JP2013117308A - 転がり軸受を備えた真空ポンプ - Google Patents
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Abstract
【課題】真空ポンプの高速回転ロータの支持を改善する転がり軸受を備えた真空ポンプを提供する。
【解決手段】ロータおよび転がり軸受を備えた真空ポンプであって、転がり軸受はロータを回転可能に支持し且つ転がり本体３２を含み、転がり本体３２がボール直径１０２を有し且つ転がり本体３２のボール中心点１００が円周を有するピッチ円１０４上に位置する、転がり軸受を備えた真空ポンプに関するものである。高速回転ロータの支持を改善するために、転がり軸受が完全にボールのみで支持器なしで形成され且つ支持ボールのボール直径１０２の総和が円周の約０．８５倍ないし０．９７倍の値であることが提案される。
【選択図】図２
【解決手段】ロータおよび転がり軸受を備えた真空ポンプであって、転がり軸受はロータを回転可能に支持し且つ転がり本体３２を含み、転がり本体３２がボール直径１０２を有し且つ転がり本体３２のボール中心点１００が円周を有するピッチ円１０４上に位置する、転がり軸受を備えた真空ポンプに関するものである。高速回転ロータの支持を改善するために、転がり軸受が完全にボールのみで支持器なしで形成され且つ支持ボールのボール直径１０２の総和が円周の約０．８５倍ないし０．９７倍の値であることが提案される。
【選択図】図２
Description
本発明は、請求項１の上位概念に記載の転がり軸受を備えた真空ポンプに関するものである。
分子作用原理またはターボ分子作用原理に基づく真空ポンプは高速回転ロータを有している。回転数は毎分数万回転の範囲内にある。ロータを支持するために転がり軸受が使用され、この場合、グリース潤滑のみならず潤滑剤循環潤滑もまた使用される。
グリース潤滑される転がり軸受は有利で簡単な支持構造を提供するが、最大許容温度および達成可能な寿命は循環潤滑に比較して限定されている。
循環潤滑は確かに寿命および使用温度に関して改善を意味するが、構造が複雑である。このシステムにおいては、しばしば、潤滑剤供給の改善が図られている。ドイツ特許公開第１０２００７０１４１４２Ａ１号は、例えば、保持器の内側に設けられた螺旋状溝により保持器と外輪との間に潤滑膜を形成することを提案する。
循環潤滑は確かに寿命および使用温度に関して改善を意味するが、構造が複雑である。このシステムにおいては、しばしば、潤滑剤供給の改善が図られている。ドイツ特許公開第１０２００７０１４１４２Ａ１号は、例えば、保持器の内側に設けられた螺旋状溝により保持器と外輪との間に潤滑膜を形成することを提案する。
したがって、本発明の課題は、真空ポンプの高速回転ロータの支持を改善する転がり軸受を備えた真空ポンプを提供することである。
この課題は、独立請求項の特徴により解決される。本発明の有利な形態が従属請求項２ないし１２に示されている。
主請求項に記載のように形成された真空ポンプの転がり軸受は、一方で支持するボールの数に関する高い支持数（又は支持強度、支持指標）と、他方で保持器を省略することに基づく低減された摩擦と、を特徴とする。低減された摩擦は軸受温度を低下させ、これにより摩耗が低下し且つ潤滑量を減少することが可能である。これは真空ポンプの真空範囲内における潤滑剤損失のリスクを低下させ且つコストを低減させる。高い支持数は小さい寸法の転がり軸受の使用を可能にし、このことは高い回転数を可能にし且つコストを低減させる。同時に、保持器を省略することによりエラー源が排除される。請求項１に記載の形態により、高速回転ロータを備えた真空ポンプ内に使用するために、完全にボールのみの転がり軸受を提供し、且つこれにより、完全にボールのみの転がり軸受はきわめて小さい寿命のために高い回転数に対して適切ではないという先入観を克服することが可能となった。
主請求項に記載のように形成された真空ポンプの転がり軸受は、一方で支持するボールの数に関する高い支持数（又は支持強度、支持指標）と、他方で保持器を省略することに基づく低減された摩擦と、を特徴とする。低減された摩擦は軸受温度を低下させ、これにより摩耗が低下し且つ潤滑量を減少することが可能である。これは真空ポンプの真空範囲内における潤滑剤損失のリスクを低下させ且つコストを低減させる。高い支持数は小さい寸法の転がり軸受の使用を可能にし、このことは高い回転数を可能にし且つコストを低減させる。同時に、保持器を省略することによりエラー源が排除される。請求項１に記載の形態により、高速回転ロータを備えた真空ポンプ内に使用するために、完全にボールのみの転がり軸受を提供し、且つこれにより、完全にボールのみの転がり軸受はきわめて小さい寿命のために高い回転数に対して適切ではないという先入観を克服することが可能となった。
従属請求項の特徴は上記の利点を補い且つ追加の利点をもたらす。請求項２、３および５の特徴は容易に装着可能な転がり軸受を示す。内輪および／または外輪は第１および第２の部分輪を含んでいてもよい。この場合、内輪および／または外輪の転がり面は溝として形成されていてもよく、および特に内輪ないしは外輪の第１および第２の部分輪により共通に形成されていてもよい。請求項４に記載のように、間隔保持ボールがないので全てのボールが支持するように形成され、これにより特に小さな軸受が使用可能である。請求項６および７に記載の材料選択は摩耗を低減し且つさらに潤滑量の減少を可能にする。特に、セラミック・ボール間の摩擦は鋼球間の摩擦よりも明らかに小さい。二次効果として、セラミック・ボールは小さい軸受の選択を可能にする。原理的に、転がり軸受は液体潤滑剤で潤滑されていてもよい。完全にボールのみの形態は、請求項９に記載のグリース潤滑支持に対してのみならず請求項１０に記載の循環潤滑される転がり軸受に対してもまた改善を提供する。保持器がないことは、潤滑剤循環潤滑される転がり軸受において、請求項１１に記載の潤滑剤例えばペルフルオロポリエーテルを使用したときに有利に働く。請求項１２に記載の円錐面は、保持器のない転がり軸受内において、特に良好な潤滑剤供給を行い、これにより潤滑剤量が著しく低減可能である。
転がり軸受は、真空ポンプの正常運転、特に連続運転の間、ロータを回転可能に支持するように形成されていることが好ましく、したがって一方でポンプのハウジングに固定され、他方でロータと係合するか、ないしはハウジングおよびロータとそれぞれ固定結合されていることが好ましい。例えば、転がり軸受の外輪が軸受取付け部（軸受箱または軸受枠部）内に保持されていてもよく、一方、軸受取付け部（軸受箱または軸受枠部）はハウジング内に保持されている。転がり軸受の内輪または特に転がり軸受の内輪の２つの部分輪は、ロータ上にないしは特にロータの軸上に配置されていてもよい。
一実施例およびその変更態様により、本発明を詳細に説明し且つそれらの利点を解明することとする。
本発明が、以下に、ターボ分子構造タイプの真空ポンプの例により説明される。図１に、真空ポンプが断面図で示されている。真空ポンプのハウジング２はフランジ４を有し、フランジ４により、真空ポンプは図示されていない室のフランジと結合可能である。フランジは吸込開口６を包囲し、吸込開口６を介して真空ポンプはガスを吸引する。出口８を介して、圧縮されたガスが真空ポンプから流出する。
真空ポンプ内にロータ１０が配置され、ロータ１０は軸１２を有している。軸は２つの点で回転可能に支持される。一方の点に、外輪３４、内輪３６およびこれらの輪間に配置されたボール３２を有する、完全にボールのみで保持器のない転がり軸受３０が存在し、他方の点に、永久磁気軸受１６が設けられていてもよく、永久磁気軸受１６は摩耗がなく且つ潤滑剤がないので高真空領域内に配置可能であることが有利である。転がり軸受の外輪３４は軸受取付け部（軸受箱）２８内に保持され、一方、軸受取付け部２８はハウジング２内に保持されている。軸受取付け部２８は、転がり軸受３０が揺動を実行可能であるが、揺動が減衰されるように設計されている。
真空ポンプ内にロータ１０が配置され、ロータ１０は軸１２を有している。軸は２つの点で回転可能に支持される。一方の点に、外輪３４、内輪３６およびこれらの輪間に配置されたボール３２を有する、完全にボールのみで保持器のない転がり軸受３０が存在し、他方の点に、永久磁気軸受１６が設けられていてもよく、永久磁気軸受１６は摩耗がなく且つ潤滑剤がないので高真空領域内に配置可能であることが有利である。転がり軸受の外輪３４は軸受取付け部（軸受箱）２８内に保持され、一方、軸受取付け部２８はハウジング２内に保持されている。軸受取付け部２８は、転がり軸受３０が揺動を実行可能であるが、揺動が減衰されるように設計されている。
ロータ１０上にターボ分子構造タイプのロータ・ディスク１４が設けられ、ロータ・ディスク１４は、同様にターボ分子構造タイプのステータ・ディスク２０と協働し且つロータ１０の高速回転においてポンプ作用を発生する。分子ポンプ効果を達成するために適し且つ毎分数万回転の範囲内にある高速回転は、駆動装置により発生される。駆動装置は、ロータ１０上に固定された駆動磁石２６および真空ポンプのハウジング２内に設けられた駆動コイル２４を含んでいてもよい。
完全にボールのみで保持器のない転がり軸受の構造を図２の略図で説明することとする。
転がり軸受の内輪に存在する内側転がり面１０８と、転がり軸受の外輪に形成されている外側転がり面１１０とが示されている。転がり面の間にボール３２が存在し、ボール３２はそれぞれボール中心点１００を有している。ボール中心点１００は、良好な近似において、円即ちピッチ円１０４上に存在し、ピッチ円１０４は、ピッチ円直径１０６およびこれから得られる円周を有している。支持ボール３２が示され、支持ボール３２は、内側および外側転がり面１０８、１１０上を同時に転がる。支持ボール３２のボール直径１０２の総和は、円１０４の円周の約０．８５倍ないし０．９７倍の値となっていることが好ましい。図２に示す図は、寸法に関して正確ではない。支持ボール３２のボール直径１０２の総和を、円１０４の円周の約０．８５倍ないし０．９７倍の値とすることにより、転がり軸受は、きわめて良好な転がり特性となり、また、長寿命が達成される。有利な一変更態様により、支持ボール３２のボール直径１０２の総和が円周の約０．８９倍ないし０．９２倍の値であってもよい。
転がり軸受の内輪に存在する内側転がり面１０８と、転がり軸受の外輪に形成されている外側転がり面１１０とが示されている。転がり面の間にボール３２が存在し、ボール３２はそれぞれボール中心点１００を有している。ボール中心点１００は、良好な近似において、円即ちピッチ円１０４上に存在し、ピッチ円１０４は、ピッチ円直径１０６およびこれから得られる円周を有している。支持ボール３２が示され、支持ボール３２は、内側および外側転がり面１０８、１１０上を同時に転がる。支持ボール３２のボール直径１０２の総和は、円１０４の円周の約０．８５倍ないし０．９７倍の値となっていることが好ましい。図２に示す図は、寸法に関して正確ではない。支持ボール３２のボール直径１０２の総和を、円１０４の円周の約０．８５倍ないし０．９７倍の値とすることにより、転がり軸受は、きわめて良好な転がり特性となり、また、長寿命が達成される。有利な一変更態様により、支持ボール３２のボール直径１０２の総和が円周の約０．８９倍ないし０．９２倍の値であってもよい。
外輪および内輪の少なくともいずれかが、重量％において、炭素０．２５−０．３５、クロム１４−１６、モリブデン０．８５−１．１０および窒素０．３−０．５の合金元素を有する鋼を含むとき、寿命がさらに上昇可能である。その性質のさらなる改善を達成するために、材料は、さらに、成分として、重量％において、１以下のケイ素、１以下のマンガンおよび０．５以下のニッケルを含んでいてもよい。
支持ボール３２がセラミックで構成されたとき、さらなる寿命の上昇が達成される。その材料が主成分として窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を含むボール３２が有利である。
全てのボール３２が支持するように形成されていてもよく、これにより転がり軸受は高い荷重を支持可能である。この場合、保持器および間隔保持ボールのような摩擦によって摩耗させる構造要素が省略され、これにより、大きさが小さく、寿命が長く且つ高い回転数に対して適した転がり軸受が提供される。
他の形態可能性を図３の断面図により説明することとする。転がり軸受および軸受取付け部を有する領域の断面図が示されている。
転がり軸受の内輪は、第１および第２の部分輪３６１および３６２を有する２つの部分で形成されている。両方の部分輪３６１、３６２が軸１２上に配置されている。内輪の分割は、回転軸１１２に対して垂直な平面内で、分割が転がり面の高さ内に位置しているように行われることが好ましい。
転がり軸受の内輪は、第１および第２の部分輪３６１および３６２を有する２つの部分で形成されている。両方の部分輪３６１、３６２が軸１２上に配置されている。内輪の分割は、回転軸１１２に対して垂直な平面内で、分割が転がり面の高さ内に位置しているように行われることが好ましい。
内輪の分割の代わりにまたはそれに追加して、外輪３４が分割されて形成され且つ第１および第２の部分輪３４１および３４２を有していてもよく、この場合、分割は、転がり面の高さにおいて且つ回転軸１１２に対して垂直な平面内に位置していることが好ましい。
外輪３４または内輪の分割は、転がり面を溝として形成し且つ同時に多数の支持ボール３２を設けることを可能にする。このようにして、支持ボール３２のボール直径の総和はピッチ円の円周の約０．９０倍ないし０．９７倍の値であってもよい。
転がり軸受の外輪３４は軸受取付け部内に保持され、軸受取付け部は、図示の例においては次のように形成されている。即ち、ハウジング２と転がり軸受の外輪３４との間に、且つ両方と機械的接触をなして、揺動要素５０、５２および５４が配置されている。これらの揺動要素５０、５２および５４は、簡単に、エラストマー・リングとして形成されていてもよい。エラストマー・リングは軸受取付け部を提供し、軸受取付け部内において転がり軸受は軸方向および半径方向に揺動可能に保持され、この場合、揺動は減衰される。
潤滑剤は、多層フェルト状材料から形成されていてもよい潤滑剤貯蔵装置６０内に貯蔵され且つ潤滑剤供給装置６２例えば舌片によりフェルト状材料からナット６４に供給される。ナット６４は円錐面６６を有し、円錐面６６の直径は、表面６６および潤滑剤供給装置６２の接触点と、転がり軸受との間で増加する。円錐面６６は、転がり軸受の領域内において、潤滑剤が転がり軸受内に供給されるように終端する。
一形態可能性により、反応不活性であり且つ９０℃を超える温度に対して適切な潤滑剤を使用することが提案される。特に、このような潤滑剤として、ペルフルオロポリエーテルが適している。この潤滑剤は真空ポンプ内の使用において有利であり、その理由は、これは９０℃を超える高温および１１０℃を超える高温にも耐え且つ反応不活性であるからである。
有利な一変更態様において、円錐面６６は、転がり軸受の内輪および外輪３４により境界が形成される容積７０内に部分６８を有している。これにより、特に転がり軸受内への確実な供給が保証される。部分６８が、潤滑剤の均等分散を行わせる遠心放射端縁７２内において終端するとき、さらなる改善が達成される。
次の一変更態様は、転がり軸受の外輪３４内に少なくとも１つの排出通路４０を提供することを提案し、排出通路４０を介して、潤滑剤は、内輪および外輪３４により境界が形成された内部室から流出可能である。これにより、内部室内における潤滑剤の停滞が回避される。潤滑剤を排出通路から受け取り且つ潤滑剤貯蔵装置に戻すために、潤滑剤戻し装置７４が設けられていてもよい。この潤滑剤戻し装置７４は、毛管力（毛管現象による力又は毛細管現象による力）により供給する材料から形成されていてもよいことが有利であり、これにより、重力方向に関する真空ポンプのあらゆる姿勢においてその供給作用が存在する。
他の一変更態様は、円錐面６６とは反対側において、外輪３４に、内輪および外輪３４の間の容積７０をほぼカバーするリング形状フランジ４２を設けることを提案する。目的は、軸１２に沿った潤滑剤の流れを著しく低減させることである。これは、シール・カラー４４によりさらに改善可能であり、シール・カラー４４は、フランジ４２の半径方向内縁に設けられ且つ内輪および外輪３４の間の中間室内に伸長する。シール・カラー４４と内輪との間の隙間は、内輪が複数の部分から形成されているとき、特に狭く選択可能であり、その理由は、このとき、隙間の寸法決定において、転がり軸受の装着可能性特に装填可能性に注意を払う必要がないからである。
２ ハウジング
４ フランジ
６ 吸込開口
８ 出口
１０ ロータ
１２ 軸
１４ ロータ・ディスク
１６ 永久磁気軸受
２０ ステータ・ディスク
２４ 駆動コイル
２６ 駆動磁石
２８ 軸受取付け部（軸受箱又は軸受枠部）
３０ 転がり軸受
３２ 転がり本体（支持ボール）
３４ 外輪
３６ 内輪
４０ 排出通路
４２ フランジ
４４ シール・カラー
５０、５２、５４ 揺動要素
６０ 潤滑剤貯蔵装置
６２ 潤滑剤供給装置
６４ 構造部分（ナット）
６６ 円錐面
６８ 部分
７０ 容積
７２ 遠心放射端縁
７４ 潤滑剤戻し装置
１００ ボール中心点
１０２ ボール直径
１０４ ピッチ円
１０６ ピッチ円直径
１０８ 内側転がり面
１１０ 外側転がり面
１１２ 回転軸
３４１ 外輪の第１の部分輪
３４２ 外輪の第２の部分輪
３６１ 内輪の第１の部分輪
３６２ 内輪の第２の部分輪
４ フランジ
６ 吸込開口
８ 出口
１０ ロータ
１２ 軸
１４ ロータ・ディスク
１６ 永久磁気軸受
２０ ステータ・ディスク
２４ 駆動コイル
２６ 駆動磁石
２８ 軸受取付け部（軸受箱又は軸受枠部）
３０ 転がり軸受
３２ 転がり本体（支持ボール）
３４ 外輪
３６ 内輪
４０ 排出通路
４２ フランジ
４４ シール・カラー
５０、５２、５４ 揺動要素
６０ 潤滑剤貯蔵装置
６２ 潤滑剤供給装置
６４ 構造部分（ナット）
６６ 円錐面
６８ 部分
７０ 容積
７２ 遠心放射端縁
７４ 潤滑剤戻し装置
１００ ボール中心点
１０２ ボール直径
１０４ ピッチ円
１０６ ピッチ円直径
１０８ 内側転がり面
１１０ 外側転がり面
１１２ 回転軸
３４１ 外輪の第１の部分輪
３４２ 外輪の第２の部分輪
３６１ 内輪の第１の部分輪
３６２ 内輪の第２の部分輪
Claims (12)
- 特に高速で回転するロータ（１０）および転がり軸受（３０）を備えた真空ポンプであって、
転がり軸受（３０）は、ロータ（１０）を回転可能に支持し且つ転がり本体（３２）を含み、転がり本体（３２）がボール直径（１０２）を有し且つ転がり本体（３２）のボール中心点（１００）が円周を有するピッチ円（１０４）上に位置する、転がり軸受（３０）を備えた真空ポンプにおいて、
転がり軸受（３０）が完全にボールのみで支持器なしで形成され、支持ボールのボール直径（１０２）の総和が円周の約０．８５倍ないし０．９７倍の値であることを特徴とする転がり軸受を備えた真空ポンプ。 - 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
転がり軸受が、第１の部分輪（３６１）および第２の部分輪（３６２）を有する内輪（３６）を含むことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
内輪（３６）の転がり面（１０８）が溝として形成され、溝は第１の部分輪（３６１）および第２の部分輪（３６２）にわたり伸長することを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
全てのボールが支持ボールであることを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
転がり軸受が、第１の部分輪（３４１）および第２の部分輪（３４２）を有する外輪（３４）を含むことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
外輪（３４）および内輪（３６）の少なくともいずれかが、重量％において、炭素０．２５−０．３５、クロム１４−１６、モリブデン０．８５−１．１０および窒素０．３−０．５の合金元素を有する鋼を含むことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の真空ポンプにおいて、
支持ボールがセラミックであることを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の転がり軸受（３０）を備えた真空ポンプにおいて、
真空ポンプがターボ分子ポンプとして形成されている、真空ポンプ。 - 請求項８に記載の真空ポンプにおいて、
転がり軸受（３０）がグリース潤滑されていることを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項８に記載の真空ポンプにおいて、
真空ポンプが、転がり軸受（３０）に潤滑剤を供給するために、潤滑剤循環潤滑を含むことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項１０に記載の真空ポンプにおいて、
潤滑剤は反応不活性でありおよび／または９０℃を超える温度に対して適していることを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項１０または１１のいずれかに記載の真空ポンプにおいて、
潤滑剤循環潤滑が円錐面（６６）を有する構造部分（６４）を含み、
円錐面（６６）が、転がり軸受（３０）の内輪（３６）および外輪（３４）の間の容積（７０）内に配置されている部分（６８）を有することを特徴とする真空ポンプ。
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- 2012-12-03 JP JP2012264170A patent/JP5840596B2/ja active Active
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