JP7378697B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプの構成部材である外筒とフランジを別材料で別体で構成した真空ポンプ、ケーシング及び吸気口フランジに関する。

ターボ分子ポンプやねじ溝式ポンプなどの分子ポンプ（真空ポンプ）は、例えば、半導体製造装置における排気や、電子顕微鏡などの高真空を要する真空容器に多く用いられている。
このような真空ポンプには、通常、所定サイズのフランジが設けられており、排気を要する真空装置（以下、装置とする）の排気口側のフランジ（以下、装置側フランジとする）とボルトなどで固定されるようになっている。
真空ポンプのフランジ（以下、真空ポンプのフランジを吸気口フランジとする）と装置側フランジとの間は、Ｏリングを挟んで固定することにより、高度の気密性が保持されるようになっている。

真空ポンプには、回転自在に支持され、モータにより高速回転が可能なロータと、真空ポンプのケーシング内部に固定されたステータとが設けられている。そして、モータが高速回転することで、ロータとステータとの相互作用により、排気作用を発揮するようになっている。この排気作用により、真空ポンプの吸気口から装置側の気体を吸引し、排気口から排気する。こうして、装置内の高真空状態を実現している。
通常、真空ポンプは、分子流領域（真空度が高く分子同士が衝突する頻度が少ない領域）にて気体を排気する。この分子流領域で排気能力を発揮するためには、ロータは毎分３万回転程度の高速回転が要求される。

図７は、従来技術に係る真空ポンプを説明するための図である。この図に示すように、真空ポンプ１の外側は、ケーシング（外筒）２、吸気口フランジ２００及びベース３により形成されている。
このうち、ケーシング（外筒）２、吸気口フランジ２００は、一体で１部品として形成されていた。また、両者を別部品として製造し、溶接で一体化したものを用いる真空ポンプも存在した。材料は、ステンレス鋼（以下、ステンレスとする）が用いられていた。
ところで、ケーシング（外筒）２と吸気口フランジ２００をステンレスで１部品として形成された部品を用いると、材料費が高く、コスト高となっていた。また、削り出し等の加工にも手間が掛かっていた。
一方、両者を別部品として製造し、溶接で一体化した部品を用いる場合、溶接作業に手間が掛かり、削り出し等の加工が不要になるにもかかわらず、コストは下がらなかった。
また、ケーシング（外筒）２にステンレスを用いると、重量が増し、現場での設置作業に、負担が掛かっていた。

特開２００８－７５４８９号 特開２０１５－５９４２６号

特許文献１に開示されている真空ポンプ及びフランジは、真空ポンプが、衝撃を受けた際、吸気口フランジでエネルギーを吸収する機構が設けられている。この特許文献１に開示されている真空ポンプでも、ケーシング（外筒）と吸気口フランジは、一体で１部品として形成されたものが用いられていた。
特許文献２には、真空ポンプにおいて、ロータが回転中に破損したことにより生じる破壊エネルギーを固定部品で吸収する技術が開示されている。すなわち、固定部品が、真空ポンプのケーシング内に収容された状態で、その外周面と内周面の間に、下記の条件を満たすことが記載されている。
２ｄ／Ｄ≦εmax（Ｄ：固定部品の外径、ｄ：隙間の幅、εmax：固定部品の破断伸び）
こうすることで、破壊エネルギーが発生した際、伸び変形した固定部品は、ケーシングの内周面に接触しないか、若しくは軽く接触する程度で済み、固定部品を介して破壊エネルギーがケーシングに伝わることを抑制することができる。

ところで、真空ポンプにおいては、内部でロータが高速回転をしているため、真空ポンプの運転中に何らかのトラブルが発生し、ロータが真空ポンプ内の固定した部材に衝突した場合、真空ポンプ全体をロータの回転方向に回転させる大きなトルクが瞬時に発生する。このトルクは、吸気口フランジを介して真空容器にも深刻な応力を及ぼしてしまう。そのため、吸気口フランジには、特許文献１に記載のようなトルクを低減するための緩衝構造が設けられることもあり、また、真空容器と接続するため、可能な限り強固な材料で構成されることが要請されている。
一方、真空ポンプ自体は、現場での設置作業などの負担を軽減するため、軽量化することが望まれている。
また、ロータが回転中に破損したことにより生じる破壊エネルギーを可能な限りケーシングで吸収し、真空ポンプの吸気口フランジに影響を及ぼさない技術が求められていた。

そこで、本発明の第１の目的は、吸気口フランジとケーシング（外筒）とを分割して２部品として構成し、要求される強度を保持しつつ、重量を軽減し、結果として製造コストを軽減できる真空ポンプを提供することである。
また、本発明の第２の目的は、吸気口フランジとケーシング（外筒）とを分割して２部品として構成することを前提に、破壊エネルギーを可能な限りケーシングで吸収し、真空ポンプの吸気口フランジに影響を及ぼさない真空ポンプを提供することである。

請求項１記載の発明では、装置と結合するための吸気口フランジと、内部の部材を覆う外装体として機能するケーシングと、排気口と、ベース部と、前記ケーシングおよび前記ベース部に内包され、回転自在に支持された回転部と、を備える真空ポンプであって、前記吸気口フランジと、前記ケーシングが別部品として形成され、前記ケーシングがアルミ製であり、前記吸気口フランジと、前記ケーシングが締結され、前記吸気口フランジが、ステンレス製であることを特徴とする真空ポンプを提供する。
請求項２記載の発明では、前記ケーシングに、前記吸気口フランジと締結する際に位置決めを行うための突起部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプを提供する。
請求項３記載の発明では、前記突起部または前記吸気口フランジに破壊エネルギーを吸収するための逃げ部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプを提供する。

本発明によれば、要求される強度を保持しつつ、重量を軽減し、真空ポンプの製造コストを軽減することができる。
また、本発明によれば、ロータの破壊時に発生する破壊エネルギーを可能な限りケーシングで吸収し、吸気口フランジへの破壊エネルギーの影響を抑制できる。

本発明の実施形態に係る真空ポンプの概略構成例を示した図である。 吸気口フランジとケーシング（外筒）を分割して構成した実施形態を説明するための図である。 突起部を説明するための図１の部分拡大図である。 突起部に設けた逃げ部を説明するための図である。 図４に示した逃げ部の部分拡大図である。 吸気口フランジ側に逃げ部を設けた変形例を説明するための図である。 従来技術に係る真空ポンプを説明するための図である。

（ｉ）実施形態の概要
本発明の実施形態に係る真空ポンプ１では、吸気口フランジ１００と、ケーシング（外筒）２を分割して、別部材として構成する。
吸気口フランジ１００はステンレス、ケーシング（外筒）２はアルミを材料とする。
両者は、真空ポンプ１を組み立てる際、ボルトで締結され、真空性を保つために、Ｏリングシールされる。
こうすることで、吸気口フランジ１００の強度を保持しつつ（例えば、特許文献１記載の衝撃に対する緩衝構造を設けることもできる）、真空ポンプ１の重量を軽減することもできる。

（ｉｉ）実施形態の詳細
以下、本発明の好適な実施の形態について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
（真空ポンプ１の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る真空ポンプ１の概略構成例を示した図であり、真空ポンプ１の軸線方向の断面図を示している。
なお、本発明の実施形態では、便宜上、回転翼の直径方向を「径（直径・半径）方向」、回転翼の直径方向と垂直な方向を「軸線方向（または軸方向）」として説明する。
真空ポンプ１の外装体を形成するケーシング（外筒）２は、略円筒状の形状をしており、ケーシング２の下部（排気口６側）に設けられたベース３と共に真空ポンプ１の筐体を構成している。そして、この筐体の内部には、真空ポンプ１に排気機能を発揮させる構造物である気体移送機構が収納されている。
このケーシング（外筒）２は、図２に示すように、吸気口フランジ１００とは、別部品として構成されている。材料は、アルミである。
本実施形態では、この気体移送機構は、回転自在に支持された回転体（回転翼９／ロータ円筒部１０など）と、筐体に対して固定されたステータ部（固定翼３０／ねじ溝排気要素２０など）から構成されている。
また、図示しないが、真空ポンプ１の外装体の外部には、真空ポンプ１の動作を制御する制御装置が専用線を介して接続されている。

ケーシング（外筒）２の端部には、当該真空ポンプ１へ気体を導入するための吸気口４が形成されている。また、ケーシング（外筒）２の吸気口４側の端面には、外周側へ張り出した吸気口フランジ１００が設けられている。
この吸気口フランジ１００は、図２に示すように、ケーシング（外筒）２とは、別部品として構成されている。材料は、ステンレスである。
また、真空ポンプ１の下流側には、当該真空ポンプ１から気体を排気するための排気口６が形成されている。

回転体は、回転軸であるシャフト７、このシャフト７に配設されたロータ８、ロータ８に設けられた複数枚の回転翼９、排気口６側に設けられたロータ円筒部（スカート部）１０を備える。
各回転翼９は、シャフト７の軸線方向に対して垂直に放射状に伸びた部材により構成される。
また、ロータ円筒部１０は、ロータ８の回転軸線と同心の円筒形状をした円筒部材により構成される。

ステータコラム３００内には、詳細は図示しないが、シャフト７の軸線方向中程には、シャフト７を高速回転させるためのモータ部が設けられている。また、当該モータ部に対して吸気口４側と排気口６側には、シャフト７を径方向（ラジアル方向）に非接触で支持するための径方向磁気軸受装置が設けられている。さらに、シャフト７の下端には、シャフト７を軸線方向（アキシャル方向）に非接触で支持するための軸方向磁気軸受装置が設けられている。

筐体の内周側には、固定翼３０が形成されている。そして、固定翼３０は円筒形状をした固定翼スペーサ４０により互いに隔てられて固定されている。
なお、回転翼９と固定翼３０は互い違いに配置され、軸線方向に複数段形成されるが、真空ポンプ１に要求される排出性能を満たすために、必要に応じて任意の数のロータ部品およびステータ部品を設けることができる。

本実施形態に係る真空ポンプ１では、排気口６側にねじ溝排気要素２０（ねじ溝型排気要素）が配設される。ねじ溝排気要素２０のロータ円筒部１０との対向面には、ねじ溝（らせん溝）が形成されている。あるいは、ロータ円筒部１０のねじ溝排気要素２０との対向面にねじ溝が形成される構成であってもよい。
ねじ溝排気要素２０におけるロータ円筒部１０との対向面側（すなわち、真空ポンプ１の軸線に平行な内周面）は、所定のクリアランスを隔ててロータ円筒部１０の外周面と対面しており、ロータ円筒部１０が高速回転すると、真空ポンプ１で圧縮されたガスがロータ円筒部１０の回転に伴ってねじ溝にガイドされながら排気口６側へ送出されるようになっている。すなわち、ねじ溝は、ガスを輸送する流路となっている。

このように、ねじ溝排気要素２０におけるロータ円筒部１０との対向面と、ロータ円筒部１０とが、所定のクリアランスを隔てて対向することにより、ねじ溝排気要素２０の軸線方向側内周面に形成されたねじ溝でガスを移送する気体移送機構を構成している。
なお、ガスが吸気口４側へ逆流する力を低減させるために、このクリアランスは小さければ小さいほど好ましい。
また、ねじ溝排気要素２０に形成されたらせん溝の方向は、らせん溝内をロータ８の回転方向にガスが輸送された場合、排気口６に向かう方向である。
そして、らせん溝の深さは、排気口６に近づくにつれて次第に浅くなるようになっており、らせん溝を輸送されるガスは排気口６に近づくにつれて徐々に圧縮されるようになっている。
上述した構成により、真空ポンプ１は、当該真空ポンプ１が固定（配設）される装置内の真空排気処理を行うことができる。

（第１の実施形態）
図２は、吸気口フランジ１００とケーシング（外筒）２を分割して２部品として構成したことを説明するための図である。
吸気口フランジ１００は、ステンレス製であり、内側にケーシング（外筒）２と締結する締結ボルト８００（図１参照）を通すためのボルト孔６００が複数個設けられている。一方、ボルト孔６００の外側には、真空装置と締結するためのボルト孔５００が複数個設けられている。このボルト孔５００を介して、真空装置と真空ポンプ１とが、ボルトにより締結される。
このボルト孔５００は、特殊な形状をしており、真空ポンプ１が衝撃を受けた際の応力集中を適切に抑制する緩衝構造として機能するようになっている。この緩衝構造は、より強固な材料にて形成されることが好ましいので、吸気口フランジ１００は、ステンレスで形成されている。

一方、ケーシング（外筒）２は、アルミ製であり、吸気口フランジ１００と締結する締結ボルト８００（図１参照）を通すためのボルト孔７００が複数個設けられている。吸気口フランジ１００のボルト孔６００とケーシング（外筒）２のボルト孔７００は、各々対応した位置に設けられている。
また、ケーシング（外筒）２には、全周に渡って、吸気口フランジと締結する際の位置決めに用いる突起部９００が設けられている。この突起部９００については、後述する第２の実施形態の説明で詳述する。

ケーシング（外筒）２には、強度が要求されるため、ＪＩＳ規格における合金記号２０１４、２０１７のアルミ材を用いるのが好ましい。
また、腐食性ガスの環境下で使用される場合があるので、内部を無電解Ｎｉｐメッキ処理を行うことが好ましい。
吸気口フランジ１００とケーシング（外筒）２とは、各々のボルト孔６００及び７００を介して、締結ボルト８００で締結される。両者間の真空性を保つため、Ｏリングシールにより気密性が保持されるようになっている。

本実施形態により、ケーシング（外筒）２をアルミ製とすることで、重量をおよそ１／３とすることができ、真空ポンプ１の組立作業が容易となる。
また、ケーシング（外筒）２をアルミ製とすることで、真空ポンプ１の全体の重量も１５％程度軽量化でき、現場における真空ポンプの設置（インストール）の作業が容易となる。
さらに、ケーシング（外筒）２をアルミ製とすることで、真空ポンプ１の製造コストも１０％程度軽減できる。
加えて、ケーシング（外筒）２と吸気口フランジ１００を別部品としたため、削り出しの作業が不要となり、この観点からもコストを削減することができる。

（第２の実施形態）
この第２の実施形態は、第１の実施形態のケーシング（外筒）２と吸気口フランジ１００を別部品とすることを前提に、ケーシング（外筒）２に全周に渡って突起部９００を設ける。そして、ケーシング（外筒）２と吸気口フランジ１００とを締結する際に、この突起部９００を吸気口フランジ１００と係合させて半径方向の位置決めを行う。この両者の位置決めの関係は、図１（点線で囲った箇所）の部分拡大図である図３に示してある。
両者の半径方向の隙間は、可能な限り設けないようにすることが望ましい。
更に、このような構造にすることで、真空ポンプ１に破壊エネルギーが発生した場合でも、吸気口フランジ１００および締結ボルト８００に衝撃が作用し難い構造となっている。
具体的には、上記破壊エネルギーによって、ケーシング２に作用した衝撃が、突起部９００を通じて吸気口フランジ１００に作用する構造となっている為、吸気口フランジ１００に衝撃が伝わる際に突起部９００を変形させて、破壊エネルギーを消費する。
また、突起部９００が無い場合に比べ、締結ボルト８００に衝撃が直接伝わり難い構造となる為、締結ボルト８００が破断することを防止できる。
また、上述のような突起部９００がケーシング２から吸気口フランジ１００側に突出する構造でなく、吸気口フランジ１００より突出する構造にした場合は、破壊エネルギーが吸気口フランジ１００と締結ボルト８００に直接伝わってしまう虞があるが、この課題を解決している。

（第２の実施形態の変形例）
次に、図４及び図５を参照して、第２の実施形態の変形例を説明する。
図４は、突起部９００の吸気口フランジ１００と接する面に、複数個（１８個）の弓形の逃げ部９２０を設けた例を示している（図３では、Δｘで示してある。）。これらの逃げ部９２０は、突起部９００の周方向に等間隔で配置されている。図５は、図４の部分拡大図である。
この逃げ部９２０により、突起部９００が受けた破壊エネルギー（Ｆ、図３参照）を一定程度吸収するようになっている。すなわち、突起部９００と吸気口フランジ１００のクリアランスを部分的に大きくして、突起部９００の変形量（ひずみ）を拡大し、突起部９００での塑性変形及び弾性変形によるエネルギーの吸収効率を高めている。
このような周方向に部分的に隙間を設けた構造にすることで、半径方向の位置決めを可能にしつつ、前述の隙間が無い構造よりも、吸気口フランジ１００への衝撃を低減し、かつ、締結ボルト８００が破断することを防止できる。
なお、図４及び図５に示した逃げ部９２０は、弓形であるが、この形状でなくても突起部９００での塑性変形及び弾性変形によるエネルギーの吸収ができる形状、例えばコの字形であってもよい。

次に、図６を参照して第２の実施形態の他の変形例を説明する。
この変形例では、逃げ部を吸気口フランジ１００側に設けている（吸気口フランジ側逃げ部９４０）。
この変形例のように吸気口フランジ１００側に吸気口フランジ側逃げ部９４０を設けても、図４及び図５に示した突起部９００側の逃げ部９２０と同様の効果を得ることができる。
なお、突起部９００側の逃げ部９２０と同様に、弓形に限ることなく、例えばコの字形であってもよい。

本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができる。そして、本発明が当該改変されたものに及ぶことは当然である。

１ 真空ポンプ
２ ケーシング（外筒）
３ ベース
４ 吸気口
６ 排気口
７ シャフト
８ ロータ
９ 回転翼
１０ ロータ円筒部
２０ ねじ溝排気要素（ねじ溝ステータ）
３０ 固定翼
４０ 固定翼スペーサ
１００ 吸気口フランジ
２００ 吸気口フランジ
３００ ステータコラム
５００ ボルト孔
６００ ボルト孔
７００ ボルト孔
８００ 締結ボルト
９００ 突起部
９２０ 逃げ部
９４０ 吸気口フランジ側逃げ部

Claims (3)

1. 装置と結合するための吸気口フランジと、
   内部の部材を覆う外装体として機能するケーシングと、
   排気口と、
   ベース部と、
   前記ケーシングおよび前記ベース部に内包され、回転自在に支持された回転部と、
   を備える真空ポンプであって、
   前記吸気口フランジと、前記ケーシングが別部品として形成され、前記ケーシングがアルミ製であり、前記吸気口フランジと、前記ケーシングが締結され、
   前記吸気口フランジが、ステンレス製であることを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記ケーシングに、前記吸気口フランジと締結する際に位置決めを行うための突起部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記突起部または前記吸気口フランジに破壊エネルギーを吸収するための逃げ部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。

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