JP2006226268A - 真空ポンプの軸受構造及びこれを用いた真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 危急軸受によるローターの良好な支持を可能にする真空ポンプの軸受構造及びこれを用いた真空ポンプを提供する。
【解決手段】 ターボ分子ポンプ（真空ポンプ）を、ローターと、ローターを収納するハウジング３と、ローターをハウジング３に対して回転可能に支持する磁気軸受と、ハウジング３に保持されて磁気軸受の機能停止時にローターをハウジング３に対して回転可能に支持する危急軸受５と、ローターを軸線回りに回転駆動する電動モータ等の駆動装置とを有する構成とする。ハウジング３において危急軸受５を受ける部位の内周面３ｂに、危急軸受５の外輪１２を収納する凹部３ｃを設け、凹部３ｃ内面と外輪１２の外周面との間に耐熱性断熱材１６を設ける。耐熱性断熱材１６を、外輪１２の下面と凹部３ｃ内面との間に配置されるＳＵＳ製のシートによって構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、真空ポンプの軸受構造及びこれを用いた真空ポンプ、特に大型の真空ポンプに用いる真空ポンプの軸受構造及び大型の真空ポンプに関するものである。

一般に、真空ポンプとしては、例えば後記の特許文献１に記載のターボ分子ポンプが知られている。
ターボ分子ポンプは、外周に動翼を有するローター（主にＳＵＳ製）と、ローターを収納するハウジング（主にアルミニウム製）と、ローターをハウジングに対して回転可能に支持する軸受と、ローターを回転駆動する駆動装置とを有している。
ターボ分子ポンプは、ロータリーポンプ等によって予め減圧された雰囲気をさらに高真空状態にするために用いられるものであって、駆動装置によってローターを高速で回転駆動して、ローターの外周に設けられた動翼の速度を気体分子の運動速度よりも早くすることによって、雰囲気中から気体分子を掻き出す方式の真空ポンプである。このため、一般に、ターボ分子ポンプのローターは毎分１万回転以上と、非常に高速で回転駆動される。

ターボ分子ポンプでは、このように非常な高速で回転駆動されるローターを支持するために、軸受として、磁力によってローターを非接触で支持する磁気軸受を用いている。
また、ターボ分子ポンプには、磁気軸受が何らかの理由で機能しなくなった場合にローターを受けてターボ分子ポンプの破損を防止するタッチダウン軸受（危急軸受）が設けられている。
タッチダウン軸受としては、一般的に、ボールベアリングが用いられている。具体的には、タッチダウン軸受は、ローターを受ける内輪と、ハウジングに支持される外輪と、これら内外輪の間に設けられてこれら内外輪を互いの軸線回りの相対回転を可能にするボールとを有している。

特開２０００−３４６０６８号公報（段落［００１２］〜［００１５］，及び図１、図７）

タッチダウン軸受がローターを受けると、ローターを受ける内輪がローターと供回りして、ハウジングに支持された外輪に対して高速で回転するため、これら内外輪間に設けられたボールが高速回転させられて、ボールと内外輪との間に摩擦熱が発生する。
ターボ分子ポンプが大型になるほどローターの質量も大きくなるので、大型のターボ分子ポンプでは、ローターを受けた際にタッチダウン軸受に加わる負荷が大きく、また発生する摩擦熱も多いためにタッチダウン軸受が高熱になる。
このため、大型のターボ分子ポンプでは、ハウジングにおいてタッチダウン軸受を保持する部分は、十分な強度及び耐熱性を確保するために、金属（例えばハウジング本体と同じアルミニウム）によって形成される。

ここで、ローターはＳＵＳ製で熱伝導率が低いため、ローターを受ける内輪には熱がこもりやすい。一方、ハウジングはアルミニウム製で熱伝導率が高く、また内部機器の冷却のために水冷装置等によって冷却されているので、ハウジングに支持される外輪には温度上昇が生じにくい。
このため、タッチダウン軸受では、ローターを受けた際に内輪の熱膨張量と外輪の熱膨張量とに大きな差が生じて内外輪間クリアランスがボール径よりも小さくなるので、ボールが回転しにくくなり、ローターの良好な支持が困難となる。
このようにタッチダウン軸受に熱膨張が生じてもボールの回転が許容されるように、内輪と外輪との間のクリアランスを大きく設定すると、タッチダウン軸受のがたつきが大きくなるため、ローターを受けた際のローターの振れが大きくなり、かえって大きな摩擦熱が発生してしまうので好ましくない。

また、タッチダウン軸受の外輪は、ハウジングによって保持されているため、変形（主に径方向の変形）が規制されている。このため、タッチダウン軸受では、ローターを受けて温度上昇が生じた際に、内輪のみが熱膨張するので、外輪との間のクリアランスが狭くなってボールが回転しにくくなり、ローターの良好な支持が困難となる。
このようにタッチダウン軸受に熱膨張が生じてもボールの回転が許容されるように、ハウジングと外輪との間に外輪の熱膨張を許容する隙間を大きくとると、この隙間の分だけがたつきが生じて、ハウジングに対するタッチダウン軸受の位置決めが困難となり、軸受としての機能を維持できなくなるので好ましくない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、危急軸受によるローターの良好な支持を可能にする真空ポンプの軸受構造及びこれを用いた真空ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の真空ポンプの軸受構造及びこれを用いた真空ポンプは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る真空ポンプの軸受構造は、ローターと、該ローターを収納するハウジングと、前記ローターを前記ハウジングに対して回転可能に支持する磁気軸受と、前記ハウジングに保持されて前記磁気軸受の機能停止時に前記ローターを前記ハウジングに対して回転可能に支持する危急軸受とを有する真空ポンプの軸受構造であって、前記ハウジングと前記危急軸受の間に、耐熱性断熱材が設けられていることを特徴とする。

このように構成される真空ポンプの軸受構造では、危急軸受とハウジングとの間が耐熱性断熱材によって断熱されているので、危急軸受においてハウジングに接触している部位から熱が逃げにくい。
このため、危急軸受がローターを受けて摩擦熱による温度上昇が生じても、危急軸受の各部間での温度差が生じにくく、危急軸受全体が均一に熱膨張するので、形状精度の低下が防止されて、軸受としての機能を維持することができる。

また、この真空ポンプの軸受構造において、前記耐熱性断熱材が、ＳＵＳであってもよい。
この場合には、耐熱性断熱材の強度及び耐熱性が十分に確保されるので、大型の真空ポンプに適用した場合など、ローターを受けた際に危急軸受に加わる負荷及び摩擦熱が大きい場合にも、危急軸受の支持を良好に行うことができる。

また、この真空ポンプの軸受構造において、前記ハウジングの前記危急軸受を支持する支持部が、弾性変形が容易な軟剛性部とされていてもよい。
この場合には、ハウジングにおいて危急軸受を受ける支持部が、弾性変形容易な軟剛性部とされているので、ハウジングに対する危急軸受の位置決め精度を確保しながら、危急軸受に熱膨張が生じた際には支持部が弾性変形して、危急軸受の熱膨張を許容するので、危急軸受の各部の熱膨張量に差が生じにくく、形状精度の低下が防止されて、軸受としての機能を維持することができる。

本発明に係る真空ポンプは、上記いずれかの真空ポンプの軸受構造を備えたことを特徴とする。
この真空ポンプによれば、危急軸受がローターを受けて摩擦熱による温度上昇が生じても、危急軸受の各部間での温度差が生じにくく、危急軸受全体が均一に熱膨張するので、形状精度の低下が防止されて、軸受としての機能を維持することができる。

本発明に係る真空ポンプの軸受構造及びこれを用いた真空ポンプによれば、危急軸受がローターを受けて摩擦熱による温度上昇が生じても、危急軸受の各部間での温度差が生じにくく、危急軸受全体が均一に熱膨張するので、形状精度の低下が防止されて、軸受としての機能を維持することができる。このため、大型の真空ポンクにおいても、危急軸受によるローターの良好な支持が可能である。

以下に、本発明に係る真空ポンプの実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。
本実施形態に係るターボ分子ポンプ（真空ポンプ）１は、ローター２（主にＳＵＳ製）と、ローター２を収納するハウジング３（主にアルミニウム製）と、ローター２をハウジング３に対して回転可能に支持する磁気軸受４と、ハウジング３に保持されて磁気軸受４の機能停止時にローター２をハウジング３に対して回転可能に支持する危急軸受５と、ローター２を軸線回りに回転駆動する電動モータ等の駆動装置６とを有している。

ローター２は、外周に複数の動翼２ａが設けられた略円筒形状の翼部２ｂと、翼部２ｂの下部に翼部２ｂと同軸にして設けられるシャフト部２ｃとを有している。
ハウジング３は、上端が開口された略有底円筒形状をなしており、その内面においてローター２の翼部２ｂの外周に対向する部位には、複数の静翼３ａが設けられている。なお、ハウジング３の上端は、気体取入口を構成している。
磁気軸受４は、ローター２のシャフト部２ｃを磁力によって非接触で支持するものである。本実施形態では、磁気軸受４として、シャフト部２ｃの上部でラジアル荷重を受ける上部ラジアル磁気軸受４ａと、シャフト部２ｃの下部でラジアル荷重を受ける下部ラジアル磁気軸受４ｂと、スラスト力を受けるスラスト磁気軸受４ｃとが設けられている。

危急軸受５は、磁気軸受４が何らかの理由で機能しなくなった場合にローター２のシャフト部２ｃを受けてターボ分子ポンプの破損を防止するものである。
本実施形態では、危急軸受５として、シャフト部２ｃの上部を受ける上部危急軸受５ａと、シャフト部２ｃの下部を受ける下部危急軸受５ｂとが設けられている。
これら危急軸受５は、ボールベアリングによって構成されている。
具体的には、これら危急軸受５は、図２に示すように、シャフト部２ｃを受ける内輪１１と、ハウジング３に支持される外輪１２と、これら内外輪１１，１２の間に設けられてこれら内外輪１１，１２を互いの軸線回りの相対回転を可能にするボール１３とを有している。なお、図２では、上部危急軸受５ａを示している。

このターボ分子ポンプ１では、ハウジング３において危急軸受５を受ける部位の内周面３ｂには、危急軸受５の外輪１２を収納する凹部３ｃが設けられている。凹部３ｃ内には、外輪１２の外周面との間に、外輪１２の熱膨張を許容するクリアランスが設けられている。また、凹部３ｃと外輪１２の外周面との間には、位置決め用のスペーサとして、弾性体からなるシールリング１５が設けられている。
さらに、凹部３ｃ内面と外輪１２との間には、耐熱性断熱材１６が設けられている。
本実施形態では、耐熱性断熱材１６は、外輪１２の下面と凹部３ｃ内面との間に配置されるＳＵＳ製のシートによって構成されている。

このように構成されるターボ分子ポンプ１では、危急軸受５とハウジング３との間が耐熱性断熱材１６によって断熱されているので、危急軸受５においてハウジング３に接触している部位から熱が逃げにくい。
このため、危急軸受５がローター２を受けて摩擦熱による温度上昇が生じても、危急軸受５の各部間（内外輪１１，１２間）での温度差が生じにくく、危急軸受５全体が均一に熱膨張するので、形状精度の低下が防止されて、軸受としての機能を維持することができる。

また、耐熱性断熱材１６が、ＳＵＳ製のシートであるので、強度及び耐熱性が十分に確保されている。このため、ターボ分子ポンプが大型であってローター２を受けた際に危急軸受５に加わる負荷及び摩擦熱が大きい場合にも、耐熱性断熱材１６が危急軸受５の支持を良好に行うことができる。

このため、このターボ分子ポンプ１では、たとえ大型のターボ分子ポンプであっても、危急軸受５によるローター２の良好な支持が可能である。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図３を用いて説明する。
本実施形態に係るターボ分子ポンプ２１は、第一実施形態で示したターボ分子ポンプ１において、危急軸受５の支持構造を変更したことを主たる特徴とするものである。
以下、第一実施形態に示すターボ分子ポンプ１と同一または同様の構成部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。

本実施形態に係るターボ分子ポンプ２１は、ハウジング３の凹部３ｃ内に、危急軸受５の外輪１２の外周面を受ける支持部２２が設けられていることを主たる特徴とするものである。
支持部２２は、外輪１２の径方向に弾性変形可能な軟剛性部によって構成されている。
本実施形態では、支持部２２は、凹部３ｃの下面に、凹部３ｃ全周にわたって設けられる薄肉の突条によって構成されている。

このターボ分子ポンク２１によれば、ハウジング３において危急軸受５を受ける支持部２２が、弾性変形容易な軟剛性部とされているので、この支持部２２によってハウジング３に対する危急軸受５の正確な位置決めを可能にしながら、危急軸受に熱膨張が生じた際には支持部２２が弾性変形して、危急軸受５の熱膨張を許容するので、危急軸受５の各部の熱膨張量に差が生じにくく、形状精度の低下が防止されて、軸受としての機能を維持することができ、危急軸受５によるローター２の良好な支持が可能である。

なお、本実施形態では、支持部２２を、凹部３ｃ全周にわたって設けられる薄肉の突条によって構成した例を示したが、これに限られることなく、支持部２２は、凹部３ｃの周方向の複数箇所に設けられた突起によって構成してもよい。また、支持部２２は、凹部３ｃの下面に限らず、凹部３ｃの上面に設けてもよく、また凹部３ｃの上面と下面との両方に設けてもよい。

本発明の第一実施形態に係るターボ分子ポンプ（真空ポンプ）の構成を示す縦断面図である。 図１の一部拡大図である。 本発明の第二実施形態に係るターボ分子ポンプの構成を示す図である。

符号の説明

１，２１ ターボ分子ポンプ（真空ポンプ）
２ ローター
３ ハウジング
４ 磁気軸受
５ 危急軸受
１６ 耐熱性断熱材
２２ 支持部（軟剛性部）

Claims (4)

1. ローターと、該ローターを収納するハウジングと、前記ローターを前記ハウジングに対して回転可能に支持する磁気軸受と、前記ハウジングに保持されて前記磁気軸受の機能停止時に前記ローターを前記ハウジングに対して回転可能に支持する危急軸受とを有する真空ポンプの軸受構造であって、
   前記ハウジングと前記危急軸受の間に、耐熱性断熱材が設けられている真空ポンプの軸受構造。
2. 前記耐熱性断熱材が、ＳＵＳである請求項１記載の真空ポンプの軸受構造。
3. 前記ハウジングの前記危急軸受を支持する支持部が、弾性変形が容易な軟剛性部とされている請求項１または２に記載の真空ポンプの軸受構造。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の真空ポンプの軸受構造を備えた真空ポンプ。

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