JP7327132B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

真空ポンプは、各種真空処理装置に用いられる。例えば、特許文献１に記載されたターボ分子ポンプは、ロータ、シャフト、転がり軸受、ベースおよびモータを含む。ロータは、シャフトに締結され、転がり軸受により回転自在に支持される。転がり軸受の外輪は、ベースに弾性的に保持される。シャフトがモータにより回転駆動されることにより、真空処理装置内の気体分子が一方向に移動され、外部に排出される。

高速で回転する転がり軸受においては、高い潤滑性と低い転がり摩擦とを実現するために離油度が高いグリースが封入される。転がり軸受の放熱性が低いと、封入されたグリースの蒸発または劣化が進み、転がり軸受の寿命が短くなる。そこで、特許文献１においては、外輪からベースへの熱伝達を向上させる冷却用グリースが外輪とベースとの隙間に充填される。

特開２０１６－５６７５０号公報

特許文献１のターボ分子ポンプにおいては、ベースの熱容量が大きく、また、伝熱経路が長いため、転がり軸受を効率よく冷却することができず、軸受の潤滑寿命を延ばすことが難しい。そのため、軸受の冷却効率を向上させることが望まれる。

本発明の目的は、軸受の冷却効率を改善し、軸受の潤滑寿命を向上した真空ポンプを提供することである。

本発明の一態様は、開口を有する内部空間が形成されたベースと、内輪および外輪を有し、前記内部空間に収容された軸受と、前記軸受の前記内輪により回転可能に支持されたシャフトと、前記軸受の前記外輪を前記ベースに対して固定する固定部材と、前記ベースに設けられたカバー部材と、前記カバー部材を冷却するように配置された冷却部とを備え、前記カバー部材は、前記開口を閉塞する閉塞部と、前記固定部材と前記閉塞部との間で熱を伝達するように前記閉塞部から前記固定部材に向かって突出し、前記固定部材に接触する突出部とを含み、前記軸受の前記外輪と前記突出部とは前記固定部材を介して熱的に接触することにより、前記軸受の熱を前記カバー部材に放熱させる、真空ポンプに関する。

本発明によれば、軸受の冷却効率を改善し、軸受の潤滑寿命を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る真空ポンプの断面図である。 軸受の周辺部分の真空ポンプの構造を示す拡大断面図である。 第１の変形例に係る真空ポンプを示す拡大部分断面図である。 第２の変形例に係る真空ポンプを示す拡大部分断面図である。 第３の変形例に係る真空ポンプを示す拡大部分断面図である。 第４の変形例に係る真空ポンプを示す拡大部分断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る真空ポンプの断面図である。

［１］第１の実施の形態
（１）真空ポンプの構成
以下、実施の形態に係る真空ポンプについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る真空ポンプの断面図である。図１に示すように、真空ポンプ１００は、ターボ分子ポンプであり、ベース１０、ケーシング２０、モータ３０、シャフト４０、軸受５０、カバー部材６０および冷却部７０を備える。

ベース１０は、金属により形成され、略円筒形状を有する。ベース１０の中央部分における上下方向に貫通する空間を内部空間１１と呼ぶ。内部空間１１の下部には下部開口１１ａが形成される。内部空間１１が内部空間の例であり、下部開口１１ａが開口の例である。ベース１０の側壁部分には、上下方向に蛇行しながら径方向に延びる排気経路１２が形成される。排気経路１２の上流端部は、ベース１０の上面に開口する。また、ベース１０の側壁部分には、排気経路１２の下流端部とベース１０の外側面とを接続する図示しない排気口が形成される。

ケーシング２０は、金属により形成され、略円筒形状を有する。ターボ分子ポンプ１００の吸気側には非接触方式で、シャフト４０を回転可能に支持する磁気軸受９０が配置される。磁気軸受９０は、静止側永久磁石９１および回転側永久磁石９２を含む。磁気軸受９０の静止側永久磁石９１は、ケーシング２０上部に組み立てられる。ケーシング２０は、ベース１０の上部に取り付けられる。なお、ケーシング２０の上部には、フランジ部が形成される。ケーシング２０の内周面には、内方に水平に突出する複数の固定翼２２が、スペーサ２３により軸方向に位置決めされる。

モータ３０は、モータステータ３１とモータロータ３２とを含み、回転軸が上下方向を向くようにベース１０の内部空間１１に収容される。モータロータ３２は、シャフト４０に固定される。シャフト４０には、回転翼４１が締結され、固定翼２２と交互に配置される。回転翼４１の上部には磁気軸受９０の回転側永久磁石９２が配置される。

軸受５０は、ベース１０の内部空間１１においてモータ３０の下方に配置される。軸受５０は、例えば転がり軸受であり、シャフト４０の下部を回転可能にベース１０に支持する。本例では、軸受５０は玉軸受（ボールベアリング）であるが、実施の形態はこれに限定されない。軸受５０は、ころ軸受等の他の転がり軸受であってもよい。なお、ころ軸受は、円筒ころ軸受、棒状ころ軸受、針状ころ軸受または円錐ころ軸受を含む。

カバー部材６０は、軸受５０を放熱可能に軸受５０と熱的に接触した状態で、内部空間１１の下部開口１１ａを閉塞するようにベース１０の下部に取り付けられる。カバー部材６０の詳細は後述する。冷却部７０は、ベース１０およびカバー部材６０の下面に取り付けられ、ベース１０およびカバー部材６０を冷却する。本実施の形態においては、冷却部７０は水冷ジャケットであり、内部に冷却媒体として冷却水を循環するための流路７１が形成される。

モータ３０のロータ３２がステータ３１により回転駆動されると、ロータ３２に締結されたシャフト４０が回転する。これにより、複数の回転翼４１が複数の固定翼２２に対して回転する。この場合、ケーシング２０の上部開口から導入された気体分子が、ベース１０の排気経路１２に沿って移動し、排気口から排出される。

（２）軸受の放熱機構
図２は、軸受５０の周辺部分の真空ポンプ１００の構造を示す拡大断面図である。図２に示すように、軸受５０は、内輪５１、外輪５２および複数の転がり部材５３を含む。内輪５１は、軸受内輪固定部材１によりシャフト４０に固定される。複数の転がり部材５３は、内輪５１と外輪５２との間で図示しない保持器（リテーナ）により保持される。外輪５２は、軸受ハウジング２および軸受外輪固定部材３によりベース１０に固定される。軸受外輪固定部材３が固定部材の例である。

具体的には、軸受ハウジング２は、周壁部２ａ、上面部２ｂおよびフランジ部２ｃを含む雌ねじ部材である。周壁部２ａは、略円筒形状を有する。周壁部２ａの内周面には、ねじ山とねじ溝とからなるねじ部が形成される。上面部２ｂは、周壁部２ａの上部を閉塞する。上面部２ｂの中央部には、上下方向に貫通する貫通孔２ｄが形成される。フランジ部２ｃは、周壁部２ａの下端部から外方に広がるように形成される。軸受ハウジング２は、シャフト４０が上面部２ｂの貫通孔２ｄに挿通された状態で、ベース１０の内部空間１１に固定される。

軸受外輪固定部材３は、略円環形状を有する雄ねじ部材である。軸受外輪固定部材３の外周面には、ねじ山とねじ溝とからなるねじ部が形成される。軸受外輪固定部材３は、シャフト４０が挿通されつつ軸受５０の下方に配置される。軸受外輪固定部材３の外周面のねじ部と軸受ハウジング２の周壁部２ａの内周面のねじ部とが螺合されることにより、軸受外輪固定部材３の上面が軸受５０の外輪５２の下面に接触する。この場合、外輪５２が軸受ハウジング２と軸受外輪固定部材３とにより上下方向から狭持された状態でベース１０に固定される。

カバー部材６０は、熱伝導性が高くかつ加工しやすい材料（本例ではアルミニウム）により形成され、閉塞部６１および突出部６２を含む。閉塞部６１は、例えば円形を有する板部材であり、ベース１０の下部において内部空間１１の下部開口１１ａを閉塞するように軸受ハウジング２のフランジ部２ｃの下面に取り付けられる。ベース１０の下面とカバー部材６０の閉塞部６１の下面とは略面一となる。突出部６２は、例えば円筒形状を有し、閉塞部６１の上面の中央から上方に突出するように形成される。突出部６２の上端部は、軸受外輪固定部材３の下面に接触する。

（３）効果
本実施の形態に係る真空ポンプ１００においては、軸受５０の外輪５２とカバー部材６０の突出部６２とが軸受外輪固定部材３を介して熱的に接触する。この場合、軸受５０において発生した熱は、軸受外輪固定部材３を介して、カバー部材６０に伝達される。これにより、軸受５０の放熱が効率よく行われる。特に、本実施の形態では、軸受外輪固定部材３と突出部６２とが直接接触するので、軸受５０の放熱がより効率よく行われる。

また、カバー部材６０は冷却部７０により効率よく水冷される。したがって、軸受５０とカバー部材６０との間での熱交換が効率よく行われる。ここで、軸受外輪固定部材３およびカバー部材６０は、ベース１０およびケーシング２０に比べて体積が小さい。そのため、熱容量を小さくすることができる。さらに、軸受５０と冷却部７０との間に最短の伝熱経路が形成されるので、熱伝達の損失が小さい。これらの結果、軸受５０の冷却効率を改善し、軸受５０の潤滑寿命を向上させることができる。

（４）変形例
本実施の形態において、軸受外輪固定部材３とカバー部材６０とが直接接触するが、実施の形態はこれに限定されない。図３は、第１の変形例に係る真空ポンプ１００を示す拡大部分断面図である。図３に示すように、第１の変形例に係る真空ポンプ１００は、伝熱部材８０をさらに含む。伝熱部材８０は、環状を有し、銅合金またはアルミニウム合金等の熱伝導性が高い材料により形成される。伝熱部材８０は、軸受外輪固定部材３の下面とカバー部材６０の突出部６２の上端部とに接触するように配置される。

第１の変形例によれば、軸受５０の外輪５２とカバー部材６０の突出部６２とが軸受外輪固定部材３および伝熱部材８０を介して熱的に接触する。そのため、軸受５０において発生した熱を軸受外輪固定部材３および伝熱部材８０を介してカバー部材６０に伝達することができる。また、適切な厚みを有する伝熱部材８０を用いることにより、軸受５０を任意の位置に取り付けつつ突出部６２と軸受外輪固定部材３とを容易に熱的に接触させることができる。

また、本実施の形態において、軸受外輪固定部材３、カバー部材６０および冷却部７０が別体として形成されるが、実施の形態はこれに限定されない。図４は、第２の変形例に係る真空ポンプ１００を示す拡大部分断面図である。図４に示すように、第２の変形例においては、軸受外輪固定部材３およびカバー部材６０の突出部６２が一体的に形成される。図４では、軸受外輪固定部材３とカバー部材６０の突出部６２との境界が便宜的に一点鎖線で示されている。第２の変形例によれば、軸受外輪固定部材３とカバー部材６０との間の熱伝達の損失がより小さくなる。この場合、軸受５０の放熱をより効率よく行うことができる。

図５は、第３の変形例に係る真空ポンプ１００を示す拡大部分断面図である。図５に示すように、第３の変形例においては、カバー部材６０の閉塞部６１および冷却部７０が一体的に形成される。図５では、カバー部材６０の閉塞部６１と冷却部７０との境界が便宜的に一点鎖線で示されている。第３の変形例によれば、カバー部材６０と冷却部７０との間の熱伝達の損失がより小さくなる。この場合でも、軸受５０の放熱をより効率よく行うことができる。なお、第３の変形例に係る真空ポンプ１００は、第１の変形例における図３の伝熱部材８０を含んでもよい。

図６は、第４の変形例に係る真空ポンプ１００を示す拡大部分断面図である。図６に示すように、第４の変形例においては、軸受外輪固定部材３、カバー部材６０および冷却部７０が一体的に形成される。図６では、軸受外輪固定部材３とカバー部材６０と冷却部７０との境界が便宜的に一点鎖線で示されている。第４の変形例によれば、軸受外輪固定部材３とカバー部材６０と冷却部７０との間の熱伝達の損失がさらに小さくなる。この場合、軸受５０の放熱をさらに効率よく行うことができる。

［２］第２の実施の形態
以下、第２の実施の形態に係る真空ポンプ１００について、第１の実施の形態に係る真空ポンプ１００と異なる点を説明する。図７は、本発明の第２の実施の形態に係る真空ポンプ１００の断面図である。図７に示すように、本実施の形態においては、冷却部７０は空冷ジャケットであり、流路７１に代えて下面に放熱フィン７２を有する。

本実施の形態に係る真空ポンプ１００においても、軸受５０の外輪５２とカバー部材６０の突出部６２とが軸受外輪固定部材３を介して熱的に接触する。この場合、軸受５０において発生した熱は、軸受外輪固定部材３を介して、カバー部材６０に伝達される。これにより、軸受５０の放熱が効率よく行われる。

また、カバー部材６０は冷却部７０により効率よく空冷される。したがって、軸受５０とカバー部材６０との間での熱交換が効率よく行われる。ここで、軸受外輪固定部材３およびカバー部材６０は、ベース１０およびケーシング２０に比べて体積が小さい。そのため、熱容量を小さくすることができる。さらに、軸受５０と冷却部７０との間に最短の伝熱経路が形成されるので、熱伝達の損失が小さい。これらの結果、軸受５０の冷却効率を改善し、軸受５０の潤滑寿命を向上させることができる。

本実施の形態に係る真空ポンプ１００は、第１の実施の形態の第１の変形例における図３の伝熱部材８０を含んでもよい。また、本実施の形態において、軸受外輪固定部材３、カバー部材６０および冷却部７０が別体として形成されるが、実施の形態はこれに限定されない。第１の実施の形態の第２～第４の変形例と同様に、軸受外輪固定部材３、カバー部材６０および冷却部７０の少なくとも一部が一体的に形成されてもよい。

［３］他の実施の形態
上記実施の形態において、真空ポンプ１００がターボ分子ポンプである場合が示されているが、実施の形態はこれに限定されない。例えば、真空ポンプ１００は、ジークバーンポンプまたはHolweckポンプ等のドラッグポンプ（ネジ溝ポンプ）のみを備えた真空ポンプであってもよいし、ターボ分子ポンプおよびドラッグポンプの組み合わせからなる真空ポンプであってもよい。

［４］態様
上述した複数の例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

（第１項）一態様に係る真空ポンプは、
開口を有する内部空間が形成されたベースと、
内輪および外輪を有し、前記内部空間に収容された軸受と、
前記軸受の前記内輪により回転可能に支持されたシャフトと、
前記軸受の前記外輪を前記ベースに対して固定する固定部材と、
前記ベースに設けられたカバー部材と、
前記カバー部材を冷却するように配置された冷却部とを備え、
前記カバー部材は、
前記開口を閉塞する閉塞部と、
前記固定部材と前記閉塞部との間で熱を伝達するように前記閉塞部から前記固定部材に向かって突出する突出部とを含んでもよい。

この真空ポンプにおいては、ベースの内部空間に軸受が収容され、軸受の内輪によりシャフトが回転可能に支持される。軸受の外輪は、固定部材によりベースに対して固定される。内部空間の開口は、カバー部材の閉塞部により閉塞される。閉塞部から固定部材に向かって突出する突出部により固定部材と閉塞部との間で熱が伝達され、冷却部によりカバー部材が冷却される。

この構成によれば、軸受において発生した熱は、外輪および固定部材を介して、カバー部材に伝達される。これにより、軸受の放熱が効率よく行われる。また、カバー部材は冷却部により冷却される。したがって、軸受とカバー部材との間での熱交換が効率よく行われる。さらに、軸受と冷却部との間に最短の伝熱経路が形成されるので、熱伝達の損失が小さい。これらの結果、軸受の冷却効率を向上させることができ、軸受の潤滑寿命を延ばすことができる。

（第２項）第１項に記載の真空ポンプにおいて、
前記固定部材と前記カバー部材の前記突出部とが直接接触してもよい。

この場合、軸受の放熱をより効率よく行うことができる。

（第３項）第１項に記載の真空ポンプにおいて、
前記固定部材と前記カバー部材の前記突出部とに接触するように設けられた伝熱部材をさらに備えてもよい。

この場合、軸受の外輪とカバー部材の突出部とが固定部材および伝熱部材を介して熱的に接触する。そのため、軸受において発生した熱を固定部材および伝熱部材を介してカバー部材に伝達することができる。また、適切な厚みを有する伝熱部材を用いることにより、軸受を任意の位置に取り付けつつ突出部と固定部材とを容易に熱的に接触させることができる。

（第４項）第１項に記載の真空ポンプにおいて、
前記固定部材と前記カバー部材の前記突出部とが一体的に形成されてもよい。

この場合、固定部材とカバー部材との間の熱伝達の損失がより小さくなる。これにより、軸受の放熱をより効率よく行うことができる。

（第５項）第１項～第４項のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記カバー部材の前記閉塞部と前記冷却部とが一体的に形成されてもよい。

この場合、カバー部材と冷却部との間の熱伝達の損失がより小さくなる。これにより、軸受の放熱をより効率よく行うことができる。

（第６項）第１項に記載の真空ポンプにおいて、
前記固定部材と前記カバー部材と前記冷却部とが一体的に形成されてもよい。

この場合、固定部材とカバー部材と冷却部との間の熱伝達の損失がさらに小さくなる。これにより、軸受の放熱をさらに効率よく行うことができる。

（第７項）第１項～第６項のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記冷却部には、冷却媒体を循環するための流路が埋設されてもよい。

この場合、カバー部材は冷却媒体により効率よく冷却される。これにより、軸受とカバー部材との間での熱交換が効率よく行われる。

（第８項）第１項～第６項のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記冷却部には、放熱フィンが形成されてもよい。

この場合、カバー部材は効率よく空冷される。これにより、軸受とカバー部材との間での熱交換が効率よく行われる。

１…軸受内輪固定部材，２…軸受ハウジング，２ａ…周壁部，２ｂ…上面部，２ｃ…フランジ部，２ｄ…貫通孔，３…軸受外輪固定部材，１０…ベース，１１…内部空間，１１ａ…下部開口，１２…排気経路，２０…ケーシング，２２…固定翼，２３…スペーサ，３０…モータ，３１…モータステータ，３２…モータロータ，４０…シャフト，４１…回転翼，５０…軸受，５１…内輪，５２…外輪，５３…転がり部材，６０…カバー部材，６１…閉塞部，６２…突出部，７０…冷却部，７１…流路，７２…放熱フィン，８０…伝熱部材，９０…磁気軸受，９１…静止側永久磁石，９２…回転側永久磁石，１００…真空ポンプ

Claims (8)

1. 開口を有する内部空間が形成されたベースと、
   内輪および外輪を有し、前記内部空間に収容された軸受と、
   前記軸受の前記内輪により回転可能に支持されたシャフトと、
   前記軸受の前記外輪を前記ベースに対して固定する固定部材と、
   前記ベースに設けられたカバー部材と、
   前記カバー部材を冷却するように配置された冷却部とを備え、
   前記カバー部材は、
   前記開口を閉塞する閉塞部と、
   前記固定部材と前記閉塞部との間で熱を伝達するように前記閉塞部から前記固定部材に向かって突出し、前記固定部材に接触する突出部とを含み、
   前記軸受の前記外輪と前記突出部とは前記固定部材を介して熱的に接触することにより、前記軸受の熱を前記カバー部材に放熱させる、真空ポンプ。
2. 前記固定部材と前記カバー部材の前記突出部とが直接接触する、請求項１記載の真空ポンプ。
3. 前記固定部材と前記カバー部材の前記突出部とに接触するように設けられた伝熱部材をさらに備える、請求項１記載の真空ポンプ。
4. 前記固定部材と前記カバー部材の前記突出部とが一体的に形成された、請求項１記載の真空ポンプ。
5. 前記カバー部材の前記閉塞部と前記冷却部とが一体的に形成された、請求項１～４のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
6. 前記固定部材と前記カバー部材と前記冷却部とが一体的に形成された、請求項１記載の真空ポンプ。
7. 前記冷却部には、冷却媒体を循環するための流路が埋設された、請求項１～６のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
8. 前記冷却部には、放熱フィンが形成された、請求項１～６のいずれか一項に記載の真空ポンプ。

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