供給された冷却水は、冷却水パイプ３６Ａの内部を流れ、出口３６２ａから接続管３７１を介して冷却水パイプ３６Ｂの入口３６１ｂに供給される。冷却水パイプ３６Ｂの入口３６１ｂに供給された冷却水は、冷却水パイプ３６Ｂの内部を流れ、出口３６２ｂから接続管３７２を介して冷却水パイプ３６Ｃの入口３６１ｃに供給される。冷却水パイプ３６Ｃの入口３６１ｃに供給された冷却水は、冷却水パイプ３６Ｃの内部を流れ、出口３６２ｃから外部に排出される。

なお、冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂの設置形態としては、たとえば、ベース１３における冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂの設置位置に略一周するような溝を形成し、その溝内に冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂを配設し、その後、充填剤（たとえばシリコンゴム系のシール材や、樹脂の充填剤）などを充填して溝を埋め、冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂを埋設するようにしても良い。溝内に配設した冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂの上から蓋をしてもよい。また、ベース１３を鋳造で形成し、最後に仕上げ加工するような場合には、冷却水パイプ３６Ａ，３６Ｂを予め鋳込んで埋設してしまうようにしても良い。

このように、上ケース１２を冷却する冷却水パイプ３６Ｃを設けることで、上ケース１２自体の温度を低減させてフランジ１７ａに取り付けられた機器への熱伝達を抑制できるので、フランジ１７ａに取り付けられた機器への熱による悪影響を抑制できる。また、上ケース１２自体の温度を低減させることでロータ４の温度を低減させることができ、ロータ翼４ａとステータ翼６とが接触する不具合を防止できる。さらに、上ケース１２に配設した冷却水パイプ３６Ｃが上ケース１２を補強して上ケース１２の強度を増加させるので、万が一、ロータ翼４ａが破断するなどしても、上ケース１２の変形を抑制できる。

なお、冷却水パイプ３６Ｃについては、種々の配設形態が考えられる。たとえば、図４（ａ）に示すように、上ケース１２の外周面のフランジ１７ａの近傍に冷却水パイプ３６Ｃを配設するための溝１２ａを設け、図４（ｂ）に示すように、その溝１２ａ内に冷却水パイプ３６Ｃを配設し、その後、充填剤（たとえばシリコンゴム系のシール材や、樹脂の充填剤）などを充填して溝を埋め、冷却水パイプ３６Ｃを埋設するようにしても良い。溝１２ａ内に配設した冷却水パイプ３６Ｃの上から蓋をしてもよい。また、上ケース１２を鋳造で形成し、最後に仕上げ加工するような場合には、図５に示すように、冷却水パイプ３６Ｃを予め鋳込んで埋設してしまうようにしても良い。この場合、図示はしないが、冷却水の入口３６１ｃおよび出口３６２ｃを上ケース１２の側方に引き出してもよく、上ケース１２の下方に引き出してもよい。このようにすることで、冷却水パイプ３６Ｃと上ケース１２との接触面積を増やすことができるので、熱伝達率が向上し、効率的に上ケース１２を冷却できる。

なお、図６（ａ），（ｂ）に示すように、上ケース１２のフランジ１７ａの近傍で上ケース１２の円周方向に沿って略一周させた冷却水パイプ３６Ｃの両端を上ケース１２の軸線方向に沿って図示下部のフランジ１７ｂに向かって延在させ、図示下部のフランジ１７ｂの側面から入口３６１ｃおよび出口３６２ｃが外部に露出するように、冷却水パイプ３６Ｃを予め鋳込んで埋設してしまうようにしても良い。なお、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した上ケース１２を図示右方から見たときの図である。

たとえば図７〜１１に示すように、フランジ１７ａの下部を絞ったような形状を呈する、すなわち、大きな直径のロータ翼４ａを収容可能な上ケーシング１２を有するターボ分子ポンプ１の場合には、冷却水パイプ３６Ｃを次のように配設してもよい。以下の説明では、上ケーシング１２のうち、上ケーシング１２の上端側に設けられたフランジ１７ａの近傍から上ケーシング１２の下端側に向かって延在する円筒状の部位であって略一定の外径である部位を小径部１２１と呼ぶ。ケーシング１２の下端側に設けられたフランジ１７ｂの近傍から上端に向かって延在する円筒状の部位であって、小径部１２１よりも外径が大きく略一定の外径である円筒部分を大径部１２２と呼ぶ。小径部１２１と大径部１２２との間で小径部１２１から大径部１２２に向かって径が大きくなるようにテーパ状に形成されて小径部１２１と大径部１２２とを接続する部位をテーパ部１２３と呼ぶ。

たとえば、図７に示すように、小径部１２１とテーパ部１２３との境目の近傍に冷却水パイプ３６Ｃを配設して、冷却水パイプ３６Ｃが小径部１２１およびテーパ部１２３の双方に接触するようにしてもよい。たとえば、図８に示すように、冷却水パイプ３６Ｃが小径部１２１と接触する部分を小径部１２１の外周面に合わせて変形させて、冷却水パイプ３６Ｃと小径部１２１との接触部分が面状となるようにして、接触面積を増やすようにしてもよい。これにより、効率的に上ケース１２を冷却できる。

たとえば、図９に示しように、冷却水パイプ３６Ｃが小径部１２１およびテーパ部１２３と接触する部分を小径部１２１およびテーパ部１２３の外周面に合わせて変形させて、冷却水パイプ３６Ｃと小径部１２１およびテーパ部１２３との接触部分が面状となるようにして、接触面積を増やすようにしてもよい。また、たとえば、図１０に示すように、小
径部１２１とテーパ部１２３との境目の近傍だけでなく、テーパ部１２３にも冷却パイプ３６Ｃを設けるようにしてもよい。すなわち、冷却水パイプ３６Ｃを小径部１２１からテーパ部１２３にかけて複数周にわたって設けるようにしてもよい。

このとき、図１１に示すように、冷却水パイプ３６Ｃがテーパ部１２３と接触する部分をテーパ部１２３の外周面に合わせて変形させて、冷却水パイプ３６Ｃとテーパ部１２３との接触部分が面状となるようにして、接触面積を増やすようにしてもよい。なお、上述した冷却水パイプ３６Ｃの配設の形態については、それぞれ組み合わせてもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、ロータ軸と一体に回転する複数のロータ翼と、複数のロータ翼との間に介装される複数のステータ翼とを略円筒状のケーシング内に収容し、ケーシングの一端側に設けられた吸気口フランジに接続した外部装置から排気口へ真空引きするターボ分子ポンプにおいて、吸気口フランジ近傍のケーシングの外周部に冷却媒体を流通する略円筒状の前記ケーシングと同軸環状の冷却通路を設けたことを特徴とする各種構造のターボ分子ポンプを含むものである。

１ 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 ケーシング（上ケース）
１３ ベース ３６Ａ〜３６Ｃ 冷却通路（冷却水パイプ）
１２１ 小径部 １２２ 大径部
１２３ テーパ部

Claims (2)

1. ロータ軸と一体に回転する複数のロータ翼と、前記複数のロータ翼との間に介装される複数のステータ翼とを略円筒状のケーシング内に収容し、前記ケーシングの一端側に設けられた吸気口フランジに接続した外部装置から排気口へ真空引きするターボ分子ポンプにおいて、
   前記吸気口フランジ近傍の前記ケーシングの外周部に冷却媒体を流通する略円筒状の前記ケーシングと同軸である環状の冷却通路と、
   前記環状の冷却通路の冷却媒体の入口側に接続されて冷却媒体を前記環状の冷却通路に供給する供給通路と、
   前記ケーシングの他端側に接続されたベースと、
   前記ベース内に収容されて、前記ロータ軸に設けられた円筒状ロータ部と、前記円筒状ロータ部に対して隙間を介して配置された円筒状のステータとを含むドラッグポンプ部とを備え、
   前記ケーシングは、前記一端側に設けられた前記吸気口フランジであるケーシング上フランジと、前記ベースが接続される前記他端側のケーシング下フランジとを有し、
   前記ベースは、前記ケーシング下フランジと接続されるベース上フランジを有し、
   前記ケーシング下フランジは、外周部分に前記供給通路へ冷却媒体を供給する入口ポートが形成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. ロータ軸と一体に回転する複数のロータ翼と、前記複数のロータ翼との間に介装される複数のステータ翼とを略円筒状のケーシング内に収容し、前記ケーシングの一端側に設けられた吸気口フランジに接続した外部装置から排気口へ真空引きするターボ分子ポンプにおいて、
   前記吸気口フランジ近傍の前記ケーシングの外周部に冷却媒体を流通する略円筒状の前記ケーシングと同軸である環状の冷却通路を設け、
   前記ケーシングは、前記一端側に設けられた前記吸気口フランジ近傍から前記ケーシングの他端側に向かって延在する円筒状の部位であって略一定の外径である小径部と、他端側の近傍から前記小径部に向かって延在する円筒状の部位であって、前記小径部よりも外径が大きく略一定の外径である大径部と、前記小径部と前記大径部との間で前記小径部から前記大径部に向かって径が大きくなるようにテーパ状に形成されて前記小径部と前記大径部とを接続するテーパ部とを有し、
   前記環状の冷却通路は、前記小径部と前記テーパ部との接続部近傍に設けられて、前記小径部と前記テーパ部との双方に接触することを特徴とするターボ分子ポンプ。

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