JP2001207992A - ターボ形ドライポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動圧ガス軸受を大形化することなく、しかも
軸受の冷却系を設ける必要もないターボ形ドライポンプ
を提供する。 【解決手段】 ターボ形ポンプ機構の吸気口１Ｋ側と排
気口１Ｈ側をポンプハウジング１の外方にて連通させる
連通路７を設けるとともに、この連通路に通路を開閉す
る開閉弁８を介設したものである。したがって、この開
閉弁８を作動させてターボ形ポンプ機構前後の差圧を所
定以上にならないよう調整することができる。また、こ
の開閉弁を調節弁８Ｖとして構成するとともに、ターボ
形ポンプ機構の主体であるロータ２の回転を制御するイ
ンバータ回路１１からの出力信号に基づいて前記調節弁
８Ｖを駆動させる駆動機構１６を設けたものである。し
たがって、ロータ２の回転速度に応じて連通路の開閉が
自動的に行われ、ロータ２へのアキシャル方向負荷をフ
ォイル軸受５の許容負荷以内に調整することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハウジング内にオ
イルを持ち込まず作動し、オイルフリーな環境が要求さ
れる用途に利用されるターボ形ドライポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のドライポンプは、円筒状のハウ
ジング内に動圧ガス軸受を介してロータを軸着するとと
もにこのロータと前記ハウジングの内周に形成したステ
ータとの間でガス圧縮のポンプ作用を行うターボ形ポン
プ機構を設け、ハウジングの軸方向一端側の吸気口から
のガスを圧縮しハウジングの軸方向他端側の排気口に排
出する。この円周流ポンプは非接触形でターボ形ポンプ
に属するものである。しかも、このターボ形ドライポン
プは大気圧の状態から排気が可能で真空域をつくること
ができる。このようなドライポンプにおける軸受として
は、機械的な玉軸受、磁気軸受、あるいは静圧軸受等が
採用されていたが、最近ではメンテナンスに便利であり
寿命も長く、しかもイニシャルコストやランニングコス
トを低減化できる動圧ガス軸受が提案されている。

【０００３】この動圧ガス軸受には、薄片すなわちフォ
イルを使用するフォイル軸受やティルティングパッドを
使用するティルティングパッド軸受、さらにはスパイラ
ル方式を採用するスパイラル軸受等がある。たとえばフ
ォイル軸受の場合、支持する支持面と支持される回転体
の面が近接対向された間にフォイルが片持ち状に設置さ
れ、フォイルによって回転方向に漸次狭小となる楔状の
隙間が形成される。そしてこの楔状隙間に気体（ガス）
を巻き込んで動圧を発生させ、回転体を基体面に対して
支承するものである。したがって玉軸受のようにオイル
を使用するというものではなく、完全なオイルフリー環
境（ドライ）が実現される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】動圧ガス軸受は、回転
体の回転によって気流を生じさせ動圧を発生させること
から、その許容負荷量は回転体の回転速度（回転数）に
比例する状況にある。すなわち、回転体の回転数が大き
くなるにしたがい最大許容負荷容量は大きくなり、この
回転数と最大許容負荷容量との関係は図４に示す曲線Ｌ
のとおりである。たとえば、１００００ｒｐｍでは負荷
容量は１２０であり、３００００ｒｐｍでは３００とな
る。ただし、この曲線Ｌに沿って排気を行うことは軸受
が限界状態で作動することになり、通常は破線曲線Ａに
示す安全運転で排気作業が行われるようになっている。

【０００５】ところで、回転体のアキシャル（スラス
ト）方向を支承するスラスト軸受に加わる負荷は、ガス
圧縮前後の圧力差に大きく左右される。これは回転体に
各円周流ポンプが設けられている関係で、このポンプの
前後の圧力の差でアキシャル方向に負荷が作用し、回転
体が付勢されるからである。すなわち、吸気側の圧力が
低下する（真空になる）とスラスト軸受に加わる負荷が
大きくなる。そのため、このドライポンプによって排気
（真空引き）するチャンバーの容量が小さい場合は、ロ
ータの回転が定格の回転数に加速されるまでにチャンバ
ーが充分真空となる。したがって、曲線Ａの安全運転を
行っていても、図４に示す破線曲線Ｂに示す排気特性と
なり、スラスト軸受の許容負荷をオーバーしてＫ点に達
することになる。このような状態での運転は、軸受に許
容負荷量をこえる負荷が加わって軸受の破損につなが
り、ポンプ機能が維持できなくなる。そのために、スラ
スト軸受の動圧ガス軸受を大形化して許容負荷を増大さ
せる必要がある。

【０００６】しかしながら、軸受を大形化すると、軸受
での損失も増大することになり、発熱の増加という問題
が起こる。また、この発熱を防止するため、冷却ガスを
供給する系を設ける必要がある。したがって軸受部が大
形化することになるが、この軸受の大形化は必然的にポ
ンプの大形化を招くことにもなる。本発明はこのような
課題を解決するターボ形ドライポンプを提供せんとする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明が提供するターボ
形ドライポンプは、上記課題を解決するために、ターボ
形ポンプ機構の吸気口側と排気口側をポンプハウジング
の外方にて連通させる連通路を設けるとともに、この連
通路に通路を開閉する開閉弁を介設したものである。し
たがって、この開閉弁を作動させてターボ形ポンプ機構
前後の差圧が所定以上にならないよう調整され、動圧ガ
ス軸受はその許容負荷容量以内に維持されることにな
る。さらに本発明によるターボ形ドライポンプは上記開
閉弁を連通路が調節できる調節弁として構成するととも
に、ターボ形ポンプ機構の主体であるロータの回転数に
関連する信号を発生させる信号発生機構と、この信号発
生機構からの出力信号に基づいて前記調節弁を駆動させ
る駆動機構を設けたものである。したがって、回転体の
回転数に応じて連通路の開閉が自動的に調節され、回転
体へのアキシャル方向負荷を許容負荷以内に調整され安
全運転を継続することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるターボ形ドラ
イポンプを図面に示す実施例にしたがって説明する。図
１は本発明が第１に提供するターボ形ドライポンプＤＰ
の基本的な構成を示す図で、ポンプ全体を縦断面して示
している。

【０００９】このドライポンプＤＰの主体は、円筒状の
ハウジング１とこのハウジング１の内方で後述するガス
動圧軸受にて回転自在に軸着された回転体（以下ロータ
という）２で構成されている。ハウジング１は具体的に
は図示のとおり有底形となっていて、軸方向一端の上方
開口部が吸気口１Ｋであり、中段には軸方向他端側とし
て排気口１Ｈが設置されている。そしてロータ２の円周
部とハウジング１の内周に形成されたステータとの組み
合わせにより円周流ポンプが構成されている。この円周
流ポンプはロータ２の軸方向に複数段、すなわち多段に
設けられている。

【００１０】以下この構成を詳述すると、まずハウジン
グ１の内周上段にはねじ溝１Ｍが刻設されていて、この
ねじ溝１Ｍに近接すべくロータ２における上段の円筒部
２Ｐが対向している。このねじ溝１Ｍとロータ２の円筒
部２Ｐの組み合わせによって、いわゆるねじ溝ポンプ機
構ＮＰが構成され、ロータ２の回転によって気体の粘性
流域の分子を圧縮し下方へと圧送する。

【００１１】さらに、ハウジング１の内周中段には、ス
テータ部１Ｔが多段、具体的には７段、軸方向に積設さ
れている。他方ロータ２には、その中段から下方にこれ
ら各ステータ１Ｔ間に挿入されるロータ円周部２Ｂが対
向して設けられている。この両者はもちろん非接触であ
るが、その組み合わせによって円周流ポンプが形成され
る。この多段の円周流ポンプ（以下ターボ形ポンプ機構
という）ＴＰの作動によって、ねじ溝ポンプ機構ＮＰに
て圧送されたガスは、さらに圧縮されて下方へと圧送さ
れ排気路１Ｒを経て排気口１Ｈに排気されることにな
る。すなわち、各段の円周流ポンプはその円周でガスを
圧縮し、終端で流路１Ｎを経て次段の円周流ポンプにガ
スを送り出し、これを各段順次行って排気していくもの
である。

【００１２】以上がターボ形ドライポンプの基本的な原
理とその作動であるが、ロータ２は図面に示すとおり断
面がＨ形をなしていて、その中央部が回転駆動機構に連
結されるとともに軸着されている。すなわち、３は回転
駆動軸でハウジング１の軸芯上に配置されている。この
回転駆動軸３には中段に軸受のためのフランジ部３Ｆが
顎設され、さらにその下方に電動機（モータ）４が一体
的に設置されている。この電動機４は電機子に相当する
ハウジング１の内周に設置された電機子巻線４Ｍと回転
子に相当する回転駆動軸３に設置された回転子巻線３Ｍ
との組み合わせによって構成され、外部からの電気エネ
ルギー９の供給によって回転駆動軸３を高速回転させる
ものである。なお、図において３Ｓは回転駆動軸３の上
端のねじ部でナット３Ｎと協働し、ロータ２をこの回転
駆動軸３に固着するものである。

【００１３】このような回転体すなわちロータ２は、動
圧ガス軸受からなる軸受機構によってハウジング１に軸
着されている。すなわち、図示例の動圧ガス軸受はフォ
イル形軸受で、具体的にはフランジ部３Ｆとハウジング
１との上下隙間にはスラスト軸受としてのスラスト用フ
ォイル軸受５が周囲均等に複数個設置されている。フラ
ンジ部３Ｆの上下に設置されることで強力なスラスト力
にも対応できるようになっている。他方、回転駆動軸３
の上下には、ハウジング１の円筒部１Ｅとの隙間に上下
２段にてラジアル用フォイル軸受６が設置されている。
これら両方のフォイル軸受５、６によってロータ２が非
接触でかつ円滑に軸受されている。

【００１４】なお、図１において１Ｆは冷却ガスの供給
口で、ここから供給された冷却ガスによって上記両フォ
イル軸受５、６の冷却が行われる。

【００１５】以上の構成は従来より実施されているター
ボ形ドライポンプの構成であって、本発明はこれらの構
成において、この動圧ガス軸受の機能を維持すべく新た
な機構を付加したものである。すなわち、本発明は吸気
口１Ｋ側と排出口１Ｈ側との大きな差圧による動圧ガス
軸受への負荷の増大を防止するために、ターボ形ポンプ
機構における吸気側と排気側をハウジング１の外方で連
通される連通路（バイパス路）を設けたものであり、図
において７がその連通路の主体となる連通管である。こ
の連通管７は、図示例では排気口１Ｈの部分も一体的に
兼ねた部材として形成されているが、中段に連通路の開
閉を行う開閉弁８が介設されている。

【００１６】この連通路７の上方端側は、ターボ形ポン
プ機構ＴＰの上端すなわち吸気口側にて穿設された連通
孔１Ｓの出口側開口部に接続され、他方下方端側は同じ
ターボ形ポンプ機構ＴＰの下端すなわち排気口側におけ
る連通孔として機能する排気路１Ｒの開口部すなわち排
気口１Ｈに直接的に接続されている。したがって、開閉
弁８の開閉作動によってターボ形ポンプ機構ＴＰにおけ
る吸気口側と排気口側とを、ハウジング１の外にて連通
させ、あるいは遮断することができる。

【００１７】本発明が提供するターボ形ドライポンプは
以上のような構成であるから、つぎのとおり作動する。
すなわち、モータ４に外部からの回転命令が出されると
電気エネルギー９が供給されて駆動を開始し、ロータ２
が低速回転から次第に高速回転、たとえば数万ｒｐｍの
高速回転へと駆動される。すると、ねじ溝ポンプ機構Ｎ
Ｐにて吸気口１Ｋからの気体が圧送され、そしてターボ
形ポンプ機構ＴＰにてさらに圧縮され、排気口１Ｈ側へ
と排気される。

【００１８】この場合、高速回転されるとしても図４に
示す曲線の安全運転においては、高速回転にて吸気口１
Ｋ側は低圧（真空）となり、他方排気口１Ｈ側は高圧
（大気圧）となるので両者間に大きな圧力差が生じ、ロ
ータ２は下方側より上方側にむけたアキシャル（スラス
ト）力の負荷を受けることになるものの、これらはフォ
イルスラスト軸受５にて受け入れられることになる。

【００１９】ところで、このターボ形ドライポンプにお
いては、運転開始時すなわち起動時および停止時の低速
回転時には、連通管７上の開閉弁８を開いておき、連通
孔１Ｓと排気路１Ｒが連通されて吸気側と排気側の圧力
が同圧の状態で排気動作が行われる。したがって、起動
時は吸気口１Ｋ側と排気口１Ｈ側がハウジング１の外方
にて連通されることにより圧力差が生ぜず、すなわちガ
ス圧縮が行われないのでスラスト力は発生しない。ロー
タ２の回転数が上昇して排気速度が高まるにしたがい、
開閉弁８を閉じて圧縮の仕事を行わせることにより排気
が進行する。

【００２０】この場合、被排気室の容量が小さい場合
は、排気の進行にしたがい吸気口１Ｋ側と排気口１Ｈ側
との差圧が急激に大きくなり、安全運転曲線ＡからＢ曲
線になろうとするが、開閉弁８の開成により、ロータ２
のスラスト力の発生を許容負荷量以内に抑えられる。ま
た、必要によっては開閉弁８の開度を排気の進行に関係
なく調節し、差圧による負荷の値を所定値以下に調整す
ることも可能である。

【００２１】さらに本発明は、連通路の開閉を自動的に
調節するターボ形ドライポンプを提供する。すなわち、
吸気口１Ｋ側と排気口１Ｈ側の差圧によるロータ２に発
生するスラスト力を、許容負荷量以内に自動的に調節さ
せるものである。具体的には、開閉弁をその開度を自動
的に制御できる開閉制御弁として構成するとともに、ロ
ータ２の回転速度に対応してこの開閉制御弁を駆動させ
ることにより、上記安全運転を自動的に維持するように
したものである。これはロータ２の回転数に応じ、開閉
制御弁閉の時の到達圧力（各々回転数での軸受負荷最大
量）は決まることから、各々の回転数における軸受許容
負荷容量以内になるよう、回転数毎に制御弁の開度を決
めておけることにより可能となる。このことにより差圧
が急激に生じても安全運転が保障される。

【００２２】図２、図３は、この自動制御形のターボ形
ドライポンプの構成を示す図である。すなわち、図２は
モータへの電気エネルギー９をインバータ回路にて制御
し、高速運転化していくインバータ方式の構成を示す図
であり、また図３はロータ２の回転速度を検出し、ロー
タ２の回転速度により連通管７の通路の開度を自動的に
制御する回転速度検出方式の構成を示す図である。ま
ず、連通管７には、その連通路の開度を調節できる調節
弁８Ｖが開設されているとともに、この調節を電気的信
号により作動させる駆動アクチュエータ１２が設置され
ている。この駆動アクチュエータ１２には、インバータ
回路１１から電気信号が入力されるよう構成されてい
る。

【００２３】まずインバータ方式においては、モータ４
への電気エネルギー９を供給する制御部１０にインバー
タ回路１１が設けられている。インバータ回路１１はモ
ータ４の回転速度制御パターンにしたがってモータ４へ
の電気エネルギーの供給量を制御するが、同時にインバ
ータ回路１１からはこのモータの回転数に相応する信
号、すなわち出力周波数の信号を駆動アクチュエータ１
２に供給する。このことにより連通路の開閉が自動的に
制御されることになる。この方式は構成がきわめて簡略
である。図３は回転速度検出方式の実施例を示し、ロー
タ２と一体の回転駆動軸３の回転を検出する機構のみを
示す要部拡大図である。図において１３は回転駆動軸３
の下端に埋設された検出体で、回転中心から偏心した周
辺位置に１個設けられている。１４はこの検出体１３の
近接を検出する高周波磁界発生器で、検出体１３が一定
距離内に近接したとき検出体１３内部に生じる渦電流損
失によってその内部に設けた発振回路が影響を受け信号
を出力する。すなわちこの検出体１３と高周波磁界発生
器１４とによっていわゆる近接スイッチが構成されてい
るが、これは検出体１３が回転駆動軸３の回転により巡
回されることで、回転検出器として機能する。この回転
検出器としての出力信号Ｓが図３に示すモータ４の制御
部１０に入力される。

【００２４】したがって、ロータ２の回転数（回転速
度）に応じて制御部１０からその旨の信号が駆動アクチ
ュエータ１２に入力され、調節弁８Ｖが連通路の開度を
調節すべく作動する。すなわち、高速化につれて軸受の
許容負荷容量は増大していくので調節弁８は連通路を徐
々に閉じるべく作動する。このような作動によりロータ
２へのスラスト力が許容負荷量以内に抑えられることに
なる。このようにしてターボ形ポンプ機構の吸気口１Ｋ
側と排気口１Ｈ側の差圧によるロータ２へのスラスト力
の発生は、動圧ガス軸受の許容負荷量以内に設定される
ことになる。

【００２５】本発明が提供するターボ形ドライポンプ
は、以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例
に限定されるものではなく、種々の変形例を包含するも
のである。まず、本発明における基本的な構成である連
通路については、ハウジング外方に設置することが条件
であるが、このハウジング外方とは、ポンプ室内以外と
いうことであり、したがってハウジングより外方に物理
的に離れた位置に設けることに限定されるものではな
い。それは差圧が発生するのはポンプ室内の問題であ
り、これを解消するためにはポンプ室以外を連通させれ
ばよいからである。したがって、連通路を図示例のよう
にハウジング１の外方に設けることではなく、ハウジン
グ１のポンプ室内に連通しない肉厚内に設けても目的は
達成される。ハウジング１の肉厚部に連通管を挿設して
もよいし、ハウジング１の肉厚内にパイプ状の通路を形
成してもよい。そしてこれらハウジング１の肉厚部にお
ける連通路に開閉弁を設けるのである。

【００２６】また、連通路を設置する位置については、
ターボ形ポンプ機構の領域内であることは前提である
が、図示例のようにこの領域の両端位置に設置すること
に限定されるものではない。たとえば連通路の吸気側部
をターボ形ポンプ機構ＴＰの中間段領域位置に設置して
もよい。この場合、バイパスしていない中間段位置より
上方のターボ形ポンプ機構ＴＰは圧縮の仕事をしている
が、圧縮比の低下で軸受への負荷は軽減される。開閉弁
についても玉形弁、仕切弁、あるいはニードル弁など各
種の形式の弁を採用することができる。

【００２７】さらに、本発明が第２に提供するターボ形
ドライポンプ、すなわち連通路の開閉をロータ２の回転
数に応じて自動的に制御する構成についても種々の変形
例を挙げることができる。たとえば、ロータ２の回転を
検出する方式を採用する場合、図示例のような近接スイ
ッチによる方式に限定されるものではなく広く知られて
いる多くの回転検出機構を採用できることは言うまでも
ない。また図示例ではターボ形ポンプ機構の前段にねじ
溝ポンプを設置した実施例であるが、このねじ溝ポンプ
の併設は必ずしも必要ではない。本発明は、これらすべ
ての変形実施例を包含するものである。

【００２８】

【発明の効果】本発明が提供するターボ形ドライポンプ
は、以上詳述したとおりであるから、ポンプの起動時あ
るいは停止時におけるターボ形ポンプ機構の吸気口側と
排気口側との圧力差が大きくなることが解消され、動圧
ガス軸受の許容負荷量以内にすることができる。したが
って、これらの軸受を大形化する必要なく、すなわち小
形化でき高速回転における軸受の損失を低減することが
できる。そして、結果としてモータ動力の省力化が図ら
れ、また軸受も小形で発熱も小さく従来のように軸受部
を冷却する手段を必要とせず、ポンプ全体の小形化、簡
略化そしてコストダウン化が図られ、経済的なドライポ
ンプを提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるターボ形ドライポンプの構成を示
す図である。

【図２】本発明に第２に提供するターボ形ドライポンプ
の構成を示す図である。

【図３】本発明に第２に提供するターボ形ドライポンプ
の要部を示す図である。

【図４】ターボ形ドライポンプの特性を示す図である。

【符号の説明】

１……ハウジング １Ｋ……吸気口 １Ｈ……排気口 ２……ロータ ３……回転駆動軸 ４……モータ ５……フォイルスラスト軸受 ６……ラジアル用フォイル軸受 ７……連通管 ８……開閉弁 ８Ｖ……調節弁 ９……電気エネルギー １０……制御部 １１……インバータ回路 １２……駆動アクチュエータ １３……検出体 １４……高周波磁界発生器 ＴＰ……ターボ形ポンプ機構

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状のハウジング内に動圧ガス軸受を
   介して回転体を軸着するとともにこの回転体の円周部と
   前記ハウジングの内周に形成したステータとの間でガス
   圧縮のポンプ作用を行う円周流ポンプを前記回転体の軸
   方向に多段に設け、ハウジングの軸方向一端側の吸気口
   からのガスを圧縮しハウジングの軸方向他端側の排気口
   に排出するようにしたターボ形ドライポンプにおいて、
   前記多段の円周流ポンプにおける前記吸気口側と排気口
   側を前記ハウジングの外方にて連通させる連通路を設け
   るとともに、この連通路に通路を開閉する開閉弁を介設
   したことを特徴とするターボ形ドライポンプ。
2. 【請求項２】 開閉弁を連通路の開度を調節できる調節
   弁で構成するとともに、ロータの回転数に関連する信号
   を発生する信号発生機構と、この信号発生機構からの信
   号により前記調節弁の開閉作動を駆動する駆動機構を設
   け、回転体の回転速度に応じて連通路の開度を調節する
   ようにしたことを特徴とするターボ形ドライポンプ。