(57)【要約】【課題】本発明の課題は、真空ポンプの回転子を熱する方法を創出することにある。すなわち、回転子がベークアウトに十分な温度に温まり、尚且つ気体を追加的に真空設備内に送入する必要がないという方法の創出である。【解決手段】この課題は、真空ポンプ（１１）、とりわけターボ分子ポンプ（１１）における回転子（１７）を熱する方法に関して、当該真空ポンプが電気モータ（１９）で作動する回転子（１７）を有し、回転子の温度が真空ポンプの第一運転局面で、周辺温度域にとどまるという構成で、その第二運転局面において、回転子（１７）中に渦電流を生成して、回転子（１７）を周辺温度を越える所望の温度へと加熱するという方法によって解決される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータ（１９）によって駆動可能な回転子（１７）を有する真空ポンプ（１１）、特にターボ分子ポンプ（１１）の回転子（１７）を熱する方法であって、回転子温度が、真空ポンプ（１１）の第一運転局面の間、周辺温度域にある真空ポンプにおいて、第二運転局面の間に回転子（１７）中に生成される渦電流が回転子（１７）を、周辺温度を越える所望の温度に熱する方法。
【請求項２】
電気モータ（１９）の効率削減によって渦電流が生成されることを特徴としている請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電気モータ（１９）への電力供給の変更によって渦電流が生成されることを特徴としている請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
電子モータ（１９）固定子の為の整流変更、特に変位によって渦電流が生成されることを特徴としている請求項３に記載の方法。
【請求項５】
渦電流が外部の磁場によって生成されることを特徴としている請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
回転子（１７）の温度が温度センサ（２８）によって測定されて、予設定された時間中、所望の温度に保たれることを特徴としている請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記所望の温度は、回転子（１７）の排気がなされる温度であることを特徴としている請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
所望の温度が９０°と１２０°の間の領域にあることを特徴としている請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
予設定圧力を真空ポンプ（１１）の吸気口において下回ったときに、回転子（１７）を熱する為の渦電流生成が終了されることを特徴としている請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
回転子（１７）と、回転子（１７）の駆動用電気モータ（１９）と、電気モータ（１９）用制御装置（２１）とを有する、請求項１〜９のいずれかに記載の方法を実行するために形成された真空ポンプ（１１）、特にターボ分子ポンプ（１１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子が電気モータによって駆動される真空ポンプ、特にターボ分子ポンプの回転子を熱する方法に関する。
【０００２】
例えば半導体技術の分野における諸々の学術研究及び製造方法においては、真空容器内における超高真空の存在、つまり１０−１０ｍｂａｒを下回る低圧力の確保が不可欠である。真空容器内で、こういった圧力を実現するには、真空容器及びフランジ及びに、場合によって、真空容器と結合している真空ポンプのハウジングが、ベークアウトされなくてはならない。真空容器内の残留ガス圧を減少させるために、真空容器内面、及び真空ポンプフランジの内面から水分子を除去する為である。
【０００３】
真空ポンプの回転子は通常、磁気軸受のような軸受構造に基づいて、真空ポンプのステータ部材に対して、延いてはポンプフランジ及びに真空容器に対して熱学的に絶縁されている。従って、真空容器及びポンプフランジをベークアウトする発熱体が、回転子をベークアウトすることはありえない。
【０００４】
ガス負荷や予真空圧力の上昇を要するような場合には、回転子が真空ポンプ作動中に温まると、回転子のベークアウトが不完全なために、気体を放出する。このような場合、真空容器内の圧力は、回転子が熱せられることで上昇する。このことで、超高真空域内の圧力といった真空容器内の所望の目標圧力が到達不可能となる、或いは実現が極めて困難ということになる。
【０００５】
つまり、真空ポンプ回転子も、真空容器の排気時に、ベークアウトされることが必要である。この目的のためには、予真空圧力を上昇させる、又は真空ポンプの排気口付近において追加のガス負荷をかけることで、回転子内部の気体摩擦を高めることが、すでに提案されている。気体の摩擦が上昇することで、回転子の温度は上昇し、それによって回転子がベークアウトするのである。しかしながら、このような方法は、多大な時間を要し、延いては更なる費用負担に繋がることになる。
【０００６】
その上、真空ポンプの排気口における気体の追加吸入に際しては、真空ポンプの吸引能力の限界に起因して、吸気口方向及びに真空容器内への逆流が避けられない。つまりは、さらに吸入された気体分子が、真空容器内面に着する可能性がある。そのことで、最大限に実現可能な最終圧力値は真空容器内で上昇して、超高真空域が到達されえない危険がある。少なくとも追加吸気のせいで、真空容器内において許容され得る目標圧力に達するための所要時間は、より長いものになってしまう。さらに、気体が追加して真空設備の高真空ないし超高真空域内へ進入することで、追加気体を介して、不純物が真空容器内に入り込む可能性が出てくるという意味で問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ドイツ特許公告第３２１６４０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
つまり本発明の課題は、真空ポンプの回転子を熱する方法を創出することにある。すなわち、回転子がベークアウトに十分な温度に温まり、尚且つ気体を追加的に真空設備内に送入する必要がないという方法の創出である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１の特徴を伴う方法によって解決され得て、特に、真空ポンプの回転子、つまり電気モータによって駆動可能で、且つその温度が真空ポンプの第一運転局面において周辺温度程度である回転子の内部で、第二運転局面において渦電流が生成されることによって解決される。この渦電流は、回転子を周辺温度を越える所望の温度へと加熱するものである。
【００１０】
渦電流の生成の為に、回転子の電磁的特性が変更させられる。この特性変化は、例えば直接的に磁場によって、又は間接的に電気モータの駆動操作によって与えられる。つまり、回転子を熱するために、ガスの追加負荷を必要としないので、結果として、追加吸気のための装置も必要なく、追加吸気された気体による汚濁の危険性もないことになる。回転子内での渦電流は、回転子の電磁性質を操作することで、間接的に生成されるので、回転子のベークアウトに必要な温度には、ガス負荷に基づいた気体摩擦上昇による回転子熱を用いる方法より、さらに迅速に到達することとなる。
【００１１】
さらに本発明の方法は、冒頭で解説したような真空ポンプ真空容器及びにハウジングの従来型ベークアウトと同時に実行されることが可能である。真空容器、及びにハウジング、及びに真空ポンプ回転子が同時にベークアウトされることで、分子が熱によって回転子の表面から分離して、再び真空容器又は真空ポンプの固定部材の表面に付着する、又は付着した分子が再び分離する可能性が減少する。こうして、真空容器内において、より低い圧力が到達可能となり、及び目標圧力に到達するまでの時間が短縮される。
【００１２】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項、明細書、及びに図面に記載されている。
【００１３】
実施形態の１つに従えば、電気モータ稼働の低減によって渦電流が生成される。回転子内の渦電流損が不本意である通常運転とは対照的に、電気モータが回転子駆動時に暫時、低稼働で運転されことになる。従って、回転子は容易で、しかも安価に温められ、真空ポンプの通常運転とは対照的に、追加部材を必要とせず、すでに存在する部材の特殊な駆動が必要なのみとなる。
【００１４】
渦電流は、電気モータへの電力供給を変更することで生成されることが望ましく、とりわけ変更、好ましくは変位、つまりは電子モータ固定子の整流変動によって生成されることが有利である。整流局面の一部で、電気モータの抑制が行われる一方で、整流局面の他の部分では、電気モータが加速されたりする。従って、真空ポンプ駆動用の電子装置において回転子を熱するには、ただ特別な設定モードが必要なだけで、この設定モードが、真空ポンプの通常運転とは対照的に、電子モータ固定子の整流変位に繋がっている。従って、回転子は特段に僅かな労力で熱することができる。
【００１５】
代替的もしくは補完的に、渦電流が外部の磁場によって生成されることも可能である。この際、回転子温度の上昇中もしくは回転子のベークアウト中に、回転子駆動用電気モータの理想的運転が維持され得ることは利点と言える。さらに、真空ポンプや電気モータ駆動用の電子装置を改変したり、発展させたりすることは、原動という観点からは、必要がない。というのも、本体外部における磁場が別個の装置によって発生するからである。
【００１６】
有利にも、回転子温度は、温度センサによって測定されて、予設定された時間内において、所望の温度に維持される。温度センサによって、所望の回転子温度が実現して、所望の温度が予設定された時間内において、確実に維持されるのである。予設定時間は、例えば圧力上昇などに基づいて、回転子を熱している間に、実地経験によって求められる。
【００１７】
所望の温度とは、望ましくは、回転子の排気が行われる温度を意味しており、とりわけ９０℃から１２０℃の間の温度を指している。所望の温度とは、要するに、例えば水分子と、その他の汚濁が回転子から未だ分離する最低温度、並びに回転子ベークアウトには適しているものの回転子及びに真空ポンプの運転全体に悪影響を及ぼす可能性のある１２０℃を明らかに上回る温度との間における妥協点を意味する。しかし、回転子温度は、限られた比較的短時間の間、１２０℃を越えることも普通に考えられる。こうしてベークアウトの効果は一層、向上され得る。但し、この時間は真空ポンプの運転性能への悪影響を除外するために、適宜に選択することが肝要である。
【００１８】
他の実施形態に従えば、真空ポンプ吸気口における圧力が予設定圧力を下回ったときに、回転子加熱のための渦電流生成が終了する。回転子のベークアウトは、高真空域ないし超高真空域における圧力を追加的に測定することで制御される。回転子の排気が止まって、回転子が十分にベークアウトした時、予設定圧力を下回っている。予設定圧力を下回ったときに回転子のベークアウトを停止することで、渦電流の生成が有効時間に限定されるのである。こうして、回転子ベークアウトに費やされるエネルギー消費及びに費用が削減される。
【００１９】
さらに、本発明は、とりわけ回転子、回転子作動用の電気モータ及びに電気モータ制御装置を有するターボ分子ポンプという真空ポンプに関していて、このターボ分子ポンプは上述の方法を実行するために形成されている。
【００２０】
下記、実施可能な形態の典型を通じ、添付図面に関係付けながら、本発明を解説する。下記の図面を提示する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に則った真空ポンプの回転子を熱するための構造図である。
【図２】真空ポンプ回転子が本発明に拠らない方法で熱せられた場合における、真空設備の様々な位置での圧力の時間経過を示している。並びに、
【図３】図３は、真空ポンプ回転子が本発明に拠る方法で熱せられた場合における、真空設備の様々な位置での圧力の時間経過を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、真空ポンプ回転子を熱する、又はベークアウトするための本発明に係る方法が実施されることが可能である装置を図示している。ここでは当該真空ポンプはターボ分子ポンプ１１であり、正確に言うといわゆるスプリットフローポンプである。このスプリットフローポンプは図示されていないボンプ吸気口とポンプ排気口１２の間に計六個のポートＨ１乃至Ｈ６を有する。これらポートにおいて圧力が測定されることが可能であり、そしてこれらポートを通じてポンプ内への吸気が可能である。このポートＨ１からＨ６のうち、図１に図示されているのは、Ｈ１、Ｈ３及びＨ５のみである。
【００２３】
ターボ分子ポンプ１１は、ターボ分子ポンプ段１３及びホルヴェックポンプ段１５並びに、両ポンプ段１３、１５の為の回転子１７を有していて、回転子１７は、電気モータ１９によって駆動可能となっている。さらに、制御装置２１が設けられている。この制御装置は、電力供給及び電気モータ１９を制御する電子装置を含み、及び結合導線２３を介して、ターボ分子ポンプ１１の電気モータ１９と接続されている。
【００２４】
ターボ分子ポンプ１１の吸気口では、圧力が１０−１０ｍｂａｒを下回る領域、つまり超高真空が生み出される。ターボ分子ポンプ１１は、ターボ分子ポンプ段１３内に、付近の吸気圧力を測定するポートＨ１とターボ分子ポンプ段１３の中央域の圧力を測定するポートＨ３を有している。さらにターボ分子ポンプ１１は、ホルヴェックポンプ段１７内に、ポンプ排気口付近の圧力測定及びにガス負荷吸入用に設けられたポートＨ５を有している。
【００２５】
ターボ分子ポンプ１１の排気口１２は、真空配管２５によって、予真空ポンプ２７と結合している。
【００２６】
さらに、当該構造は本体外部の磁場生成装置２９を擁している。さらに、回転子１７の温度測定のために設けられた温度センサ２８が、ターボ分子１１の下部などに設けられる。
【００２７】
当該構造の運転の為に、第一運転局面はターボ分子ポンプ１１の通常運転と同様にして、その局面中において、回転子１７の温度が周辺温度域内に留まっていることとなる。第一運転局面中、渦電流といった電流リークが回転子１７内で最小限になるように、電気モータ１９は駆動される。
【００２８】
第一運転局面の為に、さらに温度センサ２８の信号の為に予設定された警告限界値が設けられている。この警告限界値は、予設定された回転子１７の温度に対応していて、ターボ分子ポンプ１１は、第一運転局面で、その予設定された温度を越えては運転できないようになっている。温度センサ２８の信号が、第一運転局面中に予設定された警告限界値を越えると、直ぐに制御装置２１において警告が発せられる。
【００２９】
ターボ分子ポンプ１１の第二運転局面は「ベークアウト局面」とでも呼ぶことができ、この局面中は通常運転とは異なって、電気モータ１９の駆動変更が行われる。具体的には第二運転局面において、通常運転とは対照的に、電子モータ１９固定子のために整流が施されて、その結果として渦電流が回転子１７内に発生する。この渦電流を利用することで、追加のガス負荷をポート５などを介して、ターボ分子ポンプ１１内に流入させることなく、回転子１７が温まり、延いては排気へと至る。
【００３０】
さらに、第二運転局面中において、温度センサ２８の警告限界値は、つまり回転子１７のために設けられた温度センサ２８の警告限界値は、より高く設定されるか、若しくは無設定となり、回転子１７の温度上昇及びベークアウトの不意な断絶が回避される。温度センサ２８の信号は、第二運転局面において、検査目的のみでなく、回転子１７の温度を制御して、９０°と１２０°の間といった所望の温度設定に役立つ。更に、回転子１７の温度は、限定的な比較的短時間内に１２０°を越えて高められて、その結果としてベークアウトの効果は向上する。ターボ分子ポンプ１１内には、いずれにしても温度センサ２８が既に設置されているので、本発明における方法では、回転子１７の温度制御のために特別な装置は必要がなく、同じく既に設置されている制御装置２１の調節が必要なだけである。
【００３１】
ターボ分子ポンプ１１の吸気口に予設定圧力を下回ったとき、回転子１７の排気が止まり、回転子１７は充分にベークアウトしているので、第二運転局面が完了される。続いて、ターボ分子ポンプ１１は上述の第一運転局面の条件下で再び運転される。
【００３２】
代替的もしくは補完的に、電気モータ１９の整流を操作するために、本体外部の磁場生成装置２９が回転子１７付近で磁場を発生させ、同様にして、この外部磁場が回転子１７内で渦電流を発生させる。こうして回転子１７も、本体外部の磁場生成装置２９によって温められ、ベークアウトされ得る。
【００３３】
本発明の方法に拠る図１の構造を使用しながら、ターボ分子ポンプ１１の回転子がベークアウトする様子を表記するために、ターボ分子ポンプ１１における圧力を２つの異なる前提条件下で測定することにする。当該圧力の測定結果が、図２及び図３に示されている。図２の推移線に関しては、ターボ分子ポンプ１１の回転子１７が予め加熱されることもなく、ベークアウトもしていない一方で、図３の推移線に関しては、回転子１７を予め加熱し、ベークアウトするという本発明の方法が適用されている。
【００３４】
さらに実験目的で、図２の圧力測定ならびに図３の圧力測定において、図２ないし図３上部の推移線３１と４１が示すように、気体がターボ分子ポンプ１１の排気口１２周辺において吸入され、排気口１２には両図の各測定位置において、およそ同じ圧力がかかっている。追加気体に起因する圧力上昇のせいで、回転子１７内の気体摩擦が上昇し、回転子１７が温まり、同じく回転子１７の排気が促される。
【００３５】
図２及び図３において、例として図１に示された真空設備の様々な位置における圧力は、時系列で表示されている。圧力は、ターボ分子ポンプ１１の排気口１２において、つまり予真空域（推移線３１及び４１）において、ポート５（参照図１、図３中の推移線４２）、ポート３（推移線３３及び４３）、ポート１（推移線３５及び４５）及び、ターボ分子ポンプ１１吸気口において、つまり超高真空域（推移線３７、３９、４７及び４９）において、それぞれ測定される。計測確実性の向上を目的として、超高真空域における圧力が、ターボ分子ポンプ１１の吸気口周辺の二つの異なる位置で測定される。
【００３６】
図２の圧力測定及びに図３の圧力測定において、当該構造の予真空域における圧力は、通常運転時に比べて、ポート５を通じて気体を吸入させることで、およそ３に高められる（参照  図２又は図３中における推移線３１又は４１）。これによって、圧力がポート３及び１及び、ターボ分子ポンプ１１の吸気口における超高真空域においても上昇する。圧力の上昇は、図２の各推移線３１、３３及び３５の時間推移において、最も明白に認められる。  
【００３７】
さらに図２に見られるように、当該構造の超高真空域における圧力は、予めベークアウトしていない回転子１７の排気に拠って、およそ１０−１０ から約１０−９まで上昇する、つまりは、約１指標分上昇することになる。さらに、当該構造の超高真空域における圧力が上昇し尽くして、飽和圧に到達するまでは、ガス負荷を追加しながら運転を数時間に亘って行う必要がある。その上、ガス負荷の追加を行いながらの数時間に亘る運転終了後も、新たに回転子１７の排気量減少を示すような圧力降下は認められない。
【００３８】
しかしながら、ターボ分子ポンプ１１の回転子１７が、本発明の方法に従って予め加熱され、ベークアウトされた場合（参照図３）、ガス負荷追加を伴う運転において、まず同様に当該構造の超高真空域における圧力は上昇するものの、この圧力上昇は、極短時間の内に飽和値に達して、その上、その値は１０−１０を未だ顕著に下回っている（参照図３の推移線４７及び４９）。こうして、当該構造内の予真空域におけるガス負荷追加によっても、真空容器内の圧力は、所望の超高真空域にとどまっている。その際、推移線４７及び４９が示す圧力は、吸入された追加気体がターボ分子ポンプ１１の吸気口方向に、つまりは超高真空域内に不可避に逆流することに主に起因して、次いで回転子１７の排気に幾分か起因して、比較的微弱に上昇する。
【００３９】
つまり図３の実験結果によれば、回転子１７が本発明の方法で効率的に温められ、ベークアウトされることで、超高真空域における圧力は、予真空域におけるガス負荷追加にも関わらず、回転子１７が予めベークアウトしていない場合に比べて、最低でも１指標分低かったことを示している。言い換えれば、図３の推移線４７及び４９は、本発明の方法によって回転子１７が、予め十分に排気出来たために、ガス負荷追加と、それに伴って発生する回転子１７の熱上昇を伴っても、図２の推移線３７及びに３９とは対照的に、僅かな圧力しか超高真空域で上昇しなかったことを示している。本発明の方法によって、回転子１７のベークアウトが成功したことは、図３の推移線４７及びに４９において圧力上昇が短時間内で、１０−１０を下回る飽和値に到達したことに見て取れる。
【符号の説明】
【００４０】
１１                      ターボ分子ポンプ
１２                      排気口
１３                      ターボ分子ポンプ段
１５                      ホルヴェックポンプ段
１７                      回転子
１９                      電気モータ
２１                      制御装置
２３                      結合導線
２５                      真空配管
２７                      予真空ポンプ
２８                      温度センサ
２９                      本体外部の磁場生成装置
１                        吸気口域のポート
３                        ターボ分子ポンプ段中央域のポート
５                        ホルヴェックポンプ段域のポート
３１、４１                予真空圧
４２                      ポート５における圧力
３３、４３                ポート３における圧力
３５、４５                ポート１における圧力
３７、４７、３９、４９    超高真空域の圧力
【図１】
2019031969.tif 000003
【図２】
2019031969.tif 000004
【図３】
2019031969.tif 000005
【外国語明細書】
2019031969000001.pdf