(57)【要約】      （修正有）【課題】永久磁石を用いた受動型磁気軸受は、大型支持体を低価格で安定に回転させることが困難である。一方、水蒸気の排気速度を増大させるためにクライオトラップを付加すると同時に高温超伝導磁気軸受を利用するのは、高温超伝導体のコストと冷凍機の冷凍能力が過大となるため、システム全体でかえって高価格となる。【解決手段】小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプの前段に、クライオトラップと高温超伝導磁気軸受で支持された中型高真空ブースターポンプを配置する。中型高真空ブースターポンプを非接触電磁誘導結合機により、後段の小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプと結合させ、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプの回転トルクで中型高真空ブースターポンプを回転させ、中型相当のターボ分子ポンプの排気速度を実現し、しかもクライオトラップで水蒸気の排気速度はクライオポンプ相当である真空ポンプシステムを実現する。【選択図】図１
2010249118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一組の高温超伝導磁気軸受からなるターボ分子ポンプに非接触電磁誘導結合機と高温超伝導体の冷却用の冷凍機を共用するクライオトラップとを付加した高真空ブースターポンプ
【請求項２】
熱伝導の良い金属に埋め込んだ高温超伝導体を高温超伝導磁気軸受の固定側に使用する請求項１記載の高真空ブースターポンプ
【請求項３】
高温超伝導体を埋め込む金属に銅またはアルミニュウムを使用した請求項２記載の高温超伝導磁気軸受を使用する請求項１記載の高真空ブースターポンプ
【請求項４】
高真空ブースターポンプの回転翼の後段側の端面に配置された非接触電磁誘導結合機において、回転翼のその端面に同心円上に複数の永久磁石を互いに引き合う磁極配置になるように等間隔に並べたことを特徴する請求項１記載の高真空ブースターポンプ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は高温超伝導磁気軸受を応用した高真空領域における排気速度を増大させる高真空ブースターポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  磁気軸受を応用した製品で、量産品として最も成功している例として、ターボ分子ポンプがある。それは、磁気軸受の応用として比較的簡単な仕様でありながら、従来のボールベアリングに対して、その特徴である清浄（潤滑オイル必要なし）、超低振動（ロータとステータが無接触）、高信頼性（腐食性ガスに強い）というセールスポイントをもっとも活かせるアプリケーションであっためである。実際、半導体やフラットパネル等の製造用のほとんどすべてのエッチング装置に大型の磁気軸受式ターボ分子ポンプ（２，０００Ｌ／Ｓ以上）が採用されている。しかしながら、磁気軸受はボールベアリングに比べて高価格なため、低価格帯の小型のターボ分子ポンプ（５００Ｌ／Ｓ以下）には採用が進んでいないのが現状である。実際、高性能電子顕微鏡には、磁気軸受式ターボ分子ポンプが採用されているが、質量分析機器や電子顕微鏡等の普及型機器には、セラミック製のボールベアリングを採用した小型のターボ分子ポンプが標準採用されている。また、エッチング装置とは異なり、腐食性のガスを流さないＰＶＤ装置等には、小型のターボ分子ポンプばかりでなく、中型のターボ分子ポンプ（５００Ｌ／Ｓ〜１５００Ｌ／Ｓ）も価格の安いボールベアリング式ターボ分子ポンプが採用されている。更に、水蒸気を急速に排気する必要のあるＰＶＤ装置の真空チャンバー（水蒸気の排気速度４０００Ｌ／Ｓ以上）では、この領域（水蒸気の排気速度４０００Ｌ／Ｓ以上）で圧倒的に価格競争力のあるクライオポンプが主流となっている。
しかしながら、中型のボールベアリング式ターボ分子ポンプは、その信頼性が不十分であり、クライオポンプは、ガス溜め込み式ポンプであるため、一定期間の使用後にポンプ再生が必要なことや１Ｐａ以上のプロセス圧での使用に不向きなこと等の欠点があるため、低価格、高信頼性で、しかも水蒸気の排気速度がクライオポンプに匹敵する中型ターボ分子ポンプシステムが待望されている。
【先行技術文献】
低価格の磁気軸受を実現するための先行技術とターボ分子ポンプの水蒸気排気速度を増大させながら磁気軸受の低価格化を実現するアイデアの報告として以下のようなものがある。
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平６−４６０３６号公報  この発明は、径方向の磁気軸受の一部を制御電磁石を用いず、永久磁石を利用した受動方式としたことを特徴とするターボ分子ポンプに関するものである。
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｓ  Ｙａｇｙｕ，Ｉ  Ｆｕｊｉｓｈｉｍａ，ａｎｄ  Ｍ  Ｍｉｋｉ  「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｔｅｓｔ  ａｎｄ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｔｕｒｂｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｐｕｍｐ  ｗｉｔｈ  ｗａｔｅｒ  ｔｒａｐ  ｕｓｉｎｇ  ｈｉｇｈ  Ｔｃ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｂｅａｒｉｎｇ」  Ｖａｃｕｕｍ／ｖｏｌｕｍｅ  ４４／ｎｕｍｂｅｒｓ  ５−７／ｐａｇｅｓ  ７２９−７３１／１９９３  この文献は、水蒸気の排気にクライオトラップを用い、そのトラップの冷凍機を利用して高温超伝導体磁気軸受を構成し、それを軸受として利用するターボ分子ポンプシステムに関するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  大型のターボ分子ポンプ、コンプレッサー、その他種々の工業製品に応用されている完全能動制御型磁気軸受（一般に５軸制御型磁気軸受と呼ばれている磁気軸受）に対して、その価格低減を目的に、磁気軸受の一部に永久磁石を応用した受動型磁気軸受を採用した先行技術があるが、その適用範囲は特定の小型ターボ分子ポンプに限定されている。その原因は２つあり、１）完全能動制御型磁気軸受と違い、受動型磁気軸受を利用した場合、支持能力の増大化は、ほぼそれに比例したコスト増大につながる事と２）ロータの振動現象への減衰能を大きくすることが容易でないためで、大型の被支持体を低価格で安定に回転させることが困難なためである。
一方、水蒸気の排気速度を増大させるためにクライオトラップを付加すると同時に高温超伝導磁気軸受を利用するのは興味あるアイデアであるが、３）この高温超伝導磁気軸受だけで中型以上のターボ分子ポンプのロータを支持しようとすると、そのために必要な高温超伝導体のコスト、およびそれを冷却するための冷凍機の冷凍能力が過大となるため、システム全体でかえって高価格になるという欠点がある。
これらの問題点を解消することが、ＰＶＤ装置等向けの低価格で高性能、高信頼性の真空ポンプシステムを実現する課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記１）２）３）の課題を解消するために、市場で既に評価されている高信頼性の小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプに、要求される排気速度を実現するための高真空ブースターポンプをその前段に付加する真空ポンプシステムを提案する。即ち、前段に配置されたクライオトラップと高温超伝導磁気軸受で支持された中型相当の分子流領域用ターボ分子ポンプ翼からなる高真空ブースターポンプにおいて、その中型相当のターボ分子ポンプ回転翼を非接触電磁誘導結合機により、後段の小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプの回転翼と結合させ、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプの回転翼の回転トルクで中型相当のターボ分子ポンプ回転翼を回転させることにより、全体システムとして、中型相当のターボ分子ポンプの排気速度を実現し、しかもクライオトラップで水蒸気の排気速度はクライオポンプ相当である真空ポンプシステムを実現する。さらに、クライオトラップにより、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプのボールベアリングの潤滑オイル蒸気が真空チャンバーに拡散することを完全に防止する。
【発明の効果】
【０００７】  ＰＶＤ装置等の真空ポンプシステムに求められる清浄、高信頼性、クライオポンプに匹敵する水蒸気排気速度とクライオポンプに対抗できる低価格の真空ポンプシステムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例を応用した高真空ブースターポンプを小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプの前段に配置した真空ポンプシステムの縦断面図
【図２】小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプの縦断面図
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【０００９】  以下、本発明の実施例を図１と図２に基づき説明する。
図１は、本発明の実施例を応用した高真空ブースターポンプを小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプの前段に配置した真空ポンプシステムの縦断面図である。【００１０】  高真空ブースターポンプ１の後段に図２の小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプとまったく同様の構造２を配置し、高真空ブースターポンプ１を圧縮されながら通過したガスは、後段の小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ固定翼２−１と小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ回転翼２−２で更に圧縮され、その後小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプねじ溝翼２−３において、また更に圧縮され、排気口２−４から排気される。小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ２は、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ回転翼２−２が、シャフト２−５とモータ２−６により高速回転することで動作する。ここで、シャフト２−５は、下部ボールベアリング２−７と上部受動型磁気軸受２−８で支持されている。また、上部受動型磁気軸受２−８に対する保護機能として、保護ベアリング２−９が、シャフト２−５から数百ミクロンの空隙長だけ離して配置されている。【００１１】    一方、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ２より低圧のいわゆる高真空領域で良好に動作する高真空ブースターポンプ１のターボ分子ポンプ部は、分子流領域用回転翼１−１と分子流領域用固定翼１−２で構成される。【００１２】  分子流領域用回転翼１−１は、シャフト２−５と同軸となりうるリング状の高温超伝導磁気軸受用永久磁石１−３と固定側のホルダー１−４にシャフト２−５に同軸となるように保持された高温超伝導体１−５により構成された高温超伝導磁気軸受により、シャフト２−５に対して回転自在に支持される。【００１３】  分子流領域用回転翼１−１の回転駆動力は電磁誘導結合機１−６により、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ回転翼２−２と非接触結合することにより得る。電磁誘導結合機１−６は、分子流領域用回転翼１−１にシャフト２−５と同軸になり得る円周上に配置された電磁誘導結合機用永久磁石Ａ１−６Ａおよび電磁誘導結合機用永久磁石Ｂ１−６Ｂと小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ回転翼２−２にシャフト２−５に同軸でしかも電磁誘導結合機用永久磁石Ａ１−６Ａおよび電磁誘導結合機用永久磁石Ｂ１−６Ｂに対面する位置に配置された電磁誘導結合機用導電体１−６Ｃから構成される。【００１４】  本高真空ブースターポンプ１の動作手順は、まず、図１には示していないが、動作スイッチオンでホルダー１−４に具備されている電磁石１−７により、分子流領域用回転翼１−１が図１の上方へ可動領域制限ストッパー１−８にぶつかるまで引き上げられる。その後、モータ２−６により小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ回転翼２−２の回転数が上昇するにつれ、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ２が動作し始める。それと並行して、冷凍機１−９によりホルダー１−４を通じて、高温超伝導体１−５が冷却される。小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ２の働きにより、高真空ブースターポンプ１の圧力が分子流領域まで下がってくると、高温超伝導体１−５が超伝導状態になるまで冷却され、高温超伝導磁気軸受用永久磁石１−３の磁束を高温超伝導体１−５が捕捉するようになる。この時点で電磁石１−７の動作をオフにすると、分子流領域用回転翼１−１は、その自重により少し図１の下方へ移動するが、高温超伝導磁気軸受の軸方向の剛性により、可動域内の適当な位置に支持される。但し、ここでは図１の下方が重力方向になるように本高真空ブースターポンプを配置しているとする。高温超伝導磁気軸受は、径方向にも剛性を持ち、高温超伝導体１−５と同軸になるように分子流領域用回転翼１−１は、回転自在に支持される。【００１５】  この状態で、高速で回転している電磁誘導結合機用導電体１−６Ｃを回転していない電磁誘導結合機用永久磁石Ａ１−６Ａと電磁誘導結合機用永久磁石Ｂ１−６Ｂの磁束が貫くため、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ回転翼２−２の回転力が電磁誘導結合機１−６を通じて分子流領域用回転翼１−１に伝達される。この電磁誘導結合機１−６は、電磁誘導結合機用導電体１−６Ｃに発生する渦電流により回転方向の回転力を伝達する働きをするが、それに加え、分子流領域用回転翼１−１が径方向に振動した場合も電磁誘導結合機用導電体１−６Ｃに渦電流が発生するため、超伝導磁気軸受の径方向ダンパーの働きもする。また、高温超伝導体１−５が電磁誘導結合機１−６の磁束の回転により発熱するのを防ぐために、磁気シールド板１−６Ｄを挿入することも有効である。【００１６】  分子流領域用回転翼１−１が回転し出すことにより、分子流領域用固定翼１−２との相互作用により高真空ブースターポンプ１が動作し始め、吸気口１−１０の圧力が更に下がり出す。これにより、分子流領域用回転翼１−２に作用する負荷が減少し、ますます分子流領域用回転翼１−２の回転数が増大する。しかしながら、ある一定の回転力は、分子流領域用回転翼１−２の回転を維持するには必要なため、最終的には、ある一定回転数だけ、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ回転翼２−２より低い回転数で平衡状態になる。高真空ブースターポンプ１の分子流領域用回転翼１−２は、小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ２より排気速度を増大させるために大口径に設計するため、この現象は好都合である。【００１７】  また、本高真空ブースターポンプは、高温超伝導体１−５の冷却用の冷凍機１−９を利用して冷却バッフル１−１１を適当な温度まで冷却することにより、クライオトラップ機能を高真空ブースターポンプ１内に配置でき、水蒸気等の排気速度を増大させることができる。【００１８】  さらに、シャフト２−５用として軸受にオイル潤滑の下部ボールベアリング２−７を使用しているが、冷却バッフル１−１１により、オイルの上流側への逆流を完全に防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】  本高真空ブースターポンプを小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプの前段に付加すると、その真空排気性能は中型のターボ分子ポンプと同等の真空性能に増大し、しかも水蒸気の排気速度は同口径フランジのクライオポンプと同等まで増大するため、ＰＶＤ装置等の真空ポンプシステムに求められる清浄、高信頼性、クライオポンプに匹敵する水蒸気排気速度とクライオポンプに対抗できる低価格の真空ポンプシステムが実現できる。そのため、ＰＶＤ装置のプロセスチャンバー、各種真空装置のロードロックチャンバーやトランスファーチャンバー等に応用できる。
【符号の説明】
【００２０】１                    高真空ブースターポンプ
１−１                分子流領域用回転翼
１−２                分子流領域用固定翼
１−３                高温超伝導磁気軸受用永久磁石
１−４                ホルダー
１−５                高温超伝導体
１−６                電磁誘導結合機
１−６Ａ              電磁誘導結合機用永久磁石Ａ
１−６Ｂ              電磁誘導結合機用永久磁石Ｂ
１−６Ｃ              電磁誘導結合機用導電体
１−６Ｄ              磁気シールド板
１−７                電磁石
１−８                可動領域制限ストッパー
１−９                冷凍機
１−１０              吸気口
１−１１              冷却バッフル
２                    小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ
２−１，２−１ａ      小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ固定翼
２−２，２−２ａ      小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプ回転翼
２−３，２−３ａ      小型ボールベアリング式ターボ分子ポンプねじ溝翼
２−４，２−４ａ      排気口
２−５，２−５ａ      シャフト
２−６，２−６ａ      モータ
２−７，２−７ａ      下部ボールベアリング
２−８，２−８ａ      上部受動型磁気軸受
２−９，２−９ａ      保護ベアリング
２−１０              オイル保持フェルト
２−１１              外筒
２−１２              保護網
２−１３              フランジ
【図１】
2010249118.tif 000003
【図２】
2010249118.tif 000004