WO2009113324A1 - ポンプ - Google Patents

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WO2009113324A1
WO2009113324A1 PCT/JP2009/050552 JP2009050552W WO2009113324A1 WO 2009113324 A1 WO2009113324 A1 WO 2009113324A1 JP 2009050552 W JP2009050552 W JP 2009050552W WO 2009113324 A1 WO2009113324 A1 WO 2009113324A1
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WO
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impeller
pump
casing
diffuser
fluid
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PCT/JP2009/050552
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English (en)
French (fr)
Inventor
公彦 光田
康晴 山本
Original Assignee
三菱重工業株式会社
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Filing date
Publication date
Application filed by 三菱重工業株式会社 filed Critical 三菱重工業株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/046—Bearings
    • F04D29/047—Bearings hydrostatic; hydrodynamic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/046—Bearings
    • F04D29/049—Roller bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/165—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/167—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps of a centrifugal flow wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D7/00—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04D7/02—Pumps adapted for handling specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts of centrifugal type

Definitions

  • the present invention relates to a pump for conveying, for example, a supercritical CO 2 fluid or liquid CO 2 .
  • the processing line width of wafers is also required to be miniaturized, and is expected to be 0.10 ⁇ m or less in the future, compared with the current mainstream of 0.18 ⁇ m.
  • the resist formed on the wafer collapses due to the capillary force caused by the interfacial tension between the gas and the liquid (resist collapse). ) May occur.
  • a supercritical fluid has a very high permeability compared to a liquid and penetrates into any fine structure.
  • capillary force since there is no interface between gas and liquid, there is a feature that capillary force does not work during drying.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) is mainly used as the supercritical fluid.
  • Carbon dioxide has a critical density of 468 kg / m 3 under relatively mild conditions, that is, a critical temperature of 31.2 ° C. and a critical pressure of 7.38 MPa, as compared with other liquid solvents.
  • it since it is a gas at normal temperature and normal pressure, it can be gasified by returning to normal temperature and normal pressure, so that it is easy to separate the object to be cleaned and contaminants. This makes it possible to simplify the cleaning process and reduce costs.
  • the supercritical CO 2 fluid is usually pressurized to about 20 MPa. Therefore, as a circulation pump for cleaning the wafer by circulating the supercritical CO 2 fluid, Because of the pressure resistance, a so-called sealless canned motor pump type is used. Further, a ball bearing is used as the bearing, and this is used in a pumped liquid (supercritical CO 2 fluid) as a semiconductor cleaning agent.
  • This ball bearing receives the radial load and thrust load acting on the rotor.
  • a preload load is controlled by a bearing preload spring installed on the shaft end side bearing on the side opposite to the impeller side, thereby preventing so-called revolving slip (side slip) of the ball bearing.
  • the radial rigidity (spring constant) of the ball bearing is controlled by the bearing preload, and the natural frequency of the rotor is adjusted.
  • the present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a pump capable of extending the life.
  • a pump includes a casing having a suction port and a discharge port, a main shaft rotatably supported by ball bearings in the casing, and a shaft end portion of the main shaft.
  • a front shroud is provided on the front side in the axial direction of the impeller, and a rear shroud is provided on the rear side in the axial direction of the impeller, and is axially provided between the casing and the front shroud.
  • a predetermined gap which opposes is provided, and a seal part which opposes in the diameter direction is provided between the casing and the front shroud.
  • the pump of the invention of claim 2 is characterized in that a plurality of the seal portions are provided side by side in the axial direction of the impeller.
  • the pump of the invention of claim 3 is characterized in that, in the casing, a fluid outlet from the impeller is communicated with the discharge port via a diffuser and a volute chamber, and a throttle portion is provided in the diffuser. .
  • the shape of the throttle portion is set according to a fluid outflow angle at the outlet of the diffuser and a passage area ratio between the outlet of the diffuser and the volute chamber. Yes.
  • a preload spring for applying a preload to the ball bearing is provided, and the preload spring is configured by laminating a plurality of corrugated plate materials having a ring shape.
  • the pump of the invention of claim 6 is characterized in that the impeller is capable of conveying a supercritical CO 2 fluid or liquid CO 2 by being rotationally driven, and is used as a semiconductor cleaning circulation pump.
  • the main shaft is rotatably supported by the ball bearing in the casing having the suction port and the discharge port
  • the impeller is connected to the shaft end portion of the main shaft
  • the main shaft is supported by the canned motor.
  • the impeller is configured to be capable of driving and rotating, and a front shroud is provided on the front side in the axial direction of the impeller, a rear shroud is provided on the rear side in the axial direction, and an axial direction is provided between the casing and the front shroud. While providing the predetermined gap which opposes, the seal part which opposes in a radial direction is provided between the casing and the front shroud.
  • the backflow of the fluid from the discharge port to the suction port can be prevented by the seal portion, and even if the main shaft and the impeller move in the rotational axis direction due to wear of the ball bearing, the impeller and the casing Since the predetermined gap is provided between them, they do not interfere with each other, and the pump life can be extended.
  • the plurality of seal portions are provided side by side in the axial direction of the impeller, fluid leakage between the impeller and the casing is reduced by the plurality of seal portions, and the discharge port The backflow of the fluid to the suction port can be appropriately prevented.
  • the fluid outlet from the impeller is connected to the discharge port via the diffuser and the volute chamber, and the restrictor is provided in the diffuser, so that the fluid outflow angle at the outlet of the diffuser is increased.
  • the loss from the diffuser outlet to the volute chamber inlet can be reduced, and the impeller can be allowed to move to prevent interference.
  • the shape of the throttle portion is set according to the fluid outflow angle at the outlet of the diffuser and the passage area ratio between the outlet of the diffuser and the volute chamber. And the total velocity of the radial velocity and the circumferential velocity in the fluid flowing out from the diffuser outlet to the volute chamber is reduced to reduce the diffuser effect, that is, from the fluid velocity energy (dynamic pressure) to the pressure energy. Conversion to (static pressure) can be sufficiently ensured, and pump efficiency can be improved.
  • the preload spring for applying preload to the ball bearing is provided, and a plurality of ring-shaped corrugated plate materials are laminated to constitute the preload spring. Therefore, the preload is applied to the ball bearing by the preload spring. As a result, revolving slip of the ball bearing can be suppressed and a long life can be achieved, and a plurality of corrugated plate materials are laminated to constitute a preload spring, so that the load with respect to the change amount of the spring crushing allowance can be achieved. The amount of change can be reduced and an appropriate preload can be applied.
  • the supercritical CO 2 fluid or liquid CO 2 can be transported by rotating the impeller and used as a semiconductor cleaning circulation pump. Can be eliminated, and the cleaning process can be simplified and the cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor cleaning device circulation pump as a pump according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing the main part of the circulation pump for the semiconductor cleaning device of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor cleaning device circulation pump as a pump according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged view showing a main part of the semiconductor cleaning device circulation pump of this embodiment.
  • the semiconductor cleaning device circulation pump of the present embodiment is rotatably supported by a casing 13 having a suction port 11 and a discharge port 12 and ball bearings 14 and 15 in the casing 13.
  • a main shaft 16 an impeller 17 connected to the shaft end of the main shaft 16, and a canned motor 18 that can drive and rotate the impeller 17 via the main shaft 16.
  • the fluid sucked from 11 is pressurized and discharged from the discharge port 12.
  • the casing 13 includes a ring-shaped discharge / suction side casing 21 and a purge-side casing 22 that are arranged with a cylindrical outer cylinder 23 sandwiched between them, and are connected by connecting bolts 24, and are connected to the outside of the suction / discharge-side casing 21.
  • the manifold 25 is fixed to and connected by connecting bolts 26.
  • a pumped liquid suction port 11 is formed on an extension axis of the axis of the main shaft 16, and a discharge port 12 is formed on the outer peripheral side of the suction port 11.
  • the ball bearings 14 and 15 are angular ball bearings, which are mounted on the discharge / suction side casing 21 and the purge side casing 22 and rotatably support the main shaft 16.
  • An impeller 17 is fitted to the shaft end portion of the main shaft 16 and fixed by a connecting bolt 27.
  • the ball bearings 14 and 15 are made of ceramic materials (for example, silicon nitride Si 3 N 4) on the inner and outer rings and balls in order to improve wear resistance and corrosion resistance and reduce centrifugal load during high-speed rotation. , Alumina Al 2 O 3 , silicon carbide SiC, etc.).
  • the wear resistance with respect to the particle brought in from the outside improves by making a bearing material into a total ceramic.
  • the cage is designed so that drag loss (rotational resistance) is reduced. Thereby, revolution slip prevention and preload load (thrust bearing load) can be reduced, and the life of the ball bearings 14 and 15 can be extended.
  • PEEK material polyether / ether / ketone
  • stainless steel or fiber composite may be used as a material for the cage.
  • the canned motor 18 includes a stator 28 fixed to the inner peripheral portion of the outer cylinder 23 and a rotor 29 provided on the outer peripheral portion of the main shaft 16 so as to face the stator 28.
  • a purge port 30 for discharging a part of the sucked liquid is formed on the purge-side casing 22 on the extension axis of the axis of the main shaft 16. Further, a preload spring 31 is sandwiched between the purge side casing 22 and the angular ball bearing 15.
  • the preload spring 31 is formed by laminating a plurality of ring-shaped corrugated springs positioned around the other end of the main shaft 16, and applies an axial preload to the ball bearing 15 as a constant pressure spring system.
  • the rotor 29 rotates relative to the stator 28, the main shaft 16 rotates together with the rotor 29, and the impeller 17 rotates in conjunction with the rotation. Then, the pumped liquid is sucked from the suction port 11, boosted by the centrifugal force of the impeller 17, guided to the discharge port 12 side, and discharged to the outside. Further, a part of the pumped liquid sucked from the suction port 11 passes through the ball bearings 14 and 15 and the canned motor 18, cools them, and then is discharged from the purge port 30 as a purge flow.
  • the circulation pump configured as described above is configured such that the impeller 17 is a closed type, and the main shaft 16 and the impeller 17 are supported by the casing 13 so as to be movable by a predetermined amount in the axial direction. At the same time, a seal is formed in the radial direction between the casing 13 and the impeller 17.
  • the suction / discharge casing 21 constituting the casing 13 is formed with a housing hole 41 communicating with the suction port 11 at the center thereof, and the outer ring 42 and the outer ring 43 are fixed to the inner circumferential surface of the housing hole 41.
  • the impeller 17 includes a plurality of blades 46 between a front shroud 44 having a ring shape provided on the front side in the axial direction and a rear shroud 45 having a disk shape provided on the rear side in the axial direction. They are provided at equal intervals in the circumferential direction.
  • the front shroud 44 has a disk portion 44a horizontal in the radial direction of the impeller 17 and a cylindrical portion 44b horizontal in the axial direction.
  • a predetermined gap 47 facing in the axial direction is provided between one end portion of the outer ring 43 (casing 13) and the surface portion of the disk portion 44a in the front shroud 44.
  • seal portions 48 and 49 that are opposed in the radial direction are provided between the inner peripheral portion of the outer peripheral ring 43 (casing 13) and the outer peripheral portion of the cylindrical portion 44b in the front shroud 44.
  • the seal portions 48 and 49 are displaced in the radial direction of the impeller 17 and are provided side by side in the axial direction of the impeller 17.
  • it is desirable to provide a plurality of seal portions 48 and 49 not limited to two, and may be provided three or more.
  • the fluid outlet 17 a from the impeller 17 is communicated with the discharge port 12 through the diffuser 51, the volute chamber 52, and the communication passage 53. That is, a fluid outlet 17a from the impeller 17 is formed at the joint between the suction / discharge casing 21 and the manifold 25, and a diffuser 51 is formed in communication with the fluid outlet 17a.
  • the diffuser 51 converts fluid velocity energy (dynamic pressure) into pressure energy (static pressure).
  • the volute chamber 52 is formed in a spiral shape at the joint between the suction / discharge casing 21 and the manifold 25, with one end communicating with the diffuser 51 and the other end communicating with the communication passage 53.
  • the diffuser 51 is provided with a throttle portion. That is, the diffuser 51, to the channel width W 1 of the inlet portion of the fluid outlet 17a side from the impeller 17 (flow channel area), channel width W 2 (the passage in the outlet portion of the volute chamber 52 side
  • the diaphragm portion is configured. That is, by enlarging the inlet portion of the diffuser 51 with respect to the outlet portion, the movement of the impeller 17 in the axial direction by the predetermined gap 47 is allowed, and the pressure fluid can be appropriately introduced into the diffuser 51.
  • the shape of the throttle portion in the diffuser 51 depends on the fluid outflow angle ⁇ from the outlet portion of the diffuser 51 and the area ratio Y between the passage area of the outlet portion of the diffuser 51 and the area of the volute chamber 52.
  • the fluid flowing from the diffuser 51 to the volute chamber 52 has a fluid outflow angle ⁇ with respect to the tangent line of the diffuser 51, and the velocity V is divided into a circumferential velocity V ⁇ and a radial velocity Vm.
  • the fluid outflow angle ⁇ is By setting the angle to about 15 °, the maximum pump efficiency can be ensured. Further, loss at the tongue end of the volute chamber 52 occurs when the difference between the attachment angle of the tongue end of the volute chamber 52 and the fluid outflow angle is too large. This is because, since the tongue end of the volute chamber 52 is thick, it is difficult to set the attachment angle of the tongue end of the volute chamber 52 to several degrees (small angle).
  • the fluid outflow angle ⁇ at the outlet part of the diffuser 51 is increased, thereby reducing the loss.
  • the movement of the impeller 17 in the axial direction is allowed by increasing the width of the inlet portion of the diffuser 51.
  • the aperture shape is set to such an extent that the total speed of the radial speed Vm and the circumferential speed V ⁇ is reduced.
  • the impeller 17 rotates, the pumped liquid is sucked from the suction port 11 and the pressure is increased by the centrifugal force of the impeller 17.
  • the pressure-lifted liquid passes through the diffuser 51 from the fluid outlet 17a, whereby the fluid velocity energy is converted into pressure energy, flows into the volute chamber 52, and is discharged from the discharge port 12 to the outside through the communication passage 53. Is done.
  • the casing 13 and the impeller 17 are sealed in the radial direction by the seal portions 48 and 49, the pumped liquid boosted by the impeller 17 does not leak to the suction port 11, and the fluid outlet 17 a To the diffuser 51 properly.
  • the main shaft 16 is rotatably supported by the ball bearings 14 and 15 in the casing 13 having the suction port 11 and the discharge port 12, and the blade is attached to the shaft end portion of the main shaft 16.
  • the wheel 17 is connected, and the impeller 17 can be driven and rotated by the canned motor 18 via the main shaft 16.
  • the front shroud 44 is provided on the front side in the axial direction of the impeller 17, and the rear side in the axial direction on the rear side.
  • a shroud 45 is provided, a predetermined gap 47 is provided between the casing 13 and the front shroud 44 in the axial direction, and seal portions 48 and 49 are provided between the casing 13 and the front shroud 44 in the radial direction.
  • the backflow of the fluid from the discharge port 12 to the suction port 11 can be prevented by the seal portions 48 and 49, and the main shaft 16 and the impeller 17 are moved in the direction of the rotation axis due to wear of the ball bearings 14 and 15 and the like. Even if it moves, the predetermined gap 47 is provided between the impeller 17 and the casing 13, so that they do not interfere with each other and the pump life can be extended.
  • a plurality of seal portions 48 and 49 are provided side by side in the axial direction of the impeller 17. Accordingly, fluid leakage between the impeller 17 and the casing 13 is reduced by the plurality of seal portions 48 and 49, and the backflow of fluid from the discharge port 12 to the suction port 11 can be appropriately prevented.
  • the fluid outlet 17a from the impeller 17 is communicated with the discharge port 12 through the diffuser 51 and the volute chamber 52, and the restrictor is provided in the diffuser 51. Accordingly, the total velocity of the circumferential velocity and the radial velocity in the fluid flowing out from the fluid outlet 17a of the impeller 17 to the diffuser 51 is decelerated, whereby the fluid velocity energy (dynamic pressure) is reduced by the diffuser 51. It can be appropriately converted into energy (static pressure).
  • the restrictor is provided in the diffuser 51, and the loss can be reduced by increasing the fluid outflow angle ⁇ at the outlet of the diffuser 51. Further, by increasing the width of the inlet portion in the diffuser 51, it is possible to reduce the loss at the diffuser inlet at the impeller exit due to the axial movement of the impeller 17.
  • the shape of the throttle portion in the diffuser 51 is set according to the fluid outflow angle from the outlet portion of the diffuser 51 and the passage area ratio between the outlet portion of the diffuser 51 and the inlet portion of the volute chamber 52. Therefore, by setting the throttle portion to an appropriate shape, the radial speed of the diffuser 51 increases, but the circumferential speed decreases and the total speed decreases. As a result, the diffuser 51 decelerates. Thus, the fluid velocity energy can be properly converted into pressure energy, and the pump efficiency can be improved by making the fluid velocity in the volute chamber 52 appropriate.
  • a preload spring 31 for applying a preload to the ball bearings 14 and 15 is provided, and a plurality of corrugated plate materials having a ring shape are laminated to constitute the preload spring 31. Therefore, by applying preload to the ball bearings 14 and 15 by the preload spring 31, it is possible to extend the life by suppressing the revolving slip of the ball bearings 14 and 15, and a plurality of corrugated plate materials are laminated. By configuring the preload spring 31, it is possible to reduce the load change amount with respect to the change amount of the spring crushing allowance and apply an appropriate preload.
  • the impeller 17 is driven to rotate so that a supercritical CO 2 fluid or liquid CO 2 can be transported and used as a semiconductor cleaning circulation pump, whereby the object to be cleaned after cleaning is dried. Can be eliminated, and the cleaning process can be simplified and the cost can be reduced.
  • the pump of the present invention has been described as a circulation pump for a semiconductor cleaning device, but may be applied to a normal centrifugal pump.
  • the pump according to the present invention provides a predetermined gap facing the axial direction between the casing and the front shroud, and a seal portion facing the radial direction between the casing and the front shroud. It is possible to extend the life by suppressing leakage and wear of components, and can be applied to any pump.

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Abstract

　ポンプにおいて、吸込口（１１）と吐出口（１２）を有するケーシング（１３）内に玉軸受（１４，１５）により主軸（１６）を回転自在に支持し、この主軸（１６）の軸端部に羽根車（１）を連結し、キャンドモータ（１８）により主軸（１６）を介して羽根車（１７）を駆動回転可能に構成し、羽根車（１７）における軸心方向前側に前部シュラウド（４４）を設けると共に、軸心方向後側に後部シュラウド（４５）を設け、ケーシング（１３）と前部シュラウド（４４）との間に軸方向に対向する所定隙間（４７）を設けると共に、ケーシング（１３）と前部シュラウド（４４）との間に径方向に対向するシール部（４８，４９）を設けることで、寿命の延長を可能とする。

Description

ポンプ
　本発明は、例えば、超臨界ＣＯ2流体あるいは液体ＣＯ2を搬送するポンプに関するものである。
　例えば、超臨界ＣＯ2流体あるいは液体ＣＯ2を搬送するポンプとして、半導体洗浄用の循環ポンプがある。近年の半導体デバイスの高集積化に伴い、ウェハの加工線幅も微細化が求められており、現在の主流である０．１８μｍに対して、将来は０．１０μｍ以下になると予想されている。ところが、従来の超純水等の液体を用いた半導体洗浄方式では、ウェハ乾燥時において、気体と液体の界面張力に起因する毛管力により、ウェハに形成されたレジストが倒壊するという現象（レジスト倒壊）が生じる場合がある。
　このような不都合を解消するために、従来の超純水等の液体の代わりに、超臨界流体を用いた半導体洗浄装置が開発されている。超臨界流体は、液体と比較して非常に高い浸透性を有しており、どのような微細な構造にも浸透するものである。また、気体と液体との界面が存在しないので、乾燥時に毛管力が働かないという特徴を備えている。
　超臨界流体としては、主として二酸化炭素（ＣＯ2）が用いられる。二酸化炭素は、他の液体溶媒と比較して、比較的穏和な条件、即ち臨界温度３１．２℃，臨界圧力７．３８ＭＰａで、臨界密度４６８ｋｇ／ｍ3となる。また、常温、 常圧では気体であるために、常温、常圧に戻すことによりガス化し、被洗浄物と汚染物の分離が容易にできるので、これにより、洗浄後の被洗浄物の乾燥が不要になるなど、洗浄プロセスの簡略化とコスト削減が可能となる。
　このような超臨界ＣＯ2流体を用いた半導体洗浄装置では、その超臨界ＣＯ2流体は通常約２０ＭＰａに加圧されるので、これを循環させてウェハを洗浄するための循環ポンプとしては、高耐圧であるが故、いわゆるシールレス・キャンドモータポンプ形式のものが用いられる。また、軸受としては玉軸受が用いられ、これは半導体の洗浄剤としての揚液（超臨界ＣＯ2流体）中において使用される。
　この玉軸受にて、ロータに作用するラジアル荷重、及びスラスト荷重を受ける。また、羽根車側とは反対側の、軸端側軸受に設置した軸受予圧バネにて予圧荷重をコントロールし、玉軸受のいわゆる公転滑り（横滑り）防止を図る。また、軸受予圧荷重にて玉軸受のラジアル方向の剛性（バネ定数）をコントロールし、ロータの固有振動数の調整も行う。
　このようなポンプとしては、下記特許文献１に記載されたものがある。
特開２００７－２３１９５８号公報
　ところが、上述した従来のポンプにて、玉軸受は、粘性の低い超臨界ＣＯ2流体（あるいは液体ＣＯ2）内で使用されるので、揚液による潤滑は期待できない。そのため、玉軸受での摩耗が発生し、主軸及び羽根車が回転軸心の方向に沿って移動する。羽根車は、その回転により吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して吐出口から吐出するものであり、吐出口から吸込口への流体の逆流を防止するため、ケーシングと羽根車との間における軸方向隙間が非常に狭く設定されている。ところが、玉軸受での摩耗により主軸及び羽根車が回転軸心の方向に沿って移動すると、羽根車とケーシングとの間で干渉が発生し、ポンプ寿命が低下してしまうという問題がある。
　本発明は上述した課題を解決するものであり、寿命の延長を可能とするポンプを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するための請求項１の発明のポンプは、吸込口と吐出口を有するケーシングと、該ケーシング内に玉軸受により回転自在に支持される主軸と、該主軸の軸端部に連結される羽根車と、前記主軸を介して前記羽根車を駆動回転可能なキャンドモータと、を備え、前記羽根車の回転により前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して前記吐出口から吐出するポンプにおいて、前記羽根車における軸心方向前側に前部シュラウドが設けられると共に、前記羽根車における軸心方向後側に後部シュラウドが設けられ、前記ケーシングと前記前部シュラウドとの間に軸方向に対向する所定隙間が設けられると共に、前記ケーシングと前記前部シュラウドとの間に径方向に対向するシール部が設けられる、ことを特徴とするものである。
　請求項２の発明のポンプでは、前記シール部は、前記羽根車における軸心方向に並んで複数設けられることを特徴としている。
　請求項３の発明のポンプでは、前記ケーシングにて、前記羽根車からの流体出口は、ディフューザ及びボリュート室を介して前記吐出口に連通され、前記ディフューザに絞り部が設けられることを特徴としている。
　請求項４の発明のポンプでは、前記絞り部の形状は、前記ディフューザの出口での流体流出角と、前記ディフューザの出口と前記ボリュート室との通路面積比に応じて設定されることを特徴としている。
　請求項５の発明のポンプでは、前記玉軸受に予圧を付与する予圧ばねが設けられ、該予圧ばねは、リング形状をなす波板材が複数積層されて構成されることを特徴としている。
　請求項６の発明のポンプでは、前記羽根車は、回転駆動することで超臨界ＣＯ2流体あるいは液体ＣＯ2を搬送可能であり、半導体洗浄用循環ポンプとして用いられることを特徴としている。
　請求項１の発明のポンプによれば、吸込口と吐出口を有するケーシング内に玉軸受により主軸を回転自在に支持し、この主軸の軸端部に羽根車を連結し、キャンドモータにより主軸を介して羽根車を駆動回転可能に構成し、羽根車における軸心方向前側に前部シュラウドを設けると共に、軸心方向後側に後部シュラウドを設け、ケーシングと前部シュラウドとの間に軸方向に対向する所定隙間を設けると共に、ケーシングと前部シュラウドとの間に径方向に対向するシール部を設けている。従って、シール部により吐出口から吸込口への流体の逆流を防止することができ、また、玉軸受の摩耗により主軸及び羽根車が回転軸心方向に移動しても、羽根車とケーシングとの間に所定隙間が設けられていることから、両者が干渉することはなく、ポンプ寿命を延長することが可能となる。
　請求項２の発明のポンプによれば、シール部を羽根車における軸心方向に並んで複数設けるので、複数のシール部により羽根車とケーシングとの間における流体の漏れが低減され、吐出口から吸込口への流体の逆流を適正に防止することができる。
　請求項３の発明のポンプによれば、羽根車からの流体出口をディフューザ及びボリュート室を介して吐出口に連通し、ディフューザに絞り部を設けるので、ディフューザの出口における流体流出角を大きくすることで、ディフューザの出口からボリュート室の入口までの損失を低減することができると共に、羽根車の移動を許容して干渉を防止することができる。
　請求項４の発明のポンプによれば、絞り部の形状を、ディフューザの出口での流体流出角と、ディフューザの出口とボリュート室との通路面積比に応じて設定するので、絞り部を適正形状に設定し、ディフューザの出口からボリュート室に流出する流体における径方向の速度と周方向の速度との合計速度を減速させることで、ディフューザ効果、つまり、流体の速度エネルギ（動圧）から圧力エネルギ（静圧）への変換を十分に確保することができ、ポンプ効率を向上することができる。
　請求項５の発明のポンプによれば、玉軸受に予圧を付与する予圧ばねを設け、リング形状をなす波板材が複数積層されて予圧ばねを構成するので、予圧ばねにより玉軸受に予圧が付与されることで、玉軸受の公転滑りを抑制して長寿命化を可能とすることができると共に、波板材を複数積層されて予圧ばねを構成することで、ばねのつぶし代の変化量に対する荷重変化量を小さくし、適正な予圧を付与することができる。
　請求項６の発明のポンプによれば、羽根車を回転駆動することで超臨界ＣＯ2流体あるいは液体ＣＯ2を搬送可能とし、半導体洗浄用循環ポンプとして用いるので、洗浄後の被洗浄物の乾燥が不要になり、洗浄プロセスの簡略化とコスト削減を可能とすることができる。
図１は、本発明の一実施例に係るポンプとしての半導体洗浄装置用循環ポンプを表す断面図である。 図２は、本実施例の半導体洗浄装置用循環ポンプの要部を表す拡大図である。
符号の説明
　１１　吸込口
　１２　吐出口
　１３　ケーシング
　１４，１５　玉軸受
　１６　主軸
　１７　羽根車
　１８　キャンドモータ
　３１　予圧ばね
　４４　前部シュラウド
　４５　後部シュラウド
　４６　羽根
　４７　所定隙間
　４８，４９　シール部
　５１　ディフューザ
　５２　ボリュート室
　以下に添付図面を参照して、本発明に係るポンプの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
　図１は、本発明の一実施例に係るポンプとしての半導体洗浄装置用循環ポンプを表す断面図、図２は、本実施例の半導体洗浄装置用循環ポンプの要部を表す拡大図である。
　本実施例の半導体洗浄装置用循環ポンプは、図１及び図２に示すように、吸込口１１と吐出口１２を有するケーシング１３と、このケーシング１３内に玉軸受１４，１５により回転自在に支持される主軸１６と、この主軸１６の軸端部に連結される羽根車１７と、主軸１６を介して羽根車１７を駆動回転可能なキャンドモータ１８とを備え、羽根車１７の回転により吸込口１１から吸い込んだ流体を昇圧して吐出口１２から吐出可能に構成されている。
　このケーシング１３は、リング形状をなす吐出・吸込側ケーシング２１とパージ側ケーシング２２とが円筒形状をなす外筒２３を挟んで配置され、連結ボルト２４により連結され、吸込・吐出側ケーシング２１の外側にマニホールド２５が固定され、連結ボルト２６により連結されて構成されている。そして、このマニホールド２５には、主軸１６の軸心の延長軸線上に揚液の吸込口１１が形成され、この吸込口１１の外周側に吐出口１２が形成されている。
　玉軸受１４，１５は、アンギュラ玉軸受であって、吐出・吸込側ケーシング２１とパージ側ケーシング２２に装着され、主軸１６を回転自在に支持している。そして、この主軸１６の軸端部に羽根車１７が嵌合し、連結ボルト２７により固定されている。
　なお、本実施例では、玉軸受１４，１５は、耐摩耗性及び耐食性の向上、高速回転時の遠心荷重を低減するために、内外輪及び玉にセラミック材料（例えば、窒化珪素Ｓｉ3Ｎ4、アルミナＡｌ2Ｏ3、炭化珪素ＳｉＣ等）を採用している。このように、軸受材料を総セラミックとすることで、外部から持ち込まれるパーティクルに対する耐摩耗性も向上する。また、ドラッグ損失（回転抵抗）が小さくなるように保持器の設計を行っている。これにより、公転滑り防止及び予圧荷重（スラスト軸受荷重）の低減が可能であり、玉軸受１４，１５の長寿命化を図ることができる。保持器の材料としては、洗浄剤に対する耐食性、耐摩耗性、高速回転に対する強度確保の観点より、ＰＥＥＫ材（ポリエーテル・エーテル・ケトン）を使用している。なお、ＰＥＥＫ材に代えて、ステンレス鋼やファイバーコンポジットを使用してもよい。
　キャンドモータ１８は、外筒２３の内周部に固定された固定子２８と、この固定子２８と対向するように主軸１６の外周部に設けられた回転子２９とから構成されている。
　一方、パージ側ケーシング２２には、主軸１６の軸心の延長軸線上に、吸い込んだ揚液の一部を吐出するパージ口３０が形成されている。また、パージ側ケーシング２２とアンギュラ玉軸受１５との間には、予圧ばね３１が挟持されている。この予圧ばね３１は、主軸１６の他端周辺に位置するリング状の波板ばねを複数積層したものとなっており、定圧ばね方式として玉軸受１５に軸方向の予圧を付与するものである。
　従って、キャンドモータ１８に通電すると、固定子２８に対して回転子２９が回転し、この回転子２９と共に主軸１６が回転し、これに連動して羽根車１７が回転する。すると、吸込口１１より揚液が吸い込まれ、羽根車１７の遠心力により昇圧されて吐出口１２側に導かれて外部に吐出される。また、吸込口１１より吸い込まれた揚液の一部は、玉軸受１４，１５及びキャンドモータ１８内を通過して、これらを冷却してからパージ流れとしてパージ口３０より吐出される。
　このように構成された循環ポンプにて、本実施例では、羽根車１７をクローズド式とし、ケーシング１３に対して主軸１６及び羽根車１７を軸心方向に対して所定量だけ移動自在に支持すると共に、ケーシング１３と羽根車１７との径方向でシールを形成している。
　即ち、ケーシング１３を構成する吸込・吐出側ケーシング２１は、その中心部に吸込口１１に連通する収容孔４１が形成され、この収容孔４１の内周面に外周リング４２及び外周リング４３が固定されている。一方、羽根車１７は、軸心方向前側に設けられるリング形状をなす前部シュラウド４４と、軸心方向後側に設けられる円板形状をなす後部シュラウド４５との間に、複数の羽根４６が周方向に等間隔で設けられて構成されている。
　この場合、前部シュラウド４４は、羽根車１７の径方向に水平な円板部４４ａと軸方向に水平な筒部４４ｂとを有している。そして、外周リング４３（ケーシング１３）の一端部と前部シュラウド４４における円板部４４ａの表面部との間に、軸方向に対向する所定隙間４７が設けられている。また、外周リング４３（ケーシング１３）の内周部と前部シュラウド４４における筒部４４ｂの外周部との間に、径方向に対向するシール部４８，４９が設けられている。このシール部４８，４９は、羽根車１７における径方向にずれ、羽根車１７における軸心方向に並んで設けられている。なお、シール部４８，４９は、複数設けることが望ましく、２つに限らず、３つ以上設けてもよい。
　また、ケーシング１３にて、羽根車１７からの流体出口１７ａは、ディフューザ５１、ボリュート室５２、連通路５３を介して吐出口１２に連通されている。即ち、吸込・吐出側ケーシング２１とマニホールド２５との接合部には、羽根車１７からの流体出口１７ａが形成され、この流体出口１７ａに連通してディフューザ５１が形成されている。このディフューザ５１は、流体の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に変換するものである。ボリュート室５２は、吸込・吐出側ケーシング２１とマニホールド２５との接合部に渦巻状に形成されており、一端部がディフューザ５１に連通し、他端部が連通路５３に連通している。
　そして、このディフューザ５１に絞り部が設けられている。即ち、ディフューザ５１は、羽根車１７からの流体出口１７ａ側の入口部の流路幅Ｗ１（流路面積）に対して、ボリュート室５２側への出口部の流路幅Ｗ２（流路面積）が狭く（小さく）形成されることで、絞り部を構成している。つまり、ディフューザ５１の入口部を出口部に対して大きくすることで、所定隙間４７による羽根車１７の軸心方向への移動を許容し、圧力流体を適正にディフューザ５１に導入することができる。
　このディフューザ５１における絞り部の形状、つまり、傾斜角度は、ディフューザ５１の出口部からの流体流出角αと、ディフューザ５１における出口部の通路面積とボリュート室５２の面積との面積比Ｙに応じて設定される。ディフューザ５１からボリュート室５２に流れる流体は、ディフューザ５１の接線に対して流体流出角αを有しており、その速度Ｖは、周方向速度Ｖθと径方向速度Ｖｍに分けられる。ボリュート室５２の面積比Ｙは、ディフューザ５１における出口部の通路面積Ａｄとボリュート室５２の面積Ａｖとの比率（Ｙ＝Ａｄ／Ａｖ）である。
　一般的に、ディフューザ５１の出口部からボリュート室５２の入口部までの摩擦損失と、ディフューザ５１の吐出速度とボリュート室５２の流入速度の速度差に起因する損失から見て、流体流出角αを１５°程度とすることで、ポンプ最大効率を確保することができる。また、ボリュート室５２の舌端での損失は、ボリュート室５２の舌端の取付角と流体流出角との差が大きすぎると生じる。ボリュート室５２の舌端には肉厚があることから、ボリュート室５２の舌端の取付角を数度（小さい角度）にすることは困難であるためである。
　その結果、本実施例では、ディフューザ５１に絞り部が設けることで、ディフューザ５１の出口部における流体流出角αを大きくすることで、損失を低減する。また、ディフューザ５１における入口部の幅を大きくすることで、羽根車１７の軸方向の移動を許容する。この場合、ディフューザ５１を絞ると、径方向速度Ｖｍは上がるが、周方向速度Ｖθは角運動量保存により減速（自由渦流れ）する。従って，この径方向速度Ｖｍと周方向速度Ｖθの合計速度が減速する程度まで絞り形状とする。
　従って、羽根車１７が回転すると、吸込口１１より揚液が吸い込まれ、羽根車１７の遠心力により昇圧される。この昇圧された揚液は、流体出口１７ａからディフューザ５１を通過することで、流体の速度エネルギが圧力エネルギに変換され、ボリュート室５２に流れ、連通路５３を通って吐出口１２から外部に吐出される。このとき、ケーシング１３と羽根車１７は、シール部４８，４９により径方向でシールされていることから、羽根車１７により昇圧された揚液は、吸込口１１に漏洩することなく、流体出口１７ａからディフューザ５１に適正に流れる。
　また、主軸１６及び羽根車１７が所定隙間４７により軸心方向へ移動しても、シール部４８，４９により外周リング４３と前部シュラウド４４との位置関係が変位しないため、揚液が吸込口１１に漏洩することなく、ディフューザ５１に適正に流れる。
　このように本実施例のポンプにあっては、吸込口１１と吐出口１２を有するケーシング１３内に玉軸受１４，１５により主軸１６を回転自在に支持し、この主軸１６の軸端部に羽根車１７を連結し、キャンドモータ１８により主軸１６を介して羽根車１７を駆動回転可能に構成し、羽根車１７における軸心方向前側に前部シュラウド４４を設けると共に、軸心方向後側に後部シュラウド４５を設け、ケーシング１３と前部シュラウド４４との間に軸方向に対向する所定隙間４７を設けると共に、ケーシング１３と前部シュラウド４４との間に径方向に対向するシール部４８，４９を設けている。
　従って、シール部４８，４９により吐出口１２から吸込口１１への流体の逆流を防止することができ、また、玉軸受１４，１５などの摩耗により主軸１６及び羽根車１７が回転軸心方向に移動しても、羽根車１７とケーシング１３との間に所定隙間４７が設けられていることから、両者が干渉することはなく、ポンプ寿命を延長することが可能となる。
　また、本実施例のポンプでは、シール部４８，４９を羽根車１７における軸心方向に並んで複数設けている。従って、複数のシール部４８，４９により羽根車１７とケーシング１３との間における流体の漏れが低減され、吐出口１２から吸込口１１への流体の逆流を適正に防止することができる。
　また、本実施例のポンプでは、羽根車１７からの流体出口１７ａをディフューザ５１及びボリュート室５２を介して吐出口１２に連通し、ディフューザ５１に絞り部を設けている。従って、羽根車１７の流体出口１７ａからディフューザ５１に流出する流体における周方向の速度と径方向の速度との合計速度が減速することにより、ディフューザ５１にて流体の速度エネルギ（動圧）を圧力エネルギ（静圧）に適正に変換することができる。
　このとき、ディフューザ５１に絞り部が設けられており、ディフューザ５１の出口部における流体流出角αを大きくすることで、損失を低減することができる。また、ディフューザ５１における入口部の幅を大きくすることで、羽根車１７の軸方向の移動による羽根車出口のディフューザ入口における損失を低減することができる。
　また、ディフューザ５１における絞り部の形状を、ディフューザ５１の出口部からの流体流出角と、ディフューザ５１の出口部とボリュート室５２の入口部との通路面積比に応じて設定している。従って、絞り部を適正形状に設定することで、ディフューザ５１における径方向の速度が増速するが、周方向の速度が減速し、その合計速度が減速することから、結果としてディフューザ５１で減速して流体の速度エネルギを圧力エネルギに適正に変換することができ、また、ボリュート室５２における流体の速度を適正にすることで、ポンプ効率を向上することができる。
　また、本実施例のポンプでは、玉軸受１４，１５に予圧を付与する予圧ばね３１を設け、リング形状をなす波板材が複数積層されてこの予圧ばね３１を構成している。従って、予圧ばね３１により玉軸受１４，１５に予圧が付与されることで、玉軸受１４，１５の公転滑りを抑制して長寿命化を可能とすることができると共に、波板材を複数積層されて予圧ばね３１を構成することで、ばねのつぶし代の変化量に対する荷重変化量を小さくし、適正な予圧を付与することができる。
　また、本実施例のポンプでは、羽根車１７を回転駆動することで超臨界ＣＯ2流体あるいは液体ＣＯ2を搬送可能とし、半導体洗浄用循環ポンプとして用いることで、洗浄後の被洗浄物の乾燥が不要になり、洗浄プロセスの簡略化とコスト削減を可能とすることができる。
　なお、上述した実施例では、本発明のポンプを、半導体洗浄装置用循環ポンプとして説明したが、通常の遠心ポンプに適用してもよい。
　本発明に係るポンプは、ケーシングと前部シュラウドとの間に軸方向に対向する所定隙間を設けると共に、ケーシングと前部シュラウドとの間に径方向に対向するシール部を設けることで、流体の漏洩と構成部材の摩耗を抑制して寿命の延長を可能とするものであり、いずれのポンプにも適用することができる。

Claims (6)

  1. 　吸込口と吐出口を有するケーシングと、
    　該ケーシング内に玉軸受により回転自在に支持される主軸と、
    　該主軸の軸端部に連結される羽根車と、
    　前記主軸を介して前記羽根車を駆動回転可能なキャンドモータと、
    　を備え、前記羽根車の回転により前記吸込口から吸い込んだ流体を昇圧して前記吐出口から吐出するポンプにおいて、
    　前記羽根車における軸心方向前側に前部シュラウドが設けられると共に、前記羽根車における軸心方向後側に後部シュラウドが設けられ、
    　前記ケーシングと前記前部シュラウドとの間に軸方向に対向する所定隙間が設けられると共に、前記ケーシングと前記前部シュラウドとの間に径方向に対向するシール部が設けられる、
    　ことを特徴とするポンプ。
  2. 　前記シール部は、前記羽根車における軸心方向に並んで複数設けられることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
  3. 　前記ケーシングにて、前記羽根車からの流体出口は、ディフューザ及びボリュート室を介して前記吐出口に連通され、前記ディフューザに絞り部が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のポンプ。
  4. 　前記絞り部の形状は、前記ディフューザの出口での流体流出角と、前記ディフューザの出口と前記ボリュート室との通路面積比に応じて設定されることを特徴とする請求項３に記載のポンプ。
  5. 　前記玉軸受に予圧を付与する予圧ばねが設けられ、該予圧ばねは、リング形状をなす波板材が複数積層されて構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のポンプ。
  6. 　前記羽根車は、回転駆動することで超臨界ＣＯ2流体あるいは液体ＣＯ2を搬送可能であり、半導体洗浄用循環ポンプとして用いられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のポンプ。
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