JP2022113557A

JP2022113557A - 真空ポンプ

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Publication number: JP2022113557A
Application number: JP2021009872A
Authority: JP
Inventors: 裕章木村; Hiroaki Kimura
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2041-01-25
Also published as: TW202229728A; TWI780905B; CN114790994A; US11629730B2; CN114790994B; JP7459811B2; US20220235797A1

Abstract

【課題】加熱部により加熱されるステータの、円筒部における温度のバラつきを低減することができる真空ポンプの提供。【解決手段】真空ポンプは、ロータ円筒部１３と、複数の断熱ピンである段付きピン４０と、ロータ円筒部１３の外周側に所定ギャップを介して配置されるステータ円筒部２２ｂと、複数の前記断熱ピンを介してベース３０に固定されるフランジ部２２ａとを有するステータ２２とを備え、断熱ピンは、ステータ２２およびベース３０よりも熱伝導率が小さく、かつ、フランジ部２２ａを支持する。【選択図】図２

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは種々の半導体製造装置の排気ポンプとして使用されるが、エッチングプロセス等において排気を行うと、反応生成物がポンプ内部に堆積する。ターボ分子ポンプでは、ロータがステータとギャップを有して高速回転するが、エッチング時の反応生成物がポンプ内部で堆積して、ついにはロータとステータ間のスキマを埋めてしまい固着することで回転運転ができなくなることがある。このようなポンプ内部の生成物堆積を抑制するため、例えば、特許文献１に記載の真空ポンプでは、特許文献１の図１～３を参照すると、ステータ２２を円筒状の断熱部材２４で支持し、加熱ヒータ２８０によりステータ２２を直接加熱するようにしている。

特開２０１５－２２９９３５号公報

しかしながら、断熱部材２４を介したステータ２２からベース３０への熱移動の影響で、加熱ヒータ２８０が接触している領域の温度と、そこから円周方向に離れた領域における温度との間の温度差が大きくなりやすく、温度の低い離れた領域において生成物堆積が顕著になりやすいという問題があった。

本発明の態様による真空ポンプは、円筒状のロータと、複数の断熱ピンと、前記ロータの外周側に所定ギャップを介して配置される円筒部と、複数の前記断熱ピンを介してポンプベースに固定される固定部とを有するステータとを備え、前記断熱ピンは、前記ステータおよび前記ポンプベースよりも熱伝導率が小さく、かつ、前記固定部を支持する。

本発明によれば、加熱部により加熱されるステータの、円筒部における温度のバラつきを低減することができる。

図１は本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの断面を示す。図２は、ベースに設置されたステータおよび加熱部の半断面を拡大して示す図である。図３は、ステータおよび加熱部をベース底面側から見た図である。図４は、は比較例１を示す図である。図５は、段付きピンの効果を説明する図である。図６は、比較例２を示す図である。図７は、変形例１を示す図である。図８は、変形例２を示す図である。図９は、変形例２における位置決め手順を説明する図である。図１０は、シール部材として板状のパッキンを用いる場合を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの断面を示す。ターボ分子ポンプ１は、複数段の回転翼１２およびロータ円筒部１３が形成されたロータ１０を備える。ポンプケーシング２３の内側には、複数段の回転翼１２に対応して複数段の固定翼２１が積層されるように配置されている。ポンプ軸方向に積層された複数段の固定翼２１は、それぞれスペーサ２４を介してベース３０上に配置されている。回転翼１２および固定翼２１の各々は、周方向に配置された複数のタービン翼から成る。

ロータ１０のロータ円筒部１３を取り囲むように、円筒状のステータ２２が設けられている。ステータ２２は、ロータ円筒部１３の外周側に所定ギャップを介して配置されるステータ円筒部２２ｂと、ステータ２２をポンプ筐体としてのベース３０に固定するためのフランジ部２２ａが形成されている。ロータ円筒部１３の外周面またはステータ２２の内周面のいずれか一方にはネジ溝が形成されており、ロータ円筒部１３とステータ２２とでネジ溝ポンプを構成している。ステータ円筒部２２ｂはベース３０内に配置され、フランジ部２２ａがボルト４１によりベース３０の上端に固定されている。ステータ円筒部２２ｂは加熱部２８により加熱される。

ロータ１０にはロータシャフト１１が固定され、そのロータシャフト１１はラジアル磁気軸受ＭＢ１、ＭＢ２およびアキシャル磁気軸受ＭＢ３により磁気浮上支持され、モータＭによって回転駆動される。磁気軸受ＭＢ１～ＭＢ３が非動作時には、ロータシャフト１１はメカニカルベアリング３５ａ，３５ｂによって支持される。

図２は、ベース３０に設置されたステータ２２および加熱部２８の半断面を拡大して示す図である。また、図３は、ステータ２２および加熱部２８をベース底面側から見た図である。図２に示すように、ステータ２２を加熱する加熱部２８は、ベース３０を外周側から内周側に貫通するように設けられている。ベース３０の内部空間に挿入された加熱部２８の先端は、ステータ２２に設けられたステータ円筒部２２ｂの下部の外周面２２０の所定領域に熱的に接触している。加熱部２８の後端はベース３０の外部に露出しており、加熱部２８とベース３０との隙間はＯリング２９により封止されている。図示は省略しているが、加熱部２８にはヒータと温度センサとが設けられており、加熱部２８は所定の温度でステータ２２を加熱する。実施形態では、加熱部２８は周方向に１８０°位相で２つ設けられているが、３つ以上設けても良い。

なお、実施形態では、加熱部２８の先端接触部の断面形状は円形であるが、円形に限定されない。加熱部２８の先端接触部はステータ２２と隙間なく接触するように、ステータ外周面の形状に即した形状に加工するのが望ましい。加熱部２８の先端接触部を、別部材（例えば、接触面の凹凸に倣って変形しやすい熱伝導率の高い部材）を介してステータ２２に熱接触させるようにしてもよい。また、加熱部２８全体をポンプ内に配置する構成としても良い。

ステータ２２が固定されるベース３０の上端側の面（以後、便宜上、ステータ固定面と呼ぶ）には、Ｏリング４２が配置されるＯリング溝３１が形成されている。ベース３０とステータ２２の隙間にＯリング４２を設けることで、破線矢印Ｇで示すような隙間を介したステータ２２の下流側から上流側へのガスの逆流を、確実に防止することができる。もちろん、逆流の影響が許容できる場合には、Ｏリング４２を省略しても構わない。Ｏリング溝３１よりも外周側のステータ固定面には、複数のピン穴３２が形成され、各ピン穴３２には段付きピン４０が挿入されている。ピン穴３２は穴奥側の小径穴部３２１と穴入口側の大径穴部３２２とで構成されている。

段付きピン４０の大径部４０１はピン穴３２の小径穴部３２１に係合しており、大径部４０１と大径穴部３２２との間には隙間が形成されている。ステータ２２は、段付きピン４０の段部４０３によって支持されることで、ポンプ軸方向の位置決めが行われる。段付きピン４０の小径部４０２は、ステータ２２のフランジ部２２ａに形成されたピン穴２２１に係合し、ステータ２２の径方向および周方向位相に関する位置決めを行う。なお、図２ではピン穴２２１はフランジ部２２ａを貫通しているが、貫通していなくても良い。また、段付きピン４０はベース側に固定されていても良いし、フランジ部側に固定されていても良い。

図３に示すように、フランジ部２２ａには、固定用のボルト４１（図１参照）が挿通されるボルト穴２２２が９０°位相で４つ形成されている。段付きピン４０は、ボルト穴２２２に対して４５°位相シフトした位置に、９０°位相で４つ配置される。加熱部２８は、周方向に１８０°位相で２つ設けられている。そのため、加熱部２８からステータ２２へ熱が流入し、ステータ２２がベース３０と熱接触している部分から熱が逃げて行くと考えると、加熱部２８が接触している符号Ｒ１で示す接触領域で温度が高く、接触領域Ｒ１から遠い領域Ｒ２で温度が低くなるような温度分布が生じる。

段付きピン４０は、ステータ２２をベース３０に対して断熱的に位置決めする部材であり、ステータ２２およびベース３０よりも熱伝導率が小さな材料で形成されている。一般的に、ステータ２２やベース３０はアルミ材により形成されるので、段付きピン４０には、それらよりも熱伝導率の小さなステンレス材やセラミックス材等が用いられる。段付きピン４０は、段部４０３によってステータ２２のフランジ部２２ａを支持している。大径部４０１の長さ寸法Ｌ１は、ピン穴３２の深さ寸法ｈ１よりも大きく設定されているので、ベース３０とフランジ部２２ａとの間には隙間が形成されている。また、ステータ２２の外周面とベース３０の内周面との間にも隙間が形成されている。すなわち、ステータ２２はベース３０と接触していない。

図４は比較例１を示す図であり、特許文献１に記載されている従来のステータ固定構造と同様の構成を示したものである。比較例１では、ステータ１２２は円筒状の断熱部材１５０により支持されている。断熱部材１５０は、接触部Ｒ１１においてステータ１２２と接触しており、接触部Ｒ１２，Ｒ１３においてベース１３０と接触している。図４に示すようなステータ支持構造の場合、接触部Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３が断熱部材１５０の３６０°全周に亘っているので、図２，３に示すような段付きピン４０で局所的に支持する場合と比べて、加熱されているステータ１２２からベース１３０への熱移動が多くなりやすい。熱移動は温度差によって生じるので、図３に示すように１８０°位相で配置された加熱部２８によりステータ１２２を加熱した場合、ステータ１２２の周方向温度分布のバラつきが大きくなりやすい。

一方、本実施の形態では、複数の断熱性の段付きピン４０によりステータ２２のフランジ部２２ａを局所的に支持しているので、加熱部２８で加熱されるステータ２２からベース３０への熱移動を十分小さくすることができる。その結果、図３の接触領域Ｒ１と領域Ｒ２との温度差を従来よりも低減することができる。

さらに、図２に示すように、ピン穴３２には小径穴部３２１と大径穴部３２２とが形成されていて、大径穴部３２２と段付きピン４０の大径部４０１との間には隙間が形成されている。図２において、ｈ１はピン穴３２全体の深さ寸法であり、ｈ２は大径穴部３２２の深さ寸法である。また、Ｌ１は段付きピン４０の大径部４０１の長さ寸法である。フランジ部２２ａとベース３０との隙間寸法は（Ｌ１－ｈ１）である。また、フランジ部２２ａが接触する段部４０３から大径部４０１と小径穴部３２１との接触部までの距離、すなわち、断熱経路の長さ寸法は（Ｌ１－（ｈ１－ｈ２））であり、隙間寸法（Ｌ１－ｈ１）よりもｈ２だけ長い。そのため、フランジ部２２ａとベース３０との隙間（Ｌ１－ｈ１）を小さな値に設定した場合であっても、寸法ｈ２を大きく設定することで十分な断熱効果を得ることができる。もちろん、ｈ２＝０の場合であっても、段付きピン４０をベース３０やステータ２２よりも熱伝導率の小さな材料で構成しているので、その断熱効果により、ステータ円周方向の温度ばらつきの低減効果は得られる。

図５は、段付きピン４０を用いたことによる効果の一例を示したものである。同一加熱条件におけるシミュレーション結果であり、比較例１のように断熱部材１５０で支持する従来の構成Ａと、本実施形態のように段付きピン４０を用いて９０°位相で４か所を支持する構成Ｂとにおける、領域Ｒ１，Ｒ２の温度を示す。従来の構成Ａでは接触領域Ｒ１と領域Ｒ２との温度差は１６℃であるが、構成Ｂの場合には５℃と低減される。このように温度差が低減されることで、ステータ円筒部２２ｂの生成物堆積量は、周方向位置によるばらつきが抑制されて均一化されるので、堆積物除去のためのメンテナンスタイミングをより先に延ばすことができる。

図６は比較例２を示す図であり、フランジ部２２ａが対向するベース面上に、高さｈ１０の凸部３４が複数形成されている。複数の凸部３４の配置は図３の段付きピン４０と同様の配置になっている。比較例２の場合も、ステータ２２を複数個所で局所的に支持する構成であるが、凸部３４の熱伝導率がベース３０と同一である点、凸部３４の高さ寸法ｈ１０、すなわち断熱経路の長さが図２の構成の（Ｌ１－（ｈ１－ｈ２））に比べて非常に小さい点が、図２の構成と異なっている。そのため、十分な断熱効果が得られず、ステータ２２の円周方向の温度ばらつきが大きくなりやすい。

（変形例１）
図７は、本実施の形態の変形例１を示す図である。変形例１では、Ｏリング４２を、軸シールのようにステータ２２の外周面とベース３０の内周面との間に配置した。Ｏリング４２をこのように配置しても、矢印破線Ｇで示すようなガスの逆流を防止することができる。図７では、Ｏリング溝３１をベース３０に設けたが、ステータ２２に設けても良い。同様に、図２に示した構成においても、Ｏリング溝３１をフランジ部２２ａの側に設けても良い。

（変形例２）
図８は、本実施の形態の変形例２を示す図である。変形例２では、段付きピン４０に代えて、平行ピン４４を用いる構成とした。段付きピン４０と同様に、平行ピン４４は、ステータ２２およびベース３０よりも熱伝導率が小さな材料で形成されている。平行ピン４４が挿入されるピン穴３２の構成は、図２に示したピン穴３２と同様の構成となっている。すなわち、ピン穴３２は、平行ピン４４が係合する小径穴部３２１と、平行ピン４４との間に隙間が形成される大径穴部３２２とを有する。この構成の場合、ステータ２２のフランジ部２２ａは複数の平行ピン４４によって支持されることで、ステータ２２のポンプ軸方向の位置決めが行われる。

なお、変形例２においては、ステータ２２の径方向および周方向位相に関する位置決めは、例えば、図９に示すように行われる。図９に示す断面図は、図３のボルト穴２２２に対して２２．５°位相シフトした位置における縦断面図（図２の場合と同様の断面図）である。平行ピン４４は、ボルト穴２２２に対して４５°位相シフトした位置に配置される。図９に示すように、ステータ２２のフランジ部２２ａには、位置決め用の貫通孔２２５が形成されている。ベース３０には、貫通孔２２５に対向する位置に、位置決め用の穴３０５が形成されている。貫通孔２２５および穴３０５は、これらと１８０°位相シフトした位置にもそれぞれ形成されている。

ステータ２２を図１に示すボルト４１によりベース３０に固定する際には、位置決めピン６０を貫通孔２２５および穴３０５に挿通して、ステータ２２の径方向および周方向位相に関する位置決めを行う。位置決め状態において、ボルト４１によりステータ２２をベース３０に固定し、その後、位置決めピン６０を貫通孔２２５および穴３０５から抜き去る。以上のような手順で、ステータ２２がベース３０に位置決めおよび固定される。

上述した例示的な実施の形態および変形例は、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。

なお、上述した実施の形態および変形例では、ステータ２２を加熱部２８で加熱する構成としたが、加熱部２８を設けない構成であっても、ガス排気に伴う発熱でステータ２２の温度がベース３０より高い温度となる。そのため、上述した実施の形態のように断熱ピンでステータ２２を支持する構成とすることで、ステータ２２の温度分布の均一性を向上させることができる。

［１］一態様に係る真空ポンプは、円筒状のロータと、複数の断熱ピンと、前記ロータの外周側に所定ギャップを介して配置される円筒部と、複数の前記断熱ピンを介してポンプベースに固定される固定部とを有するステータとを備え、前記断熱ピンは、前記ステータおよび前記ポンプベースよりも熱伝導率が小さく、かつ、前記固定部を支持する。
例えば、ガス排気に伴う発熱でステータ２２の温度がベース３０より高い温度となった場合でも、断熱ピンである段付きピン４０によってステータ２２のフランジ部２２ａを支持することで、ステータ２２からベース３０への熱移動を十分小さくすることができるので、ステータ２２の周方向の温度分布均一性を向上させることができる。

［２］上記［１］に記載の真空ポンプにおいて、前記ステータの前記円筒部の所定領域を加熱する加熱部をさらに備える。
例えば、図２に示すように、断熱ピンである段付きピン４０によってステータ２２のフランジ部２２ａを支持することで、加熱部２８で加熱されるステータ２２からベース３０への熱移動を十分小さくすることができる。その結果、図３の接触領域Ｒ１と領域Ｒ２との温度差を従来よりも低減することができる。変形例１及び２でも同様の作用効果が得られる。

［３］上記［２］に記載の真空ポンプにおいて、前記断熱ピンは、さらに、前記ステータのポンプ軸方向の位置決めを行う。

［４］上記［１］から［３］までのいずれかに記載の真空ポンプにおいて、前記断熱ピンは、前記ポンプベースに形成されたピン穴に係合する大径部と、前記ステータの前記固定部に形成されたピン穴に係合する小径部とが設けられた段付きピンであって、前記ステータは、前記固定部が、前記段付きピンの前記小径部と前記大径部との境界に形成された段部で支持され、前記段付きピンによりポンプ軸方向、ステータ径方向およびステータ周方向の位置決めが行われる
例えば、図２に示すような段付きピン４０を用いることにより、段部４０３によって支持されることでステータ２２のポンプ軸方向の位置決めが行われ、かつ、小径部４０２がピン穴２２１に係合することによりステータ２２の径方向および周方向位相に関する位置決めが行われる。

［５］上記［１］から［４］までのいずれかに記載の真空ポンプにおいて、前記ポンプベースに形成され、前記前記断熱ピンが係合するピン穴は、前記断熱ピンが係合する穴奥側の小径穴部と、前記断熱ピンとの間に隙間が形成される穴入口側の大径穴部とを含む。
例えば、図２に示すように、段付きピン４０の大径部４０１は、ピン穴３２の穴奥側に形成された小径穴部３２１にだけ係合し、大径穴部３２２においては隙間が形成されている。そのため、段付きピン４０に関する断熱経路の長さｈ２を、フランジ部２２ａとベース３０との隙間寸法（Ｌ１－ｈ１）よりも大きくすることができ、段付きピン４０による断熱効果をより向上させることができる。

［６］上記［１］から［５］までのいずれかに記載の真空ポンプにおいて、前記ポンプベースと前記ステータとの隙間に配置され、前記隙間を介した前記ステータの下流側から上流側へのガスの逆流を防止するシール部材をさらに備える。
例えば、図２に示すように、ステータ２２を段付きピン４０で支持することでベース３０とステータ２２との間に隙間が生じても、シール部材としてＯリング４２を設けることで、ステータ２２の下流側から上流側へのガスの逆流Ｇを防止することができ、ポンプ性能悪化への影響を防止できる。なお、上述した実施の形態では、シール部材としてＯリング４２を用いているが、ステータ２２およびベース３０よりも熱伝導率の小さな材料（例えば、樹脂やゴム等）で形成された板状のパッキンなどを用いても良い。例えば、図１０に示すような形状のパッキン４２０を用いることでガスの逆流を防止できる。

なお、図１に示すように、段付きピン４０で支持されたステータ２２は、金属製のボルト４１によりベース３０に固定される。そのため、ボルト４１を介した熱移動の影響を低減するために、ボルト４１をアルミ材より熱伝導率の小さなステンレス等で形成したり、ボルト４１とフランジ部２２ａとの間にステンレス材やセラミックス等の座金を装着したりしても良い。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。例えば、上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプを例に説明したが、ステータとロータ円筒部とで構成されるネジ溝ポンプのみを有する真空ポンプにも、本発明は適用できる。

１…ターボ分子ポンプ、１０…ロータ、１３…ロータ円筒部、２２，１２２…ステータ、２２ａ…フランジ部、２２ｂ…ステータ円筒部、２８…加熱部、２９，４２…Ｏリング、３０，１３０…ベース、３１…Ｏリング溝、３２，２２１…ピン穴、４０…段付きピン、４４…平行ピン、３２１…小径穴部、３２２…大径穴部、４０１…大径部、４０２…小径部、４０３…段部、４２０…パッキン

Claims

円筒状のロータと、
複数の断熱ピンと、
前記ロータの外周側に所定ギャップを介して配置される円筒部と、複数の前記断熱ピンを介してポンプベースに固定される固定部とを有するステータとを備え、
前記断熱ピンは、前記ステータおよび前記ポンプベースよりも熱伝導率が小さく、かつ、前記固定部を支持する、真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記ステータの前記円筒部の所定領域を加熱する加熱部をさらに備える、真空ポンプ。
請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
前記断熱ピンは、さらに、前記ステータのポンプ軸方向の位置決めを行う、真空ポンプ。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記断熱ピンは、前記ポンプベースに形成されたピン穴に係合する大径部と、前記ステータの前記固定部に形成されたピン穴に係合する小径部とが設けられた段付きピンであって、
前記ステータは、前記固定部が、前記段付きピンの前記小径部と前記大径部との境界に形成された段部で支持され、前記段付きピンによりポンプ軸方向、ステータ径方向およびステータ周方向の位置決めが行われる、真空ポンプ。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプベースに形成され、前記断熱ピンが係合するピン穴は、
前記断熱ピンが係合する穴奥側の小径穴部と、前記断熱ピンとの間に隙間が形成される穴入口側の大径穴部とを含む、真空ポンプ。
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプベースと前記ステータとの隙間に配置され、前記隙間を介した前記ステータの下流側から上流側へのガスの逆流を防止するシール部材をさらに備える、真空ポンプ。