JP5303174B2 - 軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の軸受装置に関するものである。

多くの装置において、高速回転ロータは回転可能に支持されなければならない。特に、このようなロータは、ガス摩擦の原理に基づく真空ポンプにおいて見られる。これらの装置においては機械振動が発生し、且つこれがトラブルの原因となっている。一方で、これらの振動は例えば軸受およびロータがもつ固有振動数の励起によってポンピング時に発生される。特にロータの回転速度が変化したとき、回避できないロータの不釣合いによってこれらの固有振動数が励起される。他方で、このようなポンプは、その周囲条件および取付条件に基づいて振動を受けることがあり、これらの振動はロータ装置から隔離されるべきである。したがって、本質的に、振動伝達を阻止するために、ハウジングをロータから切り離すことが課題である。

欧州特許公開第０８６７６２７号は磁気で支持されているロータのためのダンピング装置に関するものであり、且つロータおよびハウジング間に、ボールを介してハウジング内に支持されている中間部材を設けることを開示している。これらのボールは半球凹部内に位置している。この方法においては、使用される材料および半球凹部半径とは無関係に、ボールがきわめて僅かに変位したときでも大きな復元力が発生することが欠点である。この理由は、ボール材料および半球凹部材料の選択が、ポンプ内において作用するその他の力により、例えばロータの重力またはロータ軸線に沿って作用する永久磁気軸受内の支持力によって制約されることである。結局、十分な機能が達成されないことが特定された。

したがって、振動適合性を向上させ且つここでロータに作用する力を考慮した軸受装置を提供することが本発明の課題である。

この課題は請求項１の特徴を有する軸受装置により解決される。請求項２−１２の特徴は本発明の有利な変更態様を示す。
本発明により、ハウジング部分および結合要素に、相互に平行であり且つ向かい合っている平面が配置されている。この場合、これらの平面は、結合要素がロータ軸線方向に剛に且つそれに垂直な方向に僅かな剛性を有して保持されるように配置されている。これにより、ロータがその軸線に垂直な方向に自由に振動可能であり、一方、アキシアル方向にはいかなる変位も形成されないことが達成される。したがって、例えばロータ重力により、軸受力により、または流動過程において発生する流体力により形成されるアキシアル方向の力成分に対してきわめて高い適合性が与えられている。

最も簡単な場合、前記平面は滑り軸受の部分である。これらの平面は相互に滑り且つそれらの間の摩擦は同時に運動をダンピングするように働く。この摩擦は材料の組合せの適切な選択によって設定される。１つまたは複数の前記平面をコーティングし、これにより摩擦を調節することもまた考えられる。

他の変更態様においては、前記平面の間にボールが配置されている。このボールは摩擦を低減し且つ表面に対する要求を少なくさせる。
有利な変更態様は２列のボールを設けることであり、この場合、各列のボールは平行な平面間においてハウジング部分および結合要素に接して配置されている。これにより、反対方向への力の作用例えばロータ軸線の両方向への力の作用をより良好に与えることができる対称構造が得られる。

ボール中心点の面が相互にボール直径より小さい間隔をなしているように前記列が配置されている場合、空間的にきわめてコンパクトな構造が可能である。
好ましい変更態様においては、結合要素およびハウジング部分間にダンピング要素が配置されている。これにより、簡単な方法で、ハウジング部分に対する結合要素の運動のダンピングおよび心出しが達成される。

一実施形態においては、このダンピング要素はエラストマー材料を含み、エラストマー材料はせん断応力または圧縮応力を受ける。この場合、広いバンド幅の材料が、したがって異なるダンピング特性が得られ、これにより、軸受装置はきわめて特殊なケースにも調節可能である。

他の変更態様においては、ダンピング要素は、形状形成または材料選択により、漸増的ばね特性曲線を有するように提供されている。これは、ロータの０位置からの変位の増大と共に、比例以上に増大する０位置への復元が達成されることを意味する。したがって、この復元力は、大きな変位においてのみ強く、小さな変位においては僅かであるので、ロータおよびハウジング間の振動伝達は同様に小さいままである。

有利な変更態様は、結合要素内に保持されている軸受のタイプに関するものである。軸受ロータおよび軸受ステータが永久磁石を含む場合、それらはいわゆる永久磁気軸受を形成する。このような軸受は、静止位置からのアキシアル方向変位がきわめて小さい場合においてもアキシアル方向に力を発生し、これにより、軸受装置の高いアキシアル方向剛性が有効に働くことが特に有利である。

他の変更態様においては、軸受ロータおよび軸受ステータがそれぞれ転がり軸受のリングである。転がり軸受は振動をきわめて直接的に伝達するので、これらの振動はさらに軸受を摩耗させるように働く。したがって、この場合、軸受装置のこれらの特性は特に有効に働く。

他の変更態様においては、前記平面に平行な方向への運動を制限するストッパが設けられている。これにより、部分的に非常に大きい回転エネルギーを制御不可能なほどに放出させることがある回転部分と静止位置との接触を回避させることがきわめて簡単に可能である。この場合、回転部分は、軸受ロータであっても、またはターボ分子ポンプの場合にはそのロータ側の羽根車であってもよい。

軸受装置のこれらの特性は真空ポンプにおいて特に有効であり、その理由は、真空ポンプにおいて特にその高真空範囲において、化学的抵抗性に対しておよびガスを出す材料の回避に対して高い要求が与えられているからである。これらの要求は提供された軸受装置により特に簡単に達成される。
なお、本願発明は下記のように構成してもよい。
［番号１］
ロータと結合された軸受ロータ（２；２′）とおよび軸受ステータ（３；３′）とを有するロータ（１）の回転可能支持用軸受装置がハウジング部分（４ａ、４ｂ）を備え、この場合、軸受ステータが結合要素（５；５′）と結合され且つ結合要素がハウジング部分に可動支持されている前記軸受装置において、
ハウジング部分および結合要素がそれぞれ少なくとも１つの平面（１０、１１）を有し、およびこれらの平面が相互に平行に且つ向かい合って配置されていることを特徴とする軸受装置。
［番号２］
前記平面（１０、１１）が滑り軸受の部分であることを特徴とする番号１の軸受装置。
［番号３］
前記平面（１０、１１）の間にボール（８）が配置されていることを特徴とする番号１の軸受装置。
［番号４］
複数のボール（８）が２列に配置され、この場合、これらの列は反対方向に支持するように働くことを特徴とする番号３の軸受装置。
［番号５］
両方の前記列のボール中心点の面（１５、１６）が相互にボール直径より小さい間隔をなしていることを特徴とする番号４の軸受装置。
［番号６］
結合要素（５；５′）およびハウジング部分（４ａ、４ｂ）間に、結合要素（５）をハウジング部分（４ａ、４ｂ）内に心出しし且つ前記平面（１０、１１）に平行な方向への運動をダンピングするための少なくとも１つのダンピング要素（９）が配置されていることを特徴とする番号１ないし５のいずれかの軸受装置。
［番号７］
前記ダンピング要素（９）がエラストマー材料を含むことを特徴とする番号６の軸受装置。
［番号８］
前記ダンピング要素が、漸増的ばね特性曲線を有するように提供されていることを特徴とする番号６または７の軸受装置。
［番号９］
軸受ロータ（２′）および軸受ステータ（３′）が永久磁石（２０）を含み且つ磁気軸受装置を形成することを特徴とする番号１ないし８のいずれかの軸受装置。
［番号１０］
軸受ロータ（２）および軸受ステータ（３）がそれぞれ転がり軸受のリングを含むことを特徴とする番号１ないし９のいずれかの軸受装置。
［番号１１］
ストッパ（６）が前記平面に平行な方向への運動を制限することを特徴とする番号１ないし１０のいずれかの軸受装置。
［番号１２］
それが、軸（４５）の端部を回転可能に支持するように、ターボ分子真空ポンプ（４０）内に配置されていることを特徴とする番号１ないし１１のいずれかの軸受装置。

以下に実施例により本発明を詳細に説明する。

図１は軸受装置の第１の実施例を示す。ロータ軸線３０を形成するロータ１上に軸受ロータ２が配置されている。この例においては、軸受ロータは玉軸受の内輪として形成されている。２つの部分からなるハウジング部分４ａ、４ｂはロータを支持するように働く。ハウジング部分およびロータ間に結合要素５が配置され、結合要素は軸受ステータ３と結合されている。この例においては、軸受ステータは玉軸受の外輪として形成されている。結合要素およびハウジング部分間にダンピング要素９が設けられ、ダンピング要素はロータ軸線に垂直な結合要素の運動をダンピングし且つ同時に結合要素をハウジング部分内に心出しする。このダンピング要素は圧縮応力を受ける。ダンピング要素は円形断面を有するエラストマー部分として特に円形ひもリングとして形成されてもよく、このことは復元力の有利な漸増的ばね特性曲線を与える。代替態様として、四角形断面を有するエラストマー・リングの当接面が曲面形状とされていてもよい。両方のタイプにおいて、当接面およびリング間の接触領域は変形したときに増大し、これにより漸増的特性曲線が形成される。さらに、エラストマーは振動数が増大したときにより固くなるという有利な性質を有している。エラストマーは、特に磁気軸受の固有振動数の好ましい低い振動数範囲内においてのみ振動特性に影響を与える。ハウジング部分および結合要素は、向かい合う平行な平面１０および１１を有している。この例においては、これらの平面は接触し、この場合、これらの平面はロータ軸線に対して垂直な方向に即ちラジアル方向に相互に滑ることができる。この滑り軸受のために、構造部分４ａ、４ｂおよび５に対して適切な材料の組合せが選択されても、または平面１０および１１が適切にコーティングされてもよい。この場合、例えばポリテトラフルオロエチレンを含むコーティングが考えられる。滑り運動はストッパ６により制限される。このストッパはロータ軸線に平行に伸長する面によって形成されている。平面１０および１１の平行性および隙間のない組立により高い傾き剛性が得られ、即ち結合要素は平面１０および１１の法線面に対して傾くことはない。

第２の実施例が図２に示されている。ロータ１および結合要素５′上に永久磁石２０が設けられている。この場合、ロータにおける永久磁石の組立体は軸受ロータ２′を、結合要素における永久磁石の組立体は軸受ステータ３′を形成し、この場合、永久磁石間にスペーサ・ディスク等が配置されていてもよい。軸受ロータ２′および軸受ステータ３′は、このようにして、永久磁石構造の磁気軸受を形成する。２つの部分からなるハウジング部分４ａ、４ｂはストッパ６を有し、このストッパは、この場合もまた、結合要素５′のラジアル方向運動を制限する。この場合、ハウジング部分４ａおよび４ｂは、図示されているように、ねじにより相互に結合されていてもよい。しかしながら、はんだ付け、レーザ溶接、接着等もまた考えられる。結合要素およびハウジング部分は平行な平面１０および１１を有し、この例においては、これらの平面間にボール８が配置されている。このボールは、ほぼ無限大のアキシアル剛性において、結合要素のラジアル方向運動に抵抗するきわめて僅かな摩擦を提供するにすぎない。平面１０および１１の組合せのそれぞれの間にそれぞれ３つのボールが配置される場合、最適な位置決めが達成される。これは、隙間のない組立が可能であり且つ結果としてハウジングに対する結合要素の傾き運動に抵抗する高い配置剛性が達成されることを意味する。ラジアル方向運動はダンピング要素によりダンピングされる。さらに、このダンピング要素により、ハウジング部分内における結合要素の心出しが達成される。第１のダンピング要素９は圧縮応力を受け、一方、第２のダンピング要素９′はせん断応力を受ける。せん断応力を受けるダンピング要素において、漸増的ばね特性曲線は、例えば不均一材料により達成されても、または異なる変形特性を有する複数の層からなる積層物によって達成されてもよい。ハウジング部分内結合要素支持のラジアル剛性は、ボール上で支持することにより、磁気軸受のラジアル剛性よりもはるかに小さいものである。同時に、アキシアル剛性は磁気軸受のアキシアル剛性よりもはるかに大きいものである。このことは軸受ステータおよび軸受ロータの相互間の最適配置を確保するので、ロータにアキシアル方向の力が作用した場合においても軸受の最適機能が保証されている。平面１０および１１はロータ軸線に垂直な方向であるが、ロータ軸線に対して傾いていてもよい。ラジアル方向およびアキシアル方向運動の重ね合わせを小さく保持するために、この角度はそれほど大きく選択されてはならない。

この実施例の変更態様が図３に示されている。この図は、ロータ軸線に対するボールの間隔と同じ間隔における結合要素およびハウジング部分の展開図である。ここでは２列のボール８が設けられ、この場合、各ボールはポット状凹部内に位置し、ポット状凹部は周囲方向および半径方向に沿ってボールの運動を制限している。アキシアル方向においては、ボールは相互に平行な平面に接している。平面１０はハウジング部分４ａ、４ｂに設けられている。結合要素における平面１１は反対側のポット状凹部の正面を形成する。各列のボールはボール中心点の面を有し、この場合、第１列の面１５および第２列の面１６は相互にボール直径よりも小さい間隔をなしている。

図４はターボ分子真空ポンプ４０を示す。ターボ分子真空ポンプはその高真空側端部にガス入口４１を有し、ガス入口はフランジ４２を介して図示されていない容器と着脱可能に結合されている。ターボ分子真空ポンプは、さらに、上部ハウジング部分４３および下部ハウジング４４を有している。軸４５は、羽根が設けられているロータ・ディスク４６を支持している。静止羽根はステータ・ディスク４７上に配置され、ステータ・ディスクはアキシアル方向にロータ・ディスクと交互に配置されている。軸およびロータ・ディスクから構成されているロータは駆動装置４９により高速で回転される。圧縮されたガスはガス出口４８を介して排出される。

支持体５０は、ロータ軸線の方向を向く上部ハウジング部分４３の内側、および軸受装置のハウジング部分４ａ、４ｂと結合されている。有利な変更態様は、上部ハウジング部分と、支持体と、および軸受装置のハウジング部分４ａ、４ｂの少なくとも１つとを一体に形成することである。支持体は、ガス入口４１およびロータ・ディスク４６間のガス流れが可能なように形成されている。

ガス入口とは反対側の軸端部は、玉軸受により形成された軸受装置によって支持される。この軸受装置は第１の実施例の軸受装置に対応し、この場合、ハウジング部分４ｂの代わりに、ターボ分子真空ポンプの下部ハウジング部分４４が、結合要素５と共に滑り軸受を形成するように設けられている。

ガス入口の方向を向く軸端部に存在する軸受は、第２の実施例による軸受装置によって回転可能に支持されている。軸４５上に、永久磁石で形成された軸受ロータ２′が配置されている。これに向かい合って、同様に永久磁石により形成された軸受ステータ３′が位置し、軸受ステータは結合要素５′と結合されている。

図４は図１および２による軸受装置のストッパ６の利点を示している。ロータがその中心位置から変位していないとき、結合要素およびストッパ間の間隔は、上部軸受装置内においては寸法Ｘ_１を有し、下部軸受装置内においては寸法Ｘ_２を有している。軸４５および下部ハウジング４４間においては、隙間寸法はＹ_２の値を有している。ロータ・ディスク４６および上部ハウジング４３間においては、隙間寸法はＹ_１の値を有している。ストッパ６により、結合要素のラジアル方向への変位が制限される。軸受装置は、ロータ・ディスクおよびロータ軸がハウジング部分４３および４４と接触しないようなロータの最大ラジアル方向変位を、寸法Ｘ_１およびＸ_２が可能にするように形成されていることが有利である。隙間寸法Ｘ_１およびＸ_２が隙間寸法Ｙ_１およびＹ_２より小さいことによりこれが達成可能である。

図４に示されているように、これらの軸受装置をターボ分子真空ポンプ内において共用して配置することは有利であり、その理由は、永久磁石により発生されるアキシアル方向の力は軸受装置の作用方法によって行われ、且つ同時にラジアル方向運動が自由であることがきわめて振動の少ない運転を可能にするからである。外部からの振動は直接ロータに作用せず、これらの装置により遮断され且つダンピングされてロータに作用する。このことは、明らかにより大きな外部励起を可能にし、このような場合でも、軸受がかじり接触したりまたはロータが衝突したりすることはない。

第１の実施例の断面図である。 第２の実施例の断面図である。 第２の実施例の変更態様の断面図である。 本発明による軸受装置を有するターボ分子真空ポンプの断面図である。

符号の説明

１ ロータ
２、２′ 軸受ロータ
３、３′ 軸受ステータ
４ａ、４ｂ ハウジング部分
５、５′ 結合要素
６ ストッパ
８ ボール
９、９′ ダンピング要素
１０、１１ 平面
１５、１６ 面
２０ 永久磁石
３０ ロータ軸線
４０ ターボ分子真空ポンプ
４１ ガス入口
４２ フランジ
４３ 上部ハウジング部分
４４ 下部ハウジング部分
４５ 軸
４６ ロータ・ディスク
４７ ステータ・ディスク
４８ ガス出口
４９ 駆動装置
５０ 支持体
Ｘ_１、Ｘ_２、Ｙ_１、Ｙ_２ 隙間寸法

Claims (2)

1. ロータと結合された軸受ロータ（２；２′）とおよび軸受ステータ（３；３′）とを有するロータ（１）の回転可能支持用軸受装置がハウジング部分（４ａ、４ｂ）を備え、この場合、軸受ステータが結合要素（５；５′）と結合され且つ結合要素がハウジング部分に可動支持されている前記軸受装置において、
   ハウジング部分および結合要素がそれぞれ少なくとも１つの平面（１０、１１）を有し、およびこれらの平面が相互に平行に且つ向かい合って配置されており、
   前記平面（１０、１１）が滑り軸受の部分であり、
   結合要素（５；５′）およびハウジング部分（４ａ、４ｂ）間に、結合要素（５）をハウジング部分（４ａ、４ｂ）内に心出しし且つ前記平面（１０、１１）に平行な方向への運動をダンピングするための少なくとも１つのダンピング要素（９）が配置されており、
   前記ダンピング要素（９）がエラストマー材料を含んでおり、
   前記ダンピング要素が、漸増的ばね特性曲線を有するように提供されており、
   軸受ロータ（２′）および軸受ステータ（３′）が永久磁石（２０）を含み且つ磁気軸受装置を形成しており、
   軸受ロータ（２）および軸受ステータ（３）がそれぞれ転がり軸受のリングを含んでおり、
   ストッパ（６）が前記平面に平行な方向への運動を制限しており、
   軸受装置が、軸（４５）の端部を回転可能に支持するように、ターボ分子真空ポンプ（４０）内に配置されており、
   前記平面（１０、１１）の間にボール（８）が配置されており、
   複数のボール（８）が２列に配置され、この場合、これらの列は反対方向に支持するように働くことを特徴とする軸受装置。
2. 両方の前記列のボール中心点の面（１５、１６）が相互にボール直径より小さい間隔をなしていることを特徴とする請求項１の軸受装置。

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