JP5024507B2 - ターボ分子ポンプ、及び真空装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ、及びターボ分子ポンプによって真空引きされる真空装置に関し、特に、ターボ分子ポンプを駆動するための電源ユニットの冷却に関する。

真空装置では、ターボ分子ポンプ等の吸引機構によって真空容器内等を吸引することによって真空状態を形成している。一般に、ターボ分子ポンプはステータとロータとを有するポンプユニットを備え、モータの電源駆動によってロータを回転させ、真空容器内を吸引・排気している。

通常、真空装置は装置自体に水配管を備え、この配管に冷却水を流すことによって真空装置を水冷している。また、この真空装置を真空引きするターボ分子ポンプについても、ポンプユニット内のロータが回転することで発生する発熱を冷却するために、ポンプユニット自体にも水配管を設けている。

また、ターボ分子ポンプは、ポンプユニットのモータを電源ユニットから供給される駆動電力によって駆動している。この電源ユニットは、内部に交流電流を直流電流に変換するＡＣ／ＣＤコンバータ、ポンプモータ駆動用のインバータ等の発熱を伴う回路を内蔵しているため、冷却が必要である。

電源ユニットはポンプユニットから分離して配置する構成とすることができるが、分離配置した場合には、電源ユニットからポンプユニットに電力を供給するためのケーブルを配設する必要があり、ケーブルを配設のためにスペースや電力損失等の問題を低減するためには、電源ユニットとポンプユニットとを一体構成とする、あるいは近接して配置することが望ましい。

このように、電源ユニットとポンプユニットとを一体構成、あるいは近接配置する構成とした場合では、電源ユニットは、ポンプユニットの冷却に用いる冷却用水配管を兼用して冷却している。

このとき、電源ユニットは内部に水漏れを好まない回路を内蔵しているため、冷却用水配管からの水漏れを防ぐ防滴処理が施されている。

図６は従来の真空装置の構成例を説明するための概略図であり、図７はターボ分子ポンプの電源ユニットの構成例を説明するための概略図である。

図６において、真空装置１００は、ターボ分子ポンプのポンプユニット３０によって吸引され真空排気される。ポンプユニット３０のモータは、電源ユニット２０から電力の供給を受けて駆動する。

冷却水を用いて真空装置１００を冷却する構成では、この冷却水の一部を分流してターボ分子ポンプに送り、電源ユニット２０及びポンプユニット３０の冷却に利用している。

図７は水冷によって冷却を行う従来のターボ分子ポンプの電源ユニットの構成例を示している。図７において、電源ユニット２０は、交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ部２０ｂ、速度制御等を行うために変換したＤＣの周波数を変換するインバータ２０ｃ部と、これらを制御する制御部２０ａ等の回路構成を備える。これら回路構成で発生した発熱は、ラジエータ２０ｄを介して水冷ユニット２０ｅを流れる冷却水によって冷却される。ここで、水冷ユニット２０ｅは、結露防止のために、ラジエータ２０ｄ以外の部分との間では熱伝導を行わないように断熱構造とすると共にシールを施す構造としている。

水冷ユニット２０ｅが結露した場合には、ＡＣ／ＤＣコンバータ部２０ｂ、インバータ２０ｃ部と、制御部２０ａ等の回路部分で漏電が発生し、故障の原因となる。

従来の真空装置やターボ分子ポンプでは、冷却用水配管を用いて発熱を冷却する場合には、電源ユニット内で温度差冷却水による温度差によって結露が生じる場合がある。この結露を防ぐ手法として、冷却水の温度を管理することが考えられるが、冷却水の温度や、適用ができるモータの容量など、使用上の制限が生じる場合がある。また、結露を防ぐ他の手法として、上記したように断熱構造やシール構造を設けることも考えられが、このような構造は、ターボ分子ポンプや真空装置が本来的に必要とする構成ではないため、ターボ分子ポンプや真空装置のコストを上昇させる要因となるという問題がある。

真空装置やポンプユニットを冷却水で冷却する構成では、冷却用水配管の敷設ミスや振動等などによって水漏れが生じる可能性があり、水漏れが発生した場合には、電源ユニットが漏電してポンプユニットの故障の要因となる。

上記した電源ユニットでの問題は、真空装置やポンプユニットの冷却に使用する冷却水を併用して電源ユニットを冷却することによって発生するものである。そこで、電源ユニットを、水冷ではなく、ファンを用いた空冷によって行えば、水漏れによる故障を解消することができる。

しかしながら、電源ユニットは、冷却水を用いて冷却を行う真空装置やポンプユニットに近接させて設置している。そのため、電源ユニットは、少なからず冷却水の影響を受ける環境にあるため、防滴対策として電力線や信号線、制御線等のラインを通す最小限の開口部を除いて密閉した半密閉構造とせざるを得ない。

このような半密閉構造に空冷を適用する場合には、内部に設けたファンによって空気の流れを形成して空冷を行うことが考えられる。しかしながら、ファンで形成された空気の流れは、内部に設けた種々の回路構成で妨げられるため、空気の流れによどみが発生し、十分な空気の流れを形成することは困難である。

また、空気は半密閉構造の内側に留まり、外部に排気されないため、電源ユニットの内部で発生した熱は、ケース部材等を介して伝達する以外は、ほぼ外部に導出されることなく内部に留まることになるため、十分な冷却が期待できないという問題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決して、真空装置やポンプユニットを水冷で冷却する構成において、電源ユニットを空冷で冷却することを目的とする。

本発明のターボ分子ポンプ及びターボ分子ポンプを備える真空装置は、水冷によってポンプユニットを冷却する構成において、ポンプユニットに電力を供給する電源ユニットに加圧ガスを導入することによって、冷却用水配管が隣接される環境であっても、水漏れによる影響を受けることなく冷却を行う。この加圧ガスは、ポンプユニットに導入されるパージ用の窒素ガス、あるいは、真空装置のユーテリティー用の圧縮空気を利用することができる。

本発明のターボ分子ポンプの形態では、ポンプユニットを水冷で冷却するターボ分子ポンプにおいて、ポンプユニットに電力を供給する電源ユニット内にポンプパージ用の窒素ガスを導入する機構を備え、窒素ガスと大気圧との差圧により、電源ユニットの内部から外部への窒素ガスの流路を形成し、窒素ガスを媒体として電源ユニット内の熱排出を行う。

電源ユニット内に導入した窒素ガスは、ポンプパージ用の窒素ガスが大気圧より高圧であることを利用することで、半密閉状態の電源ユニット内であっても、ガス流路を形成することができる。電源ユニット内で発生する発熱は、この窒素ガスを媒体として電源ユニット外に排出され、空冷が行われる。

電源ユニット内部から外部への窒素ガスの排気は、電源ユニットとポンプユニットとの間に設けた防滴シール部を通して行うことができる。

電源ユニット内は、導入された窒素ガスによって大気圧よりも高い圧力となるため、周囲が水冷による水環境にあっても、内部への水の侵入が防止される。また、防滴シール部を通して窒素ガスの排気を行うことで、防滴シール部での防水効果が高まる。

また、本発明の真空装置の形態は、ポンプユニットを水冷で冷却するターボ分子ポンプにより真空排気される真空装置において、ポンプユニットに電力を供給する電源ユニット内に、ポンプパージ用の窒素ガス、あるいは真空装置用の圧縮空気を加圧ガスとして導入する機構を備え、加圧ガスと大気圧との差圧により、前記電源ユニットの内部から外部への加圧ガスの流路を形成し、加圧ガスを媒体として電源ユニット内の熱排出を行う。

電源ユニット内に導入した窒素ガスあるいは圧縮空気の加圧ガスは、大気圧より高圧であることを利用することによって、半密閉状態の電源ユニット内であっても、ガス流路を形成することができる。電源ユニット内で発生する発熱は、この加圧ガスを媒体として電源ユニット外に排出され、空冷が行われる。

電源ユニット内部から外部への加圧ガスの排気は、電源ユニットとポンプユニットとの間に設けた防滴シール部を通して行うことができる。電源ユニット内は、導入された加圧ガスによって大気圧よりも高い圧力となるため、周囲が水冷による水環境にあっても、内部への水の侵入が防止される。また、防滴シール部を通して加圧ガスの排気を行うことで、防滴シール部での防水効果が高まる。

本発明によれば、真空装置やポンプユニットを水冷で冷却する構成において、電源ユニットを空冷で冷却することができる

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図1は本発明の第１の態様を説明するための図であり、ポンプパージ用に窒素ガスを用いて電源ユニットを空冷する構成例を示している。

図１において、真空装置１は、真空チャンバ１００内をターボ分子ポンプ２で真空排気することで真空状態を形成する。ターボ分子ポンプ２はポンプユニット３を備え、補助ポンプ５と共に真空排気を行う。

ポンプユニット３は、ステータとロータを備え、ロータをモータで駆動して回転させることによって真空チャンバ１００内を真空排気する。ポンプユニット３には、ポンプパージ用の窒素ガスが導入される。ポンプパージ用の窒素ガスは、例えば、エッチングプロセスにおいて、ポンプ内部がエッチングによる影響を受けないように、ポンプ内部を保護するためにポンプ停止時など、真空装置で行うプロセスに応じて用いられる。

工場等の真空装置を使用する環境では、窒素ガスは通常０．４MPa〜１．０MPaの圧力を有しており、ポンプユニット３でのパージでは２０kPa程度で使用するため、減圧弁６で減圧し、調整弁付き流量計７ａ及び開閉バルブ８ａを介して、ポンプユニット３のガスパージ用ポート９に接続される。

このポンプユニット３には、電源ユニット４が一体あるいは隣接させて設けられる。電源ユニット４は、ポンプユニット３が備えるモータに電力供給する。電源ユニット４には、前記したポンプパージ用の窒素ガスが、調整弁付き流量計７ｂ及び開閉バルブ８ｂを介して導入される。このとき導入される窒素ガスのガス圧は０．１MPa＋αに設定され、大気圧（０．１MPa）よりも高いガス圧で電源ユニット４内に導入される。なお、αは、電源ユニット４内のガス圧が大気圧よりも常に高くなるように調整するための設定分を表している。

図２は、電源ユニット内のガスの流れを説明するための概略図である。電源ユニット４は、交流を直流に変換するためのＡＣ−ＤＣコンバータ部４ｂ、ＡＣ−ＤＣコンバータ部４ｂで変換した直流に対して電圧制御や周波数制御等を行ってモータを駆動制御するインバータ部４ｃ、及びこれらを制御する制御部４ａを備える。なお、図２では示していないが、ＡＣ−ＤＣコンバータ部４ｂには外部から交流電力が供給され、インバータ部４ｃからはポンプユニット３内にモータに電力供給が行われる。ＡＣ−ＤＣコンバータ部４ｂ及びインバータ部４ｃには隣接してあるいは熱伝導の良好な部材を介して、ラジエータ４ｄが設けられる。

電源ユニット４内には外部から加圧ガスが導入される。この導入された加圧ガスが電源ユニット３内で流路を形成した後、外部に排気される。ラジエータ４ｄは加圧ガスの流路上に配置し、加圧ガスが流れる間に加圧ガスとの間で熱交換を行う。これによって、ＡＣ−ＤＣコンバータ部４ｂやインバータ部４ｃの熱を奪って冷却する。

加圧ガスの排出は、電源ユニット４に設けた排出口から行う。排出口の位置は任意に設定することができるが、電源ユニット４とポンプユニット３との間に設けた防滴シール部４ｅの部分に設ける構成とすることができる。

防滴シール部４ｅは、冷却水等が流れるポンプユニット３から電源ユニット４内へ水の浸入を防ぐシール部である。電源ユニット４の側部において、防滴シール部４ｅと対向する側壁部に微細口や微細スリット等の排気用開口部４ｆを設けると、電源ユニット４内に導入された加圧ガスは大気圧との圧力差によって、この排気用開口部４から防滴シール部４ｅに向かって排気される。したがって、電源ユニット４の排気用開口部４ｆと防滴シール部４ｅとの間には、排気用開口部４ｆを高圧とする圧力差が形成されるため、ポンプユニット３から電源ユニット４への水の浸入防止はより効果的となる。

図１で示した第１の形態は、ポンプユニットのポンプパージ用の窒素ガスを用いて電源ユニットを空冷する構成であるが、電源ユニットを空冷するための加圧ガスは、ポンプパージ用の窒素ガスに限らず、真空装置１００の装置ユーテリティーに用いる圧縮空気を利用することができる。図３は、装置ユーテリティー用の圧縮空気を用いる第２の形態を説明するための概略図である。

図３において、真空装置１は、図１に示した第１の形態と同様に、真空チャンバ１００内をターボ分子ポンプ２で真空排気することで真空状態を形成し、ターボ分子ポンプ２はポンプユニット３を備え、補助ポンプ５と共に真空排気を行う。ポンプユニット３には、第１の形態と同様に、減圧弁６、調整弁付き流量計７ａ、開閉バルブ８ａ等（図３では示していない）を通った窒素ガスがガスパージ用ポート９を介して接続される。

また、真空装置１の真空チャンバ１００には、装置ユーテリティー用の圧縮空気が導入されている。圧縮空気の圧力は、例えば、０．４MPa〜１．０MPaとすることができる。

第２の形態では、ポンプユニット３に対しては一体あるいは隣接させて設けられる電源ユニット４に対して、第１の形態の窒素ガスに代えて、前記した装置ユーテリティー用の圧縮空気が導入される。

電源ユニット４には、装置チャンバ１００に導入する圧縮空気を分流した圧縮空気が、調整弁付き流量計７ｂ及び開閉バルブ８ｂを介して導入される。このとき導入される圧縮空気のガス圧は、第１の形態の窒素ガスと同様に、０．１MPa＋αに設定し、大気圧（０．１MPa）よりも高いガス圧で電源ユニット４内に導入する。なお、αは、電源ユニット４内のガス圧が大気圧よりも常に高くなるように調整するための設定分を表している。

電源ユニット４内の構成は、前記図２と同様とすることができ、加圧ガスとして圧縮空気を用いることで、ＡＣ−ＤＣコンバータ部４ｂ及びインバータ部４ｃの発熱を空冷で冷却することができる。

前記した図１に示す形態では、ポンプ用パージあるいは冷却に使用した窒素ガスをそのまま大気中に排気する構成であるが、窒素ガスを大気中に放出することによる危険性や環境への影響を考慮して、ポンプユニット３や電源ユニット４から排気された窒素ガスを回収する構成とすることもできる。

図４は、本発明の第３の形態であり、窒素ガスの回収する構成例を示している。図４に示す第３の形態は、第１の形態において、ポンプユニット３から排気した窒素ガスは、補助ポンプ５によって工場排気施設に回収する。また、電源ユニット４から排気した窒素ガスは、排気配管１０及び逆止弁１１を通して工場排気施設に回収する。

この構成により、ポンプユニット３や電源ユニット４から排気される窒素ガスを大気側に流出させることなく工場排気施設に回収することができる。

図５は、本発明の第４の形態であり、ポンプユニットと電源ユニットを分離配置する構成例を示している。図５に示す構成例では、図１に示した構成において、一体あるいは隣接した設けられたポンプユニットと電源ユニットとを分離した例を示している。

ポンプユニット３には、０．４MPa〜１．０MPaの窒素ガス源から、圧力減圧弁６、調整弁付き流量計７ａ、及び開閉バルブ８ａを通って供給された大気圧より高い（例えば、２０kPa程度）の窒素ガスが、ガスパージ用ポート９を介して導入され、ポンプパージとして用いられる。

また、ポンプユニット３と分離した配置された電源ユニット４には、調整弁付き流量計７ｂ、及び開閉バルブ８ｂを介して窒素ガスが導入され、電源ユニット４の冷却に用いられる。

電源ユニット４とポンプユニット３との間には接続ケーブル１２が設けられ、電源ユニット４において電力制御を行い、この接続ケーブル１２を介してポンプユニット３のモータを駆動制御する。

この分離構成は、電源ユニットはポンプユニットから十分な距離をとることができるため、電源ユニットをより高い防滴が必要とされる環境において使用する場合により有効となる。

なお、図５では、電源ユニットの冷却を窒素ガスを用いて行う構成を示しているが、図３に示すように、圧縮空気を用いて行う構成とすることもできる。

本発明の形態によれば、従来の水冷による冷却に代えて空冷による冷却を行うことができるため、結露防止のための断熱構造やシール構造の対策が不要となり、ターボ分子ポンプや真空装置のコストを低減させることができ、また、十分な冷却効果を得ることができる。

さらに、加圧ガスを用いることで電圧ユニットの内部を加圧状態とすることができ、防滴効果を高めることができる。

加圧ガスとして、湿度の低いドライガスを用いることによって、防滴効果に加えて、防湿効果を得ることができる。

また、加圧ガス自体を冷却しておくことにおり、電源ユニットの冷却効果を更に高めることができる。

本発明のポンプパージ用の窒素ガスを用いる第１の態様を説明するための図である。 本発明の電源ユニット内のガスの流れを説明するための概略図である。 本発明の装置ユーテリティー用の圧縮空気を用いる第２の形態を説明するための図である。 本発明の窒素ガスの回収する第３の形態を説明するための図である。 本発明のポンプユニットと電源ユニットを分離配置する第４の形態を説明するための図である。 従来の真空装置の構成例を説明するための概略図である。 従来のターボ分子ポンプの電源ユニットの構成例を説明するための概略図である。

符号の説明

１…真空装置、２…ターボ分子ポンプ、３…ポンプユニット、４…電源ユニット、４ａ…制御部、４ｂ…ＡＣ−ＤＣコンバータ部、４ｃインバータ部、４ｄ…ラジエータ、４ｅ…防滴シール部、４ｆ…開口部、５…補助ポンプ、６…減圧弁、７ａ，７ｂ…調整弁付き流量計、８ａ，８ｂ…開閉バルブ、９…ガスパージ用ポート、１０…排気配管、１１…逆止弁、１２…接続ケーブル、２０…電源ユニット、２０ａ…制御部、２０ｂ…ＡＣ−ＤＣコンバータ部、２０ｃ…インバータ部、２０ｄ…ラジエータ、２０ｅ…水冷ユニット、３０…ポンプユニット、１００…真空チャンバ。

Claims (3)

1. ポンプユニットを水冷で冷却するターボ分子ポンプにおいて、
   前記ポンプユニットに電力を供給する電源ユニット内にポンプパージ用の加圧ガスを導入する機構と、
   前記電源ユニットとポンプユニットとの間に防滴シール部を備え、
   前記防滴シール部は、前記電源ユニットの側部に設けられた排気用開口部に対向して設けられ、
   前記加圧ガスと大気圧との差圧により、前記電源ユニットの内部から外部への加圧ガスの流路が形成され、電源ユニット内に導入された加圧ガスは大気圧との差圧により前記排気用開口部から前記防滴シール部に向かって流れ、前記加圧ガスを媒体として電源ユニット内の熱排出を行う、ターボ分子ポンプ。
2. ポンプユニットを水冷で冷却するターボ分子ポンプにより真空排気される真空装置において、
   前記ポンプユニットに電力を供給する電源ユニット内にポンプパージ用の加圧ガスを導入する機構と、
   前記電源ユニットとポンプユニットとの間に防滴シール部を備え、
   前記防滴シール部は、前記電源ユニットの側部に設けられた排気用開口部に対向して設けられ、
   前記加圧ガスと大気圧との差圧により、前記電源ユニットの内部から外部への加圧ガスの流路が形成され、電源ユニット内に導入された加圧ガスは大気圧との差圧により前記排気用開口部から前記防滴シール部に向かって流れ、前記加圧ガスを媒体として電源ユニット内の熱排出を行う、真空装置。
3. ポンプユニットを水冷で冷却するターボ分子ポンプにより真空排気される真空装置において、
   前記ポンプユニットに電力を供給する電源ユニット内に、真空装置用の圧縮空気を導入する機構と、
   前記電源ユニットとポンプユニットとの間に防滴シール部を備え、
   前記防滴シール部は、前記電源ユニットの側部に設けられた排気用開口部に対向して設けられ、
   前記圧縮空気と大気圧との差圧により、前記電源ユニットの内部から外部への圧縮空気の流路が形成され、電源ユニット内に導入された圧縮空気は大気圧との差圧により前記排気用開口部から前記防滴シール部に向かって流れ、
   前記圧縮空気を媒体として電源ユニット内の熱排出を行う、真空装置。

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