JP2020153341A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】グリース充填式軸受保持装置のグリース充填率をポンプ個体差にかかわらず一定にする。【解決手段】真空ポンプは、回転体を支持する転がり軸受４０と、転がり軸受４０の外輪を弾性支持する弾性部材が設けられている弾性保持装置とを有し、弾性保持装置は、外輪４２の外周側に設けられ、潤滑剤ＧＲで満たされた潤滑剤充填部５６と、潤滑剤充填部５６に連通する空所５７とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータを転がり軸受で支持する真空ポンプに関する。

従来、グリース潤滑された転がり軸受でロータの回転軸を支持する方式の真空ポンプが知られている。このような真空ポンプでは、ロータのアンバランスに起因する振れ回りにより振動が発生し、その振動がポンプ外部に伝達されるという問題がある。例えば、特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、転がり軸受を弾性部材で弾性支持して振動を減衰させるようにしている。

特許文献１に記載のターボ分子ポンプは、ロータを支持する転がり軸受と、転がり軸受の外輪を弾性的に保持する保持部と、外輪と保持部との間のグリース充填部に充填されグリースとを備えている。

特開２００６−５６７５０号公報

特許文献１に記載のターボ分子ポンプは、グリースが適切に充填されない場合、回転体の温度制御が不十分となり、また、発生する振動が適切に抑制できない。充填するグリースの量を調節することは製造工程が煩雑である。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、回転体を支持する転がり軸受と、前記転がり軸受の外輪を弾性部材で弾性支持する弾性保持装置とを有する。前記弾性保持装置は、前記外輪の外周側に設けられ、潤滑剤で満たされた潤滑剤充填部と、前記潤滑剤充填部に連通する空所とを有する。

本発明によれば、煩雑な製造工程を経ることなく、所望の冷却機能と振動抑制機能を実現することができる。

図１は本発明をターボ分子ポンプに適用した実施形態の概略構成を示す断面図である。 図２は、弾性保持装置の実施形態の構成を詳細に示す拡大図である。 図３は、弾性保持装置の変形例１の構成を詳細に示す拡大図である。 図４は、弾性保持装置の変形例２の構成を詳細に示す拡大図である。 図５は、弾性保持装置の変形例３の構成を詳細に示す拡大図である。 図６は、弾性保持装置の変形例４の構成を詳細に示す拡大図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
（ターボ分子ポンプの全体構成）
図１は本発明に係る真空ポンプの一実施形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ１００の断面図である。ターボ分子ポンプ１００は、ベース２とケーシング１０とで構成される筐体内に、ロータ３などの回転体を収容している。ケーシング１０の上端部に吸気口１０ａが設けられ、ベース２に排気口２ａが設けられている。
ロータ３はシャフト１に締結されており、そのシャフト１はモータ４により回転駆動される。ロータ３が締結されたシャフト１の上部は永久磁石軸受装置ＰＢで、下部は転がり軸受装置ＢＢで回転自在に支持されている。ロータ３には排気機能部として回転翼３０と円筒部３１とが形成されている。回転翼３０に対応して、固定側排気機能部としての固定翼２０が設けられている。回転翼３０と固定翼２０とによりターボポンプ部が構成される。円筒部３１に対応して、固定筒２１が固定側排気機能部として設けられている。この円筒部３１と固定筒２１とによりHolweckポンプ部（ねじ溝ポンプ部）が構成される。
このようなターボ分子ポンプ１００は、回転体の回転により、吸気口１０ａから吸い込んだ不図示の真空チャンバ内の気体を排気口２ａに排気することで、真空チャンバ内が真空排気される。

（永久磁石軸受装置ＰＢ）
永久磁石軸受装置ＰＢは、永久磁石６，７を用いた磁気軸受であり、円筒状の永久磁石６はロータ３に固定されている。一方、固定側の永久磁石７は磁石ホルダ１１に保持され、永久磁石６の内周側に対向配置されている。磁石ホルダ１１の中央には、転がり軸受９を保持する軸受ホルダ１３が固定されている。転がり軸受９はシャフト１の上側のラジアル方向の振れを制限するために設けられているものであり、転がり軸受９の内輪とシャフト１との間には隙間が形成されている。この隙間の寸法は、永久磁石６，７間の隙間寸法より小さく設定されている。これにより、ロータ３の振れ回りが大きくなった場合に、永久磁石６，７同士が接触するのを防止している。

（転がり軸受装置ＢＢ）
図２は、転がり軸受装置ＢＢの構成を詳細に示す拡大図である。
転がり軸受装置ＢＢは、転がり軸受４０と、転がり軸受４０の外輪４２を弾性的に保持する弾性保持装置５０とを備えている。
転がり軸受４０は、内輪４１と、内輪４１の外周部にボールを介して設けられた外輪４２とを有する。内輪４１は、ナット６１によってシャフト１に固定されている。外輪４２は、図１に示すように、弾性保持装置５０でベース２に弾性的に支持されている。

（弾性保持装置５０）
弾性保持装置５０は、ベース２に固定されたベアリングハウジング５１と、ベアリングハウジング５１で転がり軸受４０の外輪４２を弾性保持する複数の弾性部材５２ａ、５２ｂ、５２ｃ（以下、代表符号５２で表すこともある）と、外輪４２の下部外周縁を収容するカップ状のカラー５３と、グリース充填部５６およびグリース逃げ部５７と、少なくともグリース充填部５６に満たされたグリースＧＲとを備えている。

ベアリングハウジング５１は、下部円筒部５１Ｌと上部円筒部５１Ｕとを有する。下部円筒部５１Ｌは、図１に示すように、ベース２の底面に設けられた蓋２ｂに固定されている。上部円筒部５１Ｕと下部円筒部５１Ｌの内部では、外輪４２を弾性保持する弾性部材５２およびグリースＧＲなどを保持している。

外輪４２の上面４２ａとベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎａとの間には、リング状の弾性部材５２ａが設けられている。外輪４２の下方周縁部を収容するカップ状のカラー５３の下面５３ａと、後述するハウジングナット５４の上面５４ａとの間には、リング状の弾性部材５２ｂが設けられている。外輪４２の外周面４２ｏｕｔとベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｃとの間には、リング状の弾性部材５２ｃが設けられている。これら３つの弾性部材５２により、外輪４２は、ベアリングハウジング５１にラジアル方向とスラスト方向に弾性支持される。すなわち、弾性保持装置５０により、シャフト１は、ラジアル方向、スラスト方向の両方向に弾性的に支持されている。

ベアリングハウジング５１の下部円筒部５１Ｌの内周面には雌ねじ５１Ｓが設けられ、外周面に雄ねじ５４Ｓが設けられたリング状のハウジングナット５４がベアリングハウジング５１の雌ねじ５１Ｓに螺合されている。弾性部材５２とカラー５３はハウジングナット５４により、ベアリングハウジング５１内に固定されている。ハウジングナット５４の上面周縁部とベアリングハウジング５１の内周面との間には、グリースＧＲの漏出を防止するＯリング５５が設けられている。
弾性部材５２ａと５２ｂ、およびＯリング５５は、ハウジングナット５４の締め込み力により押圧されて圧縮変形している。

弾性部材５２ａ，５２ｂは、外輪４２の軸方向支持（スラスト支持）を主に行うものであり、外輪４２の径方向に変位に対しては剛性が非常に小さい。また、弾性部材５２ｃは外輪４２の径方向支持（ラジアル支持）のために設けられた弾性部材である。

弾性部材５２ｃは、シャフト１の径方向変位により圧縮変形される。そのため、例えば、シャフト１が中心位置（径方向の変位がゼロの理想位置）にある場合に、弾性部材５２ｃの外周面とベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｃとの隙間がほぼゼロまたは若干の隙間（＜Ｇ１、Ｇ２）となるように設定することで、弾性部材５２ｃによる径方向支持剛性を非常に小さくすることができる。

このように 弾性部材５２ａ，５２ｂ，５２ｃの配置構造を設定することで、弾性部材５２ａ，５２ｂ，５２ｃに起因する径方向の支持剛性を非常に小さくすることができ、ラジアル方向のロータ振れ回りに起因するポンプ振動を抑制することができる。

（グリース充填部５６）
弾性保持装置５０には、ベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｄと、カラー５３の外周面５３ｏｕｔと、ハウジングナット５４の上面５４ａと、弾性部材５２ｂ、５２ＣおよびＯリング５５とに囲まれた空間５６にグリース（潤滑剤）ＧＲが充填されている。この空間をグリース充填部５６と呼ぶ。グリースＧＲは、転がり軸受４０を冷却する機能（冷却機能）を持つ反面、外輪４２の振動をベアリングハウジング５１に伝える性質（振動伝達性）を有する。振動伝達性は振動伝達率で表し、振動伝達率が高いとわずかな回転体のアンバランスでポンプの振動が大きくなる。

ベアリングハウジング５１の上部円筒部５１Ｕの内周面５１ｉｎｂと、外輪４２の外周面４２ｏｕｔとの間の径方向隙間寸法Ｇ１は、シャフト１が振れ回った際でも、外輪４２の外周面４２ｏｕｔとベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｂとが接触しない寸法、すなわち、外輪４２が弾性部材５２ｃにより弾性支持されるような寸法に設定されている。同様に、カラー５３の外周面５３ｏｕｔとベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｃとの間の径方向隙間寸法Ｇ２は、シャフト１が振れ回った際でも、カラー５３の外周面５３ｏｕｔとベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｃとが接触しない寸法、すなわち、外輪４２が弾性部材５２ｃにより弾性支持されるような寸法に設定されている。径方向隙間寸法Ｇ１，Ｇ２は、例えば、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度に設定される。カラー５３の外周面５３ｏｕｔとベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｄとの間の隙間にはグリースＧＲが充填されるため、実施の形態ではＧ２＞Ｇ１としている。
なお、隙間寸法Ｇ１は弾性部材５２ｃの上方の隙間寸法、隙間寸法Ｇ２は弾性部材５２ｃの下方の隙間寸法である。

（グリース逃げ部５７）
グリース充填部５６には一定量のグリースＧＲが充填されるが、冷却機能が低い，または振動伝達率が高い場合がある。これは、ポンプ構成部品の寸法公差、組み立て時のねじ締め付け力などの組立公差が原因で、グリース充填部５６の容積にバラツキが生じると、グリース充填部５６に一定量のグリースを充填してもグリース充填率がばらつくからと推定できる。グリース充填率とは、グリース充填部５６に充填したグリースの容積をグリース充填部５６の容積で除した値である。
そこで、実施の形態では、グリース充填部５６に連通するグリース逃げ部５７がベアリングハウジング５１に設けられている。具体的には、グリース逃げ部５７は、ベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｂ，５１ｉｎｃから径方向外方向に向かって延在する平面視が輪帯形状で所定の厚みのある溝である。グリース逃げ部５７の機能については後述する。

グリース充填部５６の容積は、部品の寸法公差、組立公差などにより、±の公差を有している。グリース充填量を、設計値として計算されたグリース充填部５６の理想的な容積（中間値）と等価の量と設定した場合、グリース充填部５６の実容積が中間値よりも大きい場合、グリース充填部５６内には、グリースが満たされない空間が生じる。また、グリース充填部５６の実容積が理想値よりも小さい場合、グリース逃げ部５７がない従来構造では、グリース充填部５６に圧縮された状態でグリースが充填されてしまい、振動しやすくなる。グリース充填部５６にグリースが充填されない空間が生じる場合、グリースが過剰に充填される場合のいずれの場合でも、冷却機能と振動伝達性を満足させることができない。
これは以下の影響係数により説明することができる。

（影響係数）
影響係数は、ポンプの振動加速度ａｖを回転体のアンバランスｂｖで割った値ｃｖ＝ａｖ／ｂｖとして示すことができる。ここで、ａｖ，ｂｖ，ｃｖはベクトル量である。
グリース充填部５６のグリース充填率は、影響係数ｃｖに影響を与える。グリース充填率が大きくなるとグリースの密度が大きくなり、転がり軸受４０からベアリングハウジング５１への温度伝達率が上がり、ロータ３などの回転体の温度が下がりやすくなる。一方，回転体からベアリングハウジング５１、すなわちベース２への振動伝達率も上がり、ロータ３などで構成される回転体のアンバランス量に対してポンプが振動しやすくなる。そのため，ベアリングハウジング５１内に充填（注入）するグリース量は、シリンジなどで定量に管理する必要がある。

ベアリングハウジング５１、弾性部材５２あるいはＯリングなど各部品の寸法公差，組立誤差，弾性部材５２やＯリング５５の潰し具合から、グリース充填部５６の空間容積は変化する。これらの寸法を管理し、グリースの充填量を調整して、ターボ分子ポンプごとのグリース充填率を一定に保つことは困難である。また、グリース充填率がターボ分子ポンプごとに変動することにより、ターボ分子ポンプごとに影響係数が変化する。影響係数がターボ分子ポンプごとに異なると、バランス修正の際にターボ分子ポンプごとに校正を行う必要がある。しかし、異なるターボ分子ポンプそれぞれの影響係数が同じであれば、ターボ分子ポンプごとに、毎回校正を行う必要がない。校正とは，回転体の修正面に試し錘を乗せて振動の変化から影響係数を算出することを指す。校正で求めた影響係数と修正前の振動ベクトルから修正量を求めて、バランス修正を行う。

図２に示すようにグリース充填部５６に連通する逃げ部５７を設け、たとえば、グリース充填部５６の設計上の最大容積Ｑｍａｘと等価の量のグリースをグリース充填部５６に充填する。グリース充填部５６の実容積Ｑａｃｔが設計上の最大容積Ｑｍｉｎより小さいとき、Ｑｍａｘ−Ｑａｃｔに相当する余剰のグリースがグリース充填部５６から逃げ部５７に流入するが、グリース充填部５６はグリースで満たされる。また、グリース充填部５６の実容積Ｑａｃｔが設計上の最大容積Ｑｍａｘであるときも、グリース充填部５６はグリースで満たされる。これにより、グリース充填部５６の実容積が設計上の最小容積であっても、最大容積であっても、影響係数に影響を与えるグリース充填率を一定にすることができる。

なお、グリースは、稠度が十分に硬いものを使用する。これは、ポンプ運転時の振動、姿勢による影響、ポンプ仕様範囲内の温度上昇による影響では流動せず、組立時にハウジングナットで弾性保持装置５０の弾性部材５２を締め付けるとき、グリースが圧縮される前に余剰分が逃げ部５７に押出されるようにするためである。

以上説明した実施の形態のターボ分子ポンプ１００は次のような作用効果を奏する。
（１）ポンプ構成部品の製作公差、組立公差に拘わらず（ポンプ個体差に拘わらず）、グリース充填率を一定にすることができる。これにより、影響係数に影響を与えることがなく、グリースによる振動抑制機能、冷却機能がいずれのターボ分子ポンプ１００でも保証することができる。
また、真空ポンプごとの校正作業が不要となり、工数が削減できる。
（２）グリース逃げ部５７を、弾性保持装置５０の構成部品の中で最も大きなベアリングハウジング５１内に設けたので、グリース逃げ部５７の加工が容易である。

（３）グリース逃げ部５７をベアリングハウジング５１内で径方向に延在させるように設けた。ポンプは数万回転で高速回転しており、ポンプ振動は軸受外輪４２からグリースに径方向に生じるものが大きな割合を占める。したがって、軸受外輪４２の径方向外側のグリースは振動伝達の影響度が大きく、近くにグリース逃げ部５７を設けることにより、振動伝達率を安定させ影響係数を一定に保つことができる。

（４）グリース充填量を、（グリース充填部５６の設計上の最大容積Ｑｍａｘ＋逃げ部５７の設計上の容積Ｑａｂｓ）より小さく、（グリース充填部５６の設計上の最大容積Ｑｍａｘ）以上と定めることにより、各種の公差に拘わらず、グリース充填率を一定に維持することができる。したがって、製造時、またはメンテナンス時にグリース充填量を管理するだけでよく、製造上の管理が容易である。

グリース逃げ部５７を次の変形例１〜４のように設けることができる。
（変形例１，２）
図３および図４に示すように、グリース逃げ部５７ａ、５７ｂをハウジングナット５４内で回転軸方向に延在させるように設けてもよい。図３の例では、グリース逃げ部５７ａは、グリース充填部５６の最外周部、つまり、Ｏリング５５と接する箇所に設けられた円筒状の溝である。図４では、ハウジングナット５４の上面に形成されるグリース充填部５６のうち、カラー５３とベアリングハウジング５１との間のグリース充填部５６と等しい半径の位置にグリース逃げ部５７ｂを設けている。この逃げ部５７ｂも円筒状の溝である。
変形例１，２は、実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
この変形例では、充填されたグリースが円筒状の溝５７ａ，５７ｂに逃げやすくなり、グリース充填率を小さい値に保つことにより、放熱効果は低減するが、振動低減効果を狙うことができる。

（変形例３，４）
図５および図６に示すように、グリース逃げ部５７ｃ、５７ｄをカラー５３内に設けてもよい。図５では、ハウジングナット５４の上面に形成されるグリース充填部５６に連通させて回転軸方向にグリース逃げ部５７ｃを延在させている。図５のグリース逃げ部５７ｃは、回転軸方向に延在する円筒状の溝である。図６では、カラー５３とベアリングハウジング５１との間に形成されているグリース充填部５６に連通させて径方向にグリース逃げ部５７ｄを延在させている。図６のグリース逃げ部５７ｄは、平面視円環状の、所定の厚みを有する環状リング溝である。図６の例では、実施の形態と同様にグリース振動伝達率を安定させ影響係数を一定に保つことができる。

（変形例５）
実施の形態と変形例１〜４のターボ分子ポンプでは、グリース充填部５６は、少なくとも、外輪４２を収容するカラー５３の外周面５３ｏｕｔとベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｄとの間に設けられている。グリース充填部５６を、外輪４２の外周面４２ｏｕｔとベアリングハウジング５１の内周面５１ｉｎｂとの間に設けてもよい。たとえば、図２で説明した寸法Ｇ１の隙間をグリース充填部としてもよい。

（変形例６）
実施の形態と変形例１〜４のターボ分子ポンプでは、一つのグリース逃げ部５７を設けたが、２つ以上のグリース充填部５７を同じ部材、あるいは異なる部材にそれぞれ設けても良い。

（変形例７）
実施の形態と変形例１〜４のターボ分子ポンプでは、外輪４２の上端面および下端面に弾性部材５２ａ、５２ｂを設けたが、いずれか一方だけ設けても良い。

(他の実施の形態)
実施の形態と変形例１〜４はターボ分子ポンプに本発明を適用したが、本発明は、排気機能部にターボポンプ部およびHolweckポンプ部を備えたターボ分子ポンプに限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプ、ジーグバーンポンプやHolweckポンプなどのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプ、あるいはそれらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。

なお、上述した各実施の形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施の形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。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。

第１の態様の真空ポンプは、回転体を支持する転がり軸受と、転がり軸受の外輪を弾性部材で弾性支持する弾性保持装置とを有する真空ポンプにおいて、弾性保持装置は、外輪の外周側に設けられ、潤滑剤で満たされた潤滑剤充填部と、潤滑剤充填部に連通する空所とを有する。
部品の公差、組立公差などによりグリース充填部の容積が異なってもグリース充填率を一定の値とすることができる。
第２の態様の真空ポンプは、第１の態様の真空ポンプにおいて、空所は、弾性保持装置の構成部材の径方向に延在して形成されている。
弾性保持装置の比較的大型の部材に空所を設けるようにしたので、空所を空けやすくなり、容積も比較的大きく設定することができる。
第３の態様の真空ポンプは、第１の態様または第２の態様の真空ポンプにおいて、弾性保持装置は、外輪の外周側に配設された筒状のベアリングハウジングと、弾性部材をベアリングハウジング内で固定するハウジング固定部材とを有し、空所は、前記ベアリングハウジング内で、軸受外輪の径方向外側の潤滑剤充填部近傍において、径方向に延在する環状の溝として形成されている。
弾性保持装置の比較的大型の部材に空所を設けるようにしたので、空所を空けやすくなり、容積も比較的大きく設定することができる。また、ベアリングハウジング内で潤滑剤充填部近傍に逃げ部を設けたので、潤滑剤の密度が安定し、振動伝達率を安定させ、影響係数を一定に保つことができる。
第４の態様の真空ポンプは、第１の態様または第２の態様の真空ポンプにおいて、弾性保持装置は、外輪の外周側に配設された筒状のベアリングハウジングと、弾性部材をベアリングハウジング内で固定するハウジング固定部材とを有し、空所は、ハウジング固定部材内に回転軸方向に延在する筒状の溝として形成されている。
第５の態様の真空ポンプは、第１の態様から第４の態様のいずれかの真空ポンプにおいて、潤滑剤の充填量は、潤滑剤充填部の容積と空所の容積の和よりも少なく、潤滑剤充填部の容積以上の量である。このように充填量を設定すると、グリース充填部はグリースで確実に満たすことができる。

１…シャフト、２…ベース、３…ロータ、６，７…永久磁石、８，９…転がり軸受、４０…転がり軸受、４１…内輪、４２…外輪、４３…カラー、５０…弾性保持装置、５１…ベアリングハウジング、５２ａ，５２ｂ、５２ｃ…弾性部材、５３…カラー、５４…
ハウジングナット、５５…Ｏリング、５６…グリース充填部、５７…グリース逃げ部（空所）、１００…ターボ分子ポンプ、ＰＢ…永久磁石軸受装置、ＢＢ…転がり軸受装置

Claims (5)

1. 回転体を支持する転がり軸受と、
   前記転がり軸受の外輪を弾性部材で弾性支持する弾性保持装置と、を有する真空ポンプにおいて、
   前記弾性保持装置は、
   前記外輪の外周側に設けられ、潤滑剤で満たされた潤滑剤充填部と、
   前記潤滑剤充填部に連通する空所とを有する真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記空所は、前記弾性保持装置の構成部材の径方向に延在して形成されている真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記弾性保持装置は、
   前記外輪の外周側に配設された筒状のベアリングハウジングと、
   前記弾性部材を前記ベアリングハウジング内で固定するハウジング固定部材とを有し、
   前記空所は、前記ベアリングハウジング内で、軸受外輪の径方向外側の潤滑剤充填部近傍において、径方向に延在する環状の溝として形成されている真空ポンプ。
4. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記弾性保持装置は、
   前記外輪の外周側に配設された筒状のベアリングハウジングと、
   前記弾性部材を前記ベアリングハウジング内で固定するハウジング固定部材とを有し、
   前記空所は、ハウジング固定部材内に回転軸方向に延在する筒状の溝として形成されている真空ポンプ。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記潤滑剤の充填量は、前記潤滑剤充填部の容積と前記空所の容積の和よりも少なく、前記潤滑剤充填部の容積以上の量である真空ポンプ。
   
   

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