JP5998535B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、ケーシング部材内にステータ翼とロータ翼とを配設し、ロータ翼を高速回転させることにより気体分子を吸気口から排気口に移送するターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプの排気性能はロータ回転速度とロータ翼の直径に依存する。従来から、排気速度を大きくするため、ロータの回転速度を大きくし、また、ロータ翼の直径を可能な限り大きくしている。このようなターボ分子ポンプに外部から異常振動が伝達されたり、内部において異常事態が発生したりすると、ロータが破壊することがある。
ロータが破壊を起こすと、ロータが***して飛散することになる。***した破片がケーシング部材に衝突すると大きな破壊トルクが発生し、ケーシング部材が変形したり破損したりする。

この対応として、ケーシング部材を外部ケースと内部ケースによる二重筒構造とし、内部ケースにはスペーサを介してステータ翼を保持し、内部ケースの外周にギャップを設けて外部ケースを設けた構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。内部ケースは、***したロータの破片の回転エネルギを吸収するので、外部ケースへの衝撃を小さくすることができる。

特開平１１−６２８７９号公報

上記先行文献に記載されたターボ分子ポンプでは、外部ケースにギャップを設けて内部ケースを配設するのでケーシング部材の直径が大きくなり、ポンプ全体が大型化する。別の言い方をすれば、内部ケースを持たない同一の外径のターボ分子ポンプと比較すると、ターボ分子ポンプとしての性能が劣る。

この発明は、上下方向に複数段に設けられたロータ翼を有するロータと、ロータに取り付けられたロータ軸と、ロータ翼間に配置され、スペーサによって保持されたステータ翼とがケーシング部材内に収納され、ケーシング部材のロータ側の上部側に設けられた吸気口から、ケーシング部材に固定されたベースの排気口に気体分子を移送するターボ分子ポンプにおいて、複数のロータ翼の最下段のロータ翼から下方側に突出された下部円筒部をロータに設け、下部円筒部の外周側の空間において、ロータ翼が破壊された際にロータ翼の破片が衝突する緩衝部材をベースに連結し、またはベースと一体的に設け、緩衝部材に衝突しない破片の衝撃がケーシング部材に伝達されるタイミングと、緩衝部材に衝突する破片の衝撃がケーシング部材に伝達されるタイミングとをずらすように構成したことを特徴とする。

この発明によれば、ロータ翼が破壊された際、緩衝部材に衝突しない破片と、緩衝部材に衝突する破片とがケーシング部材に伝達される衝突のタイミングがずれるためケーシング部材への衝撃力を低減することができる。

この発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態の断面図。 急停止トルクの時間的タイミングを示す図。 この発明に係るターボ分子ポンプの実施形態２の断面図。 この発明に係るターボ分子ポンプの実施形態３の断面図。 この発明に係るターボ分子ポンプの実施形態４の断面図。

（実施形態１）
以下、図を参照して本発明の実施形態１について説明する。図１は、本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示すものである。
図１には、磁気軸受式のターボ分子ポンプの断面図が示されている。ターボ分子ポンプ１は、ケーシング部材１２と、ケーシング部材１２に固定されたベース１３とにより形成されたポンプケース１１を備えている。ケーシング部材１２とベース１３はシール部材４２を介して固定され外部から密封された構造とされている。

ポンプケース１１の中心軸上には、ロータ４およびロータ４と同軸に取り付けられたロータ軸５が配置されている。ロータ４はアルミニウム合金により形成されている。ロータ４は、高速回転時の遠心力により軸心にずれが生じないようにロータ軸５にボルト１８により強固に固定されている。ロータ軸５は、ラジアル方向の磁気軸受３１（２箇所）およびスラスト方向の磁気軸受３２（上下一対）によって非接触で支持される。ロータ軸５の浮上位置は、ラジアル変位センサ３３ａ、３３ｂおよびアキシャル変位センサ３３ｃによって検出される。磁気軸受３１、３２によって回転自在に磁気浮上されたロータ軸５は、モータ３５により高速回転駆動される。

ロータ軸５の下面には、メカニカルベアリング３４を介してロータディスク３８が取り付けられている。また、ロータ軸５の上部側にはメカニカルベアリング３６が設けられている。メカニカルベアリング３４、３６は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはメカニカルベアリング３４、３６によりロータ軸５が支持される。

ロータ４は、上下方向に間隔をおいて複数段に設けられたロータ翼６を有している。各段のロータ翼６の間にはステータ翼７が配置されている、ステータ翼７は、中央部に円形の開口を有するリング形状とされている。ステータ翼７の外周には、ケーシング部材１２の内周面に沿って、ステータ翼７を挟持するスペーサ８が配置されている。スペーサ８は、内面側が段状に形成されており、外面側が平坦なリング形状を有する。スペーサ８は、肉厚の薄い部分にステータ翼７の外周部を対応させて、上下面でステータ翼７を挟持するように、ケーシング部材１２の内面に積層されている。これにより、ロータ翼６と、ケーシング部材１２の上部内面側に積層されたスペーサ８により保持されたステータ翼７とが多段に配列されたタービン翼排気部が構成されている。

ケーシング部材１２には、ロータ４の上部側に、ロータ翼６の直径より大きな直径を有する円形状の吸気口１５が開口されている。また、ケーシング部材１２の吸気口１５が形成された上部側の周縁部には、外周側に張り出す上部フランジ１２ａが形成され、下部側の周縁部には外周側に張り出す下部フランジ１２ｂが形成されている。上部フランジ１２ａには複数の貫通孔４６が形成されており、上部フランジ１２ａの貫通孔４６に挿通されたボルト等の締結部材９１により、ポンプケース１１が半導体製造装置等の外部装置（図示せず）に取り付けられる。

ベース１３の中央部には、ロータ軸５を挿通する円形の中空部が形成された中央筒部１４が形成されている。中央筒部１４の中空部側には、モータ３５、磁気軸受３１、３２、ラジアル変位センサ３３ａ、３３ｂとアキシャル変位センサ３３ｃ、メカニカルベアリング３４、３６およびロータディスク３８等が取り付けられている。また、ベース１３の周縁部にはフランジ１３ａが形成されている。
ケーシング部材１２の下部フランジ１２ｂとベース１３のフランジ１３ａとがシール部材４２を介在してボルト等の締結部材９３により固定されている。

ベース１３には排気ポート（排気口）１６が設けられ、この排気ポート１６にバックポンプ（図示せず）が接続される。ロータ４を磁気浮上させ、この状態でモータ３５によりロータ４を高速回転駆動することにより、吸気口１５側の気体分子が排気ポート１６側へ移送され、排気ポート１６から外部に排気される。

ロータ４の最下段のロータ翼６ａの内周縁の下面には、ロータ軸５の軸方向と平行に下方側に向かって突き出すリング状の下部円筒部４ａが形成されている。
また、下部円筒部４ａの外周側には、底部中央に貫通孔を有する略コップ形状の緩衝部材２０がベース１３にボルト（図示せず）などにより固定されている。緩衝部材２０は、その上端側内面がロータ下部円筒部４ａの外周面に対して僅かなギャップを有し、かつ、その上端面が最下部のロータ翼６ａの下面に対して僅かなギャップを有して配置される。これにより、気体分子、特に、腐食性のガスがロータ翼６ａと緩衝部材２０とのギャップから緩衝部材２０の内側に回り込むことが防止される。その結果、中央筒部１４の内側に配置された磁気軸受３１、３２や変位センサ３３ａ〜３３ｃ等が腐食するのを防止する。

緩衝部材２０は、ロータ翼６と同一の材料、あるいは、例えばロータ翼６よりも強度が大きい鉄などの材料で形成されており、上述した如く、ボルト等の締結部材により底部をベース１３の上面に固定される。あるいは、焼嵌めにより、中央筒部１４の外周に固定することもできる。

図２は、外部からの異常振動等によりロータ４が遠心破壊を起こし、ロータ４の破片が飛散した場合の急停止トルク(以下、衝撃値あるいは衝撃トルクと呼ぶ)の時間的タイミングを示す図である。
点線で示す如く、緩衝部材２０が無い場合には、ロータ翼６の破片がステータ翼７に衝突し、その破壊トルクがスペーサ８からケーシング部材１２の経路（第１経路と呼ぶ）で外部装置に伝達される。つまり、ロータ翼６の破片は、ステータ翼７→スペーサ８→ケーシング部材１２の第１経路で外部装置に衝撃を与える。この場合、ロータ翼６の破片による衝撃が外部装置に伝達される経路は一経路であるため、後述する二つの経路を経由して衝撃が外部装置に伝達される場合に比べて衝撃値の最大値が大きくなる。

一方、本願の発明の如く、ベース１３に固定された緩衝部材２０が、ロータ翼６ａの下部円筒部４ａの外周に設けられている場合には、ロータ翼６の破片は、その一部が緩衝部材２０に衝突するが、他の一部は緩衝部材２０とは衝突しない。緩衝部材２０に衝突しないロータ翼６の破片は、ステータ翼７に衝突する方向に飛散するものであり、その破片による破壊トルクは、上記と同じ第１経路で外部装置に伝達されて外部装置に衝撃を与える。
緩衝部材２０に衝突するロータ翼６の破片による破壊トルクは、緩衝部材２０→ベース１３→ケーシング部材１２の経路（第２の経路と呼ぶ）で外部装置に伝達されて外部装置に衝撃を与える。つまり、第２経路を経由するロータ翼６の破片による衝撃は、ベース１３を経由する分、第１経路を経由する場合より長くなる。このため、緩衝部材２０に衝突するロータ翼６の破片による衝撃は、第１経路を経由して外部装置に伝達される衝撃より時間的に遅延して外部装置に伝達される。

従って、図２の実線に示されるように、ステータ翼７に衝突するロータ翼６の破片による衝撃の最大値Ｐ１は遅延時間Ｔ１で発生し、緩衝部材２０に衝突するロータ翼６の破片による衝撃の最大値Ｐ２は遅延時間Ｔ２で発生する。このことは、外部装置へ伝達される衝撃が分散されることを意味する。すなわち、第１経路および第２経路を経由する衝撃の最大値Ｐ１、Ｐ２は、破線で示す第１経路のみを経由する衝撃の最大値Ｐ３よりも小さい。
このように、本発明の一実施の形態によれば、急停止トルクの大きさを軽減することができる。

（実施形態２）
図３は、この発明に係るターボ分子ポンプの実施形態２の断面図である。
以下の説明においては、実施形態１との相違点を主体に説明することとし、共通する事項は、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態２における緩衝部材２０Ａは、鋳造等によりベース１３と一体形成されている。緩衝部材２０Ａは、ベース１３の上面から立設する円筒状に形成されている。緩衝部材２０Ａも、実施形態１の緩衝部材２０と同様に、気体分子が最下部のロータ翼６ａとのギャップから緩衝部材２０Ａの内側に回り込むのをシールするように、その上部内面側および上端面が、それぞれ、下部円筒部４ａの外周面および最下部のロータ翼６ａの下面に対して僅かなギャップを有するように配置される。
実施形態２においても、実施形態１と同様な効果を奏することができる。

（実施形態３）
図４は、この発明に係るターボ分子ポンプの実施形態３の断面図である。
以下の説明においては、実施形態１との相違点を主体に説明することとし、共通する事項は、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態３における緩衝部材２０Ｂは、小径側の先端部にねじ部を有するボルトのような締結部材によって形成されたものである。ベース１３の上面に雌ねじ部を設けておき、この雌ねじ部に締結部材２０Ｂのねじ部（締結部）を締結することにより、緩衝部材２０Ｂをベース１３に取り付ける。緩衝部材２０Ｂは、下部円筒部４ａの外周に、相互に離間して、複数本配列されている。

実施形態３においても実施形態１と同様な効果を得ることができる。実施形態３の場合には、緩衝部材２０Ｂが周方向に離散的に設けられるので、気体分子の緩衝部材２０Ｂ内側への回り込みを防止する効果を得ることはできない。しかし、安価で軽量とすることができる。

（実施形態４）
図５は、この発明に係るターボ分子ポンプの実施形態４の断面図である。
以下の説明においては、実施形態１との相違点を主体に説明することとし、共通する事項は、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態５における緩衝部材２０Ｃには、ロータ軸５の軸方向と平行な円筒部の中間部に肉厚が薄い脆弱部２１が設けられている。
脆弱部２１は、上下の部分よりも強度が小さいので、ロータ翼６の破片が緩衝部材２０Ｃに衝突すると、緩衝部材２０Ｃは脆弱部２１で破損する。緩衝部材２０Ｃの破損により、ロータ翼６の破片の運動エネルギを吸収することができる。

緩衝部材２０Ｃも、実施形態１の緩衝部材２０と同様に、気体分子がロータ翼６ａとの間のギャップから緩衝部材２０の内側に回り込むのをシールするように、上部内面側および上端面が、それぞれ、下部円筒部４ａの外周面および最下部のロータ翼６ａの下面に対して僅かなギャップが設けられるように配置される。
実施形態４によっても実施形態１と同様な効果を奏することができる。

なお、実施形態４における脆弱部２１は、緩衝部材２０Ｃにおける上端面とベース１３に固定される底部とのいずれの部分に設けてもよい。また、図３に図示される如く、緩衝部材２０Ａが、ベース１３に一体成形されている構造の場合には、緩衝部材２０Ａとベース１３との境界部（緩衝部材２０Ａの根元部）に切り欠きを設けることにより脆弱部を形成するようにしてもよい。

上記各実施形態では、気体分子が、緩衝部材２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの上端側内面および上端面の両面を、下部円筒部４ａの外周面および最下部のロータ翼６ａの下面に近接する構造として例示した。しかし、緩衝部材２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの上端側内面および上端面のいずれか一方の面のみを、下部円筒部４ａの外周面または最下部のロータ翼６ａの下面に近接させる構造としてもよい。

上記実施形態では、モータ３５、磁気軸受３１、３２、変位センサ３３ａ〜３３ｃ等の駆動を制御する制御回路を有する電源装置が、ターボ分子ポンプ１とは別体型の場合で例示した。しかし、本発明は、ターボ分子ポンプ１に電源装置が一体に取り付けられている場合にも適用が可能である。

その他、本発明は、発明の趣旨の範囲において種々変形して適用することが可能であり、要は、最下段のロータ翼に下部円筒部を設け、この下部円筒部の外周側において、ロータ翼が破壊された際、ロータ翼の破片が衝突する緩衝部材をベースに連結し、またはベースと一体的に設け、緩衝部材に衝突しない破片と、緩衝部材に衝突する破片とがケーシング部材に与える衝突のタイミングをずらすようにしたものであればよい。

１ ターボ分子ポンプ
４ ロータ
４ａ 下部円筒部
５ ロータ軸
６、６ａ ロータ翼
７ ステータ翼
８ スペーサ
１１ ポンプケース
１２ ケーシング部材
１３ ベース
１５ 吸気口
１６ 排気ポート（排気口）
２０、２０Ａ〜２０Ｃ 緩衝部材
２１ 脆弱部

Claims (6)

1. 上下方向に複数段に設けられたロータ翼を有するロータと、前記ロータに取り付けられたロータ軸と、前記ロータ翼間に配置され、スペーサによって保持されたステータ翼とがケーシング部材内に収納され、
   前記ケーシング部材の前記ロータ側の上部側に設けられた吸気口から、前記ケーシング部材に固定されたベースの排気口に気体分子を移送するターボ分子ポンプにおいて、
   前記複数のロータ翼の最下段のロータ翼から下方側に突出された下部円筒部を前記ロータに設け、前記下部円筒部の外周側の空間において、前記ロータ翼が破壊された際に前記ロータ翼の破片が衝突する緩衝部材を前記ベースに連結し、または前記ベースと一体的に設け、前記緩衝部材に衝突しない破片の衝撃が前記ケーシング部材に伝達されるタイミングと、前記緩衝部材に衝突する破片の衝撃が前記ケーシング部材に伝達されるタイミングとをずらすように構成したことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記ロータと前記緩衝部材とは、前記ロータの下面と前記緩衝部材の上面との間のギャップ、または前記下部円筒部の外周面と前記緩衝部材の内側側面との間のギャップが、気体分子の前記ロータ軸側への回り込みを抑制する機能を有するように設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記緩衝部材は前記下部円筒部の外周面に近接する内周面を有する円筒部を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記緩衝部材は、前記ロータ軸の軸方向と平行な前記緩衝部材の円筒部の中間部に、または、前記緩衝部材と前記ベースとの境界部に、他の部分より強度が小さい部分を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
5. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記緩衝部材は、前記ベースに締結される締結部を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記緩衝部材は、前記ロータよりも強度が大きい材料により形成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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