KR20230119763A - 터보 분자 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 분자 펌프에 관한 것으로, 회전축에 접촉되지 않은 때, 터치다운 베어링이 회전축의 회전에 따라 공전하는 것을 방지할 수 있는 터보 분자 펌프에 관한 것이다.

Description

터보 분자 펌프{Turbo molecular pump}

본 발명은 회전축에 접촉되지 않은 때, 터치다운 베어링이 회전축의 회전에 따라 공전하는 것을 방지할 수 있는 터보 분자 펌프에 관한 것이다.

터보 분자 펌프는 다단의 로터 날개를 고속회전시켜 다양한 제조산업에서 고진공 및 고속배기를 목적으로 사용되는 진공펌프 장치이다.

터보 분자 펌프는, 흡기구 및 배기구를 갖는 하우징의 내부에서 로터가 고속 회전하는 구조를 갖는다. 상기 하우징 내부에 스테이터가 다단으로 설치되어 있으며, 한편, 로터에는 방사형으로 회전 블레이드가 마련되어 있고, 회전 블레이드는 다단으로 설치되어 있다.

이러한 구조에서, 로터가 고속 회전하면, 회전 블레이드와 스테이터의 작용에 의해 기체가 흡기구로 흡인되어, 배기구로 배기된다.

상기 터보 분자 펌프는 흡기구에서 배기구까지, 회전 블레이드 및 스테이터를 포함하는 터보부 및 터보부 하류의 나사 홈 유로부를 포함하는 드래그(drag)부를 포함한다.

터보 분자 펌프는 배기를 위한 로터부 및 나사 홈 유로부가 조합된 회전체를 자기베어링으로 자기 부상하여 비접촉인 상태에서 구동하도록 되어 있다.

터치다운 베어링은 비접촉인 상태의 회전체를 접촉하였을 때 가해지는 충격을 견디도록 베어링 볼 이 세라믹과 같은 재질을 사용한다.

터치다운 베어링은 회전체의 정지 또는 제어 이상 시에 회전축의 외주면과 베어링 내륜이 접촉하여 회전체의 손상을 최소화하기 위한 것으로 회전체와 베어링간에 작은 간극이 존재하며, 회전체가 자기 부상된 상태에서는 회전체와 비접촉되어 있다.

이러한 재질과 구성으로 되어 있는 터치다운 베어링은 자기 베어링에 인접하였기 때문에 회전축에 접촉되어 있지 않음에도 불구하고 내륜이 자기장에 의해 공전할 수 있어 정상 회전 시에 문제가 발생할 가능성이 높다.

본 발명은 회전축에 접촉되지 않은 때, 터치다운 베어링이 회전축의 회전에 따라 공전하는 것을 방지할 수 있는 터보 분자 펌프를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 흡기구와 배기구를 갖는 케이스, 케이스 내에 배치된 회전축, 회전축에 지지되며, 회전축의 축 방향을 따라 복수 단의 회전 블레이드를 포함하는 로터부, 회전축의 회전 정지 시 또는 제어 이상 시 회전축에 접촉하도록 마련된 내륜, 내륜에 지지된 복수 개의 볼 및 볼을 둘러싸는 외륜을 포함하는 터치 다운 베어링, 터치 다운 베어링의 외륜을 지지하는 상부 하우징 및 상부 하우징에 삽입되며, 상기 볼을 외륜 측으로 당기도록 마련된 자화된 부재를 포함하는 터보 분자 펌프가 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 터보 분자 펌프는 다음과 같은 효과를 갖는다.

회전축에 접촉되지 않은 때, 터치다운 베어링이 회전축의 회전에 따라 공전하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 자화된 부재로 인해 터치다운 베어링 에서 1개 이상의 강자성체 볼을 흡착하여 공전하는 것을 방지하고, 터치다운하여 회전 시 큰 토크가 작용하기 때문에, 자화된 부재의 흡착력은 거의 무시할 수 있어 회전을 방해하지 않는다.

또한, 터치다운 베어링에 충격이 가해질 때 고강성의 강자성체를 사용하기 때문에 파손될 확률을 방지한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 터보 분자 펌프를 나타내는 개략도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 터치다운 베어링 영역의 확대도이다.
도 4 및 도 5는 터치 다운 베어링을 나타내는 평면도들이다.
도 6은 터치 다운 베어링을 나타내는 요부 평면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 분자 펌프를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 터보 분자 펌프(1)를 나타내는 개략도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 도 1에 도시된 터치다운 베어링 영역의 확대도이다.

본 문서에 따른 터보 분자 펌프는, 상기 터보 분자 펌프는, 예를 들어 반도체 또는 디스플레이 제조 장치 내에 설치될 수 있고, 진공 챔버로부터 프로세스 가스의 배출을 행할 때에 이용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 터보 분자 펌프(1)는 흡기구(11)와 배기구(12)를 갖는 케이스(10), 및 케이스(10) 내에 배치된 회전축(20)을 포함한다. 상기 케이스(10)는 터보 분자 펌프(1)의 외장체를 구성하며, 대략 원통 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 케이스(10)는 복수 개의 하우징, 예를 들어, 2개 이상의 하우징(13, 14)이 조립된 구조를 가질 수 있다.

또한, 케이스(10) 내부에는 가스 분자를 배기하기 위하여, 가스 분자를 이송하기 위한 기체 이송부가 마련되며, 상기 기체 이송부는 터보부(T) 및 드래그(drag)부(D)를 포함한다. 상기 터보부(T)는 회전 가능하게 축 지지된 회전 블레이드(31 ~37) 및 케이스(10) 내에 고정된 스테이터(40)를 포함한다.

도 1을 참조하면, 상기 터보 분자 펌프(1)는 회전 블레이드(31 ~37) 및 스테이터(40: 41~47)를 포함하고, 상기 터보 분자 펌프(1)는 회전 블레이드(31 ~37)의 회전에 따라 가스 분자를 드래그부 측으로 배기하는 터보부(T), 가스 분자의 배기방향을 따라 터보부(T)의 하류에 배치되어 나사 홈 유로부(50)를 통해 가스 분자를 배기하는 배기하는 드래그부(D)를 포함한다.

또한, 상기 터보부(T)는 회전축(20)에 지지되며, 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 복수 단의 회전 블레이드(31 내지 37)를 포함하는 로터부(30)를 포함한다. 복수 단의 회전 블레이드는 각각 회전축(20)을 기준으로 반경방향(x축 방향)을 따라 연장된다.

또한, 스테이터(40)는 링 형상의 내륜, 내륜과 동심으로 배치되고, 내륜보다 큰 직경을 갖는 외륜, 및 내륜과 외륜을 연결하는 복수 개의 고정 블레이드를 포함할 수 있다. 또한, 스테이터(40)는 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 복수 단으로 구성되고, 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 인접하는 2개의 회전 블레이드 사이에 각각 위치하게 된다. 즉, 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 회전 블레이드, 스테이터, 회전 블레이드, 및 스테이터 순으로 차례로 배치된다. 도 1에는 총 7단의 회전 블레이드 및 스테이터가 배치된 경우가 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

또한, 터보부(T)는 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 인접하는 2개의 스테이터 사이의 간격을 유지하도록 배치된 스페이서(90)를 포함한다.

또한, 터보부(T)는 스테이터 및 스페이서를 외곽에서 함께 둘러싸는 가이드(901)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 가이드(901)는 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 인접하여 배치된 복수 개의 스테이터 및 복수 개의 스페이서를 외곽에서 함께 둘러싸도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 터보 분자 펌프(1)의 케이스(10)는 터보부(T)를 둘러싸는 제1 하우징(13), 및 드래그부(D)를 둘러싸며, 배기관(80)이 장착된 제2 하우징(14)을 포함한다. 또한, 터보 분자 펌프(1)는 터보부(T)가 안착되며, 제1 및 제2 하우징(13, 14) 사이에 배치된 가이드 스페이서(60)를 포함한다. 회전축(20)의 축 방향에 따른 최하단의 스페이서(90)가 상기 가이드 스페이서(60)에 안착될 수 있다.

또한, 회전축의 축방향을 따라 최하단에 위치하는 가이드(901)는 제1 하우징(13) 내에 배치되며, 가이드 스페이서(60) 내에 일부 영역이 삽입되어, 위치가 고정될 수 있다.

상기 터보 분자 펌프(1)는 드래그부(D)와 연결된 배기관(12) 및 터보부(T) 및 드래그부(D)를 연결하는 연결 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 버퍼 챔버(100)를 포함한다.

버퍼 챔버(100)는 터보부(T)를 통과한 가스 분자의 적어도 일부가 드래그부(D)로 유입되기 이전에, 버퍼 챔버(100) 내부로 유입되도록 배치된다. 즉, 상기 버퍼 챔버(100)는 터보부(T)와 드래그부(D) 사이의 연결 유로 상에 마련되며, 공정가스 유량 부하에 의해 터보부 및 드래그부 사이의 압력이 일시적으로 증가하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명에서, 터보부(T) 및 드래그부(D)와 같은 다른 메커니즘의 펌프 조합 시, 회전 메커니즘이 변경되는 영역에서의 순간적인 높은 압력을 해소하기 위해 상기 영역에 완충을 위한 버퍼 챔버(100)가 마련된다.

상기 연결 유로는 회전축(20)의 축 방향의 최하단 블레이드(37)의 하방영역 및 나사 홈 유로부(50)의 유입구 사이 공간을 지칭한다.

일 실시예로, 버퍼 챔버(100)는 가이드 스페이서(60) 및 드래그부(D) 사이에 마련될 수 있다. 구체적으로, 버퍼 챔버(100)는 가이드 스페이서(60) 및 나사 홈 유로부(50) 사이에 마련될 수 있다.

또한, 상기 터보 분자 펌프(1)에는 가이드 스페이서(60) 및 제2 하우징(14) 사이에 온도조절장치(70)가 배치될 수 있다. 일 실시예로, 상기 온도조절장치(70)는 냉각을 위한 장치로서, 일예로 수냉관일 수 있다.

또한, 터보 분자 펌프(1)는 상기 로터부(30)가 회전축(20)에 고정되어 함께 회전되며, 상기 회전축(20)은 모터에 의해 회전될 수 있다.

특히, 터보 분자 펌프(1)는 로터부(100) 회전 시 로터부(100)를 자기베어링에 의해 비접촉 지지하고 있으며, 회전 상태에서는 회전축(20)의 외주면에 근접 배치된 2개의 래디얼 자기베어링과 회전축(20)에 일체로 형성된 플랜지부의 상하에 배치된 한 쌍의 액셜 자기 베어링에 의해 자기 부상 상태에서 비접촉 지지된다.

또한, 터보 분자 펌프(1)는 터치다운 베어링(200)을 포함하며, 터치 다운 베어링(200)은 회전축(20)의 정지 시 및 제어 이상 시에 회전축(20)과 래디얼 자기베어링 및 액셜 자기 베어링이 접촉해서 손상하는 것으로부터 보호하기 위한 구름 베어링이다.

터치다운 베어링(200)과 회전축(20)의 외주면 사이 간격은 각각의 자기 베어링과 회전축(20)의 외주면 사이 간격 보다 작다. 이러한 구조에서, 회전축(20)이 자기 베어링에 의해 자기 부상 상태에서 회전 지지되어 있는 상태에서, 회전축(20)은 터치다운 베어링(200)에 대해서 비접촉 상태를 유지하지만, 회전축(20)의 정지 시, 또는 외력의 작용 등에 의한 제어 이상 시에는 회전축(20)이 각 자기 베어링에 접촉하기 전에 터치다운 베어링(200)의 내륜에 접촉해 회전 지지된다. 상기 터치다운 베어링(200)은 회전축의 축 방향 상단부 및 하단부 중 하나 이상에 배치될 수 있다. 도 1 및 도 2에는 터치다운베어링(200)이 회전축(20)의 축방향 상단부에만 적용되어 있으나, 회전축(20)의 축방향 하단부에도 함께 적용될 수 있다.

도 4 및 도 5는 터치 다운 베어링을 나타내는 평면도들이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 터보 분자 펌프는 흡기구(11)와 배기구(12)를 갖는 케이스(10), 케이스(10) 내에 배치된 회전축(20), 및 회전축(20)에 지지되며, 회전축의 축 방향을 따라 복수 단의 회전 블레이드를 포함하는 로터부(30)를 포함한다.

또한, 터보 분자 펌프는 회전축(20)의 회전 정지 시 또는 제어 이상 시 회전축에 접촉하도록 마련된 내륜(210), 내륜(210)에 지지된 복수 개의 볼(220) 및 볼(220)을 둘러싸는 외륜(230)을 포함하는 터치 다운 베어링(200)을 포함한다. 이때 내륜(210)이 회전륜의 기능을 수행하도록 마련될 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 터보 분자 펌프(1)는 터치 다운 베어링(200)의 외륜(230)을 지지하는 상부 하우징(16) 및 상부 하우징(16)에 삽입되며, 상기 볼(220)을 외륜(230) 측으로 당기도록 마련된 자화된 부재(300)를 포함한다.

상기 상부 하우징(16)은 로터부(30) 내부에 배치되며, 터치다운 베어링(200) 및 회전축(20)에 인접한 자기 베어링을 둘러싸도록 마련된다. 또한, 미설명 부호 17은 상부 하우징에 결합되는 하부 하우징을 나타낸다. 상부 하우징(16)과 하부 하우징(17)은 일체 또는 분리된 형태로 형성될 수 있다. 한편, 미설명 부호 240은 터치다운 베어링(200)을 둘러싸는 커버부로서, 상기 커버부(240)는 상부 하우징(16)에 장착될 수 있다.

본 문서에서, 자화된 부재(300)는 자성체를 당기는 힘이 있도록 처리된 부재로서, 영구자석을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자화된 부재(300)는 알니코(AlNico)자석, 페라이트(Ferrite)자석, 희토류자석, 고무자석, 또는 플라스틱 자석을 포함할 수 있다.

터치다운 베어링(200)의 적어도 하나의 볼(210)은 금속 재질로 형성될 수 있다. 또한, 터치다운 베어링(200)의 적어도 하나의 볼(210)은 강자성체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 강자성체 볼은 SUS400계열의 마르텐사이트계 스테인리스 강 종류의 볼일 수 있다.

또한, 적어도 하나의 볼은 세라믹으로 형성될 수 있다. 세라믹으로 형성된 볼은 자화된 부재에 의하여 영향을 받지 않는다.

상기 터치다운 베어링(200)은 복수 개의 볼을 포함하되, 강자성체 볼 및 세라믹 볼을 포함할 수 있다. 즉, 터치다운 베어링(200)은 내륜(210)과 외륜(230) 사이에 배치된 복수 개의 강자성체 볼 및 복수 개의 세라믹 볼을 포함할 수 있다.

강자성체로 형성된 볼의 개수는 세라믹으로 형성된 볼의 개수 이하일 수 있고, 강자성체로 형성된 볼의 직경은 세라믹으로 형성된 볼의 직경 이하일 수 있다.

구체적으로, 강자성체로 형성된 볼('강자성체 볼'이라고도 함)의 개수는 세라믹으로 형성된 볼('세라믹 볼'이라고도 함)의 개수와 동일할 수도 있고, 강자성체로 형성된 볼('강자성체 볼'이라고도 함)의 개수는 세라믹으로 형성된 볼('세라믹 볼'이라고도 함)의 개수 보다 작을 수 있다.

또한, 강자성체 볼의 직경은 세라믹 볼의 직경과 동일할 수도 있고, 강자성체 볼의 직경은 세라믹 볼의 직경 보다 작을 수 있다.

또한, 내륜(210) 및 외륜(230)은 스테인리스 스틸(SUS) 재질로 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 자화된 부재(300)는 회전축(20)의 회전방향을 따라 연속하여 형성된 링 형상을 가질 수 있다. 자화된 부재(300)는 원통형으로 링 형상을 가질 수 있다.

또한, 도 5를 참조하면, 자화된 부재는 복수 개로 구비되며, 복수 개의 자화된 부재(310)는 회전축(20)의 회전방향을 따라 소정 간격 떨어져 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 자화된 부재(310)는 회전축(20)의 회전방향을 따라 동일한 간격으로 떨어져 배치될 수 있다.

도 6은 터치 다운 베어링을 나타내는 요부 평면도이다.

도 6을 참조하면, 터치다운 베어링의 내륜(210) 및 회전축(20) 사이 간격(d)은 외륜(230) 및 상부 하우징(16) 사이 간격보다 클 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 자화된 부재(320)는 링 형태가 원주방향을 따라 분절된 형태를 가질 수도 있다.

또한, 외륜(230)은 상부 하우징(16)에 끼워 맞춤 고정될 수 있다.

또한, 상기 터보 분자 펌프는 외륜(230) 및 상부 하우징(16) 사이에 배치된 탄성부재(400)를 포함할 수 있고, 상기 탄성부재는 리본 댐퍼일 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1: 터보 분자 펌프
10: 케이스
30: 로터부
40: 스테이터
200: 터치다운 베어링
300: 자화된 부재

Claims (12)

1. 흡기구와 배기구를 갖는 케이스;
   케이스 내에 배치된 회전축;
   회전축에 지지되며, 회전축의 축 방향을 따라 복수 단의 회전 블레이드를 포함하는 로터부;
   회전축의 회전 정지 시 또는 제어 이상 시 회전축에 접촉하도록 마련된 내륜, 내륜에 지지된 복수 개의 볼 및 볼을 둘러싸는 외륜을 포함하는 터치 다운 베어링;
   터치 다운 베어링의 외륜을 지지하는 상부 하우징;
   상부 하우징에 삽입되며. 상기 볼을 외륜 측으로 당기도록 마련된 자화된 부재를 포함하는 터보 분자 펌프.
2. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 볼은 금속 재질로 형성된 터보 분자 펌프.
3. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 볼은 강자성체로 형성된 터보 분자 펌프.
4. 제 3 항에 있어서,
   적어도 하나의 볼은 세라믹으로 형성된 터보 분자 펌프.
5. 제 4 항에 있어서,
   강자성체로 형성된 볼의 개수는 세라믹으로 형성된 볼의 개수 이하인 터보 분자 펌프.
6. 제 4 항에 있어서,
   강자성체로 형성된 볼의 직경은 세라믹으로 형성된 볼의 직경 이하인 터보 분자 펌프.
7. 제 1 항에 있어서,
   내륜 및 외륜은 스테인리스 스틸 재질로 형성된 터보 분자 펌프.
8. 제 1 항에 있어서,
   자화된 부재는 회전축의 회전방향을 따라 연속하여 형성된 링 형상을 갖는 터보 분자 펌프.
9. 제 1 항에 있어서,
   자화된 부재는 복수 개로 구비되며,
   복수 개의 자화된 부재는 회전축의 회전방향을 따라 소정 간격 떨어져 배치된 터보 분자 펌프.
10. 제 1 항에 있어서,
    내륜 및 회전축 사이 간격은 외륜 및 상부 하우징 사이 간격보다 큰 터보 분자 펌프.
11. 제 10 항에 있어서,
    외륜은 상부 하우징에 끼워 맞춤 고정된 터보 분자 펌프.
12. 제 1 항에 있어서,
    외륜 및 상부 하우징 사이에 배치된 탄성부재를 추가로 포함하는 터보 분자 펌프.
    

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