JP3069744B2

JP3069744B2 - 高真空ポンプ

Info

Publication number: JP3069744B2
Application number: JP2293255A
Authority: JP
Inventors: 拓知上山; 良一高畑
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 2000-07-24
Anticipated expiration: 2015-07-24
Also published as: JPH04164171A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、高真空ポンプに関する。

従来の技術高真空ポンプとして、ターボ分子ポンプが知られてい
る。また、ターボ分子ポンプは排気容量に限界があると
いう欠点を有するので、排気速度を高めるため、ターボ
分子ポンプにクライオポンプとよばれる低温パネルを組
合せた高真空ポンプも提案されている（特開平１−2535
90号参照）。一方、ターボ分子ポンプにおいて、回転速
度が高くなると、回転軸を非接触支持する必要性が生
じ、このような非接触軸受として一般に磁気軸受が使用
されている。

発明が解決しようとする課題ところが、磁気軸受は、複雑な制御回路が必要で、高
価なものになる。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、排気限界が
高く、しかも安価で実用性の高い高真空ポンプを提供す
ることにある。

課題を解決するための手段この発明による高真空ポンプは、吸気口および排気口
を有するケーシングと、このケーシング内に配設された
複数段の翼と、これらの翼に連結された回転軸と、この
回転軸を回転駆動するモータと、このモータを挾んで上
記ケーシングと回転軸の間に設けられた超電導軸受と、
上記吸気口側に配置された低温パネルと、この低温パネ
ルの冷却装置とを備えており、上記超電導軸受が、上記
低温パネルの冷却装置により冷却されるケーシング内の
冷却空間内に配置された超電導体と、この超電導体に対
向するように回転軸に取付けられた永久磁石とからなる
ことを特徴とするものである。

作用冷却装置に接続された低温パネルを備えているので、
排気限界が高くなる。

また、磁気軸受のかわりに超電導軸受を使用している
ので、磁気軸受の複雑な制御回路が不要で、安価にな
る。しかも、超電導軸受の超電導体の冷却に低温パネル
の冷却装置を使用しているので、経済的である。

実施例以下、図面を参照して、この発明の実施例について説
明する。

図面は高真空ポンプの全体構成を概略的に示してお
り、このポンプは、垂直に配置されるケーシング（１）
を備えている。ケーシング（１）は、複数の円筒状の部
品から構成されており、全体として上下両端が開口した
円筒状をなす。そして、ケーシング（１）の上端に上向
きの吸気口（２）が、高さの中間より少し下側の部分に
横向きの排気口（３）が形成されている。

ケーシング（１）内の上部の吸気口（２）側にクライ
オポンプ部（４）が、下部の排気口（３）側にターボ分
子ポンプ部（５）がそれぞれ設けられている。

クライオポンプ部（４）には、低温パネル（６）とそ
の第１の冷却装置（７）が設けられている。第１の冷却
装置（７）はブラケット（８）を介してケーシング
（１）に固定されており、冷却装置（７）の上部に低温
パネル（６）が固定されている。冷却装置（７）には、
ケーシング（１）を貫通して外部にのびる冷却剤導入管
（９）と冷却剤排出管（10）が接続されている。

ケーシング（１）の外部に、クライオポンプ部（４）
の第２の冷却装置（11）が設けられている。この冷却装
置（11）は、冷凍機（図示略）などを備えている。

第１の冷却装置（７）の冷却剤導入管（９）は、第２
の冷却装置（11）の冷却剤吐出口に接続されている。ま
た、第１の冷却装置（７）の冷却剤排出管（10）は、第
２の冷却装置（11）の冷却剤吸込口に接続されている。

クライオポンプ部（４）の構成および動作は特開平１
−253590号公報に記載されているものと同じであるか
ら、詳細な説明は省略する。

ターボ分子ポンプ部（５）には、ケーシング（１）内
の中心に非接触状態に回転支持される垂直な回転軸（1
8）が設けられている。ターボ分子ポンプ部（５）のケ
ーシング（１）内の上下方向中央部に回転軸（18）を高
速回転させるための高周波モータ（19）が設けられ、そ
の上下に回転軸（18）を非接触状態に支持するための超
電導軸受（20）（21）が設けられている。そして、回転
軸（18）の上部超電導軸受（20）より上側の部分に、上
下複数段の翼（22）が固定されている。

モータ（19）は、ケーシング（１）に設けられたステ
ータ（23）と、回転軸（18）に設けられたロータ（24）
とから構成されている。

上下の超電導軸受（20）（21）は、本出願人が特願平
２−188693号において提案したように磁束侵入を許容す
る超電導体を用いたものである。上部超電導軸受（20）
は、次のように構成されている。ケーシング（１）内
に、環状で内部に冷却空間が形成された中空の上部冷却
ケース（25）が固定されている。ケース（25）の中心に
はこれを上下に貫通する貫通穴（26）が形成され、この
穴（26）に回転軸（18）のロータ（24）の上側の部分が
隙間をあけて通されている。翼（22）のすぐ下でケース
（25）のすぐ上の回転軸（18）の部分に、穴あき円板状
の上部永久磁石（27）が固定されている。この磁石（2
7）は、上端に一方磁極（例えばＮ極）の磁気を、下端
に他方磁極の磁気（例えばＳ極）をそれぞれ帯びたもの
であり、回転軸（18）の回転軸心の周囲の磁束分布が回
転によって変化しないように回転軸（18）に取付けられ
ている。ケース（25）内の上部に、環状の超電導体（2
8）が固定されている。この超電導体（28）は、イット
リウム系高温超電導体、たとえばYBa₂Cu₃O_xからなる基
板の内部に常電導粒子（Y₂Ba₁Cu₁）を均一に混在させた
ものからなり、永久磁石（27）から発せられる磁束侵入
を拘束する性質を持つものである。そして、超電導体
（28）は、永久磁石（27）の磁束が所定量侵入する離間
位置であって、回転軸（18）の回転によって侵入磁束の
分布が変化しない位置にくるようにケース（25）に取付
けられている。なお、ケース（25）の少なくとも超電導
体（28）に対応する内周壁および上壁の部分は、非磁性
体より構成されている。

下部超電導軸受（21）は、次のように構成されてい
る。ケーシング（１）内に、環状で内部に冷却空間が形
成された中空の下部冷却ケース（29）が固定されてい
る。ケース（29）の中心にはこれを上下に貫通する貫通
穴（30）が形成され、この穴（30）に回転軸（18）のロ
ータ（24）の下側の部分が隙間をあけて通されている。
ケース（29）の穴（30）の部分の内周壁の上下中央部に
環状凹みぞ（31）が形成され、このみぞ（31）の底の部
分の内径が穴（30）の内径よりかなり大きくなってい
る。穴あき円板状の下部永久磁石（32）が回転軸（18）
に固定され、ケース（29）のみぞ（31）に隙間をあけて
はまるようになっている。この磁石（32）は、上端に一
方磁極（例えばＮ極）の磁気を、下端に他方磁極（例え
ばＳ極）の磁気をそれぞれ帯びたものであり、回転軸
（18）の回転軸心の周囲に磁束分布が回転によって変化
しないように回転軸（18）に取付けられている。ケース
（29）内のみぞ（31）の上側の壁の上面に、環状の上部
超電導体（33）が固定されている。ケース（29）内のみ
ぞ（31）の下側の壁の下面に、環状の下部超電導体（3
4）が固定されている。これらの超電導体（33）（34）
も前記同様の材料からなり、前記同様にケース（29）に
取付けられている。なお、ケース（29）の少なくともみ
ぞ（31）の部分の壁とその上下の超電導体（33）（34）
に対応する内周壁の部分は、非磁性体より構成されてい
る。

上下の超電導軸受（20）（21）のケース（25）（29）
は、ケーシング（１）内に通された連通管（35）によっ
て連通させられている。上部ケース（25）にはケーシン
グ（１）を貫通して外部にのびる冷却剤導入管（36）
が、下部ケース（29）には同様の冷却剤排出管（37）が
それぞれ接続されている。上部ケース（25）の冷却剤導
入管（36）は第２の冷却装置（11）の冷却剤吐出口に、
下部ケース（29）の冷却剤排出管（37）は第２の冷却装
置（11）の冷却剤吸込口にそれぞれ接続されている。そ
して、冷却装置（11）により、冷却剤が導入管（36）、
上部ケース（25）内の冷却空間、連通管（35）、下部ケ
ース（29）内の冷却空間および排出管（37）を通して循
環させられ、ケース（25）（29）内の冷却空間に満たさ
れる冷却剤によって超電導体（23）（33）（34）が冷却
される。このため、超電導体（28）（33）（34）が超電
導状態になって、回転軸（18）の永久磁石（27）（32）
から発せられる磁束の多くが超電導体（28）（33）（3
4）の内部に侵入して拘束されることなる（トラップ現
象）。ここで、超電導体（28）（33）（34）はその内部
に常電導粒子が均一に混在されているため、超電導体
（28）（33）（34）内部への侵入磁束の分布が一定とな
り、そのため、あたかも超電導体（28）（33）（34）が
立設した仮想ピンに回転軸（18）の永久磁石（27）（3
2）が貫かれたようになり、超電導体（28）（33）（3
4）に対して回転軸（18）が拘束される。そのため、回
転軸（18）は、きわめて安定的に浮上した状態で、アキ
シアル方向およびラジアル方向に支持されることにな
る。

ケーシング（１）内のターボ分子ポンプ部（５）の上
部に、下端が開口した短円筒状の上部保護部材（38）が
ブラケット（39）を介して固定されている。また、ケー
シング（１）内のターボ分子ポンプ部（５）の下部に環
状の下部保護部材（40）が固定されている。回転軸（1
8）の上端部は上部保護部材（38）の中に入っており、
この部分にセラミック転がり軸受よりなる上部タッチダ
ウン軸受（41）が設けられている。また、回転軸（18）
の下端部は下部保護部材（40）を貫通しており、この部
分に１対のセラミック転がり軸受よりなる下部タッチダ
ウン軸受（42）がそれぞれ設けられている。下部保護部
材（40）の内周面に浅い環状みぞ（43）が形成されてお
り、このみぞ（43）の内側の部分に下部タッチダウン軸
受（42）が隙間をあけて配置されている。下部タッチダ
ウン（42）は、ラジアル荷重とアキシアル荷重を受けら
れるものであり、たてえば正面組合せまたは背面組合せ
の１対のアンギュラ玉軸受よりなる。

運転中に、万一、超電導軸受（20）（21）の超電導体
（28）（33）（34）が常電導化（クエンチ）して支持力
がなくなったような場合、上下のタッチダウン軸受（4
1）（42）がケーシング（１）の保護部材（38）（40）
に接触し、これによって回転軸（18）が回転支持され
る。このため、回転軸（18）およびそのまわりの部品の
破損が防止される。

ターボ分子ポンプ部（５）には、次のように、運転前
にケーシング（１）と回転軸（18）の相対位置を設定す
るための初期位置決め装置（44）が設けられている。

ケーシング（１）の下部開口端部に、公知の適宜な手
段により昇降させられる昇降部材（45）が設けられてい
る。昇降部材（45）の上端面に円錐状の突起（46）が設
けられ、これに対向する回転軸（18）の下端面にこの突
起（46）がはまる円錐穴（47）が形成されている。ま
た、回転軸（18）の上端面に円錐状の突起（48）が設け
られ、これに対向する上部保護部材（38）の上壁の下面
にこの突起（48）がはまる円錐穴（49）が形成されてい
る。

運転時には、昇降部材（45）は下方の運転位置まで下
降しており、前記のように超電導軸受（28）（33）（3
4）によって回転軸（18）が支持されることにより、昇
降部材（45）の突起（46）が回転軸（18）の円錐穴（4
7）の壁から離れるとともに、回転軸（18）の突起（4
8）が上部保護部材（38）の円錐穴（49）の壁から離れ
ている。また、回転軸（18）はケーシング（１）のほぼ
中心に支持された状態で回転し、上部超電導軸受（20）
の永久磁石（27）は上部ケース（25）と適当な間隔をあ
けて対向し、下部超電導軸受（21）の永久磁石（32）は
下部ケース（29）のみぞ（31）内のほぼ上下中央に支持
されている。

停止時には、通常、第２の冷却装置（11）からの冷却
剤の供給を停止している。このため、超電導体（28）
（33）（34）は常電導状態になり、支持力がなくなって
いる。このため、回転軸（18）は、上下のタッチダウン
軸受（41）（42）を介してケーシング（１）に支持され
た状態で停止している。

このような停止状態の軸受装置は、次のようにして運
転状態にされる。

まず、昇降部材（45）を上方の設定位置まで上昇させ
る。昇降部材（45）が上昇すると、まず、昇降部材（4
5）の突起（46）が回転軸（18）の円錐穴（47）に密接
して、回転軸（18）が上に持ち上げられ、回転軸（18）
の突起（48）が上部保護部材（38）の円錐穴（49）に密
接して、回転軸（18）および昇降部材（45）が停止す
る。このように昇降部材（45）および回転軸（18）の円
錐状の突起（46）（48）が回転軸（18）および上部保護
部材（38）の円錐穴（47）（49）にはまることにより、
回転軸（18）がケーシング（１）の中心に位置決めされ
る。また、このとき、上部超電導軸受（20）の永久磁石
（27）は上部ケース（25）から上方に離れ、下部超電導
軸受（21）の永久磁石（32）は下部ケース（29）のみぞ
（31）の上側の壁に接近して、この壁から永久磁石（3
2）の上面までの距離はみぞ（31）の下側の壁から永久
磁石（32）の下面までの距離より小さくなっている。こ
のように回転軸（18）が位置決めされたならば、第２の
冷却装置（11）により超電導軸受（20）（21）に冷却剤
を循環させて、超電導体（28）（33）（34）を冷却す
る。超電導体（28）（33）（34）が冷却されて超電導状
態になると、前述のように支持力が発生するので、昇降
部材（45）を運転位置まで下降させて、これによる支持
をなくす。昇降部材（45）による支持力がなくなると、
回転軸（18）は自重で若干下降して、超電導軸受（20）
（21）の磁気反発力およびピン止め力と釣合う位置に停
止する。これにより、上部超電導軸受（20）の永久磁石
（27）が上部ケース（25）との間に適当な間隔をあけて
支持されるとともに、下部超電導軸受（21）の永久磁石
（32）が下部ケース（29）のみぞ（31）内のほぼ上下中
央に支持され、回転軸（18）前述のように非接触状態に
支持されるので、モータ（19）により回転軸（18）を回
転させて、運転を開始する。

上記の高真空ポンプでは、ターボ分子ポンプ部（５）
を作動させることにより、高真空が生成される。そし
て、クライオポンプ部（４）を同時に作動させることに
より、排気限界を高めることができる。なお、必要がな
ければ、クライオポンプ部（４）は作動を停止させてお
いてもよい。

発明の効果この発明の高真空ポンプによれば、上述のように、排
気限界が高く、しかも安価で実用性の高い高真空ポンプ
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の実施例を示す高真空ポンプの概略縦断
面図である。（１）……ケーシング、（２）……吸気口、（３）……
排気口、（６）……低温パネル、（７）（11）……冷却
装置、（18）……回転軸、（19）……高周波モータ、
（20）（21）……超電導軸受、（22）……翼、（25）
（29）……冷却ケース、（27）（32）……永久磁石、
（28）（33）（34）……超電導体。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気口および排気口を有するケーシング
と、このケーシング内に配設された複数段の翼と、これ
らの翼に連結された回転軸と、この回転軸を回転駆動す
るモータと、このモータを挾んで上記ケーシングと回転
軸の間に設けられた超電導軸受と、上記吸気口側に配置
された低温パネルと、この低温パネルの冷却装置とを備
えており、上記超電導軸受が、上記低温パネルの冷却装
置により冷却されるケーシング内の冷却空間内に配置さ
れた超電導体と、この超電導体に対向するように回転軸
に取付けられた永久磁石とからなることを特徴とする高
真空ポンプ。