JP5432985B2 - メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成する部材の表面処理方法及びこの表面処理方法により処理されたメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプ - Google Patents

メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成する部材の表面処理方法及びこの表面処理方法により処理されたメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプ Download PDF

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Description

本発明は、気体流路に露出するアルミニウム又はアルミニウム合金から構成されるメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプの部品の表面処理方法及びこの表面処理方法により処理された部品から構成されるメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプに関する。
従来のドライポンプの構造としては、例えば、図1に示されるように、筐体1の側面に対向するようにして配置された吸気口2及び排気口3を接続する流路において、ローター室4を設け、このローター室4内に、モーター5により駆動される回転軸6により軸支されたローター7〜12を設けることにより構成されるスクリュー型のものが知られている。尚、図示したものでは、ローター室4内に、加熱手段13により加熱された空気や乾燥窒素等を導入するためのガスバラスト14が接続され、また、回転軸6の周辺に軸シールガスを導入するための軸シールガス導入路15が形成されている。
上記構造において、真空チャンバーから吸引された気体は、吸気口2からローター室4を通り、排気口3から排気されることになるが、その間に、気体は、吸気口2、ローター7〜12、ローター室4や排気口3等の表面と接触し、吸引される気体が腐食性を有する場合には、通常は、各部品の表面にアルマイト処理を行うようにしている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、アルマイト処理の場合には、部材表面にポーラス型の酸化皮膜が形成されるために、該皮膜から放出されるガス量が多く、真空ポンプの排気効率を低下させるという問題があった。また、アルマイト処理された部材は120℃程度に加熱されると皮膜にクラックが入り耐食性が低下する可能性があるという問題があった。更に、塩素を含有する気体を吸引するような場合にも短期間で部材が腐蝕するという問題があった。
一方、ワイドバンドギャップ化合物半導体であるGaNは、発光ダイオード(LED)やパワーデバイスとして、MBEやMOCVDで製造されており、量産化に伴い、MBE原料である金属Ga、或いは、MOCVD原料有機金属であるトリメチルガリウム(TMG)やトリエチルガリウム(TEG)が大量に消費される。ところが、反応性の高いGaはAlに触れると溶けてアマルガム状態になるため、原料および未反応のGaが流れる配管および構成部品には、アルミニウム製やアルミニウム合金製は使用できないという問題があった。
特開2006−257908号公報
そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、耐食性に優れ放出ガスの少ないメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成する部材の表面処理方法及びこの表面処理方法により処理されたメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、下記の通り解決手段を見いだした。
即ち、本発明のメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成する部材の表面処理方法の第1の解決手段は、メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成する部材を、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成し、前記部材表面を、アルカリ溶液中に浸漬して、マイクロアーク酸化処理し、前記処理により前記部材表面に形成される酸化皮膜の膜厚を12μm〜15μmとすることを特徴とする。
また、第2の解決手段は、前記アルカリ溶液は、りん酸水素二ナトリウム、トリポリりん酸ナトリウム、りん酸二水素ナトリウム、ウルトラポリりん酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、水酸化カリウム、二リン酸ナトリウム、リン酸三ナトリウム、アルミン酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム及び水酸化ナトリウムの中の1種類又はこれらの中の混合物を水に溶解させて、その濃度0.1質量%〜5質量%としたことを特徴とする。
また、第3の解決手段は、前記マイクロアーク処理における印加電圧を300V〜600Vの範囲とし、電流密度を3.0A/dm〜10A/dmとすることを特徴とする。
また、第4の解決手段は、前記アルカリ溶液の温度を5〜90℃とすることを特徴とする。
また、第5の解決手段は、前記処理により部材表面に形成される酸化皮膜の膜厚を12μm〜15μmとすることを特徴とする。
また、本発明のメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプは、上記表面処理方法により処理された部材により構成されたことを特徴とする。
本発明によれば、メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成する部材表面を、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成してマイクロアーク酸化処理を行うことにより、腐食性を有するガスの排気に対して耐食性に優れ、放出ガス量の少ないドライポンプが得られる。そして、このメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプによれば、効率的な吸引が可能となる。また、Gaを含有するガスに対する耐食性の優れたものとなる。
従来のドライポンプの概略構成図 メカニカルブースターポンプの概略構成図 実施例1及比較例1のガス放出特性を測定したグラフ 実施例1及び比較例1の加熱後の表面SEM画像 実施例1及び比較例1の塩酸に対する耐食性を測定したグラフ 実施例2及び比較例2のドライポンプを使用して、1m3のチャンバーを排気した時のチャンバー内の圧力の時間変化を示すグラフ 実施例3及び比較例3の比較試験4の試験前後の表面SEM画像
本発明において使用するアルカリ溶液の電解液の例としては、りん酸水素二ナトリウム、トリポリりん酸ナトリウム、りん酸二水素ナトリウム、ウルトラポリりん酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、水酸化カリウム、二リン酸ナトリウム、リン酸三ナトリウム、アルミン酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム及び水酸化ナトリウム等の中の1種類又はこれらの中の混合物を、電解液に溶解させたものを用いることができる。その濃度は、0.1%〜5%の範囲とすることが好ましい。
また、母材としては、アルミニウム又はアルミニウム合金を使用する。アルミニウム合金の鋳物材料、ダイキャスト材料はシリコンを代表として、一般的に含有されている元素が多く、ポーラス型アノード酸化皮膜が形成し難いといわれている。
本発明によれば、このようなシリコンが多い鋳物、ダイキャストでも耐食性良好な皮膜を形成することができる。また、展伸材の中でもAl−Si合金の4000番系の処理も同様な理由でポーラス型アノード酸化処理の耐食性は悪いが、本発明によれば、良好な酸化皮膜が形成できる。シリコンが析出していないような展伸材、1000番〜3000番、5000番から7000番台のアルミニウム合金についても複雑形状の場合や100℃以上の高温になる場合には効果がある。
本発明では、上記した母材を、メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプの構成部材として、アルカリ溶液中に浸漬して、マイクロアーク酸化処理を行うものであるが、アルカリ溶液の温度条件としては、特に制限するものではないが、該溶液が凍結乃至沸騰しない範囲(5℃〜90℃程度)とすることが好ましい。また、印加する電圧は、300V〜600Vとすることが好ましい。300V未満であると絶縁破壊が起こらず、600Vを超えると皮膜のボイドが大きくなるからである。また、電流密度については、3.0A/dm2〜10A/dm2とすることが好ましい。3.0A/dm2であると厚膜化できず、10A/dm2を超えると電圧が上昇しボイドが大きくなるからである。また、電流に関しては、直流、交流及び直交重畳のいずれであってもよい。
また、母材表面に形成される酸化皮膜の膜厚については特に制限はないが、12μm〜15μmの範囲とすることが好ましい。ポンプの作動に支障を与えない範囲で、酸化皮膜としての機能も発揮する範囲であるためである。
本発明に使用するドライポンプは、ポンプ内部のガス通路に油を使用しないものであれば、図1に示される構造に特に制限をするものではないが、構造的には、排気する回転体の形状に応じて、ルーツ型、クロー型、スクリュー型、ターボ型、スクロール型のもの、多段式のものやダイヤフラム型等を挙げることができる。
また、メカニカルブースターポンプの構造に関しても特に制限するものではないが、一例を図2を参照して説明する。図中の符号21はケーシングであり、ケーシング21は、上流部を構成する上側ケーシング21aと下流部を構成する下側ケーシング21bとを一体化した構成となっている。このケーシング21には吸気口22及び排気口23が設けられ、吸気口22を設けた上側ケーシング21a側の内部には静翼25が固定して設けられている。これら静翼25は、それぞれスペーサ28によってその位置が固定されている。
ケーシング21及び静翼25を備えた静止側に対し、ケーシング21内には回転体31が高速回転可能に設置されている。この回転体31は、回転軸34と一体的に連結されたロータ部35に設けられた複数段の動翼32及びねじ溝部33を備えており、従って、軸流段及びねじ溝段よりなる二段圧縮構造となっている。回転体31側の動翼32は、上述した静翼25と回転軸34の軸方向において交互に配設されている。
回転体31の回転軸34は、下側ケーシング21bに固定されたステータ26の内周面に取り付けられている上部軸受としての磁気軸受29aと、下部軸受としての磁気軸受29bと、軸方向軸受としての磁気軸受29cとにより支持されて高速回転可能となっている。なお、図中の符号Mは、ステータ26の内周面と回転軸34との間に設けられているロータ駆動用モータである。
このような構成とすれば、吸気口22から吸引したガスは静翼25及び動翼32の間を通過して軸流段による圧縮を受けた後、ねじ溝部33と放熱板41との間を通過してねじ溝段による圧縮を受けるというガス流路の主流を流れて排気口23から流出する。
上記構造において、回転体31の動翼32、ケーシング21b、スペーサ28で固定された静翼25及び回転体31のねじ溝部33を、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成する。
(実施例1)
以下に、本発明の実施例に関し、比較例とともに説明する。
直径40mm、長さ3mmの円盤状のアルミニウム合金鋳物(AC4A)材を、室温下で、水酸化カリウム1g/L、メタケイ酸ナトリウム2g/L及びリン酸三ナトリウム3g/Lの(0.1%水酸化カリウム、0.1%メタけい酸ナトリウム、0.3%りん酸三ナトリウム)電解液に入れ、50Hz交直重畳波形定電流モードでマイクロアーク酸化処理を行い、部材表面に膜厚約15μmの酸化皮膜を成長させた。
(実施例2)
図1の構造のドライポンプ(最大排気速度が1.72×10-23/s(50Hz))を構成する、アルミニウム合金鋳物製のローター8〜12、ローター室4、筐体1、吸気口2及び排気口3の表面を実施例1と同様にマイクロアーク酸化処理を行い、部材表面に膜厚約12μmの酸化皮膜を成長させた。尚、処理を行わない部分、即ち、鉄心のローターシャフト部6及びノックピン部は、それぞれ、シリコンシーラー及びシリコンゴム栓によりマスキングを行った。
上記処理の終了後に各部材からドライポンプを組み立てた。
(比較例1)
実施例1と同じアルミニウム合金鋳物製の部材に対して、20質量%の硫酸溶液を用いてアルマイト処理を行い、部材表面に膜厚約20μmのアルマイト皮膜を成長させた。その後、沸騰水に20分間浸漬して封孔処理を行った。
(比較例2)
実施例2と同じアルミニウム合金鋳物製の部材に対して、比較例1と同じ処理を行った。
(比較試験1)
実施例1及比較例1の部材の室温下でのガス放出特性を測定した結果を図3のグラフに示す。グラフ縦軸は、単位面積当たりのガス放出量(Pa・m・s-1)、横軸は時間(時間)を示す。
このグラフから、比較例1に対して実施例1では、単位面積当たりのガス放出量が約1/100となることがわかった。
(比較試験2)
実施例1及び比較例1の部材のそれぞれに対して、120℃の大気下で30分間の加熱を3回行った後、各部材の表面SEM画像を図4に示す。
図4から実施例1は、加熱前後で皮膜形態は変化が見られず、比較例2では、加熱後にクラックが入ることがわかった。
(比較試験3)
実施例1及び比較例1の部材のそれぞれを、35〜38質量%の濃塩酸に浸漬して、激しく発泡するまでの時間を測定した結果を図5のグラフに示す。グラフ縦軸は、時間(分)であり、横軸は膜厚(μm)である。
グラフから比較例1に対して、実施例1は約2.5倍の耐食性を有することがわかった。また、大気加熱(比較試験2と同じ)後では、実施例1は耐食性がほぼ変化せず、比較例1は耐食性がないものとなった。比較例1は、皮膜にクラックが生じて、母材の表面が露出したことによるものと考えられる。
(比較試験4)
実施例2及び比較例2のドライポンプを使用して、1m3のチャンバーを排気した時のチャンバー内の圧力の時間変化を図6に示す。
グラフから実施例2及び比較例2のドライポンプを使用し、チャンバー内圧力が102Pa以上では、両例とも大差はないが、102Pa未満になると実施例2のドライポンプで排気した方が圧力の時間変化量が大きくなった。また、到達圧力も2.5倍程度高くなった。
(実施例3)
直径40mm、長さ3mmの円盤状のアルミニウム材を、室温下で、水酸化カリウム1g/L、メタケイ酸ナトリウム2g/L及びリン酸三ナトリウム3g/Lの電解液に入れ、50Hz交直重畳波形定電流モードでマイクロアーク酸化処理を行い、部材表面に膜厚約15μmの酸化皮膜を成長させた。
(比較例3)
実施例3で使用した部材に対して、部材表面に処理を施さないものとした。
(比較試験5)
実施例3及び比較例3の部材のGaに対する耐食性を比較するために、Ga雰囲気(気体)とすることは困難であるため、各部材の温度を100℃程度に加熱した状態で、液体状のGaを各部材に擦りつけ、60時間スライドガラスで上から押さえて密着させた後の各部材の表面SEM画像を図7に示す。実施例3の部材表面に腐食等は見られず、比較例3の部材そのものとGaが接触し、Alを腐食させていると考えられる。
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金を母材としてメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成される部品に対して耐食性を付与する上で産業上の利用可能性を有する。
1 筐体
2 吸気口
3 排気口
4 ローター室
5 モーター
6 回転軸
7〜12 ローター
13 加熱手段
14 ガスバラスト
15 軸シールガス導入路
21 ケーシング
21a 上側ケーシング(上流部)
21b 下側ケーシング(下流部)
22 吸気口
23 排気口
24 静止体
25 静翼
26 ステータ
28 スペーサ
29c 磁気軸受
30 ポンプ機構
31 回転体
32 動翼
33 ねじ溝部
34 回転軸
41 放熱板
HI 断熱部材
Ht ヒータ
T トラップ部材

Claims (5)

  1. メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成する部材を、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成し、前記部材表面を、アルカリ溶液中に浸漬して、マイクロアーク酸化処理し、前記処理により前記部材表面に形成される酸化皮膜の膜厚を12μm〜15μmとすることを特徴とするメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプを構成する部品の表面処理方法。
  2. 前記アルカリ溶液は、りん酸水素二ナトリウム、トリポリりん酸ナトリウム、りん酸二水素ナトリウム、ウルトラポリりん酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、水酸化カリウム、二リン酸ナトリウム、リン酸三ナトリウム、アルミン酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム及び水酸化ナトリウムの中の1種類又はこれらの中の混合物を水に溶解させて、その濃度0.1質量%〜5質量%としたことを特徴とする請求項1記載の表面処理方法。
  3. 前記マイクロアーク処理における印加電圧を300V〜600Vの範囲とし、電流密度を3.0A/dm〜10A/dmとすることを特徴とする請求項1又は2に記載の表面処理方法。
  4. 前記アルカリ溶液の温度を5〜90℃とすることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の表面処理方法。
  5. 請求項1乃至4の何れか1項に記載の表面処理方法により処理された部材により構成されたことを特徴とするメカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ又はドライポンプ。
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