JP4594689B2 - 真空ポンプ - Google Patents
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Description
この高真空の環境を実現することができる分子ポンプは、吸気口および排気口を有し外装体を形成するケーシングを備えている。そして、このケーシングの内部には、当該分子ポンプに排気機能を発揮させる構造物が収納されている。この排気機能を発揮させる構造物は、大きく分けて回転自在に軸支された回転部(ロータ部)とケーシングに対して固定された固定部(ステータ部)から構成されている。
分子ポンプには、回転軸を高速回転させるためのモータが設けられており、このモータの働きにより回転軸が高速回転すると、ロータ翼とステータ翼との作用により気体が吸気口から吸引され、排気口から排出されるようになっている。
このように構成されたポンプ本体は、制御装置(コントロールユニット)によって各種動作が制御されている。
そこで、下記の特許文献1に開示されているような、真空ポンプ本体と制御装置とを一体化した真空ポンプが提案されている。
このように冷却ジャケットを配設することにより、ポンプ本体と制御装置の冷却を同時に行うことができる。
そこで、本発明は、ポンプ本体と制御装置とを一体化した真空ポンプにおける、制御装置内部の結露を抑制することを目的とする。
なお、前記熱抵抗が高い部材としては、例えば、発泡部材やセラミック部材を用いることが好ましい。
なお、前記発熱素子は、例えば、前記ポンプ本体と前記制御装置との接合部から離れた位置に配置することが好ましい。
また、前記制御装置の筐体は、例えば、銅やアルミニウム、アルミニウム合金など熱伝導率の高い金属によって形成されていることが好ましい。
なお、空冷手段としては、例えば、ファン(送風機)を用いることが好ましい。
請求項5の発明は、請求項1から請求項4のうち少なくともいずれか1項に記載の発明において、前記制御装置は、非真空中に備えられていることを特徴とする。
図1は、本実施形態に係る分子ポンプ1の概略構成を示した図である。なお、図1は、分子ポンプ1の軸線方向の断面図を示している。
本実施形態では、分子ポンプの一例としてターボ分子ポンプ部Tとねじ溝式ポンプ部Sを備えた、いわゆる複合翼タイプの分子ポンプを例にとり説明する。
なお、分子ポンプ1には、高速回転するロータ部と、固定したステータ部との排気作用により、排気機能を発揮する真空ポンプであって、ターボ分子ポンプ、ねじ溝式ポンプ、あるいはこれら両方の構造を合わせ持ったポンプなどがある。
これら排気機能を発揮する構造物は、大きく分けて回転自在に軸支されたロータ部4とケーシング2に対して固定されたステータ部から構成されている。
また、吸気口5側がターボ分子ポンプ部Tにより構成され、排気口6側がねじ溝式ポンプ部Sから構成されている。
さらに、ロータ部4には、外周面が円筒形状をした部材からなる円筒部材9が排気口6側(ねじ溝式ポンプ部S)に設けられている。
また、分子ポンプ1には、ロータ翼8が軸線方向に複数段形成されている。
シャフト7の軸線方向中程には、シャフト7を回転させるモータ部11が配設されている。
また、モータ部11の吸気口5側および排気口6側には、シャフト7をラジアル方向に軸支するための磁気軸受部12および磁気軸受部13が設けられている。
さらに、シャフト7の下端には、シャフト7を軸線方向(スラスト方向)に軸支するための磁気軸受部14が設けられている。
なお、シャフト7は、磁気軸受部12、13、14から構成される5軸制御型の磁気軸受によって非接触で支持されている。
また、磁気軸受部12、13の近傍には、それぞれ変位センサ15、16が形成されており、シャフト7のラジアル方向の変位が検出できるようになっている。さらに、シャフト7の下端には変位センサ17が形成されており、シャフト7の軸線方向の変位が検出できるようになっている。
ステータ翼18は、シャフト7の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜してケーシング2の内周面からシャフト7に向かって伸びたブレードから構成されている。ターボ分子ポンプ部Tでは、これらステータ翼18が軸線方向に、ロータ翼8と互い違いに複数段形成されている。各段のステータ翼18は、円筒形状をしたスペーサ20により互いに隔てられている。
これらステータ部はステンレスやアルミニウム合金などの金属を用いて構成されている。
ベース3は、ケーシング2と共に分子ポンプ1の外装体を構成している。ベース3のラジアル方向の中央には、ロータの回転軸線と同心に円筒形状を有するステータコラム21が取り付けられている。
なお、ケーシング2、ベース3および裏蓋22を外装体とする領域(部分)、即ち、気体移送機構が構成されている部分をポンプ本体とする。
本実施の形態に係る分子ポンプ1は、このポンプ本体を制御するための制御装置24がポンプ本体に装着されている。つまり、ポンプ本体と制御装置24が一体化されている。
制御装置24は、ベース3の底部(ステータコラム21の開口部)、即ち裏蓋22と対向する領域に配設されている。
ベーキングヒータ25は、ニクロム線などの電熱部材によって構成され、温度コントローラによって電力を供給される。ベーキングヒータ25は、電力を供給されると発熱し、ねじ溝式ポンプ部Sを加熱するようになっている。
吸気口5から吸入されたガスは、ターボ分子ポンプ部Tを移送する間に冷却されるため、ねじ溝式ポンプ部Sに移送される時には、ガスの温度は下がってしまう。一方、ガスの圧力は、ねじ溝式ポンプ部Sに移送される時には、高くなっている。つまり、ねじ溝式ポンプ部Sに移送されるガスは、低温かつ高圧力状態となっている。従って、ねじ溝式ポンプ部Sは、移送されるガスによる固体生成物が析出しやすい状態となっている。
そこで、ねじ溝スペーサ19で移送されるガスによる固体生成物の析出を抑制するために、ベーキングヒータ25を用いてねじ溝式ポンプ部Sを高温に保つようにしている。
また、分子ポンプ1は、モータ部11から発生する熱などにより加熱されて高温状態となる。
このようにポンプ本体は、気体分子の衝突熱(圧縮熱)やモータ部11からの発熱、ベーキングヒータ25による加熱などにより高温状態となっている。
そこで、制御装置24が受けるポンプ本体の熱の影響を低減させるために、ベース3の底部(ステータコラム21の底部)には、冷却管26が配設されている。なお、ここでは、ポンプ本体の構成としてこの冷却管26を含んでいる。
冷却管26は、チューブ状(管状)の部材からなる。冷却管26は、内部に熱媒体である冷却材を流し、この冷却材に熱を吸収させるようにして冷却管26周辺の冷却を行うための部材である。
冷却管26に冷却材を流すことによって、裏蓋22、ステータコラム21をはじめとする冷却管26の周辺部が強制的に冷却される。この冷却効果によって、ポンプ本体の冷却を図ることによる、ポンプ本体から制御装置24へ伝達する熱を低減(抑制)することができる。
また、冷却管26に流す冷却材、つまり物体を冷却するための流体は、液体であっても気体であってもよい。液体の冷却材としては、例えば、水、塩化カルシウム水溶液やエチレングリコール水溶液などを用いることができる。気体の冷却材としては、例えば、アンモニア、メタン、エタン、ハロゲン、ヘリウムガスや炭酸ガス、空気などを用いることができる。
なお、本実施形態では、冷却管26をベース3の底部(ステータコラム21の底部)に配設されているが、冷却管26の配設位置はこれに限られるものではない。例えば、ベース3やステータコラム21、裏蓋22の内部に直接埋め込むように設けてもよい。
このような場合には、分子ポンプ1内の気密性を十分に保持することができるような構造(シール構造)を別途設けるようにする。
ところが、本実施形態のように冷却管26を用いて、部分的に強制冷却を施した場合には、冷却箇所に結露が発生してしまうおそれがある。
この結露とは、冷却部(冷却面)の温度が露点(相対湿度が100%となる温度)以下になるとその冷却面の上に水滴が出現する現象である。
このような結露が制御装置24内に発生すると、制御回路に不具合を生じるおそれがある。
断熱部材27は、制御装置24がポンプ本体に取り付けられた際にポンプ本体に接触する部位(領域)に配設されている。
断熱部材27は、発泡材やセラミックなど熱抵抗が高い材料、即ち熱伝導率の小さい材料によって構成されている。
また、制御装置24をポンプ本体に密着させずに、隙間(ギャップ)を介して取り付けるようにしてもよい。この場合、ポンプ本体と制御装置24との間の隙間が断熱部材27として機能(作用)する。
これにより、ポンプ本体と制御装置24との間に急な温度差を緩衝できるため、制御装置24の内部が露点以下まで冷却されるような状態になることを回避することができる。従って、制御装置24内部における結露の発生を適切に抑制することができる。
なお、熱的に絶縁されているポンプ本体と制御装置24においては、それぞれ独立して(個別に)温度管理を行うようにする。
詳しくは、ポンプ本体においては、冷却管26に流す冷媒を調整したり、ベーキングヒータ25の設定温度を調整したりして、温度管理を行うようにする。
一方、制御装置24においては、内部に配設(配置)する素子の位置を調整したり、外部に冷却用のファンを設けたりして温度管理を行うようにする。なお、素子の配置位置の詳細については後述する。
制御装置24内部には、モータ部11や磁気軸受部12〜14の駆動回路、電源回路などが設けられている。さらに、これら駆動回路を制御するための制御回路や分子ポンプ1の制御に用いられる各種情報の格納された記憶素子が搭載されている。
なお、記憶素子には、ポンプ情報として、例えば、ポンプの運転時間、エラーの履歴、温度制御の設定温度等の情報(データ)が格納されている。
一般に電子回路で用いられる電気部品(素子)には、信頼性を考慮した環境温度が設定されている。例えば、上述した記憶素子の環境温度は、概ね60℃程度となっている。なお、このような耐熱特性の低い素子を低耐熱素子と表現する。
また、制御装置24内部に設けられている回路には、上述した低耐熱素子の他にも、素子内の損失(内部損失)により発熱する部品(パワー素子)も多数用いられている。例えば、モータ部11の駆動回路であるインバータ回路を構成するトランジスタ素子などがこれに相当する。
このような、自己発熱量が大きくなるような素子(以下、発熱素子28とする)においても、環境温度が設定されている。そのため、発熱素子28に対しては、発生した熱を排出するための放熱対策が必要となる。
詳しくは、発熱素子28のパッケージにおける表面積の広い部位を制御装置24の筐体29と接触させる。発熱素子28を接触させる位置は、制御装置24とポンプ本体との接合面から離れた位置とする。ここでは、制御装置24とポンプ本体との接合面と対向する面に発熱素子28を配設する。
また、筐体29は、アルミニウムや銅、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い部材で構成することによって構成されている。これにより、発熱素子28の放熱効率を向上させることができる。
一方、自己発熱量の少ない素子や耐熱特性の低い素子は、ポンプ本体と制御装置24との接合部近傍、即ち、発熱素子28から離れた位置に配置するようにする。このような位置に配置することにより、発熱素子28の熱の影響を避けることができる。
また、発熱素子28と筐体29との接触面にシリコングリースを塗布したり、また、シリコンシートを配設したりすることが望ましい。このように、発熱素子28と筐体29との接触面に熱伝導率の高い部材を用いることにより、より発熱素子28の放熱効率を向上させることができる。
本実施形態では、制御装置24内の発熱素子28を、制御装置24とポンプ本体との接合面から離れた位置(熱伝導的かつ距離的に離れた位置)に配設している。これにより、制御装置24とポンプ本体との接合面に急な温度差が生じる状態を回避することができる。従って、制御装置24内部における結露の発生を適切に抑制することができる。
また、本実施形態によれば、ポンプ本体と制御装置24において、それぞれ独立して(個別に)温度管理をすることにより、制御装置24の冷却によるポンプ本体の熱利用効率を低下させることがない。即ち、制御装置24の冷却がベーキングヒータ25の加熱処理に影響を与えることがない。
本実施形態によれば、制御装置24において発熱素子28を放熱効率を考慮した部位、即ち、放熱がされやすい部位に配置することにより、複雑な冷却装置を用いることなく、制御装置24における素子の放熱処理を適切に行うことができる。
2 ケーシング
3 ベース
4 ロータ部
5 吸気口
6 排気口
7 シャフト
8 ロータ翼
9 円筒部材
10 ボルト
11 モータ部
12、13、14 磁気軸受部
15、16、17 変位センサ
18 ステータ翼
19 ねじ溝スペーサ
20 スペーサ
21 ステータコラム
22 裏蓋
23 コネクタ部
24 制御装置
25 ベーキングヒータ
26 冷却管
27 断熱部材
28 発熱素子
29 筐体
S ねじ溝式ポンプ部
T ターボ分子ポンプ部
Claims (5)
- 吸気口から吸い込まれた気体を排気口まで移送する気体移送機構を内包するポンプ本体と、
前記ポンプ本体に配設され、前記ポンプ本体を冷却する冷却手段と、
前記ポンプ本体に前記冷却手段の影響を低減する断熱手段を介して装着され、発熱素子を搭載しており前記ポンプ本体を制御する制御回路を内包する制御装置と、
を備えることを特徴とする真空ポンプ。 - 前記断熱手段は、熱抵抗が高い部材または隙間によって形成されていることを特徴とする請求項1記載の真空ポンプ。
- 前記制御装置の筐体は、熱伝導率の高い金属により形成され、
前記発熱素子は、前記制御装置の筐体と内接して配設されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の真空ポンプ。 - 前記制御装置の筐体を空冷する空冷手段を備えることを特徴とする請求項3記載の真空ポンプ。
- 前記制御装置は、非真空中に備えられていることを特徴とする請求項1から請求項4のうち少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプ。
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