JP5532051B2 - 真空ポンプ - Google Patents
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Description
本発明は、高速回転するロータを有する真空ポンプに関する。
ターボ分子ポンプやモレキュラードラッグポンプのような真空ポンプでは、タービン翼などの排気作用部(タービン翼部およびモレキュラードラッグポンプ部)が形成されたロータを数万rpmという高速回転することによって、真空チャンバ内のガスを排気している。
このように高速回転するロータを有する真空ポンプにおいては、ロータが破壊した場合に非常に大きなエネルギーがポンプケーシングに与えられる。このときの衝撃は、ポンプケーシングを介して真空ポンプが接続された真空装置にも伝達され、真空装置側にダメージを与えるおそれがある。そのため、ベースに固定されてロータ外周に対向するように配置されたねじ溝スペーサに、溝から成る脆弱部を設け、脆弱部がせん断破壊されることによって装置側に伝わる衝撃を低減する構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上述した従来技術では、脆弱部から分断されたねじ溝スペーサの円筒部分が回転子しながらポンプ吸気口側に移動することが可能な構成となっているため、円筒部分が装置側に侵入して装置にダメージを与えるおそれがあった。
本発明の真空ポンプは、回転体に設けられた円筒状ロータ部と、円筒状ロータ部の外周側に隙間を介して配置された円筒状のステータとで構成されるドラッグポンプ部を備え、ステータは、ポンプベースに固定される排気上流側円筒部と、円筒状ロータ部の破壊の際に、ステータに破壊した円筒状ロータ部が衝突し、ステータに円筒状ロータ部の回転方向と同方向の回転トルクが作用したときに、破断するように形成された薄肉部を介して、排気上流側円筒部の排気下流側に接続された排気下流側円筒部と、を備える。
さらに、ドラッグポンプ部よりも排気上流側に配置され、回転体の排気上流側に形成された複数段の回転翼と、該複数段の回転翼に対して交互に配設された複数段の固定翼とで構成されるターボポンプ部を、さらに備えるようにしても良い。
また、薄肉部は、円筒状のステータの外周面の周方向に形成された溝により構成されていても良いし、その溝を、外周面を一周するV形状溝としても良い。
さらに、ドラッグポンプ部よりも排気上流側に配置され、回転体の排気上流側に形成された複数段の回転翼と、該複数段の回転翼に対して交互に配設された複数段の固定翼とで構成されるターボポンプ部を、さらに備えるようにしても良い。
また、薄肉部は、円筒状のステータの外周面の周方向に形成された溝により構成されていても良いし、その溝を、外周面を一周するV形状溝としても良い。
本発明によれば、ロータ破壊時における真空装置側への影響を低減することができる。
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は本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプユニットTの概略構成を示したものである。なお、ポンプユニットTは電源ユニット(不図示)からの電力によって駆動される。このターボ分子ポンプは,例えば、半導体製造装置等に設けられたチャンバの真空排気に用いられる。
図1に示すターボ分子ポンプにおいて、ポンプユニットTはベース1と、ベース1の上面に固定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。ベース1とケーシシグ2とは、Oリングを介してボルト52によって締結されている。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造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。
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の上端面とケーシング2の上端部と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から流入した気体分子は、タービ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。
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、回転軸部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。モータ6には、例えばDCブラシレスモータが用いられる。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が作動していないときにロータ3を支持するカニカルベアリング7が設けられている。
ターボ分子ポンプでは、ロータ3は毎分数万回転という高速で回転している。そのため、ロータ3には遠心力による応力が作用し、特に、回転円筒部32が高応力となる。また、ロータ3は一般的にアルミ合金で形成されクリープ温度が比較的低いため、温度が高い状態で、かつ、高速回転で使用し続けると、クリープ変形が生じやすくなる。そして、ロータ3に何らかの異常が発生して破壊した場合、破壊した回転円筒部32が、遠心力によって固定円筒24に衝突し、固定円筒24にロ−タ3の回転方向と同方向の回転トルクが作用する。この回転トルクはベース1およびケーシング2を介して装置側のフランジに作用し、装置側にダメージを与えるおそれがある。
本実施の形態では、このような回転円筒部32の破壊に伴って生じる装置側への回転トルクの作用を低減するために、破壊された回転円筒部32が衝突する固定円筒24の構造に工夫を施した。
図2(a)は、図1に示したターボ分子ポンプの固定円筒24を示す半断面図である。固定円筒24は、内周面にねじ溝が形成された円筒部240と、固定円筒24をベース1に固定するためのボルト穴242が複数形成されたフランジ部241とを備えている。円筒部240の外周面すなわちベース対向面には、外周面を一周するように溝243が形成されている。このように、円筒部240は、薄肉部である溝243によって円筒上部240aと円筒下部240bとが連結された構造を有している。
一方、図2(b)は従来の一般的な固定円筒34を示す図であり、円筒部340とフランジ部341とから成る。フランジ部341には、ベース1にボルト固定するためのボルト穴342が複数形成されている。固定円筒34には、図2(a)に示すような溝243は形成されていない。
また、図2(c)は、特許文献1に記載のターボ分子ポンプに用いられている固定円筒(ねじ溝部スペーサ)44を示したものである。固定円筒44には、ねじ溝が形成された円筒部440とボルト穴442が複数形成されたフランジ部441との間に、溝443が形成されている。図2(c)に示す例では、溝443は一周に渡ってリング状に形成されている。
図3は、ロータ3の回転円筒部32が破壊した場合の、固定円筒24を説明する図である。図3においては、回転円筒部32の破壊後の状況を(a),(b),(c)の順に時系列的に示した。固定円筒24は、ボルト53によりフランジ部241がベース1に固定されている。高速回転中のロータ3は回転円筒部32が特に高応力となり、ロータ破壊においては、回転円筒部32の下端から亀裂が発生し、上方に向けて亀裂が進展する場合が多い。そのため、回転円筒部32が破壊した場合に最初に接触する場所は、固定円筒24の下部であると考えられる。
図3(a)は、破壊された回転円筒部32が固定円筒24の下部に衝突した場合を示している。本実施の形態の場合には、フランジ部241よりも下側に溝243が形成されていて、回転円筒部32が固定円筒24に衝突すると、この薄くなっている溝243の部分に応力集中が発生する。その結果、固定円筒24は溝243が形成された部分を中心に変形する。この溝243を含む部分が変形することにより、回転円筒部32の運動エネルギーが消費される。
破壊時における回転円筒部32の運動エネルギーは非常に強大であって固定円筒24に作用する回転トルクも大きいため、図3(b)に示すように、固定円筒24の応力集中部(溝243が形成された薄肉の部分)は捻切れるように破断する。言い替えれば、ロータ破壊時に、固定円筒24に破壊した回転円筒部32が衝突し、固定円筒24に回転円筒部32の回転方向と同方向の回転トルクが作用したときに、ボルト53やフランジ部241が破断する前に溝243の部分が捻切れて破断するように、溝243の部分の強度(溝243の幅および深さ)は設定されている。破断して分離した固定円筒24の円筒下部240bは、破壊された回転円筒部32(不図示)と共に回転する。円筒下部240bは、ベース1と接触しながら回転するため、回転と共に回転エネルギーが減少し、徐々に回転数が低下して停止する。そのため、ベース1、ケーシング2を介して装置側へ伝達される衝撃(回転トルク)が緩和されることになる。
一方、図2(b)に示した従来の固定円筒34の場合には、本実施形態のような溝が形成されて薄肉となった部分がないので破壊し難く、破壊した場合でも、締結用のボルトが破断する場合が多い。そのため、回転円筒部32が破壊した時に装置側に伝達される回転トルクが非常に大きいものとなる。
また、図2(c)に示す固定円筒44の場合、フランジ部441の付け根の部分に溝443が形成されているので、この溝443の部分に応力集中が生る。そのため、固定円筒44は、回転円筒部の衝突により図4(a)に示すように変形し、最後には、図4(b)に示すように溝443の部分が引きちぎられるように破壊する。破壊してフランジ部441から分離した円筒部441は、図3(c)に示す円筒下部240bの場合と同様に、ベースと接触しながら回転するので徐々に回転数が減少する。
ところで、本実施の形態の場合には、円筒下部240bが円筒上部240aから分断された後でも、フランジ部241および円筒上部240aがベース1に固定されたまま残っているので、回転する円筒下部240bのポンプ吸気口側への移動は、円筒上部240aによって制限されることになる。
一方、図2(c)に示す固定円筒44の場合には、図4(b)に示すように、分断された円筒部440が、回転しながらポンプ吸気口側(図示上方)へと移動するおそれがある。そのため、円筒部440により押し上げられた他の破片や、円筒部440そのものが装置側に侵入して装置にダメージを与えるおそれがある。しかし、本実施の形態の場合には、上述したように円筒下部240bの移動が円筒上部240aによって制限されるので、そのような悪影響を回避することができる。
なお、図2(a)に示す例では、フランジ部241が接続されている部分に隣接するように溝243を形成したが、フランジ部241よりも下側(排気下流側)であれば、図5(a)に示すような位置にV字形状の溝を生成しても良い。また、溝243の断面形状はV字形状に限らず、図5(b)に示すようなスリット状の溝であっても構わない。さらに、ロータ破壊時に加わる回転トルクによって捻切れるように設定されていれば、溝243は固定円筒24の全周に亘って形成されていなくても構わない。すなわち、間隔を空けて複数の溝を形成するようにしても良い。
なお、本実施の形態では、溝243は固定円筒24の内周面(排気面)ではなく外周面に形成されているので、固定円筒24に溝243を設けてもポンプの排気性能に影響を及ぼすことはない。
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、円筒状のロータ3の外周面にタービン翼部(回転翼31)およびドラッグポンプ部(回転円筒部32の外周面)が形成されたターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明は、ドラッグポンプ部(回転円筒部32および固定円筒24)のみを備えるドラッグポンプ型の真空ポンプにも適用することが出来る。
Claims (4)
- 回転体に設けられた円筒状ロータ部と、前記円筒状ロータ部の外周側に隙間を介して配置された円筒状のステータとで構成されるドラッグポンプ部を備えた真空ポンプであって、
前記ステータは、
ポンプベースに固定される排気上流側円筒部と、
前記円筒状ロータ部の破壊の際に、前記ステータに前記破壊した円筒状ロータ部が衝突し、前記ステータに前記円筒状ロータ部の回転方向と同方向の回転トルクが作用したときに、破断するように形成された薄肉部を介して、前記排気上流側円筒部の排気下流側に接続された排気下流側円筒部と、を備える。 - 請求項1に記載の真空ポンプにおいて、
前記ドラッグポンプ部よりも排気上流側に配置され、前記回転体の排気上流側に形成された複数段の回転翼と、該複数段の回転翼に対して交互に配設された複数段の固定翼とで構成されるターボポンプ部をさらに備える。 - 請求項1または2に記載の真空ポンプにおいて、
前記薄肉部は、前記円筒状のステータの外周面の周方向に形成された溝により構成されている。 - 請求項3に記載の真空ポンプにおいて、
前記溝は、前記円筒状のステータの外周面を一周するV形状溝である。
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