JP5218220B2 - ターボ分子ポンプ装置およびその制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ターボ分子ポンプ装置およびその制御装置に関する。
ターボ分子ポンプ装置は、回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気する。このようなターボ分子ポンプ装置は各種の真空処理装置に接続されて使用される。ターボ分子ポンプでは、ロータを停止する際、モータの回生駆動による回生電力を回生ブレーキ抵抗で熱エネルギに変換してロータ停止性能を改善している(例えば、特許文献1)。
特開2002−285993号公報
上記特許文献1に開示されている回生ブレーキ抵抗は、従来から、円筒形状の巻線抵抗やブロック抵抗を使用しており外観寸法が大きい。したがって、電源装置筐体の内部にブレーキ抵抗を配置すると筐体が大型化して電源装置の小型化を阻害する。
なお、特開2002−285993号公報には、ポンプ内部の生成物付着防止用ヒータを回生時のブレーキ抵抗として兼用する発明が開示されているが、本発明は、電源装置内部に回生ブレーキ抵抗を配置する場合の装置の小型化を目的としており、課題が異なる。
(1)請求項1の発明によるターボ分子ポンプ装置は、ロータに設けられた回転翼と、前記回転翼と協働して真空排気する固定翼と、前記ロータを駆動するモータとを有するポンプ本体と、制御装置筐体内に収容され、前記モータを回生駆動するときに発生する回生電流を回生ブレーキ抵抗で熱エネルギに変換するモータ駆動回路を含む制御装置と、前記ポンプ本体と前記制御装置との間に介在して前記制御装置を冷却する冷却装置とを備え、前記回生ブレーキ抵抗を棒状発熱抵抗体とし、この発熱抵抗体を、前記制御装置筐体が前記冷却装置と接する端部の内周面に沿って引き回して配設することを特徴とする。
(2)請求項2の発明は、請求項1に記載のターボ分子ポンプ装置において、前記回生ブレーキ抵抗を前記冷却装置に伝熱するように保持する保持部材をさらに有することを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項1に記載のターボ分子ポンプ装置において、前記回生ブレーキ抵抗を前記冷却装置から断熱するように保持する保持部材をさらに有することを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のターボ分子ポンプ装置において、前記回生ブレーキ抵抗はシーズヒータであることを特徴とする。
(5)請求項5の発明は、ロータに設けられた回転翼と、前記回転翼と協働して真空排気する固定翼と、ロータを駆動するモータとを有するターボ分子ポンプに用いる制御装置に適用される。この制御装置は、モータを回生駆動するときに発生する回生電流を回生ブレーキ抵抗で熱エネルギに変換するモータ駆動回路と、モータ駆動回路が収容される筐体とを有し、回生ブレーキ抵抗を棒状発熱抵抗体とし、この発熱抵抗体を前記筐体の内周面に沿って引き回し、回生電流を発熱抵抗体に通電するように構成したことを特徴とする。
(6)請求項6の発明は、請求項5に記載のターボ分子ポンプ装置において、発熱抵抗体を筐体の上面、下面および側面のうちの二面から構成される辺の単数または複数のものに沿って当該面に接するように引き回して配設することを特徴とする。
(7)請求項7の発明は、請求項5または6に記載のターボ分子ポンプ装置において、回生ブレーキ抵抗はシーズヒータであることを特徴とする。
(8)請求項8の発明は、請求項5乃至7のいずれか1項に記載の制御装置において、前記モータ駆動回路は3相インバータ回路を含み、前記3相インバータ回路を冷却する冷却装置と、前記発熱抵抗体で発生する熱を前記冷却装置に伝熱する保持部材とをさらに備えることを特徴とする。
本発明によれば、細長い棒状の発熱抵抗体を筐体内部の隅部に引き回して配設したので、筐体内での発熱抵抗体の設置スペース効率が向上し、制御装置筐体を小型化できる。
ターボ分子ポンプ装置の外観図 水冷ジャケットを説明する図であり、(a)は平面図、(b)は正面図、(c)は底面図 電源装置筐体を説明する図であり、(a)は平面図、(b)は正面図 図3のIV−IV線断面図 図3のV−V線断面図 図3のVI−VI線断面図 ジャケット本体と電源装置筐体との嵌め合わせ構造を説明する図 制御装置14の詳細を示すブロック図 (a)は、筐体140内部を示す縦断面図、(b)は装置のb−b線断面図 シーズヒータを冷却装置に取り付けるブラケットを説明する図 断熱部材でシーズヒータを冷却装置に取り付ける一例を示す図 ポンプ本体とは別置きされる電源装置の一例を示す図
図1〜図10を参照して本発明の一実施形態であるターボ分子ポンプ装置10を説明する。ターボ分子ポンプ装置は、回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気する。このようなターボ分子ポンプ装置は各種の真空処理装置に接続されて使用される。
図1は、本発明の一実施形態であるターボ分子ポンプ装置10の外観を示す。ターボ分子ポンプ装置10は、真空排気を行うポンプ本体11と、ベース12と、冷却装置13と、ポンプ本体11を駆動制御する制御装置(以下、電源装置と呼ぶ)14とを備えている。ポンプ本体11は、周知の構造であり詳細説明は省略するが、主に、回転翼を備えたロータと回転軸とから構成される回転体と、回転翼と協働する固定翼と、回転体を回転駆動するモータとを備えている。回転体は、5軸磁気軸受を構成する電磁石によって非接触支持される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上された回転体は、モータにより高速回転駆動され、回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより、吸気ポート11Qに接続された真空処理装置(不図示)から気体分子を吸込み、バックポートが接続されている排気ポート12Hから排気している。
冷却装置13は、ポンプ本体11と電源装置14との間に介装され、電源装置14内の発熱部材、特にモータ駆動回路の電子部品を主に冷却する。図2に示すように、冷却装置13は、内部に冷却水通路が形成されたジャケット本体13aと、冷却水通路に図示しないポンプから冷却水を循環するための冷却水入口13bおよび冷却水出口13cとを有する。
ポンプ本体11はケーシング110を備え、ケーシング110には、図1において上下に接続用フランジ110UF,110LFが設けられている。ベース12はケーシング120を備え、ケーシング120には、図1において上下に接続用フランジ120UF,120LFが設けられている。ケーシング110と120をポンプケーシングと呼ぶ。ポンプ本体11の上部接続用フランジ110UFは図示しない真空処理装置の排気口にボルト11Bで接続される。ポンプ本体11の下部接続用フランジ110LFはベース12の上部接続用フランジ120UFにボルト12Bで接続される。ベース12の下部接続用フランジ120LFは冷却装置13の上面13USに設置され、冷却装置13はベース12の下面にボルト13Bで締結される。冷却装置13の下面は電源装置14の筐体140の上端面に当接し、電源装置14は筐体140により冷却装置13にボルト14Bで締結される。
図2に示すようにジャケット本体13aは略8角形の平板形状であり、底面には、平面形状が略8角形の凸部13eが形成されている。ジャケット本体13aの外周には所定角度毎に突部13fが形成され、この突部13fに電源装置筐体140を締結するための孔13gが穿設されている。凸部13eには、ポンプ回転軸心と同心円状にねじ孔13hが螺設されている。図1に示すように、排気部12のケーシング120の下部接続フランジ120LFにジャケット上面13USを当接し、ボルト13Bをねじ孔13hに螺合することにより、ケーシング120にジャケット本体13aが締結される。ジャケット本体13aの裏面13LSに電源装置筐体140の上端面を当接してボルト14Bを電源装置筐体140のねじ孔に螺合することによりジャケット本体13aに電源装置14が締結される。
図3を参照して電源装置筐体140を説明する。電源装置筐体140は、底付き(図4参照)の8角筒状に形成され、開放端14aには、図5および6にも拡大して示すように、その全周に略8角形環状凹部14bが設けられている。開放端14aの外周には所定角度毎に突部14cが形成され、この突部14cには、電源装置筐体140とジャケット本体13aとを締結するためのねじ孔14dが螺設されている。環状凹部14bには、図7に示すように、ジャケット本体13aの凸部13eが嵌め合わされる。すなわち、冷却装置13の凸部13eの8角形形状の周縁が、同じく略8角形環状凹部14bに嵌り込む。
図8を参照して電源装置14を説明する。電源装置14には一次電源15から交流電力が供給され、AC/DCコンバータ14aに入力される。入力される交流電力の電圧は電圧センサ14bによって検出される。AC/DCコンバータ14aは、一次電源15から供給された交流電力を直流電力に変換する。AC/DCコンバータ14aから出力された直流電力は、モータ16を駆動する3相インバータ14cとDC/DCコンバータ14dに入力される。DC/DCコンバータ14dに入力される直流電力の電圧は、電圧センサ14eによって検出される。DC/DCコンバータ14dの出力は、3相インバータ14cをPWM制御等で制御するインバータ制御回路14f、および磁気軸受17による磁気浮上の制御を行う磁気軸受制御部14gのそれぞれに入力される。
磁気軸受制御部14gは、軸受制御を行う制御部141gと、制御部141gで算出された制御信号に基づいて励磁電流を磁気軸受17に供給する励磁アンプ142gとを備えている。
インバータ制御回路14fには回転数センサ19により検出されたロータ20の回転数が入力され、インバータ制御回路14fは、ロータ回転数に基づいて3相インバータ14cを制御する。また、14hは回生余剰電力消費用の回生ブレーキ抵抗であり、ロータ減速時の回生電力をこの回生ブレーキ抵抗14hで消費する。トランジスタ制御回路14iによりトランジスタ14jのオンオフを制御することにより、回生ブレーキ抵抗14hに流れる電流のオンオフを制御する。14kは、回生時の電力逆流防止用のダイオードである。
図9は電源装置14の素子や基板の具体的な配置を示す図である。図9(a)は、ジャケット本体13aと電源装置14の縦断面図であり、図9(b)は(a)のb−b線断面図である。図8で説明したように、電源装置14は、主にモータ駆動回路部と磁気軸受制御部とを備え、図9(a)に示すように、各種素子が複数の基板に分けて配設されている。モータ駆動回路部は、モータへ電力を供給する大電力部であり、また、回生時の発熱素子である回生ブレーキ抵抗14hを含むので、冷却装置13の直下に配置している。
図10(b)は回生ブレーキ抵抗14hの外観を示し、図10(a)は取付ブラケットの斜視図である。回生ブレーキ抵抗14hは、たとえばシーズヒータであり、ジャケット本体13aの底面の外形形状に対応したC字形状の環状体に形成されている。回生ブレーキ抵抗14hの一方の端子はケーブルCA1によりAC/ACコンバータ14aの正極ラインに接続され、他方の端子はケーブルCA2によりトランジスタ14iのコレクタ端子に接続されている。
図10(a)に示すように、取付ブラケット21の上端フランジ21UFには取付孔が穿設され、この孔に図示しないボルトを挿入してジャケット本体13aの螺旋孔にボルトを螺合して取付ブラケット21が固定される、取付ブラケット21の外径は電源装置筐体140の内径やジャケット本体13aの外径よりやや小さい径であり、図9(a)に示すように、ジャケット本体13aと接する電源装置筐体140の開放端の内周面接続の隅部に取り付けられている。このブラケット21のコ字状断面の底面にシーズヒータ14hが巻き付くように配設され、不図示の固定手段で固定される。このように、シーズヒータ14hは、筐体140が冷却装置13と接する端部の内周面に沿って引き回して配設されている。換言すると、シーズヒータ14hは、筐体140の内周面に対応した形状に予め製作されて配設されている。横断面形状に即した筐体140シーズヒータ14hが配設される空所は、モータ駆動制御部や磁気軸受制御部等の基板や素子が元々配置し得ない空所である。したがって、電源装置筐体140内の各種素子配置のスペース効率が向上できるので、電源装置14の小型化に貢献する。
回生ブレーキ抵抗14hは伝熱材料で製作されたブラケット21を介して冷却装置13に取り付けられているので、回生ブレーキ時に発生する熱は冷却装置13に伝熱され、過度の温度上昇が抑制される。
なお、取付ブラケット21に代えて、ジャケット本体13aの底面にシーズヒータ14hの形状に沿って所定間隔で固定した複数の金具でシーズヒータ14hを固定してもよい。この場合、シーズヒータ14hをジャケット本体13aの底面に押し付ければ、伝熱性を向上させることができる。
一実施形態のターボ分子ポンプ装置10では、ジャケット本体13aと電源装置筐体140が、略8角形凸部13eおよび略8角形環状凹部14bで嵌め合わされ、トルク反力構造を形成する。外乱により、ポンプ本体11のロータがポンプケーシング内周面と接触する際の衝撃トルクにより、ポンプケーシング110が真空処理装置に対して相対的に回転して停止するとき、冷却装置13と電源装置14にはその自重に起因した慣性力が働き、排気部ケーシング120と冷却装置13との間の締結部(第1締結部)に慣性力によるトルクが作用する。また、冷却装置13と電源装置筐体140との間の締結部(第2締結部)にも慣性力によるトルクが作用する。電源装置14の自重による慣性トルクは略8角形環状凹部14bから、ジャケット本体13aの8角形凸部13eに伝達される。ジャケット本体13aはボルト13Bにより排気部ケーシング120に締結されているので、慣性力トルクによる剪断力はボルト13Bに作用する。その結果、ジャケット本体13aと電源装置筐体140を締結するボルト14Bには、上記慣性力による大きな剪断力は作用しない。したがって、ボルト14Bの径は、慣性力トルクを考慮する必要が無いので細くすることができる。
以上説明した実施の形態のターボ分子ポンプ装置では次のような作用効果を奏する。
(1)細長い棒状の発熱抵抗体であるシーズヒータ14hを筐体内部の隅部に引き回して配設したので、筐体内での発熱抵抗体14hの設置スペース効率が向上し、制御装置14を小型化でき、ひいてはターボ分子ポンプの小型化にも寄与する。
(2)熱伝導率の高い材料で製作した保持部材21で回生ブレーキ抵抗14hを保持して冷却装置13に取り付けたので、回生時に発生する熱を冷却装置13で効率よく冷却できる。とくに、比較的大型のターボ分子ポンプでは、回生ブレーキ時の発熱量が多く、ロータ停止までの発熱量で回生ブレーキ抵抗14hの温度が許容値以上に上昇するおそれがある。そこで、回生ブレーキ抵抗14hを冷却装置13で冷却することにより、過度の温度上昇を抑制することができる。
(3)回生ブレーキ抵抗をシーズヒータ14hとすることにより、筐体の形状に合わせて製作することが容易である。また、シーズヒータは汎用のヒータであり、コストを抑制しつつ、筐体の小型化を図ることができる。
(4)実施の形態の電源装置14は、モータ駆動回路が収容される筐体140内において発熱抵抗体14hを筐体140の内周面に沿って引き回し、回生電流を発熱抵抗体14hに通電するように構成した。したがって、筐体を小型化できる。すなわち、従来の円筒状の巻線抵抗器を用いたブレーキ抵抗にあっては、筐体内部で設置する箇所が制限され、筐体の小型化が難しかった。しかしながら、ブレーキ抵抗として棒状発熱抵抗体を使用するようにしたので、筐体内のデッドスペースであった空所に予め所定の形状に製作した棒状発熱抵抗体を引き回すことができ、筐体の小型化を図ることができる。
(5)発熱抵抗体14hは、3相インバータ回路14cなどを含むモータ駆動回路を囲繞するので、筐体内の温度分布が均一化され、筐体140内が局所的に高温になることが防止される。
以上の実施の形態によるターボ分子ポンプ装置を次のように変形することができる。
(1)図11に示すように、回生ブレーキ抵抗14hを断熱部材22を介して冷却装置13に取り付けるようにしてもよい。回生ブレーキ抵抗14hの容量は回転体の運動エネルギに依存するので、比較的小型のターボ分子ポンプでは、回生ブレーキ時の発熱エネルギが少ない。そのため、回転体が停止するまでのエネルギを回生ブレーキ抵抗14hで全て吸収することができれば、回生ブレーキ抵抗14hを冷却する必要がない。そこで、比較的小型のターボ分子ポンプでは回生ブレーキ抵抗14hと冷却装置13とを断熱するのが好ましい。回生ブレーキ抵抗14hから発生する熱を冷却装置13で冷却しないので、インバータ回路などのモータ駆動回路を冷却装置13で効率よく冷却することができる。
(2)以上では、ポンプ本体11およびベース12と一体に冷却装置13と電源装置14を締結したターボ分子ポンプについて説明したが、本発明による制御装置は、ターボ分子ポンプと別置きする電源装置24としても実施することができる。この場合、図12に示すように、電源装置筐体240を直方体形状の空間を形成するように薄板材で構成し、内部空間を区画するひとつの面、図12では底面240aの4辺に沿って底面240aに接するように回生ブレーキ抵抗24hとしてのシーズヒータ24hを環状(C字形状)に配設する。すなわち、回生ブレーキ抵抗24hを電源装置筐体240の底面240aや側面240cに接して配置することにより、回生ブレーキ時に発生する熱を薄板材に伝熱し、薄板材から筐体外方に放熱することができる。
なお、図12の電源装置において、シーズヒータ24hを筐体240の上面近傍に配設してもよい。
(3)図12に示す電源装置24では、回生ブレーキ抵抗24hを冷却装置で冷却することは必須ではないが、上述したように、比較的大型のターボ分子ポンプのように回転体が停止するまでに回生ブレーキ抵抗24hから発生する熱量が大きい場合は、回生ブレーキ抵抗24hを冷却する冷却装置を筐体240aに設けるのが好ましい。なお、図12において、符号24Aはインバータ回路などの基板を示し、240bは筐体240の上蓋である。
以上説明した図12の制御装置にあっては、発熱抵抗体24hを筐体240の底面240aの4辺に沿って引き回して配設するようにした。したがって、発熱抵抗体24hで発熱した熱は筐体240を構成する側面240cと底面240aを介して筐体外部に放熱される。
(4)図12の制御装置において、筐体240の側面を構成する辺に沿って当該面に接するように発熱抵抗体を配設してもよい。
(5)冷却装置13は水冷式としたが、空冷式でもよい。
(6)回生ブレーキ抵抗としてシーズヒータ14h、24hを用いたが、環状に製作できる棒状の発熱抵抗体であれば、シーズヒータに限定されない。
(7)図1〜図7に示したターボ分子ポンプ装置では、ポンプ本体11とベース12との締結部、ベース12と冷却装置13との締結部、冷却装置13と電源装置14との締結部に適宜、凹部と凸部の嵌合構造であるトルク反力構造を設けたが、トルク反力構造を設けないターボ分子ポンプ装置にも本発明は適用される。
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、磁気軸受式でないターボ分子ポンプ装置にも適用可能である。
10:ターボ分子ポンプ装置 11:ポンプ本体
12:排気部 13:冷却装置
13a:ジャケット本体 14:電源装置
14h、24h:シーズヒータ 21:取付ブラケット
140、240:電源装置筐体

Claims (8)

  1. ロータに設けられた回転翼と、前記回転翼と協働して真空排気する固定翼と、前記ロータを駆動するモータとを有するポンプ本体と、
    制御装置筐体内に収容され、前記モータを回生駆動するときに発生する回生電流を回生ブレーキ抵抗で熱エネルギに変換するモータ駆動回路を含む制御装置と、
    前記ポンプ本体と前記制御装置との間に介在して前記制御装置を冷却する冷却装置とを備え、
    前記回生ブレーキ抵抗を棒状発熱抵抗体とし、この発熱抵抗体を、前記制御装置筐体が前記冷却装置と接する端部の内周面に沿って引き回して配設することを特徴とするターボ分子ポンプ装置。
  2. 請求項1に記載のターボ分子ポンプ装置において、
    前記回生ブレーキ抵抗を前記冷却装置に伝熱するように保持する保持部材をさらに有することを特徴とするターボ分子ポンプ装置。
  3. 請求項1に記載のターボ分子ポンプ装置において、
    前記回生ブレーキ抵抗を前記冷却装置から断熱するように保持する保持部材をさらに有することを特徴とするターボ分子ポンプ装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のターボ分子ポンプ装置において、
    前記回生ブレーキ抵抗はシーズヒータであることを特徴とするターボ分子ポンプ装置。
  5. ロータに設けられた回転翼と、前記回転翼と協働して真空排気する固定翼と、前記ロータを駆動するモータとを有するターボ分子ポンプに用いる制御装置において、
    前記モータを回生駆動するときに発生する回生電流を回生ブレーキ抵抗で熱エネルギに変換するモータ駆動回路と、
    前記モータ駆動回路が収容される筐体とを有し、
    前記回生ブレーキ抵抗を棒状発熱抵抗体とし、この発熱抵抗体を前記筐体の内周面に沿って引き回し、回生電流を前記発熱抵抗体に通電するように構成したことを特徴とするターボ分子ポンプ用制御装置。
  6. 請求項5に記載のターボ分子ポンプ用制御装置において、
    前記発熱抵抗体を前記筐体の上面、下面および側面のうちの二面から構成される辺の単数または複数のものに沿って当該面に接するように引き回して配設することを特徴とするターボ分子ポンプ用制御装置。
  7. 請求項5または6に記載のターボ分子ポンプ用制御装置において、
    前記回生ブレーキ抵抗はシーズヒータであることを特徴とするターボ分子ポンプ用制御装置。
  8. 請求項5乃至7のいずれか1項に記載のターボ分子ポンプ用制御装置において、
    前記モータ駆動回路は3相インバータ回路を含み、
    前記3相インバータ回路を冷却する冷却装置と、前記発熱抵抗体で発生する熱を前記冷却装置に伝熱する保持部材とをさらに備えることを特徴とするターボ分子ポンプ用制御装置。
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