JP2006214362A - ターボ分子ポンプのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターボ分子ポンプの軸受部やモータ部に排気ガスや粉塵等が浸入することがなく、又、シール部の長さも短くなるような、ターボ分子ポンプのシール構造を提供する。
【解決手段】 ターボ分子ポンプ１のハウジングの静止部材１０に径方向の揺動自在に嵌入されたブッシュ１２と、該ブッシュ１２の内周部を回動自在に挿通するジャーナル軸部８ａとからなり、該ジャーナル軸部８ａの外周部にヘリングボーン形の溝８ｂを凹設すると共に、該へリングボーン形の溝８ｂに隣接して前記ジャーナル軸部８ａと前記ブッシュ１２とに形成されるクリアランスシール部８ｃを有するシール構造とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、腐食性を有するガスや凝縮し易いガス等を含んだプロセスガスの真空排気に最適なターボ分子ポンプのシール構造に関する。

ターボ分子ポンプのシール構造として、出願人は先に、図７に示す如くころがり軸受を介して回転軸を支承しているターボ分子ポンプａにおいて、該ターボ分子ポンプａのハウジングの静止部材ｂに径方向の揺動可能に嵌入された円筒状のブッシュｃと、該ブッシュｃの内周部に僅少の間隙を有して回転自在に挿通するジャーナル軸部ｄとからなり、該ジャーナル軸部ｄの外周部にヘリングボーン形の溝ｅとねじ溝ｆとを凹設すると共に、これらブッシュｃとジャーナル軸部ｄとの間にパージガスを導入したシール構造を提案した（特許文献１参照。）。

これは、前記へリングボーン形の溝の作用によって前記ジャーナル軸部と前記ブッシュとの間に調心作用が得られ、更に前記ねじ溝によってねじシール作用が得られるようにしたものである。
特開２００２−１４７３８５号公報

前記特許文献１のターボ分子ポンプのシール構造は、ねじ溝を有するねじシールを採用している。

しかし前記シール構造は、補助ポンプが停止したために当該ターボ分子ポンプのロータ側が大気圧になった場合や、又は排気ガス量が過大で前記補助ポンプの圧力が高くなった場合には、当該ターボ分子ポンプのロータ側からモータハウジング内に腐食性を有する排気ガスや粉塵等が浸入してくることがあるという問題があった。

これは、前記ねじシール部のねじ溝を通って、前記排気ガスや粉塵がモータハウジング側に入り込むためである。

尚、前記の補助ポンプとは、主排気ポンプ（例えばターボ分子ポンプ）の補助ポンプとして同時に運転される真空ポンプのことで、真空容器を大気圧から１Ｐａ程度の圧力にまで荒引きする作用をしている。

又、前記ねじシール部を有するシール構造は、ジャーナル軸部の軸方向に必要な長さが長くなり、ターボ分子ポンプの回転軸の長さが長くなるという欠点を有していた。これはターボ分子ポンプが大型化するので、問題であった。

本発明はこれらの問題点を解消し、前記補助ポンプが停止したり、又は補助ポンプ側の圧力が上がっても、ターボ分子ポンプのモータハウジング内に排気ガスや粉塵等が浸入することがなく、又、その軸方向の長さも短くできるようなターボ分子ポンプのシール構造を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成すべく、ころがり軸受を介して回転軸を支承しているターボ分子ポンプにおいて、該ターボ分子ポンプのハウジングの静止部材に径方向の揺動可能に嵌入された円筒状のブッシュと、該ブッシュの内周部に僅少の間隙を有して回動自在に該内周部を挿通したジャーナル軸部とからなり、該ジャーナル軸部の外周部にヘリングボーン形の溝を回転方向に向かってヘの字状に開いた形状に凹設すると共に、該ヘリングボーン形の溝に隣接して、前記ブッシュと前記ジャーナル軸部とにより形成されるクリアランスシール部を設けた。

本発明によれば、補助ポンプ側の圧力が上昇してもターボ分子ポンプのモータハウジング内に排気ガスや粉塵等が浸入することがなく、又、そのシール部の軸方向の長さより短くなるようなシール構造のターボ分子ポンプを提供できる効果を有する。

本発明を実施するための最良の形態の実施例を以下に示す。

本発明の実施例１を図１乃至図３により説明する。

図１は本発明のシール構造を有するターボ分子ポンプ１の縦断面図であり、２が後述するシール構造部分、３は吸気口、４が排気口である。

５はロータで、外周に多数の動翼６を放射状に多段に有している。

尚、７は静翼である。

前記ロータ５の中心部には回転軸８があって、ロータ５と回転軸８は一体となって高速回転をする。

前記回転軸８は、グリース潤滑式のころがり軸受９ａ、９ｂを介してハウジングの静止部材１０、１１に回動自在に支承されている。

尚、１４は前記回転軸８を駆動するモータで、１５がモータハウジングである。

前記シール構造部分２の詳細を図２に示した。

即ち、シール構造部分２は、前記静止部材１０に設けた軸孔１０ａに径方向の揺動可能に緩嵌された円筒状のブッシュ１２と、該ブッシュ１２を回動自在に挿通するジャーナル軸部８ａとからなる。

ジャーナル軸部８ａは前記回転軸８の一部で、該ジャーナル軸部８ａの外周部の前記ころがり軸受９ａ寄りに、ヘリングボーン形の溝８ｂが回転方向へ向かってへの字状に開いた形状となるように凹設されている。

又、該ジャーナル軸部８ａの外周部の、前記ころがり軸受９ａとは反対側に、前記ブッシュ１２の内周部との間でクリアランスシール部８ｃを形成した。

尚、クリアランスシールとは、微小なクリアランス（隙間）によってシール作用を行なうもので、前記ジャーナル軸部８ａの外周部と前記ブッシュ１２の内周部との間は、５乃至１０ミクロンの僅少な隙間となるように形成されている。

又、前記ブッシュ１２の外周部と前記軸孔１０ａとの間は少なくとも１００ミクロン以上の間隙となるように形成されている。

１３ａ及び１３ｂは弾性材料からなるＯリングで、これらＯリング１３ａ及び１３ｂは前記静止部材１０の軸孔１０ａに形成されている溝内に嵌入して保持されると共に前記静止部材１０と前記ブッシュ１２との間に介在しており、これらのＯリング１３ａ、１３ｂによって前記ブッシュ１２が前記静止部材１０の軸孔１０ａに径方向の揺動が可能に嵌着されている。

尚、１０ｃは前記ブッシュ１２が軸方向に抜け出るのを防止するための蓋体である。

前記ブッシュ１２の外周部には円周方向の環状溝１２ｂが凹設されており、更に該ブッシュ１２において該環状溝１２ｂの底部から該ブッシュ１２の内周部に貫通して貫通孔１２ａが設けられていて、前記静止部材１０に形成されている通気孔１０ｂから送られてくるパージガスが、該貫通孔１２ａを通って前記ブッシュ１２とジャーナル軸部８ａとの間の僅少な間隙に送り込まれる。

前記貫通孔１２ａは、前記ジャーナル軸部に凹設されているヘリングボーン形の溝８ｂと前記クリアランスシール部８ｃとの中間に開口するように形成されれている。

次に本実施例のターボ分子ポンプ１の作動及び効果について説明する。

分子ポンプ１は、吸気口３を真空容器側（図示せず）に接続し、排気口４を補助ポンプ（図示せず）に接続して、真空容器からプロセスガスの排気を行なう。

シール構造部分２は、排気口４側のプロセスガスがころがり軸受９ａ、９ｂ及びモータ１４の部分へ浸入してくるのを防止する。

これは、通気孔１０ｂから送られてきたパージガス（窒素ガス等が使われれる）が、ブッシュ１２の貫通孔１２ａを通って該ブッシュ１２とジャーナル軸部８ａとの間の間隙に送り込まれ、クリアランスシール部８ｃを通って排気口４側へと抜けることにより、該クリアランスシール部８ｃからプロセスガスが浸入してくるのを防止している。

又、ヘリングボーン形の溝８ｂは、ブッシュ１２との間が気体軸受の如く作用して、ジャーナル軸部８ａとブッシュ１２の調心作用を行なう。

即ち、高速回転をしているロータ５及び回転軸８は、残存するアンバランス重量のために、回転軸中心の周りを微小な振幅で振れ回り運動をする。

この振幅は１０ミクロン以上あることが予想され、もし、この振れによってジャーナル軸部８ａの外周部とブッシュ１２の内周部とが接触すれば、摩擦熱を発して焼き付きを起こす怖れがある。

しかし、前記ジャーナル軸部８ａの外周部のヘリングボーン形の溝８ｂが気体軸受の如く作用して、ブッシュ１２を径方向に押圧する力が働き、前記Ｏリング１３ａ、１３ｂの弾性変形によって該ブッシュ１２の径方向への揺動が吸収されるので、ジャーナル軸部８ａとブッシュ１２とが接触することはない。

次に、クリアランスシール部８ｃと従来のねじシールとの性能の違いについて、図３のグラフにより説明する。

図３のグラフにおいて、横軸Ｑは大気側（モータ室側）から真空側（排気口４側）へ流れる気体流量（パージガスの流量）であり、又、Δｐは大気圧（モータハウジング１５内の圧力）と、排気口４側圧力との差圧である。

又、Ｌ１及びＬ２は、それぞれクリアランスシールの場合の差圧Δｐとパージガス流量Ｑの関係を示す性能曲線である。

ここで、前記Ｌ１は、該クリアランスシール部の長さをねじシールに必要な長さと同等にした場合であり、又、前記Ｌ２は、該クリアランスシール部の長さをねじシールに必要な長さよりも短くした場合のΔｐとＱとの関係を示している。

又、Ｌ３及びＬ４は、それぞれ従来のねじシールの場合のΔｐとＱの関係を示す性能曲線で、この内のＬ３は、ターボ分子ポンプを運転中（ねじシール部が回転中）のΔｐとＱとの関係であり、又、Ｌ４はターボ分子ポンプが停止中のΔｐとＱとの関係を示す。

尚、これらクリアランスシールとねじシールは、両者共ブッシュとジャーナル軸部との間隙を同一にしている。

図３から判るように、クリアランスシール性能曲線Ｌ１とねじシール性能曲線Ｌ３との交点Ｃにおける差圧Δｐｃと同等以上の差圧においては、クリアランスシールの方がねじシールよりもパージガスの流量が少ないので、排気ガス（プロセスガス）に対する軸封効果が大きくなる。

又、短いクリアランスシールの性能曲線Ｌ２とねじシール性能曲線Ｌ３とは交点Ｄにおいて交差し、このＤ点における差圧Δｐより大きなΔｐの範囲では、短いクリアランスシールでもねじシール以上の排気ガスに対する軸封効果を発揮することができる。

即ち、両者の性能曲線の傾斜角の違いからも明らかなように、パージガスの増加に対するシール能力の増加は、ねじシールよりもクリアランスシールの方が大きい。

又、補助ポンプが停止したり、又は排気ガス量が過大でターボ分子ポンプ１の排気口４側の圧力が高くなった場合でも、ねじ溝のないクリアランスシールはポンピング作用がないので、排気口４側からころがり軸受９ａやモータ１４のあるモータ室側への気体の流れを生じない。

このように本発明のクリアランスシールを用いた構造は、従来のねじシールを用いたシール構造と比較して、排気口側の背圧が高くなった場合にも優れた軸封作用を有しており、又、従来のねじシールよりも短い長さで、該ねじシールと同等以上の軸封効果が得られる。

尚、本実施例ではブッシュ１２に設けた貫通孔１２ａを通じてブッシュ１２とジャーナル軸部８ａとにより形成される間隙部にパージガスを供給するようにしたが、これはころがり軸受９ａとブッシュ１２との間にパージガスを供給するようにし、該供給されたパージガスが、ブッシュ１２の内周とジャーナル軸部８ａの外周とにより形成される間隙部を通過するようにしてもよい。

本発明の実施例２を図４及び図５により説明する。

図４は、本実施例のターボ分子ポンプのシール構造部分２´の詳細を示す。

前記実施例１では、ハウジングの静止部材１０とブッシュ１２との間に介在するＯリング１３ａ及び１３ｂが、前記静止部材１０に形成されている溝内に嵌入してブッシュ１２を弾性的に保持するようにしたが、本実施例では、ブッシュ１２´の内周部に当接するＯリング１３ｃを設けて、該Ｏリング１３ｃをターボ分子ポンプのハウジングの静止部材１０´に設けたＯリング溝１３ｄに嵌入して、該Ｏリング１３ｃにより前記ブッシュ１２´が弾性的に保持されるようにした。

即ち、図４において、ジャーナル軸部８ａ´にはヘリングボーン形の溝８ｂが凹設されており、該溝８ｂの上方部（ころがり軸受９ａとは反対側）の該ジャーナル軸部８ａ´の外周部とブッシュ１２´の内周部との間にクリアランスシール８ｃを形成した。

又、前記ブッシュ１２´の下方部において該ブッシュ１２´の内周部に当接するＯリング１３ｃを設けて該Ｏリング１３ｃを静止部材１０´に付設したＯリング溝１３ｄに嵌入して係止し、該Ｏリング１３ｃが前記ブッシュ１２´の径方向の揺動を内方から吸収するようにした。

尚、本実施例ではＯリング１３ｃがブッシュ１２´の下方部において当接するようにしたが、これは図５に示す如く、静止部材１０´´の上端部のＯリング溝１３ｅに嵌入して係止したＯリング１３ｃが、ブッシュ１２´の上方部において該ブッシュ１２´の内周部に当接して該ブッシュ１２´の径方向の揺動を吸収するようにしてもよい。

本実施例においても前記実施例１におけるのと同様に、Ｏリング１３ｃによってブッシュ１２´の径方向の揺動を吸収する効果が得られる。

本発明の実施例３を図６により説明する。

本実施例３のシール構造部分２´´は、前記実施例２で示したターボ分子ポンプのシール構造部分２´に固定クリアランスシール部５ａを追加したものである。

即ち、固定クリアランスシール部５ａは、静止部材１０´の上端部に設置した孔明き円板状体５ｂと、該孔明き円板状体５ｂの内周部を挿通するロータ５の柄部５ｃとの間に微小なクリアランスを有して形成されている。

又、前記孔明き円板状体５ｂは、絶熱材料からなるパッキン５ｄを介して前記静止部材１０´の上端部にボルトで係着されており、前記静止部材１０´と孔明き円板状体５ｂの間の熱伝導が阻止されるようになっている。

このように固定クリアランスシール部５ａの孔明き円板状体５ｂは低温の静止部材１０´に断熱的に係止されているので、高温のロータ５からのラジエーションや該ロータ５の柄部５ｃとの間の気体の摩擦熱等によって、該孔明き円板状体５ｂは高温に保たれる。

このため、前記固定クリアランスシール部５ａの部分でプロセスガスが凝縮をして固化あるいは液化が発生することはなく、内側のクリアランスシール部８ｃ等の固着や損傷も防止される効果を有している。

本発明は、腐食性を有するガスや凝縮し易いガス等を含んだプロセスガスの超高真空排気を行なうターボ分子ポンプのシール構造として利用される。

実施例１のシール構造を具備したターボ分子ポンプの縦断面図である。 前記シール構造部分の詳細図である。 前記シール構造の性能の説明図である。 実施例２のシール構造部分の詳細図である。 同上実施例２の他の例のシール構造部分の詳細図である。 実施例３のシール構造部分の詳細図である。 従来のターボ分子ポンプの縦断面図である。

符号の説明

１ ターボ分子ポンプ
２、２´、２´´ シール構造部分
８ａ ジャーナル軸部
８ｂ ヘリングボーン形の溝
８ｃ クリアランスシール部
１０、１０´、１０´´ 静止部材
１２、１２´ ブッシュ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ Ｏリング

Claims (6)

1. ころがり軸受を介して回転軸を支承しているターボ分子ポンプにおいて、該ターボ分子ポンプのハウジングの静止部材に径方向の揺動可能に嵌入された円筒状のブッシュと、該ブッシュの内周部に僅少の間隙を有して回動自在に該内周部を挿通したジャーナル軸部とからなり、該ジャーナル軸部の外周部にヘリングボーン形の溝を回転方向に向かってヘの字状に開いた形状に凹設すると共に、該ヘリングボーン形の溝に隣接して、前記ブッシュと前記ジャーナル軸部とにより形成されるクリアランスシール部を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプのシール構造。
2. 前記ブッシュと前記ジャーナル軸部との間隙にパージガスを導入したことを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプのシール構造。
3. 前記へリングボーン形の溝を前記ジャーナル軸部のころがり軸受側に配置すると共に前記クリアランスシール部を前記ジャーナル軸部の排気ガス流入側に配置したことを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプのシール構造。
4. 前記ブッシュは外周部に少許の間隙を存して前記静止部材に緩嵌されると共に該ブッシュの外周部に嵌着した少なくとも１本のＯリングを介して前記静止部材に係止した構造とし、これらＯリングの弾性により前記ブッシュの径方向の揺動を吸収するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプのシール構造。
5. 前記ブッシュは外周部に少許の間隙を存して前記静止部材に緩嵌されると共に該ブッシュの内周部に当接するＯリングを設けて、該Ｏリングが嵌入するＯリング溝を前記静止部材に付設し、該Ｏリングの弾性により前記ブッシュの径方向の揺動を吸収するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプのシール構造。
6. 前記静止部材の上端部に孔明き円板状体を設置し、該孔明き円板状体の内周部と、該内周部を挿通するロータの柄部の外周部との間に僅少の間隙を有する固定クリアランスシール部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１に記載のターボ分子ポンプのシール構造。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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