WO2010061939A1

WO2010061939A1 - ドライ真空ポンプユニット

Info

Publication number: WO2010061939A1
Application number: PCT/JP2009/070072
Authority: WO
Inventors: 柏原智; 新村恵弘; 関口信一; 中澤敏治; 大山敦
Original assignee: 株式会社荏原製作所
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2010-06-03

Abstract

　ドライ真空ポンプユニットは、小型軽量で、ハンドリングで容易に持ち運びできる。このドライ真空ポンプユニットは、一対のポンプロータ（３２ａ，３２ｂ）と吸気口（５ａ）及び排気口（５ｂ）を有するケーシング（３０）とを備えたポンプ部（５ｐ）と、モータ部（５ｍ）を備えている。モータ部（５ｍ）は、一対のマグネットロータ（３４）を備え、一対のポンプロータを、タイミングギヤを使用することなく、互いに同期させて反対方向に回転させるマグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータである。ケーシング（３０）は、好ましくは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。ポンプロータ（３２ａ，３２ｂ）は、好ましくは、鋼材からなる回転軸（３１ａ，３１）の外周にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるスクリューを嵌合固定するか又は樹脂材からなるスクリューを形成固定して構成されている。

Description

ドライ真空ポンプユニット

　本発明は、真空到達圧力が１Ｐａ程度のドライ真空ポンプユニットに関する。

　スパッタリング装置、ヘリウムリークディテクター、ＳＥＭ等の分析装置等の用途に、真空到達圧力が１Ｐａ程度の排気能力を持つ真空ポンプが用いられている。またターボ分子ポンプ等の高真空ポンプの粗引き用の真空ポンプとして、また、真空乾燥・真空貼り合わせ装置等のように水蒸気等のガスを吸引する目的にも上記排気能力を持つ真空ポンプが用いられている。
　小容量で小型軽量の真空ポンプとしては、油回転ポンプが主流である。しかしながら、真空チャンバーへの油蒸気の逆拡散（真空チャンバー、ワークの油汚染）、排気ラインの油汚染（火災の危険）、環境汚染、油飛散による油の減少、水分混入等による油の劣化、汚損等、また定期的に必要な油補充・油交換等の問題がある。特に、真空ポンプ用のフッ素系油は一般に高価であり、交換作業も面倒である。
　そこで、近年、油回転ポンプに代替する真空ポンプとして、スクロール型ドライ真空ポンプが登場してきた。スクロール型ドライ真空ポンプは、オイルフリーであり、スクロールの揺動運動により真空から大気圧まで連続的に圧縮するので、真空運転時の動力が小さく、比較的真空到達性能がよい等の特徴を有する。しかしながら、スクロールの端部にチップシール（接触シール）を使用するので、チップシールが磨耗してパーティクルが発生し、真空チャンバー内部を汚染するという問題がある。また、チップシールが磨耗するので、経年的に真空性能が低下し、連続運転１年程度でチップシール等を交換しなくてはならない。さらに、チップシールの交換作業の際は真空ポンプを分解しなくてはならず、交換費用が高価になる。また、同容量の油回転ポンプと比較して、大型でコストが高い等の問題がある。
　真空ポンプの中で、半導体製造用途等で使用される比較的排気速度の大きい（１０００Ｌ／ｍｉｎ以上）真空ポンプとして、従来から多段ルーツ型やスクリュー型等の２軸容積移送式ドライ真空ポンプが使用されている。また、到達真空圧力が１Ｐａ以下の真空排気性能と、さらに大きな排気速度を得るために、メインポンプとブースターポンプの２台のポンプを直列に配管接続して、１つの真空ポンプユニットを構成しているものもある。２軸容積移送式ドライ真空ポンプは、油回転ポンプのようにガス通路に油を使用していないので油汚染が無く、またスクロール型ドライ真空ポンプのようにチップシールを用いずに非接触動作が可能なので、チップシールの摩耗によるパーティクルの発生などもなく、半導体製造などに用いて好適である。
　出願人は、スクリュー型の軸容積移送式真空ポンプユニットを提案している（特開２００７−２３１９３５号公報参照）。この真空ポンプユニットは、外気圧側に配置されるメインポンプ（真空ポンプ）と、真空側に配置されるブースターポンプ（真空ポンプ）とを備え、ブースターポンプとメインポンプとを直列に接続して構成されている。メインポンプとブースターポンプは、それぞれ１対のスクリュー型ポンプロータと、これら一対のスクリュー型ポンプロータを収納するケーシングと、前記１対のスクリュー型ポンプロータと一体に回転する１対のマグネットロータとを備えている。この真空ポンプユニットによれば、小型・コンパクト化が図れ、十分な到達真空度が得られ、低消費電力で、油やチップシールなどによる汚染の問題がなく、短時間で大気圧からの排気が可能になる。
　しかしながら、上記特開２００７−２３１９３５号公報に記載の構成の真空ポンプユニットは、２００~５００Ｌ／ｍｉｎ^−１クラスの排気量で、且つ１Ｐａの到達圧を有するが、この真空ポンプユニットをハンドリングで移動可能とするためには、重量を２０ｋｇ以下にする必要があり、ハンドリングで移動させるには十分でなく、しかも、運転周波数とロータの固有振動数が近づくと、共振しポンプ振動が大きくなるという問題があることが判った。
　更に、上記特開２００７−２３１９３５号公報に記載の構成の真空ポンプユニットは、小型化のため、そのスクリュー型ポンプロータを高速で回転させる必要があるが、このようにスクリュー型ポンプロータを高速で回転させると、ポンプロータに作用するスラスト荷重が大きくなり、このスラスト荷重を受けるスラスト軸受の負荷が増加し、同時にスラスト軸受の温度も高温となり、スラスト軸受の信頼性が確保できなくなるという問題点があることが判った。

　本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ハンドリングで容易に持ち運びが可能なドライ真空ポンプユニットを提供することを第１の目的とする。
　また、本発明は、スクリューロータの回転が高速化しても、スラスト荷重を受けるスラスト軸受の信頼性を十分確保することができるドライ真空ポンプユニットを提供することを第２の目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明のドライ真空ポンプユニットは、一対のポンプロータと吸気口及び排気口を有するケーシングとを備えたポンプ部と、該ポンプ部の前記一対のポンプロータを回転駆動させるモータ部を備えている。前記モータ部は、一対のマグネットロータを備え、前記一対のポンプロータを、タイミングギヤを使用することなく、互いに同期させて反対方向に回転させるマグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータである。
　本発明の好ましい一態様において、前記一対のポンプロータは、スクリューロータである。
　本発明の好ましい一態様において、前記ケーシングは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、前記ポンプロータは、鋼材からなる軸の外周にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるスクリューを嵌合固定するか又は該鋼材からなる軸の外周に樹脂材からなるスクリューを形成固定した構成である。
　本発明の好ましい一態様において、前記モータ部の前記一対のマグネットロータは、モータドライバから供給される直流矩形パルスにより１００００ｍｉｎ^−１以上の高速で回転する。
　本発明の好ましい一態様において、前記ポンプロータには、該ポンプロータのアンバランスを修正するバランスリングが設けられている。
　本発明の好ましい一態様において、前記ポンプ部と前記モータ部はモジュール化されポンプモジュールとなって２組備えられ、一方のポンプモジュールは真空側に他方のポンプモジュールは大気圧側それそれ位置して直列に配置されている。
　本発明によれば、モータ部は、一対のマグネットロータを備え、一対のポンプロータを互いに同期させて反対方向に回転させるマグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータであることから、一対のポンプロータを互いに同期させて反対方向に回転させるためのタイミングギヤ、及び該タイミングギヤを潤滑するための潤滑油や潤滑系を省略できるから、ドライ真空ポンプユニット全体を更に軽量化（ハンドリング、即ち人手で持ち運びできる２０ｋｇ以下）することが可能となる。また、真空ポンプとして回転運転を行っている最中に発生する駆動力ロスをポンプロータの回転軸を支える軸受の回転摩擦ロスに限定し、モータ部の消費電力ロスを最小限にすることが可能となる。
　ケーシングをアルミニウム又はアルミニウム合金で構成し、ポンプロータを鋼材からなる軸の外周にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるスクリューを嵌合固定するか又は該鋼材からなる軸の外周に樹脂材からなるスクリューを形成固定した構成とすることで、ポンプロータが軽量となり、ドライ真空ポンプユニットの更なる軽量化が可能となる。
　ポンプロータを１００００ｍｉｎ^−１以上の高速で回転させることで、小型のドライ真空ポンプユニットでも排気量２００Ｌ~５００Ｌ／ｍｉｎクラスで、且つ到達圧力が１Ｐａ程度のドライ真空ポンプユニットを実現できる。
　ポンプロータに該ポンプロータのアンバランスを修正するバランスリングを設けることで、バランスリングによる調整のみでポンプロータのバランスを容易に調整でき、１００００ｍｉｎ^−１以上の高速で安定したポンプロータの回転が実現できる。
　ポンプ部とモータ部をモジュール化したポンプモジュールを２組備え、一方のポンプモジュールを真空側に他方のポンプモジュールを大気圧側それそれ位置させて直列に配置することで、ドライ真空ポンプユニット全体の更なる小型軽量化が可能となる。
　本発明の他のドライ真空ポンプユニットは、外気圧側に配置されるメインポンプと、真空側に配置されて前記メインポンプに直列に接続されるブースターポンプとを備えている。少なくとも前記メインポンプは、互いに平行に配置された一対のスクリューロータと、これら一対のスクリューロータを収納するケーシングと、前記一対のスクリューロータと一体に回転する一対のマグネットロータとを有し、前記一対のスクリューロータの回転軸は上下方向に向けて縦置きに設置されていると共に、前記ケーシングに設けられた吸気口は排気口よりも上方に位置し、さらに前記回転軸のスラスト軸受は回転軸上部の吸気側に設置されている。
　本発明の好ましい一態様において、前記スラスト軸受は、セラミックボール軸受である。
　本発明によれば、メインポンプのケーシングの吸気口を排気口よりも上方に位置するようにメインポンプを縦置きに設置したので、一対のスクリューロータに加わるスラスト荷重は上向きとなり、スクリューロータの自重（下向き）との間で相殺でき、スラスト荷重を低減できる。同時に回転軸のスラスト軸受を、圧縮熱が発生しない比較的低温の吸気側に設置したので、スラスト軸受の高温化も防止できる。そしてこれらの相乗効果によって、たとえスクリューロータが高速回転しても、それらのスラスト軸受の信頼性を十分確保することができる。
　スラスト軸受として、耐熱性に優れ、高速回転に適したセラミックボール軸受を用いることで、更なるスラスト軸受の信頼性の向上を図ることができる。

　図１は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットを示す正面図である。
　図２は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットを示す上面図である。
　図３は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットを示す左側面図である。
　図４は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットを示す右側面図である。
　図５は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットの冷却空気の流れ及び伝熱状態を説明するための模式図である。
　図６は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットのブースターポンプとメインポンプの配置状態を示す摸式図である。
　図７は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットの運転時の排気気体の流れを示す図である。
　図８は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットの電装装置を示すブロック図である。
　図９は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットのメインポンプを示す断面図である。
　図１０は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットのメインポンプのモータ部を示す断面図である。

　以下、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１乃至図４は、本発明の実施形態に係るドライ真空ポンプユニットの構成を示す図で、図１は正面図、図２は上面図、図３は左側面図、図４は右側面図である。図１乃至図４に示するように、ドライ真空ポンプユニット１は、放熱板２を備えており、この放熱板２の上に、電装部品３、モジュール化したブースターポンプ４及びモジュール化したメインポンプ５が実装されている。ドライ真空ポンプユニット１は、全体が外装カバー６で覆われ、該外装カバー６の上面の所定位置には、両手で把持して該ドライ真空ポンプユニット１を使用する場所に移動することができるように、２個の取っ手７が取り付けられている。
　放熱板２はは、下方に突出した多数の放熱フィン１１が設けられ、その両側に外装カバー６の下辺が取り付けられている。放熱板２の下部には冷却用の空気が通る空気流路１３が形成されており、多数の放熱フィン１１は、長手方向を空気流路１３を流れる空気の流れに向けて配置されている。電装部品３は、ブースターポンプ４やメインポンプ５を駆動する駆動部や制御する制御部を構成する整流器やインバータ等の各種電気器や電子部品であり、放熱板２上に実装されている。ブースターポンプ４やメインポンプ５を放熱板２に取り付けるためのポンプ設置台１４が備えられ、ブースターポンプ４は、ポンプ設置台１４を介して水平に取り付けられ、メインポンプ５は、ポンプ設置台１４を介して垂直に取り付けられている。
　図５に示すように、ドライ真空ポンプユニット１の外装カバー６の左外側面には、空気取り込みフード１６が取り付けられ、外装カバー６の右外側面にはファンフード１７が取り付けられ、外装カバー６の右内側面には冷却ファン１８が取り付けられている。冷却ファン１８を回転させることにより、空気取り込みフード１６の下端の空気取り込み口１６ａから流入した冷却空気は、矢印Ａに示すように、外装カバー６内の空間１９を通って流れ、外装カバー６の右内側面に設けた排出口（図示せず）から、ファンフード１７内に流れ込み、ファンフード１７の下端の空気吐出し口１７ａから外部に排気される。
　上記のように、放熱板２の上方の外装カバー６で形成された空間１９に、電装部品３、ブースターポンプ４及びメインポンプ５を配置することにより、空間１９を流れる空気流れの上流側に発熱量の少ない電装部品３及びブースターポンプ４を配置し、下流側に発熱量の多いメインポンプ５を配置したことになる。つまり空間１９を流れる空気が温度の低い領域から温度の高い領域へと流れる機器の配置構造となる。空気取り込みフード１６の内面とファンフード１７の内面には、スポンジ等の吸音材で構成される吸音層１６ｂ，１７ｂが設けられており、ドライ真空ポンプユニット１の運転中に発する騒音を外部に発散させないようにしている。
　冷却ファン１８を回転させることにより、空気流路１３の左側端部の空気取り込み口１３ａから流入した冷却空気は、矢印Ｂに示すように、空気流路１３内に位置する放熱板２の放熱フィン１１に接触しながら流れ、該空気流路１３右端部の空気吐出し口（図示せず）から外装カバー６内の空間１９内に流れ込み、メインポンプ５のポンプ部５ｐの側部を通ってファンフード１７に流れ込み、ファンフード１７の下端の空気吐出し口１７ａから外部に排気される。
　図１、図２及び図４に示すように、ブースターポンプ４のモータ部４ｍの外壁側面には放熱フィン２４ａを有する放熱板２４が取り付けられ、ポンプ部４ｐの外壁側面には放熱フィン２５ａを有する放熱板２５が取り付けられている。メインポンプ５のモータ部５ｍの外壁側面には放熱フィン２４ａを有する放熱板２４が取り付けられ、ポンプ部５ｐの外壁側面には放熱フィン２５ａを有する放熱板２５が取り付けられている。
　電装部品３、ブースターポンプ４及びメインポンプ５を実装する放熱板２は、熱伝導性の良いアルミニウム合金で構成され、ブースターポンプ４のポンプ部４ｐ及びメインポンプ５のポンプ部５ｐのケーシングは、高熱伝導性と軽量化のためにアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。また、ブースターポンプ４及びメインポンプ５を取り付けるポンプ設置台１４も高熱伝導性と軽量化のためアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。さらに放熱板２４，２５も高熱伝導性と軽量化のためアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。放熱板２、ポンプ設置台１４、及びモジュール化したブースターポンプ４及びメインポンプ５を一体材料で構成しても良い。この場合、接触部の熱抵抗が小さくなり、モジュール部からの放熱板への熱伝導が良好であり好適である。
　上記構成のドライ真空ポンプユニット１において、ポンプ運転中、電装部品３、ブースターポンプ４、及びメインポンプ５で発生した熱は、図５の矢印Ｃに示すように移動し、放熱板２に伝熱される。ここで冷却ファン１８により空気流路１３の空気取り込み口１３ａから流入した冷却空気は、矢印Ｂに示すように、該空気流路１３内に露出する放熱板２の放熱フィン１１に接触しながら流れ、放熱板２に集った熱を効率良く放熱する。更にメインポンプ５のポンプ部５ｐの外側壁面に取り付けた放熱板２５の放熱フィン２５ａに接触し、該ポンプ部５ｐを冷却する。また、空気取り込みフード１６の下端の空気取り込み口１６ａから流入した冷却空気は、矢印Ａに示すように外装カバー６内の空間１９に流れ込み、ブースターポンプ４のモータ部４ｍ及びポンプ部４ｐの外壁側面に取り付けた放熱板２４，２５の放熱フィン２４ａ，２５ａに接触し、モータ部４ｍ及びポンプ部４ｐを冷却し、更にメインポンプ５のモータ部５ｍの外側壁面に取り付けた放熱板２４の放熱フィン２４ａに接触し、該モータ部５ｍを冷却する。上記矢印Ａ，Ｂに示す空気の流れは、その後ファンフード１７内に流れこみ、ファンフード１７の下端の空気吐出し口１７ａから外部に排気される。
　上記のように一台の冷却ファン１８の運転により、空気流路１３内を流れる空気の流れ、外装カバー６内の空間１９を流れる空気の流れが形成される。この空気の流れにおいて、上流側に配置されている電装部品３、ブースターポンプ４のモータ部４ｍやポンプ部４ｐの発熱量は、下流側に配置されているメインポンプ５のモータ部５ｍやポンプ部５ｐの発熱量より少ない。従って、上記空気の流れの上流側の温度上昇は下流側のそれより低いから、冷却空気は温度上昇の低い部分（温度の低い部分）から、温度上昇の高い部分（温度の高い部分）に流れることになり、冷却効率が向上する。即ち、冷却空気流れの上流側に温度上昇の低い電装部品３やブースターポンプ４のモータ部４ｍ及びポンプ部４ｐを配置し、下流側にドライ真空ポンプユニット１の空気の圧縮比が一番大きく、発生する熱量も多いメインポンプ５のモータ部５ｍやポンプ部５ｐを配置することにより、効率の良い冷却効果が得られる配置構造となる。
　図６及び図７に示すように、ブースターポンプ４のポンプ部４ｐの排気口４ｂとメインポンプ５のポンプ部５ｐの吸気口５ａは、ポンプ設置台１４に形成された連絡通路１４ａで連通されている。ブースターポンプ４のポンプ部４ｐの吸気口４ａには吸気管２２が接続され（図１乃至図４参照）、メインポンプ５のポンプ部５ｐの排気口５ｂは、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ１を介して、ポンプ設置台１４に形成された排気通路１４ｂに接続されている。排気通路１４ｂには排気管２３が接続されている。即ち、ブースターポンプ４とメインポンプ５は直列に接続されてドライ真空ポンプを構成している。
　ポンプ設置台１４には連絡通路１４ａと排気通路１４ｂを接続する圧力開放通路１４ｃが形成され、該圧力開放通路１４ｃに中抜き用チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２が設けられている。つまり、ブースターポンプ４のポンプ部４ｐの排気口４ｂと排気通路１４ｂとを繋ぐ圧力開放通路１４ｃに中抜き用チェッキ弁Ｖ２が設けられている。ブースターポンプ４のモータ部４ｍとメインポンプ５のモータ部５ｍには、制御部２６のモータドライバ２７からＤＣパルス電流が供給され駆動する。また、冷却ファン１８も制御部２６により制御される。なお、連絡通路１４ａ、排気通路１４ｂ及び圧力開放通路１４ｃは、ポンプ設置台１４に形成せずに配管としてもよい。
　従って、メインポンプ５とブースターポンプ４との間の連絡通路１４ａ内の圧力が高いときには、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２が開き、排気管２３を介して外気と連通される。ここで、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２は、バネで与圧された弁体がＯ−リング（ゴムリング）等の弾性体を押圧して流路をシールする構造を有し、連絡通路１４ａ内の圧力が外気圧よりも高くなった場合にのみ開くようになっている。ポンプ設置台１４の材質は、チタン、ステンレス鋼などの他の材質であってもよい。
　これにより、吸気管２２が接続された排気対象の真空容器を外気圧から排気する時に、ブースターポンプ４の排気速度がメインポンプ５の排気速度より大きいため、ブースターポンプ４とメインポンプ５を接続する連絡通路１４ａ内の気体が過圧縮となるが、この過圧縮気体をチェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２により外気中に逃がすことができる。従って、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２は、気体の過圧縮を防止し、安全であると同時に、真空容器が外気圧時（吸気側圧力が外気圧に等しい時）の排気に要する動力増大を防止することができる。また、ブースターポンプ４の排気速度をそのままに維持しつつ、メインポンプ５の運転を継続することができ、起動時の排気流量の低下を防止し、短時間で所望の真空度に到達できる。
　すなわち、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２が無い場合には、気体の過圧縮を避けるため、まずメインポンプで排気し、ある程度真空状態となってからブースターポンプを起動するか、ブースターポンプを予め低い回転速度で運転しつつメインポンプを起動していた。この場合には、起動時の排気速度が主としてメインポンプで決まってくるため、排気流量が低く、所定真空度に到達するのにある程度の時間を要するという課題があった。チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２を設けることで、高い排気速度のブースターポンプで外気圧の気体を直接排気することができ、短時間で所要真空度に到達することが可能となる。
　ここで、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２の動作条件として、その上流側と下流側との間に差圧が生じると、即座に弁が閉じ、差圧が無くなると、即座に弁が開くことが挙げられる。このため、吸気側が外気圧から真空圧となった時に素早く弁が閉じ、排気時間のロスが無い。また、定常運転時には、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２は、常に閉じた状態にあるので、ブースターポンプ４の排気音が外部に漏れることがない。
　一方、メインポンプ５の排気口５ｂに接続される排気通路１４ｂに取り付けられたチェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ１も、スプリングで与圧された弁体がＯ−リング（ゴムリング）を押圧する構造を有している。これにより、真空容器内が真空となった定常運転状態の時に、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ１が殆ど閉じた状態となり、メインポンプ５の排気音が外部に漏れることを遮断できる。また、メインポンプ５が何らかの異常で運転を停止した時にも、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ１が閉じた状態であるので、真空状態が破壊されることを防止できる。
　図８は制御部２６、及びモータドライバ２７等の電装装置の構成を示すブロック図である。電装装置は、サーキットプロテクタ２８、ノイズフィルタ（ＮＦ）４３、力率改善モジュール（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）４４、モータドライバ２７、制御部２６、操作パネル４８等を備えている。モータドライバ２７は、ブースターポンプ４のモータ部４ｍを駆動するためのドライバ２７ａ、メインポンプ５のモータ部５ｍを駆動するためのドライバ２７ｂとからなる。単相交流電源４１にコンセント４２を介して電源を接続し、サーキットプロテクタ２８を投入すると、ノイズフィルタ（ＮＦ）４３によりノイズの除去された単相交流（１００−２００Ｖの単相交流）が力率改善モジュール（ＰＦＣ）４４に入力され、ここで直流に変換される。
　力率改善モジュール（ＰＦＣ）４４からの直流はドライバ２７ａ、２７ｂに供給されると共に、制御電源部４７にも供給され、ドライバ２７ａ，２７ｂはそれぞれ制御部２６の制御により、ブースターポンプ４のモータ部４ｍ及びメインポンプ５のモータ部５ｍにＤＣパルス電流を供給し、各モータ部４ｍ，５ｍを１００００ｍｉｎ^−１以上の高速で回転する。これにより、ポンプ部４ｐ，５ｐも同じ回転速度で高速回転する。このように高速回転をすることにより、小型であっても２００~５００Ｌ／ｍｉｎ^−１クラスの排気量で、且つ１Ｐａ程度の到達真空性能を有する小型軽量の真空ポンプユニットを実現できる。なお、ブースターポンプ４及びメインポンプ５の回転速度の設定や各種設定、及び操作は操作パネル４８を操作して行う。
　両ドライバ２７ａ，２７ｂには、例えば４８Ｖの直流電力が供給され、それぞれのドライバ２７ａ，２７ｂで直流電力がＰＷＭによって矩形パルス波形に変換され、ブースターポンプ４のモータ部４ｍ及びメインポンプ５のモータ部５ｍにそれぞれ供給される。そして例えば、外気圧側の真空ポンプ（メインポンプ）５の回転速度を１３０００ｒｐｍ程度とし、真空側の真空ポンプ（ブースターポンプ）４の回転速度を１５０００~２１０００ｒｐｍとし、ブースターポンプ４の回転速度をメインポンプ５の回転速度よりも高くする。このように真空ポンプ４，５を高速で回転させることにより、小型でありながらも、１Ｐａ以下の到達真空圧力が得られる。ここで「外気圧」とは、ドライ真空ポンプユニット１の周囲雰囲気の圧力を意味し、より詳しくは、ドライ真空ポンプユニット１に連通する排気側空間の圧力である。到達圧力時電力は２４０~３００Ｗ程度であるので、低消費電力であり、普通の単相交流電源でドライ真空ポンプユニット１の電力を十分に供給することができる。このため、このドライ真空ポンプユニット１を、可搬型の真空ポンプとして、単相交流電源が利用可能な場所なら、どこでも使用することができる。
　メインポンプ５とブースターポンプ４とは、同一構造のポンプであるが、ブースターポンプ５をメインポンプ４よりも高速で運転することにより、この種の真空ポンプの１台運転では到底得られない、真空容器側で１Ｐａ程度以下（例えば０．５Ｐａ）の到達真空度が得られる。
　制御部２６は、ドライ真空ポンプユニット１の起動時、真空側に配置されるブースターポンプ４のモータ部４ｍにモータドライバ２７からＤＣパルス電流を供給して、先ずブースターポンプ４を起動し、その後（数秒後）、メインポンプ５のモータ部５ｍにＤＣパルス電流を供給して、メインポンプ５を起動する。そしてブースターポンプ４の起動によって生じる気体の流れは、中抜き用チェッキ弁Ｖ２を通して圧力開放通路１４ｃに流す。これにより、先にブースターポンプ４を起動しても、生じる気体の流れにより、メインポンプ５が空回転することがないから、脱調が発生するおそれがなくなる。即ち、従来のようにメインポンプ５を先に起動することによって、生じるブースターポンプ５の空回転がないから、脱調が発生することがない。
　ブースターポンプ４のポンプ部４ｐにはサーモスタット４５が取り付けられ、メインポンプ５のポンプ部５ｐにはサーモスタット４６が取り付けられている。これらサーモスタット４５、４６の出力は制御部２６に出力されており、制御部２６は、サーモスタット４５，４６の出力から各ポンプ部４ｐ，５ｐの温度を監視し、各ポンプ部４ｐ，５ｐの温度が所定値以上になったら電源を遮断し、ブースターポンプ４及びメインポンプ５を停止する。
　また、上記構成のドライ真空ポンプユニット１において、ポンプ待機状態で、冷却ファン１８を運転状態とすると、運転騒音を発すると同時に、電力を消費する。また、ドライ真空ポンプユニット１を停止すると同時に冷却ファン１８を停止するとドライ真空ポンプユニット１内に多くの熱が残ることになる。そこで制御部２６にタイマを設け、ドライ真空ポンプユニット１の起動と同時に冷却ファン１８を起動するが、ポンプ停止時には前記タイマを作動し、所定の設定時間後（例えば、１５分~３０分後）に、つまりポンプ（特にメインポンプ５）内の熱が十分に放熱され、温度が低下してから、冷却ファン１８を停止するようにする。これによりドライ真空ポンプユニット１の停止時の冷却ファン運転によるファン運転騒音と電力消費を低減できる。また、タイマによる設定時間経過後に冷却ファン１８を停止するのに限定されるものではなく、ドライ真空ポンプユニット１の各部の温度を検出するセンサ、例えば温度上昇の高いメインポンプ５内の温度を検出する温度センサを設け、該センサの出力を制御部２６に出力し、制御部２６は温度が所定温度以下になったら冷却ファン１８を停止するようにしてもよい。
　図９及び図１０は、ドライ真空ポンプユニット１のモジュール化されたメインポンプ５の構成を示す図である。ブースターポンプ４とメインポンプ５はその構成が同一であるので、ここではメインポンプ５について説明する。なお、ブースターポンプ４及びメインポンプ５は同一の構成である必要はない。メインポンプ５は、モータ部５ｍとポンプ部５ｐで構成され、モータ部５ｍは、マグネットカップリング型のＤＣブラシレス樹脂モールドモータであり、ポンプ部５ｐは、一対のスクリューロータを同期反回転させ、気体を移送する真空ポンプであり、容積移送式の２軸スクリューポンプである。また図６に示すように、メインポンプ５は縦置き、ブースターポンプ４は横置きに設置されている。
　図９及び図１０に示すように、メインポンプ５はケーシング５０を備え、このケーシング５０の内部には、２本の回転軸５１ａ，５１ｂが平行に配置され、それぞれの回転軸５１ａ，５１ｂは、上下部分がそれぞれスラスト・ラジアル軸受５３−１とラジアル軸受５３−２とによって支承されている。回転軸５１ａ，５１ｂの上部を支承するスラスト・ラジアル軸受５３−１として、耐熱性に優れ、高速回転に適したセラミックボール軸受が使用されている。一方、回転軸５１ａ，５１ｂの下部を支承するラジアル軸受５３−２としては同様のセラミックボール軸受を使用してもよいし、それ以外の材質のものを使用してもよい。スラスト・ラジアル軸受５３−１は、ケーシング５０に対してスラスト方向（軸方向）及びラジアル方向（回転方向）の両方向に対して固定されており、ラジアル軸受５３−２はラジアル方向に対してのみ固定されていてスラスト方向には固定されていない。すなわち回転軸５１ａ，５１ｂの軸方向への伸縮は、ラジアル軸受５３−２が軸方向に移動（上下動）することで対応している。
　回転軸５１ａには右ねじのスクリューロータ（ポンプロータ）５２ａが、回転軸５１ｂには左ねじのスクリューロータ（ポンプロータ）５２ｂがそれぞれ固定されている。スクリューロータ５２ａ，５２ｂとケーシング５０の内面との間には流体通路５６が形成され、この流体通路５６の上流側端部に吸気口５ａが設けられ、流体通路５６の下流側端部に排気口５ｂが設けられている。スクリューロータ５２ａ，５２ｂは、僅かなクリアランスを保って非接触で相互に反転し、吸気口５ａから吸込まれた気体を排気口５ｂに移送するようになっている。すなわちメインポンプ５は、一対のスクリューロータ５２ａ，５２ｂの回転軸５１ａ，５１ｂを上下方向（この実施形態では略垂直方向）に向けて縦置きに設置すると共に、ケーシング５０に設けた吸気口５ａを排気口５ｂよりも上方に位置し、さらに回転軸５１ａ，５１ｂのスラスト及びラジアル荷重を受けるスラスト・ラジアル軸受５３−１を回転軸５１ａ，５１ｂ上部の吸気側に設置している。スクリューロータ５２ａ，５２ｂとして、ピッチ線上でのみ接触する軸断面形状を有する１対のスクリューロータを用いてもよい。
　スクリューロータ５２ａ，５２ｂのそれぞれ両端部に位置して、回転軸５１ａ，５１ｂにはＳＵＳ材からなるバランスリング６０，６１が取り付けられている。ポンプロータのアンバランスは、ロータ本体、即ち回転軸５１ａ，５１ｂやスクリューロータ５２ａ，５２ｂの加工を行うことなく、バランスリング６０，６１を削って調整するようにしている。これにより、ポンプロータのバランス調整が容易となり、１００００ｍｉｎ^−１以上の高速での安定したポンプロータの回転が可能となる。なお、スクリューロータ５２ａ，５２ｂとして、雄ロータと雌ロータからなる一対のスクリューロータを用いてもよい。
　回転軸５１ａ，５１ｂはＳＵＳ４２０で構成され、スクリューロータ５２ａ，５２ｂはアルミニウム合金で構成され、回転軸５１ａ，５１ｂのそれぞれにスクリューロータ５２ａ，５２ｂを焼嵌めして、一対のポンプロータを構成している。スクリューロータ５２ａ，５２ｂの表面にはアルマイト処理又はニッケルメッキ処理を施している。このようにスクリューロータ５２ａ，５２ｂをアルミニウム合金で構成し、回転軸５１ａ，５１に焼嵌めすることにより、ポンプロータの軽量化が実現できる。また、スクリューロータ５２ａ，５２ｂは樹脂材で回転軸５１ａ，５１ｂの外周に形成するようにしてもよい。これによりスクリューロータ５２ａ，５２ｂを軽量、且つ安価に製作できる。また、ここではケーシング５０をアルミニウム合金で構成し、その表面をアルマイト処理又はニッケルメッキ処理している。これによりポンプ部５ｐの軽量化が更に向上する。
　回転軸５１ａ，５１ｂの吸気側の軸端には、それぞれ同一の構成を有する一対のマグネットロータ５４，５４が配置され、ブラシレスＤＣモータとして回転軸５１ａ，５１ｂを反転駆動すると共に、マグネットカップリングにより回転軸５１ａ，５１ｂの同期反転を確保している。図１０に示すように、各マグネットロータ５４は、磁性材のヨーク５４ｂの外周にリング形状のマグネット５４ａを周設している。本実施形態では、マグネットロータ５４の外周上には６極に着磁したマグネット５４ａが周設され、互いのマグネットロータ５４，５４の異磁極が引き合うように対向して、かつクリアランスＣを保って配置されている。なお、マグネットロータ５４の極数は４，６，８，１０，１２などの偶数である。
　スクリューロータ５２ａ，５２ｂは、マグネットロータ５４，５４のマグネットカップリング作用により、同期して反対方向に回転する。これにより、タイミングギヤが無くても安定した２軸同期反転が可能なスクリューポンプが構成される。タイミングギヤが無いことは、潤滑油が不要であるとともに、２軸の完全な同期機構を含めた非接触回転が可能であり、スクリューポンプの高速運転が可能なことを意味している。すなわち、タイミングギヤを用いた接触式の同期機構では、回転速度は、一般に６０００~７０００ｍｉｎ^−１程度であるが、マグネットカップリングを用いることで、上述したように、１００００~３００００ｍｉｎ^−１程度の同期反転高速回転が安定に出来るようになり、これにより真空ポンプを小型にしても、高い到達真空度などの排気性能の向上が達成される。なお、本実施形態では、ブースターポンプ４の定格回転速度を２１０００ｍｉｎ^−１（ｒｐｍ）、メインポンプ５の定格回転速度を１３０００ｍｉｎ^−１（ｒｐｍ）又は１５０００ｍｉｎ^−１（ｒｐｍ）としている。
　各マグネットロータ５４の外周面の一部に近接して、鉄心５７ａと巻線５７ｂとから成る三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のモータステータ５７が配置されている。三相のモータステータ５７は、マグネットロータ５４同士がマグネットカップリングする側とは回転軸に関して反対側に配置されている。これにより、マグネットロータ５４同士が互いに吸引するマグネットカップリング力をマグネットロータ５４とモータステータ鉄心５７ａに作用する吸引力でキャンセルすることができる。また、三相のモータステータ磁極は、マグネットロータ５４の磁極数６極に対応し、マグネットロータ５４の４極に磁界をかけるようにしている。三相の巻線５７ｂに所要の矩形パルス状波形の直流電流を供給することで、任意の回転速度で２本の回転軸５１ａ，５１ｂを同期反転駆動することができる。
　容積移送式スクリューポンプの場合、スクリューロータ５２ａ，５２ｂの回転に伴って気体は軸方向に流れる。したがって、図９に示すように、メインポンプ５を縦置きとし、排気口５ｂを吸気口５ａよりも下方に配置した場合は、気体が下方に向かって送られ、その反作用として両スクリューロータ５２ａ，５２ｂに加わるスラスト荷重は上向きとなる。従って、このスラスト荷重は、両スクリューロータ５２ａ，５２ｂの自重（下向き）との間で相殺されて低減できる。同時に、回転軸５１ａ，５１ｂのスラスト及びラジアル荷重を受けるスラスト・ラジアル軸受５３−１を、圧縮熱が発生しない比較的低温の吸気側に設置したので、スラスト・ラジアル軸受５３−１の高温化も防止できる。これらの相乗効果により、たとえスクリューロータ５２ａ，５２ｂを高速回転しても、スラスト・ラジアル軸受５３−１に加わるスラスト荷重が軽減されると共に圧縮熱による高温化も軽減されるので、スラスト・ラジアル軸受５３−１が破損したり劣化したりすることはなく、その信頼性を十分確保することができる。この実施形態においては、スラスト・ラジアル軸受５３−１として耐熱性に優れ、高速回転に適したセラミックボール軸受を用いているので、さらにスラスト・ラジアル軸受５３−１が破損・劣化しにくく、その信頼性の向上が図られる。
　一方、ブースターポンプ４の構造は、前述のように、メインポンプ５の構造と同一構造であり、相違点はブースターポンプ６を横置き（一対のスクリューロータの回転軸を略水平）に設置した点のみである。従って、上記メインポンプ５のように、両スクリューロータに加わるスラスト荷重と自重とによる相殺の効果は生じない。ドライ真空ポンプユニット１が接続されている真空容器内が到達真空度になると、ブースターポンプ４のスラスト荷重は小さくなり、負荷の軽い状態になる。一方、メインポンプ５は、スラスト荷重が最大に近い定格負荷運転になり且つ圧縮熱による高温化も生じ、これらのことからメインポンプ５の方がブースターポンプ４よりもかなりスラスト荷重が大きく、また発熱量も多い。このため、この実施形態においては、スラスト荷重と発熱の大きいメインポンプ５を上記のように縦置きに設置し、スラスト荷重と発熱の比較的小さいブースターポンプ４を横置きに設置している。ブースターポンプ４を縦置きに設置しても良い。
　メインポンプ５を縦置きとし、排気口５ｂを吸気口５ａよりも下方に配置したので、排気口５ｂが流体通路５６の下端に位置する。したがって、重力の作用により水（凝縮水など）のケーシング５０への流入を防止することができ、メインポンプ５の過負荷や腐食を防止することができる。さらに、マグネットロータ５４およびモータステータ５７は、スクリューロータ５２ａ，５２ｂの上方（流体通路５６の上方）に位置しているので、仮に排気口５ｂから水が流入したとしてもこれらの部品が水と接触することがない。このように、メインポンプ５は、排気口５ｂが吸気口５ａよりも下方に位置するように水平方向に対して角度を有する配置とし、本実施形態では、その一例として、メインポンプ５のスクリューロータ５２ａ，５２ｂは略垂直に配置されている。
　次に、上述のように構成されたドライ真空ポンプユニット１の運転方法について説明する。まず、外装カバー６の所定位置に設けた操作パネル４８の運転ボタンを押して電源をＯＮすると、ブースターポンプ４およびメインポンプ５ともにソフトスタート起動し、排気を行う。やがてブースターポンプ４およびメインポンプ５の回転速度は、それぞれ設定された定常運転の回転速度に達し、排気を持続する。ブースターポンプ４の排気速度は、メインポンプ５の排気速度よりも高いので、連絡通路１４ａ内の圧力が上昇し、ブースターポンプ４の負荷動力も上昇する。そして、連絡通路１４ａ内の圧力がドライ真空ポンプユニット１の周囲の外気圧よりも大きくなると、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２が開き、連絡通路１４ａ内の圧力が開放されるとともに、ブースターポンプ４の負荷が一定となる。
　真空容器内の圧力が下がると、連絡通路１４ａの圧力も下がるので、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ２が閉じる。また、ブースターポンプ４の負荷も下がる。真空容器内の圧力がさらに下がり、到達真空度になると、ブースターポンプ４の吸気側と排気側との圧力差は小さい（吸排気側共に真空状態）ため、ブースターポンプ４は無負荷運転に近い状態になる。一方、メインポンプ５では、吸気側と排気側との圧力差は大きい（吸気側は真空であり、排気側は外気圧）ため、メインポンプ５の負荷は定格値に近くなる。このとき、メインポンプ５が異常停止した場合でも、チェッキ弁（圧力開放弁）Ｖ１が瞬間的に閉じるので、真空容器内の真空が破壊されることを防止できる。このように、このドライ真空ポンプユニット１の特徴として、圧力・流量等を検出せず、センサレスで始動・定常運転が可能である。
　一方、電源のＯＮによって、冷却ファン１８の運転が開始され、空気取り込み口１３ａ，１６ａから外装カバー６の内部に空気が導入され、導入された空気は、図５に矢印で示すように、ドライ真空ポンプユニット１の内部空間を横切るように流れ、これによって発熱する電装部品３、メインポンプ５及びブースターポンプ４を冷却した後、冷却ファン１８を通じてファンフィード１７の空気吐出し口１７ａから外部に排出される。
　上記のように、ドライ真空ポンプユニット１は、スクリューロータ６２ａ，６２ｂ、ケーシング５０、ポンプ設置台１４等をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成することにより、ポンプロータの軽量化が実現できる。また、ブースターポンプ４及びメインポンプ５のモータ部４ｍ，５ｍにマグネットカップリングを用いた同期反回転型のＤＣブラシレスモータを用いることで、一対のポンプロータを同期反回転させるためにタイミングギヤを使用しないことから、潤滑油を使用することなく、潤滑油の潤滑系、潤滑油の交換も必要なく、更に軽量化（２０ｋｇ以下）が図れる。
　なお、上記実施形態では、スクリュー型真空ポンプを用いる例を説明したが、ルーツ型等の他形式の容積移送型２軸真空ポンプにも、本発明は適用できる。
　また、ドライ真空ポンプユニットでは、ブースターポンプ４とメインポンプ５の２つのポンプを備えた、ドライ真空ポンプユニットを説明したが、図９及び図１０に示す構成のモータ部とポンプ部を備えた１個のポンプでドライ真空ポンプユニットを構成してもよい。即ち、ドライ真空ポンプユニットを一対のマグネットロータを備えたマグネットカップリング型のＤＣブラシレスモータからなるモータ部と、吸気口と排気口を有するケーシング内に軸の外周にスクリューを嵌合固定するか又は該軸の外周に樹脂材からなるスクリューをモールド形成固定した構成のポンプロータを一対配置したポンプ部とで構成し、一対のマグネットロータにより、一対のポンプロータを同期して反回転するように構成したドライ真空ポンプユニットでもよい。また、ポンプロータもスクリューに限定されるものではなく、ルーツ型等の容積式ポンプロータでもよい。
　以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。たとえば、上記実施形態では、回転軸５１ａ，５１ｂの上部位置に、スラスト・ラジアル軸受５３−１，５３−１を取り付けたが、回転軸５１ａ，５１ｂの上部の別々の位置に、スラスト軸受とラジアル軸受とをそれぞれ設置してもよい。

　本発明の真空到達圧力が１Ｐａ程度のドライ真空ポンプユニットは、例えばスパッタリング装置、ヘリウムリークディテクター、ＳＥＭの分析装置等に使用される。

Claims

　一対のポンプロータと吸気口及び排気口を有するケーシングとを備えたポンプ部と、
　前記ポンプ部の前記一対のポンプロータを回転駆動させるモータ部を備え、
　前記モータ部は、一対のマグネットロータを備え、前記一対のポンプロータを、タイミングギヤを使用することなく、互いに同期させて反対方向に回転させるマグネットカップリング型ＤＣブラシレスモータであることを特徴とするドライ真空ポンプユニット。
　請求項１に記載のドライ真空ポンプユニットにおいて、
　前記一対のポンプロータは、スクリューロータであることを特徴とするドライ真空ポンプユニット。
　請求項１又は２に記載のドライ真空ポンプユニットにおいて、
　前記ケーシングは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、
　前記ポンプロータは、鋼材からなる軸の外周にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるスクリューを嵌合固定するか又は該鋼材からなる軸の外周に樹脂材からなるスクリューを形成固定した構成であることを特徴とするドライ真空ポンプユニット。
　請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドライ真空ポンプユニットにおいて、
　前記モータ部は、モータドライバから供給される直流矩形パルスにより、１００００ｍｉｎ^−１以上の高速で前記ポンプロータを回転させることを特徴とするドライ真空ポンプユニット。
　請求項１乃至４のいずれか１項に記載のドライ真空ポンプユニットにおいて、
　前記ポンプロータには、該ポンプロータのアンバランスを修正するバランスリングが設けられていることを特徴とするドライ真空ポンプユニット。
　請求項１乃至５のいずれか１項に記載のドライ真空ポンプユニットにおいて、
　前記ポンプ部と前記モータ部はモジュール化されポンプモジュールとなって２組備えられ、一方のポンプモジュールは真空側に他方のポンプモジュールは大気圧側それそれ位置して直列に配置されていることを特徴とするドライ真空ポンプニット。
　外気圧側に配置されるメインポンプと、
　真空側に配置されて前記メインポンプに直列に接続されるブースターポンプとを備え、
　少なくとも前記メインポンプは、互いに平行に配置された一対のスクリューロータと、これら一対のスクリューロータを収納するケーシングと、前記一対のスクリューロータと一体に回転する一対のマグネットロータとを有し、前記一対のスクリューロータの回転軸は上下方向に向けて縦置きに設置されていると共に、前記ケーシングに設けられた吸気口は排気口よりも上方に位置し、さらに前記回転軸のスラスト軸受は回転軸上部の吸気側に設置されていることを特徴とするドライ真空ポンプユニット。
　請求項７に記載のドライ真空ポンプユニットにおいて、
　前記スラスト軸受は、セラミックボール軸受であることを特徴とするドライ真空ポンプユニット。