JP6079041B2 - ターボ分子ポンプ、及び、ターボ分子ポンプ用の補強部材 - Google Patents

Description

この発明は、ロータ翼とステータ翼とから構成される排気機能部が収容されたポンプ容器を備えたターボ分子ポンプ、及び、ターボ分子ポンプ用の補強部材に関する。

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とに依存する。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。ロータの破壊は、また、プロセスチャンバに供給された耐食性のガスがロータ等のめっきをピンホールから腐食を進行させる、というような要因によっても引き起こされる。

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。***した破片がポンプ容器に衝突すると、大きな衝撃トルクによってポンプ容器が変形する。
ターボ分子ポンプは、ポンプ容器の吸気口の周辺にフランジが設けられており、このフランジに設けた貫通孔にボルト等の締結部材を挿通して、半導体製造装置等のプロセスチャンバに取り付けられる。
ポンプ容器の変形によりフランジが変形すると、締結部材に剪断力が作用し、締結部材が破損する可能性がある。
この対応として、ポンプ容器内に、ポンプ容器の内面とは空間を隔てて内側ケースを設けた二重ケース構造としたターボ分子ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−８２３７９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、ポンプ容器の内面から空間を隔てて内側ケースを設けるので、空間と内側ケースの厚さの合計分、ロータ翼の半径が小さくなる。つまり、内側ケースを有していない、同一半径のロータ翼を有するターボ分子ポンプとの対比では、空間と内側ケースの厚さの合計分、半径が大きくなる。このため、コストの増大となるものであった。

この発明のターボ分子ポンプは、吸気口および排気口を有し、ロータ翼とステータ翼とから構成される排気機能部が収容され、前記吸気口の周辺に設けられたフランジに、外部装置に取り付けるため取付用締結部材が挿通される開口部が形成されたポンプ容器を備えたターボ分子ポンプにおいて、前記ポンプ容器の外周に、前記フランジの半径方向への変形を防止するための補強部材が取り付けられ、前記補強部材は、連結部を有する複数の分割リングにより構成され、加圧用締結部材により前記分割リングが前記連結部で連結されて前記ポンプ容器の外周面を加圧する。
また、この発明のターボ分子ポンプの補強部材は、吸気口および排気口を有し、ロータ翼とステータ翼とから構成される排気機能部が収容され、前記吸気口の周辺に設けられたフランジに、外部装置に取り付けるため取付用締結部材が挿通される開口部が形成されたポンプ容器を備えたターボ分子ポンプに用いられるターボ分子ポンプ用の補強部材であって、両端に連結部を有する複数の分割リングにより構成され、加圧用締結部材により前記分割リングが前記連結部で連結されることにより、前記ポンプ容器の外周面を加圧するリング状部材に組立てられる。

この発明によれば、ポンプ容器の外周に補強部材が設けられており、ポンプ容器とロータ翼との間に、空間および内側ケースを設ける必要がないので、ポンプ容器の半径を小さくして小型化することができる。

この発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態の外観側面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う切断断面図。 （ａ）は補強部材の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）における連結部付近の拡大図。 本発明に係るターボ分子ポンプの実施形態２の外観側面図。 図４のＶ−Ｖ線に沿う切断断面図。

-実施形態１-
以下、図１〜図３を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明のターボ分子ポンプの一実施形態の外観側面図である。
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容器１１を備えている。ケーシング部材１２は、例えば、ＳＵＳにより形成され、上端部に上部フランジ２１が形成されたほぼ円筒形状を有する。ベース１３には、排気ポート１６と、冷却水入口８１および冷却水出口８２を有する冷却ジャケット８０とが設けられている。
ケーシング部材１２の下部フランジ２３とベース１３の上部フランジ１３ａとには、円周方向に沿って、ほぼ等間隔に配列された雌ねじ部が形成されている。下部フランジ２３と上部フランジ１３ａとをシール部材４２（図２参照）を介在させて、ボルト等の締結部材９３により締結されることによりポンプ容器１１が構成されている。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う切断断面図である。
ポンプ容器１１内には、ロータ４およびロータ４に同軸で取り付けられたロータ軸５が収容されている。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とロータ軸５とは、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ボルト９１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）によって非接触に支持される。ロータ軸５の回転時の位置は、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によって検出た径方向の位置と軸方向の位置に基づいて制御される。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、上部側のロータ動翼部４ａと、下部側のロータ円筒部４ｂとの二段構造を有する。ロータ動翼部４ａには、上下方向に間隔をおいて複数段にロータ翼６が形成されている。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、各段のステータ翼７は、半割のリングを一対組み合わせて形成された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を挟持するリング形状のスペーサ８が配置されている。各段のスペーサ８は、中間の厚肉リング部と、厚肉リング部の上部内周側の薄肉リング部と、厚肉リング部の下部外周側の薄肉リング部とを有し、それらが一体に形成されている。ステータ翼７はスペーサ８により複数段に積層されている。すなわち、最下端のステータ翼を除いたステータ翼７は、上側薄肉リング部の上端面と厚肉リング部の下端面との間に挟持されている。このようにしてロータ翼６とステータ翼７とが交互に多段に積層されて高真空用のタービン翼排気部が構成されている。

ロータ４において、最下段のロータ翼６から下方は、ほぼ円筒状のロータ円筒部４ｂとなっている。ロータ円筒部４ｂの外周側には、リング状のねじステータ９がボルト９４によりベース１３に固定されている。ねじステータ９にはねじ溝部９ａが形成されている。ロータ４のロータ円筒部４ｂとねじステータ９により、低真空用のねじ溝排気部が構成されている。
なお、図２においては、ねじ溝部９ａがねじステータ９に形成された構造として例示されているが、ねじ溝部９ａをロータ円筒部４ｂの外周に形成してもよい。

ケーシング部材１２の上端には、上部フランジ２１が形成されており、上部フランジ２１の内方には円形状の吸気口１５が形成されている。上部フランジ２１には、円周方向に沿って、ほぼ等間隔にボルト挿通用の貫通孔２２が形成されている。ターボ分子ポンプ１は、上部フランジ２１の貫通孔２２にボルト等の締結部材９２を挿通して、半導体製造装置等の外部装置のプロセスチャンバ等に取り付けられる。好ましい一実施の形態として、上部フランジ２１の貫通孔２２の形状、寸法、数および上部フランジ２１の材質、厚さ等を、国際標準コンフラットフランジ（ICF：International Conflat Flange）の適合品とすることができる。しかしながら、本発明は、この国際基準に適合しないフランジに対しても適用が可能である。

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の内側には、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。上述したように、ケーシング部材１２の下部フランジ２３とベース１３の上部フランジ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。

ケーシング部材１２の上部フランジ２１の外周には、補強部材５０が取り付けられている。
図３（ａ）は補強部材５０の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における連結部付近の拡大図である。
補強部材５０は、一対の分割リング（分割体）５１により形成されたリング状部材である。各分割リング５１は、リングを２分割した半円形分の円弧部分を有し、両端に、半径方向の外側に延出された連結部５２を有している。各連結部５２には、厚さ方向に貫通する貫通孔（開口部）５３が形成されている。一対の分割リング５１の連結部５２同士が重ね合わされ、ワッシャ５４を介して、一方の連結部５２の貫通孔５３と他方の連結部５２の貫通孔５３とにボルト等の締結部材５５が貫通されている。締結部材５５の頭部と反対側からナット５６を螺合して締め付けることにより重ね合わされた連結部５２が固定される。

締結部材５５とナット５６とにより分割リング５１同士を締結することにより、各分割リング５１が上部フランジ２１の外周面に圧接され、上部フランジ２１が補強される。分割リング５１の材質は、上部フランジ２１と同一のＳＵＳにより形成してもよいが、鉄等、異なる材料により形成してもよい。
例えば、図３（ｂ）に示すように、分割リング５１の内周面の半径とフランジ２１の外周面の半径とを等しくし、連結部５２の間に締め付け代Ｇを設ける。締結部材５５とナット５６との締め付けにより、締め付け代Ｇを小さくして一対の分割リング５１により上部フランジ２１の外周面を径方向に加圧し、上部フランジ２１の径方向の変形を抑制することができる。

外部要因または内部要因により、ターボ分子ポンプ１に異常が生じてロータ４が破壊し、遠心力で破片が飛散すると、ロータ４の破片がポンプ容器１１の内周面に衝突してポンプ容器１１に衝撃トルクが加わる。そのため、ケーシング部材１２が径方向に外部に変形し、ケーシング部材１２は、例えば、長円形状や楕円形状に変形する。
ケーシング部材１２に補強部材５０が取り付けられていない場合、衝撃トルクにより上部フランジ２１は径方向外側に変形しようとする力が加わる。この変形力により、フランジ２１を外部装置に固定する締結部材９２に剪断力が作用し、締結部材９２が破損するおそれがある。
これに対して、本発明における一実施の形態のターボ分子ポンプでは、補強部材５０によりフランジ２１が補強されており、フランジ２１の径方向外側への変形が抑制される。このため、締結部材９２に作用する径方向の剪断力が低減され、締結部材９２の破損を防止できる。

ロータ４の破片によりケーシング部材１２が受ける衝撃トルクは、ロータ４の回転方向成分と、半径方向成分とがあるが、特に、回転方向成分が支配的である。そこで、上部フランジ２１に形成する貫通孔２２を、円周方向に沿って延出される長孔としてもよい。締結部材９２と貫通孔２２の端部との間に間隙があれば、ロータ４の破片による衝撃を受けた際、ケーシング部材１２は、この間隙分、変位する。ケーシング部材１２が変位する際、回転方向の衝撃トルクが吸収されるので、その分、有利となる。
国際標準コンフラットフランジ（ICF：International Conflat Flange）の適合品とする場合には、貫通孔９２を長孔とすることはできないが、国際規格品であっても、一実施の形態に示すような補強部材５０を設ける構造とすることにより、締結部材９２の破損を防止することが可能となる。

上記の如く、本発明の一実施の形態では、ケーシング部材１２の上部フランジ２１の外周面に補強部材５０を取り付けて、上部フランジ２１を補強した。このため、ロータ４の破片によりケーシング部材１２が衝撃を受けた場合でも、上部フランジ２１の変形を防止することができる。このため、上部フランジ２１の変形に伴う剪断力によって、上部フランジ２１を外部装置に固定する締結部材９２が破損するのを防止することができる。
上記一実施の形態によれば、ポンプ容器１１内に、ポンプ容器１１の内面から空間を隔ててロータ４の破片の衝撃を受け止める内側ケースを設ける必要が無い。このため、ポンプ容器１１の半径を、空間と内側ケースの厚さとの合計分、小さくすることができ、ポンプの小型化と材料費の低減とに寄与することができる。

-実施形態２-
本発明のターボ分子ポンプの実施形態２を、図４および図５を参照して説明する。
図４は、本発明に係るターボ分子ポンプの実施形態２の外観側面図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿う切断断面図である。
本発明の実施形態２が、実施形態１と相違する点は、補強部材５０Ａを、上部フランジ２１の外周にではなく、ケーシング部材１２のロータ４に対応する領域の外周に設けた構造としたことにある。
以下、実施形態２について、実施形態１と相違する点を主体に説明することとし、実施形態１と同様な点は、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
図４および図５に図示されているように、補強部材５０Ａは、ケーシング部材１２における上部側の複数段（図５では３段として例示）のロータ翼６に跨る領域に対応して設けられている。
補強部材５０Ａは、実施形態１と同様に、一対の分割リング５１ａを締結部材５５により連結して、ケーシング部材１２の外周面に圧接されている。締結部材５５は、各連結部５２おいて、複数個（図４、５では２個で例示）用いている。

ロータ４の破片は、遠心力で飛散し、ケーシング部材１２の領域に、直接、衝突する。従って、破片が衝突する可能性がある領域の外周を補強すると、ケーシング部材１２の変形を直接的に防止することになるので、ケーシング部材１２の変形が防止される。これに伴い、上部フランジ２１の変形が防止されるため、締結部材９２に伝達される剪断力を低減することができる。
従って、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。

なお、補強部材５０Ａの高さ（軸方向の長さ）は、ロータ翼６の２段分以下、または４段分以上としてもよい。

上記実施形態１の補強部材５０と、実施形態２の補強部材５０Ａを組み合わせて、補強部材５０、５０Ａをケーシング部材１２の上部フランジ２１の外周と、ロータ４に対応する領域の外周とに取り付けてもよい。

補強部材５０、５０Ａは、２分割した分割リング５１を連結して構成されたリング状部材として例示したが、３分割以上の分割リングを連結して構成するようにしてもよい。また、１箇所のみに分離部を有し、半径方向に縮小可能なＣリング状の部材とすることもできる。Ｃリング状の補強部材は、分離部における間隙が拡開可能な材料で形成するか、拡開可能な構造とする。

分割リング５１の連結は、連結部５２に設けられた貫通孔５３に締結部材５５を挿通して締結する構造として例示した。しかし、連結部５２に貫通孔５３を形成せず、重ね合わされた連結部５２を締付具によりクランプして固定するようにしてもよい。締付具の一例として、コ字形状の枠体と、連結部５２を円周方向に挟圧するねじ付き加圧部材とを備えた構造を挙げることができる。この締付具は、加圧部材を回転して、重ね合われた連結部を挟持する。

また、分割リング５１の連結は締結による方法に限られるものでもない。例えば、連結部５２において、溶接により連結するようにしてもよい。また、重ね合わされた連結部５を、Ｕ字形のばね部材により挟持する構造とすることも可能である。

分割リング５１の連結部５２に形成する貫通孔５３を、外周側縁から外部に開放されたＵ字形状のスリットとしてもよい。

上記一実施の形態では、タービン翼排気部とねじ溝排気部とを有するターボ分子ポンプの場合で例示した。しかし、ねじ溝排気部を有していない全翼タイプのターボ分子ポンプに対しても本発明を適用することができる。また、モータ３５、磁気軸受３１、３２、変位センサ３３ａ〜３３ｃ等を制御する制御装置を、ポンプ容器１１に一体に取り付けたターボ分子ポンプにも適用することが可能である。

その他、本発明は、発明の趣旨の範囲内で種々変形して適用することが可能であり、要は、ポンプ容器の外周に、フランジの半径方向への変形を防止するための補強部材が取り付ける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 ロータ動翼部
４ｂ ロータ円筒部
５ ロータ軸
６ ロータ翼
７ ステータ翼
８ スペーサ
９ ねじステータ
１１ ポンプ容器
１２ ケーシング部材
１３ ベース
１５ 吸気口
１６ 排気ポート
１６ａ 排気口
２１ フランジ
２２ 貫通孔
５０、５０Ａ 補強部材
５１、５１ａ 分割リング（分割体）
５２ 連結部
５３ 貫通孔（開口部）
５５ 締結部材

Claims (4)

1. 吸気口および排気口を有し、ロータ翼とステータ翼とから構成される排気機能部が収容され、前記吸気口の周辺に設けられたフランジに、外部装置に取り付けるため取付用締結部材が挿通される開口部が形成されたポンプ容器を備えたターボ分子ポンプにおいて、
   前記ポンプ容器の外周に、前記フランジの半径方向への変形を防止するための補強部材が取り付けられ、
   前記補強部材は、連結部を有する複数の分割リングにより構成され、加圧用締結部材により前記分割リングが前記連結部で連結されて前記ポンプ容器の外周面を加圧する、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、前記補強部材は、前記フランジの外周に取り付けられている、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、前記補強部材は、少なくとも一部が、前記ロータ翼に対応する領域の前記ポンプ容器の外周に取り付けられている、ターボ分子ポンプ。
4. 吸気口および排気口を有し、ロータ翼とステータ翼とから構成される排気機能部が収容され、前記吸気口の周辺に設けられたフランジに、外部装置に取り付けるため取付用締結部材が挿通される開口部が形成されたポンプ容器を備えたターボ分子ポンプに用いられるターボ分子ポンプ用の補強部材であって、両端に連結部を有する複数の分割リングにより構成され、加圧用締結部材により前記分割リングが前記連結部で連結されることにより、前記ポンプ容器の外周面を加圧するリング状部材に組立てられる、ターボ分子ポンプ用の補強部材。
   

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