WO2017086135A1 - 真空ポンプ - Google Patents

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WO2017086135A1
WO2017086135A1 PCT/JP2016/082213 JP2016082213W WO2017086135A1 WO 2017086135 A1 WO2017086135 A1 WO 2017086135A1 JP 2016082213 W JP2016082213 W JP 2016082213W WO 2017086135 A1 WO2017086135 A1 WO 2017086135A1
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rotor
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vacuum pump
base
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Inventor
坂口 祐幸
Original Assignee
エドワーズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a vacuum pump, and more particularly to a vacuum pump that can be used in a pressure range from low vacuum to ultrahigh vacuum.
  • a vacuum pump such as a composite pump in which a turbo molecular pump and a thread groove pump are combined is used for the exhaust inside.
  • a vacuum pump for example, a cylindrical casing, a cylindrical stator that is nest-fixed in the casing and provided with a thread groove, and a rotor that is supported so as to be capable of high-speed rotation in the stator,
  • the gas is transported while being compressed in a thread pump comprising a rotor and a stator.
  • a vacuum pump that suppresses the generation of products that includes a heat insulating space provided around the stator, a heat insulating spacer that supports the stator, and a heater embedded in the stator.
  • the heater heats the stator so that the gas in the gas flow path is transferred without solidification.
  • the electrical components provided in the vacuum pump and the motor that rotates the rotor do not perform the desired function when the temperature rises, and the rotor blades and stationary blades break down during operation due to their strength decreasing as the temperature rises. There was a risk of doing. For this reason, if the stator is heated to a high temperature, the heat release from the stator increases, which may adversely affect the operation of the vacuum pump.
  • the present invention is proposed to achieve the above object, and the invention according to claim 1 has a base and a rotor cylindrical portion accommodated in the base, and is rotatably supported by the base.
  • Rotor a substantially cylindrical stator disposed between the base and the rotor cylindrical portion, and a thread groove portion carved on either the outer peripheral surface of the rotor cylindrical portion or the inner peripheral surface of the stator
  • a heat insulating means for insulating the stator from a fixed part excluding the stator, and a heating means for heating the stator, and an intake port for the rotor cylindrical portion and the stator
  • the vacuum pump is provided such that the separation distance on the side is set to be equal to or greater than the separation distance on the exhaust port side between the rotor cylindrical portion and the stator.
  • the separation distance between the rotor and the stator on the intake port side is set to be equal to or greater than the separation distance between the rotor and the stator on the exhaust port side, so that the rotor generates centrifugal force during operation of the vacuum pump. Even if it is deformed by receiving or the rotor is thermally expanded by receiving radiant heat from the stator, the separation distance between the rotor and the stator is kept substantially equal from the intake side to the exhaust side, It can suppress that the flow path of gas becomes narrow too much.
  • the heat insulating means is in contact with the stator in the axial direction of the rotor and is disposed on the base, and the base, there is provided a vacuum pump that is a spacer that contacts the axial direction of the rotor and has a cylindrical cylindrical portion provided on an inner peripheral edge of the flange portion and accommodates the heating means in the flange.
  • the spacer is interposed between the stator and the base, and by supporting the stator in the axial direction of the rotor, the spacer insulates the stator from the other fixed parts, thereby suppressing gas solidification.
  • normal operation of the pump can be realized.
  • the stator is provided with a vacuum pump in which deformation of at least a portion in the rotor radial direction is restrained by the spacer during thermal expansion. To do.
  • the spacer prevents the stator from being deformed by receiving the kinetic energy of the rotor. Energy transfer can be reduced.
  • the spacer in addition to the configuration of the vacuum pump according to the second or third aspect, provides a vacuum pump that is a member having a lower linear expansion coefficient than the stator.
  • the amount of deformation due to the thermal expansion of the spacer is smaller than the amount of deformation due to the thermal expansion of the stator, so that the spacer disposed on the outer peripheral side in the rotor radial direction of the stator can regulate the deformation of the stator. it can.
  • a separation distance from the heating unit to a contact portion between the stator and the flange portion is the heating unit.
  • the vacuum pump is shorter than the distance between the base and the contact portion of the spacer cylindrical portion.
  • the spacer cylindrical portion enables positioning in the rotor axial direction and elastically deforms in the rotor radial direction.
  • a vacuum pump is provided that is formed as thin as possible.
  • the spacer cylindrical portion is elastically deformed in accordance with the deformation of the stator, so that the stator and the spacer are excessively brought into contact with each other, so that the stator and the spacer are not in contact with each other. Since the contact heat resistance is prevented from significantly decreasing and heat release from the spacer to the base is suppressed, normal operation of the pump can be realized while suppressing solidification of the gas.
  • the spacer is provided with a vacuum pump that is attached in an inlay structure in the radial direction of the stator and the rotor. To do.
  • the stator presses the spacer in the rotor radial direction even when the stator is thermally expanded.
  • An excessive increase in the contact area due to excessive contact with the spacer and such an increase in contact area prevent the contact thermal resistance between the base and the spacer from being significantly reduced, and from the spacer to the base. Therefore, normal operation of the pump can be realized while suppressing solidification of the gas.
  • the spacer is provided with a vacuum pump that is attached in an inlay structure in the radial direction of the base and the rotor. To do.
  • the vacuum pump according to the present invention suppresses heat from escaping from the stator, it is possible to realize normal operation of the pump while suppressing gas solidification.
  • the separation distance between the rotor and the stator on the intake port side is set to be equal to or greater than the separation distance between the rotor and the stator on the exhaust port side, so that the rotor generates centrifugal force during operation of the vacuum pump. Even when the rotor is deformed or the rotor is thermally expanded by receiving radiant heat from the stator, the separation distance between the rotor and the stator extends from the intake side to the exhaust side at a predetermined separation distance or substantially Since the same degree of change is maintained, problems such as an excessively narrow gas flow path can be suppressed.
  • FIG. drawing which shows the vacuum pump which concerns on one Example of this invention.
  • the principal part enlarged view of FIG. Sectional drawing which shows a rotor cylindrical part and a stator. It is a schematic diagram explaining the effect
  • the present invention has a base and a rotor cylindrically housed in the base and rotatably supported by the base And a substantially cylindrical stator disposed between the base and the rotor cylindrical portion, and a screw groove portion carved on either the outer peripheral surface of the rotor cylindrical portion or the inner peripheral surface of the stator.
  • a pump comprising: a heat insulating means for insulating the stator from fixed parts excluding the stator; and a heating means for heating the stator, and the separation distance on the intake port side between the rotor cylindrical portion and the stator is such that the rotor cylindrical portion and the stator This is realized by setting it to be equal to or longer than the separation distance on the exhaust port side.
  • a vacuum pump 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the terms “upper” and “lower” correspond to the upper side and the lower side, respectively, on the intake port side and the exhaust port side in the rotor axial direction.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a vacuum pump 1.
  • the vacuum pump 1 is a composite pump including a turbo molecular pump mechanism PA and a thread groove pump mechanism PB housed in a substantially cylindrical casing 10.
  • the vacuum pump 1 includes a casing 10, a rotor 20 having a rotor shaft 21 rotatably supported in the casing 10, a drive motor 30 that rotates the rotor shaft 21, a part of the rotor shaft 21, and the drive motor 30. And a stator column 40 to be accommodated.
  • the casing 10 is formed in a bottomed cylindrical shape.
  • the casing 10 has a base 11 with a gas exhaust port 11a formed on the lower side, and a cylinder fixed with bolts 13 in a state where the gas intake port 12a is formed on the upper side and placed on the base 11.
  • symbol 14 in FIG. 1 is a back cover.
  • the base 11 includes a base 11A and a base spacer 11B.
  • the base 11A and the base spacer 11B are fixed via a bolt (not shown).
  • a water-cooled tube 11b is embedded in the base spacer 11B. By passing cooling water through the water cooling pipe 11b, the base spacer 11B is maintained at a predetermined temperature (for example, 80 ° C.).
  • the cylindrical portion 12 is attached to a vacuum container such as a chamber (not shown) via a flange 12b.
  • the gas inlet 12a is connected to communicate with the vacuum vessel, and the gas outlet 11a is connected to communicate with an auxiliary pump (not shown).
  • the rotor 20 includes a rotor shaft 21 and rotating blades 22 that are fixed to the upper portion of the rotor shaft 21 and are arranged concentrically with the axis of the rotor shaft 21.
  • the rotor shaft 21 is supported in a non-contact manner by a magnetic bearing 50.
  • the magnetic bearing 50 includes a radial electromagnet 51 and an axial electromagnet 52.
  • the radial electromagnet 51 and the axial electromagnet 52 are connected to a control unit (not shown).
  • the control unit controls the excitation current of the radial electromagnet 51 and the axial electromagnet 52 based on the detection values of the radial direction displacement sensor 51a and the axial direction displacement sensor 52a, so that the rotor shaft 21 floats at a predetermined position. It has come to be supported.
  • the upper and lower portions of the rotor shaft 21 are inserted into the touchdown bearing 23.
  • the rotor shaft 21 becomes uncontrollable, the rotor shaft 21 rotating at high speed comes into contact with the touchdown bearing 23 to prevent the vacuum pump 1 from being damaged.
  • the rotor blade 22 is integrally attached to the rotor shaft 21 by inserting the bolt 25 into the rotor flange 26 and screwing the bolt 25 into the shaft flange 27 while the upper portion of the rotor shaft 21 is inserted into the boss hole 24.
  • the axial direction of the rotor shaft 21 is referred to as “rotor axial direction A”
  • the radial direction of the rotor shaft 21 is referred to as “rotor radial direction R”.
  • the drive motor 30 includes a rotor 31 attached to the outer periphery of the rotor shaft 21 and a stator 32 arranged so as to surround the rotor 31.
  • the stator 31 is connected to the control unit (not shown) described above, and the rotation of the rotor shaft 21 is controlled by the control unit.
  • the stator column 40 is fixed on the base 11 via a bolt (not shown) at the lower end while being placed on the base 11.
  • the turbo molecular pump mechanism PA is composed of a rotor blade 22 of the rotor 20 and a fixed blade 60 disposed with a gap between the rotor blades 22.
  • the rotor blades 22 and the stationary blades 60 are arranged alternately and in multiple stages along the rotor axial direction A.
  • the rotor blades 22 are arranged in 11 stages and the stationary blades 60 are arranged in 10 stages. .
  • the rotor blade 22 is composed of a blade inclined at a predetermined angle, and is integrally formed on the upper outer peripheral surface of the rotor 20.
  • a plurality of rotor blades 22 are provided radially around the axis of the rotor 20.
  • the fixed blade 60 is composed of a blade inclined in the opposite direction to the rotary blade 22 and is positioned by being sandwiched in the rotor axial direction A by a spacer 61 installed in a stacked manner on the inner wall surface of the cylindrical portion 12.
  • a plurality of fixed blades 60 are also provided radially around the axis of the rotor 20.
  • the gap between the rotor blade 22 and the fixed blade 60 is set so as to gradually narrow from the upper side to the lower side in the rotor axial direction A.
  • the lengths of the rotary blade 22 and the fixed blade 60 are set so as to gradually shorten from the upper side to the lower side in the rotor axial direction A.
  • the turbo molecular pump mechanism PA as described above is configured to transfer the gas sucked from the gas inlet 12a from the upper side to the lower side in the rotor axial direction A by the rotation of the rotor blades 22.
  • the thread groove pump mechanism PB is provided at a lower portion of the rotor 20 and extends along the rotor axial direction A, and a substantially cylindrical stator 70 disposed so as to surround the outer peripheral surface 28a of the rotor cylindrical portion 28. And.
  • the stator 70 is placed on the base 11 via a spacer 80 described later.
  • the stator 70 includes a thread groove portion 71 formed on the inner peripheral surface 70a.
  • the thread groove pump mechanism PB as described above compresses the gas transferred from the gas inlet 12a downward in the rotor axial direction A by the drag effect due to the high-speed rotation of the rotor cylindrical portion 28, and moves toward the gas outlet 11a. Transport. Specifically, after the gas is transferred to the gap between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70, the gas is compressed in the screw groove portion 71 and transferred to the gas exhaust port 11a. Generally, since the drag effect in the thread groove pump mechanism PB is affected by the gap (separation distance) between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70, the thread groove pump mechanism PB exhibits sufficient exhaust performance. The gap needs to be set to a predetermined dimension.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of FIG.
  • the heating structure H includes a spacer 80 as heat insulating means and a cartridge heater 90 as heating means.
  • the spacer 80 is formed in a cylindrical shape with an L-shaped cross section.
  • the spacer 80 includes a flange portion 81 and a spacer cylindrical portion 82.
  • the spacer 80 is interposed between the base 11 and the stator 70.
  • the flange portion 81 supports the stator 70 in the rotor axial direction A.
  • the spacer cylindrical portion 82 is in contact with the base 11 in the rotor axial direction A.
  • the spacer 80 is preferably attached to the base 11 in an inlay structure in the rotor radial direction R.
  • the spacer 80 is attached in a non-contact state with the stator 70 except for a minimum contact point for determining the center position in the rotor radial direction R as in the case of an inlay structure. Thereby, the heat in the spacer 80 is easily transmitted to the stator 70, and the heat transfer to fixed parts other than the stator 70 is suppressed as described later.
  • the flange portion 81 includes a stator receiving portion 81a that protrudes slightly inward in the rotor radial direction R. When the pump is stopped, the stator 70 and the stator receiving portion 81a face each other with a slight gap. ing.
  • the flange portion 81 is disposed on the base 11 via an O-ring 83.
  • the flange portion 81 is positioned at a predetermined position without directly contacting the base 11. Further, even when the stator 70 is heated to a predetermined temperature (for example, 150 ° C.), it is possible to prevent heat from being transferred from the stator 70 to the base 11 by interposing an O-ring between the base 11 and the flange portion 80. it can.
  • the flange portion 81 is integrally connected via the stator 70 and the bolt 84.
  • the bolts 84 and the bolts used in the vacuum pump are preferably made of stainless steel from the viewpoint of corrosion resistance to corrosive gas and structural strength.
  • the spacer cylindrical portion 82 extends from the inner peripheral edge of the flange portion 81 downward in the rotor axial direction A.
  • the spacer cylindrical portion 82 is formed thinner than the flange portion 81 in order to suppress an increase in contact thermal resistance, which will be described later, while ensuring the strength necessary for positioning the stator 70 in the rotor axial direction A. ing.
  • the spacer cylindrical portion 82 is formed with a thickness of about 1 to 5 mm, for example.
  • the cartridge heater 90 is accommodated in the heater accommodating portion 81 b of the flange portion 81.
  • the cartridge heater 90 is connected to a heater control device (not shown), and the heater control device controls the temperature of the cartridge heater 90.
  • the cartridge heater 90 is appropriately adjusted so as to maintain the temperature of the stator 70 at a predetermined value.
  • the separation distance L1 from the cartridge heater 90 to the contact portion between the stator 70 and the flange portion 81 is set shorter than the separation distance L2 from the cartridge heater 90 to the contact portion between the base 11 and the spacer cylindrical portion 82.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70.
  • hatching is omitted for convenience of explanation.
  • the outer peripheral surface 28a of the rotor cylindrical portion 28 and the inner peripheral surface 70a of the stator 70 are opposed to each other.
  • a distance L3 above (intake port side) between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70 is set to be equal to or greater than a distance L4 below (exhaust port side) between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70. .
  • the rotor cylindrical portion 28 is deformed outward in the rotor radial direction R by centrifugal force during the pump operation.
  • the deformation caused by the centrifugal force increases from the upper side to the lower side of the rotor cylindrical portion 28 due to structural characteristics.
  • the rotor cylindrical portion 28 receives the radiant heat from the stator 70 and thermally expands outward in the rotor radial direction R from the upper side to the lower side almost uniformly. Therefore, the amount of deformation of the rotor cylindrical portion 28 considering the centrifugal force and thermal expansion during the pump operation increases from the upper side to the lower side.
  • the total deformation amount due to the centrifugal force and thermal expansion of the rotor cylindrical part 28 that reached 150 ° C. during the pump operation is about 0.35 to 0.50 mm in the upper part, It is about 0.40 to 0.55 mm.
  • stator 70 is restrained from displacement in the rotor radial direction R by bolts 84 and spacers 80 having a lower linear expansion coefficient and a higher elastic coefficient than the stator 70, the amount of deformation of the thermal expansion of the stator 70 is high. Is larger in the lower part than in the upper part. That is, since there is a difference between the elastic coefficient and the linear expansion coefficient between the members arranged inside and outside the rotor radial direction R, the amount of deformation of the stator 70 due to the thermal expansion during the pump operation increases from the upper side to the lower side. Become.
  • the amount of deformation due to the thermal expansion of the stator 70 when there is no constraint by the spacer 80 is substantially uniform from the top to the bottom as in the case of the rotor cylindrical portion 28.
  • the linear expansion is lower than that of the stator 70.
  • the separation distance L3 on the intake port side between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70 is set to be equal to or greater than the separation distance L4 on the exhaust port side between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70.
  • FIGS. 4 (a) and 4 (b) show a state before the stator 70 is thermally expanded
  • FIG. 4B shows a state after the stator 70 is thermally expanded.
  • the stator 70 is mainly supported by the upper end surface 81c and the side surface 81d of the flange portion 81.
  • the heat of the cartridge heater 90 is transferred to the stator 70 through the spacer 80.
  • the aluminum alloy stator 70 has a larger linear expansion coefficient than the stainless steel spacer 80, and therefore, as shown by a thin arrow in FIG.
  • the stator 70 presses the stator receiving portion 81a or the side surface 81d toward the outside in the rotor radial direction R.
  • the spacer cylindrical portion 82 moves following the thermal expansion of the stator 70 and is elastically deformed as indicated by the thick arrow in FIG. 4B. . Thereby, excessive contact between the stator 70 and the flange portion 81 is suppressed. In other words, even when the stator 70 is relatively large in thermal expansion with respect to the spacer 80, the contact thermal resistance between the stator 70 and the spacer 80 and the contact thermal resistance between the spacer 80 and the base 11 are excessively small. It is possible to suppress the heat release from the stator 70 to the base 11.
  • the vacuum pump 1 operates abnormally due to heat escape from the stator 70 when the stator 70 is heated while being insulated from other fixed parts. And the strength fall of the rotary blade 22 or the fixed blade 60 is suppressed. The normal operation of the vacuum pump 1 can be realized while suppressing the solidification of the gas.
  • the separation distance L3 on the intake port side between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70 is set to be equal to or greater than the separation distance L4 on the exhaust port side between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70, so that the vacuum Even when the rotor 20 is deformed by centrifugal force during operation of the pump 1 or the rotor 20 is thermally expanded by receiving radiant heat from the stator 70, the separation distance between the rotor cylindrical portion 28 and the stator 70.
  • the predetermined separation distance and substantially the same degree of change are maintained from the intake side to the exhaust side, problems such as excessively narrow gas flow paths can be suppressed.
  • the present invention is applicable as long as it has a thread groove pump mechanism, and may be applied to a thread groove type pump in addition to a composite pump.
  • the heating means is not limited to the cartridge heater 90, and any heating means may be used as long as the stator 70 can be heated.
  • SYMBOLS 1 Vacuum pump 10 ... Casing 11 ... Base 11A ... Base part 11B ... Base spacer 11a ... Gas exhaust port 11b ... Water cooling pipe 12 ... Cylindrical part 12a ... Gas inlet 12b ... Flange 13 ... Bolt 20 ... Rotor 21 ... Rotor shaft 22 ... Rotor 23 ... Touchdown bearing 28 ... Rotor cylindrical part 28a ... Outer peripheral surface DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Drive motor 31 ... Rotor 32 ... Stator 40 ... Stator column 50 ... Magnetic bearing 51 ... Radial electromagnet 52 ... Axial electromagnet 60 ...

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Abstract

【課題】ポンプを正常に運転させながらガスの固化を抑制する真空ポンプを提供する。 【解決手段】真空ポンプ(1)は、ベース(11)に回転可能に支持されたロータ(20)と、ネジ溝部(71)を有するステータ(70)と、ステータ(70)を加熱する加熱構造(H)と、を備えている。加熱構造(H)は、ステータ(70)を除く固定部品からステータを断熱するスペーサ(80)と、ステータ(70)を加熱するカートリッジヒータ(90)と、を備えている。ロータ円筒部(28)とステータ(70)との吸気口側の離間距離(L3)は、ロータ円筒部(28)とステータ(70)との排気口側の離間距離(L4)と同じかそれ以上になるように設定されている。

Description

真空ポンプ
 本発明は、真空ポンプに関するものであり、特に、低真空から超高真空に亘る圧力範囲で利用可能な真空ポンプに関する。
 メモリや集積回路等の半導体装置を製造する際、空気中の塵等による影響を避けるために高真空状態のチャンバ内で高純度の半導体基板(ウェハ)にドーピングやエッチングを行う必要があり、チャンバ内の排気には、例えば、ターボ分子ポンプとネジ溝ポンプとを組み合わせた複合ポンプ等の真空ポンプが使用されている。
 このような真空ポンプとして、例えば、円筒状のケーシングと、ケーシング内に入れ子で固定されると共にネジ溝部が配設された円筒状のステータと、ステータ内で高速回転可能に支持されたロータと、を備えたものが知られており、ガスは、ロータとステータとから成るネジ溝ポンプ内で圧縮されながら移送される。
 しかしながら、ステータの温度がガスの昇華点を下回ると、ネジ溝ポンプ内を移送される高圧に圧縮されたガスが固化し、堆積した生成物がガスの流路を狭めて、真空ポンプの圧縮性能、排気性能が低下する虞がある。
 そこで、生成物の発生を抑制する真空ポンプとして、ステータの周囲に設けられた断熱空間と、ステータを支持する断熱スペーサと、ステータ内に埋設されたヒータと、を備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。このような真空ポンプは、ヒータがステータを加熱することにより、ガス流路内のガスは固化することなく移送される。
国際公開第2015/015902号
 しかしながら、上述したような真空ポンプでは、ステータの温度が高くなればなるほどガス流路内のガスを気体のまま圧縮し易くなる一方、断熱スペーサからステータの周囲に逃熱する虞が増す。真空ポンプ内に設けられた電装品やロータを回転させるモータは、温度が高くなると所望の機能を発揮しなかったり、回転翼や固定翼は、温度が高くなると強度が低下して運転中に破断したりする虞があった。そのため、ステータを高温に加熱しようとすると、却ってステータからの逃熱が増え、真空ポンプの運転に悪影響を与える虞があった。
 そこで、ポンプを正常に運転させながらガスの固化を抑制するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。
 本発明は、上記目的を達成するために提案するものであり、請求項1記載の発明は、ベースと、該ベース内に収容されたロータ円筒部を有して前記ベースに回転可能に支持されたロータと、前記ベースと前記ロータ円筒部との間に配置された略円筒状のステータと、前記ロータ円筒部の外周面又は前記ステータの内周面の何れか一方に刻設されたネジ溝部と、を備えた真空ポンプであって、前記ステータを除く固定部品から前記ステータを断熱する断熱手段と、前記ステータを加熱する加熱手段と、を備え、前記ロータ円筒部と前記ステータとの吸気口側の離間距離は、前記ロータ円筒部と前記ステータとの排気口側の離間距離と同じかそれ以上になるように設定されている真空ポンプを提供する。
 この構成によれば、ステータが他の固定部品から断熱された状態で加熱されることにより、ステータから熱が逃げることに起因した電装品やモータの動作不良及び回転翼や固定翼の強度低下が抑制されるため、ガスの固化を抑制しながらポンプの正常運転を実現することができる。
 また、ロータとステータとの吸気口側の離間距離は、ロータとステータとの排気口側の離間距離と同じかそれ以上に設定されていることにより、真空ポンプの運転時においてロータが遠心力を受けて変形したり、ロータがステータからの輻射熱を受けて熱膨張したりする場合であっても、ロータとステータとの離間距離が、吸気側から排気側に亘って略等しく保たれるため、ガスの流路が過度に狭くなることを抑制することができる。
 請求項2記載の発明は、請求項1記載の真空ポンプの構成に加えて、前記断熱手段は、前記ステータとロータ軸方向に接触すると共に前記ベースに配設されるフランジ部と、前記ベースとロータ軸方向に接触すると共に前記フランジ部の内周縁に設けられたスペーサ円筒部と、を有し、前記フランジに前記加熱手段を収容するスペーサである真空ポンプを提供する。
 この構成によれば、スペーサは、ステータとベースとの間に介装され、ステータをロータ軸方向に支持することにより、スペーサがステータを他の固定部品から断熱するため、ガスの固化を抑制しながらポンプの正常運転を実現することができる。
 請求項3記載の発明は、請求項2記載の真空ポンプの構成に加えて、前記ステータは、熱膨張時に少なくとも一部分のロータ径方向への変形を、前記スペーサに拘束されている真空ポンプを提供する。
 この構成によれば、真空ポンプに異常が発生して、ロータ円筒部がステータに接触した場合、ステータが、ロータの運動エネルギーを受けて変形することをスペーサが抑制するため、ポンプ外部への運動エネルギーの伝達を低減することができる。
 請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載の真空ポンプの構成に加えて、前記スペーサは、前記ステータよりも線膨張係数が低い部材である真空ポンプを提供する。
 この構成によれば、スペーサの熱膨張による変形量は、ステータの熱膨張による変形量よりも小さいことにより、ステータのロータ径方向の外周側に配置されたスペーサがステータの変形を規制することができる。
 請求項5記載の発明は、請求項2乃至4の何れか1項記載の真空ポンプの構成に加えて、前記加熱手段から前記ステータと前記フランジ部の接触部分までの離間距離は、前記加熱手段から前記ベースと前記スペーサ円筒部の接触部分までの離間距離より短い真空ポンプを提供する。
 この構成によれば、加熱手段からベースまでの伝熱経路が加熱手段からステータまでの伝熱経路より長くなることにより、スペーサからベースへの逃熱が抑制されるため、ガスの固化を抑制しながらポンプの正常運転を実現することができる。
 請求項6記載の発明は、請求項2乃至5の何れか1項記載の真空ポンプの構成に加えて、前記スペーサ円筒部は、ロータ軸方向の位置決めを可能にすると共にロータ径方向に弾性変形可能に薄く形成されている真空ポンプを提供する。
 この構成によれば、ステータが熱膨張した場合であっても、ステータの変形に応じてスペーサ円筒部が弾性変形することにより、ステータとスペーサとが過度に接触することでステータとスペーサとの間の接触熱抵抗が著しく低下することが防止され、スペーサからベースへの逃熱が抑制されるため、ガスの固化を抑制しながらポンプの正常運転を実現することができる。
 請求項7記載の発明は、請求項2乃至6の何れか1項記載の真空ポンプの構成に加えて、前記スペーサは、前記ステータとロータ径方向にインロー構造で取り付けられている真空ポンプを提供する。
 この構成によれば、ロータ径方向においてステータとスペーサとの間に隙間が確保されていることにより、ステータが熱膨張した場合であっても、ステータがスペーサをロータ径方向に押圧してベースとスペーサとが過度に接触することに起因する接触面積の過度な増大と、このような接触面積の増大によってベースとスペーサとの間の接触熱抵抗が著しく低下することが防止され、スペーサからベースへの逃熱が抑制されるため、ガスの固化を抑制しながらポンプの正常運転を実現することができる。
 請求項8記載の発明は、請求項2乃至7の何れか1項記載の真空ポンプの構成に加えて、前記スペーサは、前記ベースとロータ径方向にインロー構造で取り付けられている真空ポンプを提供する。
 この構成によれば、ロータ径方向においてベースとスペーサとの間に隙間が確保されていることにより、スペーサが熱膨張した場合であっても、ベースとスペーサとが過度に接触することでベースとスペーサとの間の接触熱抵抗が著しく低下することが防止され、スペーサからベースへの逃熱が抑制されるため、ガスの固化を抑制しながらポンプの正常運転を実現することができる。
 本発明に係る真空ポンプは、ステータから熱が逃げることが抑制されるため、ガスの固化を抑制しながらポンプの正常運転を実現することができる。
 また、ロータとステータとの吸気口側の離間距離は、ロータとステータとの排気口側の離間距離と同じかそれ以上に設定されていることにより、真空ポンプの運転時においてロータが遠心力を受けて変形したり、ロータがステータからの輻射熱を受けて熱膨張したりする場合であっても、ロータとステータとの離間距離が、吸気側から排気側に亘って、所定の離間距離や略等しい変化度合で保たれるため、ガスの流路が過度に狭くなる等の不具合を抑制することができる。
本発明の一実施例に係る真空ポンプを示す断面図。 図1の要部拡大図。 ロータ円筒部とステータとを示す断面図。 スペーサの作用を説明する模式図であり、(a)は、ステータが熱膨張する前の状態を示す図、(b)は、ステータが熱膨張した後の状態を示す図。
 本発明は、ポンプを正常に運転させながらガスの固化を抑制するという目的を達成するために、ベースと、ベース内に収容されたロータ円筒部を有してベースに回転可能に支持されたロータと、ベースとロータ円筒部との間に配置された略円筒状のステータと、ロータ円筒部の外周面又はステータの内周面の何れか一方に刻設されたネジ溝部と、を備えた真空ポンプであって、ステータを除く固定部品からステータを断熱する断熱手段と、ステータを加熱する加熱手段と、を備え、ロータ円筒部とステータとの吸気口側の離間距離は、ロータ円筒部とステータとの排気口側の離間距離と同じかそれ以上となるように設定されていることにより実現した。
 以下、本発明の一実施例に係る真空ポンプ1について、図面に基づいて説明する。なお、以下において、「上」、「下」の語は、ロータ軸方向における吸気口側、排気口側がそれぞれ上方、下方に対応するものである。
 図1は、真空ポンプ1を示す縦断面図である。真空ポンプ1は、略円筒状のケーシング10内に収容されたターボ分子ポンプ機構PAとネジ溝ポンプ機構PBとから成る複合ポンプである。
 真空ポンプ1は、ケーシング10と、ケーシング10内に回転可能に支持されたロータシャフト21を有するロータ20と、ロータシャフト21を回転させる駆動モータ30と、ロータシャフト21の一部及び駆動モータ30を収容するステータコラム40とを備えている。
 ケーシング10は、有底円筒状に形成されている。ケーシング10は、ガス排気口11aが下部側方に形成されたベース11と、ガス吸気口12aが上部に形成されると共にベース11上に載置された状態でボルト13を介して固定された円筒部12とで構成されている。なお、図1中の符号14は、裏蓋である。
 ベース11は、基部11Aと、ベーススペーサ11Bと、を備えている。基部11Aとベーススペーサ11Bとは、図示しないボルトを介して固定されている。ベーススペーサ11Bには、水冷管11bが埋設されている。水冷管11b内に冷却水が通水されることにより、ベーススペーサ11Bが所定の温度(例えば、80℃)に維持されようになっている。
 円筒部12は、フランジ12bを介して図示しないチャンバ等の真空容器に取り付けられる。ガス吸気口12aは、真空容器に連通するように接続され、ガス排気口11aは、図示しない補助ポンプに連通するように接続される。
 ロータ20は、ロータシャフト21と、ロータシャフト21の上部に固定されてロータシャフト21の軸心に対して同心円状に並設された回転翼22と、を備えている。
 ロータシャフト21は、磁気軸受50により非接触支持されている。磁気軸受50は、ラジアル電磁石51と、アキシャル電磁石52と、を備えている。ラジアル電磁石51及びアキシャル電磁石52は、図示しない制御ユニットに接続されている。
 制御ユニットは、ラジアル方向変位センサ51a及びアキシャル方向変位センサ52aの検出値に基づいて、ラジアル電磁石51、アキシャル電磁石52の励磁電流を制御することにより、ロータシャフト21が所定の位置に浮上した状態で支持されるようになっている。
 ロータシャフト21の上部及び下部は、タッチダウン軸受23内に挿通されている。ロ
ータシャフト21が制御不能になった場合には、高速で回転するロータシャフト21がタッチダウン軸受23に接触して真空ポンプ1の損傷を防止するようになっている。
 回転翼22は、ボス孔24にロータシャフト21の上部を挿通した状態で、ボルト25をロータフランジ26に挿通すると共にシャフトフランジ27に螺着することで、ロータシャフト21に一体に取り付けられている。以下、ロータシャフト21の軸線方向を「ロータ軸方向A」と称し、ロータシャフト21の径方向を「ロータ径方向R」と称す。
 駆動モータ30は、ロータシャフト21の外周に取り付けられた回転子31と、回転子31を取り囲むように配置された固定子32とで構成されている。固定子31は、上述した図示しない制御ユニットに接続されており、制御ユニットによってロータシャフト21の回転が制御されている。
 ステータコラム40は、ベース11上に載置された状態で、下端部を図示しないボルトを介してベース11に固定されている。
 次に、真空ポンプ1の略上半分に配置されたターボ分子ポンプ機構PAについて説明する。
 ターボ分子ポンプ機構PAは、ロータ20の回転翼22と、回転翼22の間に隙間を空けて配置された固定翼60とで構成されている。回転翼22と固定翼60とは、ロータ軸方向Aに沿って交互にかつ多段に配列されており、本実施例では、回転翼22が11段、固定翼60が10段ずつ配列されている。
 回転翼22は、所定の角度で傾斜したブレードからなり、ロータ20の上部外周面に一体に形成されている。また、回転翼22は、ロータ20の軸線回りに放射状に複数設置されている。
 固定翼60は、回転翼22とは反対方向に傾斜したブレードからなり、円筒部12の内壁面に段積みで設置されているスペーサ61によりロータ軸方向Aに挟持されて位置決めされている。また、固定翼60も、ロータ20の軸線回りに放射状に複数設置されている。
 回転翼22と固定翼60との間の隙間は、ロータ軸方向Aの上方から下方に向かって徐々に狭くなるように設定されている。また、回転翼22及び固定翼60の長さは、ロータ軸方向Aの上方から下方に向かって徐々に短くなるように設定されている。
 上述したようなターボ分子ポンプ機構PAは、回転翼22の回転により、ガス吸気口12aから吸入されたガスをロータ軸方向Aの上方から下方に移送するようになっている。
 次に、真空ポンプ1の略下半分に配置されたネジ溝ポンプ機構PBについて説明する。
 ネジ溝ポンプ機構PBは、ロータ20の下部に設けられてロータ軸方向Aに沿って延びたロータ円筒部28と、ロータ円筒部28の外周面28aを囲んで配置された略円筒状のステータ70と、を備えている。
 ステータ70は、後述するスペーサ80を介してベース11上に載置されている。ステータ70は、内周面70aに刻設されたネジ溝部71を備えている。
 上述したようなネジ溝ポンプ機構PBは、ガス吸気口12aからロータ軸方向Aの下方に移送されたガスを、ロータ円筒部28の高速回転によるドラッグ効果によって圧縮して、ガス排気口11aに向かって移送する。具体的には、ガスは、ロータ円筒部28とステータ70との隙間に移送された後に、ネジ溝部71内で圧縮されてガス排気口11aに移送される。一般的に、ネジ溝ポンプ機構PBでのドラック効果は、ロータ円筒部28とステータ70との隙間(離間距離)によって影響を受けるため、ネジ溝ポンプ機構PBが十分な排気性能を発揮するためには、この隙間が所定の寸法に設定される必要がある。
 次に、ステータ70を加熱する加熱構造Hについて、図1、2に基づいて説明する。図2は、図1の要部拡大断面図である。
 加熱構造Hは、断熱手段としてのスペーサ80と、加熱手段としてのカートリッジヒータ90と、を備えている。
 スペーサ80は、断面L字状で円筒状に形成されている。スペーサ80は、フランジ部81と、スペーサ円筒部82と、を備えている。スペーサ80は、ベース11とステータ70との間に介装されている。具体的には、フランジ部81は、ロータ軸方向Aにおいてステータ70を支持している。また、スペーサ円筒部82は、ロータ軸方向Aにおいてベース11に接触している。なお、スペーサ80は、ロータ径方向Rにおいて、ベース11とインロー構造で取り付けられるのが好ましい。また、スペーサ80は、ロータ径方向Rにおいて、インロー構造の様に中心位置を決めるための必要最低限の接触点以外では、ステータ70と非接触状態で取り付けられるのが好ましい。これにより、スペーサ80内の熱はステータ70に伝わり易く、後述のとおりステータ70以外の固定部品への伝熱が抑制される。
 フランジ部81は、ロータ径方向Rの内側に僅かに突設されたステータ受け部81aを備えており、ポンプ停止中では、ステータ70とステータ受け部81aとは、僅かな隙間を空けて対向している。
 フランジ部81は、Oリング83を介してベース11に配設されている。これにより、フランジ部81は、ベース11に直接接触することなく所定の位置に位置決めされている。また、ステータ70が所定温度(例えば、150℃)に加熱される場合であっても、ベース11とフランジ部80にOリングが介在することにより、ステータ70からベース11に逃熱することを抑制できる。フランジ部81は、ステータ70とボルト84を介して一体に連結されている。ボルト84及び真空ポンプに用いられるボルトは、一般的には腐食性ガスへの耐食性と構造上の強度の観点から、ステンレス製が好ましい。
 スペーサ円筒部82は、フランジ部81の内周縁からロータ軸方向Aの下方に向かって延伸されている。スペーサ円筒部82は、ステータ70のロータ軸方向Aの位置決めを行うのに必要な強度を確保しつつ、後述する接触熱抵抗の増加を抑制するために、フランジ部81に比べて薄肉に形成されている。スペーサ円筒部82は、例えば、1~5mm程度の厚みで形成されている。
 カートリッジヒータ90は、フランジ部81のヒータ収容部81b内に収容されている。カートリッジヒータ90は、図示しないヒータ制御装置に接続されており、ヒータ制御装置は、カートリッジヒータ90の温度を制御する。カートリッジヒータ90は、ステータ70の温度を所定値で維持するように、適宜調整される。
 カートリッジヒータ90からステータ70とフランジ部81の接触部分までの離間距離L1は、カートリッジヒータ90からベース11とスペーサ円筒部82の接触部分までの離間距離L2より短く設定されている。これにより、カートリッジヒータ90からステータ70までの伝熱経路が、カートリッジヒータ90からベース11までの伝熱経路より短くなり、スペーサ80からベース11への逃熱を抑制することができる。また、ベース11とスペーサ円筒部82との接触面積が、ステータ70とフランジ部81との接触面積より小さいので、スペーサ80からベース11への逃熱を抑制することができる。
 次に、ロータ円筒部28とステータ70との離間距離について、図2、3に基づいて説明する。図3は、ロータ円筒部28とステータ70とを示す断面図である。なお、図3では、説明の都合上、ハッチングを省略している。
 ロータ円筒部28の外周面28aとステータ70の内周面70aとは、対向している。ロータ円筒部28とステータ70との上方(吸気口側)の離間距離L3は、ロータ円筒部28とステータ70との下方(排気口側)の離間距離L4と同じかそれ以上に設定されている。
 具体的には、ロータ円筒部28は、ポンプ運転中では、遠心力でロータ径方向Rの外側に向かって変形する。このような遠心力に起因した変形は、構造上の特性からロータ円筒部28の上方から下方に向かって大きくなる。また、ロータ円筒部28は、ステータ70からの輻射熱を受けて、上方から下方までほぼ一様にロータ径方向Rの外側に熱膨張する。したがって、ポンプ運転中の遠心力及び熱膨張を考慮したロータ円筒部28の変形量は、上方から下方に向かって大きくなる。ロータ円筒部28の遠心力による変形量の一例を表1に、ポンプ運転中の加熱対象部分の温度を100℃又は150℃に設定した場合のロータ円筒部28の熱膨張による変形量の一例を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表1、2に示すように、ポンプ運転中で150℃に達したロータ円筒部28の遠心力及び熱膨張による総変形量は、上方で0.35~0.50mm程度であり、下方は、0.40~0.55mm程度となっている。
 一方、ステータ70は、上部がステータ70よりも線膨張係数が低く、且つ弾性係数が高いボルト84及びスペーサ80にロータ径方向Rの変位を拘束されているため、ステータ70の熱膨張の変形量は、上方に比べて下方が大きい。すなわち、ロータ径方向Rの内外に配設される部材間の弾性係数と線膨張係数とに差があるため、ポンプ運転中の熱膨張によるステータ70の変形量は、上方から下方に向かって大きくなる。スペーサ80による拘束がない場合のステータ70の熱膨張による変形量は、ロータ円筒部28の場合と同様に、上方から下方までほぼ一様であるが、本発明では、ステータ70よりも低い線膨張係数と高い弾性係数を有する部材によって、ステータ70の上方の変形を拘束することで、ステータ70のロータ径方向Rの変形量が上方と下方とで異なる構造を採用している。
これにより、真空ポンプ1に異常が発生して、ロータ円筒部28がステータ70に接触した場合、本発明のようにステータ70の変形量を上方から下方に向かって大きくする構造(特に、運動エネルギーが伝わり易い部分を拘束する構造)を採用することにより、ステータ70の変形を抑制し、ポンプ外部への運動エネルギーの伝達を低減することができる。
 このようにして、真空ポンプ1の運転中ではロータ円筒部28及びステータ70は上方から下方に向かって変形量が大きくなること、及び、ステータ70の上部はボルト84で変形が規制されていることを考慮して、ロータ円筒部28とステータ70との吸気口側の離間距離L3は、ロータ円筒部28とステータ70との排気口側の離間距離L4と同じかそれ以上に設定されている。
 次に、加熱構造Hの作用について、図4(a)、(b)に基づいて説明する。なお、図4(a)はステータ70が熱膨張する前の状態を示すものであり、図4(b)はステータ70が熱膨張した後の状態を示すものである。
 図4(a)に示すように、カートリッジヒータ90による加熱を行う前は、ステータ70は、主にフランジ部81の上端面81cと側面81dとで支持されている。カートリッジヒータ90が起動すると、カートリッジヒータ90の熱がスペーサ80を通してステータ70に伝熱する。
 ステータ70及びスペーサ80が昇温されると、アルミ合金製のステータ70は、ステンレス製のスペーサ80よりも大きな線膨張係数を有しているため、図4(b)中の細矢印に示すように、ステータ70は、ステータ受け部81a又は側面81dをロータ径方向Rの外側に向かって押圧する。
 フランジ部81がロータ径方向Rの外側に押圧されると、スペーサ円筒部82は、ステータ70の熱膨張に追従して移動し、図4(b)中の太矢印に示すように弾性変形する。これにより、ステータ70とフランジ部81との過度な接触が抑制される。すなわち、ステータ70がスペーサ80に対して相対的に大きく熱膨張する場合であっても、ステータ70とスペーサ80との接触熱抵抗、及び、スペーサ80とベース11との接触熱抵抗が過度に小さくなることを抑制し、ステータ70からベース11に逃熱することを抑制することができる。
 このようにして、本実施例に係る真空ポンプ1は、ステータ70が他の固定部品から断熱された状態で加熱されることにより、ステータ70から熱が逃げることに起因した電装品等の動作不良及び回転翼22や固定翼60の強度低下が抑制される。ガスの固化を抑制しながら真空ポンプ1の正常運転を実現することができる。
 また、ロータ円筒部28とステータ70との吸気口側の離間距離L3は、ロータ円筒部28とステータ70との排気口側の離間距離L4と同じかそれ以上に設定されていることにより、真空ポンプ1の運転時においてロータ20が遠心力を受けて変形したりロータ20がステータ70からの輻射熱を受けて熱膨張したりする場合であっても、ロータ円筒部28とステータ70との離間距離が、吸気側から排気側に亘って所定の離間距離や略等しい変化度合で保たれるため、ガスの流路が過度に狭くなる等の不具合を抑制することができる。
 また、本発明は、ネジ溝ポンプ機構を備えるものであれば適用可能であり、複合ポンプの他、ネジ溝式ポンプに適用しても構わない。また、加熱手段は、カートリッジヒータ90に限定されるものではなく、ステータ70を加熱可能であれば如何なるものであっても構わない。
 なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。
 1 ・・・ 真空ポンプ
 10・・・ ケーシング
 11・・・ ベース
 11A・・・基部
 11B・・・ベーススペーサ
 11a・・・ガス排気口
 11b・・・水冷管
 12・・・ 円筒部
 12a・・・ガス吸気口
 12b・・・フランジ
 13・・・ ボルト
 20・・・ ロータ
 21・・・ ロータシャフト
 22・・・ 回転翼
 23・・・ タッチダウン軸受
 28・・・ ロータ円筒部
 28a・・・外周面
 30・・・ 駆動モータ
 31・・・ 回転子
 32・・・ 固定子
 40・・・ ステータコラム
 50・・・ 磁気軸受
 51・・・ ラジアル電磁石
 52・・・ アキシャル電磁石
 60・・・ 固定翼
 61・・・ スペーサ
 70・・・ ステータ
 70a・・・(ステータの)内周面
 71・・・ ネジ溝部
 80・・・ スペーサ
 81・・・ フランジ部
 81a・・・ステータ受け部
 81b・・・ヒータ収容部
 81c・・・上端面
 81d・・・側面
 82・・・ スペーサ円筒部
 83・・・ Oリング
 84・・・ ボルト
 90・・・ カートリッジヒータ
 H ・・・ 加熱構造
 A ・・・ ロータ軸方向
 R ・・・ ロータ径方向
 PA・・・ ターボ分子ポンプ機構
 PB・・・ ネジ溝ポンプ機構

Claims (8)

  1.  ベースと、該ベース内に収容されたロータ円筒部を有して前記ベースに回転可能に支持されたロータと、前記ベースと前記ロータ円筒部との間に配置された略円筒状のステータと、前記ロータ円筒部の外周面又は前記ステータの内周面の何れか一方に刻設されたネジ溝部と、を備えた真空ポンプであって、
     前記ステータを除く固定部品から前記ステータを断熱する断熱手段と、
     前記ステータを加熱する加熱手段と、
    を備え、
     前記ロータ円筒部と前記ステータとの吸気口側の離間距離は、前記ロータ円筒部と前記ステータとの排気口側の離間距離と同じかそれ以上となるように設定されていることを特徴とする真空ポンプ。
  2.  前記断熱手段は、前記ステータとロータ軸方向に接触すると共に前記ベースに配設されるフランジ部と、前記ベースとロータ軸方向に接触すると共に前記フランジ部の内周縁に設けられたスペーサ円筒部と、を有し、前記フランジ部に前記加熱手段を収容するスペーサであることを特徴とする請求項1記載の真空ポンプ。
  3.  前記ステータは、熱膨張時に少なくとも一部分のロータ径方向への変形を、前記スペーサに拘束されていることを特徴とする請求項2記載の真空ポンプ。
  4.  前記スペーサは、前記ステータよりも線膨張係数が低い部材であることを特徴とする請求項2又は3記載の真空ポンプ。
  5.  前記加熱手段から前記ステータと前記フランジ部の接触部分までの離間距離は、前記加熱手段から前記ベースと前記スペーサ円筒部の接触部分までの離間距離より短いことを特徴とする請求項2乃至4の何れか1項記載の真空ポンプ。
  6.  前記スペーサ円筒部は、ロータ軸方向の位置決めを可能にすると共にロータ径方向に弾性変形可能に薄く形成されていることを特徴とする請求項2乃至5の何れか1項記載の真空ポンプ。
  7.  前記スペーサは、前記ステータとロータ径方向にインロー構造で取り付けられていることを特徴とする請求項2乃至6の何れか1項記載の真空ポンプ。
  8.  前記スペーサは、前記ベースとロータ径方向にインロー構造で取り付けられていることを特徴とする請求項2乃至7の何れか1項記載の真空ポンプ。
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