JP5700158B2 - ターボ分子ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ装置に関する。

ターボ分子ポンプ装置は、回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気するもので、各種の真空処理装置に接続されて使用される。この主のターボ分子ポンプとして、水冷機構によりモータ本体や電源部を冷却するものがある（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２７４９６０号公報

水冷機構は、限られた部分（冷却し易い形状の部分）を局所的に冷却するのには適しているが、ターボ分子ポンプの電源装置のような比較的広い領域を冷却対象とするような場合は、単に水冷機構を設けただけでは冷却が不十分である。冷却ファン装置を併用することが考えられるが、ファンの寿命のことを考えるとファン装置は採用し難い。

本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプ装置の電源装置は、回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、前記回生ブレーキ抵抗が、伝熱材料で製作された取付部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている。

好ましい実施形態においては、前記回生ブレーキ抵抗が、固定手段によって前記取付部材に固定されている。

好ましい実施形態においては、前記取付部材が、前記水冷装置にボルトによって螺合されている。

好ましい実施形態においては、前記回生ブレーキ抵抗が、前記電源装置の隅部において前記取付部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている。

好ましい実施形態においては、前記取付部材が、前記回生ブレーキ抵抗が配されるコ字状断面を有する。

本発明の別の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプ装置の電源装置は、回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、前記回生ブレーキ抵抗が、前記水冷装置に接触するように配置されている。

本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプ装置は、上記いずれかに記載の前記電源装置および前記ターボ分子ポンプ本体を備える。

本発明によれば、冷却ファン装置を設けることなく電源装置を構成する各部品を効率よく冷却できる。

ターボ分子ポンプ装置の外観図。 水冷ジャケットを説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図。 電源装置筐体を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図。 図３のＶ−Ｖ線断面図。 図３のＶＩ−ＶＩ線断面図。 ジャケット本体と電源装置筐体との嵌め合わせ構造を説明する図。 制御装置１４の詳細を示すブロック図。 （ａ）は、筐体１４０内部を示す縦断面図、（ｂ）は装置のｂ−ｂ線断面図。 シーズヒータを冷却装置に取り付けるブラケットを説明する図。 要強冷却部品，要中冷却部品および冷却不要部品と、各々の部品が実装される基板を示す図。 冷却不要部品が実装される基板の支持方法を説明する図。

図１〜図１０を参照して本発明の一実施形態であるターボ分子ポンプ装置１０を説明する。ターボ分子ポンプ装置は、回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気する。このようなターボ分子ポンプ装置は各種の真空処理装置に接続されて使用される。

図１は、本発明の一実施形態であるターボ分子ポンプ装置１０の外観を示す。ターボ分子ポンプ装置１０は、真空排気を行うポンプ本体１１と、ベース１２と、冷却装置１３と、ポンプ本体１１を駆動制御する電源装置１４とを備えている。ポンプ本体１１は、周知の構造であり詳細説明は省略するが、主に、回転翼を備えたロータと回転軸とから構成される回転体と、回転翼と協働する固定翼と、回転体を回転駆動するモータとを備えている。回転体は、５軸磁気軸受を構成する電磁石によって非接触支持される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上された回転体は、モータにより高速回転駆動され、回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより、吸気ポート１１Ｑに接続された真空処理装置（不図示）から気体分子を吸込み、バックポートが接続されている排気ポート１２Ｈから排気している。

冷却装置１３は、ポンプ本体１１と電源装置１４との間に介装され、電源装置１４内の発熱部材、特にモータ駆動回路の電子部品を主に冷却する。図２に示すように、冷却装置１３は、内部に冷却水通路が形成されたジャケット本体１３ａと、冷却水通路に図示しないポンプから冷却水を循環するための冷却水入口１３ｂおよび冷却水出口１３ｃとを有する。

ポンプ本体１１はケーシング１１０を備え、ケーシング１１０には、図１において上下に接続用フランジ１１０ＵＦ，１１０ＬＦが設けられている。ベース１２はケーシング１２０を備え、ケーシング１２０には、図１において上下に接続用フランジ１２０ＵＦ，１２０ＬＦが設けられている。ケーシング１１０と１２０をポンプケーシングと呼ぶ。ポンプ本体１１の上部接続用フランジ１１０ＵＦは図示しない真空処理装置の排気口にボルト１１Ｂで接続される。ポンプ本体１１の下部接続用フランジ１１０ＬＦはベース１２の上部接続用フランジ１２０ＵＦにボルト１２Ｂで接続される。ベース１２の下部接続用フランジ１２０ＬＦは冷却装置１３の上面１３ＵＳに設置され、冷却装置１３はベース１２の下面にボルト１３Ｂで締結される。冷却装置１３の下面は電源装置１４の筐体（金属製）１４０の上端面に当接し、筐体１４０は冷却装置１３にボルト１４Ｂで締結される。

図２に示すようにジャケット本体１３ａは略８角形の平板形状であり、底面には、平面形状が略８角形の凸部１３ｅが形成されている。ジャケット本体１３ａの外周には所定角度毎に突部１３ｆが形成され、この突部１３ｆに電源装置筐体１４０を締結するための孔１３ｇが穿設されている。凸部１３ｅには、ポンプ回転軸心と同心円状にねじ孔１３ｈが螺設されている。図１に示すように、排気部１２のケーシング１２０の下部接続フランジ１２０ＬＦにジャケット上面１３ＵＳを当接し、ボルト１３Ｂをねじ孔１３ｈに螺合することにより、ケーシング１２０にジャケット本体１３ａが締結される。ジャケット本体１３ａの裏面１３ＬＳに電源装置筐体１４０の上端面を当接してボルト１４Ｂを電源装置筐体１４０のねじ孔に螺合することによりジャケット本体１３ａに電源装置１４が締結される。

図３を参照して電源装置筐体１４０を説明する。電源装置筐体１４０は、底付き（図４参照）の８角筒状に形成され、開放端１４ａには、図５および６にも拡大して示すように、その全周に略８角形環状凹部１４ｂが設けられている。開放端１４ａの外周には所定角度毎に突部１４ｃが形成され、この突部１４ｃには、電源装置筐体１４０とジャケット本体１３ａとを締結するためのねじ孔１４ｄが螺設されている。環状凹部１４ｂには、図７に示すように、ジャケット本体１３ａの凸部１３ｅが嵌め合わされる。すなわち、冷却装置１３の凸部１３ｅの８角形形状の周縁が、同じく略８角形環状凹部１４ｂに嵌り込む。

図８を参照して電源装置１４を説明する。電源装置１４には一次電源１５から交流電力が供給され、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ａに入力される。入力される交流電力の電圧は電圧センサ１４ｂによって検出される。ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ａは、一次電源１５から供給された交流電力を直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１４ａから出力された直流電力は、モータ１６を駆動する３相インバータ１４ｃとＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄに入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄに入力される直流電力の電圧は、電圧センサ１４ｅによって検出される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ｄの出力は、３相インバータ１４ｃをＰＷＭ制御等で制御するインバータ制御回路１４ｆ、および磁気軸受１７による磁気浮上の制御を行う磁気軸受制御部１４ｇのそれぞれに入力される。

磁気軸受制御部１４ｇは、軸受制御を行う制御部１４１ｇと、制御部１４１ｇで算出された制御信号に基づいて励磁電流を磁気軸受１７に供給する励磁アンプ１４２ｇとを備えている。

インバータ制御回路１４ｆには回転数センサ１９により検出されたロータ２０の回転数が入力され、インバータ制御回路１４ｆは、ロータ回転数に基づいて３相インバータ１４ｃを制御する。また、１４ｈは回生余剰電力消費用の回生ブレーキ抵抗（シーズヒータ）であり、ロータ減速時の回生電力をこの回生ブレーキ抵抗１４ｈで消費する。トランジスタ制御回路１４ｉによりトランジスタ１４ｊのオンオフを制御することにより、回生ブレーキ抵抗１４ｈに流れる電流のオンオフを制御する。１４ｋは、回生時の電力逆流防
止用のダイオードである。

図９は電源装置１４の素子や基板の具体的な配置を示す図である。図９（ａ）は、ジャケット本体１３ａと電源装置１４の縦断面図であり、図９（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。モータ駆動回路部は、モータへ電力を供給する大電力部であり、また、回生時の発熱素子である回生ブレーキ抵抗１４ｈを含むので、冷却装置１３の直下に配置している。

図８で説明したように、電源装置１４は、主にモータ駆動回路部と磁気軸受制御部とを備え、図９（ａ）に示すように、各種部品が複数の基板８１〜８３に分けて配設されている。本実施形態では、これらの部品を発熱量や高温に対する耐性に応じて要強冷却部品５０、要中冷却部品６０、冷却不要部品７０に分類し、それらを異なる基板８１〜８３にそれぞれ配置している。

要強冷却部品５０は、強い冷却が要求される部品で、例えば図１１に示すように、発熱が概ね５Ｗ以上のパワー素子５１や抵抗器５２、電力用コイル・トランス５３、大型の電解コンデンサ５４などを含む。要中冷却部品６０は、冷却は要求されるが、要強冷却部品のような強冷却は要求されない部品で、発熱が概ね５Ｗ未満のパワー素子６１や、消費電力がある程度以上の電子回路部品６２を含む。冷却不要部品７０は、冷却が殆ど要求されない消費電力の小さいトランジスタ７１や、抵抗・コンデンサ７２、ＩＣ７３などから成る。

要強冷却部品５０が実装される基板８１は、高伝熱性基板であり、その実装面には絶縁膜が施され、その上に部品５０や配線パターンが配置される。この高伝熱性基板８１は、リング状の回生ブレーキ抵抗１４ｈの内側において、その裏面（実装面と反対側の面）が冷却装置１３のジャケット本体１３Ａの下面にほぼ全面接触するよう固定される。したがって、冷却装置１３により、高伝熱性基板８１を介して要強冷却部品５０を強力に冷却することができる。また、特に強冷却が要求される部品５０に対しては、その部品５０と基板８１の実装面との間に熱伝導性のコンパウンド５０Ａを介装し、冷却効率を更に高めている。

要中冷却部品６０が実装される基板８２は、高伝熱性基板であり、その実装面には絶縁膜が施され、その上に部品６０や配線パターンが配置される。この基板８２は、その裏面（実装面と反対側の面）が電源装置筐体１４０の底面にほぼ全面接触するよう固定される。したがって、要中冷却部品６０から発した熱は、高伝熱性基板８２および電源装置筐体１４０を介して外部空気に効率よく逃がされる。上述した要強冷却部品５０と比べて絶対的な冷却効率は劣るものの、要中冷却部品６０としては十分な冷却が図れる。

冷却不要部品７０が実装される基板８３は、例えばガラスエポキシまたはフェノール製とされる。この基板８３は、両高伝熱性基板８１，８２の間の空間に、両高伝熱性基板８１，８２から離して配置される。例えば図１２に示すように、スタッドボルトなどの支持部材９１により基板８３を高伝熱性基板８１に支持することができる。高伝熱性基板８１ではなく、水冷ジャケット本体１３Ａに基板８３を支持してもよい。基板８３は高伝熱性基板ではなく、また位置的にも冷却不要部品７０の放熱は殆ど望めないが、冷却不要部品であるため何ら問題はない。なお、冷却不要部品７０は、周囲の部材との間で温度勾配があれば、輻射または局所的対流により伝熱され、冷却される。

上記のように電源装置１４の各部品を要強冷却部品５０、中冷却部品６０、冷却不要部品７０に分類し、要強冷却部品５０は、水冷装置１３への伝熱により冷却される第１空間に配置し、要中冷却部品６０は、筐体１４０の内面への伝熱により冷却される第２空間に配置し、冷却不要部品７０は、筐体１４０内で周囲部材への輻射または局所的対流による伝熱で冷却される第３空間に配置するようにした。したがって、冷却が要求される部品をその要求度に応じて効率よく冷却することができ、冷却ファン装置を設ける必要がない。

とくに上記実施形態の電源装置１４においては、要強冷却部品５０と要中冷却部品６０とを高伝熱性基板に実装し、基板を水冷装置１３や筐体１４０の内面に接触させて伝熱により冷却刷るようにした。したがって、予め部品が実装された基板を水冷装置１３や筐体１４０の底面に接触して配設するだけでよく、組立性も向上する。

図１０（ｂ）は回生ブレーキ抵抗１４ｈの外観を示し、図１０（ａ）は取付ブラケットの斜視図である。回生ブレーキ抵抗１４ｈは、たとえばシーズヒータであり、ジャケット本体１３ａの底面の外形形状に対応したＣ字形状の環状体に形成されている。回生ブレーキ抵抗１４ｈの一方の端子はケーブルＣＡ１によりＡＣ／ＡＣコンバータ１４ａの正極ラインに接続され、他方の端子はケーブルＣＡ２によりトランジスタ１４ｉのコレクタ端子に接続されている。

図１０（ａ）に示すように、取付ブラケット２１の上端フランジ２１ＵＦには取付孔が穿設され、この孔に図示しないボルトを挿入してジャケット本体１３ａの螺旋孔にボルトを螺合して取付ブラケット２１が固定される、取付ブラケット２１の外径は電源装置筐体１４０の内径やジャケット本体１３ａの外径よりやや小さい径であり、図９（ａ）に示すように、ジャケット本体１３ａと接する電源装置筐体１４０の開放端の内周面接続の隅部に取り付けられている。このブラケット２１のコ字状断面の底面にシーズヒータ１４ｈが巻き付くように配設され、不図示の固定手段で固定される。このように、シーズヒータ１４ｈは、筐体１４０が冷却装置１３と接する端部の内周面に沿って引き回して配設されている。換言すると、シーズヒータ１４ｈは、筐体１４０の内周面に対応した形状に予め製作されて配設されている。シーズヒータ１４ｈが配設される空所は、モータ駆動制御部や磁気軸受制御部等の基板や素子が元々配置し得ない空所である。したがって、電源装置筐体１４０内の各種素子配置のスペース効率が向上できるので、電源装置１４の小型化に貢献する。

回生ブレーキ抵抗１４ｈは伝熱材料で製作されたブラケット２１を介して冷却装置１３に取り付けられているので、回生ブレーキ時に発生する熱は冷却装置１３に伝熱され、過度の温度上昇が抑制される。

なお、取付ブラケット２１に代えて、ジャケット本体１３ａの底面にシーズヒータ１４ｈの形状に沿って所定間隔で固定した複数の金具でシーズヒータ１４ｈを固定してもよい。この場合、シーズヒータ１４ｈをジャケット本体１３ａの底面に押し付ければ、伝熱性を向上させることができる。また、回生ブレーキ抵抗の形状は、必ずしも図１０のような環状である必要はなく、ジャケット本体１３ａに放熱できる形状であればよい。

一実施形態のターボ分子ポンプ装置１０では、ジャケット本体１３ａと電源装置筐体１４０が、略８角形凸部１３ｅおよび略８角形環状凹部１４ｂで嵌め合わされ、トルク反力構造を形成する。外乱により、ポンプ本体１１のロータがポンプケーシング内周面と接触する際の衝撃トルクにより、ポンプケーシング１１０が真空処理装置に対して相対的に回転して停止するとき、冷却装置１３と電源装置１４にはその自重に起因した慣性力が働き、排気部ケーシング１２０と冷却装置１３との間の締結部（第１締結部）に慣性力によるトルクが作用する。また、冷却装置１３と電源装置筐体１４０との間の締結部（第２締結部）にも慣性力によるトルクが作用する。電源装置１４の自重による慣性トルクは略８角形環状凹部１４ｂから、ジャケット本体１３ａの８角形凸部１３ｅに伝達される。ジャケット本体１３ａはボルト１３Ｂにより排気部ケーシング１２０に締結されているので、慣性力トルクによる剪断力はボルト１３Ｂに作用する。その結果、ジャケット本体１３ａと電源装置筐体１４０を締結するボルト１４Ｂには、上記慣性力による大きな剪断力は作用しない。したがって、ボルト１４Ｂの径は、慣性力トルクを考慮する必要が無いので細くすることができる。

上述した実施形態のターボ分子ポンプ装置を次のように変形して実施することができる。
（１）要強冷却部品５０を高伝熱性の基板８１上に実装し、この基板８１を冷却装置１３に接触して装着するようにした。しかし、要強冷却部品５０を絶縁状態で冷却装置１３に装着してもよい。部品自身が絶縁されていない場合、伝熱性のよい絶縁シートを介して冷却装置１３に装着する。

（２）要中冷却部品６０を高伝熱性の基板８２上に実装し、この基板８２を筐体１４０の内面に接触して装着するようにした。しかし、要強冷却部品６０を絶縁状態で筐体１４の内面に装着してもよい。部品自身が絶縁されていない場合、伝熱性のよい絶縁シートを介して筐体１４の内面に装着する。

なお、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。

したがって、本発明は、ターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置１４と、ターボ分子ポンプ本体１１と電源装置１４との間に介装される水冷装置１３とを有し、電源装置１４の筐体１４０内に設けられる部品を、強冷却が要求される要強冷却部品５０と、中程度の冷却が供給される要中冷却部品６０と、殆ど冷却が要求されない冷却不要部品７０とに分類した上で、要強冷却部品５０は、水冷装置１３への伝熱により冷却される第１空間に配置し、要中冷却部品６０は、筐体１４０の内面への伝熱により冷却される第２空間に配置し、冷却不要部品７０は、筐体１４０内で輻射または局所的対流により冷却される第３空間に配置する種々の形態のターボ分子ポンプに適用できる。

１０ ターボ分子ポンプ装置
１１ ポンプ本体
１２ ベース
１３ 冷却装置
１４ 電源装置
１４ｈ 回生ブレーキ抵抗
２１ 取付ブラケット

Claims (8)

1. 回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、
   前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、
   前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、
   前記回生ブレーキ抵抗が、伝熱材料で製作された取付部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている、ターボ分子ポンプ装置の電源装置。
2. 前記回生ブレーキ抵抗が、固定手段によって前記取付部材に固定されている、請求項１に記載のターボ分子ポンプ装置の電源装置。
3. 前記取付部材が、前記水冷装置にボルトによって螺合されている、請求項１または２に記載のターボ分子ポンプ装置の電源装置。
4. 前記回生ブレーキ抵抗が、前記電源装置の隅部において前記取付部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のターボ分子ポンプ装置の電源装置。
5. 前記取付部材が、前記回生ブレーキ抵抗が配されるコ字状断面を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のターボ分子ポンプ装置の電源装置。
6. 回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、
   前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、
   前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、
   前記回生ブレーキ抵抗が、伝熱材料で製作された部材を介して前記水冷装置の下面に取り付けられている、ターボ分子ポンプ装置の電源装置。
7. 回転翼が形成されたロータと、固定翼と、前記ロータを回転駆動するモータとを有するターボ分子ポンプ本体を駆動する電源装置であって、
   前記モータの回生電力を熱に変換する回生ブレーキ抵抗と、
   前記ターボ分子ポンプ本体と前記電源装置との間に介装される水冷装置とを備え、
   前記回生ブレーキ抵抗が、前記水冷装置に接触するように配置されている、ターボ分子ポンプ装置の電源装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の前記電源装置および前記ターボ分子ポンプ本体を備える、ターボ分子ポンプ装置。

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