JP2000018189A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

ターボ分子ポンプ

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    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 運転中のターボ分子ポンプのロータの温度を
非接触で精度良く検知できるロータ温度検知手段を具備
するターボ分子ポンプを提供すること。 【解決手段】 高速で回転するロータの温度を検知する
温度検知手段を具備するターボ分子ポンプにおいて、温
度検知手段として、ロータＲの軸方向変位を検出する変
位センサ２２、２３を２個以上設け、該ロータＲの検出
変位から該ロータＲの温度を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速回転するロー
タにより気体の排気を行うターボ分子ポンプに係り、特
にロータの温度を検知する温度検知手段を具備するター
ボ分子ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図６は、従来のこの種のターボ分子ポン
プの構造例を示す断面図である。図示するように、ター
ボ分子ポンプはポンプケーシング１の内部にロータＲと
ステータＳにより構成される。ロータＲは主軸４とこれ
と一体に回転する回転筒状部５を具備する。ステータＳ
は主軸４を取り囲む固定筒状部３及び基部２を具備する
ステータ本体から構成されている。
【０００３】主軸４はラジアル方向を上部ラジアル磁気
軸受７及び下部ラジアル磁気軸受８に支承され、アキシ
ャル方向をアキシャル磁気軸受（ターゲットディスク９
及び電磁石１０ａ、１０ｂで構成される）１１で支承さ
れ、駆動モータ６の回転により、ロータＲは回転するよ
うになっている。回転筒状部５の上部外周部には回転翼
１２が一体に設けられて羽根車を構成する。ポンプケー
シング１の内面には回転翼１２と交互に固定翼スペーサ
１４を介在させて固定翼１５が配置されている。
【０００４】回転筒状部５には下方に延出するねじ溝部
１８が一体に設けられ、ステータＳにはこのねじ溝部１
８の外周を囲繞するねじ溝部スペーサ１９が配置されて
いる。駆動モータ６によりロータＲが高速回転すると、
回転翼１２と静止している固定翼１５との相互作用によ
って排気が行われ、ねじ溝部１８のドラッグ作用によっ
て排気が行われる。排気は排気口２０から排出される。
【０００５】上記構造のターボ分子ポンプにおいて、ロ
ータＲの主軸４や羽根車を構成する回転筒状部５や回転
翼１２等は一般的にアルミニウム合金からなる。該アル
ミニウム合金は高温での強度が低く、高温高応力状態で
クリープ変形が進みやすいという特性がある。また、タ
ーボ分子ポンプのロータＲは排気性能を得るために、高
速で回転しており、羽根車に生じる応力も許容値の上限
あたりにある。
【０００６】従って、ターボ分子ポンプの運転中のロー
タＲの温度を測定できれば、ターボ分子ポンプの寿命予
測及び危険予知ができ、極めて有効である。特に最近の
半導体製造プロセスにおいては、プロセスガス量が多く
なりつつあり、それによってターボ分子ポンプのガス負
荷が増大し、ロータＲの温度が高い条件で使われる場合
が多くなりつつある。
【０００７】ターボ分子ポンプのロータＲの温度を常時
測定するには、非接触でロータ温度が測定できる非接触
方式の温度測定手段を採用する必要がある。従来のこの
種の非接触方式の温度測定手段としては、温度の高低に
より変色作用のある特殊塗料をロータに施工し、該特殊
塗料の変色を検出してロータの温度を検知する方法があ
った。また、接触方式としては、ロータを停止させたの
ち、接触式熱電対でロータ温度を測定する方法もあっ
た。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のように特殊塗料
を使用する方法では、ターボ分子ポンプ内にパーティク
ルの原因になるものが存在することになり望ましくな
い。また、特殊塗料の耐久性にも問題があった。また、
精度の良い温度測定は難しいという問題もあった。
【０００９】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、運転中のターボ分子ポンプのロータの温度を非接触
で精度良く検知できるロータ温度検知手段を具備するタ
ーボ分子ポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、高速で回転するロータの温度
を検知する温度検知手段を具備するターボ分子ポンプに
おいて、温度検知手段として、ロータの軸方向変位を検
出する変位センサを２個以上設け、該ロータの検出変位
から該ロータの温度を検知することを特徴とする。
【００１１】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のターボ分子ポンプにおいて、２個以上の変位セ
ンサのうち少なくとも１個の変位センサはロータを軸方
向に支承するアキシャル磁気軸受に設けられた該ロータ
の軸方向の変位を検出するアキシャルセンサであること
を特徴とする。
【００１２】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
又は２に記載のターボ分子ポンプにおいて、変位センサ
を取り付けるセンサホルダを構成する材料の線膨張係数
は少なくともロータを構成する材料の線膨張係数より小
さいことを特徴とする。
【００１３】また、請求項４に記載の発明は、高速で回
転するロータの温度を検知する温度検知手段を具備する
ターボ分子ポンプにおいて、温度検知手段として、該ロ
ータから発する赤外線を検出する赤外線熱電対を設け、
該赤外線熱電対の出力からロータの温度を検知すること
を特徴とする。
【００１４】また、請求項５に記載の発明は、高速で回
転するロータの温度を検知する温度検知手段を具備する
ターボ分子ポンプにおいて、温度検知手段として、温度
によって透磁率が変化する材料で構成された部材を該ロ
ータに組み込み、該部材の透磁率を非接触で検出する透
磁率センサを設け、該透磁率センサの出力から該ロータ
の温度を検知することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基づいて説明する。図１は請求項１に記載の発明に
係るターボ分子ポンプの構造を示す断面図である。本タ
ーボ分子ポンプはロータ（回転部）Ｒとステータ（固定
部）Ｓにより構成されている。ステータ（固定部）Ｓは
ポンプケーシング１と基部２と固定筒状部３が一体とな
って主に構成され、ロータＲは主軸４と回転筒状部５と
から主に構成される点等は図６の従来構造と同一であ
る。
【００１６】本発明のターボ分子ポンプが従来のターボ
分子ポンプと異なる点は、固定筒状部３の外周部に上下
方向に所定の間隔を設けて、ロータＲの回転筒状部５の
変位を検出する変位センサ２２、２３を設けた点であ
る。変位センサ２２、２３には、渦電流センサ、誘導型
センサ、静電容量型センサ等を用いる。
【００１７】上記のようにターボ分子ポンプの羽根車を
構成する回転筒状部５や回転翼１２等はアルミニウム合
金からなる。アルミニウム合金は他の金属と比較し、線
膨張係数が大きい。よって上記のように、所定の間隔離
して設けた変位センサ２２、２３により、ロータＲの回
転筒状部５の２個所の軸方向の変位を検出することで、
これらの点の相対的変位差を検出でき、この相対的変位
差と既知のアルミニウム合金の線膨張係数より、ロータ
Ｒの温度を測定することができる。
【００１８】なお、上記例では２個の変位センサ２２、
２３を設けたが、変位センサの数はそれ以上であっても
よい。変位センサを２個以上設ける目的としてはガス負
荷や外乱等によりロータＲ全体が軸方向に変位してもそ
れぞれの測定値により、各個所の相対変位を算出するこ
とができ、正確なロータＲの温度を測定することが可能
となる。
【００１９】変位センサを取付ける場所は、腐食性ガス
等からの保護の目的で、ロータＲの回転筒状部５の内側
に設ける方がよく、特に回転筒状部５の下端部の変位を
測定する変位センサ２３は図１に示すように完全に回転
筒状部５の内側になるように配置するのが良い。変位セ
ンサ２３の保護性能を向上させるため固定筒状部３の該
変位センサ２３の下方外周部に逆流防止用ねじ溝２１を
設けるとよい。また、Ｎ２ガスをパージガスとして該逆
流防止用ねじ溝２１を通して排気口２０の側に流すこと
により、保護性能を向上させることも可能である。
【００２０】図２は請求項２に記載の発明に係るターボ
分子ポンプの構造を示す断面図である。本ターボ分子ポ
ンプが図１に示す構造のターボ分子ポンプと異なる点
は、２個の変位センサのうち、一方の変位センサ２４を
固定筒状部３と回転筒状部５の下端が対向する位置に設
け、他方の変位センサに磁気軸受であるアキシャル磁気
軸受１１に設けられたロータＲの軸方向変位を検出する
アキシャルセンサ２５を用いている点である。このよう
に、アキシャルセンサ２５を用いることにより、変位セ
ンサの数を減らすことが可能となり、システムの簡素化
ができる。
【００２１】図３は請求項３に記載の発明に係るターボ
分子ポンプの構造を示す断面図である。本ターボ分子ポ
ンプが図１及び図２に示す構造のターボ分子ポンプと異
なる点は、固定筒状部３の外周部にセンサホルダー２６
を設け、該センサホルダー２６にロータＲの軸方向に所
定の間隔を設けて変位センサ２７、２８を設けた点であ
る。ここで、センサホルダー２６を構成する材料の線膨
張係数はロータＲを構成する材料の線膨張係数より小さ
いものを用いる。
【００２２】ロータＲの温度に変化があるとロータＲの
近傍の変位センサを取り付けたセンサホルダー２６にも
少なからず温度変化が生じる。この際、このセンサホル
ダー２６の線膨張係数が大きいと、変位センサ２７、２
８自身の位置も変位してしまいロータＲの変位を精度良
く測定することが困難となる。よって、センサホルダー
２６を線膨張係数の小さい材料で構成することにより、
温度変化による誤差を小さくすることができる。
【００２３】従って、センサホルダー２６を構成する材
料の線膨張係数はロータＲを構成する材料の線膨張係数
より小さければ小さい程、ロータＲの変位を精度良く測
定でき、これによりロータＲの温度を精度良く検知する
ことが可能となる。センサホルダーを構成する具体的材
料としてはステンレス鋼、セラミックス等が挙げられ
る。
【００２４】図４は請求項４に記載の発明に係るターボ
分子ポンプの構造を示す断面図である。本ターボ分子ポ
ンプが図１乃至図３に示す構造のターボ分子ポンプと異
なる点は、回転筒状部５の内周面の所定の位置に黒体塗
料又は黒色アルマイト又はセラミックスのコーティング
２９を施し、固定筒状部３に該コーティング２９と対向
するように赤外線熱電対３０を設けた点である。
【００２５】上記のように固定筒状部３に赤外線熱電対
３０を設けることにより、該赤外線熱電対３０でターボ
分子ポンプの運転中の該ロータＲから発する赤外線を測
定することができ、該赤外線熱電対３０の出力よりロー
タＲの温度を検知することが可能となる。黒体塗料又は
黒色アルマイト又はセラミックスのコーティング２９を
施すのはロータＲ（回転筒状部５）の測定個所の熱放射
率を１に近づけるためである。
【００２６】図５は請求項５に記載の発明に係るターボ
分子ポンプの構造を示す断面図である。本ターボ分子ポ
ンプが図１乃至図４に示す構造のターボ分子ポンプと異
なる点は、回転筒状部５の内側上面の所定位置の透磁率
が温度によって変化する材料である環状の部材３１が組
み込まれ、固定筒状部３の該部材３１と対向する位置に
透磁率を測定できる透磁率センサ３２を設けた点であ
る。
【００２７】部材３１を構成する透磁率が温度によって
変化する材料としては、例えば温感性フェライト材を用
いる。また、透磁率センサ３２としては、例えば永久磁
石ホール素子を用いる。透磁率センサ３２で部材３１の
透磁率の変化を測定することにより、ロータＲの温度を
検知できる。
【００２８】なお、上記ターボ分子ポンプの構造は一例
であり、本発明のターボ分子ポンプの構造は、上記構造
に限定されるものではなく、要は高速で回転するロータ
を有するターボ分子ポンプであれば、本発明の対象とな
る。
【００２９】
【発明の効果】以上、説明したように各請求項に記載の
発明によれば下記のような優れた効果が期待できる。
【００３０】請求項１に記載の発明によれば、ロータの
軸方向変位を検出する変位センサを２個以上設けたの
で、ロータの温度による変位が検出でき、該検出変位と
ロータ構成部材の既知の線膨張係数により、ロータの温
度を検知することができる。また、２個の以上のセンサ
を設けて変位するので、ガス負荷や外乱等によりロータ
全体が軸方向に変位してもそれぞれの測定値により、各
個所の相対変位を算出することができ、正確なロータの
温度を測定することが可能となる。
【００３１】請求項２に記載の発明は２個以上の変位セ
ンサのうち少なくとも１個の変位センサはロータを軸方
向に支承するアキシャル磁気軸受の軸方向変位センサを
用いるので、変位センサの数を減らすことができる。
【００３２】請求項３に記載の発明は変位センサを取り
付けるセンサホルダーを構成する材料の線膨張係数は少
なくともロータを構成する材料の線膨張係数より小さく
するので、変位センサ自身の位置の変位が小さくなり、
変位センサ自身の位置による誤差が小さくなるから、よ
り精度のよいロータの温度を測定できる。
【００３３】請求項４に記載の発明によれば、赤外線熱
電対を設け、該赤外線熱電対で、ロータから発する赤外
線を測定するので、該赤外線熱電対の出力から簡単にロ
ータの温度を検知することができる。
【００３４】請求項５に記載の発明によれば、ロータに
ロータの温度によって透磁率が変化する材料で構成され
た部材を組み込み、透磁率センサで該部材の透磁率変化
を測定するので、この透磁率の変化によりロータの温度
を簡単に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明（請求項１）に係るターボ分子ポンプの
構造例を示す断面図である。
【図２】本発明（請求項２）に係るターボ分子ポンプの
構造例を示す断面図である。
【図３】本発明（請求項３）に係るターボ分子ポンプの
構造例を示す断面図である。
【図４】本発明（請求項４）に係るターボ分子ポンプの
構造例を示す断面図である。
【図５】本発明（請求項５）に係るターボ分子ポンプの
構造例を示す断面図である。
【図６】従来のターボ分子ポンプの構造例を示す断面図
である。
【符号の説明】
１ ポンプケーシング ２ 基部 ３ 固定筒状部 ４ 主軸 ５ 回転筒状部 ６ 駆動モータ ７ 上部ラジアル磁気軸受 ８ 下部ラジアル磁気軸受 ９ ターゲットディスク １０ａ，ｂ 電磁石 １１ アキシャル磁気軸受 １２ 回転翼 １４ 固定翼スペーサ １５ 固定翼 １８ ねじ溝部 １９ ねじ溝部スペーサ ２０ 排気口 ２１ 逆流防止用ねじ溝 ２２ 変位センサ ２３ 変位センサ ２４ 変位センサ ２５ アキシャルセンサ ２６ センサホルダー ２７ 変位センサ ２８ 変位センサ ２９ コーティング ３０ 赤外線熱電対 ３１ 部材 ３２ 透磁率センサ Ｒ ロータ Ｓ ステータ
フロントページの続き (72)発明者 曽布川 拓司 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 中澤 敏治 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原電産内 Ｆターム(参考） 3H021 AA02 AA08 BA00 BA20 BA21 CA00 DA00 EA00 3H031 DA01 DA02 DA07 EA00 EA01 EA05 EA09 EA15 FA00 FA01 FA13 FA34

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高速で回転するロータの温度を検知する
    温度検知手段を具備するターボ分子ポンプにおいて、 前記温度検知手段として、ロータの軸方向変位を検出す
    る変位センサを２個以上設け、該ロータの検出変位から
    該ロータの温度を検知することを特徴とするターボ分子
    ポンプ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のターボ分子ポンプにお
    いて、 前記２個以上の変位センサのうち少なくとも１個の変位
    センサは前記ロータを軸方向に支承するアキシャル磁気
    軸受に設けられた該ロータの軸方向の変位を検出するア
    キシャルセンサであることを特徴とするターボ分子ポン
    プ。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のターボ分子ポン
    プにおいて、 前記変位センサを取り付けるセンサホルダを構成する材
    料の線膨張係数は少なくとも前記ロータを構成する材料
    の線膨張係数より小さいことを特徴とするターボ分子ポ
    ンプ。
  4. 【請求項４】 高速で回転するロータの温度を検知する
    温度検知手段を具備するターボ分子ポンプにおいて、 前記温度検知手段として、該ロータから発する赤外線を
    検出する赤外線熱電対を設け、該赤外線熱電対の出力か
    らロータの温度を検知することを特徴とするターボ分子
    ポンプ。
  5. 【請求項５】 高速で回転するロータの温度を検知する
    温度検知手段を具備するターボ分子ポンプにおいて、 前記温度検知手段として、温度によって透磁率が変化す
    る材料で構成された部材を該ロータに組み込み、該部材
    の透磁率を非接触で検出する透磁率センサを設け、該透
    磁率センサの出力から該ロータの温度を検知することを
    特徴とするターボ分子ポンプ。
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