WO2014045438A1 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

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Inventor
筒井 慎吾
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株式会社島津製作所
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    • F05D2260/60Fluid transfer
    • F05D2260/607Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the present invention relates to a turbo molecular pump provided with a turbine blade part and a thread groove pump part.
  • a turbo molecular pump provided with a turbine blade portion and a thread groove pump portion is used for evacuation of a process chamber in processes such as dry etching and CVD.
  • a large amount of gas is exhausted by the turbo molecular pump, the frictional heat generated by the moving blade (rotary blade) is transmitted in the order of the moving blade, stationary blade (fixed blade), spacer, and base, and the cooling pipe provided in the base The heat is dissipated into the cooling water.
  • the temperature of the rotor including the moving blades may exceed the allowable temperature.
  • the speed of expansion due to creep increases, and the rotor may come into contact with the stator in a period shorter than the design life.
  • a reaction product is generated during etching or CVD, and the reaction product is likely to be deposited on the screw stator of the thread groove pump portion. Since the clearance between the screw stator and the rotor is very small, if a reaction product accumulates on the screw stator, the screw stator and the rotor are fixed, and the rotor may not be able to start rotating.
  • the turbo molecular pump includes a first cooling water channel that cools the rotor blade portion, and a device (heater and second cooling water channel) for adjusting the temperature of the screw stator. ing.
  • the first cooling water channel is provided on the outer peripheral surface of the pump casing, and the fixed wing accommodated in the pump casing is cooled by cooling the pump casing.
  • a turbo molecular pump includes a rotor formed with a plurality of stages of rotating blades and a cylindrical portion, and a plurality of stages of fixed blades arranged alternately with respect to the plurality of stages of rotating blades.
  • a stator disposed through a gap with respect to the cylindrical portion, a plurality of spacers positioned on a base to which the stator is fixed, positioning a plurality of fixed blades, a heater provided on the base, and a stator
  • a temperature sensor that detects the temperature
  • a temperature adjustment unit that controls the heater on and off based on the temperature detected by the temperature sensor and adjusts the temperature of the stator to be a reaction product deposition prevention temperature, and includes a plurality of spacers.
  • At least one of the spacers disposed on the base side of the inside is further cooled by a cooling medium, and further includes a heat insulating member provided between the base and the spacer disposed on the base.
  • the spacer cooled by the cooling medium includes a spacer portion stacked together with other spacers, and a first refrigerant flow path through which the cooling medium flows. It is preferable that the cooling unit is configured such that the refrigerant supply unit and the refrigerant discharge unit of the first refrigerant channel are arranged on the pump atmosphere side.
  • the second refrigerant flow path through which the cooling medium flows is formed, and further includes a base cooling part that cools the base, and the temperature adjustment part is The temperature of the stator is preferably adjusted by controlling the heater on / off and the amount of cooling medium supplied to the base cooling section based on the temperature detected by the temperature sensor.
  • the refrigerant discharge part of the first refrigerant flow path, the refrigerant supply side of the second refrigerant flow path, and the refrigerant that bypasses the second refrigerant flow path A three-way valve that is connected to each pipe and switches the inflow destination of the cooling medium discharged from the refrigerant discharge portion of the first refrigerant flow path to the refrigerant supply side of the second refrigerant flow path or the refrigerant pipe that bypasses the second refrigerant flow path
  • the temperature adjustment unit switches the three-way valve to the refrigerant pipe and turns on the heater when the temperature sensor detection temperature is lower than the reaction product accumulation prevention temperature, and the temperature sensor detection temperature is the reaction product accumulation temperature.
  • the spacer arranged closest to the base side is cooled by the cooling medium. It is preferable to do this.
  • the turbomolecular pump further includes a pump casing that is sandwiched between the plurality of spacers stacked on the base and bolted to the base,
  • the heat insulating member is preferably a heat insulating washer that is mounted between a spacer that is attached to a bolt for fixing a bolt and is cooled by a cooling medium, and a base.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the pump body 1.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion of the cooling spacer 23b of FIG.
  • FIG. 3 is a view of the cooling spacer 23b as viewed from the direction A in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the temperature adjustment operation.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a first modification of the cooling spacer.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a second modification of the cooling spacer.
  • FIG. 7 is a plan view of the ring washer.
  • FIG. 8 is a diagram showing a case where the on-off valve 54 is used in the cooling piping system.
  • FIG. 9 is a view showing a temperature control device in which the base cooling pipe 46 is omitted.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a turbo molecular pump according to the present invention.
  • the turbo molecular pump includes a pump body 1 shown in FIG. 1 and a control unit (not shown) that drives and controls the pump body 1.
  • the control unit includes a main control unit that controls the entire pump body, a motor control unit that drives a motor 36 described later, a bearing control unit that controls a magnetic bearing provided in the pump body 1, and a temperature control described later.
  • a control unit 511 and the like are provided.
  • an active magnetic bearing type turbo molecular pump will be described as an example.
  • the present invention is also applied to a turbo molecular pump using a passive magnetic bearing using a permanent magnet, a turbo molecular pump using a mechanical bearing, or the like. can do.
  • the rotor 30 is formed with a plurality of stages of rotor blades 30a and a cylindrical portion 30b provided on the exhaust downstream side of the rotor blades 30a.
  • the rotor 30 is fastened to a shaft 31 that is a rotating shaft.
  • the rotor 30 and the shaft 31 constitute a pump rotating body.
  • the shaft 31 is supported in a non-contact manner by magnetic bearings 37, 38, 39 provided on the base 20.
  • the electromagnet constituting the axial magnetic bearing 39 is disposed so as to sandwich the rotor disk 35 provided at the lower end of the shaft 31 in the axial direction.
  • the pump rotor (rotor 30 and shaft 31) magnetically levitated by the magnetic bearings 37 to 39 is driven to rotate at high speed by the motor 36.
  • a three-phase brushless motor is used as the motor 36.
  • a motor stator 36a of the motor 36 is provided on the base 20, and a motor rotor 36b including a permanent magnet is provided on the shaft 31 side.
  • the shaft 31 is supported by the emergency mechanical bearings 26a and 26b.
  • the fixed blades 22 are respectively disposed between the upper and lower rotary blades 30a.
  • the plurality of stages of fixed blades 22 are positioned on the base 20 by a plurality of spacers 23a and cooling spacers 23b. Each of the plurality of stages of fixed blades 22 is sandwiched between spacers 23a.
  • a cooling spacer 23b is provided at the lowermost stage of the laminate composed of a plurality of stages of fixed blades 22 and a plurality of spacers 23a. The detailed configuration of the portion where the cooling spacer 23b is disposed will be described later.
  • a turbine blade portion TP composed of a rotary blade 30a and a fixed blade 22, and a thread groove pump portion SP composed of a cylindrical portion 30b and a screw stator 24.
  • a screw groove is formed on the screw stator 24 side, but a screw groove may be formed on the cylindrical portion 30b side.
  • An exhaust port 25 is provided at the exhaust port 20 a of the base 20, and a back pump is connected to the exhaust port 25.
  • the base 20 is provided with a base cooling pipe 46, a heater 42, and a temperature sensor 43 for controlling the temperature of the screw stator 24.
  • the temperature control of the screw stator 24 will be described later.
  • the heater 42 composed of a band heater is mounted so as to be wound around the side surface of the base 20.
  • a sheath heater may be embedded in the base 20.
  • the temperature sensor 43 for example, a thermistor, a thermocouple, or a platinum temperature sensor is used.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion where the cooling spacer 23b of FIG. 1 is provided.
  • the stacked body in which the plurality of stages of fixed blades 22 and the plurality of spacers 23a are alternately stacked is placed on the cooling spacer 23b.
  • the cooling spacer 23b includes a flange portion 232 in which the spacer cooling pipe 45 is provided, and a spacer portion 231 that is laminated together with other spacers 23a.
  • FIG. 3 is a plan view of the cooling spacer 23b of FIG. 2 as viewed from the A direction.
  • the cooling spacer 23b is a ring-shaped member similar to the spacer 23a.
  • a circular groove 234 that accommodates the spacer cooling pipe 45 is formed in the flange portion 232.
  • a plurality of through holes 230 for fastening bolts are formed on the outer peripheral side of the groove 234.
  • the gap between the spacer cooling pipe 45 and the groove 234 is filled with heat conductive grease, good heat conductive resin, solder, or the like.
  • the spacer cooling pipe 45 is bent into a substantially circular shape, and the refrigerant supply part 45a and the refrigerant discharge part 45b of the spacer cooling pipe 45 are drawn out to the side of the cooling spacer 23b.
  • a piping joint 50 is attached to the refrigerant supply part 45a and the refrigerant discharge part 45b.
  • the cooling medium for example, cooling water
  • the cooling medium flows into the spacer cooling pipe 45 from the refrigerant supply unit 45a flows in a circular shape along the spacer cooling pipe 45 and is discharged from the refrigerant discharge unit 45b.
  • the casing 21 is mounted such that the flange 21 c faces the flange portion 232 of the cooling spacer 23 b and is fixed to the base 20 by the bolt 40.
  • Each bolt 40 is provided with a heat washer 44 that functions as a heat insulating member.
  • the heat insulating washer 44 is disposed between the base 20 and the cooling spacer 23b, and insulates the base 20 and the cooling spacer 23b.
  • a material used for the heat insulating washer 44 a material having a lower thermal conductivity than a material (for example, aluminum) used for the spacer 23a or the cooling spacer 23b is used.
  • a resin for example, epoxy resin having a heat resistant temperature of 120 ° C. or higher is desirable.
  • a vacuum seal 48 is provided between the flange portion 232 of the cooling spacer 23b and the base 20, and a vacuum seal 47 is also provided between the flange portion 232 and the flange 21c.
  • the screw stator 24 is fixed to the base 20 with bolts 49.
  • the base 20 is heated by a heater 42 and cooled by a base cooling pipe 46 through which a cooling medium flows.
  • the temperature sensor 43 is disposed in the vicinity of the portion of the base 20 where the screw stator 24 is fixed.
  • the cooling spacer 23b is cooled by a cooling medium flowing in the spacer cooling pipe 45. Therefore, the heat of the fixed blade 22 is transmitted in the order of the spacers 23a and the cooling spacers 23b as indicated by broken arrows, and is radiated to the cooling medium in the spacer cooling pipe 45.
  • the heating by the heater 42 and the cooling by the base cooling pipe 46 are controlled so that the temperature of the screw stator 24 is equal to or higher than the temperature at which the reaction product does not accumulate.
  • a temperature higher than the sublimation temperature of the reaction product is employed.
  • a heat insulating washer 44 is disposed between the cooling spacer 23b and the base 20 so that heat does not flow from the base 20 in a high temperature state to the fixed blade 22 side.
  • a gap is formed between the cooling spacer 23b and the flange 21c through the vacuum seal 47, heat flows into the cooling spacer 23b from the casing 21 side. There is no.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the cooling piping system and the temperature adjustment operation.
  • the three-way valve 52 is connected to a refrigerant discharge part 45 b of the spacer cooling pipe 45, a refrigerant supply part 46 a of the base cooling pipe 46, and a bypass pipe 53.
  • the other end of the bypass pipe 53 is connected to the refrigerant discharge part 46 b of the base cooling pipe 46.
  • Switching of the three-way valve 52 is controlled by a temperature control unit 511 of a control unit 51 that drives and controls the pump body 1.
  • the temperature control unit 511 controls switching of the three-way valve 52 and on / off of the heater 42 based on the temperature detected by the temperature sensor 43.
  • the temperature control unit 511 switches the outflow side of the three-way valve 52 to the bypass pipe 53 to bypass the cooling medium from the three-way valve 52 to the refrigerant discharge unit 46b. .
  • the heater 42 is turned on. As a result, the base 20 is heated by the heater 42 and the temperatures of the base 20 and the screw stator 24 rise.
  • the predetermined temperature is a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the reaction product described above, and is stored in advance in a storage unit (not shown) of the temperature adjustment control unit 511.
  • the predetermined temperature is set in consideration of the temperature difference between the portion where the temperature sensor 43 is provided and the screw stator 24.
  • the temperature control unit 511 When the temperature detected by the temperature sensor 43 is equal to or higher than the predetermined temperature, the temperature control unit 511 turns off the heater 42 and switches the outflow side of the three-way valve 52 to the refrigerant supply unit 46a of the base cooling pipe 46 for cooling. The medium is supplied to the base cooling pipe 46. By performing such temperature control by the temperature control unit 511, the temperature of the screw stator 24 is maintained at or above the sublimation temperature of the reaction product, and deposition of the reaction product can be prevented.
  • the cooling medium is constantly supplied to the spacer cooling pipe 45, the fixed blade 22 is kept at a low temperature by the cooling spacer 23b. As a result, heat radiation from the rotary blade 30a to the fixed blade 22 due to radiation is promoted, and the temperature of the rotor 30 can be maintained at a lower temperature than before, and the exhaust flow rate can be increased. Since the temperature level in the spacer cooling pipe 45 is lower than the temperature level in the base cooling pipe 46, the cooling medium is preferably flowed in the order of the spacer cooling pipe 45 and the base cooling pipe 46.
  • FIG. 5 is a view showing a first modification of the cooling spacer 23b shown in FIG.
  • the cooling spacer 23c shown in FIG. 5 is an integrated body of the cooling spacer 23b shown in FIG. 2 and the spacer 23a arranged on the upper stage thereof.
  • Other configurations are the same as those shown in FIG. Thereby, the number of parts can be reduced.
  • FIG. 6 is a view showing a second modification of the cooling spacer 23b.
  • the cooling spacer 23d constitutes a second spacer counted from the base side.
  • the cooling spacer 23d includes a spacer portion 231 that functions as a spacer, a flange portion 232 where the spacer cooling pipe 45 is provided, and a cylindrical connecting portion 233 that connects the spacer portion 231 and the flange portion 232.
  • the plurality of fixed wings 22 are positioned by a plurality of spacers 23 a and spacer portions 231. Therefore, a ring-shaped heat insulating member 44c is arranged between the base-side first spacer 23a and the base 20. A heat insulating member is not provided between the flange portion 232 and the base 20, and a gap is formed.
  • the heat of the fixed blade 22 and the spacer 23a is transmitted to the spacer portion 231 of the cooling spacer 23d as indicated by the broken arrow, and is radiated to the cooling medium of the spacer cooling pipe 45 through the connecting portion 233 and the flange portion 232.
  • the heat insulating member disposed between the cooling spacer 23 b and the base 20 is the heat insulating washer 44, and the heat insulating washer 44 is attached to each bolt 40, but instead of the plurality of heat insulating washers 44.
  • a ring-shaped heat insulating washer 44b as shown in FIG. 7 may be used.
  • a heat insulating layer made of resin or the like is formed on the surface of the base 20 facing the cooling spacer 23b or the surface of the cooling spacer 23b facing the base 20. Also good.
  • the three-way valve 52 is used in the cooling piping system, but a configuration as shown in FIG.
  • the refrigerant supply part 45 a of the spacer cooling pipe 45 and the refrigerant supply part 46 a of the base cooling pipe 46 are connected via an on-off valve 54.
  • the temperature control unit 511 controls the opening / closing of the on-off valve 54 based on the temperature detected by the temperature sensor 43. That is, when only cooling by the spacer cooling pipe 45 is performed, the opening / closing valve 54 is closed, and when performing temperature control and cooling by the spacer cooling pipe 45, the opening / closing valve 54 is opened.
  • Other controls are the same as those in the configuration of FIG.
  • the temperature of the screw stator 24 can be adjusted even with a temperature control device that omits the base cooling pipe 46 as shown in FIG.
  • the mechanism for cooling the fixed blade 22 is the same as that shown in FIG.
  • the temperature sensor 43 is disposed on the base 20, but the temperature sensor 43 may be disposed on the screw stator 24. With such a configuration, the temperature of the screw stator 24 can be detected more accurately.
  • the spacer cooling pipe 45 is disposed in the groove 234.
  • the method of forming the flow path of the cooling medium in the cooling spacer 23b is not limited to this.
  • the cooling spacer 23b may be formed by aluminum casting, and the spacer cooling pipe 45 may be embedded during the casting.
  • the spacer cooling pipe 45 is provided in one of the spacers arranged on the base side among the spacers for positioning the fixed blade 22, that is, the cooling spacer 23b. And cooled by the cooling medium flowing in the spacer cooling pipe 45. Then, by disposing the heat insulating washer 44 between the cooling spacer 23b disposed on the base 20 and the base 20, heat flows into the cooling spacer 23b from the base 20 which is in a high temperature state due to temperature control. Is preventing. As a result, the cooling of the fixed blades 22 and the heating of the screw stator 24 by temperature control can be effectively performed, the exhaust flow rate can be increased, and deposition of reaction products on the screw stator 24 can be prevented.
  • the spacer arranged on the base side has the following meaning.
  • the spacers 23a and the cooling spacers 23b are combined to provide a total of ten steps of spacers, and the lower five of these are the base side spacers.
  • the lower four stages are the base side stator.
  • the purpose of the cooling spacer 23b is to cool the fixed blade 22, and in order to reduce the heat inflow from the base 20 side to the fixed blade 22 side as much as possible, the position of the cooling spacer 23b is the maximum of the spacers 23a and 23b. It is preferable to provide the lower stage, that is, the most base side. Of course, as shown in FIG. 8, a heat insulating member 44 c may be provided between the spacer 23 a and the base 20 so as to be disposed other than the lowest stage. Furthermore, two or more cooling spacers 23b may be provided.
  • the outer side of the flange portion 232 provided with the spacer cooling pipe 45 is disposed on the atmosphere side of the vacuum seals 47 and 48, and the refrigerant of the spacer cooling pipe 45 is disposed on the atmosphere side portion.
  • coolant discharge part 45b are arrange
  • a base cooling pipe 46 is provided in the base 20, and the heater 42 is turned on / off based on the temperature detected by the temperature sensor 43, and the switching of the three-way valve 52 that turns on / off the flow of the cooling medium into the base cooling pipe 46 is controlled.
  • the temperature of the screw stator 24 can be adjusted to a temperature at which reaction product accumulation can be prevented. As a result, deposition of reaction products on the screw stator 24 can be prevented.
  • the refrigerant discharge portion 45b of the cooling spacer 23b, the refrigerant supply side 46a of the base cooling pipe 46, and the bypass pipe 53 that bypasses the base cooling pipe 46 are connected to each other, and the inflow destination of the cooling medium discharged from the cooling spacer 23b is connected. Further, by further including a three-way valve 52 that switches to the refrigerant supply side 46a of the base cooling pipe 46 or the bypass pipe 53, the cooling medium supply line to the turbo molecular pump can be combined into one.
  • the structure is excellent in assemblability.
  • the number of the bolts 40 is also different, but even in such a case, it can be easily dealt with by changing the number of the heat insulating washers 44.
  • a heat insulating member may be disposed in the gap between the bolt 40 and the cooling spacer 23b. It is good also as a shape where a part is inserted in the bolt hole of the cooling spacer 23b.

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Abstract

 ターボ分子ポンプは、複数段の回転翼と円筒部とが形成されたロータと、複数段の回転翼に対して交互に配置される複数段の固定翼と、円筒部に対して隙間を介して配置されるステータと、ステータが固定されるベース上に積層され、複数段の固定翼を位置決めする複数のスペーサと、ベースに設けられたヒータと、ステータの温度を検出する温度センサと、温度センサの検出温度に基づいてヒータをオンオフ制御し、ステータの温度が反応生成物堆積防止温度となるように調整する温度調整部と、を備え、複数のスペーサの内のベース側に配置されるスペーサの少なくとも一つは、冷却媒体によって冷却され、ベースと該ベース上に配置されたスペーサとの間に設けられる断熱部材をさらに備える。

Description

ターボ分子ポンプ
 本発明は、タービン翼部とネジ溝ポンプ部とを備えるターボ分子ポンプに関する。
 従来、半導体製造工程におけるドライエッチングやCVD等のプロセスでは、プロセスを高速で行うために大量のガスを供給しながら処理が行われる。一般に、ドライエッチングやCVD等のプロセスにおけるプロセスチャンバの真空排気には、タービン翼部とネジ溝ポンプ部とを備えたターボ分子ポンプが用いられる。ターボ分子ポンプで大量のガスを排気した際、動翼(回転翼)で発生する摩擦熱は、動翼、静翼(固定翼)、スペーサ、ベースの順に伝達され、ベースに設けられた冷却パイプの冷却水へと放熱される。
 しかしながら、大量のガスを排気する場合には、動翼を含むロータの温度が許容温度を超えてしまうおそれがある。ロータ温度が許容温度を超えると、クリープによる膨張の速度が大きくなり、設計寿命よりも短い期間でロータがステータと接触するおそれがある。
 また、この種の半導体製造装置ではエッチングやCVDにおいて反応生成物が発生し、ネジ溝ポンプ部のネジステータに反応生成物が堆積しやすい。ネジステータとロータとの隙間は非常に小さいので、ネジステータに反応生成物が堆積するとネジステータとロータとが固着して、ロータを回転始動できない場合が生じる。
 そのため、特許文献1に記載の発明では、ターボ分子ポンプは、回転翼部分を冷却する第1の冷却水路と、ネジステータの温度を調整するための装置(ヒータ及び第2の冷却水路)とを備えている。第1の冷却水路はポンプケーシングの外周面に設けられ、ポンプケーシングを冷却することで、ポンプケーシング内に収納された固定翼を冷却するようにしている。このように、第1の冷却水路と温調装置とを備えることで、ロータ温度の低減、および、ネジステータへの反応生成物堆積の抑制を図っている。
日本国特許第3930297号公報
 しかしながら、処理するウェハの大型化に伴って、ターボ分子ポンプで排気すべきガスの流量も増大し、ガス排気に伴う発熱も増大する。そのため、特許文献1に記載のように、ポンプケーシングを冷却する方法では、固定翼に対する冷却能力が十分ではない。また、ポンプケーシングが固定されているベースは温調により高温となるので、ベースからポンプケーシングに流入する熱が固定翼冷却の阻害要因となっている。
 本発明の第1の態様によると、ターボ分子ポンプは、複数段の回転翼と円筒部とが形成されたロータと、複数段の回転翼に対して交互に配置される複数段の固定翼と、円筒部に対して隙間を介して配置されるステータと、ステータが固定されるベース上に積層され、複数段の固定翼を位置決めする複数のスペーサと、ベースに設けられたヒータと、ステータの温度を検出する温度センサと、温度センサの検出温度に基づいてヒータをオンオフ制御し、ステータの温度が反応生成物堆積防止温度となるように調整する温度調整部と、を備え、複数のスペーサの内のベース側に配置されるスペーサの少なくとも一つは、冷却媒体によって冷却され、ベースと該ベース上に配置されたスペーサとの間に設けられる断熱部材をさらに備える。
 本発明の第2の態様によると、第1の態様のターボ分子ポンプにおいて、冷却媒体により冷却されるスペーサは、他のスペーサとともに積層されるスペーサ部と、冷却媒体が流れる第1冷媒流路が形成された冷却部とを有し、冷却部は、第1冷媒流路の冷媒供給部および冷媒排出部がポンプ大気側に配置されるのが好ましい。
 本発明の第3の態様によると、第1または2の態様のターボ分子ポンプにおいて、冷却媒体が流れる第2冷媒流路が形成され、ベースを冷却するベース冷却部をさらに備え、温度調整部は、温度センサの検出温度に基づいてヒータのオンオフとベース冷却部への冷却媒体供給量とをそれぞれ制御することにより、ステータの温度を調整するのが好ましい。
 本発明の第4の態様によると、第3の態様のターボ分子ポンプにおいて、第1冷媒流路の冷媒排出部、第2冷媒流路の冷媒供給側、および第2冷媒流路をバイパスする冷媒配管がそれぞれ接続され、第1冷媒流路の冷媒排出部から排出された冷却媒体の流入先を、第2冷媒流路の冷媒供給側または第2冷媒流路をバイパスする冷媒配管に切り替える三方弁をさらに備え、温度調整部は、温度センサの検出温度が反応生成物堆積防止温度未満の場合には、三方弁を冷媒配管に切り替えるとともにヒータをオンし、温度センサの検出温度が反応生成物堆積防止温度以上の場合には、三方弁を第2冷媒流路の冷媒供給側に切り替えるとともにヒータをオフするのが好ましい。
 本発明の第5の態様によると、第1乃至4の態様のいずれかのターボ分子ポンプにおいて、ベース上に積層された複数のスペーサの内、最もベース側に配置されるスペーサを冷却媒体により冷却するのが好ましい。
 本発明の第6の態様によると、第5の態様のターボ分子ポンプにおいて、ベース上に積層された複数のスペーサをベースとの間に挟持し、ベースにボルト固定されるポンプケーシングをさらに備え、断熱部材は、ボルト固定用のボルトに装着され、冷却媒体により冷却されるスペーサとベースとの間に配置される断熱性座金であるのが好ましい。
 本発明によれば、排気流量の向上、および、反応生成物の堆積を防止を図ることができる。
図1は、ポンプ本体1の概略構成を示す断面図である。 図2は、図1の冷却スペーサ23bの部分の拡大図である。 図3は、冷却スペーサ23bを図2のA方向から見た図である。 図4は、温調動作を説明する図である。 図5は、冷却スペーサの第1の変形例を示す図である。 図6は、冷却スペーサの第2の変形例を示す図である。 図7は、リング状座金の平面図である。 図8は、冷却配管系に開閉弁54を用いる場合を示す図である。 図9は、ベース冷却パイプ46を省略した温調装置を示す図である。
 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、本発明によるターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプは、図1に示すポンプ本体1と、ポンプ本体1を駆動制御するコントロールユニット(不図示)とで構成される。コントロールユニットには、ポンプ本体全体の制御を行う主制御部と、後述するモータ36を駆動するモータ制御部と、ポンプ本体1に設けられた磁気軸受を制御する軸受制御部と、後述する温調制御部511と等が設けられている。
 なお、以下では能動型磁気軸受式ターボ分子ポンプを例に説明するが、本発明は、永久磁石を使った受動型磁気軸受によるターボ分子ポンプや、メカニカルベアリングを用いたターボ分子ポンプ等にも適用することができる。
 ロータ30には、複数段の回転翼30aと、回転翼30aよりも排気下流側に設けられた円筒部30bとが形成されている。ロータ30は、回転軸であるシャフト31に締結されている。ロータ30とシャフト31とによってポンプ回転体が構成される。シャフト31は、ベース20に設けられた磁気軸受37,38,39によって非接触支持される。なお、軸方向の磁気軸受39を構成する電磁石は、シャフト31の下端に設けられたロータディスク35を軸方向に挟むように配置されている。
 磁気軸受37~39によって回転自在に磁気浮上されたポンプ回転体(ロータ30およびシャフト31)は、モータ36により高速回転駆動される。モータ36には、例えば3相ブラシレスモータが用いられる。モータ36のモータステータ36aはベース20に設けられ、永久磁石を備えるモータロータ36bはシャフト31側に設けられている。磁気軸受が作動していない時には、非常用のメカニカルベアリング26a,26bによってシャフト31は支持される。
 上下に隣接する回転翼30aの間には、固定翼22がそれぞれ配置されている。複数段の固定翼22は、複数のスペーサ23aおよび冷却スペーサ23bによってベース20上に位置決めされている。複数段の固定翼22のそれぞれは、スペーサ23aによって挟持されている。複数段の固定翼22と複数のスペーサ23aとから成る積層体の最下段には、冷却スペーサ23bが設けられている。なお、冷却スペーサ23bが配置されている部分の詳細構成は後述する。ボルト40によりケーシング21をベース20に固定すると、固定翼22、スペーサ23aおよび冷却スペーサ23bの積層体は、ケーシング21の上端係止部21bとベース20との間に挟持されるように、ベース20に固定される。その結果、複数段の固定翼22の軸方向(図示上下方向)の位置決めが行われる。
 図1に示すターボ分子ポンプは、回転翼30aと固定翼22とで構成されるタービン翼部TPと、円筒部30bとネジステータ24とで構成されるネジ溝ポンプ部SPとを備えている。なお、ここではネジステータ24側にネジ溝が形成されているが、円筒部30b側にネジ溝を形成しても構わない。ベース20の排気口20aには排気ポート25が設けられ、この排気ポート25にバックポンプが接続される。ロータ30を磁気浮上させつつモータ36により高速回転させることで、吸気口21a側の気体分子は排気ポート25側へと排気される。
 ベース20には、ネジステータ24の温度を制御するためのベース冷却パイプ46、ヒータ42および温度センサ43が設けられている。ネジステータ24の温調については後述する。図1に示す例では、バンドヒータで構成されるヒータ42がベース20の側面に巻きつけられるように装着されているが、シースヒータをベース20内に埋め込む構成でも良い。温度センサ43には、例えば、サーミスタ、熱電対や白金温度センサが用いられる。
 図2は、図1の冷却スペーサ23bが設けられた部分の拡大図である。上述したように、複数段の固定翼22と複数のスペーサ23aとを交互に積層した積層体は、冷却スペーサ23b上に載置されている。冷却スペーサ23bは、スペーサ冷却パイプ45が設けられているフランジ部232と、他のスペーサ23aとともに積層されるスペーサ部231とを備えている。
 図3は、図2の冷却スペーサ23bをA方向から見た平面図である。冷却スペーサ23bは、スペーサ23aと同様のリング状の部材である。フランジ部232には、スペーサ冷却パイプ45を収納する円形の溝234が形成されている。溝234の外周側には、ボルト締結用の貫通孔230が複数形成されている。スペーサ冷却パイプ45と溝234との隙間には、熱伝導性グリース、良熱伝導性の樹脂、半田等が充填される。
 スペーサ冷却パイプ45はほぼ円形状に曲げ加工され、スペーサ冷却パイプ45の冷媒供給部45aおよび冷媒排出部45bが、冷却スペーサ23bの側方に引き出されている。その冷媒供給部45aおよび冷媒排出部45bには、配管用継手50が装着されている。冷媒供給部45aからスペーサ冷却パイプ45内に流入した冷却媒体(例えば、冷却水)は、スペーサ冷却パイプ45に沿って円形状に流れ、冷媒排出部45bから排出される。
 図2に戻って、ケーシング21は、フランジ21cが冷却スペーサ23bのフランジ部232に対向するように装着され、ボルト40によってベース20に固定される。なお、各ボルト40には断熱部材として機能する断熱用座金44が各々設けられている。断熱用座金44は、ベース20と冷却スペーサ23bとの間に配置され、ベース20と冷却スペーサ23bとを断熱している。断熱用座金44に用いられる材料としては、スペーサ23aや冷却スペーサ23bに用いられる材料(例えば、アルミ)よりも熱伝導率の低い材料が用いられる。例えば、金属の場合はステンレスなどが望ましく、非金属の場合は耐熱温度120℃以上の樹脂(例えば、エポキシ樹脂)が望ましい。
 冷却スペーサ23bのフランジ部232とベース20との間には真空用シール48が設けられ、フランジ部232とフランジ21cとの間にも真空用シール47が設けられている。ネジステータ24は、ボルト49によってベース20に固定されている。ベース20はヒータ42によって加熱されるとともに、冷却媒体が流れるベース冷却パイプ46によって冷却される。温度センサ43は、ベース20の、ネジステータ24が固定されている部分の近辺に配置されている。
 冷却スペーサ23bは、スペーサ冷却パイプ45内を流れる冷却媒体によって冷却される。そのため、固定翼22の熱は、破線矢印で示すようにスペーサ23a、冷却スペーサ23bの順に伝達され、スペーサ冷却パイプ45内の冷却媒体に放熱される。一方、反応生成物が堆積しやすいガスを排気する場合には、ヒータ42による加熱およびベース冷却パイプ46による冷却を制御して、ネジステータ24の温度を反応生成物が堆積しない温度以上とする。ここで、反応生成物が堆積しない温度としては、反応生成物の昇華温度以上の温度が採用される。
 そのため、高温状態のベース20から固定翼22側に熱が流入しないように、冷却スペーサ23bとベース20との間に断熱用座金44が配置されている。また、図2からも分かるように、冷却スペーサ23bとフランジ21cとの間には真空用シール47を介することによって隙間が形成されているので、ケーシング21側から冷却スペーサ23bに熱が流入することはない。
 図4は、冷却配管系と温調動作を説明する図である。三方弁52には、スペーサ冷却パイプ45の冷媒排出部45b、ベース冷却パイプ46の冷媒供給部46aおよびバイパス配管53が接続されている。バイパス配管53の他端は、ベース冷却パイプ46の冷媒排出部46bに接続されている。三方弁52の切り替えは、ポンプ本体1を駆動制御するコントロールユニット51の温調制御部511によって制御される。温調制御部511は、温度センサ43の検出温度に基づいて、三方弁52の切り替えおよびヒータ42のオンオフを制御する。
 温度センサ43の検出温度が所定温度未満の場合には、温調制御部511は、三方弁52の流出側をバイパス配管53に切り替えて、冷却媒体を三方弁52から冷媒排出部46bにバイパスさせる。また、ヒータ42はオンとされる。その結果、ベース20がヒータ42により加熱されて、ベース20およびネジステータ24の温度が上昇する。
 なお、所定温度とは、上述した反応生成物の昇華温度以上の温度であって、温調制御部511の記憶部(不図示)に予め記憶されている。図2に示す例では、温度センサ43はベース20に設けられているので、温度センサ43が設けられている部分とネジステータ24との温度差を考慮して、所定温度が設定される。
 温度センサ43の検出温度が所定温度以上の場合には、温調制御部511は、ヒータ42をオフするとともに、三方弁52の流出側をベース冷却パイプ46の冷媒供給部46aに切り替えて、冷却媒体をベース冷却パイプ46に供給する。温調制御部511によるこのような温調制御を行うことにより、ネジステータ24の温度が反応生成物の昇華温度以上に維持され、反応生成物の堆積を防止することができる。
 一方、スペーサ冷却パイプ45には冷却媒体が常時供給されているので、冷却スペーサ23bにより固定翼22が低温に保たれる。その結果、輻射による回転翼30aから固定翼22への放熱が促進されて、ロータ30の温度を従来よりも低温に維持することが可能となり、排気流量の増大を図ることが可能となる。なお、スペーサ冷却パイプ45における温度レベルはベース冷却パイプ46における温度レベルよりも低いので、冷却媒体はスペーサ冷却パイプ45、ベース冷却パイプ46の順に流すのが好ましい。
 図5は、図2に示した冷却スペーサ23bの第1の変形例を示す図である。図5に示す冷却スペーサ23cは、図2に示した冷却スペーサ23bと、その上段に配置されるスペーサ23aとを一体としたものである。その他の構成は、図2に示した構成と同様である。これにより、部品点数を減らすことができる。
 図6は、冷却スペーサ23bの第2の変形例を示す図である。第2の変形例では、冷却スペーサ23dはベース側から数えて2番目のスペーサを構成している。冷却スペーサ23dは、スペーサとして機能するスペーサ部231と、スペーサ冷却パイプ45が設けられるフランジ部232と、スペーサ部231とフランジ部232とを連結する円筒状の連結部233とで構成されている。
 複数段の固定翼22は、複数のスペーサ23aおよびスペーサ部231によって位置決めされている。そのため、ベース側1番目のスペーサ23aとベース20との間に、リング形状の断熱部材44cが配置されている。そして、フランジ部232とベース20との間には断熱部材は設けられず、隙間が形成されている。固定翼22およびスペーサ23aの熱は、破線矢印で示すように冷却スペーサ23dのスペーサ部231に伝達され、連結部233およびフランジ部232を介してスペーサ冷却パイプ45の冷却媒体へと放熱される。
 図2に示す例では、冷却スペーサ23bとベース20との間に配置される断熱部材を断熱用座金44とし、各ボルト40に断熱用座金44を装着したが、複数の断熱用座金44に代えて、図7に示すようなリング状の断熱用座金44bを用いても良い。また、断熱用座金44、44bを配置する代わりに、ベース20の冷却スペーサ23bと対向する面、または、冷却スペーサ23bのベース20と対向する面に、樹脂等による断熱層を形成するようにしても良い。
 図4に示す構成では、冷却配管系に三方弁52を用いたが、図8に示すような構成としても良い。スペーサ冷却パイプ45の冷媒供給部45aとベース冷却パイプ46の冷媒供給部46aとは、開閉弁54を介して接続されている。温調制御部511は、温度センサ43の検出温度に基づいて、開閉弁54の開閉を制御する。すなわち、スペーサ冷却パイプ45による冷却のみを行う場合には開閉弁54を閉じ、温調およびスペーサ冷却パイプ45による冷却を行う場合には開閉弁54を開く。その他の制御は、図4の構成の場合と同様である。
 なお、排気するガスの流量がそれほど大きくない場合には、図9に示すように、ベース冷却パイプ46を省略した温調装置でも、ネジステータ24の温調を行うことが可能である。固定翼22を冷却する機構は、図2に示したものと同様である。
 図2に示す例では、温度センサ43をベース20に配置したが、ネジステータ24に温度センサ43を配置するようにしても構わない。そのような構成とすることで、ネジステータ24の温度をより正確に検出することができる。
 図3に示す冷却スペーサ23bでは、溝234内にスペーサ冷却パイプ45を配置する構成とした。しかし、冷却スペーサ23bに冷却媒体の流路を形成する方法はこれに限らず、例えば、冷却スペーサ23bをアルミ鋳造で形成し、その鋳造の際にスペーサ冷却パイプ45を埋め込むようにしても良い。
 以上説明したように、本実施の形態のターボ分子ポンプでは、固定翼22を位置決めするスペーサの内のベース側に配置されるスペーサの一つ、すなわち冷却スペーサ23bには、スペーサ冷却パイプ45が設けられ、スペーサ冷却パイプ45内を流れる冷却媒体によって冷却される。そして、ベース20上に配置される冷却スペーサ23bとベース20との間に断熱用座金44を配置することで、温調により高温状態となっているベース20から冷却スペーサ23bに熱が流入するのを防止している。その結果、固定翼22の冷却と、温調によるネジステータ24の加熱とを効果的に行うことができ、排気流量アップが図れるとともに、ネジステータ24への反応生成物の堆積を防止することができる。
 ここで、ベース側に配置されるスペーサとは、次のような意味である。例えば、図1に示す例では、スペーサ23aと冷却スペーサ23bとを合わせて合計10段のスペーサが設けられているが、この内の下側の5段がベース側のスペーサである。また、合計9段の場合には、下側4段がベース側のステータになる。
 なお、冷却スペーサ23bの目的は固定翼22を冷却することにあり、ベース20側から固定翼22側への熱流入を極力低減するためには、冷却スペーサ23bの位置はスペーサ23a,23bの最下段、すなわち、最もベース側に設けるのが好ましい。もちろん、図8のようにスペーサ23aとベース20との間に断熱部材44cを設けることで、最下段以外に配置しても良い。さらには、冷却スペーサ23bを2以上設けても構わない。
 また、図2、3に示すように、スペーサ冷却パイプ45が設けられたフランジ部232の外側は真空用シール47、48の大気側に配置され、その大気側の部分にスペーサ冷却パイプ45の冷媒供給部45aおよび冷媒排出部45bが配置されている。そのため、冷媒用配管の接続を容易に行うことができる。
 さらに、ベース20にベース冷却パイプ46を設け、温度センサ43の検出温度に基づいてヒータ42をオンオフするとともに、ベース冷却パイプ46への冷却媒体の流入をオンオフする三方弁52の切り替えを制御することで、ネジステータ24の温度を反応生成物堆積を防止できる温度に調整することが可能となる。その結果、ネジステータ24への反応生成物の堆積を防止することができる。
 また、冷却スペーサ23bの冷媒排出部45b、ベース冷却パイプ46の冷媒供給側46a、およびベース冷却パイプ46をバイパスするバイパス配管53がそれぞれ接続され、冷却スペーサ23bから排出された冷却媒体の流入先を、ベース冷却パイプ46の冷媒供給側46aまたはバイパス配管53に切り替える三方弁52をさらに備えることで、ターボ分子ポンプへの冷却媒体供給ラインを一つにまとめることができる。
 図2のように、ベース20と冷却スペーサ23bとを断熱する部材として断熱用座金44を用いることで、組立性に優れた構成となる。例えば、ケーシング21の径が異なる場合にはボルト40の数も異なるが、そのような場合であっても、断熱用座金44の数を変更するだけで容易に対応できる。なお、ボルト40と冷却スペーサ23bとが接触するのを確実に防止するために、ボルト40と冷却スペーサ23bとの隙間に断熱部材を配置するようにしても良いし、断熱用座金44を、その一部が冷却スペーサ23bのボルト孔内に挿入されるような形状としても良い。
 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。

Claims (6)

  1.  複数段の回転翼と円筒部とが形成されたロータと、
     前記複数段の回転翼に対して交互に配置される複数段の固定翼と、
     前記円筒部に対して隙間を介して配置されるステータと、
     前記ステータが固定されるベース上に積層され、前記複数段の固定翼を位置決めする複数のスペーサと、
     前記ベースに設けられたヒータと、
     前記ステータ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に基づいて前記ヒータをオンオフ制御し、前記ステータの温度が反応生成物堆積防止温度となるように調整する温度調整部と、を備え、
     前記複数のスペーサの内のベース側に配置されるスペーサの少なくとも一つは、冷却媒体によって冷却され、
     前記ベースと該ベース上に配置された前記スペーサとの間に設けられる断熱部材をさらに備える、ターボ分子ポンプ。
  2.  請求項1に記載のターボ分子ポンプにおいて、
     前記冷却媒体により冷却されるスペーサは、他のスペーサとともに積層されるスペーサ部と、冷却媒体が流れる第1冷媒流路が形成された冷却部とを有し、
     前記冷却部は、前記第1冷媒流路の冷媒供給部および冷媒排出部がポンプ大気側に配置されている、ターボ分子ポンプ。
  3.  請求項1または2に記載のターボ分子ポンプにおいて、
     冷却媒体が流れる第2冷媒流路が形成され、前記ベースを冷却するベース冷却部をさらに備え、
     前記温度調整部は、前記温度センサの検出温度に基づいて前記ヒータのオンオフと前記ベース冷却部への冷却媒体供給量とをそれぞれ制御することにより、前記ステータの温度を調整する、ターボ分子ポンプ。
  4.  請求項3に記載のターボ分子ポンプにおいて、
     前記第1冷媒流路の冷媒排出部、前記第2冷媒流路の冷媒供給側、および前記第2冷媒流路をバイパスする冷媒配管がそれぞれ接続され、前記第1冷媒流路の冷媒排出部から排出された冷却媒体の流入先を、前記第2冷媒流路の冷媒供給側または前記第2冷媒流路をバイパスする冷媒配管に切り替える三方弁をさらに備え、
     前記温度調整部は、
     前記温度センサの検出温度が前記反応生成物堆積防止温度未満の場合には、前記三方弁を前記冷媒配管に切り替えるとともに前記ヒータをオンし、
     前記温度センサの検出温度が前記反応生成物堆積防止温度以上の場合には、前記三方弁を前記第2冷媒流路の冷媒供給側に切り替えるとともに前記ヒータをオフする、ターボ分子ポンプ。
  5.  請求項1乃至4のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
     前記ベース上に積層された複数のスペーサの内、最もベース側に配置されるスペーサを冷却媒体により冷却する、ターボ分子ポンプ。
  6.  請求項5に記載のターボ分子ポンプにおいて、
     前記ベース上に積層された前記複数のスペーサを前記ベースとの間に挟持し、前記ベースにボルト固定されるポンプケーシングをさらに備え、
     前記断熱部材は、前記ボルト固定用のボルトに装着され、前記冷却媒体により冷却されるスペーサと前記ベースとの間に配置される断熱性座金である、ターボ分子ポンプ。
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