JP2000161284A - ターボ真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ポンプ部の発生熱でロータ１が伸びた場合で
も、遠心羽根車４Ａと遠心ステータ４Ｂ、渦流羽根車５
Ａと渦流ステータ５Ｂの相対位置関係を適正に保ち、異
常時には排気ポンプ部を確実に保護できるようにする。 【解決手段】 排気口８に近い最終羽根車５ＡＥに隣接
してスラスト保護軸受１７を設け、ロータ１の両軸側に
設けたスラスト方向の位置検出センサ１９Ａ、１９Ｂの
出力からこの軸受１７のスラスト方向位置を検出してそ
の位置が動かないようにスラスト磁気軸受１４を制御す
る。こうして軸受１７の位置がロータの熱による伸長の
基点となり、ステータ５Ｂの熱による伸長の基点とほぼ
一致するので、羽根車とステータの相対位置関係を常に
適正に保てる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気口が大気圧、
または大気圧近傍の圧力となるように運転されるターボ
真空ポンプに係わり、特に電磁石の磁力によりロータを
浮上させ、非接触でロータを保持する磁気軸受を使用し
たターボ真空ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受によりロータを支持し、排気口
を大気圧、または大気圧近傍で運転するターボ真空ポン
プとしては、例えば特開平４-７２４９７号公報に記載
されている真空ポンプが知られている。この従来の真空
ポンプは、吸気口と排気口を有するポンプハウジング内
に、ジーグバーンポンプ要素と渦流型ポンプ要素からな
るポンプ部を備え、そのポンプロータをオーバーハング
構造で、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受により支
持している。ポンプロータのポンプ部上部には凹部を設
け、この凹部にスラスト方向位置の検出面を設けたキャ
ップ形の嵌合体を嵌合し、スラスト磁気軸受の電磁石を
制御するスラストギャップセンサをスラスト方向位置検
出面と対向する位置に設置し、さらにスラスト方向の位
置規制を行うスラストタッチダウン軸受を介装してい
る。スラスト磁気軸受は、スラストギャップセンサの検
出結果に基づきポンプ部のスラスト方向の隙間を一定に
保つように制御している。

【０００３】また、特開平６−１０１６８９号公報に
は、吸気口と排気口を有するハウジング内に排気ポンプ
部を有し、排気ポンプ部及びモータの一体ロータをその
両端側において軸受手段で支持し、ねじシールから成る
シール手段を吸気口の反排気ポンプ部側に近接して配設
し、また、ねじシールから成るシール手段の径を、排気
ポンプ部の少なくとも最終段の羽根車外径より大きく構
成したターボ真空ポンプが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した特開平４−７
２４９７号公報に記載の真空ポンプにおいては、ロータ
が回転すると吸気口から流入した気体は、ジーグバーン
ポンプ要素と渦流型ポンプ要素で圧縮され排気口から大
気に排気される。スラストギャップセンサ、スラスト保
護軸受がポンプ上部にあるため、片持ち支持のオーバー
ハング構造にしなければならなく、ポンプロータの重心
がラジアル磁気軸受よりも上になり磁気軸受の制御性が
悪く、過度的な外力に対してロータを安定に支持できな
くなる恐れがある。さらに、スラストギャップセンサ、
スラスト保護軸受がガスの流れるポンプ内にあり、腐食
性ガスを用いるエッチング装置、ＣＶＤ装置などの成膜
装置で使用することができないという問題がある。

【０００５】一方、特開平６−１０１６８９号公報に記
載のもので、ラジアル磁気軸受をロータの両側に設けて
いるから、高速回転に対しても安定になる。また、軸受
手段やギャップセンサ等を収納した軸受室とモータ室へ
排気ガスが侵入しないように、排気ポンプ部と軸受室や
モータ室との間にねじシールを介在させ、軸受室側から
パージガスを流す構造としているので、腐食性ガスを用
いる装置であっても問題なく使用できる。

【０００６】このロータ両側にラジアル軸受を設けたタ
ーボ真空ポンプの場合、スラスト磁気軸受は吸気口に近
い方の片端に設けられ、その近くのスラストセンサの出
力を用いてスラスト方向の位置決め制御を行っている。
しかしこの制御方法では以下に述べる問題があった。即
ち、このターボ真空ポンプにおいて、モータが回転する
とハウジングに対しロータの両端側のラジアル磁気軸受
と、軸端のスラスト磁気軸受で支持されているロータが
回転し、排気ポンプが作動して排気作用が行われ、排気
口を大気圧とし吸気口側を真空にする。このとき、ポン
プ部の圧縮作用により大きな熱が発生する。特に大気圧
付近で運転される排気ポンプ段の最終段の発熱量が大き
く、上流側、すなわち真空になるに従って発熱量は小さ
くなる。この発熱によりロータは熱膨張するが、この大
きさは吸気口から排気口に向かって次第に大きくなり、
かつ吸気口側端部を基点として伸びる。ところがステー
タは排気口に近い方でハウジングに固定されているか
ら、その固定位置を基点として吸気口の方へ向かって伸
びる。このため、ロータに取り付けられた羽根車とそれ
と対向するステータの、上記熱膨張による位置ずれが逆
方向になり、ポンプ動作を損なうことになる。さらに、
極端な場合は、ステータとロータの接触という事態を招
くこともある。

【０００７】本発明の目的は、大気圧から排気可能なタ
ーボ真空ポンプに磁気軸受を使用し、ポンプ部で発生す
る熱でロータが伸びた場合でもロータとステータの相対
位置関係を適正に保ち、異常時にはポンプ部のロータと
ステータを確実に保護することができるようにしたター
ボ真空ポンプを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、吸気口と排気
口を有するハウジング内にステータと回転自在に支持さ
れた羽根車により排気ポンプ部を形成し、この排気ポン
プ部の作用で吸気口から吸い込んだ気体を圧縮し排気口
より大気に排気するターボ真空ポンプにおいて、排気ポ
ンプ部及び排気ポンプ部を駆動するモータから成る一体
ロータの両端部をラジアル磁気軸受で支持し、前記一体
ロータの片端部をスラスト磁気軸受により支持すると共
に、前記排気ポンプ部の最終段羽根車に隣接してスラス
ト保護軸受を配置したことを特徴とするターボ真空ポン
プを開示する。

【０００９】更に本発明は、一体ロータの両端部の各々
にスラスト方向の位置検出センサを設け、さらにこの２
つのセンサ出力から前記スラスト保護軸受のスラスト方
向位置を検出し、該検出したスラスト方向位置が一定と
なるように前記スラスト磁気軸受を制御する制御手段を
設けたことを特徴とするターボ真空ポンプを開示する。

【００１０】更に本発明は、スラスト保護軸受の軸方向
間隔を、前記羽根車とステータとの間隔よりも小さく構
成したことを特徴とするターボ真空ポンプを開示する。

【００１１】更に本発明は、スラスト保護軸受を、滑り
タイプまたは転がりタイプの軸受としたことを特徴とす
るターボ真空ポンプを開示する。

【００１２】更に本発明は、パージガスを前記排気ポン
プ部へ導入して排気される気体と共に排気し、かつ前記
スラスト保護軸受の設置位置は前記パージガスの通路上
の前記最終段羽根車に隣接した位置であることを特徴と
するターボ真空ポンプを開示する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
により説明する。図１は、本発明になるターボ真空ポン
プの構成例を示す縦断面図である。図１において、吸気
口２を有するハウジング３内に、ポンプロータ１が収め
られており、このポンプロータ１には、多段の遠心羽根
車４Ａと多段の渦流羽根車５Ａが備えられている。遠心
羽根車４Ａのリターン流路には遠心ステータ４Ｂが備え
られ、遠心羽根車４Ａと共に遠心ポンプ段４を構成して
いる。渦流羽根車５Ａに対向して渦流ステータ５Ｂが備
えられ、渦流羽根車５Ａと共に渦流ポンプ段５を構成し
ている。この遠心ポンプ段４と渦流ポンプ段５により排
気ポンプ部を形成している。渦流ステータ５Ｂには通風
路５Ｃが設けられ、外周には冷却ジャケット６が設けら
れている。渦流ステータ５Ｂとハウジング３はベース７
に固定されている。またベース７には排気口８が設けら
れ、渦流ステータ５Ｂに設けられた通風路５Ｃと直列に
つながっている。

【００１４】ベース７の下方側、すなわち排気ポンプ部
の反対側には軸受室９Ａが設けられ、ポンプロータ１を
支持するラジアル磁気軸受１０Ａとポンプロータ１を駆
動するモータ１１が収められている。また軸端には滑り
タイプのラジアル保護軸受１２Ａが備えられており、軸
受室９Ａに収納されている。渦流ポンプ段５とモータ１
１の間には、ねじシール１３が配設されている。また、
軸受室９Ａと反対側のロータ軸側には、ラジアル磁気軸
受１０Ｂとスラスト磁気軸受１４が収納された軸受室９
Ｂがハウジング３に固定されている。このラジアル磁気
軸受１０Ｂとスラスト磁気軸受１４の間には滑りタイプ
のラジアル保護軸受１２Ｂが備えられている。遠心ポン
プ段４とラジアル磁気軸受１０Ｂの間には、ねじシール
１５が配設されている。

【００１５】図２は、渦流羽根車５Ａの最終段（図１で
は吸入口２側から８段目）近傍の構造を拡大して図示し
たもので、本発明の特徴とする部分である。即ち、前記
過流羽根車５Ａの最終段５ＡＥの背面には突起部１６が
設けられ、また滑りタイプのスラスト保護軸受１７が、
渦流ステータ５Ｂに取り付けられ、渦流羽根車５Ａの最
終段５ＡＥの背面と突起部１６の間に配置されている。
そしてスラスト保護軸受１７の軸方向隙間、すなわち渦
流羽根車５Ａの最終段背面と保護軸受１７、突起部１６
とスラスト保護軸受１７間の隙間は、排気ポンプ部各段
の羽根車４Ａ、５Ａとステータ４Ｂ、５Ｂ間の軸方向隙
間よりも小さく設定されている。さらに２つのラジアル
磁気軸受１０Ａ、１０Ｂの近くにはラジアル方向位置検
出センサ１８Ａ、１８Ｂとスラスト方向位置検出センサ
１９Ａ、１９Ｂが設けられているが、後者のスラストセ
ンサを２ヶ所に設けているのも本発明の特徴である。

【００１６】次に上述した図１のポンプの動作を説明す
る。ポンプロータ１をモータ１１により高速駆動する
と、吸気口2から流入した気体は、遠心ポンプ段４と渦
流ポンプ段５によって形成される通風路内で順次圧縮さ
れ、排気口８より大気に排出される。渦流ポンプ段５
は、大気圧から数百Ｐａの粘性流域を受持ち、遠心ポン
プ段４は、分子流、中間流域で作用する。ターボ真空ポ
ンプの吸気口２から流入し、遠心ポンプ段４で圧縮され
た気体は、渦流ポンプ段５の最上段吸入口から通風路５
Ｃ内に入り、渦流羽根車５Ａの最上段の羽根に流入す
る。ここで高速で回転する羽根により気体が周方向の速
度を得て遠心力によって羽根間から半径方向に排出さ
れ、通風路５Ｃ内で減速して圧力回復をした後、渦を描
いて再び次段の羽根間に入る。こうして流入した気体は
順次通風路５Ｃを吸入口から排出口まで通り抜ける間に
上記の作用を数回繰返し、通風路５Ｃ内を螺旋ねじ状に
流れて渦流羽根車５Ａから十分エネルギーを得ることが
でき、最終段の排気ダクト８Ａと直列に接続されている
排気口８から大気に排気される。渦流ポンプ段５の内部
圧力は、最終段の排出口が大気圧で最上段の吸入口が数
百Ｐａの圧力である。ポンプ定常状態では、ポンプ吸気
口２から気体の流入がなく、渦流ポンプ段５で所望の圧
力が得られると、遠心羽根車４Ａは、ら旋溝を有した回
転円板として作用し、内径側から外径側に向けて作用す
るドラッグポンプとして働く。また遠心ステータ５Ｂの
複数個の羽根は、ら旋溝を有した固定円板として作用
し、外径側から内径側に向けて圧縮作用するドラッグポ
ンプとして働き、気体を圧縮し、ターボ真空ポンプの到
達圧力を十分低くすることができる。

【００１７】上記したポンプ作用において、吸気口２か
ら流入した気体を、遠心ポンプ段４と渦流ポンプ段５で
圧縮することにより熱が発生する。特に、大気圧から数
百Ｐａの圧力域を受け持つ渦流ポンプ段５の最終段付近
の発熱量が大きく、上流側、すなわち真空になるに従っ
て発熱量は小さくなる。この軸方向に沿って不均一な発
熱により、ポンプロータ１と過流ステータ５Ｂが熱膨張
により伸びた場合に、従来技術では前述したような問題
があった。この問題点に対応するために、本発明ではス
ラスト位置検出センサ１９Ａ、１９Ｂの出力によって渦
流ポンプ段５の最終段羽根車５ＡＥの背面に配置したス
ラスト保護軸受１７付近を基準点として、その位置が変
化しないようにスラスト磁気軸受１４を制御している。
即ち、スラスト位置検出センサ１９Ａ、１９Ｂは直列に
接続されて変位量を検出し、その変位量に対応して渦流
羽根車５Ａの最終段の背面の位置が変化しないようにス
ラスト磁気軸受１４を制御し、ロータを浮上させてい
る。この制御と、ラジアル位置検出センサ１８Ａ、１８
Ｂ出力からポンプロータ１のセンサ１８Ａ、１８Ｂの中
点の移動量の検出と、その検出された移動量にもとづく
ラジアル磁気軸受１０Ａ、１０Ｂの制御とは、図示を省
略したコントローラにより行われる。こうして、ポンプ
ロータ１のスラスト保護軸受１７付近の基準点がスラス
ト方向に移動しないように制御されることにより、ポン
プロータ１はその基準点から両軸端側に伸びることにな
る。一方渦流ステータ５Ｂは、ベースに固定されている
ため、熱膨張によって吸気口２側に伸びる。すなわち、
排気ポンプ部の羽根車４Ａ、５Ａとステータ４Ｂ、５Ｂ
は同じ方向に伸び、羽根車４Ａ、５Ａとステータ４Ｂ、
５Ｂの相対位置関係を適正に保つことができる。また、
軸方向浮上位置の基準点にスラスト保護軸受１７を配置
しているため、ターボ真空ポンプの軸方向隙間の中で、
一番狭いスラスト保護軸受１７部の軸方向隙間をほぼ一
定に保つことができ、磁気軸受１０Ａ、１０Ｂ、１４が
制御不能になるなどのポンプ異常時には、保護軸受１２
Ａ、１２Ｂ、１７がポンプ部を確実に保護することがで
きる。

【００１８】なお、図１の構成例では、保護軸受１２
Ａ、１２Ｂ、１７を滑りタイプとしたが、これらの保護
軸受を転がり軸受とすることもできる。転がり軸受には
外輪と玉、玉と内輪に軸受すきまがあり、保護軸受自体
にすきまが必要で、これに対応してポンプ部のロータと
ステータの軸方向隙間を広くしなければならないという
不利な点がある。これに対し、滑りタイプの保護軸受で
は、保護軸受自体の隙間が無いため、ポンプ部の羽根車
４Ａ、５Ａとステータ４Ｂ、５Ｂ間の隙間を転がりタイ
プの保護軸受を使用したときよりも狭くすることがで
き、ポンプ性能を向上することができる。一方、転がり
軸受タイプを使用した場合には、ポンプ部隙間を広くし
なければならないが、ポンプロータ１を磁気軸受１０
Ａ、１０Ｂ、１４で支持できなくなった場合のポンプ異
常時に、ポンプロータ１を滑らかに停止させることがで
き、保護軸受の寿命を長くすることができる。すなわ
ち、保護軸受の交換などのメンテナンス周期を長くする
ことができ、メンテナンスフリーの磁気軸受の利点をさ
らに生かすことができるという利点がある。

【００１９】以上の、本発明の特徴とする構成と動作に
加えて、図１の構成例では、前記の特開平６−１０１６
８９号公報の技術と同様に、ポンプロータ１を両端の磁
気軸受で支持し、ポンプロータ１の重心位置が２つのラ
ジアル磁気軸受１０Ａ、１０Ｂの間にあるようにしてい
る。そのため、ポンプロータ１の加速中や過渡的な運転
時や地震その他の外力が加わるときにも、ポンプロータ
１を安定して支持することができ、ターボ真空ポンプを
安全に運転することができる。また同様に、ポンプロー
タ１を支持している磁気軸受１０Ａ、１０Ｂ、１４、ポ
ンプロータ位置を検出するセンサ１８Ａ、１８Ｂ、１９
Ａ、１９Ｂ、ポンプロータ１を駆動するモータ１１など
の電装品や保護軸受１２Ａ、１２Ｂ、１７は、ポンプロ
ータ１の両軸側の軸受室９Ａ、９Ｂに収納され、排気ポ
ンプ部と軸受室９Ａ、９Ｂの間には非接触のねじシール
１３、１５が配置されている。そのため、電装品などの
部品は腐食性ガスが流れるポンプ流路内に無く、腐食な
どの不具合が生じることがない。さらに、軸受が収納さ
れている軸受室９Ａ、９Ｂに窒素などの不活性ガスをパ
ージしてやることで、腐食性ガスから磁気軸受１０Ａ、
１０Ｂ、１４センサ１８Ａ、１８Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ、
モータ１１、保護軸受１２Ａ、１２Ｂ、１７を確実に守
ることができ、エッチング装置、ＣＶＤ装置などの成膜
装置でも使用することができる。

【００２０】さらに、図２にみられるように、過流羽根
車５Ａの最終段５ＡＥとロータ半径方向に対向する過流
ステータ５Ｂの部分には、排気口８に通ずる排気ダクト
８Ａが設けられ、軸受９Ａから送られたパージガスがこ
の排気ダクト８Ａから排気口８へと送られる。従って、
スラスト保護軸受１７は排気ポンプ部にあるが、上記の
パージガスが図２の矢印Ｐのように流れることで、排気
される腐食性ガス等によりスラスト保護軸受１７が腐食
されることはない。但し図２は、排気ダクト８Ａを含む
断面図としている。

【００２１】なお、図１に示すターボ真空ポンプでは、
遠心ポンプ段２段、渦流ポンプ段８段で構成されている
が、ポンプ性能は、ポンプロータ回転数やポンプ段数な
どによって変化するものであり、図示されたものに限定
されるものではない。また、スラスト磁気軸受１４は、
軸受室９Ｂに収納されロータ軸端に配設されているが、
図示されたものに限定されるものではない。さらに、ポ
ンプ要素の組合せとして、遠心ポンプ段４と渦流ポンプ
段５を用いたもので説明してきたが、軸流段、ねじ溝段
などのターボ形の要素を組合わせてターボ真空ポンプと
してもよい。また、排気ポンプ部と軸受室９Ａ、９Ｂの
シールにねじシール１３、１５を用いたが、フローティ
ングリングシールやラビリンスシール、またはそれらを
組み合せた非接触シール手段でも同様な効果を得ること
ができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、ポンプ部で発生する熱
でロータが伸びた場合でもロータとステータの相対位置
関係を適正に保つことができ、異常時にはポンプ部のロ
ータとステータを確実に保護できる磁気軸受型のターボ
真空ポンプを実現できる。さらに磁気軸受の制御性が良
く、腐食性ガスを用いるエッチング装置、ＣＶＤ装置な
どの成膜装置でも使用することができる、大気圧から排
気可能なターボ真空ポンプを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるターボ真空ポンプの構成例を示す
縦断面図である。

【図２】スラスト保護軸受部を拡大して示した縦断面図
である。

【符号の説明】

１ ポンプロータ ２ 吸気口 ３ ハウジング ４ 遠心ポンプ段 ４Ａ 遠心羽根車 ４Ｂ 遠心ステータ ５ 渦流ポンプ段 ５Ａ 渦流羽根車 ５Ｂ 渦流ステータ ５Ｃ ステータ通風路 ６ 冷却ジャケット ７ ベース ８ 排気口 ９Ａ、９Ｂ 軸受室 １０Ａ、１０Ｂ ラジアル磁気軸受 １１ モータ １２Ａ、１２Ｂ ラジアル保護軸受 １３ 排気口側ねじシール １４ スラスト磁気軸受 １５ 吸気口側ねじシール １６ 突起部 １７ スラスト保護軸受 １８Ａ、１８Ｂ ラジアル位置検出センサ １９Ａ、１９Ｂ スラスト位置検出センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真瀬 正弘 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内 (72)発明者 小谷野 眞次 千葉県習志野市屋敷４−３−１ セイコー 精機株式会社内 (72)発明者 木下 裕一 千葉県習志野市屋敷４−３−１ セイコー 精機株式会社内 (72)発明者 野村 慎一 千葉県習志野市屋敷４−３−１ セイコー 精機株式会社内 Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA06 CA12 CA13 CA15 CA16 CA20 DA01 DA08 DA09 DA14 DA16 3H031 DA01 DA04 DA05 EA00 EA01 EA05 EA09 EA12 EA15 FA11 FA13 FA16 FA33 FA36

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気口と排気口を有するハウジング内に
   ステータと回転自在に支持された羽根車により排気ポン
   プ部を形成し、この排気ポンプ部の作用で吸気口から吸
   い込んだ気体を圧縮し排気口より大気に排気するターボ
   真空ポンプにおいて、排気ポンプ部及び排気ポンプ部を
   駆動するモータから成る一体ロータの両端部をラジアル
   磁気軸受で支持し、前記一体ロータの片端部をスラスト
   磁気軸受により支持すると共に、前記排気ポンプ部の最
   終段羽根車に隣接してスラスト保護軸受を配置したこと
   を特徴とするターボ真空ポンプ。
2. 【請求項２】 前記一体ロータの両端部の各々にスラス
   ト方向の位置検出センサを設け、さらにこの２つのセン
   サ出力から前記スラスト保護軸受のスラスト方向位置を
   検出し、該検出したスラスト方向位置が一定となるよう
   に前記スラスト磁気軸受を制御する制御手段を設けたこ
   とを特徴とする請求項１に記載のターボ真空ポンプ。
3. 【請求項３】 前記スラスト保護軸受を、滑りタイプま
   たは転がりタイプの軸受としたことを特徴とする請求項
   １または２に記載のターボ真空ポンプ。
4. 【請求項４】 パージガスを前記排気ポンプ部へ導入し
   て排気される気体と共に排気し、かつ前記スラスト保護
   軸受の設置位置は前記パージガスの通路上の前記最終段
   羽根車に隣接した位置であることを特徴とする請求項１
   〜３の内の１つに記載のターボ真空ポンプ。