JP4934089B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

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Description

本発明はターボ分子ポンプに関し、特に、回転体のバランスを取る機構を備えたターボ分子ポンプに関する。
ターボ分子ポンプは、タービン翼を有する回転体を高速で回転させることで、気体の分子とタービン翼とを繰り返し衝突させ、これにより気体を排気する真空ポンプである。高速で回転する回転体がアンバランスであると、振動、騒音、回転体の疲労破壊などの問題を引き起こしてしまう。このため、ターボ分子ポンプにおいては、回転体のバランスを取る作業が必要不可欠とされている。
バランスを取る方法は、回転体に質量を付加する方法と、回転体から質量を削除する方法の2通りに大別される。いずれの方法においても、まず、回転体を実際に回転させて、アンバランスを取り除くための最適な質量と位置(角度)を算出し、そして、計算により求められた質量を回転体に付加する、または回転体から取り除くことで、回転体のアンバランスを修正する。
回転体から質量を取り除く方法では、ドリルで回転体を削り取ることが一般的である。しかしながら、ドリルを用いた切削作業では、回転体を削りすぎると、その軸心に関して反対側の位置の部分を削り取る作業が必要となる。また、削る位置が不正確であると、それを打ち消すための付加的な切削作業が必要となる。したがって、作業員には、所定の位置で所定の質量を正確に削ることが必要とされ、高い技量が求められる。
また、回転体を削る作業にはパーティクルの発生が伴う。これは、高いクリーン度が要求されるターボ分子ポンプにおいては好ましいことではなく、パーティクルを回転体から除去する作業を十分に行うことが必要となる。さらに、回転体に穴を開けることによる、回転体の強度の低下や、回転体を保護する耐食性コーティング材の剥がれなどを招いてしまう。
一方、回転体に質量を付加する方法では、上述したような問題は生じない。しかしながら、この方法は、錘を取り付けるためのベース部材や、このベース部材を回転体に取り付ける機構が必要となり(例えば、特許文献1参照)、回転体の構成が複雑となってしまう。また、アンバランス修正の精度を上げるためには、錘が挿入される受け孔を、回転中心周りにできるだけ多く、等間隔に設けることが必要とされる。
図1は、錘を回転体に付加することによってバランスを取る方法を説明するための図である。図1において、mはアンバランスを修正するために付加すべき質量であり、計算により求められる。m1およびm2は、付加される錘の質量である。αは隣接する錘の角度間隔(錘が挿入される受け孔の角度間隔)である。βは質量mの位置に近い方の質量m2と質量mとの角度間隔である。
βが3°未満であるとき、1つの錘が用いられ、質量mの位置に最も近い受け孔に挿入される。βが3°以上であるときは、2つの錘が用いられる。この場合、βとβ−αとの比がm2とm1との比にほぼ等しくなるように質量m1と質量m2が決定される。しかしながら、m2とm1との比がある程度大きくなると、質量m2が小さくなりすぎ、質量m2に対応する錘を用意することができなくなる。これは、錘の質量には物理的な上限および下限があるからである。
受け孔の角度間隔が大きいほど、m2とm1との比は大きくなる。したがって、受け孔の角度間隔はできるだけ小さいことが好ましい。すなわち、受け孔の数が多いほど、アンバランスを修正する精度が高まる。
特開2003−148389号公報 特開2006−22771号公報
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、回転体のアンバランス修正を精度よく行うことができるターボ分子ポンプを提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、複数の回転翼を有するロータと、前記ロータが固定される回転軸と、前記複数の回転翼に対向して配置される複数の固定翼と、前記複数の固定翼を支持するケーシングと、気体の吸気口および排気口と、前記回転軸と同心上に配置され、前記ロータを前記回転軸に固定する固定ボルトと、前記固定ボルトに着脱可能に取り付けられる少なくとも1つの第1の錘と、を備え、前記固定ボルトの頭部には、前記回転軸の軸心周りに複数の第1のねじ穴が等間隔に形成され、前記第1の錘は、前記第1のねじ穴に螺合されていることを特徴とするターボ分子ポンプである。
本発明の好ましい態様は、前記回転軸を支持するラジアル磁気軸受と、前記回転軸に固定されたスラストディスクと、前記スラストディスクを支持するスラスト磁気軸受とをさらに備え、前記スラストディスクには、前記回転軸の軸心周りに複数の第2のねじ穴が等間隔に形成され、前記第2のねじ穴には、少なくとも1つの第2の錘が螺合されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第2の錘は、前記スラストディスクの内部に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記スラストディスクは、その中心に位置する一条ねじを有しており、前記一条ねじを介して前記スラストディスクが前記回転軸に固定されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第1の錘は、前記第1のねじ穴に螺合する取付ボルトと、該取付ボルトが挿通される孔を有する分銅とを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記固定ボルトは、一条ねじであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記固定ボルトには、その軸心に沿って貫通孔が形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、1本の固定ボルトを用いてロータが回転軸に固定され、この固定ボルトに第1の錘が直接取り付けられる。したがって、アンバランス修正機構を簡素にすることができる。また、固定ボルトは回転軸と同心上に配置されているので、固定ボルト自体が回転体(ロータおよび回転軸を含む組立体)のバランス状態に与える影響は極めて小さい。さらに、固定ボルトの頭部全体を錘が取り付けられる基台として用いることができるので、多数のねじ穴を等間隔で形成することができる。したがって、精度の高いアンバランス修正が可能となる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において同一または相当する部材には同一符号を付し、重複した説明を省略する。
図2は、本発明の一実施形態に係るターボ分子ポンプを示す断面図である。図2に示すように、ターボ分子ポンプは、ロータ1と、このロータ1が固定される回転軸2と、ロータ1を収容するケーシング3と、回転軸2を回転させるモータ4とを備えている。
ケーシング3は、上ハウジング3A、下ハウジング3B、およびサブケーシング3Cとから構成されている。ロータ1は上ハウジング(ポンプケーシング)3Aに収容されており、モータ4は下ハウジング(モータケーシング)3Bに収容されている。サブケーシング3Cは、上ハウジング3Aと下ハウジング3Bとの間に配置されている。上ハウジング3Aの上端には吸気口6が設けられており、サブケーシング3Cには排気口7が設けられている。
ロータ1は、第1のタービン翼部10、第2のタービン翼部20、および遠心翼部30に分けられる。第1のタービン翼部10は、複数の(本実施形態では5段の)第1のタービン翼11を有している。第2のタービン翼部20は、複数の(本実施形態では2段の)第2のタービン翼21を有している。遠心翼部30は、複数の(本実施形態では3段の)遠心翼31を有している。
上ハウジング3Aの内周面には、第1のタービン翼11、第2のタービン翼21、および遠心翼31にそれぞれ対向するように、第1の固定翼41、第2の固定翼51、および第3の固定翼61が固定されている。第1のタービン翼11と第1の固定翼41は、回転軸2の長手方向に沿って交互に配置されている。同様に、第2のタービン翼21と第2の固定翼51は交互に配置され、遠心翼31と第3の固定翼61も交互に配置されている。
図3(a)は第1のタービン翼部10を示す平面図であり、吸気口6に最も近い最上段の第1のタービン翼11のみを示す。図3(b)は径方向から見た第1のタービン翼11を部分的に展開した図である。第1のタービン翼部10は、ボス12と、複数の第1のタービン翼11と、ボス12と第1のタービン翼11との間に位置する取付リング13とを有している。各第1のタービン翼11は、放射状に延びる複数の羽根11aから構成されている。これらの羽根11aは各取付リング13の外周面に設けられている。全段の取付リング13はボス12の外周面に一体に形成されている。ボス12には、回転軸2の軸心に沿って延びる中空部14及び挿入孔15が形成されている。
各羽根11aは、β1(例えば、10〜40度)だけ捩れ角をもって取付リング13に取り付けられている。その他の第1のタービン翼11の構成は、図3(a)及び図3(b)に示す最上段の第1のタービン翼11の構成と同じであるが、羽根11aの枚数、羽根11aの取付角度β1、取付リング13の外径、羽根11aの長さなどは、適宜変えてもよい。
図4(a)は1段目の第2のタービン翼21を示す平面図であり、図4(b)は径方向から見た第2のタービン翼21を部分的に展開した図である。第2のタービン翼21は、ボス22と、放射状に延びる複数の羽根21aと、ボス22と羽根21aとの間に位置する取付リング23とを有している。羽根21aは取付リング23の外周面に設けられている。取付リング23はボス22の外周面に一体に形成されている。ボス22には、回転軸2の軸心に沿って延びる嵌合孔24が形成されている。
各羽根21aは、β2(例えば、10〜40度)だけ捩れ角をもって取付リング23に取り付けられている。2段目の第2のタービン翼21の構成は、1段目の第2のタービン翼21の構成と同じであるが、羽根21aの枚数、羽根21aの取付角度β2、取付リング23の外径、羽根21aの長さなどは、適宜変えてもよい。
図5(a)は、第1の固定翼41を吸気口側から見た平面図であり、図5(b)は、径方向から見た第1の固定翼41を部分的に展開した図であり、図5(c)は、図5(a)のX−X線断面図である。第1の固定翼41は、円環部42と、放射状に延びる複数の羽根41aとを備えている。これらの羽根41aは、円環部42の外周面に取り付けられている。円環部42の内周面は軸孔43を構成し、軸孔43を回転軸2(図2参照)が貫通している。
各羽根41aは、β3(例えば、10〜40度)だけ捩れ角をもって円環部42に取り付けられている。その他の第1の固定翼41、および第2の固定翼51の構成は、図5(a)乃至図5(c)に示す第1の固定翼41の構成と同じであるが、羽根の枚数、羽根の取付角度、円環部の外径、羽根の長さなどは、適宜変えてもよい。
図6(a)は遠心翼31を示す平面図であり、図6(b)は遠心翼31の断面図である。遠心翼31は、ボス32aを有する略円板状の基部32と、基部32の表面(上面)に形成された複数の渦巻状羽根33とを備えている。渦巻状羽根33は、ボス32aの外周面から基部の周縁部まで延びており、その延びる方向は、回転方向に対して反対向きである。ボス32aには、回転軸2の軸心に沿って延びる嵌合孔34が形成されている。このような渦巻状羽根33を有する遠心翼31は、気体の分子に径方向の運動量を与える役割を有する。第2のタービン翼部20と遠心翼部30との間には、緩和空間50が形成されている。この緩和空間50は、気体の流れが軸方向から径方向に移行する際の損失を緩和する目的で設けられている。
図2に示すように、回転軸2は、上ラジアル磁気軸受71および下ラジアル磁気軸受72によって非接触に支持されている。回転軸2の端部(下端)にはスラストディスク75が回転軸2と同心上に固定されている。スラストディスク75は、その中心に位置する一条ねじ75aを有しており、スラストディスク75と一条ねじ75aとは一体に形成されている。スラストディスク75は、一条ねじ75aを回転軸2の端部に形成されたねじ穴に螺合させることにより、回転軸2に固定されている。
スラストディスク75は、スラスト磁気軸受73によって非接触に支持されている。上ラジアル磁気軸受71および下ラジアル磁気軸受72に隣接して、ラジアル変位センサ80,81がそれぞれ設けられている。また、スラストディスク75の端面(下面)に対向して、回転センサ(回転速度検出用ギャップセンサ)82およびアキシャル変位センサ83が設けられている。
ラジアル変位センサ80,81は、回転軸2のラジアル方向の変位を測定し、アキシャル変位センサ83は、回転軸2のアキシャル方向の変位を測定する。ラジアル変位センサ80,81およびアキシャル変位センサ83の信号は、図示しない制御部に送信されるようになっている。制御部は、これらの信号を受けて、回転軸2のラジアル方向の変位と、アキシャル方向の変位をキャンセルするように、上ラジアル磁気軸受71、下ラジアル磁気軸受72、およびスラスト磁気軸受73に指令を発する。このような動作により、回転軸2はほぼ一定の位置で支持される。
上ラジアル磁気軸受71、下ラジアル磁気軸受72、およびスラスト磁気軸受73のいずれかが機能しないときに回転軸2を物理的接触により支持する上タッチダウン軸受85および下タッチダウン軸受86が設けられている。上タッチダウン軸受85は、回転軸2の大径部2aの径方向外側に配置され、下タッチダウン軸受86は、回転軸2の下端近傍に配置されている。
図2に示すように、回転軸2は、その内部に中空室90が形成された中空軸である。中空室90の上端は開口しており、その開口部はキャップ91によって塞がれている。キャップ91の中心には、キャップ91を貫通するねじ穴92が形成されており、上述した第1のタービン翼部10の挿入孔15を通じて固定ボルト100がねじ穴92に螺合されている。この固定ボルト100は一条ねじである。固定ボルト100には、その軸心に沿って貫通孔101が形成されている。この貫通孔101は回転軸2の中空室90に連通している。
このような貫通孔101を固定ボルト100に設けることにより、ターボ分子ポンプの運転に従って、中空室90内に存在する気体(通常は、大気圧の空気)が貫通孔101を通じて排出される。なお、回転軸2は、中空室90を有さない中実軸であってもよい。
ロータ1を構成する第1のタービン翼部10は、固定ボルト100によって回転軸2の上端に直接固定される。第2のタービン翼部20および遠心翼部30は、焼きばめにより回転軸2に固定されている。第1のタービン翼部10は回転軸2の上方に位置し、第2のタービン翼部20および遠心翼部30は回転軸2の径方向外側に位置している。なお、図示はしないが、回転軸2に第2のタービン翼部20および遠心翼部30を重ねて取り付け、第1のタービン翼部10と回転軸2の大径部2aとの間に挟むことにより、回転軸2に固定してもよい。
上述した固定ボルト100は、回転体(ロータ1および回転軸2を含む組立体)のバランスを取るための機構の一部を構成している。図7(a)は、固定ボルト100を示す断面図であり、図7(b)は固定ボルト100を上から見た図である。固定ボルト100は、回転軸2と同心上に配置されており、回転軸2のキャップ91に形成されたねじ穴92に螺合されている。
固定ボルト100の頭部の上面には、固定ボルト100の軸心(すなわち回転軸2の軸心)周りに複数のねじ穴(第1のねじ穴)102が等間隔に形成されている。図7(b)に示す例では、頭部の上面全体は平坦に形成され、18個のねじ穴102が固定ボルト100の上面に形成されている。また、固定ボルト100の頭部の中心には、固定ボルト100自身をキャップ91のねじ穴92に捩じ込むための六角穴105が形成されている。
計算により予め求められたカウンターウェイトの質量および位置に従って、少なくとも1つの錘(第1の錘)103がねじ穴102に挿入される。錘103は、ねじ穴102に螺合する取付ボルト103Aと、この取付ボルト103Aが挿通される孔を有する分銅(錘)103Bとを有している。重さが異なる複数の分銅103Bが用意され、計算により求められた質量に対応する分銅103Bが選択され、そして、取付ボルト103Aにより固定ボルト100の頭部に取り付けられる。なお、取付ボルト103A自体が錘の一部を構成するので、計算により求められた、回転体のアンバランス修正のための質量が小さい場合には、分銅103Bを省略することができる。
図8(a)は、図2に示すスラストディスク75を示す拡大断面図であり、図8(b)は、スラストディスク75を下から見た図である。スラストディスク75の下面には、回転軸2の軸心周りに複数のねじ穴(第2のねじ穴)110が等間隔に形成されている。図8(b)に示す例では、36個のねじ穴110が形成されている。なお、図8(b)では、ねじ穴110はスラストディスク75を貫通していないが、スラストディスク75を貫通してもよい。
このねじ穴110には、少なくとも1つの錘(第2の錘)111が螺合される。この錘111は、頭部を有していなく、錘111の外周面には雄ねじが形成されている。また、錘111の端面には、錘111自身をねじ穴110に捩じ込むための六角穴が形成されている。図8(a)に示すように、錘111全体はねじ穴110の内部に位置している。
本実施形態では、これら固定ボルト100およびスラストディスク75を利用して2面つりあわせが行われる。2面つりあわせでは、2面間の距離が離れている方がアンバランス修正精度および修正作業の効率が向上する。固定ボルト100およびスラストディスク75は、回転軸2の両端部に位置しているので、精度よく、かつ簡単にアンバランス修正作業を行うことができる。なお、第1の錘103のみの付加で回転体のバランスが取れる場合には、第2の錘111を用いなくてもよい。
上述したように、固定ボルト100は一条ねじである。また、スラストディスク75はそれと一体に形成された一条ねじ75aにより回転軸2に固定されている。ここで、一条ねじとは、リードがピッチに等しいねじをいう。このような構成によれば、固定ボルト100を取り外して、再度キャップ91のねじ穴92に螺合しても、第1の錘103と回転軸2との相対位置は一定である。同様に、スラストディスク75を取り外して、再度回転軸2に取り付けても、第2の錘111と回転軸2との相対位置は一定である。したがって、回転体のバランスは維持される。
図9は、中空室を有さない中実軸を回転軸に用いた例を示す断面図である。回転軸以外の構成は、図2に示す構成と同一である。この例でも、第1の錘103および/または第2の錘111を用いて回転体のバランスが取られる。
次に、固定ボルト100の変形例について、図10(a)および図10(b)を参照して説明する。図10(a)は固定ボルトの変形例を示す部分断面図であり、図10(b)は図10(a)に示す固定ボルトを下方から見た図である。図10(a)および図10(b)に示すように、固定ボルト100の頭部の下面には、環状溝120が形成されている。この環状溝120は、それぞれのねじ穴102の下端に接続されており、環状溝120とねじ穴102とは互いに連通している。また、環状溝120には、固定ボルト100の頭部の外周面で開口する溝121が接続されている。このような構成としたことにより、第1の錘103によってねじ穴102に閉じ込められた気体は、ポンプ運転とともに環状溝120および溝121を通じて排出される。
なお、このような環状溝および溝に代えて、第1の錘103に、その長手方向に沿って延びる貫通孔を形成してもよい。より具体的には、図11に示すように、第1の錘103を構成する取付ボルト103Aに、その長手方向に沿って貫通孔130を形成してもよい。この場合でも、第1の錘103によってねじ穴102に閉じ込められた気体は、ポンプ運転とともに貫通孔130を通じて排出される。
上述した実施形態は、本発明の属する通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。したがって、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想の範囲内において種々の変形例が可能である。
錘を回転体に付加することによってバランスを取る方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るターボ分子ポンプを示す断面図である。 図3(a)は第1のタービン翼部を示す平面図であり、吸気口に最も近い最上段の第1のタービン翼のみを示す。図3(b)は径方向から見た第1のタービン翼を部分的に展開した図である。 図4(a)は1段目の第2のタービン翼を示す平面図であり、図4(b)は径方向から見た第2のタービン翼を部分的に展開した図である。 図5(a)は、第1の固定翼を吸気口側から見た平面図であり、図5(b)は、径方向から見た第1の固定翼を部分的に展開した図であり、図5(c)は、図5(a)のX−X線断面図である。 図6(a)は遠心翼を示す平面図であり、図6(b)は遠心翼の断面図である。 図7(a)は、固定ボルトを示す断面図であり、図7(b)は固定ボルトを上から見た図である。 図8(a)は、図2に示すスラストディスクを示す拡大断面図であり、図8(b)は、スラストディスクを下から見た図である。 中空室を有さない中実軸を回転軸に用いたターボ分子ポンプの例を示す断面図である。 図10(a)は固定ボルトの変形例を示す部分断面図であり、図10(b)は図10(a)に示す固定ボルトを下方から見た図である。 貫通孔を有する第1の錘の構成例を示す図である。
符号の説明
1 ロータ
2 回転軸
3 ケーシング
4 モータ
6 吸気口
7 排気口
10 第1のタービン翼部
11 第1のタービン翼
12 ボス
13 取付リング
14 中空部
15 貫通孔
20 第2のタービン翼部
21 第2のタービン翼
22 ボス
23 取付リング
24 嵌合孔
30 遠心翼部
31 遠心翼
32 基部
33 渦巻状羽根
34 嵌合孔
41 第1の固定翼
42 円環部
43 軸孔
50 緩和空間
51 第2の固定翼
61 第3の固定翼
71 上ラジアル磁気軸受
72 下ラジアル磁気軸受
73 スラスト磁気軸受
75 スラストディスク
80,81 ラジアル変位センサ
82 回転センサ(回転速度検出用ギャップセンサ)
83 アキシャル変位センサ
85 上タッチダウン軸受
86 下タッチダウン軸受
90 中空室
91 キャップ
92 ねじ穴
100 固定ボルト
101 貫通孔
102 第1のねじ穴
103 第1の錘
105 六角穴
110 第2のねじ穴
111 第2の錘
120 環状溝
121 溝
130 貫通孔

Claims (7)

  1. 複数の回転翼を有するロータと、
    前記ロータが固定される回転軸と、
    前記複数の回転翼に対向して配置される複数の固定翼と、
    前記複数の固定翼を支持するケーシングと、
    気体の吸気口および排気口と、
    前記回転軸と同心上に配置され、前記ロータを前記回転軸に固定する固定ボルトと、
    前記固定ボルトに着脱可能に取り付けられる少なくとも1つの第1の錘と、を備え、
    前記固定ボルトの頭部には、前記回転軸の軸心周りに複数の第1のねじ穴が等間隔に形成され、
    前記第1の錘は、前記第1のねじ穴に螺合されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
  2. 前記回転軸を支持するラジアル磁気軸受と、
    前記回転軸に固定されたスラストディスクと、
    前記スラストディスクを支持するスラスト磁気軸受とをさらに備え、
    前記スラストディスクには、前記回転軸の軸心周りに複数の第2のねじ穴が等間隔に形成され、
    前記第2のねじ穴には、少なくとも1つの第2の錘が螺合されていることを特徴とする請求項1に記載のターボ分子ポンプ。
  3. 前記第2の錘は、前記スラストディスクの内部に位置していることを特徴とする請求項2に記載のターボ分子ポンプ。
  4. 前記スラストディスクは、その中心に位置する一条ねじを有しており、前記一条ねじを介して前記スラストディスクが前記回転軸に固定されていることを特徴とする請求項2に記載のターボ分子ポンプ。
  5. 前記第1の錘は、前記第1のねじ穴に螺合する取付ボルトと、該取付ボルトが挿通される孔を有する分銅とを有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプ。
  6. 前記固定ボルトは、一条ねじであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプ。
  7. 前記固定ボルトには、その軸心に沿って貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプ。
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