JP3183571U - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータからの熱の排出を安価に向上させるターボ分子ポンプの提供。
【解決手段】成型面８１に凸部７１ａ〜７１ｃ及び凹部７１ｄが形成された上金型７１と、成型面８２に凸部７２ａ及び凹部７２ｂ、７２ｄが形成された下金型７２を用いて、ステータ翼の翼部３にプレス加工を施す際に同時に、ステータ翼の翼部３の表面に凹部３ａ〜３ｃ、３ｅ、３ｇ、及び、凸部３ｄ、３ｆを形成して、ステータ翼の翼部３の表面積を大きくする。
【選択図】図６

Description

本考案は、放熱性の良いターボ分子ポンプに関する。

半導体製造工程におけるドライエッチングやＣＶＤなどのプロセスのように高真空のプロセスチャンバ内で処理を行う工程では、プロセスチャンバ内のガスを排気して一定の高真空度を形成する手段として、ターボ分子ポンプのような真空ポンプが用いられる。

ターボ分子ポンプでは、ガスを大量に流す大流量プロセスに使用した場合に、ロータが許容温度を越えてしまうことがある。ロータ許容温度を越えて運転されると、ロータのクリープ速度が大きくなる。これによって、ロータがネジステータに接触したり、ロータのクリープ破断が生じたりすることがある。

ロータが許容温度を越えないように、ロータの熱を放出する技術としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１では、排気口に近いロータ翼の表面とステータ翼の表面にセラミックコーティングを施して輻射率を上げ、ロータ翼からステータ翼への放熱性能を向上させるようにしている。

特許２５２７３９８号公報

しかし、特許文献１に記載のセラミックコーティングを施す方法を用いた場合、通常の製造工程に表面処理工程を追加する必要があり、製造コストや工数の面で問題がある。

本考案の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプは、複数段のステータ翼と、複数段のロータ翼が形成されたロータとを備え、複数段のステータ翼は、円弧状内リブ及び外リブに連結された複数の翼部の翼角度がプレス加工により成型されたプレス成型ステータ翼を含み、翼部の少なくとも一方の表面にプレス加工により成型された凹凸が形成されていることを特徴とする。
さらに好ましい実施形態では、プレス成型ステータ翼は、真空排気下流側の段に配設されることを特徴とする。
さらに好ましい実施形態では、すべての段のステータ翼が、プレス成型ステータ翼であることを特徴とする。
さらに好ましい実施形態では、プレス成型ステータ翼の内リブの少なくとも一方の表面に凹凸を設けることを特徴とする。
さらに好ましい実施形態では、プレス成型ステータ翼はアルミにより形成され、プレス成型ステータ翼にはアルマイト処理が施されていることを特徴とする。

本考案によれば、コストをさほど増加させることなく放熱性が向上し、大流量の排気が可能で、ロータの寿命が長いターボ分子ポンプを提供できる。

ターボ分子ポンプの断面図。 ステータ翼の図。 ロータ翼からの熱の流れを示した図。 プレス加工前のステータ翼の図。 ステータ翼をプレス加工する様子を示した図。 プレス加工の時に同時に凹凸を形成する様子を示した図。 プレス加工の時に同時に凹凸を形成する様子を示した図。

――第１実施形態――
以下、図を用いて本考案の第１実施形態の説明を行う。
図１は、ターボ分子ポンプ１００の概略構成を示す断面図である。ターボ分子ポンプ１００のケーシング５２内にはロータ２０が回転自在に設けられている。図１に示したターボ分子ポンプ１００は磁気軸受式のポンプであり、ロータ２０は、上部ラジアル電磁石１０１、下部ラジアル電磁石１０２、スラスト電磁石１０４によって非接触支持される。磁気軸受によって磁気浮上されたロータ２０は、モータ４３により高速回転駆動される。

ロータ２０には、複数段のロータ翼２１と円筒部４５とが設けられている。複数段のロータ翼２１の間には、軸方向に対して複数段のステータ翼１が設けられ、円筒部４５の外周側にはネジステータ４４が設けられている。各ステータ翼１は、スペーサ５０を介してベース１０７上に配設されている。ケーシング５２をベース１０７に固定すると、積層されたスペーサ５０がベース１０７とケーシング５２との間に挟持され、各ステータ翼１が位置決めされる。

ベース１０７には排気口１０８が設けられ、この排気口１０８にバックポンプが接続される。ロータ２０を磁気浮上させつつモータ４３により高速回転駆動することにより、吸気口３０側の気体分子は排気口１０８側へと排気される。また、ベース１０７には冷却パイプ６０も設けられており、冷却パイプ６０に冷却液を流すことによりターボ分子ポンプ１００を冷却する。

図２（ａ）、（ｂ）は、ターボ分子ポンプ１００のステータ翼１を示す図である。図２（ａ）はステータ翼１の平面図であり、ステータ翼１は、内リブ２と翼部３と外リブ４を有している。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、ステータ翼１の翼部３の断面を示している。

図２（ｂ）に示すように、ステータ翼１の翼部３は、内リブ２や外リブ４に対して翼角度θだけ傾斜している。すなわち、内リブ２側の支点３１と外リブ側の支点３２が捩じれており、翼部３が傾斜している。一般的なターボ分子ポンプ１００では、真空排気上流側の段のステータ翼１の翼角度θは、大きく設定されており、真空排気下流側の段のステータ翼１の翼角度θは、小さく設定されている。これは、真空排気上流側では多くの気体を取り込み、真空排気下流側では取り込んだ気体を逆流させないようにするためである。その結果、ターボ分子ポンプ１００内で圧力差が生じており、真空排気下流側に行くほど圧力は高くなっている。排気する際、気体分子とターボ分子ポンプ１００内部とが衝突し、その際、熱が発生する。圧力が高いほど気体分子とターボ分子ポンプ１００内部との衝突は激しくなり、その際に発生する熱も多くなる。よって、真空排気下流側ほど発熱は激しくなる。以上より、発熱が激しい真空排気下流側のステータ翼１ほど、伝熱性の優れた構造が望まれる。

ステータ翼１の作製方法には、切削加工やプレス加工などがある。切削加工よりもプレス加工の方がステータ翼１を作製するコストが低く抑えられるため、プレス加工ですべての段のステータ翼１を作製するのが望ましい。しかし、以下のような事情があり、一般的に、真空排気下流側の段のステータ翼１はプレス加工し、真空排気上流側の段のステータ翼１は、切削加工などで作製される。

真空排気下流側の段のステータ翼１はプレス加工し、真空排気上流側の段のステータ翼１は、切削加工などの他の方法で作製される事情は以下である。上述のように、真空排気上流側のステータ翼１ほど、翼角度θが大きくなる。プレス加工は塑性変形を利用したものであるから、翼角度θが大きいと、それだけ塑性変形の度合いが大きくなる。過度な塑性変形によって、ステータ翼１の破断が起こりやすくなる。よって、真空排気上流側のステータ翼１ほどプレス加工によって作製しにくい。反対に、上述のように、真空排気下流側のステータ翼１ほど翼角度θが小さい。そのため、真空排気下流側のステータ翼１ほどプレス加工によって作製しやすい。以上より、一般的に、真空排気下流側の段のステータ翼１はプレス加工により作製され、真空排気上流側の段のステータ翼１は、切削加工などで作製される。

図３は、ロータ２０から発生した熱の流れを説明する図であり、ステータ翼１とロータ翼２１を部分拡大して示したものである。図３に示した矢印はすべてロータ２０からの熱の流れを示している。ここで、ステータ翼１とロータ翼２１の符号の説明をする。真空排気上流側の最上段のステータ翼１をステータ翼１ａとし、以下、順に、ステータ翼１ｂ〜１ｈとする。同様に、真空排気上流側の最上段のロータ翼１をロータ翼２１ａとし、以下、順にロータ翼２１ｂ〜２１ｉとする。ステータ翼１ａは、ロータ翼２１ａとロータ翼２１ｂにそれぞれ対向している。ロータ２０は真空状態で磁気浮上しているので、ロータ翼２１ａ、２１ｂと、ステータ翼１ａとの間の熱伝達は主に輻射によって行われる。熱は、ステータ翼１ａを伝って外リブ４まで到達すると、真空排気下流側のスペーサ５０やステータ翼１ｂ〜１ｈの外リブを伝って、冷却パイプ６０まで到達する。ロータ翼２１ｂ〜２１ｉからステータ翼１ｂ〜１ｈに熱が伝わって冷却パイプ６０まで到達する様子も同様である。上記のように、ロータ翼２１からステータ翼１の内リブ２と翼部３に輻射によって熱が伝わるので、ステータ翼１の内リブ２と翼部３に対して輻射熱を受け取りやすいような加工を施すことで、ロータ２０からの熱を排出しやすくなる。

どのような加工が輻射熱を受け取りやすくするのかを考えるために、以下の式（１）を挙げる。式（１）は、輻射による伝熱量に関する関係式である。
Ｑ ＝ ε σ （Ｔ_１ ^４ − Ｔ_２ ^４） Ａ ・・・（１）
ここで、Ｑは伝熱量、εは輻射率、σはボルツマン定数、Ｔ_１はロータ翼２１の温度、Ｔ_２はステータ翼１の温度、Ａはステータ翼１の表面積である。
式（１）から分かるように、輻射率εやステータ翼１の表面積Ａを大きくすることで、伝熱量を向上させることができる。

図４（ａ）、（ｂ）は、プレス加工前のステータ翼、すなわち、ステータ翼素材１Ｍを示した図である。ステータ翼素材１Ｍは、一般的に、エッチングや打ち抜き等で作製する。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図であって、ステータ翼素材１Ｍの翼部３の断面を示している。図４（ｂ）に示すように、ステータ翼素材１Ｍの翼部３は内リブ２や外リブ３に対して、平行である。このステータ翼素材１Ｍにプレス加工を施すことで、図２（ｂ）に示すような翼角度θが形成される。

図５（ａ）〜（ｃ）は、ステータ翼素材１Ｍの翼部３のプレス加工工程について説明する断面図である。プレス加工後のステータ翼１の断面図（図２（ｂ））に示す翼部３の断面と同様の断面である。なお、内リブ２と外リブ４に、翼部３のような曲げが施されることはない。

図５（ａ）は、ステータ翼素材１Ｍの翼部３が上金型７１と下金型７２の間に設置されている様子を示している。プレス加工前であり、ステータ翼１Ｍの翼部３には、内リブ２や外リブ４に対する傾斜はついていない。すなわち、翼部３の翼角度θはゼロ、支点３１、３２の捩れ量もゼロである。上金型７１には、図示左右の面に対してφの傾斜がついた成型面８１が形成されている。一方、下金型７２にも、図示左右の面に対してφの傾斜がついた成型面８２が形成されている。上金型７１の成型面８１と下金型７２の成型面８２の傾斜φによって翼角度θが決定される。厳密には、金属板の復元力により、翼部３の翼角度θは成型面８１や８２の傾斜φよりも小さくなる。

図５（ａ）に示す上金型７１を矢印下方向に、下金型７２を矢印上方向に移動する。この時、内リブ２と外リブ４は図示しない治具により挟持されて、ステータ翼素材１Ｍの位置は不動とし、上下金型７１、７２を図５（ｂ）の位置まで移動する。

図５（ｂ）は、ステータ翼素材１Ｍの翼部３へのプレス加工が終了した時の様子を示している。ステータ翼素材１Ｍの翼部３には、上金型７１の成型面８１と下金型７２の成型面８２によって翼角度θの曲げが施される。即ち、内リブ２と外リブ４を図示しない治具で平行に挟持して上下金型７１，７２により、翼部３をプレス加工することにより、支点３１、３２が捩られて翼部３が角度θで傾斜する。換言すると、支点３１、３２を中心として翼部３が角度θだけ捩られる。

図５（ｃ）は、ステータ翼１の翼部３のプレス加工後の様子を示すものである。図５（ｂ）でプレス加工を施して、上金型７１と下金型７２をプレス加工前の位置に戻すと、ステータ翼１の翼部３が翼角度θに成型される。

上記の式（１）に基づいて伝熱性を向上させるため、ステータ翼１の翼部３の表面積を大きくし、翼部３に凹凸を形成する方法について図６を用いて以下に述べる。図６は、ステータ翼１の翼部３がプレス加工されるのと同時に、翼部３の表面近傍に凹凸が形成される様子を示した断面図であり、図５（ｂ）に示す領域１０を拡大したものである。上金型７１の成型面８１には、凸部７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、凹部７１ｄが形成されている。一方、下金型７２の成型面８２には、凸部７２ａ、凹部７２ｂ、７２ｄが形成されている。なお、成型面８２の領域７２ｃには特に凹凸は施していない。

この金型に形成された凹凸がどのような加工をステータ翼１の翼部３に施すか説明する。上金型７１の凸部７１ａはプレス加工によって、厳密には、ステータ翼素材１Ｍの翼部３が角度θだけ傾けられた後に、さらに、上金型７１と下金型７２で翼部３をプレス加工することにより、翼部３の表面近傍に塑性変形が起こり、結果として、翼部３には凹部３ａが形成される。他の凸部７１ｂ、７１ｃ、７２ａの場合も同様に、凹部３ｂ、３ｃ、３ｅが形成される。上金型７１の凹部７１はプレス加工によってステータ翼１の翼部３に押圧される。金型の成型面が凹部の場合は、翼部３の表面近傍の領域が凹部７１に入り込むような塑性変形が起きる。結果として、翼部３には凸部３ｄが形成される。他の凹部７２ｂ、７２ｄにおいても同様に、凸部３ｆ、３ｇが形成される。下金型７２の成型面８２の領域７２ｃには凹凸が形成されていないため、翼部３においてその付近の領域には凹凸は形成されていない。このように金型に形成された凹凸が比較的小さい場合は、ステータ翼１の表面近傍にのみ塑性変形が起こり凹凸形成される。

図６に示す凹凸形成方法は、表面近傍のみ塑性変形するので、翼部３の片面（一方の表面）だけでも凹凸を形成することは可能である。しかし、翼部３の両面に凹凸を形成した方が、片面だけ凹凸を形成した時より表面積を大きくすることができるため、翼部３の両面に凹凸を形成した方がロータ２０からの伝熱効果は大きい。なお、内リブ２にも凹凸をつけることができ、さらに、ロータ２０からの伝熱効果を向上させることができる。

第１実施形態のターボ分子ポンプによれば、以下の作用効果を奏する。
（１）ターボ分子ポンプ１００のステータ翼１の翼部３の翼角度θがプレス加工により成型され、且つ、その際に翼部３の少なくとも一方の表面にプレス加工により凹凸が形成されるようにした。これにより、翼部３の表面積が大きくなり、ロータ２０からの伝熱性を向上させることができる。通常のプレス加工に多少の変形をするだけなので安価にロータ２０からの熱の排出を向上させることができる。
（２）プレス加工によって成型されたステータ翼１（プレス成型ステータ翼）は真空排気下流側の段に配設されるようにした。これにより、熱が多く発せられる真空排気下流側の段のステータ翼１ほど、ロータ２０からの熱を良く受けるので、効率よく熱を排出することが安価にできる。また、一般的に真空排気下流側の段のステータ翼１の翼部３の翼角度θほど小さく作られているため、プレス加工が塑性変形を伴うため翼角度θの小さいステータ翼１ほどプレス加工しやすいという事情とも合致する。
（３）ステータ翼１の翼部３だけでなく、さらに、ステータ翼１の内リブ２にも凹凸が形成されるようにした。このようにすることで、ステータ翼１の表面積がさらに大きくなり、安価にロータ２０からの熱の排出を向上させることができる。

――第１実施形態の変形例――
図７は、ステータ翼１の翼部３がプレス加工されるのと同時に、翼部３に図６に比べて大きな凹凸が形成される様子を示した断面図であり、図５（ｂ）に示す領域１０を拡大したものである。図７に示す上金型７１の成型面８１に形成された凹部７１ｅと下金型７２の成型面８２に形成された凸部７２ｅは互いに嵌合するように設定されている。凹部７１ｅと凸部７２ｅによって、翼部３に図５（ｂ）に示すプレス加工を施すと、翼部３の表面近傍だけでなく内部まで塑性変形し、領域３ｈのように表から裏まで連続して変形する。上金型の７１の成型面８１に形成された凸部７１ｆと下金型７２の成型面８２に形成された凹部７２ｆも翼部３に対して、上記の凹部７１ｅと凸部７２ｅによる加工と同様の加工を施し、領域３ｉを形成する。本変形例のように、翼部３に凹凸をつけた場合でも、ロータ２０からの熱の放熱性を向上させることができる。

――第２実施形態――
第２実施形態は、すべての段のステータ翼１が、第１実施形態に係るプレス加工によって成型されることを特徴とする。即ち、第２実施形態のターボ分子ポンプにおいては、すべての段のステータ翼１の翼部３にプレス加工による曲げが施され、さらに、ステータ翼１の翼部３の表面にプレス加工による凹凸が形成される。

上述したように、一般的には、真空排気下流側の段のステータ翼１はプレス加工し、真空排気上流側の段のステータ翼１は、切削加工で作製される。しかし、小型のターボ分子ポンプ１００では、真空排気上流側のステータ翼１であっても翼角度θが小さいものもある。そのようなターボ分子真空ポンプ１００では、すべての段のステータ翼１をプレス加工することができる。

よって、そのプレス加工を行うと同時に、第１実施形態に示したような表面近傍にのみ凹凸を形成する加工や、第１実施形態の変形例に示したような表から裏まで連続的な塑性変形を引き起こして凹凸を形成する加工などをすべての段のステータ翼１に対して施すことができる。

本実施形態においては、プレス加工によって成型されたステータ翼１は、すべての段に配設されるようにした。これにより、すべての段に本考案のステータ翼１が配設されるため、一部の段だけ本考案のステータ翼１を配設している場合よりも、ロータ２０からの熱を排出することができる。

――第３実施形態――
ステータ翼１の材質がアルミである場合には、第１実施形態の翼部３の表面の凹凸に加えて、さらにアルマイト処理（表面を酸化アルミに改質する処理）を施すこともできる。アルマイト処理を施すと、ステータ翼１の表面を面粗化することができるため、表面積を向上させることができる。また、アルミよりも酸化アルミのほうが輻射率が高いため、ステータ翼１の輻射率を向上させることもできる。なお、ステータ翼１の外リブ４は、スペーサ５０と接触し、熱の流路となるため、凹凸がない方がよい。よって、アルマイト処理の際、外リブ４にはマスキングをするのが望ましい。

第３実施形態によって、ステータ翼１の表面積が凹凸処理に加えてさらに増し、また輻射率も向上するため、式（１）の示す関係式より伝熱性が向上することが分かる。よって、第１実施形態よりも、さらにロータからの放熱性の高いターボ分子ポンプ１００を提供できる。

なお、第１実施形態の変形例や第２実施形態の翼部３の表面の凹凸に加えて、第３実施形態を適用することもできる。

以上の説明はあくまで一例であり、考案は、上記の実施形態に何ら限定されるものではない。

１，１ａ〜１ｈ：ステータ翼、 １Ｍ：ステータ翼素材、 ２：内リブ、 ３：翼部、
４：外リブ、 ２０：ロータ、 ２１，２１ａ〜２１ｉ：ロータ翼、 ３０：吸気口、
３１，３２：支点、 ４３：モータ、 ４４：ネジステータ、 ４５：円筒部、
５０：スペーサ、 ５２：ケーシング、 ６０：冷却パイプ、 ７１：上金型、
７１ａ〜７１ｆ：上金型の凹凸、 ７２：下金型、 ７２ａ〜７２ｆ：下金型の凹凸、
１００：ターボ分子ポンプ、 θ：翼角度

Claims (5)

1. 複数段のステータ翼と、
   複数段のロータ翼が形成されたロータとを備え、
   前記複数段のステータ翼は、円弧状の内リブ及び外リブに連結された複数の翼部の翼角度がプレス加工により成型されたプレス成型ステータ翼を含み、
   前記翼部の少なくとも一方の表面に前記プレス加工により成型された凹凸が形成されている、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おいて、
   前記プレス成型ステータ翼は、真空排気下流側の段に配設される、ターボ分子ポンプ。
3. 請求項１に記載のターボ分子ポンプおいて、
   すべての段のステータ翼が、前記プレス成型ステータ翼である、ターボ分子ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記プレス成型ステータ翼の前記内リブの少なくとも一方の表面に凹凸を設ける、ターボ分子ポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記プレス成型ステータ翼はアルミにより形成され、該プレス成型ステータ翼にはアルマイト処理が施されている、ターボ分子ポンプ。

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