JP2015220905A - 電動モータを備えたポンプおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷時のモータ効率を低下させることなく、軽負荷時のモータ効率を向上させる電動モータを備えたポンプを提供すること。【解決手段】２本の主軸１５Ａ，１５Ｂにポンプロータ１３が装着されたポンプ１であって、高負荷用の電動モータ３１Ａが第１の主軸１５Ａの一端に装着され、軽負荷用の電動モータ３１Ｂが第１の主軸１５Ａの他端又は第２の主軸１５Ｂの他端に装着されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプに係り、特に、２つの電動モータを備えたポンプおよびその制御方法に関する。

半導体製造プロセスにおいては、様々な形式のポンプおよびこれを駆動する電動モータが用いられている。例えば、様々な工程において真空技術が必要とされ、それに伴って真空ポンプが利用されている。いくつか例を挙げると、金属薄膜の形成のための真空蒸着法、レジスト除去やエッチング工程のためのプラズマエッチング法、不純物の拡散工程のためのイオン注入法、シリコン酸化膜や窒化膜形成工程のための減圧ＣＶＤやプラズマＣＶＤ法などである。これらの半導体製造プロセスは、いずれも真空（或いは減圧）環境で行われるものであり、半導体製造プロセスにおける真空が果たす役割は非常に大きい。

半導体製造装置等に使用される真空ポンプとしては、図４に示すような、二軸同期多段ルーツ型容積式の真空ポンプ５００がある（特許文献１参照）。この図に示すものは４段の真空ポンプ５００である。すなわち、合計８個のポンプロータ５１２、５２２を備えている。この真空ポンプ５００のポンプロータ回転軸５１４，５２４は、一対のタイミングギア５１１、５２１によって互いに反対方向に同じ速度で回転する。相互に対向するポンプロータ５１２，５２２同士及びポンプロータ５１２，５２２とケーシング５０１は接触することがなく、わずかな隙間を保ちながら回転して、気体を吸い込んで外部に排出するようになっている。

この図４において、右端に設置されているのが電動モータ６０１、６０２である。この電動モータ６０１、６０２では、ポンプロータ回転軸５１４，５２４にモータロータ６０１ａ，６０２ａが取り付けられ、このモータロータ６０１ａ，６０２ａの半径方向の周囲に所定のギャップを隔ててモータステータ６０１ｂ、６０２ｂが設置されている。また、モータステータ６０１ｂ、６０２ｂにはコアから磁束を生じさせるためのコイルが巻回されている。

ところで、電動モータ６０１，６０２に加わる負荷は、真空ポンプ５００の運転状態に応じて大きく変動する。例えば、ガス流し時、起動運転時、プロセスガス排出時などは、電動モータ６０１，６０２に加わる負荷が大きくなる場合である。一般的なモータの場合、電動モータの構成は最大負荷時のモータ効率が最も良くなるように設計されている。換言すると、最大負荷時に必要とされる電力に対応するように、モータロータ及びモータステータが設計されている。一方、真空ポンプ５００が所定時間運転され、圧力が一定以下になると、電動モータ６０１、６０２に加わる負荷は低下する。例えば、到達運転時などは軽負荷となる。軽負荷の場合に必要な電力は最大負荷時に必要な電力よりは当然に小さくなる。

これまで説明した図４に示す例では、一方の電動機を永久磁石同期電動機にすると共に、他方の電動機を誘導電動機にしている。そして、運転状態の変化に対して駆動する電動機を適宜切り替えている。加えて、この発明においては、２本のポンプロータ回転軸５１４，５２４の一端部にそれぞれの電動機６０１，６０２が、相互に隣接するような形態で連結されている。

特開２０１３−１９８３０７号明細書

２つのモータ６０１、６０２を相互に隣接させて配置する発明では、高負荷用電動モータと軽負荷用の電動モータ６０１、６０１が物理的に干渉しないように、モータの寸法に制限が課される。特に、高負荷用の電動モータは大型になる場合が多く、軽負荷用の電動モータの存在によって、出力容量の大きなモータを自由に選択できない場合も生じる。このような不都合を回避するために、何れかのポンプロータ回転軸５１４，５２４を長く延ばし、２つの電動モータ６０１，６０２が相互に軸方向にずれた位置となるようにすることも考えられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、設計の自由度を犠牲にすることなく、効率の良い電動モータを備えたポンプを提供することが、本発明の解決するべき課題である。当該課題を解決するために、第１手段は、２本の主軸にポンプロータが装着されたポンプであって、高負荷用の電動モータが第１の主軸の一端に連結され、軽負荷用の電動モータが第１の主軸の他端又は第２の主軸の他端に連結された、という構成を採っている。

以上のような構成を採ることで、ポンプが高負荷状態で運転されている場合は、高負荷用の電動モータと軽負荷用の電動モータの両方が駆動力を発生するようになっている（２軸運転）。このとき、各電動モータは隣接するように配置されていないため、高負荷用の電動モータと軽負荷用の電動モータとが物理的に干渉することはない。加えて、軽負荷状態で運転される場合は、高負荷用の電動モータが停止（通電せずにロータが回転している状態）され、軽負荷用の電動モータのみでポンプが駆動される。高負荷用の電動モータには永久磁石が使用されていないため、停止時には高負荷用電動モータの鉄損分を低減できる。

第２手段は、第１手段の構成に加え、各電動モータのうち少なくとも１つは誘導モータであり、電動モータへ供給する電力を調整するインバータ回路を更に備えている、という構成を採っている。

第３手段は、第１手段の構成に加え、各電動モータのうち少なくとも１つはＳＲモータであり、電動モータへ供給する電力を調整するインバータ回路を更に備えている、という構成を採っている。

第４手段は、第２手段又は第３手段の構成に加え、一方の電動モータはＰＭモータであり、他方の電動モータはＳＲモータ又は誘導モータである、という構成を採っている。

第５手段は、第１手段から第４手段の何れかの構成に加え、高負荷用電動モータは、永久磁石を使用しない誘導モータ又はＳＲモータである、請求項１から４の何れか一項に記載のポンプ。

第６手段は、第１手段から第５手段の何れかの構成に加え、軽負荷用の電動モータの定格出力に対する高負荷用の電動モータの定格出力は、２倍以上である、という構成を採っている。

第７手段は、第１手段から第６手段の何れかの構成に加え、前記軽負荷用の電動モータの定格出力は、ポンプ到達圧力運転時の負荷に対応しており、前記高負荷用の電動モータ
の定格出力は、ポンプ最大負荷運転時の負荷に対応している、という構成を採っている。すなわち、上記軽負荷用の電動モータと高負荷用の電動モータの出力比は、ポンプ到達圧力運転時の発生動力とポンプ最大負荷時の発生動力の比率となっている。このため、軽負荷時には、ポンプ到達圧力運転時に必要な動力を発生させる時に最高効率点となる軽負荷用電動モータのみでポンプを駆動する。また高負荷時には、ポンプ最大負荷運転時に必要な動力を発生させる時に最高効率点となる高負荷用電動モータも駆動する。これにより、軽負荷から高負荷まで高効率にポンプを駆動することができる。

第８手段は、第１手段から第７手段の何れかの構成に加え、電動モータは、モータロータが設けられた空間の気密状態を維持するためのキャンを備えている、という構成を採っている。

第９手段は、第１手段から第８手段の何れかの構成に加え、制御部を更に備え、この制御部は、電動モータに加わる負荷が所定値よりも低い場合に高負荷用電動モータの運転を停止する、という構成を採っている。

第１０手段は、２本の主軸にポンプロータが装着されたポンプの運転を制御する方法であって、ポンプは高負荷用の電動モータが第１の主軸の一端に連結され、軽負荷用の電動モータが第１の主軸の他端又は第２の主軸の他端に連結されており、電動モータの負荷を検出し、この検出された負荷が所定値より低下した場合に、高負荷用の電動モータを停止する、という構成を採っている。

第１１手段は、第１０手段の構成に加え、高負荷用の電動モータの起動及び停止を切り替えるために、電動モータに加わる負荷の閾値が設定されており、この閾値は、高負荷用の電動モータを起動する場合と停止する場合とで異なる値である、という構成を採っている。

本発明の一実施形態に係る真空ポンプの主軸に沿った断面図である。 図１に開示した真空ポンプを説明するための図である、図２（Ａ）は真空ポンプを具備するポンプシステムのブロック図であり、図２（Ｂ）はモータの負荷と運転切替の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る真空ポンプの主軸に沿った断面図である。 従来の電動モータを具備した真空ポンプの主軸に沿った断面図である。

以下において、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る電動モータ及びポンプについて説明する。なお、以下では、ロータ室とステータ室とが隔離されたキャンドモータおよび真空ポンプを具体的な例として説明する。しかしながらロータ室とステータ室とが同一空間となっているモータや、圧縮ポンプなどにも適用可能である。なお、以下に説明する個別の構成要素を任意に組み合わせた発明についても、本発明が対象とする技術思想に含まれるものである。

［全体概要］
図１は、本実施形態に係るキャンドモータ３１Ａ、３１Ｂを備えた真空ポンプ１である。この真空ポンプ１は、真空ポンプ本体１１と、この真空ポンプ本体１１の一端部に取り付けられたキャンドモータ３１Ａと、真空ポンプ本体１１の他端部に取り付けられたキャンドモータ３１Ｂとからなる。キャンドモータ３１Ａ、３１Ｂはラジアルギャップ型モータであり、モータロータ４１と、ステータ５１と、モータロータ４１とステータ５１の間に配置されてモータロータ４１が存在する空間の真空を維持する円筒状のキャン６１とを
備えている。

［真空ポンプ本体］
真空ポンプ本体１１は、複数のポンプロータ１３が取り付けられた主軸１５Ａ，１５Ｂと、ポンプロータ１３を収容する主ケーシング１７と、主ケーシング１７の一方側端面に取り付けられた第１端部ケーシング１９と、主ケーシング１７の他方側端面に取り付けられた第２端部ケーシング２１とを備えている。このような真空ポンプ１は、二軸同期多段ルーツ型容積式ポンプと呼ばれている。

［主軸］
主軸１５Ａ，１５Ｂは、真空ポンプ本体１１の軸線方向に沿って延設されており、その両端部において第１及び第２端部ケーシング１９，２１の軸受１９ａ、２１ａによって回転自在に支持されている。本実施形態の２本の主軸１５Ａ、１５Ｂには、１本当たり５個のポンプロータ１３が取り付けられており、５段の真空ポンプ本体１１となっている。このため、合計で１０個のポンプロータ１３を備えている。但し、段数はあくまでも一例であって、５段以外の段数の真空ポンプ本体であってもよい。

［主ケーシング］
主ケーシング１７は、各ポンプロータ１３に対応したポンプ室を有し、さらに所定の隔壁を隔てて半径方向外側に気体排出路２３を備えている。また、各段のポンプ室も所定の隔壁で互いに分離されている。各段のポンプ室は、上流側（図における左側）から下流側（図における右側）に行くに従って幅が狭くなるように構成されている。そして、主ケーシング１７には、最も上流側のポンプ室２３ａに気体を取り入れる気体取入口（図示略）が設けられ、最も下流側のポンプ室２３ｂから気体を排出する気体排出口（図示略）が設けられている。気体取入口は、真空状態が求められる半導体製造装置等に接続されている。一方、気体排出口は、所定の排気ガス処理装置（図示略）に接続されている。気体排出口を排気ガス処理装置に接続するのは、真空ポンプ１によって排出される気体には、腐食性のガスが含まれている場合があり、適切に無害化処理を施す必要があるからである。但し、排出される気体が無害なものであれば、気体排出口に排気ガス処理装置を接続する必要は無い。

［第１端部ケーシング］
第１端部ケーシング１９は、主ケーシング１７の一端部に取り付けられている。第１端部ケーシング１９の中心部には段付貫通口が形成されている。このうち、直径の小さな貫通口には主軸１５Ａ，１５Ｂが貫通しており、大きな直径の貫通口には２個の軸受１９ａが設けられている。そして、この軸受１９ａによって主軸１５Ａ．１５Ｂの一端部側を回転自在に支持している。但し、軸受の数は一例であって、１個であっても良いし、３個以上設けるようにしてもよい。なお、本実施形態では、主ケーシング１７と第１端部ケーシング１９を別個に形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、主ケーシング１７と第１端部ケーシング１９とを一体的に形成してもよい。

[タイミングギヤ］
第１端部ケーシングの外側（図１における右側）には、それぞれの主軸１５Ａ，１５Ｂに取り付けられたタイミングギヤ４２Ａ，４２Ｂが設けられている。このタイミングギヤ４２Ａ，４２Ｂは外周部で相互に噛み合っている。このため、一方の主軸１５Ａが回転すると、他方の主軸１５Ｂも同じ回転数で逆方向に回転する。タイミングギヤ４２Ａ，４２Ｂはタイミングギヤカバー４５によって囲まれており、このタイミングギヤカバー４５は第１端部ケーシング１９に固定されている。

［第２端部ケーシング］
第２端部ケーシング２１は、主ケーシング１７の他端部に取り付けられている。この第２端部ケーシング２１の中心部にも段付貫通口が形成されている。このうち、直径の小さな貫通口には主軸１５Ａ，１５Ｂが貫通しており、大きな直径の貫通口には１個の軸受２１ａが設けられている。この軸受２１ａによって主軸１５Ａ，１５Ｂを他端部側で回転自在に支持している。なお、本実施形態では、主ケーシング１７と第２端部ケーシング２１を別個に形成しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、主ケーシング１７と第２端部ケーシング２１とを一体的に形成してもよい。

第２端部ケーシング２１の外側（図１における左側）には、ケーシングカバー２９が取り付けられている。このケーシングカバー２９は、第２端部ケーシング２１との間に所定の空間を形成して軸受を覆っている。このケーシングカバー２９、タイミングギヤカバー４５によって形成された空間の下部には潤滑油が貯留されており、軸受１９ａ，２１ａ及びギヤ４２Ａ，４２Ｂを潤滑できるようになっている。但し、グリースが充填されている軸受を使用する場合は、潤滑油は必須ではない。なお、当該ケーシングカバー２９,タイミングギヤカバー４５は本発明に必須な構成要素では無い。

［キャンドモータ］
次に、本実施形態の特徴部分の一つである、キャンドモータ３１Ａ，３１Ｂについて説明する。説明の便宜のために、先ずは主軸１５Ａの一端部（右端部）に連結されたキャンドモータ３１Ａについて説明する。ここで、キャンドモータ３１Ａはラジアルギャップ型のモータである。キャンドモータ３１Ａのモータロータ４１は、主軸１５Ａの一端部の周りに取り付けられている。また、ステータ５１は、モータロータ４１の半径方向外方において、モータロータ４１を取り囲むように配置されている。すなわち、モータロータ４１とステータ５１は半径方向（ラジアル方向）に配置されており、これらモータロータ４１とステータ５１の間にギャップが形成されている。

ステータ５１は、ステータコア５１ａとコイル５１ｂからなる。ステータ５１の周囲は、ステータ用ケーシング５５によって囲まれている。また、ステータ用ケーシング５５の一端側（図における右側）は閉塞端となっている。このため、ステータ用ケーシング５５は例えば皿状の形状を有し、このステータ用ケーシング５５の内部がステータ室５３となっている。ステータ用ケーシング５５の他端側（図における左側）は開放端となっているが、円筒状のキャン６１のフランジ部と当接している。

また、モータロータ４１とステータ５１の間には、円筒状のキャン６１が設けられている。キャン６１の一方の端面（右端面）は閉塞端となっており、他方の端面は開放端となっている。開放端の周囲には所定のフランジが形成されており、このフランジを介してタイミングギヤケーシング４５とステータ用ケーシング５５とに挟まれて固定されている。このように、キャン６１を備えているため、ロータ室４３の気密性が維持される。このとき、ロータ室４３は真空ポンプ本体１１のポンプ室（図１の符号２３ｂ）に連通しているため、モータロータ４１は腐食性ガスに曝される。しかしながら、ステータ５１はキャン６１のシール機能によって腐食性ガスから隔離されている。また、キャン６１は、薄い金属材料や樹脂材料から構成されており、できる限りモータロータ４１とステータ５１の間に生成される磁束に影響を与えないようになっている。また、モータの効率を考慮した場合に、できる限りモータロータ４１とステータ５１を接近させたい。このため、所望の強度が確保できる場合には、できるだけ薄く構成することが望ましい。

上述したように、一方の主軸１５Ａの一端部（右端部）にはキャンドモータ３１Ａが取り付けられているが、本実施形態では、更に主軸１５Ａの他端部（左端部）にもキャンドモータ３１Ｂが取り付けられている。このキャンドモータ３１Ｂは、基本的にキャンドモータ３１Ａと同様の構造のものである。しかしながら、一端部のキャンドモータ３１Ａが
高負荷用のモータであるのに対し、他端部のキャンドモータ３１Ｂは軽負荷用のモータである。すなわち、キャンドモータ３１Ａは高負荷運転時に鉄損が最小となるように設計されており、キャンドモータ３１Bは軽負荷運転時に鉄損が最小となるように設計されている。

［動作］
次に、図２に基づいて、本実施形態のキャンドモータ３１Ａ，３１Ｂと真空ポンプ１の動作について説明する。先ず、図２（Ａ）は、上記実施形態に係る真空ポンプ本体１１とキャンドモータ３１Ａ，３１Ｂを含む、ポンプシステムを示すブロック図である。この図２（Ａ）に示すように、このポンプシステムには、上述の真空ポンプ本体１１と、この真空ポンプ本体１１に連結されたキャンドモータ３１Ａ，３１Ｂと、キャンドモータ３１Ａ，３１Ｂの動作を制御する制御部６２とを備えている。また、制御部６２とキャンドモータ３１Ａ，３１Ｂの間には、交流電源に接続されたインバータ回路６３が設けられている。また、キャンドモータ３１Ａ，３１Ｂの負荷は、インバータ回路６３を介して制御部６２に送信されるようになっている。もちろん、キャンドモータ３１Ａ，３１Ｂの負荷は、インバータ回路６３を経由せずに直接制御部６２に送信してもよい。なお、２軸運転の場合、インバータ回路からは、タイミングギヤ４２Ａ，４２Ｂがなかったとしても、各キャンドモータ３１Ａ，３１Bが同速度で回転するように駆動電流が供給される。

図２（Ｂ）は、キャンドモータ３１Ｂに加わる負荷と運転切替制御の関係を示すグラフである。縦軸はキャンドモータ３１Ａ，３１Ｂに加わる負荷であり、横軸は時間である。ここで、キャンドモータ３１Ａ，３１Ｂに加わる負荷とは、個別のキャンドモータ３１Ａ，３１Ｂに加わる負荷という意味ではなく、真空ポンプ本体１１により発生する負荷という意味である。そして、グラフ内の線図がキャンドモータ３１Ａ，３１Ｂに加わる負荷の変動を示している。また、グラフ内は、２軸運転領域と１軸運転領域に分けられている。ここで、２軸運転とは、高負荷用及び軽負荷用のキャンドモータ３１Ａ，３１Ｂが同時に駆動力を発生している運転状態であり、１軸運転とは、軽負荷用のキャンドモータ３１Ｂのみが駆動力を発生している運転状態である。

また、図２（Ｂ）に示すように、運転状態を切り替えるための負荷の閾値が設けられている。本実施形態では２つの閾値が設けられ、下側の閾値は、負荷が減少して２軸運転から１軸運転に移行する場合のトリガである。一方、上側の閾値は、負荷が増大して１軸運転から２軸運転に移行する場合のトリガである。

図２（Ｂ）において、時刻０から時刻Ｔ１までは、キャンドモータ３１Ａ，３１Ｂは２軸運転されている。すなわち、キャンドモータ３１Ａ及び３１Ｂの両方が駆動力を発生している。時刻Ｔ１から時刻Ｔ３まではリニアに負荷が減少している。そして、時刻Ｔ３よりも前の時刻Ｔ２において、負荷が下側の閾値より小さくなる。このことを制御部６２が検知して、高負荷用のキャンドモータ３１Ａへの電力供給を停止する。このため、真空ポンプ本体１１は、軽負荷用のキャンドモータ３１Ｂのみで駆動される。

次に、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までは負荷は軽負荷で一定である。このため、１軸運転が継続される。そして、時刻Ｔ４から時刻Ｔ６までは負荷が増大している。この時、時刻Ｔ６よりも前の時刻Ｔ５において、負荷が上側の閾値を超える。このため、制御部６２は高負荷運転に移行したと判断し、高負荷用のキャンドモータ３１Ａに電力を供給して、２軸運転を再開する。そして、時刻Ｔ６以降は負荷が高負荷で一定となり、２軸運転が維持される。

図３は、第２の実施形態に係る真空ポンプ１Ｂを示す図である。この図において、真空ポンプ本体１１は図１に開示したものと同一である。一方、異なる点としては、軽負荷用
の電動モータ３１Ｂが、第２の主軸１５Ｂの他端部に連結されていることである。すなわち、第１の主軸１５Ａに対して軽負荷用の電動モータ３１Ｂが直接駆動力を付与することはないが、タイミングギヤ４２Ｂ，４２Ａを介して、第２の主軸１５Ｂから駆動力が第１の主軸１５Ａに伝達される。このため、図１に開示した真空ポンプ１と同様に動作することとなる。

本発明は、ポンプに用いられる電動モータに利用することが可能である。

１、１Ｂ 真空ポンプ
１１ 真空ポンプ本体
１３ ポンプロータ
１５Ａ，１５Ｂ 主軸
１７ 主ケーシング
１９ 第１端部ケーシング
１９ａ 軸受
２１ 第２端部ケーシング
２１ａ 軸受
２３ ポンプ室
２９ ケーシングカバー
３１Ａ，３１Ｂ キャンドモータ
４１ モータロータ
４２Ａ，４２Ｂ タイミングギヤ
４３ ロータ室
５１ ステータ
５１ａ ステータコア
５１ｂ コイル
５３ ステータ室
５５ ステータ用ケーシング
６１ キャン
６２ 制御部
６３ インバータ回路

Claims (11)

1. ２本の主軸にポンプロータが装着されたポンプであって、高負荷用の電動モータが第１の主軸の一端に連結され、軽負荷用の電動モータが前記第１の主軸の他端又は第２の主軸の他端に連結された、ポンプ。
2. 前記各電動モータのうち少なくとも１つは誘導モータであり、前記電動モータへ供給する電力を調整するインバータ回路を更に備えている、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記各電動モータのうち少なくとも１つはＳＲモータであり、前記電動モータへ供給する電力を調整するインバータ回路を更に備えている、請求項１に記載のポンプ。
4. 一方の電動モータはＰＭモータであり、他方の電動モータはＳＲモータ又は誘導モータである、請求項２又は３に記載のポンプ。
5. 高負荷用電動モータは、永久磁石を使用しない誘導モータ又はＳＲモータである、請求項１から４の何れか一項に記載のポンプ。
6. 前記軽負荷用の電動モータの定格出力に対する前記高負荷用の電動モータの定格出力は、２倍以上である、請求項１から５の何れか一項に記載のポンプ。
7. 前記軽負荷用の電動モータの定格出力は、ポンプ到達圧力運転時の負荷に対応しており、前記高負荷用の電動モータの定格出力は、ポンプ最大負荷運転時の負荷に対応している、請求項１から６の何れか一項に記載のポンプ。
8. 前記電動モータは、モータロータが設けられた空間の気密状態を維持するためのキャンを備えている、請求項１から７の何れか一項に記載の電動モータ。
9. 制御部を更に備え、この制御部は、前記電動モータに加わる負荷が所定値よりも低い場合に高負荷用の電動モータの運転を停止する、請求項１から８の何れか一項に記載のポンプ。
10. ２本の主軸にポンプロータが装着されたポンプの運転を制御する方法であって、前記ポンプは高負荷用の電動モータが第１の主軸の一端に連結され、軽負荷用の電動モータが前記第１の主軸の他端又は第２の主軸の他端に連結されており、
    前記電動モータの負荷を検出し、この検出された負荷が所定値より低下した場合に、高負荷用の電動モータを停止する、方法。
11. 前記高負荷用の電動モータの起動及び停止を切り替えるために、前記電動モータに加わる負荷の閾値が設定されており、この閾値は、前記高負荷用の電動モータを起動する場合と停止する場合とで異なる値である、請求項１０に記載の方法。

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