JP2022552208A - アキシャル磁気軸受及び気体フォイルラジアル軸受を備える真空ポンプ - Google Patents

Abstract

真空ポンプ及び真空ポンプ内に軸を取り付ける方法が開示される。真空ポンプは、ロータ及びステータを備える。ロータは、そこから延びるポンピング要素を有する軸を含む。軸は、回転するように取り付けられ、複数の軸受によって支持され、複数の軸受は、アキシャル磁気軸受と、２つのラジアル軸受とを含み、２つのラジアル軸受の少なくとも一方は、気体フォイル軸受からなる。【選択図】図２

Description

本発明の分野は、真空ポンプの分野に関する。

真空ポンプは、多くの場合、ステータ内で高速回転するロータを備える。ロータとステータの間の比較的小さな間隙は、効率的なポンピングをもたらす。ロータは回転軸上に支持されており、回転軸は、低摩擦で安定的な支持を可能にする軸受に取り付けられている。摩擦を低減するために潤滑剤を使用することもできるが、このような潤滑剤に関連する何らかの真空空間の汚染の可能性に関する問題がある。これは、このようなポンプの軸を支持する軸受の設計にさらなる制約をもたらす。

ターボ分子ポンプなどの一部の高速回転、高真空ポンプは、軸の低摩擦及び低汚染での支持を実現するために、５軸能動磁気軸受を用いて取り付けられた軸を有しおり、５軸は、アキシャル軸受に関する軸方向、及び各ラジアル軸受に関する２つの半径方向である。しかしながら、この磁気軸受は高価である。

気体軸受は、回転軸の別の取り付け方法であり、これは、ローラ軸受よりも高速回転が可能でありかつオイルフリー運転も可能であり、さらに磁気軸受よりもコスト的に有利な解決策である。しかしながら、気体軸受は真空空間からシールする必要があり、起動時の要求トルクが大きい場合があり、これは、大きなモータサイズを必要とする場合がある。また、運転速度での損失が大きくなり、冷却要件が高くなる場合がある。

過度に高コスト又は高い冷却要件なしで低摩擦、低汚染、低トルク、低出力の解決策をもたらす、真空ポンプの軸の軸受への取り付けを可能にすることが望ましいことになる。

第１の態様は、ロータ及びステータを備える真空ポンプを提供し、ロータは、そこから延びるポンピングポンプ要素を有する軸を含み、この軸は、回転するように取り付けられ、複数の軸受によって支持され、複数の軸受は、アキシャル磁気軸受と、２つのラジアル軸受とを備え、２つのラジアル軸受の少なくとも一方は、気体フォイルラジアル軸受からなる。

上述のように真空ポンプの軸受の要件は、非常に難しい。具体的には、軸受は、高速で動作できる必要があり、従って非接触軸受が好ましく、好ましくは潤滑フリーである必要があり、ロータの安定性をもたらす必要があり、これはポンプ内の小さな隙間によって要求される。

本発明の発明者は、気体軸受が、非接触軸受であること、低保守であること、高速で効率的に動作すること、減衰を与えること、潤滑を必要としないことなど、真空ポンプの軸を支持する軸受に求められる多くの特性を有していることを認識している。

気体軸受は、空気力学的又は空気静力学的な方法で動作する。空気静力学的に動作する場合、圧縮ガスを軸受に注入し、非接触動作に必要な間隙をもたらす。一般に、真空システムの構成部品に気体を加えることは望ましくない。空気力学的に動作する気体軸受では、回転運動が空気力学的動作及び間隙を提供する。これには、真空ポンプに圧縮ガスを加えることなく軸受が動作するという利点があるが、空気力学的特性が有効になるのに十分な速度でしか軸受が低摩擦で動作しないという欠点がある。さらに、圧縮ガスを使用しない空気力学的気体軸受は、一般に小さな間隙を必要とし、これは、温度変化のある環境では問題があり、何らかの不安定性をもたらす場合もある。気体フォイル軸受は、実質的に２つの表面の間にコンプライアントギャップを設けて、不安定になりにくくして、効果的な減衰性を提供することでこの２つの問題を解決する。これは、特に真空ポンプに有効である。気体フォイル軸受は、軸受の各表面の間に柔軟なバネ付勢のフォイルライニングを有するタイプの気体軸受である。所定の回転速度で、軸受内の気体は、フォイルを接触しないように回転軸から遠ざける。しかしながら、このような利点にもかかわらず、気体軸受に取り付けられた軸を最初に回転させるには大きなトルクが必要であり、トルクは空気力学的動作に十分な高速に達すると減少する。従って、真空ポンプにこのような軸受を使用すると、この最初の回転のために従来のものよりもかなり大きなモータが必要となるであろう。

本発明の発明者は、アキシャル軸受はラジアル軸受よりも高い荷重を受ける可能性がり、ラジアル軸受よりもかなり大きな半径を有するため、気体フォイル軸受に関連するトルク要求の増大は、アキシャル軸受に関して特に高いことを認識した。従って、本発明者は、アキシャル軸受が軸を磁気的に支持し浮上させるように構成された磁気軸受であり、ラジアル軸受の少なくとも１つが気体フォイル軸受であるハイブリッドシステムを使用し、結果的に低コスト、高速、非接触、高減衰の気体フォイル軸受の利点が得られるが、一般的に最も貢献度の高い軸受であるアキシャル軸受が磁気軸受であることに起因して、起動トルクの増大という欠点が低減されることに気づいた。実質的に、軸受の組み合わせは、両方のタイプの軸受の利点を提供する一方で、多くの欠点を緩和するように軸を支持する。

いくつかの実施形態では、アキシャル磁気軸受は、能動アキシャル磁気軸受からなる。
アキシャル磁気軸受又はアキシャル磁気浮上軸受は、受動磁気軸受とすることができるが、いくつかの実施形態では、これは軸受によってもたらされる浮上の制御を可能にする能動磁気軸受である。

いくつかの実施形態では、真空ポンプは、２つのラジアル気体軸受を備え、そのうちの一方は気体フォイルラジアル軸受であり、いくつかの実施形態では、両方のラジアル軸受が気体フォイルラジアル軸受である。

５軸安定性を提供するために、真空ポンプの軸は、２つのラジアル軸受及び１つのアキシャル軸受に取り付けることができる。２（又はそれ以上）のラジアル軸受は、ラジアル気体軸受とすることができ、場合によっては気体フォイル軸受とすることができる。気体フォイル軸受は、高速動作、高速動作での安定性及び低摩擦という利点がある。その欠点は、空気力学的速度に達する前の高い摩擦のために、その最初の回転に必要な高いトルクにあり、この欠点は、アキシャル軸受よりもラジアル軸受の方が少ない。

他の実施形態では、ラジアル軸受は、ラジアル磁気軸受及び気体フォイルラジアル軸受からなる。
２つの気体フォイルラジアル軸受は、ポンプの軸に対して効果的なラジアル安定性を提供することができるが、いくつかの実施形態では、ラジアル軸受の一方にラジアル磁気軸受を使用し、他方に気体軸受を使用することができる。磁気軸受は、非接触で低摩擦であるという気体軸受の利点の多くを備える。これは、高真空環境でも使用でき、低速でも低摩擦であるという利点を備える。気体軸受と磁気軸受の組み合わせにより、初期速度でのトルク低減、減衰増大、及び軸受の配置のさらなる自由度をもたらすことができる。

いくつかの実施形態では、ラジアル磁気軸受は、受動磁気軸受からなる。
受動磁気軸受は、一般に、能動磁気軸受よりも安価であり、軸を効果的に支持することができる。このような軸受は、効果的な減衰を提供しない場合があるが、この欠点は、軸受がラジアル気体フォイル軸受と併せて使用される場合に軽減することができる。

いくつかの実施形態では、磁気軸受は、ポンピング要素を支持する軸の部分の近くに配置され、気体フォイルラジアル軸受は、ポンピング要素を支持する軸の部分から遠く離れて配置される。
いくつかの実施形態では、ポンピング要素は、ローターブレードを備える。

いくつかの実施形態では、真空ポンプは、ポンピング要素を含む真空ポンプの部分を、少なくとも１つの気体フォイルラジアル軸受を含む真空ポンプの部分からシールするためのシールをさらに備える。
上述したように、気体フォイルラジアル軸受は、真空環境では良好に動作しないので、真空ポンプが大気に排気しない場合には、ポンプ室からシールされる領域に配置することができる。

いくつかの実施形態では、真空ポンプは、気体フォイルラジアル軸受を含む真空ポンプの部分から、ポンピング要素及び磁気軸受を含む真空ポンプの部分をシールするためのシール要素を含む。
しかしながら、磁気軸受は、低圧で動作することができ、従って、１つのラジアル軸受が磁気軸受である場合、これをポンプ室に隣接して取り付け、磁気軸受が真空環境で動作し、他方が高圧で動作するように、２つのラジアル軸受の間にシールを、いくつかの実施形態では回転軸シールを設けることが有利な場合がある。

いくつかの実施形態では、真空ポンプは、軸を回転させるためのモータをさらに備え、モータは、気体フォイルラジアル軸受とさらなるラジアル軸受との間に取り付けられる。
２つのラジアル軸受がある場合、これらが互いに軸方向に変位するようにモータの両側に取り付けて、効果的な支持を提供するのが好都合であろう。モータは、真空ポンプが大気に排気しない場合、真空ポンプのポンプ室からシールすることができ、従って、真空ポンプは、ラジアル軸受及びモータからポンピング要素をシールするためのシールを含むことができる。

いくつかの実施形態では、真空ポンプは、ターボ分子ポンプからなる。
ターボ分子ポンプは、高い回転速度で動作するので、非接触であり、良好に動作するために高い回転速度を必要とする気体フォイル軸受は、これらのポンプに特に有効である。しかしながら、ターボ分子ポンプは、大気への排気を行わないため、いくつかの実施形態では、１つの軸受としての気体フォイルラジアル軸受と、真空ポンプのポンプ室に隣接する軸受としての磁気軸受は、特に好都合な配置となり得る。

第２の態様は、真空ポンプのロータの軸を取り付ける方法を提供し、本方法は、軸を軸方向の磁気軸受及び２つのラジアル軸受で支持するステップを含み、２つのラジアル軸受の少なくとも一方は気体フォイルラジアル軸受からなる。

さらなる特定の態様及び好ましい態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、適宜、独立請求項の特徴と組み合わせることができ、請求項に明示的に規定されたもの以外の組み合わせで組み合わせることができる。
装置特徴部が、ある機能を提供するために動作可能であると説明される場合、これは、その機能を提供する装置特徴部、又はその機能を提供するように適合又は構成される装置特徴部を含むことを理解されたい。
本発明の実施形態は、以下に添付の図面を参照して説明される。

一実施形態による真空ポンプのロータを示す。 さらなる実施形態による真空ポンプを示す。

実施形態を詳細に説明する前に概要を提示する。
５軸能動磁気軸受によって支持された軸を有する真空ポンプは、効果的なオイルフリー軸受システムを提供するが高価である。５軸能動磁気軸受オイルフリーシステムの代替として、一部の真空ポンプは、１軸能動システムを使用し、このシステムは、１つの能動アキシャル磁気軸受と２つの受動ラジアル磁気軸受を備える。このようなシステムは、よりシンプルで比較的安価な１軸システムを利用する。しかしながら、ラジアル軸受の永久磁石のコストは依然として高く、また、これらの軸受は本質的に低減衰性を示す。従って、このようなシステムは、追加的な減衰器を必要する、及び／又は、動作条件が制限される可能性がある。

代替手段は、気体軸受、特に気体フォイル軸受を２つのラジアル軸受及び１つのアキシャル軸受の複動式能動軸受に使用することである。しかしながら、このような配置の電力損失及び起動トルクは大きく、これは特定の真空ポンプでは問題となる場合がある。

本発明の発明者は、気体フォイル軸受で支持されたシステムの高い損失率及び高い起動トルクは、ラジアル軸受と比較した場合、より高い荷重及び比較的大きな半径を有するアキシャルフォイル軸受に起因することを認識している。従って、これらの競合する問題は、アキシャル軸受に１軸アキシャル磁気軸受を使用し、その少なくとも１つが気体フォイル軸受であるラジアル軸受を備えるシステムを提供することによって解決される。このようなシステムは、両方の技術の利点を組み合わせて、高速真空ポンプのための効率的かつ低コストの解決策を提供する。

真空から軸受を分離するためにシールが必要な場合（すなわち、ポンプが大気に排気するのではなく、ターボ分子ポンプのように真空圧に排気する場合）、軸回転シールを使用することができる。いくつかの実施形態では、回転シールはフォイルシールとすることができる。

真空ポンプが開示されており、その軸は、異なる軸受技術を組み合わせたもので支持されており、これは、
－アキシャル磁気軸受、好ましくは軸を軸方向に支持する能動磁気軸受、
－軸を半径方向に支持し、少なくともその一方は気体フォイル軸受である、２つのラジアル軸受、
を含む。

いくつかの実施形態では、ポンプは、気体軸受を真空から分離し、気体軸受が動作するための必要条件を提供するための軸回転シールを備える。これは、気体フォイル軸受と同じ原理を用いたフォイルシールとすることができる。

図１は、一実施形態による真空ポンプ５を概略的に示す。この実施形態では、真空ポンプは、ターボ分子ポンプである。ターボ分子ポンプ５は、ポンピング要素１４を有するロータ１２を支持する軸１０を備え、ポンピング要素１４はロータ１２からステータ（図示せず）の中に延びている。軸１０は、モータ３０によって駆動され、アキシャル磁気軸受４０と２つのラジアル軸受４２及び４４によってポンプハウジング内に回転可能に取り付けられている。この実施形態では、下部軸受４２は、上部軸受４４と同様に気体フォイル軸受からなる。他の実施形態では、２つの軸受のうちの一方は、ローラ軸受又は異なるタイプの気体軸受のような、異なるタイプの軸受とすることができる。
モータ３０及び軸受４０、４２、４４は、真空シール５０によって真空ポンプの真空エンクロージャから分離されている。

気体フォイル軸受は、空気力学的動作に十分な速度で回転する場合には低摩擦動作を可能にするが、始動時などの低速度では回転するのにかなりのトルクを必要とする。理解できるように、比較的大きな半径を有するアキシャル磁気軸受４０の使用は、気体フォイル軸受だけが取り付けられたものと比較して、ロータの回転を開始させるために必要なトルクを著しく低減し、結果的に、このような真空ポンプのための従来のモータと同様のサイズのモータ３０で動作可能なシステムが得られる。気体フォイル軸受の使用は、良好な減衰性及び耐振動性を有する非接触軸受を可能にする。高速での動作が特に効率的であり、真空ポンプを効率的かつ省電力で動作させることができる。気体フォイル軸受は大気圧で動作し、従って、真空シール５０が真空エンクロージャと軸受を隔離するために使用される。各軸受の間にモータを取り付けることは、２つのラジアル軸受の軸方向の変位を可能にし、より安定した軸の支持を可能にする。さらに、モータ３０は、気体フォイル軸受を隔離するのと同じ真空シール５０によって、真空エンクロージャから隔離される。

図２は、軸を支持するアキシャル磁気軸受４０と２つのラジアル軸受が存在する代替的な実施形態を示す。一方のラジアル軸受４２は、気体フォイル軸受である。この場合、上部ラジアル軸受４６は磁気軸受であり、真空エンクロージャ内にある。シール５０は、２つのラジアル軸受４２，４６の間に位置する。この実施形態では、上部ラジアル磁気軸受４６は受動磁気軸受であるが、下部アキシャル磁気軸受４０は能動磁気軸受である。しかしながら、実施形態に従って、どちらかの軸受は受動的又は能動的とすることができる。

上部軸受４６を磁気軸受とすることの利点は、上部軸受が真空エンクロージャ内にあり、２つのラジアル軸受を相隔てることができ、シール５０を２つの軸受の間に配置することができる点である。磁気軸受は、気体フォイル軸受よりも高価になる場合があるが、磁気軸受は異なる特性を提供し、気体フォイル軸受は振動に対する耐性及び効果的な減衰を提供するが、磁気軸受は低い起動トルクを提供し、これは真空環境内に配置することができる。

本発明の例示的な実施形態は、添付の図面を参照して本明細書に詳細に開示されているが、本発明は詳細な実施形態に限定されず、添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく当業者によってそこに様々な変更及び修正がなされ得ることを理解されたい。

５ 真空ポンプ
１０ 軸
１２ ロータ
１４ ポンピング要素
２０ ステータ
３０ モータ
４０ アキシャル磁気軸受
４２ 気体フォイルラジアル軸受
４４ 気体フォイルラジアル軸受
４６ ラジアル磁気軸受
５０ シール

Claims (13)

1. ロータ及びステータを備え、前記ロータは、そこから延びるポンピング要素を有する軸を含む真空ポンプであって、
   前記軸は、回転するように取り付けられ、複数の軸受によって支持され、
   前記複数の軸受は、
   少なくとも一方が気体フォイルラジアル軸受からなる２つのラジアル軸受と、
   アキシャル磁気軸受と、
   を備える、真空ポンプ。
2. 前記アキシャル磁気軸受は、能動アキシャル磁気軸受からなる、請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記２つのラジアル軸受は、気体軸受からなる、請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
4. 前記２つのラジアル軸受は、気体フォイルラジアル軸受からなる、請求項３に記載の真空ポンプ。
5. 前記２つのラジアル軸受は、前記気体フォイルラジアル軸受及びラジアル磁気軸受からなる、請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
6. 前記ラジアル磁気軸受は、受動ラジアル磁気軸受からなる、請求項５に記載の真空ポンプ。
7. 前記ラジアル磁気軸受は、前記ポンピング要素を支持する前記軸の部分の近くに配置され、前記気体フォイルラジアル軸受は、前記ポンピング要素を支持する前記軸の部分から遠く離れて配置される、請求項５又は６に記載の真空ポンプ。
8. 前記真空ポンプは、前記ポンピング要素を含む前記真空ポンプの部分を、少なくとも１つの気体フォイルラジアル軸受を含む前記真空ポンプの部分からシールするためのシールをさらに備える、請求項１から７のいずれかに記載の真空ポンプ。
9. 前記真空ポンプは、前記気体フォイルラジアル軸受を備える前記真空ポンプの部分から、前記ポンピング要素及び前記磁気軸受を含む前記真空ポンプの部分をシールするためのシール要素を備える、請求項７に記載の真空ポンプ。
10. 前記真空ポンプは、前記軸を回転させるモータをさらに備え、前記モータは、前記２つのラジアル軸受の間に取り付けられている、請求項１から９のいずれかに記載の真空ポンプ。
11. 前記真空ポンプは、前記軸が垂直に延びる向きで動作するように構成され、前記アキシャル磁気軸受は、前記軸を支持して浮上させるように構成される、請求項１から１０のいずれかに記載の真空ポンプ。
12. 前記真空ポンプは、ターボ分子ポンプからなる、請求項１から１１のいずれかに記載の真空ポンプ。
13. 真空ポンプのロータの軸を取り付ける方法であって、
    前記軸をアキシャル磁気軸受及び２つのラジアル軸受で支持するステップ
    を含み、前記２つのラジアル軸受のうちの少なくとも一方は気体フォイルラジアル軸受からなる、方法。

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