JP6458414B2

JP6458414B2 - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP6458414B2
Application number: JP2014184547A
Authority: JP
Inventors: 清水　幸一; 幸一清水; 修芦田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: US20160069391A1; CN105402142A; JP2016056750A; US9816562B2; CN111561462A

Description

本発明は、ロータを転がり軸受で支持する真空ポンプに関する。

従来、グリース潤滑された転がり軸受でロータの回転軸を支持する方式の真空ポンプが知られている。このような真空ポンプでは、ロータのアンバランスに起因する振れ回りにより振動が発生し、その振動がポンプ外部に伝達されるという問題がある。その対策として、転がり軸受を弾性的に支持して振動を減衰させるという方法がある。

例えば、特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、転がり軸受の外輪を保持する内側スリーブを外側スリーブで保持し、その外側スリーブをベースに固定する構成において、外輪の外周と内側スリーブとの間、および内側スリーブと外側スリーブとの間に弾性体（Ｏリング）を設けている。そして、内側スリーブと外側スリーブとの間の放熱性能を向上させる為に熱伝導ゲルによるゲル層を設けている。ゲル層は弾性体によって密封されている。

国際公開第２００６／１３１６９４号明細書

しかしながら、転がり軸受を弾性的に支持する場合、ポンプ外に伝達される振動を十分減衰させるためには、弾性係数を十分小さくする必要がある。そのため、特許文献１に記載の構成のように内側スリーブと外側スリーブとの径方向隙間にゲル層を設ける構成では、ゲル層の影響により径方向の支持剛性の低減を十分に行うことができないという問題がある。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータを支持する転がり軸受と、前記転がり軸受の外輪を弾性的に保持する保持部と、前記外輪と前記保持部との間に充填され、ＮＬＧＩ番号が１．５以下であるちょう度の冷却用グリースと、を備え、前記転がり軸受で発生した熱を前記冷却用グリースを介して前記保持部へ伝達する。
さらに好ましい実施形態では、前記保持部は、前記外輪を弾性支持する少なくとも２つの弾性部材を有し、前記冷却用グリースは、前記２つの弾性部材と前記外輪と前記保持部とで囲まれる領域に充填され、ポンプ使用温度において前記領域の外部に流出しないようなグリース状態を維持する。
さらに好ましい実施形態では、前記外輪と接触する接触部と、該接触部から延設されて前記冷却用グリースが充填される領域に設けられる放熱部とを有し、前記外輪よりも熱伝導率の高い放熱部材をさらに備える。
さらに好ましい実施形態では、前記冷却用グリースは、ポンプ使用温度において離油度が１０％以下である。
さらに好ましい実施形態では、前記冷却用グリースは、温度２０℃における飽和蒸気圧が１０^−８Ｐａ以下のフッ素グリースである。

本発明によれば、転がり軸受からの放熱性能を確保しつつ、支持剛性の低減を図ることができる。

図１は本発明に係る真空ポンプの一実施形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ１００の断面図である。図２は、転がり軸受８の部分の構成を詳細に示す拡大図である。図３は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。図４は、本実施の形態の第２の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明に係る真空ポンプの一実施形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ１００の断面図である。ロータ３には排気機能部として回転翼３０と円筒部３１とが形成されている。回転翼３０に対応して、固定側排気機能部としての固定翼２０が設けられている。なお、円筒部３１に対応しては、固定筒が固定側排気機能部として設けられているが、図１では図示を省略した。

ロータ３はシャフト１に締結されており、そのシャフト１はモータ４により回転駆動される。シャフト１が締結されたロータ３は、永久磁石６，７を用いた磁気軸受と転がり軸受８とにより回転自在に支持されている。円筒状の永久磁石６はロータ３に固定されている。一方、固定側の永久磁石７は磁石ホルダ１１に保持され、永久磁石６の内周側に対向配置されている。

磁石ホルダ１１は、ポンプケーシング１０のフランジ部分に固定されている。図１に示す例では、磁石ホルダ１１の梁部分と固定翼２０の位置決めを行うスペーサリング５とが、ポンプケーシング１０のフランジ部とベース２との間に挟持されるように保持されている。磁石ホルダ１１の中央には、転がり軸受９を保持する軸受ホルダ１３が固定されている。

転がり軸受９はシャフト上部のラジアル方向の振れを制限するために設けられているものであり、転がり軸受９の内輪とシャフト１との間には隙間が形成されている。この隙間の寸法は、永久磁石６，７間の隙間寸法より小さく設定されている。これにより、ロータ３の振れ回りが大きくなった場合に、永久磁石６，７同士が接触するのを防止している。

なお、本実施の形態の真空ポンプでは、ロータ３を、永久磁石６，７を用いた磁気軸受と転がり軸受８とにより支持しているが、本発明は、磁気軸受に代えて転がり軸受を用いる真空ポンプにも適用することができる。

図２は、転がり軸受８の部分の構成を詳細に示す拡大図である。シャフト１の下部に設けられた転がり軸受８の内輪８０は、ナット４０によってシャフト１に固定されている。一方、転がり軸受８の外輪８１はベース２上に弾性的に支持されている。外輪８１の上側の端面にはリング状の弾性部材４２ａが設けられ、下側の端面にはリング状の弾性部材４２ｂが設けられている。すなわち、外輪８１は、弾性部材４２ａ，４２ｂを介してベース２に支持されている。また、外輪８１の外周側にはリング状の弾性部材４１が設けられている。

図２に示す例では、弾性部材４１，４２ａ，４２ｂの断面形状が矩形であるが、矩形に限定されない。外輪８１とベース２との間の径方向隙間寸法Ｇは、シャフト１が振れ回った際でも外輪８１とベース２とが接触しない寸法、すなわち、外輪８１が弾性支持されるような寸法に設定されている。例えば、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度に設定される。弾性部材４２ａ，４２ｂは、外輪８１の軸方向支持を主に行うものであり、外輪８１の径方向に変位に対しては剛性が非常に小さい。また、弾性部材４１は外輪８１の径方向支持の為に設けられた弾性部材である。

弾性部材４１は、シャフト１の径方向変位により圧縮変形される。そのため、例えば、シャフト１が中心位置（径方向の変位がゼロの理想位置）にある場合に、弾性部材４１とベース２との隙間がほぼゼロまたは若干の隙間（＜Ｇ）となるように設定することで、弾性部材４１による径方向支持剛性を非常に小さくすることができる。このように弾性部材４１，４２ａ，４２ｂを設定することで、弾性部材４１，４２ａ，４２ｂに起因する径方向の支持剛性を非常に小さくすることができ、ラジアル方向の径方向ロータ振れ回りに起因するポンプ振動を小さく抑えることができる。

さらに、外輪８１とベース２との隙間２１ａ，２１ｂには、外輪８１からベース２への熱伝達を向上させるために冷却用グリースが充填されている。この冷却用グリースとしては、シャフト１の径方向支持剛性への影響を小さくするために、比較的柔らかいちょう度（稠度）のグリースが用いられる。具体的には、ＮＬＧＩ(National Lubricating Grease Institute)番号で００，０，１，１．５のグリースが好ましい。なお、１．５とはＮＬＧＩ番号１と２の中間のちょう度を有するグリースである。

このように、ちょう度の大きな柔らかいグリースを用いることにより、転がり軸受８が径方向に移動した際の隙間２１ａ，２１ｂ内における冷却用グリースの移動がスムーズに行われ、径方向支持剛性への影響（すなわち、支持剛性増大）を小さく抑えることができる。ＮＬＧＩ番号１．５のグリースよりもちょう度の小さなグリースを用いた場合、隙間２１ａ，２１ｂ内における冷却用グリースの流動性が低下して支持剛性の増大を招き、ベース２に伝達される振動が大きくなる。

また、ターボ分子ポンプのように高速で回転する軸受においては、高い潤滑性と低い転がり摩擦を実現するために離油度の高いグリースが使用される。そのため、放熱性能が悪いと軸受内部に封入されたグリースの蒸発や劣化が進み寿命が短くなる。しかしながら、本実施の形態では、転がり軸受８で発生した熱は、弾性部材４１，４２ａ，４２ｂだけでなく、隙間２１ａ，２１ｂに充填された冷却用グリースを介してベース２に伝達されるので、そのような問題の発生を避けることができる。

さらに、冷却用グリースとしては、ポンプ使用温度（一般的には、２０℃〜８０℃）においてグリース状態を維持するものが好ましい。具体的には、実使用温度において離油度が１０％以下であることが好ましい。上述した弾性部材４２ａ，４２ｂは、小さな支持剛性で外輪を支持する機能と、転がり軸受８の熱をベース２に放熱する機能と、冷却用グリースが隙間２１ａ，２１ｂから流失するのを防止するシール材としての機能を担っている。そのため、冷却用グリースとして、ポンプ使用温度でグリース状態が維持されるグリースを使用することで、シール性能よりも放熱性能および支持性能を優先して弾性部材４２ａ，４２ｂを設定することができる。

例えば、図２に示すような矩形断面のエラストマーは、熱抵抗が小さいという特徴を有するが、ベース２及び外輪端面に対して、適切な潰し代で設けられたＯリングシールのように密着しているわけでないので、シール性に劣る。しかしながら、離油度が１０％以下のグリースであれば、シール性に劣る矩形断面のエラストマーでも、冷却用グリースを隙間２１ａ，２１ｂに保持することが可能である。また、離油度の高いグリースを用いる場合には、Ｏリングシール等のエラストマーシールを適切な潰し代で設けて外輪１８とベース２とに密着させる必要があり、低い支持剛性を得ることが困難である。

例えば、離油度が１０％よりも高いグリースを冷却用グリースとして用いた場合、分離した油分（基油）が弾性部材４２ａ，４２ｂとベース２および外輪端面との隙間から流出して、転がり軸受８内のグリースに混入し、潤滑性の劣化を引き起こすおそれがある。

なお、本実施の形態における冷却用グリースの熱伝導率としては、０．１５〜０．４Ｗ／ｍＫであれば良く、特に、金属や金属酸化物などの固形物を混ぜたグリースや、サーマルペースト、サーマルゲル等を使用する必要はない。また、蒸気圧の低いフッ素グリースを使用しても良い。例えば、温度２０℃における飽和蒸気圧が１０−８Ｐａ以下のフッ素グリースを使用する。フッ素グリースには、ＮＬＧＩ番号が低く（柔らかく）、２００℃程度まで離油度が低いものがあり、真空ポンプに用いる冷却グリースとして適している。フッ素グリースは上述のように蒸気圧が低い物が入手可能で、低振動と軸受冷却効果を長期間維持することができる。

（第１の変形例）
図３は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。第１の変形例では、冷却グリースが充填される隙間２１ａ，２１ｂの径方向隙間寸法を図２の場合よりも小さくして、隙間２１ａ，２１ｂ部分のベース内周面２１０，２１１と外輪８１の外周面との距離を小さくした。図３に示す例では、径方向隙間寸法を図２に示した寸法Ｇと等しく設定し、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度とした。外輪８１の熱は、外輪８１から隙間２１ａ，２１ｂに充填された冷却用グリースを介してベース２に伝達される。そのため、図３のようにベース内周面２１０，２１１を外輪８１の外周面に近づけて、冷却用グリースの伝熱距離を小さくすることで、外輪８１からベース２への放熱性能の向上を図ることができる。

（第２の変形例）
図４は、本実施の形態の第２の変形例を示す図である。上述した第１の変形例では、外輪８１からベース２への放熱性能を向上させるために、外輪８１とベース内周面２１０，２１１との隙間寸法を小さく設定した。一方、図４に示す第２の変形例では、外輪８１と接触する放熱部材８２を設けた。

放熱部材８２は、断面形状がＬ字形状のリング状部材であり、円筒部８２１と、円筒部８２１の下端に設けられたフランジ部８２２とを有する。放熱部材８２には、外輪よりも熱伝導率が高い良熱伝導性能材料、例えば、アルミ合金等の金属材料が用いられる。一般的に外輪８１は鉄で形成され、熱伝導率は８３．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、アルミ合金の熱伝導率は２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。

なお、ロータ振れ回りへの影響を小さくするため、放熱部材８２の重量は軽い方が好ましい。フランジ部８２２は、外輪８１の下端面と弾性部材４２ｂとの間に挟持されている。また、フランジ部８２２から延設している円筒部８２１は、グリースが充填される隙間２１ｂに配置される。円筒部８２１と隙間２１ｂ部分のベース内周面２１１との径方向距離は小さく設定され、例えば、上述した寸法Ｇに設定される。円筒部８２１の外周面８２１ａは放熱面として機能する。外輪８１の熱の一部は放熱部材８２を介して放熱されるが、放熱部材８２とベース内周面２１１との距離が小さいので、図２に示した実施の形態に比べて、外輪８１からベース２への放熱性能が向上する。

以上説明したように、本実施の形態では、真空ポンプ（ターボ分子ポンプ１００）は、ロータ３を支持する転がり軸受８と、転がり軸受８の外輪８１を弾性的に保持する保持部であるベース２と、外輪８１とベース２との間に充填され、ちょう度がＮＬＧＩ番号で１．５以下のグリースと、を備える。外輪８１とベース２との間に冷却用グリースを充填することにより、外輪８１の放熱性能は向上する。さらに、冷却用グリースとしてＮＬＧＩ番号が１．５以下の柔らかいものを用いることにより、外輪８１に対する径方向剛性が小さく抑えられるため、外輪８１からベース２への振動伝達を十分低く抑えることができる。

また、ベース２には、外輪８１の軸方向端面を弾性支持する２つの弾性部材４２ａ，４２ｂと、径方向を弾性支持する弾性部材４１とが設けられ、冷却用グリースは、弾性部材４１，４２ａ，４２ｂと外輪８１とベース２とで囲まれる領域（隙間２１ａ，２１ｂ）に充填される。冷却用グリースは、ポンプ使用温度（一般的には２０℃〜８０℃）においてグリース状態を維持するので、弾性部材４１，４２ａ，４２ｂがオイルシール用の弾性部材でなくても、隙間２１ａ，２１ｂからのグリースの流出を防止することができる。冷却用グリースの離油度は、ポンプ使用温度において１０％以下であるのが好ましい。

さらに、図４に示すように、外輪８１と接触するフランジ部８２２と隙間２１ｂに配置される円筒部８２１（放熱部）とを有し、外輪８１よりも熱伝導率の高い放熱部材８２を備えることで、外輪８１からベース２への放熱性能をさらに向上させることができる。

なお、上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、外輪８１の上端面および下端面に弾性部材４２ａ、４２ｂを設けたが、いずれか一方だけ設けても良い。

１…シャフト、２…ベース、３…ロータ、６，７…永久磁石、８，９…転がり軸受、２１ａ，２１ｂ…隙間、４１，４２ａ，４２ｂ…弾性部材、８０…内輪、８１…外輪、８２…放熱部材、１００…ターボ分子ポンプ、２１０，２１１…ベース内周面、８２１…円筒部、８２１ａ…外周面、８２２…フランジ部

Claims

ロータを支持する転がり軸受と、
前記転がり軸受の外輪を弾性的に保持する保持部と、
前記外輪と前記保持部との間に充填され、ＮＬＧＩ番号が１．５以下であるちょう度の冷却用グリースと、を備え、
前記転がり軸受で発生した熱を前記冷却用グリースを介して前記保持部へ伝達する、真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記保持部は、前記外輪を弾性支持する少なくとも２つの弾性部材を有し、
前記冷却用グリースは、前記２つの弾性部材と前記外輪と前記保持部とで囲まれる領域に充填され、ポンプ使用温度において前記領域の外部に流出しないようなグリース状態を維持する、真空ポンプ。
請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
前記外輪と接触する接触部と、該接触部から延設されて前記冷却用グリースが充填される領域に設けられる放熱部とを有し、前記外輪よりも熱伝導率の高い放熱部材をさらに備える真空ポンプ。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記冷却用グリースは、ポンプ使用温度において離油度が１０％以下である、真空ポンプ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記冷却用グリースは、温度２０℃における飽和蒸気圧が１０^−８Ｐａ以下のフッ素グリースである、真空ポンプ。