JP6940862B2 - Exhaust system and electron beam laminated modeling equipment equipped with it - Google Patents
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Description
本発明は、真空状態を作り出すための排気システムに関し、また、当該排気システムを備えてなる電子ビーム積層造形装置に関する。 The present invention relates to an exhaust system for creating a vacuum state, and also relates to an electron beam laminated modeling apparatus including the exhaust system.
真空容器としてのチャンバを備えた装置においては、チャンバ内に真空状態を作り出すために、当該チャンバに各種の真空ポンプを具備した排気システムが接続されることが一般的である。このような排気システムを備えた装置としては、たとえば電子ビーム積層造形装置がある。 In a device provided with a chamber as a vacuum vessel, an exhaust system equipped with various vacuum pumps is generally connected to the chamber in order to create a vacuum state in the chamber. As an apparatus provided with such an exhaust system, for example, there is an electron beam laminated modeling apparatus.
電子ビーム積層造形装置は、金属粉末床に高エネルギービームである電子ビームを照射することにより、所望の形状の金属造形物を積層造形するものであり、近年、特に注目を集めている。 The electron beam laminated molding apparatus is for laminating and molding a metal model having a desired shape by irradiating a metal powder bed with an electron beam which is a high energy beam, and has attracted particular attention in recent years.
電子ビーム積層造形装置においては、ステージ上において金属粉末が敷き詰められることで金属粉末床が形成され、電子ビームが走査されることで当該金属粉末床に電子ビームが部分的に照射され、照射された部分の金属粉末が溶融してその後凝固し、このようにして形成された層が繰り返し積み重ねられていくことにより、立体的な金属造形物が造形される。 In the electron beam laminated molding apparatus, a metal powder bed is formed by spreading metal powder on the stage, and the metal powder bed is partially irradiated with the electron beam by scanning the electron beam. The metal powder of the portion melts and then solidifies, and the layers thus formed are repeatedly stacked to form a three-dimensional metal model.
ここで、電子ビーム積層造形装置においては、電子ビームの照射に伴って金属粉末床に含まれる金属粉末が帯電し、これがチャンバ内に飛散するいわゆるスモーク現象が発生することが知られている。当該スモーク現象が発生した場合には、飛散した金属粉末によって金属粉末床に対する電子ビームの照射が遮られてしまうことになり、造形速度の低下や造形精度の低下を招いてしまう。 Here, in the electron beam laminated molding apparatus, it is known that the metal powder contained in the metal powder bed is charged with the irradiation of the electron beam, and a so-called smoke phenomenon occurs in which the metal powder is scattered in the chamber. When the smoke phenomenon occurs, the scattered metal powder blocks the irradiation of the electron beam on the metal powder bed, which causes a decrease in the modeling speed and a decrease in the modeling accuracy.
このスモーク現象の発生を抑制する方法として、特表2010−526694号公報(特許文献1)には、チャンバ内の真空状態を維持しつつも補助ガスとしてのヘリウムガスをチャンバ内に導入する方法が提案されている。 As a method of suppressing the occurrence of this smoke phenomenon, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-526694 (Patent Document 1) describes a method of introducing helium gas as an auxiliary gas into the chamber while maintaining a vacuum state in the chamber. Proposed.
より詳細には、上記特許文献1においては、チャンバ内を10-3[Pa]程度以下の高真空状態にまで排気した後に、金属粉末を予備加熱し、さらにその後、チャンバ内にヘリウムガスを導入してチャンバ内の圧力を10-1[Pa]程度に維持しつつ、電子ビームの照射による積層造形を行なうことにより、スモーク現象の発生が抑制できることが記載されている。
More specifically, in
当該特許文献1に記載の方法は、ヘリウムガスの衝突断面積が小さいために電子ビームがヘリウムガスによって撹き乱され難いという利点を利用しつつ、ヘリウムガスが有する低電気抵抗あるいは負の電子親和力等の利用を図ったものである。
The method described in
このように、ある種の装置においては、チャンバ内において、ヘリウムガス(He)等の軽ガス(分子量が4以下のガス)の分圧を相対的に高く保ちつつ、たとえば酸素ガス(O2)、窒素ガス(N2)、水蒸気(H2O)、アルゴンガス(Ar)等に代表される、軽ガスよりも重い非軽ガス(分子量が4より大きいガス)の分圧を相対的に低く保つことが要求される場合がある。 In this way, in some devices, for example, oxygen gas (O 2 ) while keeping the partial pressure of a light gas (gas having a molecular weight of 4 or less) such as helium gas (He) relatively high in the chamber. , Nitrogen gas (N 2 ), water vapor (H 2 O), argon gas (Ar), etc., and the partial pressure of non-light gas (gas with molecular weight greater than 4), which is heavier than light gas, is relatively low. May be required to keep.
なお、チャンバ内において、軽ガスの分圧を相対的に高く保ちつつ非軽ガスの分圧を相対的に低く保つことが要求される装置としては、上述したような軽ガス(特にヘリウムガス)が有する低電気抵抗あるいは負の電子親和力、軽ガスの衝突断面積が小さいために粒子線が軽ガス分子によって撹き乱され難いといった個々の利点を利用した装置や、軽ガスが高い熱伝導率を有することを利用する装置等、各種の装置があり、上述した電子ビーム積層造形装置以外にも、たとえば分子直径が小さく微小な隙間にも侵入し易いというヘリウムガスの特性を利用したヘリウムリーク検査装置等がこれに該当する。 As a device that is required to keep the partial pressure of the non-light gas relatively low while keeping the partial pressure of the light gas relatively high in the chamber, the light gas (particularly helium gas) as described above is used. Devices that take advantage of the low electrical resistance or negative electron affinity of helium, and the small collision cross-sectional area of light gas that makes it difficult for particle beams to be disturbed by light gas molecules, and devices that take advantage of the high thermal conductivity of light gas. There are various devices such as a device that utilizes the fact that the gas has a helium leak, and in addition to the above-mentioned electron beam laminated modeling device, for example, a helium leak inspection that utilizes the characteristic of helium gas that it has a small molecular diameter and easily penetrates into minute gaps. Devices, etc. fall under this category.
通常、上述した電子ビーム積層造形装置のような粒子線を使用する装置に適用される排気システムは、大気圧環境下から中真空状態(10-1[Pa]〜102[Pa]程度)を作り出すための油回転真空ポンプ等の補助真空ポンプと、中真空状態から高真空状態(10-5[Pa]〜10-1[Pa]程度)を作り出すための複合分子ポンプ(ターボ分子ポンプの下流側にねじ溝真空ポンプが設けられた複合ポンプ)とが組み合わされた運動量移送式機械的ポンプ系にて構成される。ここで、補助真空ポンプは、排気路上において複合分子ポンプの下流側に設置される。 Normally, an exhaust system applied to a device using a particle beam such as the above-mentioned electron beam laminated molding device is in a medium vacuum state (about 10 -1 [Pa] to 10 2 [Pa]) from an atmospheric pressure environment. An auxiliary vacuum pump such as an oil rotary vacuum pump for creating, and a composite molecular pump (downstream of the turbo molecular pump) for creating a high vacuum state (about 10 -5 [Pa] to 10 -1 [Pa]) from a medium vacuum state to a high vacuum state. It is composed of a momentum transfer type mechanical pump system combined with a combined pump (composite pump provided with a thread groove vacuum pump on the side). Here, the auxiliary vacuum pump is installed on the exhaust path on the downstream side of the composite molecular pump.
この種の排気システムを用いて上記特許文献1に記載される方法を実現しようとした場合には、ヘリウムガスを大量に消費してしまうという新たな課題が発生してしまう。
When an attempt is made to realize the method described in
具体的には、高真空状態においては、大気圧環境下あるいは低真空状態においてチャンバ内に存在していた気体分子が外部に排気されることにより、気体分子の数は当然に非常に少なくなっている反面、チャンバの内壁面やチャンバ内に設置された各種部材(金属粉末床に含まれる金属粉末を含む)の表面からのガスの放出(ガス分子の脱離)が無視できなくなり、この状態において排気を停止した場合には、チャンバ内の圧力が徐々に上昇してしまう。その際、放出されるガスは、主として水蒸気等の非軽ガスであるため、チャンバ内における非軽ガスの分圧もこれに伴って急激に上昇する。 Specifically, in a high vacuum state, the number of gas molecules naturally becomes very small because the gas molecules existing in the chamber under the atmospheric pressure environment or the low vacuum state are exhausted to the outside. On the other hand, the release of gas (desorption of gas molecules) from the inner wall surface of the chamber and the surface of various members (including the metal powder contained in the metal powder bed) installed in the chamber cannot be ignored, and in this state. When the exhaust is stopped, the pressure in the chamber gradually rises. At that time, since the released gas is mainly a non-light gas such as water vapor, the partial pressure of the non-light gas in the chamber also rises sharply accordingly.
そのため、仮に上記排気システムを用いて高真空状態を作り出し、その後、チャンバ内にヘリウムガスを導入した上で各種の開閉弁を閉じることでチャンバを密封する(すなわち、排気を停止する)こととした場合には、衝突断面積が大きい非軽ガスの分圧の上昇に伴って電子ビームが減衰および散乱し、造形速度の低下や造形精度の低下を招いてしまうおそれがある。 Therefore, it was decided to temporarily create a high vacuum state using the above exhaust system, then introduce helium gas into the chamber and close various on-off valves to seal the chamber (that is, stop the exhaust). In this case, the electron beam is attenuated and scattered as the partial pressure of the non-light gas having a large collision cross section increases, which may lead to a decrease in the modeling speed and a decrease in the modeling accuracy.
この非軽ガスの分圧の上昇を防止するためには、ヘリウムガスを常時あるいは断続的にチャンバ内に導入しつつ、上記排気システムを常時あるいは断続的に動作させることが必要になる。 In order to prevent the partial pressure increase of the non-light gas, it is necessary to operate the exhaust system constantly or intermittently while constantly or intermittently introducing the helium gas into the chamber.
しかしながら、電子ビーム積層造形装置において、所望の形状の金属造形物を積層造形する場合に必要となる時間は、比較的小さい金属造形物を造形する場合であっても1個当たり数時間から十数時間かかり、大きい金属造形物を造形する場合においては数十時間以上かかるため、この間にわたってヘリウムガスを常時あるいは断続的にチャンバ内に導入した場合には、上述したようにヘリウムガスを大量に消費する結果となってしまう。 However, in the electron beam laminated modeling apparatus, the time required for laminating and modeling a metal model of a desired shape is several hours to a dozen or so per piece even when modeling a relatively small metal model. It takes time, and it takes several tens of hours or more when forming a large metal model. Therefore, if helium gas is constantly or intermittently introduced into the chamber during this period, a large amount of helium gas is consumed as described above. The result will be.
なお、仮にヘリウムガスを常時あるいは断続的にチャンバ内に導入しつつも、その導入量を減少させた場合には、ヘリウムガスの消費をある程度抑制することはできるものの、チャンバ内のヘリウムガスの分圧が低下するため、スモーク現象を十分に抑制することはできない。また、ヘリウムガスの導入量を減らすとともに複合分子ポンプの排気速度を小さくすると、上述したように非軽ガスの放出を抑制することができないため、ヘリウムガスの分圧のみならず非軽ガスの分圧も上昇してしまい、結果として電子ビームが減衰および散乱することで造形速度の低下や造形精度の低下を招いてしまう。 If helium gas is constantly or intermittently introduced into the chamber and the amount of helium gas introduced is reduced, the consumption of helium gas can be suppressed to some extent, but the amount of helium gas in the chamber is reduced. Since the pressure drops, the smoke phenomenon cannot be sufficiently suppressed. Further, if the amount of helium gas introduced is reduced and the exhaust speed of the composite molecular pump is reduced, the release of non-light gas cannot be suppressed as described above. Therefore, not only the partial pressure of helium gas but also the amount of non-light gas The pressure also rises, and as a result, the electron beam is attenuated and scattered, resulting in a decrease in the modeling speed and a decrease in the modeling accuracy.
一方で、真空状態を作り出す真空ポンプの一種として、極低温面を用いて当該極低温面に気体分子を凝縮させることで排気を行なうクライオポンプが知られている。液体水素温度(20[K])程度の極低温面を有し、かつ吸着剤を内蔵しないクライオポンプは、非軽ガスを排気することができる一方でヘリウムガス等の軽ガスを排気しない真空ポンプであり、これを適用することにより、軽ガスの分圧を下げずに非軽ガスの分圧の上昇を抑制することが可能になる。 On the other hand, as a kind of vacuum pump that creates a vacuum state, a cryopump that exhausts gas by condensing gas molecules on the cryogenic surface using a cryogenic surface is known. A cryopump that has a cryogenic surface of about liquid hydrogen temperature (20 [K]) and does not have an adsorbent built-in is a vacuum pump that can exhaust non-light gas but does not exhaust light gas such as helium gas. By applying this, it becomes possible to suppress an increase in the partial pressure of the non-light gas without lowering the partial pressure of the light gas.
しかしながら、クライオポンプは、いわゆる溜め込み式の真空ポンプであるため、一定量の気体分子を凝縮させて溜め込んだ後においては、それ以上の排気が行なえなくなってしまう。そのため、クライオポンプは、極低温面の温度を室温に戻して凝縮していた気体分子を再放出させ、放出されたガスを補助ポンプ(非溜め込み式ポンプ)も用いて排気させることでその再生を行なう再生処理が必要なものであり、継続的に使用できるものではない。 However, since the cryopump is a so-called storage type vacuum pump, after a certain amount of gas molecules are condensed and stored, further exhaust cannot be performed. Therefore, the cryopump returns the temperature of the cryogenic surface to room temperature, re-emits the condensed gas molecules, and exhausts the released gas using an auxiliary pump (non-reservoir pump) to regenerate it. Reproduction processing to be performed is required, and it cannot be used continuously.
そのため、当該クライオポンプを電子ビーム積層造形装置に適用した場合には、上述した再生処理を行なうために積層造形プロセスを都度停止する必要が生じてしまい、結果として積層造形に必要な時間がさらに長時間化してしまう問題を招いてしまう。 Therefore, when the cryopump is applied to the electron beam laminated modeling apparatus, it becomes necessary to stop the laminated modeling process each time in order to perform the above-mentioned regeneration process, and as a result, the time required for the laminated modeling becomes longer. It leads to the problem of time consuming.
このように、従来公知の排気システムや真空ポンプは、軽ガスの分圧を相対的に高く保ちつつも非軽ガスの分圧を相対的に低く保つような真空状態を長時間にわたって維持することには不向きである課題があった。 In this way, conventionally known exhaust systems and vacuum pumps maintain a vacuum state for a long period of time so as to keep the partial pressure of non-light gas relatively low while keeping the partial pressure of light gas relatively high. Had a problem that was unsuitable for.
一方で、チャンバ内においてこのような真空状態を大気圧環境下から早期に作り出すためには、上述したようにチャンバ内から軽ガスおよび非軽ガスを同時に一旦排気し、その上で軽ガスをチャンバ内に導入することが必要になる。そのため、単に非軽ガスを選択的に主として排気できればよいというものでもない。 On the other hand, in order to create such a vacuum state in the chamber at an early stage from an atmospheric pressure environment, light gas and non-light gas are once exhausted from the chamber at the same time as described above, and then the light gas is discharged into the chamber. It will be necessary to introduce it within. Therefore, it is not just a matter of selectively and mainly exhausting non-light gas.
したがって、本発明は、上述した問題を解決すべくなされたものであり、軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することもできる排気システムを提供することを目的とし、また、造形速度や造形精度に優れつつも補助ガスの消費量を抑制することができる電子ビーム積層造形装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is an exhaust system capable of simultaneously exhausting light gas and non-light gas, while selectively and mainly exhausting non-light gas. It is an object of the present invention to provide an electron beam laminated molding apparatus capable of suppressing the consumption of auxiliary gas while being excellent in molding speed and molding accuracy.
本発明に基づく排気システムは、第1吸気口および第1排気口を有するターボ分子ポンプと、第2吸気口および第2排気口を有するねじ溝真空ポンプと、第3吸気口および第3排気口を有する補助真空ポンプと、第1ポート、第2ポートおよび第3ポートを有する三方弁とを備えている。上記第1排気口は、上記第2吸気口に接続されており、上記第1吸気口から上記第1排気口および上記第2吸気口を経由して上記第2排気口に至る部分の排気路のうちの途中位置には、中間排気口が設けられている。上記第1ポートは、上記第2排気口に接続されており、上記第2ポートは、上記中間排気口に接続されており、上記第3ポートは、上記第3吸気口に接続されている。上記三方弁は、上記第1ポートと上記第3ポートとを接続する第1排気状態と、上記第2ポートと上記第3ポートとを接続する第2排気状態とに選択的に切り替え可能である。上記本発明に基づく排気システムにおいては、上記第1排気状態において、上記第1吸気口から吸気されたガスが、上記第1排気口、上記第2吸気口、上記第2排気口および上記第3吸気口をこの順で経由して、上記第3排気口から排気されるとともに、上記第2排気状態において、上記第1吸気口から吸気されたガスが、上記第2排気口を経ることなく、上記中間排気口および上記第3吸気口をこの順で経由して、上記第3排気口から排気される。ここで、上記第2排気状態における上記第1排気口での分子量が4以下である軽ガスに対する補助排気速度は、上記第1排気状態における上記第1排気口での分子量が4以下である軽ガスに対する補助排気速度よりも小さい。 The exhaust system based on the present invention includes a turbo molecular pump having a first intake port and a first exhaust port, a thread groove vacuum pump having a second intake port and a second exhaust port, and a third intake port and a third exhaust port. It is provided with an auxiliary vacuum pump having a first port, a second port, and a three-way valve having a third port. The first exhaust port is connected to the second intake port, and is an exhaust path of a portion from the first intake port to the second exhaust port via the first exhaust port and the second intake port. An intermediate exhaust port is provided in the middle of the position. The first port is connected to the second exhaust port, the second port is connected to the intermediate exhaust port, and the third port is connected to the third intake port. The three-way valve can be selectively switched between a first exhaust state connecting the first port and the third port and a second exhaust state connecting the second port and the third port. .. In the exhaust system based on the present invention, in the first exhaust state, the gas taken in from the first intake port is the first exhaust port, the second intake port, the second exhaust port, and the third. The gas is exhausted from the third exhaust port via the intake port in this order, and in the second exhaust state, the gas taken in from the first intake port does not pass through the second exhaust port. The air is exhausted from the third exhaust port via the intermediate exhaust port and the third intake port in this order. Here, the auxiliary exhaust speed for a light gas having a molecular weight of 4 or less at the first exhaust port in the second exhaust state is a light having a molecular weight of 4 or less at the first exhaust port in the first exhaust state. It is smaller than the auxiliary exhaust speed for gas.
このような排気システムとすることにより、第1排気状態において、軽ガスおよび当該軽ガスよりも重い非軽ガスが同時に第1吸気口から吸気されて第2排気口を通じて第3排気口から排気されることになるとともに、第2排気状態において、主として非軽ガスが第1吸気口から吸気されて中間排気口を通じて第3排気口から排気されることになるため、軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することもできる排気システムとすることができる。 With such an exhaust system, in the first exhaust state, light gas and non-light gas heavier than the light gas are simultaneously taken in from the first intake port and exhausted from the third exhaust port through the second exhaust port. In addition, in the second exhaust state, the non-light gas is mainly taken in from the first intake port and exhausted from the third exhaust port through the intermediate exhaust port, so that the light gas and the non-light gas are simultaneously used. While it can be exhausted, it can be an exhaust system that can selectively and mainly exhaust non-light gas.
上記本発明に基づく排気システムにあっては、上記第1吸気口と上記中間排気口との間において交互に設置された上記ターボ分子ポンプの静翼段および動翼段の合計段数が、10段以上12段以下であることが好ましい。 In the exhaust system based on the present invention, the total number of stages of the stationary blade stage and the moving blade stage of the turbo molecular pump, which are alternately installed between the first intake port and the intermediate exhaust port, is 10 stages. It is preferably 12 steps or more.
上記本発明に基づく排気システムにあっては、上記第2吸気口と上記第2排気口との間における上記ねじ溝真空ポンプのねじ溝の深さの勾配が、0より大きく0.04以下であることが好ましい。 In the exhaust system based on the present invention, the gradient of the thread groove depth of the thread groove vacuum pump between the second intake port and the second exhaust port is greater than 0 and 0.04 or less. It is preferable to have.
上記本発明に基づく排気システムにあっては、上記中間排気口が、上記第1排気口と上記第2吸気口とを接続する部分の排気路に設けられていてもよい。その場合には、上記第2排気状態における上記第3吸気口での上記補助真空ポンプの排気速度が、上記第1排気状態における上記第2吸気口での上記ねじ溝真空ポンプの排気速度よりも小さいことが好ましい。 In the exhaust system based on the present invention, the intermediate exhaust port may be provided in the exhaust path of the portion connecting the first exhaust port and the second intake port. In that case, the exhaust speed of the auxiliary vacuum pump at the third intake port in the second exhaust state is higher than the exhaust speed of the thread groove vacuum pump at the second intake port in the first exhaust state. Small is preferable.
上記本発明に基づく排気システムにあっては、上記中間排気口と上記第2ポートとを接続する部分の排気路にオリフィスが設けられていてもよい。 In the exhaust system based on the present invention, an orifice may be provided in the exhaust passage of the portion connecting the intermediate exhaust port and the second port.
上記本発明に基づく排気システムにあっては、上記第2排気口と上記第1ポートとを接続する部分の排気路にブースタ真空ポンプが設置されていてもよい。 In the exhaust system based on the present invention, a booster vacuum pump may be installed in the exhaust passage of the portion connecting the second exhaust port and the first port.
上記本発明に基づく排気システムにあっては、上記ターボ分子ポンプと上記ねじ溝真空ポンプとが、各々のロータが一体化された複合分子ポンプにて構成されていることが好ましく、その場合には、上記第1排気口と上記第2吸気口とが、上記複合分子ポンプの内部において接続されていることが好ましい。また、その場合には、上記複合分子ポンプが、上記第1吸気口としての吸気ポートと、上記第2排気口としての第1排気ポートと、上記中間排気口としての第2排気ポートとを有していることが好ましい。 In the exhaust system based on the present invention, it is preferable that the turbo molecular pump and the thread groove vacuum pump are composed of a composite molecular pump in which each rotor is integrated, in which case. It is preferable that the first exhaust port and the second intake port are connected inside the composite molecular pump. Further, in that case, the composite molecular pump has an intake port as the first intake port, a first exhaust port as the second exhaust port, and a second exhaust port as the intermediate exhaust port. It is preferable to do.
本発明に基づく電子ビーム積層造形装置は、真空容器と、上記真空容器の内部に設置された電子ビーム発生源と、上記真空容器の内部に設けられ、上記電子ビーム発生源にて発生した電子ビームが金属粉末に照射されることで金属造形物を得る積層造形部と、上記真空容器の内部に軽ガスを導入する軽ガス供給源と、上記真空容器に接続された上記本発明に基づく排気システムとを備えている。 The electron beam laminated modeling apparatus based on the present invention includes a vacuum vessel, an electron beam generation source installed inside the vacuum vessel, and an electron beam generated inside the vacuum vessel and generated by the electron beam generation source. A laminated molding part that obtains a metal shaped object by irradiating the metal powder with a metal powder, a light gas supply source that introduces a light gas into the inside of the vacuum vessel, and an exhaust system based on the present invention connected to the vacuum vessel. And have.
このような電子ビーム積層造形装置とすることにより、真空容器から軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することも可能になるため、造形速度や造形精度に優れつつも補助ガスとしての軽ガスの消費量を抑制することができる電子ビーム積層造形装置とすることができる。 By using such an electron beam laminated molding apparatus, it is possible to simultaneously exhaust light gas and non-light gas from the vacuum vessel, but it is also possible to selectively and mainly exhaust non-light gas. It is possible to obtain an electron beam laminated molding apparatus capable of suppressing the consumption of light gas as an auxiliary gas while being excellent in speed and molding accuracy.
本発明によれば、軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することもできる排気システムの実現が可能になり、また、造形速度や造形精度に優れつつも補助ガスの消費量を抑制することができる電子ビーム積層造形装置の実現が可能になる。 According to the present invention, it is possible to realize an exhaust system capable of exhausting light gas and non-light gas at the same time, while selectively and mainly exhausting non-light gas. It is possible to realize an electron beam laminated molding apparatus that can suppress the consumption of auxiliary gas while being excellent in accuracy.
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。以下に示す実施の形態は、電子ビーム積層造形装置およびこれに具備された排気システムに本発明を適用した場合を例示するものである。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments shown below exemplify a case where the present invention is applied to an electron beam laminated modeling apparatus and an exhaust system provided therein. In the embodiments shown below, the same or common parts are designated by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1における電子ビーム積層造形装置の概略図である。まず、この図1を参照して、本実施の形態における電子ビーム積層造形装置100の構成について説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic view of an electron beam laminated modeling apparatus according to the first embodiment. First, with reference to FIG. 1, the configuration of the electron beam laminated
図1に示すように、電子ビーム積層造形装置100は、真空容器としてのチャンバ110と、電子ビーム発生源としての電子銃120と、金属造形物400を積層造形する部位である積層造形部130と、軽ガス供給源としてのヘリウムガス供給源200と、後述する本実施の形態における排気システム1Aとを主として備えている。
As shown in FIG. 1, the electron beam laminated
チャンバ110は、電子銃120、ビームアライメント121、集束レンズ122、対物レンズ123および偏光器124が配置された空間を規定する第1チャンバ部111と、積層造形部130が設けられた空間を規定する第2チャンバ部112とを有している。第1チャンバ部111の内部の空間は、電子銃室排気システム(不図示)により、超高真空状態に維持されている。一方、第2チャンバ部112の内部の空間は、排気システム1Aにより、積層造形時において、補助ガスである軽ガスとしてのヘリウムガスの分圧が相対的に高く保たれつつも、非軽ガスの分圧が相対的に低く保たれた真空状態に維持される。
The
電子銃120は、カソードおよびアノードを含んでおり、これらの間には所定の高電圧が印加できるように構成されている。カソードは、図示しない加熱機構によって高温の状態に加熱できるように構成されている。
The
電子ビームEBは、カソードが加熱機構によって加熱されることで熱電子が発生する環境下に置かれた状態において、さらにアノードとカソード間に高電圧が印加されることにより、カソードにおいて発生した熱電子がアノードによって引き出されることで発生する。 The electron beam EB is placed in an environment where thermions are generated by heating the cathode by a heating mechanism, and the thermoelectrons generated at the cathode are generated by applying a high voltage between the anode and the cathode. Is pulled out by the anode.
ビームアライメント121は、電子ビームEBに電磁的に作用することにより、電子銃120から出射された電子ビームEBの光軸を集束レンズ122の光軸と一致させるためのものである。
The
集束レンズ122および対物レンズ123は、電子ビームEBに電磁的に作用することにより、電子ビームEBを後述する金属粉末床の狭い範囲に集中して照射させるためのものである。
The focusing
偏光器124は、電子ビームEBに電磁的に作用することにより、電子ビームEBを曲げることでこれを金属粉末床上において走査させるためのものである。なお、偏光器124は、電子銃120から出射された電子ビームEBをその進行方向と交差する方向に自由に曲げることができるものであるが、図中においてはその様子を模式的に矢印DR1にて示している。
The
積層造形部130は、ステージ131と、ホッパ132と、レーキ133と、ステージ131を昇降可能に駆動する図示しないステージ駆動機構とを主として有している。
The
ステージ131は、第2チャンバ部112の内部であって電子ビームEBが照射可能な位置に配置されている。ステージ131は、その主面上に金属粉末300が敷き詰められることにより、これによって形成された該金属粉末床を支持する部材であり、上述したステージ駆動機構によって図中に示す矢印DR2方向に昇降可能に支持されている。
The
ホッパ132およびレーキ133は、第2チャンバ部112の内部に配置されており、金属粉末300をハンドリングするためのものである。ホッパ132は、金属粉末300を内部に貯留しており、必要なタイミングで必要な量だけ金属粉末300をステージ131上に向けて供給する。レーキ133は、図中に示す矢印DR3方向に往復動することにより、ホッパ132からステージ131上に供給された金属粉末300をステージ131上に厚みが均一になるように敷き詰める。
The
ヘリウムガス供給源200は、第2チャンバ部112に開閉弁201を介して接続されている。ヘリウムガス供給源200は、第2チャンバ部112内にヘリウムガスを導入するためのものであり、開閉弁201が開閉されることにより、ヘリウムガスが第2チャンバ部112内に必要なタイミングにおいて必要な量だけ供給される。
The helium
排気システム1Aは、第2チャンバ部112に調整弁202を介して接続されている。排気システム1Aは、第2チャンバ部112内に存在する気体分子を外部に排気することにより、第2チャンバ部112内に真空状態を作り出すためのものである。
The
本実施の形態における電子ビーム積層造形装置100においては、これらヘリウムガス供給源200および排気システム1Aが適切に稼働されることにより、積層造形の前段階において、軽ガスの分圧と非軽ガスの分圧とが共に低く保たれた真空状態が早期に作り出されるとともに、積層造形時において、ヘリウムガスの分圧が相対的に高く保たれつつも非軽ガスの分圧が相対的に低く保たれた真空状態が維持される。
In the electron beam laminated
なお、第2チャンバ部112には、真空計210が設置されており、第2チャンバ部112内の真空度は、当該真空計210によって常時計測される。この真空計210によって計測された真空度に基づき、ヘリウムガス供給源200および排気システム1Aが適切に稼働されることにより、上述した真空状態が実現される。
A
積層造形時においては、まず、ホッパ132からステージ131上に供給された直径数[μm]〜数十[μm]の金属粒子からなる金属粉末300が、レーキ133によってステージ131上に薄く敷き詰められることで金属粉末床が形成される。金属粉末床の厚みは、たとえば10[μm]〜100[μm]程度とされる。
At the time of laminated molding, first, the
次に、電子ビームEBが、ステージ131上に形成された金属粉末床に照射される。電子銃120から出射された電子ビームEBは、金属粉末床のうちの狭い範囲に部分的に照射され、このとき、偏光器124によって電子ビームEBが走査されることにより、金属粉末床のうち、積層造形すべき金属造形物400の形状に対応した位置にのみ電子ビームEBが照射される。
Next, the electron beam EB irradiates the metal powder bed formed on the
これにより、電子ビームEBが照射された部分に位置する金属粉末が加熱されて溶融し、その後、加熱が解除されることでこれが凝固する。なお、金属粉末床のうち、電子ビームEBが照射されていない範囲に位置する金属粉末は、その粉末の状態が維持されることになる。 As a result, the metal powder located at the portion irradiated with the electron beam EB is heated and melted, and then the heating is released to solidify the metal powder. Of the metal powder bed, the metal powder located in the range not irradiated with the electron beam EB will maintain its powder state.
次に、図示しないステージ駆動機構により、ステージ131が下方に向けて移動される。その際の移動量は、上述した金属粉末床の厚みと同じとされる。
Next, the
上述したステップが繰り返し実施されることにより、ステージ131上において金属造形物400が徐々に積層造形されていくことになり、金属造形物400の積層造形が完了した時点で、上述したステップの繰り返しの実施が停止される。
By repeatedly performing the above-mentioned steps, the
なお、上述した電子ビームEBの照射ステップにおいては、電子ビームEBが照射されることによって金属粒子が溶融して凝固する過程において、既にその下層において形成されている金属造形物400の表面も共に溶融して凝固することになり、これによって各層において形成された金属凝固体が一体となって金属造形物が積層造形されることになる。
In the above-mentioned irradiation step of the electron beam EB, in the process of melting and solidifying the metal particles by irradiating the electron beam EB, the surface of the
図2は、本実施の形態における排気システムの構成を概略的に示した図である。次に、この図2を参照して、本実施の形態における排気システム1Aの構成について説明する。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of an exhaust system according to the present embodiment. Next, the configuration of the
図2に示すように、排気システム1Aは、必要に応じて互いに排気管等にて接続された複合分子ポンプ10A、補助真空ポンプ20、三方弁30を主として備えている。このうち、複合分子ポンプ10Aは、ターボ分子ポンプ10aおよびねじ溝真空ポンプ10bを含む複合ポンプとして構成されており、補助真空ポンプ20は、たとえば油回転真空ポンプにて構成されている。
As shown in FIG. 2, the
複合分子ポンプ10Aは、排気システム1Aに設けられた排気路の上流側の位置に設置されており、補助真空ポンプ20は、排気システム1Aに設けられた排気路の下流側の位置に設置されている。三方弁30は、複合分子ポンプ10Aと補助真空ポンプ20とを接続する部分の排気路の所定位置に設置されている。
The composite
複合分子ポンプ10Aに含まれるターボ分子ポンプ10aは、複合分子ポンプ10A内に形成される排気路の上流側の部分を構成しており、複合分子ポンプ10Aに含まれるねじ溝真空ポンプ10bは、複合分子ポンプ10A内に形成される排気路の下流側の部分を構成している。
The turbo
ここで、図2に示すように、ターボ分子ポンプ10aは、第1吸気口IL1および第1排気口OL1を有しており、ねじ溝真空ポンプ10bは、第2吸気口IL2および第2排気口OL2を有している。一方、補助真空ポンプ20は、第3吸気口IL3および第3排気口OL3を有しており、三方弁30は、第1ポートP1、第2ポートP2および第3ポートP3を有している。
Here, as shown in FIG. 2, the turbo
ターボ分子ポンプ10aの第1吸気口IL1は、複合分子ポンプ10Aの吸気ポートIPを構成しており、上述した調整弁202を介して第2チャンバ部112に接続されている。ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1は、ねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2に接続されている。
The first intake port IL1 of the turbo
ねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2は、上述したようにターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1に接続されている。ねじ溝真空ポンプ10bの第2排気口OL2は、複合分子ポンプ10Aの第1排気ポートOP1を構成しており、三方弁30の第1ポートP1に接続されている。
The second intake port IL2 of the thread
複合分子ポンプ10Aのうち、ターボ分子ポンプ10aの第1吸気口IL1からターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1およびねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2を経由してねじ溝真空ポンプ10bの第2排気口OL2に至る部分の排気路の途中位置には、中間排気口OL5が設けられている。
Of the composite
中間排気口OL5は、複合分子ポンプ10Aの第2排気ポートOP2を構成しており、三方弁30の第2ポートP2に接続されている。本実施の形態においては、中間排気口OL5は、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1とねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2とを接続する部分の排気路に設けられている。
The intermediate exhaust port OL5 constitutes the second exhaust port OP2 of the composite
補助真空ポンプ20の第3吸気口IL3は、三方弁30の第3ポートP3に接続されている。補助真空ポンプ20の第3排気口OL3は、大気開放されている。
The third intake port IL3 of the
ここで、本実施の形態における排気システム1Aにおいては、三方弁30が、第1ポートP1と第3ポートP3とを接続する第1排気状態と、第2ポートP2と第3ポートP3とを接続する第2排気状態とに選択的にその切り替えが可能に構成されている。
Here, in the
このように構成することにより、上記第1排気状態において、軽ガスおよび非軽ガスが同時に複合分子ポンプ10Aの吸気ポートIPから吸気されて補助真空ポンプ20の第3排気口OL3から排気されるとともに、上記第2排気状態において、主として非軽ガスが複合分子ポンプ10Aの吸気ポートIPから吸気されて補助真空ポンプ20の第3排気口OL3から排気されることになるが、その詳細については後述することとする。
With this configuration, in the first exhaust state, the light gas and the non-light gas are simultaneously taken in from the intake port IP of the composite
図3は、図2に示す複合分子ポンプの模式断面図である。次に、この図3を参照して、本実施の形態における排気システム1Aに具備された複合分子ポンプ10Aの構成について説明する。なお、上述したように、複合分子ポンプ10Aは、ターボ分子ポンプ10aおよびねじ溝真空ポンプ10bを含む複合ポンプとして構成されたものであり、具体的には、ターボ分子ポンプ10aのロータとねじ溝真空ポンプ10bのロータとが一体化されたものである。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the composite molecular pump shown in FIG. Next, with reference to FIG. 3, the configuration of the composite
図3に示すように、複合分子ポンプ10Aは、ベース11と、ステータ12と、ケーシング13と、ロータ14と、ロータ駆動機構15とを主として有している。複合分子ポンプ10Aの外殻は、このうちのベース11、ステータ12およびケーシング13によって構成されており、これらベース11、ステータ12およびケーシングによって構成される外殻の内側には、残るロータ14およびロータ駆動機構15が収容されている。
As shown in FIG. 3, the composite
ベース11は、ステータ12およびロータ駆動機構15を支持するためのものであり、略円盤状の形状を有する金属製の部材にて構成されている。ベース11の所定位置には、複合分子ポンプ10Aの第1排気ポートOP1を構成する第1排気管18が取付けられている。
The
ロータ駆動機構15は、ロータ14を高速で回転させるためのものであり、ベース11の略中央部上に設置されている。ロータ駆動機構15は、モータと磁気軸受とを含んでおり、これらモータおよび磁気軸受が収容されたハウジング15aと、出力軸として回転シャフト15bとをさらに含んでいる。
The
回転シャフト15bは、その下端側の部分がハウジング15aの内部に位置しており、その上端側の部分は、当該ハウジング15aの外部に露出している。回転シャフト15bの露出した部分には、ロータ14が固定されている。
The lower end side portion of the
ハウジング15aの内部に収容されたモータは、ロータ14が固定された回転シャフト15bを回転駆動するものであり、ハウジング15aの内部に収容された磁気軸受は、回転シャフト15bを回転可能に支承するものである。これらモータおよび磁気軸受が駆動することにより、回転シャフト15bが高速で回転し、これによってロータ14が複合分子ポンプ10Aの内部において高速で回転することになる。
The motor housed inside the
ロータ14は、金属製の部材にて構成されており、ロータ駆動機構15の回転シャフト15bに固定された略円柱状の上部側ロータ部14aと、略円筒状の下部側ロータ部14bとを有している。上部側ロータ部14aの外周部には、軸方向に沿って間隔をあけて複数の動翼16が設けられており、当該複数の動翼16は、それぞれ径方向外側に向かって突出して位置している。一方、下部側ロータ部14bは、上述したロータ駆動機構15のハウジング15aを取り囲むように上部側ロータ部14aの下端から下方に向けて延設されている。
The
ステータ12は、略円筒状の形状を有する金属製の部材にて構成されており、ベース11の周縁部上に設置されている。ステータ12は、ロータ14の下部側ロータ部14bを取り囲むように、下部側ロータ部14bの外周面に対向して位置している。ステータ12の所定位置には、複合分子ポンプ10Aの第2排気ポートOP2を構成する第2排気管19が取付けられている。
The
ステータ12の内周面には、雌ねじ形状のねじ溝12aが設けられている。当該ねじ溝12aは、下部側ロータ部14bの外周面に所定の距離をもって位置している。
A female thread-shaped
これにより、ステータ12およびこれに対向する部分の下部側ロータ部14bによってねじ溝真空ポンプ10bが構成されることになる。このねじ溝真空ポンプ10bは、複合分子ポンプ10Aの作動時においてロータ14が高速で回転することにより、排気機能を発揮する。
As a result, the thread
ケーシング13は、略円筒状の形状を有する金属製の部材にて構成されており、ステータ12上に設置されている。ケーシング13は、ロータ14の上部側ロータ部14aを取り囲むように位置している。ケーシング13の上部に設けられた開口部は、複合分子ポンプ10Aの吸気ポートIPを構成している。
The
ケーシング13の内周面上には、複数のスペーサ兼支持部材13aが設けられており、当該複数のスペーサ兼支持部材13aによって複数の静翼17が支持されている。複数の静翼17は、軸方向に沿って間隔をあけて設けられており、それぞれ径方向内側に向かって突出して位置している。
A plurality of spacers and
上述した複数の動翼16および複数の静翼17は、それぞれが異なる方向に向けて傾斜するタービン翼を有している。また、上述した複数の動翼16および複数の静翼17は、これらが軸方向に沿って互い違いに位置することとなるように配設されている。
The plurality of moving
これにより、複数の動翼16および複数の静翼17によってターボ分子ポンプ10aが構成されることになる。このターボ分子ポンプ10aは、複合分子ポンプ10Aの作動時においてロータ14が高速に回転することにより、排気機能を発揮する。
As a result, the turbo
上述した構成の複合分子ポンプ10Aにおいては、複数の動翼16および複数の静翼17のうちの最上段に配置された翼の上面位置においてターボ分子ポンプ10aの第1吸気口IL1が構成されることになり、複数の動翼16および複数の静翼17のうちの最下段に配置された翼の下面位置においてターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1が構成されることになる。
In the composite
また、上述した構成の複合分子ポンプ10Aにおいては、ステータ12とロータ14の下部側ロータ部14bとの間に設けられた隙間の上端位置においてねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2が構成されることになり、ステータ12とロータ14の下部側ロータ部14bとの間に設けられた隙間の下端位置においてねじ溝真空ポンプ10bの第2排気口OL2が構成されることになる。
Further, in the composite
さらに、上述した構成の複合分子ポンプ10Aにおいては、ステータ12に設けられた通気路の上端位置において中間排気口OL5が構成されることになる。
Further, in the composite
ここで、ターボ分子ポンプ10aの第1吸気口IL1は、ケーシング13の内部の空間を介して、ケーシング13の上部に設けられた複合分子ポンプ10Aの吸気ポートIPに連通している。一方、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1は、ケーシング13の内部の空間を介して、ねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2に連通しているとともに、ケーシング13の内部の空間を介して、中間排気口OL5に連通し、さらにステータ12に設けられた通気路を介して、ステータ12に接続された第2排気管19によって構成された複合分子ポンプ10Aの第2排気ポートOP2に連通している。
Here, the first intake port IL1 of the turbo
また、ねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2は、ケーシング13の内部の空間を介して、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1に連通しているとともに、ケーシング13の内部の空間を介して、中間排気口OL5に連通し、さらにステータ12に設けられた通気路を介して、ステータ12に接続された第2排気管19によって構成された複合分子ポンプ10Aの第2排気ポートOP2に連通している。一方、ねじ溝真空ポンプ10bの第2排気口OL2は、ステータ12の内部の空間およびベース11に設けられた通気路を介して、ベース11に接続された第1排気管18によって構成された複合分子ポンプ10Aの第1排気ポートOP1に連通している。
Further, the second intake port IL2 of the thread
これにより、上述したように、ターボ分子ポンプ10aが、複合分子ポンプ10A内に形成される排気路の上流側の部分を構成することになり、ねじ溝真空ポンプ10bが、複合分子ポンプ10A内に形成される排気路の下流側の部分を構成することになる。
As a result, as described above, the turbo
換言すれば、複合分子ポンプ10Aにおいては、吸気ポートIPが、ターボ分子ポンプ10aおよびねじ溝真空ポンプ10bを介して第1排気ポートOP1に接続されている一方で、当該吸気ポートIPは、ターボ分子ポンプ10aのみを介して第2排気ポートOP2にも接続されている。
In other words, in the composite
なお、ベース11とステータ12との間、ステータ12とケーシング13との間、ベース11と第1排気管18との間、ステータ12と第2排気管19との間等には、それぞれOリング等のシール部材が介在されている。これにより、吸気ポートIPと第1排気ポートOP1および第2排気ポートOP2との間に位置する部分の排気路の気密性が確保されることになり、当該排気路からの漏気の発生が防止できる。
It should be noted that there are O-rings between the base 11 and the
図4および図5は、それぞれ本実施の形態における排気システムにおける上述した第1排気状態および第2排気状態を示した図である。次に、これら図4および図5を参照して、上述した第1排気状態および第2排気状態について詳説する。 4 and 5 are diagrams showing the above-mentioned first exhaust state and the second exhaust state in the exhaust system according to the present embodiment, respectively. Next, with reference to these FIGS. 4 and 5, the above-mentioned first exhaust state and second exhaust state will be described in detail.
図4に示すように、第1排気状態においては、三方弁30が切り替えられることにより、当該三方弁30の第1ポートP1および第3ポートP3が接続された状態となる。当該第1排気状態においては、複合分子ポンプ10Aの第1排気ポートOP1と補助真空ポンプ20の第3吸気口IL3とが三方弁30を介して接続された状態となる。
As shown in FIG. 4, in the first exhaust state, the three-
これにより、排気システム1Aにおいては、ターボ分子ポンプ10a、ねじ溝真空ポンプ10bおよび補助真空ポンプ20が上流側からこの順で接続された状態となり、これによって図中に示す第1排気経路EP1が形成されることになる。より詳細には、第1排気状態においては、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスが、第1排気口OL1、第2吸気口IL2、第1排気ポートOP1として構成された第2排気口OL2および第3吸気口IL3をこの順で経由して、第3排気口OL3から排気されることになる。
As a result, in the
図5に示すように、第2排気状態においては、三方弁30が切り替えられることにより、当該三方弁30の第2ポートP2および第3ポートP3が接続された状態となる。当該第2排気状態においては、複合分子ポンプ10Aの第2排気ポートOP2と補助真空ポンプ20の第3吸気口IL3とが三方弁30を介して接続された状態となる。
As shown in FIG. 5, in the second exhaust state, the three-
これにより、排気システム1Aにおいては、ターボ分子ポンプ10aおよび補助真空ポンプ20が上流側からこの順で接続された状態となり、これによって図中に示す第2排気経路EP2が形成されることになる。より詳細には、第2排気状態においては、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスが、第1排気口OL1、第2排気ポートOP2として構成された中間排気口OL5および第3吸気口IL3をこの順で経由して、第3排気口OL3から排気されることになる。すなわち、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスは、上記第1排気状態とは異なり、第2吸気口IL2および第1排気ポートOP1として構成された第2排気口OL2を経ることはない。
As a result, in the
ここで、一般に、ターボ分子ポンプは、吸気口側での排気速度が排気口側での補助排気速度に相当程度に依存し、排気口側での補助排気速度が大きい場合に、吸気口側での排気速度も大きくなる傾向にあり、排気口側での補助排気速度が小さい場合に、吸気口側での排気速度も小さくなる傾向にある。また、その依存の程度は、排気するガスの種類によっても大きく異なり、軽ガスに対する依存の程度は、非軽ガスに対する依存の程度よりも大きい。なお、ここで言う補助排気速度は、ターボ分子ポンプの排気口とその下流側に配置された真空ポンプとの間の排気路のコンダクタンスが十分に大きい場合には、当該ターボ分子ポンプの下流側に配置された真空ポンプの吸気口側での排気速度と基本的に等価となる。すなわち、上記補助排気速度は、上述した第1排気状態においては、ねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2側での排気速度と等価であり、上述した第2排気状態においては、補助真空ポンプ20の第3吸気口IL3側での排気速度と等価である。
Here, in general, in a turbo molecular pump, when the exhaust speed on the intake port side depends to a considerable extent on the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side and the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side is large, the intake port side The exhaust speed tends to increase, and when the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side is small, the exhaust speed on the intake port side also tends to decrease. Further, the degree of dependence varies greatly depending on the type of gas to be exhausted, and the degree of dependence on light gas is greater than the degree of dependence on non-light gas. The auxiliary exhaust speed referred to here is set to the downstream side of the turbo molecular pump when the conductance of the exhaust path between the exhaust port of the turbo molecular pump and the vacuum pump arranged on the downstream side thereof is sufficiently large. It is basically equivalent to the exhaust speed on the intake side of the placed vacuum pump. That is, the auxiliary exhaust speed is equivalent to the exhaust speed on the second intake port IL2 side of the thread
また、通常、油回転真空ポンプからなる補助真空ポンプ20の第3吸気口IL3側での排気速度は、ねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2側での排気速度に比べて、桁違いに小さい。
Further, normally, the exhaust speed of the
そのため、三方弁30が切り替えられることにより、第2排気状態におけるターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1での補助排気速度は、第1排気状態におけるターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1での補助排気速度よりも桁違いに小さくなる。その結果、第2排気状態におけるターボ分子ポンプ10aの第1吸気口IL1での排気速度は、非軽ガスに対しては第1排気状態における排気速度と遜色がないものとなるのに対し、軽ガスに対しては第1排気状態における排気速度と比較して著しく小さくなる。
Therefore, by switching the three-
したがって、第1排気状態においては、軽ガスおよび非軽ガスが同時に複合分子ポンプ10Aの吸気ポートIPから吸気されて上記第1排気経路EP1を経由して補助真空ポンプ20の第3排気口OL3から排気されることになり、第2排気状態においては、主として非軽ガスが複合分子ポンプ10Aの吸気ポートIPから吸気されて上記第2排気経路EP2を経由して補助真空ポンプ20の第3排気口OL3から排気されることになる。すなわち、第2排気状態においては、軽ガスとしてのヘリウムガスの排気量が第1排気状態に比べて著しく小さくなる反面、非軽ガスの排気量は第1排気状態とほぼ同等に維持される。
Therefore, in the first exhaust state, the light gas and the non-light gas are simultaneously taken in from the intake port IP of the composite
これにより、上述した図1に示す電子ビーム積層造形装置100において、積層造形の前段階において、ヘリウムガス供給源200による第2チャンバ部112内へのヘリウムガスの導入を停止しつつ、排気システム1Aを用いて上記第1排気状態にて第2チャンバ部112内の排気を行なうことにより、短時間のうちに高真空状態を作り出すことができ、その後、積層造形時において、ヘリウムガス供給源200による第2チャンバ部112内へのヘリウムガスの導入を行ないつつ、排気システム1Aを用いて上記第2排気状態にて第2チャンバ部112内の排気を行なうことにより、ヘリウムガスの分圧が相対的に高く保たれつつも非軽ガスの分圧が相対的に低く保たれた真空状態が維持できることになる。
As a result, in the electron beam laminated
ここで、第2排気状態においては、排気システム1Aによって排気される軽ガスとしてのヘリウムガスの排気量が僅かであるため、ヘリウムガス供給源200によって第2チャンバ部112内へ導入すべきヘリウムガスの量も大幅に少なくて済む。そのため、ヘリウムガスの消費量を大幅に抑制しつつも、第2チャンバ部112内のヘリウムガスの分圧を相対的に高く保つことができる。
Here, in the second exhaust state, since the displacement of helium gas as a light gas exhausted by the
したがって、上述した本実施の形態における排気システム1Aを適用することにより、軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することもできる排気システムの実現が可能になり、また、当該排気システム1Aを備えた電子ビーム積層造形装置100とすることにより、造形速度や造形精度に優れつつも補助ガスとしてのヘリウムガスの消費量を抑制することができる電子ビーム積層造形装置の実現が可能になる。
Therefore, by applying the
ここで、上述したターボ分子ポンプ10aを構成する動翼16および静翼17の合計段数は、10段以上12段以下であることが好ましい。本実施の形態においては、これを6段の動翼16と5段の静翼17との合計11段で構成している。このように構成することにより、第1吸気口IL1側でのヘリウムガスに対する排気速度が、排気口側での補助排気速度に依存する程度を増大させることができ(すなわち、第2排気状態におけるヘリウムガスの排気量をさらに抑制することができ)、非軽ガスの選択排気を促進できることになる。
Here, the total number of stages of the moving
なお、通常のターボ分子ポンプの動翼および静翼の合計段数は、15段以上とされるため、上述のとおりこれらの合計段数を10段以上12段以下とした場合には、非軽ガスの選択排気が促進できるばかりでなく、ターボ分子ポンプ10aを大幅に小型化することもできる。
Since the total number of moving blades and stationary blades of a normal turbo molecular pump is 15 or more, when the total number of these stages is 10 or more and 12 or less as described above, it is a non-light gas. Not only can selective exhaust be promoted, but the turbo
また、上述したねじ溝真空ポンプ10bを構成するステータ12に設けられるねじ溝12aの深さの勾配は、0より大きく0.04以下とされることが好ましい。このように構成することにより、上記第1排気状態における第1排気口OL1でのヘリウムガスに対する補助排気速度をより大きくすることができるため、第1排気状態におけるヘリウムガスの排気量を増大させることができる。
Further, the gradient of the depth of the
以下においては、本実施の形態における排気システム1Aを適用することにより、軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することも可能になるメカニズムについて、より詳細に説明する。
In the following, by applying the
一般に、高真空状態において、チャンバの内壁面等から脱離するガス分子は、水蒸気(H2O)が最も多い。そのため、ここでは、放出ガスが水蒸気のみであると仮定する。 Generally, in a high vacuum state, water vapor (H 2 O) is the most abundant gas molecules desorbed from the inner wall surface of the chamber and the like. Therefore, it is assumed here that the only released gas is water vapor.
補助ガスをヘリウムガスとし、放出ガス(不純物)を水蒸気と仮定した場合には、チャンバ内の不純物比αは、チャンバ内のヘリウムガスの分圧をPHeとし、チャンバ内の水蒸気の分圧をPH2Oとすると、下記式(1)で定義される。 Assuming that the auxiliary gas is helium gas and the released gas (impurity) is water vapor, the impurity ratio α in the chamber is PHe, which is the partial pressure of helium gas in the chamber, and PH is the partial pressure of water vapor in the chamber. Assuming 2 O, it is defined by the following equation (1).
ここで、チャンバ内へのヘリウムガスの供給流量をQHeとし、チャンバの内壁面等からの水蒸気の放出量をQH2Oとし、ターボ分子ポンプの吸気口でのヘリウムガスの排気速度をSHeとし、ターボ分子ポンプの吸気口での水蒸気の排気速度をSH2Oとすると、上記式(1)は、下記式(2)のとおりに書き換えることができる。 Here, the flow rate of helium gas supplied into the chamber is QHe, the amount of water vapor released from the inner wall surface of the chamber is QH 2 O, and the exhaust rate of helium gas at the intake port of the turbo molecular pump is SH. Assuming that the exhaust rate of water vapor at the intake port of the turbo molecular pump is SH 2 O, the above equation (1) can be rewritten as the following equation (2).
したがって、上記式(2)より、不純物比αを小さくするためには、ターボ分子ポンプの吸気口での水蒸気の排気速度SH2Oに対して、ターボ分子ポンプの吸気口でのヘリウムガスの排気速度SHeを小さくすればよいことになる。 Therefore, according to the above equation (2), in order to reduce the impurity ratio α, the helium gas is exhausted at the intake port of the turbo molecular pump with respect to the exhaust rate SH 2 O of water vapor at the intake port of the turbo molecular pump. The speed She should be reduced.
一般に、自由分子領域においては、ターボ分子ポンプのある気体に対する吸気口での排気速度Sは、その気体に対する最大排気速度Smaxと、その気体に対する最大圧縮比Kmaxと、ターボ分子ポンプの排気口でのその気体に対する排気速度(補助排気速度)Sforeとを用いて、下記式(3)で表わされる。 Generally, in the free molecular region, the exhaust speed S at the intake port for a gas of the turbo molecular pump is the maximum exhaust speed Smax for the gas, the maximum compression ratio Kmax for the gas, and the exhaust port of the turbo molecular pump. It is expressed by the following equation (3) using the exhaust speed (auxiliary exhaust speed) Sfore for the gas.
ここで、上記気体が非軽ガスである場合には、Kmax>>1の条件が成立するため、上記式(3)は、下記式(4−1)に示すε1を用いて下記式(4−2)に書き換えることができる。 Here, when the gas is a non-light gas, the condition of Kmax >> 1 is satisfied. Therefore, the above formula (3) uses the following formula (4) using ε1 represented by the following formula (4-1). -2) can be rewritten.
一方、上記気体が軽ガスであり、かつ、Sforeが十分に大きな場合には、Kmax>1かつSmax>Sforeの条件が成立するため、上記式(3)は、下記式(5−1)に示すε2を用いて下記式(5−2)に書き換えることができる。 On the other hand, when the gas is a light gas and the Sfore is sufficiently large, the conditions of Kmax> 1 and Smax> Sfore are satisfied. Therefore, the above formula (3) is changed to the following formula (5-1). It can be rewritten to the following equation (5-2) using the shown ε2.
他方、上記気体が軽ガスであり、かつ、Sforeが十分に小さい場合には、Kmax>1かつSmax>>Sforeの条件が成立するため、上記式(3)は、下記式(6−1)に示すε3を用いて下記式(6−2)に書き換えることができる。 On the other hand, when the gas is a light gas and the Sfore is sufficiently small, the conditions of Kmax> 1 and Smax >> Sfore are satisfied. Therefore, the above equation (3) is expressed by the following equation (6-1). It can be rewritten to the following equation (6-2) using ε3 shown in.
なお、SmaxおよびKmaxは、ガス種ごとにターボ分子ポンプの設計で決まる値であり、Sforeは、上述したとおりターボ分子ポンプの下流側に配置される真空ポンプの能力およびターボ分子ポンプと当該真空ポンプとを接続する排気路のコンダクタンスによって決まる。また、原理的に、軽ガス(ここではヘリウムガス)のKmaxは、非軽ガス(ここでは水蒸気)のKmaxよりも桁違いに小さい。 Smax and Kmax are values determined by the design of the turbo molecular pump for each gas type, and Sfore is the capacity of the vacuum pump arranged on the downstream side of the turbo molecular pump as described above, and the turbo molecular pump and the vacuum pump. It depends on the conductance of the exhaust passage connecting with. Further, in principle, the Kmax of a light gas (here, helium gas) is orders of magnitude smaller than the Kmax of a non-light gas (here, water vapor).
以上を勘案すれば、以下の条件を満たすように排気システムを構築することにより、ヘリウムガスおよび水蒸気を同時に排気することができる一方で、水蒸気のみを選択的に主として排気することもできる排気システムが実現できることになる。 In consideration of the above, by constructing an exhaust system so as to satisfy the following conditions, an exhaust system capable of simultaneously exhausting helium gas and water vapor, while selectively exhausting only water vapor can be achieved. It will be possible.
第1の条件は、ヘリウムガスおよび水蒸気を同時により多く排気するために、上述したSHe,SH2Oをいずれも大きくすることである。SH2Oを大きくするためには、上記式(4−2)に従ってSをSmaxに近づければよく、結果としてε1を十分に小さくすればよい。SHeを大きくするためには、上記式(5−2)に従ってSをSmaxに近づければよく、結果としてε2を十分に小さくすればよい。 The first condition is to increase both SH and SH 2 O described above in order to exhaust more helium gas and water vapor at the same time. In order to increase SH 2 O, S may be brought closer to Smax according to the above equation (4-2), and as a result, ε1 may be sufficiently reduced. In order to increase She, S may be brought closer to Smax according to the above equation (5-2), and as a result, ε2 may be sufficiently reduced.
第2の条件は、水蒸気のみを選択的に主として排気するために、上述したSHeを小さくしつつSH2Oを大きくすることである。SH2Oを大きくするためには、上述したように上記式(4−2)に従ってSをSmaxに近づければよく、結果としてε1を十分に小さくすればよい。SHeを小さくするためには、上記式(6−2)に従ってSをSfore×Kmaxに近づければよく、結果としてε3を十分に小さくすればよい。 The second condition is to increase SH 2 O while reducing the above-mentioned SH in order to selectively and mainly exhaust only water vapor. In order to increase SH 2 O, S may be brought closer to Smax according to the above equation (4-2) as described above, and as a result, ε1 may be sufficiently reduced. In order to reduce She, S may be brought close to Sfore × Kmax according to the above equation (6-2), and as a result, ε3 may be sufficiently reduced.
このうち、ε1を小さくすることは、ターボ分子ポンプの設計如何によって実現できるものであり、比較的容易にその設計が可能である。一方、ε2およびε3は、ターボ分子ポンプの下流側に設置される真空ポンプの能力およびターボ分子ポンプと当該真空ポンプとを接続する排気路のコンダクタンスに依存し、また単一の真空ポンプにてこれらε2およびε3をいずれも小さくすることはできないため、ターボ分子ポンプの下流側に分岐路を形成し、そのそれぞれに異なる能力の真空ポンプを配置することで実現できる。なお、ε2を小さくするためには、ヘリウムガスに対する排気速度が大きい真空ポンプを用いればよく、ε3を小さくするためには、ヘリウムガスに対する排気速度が小さい真空ポンプを用いればよい。 Of these, reducing ε1 can be realized by designing a turbo molecular pump, and the design is relatively easy. On the other hand, ε2 and ε3 depend on the capacity of the vacuum pump installed on the downstream side of the turbo molecular pump and the conductance of the exhaust path connecting the turbo molecular pump and the vacuum pump, and these in a single vacuum pump. Since neither ε2 nor ε3 can be made small, this can be realized by forming a branch path on the downstream side of the turbo molecular pump and arranging vacuum pumps having different capacities in each of them. In order to reduce ε2, a vacuum pump having a large exhaust rate with respect to helium gas may be used, and to reduce ε3, a vacuum pump having a small exhaust rate with respect to helium gas may be used.
以上により、上述した本実施の形態における排気システム1Aのように、第1排気状態として、ターボ分子ポンプ10aの下流側にヘリウムガスに対する排気速度が大きいねじ溝真空ポンプ10bが接続され、第2排気状態において、ターボ分子ポンプ10aの下流側にヘリウムガスに対する排気速度が小さい油回転真空ポンプからなる補助真空ポンプ20が接続されるように構成するとともに、これら第1排気状態および第2排気状態を三方弁30によって選択的に切り替え可能に構成することにより、軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することもできる排気システムの実現が可能になる。
As described above, as in the
図6は、実施例A,Bに係るターボ分子ポンプの排気特性を示したグラフである。以下、この図6を参照して、本実施の形態における排気システム1Aに具備されるべきターボ分子ポンプ10aの排気特性について説明する。
FIG. 6 is a graph showing the exhaust characteristics of the turbo molecular pumps according to Examples A and B. Hereinafter, with reference to FIG. 6, the exhaust characteristics of the turbo
上述したように、ターボ分子ポンプにおいては、吸気口側での排気速度が排気口側での補助排気速度に相当程度に依存する。図6に示すグラフは、この依存の程度を示したグラフであり、実施例A,Bに係るターボ分子ポンプの各々について、ヘリウムガスおよび窒素ガスに対する吸気口側での排気速度と、排気口側での補助排気速度との関係を示したものである。なお、当該グラフでは、縦軸をヘリウムガスおよび窒素ガスに対する吸気口側での排気速度S[L/s]とし、横軸を排気口側での補助排気速度Sfore[L/s]としている。 As described above, in the turbo molecular pump, the exhaust speed on the intake port side depends to a considerable extent on the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side. The graph shown in FIG. 6 is a graph showing the degree of this dependence. For each of the turbo molecular pumps according to Examples A and B, the exhaust speed on the intake port side with respect to helium gas and nitrogen gas and the exhaust port side. It shows the relationship with the auxiliary exhaust speed in. In the graph, the vertical axis represents the exhaust speed S [L / s] on the intake port side with respect to helium gas and nitrogen gas, and the horizontal axis represents the auxiliary exhaust speed Sfore [L / s] on the exhaust port side.
実施例Aは、吸気口での排気速度が3000[L/s]程度の標準的なターボ分子ポンプであり、静翼段および動翼段の合計段数が17段のものである。一方、実施例Bは、当該標準的なターボ分子ポンプにおいて、静翼段および動翼段の合計段数を11段に減らしたものである。 Example A is a standard turbo molecular pump having an exhaust speed of about 3000 [L / s] at the intake port, and has a total of 17 stages of stationary blade stages and moving blade stages. On the other hand, in Example B, the total number of stages of the stationary blade stage and the moving blade stage is reduced to 11 stages in the standard turbo molecular pump.
図6を参照して、実施例A,Bに係るターボ分子ポンプのいずれにおいても、非軽ガスである窒素ガスに対しては、排気口側での補助排気速度の変化に対する吸気口側での補助排気速度に大きな変化はなく、おおよそその吸気口側での排気速度が3100[L/s]に保たれていることが理解できる。 With reference to FIG. 6, in all of the turbo molecular pumps according to Examples A and B, for nitrogen gas, which is a non-light gas, the intake port side with respect to the change in the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side. It can be understood that there is no significant change in the auxiliary exhaust speed, and the exhaust speed on the intake port side is maintained at 3100 [L / s].
一方で、実施例A,Bに係るターボ分子ポンプのいずれにおいても、軽ガスであるヘリウムガスに対しては、排気口側での補助排気速度の変化に対する吸気口側での補助排気速度に大きな変化があり、排気口側での補助排気速度が減少するにつれて吸気口側での排気速度も減少する傾向があることが理解できる。 On the other hand, in all of the turbo molecular pumps according to Examples A and B, for helium gas, which is a light gas, the auxiliary exhaust speed on the intake port side is large with respect to the change in the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side. It can be understood that there is a change and the exhaust speed on the intake port side tends to decrease as the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side decreases.
このように、実施例A,Bに係るターボ分子ポンプのいずれを用いた場合にも、排気口側での補助排気速度を変化させることにより、非軽ガスである窒素ガスに対する吸気口側での排気速度を同等程度に維持しつつ、軽ガスであるヘリウムガスに対する吸気口側での排気速度を大きくしたり小さくしたりすることができる。したがって、このような排気特性を有する限りにおいては、どのようなターボ分子ポンプであっても、本実施の形態における排気システム1Aに具備させることができる。
In this way, regardless of which of the turbo molecular pumps according to Examples A and B is used, by changing the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side, the intake port side with respect to the non-light gas nitrogen gas is used. It is possible to increase or decrease the exhaust speed on the intake port side with respect to helium gas, which is a light gas, while maintaining the exhaust speed at the same level. Therefore, any turbo molecular pump can be provided in the
ここで、実施例Aに係るターボ分子ポンプにおいては、排気口側での補助排気速度が約60〜400[L/s]の場合に、吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度が約2800〜3000程度に維持されているのに対し、排気口側での補助排気速度が約60[L/s]を下回った場合に、急激に吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度が減少し、排気口側での補助排気速度が約10[L/s]の場合に、吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度が約1800[L/s]程度にまで減少している。 Here, in the turbo molecular pump according to the A embodiment, when the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side is about 60 to 400 [L / s], the exhaust speed with respect to the helium gas on the intake port side is about 2800 to. While it is maintained at about 3000, when the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side falls below about 60 [L / s], the exhaust speed for helium gas on the intake port side suddenly decreases and exhausts. When the auxiliary exhaust speed on the mouth side is about 10 [L / s], the exhaust speed for helium gas on the intake port side is reduced to about 1800 [L / s].
一方、実施例Bに係るターボ分子ポンプにおいては、排気口側での補助排気速度が400[L/s]よりも小さい範囲において、排気口側での補助排気速度が減少するにつれてより滑らかに吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度が減少し、排気口側での補助排気速度が約10[L/s]の場合に、吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度が約300[L/s]程度にまで減少している。 On the other hand, in the turbo molecular pump according to the B embodiment, in the range where the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side is smaller than 400 [L / s], the intake becomes smoother as the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side decreases. When the exhaust speed for helium gas on the mouth side decreases and the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side is about 10 [L / s], the exhaust speed for helium gas on the intake port side is about 300 [L / s]. ] Has decreased to the extent.
そのため、実施例Aに係るターボ分子ポンプにおいては、排気口側での補助排気速度の変化に応じて、吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度が敏感に変化してしまうことになり、安定的な制御が難しくなるおそれがあり、また、吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度自体も、極端には小さくできないおそれがある。 Therefore, in the turbo molecular pump according to the A embodiment, the exhaust speed with respect to the helium gas on the intake port side changes sensitively according to the change in the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side, which is stable. Control may be difficult, and the exhaust speed itself for helium gas on the intake port side may not be extremely small.
これに対し、実施例Bに係るターボ分子ポンプにおいては、排気口側での補助排気速度の変化に応じて、吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度が徐々に変化することになり、より安定的な制御が行なえるばかりでなく、吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度自体も、これを十分に小さくできる。 On the other hand, in the turbo molecular pump according to the B embodiment, the exhaust speed for helium gas on the intake port side gradually changes according to the change in the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side, which is more stable. Not only can the control be performed, but also the exhaust speed itself for helium gas on the intake port side can be sufficiently reduced.
したがって、上述したように、本実施の形態における排気システム1Aに具備させるターボ分子ポンプ10aとしては、動翼16および静翼17の合計段数が10段以上12段以下であるものがより好適であると言える。
Therefore, as described above, as the turbo
図7は、実施例a,b,cに係るねじ溝真空ポンプのねじ溝の形状を示した模式断面図であり、図8は、実施例a,b,c,dに係るねじ溝真空ポンプのねじ溝の深さの勾配を示した表である。図9は、実施例a,b,cに係るねじ溝真空ポンプの排気特性を示したグラフであり、図10は、実施例a,b,cに係るねじ溝真空ポンプと実施例Bに係るターボ分子ポンプとを組み合わせた場合の排気特性を纏めた表である。また、図11は、実施例c,dに係るねじ溝真空ポンプの排気特性を示したグラフであり、図12は、実施例c,dに係るねじ溝真空ポンプと実施例Bに係るターボ分子ポンプとを組み合わせた場合の排気特性を纏めた表である。以下、これら図7ないし図12を参照して、本実施の形態における排気システム1Aに具備されるべきねじ溝真空ポンプ10bの排気特性について説明する。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the shape of the thread groove of the thread groove vacuum pump according to Examples a, b, c, and FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the thread groove vacuum pump according to Examples a, b, c, d. It is a table which shows the gradient of the depth of the thread groove of. FIG. 9 is a graph showing the exhaust characteristics of the thread groove vacuum pump according to Examples a, b, and c, and FIG. 10 shows the thread groove vacuum pump according to Examples a, b, and C and Example B. It is a table summarizing the exhaust characteristics when combined with a turbo molecular pump. Further, FIG. 11 is a graph showing the exhaust characteristics of the thread groove vacuum pump according to Examples c and d, and FIG. 12 shows the thread groove vacuum pump according to Examples c and d and the turbo molecule according to Example B. It is a table summarizing the exhaust characteristics when combined with a pump. Hereinafter, with reference to these FIGS. 7 to 12, the exhaust characteristics of the thread
上述したように、本実施の形態における排気システム1Aにおいては、第1排気状態において、非軽ガスのみならず軽ガスであるヘリウムガスについてもその排気量を大きく確保することが求められる。そのため、ねじ溝真空ポンプ10bにおいては、ヘリウムガスに対する排気速度を可能な限り大きくすることが必要になる。
As described above, in the
ねじ溝真空ポンプの排気特性は、ねじ溝の深さの勾配によって大きくその影響を受ける。ここでは、ねじ溝の深さの勾配や軸長が異なる実施例a,b,c,dの合計で4種類のモデルを想定して、それぞれにおけるヘリウムガスに対する排気速度を検討する。 The exhaust characteristics of a threaded vacuum pump are greatly affected by the gradient of the threaded depth. Here, assuming four types of models in total of Examples a, b, c, and d having different thread groove depth gradients and shaft lengths, the exhaust speed with respect to helium gas in each model is examined.
図7および図8に示すように、実施例a,b,cに係るねじ溝真空ポンプにおいては、ねじ溝12aが形成される部分のステータ12の軸長をいずれも128.0[mm]とし、ねじ溝12aの上流側端部における深さをいずれも11.0[mm]とし、ねじ溝12aの下流側端部における深さをそれぞれ1.5[mm]、3.0[mm]、6.0[mm]とした。実施例a,b,cに係るねじ溝真空ポンプのねじ溝12aの深さの勾配は、それぞれ0.074[−]、0.063[−]、0.039[−]である。
As shown in FIGS. 7 and 8, in the thread groove vacuum pump according to Examples a, b, and c, the axial length of the
一方、図8に示すように、実施例dに係るねじ溝真空ポンプにおいては、ねじ溝12aが形成される部分のステータ12の軸長を168.0[mm]とし、ねじ溝12aの上流側端部における深さを12.56[mm]とし、ねじ溝12aの下流側端部における深さをそれぞれ6.0[mm]とした。実施例dに係るねじ溝真空ポンプのねじ溝12aの深さの勾配は、0.039[−]である。
On the other hand, as shown in FIG. 8, in the thread groove vacuum pump according to the d of the embodiment, the axial length of the
なお、実施例dに係るねじ溝真空ポンプは、実施例cに係るねじ溝真空ポンプにおいて、ねじ溝12aの深さの勾配を維持しつつ、ねじ溝12aの上流側端部を40.0[mm]だけ上流側に延長したものである。当該構成は、標準的な複合分子ポンプにおいて、ターボ分子ポンプの動翼および静翼の合計段数を減少させた場合に得られるスペースに、ねじ溝真空ポンプを延設させることを想定したものである。
In the thread groove vacuum pump according to the embodiment d, in the thread groove vacuum pump according to the embodiment c, the upstream end portion of the
図9に示すグラフは、ねじ溝の深さの勾配を変化させた場合に、軽ガスとしてのヘリウムガスおよび非軽ガスとしての窒素ガスに対するねじ溝真空ポンプの排気特性がどのように変化するかを示したものである。なお、当該グラフは、ヘリウムガスまたは窒素ガスがねじ溝内を一定量(10[sccm](20[℃]換算で18.1[Pa・L/s])流れている場合(第2チャンバ部112において分圧が6.0×10-3[Pa]程度の場合)の、ねじ溝の上流側端部における圧力と、ねじ溝の下流側端部における圧力(いわゆる背圧)との関係を示したものである。当該グラフでは、縦軸をねじ溝の上流側端部における圧力Ps[Pa]とし、横軸をねじ溝の下流側端部における圧力Pb[Pa]としている。 The graph shown in FIG. 9 shows how the exhaust characteristics of the thread groove vacuum pump change with respect to helium gas as a light gas and nitrogen gas as a non-light gas when the gradient of the depth of the thread groove is changed. Is shown. The graph shows the case where a certain amount of helium gas or nitrogen gas is flowing in the thread groove (18.1 [Pa · L / s] in terms of 10 [sccm] (20 [° C.]) (second chamber portion). The relationship between the pressure at the upstream end of the thread groove and the pressure at the downstream end of the thread groove (so-called back pressure) when the partial pressure is about 6.0 × 10 -3 [Pa] in 112) In the graph, the vertical axis represents the pressure Ps [Pa] at the upstream end of the thread groove, and the horizontal axis represents the pressure Pb [Pa] at the downstream end of the thread groove.
実施例aに係るねじ溝真空ポンプにおいては、他のねじ溝真空ポンプに比べてねじ溝の深さの勾配が大きく、耐背圧性能が向上する反面、Pbが低い場合のヘリウムガスに対する排気速度が小さい(すなわちPsが高い)ことが分かる。 In the thread groove vacuum pump according to Example a, the gradient of the thread groove depth is larger than that of other thread groove vacuum pumps, and the back pressure resistance performance is improved, but the exhaust speed with respect to helium gas when Pb is low. Is small (that is, Ps is high).
一方、実施例bに係るねじ溝真空ポンプにおいては、実施例aに係るねじ溝真空ポンプに比べてねじ溝の深さの勾配が小さく、耐背圧性能が多少劣るものの、Pbが低い場合のヘリウムガスに対する排気速度が大きい(すなわちPsが低い)ことが分かる。 On the other hand, in the thread groove vacuum pump according to the b embodiment, the gradient of the thread groove depth is smaller than that of the thread groove vacuum pump according to the a, and the back pressure resistance performance is slightly inferior, but the Pb is low. It can be seen that the exhaust rate with respect to helium gas is high (that is, Ps is low).
また、実施例cに係るねじ溝真空ポンプにおいては、実施例bに係るねじ溝真空ポンプに比べてねじ溝の深さの勾配がさらに小さく、耐背圧性能がより劣ったものとなるものの、Pbが低い場合のヘリウムガスに対する排気速度が非常に大きい(すなわちPsが非常に低い)ことが分かる。 Further, in the thread groove vacuum pump according to Example c, the gradient of the thread groove depth is further smaller than that of the thread groove vacuum pump according to Example b, and the back pressure resistance performance is inferior. It can be seen that the exhaust rate for helium gas when Pb is low is very high (that is, Ps is very low).
ここで、図10は、ねじ溝真空ポンプの上流側に設置されるターボ分子ポンプを上述した実施例Bのものとし、ねじ溝真空ポンプの下流側に設置される補助真空ポンプの排気速度を100[L/s]とし、ヘリウムガスがねじ溝内を10[sccm]流れている場合における実施例a,b,cの排気特性を示したものである。ここで、図9に示すグラフからねじ溝の上流側端部におけるヘリウムガスの圧力Ps[Pa]が読み取れ、これに基づいてターボ分子ポンプの第1排気口での補助排気速度Sfore[L/S]が算出され、さらにこれに基づいて、図6に示すグラフからターボ分子ポンプの第1吸気口でのヘリウムガスに対する排気速度SHe[L/s]が読み取れる。 Here, FIG. 10 assumes that the turbo molecular pump installed on the upstream side of the threaded groove vacuum pump is that of the above-described Example B, and the exhaust speed of the auxiliary vacuum pump installed on the downstream side of the threaded groove vacuum pump is 100. It is set to [L / s] and shows the exhaust characteristics of Examples a, b, and c when the helium gas is flowing in the thread groove by 10 [sccm]. Here, the pressure Ps [Pa] of the helium gas at the upstream end of the thread groove can be read from the graph shown in FIG. 9, and based on this, the auxiliary exhaust speed Sfore [L / S] at the first exhaust port of the turbo molecular pump ] Is calculated, and based on this, the exhaust rate She [L / s] with respect to the helium gas at the first intake port of the turbo molecular pump can be read from the graph shown in FIG.
図10に示すように、実施例a,b,cでは、それぞれターボ分子ポンプの第1吸気口でのヘリウムガスに対する排気速度SHeが、2060[L/s]、2150[L/s]、2230[L/s]となることが分かる。このようにねじ溝真空ポンプのねじ溝の深さの勾配をより小さくすることにより、第1排気状態において、軽ガスであるヘリウムガスの排気量をより大きく確保することが可能になる。 As shown in FIG. 10, in Examples a, b, and c, the exhaust speeds She for helium gas at the first intake port of the turbo molecular pump are 2060 [L / s], 2150 [L / s], and 2230, respectively. It can be seen that it becomes [L / s]. By making the gradient of the thread groove depth of the thread groove vacuum pump smaller in this way, it is possible to secure a larger displacement amount of helium gas, which is a light gas, in the first exhaust state.
図11に示すグラフは、ねじ溝の軸長を変化させた場合に、軽ガスとしてのヘリウムガスおよび非軽ガスとしての窒素ガスに対するねじ溝真空ポンプの排気特性がどのように変化するかを示したものである。なお、当該グラフは、ヘリウムガスまたは窒素ガスがねじ溝内を一定量(10[sccm])流れている場合(排気過程において分圧が6.0×10-3[Pa]程度の場合)の、ねじ溝の上流側端部における圧力と、ねじ溝の下流側端部における圧力(いわゆる背圧)との関係を示したものである。当該グラフでは、縦軸をねじ溝の上流側端部における圧力Ps[Pa]とし、横軸をねじ溝の下流側端部における圧力Pb[Pa]としている。 The graph shown in FIG. 11 shows how the exhaust characteristics of the thread groove vacuum pump change with respect to helium gas as a light gas and nitrogen gas as a non-light gas when the shaft length of the thread groove is changed. It is a thing. The graph shows the case where a certain amount (10 [sccm]) of helium gas or nitrogen gas is flowing in the thread groove (when the partial pressure is about 6.0 × 10 -3 [Pa] in the exhaust process). , The relationship between the pressure at the upstream end of the thread groove and the pressure at the downstream end of the thread groove (so-called back pressure) is shown. In the graph, the vertical axis represents the pressure Ps [Pa] at the upstream end of the thread groove, and the horizontal axis represents the pressure Pb [Pa] at the downstream end of the thread groove.
実施例dに係るねじ溝真空ポンプにおいては、実施例cに係るねじ溝真空ポンプに比べてねじ溝の軸長が長く、Pbが低い場合のヘリウムガスに対する排気速度がより大きい(すなわちPsが低い)ことが分かる。 In the threaded groove vacuum pump according to the d of the embodiment, the axial length of the threaded groove is longer and the exhaust rate with respect to the helium gas is larger (that is, the Ps is lower) when the shaft length of the threaded groove is longer and the Pb is lower than that of the threaded groove vacuum pump according to the c. ) Is understood.
ここで、図12は、ねじ溝真空ポンプの上流側に設置されるターボ分子ポンプを上述した実施例Bのものとし、ねじ溝真空ポンプの下流側に設置される補助真空ポンプの排気速度を100[L/s]とし、ヘリウムガスがねじ溝内を10[sccm]流れている場合における実施例c,dの排気特性を示したものである。ここで、図11に示すグラフからねじ溝の上流側端部におけるヘリウムガスの圧力Ps[Pa]が読み取れ、これに基づいてターボ分子ポンプの第1排気口での補助排気速度Sfore[L/S]が算出され、さらにこれに基づいて、図6に示すグラフからターボ分子ポンプの第1吸気口でのヘリウムガスに対する排気速度SHe[L/s]が読み取れる。 Here, FIG. 12 assumes that the turbo molecular pump installed on the upstream side of the threaded groove vacuum pump is that of the above-described Example B, and the exhaust speed of the auxiliary vacuum pump installed on the downstream side of the threaded groove vacuum pump is 100. It is set to [L / s] and shows the exhaust characteristics of Examples c and d when the helium gas is flowing in the thread groove by 10 [sccm]. Here, the pressure Ps [Pa] of the helium gas at the upstream end of the thread groove can be read from the graph shown in FIG. 11, and based on this, the auxiliary exhaust speed Sfore [L / S] at the first exhaust port of the turbo molecular pump ] Is calculated, and based on this, the exhaust rate She [L / s] with respect to the helium gas at the first intake port of the turbo molecular pump can be read from the graph shown in FIG.
図12に示すように、実施例c,dでは、それぞれターボ分子ポンプの第1吸気口でのヘリウムガスに対する排気速度SHeが、2230[L/s]、2300[L/s]となることが分かる。このようにねじ溝真空ポンプのねじ溝の軸長をより長くすることにより、第1排気状態において、軽ガスであるヘリウムガスの排気量をより大きく確保することができることになる。 As shown in FIG. 12, in Examples c and d, the exhaust speeds She for helium gas at the first intake port of the turbo molecular pump are 2230 [L / s] and 2300 [L / s], respectively. I understand. By lengthening the shaft length of the screw groove of the screw groove vacuum pump in this way, it is possible to secure a larger displacement amount of helium gas, which is a light gas, in the first exhaust state.
したがって、上述したように、本実施の形態における排気システム1Aに具備させるねじ溝真空ポンプ10bとしては、ねじ溝の深さの勾配が0より大きく0.04以下とされたものがより好適であると言え、また、ねじ溝の軸長がより長いものがより好適であると言える。
Therefore, as described above, as the thread
一方で、実施例a,b,c,dに係るねじ溝真空ポンプのいずれを用いた場合にも、相当程度にヘリウムガスに対する排気速度を大きくすることはできるため、これをターボ分子ポンプの下流側に接続することにより、低真空状態を作り出す補助真空ポンプをターボ分子ポンプの下流側に接続する場合よりも、ターボ分子ポンプの排気口側での補助排気速度を高くすることができる。そのため、このような排気特性を有する限りにおいては、どのようなねじ溝真空ポンプであっても、本実施の形態における排気システム1Aに具備させることができる。
On the other hand, when any of the thread groove vacuum pumps according to Examples a, b, c, and d is used, the exhaust rate with respect to helium gas can be increased to a considerable extent, so that this is downstream of the turbo molecular pump. By connecting to the side, the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side of the turbo molecular pump can be made higher than when the auxiliary vacuum pump that creates a low vacuum state is connected to the downstream side of the turbo molecular pump. Therefore, any thread groove vacuum pump can be provided in the
(第1変形例)
図13は、第1変形例に係る排気システムの構成を概略的に示した図である。以下、この図13を参照して、本実施の形態に基づいた第1変形例に係る排気システム1Bについて説明する。
(First modification)
FIG. 13 is a diagram schematically showing the configuration of the exhaust system according to the first modification. Hereinafter, the
図13に示す排気システム1Bは、上述した排気システム1Aに代えて、本実施の形態における電子ビーム積層造形装置100に具備されるものである。排気システム1Bは、上述した排気システム1Aと比較した場合に、オリフィス40をさらに有している点においてのみ、その構成が相違している。
The
図13に示すように、オリフィス40は、複合分子ポンプ10Aの第2排気ポートOP2と、三方弁30の第2ポートP2とを接続する部分の排気路に設けられている。当該オリフィス40は、第2排気状態において、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1でのヘリウムガスに対する補助排気速度を適正化するためのものである。
As shown in FIG. 13, the
当該オリフィス40が設けられることにより、第2排気状態においては、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスが、第1排気口OL1、第2排気ポートOP2として構成された中間排気口OL5、オリフィス40および第3吸気口IL3をこの順で経由して、第3排気口OL3から排気されることになる。
By providing the
以下、オリフィス40を設けることにより、第2排気状態において、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1でのヘリウムガスに対する補助排気速度が適正化する理由について説明する。
Hereinafter, the reason why the auxiliary exhaust speed with respect to the helium gas at the first exhaust port OL1 of the turbo
たとえば、ターボ分子ポンプ10aとして上述した実施例Bの如くのターボ分子ポンプを用い、補助真空ポンプ20としてその排気速度が100[L/s]のものを用いた場合を想定する。その場合、仮にオリフィス40を設けなければ、図6を参照して、ターボ分子ポンプの吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度は、約1750[L/s]となり、第2排気状態におけるヘリウムガスの排気量が比較的大きくなってしまう。
For example, it is assumed that a turbo molecular pump as in Example B described above is used as the turbo
この場合において、たとえばターボ分子ポンプの吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度を687[L/s]に設定するためには、オリフィス40として、ヘリウムガスに対するコンダクタンスCHeが29.4[L/s]のものを用いればよい。これにより、ターボ分子ポンプの排気口側でのヘリウムガスに対する補助排気速度が22.7[L/s]にまで下がるため、ターボ分子ポンプの吸気口側でのヘリウムガスに対する排気速度を687[L/s]に設定することが可能になる。 In this case, for example, in order to set the exhaust speed for helium gas on the intake port side of the turbo molecular pump to 687 [L / s], the conductance CH for helium gas is 29.4 [L / s] as the orifice 40. ] Can be used. As a result, the auxiliary exhaust speed for helium gas on the exhaust port side of the turbo molecular pump is reduced to 22.7 [L / s], so that the exhaust speed for helium gas on the intake port side of the turbo molecular pump is 687 [L]. / S] can be set.
したがって、上述のとおりオリフィス40を設けることにより、第2排気状態において、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1でのヘリウムガスに対する補助排気速度を適正化することができる。
Therefore, by providing the
なお、この場合、このオリフィス40の窒素ガスに対するコンダクタンスCN2は、11.1[L/s]であるため、ターボ分子ポンプの排気口側での窒素ガスに対する補助排気速度が10.0[L/s]となり、ターボ分子ポンプの吸気口側での窒素ガスに対する排気速度は、3058[L/s]となる。したがって、第2排気状態において、ヘリウムガスの排気を抑えて窒素ガスを選択的に主として排気することが可能になる。
In this case, since the conductance CN 2 of the
なお、オリフィス40を設けることに代えて、複合分子ポンプ10Aの第2排気ポートOP2と三方弁30の第2ポートP2とを接続する部分の排気路を、当該オリフィス40と同等のコンダクタンスを有する細い配管にて構成することとしてもよい。
Instead of providing the
(第2変形例)
図14は、第2変形例に係る排気システムの構成を概略的に示した図である。以下、この図14を参照して、本実施の形態に基づいた第2変形例に係る排気システム1Cについて説明する。
(Second modification)
FIG. 14 is a diagram schematically showing the configuration of the exhaust system according to the second modification. Hereinafter, the exhaust system 1C according to the second modification based on the present embodiment will be described with reference to FIG. 14.
図14に示す排気システム1Cは、上述した排気システム1Aに代えて、本実施の形態における電子ビーム積層造形装置100に具備されるものである。排気システム1Cは、上述した排気システム1Aと比較した場合に、ブースタ真空ポンプ50をさらに有している点においてのみ、その構成が相違している。
The exhaust system 1C shown in FIG. 14 is provided in the electron beam laminated
図14に示すように、ブースタ真空ポンプ50は、複合分子ポンプ10Aの第1排気ポートOP1と、三方弁30の第1ポートP1とを接続する部分の排気路に設けられている。より詳細には、ブースタ真空ポンプ50は、第4吸気口IL4および第4排気口OL4を有しており、第4吸気口IL4が、複合分子ポンプ10Aの第1排気ポートOP1として構成されたねじ溝真空ポンプ10bの第2排気口OL2に接続されており、第4排気口OL4が、三方弁の第1ポートP1に接続されている。
As shown in FIG. 14, the
当該ブースタ真空ポンプ50は、第1排気状態において、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1での補助排気速度を適正化するためのものである。なお、ブースタ真空ポンプとしては、ルーツ型真空ポンプ等が適切である。
The
当該ブースタ真空ポンプ50が設けられることにより、第1排気状態においては、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスが、第1排気口OL1、第2吸気口IL2、第1排気ポートOP1として構成された第2排気口OL2、第4吸気口IL4、第4排気口OL4および第3吸気口IL3をこの順で経由して、第3排気口OL3から排気されることになる。
By providing the
以下、ブースタ真空ポンプ50を設けることにより、第1排気状態において、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1での補助排気速度が適正化する理由について説明する。
Hereinafter, the reason why the auxiliary exhaust speed at the first exhaust port OL1 of the turbo
たとえば、ターボ分子ポンプ10aとして上述した実施例Bの如くのターボ分子ポンプを用い、ねじ溝真空ポンプ10bとして上述した実施例cの如くのねじ溝真空ポンプを用い、補助真空ポンプとしてその排気速度が22.7[L/s]のものを用いた場合を想定する。その場合、仮にブースタ真空ポンプ50を設けなければ、第1排気状態におけるねじ溝真空ポンプの排気口側でのヘリウムガスに対する補助排気速度は、22.7[L/s]となり、ヘリウムガスの流量がたとえば10[sccm](20[℃]換算で18.1[Pa・L/s])のときのねじ溝真空ポンプの排気口側の圧力は、0.80[Pa]となるため、ねじ溝真空ポンプの吸気口側での圧力は、図11から0.12[Pa]となることが分かり、ターボ分子ポンプの排気口でのヘリウムに対する補助排気速度は、151[L/s]となる。したがって、図6に基づけば、この時のターボ分子ポンプの吸気口での排気速度は、2000[L/s]となり、第1排気状態における排気量が図12の場合に比べて小さくなってしまう。
For example, a turbo molecular pump as in Example B described above is used as the turbo
そのため、この場合において、たとえばねじ溝真空ポンプの排気口側での補助排気速度を100[L/s]に設定するためには、排気速度が100[L/s]のブースタ真空ポンプ50を設置すればよいことになる。
Therefore, in this case, for example, in order to set the auxiliary exhaust speed on the exhaust port side of the thread groove vacuum pump to 100 [L / s], a
したがって、上述のとおりブースタ真空ポンプ50を設けることにより、第1排気状態において、ターボ分子ポンプ10aの第1排気口OL1での補助排気速度を適正化することができる。
Therefore, by providing the
なお、第2排気状態においては、ブースタ真空ポンプ50を停止させてもよいし、そのまま稼働させてもよい。
In the second exhaust state, the
(実施の形態2)
図15は、実施の形態2における排気システムの構成を概略的に示した図であり、図16は、図15に示す複合分子ポンプの模式断面図である。以下、これら図15および図16を参照して、本実施の形態における排気システム1Dおよびこれに具備された複合分子ポンプ10Bの構成について説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 15 is a diagram schematically showing the configuration of the exhaust system according to the second embodiment, and FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of the composite molecular pump shown in FIG. Hereinafter, the configurations of the
図15に示す排気システム1Dは、上述した実施の形態1における排気システム1Aに代えて、上述した実施の形態における電子ビーム積層造形装置100に具備されるものである。排気システム1Dは、上述した排気システム1Aと比較した場合に、中間排気口OL5が形成された位置が異なる点において、主としてその構成が相違している。
The
図15に示すように、排気システム1Dにおいては、複合分子ポンプ10Bの第2排気ポートOP2を構成する中間排気口OL5が、ターボ分子ポンプ10aの途中位置に設けられている。より詳細には、ターボ分子ポンプ10aの第1吸気口IL1と第1排気口OL1とを接続する部分の排気路に、中間排気口OL5が設けられている。
As shown in FIG. 15, in the
具体的には、図16に示すように、複合分子ポンプ10Bは、上述した実施の形態における複合分子ポンプ10Aと同様に、ベース11、ステータ12、ケーシング13、ロータ14およびロータ駆動機構15を主として有しているが、当該複合分子ポンプ10Aとは異なり、ステータ12に第2排気管19が取付けられておらず、代わりにケーシング13に第2排気管19が取付けられている。
Specifically, as shown in FIG. 16, the composite
これに伴い、ケーシング13の第2排気管19が取付けられた部分には、ケーシング13の内部の空間と第2排気管19とを連通する開口部が設けられている。これにより、ケーシング13に設けられた当該開口部において中間排気口OL5が構成されることになる。なお、この場合、第1吸気口IL1と中間排気口OL5との間に含まれる動翼段および静翼段の合計段数は、10段以上12段以下であることが好ましい。
Along with this, an opening for communicating the space inside the
このように構成された排気システム1Dにおいては、第1排気状態において、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスが、第1排気口OL1、第2吸気口IL2、第1排気ポートOP1として構成された第2排気口OL2および第3吸気口IL3をこの順で経由して、第3排気口OL3から排気されることになり、第2排気状態においては、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスが、第2排気ポートOP2として構成された中間排気口OL5および第3吸気口IL3をこの順で経由して、第3排気口OL3から排気されることになる。
In the
したがって、第1排気状態においては、軽ガスとしてのヘリウムガスおよび当該ヘリウムガスよりも重い非軽ガスが同時に複合分子ポンプ10Bの吸気ポートIPから吸気されて補助真空ポンプ20の第3排気口OL3から排気されることになり、第2排気状態においては、主として非軽ガスが複合分子ポンプ10Bの吸気ポートIPから吸気されて補助真空ポンプ20の第3排気口OL3から排気されることになる。すなわち、第2排気状態においては、軽ガスとしてのヘリウムガスの排気量が第1排気状態に比べて著しく小さくなる反面、非軽ガスの排気量は第1排気状態とほぼ同等に維持される。
Therefore, in the first exhaust state, helium gas as a light gas and non-light gas heavier than the helium gas are simultaneously sucked from the intake port IP of the composite
そのため、本実施の形態における排気システム1Dとした場合にも、上述した実施の形態1において説明した効果に準じた効果が得られることになり、軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することもできる排気システムとすることができ、また、当該排気システム1Dを備えた電子ビーム積層造形装置とすることにより、造形速度や造形精度に優れつつも補助ガスとしてのヘリウムガスの消費量を抑制することができる電子ビーム積層造形装置とすることができる。
Therefore, even when the
(実施の形態3)
図17は、実施の形態3における排気システムの構成を概略的に示した図であり、図18は、図17に示す複合分子ポンプの模式断面図である。以下、これら図17および図18を参照して、本実施の形態における排気システム1Eおよびこれに具備された複合分子ポンプ10Cの構成について説明する。
(Embodiment 3)
FIG. 17 is a diagram schematically showing the configuration of the exhaust system according to the third embodiment, and FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of the composite molecular pump shown in FIG. Hereinafter, the configurations of the
図17に示す排気システム1Eは、上述した実施の形態1における排気システム1Aに代えて、上述した実施の形態における電子ビーム積層造形装置100に具備されるものである。排気システム1Eは、上述した排気システム1Aと比較した場合に、中間排気口OL5が形成された位置が異なる点において、主としてその構成が相違している。
The
図17に示すように、排気システム1Eにおいては、複合分子ポンプ10Cの第2排気ポートOP2を構成する中間排気口OL5が、ねじ溝真空ポンプ10bの途中位置に設けられている。より詳細には、ねじ溝真空ポンプ10bの第2吸気口IL2と第2排気口OL2とを接続する部分の排気路に、中間排気口OL5が設けられている。
As shown in FIG. 17, in the
具体的には、図18に示すように、複合分子ポンプ10Cは、上述した実施の形態における複合分子ポンプ10Aと同様に、ベース11、ステータ12、ケーシング13、ロータ14およびロータ駆動機構15を主として有しているが、当該複合分子ポンプ10Aとは異なり、ステータ12が、外側ステータ部12Aと内側ステータ部12Bとに分割されており、このうちの外側ステータ部12Aに第2排気管19が取付けられている。
Specifically, as shown in FIG. 18, the composite molecular pump 10C mainly includes the
外側ステータ部12Aは、略円筒状の形状を有する金属製の部材にて構成されており、ベース11の周縁部上に設置されている。内側ステータ部12Bは、略円筒状の形状を有する金属製部材にて構成されており、外側ステータ部12Aの内側に設置されている。内側ステータ部12Bは、外側ステータ部12Aに固定されている。
The
外側ステータ部12Aは、ロータ14の下部側ロータ部14bを取り囲むように、下部側ロータ部14bの外周面に対向して位置している。ロータ14の下部側ロータ部14bは、内側ステータ部12Bを取り囲むように位置しており、これにより内側ステータ部12Bは、ロータ14の下部側ロータ部14bの内周面に対向している。
The
外側ステータ部12Aの内周面には、ねじ溝12aの上流側部分を構成する雌ねじ形状の一次側ねじ溝部12a1が設けられており、内側ステータ部12Bの外周面には、ねじ溝12aの下流側部分を構成する雄ねじ形状の二次側ねじ溝部12a2が設けられている。一次側ねじ溝部12a1は、下部側ロータ部14bの外周面に所定の距離をもって位置しており、二次側ねじ溝部12a2は、下部側ロータ部14bの内周面に所定の距離をもって位置している。
The inner peripheral surface of the
内側ステータ部12Bは、下部側ロータ部14bの下端を覆うように位置しており、これにより一次側ねじ溝部12a1と下部側ロータ部14bとの間に形成される排気路と、二次側ねじ溝部12a2と下部側ロータ部14bとの間に形成される排気路とが連通可能に接続されている。
The
以上により、外側ステータ部12Aおよび内側ステータ部12Bとこれに対向する部分のロータ14とによってねじ溝真空ポンプ10bが構成されることになる。
As described above, the thread
上述したように、第2排気管19は、外側ステータ部12Aに取付けられており、外側ステータ部12Aの第2排気管19が取付けられた部分には、ねじ溝真空ポンプ10bによって構成される排気路の途中位置と連通するように通気路が設けられている。これにより、外側ステータ部12Aに設けられた当該通気路の内側端部において中間排気口OL5が構成されることになる。
As described above, the
このように構成された排気システム1Eにおいては、第1排気状態において、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスが、第1排気口OL1、第2吸気口IL2、第1排気ポートOP1として構成された第2排気口OL2および第3吸気口IL3をこの順で経由して、第3排気口OL3から排気されることになり、第2排気状態においては、吸気ポートIPとして構成された第1吸気口IL1から吸気されたガスが、第1排気口OL1、第2吸気口IL2、第2排気ポートOP2として構成された中間排気口OL5および第3吸気口IL3をこの順で経由して、第3排気口OL3から排気されることになる。
In the
したがって、第1排気状態においては、軽ガスとしてのヘリウムガスおよび当該ヘリウムガスよりも重い非軽ガスが同時に複合分子ポンプ10Cの吸気ポートIPから吸気されて補助真空ポンプ20の第3排気口OL3から排気されることになり、第2排気状態においては、主として非軽ガスが複合分子ポンプ10Cの吸気ポートIPから吸気されて補助真空ポンプ20の第3排気口OL3から排気されることになる。すなわち、第2排気状態においては、軽ガスとしてのヘリウムガスの排気量が第1排気状態に比べて著しく小さくなる反面、非軽ガスの排気量は第1排気状態とほぼ同等に維持される。
Therefore, in the first exhaust state, helium gas as a light gas and non-light gas heavier than the helium gas are simultaneously sucked from the intake port IP of the composite molecular pump 10C and from the third exhaust port OL3 of the
そのため、本実施の形態における排気システム1Eとした場合にも、上述した実施の形態1において説明した効果に準じた効果が得られることになり、軽ガスおよび非軽ガスを同時に排気することができる一方で、非軽ガスを選択的に主として排気することもできる排気システムとすることができ、また、当該排気システム1Eを備えた電子ビーム積層造形装置とすることにより、造形速度や造形精度に優れつつも補助ガスとしてのヘリウムガスの消費量を抑制することができる電子ビーム積層造形装置とすることができる。
Therefore, even when the
上述した実施の形態1ないし3およびその変形例においては、ターボ分子ポンプとネジ溝真空ポンプとが一体化されたいわゆる複合分子ポンプを用いて排気システムを構成した場合を例示して説明を行なったが、必ずしもこれらが一体化されている必要はなく、これらが別個の真空ポンプとして構成されて接続される構成としてもよい。 In the above-described first to third embodiments and modifications thereof, a case where an exhaust system is configured by using a so-called composite molecular pump in which a turbo molecular pump and a thread groove vacuum pump are integrated has been described as an example. However, they do not necessarily have to be integrated, and they may be configured and connected as separate vacuum pumps.
また、上述した実施の形態1ないし3およびその変形例において示した特徴的な構成は、本発明の趣旨に照らして許容される範囲で当然にその組み合わせが可能である。 In addition, the characteristic configurations shown in the above-described first to third embodiments and modifications thereof can be naturally combined within an allowable range in light of the gist of the present invention.
また、上述した実施の形態1ないし3およびその変形例においては、本発明に係る排気システムを電子ビーム積層造形装置に適用した場合を例示して説明を行なったが、電子ビーム積層造形装置以外の装置(たとえばヘリウムリーク検査装置等)に適用することも当然に可能である。 Further, in the above-described first to third embodiments and modifications thereof, the case where the exhaust system according to the present invention is applied to the electron beam laminated modeling apparatus has been described as an example, but other than the electron beam laminated modeling apparatus. Of course, it is also possible to apply it to an apparatus (for example, a helium leak inspection apparatus).
このように、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。 As described above, the above-described embodiment disclosed this time is an example in all respects and is not restrictive. The technical scope of the present invention is defined by the scope of claims and includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the scope of claims.
1A〜1E 排気システム、10A〜10C 複合分子ポンプ、10a ターボ分子ポンプ、10b ねじ溝真空ポンプ、11 ベース、12 ステータ、12A 外側ステータ部、12B 内側ステータ部、12a ねじ溝、12a1 一次側ねじ溝部、12a2 二次側ねじ溝部、13 ケーシング、13a スペーサ兼支持部材、14 ロータ、14a 上部側ロータ部、14b 下部側ロータ部、15 ロータ駆動機構、15a ハウジング、15b 回転シャフト、16 動翼、17 静翼、18 第1排気管、19 第2排気管、20 補助真空ポンプ、30 三方弁、40 オリフィス、50 ブースタ真空ポンプ、100 電子ビーム積層造形装置、110 チャンバ、111 第1チャンバ部、112 第2チャンバ部、120 電子銃、121 ビームアライメント、122 集束レンズ、123 対物レンズ、124 偏光器、130 積層造形部、131 ステージ、132 ホッパ、133 レーキ、200 ヘリウムガス供給源、201 開閉弁、202 調整弁、210 真空計、300 金属粉末、400 金属造形物、IP 吸気ポート、OP1 第1排気ポート、OP2 第2排気ポート、IL1 第1吸気口、OL1 第1排気口、IL2 第2吸気口、OL2 第2排気口、IL3 第3吸気口、OL3 第3排気口、IL4 第4吸気口、OL4 第4排気口、OL5 中間排気口、P1 第1ポート、P2 第2ポート、P3 第3ポート、EP1 第1排気経路、EP2 第2排気経路、EB 電子ビーム。 1A to 1E exhaust system, 10A to 10C composite molecular pump, 10a turbo molecular pump, 10b thread groove vacuum pump, 11 base, 12 stator, 12A outer stator part, 12B inner stator part, 12a thread groove, 12a1 primary side thread groove part, 12a2 Secondary screw groove, 13 casing, 13a spacer and support member, 14 rotor, 14a upper rotor, 14b lower rotor, 15 rotor drive mechanism, 15a housing, 15b rotary shaft, 16 moving blade, 17 stationary blade , 18 1st exhaust pipe, 19 2nd exhaust pipe, 20 auxiliary vacuum pump, 30 three-way valve, 40 orifice, 50 booster vacuum pump, 100 electron beam laminated molding device, 110 chamber, 111 first chamber part, 112 second chamber Unit, 120 Electronic Gun, 121 Beam Alignment, 122 Focusing Lens, 123 Objective Lens, 124 Polarizer, 130 Laminated Modeling Unit, 131 Stage, 132 Hopper, 133 Lake, 200 Helium Gas Supply Source, 201 On / Off Valve, 202 Adjusting Valve, 210 Vacuum gauge, 300 Metal powder, 400 Metal model, IP intake port, OP1 1st exhaust port, OP2 2nd exhaust port, IL1 1st intake port, OL1 1st exhaust port, IL2 2nd intake port, OL2 2nd Exhaust port, IL3 3rd intake port, OL3 3rd exhaust port, IL4 4th intake port, OL4 4th exhaust port, OL5 intermediate exhaust port, P1 1st port, P2 2nd port, P3 3rd port, EP1 1st Exhaust path, EP2 second exhaust path, EB electron beam.
Claims (9)
第2吸気口および第2排気口を有するねじ溝真空ポンプと、
第3吸気口および第3排気口を有する補助真空ポンプと、
第1ポート、第2ポートおよび第3ポートを有する三方弁とを備え、
前記第1排気口が、前記第2吸気口に接続され、
前記第1吸気口から前記第1排気口および前記第2吸気口を経由して前記第2排気口に至る部分の排気路のうちの途中位置に中間排気口が設けられ、
前記第1ポートが、前記第2排気口に接続され、
前記第2ポートが、前記中間排気口に接続され、
前記第3ポートが、前記第3吸気口に接続され、
前記三方弁が、前記第1ポートと前記第3ポートとを接続する第1排気状態と、前記第2ポートと前記第3ポートとを接続する第2排気状態とに選択的に切り替え可能であり、
前記第1排気状態において、前記第1吸気口から吸気されたガスが、前記第1排気口、前記第2吸気口、前記第2排気口および前記第3吸気口をこの順で経由して、前記第3排気口から排気され、
前記第2排気状態において、前記第1吸気口から吸気されたガスが、前記第2排気口を経ることなく、前記中間排気口および前記第3吸気口をこの順で経由して、前記第3排気口から排気され、
前記第2排気状態における前記第1排気口での分子量が4以下である軽ガスに対する補助排気速度が、前記第1排気状態における前記第1排気口での分子量が4以下である軽ガスに対する補助排気速度よりも小さい、排気システム。 A turbo molecular pump having a first intake port and a first exhaust port,
A threaded vacuum pump with a second intake and a second exhaust,
An auxiliary vacuum pump having a third intake port and a third exhaust port,
With a three-way valve having a first port, a second port and a third port,
The first exhaust port is connected to the second intake port,
An intermediate exhaust port is provided at an intermediate position in the exhaust passage of the portion from the first intake port to the second exhaust port via the first intake port and the second intake port.
The first port is connected to the second exhaust port,
The second port is connected to the intermediate exhaust port,
The third port is connected to the third intake port, and the third port is connected to the third intake port.
The three-way valve can be selectively switched between a first exhaust state connecting the first port and the third port and a second exhaust state connecting the second port and the third port. ,
In the first exhaust state, the gas taken in from the first intake port passes through the first exhaust port, the second intake port, the second exhaust port, and the third intake port in this order. Exhausted from the third exhaust port
In the second exhaust state, the gas taken in from the first intake port passes through the intermediate exhaust port and the third intake port in this order without passing through the second exhaust port, and the third is exhausted from the exhaust port,
The auxiliary exhaust speed for light gas having a molecular weight of 4 or less at the first exhaust port in the second exhaust state is auxiliary for light gas having a molecular weight of 4 or less at the first exhaust port in the first exhaust state. An exhaust system that is less than the exhaust speed.
前記第1排気口と前記第2吸気口とが、前記複合分子ポンプの内部において接続され、
前記複合分子ポンプが、前記第1吸気口としての吸気ポートと、前記第2排気口としての第1排気ポートと、前記中間排気口としての第2排気ポートとを有している、請求項1から7のいずれかに記載の排気システム。 The turbo molecular pump and the thread groove vacuum pump are composed of a composite molecular pump in which each rotor is integrated.
The first exhaust port and the second intake port are connected inside the composite molecular pump, and the first exhaust port and the second intake port are connected to each other.
The composite molecular pump has an intake port as the first intake port, a first exhaust port as the second exhaust port, and a second exhaust port as the intermediate exhaust port. The exhaust system according to any one of 7.
前記真空容器の内部に設置された電子ビーム発生源と、
前記真空容器の内部に設けられ、前記電子ビーム発生源にて発生した電子ビームが金属粉末に照射されることで金属造形物を得る積層造形部と、
前記真空容器の内部に軽ガスを導入する軽ガス供給源と、
前記真空容器に接続された請求項1から8のいずれかに記載の排気システムとを備えた、電子ビーム積層造形装置。 With a vacuum container
An electron beam source installed inside the vacuum vessel and
A laminated molding unit provided inside the vacuum vessel and obtaining a metal model by irradiating the metal powder with an electron beam generated by the electron beam generation source.
A light gas supply source that introduces light gas inside the vacuum vessel,
An electron beam laminated modeling apparatus comprising the exhaust system according to any one of claims 1 to 8 connected to the vacuum vessel.
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