CN105443404B - 涡轮分子泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能使起动操作简化的涡轮分子泵。涡轮分子泵(100)包括：泵转子(4)，由马达(M)旋转驱动；定子(32)，对应于泵转子(4)而设；加热器(38)，使定子(32)升温至目标温度(T0)；温度传感器(39)，检测定子(32)的温度；及控制单元(2)，若在加热器(38)开始通电后输入有旋转开始指令，则在定子(32)的温度达到设定为小于目标温度的规定温度之前，禁止以常态转数旋转驱动泵转子(4)，当定子(32)的温度超过规定温度时，以常态转数进行旋转驱动。

Description

涡轮分子泵

技术领域

本发明涉及一种具有使定子升温的构成的涡轮分子泵。

背景技术

涡轮分子泵中，已有如下技术：为了抑制反应产物的沉积，利用加热器使涡轮分子泵的定子升温(例如，参照专利文献1)。若使定子升温，则定子会产生热膨胀从而会使转子与定子的间隙尺寸变化，且使排气性能变化。因此，以使间隙尺寸在升温且膨胀的状态下成为最佳尺寸的方式，设定转子及定子的尺寸。因此，定子温度为常温时的间隙尺寸变得像升温时的膨胀变化大时那么窄。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2011-80407号公报

然而，随着升温的设定温度升高，常温时的间隙尺寸会变得更窄，当定子的升温不充分的泵起动时(开始旋转时)转子与定子可能会接触。尤其是，当泵起动时，在定子温度为常温、转子温度高的情况下，接触的可能性变高。因此，当使用具备升温功能的涡轮分子泵时，使用者须待升温结束后进行泵起动操作，从而存在操作变得繁琐的问题。而且，当因使用者的误操作而使刚开始升温后便进行泵起动时，会产生转子与定子接触的不良状况。

发明内容

本发明的优选实施方式的涡轮分子泵包括：圆筒状的转子，由马达旋转驱动；圆筒状的定子，对应于所述转子而设；加热器，使所述定子升温至目标温度；温度传感器，检测所述定子的温度；及控制部，若在所述加热器开始通电后输入有旋转开始指令，则在所述定子的温度达到设定为小于所述目标温度的规定温度之前，禁止以常态转数旋转驱动所述转子，当所述定子的温度超过所述规定温度时，以所述常态转数进行旋转驱动。

更优选的实施方式中，所述控制部进行第1控制或第2控制，所述第1控制是指在达到所述规定温度之前使所述转子处于停止状态，所述第2控制是指以低于所述常态转数的规定转数进行旋转驱动。

更优选的实施方式中，涡轮分子泵的所述控制部包括：停止判定部,判定当进行所述第2控制时所述转子是否处于停止状态；及通知部，当所述停止判定部判定为停止状态时，进行异常通知。

更优选的实施方式中，所述规定温度以下的泵使用温度区域被划分为多个温度范围，越是高温侧的温度范围，所述规定转数设定得越大。

更优选的实施方式中，更包括结束信息提示部，所述结束信息提示部是当所述定子的温度达到所述目标温度时提示升温结束信息。

更优选的实施方式中，更包括推断时间提示部，所述推断时间提示部是依据所述温度传感器检测出的所述定子的温度，来推断所述定子达到所述目标温度为止的升温时间，且提示该推断出的升温时间。

根据本发明，能使涡轮分子泵的起动操作简化。

附图说明

图1是表示涡轮分子泵的概略构成的图。

图2是表示控制单元的概略构成的框图。

图3(a)、图3(b)是说明间隙尺寸的示意图。

图4是用于说明起动控制的流程图。

图5(a)、图5(b)是说明规定温度的图。

图6是说明相互关系LT的图。

图7是表示定子温度与转子转数的关系的一例的图。

图8是表示第2实施方式的控制动作的流程图。

[符号的说明]

1：泵单元

2：控制单元

3：底座

4：泵转子

5：轴

10：马达定子

20：主控制部

21：电源部

22：马达控制部

23：轴承控制部

24：温度控制部

25：操作部

25a：电源开关

25b：启动开关

26：显示部

30：泵壳

30a：卡止部

31：固定翼

32：定子

33：隔离环

34～36：磁轴承

37a、37b：机械轴承

38：加热器

39：温度传感器

41：旋转翼

42：圆筒部

43：旋转传感器

100：涡轮分子泵

G0：最佳间隙尺寸

G1、G2、G3：间隙尺寸

Lr、Lr1、Lr2、LR：曲线

LT：相互关系

M：马达

r：圆筒部的外周半径

R：定子的内周半径

RY：旋转体单元

S10、S20、S30、S32、S33、S34、S40、S42、S50、S52、S54、S60、S110、S120、S130、S132、S134、S136、S140、S150、S152、S160、S170：步骤

T、Ts、T1：定子温度

T0：目标温度

Tth：规定温度

t、t1、t2、t3、t4、t5、ts、te：时刻

△t1：升温时间

△t2：加速时间

△tf：升温结束推断时间

具体实施方式

以下，参照图式对本发明的实施方式进行说明。

-第1实施方式-

图1是表示本实施方式的涡轮分子泵的图。涡轮分子泵100包括进行真空排气的泵单元1、及驱动控制泵单元1的控制单元2。

泵单元1包括涡轮泵段及牵引泵段(螺纹槽泵段)，该涡轮泵段包含旋转翼41及固定翼31，该牵引泵段包含圆筒部42及定子32。螺纹槽泵段中,在定子32或圆筒部42形成有螺纹槽。作为旋转侧排气功能部的旋转翼41及圆筒部42形成于泵转子4。泵转子4紧固于轴5。由泵转子4及轴5构成旋转体单元RY。

多段固定翼31与旋转翼41交替地配置在轴向上。各固定翼31经由隔离环33而载置于底座3上。若将泵壳30螺固于底座3，则层叠的隔离环33被夹在底座3与泵壳30的卡止部30a之间，且使固定翼31定位。

图1所示的涡轮分子泵100为磁悬浮式涡轮分子泵，轴5是由设在底座3的磁轴承34、磁轴承35、磁轴承36非接触地支撑。省略详细的图示,但各磁轴承34～磁轴承36包括电磁铁及移位传感器。利用移位传感器检测轴5的悬浮位置。轴5、即泵转子4的转数(每1秒的转数)可由旋转传感器43检测。

轴5是由马达M旋转驱动。马达M包括马达定子10以及马达转子11。当磁轴承未工作时，轴5由不常用的机械轴承(mechanical bearing)37a、机械轴承37b支撑。在底座3的外周，设有用于使定子32升温的加热器38。定子32的温度可由温度传感器39检测，且将其检测结果输入至控制单元2。

图2是表示控制单元2的概略构成的框图。控制单元2包括主控制部20、电源部21、马达控制部22、轴承控制部23、温度控制部24、操作部25及显示部26。

从外部电源向电源部21供给交流电。电源部21将所供给的交流电转换为直流电，且将该直流电供给至主控制部20、马达控制部22、轴承控制部23等。马达控制部22向泵单元1的马达定子10供给驱动电力，控制马达M的旋转。轴承控制部23依据来自设于磁轴承34～磁轴承36的移位传感器的移位信号而向磁轴承34～磁轴承36的电磁铁供给励磁电流，使轴5磁性悬浮在所需的位置。温度控制部24依据来自温度传感器39的温度检测信号而控制加热器38的通电及非通电，从而将定子32控制为所需的目标温度T0。另外，使来自温度传感器39的温度检测信号输入至主控制部20，温度控制部24从主控制部20接收温度信息而进行通电控制。

操作部25对控制单元2进行输入操作，且设有电源开关25a、启动开关25b。若接通电源开关25a，则会向电源部21通入电源，向轴承控制部23、温度控制部24等供给电力，从而开始利用磁轴承34～磁轴承36实现磁悬浮。若接通启动开关25b，则开始利用马达控制部22进行马达的驱动控制。在显示部26显示泵单元1的状态、例如转子转数或运转状态(加速、常态等)或定子温度等。

主控制部20对整个控制单元2进行控制，且后述的起动控制也由主控制部20执行。使来自温度传感器39的温度检测信号及来自旋转传感器43的旋转检测信号输入至主控制部20。而且，使来自上位控制器(例如，搭载有泵单元1的真空装置的控制器)的指令作为遥控信号而输入至主控制部20。而且，也可从主控制部20向上位控制器输出泵信息。

如上文所述，若对沉积物产生的气体进行排气，则在排气下游侧的定子32或圆筒部42容易产生沉积物。因此，本实施方式的涡轮分子泵中,为了抑制沉积物的生成，使定子32利用加热器38升温。升温的目标温度T0会根据要进行排气的气体种类而不同，但就升华温度高的沉积物而言,也有时会使定子温度升温至一百几十℃左右。

若定子温度上升则定子32会产生热膨胀，因此，定子32与圆筒部42的间隙尺寸变大。该间隙尺寸设定为：当利用加热器38使定子32升温且维持在规定的目标温度T0时，成为最佳间隙尺寸。因此，当定子温度低于目标温度T0时，间隙尺寸变得小于最佳间隙尺寸，圆筒部42与定子32可能会接触。尤其是，在定子32为常温、转子温度上升而使圆筒部42向外周侧热膨胀时，容易接触。

图3(a)、图3(b)是说明圆筒部42与定子32的间隙尺寸的示意图。图3(a)中表示转子转数为常态转数、定子32的温度达到目标温度T0的泵使用时的状况。常态转数是指按泵规格决定的转数，一般而言，无论气体负载的大小如何而将转子转数控制为常态转数。另外，在泵使用时，圆筒部42的温度也上升，但此处可认为是常温。图3(b)表示泵停止时的状况，即转子转数为零、定子32的温度为常温(例如20℃)的情况。r为圆筒部42的外周半径，R为定子32的内周半径。

图3(a)所示的泵使用状态下，定子32因热膨胀而向径向外侧(图示右侧)变形，圆筒部42在离心力的作用下向径向外侧变形。此时的定子32与圆筒部42的间隙尺寸设计为成为最佳间隙尺寸G0。另一方面，在图3(b)的泵停止状态下，不会因离心力而使圆筒部42产生变形，且不会因升温而使定子32产生热膨胀，因此，定子32与圆筒部42的间隙尺寸成为G1(＜G0)。当升温的目标温度T0高时，如图3(a)、图3(b)所示，成为G1＜G0。因此，若从图3(b)所示的状态起、不使定子32升温而使泵转子4旋转，则圆筒部42会因离心力而变形，从而使间隙尺寸减少，使得圆筒部42可能会接触定子32。

本实施方式中，为了防止上文所述的接触，针对启动开关25b的接通操作或开始信号的输入进行图4所示的起动控制。图4的流程图中表示当通入电源后接通启动开关25b、直至转子转数成为常态转数为止的处理。当利用电源开关25a的接通操作通入电源时，主控制部20执行图4所示的控制。

步骤S10中，利用温度控制部24开始对加热器38通电。步骤S20中,判定开始信号是否已输入至主控制部20。开始信号是通过启动开关25b的接通操作或遥控操作而输入至主控制部20。若步骤S20中判定为有输入(是)，则进入步骤S30。步骤S30中，根据温度传感器39的检测信号，判定定子32的温度T是否超过规定温度Tth。关于规定温度Tth的详情将于下文叙述。

若步骤S30中判定为定子32的温度T超过规定温度Tth，则进入步骤S40，使马达控制部22实施以常态转数作为目标转数的通常加速动作。步骤S42中，判定从加速开始起是否经过规定时间△t。若步骤S42中判定为已经过规定时间△t，则进入步骤S50。步骤S50中，判定转子转数n是否满足n＞0、即泵转子4是否开始旋转。作为此时的规定时间△t，可为2分钟左右。由此，能判断泵转子4是否因生成沉积物而与定子32粘着。当产生粘着时，因n＝0，所以步骤S50中判定为否，进入步骤S52且使泵转子4停止旋转动作。接着，在步骤S54中，进行通知未开始旋转的异常通知处理。作为异常通知处理的方法，有图2的向显示部26的错误显示、或向上位控制器输出异常信号等。

步骤S60中，判定泵转子4的转数是否达到目标转数即常态转数。若步骤S60中判定为达到常态转数，则结束一系列的起动处理，另一方面,当未达到常态转数时返回至步骤S42。

另一方面，若步骤S30中判定为定子温度T在规定温度Tth以下，则进入步骤S32，使马达控制部22实施以远远低于常态转数的低速转数旋转的低速动作(也包括转数＝0的旋转停止的情况)。作为低速转数，设为即使在定子温度T为常温(例如20℃)、因热膨胀及离心力而使泵转子4变形的情况下，圆筒部42也不会接触定子32的转数。例如，考虑到对于接触的裕度，设定为常态转数的10％(几十rps)左右。

步骤S33及步骤S34是与上文所述的步骤S42及步骤S50相同的处理。若步骤S33中判定为未经过规定时间△t，则返回至步骤S30，若判定为已经过规定时间△t，则进入步骤S34。并且，若步骤S34中判定为转子转数n满足n＞0，则返回至步骤S30，若判定为n＝0，则进入步骤S52。这样,维持低速转数的旋转驱动，直至定子32的温度超过规定温度Tth为止，在此期间，在步骤S33、步骤S34中判断泵转子4是否粘着于定子32。并且,若达到T＞Tth，则从步骤S30进入步骤S40，自动开始实施向常态转数加速的加速动作。

(规定温度Tth的说明)

图5(a)、图5(b)是说明上文所述的规定温度Tth的图。图5(a)是表示泵起动后的定子32因热膨胀而产生的变形、及圆筒部42因离心力而产生变形的经时变化的图。曲线LR表示定子32的内周半径R(参照图3(b))，且在时刻t＝0开始升温(定子温度设为20℃)、定子温度在时刻t1达到目标温度T0。时刻t1之后，定子温度维持为目标温度T0。另一方面，曲线Lr表示圆筒部42的外周半径r(参照图3(b))，在时刻t1，转子开始旋转，在时刻t2，转子转数达到常态转数。

定子32的内周半径R在时刻t＝0(定子温度为20℃)为R1(20)，在时刻t1(定子温度为T0)增加至R0(T0)。圆筒部42的外周半径r在开始旋转时(t＝t1)为r1，当达到常态转数时(时刻t2)增加至r0。时刻t＝0下的间隙尺寸G1(参照图3(b))为G1＝R1(20)-r1，时刻t2下的最佳间隙尺寸G0为G0＝R0(T0)-r0。图5(a)的情况下，从开始升温至成为可使用泵的状态(常态转数、定子温度为T0)为止所需的时间为升温时间△t1加上加速时间△t2所得的时间。升温时间△t1会根据定子32的升温设定温度(目标温度T0)或泵型号的容量(排气速度)、环境温度而不同，但通常为几十分钟至1小时左右。

本实施方式中，如图4的说明所示，当定子温度T为规定温度Tth以下时，实施以远远低于常态转数的低速转数(几十rps)旋转的低速动作,若达到T＞Tth，则实施向常态转数加速的加速动作。另外，规定温度Tth例如可设定为目标温度T0-10℃。低速转数下的圆筒部42的外周半径r为r2，G2(＝R1(20)-r2)是旋转开始时的间隙尺寸。所述低速转数设定为达到间隙尺寸G2可防止定子32与圆筒部42接触的容许值以上。

图5(b)所示的示例中，作为规定温度Tth，设为从升温开始起已经过时间t3时的定子温度。若从时刻t3起开始加速，则在时刻t4达到常态转数，此时的圆筒部42的外周半径r成为r0。并且，以时刻t4下的间隙尺寸G3达到与时刻t＝0下的间隙尺寸G2相同程度以上的方式，设定时刻t3即规定温度Tth。

虚线所示的曲线Lr2表示在早于时刻t3的时刻开始实施加速动作的情况。此时，达到常态转数时的间隙尺寸小于G3，可能会因外部干扰等所致的转子的振动使圆筒部42接触定子32。而且，虚线所示的曲线Lr1表示在时刻t5使转子旋转开始加速，以使在定子温度达到目标温度T0的时刻t1达到常态转数的情况。即，t4-t3＝t1-t5。

将从低速转数向加速动作移行的时刻设定为时刻t3与时刻t5之间,由此，当刚经过升温时间△t1后涡轮分子泵立即成为正式排气状态，真空装置可开始进行处理动作。与如图5(a)所示从定子温度达到目标温度T0后开始实施加速动作的情况相比，能使泵起动时间缩短加速时间△t2。当然,当将图5(b)的时刻t4下的温度设为T(t4)时，也可将规定温度Tth设定为满足T(t4)＜Tth≤T0。此时，直至成为可处理状态为止的时间长于升温时间△t1。

如上文所述，本实施方式中，若对启动开关25b进行操作，则在定子温度超过规定温度Tth之前、即在成为即使开始加速也能防止圆筒部42与定子32接触的定子温度之前，以低速转数驱动，若超过规定温度Tth则自动开始实施向常态转数加速的加速动作。因此，操作人员无须进行繁琐的操作，即，无须等待预先决定的升温时间后对启动开关25b进行接通操作。而且，无论通入电源后的启动开关25b的操作时序是哪一时序，均能防止圆筒部42与定子32接触。

(变形例)

变形例中，构成为提示表示定子温度状况的升温信息。具体而言，在显示部26进行温度显示或显示升温结束推断时间，或是进行升温结束显示。而且，也可将这些信息(温度信息、推断时间信息、结束信息)输出至外部。通过提示升温信息，则当升温系统产生异常时能根据升温信息感测到该异常。而且，通过已知升温结束推断时间，可在适当的时序对下一操作进行准备。

温度显示是根据温度传感器39的输出信号进行，若基于温度传感器39所得的检测温度达到目标温度T0，则使显示部26显示升温结束信号。而且，关于升温结束推断时间，是预先求出图6所示的升温时的定子温度与时间的相互关系LT，利用该相互关系LT而推断升温结束时间。图6中，纵轴表示温度(℃)，横轴表示时间。而且，ts为加热器通电开始时刻，Ts为通电开始时的定子温度，时刻te为定子温度达到目标温度T0的时刻。若温度传感器39检测到的当前(时刻t1)的定子温度为T1，则升温结束推断时间△tf成为△tf＝te-t1。

-第2实施方式-

图7、图8是说明本发明的第2实施方式的图。第2实施方式中，根据定子温度，设定有多个使圆筒部42与定子32不会接触的转子转数。图7是表示定子温度T与转子转数的关系的一例的图，纵轴N是以％表示相对于常态转数的转数。第2实施方式中，当定子温度小于60℃时，以常态转数的10％的转数旋转，当定子温度为60℃以上且小于100℃时以常态转数的50％的转数旋转，当定子温度为100℃以上时，以常态转数(即100％转数)旋转。

图8是表示第2实施方式的控制动作的流程图。步骤S110中，利用温度控制部24开始对加热器38通电。步骤S120中，判定开始信号是否已输入至主控制部20，若判定为有输入(YES)则进入步骤S130。

步骤S130中，根据温度传感器39的检测信号，判定定子温度T是否小于60℃，若判定为T＜60℃则进入步骤S140，否则进入步骤S132。步骤S140中，将转子转数设定为常态转数的10％。步骤S150中，判定从加速开始起是否已经过规定时间△t，若已经过规定时间△t则进入步骤S152。步骤S152中，判定转子转数n是否满足n＞0、即泵转子4是否开始旋转。若步骤S152中判定为n＞0，则返回至步骤S130，若判定为n＝0则进入至步骤S160。步骤S160中，使转子停止旋转动作，接着，在步骤S170中进行通知未开始旋转的异常通知处理，结束一系列的处理。

另一方面，当从步骤S130进入步骤S132时，在步骤S132中判定定子温度T是否满足60℃≤T＜100℃。若步骤S132中判定为60℃≤T＜100℃,则进入步骤S134，使转子转数变更为常态转数的60％，且返回至步骤S132。另一方面，若步骤S132中判定为并非60℃≤T＜100℃，则进入步骤S136且将转子转数设定为常态转数(100％)。

如图7所示，通过对应于定子温度的变化而阶段性地变更转子转数,能缩短达到定子温度T＝T0及常态转数的状态的时间，能使该时间大致与升温时间为相同程度。

在以上说明的实施方式中，涡轮分子泵100包括泵单元1及作为控制部的控制单元2，该泵单元1包括使定子32升温至目标温度T0的加热器38、及检测定子32的温度的温度传感器39。控制单元2若在加热器38开始通电后输入有旋转开始指令，则在定子32的温度达到设定为小于目标温度T0的规定温度Tth之前，禁止以常态转数旋转驱动泵转子4，当定子32的温度超过规定温度Tth时，以常态转数进行旋转驱动。

通过设为此种构成，操作人员可摆脱泵起动时的开始操作的烦恼，即,无须在预估定子32的温度达到目标温度T0后开始操作。进而，规定温度Tth设定为小于目标温度T0，通过这样设定，能使泵起动所需的时间、即从加热器通电至达到目标温度T0及常态转数为止的时间比(升温时间△t1+加速时间△t2)短。另外，规定温度Tth设定为例如当达到常态转数时泵转子4的圆筒部42与定子32不会接触的温度。

作为达到规定温度Tth之前的转子驱动控制，可如图5(b)所示使泵转子4以低于常态转数的转数旋转，也可如图5(a)的曲线Lr所示使泵转子4处于停止状态。

而且，可设为如下构成，进行异常通知，所述构成是指：当如图5(b)所示开始以低转数进行旋转驱动时，若控制单元2的主控制部20判定为旋转开始后泵转子4为停止状态，则从主控制部20输出异常信号，或在显示部26显示为异常。结果，可检测出因生成沉积物而使圆筒部42粘着于定子32等从而使泵转子4无法旋转。

而且，如图7所示，规定温度Tth(图7中为100℃)以下的泵使用温度区域可划分为多个温度区域，且越为高温侧的温度范围则规定转数设定得越大。图7所示的示例中，在小于60℃的温度区域，转子转数设为10％,在温度更高的60℃以上且小于100℃的温度区域，转子转数设为50％。通过如此设定，能使泵起动所需的时间缩短为与升温时间△t1为大致相同的程度。

另外，上文所述的各实施方式可分别单独使用、或组合使用。其原因在于，各个实施方式可单独发挥效果、也可相辅相成地发挥效果。而且,只要不损及本发明的特征，则本发明丝毫不限于所述实施方式。例如，上文所述的实施方式中，是在底座3的外周设置加热器38，但也可如专利文献1中记载的发明所述，设为在定子32设置加热器从而利用加热器对定子32直接加热的构成。

而且，上文所述的实施方式中，启动开关操作后若定子温度超过规定温度Tth则自动开始实施向常态转数加速的加速动作，但在与启动开关25b的操作同时实施向常态转数加速的加速动作的构成中，也提示升温结束信号或升温结束推断时间，由此，操作人员容易了解启动开关操作时序。

Claims (7)

1.一种涡轮分子泵，包括：

圆筒状的转子，由马达旋转驱动；

圆筒状的定子，对应于所述转子而设；

加热器，使所述定子升温至目标温度；

温度传感器，检测所述定子的温度；及

控制部，

所述涡轮分子泵的特征在于：

若在所述加热器开始通电后输入有旋转开始指令，则在所述定子的温度达到设定为小于所述目标温度的规定温度之前，所述控制部禁止以常态转数旋转驱动所述转子，当所述定子的温度超过所述规定温度时，所述控制部以所述常态转数进行旋转驱动。

2.根据权利要求1所述的涡轮分子泵，其特征在于，其中，

所述控制部进行第1控制或第2控制，所述第1控制是指在达到所述规定温度之前使所述转子处于停止状态，所述第2控制是指以低于所述常态转数的规定转数进行旋转驱动。

3.根据权利要求2所述的涡轮分子泵，其特征在于，其中，

所述控制部包括：

停止判定部，判定当进行所述第2控制时所述转子是否处于停止状态；及

通知部，当所述停止判定部判定为停止状态时，进行异常通知。

4.根据权利要求2所述的涡轮分子泵，其特征在于，其中，

所述规定温度以下的泵使用温度区域被划分为多个温度范围，越是高温侧的温度范围，所述规定转数设定得越大。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮分子泵，其特征在于，其更包括：

结束信息提示部，当所述定子的温度达到所述目标温度时，提示升温结束信息。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮分子泵，其特征在于，其更包括：

推断时间提示部，依据所述温度传感器检测出的所述定子的温度，来推断所述定子达到所述目标温度为止的升温时间，且提示所述推断出的升温时间。

7.根据权利要求5所述的涡轮分子泵，其特征在于，其更包括：

推断时间提示部，依据所述温度传感器检测出的所述定子的温度，来推断所述定子达到所述目标温度为止的升温时间，且提示所述推断出的升温时间。