JP2002202088A - ターボ形高速回転機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 動圧ガス軸受を採用する場合に、ターボ形機
構における内部間隙による軸偏位が生じてもそれを抑制
することができるターボ形高速回転機器を提供する。 【解決手段】 回転部材２が回転軸３を介して交流電動
機１０により高速回転駆動されるとき、ハウジング１の
内周面におけるステータとの間でガス圧縮を行うターボ
形機構を有するターボ形高速回転機器において、回転軸
３の下方端に対応するハウジング１の部位にこの回転軸
３に対してそのラジアル方向に微小間隙を有して対向す
るタッチダウン軸受機構ＴＢを設けたものである。した
がって、回転軸３がフォイル軸受５、６にて支承され浮
動するも軸芯の偏位があっても回転軸３はタッチダウン
軸受機構ＴＢのブッシュ７に接してその偏位が抑制され
振動は大きくならない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハウジング内に軸
受を介して回転軸を軸支し、この回転軸を高速回転させ
てこの回転軸に固定された回転部材を高速回転駆動さ
せ、ハウジングの内周面に形成されたステータと回転部
材の円周部にて構成されるターボ形機構によって気体の
圧縮・移送等を行うターボ形高速回転機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】このようなターボ形高速回転機器とし
て、単能機器としてはターボ形ドライポンプやターボ分
子ポンプ等があり、またターボ形の複合機器すなわちハ
イブリッド方式のターボ形高速回転機器としてはターボ
形ドライポンプやターボ分子ポンプの結合型、あるいは
ターボ形ドライポンプとターボ形真空機器ねじ溝ポンプ
を結合したものがある。このようなハイブリッド方式の
ターボ形高速回転機器として、ターボ形真空機器を挙げ
ることができるが、これは上方に吸気口を有し、下方に
排気口を有するハウジング内に、吸気口側よりねじ溝ポ
ンプそして円周流ポンプすなわちターボ形ドライポンプ
を積層状に配設したものである。図３はターボ形真空機
器の構成を示す図であるが、ターボ形ドライポンプを主
体とする真空ポンプの構成が概略的に示されている。

【０００３】ドライポンプＤＰ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
着された回転軸３に一体的に取り付けられた下方回転部
材２Ｄで構成されている。なお、この回転軸３には後述
する上方回転部材２Ｕも一体的に取り付けられている。
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。そして、下方回転部材２Ｄの円周部２Ｂ
とハウジング１の内周に形成されたステータ１Ｔとの組
み合わせによって円周流ポンプＳＰが構成されている。
この円周流ポンプＳＰは下方回転部材２Ｄの軸方向に複
数段、すなわち多段状に設けられている。

【０００４】ステータ１Ｔには内周端に溝１Ｇが形成さ
れ、他方下方回転部材２Ｄの円周部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発揮される。このポ
ンプ機能にてガスが流路１Ｎを介して後段に順次圧送さ
れ、全体としてガスの圧縮が行われる。この両者は互い
に非接触であるが、その組み合わせによって円周流ポン
プＳＰが形成される。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。

【０００５】以上が、ターボ形ドライポンプの基本的な
原理とその作動であるが、主体である下方回転部材２Ｄ
は、その中央部が回転駆動機構に連結されるとともに軸
着されている。その下方にこの回転軸３を駆動する電動
機４が一体的に設置されている。この電動機４は電機子
に相当しハウジング１の内周に設置された電機子巻線４
Ｍと、回転子に相当し回転軸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９の供給によって回転軸３を高速回転駆動す
る。なお、図において３Ｓは回転軸３の上端のねじ部で
ナット３Ｎと協働し、下方回転部材２Ｄをこの回転軸３
に固着するものである。

【０００６】このターボ形ドライポンプの上方には、上
述のとおりねじ溝ポンプＮＰが設置されているが、以
下、この構成を詳述する。円周流ポンプＳＰの直上には
まずハウジング１の内周上段にねじ溝１Ｍが刻設されて
いて、このねじ溝１Ｍに近接すべく上方回転部材２Ｕが
対向している。そして、このねじ溝１Ｍと上方回転部材
２Ｕの組み合わせによって、いわゆるねじ溝ポンプＮＰ
が構成されている。このねじ溝ポンプＮＰの回転作動に
よって気体の遷移流域の分子が圧縮され下方へと圧送さ
れる。

【０００７】他方、回転軸３は上述したとおり電動機４
にて高速に回転駆動されるが、この回転軸３を支承する
軸受としては、オイルを不要とする、すなわち具体的に
はフォイル軸受５、６が提案されている。フォイル軸受
５は回転軸３に一体的に形成されたフランジ部３Ｆとハ
ウジング１との間に介在されていてスラスト軸受として
機能し、フォイル軸受６は回転軸３とその周囲のハウジ
ング１との間に介在されていてラジアル軸受として機能
する。このような動圧ガス軸受の採用は、オイルを使用
せず、したがってガス圧縮部にオイルが流入するおそれ
もなくその対策も不要で、またオイル循環をさせるため
の機能も不要であって回転機器の小形化が図られ、また
高速回転による軸受の疲労寿命の低下を解決するためで
ある。また、この動圧ガス軸受の採用との関連で、電動
機としては上方回転部材２Ｕ、下方回転部材２Ｄのハウ
ジング１側に対する軸心の偏位によって生じるラジアル
方向の作用力（磁気吸引力）が交流電動機に比較して小
さい直流電動機が採用されている。これはラジアル方向
の作用力が大きいとこれら回転部材等の振動が大きくな
るためである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このようなターボ形高
速回転機器において動圧ガス軸受、すなわちフォイル軸
受等を採用する場合は、回転軸３と上方回転部材２Ｕ、
下方回転部材２Ｄさらには電動機４の回転子等回転する
部分、すなわち回転体を浮動状態にしなければならな
い。すなわち、ターボ形機構（円周流ポンプなど）にお
ける、その内部間隙を設ける必要がある。したがって、
ハウジング１（ステータ）と上方回転部材２Ｕ、下方回
転部材２Ｄとの間に間隙ができるため、運転中に回転軸
３がが大きく偏倚したりすると、ガス圧縮を完全に行う
ことができずポンプ効率の低下を招き、特に真空ポンプ
などにおいてはその性能が悪化する。また、直流電動機
の使用は回転制御に問題があり、すなわち回転数検知の
ためのセンサ等を設置する必要がある。このことは構造
を複雑にし寿命上も問題となっている。すなわち、回転
体を浮動状態にするものの軸心の偏位は最小限にする必
要があるからである。本発明はこのような課題を解決す
るターボ形高速回転機器を提供せんとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明が提供するターボ
形高速回転機器は、上記課題を解決するために、回転軸
と回転部材および電動機における回転部分を含む回転体
に対応するハウジングの部位に、前記回転体に対してそ
のラジアル方向に微小間隔を有して対向するタッチダウ
ン軸受機構を設けたものである。したがって、このタッ
チダウン軸受機構によって前記回転体のラジアル方向の
軸偏位と振動が抑制される。

【００１０】さらに本発明は、上記ターボ形高速回転機
器において回転軸を高速回転させる電動機を交流電動機
にて構成したものである。したがって、電動機の回転制
御をインバータにて行うことができる。さらに本発明
は、上記ターボ形高速回転機器においてタッチダウン軸
受機構をターボ形機構を取り付けていない側の回転軸の
他端側に対向して設置したものである。したがって、回
転軸径を小さくすることで軸受の周速度が小さくなる。
さらに本発明は、タッチダウン軸受機構を回転軸を直接
的に支承するブッシュと、このブッシュをハウジングに
対して回転自在に支承する転がり軸受とにより構成した
ものである。したがって、ブッシュは回転軸がタッチし
たとき共に回転することになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の内容を図面に示す
実施例にしたがって説明する。まず、図１は本発明が第
１に提供するターボ形高速回転機器の構成を示す縦断面
図で、図示例の態様は図３と同様、ターボ形ドライポン
プとねじ溝ポンプを有機的に結合させたハイブリッド方
式の真空ポンプの例を示している。

【００１２】図１において、図３と同一の符号で示され
る構成、部品は図３と同一であり、その機能も基本的に
は同一であって詳細な説明は省略する。なお、図１にお
いては回転部材２は一体化されていて図３に示すような
２分割体にはなっていない。図１において、図３と異な
るところは、回転軸３に対してタッチダウン軸受機構Ｔ
Ｂが設置されている点にあり、この点に本発明の基本的
な特徴がある。すなわち本発明においては、図１に示す
ように回転軸３の下方端部に対応するハウジング１の部
位には、この回転軸３に対向するタッチダウン軸受機構
ＴＢが設置されている。以下、このタッチダウン軸受機
構ＴＢを拡大して示す図２とともに説明する。

【００１３】タッチダウン軸受機構ＴＢは図に示すとお
り、上方部がＵ字形をなし下方に支軸を有するブッシュ
７と、このブッシュ７をハウジング１に対して回転自在
に支承する転がり軸受８にて構成されている。このタッ
チダウン軸受機構ＴＢのブッシュ７は図２に明示するよ
うに回転軸３の下端に近接対向する形状をなし両者の間
隙は小さく設定されている。すなわち、回転軸３が交流
電動機１０にて高速回転されるとき、その軸芯がポンプ
軸芯上に位置して正常回転するときは回転軸３がブッシ
ュ７に接触することはなく、軸芯が偏位するいわゆる軸
偏位が生じたとき、このブッシュ７に接し軸偏位やそれ
に伴う振動が抑制される程度の間隙寸法となっている。
したがって、軸偏位等が生じないときは両者は非接触
で、回転軸３は何ら抵抗を受けることなく高速回転が保
障される。しかも、このブッシュ７は転がり軸受８にて
回転自在に支承されているので、回転軸３が接してもそ
れに接して回転し回転軸３の摺接による磨耗等は軽減さ
れる。

【００１４】このようにタッチダウン軸受機構の設置に
よって、軸振れ量が抑制されるので、交流電動機１０に
おける固定子と回転子との間に生じる磁気吸引力が過大
になることが防止され、交流電動機１０そしてポンプ等
の寿命を高めることができる。しかも、図に示すとお
り、回転軸３の下端は小径部３Ｓが形成されていて、こ
の小径部３Ｓにブッシュ７が近接して対設されている。
したがって、小径部３Ｓの周速度は回転軸３の大径部の
周速度より小さくブッシュ７の回転もより小さいものと
なる。電気エネルギ９の供給が停止されると回転駆動が
停止するが、このとき回転体は重量体であり、またフォ
イル軸受５、６にて支承している関係から回転体は下方
に変位するが、このとき転がり軸受８がこれを支承す
る。転がり軸受８はアンギュラコンタクト方式の軸受と
なっていて、重量体の回転体を充分に支承するようにな
っている。

【００１５】さらに本発明が提供するターボ形高速回転
機器においては、この回転軸を含む回転体を高速回転駆
動を交流電動機１０にて行わせる点に特徴がある。した
がって、インバータ回路１１による制御が可能である。
すなわち、上記ターボ形ポンプを駆動するに際しては、
交流電動機１０に対しインバータ回路１１から駆動開始
信号が与えられる。すると、交流の電気エネルギ９が供
給され交流電動機１０は所定の回転指令に従って加速回
転を開始する。そしてインバータ回路１１による制御を
受けながら適正な運転が行われて、ターボ形ポンプは排
気機能を遂行することになる。

【００１６】本発明が提供するターボ形高速回転機器
は、以上説明したとおり、回転機器としての主軸をなす
回転軸等の回転体に対してタッチダウン軸受機構ＴＢを
対向設置して軸偏位や振動を抑制するようにした点を特
徴とし、さらに回転駆動源としての電動機を交流電動機
１０にて構成してインバータ回路による制御を可能にし
た点を特徴とするもので、その具体的構成の一例は図
１、図２に示すとおりであるが、本発明は上記ならびに
図示例に限定されるものではなく、上記特徴を備えた種
々の変形実施例を包含する。

【００１７】図示例ではターボ形高速回転機器の一例と
してターボ形ドライポンプＤＰによる真空ポンプの例を
示しているが、本発明は真空ポンプのみに適用できるも
のではなく、同様の機能としてのターボ圧縮機としても
適用可能である。あるいは、送気機器としてのターボブ
ロワあるいはガスタービンなどターボ機構を備える各種
高速回転機器に本発明は適用可能である。

【００１８】さらに、真空機器として適用する場合にお
いても、図示例のような円周流ポンプＳＰとねじ溝ポン
プＮＰの組み合わせからなるハイブリッド形真空ポンプ
のみならず、ターボ形ドライポンプＤＰとターボ分子ポ
ンプの組み合わせや、これにさらにねじ溝ポンプＮＰの
３機能真空ポンプを結合したハイブリッド形の真空ポン
プとすることも可能である。逆にターボ形ドライポンプ
ＤＰのみ、あるいはターボ分子ポンプのみのいわゆる単
能形真空ポンプの場合にも本発明は適用可能である。

【００１９】つぎに本発明の特徴とするタッチダウン軸
受機構ＴＢであるが、このタッチダウン軸受機構ＴＢを
回転体に対向設置する場所としては、種々の例が挙げら
れる。図示例では回転軸３の下方端に対向設置されてい
るが、回転軸３の上方部位においてそのラジアル方向に
おけるハウジング１側に設置することもできる。さらに
は回転部材２の円周部でターボ機構を形成しない円周部
分に対向するよう、ハウジング１にこのタッチダウン軸
受機構ＴＢを設置することもできる。このタッチダウン
軸受機構ＴＢを対向設置する回転体としては、回転軸３
そして回転部材２のみならず交流電動機１０の回転子も
含まれる。ただ、実際的には回転軸３の下方端に対応す
るハウジング１の部位が実用的で、特に図示例のように
回転軸３の下方端部位においてはタッチダウン軸受機構
ＴＢとの接触を小径部３Ｓで実現でき、タッチダウンが
発生したとき、転がり軸受８の回転を低速化できる。本
発明は上記したこれらすべての変更実施例を包含する。

【００２０】

【発明の効果】本発明が提供するターボ形高速回転機器
は以上詳述したとおりであるから、ターボ形回転機器と
しての特性、すなわちたとえばターボ形ドライポンプの
場合、ポンプのラジアル方向の内部間隙を極小にするこ
とができ、ポンプ効率を著しく向上することができる。
また、交流電動機が使用できるので、その回転数制御が
インバータ等にて容易に行え、ポンプや回転機器として
のコストダウンを図ることができる。さらに、タッチダ
ウン軸受機構は回転軸の小径部を利用できること、ブッ
シュの採用によりタッチによる回転体とタッチダウン軸
受側との磨耗を軽減でき耐久性の大きいターボ形高速回
転機器を提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をターボ形真空機器に適用した実施例の
構成を示す縦断面図である。

【図２】本発明をターボ形真空機器に適用した実施例に
おける要部を拡大して示す図である。

【図３】従来のターボ形真空機器の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…ハウジング １Ｔ…ステータ ２…回転部材 ２Ｕ…上方回転部材 ２Ｄ…下方回転部材 ３…回転軸 ５、６…フォイル軸受 ７…ブッシュ ８…転がり軸受 ９…電気エネルギ １０…交流電動機 １１…インバータ回路 ＴＢ…タッチダウン軸受機構

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 27/02 Ｆ１６Ｃ 27/02 Ａ Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA03 BA06 CA11 CA12 CA16 CA19 CA20 CA50 DA09 DA11 DA12 DA15 3H031 DA01 DA05 DA07 EA00 EA07 EA09 EA13 FA11 FA13 FA16 FA40 3J012 AB20 BB01 BB02 EB07 FB01 FB10 HB04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング内に動圧ガス軸受を介して軸
   支された回転軸と、この回転軸を高速回転させる電動機
   と、この回転軸に取り付けられた回転部材の円周部と前
   記ハウジングの内周面に形成されたステータとの間でハ
   ウジングの吸気口からのガスを圧縮するターボ形機構と
   を備え、回転軸を駆動して回転部材を回転させ、前記吸
   気口からのガスを吸気口と反対側のハウジングに設けた
   排気口側に圧縮するターボ形高速回転機器において、前
   記回転軸と回転部材および電動機における回転部分を含
   む回転体に対応するハウジングの部位に、前記回転体に
   対してそのラジアル方向に微小間隔を有して対向するタ
   ッチダウン軸受機構を設けたことを特徴とするターボ形
   高速回転機器。
2. 【請求項２】 回転軸を高速回転させる電動機を交流電
   動機にて構成したことを特徴とする請求項１項記載のタ
   ーボ形高速回転機器。
3. 【請求項３】 タッチダウン軸受機構を回転部材が取り
   付けられた側と反対側の回転軸端側に設置したことを特
   徴とする請求項１項記載のターボ形高速回転機器。
4. 【請求項４】 タッチダウン軸受機構を回転軸端を直接
   支承するブッシュと、このブッシュをハウジングに対し
   て回転自在に支承する転がり軸受にて構成したことを特
   徴とする請求項３項記載のターボ形高速回転機器。