JP4008390B2

JP4008390B2 - ポンプ

Info

Publication number: JP4008390B2
Application number: JP2003203539A
Authority: JP
Inventors: 康晴山本; 俊幸長田; 孝文吉田; 高明貝漕; 正晴南
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: US20060239845A1; EP1650438B1; US7416344B2; TW200506201A; WO2005012731A1; DE602004029052D1; EP1650438A1; EP1650438A4; JP2005048605A; TWI281003B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界ＣＯ₂流体或いは液体ＣＯ₂を搬送するポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超臨界ＣＯ₂流体或いは液体ＣＯ₂を搬送するポンプに一例として、半導体洗浄用の循環ポンプがある。近年の半導体デバイスの高集積化に伴い、ウェハの加工線幅も微細化が求められており、現在の主流である０．１８μｍに対して、将来は０．１０μｍ以下になると予想されている。ところが、従来の超純水等の液体を用いた半導体洗浄方式では、ウェハ乾燥時において、気体と液体の界面張力に起因する毛管力により、ウェハに形成されたレジストが倒壊するという現象（レジスト倒壊）が生じる場合がある。
【０００３】
このような不都合を解消するために、従来の超純水等の液体の代わりに、超臨界流体を用いた半導体洗浄装置が開発されている。超臨界流体は、液体と比較して非常に高い浸透性を有しており、どのような微細な構造にも浸透するものである。また、気体と液体との界面が存在しないので、乾燥時に毛管力が働かないという特徴を備えている。
【０００４】
超臨界流体としては、主として二酸化炭素（ＣＯ₂）が用いられる。二酸化炭素は、他の液体溶媒と比較して、比較的穏和な条件、即ち臨界温度３１．２℃，臨界圧力７．３８ＭＰａで、臨界密度４６８ｋｇ／ｍ³となる。また、常温，常圧では気体であるために、常温，常圧に戻すことによりガス化し、被洗浄物と汚染物の分離が容易にできるので、これにより、洗浄後の被洗浄物の乾燥が不要になるなど、洗浄プロセスの簡略化とコスト削減が可能となる。
【０００５】
このような超臨界ＣＯ₂流体を用いた半導体洗浄装置では、その超臨界ＣＯ₂流体は通常約２０ＭＰａに加圧されるので、これを循環させてウェハを洗浄するための循環ポンプとしては、高耐圧であるが故、いわゆるシールレス・キャンドモータポンプ形式のものが用いられる。また、軸受としては玉軸受が用いられ、これは半導体の洗浄剤としての揚液（超臨界ＣＯ₂流体）中において使用される。
【０００６】
この玉軸受にて、ロータに作用するラジアル荷重，及びスラスト荷重を受ける。また、後述する羽根車側とは反対側の、軸端側軸受に設置した軸受予圧バネにて予圧荷重をコントロールし、玉軸受のいわゆる公転滑り（横滑り）防止を図る。また、軸受予圧荷重にて玉軸受のラジアル方向の剛性（バネ定数）をコントロールし、ロータの固有振動数の調整も行う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来よりの循環ポンプの構成においては、玉軸受は、粘性の低い超臨界ＣＯ₂流体（或いは液体ＣＯ₂）内で使用されるので、揚液による潤滑は期待できない。また、揚液には腐食性の高い洗浄薬剤が混入されており、玉軸受の腐食が懸念される。また通常、洗浄装置ループ（揚液循環系統）におけるストレーナは、循環ポンプの出口側に設置されるので、洗浄で発生したパーティクルがポンプ内部に持ち込まれ、軸受部へ混入すると、軸受の摩耗，損傷の要因になる。
【０００８】
一方、半導体の洗浄に用いられるものであるので、ポンプ内部（軸受部等）からの摩耗粉の発生は許容されない。また、揚液中（いわゆるどぶづけ状態）で使用されるので、玉及び保持器のドラッグ損失（回転抵抗）が大きく、軸受の公転滑りが発生しやすいので、これを防止するために大きな予圧荷重をかけることが必要となる場合がある。また、この動力損失（ドラッグ損失）により、循環ポンプの効率低下も懸念される。
【０００９】
さらに、軸受の寿命を確保するためには、予圧荷重も含めた軸受荷重はできるだけ小さくする方が望ましいが、軸受を揚液中で使用するための公転滑り防止との兼ね合いを考慮してポンプの設計をしなくてはならない。本発明は、以上のような問題点に鑑み、超臨界ＣＯ₂流体或いは液体ＣＯ₂を搬送するポンプであって、軸受部を最適化することにより信頼性を確保した超臨界ＣＯ₂流体或いは液体ＣＯ₂用ポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のポンプは、その主軸の一端に取り付けられた羽根車を該主軸と連動して回転駆動するキャンドモータと、該キャンドモータの主軸を軸支する軸受と、を備えるとともに、前記羽根車を回転駆動することで超臨界ＣＯ₂流体或いは液体ＣＯ₂を搬送するポンプにおいて、前記軸受が、その内輪及び外輪及び玉が各々セラミック材より成る玉軸受であり、前記主軸を中空軸として、該主軸の膨張を該主軸の中空部分に逃がすことを特徴とする。
【００１１】
また、上述のポンプにおいて、前記超臨界ＣＯ ₂ 流体或いは液体ＣＯ ₂ を吸い込む吸込口と前記超臨界ＣＯ ₂ 流体或いは液体ＣＯ ₂ を吐出する吐出口とが開口したマニホールドと、前記マニホールドとの間に構成される空間を、前記吸入口と前記吐出口とをつなぐ搬送路の一部として構成する吐出・吸込側ケーシングと、吸い込まれた前記超臨界ＣＯ ₂ 流体或いは液体ＣＯ ₂ による揚液の一部を排出するパージ口を備えたパージ側ケーシングと、前記吐出・吸込側ケーシングと前記パージ側ケーシングに挟持されるとともに、前記キャンドモータを収納する外筒と、を備え、前記軸受が、前記吐出・吸込側ケーシング及び前記パージ側ケーシングそれぞれに設けられたアンギュラ玉軸受であり、前記キャンドモータが、固定子と、前記主軸に取り付けられた回転子とを備え、前記主軸が、前記吐出・吸込側ケーシング及び前記パージ側ケーシングそれぞれに設けられた前記アンギュラ玉軸受によりその両端部が回転可能に軸支される。
【００１２】
また、上述のポンプにおいて、前記軸受における玉を保持する保持器は、外輪の内周面で案内される外輪案内としても構わないし、或いは内輪の外周面で案内される内輪案内としても構わないし、また、外輪或いは内輪との案内面を軸方向の片側面としても構わない。更に、前記軸受の内輪の溝半径率を５２％以上としても構わない。
【００１３】
公知の内輪軌道溝の曲率半径は、例えばＪＩＳ規格で規定されているように、５２％程度とされている。超臨界ＣＯ₂流体雰囲気中で使用される転がり軸受では、特に高速回転領域において、摩耗が発生しやすく、この摩耗にはスピンすべりの寄与が大きいと考えられる。斜接（アンギュラ）玉軸受の玉は、普通は内輪か外輪のどちらかの軌道面では殆どすべりなしで転がり、他方の軌道面でスピンが発生する。
【００１４】
また、斜接玉軸受では、内輪の軌道溝の曲率半径の方が外輪のそれよりも小さく、また、荷重が加わったときの接触楕円の長径が長い。そのため、内輪では玉のスピン運動は妨げられ（内輪案内）、外輪軌道で完全なスピン運動が出現する。しかしながら、高速回転（且つ荷重が小）になると、遠心力の効果が大きくなり、外輪案内となりやすい。
【００１５】
本発明では、摩耗への寄与が大きいスピンすべりと内輪の軌道溝の曲率半径に着目して、スピンすべりによるＰＶ値（軸受面圧Ｐとすべり速度Ｖの積）を小さくすることにより、摩耗の低減を可能とするもので、より具体的には、内輪の軌道溝の曲率半径を標準値より大きくして、玉と軌道溝との接触領域を小さくすることにより、ＰＶ値を小さくするものである。
【００１６】
本発明における超臨界ＣＯ₂ポンプ用転がり軸受によると、玉、内輪及び外輪がセラミックスで形成されているので、耐摩耗性が向上し、しかも、内輪軌道溝の曲率半径が玉径の５２％以上、更には特に５４％より大きくされているので、内輪側の接触領域が小さくなり、この結果、ＰＶ値も小さくなり、より一層の摩耗の低減が可能となる。従って、転がり軸受の耐久性の低下が防止され、この転がり軸受を使用する超臨界ＣＯ₂ポンプは、振動が大きくなって継続使用ができないという問題を生じない。
【００１７】
なお、内輪軌道溝の曲率半径の上限は、特に限定されるものではないが、他の性能を考慮して玉径の６０％程度とされる。また、外輪の軌道溝の曲率半径についても、特に限定されるものではなく、通常、玉径の５０．５％以上で且つ６０％以下程度とされる。
【００１８】
また、前記玉を保持する保持器は、回転輪案内とされていることを特徴とする。或いは、前記玉を保持する保持器は、固定輪案内とされ、案内面が玉の中心より軸方向片側のみに形成されていることを特徴とする。
【００１９】
固定輪の案内面が軸方向片側にのみ形成されているようにするには、固定輪が外輪の場合には、外輪の軸方向片側の内径を大きくして、外輪の大径部の内周面と保持器の外周面とが接触しないようにしても良く、また、保持器の軸方向片側の外径を小さくして、保持器の小径部の外周面と外輪の内周面とが接触しないようにしても良い。また、固定輪が内輪の場合には、内輪の軸方向片側の外径を小さくして、内輪の小径部の外周面と保持器の内周面とが接触しないようにしても良く、また、保持器の軸方向片側の内径を大きくして、保持器の大径部の内周面と内輪の外周面とが接触しないようにしても良い。
【００２０】
超臨界ＣＯ₂流体雰囲気中で使用される転がり軸受では、主に流体抵抗により、特に高速回転領域において転動体（玉）の公転（保持器の回転）に遅れが生じ、転がり接触をすべき軌道輪と転動体との間にすべりが生じる（公転すべり）。公転すべりが生じると、軌道輪や転動体が短期間で損傷し継続使用が不可能になることがある。本発明では、この公転すべりに着目して、公転すべりを抑えることにより、転がり軸受の継続使用を可能とするものである。
【００２１】
具体的には、一つには保持器を回転輪案内とすることで、回転輪との接触によるトラクション力及び案内部にある流体のトラクション力で保持器の公転遅れを減少させる（保持器を公転方向に駆動する）ことにより、その公転すべりが抑制されている。もう一つには、保持器を固定輪案内とし、案内面が転動体の中心より軸方向片側のみに形成されている構成とすることで、回転する保持器が固定輪から受ける抵抗（接触による摩擦及び流体の粘性抵抗）を減らすことにより、その公転すべりが抑制されている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体洗浄装置用循環ポンプの構成を示す断面図である。循環ポンプ１は、吐出・吸込側ケーシング２とパージ側ケーシング３、及びこれらに挟持された外筒４を有している。また、吸込・吐出側ケーシング２の外側には、揚液の吸込及び吐出を行うマニホールド５が設けられている。
【００２３】
外筒４内には循環ポンプ１を駆動するキャンドモータ６が配置されており、これは外側の固定子６ａと、この固定子６ａ内に収容されている回転子６ｂとを備えている。回転子６ｂは、主軸７に取り付けられており、主軸７は、吐出・吸込側ケーシング２に設けられたアンギュラ玉軸受８、及びパージ側ケーシング３に設けられたアンギュラ玉軸受９により、両端で回転可能に支持即ち軸支されている。
【００２４】
吐出・吸込側ケーシング２とマニホールド５との間には、羽根車１０が配置されており、これは主軸７の一端に取り付けられ、主軸７と連動して回転可能となっている。マニホールド５には、主軸７の一端よりの延長軸線上に、揚液の吸込口５ａが開けられており、また、羽根車１０の周囲にはスパイラルケーシング５ｂが設けられている。さらに、経路５ｂの周縁部一箇所より吐出口５ｃが半径方向にマニホールド５の外周面に開口している。
【００２５】
一方、パージ側ケーシング３には、主軸７の他端よりの延長軸線上に、吸い込んだ揚液の一部を吐出するパージ口３ａが開けられている。その他、パージ側ケーシング３とアンギュラ玉軸受９との間には、予圧バネ１１が挟持されている。これは、主軸７の他端周辺に位置するリング状の波板バネであり、定圧バネ方式としてアンギュラ玉軸受９に軸方向の予圧を付加するものである。なお、アンギュラ玉軸受８を羽根車側軸受と呼び、アンギュラ玉軸受９を軸端側軸受と呼ぶ。
【００２６】
以上説明した循環ポンプ１において、キャンドモータ６の回転子６ｂ及び主軸７が回転し、これに連動して羽根車１０が回転すると、矢印Ａで示すように吸込口５ａより揚液が吸い込まれ、羽根車１０の遠心力により経路５ｂへ導かれて、最後に矢印Ｂで示すように吐出口５ｃより吐出される。また、吸込口５ａより吸い込まれた揚液の一部は、アンギュラ玉軸受８，９及びキャンドモータ６内を通過して、これらを冷却しつつ、矢印Ｃで示すようにパージ流れとしてパージ口３ａより吐出される。
【００２７】
さて、本発明では、耐摩耗性，耐食性の向上、及び高速回転時の遠心荷重を低減する目的で、アンギュラ玉軸受の内外輪、及び玉にセラミック材料（例えば窒化珪素Ｓｉ₃Ｎ₄，アルミナＡｌ₂Ｏ₃，炭化珪素ＳｉＯ₂等）を採用している。このように、軸受材料を総セラミックとすることで、外部から持ち込まれるパーティクルに対する耐摩耗性も向上する。
【００２８】
また、ドラッグ損失（回転抵抗）が小さくなるように保持器の設計を行っている。これにより、公転滑り防止、及び与圧荷重（スラスト軸受荷重）の低減が可能であり、軸受の長寿命化を図ることができる。保持器の材料としては、洗浄剤に対する耐食性、耐摩耗性、及び高速回転に対する強度確保の観点より、ＰＥＥＫ材（ポリエーテル・エーテル・ケトン）を使用している。これについては、例えば３０％ガラス繊維入りＰＥＥＫ材を用いることにより、更に強度の高いものとなる。加えて、高速，高荷重条件下での耐摩耗性、耐剥離性能を向上させる目的で、玉径と内外輪の軌道溝の半径との比率の最適化を図っている。
【００２９】
図２は、本実施形態に係る軸受を模式的に示す主要部断面図である。なお、同図はアンギュラ玉軸受８の場合を示しているが、アンギュラ玉軸受９は同図を左右反転させたような形となるのみであり、基本的な構造は同じである。同図に示すように、本実施形態におけるアンギュラ玉軸受８は、内輪８ａ，外輪８ｂ、及びこれらに挟持された玉８ｃ、並びに玉８ｃを保持する保持器８ｄより成る。
【００３０】
外輪８ｂの内周は、玉８ｃが転がる軌道溝８ｂａと、その軸方向両側の内周面８ｂｂとより構成されている。また、内輪８ａの外周は、玉８ｃが転がる軌道溝８ａａと、その軸方向片側の最外周面８ａｂ、及び他の片側で軌道溝８ａａから連続している外周面８ａｃとより構成されている。また、保持器８ｄは内輪８ａと外輪８ｂとの間に配置されたリング状の部材であり、その全周に渡る所定の箇所に、玉８ｃが填り込むポケット８ｄａが軸心から見て等角度ピッチで開けられている。なお、図中のαは接触角である。
【００３１】
従来のＣＯ₂ポンプにおける玉軸受は、全てステンレス鋼か、或いは玉のみセラミックで内外輪はステンレス鋼であったが、本実施形態では、上述したように、玉及び内外輪共セラミックとした総セラミック軸受としている。また、従来の軸受の保持器は、外輪の軸方向両側の内周面で案内される外輪両側案内であったが、本実施形態では内輪案内としており、更に詳しくは、内輪の軸方向片側の外周面で案内される内輪片側案内としている。
【００３２】
具体的には、同図において、内輪８ａの最外周面８ａｂにより、これに対向する保持器８ｄの内周面８ｄｂが案内される構成となっている。これにより、内輪８ａの回転と共に保持器８ｄも回転しやすくなるので、保持器８ｄの回転抵抗（ドラッグ損失）を減らすことができ、軸受の公転滑りの防止を図ることが可能となる。その他、保持器を無くした総玉軸受を採用することで、ドラッグ損失を減らす手段も考えられる。
【００３３】
また、玉軸受の焼き付き性と長寿命化とは相反する関係にあり、本実施形態では、玉径と内外輪の軌道溝の半径との比率（溝半径率）を調整することで、その両立を図った設計を実施している。溝半径率の範囲は、溝半径／玉径×１００＝５２％以上を対象としている。さらには５２〜５６％の範囲内であること、或いは特に５４％より大きいことが望ましい。
【００３４】
本実施形態に係る軸受を改めて詳細に説明する。本実施形態の軸受は、図３に示すように、斜接（アンギュラ）玉軸受であり、外輪１１２、内輪１１３、これらの間に配置された複数の転動体としての玉１１４、及び玉１１４を保持する保持器１１５を有している。外輪１１２、内輪１１３及び玉１１４は、すべて窒化ケイ素製とされており、保持器１１５は、スーパーエンジニアリングプラスチックのＰＥＥＫ（polyether ether keton）製とされている。
【００３５】
保持器１１５は、固定輪である外輪１１２に案内されて円滑に回転するように、その外径が外輪１１２の内径より若干小さく形成（０．１５ｍｍ程度）されている。そして、外輪１１２は、保持器１１５の外径より若干大きい（０．１５ｍｍ程度）内径を有する左半部の小径部１１２ａと、保持器１１５の外径よりも十分に大きい内径を有する右半部の大径部１１２ｂとから構成され、外輪１１２の軌道溝は、小径部１１２ａ及び大径部１１２ｂの両方に渡って形成されている。
【００３６】
これにより、保持器１１５を案内する案内面が外輪１１２の軸方向片側（玉の中心より左側）にのみ形成されている。なお、上記の「十分に大きい内径」とは、外輪１１２と保持器１１５の相対回転時に、左半部における両者の対向面間に殆どトラクションが作用しない程にその対向面間距離が大きいことを言う。
【００３７】
図４に示す転がり軸受１１１は、図３のものと比較して保持器だけが異なっており、この保持器１１６は、回転輪である内輪１１３に案内されて円滑に回転するように、その内径が内輪１１３の外径より若干大きくなされている。
【００３８】
図５は、上記転がり軸受１１１の評価装置を示している。この評価装置１２１は、転がり軸受１１１の公転すべりを評価するもので、円筒状のハウジング１２２と、これに相対回転可能に収容される回転軸１２３とを備え、ハウジング１２２と回転軸１２３との間の軸方向に離れた２カ所に、回転軸１２３を回転支持する左側及び右側の転がり軸受１１１，１１１を配置することができる。
【００３９】
回転軸１２３は、その左端部において、エアータービンの駆動部（図示略）に接続される。２つの転がり軸受１１１間の外輪側には、これらにアキシャル荷重を負荷する円筒状コイルばね１２４が介在されており、同内輪側には、円筒状スペーサ１２５が介在されている。そして、右側の転がり軸受１１１の右端面を臨むように、非接触変位計１２６が配置されている。
【００４０】
右側の転がり軸受１１１の保持器１１５の右面の周方向の所定箇所には、アルミニウムのコーティングが施され、これにより、変位計１２６は、保持器１１５のアルミニウムコーティング部の通過周波数を検知し、この周波数から保持器１１５の回転数従って玉１１４の公転回転数を求めることができる。
【００４１】
上記評価装置１２１を用いて、転がり軸受１１１の玉１１４の公転回転数ｎ_Cを実測し、これと理論的に求められる玉の公転回転数ｎ_Tとから公転すべり率（％）＝（ｎ_T−ｎ_C）／ｎ_T×１００を求めることにより、異なる仕様の転がり軸受について、その公転すべりを評価することができる。なお、ｎ_Tは、α：接触角として、
ｎ_T＝内輪の回転数×（１−玉径×ｃｏｓα／玉のピッチ径）／２で求められる。こうして得られた公転すべり率を図６及び図７に示す。
【００４２】
図６のグラフにおいて、白い三角印（及び折線ａ）は、アキシャル荷重が６．５ｋｇｆ時の外輪片側案内の転がり軸受１１１（図３のもの）で、白い四角印（及び折線ｂ）は、同じ軸受１１１でアキシャル荷重を２３ｋｇｆとしたものであり、黒い三角印（及び折線ｃ）は、アキシャル荷重が６．５ｋｇｆ時の外輪両側案内の転がり軸受（比較例）で、黒い四角印（及び折線ｄ）は、同じ軸受でアキシャル荷重が２３ｋｇｆとしたものの公転すべり率をそれぞれ示している。このグラフから分かるように、図３に示した転がり軸受１１１は、案内面が軸方向両側に形成されている転がり軸受に比べて、公転すべり率が小さくなっており、転がり軸受１１１の摩耗性を悪化させる公転すべりが改善されている。
【００４３】
図７のグラフにおいて、白い三角印（及び折線ａ）は、アキシャル荷重が６．５ｋｇｆ時の内輪片側案内の転がり軸受１１１（図４のもの）で、白い四角印（及び折線ｂ）は、同じ軸受１１１でアキシャル荷重を２３ｋｇｆとしたものであり、黒い三角印（及び折線ｃ）は、アキシャル荷重が６．５ｋｇｆ時の外輪両側案内の転がり軸受（比較例）で、黒い四角印（及び折線ｄ）は、同じ軸受でアキシャル荷重が２３ｋｇｆとしたものの公転すべり率をそれぞれ示している。このグラフから分かるように、図４に示した転がり軸受１１１は、外輪案内で且つ案内面が軸方向両側に形成されている転がり軸受に比べて、公転すべり率が大幅に小さくなっており、転がり軸受１１１の摩耗性を悪化させる公転すべりが顕著に改善されている。
【００４４】
図６，図７は水を用いた試験結果ではあるが、超臨界ＣＯ₂雰囲気中では、水に比べ比重，粘度が小さくなり、確実にその効果が期待される。従って、上記図３及び図４に示した転がり軸受１１１によると、超臨界ＣＯ₂雰囲気中という軸受にとって厳しい条件下であっても、その耐久性の低下が防止され、この転がり軸受を使用する超臨界ＣＯ₂ポンプの長期間の連続使用を可能にする。
【００４５】
以下に、本実施形態で使用される玉軸受の特性を解析した結果を示す。ここでは内輪１１３の軌道溝の曲率半径を玉径の５４％より大きくしたことによる効果について、具体例として、内径がφ１０の斜接玉軸受で計算した結果を以下に示す。
【００４６】
即ち、内輪軌道溝の曲率半径を玉径の５２％から５６％にすると、アキシャル荷重が５０Ｎの場合には、ＰＶ値が７４７（ＭＰａ・ｍ／ｓ）から５５３（ＭＰａ・ｍ／ｓ）まで減少し、アキシャル荷重が１００Ｎの場合には、ＰＶ値が９３５（ＭＰａ・ｍ／ｓ）から７０８（ＭＰａ・ｍ／ｓ）まで減少し、平均では約３／４に減少する。こうして、ＰＶ値を小さくすることができ、これにより、摩耗を低減できることが分かる。
【００４７】
上記効果は、内輪１１３側での接触面積を小さくし、内輪１１３側ですべりが生じた場合でも、そのＰＶ値が小さくなるようにすることにより得られるもので、この観点からのより詳しい解析によると、ＰＶ値を効果的に小さくするには、内輪軌道溝の曲率半径を玉径の５４％より大きくすることが好ましいことが分かる。内輪軌道溝の曲率半径の上限は、他性能との関係から玉径の６０％程度とされる。外輪軌道溝の曲率半径は、特に限定されず、玉径の５０．５％以上で且つ６０％以下であれば良い。
【００４８】
ところで、半導体洗浄揚液は、通常、３５〜１００℃の範囲で使用される。一方、モータの主軸材とそれを支持する軸受内輪とでは、線膨張係数に差がある。つまり、主軸材は通常、耐食性を考慮してオーステナイト系ステンレス鋼が採用されるので、線膨張係数が大きく、軸受内輪は上述したようにセラミック製であるので、線膨張係数が小さい。
【００４９】
そのため、温度上昇時に主軸が膨張して軸受内輪が破損することが懸念される。そこで、図８に示すように、主軸７の軸心に羽根車取付けボルト用とを兼用したくり抜き穴７ａを設けて中空軸とすることにより、主軸７の膨張を内側に逃がすようにして、アンギュラ玉軸受８の内輪８ａにおいて発生する応力の緩和を図っている。なお、同図では羽根車側の構成を示しているが、軸端側はボルトは無いが、同様である。
【００５０】
また、本発明で使用される軸受の転動体としては玉を採用し、玉軸受としているが、これに限定されるものではなく、円柱状や円錐台状のころを採用したころ軸受としても良い。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超臨界ＣＯ₂流体或いは液体ＣＯ₂を搬送するポンプであって、軸受部を最適化することにより信頼性を確保した超臨界ＣＯ₂流体或いは液体ＣＯ₂用ポンプを提供することができる。
【００５２】
具体的には、総セラミック軸受を採用することで、洗浄剤に対する耐食性の向上を図ることができる。また、高速回転による遠心力の低減、耐摩耗性の向上、及び外部からのパーティクルによる損傷の防止も図ることができる。
【００５３】
また、保持器のドラッグ損失を低減することで、軸受の公転滑りによる損傷の防止を図ることができる。また、公転滑り特性向上により、予圧荷重の低減が可能であり、これによりスラスト荷重が低下するので、軸受の長寿命化を図ることができる。さらに、ドラッグ損失低減により、ポンプ効率の向上を図ることができる。
【００５４】
その他、玉径と軌道溝半径との比率（溝半径率）を最適化することで、焼き付き性の改善と長寿命化との両立，最適化を図ることができる。また、保持器の材料をＰＥＥＫ材とすることで、保持器の耐食性を向上させるとともに、保持器の強度を向上させることができる。
【００５５】
また、総セラミック軸受を採用した場合、温度上昇時に発生する主軸と軸受内輪との熱膨張差により、軸受内輪の焼き嵌め応力過大による損傷の懸念があるが、主軸を中空軸とすることで、これを回避することができる。
【００５６】
なお、転がり軸受の保持器を回転輪案内とすることで、回転輪及び案内部の流体から公転方向に駆動する力を転動体に作用させ、公転すべりを抑えることができる。従って、転がり軸受の耐久性の低下が防止され、この転がり軸受を使用する超臨界ＣＯ₂ポンプは、振動が大きくなって継続使用ができないという問題を生じない。
【００５７】
或いは、保持器を固定輪案内とし、案内面が転動体の中心より軸方向片側のみに形成されている構成とすることで、転動体の公転方向への移動を妨げる力を低減させ、公転すべりを抑えることができる。従って、転がり軸受の耐久性の低下が防止され、この転がり軸受を使用する超臨界ＣＯ₂ポンプは、振動が大きくなって継続使用ができないという問題を生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体洗浄装置用循環ポンプの構成を示す断面図。
【図２】本実施形態に係る軸受を模式的に示す主要部断面図。
【図３】本実施形態に係る転がり軸受を示す縦断面図。
【図４】本実施形態に係る転がり軸受を示す縦断面図。
【図５】本実施形態に係る転がり軸受の評価装置を示す縦断面図。
【図６】転がり軸受の評価結果を示すグラフ。
【図７】転がり軸受の評価結果を示すグラフ。
【図８】主軸を中空軸とした様子を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１循環ポンプ
２吐出・吸込側ケーシング
３パージ側ケーシング
４外筒
５マニホールド
６キャンドモータ
７主軸
８，９アンギュラ玉軸受
１０羽根車
１１予圧バネ

Claims

その主軸の一端に取り付けられた羽根車を該主軸と連動して回転駆動するキャンドモータと、該キャンドモータの主軸を軸支する軸受と、を備えるとともに、前記羽根車を回転駆動することで超臨界ＣＯ₂流体或いは液体ＣＯ₂を搬送するポンプにおいて、
前記軸受が、その内輪及び外輪及び玉が各々セラミック材より成る玉軸受であり、
前記主軸を中空軸として、該主軸の膨張を該主軸の中空部分に逃がすことを特徴とするポンプ。
前記超臨界ＣＯ ₂ 流体或いは液体ＣＯ ₂ を吸い込む吸込口と前記超臨界ＣＯ ₂ 流体或いは液体ＣＯ ₂ を吐出する吐出口とが開口したマニホールドと、
前記マニホールドとの間に構成される空間を、前記吸入口と前記吐出口とをつなぐ搬送路の一部として構成する吐出・吸込側ケーシングと、
吸い込まれた前記超臨界ＣＯ ₂ 流体或いは液体ＣＯ ₂ による揚液の一部を排出するパージ口を備えたパージ側ケーシングと、
前記吐出・吸込側ケーシングと前記パージ側ケーシングに挟持されるとともに、前記キャンドモータを収納する外筒と、
を備え、
前記軸受が、前記吐出・吸込側ケーシング及び前記パージ側ケーシングそれぞれに設けられたアンギュラ玉軸受であり、
前記キャンドモータが、固定子と、前記主軸に取り付けられた回転子とを備え、
前記主軸が、前記吐出・吸込側ケーシング及び前記パージ側ケーシングそれぞれに設けられた前記アンギュラ玉軸受によりその両端部が回転可能に軸支されることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
前記主軸の中空部分がくり抜き穴によって構成されるとともに、
前記羽根車を取り付けるボルトが、前記くり抜き穴を貫通して当該くり抜き穴に固定されることを特徴とする請求項２に記載のポンプ。
前記パージ側ケーシングと前記パージ側ケーシングに設けられた前記軸受との間に挟持されて前記軸受に与圧を付加する与圧バネを、備えることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のポンプ。
前記軸受が前記超臨界ＣＯ ₂ 流体或いは液体ＣＯ ₂ による揚液中で使用されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のポンプ。
前記主軸が、オーステナイト系ステンレス鋼により成ることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のポンプ。
半導体洗浄用循環ポンプとして用いられることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のポンプ。