JP6471657B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプ等の高真空用真空ポンプは、例えば、半導体製造装置等に用いられている。このような真空ポンプにおいて、真空排気を行うポンプ本体とポンプ本体を駆動制御するための制御ユニットとが一体に設けられた真空ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

半導体製造装置はクリーンな環境に設置されている。そのため、装置に搭載される電源一体型真空ポンプにおいては、クリーン環境への影響を避けるために冷却水等の冷媒によって冷却が行われるのが一般的である。通常、制御ユニットは半密閉型構造となっており、制御ユニットの内部の露点温度は制御ユニットの外部、すなわち外気と同じになっている。このため、制御ユニットが冷媒により冷却されると、制御ユニット内において局所的に露点温度よりも低温となる部分が発生し、結露が生じるおそれがある。

特許文献１に記載の真空ポンプでは、制御ユニット内の低温となる位置に温度センサを設けるとともに、高温となる位置に温湿度センサを設けている。そして、温度センサおよび温湿度センサによって検出された温度情報および温湿度情報に基づいて、低温位置における相対湿度を求めている。得られた相対湿度に基づいて冷却装置の動作を制御することで、結露を防止するようにしている。

特開２０１４−４３８２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、２つのセンサ（温度センサおよび温湿度センサ）を設ける必要があり、コストアップが問題となる。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、真空排気を行うポンプユニットと前記ポンプユニットを駆動制御する制御ユニットとが設けられる。前記制御ユニットは、電装部品が収納されるとともに所定の湿度に調整された気体が密封された筐体と、冷媒が流通する冷却部と、前記気体の湿度情報が記憶された記憶部と、前記冷却部の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出温度と前記湿度情報とに基づいて結露発生の可能性の有無を判定する判定部と、を備える。
さらに好ましい実施形態では、前記気体は、湿度１００％となる気体温度が前記冷媒の許容最低温度よりも低い湿度条件に設定されている。
さらに好ましい実施形態では、前記筐体は、前記気体を前記筐体の内部に封入するための封入口を備える。

本発明によれば、一つの温度センサの検出結果に基づいて結露発生の可能性の有無を判定することができる。

図１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２は、コントロールユニットの概略構成を示す模式図である。 図３は、コントロールユニットの主要部を説明するブロック図である。 図４は、封入された湿度調整空気の温度に対する相対湿度の関係を示す図である。 図５は、コントロールユニット４０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に示す真空ポンプ１は、ポンプユニット１０とコントロールユニット４０とが一体となった電源一体型のターボ分子ポンプである。

図示は省略したが、ポンプユニット１０の内部には、ポンプロータ、ステータ、ポンプロータを支持する軸受、およびポンプロータを回転駆動するモータが設けられている。なお、軸受には、磁気軸受が用いられている。ポンプユニット１０のポンプケーシングは、上部ケーシング２０と、上部ケーシング２０の下方に取り付けられる下部ケーシング３０とから成る。上部ケーシング２０の上端には、吸気口フランジ２１が形成されている。下部ケーシング３０には、ケーシング側面に形成された排気口３１と、コントロールユニット４０が固定されるフランジ３２が設けられている。

コントロールユニット４０は、フランジ３２に固定される冷却部４２と、冷却部４２の下面に固定される下部カバー４１とを備えている。冷却部４２には、冷却水等の冷媒を導入するための入口配管４２１と、導入された冷媒を排出する出口配管４２２とが設けられている。後述するように、入口配管４２１と出口配管４２２とは、冷却部４２に形成された冷媒流路４２０（図２参照）を介して連通している。下部カバー４１の側面には、コネクタ４７が設けられたパネル４５がネジ固定されている。

図２はコントロールユニット４０の概略構成を示す模式図である。上述した冷却部４２と下部カバー４１とは回路部品が収納される筐体を構成しており、下部カバー４１の上部開口は冷却部４２によって封止される。冷却部４２には、冷媒が流れる冷媒流路４２０が形成されている。冷媒は入口配管４２１から冷媒流路４２０に流入し、出口配管４２２から流出する。冷却部４２は、ポンプユニット１０およびコントロールユニット４０を冷却する冷却装置として機能する。

冷却部４２の図示下側には下部カバー４１がボルト固定されている。下部カバー４１と冷却部４２との隙間は、シール材４４によって封止されている。下部カバー４１の内部には、回路部品が実装される基板４１５ａ，４１５ｂ，４１６が設けられている。冷却部４２の下面は、基板４１５ａ，４１５ｂ，４１６や回路部品を冷却するための冷却面４２５として機能する。基板４１５ａ，４１５ｂは、冷却部４２の冷却面４２５に固定されている。基板４１６は、基板４１５ａ，４１５ｂ上に立設された支柱４１７によって支持されている。冷媒流路４２０の入口近傍の冷却面４２５には、サーミスタ等の感熱素子で構成される温度センサ４３が設けられている。

下部カバー４１の外周面にはコネクタ４７が設けられたパネル４５が取り付けられている。パネル４５は、下部カバー４１に対してビス止めされており、パネル４５と下部カバー４１との隙間は、シート状のシール材４６によって封止されている。なお、図示は省略したが、コネクタ４７とパネル４５との間の隙間もシール材によって封止されている。例えば、コネクタ４７として、シール構造を備えたコネクタを採用することも可能である。下部カバー４１には、後述する湿度調整空気を封入するための封入口４１８が形成されている。封入口４１８は、ブランキングプラグ４１９によって封止される。

図３は、コントロールユニット４０の主要部を説明するブロック図である。コントロールユニット４０は、モータ駆動部４０１、磁気軸受駆動部４０２、制御部４０３および上述した温度センサ４３等を備えている。制御部４０３は、記憶部４０４、判定部４０５、報知部４０６を備えている。モータ駆動部４０１はインバータ回路等を備えており、制御部４０３からの制御指令に基づいてポンプユニット１０に設けられたモータ１００を駆動する。モータ１００は、ポンプユニット１０のロータを回転駆動する。

磁気軸受駆動部４０２は励磁アンプ等を備え、制御部４０３からの制御指令に基づいて磁気軸受１０２に電磁石電流を供給する。温度センサ４３の検出結果は制御部４０３に入力される。記憶部４０４には、後述する湿度情報（湿度条件など）が予め記憶されている。判定部４０５は、温度センサ４３の検出温度および記憶部４０４に記憶されている湿度情報に基づいて、結露発生の可能性の有無について判定する。判定部４０５の判定結果は報知部４０６に入力される。報知部４０６は、結露発生の可能性があると判定された場合には、警報を出力する。例えば、通信機能を備えている場合には、コントロールユニット４０から外部装置に警報信号を出力したり、表示部を備えている場合には、表示部に警報表示を行ったりする。

（判定部４０５の説明）
本実施の形態では、温度センサ４３によって検出される温度に基づいて結露発生の可能性があるか否かを判定する。図２に示すコントロールユニット４０においては、冷媒が導入される冷却部４２は他の部分よりも温度が低く、結露が発生しやすい。特に、入口配管４２１付近の温度が低いので、入口配管４２１の近傍の冷却面４２５に温度センサ４３を設けるようにしている。

さらに、本実施の形態では、下部カバー４１の内部には、予め設定された湿度に調整された空気（以下では、湿度調整空気と呼ぶことにする）が封入される。一例として、温度１９℃で相対湿度ＲＨが１００％の湿度調整空気を、下部カバー４１の内部に封入した場合を考える。すなわち、温度１９℃における飽和空気を封入する。図３に示した記憶部４０４には、湿度調整空気の湿度条件（温度、相対湿度ＲＨ）、ここでは湿度条件（１９℃、１００％ＲＨ）が湿度情報として予め記憶される。

図４は、封入された湿度調整空気の温度に対する相対湿度の関係を示す図である。図４のラインＬ１は、下部カバー４１の内部に湿度条件（１９℃、１００％ＲＨ）の湿度調整空気を封入した場合の、温度と相対湿度との関係を示す。

ここで、下部カバー４１内の湿度調整空気の温度が２５℃に上昇した場合の相対湿度ＲＨ％について考える。温度Ｔ℃における相対湿度ＲＨ（％）は次式（１）で表される。式（１）において、ｐｗ(Ｔ)は温度Ｔにおける水蒸気圧であり、Ｐ(Ｔ)は温度Ｔ℃における飽和水蒸気圧である。
ＲＨ＝｛ｐｗ(Ｔ)／Ｐ(Ｔ)｝×１００ …（１）

下部カバー４１は密閉されていて空気の出入りは無く、結露も生じないので、温度２５℃における水蒸気の分圧（ただし、全圧が１気圧と考えた場合の分圧）ｐｗは、１９℃における飽和水蒸気圧と同じ値に維持される。すなわち、ｐｗ(２５℃)＝Ｐ(１９℃)である。よって、この場合の温度２５℃における相対湿度ＲＨ（％）は次式（２）で表される。
ＲＨ＝｛Ｐ(１９℃)／Ｐ(２５℃)｝×１００ …（２）

そして、図４のラインＬ１は、次式（３）で表される相対湿度ＲＨ（％）を図示したものである。なお、飽和水蒸気圧Ｐ(Ｔ)は、例えば、Magnus-Tetenの式を用いると次式（４）で表される。
ＲＨ＝｛Ｐ(１９℃)／Ｐ(Ｔ)｝×１００ …（３）
Ｐ(Ｔ)＝６．１０７×１０^β …（４）
ただし、β＝（７．５×Ｔ）／（Ｔ＋２３７．３）

図２の冷媒流路４２０に冷媒を流した場合、冷却部４２の温度は冷媒入口付近が最も低いと考えられる。温度センサ４３は入口配管４２１の近傍の冷却面４２５に設けられているので、冷却面４２５における最低温度領域の温度にほぼ近い温度を検出している。そのため、図４のラインＬ１上の湿度条件（温度、相対湿度）に調整された湿度調整空気を下部カバー４１内に封入した場合、温度センサ４３の検出温度が１９℃よりも高ければ結露を防止することができる。すなわち、冷媒温度を１９℃より高く維持することで、コントロールユニット４０における結露発生が防止できる。

逆に冷媒温度が１９℃に設定されている場合を考える。この場合、ラインＬ１よりも図示右側の条件に調整された湿度調整空気（例えば、図４のラインＬ２上の湿度条件（２５℃、８０％ＲＨ）の湿度調整空気）を封入すると結露が発生する。一方、ラインＬ１よりも図示左側の条件に調整された湿度調整空気（例えば、図４のラインＬ３上の湿度条件（２０℃、５０％ＲＨ）の湿度調整空気）を封入すれば結露が生じない。

なぜならば、湿度条件（２５℃、８０％ＲＨ）の湿度調整空気を封入した場合、この湿度調整空気の温度を変化させるとラインＬ２のように相対湿度が変化する。この場合、温度が約２１℃のときに相対湿度が１００％となるので、冷媒温度を２１℃よりも低い温度（例えば、１９℃）に設定すると結露が発生する。なお、湿度条件（Ｔ℃、ＲＨ％）の湿度調整空気が相対湿度１００％になる温度Ｔ(100%)℃は、次式（５）により求めることができる。
Ｔ(100%)＝２３７．３α／（７．５−α） …（５）
ただし、α＝log［(ＲＨ／１００)×Ｐ(Ｔ)／６．１０７］ （対数の底は１０）

一方、湿度条件（２０℃、５０％ＲＨ）の湿度調整空気を封入した場合には、この湿度調整空気の温度を変化させるとラインＬ３のように相対湿度が変化する。この場合、相対湿度が１００％となる温度は約９．３℃なので、冷媒温度を１９℃としても結露は発生しない。

以上、ラインＬ１〜Ｌ３に基づく結露発生の有無の説明から理解されるように、湿度条件（１９℃、１００％ＲＨ）の湿度調整空気の温度と湿度との関係を示すラインＬ１は、冷媒温度が１９℃の場合における、結露が生じる湿度調整空気の湿度条件領域と結露が生じない湿度調整空気の湿度条件領域との境界を表している。そして、ラインＬ１よりも左側の領域の湿度条件の湿度調整空気を封入すれば結露は発生せず、ラインＬ１よりも右側の領域の条件の湿度調整空気を封入すると結露が発生する。すなわち、冷媒温度に応じて、下部カバー４１内に封入する湿度調整空気の湿度条件を設定する必要がある。

判定部４０５は、記憶部４０４に記憶されている湿度情報に基づいて、封入されている空気の相対湿度が１００％となる温度（ここでは、判定温度と呼ぶことにする）を求める。例えば、湿度条件（２０℃、５０％ＲＨ）が記憶されている場合には、式（５）により相対湿度１００％における温度（約９．３℃）を算出し、それを判定温度とする。なお、湿度条件としてＲＨ＝１００％における温度が記憶されている場合には、その温度を判定温度に使用することになる。例えば、湿度条件（１９℃、１００％ＲＨ）が記憶されている場合には、温度１９℃が判定温度となる。

判定部４０５は、検出温度が判定温度より高い場合には結露発生の可能性が無いと判定し、検出温度が判定温度以下の場合には結露発生の可能性が有ると判定する。判定部４０５において結露発生の可能性があると判定された場合には、結露発生を防止するために、例えば、冷媒流路４２０を流れる冷媒の流量を減らす。冷媒流量を減らす方法としては、例えば、入口配管４２１の上流側に流量制御弁を設けて流量を制限する方法がある。また、図５に示すように入口配管４２１の上流側に三方弁４２３を設け、流入する冷媒の一部または全部を、バイパス流路４２４を介して出口配管４２２に導くようにしても良い。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（Ｃ１）コントロールユニット４０は、電装部品が収納されるとともに所定の湿度に調整された気体が密封された下部カバー４１と、下部カバー４１に設けられ、冷媒が流通する冷却部４２と、密封される気体の湿度情報が記憶された記憶部４０４と、冷却部４２の温度を検出する温度センサ４３と、温度センサ４３の検出温度と湿度情報とに基づいて結露発生の可能性の有無を判定する判定部４０５と、を備える。

例えば、図４のラインＬ２上の大きな黒丸印における湿度条件（温度２５℃、相対湿度８０％）の空気を密封した場合、封入した際の湿度条件（温度２５℃、相対湿度８０％）や、ラインＬ２上の相対湿度１００％に対応する湿度条件（温度２１℃、相対湿度１００％）や、相対湿度１００％における温度２１℃などが、湿度情報として記憶部４０４に記憶される。

例えば、湿度条件（温度２５℃、相対湿度８０％）が湿度情報として記憶されている場合には、判定部４０５は、相対湿度が１００％の場合の温度（＝判定温度）を算出し、その判定温度と温度センサ４３の検出温度とを比較し、判定温度＜検出温度である場合には結露発生の可能性が無いと判定する。逆に、判定温度≧検出温度の場合には結露発生の可能性有りと判定する。

また、湿度情報として相対湿度１００％における温度２１℃が記憶部４０４に記憶されている場合には、その温度２１℃と検出温度とを比較して結露発生の可能性の有無を判定する。

このように、下部カバー４１の内部に気体を密封する構成とすることで、その気体の湿度情報と、冷却部４２に設けられた一つの温度センサ４３の検出温度とから、冷却部４２に結露が発生するか否かを判定することができる。そして、判定部４０５の判定結果を利用することで、結露を防止するように制御することができる。

なお、上述した実施の形態では、図１に示すようにポンプユニット１０とコントロールユニット４０とが一体に設けられた電源一体型真空ポンプを例に説明したが、ポンプユニット１０とコントロールユニット４０とがケーブルで接続される別体型の真空ポンプにも本発明は適用可能である。

（Ｃ２）さらに、密封される気体は、湿度１００％となる気体温度が冷媒の許容最低温度よりも低い湿度条件に設定されている。例えば、冷媒の許容最低温度が１９℃であった場合、図４に示すラインＬ１よりも図示左側の湿度条件（温度、ＲＨ％）の湿度調整空気が筐体内に密封される。例えば、ラインＬ３上の湿度条件（２０℃、５０％）の湿度調整空気が密封される。この場合、湿度１００％となる温度は約９．３℃なので、温度１９℃の冷媒が流れる冷却部４２に結露が生じることがない。すなわち、冷媒温度が許容最低温度（１９℃）以上に保たれている限り結露は防止される。

なお、冷媒の温度が予期せず許容最低温度以下に低下する場合もあるが、その場合には判定部４０５により結露発生の可能性有りと判定される。そのため、判定結果を利用して結露発生を防止する対策をとることができる。

（Ｃ３）また、図２のように、下部カバー４１内に湿度調整空気を封入するための封入口を設けることで、筐体内への湿度調整空気の封入作業が行いやすくなる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。

本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。例えば、筐体内に密封される気体を空気としたが、空気以外の気体（例えば、窒素などの不活性ガス）を密封するようにしても良い。また、水蒸気分圧の低い所定湿度状態に調整して筐体内に封入するようにしたが、筐体内に乾燥剤を配置して封入後に空気中の水蒸気分圧を低減するようにしても良い。この場合、低減後の湿度条件を予め実験などにより求めておき、その湿度条件を湿度情報として記憶部４０４に記憶させる。

１…真空ポンプ、１０…ポンプユニット、４０…コントロールユニット、４１…下部カバー、４２…冷却部、４３…温度センサ、４４…シール材、４０３…制御部、４０４…記憶部、４０５…判定部、４０６…報知部、４１５ａ，４１５ｂ，４１６…基板、４１８…封入口、４１９…ブランキングプラグ、４２０…冷媒流路

Claims (3)

1. 真空排気を行うポンプユニットと前記ポンプユニットを駆動制御する制御ユニットとが設けられ、
   前記制御ユニットは、
   電装部品が収納されるとともに所定の湿度に調整された気体が密封された筐体と、
   冷媒が流通する冷却部と、
   前記気体の湿度情報が記憶された記憶部と、
   前記冷却部の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出温度と前記湿度情報とに基づいて結露発生の可能性の有無を判定する判定部と、を備える真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記気体は、湿度１００％となる気体温度が前記冷媒の許容最低温度よりも低い湿度条件に設定されている、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、
   前記筐体は、前記気体を前記筐体の内部に封入するための封入口を備える、真空ポンプ。

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