JPWO2011052087A1 - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

ターボ分子ポンプは、ロータに設けられた回転円筒部と、回転円筒部の外周側に隙間を介して配置された固定円筒(24)とで構成されるドラッグポンプ部を備える。そして、固定円筒(24)は、ベース(1)に固定される円筒上部(240a)と、回転円筒部(32)の破壊の際に、固定円筒(24) に破壊した回転円筒部(32) が衝突し、固定円筒(24) に回転円筒部(32) の回転方向と同方向の回転トルクが作用したときに、破断するように形成された溝(243)を介して、円筒上部(240a)の排気下流側に接続された円筒下部(240b)と、を備える。

Description

本発明は、高速回転するロータを有する真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプやモレキュラードラッグポンプのような真空ポンプでは、タービン翼などの排気作用部（タービン翼部およびモレキュラードラッグポンプ部）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。

このように高速回転するロータを有する真空ポンプにおいては、ロータが破壊した場合に非常に大きなエネルギーがポンプケーシングに与えられる。このときの衝撃は、ポンプケーシングを介して真空ポンプが接続された真空装置にも伝達され、真空装置側にダメージを与えるおそれがある。そのため、ベースに固定されてロータ外周に対向するように配置されたねじ溝スペーサに、溝から成る脆弱部を設け、脆弱部がせん断破壊されることによって装置側に伝わる衝撃を低減する構成が知られている（例えば、特許文献1参照）。

特開２００６−１７０２１７号公報

しかしながら、上述した従来技術では、脆弱部から分断されたねじ溝スペーサの円筒部分が回転子しながらポンプ吸気口側に移動することが可能な構成となっているため、円筒部分が装置側に侵入して装置にダメージを与えるおそれがあった。

本発明の真空ポンプは、回転体に設けられた円筒状ロータ部と、円筒状ロータ部の外周側に隙間を介して配置された円筒状のステータとで構成されるドラッグポンプ部を備え、ステータは、ポンプベースに固定される排気上流側円筒部と、円筒状ロータ部の破壊の際に、ステータに破壊した円筒状ロータ部が衝突し、ステータに円筒状ロータ部の回転方向と同方向の回転トルクが作用したときに、破断するように形成された薄肉部を介して、排気上流側円筒部の排気下流側に接続された排気下流側円筒部と、を備える。
さらに、ドラッグポンプ部よりも排気上流側に配置され、回転体の排気上流側に形成された複数段の回転翼と、該複数段の回転翼に対して交互に配設された複数段の固定翼とで構成されるターボポンプ部を、さらに備えるようにしても良い。
また、薄肉部は、円筒状のステータの外周面の周方向に形成された溝により構成されていても良いし、その溝を、外周面を一周するＶ形状溝としても良い。

本発明によれば、ロータ破壊時における真空装置側への影響を低減することができる。

本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図である。 固定円筒の形状を説明する半断面図であり、（ａ）は本実施形態の固定円筒２４を、（ｂ）は従来の一般的な固定円筒３４を、（ｃ）は特許文献１に記載の固定円筒４４をそれぞれ示す。 ロータ３の回転円筒部３２が破壊した場合の、固定円筒２４を説明する図である。 固定円筒４４における判断の状況を説明する図である。 溝２４３の変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプユニットＴの概略構成を示したものである。なお、ポンプユニットＴは電源ユニット（不図示）からの電力によって駆動される。このターボ分子ポンプは，例えば、半導体製造装置等に設けられたチャンバの真空排気に用いられる。

図１に示すターボ分子ポンプにおいて、ポンプユニットＴはベース１と、ベース１の上面に固定される略円筒形状のケーシング２と，ケーシング２内に回転可能に設けられたロータ３とを備えている。ベース１とケーシシグ２とは、Ｏリングを介してボルト５２によって締結されている。ケーシング２の上端に設けられた吸気口フランジ部２ａは、図示しない半導体製造装置側の真空チャンバのフランジに、ボルトによって締結される。

高速回転されるロータ３は，遠心カに耐えられるように比強度の高いアルミニウム合金によって構成されている。ロータ３の釣鐘状筒部３０の外周面には、軸方向に間隔をあけて複数段の回転翼３１が形成されている。さらに、釣鐘状筒部３０の下部には、略円筒形状の回転円筒部３２が延設されている。すなわち、高真空側に回転翼３１が，低真空側に回転円筒部３２が設けられている。

ロータ３に形成された回転翼３１の各段の間には、固定翼２１が交互に挿設されている。これらの回転翼３１および固定翼２１によりタービン翼部が構成される。各段の固定翼２１はスペーサ２２を介して積層され、これら固定翼２１とスペーサ２２とにより積層体が形成されている。スペーサ２２は略リング形状を成し、固定翼２１は周方向に２分割した半割れ形状を成している。固定翼２１とスペーサ２２から成る積層体は、ボルト５２の締結力により、ベース１の上端面とケーシング２の上端部との間に挟持されている。積層体の周囲はケーシング２で覆われている。

回転円筒部３２の周囲には、回転円筒部３２の外周面に対向して固定円筒２４が配設されている。固定円筒２４の内周面には螺旋状溝が形成されており、回転円筒部３２と固定円筒２４との隙間が、上下方向のガス通路を形成している。これらの回転円筒部３２および固定円筒２４はモレキュラードラッグポンプ部を構成する。このようなターボ分子ポンプにおいて、ロータ３をモータ６により高速回転させると、ケーシング上端の吸気口８から流入した気体分子は、タービン翼部およびモレキュラードラッグポンプ部の各ガス通路を経て、排気口９から排気される。このガス分子の流れにより吸気口８側が高真空状態となる。

ロータ３は、ベース１の内部に回転可能に支持された回転軸部３ａに締結されている。回転軸部３ａは、上下一対のラジアル磁気軸受４およびアキシャル磁気軸受５により非接触支持され、モータ６により回転駆動される。アキシャル磁気軸受５は、回転軸部３ａの下部に設けられたロータディスク４２を上下から挟むように配置されている。ロータディスク４２は、固定用ナット４３により回転軸部３ａに取り付けられている。モータ６には、例えばＤＣブラシレスモータが用いられる。その場合、回転軸部３ａ側には永久磁石を内蔵するモータロータが装着され、ベース１側には回転磁界を形成するためのモータステータが設けられる。なお、ベース１側には、磁気軸受４、５が作動していないときにロータ３を支持するカニカルベアリング７が設けられている。

ターボ分子ポンプでは、ロータ３は毎分数万回転という高速で回転している。そのため、ロータ３には遠心力による応力が作用し、特に、回転円筒部３２が高応力となる。また、ロータ３は一般的にアルミ合金で形成されクリープ温度が比較的低いため、温度が高い状態で、かつ、高速回転で使用し続けると、クリープ変形が生じやすくなる。そして、ロータ３に何らかの異常が発生して破壊した場合、破壊した回転円筒部３２が、遠心力によって固定円筒２４に衝突し、固定円筒２４にロ−タ３の回転方向と同方向の回転トルクが作用する。この回転トルクはベース１およびケーシング２を介して装置側のフランジに作用し、装置側にダメージを与えるおそれがある。

本実施の形態では、このような回転円筒部３２の破壊に伴って生じる装置側への回転トルクの作用を低減するために、破壊された回転円筒部３２が衝突する固定円筒２４の構造に工夫を施した。

図２(ａ)は、図１に示したターボ分子ポンプの固定円筒２４を示す半断面図である。固定円筒２４は、内周面にねじ溝が形成された円筒部２４０と、固定円筒２４をベース１に固定するためのボルト穴２４２が複数形成されたフランジ部２４１とを備えている。円筒部２４０の外周面すなわちベース対向面には、外周面を一周するように溝２４３が形成されている。このように、円筒部２４０は、薄肉部である溝２４３によって円筒上部２４０ａと円筒下部２４０ｂとが連結された構造を有している。

一方、図２（ｂ）は従来の一般的な固定円筒３４を示す図であり、円筒部３４０とフランジ部３４１とから成る。フランジ部３４１には、ベース１にボルト固定するためのボルト穴３４２が複数形成されている。固定円筒３４には、図２（ａ）に示すような溝２４３は形成されていない。

また、図２（ｃ）は、特許文献１に記載のターボ分子ポンプに用いられている固定円筒（ねじ溝部スペーサ）４４を示したものである。固定円筒４４には、ねじ溝が形成された円筒部４４０とボルト穴４４２が複数形成されたフランジ部４４１との間に、溝４４３が形成されている。図２（ｃ）に示す例では、溝４４３は一周に渡ってリング状に形成されている。

図３は、ロータ３の回転円筒部３２が破壊した場合の、固定円筒２４を説明する図である。図３においては、回転円筒部３２の破壊後の状況を（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に時系列的に示した。固定円筒２４は、ボルト５３によりフランジ部２４１がベース１に固定されている。高速回転中のロータ３は回転円筒部３２が特に高応力となり、ロータ破壊においては、回転円筒部３２の下端から亀裂が発生し、上方に向けて亀裂が進展する場合が多い。そのため、回転円筒部３２が破壊した場合に最初に接触する場所は、固定円筒２４の下部であると考えられる。

図３（ａ）は、破壊された回転円筒部３２が固定円筒２４の下部に衝突した場合を示している。本実施の形態の場合には、フランジ部２４１よりも下側に溝２４３が形成されていて、回転円筒部３２が固定円筒２４に衝突すると、この薄くなっている溝２４３の部分に応力集中が発生する。その結果、固定円筒２４は溝２４３が形成された部分を中心に変形する。この溝２４３を含む部分が変形することにより、回転円筒部３２の運動エネルギーが消費される。

破壊時における回転円筒部３２の運動エネルギーは非常に強大であって固定円筒２４に作用する回転トルクも大きいため、図３（ｂ）に示すように、固定円筒２４の応力集中部（溝２４３が形成された薄肉の部分）は捻切れるように破断する。言い替えれば、ロータ破壊時に、固定円筒２４に破壊した回転円筒部３２が衝突し、固定円筒２４に回転円筒部３２の回転方向と同方向の回転トルクが作用したときに、ボルト５３やフランジ部２４１が破断する前に溝２４３の部分が捻切れて破断するように、溝２４３の部分の強度（溝２４３の幅および深さ）は設定されている。破断して分離した固定円筒２４の円筒下部２４０ｂは、破壊された回転円筒部３２（不図示）と共に回転する。円筒下部２４０ｂは、ベース１と接触しながら回転するため、回転と共に回転エネルギーが減少し、徐々に回転数が低下して停止する。そのため、ベース１、ケーシング２を介して装置側へ伝達される衝撃（回転トルク）が緩和されることになる。

一方、図２（ｂ）に示した従来の固定円筒３４の場合には、本実施形態のような溝が形成されて薄肉となった部分がないので破壊し難く、破壊した場合でも、締結用のボルトが破断する場合が多い。そのため、回転円筒部３２が破壊した時に装置側に伝達される回転トルクが非常に大きいものとなる。

また、図２（ｃ）に示す固定円筒４４の場合、フランジ部４４１の付け根の部分に溝４４３が形成されているので、この溝４４３の部分に応力集中が生る。そのため、固定円筒４４は、回転円筒部の衝突により図４（ａ）に示すように変形し、最後には、図４（ｂ）に示すように溝４４３の部分が引きちぎられるように破壊する。破壊してフランジ部４４１から分離した円筒部４４１は、図３（ｃ）に示す円筒下部２４０ｂの場合と同様に、ベースと接触しながら回転するので徐々に回転数が減少する。

ところで、本実施の形態の場合には、円筒下部２４０ｂが円筒上部２４０ａから分断された後でも、フランジ部２４１および円筒上部２４０ａがベース１に固定されたまま残っているので、回転する円筒下部２４０ｂのポンプ吸気口側への移動は、円筒上部２４０ａによって制限されることになる。

一方、図２（ｃ）に示す固定円筒４４の場合には、図４（ｂ）に示すように、分断された円筒部４４０が、回転しながらポンプ吸気口側（図示上方）へと移動するおそれがある。そのため、円筒部４４０により押し上げられた他の破片や、円筒部４４０そのものが装置側に侵入して装置にダメージを与えるおそれがある。しかし、本実施の形態の場合には、上述したように円筒下部２４０ｂの移動が円筒上部２４０ａによって制限されるので、そのような悪影響を回避することができる。

なお、図２（ａ）に示す例では、フランジ部２４１が接続されている部分に隣接するように溝２４３を形成したが、フランジ部２４１よりも下側（排気下流側）であれば、図５（ａ）に示すような位置にＶ字形状の溝を生成しても良い。また、溝２４３の断面形状はＶ字形状に限らず、図５（ｂ）に示すようなスリット状の溝であっても構わない。さらに、ロータ破壊時に加わる回転トルクによって捻切れるように設定されていれば、溝２４３は固定円筒２４の全周に亘って形成されていなくても構わない。すなわち、間隔を空けて複数の溝を形成するようにしても良い。

なお、本実施の形態では、溝２４３は固定円筒２４の内周面（排気面）ではなく外周面に形成されているので、固定円筒２４に溝２４３を設けてもポンプの排気性能に影響を及ぼすことはない。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、円筒状のロータ３の外周面にタービン翼部（回転翼３１）およびドラッグポンプ部（回転円筒部３２の外周面）が形成されたターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明は、ドラッグポンプ部（回転円筒部３２および固定円筒２４）のみを備えるドラッグポンプ型の真空ポンプにも適用することが出来る。

Claims (4)

1. 回転体に設けられた円筒状ロータ部と、前記円筒状ロータ部の外周側に隙間を介して配置された円筒状のステータとで構成されるドラッグポンプ部を備えた真空ポンプであって、
   前記ステータは、
   ポンプベースに固定される排気上流側円筒部と、
   前記円筒状ロータ部の破壊の際に、前記ステータに前記破壊した円筒状ロータ部が衝突し、前記ステータに前記円筒状ロータ部の回転方向と同方向の回転トルクが作用したときに、破断するように形成された薄肉部を介して、前記排気上流側円筒部の排気下流側に接続された排気下流側円筒部と、を備える。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ドラッグポンプ部よりも排気上流側に配置され、前記回転体の排気上流側に形成された複数段の回転翼と、該複数段の回転翼に対して交互に配設された複数段の固定翼とで構成されるターボポンプ部をさらに備える。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記薄肉部は、前記円筒状のステータの外周面の周方向に形成された溝により構成されている。
4. 請求項３に記載の真空ポンプにおいて、
   前記溝は、前記円筒状のステータの外周面を一周するＶ形状溝である。

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