JP5187593B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプに関し、また排他的な意味ではないが、特に分子ドラグポンプ機構を備えた真空ポンプの使用に関する。

分子ドラグポンプ機構は、低圧時に高速で運動する面に衝突する気体分子は、その運動する面から速度成分を得ることができるという一般的原理に基づいて動作する。結果として、分子は、分子が衝突する面と同じ方向の運きをとる傾向があり、これにより分子がポンプ内で動かされてポンプの吐出口付近で比較的高い圧力が生み出される。

一般に、これらのポンプ機構は、ロータと、このロータに相対する１又はそれ以上の渦巻状又は螺旋状の流路を設けたステータとを含む。分子ドラグポンプ機構のタイプとしては、直径の異なる２つの同軸シリンダを備え、外側シリンダの内面上又は内側シリンダの外面上に位置する螺旋状の線条により両シリンダ間に螺旋状のガス経路を定めるホルベックポンプ機構と、ステータの外周からステータの中心へ向けて延びる螺旋状の流路を定めるディスク状のステータに相対する回転ディスクを備えたシーグバーンポンプ機構とが挙げられる。分子ドラグポンプ機構の別の例にゲーデ機構があり、これによれば、径方向平面又は軸方向平面内に配列した同心状の流路の周囲でガスが排出される。この場合、ガスは、流路と、各段の隣接する入口と出口との間のほとんど隙間のない間隙の「ストリッパ」セクションとの間の交差地点により、段から段へと移送される。シーグバーン及びホルベックポンプ機構は、入口及び出口が流路の長さに沿って配置されているため、交差地点又はほとんど隙間のない間隙の「ストリッパ」セクションを必要としない。

製造に関して言えば、シーグバーンポンプ機構は、ホルベック及びゲーデポンプ機構よりも好ましい。しかしながら、所定のロータ・ステータ間の間隙に関して言えば、シーグバーンポンプ機構は、ホルベックポンプ機構と同レベルの圧縮及び排出速度を達成するために、通常、より多くのポンプ段を必要とする。さらに、シーグバーンポンプ機構では、ほとんど隙間のない間隙を軸方向に実現する必要があり、さもなければ、所望のレベルの排出性能を達成するには、さらに多くのポンプ段、ひいてはさらに大きな消費電力が必要となる。シーグバーンポンプ機構のロータ部品とステータ部品との間にほとんど隙間のない軸方向の間隙を実現することは比較的困難であり、及び／又はコスト高になる可能性がある。例えば、米国特許第６，５８５，４８０号には、駆動シャフトを含み、この駆動シャフト１４の長さに沿ってシーグバーンポンプ機構の複数のロータディスクを有する真空ポンプについての記載がある。ステータディスクは、真空ポンプのステータから径方向に内向きに延び、ロータディスクの間に配置される。駆動シャフトをステータと接触しないように支持するために、またロータディスクとステータディスクとの間に必要な軸方向の間隙を維持するために、上部及び下部の径方向の磁気軸受と軸方向の磁気軸受とを含む比較的複雑かつ高価な磁気軸受装置が設けられる。

本発明は、ハウジングと、ハウジングに対して回転するために軸受装置により支持された駆動シャフトと、ハウジング上に装着されたステータ部品及びこのステータ部品と軸方向に近接して駆動シャフト上に装着されたロータ部品を含むポンプ機構と、を備えた真空ポンプを提供し、軸受装置は、複数の可撓性部材で連結された内側及び外側環状部分を含む金属製の弾性支持体により径方向及び軸方向の両方向に支持された軸受を含むことにより、軸受の内側レースと弾性支持体の外側部分との間に固定関係が存在して、ポンプ機構のロータ部品とステータ部品との間の軸方向の間隙を決定するようになる。

駆動シャフトを軸方向及び径方向に支持し、かつポンプ機構のロータ部品とステータ部品との間の軸方向の間隙を決定する弾性支持体を使用することにより、軸方向及び径方向の磁気軸受の従来の軸受装置のコスト及び複雑性を大幅に低減させることができる一方で、弾性支持体における軸受の軸方向の位置の許容差を厳密に制御し、ひいてはポンプ機構の部品間の軸方向の間隙を厳密に制御できるようになる。

可撓性部材の各々は、好ましくは、内側及び外側環状部分と実質的に同心状の細長い弓形部材である。好ましい実施形態では、これらの部材は周方向に整列される。従って、弾性支持体の可撓性部材により弾性支持体の一体形板ばねを実現し、これにより弾性支持体の径方向剛性を決定することができる。例えば有限要素解析を使用して、駆動シャフトの振動特性に適合する所定の撓み特性を有するように弾性支持体の径方向の可撓性を容易に設計することができる。５０から５００Ｎ／ｍｍまでの範囲の低い径方向剛性を達成して、必要な真空ポンプのロータ動力学を満たすことができ、径方向剛性を低下させるとポンプの第２のモードの固有振動数が減少し、これがさらに全ポンプ速度での振動伝達率を低下させ、ひいては特定の軸を不均衡にするポンプ振動のレベルを低下させることになる。従って、高速バランシングを行う必要なく、許容レベルの不均衡な振動の伝達を達成し、ポンプ当りのコストを大きく低減させることができる。

可撓性部材を軸方向に変位させて、軸受に軸方向に予荷重をかけることができる。

弾性支持体は、鍛鋼、アルミニウム、チタン、リン青銅、ベリリウム銅、アルミニウム合金、及びチタン合金などの金属材料で形成されることが好ましい。この場合、弾性支持体の径方向及び軸方向剛性は、温度又は時間と共に、すなわちクリープにより変化することはない。弾性支持体の軸方向剛性は、５００から１０，０００Ｎ／ｍｍまでの範囲であることが好ましく、５００から１，０００Ｎ／ｍｍまでの範囲であることがさらに好ましく、６００から８００Ｎ／ｍｍまでの範囲であることが最も好ましく、この結果、ポンプ作動中における駆動シャフトの軸方向の動きが最小となり、ひいてはポンプ作動中にポンプ機構の部品間のほとんど隙間のない軸方向間隙を実質的に維持できるようになる。

少なくとも１つのエラストマ減衰部材を弾性支持体上に装着して、径方向振動を減衰させることが好ましい。この減衰部材は、弾性支持体の末端面に形成された環状溝内に適宜配置することができる。

ポンプ機構は、ロータ部品及びステータ部品の一方が、ロータ部品及びステータ部品の他方の方向へ延びるとともに複数の螺旋状の流路を定める側面を有する複数の壁を備えたシーグバーンポンプ機構であってもよい。或いは、ポンプ機構は、ゲーデポンプ機構又は再生ポンプ機構であってもよい。

ポンプ機構は、駆動シャフト上に配置された複数の上記ロータ部品と、ハウジング上に装着されロータ部品間に配置された複数の上記ステータ部品とを含むことができる。

ポンプ機構の上流にターボ分子ポンプ機構を設けることもできる。

次に、添付図面を参照しながら本発明の好ましい特徴について例示的に説明する。

真空ポンプの一部の断面図である。 図１に示す部分の拡大図である。 図２の線Ｘ−Ｘに沿って切り取った弾性支持体の断片の斜視図である。

まず図１を参照すると、真空ポンプ１０が、ハウジング１２と、ハウジング１２に対して長手方向軸線１６を中心に回転するために軸受装置により支持された駆動シャフト１４とを含む。ハウジング１２内にモータ１８を配置して駆動シャフト１４を回転させる。真空ポンプ１０はまた、少なくとも１つのポンプ機構２０も含み、この例では、このポンプ機構はシーグバーンポンプ機構により実現されるが、シーグバーンポンプ機構、ゲーデポンプ機構、及び再生ポンプ機構のうちの１又はそれ以上を含むことができる。ポンプ機構２０の上流にターボ分子ポンプ機構（図示せず）を設けることもできる。

図１に示すシーグバーンポンプ機構は、駆動シャフト１４上に装着され且つ駆動シャフト１４と共に回転するインペラ２２を備える。インペラ２２は、シーグバーンポンプ機構の複数のロータ部品２４、２６、２８を含み、これらのロータ部品は、駆動シャフト１４から外向きに、軸線１６に対して実質的に垂直方向に延びる平坦なディスク状部材の形態である。シーグバーンポンプ機構の複数のステータ部品を、ハウジング１２上に装着し、ロータ部品に近接して、これらの間に配置する。この例では、シーグバーンポンプ機構は、３つのロータ部品２４、２６、２８と２つのステータ部品３０、３２とを含むが、真空ポンプの要求される排出性能を満たすために、必要に応じて任意の数のロータ部品及びステータ部品を設けることができる。

各ステータ部品３０、３２は環状ステータ部品の形態であり、隣接するロータ部品の方向へ延びる複数の壁を備える。例えば、ステータ部品３０を参照すると、ステータ部品３０は、それぞれの側面上に配置された複数の壁３４、３６を備える。壁３４は、ロータ部品２４の方向へ延びるとともに、ステータ部品の一方の側面上に複数の螺旋状の流路を定める。壁３６は、ロータ部品２６の方向へ延びるとともに、ステータ部品の他方の側面上に複数の螺旋状の流路を定める。ステータ部品３２は、ステータ部品３０と同様の態様で形成される。ステータ部品３０、３２の壁の高さは、シーグバーンポンプ機構に沿って軸方向に低くなり、それにより、流路の容積が真空ポンプ１０の出口４０へ向けて徐々に減少して、ポンプ機構２０内を通過するガスを圧縮するようになる。各壁の端部は、隣接するロータ部品の相対する面から、図１に示す軸方向間隙ｙの分だけ離間される。

シャフト１４は、２つの軸受を含む軸受装置により支持され、これら２つの軸受を、シャフトのそれぞれの端部又は両端部の中間に位置決めすることができる。受動磁気軸受（図示せず）が、シャフト１４の第１の高真空部分を支持する。磁気軸受を使用してシャフト１４の高真空部分を支持することは、ポンプ機構を汚染する可能性のある潤滑剤を必要としないため好ましいことである。受動磁気軸受は軸方向に不安定であり、シャフト１４に能動的な軸方向の位置を提供できないため、転がり軸受４２がシャフト１４の第２の低真空部分を支持してこの軸方向の不安定性を相殺し、シャフト１４に能動的な軸方向の位置を提供する。

転がり軸受４２を図２にさらに詳細に示す。転がり軸受４２は、シャフト１４の低真空部分とポンプ１０のハウジング１２との間に配置される。転がり軸受４２は、シャフト１４に対して固定された内側レース４４と、外側レース４６と、ケージ５０により支持された複数の転動要素４８とを備えて、内側レース４４と外側レース４６との相対的回転を可能にする。摩擦と磨耗を最少化するために、油などの潤滑剤を使用して転がり軸受４２を潤滑して、転がり接触及び滑り接触している軸受部品とを隔てる耐荷重フィルムを確立する。この例では、潤滑剤供給システムは、ポンプ１０の潤滑剤リザーバからシャフト１４の一方の端部上に配置された円錐ナット５６のテーパ面５４に潤滑剤を供給するための１又はそれ以上の芯５２を含む遠心ポンプを備える。シャフト１４が回転すると、潤滑剤は、テーパ面５４に沿って軸受４２の（図における）下端部内へ移動する。遮蔽要素５８を設けて、軸受４２からの潤滑剤の漏出を抑えることができる。遮蔽体は、ばねクリップ又はその他の留め具により定位置に保持される別個の部品であってもよく、或いは外側レース４６の一体部分であってもよい。或いは、グリース（オイルと増粘剤との混合物）を使用して軸受４２を潤滑し、ポンプ１０を任意の向きで使用できるようにしてもよい。

ポンプ１０の使用中、シャフト１４及び軸受４２の振動を減衰させるために、軸受４２とハウジング１２との間に、ハウジング１２に対して軸受４２を径方向及び軸方向の両方向に支持する弾性支持体６０が設けられる。図３に示すように、弾性支持体６０は、支持体内にスロット６８を機械加工することにより形成される複数の一体形可撓性部材６６によって互いに連結された一体の内側及び外側環状部分６２、６４を有する金属部材を備える。各可撓性部材６６は、第１の弾性ヒンジ７０により内側部分６２に連結され、また第２の弾性ヒンジ７２により外側部分６４に連結される。

各可撓性部材６６は、内側及び外側環状部分６２、６４とほぼ同心状の細長い弓形部材の形状であり、図３に示すように周方向に整列されることが好ましい。このようにして、弾性支持体６０の可撓性部材６６により、弾性支持体６０の一体形板ばねが提供される。

弾性支持体６０の内側部分６２は、転がり軸受４２の外側レース４６の外表面に係合する、軸方向に延びる円筒状の内面７４を有する。図２に示すように、内側部分６２はまた、転がり軸受４２の外側レース４６の上面に係合して軸受４２を軸方向に支持するための、（図における）上端面７８に向けて位置する径方向内向きに延びる軸方向支持部７６も有し、それにより、軸受４２の内側レース４４と弾性支持体６０の外側部分６４との間に固定関係が存在するようになる。軸方向支持部７６は、軸方向すなわちシャフト１４の長手方向軸線１６と平行な方向に厚さｔを有する。弾性支持体６０の端面７８内に形成された環状溝８２内にエラストマ減衰リング８０が配置される。減衰リング８０は、溝８２内で比較的緩く径方向に嵌合するように設計される。

端面７８は、ハウジング１２の径方向に延びる面に係合し、一方、弾性支持体６０の外側部分６４の軸方向に延びる円筒状の面８４は、ハウジング１２の軸方向に延びる面に係合する。互いに螺合するねじ山により軸受ナット９０をハウジング１２に取り付けることにより、軸受ナット９０の（図における）上端面を弾性支持体６０の下端面９２に係合させて、弾性支持体６０をハウジング１２に対して保持するようにし、また、弾性支持体６０に軸方向に予荷重をかけるようにすることが好ましい。図２に示すように、軸受ナット９０は軸方向に延びる内面９４を有し、この面は、シャフト１４及び軸受４２の径方向の動きを制限するための径方向端停止面を提供する。軸受ナット９０はまた、（図における）上面９８を有する径方向に内向きに延びる部分９６も有し、シャフト１４及び軸受４２の（図における）下方向への軸方向の動きを制限するための軸方向端停止面を提供する。ハウジング１２は、シャフト１４及び軸受４２の（図における）上方向への軸方向の動きを制限するための相対する軸方向端停止面を提供する。

弾性支持体６０は、アルミニウム又はその合金、鍛鋼、ベリリウム銅、リン青銅、チタン又はその合金、又はその他の金属合金などの金属材料で形成される。弾性支持体６０の剛性は、スロット６８の形状、ひいては可撓性部材６６の形状により決定され、また有限要素分析を用いてこれを正確に推定することができる。シャフト１４からハウジング１２への振動の伝達を妨げるために、例えば５０から５００Ｎ／ｍｍまでの範囲、好ましくは２００Ｎ／ｍｍ付近などの比較的低い径方向剛性を有するように弾性支持体６０を容易に設計できることが判明した。ポンプ１０の使用中、例えば比較的高い不均衡によって、或いは臨界速度又はその前後の速度での作動時に、ロータ１４及び軸受４２が比較的大きく径方向に変位した場合、減衰リング８０が径方向に圧縮され、振動が径方向に減衰される。振動が比較的小さい場合、減衰リング８０による径方向の減衰はほとんど発生せず、従って振動はハウジング１２にほとんど伝達されない。

弾性支持体６０はまた、例えば５００から１０，０００Ｎ／ｍｍまでの範囲、好ましくは５００から１，０００Ｎ／ｍｍまでの範囲、さらに好ましくは６００から８００Ｎ／ｍｍまでの範囲といった比較的高い軸方向剛性を有することもでき、この結果ポンプ１０の動作中のシャフト１４の軸方向の動きが最小になる。この例では、弾性支持体６０の軸方向支持部７６の厚さｔが、軸受４２の内側レースと弾性支持体の外側部分との間の空間関係を決定し、これがさらにポンプ機構２０のロータ部品とステータ部品との間の軸方向間隙ｙを決定する。弾性支持体６０の高い軸方向剛性により、ポンプ１０の使用中、この軸方向間隙をほぼ一定値に維持することができ、この結果、ポンプ１０の使用中にほとんど隙間のない軸方向間隙を維持できるようになる。

Claims (16)

1. ハウジングと、該ハウジングに対して回転するために軸受装置により支持された駆動シャフトと、前記ハウジング上に装着されたステータ部品及び該ステータ部品に軸方向に近接して前記駆動シャフト上に装着されたロータ部品を含むポンプ機構と、を備えた真空ポンプであって、
   前記軸受装置は、複数の可撓性部材で連結された内側及び外側環状部分を含む金属製の弾性支持体により径方向及び軸方向の両方向に支持された軸受を含むことにより、該軸受の内側レースと前記弾性支持体の外側部分との間に固定関係が存在して、前記ポンプ機構の前記ロータ部品とステータ部品との間の軸方向の間隙を決定するようになる、
   ことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記可撓性部材の各々は、前記内側及び外側環状部分とほぼ同心状の細長い弓形部材である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記可撓性部材は周方向に整列される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
4. 前記可撓性部材は複数の前記弾性支持体の一体形板ばねを提供する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
5. 前記金属材料は、鍛鋼、アルミニウム、チタン、リン青銅、ベリリウム銅、アルミニウム合金、及びチタン合金のうちの１つを含む、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
6. 前記弾性支持体は、５００から１０，０００Ｎ／ｍｍまでの範囲の軸方向剛性を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
7. 前記弾性支持体は、５００から１，０００Ｎ／ｍｍまでの範囲の軸方向剛性を有する、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
8. 前記弾性支持体は、５０から５００Ｎ／ｍｍまでの範囲の径方向剛性を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
9. 前記弾性支持体上にエラストマ減衰部材が装着される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
10. 前記減衰部材は、前記弾性支持体の端面に形成された環状溝内に配置される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の真空ポンプ。
11. 前記ロータ部品及び前記ステータ部品の一方は、該ロータ部品及び該ステータ部品の他方の方向へ延びるとともに複数の螺旋状の流路を定める側面を有する複数の壁を備える、ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
12. 前記ポンプ機構はシーグバーンポンプ機構である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
13. 前記ポンプ機構はゲーデポンプ機構である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
14. 前記ポンプ機構は再生ポンプ機構である、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
15. 前記ポンプ機構は、前記駆動シャフト上に配置された複数の前記ロータ部品と、前記ハウジング上に装着され前記ロータ部品間に配置された複数の前記ステータ部品を備える、ことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
16. 前記ポンプ機構の上流にターボ分子ポンプ機構を備える、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の真空ポンプ。

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