JP7116723B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプに関する。特に、本発明は、ターボ分子真空ポンプの改善に関する。具体的には、本発明は、ターボ分子真空ポンプでの使用に対して構成されたポンプ固定子に関する。

ターボ分子真空ポンプは当業者に公知である。そのようなポンプは、気体分子が分子流動レジーム挙動を示す約１０^-6ｍＢａｒ又はそれ未満の高真空圧力までチャンバを排気するように作動するように設計される。そのような希薄な環境では、気体分子は、典型的には互いに相互作用せず、むしろ分子はチャンバの壁と相互作用し、大気圧により近い圧力での気体分子と比べて極めて長い平均自由行程を示す。

典型的に、そのようなポンプは、回転子、固定子、駆動シャフト、軸受、及びモータを含むポンプの構成要素を受け入れるように配置されたハウジングを有する機構を含む。ハウジングは、気体がポンプ機構によって圧縮されるポンプに気体分子が入ることを可能にする入口を有する。圧縮気体は、次に出口に通され、そこでそれはターボ分子ポンプを出て、典型的には大気圧により近いより低い真空圧力で作動するように配置された別の真空ポンプの上に至る。

ターボ分子回転子及び固定子構成要素は、隣接する回転子ブレードに類似の固定子ブレードアレイが挿入される一連の傾斜ブレードアレイを含む。すなわち、ナイジャル＝ハリス（Nigel Harris）著「現代真空実務」（"Modern Vacuum Practice"）、第３版、２００７年、マグローヒル社刊（ＩＳＢＮ－１０：０－９５５１５０１－１－６）の第９章に説明されているように、各回転子ブレードアレイの後に固定子ブレードアレイが続くブレードスタックが配置される。固定子構成要素は、典型的には、ポンピングされた気体と相互作用するように配置されて内径及び／又は外径ハブ又は肩部上に装着された固定子ブレードのアレイを含む。それらは、中実金属ブロックから機械加工するか又は金属薄板からプレス加工することができる。

固定子ブレードアレイは、典型的には、各回転子ブレードアレイ（又は段）間に位置付けられた別々の構成要素として形成される。回転子段間に固定子ブレードアレイ（又は段）を正しく位置付けるためにスペーサが使用される。典型的には、固定子構成要素のスタックは、スタック内に固定子ブレードとスペーサを交互に置くことによって形成される。スペーサが定位置に保持され、かつバネ座金によってスタックを通して長手方向に印加される力によって一緒に強く押されることを保証するために、スタックの一端とポンプハウジングの間にバネ座金が置かれる。バネ座金によって印加される力は、作動中に回転子に対する固定子段の移動を低減するように作用する。この配置の更に別の例は、ＵＳ５０５２８８７に見出すことができる。これに代えて、バネ座金は、ＥＰ２６０７７０６に説明されているようにスペーサスタック内の中心位置に位置付けることができる。

固定子は、固定子ブレードが内側部分から外側部分まで半径方向に延びるように配置することができる。外側部分は、ＷＯ０１／１１１２４２に説明されているようなスペーサ手段を形成するように配置することができる。更に、ポンプの入口に配置された軸受は、典型的には、ＥＰ１２８１００７に示すように、固定子離間手段と協働するように構成することができるいわゆる軸受くも状配置（bearing spider arrangement）によって支持される。

ＵＳ５０５２８８７ ＥＰ２６０７７０６ ＷＯ０１／１１１２４２ ＥＰ１２８１００７

ナイジャル＝ハリス（Nigel Harris）著「現代真空実務」（"Modern Vacuum Practice"）、第３版、２００７年、マグローヒル社刊（ＩＳＢＮ－１０：０－９５５１５０１－１－６）

ポンプ構成要素の数を低減し、それによって製造工程を単純化して機械的公差を改善する一般的要望が存在する。

本発明は、広義には、ポンプのハウジングに固定子構成要素を正しく位置付けるためにスペーサ間に積み重ねられた一連の固定子構成要素を有するターボ分子ポンプに向けられている。固定子構成要素のうちの少なくとも１つは、弾力性である外側セクションを有し、その結果、この弾力性外側セクションは、ポンプ製造中及び作動中に固定子構成要素が定位置に保持されるように、隣接スペーサ間に圧縮下の時にバネ荷重を印加する。

この配置は、それが従来技術のポンプに使用されるバネ座金がもはや不要であるのでポンプを製造するのに必要な構成要素の数を低減する点でいくつかの利点を有する。更に、固定子構成要素をハウジングに位置付けることができる精度も改善することができる。固定子構成要素は、作動中に確実に保持され、スペーサの範囲内の構成要素のがたつきのリスクを低減する。

従って、入口側及び出口側を有するターボ分子真空ポンプの回転子構成要素及び固定子構成要素を受け入れるハウジングと、回転子構成要素を長手軸の周りに駆動するために回転子構成要素に結合された駆動シャフトと、駆動シャフトをハウジングに結合してその相対回転移動を可能にするための軸受手段と、ハウジングに対して固定子構成要素を位置付けてかつそれに結合するためのスペーサとを含み、固定子構成要素の各々が、長手軸から半径方向にかつ内側部分から外側部分までその間を延びる一連の固定子ブレードを含み、固定子ブレードの各々が、内側部分によって定められた平面に対して傾斜しているターボ分子真空ポンプであって、固定子構成要素のうちの少なくとも１つの外側部分が、スペーサと協働するように配置された弾力性部分を含むことを特徴とするターボ分子真空ポンプを提供する。その結果、固定子構成要素の弾力性外側部分は、従来のターボ分子ポンプに使用されるバネ座金を実質的に置換する。

弾力性部分は、固定子ブレードの端部に配置された弾性セクションを含むことができる。更に、弾性セクションは、固定子ブレードの端部と一体的に形成されてそれを延長する固定子ブレードの外側先端を含むことができる。更に、固定子ブレードの外側先端は、固定子構成要素の外径がスペーサの内径よりも大きいように隣接スペーサ間の空間の中に延びるように配置された固定子ブレードの延長部とすることができる。すなわち、本発明は、ブレード先端を圧縮するスペーサリングによって変形されるバネ部材として傾斜固定子ブレードを使用することができる。固定子スタックは、隣接固定子構成要素間に各々が挿入された複数のスペーサを含むことができ、ポンプハウジングに位置付けられた時に、固定手段が、固定子スタックを定位置に固定し、かつそれぞれの弾力性部分を圧縮する。すなわち、スペーサは、ポンプハウジングのネジ切り部分と協働するネジ切り要素を含むことができる固定手段によって一緒に強く押される。

固定子構成要素の外側部分の各々は、スペーサとハウジング間の全ての弾力性を与えることができる。すなわち、バネ座金に対する必要性がなくなる。従って、固定手段によって固定子スタックに圧縮力が印加されると、圧縮力は、固定子ブレードの外側先端を各ブレードの半径方向軸線と相対的に弛緩位置から平たく押し付けられた位置まで移動させる。平たく押し付けられた位置にある時に固定子ブレードの外側先端によってスペーサに印加される力は、圧縮力に対して等しい大きさを有する。外側先端によって印加される力は、圧縮力に対して反対方向にある。

内側部分ら外側部分まで半径方向に延びて各々が内側部分によって定められる平面に対して傾斜している一連の固定子ブレードを含むターボ分子真空ポンプのための固定子ブレードアレイであって、固定子ブレードアレイの外側部分が、ターボ分子ポンプの離間リング又はハウジングと協働するように配置された弾力性部分を含むことを特徴とする。

ここで添付の図面を参照して本発明の実施形態を以下に更に説明する。

本発明を具現化するポンプの断面の概略図である。 図１に示すポンプの一部分の概略図である。 図１に示すポンプの一部分の断面図である。

図１を参照して、ポンプ回転子１４と、モータ１６と、固定子１８とを受け入れるためのハウジング１２を含むターボ分子ポンプ１０を提供する。回転子は、軸線２２の周りの回転のために駆動シャフト２０を通じてモータに結合される。固定子１８は、気体分子が入口２４から出口２６までポンプを通過する時に固定子ブレードと回転子ブレードが交互に配置されるようにハウジングに装着される。

回転子及び固定子の両方は、一連の段を含み、回転子は、軸線に沿って長手方向に延びる一連のブレードアレイを含む。隣接する回転子段の間の十分な空間が、固定子ブレードアレイを受け入れるために配置される。回転子ブレードアレイは、中心ハブから半径方向に延びる一連のブレードを含み、ブレードは、モータによって駆動された時に回転子がその周りに回転する長手軸に対して傾斜している。固定子は、回転子ブレードに対して反対方向に傾斜した類似のブレードを含み、固定子構成要素は、ハウジングに結合され、かつそれによって定位置に保持される。

ハウジングは、固定子構成要素を定位置に固定するためにスペーサ２８及び固定手段３０を通じて固定子の外径リムをハウジングに結合することよって固定子構成要素を受け入れる。典型的に、固定子構成要素は、回転子ブレードを受け入れるのに十分な間隙を固定子ブレードアレイ間に与える交替するスペーサを用いて積み重ねられる。通常のポンプ作動中に駆動シャフト及び従って回転子をハウジング１２内で回転させるために、軸受３１及び３１’が駆動シャフト２０の両端に位置決めされる。ポンプの入口側の軸受３１は、図１に示すように磁気軸受を含むことができる。出口側の軸受３１’は、典型的には、オイル潤滑式ころ軸受及びオイルリザーバから構成される。これに代えて、グリース塗布軸受システムを使用することができる。

ポンプの通常作動中に固定子スタックの構成要素を望ましい位置内に強く押してこの位置を維持するためにバネが必要である。図２及び図３を参照すると、本発明は、バネ力を与えるために固定子ブレード３２を利用する。ある程度の可撓性を固定子の外側半径先端３４に与えることにより、得られる先端の弾力性は、それらが圧縮下にある時に、軸線方向に印加された圧縮力の下で先端に印加される捩りモーメントに起因してバネ力を印加する。

スペーサリング２８は、互いに連動してスペーサ間に形成された軸線方向の間隙３６に固定子１８を保持するように設計される。固定子ブレード（ブレード先端を含む）の外径は、スペーサの内径よりも大きく、それによって固定子ブレード先端が隣接スペーサ間を延びるように固定子ブレードとスペーサ間に重複を形成する。スペーサ間の間隙を固定子ブレード３２の軸線方向高さよりも若干小さくすることにより、ブレード先端３４は、固定手段が締め付けられてスペーサ間の間隙３６が減る時にスペーサ間で圧縮されて捻られる。固定子ブレード３２の外側先端３４に印加される圧縮力は、ブレード先端３４を自然な位置から平たく押し付けられた位置に向けて捻らせる。その結果、ブレードの先端は、スペーサにバネ力を印加する捩りバネとして作用している。

スペーサ２８には、固定子ブレード先端の過剰圧縮を防ぐためにストップ３８を設けることができる。例えば、隣接する座金間に外部事前定義間隙４０を設けることができる。外部間隙は、スペーサ間に固定子が配置された時に２００ミクロン程度のオーダーであるように配置することができる。すなわち、圧縮下で外部間隙が閉じられる時に、固定子ブレードは、２００ミクロンの距離だけ圧縮された状態になっている。このようにして、固定子ブレード先端に対して印加可能な最大圧縮力を決定することができる。固定子ブレード先端に印加される圧縮力は、固定子ブレード先端の永久変形を避けるためにブレード先端のバネ定数を超えないことが推奨される。

図１に示す実施形態では、ターボ分子段の下流かつ出口２６の上流のＨｏｌｗｅｃｋポンプ機構４２の前にポンプ内に合計６つの固定子段がある。固定子段のうちの３つは、従来のプレス加工された固定子構成要素を含み、固定子の外径は、固定子ブレードがそこからプレス加工された金属の比較的薄い薄板を含む。これらの固定子段は、ターボ分子ポンプ機構の出口側に位置付けられる。入口側に位置付けられた３つの固定子段の各々は、関連のスペーサリング間の間隙に位置付けられた固定子ブレード先端を有する。すなわち、この配置では、固定子ブレードの半分は、固定子スタックに対してそれがハウジングに固定された時にバネ力を与えるように配置される。

これに加えて、ブレード先端での固定子ブレードの寸法を低減することが可能である。これは、固定子ブレードが固定手段３０によって圧縮力が印加された時に捩れる屈曲点を提供することができる。固定子ブレード先端の低減された寸法は、固定子リングの内径に係合する又はハウジング上に形成された協働する肩部に係合する、固定子先端の寸法が低減した点に形成される肩部の結果として隣接スペーサ間に固定子構成要素が確実に保持されるようなサイズにすることができる。この配置は、ポンプの入口での固定子ブレード先端が、ブレード先端が関連のスペーサ及びハウジングに係合する点で軸線方向に低減した寸法を有するように示されている図１に示されている。

固定手段は、螺入システム又は適切なＣ－クリックによって設けることができる。他のタイプの固定は、本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって想定される。

本発明は、固定子ブレード先端をこの先端がスペーサリング間で圧縮された時にバネ力を与えるのに利用する。すなわち、固定子スタックを圧縮して定位置に維持するバネ座金を使用する必要性がもはやなくなり、それによってポンプ内の構成要素の数を低減し、かつ組立工程を単純化する。固定子スタックを定位置に維持するのに必要な全てのバネ力は、固定子ブレード先端によって与えられる。

参照符号
１０ ターボ分子ポンプ
１２ ハウジング
１４ 回転子
１６ モータ
１８ 固定子
２０ 駆動シャフト
２２ 軸線
２４ 入口
２６ 出口
２８ スペーサ
３０ 固定手段
３１ 入口側軸受
３１ 出口側軸受
３２ 固定子ブレード
３４ 固定子ブレード先端
３６ 軸線方向間隙
３８ ストップ
４０ 外部間隙
４２ Ｈｏｌｗｅｃｋポンプ機構

Claims (8)

1. ターボ分子真空ポンプであって、
   入口側及び出口側を有するターボ分子真空ポンプの回転子構成要素及び複数の固定子構成要素を受け入れるためのハウジングと、
   前記回転子構成要素を、長手軸を中心に駆動するために該回転子構成要素に連結された駆動シャフトと、
   前記駆動シャフトを前記ハウジングに連結し相対回転移動を可能にするための軸受手段と、
   前記複数の固定子構成要素のうちの第１の固定子構成要素の第１の側に配置された第１のスペーサと、
   前記第１の固定子構成要素の第２の側に配置された第２のスペーサと、を備え、
   前記第１の固定子構成要素が、前記長手軸から半径方向に内側部分と外側部分の間を延び該内側部分によって定められた平面に対して各々が傾斜している一連の固定子ブレードを有し、
   前記第１の固定子構成要素の固定子ブレードの外側部分は、それぞれ、弾力性部分を有し、該弾力性部分は、前記第１のスペーサ及び第２のスペーサに接触し、前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが圧縮される前は前記第１のスペーサのストップと前記第２のスペーサのストップとの間に間隙を提供し、前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが圧縮されたときにはバネ荷重を提供するように構成され、前記第１のスペーサのストップと前記第２のスペーサのストップとは、前記間隙が取り除かれたが前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが圧縮されているときに、前記弾力性部分が前記第１のスペーサ及び第２のスペーサによって永久に変形させられることを防止する、
   ことを特徴とするターボ分子真空ポンプ。
2. 前記弾力性部分は、前記固定子ブレードの端部に配置された弾性セクションを有している、
   請求項１に記載のターボ分子真空ポンプ。
3. 前記弾性セクションは、前記固定子ブレードの端部と一体的に形成されてそれを延長する該固定子ブレードの外側先端を有している、
   請求項２に記載のターボ分子真空ポンプ。
4. 前記第１のスペーサおよび第２のスペーサを圧縮する固定手段を更に備えている、
   請求項１に記載のターボ分子真空ポンプ。
5. 前記固定子構成要素の前記外側部分の各々が、前記スペーサと前記ハウジング間の弾力性の全てを提供する、
   請求項１に記載のターボ分子ポンプ。
6. 前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが圧縮されたとき、前記固定子ブレードの外側先端が自然な位置から各ブレードの径方向軸線に対して平たく押し付けられた位置まで動く、
   請求項３に記載のターボ分子真空ポンプ。
7. 前記平たく押し付けられた位置にあるとき、前記固定子ブレードの外側先端によって提供されたバネ荷重は、前記間隙を取り除くのに必要とされる前記圧縮力と等しい大きさを有している、
   請求項６に記載のターボ分子真空ポンプ。
8. 内側部分から外側部分まで半径方向に延びて該内側部分によって定められた平面に対して各々が傾斜している一連の固定子ブレードを含むターボ分子真空ポンプのための固定子ブレードアレイであって、
   該固定子ブレードアレイの前記外側部分は、弾力性部分を含み、該弾力性部分は、第１のスペーサ及び第２のスペーサに接触し、前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが圧縮される前は前記第１のスペーサのストップと前記第２のスペーサのストップとの間に間隙を提供し、前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが圧縮されたときにはバネ荷重を提供するように構成され、前記第１のスペーサのストップと前記第２のスペーサのストップとは、前記間隙が取り除かれたが前記第１のスペーサ及び第２のスペーサが圧縮されたとき前記弾力性部分が前記第１のスペーサ及び第２のスペーサによって永久に変形させられることを防止する、
   ことを特徴とする固定子ブレードアレイ。

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