KR20150079654A - 예비 베어링 접촉 센서를 구비한 진공 펌프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구동 샤프트(16)에 의해 회전 가능하게 지지되는 로터(14)를 구비한 진공 펌핑 기구(12)와, 구동 샤프트의 회전 동안에 로터의 움직임을 제어하기 위한 제 1 베어링 조립체(22)와, 상기 움직임을 제한하기 위한 예비 베어링 조립체(24)와, 상기 움직임이 예비 베어링 조립체에 의해 제한될 때를 탐지하기 위한 센서(26)를 포함하는 진공 펌프(10)에 관한 것이다.

Description

예비 베어링 접촉 센서를 구비한 진공 펌프{VACUUM PUMP WITH BACK-UP BEARING CONTACT SENSOR}
본 발명은 진공 펌프에 관한 것이다.
진공 펌프는 구동 샤프트에 의해 회전 가능하게 지지되는 로터를 구비한 진공 펌핑 기구(vacuum pumping mechanism)와, 구동 샤프트의 회전 동안에 정상 위치로부터 멀어지는 로터의 움직임을 제어하기 위한 제 1 베어링 조립체와, 상기 움직임을 제한하기 위한 예비 베어링 조립체를 포함할 수도 있다. 주기적으로, 진공 펌프는 성능 저하 또는 고장을 회피하기 위해 유지보수 및 서비스(servicing)를 필요로 한다.
본 발명은 개량된 진공 펌프를 제공한다.
본 발명은 구동 샤프트에 의해 회전 가능하게 지지되는 로터를 구비한 진공 펌핑 기구와, 구동 샤프트의 회전 동안에 로터의 움직임을 제어하기 위한 제 1 베어링 조립체와, 상기 움직임을 제한하기 위한 예비 베어링 조립체와, 상기 움직임이 예비 베어링 조립체에 의해 제한될 때를 탐지하기 위한 센서를 포함하는 진공 펌프를 제공한다.
구동 샤프트의 움직임은 대략 반경방향으로의 움직임일 수도 있다.
예비 베어링 조립체는 로터 또는 구동 샤프트와의 접촉에 의해 상기 움직임을 제한하도록 마련될 수도 있으며, 센서는 로터 또는 구동 샤프트와 예비 베어링 조립체 사이의 각각의 접촉 사건(contact event)을 탐지하도록 마련된다.
제 1 베어링 조립체는 로터 또는 구동 샤프트와의 접촉 없이 상기 움직임을 제어하는 비접촉 베어링 조립체일 수도 있다.
제 1 베어링 조립체는 자기 베어링 조립체일 수도 있다.
제 1 베어링 조립체는, 예비 베어링 조립체가 로터 또는 구동 샤프트로부터 이격되어 있는 거리보다 더 먼 거리만큼 로터 또는 구동 샤프트로부터 이격되어 있을 수도 있다.
센서는 로터 또는 구동 샤프트에 가해지는 힘을 탐지하도록 마련될 수도 있는데, 이 힘은 예비 베어링으로 하여금 이 힘에서 비롯되는 상기 움직임을 제한하도록 하기에 충분하다.
센서는 가속도계(accelerometer)일 수도 있다.
센서는 펌프 하우징에 대해 고정될 수도 있다.
센서는, 예비 베어링 조립체가 상기 움직임을 제한한 사건의 횟수를 계산하기 위한 카운터(counter)에 신호를 출력하도록 마련될 수도 있다.
펌프는, 사건의 횟수가 예비 베어링 조립체의 고장을 예측하게 하는 사전결정된(predetermined) 값을 초과하는 때를 사용자에게 표시하기 위한 표시기(indicator)를 포함할 수도 있다. 표시기는 사건의 횟수를 표시하기 위한 디스플레이일 수도 있다.
표시기는 사건의 횟수를 유선 접속 또는 무선 접속에 의해 원격지로 전송하기 위한 전송기를 포함할 수도 있다.
센서는 진공 펌프에 가해지는 힘의 크기를 탐지하고 탐지된 힘의 크기에 따라 예비 베어링 조립체에 초래된 손상을 연관시키도록 마련될 수도 있다.
진공 펌프는 터보분자 진공 펌핑 기구를 포함할 수도 있다.
도 1은 진공 펌프의 개략도,
도 2는 진공 펌프의 베어링 조립체의 상세도,
도 3은 진공 펌프의 구동 샤프트의 움직임을 제한하는 예비 베어링 조립체를 도시하는 도면.
이제, 본 발명을 잘 이해하기 위하여, 단지 예시로서 주어지는 본 발명의 일 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 진공 펌핑 기구(12)를 포함하는 진공 펌프(10)가 도시되어 있는데, 본 예에서는 진공 펌핑 기구(12)가 터보분자 진공 펌핑 기구이지만, 진공 펌프가 다른 분자 진공 펌핑 기구를 포함할 수도 있다. 진공 펌핑 기구는 구동 샤프트(16)에 의해 회전하도록 지지되는 4개 배열(array)의 로터 블레이드(14)를 구비하는 로터를 포함한다. 로터 블레이드는 각 배열의 스테이터 블레이드(18)에 대해 회전한다. 임의의 적절한 수의 스테이지가 제공될 수 있다. 모터(20)는 구동 샤프트를 구동하도록 마련된다.
제 1 베어링 조립체(22)는 회전 축선(A)을 중심으로 한 구동 샤프트의 회전 동안 방향(R)으로의 로터 및 구동 샤프트의 운동을 제어한다. 구동 샤프트가 아래에서 보다 상세히 논의되는 하부 베어링 조립체(27) 주위로 각도 방향으로(angularly) 이동하기 때문에, 방향(R)은 비록 약간의 축방향 성분을 갖기는 하지만 기본적으로는 반경방향으로의 움직임이다. 도시된 실시예에서, 진공 펌핑 기구는 대략 20,000rpm(revolutions per minute) 내지 90,000rpm의 회전 속도로 회전하는 터보분자 진공 펌핑 기구이며, 펌프의 회전 부분과 제 1 베어링 조립체 사이의 마찰을 줄이기 위해, 제 1 베어링 조립체(22)는 로터 또는 구동 샤프트와의 접촉 없이 반경방향 운동을 제어하는 비접촉 베어링 조립체이다. 비접촉 베어링의 예는, 대향하는 대략 환형의 자극(23, 25)이 회전 부분(샤프트/로터에 연결됨)과 고정 부분(스테이터에 연결됨)에 각각 배치되어 있는 자기 베어링 조립체이다. 본 예에서, 구동 샤프트 상의 회전 자극의 고정 자극 쪽으로의 이동에 의하면, 증가된 자기력을 구동 샤프트의 반경방향으로 회전 자극에 인가함으로써, 구동 샤프트를 정확한 정렬 상태로 되돌아가게 한다. 이러한 장치는 저마찰이며, 따라서 그러한 고속 펌프에 적절하나, 베어링이 비접촉식이기 때문에, 특히 진공 펌프가 외부 충격 또는 타격을 받는 경우에 베어링은 로터 및 구동 샤프트의 약간의 반경방향 운동을 허용한다.
도 2에는 정상 상태에서의 구동 샤프트(16)의 운동이 도시되어 있고, 도 3에는 옮겨진 위치에서의 구동 샤프트(16)의 운동이 도시되어 있다. 제 2 베어링 조립체(27)는 구동 샤프트의 하단부를 지지하며, 펌프 하우징에 대해 고정되어 있다. 진공 펌프가 덜컹거릴 때, 구동 샤프트의 축선(A)은 제 2 베어링 조립체(27)를 중심으로 축선(A1)까지 각도 방향으로 옮겨진다. 각도 방향의 변위는 축선(A) 및 축선(A1)의 반경방향 변위(R1)를 초래한다.
예비 베어링 조립체(24)는 로터 및 구동 샤프트의 반경방향 운동을 제한함으로써, 예컨대 펌프의 회전 부분과 펌프의 고정 부분 사이의 충돌을 방지한다. 특히 로터 블레이드(14)가 90,000rpm까지의 속도로 회전하고 있을 때, 충돌은 펌핑 기구에의 손상을 초래하여 해로울 수 있다. 예비 베어링 조립체(24)는 로터 또는 구동 샤프트와의 접촉에 의해 반경방향 운동을 제한하도록 마련된다. 도 2 및 도 3에 도시된 예비 베어링 조립체의 일 예는 반경방향 내측으로 회전 부분과 대면하는 내륜(29)과 고정된 외륜(31)을 갖는 구름 베어링 조립체를 포함한다. 세라믹 볼과 같은 구름 부재(33)는 내륜과 외륜 사이에 배치되어 상대 회전 운동을 허용한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 펌핑 기구의 회전 부분이 결정 거리(determined distance)만큼 반경방향으로 이동할 때, 회전 부분은 내륜(29)과 접촉하며, 회전 부분이 정상 작동 위치로 돌아갈 때까지 외륜과 내륜 사이의 상대 회전을 야기한다. 각각의 그러한 접촉 사건(contact event)은 예비 베어링 조립체가 마모되거나 또는 열화되게 하며, 시간 경과에 따라 예비 베어링은 교체를 필요로 하게 되는데, 이는 그렇지 않으면 예비 베어링이 사용 중에 고장 나서 펌핑 기구에 손상을 가하게 될 수도 있기 때문이다. 이와 관련하여, 예비 베어링은 일반적으로 진공 펌프의 입구에 배치되며, 따라서 펌핑된 가스 스트림이 윤활유로 오염되는 것을 회피하기 위해 윤활되지 않는 건식 베어링이다. 예비 베어링 조립체가 교체되지 않아서 사용 중에 고장 나는 경우, 펌프가 손상을 받아서 작동하지 않게 됨으로써, 차례로 진공 처리 설비에 손상을 초래하거나 진공 환경을 필요로 하는 절차의 취소를 야기할 수도 있다. 그러므로, 고장 전에 안전 한계(safety margin)까지는 예비 베어링 조립체를 교체하거나 수리하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 베어링 조립체는 로터 또는 구동 샤프트로부터 거리(R2)만큼 이격되어 있는데, 이 거리(R2)는 예비 베어링 조립체가 로터 또는 구동 샤프트로부터 이격되어 있는 거리인 거리(R3)보다 크다. 이러한 배열은 구동 샤프트 또는 로터가 이동할 때 제 1 베어링 조립체에 손상이 가해지는 것을 방지하는데, 이는 예비 베어링 조립체가 도 3에 도시된 지점(35)에서 로터 또는 구동 샤프트와 접촉하게 되어 제 1 베어링 조립체 쪽으로의 추가 변위를 방지하기 때문이다.
예컨대, 사용 동안 사용자에 의해 또는 진공 펌프가 설치되거나 수송될 때 진공 펌프가 덜컹거릴 경우, 진공 펌프에 힘이 가해질 수도 있다. 몇몇 진공 펌핑 분야에서, 진공 펌프는, 예컨대 병원 내의 다른 지점들에서의 암치료를 위한 액셀러레이터(accelerator)와 같은 장치 내에서 한 지점으로부터 다른 지점으로 용이하게 수송될 필요가 있다. 그러므로, 진공 펌프를 트롤리 또는 다른 가동형 또는 휠 장착형 유닛과 같은 수송 장치에 장치하는 것이 편리하지만, 이러한 방식으로 진공 펌프를 수송하는 것은 진공 펌프가 우발적인 충돌 또는 고르지 않은 표면에서의 수송으로 인한 덜컹거림에 더욱 민감해지게 한다. 예비 베어링을 사용 상태로 가져가는데 필요한 힘은, 예컨대 제 1 베어링 조립체에 의해 생성될 수 있는 제어용 자기력과 같은 진공 펌프의 특성에 따라 달라진다. 예비 베어링 조립체의 작동을 일으키기에 충분한 일반적인 힘은 대략 반경방향 및/또는 축방향으로 진공 펌프에 인가되는 10N 내지 100N이다.
로터 또는 구동 샤프트의 반경방향 움직임이 예비 베어링 조립체의 의해 제한되는 때를 탐지하기 위해 센서(26)가 마련된다. 도시된 장치에서, 센서는 펌프 하우징(28)에 대해, 예컨대 펌프 하우징의 외면에 고정되어, 펌프 하우징에 가해지는 힘을 탐지한다. 센서는 인가된 힘에서 비롯되는 펌프 하우징의 가속도를 탐지하기 위한 가속도계일 수도 있다. "x"(m/s2)의 가속도가 예비 베어링 조립체의 실행을 유발한다는 것이 작동 전에 결정되고, 따라서, 센서가 "x"와 동일하거나 그보다 큰 가속도를 탐지할 때 접촉 사건이 발생했음이 결정된다.
다른 장치에서 센서는 로터 또는 구동 샤프트와 예비 베어링 조립체 사이의 접촉을 탐지하기 위한 수단을 포함할 수도 있다. 그러한 한 장치는 접촉시 폐쇄되는 전기 회로를 포함할 수도 있다. 다른 장치는 근접 스위치를 포함할 수도 있다. 또 다른 장치는 예비 베어링 조립체의 내륜 및 외륜의 상대 운동을 탐지하기 위한 수단을 포함할 수도 있다. 접촉 사건의 발생을 결정하기 위한 모든 센서 장치는 본 발명의 범위 내에 포함된다.
가속도계 장치는 충격 자체를 탐지할 뿐만 아니라 충격의 크기도 탐지할 수 있기 때문에 몇몇 실시예에서는 바람직할 수도 있다. 센서가 진공 펌프에 인가되는 힘의 크기를 탐지하도록 마련되는 경우, 탐지된 힘의 크기는 예비 베어링 조립체에 가해지는 손상과 관련될 수 있다. 예컨대, 예비 베어링 조립체는 500회의 강한 충격 또는 1000회의 약한 충격 후에 고장 날 수도 있다. 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 예비 베어링 조립체의 교체는 탐지된 충격의 횟수가 사전결정된 값, 예컨대 10,000회를 초과할 때에 개시된다. 상기의 예에서는 1회의 강한 충격이 2회의 약한 충격과 동등할 수도 있으며, 따라서, 강한 충격이 탐지된 경우, 단 한 번의 충격이 탐지된 경우라도 기록되는 충격의 총 횟수는 2회로 증가된다. 가속도계 장치는 강한 충격 또는 약한 충격을 나타내는 2개의 값을 가지며, 약한 충격이 탐지된 경우에는 총계에 1을 더하고, 강한 충격이 탐지된 경우에는 총계에 2를 더할 수도 있다. 물론, 보다 더 나은 정확도를 위해 충격의 강도를 3개 이상의 상이한 강도로 나눌 수도 있다.
다른 장치에서, 진공 펌프에 가해지는 총 합력 또는 진공 펌프가 겪는 총 가속도가 측정될 수 있다. 예컨대, 50N의 힘을 갖는 충격이 단일 충격을 일으키고 10,000회의 그와 같은 충격이 예비 베어링의 교체가 필요함을 의미하는 것이라면, 진공 펌프에 가해지는 총 힘은 500,000N이다. 따라서, 탐지된 총 힘이 500,000N을 넘을 때, 교체를 개시한다.
특히 도 1을 참조하면, 센서는 접촉 사건, 진공 펌프에 가해지는 힘, 또는 진공 펌프가 겪는 가속도의 탐지에 대응하는 신호(30)를 출력하도록 마련된다. 센서 신호(30)는 프로세서(32)에 출력되며, 프로세서(32)는 그 출력을 처리하도록 구성되어 있다. 도시된 장치에서, 프로세서는 콤퍼레이터(comparator)(34)를 포함하는데, 이 콤퍼레이터(34)는 가속도계에 의해 탐지된 가속도를 저장부(36)에 저장된 값과 비교하여, 가속도가 저장값보다 큰 경우에는 이진수 "1"을 출력하고, 가속도가 저장값보다 작은 경우에는 이진수 "0"을 출력한다. 강한 충격과 약한 충격을 나타내는 2 이상의 저장값이 존재할 수도 있다. 이진수 "0"은 접촉이 발생하지 않았던 것에 대한 결정이며, 따라서 판독값은 단계(38)에 배치된다. 이진수 "1"은 예비 베어링 조립체가 로터 또는 구동 샤프트의 반경방향 움직임을 제한하는 사건의 횟수를 계산하기 위한 카운터(40)에 출력된다. 카운터 판독값은 사용자에 의한 판독을 위해 디스플레이(42)에 표시될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 디스플레이는 15회의 사건을 표시하고 있다. 사용자는 예비 베어링 조립체의 교체를 필요로 하는 것 이상의 값을 제공받을 수 있으며, 따라서 디스플레이가 예컨대 1000회 또는 5000회의 사건을 표시할 때, 사용자는 펌프 유지보수를 요청해야만 한다. 선택적으로, 허용되는 최대 횟수의 사건에 대한 값과 총계를 비교하기 위해 총계가 콤퍼레이터(44)에 출력될 수도 있다. 예컨대 청각 또는 시각적인 경고와 같은 경고 표지를 생성하기 위한 유닛(46)에는 양의 비교값이 출력된다. 이 유닛(46)은 진공 펌프로부터 멀리 떨어져 있는 펌프 공급자(펌프 유지보수에 대한 요건을 결정할 수 있음)에게 유선 또는 무선 접속에 의해 경고 표지를 전송하기 위한 전송기를 포함할 수도 있다.

Claims (15)

  1. 진공 펌프에 있어서,
    구동 샤프트에 의해 회전 가능하게 지지되는 로터를 구비한 진공 펌핑 기구와, 상기 구동 샤프트의 회전 동안에 상기 로터의 움직임을 제어하기 위한 제 1 베어링 조립체와, 상기 움직임을 제한하기 위한 예비 베어링 조립체(back-up bearing assembly)와, 상기 움직임이 상기 예비 베어링 조립체에 의해 제한될 때를 탐지하기 위한 센서를 포함하는
    진공 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 샤프트의 움직임은 대략적으로 상기 구동 샤프트의 축선에 대해 반경방향인
    진공 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 예비 베어링 조립체는 상기 로터 또는 상기 구동 샤프트와의 접촉에 의해 상기 움직임을 제한하도록 마련되며, 상기 센서는 상기 로터 또는 상기 구동 샤프트와 상기 예비 베어링 조립체 사이의 각각의 접촉 사건을 탐지하도록 마련되는
    진공 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 베어링 조립체는 상기 로터 또는 상기 구동 샤프트와의 접촉 없이 상기 움직임을 제어하는 비접촉 베어링 조립체인
    진공 펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 베어링 조립체는 자기 베어링 조립체인
    진공 펌프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 베어링 조립체는, 상기 예비 베어링 조립체가 상기 로터 또는 상기 구동 샤프트로부터 이격되어 있는 거리보다 더 먼 거리만큼 상기 로터 또는 상기 구동 샤프트로부터 이격되어 있는
    진공 펌프.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 로터 또는 상기 구동 샤프트에 가해지는 힘을 탐지하도록 마련되며, 상기 힘은 상기 예비 베어링으로 하여금 상기 힘에서 비롯되는 상기 움직임을 제한하게 하기에 충분한
    진공 펌프.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서는 가속도계(accelerometer)인
    진공 펌프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 펌프 하우징에 대해 고정되어 있는
    진공 펌프.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는, 상기 예비 베어링 조립체가 상기 움직임을 제한한 사건의 횟수를 계산하기 위한 카운터(counter)에 신호를 출력하도록 마련되는
    진공 펌프.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 사건의 횟수가 상기 예비 베어링 조립체의 고장을 예측하게 하는 사전결정된 값을 초과하는 때를 사용자에게 표시하기 위한 표시기(indicator)를 포함하는
    진공 펌프.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 표시기는 상기 사건의 횟수를 표시하기 위한 디스플레이인
    진공 펌프.
  13. 제 10 항에 있어서,
    표시기는 상기 사건의 횟수를 유선 또는 무선 접속에 의해 원격지로 전송하기 위한 전송기를 포함하는
    진공 펌프.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 진공 펌프에 가해지는 힘의 크기를 탐지하고 탐지된 힘의 크기에 따라 상기 예비 베어링 조립체에 초래된 손상을 연관시키도록 마련되는
    진공 펌프.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    터보분자 진공 펌핑 기구를 포함하는
    진공 펌프.
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