JP2009235921A - ターボ型真空ポンプ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポンプの略全長に亘って延びる回転軸1と、ケーシング2内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部10と、回転軸1に回転駆動力を与えるモータ51と回転軸1を回転自在に支承する軸受53,54,55とを有した軸受モータ部50を備えたターボ型真空ポンプにおいて、回転軸1をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受40を用い、該気体軸受の固定側部位41の両面にスパイラル溝45を形成し、回転軸1に固定された上側回転側部位42と下側回転側部位43とにより、スパイラル溝45の形成された固定側部位41を挟み込むようにし、上側回転側部位42に、スパイラル溝45と対向する面と逆の面に、気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼要素42aを形成した。
【選択図】図1
Description
気体を超高真空から大気圧まで圧縮するためには、翼の多段化が必要になる。ここで、回転翼と固定翼の温度を比較すると、当然、回転翼側の方が温度は高くなる。そのため、多段化した場合に各段のクリアランスを同じにすると、この温度差のために回転翼と固定翼の熱膨張差が生じ、上流側のクリアランスが徐々に狭くなり、接触が生ずる恐れがある。このため、各段の翼クリアランスを、この温度差を考慮して調整しなければならない。しかし、各段の翼クリアランスは非常に微小であるため、すべての段のクリアランスを計測・調整することは非常に手間を要し、組立時間の延長を招くものである。そこで、本発明のように、翼クリアランスが、排気側から吸気側に向かって徐々に大きくなるように設定しておくことが好適である。
本発明によれば、固定翼側の軸方向厚さを、回転翼側よりも予め厚めに設定しておくことにより、段数を積み上げる毎に、翼クリアランスは自ずと拡大していく。例えば、固定翼側の軸方向厚さを、回転翼側の軸方向厚さよりも予めtμm厚めに設定しておき、気体軸受に最も近い遠心翼段の翼クリアランスをCLμmと仮定すれば、次の段の翼クリアランスはCLμm+tμmとなり、その次の段の翼クリアランスはCLμm+2×tμmとなり、段数を積み上げる毎に、翼クリアランスは自ずと拡大していく。この寸法差は、回転翼側と固定翼側の温度差を考慮して決定すれば良い。また回転翼と固定翼の材質が違うのであれば、それらの線膨張係数の差も考慮すれば良い。
微小クリアランスの翼を多段化するためには、各部品の精度ができるだけ高いに越したことはない。気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼溝からなる遠心翼要素は、気体を内周側から外周側に排気する面に形成されている。すなわち、遠心翼要素は、遠心力の作用する方向に形成されている。しかしながら、この遠心翼要素が片面にのみ形成されている場合には、遠心翼面の撓み・変形が発生し易く、面の修正が必要となる。
本発明によれば、回転翼側において、遠心翼溝の形成されている逆側の面にも同様の遠心翼溝を形成することにより、面の撓み・変形は低減する。
本発明のターボ型真空ポンプでは、非常に微小な翼クリアランスを形成するため、各部品の材料としては、セラミックスが適している。回転翼側には、高強度を有する窒化珪素セラミックスなどが好適であり、固定翼側には、熱伝導率の高い炭化珪素セラミックスなどが好適である。固定翼側としては、その他にアルミナセラミックスも使用できる。回転翼にセラミックスといった線膨張係数の小さい材料(約3×10−6/℃)を用い、回転軸にステンレス鋼(マルテンサイト系ステンレス鋼)を用いた場合、ステンレス鋼(マルテンサイト系ステンレス鋼)の線膨張係数が約10×10−6/℃であるため、線膨張係数の差により、回転体の回転による昇温中に締結の緩みが発生する恐れがある。
本発明によれば、多段に配置された遠心翼要素を軸方向に締結するための部品の少なくとも一部に弾性変形構造部を設け、回転翼の軸方向締結時に、弾性変形構造部に、予め軸方向の変形を発生させておくことにより、熱変形による緩み防止を図ることができる。弾性変形構造部の材質としては、アルミ合金が好適である。
(1)回転軸と回転軸に固定された回転翼を含む回転体をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を採用し、気体軸受を構成している回転体側の部位、すなわち、上側回転側部位に、気体を半径方向に圧縮する遠心翼要素を一体に形成することにより、気体軸受と遠心翼の微小クリアランスの方向は同じスラスト方向であるので、遠心翼要素の翼クリアランスを、気体軸受のクリアランスとほぼ同等に設定可能である。したがって、遠心翼要素の翼クリアランスを精度よく制御することができる。
(2)軸方向に多段に配置された遠心翼要素の翼クリアランスを排気側から吸気側に向かって徐々に大きくなるように設定したため、温度差のために回転翼と固定翼の熱膨張差が生じ、上流側のクリアランスが徐々に狭くなる現象が生じても、回転翼と固定翼が接触する恐れはなく、また各段の翼クリアランスを、この温度差を考慮して計測・調整する必要がなく、組立時間の短縮をはかることができる。
(3)固定翼側の軸方向厚さを、回転翼側の軸方向厚さよりも予め厚めに設定しておくことにより、段数を積み上げる毎に、翼クリアランスを自ずと拡大させていくことができ、翼クリアランスの調整が不要となる。
(4)気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼要素の遠心翼溝を、回転翼側の軸方向の微小クリアランスを形成する面とその反対側の面の両方に形成したため、面の撓み・変形を低減することができ、面の修正が不要となる。
(5)多段に配置された遠心翼要素を軸方向に締結するための部品の少なくとも一部に弾性変形構造部を設け、回転翼の軸方向締結時に、弾性変形構造部に、予め軸方向の変形を発生させておくことにより、熱変形による緩み防止を図ることができる。
前記第1遠心翼排気部21は、多段の回転翼としての遠心翼22と、遠心翼22の直後
流側に配置された多段の固定翼23とを備えている。遠心翼22は、多段に積層されるとともに回転軸1の外周に嵌合されており、キー等の固定手段によって回転軸1に固定されている。また固定翼23も上ケーシング3内に多段に積層されている。これにより、第1遠心翼排気部21において、回転翼としての遠心翼22と、固定翼23とが交互に配置される構成になっている。各遠心翼22は、気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼溝からなる遠心翼要素22aを有している。
なお、図2においては、回転体が気体軸受40の軸方向中心で浮上しているときの状態を図示しているため、δdu(=δd)、δdl(=δd)としている。
大気圧領域にて、ターボ型翼要素の性能が悪い理由は、翼クリアランスが大きく、大気圧領域では逆流が多くなるためである。本発明の構造により、翼クリアランスの微小化を図ることができ、大気圧領域での大幅な圧縮性能の向上を図ることができる。
δen+1=δen+(Hs−Hr)
図7(a)、(b)は、タービン翼排気部11のタービン翼部13を示す図である。図7(a)は、タービン翼部13を吸気口側から見た平面図であり、ケーシング2の吸気口5に最も近い最上段のタービン翼12のみを示した図であり、図7(b)は、タービン翼12を放射状に中心に向かって見た図を平面上に部分的に展開した図である。図7(a)および図7(b)に示すように、タービン翼部13は、ボス部14と、タービン翼12とを有している。タービン翼12はボス部14の外周部に放射状に取り付けられた板状の複数の羽根12aを備えている。ボス部14には、中空部15及び貫通孔15hが形成されている。羽根12aは、回転軸1の中心軸線からβ1(例えば、10〜40度)だけねじれた捩れ角をもって取り付けられている。その他のタービン翼12の構成は、最上段のタービン翼12の構成と同じであるが、羽根の枚数、羽根の取付角度β1、ボス部14の羽根を取り付けた部分の外径、羽根の長さなどは、適宜変えてもよい。
タービン翼排気部11におけるタービン翼12が回転することによって、ポンプの吸気口5から軸方向にガスが導入される。タービン翼12を使用することにより排気速度を大きくすることができ、比較的多量の気体を排気することができる。吸気口5から導入されたガスは、最上段のタービン翼12を通過して固定翼17により減速され圧力が上昇する。同様に下流側のタービン翼12及び固定翼17により軸方向に排気され、圧力が上昇する。
気体軸受は、動圧型、静圧型どちらであっても、本発明の効果に影響はない。静圧型の場合は、外部気体供給手段が必要となる。
2 ケーシング
3 上ケーシング
4 下ケーシング
5 吸気口
6 排気口
10 排気部
11 タービン翼排気部
12 タービン翼
13 タービン翼部
14 ボス部
15 中空部
15h 貫通孔
16 ボルト
17 固定翼
18 スペーサ
21 第1遠心翼排気部
22 遠心翼
22a,32a,42a 遠心翼要素
23 固定翼
24 ボス部
24h 貫通孔
25 基部
31 第2遠心翼排気部
32 遠心翼
33 固定翼
35 基部
35h 貫通孔
40 気体軸受
41 固定側部材(固定側部位)
42 上側回転側部材(上側回転側部位)
43 下側回転側部材(下側回転側部位)
45 スパイラル溝
48 弾性変形構造部
48s スリット
50 軸受モータ部
51 モータ
53 上ラジアル磁気軸受
54 下ラジアル磁気軸受
55 スラスト磁気軸受
56 上スラスト磁気軸受
57 下スラスト磁気軸受
58 ターゲットディスク
81 上保護ベアリング
82 下保護ベアリング
Claims (5)
- ポンプの略全長に亘って延びる回転軸と、ケーシング内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部と、前記回転軸に回転駆動力を与えるモータと前記回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部を備えたターボ型真空ポンプにおいて、
前記回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を用い、該気体軸受の固定側部位の両面にスパイラル溝を形成し、前記回転軸に固定された上側回転側部位と下側回転側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された固定側部位を挟み込むようにし、
前記上側回転側部位に、前記スパイラル溝と対向する面と逆の面に、気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼要素を形成したことを特徴とするターボ型真空ポンプ。 - 気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼要素を軸方向に多段に配置し、前記遠心翼要素の翼クリアランスを排気側から吸気側に向かって徐々に大きくなるように設定したことを特徴とする請求項1記載のターボ型真空ポンプ。
- 気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼要素を軸方向に多段に配置し、前記遠心翼要素を有した前記回転翼の軸方向厚さに対して前記固定翼の軸方向厚さを、軸方向に形成される翼クリアランスの約10〜50%厚く形成したことを特徴とする請求項1記載のターボ型真空ポンプ。
- 気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼要素の遠心翼溝を、回転翼側の軸方向の微小クリアランスを形成する面とその反対側の面の両方に形成したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のターボ型真空ポンプ。
- 多段に配置された遠心翼要素を軸方向に締結する部品の少なくとも一部に弾性変形構造部を設けたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のターボ型真空ポンプ。
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CN113937926A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-14 | 西安交通大学 | 一种用于微型液泵的动力系统 |
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2008
- 2008-03-26 JP JP2008079534A patent/JP5047026B2/ja active Active
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