JP5305870B2

JP5305870B2 - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP5305870B2
Application number: JP2008308041A
Authority: JP
Inventors: 透大須賀; 敏治中澤; 敦大山; 直樹飯島
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: JP2010133290A; WO2010064588A1

Description

本発明は、直流電動機で駆動するポンプケーシング内に一対のポンプロータを備えた容積移送式の真空ポンプに関するものである。

近年、大気圧から動作が可能で、クリーンな真空環境が容易に得られるドライ真空ポンプが、幅広い分野で使用されている。通常このような真空ポンプは、吸気側が締め切りに近い状態にて運転が行われるため、吸気口側と排気口側の差圧を維持する為に、動力を消費している。つまり、排気口側からポンプ内部に逆流する気体を排気し続けることにより、吸気口側の真空度を維持している。このため真空ポンプ運転の消費動力のほとんどは排気口側にて熱に変換される。真空ポンプの容量の大きさにもよるが、上記発熱に対して、従来はケーシングに水冷ジャケット等を設け、該水冷ジャケット内を通る水に熱を放熱する対策が採られていた。

また、上記真空ポンプは図１１に示すように、遮断機２、ノイズフィルタ３、整流器４、平滑コンデンサ５、及びＤＣ／ＤＣコンバータ６を具備する電源部１と、ドライバ７を備え、遮断機２を投入（閉じる）することにより、交流電源（ＡＣ１００Ｖ／２００Ｖ）８の交流電力をノイズフィルタ３を通してノイズを除去し、整流器４で直流（ＤＣ１４１Ｖ／２４８Ｖ）に変換し、更にＤＣ／ＤＣコンバータ６で定電圧としドライバ７に供給している。ドライバ７は制御部（図示せず）の制御により所定の周波数のパルスを真空ポンプ１０のモータＭに供給し、モータＭを起動してポンプＰを駆動している。

上記ノイズフィルタ３、整流器４、平滑コンデンサ５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６、ドライバ７及び制御部に発熱部があり、これらの発熱部からの熱も含めた真空ポンプ運転による発生する熱は主に水冷により放熱されている。
特開平８−３１９９６７号

しかしながら、真空ポンプを水冷で冷却するには、冷却水を得るための冷却水設備が必要になり、使用者の負担が大きくなるばかりではなく、真空ポンプを使用する場所も制限され、任意の場所で容易に真空を得られないという問題がある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、冷却水設備が必要でなく、排気速度２０００Ｌ／ｍｉｎ以下、直流電動機の容量が２ＫＷ以下の小型で任意の場所で容易に真空を得ることができる真空ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、ポンプケーシング内に一対のポンプロータを備えた容積移送式のポンプと、該一対のポンプロータを回転駆動する直流電動機と、該直流電動機を駆動するドライバ及び制御部を備えた真空ポンプにおいて、放熱用ヒートシンクを備え、放熱用ヒートシンクにポンプ、直流電動機、ドライバ、及び制御部を搭載すると共に、放熱用ヒートシンクに流路板を設けて、冷却空気が通る空気流路を形成してポンプパッケージとし、空気流路を通ってポンプパッケージ内に冷却空気を導くファンを設け、ポンプの運転によるポンプ作用により発生する圧縮熱、及び直流電動機、ドライバ、制御部の発熱部位から発生する熱の少なくとも一部を放熱用ヒートシンクにより空気流路を流れる冷却空気に放熱することを特徴とする。

また、本発明は、上記真空ポンプにおいて、ポンプパッケージのポンプ、直流電動機、ドライバ、及び制御部の前記放熱用ヒートシンクに搭載する順位は冷却空気の流れの上流側に発熱量の小さいものを、下流側に発熱量の大きいものを配置したことを特徴とする。

また、本発明は、上記真空ポンプにおいて、ポンプパッケージの空気流路に導く冷却空気の流入口及び流出口を、該ポンプパッケージの後面及び／前面に設けた構成であり、ポンプパッケージを複数台備え、該複数台のポンプパッケージをその側面を互いに隣接させて配置したことを特徴とする。

また、本発明は、上記真空ポンプにおいて、直流電動機は一対のマグネットロータを備え、互いに同期させて反転するマグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータであり、ポンプの一対のポンプロータは互いに噛み合って回転する一対の雄ロータ及び雌ロータを備えており、マグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータの一対のマグネットロータはそれぞれポンプの一対のポンプロータにそれぞれ連結され、該一対のポンプロータがタイミングギアを使用せずに同期反転するようになっていることを特徴とする。

また、本発明は、上記真空ポンプにおいて、直流電動機の容量は２ＫＷ以下とし、該直流電動機に供給する電源部からの出力電圧を電源部のサイズが大きくならない範囲で高電圧としたことを特徴とする。

また、本発明は、上記真空ポンプにおいて、直流電動機に電力を供給する電源部に力率を改善する力率改善部を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ポンプ作用により発生する圧縮熱、及び直流電動機、ドライバ、制御部の発熱部位から発生する熱の少なくとも一部を放熱用ヒートシンクにより空気流路を流れる冷却空気に効率良く放熱することができると共に、ポンプ作用により発生する圧縮熱、及び直流電動機からの他の熱もポンプパッケージ内に導かれた冷却空気に効率良く放熱でき、全体として効率よい放熱を達成でき、ポンプ駆動用電源があれば、冷却水設備のない任意の場所で容易に真空を得ることができる放熱効率のよい真空ポンプを提供できる。

また、本発明によれば、ポンプ、直流電動機、ドライバ、及び制御部の放熱用ヒートシンクに搭載する順位は冷却空気の流れの上流側に発熱量の小さいものを、下流側に発熱量の大きいものを配置したので、冷却空気は温度の低い領域から高い領域に流れることになり、さらに効率のよい放熱ができる。

また、本発明によれば、ポンプパッケージの前記空気流路に導く冷却空気の流入口及び流出口を、該ポンプパッケージの後面及び／前面に設けた構成であり、ポンプパッケージを複数台備え、該複数台のポンプパッケージをその側面を互いに隣接させて配置したので、ポンプパッケージの側面は冷却に殆ど寄与しない面となり、複数台のポンプパッケージをその側面を互いに隣接させて配置しても、冷却効率が低下することがないから、小さい設置面積に多くのポンプパッケージを設置することが可能となる。

また、本発明によれば、マグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータの一対のマグネットロータはそれぞれポンプの一対のポンプロータにそれぞれ連結され、該一対のポンプロータがタイミングギアを使用せず同期反転するようになっているので、高速回転による機械的損失を低減でき、空冷手段で冷却するのに適した構成となる。

また、本発明によれば、直流電動機の容量は２ＫＷ以下とし、該直流電動機に供給する電源部からの出力電圧を電源部のサイズが大きくならない範囲で高電圧としたので、高電圧とした分電流が小さくなり、発熱が低減し、空冷手段で冷却するのに適した構成となる。

また、本発明によれば、直流電動機に電力を供給する電源部に力率を改善する力率改善部を設けたので、力率が改善された分、ピーク電流を抑制できるから、ピーク電流により発熱が低減し、空冷で冷却する間に更に適した構成となる。

以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る真空ポンプの構成例を示す図で、図１（ａ）平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）は左側面図である。図示するように、本真空ポンプは、ヒートシンク１２を備え、該ヒートシンク１２の下面に流路板１３を取り付け、ヒートシンク１２のフィン１２ａとフィン１２ａの間及び流路板１３の両側屈曲部とフィン１２ａに冷却空気が通る空気流路１４を形成している。図１（ａ）において、ヒートシンク１２の左側端を後端とし右側端を前端とし、ヒートシンク１２の上面には後端から順に電源部構成部品１５、ドライバ構成部品１６、モータＭ、及びポンプＰが搭載されている。また、ヒートシンク１２のドライバ構成部品１６とモータＭが位置する間には空気流出用孔１８が形成されている。

上記のようにヒートシンク１２の上面に電源部構成部品１５、ドライバ構成部品１６、モータＭ、及びポンプＰを搭載してポンプパッケージ２０を構成し、該ポンプパッケージ２０のヒートシンク１２のフィン１２ａとフィン１２ａの間及び流路板１３両側屈曲部とフィン１２ａの間を空気流路１４とし、該空気流路１４に後端から矢印Ｂに示すように、冷却空気を流すと、該冷却空気は空気流路１４を通って流れると共に、ドライバ構成部品１６とモータＭの間に設けた空気流出用孔１８を通って上方へと流れる。電源部構成部品１５及びドライバ構成部品１６の発熱部で発生し、ヒートシンク１２の本体及びフィン１２ａとフィン１２ａに伝達された熱は、空気流路１４を通る冷却空気に効率良く放熱される。なお、上記例では空気流路１４に冷却空気を強制的に導入する例を説明したが、自然対流によって冷却空気が空気流路１４内を流れるようにしてもよい。

図２は、本発明に係る真空ポンプの構成例を示す図で、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図２（ｃ）は左側面図である。本真空ポンプが図１に示す真空ポンプと異なる点はヒートシンク１２の前端に空気流路１４に冷却空気を導く手段としてファン２２を設けた点である。ファン２２を運転することにより、空気流路１４には矢印Ｂに示すように冷却空気が流れると共に、ヒートシンク１２のドライバ構成部品１６とモータＭの間に設けた空気流出用孔１８を通って上方へと流れ、更にモータＭ及びポンプＰの周囲を通って、ファン２２が設けられる空気排出口２３から流出する。また、ここでは空気流路１４の前端を前面パネル２４で閉鎖している。

図５は本発明に係る真空ポンプの電源部の構成を示すブロック図の一例である。図示するように、本真空ポンプの電源部は、整流器４の出力側に力率改善回路（ＰＦＣ）２５を設けた構成である。図１の電源部構成部品１５は力率改善回路（ＰＦＣ）２５を構成する部品であり、ドライバ構成部品１６はドライバ７を構成する部品である。それらは電流の流れを考慮した配置としている。そして電源部構成部品１５の発熱部の発熱量Ｈ₁₅は、ドライバ構成部品１６の発熱部の発熱量Ｈ₁₆より小さく、ドライバ構成部品１６の発熱部の発熱量Ｈ₁₆はモータＭの発熱部の発熱量Ｈ_Mより小さく、更にモータＭの発熱部の発熱量Ｈ_MはポンプＰの発熱部の発熱量Ｈ_Pより小さくなっている（Ｈ₁₅＜Ｈ₁₆＜Ｈ_M＜Ｈ_P）と好ましいが、ポンプの負荷条件によって異なる場合もある。即ち、空気流路１４及び冷却空気流の上流側に発熱量の小さいものを、下流側に発熱量の大きいものを配置している。これにより、冷却空気は真空ポンプの温度の低い領域から高い領域に流れることになり、より効率良く放熱できる。

交流電源（ＡＣ１００Ｖ／２００Ｖ）８の入力部の力率を改善することによりピーク電流を抑制できるため、ピーク電流による発熱を低減することができる。力率改善する方法としては図５に示すように、整流器４の出力側に力率改善回路（ＰＦＣ）２５を設け、力率を改善する方法、又は図６に示すように整流器４の出力側に直流リアクトル（ＤＣＬ）２６を設けて、力率を改善する方法がある。

また、図４に示す真空ポンプの電源部では昇圧チョッパ又は倍電圧整流器２１を設けて、整流器４で整流された直流電圧を昇圧（ここではＤＣ３６０Ｖ）しているので、ドライバ７に供給するＤＣ電圧を高くし、その分電流を小さくしてドライバ７及びモータＭの発熱部での発熱量を抑えることができる。

図３は、本発明に係る真空ポンプの他の構成例を側断面図（図１（ａ）のＡ−Ａ断面図に相当）である。本真空ポンプが図２に示す真空ポンプと相異する点は、空気流路１４の前端を開放している点である。ファン２２を運転することにより、矢印Ｃに示すように空気流路１４の前端開口から冷却空気が流入し、より冷却効率が向上する。

図７は直流電動機で駆動するポンプケーシング内に一対のポンプロータを備えた容積移送式のポンプを具備する真空ポンプのモータ容量に対する（空冷部材体積）／（冷却熱量），（水冷構造部体積）／（冷却熱量）の関係を示す図である。図７において、実線Ａは（空冷部材体積）／（冷却熱量）を、点線Ｂは（水冷構造部体積）／（冷却熱量）をそれぞれ示す。図から明らかなように、モータ容量が約２０００（Ｗ）以下では冷却熱量に対する体積は空冷部材体積の方が水冷構造部体積より優れていることが分かる。よって容量が約２０００（Ｗ）以下のモータと一対のポンプロータを具備する容積移送式のポンプを備えた真空ポンプの冷却方式に空冷方式を採用し、その空冷部に上記の構成を採用することにより、優れた冷却効果を発揮できる。

図８は本発明に係る真空ポンプのモータＭとポンプＰの構成例を示す図で、図８（ａ）は平断面図、図８（ｂ）はＡ−Ａ断面図、図８（ｃ）はＢ−Ｂ断面図、図８（ｄ）は（ｂ）のポンプケーシングを示す図である。図示するように、本真空ポンプは、ポンプＰとモータＭから構成されている。ポンプＰのケーシング３３（ポンプケーシング）は、吸気口３１と排気口３２を備え、その内部には２軸１組のロータ（一対のポンプロータ）３５が回転自在に収容されるロータ収容空間３９が形成されている。該ロータ収容空間３９の横断面は両側が円弧状でポンプロータ３５の間に位置する部分に凸部４０が形成された形状である。また、ロータ収容空間３９に配置された各ポンプロータ３５は、その両端部を軸受３７及び軸受３８で回転自在に支承されている。

モータＭはポンプケーシング３３の端部に取り付けたケーシング（モータケーシング）４１を備え、該ケーシング４１内にモータステータ４２が配置されている。該モータステータ４２内には２本のモータロータ４３が回転自在に配置されるロータ収納空間４４が形成されている。各ポンプロータ３５の軸端にはモータＭのモータロータ４３の端部が連結されている。モータＭは後に詳述するように、２軸が同期反転する２軸同期反転駆動モータを用いる。該２軸同期反転駆動モータを起動することにより、ポンプＰの２軸１組のポンプロータ３５が同期反転駆動されるようになっている。

上記のようにポンプＰの２軸１組のポンプロータ３５が同期反転することによって、ポンプロータ３５とポンプケーシング３３で囲まれた空間の気体を圧縮する。ポンプケーシング３３には、上記のように吸気口３１と排気口３２が設けられており、排気口３２が大気圧下にて吸気口を１０^-3〜１０Ｔｏｒｒに排気することができる。

図９はポンプＰの２軸１組のポンプロータ３５を同期反転させる２軸同期反転駆動モータ、即ちモータＭの一例構成例を示す図である。図示するように、２軸同期反転駆動モータは、同一の構成を有する一対のマグネットロータ（モータロータ）４３、４３を具備し、ブラシレスＤＣモータとして２軸１組のポンプロータ３５、３５を反転駆動すると共に、マグネットカップリングによりポンプロータ３５、３５の同期反転を確保している。図示するように、各マグネットロータ４３は、磁性材のヨーク４３ｂの外周にリング形状のマグネット４３ａを周設している。本実施形態例では、マグネットロータ４３の外周上には着磁したマグネット４３ａが周設され、互いのマグネットロータ４３、４３の異磁極が引き合うように対向して、且つクリアランスＦを保って配置されている。なお、マグネットロータ４３の極数は４、６、８、・・・などの偶数であり、ここでは６としている。

ポンプロータ３５、３５、マグネットロータ４３、４３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、タイミングギア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る。また、タイミングギアが無いことは、潤滑油が不要であると共に、２軸の安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。即ち、タイミングギア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６極のマグネットロータ４３、４３のマグネットカップリングを用いる１００００〜３００００ｍｉｎ^-1の同期反転高速回転が安定してできるようになり、これにより真空ポンプを小型にしても、高い到達真空度等の排気性能の向上が達成できる。

各マグネットロータ４３の外周面の一部に近接して、鉄心４２ａと巻線４２ｂから成る三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のモータステータ４２が配置されている。三相のモータステータ４２はマグネットロータ４３どうし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４３どうし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４３とモータステータの鉄心４２ａ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４３の磁極数６極に対応し、図９の矢印Ｇ、Ｈに示すようにマグネットロータ４３の４極に磁界をかけるようにしている。三相の巻線４２ｂ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、任意の回転数で２軸１組のポンプロータ３５を同期反転駆動することができる。

上記構成のマグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータであるモータＭと、２軸１組のロータ（一対のポンプロータ）３５を備えた容積移送式のポンプＰを備えた真空ポンプ１０を図１、図２、図３に示すように、ヒートシンク１２の上面の前端側（冷却空気流の下流側）に搭載し、更に電源部構成部品１５及びドライバ構成部品１６を後端側（冷却空気流の上流側）に搭載することにより、モータＭの発熱部からの発熱量が少ないから空冷でも十分冷却が可能となる。また、図４に示すように電源部１に昇圧チョッパ又は倍電圧整流器２１を設けドライバ７に供給する電圧を昇圧することによりその分電流が小さく、ドライバ７及びモータＭの発熱部からの発熱量が小さくなる。更に、図５、図６に示すように力率改善回路（ＰＦＣ）２５や直流リアクトル（ＤＣＬ）２６を設けて、力率を改善することにより、ピーク電流を抑制しピーク電流により発熱部からの発熱量を小さくすることができる。

図１０は上記のように構成された本発明に係る真空ポンプを複数台（図では４台）配列した場合を示す図であり、図１０（ａ）は平面、図１０（ｂ）は正面（前面）を示す図である。各真空ポンプＶＰにおける冷却空気の流入及び排出は、真空ポンプＶＰの後端面（裏面）に設けた流入口及び前端面（正面）に設けた排出口を通して行われるので、真空ポンプＶＰの両側面は冷却に殆ど寄与しない面となる。従って、各真空ポンプＶＰの両側面は互いに接触するほど接近させて配置（サイドバイサイドの配置）することが可能となり、複数台の真空ポンプＶＰの設置の省力スペース化が可能となる。また、各真空ポンプＶＰは人力で搬送できる程、軽量且つ小型化ができるので、上面の所定位置に取っ手５０を取り付けることにより、容易に搬送し、配置することができる。

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。

本発明に係る真空ポンプの構成例を示す図である。本発明に係る真空ポンプの他の構成例を示す図である。本発明に係る真空ポンプの他の構成例を示す図である。本発明に係る真空ポンプの電源部の構成例を示すブロック図である。本発明に係る真空ポンプの電源部の他の構成例を示すブロック図である。本発明に係る真空ポンプの電源部の他の構成例を示すブロック図である。真空ポンプにおけるモータ容量に対する（空冷部材体積）／（冷却熱量），（水冷構造部体積）／（冷却熱量）の関係を示す図である。本発明に係る真空ポンプのモータＭとポンプＰの構成例を示す図である。本発明に係る真空ポンプのモータＭの構成例を示す図である。本発明に係る複数の真空ポンプの配置例を示す図である。従来の真空ポンプの電源部の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１電源部
２遮断機
３ノイズフィルタ
４整流器
５平滑コンデンサ
６ＤＣ／ＤＣコンバータ
７ドライバ
８交流電源
１０真空ポンプ
Ｍモータ
Ｐポンプ
１２ヒートシンク
１３流路板
１４空気流路
１５電源部構成部品
１６ドライバ構成部品
１８空気流出用孔
２０ポンプパッケージ
２１昇圧チョッパ又は電圧整流器
２２ファン
２３空気排出口
２５力率改善回路（ＰＦＣ）
２６直流リアクトル（ＤＣＬ）
３１吸気口
３２排気口
３３ポンプケーシング
３５ポンプロータ
３７軸受
３８軸受
３９ロータ収容空間
４０凸部
４１モータケーシング
４２モータステータ
４３モータロータ（マグネットロータ）
４４ロータ収納空間
５０取っ手

Claims

ポンプケーシング内に一対のポンプロータを備えた容積移送式のポンプと、該一対のポンプロータを回転駆動する直流電動機と、該直流電動機を駆動するドライバ及び制御部を備えた真空ポンプにおいて、
放熱用ヒートシンクを備え、
前記放熱用ヒートシンクに前記ポンプ、直流電動機、ドライバ、及び制御部を搭載すると共に、前記放熱用ヒートシンクに流路板を設けて、冷却空気が通る空気流路を形成してポンプパッケージとし、
前記空気流路を通って前記ポンプパッケージ内に冷却空気を導くファンを設け、
前記ポンプの運転によるポンプ作用により発生する圧縮熱、及び前記直流電動機、ドライバ、制御部の発熱部位から発生する熱の少なくとも一部を前記放熱用ヒートシンクにより前記空気流路を流れる冷却空気に放熱することを特徴とする真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプパッケージの前記ポンプ、直流電動機、ドライバ、及び制御部の前記放熱用ヒートシンクに搭載する順位は前記冷却空気の流れの上流側に発熱量の小さいものを、下流側に発熱量の大きいものを配置したことを特徴とする真空ポンプ。
請求項１又は２に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプパッケージの前記空気流路に導く冷却空気の流入口及び流出口を、該ポンプパッケージの後面及び／前面に設けた構成であり、
前記ポンプパッケージを複数台備え、該複数台のポンプパッケージをその側面を互いに隣接させて配置したことを特徴とする真空ポンプ。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
前記直流電動機は一対のマグネットロータを備え、互いに同期させて反転するマグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータであり、
前記ポンプの一対のポンプロータは互いに噛み合って回転する一対の雄ロータ及び雌ロータを備えており、
前記マグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータの一対のマグネットロータはそれぞれ前記ポンプの一対のポンプロータにそれぞれ連結され、該一対のポンプロータがタイミングギアを使用せずに同期反転するようになっていることを特徴とする真空ポンプ。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
前記直流電動機の容量は２ＫＷ以下とし、該直流電動機に供給する電源部からの出力電圧を電源部のサイズが大きくならない範囲で高電圧としたことを特徴とする真空ポンプ。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
前記直流電動機に電力を供給する電源部に力率を改善する力率改善部を設けたことを特徴とする真空ポンプ。