JP5371003B2

JP5371003B2 - Vacuum pump

Info

Publication number: JP5371003B2
Application number: JP2009184795A
Authority: JP
Inventors: 望充小森; 啓城原
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: JP2011038435A

Description

本発明は、コールドトラップの機能を備えた真空排気ポンプに関する。 The present invention relates to an evacuation pump having a cold trap function.

一般の高真空機器において、排気の対象となる主なガス成分は水分子であるが、高真空機器の一種であるターボ分子ポンプは、水分子における排気速度がさほど高くない。
そこで、極低温で水分子を凝縮して吸着排気するコールドトラップを、ターボ分子ポンプの吸気口に取付けることにより、排気速度を向上させる方法がとられている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。 In general high vacuum equipment, the main gas component to be evacuated is water molecules, but a turbo molecular pump, which is a kind of high vacuum equipment, does not have a high exhaust speed in water molecules.
Therefore, a method of improving the exhaust speed by attaching a cold trap for condensing and exhausting water molecules at an extremely low temperature to the intake port of the turbo molecular pump has been adopted (for example, Patent Document 1, Non-Patent Document). 1).

特開平９−３１７６８８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-317688

駒井哲夫、曽布川拓司，「コールドトラップ付ターボ分子ポンプ」，ターボ機械，第２３巻第１１号，１９９５年１１月，ｐ．６４７−６５０Tetsuo Komai, Takuji Fubukawa, “Turbo Molecular Pump with Cold Trap”, Turbomachine, Vol. 23, No. 11, November 1995, p. 647-650

しかしながら、ターボ分子ポンプに取付けるコールドトラップは、ターボ分子ポンプとは別個に製造する必要があり、製造コストが高くなるという問題がある。また、ターボ分子ポンプにコールドトラップを取付ける構成となっているため、コンパクト化が図れないという問題もある。そして、軸受に油を使用する場合にはメンテナンス等が必要である。更に、電磁石を用いた磁気軸受では、停電時のバックアップ用電源や制御回路等が必要となり、機械的構造が複雑になる。 However, the cold trap attached to the turbo molecular pump needs to be manufactured separately from the turbo molecular pump, and there is a problem that the manufacturing cost increases. Moreover, since the structure is such that a cold trap is attached to the turbo molecular pump, there is also a problem that it cannot be made compact. And when using oil for a bearing, maintenance etc. are required. Furthermore, a magnetic bearing using an electromagnet requires a backup power source and a control circuit in the event of a power failure, which complicates the mechanical structure.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、構成を簡単にでき、コンパクト化が図れ、メンテナンスフリーでクリーンな真空排気ポンプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a vacuum exhaust pump that can be simplified in configuration, compact, maintenance-free, and clean.

前記目的に沿う本発明に係る真空排気ポンプは、中央に配置されたシャフト及びその周囲に取付けられた動翼を有するロータと、該ロータを囲むケーシング及び該ケーシングの内側に設けられた静翼を有するステータと、前記シャフトの両側を回転自由に支持する軸受とを備え、低真空の対象空間を高真空とする場合に使用する真空排気ポンプにおいて、
前記軸受に超電導磁気軸受が使用され、前記ロータは直立配置され、前記超電導磁気軸受は、シャフト側に永久磁石が固定軸受側に超電導体がそれぞれ配置され、更に、前記シャフトの下部に該シャフトを回転させるモータが設けられ、かつ前記ケーシングはジャケット構造となって前記静翼に流れ込む冷媒の流路を形成し、前記静翼を冷却する冷媒に、前記超電導磁気軸受に用いる冷媒が使用されている。 An evacuation pump according to the present invention that meets the above object includes a rotor having a shaft disposed in the center and a moving blade attached around the shaft, a casing surrounding the rotor, and a stationary blade provided inside the casing. A vacuum exhaust pump that includes a stator having a bearing and a bearing that rotatably supports both sides of the shaft , and is used when a low vacuum target space is set to a high vacuum ,
A superconducting magnetic bearing is used as the bearing, the rotor is arranged upright, the superconducting magnetic bearing has a permanent magnet on the shaft side and a superconductor on the fixed bearing side, and the shaft is arranged below the shaft. A motor for rotation is provided, and the casing has a jacket structure to form a flow path for the refrigerant flowing into the stationary blade, and a refrigerant used for the superconducting magnetic bearing is used as a refrigerant for cooling the stationary blade . .

本発明に係る真空排気ポンプにおいて、前記永久磁石は複数の磁石を積層して構成され、しかも隣り合う前記磁石の磁極が同極であることが好ましい。 In the vacuum exhaust pump according to the present invention, it is preferable that the permanent magnet is formed by laminating a plurality of magnets, and the magnetic poles of the adjacent magnets are the same.

本発明に係る真空排気ポンプは、軸受に超電導磁気軸受を使用し、かつステータ（静翼）を冷却する冷媒に、超電導磁気軸受に用いる冷媒を使用するので、ステータにコールドトラップの機能を付加できる。このため、真空排気ポンプの構成を簡単にでき、製造コストを低減できて、コンパクト化も図れる。
更に、軸受に超電導磁気軸受を使用するので、メンテナンスフリーでクリーンにできる。 The vacuum exhaust pump according to the present invention uses a superconducting magnetic bearing as a bearing and uses a refrigerant used for the superconducting magnetic bearing as a refrigerant for cooling the stator (static blade) , so that a cold trap function can be added to the stator. . For this reason, the configuration of the vacuum pump can be simplified, the manufacturing cost can be reduced, and the size can be reduced.
Furthermore, since a superconducting magnetic bearing is used for the bearing, it can be made maintenance-free and clean.

また、ロータを直立配置し、超電導磁気軸受は、シャフト側に永久磁石が、固定軸受側に超電導体が、それぞれ配置されるので、固定軸受側は動かないため、超電導体へ冷媒を供給するための構造を簡単にできる。ここで、ロータの下端に、このロータの停止時にスラスト荷重を受けるピボット軸受を設ける場合、例えば、超電導体の冷却時のロータの位置決めや緊急時にも、ロータの位置決めができる。 Further, upright position the rotor, superconducting magnetic bearings, the permanent magnets on the shaft side, the superconductor on the fixed bearing side, since it is arranged, for fixing the bearing side does not move, for supplying refrigerant to the superconductor The structure can be simplified. Here, the lower end of the rotor, in this case at the time of stopping of the rotor provided with a pivot bearing for receiving the thrust load, for example, to the rotor of the positioning and emergency cooling of the superconductor, can be positioned in the rotor.

そして、静翼の内部に冷媒を流す流路を形成する場合、排気の対象となるガス成分との接触面積を増やすことができ、コールドトラップの機能を更に高めることができる。
更に、ケーシングをジャケット構造にして、ケーシングの内部に冷媒を流す流路を形成するので、排気の対象となるガス成分が流れる経路全体を冷媒で冷却でき、コールドトラップの機能を更に高めることができる。 And when forming the flow path which flows a refrigerant | coolant inside a stationary blade, a contact area with the gas component used as exhaust object can be increased, and the function of a cold trap can be improved further.
Furthermore, the casing jacket structure, because it forms a flow path for flowing the refrigerant in the casing, the entire path of the gas component to be exhaust flow can be cooled by the refrigerant, it is possible to further increase the functionality of the cold trap .

本発明の第１の実施の形態に係る真空排気ポンプの部分正断面図である。It is a partial front sectional view of the vacuum exhaust pump according to the first embodiment of the present invention. 同真空排気ポンプの使用状態の説明図である。It is explanatory drawing of the use condition of the same vacuum pump. 本発明の第２の実施の形態に係る真空排気ポンプの部分正断面図である。It is a partial front sectional view of an evacuation pump according to a second embodiment of the present invention. ピニング効果の説明図である。It is explanatory drawing of the pinning effect. （Ａ）は実験装置の概略図、（Ｂ）はロータ側永久磁石の表面磁束分布の説明図である。(A) is the schematic of an experimental apparatus, (B) is explanatory drawing of the surface magnetic flux distribution of a rotor side permanent magnet. （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれロータの運動解析を行うためのモデル１〜３の説明図である。(A)-(C) are explanatory drawings of the models 1-3 for performing the motion analysis of a rotor, respectively. （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれモデル１〜３の振動解析結果の説明図である。(A)-(C) are explanatory drawings of the vibration analysis result of models 1-3, respectively. 解析をもとに作製したロータ付タービンの説明図である。It is explanatory drawing of the turbine with a rotor produced based on the analysis.

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る真空排気ポンプ１０は、中央に配置されたシャフト１１及びその周囲に取付けられた複数の動翼１２を有するロータ１３と、このロータ１３を囲むケーシング１４及びケーシング１４の内側に設けられた複数の静翼１５を有するステータ１６と、シャフト１１の両端（両側）を回転自由に支持する超電導磁気軸受（軸受の一例）１７、１８とを備えて、ターボ分子ポンプに極低温で水分子を凝縮して排気するコールドトラップの機能を設けたものである。なお、ターボ分子ポンプの基本的な機能は、従来のターボ分子ポンプと同様である。以下、詳しく説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
As shown in FIGS. 1 and 2, a vacuum exhaust pump 10 according to a first embodiment of the present invention includes a rotor 11 having a shaft 11 disposed in the center and a plurality of moving blades 12 attached around the shaft 11. And a stator 16 having a casing 14 surrounding the rotor 13 and a plurality of stationary blades 15 provided inside the casing 14, and a superconducting magnetic bearing (an example of a bearing) that rotatably supports both ends (both sides) of the shaft 11. The turbo molecular pump is provided with a cold trap function for condensing and exhausting water molecules at a cryogenic temperature. The basic function of the turbo molecular pump is the same as that of the conventional turbo molecular pump. This will be described in detail below.

図２に示すように、真空排気ポンプ１０の上流側には、真空排気ポンプ１０によって真空状態にするチャンバー１９が、下流側には、ロータリーポンプ２０が、それぞれ配管２１、２２で接続されている。
図１に示すように、真空排気ポンプ１０のケーシング１４は、有底円筒状のものであり、ケーシング１４の頂部に、気体分子を取り込む吸気口２３が、ケーシング１４の下側側部に、取り込まれて圧縮された気体分子を排出する排気口２４が、それぞれ設けられている。
ケーシング１４は、その下側を除く側壁部２５がジャケット構造となって、このジャケット構造となった側壁部２５に、ケーシング１４の内部に液体窒素（冷媒の一例）を流す流路（第２の流路の一例）２６が形成されている。 As shown in FIG. 2, a chamber 19 that is evacuated by the evacuation pump 10 is connected to the upstream side of the evacuation pump 10, and a rotary pump 20 is connected to the downstream side by pipes 21 and 22, respectively. .
As shown in FIG. 1, the casing 14 of the vacuum exhaust pump 10 has a bottomed cylindrical shape, and an intake port 23 that takes in gas molecules at the top of the casing 14 takes in at the lower side of the casing 14. Exhaust ports 24 for discharging the compressed gas molecules are provided.
The casing 14 has a jacket structure on the side wall portion 25 except for the lower side thereof, and a flow path (second refrigerant) for flowing liquid nitrogen (an example of a refrigerant) inside the casing 14 through the side wall portion 25 having the jacket structure. An example of the flow path) 26 is formed.

この流路２６には、側壁部２５の径方向一方側の上端部及び下端部と、側壁部２５の径方向他方側の上端部に、それぞれ液体窒素の流入口２７〜２９が設けられている。この流路２６内へ流れ込んだ液体窒素は気化するため、各流入口２７〜２９から外部へ排気される。
なお、ケーシングに設けられる液体窒素の流入口は、上記した位置に限定されるものではなく、例えば、側壁部２５の径方向一方側の上端部及び下端部のみに設けてもよい。また、流入口は、ケーシングの周方向に等間隔で複数設けてもよく、高さ方向に複数設けてもよい。更に、流路は、ケーシングの周方向に螺旋状に形成してもよい。
また、液体窒素は、循環使用することもできる。この場合、側壁部２５の径方向他方側の上端部に設けた液体窒素の流入口２９を、液体窒素の流出口として使用できる。 The flow path 26 is provided with liquid nitrogen inflow ports 27 to 29 at an upper end and a lower end on one side in the radial direction of the side wall 25 and an upper end on the other side in the radial direction of the side wall 25. . Since the liquid nitrogen flowing into the flow path 26 is vaporized, the liquid nitrogen is exhausted to the outside from the respective inlets 27 to 29.
The liquid nitrogen inlet provided in the casing is not limited to the above-described position, and may be provided only at the upper end and the lower end on one side in the radial direction of the side wall 25, for example. Further, a plurality of inflow ports may be provided at equal intervals in the circumferential direction of the casing, or a plurality of inflow ports may be provided in the height direction. Further, the flow path may be formed in a spiral shape in the circumferential direction of the casing.
Liquid nitrogen can also be recycled. In this case, the liquid nitrogen inlet 29 provided at the upper end of the side wall 25 in the radial direction can be used as the liquid nitrogen outlet.

ケーシング１４の内面には、複数枚の静翼１５が、ケーシング１４の周方向に等間隔で、底面に対して傾斜させて取付けられ、しかもこの静翼１５群が、側壁部２５の高さ方向に、所定ピッチで間隔を有して多段に取付けられている。
この各静翼１５の内部には、ケーシング１４の流路２６に連通し、液体窒素が流れる流路（第１の流路の一例）３０が形成されている。なお、流路３０は、正断面視して直線状となって、ケーシング１４とは直交する方向に形成され、しかも連通口３１によって流路２６に連通している。この静翼に形成する流路の形状は、これに限定されるものではなく、例えば、ジグザグ状でもよい。 A plurality of stationary blades 15 are attached to the inner surface of the casing 14 at regular intervals in the circumferential direction of the casing 14 so as to be inclined with respect to the bottom surface. In addition, they are attached in multiple stages with intervals at a predetermined pitch.
Inside each stationary blade 15, a flow path (an example of a first flow path) 30 through which liquid nitrogen flows is formed in communication with the flow path 26 of the casing 14. The flow path 30 is linear when viewed from the front section, is formed in a direction orthogonal to the casing 14, and communicates with the flow path 26 through the communication port 31. The shape of the flow path formed in the stationary blade is not limited to this, and may be, for example, a zigzag shape.

ケーシング１４の内側であって、最上位置の静翼１５の上方と、最下位置の静翼１５の下方には、リング状の収納部３３、３４が設けられ、この各収納部３３、３４内に隙間を有して超電導体３５、３６が配置されている。この超電導体３５、３６は、銅酸化物超電導体である例えば、Ｄｙ系（Ｄｙ_１−Ｂａ_２−Ｃｕ_３−Ｏｘ）からなるリング状のものであり、これを周方向に複数分割（２分割以上）したものである。なお、超電導体は、これに限定されるものではなく、他のものも使用することもできる。
各収納部３３、３４は、液体窒素が流れる流路２６と連通しており、各収納部３３、３４内に液体窒素が流入可能な構成となっている。 Inside the casing 14, ring-shaped storage portions 33 and 34 are provided above the uppermost stationary blade 15 and below the lowermost stationary blade 15. Superconductors 35 and 36 are arranged with a gap therebetween. The superconductors 35 and 36 are copper oxide superconductors, for example, ring-shaped ones made of Dy (Dy ₁ -Ba ₂ -Cu ₃ -Ox), and are divided into a plurality of pieces in the circumferential direction (two divisions). Above). In addition, a superconductor is not limited to this, Other things can also be used.
Each of the storage portions 33 and 34 communicates with the flow path 26 through which liquid nitrogen flows, and is configured such that liquid nitrogen can flow into each of the storage portions 33 and 34.

各超電導体３５、３６の中央部には、ロータ１３が立設配置されている。
ロータ１３のシャフト１１の両側（上部及び下部）であって、超電導体３５、３６に対応する高さ位置には、それぞれ永久磁石３７、３８が設けられている。各永久磁石３７、３８は、それぞれ複数の磁石を積層して構成され、しかも隣り合う磁石の磁極を同極としているが、隣り合う磁石の磁極を異極としてもよい。
上記した固定軸受側に配置した超電導体３５、３６と、シャフト側に配置した永久磁石３７、３８とで、超電導磁気軸受１７、１８が構成されている。 A rotor 13 is erected and arranged at the center of each superconductor 35 and 36.
Permanent magnets 37 and 38 are provided on both sides (upper and lower) of the shaft 11 of the rotor 13 and at height positions corresponding to the superconductors 35 and 36, respectively. Each of the permanent magnets 37 and 38 is formed by laminating a plurality of magnets, and the magnetic poles of adjacent magnets have the same polarity, but the magnetic poles of adjacent magnets may have different polarities.
Superconducting magnetic bearings 17 and 18 are composed of the superconductors 35 and 36 disposed on the fixed bearing side and the permanent magnets 37 and 38 disposed on the shaft side.

シャフト１１の周囲には、複数枚の動翼１２が、シャフト１１の周方向に等間隔で、静翼１５とは逆方向に、ケーシング１４の底面に対して傾斜させて取付けられ、しかもこの動翼１２群が、上下方向に隣り合う静翼１５群の間に配置されるように、間隔を有して取付けられている。
また、ロータ１３の下端には、ピボット軸受３９が設けられている。このピボット軸受３９は、ロータ１３の回転時に発生する振動を抑制できるものであるが、ロータ１３の停止時にスラスト荷重を受けることもできる。これにより、真空排気ポンプ１０の不使用時や緊急時に、例えば、動翼１２と静翼１５とが接触して損傷すること等を防止できる。
ロータ１３のピボット軸受３９と永久磁石３８との間には、モータ４０が設けられ、ロータ１３をケーシング１４内で回転可能にしている。 Around the shaft 11, a plurality of moving blades 12 are attached at equal intervals in the circumferential direction of the shaft 11 and inclined with respect to the bottom surface of the casing 14 in the direction opposite to the stationary blade 15. The blades 12 are attached with a gap so that the blades 12 are arranged between the stationary blades 15 adjacent in the vertical direction.
A pivot bearing 39 is provided at the lower end of the rotor 13. The pivot bearing 39 can suppress vibration generated when the rotor 13 rotates, but can also receive a thrust load when the rotor 13 is stopped. Thereby, when the vacuum exhaust pump 10 is not used or in an emergency, for example, the moving blade 12 and the stationary blade 15 can be prevented from being damaged due to contact.
A motor 40 is provided between the pivot bearing 39 of the rotor 13 and the permanent magnet 38 so that the rotor 13 can rotate within the casing 14.

以上の構成により、ケーシング１４の各流入口２７〜２９へ液体窒素を供給することで、上部の流入口２７から流路２６へ流れ込んだ液体窒素は収納部３３内へ、下部の流入口２８から流路２６へ流れ込んだ液体窒素は収納部３４内へ、また上部の流入口２９から流路２６へ流れ込んだ液体窒素は収納部３３、３４内へ、それぞれ流れ込み、超電導体３５、３６を冷却できる。このとき、流路２６へ流れ込んだ液体窒素は、各静翼１５の連通口３１から流路３０内に流れ込む。
従って、ステータ１６を冷却する液体窒素に、超電導磁気軸受１７、１８に用いる液体窒素を使用できる。 With the above configuration, by supplying liquid nitrogen to the respective inlets 27 to 29 of the casing 14, the liquid nitrogen that has flowed into the flow path 26 from the upper inlet 27 into the storage portion 33 and from the lower inlet 28. Liquid nitrogen that has flowed into the flow path 26 flows into the storage section 34, and liquid nitrogen that has flowed into the flow path 26 from the upper inlet 29 flows into the storage sections 33 and 34, thereby cooling the superconductors 35 and 36. . At this time, the liquid nitrogen that has flowed into the flow path 26 flows into the flow path 30 from the communication port 31 of each stationary blade 15.
Therefore, the liquid nitrogen used for the superconducting magnetic bearings 17 and 18 can be used as the liquid nitrogen for cooling the stator 16.

続いて、本発明の第１の実施の形態に係る真空排気ポンプ１０の使用方法について説明する。
まず、図２に示すように、真空状態にする対象空間であるチャンバー１９に、配管２１を介して真空排気ポンプ１０の吸気口２３を接続し、この真空排気ポンプ１０の排気口２４に、配管２２を介してロータリーポンプ２０を接続する。
次に、真空排気ポンプ１０を停止させた状態で、ロータリーポンプ２０のみを稼働し、チャンバー１９内の気体を、真空排気ポンプ１０を介して外部へ排気する。 Then, the usage method of the vacuum exhaust pump 10 which concerns on the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
First, as shown in FIG. 2, an intake port 23 of the vacuum exhaust pump 10 is connected to a chamber 19 that is a target space to be evacuated via a pipe 21, and a pipe is connected to the exhaust port 24 of the vacuum exhaust pump 10. The rotary pump 20 is connected via 22.
Next, in a state where the vacuum exhaust pump 10 is stopped, only the rotary pump 20 is operated, and the gas in the chamber 19 is exhausted to the outside through the vacuum exhaust pump 10.

そして、チャンバー１９内が低真空状態（例えば、１００Ｐａ以下、好ましくは５０Ｐａ以下、ここでは、１３Ｐａ〜４０Ｐａ程度）になったら、各流入口２７〜２９から流路２６内へ液体窒素を流し込み、各超電導体３５、３６、ケーシング１４、及び各静翼１５を、それぞれ冷却する。なお、液体窒素の供給量は、液体窒素の気化速度に基づき、流量制御弁（図示しない）を制御部で調整することにより制御できる。
そして、モータ４０でロータ１３を回転させ、ロータ１３の回転速度を、例えば、４万ｒｐｍ以上１０万ｒｐｍ以下の範囲内で制御する。モータ４０も上記した制御部により制御する。 When the inside of the chamber 19 is in a low vacuum state (for example, 100 Pa or less, preferably 50 Pa or less, here, about 13 Pa to 40 Pa), liquid nitrogen is poured into the flow channel 26 from the respective inlets 27 to 29, The superconductors 35 and 36, the casing 14, and each stationary blade 15 are cooled. The supply amount of liquid nitrogen can be controlled by adjusting a flow rate control valve (not shown) with a control unit based on the vaporization rate of liquid nitrogen.
And the rotor 13 is rotated with the motor 40, and the rotational speed of the rotor 13 is controlled within the range of 40,000 rpm or more and 100,000 rpm or less, for example. The motor 40 is also controlled by the control unit described above.

これにより、チャンバー１９内の気体分子を吸気口２３から真空排気ポンプ１０内に取り込み、各静翼１５と各動翼１２との相互作用により気体分子を圧縮して、排気口２４からロータリーポンプ２０側へ排出できる。このとき、ケーシング１４及び各静翼１５も冷却されているため、ターボ分子ポンプがコールドトラップの機能を備えることができ、気体分子に含まれる水分子を凝縮して、排気口２４から排気できる。 As a result, the gas molecules in the chamber 19 are taken into the vacuum exhaust pump 10 from the intake port 23, compressed by the interaction between each stationary blade 15 and each moving blade 12, and the rotary pump 20 from the exhaust port 24. Can be discharged to the side. At this time, since the casing 14 and each stationary blade 15 are also cooled, the turbo molecular pump can have a cold trap function, and water molecules contained in the gas molecules can be condensed and exhausted from the exhaust port 24.

次に、本発明の第２の実施の形態に係る真空排気ポンプ５０について、図３を参照しながら説明するが、前記した真空排気ポンプ１０と同一部材には同一番号を付し、説明を省略する。
真空排気ポンプ５０のケーシング５１は、その下側を除く側壁部５２がジャケット構造となって、ケーシング５１の内部に液体窒素（冷媒の一例）を流す流路（第２の流路の一例）５３が形成されている。この流路５３には、側壁部５２の径方向一方側の上端部及び下端部と、側壁部５２の径方向他方側の上端部に、それぞれ液体窒素の流入口２７〜２９が設けられている。 Next, an evacuation pump 50 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3, but the same members as those of the evacuation pump 10 described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. To do.
The casing 51 of the evacuation pump 50 has a side wall portion 52 except for the lower side thereof having a jacket structure, and a flow path (an example of a second flow path) 53 through which liquid nitrogen (an example of a refrigerant) flows inside the casing 51. Is formed. The flow channel 53 is provided with liquid nitrogen inflow ports 27 to 29 at the upper end and the lower end on one side in the radial direction of the side wall 52 and the upper end on the other side in the radial direction of the side wall 52. .

ケーシング５１の内面には、複数枚の静翼５４が、ケーシング５１の周方向に等間隔で傾斜させて取付けられ、しかもこの静翼５４群が、側壁部５２の高さ方向に、所定ピッチで間隔を有して多段に取付けられている。なお、静翼５４は、前記した静翼１５とは異なり、その内部に液体窒素が流れ込む流路３０は形成されていない。
これにより、ケーシング５１の各流入口２７、２８へ液体窒素を供給することで、液体窒素は流路５３内へ流れ込み、ケーシング５１を冷却すると共に、熱伝達により、各静翼５４も冷却できる。 A plurality of stationary blades 54 are attached to the inner surface of the casing 51 at an equal interval in the circumferential direction of the casing 51, and the stationary blades 54 are arranged at a predetermined pitch in the height direction of the side wall portion 52. It is attached in multiple stages with intervals. Unlike the above-described stationary blade 15, the stationary blade 54 does not have the flow path 30 into which liquid nitrogen flows.
Thereby, by supplying liquid nitrogen to the respective inlets 27 and 28 of the casing 51, the liquid nitrogen flows into the flow path 53, the casing 51 is cooled, and each stationary blade 54 can be cooled by heat transfer.

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
まず、本発明の真空排気ポンプの超電導磁気軸受の原理について説明する。
（ピニング効果）
超電導体内に常電導介在物がある場合、磁束が超電導体内に侵入するのは、磁場を完全に排除するのに必要なエネルギーを緩和するためであるが、磁束が侵入した領域では、超電導体が壊れているので、局所的に凝集エネルギーを損している。このため、このエネルギーをペナルティエネルギー（ｐｅｎａｌｔｙｅｎｅｒｇｙ）と呼んでいる。ところが、磁束が常電導介在物と交鎖している場合、この部分はもともと常電導であるので、超電導を壊す必要がない。 Next, examples carried out for confirming the effects of the present invention will be described.
First, the principle of the superconducting magnetic bearing of the vacuum pump according to the present invention will be described.
(Pinning effect)
When there are normal conducting inclusions in the superconductor, the magnetic flux penetrates into the superconductor in order to alleviate the energy required to completely eliminate the magnetic field. Since it is broken, the cohesive energy is locally lost. For this reason, this energy is called penalty energy. However, when the magnetic flux is linked to the normal conducting inclusion, this portion is originally normal conducting, so there is no need to break superconductivity.

逆に、この位置から磁束を移動させようとすると、この交鎖していた体積分だけ、新たに超電導を壊す必要がある。これには、余分なエネルギーが必要となるから、磁束は常電導介在物と交鎖したままの方が安定である。即ち、両者間には、引力相互作用が働くことになる。これは、ちょうど磁束線をピンで止めることに通じるので、磁束のピニング効果と呼ばれる。
ピニング効果が働くと、図４に示すように、超電導体内に侵入した磁束は、すぐにピニングセンター（常電導介在物）に捕捉される。捕捉された磁束は、ピニング力を超える力が働かない限り、内部に侵入できないので、完全反磁性ではないが、大きな反磁性を示すことになる。 On the other hand, if the magnetic flux is moved from this position, it is necessary to newly break the superconductivity by this interlinked volume. Since extra energy is required for this, the magnetic flux is more stable when it remains linked to the normal conducting inclusions. That is, an attractive interaction acts between the two. This is just called pinning effect of magnetic flux because it leads to pinning magnetic flux lines.
When the pinning effect works, as shown in FIG. 4, the magnetic flux that has entered the superconductor is immediately captured by the pinning center (normal conducting inclusion). Since the trapped magnetic flux cannot enter the inside unless a force exceeding the pinning force is applied, it is not complete diamagnetism but exhibits large diamagnetism.

次に、実験装置について説明する。
（実験装置全体図）
ケーシング内の概略図を、図５（Ａ）に示す。
図５（Ａ）に示すように、超電導体６０、６１を組み込んだステータ６２と、永久磁石６３、６４を組み込んだロータ６５を、真空ケーシング６６内に設置している。また、真空ケーシング６６内に配置され、ステータ６２に接続された流入管６７内を、液体窒素が循環する仕組みとなっている。
実験を行う際には、まずロータリーポンプ（図示しない）で低真空（≒１００Ｐａ）を造る。その後、液体窒素入口から液体窒素を流して、超電導体６０、６１を冷却する。そして、液体窒素出口から液体窒素が排出されたことを確認し、回転実験等の実験を行っていく。なお、図５（Ａ）中の番号６８はロータ６５を回転させるモータ、番号６９は冷却時のロータ６５の位置決めと保護用のピボット軸受、番号７０は真空ポンプ用のタービンである。 Next, an experimental apparatus will be described.
(Experimental equipment overall view)
A schematic view inside the casing is shown in FIG.
As shown in FIG. 5A, a stator 62 incorporating superconductors 60 and 61 and a rotor 65 incorporating permanent magnets 63 and 64 are installed in a vacuum casing 66. In addition, liquid nitrogen is circulated in an inflow pipe 67 disposed in the vacuum casing 66 and connected to the stator 62.
In conducting the experiment, first, a low vacuum (≈100 Pa) is created with a rotary pump (not shown). Thereafter, liquid nitrogen is allowed to flow from the liquid nitrogen inlet to cool the superconductors 60 and 61. And it confirms that liquid nitrogen was discharged | emitted from the liquid nitrogen exit, and experiments, such as a rotation experiment, are conducted. In FIG. 5A, numeral 68 is a motor for rotating the rotor 65, numeral 69 is a pivot bearing for positioning and protecting the rotor 65 during cooling, and numeral 70 is a turbine for a vacuum pump.

（ロータ側永久磁石）
超電導磁気軸受に用いたロータ側の永久磁石６３、６４は、リング型永久磁石（外径：２４ｍｍ、表面磁束密度：０．２６Ｔ）を、４つの磁場が強まる向きに並べている。図５（Ｂ）に、ロータ側永久磁石の表面磁束分布図を示す。
測定結果より、最高で０．６７（Ｔ）と強力な磁場を計測した。
（ステータ側超電導体）
ステータ６２の材質は真鍮で、内径は２５ｍｍである。ステータ６２の内部に設置されている超電導体６０、６１は、Ｄｙ系（Ｄｙ_１−Ｂａ_２−Ｃｕ_３−Ｏｘ）のものであり、内径：２５．６ｍｍのものを用いた。なお、各超電導体６０、６１は、それぞれ４分割にしている。これは、ステータ６２へのセッティングを簡易にすること、及び多分割することで各超電導体６０、６１の粉砕を防止することを、目的とするためである。
先に述べたように、永久磁石６３、６４の磁場中で超電導体６０、６１を冷却すると、永久磁石６３、６４はその空間内で浮上し、どの方向に移動しようとしても、復元力を発生した。 (Rotor side permanent magnet)
The rotor-side permanent magnets 63 and 64 used for the superconducting magnetic bearing are ring-shaped permanent magnets (outer diameter: 24 mm, surface magnetic flux density: 0.26 T) arranged in the direction in which the four magnetic fields are strengthened. FIG. 5B shows a surface magnetic flux distribution diagram of the rotor-side permanent magnet.
From the measurement results, a strong magnetic field as high as 0.67 (T) was measured.
(Stator side superconductor)
The material of the stator 62 is brass, and the inner diameter is 25 mm. The superconductors 60 and 61 installed inside the stator 62 are Dy-based (Dy ₁ -Ba ₂ -Cu ₃ -Ox) and have an inner diameter of 25.6 mm. Each superconductor 60, 61 is divided into four parts. This is for the purpose of simplifying the setting to the stator 62 and preventing the superconductors 60 and 61 from being pulverized by dividing the stator 62 into multiple parts.
As described above, when the superconductors 60 and 61 are cooled in the magnetic field of the permanent magnets 63 and 64, the permanent magnets 63 and 64 are levitated in the space and generate a restoring force no matter which direction they move. did.

続いて、解析について説明する。
（ロータ運動解析）
タービン付ロータを設計する際に、有限要素法を用いてロータの運動解析を行った。これは、タービン付ロータを作製する上で、モデルの振動特性や危険速度等を解析することにより、設計の方向性を決定するためである。なお、モデルは、主に軸受の場所と数を変えて作製した。これらのモデルの解析を行うことにより、最適な軸受の組み合わせを考えることができた。図６（Ａ）〜（Ｃ）に、解析を行ったロータのモデル図を示す。
各モデル図に示すＳＭＢ（超電導磁気軸受）の個数とピボット軸受の有無の組み合わせで解析を行った。 Subsequently, the analysis will be described.
(Rotor motion analysis)
When designing a rotor with a turbine, the motion of the rotor was analyzed using the finite element method. This is to determine the design direction by analyzing the vibration characteristics and the critical speed of the model in manufacturing the rotor with turbine. The model was produced mainly by changing the location and number of bearings. By analyzing these models, the optimum combination of bearings could be considered. 6A to 6C show model diagrams of the rotor that was analyzed.
The analysis was performed by combining the number of SMBs (superconducting magnetic bearings) shown in each model diagram and the presence or absence of a pivot bearing.

図６（Ａ）に示すモデル１は、ＳＭＢ１個とピボット軸受の組み合わせで、全長が１９２ｍｍである。なお、タービンを挟むように、ロータの上部（図６（Ａ）の右側）にＳＭＢを、下部（図６（Ａ）の左側）にピボット軸受を、それぞれ配置した。
図６（Ｂ）に示すモデル２は、ＳＭＢ２個とピボット軸受の組み合わせで、全長が２３２ｍｍである。なお、モデル１のタービンとピボット軸受の間にＳＭＢを配置することにより、モデル１より全体の剛性を上げることを考えた。
図６（Ｃ）に示すモデル３は、ＳＭＢ２個の組み合わせで、全長が２３２ｍｍである。モデル２のピボット軸受を外したものであり、ある程度の自由な回転運動をロータに与えている。
また、解析を行うにあたって、基礎実験で得た超電導磁気軸受のばね定数と減衰定数を、超電導磁気軸受の条件に当てはめた。 Model 1 shown in FIG. 6A is a combination of one SMB and a pivot bearing, and has a total length of 192 mm. In addition, SMB was arrange | positioned to the upper part (right side of FIG. 6 (A)) of a rotor, and the pivot bearing was arrange | positioned to the lower part (left side of FIG. 6 (A)) so that a turbine might be inserted | pinched.
Model 2 shown in FIG. 6B is a combination of two SMBs and a pivot bearing, and has a total length of 232 mm. In addition, it was considered to increase the overall rigidity of the model 1 by arranging the SMB between the turbine of the model 1 and the pivot bearing.
Model 3 shown in FIG. 6C is a combination of two SMBs and has a total length of 232 mm. The pivot bearing of model 2 is removed, and a certain degree of free rotational motion is given to the rotor.
In the analysis, the spring constant and damping constant of the superconducting magnetic bearing obtained in the basic experiment were applied to the conditions of the superconducting magnetic bearing.

（振動解析）
各モデル１〜３の振動解析の結果を、それぞれ図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す。なお、解析結果は、各軸受とタービン部分の振動波形である。また、モデル３では、ピボット軸受が設けられていないが、他のモデル１、２のピボット軸受と同等の場所を、ロータの下部として解析している。
解析結果より、ＳＭＢが１個の場合では、共振時における振動が特に大きくなることが分かった。また、ＳＭＢが２個の場合、振動の最大はピボット軸受が無いモデル３の方が小さいことが確認できたが、タービン部分における振動は、ピボット軸受があるモデル２の方が小さいことが確認できた。ここで、ピボット軸受がある場合、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ピボット軸受付近の振動は極僅か（略ゼロ）となり、ピボット軸受から遠ざかるほど振動が大きくなっている。逆に、ピボット軸受が無い場合は、図７（Ｃ）に示すように、ロータのどの場所においても変位が同じであった。 (Vibration analysis)
The results of vibration analysis of models 1 to 3 are shown in FIGS. 7 (A) to (C), respectively. The analysis result is a vibration waveform of each bearing and turbine portion. Further, in the model 3, the pivot bearing is not provided, but a place equivalent to the pivot bearings of the other models 1 and 2 is analyzed as the lower part of the rotor.
From the analysis results, it was found that the vibration at the time of resonance becomes particularly large when there is one SMB. In addition, in the case of two SMBs, it was confirmed that the maximum vibration was smaller in the model 3 without the pivot bearing, but the vibration in the turbine part was confirmed to be smaller in the model 2 with the pivot bearing. It was. Here, when there is a pivot bearing, as shown in FIGS. 7A and 7B, the vibration in the vicinity of the pivot bearing becomes very slight (substantially zero), and the vibration increases as the distance from the pivot bearing increases. Conversely, when there was no pivot bearing, the displacement was the same everywhere in the rotor as shown in FIG. 7C.

最後に、実験結果について説明する。
（回転実験）
解析をもとに、ロータ付タービンを作製した。図８に作製したロータ付タービン８０を示す。このロータ付タービン８０は、立設配置したロータ８１の軸方向中央部にタービン８２が設けられ、このタービン８２の両側にＳＭＢ用の永久磁石８３、８４が取付けられている。これは、ＳＭＢが１個よりも２個の方が、振動を抑えられると考えられるためである。
また、ロータ８１の下端部には、ピボット軸受８５を取付け取外し可能に設けた。これは、ピボット軸受８５を、付ける場合と付けない場合の両方を測定するためである。
そして、永久磁石８４とピボット軸受８５との間に、モータ用の永久磁石８６を取付けた。
このロータ付タービン８０は、全長が２３１ｍｍである。 Finally, the experimental results will be described.
(Rotation experiment)
Based on the analysis, a turbine with a rotor was produced. FIG. 8 shows the rotor-equipped turbine 80 produced. In the turbine 80 with a rotor, a turbine 82 is provided at a central portion in the axial direction of a vertically arranged rotor 81, and permanent magnets 83 and 84 for SMB are attached to both sides of the turbine 82. This is because it is considered that vibration is suppressed when two SMBs are present rather than one.
A pivot bearing 85 is provided at the lower end portion of the rotor 81 so as to be detachable. This is because the pivot bearing 85 is measured both when it is attached and when it is not attached.
A permanent magnet 86 for the motor is attached between the permanent magnet 84 and the pivot bearing 85.
The rotor-equipped turbine 80 has a total length of 231 mm.

なお、ロータ８１の振動特性は、上側の永久磁石８３の上方位置Ｓ１と、タービン８２と下側の永久磁石８４の間位置Ｓ２で測定した。
その結果、振動を０．１ｍｍ以下に抑えられ、２００００ｒｐｍまで安定運転することができた。
以上のことから、超電導磁気軸受を使用しても、ターボ分子ポンプとして使用可能な回転速度を達成できることを確認できた。
従って、本発明の真空排気ポンプにより、構成を簡単にでき、コンパクト化が図れ、メンテナンスフリーでクリーンにできる。 The vibration characteristics of the rotor 81 were measured at an upper position S1 of the upper permanent magnet 83 and a position S2 between the turbine 82 and the lower permanent magnet 84.
As a result, vibration was suppressed to 0.1 mm or less, and stable operation was possible up to 20000 rpm.
From the above, it was confirmed that even if a superconducting magnetic bearing was used, a rotation speed usable as a turbo molecular pump could be achieved.
Accordingly, the vacuum exhaust pump of the present invention can simplify the configuration, achieve compactness, and can be maintenance-free and clean.

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の真空排気ポンプを構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、冷媒に液体窒素を使用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、超電導体の材質に応じて、例えば、液体酸素等を使用することもできる。 As described above, the present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment, and the matters described in the scope of claims. Other embodiments and modifications conceivable within the scope are also included. For example, the case where the vacuum exhaust pump of the present invention is configured by combining some or all of the above-described embodiments and modifications is also included in the scope of the right of the present invention.
In the above embodiment, the case where liquid nitrogen is used as the refrigerant has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, liquid oxygen or the like can be used depending on the material of the superconductor. .

そして、前記実施の形態においては、ロータのシャフトの両端に、シャフトを回転自由に支持する超電導磁気軸受を設け、ロータの下端に、ピボット軸受を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではない。
例えば、ピボット軸受を外して、超電導磁気軸受のみの構成にしてもよい。このとき、超電導磁気軸受の個数は、１個でもよく、また３個以上でもよい。なお、超電導磁気軸受の個数を１個とした場合には、シャフトの振れを抑制するため、その軸心方向の長さを長くするのがよい。
また、ピボット軸受側の超電導磁気軸受を外して、ロータのシャフトの片側に設けた１個の超電導磁気軸受と、１個のピボット軸受の構成にすることも可能である。 In the above embodiment, the case where the superconducting magnetic bearing that rotatably supports the shaft is provided at both ends of the shaft of the rotor and the pivot bearing is provided at the lower end of the rotor has been described. It is not a thing.
For example, the pivot bearing may be removed and only the superconducting magnetic bearing may be configured. At this time, the number of superconducting magnetic bearings may be one, or three or more. When the number of superconducting magnetic bearings is one, it is preferable to increase the length in the axial direction in order to suppress the shaft deflection.
Further, it is possible to remove the superconducting magnetic bearing on the pivot bearing side and to configure one superconducting magnetic bearing provided on one side of the rotor shaft and one pivot bearing.

更に、ロータの下端にピボット軸受を設けた状態で、超電導磁気軸受により、ロータをケーシングの底面から浮上させた状態や、ケーシングの底面に接触する状態（接触するかしないかの状態）にすることもできる。
なお、ケーシングの底部に、ピボット軸受を装入可能な孔を設け、この孔内にピボット軸受を配置し、ロータの回転時におけるロータの振れを抑制、更には防止することもできる。ここで、ピボット軸受の下端面は、孔の底面に接触してもよく、また孔の底面とは隙間を有してもよい。 Furthermore, with the pivot bearing at the lower end of the rotor, the superconducting magnetic bearing makes the rotor float from the bottom surface of the casing, or makes contact with the bottom surface of the casing (whether or not it contacts). You can also.
A hole into which the pivot bearing can be inserted is provided at the bottom of the casing, and the pivot bearing can be disposed in the hole so as to suppress or even prevent the rotor from shaking during the rotation of the rotor. Here, the lower end surface of the pivot bearing may be in contact with the bottom surface of the hole and may have a gap with the bottom surface of the hole.

本発明の真空排気ポンプは、例えば、半導体等の薄膜製造などの半導体製造装置で多用されている真空ポンプや、化学、医療、食品等の製造に必要な真空ポンプ等に利用できる。 The vacuum exhaust pump of the present invention can be used for, for example, vacuum pumps that are frequently used in semiconductor manufacturing apparatuses such as thin film manufacturing of semiconductors, vacuum pumps necessary for manufacturing chemical, medical, food, and the like.

１０：真空排気ポンプ、１１：シャフト、１２：動翼、１３：ロータ、１４：ケーシング、１５：静翼、１６：ステータ、１７、１８：超電導磁気軸受（軸受）、１９：チャンバー、２０：ロータリーポンプ、２１、２２：配管、２３：吸気口、２４：排気口、２５：側壁部、２６：流路（第２の流路）、２７〜２９：流入口、３０：流路（第１の流路）、３１：連通口、３３、３４：収納部、３５、３６：超電導体、３７、３８：永久磁石、３９：ピボット軸受、４０：モータ、５０：真空排気ポンプ、５１：ケーシング、５２：側壁部、５３：流路（第２の流路）、５４：静翼、６０、６１：超電導体、６２：ステータ、６３、６４：永久磁石、６５：ロータ、６６：真空ケーシング、６７：流入管、６８：モータ、６９：ピボット軸受、７０：タービン、８０：ロータ付タービン、８１：ロータ、８２：タービン、８３、８４：永久磁石、８５：ピボット軸受、８６：永久磁石
10: vacuum pump, 11: shaft, 12: moving blade, 13: rotor, 14: casing, 15: stationary blade, 16: stator, 17, 18: superconducting magnetic bearing (bearing), 19: chamber, 20: rotary Pump, 21, 22: Piping, 23: Inlet, 24: Exhaust, 25: Side wall, 26: Channel (second channel), 27-29: Inlet, 30: Channel (first Flow path), 31: communication port, 33, 34: storage section, 35, 36: superconductor, 37, 38: permanent magnet, 39: pivot bearing, 40: motor, 50: vacuum exhaust pump, 51: casing, 52 : Side wall, 53: flow path (second flow path), 54: stationary blade, 60, 61: superconductor, 62: stator, 63, 64: permanent magnet, 65: rotor, 66: vacuum casing, 67: Inflow pipe, 68: motor, 69: pivot bearing 70: Turbine, 80: turbine with rotor, 81: rotor, 82: turbine, 83 and 84: permanent magnet, 85: pivot bearing, 86: permanent magnet

Claims

A rotor having a shaft arranged in the center and a moving blade attached to the periphery of the shaft, a stator having a casing surrounding the rotor and a stationary blade provided inside the casing, and both sides of the shaft are freely supported. An evacuation pump used when a low vacuum target space is set to a high vacuum ,
A superconducting magnetic bearing is used as the bearing, the rotor is arranged upright, the superconducting magnetic bearing has a permanent magnet on the shaft side and a superconductor on the fixed bearing side, and the shaft is arranged below the shaft. A motor for rotation is provided, and the casing has a jacket structure to form a flow path for the refrigerant flowing into the stationary blade, and a refrigerant used for the superconducting magnetic bearing is used as a refrigerant for cooling the stationary blade . A vacuum exhaust pump characterized by that.

2. The vacuum exhaust pump according to claim 1 , wherein the permanent magnet is formed by stacking a plurality of magnets, and the magnetic poles of the adjacent magnets are the same.