JP5115627B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

従来より、複数段の回転翼と固定翼とによりタービン翼部を構成するとともに、回転円筒と固定円筒とによりモレキュラードラッグポンプ部を構成するように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）。この特許文献１記載のターボ分子ポンプでは、固定円筒に設けられるねじ溝の深さを、吸い込み側において深くしている。

特表２０００−５１６３２１号公報（とくに図１）

ところで、この種のターボ分子ポンプには、回転翼と固定翼の間の軸方向のクリアランスを適正に保つため、各固定翼の支持部にスペーサが設けられ、スペーサと固定翼が積層されて積層体が形成される。このような構成では、一般に、積層体の周囲と固定円筒の周囲に別々にベース部材が配置されるため、積層体と固定円筒がケース部材から別々に支持され、積層体と固定円筒の間にガス通路の不連続部が生じる。その結果、上記特許文献１記載のように固定円筒のねじ溝の深さを吸い込み側において深くしたとしても、積層体と固定円筒の間でスムーズな流れが妨げられ、排気効率が低下する。

本発明によるターボ分子ポンプは、軸方向にかけて複数段の回転翼が形成され、排気側に回転円筒部が設けられた回転体と、回転翼の周囲に配置された複数段の固定翼とスペーサとを積層してなる積層体と、回転円筒部の周囲に配置され、内周面に螺旋溝が形成された固定円筒とを備え、固定円筒と排気側最終段の前記固定翼との間には最終段スペーサが配設され、固定円筒の軸方向端面は、最終段スペーサの端面に接触して設けられるとともに、この接触部における螺旋溝の谷底の径は、固定円筒の直上流に配置される排気側最終段の回転翼の外径または排気側最終段の固定翼の翼部の外径よりも大きく形成される。
接触部における螺旋溝の谷底の径を、最終段スペーサの内径とほぼ等しく形成することもできる。
最終段スペーサは、固定円筒と排気側最終段の固定翼との間に挟持することが好ましい。
積層体の周囲を覆う第１のケース部材と、固定円筒の周囲を覆う第２のケース部材と、第１のケース部材と第２のケース部材とを締結し、第１のケース部材の吸気側軸方向端部と第２のケース部材の吸気側軸方向端部との間で積層体および固定円筒を挟持する締結装置とを有するものとしてもよい。
螺旋溝の吸気側の溝底面は、軸線とのなす角が４５°以下となるように軸方向にかけてテーパ状に形成することが好ましい。
螺旋溝を周方向に複数形成するとともに、この螺旋溝の数を排気側よりも吸気側で多くすることもできる。
排気側最終段の回転翼の外径を、その上流側の回転翼の外径よりも小さくし、かつ、最終段スペーサの内径を、その上流側のスペーサの内径よりも小さくしてもよい。

本発明によれば、積層体から固定円筒にかけてガス通路が連続して設けられるので、ガスの流れがスムーズになり、排気効率を向上できる。

本発明の実施の形態に係るターボ分子ポンプの全体構成を示す図。 図１の要部拡大図。 図１の固定円筒の斜視図。 図２の比較例を示す図。 本発明の動作を説明する図。 図３の変形例を示す図。

以下、図１〜図６を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るターボ分子ポンプの全体構成を概略的に示す断面図である。このターボ分子ポンプは、例えば半導体製造装置に用いられる真空ポンプである。なお、説明の便宜上、以下では図示のようにターボ分子ポンプの上下方向を定義する。

図１に示すターボ分子ポンプＴは、ベース１と、ベース１の上面に配置される略円筒形状のケーシング２と、ベース１とケーシング２内に収容され、ベース１に回転可能に支持されるロータ３とを有する。ケーシング２の上端フランジ部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。ケーシング２の下端面は、Ｏリング４１を介してベース１の上面にボルト４２で締結されている。

ロータ３の外周部には、上下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。各段の回転翼３１の間には、外周側から固定翼２１が交互に挿設されている。各段の固定翼２１はスペーサ２２を介して積層され、固定翼２１とスペーサ２２により積層体２３が形成されている。スペーサ２２は略リング形状をなし、固定翼２１は、ロータ３の径方向に延設された複数の翼体で構成される翼部と、翼部の外周部分に形成され、スペーサ２２によって挟持されるリブとによって構成されるとともに、周方向に２分割した半割れ形状をなしている。

ロータ３の回転翼３１の下方には回転円筒部３２が設けられている。回転翼３１はロータ３の周面に部分的に形成されるのに対し、回転円筒部３２は全周にわたって設けられる。このため、ロータ３の十分な強度を得るため、回転円筒部３２の直径は回転翼３１の外径よりも小さくなっている。回転円筒部３２の周囲には固定円筒２４が配設され、固定円筒２４の内周面に螺旋状溝２５が形成されている。以上の回転翼３１と固定翼２１はタービン翼部を構成し、回転円筒部３２と固定円筒２４はモレキュラードラッグポンプ部を構成する。

ロータ３は、上下一対のラジアル磁気軸受け５１およびスラスト磁気軸受け５２により非接触支持され、モータ５３により回転駆動される。モータ５３は例えばＤＣブラシレスモータにより構成される。すなわち、ロータ３の回転軸３３に永久磁石が内蔵され、回転軸３３の周囲に、回転磁界を形成するためのモータステータが配置されている。ベース１には非常用のメカニカルベアリング５４が設けられ、磁気軸受け５１，５２に異常が生じた場合に、回転軸３３はメカルベアリング５４により支持される。

このようなターボ分子ポンプでは、モータ５３の駆動によりロータ３を高速回転させると、吸気口１１からガス分子が吸い込まれる。吸い込まれたガス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ガス通路をそれぞれ経て圧縮され、排気口１２から排気される。このガス分子の流れにより吸気口１１側（上流側）が高真空状態となる。

この場合、タービン翼部では主に分子流による排気が、モレキュラードラッグポンプ部では主に粘性流による排気が行われる。すなわちタービン翼部の排気側（下流側）では圧力が高くなるため分子間衝突が頻発し、高速回転する回転翼３１により排気側かつ外周側に向かうマクロ的な流れ場が生じ、分子流から粘性流に遷移する。なお、タービン翼部の排気側からモレキュラードラッグポンプ部の吸気側では、分子流と粘性流の混合した中間流による排気が行われる。

このようなターボ分子ポンプでは、タービン翼部からモレキュラードラッグポンプ部にかけてガス通路の構成が変化するため、流れの損失が生じやすい。そこで、本実施の形態では、流れの損失を低減するため、以下のように構成する。

図２は、図１の要部拡大図である。図２に示すようにベース１の上面にはフランジ面１３が形成され、さらに周壁１５を介してその内径側にはフランジ面１４が形成されている。固定円筒２４の上端部にはフランジ部２７が設けられ、フランジ部２７の外周面は外径側に拡大している。ベース１の周壁１５には、固定円筒２４のフランジ部２７が嵌合し、フランジ部２７の端面がベース１のフランジ面１４に当接している。なお、フランジ面１３はボルト４１締結用のフランジ面であり、フランジ面１３にはケーシング２の底面が対向している。

固定円筒２４の上方には、最下段のスペーサ２２（最下段スペーサ２２１）が配設され、固定円筒２４の上面と最下段スペーサ２２１の底面は接触している。最下段スペーサ２２１の下端部は、固定円筒２４のフランジ部外周面に嵌合し、最下段スペーサ２２１は固定円筒２４を介してベース１に対し位置決めされている。最下段スペーサ２２１の上方には固定翼２１（最下段固定翼２１１）が、さらにその上方にはスペーサ２２（２２２）が配設され、最下段スペーサ２２１の上面と最下段固定翼２１１の底面、および最下段固定翼２１の上面とスペーサ２２２の底面はそれぞれ接触している。

スペーサ２２と固定翼２１は最上段のスペーサ２２３（図１）に至るまで交互に積層され、全体で積層体２３を形成する。スペーサ２２は、固定翼２１の軸方向の位置を規制するとともに、下側の固定翼２１の外周面に嵌合し、固定翼２１の周方向の位置を規制するものであり、これにより各固定翼２１がベース１に対して位置決めされる。固定翼２１と回転翼３１の間のクリアランスが適正値となるように、各スペーサ２２は所定厚さに形成されている。

最下段固定翼２１１と固定円筒２４の間には、回転翼３１（最下段回転翼３１１）が配置されている。最下段回転翼３１１の外径は、その上方の回転翼３１の外径よりも小さくなっており、これに対応して最下段スペーサ２２１の内径は、その上方のスペーサ２２の内径よりも小さくなっている。

図３は、固定円筒２４の螺旋溝２５の構成を示す斜視図である。螺旋溝２５は周方向等間隔に複数設けられている。各螺旋溝２５の深さは吸気側にかけて深くなっており、固定円筒２４の溝底面２６は、図２に示すようにテーパ形状をなし、溝底面２６の傾斜は吸気側（吸気部２６ａ）で排気側よりも急になっている。この吸気側の溝底面２６と軸線とのなす角α（図１）は、例えば４５°以下とされている。

図２に示すように固定円筒２４の吸気側端部の溝底面２６の位置と、これに連なる最下段スペーサ２２１の内周面の位置は、ほぼ一致している。すなわち、固定円筒２４の吸気側端部の谷底の径Ｄ０（図３）と最下段スペーサ２２１の内径Ｄ１（図２）はほぼ等しい。これにより最下段スペーサ２２１の内周面から固定円筒２４の溝底面２６にかけて、ガス通路が滑らかに連続して形成される。

次に、本実施の形態に係るターボ分子ポンプのポンプ本体Ｔの組立手順について説明する。図１に示すポンプ本体Ｔを組み立てる場合には、まず、磁気軸受け５１，５２を介してベース１にロータ３を回転可能に支持するとともに、ベース１の周壁１５の内側に固定円筒２４を嵌合し、固定円筒２４のフランジ部２７をベース１のフランジ面１４に当接させる。これにより固定円筒２４がベース１に対し位置決めされる。

次いで、固定円筒２４の上面にリング状のスペーサ２２と半割れ形状の固定翼２１を交互に積層する。なお、固定翼２１は、周方向外側から各段の回転翼３１の間に挿入することにより積層する。この際、各固定翼２１の外周面はそれぞれスペーサ２２に嵌合される。これにより各固定翼２１をスペーサ２２および固定円筒２４を介し、それぞれベース１に対し位置決めできる。

スペーサ２２を最上段まで積層し終えると、最上段スペーサ２２３の上方からケーシング２を被せ、Ｏリング４１を介してベース１のフランジ面１３とケーシング２の底面をボルト４２で締結する。このボルト４２の締結力によりＯリング４１が押しつぶされ、フランジ面１３がシールされる。このとき最上部スペーサ２２３の上端面は、ケーシング２の上端部の段部２ｂに当接する。これによりケーシング２の上端部（段部２ｂ）とベース１の上端部（フランジ面１４）の間に、ボルト４２の締結により積層体２３と固定円筒２４が挟持される。

このようにして組み立てられたターボ分子ポンプは、固定円筒２４の上端面が最下段スペーサ２２１の下端面に接触し、かつ、固定円筒２４の吸気側の谷底の径Ｄ０が最下段スペーサ２２１の内径Ｄ１とほぼ等しい。このためロータ３の回転により吸気口１ａから流入したガス分子は、図２の矢印に示すようにタービン翼部からモレキュラードラッグポンプ部にかけてスムーズに流れ、流れの損失が小さくなって、排気効率が向上する。

図４は、本実施の比較例を示す図である。この例では、ベース１のフランジ面１４に固定円筒２４のフランジ部２７をボルト（不図示）で締結するとともに、ベース１の周壁１５にフランジ面１５１を設けてフランジ面１５１からスペーサ２２を支持している。この場合は、固定円筒２４と積層体２３がベース１から別々に支持され、固定円筒２４の上端面と最下段スペーサ２２１が非接触になる。その結果、積層体２３（最下段スペーサ２２１）から固定円筒２４にかけてガス通路が不連続となり、図４の矢印で示すように分子のスムーズな流れが妨げられ、排気効率が低下する。

本実施の形態では、固定円筒２４の吸気側の溝底面２６のテーパ角αを４５°以下としているため、固定円筒２４の吸気側の分子流れを考慮した場合にも、排気効率を向上できる。すなわち、分子流の場合には、図５に示すように螺旋溝２５に流入した分子は、溝底面２６に衝突して反射する。この際の反射方向は余弦定理により定まるため、テーパ角αが大きいと、タービン翼部に逆流する分子量が多くなる。この点、テーパ角αを４５°以下にすると、大部分の分子が回転円筒部３２に向けて反射するため、逆流が抑えられ、排気効率が向上する。

以上の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）固定円筒２４の軸方向端面を最下段スペーサ２２１の端面に接触して設けるとともに、この接触部における螺旋溝２５の谷底の径Ｄ０を最下段スペーサ２２１の内径Ｄ１とほぼ等しくした。これにより積層体２３から固定円筒２４にかけてガス通路が連続して設けられるため、タービン翼部からモレキュラードラッグポンプ部にかけてのガスの流れがスムーズになり、排気効率が向上する。
（２）固定円筒２４と最下段固定翼２１１の間に最下段スペーサ２２１を挟持するようにしたので、固定円筒２４と最下段スペーサ２２１とが密接し、流れの損失が小さい。また、最下段スペーサ２２１の支持部をベース１に別途設ける必要がなく、構成を簡素化できる。
（３）ベース１とケーシング２をボルト４２で締結することで、ケーシング２の上端部（段部２ｂ）とベース１の上端部（フランジ面１４）の間に、積層体２３と固定円筒２４を挟持するようにしたので、組立が簡単である。

（４）固定円筒２４の吸気側の溝底面２６のテーパ角αを４５°以下としたので、螺旋溝２５に流入した分子のタービン翼部への逆流を抑えることができ、分子流領域の排気効率を向上できる。
（５）溝底面２６のテーパ角αを吸気部２６ａで大きくしているので、螺旋溝２５の深さが吸気側で深くなる。その結果、コンダクタンスが大きくなり、分子流を取り込みやすい。
（６）最下段回転翼３１１の外径をその上方の回転翼３１の外径よりも小さくするとともに、最下段スペーサ２２１の内径をその上方のスペーサ２２の内径よりも小さくした。これにより最下段回転翼３１１と回転円筒部３２の外径の差が小さくなるため、溝２５が深くなりすぎることを防止できる。その結果、回転翼３１側から流入した分子が、固定円筒２４から回転円筒３２へと反射しやすくなり、タービン翼部への逆流を抑制できる。

なお、螺旋溝２５の深さは、ガスの流量や圧力を考慮して適宜設定すればよい。例えば流量が大のときあるいは圧力が高いときは、粘性流が支配的であるため、螺旋溝２５を浅くしてガスの圧縮性を優先させればよい。流量が小のときあるいは圧力が低いときは、分子流の影響が大きいため、螺旋溝２５を深くしてコンダクタンスを大きくすればよい。本実施の形態では、螺旋溝２５の溝底面２６のテーパ角αを２段階に変更しているが、螺旋溝２５の構成はこれに限らない。

上記実施の形態では、固定円筒２４の内周面に周方向に等間隔に螺旋溝２５を設けたが（図５）、吸気側と排気側で螺旋溝２５の数を異なったものとしてもよい。その一例を図６に示す。図６は、吸気部２６ａ（図２）のみで螺旋溝２５の数を増やした例であり、周方向に隣り合う螺旋溝２５１，２５２が途中で合わさって螺旋溝２５３となり、吸気側の螺旋溝２５の数（１２個）は排気側の螺旋溝２５の数（６個）の２倍になっている。これにより吸気部２６ａの溝幅が狭くなり、分子の逆流を防止できるとともに、排気側で溝幅が狭くなりすぎることを防止でき、最適な溝設計が可能である。

上記実施の形態では、螺旋溝２５の谷底の径Ｄ０を最終段スペーサとしての最下段スペーサ２２１の内径Ｄ１とほぼ同等にしたが、Ｄ０は少なくとも固定円筒２４の直上流側に配置される最下段回転翼３１１の外径よりも大きければよく、Ｄ０とＤ１は等しくなくてもよい。固定円筒２４の直上流側に回転翼３１１を配置したが、固定翼２１１を配置してもよく、この場合には、最下段固定翼２１１の翼部の外径よりもＤ０を大きくすればよい。

最下段スペーサ２２１を最下段固定翼２１１と固定円筒２４の間で挟持するようにしたが、固定円筒２４の軸方向端面と最下段スペーサ２２１の端面を接触して設けるのであれば、最下段スペーサ２２１と固定円筒２４を別々に支持してもよい。吸気部２６ａのテーパ角αが４５°以下となるようにしたが、粘性流が支配的である場合にはテーパ角αを４５°より大きくしてもよい。

第１のケース部材としてのケーシング２の構成および第２のケース部材としてのベース１の構成は上述したものに限らない。ベース１とケーシング２をボルト４２で締結するようにしたが、締結装置はいかなるものでもよい。最下段固定翼３１１の外径をその上方の固定翼３１の外径よりも小さくしたが、固定翼の構成はこれに限らない。

本発明が適用されるターボ分子ポンプの構成は図１に示したものに限らない。軸方向にかけて複数段の回転翼３１が形成され、排気側に回転円筒部３４が設けられた回転体としてのロータ３と、回転翼３１の周囲に配置された複数段の固定翼２１とスペーサ２２とを積層してなる積層体２３と、回転円筒部３２の周囲に配置され、内周面に螺旋溝２５が形成された固定円筒２４とを備える他のターボ分子ポンプにも適用可能である。すなわち本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態のターボ分子ポンプに限定されない。

Claims (7)

1. 軸方向にかけて複数段の回転翼が形成され、排気側に回転円筒部が設けられた回転体と、
   前記回転翼の周囲に配置された複数段の固定翼とスペーサとを積層してなる積層体と、
   前記回転円筒部の周囲に配置され、内周面に螺旋溝が形成された固定円筒とを備え、
   前記固定円筒と排気側最終段の前記固定翼との間には最終段スペーサが配設され、
   前記固定円筒の軸方向端面は、前記最終段スペーサの端面に接触して設けられるとともに、この接触部における前記螺旋溝の谷底の径は、前記固定円筒の直上流に配置される排気側最終段の回転翼の外径または排気側最終段の固定翼の翼部の外径よりも大きく形成され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、
   さらに前記接触部における螺旋溝の谷底の径は、前記最終段スペーサの内径とほぼ等しく形成され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、
   前記最終段スペーサは、前記固定円筒と排気側最終段の前記固定翼との間に挟持されるターボ分子ポンプ。
4. 請求項３に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記積層体の周囲を覆う第１のケース部材と、
   前記固定円筒の周囲を覆う第２のケース部材と、
   前記第１のケース部材と前記第２のケース部材とを締結し、前記第１のケース部材の吸気側軸方向端部と前記第２のケース部材の吸気側軸方向端部との間で前記積層体および前記固定円筒を挟持する締結装置とを有するターボ分子ポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記螺旋溝の吸気側の溝底面は、軸線とのなす角が４５°以下となるように軸方向にかけてテーパ状に形成されるターボ分子ポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記螺旋溝は周方向に複数形成されるとともに、吸気側の螺旋溝の数は排気側の螺旋溝の数よりも多いターボ分子ポンプ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   排気側最終段の前記回転翼の外径は、その上流側の回転翼の外径よりも小さく、かつ、前記最終段スペーサの内径は、その上流側のスペーサの内径よりも小さいターボ分子ポンプ。

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