JP2019132253A

JP2019132253A - 真空ポンプ

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Publication number: JP2019132253A
Application number: JP2018017243A
Authority: JP
Inventors: 清水　幸一; Koichi Shimizu; 幸一清水
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: CN209724708U; US20190242386A1; JP7087418B2; US10794385B2

Abstract

【課題】玉軸受を使用する一体型ターボ分子ポンプ（真空ポンプ）において、玉軸受の温度上昇を防止して耐用年数の向上を図る。【解決手段】ターボ分子ポンプ（真空ポンプ）１は、複数段の回転翼３０が形成されたロータ３と、ロータ３を回動自在に支承する玉軸受８を備えるベース２と、ロータ３を覆い前記ベース２と接続している外筒１２と、発熱素子１０３を含む電子回路を含む制御装置１００とを備え、制御装置１００は外筒１２に接触して設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ装置と制御装置とが一体化された一体型の真空ポンプに関する。

半導体製造装置や分析装置等に用いられる真空ポンプとして、ターボ分子ポンプが用いられている。ターボ分子ポンプは、ポンプ装置と、ポンプ装置内のモータ等を駆動し制御するための駆動回路、制御回路などを含む制御装置とを備える。

ターボ分子ポンプにおいては、複数段の回転翼が形成されたロータを高速回転することで排気を行うため、ロータの回転軸であるシャフトをその両端付近で回転自在に支承する軸受が設けられている。軸受には、グリース潤滑式の玉軸受や、永久磁石や電磁石の吸引反発力を利用する磁気軸受が用いられる。磁気軸受には非接触という利点があるが、玉軸受に比べて大型で高コストとなる。従って、小型のポンプにおいては、シャフトの一方の吸気口側（高真空側）の端部では磁気軸受を用いるが、他方の排気口側（低真空側）の端部では小型で低コストのグリース潤滑式の玉軸受の使用が一般的である。

ターボ分子ポンプを小型化するために、特許文献１に記載されているようなポンプ装置と制御装置との一体化が知られている。特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、真空排気を行うポンプ装置のベースの側面に凹部を形成し、この凹部に電子部品が搭載された基板を含む制御装置を収納して小型化を図っている。

特開２０１４−１０５６９５号公報

ターボ分子ポンプでは、ロータを高速回転させるために大電力での駆動が必要なため、制御装置内の特に駆動回路は大きな発熱源となっている。小型化のためにポンプ装置と制御装置を一体化した場合には、制御装置内の駆動回路等の発熱素子で生じた熱がポンプ装置に伝達する。そして、この熱がロータを支承する玉軸受に伝わると、玉軸受のグリース等の潤滑剤が加熱され蒸発して玉軸受の寿命が短くなるという問題がある。

本発明の第１の態様によると、真空ポンプは、複数段の回転翼が形成されたロータと、前記ロータを回動自在に支承する玉軸受を備えるベースと、前記ロータを覆い前記ベースと接続している外筒と、発熱素子を含む電子回路を含む制御装置とを備え、前記制御装置は前記外筒に接触して設けられている。

本発明によれば、制御装置内の発熱素子から発生する熱は、制御装置から外部に放熱されるとともに、一部は真空ポンプ本体の外筒に伝わり、そこから外部に放熱される。これにより、ベース内に設けられた玉軸受の温度上昇を防止できる。

第１実施形態のターボ分子ポンプ１の断面図。第２実施形態のターボ分子ポンプ１Ａの一部を表す断面図。第３実施形態のターボ分子ポンプ１Ｂの一部を表す断面図。変形例１のターボ分子ポンプの一部を表す断面図。

（第１実施形態）
以下、図を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明のターボ分子ポンプの第１実施形態を示す断面図である。
ターボ分子ポンプ１は、真空排気を行うポンプ装置１０とそのポンプ装置１０を駆動する制御装置１００とを有している。
ポンプ装置１０の構造について説明する。
ポンプ装置１０は、排気機能部として、タービン翼を備えたターボポンプ部と、螺旋型の溝を備えたHolweckポンプ部とを備えている。

ターボポンプ部は、回転軸ＡＸを中心として回動自在なロータ３に形成された複数段の回転翼３０と、ロータ３を覆うように構成される外筒１２側に配置された複数段の固定翼２０とで構成される。

一方、ターボポンプ部の下流側に設けられたHolweckポンプ部は、ロータ３に設けられた一対の円筒部３１ａ，３１ｂと、ベース２側に配置された一対のステータ２１ａ，２１ｂとで構成されている。円筒状のステータ２１ａ，２１ｂの内外周面のうち、円筒部３１ａ，３１ｂと対向する周面には螺旋溝が形成されている。なお、ステータ側に螺旋溝を設ける代わりに、ロータ側に螺旋溝を設けてもよい。
外筒１２の下端部２８は、Ｏリング等のシール部材２９を介してベース２の上端面と接続され、外筒１２はベース２に不図示のボルトにより固定されている。

ロータ３はシャフト５に締結され、ロータ３とシャフト５とは一体の回転体を構成している。シャフト５はモータ４により回転軸ＡＸを中心として回転駆動される。なお、ロータ３に設けられた一対の円筒部３１ａ，３１ｂも、ロータ３と共に回転する。モータロータ４ａはシャフト５に設けられ、モータステータ４ｂはベース２に固定されている。
シャフト５の下端側は、ベース２に設けられ、グリースが封入された玉軸受８により保持される。一方、シャフト５の上端側は永久磁石６ａ，６ｂを用いた永久磁石磁気軸受６により非接触支持される。そして、これらの上下の軸受により、シャフト５およびロータは、ロータの回転軸を中心として回動自在に支承されている。

本例の真空ポンプは、シャフト上部のラジアル方向の振れを制限するタッチダウンベアリング、たとえば、玉軸受９を有している。この玉軸受９は磁石ホルダ１１に収容されている。すなわち、ロータ３が定常回転している状態では、シャフト５と玉軸受９とは接触することはない。ただし、大外乱が加わった場合や、回転の加速時または減速時にロータ３の振れ回りが大きくなった場合に、シャフト５が玉軸受９の内輪に接触する。玉軸受８，９には、例えば深溝玉軸受が用いられる。

ベース２の底面には、玉軸受８を着脱する際の開口２４を封止するためのベースカバー２７がボルト固定されている。外筒１２には、ポンプ装置１０をチャンバ等に固定するための吸気口フランジ１２ａが形成されている。また、ベース２の側面には排気口２２が設けられている。吸気口フランジ１２ａから流入した気体分子は、ターボポンプ部およびHolweckポンプ部によりポンプ下流側に移送され、排気口２２から排気される。

次に制御装置１００について説明する。
ポンプ装置１０の外筒１２側面には、一例として平面である取付面２５が形成されており、制御装置１００は取付面２５と直接接触し、ボルトによって取付面２５に取り付けられている。
制御装置１００は、ポンプ装置１０内のモータ４を駆動するためのパワー半導体等の発熱素子１０３や回路基板１０２等を含む電子回路と、それを収納するハウジング１０１を備えている。ハウジング１０１の外形はほぼ直方体形状であるが、これに限らす任意の形状であっても良い。この直方体を構成する６個の外板のうち、断面図である図１には、４つの外板１０１ａ、外板１０１ｂ、外板１０１ｃ、外板１０１ｄの各断面が示されている。ハウジング１０１とは、これらの６個の外板１０１ａ〜ｄおよびそれらを連結している不図示の部材の全体を表す。

制御装置１００は、外板１０１ｂの上部がターボ分子ポンプ１の外筒１２の側面（取付面２５）にボルトによって取り付けられることにより、ポンプ装置１０に取り付けられている。
一方、ベース２の側面のうち制御装置１００と近接する部分には、制御装置１００と接触しないようにベース２の一部を削除した平面２６が形成されている。そして、外板１０１ｂの下部に対向するベース２の平面２６にはハーメチックコネクタ等の電力導入端子が設けられ、電気配線３３は、これを介して制御装置１００内に設けられた電子回路からの制御信号や電力をベース２内に設けられたモータ４等に供給する。

制御装置１００内のパワー半導体素子等の発熱素子１０３から発生した熱は、ハウジング１０１に伝達され、その一部はハウジング１０１の外板１０１ａ〜ｄから外部に放熱される。放熱されなかった熱の一部は、ハウジング１０１からポンプ装置１０の外筒１２に伝達される。外筒１２はポンプ装置１０の上部を覆う大きな表面を有するため、外筒１２に伝達された熱は、外筒１２から外部に効率良く放熱される。
なお、外筒１２からの放熱の効率を一層向上させるために、外筒１２の外周面に、冷却フィンを設けることもできる。

制御装置１００において、回路基板１０２は、支柱１０４を介して、外板１０１ｂとは反対側の外板１０１ａにねじ止め等で固定されている。回路基板１０２の両面にはプリント配線が形成され、各種の電子部品が実装されている。ここで、図１に示すとおり、モータ４にＰＷＭ駆動信号を出力するインバータ素子、インバータ素子を駆動するドライバ素子、逆流防止用ダイオード素子等の発熱素子１０３は、回路基板１０２の外板１０１ｂとは反対側の面に配置してもよい。そして、これらの発熱素子を、ハウジング１０１の外板１０１ｂとは反対側の金属製の外板１０１ａと直接接触または高熱伝導部材を介して接触させてもよい。

発熱素子１０３をハウジング１０１の外板１０１ａと低熱抵抗で接続させることで、発熱素子１０３で発生した熱を金属製の外板１０１ａに高効率で伝達し、外板１０１ａから放熱させることができる。発熱素子１０３を接続させる外板は、１０１ａに限らず、外筒１２に接続されている外板１０１ｂ以外の外板であってもよい。
一方、外筒１２に接続されている外板１０１ｂには回路基板１０２も発熱素子１０３も接続されない構成とすることもできる。

図１においては、制御装置１００は排気口２２に対してポンプ装置１０を挟んで反対側に配置されるものとしているが、制御装置１００と排気口２２の位置関係はこれに限定されるものではない。例えば、ロータ３の回転軸ＡＸを中心として、相互に９０度離れた位置や、両者が機械的に重ならない限り他の任意の位置に配置することもできる。

（第１実施形態の効果）
本発明の第１実施形態のターボ分子ポンプ（真空ポンプ）１は、複数段の回転翼が形成されたロータ３と、ロータ３を回動自在に支承する玉軸受８を備えるベース２と、ロータ３を覆いベース２と接続している外筒１２と、発熱素子１０３を含む電子回路を含む制御装置１００とを備え、制御装置１００は外筒１２に接触して設けられている。
このような構成としたので、発熱素子１０３で発生した熱は、制御装置１００から外部に放熱されるとともに、制御装置１００から外筒１２に伝わり、外筒１２から外部に放熱される。これにより、発熱素子からの熱がベース２に伝達することを抑制または防止でき、ベース２内の玉軸受８の温度上昇を抑制または防止できるという効果がある。その結果、玉軸受のグリースが加熱され蒸発して真空装置の真空度を低下させることを抑制または防止できる。さらにはグリースの減少が抑制または防止されるので、玉軸受の寿命、ひいては真空ポンプの寿命（メンテナンスサイクル）を長くすることができる。

また、本発明は、排気機能部にターボポンプ部およびHolweckポンプ部を備えた真空ポンプに限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプや、ジーグバーンポンプやHolweckポンプなどのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプや、それらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態のターボ分子ポンプ１Ａの、制御装置１００およびその近傍の外筒１２、ベース２を表す図である。第２実施形態のターボ分子ポンプは、制御装置１００と外筒１２の接続の形態以外は、前述の第１実施形態のターボ分子ポンプ１と同様であるため、図２に示した部分以外については説明を省略する。

第２実施形態のターボ分子ポンプ１Ａにおいては、制御装置１００は、そのハウジング１０１の外板１０１ｂの上部が、高熱伝導部材３４を介して外筒１２の取付面２５と接触し、ボルトによって取付面２５に取り付けられている。
高熱伝導部材３４は、例えば、熱伝導シール、高熱伝導性のゴムやシリコーンからなる部材であり、制御装置１００と外筒１２の取付面２５の密着性を高め、制御装置１００から外筒１２への熱の伝達の効率を向上する。密着性の向上の観点からは、高熱伝導部材３４の材料としては、弾性変形性または塑性変形性を有する圧縮性の材料が好ましい。
外筒１２に伝達された熱は、第１実施形態と同様に、外筒１２から外部に効率良く放熱される。

（第２実施形態の効果）
本発明の第２実施形態のターボ分子ポンプ（真空ポンプ）１Ａは、第１実施形態の構成に加えて、制御装置１００が、高熱伝導部材３４を介して外筒１２に接触して設けられている。
このような構成としたので、発熱素子１０３で発生した熱が、制御装置１００から外筒１２にさらに効率良く伝達し外筒１２から外部に放熱される。このため、発熱素子からの熱がベース２に伝達することを第１実施形態よりもさらに抑制または防止でき、ベース２内の玉軸受８の温度上昇を抑制または防止できるという効果がある。

なお、上記の第１実施形態および第２実施形態においては、制御装置１００とベース２の平面２６との間は、制御装置１００とベース２への熱の伝達を抑制するために、電気配線３３を設ける以外は接触しないものとしている。
しかし、制御装置１００の取り付けの機械的強度を高める等の目的のために、制御装置１００とベース２を少なくとも部分的に接触させてもよい。この場合にも、制御装置１００は外筒１２と接触しているため、制御装置１００内で発生した熱は外筒１２へと伝達され、外筒１２から外部に放熱されるため、発熱素子からの熱がベース２に伝達することを抑制できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図３は、第３実施形態のターボ分子ポンプ１Ｂの、制御装置１００およびその近傍の外筒１２、ベース２を表す図である。第３実施形態のターボ分子ポンプも、制御装置１００と外筒１２の接続の形態以外は、前述の第１実施形態のターボ分子ポンプ１と同様であるため、図３に示した部分以外については説明を省略する。

第３実施形態のターボ分子ポンプ１Ｂにおいては、制御装置１００は、第１実施形態と同様、そのハウジング１０１の外板１０１ｂの上部が外筒１２の取付面２５と接触し、ボルトによって取付面２５に取り付けられている。
一方、外板１０１ｂのうちベース２の平面２６と対向する下部には、断熱部材３５が設けられ、制御装置１００からベース２への熱の伝達を抑制する構成となっている。

断熱部材３５としては、一例として断熱性（低熱伝導性）のゴムや樹脂を使用することができる。また、外筒１２、ベース２および外板１０１ｂ等に加工誤差があった場合でも、ベース２と外板１０１ｂの隙間に確実に収納できるように、断熱部材３５の材料としては、弾性変形性または塑性変形性の圧縮性を有する材料であるゴムや柔らかい樹脂材料が好ましい。

（第３実施形態の効果）
本発明の第３実施形態のターボ分子ポンプ（真空ポンプ）１Ｂは、第１実施形態の構成に加えて、制御装置１００とベース２の間に、断熱部材３５が設けられている。このような構成としたので、制御装置１００からベース２への熱の伝達を遮断し、発熱素子からの熱のベース２へ伝達を第１実施形態よりもさらに抑制または防止できるという効果がある。
また、断熱部材３５の材料としては圧縮性部材を使用する場合には、外筒１２、ベース２および外板１０１ｂ等に加工誤差があった場合でも、ベース２と外板１０１ｂの隙間に確実に収納できるという効果がある。

なお、空気も比較的良好な断熱性を有するので、制御装置１００の外板１０１ｂの下部とベース２の平面２６とが対向する部分を、図１および図２に示した如く空隙として、空気を断熱材として制御装置１００とベース２を断熱させることもできる。
この場合には、簡素な構成で断熱構造を実現できるという効果がある。

（変形例１）
以上の各実施形態においては、発熱素子１０３を含む制御装置１００からの熱を効率よく外筒１２に伝達し、外筒１２から外部に放熱させることで、制御装置１００からベース２への熱の伝達を抑制している。本変形例では、これに加えて、外筒１２からベース２への熱の伝達をも抑制することで、発熱素子１０３からベース２への熱の伝達を一層抑制する。

図４は、変形例１における外筒１２Ａの下端部２８Ａとベース２上部との接合部を表す拡大図である。図４に示した以外の構成は、上述の各実施形態のいずれかと同様であるため、説明を省略する。
変形例１においては、上述の各実施形態と同様に、外筒１２Ａの下端部はその内側（ロータ３側）でＯリング等のシール部材２９を介してベース２の上端面と接続される。一方、外筒１２Ａの下端部２８Ａの外側には複数の掘り込み３６が形成されており、掘り込み３６によりベース２の接触面積が低減されることで低熱伝導部を構成している。これにより外筒１２からベース２への熱の伝達が抑制される。

外筒１２Ａの下端部の面内での複数の掘り込み３６の形状は、ロータ３の回転軸ＡＸを中心とする同心円形状でも良く、回転軸ＡＸから放射状に形成されていても良く、あるいはランダムな形状であっても良い。また、掘り込み３６はベース２の上端面側に形成されていても良く、外筒１２Ａの下端部とベース２の上端面側の双方に設けられていても良い。
低熱伝導部は、上記の掘り込み３６に限らず、外筒１２Ａの下端部またはベース２の上端面のいずれかまたは両方に低熱伝導性の膜を設けて形成しても良い。あるいは、外筒１２Ａの下端部とベース２の上端面の間に、ステンレス等の比較的熱伝導率の低い材質からなる薄片を設けて形成しても良い。

（変形例１の効果）
本変形例では、上記の各実施形態の構成に加えて、制御装置１００とベース２の間に、断熱部材３５が設けられている。このような構成としたので、制御装置１００から外筒１２を経由してのベース２への熱の伝達を遮断し、発熱素子からの熱のベース２へ伝達を上記の各実施形態よりもさらに抑制または防止できるという効果がある。

以上のいずれの実施形態のターボ分子ポンプ（真空ポンプ）においても、図１、図２、図３に示したとおり、制御装置１００の下端はベース２の下端よりも上側にあることが望ましい。換言すれば、制御装置１００のポンプ装置１０と対向する部分は、制御装置１００からベース２への熱の伝導を低減するために、極力、外筒１２に対向させて配置することが望ましい。
また、以上のいずれの実施形態のターボ分子ポンプにおいても、ベース２および外筒１２を冷却するための冷却ファンまたは液冷システムをさらに備えても良い。

上記では、種々の実施形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ：ターボ分子ポンプ（真空ポンプ）、２：ベース、３：ロータ、４：モータ、５：シャフト、８：玉軸受、１０：ポンプ装置、１２：外筒、１２ａ：吸気口フランジ、２２：排気口、２５：取付面、２６：平面、３３：電気配線、３４：高熱伝導部材、３５：断熱部材、１００：制御装置、１０１：ハウジング、１０１ａ〜１０１ｄ：外板、１０２：回路基板、１０３：発熱素子

Claims

複数段の回転翼が形成されたロータと、
前記ロータを回動自在に支承する玉軸受を備えるベースと、
前記ロータを覆い前記ベースと接続している外筒と、
発熱素子を含む電子回路を含む制御装置とを備え、
前記制御装置は前記外筒に接触して設けられている、真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記制御装置は、高熱伝導部材を介して前記外筒に接触して設けられている、真空ポンプ。
請求項１または請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
前記制御装置と前記ベースの間に断熱部材が設けられている、真空ポンプ。
請求項３に記載の真空ポンプにおいて、
前記断熱部材は圧縮性部材である、真空ポンプ。
請求項１または請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
前記制御装置と前記ベースとの間に空隙が設けられている、真空ポンプ。
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記外筒と前記ベースは、低熱伝導部を介して接続されている、真空ポンプ。
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記発熱素子は、前記制御装置の外板のうちの前記外筒に接触しない外板に接触して配置されている、真空ポンプ。