JP2009235923A - 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、モータ51と回転軸1を支承する軸受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、排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力をうち消す方向に作用するスラスト磁気軸受55を設け、回転体の軸方向変位を検出する変位センサ46を設けた。
【選択図】図1
Description
また、特許文献2に記載されたように、スラスト荷重を打ち消す手法として、永久磁石の反発力を利用する場合には、永久磁石の反発力は、クリアランスが狭くなれば強まるものであるが、反発力(すなわちクリアランス)を制御できるものではなく、したがって、回転体のスラスト位置を制御することはできないという問題がある。
また本発明の他の態様は、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、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、前記気体軸受の近傍に前記回転軸を有した回転体の軸方向変位を検出する変位センサを設けたことを特徴とする。
本発明では、差圧によるスラスト力を打ち消す方向のスラスト磁気軸受を設け、スラスト力を発生させる構成に、少なくとも一つ制御可能なものを加えることにより、回転体のスラスト方向の高精度な位置制御が可能となり、性能の安定化が図れる。
本発明の好ましい態様は、前記回転体における前記変位センサのターゲットになる部分に導電性材料または磁性材料の表面処理を施したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記回転体における前記変位センサのターゲットになる部分に導電性材料または磁性材料の薄板を設けたことを特徴とする。
本発明において、変位センサのターゲットになる回転体の部分がセラミックスで構成される場合、変位センサが渦電流型センサや誘導型センサでは、ターゲットを検出することができない。そこで、変位センサが渦電流センサの場合には、ターゲットになる部分に導電性材料による表面処理を施せばよい。変位センサが誘導型センサの場合には、ターゲットになる部分に磁性材料による表面処理を施せばよい。また、変位センサのターゲットになる回転体の部分に、導電性材料や磁性材料からなる薄板を設けてもよい。
また、本発明の他の態様は、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、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、ポンプ吸気口またはポンプ内部の真空圧を測定する真空計を設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記スラスト磁気軸受の近傍に、前記回転軸の軸方向変位を検出する変位センサを設けたことを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、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、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、ポンプ吸気側にある真空計で測定した真空圧を前記スラスト磁気軸受の制御部に入力するようにしたことを特徴とする。
(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たことにより、回転体を軸方向に数ミクロン(μm)から数十ミクロン(μm)の精度で回転保持することが可能となる。ポンプの圧縮作用による差圧によるスラスト力により、回転体が軸方向に変位し、気体軸受の微小クリアランス部での接触により安定回転ができなくなることを防ぐために、その変位量を気体軸受の近傍に設置された変位センサにより検出し、スラスト磁気軸受により差圧によるスラスト力を打ち消す方向に回転体を吸引し、回転体を安定して回転させることができる。
(2)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たことにより、回転体を軸方向に数ミクロン(μm)から数十ミクロン(μm)の精度で回転保持することが可能となる。ポンプの圧縮作用による差圧によるスラスト力により、回転体が軸方向に変位し、気体軸受の微小クリアランス部での接触により安定回転ができなくなることを防ぐために、ポンプ吸気口またはポンプ内部に設けた真空計により、ポンプ排気部の排気側と吸気側の差圧そのものを測定してスラスト磁気軸受の制御部に入力し、スラスト磁気軸受により差圧によるスラスト力を打ち消す方向に回転体を吸引し、回転体を安定して回転させることができる。
(3)回転軸のスラスト方向の変位(熱変形量)を計測するための変位センサをスラスト磁気軸受の近傍に設置し、回転軸が変形することによる磁気クリアランスの変化分を、発生するスラスト荷重に対し補正することにより過大なスラスト力の発生を抑えることができる。
(4)回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受とスラスト磁気軸受とを用いたことにより、気体軸受のクリアランスの維持が容易になり、気体軸受を構成する部品がそれほど厳しい加工精度を必要としないため、安価な装置とすることができる。
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。
Fp+Fδdu=Fm+FAxMBg+Fδdl
ここで、Fpと(Fm+FAxMBg)とを釣り合わせると、気体軸受40の上のクリアランス(δdu)と下のクリアランス(δdl)は同じになる。すなわち、スラスト磁気軸受55による吸引力(FAxMBg)を、ポンプ排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力(Fp)から回転体自重(Fm)を減算した値に等しくなるように制御すれば、気体軸受40の上下のクリアランスを等しく(δdu=δdl)できる。
本発明では、差圧によるスラスト力を打ち消す方向のスラスト磁気軸受55を設け、スラスト力を発生させる構成に、少なくとも一つ制御可能なものを加えることにより、回転体のスラスト方向の高精度な位置制御が可能となり、性能の安定化が図れる。
スラスト磁気軸受55の磁気吸引力は、吸引対象が近づくほど(磁気クリアランスが小さくなるほど)大きくなる。ポンプは高速回転することにより、高周波モータ部での発熱などにより、回転軸がスラスト方向に伸びる。図7において、回転軸1がスラスト方向に伸びた状態を破線で示している。よって、スラスト磁気軸受55に同じ制御量が入力したとしても、スラスト磁気軸受55の磁気クリアランスが異なると、発生するスラスト力は異なってしまう。そのため、図7に示すように、回転軸1のスラスト方向の変位(熱変形量)を計測するための変位センサ75をスラスト磁気軸受55の近傍に設置し、回転軸1が変形することによる磁気クリアランスの変化分を、発生するスラスト荷重に対し補正することにより過大なスラスト力の発生を抑えることができる。この回転軸のスラスト方向変位を検出する方法としては、変位センサを用いる方法以外に、例えばモータ部、ラジアル磁気軸受部の温度を計測することにより、回転軸のスラスト方向の熱変形量を算出してもよい。
ポンプ排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧を真空計を用いて求める方法以外に、回転数に応じたポンプ性能を予め求めておき、回転数によるポンプ吸気圧から差圧を算出してもよい。
図9(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9(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9(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9(a)および図9(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
22,32 遠心翼
22a,32a,42a 遠心翼要素
23 固定翼
24 ボス部
24h 貫通孔
25,35 基部
31 第2遠心翼排気部
33 固定翼
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
46 変位センサ
47 表面処理
48 薄板
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
70 真空計
75 変位センサ
81 上保護ベアリング
82 下保護ベアリング
90 真空チャンバ
141 回転側部材(回転側部位)
142 上側固定側部材(上側固定側部位)
143 下側固定側部材(下側固定側部位)
145 スパイラル溝
Claims (11)
- 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、
前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、前記気体軸受の近傍に前記回転軸を有した回転体の軸方向変位を検出する変位センサを設けたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。 - 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、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、
前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、前記気体軸受の近傍に前記回転軸を有した回転体の軸方向変位を検出する変位センサを設けたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。 - 前記変位センサは、渦電流型センサまたは誘導型センサからなることを特徴とする請求項1または2記載のターボ型真空ポンプ。
- 前記回転体における前記変位センサのターゲットになる部分に導電性材料または磁性材料の表面処理を施したことを特徴とする請求項3記載のターボ型真空ポンプ。
- 前記回転体における前記変位センサのターゲットになる部分に導電性材料または磁性材料の薄板を設けたことを特徴とする請求項3記載のターボ型真空ポンプ。
- 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、
前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、ポンプ吸気口またはポンプ内部の真空圧を測定する真空計を設けたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。 - 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、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、
前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、ポンプ吸気口またはポンプ内部の真空圧を測定する真空計を設けたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。 - 前記真空計は、隔膜式真空計または電離真空計またはピラニー真空計からなることを特徴とする請求項6または7記載のターボ型真空ポンプ。
- 前記スラスト磁気軸受の近傍に、前記回転軸の軸方向変位を検出する変位センサを設けたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のターボ型真空ポンプ。
- 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、
前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、ポンプ吸気側にある真空計で測定した真空圧を前記スラスト磁気軸受の制御部に入力するようにしたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。 - 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、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、
前記排気部の排気作用による排気側と吸気側の差圧によるスラスト力に対し、それを打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受を設け、ポンプ吸気側にある真空計で測定した真空圧を前記スラスト磁気軸受の制御部に入力するようにしたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。
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