JP5562058B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関し、特にポンプ運転中、回転軸を磁気軸受によって非接触で支持して、回転軸を含むロータを磁気浮上させて回転させるようにした磁気軸受式ターボ分子ポンプに関する。

磁気軸受式のターボ分子ポンプでは、ポンプ運転中、ロータの一部を構成する回転軸は、磁気軸受によって非接触で回転自在に支持され、ロータはステータと非接触となって真空中で回転する。回転軸にはモータロータが取付けられており、ロータの回転駆動力は、モータを介して回転軸に与えられる。

モータロータは、回転駆動力を発生する際に、なんらかの損失（例えば、鉄損や２次銅損等）によって発熱する。また、回転軸には、ラジアル磁気軸受の電磁石ターゲットが取付けられているが、この電磁石ターゲットも、回転軸の回転に伴い渦電流損失を発生して発熱する。

このため、ロータをポンプ使用上の許容温度以下に抑制するためには、特にロータの一部を構成する回転軸からの発熱を効果的にステータ側へ排熱してロータを冷却することが求められる。

磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいては、腐食性ガスを排気する際に、磁気軸受に不活性ガスを供給して磁気軸受を不活性ガスでパージすることが知られており、パージガス供給に伴う不具合の発生を防止するため、不活性ガスの流量管理を行うことが提案されている（特許文献１参照）。

また、出願人は、回転軸の吸気部側端面に固定された少なくとも１段の第１のタービン翼（動翼）と、第１のタービン翼の後段に配置された第２のタービン翼であって、該第２のタービン翼を貫通する回転軸に固定された少なくとも１段の第２のタービン翼（動翼）を有するようにしたターボ分子ポンプを提案している（特許文献２参照）。

特開２００９−２７５５７８号公報 特開２００９−１８５６７１号公報

ポンプ運転中、ロータはステータと非接触で、且つ真空中で回転しているため、ロータからの発熱をステータ側に排熱するためには、輻射による伝熱現象を用いる必要がある。このため、ロータからステータへの排熱量を多くするためには、ロータとステータとの間の温度差を大きくする必要があり、ロータをポンプ使用上の許容温度以下に抑制することが一般に困難であった。特に、排気ガス量が少なく、かつロータ温度を室温とあまり差のない４０℃以下にする場合などに、その傾向が顕著となる。

なお、腐食性ガスを排気する際に、磁気軸受を不活性ガスでパージするようにした従来例にあっては、ロータを冷却するために不活性ガスを使用することを考慮したものではなく、このため、不活性ガスの供給圧力を監視することは、一般に行われていなかった。

また、例えば、引用文献２に記載のように、回転軸に該回転軸と一体に回転する動翼を取付け、該動翼と対向する位置に配置される静翼をポンプケーシングに取付けたターボ分子ポンプにあっては、回転軸とポンプケーシングとの温度差が大きくなり過ぎた場合、特に回転軸の温度上昇に伴って、回転軸が回転軸下端に配置されたアキシャル磁気軸受を基準として上方に伸びると、動翼と該動翼に対向して配置される静翼との間のクリアランスが変化して排気性能が変化し、最悪の場合には、動翼と静翼との間で内部接触が生じてしまう。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、ロータの、特に該ロータの一部を構成する回転軸を効果的に冷却し、例えば動翼と該動翼に対向して配置される静翼との間のクリアランスが変化して、排気性能が変化するような時や、動翼と静翼との間で内部接触が発生するような時に、警報を発するか、またはポンプ運転を停止して、ポンプを保護できるようにしたターボ分子ポンプを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、磁気軸受によりロータを磁気浮上させ、該ロータをモータにより高速回転させて気体を排気するターボ分子ポンプにおいて、回転軸に固定されたタービン翼および遠心ドラッグ翼と、前記タービン翼および前記遠心ドラッグ翼を収納する上ハウジングと、該上ハウジングの鉛直方向下方側に配置された下ハウジングとを備えたケーシングと、前記下ハウジング内に冷却用気体を導入する冷却用気体導入部と、前記磁気軸受に導入される冷却用気体の圧力を検出する圧力検出部とを備え、前記磁気軸受は、前記回転軸を回転自在に支承する上部ラジアル磁気軸受および下部ラジアル磁気軸受と、前記回転軸に作用するスラスト力を支えるアキシャル磁気軸受であり、前記上部ラジアル磁気軸受、前記下部ラジアル磁気軸受、前記アキシャル磁気軸受、および前記モータは、前記下ハウジング内に収納され、ポンプ運転中に前記圧力検出部で検出された圧力が規定圧力以下になった時に、警報を発すか、またはポンプ運転を停止することを特徴とするターボ分子ポンプである。

このように、磁気軸受に冷却用気体を導入することで、磁気軸受の電磁石（ステータ）と電磁石ターゲット（ロータ）との間の圧力を冷却用気体で高く保ち、輻射による伝熱に加えて、冷却用気体の熱伝導による伝熱及び冷却用気体自身の吸熱現象によって、電磁石ターゲット（ロータ）から電磁石（ステータ）への伝熱量を増やして、電磁石ターゲット（ロータ）、ひいては回転軸の温度を効果的に低減することができる。しかも、磁気軸受に導入される冷却用気体の圧力を検出する圧力検出部で検出された圧力が規定圧力以下になった時に、警報を発すか、またはポンプ運転を停止することで、例えば動翼と該動翼に対向して配置される静翼との間のクリアランスが変化して、排気性能が変化したり、動翼と静翼とが内部接触したりすることを回避して、ポンプを保護することができる。

請求項２に記載の発明は、前記冷却用気体導入部は、ポンプケーシングの周囲を囲繞して該ポンプケーシングと内部を流れる冷却用気体との間で熱交換を行う冷却配管を有することを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプである。

これにより、磁気軸受に導入される前の冷却用気体を、冷却用の機器を別途設けることなく、ポンプケーシングを介して効果的に冷却することができる。
請求項３に記載の発明は、前記下ハウジングと前記圧力検出部との間に可変バルブが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ分子ポンプである。
請求項４に記載の発明は、前記可変バルブは、微小流量調整用の可変バルブであるか、または前記可変バルブの代わりに固定オリフィスが設けられていることを特徴とする請求項３に記載のターボ分子ポンプである。
請求項５に記載の発明は、前記アキシャル磁気軸受は、前記上部ラジアル磁気軸受、前記下部ラジアル磁気軸受、および前記モータの下方に配置されてい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である。

本発明によれば、電磁石ターゲット（ロータ）から電磁石（ステータ）への伝熱量を増やして、磁石ターゲット（ロータ）、ひいては回転軸の温度を効果的に低減し、しかも、例えば動翼と該動翼に対向して配置される静翼との間のクリアランスが変化して、排気性能が変化したり、動翼と静翼とが内部接触したりすることを回避して、ポンプを保護することができる。

本発明の実施形態に係るターボ分子ポンプの縦断正面図である。 本発明の他の実施形態に係るターボ分子ポンプの要部を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るターボ分子ポンプを示す。図１に示すように、このターボ分子ポンプは、縦型であり、排気部１０と、モータ１２と、中実軸構造である回転軸１４と、排気部１０、モータ１２、回転軸１４、及び下記のラジアル磁気軸受５０，５２及びアキシャル磁気軸受５８を収納するケーシング１６とを備えている。回転軸１４は、アキシャル磁気軸受５８の電磁石ターゲット５８ａを基準として、鉛直方向に沿って上方に延びるように配置されている。

ケーシング１６は、上ハウジング１８と、上ハウジング１８の鉛直方向（ポンプの軸方向）下方側に配置された下ハウジング２０と、上ハウジング１８と下ハウジング２０との間に配置されたサブケーシング２２とを備えている。上ハウジング１８は、最上部に形成された吸気口１８ａを有し、サブケーシング２２は、下面に形成された排気口２２ａを有している。吸気口１８ａは、流体としてのガス(例えば、腐食性プロセスガス、または反応生成物を含むガス)を鉛直方向下方に吸気し、排気口２２ａは、吸気されたガスを鉛直方向下方に排気する。

排気部１０は、複数段（図示では７段）の第１静翼２４、複数段（図示では２段）の第２静翼２６、複数段（図示では５段）の第１動翼（タービン翼）２８、複数段（図示では２段）の第２動翼（タービン翼）３０、及び複数段(図示では３段)の第３動翼（遠心ドラッグ翼）３２を有している。第１動翼２８及び第２動翼３０は、タービン翼部３４を構成し、第２動翼３０及び第３動翼３２は、回転軸１４の外周面に取付けられている。各第１静翼２４は、第１動翼２８及び第２動翼３０の直後流側にそれぞれ配置され、各第２静翼２６は、第３動翼３２の直後流側にそれぞれ配置されている。最下段に位置する第２動翼３０と最上段に位置する第３動翼３２との間には遠心隔壁３６が配置され、最下段に位置する第２動翼３０を出たガスは、遠心隔壁３６の開口部３６ａを通って、最上段に位置する第３動翼３２に吸い込まれる。排気部１０は、第３動翼３２のいわゆるガスに対する遠心力による翼外方向への排気作用と、第３動翼３２と第２静翼２６との間のガスの粘性によるドラッグ作用とを兼ね備えてガスを排気する。

最下段に位置する第１静翼２４と最上段に位置する第３動翼３２及び遠心隔壁３６との間には、流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略中空円筒状の流路損失緩和空間４０が形成されている。

第１静翼２４を有するタービン翼部３４は、ボルト４２を介して回転軸１４の上端に連結されている。回転軸１４には円管状の円管リング４４が焼き嵌め(締り嵌め)にて取付けられ、第２動翼３０及び第３動翼３２の中心部に設けた嵌合孔に円管リング４４を有する回転軸１４を嵌合させることで、第２動翼３０及び第３動翼３２が回転軸１４に順々に積層されて固定されている。

回転軸１４に円管リング４４を焼き嵌めることにより、円管リング４４を含む回転する軸の全体の剛性が上がっているので、当該回転する軸の延長が可能であり、最下段に位置する第１静翼２４と最上段に位置する第３動翼３２との間の軸方向寸法（流路損失緩和空間４０の軸方向長さ）を十分に長く取って、第２動翼３０の排気性能を向上させることができる。また、回転する軸を円管リング４４と回転軸１４に分けることにより、円管リング４４の材質を回転軸１４のそれとは違う高ヤング率材料にすることも可能となる。

下ハウジング２０には、モータ１２と、該モータ１２を挟んで上下に配置されて回転軸１４を回転自在に支承する上部ラジアル磁気軸受５０及び下部ラジアル磁気軸受５２と、上部ラジアル磁気軸受５０及び下部ラジアル磁気軸受５２の外方に配置される上部保護ベアリング（タッチダウン軸受）５４及び下部保護ベアリング（タッチダウン軸受）５６が収納されている。モータ１２のモータロータ１２ａ、上部ラジアル磁気軸受５０の電磁石ターゲット５０ａ及び下部ラジアル磁気軸受５２の電磁石ターゲット５２ａは、回転軸１４にそれぞれ固定され、モータ１２のモータステータ１２ｂ、上部ラジアル磁気軸受５０の電磁石５０ｂ及び下部ラジアル磁気軸受５２の電磁石５２ｂは、下ハウジング２０の内周面にそれぞれ固定されている。

回転軸１４の反吸気部側端面には、ディスク状の電磁石ターゲット５８ａが植込ボルト６０によって取付けられ、この電磁石ターゲット５８ａを挟んだ上下には、電磁石５８ｂが配置されている。この電磁石ターゲット５８ａ及び電磁石５８ｂにより、回転軸１４を含む回転体（ロータ）の自重や回転軸１４に作用するスラスト力を支えるアキシャル磁気軸受５８が構成されている。

各磁気軸受５０，５２，５８は、いずれも能動磁気軸受である。磁気軸受５０，５２，５８のいずれかに異常が発生したときには、上部保護ベアリング５４は、上部ラジアル磁気軸受５０の代わりに回転軸１４を回転軸１４の径方向に支持し、下部保護ベアリング５６は、下部ラジアル磁気軸受５２およびアキシャル磁気軸受５８の代わりに、回転軸１４を回転軸１４の径方向および軸方向に支持する。

下ハウジング２０には、アキシャル磁気軸受５８の下方に位置して、アキシャル磁気軸受５８の電磁石ターゲット５８ａを収納している空間に連通する冷却用気体導入孔２０ａが設けられ、この冷却用気体導入孔２０ａに、冷却用気体供給源（図示せず）から延びる冷却用気体導入管６２が接続されている。これによって、磁気軸受５０，５２，５８及びモータ１２に冷却用気体を導入する冷却用気体導入部６４が構成されている。

つまり、冷却用気体導入管６２から冷却用気体導入孔２０ａを通してアキシャル磁気軸受５８の電磁石ターゲット５８ａを収納している空間に導入された冷却用気体は、該空間から回転軸１４の軸方向に沿って上方に流れ、下部ラジアル磁気軸受５２の電磁石ターゲット５２ａと電磁石５２ｂとの間、モータ１２のモータロータ１２ａとモータステータ１２ｂとの間、及び上部ラジアル磁気軸受５０の電磁石ターゲット５０ａと電磁石５０ｂとの間を順次通過して、サブケーシング２２に設けた排気口２２ａから外部に排気される。冷却用気体としては、例えばＮ_２ガスや空気が使用される。

このように、磁気軸受５０，５２，５８及びモータ１２に冷却用気体を導入することで、アキシャル磁気軸受５８の電磁石ターゲット５８ａを収納している空間、下部ラジアル磁気軸受５２の電磁石ターゲット５２ａと電磁石５２ｂとの間、モータ１２のモータロータ１２ａとモータステータ１２ｂとの間、及び上部ラジアル磁気軸受５０の電磁石ターゲット５０ａと電磁石５０ｂとの間の圧力を冷却用気体で高く保ち、輻射による伝熱に加えて、冷却用気体の熱伝導による伝熱及び冷却用気体自身の吸熱現象によって、磁気軸受５０，５２，５８の電磁石ターゲット（ロータ）５０ａ，５２ａ，５８ａから電磁石（ステータ）５０ａ，５２ａ，５８ａへの伝熱量、及びモータ１２のモータロータ１２ａからモータステータ１２ｂへの伝熱量を増やして、電磁石ターゲット（ロータ）５０ａ，５２ａ，５８ａ及びモータロータ１２ａ、ひいては回転軸１４の温度を効果的に低減することができる。

冷却用気体導入管６２には、冷却用気体の供給圧力がある規定の圧力になった際に、ポンプ側で冷却用気体の必要な流量が得られるように予め調整した、微小流量調整用の可変バルブ６６が設置されており、この可変バルブ６６の一次側（冷却用気体供給側）に、冷却用気体導入管６２に沿って流れる冷却用気体の圧力を常時検出する圧力検出部としての圧力計６８が設置されている。可変バルブ６６の代わりに、例えば固定オリフィスを使用しても良い。

コントローラ７２は、制御ケーブル７０を介して、モータ１２及び磁気軸受５０，５２，５８に電力を供給して、回転軸１４に対する非接触軸支と回転駆動力を与える。ポンプ運転時、コントローラ７２は、圧力計６８からの出力を、圧力モニタケーブル７３を介して常時監視するようになっている。更に、コントローラ７２は、冷却用気体の供給圧力が所定の規定圧力以下になった場合に、警報を発生したり、ポンプの運転を停止したりする保護機能を有している。

前述のように、磁気軸受５０，５２，５８及びモータ１２に冷却用気体を導入することで、回転軸１４の温度を効果的に低減することができる。これによって、回転軸１４の熱膨張による伸びを抑制して、回転軸１４に固定されている動翼（ロータ）２８，３０，３２と、上ハウジング１８に固定されて各動翼２８，３０，３２とそれぞれ対向するように配置される静翼２４，２６との位置関係を所定の許容範囲内に収めることができる。

しかし、冷却用気体の供給圧力が低下して、磁気軸受５０，５２，５８及びモータ１２に導入される冷却用気体の流量が減少すると、回転軸１４の熱膨張による伸び量が増え、回転軸１４に固定されている動翼（ロータ）２８，３０，３２の上面と、上ハウジング１８に固定されて各動翼２８，３０，３２とそれぞれ対向するように配置される静翼２４，２６の下面との間の各クリアランスが所定量以下となって、排気性能が変化し、最悪の場合、動翼と静翼との間で内部接触が生じてしまうことがある。

この例によれば、冷却用気体の供給圧力が所定の規定圧力以下になった場合に、コントローラ７２は、警報を発生したり、ポンプの運転を停止したりする保護機能を有しているため、このような事態が発生することを防止することができる。

図２は、本発明の他の実施形態のターボ分子ポンプの要部を示すものである。この例の図１に示す例と異なる点は、下ハウジング２０に当接して該下ハウジング２０を螺旋状に巻き回した冷却配管７４を備え、この冷却配管７４の一端を冷却用気体導入管３２に、他端を冷却用気体導入孔２０ａにそれぞれ接続し、下ハウジング２０と冷却配管７４の内部を流れる冷却用気体との間で熱交換を行って該冷却配管７４の内部を流れる冷却用気体を冷却するようにした点にある。

これにより、磁気軸受５０，５２，５８に導入される前の冷却用気体を、冷却用の機器を別途設けることなく、一般に低温な下ハウジング２０を介して効果的に冷却することができる。
なお、冷却用気体を冷却する冷却器を別途設けて、この冷却器で予め所定温度に冷却した冷却用気体を磁気軸受やモータに導入するようにしてもよいことは勿論である。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１０ 排気部
１２ モータ
１２ａ モータロータ
１２ｂ モータステータ
１４ 回転軸
１６ ケーシング
１８ 上ハウジング
１８ａ 吸気口
２０ 下ハウジング
２０ａ 冷却用気体導入孔
２２ サブケーシング
２２ａ 排気口
２４，２６ 静翼
２８，３０，３２ 動翼
５０，５２ ラジアル磁気軸受
５０ａ，５２ａ 電磁石ターゲット
５０ｂ，５２ｂ 電磁石
５４，５６ 保護ベアリング
５８ アキシャル磁気軸受
５８ａ 電磁石ターゲット
５８ｂ 電磁石
６２ 冷却用気体導入管
６４ 冷却用気体導入部
６６ 可変バルブ
６８ 圧力計（圧力検出部）
７０ 制御ケーブル
７２ コントローラ
７３ 圧力モニタケーブル
７４ 冷却配管

Claims (5)

1. 磁気軸受によりロータを磁気浮上させ、該ロータをモータにより高速回転させて気体を排気するターボ分子ポンプにおいて、
   回転軸に固定されたタービン翼および遠心ドラッグ翼と、
   前記タービン翼および前記遠心ドラッグ翼を収納する上ハウジングと、該上ハウジングの鉛直方向下方側に配置された下ハウジングとを備えたケーシングと、
   前記下ハウジング内に冷却用気体を導入する冷却用気体導入部と、
   前記磁気軸受に導入される冷却用気体の圧力を検出する圧力検出部とを備え、
   前記磁気軸受は、前記回転軸を回転自在に支承する上部ラジアル磁気軸受および下部ラジアル磁気軸受と、前記回転軸に作用するスラスト力を支えるアキシャル磁気軸受であり、
   前記上部ラジアル磁気軸受、前記下部ラジアル磁気軸受、前記アキシャル磁気軸受、および前記モータは、前記下ハウジング内に収納され、
   ポンプ運転中に前記圧力検出部で検出された圧力が規定圧力以下になった時に、警報を発すか、またはポンプ運転を停止することを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 前記冷却用気体導入部は、ポンプケーシングの周囲を囲繞して該ポンプケーシングと内部を流れる冷却用気体との間で熱交換を行う冷却配管を有することを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプ。
3. 前記下ハウジングと前記圧力検出部との間に可変バルブが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のターボ分子ポンプ。
4. 前記可変バルブは、微小流量調整用の可変バルブであるか、または前記可変バルブの代わりに固定オリフィスが設けられていることを特徴とする請求項３に記載のターボ分子ポンプ。
5. 前記アキシャル磁気軸受は、前記上部ラジアル磁気軸受、前記下部ラジアル磁気軸受、および前記モータの下方に配置されてい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。

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