JP2002168249A - 回転機械 - Google Patents

回転機械

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JP2002168249A
JP2002168249A JP2000363638A JP2000363638A JP2002168249A JP 2002168249 A JP2002168249 A JP 2002168249A JP 2000363638 A JP2000363638 A JP 2000363638A JP 2000363638 A JP2000363638 A JP 2000363638A JP 2002168249 A JP2002168249 A JP 2002168249A
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Japan
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bearing
thrust
main shaft
rotating body
journal
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JP2000363638A
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English (en)
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Hiroshi Isaka
弘 猪坂
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Shimadzu Corp
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Shimadzu Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/051Axial thrust balancing
    • F04D29/0513Axial thrust balancing hydrostatic; hydrodynamic thrust bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00Axial-flow pumps
    • F04D19/02Multi-stage pumps
    • F04D19/04Multi-stage pumps specially adapted to the production of a high vacuum, e.g. molecular pumps
    • F04D19/042Turbomolecular vacuum pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/44Centrifugal pumps
    • F16C2360/45Turbo-molecular pumps

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Sliding-Contact Bearings (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来において高速回転体の軸受にはアンギュラ
ーコンタクトの玉軸受が使用されていたため、許容回転
数が制限され、高速回転のためには軸受サイズを小さく
する必要があり、回転軸径が小さくなり、回転体の固有
振動数が低下してしまった。またグリース潤滑のため、
長期運用に際しては、潤滑剤の補充がひつようであっ
た。更に、軸受のおかれている周囲の作動流体に潤滑油
汚染を生じさせてしまう可能性があった。 【解決手段】本発明は上記のような課題を解決するた
め、玉軸受を用いずに、磁気軸受によって構成される上
方ジャーナル軸受部U、下方ジャーナル軸受部Kとガス
軸受によって構成されるスラスト軸受部Tを用いること
によって、回転体Sを周囲と非接触状態とすることとし
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の軸受構造
に改良を加えた回転機械に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図5に回転機械の一例として従来のター
ボ分子ポンプを示す。ターボ分子ポンプの全体的な構成
は後述の発明の実施の形態の欄で詳説する。
【0003】従来においては主軸1の下方部分の軸受に
は、アンギュラーコンタクトの玉軸受17が使用され、
当該軸受17によって、主軸1をジャーナル方向、スラ
スト方向双方に支持していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
ものであると、玉軸受の許容回転数の制限から、高速回
転のためには軸受サイズを小さくして周速を下げる必要
があり、回転軸径が小さくなり、回転体の固有振動数が
低下してしまう。
【0005】また、玉軸受はグリース潤滑のため、長期
運用に際しては、潤滑剤の補充が必要であり、構造が複
雑化する上に、軸受のおかれている周囲の作動流体に潤
滑油汚染を生じさせてしまう。
【0006】
【課題を解決するための手段】そこで本発明は上記のよ
うな課題を解決するため、回転体をジャーナル軸受部及
びスラスト軸受部によって支持することとし、ジャーナ
ル軸受部またはスラスト軸受部の一方に永久磁石の反発
力を利用した磁気軸受を用い、他方にガス軸受を用いた
のである。
【0007】これによって、すべての軸受が非接触型の
軸受となり、軸受の周速に対する制限が緩和されるため
に、回転径を小さくする必要がなくなり回転体の固有振
動数が低下することを防止できる。
【0008】さらに、軸受は非接触型のものであるの
で、潤滑剤を用いる必要がなくなり、軸受まわりの構造
が複雑化する不都合や、軸受のおかれている周囲の作動
流体に潤滑油汚染を生じさせることもなくなる。
【0009】なお、すべての軸受部を永久磁石の反発力
を利用した磁気軸受により構成することも考えられる
が、アーンショウ(Earnshow)の定理を静磁場に適用す
ることで導出されるように、このような軸受は安定な機
構にはなり得ない。
【0010】これに対して、本発明のようにいずれか一
方にガス軸受を適用すれば,ガス軸受は回転体とケーシ
ング側との間の一定の空間にガスを閉じこめて、動圧を
発生させるものであり、ケーシングによって回転体の一
部を包み込んだような構造を有する関係上、それがジャ
ーナル軸受として使用されてもスラスト軸受として使用
されても、他方の反発形永久磁石による磁気軸受を補助
して、位置決め機能を補完する役割を果たす。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、タ
ーボ分子ポンプに適用した例を図1〜図3を参照して説
明する。
【0012】まず、本ターボ分子ポンプは上部ケースC
1及び下部ケースC2を主体として形成される。
【0013】ケーシングC内にタービン部Rを有する回
転体Sを配置し、ケーシングCと回転体Sとの間に上方
ジャーナル軸受部U、下方ジャーナル軸受部K及びスラ
スト軸受部Tを構成して、回転体Sを駆動部Mによって
高速駆動するようにしている。
【0014】以下において、上記各部の構成要素につい
て詳述する。
【0015】まず回転体Sは、主軸1と、当該主軸1に
外嵌されたロータ21と、当該ロータのさらにラジアル
方向外側面に設けられた回転翼2と、ロータ21の上端
側の内周に設けられた上方ジャーナル軸受部Uの一構成
要素でもある永久磁石3と、主軸1の軸方向中間部分に
設けられた駆動部Mの一構成要素たるモータ回転子8
と、当該主軸1の下方部分に設けられた下方ジャーナル
軸受部Kの一構成要素でもある永久磁石10と、さらに
主軸1の下端にねじ止めされたスラスト軸受部Tの一構
成要素でもある鰐状部材たるスラストランナ13によっ
て構成されている。
【0016】上方ジャーナル軸受部Uは、上記の回転体
Sに設けられた永久磁石3と、上部ケースC1の中心部
に取り付けた上部カバーC4を介してこの永久磁石3と
対向する位置に反発力が生じるように設置された永久磁
石6とによって構成される。
【0017】磁石の配列については下方ジャーナル軸受
部Kにおける配列とほぼ同様になるので、下方ジャーナ
ル軸受部Kのところで詳述する。
【0018】駆動部Mは、主軸1に設置されたモータ回
転子8と、当該モータ回転子8と対面するように下部ケ
ースC2の中心部のボス孔内周に設けられたモータ固定
子9とによって構成される。
【0019】下方ジャーナル軸受部Kは、主軸1の下方
部分に固定された永久磁石10と、当該永久磁石10と
対向する位置に反発力を生じるように下部ケースC2の
内周に設置された永久磁石11から構成される。
【0020】ここで、図3を用いて、永久磁石の配列に
ついて詳説する。
【0021】主軸1またはロータ21には上下方向に分
極したリング状の磁極片が軸方向に3段に取り付けてあ
り、相隣接する磁極片の隣接面側は同じ極性となるよう
に配置されている。一方、下部ケースC2または上部カ
バーC4側には、前記主軸1またはロータ21の磁極片
に対して外輪または内輪となる関係で、上下方向に分極
したリング状の磁極片が軸方向に3段に取り付けてあ
り、相隣接する磁極片の隣接面側は、同じ極性となるよ
うに配置されている。
【0022】そして、主軸1またはロータ21に設置さ
れた永久磁石と、下部ケースC2または上部ケースC4
に設置された永久磁石とは、主軸1のラジアル方向に同
じ極性で相対するように設定されている。
【0023】こうすることによって、主軸1は磁石の反
発力により、ジャーナル方向について、非接触の状態を
保つことが可能になる。
【0024】スラスト軸受部Tは、図2に示すように、
主軸1の下端に取り付けられる鰐状部材たるスラストラ
ンナ13と、当該スラストランナ13を一定間隔をおい
て上下から挟み込むような形状で下部ケースC2、およ
びこの下部ケースC2の下面に取り付けられる底面ケー
スC3に設置されたスプリングプレート14と、当該ス
プリングプレート14のスラストランナ13との対向面
を覆うように設けられたスラストフォイル15から構成
される動圧ガス軸受である。
【0025】そして、当該スラストフォイル15とスプ
リングプレート14は回転方向には動かないように固定
されており、スラストランナ13が回転しても静止状態
を維持する。
【0026】最後にタービン部Rは、ロータ21のラジ
アル方向外側面に設けられた回転翼2と、当該回転翼2
と互い違いになるように上部ケースC1の内周ステータ
部に設置された固定翼16とからなり、その下方部には
排気空間xが設けられている。
【0027】なお、図において符号7,12で示すもの
は、何らかの原因で主軸1の支持状態が不適切になった
時に働くタッチベアリングである。
【0028】次に、以上のような構成をとる本ターボ分
子ポンプの動作について説明する。
【0029】まず、外部から駆動部Mに動力があたえら
れることによって、モータ回転子8とともに主軸1が回
転し始める。図3に示すように低速回転時より、上方ジ
ャーナル軸受部Uと下方ジャーナル軸受部Kに設けられ
た永久磁石3と6,10と11の反発力によって、主軸
1はジャーナル方向については非接触の状態にある。
【0030】スラスト方向については、低速回転時にお
いては回転と共に、スラストランナ13が上下のスラス
トフォイル15の間で摺動する。スラストランナ13が
高速回転するにつれて、周囲の作動ガスが粘性によりス
ラストフォイル15とスラストランナ13の間に引きず
り込まれ、その部分の作動ガスの圧力が大きくなる。
【0031】そして回転速度が一定値を越えると、スラ
ストフォイル15とスラストランナ13の間の圧力がス
ラストフォイル15のばね力にうち勝って、図2に示す
ようにスラストランナ13がスラストフォイル15に非
接触の状態となる。非接触となる回転数はスラスト軸受
組立時の間隙の取り方に依存する。
【0032】こうして主軸1の回転数が一定値を越える
と、回転体Sはスラスト方向においても非接触の状態と
なる。
【0033】以上のようにして、本ターボ分子ポンプ
は。回転体Sをグリース潤滑が不要な軸受U、K、Tに
よって支持しているので、周囲の作動流体に潤滑油汚染
を生じさせることがなくなり、オイルフリーでクリーン
な排気を行うことが可能になる。
【0034】更に、回転体Sは他の構成部分と非接触の
状態になるので、軸受部U、Kの回転軸径を小さくする
必要がなくなり、回転体の固有振動数の低下を回避する
ことができるので、高速運転しても振動の発生を抑える
ことができる。
【0035】また、潤滑機構が不要であるので軸受部の
構造が簡略化され、保守管理が容易になる利点も得られ
る。
【0036】その他、各部の具体的構成は、上記実施形
態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲で種々変形が可能である。
【0037】例えば、本実施形態では磁気軸受をジャー
ナル軸受部に、動圧ガス軸受をスラスト軸受部に用いて
いるが、動圧ガス軸受をジャーナル軸受部に、磁気軸受
をスラスト軸受部に用いることも可能である。さらに、
動圧ガス軸受の代わりに、静圧ガス軸受を使用すること
も可能である。また永久磁石の形状は、リング状に限ら
ず、板状のものを使用することも可能である。
【0038】さらに上記実施形態では、本発明の軸受を
ターボ分子ポンプに組み込む場合について考えたが、高
速回転体を利用する機械であれば、本発明の軸受を組み
込むことは可能である。例えば、図4に示すようにブロ
ワに組み込むことも可能である。
【0039】ブロワの構造について概説する。ブロワは
主軸1の回転に関わる部分については前述のターボ分子
ポンプとほぼ同様の構造を有する。そこで同様の働きを
なす部分については同様の符号を用いて説明する。即ち
回転体S、駆動部M、上方ジャーナル軸受部U、下方ジ
ャーナル軸受部K、スラスト軸受部Tからなる構造を有
する。 以上の各構成部の内部構造もターボ分子
ポンプとほぼ同様の構造である。ただブロワは送風をな
すという役割を果たすために、これらの各部に加えて、
吸入口19、送風口20、ブロワ翼車18を備えてい
る。
【0040】ブロワは、主軸1を高速回転させることに
よって、主軸1に固定されたブロワ翼車18を回転さ
せ、吸入口19から外気を取り入れ、送風口20から高
速で送風をおくる。そして、主軸1の回転数が一定値に
達したときに、ターボ分子ポンプの場合と同様に回転体
Sは完全な非接触状態となる。
【0041】この場合も、回転時における回転体Sの非
接触状態を作り出すことによって、オイル潤滑を省くこ
とが可能になることから、前述のターボ分子ポンプの場
合に得られる効果と同様の効果が得られることになり、
加えてブロワの姿勢に制限がなくなり自由に配置できる
ようになるという効果も生じ、取付方位が比較的まちま
ちであるブロアにとってきわめて有効な軸受構造とな
る。
【0042】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【0043】まず、回転中は主軸と軸受は非接触とな
り、潤滑が不要になるので、周囲の作動流体に潤滑油汚
染を生じさせることがなく、回転機械の内外を共にクリ
ーンな状態に維持することができる。
【0044】更に、軸受部の回転軸径を適切にとること
ができ、回転体の固有振動数の低下がないため、高速で
運転しても振動の発生を抑えることができる。
【0045】また、潤滑機構は不要であるので、軸受部
の構造が簡略化され、保守管理が容易になる利点も得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態におけるターボ分子ポンプの断面
図。
【図2】本実施形態におけるターボ分子ポンプのスラス
ト軸受部の拡大断面図。
【図3】本実施形態におけるターボ分子ポンプのジャー
ナル軸受部の拡大断面図。
【図4】本実施形態におけるブロワの断面図。
【図5】従来のターボ分子ポンプの断面図。
【符号の説明】
S・・・回転体 3,6,10,11・・・永久磁石(磁石) U・・・上方ジャーナル軸受部(ジャーナル軸受部) K・・・下方ジャーナル軸受部(ジャーナル軸受部) T・・・スラスト軸受部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F16C 17/04 F16C 17/04 A Fターム(参考) 3H022 AA01 BA06 CA11 CA14 CA15 CA16 CA20 DA08 DA11 DA17 DA20 3H031 DA02 EA00 EA07 FA11 FA13 FA14 FA15 FA16 3J011 AA04 CA02 JA02 KA02 KA03 3J102 AA01 BA03 BA19 CA19 CA20 DA03 DA07 DA11

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転体の回転をジャーナル軸受部及びスラ
    スト軸受部によって支持するようにしたものにおいて、
    ジャーナル軸受部またはスラスト軸受部の一方に永久磁
    石の反発力を利用した磁気軸受を用い、他方にガス軸受
    を用いたことを特徴とする回転機械。
JP2000363638A 2000-11-29 2000-11-29 回転機械 Pending JP2002168249A (ja)

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JP2000363638A JP2002168249A (ja) 2000-11-29 2000-11-29 回転機械

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011033027A (ja) * 2009-08-01 2011-02-17 Pfeiffer Vacuum Gmbh ターボ分子ポンプ・ロータ
WO2021069874A1 (en) * 2019-10-09 2021-04-15 Edwards Limited Vacuum pump comprising an axial magnetic bearing and a radial gas foil bearing

Cited By (3)

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