JP2002048087A - ターボ形ドライポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸受を冷却する冷却ガスを円滑に導き、かつ
小量で冷却効果のあるターボ形ドライポンプを提供す
る。 【解決手段】 ターボ形ポンプ機構の排気口１Ｈより軸
方向他端側、すなわち下方のステータ１Ｌとロータ２Ｔ
を互いに近接対向させてシール機構を構成するととも
に、ロータ２の内周面と固定円筒部１Ｅの外周面との間
にねじ溝２Ｍによるねじ溝ポンプ機構を設ける。このね
じ溝ポンプ機構によるポンプ作用で供給口１Ｆからの冷
却ガスを吸引し排出させるようにして冷却効果を向上さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハウジング内にオ
イルを持ち込まず作動し、オイルフリーな環境が要求さ
れる用途に利用されるターボ形ドライポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のドライポンプは、円筒状のハウ
ジング内に軸受を介してロータを軸支するとともにこの
ロータと前記ハウジングの内周に形成したステータとの
間でガス圧縮のポンプ作用を行う円周流ポンプを多段に
設け、ハウジングの軸方向一端側の吸気口からのガスを
圧縮しハウジングの軸方向他端側の排気口に排気する。
この円周流ポンプは非接触形でターボ形ポンプに属する
ものである。しかも、このターボ形ドライポンプは大気
圧の状態から排気が可能で真空域をつくることができ
る。このようなドライポンプにおける軸受としては、完
全オイルフリーを実現でき、またメンテナンスに便利で
あり寿命も長い動圧ガス軸受が提案されている。

【０００３】この動圧ガス軸受には、薄片すなわちフォ
イルを使用するフォイル軸受やティルティングパッドを
使用するティルティングパッド軸受、さらにはスパイラ
ル方式を採用するスパイラル軸受等がある。たとえばフ
ォイル軸受の場合、支持する支持面と支持される回転体
の面が近接対向された間にフォイルが片持ち状に設置さ
れ、フォイルによって回転方向に漸次狭小となる楔状の
隙間が形成される。そしてこの楔状隙間に気体（ガス）
を巻き込んで動圧を発生させ、回転体を基体面に対して
支承するものである。したがって玉軸受のようにオイル
を使用するというものではなく、完全なオイルフリー環
境（ドライ）が実現される。

【０００４】動圧ガス軸受は、回転体の回転によって気
流を生じさせ動圧を発生させることから、非接触形の軸
受ではあるものの、この気流の摩擦により熱が発生す
る。発熱は機械の変形、さらにはガタ（ゆるみ）を生じ
騒音が発生したり円周流ポンプ機能の低下につながるこ
とから、通常この軸受部に冷却ガスを流通させて冷却し
ている。この冷却ガスとしては窒素ガス等の不活性ガス
が使用される。

【０００５】ところで、この種のドライポンプにおいて
は、円周流ポンプの構成上非接触であり、円周流ポンプ
の回転体を支持する軸受部と円周流ポンプ部は連通して
いる。したがって、軸受部の冷却ガスと円周流ポンプ部
による排気ガスの混入が起こり得る。そのため、たとえ
ばこの種ドライポンプを半導体製造装置の排気手段とし
て利用する場合では、取り扱う真空排気するガスが腐蝕
性のあるガスの場合は、排気したガスは適切な処理をす
る必要があるわけであるが、腐蝕性ガスが冷却ガスに混
入した場合、この冷却ガスを外部に排出した後は適切に
処理することが必要である。

【０００６】そこで、このようなターボ形ドライポンプ
においては、排気口側より軸方向他端側の回転体とステ
ータを互いに近接対向させてシール機構を構成するとと
もに、このシール機構の位置より他端側のハウジングに
軸受を冷却する冷却ガスを軸受に供給する供給口とハウ
ジングの外部に排出する排出口を設けることが提案され
ている。この方式によって円周流ポンプ側と冷却ガス部
側が区切られ、両側のガス混入は減少される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように冷却ガス
をハウジング内の動圧ガス軸受部に確実に供給するため
には、大気より高圧のガス体とすることが必要である。
したがって、冷却ガスの供給系にガス高圧化のための手
段、たとえば加圧機、具体的にはピストンポンプ式の加
圧機などを設置することが要求される。また、軸受部の
冷却を確実にするためには大量の冷却ガスが必要であ
る。このように、ポンプ付属機器の設置とその大形化で
経済的に問題がある。本発明はこのような課題を解決す
るターボ形ドライポンプを提供せんとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明が提供するターボ
形ドライポンプは、上記課題を解決するために、回転体
の内方にハウジングと一体の固定円筒部が挿入配置さ
れ、この固定円筒部に対して前記回転体と一体の回転軸
が軸受を介して軸支され、かつ前記排気口より軸方向他
端側の回転体とステータを互いに近接対向させてシール
機構を設けるとともに、このシール機構の位置より他端
側のハウジング内に前記軸受を冷却する冷却ガスを前記
固定円筒部と回転体との間隙を経て外部に排出するよう
構成したターボ形ドライポンプにおいて、前記固定円筒
部と回転体内周面との間にねじ溝ポンプ機構を設けたも
のである。このねじ溝ポンプ機構のポンプ作用によっ
て、冷却ガスの流通が付勢され、冷却ガスの供給系の高
圧化が不要となるとともに、冷却ガスの流通における流
速が増加し、冷却効率が向上し、冷却ガスの低減が可能
となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるターボ形ドラ
イポンプを図面に示す実施例にしたがって説明する。図
１は本発明が提供するターボ形ドライポンプＤＰの基本
的な構成を示す図で、ポンプ全体を縦断面して示してい
る。

【００１０】このターボ形ドライポンプＤＰの主体は、
円筒状のハウジング１とこのハウジング１の内方で軸受
にて回転自在に軸支された回転体（以下ロータという）
２で構成されている。ハウジング１は具体的には図示の
とおり有底形となっていて、軸方向一端側（上方）の開
口部が吸気口１Ｋであり、中段には軸方向他端側（下
方）にて排気口１Ｈが設置されている。以下、このター
ボ形ドライポンプＤＰの構成を詳述すると、まずハウジ
ング１の内周上段にはねじ溝１Ｍが刻設されていて、こ
のねじ溝１Ｍに近接すべくロータ２における上段の円筒
部２Ｐが対向している。このねじ溝１Ｍとロータ２の円
筒部２Ｐの組み合わせによってねじ溝ポンプＮＰが構成
され、ロータ２の回転によって気体の粘性流域の分子を
圧縮し下方へと圧送する。

【００１１】さらに、ハウジング１の内周中段には、ス
テータ部１Ｔが多段、具体的には７段、軸方向に積設さ
れている。他方ロータ２には、その中段から下方にこれ
ら各ステータ部１Ｔ間に挿入されるロータ円周部２Ｂが
対向して設けられている。そしてステータ部１Ｔには内
周端に溝１Ｇが形成され、他方ロータ円周部２Ｂの外周
端にも溝２Ｇが形成されている。この両溝１Ｇ、２Ｇの
相対的変位にて気流を生起させポンプ機能が作動する。
このポンプ機能が流路１Ｒを介して後段に順次連接され
全体としてガスの圧縮が行われる。この両者はもちろん
非接触であるが、その組み合わせによって円周流ポンプ
ＳＰが形成される。

【００１２】この多段の円周流ポンプＳＰの作動によっ
て、ねじ溝ポンプＮＰにて圧送されたガスは、さらに圧
縮されて下方へと圧送され排気口１Ｈに排気されること
になる。すなわち、各段の円周流ポンプＳＰはその円周
でガスを圧縮し、終端で流路１Ｒを経て次段の円周流ポ
ンプＳＰにガスを送り出し、これを各段順次行って排気
していくものである。なお、図１に示される実施例は、
円周流ポンプＳＰの上方にねじ溝ポンプＮＰが設置され
ていて、いわゆるハイブリッド形のドライポンプの例が
示されている。

【００１３】以上がターボ形ドライポンプＤＰの基本的
な原理とその作動であるが、ロータ２は図面に示すとお
り断面がＨ形をなしていて、その中央部が回転駆動機構
に連結されるとともに軸支されている。３は回転駆動軸
でハウジング１の軸芯上に配置されている。この回転駆
動軸３には中段に軸受のためのフランジ部３Ｆが顎設さ
れ、さらにその下方に電動機（モータ）Ｍが一体的に設
置されている。この電動機Ｍは電機子に相当するハウジ
ング１の内周に設置された電機子巻線４Ｍと回転子に相
当する回転駆動軸３に設置された回転子巻線３Ｍとの組
み合わせによって構成され、外部からの電気エネルギー
９の供給によって回転駆動軸３を高速回転させるもので
ある。なお、図において３Ｓは回転駆動軸３の上端のね
じ部でナット３Ｎと協働し、ロータ２をこの回転駆動軸
３に固着するものである。

【００１４】このような回転体すなわちロータ２は、動
圧ガス軸受からなる軸受機構によってハウジング１に軸
支されている。図示例の動圧ガス軸受はフォイル形軸受
で、具体的にはフランジ部３Ｆとハウジング１と一体の
固定円筒部１Ｅの下方部位との上下隙間には、スラスト
軸受としてのスラスト用フォイル軸受５が周囲均等に複
数個設置されている。フランジ部３Ｆの上下に設置され
ることで強力なスラスト力にも対応できるようになって
いる。他方、回転駆動軸３の上下には、ハウジング１と
一体の固定円筒部１Ｅとの隙間に上下２段にてラジアル
用フォイル軸受６が設置されている。これらスラスト用
フォイル軸受５とラジアル用フォイル軸受６によってロ
ータ２が非接触でかつ円滑に軸受されることになる。こ
のような動圧ガス軸受としてのスラスト用フォイル軸受
５とラジアル用フォイル軸受６は運転時は非接触形軸受
であるが、ガス流による発熱が生起するので、この熱を
取り除かねばならない。そこで図１に示すように冷却ガ
スのための供給口１Ｆが設けられており、ここから供給
された冷却ガスがモータＭの部位から上記スラスト用フ
ォイル軸受５およびラジアル用フォイル軸受６の部位を
流通し、これら両フォイル軸受５、６の冷却を行う。

【００１５】さらに、このターボ形ドライポンプＤＰに
おいては、スラスト用フォイル軸受５とラジアル用フォ
イル軸受６を冷却する冷却ガスと排気するガス（気体）
との混入を阻止するシール機構が付設されている。すな
わち、図１に示すようにロータ２は排気口１Ｈより下方
（ハウジング１の他端側方向）に延設されていて下方端
部のロータ２Ｔが設けられている。他方、ステータ部１
Ｔ側も排気口１Ｈより下方位に、１段のステータ１Ｌが
設けられている。このロータ２Ｔとステータ１Ｌは互い
に凹凸状に組み合わされているとともに、互いに近接し
て対向されている。このロータ２Ｔとステータ１Ｌは近
接し微小の隙間を有して対向されている。図面では理解
しやすいように一定の間隔を有して図示されているが、
気流が生起しにくい程度の隙間であって、この両者によ
りシール機構が構成されている。

【００１６】そして、このシール機構のさらに下方（ハ
ウジング１の他端側方向）に、冷却ガスの排出口１Ｚが
穿設されている。冷却ガスは前述したとおり図１に示す
供給口１Ｆから供給されスラスト用フォイル軸受５とラ
ジアル用フォイル軸受６を冷却するが、その後ハウジン
グ１の固定円筒部１Ｅの外方より下方に流れ排出口１Ｚ
に至る。このときロータ２Ｔとステータ１Ｌとの間は非
接触であり、冷却ガスは本来ならこの隙間から円周流ポ
ンプＳＰ側に流れ込もうとするが、この両者間によるシ
ール機構が構成されているので、冷却ガスは排出口１Ｚ
から外部に排出されることになる。

【００１７】以上の構成において、本発明はロータ２の
内周面とハウジング１と一体の固定円筒部１Ｅとの間
に、ねじ溝ポンプ機構を設置した点を特徴としている。
具体的には、図１に示す実施例ではロータ２の内周面側
にねじ溝２Ｍが形成されていて、このねじ溝付き内周面
が固定円筒部１Ｅの外周面に近接して設置されている。
したがって、ロータ２の高速回転によって粘性流域が形
成され、供給口１Ｆから供給された冷却ガスがモータＭ
の部位やスラスト用フォイル軸受５とラジアル用フォイ
ル軸受６を冷却した後、固定円筒部１Ｅの上端部に至る
と、ねじ溝ポンプ機構のポンプ作用で固定円筒部１Ｅの
外方より下方へと付勢されることになる。そして、最終
的には排出口１Ｚより排出される。このポンプ作用によ
って、冷却ガスはモータＭの部位やスラスト用フォイル
軸受５とラジアル用フォイル軸受６の部位およびロータ
２の部位を流通することになり、各部位の熱を奪ってハ
ウジング外へ排出されることになる。

【００１８】図２は、ねじ溝ポンプ機構におけるねじ溝
を固定円筒部１Ｅの外周面に形成した実施例を示してい
る。この図２は、図１と同様本発明に係るターボ形ドラ
イポンプを縦断面して示す図であるが、図１と同一の符
号で示される機構、部品は図１と同一のものであって同
様の機能を発揮するものであり、詳細な説明は省略す
る。図２の実施例では、ハウジング１と一体の固定円筒
部１Ｅの外周面にねじ溝１Ｎが形成されている。そし
て、このねじ溝外周面にロータ２の内周面が近接対置さ
れる形であるが、このようなねじ溝ポンプ機構において
も粘性流域が形成されることになる。図１に示すよう
に、ねじ溝側が回転するのと異なり、冷却ガスのポンプ
作用は小さいが冷却ガスの排出を付勢する。

【００１９】本発明が提供するターボ形ドライポンプ
は、以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例
に限定されず種々の変形実施例を包含する。冷却ガスの
排出のためのポンプ作用を行うねじ溝ポンプ機構として
は、上記実施例以外に、ねじ溝をロータ２の内周面と固
定円筒部１Ｅの外周面の両方に形成する変形実施例を挙
げることができる。また、ドライポンプの形式である
が、図示例は図１に示すとおりねじ溝ポンプＮＰとの結
合のハイブリッド形であるが、このねじ溝ポンプの併設
は必須条件ではなく円周流ポンプのみでもよい。つぎに
軸受機構について、図示例は動圧ガス軸受すなわち具体
的にはフォイル軸受としたが、玉軸受等の軸受によるド
ライポンプにおいても本発明は適用でき、図示例のよう
な軸受に限定されるものではない。あるいは磁気軸受方
式を採用するターボ形ドライポンプにも採用できる。本
発明は、これらの変形実施例を包含するものである。

【００２０】

【発明の効果】本発明が提供するターボ形ドライポンプ
は、以上詳述したとおりであるから、軸受を冷却する冷
却ガスをポンプ作用でハウジング内に吸い込み供給させ
ることができ、加圧機等が不要となる。また、冷却ガス
が流通する過程の流速が増加し、冷却効果が向上すると
ともに、円周流ポンプにおける接触面積が大きくなって
冷却効果も大きく冷却ガスの供給量を少なくすることが
でき、経済的なターボ形ドライポンプを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が提供するターボ形ドライポンプの構成
を示す図である。

【図２】本発明が提供するターボ形ドライポンプの変形
例示す図である。

【符号の説明】

１……ハウジング １Ｅ……固定円筒部 １Ｆ……供給口 １Ｋ……吸気口 １Ｚ……排出口 １Ｈ……排気口 ２……ロータ ２Ｍ……ねじ溝 ３……回転駆動軸 Ｍ……モータ ５……フォイルスラスト軸受 ６……ラジアル用フォイル軸受

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状のハウジング内に軸支された回転
   体の円周部と前記ハウジングの内周に形成したステータ
   との間でガス圧縮のポンプ作用を行う円周流ポンプを前
   記回転体の軸方向に多段に設け、ハウジングの軸方向一
   端側の吸気口からのガスを圧縮しハウジングの軸方向他
   端側の排気口に排気するようにしたドライポンプであっ
   て、前記回転体の内方にハウジングと一体の固定円筒部
   が挿入配置され、この固定円筒部に対して前記回転体と
   一体の回転軸が軸受を介して軸支され、かつ前記排気口
   より軸方向他端側の回転体とステータを互いに近接対向
   させてシール機構を設けるとともに、このシール機構の
   位置より他端側のハウジング内に前記軸受を冷却する冷
   却ガスを前記固定円筒部と回転体との間隙を経て外部に
   排出するよう構成したターボ形ドライポンプにおいて、
   前記固定円筒部と回転体の内周面との間にねじ溝ポンプ
   機構を設け、このねじ溝ポンプ機構の作動によって冷却
   ガスを外部に排出するよう構成したことを特徴とするタ
   ーボ形ドライポンプ。
2. 【請求項２】 ねじ溝ポンプ機構のねじ溝を回転体の内
   周面に形成したことを特徴とする請求項１記載のターボ
   形ドライポンプ。
3. 【請求項３】 ねじ溝ポンプ機構のねじ溝を固定円筒部
   の外周面に形成したことを特徴とする請求項１記載のタ
   ーボ形ドライポンプ。