JP6393978B2 - 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。

ターボ分子ポンプは、ドライエッチング装置やＣＶＤ装置などの真空チャンバに取り付けられる。ターボ分子ポンプ内では、ロータ翼とロータ円筒部が形成されたロータが毎分数万回転という高速回転で回転し、ロータ翼とステータ翼とが協働し、ロータ円筒部とネジステータが協働して、その真空チャンバ内の気体を排気することで、高真空状態を作り出す。

ターボ分子ポンプの使用中、ロータが何らかの原因で破損することがある。このロータ破壊によってロータの破片が飛散すると、そのロータの破片は、ターボ分子ポンプのポンプケーシングに衝突し、ポンプケーシングが変形して破損してしまう虞がある。

特許文献１には、ポンプケーシングを外側のケーシング部と内側のステータ構造体とに分け、両者の間に隙間を持たせることで、万一、ロータ破壊が生じた場合に、ロータの破片をステータ構造体で食い止めることでケーシング部の破損を防止する発明が開示されている。

特開２００１−８２３７９号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、ポンプケーシングを外側のケーシング部と内側のステータ構造体とに分けるため、部品点数が増えて複雑化し、組付け工数が増える。

（１）本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプは、ロータ組立体が収容される筒部と吸気口フランジ部とを一体化して有するポンプケーシングを備え、前記吸気口フランジ部の外周面に、ＣＦＲＰによって形成されロータ破壊時の前記吸気口フランジ部の変形を抑制する繊維強化部材が設けられていることを特徴とする。
（２）さらに好ましい実施形態では、ポンプケーシングの筒部は、前記ロータ組立体を収容する円筒部、および、前記吸気口フランジ部と前記吸気口フランジ部と前記円筒部とを接続するくびれ部をさらに有し、前記吸気口フランジ部と前記くびれ部と前記円筒部とは一体化されており、前記くびれ部の外周面に、前記繊維強化部材が設けられていることを特徴とする。
（３）さらに好ましい実施形態では、前記吸気口フランジ部のみに前記繊維強化部材が設けられていることを特徴とする。
（４）さらに好ましい実施形態では、前記吸気口フランジ部には、ポンプ固定ボルトを通すための貫通孔が設けられているとともに、前記ポンプ固定ボルトと前記貫通孔の隙間ｈ［ｍ］は、単位体積あたりの前記吸気口フランジ部が単位長さだけ変形するための必要エネルギーをｅ１［Ｊ／（ｍ^３×ｍ）］、前記吸気口フランジ部の体積をＶ１［ｍ^３］、単位体積あたりの前記繊維強化部材が単位長さだけ変形するための必要エネルギーをｅ２［Ｊ／（ｍ^３×ｍ）］、前記繊維強化部材の体積をＶ２［ｍ^３］、前記ロータ破壊時の吸気口フランジ部が受ける径方向へのエネルギーをＥ［Ｊ］とするとき、
Ｅ ＜ （ｅ１×Ｖ１＋ｅ２×Ｖ２）×ｈ
を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、ターボ分子ポンプのポンプケーシングの変形を簡便に抑制でき、ポンプケーシングの破損を防止できる。

第１実施形態のターボ分子ポンプを示す図。 第１実施形態のターボ分子ポンプの吸気口フランジ部周辺を説明するための図。 第１実施形態のターボ分子ポンプのくびれ部周辺を説明するための図。 第２実施形態のターボ分子ポンプを示す図。

―第１実施形態―
図１は、第１実施形態のターボ分子ポンプ１００の概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプ１００のポンプケーシング３１の筒部３８内にはロータ組立体１０が収容され、かつ、回転自在に設けられている。ロータ組立体１０は、ロータ１２とシャフト１１とロータディスク１４から構成されている。ターボ分子ポンプ１００は磁気軸受式のポンプであり、ロータ組立体１０は、上部ラジアル電磁石６２、下部ラジアル電磁石６４、スラスト電磁石６６によって非接触支持される。

ロータ１２には、複数段のロータ翼２０とロータ円筒部１８とが設けられている。複数段のロータ翼２０の間には、軸方向に対して複数段のステータ翼４４が設けられ、ロータ円筒部１８の外周側にはネジステータ４８が設けられている。

各ステータ翼４４は、スペーサ５０を介してベース５４上に配設されている。ポンプケーシング３１が固定用フランジ部３７を介してベース５４に固定されると、積層されたスペーサ５０がベース５４とポンプケーシング３１との間に挟持され、各ステータ翼４４が位置決めされる。

ベース５４には排気口５６が設けられ、この排気口５６にバックポンプが接続される。ロータ組立体１０が上部ラジアル電磁石６２、下部ラジアル電磁石６４、スラスト電磁石６６によって磁気浮上されつつモータ４０により高速回転駆動されることにより、吸気口３０側の気体分子は排気口５６側へと排気される。

図１に示すように、ターボ分子ポンプ１００のポンプケーシング３１は、吸気口フランジ部３２と筒部３８と固定用フランジ部３７によって構成されている。筒部３８は、くびれ部３３と円筒部３４によって構成されている。吸気口フランジ部３２は、真空チャンバの取り付け部（不図示）に取り付けるために、吸気口３０に設けられている。くびれ部３３は、一般的に、真空チャンバの取り付け部（不図示）の径に吸気口３０の径を合わせる必要があるときに設けられ、吸気口フランジ部３２と円筒部３４とを接続する。

図１のハッチング領域で示すように、吸気口フランジ部３２とくびれ部３３と円筒部３４のそれぞれの外周面には、繊維強化部材３５が設けられている。本実施形態では、繊維強化部材３５は、ＣＦＲＰである。具体的な設け方としては、吸気口フランジ部３２とくびれ部３３と円筒部３４の外周面にＣＦＲＰの繊維を巻回して樹脂でその繊維を固着させることで繊維強化部材３５を設ける。このように、吸気口フランジ部３２とくびれ部３３と円筒部３４のそれぞれの外周面に、繊維強化部材３５が設けられていることで、ロータ破壊時にポンプケーシング３１が変形するのを抑制することができる。なお、吸気口フランジ部３２に設けられた繊維強化部材３５を繊維強化部材３５ａ、くびれ部３３に設けられた繊維強化部材３５を繊維強化部材３５ｂ、円筒部３４に設けられた繊維強化部材３５を繊維強化部材３５ｃとも呼ぶ。すなわち、繊維強化部材３５は、繊維強化部材３５ａ〜３５ｃの総称である。

図２は、第１実施形態のターボ分子ポンプ１００のポンプケーシング３１の吸気口フランジ部３２周辺を説明するための図である。なお、吸気口フランジ部３２およびその外周面に設けた繊維強化部材３５ａに注目するため、くびれ部３３の外周面に設けた繊維強化部材３５ｂと、円筒部３４の外周面に設けた繊維強化部材３５ｃは図示していない。

図２に示すように、吸気口フランジ部３２の外周面に、ＣＦＲＰの繊維が巻回されて樹脂で固着されることで、繊維強化部材３５ａが設けられている。これによって、ポンプケーシング３１のうちの特に吸気口フランジ部３２の変形を抑制することができる。なお、「ポンプケーシング３１のうちの特に吸気口フランジ部３２」と上述したのは、ポンプケーシング３１を構成する吸気口フランジ部３２、くびれ部３３、および、円筒部３４は一体化しているので、吸気口フランジ部３２の変形を抑制することにより、他の部分の変形も多少なりとも抑制する効果があるからである。

ロータ破壊時には、ポンプケーシング３１には、径方向外側の力だけでなく、周方向の力もかかる。前者はポンプケーシング３１の変形に寄与し、後者はポンプケーシング３１の回転に寄与する。以下に示すように、吸気口フランジ部３２においては、変形だけでなく、回転についても考慮する必要がある。

図２に示す吸気口フランジ部３２には、貫通孔３２ａが設けられている。貫通孔３２ａには、ポンプ固定ボルト３６が通されており、真空チャンバ（不図示）にポンプ固定ボルト３６が騾着されることで吸気口フランジ部３２が取り付けられる。

従来では、繊維強化部材３５ａが設けられていないため、ロータ破壊時において、吸気口フランジ部３２は変形も回転もする。一方、真空チャンバは、変形も回転もしない。すなわち、吸気口フランジ部３２と真空チャンバで異なる動きをすることになる。ポンプ固定ボルト３６は、その真空チャンバに騾着されている一方で、吸気口フランジ部３２の貫通孔３２ａに通されている。そのため、止まっているポンプ固定ボルト３６と、吸気口フランジ部３２の変形および回転により動いた貫通孔３２ａとが衝突し、ポンプ固定ボルト３６がせん断破壊する虞がある。

しかし、本実施形態では、図２に示すように、吸気口フランジ部３２の外周面には、繊維強化部材３５ａが設けられているため、貫通孔３２ａの動きを上述の変形の分だけは抑えることができるので、吸気口フランジ部３２を真空チャンバに取り付けるためのポンプ固定ボルト３６のせん断破壊を防止することができる。

図２と後述する以下の式（１）〜（３）を用いて、ポンプ固定ボルト３６に吸気口フランジ部３２の貫通孔３２ａが衝突しないようにする設計について説明する。図２に示すように、ポンプ固定ボルト３６と貫通孔３２ａとは隙間ｈだけ離れて位置している。

隙間ｈがゼロにならず、ポンプ固定ボルト３６に吸気口フランジ部３２の貫通孔３２ａが衝突しないようにするには、以下の式（１）〜（３）を満たせばよい。
Ｅ_１ ＝ ｅ_１×Ｖ_１ ・・・（１）
Ｅ_２ ＝ ｅ_２×Ｖ_２ ・・・（２）
Ｅ ＜ （Ｅ_１＋Ｅ_２）×ｈ ・・・（３）
ここで、
Ｅ_１［Ｊ／ｍ］：吸気口フランジ部３２の径方向外側への単位長さあたりの必要な変形エネルギー、
ｅ_１［Ｊ／（ｍ^３×ｍ）］：単位体積あたりのＳＵＳ３０４（吸気口フランジ部３２の材質）が単位長さだけ変形するための必要エネルギー、
Ｖ_１［ｍ^３］：吸気口フランジ部３２（ＳＵＳ３０４製）の体積、
Ｅ_２［Ｊ／ｍ］：繊維強化部材３５ａの径方向外側への単位長さあたりの必要な変形エネルギー、
ｅ_２［Ｊ／（ｍ^３×ｍ）］：単位体積あたりのＣＦＲＰ（繊維強化部材３５ａの材質）が単位長さだけ変形するための必要エネルギー、
Ｖ_２［ｍ^３］：繊維強化部材３５ａの体積、
ｈ［ｍ］：ポンプ固定ボルト３６と貫通孔３２ａの隙間 （図２参照）、
Ｅ［Ｊ］：ロータ破壊時の吸気口フランジ部３２が受ける径方向へのエネルギー
である。
上述の式（１）〜（３）を満たすように、体積Ｖ_１や体積Ｖ_２や隙間ｈを設計すると、ロータ破壊時に隙間ｈがゼロにならず、ポンプ固定ボルト３６に吸気口フランジ部３２の貫通孔３２ａが衝突しないようにできる。

図３は、第１実施形態のターボ分子ポンプ１００のくびれ部３３周辺を説明するための図である。なお、くびれ部３３およびその外周面に設けた繊維強化部材３５ｂに注目するため、吸気口フランジ部３２の外周面に設けた繊維強化部材３５ａと円筒部３４の外周面に設けた繊維強化部材３５ｃは図示していない。

真空チャンバの取り付け部（不図示）の径に吸気口３０の径を合わせる必要がある場合、吸気口３０の径を円筒部３４の径よりも小さくする必要がある。さらに、ポンプ固定ボルト３６を真空チャンバに取り付けるための作業空間が必要になる。これらの目的を果たすために、くびれ部３３は設けられている。

図３に示すように、くびれ部３３の外周面には、ＣＦＲＰの繊維が巻回されて樹脂で固着されることで繊維強化部材３５ｂが設けられている。くびれ部３３の径は、真空排気上流側から下流側に行くに従って大きくなっている。このように径が変化する部分は、特に大きな応力が掛かるため、特に補強する必要がある。本実施形態では、くびれ部３３の外周面に繊維強化部材３５ｂが設けられている。これにより、くびれ部３３の強度を向上させることができ、ロータ破壊時に、ポンプケーシング３１のうちの特にくびれ部３３の変形を抑制することができる。なお、「ポンプケーシング３１のうちの特にくびれ部３３」と上述したのは、ポンプケーシング３１を構成する吸気口フランジ部３２、くびれ部３３、および、円筒部３４は一体化しているので、くびれ部３３の変形を抑制することにより、他の部分の変形も多少なりとも抑制する効果があるからである。

以上、第１実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
（１）ポンプケーシング３１の吸気口フランジ部３２、くびれ部３３、および、円筒部３４の外周面に繊維強化部材であるＣＦＲＰによって形成される繊維強化部材３５を設けた。
これによって、ロータ破壊時のポンプケーシング３１の変形を抑制し、ポンプケーシング３１が破損するのを防止することができる。なお、吸気口フランジ部３２、くびれ部３３、および、円筒部３４のいずれか１つの外周面に繊維強化部材３５を設けるだけでも、全く設けないよりは、ポンプケーシング３１の変形を抑制する効果がある。なぜなら、吸気口フランジ部３２、くびれ部３３、および、円筒部３４は一体化しているので、いずれかの変形を抑制することにより、他の部分の変形も多少なりとも抑制する効果があるためである。

（２）吸気口フランジ部３２の外周面に繊維強化部材３５ａを設けることで、特に吸気口フランジ部３２の変形を抑制することができる。これによって、さらに、吸気口フランジ部３２を真空チャンバに取り付けるためのポンプ固定ボルト３６がせん断破壊するのを抑制することができる。
繊維強化部材３５を構成するＣＦＲＰの引張強さは３０００ＭＰａ以上であり、吸気口フランジ部３２を構成するＳＵＳ３０４の引張強さは５２０ＭＰａである。このように、繊維強化部材３５を構成するＣＦＲＰの引張強さは、吸気口フランジ部３２を構成するＳＵＳ３０４の引張強さよりもはるかに大きい。そのため、吸気口フランジ部３２の強度を等しくすることを前提に、繊維強化部材３５ａを設ける第１実施形態の発明と設けない従来発明でそれぞれ設計すると、従来発明に比べて、本発明の方が吸気口フランジ部３２の体積を小さくすることができる。例えば、吸気口フランジ部３２の内径を大きくすることができ、これにより、排気性能を向上することができる。また、吸気口フランジ部３２の外径や厚みを小さくすると、ターボ分子ポンプ１００の小型化に貢献できる。

（３）くびれ部３３の外周面に繊維強化部材３５ｂを設けることで、特にくびれ部３３の変形を抑制することができる。これによって、くびれ部３３を薄くすることができる。
従来では、くびれ部３３を補強するためにくびれ部３３を厚くしていた。ただし、吸気口フランジ部３２をポンプ固定ボルト３６で取り付けるための作業空間を確保する必要があるため、くびれ部３３の外周側を厚くすることは困難であった。そのため、くびれ部３３の内周側を厚くするしかなかった。内周側を厚くした結果、気体流路のコンダクタンスが減少し、排気性能が悪化していた。
しかし、第１実施形態におけるくびれ部３３の外周面には、繊維強化部材３５ｂが設けられているため、くびれ部３３の強度が向上し、厚肉化をする必要がない。そのため、気体流路のコンダクタンスを減少させることがなく、排気性能も悪化しない。
なお、くびれ部３３の外周面に繊維強化部材３５ｂを設けても、吸気口フランジ部３２をポンプ固定ボルト３６で取り付ける際の作業空間は十分に確保できる。繊維強化部材３５ｂを構成するＣＦＲＰの引張強さは３０００ＭＰａ以上であり、くびれ部３３を構成するＳＵＳ３０４の引張強さは５２０ＭＰａである。このように、繊維強化部材３５ｂを構成するＣＦＲＰの引張強さは、くびれ部３３を構成するＳＵＳ３０４の引張強さよりもはるかに大きいので、くびれ部３３に薄く繊維強化部材３５ｂを設けるだけで十分にくびれ部３３の変形を抑制する効果がある。それだけ薄いので、くびれ部３３の外周面に繊維強化部材３５ｂを設けても、吸気口フランジ部３２をポンプ固定ボルト３６で取り付ける際の作業空間は十分に確保できる。

（４）繊維強化部材３５は、ＣＦＲＰの繊維が巻回され樹脂で固着されることで設けられている。
これによって、ポンプケーシング３１が複雑な形状をしていても、その外周面に簡便に繊維強化部材３５を設けることができる。特に、くびれ部３３は、真空排気上流側から下流側に行くに従って径が変化するという複雑な形状を有するため、ＣＦＲＰの繊維が巻回され樹脂で固着されることで繊維強化部材３５が設けられるのが適している。

―第２実施形態―
図４は、第２実施形態のターボ分子ポンプ１００を示す図である。第１実施形態と同様の構成に関しては、説明を省略する。

上述したように、一般的に、くびれ部は、真空チャンバの取り付け部の径に吸気口の径を合わせる必要があるときに設けられる。よって、一般的に、その必要がない場合はくびれ部を設けない。第２実施形態のターボ分子ポンプ１００は、真空チャンバの取り付け部の径に吸気口の径を合わせる必要がない場合のターボ分子ポンプであり、第２実施形態のターボ分子ポンプ１００の筒部３８は、くびれ部を有しておらず、円筒部３４のみで構成される。すなわち、第２実施形態のターボ分子ポンプ１００のポンプケーシング３１は、吸気口フランジ部３２と円筒部３４と固定用フランジ部３７で構成されている。

第２実施形態のターボ分子ポンプ１００のポンプケーシング３１のようにくびれ部を有しない場合にも本発明を適用できる。具体的には、図４に示すように、ポンプケーシング３１を構成する吸気口フランジ部３２と円筒部３４にＣＦＲＰの繊維を巻回して樹脂で固着させて繊維強化部材３５を設ける。これによって、ロータ破壊時のポンプケーシング３１の変形を抑制し、第１実施形態と同様の効果を奏する。

以上に示した第１実施形態、第２実施形態においては、繊維強化部材としてＣＦＲＰを用いたが、ＧＦＲＰなど、その他の繊維強化部材でも同様の効果を奏する。また、ポンプケーシング３１の外周面に繊維強化部材の繊維を巻回し樹脂で固着することで繊維強化部材３５を設けたが、吸気口フランジ部３２の外周面には、既に硬化している環状の繊維強化部材を配置することで、繊維強化部材３５を設けることもできる。

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

１０：ロータ組立体、 １１：シャフト、 １２：ロータ、 １４：ロータディスク、
１８：ロータ円筒部、 ２０：ロータ翼、 ３０：吸気口、 ３１：ポンプケーシング、
３２：吸気口フランジ部、 ３２ａ：貫通孔、 ３３：くびれ部、 ３４：円筒部、
３５、３５ａ〜３５ｃ：繊維強化部材、 ３６：ポンプ固定ボルト、
３７：固定用フランジ部、 ３８：筒部、 ４０：モータ、 ４４：ステータ翼、
４８：ネジステータ、 ５０：スペーサ、 ５４：ベース、 ５６：排気口、
６２：上部ラジアル電磁石、 ６４：下部ラジアル電磁石、 ６６：スラスト電磁石、
１００：ターボ分子ポンプ、 ｈ：隙間

Claims (4)

1. ロータ組立体が収容される筒部と吸気口フランジ部とを一体化して有するポンプケーシングを備え、
   前記吸気口フランジ部の外周面に、ＣＦＲＰによって形成されロータ破壊時の前記吸気口フランジ部の変形を抑制する繊維強化部材が設けら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において、
   前記ポンプケーシングの筒部は、前記ロータ組立体を収容する円筒部、および、前記吸気口フランジ部と前記円筒部とを接続するくびれ部をさらに有し、
   前記吸気口フランジ部と前記くびれ部と前記円筒部とは一体化されており、
   前記くびれ部の外周面に、前記繊維強化部材が設けられてい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において、
   前記吸気口フランジ部のみに前記繊維強化部材が設けられている、ターボ分子ポンプ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記吸気口フランジ部には、ポンプ固定ボルトを通すための貫通孔が設けられているとともに、
   前記ポンプ固定ボルトと前記貫通孔の隙間ｈ［ｍ］は、
   単位体積あたりの前記吸気口フランジ部が単位長さだけ変形するための必要エネルギーをｅ１［Ｊ／（ｍ^３×ｍ）］、
   前記吸気口フランジ部の体積をＶ１［ｍ^３］、
   単位体積あたりの前記繊維強化部材が単位長さだけ変形するための必要エネルギーをｅ２［Ｊ／（ｍ^３×ｍ）］、
   前記繊維強化部材の体積をＶ２［ｍ^３］、
   前記ロータ破壊時の前記吸気口フランジ部が受ける径方向へのエネルギーをＥ［Ｊ］とするとき、
   Ｅ ＜ （ｅ１×Ｖ１＋ｅ２×Ｖ２）×ｈ
   を満たすターボ分子ポンプ。
   

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