JP3638013B2

JP3638013B2 - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP3638013B2
Application number: JP2001077016A
Authority: JP
Inventors: 真己長山; 克明臼井; 善徳小島; 幸三眞武; 泰史久部; 源一佐藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JP2001304162A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空ポンプに係り、特に半導体製造工程等に好適に使用され大気圧から駆動することができる真空ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、一対のロータが同期しながら反対方向に回転して吸入排気を行うルーツ型真空ポンプと呼ばれる真空ポンプが知られている。一対のロータは、ケーシング内面及びロータ同士の間にわずかな隙間を保持して、非接触で逆方向に回転する。この種の真空ポンプはロータを多段にすることにより、吸込側では約１０^−３Ｔｏｒｒ、排気側では大気圧となるように設計されている。多段のポンプロータのうち、吸込側のロータはあまり高温にならないが（１００℃程度）、排気側にいくにつれてロータ段間の圧縮作用により発熱し、およそ２００℃程度に加熱される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、この種の真空ポンプは、かご形の誘導モータによって駆動している。かご形の誘導モータはキャンド構造をしており、積層された鉄芯の溝にロータバーを納め、その両端をエンドリングで接続したかご形のモータロータを備えている。そして、かご形のモータロータを直接にポンプ軸端に取付けていたが、モータの２次抵抗が増加し２次銅損等によるモータロータ等の発熱とポンプの発熱とにより、モータは非常に効率が悪くなっていた。
【０００４】
上記のモータロータの温度を下げるため、ポンプの温度を低くすると、半導体製造工程で真空ポンプを通過するガス中の反応生成物が付着し易くなる。そのため、真空ポンプの寿命を縮めることになるので、あまりポンプの温度を低くすることはできない。
また、モータロータの発熱は、真空中で熱伝達媒体がなく、主に輻射によりキャンに熱伝達され、キャン→ステータコア→モータフレームに伝熱される。しかしながら、この伝熱は伝熱量も小さく、モータロータを効果的に冷却することは困難であり、モータロータは高温の状態（約２００〜３００℃）になっていた。
【０００５】
本発明は上述の事情に鑑みなされたもので、モータロータの発熱を少なくするとともにモータロータの冷却効率を向上させることにより、モータ効率を改善することができる真空ポンプを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、対向して配置された一対のポンプロータを直流モータで同期回転させて排気を行う真空ポンプにおいて、前記ポンプロータの吸込側のそれぞれの主軸端に永久磁石を周設したモータロータを取付け、該モータロータの外周および片側の面を覆ったキャンにてポンプ部を密封し、該キャンの外周にモータステータを配設し、該モータステータは円周等配に磁極歯を備え、該磁極歯には前記それぞれのモータロータの軸線の中心面において対称かつ反対の磁極となるように巻線がそれぞれ装着され、該モータロータのそれぞれの永久磁石により発生する磁界は、モータステータコアによって磁路が前記モータロータ間で形成され閉じるように構成され、該モータロータ間で働く磁気カップリング作用により、該モータロータは、同期して相互に反対側に回転することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明によれば、モータロータの発熱量を下げるため、従来のかご形誘導モータではなく、直流モータとし、モータロータの構成をロータヨークに永久磁石を周設した構造とした。このことにより、モータロータの２次銅損はなくなり、モータロータの発熱量は激減する。さらに前記永久磁石として磁石粉と樹脂を混合して製造したボンド磁石を使用することにより、永久磁石の電気比抵抗が１０^３〜１０^４μΩ・ｃｍ程度であるから永久磁石内部を通過する磁界の変動によるうず電流損失を小さくして発熱を小さくしている。
【０００８】
また、モータロータをポンプロータの吸込側の主軸端に取付けることにより、ポンプからの伝熱量を小さくできる。永久磁石は高温下による熱減磁特性があり、一般に１００℃を越えると減磁が著しく、モータ性能が悪くなるが、これを防ぐためである。永久磁石の温度を低くすることにより、結果として高温熱減磁特性の良い高価な永久磁石を使用しなくて済む。
【０００９】
また本発明の１態様においては、モータロータからキャンへの輻射熱量を増やすために、キャンの内面およびロータ外面を黒色とし、モータロータの冷却効率を高めている。
【００１０】
さらに本発明によれば、モータロータの冷却を良くするために、従来のキャン→ステータコア→モータフレームに伝熱される熱伝達経路に加えて、キャンの外面全面を覆い、かつ水冷モータフレームに密着するようにステータコア・巻線を含めて、ゴム・樹脂等のモールド材によりモールドして、モータロータ→キャン→モールド材→水冷モータフレームの熱伝達経路を設けることにより、さらに冷却効果を高めることができる。
【００１１】
また、モールド材でモールドすることにより、薄いキャンの外側を真空容器として補強する効果、および、万一キャンが破損するようなことがあっても、大量の外気を吸込むことなく真空を維持することができ、例えば半導体製造工程で使用されるシランガス等と大気との反応による事故を防ぐ安全性をも高めるという効果をも奏する。
【００１２】
さらにはキャンの全外面をモールド材でモールドすることにより、ポンプ内部から伝播される騒音の緩衝材としても有効であり、ポンプ外部に漏れる騒音を低減させることができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明に係る真空ポンプの一実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明のルーツ型真空ポンプを示す断面図であり、図２は図１のII−II線断面図である。
【００１４】
図１および図２において、符号１はケーシングであり、ケーシング１内に一対のポンプロータを構成するルーツロータ２，２が配設されている。ケーシング１は細長状に形成されており、吸込口１ｓを有した吸込側と吐出口１ｄを有した吐出側とを備えている。各ルーツロータ２は両端部近傍で軸受３，３によって支承されている。ルーツロータ２，２は２軸ブラシレス直流モータＭによって回転駆動されるようになっている。
【００１５】
図３および図４は、２軸ブラシレス直流モータＭの詳細を示す図であり、それぞれ図１のIII−III線断面図、IV−IV線断面図である。図３および図４に示されるように、ルーツロータ２，２の主軸端２ａ，２ａには、モータロータ５Ａ，５Ｂが固定されている。即ち、モータロータ５Ａ，５Ｂは真空ポンプの吸込側の主軸端２ａ，２ａに固定されている。２つのモータロータ５Ａ，５Ｂは、それぞれ２ｎ極（ｎは整数）の永久磁石５ａ，５ｂを軸芯に対称に等間隔で磁束がラジアル方向に発生するように周設している。
【００１６】
図５はモータロータ５Ａの詳細を示す図であり、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ（ｂ）−Ｖ（ｂ）線断面図である。なお、モータロータ５Ｂはモータロータ５Ａと全く同一の構造であるため図示は省略する。モータロータ５ＡはＳ，Ｎ，Ｓ，Ｎの４極の永久磁石５ａを周設してある。そして、永久磁石５ａと主軸端２ａとの間には積層されたケイ素鋼板からなる鉄芯５ｃが介装されている。
【００１７】
また、図１、図３および図４に示すように、モータロータ５Ａ，５Ｂの外周側には耐食性の良好な材料または樹脂からなるキャン７，７を介して１個のモータステータ６が配設されている。キャン７，７はモータロータ５Ａ，５Ｂの外周および片側の端面を覆っており、これらキャン７，７により真空ポンプのポンプ部を密封している。また、キャン７の内面およびモータロータ５Ａ，５Ｂの外面は黒色になっている。モータステータ６は、図１、図３および図４に示すように、ウォータジャケット９ａを具備した水冷のモータフレーム９と、積層されたケイ素鋼板からなるモータステータコア６ａと、巻線８ａ，８ｂとから構成されている。
【００１８】
モータステータコア６ａには、それぞれ６枚の磁極歯Ｕ〜Ｚ，Ｕ１〜Ｚ１が円周等配に形成されている。そして、磁極歯Ｕ〜Ｚ，Ｕ１〜Ｚ１には、両モータロータ５Ａ，５Ｂの軸線の中心面Ｃにおいて対称かつ反対の磁極となるように巻線８ａ，８ｂがそれぞれ装着されており、巻線８ｂは巻線８ａと反対巻きとなっている。前記水冷モータフレーム９に密着するとともにモータステータコア６ａ、巻線８ａ，８ｂおよびキャン７，７の外面の全てを覆うようにゴムまたは樹脂等のモールド材１２が設けられている。また図１に示すようにモータフレーム９にはモータドライバ１０が固定されている。
【００１９】
一方、ルーツロータ２，２の反モータ側の軸端には、互いに噛み合う一対のタイミングギヤ１１，１１（図１では一方のギヤのみ示す）が固定されており、突発的な外部要因による一対のルーツロータ２，２の同期のずれを防ぐようになっている。
【００２０】
次に、前述のように構成された真空ポンプの作用を説明する。図６はモータＭの動作を説明する説明図である。なお、図６では図解を簡略化するために樹脂キャン７およびモールド材１２を省略している。
２軸ブラシレス直流モータＭのコイル８ａ，８ｂにモータドライバ１０を介して通電すると、モータステータコア６ａにはモータロータ５Ａ，５Ｂをそれぞれ反転して回転させる空間移動磁界が形成される。
【００２１】
すなわち、図６（ａ）の状態では磁極歯Ｕ，ＸにはＮ極、磁極歯Ｖ，ＹにはＳ極が形成され、磁極歯Ｕ１，Ｘ１にはＳ極、磁極歯Ｖ１，Ｙ１にはＮ極が同時に形成されるように通電するとモータロータ５Ａ，５Ｂは矢印で示すように、対向する方向に回転駆動される。
【００２２】
同様に図６（ｂ）において、磁極歯Ｖ，ＹにはＳ極、磁極歯Ｗ，ＺにはＮ極が形成され、磁極歯Ｖ１，Ｙ１にはＮ極、磁極歯Ｗ１，Ｚ１にはＳ極が形成され、更に図６（ｃ）に示すように、磁極歯Ｘ，ＵにはＳ極、磁極歯Ｙ，ＶにはＮ極が形成され、磁極歯Ｘ１，Ｕ１にはＮ極、磁極歯Ｙ１，Ｖ１にはＳ極がそれぞれ同時に形成されるように通電すると、モータロータ５Ａ，５Ｂは連続した回転力で矢印で示す対向する方向に回転駆動される。
【００２３】
モータロータ５Ａ，５Ｂのそれぞれ永久磁石５ａ，５ｂにより発生する磁界は、モータステータコア６ａによって磁路が各モータロータ５Ａ，５Ｂ間で形成され閉じるように構成されている。したがって、一対のモータロータ５Ａ，５Ｂには、異磁極面で磁気カップリング作用が働き，必ず同期して相互に反対側に回転する。
【００２４】
モータロータ５Ａ，５Ｂの回転により、一対のルーツロータ２，２は同期回転する。図７は、第１段等の所定段での一対のルーツロータ２，２の動作を説明する図であり、一対のルーツロータ２，２は、ケーシング１の内面及びロータ２，２同士の間にわずかな隙間を保持して、非接触で逆方向に回転する。一対のルーツロータ２，２が位相１から位相４まで回転するにつれて、吸込側気体はロータ２とケーシング１間に閉じ込められて吐出側に移送される。３葉ロータでは、１つのルーツロータで３ヶ所谷部があるため、ポンプ１回転あたり６回排気されることになる。図７に示す第１段等の所定段から排出されたガスは第２段等の次段に導入され、上述と同様な作用がなされる。
【００２５】
本発明によれば、モータロータ５Ａ, ５Ｂの発熱量を下げるため、従来のかご形誘導モータではなく、ブラシレス直流モータＭとし、モータロータ５Ａ，５Ｂの構成をロータヨークに永久磁石５ａ，５ｂを周設した構造とした。このことにより、モータロータ５Ａ，５Ｂの２次銅損はなくなり、モータロータ５Ａ，５Ｂの発熱量は激減する。
【００２６】
また、モータロータ５Ａ，５Ｂをルーツロータ２，２の吸込側の主軸端２ａ，２ａに取付けることにより、ポンプからの伝熱量を小さくできる。永久磁石は高温下による熱減磁特性があり、一般に１００℃を越えると減磁が著しく、モータ性能が悪くなるが、これを防ぐためである。永久磁石の温度を低くすることにより、結果として高温熱減磁特性の良い高価な永久磁石を使用しなくて済む。さらに本発明においては、永久磁石の材質をボンド磁石にすることにより、永久磁石自身のうず電流の発生を抑制しロータの発熱を最小にすることができる。
【００２７】
また本発明においては、モータロータ５Ａ，５Ｂの冷却効率を高めるため、モータロータ５Ａ，５Ｂからキャン７，７への輻射熱量を増やすためにキャン７，７の内面およびモータロータ５Ａ，５Ｂの外面を黒色としている。
【００２８】
さらに本発明によれば、モータロータ５Ａ，５Ｂの冷却を良くするために、従来のキャン→ステータコア→モータフレームに伝熱される熱伝達経路に加えて、キャン７，７の外面全面を覆い、かつ水冷モータフレーム９に密着するようにステータコア６ａ・巻線８ａ，８ｂを含めて、ゴム・樹脂等のモールド材１２によりモールドして、モータロータ５Ａ，５Ｂ→キャン７，７→モールド材１２→水冷モータフレーム９の熱伝達経路を設けることにより、さらに冷却効果を高めることができる。また、モールド材１２でモールドすることにより、薄いキャン７，７の外側を真空容器として補強する効果、および、万一キャンが破損するようなことがあっても、大量の外気を吸込むことなく真空を維持することができ、例えば半導体製造工程で使用されるシランガス等と大気との反応による事故を防ぐ安全性をも高めるという効果をも奏する。
【００２９】
さらにはキャン７，７の全外面をモールド材１２でモールドすることにより、ポンプ内部から伝播される騒音の緩衝材としても有効であり、ポンプ外部に漏れる騒音を低減させることができる。
【００３０】
図１乃至図７に示す実施例においては、２軸の真空ポンプと２軸のモータについて説明をしたが、真空ポンプが１軸のポンプであったり２軸のポンプであっても、１軸のみにモータを取り付けた場合においても同様な効果が得られる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次に列挙する効果が得られる。
（１）真空ポンプを駆動するモータを直流モータとし、モータロータを永久磁石を周設した構造とすることにより、従来のモータロータの２次銅損をなくし、ロータの発熱量を下げることができる。このことはモータ効率を高めることになり、従来型のモータに比較して効率を１０％以上高めることができる。
（２）永久磁石を周設したモータロータをポンプ吸込側の主軸端に取付けることにより、ポンプロータからモータロータへの伝熱量を下げることができ、永久磁石の温度を下げることができる。このことは、特に高温熱減磁特性の良い高価な永久磁石を使用せずに済み、結果として安価なポンプを製造することができる。
（３）さらに永久磁石として磁石粉と樹脂を混合して製造したボンド磁石を使用することにより、永久磁石自身のうず電流損失を抑制しロータ発熱を下げることができる。
（４）モータロータの温度を下げるため、キャンの内面およびロータ外面を黒色とすることにより、モータロータからキャンへの輻射熱量を増加させることができる。
（５）水冷モータフレームとキャン外周およびステータコア・巻線をゴムまたは樹脂等のモールド材でモールドすることにより、モータロータの冷却効果を高めることができるとともに、ポンプの騒音低減をあわせて達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る真空ポンプの一実施例を示す断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１の III−III 線断面図である。
【図４】図１のIV−IV線断面図である。
【図５】図１におけるモータロータの詳細を示す図であり、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ（ｂ）−Ｖ（ｂ）線断面図である。
【図６】図１におけるブラシレス直流モータの動作を説明する説明図である。
【図７】図１におけるルーツロータの動作説明図である。
【符号の説明】
１ケーシング
２ルーツロータ
３軸受
５Ａ，５Ｂモータロータ
５ａ，５ｂ永久磁石
６モータステータ
６ａモータステータコア
７樹脂キャン
８ａ，８ｂ巻線
９モータフレーム
１０モータドライバ
１１タイミングギヤ
１２モールド材

Claims

対向して配置された一対のポンプロータを直流モータで同期回転させて排気を行う真空ポンプにおいて、前記ポンプロータの吸込側のそれぞれの主軸端に永久磁石を周設したモータロータを取付け、該モータロータの外周および片側の面を覆ったキャンにてポンプ部を密封し、該キャンの外周にモータステータを配設し、該モータステータは円周等配に磁極歯を備え、該磁極歯には前記それぞれのモータロータの軸線の中心面において対称かつ反対の磁極となるように巻線がそれぞれ装着され、該モータロータのそれぞれの永久磁石により発生する磁界は、モータステータコアによって磁路が前記モータロータ間で形成され閉じるように構成され、該モータロータ間で働く磁気カップリング作用により、該モータロータは、同期して相互に反対側に回転することを特徴とする真空ポンプ。
前記モータは、モータロータの外周に配置されたステータ部をモールド材にて封止したことを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
前記モータは、ステータコアの外周を水冷モータフレームにて構成したことを特徴とする請求項１または２記載の真空ポンプ。
前記永久磁石は、磁石粉と樹脂を混合して製造されたボンド磁石であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記モータロータの外面が黒色であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の真空ポンプ。