JP7424007B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプの排気構造に関する。

半導体製造装置、液晶パネル製造装置または分析装置などの各種の真空処理装置を真空処理するために真空ポンプが用いられる。真空ポンプの１つであるターボ分子ポンプは、ロータ軸、ロータおよびロータ翼を有する回転体と、ベースおよびステータ翼を有する回転支持部とを備える。ロータ軸がモータにより回転駆動されることにより、回転体が一体となって回転支持部に対して回転する。これにより、真空処理装置内の気体がターボ分子ポンプを介して外部に排出され、真空処理装置の内部が真空処理される。

真空ポンプにおいては、吸引口から導入された気体が、ポンプ作用によりロータ軸の軸方向に送り出される。そして、ポンプ作用により送り出された気体は、排気口を介して外部に排気される。下記特許文献１には、ポンプ下部にロータ軸の径方向に向かって延びる排気流路を備えた真空ポンプが開示されている。特許文献１の真空ポンプの排気流路は、ポンプの側面に設けられた排気口に接続される。

特開２０１８－２０００４２号公報

特許文献１の真空ポンプにおいては、ポンプの側面に排気口が設けられるため、排気口の直径は比較的小さい。排気口の直径は、排気抵抗を小さくするために、なるべく大きくしたいという要望がある。

本発明の目的は、真空ポンプの排気効率を向上させることである。

本発明の第１の態様は、ロータ軸を含む回転体とロータ軸を回転自在に支持する回転支持部とを備える真空ポンプに関する。真空ポンプは、真空ポンプ内に気体を導入する吸引口と、ロータ軸の径方向で外側において、吸引口から導入された気体を、ロータ軸の軸方向に送り出すポンプ作用部と、ポンプ作用部により送り出される気体の下流側に配置され、ロータ軸の径方向で外側において、ロータ軸の軸方向および周方向に延びる排気流路と、排気流路の軸方向の端部に設けられ、排気流路を通って送り出された気体を外部に排気する、ロータ軸の周方向に延びる排気口とを備える。

本発明によれば、真空ポンプの排気効率を向上させることができる。

図１は、実施の形態に係る真空ポンプの側面断面図である。 図２は、図１に示す真空ポンプのＩＩ－ＩＩ断面図である。 図３は、実施の形態に係る真空ポンプの底面図である。

（１）真空ポンプの全体構成
以下、本発明の実施の形態に係る真空ポンプについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、実施の形態に係る真空ポンプ１００の側面断面図である。図１に示すように、実施の形態に係る真空ポンプ１００は、ターボ分子ポンプである。真空ポンプ１００は、ロータ軸３０、ロータ３１、ロータ翼３３およびロータ円筒部３５を有する回転体３と、ベース２１、ケーシング２２およびステータ２５を有する回転支持部２とを備える。ロータ軸３０がモータ４３により回転駆動されることにより、回転体３が一体となって回転支持部２に対して回転する。

図１に示すように、ロータ軸３０は、軸心１００ａを中心に回転駆動する。以下の説明において、軸心１００ａが延びる方向を、ロータ軸３０の軸方向または真空ポンプ１００の軸方向と呼ぶ。軸心１００ａに対して垂直に延びる方向を、ロータ軸３０の径方向または真空ポンプ１００の径方向と呼ぶ。軸心１００ａを中心として円周方向に延びる方向を、ロータ軸３０の周方向または真空ポンプ１００の周方向と呼ぶ。また、以下の説明において、図１における上下方向を真空ポンプ１００の上下方向として説明する。

回転支持部２が備えるベース２１は、真空ポンプ１００の回転支持部２の下部および軸心１００ａの周辺部を構成する。ベース２１は金属製であり、略円筒形状を有する。回転支持部２が備えるケーシング２２は、ベース２１の上部に配置され、真空ポンプ１００の上部の外壁を構成する。ケーシング２２は、金属製であり、略円筒形状を有する。ベース２１の径方向で中心部分には上下方向に延びる空間が形成されており、その空間にロータ軸３０が配置される。ケーシング２２の上部には、吸引口１００ｂが設けられる。真空処理を行う対象である真空処理装置から吸引された気体は、吸引口１００ｂから真空ポンプ１００に導入される。

モータ４３は、モータステータおよびモータロータを含み、軸心１００ａを中心として回転駆動する。モータステータは、ベース２１の内周面に固定される。モータロータは、ロータ軸３０の外周面に固定される。モータ４３には、電力線（図示省略）を介して制御部および電源部に接続される。モータ４３は、制御部の駆動により回転駆動する。

ロータ軸３０の外周で、モータ４３より上方位置には、ロータ軸３０と一体となって回転するロータ３１が取り付けられている。ロータ３１は、概略筒形状を有している。ロータ３１の外周には、径方向で外側に向かって延びる複数のロータ翼３３が設けられる。図１に示す実施の形態においては、上下方向に８段のロータ翼３３が配置されている。

ケーシング２２の内周面には、径方向で内側に向かって延びる複数のステータ翼２３が設けられる。図１に示す実施の形態においては、上下方向に８段のステータ翼２３が配置されている。そして、複数のロータ翼３３とステータ翼２３が上下方向の隙間を空けて交互に配列されることにより、ターボポンプＴＰが構成されている。複数のロータ翼３３および複数のステータ翼２３を上下方向に通過する領域によって流路Ｒ１が形成されている。

ロータ３１の下部には、ロータ円筒部３５が設けられている。ロータ円筒部３５は、ロータ３１の下部から下方（ロータ軸３０の軸方向）に向かって延びている。ロータ円筒部３５の径方向で外側には、ステータ２５が配置されている。ステータ２５は、ベース２１に固定されている。ロータ円筒部３５およびステータ２５の間に形成された微小な隙間によって流路Ｒ２が形成されている。ロータ円筒部３５またはステータ２５のいずれかには図示しないねじ溝が設けられている。ロータ円筒部３５およびステータ２５により、ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰが構成されている。ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰの下端部、つまり、流路Ｒ２の下端部は、ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰの排気部Ｐ１を構成している。このように、本実施の形態においては、ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰがターボポンプＴＰの下流に設けられている。

ベース２１には、ロータ軸３０を支持する軸受４１ａ，４１ｂが設けられている。軸受４１ａは、モータ４３の上方に配置される。軸受４１ｂは、モータ４３の下方に配置される。軸受４１ａ，４１ｂは、例えば転がり軸受であり、ロータ軸３０の上部および下部を回転可能に支持する。本実施の形態においては、軸受４１ａ，４１ｂは玉軸受（ボールベアリング）であるが、実施の形態はこれに限定されない。軸受４１ａ，４１ｂは、ころ軸受等の他の転がり軸受であってもよい。

ベース２１には、ロータ軸３０を支持する磁気軸受４２ａ，４２ｂが設けられている。ロータ軸３０の上部は、磁気軸受４２ａにより回転可能にかつ非接触方式でベース２１に支持される。ロータ軸３０の下部は、磁気軸受４２ｂにより回転可能にかつ非接触方式でベース２１に支持される。

ロータ軸３０の下端には、平面視（軸心１００ａの延びる方向から見た場合）で円形のロータディスク３６が設けられている。ベース２１には、ロータディスク３６を上下から挟み込むように磁気軸受４２ｃが設けられる。磁気軸受４２ｃの電磁石は、ロータディスク３６の上下に隙間を空けて配置される。磁気軸受４２ｃによりロータディスク３６を吸引することにより、ロータ軸３０が軸方向に浮上する。

（２）真空ポンプの排気構造
次に、ターボポンプＴＰおよびＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰにより送り出された気体の排気構造について説明する。図２は、図１に示す真空ポンプ１００のＩＩ－ＩＩ断面図である。ベース２１には、円筒形状の排気流路Ｒ３が形成されている。図１に示すように、排気流路Ｒ３は、ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰの下流側に設けられる。流路Ｒ２の下端、つまり、ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰの排気部Ｐ１から送り出された気体は、排気流路Ｒ３を通って下方に向かって流れる。排気流路Ｒ３は、排気部Ｐ１から真空ポンプ１００の底面１００ｃまで直線状に延びる。

図３は、真空ポンプ１００の底面図である。真空ポンプ１００の底面１００ｃには、３つの排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃが設けられている。排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、軸心１００ａの周方向に延びる円弧形状を有している。排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、軸心１００ａの周方向において等間隔で配置されている。排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、全て排気流路Ｒ３に繋がっている。つまり、円筒形状の排気流路Ｒ３を流れる気体は、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃのいずれかを介して真空ポンプ１００の外部に排気される。

（３）真空ポンプの動作および排気の流れ
以上のとおり構成された真空ポンプ１００の動作について説明する。モータ４３が回転駆動されると、モータロータに固定されたロータ軸３０が回転する。これにより、ロータ軸３０と一体となって、ロータ３１および複数のロータ翼３３が回転する。これにより、複数のロータ翼３３が複数のステータ翼２３に対して相対回転し、ターボポンプＴＰが駆動する。

ターボポンプＴＰの作用により、真空ポンプ１００の上端に設けられた吸引口１００ｂから気体が吸引される。吸引口１００ｂは、真空処理装置（図示省略）に接続されており、真空処理装置内の気体が吸引口１００ｂを介して真空ポンプ１００に導入される。吸引口１００ｂから導入された気体は、図１の流路Ｒ１で示すように、複数のロータ翼３３および複数のステータ翼２３の間を通過し、圧縮されながら下方に向かって送られる。

複数のロータ翼３３および複数のステータ翼２３を通過して下方に送られた気体は、ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰの上流側に流れ込む。モータ４３の回転により、ロータ円筒部３５はロータ３１と一体となって回転する。これにより、ロータ円筒部３５がステータ２５に対して相対回転し、ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰが駆動する。ＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰの作用により、ロータ円筒部３５およびステータ２５の隙間に形成された流路Ｒ２において、圧縮された気体が下流に向かって送り出される。流路Ｒ２を下方に送られた気体は、排気部Ｐ１からベース２１に設けられた排気流路Ｒ３に流れ込む。

以上説明したように、本実施の形態の真空ポンプ１００は、ターボポンプＴＰおよびＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰにより送り出される気体の下流側に排気流路Ｒ３が配置される。排気流路Ｒ３は、ロータ軸３０の径方向で外側において、ロータ軸３０の軸方向および周方向に延びる。また、真空ポンプ１００は、排気流路Ｒ３の軸方向の下端部に設けられ、排気流路Ｒ３を通って送り出された気体を外部に排気する排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃを備える。排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、ロータ軸の周方向に延びる。

これにより、ターボポンプＴＰおよびＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰから送り出された気体は、周方向に延びる排気流路Ｒ３および排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃを介して排気されるので、排気効率が向上する。排気口を真空ポンプの側面に取り付けると、排気口の直径が小さくなり排気抵抗が大きくなるが、本実施の形態においては、真空ポンプ１００の底面１００ｃに、大きな径の排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃを設けることができるので、排気抵抗を小さくすることができる。真空ポンプの側面に対しては、従来、例えば４０ｍｍ径程度の排気口が設けられている。これに対して、本実施の形態においては、例えば真空ポンプ１００のポンプ径が３００ｍｍであれば、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃの開口面積を合計すると、１００ｍｍ径程度の円形排気口と同等の開口面積を確保することができる。

また、排気流路Ｒ３は、排気部Ｐ１から排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃに至る全域に亘って回転体３の回転軸（軸心１００ａ）と同軸方向に延びる構成となっている。これにより、回転体３により送り出される気体が、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃに至る流路の全域において、よどみが生じることがなく、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃからスムーズに排気される。

また、本実施の形態の真空ポンプ１００において、ロータ軸３０の軸方向から見たとき、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃの領域とＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰにより送り出される気体の排気部Ｐ１とが重なる。つまり、真空ポンプ１００を底面１００ｃ側から見たとき、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃと排気部Ｐ１とが重なっている。これにより、ターボポンプＴＰおよびＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰから送り出された気体は、真空ポンプ１００の軸方向にまっすぐ送り出されるので、排気効率が向上する。

また、本実施の形態の真空ポンプ１００においては、排気流路Ｒ３が円筒形状を有している。これにより、図１に示すように、排気流路Ｒ３は、流路Ｒ１および流路Ｒ２と軸方向で連続するように延びる。つまり、真空ポンプ１００内において、流路Ｒ１，流路Ｒ２および排気流路Ｒ３は、全体としてロータ軸３０の軸方向に円筒状に延びる。これにより、回転体３により送り出される気体が周方向において圧力差が生じることがなく、よどみなく排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃから排気される。

排気流路において、気体の流れによどみが発生した場合、排気流路内に圧力差が生じる。このとき、圧力が上昇した部分において、気体が液化または固化することで不要な生成物が堆積する場合がある。本実施の形態の真空ポンプ１００においては、排気流路Ｒ３において生じる圧力差が低減されるので、生成物の堆積を防止することができる。

また、本実施の形態の真空ポンプ１００においては、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは円弧形状を有している。具体的には、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、円筒形状である排気流路Ｒ３と近い径を有する円弧形状を有している。これにより、排気流路Ｒ３をよどみなく送り出される気体は、そのまま排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃにおいて、抵抗を与えられることなく排気される。

また、本実施の形態においては、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、同一の形状を有しており、また、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、ロータ軸３０の周方向で等間隔に配置されている。これにより、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃにおいては、ロータ軸３０の周方向において、排気される気体の圧力は、周方向で偏りが生じない。排気流路Ｒ３を流れる気体は、圧力差が生じることなく、よどみなく排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃから排気される。

（４）排気配管の接続
図１に示すように、真空ポンプ１００の底面１００ｃには、排気配管５が接続される。排気配管５は、本実施の形態においては、略円筒形状を有している。排気配管５は、真空ポンプ１００の排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃの全てを含む径を有している。つまり、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃから排気された気体は、全て１つの排気配管５において排気される。このように、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃから下流側には大きな径の排気配管５が接続されるので、排気流路Ｒ３および排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃを流れる気体は、小さい排気抵抗で外部に排気される。

（５）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。上記の実施の形態では、ターボポンプＴＰまたはＨｏｌｗｅｃｋポンプＨＰがポンプ作用部の例である。上記の実施の形態では、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃが複数の開口の例である。

請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する種々の要素を用いることもできる。

（６）他の実施の形態
上記実施の形態において、真空ポンプ１００がターボ分子ポンプである場合が示されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明はジークバーンポンプまたはＨｏｌｗｅｃｋポンプ等のドラッグポンプ（ネジ溝ポンプ）のみを備えた真空ポンプにも適用可能であり、またはターボ分子ポンプおよびドラッグポンプの組み合わせからなる真空ポンプにも適用可能である。

上記実施の形態においては、排気流路Ｒ３は、ロータ軸３０の周方向において全周に亘って延びる円筒形状を有している。別の実施の形態としては、排気流路Ｒ３は、周方向において分割されていてもよい。たとえば、軸方向から見て３個または４個などの円弧形状を有していてもよい。たとえば、軸方向から見て排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃと同様の形状の開口が、軸方向で上下方向に延びて排気流路Ｒ３を構成してもよい。排気流路Ｒ３が複数に分割される場合、排気口は分割されることなく、ロータ軸３０の周方向の全周に亘って繋がっていてもよい。

上記実施の形態においては、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃが円弧形状であるが、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃの形状は円弧形状に限定されない。例えば、排気口２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、図３で示す開口を包含するような矩形を有していてもよい。

上記実施の形態において、排気流路Ｒ３は、真空ポンプ１００の軸方向から見たとき、ロータ軸３０の径方向で外側に設けられている。さらに、上記実施の形態において、排気流路Ｒ３は、真空ポンプ１００の軸方向から見たとき、磁気軸受４２ｃの径方向で外側に設けられている。これにより、流路Ｒ１，流路Ｒ２および排気流路Ｒ３が、軸方向で略直線上に配置されるため、送り出される気体の排気抵抗をより小さくすることが可能である。

なお、本発明の具体的な構成は、前述の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更および修正が可能である。

（７）態様
上述した複数の例示的な実施の形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項）一態様に係る真空ポンプは、
ロータ軸を含む回転体と前記ロータ軸を回転自在に支持する回転支持部とを備える真空ポンプであって、
前記真空ポンプ内に気体を導入する吸引口と、
前記ロータ軸の径方向で外側において、前記吸引口から導入された気体を、前記ロータ軸の軸方向に送り出すポンプ作用部と、
前記ポンプ作用部により送り出される気体の下流側に配置され、前記ロータ軸の径方向で外側において、前記ロータ軸の軸方向および周方向に延びる排気流路と、
前記排気流路の軸方向の端部に設けられ、前記排気流路を通って送り出された気体を外部に排気する、前記ロータ軸の周方向に延びる排気口と、
を備える。

ポンプ作用部から送り出された気体は、周方向に延びる排気通路および排気口から排気されるので、排気効率が向上する。

（第２項）第１項に記載の真空ポンプにおいて、
前記ロータ軸の軸方向から見たとき、前記排気口の領域と前記ポンプ作用部の排気部とが重なってもよい。

ポンプ作用部から送り出された気体は、真空ポンプの軸方向にまっすぐ送り出されるので、排気効率が向上する。

（第３項）
第１項または第２項に記載の真空ポンプにおいて、
前記排気流路は、円筒形状を有してもよい。

回転体により送り出される気体が周方向において圧力差が生じることがなく、よどみなく排気口から排気される。

（第４項）第１項～第３項のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記排気口は、円弧形状を有してもよい。

排気流路をよどみなく送り出される気体は、そのまま排気口において、抵抗を与えられることなく排気される。

（第５項）第１項～第４項のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記排気口は、複数の開口に分割されてもよい。

真空ポンプのベースを支持する構造を維持しながら、広い開口面積を確保することができる。

（第６項）第５項に記載の真空ポンプにおいて、
前記複数の開口は、前記ロータ軸の周方向に等間隔で配置されてもよい。

ロータ軸の周方向において、排気される気体の圧力は、周方向で偏りが生じない。排気流路を流れる気体は、圧力差が生じることなく、よどみなく排気口から排気される。

（第７項）第５項または第６項に記載の真空ポンプにおいて、
前記複数の開口は、単一の排気配管に接続されてもよい。

複数の開口から外部に排気される気体に抵抗が生じることなく、スムーズに排気される。

（第８項）第１項～第７項のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記ロータ軸の軸方向に関して、前記真空ポンプの一端面に前記吸引口が設けられ、他端面に前記排気口が設けられてもよい。

２…回転支持部，２１…ベース，２２…ケーシング，２３…ステータ翼，２５…ステータ，２７ａ・２７ｂ・２７ｃ…排気口，３…回転体，３０…ロータ軸，３１…ロータ，３３…ロータ翼，３５…ロータ円筒部，４１ａ・４１ｂ…軸受，４２ａ・４２ｂ・４２ｃ…磁気軸受，４３…モータ，１００…真空ポンプ，ＴＰ…ターボポンプ，ＨＰ…Ｈｏｌｗｅｃｋポンプ，Ｒ１・Ｒ２…流路，Ｒ３…排気流路

Claims (7)

1. ロータ軸を含む回転体と前記ロータ軸を回転自在に支持する回転支持部とを備える真空ポンプであって、
   前記真空ポンプ内に気体を導入する吸引口と、
   前記ロータ軸の径方向で外側において、前記吸引口から導入された気体を、前記ロータ軸の軸方向に送り出すポンプ作用部と、
   前記ポンプ作用部により送り出される気体の下流側に配置され、前記ロータ軸の径方向で外側において、前記ロータ軸の軸方向および周方向に延びる排気流路と、
   前記ロータ軸の軸方向に関して前記排気流路の端部に設けられ、前記排気流路を通って送り出された気体を外部に排気する、前記ロータ軸の周方向に延びる排気口と、
   を備え、
   前記排気流路は前記ポンプ作用部の排気部から前記排気口へと至る前記ロータ軸方向全域において同一外径および同一内径を有する円環状空間が連続することにより形成され、前記排気口は、前記ロータ軸の軸方向に向かって前記真空ポンプの外部に開放され、前記ロータ軸の軸方向から見たとき、前記排気口の領域と前記ポンプ作用部の排気部とが重なる、真空ポンプ。
2. 前記排気口は、円弧形状を有する、請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記排気口は、複数の開口に分割される、請求項１または請求項２に記載の真空ポンプ。
4. 前記複数の開口は、前記ロータ軸の周方向に等間隔で配置される、請求項３に記載の真空ポンプ。
5. 前記複数の開口は、単一の排気配管に接続される、請求項３または請求項４に記載の真空ポンプ。
6. 前記ロータ軸の軸方向に関して、前記真空ポンプの一端面に前記吸引口が設けられ、他端面に前記排気口が設けられる、請求項１～５のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
7. 前記ポンプ作用部から送り出された気体は、前記排気流路において、前記排気口に至る全域に亘り、前記ロータ軸の軸方向に沿って送り出される、請求項１に記載の真空ポンプ。
   

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