WO2010016141A1

WO2010016141A1 - 回転真空ポンプ

Info

Publication number: WO2010016141A1
Application number: PCT/JP2008/064346
Authority: WO
Inventors: 胤芳中山
Original assignee: 株式会社島津製作所
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-02-11
Also published as: JPWO2010016141A1; JP5365634B2

Abstract

　ベース３に回転可能に支持されたロータ４と、ロータ４の周囲に配設されたステータ４３と、ステータ４３が収容される外側ケーシング２と、ベース３のフランジ面３１と外側ケーシング２の第１のフランジ面２７とを締結する締結具７１と、ステータ４８と外側ケーシング２の間の周方向の隙間に配設される略円筒形状の内部ケーシング１０と、内部ケーシング１０の内周面に係合されるリング部材１１と、リング部材１１の一端面とベース３のフランジ面３１との間に介装されるシール部材１２と、リング部材１１の他端面と外側ケーシング２の第２のフランジ面２３との間で内部ケーシング１０を弾性支持する弾性体１３とを備える。

Description

回転真空ポンプ

　本発明は、ターボ分子ポンプ等の回転真空ポンプに関する。

　ケーシング内で高速回転する回転体を有するターボ分子ポンプにおいては、回転体が破壊した際のエネルギーが、外側のケーシングに直接伝達されるのを防ぐようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載のものは、外側ケーシングの内側にさらにケーシングを配設し、この内部ケーシングの端部とベースの間にＯリングを介装する。そして、外側ケーシングとベースをボルトで締結することにより、Ｏリングを介して内側ケーシングを弾性支持する。

特開２００３－２６２１９８号公報

　しかしながら、上記特許文献１記載のターボ分子ポンプでは、内部ケーシングとベースの間にＯリングを介装するので、Ｏリングの圧縮の程度がボルトの締結力によってばらつき、内部ケーシングを精度よく弾性支持することができない。

　本発明による回転真空ポンプは、ベース部材に回転可能に支持されたロータと、ロータの周囲に配設されたステータと、ステータが収容される外側ケーシングと、ベース部材のフランジ面とこのフランジ面に面して外側ケーシングの一端側に設けられた第１のフランジ面とを締結する締結具と、ステータと外側ケーシングの間の周方向の隙間に配設される略円筒形状の内部ケーシングと、内部ケーシングの内周面に係合される係合部材と、係合部材の一端面とベース部材のフランジ面との間に介装され、締結具の締結力によりベース部材のフランジ面をシールするシール部材と、係合部材の他端面とこの他端面に面して外側ケーシングの他端側かつ外側ケーシングの周壁の内径側に設けられた第２のフランジ面との間で、締結具の締結力により内部ケーシングを弾性支持する弾性部材とを備える。
　弾性部材を、係合部材の他端面と内部ケーシングの一端面の間に介装するようにしてもよい。
　外側ケーシングの一端部に、内径側に厚肉化された厚肉部を設け、この厚肉部に係合部材を係合するための段部を形成することもできる。
　この場合、締結具をボルトとし、厚肉部にボルトを螺合するためのねじ穴を設けることが好ましい。
　内部ケーシングおよびステータに、内部ケーシングの径方向外側空間とステータの径方向内側空間とを連通する貫通孔をそれぞれ設けることもできる。
　ロータが、複数段の回転翼を有し、ステータが、複数段の静止翼を積層した積層体を有し、積層体を、締結具の締結力によりベース部材のフランジ面と外側ケーシングの第２のフランジ面との間で挟持するようにしてもよい。
　ベース部材のフランジ面に、積層体の一端部を位置決めする第１の位置決め部を設け、外側ケーシングの第２のフランジ面に、積層体の他端部を位置決めする第２の位置決め部を設けることもできる。

　本発明によれば、外側ケーシングの内周面に係合部材を設け、この係合部材と外側ケーシングのフランジ面の間で弾性部材を介して内部ケーシングを弾性支持するようにしたので、弾性部材の弾性力のばらつきが少なく、内部ケーシングを精度よく弾性支持することができる。

本発明の実施の形態に係るターボ分子ポンプの要部構成を示す断面図。図１の比較例としてのターボ分子ポンプの全体構成を示す断面図。

　以下、図１，２を参照して本発明による回転真空ポンプの実施の形態について説明する。
　図１（ａ）は、本発明による回転真空ポンプの一実施の形態であるターボ分子ポンプの要部構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ部拡大図である。図２は、図１の比較例としてのターボ分子ポンプの全体構成を概略的に示す断面図である。このターボ分子ポンプは、例えば半導体製造装置に用いられる真空ポンプであり、まず、図２によりターボ分子ポンプの概略構成について説明する。なお、説明の便宜上、以下では図示のようにターボ分子ポンプの上下方向を定義する。

　図２に示すようにターボ分子ポンプのポンプ本体１は、略円筒形状の外側ケーシング２と、外側ケーシング２の下部に取り付けられるベース３と、外側ケーシング２に収容され、ベース３に回転可能に支持されるロータ４とを有する。外側ケーシング２の上部フランジ２１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固定される。

　ロータ４の外周面には、上下方向に間隔をあけて複数段の回転翼４１が形成され、各段の回転翼４１の間に固定翼４３が交互に挿設されている。各段の固定翼４３はスペーサ４８を介して積層されている。ロータ４の回転翼４１の下方には回転円筒部４２が形成されている。ベース３側には回転円筒部４２に対向して固定円筒部が４４が設けられ、固定円筒部４４の内周面に螺旋状溝が形成されている。以上の回転翼４１と固定翼４３はタービン翼部を構成し、回転円筒部４２と固定円筒部４４はモレキュラードラッグポンプ部を構成する。

　ロータ４は、上下一対のラジアル磁気軸受け５１およびアキシャル磁気軸受け５２により非接触支持され、モータ６により回転駆動される。磁気軸受け５１，５２には、ロータ４の浮上位置を検出するためのラジアル変位センサ５３，５４およびスラスト変位センサ５５がそれぞれ設けられている。モータ６は例えばＤＣブラシレスモータであり、ロータ４のシャフト部４５に、永久磁石が内蔵されたモータロータ６１が装着され、ベース３側に、回転磁界を形成するためのモータステータ６２が設けられている。

　シャフト部４５の下端にはセンサターゲット４６が設けられ、センサーターゲット４６と対向する位置にギャップセンサ５５が設けられている。なお、５６，５７は、非常用のメカニカルベアリングである。

　このようなターボ分子ポンプ１では、ロータ４の高速回転により吸気口１ａからガス分子が流入し、このガス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ガス通路をそれぞれ経て排気口１ｂから排気される。このガス分子の流れにより吸気口１ａ側が高真空状態となる。

　何らかの原因により高速回転中のロータ４が破壊すると、遠心力によってロータ４が周囲に飛散し、その飛散物により外側ケーシング２にはロータ４の回転方向と同方向の回転トルクが作用する。この回転トルクは上部のフランジ２１を介して真空系のフランジに作用するため、真空系の装置が破損するおそれがある。これを防止するため、本実施の形態では以下のように外側ケーシング２の内側に内部ケーシング１０を設ける。

　図１（ｂ）に示すようにベース３の上面には周方向にわたってフランジ面３１が形成され、さらにフランジ面３１の内側に周方向にわたってフランジ面３２が形成されている。フランジ面３２は、周壁３３を介してフランジ面３１よりも上方に設けられている。フランジ面３２の外径側端部には、周方向にわたって凸部３４が形成され、この凸部３４に位置決めされた状態で、最下段の静止翼４３のフランジ部４３１がフランジ面３２上に設置されている。

　フランジ部４３１の上面には、所定厚さのスペーサ４８が搭載され、さらにスペーサ４８の上面に下から２番目の静止翼４３が搭載されている。このように最上段のスペーサ４８に至るまで、静止翼４３とスペーサ４８が交互に積層され、全体で積層体４００が構成される。各静止翼４３のフランジ部４３１の上下面にはそれぞれ段部４３２が設けられ、段部４３２を介して静止翼４３とスペーサ４８が積層され、静止翼４３が径方向に位置決めされている。なお、静止翼４３は周方向に半割れ状に分割されており、ロータ４の回転翼４１の間に周方向外側から挿入され、積層される。

　図１（ａ）に示すように外側ケーシング２の上部フランジ部２１には、周壁２２の内周面よりも内径側に突出した内径フランジ部２１ａが設けられ、内径フランジ部２１ａの下面にフランジ面２３が形成されている。フランジ面２３の内径側端部には周方向にわたって段部２４が形成されている。最上段のスペーサ４８の上面には周方向にわたって凸部４８１が形成され、凸部４８１が外側ケーシング２の段部２４に嵌合し、スペーサ４８を介して外側ケーシング２が位置決めされている。このように積層体４００の最下段（静止翼４３）と最上段（スペーサ４８）をそれぞれベース３と外側ケーシング２に嵌合することにより、積層体全体を精度良く配置できる。

　外側ケーシング２の下端部には、内径側にかけて厚肉化した厚肉部２６が設けられ、この厚肉部２６の底面のフランジ面２７にねじ穴２６ａが穿設されている。ねじ穴２６ａには、ベース３のフランジ面３１を貫通したボルト７１が螺合し、外側ケーシング２にベース３が締結されている。この締結力により静止翼４３とスペーサ４８の積層体４００が、ベース３のフランジ面３２と外側ケーシング２のフランジ面２３の間に挟持されている。

　図１（ｂ）に示すようにベース３のフランジ面３１には周壁３３に沿ってＯリング１２が配置され、Ｏリング１２の上方に円環状のリング部材１１が配設されている。リング部材１１の外径側端部は、外側ケーシング２の内周面に設けられた段部２５に係合している。これによりベース３を外側ケーシング２に締結すると、その締結力によりリング部材１１を介してＯリング１２が圧縮される。その結果、外側ケーシング２の段部２５の周面およびベース３のフランジ面３１がＯリング１２によりシールされ、ターボ分子ポンプの内部が密閉される。

　外側ケーシング２と積層体４００の間には、径方向に隙間１５，１６を空けて円筒形状の内部ケーシング１０が収容されている。外側ケーシング２の下端部は内径側にかけて厚肉化され、外側ケーシング２の周壁２２の内側空間（隙間１５）が拡大されている。これにより内部ケーシング１０と外側ケーシング２の間の隙間１５は、積層体４００と内部ケーシング１０の間の隙間１６よりも広くなっている。

　内部ケーシング１０は弾性体１３を介してリング部材１１の上方に配置され、その上端面は、外側ケーシング２のフランジ面２３に当接している。弾性体１３は例えばＯリングであり、内部ケーシング１０は弾性体１３を介しリング部材１１と外側ケーシング２の間に弾性支持されている。

　内部ケーシング１０はロータ４よりも高強度の材質によって構成されている。例えばロータ４はアルミニウム合金により構成され、内部ケーシング１０はステンレス等により構成される。内部ケーシング１０とスペーサ４８には、外側ケーシング２の厚肉部２６の近傍において、径方向にそれぞれ貫通孔１０ａ，４８ａが開口され、貫通孔１０ａ，４８ａを介して内部ケーシング１０の外側空間（隙間１５）とガス通路１ｃとが連通している。

　ポンプ本体１を組み立てる場合には、まず、ベース３にロータ４を回転可能に支持するとともに、ベース３のフランジ面３２に静止翼４３とスペーサ４８を交互に積層し、積層体４００を形成する。静止翼４３とスペーサ４８を最上段まで積層し終えると、フランジ面３２の外側の周壁３３に沿ってＯリング１２、リング部材１１および弾性体１３をそれぞれ嵌合し、さらにその上方に内部ケーシング１０を設置する。

　次いで、内部ケーシング１０の上方から外側ケーシング２を被せ、外側ケーシング２のフランジ面２７をベース３のフランジ面３１にボルト７１で締結する。この場合、まず、ボルト７１の締結力により弾性体１３が圧縮されて外側ケーシング２の段部２５がリング部材１１に係合する。次いで、ボルト７１の締め込み量に応じてＯリング１２が押しつぶされ、フランジ面３１がシールされるとともに、積層体４００がベース３と外側ケーシング２の間に挟持される。

　この場合の弾性体１３の圧縮量は、外側ケーシング２の段部２５からフランジ面２３までの長さと内部ケーシング１０の上下方向の高さとの関係により定まり、ボルト７１の締め込み量に影響を受けない。このため、弾性体１３の圧縮量を精度よく良く設定することができ、弾性体１３の圧縮量に応じた弾性力により、内部ケーシング１０を精度良く弾性支持することができる。

　なお、外側ケーシング２をボルト７１を介してベース３に締結する場合に、弾性体１１が押しつぶされた後にＯリング１２が押しつぶされるか否かは、弾性体１３とＯリング１２の硬さ関係によって決まる。本実施の形態では、少なくともボルト７１の締め込みが完了する前に弾性体１１が押しつぶされてリング部材１１が係合するように、弾性体１３とＯリング１２の材質および形状が設定されている。

　以上のように構成されたターボ分子ポンプの主要な動作を説明する。ロータ４の回転により吸気口１ａから流入したガス分子はガス通路１ｃを経て排気口１ｂから排気され、吸気口１ａ側が高真空状態となる。このとき、隙間１５に溜まったガスは貫通孔１０ａ，４８ａを介して下流側の通路１ｃに排出されるため、吸気口１ａ側を高真空状態に維持できる。内部ケーシング１０の上端部にはＯリングを設けていないので、腐食性ガス、プラズマ、ラジカル等によるＯリングの劣化は問題とならない。

　何らかの原因により高速回転中のロータ４が破壊すると、ロータ４の飛散物によるトルクが静止翼４３およびスペーサ４８を介して内部ケーシング１０に作用し、内部ケーシング１０が外部ケーシング２に対して相対回転、あるいは内部ケーシング１０が変形する。この内部ケーシング１０の回転または変形により、ロータ破壊時の回転エネルギーを吸収することができ、ロータ４の破壊による回転トルクが外側ケーシング２に伝達されるのを防ぐことができる。

　以上の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）外側ケーシング２とベース３により、静止翼４３とスペーサ４８の積層体４００を挟持するとともに、その積層体４００の外側に円筒形状の内部ケーシング１０を配置し、内部ケーシング１０を弾性体１３を介してリング部材１１と外側ケーシング２の間に弾性支持するようにした。これによりロータ破壊時のエネルギーを内部ケーシング１０の回転または変形によって効率よく吸収することができ、外側ケーシング２にロータ４の回転トルクが伝達されるのを防ぐことができる。
（２）内部ケーシング１０の内周面にリング部材１１を係合し、リング部材１１と外側ケーシング２の間で弾性体１３を介して内部ケーシング１０を挟持するので、弾性体１３の圧縮量のばらつきが少なく、所定の弾性力により内部ケーシング１０を支持することができ、安定したトルク吸収の効果が得られる。
（３）Ｏリング１２、リング部材１１、および弾性体１３をベース３のフランジ面３１上に順次積層した後に、外側ケーシング２をベース３に締結するので、ポンプ本体１の組立が容易である。

（４）内部ケーシング１０の下側（ガスの下流側）に弾性体１３を設けるので、腐食ガス等による弾性体１３（Ｏリング）の劣化を防ぐことができる。
（５）外側ケーシング２の下端部を内径側に厚肉化して厚肉部２６を形成し、厚肉部２６の内周面に段部２５を形成してリング部材１１を係合するようにしたので、外側ケーシング２と内部ケーシング１０の隙間を拡大することができ、内部ケーシング１０の変形による衝撃が外側ケーシング２に伝わりにくい。
（６）厚肉部２６の底面のフランジ面２７にボルト締結用のねじ穴２６ａを穿設するようにしたので、外側ケーシング２のフランジ面２７の外径を抑えることができ、ポンプ本体１を小型化できる。

（７）内部ケーシング１０と積層体４００（スペーサ４８）にそれぞれ貫通孔１０ａ，４８ａを設けて内部ケーシング１０の外側の隙間１５とガス通路１ｃを連通させるようにしたので、隙間１５に溜まったガスを下流側の通路１ｃに排気することができ、吸気口１ａ側を高真空状態に維持できる。
（８）外側ケーシング２のフランジ面２３に設けた段部２４とベース３のフランジ面３２上の凸部３３に積層体４００を嵌合して配置するようにしたので、回転翼４１と静止翼４３の位置関係を良好なものとすることができる。

　なお、上記実施の形態では、弾性体１３をＯリングとして構成したが、他の弾性部材により弾性体１３を構成し、内部ケーシング１０を弾性支持するようにしてもよい。すなわちリング部材１１と、このリング部材１１に面して外側ケーシング２の周壁２２の内径側に設けられたフランジ面２３（第２のフランジ面）との間で、弾性部材を介して内部ケーシング１０を弾性支持するのであれば、弾性部材の構成はいかなるものでもよい。弾性体１３を内部ケーシング１０の下端面に設けたが、上端面に設けてもよい。内部ケーシング１０を剛性の高い円筒形状としたが、ここでいう円筒形状には、純粋な円筒形状だけでなくほぼ円筒形状のもの（略円筒形状）も含む。

　ベース部材としてのベース３の構成およびケース部材としての外側ケーシング２の構成は上述したものに限らない。ベース３のフランジ面３１と、このフランジ面３１に対向して設けられた外側ケーシング２のフランジ面２７（第１のフランジ面）とをボルト７１により締結するようにしたが、他の締結具を用いてもよい。外側ケーシング２の下端内壁面に段部２５を設けてリング部材１１を係合するようにしたが、係合部材の構成はこれに限らない。リング部材１１とベース３のフランジ面３１の間に介装されたＯリング１２によりフランジ面３１をシールするようにしたが、シール部材の構成はこれに限らない。

　静止翼４３とスペーサ４８を交互に積層して積層体４００を構成したが、少なくともロータ４の周囲に複数段の静止翼４３を積層してベース３と外側ケーシング２により挟持されるのであれば、積層体の構成はいかなるものでもよい。外側ケーシング２の段部２４とベース３の凸部３３により積層体４００を位置決めするようにしたが、第１の位置決め部と第２の位置決め部の構成はこれに限らない。

　以上では、本発明をターボ分子ポンプに適用する場合について説明したが、他の回転真空ポンプ（例えばドラッグポンプなど）にも本発明を同様に適用できる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の回転真空ポンプに限定されない。

Claims

　ベース部材に回転可能に支持されたロータと、
　前記ロータの周囲に配設されたステータと、
　前記ステータが収容される外側ケーシングと、
　前記ベース部材のフランジ面とこのフランジ面に面して前記外側ケーシングの一端側に設けられた第１のフランジ面とを締結する締結具と、
　前記ステータと前記外側ケーシングの間の周方向の隙間に配設される略円筒形状の内部ケーシングと、
　前記内部ケーシングの内周面に係合される係合部材と、
　前記係合部材の一端面と前記ベース部材のフランジ面との間に介装され、前記締結具の締結力により前記ベース部材のフランジ面をシールするシール部材と、
　前記係合部材の他端面とこの他端面に面して前記外側ケーシングの他端側かつ前記外側ケーシングの周壁の内径側に設けられた第２のフランジ面との間で、前記締結具の締結力により前記内部ケーシングを弾性支持する弾性部材とを備える回転真空ポンプ。
　請求項１に記載の回転真空ポンプにおいて、
　前記弾性部材は、前記係合部材の他端面と前記内部ケーシングの一端面の間に介装される回転真空ポンプ。
　請求項１または２に記載の回転真空ポンプにおいて、
　前記外側ケーシングの一端部には、内径側に厚肉化された厚肉部が設けられ、この厚肉部に前記係合部材が係合するための段部が形成される回転真空ポンプ。
　請求項３に記載の回転真空ポンプにおいて、
　前記締結具はボルトであり、前記厚肉部には前記ボルトを螺合するためのねじ穴が設けられる回転真空ポンプ。
　請求項１～４のいずれか１項に記載の回転真空ポンプにおいて、
　前記内部ケーシングおよび前記ステータには、前記内部ケーシングの径方向外側空間と前記ステータの径方向内側空間とを連通する貫通孔がそれぞれ設けられる回転真空ポンプ。
　請求項１～５のいずれか１項に記載の回転真空ポンプにおいて、
　前記ロータは、複数段の回転翼を有し、
　前記ステータは、複数段の静止翼を積層した積層体を有し、
　前記積層体は、前記締結具の締結力により前記ベース部材のフランジ面と前記外側ケーシングの第２のフランジ面との間で挟持される回転真空ポンプ。
　請求項６に記載の回転真空ポンプにおいて、
　前記ベース部材のフランジ面には、前記積層体の一端部を位置決めする第１の位置決め部が設けられ、前記外側ケーシングの第２のフランジ面には、前記積層体の他端部を位置決めする第２の位置決め部が設けられる回転真空ポンプ。