JP2008223573A

JP2008223573A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP2008223573A
Application number: JP2007061957A
Authority: JP
Inventors: Kota Oishi; 耕太大石
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】タッチダウン時の回転軸の撓みを低減することができる真空ポンプの提供。
【解決手段】磁気軸受３１〜３３により支持される回転体を有する真空ポンプにおいて、ロータ２０の回転軸方向に沿った３箇所にタッチダウン軸受２６〜２８を設けた。磁気軸受３１〜３３による支持が停止された時や磁気軸受３１〜３３による正常な支持が不能な時などのタッチダウン時には、シャフト７はタッチダウン軸受２６〜２８により３箇所で支持されるため、タッチダウン時のシャフト７の撓みが従来よりも低く抑えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気軸受により支持される回転体を有する真空ポンプに関する。

磁気軸受式ターボ分子ポンプでは、回転翼が設けられた回転体を磁気軸受により非接触支持し、モータにより回転駆動するようにしている。このようなターボ分子ポンプでは、ポンプ停止時や停電時などのタッチダウン時に回転体を支持するためのタッチダウンベアリングとしてメカニカルベアリングが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１０５８４６号公報

しかしながら、高速回転時に回転体がタッチダウンベアリングにタッチダウンすると、ベアリングと回転軸とのクリアランス分だけ回転体が偏芯し、回転軸に撓みが生じる。特に、近年はターボ分子ポンプの大型化、高速回転化が進み、タッチダウン時におけるタッチダウンベアリングへの負荷が増大し、回転軸の撓みも大きくなるという問題があった。

請求項１の発明は、磁気軸受により支持される回転体を有する真空ポンプに適用され、磁気軸受による支持が停止された時または磁気軸受による正常な支持が不能な時に回転体を支持するタッチダウン軸受を、回転体の回転軸方向に沿って所定間隔で３箇所以上設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の真空ポンプにおいて、磁気軸受は、回転体の回転軸に沿って所定間隔で設けられた第１および第２のラジアル軸受を備え、回転軸に沿った３箇所に第１〜３のタッチダウン軸受を設けるとともに、回転軸に沿って第１のタッチダウン軸受、第１のラジアル磁気軸受、第２のタッチダウン軸受、第２のラジアル軸受および第３のタッチダウン軸受の順に配置したことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、３箇所以上に設けられたタッチダウン軸受の内、１箇所は回転軸の第１のスラスト方向の力を受けるアンギュラベアリングであり、残りの内の１箇所は第２のスラスト方向の力を受けるアンギュラベアリングであることを特徴とする。

本発明によれば、タッチダウン時の回転軸の撓みを低減することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプの断面図である。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプ本体１と、ポンプ本体１に電源を供給し回転駆動を制御するコントローラ（不図示）とから成る。

ポンプ本体１のケーシング３の内部には、複数段の回転翼２１および回転円筒部２２が形成されたロータ２０が設けられている。ロータ２０とシャフト７とは、ボルト締結により一体とされ、モータ６により回転駆動される。６ａはロータ２０側に設けられたモータロータであり、６ｂはベース１０側に設けられたモータステータである。ロータ２０が固定されたシャフト７は、上下一対のラジアル磁気軸受３１，３２およびスラスト磁気軸受３３によって非接触で支持される。

一方、ポンプ本体１のベース１０側には、ケーシング３の内周面に沿ってリング状のスペーサ１３が複数積層され、そのスペーサ１３によって上下に挟まれるように複数段の固定翼１１が設けられている。そして、軸方向に交互に配置された複数段の回転翼２１と複数段の固定翼１１とによりタービン翼部が構成される。また、タービン翼部の下流側には、内周面に螺旋溝が形成された固定円筒部１２が設けられている。固定円筒部１２と回転円筒部１２とはモレキュラードラッグポンプ部を構成しており、回転円筒部２２が固定円筒部２２の内周面に近接して高速回転することにより、粘性流領域における排気作用が発生する。

図１に示すタービン翼部とモレキュラードラッグポンプ部とを結合させたターボ分子ポンプは、ハイブリッド型ターボ分子ポンプと称される。吸気口１４から流入したガス分子はタービン翼部によって図示下方へと叩き飛ばされ、下流側に向かって圧縮排気される。その圧縮されたガス分子は、さらにモレキュラードラッグポンプ部によって圧縮され、排気口１５から排出される。

ポンプ停止時（磁気浮上停止時）や停電時には、シャフト７は保護用のタッチダウンベアリング２６，２７，２８によって支持される。シャフト７とタッチダウンベアリング２６〜２８のクリアランスは、モータ６の部分のクリアランスや、磁気軸受３１〜３３の部分のクリアランスよりも小さく設定されている。

従来のターボ分子ポンプでは、シャフト７の両端部分にタッチダウンベアリング２６，２８のみが設けられていたが、本実施の形態では、シャフト７の両端に加えて、それらの間にもタッチダウンベアリング２７を設けるようにした。タッチダウンベアリング２６，２７はラジアル方向の荷重のみを受けるため、深溝ベアリングが用いられている。一方、タッチダウンベアリング２８はラジアル方向およびスラスト方向の荷重を受けるため、一対のアンギュラベアリングが用いられている。

このように、シャフト７の両端だけでなく、ほぼ中間の位置にもタッチダウンベアリングを設けたことにより、タッチダウン時におけるシャフト７の撓みを低減することができる。図２はタッチダウン時のシャフト７の撓みを説明する模式図であり、この図を用いて従来の場合の撓み量および撓み角と、本実施の形態の場合の撓み量および撓み角について説明する。

図２において、（ａ）はシャフト７の両端付近にタッチダウンベアリング２６，２８を配置した従来の場合を示し、（ｂ）は図１のターボ分子ポンプのようにタッチダウンベアリング２６，２７，２８を配置した場合を示す。いずれの場合も、タッチダウン時のシャフト７の撓みを模式的に示したものであり、一点鎖線４０は、シャフト７を両端梁と仮定したときのシャフト７の中心線、一点鎖線４１はタッチダウンした時の中心線を表している。ロータ２０の締結面はシャフト７の左端面であって、タッチダウンベアリング２６の締結面からの距離はＳ、タッチダウンベアリング２６，２８間の間隔はＬとする。また、図２（ｂ）のタッチダウンベアリング２７は、タッチダウンベアリング２６，２８間のちょうど中間位置に配置されているとする。

締結面からの距離をｘとすると、各位置ｘにおける撓み角度ｉおよび撓み量ｖは次式（１）、（２）により表される。なお、Ｗは、タッチダウン時にシャフト７とロータ２０との締結部に生じる集中荷重である。Ｅはシャフト７の縦弾性係数、Ｉはシャフト７の断面２次モーメントである。
ｉ＝ＷＳ（ｘ^２−２Ｌｘ）／２ＥＩＬ＋Ｃ１ …（１）
ｖ＝ＷＳ（ｘ^３−３Ｌｘ^２）／６ＥＩＬ＋Ｃ１ｘ＋Ｃ２ …（２）

境界条件からこれらを解くとｉおよびｖが求まる。ここでは簡単のために、ｖＭＡＸとなる位置ｘは、タッチダウンベアリングが２箇所のときにはｘ＝Ｌ／２、タッチダウンベアリングが３箇所のときにはｘ＝Ｌ／４であるとし、ｉＭＡＸがｘ＝０で生じると仮定する。図２（ａ）に示すようにタッチダウンベアリングが２箇所である場合には、ｉＭＡＸおよびｖＭＡＸは式（３）、（４）で与えられ、図２（ｂ）のようにタッチダウンベアリングが３箇所である場合には、ｉＭＡＸおよびｖＭＡＸは式（５）、（６）で与えられる。
ｉＭＡＸ＝ＷＳＬ／３ＥＩ …（３）
ｖＭＡＸ＝ＷＳＬ^２／１６ＥＩ …（４）
ｉＭＡＸ＝５ＷＳＬ／２４ＥＩ …（５）
ｖＭＡＸ＝３ＷＳＬ^２／１２８ＥＩ …（６）

式（３）〜（６）から、タッチダウベアリングが２箇所の場合の撓み量と３箇所の場合の撓み量との比は、２４：１５となる。一方、撓み角の比は８：３となる。このように、タッチダウンベアリングを３箇所とすることにより撓み量および撓み角の両方とも大幅に抑制される。ここで、撓み量および撓み角の影響について説明する。

撓み角ｉＭＡＸは、図２に示すようにシャフト７とロータ２０の締結面の傾きを表す。締結面が傾くことによってロータ２０の全体が傾くことになり、ロータ２０とステータ側とが接触するおそれがある。特に、隙間の狭いモレキュラードラッグポンプ部において、固定円筒部１２と回転円筒部２２とが接触して損傷するおそれがある。ところで、モレキュラードラッグポンプ部の隙間は排気性能に大きく影響する。そのため、本実施の形態のようにタッチダウンベアリングを３箇所設けて撓み角を従来よりも小さく抑えることで、モレキュラードラッグポンプ部の接触を防止するとともに、モレキュラードラッグポンプ部の隙間をより狭く設定して排気性能の向上を図ることも可能となる。

一方、撓み量ｖＭＡＸの発生は、シャフト７のモータ６や磁気軸受部分での接触を招く。しかしながら、タッチダウンベアリングを２箇所から３箇所と増やすことで撓み量ｖＭＡＸを小さく抑えることができ、接触による不具合を防止することができる。なお、本実施の形態のターボ分子ポンプに用いられている５軸制御型の磁気軸受の場合、ラジアル磁気軸受３１，３２がシャフト７に沿って２箇所設けられ、その間にモータ６が設ける構成が一般的である。磁気軸受３１〜３３やモータ６は小さなギャップに設定されており、ギャップ管理が重要である。図２（ａ）のようにタッチダウンベアリングを２箇所設ける構成では、モータ６の近辺が最も撓み易い位置に近く、モータ６の接触が問題となる。しかし、本実施の形態のようにタッチダウンベアリング２７をモータ６の近傍に設けることで、モータ６の接触を回避することが容易となる。

図３は他の実施形態を示す図である。図１に示すポンプでは下側のタッチダウンベアリング２８を一対のアンギュラベアリングで構成し、それらにより上下スラスト方向の荷重を受けるようにした。一方、図３に示すポンプでは、上部のタッチダウンベアリング２６ａにアンギュラベアリングを用い、ラジアル方向および下向きのスラスト荷重を受けるようにした。さらに、下部のタッチダウンベアリング２８ａはアンギュラベアリングを一つだけ使用し、ラジアル方向および上向きのスラスト荷重を受けるようにした。

図４はタッチダウンベアリング２６ａの部分を拡大して示したものであり、符号Ａで示したように、タッチダウン時にはシャフト７がタッチダウンベアリング２６ａの内輪上に乗り、スラスト荷重を受けるようになっている。このような構成とすることにより、ベアリングの数を３つに減らすことができ、図１の構成に比べてコストを下げることができる。なお、図３の例では、上部のタッチダウンベアリング２６ａにアンギュラベアリング、中間のタッチダウンベアリング２７に深溝ベアリングを用いたが、逆の組み合わせでも良く、組み合わせやベアリングの種類は問わない。

以上説明した実施の形態では、磁気軸受式ターボ分子ポンプを例に説明したが、磁気軸受により支持される回転体を有する真空ポンプであればターボ分子ポンプに限らず適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す図である。タッチダウン時のシャフト７の撓みを説明する模式図であり、（ａ）はシャフト７の両端付近にタッチダウンベアリング２６，２８を配置した従来の場合を示し、（ｂ）は本実施の形態の場合を示す。本発明に係る真空ポンプの他の実施形態を示す図である。タッチダウンベアリング２６ａ部分の拡大図である。

符号の説明

１：ポンプ本体、６：モータ、７：シャフト、１１：固定翼、２０：ロータ、２１：回転翼、２２：回転円筒部、２６〜２８，２６ａ，２８ａ：タッチダウンベアリング、３１，３２：ラジアル磁気軸受、３３：スラスト磁気軸受

Claims

磁気軸受により支持される回転体を有する真空ポンプにおいて、
前記磁気軸受による支持が停止された時または前記磁気軸受による正常な支持が不能な時に前記回転体を支持するタッチダウン軸受を、前記回転体の回転軸方向に沿って所定間隔で３箇所以上設けたことを特徴とする真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記磁気軸受は、前記回転体の回転軸に沿って所定間隔で設けられた第１および第２のラジアル軸受を備え、
前記回転軸に沿った３箇所に第１〜３のタッチダウン軸受を設けるとともに、前記回転軸に沿って前記第１のタッチダウン軸受、前記第１のラジアル磁気軸受、前記第２のタッチダウン軸受、前記第２のラジアル軸受および前記第３のタッチダウン軸受の順に配置したことを特徴とする真空ポンプ。
請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
前記３箇所以上に設けられた前記タッチダウン軸受の内、１箇所は前記回転軸の第１のスラスト方向の力を受けるアンギュラベアリングであり、残りの内の１箇所は第２のスラスト方向の力を受けるアンギュラベアリングであることを特徴とする真空ポンプ。