JP2011080407A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】効率的にステータを昇温させることができる真空ポンプの提供。
【解決手段】真空ポンプは、ロータ２の排気上流側に形成された複数段の回転翼８、および複数段の回転翼８に対して交互に配設された複数段の固定翼９とで構成されるターボポンプ部と、ロータ２の排気下流側に形成された円筒状ロータ部１２、および円筒状ロータ部１２の外周側に隙間を介して配置された円筒状のネジステータ１１とで構成されるドラッグポンプ部と、を備える。そして、ネジステータ１１に、ステータ加熱用のヒータ２２が埋め込まれている。ネジステータ１１はヒータ２２により直接加熱されるので、ネジステータ１１を効率的に昇温させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータを備えた真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプやモレキュラードラッグポンプのような真空ポンプでは、タービン翼などの排気作用部が形成されたロータを数万ｒｐｍという高速回転することによって、真空チャンバ内のガスを排気している。

また、半導体プロセス等に搭載される真空ポンプにおいて、腐食性ガスを排気する場合、そのガスがポンプ内で凝固してロータやステータに付着するという現象が発生する。その凝固物の量が多くなると、ステータとロータとが接触し、ポンプにダメージを与えるおそれがあった。そのため、そのような用途に用いられるターボ分子ポンプにおいては、ポンプの外周にヒータを巻き付けてポンプ温度を上昇させ、腐食性ガスの凝固を防止するようにしている。

特開２００９−０２４５４４号公報

しかしながら、上述したようにポンプ外周にヒータを設けて、間接的にステータを加熱する方法では、ポンプのケーシングやベースを加熱するのでステータの温度上昇が不充分になりやすい。また、ステータを充分な温度に加熱しようとすると、無駄なエネルギーを消費するとともに、加熱を嫌う部分まで加熱してしまうという問題が生じる。

請求項１の発明は、回転体に設けられた円筒状ロータ部と、円筒状ロータ部の外周側に隙間を介して配置された円筒状のステータとで構成されるドラッグポンプ部を備えた真空ポンプに適用され、ステータに埋め込まれたステータ加熱用のヒータを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の真空ポンプにおいて、ドラッグポンプ部よりも排気上流側に配置され、回転体の排気上流側に形成された複数段の回転翼と、該複数段の回転翼に対して交互に配設された複数段の固定翼とで構成されるターボポンプ部をさらに備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、ステータは鋳造により形成され、ヒータはステータに鋳込まれていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、円筒状ロータ部の温度を検出する第１の温度センサと、ステータの温度を検出する第２の温度センサと、円筒状ロータ部の回転速度を検出する回転数センサと、第１および第２の温度センサの検出温度と回転数センサで検出された回転速度とに基づいて、回転時に円筒状ロータ部とステータとが接触しないようにヒータの出力を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、円筒状ロータ部とステータとの隙間を検出するギャップセンサと、ギャップセンサの検出結果に基づいて、回転時に円筒状ロータ部とステータとが接触しないようにヒータの出力を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項４または５に記載の真空ポンプにおいて、回転時に円筒状ロータ部とステータとの隙間が一定となるようにヒータの出力を制御するようにしたものである。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、ステータは、排気口が形成されたポンプベース部と一体に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ヒータによりステータを直接加熱しているので、従来よりも効率的にステータを昇温させることができる。

本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図である。 円筒状ロータ部１２の水平断面図である。 回転中の円筒状ロータ部１２の変形を模式的に示す図である。 ギャップセンサ４４が設けられた円筒状ロータ部１２を示す図である。 変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプユニット１と電源ユニット３０の概略構成を示したものである。

ポンプユニット１は、ポンプ筐体を構成するベース４とケーシング１３を備えている。ケーシング１３には吸気口１３ａが形成され、ベース４には排気口２６が形成されている。ロータ２の排気上流側すなわち吸気口１３ａ側には、ターボポンプ部の構成要素である回転翼８が、軸方向に複数段形成されている。ロータ２の排気下流側、すなわち回転翼８の下流側には、ドラッグポンプ部の構成要素である円筒状ロータ部１２が形成されている。

上下に並んだ回転翼８の間にはターボポンプ部の構成要素である固定翼９がそれぞれ配設されている。各固定翼９は、スペーサ１０によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ１０は、固定翼９を保持する機能とともに、固定翼９間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。固定翼９の下流側のべース４には、ドラッグポンプ部の構成要素であるネジステータ１１がボルト２３によって固定されている。固定翼９およびネジステータ１１に対して回転翼８および円筒状ロータ部１２が高速回転することにより、排気作用が発生し、吸気口１３ａから流入したガス分子は、排気口２６側へと移送される。

ロータ２が取り付けられたシャフト３は、ベース４に設けられた電磁石５１，５２によって非接触支持されている。シャフト３はモータ６によって回転駆動される。モータ６のモータロータはシャフト３側に設けられ、モータステータはベース４側に設けられている。シャフト３の浮上位置は、ベース４に設けられたラジアル変位センサ７１およびアキシャル変位センサ７２によって検出される。ラジアル磁気軸受を構成する電磁石５１と、アキシャル磁気軸受を構成する電磁石５２と、変位センサ７１，７２とで５軸制御型磁気軸受が構成される。なお、磁気軸受が作動していない状態では、シャフト３はメカニカルベアリング２７，２８によって支持される。

シャフト３の下端には円形のディスク４１が設けられており、このディスク４１を上下に挟むように電磁石５２が設けられている。そして、電磁石５２によりディスク４１を吸引することによりシャフト３がアキシャル方向に浮上する。ディスク４１はナット４２によりシャフト３の下端部に固定されている。ロータ２の回転数は、回転数センサ２０によって検出される。

ベース４には、ロータ２の温度を検出する温度センサ４４が設けられている。温度センサ４４は非接触式の温度センサであり、例えば、放射温度計の原理を利用したものや、特開２００６−１９４０９４号公報や特開２００９−１３８２５号公報に記載されているような磁性体のキュリー温度を利用するものなどがある。また、ネジステータ１１には、ネジステータ１１を加熱するヒータ２２と、ネジステータ１１の温度を検出する温度センサ２４が設けられている。温度センサ２４は接触式のセンサであって、サーミスタ等を使用することができる。

ポンプユニット１は電源ユニット３０によって駆動制御される。電源ユニット３０は、磁気軸受を駆動制御する磁気軸受駆動制御部３２、モータ６を駆動制御するモータ駆動制御部３３、演算部３１、および、演算部３１の演算結果に基づいてヒータ２２の出力を制御するヒータ制御部３４を備えている。演算部３１は、温度センサ４４の出力および回転数センサ２０の出力に基づいてロータ２の変形量を演算したり、温度センサ２４の出力に基づいてネジステータ１１の変形量を演算したりする。

上述したように、腐食性ガスをターボ分子ポンプで排気する場合、ターボ分子ポンプの下流側ほど圧力が高くなり、腐食性ガスが凝固しやすくなる。図１のような構成のターボ分子ポンプの場合、ネジステータ１１および円筒状ロータ部１２に凝固しやすく、特に、排気口側に近い部分ほど顕著となる。そのため、従来のターボ分子ポンプではケーシング１３の周囲やベース４の周囲にヒータを巻き付けるように設けて、ケーシング１３やベース４を介してネジステータ１１を間接的に加熱するようにしていた。

そこで、本実施の形態では、より効率的にネジステータ１１を加熱するために、ヒータ２２をネジステータ１１に直接設けるようにした。ヒータ２２の設置形態としては、例えば、ネジステータ１１の外周側にほぼ一周するような溝を形成し、その溝内にシーズヒータ等のヒータ２２を埋め込むようにしても良い。また、ネジステータ１１を鋳造で形成し、最後に仕上げ加工するような場合には、ヒータ２２を予め鋳込んでしまうようにしても良い。その結果、ネジステータ２２を効率よく加熱することができるとともに、ベース４や外気等に逃げる熱を抑えることができるので、ネジステータ１１の温度の制御性が高まる。

図２は、ロータ２のヒータ２２が設けられている部分を示す水平断面図である。図２（ａ）に示す例では、ヒータ２２は円形状に曲げられて、円筒状ロータ部１２内に鋳込まれている。ヒータ２２の配線引出し部は円筒状ロータ部１２から外部に露出している。また、図２（ｂ）に示すように、円筒状ロータ部１２の軸方向に沿って埋め込まれた棒状のヒータ２２を複数（図２（ｂ）では８つ）配置するようにしても良い。

なお、ヒータ２２で加熱をする際には、ネジステータ１１の温度を温度センサ２４で検出して最適温度となるように制御する。また、ロータ２の温度を温度センサ４４でモニタし、ロータ２の温度が許容温度を越えないように監視するようにしても良い。

ところで、ターボ分子ポンプで大量のガスを排気する場合、気体分子との摩擦によってロータ２が加熱され、ロータ温度上昇によりロータ２が熱膨張する。また、ロータ２は上述したように数万ｒｐｍのように高速回転しているため、遠心力によって径方向外側に変形しようとする傾向がある。ロータ２における熱膨張と遠心力とによる変形は、ネジステータ１１と対向する円筒状ロータ部１２において顕著に現れる。

このロータ２の変形が大きくなり過ぎると、ロータ２とネジステータ１１との接触を招くおそれがある。また、ロータ２の円筒状ロータ部１２とネジステータ１１との隙間寸法は、真空排気における圧縮性能に大きく影響する。そこで、本実施の形態では、ネジステータ１１に設けられたヒータ２２の出力を制御して、円筒状ロータ部１２とネジステータ１１との隙間がゼロとならないようにしている。

図３は、回転中の円筒状ロータ部１２の変形を模式的に示したものであり、図１の円筒状ロータ部１２の部分を拡大して示したものである。二点差線は、回転停止時のロータ２の形状と、ヒータ２２による加熱が行われていない場合のネジステータ１１の形状とを示している。この場合、ロータ２およびネジステータ１１には遠心力や熱膨張による変形は生じていないので、円筒状ロータ部１２とネジステータ１１との隙間寸法は、設計寸法Ｇ０となっている。

一方、ロータ回転時には遠心力が作用するので、ロータ２は円筒状ロータ部１２の下端が開くように変形する。また、ガス負荷時の熱発生による熱膨張によって、円筒状ロータ部１２はさらに外側へと開き、実線で示すような形状となる。その結果、隙間が小さくなり、最悪の場合にはネジステータ１１と接触することになる。

ところが、ネジステータ１１をヒータ２２で加熱すると、円筒状のネジステータ１１は図３の実線で示すように変形する。ネジステータ１１は、上端部分がボルト２３でベース４に締結されており、また、ヒータ２２がネジステータ１１の下側に偏って配置されている。そのため、ネジステータ１１は、熱膨張によって、ネジステータ１１の下側がベース側へ近付くような形状に変形する。

円筒状ロータ部１２とネジステータ１１との接触を回避するだけであれば、Ｄ2＋ΔＤ2tがＤ1＋ΔＤ1t＋Ｄ1rより大きければ良い。ここで、Ｄ1は円筒状ロータ部１２の外径、Ｄ2はネジステータ１１の内径であり、ΔＤ1tおよびΔＤ2tは円筒状ロータ部１２およびネジステータ１１の熱膨張量で、ΔＤ1rは円筒状ロータ部１２の遠心力による変形量である。実際には、排気性能が変化しないように、すなわち隙間寸法が変化しないようにΔＤ2t＝ΔＤ1t＋ΔＤ1rと制御するのが好ましい。

また、ロータ２およびネジステータ１１の線膨張係数をそれぞれα1，α2とし、ロータ２およびネジステータ１１の昇温温度をΔＴ1およびΔＴ2とした場合は、上記２つの条件は次式（１）、（２）のようになる。
Ｄ2＋α2・ΔＴ2・Ｄ2＞Ｄ1＋α1・ΔＴ1・Ｄ1＋ΔＤ1r …（１）
α2・ΔＴ2・Ｄ2＝α1・ΔＴ1・Ｄ1＋ΔＤ1r …（２）

このような制御を行う場合、演算部３１は、温度センサ４４で検出されたロータ温度Ｔ1に基づいて昇温温度ΔＴ1を、温度センサ２４で検出されたネジステータ１１の温度Ｔ2に基づいて昇温温度ΔＴ2を算出する。そして、式（１）または（２）の条件を満たすように、ヒータ制御部３４によりヒータ２２の出力を制御する。

上述した例では、ロータ２およびネジステータ１１の昇温温度ΔＴ1およびΔＴ2を温度センサ４４，２４で検出して、その計測結果に基づいてロータ−ステータ間の隙間を演算により求めた。しかし、図４に示すように、ギャップセンサ２５をネジステータ１１に設けて、ロータ−ステータ間の隙間ｄを直接計測するようにしても良い。この場合、計測された隙間ｄに基づいてロータ２の変形量（α1・ΔＴ1・Ｄ1＋ΔＤ1r）を計算し、その変形量からロータ温度（昇温温度をΔＴ1）を推定することができる。そのため、ロータ側の温度センサ４４を省略することができる。また、温度センサ２４でネジステータ１１の温度を検出し、腐食性ガスが凝固しないような温度となるようにヒータ出力を制御する。

なお、ガスの固着は、圧力がより高い円筒状ロータ部１２の下端ほど著しいので、ヒータ２２は下端に近い部分に設けるのが好ましい。ヒータ２２を下端に近い部分に設けることは、円筒状ロータ部１２の下端が開くように熱膨張変形させるのに効果的である。

図５は、本実施の形態の変形例を示す図である。上述した実施の形態では、ベース４に別体のネジステータ１１をボルト固定する構成とした。しかし、図５に示すようにベース４とネジステータ１１とを一体に形成した構成のターボ分子ポンプの場合にも、本発明は同様に適用することができる。ここでは、ネジステータ１１の温度を制御してロータ−ステータ間の隙間を一定に管理する場合に、ネジステータ１１が膨張変形し易いように、ベース４とネジステータ１１との間に切り欠き１１ａを形成した。もちろん、隙間管理まで行わない場合には、このような切り欠き１１ａを設けなくても構わない。

なお、図５に示す変形例では、ネジステータ１１に温度センサ２４とギャップセンサ２５とを設ける構成としているが、図３に示すように、温度センサ４４，２４をロータ２およびネジステータ１１に設ける構成としても良い。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、円筒状のロータ２の外周面にタービン翼段の回転翼８や、ドラッグポンプ段（円筒状ロータ部１２の外周面）が形成されたターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明は、ドラッグポンプ部（ネジステータ１１および円筒状ロータ部１２）のみを備えるドラッグポンプ型の真空ポンプにも適用することが出来る。

１：ポンプユニット、２：ロータ、４：ベース、６：モータ、８：回転翼、９：固定翼、１１：ネジステータ、１２：円筒状ロータ部、２０：回転数センサ、２２：ヒータ、２４，４４：温度センサ、２５：ギャップセンサ、３０：電源ユニット、３１：演算部、３４：ヒータ制御部

Claims (7)

1. 回転体に設けられた円筒状ロータ部と、前記円筒状ロータ部の外周側に隙間を介して配置された円筒状のステータとで構成されるドラッグポンプ部を備えた真空ポンプにおいて、
   前記ステータに埋め込まれたステータ加熱用のヒータを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ドラッグポンプ部よりも排気上流側に配置され、前記回転体の排気上流側に形成された複数段の回転翼と、該複数段の回転翼に対して交互に配設された複数段の固定翼とで構成されるターボポンプ部をさらに備えたことを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ステータは鋳造により形成され、前記ヒータは前記ステータに鋳込まれていることを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記円筒状ロータ部の温度を検出する第１の温度センサと、
   前記ステータの温度を検出する第２の温度センサと、
   前記円筒状ロータ部の回転速度を検出する回転数センサと、
   前記第１および第２の温度センサの検出温度と前記回転数センサで検出された回転速度とに基づいて、回転時に前記円筒状ロータ部と前記ステータとが接触しないように前記ヒータの出力を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする真空ポンプ。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記円筒状ロータ部と前記ステータとの隙間を検出するギャップセンサと、
   前記ギャップセンサの検出結果に基づいて、回転時に前記円筒状ロータ部と前記ステータとが接触しないように前記ヒータの出力を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする真空ポンプ。
6. 請求項４または５に記載の真空ポンプにおいて、
   前記制御部は、回転時に前記円筒状ロータ部と前記ステータとの隙間が一定となるように前記ヒータの出力を制御することを特徴とする真空ポンプ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ステータは、排気口が形成されたポンプベース部と一体に形成されていることを特徴とする真空ポンプ。

Images