KR20020078603A - 터보 분자 펌프 - Google Patents

Abstract

터보 분자 펌프가 개시된다. 개시된 장치는, 공기의 흡입구와 배출구를 구비한 전체적으로 원통형의 케이싱, 상기 케이싱의 중심부에 위치하며 그 내부에 장홈이 형성된 회전 가능한 주축, 상기 주축의 외주면에 고정 설치되며 상기 주축과의 사이에 공간을 형성하는 슬리브, 상기 공간내 상기 주축의 외주면에 설치된 로터와, 상기 공간내 상기 슬리브의 내주면에 부착된 스테이터를 구비하여 구성되며 상기 주축이 회전되는 동력을 제공하는 모터, 상기 주축의 외주면에 상기 모터와 병렬로 위치하며 회전하는 주축을 축 방향과 반경 방향으로 지지하는 복수의 에어 포일 베어링 및 상기 장홈이 형성된 주축 내에 위치하며 상기 모터와 상기 에어 포일 베어링에 고압 공기를 공급하는 공기 공급 수단을 구비함을 특징으로 한다.

상기 공기 공급 수단은 상기 장홈이 형성된 주축 내에 고정 설치되어 주축의 회전에 따라 동조하여 회전 가능한 프로펠러로 구성된다.

Description

터보 분자 펌프{Turbo molecular pump}

본 발명은 터보 분자 펌프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주축을 지지하는 래디얼 베어링과 스러스트 베어링을 에어 포일 베어링으로 하여 저가화, 경량화할 수 있는 터보 분자 펌프에 관한 것이다.

반도체 제조 장치 등에 사용되는 진공 장치로서 터보 분자 펌프가 널리 사용되고 있다. 터보 분자 펌프는 스테이터와 로터에 스테이터 날개와 로터 날개를 축방향으로 다단 배치하고, 모터에 의해 로터를 고속 회전시키므로써 진공 처리를 행하는 장치이다.

도 1은 종래의 터보 분자 펌프의 구성을 나타내는 단면도이다. 도면을 참조하면, 대체로 원통형인 펌프의 케이싱(11)에는 공기 흡입구(41)와 배출구(42)가 각각 형성되어 있다. 상기 케이싱(11)의 중심부에는 주축(43)이 그 외주면에 설치된 모터(50)에 의해 고속 회전할 수 있다. 로터 날개(21)가 로터 본체(22)에 방사상으로 부착된 로터(20)는 주축(43)에 고정되어 주축(43)이 회전함에 따라 동조하여 회전 가능하고, 스페이서(31)와 스테이터 날개(32)로 이루어진 스테이터(30)는 상기 케이싱(11)의 내주면에 고정되어 있다. 상기 로터 날개(21)와 스테이터 날개(32)는 주축(43)을 따라 다단으로 서로 번갈아가며 배치되어 있으며 흡입구(41)를 통과한 공기를 이를 통해 펌핑하여 배출구(42)로 토출함으로써 공기가 흡입되는 곳에 진공을 형성한다.

주축(43)을 반경 방향으로 지지하기 위한 래디얼 마그네틱 베어링(60a,60b)이 주축(43)의 외주면에 모터(50)의 상하로 설치된다. 주축(43)을 축 방향으로 지지하기 위한 스러스트 마그네틱 베어링(70)은 주축(43)의 하부에 위치되며, 주축(43)의 하단부에 장착된 디스크(72)와 고정 슬리브(80)에 마련된 상하 전자석(71)을 포함하여 구성된다. 상기와 같은 마그네틱 베어링은 비교적 큰 하중을 지지할 수 있고 안정적인 성능을 보이나, 구조가 복잡하여 터보 분자 펌프를 무겁게 하고 설치 및 보수 유지에 많은 비용이 들게 한다.

주축(43)에 장착된 모터 로터(51)와 고정 슬리브(80)에 고정된 모터 스테이터(52)로 이루어진 모터(50)는 전원이 인가되면 유도 자기가 발생하여 모터 로터(51)가 고속 회전하며 주축(43)을 회전시킨다. 이때 모터(50)에서 열이 발생하게 되는데 이로 인한 장치의 과열을 방지하기 위하여 모터 로터(51)와 모터 스테이터(52) 사이의 공극으로 외부에서 강제로 공기나 물을 공급하고 있다. 이는 터보 분자 펌프의 구조를 복잡하고 무겁게 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 구조가 단순하면서도 성능에 신뢰성이 있는 터보 분자 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주축을 지지하기 위하여 에어 포일 베어링을 사용하여 경량화할 수 있는 터보 분자 펌프를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 터보 분자 펌프의 구성을 나타내는 단면도

도 2는 본 발명의 터보 분자 펌프의 구성을 나타내는 단면도

도 3은 본 발명의 터보 분자 펌프 내에서의 공기의 흐름을 나타내는 흐름도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10,100...터보 분자 펌프20,110...로터

30,120...스테이터41,131...흡입구

42,132...배출구43,133...주축

50,140...모터60...래디얼 마그네틱 베어링

70...스러스트 마그네틱 베어링150...래디얼 에어 포일 베어링

151...스러스트 에어 포일 베어링180...축방향 홈

190...방사상 통공200...프로펠러

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 공기의 흡입구와 배출구를 구비한 전체적으로 원통형의 케이싱, 상기 케이싱의 중심부에 위치하며 그 내부에 장홈이 형성된 회전 가능한 주축, 상기 주축의 외주면에 고정 설치되며 상기 주축과의 사이에 공간을 형성하는 슬리브, 상기 공간내 상기 주축의 외주면에 설치된 로터와, 상기 공간내 상기 슬리브의 내주면에 부착된 스테이터를 구비하여 구성되며 상기 주축이 회전되는 동력을 제공하는 모터, 상기 주축의 외주면에 상기 모터와 병렬로 위치하며 회전하는 주축을 축 방향과 반경 방향으로 지지하는 복수의 에어 포일 베어링 및 상기 장홈이 형성된 주축 내에 위치하며 상기 모터와 상기 에어 포일 베어링에 고압 공기를 공급하는 공기 공급 수단을 구비함을 특징으로 하는 터보 분자 펌프를 제공한다.

본 발명은, 상기 공기 공급 수단이 상기 장홈이 형성된 주축 내에 고정 설치되어 주축의 회전에 따라 동조하여 회전 가능한 프로펠러로 구성됨을 특징으로 하는 터보 분자 펌프를 제공한다.

본 발명은, 상기 에어 포일 베어링이 상기 모터의 상하로 위치하며 상기 주축을 반경 방향으로 지지하는 상하 래디얼 에어 포일 베어링과, 상기 주축의 하단부에 위치하며 상기 주축을 축 방향으로 지지하는 쓰러스트 에어 포일 베어링으로 구성됨을 특징으로 하는 터보 분자 펌프를 제공한다.

본 발명은, 상기 상하 래디얼 에어 포일 베어링이 상기 주축의 외주면과 상기 슬리브의 내주면 사이에 위치한 탄성 포일을 구비하여 구성되고, 상기 쓰러스트 에어 포일 베어링은 상기 주축의 외주면 하단부에 고정 장착된 디스크와, 상기 디스크의 외면과 상기 슬리브의 하단부 내면 사이에 위치한 탄성 포일을 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 터보 분자 펌프를 제공한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 분자 펌프의 구성을 나타내는 단면도이다. 도면을 참조하면, 전체적으로 종래의 터보 분자 펌프와 마찬가지로 원통형인 펌프의 케이싱(101)에는 공기 흡입구(131)와 배출구(132)가 각각 형성되어 있다. 상기 케이싱(101)의 중심부에는 주축(133)이 그 외주면에 설치된 모터(140)에 의해 고속 회전할 수 있다. 로터 날개(111)가 로터 본체(112)에 방사상으로 부착된 로터(110)는 주축(133)에 고정되어 주축(133)이 회전함에 따라 동조하여 회전 가능하고, 스페이서(121)와 스테이터 날개(122)로 이루어진 스테이터(120)는 상기 케이싱(101)의 내주면에 고정되어 있다. 상기 로터 날개(111)와 스테이터 날개(122)는 주축(133)을 따라 다단으로 서로 번갈아가며 배치되어 있으며 흡입구(131)를 통과한 공기를 이를 통해 펌핑하여 배출구(132)로 토출함으로써 공기가 흡입되는 곳에 진공을 형성한다.

모터(140)의 상하에는 주축(133)을 반경 방향으로 지지하는 래디얼 에어 포일 베어링(150a,150b)이 설치된다. 주축(133)의 외주면과 고정 슬리브(170)의 내주면이 대향 배치되어 베어링면을 형성하며 상기 베어링면에는 탄성력을 가지는 포일이 중첩되도록 용접되어 있다. 주축(133)이 회전하면, 포일과 주축(133) 사이의 공간으로 유입되는 고압의 가스로 인하여 탄성력을 가지는 포일이 주축(133)으로부터 멀어지는 방향으로 변형하게 되고, 주축(133)은 상기 포일로부터 부상한다. 즉, 주축(133)은 초기 속도로부터 정상 회전 속도에 도달할 때까지는 탄성 포일의 외면과 계속 접촉해 있다가 유입되는 고압 가스로 인해 탄성 포일이 탄성 변형되면서 탄성 포일로부터 부상하여 회전하게 된다.

주축(133)의 하단부에는 주축(133)에 고정 장착된 디스크(160)와 이를 에워싸는 고정 슬리브(170) 하단부의 구조가 주축(133)을 축 방향으로 지지하는 쓰러스트 에어 포일 베어링을 형성한다. 상술한 래디얼 에어 포일 베어링(150a,150b)과 마찬가지로 디스크(160)의 외면과 고정 슬리브(170)의 하단부의 내면이 대향 배치되어 베어링면을 형성하며. 상기 베어링면에는 탄성 포일이 중첩되도록 용접되어 있어, 고압 가스가 유입되면 회전하는 디스크(160)는 탄성 포일이 탄성 변형되면서 탄성 포일로부터 부상한다.

주축(133)의 하단부에는 축 방향으로 장홈(180)이 형성되어 있고 상기 장홈(180)의 폐색부에는 주축(133)의 반경 방향으로 고압 공기를 배출하는 통공(190)이 방사상으로 형성되어 있다. 상기 장홈(180)의 내주면에는 하나 이상의 프로펠러(200)가 고정 설치되어 있어, 주축의 고속 회전에 따라 상기 프로펠러(200)가 동조 회전하며 장홈(180)의 폐색부로 압축 공기를 토출할 수 있다. 압축된 공기는 방사상으로 형성된 통공(190)을 통해 고정 슬리브(170)의 내부 공간으로 유출되며 그 일부는 모터 로터(141)와 모터 스테이터(142) 사이의 공극을 통과함으로써 모터(140)의 과열을 막을 수 있다.

도 3은 도 2의 터보 분자 펌프내에서의 공기의 흐름을 나타내는 흐름도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 작용을 설명하면, 진공을 필요로 하는 목적 지점으로부터 흡입구(131)로 공기가 유입되면 주축(133)의 회전에 따라 회전하는 로터 날개(111)와 스테이터 날개(122)를 통과하며 다단 펌핑되어 배출구(132)를 통하여 외부로 배출된다. 주축(133)이 회전함에 따라 주축(133)내의 장홈(180)에 고정 설치된 프로펠러(200)가 고속 회전하여 주축(133) 하단의 외부로부터 공기가 인입 압축되고, 압축된 공기는 주축(133)의 반경 방향으로 방사상 형성된 통공(190)을 통해 고정 슬리브(170) 내부의 공간으로 유입한다. 유입된 공기중 일부는 회전하는 모터 로터(141)와 모터 스테이터(142) 사이의 공극을 통과하여 모터(140)의 과열을 막는다. 연속하여 주축(133)의 상부에 있는 래디얼 에어 포일 베어링(150a)의 베어링면을 통과하고 로터 본체(112)와 고정 슬리브(170) 사이의 공기 통로를 거쳐 상기한 흡입구(131)로부터 펌핑된 공기와 합쳐지고 배출구(132)를 통하여 외부로 배출된다. 상기 고정 슬리브(170) 내부 공간으로 유입된 공기중 나머지 일부는 주축(133)의 하부에 있는 래디얼 에어 포일 베어링(150b)과 쓰러스트 에어 포일 베어링(151)의 베어링면을 연속하여 통과하고 주축(133)의 하단을 통하여 외부로 배출된다.

도면에 도시되지는 않았으나 상기한 프로펠러(200)를 대신하여 외부에서 가압된 공기를 주축(133)내의 축 방향 홈(180)과 반경 방향의 통공(190)을 통하여 토출할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 터보 분자 펌프는 주축을 지지하는 베어링을 에어 포일 베어링으로 대체하고 주축에 축 방향의 장홈을 형성하여 이로 부터 압축 공기를 베어링면과 모터에 공급함으로써 다음과 같은 효과를 얻는다.

첫째, 주축에 형성된 축 방향의 장홈으로 인해 장치 자체의 무게가 감소되고 모터의 부하가 줄게 되어 터보 분자 펌프의 효율이 향상될 수 있다.

둘째, 주축의 무게가 감소함에 따라 에어 포일 베어링으로도 충분히 안정적인 지지가 가능하게 되어, 주축 지지 베어링의 구조가 단순화되고 설치 및 유지 보수에 드는 비용을 절감할 수 있다.

셋째, 주축의 반경 방향의 통공으로부터 토출된 고압의 공기를 이용하여 모터를 냉각함으로써 외부로부터 냉각을 위해 물이나 공기를 인입할 필요가 없어 장치의 구조를 단순화할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 공기의 흡입구와 배출구를 구비한 전체적으로 원통형의 케이싱;

   상기 케이싱의 중심부에 위치하며 그 내부에 장홈이 형성된 회전 가능한 주축;

   상기 주축의 외주면에 고정 설치되며 상기 주축과의 사이에 공간을 형성하는 슬리브;

   상기 공간내 상기 주축의 외주면에 설치된 로터와, 상기 공간내 상기 슬리브의 내주면에 부착된 스테이터를 구비하여 구성되며 상기 주축이 회전되는 동력을 제공하는 모터;

   상기 주축의 외주면에 상기 모터와 병렬로 위치하며 회전하는 주축을 축 방향과 반경 방향으로 지지하는 복수의 에어 포일 베어링; 및

   상기 장홈이 형성된 주축 내에 위치하며 상기 모터와 상기 에어 포일 베어링에 고압 공기를 공급하는 공기 공급 수단을 구비함을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
2. 상기 제 1 항에 있어서,

   상기 공기 공급 수단은 상기 장홈이 형성된 주축 내에 고정 설치되어 주축의 회전에 따라 동조하여 회전 가능한 프로펠러로 구성됨을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
3. 상기 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 에어 포일 베어링은,

   상기 모터의 상하로 위치하며 상기 주축을 반경 방향으로 지지하는 상하 래디얼 에어 포일 베어링과;

   상기 주축의 하단부에 위치하며 상기 주축을 축 방향으로 지지하는 쓰러스트 에어 포일 베어링으로 구성됨을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.
4. 상기 제 3 항에 있어서,

   상기 상하 래디얼 에어 포일 베어링은,

   상기 주축의 외주면과 상기 슬리브의 내주면 사이에 위치한 탄성 포일을 구비하여 구성되고,

   상기 쓰러스트 에어 포일 베어링은,

   상기 주축의 외주면 하단부에 고정 장착된 디스크와;

   상기 디스크의 외면과 상기 슬리브의 하단부 내면 사이에 위치한 탄성 포일을 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 터보 분자 펌프.