JP5700158B2 - ターボ分子ポンプ装置 - Google Patents
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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もので、各種の真空処理装置に接続されて使用される。この主のターボ分子ポンプとして、水冷機構によりモータ本体や電源部を冷却するものがある(例えば、特許文献1)。
水冷機構は、限られた部分(冷却し易い形状の部分)を局所的に冷却するのには適しているが、ターボ分子ポンプの電源装置のような比較的広い領域を冷却対象とするような場合は、単に水冷機構を設けただけでは冷却が不十分である。冷却ファン装置を併用することが考えられるが、ファンの寿命のことを考えるとファン装置は採用し難い。
本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプ装置の電源装置は、回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、前記回生ブレーキ抵抗が、伝熱材料で製作された取付部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている。
好ましい実施形態においては、前記回生ブレーキ抵抗が、固定手段によって前記取付部材に固定されている。
好ましい実施形態においては、前記取付部材が、前記水冷装置にボルトによって螺合されている。
好ましい実施形態においては、前記回生ブレーキ抵抗が、前記電源装置の隅部において前記取付部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている。
好ましい実施形態においては、前記取付部材が、前記回生ブレーキ抵抗が配されるコ字状断面を有する。
本発明の別の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプ装置の電源装置は、回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、前記回生ブレーキ抵抗が、前記水冷装置に接触するように配置されている。
本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプ装置は、上記いずれかに記載の前記電源装置および前記ターボ分子ポンプ本体を備える。
本発明によれば、冷却ファン装置を設けることなく電源装置を構成する各部品を効率よく冷却できる。
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を駆動制御する電源装置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(金属製)140の上端面に当接し、筐体140は冷却装置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(シーズヒータ)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。
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。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、各種部品が複数の基板81〜83に分けて配設されている。本実施形態では、これらの部品を発熱量や高温に対する耐性に応じて要強冷却部品50、要中冷却部品60、冷却不要部品70に分類し、それらを異なる基板81〜83にそれぞれ配置している。
要強冷却部品50は、強い冷却が要求される部品で、例えば図11に示すように、発熱が概ね5W以上のパワー素子51や抵抗器52、電力用コイル・トランス53、大型の電解コンデンサ54などを含む。要中冷却部品60は、冷却は要求されるが、要強冷却部品のような強冷却は要求されない部品で、発熱が概ね5W未満のパワー素子61や、消費電力がある程度以上の電子回路部品62を含む。冷却不要部品70は、冷却が殆ど要求されない消費電力の小さいトランジスタ71や、抵抗・コンデンサ72、IC73などから成る。
要強冷却部品50が実装される基板81は、高伝熱性基板であり、その実装面には絶縁膜が施され、その上に部品50や配線パターンが配置される。この高伝熱性基板81は、リング状の回生ブレーキ抵抗14hの内側において、その裏面(実装面と反対側の面)が冷却装置13のジャケット本体13Aの下面にほぼ全面接触するよう固定される。したがって、冷却装置13により、高伝熱性基板81を介して要強冷却部品50を強力に冷却することができる。また、特に強冷却が要求される部品50に対しては、その部品50と基板81の実装面との間に熱伝導性のコンパウンド50Aを介装し、冷却効率を更に高めている。
要中冷却部品60が実装される基板82は、高伝熱性基板であり、その実装面には絶縁膜が施され、その上に部品60や配線パターンが配置される。この基板82は、その裏面(実装面と反対側の面)が電源装置筐体140の底面にほぼ全面接触するよう固定される。したがって、要中冷却部品60から発した熱は、高伝熱性基板82および電源装置筐体140を介して外部空気に効率よく逃がされる。上述した要強冷却部品50と比べて絶対的な冷却効率は劣るものの、要中冷却部品60としては十分な冷却が図れる。
冷却不要部品70が実装される基板83は、例えばガラスエポキシまたはフェノール製とされる。この基板83は、両高伝熱性基板81,82の間の空間に、両高伝熱性基板81,82から離して配置される。例えば図12に示すように、スタッドボルトなどの支持部材91により基板83を高伝熱性基板81に支持することができる。高伝熱性基板81ではなく、水冷ジャケット本体13Aに基板83を支持してもよい。基板83は高伝熱性基板ではなく、また位置的にも冷却不要部品70の放熱は殆ど望めないが、冷却不要部品であるため何ら問題はない。なお、冷却不要部品70は、周囲の部材との間で温度勾配があれば、輻射または局所的対流により伝熱され、冷却される。
上記のように電源装置14の各部品を要強冷却部品50、中冷却部品60、冷却不要部品70に分類し、要強冷却部品50は、水冷装置13への伝熱により冷却される第1空間に配置し、要中冷却部品60は、筐体140の内面への伝熱により冷却される第2空間に配置し、冷却不要部品70は、筐体140内で周囲部材への輻射または局所的対流による伝熱で冷却される第3空間に配置するようにした。したがって、冷却が要求される部品をその要求度に応じて効率よく冷却することができ、冷却ファン装置を設ける必要がない。
とくに上記実施形態の電源装置14においては、要強冷却部品50と要中冷却部品60とを高伝熱性基板に実装し、基板を水冷装置13や筐体140の内面に接触させて伝熱により冷却刷るようにした。したがって、予め部品が実装された基板を水冷装置13や筐体140の底面に接触して配設するだけでよく、組立性も向上する。
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。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。また、回生ブレーキ抵抗の形状は、必ずしも図10のような環状である必要はなく、ジャケット本体13aに放熱できる形状であればよい。
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。
上述した実施形態のターボ分子ポンプ装置を次のように変形して実施することができる。
(1)要強冷却部品50を高伝熱性の基板81上に実装し、この基板81を冷却装置13に接触して装着するようにした。しかし、要強冷却部品50を絶縁状態で冷却装置13に装着してもよい。部品自身が絶縁されていない場合、伝熱性のよい絶縁シートを介して冷却装置13に装着する。
(1)要強冷却部品50を高伝熱性の基板81上に実装し、この基板81を冷却装置13に接触して装着するようにした。しかし、要強冷却部品50を絶縁状態で冷却装置13に装着してもよい。部品自身が絶縁されていない場合、伝熱性のよい絶縁シートを介して冷却装置13に装着する。
(2)要中冷却部品60を高伝熱性の基板82上に実装し、この基板82を筐体140の内面に接触して装着するようにした。しかし、要強冷却部品60を絶縁状態で筐体14の内面に装着してもよい。部品自身が絶縁されていない場合、伝熱性のよい絶縁シートを介して筐体14の内面に装着する。
なお、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。
したがって、本発明は、ターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置14と、ターボ分子ポンプ本体11と電源装置14との間に介装される水冷装置13とを有し、電源装置14の筐体140内に設けられる部品を、強冷却が要求される要強冷却部品50と、中程度の冷却が供給される要中冷却部品60と、殆ど冷却が要求されない冷却不要部品70とに分類した上で、要強冷却部品50は、水冷装置13への伝熱により冷却される第1空間に配置し、要中冷却部品60は、筐体140の内面への伝熱により冷却される第2空間に配置し、冷却不要部品70は、筐体140内で輻射または局所的対流により冷却される第3空間に配置する種々の形態のターボ分子ポンプに適用できる。
10 ターボ分子ポンプ装置
11 ポンプ本体
12 ベース
13 冷却装置
14 電源装置
14h 回生ブレーキ抵抗
21 取付ブラケット
11 ポンプ本体
12 ベース
13 冷却装置
14 電源装置
14h 回生ブレーキ抵抗
21 取付ブラケット
Claims (8)
- 回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、
前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、
前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、
前記回生ブレーキ抵抗が、伝熱材料で製作された取付部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている、ターボ分子ポンプ装置の電源装置。 - 前記回生ブレーキ抵抗が、固定手段によって前記取付部材に固定されている、請求項1に記載のターボ分子ポンプ装置の電源装置。
- 前記取付部材が、前記水冷装置にボルトによって螺合されている、請求項1または2に記載のターボ分子ポンプ装置の電源装置。
- 前記回生ブレーキ抵抗が、前記電源装置の隅部において前記取付部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている、請求項1〜3のいずれかに記載のターボ分子ポンプ装置の電源装置。
- 前記取付部材が、前記回生ブレーキ抵抗が配されるコ字状断面を有する、請求項1〜4のいずれかに記載のターボ分子ポンプ装置の電源装置。
- 回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、
前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、
前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、
前記回生ブレーキ抵抗が、伝熱材料で製作された部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている、ターボ分子ポンプ装置の電源装置。 - 回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、
前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、
前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、
前記回生ブレーキ抵抗が、前記水冷装置に接触するように配置されている、ターボ分子ポンプ装置の電源装置。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の前記電源装置および前記ターボ分子ポンプ本体を備える、ターボ分子ポンプ装置。
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