JP2004116319A

JP2004116319A - Vacuum pump

Info

Publication number: JP2004116319A
Application number: JP2002277643A
Authority: JP
Inventors: Manabu Nonaka; 野中　学; Toru Miwata; 三輪田　透
Original assignee: BOC Edwards Technologies Ltd
Current assignee: Edwards Japan Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To estimate a temperature of a rotor of a pump and thereby properly secure creep life of the rotor, by measuring a temperature of exhaust gas with high accuracy. <P>SOLUTION: A rotor temperature measuring means 30 is constituted of a stay 31 made of material low in heat conductivity, and a contact type temperature sensor 32 installed on the stay 31. The stay 31 is disposed to a fixing member of a main flow passage R of gas molecules and positioned near the rotor 20, so that the temperature sensor 32 is thermally insulated from peripheral members and is arranged at a position where the temperature sensor is collided with the gas molecules to measure the exhaust gas temperature with high accuracy, and then the temperature of the rotor 20 is estimated from the measured gas temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置、液晶ディスプレイパネル製造装置等に用いられる真空ポンプに係り、特に、排気されるガスの温度を測定して回転翼の温度を間接的に推定するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体製造工程におけるドライエッチングやＣＶＤ等のプロセスのように、高真空のプロセスチャンバ内で処理を行なう工程では、プロセスチャンバ内のガスを排気して一定の高真空度を形成するための手段として、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプが用いられている。
【０００３】
一般に、ターボ分子ポンプは、円筒型のロータの外周面に複数のブレード状のロータ翼列が複数段にわたって設けられており、ポンプケース内部にはこれらロータ翼段の間に交互に位置決めされた複数のステータ翼が設けられている。そして、ロータに一体に取り付けられた回転軸を駆動モータ等により高速回転させることで、ロータ翼とステータ翼との相互作用により、ガス吸気口から吸入されるガスを下段のガス排気口へ排気して、ガス吸気口に接続されたプロセスチャンバ内を高真空にする（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０３８４３２号公報　（第３頁、図１）
【０００５】
ところで、ターボ分子ポンプにおいて、ロータとロータ翼からなる回転体は、ポンプ排気時におけるガスの圧縮熱や摩擦熱により温度上昇して高温となる。また、この回転体の回転数は一般に２００００〜５００００ｒｐｍと高速であり、回転体は遠心力による大きな引張応力を受ける。このため、回転体が上記のような高温かつ引張応力を受けた状態で長時間にわたり運転を続けると、回転体の塑性歪みが徐々に増加するクリープ変形が起こり、狭い間隔で対向する固定側と最終的に接触する恐れがある（以下、これを「回転体のクリープ寿命」という）。この接触により、最悪の場合には回転体に傷がついてクラックが発生し、そこを起点とする応力集中によって回転体の破壊に繋がるという可能性がある。
【０００６】
この回転体のクリープ寿命の要因となる回転体の歪み速度は、温度に対して対数的に変化することが知られており、回転体の温度が上昇すると回転体のクリープ寿命も対数的に短くなる。よって、ターボ分子ポンプでは、回転体のクリープ寿命が所定の基準を満たすように、排気するガスの許容流量、圧力、使用環境温度などが規定されている。
【０００７】
そこで、従来では回転体のクリープ寿命が極度に短くなることを防止するために、例えば、
（イ）ガス流量・プロセスチャンバ内部圧力のモニタリング
（ロ）回転体の温度のモニタリング
（ハ）回転体以外の部材の温度測定による回転体の温度推定
（ニ）回転体の寸法変化測定
等の方法によりポンプを監視することが行なわれている。（ロ）については、測定対象物から輻射される赤外線によって、対象物の温度を非接触で測定できる温度センサとして、焦電型センサやサーモパイル型センサなどの赤外線温度センサを利用した例が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献２】
特開平１０−２９９６８８号公報　（第３−４頁、図１）
【０００９】
しかしながら、従来採用されていたポンプの監視方法においては、以下のような問題が指摘されている。
【００１０】
まず、（イ）のガス流量・プロセスチャンバ内部圧力のモニタリングによる方法では、ガスによって排気効率が異なり、かつ圧縮熱の発生量も異なる。また、プロセスチャンバ内での化学反応により、吸気したガス分子内部にエネルギーが蓄積されていると、そのエネルギーが回転体に伝わってしまう。よって、ガス流量・圧力のみでは回転体の温度を推定することが難しい。
【００１１】
次に、（ハ）の回転体以外の部材の温度測定による方法では、ポンプケース内に流入するガスの流量が少ない場合や、Ａｒガスのように熱伝導率の低いガスを排気する場合には、ガスによる熱伝導がほとんど起こらず、測定対象物である回転体の温度を正確に測定することができない。
【００１２】
また、（ニ）の回転体の寸法変化測定による方法では、センサと回転体との間の隙間寸法は、回転体の振れ回り等の要因によってその値が大きく左右されるため、測定温度の信頼性を確保することが困難である。
【００１３】
さらに、（ロ）の赤外線温度センサで回転体の温度測定を行なう場合、回転体以外の温度の低い固定部材からの輻射光が入射したり、センサ表面に堆積物が付着すると、センサに入射する赤外線量が変化してしまうため、測定精度が低下する。よって、測定精度の低下を防ぐためには、赤外線温度センサの受光部を測定対象物である回転体に極力近づける必要が生じる。このため、回転体近傍に赤外線温度センサを設置しなければならず、回転体周辺の設計自由度が大幅に制限されてしまう。
【００１４】
また、センサ受光部が回転体近傍にあることから、センサ自身が回転体からの輻射の影響を受けて温度ドリフトを起こしたり、センサ自身の寿命が短くなるという不具合がある。特に、ターボ分子ポンプを塩素や硫化フッ素系の腐食性の強いガスを排気する環境で使用する場合、センサ自身が腐食して故障する恐れもある。このため、定期的にセンサを交換しなければならず、その都度何度もポンプを分解する作業が必要となる上に、故障部品の交換に伴う大幅なコストアップを招くという問題がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気されるガスの温度を高精度で測定することでポンプ回転体の温度を推定し、回転体のクリープ寿命を適性に確保できる信頼性の高い真空ポンプを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る真空ポンプは、回転体の回転運動により、外部からポンプケース内部に吸気されたガス分子を圧縮し、圧縮されたガス分子をポンプケース外部へと排気するポンプ機構部と、ガス分子の主流路でかつ回転体の近傍に位置する固定部材に設置された熱伝導率の低い材質からなるステーと、ステーに設置された温度センサとを備えた回転体温度測定手段と、を具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、温度センサが、ステーによって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつガス分子の主流路に設置されていることから、排気されるガス温度を高精度で測定することができる。また、回転体の温度上昇の要因は、排気時のガスの圧縮熱や摩擦熱によるものと考えられることから、温度センサをガス分子の主流路であって、かつ回転体の近傍に配置することにより、測定されたガス温度から回転体の温度を推定することが可能となる。
【００１８】
温度センサには接触式と非接触式とがあるが、本発明ではガス分子との接触によりガス温度を測定することから接触式温度センサを使用するものとし、例えば、サーミスタ、熱電対、白金測温抵抗体を使用することができる。
【００１９】
また、ステーとなる熱伝導率の低い材料としては、ステンレス鋼、セラミックス材料、合成樹脂材料などが挙げられる。合成樹脂材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであっても良いが、熱伝導率の低い合成樹脂材料としては、熱可塑性樹脂ではフッ素樹脂、熱硬化性樹脂ではエポキシ樹脂の他、断熱性を有するガラス繊維またはカーボン繊維を混入した各種エンジニアリングプラスチックが考えられる。
【００２０】
また、本発明においては、温度センサが、熱伝導率の低い材質からなるステーに支持された熱伝導率の高い材質からなる集熱部材に設置される構造を採用することもできる。その設置構造の一例として、温度センサを集熱部材の内部に埋設しても良い。また、集熱部材となる熱伝導率の高い材料としては、アルミニウム合金、銅などの金属材料が考えられる。
【００２１】
このように、温度センサが、ステーによって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつガス分子の主流路において熱伝導率の高い集熱部材に設置されていると、熱伝導率の低いガスを排気する場合であっても、この集熱部材の集熱作用によって、排気されるガス分子自身の温度を高精度で測定することができる。
【００２２】
また、本発明において、温度センサのセンサ出力を電気的信号に変換する信号変換器と、信号変換器から出力された電気的信号に基づいて、回転体の温度が所定温度を超過した場合に警報信号を出力する警報出力回路と、を具備していても良い。
【００２３】
さらに、本発明において、温度センサのセンサ出力を電気的信号に変換する信号変換器と、信号変換器から出力された電気的信号に基づいて、回転体の温度変化を時間的に積算し、その積算値から回転体の歪み量を推定し、その歪み量推定値が、回転体と固定体との間の最狭隙間寸法に対して設計的余裕を持って設定される寸法を回転体の外径寸法で除算した値よりも超過した場合に警報信号を出力する警報出力回路と、を具備していても良い。
【００２４】
なお、このような警報出力回路の出力例としては、例えば、温度センサが回転体の異常温度を検出してセンサ出力が閾値を超過した場合に、回転体の回転速度を減速させるシーケンスや、回転体の回転運動を停止させるシーケンスなどが考えられる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る真空ポンプの好適な実施の形態について、ターボ分子ポンプに適用した例を挙げて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
＜第１実施形態＞
図１は本実施形態のターボ分子ポンプの全体構成を示す縦断面図であり、まずこのターボ分子ポンプの基本的な構造について説明する。
【００２７】
同図に示すターボ分子ポンプＰは、中空円筒型のケーシング１にベース２を接合することにより密閉されたポンプケース３内部に、ターボ分子ポンプ機構部ＰＡとネジ溝ポンプ機構部ＰＢとが収容された複合タイプの真空ポンプである。
【００２８】
ケーシング１の上部壁面にはガス吸気口４が開口され、ベース２の下部側壁面にはガス排気口５が開口されている。ガス吸気口４にはプロセスチャンバ等の真空容器が吸気口フランジ６を介して螺着され、ガス排気口５には排気パイプ７を介して補助ポンプが連結されることにより、このターボ分子ポンプＰは、プロセスチャンバ内のガスを排気して一定の高真空度を形成するための手段として使用される。
【００２９】
ポンプケース３内部に立設するステータコラム８の上下端面間には、高周波モータ等の駆動モータ９により高速回転する回転軸１０が貫通しており、回転軸１０は、半径方向電磁石１１−１と軸方向電磁石１１−２からなる磁気軸受１１により、回転軸１０の半径方向および軸方向にそれぞれ軸支されている。また、回転軸１０の両端部には、ドライ潤滑剤が塗布された保護用ボールベアリング１２が設けられており、通常運転時には回転軸１０に非接触で、磁気軸受１１の電源異常時にのみ回転軸１０に接触して軸支し、回転軸１０と磁気軸受１１との接触を防ぐように調整されている。
【００３０】
ステータコラム８から突出した回転軸１０の上端部には、ステータコラム８を包囲する中空円筒型のロータ１３が軸線Ｌ方向に螺着固定され、ロータ１３は駆動モータ９により回転軸１０と同期して高速回転する。回転軸１０に一体化されたロータ１３は半径方向センサ１４−１と軸方向センサ１４−２からなる位置検出センサ１４により位置制御されている。
【００３１】
ロータ１３外周の上方略半部分はターボ分子ポンプ機構部ＰＡとして機能し、ロータ１３外壁面には回転軸１０の軸線Ｌ方向にかけて複数のブレード状のロータ翼１５，１５，…が一体成形されている。また、ケーシング１内壁面にはこのロータ翼１５，１５間に交互に位置決めされた複数のブレード状のステータ翼１６，１６，…がスペーサ１７を交互に積層することで取り付け固定されている。
【００３２】
一方、ロータ１３外周の下方略半部分はネジ溝ポンプ機構部ＰＢとして機能し、ロータ１３外壁面は平坦な円筒面とされ、ケーシング１内壁面にはロータ１３外壁面と狭い間隔で対向する円筒型のネジステータ１８が設けられ、ロータ１３との対向面に螺旋状のネジ溝１９が刻設されている。
【００３３】
このターボ分子ポンプ機構部ＰＡとネジ溝ポンプ機構部ＰＢはガス吸気口４からガス排気口５へと流れるガス分子の主流路Ｒを形成している。すなわち、駆動モータ９により回転軸１０を高速回転させると、回転軸１０に一体化されたロータ１３とロータ翼１５からなる回転体２０も同期して高速回転する。これにより、ターボ分子ポンプ機構部ＰＡにおいては、可動するロータ翼１５と固定されたステータ翼１６との相互作用により上段側のガス吸気口４から吸気された分子流から遷移流のガス分子を下段側に送り込み、ネジ溝ポンプ機構部ＰＢにおいては、可動するロータ１３円筒面と固定されたネジ溝１９との相互作用により、遷移流のガス分子を粘性流に圧縮し、圧縮されたガス分子を下段側のガス排気口５へと排気する。
【００３４】
以上がこのターボ分子ポンプＰの基本的な構造であるが、次にこのターボ分子ポンプＰの特徴的な構造について説明する。
【００３５】
図１に示すように、このターボ分子ポンプＰは、高速回転するロータ１３とロータ翼１５からなる回転体２０の温度を測定する回転体温度測定手段３０を備えている。回転体温度測定手段３０は、熱伝導率の低い材質からなるステー３１と、このステー３１に設置される温度センサ３２とを具備して構成されている。ステー３１の設置箇所はガス分子の主流路Ｒであってかつ回転体２０の近傍に位置する固定部材に対して取り付けられるものとする。
【００３６】
温度センサ３２としては、接触式と非接触式とがあるが、本発明ではガス分子との接触によりガス温度を測定することから接触式温度センサを使用するものとする。接触式温度センサとしては、例えば、半導体の温度特性を利用したサーミスタ、異種金属の接合点の温度差により生じる熱起電力を利用した熱電対、温度に対応して変化する金属の電気抵抗を利用した測温抵抗体などが使用でき、測温抵抗体の中では化学的に安定で温度特性が良好な白金が好ましい。
【００３７】
また、温度センサ３２として接触式温度センサを使用することから、温度センサ３２と接触するステー３１は、熱伝導率の低い材料を使用して形成する。熱伝導率の低い材料としては、耐腐食性に優れたステンレス鋼、セラミックス材料、合成樹脂材料などが挙げられる。合成樹脂材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであっても良いが、熱伝導率の低い合成樹脂材料としては、熱可塑性樹脂ではフッ素樹脂、熱硬化性樹脂ではエポキシ樹脂の他、断熱性を有するガラス繊維またはカーボン繊維を混入した各種エンジニアリングプラスチックが考えられる。
【００３８】
ステー３１の形状や設置構造については各種考えられるが、その一例を図２に示す。このステー３１は、リング状に成形された固定体取付部３１−１と、固定体取付部３１−１と一体にその内側に向けて突出成形されたセンサ取付部３１−２とからなる形状を有し、センサ取付部３１−２の上面に温度センサ３２を支持する構造となっている。
【００３９】
そして、図１に示すように、最下段のスペーサ１７下面とネジステータ１８上面との間にステー３１の固定体取付部３１−１が挟持されることにより、ステー３１のセンサ取付部３１−２がポンプの全周にわたってステータ翼１６と平行に支持される。こうして、センサ取付部３１−２に設置された温度センサ３２は、ガス分子が流れる空隙を介して最下段のロータ翼１５下面と対向するように配置されている。
【００４０】
なお、ステー３１の形状として、センサ取付部３１−２を円周上に複数箇所設けても良く、また、温度センサ３２の取付位置としては、ガス分子と接触する位置であればセンサ取付部３１−２の上面ではなく下面であっても良い。
【００４１】
このように、本実施形態のターボ分子ポンプＰによれば、接触式の温度センサ３２が、熱伝導率の低いステー３１によって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつガス分子の主流路Ｒに設置されている。また、ターボ分子ポンプＰの運転時、ガス吸気口４からガス排気口５へと排気されるガス分子は、主流路Ｒに設置された温度センサ３２に必ず衝突することになる。このため、温度センサ３２は周囲の部材からの熱伝導の影響を受けることなく、排気されるガス温度を高精度で測定することができる。
【００４２】
さらに、回転体２０の温度上昇の要因は、排気時のガスの圧縮熱や摩擦熱によるものと考えられることから、温度センサ３２がガス分子の主流路Ｒであって、かつ回転体２０の近傍に配置されていることにより、測定されたガス温度から回転体２０の温度を推定することが可能となる。
【００４３】
よって、測定されたガス温度をモニタリングすることで、回転体２０の温度を監視することができ、温度上昇した回転体２０のクリープ変形による固定側との接触や、回転体２０に発生するクラックによる破壊を未然に防止することも可能となる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態について図３および図４に基づき説明する。なお、以下の実施形態におけるターボ分子ポンプの基本的な構造については、上述した第１実施形態と同様であるので、同一部材には同一符号を附してその詳細な説明は割愛する。
【００４５】
図３に示すように、本実施形態のターボ分子ポンプＰは、高速回転するロータ１３とロータ翼１５からなる回転体２０の温度を測定する回転体温度測定手段３０を備えており、この回転体温度測定手段３０は、熱伝導率の低い材質からなるステー３１と、ステー３１に支持される熱伝導率の高い材質からなる集熱部材３３と、集熱部材３３に設置される温度センサ３２とを具備して構成されている。また、ステー３１の設置箇所はガス分子の主流路Ｒであってかつ回転体２０の近傍に位置する固定部材に対して取り付けられるものとする。なお、使用する温度センサ３２の種類、ステー３１の材質は上記第１実施形態と同様である。
【００４６】
本実施形態では、温度センサ３２をステー３１によって周囲の固定部材と熱的に絶縁し、かつ集熱部材３３の集熱作用によってガス分子の熱伝導率を高めてより高精度に温度検出するものである。そのため、集熱部材３３は、熱伝導率の高い材料を使用するものとし、例えば、アルミニウム合金、銅などの金属材料を使用して形成される。
【００４７】
集熱部材３３と温度センサ３２との設置構造については各種考えられるが、その一例を図４に示す。この例では、温度センサ３２は集熱部材３３の内部に埋設され、集熱部材３３がステー３１のセンサ取付部３１−２上に設置される構造となっている。
【００４８】
そして、図３に示すように、最下段のスペーサ１７下面とネジステータ１８上面との間にステー３１の固定体取付部３１−１を挟持し、ステー３１のセンサ取付部３１−２上の温度センサ３２と集熱部材３３とがステータ翼１６と平行に支持され、ガス分子が流れる空隙を介して最下段のロータ翼１５下面と対向するように配置されている。
【００４９】
このように、本実施形態のターボ分子ポンプＰによれば、接触式の温度センサ３２が、熱伝導率の低いステー３１によって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつ熱伝導率の高い集熱部材３３によって支持された状態でガス分子の主流路Ｒに設置されている。このため、温度センサ３２は、周囲の部材からの熱伝導の影響を受けることなく、例えばＡｒガスのように熱伝導率の低いガスを排気する場合であっても、ガス分子との衝突面積が大きく熱伝導率の高い集熱部材３３によって、排気されるガス温度をより高精度で測定することができ、測定されたガス温度から回転体２０の温度をより近似して推定することが可能となる。
【００５０】
＜第３実施形態＞
次に、本発明に係る第３の実施形態について図５乃至図８に基づき説明する。本実施形態のターボ分子ポンプは、回転体温度測定手段を構成する温度センサにより検出されたセンサ出力を用いることで、回転体の異常温度が要因で発生するクリープ変形による不具合を未然に防止するシーケンスを備えている。
【００５１】
すなわち、本実施形態のターボ分子ポンプにおいては、図５に示すように、温度センサ３２から出力されたセンサ出力は、信号変換器４０によりアナログ信号からデジタル信号に変換されて電気的信号値Ｔｗとして警報出力回路５０に入力される。また、警報出力回路５０は、信号変換器４０から入力された電気的信号値Ｔｗに基づいて警報処理回路６０に警報出力するように構成されている。
【００５２】
一方、警報処理回路６０は、警報出力回路５０から入力された警報出力に基づいて、モータドライバ７０に対しては回転体２０の減速または停止指示を出力するとともに、装置・表示器８０に対しては減速または停止の警報出力を出力する。また、装置・表示器８０は、警報処理回路６０からの警報出力を表示し、モータドライバ７０により回転体２０を減速または停止させるように構成されている。
【００５３】
ここで、警報出力回路５０における処理手順について、図６のフローチャートを参照しながらより詳細に説明する。
【００５４】
まず、ターボ分子ポンプＰの出荷時における警報出力回路５０のプレ処理として、変数値Ｅｔを０（零）にする（ステップ６０１）。ポンプ起動時にこの変数値Ｅｔを読み込む（ステップ６０２）。
【００５５】
次に、回転体温度測定手段３０により、回転体２０の温度を所定時間Δｔごとにサンプリングし（ステップ６０３）、このサンプリング値Ｔｗに基づいて、回転体２０の異常温度により発生する現象別に、以下（Ａ）（Ｂ）で説明するような異なる警報を発するように構成されている。
【００５６】
（Ａ）引張強度の低下による警報
回転体２０の異常温度が要因で発生する現象の一つに引張強度の低下が挙げられる。一般に、材料の引張強度は温度と密接な関係があることが知られている。例えばターボ分子ポンプＰの回転体２０の材料として広く用いられている析出強化型アルミニウム合金の場合、温度が上昇すると結晶内に分散していた析出物が粒界へと析出する。その結果、材料の強化機構が失われて結晶内の転移が起き易くなり、材料の引張強度は著しく低下する。
【００５７】
つまり、温度の上昇により材料の引張強度は低下するものであり、温度Ｔにおける回転体２０の引張強度σｔｓ（Ｔ）が、回転体２０にかかる応力σｒを超過したときに回転体２０は急速に破壊するものと考えられる（例えばロータ１３の破壊やロータ翼１５の折損）。
【００５８】
そこで、この現象を回避するためには、ステップ６０３で求めたサンプリング値Ｔｗが、温度Ｔｔｓに対して設計的余裕を持って設定される温度Ｔｅｔｓを超過した場合（ステップ６０４でＹｅｓ）に、警報出力回路５０が警報処理回路６０に対して警報（Ｌ１）を出力するように構成すれば良い。
【００５９】
ここで、警報処理回路６０における処理手順について図７に示すフローチャートに基づき詳説する。
【００６０】
まず、警報処理回路６０において、警報出力回路５０から警報（Ｌ１）が入力されると（ステップ７０１）、警報処理回路６０は装置・表示器８０に対して回転体２０の停止予告信号を出力する（ステップ７０２）。
【００６１】
装置・表示器８０はこの停止予告信号を受けて、例えばシグナルを点灯させたり、ブザーで警告したりして作業者に報知する。
【００６２】
次に、ステップ７０３でタイマをスタートし、ステップ７０４のタイマカウントが、予め設定されたある所定時間ｔｍを連続的に経過した場合（ステップ７０５でＹｅｓ）には、装置・表示器８０に対して回転体２０の停止動作信号を出力する（ステップ７０６）とともに、モータドライバ７０に対して回転体２０の停止信号を出力する（ステップ７０７）。
【００６３】
装置・表示器８０は停止動作信号を受けて上記のような手段で作業者に報知し、モータドライバ７０は停止信号を受けて回転軸１０を駆動させる駆動モータ９の動作を停止させる。
【００６４】
（Ｂ）クリープ歪みの限界による警報
回転体２０の異常温度が要因で発生する現象のもう一つにクリープ歪みによる回転体２０と固定体との接触が挙げられる。高温下で回転体２０を高速回転させると、遠心力による引張応力により回転体２０にクリープ現象が起こり、歪みが発生する。このクリープ歪み速度εｖは次の数式１に示す関係がある（Ｃ，ｎ：材料による定数、Ｑ：クリープの活性化エネルギー、ｋ：ボルツマン定数）。
【００６５】
【数１】

【００６６】
つまり、数式１から、クリープ歪み速度εｖの積分値が回転体２０のクリープ歪みであると考えられる。このクリープ変形が進行すると、最終的には回転側（ロータ１３またはロータ翼１５）と固定側（ステータ翼１６またはネジステータ１８）とが両者の最狭隙間部において接触するという現象が発生する。
【００６７】
そこで、この現象を回避するためには、サンプリング値Ｔｗからクリープ歪み速度εｖを推定してその時間的積算値を求め、最狭隙間部の寸法ｇに対して設計的余裕を持って設定される寸法値ｇｅを回転側外径（半径）寸法で除した値εｇｅよりこの積算値が大きくなった場合に警告を発するようにすれば良い。
【００６８】
つまり、図６のステップ６０５に示すように、回転体２０の温度を時間Δｔごとにサンプリングし、ｔ（ｉ−１）〜ｔ（ｉ）の間のサンプリング値をＴｉとし、そのときのクリープ歪み速度Ｅｖを次の数式２を用いて推定する（Ｃ１，Ｃ２：材料定数および設計的に定まる定数）。
【００６９】
【数２】

【００７０】
すなわち、この値の積算値が時間ｔ（ｉ）における回転体２０の歪み推定値Ｅ（ｔｉ）となる（数式３参照）。
【００７１】
【数３】

【００７２】
一方、回転体２０にかかる応力値は事前に設計的もしくは実験的に求められているものとして、その値σｒを用いることとする。そして、回転側と固定側との最狭隙間部の寸法をｇ、その最狭隙間部における回転側の外径（半径）をｒ、警告を発する寸法値ｇｅとすると、設計的な限界歪み値εｇ、および警告を発する歪み値εｇｅはそれぞれ次の数式４および数式５の通りとなる。
【００７３】
【数４】

【００７４】
【数５】

【００７５】
すなわち、数式３および数式５で求めた値から次の数式６で示す条件のときに警告を出力する。
【００７６】
【数６】

【００７７】
本実施形態では、図６のステップ６０６に示すように、回転体２０の歪み寸法値Ｅｔが警告を発する歪み値εｇｅに予め設定した余裕値δを加算した値、つまりＥｔがεｇｅ＋δを超過した場合（ステップ６０６でＹｅｓ）に、警報出力回路５０が警報処理回路６０に対して警報（Ｌ２）を出力するように構成されている。
【００７８】
ここで、警報処理回路６０における処理手順について図８に示すフローチャートに基づき詳説する。
【００７９】
まず、警報処理回路６０において、警報出力回路５０から警報（Ｌ２）が入力されると（ステップ８０１）、Ｅｔとεｇｅとを比較し（ステップ８０２）、Ｅｔがεｇｅよりも小さい値の場合には装置・表示器８０に対して減速予告信号を出力し（ステップ８０３）、Ｅｔがεｇｅよりも大きい値の場合には停止予告信号を出力する（ステップ８０９）。
【００８０】
装置・表示器８０は、この減速予告信号または停止予告信号を受けて、例えばシグナルを点灯させたり、ブザーで警告したりして作業者に報知する。
【００８１】
警報処理回路６０が減速予告信号を出力した後、次にステップ８０４でタイマをスタートし、ステップ８０５のタイマカウントが、予め設定されたある所定時間ｔｍを連続的に経過したとき（ステップ８０６でＹｅｓ）には、装置・表示器８０に対して回転体２０の減速動作信号を出力する（ステップ８０７）とともに、モータドライバ７０に対しては回転体２０の減速信号を出力する（ステップ８０８）。
【００８２】
装置・表示器８０はこの減速動作信号を受けて上記のような手段で作業者に報知し、モータドライバ７０は減速信号を受けて回転軸１０を駆動させる駆動モータ９の回転数を減速させる。
【００８３】
一方、警報処理回路６０が停止予告信号を出力した後、次にステップ８１０でタイマをスタートし、ステップ８１１のタイマカウントが、予め設定されたある所定時間ｔｍを連続的に経過したとき（ステップ８１２でＹｅｓ）には、装置・表示器８０に対して回転体２０の停止動作信号を出力する（ステップ８１３）とともに、モータドライバ７０に対しては回転体２０の停止信号を出力する（ステップ８１４）。
【００８４】
装置・表示器８０はこの停止動作信号を受けて上記のような手段で作業者に報知し、モータドライバ７０は停止信号を受けて回転軸１０を駆動させる駆動モータ９を停止させる。
【００８５】
なお、上述した所定時間Δｔ、ｔｍ、余裕値δなどの閾値については、回転体２０の選定材料や、回転側と固定側との最狭隙間寸法などの諸条件に応じて設計者が適宜変更すれば良い。
【００８６】
このように、本実施形態のターボ分子ポンプは、接触式の温度センサで測定したガス温度から推定した回転体の温度をサンプリングし、回転体の引張強度の低下による回転体の異常温度を検出すると、警報処理回路からの警報出力に基づいて、装置・表示器が作業者に報知し、モータドライバが駆動モータを停止させるように構成されている。よって、温度上昇により回転体の引張強度が低下しても、その引張強度が遠心力により回転体に発生する応力を下回る前に設計的余裕を持ってポンプが停止するため、かかる回転体の破壊を未然に防止することができる。
【００８７】
また、本実施形態のターボ分子ポンプは、接触式の温度センサで測定したガス温度から推定した回転体の温度をサンプリングし、クリープ歪みの限界による回転体の異常温度を検出すると、警報処理回路からの警報出力に基づいて、装置・表示器が作業者に報知し、モータドライバが駆動モータを減速または停止させるように構成されている。よって、回転体のクリープ歪み寸法が回転側と固定側との最狭隙間寸法に対して設計的余裕を持ってポンプが減速し、万が一これを超過してしまった場合にもポンプが強制的に停止するため、回転側と固定側との接触による破壊を未然に防止することができる。
【００８８】
なお、上述した各実施形態においては、本発明をターボ分子ポンプに適用した例を挙げて説明したが、本発明は、その構造が周知のために説明を省略したネジ溝ポンプ、渦流ポンプ、およびこれらを複合した真空ポンプについても同様に適用できる。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る真空ポンプによれば、以下のような効果を奏する。
【００９０】
（１）回転体温度測定手段を構成する接触式の温度センサが、熱伝導率の低いステーによって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつガス分子の主流路に設置されている。このため、ポンプの運転時、ガス吸気口からガス排気口へと排気されるガス分子が温度センサに必ず衝突し、温度センサは周囲の部材からの熱伝導の影響を受けることなく、排気されるガス温度を高精度で測定することができ、この測定されたガス温度から回転体の温度を推定することが可能となる。よって、測定されたガス温度をモニタリングすることで、回転体の温度を監視することができ、温度上昇した回転体のクリープ変形による固定側との接触や、その接触により回転体に傷がついて発生するクラックによる破壊を未然に防止することが可能となる。
【００９１】
（２）接触式の温度センサが、熱伝導率の低いステーによって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつ熱伝導率の高い集熱部材によって支持された状態でガス分子の主流路に設置されている。このため、温度センサは、周囲の部材からの熱伝導の影響を受けることなく、熱伝導率の低いガスを排気する場合であっても、ガス分子との衝突面積が大きく熱伝導率の高い集熱部材によって、排気されるガス温度をより高精度で測定することができ、測定されたガス温度から回転体の温度をより近似して推定することが可能となる。
【００９２】
（３）回転体温度測定手段が、回転体の引張強度の低下や回転体のクリープ歪みの限界による異常温度を検出すると警報出力され、設計的余裕を持ってポンプが減速または停止するため、過度の温度上昇により回転体の引張強度が低下し遠心力により発生する応力を下回る結果引き起こされる回転体の破壊や、クリープ歪み変形による回転側と固定側との接触を未然に防止することができ、回転体のクリープ寿命を適正に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のターボ分子ポンプの全体構造を示す縦断面図。
【図２】（ａ）は回転体温度測定手段の構造を示す要部拡大平面図、（ｂ）は同構造を示す要部拡大断面図。
【図３】第２実施形態のターボ分子ポンプの全体構造を示す縦断面図。
【図４】（ａ）は回転体温度測定手段の構造を示す要部拡大平面図、（ｂ）は同構造を示す要部拡大断面図。
【図５】第３実施形態のターボ分子ポンプにおける警報出力手段の構成を模式的に示すブロック図。
【図６】警報出力回路の処理手順を説明するフローチャート。
【図７】警報出力回路により出力された警報出力Ｌ１に基づく警報処理回路の処理手順を説明するフローチャート。
【図８】警報出力回路により出力された警報出力Ｌ２に基づく警報処理回路の処理手順を説明するフローチャート。
【符号の説明】
３　ポンプケース
９　駆動モータ
１０　回転軸
１３　ロータ
１５　ロータ翼
１６　ステータ翼
２０　回転体
３０　回転体温度測定手段
３１　ステー
３１−１　固定体取付部
３１−２　センサ取付部
３２　温度センサ
３３　集熱部材
４０　信号変換器
５０　警報出力回路
６０　警報処理回路
７０　モータドライバ
８０　装置・表示器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vacuum pump used in a semiconductor manufacturing apparatus, a liquid crystal display panel manufacturing apparatus, and the like, and particularly to a structure for indirectly estimating the temperature of a rotor by measuring the temperature of gas to be exhausted.
[0002]
[Prior art]
For example, in a process of performing processing in a high-vacuum process chamber, such as a process such as dry etching or CVD in a semiconductor manufacturing process, means for exhausting a gas in the process chamber to form a constant high vacuum degree As such, a vacuum pump such as a turbo molecular pump is used.
[0003]
In general, a turbo-molecular pump is provided with a plurality of blade-shaped rotor cascades on an outer peripheral surface of a cylindrical rotor over a plurality of stages, and a plurality of blades arranged alternately between the rotor cascades in a pump case. Are provided. Then, by rotating the rotating shaft integrally attached to the rotor by a driving motor or the like at high speed, the interaction between the rotor blades and the stator blades exhausts gas sucked from the gas inlet to the lower gas outlet. Then, the inside of the process chamber connected to the gas intake port is made to have a high vacuum (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3038432 (page 3, FIG. 1)
[0005]
By the way, in a turbo-molecular pump, the rotating body composed of the rotor and the rotor blades rises in temperature due to the heat of compression and friction of the gas when the pump is exhausted, and becomes high in temperature. The rotation speed of the rotating body is generally as high as 20,000 to 50,000 rpm, and the rotating body receives a large tensile stress due to centrifugal force. Therefore, if the rotating body is operated for a long time in a state where the rotating body is subjected to the high temperature and the tensile stress as described above, a creep deformation in which the plastic strain of the rotating body gradually increases occurs, and the rotating body and the fixed side opposed at a small interval. There is a risk of contact eventually (hereinafter, this is referred to as "creep life of the rotating body"). In the worst case, this contact may damage the rotating body and cause cracks, and the stress concentration starting there may lead to breakage of the rotating body.
[0006]
It is known that the strain rate of the rotating body, which is the cause of the creep life of the rotating body, changes logarithmically with the temperature.If the temperature of the rotating body increases, the creep life of the rotating body also decreases logarithmically. Become. Therefore, in the turbo-molecular pump, the allowable flow rate, pressure, operating environment temperature, and the like of the gas to be exhausted are specified so that the creep life of the rotating body satisfies a predetermined standard.
[0007]
Therefore, conventionally, in order to prevent the creep life of the rotating body from becoming extremely short, for example,
(A) Monitoring of gas flow rate and process chamber internal pressure
(B) Monitoring the temperature of the rotating body
(C) Estimating the temperature of the rotating body by measuring the temperature of members other than the rotating body
(D) Dimensional change measurement of rotating body
Monitoring of the pump is performed by such methods. Regarding (b), there is known an example in which an infrared temperature sensor such as a pyroelectric sensor or a thermopile sensor is used as a temperature sensor capable of measuring the temperature of an object in a non-contact manner by infrared rays radiated from the object to be measured. (For example, see Patent Document 2).
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-10-299688 (page 3-4, FIG. 1)
[0009]
However, the following problems have been pointed out in the conventionally employed pump monitoring method.
[0010]
First, in the method (a) based on monitoring of the gas flow rate and the internal pressure of the process chamber, the exhaust efficiency differs depending on the gas, and the amount of generated compression heat also differs. In addition, if energy is accumulated inside the inhaled gas molecules due to a chemical reaction in the process chamber, the energy is transmitted to the rotating body. Therefore, it is difficult to estimate the temperature of the rotating body only from the gas flow rate and the pressure.
[0011]
Next, in the method (c) based on temperature measurement of members other than the rotating body, when the flow rate of the gas flowing into the pump case is small or when a gas having a low thermal conductivity such as Ar gas is exhausted, However, heat conduction due to gas hardly occurs, and the temperature of the rotating body that is the object to be measured cannot be accurately measured.
[0012]
In the method (d) based on the measurement of the dimensional change of the rotating body, the value of the gap between the sensor and the rotating body is greatly influenced by factors such as whirling of the rotating body. It is difficult to secure the property.
[0013]
Further, when the temperature of the rotating body is measured by the infrared temperature sensor of (b), when radiation from a low-temperature fixed member other than the rotating body enters, or when deposits adhere to the sensor surface, they enter the sensor. Since the amount of infrared rays changes, the measurement accuracy decreases. Therefore, in order to prevent the measurement accuracy from lowering, it is necessary to bring the light receiving portion of the infrared temperature sensor as close as possible to the rotating body which is the object to be measured. For this reason, an infrared temperature sensor must be installed near the rotating body, and the degree of freedom in design around the rotating body is greatly restricted.
[0014]
In addition, since the sensor light receiving unit is located near the rotating body, there is a problem that the sensor itself is affected by radiation from the rotating body to cause a temperature drift, and the life of the sensor itself is shortened. In particular, when the turbo-molecular pump is used in an environment in which a highly corrosive gas such as chlorine or fluorine sulfide is exhausted, the sensor itself may be corroded and malfunction. For this reason, the sensor must be replaced periodically, and the pump must be disassembled many times each time. In addition, there is a problem in that the replacement of the failed component causes a significant increase in cost.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to estimate the temperature of a pump rotating body by measuring the temperature of exhaust gas with high accuracy, and to estimate the temperature of the rotating body of the pump. It is an object of the present invention to provide a highly reliable vacuum pump capable of appropriately securing the creep life of the vacuum pump.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a vacuum pump according to the present invention compresses gas molecules sucked into the pump case from the outside by the rotational movement of a rotating body, and exhausts the compressed gas molecules to the outside of the pump case. A rotating body including a pump mechanism that performs, a stay made of a material having low thermal conductivity, and a temperature sensor installed on the stay, which is installed on a fixed member located in a main flow path of gas molecules and near the rotating body. And a temperature measuring means.
[0017]
According to the present invention, since the temperature sensor is thermally insulated from the surrounding members by the stay and is installed in the main flow path of the gas molecules, the temperature of the exhaust gas can be measured with high accuracy. it can. In addition, the temperature rise of the rotating body is considered to be due to the heat of compression and friction of the gas at the time of exhaust.Therefore, the temperature sensor should be placed in the main flow path of gas molecules and near the rotating body. Accordingly, it is possible to estimate the temperature of the rotating body from the measured gas temperature.
[0018]
There are a contact type and a non-contact type temperature sensor.In the present invention, a contact type temperature sensor is used because the gas temperature is measured by contact with gas molecules, and for example, a thermistor, a thermocouple, a platinum measurement, etc. A temperature resistor can be used.
[0019]
In addition, examples of the material having a low thermal conductivity serving as a stay include stainless steel, ceramic materials, and synthetic resin materials. The synthetic resin material may be any of a thermoplastic resin and a thermosetting resin, but as a synthetic resin material having a low thermal conductivity, other than a fluororesin for a thermoplastic resin and an epoxy resin for a thermosetting resin, Various engineering plastics mixed with glass fibers or carbon fibers having heat insulating properties are conceivable.
[0020]
Further, in the present invention, a structure may be employed in which the temperature sensor is installed on a heat collecting member made of a material having a high thermal conductivity supported on a stay made of a material having a low thermal conductivity. As an example of the installation structure, a temperature sensor may be embedded inside the heat collecting member. Further, as a material having a high thermal conductivity as a heat collecting member, a metal material such as an aluminum alloy and copper can be considered.
[0021]
As described above, when the temperature sensor is thermally insulated from the surrounding members by the stay, and is installed on the heat collecting member having high thermal conductivity in the main flow path of the gas molecules, the gas having low thermal conductivity is removed. Even when the gas is exhausted, the temperature of the gas molecules to be exhausted can be measured with high accuracy by the heat collecting action of the heat collecting member.
[0022]
Further, in the present invention, a signal converter for converting a sensor output of the temperature sensor into an electric signal, and an alarm when the temperature of the rotating body exceeds a predetermined temperature based on the electric signal output from the signal converter. And an alarm output circuit that outputs a signal.
[0023]
Further, in the present invention, a signal converter that converts the sensor output of the temperature sensor into an electrical signal, and based on the electrical signal output from the signal converter, time-dependently integrates the temperature change of the rotating body, The amount of distortion of the rotating body is estimated from the integrated value, and the estimated value of the amount of distortion is determined outside the rotating body by a dimension set with a design margin with respect to the narrowest gap between the rotating body and the fixed body. An alarm output circuit that outputs an alarm signal when the value exceeds the value obtained by dividing by the diameter dimension.
[0024]
Examples of the output of such an alarm output circuit include, for example, a sequence for reducing the rotation speed of the rotating body when the temperature sensor detects an abnormal temperature of the rotating body and the sensor output exceeds a threshold, A sequence for stopping the rotational movement of the body may be considered.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of a vacuum pump according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, taking an example applied to a turbo molecular pump.
[0026]
<First embodiment>
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the overall configuration of the turbo-molecular pump of the present embodiment. First, the basic structure of the turbo-molecular pump will be described.
[0027]
In the turbo-molecular pump P shown in the figure, a turbo-molecular pump mechanism PA and a thread groove pump mechanism PB are housed inside a pump case 3 which is sealed by joining a base 2 to a hollow cylindrical casing 1. It is a combined type vacuum pump.
[0028]
A gas intake port 4 is opened on an upper wall surface of the casing 1, and a gas exhaust port 5 is opened on a lower side wall surface of the base 2. A vacuum vessel such as a process chamber is screwed to the gas intake port 4 via an intake port flange 6, and an auxiliary pump is connected to the gas exhaust port 5 via an exhaust pipe 7. Is used as a means for evacuating the gas in the process chamber to form a constant high vacuum.
[0029]
A rotating shaft 10 that rotates at high speed by a driving motor 9 such as a high-frequency motor penetrates between upper and lower end surfaces of the stator column 8 erected inside the pump case 3, and the rotating shaft 10 is connected to the radial electromagnet 11-1. The rotating shaft 10 is supported in the radial direction and the axial direction by a magnetic bearing 11 including an axial electromagnet 11-2. At both ends of the rotating shaft 10, protective ball bearings 12 coated with a dry lubricant are provided. The protecting ball bearings 12 are in non-contact with the rotating shaft 10 during normal operation, and only when the power supply of the magnetic bearing 11 is abnormal. The rotary shaft 10 is adjusted so as to be in contact with and supported by the shaft 10 so as to prevent contact between the rotating shaft 10 and the magnetic bearing 11.
[0030]
A hollow cylindrical rotor 13 surrounding the stator column 8 is screwed and fixed to the upper end of the rotating shaft 10 projecting from the stator column 8 in the direction of the axis L. The rotor 13 is synchronized with the rotating shaft 10 by the drive motor 9. Rotate at high speed. The position of the rotor 13 integrated with the rotating shaft 10 is controlled by a position detection sensor 14 including a radial sensor 14-1 and an axial sensor 14-2.
[0031]
The upper half of the outer periphery of the rotor 13 functions as a turbo molecular pump mechanism PA, and a plurality of blade-

like rotor blades

15, 15, ... are integrally formed on the outer wall surface of the rotor 13 along the axis L of the rotating shaft 10. I have. A plurality of blade-shaped

stator blades

16, 16,... Alternately positioned between the

rotor blades

15, 15 are attached and fixed to the inner wall surface of the casing 1 by alternately stacking spacers 17.
[0032]
On the other hand, the lower half of the outer periphery of the rotor 13 functions as a thread groove pump mechanism PB, the outer wall surface of the rotor 13 is a flat cylindrical surface, and the inner wall surface of the casing 1 is a cylinder opposed to the outer wall surface of the rotor 13 at a small interval. A mold screw stator 18 is provided, and a spiral screw groove 19 is formed on a surface facing the rotor 13.
[0033]
The turbo molecular pump mechanism PA and the thread groove pump mechanism PB form a main flow path R for gas molecules flowing from the gas inlet 4 to the gas outlet 5. That is, when the rotating shaft 10 is rotated at high speed by the drive motor 9, the rotating body 20 composed of the rotor 13 and the rotor blades 15 integrated with the rotating shaft 10 also rotates at high speed in synchronization. Accordingly, in the turbo molecular pump mechanism PA, the gas molecules of the transition flow are converted from the molecular flow sucked from the upper gas intake port 4 to the lower flow by the interaction between the movable rotor blade 15 and the fixed stator blade 16. And in the thread groove pump mechanism PB, the gas molecules of the transition flow are compressed into a viscous flow by the interaction between the cylindrical surface of the movable rotor 13 and the fixed thread groove 19, and the compressed gas molecules are compressed. The gas is exhausted to the lower gas exhaust port 5.
[0034]
The above is the basic structure of the turbo molecular pump P. Next, the characteristic structure of the turbo molecular pump P will be described.
[0035]
As shown in FIG. 1, the turbo molecular pump P includes a rotating body temperature measuring means 30 for measuring the temperature of a rotating body 20 including a rotor 13 rotating at a high speed and a rotor blade 15. The rotating body temperature measuring means 30 includes a stay 31 made of a material having a low thermal conductivity and a temperature sensor 32 installed on the stay 31. It is assumed that the stay 31 is attached to a fixed member located in the main flow path R of the gas molecule and near the rotating body 20.
[0036]
As the temperature sensor 32, there are a contact type and a non-contact type. In the present invention, a contact type temperature sensor is used because the gas temperature is measured by contact with gas molecules. Examples of the contact-type temperature sensor include a thermistor using the temperature characteristics of a semiconductor, a thermocouple using a thermoelectromotive force generated by a temperature difference between junctions of dissimilar metals, and an electric resistance of a metal that changes according to temperature. For example, platinum which is chemically stable and has good temperature characteristics is preferable.
[0037]
Further, since a contact-type temperature sensor is used as the temperature sensor 32, the stay 31 that is in contact with the temperature sensor 32 is formed using a material having low thermal conductivity. Examples of materials having low thermal conductivity include stainless steel, ceramic materials, and synthetic resin materials having excellent corrosion resistance. The synthetic resin material may be any of a thermoplastic resin and a thermosetting resin, but as a synthetic resin material having a low thermal conductivity, other than a fluororesin for a thermoplastic resin and an epoxy resin for a thermosetting resin, Various engineering plastics mixed with glass fibers or carbon fibers having heat insulating properties are conceivable.
[0038]
Although various shapes and installation structures of the stay 31 are conceivable, an example is shown in FIG. The stay 31 has a shape including a fixed body mounting portion 31-1 formed in a ring shape and a sensor mounting portion 31-2 formed integrally with the fixed body mounting portion 31-1 and protruding toward the inside thereof. The temperature sensor 32 is supported on the upper surface of the sensor mounting portion 31-2.
[0039]
Then, as shown in FIG. 1, the fixed body mounting portion 31-1 of the stay 31 is sandwiched between the lower surface of the lowermost spacer 17 and the upper surface of the screw stator 18, whereby the sensor mounting portion 31-2 of the stay 31 is formed. It is supported in parallel with the stator blades 16 over the entire circumference of the pump. Thus, the temperature sensor 32 installed in the sensor attachment part 31-2 is disposed so as to face the lower surface of the lowermost rotor blade 15 via the gap through which gas molecules flow.
[0040]
In addition, as the shape of the stay 31, a plurality of sensor mounting portions 31-2 may be provided on the circumference, and the mounting position of the temperature sensor 32 may be any position that is in contact with gas molecules. -2 may be the lower surface instead of the upper surface.
[0041]
As described above, according to the turbo-molecular pump P of the present embodiment, the contact-type temperature sensor 32 is thermally insulated from the surrounding members by the stay 31 having low thermal conductivity, and the main flow path R of the gas molecules. It is installed in. When the turbo molecular pump P is operated, gas molecules exhausted from the gas intake port 4 to the gas exhaust port 5 always collide with the temperature sensor 32 provided in the main flow path R. For this reason, the temperature sensor 32 can measure the temperature of the exhaust gas with high accuracy without being affected by heat conduction from the surrounding members.
[0042]
Further, the temperature rise of the rotating body 20 is considered to be due to the heat of compression or frictional heat of the gas at the time of exhaust. The temperature of the rotating body 20 can be estimated from the measured gas temperature.
[0043]
Therefore, by monitoring the measured gas temperature, the temperature of the rotating body 20 can be monitored, and the temperature of the rotating body 20 increases due to contact with the fixed side due to creep deformation of the rotating body 20 and cracks generated in the rotating body 20. Destruction can be prevented beforehand.
[0044]
<Second embodiment>
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the basic structure of the turbo-molecular pump in the following embodiment is the same as that of the above-described first embodiment, and the same members are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
[0045]
As shown in FIG. 3, the turbo-molecular pump P of the present embodiment includes a rotating body temperature measuring means 30 for measuring the temperature of a rotating body 20 including a rotor 13 and a rotor blade 15 rotating at high speed. The temperature measuring means 30 includes a stay 31 made of a material having a low thermal conductivity, a heat collecting member 33 supported by the stay 31 and made of a material having a high thermal conductivity, and a temperature sensor 32 installed on the heat collecting member 33. It is comprised including. The stay 31 is installed at a main flow path R for gas molecules and is attached to a fixed member located near the rotating body 20. The type of the temperature sensor 32 to be used and the material of the stay 31 are the same as those in the first embodiment.
[0046]
In the present embodiment, the temperature sensor 32 is thermally insulated from the surrounding fixed member by the stay 31, and the thermal conductivity of the gas molecules is increased by the heat collecting action of the heat collecting member 33 to detect the temperature more accurately. It is. Therefore, the heat collecting member 33 uses a material having a high thermal conductivity, and is formed using, for example, a metal material such as an aluminum alloy or copper.
[0047]
Various arrangements of the heat collecting member 33 and the temperature sensor 32 are conceivable, one example of which is shown in FIG. In this example, the temperature sensor 32 is embedded in the heat collecting member 33, and the heat collecting member 33 is installed on the sensor mounting portion 31-2 of the stay 31.
[0048]
Then, as shown in FIG. 3, the fixed body mounting portion 31-1 of the stay 31 is sandwiched between the lower surface of the lowermost spacer 17 and the upper surface of the screw stator 18, and the temperature sensor on the sensor mounting portion 31-2 of the stay 31 is provided. The heat collection member 32 and the heat collection member 33 are supported in parallel with the stator blade 16, and are arranged so as to face the lower surface of the lowermost rotor blade 15 via a gap through which gas molecules flow.
[0049]
As described above, according to the turbo-molecular pump P of the present embodiment, the contact-type temperature sensor 32 is thermally insulated from the surrounding members by the stay 31 having low thermal conductivity, and the collector having high thermal conductivity. It is installed in the main flow path R of gas molecules while being supported by the heat member 33. For this reason, the temperature sensor 32 has a small collision area with gas molecules even when exhausting a gas having a low thermal conductivity such as Ar gas without being affected by heat conduction from surrounding members. With the heat collecting member 33 having a large and high thermal conductivity, the temperature of the exhaust gas can be measured with higher accuracy, and the temperature of the rotating body 20 can be more closely estimated from the measured gas temperature. Become.
[0050]
<Third embodiment>
Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The turbo molecular pump according to the present embodiment uses a sensor output detected by a temperature sensor constituting a rotating body temperature measuring unit to prevent a problem due to creep deformation caused by an abnormal temperature of the rotating body beforehand. It has.
[0051]
That is, in the turbo-molecular pump of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the sensor output output from the temperature sensor 32 is converted from an analog signal to a digital signal by the signal converter 40 and becomes an electrical signal value Tw. It is input to the alarm output circuit 50. The alarm output circuit 50 is configured to output an alarm to the alarm processing circuit 60 based on the electrical signal value Tw input from the signal converter 40.
[0052]
On the other hand, the alarm processing circuit 60 outputs a deceleration or stop instruction of the rotating body 20 to the motor driver 70 based on the alarm output input from the alarm output circuit 50, and outputs an instruction to the device / display 80. Outputs a deceleration or stop alarm output. In addition, the device / display 80 is configured to display an alarm output from the alarm processing circuit 60 and to cause the motor driver 70 to decelerate or stop the rotating body 20.
[0053]
Here, the processing procedure in the alarm output circuit 50 will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG.
[0054]
First, the variable value Et is set to 0 (zero) as a pre-process of the alarm output circuit 50 when the turbo molecular pump P is shipped (step 601). This variable value Et is read when the pump is started (step 602).
[0055]
Next, the rotating body temperature measuring means 30 samples the temperature of the rotating body 20 at predetermined time intervals Δt (step 603), and based on the sampled value Tw, for each phenomenon caused by the abnormal temperature of the rotating body 20, It is configured to issue different alarms as described in (A) and (B).
[0056]
(A) Warning due to decrease in tensile strength
One of the phenomena caused by the abnormal temperature of the rotating body 20 is a decrease in tensile strength. In general, it is known that the tensile strength of a material is closely related to temperature. For example, in the case of a precipitation-strengthened aluminum alloy widely used as the material of the rotating body 20 of the turbo-molecular pump P, when the temperature rises, the precipitate dispersed in the crystal precipitates at the grain boundaries. As a result, the strengthening mechanism of the material is lost, so that transition within the crystal is likely to occur, and the tensile strength of the material is significantly reduced.
[0057]
That is, the tensile strength of the material decreases as the temperature rises, and when the tensile strength σts (T) of the rotating body 20 at the temperature T exceeds the stress σr applied to the rotating body 20, the rotating body 20 rapidly increases. It is considered to be broken (for example, the rotor 13 is broken or the rotor blade 15 is broken).
[0058]
Therefore, in order to avoid this phenomenon, if the sampling value Tw obtained in step 603 exceeds the temperature Tets set with a design margin with respect to the temperature Tts (Yes in step 604), an alarm is issued. The output circuit 50 may be configured to output an alarm (L1) to the alarm processing circuit 60.
[0059]
Here, the processing procedure in the alarm processing circuit 60 will be described in detail based on the flowchart shown in FIG.
[0060]
First, in the alarm processing circuit 60, when an alarm (L1) is input from the alarm output circuit 50 (step 701), the alarm processing circuit 60 outputs a stop notice signal of the rotating body 20 to the device / display 80. (Step 702).
[0061]
In response to the stop notice signal, the device / indicator 80 informs the worker, for example, by turning on the signal or warning with a buzzer.
[0062]
Next, a timer is started in step 703, and when the timer count in step 704 has continuously passed a preset predetermined time tm (Yes in step 705), the device / display 80 is displayed. A stop operation signal of the rotating body 20 is output (step 706), and a stop signal of the rotating body 20 is output to the motor driver 70 (step 707).
[0063]
The device / display 80 receives the stop operation signal and notifies the worker by the means described above, and the motor driver 70 receives the stop signal and stops the operation of the drive motor 9 for driving the rotating shaft 10.
[0064]
(B) Warning due to creep strain limit
Another phenomenon that occurs due to the abnormal temperature of the rotating body 20 is contact between the rotating body 20 and the fixed body due to creep strain. When the rotating body 20 is rotated at a high speed at a high temperature, a creep phenomenon occurs in the rotating body 20 due to a tensile stress due to a centrifugal force, and distortion occurs. The creep strain rate εv has the relationship shown in the following equation 1 (C, n: constant depending on the material, Q: activation energy of creep, k: Boltzmann constant).
[0065]
(Equation 1)

[0066]
That is, from Expression 1, it is considered that the integral value of the creep strain speed εv is the creep strain of the rotating body 20. As this creep deformation progresses, a phenomenon occurs in which the rotating side (the rotor 13 or the rotor blade 15) and the fixed side (the stator blade 16 or the screw stator 18) eventually come into contact in the narrowest gap between them.
[0067]
Therefore, in order to avoid this phenomenon, the creep strain rate εv is estimated from the sampling value Tw to obtain a time integrated value thereof, and is set with a design margin with respect to the dimension g of the narrowest gap. A warning may be issued when the integrated value is larger than a value εge obtained by dividing the dimension value ge by the rotation-side outer diameter (radius) dimension.
[0068]
That is, as shown in step 605 in FIG. 6, the temperature of the rotating body 20 is sampled at intervals of time Δt, and a sampled value between t (i−1) to t (i) is set to Ti, and the creep distortion at that time The velocity Ev is estimated using the following Expression 2 (C1, C2: material constants and constants determined by design).
[0069]
(Equation 2)

[0070]
That is, the integrated value of this value becomes the distortion estimated value E (ti) of the rotating body 20 at the time t (i) (see Equation 3).
[0071]
[Equation 3]

[0072]
On the other hand, the stress value applied to the rotating body 20 is determined in advance by design or experiment and the value σr is used. Assuming that the dimension of the narrowest gap between the rotating side and the fixed side is g, the outer diameter (radius) of the rotating side in the narrowest gap is r, and the dimension value ge that issues a warning, a design critical distortion value εg and the distortion value εge that issues a warning are given by the following Expressions 4 and 5, respectively.
[0073]
(Equation 4)

[0074]
(Equation 5)

[0075]
That is, a warning is output from the values obtained by Expressions 3 and 5 under the condition shown by Expression 6 below.
[0076]
(Equation 6)

[0077]
In the present embodiment, as shown in step 606 of FIG. 6, when the distortion dimension value Et of the rotating body 20 is a value obtained by adding a preset margin value δ to the distortion value εge that issues a warning, that is, when Et exceeds εge + δ. The alarm output circuit 50 outputs an alarm (L2) to the alarm processing circuit 60 (Yes in Step 606).
[0078]
Here, the processing procedure in the alarm processing circuit 60 will be described in detail based on the flowchart shown in FIG.
[0079]
First, in the alarm processing circuit 60, when an alarm (L2) is input from the alarm output circuit 50 (step 801), Et and εge are compared (step 802). If Et is smaller than εge, A deceleration notice signal is output to the device / display 80 (step 803), and a stop notice signal is output if Et is a value greater than εge (step 809).
[0080]
In response to the deceleration notice signal or the stop notice signal, the device / indicator 80 notifies the worker, for example, by turning on a signal or warning with a buzzer.
[0081]
After the alarm processing circuit 60 outputs the deceleration notice signal, the timer is started in step 804, and the timer count in step 805 continuously exceeds a predetermined time tm (Yes in step 806). ), A deceleration operation signal of the rotating body 20 is output to the device / display 80 (step 807), and a deceleration signal of the rotating body 20 is output to the motor driver 70 (step 808).
[0082]
The device / display 80 receives the deceleration operation signal and notifies the worker by the above-described means, and the motor driver 70 receives the deceleration signal and reduces the rotation speed of the drive motor 9 for driving the rotating shaft 10.
[0083]
On the other hand, after the alarm processing circuit 60 outputs the stop notice signal, the timer is started in step 810, and when the timer count in step 811 continuously elapses a predetermined time tm (step 812). In Yes, a stop operation signal of the rotating body 20 is output to the device / display 80 (step 813), and a stop signal of the rotating body 20 is output to the motor driver 70 (step 814). .
[0084]
The device / display 80 receives the stop operation signal and notifies the worker by the means described above, and the motor driver 70 receives the stop signal and stops the drive motor 9 for driving the rotating shaft 10.
[0085]
The threshold values such as the predetermined times Δt, tm, and the margin value δ described above are appropriately changed by the designer according to the selected material of the rotating body 20 and various conditions such as the minimum gap size between the rotating side and the fixed side. Just do it.
[0086]
Thus, the turbo molecular pump of the present embodiment samples the temperature of the rotating body estimated from the gas temperature measured by the contact-type temperature sensor, and detects an abnormal temperature of the rotating body due to a decrease in the tensile strength of the rotating body. Based on the alarm output from the alarm processing circuit, the device / display notifies the operator and the motor driver stops the drive motor. Therefore, even if the tensile strength of the rotating body is reduced due to a rise in temperature, the pump stops with a design margin before the tensile strength falls below the stress generated in the rotating body due to centrifugal force. Can be prevented beforehand.
[0087]
Further, the turbo-molecular pump of the present embodiment samples the temperature of the rotating body estimated from the gas temperature measured by the contact-type temperature sensor, and detects an abnormal temperature of the rotating body due to the limit of creep strain, from the alarm processing circuit. Based on the alarm output, the device / display notifies the operator, and the motor driver decelerates or stops the drive motor. Therefore, the pump decelerates with the design margin for the creep distortion dimension of the rotating body with respect to the narrowest gap between the rotating side and the fixed side, and even if it exceeds this, the pump is forcibly forced. Since the rotation is stopped, breakage due to contact between the rotating side and the fixed side can be prevented.
[0088]
In each of the above-described embodiments, an example in which the present invention is applied to a turbo-molecular pump has been described. However, the present invention is not limited to the thread groove pump, the vortex pump, and the structure thereof. The same can be applied to a vacuum pump combining these.
[0089]
【The invention's effect】
As described above in detail, the vacuum pump according to the present invention has the following effects.
[0090]
(1) A contact-type temperature sensor constituting a rotating body temperature measuring means is thermally insulated from surrounding members by a stay having low thermal conductivity and is installed in a main flow path of gas molecules. Therefore, during operation of the pump, gas molecules exhausted from the gas intake port to the gas exhaust port always collide with the temperature sensor, and the temperature sensor is exhausted without being affected by heat conduction from surrounding members. The gas temperature can be measured with high accuracy, and the temperature of the rotating body can be estimated from the measured gas temperature. Therefore, by monitoring the measured gas temperature, the temperature of the rotating body can be monitored, and the rotating body that has risen in temperature will come into contact with the stationary side due to creep deformation, and the rotating body will be damaged by the contact. Destruction due to cracks can be prevented beforehand.
[0091]
(2) A contact-type temperature sensor is thermally insulated from surrounding members by a stay having a low thermal conductivity and is installed in a main flow path of gas molecules while being supported by a heat collecting member having a high thermal conductivity. Have been. For this reason, the temperature sensor has a large collision area with gas molecules and has a high thermal conductivity even when exhausting a gas having a low thermal conductivity without being affected by heat conduction from surrounding members. The temperature of the exhausted gas can be measured with higher accuracy by the heat member, and the temperature of the rotating body can be more closely estimated from the measured gas temperature.
[0092]
(3) When the rotating body temperature measuring means detects an abnormal temperature due to a decrease in the tensile strength of the rotating body or a limit of the creep strain of the rotating body, an alarm is output, and the pump decelerates or stops with a design margin. The temperature rise of the rotor lowers the tensile strength of the rotor and lowers the stress generated by the centrifugal force.This can prevent the breakdown of the rotor and the contact between the rotating side and the fixed side due to creep strain deformation. The creep life of the rotating body can be properly secured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the overall structure of a turbo-molecular pump according to a first embodiment.
FIG. 2A is an enlarged plan view of a main part showing a structure of a rotating body temperature measuring means, and FIG. 2B is an enlarged sectional view of a main part showing the structure.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing the overall structure of a turbo-molecular pump according to a second embodiment.
4A is an enlarged plan view of a main part showing a structure of a rotating body temperature measuring means, and FIG. 4B is an enlarged sectional view of a main part showing the structure.
FIG. 5 is a block diagram schematically showing a configuration of an alarm output unit in a turbo-molecular pump according to a third embodiment.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a processing procedure of an alarm output circuit.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a processing procedure of an alarm processing circuit based on the alarm output L1 output by the alarm output circuit.
FIG. 8 is a flowchart illustrating a processing procedure of an alarm processing circuit based on the alarm output L2 output by the alarm output circuit.
[Explanation of symbols]
3 pump case
9 Drive motor
10 Rotary axis
13 Rotor
15 Rotor blade
16 Stator blades
20 rotating body
30 Rotating body temperature measuring means
31 Stay
31-1 Fixed body mounting part
31-2 Sensor mounting part
32 temperature sensor
33 Heat collecting member
40 signal converter
50 Alarm output circuit
60 Alarm processing circuit
70 Motor driver
80 Equipment / Display

Claims

A pump mechanism for compressing gas molecules sucked into the pump case from the outside by the rotating motion of the rotating body and exhausting the compressed gas molecules to the outside of the pump case;
A stay made of a material having a low thermal conductivity, which is provided on a fixing member located in the main flow path of the gas molecules and near the rotating body, and a rotating body temperature measuring means including a temperature sensor provided on the stay. ,
A vacuum pump comprising:

2. The vacuum pump according to claim 1, wherein the temperature sensor is a contact type temperature sensor of any one of a thermistor, a thermocouple, and a platinum resistance thermometer.

3. The vacuum pump according to claim 1, wherein the stay is made of any one of stainless steel, a ceramic material, and a synthetic resin material having low thermal conductivity.

The vacuum pump according to claim 3, wherein the synthetic resin material is selected from a fluororesin, an epoxy resin, and various engineering plastics mixed with glass fibers or carbon fibers having heat insulating properties.

5. The vacuum pump according to claim 1, wherein the temperature sensor is provided via a heat collecting member supported by the stay and made of a material having high thermal conductivity.

The vacuum pump according to claim 5, wherein the temperature sensor is embedded inside the heat collecting member.

7. The vacuum pump according to claim 5, wherein the heat collecting member is made of a metal material made of an aluminum alloy or copper.

A signal converter for converting a sensor output of the temperature sensor into an electric signal; and outputting an alarm signal when the temperature of the rotating body exceeds a predetermined temperature based on the electric signal output from the signal converter. The vacuum pump according to claim 1, further comprising an alarm output circuit.

A signal converter for converting the sensor output of the temperature sensor into an electric signal, and a time change of the temperature of the rotating body is temporally integrated based on the electric signal output from the signal converter. Estimates the amount of body strain and divides the estimated value of the amount of strain by the outer diameter of the rotating body, which is set with a design margin for the narrowest gap between the rotating body and the fixed body The vacuum pump according to claim 1, further comprising: an alarm output circuit that outputs an alarm signal when the value exceeds the set value.

10. The vacuum pump according to claim 9, wherein the alarm output circuit includes a rotating body deceleration unit that reduces a rotation speed of the rotating body when a sensor output output from the infrared temperature sensor exceeds a threshold.

11. The alarm output circuit according to claim 8, further comprising: a rotating body stopping unit configured to stop a rotating operation of the rotating body when a sensor output output from the infrared temperature sensor exceeds a threshold value. Vacuum pump.