JP2008038764A

JP2008038764A - ターボ分子ポンプおよびそのための電源装置

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Publication number: JP2008038764A
Application number: JP2006214544A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Nagano; 善宏長野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】冷却機能を付設し、高温化を阻止できるターボ分子ポンプを提供する。
【解決手段】ＣＰが冷却管で、一端側は圧縮空気源（図示せず）に接続され、他端側はターボ分子ポンプＴＰのケーシング５の外周面に巻回されている。このケーシング５への巻回が行われる前段において冷却管ＣＰには減圧弁ＤＶが介設されている。この減圧弁ＤＶの介在によって圧縮空気Ａがこの減圧弁ＤＶを通過する際断熱状態で膨張されることになり、減圧弁ＤＶ通過後の圧縮空気Ａは更に低温化される。冷却管ＣＰのターボ分子ポンプＴＰへの配設は、溶接などによる固着方式が効果的で好ましいが、着脱自在に付設するようにしてもよい。また図示例では冷却管ＣＰを一定の間隔を有して巻回した例を示すが、間隔をなくして巻回付設することもできる。この場合は発熱位置に付設するとき冷却効果を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はケーシング内にターボ機構を収納し、これを高速回転させて室内を高真空に排気するターボ分子ポンプに関する。

この種のターボ分子ポンプにおいては、ターボ機構を高速回転させる関係でターボ機構を含む回転体が昇温し高温になる。これら回転体の高温化は回転体そのものに歪を生じたり、回転体の保持機構にも歪などを生じてポンプ機能の低下を招来することになる。したがって、この種ポンプでは内方の回転体の温度対策を講じることが求められている。そのために冷却水パイプを付設する工夫が行われている（特許文献１参照）。

まず従来におけるターボ分子ポンプＴＰの一例を示す図７にしたがって説明する。以下このターボ分子ポンプＴＰについてその主体であるターボ機構ＴＫについて説明すると、回転軸３の上方部には回転体４が冠設されていて、この回転体４には外周に複数段（具体的には８段）の回転翼Ｂ１〜Ｂ８（図面には最上段の回転翼Ｂ１と最下段の回転翼Ｂ８のみ符号を付しその他の符号は付記を省略している）が延設されている。この回転翼Ｂ１〜Ｂ８は軸芯方向に一定の間隔を有して配置されている。この回転軸３と回転翼Ｂ１〜Ｂ８とは一体的である。他方、上方に吸気口６が形成されたケーシング５の内周側からは、固定翼Ｔ１〜Ｔ７（図面には最上段の固定翼Ｔ１と最下段の固定翼Ｔ７のみ符号を付してその他の付記は省略している）が各回転翼Ｂ１〜Ｂ８と交互に設けられターボ機構ＴＫが構成されている。なお、図７においてＳは各固定翼Ｔ１〜Ｔ７を一定の間隔で保持するためのスペーサである。７は排気口である。

この回転軸３は下部ケーシング５Ｂに架設されたアキシャル方向の磁気軸受８Ａと、ラジアル方向の磁気軸受８Ｒにて回転自在に保持されるとともに、モータ２と結合されている。他方、モータ２の一方を構成する回転子２Ｍがこの回転軸３に嵌設され一体的に取り付けられている。この回転子２Ｍは下部ケーシング５Ｂに架設されたモータステータのコイル１と協働しモータ２を構成する。このモータ２には電源装置ＥＳから電気エネルギーが供給され、回転軸３を高速で回転駆動する。

そして、さらに回転体４の一部すなわち具体的には下方には円筒部４Ｎが一体的に形成され、しかもこの円筒部４Ｎの外周は機台を兼ねたケーシング５の内周に接合されたステータリング９の内周面に近接して対応している。このステータリング９の内周面にはネジ溝Ｎが形成されている。このネジ溝Ｎは下方になるにつれて溝の深さが浅く形成されている。このステータリング９と前記円筒部４Ｎとの組み合わせによってネジ溝ポンプＮＰが構成されている。このネジ溝ポンプＮＰはドラッグポンプとして機能し、粘性流領域における分子を引き込んで排気する。

このようなターボ分子ポンプＴＰは、ターボ機構ＴＫによるターボポンプ機能とネジ溝ポンプＮＰによるネジ溝ポンプ機能を有機的に結合したものであり、通常ハイブリッド形ターボ分子ポンプと称されている。ターボ分子ポンプＴＰとしては、このようなハイブリッド形のものが排気特性は良く、よく利用されている。このように排気機構を備えた回転体４は回転軸３と一体化され、全体がアキシャル用の磁気軸受８Ａとラジアルの用磁気軸受８Ｒの制御により非接触で支持されながらモータ２にて回転駆動される。この両磁気軸受８Ａ、８Ｒへの電力エネルギーはケーブルＣＬを介して電源装置ＥＳから供給される。なお、図７において５Ｂはターボ分子ポンプＴＰの下部ケーシングを示し、５Ｆはケーシング５のフランジである。
特開平０７−００５０５１号公報

この種のターボ分子ポンプＴＰは、ターボ機構ＴＫが高速回転される関係で発熱が大きくなる。発熱によってターボ分子ポンプＴＰが高温になると各部の構成に歪が生起し、膨張収縮等の繰り返しによって破損が生じることもあり大事故につながる場合がある。このことからターボ分子ポンプＴＰは、通常電源装置ＥＳでは外気を導入する強制空冷や、冷却水を配管で導いて冷却する方法が採用されている。外気を吹き付ける強制空冷や、冷却水を配管で導く方法が採用されている。通常電源装置ＥＳでは外気を導入する強制空冷や、冷却水を配管で導いて冷却する方法が採用されている。

しかしながら外気を利用する強制空冷方法は大容量の電力を消費するターボ分子ポンプの場合では冷却不足になり水冷方式を採用するのが通常である。この水冷方式では水漏れが生じると排気機能が低下し、あるいは水による電気的短絡いわゆるショートが発生してターボ分子ポンプの運転に支障が生じるのみならず経済的にも問題がある。防水処理漏水処理も必要となる。
さらに電源装置の冷却では水冷方式は電気系統の短絡（ショート）を生起しやすく基本的には不適用で空冷式になるが、空冷式は冷却機能が弱く、電源装置の高温化を阻止できない状況にある。

本発明が第１に提供するターボ分子ポンプは、上記課題を解決するために、発熱部位に冷却管を配設するとともにこの冷却管に圧縮空気を流通させるよう構成したものである。しかも圧縮空気の配管には発熱部位に圧縮空気を断熱膨張させる手段、具体的には減圧弁を介在させるように構成したものである。したがって断熱膨張にてより圧縮空気が低温化され冷却がより効果的に行われることになる。

さらに本発明が第２に提供するターボ分子ポンプは、圧縮空気の配管をターボ分子ポンプのケーシング内に配設するものである。この構成によれば冷却管がターボ分子ポンプ内の空気に触れることになりケーシング内の空気が冷却されることになる。
さらに本発明が第３に提供する装置は、ターボ分子ポンプに対して電気エネルギーの供給、調整等を行う電源装置に冷却管を配設し、この冷却管に圧縮空気を流通させるものである。そしてさらに、この冷却管には断熱膨張を行わせる手段、具体的には減圧弁を介在させたものである。したがって断熱膨張にて圧縮空気が更に低温化されることになる。

さらに本発明が第４に提供するターボ分子ポンプのための電源装置は、ターボ分子ポンプと電源装置を一体化し、これらをそれぞれに圧縮空気を流通させる冷却管を配設するとともに発熱部位における冷却管に断熱膨張のための手段すなわち減圧弁を介設したものである。したがってターボ分子ポンプと電源装置を同時に冷却できる。

本発明によれば水すなわち液体ではなく、圧縮空気すなわち気体であり、取り扱いが良く安全性が高い。この性質が作用して冷却管からの漏れが発生しても安全である。
また本発明によれば冷却に利用した圧縮空気は、そのまま外部に排出されることになるが、ターボ分子ポンプに噴射するなり電源装置の内部の発熱部に噴射させて冷却することができる。

本発明が提供するターボ分子ポンプおよび電源装置の基本的な特徴は、これらに対して冷却管を配設し、この冷却管に圧縮空気を流通させることと、この冷却管には圧縮空気を断熱膨張させる手段が介設されている点である。
さらに具体的には冷却管がターボ分子ポンプおよび電源装置に内設されて、冷却をより効果的ならしめる点に特徴がある。本発明の実施の最良の形態は、これらの特徴が全て備えられた構成である。

本発明が提供する第１の実施例は、ターボ分子ポンプに圧縮空気を流通させる冷却管を配設した実施例で、その構成は図１に示すとおりである。
図１において図７に示す符号と同一の符号が示されている部品は図７に示す部品と同一であり詳細な説明は省略する。
図１は実施例の外観を示すが、一部を断面してターボ分子ポンプＴＰの内部構成を示している。図においてＣＰが冷却管で、一端側は圧縮空気源（図示せず）に接続され、他端側はターボ分子ポンプＴＰのケーシング５の外周面に巻回されている。このケーシング５への巻回が行われる前段において冷却管ＣＰには減圧弁ＤＶが介設されている。

この減圧弁ＤＶの介在によって圧縮空気Ａがこの減圧弁ＤＶを通過する際断熱状態で膨張されることになり、減圧弁ＤＶ通過後の圧縮空気Ａは更に低温化される。冷却管ＣＰのターボ分子ポンプＴＰへの配設は、溶接などによる固着方式が効果的で好ましいが、着脱自在に付設するようにしてもよい。また図示例では冷却管ＣＰを一定の間隔を有して巻回した例を示すが、間隔をなくして巻回付設することもできる。この場合は発熱位置に付設するとき冷却効果を有する。

本発明が提供する第２の実施例は図２に示される。図２はターボ分子ポンプＴＰを縦断面して示すが、この図２から明らかなとおり、この第２の実施例の特徴は、冷却管ＣＰがターボ分子ポンプＴＰの内部に配設されている点にある。この場合、ターボ分子ポンプＴＰ内に配設される冷却管ＣＰはその殆どの全長をターボ分子ポンプＴＰ内に配設してもよいし、一部たとえば全長の半分程度を内設してもよい。発熱の大きい部位に集中してもよいし、ケーシング５の内周面に沿って巻回させる形で配設してもよい。さらにはケーシング５の外周面に断面半円形の螺旋溝を形成し、この溝に冷却管ＣＰを配設し、冷却機能をより効果的ならしめる実施例とすることもできる。この場合は内方に配設しないので実施が容易である。

図２に示す例は冷却管ＣＰの一部をターボ分子ポンプＴＰ内に内設した例で、内設された冷却管ＣＰはケーシング５の内周面に近くかつ回転翼Ｂ２の外方に固定設置されている。したがって発熱部の一部であるターボ機構の低温化に有効である。しかも図示例では減圧弁ＤＶが途中に介設されていて、冷却効果がより確実になる。

本発明が提供する第３の実施例は、冷却管ＣＰをターボ分子ポンプＴＰのための電源装置ＥＳに配設した実施例で、その構成は図３に示すとおりである。図３は電源装置ＥＳからケーブルＣＬを介して電気エネルギーがターボ分子ポンプＴＰに供給される構成が簡略に示されているが、その電源装置ＥＳに冷却管ＣＰが配設されている。配設の仕方は図示例ではＵ字形であるが巻回形でもよく、その仕方については図示例に限定されない。ＤＶは減圧弁で電源装置ＥＳの前段における冷却管ＣＰに介設されていて冷却機能を効果的にならしめるよう工夫されている。なお、図３において図７に示す符号と同一の符号で示す部品は図７に示す部品と同一であり、詳細な説明は省略する。

本発明が提供する第４の実施例は図４に示すとおりであるが、第３の実施例において減圧弁ＤＶの配設を電源装置ＥＳのヒートシンク（発熱部）ＨＳの部位に介設させたものである。特に発熱部に介在させて冷却効果をより高めるようにしたものである。なお、図４において図７に示す符号と同一の符号で示す部品は図７に示す部品と同一であり、詳細な説明は省略する。

本発明が提供する第５の実施例は図５に示すとおり、電源装置ＥＳをターボ分子ポンプＴＰと一体化させ、冷却管ＣＰをターボ分子ポンプＴＰと電源装置ＥＳとの両方に同時的に配設したものである。より構成を簡略にするために、冷却管ＣＰは１本のみを使用しその長さを長くして、電源装置ＥＳからターボ分子ポンプＴＰへ連接して配設されている。電源装置ＥＳでは冷却管ＣＰを蛇行させた実施例を示しているが、電源装置ＥＳを挿通させる方式とすることもできる。さらにターボ分子ポンプＴＰへの配設も、単に外周面に巻回させるのみでなく、ターボ分子ポンプＴＰに内挿させるようにすることもできる。そしてさらに冷却管ＣＰが長く、中間に減圧弁ＤＶを介設するのが好ましい。なお、図５において図７に示す符号と同一の符号で示す部品は図７に示す部品と同一であり、詳細な説明は省略する。

本発明が提供する第６の実施例は図６に示すとおり、電源装置ＥＳをターボ分子ポンプＴＰと一体化させ、冷却管ＣＰをターボ分子ポンプＴＰと電源装置ＥＳとの両方に同時的に配設したものである。冷却管ＣＰからの圧縮空気Ａを電源装置ＥＳのヒートシンク（発熱部）ＨＳの部位に噴射されるようになっている。なお、図６において図７に示す符号と同一の符号で示す部品は図７に示す部品と同一であり、詳細な説明は省略する。

本発明の実施例として第１から第６までの６個の例を図示したが、本発明はこの６個の実施例に限定されるものではない。本発明の第１の特徴は冷却管ＣＰをターボ分子ポンプＴＰに配設し、その内方に圧縮空気Ａを流通させる点にある。そして第２の特徴は、冷却管ＣＰに減圧弁ＤＶ等の断熱膨張手段を設けた点にある。第３の特徴は、冷却管ＣＰを介して電源装置ＥＳに圧縮空気を導く点にある。したがって本発明はこれら３個の特徴となる構成の種々の組み合わせによって上記６個の実施例以外の変形例を実施することもできる。たとえば冷却管ＣＰを電源装置ＥＳの内方に挿通させるようにすることもできる。さらに、ターボ分子ポンプＴＰの下部ケーシング５Ｂにリング状の管路を形成し、この管路の中に排気を圧縮空気Ａとして導くようにすることもできる。ケーシング５のフランジ５Ｆの下方に冷却管ＣＰを配設するようにすることもできる。本発明はこれら全ての変形例を包含する。

本発明の第１の実施例を示す図である。本発明の第２の実施例を示す図である。本発明の第３の実施例を示す図である。本発明の第４の実施例を示す図である。本発明の第５の実施例を示す図である。本発明の第６の実施例を示す図である。従来のターボ分子ポンプの構成を示す図である。

符号の説明

１コイル
２モータ
２Ｍ回転子
３回転軸
４回転体
４Ｎ円筒部
５ケーシング
５Ｂ下部ケーシング
５Ｆフランジ
６吸気口
７排気口
８Ａ、８Ｒ磁気軸受
９ステータリング
Ａ圧縮空気
Ｂ１〜Ｂ８回転翼
ＣＰ冷却管
ＤＶ減圧弁
ＥＳ電源装置
ＨＳヒートシンク
Ｎネジ溝
ＮＰネジ溝ポンプ
Ｓスペーサ
Ｔ１〜Ｔ７固定翼
ＴＫターボ機構
ＴＰターボ分子ポンプ

Claims

ケーシング内にターボ機構を内設し、このターボ機構の作動にて真空ポンプ機能を行うターボ分子ポンプにおいて、発熱部位に冷却管を配設するとともにこの冷却管に圧縮空気を流通させるよう構成したことを特徴とするターボ分子ポンプ。
冷却管には圧縮空気を断熱膨張させる手段が介設されていることを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプ。
断熱膨張させる手段が減圧弁であることを特徴とする請求項２記載のターボ分子ポンプ。
冷却管の途中における少なくとも一部がターボ分子ポンプのケーシング内に配設されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
ターボ分子ポンプのケーシング内に配設された冷却管に断熱膨張手段が介設されていることを特徴とする請求項４記載のターボ分子ポンプ。
ターボ分子ポンプへの電気エネルギーの供給、調整あるいは制御を行う電源装置に冷却管を配設するとともにこの冷却管に圧縮空気を流通させるよう構成したことを特徴とするターボ分子ポンプのための電源装置。
電源装置の部位における冷却管に断熱膨張手段を介設したことを特徴とする請求項６記載のターボ分子ポンプのための電源装置。
ターボ分子ポンプとこのターボ分子ポンプのための電源装置を一体的に構成するとともに、このターボ分子ポンプと電源装置間に冷却管を配設し、この冷却管に圧縮空気を流通させるよう構成したことを特徴とするターボ分子ポンプ。
冷却管には圧縮空気を断熱膨張させる手段が介設されていることを特徴とする請求項８記載のターボ分子ポンプ。
断熱膨張手段がターボ分子ポンプの部位の冷却管に介設されていることを特徴とする請求項９記載のターボ分子ポンプ。
断熱膨張手段が電源装置の部位の冷却管に介設されていることを特徴とする請求項９記載のターボ分子ポンプ。