KR20020001816A

KR20020001816A - 진공펌프

Info

Publication number: KR20020001816A
Application number: KR1020017012575A
Authority: KR
Inventors: 야마우치아키라
Original assignee: 핫토리 쥰이치; 세이코 인스트루먼트 가부시키가이샤
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2002-01-09
Also published as: WO2000058628A1; JP2000291586A; EP1167772A1

Abstract

나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에 있어서, 회전자 원통체와 고정자 원통체 사이의 이상 접근이나 접촉을 확실히 방지하는 진공펌프가 개시된다.

회전자 원통체(12)와 고정자 원통체(22)로 이루어져 고정자 원통체(22)의 내주면(22a)에 나사가 형성된 나사 홈 펌프부를 구비하는 복합형 터보 분자 펌프는, 고정자 원통체(22)의 하단 부근의 내주면(22a)에 회전자 원통체(12)의 외주면(12a)과 고정자 원통체(22)의 내주면(22a) 사이에 형성된 에어갭을 검출하는 에어갭 센서를 구비한다.

Description

진공펌프{VACUUM PUMP}

나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프의 예로는 복합형 터보 분자 펌프가 있다. 복합형 터보 분자 펌프는, 주지된 바와 같이, 1분간 수만 회전의 고속으로 회전하는 회전자 날개와 고정자 날개와의 속도 차에 의해 분자를 때려 떨어뜨려, 고정자의 내주면에 형성된 나사 홈부와 회전자의 외주면에 의해 형성된 유로를 통해 가스를 배출한다. 이 터보 분자 펌프는 다수 단의 회전자 날개와 다수 단의 고정자 날개로 구성된 터빈 날개부와, 평탄한 외주면을 갖는 회전자 원통체와 나사 홈부가 있는 내주면을 갖는 고정자 원통체로 구성된 나사 홈 펌프부와의 조합으로 구성된다. 회전자는 능동형 방사상 자기 베어링과 능동형 스러스트 자기 베어링으로 이루어지는 5축 제어형 자기 베어링 등의 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 자기 베어링의 고장 등의 비상시에 회전자 샤프트를 지지하는 터치다운 베어링이 설치되어 있다.

나사 홈 펌프부를 구성하는 두 원통체 사이의 에어갭, 즉 고정자 원통체의 나사 홈부와 회전자 원통체의 외주면 사이의 에어갭(이하, 필요에 따라 "나사 홈 펌프부의 에어갭"이라 약칭한다)은, 회전자 원통체의 외주면과 고정자 원통체의 나사 홈부가 접촉하지 않도록 하기 위해, 즉 회전자 측과 고정자 측이 접촉하지 않도록 하기 위해 어느 정도 크게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 나사 홈 펌프부의 에어갭은, 진공펌프의 흡기구를 통해 흡입된 가스가 상기 나사 홈부에서 역류하지 않도록 하기 위해, 즉 진공펌프의 배기 속도 효율을 향상시키기 위해서는 가능한 한 좁게 하는 것이 바람직하다. 이 두 개의 상반하는 조건 및 그 밖의 조건을 고려하여, 나사 홈 펌프부의 에어갭의 간격이 정해진다.

상기 복합형 터보 분자 펌프에는, 나사 홈 펌프부의 에어갭 외에, 자기 베어링과 회전자 샤프트 사이의 에어갭, 회전자 날개와 고정자 날개 사이의 에어갭, 터치다운 베어링의 내륜과 회전자 샤프트 사이의 에어갭(이하, 필요에 따라 "터치다운 베어링의 에어갭"이라 약칭한다) 등도 있다.

이들 에어갭도 구성 부품 사이에 접촉이 생기지 않도록 각각의 기능 및 목적에 맞는 간격으로 설정된다. 이들 중 특히 터치다운 베어링의 에어갭은 자기 베어링과 회전자 샤프트 사이의 에어갭, 회전자 날개와 고정자 날개 사이의 에어갭, 나사 홈 펌프부의 에어갭 및 그 밖의 에어갭에 비해 작게 설정되어 있다. 이 이유는 진공펌프의 고장이나 대기돌입, 정전 등, 자기 베어링이 기능하지 않게 되었을 때, 회전자 샤프트가 터치다운 베어링에 의해 지지될 경우에 회전자 측과 고정자 측이 접촉하지 않도록 하기 위해서이다.

그러나, 터치다운 베어링은 소모품이라서 회전자 샤프트의 터치다운이 반복될 때마다 터치다운 베어링은 마모되고, 터치다운 베어링의 에어갭이 서서히 커지게 된다. 터치다운 베어링의 에어갭이 일정치 이상으로 넓어지면 터치다운 베어링으로서 기능하지 않게 된다. 그렇게 되면, 터치다운 시에, 회전자 측과 고정자 측이 접촉하는 일이 일어날 수 있다.

또한, 나사 홈 펌프부의 에어갭은 반드시 설계치와 같은 것은 아니다. 실제로는 부품 정밀도나 조립 상태 등에 의해 제품마다 다르다. 또한 진공펌프 가동 시에는, 특히 회전자 원통체의 하부가 원심력이나 열에 의해 반경방향으로 팽창하여 나사 홈 펌프부의 에어갭을 좁게 할뿐 아니라, 경우에 따라서는 고정자 원통체의 나사 홈부와 접촉하게 될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 나사 홈 펌프부의 에어갭의 간격은, 정상운전중이나 터치다운 시에 회전자 원통체의 외주면과 고정자 원통체의 나사 홈부가 접촉하지 않고, 진공펌프의 흡기구를 통해 흡입된 가스가 상기 나사 홈부에서 역류하지 않도록 하는 크기로 정해진다. 따라서, 상기 복합형 터보 분자 펌프에 있어서, 자기 베어링이 정상적으로 기능하고 있을 때에는, 나사 홈 펌프부의 에어갭이 비정상적으로 좁아지거나, 혹은 회전자 원통체와 고정자 원통체가 접촉하게 되는 일은 없다. 그러나, 전술한 바와 같이, 터치다운 베어링이 마모되어 터치다운 베어링의 에어갭이 넓어진 경우에는, 나사 홈 펌프부의 에어갭이 설계치와 같더라도 터치다운 시에 회전자 측과 고정자 측이 접촉하게 되는 일이 일어날 수 있다.

터치다운 베어링의 에어갭을 상시 감시하여, 일정치 이상으로 간격이 넓어진경우에는 경보를 발하여 운영자에게 부품 교환을 재촉하거나, 혹은 진공펌프의 운전을 정지시키는 것이 좋다. 그러나, 이것에 관해서는 아직 효과적인 해결방법이 발견되고 있지 않다. 이것은 터치다운 베어링의 에어갭이 매우 작다는 것이 큰 원인이다.

자기 베어링의 작동 불량을 상시 감시하는 방법은, 일본 특개소 63-239397호 공보, 일본 특개평 2-221697호 공보 등에 개시된 바와 같이 몇 가지가 제안되어 있다. 이들 방법에 의하면, 자기 베어링의 작동 불량을 검출하여 터치다운 베어링이 받는 충격을 완화함으로써 터치다운 베어링의 마모를 줄인다. 이와 같이 하여, 회전자 측과 고정자 측이 접촉하는 것을 간접적으로 방지하고 있다.

그렇지만, 나사 홈 펌프부의 에어갭은 부품 정밀도나 조립 상태 등에 따라 제품마다 다르다는 것과, 진공펌프 가동 시에 회전자 원통체의 하부가 원심력이나 열에 의해 반경방향으로 팽창한다는 것 등에 비추어 보면, 자기 베어링의 작동 불량을 상시 감시하는 방법에 의해서는 회전자 측과 고정자 측이 이상(異常) 접근하거나 접촉하는 것을 방지하는 것은 불가능하다.

본 발명의 목적은, 회전자 원통체와 고정자 원통체로 이루어져 상기 회전자 원통체의 외주면이나 상기 고정자 원통체의 내주면에 나사가 형성된 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에 있어서, 회전자 원통체와 고정자 원통체와의 이상 접근이나 접촉을 확실히 방지하는 것이다.

본 발명은, 회전자 원통체와 고정자 원통체로 이루어져 상기 회전자 원통체의 외주면이나 상기 고정자 원통체의 내주면에 나사가 형성된 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에 관한 것으로, 특히 회전자 원통체와 고정자 원통체와의 접촉 방지에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 구성한 진공펌프로서, 터빈 날개부와 나사 홈 펌프부를 조합하여 형성된 복합형 터보 분자 펌프의 일 실시예의 종단면도이다.

도 2는 나사 홈 펌프부의 회전자 원통체와 고정자 원통체의 부분 확대 단면도이다.

도 3은 나사 홈 펌프부의 고정자 원통체의 내주면의 부분 사시도이다.

도 4는 접촉방지장치의 일 실시예의 블록도이다.

도 5는 접촉방지장치의 동작을 나타내는 순서도이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 회전자 원통체와 고정자 원통체로 이루어져 상기 회전자 원통체의 외주면이나 상기 고정자 원통체의 내주면에 나사가 형성된 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에, 상기 고정자 원통체의 내주면의 소정 위치에 상기 회전자 원통체의 외주면과 상기 고정자 원통체의 내주면과의 에어갭을 검출하는 에어갭 센서를 구비하였다.

상기 에어갭 센서는 상기 고정자 원통체의 내주면에 원주 방향으로 소정의 간격을 두고 복수 개가 배치된다. 또한, 상기 에어갭 센서는 상기 고정자 원통체의 하단 부근의 내주면에 배치된다.

상기 에어갭 센서로서, 접촉 센서와 와전류 센서 중 어느 하나를 사용한다. 상기 접촉 센서는 상기 고정자 원통체의 내주면에 원주 방향으로 소정의 미소 간격을 두고 배치된 한 쌍의 접점으로 구성된다.

더욱이, 회전자 원통체와 고정자 원통체로 구성된 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에, 상기 회전자 원통체의 외주면과 상기 고정자 원통체의 내주면과의 에어갭을 검출하는 에어갭 센서; 상기 에어갭 센서가 검출한 에어갭 값을 기억하는 메모리; 상기 검출한 에어갭 값을 설정치와 비교하는 판별기; 및 상기 판별기가 상기 검출한 에어갭 값이 설정치 이하라고 판별하였을 때 인터록을 작동시키는 인터록 회로로 이루어지는 접촉방지장치를 구비한다.

이하, 본 발명이 바람직한 실시 형태를 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 터보 분자 펌프의 종단면도이다. 이 복합형 터보 분자 펌프는 터빈 날개부와 나사 홈 펌프부를 조합하여 형성된 대용량형 터보 분자 펌프이고, 회전자(10), 고정자(20), 및 회전자(10)를 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링 장치(30)로 구성된다. 회전자(10)는 다수 단의 회전자 날개(11)와 평탄한 외주면(12a)을 갖는 회전자 원통체(12)를 포함한다. 고정자(20)는 다수 단의 고정자 날개(21)와 나사 홈이 있는 내주면(22a)을 갖는 고정자 원통체(22)를 포함한다. 다수 단의 회전자 날개(11)와 다수 단의 고정자 날개(21)는 상기 터빈 날개부를 구성하고, 평탄한 외주면(12a)을 갖는 회전자 원통체(12)와 나사 홈이 있는 내주면(22a)을 갖는 고정자 원통체(22)는 상기 나사 홈 펌프부를 구성한다.

상기 자기 베어링 장치는, 소위 5축 제어형 자기 베어링 장치로서, 회전자 샤프트(31), 반경방향 전자석(32a)과 반경방향 변위 센서(32b)로 이루어지는 제1 방사상 자기 베어링(32), 반경방향 전자석(33a)과 반경방향 변위 센서(33b)로 이루어지는 제2 방사상 자기 베어링(33), 축방향 전자석을 포함하는 제1 스러스트 자기 베어링(34), 축방향 전자석을 포함하는 제2 스러스트 자기 베어링(35), 축방향 변위 센서(36), 터치다운 베어링(37) 및 고주파 모터(38)로 구성된다.

본 발명에 따른 갭 센서(40)는 평탄한 외주면(12a)을 갖는 회전자 원통체(12)와 나사 홈이 있는 내주면(22a)을 갖는 고정자 원통체(22)로 구성된 나사 홈 펌프부의 에어갭을 검출하는 것이다. 즉, 나사 홈 펌프부의 회전자 원통체와 고정자 원통체의 부분 확대 단면도인 도 2에 도시한 에어갭(g)을 검출한다. 이 도 2와, 나사 홈 펌프부의 고정자 원통체의 내주면의 부분 사시도인 도 3으로부터 알 수 있듯이, 에어갭(g)은 회전자 원통체(12)의 외주면(12a)과 고정자 원통체(22)의 내주면(22a) 사이의 거의 원통형 틈에 나선형으로 형성되어 있다.

도 1의 복합형 터보 분자 펌프에 있어서, 에어갭 센서(40)는 도 3에 도시한 것과 같이 고정자 원통체(22)의 나사 홈이 있는 내주면(22a)에 설치된다. 에어갭 센서(40)는, 예컨대 접촉 센서나 와전류 센서로 구성된다.

회전자(10)의 세차(歲差) 운동에 기인하는 고정자 원통체(22)와 회전자 원통체(12)와의 접촉을 방지하기 위해서는 동일 원주상의 복수 위치에서 에어갭을 검출하는 것이 바람직하다. 갭 검출의 정밀도를 높이기 위해서 복수의 에어갭 센서(40)를 사용하는 경우에 이 센서들은 고정자 원통체(22)의 나사 홈이 있는 내주면(22a)에 원주 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된다.

또한, 회전자 샤프트(31)로부터 가장 떨어져있는 회전자 원통체(12)의 하단부는 비정상적인 접촉 회전이 생긴 경우에는 다른 부분에 비하여 크게 변위하여 고정자 측과 접촉하게 될 가능성이 높다. 그래서, 에어갭 센서(40)는 고정자 원통체(22)의 하단 부근의 내주면에 배치됨으로써 갭 검출의 신뢰성을 높인다.

에어갭 센서(40)로서 접촉 센서(41)를 사용한 경우에는, 접촉 센서(41)를 구성하는 한 쌍의 접점(41a, 41b)을, 도 3에 도시한 것과 같이 고정자 원통체(22)의 내주면(22a)에 원주 방향으로 소정의 간격을 두고 배치한다. 즉, 제1 접점(41a)을 갖는 에어갭 센서를 나사 홈부(B)에 배치하고, 제2 접점(41b)을 갖는 에어갭 센서를 나사 산부(A)에 배치한다. 한편, 접점부분이 각기 고정자 원통체(22)와 회전자 원통체(12) 사이의 틈 안에서 동일 원주상, 즉, 고정자 원통체(22)의 중심축 선으로부터 각각의 접점까지 동일 거리가 되도록 고정자 원통체(22)의 내주면(22a)에 배치된다. 따라서, 제2 접점(41b)이 나사 산(A)에서 약간 돌출되어 있어, 제1 접점(41a)이 나사 홈(B)에서 상당히 돌출되어 있다. 이것에 의해, 회전자(10)가 정규 위치에 지지되어 있을 때, 회전자 원통체(12)의 외주면에서 각 접점까지의 간격이 동일해진다.

접촉 센서(41)는 전술한 바와 같이 배치되어 있기 때문에, 알루미늄 등의 금속으로 구성된 회전자(10)의 원통체(12)가 고정자 원통체(22) 측의 접촉 센서(41)에 접촉하면, 접촉 센서(41)의 각 접점(41a, 41b) 사이가 도통되어 검출신호를 발생시킨다. 이 검출신호는 나사 홈 펌프부의 에어갭이 매우 작아 회전자 원통체의 내주면과 고정자 원통체(22)의 내주면과의 접촉 위험성이 커진 것을 나타내고 있다.

에어갭 센서(40)로서 와전류 센서(42)를 사용할 수 있다. 이 경우, 와전류센서(42)는 접촉 센서(41)와 같이 고정자 원통체(22)의 나사 홈이 있는 내주면(22a)에 설치된다. 접촉 센서(41)와 달리 와전류 센서(42)는 에어갭(g)의 크기를 나타내는 에어갭 값을 검출할 수 있다.

도 4는 에어갭 센서(40)로서 와전류 센서(42)를 사용하여 구성된 접촉방지장치의 블록도이고, 도 5는 그 동작을 나타내는 순서도이다. 도 4에 있어서, 접촉방지장치는 에어갭을 검출하는 와전류 센서(42), 프로그램에 따라 각종 연산이나 제어를 하는 CPU(43), 프로그램이나 데이터를 기억하는 메모리(44), 설정치 등을 제공하는 입력수단인 설정기(45), 및 진공펌프의 작동을 긴급 정지시키는 인터록 회로(46)로 구성된다.

접촉방지장치가 기동(101)하면, CPU(43)는 와전류 센서(42)로부터 에어갭 값을 읽어 메모리(44)에 저장한다(102). 다음에, CPU(43)는 메모리(44)로부터 설정치와 에어갭 값을 읽고 이들을 비교한다(103). 비교 결과, 에어갭 값이 설정치 이하라고 판단한 경우에는, 인터록 회로가 작동하여 진공펌프의 작동을 긴급 정지시킴으로써(104), 작동이 종료한다(105). 또, 접촉방지장치에 경보기를 마련하여, 에어갭 값이 설정치 이하가 된 경우에 경보를 발하도록 할 수도 있다. 또한, 에어갭 센서로서 접촉 센서(41)를 사용하여, 센서부의 접점(41a, 41b)에 회전자 원통체(12)의 내주면(12a)이 접촉한 것을 검출하여 경보를 발생시키는 간이형 접촉방지장치도 구성할 수 있다.

이상, 나사 홈이 고정자 측에 형성되어 있는 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에 본 발명을 적용하였지만, 나사가 회전자의 원통체의 외주면에 형성되고,이 나사 홈이 있는 외주면이 고정자 원통체의 평탄한 내주면에 대향하여, 그 사이에 소정의 에어갭을 유지하는 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에도 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 회전자가 롤링 베어링이나 슬라이딩 베어링 등의 기계식 베어링에 의해 지지되는 진공펌프에도 적용할 수 있다. 본 발명은 터보 분자 펌프나 드래그 펌프 등을 포함하는 진공펌프 전반에 적용할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명에 따르면, 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에 있어서, 고정자 원통체의 내주면의 소정 위치에 에어갭 센서를 구비하였기 때문에, 회전자 원통체의 외주면과 고정자 원통체의 내주면과의 에어갭을 직접 확실히 검출할 수 있게 되었다. 또한, 이 에어갭 센서의 출력신호를 이용하여 인터록을 작동시킴으로써, 회전자 측과 고정자 측과의 접촉을 확실히 방지할 수 있다. 따라서, 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프의 신뢰성과 내구성의 향상이 달성되었다.

더욱이, 에어갭 센서 자체는 용이하게 입수할 수 있는 것으로서, 이것을 나사 홈 펌프부에 설치하기 위해 필요한 공수는 적기 때문에, 본 발명을 적용한 진공펌프의 제조 비용을 증가시키는 일은 거의 없어 실용상의 효과가 크다.

Claims

회전자 원통체와 고정자 원통체로 이루어지고, 상기 회전자 원통체의 외주면이나 상기 고정자 원통체의 내주면에 나사가 형성된 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에 있어서,

상기 고정자 원통체의 내주면의 소정 위치에 상기 회전자 원통체의 외주면과 상기 고정자 원통체의 내주면과의 에어갭을 검출하는 에어갭 센서를 구비한 것을 특징으로 하는 진공펌프.
제1항에 있어서,

상기 에어갭 센서는 상기 고정자 원통체의 내주면에 원주 방향으로 소정의 간격을 두고 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 진공펌프.
제1항에 있어서,

상기 에어갭 센서는 상기 고정자 원통체의 하단 부근의 내주면에 배치되는 것을 특징으로 하는 진공펌프.
제1항에 있어서,

상기 에어갭 센서는 상기 고정자 원통체의 내주면에 원주 방향으로 소정의 미소 간격을 두고 배치된 한 쌍의 접점을 갖는 접촉 센서인 것을 특징으로 하는 진공펌프.
제1항에 있어서,

상기 에어갭 센서는 와전류 센서인 것을 특징으로 하는 진공펌프.
회전자 원통체와 고정자 원통체로 이루어지고, 상기 회전자 원통체의 외주면이나 상기 고정자 원통체의 내주면에 나사가 형성된 나사 홈 펌프부를 구비하는 진공펌프에 있어서,

상기 회전자 원통체의 외주면과 상기 고정자 원통체의 내주면과의 에어갭을 검출하는 에어갭 센서; 상기 에어갭 센서가 검출한 에어갭 값을 기억하는 메모리; 상기 검출한 에어갭 값을 설정치와 비교하는 판별기; 및 상기 판별기가 상기 검출한 에어갭 값이 설정치 이하라고 판별하였을 때 인터록을 작동시키는 인터록 회로로 이루어지는 접촉방지장치를 구비한 것을 특징으로 하는 진공펌프.