JP5218220B2

JP5218220B2 - ターボ分子ポンプ装置およびその制御装置

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Publication number: JP5218220B2
Application number: JP2009087036A
Authority: JP
Inventors: 善宏長野; 純一郎小崎
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010236468A; US20100247350A1; US8628309B2

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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。