JP6102222B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプユニットとコントロールユニットとが一体化された一体型の真空ポンプに関する。

半導体製造装置や分析装置等に用いられる真空ポンプとして、特許文献１に記載されているようなポンプユニットとコントロールユニットとが一体化されたターボ分子ポンプが知られている。特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、真空排気を行うポンプユニットの下部に、ポンプユニットを駆動制御するコントロールユニットが結合されている。そのため、ターボ分子ポンプの高さ寸法（ポンプ軸方向寸法）が大きくなり、ターボ分子ポンプの装着に必要な空間が大きくなるという問題がある。

そのため、特許文献２に記載のターボ分子ポンプでは、ポンプユニットの側面にコントロールユニットを一体に取り付けることで、ターボ分子ポンプの高さ寸法の増加を抑えている。コントロールユニットは、放熱フィンが形成されたヒートシンクを備え、そのヒートシンクに回路基板を取り付けることで、回路部品から発生した熱を放熱するようにしている。

特開平１１−１７３２９３号公報 特開２００７−３２５３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のターボ分子ポンプ装置においては、コントローラがポンプユニットの側面側に配置され、さらに、放熱フィンがポンプ径方向に突出しているため、ポンプ中心からの径寸法が大きくなってしまうという問題がある。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータを高速回転させて、ポンプ吸気口から吸入した気体をベースに設けられたポンプ排気口から排出するポンプユニットと、電子部品が搭載された基板、基板が収納される筐体および外部装置との接続に用いられるコネクタを有して、ポンプユニットの動作を制御するコントロールユニットと、を備え、ポンプユニットのベース側面には筐体を収納する凹部が形成され、筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の内周面には基板が接触固定され、筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の外周面には、凹部から露出している領域に第１放熱フィンが形成され、かつ、筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の、凹部に収納される領域の外周面に、該凹部壁面と接触する接触面が形成されている。
さらに好ましい実施形態では、基板は、筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の、第１放熱フィンが形成された領域の内周面と、凹部壁面と接触する接触面に対応する領域の内周面との両方に接触している。
さらに、コネクタを筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の外周面に配置するのが好ましい。
さらに好ましい実施形態では、ベースの側周面には、周方向に延びる第２放熱フィンが、ポンプ軸方向に１以上設けられている。
さらに好ましい実施形態では、第１放熱フィンの延在方向に送風するファンを備える。

本発明によれば、一体型の真空ポンプにおいて、ポンプ全体の小型化およびコントロールユニットの冷却性能の向上を図ることができる。

図１は、電源一体型ターボ分子ポンプ１の断面図である。 図２は、ターボ分子ポンプ１の正面図である。 図３は、ターボ分子ポンプ１の側面図である。 図４は、ターボ分子ポンプ１の底面図である。 図５は、コントロールユニット１００をポンプ吸気口側から見た図である。 図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。 図７は、冷却風の流れを説明する図である。 図８は、放熱フィンの変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１〜４は本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す図である。図１は電源一体型ターボ分子ポンプ１の断面図である。図２はターボ分子ポンプ１の正面図、図３は側面図、図４は底面図である。なお、図４においては、ポンプユニット１０とコントロールユニット１００とを接続するコネクタの部分を破断面で示した。

ターボ分子ポンプ１は、真空排気を行うポンプユニット１０とそのポンプユニット１０を駆動するコントロールユニット１００とを有している。ポンプユニット１０のベース２には、図１に示すように、ベース側面の一部を切り欠いたような形状の凹部２３が形成されている。コントロールユニット１００は、この凹部２３内に収納され、ボルトによってポンプユニット１０のベース２に固定されている。

まず、ポンプユニット１０の構造について説明する。ポンプユニット１０は、排気機能部として、タービン翼を備えたターボポンプ部と、螺旋型の溝を備えたHolweckポンプ部とを備えている。もちろん、本発明は、排気機能部にターボポンプ部およびHolweckポンプ部を備えた真空ポンプに限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプや、ジーグバーンポンプやHolweckポンプなどのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプや、それらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。

ターボポンプ部は、ロータ３に形成された複数段の回転翼３０とベース２側に配置された複数段の固定翼２０とで構成される。一方、ターボポンプ部の下流側に設けられたHolweckポンプ部は、ロータ３に形成された一対の円筒部３１ａ，３１ｂと、ベース２側に配置された一対のステータ２１ａ，２１ｂとで構成されている。円筒状のステータ２１ａ，２１ｂの内外周面の内、円筒部３１ａ，３１ｂと対向する周面には螺旋溝が形成されている。

ロータ３はシャフト５に締結され、ロータ３とシャフト５とは一体の回転体ユニットを構成している。シャフト５はモータ４により回転駆動される。モータロータ４ａはシャフト５に設けられ、モータステータ４ｂはベース２に固定されている。シャフト５の上側は永久磁石６ａ，６ｂを用いた永久磁石磁気軸受６により非接触支持され、シャフト５の下側は玉軸受８により回転自在に支持されている。

磁石ホルダ１１の内周側には、玉軸受９が保持されている。玉軸受９は、シャフト上部のラジアル方向の振れを制限するタッチダウンベアリングとして機能するものである。ロータ３が定常回転している状態では、シャフト５と玉軸受９とは接触することはなく、大外乱が加わった場合や、回転の加速時または減速時にロータ３の振れ回りが大きくなった場合に、シャフト５が玉軸受９の内輪に接触する。玉軸受８，９には、例えば深溝玉軸受が用いられる。下側の玉軸受８にはグリースが封入されている。

ベース２の底面には、玉軸受８を着脱する際の開口２４を封止するためのベースカバー２ａがボルト固定されている。ポンプケーシング１２には、ポンプユニット１０をチャンバ等に固定するための吸気口フランジ１２ａが形成されている。また、ベース２の側面には排気口２２が設けられている。吸気口フランジ１２ａから流入した気体分子は、ターボポンプ部およびHolweckポンプ部によりポンプ下流側に移送され、排気口２２から排気される。

ベース２の側面には、コントロールユニット１００を収納するための凹部２３が形成されている。凹部２３の表面は、ポンプ底面および吸気口フランジ面と平行な凹部底面２３ａ（図１参照）と、その凹部底面２３ａに対して垂直な凹部側面２３ｂ（図１参照）とで構成されている。図４に示すように、凹部側面２３ｂは、２つの平面２３１，２３２と１つの円弧面２３３とを有している。凹部底面２３ａは、Holweckポンプ部の下端に近接して設けられている。また、凹部２３は玉軸受８を着脱するための開口２４付近まで達しており、円弧面２３３は、開口２４の近くに形成されている。また、凹部２３の円周方向の範囲は、図４に示すように１８０deg程度に設定されている。ベース２の外周面には、周方向の放熱フィン２０１が複数形成されている。

次にコントロールユニット１００について説明する。コントロールユニット１００の外形形状はほぼ直方体形状となっており、凹部２３の凹部側面２３ｂと対向している側面が、凹部側面２３ｂと同様の形状となっている。図５は、コントロールユニット１００をポンプ吸気口側から見た平面図である。図６は図５のＡ−Ａ断面図であり、図１に示したものと同様の断面図である。図５、６において、二点鎖線は、コントロールユニット１００が固定されるベース２の外周面を示している。

コントロールユニット１００は、ユニットケース１０１、ユニットケース１０１内に収納される電子部品等、およびコネクタ１０２，１０３等を備えている。ユニットケース１０１は、外周面に放熱フィン１０６が形成され、回路基板やコネクタ１０２が固定されるヒートシンクケース１０１ａと、ヒートシンクケース１０１ａの下部開口を覆うように設けられた底板１０１ｂとを有している。このように、ユニットケース１０１は、塵等が外部から入り込めない程度の密閉構造となっている。

ヒートシンクケース１０１ａの上壁部１１０は、ヒートシンクとして機能する壁部であって、その他の壁部と比べて肉厚が厚く設定されている。ヒートシンクケース１０１ａには、アルミ材等の熱伝導性に優れた材料を用いるのが好ましい。上壁部１１０の外周面には、複数の放熱フィン１０６が形成されている。上壁部１１０の内周面には、回路基板１０４が固定されている。別の回路基板１０５は、支柱１０８を介して上壁部１１０の内周面に固定されている。

また、上壁部１１０には、コネクタ１０２が配置されている。コネクタ１０２には電力用配線と制御用配線とが接続され、コネクタ１０２を介して外部装置に接続される。すなわち、コネクタ１０２を介して外部装置から電源が供給され、コネクタ１０２を介して外部装置との制御信号の授受が行われる。また、コントロールユニット１００とポンプユニット１０との間の電気的接続は、図４に示すように、コントロールユニット側のコネクタ１０３をポンプユニット側のコネクタ２００に接続することにより行われる。コネクタ２００は、凹部２３の凹部側面２３ｂに設けられている。一方、コネクタ１０３は、コントロールユニット１００のユニットケース１０１には固定されておらず、配線に接続されたままのフレキシブルな状態とされている。

回路基板１０４の裏面側は、ヒートシンクである上壁部１１０の内周面に密着している。例えば、回路基板１０４の裏面側に金属パターンが形成されておらず電気絶縁性に問題がない場合には、回路基板１０４は裏面側が壁面に接触するように固定される。また、金属パターン等が形成されていて壁面との絶縁性を確保する必要がある場合には、放熱用絶縁シート等の熱伝導性能に優れた絶縁材を介して壁面に固定される。回路基板１０４には、例えばモータ駆動用のパワー半導体素子のように発熱量の大きな電子部品１０７が実装される。回路基板１０４で発生した熱は、回路基板１０４の裏面側から上壁部１１０へと熱伝達される。

一方、支柱１０８を介して上壁部１１０に固定されている回路基板１０５には、制御ＩＣのような比較的発熱量の小さな電子部品１０７が実装されている。回路基板１０５の場合には、裏面側にも電子部品が実装されている。回路基板１０５で発生した熱は、支柱１０８を介して上壁部１１０へ熱伝達される。なお、本実施の形態では、回路基板を２層構造としたが３層以上としても良く、発熱量の大きい電子部品ほど上壁部１１０に近い位置に配置するのが好ましい。

図１に示すように、ヒートシンクケース１０１ａは、凹部２３の凹部底面２３ａにボルト固定されている。図５に示すように、ヒートシンクケース１０１ａの上壁部１１０には、ボルト固定用の貫通穴１１２が３箇所に形成されている。上壁部１１０において、符号Ｒ２で示した領域は放熱フィン１０６が形成されている領域であり、その他の領域の外周面は平面状になっている。コントロールユニット１００をポンプユニット１０に固定する場合には、まず、回路基板１０４、１０５が装着されたヒートシンクケース１０１ａをベース２に固定し、その後、コネクタ１０３をポンプユニット側のコネクタ２００に接続し、最後に、底板１０１ｂをヒートシンクケース１０１ａに取り付ける。

コントロールユニット１００をベース２の凹部２３内に収納してベース２にボルト固定すると、上壁部１１０の領域Ｒ２よりも図示下側の平面領域Ｒ３（実線と二点鎖線とで囲まれた領域）は、ベース２の凹部２３内に収納され、凹部２３の凹部底面２３ａに接触する。一方、上壁部１１０の領域Ｒ２および領域Ｒ２よりも図示上側の領域は、凹部２３の外部に露出している。コネクタ１０２は、露出した平面領域に設けられている。

ユニットケース１０１の高さ寸法Ｈ１（図６）は、凹部２３の軸方向寸法とほぼ同一に設定されている。そのため、図１〜３に示したように、ポンプユニット１０とコントロールユニット１００とを一体とした時のポンプ軸方向寸法は、ポンプユニット１０のみのポンプ軸方向寸法とほぼ同一に抑えられている。このようにコントロールユニット１００の高さ寸法を抑えることができたのは、回路基板１０４，１０５を水平（ポンプ軸に対して垂直）に配置したことが寄与している。そして、コントロールユニット１００をポンプユニット１０のベースに大きく潜り込ませることにより、ポンプ径方向寸法を小さくすることができた。

このように、ヒートシンクケース１０１ａの上壁部１１０は、凹部２３から露出した部分には放熱フィンが形成され、凹部２３内に収納された部分はベース２に接触している。回路基板１０４、１０５で発生した熱は、上壁部１１０に熱伝達され、その後、放熱フィンから大気中に放熱されるとともに、ベース２に接触している面から熱容量の大きなベース２へ移動する。特に回路基板１０４は、裏面側全域が上壁部内周面に接触しているので、上壁部１１０への熱伝達が効果的に行われる。さらに、上壁部１１０の放熱フィンが設けられた領域とベース２に接触している領域の両方にわたって接触しているので、放熱フィン１０６およびベース接触面までの熱移動経路が短く、発熱量が大きい回路基板１０４に関する冷却効果に優れている。

上述したように、本実施の形態のターボ分子ポンプにおいては、ポンプユニット１０およびコントロールユニット１００の冷却は、外表面から大気中に放熱する自然空冷が採用されている。そのため、冷却性能をより高めるために、図７に示すように冷却ファン３００を装着するようにしても良い。冷却ファン３００は、図示右側のポンプ側部にブラケット３０１を介して取り付けられている。

本実施の形態では、放熱フィン１０６は、上壁部１１０とともに図示左右の側壁部１１１，１１２にも連続するように形成されているが、上壁部１１０だけに設けるような構成でも良い。上壁部１１０に形成された各放熱フィン１０６は、一方の側壁部から他方の側壁部へと延びるように形成されている。すなわち、放熱フィン１０６と隣接する放熱フィン１０６との間の隙間は、図示左右方向に延びている。冷却ファン３００からの冷却風は、実線矢印のようにコントロールユニット１００およびポンプユニット１０に送風される。放熱フィン１０６間の隙間に流入した冷却風は、破線矢印のように隙間内を流れる。同様に、冷却ファン３００からポンプユニット１０に送風された冷却風は、破線矢印のようにポンプ外周面や放熱フィン２０１の溝内を流れる。

一般に、冷却ファン３００は、冷却風の流れが放熱フィン１０６の延在方向と同じになるように配置される。そのため、図７に示すように、延在方向が図示左右方向となるように放熱フィン１０６を形成し、冷却ファン３００をコントロールユニット１００が大きく突出していない左右位置に配置することで、平面図で見た場合の小型化（すなわち、設置面積の低減）を図ることができる。

図８は、放熱フィン１０６の変形例を示したものである。なお、二点鎖線で囲まれた領域はポンプユニット１０のベース２と接触する面を示している。図８（ａ）に示す第１の変形例では、放熱フィン１０６は、溝内を流れる冷却風がポンプユニット外周面に沿うような形態（円弧状）で流れるように、円弧状に配置された３種類の放熱フィン１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃで構成されている。すなわち、放熱フィン１０６ａは図の右下から左上の方向に傾き、放熱フィン１０６ｂは図の水平方向に延在し、放熱フィン１０６ｃは図の右上から左下の方向に傾いている。

隣接する放熱フィン１０６ａ間の隙間に流入した冷却風は、放熱フィン１０６ａの延在方向に沿って流れ、次の放熱フィン１０６ｂの間の隙間に流入する。冷却風は放熱フィン１０６ｂ間を図示右側から左側へ流れ、三番目の放熱フィン１０６ｃのフィン間に流入する。そして、放熱フィン１０６ｃの間を図示左下方向に流れる。このように、図８（ａ）に示すようなフィン形状とすることにより、図５に示す形態に比べて放熱面積の増大を図ることができる。また、冷却ファンから送風された冷却風は、乱れることなく放熱フィン１０６ａ→放熱フィン１０６ｂ→放熱フィン１０６ｃのように円弧状にスムーズに流れるので、放熱性能の向上を図ることができる。

図８（ｂ）に示す第２の変形例では、図８（ａ）に示した各放熱フィン１０６ａ〜１０６ｃを、それぞれ一列に並んだ複数の柱状フィン１０６ｄで置き換えたものである。この場合、冷却風は、図８（ａ）の場合と同様の通路を流れるとととともに、一列に並んだフィン間も流れることになる。その結果、放熱面積をより大きくすることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態の真空ポンプは、ポンプユニット１０のベース側面にはユニットケース１０１が収納される凹部２３が形成され、ユニットケース１０１のポンプ吸気口側の上壁部１１０の内周側には回路基板１０４が接触固定され、上壁部１１０の外周側には、凹部２３から露出している領域Ｒ２に複数の放熱フィン１０６が形成され、かつ、凹部２３に収納される領域に凹部壁面（凹部底面２３ａ）と接触する接触面１１３が形成されている。

このような構成としたので、回路基板１０４が固定され、ヒートシンクとして機能する上壁部１１０は、放熱フィン１０６から大気中に放熱するとともに、ベース２に接触している面からポンプユニット１０へと放熱することができる。その結果、コントロールユニット１００を凹部２３に収納することで、一体型真空ポンプの小型化を図ることができるとともに、コントロールユニット１００の冷却性能の向上も図ることができる。

さらに、図５、６に示すように回路基板１０４を放熱フィン１０６が形成された壁部領域の内周面と、凹部２３と接触する接触面（領域Ｒ３の面）が形成された壁部領域の内周面との両方に接触するようにしたので、放熱フィン１０６および凹部底面２３ａまでの伝熱経路が短くなり、大気中およびベース２への放熱効果が向上する。もちろん、どちらか一方に回路基板１０４を接触させるような構成であっても構わない。

また、コネクタ１０２をポンプ吸気口側壁部（上壁部１１０）の外周面に配置したことにより、コネクタ１０２に接続される配線がポンプ側方に大きく突出するのを防止することができる。なお、上述した実施形態では、電力線と制御線とを一つのコネクタ１０２で接続するようにしているが、電力系のコネクタと制御系のコネクタとを個別に設け、それら２つのコネクタを上壁部１１０の外周面に配置するようにしても良い。

さらに、ポンプユニット１０のベース２の側周面に、周方向に延びるリング状の放熱フィン２０１を１以上設けるようにしても良い。放熱フィン２０１を設けることによってベース２から大気中への放熱性能が向上し、コントロールユニット１００の冷却性能向上を図ることができる。

放熱フィン１０６の延在方向に送風する冷却ファン３００をさらに備えることで、放熱フィン１０６からの放熱量増加を図ることができ、コントロールユニット１００の冷却性能が向上する。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、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、上述した実施の形態では、軸受に永久磁石磁気軸受６を用いたターボ分子ポンプを例に説明したが、これに限らず種々の電源一体型真空ポンプに適用することができる。

１：ターボ分子ポンプ、２：ベース、３：ロータ、４：モータ、１０：ポンプユニット、１２：ポンプケーシング、１２ａ：吸気口フランジ、２２：排気口、２３：凹部、２３ａ：凹部底面、２３ｂ：凹部側面、１００：コントロールユニット、１０１：ユニットケース、１０１ａ：ヒートシンクケース、１０１ｂ：底板、１０２，１０３，２００：コネクタ、１０４，１０５：回路基板、１０６，１０６ａ〜１０６ｃ，２０１：放熱フィン、１０６ｄ：柱状フィン、１０７：電子部品、１１０：上壁部、１１３：接触面、３００：冷却ファン

Claims (5)

1. ロータを高速回転させて、ポンプ吸気口から吸入した気体をベースに設けられたポンプ排気口から排出するポンプユニットと、
   電子部品が搭載された基板、前記基板が収納される筐体および外部装置との接続に用いられるコネクタを有して、前記ポンプユニットの動作を制御するコントロールユニットと、を備え、
   前記ポンプユニットのベース側面には前記筐体を収納する凹部が形成され、
   前記筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の内周面には前記基板が接触固定され、
   前記筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の外周面には、前記凹部から露出している領域に第１放熱フィンが形成され、かつ、前記筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の、前記凹部に収納される領域の外周面に、該凹部壁面と接触する接触面が形成されている、真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記基板は、前記筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の、前記第１放熱フィンが形成された領域の内周面と、前記凹部壁面と接触する前記接触面に対応する領域の内周面との両方に接触している、真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記コネクタを前記筐体のポンプ吸気口側に向く上壁部の外周面に配置した真空ポンプ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ベースの側周面には、周方向に延びる第２放熱フィンが、ポンプ軸方向に１以上設けられている真空ポンプ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記第１放熱フィンの延在方向に送風するファンをさらに備えた真空ポンプ。
   

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