JP2022507409A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

真空ポンプ、詳細にはターボ分子真空ポンプは、ステーターと、ステーターに対して回転可能な少なくとも１つのローター要素を有するローターとを備える。ローターは、ステーターに連結された第１の磁気素子と、ローターに連結された第２の磁気素子とを有する少なくとも１つの永久磁気軸受によって支持される。第２の磁気素子は、第２の磁気素子に直接接触する半径方向内側と、ローターに向いた半径方向外側とを有するスリーブを介して、ローターに連結される。従って、半径方向外側は、少なくとも１つの溝及び／又は少なくとも１つのウェブを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、真空ポンプに関し、詳細にはターボ分子真空ポンプに関する。

既知の真空ポンプは、入口と出口を有するハウジングを備え、ステーターは、ハウジングに連結されている。ハウジング内部には、ローターが配置され、軸受によって回転可能に支持される。ローターは、少なくとも１つのローター要素を備え、ガス状媒体を入口から出口まで運ぶためにステーターと相互作用する。ターボ分子真空ポンプの場合、ステーターは複数のベーンで作られ、同様にベーンとして作られたローター要素と相互作用する。

ローターを支持するために、永久磁気軸受を使用することが知られている。永久磁気軸受は、ステーターに連結された第１の磁気素子及びローターに連結された第２の磁気素子を備え、これらは互いにごく接近して配置されかつ相互反発するように構成される。従って、ローターは、非接触で支持され、注油又はグリースを必要としない。

第２の磁気素子をローターに装着するために、熱収縮させるために第２の磁気素子が、例えば液体窒素によって冷却されている間に、ローターはさらに膨張させるために加熱される。次に、ローター及び第２の磁気素子は、締まり嵌めを確立するために組み立てることができる。しかしながら、運転時、温度が上昇して、ローター及び第２の磁気素子が膨張する。ローター及び第２の磁気素子の異素材が原因で、熱膨張が異なり、締まり嵌めの低下につながる可能性がある。最新のターボ分子真空ポンプの高い回転速度に起因して、第２の磁気素子のフープ応力が増大する。永久磁気軸受の第２の磁気素子の損傷を防ぐために、締まり嵌めを強化する必要がある。従って、第２の磁気素子とローターとの間の組み立て温度の差を大きくすることが望ましい。このことは問題を引き起こす可能性がある。その理由は、通常、ローターは、アルミニウムのような軽金属で作られており、安定性が低下しないように約１８０°Ｃまでしか加熱することができないからである。アルミニウムローターをより高い温度に加熱すると、ローターの望ましくない急速な経年劣化がもたらされる。締まり嵌めを達成できる範囲は、その最大の利益を得るためにすでに使用されている液体窒素冷却によって制限される。

欧州特許第３０８８７４６号Ａ1には、第２の磁気素子の周りに配置されるスリーブが記載されており、スリーブは、ローターの材料よりも小さい熱膨張係数及び弾性ヤング率を有する。従って、運転時の温度上昇による、熱膨張が減少し、結果的に、第２の磁気素子の運転時のフープ応力も減少する。

しかしながら、真空ポンプは、低温を含む厳しい環境にもさらされる。低温にさらされると、非運転状態の真空ポンプのスリーブ及び／又はローターのかなりの熱収縮につながる。第２の磁気素子とスリーブ又はローターとの間の締まり嵌めに起因して、これらの低温は第２の磁気素子に高圧縮応力を導入し、これは、通常、第２の磁気素子が脆弱な永久磁気材で作られているので、第２の磁気素子を損傷するか又は破壊する可能性がある。

欧州特許第３０８８７４６号Ａ1

本発明の目的は、厳しい環境に支障なく耐えることができる真空ポンプを提供することである。

この目的は、請求項１に記載の真空ポンプによって解決される。

本発明によれば、真空ポンプ、詳細にはターボ分子真空ポンプは、ステーターと、ステーターに対して回転可能な少なくとも１つのローター要素を有するローターと、を備える。ローターは、ステーターに連結された第１の磁気素子と、ローターに連結された第２の磁気素子とを有する少なくとも１つの永久磁気軸受によって支持される。第１の磁気素子及び第２の磁気素子は、ごく接近して配置され、互いに相互反発する。従って、ローターの非接触支持が実現される。好ましくは、少なくとも１つの永久磁気軸受は、低圧を目的として、真空ポンプの入口側に位置する。第２の磁気素子は、第２の磁気素子に直接接触する半径方向内側と、ローターに向いた半径方向外側とを有するスリーブを介して、ローターに連結される。従って、好ましくは、スリーブは、第２の磁気素子を完全に取り囲む。

本発明によれば、スリーブの外側は、少なくとも１つの溝を備える。追加的に又は代替的に、スリーブの外側は、少なくとも１つのウェブを備える。従って、ウェブは、半径方向外側に向かう、すなわちローターに向かう半径方向の突出部又はリブとして理解される。スリーブの外側を溝及び／又はウェブで構成することで、第２の磁気素子への圧縮力の直接の伝達が阻止される。溝及び／又はウェブは、スリーブが第２磁気素子のクッションとして効果的に機能することを可能にする柔軟性をもたらす。従って、真空ポンプに非運転時に又は低温状態に置かれる場合、このクッション効果により第２の磁気素子への圧縮応力が減少し、第２の磁気素子の脆弱な永久磁気材料の損傷が回避される。さらに、スリーブの外側の材料を減らすことで、同時に熱膨張又は収縮の作用が低減される。加えて、スリーブの外側の構造化は、スリーブの厚さが増えるという欠点なしでスリーブのより高い安定性につながる。

好ましくは、スリーブは、運転時に、第２の磁気素子を固定して保持するために、運転温度の間に周囲のローター要素よりも小さな半径方向熱膨張をもたらすように構成される。しかしながら、より低い温度の、例えば１５℃以下、好ましくは０℃以下、より好ましくは－１５℃以下の非運転時に、スリーブが第２の磁気素子にもたらす圧縮応力は、第２の磁気素子の限界点以下である。従って、溝及び／又はウェブに起因して、スリーブは、第２の磁気素子上の（半径方向の）圧縮応力を低減するために熱収縮の状態で変形することができる。

好ましくは、スリーブの外側は、複数の溝を備える。追加的に又は代替的に、スリーブの外側は、複数のウェブを備える。従って、スリーブの柔軟性はさらに強化され、第２の磁気素子の圧縮強度を超えるのを防ぐためにスリーブの安定性を調整する。

好ましくは、少なくとも１つの、より好ましくは全ての溝は、スリーブの周方向に沿う。追加的に又は代替的に、少なくとも１つの、好ましくは全てのウェブはスリーブの周方向に沿う。従って、スリーブの周方向に沿った一様なクッション効果が達成される。

好ましくは、第２の磁気素子は、締まり嵌めによってスリーブに固定される。追加的に又は代替的に、スリーブは、締まり嵌めによってローターに固定される。スリーブの外側が溝だけを備えている場合、スリーブの外側は、直接ローターに接触する。スリーブが少なくとも１又は２以上のウェブを備えている場合、ウェブの半径方向最外部が直接ローターに接触し、締まり嵌めに使用される。

磁石が形成される材料に応じて、好ましくは、スリーブは、低熱膨張率の材料で作られている。詳細には、スリーブの熱膨張率は、アルミニウムに対して２３×１０^-6Ｋ^-1未満、好ましくは、ステンレス鋼に対して１３×１０^-6Ｋ^-1未満、より好ましくは、ネオジムに対して８×１０^-6Ｋ^-1未満、最も好ましくは、チタンに対して１×１０^-6Ｋ^-1未満である。従って、低熱膨張率の材料で作られているスリーブを使用することで、運転時に相対的な熱膨張が低減され、第２の磁気素子の圧縮応力も減少し、低温時の非運転時に第２の磁気素子のフープ応力も減少する。

好ましくは、全ての溝の幅及び／又は深さは同一である。さらに好ましくは、全ての溝の幅は、全てのウェブの幅と同一である。追加的に又は代替的に、全ての溝の深さは、全てのウェブの深さと同一である。ウェブ又は溝の幅は、軸方向で測定されるが、ウェブ又は溝の深さは、半径方向で測定される。従って、溝の幾何学的形状及びウェブの形状は、第２の磁気素子の損傷を防ぐためのスリーブの十分な柔軟性を達成するために調整することができる。

好ましくは、全ての溝の幅及び／又は深さは、互いに異なる。追加的に又は代替的に、全てのウェブの幅及び／又は深さは、互いに異なる。さらに好ましくは、溝の幅及び／又は深さは、ウェブの幅及び／又は深さと異なる。従って、溝の幾何学的形状とウェブの形状は、第２の磁気素子の損傷を防ぐためのスリーブの十分な柔軟性を達成するために調整することができる。

好ましくは、第２の磁気素子は、スリーブによって取り囲まれた２以上の磁気リングを備える。詳細には、磁気リングは、スリーブによって完全に取り囲まれている。

好ましくは、溝及び／又はウェブの軸方向位置は、磁気リングの位置に調整される。好ましくは、スリーブが２以上の溝及び／又はウェブを備える場合、溝及び／又はウェブの位置は、磁気リングの位置に調整される。

好ましくは、溝及び／又はウェブの数は、磁気リングの数に調整される。従って、溝及び／又はウェブの数は、何らかの磁気リングが低温での非運転時に損傷するのを防止するのに充分なスリーブの柔軟性を達成するために、磁気リングの数に従って調整することができる。

好ましくは、スリーブは、スリーブの内側にリムを備えており、リムは、装着時にローターの端部の近くに位置決めされる。第２の磁気素子は、第２の磁気素子の軸方向の位置を固定するために、直接リムに対して直接当接する。詳細には、最外部の磁気リングは、磁気リングの軸面でリムに対して当接する。

好ましくは、スリーブの第１の軸端にはウェブが配置されており、スリーブの反対端には溝が配置されるか又はウェブが配置されていない。好ましくは、第１の軸端でのウェブは、リムと一致し、スリーブとローターとの間の締まり嵌めを生成するプロセス中に使用することができるスリーブの安定した端部を生成する。好ましくは、第１の軸端は、ローターの端部の近くの端部である。もしくは、スリーブの第１の軸端には溝が配置され、スリーブの反対側の第２の端部には同様に溝が配置されている。もしくは、スリーブの第１の軸端には溝が配置され、反対側の第２の端部にはウェブが配置されている。もしくは、スリーブの第１の軸端にはウェブが配置され、スリーブの反対側の第２の端部には同様にウェブが配置されている。従って、スリーブの両方の軸端での溝及びウェブの位置は、真空ポンプの組み立て及び運転のための十分な安定性を維持しながら、スリーブの十分な柔軟性をもたらす特定のニーズに調整することができる

好ましくは、ローターは、ステーターに連結された第１の磁気素子と、ローターに連結された第２の磁気素子とを有する第２の永久磁気素子軸受によって支持される。第２の磁気素子は、第２の磁気素子に直接接触する半径方向内側と、ローターに向かう半径方向外側とを有する第２のスリーブによってローターに連結される。従って、スリーブの外側は、少なくとも１つの溝及び／又は少なくとも１つのウェブを備える。

好ましくは、第２の永久磁気軸受は、第１の永久磁気軸受に関して前述したように作ることができる。詳細には、第１の永久磁気軸受及び第２の永久磁気軸受は、同一に作られる。
以下、本発明は、添付図面を参照して特定の実施形態に関して説明される。

本発明によるターボ分子ポンプの概略図である。 図１に示された真空ポンプの永久磁気軸受の詳細図である。 図２に示されたようなスリーブの詳細な断面図である。

図１に示される本発明による真空ポンプは、入口１２及び出口１４を有するハウジング１０を備えるターボ分子真空ポンプである。ハウジング内には、ローター軸１８とベーンとして作られたローター要素２０とを備えるローター１６が配置される。さらに、真空ポンプは、ハウジング１０に連結されたベーン２２によって作られ、ローター１６のローター要素２０と相互作用するステーターを備える。ローター軸１８は、永久磁気軸受として作られた第１の軸受２４と、図１の実施形態ではボール軸受として作られた第２の軸受２６によって、ハウジング１０内で回転可能に支持される。

ローター１６は、電気モーター２８によって回転し、これによりガス状媒質を入口１２から出口１４へ運ぶ。

ローター１６は、凹部を定める片持ち状の端部を備え、第１の軸受２４がこの凹部内に配置される。ハウジング１０に連結された突起部３０は、この凹部に突っ込まれている。

永久磁気軸受２４は、複数の磁気リング３４で構成される第１の磁気素子３２を備える。第１の磁気素子３２は、ハウジング１０の突起部３０と直接接触する。さらに、永久磁気軸受２４は、同じ数の磁気リング３８で構成される第２の磁気素子３６を備え、この磁気リング３８は、第１の磁気要素３２の磁気リング３４にごく接近して配置されており、これらは、ローター１６を非接触で支持するために互いに相互反発する。従って、第２の磁気素子３６は、スリーブ４０を介してローター１６に連結する。スリーブ４０は、内面４２及び外面４４を備え、第２の磁気素子３６は、内面４２に直接接触する。詳細には、第２の磁気素子３６の磁気リング３８は、スリーブ４０に締まり嵌めで取り付けられる。図３の実施形態において、スリーブ４０の外面４４は、その間に凹部４８を定める複数のウェブ４６を備える。ウェブ４６の半径方向最外面５０は、取り付け状態では、ローター１６に直接接触する。詳細には、スリーブは、同様に締まり嵌めによってローター１６に取り付けられる。

ウェブ４６及び形成された凹部４８に起因して、低温時の熱収縮状態の第２の磁気素子３６上の圧縮応力は、スリーブ柔軟性によってもたらされるクッション効果が原因で減少する。凹部４８の位置では、スリーブ４０の材料の厚さが低減されており、第２の磁気素子３６の磁気リング３８に伝達される、熱収縮によって生成された力が減少する。

さらに、ウェブ及び溝の数、並びにその位置は、第２の磁気素子３６の磁気リング３８の数及び形状に合わせることができる。他の自由度は、ウェブ及び溝の形状、すなわち、ウェブ及び溝の深さ及び幅によって定められる。従って、低温時の熱収縮状態の圧縮応力の分布は、第２の磁気素子３６の損傷を防ぐために調整することができる。従って、第２の磁気素子３６は、低温状態の厳しい環境での非運転時に第２の磁気素子３６が損傷するリスクなしで、運転時に過大なフープ応力を防ぐためにスリーブに緊密に嵌合することができる。

さらに、スリーブ４０は、スリーブの軸端に、詳細にはローターの端部の近くにリム５２を備える。第２の磁気素子３６は、リム４２に直接当接し、結果的に第２の磁気素子３６の軸方向の位置が規定される。

好ましくは、本発明によれば、真空ポンプの入口側でのより低い圧力を目的とした軸受は、永久磁気軸受として作られている。しかしながら、第２の軸受２６は、磁気軸受として、好ましくは上記と同じ様式で永久磁気軸受として作ることもできる。

Claims (14)

1. ステーターと、
   前記ステーターに対して回転可能な少なくとも１つのローター要素を有するローターと、
   を備える真空ポンプ、詳細にはターボ分子真空ポンプであって、
   前記ローターは、前記ステーターに連結された第１の磁気素子と、前記ローターに連結された第２の磁気素子とを有する少なくとも１つの永久磁気軸受によって支持され、
   前記第２の磁気素子は、前記第２の磁気素子と直接接触する半径方向内側及び前記ローターに向かう半径方向外側を有するスリーブによって前記ローターに連結され、
   前記半径方向外側は、少なくとも１つの溝及び／又は少なくとも１つのウェブを備えている、
   ことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記スリーブは、運転時に、前記第２の磁気素子を固定して保持するために、運転温度の間に周囲のローター要素よりも小さな半径方向膨張をもたらすように構成されており、運転時よりも低い温度の非運転時に、前記第２の磁気素子の限界点以下の圧縮応力を、前記第２の磁気素子にもたらす、
   請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 複数の溝及び／又は複数のウェブを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
4. 少なくとも１つ、好ましくは全ての溝及び／又はウェブは、前記スリーブの円周方向に沿う、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
5. 前記第２の磁気素子は、前記スリーブに締まり嵌めによって固定され、及び／又は、前記スリーブは、前記ローターに締まり嵌めによって固定される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
6. 前記スリーブは、低熱膨張率の材料で作られており、詳細には、前記スリーブの熱膨張率は、アルミニウムに対して２３×１０^-6Ｋ^-1未満、好ましくは、ステンレス鋼に関して１３×１０^-6Ｋ^-1未満、より好ましくは、ネオジムに対して８×１０^-6Ｋ^-1未満、最も好ましくは、チタンに対して１×１０^-6Ｋ^-1未満である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
7. 前記全ての溝の幅又は深さのうちの少なくとも１つが同一であり、及び／又は前記全てのウェブの幅又は深さのうちの少なくとも１つが同一であり、詳細には、前記溝及びウェブの幅又は深さのうちの少なくとも１つが同一である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
8. 前記全ての溝の幅又は深さのうちの少なくとも１つが互いに異なり、及び／又は前記全てのウェブの幅又は深さのうちの少なくとも１つが互いに異なり、詳細には、前記溝の幅又は深さのうちの少なくとも１つが前記ウェブの幅又は深さのうちの少なくとも１つと異なる、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
9. 前記第２の磁気素子は、前記スリーブによって取り囲まれた２以上の磁気リングを備える、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
10. 前記溝及び／又はウェブの軸方向位置は、前記磁気リングの位置に調整されている、
    請求項９に記載の真空ポンプ。
11. 前記溝及び／又はウェブの数は、磁気リングの数に調整されている、
    請求項９又は１０に記載の真空ポンプ。
12. 前記スリーブは、前記スリーブの内側で前記ローターの端部の近くにリムを備え、前記第２の磁気素子は、前記リムに対して直接当接する、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
13. 前記スリーブの第１の軸端には、ウェブが配置されており、前記スリーブの反対側の第２の端部には、溝が配置されるか又はウェブが配置されておらず、好ましくは、前記第１の端部は、前記ローターの端部の近くである、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
14. 前記ローターは、前記ステーターに連結された第１の磁気素子と、前記ローターに連結された第２の磁気素子とを有する第２の永久磁気軸受によって支持されており、前記第２の磁気素子は、前記第２の磁気素子に直接接触する半径方向内側と、前記ローターに向かう半径方向外側とを有する第２のスリーブによって前記ローターに連結されており、前記半径方向外側は、少なくとも１つの溝及び／又は少なくとも１つのウェブを備えている、
    請求項１から１３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。

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