JPH0216390A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、オイルフリーで超高真空排気を実現するター
ボ分子ポンプに関するものである。

［従来の技術］ ターボ分子ポンプ（以下、ＴＭＰと略称する）のロータ
シャフトに適用される軸受構造としては、従来よりオイ
ルベアリングを用いた機械方式のものが最も一般的であ
ったが、この種の軸受を用いている限り、ポンプ内が潤
滑用オイルで汚染される問題と、ポンプが高速回転した
際に摩擦で軸受が破損される危険性とをともに完全に払
拭することは不可能である。このため、近時かかる軸受
に代替して、磁気軸受を採用したものが開発され、この
種ポンプの軸受として次第に定着しつつある。

磁気軸受は、磁力によってロータをベース側の固定部材
に対して浮上させ、これにより該ロータを非接触に支持
するものである。したがって、両者間に機械的な摩擦・
摺動部分は存在せず、理論的には完全なオイルフリーを
実現でき、軸受の破損も起こり得ない優れた効果が期待
される。

実際の適用例としては、吊鐘形ロータを用いた既存のＴ
ＭＰにおいて、該ロータと一体に回転するロータシャフ
トを、上下一対のラジアル磁気軸受と、軸端部に配した
スラスト磁気軸受とを用いて浮上支持するようにしたも
のが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、磁気軸受を構成する場合、実用的には磁力を
効率良く発生させるためにロータ側と固定側とを数ミク
ロン程度の・極めて微少な隙間寸法下に配設する。この
ため、ロータシャフトの回転が少しでもぶれるとロータ
側と固定側が接触する可能性がある。しかも、磁気軸受
は非常にデリケートであるため、ロータシャフトが例え
ば数万ｒｐｍにも及ぶ超高速で回転している際に接触が
起こると、該磁気軸受が瞬時に破損に至るケースも十分
考えられる。したがって、このような事態を招かないた
めにも、磁気軸受を採用する場合にはロータシャフトの
回転が極めて安定していることが不可欠である。

ところか、上述した吊鐘形ロータのＴＭＰでは、このよ
うな磁気軸受を好適に採用し得る程にはロータシャフト
の回転は安定しておらず、むしろ専ら軸受に頼るところ
が大きいのが実状である。これは、ロータシャフトの上
端にロータを固着するので軸方向に大きく荷重偏位が生
じるためで、構造的に軸中心がぶれ易いという不具合が
避けられない。また、ロータシャフトの回転数がその固
有振動数に一致すると共振を起こすため、軸中心はさら
にぶれ易くなり、軸受は一層苛酷な支持状態を強いられ
ることになる。このように、これらの問題は本質的にポ
ンプ構造に根差しているため、加工精度を上げても、こ
の種のＴＭＰにおいて高い安定性を追求することは技術
的に難しい。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので
あって、ポンプ構造を改良することにより、磁気軸受を
安全かつ適切に機能させることができるようにしたＴＭ
Ｐを実現することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構
成を採用したものである。

すなわち、本発明のＴＭＰは、有底筒状のロータを軸心
を一致させて一体回転可能に設け、両ロタと対応する各
ステータとの間にそれぞれ互いに独立した排気を行なう
タービン翼を構成するとともに、前記ロータの内側軸心
位置に固定軸支部を配設し、これらの固定軸支部とロー
タとの間に各々のロータを浮上支持し得る磁気軸受を構
成したことを特徴としている。

［作用コ このようにロータを対をなして設けると、回転する部材
の重心は軸受間に位置することになるので、両軸受に対
する荷重偏位がなくなる。これにより、軸受は従来のよ
うな片持的な荷重支持の状態を免れて、各々のロータを
両側から等分に支持することができ、負担が大幅に軽減
されることになる。

しかも、固定軸支部をロータ内側に配して軸心位置を固
定しているため、ロータに対する案内作用が得られる。

したがって、ロータをロータシャフトに固着した状態で
該ロータシャフトの外周を軸受支持するようにした従来
のものに比して、ロタの軸振動は確実に低減される。

しかして、これら側構造を採用すれば、相乗的に回転の
安定度が向上されるので、磁気軸受を固定軸支部とロー
タとの間に構成しても該磁気軸受に大きな負担を負わせ
ることがなく、適切な支持状態においてその機能を有効
に発揮させることができるものとなる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

この実施例のＴＭＰは、第１図に示すように、ハウジン
グ１内に形成した左右のポンプ室１１．１１に対をなす
ロータ２．２を軸心を一致させて一体回転可能に配して
おり、両ロータ２．２と対応する各ハウジング内周１ａ
のステータとの間に、それぞれ互いに独立した排気を行
なうタービン翼３．３を構成している。そして、中央に
設けた共通の吸気口１２から吸入したガスを、これらの
タービン翼３．３で各別に排気した後、排気配管１３を
介して再び共通の排気口（図示省略）からバックポンプ
等に排出されるようにしている。

これらのロータ２は、同図に明らかなように縦断面がコ
字形をなす有底筒状のもので、その内側軸心位置に固定
軸支部４を配設している。固定軸支部４は、ハウジング
端面の横カバー１４に取着した取付板４１と、この取付
板４１に支持させた状態でその先端部を前記ロータ２の
内側軸心位置に挿入したパイプ状の軸心部材４２とから
なっている。そして、この軸心部材４２と前記ロータ２
との間に、これらのロータ２を浮上支持し得る一対の能
動形ラジアル磁気軸受５１．５１と、能動形スラスト磁
気軸受５２．５２とを構成している。

ラジアル磁気軸受５１．５１は、前記軸心部材４２の外
周と前記ロータ２の内周との間に設けられ、それぞれロ
ータ２をラジアル方向の２軸から非接触でかつ位置制御
可能に支持するすることができるものである。また、ス
ラスト磁気軸受５２．５２は、軸心部材４２の先端部と
この先端部に対応するロータ２の内方端との間に設けら
れ、ロータ２をアキシャル方向から非接触でかつ位置制
御可能に支持することができるものである。すなわち、
これらの制御軸を第２図に示すと、上述した左右のラジ
アル磁気軸受５１．５１は各ロータ２．２に対してそれ
らの軸心に垂直な平面内における互いに直交する２軸方
向（ｘ、−ｘ、・、ｙ１〜ｙ１・）、（Ｘ２−ｘ２−１
ｙ２−ｙ２・）を各別に制御するものであり、また、ス
ラスト磁気軸受５２．５２は両ロータ２．２の軸心方向
Ｚ、−ｚ、・を協働して制御するものであって、計５軸
が制御可能となっている。

その具体的構成を例えばｙ軸方向について説明すると、
両ラジアル磁気軸受５１は、第３図に拡大図示するよう
に軸心部材４２の外周上であってｙ軸方向（図中上下方
向）に対応する部位に一対の電磁石コイル５１ａを配置
してなり２両電磁石コイル５１ａに通電する電流の大き
さに応じてロータ２の内周に設けたラジアルリング５１
ｂに対する両対向位置での磁力を可変することができ、
その拮抗関係によってロータ２の回転中心をｙ軸方向に
自在に調節できるようにしている。同図中紙面に垂直な
Ｘ軸方向についても全く同様で、対の電磁石コイル５１
ａが配置され、ロータ２の回転中心を同Ｘ方向に自在に
調節できるように構成されている。また、スラスト磁気
軸受５２は、前記両軸心部材４２の先端部に電磁石コイ
ル５２ａを配置してなり、該電磁石コイル５２ａに通電
する電流の大きさに応じて、対応する各ロータ２の内方
端に設けたスラストリング５２ｂに対する磁力を可変す
ることができ、これにより両ロータ２にそれぞれ発生す
るスラスト力を拮抗させてアキシャル方向（Ｚ軸方向）
に自在に位置調整できるようにしている。

なお、これらのラジアル磁気軸受５１およびスラスト磁
気軸受５２には、それぞれ軸心部月４２の外周とロータ
２の内周との隙間検出を行なうラジアル制御センサ６１
および軸心部材４２の先端部とロータ２の内方端との隙
間検出を行なうスラスト制御センサ６２を、各々の近傍
に付帯して設けている。そして、これらのセンサ６１．
６２からの検出信号に基づいて、対応する前記各電磁石
コイル５１ａ、５２ａに通電すべき電流の大きさをフィ
ードバック制御している。

また、一方の固定軸支部４とこの固定軸支部４に対向す
るロータ２の内周との間には、両ロータ２を回転駆動す
るための高周波モータ７が構成されている。そして、こ
の高周波モータ７と前記各電磁石コイル５１ａ、５２ａ
を駆動制御するための制御線８を、前記両横カバー１４
の各々に設けた気密導入端子１５から導入し、前記軸心
部材４２の内部を通じて配線するようにしている。また
、つば停電時等にのみロータ２の内周に添接して該ロー
タ２を直接支持するタッチダウンベアリングである。

しかして、以上のようにロータ２を対をなして設けると
、回転する部材の重心は両ラジアル磁気軸受５１．５１
の略中間点に位置することになるので、これらの磁気軸
受５１．５１に作用する荷重に、極端な軸方向の偏位が
生じることがなくなる。勿論、スラスト磁気軸受５２．
５２に対しても同様である。これにより、これらの磁気
軸受５１．５２は従来のような片持的な荷重支持の状態
を免れて、各々のロータ２を両側から等分に支持するこ
とができるので、負担は大幅に軽減されることになる。

しかも、固定軸支部４をロータ２の内側に配して軸心位
置を固定しているため、ロータ２に対する案内作用が得
られる。したがって、ロータをロータシャフトに固着し
て該ロータシャフトの外周を軸受支持するようにした従
来のものに比して、このものはロータ２の軸振動が確実
に低減される。

このように、このＴＭＰはこれら側構造を採用したこと
によって、相乗的に回転の安定度が向上されるので、固
定軸支部４とロータ２との間に構成した磁気軸受５１．
５２を適切な状態で機能させることができ、これらの軸
受５１．５２が破損する危険性を好適に取除くとともに
、完全なオイルフリーの状態を実現できるものとなる。

また、このように左右一対のタービン翼３．３で並列排
気するようにすると、吸気ガスが粘性領域にある場合に
２倍の排気効率が得られるメリットがある。しかも、こ
のような構造であれば吸気口１２を上方にも下方にも向
けることの可能な取付自在タイプとなるだけでなく、バ
ランス調整が容易であるため起立状態若しくは傾斜させ
た状態で使用に供することも可能である。

さらに、従来の吊鐘形ロータがタッチダウンベアリング
を３個必要としたのに対し、このものは２個で済む利点
がある。これは、バランスが良いためベアリングに作用
する負荷が小さく、しかも配設すべき全体の径を小さく
できるからである。

以上、本発明の一実施例について説明したが、拮抗する
スラスト磁気軸受の一方を永久磁石、他方を能動形の電
磁石にしても軸受制御は可能である。また、このものは
全体が横形であるためスラスト方向の制御はそれほど必
要ではない。したがって、スラスト磁気軸受をともに永
久磁石として４軸制御形にすることも可能である。これ
らの場合には、第４図に示すような永久磁石の取付構造
を採用すると便利である。同図に示すものは、スラスト
リング１０１の中央にスラストセンサ１０２を埋設する
とともに、このスラストセンサ１０２の外周に等角間隔
で磁石１０３を着脱し得る小孔１０１ａを穿設している
。これによると、ポンプが傾斜使用される場合等のよう
に、磁気浮力を可変する必要があるときに好適で、磁石
１０３の数および種類を適宜選択して取着するだけで適
切な磁極を構成することができるので、特に小形のＴＭ
Ｐに適している。何れにしても、これらの構造を採用す
ることによって部品点数の削減と低コスト化の効果が期
待できることは言うまでもない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可
能である。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成により、ポンプ構造を改良
して磁気軸受を安全かつ適切に機能させることができる
ので、これによってオイル汚染の問題と軸受破損の恐れ
とを根本的に解消したＴＭＰを提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は縦断面図、第
２図は説明図、第３図は第１図の部分拡大図、第４図は
他の実施例を示す斜視図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 有底筒状のロータを軸心を一致させて一体回転可能に設
   け、両ロータと対応する各ステータとの間にそれぞれ互
   いに独立した排気を行なうタービン翼を構成するととも
   に、前記ロータの内側軸心位置に固定軸支部を配設し、
   これらの固定軸支部とロータとの間に各々のロータを浮
   上支持し得る磁気軸受を構成していることを特徴とする
   ターボ分子ポンプ。