JPH10299688A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス条件（ガス種，流量，温度等）、環境条
件（環境温度，冷却条件）の違いに関わらず動翼５の温
度を的確に計測し、許容動翼温度以上になれば動翼５の
クリープ破壊を防止するよう運転を停止できる保護機能
をもつターボ分子ポンプを提供する。 【解決手段】 動翼５を取り付けたロータ４のシャフト
４ａを、静翼３が設けられたロータ室２内に回転可能に
支持し、前記ロータ室２内に設けたモータ１１によって
ロータシャフト４ａを高速回転させる。ロータシャフト
４ａにより動翼５を高速に回転させることによる圧縮作
用で真空容器内のガス分子を吸気口１ｃ側から排気口１
ｄ側へ排気するように構成されている。運転中の動翼５
の温度を常時検出する温度検出器１２を前記ロータ室２
内に設け、検出された動翼５の温度が設定値を超えた場
合にはロータ４を停止または、警報を発生させるように
構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速回転部分の破
壊防止に対する保護機能（インターロック）を備えたタ
ーボ分子ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ分子ポンプを図５により説明する
と、図５の１が上半部１ａと下半部１ｂとよりなるター
ボ分子ポンプのケーシング、１ｃがケーシング上半部１
ａに設けられた吸気口、１ｄがケーシング下半部１ｂに
設けられた排気口、２がケーシング１内のロータ室、３
がケーシング上半部１ａに固定した静翼、４がロータ室
２内に配設したロータである。５が同ロータ４に設けた
動翼、４ａがロータシャフトで、動翼５とロータシャフ
ト４ａがロータ４を構成している。

【０００３】６が同ロータシャフト４ａの下端部に設け
たスラスト磁気ディスク、７ａ及び７ｂがロータシャフ
ト４ａとケーシング下半部１ｂとの対向面に設けた上下
ラジアル磁気軸受、８がスラスト磁気ディスク６の上下
面に対向して設けたスラスト磁気軸受、９がロータシャ
フト４ａの上端部にラジアル用上部保護軸受として設け
たボールベアリング、１０がロータシャフト４ａの下端
ネック部に設けたラジアル及びスラスト用下部保護軸受
（ボールベアリング）である。１１がケーシング下半部
１ｂ内に設けたロータ駆動回転用のモータである。

【０００４】なお、図５には軸受に能動形磁気軸受を有
するターボ分子ポンプの例を示したが、ボールベアリン
グ形及びその他の軸受を使用したターボ分子ポンプ等に
おいても軸受の機構が異なるだけで内容においては同様
である。この点は後記する図１に示した本発明の実施形
態によるターボ分子ポンプにおいても同様である。

【０００５】また、本明細書中でいうターボ分子ポンプ
における動翼とは、高速に回転させることで圧縮作用を
するように構成されたものであり、タービン翼ロータ、
タービン翼とネジ溝で構成された複合ロータ、ネジ溝ロ
ータ等である。

【０００６】ターボ分子ポンプを使用するうえで、ロー
タ４に設けた動翼５の温度上昇に対する動翼素材（一般
には軽量かつ応力強度の高いアルミニウム合金を使用）
のクリープ強度低下による破壊寿命を考慮し、ターボ分
子ポンプで排気するガス流量もしくは吸気口圧力に制限
を設けている。そのため、ユーザ側でこれらの制限を満
足するようプロセス条件（吸気口圧力，ガス流量等）を
設定している。

【０００７】また、ターボ分子ポンプ自体も前記動翼５
の温度上昇に伴うクリープ強度低下による破壊を防止す
るため、前記制限を超えた場合は運転を停止するよう排
気するガス負荷（流量）に対する保護機能（インターロ
ック）を有しており、同制限外の使用となる場合には運
転を停止するようにしている。

【０００８】従来のこの保護機能は、ガス負荷により発
生する動翼５の風損がロータ４を高速に回転させるモー
タ１１の入力電流値に反映されガス負荷が大きくなると
電流値が増えることを利用し、この電流値を監視し規定
電流値（トリップ値）と比較することで運転状態が制限
内であることを判断している。

【０００９】この規定電流値は、予めターボ分子ポンプ
単体での限定された数種のガス（具体的には窒素ガス，
アルゴンガス等）を使用しての、最大許容ガス負荷（流
量）の試験により、動翼５の温度がクリープ寿命を許容
できるガス流量条件を測定しておき、その最大ガス負荷
（流量）でのモータ１１への入力電流値を規定値として
設定している。この規定電流値をもってターボ分子ポン
プの定格運転時にモータ１１への入力電流を監視するこ
とで制限内で運転できるようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ターボ分子ポ
ンプにおける動翼５は、軽量かつ強度の高い素材である
アルミニウム合金で製作されているが、ターボ分子ポン
プの使用条件以上のガス負荷にさらされた場合、過大な
ガス負荷による風損及びガスの圧縮熱で動翼５の温度が
上昇し、クリープ強度低下による破壊をもたらす。

【００１１】動翼５のクリープ破壊を防止するため、従
来は、前述のとおり、予めターボ分子ポンプ単体での限
定された数種のガス（具体的には窒素ガス，アルゴンガ
ス等）を使用しての、最大許容ガス負荷（流量）の試験
により動翼５の温度がクリープ寿命を許容できるガス流
量条件を決定していた。

【００１２】そして、その最大ガス負荷（流量）でのモ
ータ１１への入力電流値を計測し、この値を規定電流値
（トリップ値）とし、この規定電流値をもってターボ分
子ポンプの定格運転中のモータ１１への入力電流値と比
較し、モータ電流値が規定電流値を超えた場合、ターボ
分子ポンプの運転を停止する保護機能としていた。

【００１３】しかし、ターボ分子ポンプを実際に使用す
るユーザでのプロセスガスの種類は、ターボ分子ポンプ
単体での試験により決定しているモータ電流の規定電流
値（トリップ値）測定の使用ガスである窒素ガス、アル
ゴンガス等とは異なるため、ガスの分子量や比熱等のガ
ス特性が違う。

【００１４】このため、実プロセスガスによる負荷に対
するモータ入力電流値と動翼温度は一義的に決定できず
（モータ入力電流値が同じでもガスの種類により動翼温
度が異なる）、前記保護機能では、実プロセスガス負荷
による動翼５の温度上昇に起因する動翼５のクリープ破
壊の防止という目的を完全に達成できない問題点があっ
た。

【００１５】また、環境温度や冷却条件によっても動翼
５の温度はばらつき、これらの条件からもモータ入力電
流値と動翼温度は一義的に決定できないことから、従来
のターボ分子ポンプではクリープ破壊の防止上、信頼性
に劣るという問題があった。

【００１６】本発明はいかなるガス条件（ガス種，流
量，温度等）、環境条件（環境温度，冷却条件）におい
ても動翼の温度を的確に計測し、許容動翼温度以上にな
れば動翼のクリープ破壊を防止するようターボ分子ポン
プの運転を停止できる保護機能をもつターボ分子ポンプ
を提供することを課題としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロータ室と、
同ロータ室内に設けられた静翼と、前記ロータ室内に回
転可能に支持されたロータシャフト及び動翼を有するロ
ータと、前記ロータシャフトを高速回転させる前記ロー
タ室内に設けられたモータとを備えてなり、同モータに
より前記ロータシャフトを介して前記動翼を高速回転さ
せることで真空容器内のガス分子を吸気側から排気側へ
排気するようにしたターボ分子ポンプにおける前記課題
を解決するため次の構成を採用する。

【００１８】すなわち、本発明によるターボ分子ポンプ
では、前記課題解決のため、前記ロータ室内に設けられ
前記動翼の温度を検出する手段と、検出された前記動翼
の温度が設定値を越えた場合に前記ロータの停止及び警
報発生の少くともいづれか一方を行う手段を設けた構成
とする。

【００１９】本発明によるターボ分子ポンプにおいて動
翼の温度を検出する手段としては動翼の温度膨張を検出
する変位センサを有し、その検出された変位量から動翼
の温度を演算するように構成したものであってもよい。

【００２０】本発明によるターボ分子ポンプでは、動翼
の温度を検出する手段をロータ室内に設けることによ
り、動翼の温度が上昇して材料強度的に危険な状態にな
ったことを的確に検出し、モータを減速モードへ切り替
え運転を停止させたり警報を発生させることとしたの
で、いかなるガス条件（ガス種，流量，温度等）、環境
条件（環境温度，冷却条件）に対しても動翼のクリープ
破壊を事前に防止できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるターボ分子ポ
ンプについて図１に示した実施の形態に基づいて具体的
に説明する。なお、以下の実施の形態において、図５に
示した従来のものと同じ構成の部分には説明を簡単にす
るため同じ符号を付してあり、それらについての重複す
る説明は省略する。

【００２２】図１において、１２は温度検出器であり同
温度検出器（センサ）１２をロータ室２内のケーシング
下半部１ｂに設け、定格回転中の動翼５の表面温度を常
時直接計測し、リアルタイムで監視できるように構成す
る。この温度検出器１２は高速回転する動翼５の表面温
度を計測するため非接触で検出できるようになってい
る。

【００２３】また、温度検出器１２は、ロータ室２内の
環境、例えばプロセスガス種、圧力、取付部の温度等に
より影響を受けないもの又は影響を補正する機構が選択
されている。また、真空環境内に設置するため膨張、放
電等の破壊が発生しないもの、及びプロセスガスによる
腐食、絶縁低下が発生しないものが選択されている。

【００２４】更に、この温度検出器１２は回転する動翼
５との接触を避けるため、ロータ４の振動、傾きに対し
十分な間隙が必要であり、この必要間隙をもってしても
温度検出の精度が確保できるようになっている。これら
の条件を満足する温度検出器１２には放射温度計、赤外
線カメラ等種々の非接触温度計が適用できる。

【００２５】（実施の第１形態）実施の第１形態とし
て、温度検出器１２に放射温度計を採用した場合につい
て以下に説明する。放射温度計はその仕様から、検出部
が取り付けられている環境により、具体的には周囲を取
り巻くガスの種類及び圧力により計測値が変動するので
使用環境による影響を補正する必要がある。

【００２６】この環境による影響の補正手法を図２に示
す。図２に示す補正手法は、次のとおりである。まず、
温度検出器１２からの計測値を数値演算できるマイクロ
プロセッサまたは、電子部品による演算回路を組み込ん
だ演算器（コントローラ）にとりこむ。

【００２７】なお、予めターボ分子ポンプで排気する各
プロセスガスに対する放射温度計の各圧力による温度変
化量を計測することで温度補正データを採取し、前記デ
ータをテーブルとして演算器内部のマイクロプロセッサ
等に記憶させておく。

【００２８】従って、ターボ分子ポンプの運転中常時プ
ロセスガスの種類（図２中 プロセスガスＡ）及び圧力
（図２中 Ｐ）の情報を入力することにより前記データ
テーブルから温度補正値を補間（図２中 Ｋ）すること
で行うことができ、放射温度計の出力値に温度補正値を
掛けることにより、動翼５の温度を演算することができ
る。

【００２９】こうしてターボ分子ポンプの定格運転中に
リアルタイムで計測する動翼５の温度に対し、予め動翼
温度とクリープ寿命の関係を計算又は実験により求めて
おいた、クリープ寿命に対する許容動翼温度の規定値
（トリップ値）と比較する。

【００３０】そして動翼５の温度が規定温度より高くな
った時点で、前記演算器（コントローラ）のインターロ
ック信号により、ターボ分子ポンプ駆動用電源を停止さ
せ、ターボ分子ポンプの運転を停止または、警報を発生
させる。

【００３１】以上説明したように放射温度計による計測
値（Ｔ）のプロセスガスの種類と圧力の情報による補
間、及びトリップ設定温度との比較によるターボ分子ポ
ンプの運転・停止制御のフローチャートを図３に示して
ある。

【００３２】（実施の第２形態）次に、温度検出器１２
に非接触変位センサを採用した場合を実施の第２形態と
して以下に説明する。本実施の第２形態では、動翼５の
温度が上昇することにより動翼内径寸法が温度膨張する
ことを利用し、温度検出器（変位センサ）１２と動翼５
の円筒部内面の間隙が大きくなることを検出し、間隙の
大きさ、換言すれば動翼５の円筒部の温度膨張分から、
動翼５の温度を演算する。

【００３３】ただし、温度検出器１２に変位センサを利
用するためには、動翼５の温度変化による変位センサの
温度偏差分や、動翼５の遠心力による変形分や、温度検
出器１２を取付けているケーシング下半部１ｂの温度膨
張分を差し引く演算が必要となる。

【００３４】また、変位測定（動翼温度）の精度を向上
させるため、１８０度位相の異なるロータ４の軸対称位
置の２ポイント計測し、両者の計測値を平均する構成と
するのが好ましい。

【００３５】温度検出器に変位センサを利用する場合の
前記した温度偏差分等を差し引いたり２ポイント計測す
る演算系のフローチャートを図４に示してある。以下、
これを参照しつつ演算内容を説明する。

【００３６】ターボ分子ポンプの定格運転中の温度検出
器１２として使用する変位センサの計測値には、測定項
目である動翼５の温度変化による熱膨張に加え、定格回
転時の動翼５のアンバランス成分、温度検出器１２を設
置しているケーシング下半部１ｂの熱膨張、動翼５の遠
心力による変形、変位センサの温度偏差分が含まれる。

【００３７】先ず、温度検出器１２の変位出力値を回転
数より低い周波数に設定されたローパスフィルタを通
し、アンバランス成分（ＡＣ成分）を削除し直流成分だ
けを取り出す。一方、ケーシング下半部１ｂに温度検出
器１２を取り付けている近傍の温度を熱電対等で計測
し、この温度にケーシング下半部１ｂの半径と線膨張係
数を掛け温度検出器１２の取り付け位置の温度変位を演
算し前記値に加算する。

【００３８】また、定格到達時の初期変位量（動翼５の
遠心力変位）を差し引き、この値に変位センサの温度偏
差量を補正することで温度による動翼変位変化量を算出
する。更に、前記値に温度検出器１２の動翼５の対向部
内径と線膨張係数を掛けた値で割ることにより動翼５の
温度を演算する。

【００３９】前記したように演算された動翼５の温度値
とトリップ設定温度値と比較し、設定温度を超えた場合
は運転を停止するインターロックを作動させるように構
成されている。なお、本実施の第２形態での非接触変位
センサには、渦電流式、レーザ式、静電容量式等を使用
することができる。

【００４０】以上、本発明を図示した実施形態に基づい
て具体的に説明したが、本発明がこれらの実施形態に限
定されず特許請求の範囲に示す本発明の範囲内で、その
具体的構造、構成に種々の変更を加えてよいことはいう
までもない。例えば、上記実施形態では動翼５の半径方
向の温度膨張を計測し、動翼温度を検出する手法を示し
たが、ロータ４の軸方向の温度膨張を計測する方式のも
のになる等種々考えられる。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、ターボ分子ポンプにおいて、
動翼の温度を検出する機構をロータ室内に設け、動翼の
温度が上昇することにより材料強度的に危険な状態にな
ることを的確に検出し、ロータを駆動回転するモータを
減速モードへ切り替え運転を停止させたり警報を発生さ
せることとしたので、いかなるガス条件（ガス種，流
量，温度等）、環境条件（環境温度，冷却条件）に対し
ても動翼のクリープ破壊を事前に防止でき、ターボ分子
ポンプの破壊に対する安全に関する信頼性が向上する効
果を奏した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態によるターボ分子ポンプ
の側面図。

【図２】本発明の実施の第１形態によるターボ分子ポン
プに用いた放射温度計の補正手法を示す図。

【図３】本発明の実施の第１形態によるターボ分子ポン
プにおける運転制御のフローチャート図。

【図４】本発明の実施の第２形態によるターボ分子ポン
プにおける運転制御のフローチャート図。

【図５】ターボ分子ポンプの基本構造を示す側面図。

【符号の説明】

１ ケーシング １ａ ケーシング上半部 １ｂ ケーシング下半部 １ｃ 吸気口 １ｄ 排気口 ２ ロータ室 ３ 静翼 ４ ロータ ４ａ ロータシャフト ５ 動翼 ６ スラスト磁気ディスク ７ａ 上部磁気軸受 ７ｂ 下部磁気軸受 ８ スラスト磁気軸受 ９ 上部保護軸受 １０ 下部保護軸受 １１ モータ １２ 温度検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水津 雅晴 広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱 重工業株式会社広島製作所内 (72)発明者 荒見 淳一 山梨県韮崎市藤井町北下条2381−１ 東京 エレクトロン山梨株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータ室と、同ロータ室内に設けられた
   静翼と、前記ロータ室内に回転可能に支持されたロータ
   シャフト及び動翼を有するロータと、前記ロータシャフ
   トを高速回転させる前記ロータ室内に設けられたモータ
   とを備えてなり、同モータにより前記ロータシャフトを
   介して前記動翼を高速回転させることで真空容器内のガ
   ス分子を吸気側から排気側へ排気するターボ分子ポンプ
   において、前記ロータ室内に設けられ前記動翼の温度を
   検出する手段と、検出された前記動翼の温度が設定値を
   越えた場合に前記ロータの停止及び警報発生の少くとも
   いづれか一方を行う手段を備えてなることを特徴とする
   ターボ分子ポンプ。
2. 【請求項２】 前記動翼の温度を検出する手段が変位セ
   ンサを有し、同変位センサにより前記動翼の温度膨張を
   検出し、検出された変位量から前記動翼の温度を演算す
   るように構成してなる請求項１記載のターボ分子ポン
   プ。