JPS63255597A - タ−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、軸受潤滑剤、特に潤滑油を含まない高度の真
空を発生させるための回転子をケーシング内室に支承し
て有している真空ポンプ、殊に高速回転を必要とするタ
ーボ分子ポンプに関するものである。

〔従来の技術〕

一般に半導体製造設備、電子顕微鏡装置、蒸着装置、高
真空炉、真空管製造設備等においては高度に浄化された
真空を必要とし、これがため、必ず付属装置として真空
ポンプが設けられている。

この真空ポンプには、高度の真空を発生させるための回
転子をケーシング内に支承された種々異なる形式、例え
ば油拡散式真空ポンプ、ターボ分子ポンプ、容積式真空
ポンプ、軸流式真空ポンプなど多種多用なものがあり、
その用途に応じて使いわけられている。

なかでも、ターボ分子ポンプや軸流式真空ポンプは、運
転の起動が容易であり、又、幅広い真空度に対して適用
できることから、精密加工技術の発達と共に広範囲の分
野に普及してきているが、これらターボ分子ポンプでは
おおむね分子的な圧力範囲での圧力値１０−２〜１０−
”　ｖｎａＨｇの圧力を得るために回転数をほぼ２０．
００Ｏｒ、ｐ、ｍ以上の致方回転の高い回転数で回転す
るので回転子の支承に特別な問題が生ずることが多いこ
とが知られている。

従来のターボ分子ポンプでは固定翼の間隔に配列された
回転翼を１分間に致方回転の高速で回転させ、気体分子
に一定方向の運動量を与えることにより真空排気するも
ので、高速回転を得るための電動機は、−船間用周波数
よりも高い周波数の電源を用いて電力を供給している。

また高速回転のための軸受はポンプの信頼性に大きく関
与する重要な部品であり、通常ポンプケーシングの最下
部に設けた潤滑油溜から軸受へ潤滑油を供給し、軸受の
摩耗、焼付を防止している。

ターボ分子ポンプは、前述のように手軽に超高真空を実
現できるすぐれた性質の真空ポンプであるが、軸受の部
分に潤滑油を用いていることから、ポンプの運転を停止
する際に潤滑油が真空チャンバへ拡散したり、或いは運
転中に軸受局所において生ずる機械的な接触によって潤
滑油が分解し、低分子量の分子を発生し、これが真空チ
ャンバへ拡散したりするため、高度に清浄な真空を必要
とする真空設備については磁気軸受を用いたターボ分子
ポンプを用いることもあった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のターボ分子ポンプにおいて回転子を軸受で支承す
る場合において、用いられる軸受としてのころがり軸受
若しくは球軸受は固体接触のためにしばしばオイル又は
グリース潤滑の潤滑剤を併用し、その潤滑剤回路を介し
て潤滑かつ冷却されなければならないが、このベアリン
グ装置の正しい潤滑と十分な冷却との確保が難しく、グ
リースなどの油潤滑では真空中に油ミストが混入しやす
く寿命も極めて短いばかりか、軸受での固体接触による
局部的発熱現象によって潤滑剤蒸気若しくは潤滑油蒸気
などの炭化水素が発生し、蒸気の高真空側への拡散傾向
があって潤滑剤の劣化が激しいと共に、潤滑剤の少ない
真空を達成しようとする場合にはポンプの再運転開始に
際して費用のかかる加熱過程を長時間にわたって必要と
するばか真空中の炭化水素は電気的な閃絡に対する強度
を低下させる欠点があり、殊に軸受に金属材料を用いる
と変形が大きく、かつ潤滑剤の劣化が生じると輻射熱の
放出も少なくなって冷却効果も低下して耐久性もなくな
り、また、ボールベアリングのように微視的にみると固
体接触が行われている軸受にあっては所定の運転期間の
経過によって軸受の寿命がくる等と、問題がさらに大き
くなるものであった。

さらに磁気軸受を用いた場合でも、磁気軸受は極めて複
雑な制御装置を必要とするにもかかわらず、通常電源の
喪失時、即ち停電時には磁気軸受効果が完全に失われ、
高速回転中の回転翼の支持ができない欠点もあり、これ
がため、磁気軸受を採用したターボ分子ポンプにあって
は、停電時に対策用として非常用バッテリーや非常用発
電フライホイールを併設しなければならず、又、回転体
側での発熱を放出する手段がないことから、−概に安全
有利な真空ポンプとは云えないものであった。

本発明は、これら従来の欠点を排除しようとするもので
、固体接触することなく局部的発熱がなく、正しい潤滑
を可能にし、潤滑剤の分解ガス発生を抑え、その劣化が
なく、安定した回転子の超高速運転を可能とし、かつ清
浄な高真空を容易に得られることができ信頼性も高く耐
久性あるターボ分子ポンプを構成Ｍ車で安価な形態で提
供することを目的としたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、ケーシング内にその軸線方向に多段に設けら
れた静翼と、この静翼間に位置し、かつケーシング中心
に位置するロータの外周に設けられた動翼をモータ軸を
介して回転体として回転自在に備えたターボ分子ポンプ
において、前記回転体をモータ軸に設けたそれぞれ動圧
発生用溝のあるラジアル軸受部とスラスト軸受部とで回
転可能に支え、モータ軸の中間部に前記ラジアル軸受部
を配備し、かつモータ軸端部にスラスト受板とこれに対
設される支承部材とからなるスラスト軸受部を配備した
ことを特徴とするターボ分子ポンプである。

〔実施例〕

本発明の実施例を真空ポンプの例について第１図例で説
明すると、ケーシング１内にその軸線方向に多段に設け
られた静翼２と、この静翼２間に位置し、かつケーシン
グ中心に位置するロータ３の外周に設けられた動翼４を
モータ軸５を介して回転自在に回転体として備えたター
ボ分子ポンプにおいて、前記回転体をそれぞれ動圧発生
用溝例えばスパイラル溝６のあるスラスト受板７、即ち
モータ軸５に取付けたスラスト受板７と、該スラスト受
板７に対向する支承部材８と、両者間に介在挿入される
小球９とからなるスラスト軸受部と、モータ軸５の中間
部に外周面にヘリングボーン状溝６Ｉを形成したスリー
ブ１６と該スリーブ１６を嵌合する支承部１７とからな
るラジアル軸受部とで回転可能に支え、前記回転体の自
重を支える方の前記スラスト受板７、支承部材８からな
るスラスト軸受部又はスリーブ１６と支承部１７とから
なるラジアル軸受部の少なくとも一方又はいずれもがセ
ラミックス焼結体から成る構成としたターボ分子ポンプ
としである。

前記スラスト受板７は、スパイラル溝６を形成し、その
中心部に均圧用ランド部を形成したスパイラルグループ
を用いて、前記モータ軸５の端面に設けられケーシング
底面にある支承部材８に対向配備されているもので、ス
パイラルグループ軸受として用いである。この場合、前
記スラスト受板７とこれに対向する支承部材８とが、そ
の対応面の中心に凹部１０を形成し、この二つの凹部１
０゜１０によって形成される空間にセラミ・ノクス材又
は超鋼材の小球９を収容するのが強いダンピング作用や
大きなアンバランスに対して極めて良好な回転を呈して
効果的である。この場合、水平方向のずれは０．１１以
下の精度を持つ前記小球９で保つのがよく、必要に応じ
グリース、油、油滴下、油浸漬、磁性流体封入をしても
よい。

また、前記ラジアル軸受部としては、前記モータ軸５に
嵌合固着したスリーブ１６の外周面にヘリングボーン状
溝６Ｉを形成してケーシング又は支承部１７の内周面に
対設したものを用いであるが、モータ軸５に形成した段
付部外周又はモータ軸外周に設けた形態とすることもで
きる。この場合スリーブ１６と支承部１７との間に形成
される隙間にグリース、油又はこれらの保持が困難なと
きは磁性流体を封入してモータ室のシール効果をあげる
ようにすることも考慮される。

なお、この動圧発生用溝のある面に対向する面は平滑面
とすることが考慮されているが、前記動圧発生用溝とし
てのスパイラル状ａ６又はへリングボーン状溝６゜を形
成した硬質のセラミックス材料例えばＳｉＣ焼結体、Ｂ
ｅＯを含むα−３ｉＣ焼結体、又は５ｉＪａ焼結体など
で構成したものを用いてスラスト軸受部又はラジアル軸
受部として形成するのがよい。

ここで、動圧軸受部に介在される作動流体にってい詳述
すれば、この作動流体は基本的には動圧発生用溝に対応
するすきまに介在していれば機能を発揮するものである
。この作動流体として磁性流体を用いるならば、その近
傍に磁石を設けることによって長期間に亘って作動流体
を保持することができる。

しかし、磁性流体以外の物質、例えば高温条件下で安定
はフッ素オイル（例えばグイフロイル：商品名）、真空
オイル（例えばフオンブリン：商品名）や不活性ガス（
ＮＺ、　ＣＯ□など）などを用いることも可能であり、
これらを用いる場合には磁気によって作動流体を保持で
きないので、夫々、必要に応じて補給する手段を設ける
必要がある。

例えば、この動圧効果を発生する流体がＮ２であれば、
スラスト軸受の中央部分からＮ２を供給し、スラスト受
板７に形成されたスパイラル状の動圧発生用溝によって
、この不活性ガスであるＮ２を極力この摺動面に保持す
るようにすれば、僅かなガスのリークで、しかも大きな
スラスト荷重を支えることができる。また、この場合、
スラスト受板のすきまのＮ２ガスの流体膜の剛性によっ
てダンピング効果が生じるのでラジアル軸受部にかかる
ラジアル荷重も小さいものとなる。

図中１２は駆動モータ、１３は給電コネクタ、１４は吐
出口、１５は吸込口である。

第２図例では、ラジアル軸受部としてヘリングボーン状
のへリングポーン状溝６Ｉを設けたスリーブ１６をモー
タ軸５に固着し、筒状支承部１７に嵌挿して軸受部とし
た例でスリーブ１６と支承部１７との間に形成される隙
間に磁性流体を封入し、該磁性流体を保持制御する永久
磁石又は二次導体からなるマグネット１１を備えてシー
ル効果とラジアル軸受作用を兼用するようにしたもので
ある。

しかして動翼４のある回転体のロータ３はモータ軸５で
回転自在に動圧発生用溝のあるスラスト受板７と支承部
材８とからなるスラスト軸受部及びスリーブ１６と支承
部１７とからなるラジアル軸受部上にマスバランス、流
体バランス及び磁気バランスが良好に維持されて円滑に
回転され、超高速で運転できるものである。

この場合、前記軸受を構成するスラスト受板７に動圧発
生用溝のスパイラル状ａ６を形成し、他方の面は平滑な
平面としてスラスト軸受とするものであり、また、ラジ
アル軸受部はモータ軸５にあるスリーブ１６の外周面、
又は中空筒状の支承部１７の貫通孔の円筒面のいずれか
一方の面に動圧発生用のへリングポーン状溝６、を形成
し、他方の面を平滑な円筒面とするものであり、いずれ
の実施例でも、スラスト荷重を支えるためのスパイラル
状溝６、ラジアル荷重を支えるためのへリングポーン状
溝６１は各々３〜５０μｍ程度の溝深さである。またこ
の動圧発生用溝のある面は全面のうねりが０．３μｍ以
下で最大面粗度が０．１μｍの平滑な平面であるランド
面とした上で、ショツトブラストによって３〜５０μｍ
の深さのスパイラル状溝加工をしたものである。

なお、動圧効果を利用した軸受は硬質のセラミックス材
料でつくり高い精度で前記動圧発生用溝を加工すること
ができ、かつ、その動圧発生に適した摺動部の形状が動
圧が発生した状態においても維持され、しかも、起動、
停止の際に生じる固定摺擦に対しても、ある程度の負荷
であれば耐久性を持って有効に用いられる。

第３図例では、前記ラジアル軸受部として前記支承部１
７がフランジ状の受板部を形成し、必要に応じ動圧発生
用溝を形成したロータ端面に対設置２ してスラスト、ラジアル両作用を兼用するタイプとした
ものを用いたもので、モータ軸端部に設けたスラスト軸
受部の補助機能をはたせるようにしである。この場合ス
ラスト軸受部に備えられる小球９は必要に応じ省略する
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明は、前記回転体をモータ軸に設けたそれぞれ動圧
発生用溝のあるラジアル軸受部とスラスト軸受部とで回
転可能に支え、モータ軸の中間部に前記ラジアル軸受部
を配備し、かつモータ軸端部にスラスト受板とこれに対
設される支承部材とからなるスラスト軸受部を配備した
ことにより、従来のポール、ベアリングで生じた潤滑油
の分解ガスの発生を極力抑えることができ、しかもグリ
ース、油の潤滑剤を封じ込む作用と、かつ外部と接触し
ている表面積が他の軸受より小さいので蒸発量は極端に
少なくなって潤滑剤の保持が容易であり、大気側と真空
系のシールをも適確に可能となり軸受作用も効果的に発
揮でき、前記回転体の自重を支える方の前記スラスト軸
受又はラジアル軸受に局部的な固体接触がなく、オイル
又はグリース潤滑の潤滑剤を用いても発熱現象がな（潤
滑剤の分解ガスの発生を極力抑えられ、潤滑剤の劣化消
耗による支障もなくなり、安定した回転子の超高速運転
を可能とし、かつ高真空を容易に達成することができる
強いダンピング作用や大きなアンバランスに良好対応し
て運転でき耐久性あるターボ分子ポンプを構成簡単で安
価な形態で提供できるばか著しくコンパクト化できる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の縦断面図、第２図は一部の拡
大切断側面図、第３図は他の実施例の縦断面図である。 １・・・ケーシング、２・・・静翼、３・・・ロータ、
４・・・動翼、５・・・モータ軸、６，６．・・・溝、
７・・・スラスト受板、８・・・支承部材、９・・・小
球、１０・・・凹部、１１・・・マグネット、１６・・
・スリーブ、１７・・・支承部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ケーシング内にその軸線方向に多段に設けられた
   静翼と、この静翼間に位置し、かつケーシング中心に位
   置するロータの外周に設けられた動翼をモータ軸を介し
   て回転体として回転自在に備えたターボ分子ポンプにお
   いて、前記回転体をモータ軸に設けたそれぞれ動圧発生
   用溝のあるラジアル軸受部とスラスト軸受部とで回転可
   能に支え、モータ軸の中間部に前記ラジアル軸受部を配
   備し、かつモータ軸端部にスラスト受板とこれに対設さ
   れる支承部材とからなるスラスト軸受部を配備したこと
   を特徴とするターボ分子ポンプ。
2. （２）前記ラジアル軸受部がグリース、油又は磁性流体
   の潤滑剤を封入したものである特許請求の範囲第１項記
   載のターボ分子ポンプ。
3. （３）前記ラジアル軸受部が、前記モータ軸に固着され
   、その外周面にヘリングボーン状の動圧発生用溝を形成
   したスリーブと、該スリーブを嵌合する支承部とを対設
   した構成からなるものである特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載のターボ分子ポンプ。
4. （４）前記スラスト軸受部が、モータ軸の軸端に形成さ
   れたスラスト受板の端面にスパイラル状の動圧発生用溝
   と、その中心部にランド部を備えたスパイラルグループ
   軸受としたものである特許請求の範囲第１〜３項のいず
   れか一つの項記載のターボ分子ポンプ。
5. （５）前記スラスト軸受部とラジアル軸受部との少なく
   とも一方の軸受がセラミックス焼結体である特許請求の
   範囲第１〜４項のいずれか一つの項記載のターボ分子ポ
   ンプ。