JP4156830B2

JP4156830B2 - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP4156830B2
Application number: JP2001380490A
Authority: JP
Inventors: 学野中; 剛志樺澤
Original assignee: EDWARDSJAPAN LIMITED
Current assignee: EDWARDSJAPAN LIMITED
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: EP1321677A1; TW200300821A; US20030129053A1; CN1425854A; US6910850B2; JP2003184785A; KR20030051227A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置、質量分析装置、粒子加速器、核融合実験装置等に用いられる真空ポンプに係り、特に大容量の排気を必要とする真空ポンプにも簡単かつ廉価に対応できる構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造工程におけるドライエッチングやＣＶＤのプロセスのように、高真空のプロセスチャンバ内で処理を行なう工程では、プロセスチャンバ内のガスを排気して一定の高真空度を形成する手段として、例えば図６に示すターボ分子ポンプのような真空ポンプが用いられている。
【０００３】
同図に示すように、このターボ分子ポンプP6は、円筒型のロータ16の外壁面に複数のブレード状のロータ翼17，17，…が設けられ、このロータ翼17，17間に位置決め固定された複数のステータ翼18，18，…がポンプケース11内壁に取付けられてなり、ロータ16がロータシャフト15に一体に取付けられている。
【０００４】
このロータシャフト15を駆動モータ19により高速回転させると、これと連動して高速回転するロータ翼17と固定のステータ翼18との相互作用により、同図中点線矢印で示すように、ガス吸気口12から吸入されたガスが、下段のネジ溝ポンプ機構部に送り込まれ、ロータ16外壁の円筒面とネジステータ20内壁のネジ溝21との相互作用により遷移流から粘性流に圧縮され、後段のガス排気口13から排気されてガス吸気口12に接続されたプロセスチャンバ内を高真空にするというものであるが、このときロータ16およびロータ翼17からなる回転円筒体は気体圧縮熱により温度上昇して高温状態となるため、この熱をポンプケース11内の固定側へと放熱して回転円筒体の冷却を行なう必要がある。
【０００５】
この回転円筒体の放熱の方法としては、放射による放熱と伝導による放熱とが知られており、前者については（イ）ロータ翼表面からステータ翼表面への放射、後者については（ロ）ガスを通じた伝導、（ハ）軸受による伝導があるが、図６に示すように、半径方向電磁石22、および軸方向電磁石23からなる磁気軸受によりロータシャフト15が軸受支持されている磁気浮上式のターボ分子ポンプでは、通常運転時には保護用ボールベアリング24，24とロータシャフト15とが接触していないため、上記（ハ）のような軸受による直接的な熱伝導はなく、上記（イ）の放射と上記（ロ）のガスを通じた伝導によるものとなる。更に、ポンプケース11内に流入するガスの流量が少ない場合やＡｒガス等のように熱伝導率の低いガスを排気する場合にあっては、上記（ロ）のガスによる熱伝導があまり期待できず、結局のところ、（イ）の放射による放熱のみに頼らざるを得ないため、放熱効率が悪くタービンにより排気する圧縮熱がロータ翼17にこもり易くなる。
【０００６】
そこで、図６に示すように、例えばＮ２ガスのように熱伝導率の高いパージガスを外部からポンプケース11内に注入し、同図中実線矢印で示すように、ロータシャフト15外壁とステータコラム14内壁との間隙からステータコラム14外壁とロータ16内壁との間隙にかけて連通する通路 Rにこのパージガスを通過させ、ガス排気口13へと排気させて熱伝導を行なうことにより、ロータ16に蓄熱された圧縮熱をロータ16内壁面からステータコラム14外壁面へと放熱し、ロータ16およびロータ翼17からなる回転円筒体の冷却を行なう方法が従来から採用されている。
【０００７】
そして、この方法によると、冷却効果を高めるためにはロータ16内壁面とステータコラム14外壁面との間隙g1はできるだけ狭く設定することが要求される。これは、この間隙g1が広いと粘性流領域においては温度境界層が生成されてしまい、ロータ16内壁面とステータコラム14外壁面の間の熱伝導率が低下するためであり、また、分子流領域においては平均自由工程に対して間隙g1が広くなると、表面より放出される気体分子が直接他の面に到達する確率が低下し、同様に熱伝導率が低下するためである。
【０００８】
ところが、図７に示すように、より大容量のガスを排気するために図６に示したロータ翼17の外径L6よりも大きな外径L7のロータ翼17-1を有するロータ16-1を図６に示したロータシャフト15に搭載したターボ分子ポンプP7の場合、図６ではロータ16内壁面とステータコラム14外壁面との間隙g1は微小な隙間であったのに対し、図７ではロータ16-1内壁面とステータコラム14外壁面との間隙はg2となり、図６の間隙g1に比して極めて大きな隙間が形成されてしまう。このような大きな間隙g2は、上述したように熱伝導率を極度に低下させるため好ましくなく、したがって正常な熱伝導を行なうためにはステータコラム14の外壁形状をロータ16-1の内壁形状に倣った形状に成形してこの間隙g2を埋めて所定のクリアランスであるg1までその幅を狭める必要が生じる。
【０００９】
この間隙g2の幅を狭めるための手段としては、ロータ16-1の成形時にロータ16-1の下端部の肉厚を厚く成形する方法が考えられるが、この場合、肉厚を厚くした分だけコスト高となる上に、ロータ16-1はポンプ運転中に高速回転する部材であるため、あまりに肉厚を大きく形成するとその重量が増大してポンプ運転時に余計な動力が必要となり、圧縮性能の低下を招くとともに回転円筒体のアンバランス状態が生じ易くなるため避けるべきである。
【００１０】
また、この間隙g2の幅を狭めるための手段として、ロータ16-1の内壁形状に倣った外壁形状のステータコラム14を成形する方法も考えられるが、この場合には、外壁形状の異なるパターンを幾つも用意しておく必要があり、高価な電装品等を内蔵するステータコラム14自体を交換することはターボ分子ポンプの製造において大幅なコストアップの要因になるという問題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大容量の排気を行なうために外径が大きなロータを搭載する際に、ロータ内壁面とステータコラム外壁面との間に形成される所定の狭い間隙を簡易かつ廉価に形成することができ、ポンプ製造に当たり従来に比して大幅なコストダウンを可能とする真空ポンプを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る真空ポンプは、上部壁面にガス吸気口が開口され、下部壁面にガス排気口が開口されたポンプケース内に回転可能に支持されるロータシャフトと、上記ロータシャフトを回転させるための駆動モータと、上記ロータシャフトと駆動モータとを内蔵し、上記ポンプケース内に立設されるステータコラムと、上記ステータコラムを包囲し、上記ロータシャフトに固定されるロータと、上記ロータの内壁形状に倣った外壁形状を有し、上記ステータコラム外周に着脱自在に取付け固定されるスペーサと、を具備し、上記ロータシャフトの外壁と上記ステータコラムの内壁との隙間から該ステータコラムの外壁と上記ロータの内壁との隙間にかけて連通する通路があって、この通路にパージガスを通過させて上記ロータを冷却する機能を備えた真空ポンプであって、上記スペーサと上記ロータとの間にできる隙間は上記スペーサの外径寸法によって所定の隙間に設定されていることを特徴とする。
【００１３】
ここで、上記ステータコラムとスペーサとの固定構造の一例としては、上記スペーサ外周壁の一部を切り欠いてフランジ部を形成し、このフランジ部をクランプ固定する構造を採用することができる。
【００１４】
また、上記ステータコラムとスペーサとの固定構造の他の例として、上記スペーサ外周壁から内周壁にかけて螺着する止めネジにより締結固定する構造を採用してもよい。
【００１５】
更に、上記ステータコラムとスペーサとの固定構造の他の例として、上記スペーサを上記ステータコラムに開設された取付孔に対して上記ロータシャフトの軸線方向に締結固定する構造を採用してもよい。
【００１６】
なお、上記ポンプケース内には、上記ロータの外壁面に一体に設けられるブレード状の複数のロータ翼と、上記ロータ翼間に交互に位置決めされ、上記ポンプケース内に固定されるブレード状の複数のステータ翼とからなるターボ分子機構部を有していてもよい。
【００１７】
本発明に係る真空ポンプによれば、ロータの内壁形状に倣った外壁形状を有するスペーサがステータコラムに着脱自在に取付け固定される構造を採用しているため、大容量の排気を行なうためにロータ翼の外径が大きなロータを搭載する際、ロータ内壁面とステータコラム外壁面との間に所定の狭い間隙を形成するための手段として、円筒体ロータの肉厚を厚くしたり、高価なステータコラムを作り分けたりする必要がなく、このスペーサのみを交換するだけで対応できるため、真空ポンプの製造に当たり大幅なコストダウンに繋がる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る真空ポンプの好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る真空ポンプの全体構成を示す縦断面図であり、同図に示すように、この真空ポンプP1のポンプ機構部は、ポンプケース11内部に収容されたターボ分子ポンプ機構部PAとネジ溝ポンプ機構部PBとから構成される複合型のポンプ機構を採用している。
【００２０】
まず、ポンプケース11は円筒体11-1とその下端に取付けられたベース11-2とからなり、円筒体11-1の上部壁面は開口されてガス吸気口12となっており、ガス吸気口12には図示しないプロセスチャンバ等の真空容器が円筒体11-1のフランジ部にネジ止め固定され、ベース11-2の下部一側壁面にはガス排気口13が開口されて排気パイプ13-1が取付けられている。
【００２１】
また、ベース11-2の下部底面は裏蓋11-3で蓋されており、裏蓋11-3上方には、ポンプケース11内部に向かって立設するステータコラム14がベース11-2にネジ止め固定され、ステータコラム14には、その端面間を貫通するロータシャフト15が回転可能となるように、ステータコラム14内部に設けられた半径方向電磁石22，22および軸方向電磁石23，23からなる磁気軸受により、ロータシャフト15の半径方向と軸方向にそれぞれ軸受支持されている。なお、符号24はドライ潤滑剤が塗布された保護用ボールベアリングであり、磁気軸受の電源異常時に、ロータシャフト15と電磁石22，23とが接触するのを保護し、ロータシャフト15を支持するためのものであり、通常運転時にはロータシャフト15には接触していない。
【００２２】
ポンプケース11内部には、円筒型に成形されたロータ16がステータコラム14を包囲するように配置され、ロータ16上端はガス吸気口12付近まで延長されており、ロータシャフト15の軸線 L方向にネジ止め固定されている。また、ロータシャフト15の軸線 L方向の略中央部には、ロータシャフト15とステータコラム14との間に、高周波モータ等からなる駆動モータ19が内蔵されており、ロータシャフト15とロータ16とはこの駆動モータ19により高速回転するように構成されている。
【００２３】
更に、ロータ16上部の外壁面には、ガス吸気口12側からロータシャフト15の軸線 L方向にかけて複数のブレード状のロータ翼17，17，…が一体に設けられ、このロータ翼17，17間に交互に位置決めされた複数枚のブレード状のステータ翼18，18，…がポンプケース11内の円筒体11-1内壁面に取付け固定されて、高速回転するロータ翼17と固定のステータ翼18との相互作用によりガス吸気口12側の気体分子を下段側に送り込むターボ分子ポンプ機構部PAを構成している。
【００２４】
一方、ロータ16下部の外壁面は平坦な円筒面となっており、ポンプケース11内のベース11-2には、ロータ16外壁の円筒面と狭い間隔で対向する円筒型のネジステータ20が取付け固定され、このネジステータ20内壁面には同図中点線で示すネジ溝21が刻設されて、高速回転するロータ16外壁の円筒面と固定のネジステータ20内壁のネジ溝21との相互作用により、ターボ分子ポンプ機構部PAから送り込まれた気体分子を遷移流から粘性流に圧縮し、後段のガス排気口13から排気するネジ溝ポンプ機構部PBを構成している。
【００２５】
そして、ロータ16下部の内壁面と、これと対向するステータコラム14外壁面との間には、ロータ16の内壁形状16aに倣った外壁形状Sbを有するスペーサ Sが設けられている。このスペーサ Sは、熱伝導率の高い金属材料により構成されていることが好ましく、比較的軟質で加工し易くかつ比強度に優れたアルミ合金等の軽合金の他、ステンレス鋼、ニッケル鋼等の鉄系材料を用いて所定形状に切削され、ステータコラム14外周に着脱自在に取付け固定される。このスペーサ Sとステータコラム14との着脱可能な固定構造については各種考えられるが、例えば図２乃至図４に示す固定構造を採用することができる。
【００２６】
まず、図２に示す真空ポンプP2における固定構造は、スペーサS1の外周壁の一部を切り欠いてフランジ部31を形成し、このフランジ部31をボルト33によりクランプ固定する構造を採用している。すなわち、この固定構造は、同図（ｂ）に示すように、ステータコラム14の外壁形状14aに倣った内径およびロータ16の内壁形状16aに倣った外径を有するように、断面リング状に成形された円筒型のスペーサS1の一部にその外周壁から内周壁にかけて貫通する貫通溝32が刻設され、この貫通溝32の近傍にスペーサS1外周壁の一部を断面Ｌ字状に切り欠いたフランジ部31が形成され、フランジ部31から貫通溝32にかけて直交するボルト33によりクランプ固定される構造である。
【００２７】
次に、図３に示す真空ポンプP3における固定構造は、スペーサS2の外周壁から内周壁にかけて螺着する止めネジ41により締結固定する構造を採用している。すなわち、この固定構造は、同図（ｂ）に示すように、ステータコラム14の外壁形状14aに倣った内径およびロータ16の内壁形状16aに倣った外径を有するように、断面リング状に成形された円筒型のスペーサS2の外周壁から内周壁にかけて貫通するネジ孔42が刻設され、このネジ孔42に止めネジ41が挿通されてスペーサS2のサイドより締結固定される構造である。
【００２８】
更に、図４に示す真空ポンプP4における固定構造は、スペーサS3をステータコラム14に開設された取付孔52に対してロータシャフト15の軸線 L方向に締結固定する構造を採用している。すなわち、この固定構造は、ステータコラム14の外壁形状14aに倣った内径およびロータ16の内壁形状16aに倣った外径を有するように、断面リング状に成形された円筒型のスペーサS3の外周壁に断面Ｌ字状に切り欠かれた取付段部53が形成され、この取付段部53にロータシャフト15の軸線 L方向に沿って取付孔51が開設され、この取付孔51と嵌合する取付孔52がステータコラム14側にも開設され、この取付孔51，52に一体のボルト54を順次挿通させて螺合させることにより、スペーサS3がステータコラム14に対してロータシャフト15の軸線 L方向に締結固定される構造である。
【００２９】
このように、図２乃至図４に示した固定構造によれば、円筒型のステータコラム14とこのステータコラム14外周に嵌め込まれた円筒型のスペーサS1〜S3との強固な取付け固定を実現できるとともに、スペーサS1についてはボルト33、スペーサS2については止めネジ41、スペーサS3についてはボルト54をそれぞれ緩めるだけの作業でスペーサS1〜S3をステータコラム14から簡単に取り外すことが可能となる。
【００３０】
以下、本発明に係る真空ポンプの作用について図５に基づき説明する。
【００３１】
図５は大容量のガスを排気するために図１に示したロータ翼17の外径L1よりも大きな外径Lnのロータ翼17-nを有するロータ16-nを図１に示したロータシャフト15に搭載したターボ分子ポンプPnを示すもので、図１に示したものと同一の部材には同一の符号を附してその詳細な説明は省略する。また、ターボ分子ポンプ機構部PAとネジ溝ポンプ機構部PBとから構成される複合型のポンプ機構については従来と同様なため、その動作説明は省略する。
【００３２】
同図に示すように、図１に示したロータ翼17の外径L1よりも大きな外径Lnのロータ翼17-nを有するロータ16-nは、その内壁面とステータコラム14外壁面との間に図１に示した間隙g1よりも大きな間隙gnが形成される。ところが、本実施形態においては、図１に示したスペーサ Sよりも大径のスペーサSnが取付け固定されている。すなわち、このスペーサSnは、ステータコラム14の外壁形状14aに倣った内壁形状Sna、およびロータ16-nの内壁形状16-naに倣った外壁形状Snbを有し、ステータコラム14の外周に着脱自在に取付け固定されるもので、取付け固定後のスペーサSn外壁面とロータ16-n内壁面との間は所定の狭い間隙であるg1となるように設定されている。また、このスペーサSnの取付け箇所は、ポンプ運転中に固定であるステータコラム14の外周であって、ロータ16-nおよびロータ翼17-nからなる回転円筒体の遠心力による変位の影響を受けることもなく、常にロータ16-n内壁面との所定のクリアランスを保つことができる。
【００３３】
したがって、ポンプ運転時の気体圧縮熱により温度上昇して高温状態となったロータ16-nおよびロータ翼17-nからなる回転円筒体の冷却としては、同図に示すように、Ｎ２ガスのように熱伝導率の高いパージガスを外部からポンプケース11内に注入し、同図中実線矢印で示すように、ロータシャフト15外壁とステータコラム14内壁との間隙、ステータコラム14外壁とロータ16-n内壁との間隙、およびスペーサSn外壁とロータ16-n内壁との間隙にかけて連通する通路Rnにこのパージガスを通過させ、ガス排気口13へと排気させて熱伝導を行なうことで、ロータ16-nに蓄熱された圧縮熱をロータ16-n内壁面からステータコラム14外壁面、およびロータ16-n内壁面からスペーサSn外壁面へと放熱することにより行なうことができる。このとき、スペーサSn外壁面とロータ16-n内壁面との間には従来のような大きな間隙による温度境界層が生成されてしまうこともなく、熱伝導率の低下を防止することができ、効率良く熱伝導による放射を行なうことができる。
【００３４】
更に、異なる外径Lnのロータ翼17-nを有するロータ16-nを搭載するに当たり、ロータ16-n内壁面とステータコラム14外壁面との間に所定の狭い間隙であるg1を形成するための手段として、ロータ16-nの成形時にロータ16-nの下端部の肉厚を厚く成形したり、高価な電装品等を内蔵するステータコラム14自体を製造し分けたりする必要がなく、このスペーサSnのみを交換するだけで対応できるため、真空ポンプの製造に当たり従来に比して大幅なコストダウンが見込める。
【００３５】
なお、上述した各実施形態は、ネジ溝ポンプ機構部PBにおいて、ロータ16下部の外壁面を平坦な円筒面とし、この円筒面と対向するネジステータ20の内壁面にネジ溝21を刻設した例について説明したが、これとは逆に、ロータ16下部の外壁面にネジ溝21を刻設し、この外壁面と対向するネジステータ20の内壁面を平坦な円筒面とする構成を採用してもよく、この場合にもロータ16外壁面のネジ溝21とネジステータ20内壁面の円筒面との相互作用により、上述した各実施形態における作用効果と同一の作用効果が期待できる。
【００３６】
また、上述した各実施形態においてはターボ分子ポンプに適用した例について説明したが、本発明は、構造が周知であるため説明しないネジ溝ポンプ、渦流ポンプ、およびターボ分子ポンプ，ネジ溝ポンプ，渦流ポンプを複合した分子ポンプについても適用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る真空ポンプによれば、ステータコラムの外壁形状に倣った内壁形状およびロータの内壁形状に倣った外壁形状を有するスペーサがステータコラム外周に着脱自在に取付け固定される構造を採用しているため、ステータコラム外壁面とロータ内壁面との間に形成される大きな間隙による温度境界層が生成されてしまうことがなく、熱伝導率の低下を防止して、効率良く熱伝導を行なうことができるとともに、ロータ内壁面とステータコラム外壁面との間に所定の狭い間隙を形成するための手段として、円筒体ロータの肉厚を厚くしたり、高価なステータコラムを作り分けたりする必要がなく、このスペーサのみを交換するだけで対応できるため、特に大容量の排気を必要とする真空ポンプにも簡単かつ廉価に対応できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る真空ポンプの全体構成を示す縦断面図である。
【図２】スペーサ固定構造の第１の実施形態を示す図であり、（ａ）は真空ポンプの縦断面図、（ｂ）は（ａ）のII−II線断面図である。
【図３】スペーサ固定構造の第２の実施形態を示す図であり、（ａ）は真空ポンプの縦断面図、（ｂ）は（ａ）のIII−III線断面図である。
【図４】スペーサ固定構造の第３の実施形態を示す真空ポンプの縦断面図である。
【図５】本発明に係る真空ポンプの回転翼に大径の回転翼を適用した例を示す縦断面図である。
【図６】従来の真空ポンプの全体構成を示す縦断面図である。
【図７】図６に示した真空ポンプの回転翼に大径の回転翼を適用した場合の不具合を示す縦断面図である。
【符号の説明】
11 ポンプケース
11-1 円筒体
11-2 ベース
11-3 裏蓋
12 ガス吸気口
13 ガス排気口
13-1 排気パイプ
14 ステータコラム
14a ステータコラムの外壁形状
15 ロータシャフト
16，16-n ロータ
16a，16-na ロータの内壁形状
17 ロータ翼
18 ステータ翼
19 駆動モータ
20 ネジステータ
21 ネジ溝
22 半径方向電磁石
23 軸方向電磁石
24 保護用ボールベアリング
31 フランジ部
32 貫通溝
33 ボルト
41 止めネジ
42 ネジ孔
51，52 取付孔
53 取付段部
54 ボルト
S，S1，S2，S3，Sn スペーサ
PA ターボ分子ポンプ機構部
PB ネジ溝ポンプ機構部

Claims

上部壁面にガス吸気口が開口され、下部壁面にガス排気口が開口されたポンプケース内に回転可能に支持されるロータシャフトと、
上記ロータシャフトを回転させるための駆動モータと、
上記ロータシャフトと駆動モータとを内蔵し、上記ポンプケース内に立設されるステータコラムと、
上記ステータコラムを包囲し、上記ロータシャフトに固定されるロータと、
上記ロータの内壁形状に倣った外壁形状を有し、上記ステータコラム外周に着脱自在に取付け固定されるスペーサと、を具備し、
上記ロータシャフトの外壁と上記ステータコラムの内壁との隙間から該ステータコラムの外壁と上記ロータの内壁との隙間にかけて連通する通路があって、この通路にパージガスを通過させて上記ロータを冷却する機能を備えた真空ポンプであって、
上記スペーサと上記ロータとの間にできる隙間は上記スペーサの外径寸法によって所定の隙間に設定されている
ことを特徴とする真空ポンプ。
上記ステータコラムとスペーサとの固定構造は、上記スペーサ外周壁の一部が切り欠かれたフランジ部が形成され、このフランジ部がクランプ固定される構造であることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
上記ステータコラムとスペーサとの固定構造は、上記スペーサ外周壁から内周壁にかけて螺着する止めネジにより締結固定される構造であることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
上記ステータコラムとスペーサとの固定構造は、上記スペーサが上記ステータコラムに開設された取付孔に対して上記ロータシャフトの軸線方向に締結固定される構造であることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
上記ポンプケース内には、上記ロータの外壁面に一体に設けられるブレード状の複数のロータ翼と、上記ロータ翼間に交互に位置決めされ、上記ポンプケース内に固定されるブレード状の複数のステータ翼と、を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の真空ポンプ。