JP5272856B2

JP5272856B2 - ターボ分子ポンプ装置

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Publication number: JP5272856B2
Application number: JP2009087037A
Authority: JP
Inventors: 俊樹山口
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010236469A

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ装置に関する。

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。外乱などによりロータがポンプケーシングに接触すると、ポンプケーシングと真空処理装置とを締結するボルトに大きな剪断力が作用して、ポンプケーシングが真空処理装置に対して相対的に回転する（例えば、特許文献１）。また、ターボ分子ポンプ装置として、ポンプケーシングに水冷ジャケットを介して制御装置を接続しているものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２７８１６３号公報特開２００６−９０２５１号公報

上記特許文献１のように、ロータがポンプケーシングに接触したときにポンプケーシングが真空処理装置に対して回転して停止するとき、特許文献２に記載したターボ分子ポンプ装置では、ポンプケーシングと水冷ジャケットを締結するボルトや、水冷ジャケットと制御装置とを締結するボルトには、それぞれの自重に起因した慣性力による剪断力が働く。従来のターボ分子ポンプ装置では、かかる剪断力を考慮してボルト径を決定している。そのため、ボルト径が大きくなり、装置の小型化の妨げとなっている。

（１）請求項１の発明によるターボ分子ポンプ装置は、ポンプ本体と、前記ポンプ本体を駆動制御する制御装置と、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、前記ポンプ本体と冷却装置との間の第１締結部、および前記冷却装置と前記制御装置との間の第２締結部のいずれか一方の締結部に設けられ、外乱により前記第１および第２の締結部に作用するトルクの反力を取るトルク反力構造とを備え、前記トルク反力構造は、前記第１締結部における前記ポンプ本体のケーシングと前記冷却装置、または前記第２締結部における前記冷却装置と前記制御装置のケーシングにおける嵌め合い部の形状を多角形となし、嵌め合い部における前記ケーシングまたは冷却装置の一方を凹、他方を凸とした嵌め合い構造であ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、前記ポンプ本体は、気体排気対象である真空処理装置に支持され、前記冷却装置と前記制御装置は前記ポンプ本体に支持され、前記第２締結部にのみ前記トルク反力構造を設けたことを特徴とする。
（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、前記ポンプ本体は、気体排気対象である真空処理装置に支持され、前記制御装置は前記ポンプ本体とは別の固定部材に支持され、前記第１および第２締結部の双方に前記トルク反力構造を設けたことを特徴とする。
（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、前記ポンプ本体は、吸気側の第１ケーシングと、排気側の第２ケーシングとを有し、前記第１ケーシングおよび前記第２ケーシングとを締結する第３締結部にも前記トルク反力構造を設けたことを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１乃至４項のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプ装置において、前記ポンプ本体は、回転翼を含み磁気軸受で浮上する回転体と、前記回転翼と協働して真空排気する固定翼と、前記回転体を駆動するモータとを有し、前記制御装置は、前記モータおよび前記磁気軸受を制御する制御回路を含み、前記冷却装置は前記制御装置を冷却することを特徴とする。

本発明によれば、ポンプケーシングと冷却装置との締結部のボルト径および冷却装置と制御装置との締結部のボルト径のいずれか一方を小さくすることができるので、ターボ分子ポンプ装置の小型化に寄与する。

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排気部ケーシングとジャケット本体との締結部に設けた嵌め合わせ構造を説明する図ジャケット本体と電源装置筐体との嵌め合わせ構造の他の例を説明する図排気部ケーシングとジャケット本体との嵌め合わせ構造の他の例を説明する図

図１〜図７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。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。

電源装置１４は、主に、モータを駆動制御するモータ駆動回路と、回転体を磁気浮上させる磁気軸受制御回路とを備えている。モータ駆動回路は、商用直流電源を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバーターと、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備え、モータはＰＷＭ制御により回転駆動される。磁気軸受制御回路は、５軸の位置センサからの位置信号を検出し、回転体をラジアル方向およびスラスト方向において位置制御するように５軸の電磁石に制御信号を印加する。５軸磁気軸受は、回転体の上部に設けられた一対のラジアル磁気軸受と、回転体の下部に設けられた一対のラジアル磁気軸受と、回転体の下部に設けられたスラスト磁気軸受とを有し、回転体を磁気浮上させる。

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。

このように、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）冷却装置１３と電源装置１４を一体とみなせば、外乱時にポンプケーシング１１０が真空処理装置に対して回転して停止するとき、上記一体構造の重量による慣性トルクによって、排気部ケーシング１２０と冷却装置１３との間の締結部のボルト１３Ｂに剪断力が働くので、ボルト１３Ｂの強度はこの剪断力を考慮して設計される。ボルト１３Ｂの径を細くする目的で、図８に示すように、排気部ケーシング１２０と冷却装置１３との間の締結部にも上述したようなトルク反力構造を設けることができる。

図８を参照して説明する。ジャケット本体１３ａと排気部ケーシング１２０との間の締結部には、ジャケット本体１３ａと電源装置筐体１４０との嵌め合わせ構造と同様なトルク反力構造を設ける。トルク反力構造は、ジャケット本体１３ａの上面側に設けた８角形凹部１３ｉと、排気部ケーシング１２０の下部フランジ１２０ＬＦの底面に設けた８角形凸部１２ａとで構成される。

（２）図９に示すように、電源装置筐体１４０の内周縁部に８角形環状凸部１４ｅを設け、ジャケット本体１３ａの底面に８角形環状凹部１３ｊを形成し、両者を嵌め合わせてトルク反力構造を形成してもよい。

（３）図１０は、ジャケット本体１３ａと排気部ケーシング１２０との締結部のトルク反力構造を示す。ジャケット本体１３ａの上面に８角形形状凸部１３ｋを形成し、排気部ケーシング１２０の下部接続用フランジ１２０ＬＦの底面に８角形凹部１２ｂを設け、両者を嵌め合わせてトルク反力構造を形成してもよい。

（４）ポンプ本体１１のケーシング１１０と排気部１２のケーシング１２０をボルト接続するようにしたが、このボルト接続部にも上述したようなトルク反力構造を設けることができる。

（５）ポンプ本体１１と排気部１２とを一つのケーシングで兼用しても良い。
（６）トルク反力構造は、略八角形の凹部と凸部の嵌め合わせ構造としたが、四角形、五角形等、ロータ破壊時のトルクを吸収する形状であれば、どのような形状でもよい。

（７）冷却装置１３のジャケット本体１３ａと電源装置１４の筐体１４０とを別々に鋳物で製作したが、ジャケット本体１３ａと筐体１４０とを一体化してもよい。この場合、冷却装置付き電源装置がベース１２にボルト締結され、この締結部に上述したトルク反力構造を設ける。

（８）ポンプ本体１１と、排気部１２と、冷却装置１３と、電源装置１４とを真空処理装置に吊持するようにしたが、電源装置１４を真空処理装置とは別の固定部材にボルト締結しても良い。この支持構造のターボ分子ポンプ装置では、ロータがケーシング内周面に接触したときに発生する衝撃回転トルクは、ケーシング１１０からケーシング１２０へ伝達され、さらに冷却装置１３から電源装置１４へ伝達される。電源装置１４は固定部材に固定されているので、冷却装置１３から電源装置１４に衝撃回転トルクが伝達され、このトルクにより、冷却装置１３と電源装置１４を締結するボルトに剪断力が働く。したがって、冷却装置１３と電源装置１４を締結する締結部に、トルク反力構造を設けるとよい。これにより、冷却装置１３と電源装置１４の締結部に用いるボルトの径を小さくすることができる。

（９）以上説明した（８）の変形例においては、排気部１２と冷却装置１３とを締結する締結部に、トルク反力構造を設けてもよい。これにより、排気部１２と冷却装置１３の締結部に用いるボルトの径を小さくすることができる。

（１０）冷却装置１３は水冷式としたが、空冷式でもよい。

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
１１Ｂ：ボルト１２：排気部
１２Ｂ：ボルト１３：冷却装置
１３Ｂ：ボルト１４：電源装置
１４Ｂ：ボルト１３ｅ：８角形凸部
１４ｂ：８角形環状凹部

Claims

ポンプ本体と、
前記ポンプ本体を駆動制御する制御装置と、
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、
前記ポンプ本体と冷却装置との間の第１締結部、および前記冷却装置と前記制御装置との間の第２締結部のいずれか一方の締結部に設けられ、外乱により前記第１および第２の締結部に作用するトルクの反力を取るトルク反力構造とを備え、
前記トルク反力構造は、前記第１締結部における前記ポンプ本体のケーシングと前記冷却装置、または前記第２締結部における前記冷却装置と前記制御装置のケーシングにおける嵌め合い部の形状を多角形となし、嵌め合い部における前記ケーシングまたは冷却装置の一方を凹、他方を凸とした嵌め合い構造であ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、
前記ポンプ本体は、気体排気対象である真空処理装置に支持され、
前記冷却装置と前記制御装置は前記ポンプ本体に支持され、
前記第２締結部にのみ前記トルク反力構造を設けた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、
前記ポンプ本体は、気体排気対象である真空処理装置に支持され、
前記制御装置は前記ポンプ本体とは別の固定部材に支持され、
前記第１および第２締結部の双方に前記トルク反力構造を設けた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、
前記ポンプ本体は、吸気側の第１ケーシングと、排気側の第２ケーシングとを有し、
前記第１ケーシングおよび前記第２ケーシングとを締結する第３締結部にも前記トルク反力構造を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ装置。
請求項１乃至４項のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプ装置において、
前記ポンプ本体は、回転翼を含み磁気軸受で浮上する回転体と、前記回転翼と協働して真空排気する固定翼と、前記回転体を駆動するモータとを有し、
前記制御装置は、前記モータおよび前記磁気軸受を制御する制御回路を含み、
前記冷却装置は前記制御装置を冷却することを特徴とするターボ分子ポンプ装置。