JP4001403B2 - 真空ポンプのロータを支持するための回転組立体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,真空ポンプのロータを回転支持するためのベアリング組立体に関し,特にターボ分子型の真空ポンプ内のロータのシャフトを支持するためのベアリング組立体に関する。
【0002】
【従来の技術】
周知のように,真空ポンプは多くのガスポンピングステージを収納する外部ケースにより実質的に形成されている。概して,ガスポンピングステージは,ポンプボディと一体であってかつポンプモーターにより回転する回転シャフト上に一体的に載置された複数のロータディスクと協動する複数のステータリングから成る。該ポンピングステージは,ロータディスク及び対応するステータディスクの表面が相対的に離隔されているところのポンピングチャンネルとして知られるガス流路用の領域,及びロータ及び対応するステータディスクの表面が互いに非常に接近するところの高気密ゾーンを与える。ロータディスクは平坦なディスクか,または傾斜し近接配置された複数の羽を有するディスクから形成される。
【0003】
ターボ分子型の真空ポンプは平坦ディスク及び羽根付きディスクの両方から成り,10-8Paのオーダーの真空レベルを達成することができる。
【0004】
そのような真空レベルに達するためには,現状のポンプでは,ロータは100,000 rpm近くの速度で,少なくとも25,000rpmの速度で回転されなければならない。
【0005】
ターボ分子型の真空ポンプの一例は,本願の譲受人に譲渡された米国特許第5,238,362号"TURBOMOLECULAR PUMP"に開示されている。また,真空ポンプ内のロータのシャフトを回転支持するためのベアリングを使用することも周知である。
【0006】
従来技術の装置を略示した図5(A)を参照して,真空ポンプのシャフト1は,シャフト1と真空ポンプのボディ7の間に配置された一対の回転支持体またはボールベアリングのようなベアリング2及び3を通じて回転支持される。図5は,ベアリング2及び3の両方が回転軸と一体のポンプロータ4に関してポンプと同じ側にあるところの従来技術を示している。
【0007】
図5(B)は,ベアリング2及び5が回転軸1と一体のポンプロータ4の対向端に配置されているところの従来技術の他の実施例を示している。
【0008】
図5(A)及び(B)において,矢印6はポンプ内へのガスの吸気方向を示している。
【0009】
集積回路製造の分野において,ターボ分子ポンプを使用することも周知である。集積回路の製造において,HCl,HBr,Cl2,F2,NH3のような腐食性の混合ガスが周知のように採用されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
集積回路製造においてターボ分子ポンプを使用することによる一つの主な欠点は,無視できない量のガスがポンピングステージからの拡散によって累積されているという事実によって起きる。結果として,特にロータベアリングなどのポンプ内部部品の表面は上記混合ガスによる腐食攻撃に直接さらされる。
【0011】
したがって,上記応用で使用されるターボ分子ポンプの急激なダメージを防止するために,耐食性または"CP"(防食)ポンプとして知られる,腐食環境に耐えられるよう特別に設計されたポンプを与える必要があった。
【0012】
上記タイプのポンプ内において,集積回路製造工程において生成される腐食物質の侵入を防止するバリアを設置するべく,ベアリングを収容する空間内へ不活性ガス流が流される。
【0013】
したがって,本願発明の主な目的は,ポンプ稼働中のガスによるロータシャフトのベアリングへの腐食作用に対抗する付加的な保護バリアを与えることである。
【0014】
機械的なベアリングの他に,真空ポンプのシャフトの回転支持用に磁気ベアリングが使用されることも周知である。しかし,ターボ分子ポンプのシャフトを回転支持するための磁気ベアリングの使用は,ポンプの回転中に磁気ベアリングに対し一定の電気供給が必要であるため不利である。
【0015】
もし電源が故障すると,ポンプロータの回転中にシャフトを回転支持する磁気ベアリングは突然電気を切断されることになる。その結果,ポンプロータは25,000以上の最高速度で回転している時に停止状態に向かい,ロータベアリングの破損が生じる。
【0016】
ロータ支持部材の破壊を防止するために,たとえ主電源からの供給がなくても,ポンプロータが停止するまで,ロータ運動エネルギーを磁気ベアリングに供給するための電気エネルギーに変換するために従来のバッテリ及び/または装置が使用される。
【0017】
しかし,これらの方法では導入及び処理の両方の点で複雑かつ高価である。さらに,それらは例えば配線ケーブルの破損による電力の損失に対して十分な信頼性を与えられない。
【0018】
従来のポンプ設計において,補助的機械ベアリングはベアリングの破損を防止するために過剰な負荷供給,磁気ベアリングの誤動作,またはこれらがもはや供給されないか若しくは同様の条件のときにのみ介在するものである。
【0019】
通常,補助ベアリングは緊急またはバックアップベアリングとして知られ,概して図5(A)及び(B)に示される配置に従って,バックアップ支持体の回転リングとポンプのロータの間にギャップを画成する。
【0020】
磁気ベアリングがバックアップベアリングと干渉せずに動作するとき,そのようなギャップによりポンプロータは自由に回転することができる。しかし,これらのバックアップベアリングの選択は,ポンプのロータが高速で回転している際には特に厳密である。
【0021】
バックアップベアリングの介入と同時に,非常に高速で回転する表面と静止面との突然の接触は,回転ボディに対し大きな負荷及び非常に大きな加速度を伝え,また互いに動く部分間で焼付きを発生させ非常に大きなパワーの散逸が生じる。
【0022】
少なくとも部分的にこれらの欠点を解決するために,小さいサイズのバックアップベアリングを使用することが好適である。例えば,2つのベアリングの内のひとつが真空ポンプのロータ内に収容されているところの図5(B)に示された実施例では,これが重要である。しかし,この周知のアプローチは,上記問題を部分的に解決するに過ぎず,さらに,図5(B)において矢印6で示すポンプガスが入るところの吸入口を部分的に妨げる,ロータ内に配置されたベアリングを固定するための複雑な装置が必要になるという付加的な欠点をもたらす。さらに,ポンプの入口側に配置されたそのようなバックアップベアリングが滑らかでなければ,ポンプ部品表面からの塵及びパーティクルによって排気されるべき容積を汚染してしまう。
【0023】
この方法の他の欠点は,排気されるべき容積に面するポンプ側に配置されたバックアップベアリングが,処理工程において使用される可能腐食ガスの攻撃にさらされ,その結果急速にダメージを受けるという事実から生じる。
【0024】
したがって,本発明の他の目的は,上記欠点のない小さいサイズの補助ベアリングを与えることである。
【0025】
【課題を解決するための手段】
本発明にしたがって,真空ポンプのロータを支持するためのベアリング組立体を有する真空ポンプが与えられる。ポンプのロータは,1対の回転支持手段が内部の軸キャビティに配置されるところの中空の回転シャフトと,前記真空ポンプのボディと一体でありかつ実質的に前記中空シャフトと同軸である支持ジャーナルとから成る。
前記1対の回転支持手段は,前記支持ジャーナルの外側表面と前記ロータの前記中空シャフトの前記軸キャビティの内側表面との間に挿着されており,前記支持ジャーナルには,前記1対の回転支持手段の間に挿着された剛性スリーブが備えられている。
【0026】
本発明の一つの実施例にしたがって,ベアリング組立体は,ブロッキング・スリーブ・カラーを有する。ブロッキング・スリーブ・カラーは支持ジャーナル上に回転支持手段を維持する。中空シャフト内に配置された軸制限リングが,回転支持手段を支持ジャーナル上へ適当に配置するために使用され得る。
【0027】
本発明の他の局面では,真空ポンプのロータを支持するためのベアリング組立体は,中空シャフト,シャフトを支持するための磁気回転支持手段,及び中空シャフトの軸キャビティ内に配置された1対の補助的機械的回転支持手段と,前記真空ポンプのボディと一体でありかつ実質的に前記ロータの前記中空シャフトと同軸である支持ジャーナルとから成る。前記1対の補助機械的回転支持手段は,前記支持ジャーナルの外側表面と前記軸キャビティの内側表面との間に挿着されており,前記1対の補助機械的回転支持手段と前記軸キャビティの前記内側面との間にギャップが与えられており,前記支持ジャーナルには,前記1対の補助機械的回転支持手段の間に挿着された剛性スリーブが備えられている。
ベアリング組立体は,さらに1対の補助的機械的回転支持手段に近接して配置された軸方向予圧手段から成っていてもよい。軸方向予圧手段及び1対の補助的機械的回転支持手段はボールまたはローラベアリングから形成され,ポンプガスの入口側と反対側のポンプ側に載置される。
【0028】
本発明のベアリング組立体は特にターボ分子ポンプに応用可能である。
【0029】
さらに,本発明の特徴及び利点は以下の図面に示された本発明の好適であるが唯一でない実施例の説明から理解可能である。
【0030】
【発明の実施の形態】
図1(A)を参照して,本発明に従う回転ベアリング組立体は,真空ポンプのボディのベース13に回転可能に固定され,かつロータ3(図1(A)には一部しか示されていない)がきつく固定されているところの実質的に円筒形の内部キャビティ14を有する回転中空シャフト2により包囲されるジャーナル部材1と,該ジャーナル部材とジャーナル部材を収容する回転中空シャフト2の円筒形キャビティ14の内側面の間に挿着された一対のボールまたはローラーベアリング4及び5から成る。
【0031】
ベアリング4及び5は,回転中空シャフト2の閉止端及び開放端またはベース付近のジャーナル部材1の対向端に締め付けられた2つのスリーブカラー6及び7のそれぞれの側であって,またベアリング4及び5の間に配置されたスリーブ8の側の支持ジャーナル上の所望の位置に維持される。
【0032】
スリーブ8は,ジャーナル部材1が過度に曲がることによって回転中空シャフト2及びロータ3がポンプの静止部分と接触することを防止するべく,ジャーナル部材1を強化しかつ剛性化するために使用される。
【0033】
さらに,真空ポンプの回転中空シャフト2の内側キャビティの円環状の溝11及び12内に部分的に収容された軸制限リング9及び10が与えられる。
【0034】
軸制限リング9及び10は,ジャーナル部材1が中空シャフト2に関して回転する際に中空シャフト2がジャーナル部材1から脱落することを防止する。
【0035】
本発明のベアリング組立体の他の実施例を示す図1(B)を参照して,回転中空シャフト2内の内側キャビティ14の円筒形断面は,ジャーナル部材1の自由端に隣接するキャビティ端部において直径減少部分16を有し,それによってボールベアリング5用の突き合わせ段差またはショルダ15が形成される。
【0036】
図1(B)の実施例において,ショルダ15と,回転中空シャフト2の円筒キャビティ内に与えられる円環状溝内に部分的に受設された単一のシーリングリング17との間の協働により,ジャーナル部材1に関して回転中空シャフト2の軸制限が得られる。
【0037】
図2(A)及び図2(B)は本発明のベアリング組立体の他の実施例であり,中空シャフト2を回転し補助的に支持するための主な手段は磁気ベアリング及び機械的ベアリングから成る。図2(A)において,磁気ベアリングは18及び19で示され,機械的ベアリング組立体は4'及び5'として示されている。
【0038】
図2(A)及び図2(B)に示された実施例において,メイン磁気ベアリング18及び19の作動時に中空シャフト2の回転が補助ベアリング4'及び5'により邪魔されないように,また同時に磁気ベアリング18及び19が故障した場合またはそれらに過剰な負荷がかけられた時に中空シャフト2の内側キャビティ14の内側面が補助ベアリング4'及び5'と接触するように,補助ベアリング4'及び5'と中空シャフト2の間にギャップ20が形成されている。
【0039】
図3は,本発明の他の実施例を示し,ベアリング4'及び5'が,軸予圧(axial preloading)を得るべくそれぞれベアリング21及び22と結合されている。
【0040】
補助ベアリング4'及び5'の軸予圧は,補助ベアリングと接触する際のロータのより厳密な制限のために,及びローリング部材がローリングレースに関してとる位置による補助ベアリング4'及び5'のダメージを防止するために有用である。
【0041】
図4(A),(B)及び(C)を参照すると,回転中空シャフト2がジャーナル部材1から引っ込むのを防止するべく与えられた軸制限手段の3つの実施例が示されている。
【0042】
図4(A),(B)及び(C)に示された実施例は,ベアリング4'及び5'が補助ベアリングとして動作し,図3の実施例と同様の軸予圧を有するところの装置に関する。しかし,図4(A),(B)及び(C)の装置は,軸予圧を与えない実施例においてもまたそのようなベアリングがポンプシャフトの主支持を構成するところの実施例においても使用可能である。
【0043】
特に,図4(A)は,最も外側のベアリング4'及び21の対と真空ポンプの回転中空シャフト2との間の回転中空シャフト2の内側キャビティ14内に配置された円筒スリーブ23を有する軸制限手段の一つの実施例を示す。
【0044】
回転中空シャフト2の内側キャビティ14内に配置された円筒スリーブ23の自由端は,最も内側のベアリング対5'及び22に対して軸停止ショルダを画成し,それによってベアリング4'及び21並びに5'及び22を担持するジャーナル部材1からの回転中空シャフト2の引き込みが防止される。
【0045】
さらに,中空シャフト2の外側に突き出る円筒スリーブ23の自由端は90°に外側に折られたリム26を有し,それを通過するネジ25によって,リム26が中空シャフト2のベース上に形成された補強リム24へ固く締め付けられる。
【0046】
図4(B)は軸制限手段の他の実施例であって,中空シャフト2の内側キャビティ14の狭い部分16'は,最も外側のベアリング21及び4'付近に配置され,ベアリング4'及び21と真空ポンプの中空シャフト2の間の中空シャフト2の内側キャビティ14内に配置された円筒スリーブ23'に対して突き合わせ段差15'を画成する。内側キャビティ14内に配置された円筒スリーブ23'の自由端は内側に90°折れたリムを有し,最も外側のベアリング4'及び21に対する軸停止ショルダを画成する。
【0047】
中空シャフト2のベース上に与えられる補強リム24へネジ25により固定されたキャップ28は,中空シャフト2の内側キャビティ14のショルダ15'により形成される段差に対して円筒スリーブ23'を強く押し,ベアリング4',21,5'及び22が載置されるジャーナル部材1からの中空シャフト2の引き込みを防止する。
【0048】
円筒スリーブ23'を押すキャップ28の表面はさらに円筒スリーブ23'の自由端を受設するための円形溝29を有する。
【0049】
図4(C)は軸制限手段のさらに他の実施例を示し,シャフト2の内側キャビティ14は,最も内側のベアリング5'及び22に配置された第1の狭い部分16と,最も外側のベアリング4'及び21に配置された第2の狭い部分16'を有し,またそれぞれ突き合わせ段差15及び15'を画成する。
【0050】
小さい断面を有するフロント部分及び大きな断面を有するリア部分を有する円筒スリーブ23''は,ベアリング4'及び21と真空ポンプの中空シャフト2との間の中空シャフト2の内側キャビティへ進入する。
【0051】
中空シャフト2の内側キャビティ14内に配置された自由端に関して,そのような円筒スリーブ23''は,ベアリング4',21,5'及び22が載置された支持ジャーナル部材1からのシャフト2の引き込みを防止する,最も内側のベアリング5'及び22用の軸停止ショルダを画成する。
【0052】
中空シャフト2の外側に残った自由端において,そのような円筒スリーブ23''は,さらに外側に90°折り曲がったリム30を有し,該リム30を通じるネジ25によってリム30はシャフト2のベース上に与えられる補強リム24へきつく固定される。
【0053】
図4(A),(B)及び(C)に示されるように,ベアリング4',21,5'及び22が補助支持体として使用される際には,主要な磁気支持体が作動しているとき補助ベアリングに関して中空シャフト2が自由に回転できるように,動く部品とベアリング4',21,5'及び22の間にはギャップ20が与えられる。
【0054】
図4(C)の実施例において,円筒スリーブ23'より大きな断面を有するリア部がより大きな直径を有するシャフト2の内側キャビティ14部内に収容され,支持ジャーナル部材1が真空ポンプのボディに固定される領域を弱めるようなより細い支持ジャーナル部材1を要求することなく,図4(A)に示される実施例に比べより大きな外側ベアリング4'及び21の載置が可能になる。
【0055】
図4(C)に示された実施例を参照して,支持ジャーナル部材1の自由端は狭い部分31を有し,最も外側のベアリングと等しいかより小さいサイズを有する最も内側のベアリング5'及び22がそこに載置されている。
【0056】
本願発明の方法に基づいて,主要または補助支持の両方の機械的支持体は従来に比べより小さいサイズを有し,それらはロータシャフト内に収容されるため,それらは排気されるべきガスが流れるポンプゾーンから分離され続け,その結果それらはガス侵食作用から保護されている。
【0057】
代わって,主要または補助のいずれかの機械的ベアリングの挿着によって生成されるパーティクルは,排気される領域から分離され続ける。
【0058】
本発明の他の利点は,ロータシャフトの設計である。ロータシャフトは部分的に中空であるため,曲げ応力に対してより大きな抵抗を示し,また急激なロータの回転にしばしば有用なフレキシブルな剛性/質量比を増加させるより小さい質量を示す。
【0059】
本発明を使用する真空ポンプのメンテナンスは,ベアリングが載置された支持ジャーナルがシャフトを解体することなくポンプのロータシャフトから引き抜くことによって簡単に交換できることから時間の浪費もより少ない。
【0060】
さらに,支持ジャーナルを吸気口側と反対側のポンプのベース上に配置することにより,より効果的な熱放散が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1(A)は,本発明の第1の実施例に従う,回転ベアリングの配置を示した真空ポンプの部分断面図である。
図1(B)は,本発明の第2の実施例に従う,回転ベアリングの配置を示した真空ポンプの部分断面図である。
【図2】 図2(A)は,本発明の第3の実施例に従う,回転ベアリングの配置を示した真空ポンプの部分断面図である。
図2(B)は,本発明の第4の実施例に従う,回転ベアリングの配置を示した真空ポンプの部分断面図である。
【図3】図3は,本発明の第5の実施例に従う,回転ベアリングの配置を示した真空ポンプの部分断面図である。
【図4】 図4(A)は,本発明のひとつの実施例に従う,軸制限手段を示した真空ポンプの部分断面図である。
図4(B)は,本発明の他の実施例に従う,軸制限手段を示した真空ポンプの部分断面図である。
図4(C)は,本発明のさらに他の実施例に従う,軸制限手段を示した真空ポンプの部分断面図である。
【図5】図5(A)は,従来技術のひとつの実施例に従う,回転ベアリングの配置を示した真空ポンプの部分断面図である。
図5(B)は,従来技術の他の実施例に従う,回転ベアリングの配置を示した真空ポンプの部分断面図である。
【符号の説明】
1 ジャーナル
2 シャフト
3 ロータ
4 ベアリング
5 ベアリング
6 スリーブカラー
7 スリーブカラー
8 スリーブ
9 軸制限リング
10 軸制限リング
11 円環溝
12 円環溝
13 ベース
14 キャビティ
Claims (19)
- 真空ポンプのロータを支持するためのベアリング組立体であって,前記真空ポンプは前記ロータと一体のロータディスク及び前記真空ポンプのボディと一体のステータリングにより形成される複数のガスポンピングステージから成り,
内部に軸キャビティを形成する前記ロータの中空シャフトと,
前記シャフト内に収容された1対の回転支持手段と,
前記真空ポンプの前記ボディと一体でありかつ実質的に前記中空シャフトと同軸である支持ジャーナルと,
から成り,
前記1対の回転支持手段が,前記支持ジャーナルの外側表面と前記ロータの前記中空シャフトの前記軸キャビティの内側表面との間に挿着されており,
前記支持ジャーナルには,前記1対の回転支持手段の間に挿着された剛性スリーブが備えられたベアリング組立体。 - 請求項1に記載のベアリング組立体であって,前記1対の回転支持手段が複数のボールまたはローラーベアリングから形成される,
ところのベアリング組立体。 - 請求項1に記載のベアリング組立体であって,さらに前記1対の回転支持手段を前記支持ジャーナル上に維持するためのブロッキング・スリーブ・カラーから成る,ベアリング組立体。
- 請求項1に記載のベアリング組立体であって,前記ロータの前記中空シャフトの前記軸キャビティは,前記軸キャビティの端部において径方向の狭部を有して,前記回転支持手段に隣接する突き合わせ段差またはショルダを形成している,
ところのベアリング組立体。 - 請求項1に記載のベアリング組立体であって,前記中空シャフトは,前記回転支持手段のための軸制限リングを部分的に収容する少なくとも一つの円環溝を有する,
ところのベアリング組立体。 - 真空ポンプのロータを支持するためのベアリング組立体であって,前記真空ポンプは前記ロータと一体のロータディスク,及び前記真空ポンプのボディと一体のステータリングにより形成される複数のガスポンピングステージから成り,
内部に軸キャビティを形成する前記ロータの中空シャフトと,
前記中空シャフトを支持するための磁気回転支持手段と,
前記中空シャフト内に配置された,前記中空シャフトを支持するための1対の補助機械的回転支持手段と,
前記真空ポンプの前記ボディと一体でありかつ実質的に前記ロータの前記中空シャフトと同軸である支持ジャーナルと,
から成り,
前記1対の補助機械的回転支持手段は,前記支持ジャーナルの外側表面と前記軸キャビティの内側表面との間に挿着されており,前記1対の補助機械的回転支持手段と前記軸キャビティの前記内側面との間にギャップが与えられており,
前記支持ジャーナルには,前記1対の補助機械的回転支持手段の間に挿着された剛性スリーブが備えられているベアリング組立体。 - 請求項6に記載のベアリング組立体であって,前記1対の補助機械的回転支持手段は複数のボールまたはローラーベアリングで形成されている,
ところのベアリング組立体。 - 請求項6に記載のベアリング組立体であって,さらに前記1対の補助機械的回転支持手段に隣接する軸方向予圧手段から成る,ベアリング組立体。
- 請求項8に記載のベアリング組立体であって,前記軸方向予圧手段は複数のボールまたはローラーベアリングから形成される,
ところのベアリング組立体。 - 請求項6に記載のベアリング組立体であって,さらに前記1対の補助機械的回転支持手段を前記支持ジャーナル上に配置するための間隔スリーブカラーから成る,ベアリング組立体。
- 請求項8に記載のベアリング組立体であって,前記ロータの前記中空シャフトの前記軸キャビティは,前記軸キャビティの端部において径方向の狭部を有して,前記補助機械的回転支持手段に隣接する突き合わせ段差またはショルダを形成している,
ところのベアリング組立体。 - 請求項6に記載のベアリング組立体であって,前記中空シャフトの前記軸キャビティは,前記補助機械的回転支持手段を制限するための軸制限リングを部分的に収容する少なくとも一つの円形溝を有する,
ところのベアリング組立体。 - 請求項6に記載のベアリング組立体であって,前記中空シャフトの前記軸キャビティは実質的に円筒形である,
ところのベアリング組立体。 - 請求項6に記載のベアリング組立体であって,前記磁気回転支持手段及び1対の補助機械的回転支持手段は,排気されるガスの吸気側と反対側の前記ポンプ側に載置されている,
ところのベアリング組立体。 - 請求項6に記載のベアリング組立体であって,さらに前記1対の補助機械的回転支持手段のための軸制限手段から成り,該軸制限手段は,前記中空シャフトの前記軸キャビティの前記内側面と前記1対の補助機械的回転支持手段との間に配置され,かつ外側で前記中空シャフトのベースに固定されたスリーブにより形成されている,
ところのベアリング組立体。 - 請求項15に記載のベアリング組立体であって,前記スリーブは,前記1対の補助機械的回転支持手段に対してショルダを画成するべく 90°内側に曲げられたリムを有する,
ところのベアリング組立体。 - 請求項15に記載のベアリング組立体であって,フロント部及びリア部を有し,前記フロント部の断面は前記リア部の断面より小さく,前記中空シャフトの前記軸キャビティは第1内側狭部及び第2外側狭部を有し,前記スリーブの前記フロント部は第1内側狭部において前記軸キャビティ内に収容され,かつ前記スリーブの前記リア部は第2外側狭部において前記軸キャビティ内に収容されている,
ところのベアリング組立体。 - 請求項6に記載のベアリング組立体であって,前記支持ジャーナルは前記ポンプの前記ボディから取り外し可能である,
ところのベアリング組立体。 - 請求項18に記載のベアリング組立体であって,前記ポンプはターボ分子ポンプである,
ところのベアリング組立体。
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