JP5009634B2 - 真空ポンプユニット - Google Patents

Description

本発明は、真空到達圧力が１Ｐａ程度のドライ真空ポンプユニットに関する。

スパッタリング装置、ヘリウムリークディテクター、ＳＥＭ等の分析装置などの用途に、上記排気能力を持つ真空ポンプが用いられている。また、ターボ分子ポンプ等の高真空ポンプの粗引き用の真空ポンプとして、また、真空乾燥・真空貼り合わせ装置等のように水蒸気等のガスを吸引する目的にも、上記排気能力を持つ真空ポンプが用いられている。

小容量の小型・可般・安価な真空ポンプとしては、油回転ポンプが主流である。しかしながら、真空チャンバへの油蒸気の逆拡散（真空チャンバ、ワークの油汚染）、排気ラインの油汚染（火災の危険）、環境汚染、油飛散による油の減少、水分混入等による油の劣化・汚損等、また定期的に必要な油補充・油交換等の問題があった。特に、真空ポンプ用のフッ素系油は高価であり、また交換作業が面倒である。

そこで、近年、油回転ポンプの代替として、スクロール型ドライ真空ポンプが登場してきた。スクロール型ドライ真空ポンプは、油フリーであり、スクロールの揺動運動により真空から大気圧まで連続的に圧縮するので、真空運転時の動力が小さい、比較的真空到達圧力性能がよい（１Ｐａ程度）等の特徴を有する。しかしながら、スクロールの端部にチップシール（接触シール）を使用するので、チップシールが摩耗してパーティクルが発生し、真空チャンバ内部を汚染するという問題がある。また、チップシールが摩耗するので、経年的に真空性能が低下し、連続運転１年程度でチップシール等を交換しなくてはならない。さらに、チップシールの交換作業の際は真空ポンプを分解しなくてはならず、交換費用が高価になる、また、同容量の油回転ポンプと比較して、大型でコストが高いなどの問題がある。

さらに、スクロール型ドライ真空ポンプは、スクロールの機構上、圧縮工程があり、大気引き時には過圧縮となって動力が増大する、圧縮工程により水蒸気等が凝縮しやすい、回転体のアンバランスを補正することが難しく、振動が大きい等の欠点も多い。

半導体製造用途等で使用される比較的排気速度の大きい（１０００Ｌ／min以上）真空ポンプとしては、従来から多段ルーツ型やスクリュー型等の容積移送式ドライ真空ポンプが多く使用されている。また、到達真空圧力が１Ｐａ以下の真空排気性能と、さらに大きな排気速度を得るために、メインポンプとブースターポンプの２台のポンプを直列に配管接続して、１つの真空ポンプユニットを構成しているものもある。２軸容積移送式ドライ真空ポンプは、ガス通路に油を使用していないので油汚染が無く、チップシールを用いずに非接触動作が可能なことが最大の特徴である。

しかしながら、この種のドライ真空ポンプは１対のポンプロータを微小なクリアランスを保ちながら、非接触で同期反転駆動するために、タイミングギヤを使用している。そして、タイミングギヤは油潤滑が必要であり、ポンプとして油フリーでは無く、油交換等のメンテナンスが必要であると同時に、油蒸気がガス通路に逆拡散するのを防止するためにＮ_２ガス等を用いてパージすることが必要である。

また、ブースターポンプは吸気圧力が大気圧である場合には過負荷となるため、運転を停止するか、回転速度を低下させて運転している。また、メインポンプには圧縮熱を冷却するための水冷装置を設けることが通例である。このように、一般に２軸容積移送式ドライ真空ポンプを運転するためには、電力の他に、冷却水、Ｎ_２ガス等の供給システムが必要である。

真空乾燥等の用途で比較的温度の高い水蒸気を含むガスを吸引する場合は、次のような問題が起こりうる。真空ポンプユニットの吸気側においては圧力が低いためガス中の水蒸気はそのままに維持されるが、排気側においては大気圧となっているため、真空ポンプユニットのガス通路内の比較的温度の低い箇所において水蒸気が凝縮し、水滴となってポンプに流入する。ポンプ内に流入した水はポンプに過大な負荷をかけるばかりでなく、水分が軸受の潤滑油に混入して潤滑性能を低下させ、ポンプの寿命を著しく低下させてしまう。

さらに、真空ポンプユニットを構成するポンプ、管、および弁の配置は複雑であり、配管作業効率が低下するだけではなく、誤接続の原因や真空ポンプユニットの動作不良にもつながる。

特開２００３−１３９０５６号公報 特開２００３−１３９０８０号公報 特開平１１−９３８７８号公報

本発明はこのような課題を解決するもので、小型・コンパクト化した構造で、十分な到達真空度が得られ、低消費電力で、油やチップシール等による汚染の問題が無く、且つ、冷却水やＮ_２ガス等の供給システムが不要で、短時間で大気圧からの排気が可能で、凝縮水による過負荷や故障を防止することができる、低騒音の真空ポンプユニットを提供することを目的とする。更に、真空ポンプを設置するポンプ設置台と、配管と、弁とを一体にし、安価で配管作業の簡略化や誤接続を防止する、真空ポンプユニット用ポンプ設置台を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、外気圧側に配置されるメインポンプと、真空側に配置されるブースターポンプとを備えた真空ポンプユニットであって、前記ブースターポンプと前記メインポンプとは直列に接続され、前記ブースターポンプは前記メインポンプよりも高い排気速度を有し、前記メインポンプおよび前記ブースターポンプは、それぞれ、１対のポンプロータと、吸気口および排気口を有するケーシングと、前記１対のポンプロータと一体に回転する１対のマグネットロータとを有し、前記真空ポンプユニットは、略水平の上面と略垂直の側面とを有するポンプ設置台を備えており、前記ポンプ設置台内には、前記ブースターポンプの前記排気口と前記メインポンプの前記吸気口とを連通するための連通路が形成されており、前記ポンプ設置台の上面には、前記ブースターポンプが設置され、前記ポンプ設置台の側面には、前記メインポンプが設置されたことを特徴とする真空ポンプユニットである。
なお、本明細書で「外気圧」とは、真空ポンプユニットの周囲雰囲気の圧力を意味し、より詳しくは、真空ポンプユニットに連通する排気側空間の圧力である。

本発明の好ましい態様は、前記メインポンプの前記排気口は、前記ケーシング内に形成される流体通路の下端に配置されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記メインポンプの前記排気口には、該排気口を通過する流体の圧力が外気圧よりも大きくなったときに開く第１の逆止弁が連結され、前記排気口から排出された流体が前記メインポンプに逆流しないようにしたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１の逆止弁の下流側には第２の逆止弁が配置されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記メインポンプの前記１対のポンプロータは、１対のスクリューロータであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記メインポンプの前記１対のマグネットロータは前記１対のポンプロータの上方に配置されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ブースターポンプの前記１対のポンプロータは１対のスクリューロータであり、前記ブースターポンプの前記吸気口は前記ケーシングの上部に配置され、前記ブースターポンプの前記排気口は前記ケーシングの下部に配置されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ポンプ設置台は単一の部材から構成されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ポンプ設置台内には、前記連通路から分岐する圧力開放通路が形成され、前記圧力開放通路は前記真空ポンプユニットの排気管に連通し、前記圧力開放通路と前記排気管との間には、前記連通路内の流体の圧力が外気圧よりも大きくなったときに開く圧力開放弁が配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプ設置台内には、前記メインポンプの前記排気口に接続される排気通路が形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記排気通路内には逆止弁が設置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプ設置台内には、前記連通路から分岐する圧力開放通路と、前記連通路内の流体の圧力が外気圧よりも大きくなったときに開く圧力開放弁とが設置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプ設置台は、断面逆Ｌ字型の形状を有するとともに、前記真空ポンプユニットの底部に固定されており、前記真空ポンプユニットを駆動するための電装機器を、前記ポンプ設置台の内角側の空間内に配置したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記真空ポンプユニットは、前記メインポンプ、前記ブースターポンプ、および前記電装機器を冷却するための冷却ファンをさらに備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様は、外気圧側に配置されるメインポンプと真空側に配置されるブースターポンプとを備えた真空ポンプユニット用のポンプ設置台であって、前記ポンプ設置台は、前記ブースターポンプが設置される略水平の上面と、前記メインポンプが設置される略垂直の側面とを有しており、前記ブースターポンプの排気口と前記メインポンプの吸気口とを連通するための連通路が内部に形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記真空ポンプユニット用ポンプ設置台内には、前記連通路から分岐する圧力開放通路が形成され、前記圧力開放通路内には、前記連通路内の流体の圧力が外気圧よりも大きくなったときに開く圧力開放弁が設置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記真空ポンプユニット用ポンプ設置台内には、前記メインポンプの前記排気口に接続される排気通路が形成され、前記排気通路内には逆止弁が設置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、断面逆Ｌ字型の形状を有することを特徴とする。

本発明によれば、一対のマグネットロータのマグネットカップリング作用によりポンプロータを同期反転させることができる。これにより、タイミングギヤを用いる必要がなくなり、オイルフリーのポンプユニットを実現することができる。また、メインポンプから外部に連結される配管内でガス中の水蒸気が凝縮した場合でも、凝縮水がメインポンプに流入することが防止され、メインポンプの過負荷や腐食が防止できる。さらに、ポンプ設置台を設けることにより、配管作業の効率化が実現され、配管の誤接続が防止できる。また、部品数が減ることで安価な真空ポンプユニットが提供される。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、同一の、または相当する要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態のドライ真空ポンプユニットを示す模式図であり、図２は、図１の弁配置を変更した例を示す図である。この真空ポンプユニット１１は、表示部１２と、ドライバ部１３と、ポンプ部１４とから構成されている。ポンプ部１４では、同一形状で、同一寸法で、同一排気容量の、すなわち同一構造のポンプを２台、メインポンプ（粗引きポンプ）１５およびブースターポンプ１６として直列に接続している。ただし、メインポンプ１５およびブースターポンプ１６は必ずしも同一構造でなくともよい。

２台のポンプ１５，１６は、それぞれ圧縮工程の無い、容積移送式の２軸スクリューポンプであり、タイミングギヤを用いず、非接触のマグネットカップリングを用いて、２軸のポンプロータを同期反転させ、気体を移送する真空ポンプである。真空ポンプを駆動するモータは、モータロータに永久磁石を配したブラシレスＤＣモータであり、それぞれのモータが可変速のモータドライバ１７，１８により駆動される。

ドライバ部１３は、メインポンプ１５用のモータドライバ１７と、ブースターポンプ１６用のモータドライバ１８とを備え、それぞれがメインポンプ１５およびブースターポンプ１６を独立に回転駆動する。メインポンプ１５のモータドライバ１７と、ブースターポンプ１６のモータドライバ１８とには、共通の直流電源（ＡＣ／ＤＣコンバータ）１９から、例えば４８Ｖの直流電力が供給され、それぞれのモータドライバ１７，１８で直流電力がＰＷＭによって矩形パルス波形に変換され、それぞれの真空ポンプ１５，１６の駆動巻線に供給される。モータドライバ１７，１８は、半導体電力スイッチング素子を用い、矩形パルス波形を形成するので、所望の回転速度で、真空ポンプ１５，１６を回転駆動することが可能である。例えば、外気圧側の真空ポンプ（メインポンプ）１５の回転速度を１００００min^-1程度とし、真空側の真空ポンプ（ブースターポンプ）１６の回転速度を２００００〜３００００min^-1とし、ブースターポンプ１６の回転速度をメインポンプ１５の回転速度よりも２〜３倍高くする。このように真空ポンプ１５，１６を高速で回転させることにより、小型でありながらも、１Ｐａ以下の到達真空圧力が得られる。ここで「外気圧」とは、真空ポンプユニットの周囲雰囲気の圧力を意味し、より詳しくは、真空ポンプユニットに連通する排気側空間の圧力である。

この真空ポンプユニット１１は、単相交流１００Ｖまたは２００Ｖの接続端子を備え、交流電源から漏電遮断器２０を経て単相交流電力が直流電源１９に供給される。単相交流電力は直流電源１９で直流電力に変換され、モータドライバ１７，１８にそれぞれ供給される。メインポンプ１５の定常運転時の消費電力は３００Ｗ程度であり、ブースターポンプ１７の定常運転時の消費電力は１００Ｗ程度であるので、低消費電力であり、普通の単相交流電源で真空ポンプユニット１１の電力を十分に供給することができる。このため、この真空ポンプユニット１１を、可搬型の真空ポンプとして、単相交流電源が利用可能な場所なら、どこでも使用することができる。

表示部１２は、運転ボタン２２、停止ボタン２３、警報リセットボタン２４などを備え、また、電源のオン状態を表示するＬＥＤランプ２５、積算運転時間表示パネル２６などを備えている。従って、この真空ポンプユニット１１の運転操作は簡単で、運転ボタン２２を押すことで、真空ポンプ１５，１６が回転し、真空排気動作を開始する。そして、停止ボタン２３を押すことで、真空ポンプ１５，１６への電力の供給が遮断され、運転を停止する。

メインポンプ１５とブースターポンプ１６とは、同一寸法で同一排気容量のポンプであるが、ブースターポンプ１６は吸気口側（真空側）に配置され、２００００〜３００００min^-1程度の回転速度で回転し、２５０Ｌ／min程度の排気速度を有する。これに対して、メインポンプ１５は排気口側（外気圧側）に配置され、１００００min^-1程度の回転速度で回転し、１００Ｌ／min程度の排気速度を有する。ブースターポンプ１６をメインポンプ１５よりも２〜３倍程度高速で運転することにより、この種の真空ポンプの１台運転では到底得られない、真空容器側で１Ｐａ程度の到達真空度が得られる。なお、ブースターポンプ１６は、高速回転するが、真空側に配置されているので、消費電力は少なく、１００Ｗ程度であり、メインポンプ１５は外気圧に抗して回転するので、消費電力は大きく３００Ｗ程度となる。

図３および図４は、上記ドライ真空ポンプユニットの構成部品の配置例を示す。架台２９においては、メインポンプ１５が縦置に搭載され、内部に配置された１対のスクリューロータ（後述する）により吸気口１５ａから吸い込んだ気体を下方に移動して排気口１５ｂから吐出する。メインポンプ１５のモータ部１５ｍにはフィン１５ｆが取り付けられ、またメインポンプ１５はヒートシンク１５ｈに取り付けられ、冷却ファン４０によって真空ポンプユニット内に導入された空気により冷却されるようになっている。なお、冷却ファン４０は、メインポンプ１５のみならず、ブースターポンプ１６、モータドライバ１７，１８、直流電源１９等を空冷する。このため、この真空ポンプユニットにおいては、冷却のための冷却水やＮ_２ガス等の供給システムを必要としない。本実施形態では、冷却ファン４０により直流電源１９側から真空ポンプユニット内に空気が吸い込まれ、モータドライバ１７，１８、ブースターポンプ１６、そしてメインポンプ１５という順番で冷却することにより、温度上昇の低い部分から高い部分へと冷却することができるため、効率良く冷却効果が得られる配置としている。なお、架台２９には、図示しないカバーを被せ、全体として、直方体形状のドライ真空ポンプユニットとしてもよい。

また、架台２９において、ブースターポンプ１６は横置に搭載され、吸込管３４および吸気口１６ａから吸い込んだ気体を内部に配置された１対のスクリューロータ（後述する）により排気口１６ｂから吐出する。排気口１６ｂは、配管（連通路）３５，分岐管３６を介して、メインポンプ１５の吸気口１５ａに接続される。メインポンプ１５の排気口１５ｂは、分岐管３７，配管３８を介して外気に連通する排気管３９に接続される。

架台２９には、単相交流電源の接続端子４３を備え、コンセント等を用いて単相１００Ｖまたは２００Ｖの交流電源に接続される。接続端子４３は直流電源１９に電気的に接続され、交流電力がＤＣ４８Ｖの直流電力に変換され、モータドライバ１７，１８に供給される。そして、モータドライバ１７からケーブル４４を介してメインポンプ１５のモータ１５ｍに矩形パルス状の駆動電力が供給され、モータドライバ１８からケーブル４５を介してブースターポンプ１６のモータ１６ｍに矩形パルス状の駆動電力が供給される。架台２９の一面には操作盤３０が取り付けられ、ポンプの発停制御が行えるようになっている。

メインポンプ１５とブースターポンプ１６は、いずれもマグネットカップリングを用いてポンプロータを同期回転させているので、タイミングギヤなどの接触部分を有しない。したがって、ポンプロータを高速で回転させることが可能となる。その結果、小型のポンプロータであっても、高い排気速度および１Ｐａ程度の到達真空度を得ることができる。また、タイミングギヤを用いないため、潤滑油、冷却水、パージガスなどの供給システムが不要となり、結果として、真空ポンプユニットを小型化することができる。一例として、本実施形態の真空ポンプユニットの架台の寸法は、長さ４０ｃｍ、幅１７ｃｍ、高さ２７ｃｍ程度であり、同種性能の油回転ポンプやドライスクロールポンプと比較して、極めて小型コンパクト化した構造となっている。また、全体の重量も１５ｋｇ以下であり、極めて軽量化した構造となっている。

メインポンプ１５とブースターポンプ１６とを接続する配管３５には、分岐管（Ｔ字管）３６が接続されている。この分岐管３６は外気に連通する排気管３９に配管（圧力開放通路）４７を介して接続され、その配管４７には圧力開放弁（逆止弁）３１が設けられている。従って、メインポンプ１５とブースターポンプ１６間の配管３５内の圧力が高いときには、圧力開放弁（逆止弁）３１が開き、排気管３９を介して外気と連通するようにしている。ここで、圧力開放弁（逆止弁）３１は、バネで与圧された弁体がＯ−リング（ゴムリング）等の弾性体を押圧して流路をシールする構造を有し、配管３５内の圧力が外気圧よりも高くなった場合にのみ、開くようになっている。

これにより、吸込管３４が接続された排気対象の真空容器を外気圧から排気する時に、ブースターポンプ１６の排気速度がメインポンプ１５の排気速度より大きいため、ブースターポンプ１６とメインポンプ１５の接続配管内の気体が過圧縮となるが、この過圧縮気体を圧力開放弁（逆止弁）３１により外気中に逃がすことができる。従って、圧力開放弁（逆止弁）３１は、気体の過圧縮を防止し、安全であると同時に、真空容器が外気圧時（吸気側圧力が外気圧に等しい時）の排気に要する動力増大を防止することができる。また、ブースターポンプ１６の排気速度をそのままに維持しつつ、メインポンプ１５の運転を継続することができ、起動時の排気流量の低下を防止し、短時間で所望の真空度に到達できる。

すなわち、圧力開放弁（逆止弁）３１が無い場合には、気体の過圧縮を避けるため、まずメインポンプで排気し、ある程度真空状態となってからブースターポンプを起動するか、ブースターポンプを予め低い回転速度で運転しつつメインポンプを起動していた。この場合には、起動時の排気速度が主としてメインポンプで決まってくるため、排気流量が低く、所定真空度に到達するのにある程度の時間を要するという課題があった。圧力開放弁３１を設けることで、高い排気速度のブースターポンプで外気圧の気体を直接排気することができ、短時間で所要真空度に到達することが可能となる。

ここで、圧力開放弁３１の動作条件として、その上流側と下流側との間に差圧が生じると、即座に弁が閉じ、差圧が無くなると、即座に弁が開く。このため、吸気側が外気圧から真空圧となった時に素早く弁が閉じ、排気時間のロスが無い。また、定常運転時には、圧力開放弁３１は常に閉じた状態にあるので、ブースターポンプ１６の排気音が外部に漏れることがない。

さらに、メインポンプ１５の排気口１５ｂにも、圧力開放弁（第１の逆止弁）３２が連結されている。圧力開放弁３２も、スプリングで与圧された弁体がＯ−リング（ゴムリング）を押圧する構造を有している。これにより、真空容器内が真空となった定常運転状態の時に、圧力開放弁３２が殆ど閉じた状態となり、メインポンプ１５の排気音が外部に漏れることを遮断できる。また、メインポンプ１５が何らかの異常で運転を停止した時にも、圧力開放弁３２が閉じた状態であるので、真空状態が破壊されることを防止できる。さらに、排気管３９に連通する配管３８及び分岐管３７の内面に生じた水滴が、メインポンプ１５の内部にバックすることを防止することができ、メインポンプ１５の過負荷や腐食を防止することができる。さらには、上流側への水分の流入を防ぐことで真空容器内の真空を維持することができる。

さらに、上記圧力開放弁３２の後流の配管（図１及び図３では配管３８、図２及び図４では排気管３９）に逆止弁（第２の逆止弁）３３を設けている。この逆止弁３３は、配管３８内の圧力が外気圧よりも高くなると弁が開く、バネ式逆止弁を用いることができる。なお、バネ式逆止弁でなくても、逆止弁の上流側の圧力が外気圧よりも高くなったときに弁が開く構造の逆止弁であれば、ボール型の逆止弁でもよい。これにより、圧力開放弁３２と逆止弁３３との間の配管内部が真空ポンプ１５の排気音の緩衝空間となる。この緩衝空間内の流体はダンパーとして機能し、メインポンプ１５の排気音および圧力開放弁３２の開閉音を吸収することができる。特に、図２及び図４に示すように、逆止弁３３を排気管３９に配置することにより、圧力開放弁３１，３２の両方からの排気音を低減することができる。

真空ポンプ１５，１６が定常状態で運転中に排気対象の真空容器に外部からガスが流入すると、これを排気する際に、メインポンプ１５の排気口１５ｂが外気圧よりも高くなり、圧力開放弁３２が開き、すぐにスプリングにより圧力開放弁３２が閉じる場合がある。このような場合でも、メインポンプ１５の排気音および圧力開放弁３２の開閉音は上記緩衝空間に閉じこめられ、外部に漏れることが防止される。これにより、真空ポンプユニットの低騒音化が達成される。

さらに、メインポンプ１５の吐出側に配置される配管３８を、分岐管３６から分岐した配管４７の上記圧力開放弁３１の後流に接続し、排気管３９を１本としている。これにより、１本の吸込管３４と１本の排気管３９とを備えた単純な構造の真空ポンプユニットが得られる。

圧力開放弁３２の後流には分岐管３７が連結されている。この分岐管３７の上方の出口は略垂直に延びる配管３８に接続され、下方の出口は凝縮液が自然落下する排水管（ドレイン）４６に接続されている。メインポンプ１５から排出される気体は、メインポンプ１５を通過中に加熱され、高温となっているが、配管３８中で冷却され、水分が液化し、凝縮液となって配管３８中を自然流下する。そして、凝縮液は分岐管３７から排水管４６中に自然流下し、排出される。これにより、凝縮液が圧力開放弁３２側にバックすることを防止することができ、圧力開放弁３２をクリーンな状態に保つことができる。なお、配管３８は垂直でなくてもよく、凝縮液が流下しやすいように水平面に対して傾いていればよい。

次に、上述のように構成された真空ポンプユニットの運転について説明する。まず、運転ボタン２２を押して電源をＯＮすると、ブースターポンプ１６およびメインポンプ１５ともにソフトスタート起動し、排気を行なう。やがてブースターポンプ１６およびメインポンプ１５の回転速度は、それぞれ設定された定常運転の回転速度に達し、排気を持続する。ブースターポンプ１６の排気速度はメインポンプ１５の排気速度よりも高いので、配管３５内の圧力が上昇し、ブースターポンプ１６の負荷動力も上昇する。そして、配管３５内の圧力が真空ポンプユニットの周囲の外気圧よりも大きくなると、圧力開放弁３１が開き、配管３５内の圧力が開放されるとともに、ブースターポンプ１６の負荷が一定となる。

真空容器内の圧力が下がると、配管３５の圧力も下がるので、圧力開放弁３１が閉じる。また、ブースターポンプ１６の負荷も下がる。真空容器内の圧力がさらに下がり、到達真空度になると、ブースターポンプ１６の吸気側と排気側との圧力差は小さい（吸排気側共に真空状態）ため、ブースターポンプ１６は無負荷運転に近い状態になる。一方、メインポンプ１５では、吸気側と排気側との圧力差は大きい（吸気側は真空であり、排気側は外気圧）ため、メインポンプ１５の負荷は定格値に近くなる。このとき、メインポンプ１５が異常停止した場合でも、圧力開放弁３２が瞬間的に閉じるので、真空容器内の真空が破壊されることを防止できる。

このように、この真空ポンプユニットの特徴として、圧力・流量等を検出せず、センサレスで始動・定常運転が可能である。これらの構成により、真空ポンプのソフトスタート等の制御のみを行い、圧力・流量等のフィードバックによる運転制御が不要である。その結果、単純な構成で、安価な真空ポンプユニットを提供することが可能である。

次に、上述した真空ポンプ１５，１６の構成例を、図５および図６を参照して説明する。上記真空ポンプ１５，１６は、タイミングギヤを用いず、１組の非接触のマグネットカップリングを用いて、１対のスクリューロータを同期反転させ、気体を移送する真空ポンプであり、容積移送式の２軸スクリューポンプである。なお、本実施形態では、メインポンプ１５とブースターポンプ１６とは同一の構成を有しているので、以下ではメインポンプ１５についてのみ説明する。

ケーシング５０の内部に、２本の回転軸５１ａ，５１ｂが平行に配置され、それぞれの回転軸５１ａ，５１ｂは軸受５３により支承されている。回転軸５１ａには右ねじのスクリューロータ（ポンプロータ）５２ａが、また回転軸５１ｂには左ねじのスクリューロータ（ポンプロータ）５２ｂがそれぞれ固定されている。スクリューロータ５２ａ，５２ｂとケーシング５０の内面との間には流体通路５６が形成され、この流体通路５６の上流側端部に吸気口１５ａが設けられ、流体通路５６の下流側端部に排気口１５ｂが設けられている。スクリューロータ５２ａ，５２ｂは僅かなクリアランスを保って非接触で相互に反転し、吸気口１５ａから吸込まれた気体を排気口１５ｂに移送するようになっている。なお、スクリューロータ５２ａ，５２ｂとして、ピッチ線上でのみ接触する軸断面形状を有する１対のスクリューロータを用いてもよい。

回転軸５１ａ，５１ｂの吸気側の軸端には、それぞれ同一の構成を有する一対のマグネットロータ５４，５４が配置され、ブラシレスＤＣモータとして回転軸５１ａ，５１ｂを反転駆動すると共に、マグネットカップリングにより回転軸５１ａ，５１ｂの同期反転を確保している。図６に示すように、各マグネットロータ５４は、磁性材のヨーク５４ｂの外周にリング形状のマグネット５４ａを周設している。本実施形態では、マグネットロータ５４の外周上には８極に着磁したマグネット５４ａが周設され、互いのマグネットロータ５４，５４の異磁極が引き合うように対向して、かつクリアランスＣを保って配置されている。なお、マグネットロータ５４の極数は４，６，８・・・などの偶数である。

スクリューロータ５２ａ，５２ｂは、マグネットロータ５４，５４のマグネットカップリング作用により、同期して反対方向に回転する。これにより、ギヤが無くても安定した２軸同期反転が可能なスクリューポンプが構成されている。ギヤが無いことは、潤滑油が不要であるとともに、２軸の完全な同期機構を含めた非接触回転が可能であり、スクリューポンプの高速運転が可能なことを意味している。すなわち、タイミングギヤを用いた接触式の同期機構では、６０００−７０００min^-1の回転速度であるが、８極のマグネットロータ５４，５４のマグネットカップリングを用いることで、上述したように、１００００−３００００min^-1の同期反転高速回転が安定に出来るようになり、これにより真空ポンプを小型にしても、高い到達真空度などの排気性能の向上が達成された。

各マグネットロータ５４の外周面の一部に近接して、鉄心５７ａと巻線５７ｂとから成る三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のモータステータ５７が配置されている。三相のモータステータ５７はマグネットロータ５４同士がマグネットカップリングする側とは回転軸に関して反対側に配置されている。これにより、マグネットロータ５４同士が互いに吸引するマグネットカップリング力をマグネットロータ５４とモータステータ鉄心５７ａに作用する吸引力でキャンセルすることができる。また三相のモータステータ磁極は、マグネットロータ５４の磁極数８極に対応し、各相間の開角を６０度としている。三相の巻線５７ｂに所要の矩形パルス状波形の直流電流を供給することで、任意の回転速度で２本の回転軸５１ａ，５１ｂを同期反転駆動することができる。

容積移送式スクリューポンプの場合、スクリューロータ５２ａ，５２ｂの回転に伴って気体は軸方向に流れる。したがって、図３および図４に示すように、メインポンプ１５を縦置きとし、排気口１５ｂを吸気口１５ａよりも下方に配置した場合は、排気口１５ｂが流体通路５６の下端に位置することになる。したがって、重力の作用により水（凝縮水など）のケーシング５０への流入を防止することができ、メインポンプ１５の過負荷や腐食を防止することができる。さらにこの場合、マグネットロータ５４およびモータステータ５７はスクリューロータ５２ａ，５２ｂの上方（流体通路５６の上方）に位置することになるので、仮に排気口１５ｂから水が流入したとしてもこれらの部品が水と接触することがない。このように、メインポンプ１５は、排気口１５ｂが吸気口１５ａよりも下方に位置するように水平方向に対して角度を有する配置とし、本実施形態では、その一例として、メインポンプ１５のスクリューロータ５２ａ，５２ｂは略垂直に配置されている。

次に、本発明の他の実施形態について図７乃至図１２を参照して説明する。図７は本発明の他の実施形態の真空ポンプユニットを示す側面図であり、図８は図７に示す真空ポンプユニットの上面図である。図９（ａ）は図７に示すポンプ設置台の側面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すポンプ設置台の上面図、図９（ｃ）は図９（ａ）に示すポンプ設置台の下面図、図９（ｄ）は図９（ａ）に示すポンプ設置台を矢印IXの方向から見た図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成および動作は上述した実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。

真空ポンプユニットの内部には、断面逆Ｌ字型の形状を有したポンプ設置台６０が配置されている。このポンプ設置台６０は略水平の上面６０ａと略垂直の側面６０ｂとを有し、その下面は真空ポンプユニットの底部に固定されている。上面６０ａにはブースターポンプ１６が設置されており、側面６０ｂにはメインポンプ１５が設置されている。このような配置としたことにより、ブースターポンプ１６は略水平に配置され、その結果、ブースターポンプ１６の１対のスクリューロータも略水平に配置される。一方、メインポンプ１５は略垂直に配置され、その結果、メインポンプ１５の１対のスクリューロータは略垂直に配置される。

ポンプ設置台６０の内部には連通路６１（上記実施形態の配管３５に相当）が形成されている。連通路６１の一端はポンプ設置台６０の上面６０ａで開口し、ブースターポンプ１６の排気口１６ｂに接続されている。連通路６１の他端はポンプ設置台６０の側面６０ｂで開口し、メインポンプ１５の吸気口１５ａに接続されている。連通路６１には分岐点６１ａ（上記実施形態の分岐管３６に相当）が設けられており、ここで圧力開放通路６２（上記実施形態の配管４７に相当）が連通路６１から分岐している。この圧力開放通路６２はポンプ設置台６０の側面６０ｂの下部で開口し、圧力開放弁（逆止弁）３１に接続されている。この圧力開放弁３１は排気管３９に接続されている。

ポンプ設置台６０の内部には、さらに排気通路６３が形成されている。この排気通路６３の両端はいずれもポンプ設置台６０の側面６０ｂで開口している。排気通路６３の一端はメインポンプ１５の排気口１５ｂに接続され、他端は逆止弁３２に接続されている。さらに、逆止弁３２の下流側には逆止弁３３が連結され、逆止弁３３は配管３８に接続されている。圧力開放弁３１および配管３８はいずれも排気管３９に接続されている。このように、ポンプ設置台６０によって、連通路６１、圧力開放通路６２、排気通路６３、メインポンプ１５およびブースターポンプ１６の架台を構成することができるので、ポンプユニット全体をコンパクトにすることができるとともに、製作コストを下げることができる。さらに、マニホールドとして構成される連通路６１、圧力開放通路６２、排気通路６３のメンテナンスが容易となる。

圧力開放弁３１、逆止弁３２，３３、配管３８、および排気管３９は同一水平面内に位置し、これらはメインポンプ１５の排気口１５ｂよりも下方に位置している。したがって、配管３８や排気管３９の内面に結露した凝縮水がメインポンプ１５に流れ込むことはなく、凝縮水は排気管３９を通じて真空ポンプユニットの外部に排出される。

図７に示すように、モータドライバ１７，１８は、ポンプ設置台６０の内角側に形成された空間内に並列に配置されている（図７ではモータドライブ１７のみを示す）。また、直流電源（ＡＣ／ＤＣコンバータ）１９はモータドライバ１７，１８の下方に配置されている。このような配置により、比較的温度が低いブースターポンプ１６の外面や吸込管３４の表面に水分が凝縮した場合であっても、凝縮水はポンプ設置台６０に遮られてモータドライバ１７，１８や直流電源１９に滴下することがなく、これらの電装機器の故障を防止することができる。

メインポンプ１５の側方には冷却ファン４０が設けられており、直流電源１９の側方には通風孔６５が形成されている。これら冷却ファン４０と通風孔６５とは真空ポンプユニットの中心に関してほぼ対称に位置している。したがって、冷却ファン４０を運転すると、通風孔６５から空気が導入され、図７の矢印で示すように、真空ポンプユニットの内部空間を横切るように流れる。真空ポンプユニット内を流れる空気は、直流電源１９、ブースターポンプ１６、メインポンプ１５をこの順に冷却し、冷却ファン４０を通じて外部に排出される。通風孔６５から導入された空気の一部は、ポンプ設置台６０の内角側に形成された空間内に渦を形成し、これによりモータドライバ１７，１８が冷却される。

ポンプ設置台６０は、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼などの金属から形成され、単一の部材から構成されている。このポンプ設置台６０は耐腐食性が高い材料から構成されることが好ましい。ポンプ設置台６０をステンレス鋼のような熱伝導性の低い材料で構成した場合は、上記電装機器（モータドライバ１７，１８および直流電源１９）と真空ポンプ１５，１６と間の熱伝達をポンプ設置台６０によって遮断することができる。一方、ポンプ設置台６０をアルミニウムやチタンのような熱伝導性の高い材料で構成した場合は、ポンプ設置台６０をヒートシンクとして機能させることができ、放熱効果が得られる。

図１０は図７に示す真空ポンプユニットの他の構成例を示す側面図である。図１０に示す例では、ポンプ設置台６０の側部に補助冷却ファン６６が固定されている。この補助冷却ファン６６はモータドライバ１７，１８の側方に位置しており、通風孔６５から導入された空気をモータドライバ１７，１８に送ることでモータドライバ１７，１８を冷却する。ポンプ設置台６０には、連通路６１、圧力開放通路６２、排気通路６３に影響を与えないように１つまたはそれ以上の貫通孔７０が形成されている。この貫通孔７０は、補助冷却ファン６６およびモータドライバ１７，１８と略同じ高さの位置に形成されており、補助冷却ファン６６から送風される空気が貫通孔７０を通ってメインポンプ１５に吹き付けられるようになっている。

このような配置としたことにより、モータドライバ１７，１８の近傍に渦流を強制的に形成することができる。また、空気が貫通孔７０を通ってメインポンプ１５に当たるので、メインポンプ１５をより効果的に冷却することができる。

図１１は図７に示す真空ポンプユニットの他の構成例を示す側面図である。図１１に示す例では、冷却ファン４０の運転によって生じる空気のメインストリーム上にモータドライバ１７，１８が並列に配置されている（図１１ではモータドライバ１７のみを示す）。すなわち、モータドライバ１７，１８は、直流電源１９の上方であって、ポンプ設置台６０の側方に位置している。このように、モータドライバ１７，１８を空気のメインストリーム上に配置することにより、図１０の例と同等の冷却効果を得つつ、真空ポンプユニット全体の構成を簡略化することができる。

図１２（ａ）はポンプ設置台の他の構成例を示す上面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の側面図である。この例では、連通路６１と連通するバイパス流路７１がポンプ設置台６０に形成されている。このバイパス流路７１は通常は図示しない閉止部材によって閉止されている。真空容器に要求される真空が低い場合（例えば５０００Ｐａ以下）は、閉止部材を外してバイパス流路７１を真空容器に連結し、ブースターポンプ１６をバイパスした状態で運転する。この時、吸込管３４に図示しない開閉弁を接続するか、または、連通路６１の入口（ブースターポンプ１６の排気口１６ｂが接続される開口部）に閉止部材を配置して、ブースターポンプ１６の流路を閉止することが好ましい。また、高真空（例えば１Ｐａ以下）が要求される他の真空容器を吸込管３４に連結し、２つの真空容器を同時に真空排気することもできる。

図１３はポンプ設置台６０の内部に圧力開放弁３１，３２を設置した構成例を示す図である。図１３に示すように、圧力開放通路６２に圧力開放弁３１が設けられ、排気通路６３に圧力開放弁３２が設けられている。この例では、ポンプ設置台６０によって、連通路６１、圧力開放通路６２、排気通路６３、メインポンプ１５、ブースターポンプ１６の架台を構成するとともに、圧力開放弁３１，３２を内蔵することにより、真空ポンプユニット全体をコンパクトにし、かつ、製作コストを下げることができる。さらに、配管作業の簡略化や誤接続を防止することができる。なお、逆止弁３３を排気通路６３内の圧力開放弁３２の下流側に配置してもよい。

なお、上記実施形態では、スクリュー型真空ポンプを用いる例について説明したが、ルーツ型等の他形式の容積移送型２軸真空ポンプにも、本発明の趣旨を同様に適用できることは勿論である。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。

本発明の一実施形態の真空ポンプユニットを示す模式図である。 図１の変形例を示す模式図である。 図１の真空ポンプユニットの一構成例を示す立面図である。 図３の変形例を示す立面図である。 図３および図４に示す真空ポンプの構成例を示す断面図である。 図５のVI−VI矢視拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係る真空ポンプユニットを示す側面図である。 図７に示す真空ポンプユニットの上面図である。 図９（ａ）は図７に示すポンプ設置台の側面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すポンプ設置台の上面図、図９（ｃ）は図９（ａ）に示すポンプ設置台の下面図、図９（ｄ）は図９（ａ）に示すポンプ設置台を矢印IXの方向から見た図である。 図７に示す真空ポンプユニットの他の構成例を示す側面図である。 図７に示す真空ポンプユニットの他の構成例を示す側面図である。 図１２（ａ）はポンプ設置台の他の構成例を示す上面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の側面図である。 ポンプ設置台の内部に圧力開放弁を設置した構成例を示す図である。

符号の説明

１１ 真空ポンプユニット
１２ 表示部
１３ ドライバ部
１４ ポンプ部
１５ メインポンプ（真空ポンプ）
１５ａ 吸気口
１５ｂ 排気口
１５ｆ フィン
１５ｈ ヒートシンク
１５ｍ モータ部
１６ ブースターポンプ（真空ポンプ）
１６ａ 吸気口
１６ｂ 排気口
１６ｍ モータ
１７，１８ モータドライバ
１９ 直流電源
２０ 漏電遮断器
２２ 運転ボタン
２３ 停止ボタン
２４ 警報リセットボタン
２５ ランプ
２６ 積算運転時間表示パネル
２９ 架台
３０ 操作盤
３１，３２ 圧力開放弁
３３ 逆止弁
３４ 吸込管
３５，３７，３８ 配管
３６ 分岐管
３９ 排気管
４０ 冷却ファン
４３ 接続端子
４４，４５ ケーブル
５０ ケーシング
５１ａ，５１ｂ 回転軸
５２ａ，５２ｂ スクリューロータ
５３ 軸受
５４ マグネットロータ
５４ａ マグネット
５４ｂ ヨーク
５６ 流体通路
５７ モータステータ
５７ａ モータステータ鉄心
５７ｂ モータステータ巻線
６０ ポンプ設置台
６１ 連通路
６２ 圧力開放通路
６３ 排気通路
６５ 通風孔
６６ 補助冷却ファン
７０ 貫通孔
７１ バイパス通路

Claims (18)

1. 外気圧側に配置されるメインポンプと、
   真空側に配置されるブースターポンプとを備えた真空ポンプユニットであって、
   前記ブースターポンプと前記メインポンプとは直列に接続され、
   前記ブースターポンプは前記メインポンプよりも高い排気速度を有し、
   前記メインポンプおよび前記ブースターポンプは、それぞれ、１対のポンプロータと、吸気口および排気口を有するケーシングと、前記１対のポンプロータと一体に回転する１対のマグネットロータとを有し、
   前記真空ポンプユニットは、略水平の上面と略垂直の側面とを有するポンプ設置台を備えており、
   前記ポンプ設置台内には、前記ブースターポンプの前記排気口と前記メインポンプの前記吸気口とを連通するための連通路が形成されており、
   前記ポンプ設置台の上面には、前記ブースターポンプが設置され、前記ポンプ設置台の側面には、前記メインポンプが設置されたことを特徴とする真空ポンプユニット。
2. 前記メインポンプの前記１対のマグネットロータは前記１対のポンプロータの上方に配置されることを特徴とする請求項１の真空ポンプユニット。
3. 前記ポンプ設置台は、断面逆Ｌ字型の形状を有するとともに、前記真空ポンプユニットの底部に固定されており、
   前記真空ポンプユニットを駆動するための電装機器を、前記ポンプ設置台の内角側の空間内に配置したことを特徴とする請求項２の真空ポンプユニット。
4. 前記真空ポンプユニットは、前記メインポンプ、前記ブースターポンプ、および前記電装機器を冷却するための冷却ファンをさらに備えたことを特徴とする請求項３の真空ポンプユニット。
5. 前記メインポンプの前記排気口は、前記ケーシング内に形成される流体通路の下端に配置されることを特徴とする請求項４の真空ポンプユニット。
6. 前記ポンプ設置台内には、前記連通路から分岐する圧力開放通路と、前記連通路内の流体の圧力が外気圧よりも大きくなったときに開く圧力開放弁とが設置されていることを特徴とする請求項２の真空ポンプユニット。
7. 前記ポンプ設置台内には、前記連通路から分岐する圧力開放通路が形成され、
   前記圧力開放通路は前記真空ポンプユニットの排気管に連通し、
   前記圧力開放通路と前記排気管との間には、前記連通路内の流体の圧力が外気圧よりも大きくなったときに開く圧力開放弁が配置されていることを特徴とする請求項２の真空ポンプユニット。
8. 前記メインポンプの前記排気口には、該排気口を通過する流体の圧力が外気圧よりも大きくなったときに開く第１の逆止弁が連結され、前記排気口から排出された流体が前記メインポンプに逆流しないようにしたことを特徴とする請求項２の真空ポンプユニット。
9. 前記第１の逆止弁の下流側には第２の逆止弁が配置されていることを特徴とする請求項８の真空ポンプユニット。
10. 前記ポンプ設置台内には、前記メインポンプの前記排気口に接続される排気通路が形成されていることを特徴とする請求項２の真空ポンプユニット。
11. 前記排気通路内には逆止弁が設置されていることを特徴とする請求項１０の真空ポンプユニット。
12. 前記メインポンプの前記１対のポンプロータは、１対のスクリューロータであることを特徴とする請求項２の真空ポンプユニット。
13. 前記ブースターポンプの前記１対のポンプロータは１対のスクリューロータであり、
    前記ブースターポンプの前記吸気口は前記ケーシングの上部に配置され、前記ブースターポンプの前記排気口は前記ケーシングの下部に配置されていることを特徴とする請求項２の真空ポンプユニット。
14. 前記ポンプ設置台は単一の部材から構成されていることを特徴とする請求項２の真空ポンプユニット。
15. 外気圧側に配置されるメインポンプと真空側に配置されるブースターポンプとを備えた真空ポンプユニット用のポンプ設置台であって、
    前記ポンプ設置台は、前記ブースターポンプが設置される略水平の上面と、前記メインポンプが設置される略垂直の側面とを有しており、
    前記ブースターポンプの排気口と前記メインポンプの吸気口とを連通するための連通路が内部に形成されていることを特徴とする真空ポンプユニット用ポンプ設置台。
16. 前記真空ポンプユニット用ポンプ設置台内には、前記連通路から分岐する圧力開放通路が形成され、
    前記圧力開放通路内には、前記連通路内の流体の圧力が外気圧よりも大きくなったときに開く圧力開放弁が設置されていることを特徴とする請求項１５の真空ポンプユニット用ポンプ設置台。
17. 前記真空ポンプユニット用ポンプ設置台内には、前記メインポンプの前記排気口に接続される排気通路が形成され、
    前記排気通路内には逆止弁が設置されていることを特徴とする請求項１５の真空ポンプユニット用ポンプ設置台。
18. 断面逆Ｌ字型の形状を有することを特徴とする請求項１５の真空ポンプユニット用ポンプ設置台。

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