WO2012114862A1

WO2012114862A1 - ターボ分子ポンプのボルト締結構造およびターボ分子ポンプ

Info

Publication number: WO2012114862A1
Application number: PCT/JP2012/052688
Authority: WO
Inventors: 正人小亀
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2013-08-22
Also published as: JPWO2012114862A1; CN103221692B; US20130336762A1; US9341188B2; JP5626445B2; CN103221692A

Abstract

　本発明は、ターボ分子ポンプのボルト締結構造であって、ロータ軸中心に関して同心円状に配置された複数のボルトによって、第１の部材を第２の部材に対して軸方向に締結し、ロータ軸中心に関して同心円状に複数配置され、締結された第１および第２の部材の対向する面の各々に、互いに対向するように形成された一対の非貫通のピン穴と、一対のピン穴毎に設けられ、該一対のピン穴に挿入されるピンと、を備え、ボルトと第１の部材に形成されたボルト孔との隙間寸法をＤb、ピンと第１および第２の部材に形成された一対のピン穴との隙間寸法をそれぞれＤp1、Ｄp2としたときに、隙間寸法Ｄb、Ｄp1、Ｄp2は式「Ｄb≧（Ｄp1＋Ｄp2）」を満足するように設定されている。

Description

ターボ分子ポンプのボルト締結構造およびターボ分子ポンプ

　本発明は、ターボ分子ポンプのボルト締結構造、および、そのターボ分子ポンプのボルト締結構造を備えるターボ分子ポンプに関する。

　ターボ分子ポンプを構成する部材同士の締結には、同心円状に配置された複数本のボルトにて固定する構造が一般的である。ターボ分子ポンプではロータが数万r.p.mで高速回転しており、万が一、回転中にロータが破壊した場合には、ロータの回転エネルギーによって、静止側（例えばポンプケーシング）に回転方向の大きな力（衝撃力）が伝達される。そのため、この大きな衝撃がポンプケーシングを介して真空チャンバ側まで伝達されないように、ポンプを装置に固定するボルトや、ポンプケーシングとベースとを締結しているボルトなどを塑性変形させることで、衝撃を吸収する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０－１８０７３２号公報

　しかしながら、上述のようにボルトを変形させることによって破壊時のエネルギーを吸収させる構成の場合、金属強度における塑性変形領域は破断に限りなく近い状態であるため、想定される破壊エネルギーの見積もり誤差が大きかったり、想定以上の破壊エネルギーがが発生した場合には、結果的にボルトが破断するおそれがあった。そのため、装置側への衝撃は低減できても、ボルト破断をもたらす。

　本発明の第１の態様によると、ロータ軸中心に関して同心円状に配置された複数のボルトによって、第１の部材を第２の部材に対して軸方向に締結する、ターボ分子ポンプのボルト締結構造であって、ロータ軸中心に関して同心円状に複数配置され、締結された第１および第２の部材の対向する面の各々に、互いに対向するように形成された一対の非貫通のピン穴と、一対のピン穴毎に設けられ、該一対のピン穴に挿入されるピンと、を備え、ボルトと第１の部材に形成されたボルト孔との隙間寸法をＤb、ピンと第１および第２の部材に形成されたピン穴との隙間寸法をそれぞれＤp1、Ｄp2としたときに、隙間寸法Ｄb、Ｄp1、Ｄp2は式「Ｄb≧（Ｄp1＋Ｄp2）」を満足するように設定されている。
　本発明の第２の態様によると、ロータ軸中心に関して同心円状に配置された複数のボルトおよびナットによって、第１の部材を第２の部材に対して軸方向に締結する、ターボ分子ポンプのボルト締結構造であって、ロータ軸中心に関して同心円状に複数配置され、締結された第１および第２の部材の対向する面の各々に、互いに対向するように形成された一対の非貫通のピン穴と、一対のピン穴毎に設けられ、該一対のピン穴に挿入されるピンと、を備え、ボルトと第１の部材に形成されたボルト孔との隙間寸法をＤb1、ボルトと第１の部材に形成されたボルト孔との隙間寸法をＤb2、ピンと第１および第２の部材に形成された一対のピン穴との隙間寸法をそれぞれＤp1、Ｄp2としたときに、隙間寸法Ｄb1、Ｄb2、Ｄp1、Ｄp2は次式「（Ｄb1＋Ｄb2）≧（Ｄp1＋Ｄp2）」を満足するように設定されている。
　本発明の第３の態様によると、第１の態様または第２の態様のターボ分子ポンプのボルト締結構造において、ピン穴の底部を貫通すると共に該ピン穴より小径のピン装着確認用孔が、第１および第２の部材に形成されたピン穴の少なくとも一方に形成されている。
　本発明の第４の態様によると、第１乃至第３の態様のいずれか一つの態様のターボ分子ポンプのボルト締結構造において、ピンに平行ピンを用いられている。
　本発明の第５の態様によると、第１乃至第４の態様のいずれか一つの態様のターボ分子ポンプのボルト締結構造を備えたターボ分子ポンプであって、ロータと、ロータが収納され、第１の部材としてのフランジが形成されたポンプケーシングと、ポンプケーシングが固定され、第２の部材としてのポンプベースと、を備え、ピンの本数をＮ、ロータ破壊時に生じるポンプベースの回転トルクをτｂ、ピンの１本当たりのせん断方向の破壊に要する負荷（耐トルク値）をτｐとしたときに、式「Ｎ≧τｂ／τｐ」を満足するようにピンの本数Ｎが設定される。

　本発明によれば、ターボ分子ポンプの安全性の向上を図ることができる。

磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体の概略構成を示す断面図である。図１のケーシング２とベース１のＡ－Ａ断面図であり、ケーシング２とベース１との締結構造を示す図である。（a）は図２のＢ－Ｂ断面を示す図であり、（ｂ）はＣ－Ｃ断面を示す図である。ピン穴１０１，１０２の変形例を示す図である。電源一体型のターボ分子ポンプの一例を示す外観図である。ボルト、ナット締結構造を示す図である。

　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、磁気軸受式ターボ分子ポンプにおけるポンプ本体の概略構成を示す断面図である。このターボ分子ポンプは，例えば半導体製造装置等において、チャンバ内の真空排気に用いられる。

　ターボ分子ポンプのポンプ本体Ｔは、ベース１と、ベース１の上面に載置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。ケーシング２の下端にはフランジ２ｂが設けられており、このフランジ２ｂとベース１とは複数本のボルト５２により締結されている。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遣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。

　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。図１に示す例では、回転円筒部３２の外径は、釣鐘状筒部３０の外径よりも大きく設定されている。ロータ３に形成された複数段の回転翼３１と回転円筒部３２とが、回転側の排気機能部を構成する。

　モータ６には、例えばＤＣブラシレスモ－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の故障時に機能する非常用のメカニカルベアリング７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の上端とケーシング２の上端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はベース１にボルト固定されている。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から流入したガス分子は、ターピ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。

　ターボ分子ポンプにおいては、ロータ３が高速回転するため、回転中のロータ３には大きな遠心力がかかり高応力状態となっている。特に、回転円筒部３２が高応力となり、この回転円筒部３２の部分から破壊が発生する場合が多い。回転円筒部３２が破壊すると、破壊による飛散物が遠心力によって固定円筒２４に衝突し、固定円筒部２４が固定されているベース１にロータ３の回転方向と同方向の大きな回転トルクが発生する。そのため、従来は、ベース１とケーシング２とを締結しているボルト５２の本数は、破壊時の回転トルクに耐えられるように、（予想される回転トルク）／（ボルト１本当たりの耐トルク値）以上の本数に設定されるのが一般的である。

　ただし、ボルトの場合、ネジ谷部の断面積が他の部分よりも断面積が小さくなっていることと、ネジ谷部の断面形状が鋭角的になっているため、このネジ谷部に応力集中が発生しやすい。そのため、ボルト５２のみで回転トルクを受ける締結構造の場合、応力集中が起こるネジ谷部においてボルト破断が発生しやすいという欠点があった。

　このようなことから、本実施の形態では、ベース１とケーシング２との締結構造を、図２，３に示すような構造とした。図２，３は、図１のケーシング２とベース１との締結構造を説明する図である。図２は図１のケーシング２とベース１のＡ－Ａ断面を示す図である。図１に示したように、ケーシング２の下端にはフランジ２ｂが形成されており、このフランジ２ｂをベース１にボルト締結することによりケーシング２がベース１に固定されている。図２に示す例では６本のボルト５２が使用されている。

　ケーシング２は中心軸がロータ３の中心軸とほぼ一致するようにベース１に固定され、フランジ２ｂに形成されるボルト孔１１０は、ケーシング２の中心軸に対して同心円上に配置されている。また、図２の符号１００で示す部材は、ベース１とケーシング２との締結部に設けられたピンである。ピン１００には例えば平行ピンが用いられ、６本のピン１００が、ボルト５２が配置されている同心円と同一円上に配置されている。

　図３（ａ）は、図２のＢ－Ｂ断面を示し、図３（ｂ）は図２のＣ－Ｃ断面を示す。図３（ａ）に示すように、ベース１およびフランジ２ｂには、非貫通のピン穴１０１，１０２
が形成されている。ピン１００は、ピン穴１０１，１０２によって形成される袋状のピン穴に収納されている。ピン１００の長さおよび各ピン穴１０１，１０２の深さは、ポンプ本体Ｔを正立姿勢とした場合、倒立姿勢とした場合のいずれの場合においても、ピン１００が両方のピン穴１０１，１０２に必ず挿入されるように設定されている。

　本実施の形態では、ケーシング２をベース１にボルト固定する際に、予め、ベース１側のピン穴１０１にピン１００が挿入されているような構成としている。そのため、ピン１００とピン穴１０１との隙間寸法Ｄp1は、ピン１００とピン穴１０２との隙間寸法Ｄp2よりも小さく設定されている。

　一方、ボルト締結構造においては、図３（ｂ）に示すように、ボルト５２はベース側に形成された雌ねじと螺合している。ボルト孔１１０の内径寸法は、ボルト軸とボルト孔１１０との間に寸法Ｄbの隙間が形成されるように設定されている。さらに、ピン穴１０１，１０２とピン１００との隙間寸法Ｄp1，Ｄp2および隙間寸法Ｄｐは、次式（１）が満足されるように設定されている。
　　Ｄb≧（Ｄp1＋Ｄp2）　　…（１）

　式（１）は、ロータ破壊によりベース１に回転トルクが発生した場合、ボルト５２のボルト軸がボルト孔１１０の内周面に当接する前に、ピン１００がピン穴１０１，１０２の内周面に当接するための条件である。すなわち、回転トルクをピン１００のみで受け止めるような構成となっている。この場合、ピン１００の本数Ｎは、ロータ破壊時に生じるベース１の回転トルクをτｂ、ピン１００の１本当たりのせん断方向の破壊に要する負荷（耐トルク値）をτｐとしたとき、次式（２）を満足するように設定される。
　　Ｎ≧τｂ／τｐ　　　…（２）

　上述のようなピン１００をボルト締結部に設けることにより、ロータ破壊時の回転トルクをボルト５２よりも先にピン１００に作用させることができる。さらに、式（２）を満足するようにピン１００を設定することにより、ピン１００の破断を防止することができる。また、ピン１００に平行ピンのように断面が軸方向に一様で表面が平滑な部材を用いることで、ネジ谷部のような応力集中の発生を避けることができる。

　もちろん、衝撃によりピン１００やピン穴１０１，１０２に変形が生じた場合には、ボルト５２にも回転トルクが作用するが、その大きさは十分小さい。そのため、ボルト５２の強度としては、締結時の軸方向の引っ張り強度を主に考慮すれば良く、従来のように、ボルト５２によって回転トルクを受け止める締結構造に比べ、ボルト５２の本数を減らすことが可能である。

　このように、回転トルクはピン１００で分担し、ケーシング２のベース１への固定はボルト５２で分担するというに機能分担することにより、ボルト本数の削減によるコスト低減、さらには、ボルト本数削減に伴う締結作業の簡素化を図ることができる。

　図４は、ピン１００が装着されるピン穴１０１，１０２の変形例を示す図である。この変形例では、ピン穴１０２の底部にピン穴１０２よりも小径の貫通孔１０３を形成した。この貫通孔１０３は、以下のような機能を有している。

　貫通孔１０３の１番目の機能は、ピン穴１０１，１０２内にピン１００が装着されているか否かを確認するための確認窓としての機能である。図３（ａ）に示したピン穴１０１，１０２の場合、ボルト締結後は、ピン穴１０１，１０２にピン１００が装着されているか否かを確認することができない。一方、図４に示すピン穴１０１，１０２の場合には、ボルト締結後であっても貫通孔１０３からピン１００の有無を確実に確認することができ、ピン１００の装着忘れを防止することができる。

　貫通孔１０３の２番目の機能は、ピン１００に回転トルクが作用したことによって、ピン１００がピン穴１０１の側面に食い込んで抜けなくなった場合に、ピン１００を取り外すための作業穴としての機能である。そのような場合、貫通孔１０３から棒状の治具を挿入し、ピン１００を叩き出すことでピン１００をピン穴１０１から取り外すことが容易にできる。本実施の形態の場合、ピン穴１０１の方がピン穴１０２よりも小径なので、ピン１００はピン穴１０１に取り残されやすい。しかし、ピン１００がピン穴１０２の方に取り残された場合を考慮して、ピン穴１０１，１０２の両方に貫通孔１０３を形成するようにしても良い。

　なお、上述した実施の形態では、ベース１とケーシング２とのボルト締結構造に本発明を適用した場合について説明したが、他の部分のボルト締結構造にも適用することができる。例えば、ロータ３と回転軸部３ａとのボルト締結部分にも適用できるし、フランジ２ａと装置側とのボルト締結にも適用可能である。

　また、ターボ分子ポンプには、ポンプ本体と電源装置とが一体となった一体式のターボ分子ポンプがあり、図５は、その一例を示す外観図である。ベース１２０の下部には冷却装置１１３が取り付けられ、その冷却装置１１３の下部に電源装置１４０が取り付けられている。ベース１１２と冷却装置１１３とは複数のボルト１３Ｂで締結されており、冷却装置１１３と電源装置１４０とは複数のボルト１４Ｂにより締結されている。

　そのため、ロータ破壊時の衝撃によって、ケーシング１３０とベース１２０とを締結しているボルト１２Ｂに対しては回転方向のせん断荷重が作用し、重量物である電源装置１４０の慣性により、電源装置１４０と冷却装置１１３とを締結しているボルト１３Ｂには回転方向とは逆方向に、せん断荷重が作用することになる。よって、このようなボルト締結構造に本発明を適用した場合にも、上述した場合と同様の作用効果を奏することができる。

　なお、上記の本発明によるターボ分子ポンプの締結構造では、たとえば図１や図３に示すように、図中で上方側から、すなわちケーシング２のフランジ２ｂ側からボルト２０１をフランジ２ｂに設けたボルト孔を通してベース１側に設けた雌ねじと螺合する構造として説明した。
　しかしながら、このボルト２０１のボルト孔をベース１側に設け、ボルト２０１を下側から、すなわちベース１からこのボルト孔を通してフランジ２ｂの設けた雌ねじと螺合する構造としてもよい。この構造では、上記の隙間寸法Ｄbはベース１側に設けられたボルト孔とボルト２０１の軸との間に形成される隙間となる。

　さらに、本発明は図６に示すような、ボルト２０１とナット２０２を用いて、２つのフランジ２００と２ａとを締結するボルト締結構造にも適用することができる。
　このような締結構造は、例えば、フランジ２ａとターボ分子ポンプが装着される装置側との締結には、このようなボルト締結構造が用いられる場合が多いが、ケーシング２とベース１との締結にも使用することも可能である。図６では、フランジ２ａと装置側のフランジ２００に用いた場合を示した。フランジ２ａとフランジ２００との間には、図４に示すようなピン構造が採用されており、図６では図示を省略したが、例えば、フランジ２ａ側にピン穴１０１および貫通孔１０３が形成され、装置側のフランジ２００にピン穴１０２が形成されている。
　なお、図６に示す締結構造で、上下を逆にした締結構造であってもよい。ボルト２０１を上側から、すなわちフランジ２００側から通して、フランジ２ａ側のボルトで締結する構造となる。

　図６に示すようなボルト２０１とナット２０２を用いたボルト締結構造の場合、フランジ２ａ，２００のどちらのボルト孔に関してもボルト２０１の軸との間に隙間が形成されることになる。フランジ２００側の隙間寸法をＤb1、フランジ２ａ側の隙間寸法をＤb2とした場合、図４の隙間寸法Ｄp1、Ｄp2および隙間寸法Ｄb1、Ｄb2は、次式（３）を満足するように設定されている。これは、上述した式（１）に代わる条件式である。
　　（Ｄb1＋Ｄb2）≧（Ｄp1＋Ｄp2）　　…（３）

　以上の説明は本発明の実施形態の例であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。したがって、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願第２０１１年第３６０１３号（２０１１年２月２２日出願）

Claims

　ロータ軸中心に関して同心円状に配置された複数のボルトによって、第１の部材を第２の部材に対して軸方向に締結する、ターボ分子ポンプのボルト締結構造であって、
　前記ロータ軸中心に関して同心円状に複数配置され、締結された前記第１および第２の部材の対向する面の各々に、互いに対向するように形成された一対の非貫通のピン穴と、
　前記一対のピン穴毎に設けられ、該一対のピン穴に挿入されるピンと、を備え、
　前記ボルトと前記第１の部材に形成されたボルト孔との隙間寸法をＤb、前記ピンと前記第１および第２の部材に形成された一対のピン穴との隙間寸法をそれぞれＤp1、Ｄp2としたときに、隙間寸法Ｄb、Ｄp1、Ｄp2は式「Ｄb≧（Ｄp1＋Ｄp2）」を満足するように設定されているターボ分子ポンプのボルト締結構造。
　ロータ軸中心に関して同心円状に配置された複数のボルトおよびナットによって、第１の部材を第２の部材に対して軸方向に締結する、ターボ分子ポンプのボルト締結構造であって、
　前記ロータ軸中心に関して同心円状に複数配置され、締結された前記第１および第２の部材の対向する面の各々に、互いに対向するように形成された一対の非貫通のピン穴と、
　前記一対のピン穴毎に設けられ、該一対のピン穴に挿入されるピンと、を備え、
　前記ボルトと前記第１の部材に形成されたボルト孔との隙間寸法をＤb1、前記ボルトと前記第１の部材に形成されたボルト孔との隙間寸法をＤb2、前記ピンと前記第１および第２の部材に形成された一対のピン穴との隙間寸法をそれぞれＤp1、Ｄp2としたときに、隙間寸法Ｄb1、Ｄb2、Ｄp1、Ｄp2は次式「（Ｄb1＋Ｄb2）≧（Ｄp1＋Ｄp2）」を満足するように設定されているターボ分子ポンプのボルト締結構造。
　請求項１または２に記載のターボ分子ポンプのボルト締結構造において、
　前記ピン穴の底部を貫通すると共に該ピン穴より小径のピン装着確認用孔が、前記一対のピン穴の少なくとも一方に形成されている。
　請求項１乃至３のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプのボルト締結構造において、
　前記ピンに平行ピンを用いられている。
　請求項１乃至４のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプのボルト締結構造を備えたターボ分子ポンプであって、
　ロータと、
　前記ロータが収納され、前記第１の部材としてのフランジが形成されたポンプケーシングと、
　前記ポンプケーシングが固定され、前記第２の部材としてのポンプベースと、を備え、
　前記ピンの本数をＮ、ロータ破壊時に生じる前記ポンプベースの回転トルクをτｂ、前記ピンの１本当たりの耐トルク値をτｐとしたときに、式「Ｎ≧τｂ／τｐ」を満足するように前記ピンの本数Ｎが設定されるターボ分子ポンプ。