JP7273712B2 - 高速回転機用赤外線温度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、回転機ローター、特にターボ分子真空ポンプローターなどの高速回転機ローターの温度を測定するように構成された赤外線センサシステム、及び赤外線センサシステムを備えるモーターに関する。また、本発明は、赤外線センサシステムの動作有効性を試験する方法及びこの方法を実行するように構成された制御装置に関する。さらに、本発明は、赤外線センサによって監視される表面の放射率を較正する方法及びこの方法を実行するように構成された制御装置に関する。
多くの回転機は、赤外線センサを利用して感温可動部の温度を検出する。可動部に接触して接触センサを配置することは困難であり、赤外線センサなどの非接触センサが理想的な解決策である。
図1に示すように、公知の赤外線センサ2は、通常、非常に薄い膜(又はウィンド)8などの赤外線吸収材(吸収材)8に結合された温接点6、すなわち検出接点6と直列に接続した複数のサーモカップルであるサーモパイル4を備える。小さな熱質量の吸収材8は、測定中の物体101の表面温度TOBの変化に素早くに反応することを意味する。
サーモパイル4の冷接点10は、通常、等温ブロック12内に配置されるので、全ての冷接点10は、センサ内部のサーミスタ18によって測定した場合に同じ温度つまりセンサの基準温度TREFである。
測定される物体101がセンサのIR吸収表面の8の前に配置される場合、IR吸収表面8は、吸収表面8が測定中の物体101の温度よりも高いか又は低いかに応じて、それぞれ熱(赤外線)放射の形態の熱正味利得又は熱正味損失を受けることになる。
センサ2と比較して、物体101の表面温度(TOB)が上昇すると、温接点6は、赤外線を吸収し始め、基準温度(TREF)よりも高温になる可能性がある。これによって、物体表面の温度(TOB)の変化に対応する電圧がサーモパイル4に生成される。赤外線センサによって測定された温度TOBは、内部サーミスタ18によって測定された温度TREFによって補正され、物体表面温度の正確な読取り値が取得される。
ターボ分子ポンプは、高真空すなわち低圧が必要とされる多くの用途で使用されている。例えば、半導体業界では、低欠陥デバイスの歩留まりを高めるのに必要な低圧を維持するために、多くの処理ステップでターボ分子ポンプを使用している。
作動時、ターボ分子ポンプローターは、高回転速度で回転する。ローターブレード先端とポンプケーシング内壁との間の許容差又は距離は、ポンプが所要のポンプ性能を達成するために可能な限り小さくする必要がある。ポンプが所望の温度以上で作動する場合、結果的に生じるローターブレードの膨張は、ローターブレードがステータブレードなどの内部機構の静止部分と衝突することに起因して、破壊的故障が発生し得るようなものである可能性がある。従って、内部ポンプ温度の注意深い制御及び監視が必要である。このことは、赤外線温度センサ2を使用して実現される場合が多い。
半導体業界によって利用される多くの処理ステップでは、処理チャンバから離れてターボ分子ポンプを含む真空ポンプシステムを通って移送される腐食性及び/又は凝縮性の副産物が生成される。これらのプロセスは、使用された何らかの温度センサの表面を覆うか又はこれを腐食させる、もしくは監視されているローターの表面を覆う可能性があり、その結果、特に正確な読み取り値を提供する赤外線センサの能力を妨げる程度まで、表面放射率が変わる。
従って、温度センサは、ポンプ内の危険な温度上昇を検出することができない場合がある。
本発明の目的は、上記の問題を解決するか又はこれらの問題の影響を少なくとも低減することである。
本発明によれば、赤外線温度センサシステムを表面の初期放射率EIを測定してこれを予測放射率EEと比較する方法が提供され、本システムは、測定される表面に向けられた赤外線温度センサと、赤外線センサの近くに配置されてセンサを加熱する加熱器とを備え、本方法は、表面を有意に加熱することなく赤外線センサを加熱するために加熱器の温度を上昇させるステップと、赤外線センサを加熱することによって生成された生成電圧VGを測定するステップと、赤外線センサによって生成された電圧を予測電圧VEと比較するステップと、表面の初期放射率EIを式EI=EE(VG/VE)に従って計算するステップと、を含む。
本発明の別の態様によれば、赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法が提供され、本システムは、赤外線センサと、赤外線センサの近くに配置されてセンサを加熱する加熱器とを備え、本方法は、赤外線センサを赤外線センサの外部にある物体の放射率Eを有する表面に向けるステップと、物体表面を有意に加熱することなく赤外線センサを加熱するために加熱器の温度を上昇させるステップと、赤外線センサを加熱することによって生成電圧VGを測定するステップと、赤外線センサによって生成された電圧を予測電圧VEと比較するステップとを含む。
本方法は、VGがVEに実質的に等しくない場合に、赤外線システムは理想的な動作状態ではないと判定し、又は、逆に、VGがVEに実質的に等しい場合に、赤外線システムは理想的な動作状態であると判定するさらなるステップを含むことができる。
赤外線センサシステムは、回転機及び赤外線センサ内に配置され、回転機の回転面から放出された熱放射を測定するように向けることができる。赤外線センサシステムは、真空ポンプ内に配置され、真空ポンプローター表面、特にターボ分子ポンプローターから放出された熱放射を測定するように向けることができる。
本方法は、ポンプが室温の場合に初期化することができ、又は、本方法は、ポンプが定常動作状態にある場合に初期化することができる。
本発明のさらなる態様によれば、赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法が提供され、本システムは、モーターの近くに又は該モーターと一体で配置された赤外線センサを備える、本方法は、赤外線センサを、赤外線センサの外部にある放射率Eを有する物体の表面に向けるステップと、物体面を有意に加熱することなく赤外線センサを加熱するために、モーターの有意な回転を引き起こすことなくモーターの温度を上昇させるように少なくとも1つのモーター巻線に直流を印加するステップと、赤外線センサによる生成電圧VGを測定するステップと、赤外線センサによって生成された電圧を予測電圧VEと比較するステップとを含む。
本方法は、VGがVEに実質的に等しくない場合に、赤外線システムは理想的な動作状態ではないと判定し、又は、逆に、VGがVEに実質的に等しい場合に、赤外線システムは理想的な動作状態であると判定するさらなるステップを含むことができる。
赤外線センサシステムは、回転機及び赤外線センサ内に配置することができ、赤外線センサは、回転機の回転面から放出された熱放射を測定するように向けることができる。赤外線センサシステム及びモーターは、真空ポンプ内に配置され、真空ポンプローター表面、特にターボ分子ポンプローターから放出された熱放射を測定するように向けることができる。本方法は、ポンプが室温である場合に初期化することができる。
本発明のさらに別の態様によれば、ローターの表面から放出された熱放射を測定する赤外線センサシステムが提供され、本システムは、赤外線センサと加熱器とを備え、加熱器は、赤外線センサの近くに配置されてセンサを加熱する。好ましくは抵抗加熱器である加熱器は、赤外線センサと一体とすることができる。赤外線システムを備える真空ポンプ、特にターボ分子ポンプを提供することができ、赤外線システムは、真空ポンプのローター表面から放出された熱放射を測定するように配置される。真空ポンプのローター表面は、ターボ分子ローターブレード、ターボ分子ステータブレード、ローターシャフト、及び分子ポンプローターのうちの1つの表面とすることができる。
ローターを回転させるモーターを提供することができ、モーターは、上記赤外線システムを備え、赤外線センサは、モーター巻線の近くに配置され、ローターを含む装置内にある場合にローター表面から放出された熱放射を測定するように配置することができる。
モーター巻線は、ポッティング材内に封入することができ、赤外線センサは、ポッティング材内に取り付けることができる。加熱器は、モーターによってもたらすことができる。
ターボ分子真空ポンプを提供することができ、ターボ分子真空ポンプは、上記モーターを備え、赤外線センサは、ターボ分子ローターブレード、ターボ分子ステータブレード、ローターシャフト、及び分子ポンプローターのうちの少なくとも1つの表面から放出された熱放射を測定するように向けることができる。もしくは、赤外線センサが向けられる表面は、炭素繊維強化スリーブとすることができる。
本発明を十分理解できるように、単に例示的に提示された実施形態は、以下に添付図面を参照して説明される。
公知の赤外線センサの概略図である。 本発明の1つの態様による赤外線センサシステムの概略図である。 本発明の態様による赤外線センサシステムを備えるターボ分子ポンプの断面図である。 本発明のさらなる態様による赤外線センサシステムを備えるターボ分子ポンプの部分断面図である。
まず図2を参照すると、本発明による赤外線センサシステム20の概略図が示されている。
センサシステム20は、図1に示しかつ上述したように、一般的な赤外線センサ2の特徴部と実質的に同じ特徴部を有する赤外線センサ2を備える。センサシステム20は、センサ2の近くに配置された加熱器14と、赤外線センサ2及び加熱器デバイス14に接続された制御装置16とをさらに備える。
制御装置16は、本発明の方法に従って赤外線のセンサシステム20を作動させるように構成されている。
加熱器14は、制御装置16が加熱器14を作動させる場合に、赤外線システムが向けられている物体101の表面105を実質的に加熱することなく赤外線センサ2を加熱するように、赤外線センサ2の近くに配置する必要がある。図2に示す実施例において、表面105は、真空ポンプローターつまり物体101の表面である。センサシステム20の加熱器14は、赤外線センサ2と別個とすること又は一体とすることができ、何らかの適切な形式の加熱器14、例えば、抵抗加熱器とすることができる。
作動時、赤外線センサシステム制御装置16は、以下に説明するように、本発明の第1の態様すなわち方法に従って、動作状態検査を実行することができる。
この方法によって、赤外線のセンサシステム20の動作状態は、真空ポンプローター101の表面105が室温である場合に、すなわちポンプ(図示せず)の始動前に、又は、定常動作状態時に、例えば、ポンプが動作速度で稼動しかつガスが入口を通過していない場合のいずれかで判定することができる。真空ポンプがこれらの2つの条件状態(オフ又は定常状態時)のうちの一方にある場合、赤外線センサ2とローター面105との間の熱の正味交換は、各々が実質的に同じ温度となるはずなのでゼロになるはずである。
次に、加熱器14が赤外線センササーモパイル4の温接点/端子6及び冷接点/端子10の両方を均等に加熱し、赤外線センサ吸収材ウィンド8が清浄で残留物がない場合、この時点でローター面105は赤外線センサ2よりも低い温度になるので、ローター面105に対して正味熱損失があることになる。従って、予測生成電圧VEに一致することになる負電圧VGが、サーモパイル4内に生成されることになる。従って、制御装置16は、赤外線システム20の動作状態が理想的であることを示すことができる。
「理想的」とは、センサの状態が期待通り機能していると考えられ、現時点では保守管理が必要ないことを意味する。
しかしながら、センサ吸収材ウィンド8がグリース又は他のデブリで覆われている場合、ウィンド8からの熱損失率は、デブリの断熱効果及びサーモパイル4に戻る熱反射によって予測よりも低くなる。従って、生成電圧VGは、予測生成電圧VEと実質的に等しくないので、制御装置16は、動作状態が理想的ではなく、システム20の点検が必要であることを示すことができる。
また、制御装置16は、表面の初期放射率EIを測定してこれを予測放射率EEと比較する方法を提供する本発明のさらなる態様によってシステム20を作動させるように構成することもできる。
赤外線センサ2によって温度が測定されることになるローター101の表面105に高放射率被覆を施工することは特に好都合である。高放射率被覆は、赤外線センサ2からの熱が表面105から離れて反射せず、ローター101の表面によって生成された実質的に全ての熱放射が赤外線センサ2に向けられることを保証するので、正確な温度読み取り値を取得できることを保証する。経時的な被覆喪失の問題を解決するために、炭素繊維強化エポキシスリーブ110をターボ分子ポンプのローターなどのローターに取り付けることが特に好都合であることが分かっている。
しかしながら、ローター101の被覆表面105又はスリーブ110の表面105’がポンプの初期製造時にグリースで覆われた場合、被覆表面又はスリーブの初期放射率EIは、予測値EEよりも低くなり、ポンプの残存運転寿命にわたって不正確な読み取り値につながる。
従って、赤外線センサシステム20を使用することで、製造後に正確な読み取り値を取得できるように、製造後すなわち使用前に、表面105、105’初期放射率EIを較正することが可能である。この第2の方法は、表面105、105’を著しく加熱することなく赤外線センサ2を加熱するために、加熱器14の温度を上昇させるステップと、表面105、105’に向けられた赤外線センサ2によって、生成電圧VGを測定するステップと、赤外線センサ2による生成電圧VGを予測電圧VEと比較するステップと、式EI=EE(VG/VE)に従って表面105の初期放射率EIを計算するステップとを含む。
表面105、105’の放射率が予測通りであることが分かった場合、試験中の生成電圧VGは、予測生成電圧VEのそれに実質的に一致することになる。しかしながら、被覆されたローター101又はロータースリーブ110の表面105、105’の放射率が予測ほど良好ではない場合、試験中に表面105、105’によって吸収又は反射された熱量は一致しないことになり、生成電圧VGは、比例的に異なることになる。従って、被覆された表面105又はスリーブ面105’の初期放射率EIを計算することができる。放射率測定値が所定の許容範囲、例えば、0.9~0.97である場合、計算された初期放射率EIは、ポンプが動作中に今後の温度読み取り値を較正するために制御装置16によって使用される。測定された初期放射率が所定の許容範囲に無い場合、ポンプは点検する必要があり、スリーブ110は交換する必要があり、被覆は補う(replenished)必要がある。
図3及び図4を参照すると、本発明のさらなる態様による、モーター26を備えるターボ分子ポンプ1の断面が示されている。ポンプ1は、使用時、ガスを受け入れるための入口3とポンプ1を通って移送されたガスを排出するための出口5とを有するハウジングつまりケーシング19を備える。
ケーシング19内には半径方向外方に延びる複数のローターブレード段9を有するローター100が設けられている、ケーシング19は、ターボ分子ポンプ設計の当業者によく知られている方法で、半径方向内方に延びて、各ローターブレード段9の間に位置する一連のステータブレード段11を有するステータ構成要素を定める。また、ローター100は、出口5の近くで、一連の分子ドラッグつまりHolweck段13を備え、これはポンプの入口圧力要件を下げてターボ分子ポンプを補助する。
この実施形態において、ローター100は、最上端及び最下端(例示するように)でそれぞれ軸受17及び15で回転支持されている。最下軸受15は、ボール型軸受構成を備え、最上軸受17は、受動磁気軸受構成を備える。また、ローターの最上部は、受動磁気軸受17の不良の場合にローターがポンプの静止部と衝突するのを防止するためにボール型スラスト軸受セット(図示せず)によって保護することもできる。
ローター100は、モーター26に結合されている。図示の実施例において、モーター26は、ステータ28に収容された同期二極、三相ブラシレス24ボルト直流モーターである。モーター26は、モーターステータ28の周りに等間隔で分散配置された3セットのモーターコイル巻線44を備える。モーターコイル巻線44は、熱伝導率が良好なエポキシ樹脂などのポッティング材の中の収容されている。モーターシャフト115は、ローター100に結合してこれを回転させる。
通常使用時、モーターシャフト115の整流(commutation)は、外部制御装置16を使用して制御され、外部制御装置16は、磁石の極の位置に応じて、3つのモーター巻線44の各々を順々にオンにして、モーターシャフト115、結果的にポンプローター100を回転させる。
また、モーター26は、赤外線センサ2を有する一体型赤外線センサシステム20を備える。センサは、コイル巻線44のポッティング材の中に収容されて示されているが、モーターステータハウジング28の中、及び/又はその上に位置することもできる。上述のように、赤外線センサ2は、赤外線放射を監視することで対象装置101(この実施例では、ローター100)の表面温度TOBを測定するサーモパイル4と、温度補正のために赤外線センサ2のケーシング21の温度TREFを監視するサーミスタ18とを備える非接触表面温度測定センサである。
通常使用時、赤外線センサ2は、図3(又は図4の102)に示すように、ローター100上の標的領域105から放出された赤外線を監視する。赤外線センサによって測定された温度TOBは、内部サーミスタ温度TREFによって補正され、ローター表面105の温度の正確な読み取り値が取得される。ターボ分子ポンプ1の通常使用時に、ガス負荷がポンプ送給されるか又は出口5の背圧がポンプの設計レベルを上回ったままである場合、ローター温度は上昇することになる。赤外線センサ2は、対象のローター温度TOBを示す信号を制御装置16に送出し、所定の温度を上回る場合、警報が発せられる及び/又は損傷又はポンプ故障を防止するためにポンプが減速される。
赤外線センサ2によって取得したローター温度読み取り値を向上させるために、ローター上の標的走査領域105、102は、塗布された高放射率被覆を有すること(米国特許第5350275号に記載されている)、又は、好ましくは炭素繊維強化エポキシスリーブ110を有することができる。標的走査領域は、理想的にはローター軸115上にあるが、赤外線センサの標的物体表面102がステータブレード11であるか又はドラッグポンプ機構13である(図4に示す)ように赤外線センサをモーター内に配置することも適切である。
従来試行された赤外線センサ2の位置は、ポンプケーシング19の中であったか又は欧州特許第1348940号で開示されているようにポンプの基部内に埋設されていた。しかしながら、これらのセンサは、腐食及び/又はプロセス堆積(process deposition)の影響を受けるので、これらの構成は、安定的に信頼性の高い温度測定を行うことができないことが分かっている。
図3及び図4に示す実施形態は、モーター26に一体型赤外線センサ2を設けることによって上述した赤外線システム20に優るさらなる利点を提供し、センサ2の動作状態を検査及び試験することができる装置を提供する。これらの実施例において、モーター26が加熱器デバイス14として機能し、本方法は、モーターの有意な回転を引き起こすことなくモーターの温度を上昇させるために、少なくとも1つのモーター巻線に直流を印加するステップを含む。従って、赤外線センサ2は、物体表面105を有意に加熱することなく加熱されることができる。その後、表面に向けられた赤外線センサ2による生成電圧VGを測定して予測生成電圧VEと比較することができる。
ポンプ1の内部のセンサ2の動作状態は、好ましくは、ポンプ1が室温にある間に試験/初期化される。ポンプ制御装置16又は操作手段(operative)は、最初に、所定の温度上昇がセンサの内部サーミスタ18によって測定されるまで、好ましくはコイル巻線44の通常の動作電流よりも高い電流の直流をモーターコイル巻線44の少なくとも1つを通して送出する。電流をモーターコイル巻線44の少なくとも1つに又は任意数のモーターコイル巻線に同時に送出することは、ポンプ巻線自体の温度は上昇するが、ローター100は整流信号がないので回転しないことを意味する。最初に小さな回転が生じる場合もあるが、その回転はポンプ1の定格回転数よりも実質的に低いはずである。ポンプ1は、整流信号がないので最高回転数で回転することができず、ガス圧縮に起因するローター100内での熱の発生は全くないか僅かである。
モーター26を所定の温度に加熱することによって、センサ2及び制御装置16は、通常であれば室温では存在しないであろうモーター26及びセンサ2の内部基準温度TREFと対象ローター101の表面温度TOBとの差を検出する必要がある。センサの動作有効性がプロセス副産物の影響を受けていない場合、TREFは、TOBよりも既知の値だけ大きいはずであり、換言すると、センサVGによって生成された電圧は、予測生成電圧VEとは異ならないはずである。しかしながら、センサが覆われている又は多少なりとも腐食しているか、又はローター表面105がセンサの放射率が変わるように覆われている場合、センサ2は、ローター表面温度を正確に測定することができず、生成電圧VG(すなわち、測定された温度差)は、予測生成電圧VEとは異なることになる。
所定の温度上昇は、上述したように、直流をモーター巻線の少なくとも1つを通して設定期間にわたって送出するか、又はセンサのサーミスタ18が所定の温度上昇が達成されたことを検出するまで送出するかのいずれかによって達成することができる。
例えば、試験において、15アンペアの電流を2つのモーター巻線コイルを通して送出すると、3分で25℃~35℃の温度上昇がもたらされる。測定された温度上昇が予測通りでない場合、例えば、少なくとも10℃の上述の温度上昇である場合、オペレータ又は制御装置16は、赤外線センサ2又は表面105の放射率が、理想的ではない読み取り値をもたらしていると判定し、ポンプを点検する警告信号を発することになる。
製造時、センサが正しく動作していることが分かっている場合、物体温度TOBの予期しない上昇は、標的表面105、102からの予測より低い放射率が原因である可能性がある。ここの場合、予期しない上昇によって、ローター表面の正確な放射率を計算することができ、ポンプ1が完全に組み付けられた状態でIRセンサシステム20の較正に影響を与える。
勿論、本発明の別の態様によれば、赤外線センサ2及びその近くの上述のように動作し得る加熱デバイス14を含むセンサシステム20を備えるターボ分子ポンプ1を提供することができる。

Claims (7)

  1. 赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法であって、前記赤外線センサシステムは、赤外線温度センサと、前記赤外線温度センサの近くに配置されて前記赤外線温度センサを加熱する加熱器をと備え、
    前記赤外線センサシステムは、真空ポンプ内に位置し、かつ、真空ポンプローターの表面から放射される熱放射を測定するように向けられ、
    i.前記赤外線温度センサを前記赤外線温度センサの外部にあり、放射率Eを有する前記真空ポンプローターの表面に向けるステップと、
    ii.前記真空ポンプローターの表面を有意に加熱することなく前記赤外線温度センサを加熱するために前記加熱器の温度を上昇させるステップと、
    iii.前記赤外線温度センサを加熱することによって生成された生成電圧VGを測定するステップと、
    iv.前記赤外線温度センサによって生成された前記生成電圧VGを予測電圧VEと比較するステップと、
    v.VGがVEに実質的に等しくない場合に、前記赤外線センサシステムは理想的な動作状態ではないと判定する、又は、VGがVEに実質的に等しい場合に、前記赤外線センサシステムは理想的な動作状態であると判定するステップと、を含む、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記真空ポンプは、ターボ分子ポンプである、
    請求項1に記載の赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法。
  3. 前記方法は、前記真空ポンプが室温である時に初期化される、
    請求項1又は2に記載の赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法。
  4. 前記方法は、前記真空ポンプが定常動作状態にある時に初期化される、
    請求項1又は2に記載の赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法。
  5. 赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法であって、前記赤外線センサシステムは、モーターの近くに又は該モーターと一体で配置された赤外線温度センサを備え、
    前記赤外線センサシステム及びモーターは、真空ポンプ内に位置し、かつ、前記赤外線センサシステムは真空ポンプローターの表面から放射される熱放射を測定するように向けられ、
    i.前記赤外線温度センサを、前記赤外線温度センサの外部にある放射率Eを有する前記真空ポンプローターの表面に向けるステップと、
    ii.前記真空ポンプローターの表面を有意に加熱することなく前記赤外線温度センサを加熱するために、前記モーターの有意な回転を引き起こすことなく前記モーターの温度を上昇させるように少なくとも1つのモーター巻線に直流を印加するステップと、
    iii.前記赤外線温度センサによる生成電圧VGを測定するステップと、
    iv.前記赤外線温度センサによって生成された前記生成電圧VGを予測電圧VEと比較するステップと、
    v.VGがVEに実質的に等しくない場合に、前記赤外線センサシステムは理想的な動作状態ではないと判定する、または、VGがVEに実質的に等しい場合に、前記赤外線センサシステムは理想的な動作状態であると判定するステップと、を含む、
    ことを特徴とする方法。
  6. 前記真空ポンプは、ターボ分子ポンプである、
    請求項5に記載の赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法。
  7. 前記方法は、前記真空ポンプが室温である時に初期化される、請求項5又は6に記載の赤外線センサシステムの動作状態を試験する方法。
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