JP6916413B2

JP6916413B2 - 電源一体型真空ポンプ

Info

Publication number: JP6916413B2
Application number: JP2017086416A
Authority: JP
Inventors: 春彦酒井; 伸彦森山
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: US10941787B2; US20180306204A1; CN108730205A; CN108730205B; JP2018184874A

Description

本発明は、電源一体型真空ポンプに関する。

半導体製造装置等の外部装置の真空排気に用いられる真空ポンプは、ポンプ本体とそのポンプ本体を制御する電源装置とを備えている。このような真空ポンプとして、ポンプ本体と電源装置とを一体とした電源一体型真空ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の電源一体型真空ポンプでは、ポンプ本体と電源装置との間に冷却水が循環する冷却ジャケットが設けられている。冷却ジャケットの表面は冷却面として機能するものであり、電源装置に設けられた基板の内、強い冷却が要求される要強冷却部品が実装される基板は、基板裏面が冷却ジャケットの表面に接触するよう固定されている。

特開２０１４−１４８９７７号公報

通常、電源装置は半密閉型構造となっており、電源装置の内部の露点温度は電源装置の外部すなわち外気と同じになっている。ところで、上述した電源一体型真空ポンプにおいては、冷却ジャケットの冷却面に基板が固定されない露出領域があると、露出領域が露点温度よりも低温となって結露が生じるおそれがある。

本発明の好ましい実施形態による電源一体型真空ポンプは、ポンプ本体とポンプ電源装置とが一体となった電源一体型真空ポンプにおいて、前記ポンプ電源装置に設けられ、電子部品が実装される基板と、前記ポンプ電源装置内に露出する露出面を有し、前記露出面は、前記基板が接触するように固定される第１領域、および、前記基板が固定されない第２領域を含む冷却装置と、熱伝導率が前記露出面を構成する材料の熱伝導率よりも小さく、前記基板が固定されていない前記第２領域を覆う板状の断熱部材とを備え、前記基板が固定されていない前記第２領域における結露の発生を抑制するように構成した。
さらに好ましい実施形態では、前記冷却装置は、前記ポンプ電源装置の筐体の一部であって、前記ポンプ本体に固定され、かつ、冷媒が流通する冷却ジャケットであり、前記冷却ジャケットのポンプ電源装置内周面に前記第１領域および前記第２領域が形成されている。
さらに好ましい実施形態では、前記断熱部材は前記第２領域に対して着脱可能に設けられている。

本発明によれば、冷却面への結露を防止することができる。

図１は、電源一体型真空ポンプの概略構成を示す断面図である。図２は、電源ユニットの概略構成を示すブロック図である。図３は、冷却ジャケットの冷却面に配置された部品を説明する図である。

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は電源一体型真空ポンプ１の概略構成を示す断面図である。図１に示す電源一体型真空ポンプ１は磁気軸受式のターボ分子ポンプであって、ポンプユニット２０と電源ユニット３０とがボルト４０によって固定され、一体となっている。

ポンプユニット２０において、ロータ２が取り付けられたシャフト３は、ポンプベース４に設けられた磁気軸受５１Ａ，５１Ｂ，５２によって非接触支持されている。シャフト３の浮上位置は、ポンプベース４に設けられたラジアル変位センサ７１Ａ，７１Ｂおよびアキシャル変位センサ７２によって検出される。なお、磁気軸受が作動していない状態では、シャフト３はメカニカルベアリング２７，２８によって支持される。

シャフト３の下端には円形のロータディスク４１が設けられており、このロータディスク４１を上下に挟むように隙間を介して磁気軸受５２の電磁石が設けられている。磁気軸受５２によりロータディスク４１を吸引することで、シャフト３がアキシャル方向に浮上する。ロータディスク４１はナット部材４２によりシャフト３の下端部に固定されている。

ロータ２には、回転軸方向に複数段の回転翼８が形成されている。上下に並んだ回転翼８の間には固定翼９がそれぞれ配設されている。これらの回転翼８と固定翼９とにより、ポンプユニット２０のタービン翼段が構成される。各固定翼９は、スペーサ１０によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ１０は、固定翼９を保持する機能とともに、固定翼９間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。

固定翼９の後段（図示下方）にはドラッグポンプ段を構成するネジステータ１１が設けられており、ネジステータ１１の内周面とロータ２の円筒部１２との間にはギャップが形成されている。ロータ２と、スペーサ１０によって保持された固定翼９とは、吸気口１３ａが形成されたポンプケーシング１３内に納められている。ロータ２が取り付けられたシャフト３を磁気軸受５１Ａ，５１Ｂ，５２により非接触支持しつつモータ６により回転駆動すると、吸気口１３ａ側のガスは背圧側に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口２６に接続された補助ポンプ（不図示）により排出される。

電源ユニット３０は、ポンプユニット２０に設けられたポンプベース４の底面側にボルト固定されている。ポンプユニット２０を駆動制御する電源ユニット３０には、主制御部、磁気軸受駆動制御部、モータ駆動制御部等を構成する電子部品が設けられており、それらの電子部品は電源ユニット３０の筐体内に収納されている。

電源ユニット３０の筐体は、電源ケーシング３０１と電源ケーシング上部開口を覆う冷却ジャケット３０２とにより構成される。冷却ジャケット３０２には開口３０２ａが形成されている。電源ユニット３０側のケーブル３２３のプラグ３２４を、開口３０２ａを通してポンプベース４の底面に設けられたレセプタクル４１１に接続することにより、電源ユニット３０がポンプユニット２０に接続される。

図２は、電源ユニット３０の概略構成を示すブロック図である。外部からのＡＣ入力は、電源ユニット３０に設けられたＡＣ／ＤＣコンバータ１４０によってＤＣ出力（ＤＣ電圧）に変換される。ＡＣ／ＤＣコンバータ１４０から出力されたＤＣ電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ１４１に入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１によって、モータ６用のＤＣ電圧と磁気軸受用のＤＣ電圧とが生成される。

モータ６用のＤＣ電圧はインバータ１４６に入力される。磁気軸受用のＤＣ電圧は磁気軸受用のＤＣ電源１４７に入力される。図１に示した磁気軸受５１Ａ，５１Ｂ，５２は５軸磁気軸受を構成しており、磁気軸受５１Ａ，５１Ｂは各々２対の磁気軸受電磁石５００を有し、磁気軸受５２は１対の磁気軸受電磁石５００を有している。５対の磁気軸受電磁石５００、すなわち１０個の磁気軸受電磁石５００には、それぞれに対して設けられた１０個の励磁アンプ１４３から個別に電流が供給される。図１に示したラジアル変位センサ７１Ａ，７１Ｂは各々２対の変位センサ５０１を有し、アキシャル変位センサ７２は一対の変位センサ５０１を有している。５対の変位センサ５０１に対して、それぞれセンサ回路１４８が設けられている。

制御部１４４はモータおよび磁気軸受の制御を行うデジタル演算器であり、本実施形態ではＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が用いられている。制御部１４４は、インバータ１４６に対しては、インバータ１４６に含まれる複数のスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ制御信号４０１を出力し、各励磁アンプ１４３に対しては、各励磁アンプ１４３に含まれるスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ制御信号４０３をそれぞれ出力する。さらに、制御部１４４から各センサ回路１４８には、センサキャリア信号（搬送波信号）４０５が入力される。また、制御部１４４には、モータ６に関する相電圧および相電流に関する信号４０２や、磁気軸受に関する電磁石電流信号４０４が入力される。さらに、各センサ回路１４８からは、ロータ変位により変調されたセンサ信号４０６が入力される。

図１に示すように、電源ユニット３０内の各電子回路は、冷却ジャケット３０２の冷却面３０３に固定された基板３１１および、支柱３１２を介して冷却面３０３に固定された基板３１３に搭載される。基板３１１には発熱量の比較的大きな電子回路が搭載され、基板３１３には発熱量の比較的小さな電子回路が搭載される。例えば、図２に示すブロック図に記載の電子回路においては、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４０、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１、ＤＣ電源１４７、励磁アンプ１４３等を含む磁気軸受駆動回路、インバータ１４６などは基板３１１に搭載され、制御部１４４を含む制御回路は基板３１３に搭載される。

図３は、冷却ジャケット３０２の冷却面３０３に配置された部品を説明する図であり、冷却ジャケット３０２を電源ユニット３０側から見た図である。冷却ジャケット３０２には、冷却ジャケット３０２を電源ケーシング３０１にボルト固定するためのボルトが挿通される貫通孔３２９と、冷却ジャケット３０２をボルト４０（図１参照）によりポンプベース４に固定するためのネジ穴３２８とが、それぞれ複数形成されている。

冷却ジャケット３０２はアルミ材等の熱伝導性に優れた金属材料で形成され、冷却水等の液冷媒を流通させるための冷媒通路３３０を備えている。図３に示す例では、銅パイプのような金属パイプを冷却ジャケット３０２に鋳込むことにより、冷媒通路３３０が形成されている。冷却ジャケット３０２の図示右側の側面には金属パイプの入口部分３３０ａおよび出口部分３３０ｂが突出している。

図３において、冷却ジャケット３０２の破線で囲まれた領域のジャケット表面が、冷却面３０３を構成している。図１に示した基板３１１は、冷却面３０３の中央部分およびその左側の領域を覆うように固定されている。一方、冷却面３０３の基板３１１よりも右側の領域には、電子部品を搭載した基板は固定されておらず、代わりに断熱部材（以下では、断熱板３５０ａ，３５０ｂと呼ぶ）がネジ固定されている。断熱板３５０ａ，３５０ｂには、冷却ジャケット３０２よりも熱伝導率の低い材料（例えば、樹脂材料）が用いられる。例えば、ポリカーボネートやガラスエポキシ基板などが用いられる。

（Ｃ１）以上のように、電源一体型真空ポンプ１は、ポンプ本体であるポンプユニット２０とポンプ電源装置である電源ユニット３０とが一体となった真空ポンプであり、電源ユニット３０に設けられ、電子部品が実装される基板３１１と、基板３１１が接触するように固定される冷却面３０３を有する冷却装置である冷却ジャケット３０２と、熱伝導率が冷却面３０３を構成する材料の熱伝導率よりも小さく、冷却面３０３の基板３１１が固定されていない領域を覆う断熱部材である断熱板３５０ａ，３５０ｂと、を備える。

冷媒により低温となった冷却面３０３の露出面（すなわち、冷却面３０３の基板３１１が固定されていない領域）に断熱板３５０ａ，３５０ｂを設けて露出面を覆うことにより、冷却面３０３と空気の触れる面積が減少する。図３に示す例では、冷却面３０３の内、空気と接触する領域がほとんど無くなる。また、断熱板３５０ａ，３５０ｂは冷却面３０３を構成するアルミ材よりも熱伝導率の小さな材料で構成されているので、断熱板３５０ａ，３５０ｂの冷却面側の温度と空気に触れる面側の温度との間に温度差が生じる。その結果、断熱板３５０ａ，３５０ｂの表面温度を冷却面３０３の温度よりも高く維持することができ、断熱板３５０ａ，３５０ｂ上に結露が発生するのを防止することができる。

（Ｃ２）さらに、冷却装置を、冷媒が流通し、ポンプユニット２０と電源ユニット３０との間に配置される冷却ジャケット３０２として構成することで、ポンプユニット２０から電源ユニット３０への熱移動、または電源ユニット３０からポンプユニット２０への熱移動を防止することができる。

（Ｃ３）さらに、図３に示すように冷却面３０３に対して断熱板３５０ａ，３５０ｂをネジ止めすることで、断熱板３５０ａ，３５０ｂを着脱可能としたことで、回路基板を追加および削除した場合にも、冷却面３０３の露出抑制に容易に対応することができる。

例えば、電源ユニット３０の仕様に応じて、一部の回路を追加したり削除したりする場合があり、そのような回路の内で発熱量の大きな回路としては、例えば、オプションの通信用回路や、３系統温度調整用ＡＣ／ＤＣ回路などがある。図３の断熱板３５０ａ，３５０ｂが配置される領域には、そのようなオプション回路が固定される。例えば、断熱板３５０ａが配置される領域には３系統温度調整用ＡＣ／ＤＣ回路を実装した基板が固定され、断熱板３５０ｂが配置される領域には通信用回路を実装した基板が固定される。すなわち、３系統温度調整用ＡＣ／ＤＣ回路を搭載する仕様の電源ユニット３０の場合には、断熱板３５０ａの代わりに３系統温度調整用ＡＣ／ＤＣ回路を実装した基板が固定され、断熱板３５０ｂは取り付けられたままとなる。このように、断熱板３５０ａ，３５０ｂを着脱可能としたことにより、複数の仕様の電源ユニット３０に容易に対応することができる。

もちろん、冷却面３０３の基板が固定されていない領域を覆う断熱部材としては、図３に示すような着脱可能な断熱板３５０ａ，３５０ｂでなくても良く、例えば、基板が配置されない冷却面領域に、塗布等によって断熱材の層（例えば、厚膜）を形成するようにしても良い。上述のような複数の仕様に対応した電源ユニット３０ではなく、単一仕様の電源の場合であっても、直接冷却を必要とする基板の面積よりも冷却ジャケット３０２の冷却面３０３の面積の方が大きい場合には、基板が設けられない冷却面領域に塗布等による断熱材層を形成しても良い。

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、上述した実施の形態では、ポンプユニット２０がターボ分子ポンプである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２０はターボ分子ポンプに限定されない。

１…電源一体型真空ポンプ、２０…ポンプユニット、３０…電源ユニット、１４０…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１４１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４７…ＤＣ電源、１４３…励磁アンプ、１４６…インバータ、３０２…冷却ジャケット、３０３…冷却面、３５０ａ，３５０ｂ…断熱板、３１１，３１３…基板、３３０…冷媒通路

Claims

ポンプ本体とポンプ電源装置とが一体となった電源一体型真空ポンプにおいて、
前記ポンプ電源装置に設けられ、電子部品が実装される基板と、
前記ポンプ電源装置内に露出する露出面を有し、前記露出面は、前記基板が接触するように固定される第１領域、および、前記基板が固定されない第２領域を含む冷却装置と、
熱伝導率が前記露出面を構成する材料の熱伝導率よりも小さく、前記基板が固定されていない前記第２領域を覆う板状の断熱部材とを備え、前記基板が固定されていない前記第２領域における結露の発生を抑制するように構成した、電源一体型真空ポンプ。
請求項１に記載の電源一体型真空ポンプにおいて、
前記冷却装置は、前記ポンプ電源装置の筐体の一部であって、前記ポンプ本体に固定され、かつ、冷媒が流通する冷却ジャケットであり、
前記冷却ジャケットのポンプ電源装置内周面に前記第１領域および前記第２領域が形成されている、電源一体型真空ポンプ。
請求項１または２に記載の電源一体型真空ポンプにおいて、
前記断熱部材は前記第２領域に対して着脱可能に設けられている、電源一体型真空ポンプ。