JP2014173432A - 真空ポンプ - Google Patents
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Abstract
【課題】低振動で玉軸受の放熱特性に優れた真空ポンプの提供。
【解決手段】真空ポンプは玉軸受を保持する軸受保持部50を備え、その軸受保持部50は、内周側に外輪を保持し、外周側に凸部511および凹部512が周方向に交互に複数形成された内側保持リング51と、内側保持リング51の外周側に配置されるようにベース2に固定され、複数の凹部512と対向する複数の凸部521および複数の凸部511と対向する複数の凹部522が内周側に形成された外側保持リング52と、内周面の一部が複数の凸部511に接触し、かつ、外周面の一部が複数の凸部521に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、内側保持リング51および外側保持リング52との間を周回するように介装されている板バネ53と、を備える。
【選択図】図3
【解決手段】真空ポンプは玉軸受を保持する軸受保持部50を備え、その軸受保持部50は、内周側に外輪を保持し、外周側に凸部511および凹部512が周方向に交互に複数形成された内側保持リング51と、内側保持リング51の外周側に配置されるようにベース2に固定され、複数の凹部512と対向する複数の凸部521および複数の凸部511と対向する複数の凹部522が内周側に形成された外側保持リング52と、内周面の一部が複数の凸部511に接触し、かつ、外周面の一部が複数の凸部521に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、内側保持リング51および外側保持リング52との間を周回するように介装されている板バネ53と、を備える。
【選択図】図3
Description
本発明は、玉軸受を軸受に用いた真空ポンプに関する。
ターボ分子ポンプ等の真空ポンプでは、ロータは数万rpmの回転数で回転駆動される。このように高速回転するロータを有する真空ポンプにおいては、共振振動などの回転に起因するロータの振動がポンプベース側に伝わってポンプ本体の振動を招くという問題がある。そのため、ロータを支持する軸受に玉軸受を用いている真空ポンプにおいては、振動遮断を目的として、玉軸受や軸受ハウジングをOリング等のエラストマー弾性体を介して保持する構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。エラストマー弾性体は熱伝達性能に劣るので、特許文献1に記載の真空ポンプにおいては、玉軸受が保持されているスリーブからスリーブケースへの放熱性を改善するために、円板状の放熱板がスリーブとスリーブケースとに接続されている。
しかしながら、Oリング等のエラストマー弾性体では振動遮断性能が十分ではなく、特に、Oリングをスラスト方向に配置した場合には、径方向の振動に対して剛性が比較的大きいという問題がある。また、Oリングを構成するエラストマー弾性体の経年変化により振動遮断特性が変化してしまうという欠点も有している。さらに、放熱板はポンプ軸方向の変形に関しては剛性が小さいが、径方向の変形に対しては比較的剛性が高いので、振動減衰性を損なうという欠点がある。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータの軸を回転自在に支持する玉軸受と、ロータを回転駆動するモータと、モータが設けられたポンプベースに固定され、玉軸受の外輪を保持する軸受保持部と、を備え、軸受保持部は、内周側に外輪を保持し、外周側に第1凸部および第1凹部が周方向に交互に複数形成された第1保持リングと、第1保持リングの外周側に配置されるようにポンプベースに固定され、複数の第1凹部と対向する複数の第2凸部および複数の第1凸部と対向する複数の第2凹部が内周側に形成された第2保持リングと、内周面の一部が複数の第1凸部に接触し、かつ、外周面の一部が複数の第2凸部に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、第1および第2保持リングとの間を周回するように介装されている板バネと、を備える。
さらに好ましい実施形態では、板バネには、第1凸部との接触領域と第2凸部との接触領域との間に、軸方向に長く延びたスリットが形成されている。
さらに、第1および第2保持リングの少なくとも板バネと接触する面には、該第1および第2保持リングよりも摩擦係数の小さな膜が形成されているのが好ましい。
さらに好ましい実施形態では、第1保持リング、第2保持リングおよび板バネの少なくとも一つが制振合金で形成されている。
さらに好ましい実施形態では、第1および第2凸部に、板バネの軸方向端部と接触する鍔部を形成されている。
さらに好ましい実施形態では、板バネには、第1凸部との接触領域と第2凸部との接触領域との間に、軸方向に長く延びたスリットが形成されている。
さらに、第1および第2保持リングの少なくとも板バネと接触する面には、該第1および第2保持リングよりも摩擦係数の小さな膜が形成されているのが好ましい。
さらに好ましい実施形態では、第1保持リング、第2保持リングおよび板バネの少なくとも一つが制振合金で形成されている。
さらに好ましい実施形態では、第1および第2凸部に、板バネの軸方向端部と接触する鍔部を形成されている。
本発明によれば、低振動で玉軸受の放熱特性に優れた真空ポンプを提供することができる。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図1は本発明に係る真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ1の断面図である。なお、ターボ分子ポンプ1には電力を供給する電源ユニットが接続されるが、図1では図示を省略した。
図1に示すターボ分子ポンプ1は、排気機能部として、タービン翼を備えたターボポンプ部と、螺旋型の溝を備えたHolweckポンプ部とを備えている。もちろん、本発明は、排気機能部にターボポンプ部およびHolweckポンプ部を備えた真空ポンプに限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプや、ジーグバーンポンプやHolweckポンプなどのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプや、それらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。
ターボポンプ部は、ロータ3に形成された複数段の回転翼30とベース2側に配置された複数段の固定翼20とで構成される。一方、ターボポンプ部の下流側に設けられたHolweckポンプ部は、ロータ3に形成された一対の円筒部31a,31bと、ベース2側に配置された一対のステータ21a,21bとで構成されている。円筒状のステータ21a,21bの内外周面の内、円筒部31a,31bと対向する周面には螺旋溝が形成されている。
ロータ3はシャフト10に締結されて、ロータ3とシャフト10とは一体の回転体ユニットを構成している。シャフト10はモータ4により回転駆動される。モータロータ4aはシャフト10に設けられ、モータステータ4bは、ベース2のモータハウジング部2aに設けられている。シャフト10の上側は永久磁石6a,6bを用いた永久磁石磁気軸受6により非接触支持され、シャフト10の下側は玉軸受8により回転自在に支持されている。
永久磁石6a,6bは、軸方向に磁化されたリング状の永久磁石である。ロータ3に設けられた複数の永久磁石6aは、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。一方、固定側の複数の永久磁石6bは、ポンプケーシング12に固定された磁石ホルダ11に装着されている。これらの永久磁石6bも、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。
ロータ3に設けられた永久磁石6aの軸方向位置は、その内周側に配置された永久磁石6bの位置よりも若干上側となるように設定されている。すなわち、回転側の永久磁石6aの磁極は、固定側の永久磁石6bの磁極に対して軸方向に所定量だけずれている。永久磁石6aと永久磁石6bとの反発力により、ラジアル方向の支持力と軸方向上向きの(ポンプ開口方向)力とが回転体ユニットに作用している。永久磁石磁気軸受6の支持力は、上述した軸方向のずれ量の大きさによって異なる。
磁石ホルダ11の内周側には、玉軸受9が保持されている。玉軸受9は、シャフト上部のラジアル方向の振れを制限するタッチダウンベアリングとして機能するものである。ロータ3が定常回転している状態では、シャフト10と玉軸受9とは接触することはなく、大外乱が加わった場合や、回転の加速時または減速時にロータ3の振れ回りが大きくなった場合に、シャフト10が玉軸受9の内輪に接触する。玉軸受8,9には、例えば深溝玉軸受が用いられる。下側の玉軸受8にはグリースが封入されている。
図2は、玉軸受8の保持構造を詳細に示す図である。また、図3は、軸受保持部50の横断面、すなわち、シャフト10に垂直な面で断面した場合の断面図である。なお、図2は、図3のA−A断面を示したものである。
図2に示すように、玉軸受8は、内輪8aがスラストナット17によりシャフト10に固定されている。玉軸受8の外輪8bは、軸受保持部50によって保持されている。軸受保持部50は、内側保持リング51、外側保持リング52および板バネ53を備えている。外側保持リング52は、ベース2に装着され、スラストストッパ18によってベース2に固定される。板バネ53は、内側保持リング51と外側保持リング52とを弾性的に連結する部材である。板バネ53は、帯状のバネ材を、内側保持リング51と外側保持リング52との間で、表裏面が径方向を向くように1周以上周回させたものである。
図3に示すように、内側保持リング51の外周側には、径方向に突出する凸部511が周方向に等間隔で複数形成されている。隣接する凸部511と凸部511との間は凹部512を形成している。図3に示す例では、凸部511および凹部512は8個ずつ形成されている。すなわち、凸部511同士および凹部512同士の角度間隔は45degに設定されている。外側保持リング52の内周側には、径方向に突出する凸部521が周方向に等間隔で複数形成されている。隣接する凸部521と凸部521との間は凹部522を形成している。外側保持リング52には、凸部521および凹部522が8個ずつ形成されている。外側保持リング52は、凸部521が内側保持リング51の凹部512に対向し、凹部522が内側保持リング51の凸部511に対向するように配置されている。なお、本実施の形態では、凸部511,521の数はそれぞれ8個であるが、これらの数は8個に限定されるものではなく、3個以上であればいくつであっても良い。
図3に示す例では、板バネ53は、内側保持リング51と外側保持リング52との間を1周よりも若干多く周回しており、板バネ53の両端部分は符号Dで示す部分において重なり合っている。図2に示すように、内側保持リング51の凸部511の軸方向両端には、鍔部511a,511bが径方向に突出するように形成されている。また、外側保持リング52の凸部521の軸方向上端には、鍔部521aが径方向に突出するように形成されている。
鍔部511a,511bの軸方向間隔は、板バネ53の幅寸法(軸方向寸法)よりも大きく設定されている。上述したように、回転体ユニットは、ポンプ吸気口方向に引き上げるような力を永久磁石磁気軸受6から受けているので、下側の鍔部511bが板バネ53の下端に当接している。一方、外側保持リング52の凸部521においては、板バネ53の上端が鍔部521aに当接している。その結果、回転体ユニットの軸方向位置が決まる。
内側保持リング51の図示上側への変位は、外側保持リング52の上端に形成されたリング部523によって規制される。逆に、内側保持リング51の図示下側への移動は、スラストストッパ18によって規制される。なお、隙間h1は、内側保持リング51が図示上側へ移動したときに、板バネ53が座屈しないような寸法に設定される。また、隙間寸法h2は、内側保持リング51が図示下側へ移動した場合に、永久磁石6bに対する永久磁石6aのズレ方向が逆転しないような寸法に設定される。
図4は、図3の凸部511、521の部分を拡大して示した図である。板バネ53が接触する凸部511、521の頂部の半径寸法R1,R2は、板バネ53の厚さをtとしたとき、「R1+t>R2」のように設定される。このとき、Δ=R1+t−R2が大きいほど径方向の剛性が大きくなるので、所望の剛性が得られるようにΔを設定する。
なお、点Oは、内側保持リング51の中心軸の位置を示す。このように寸法を設定することにより、板バネ53は凸部511により径方向外側に変形されるとともに、凸部521によって径方向内側に変形され、波形状に弾性変形する。その結果、内側保持リング51は、板バネ53によって、外側保持リング52に対してほぼ同軸となるように保持される。
凸部511,521の頂部は凸状に形成されている。図4に示す例では、いずれの頂部も円弧面で形成されており、円弧面の両端はR形状に形成されている。このように、凸部511,521の頂部の面形状を外側に凸とすることにより、板バネ53との接触面積を大きくすることができる。各頂部の面形状は、板バネ53の撓み易さやR1,R2の寸法等に応じて、接触面積が可能な限り大きくなるように決定される。図4の例では頂部を円弧面としたが、凸部511,521の頂部形状を図5(a)に示すように平面状とした場合、板バネ53は、符号Bで示す頂部の両端(R形状部)の2箇所において接触することとになる。また、図5(b)に示すように、平面の中央部を突出させた山形形状とすれば、中央部と両端部の3箇所で接触させることもできる。凸部511、521と板バネ53との接触面積が大きいほど、内側保持リング51から外側保持リング52への熱伝達特性が向上する。
図7は、板バネ53を保持リング51、52の間に装着する際に用いられる治具の一例を示したものである。この装着用ジグは、内側治具61と外側治具62とを有しており、いずれも筒部材である。図7において、(a)は治具61、62の板バネ挿入側の断面図であり、(c)は治具61、62の板バネ排出側の断面図であり、(b)は中間位置における断面を示したものである。
内側治具61の外周面には、内側保持リング51の凸部511と同数の凸部611が形成されている。外側治具62の内周面には、外側保持リング52の凸部521と同数の凸部621が形成されている。中心軸Oから各凸部611,621の頂部までの半径R11,R21は、挿入側(図7(a))ではR11<R21のように設定され、排出側ではR11>R21のように設定されている。すなわち、挿入側から排出側に近づくにつれて、凸部611,621が凹部側に食い込むような形状となっている。図7に示す例では、排出側の断面形状は、図3に示す保持リング51,52の断面形状と同一となっている。
板バネ53は挿入側から治具61,62間の隙間に挿入される。挿入側では、板バネ53の形状は円弧状であるが、排出側に近づくに連れて波板状に変形される。そして、波板状に変形されて両端部が重なり合った形状の板バネ53は、治具61,62の排出側から排出され、保持リング51,52の隙間に挿入される。
玉軸受8を保持する軸受保持部50は、玉軸受8(すなわちシャフト10)を軸方向所定位置に保持するとともに、径方向に関しては玉軸受8を柔軟に保持している。すなわち、板バネ53の幅方向を軸方向と一致させることで、内側保持リング511の軸方向への変位に対しては剛性を高めている。また、内側保持リング51が径方向へ変位すると板バネ53が撓むことになるが、板バネ53の弾性係数を小さく設定することにより径方向変位に対する剛性を小さく設定することができる。その結果、シャフト振動のポンプベース側への伝達を低減することができる。
また、板バネ53の変形や、板バネ53の接触面における摩擦によるエネルギー吸収によって、シャフト10の振動に対する減衰効果も得られる。なお、一般的には、板バネ53にはバネ鋼が用いられ、内側保持リング51、外側保持リング52、スラストナット17にはステンレス材が用いられるが、例えば、Mn−Cu−Ni−Fe系合金等の制振合金を用いることにより、制振効果を向上させることができる。制振効果とは、シャフト10からベース2へと伝達される振動を遮断する振動減衰効果とは異なり、制振合金により振動エネルギーの一部を吸収して、シャフト10の振動そのものを減少させる効果のことである。
また、板バネ53が接触する部分である凸部511、521および鍔部511b,521aや、内側保持リング51の下方への変位を規制するスラストストッパ18の表面に、摺動性に優れた保護膜(DLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜や窒化膜等)を形成するようにしても良い。そのような保護膜を形成することにより、接触面における摩擦が小さくなることで接触面における引っ掛かりが防止され、内側保持リング51がよりスムーズに変位することができる。また、DLC膜や窒化膜は耐摩耗性にも優れているので、接触面における摩耗を低減することができる。
なお、保護膜は、内側保持リング51および外側保持リング52の全面に形成しても良いし、接触部を含む一部に形成しても良い。また、接触部における摩擦が低減されるように、軸受保持部50内にグリース等の潤滑剤を配しても良い。
さらに、軸受保持部50には、玉軸受8で発生する熱をポンプベース側に放熱する機能も要求される。本実施の形態の軸受保持部50では、金属製の板バネ53を介して内側保持リング51を外側保持リング52に接触させているので、従来のようにエラストマー弾性体を介装する構造に比べて、外輪8bからベース2への放熱特性を向上させることができる。
なお、図3に示す例では、板バネ53の周回数を1周としているが、板バネ53の板厚をより薄くして2周以上周回させるようにしても良い。
(変形例)
図6は板バネ53の変形例を示す図である。図6(a)は図4の場合と同様の拡大図であり、図6(b)は板バネ53を外側保持リング52側から見た図である。板バネ53には、板バネ53の幅方向(ポンプ軸方向)に延びるスリット530が複数形成されている。各スリット530は、凸部511との接触領域C1と、凸部521との接触領域C2との間に配置されている。
図6は板バネ53の変形例を示す図である。図6(a)は図4の場合と同様の拡大図であり、図6(b)は板バネ53を外側保持リング52側から見た図である。板バネ53には、板バネ53の幅方向(ポンプ軸方向)に延びるスリット530が複数形成されている。各スリット530は、凸部511との接触領域C1と、凸部521との接触領域C2との間に配置されている。
このようなスリット530を形成することにより、スリット530を形成しない場合(図3、4)と比べて、内側保持リング51の径方向変位に対する板バネ53の剛性を小さくすることができる。一方、スリット530は幅方向に延びているので、スリット530を形成したことによる幅方向の剛性低下は小さい。そのため、スリット530を設けることにより、幅方向と径方向との剛性の比を調整することが可能である。
以上説明したように、本実施の形態における軸受保持部50は、内周側に外輪8bを保持し、外周側に凸部511および凹部512が周方向に交互に複数形成された内側保持リング51と、内側保持リング51の外周側に配置されるようにベース2に固定され、複数の凹部512と対向する複数の凸部521および複数の凸部511と対向する複数の凹部522が内周側に形成された外側保持リング52と、内周面の一部が複数の凸部511に接触し、かつ、外周面の一部が複数の凸部521に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、内側保持リング51および外側保持リング52との間を周回するように介装されている板バネ53と、を備える。
軸受保持部50においては、玉軸受8の外輪8bを保持する内側保持リング51は、波板状に弾性変形した板バネ53のみによって外側保持リング52に連結されることになる。帯状の板バネ53は、幅方向が軸方向と一致しているので、内側保持リング51の径方向の変位に対しては剛性を非常に小さくすることができ、軸方向の変位に関しては充分大きな剛性を得ることができる。その結果、優れた振動減衰性(振動遮断性能)が得られる。さらに、内側保持リング51および外側保持リング52に複数の凸部511、521を形成して、板バネ53を、複数の凸部511、521に対して面接触(図3)または複数の線接触をさせるようにしているので、玉軸受8からベース2への放熱性能を向上させることができる。
また、板バネ53には、凸部511との接触領域C1と凸部521との接触領域C2との間に、軸方向に長く延びたスリット530が形成されているので、軸方向の剛性を確保しつつ、径方向の剛性を充分小さくすることができる。
さらに、内側保持リング51および外側保持リング52の少なくとも板バネ53と接触する面に、内側保持リング51および外側保持リング52よりも摩擦係数の小さな保護膜(例えば、DLC膜や窒化膜)を形成することで、内側保持リング51の径方向への滑らかな移動を妨げる引っ掛かり等を防止することができる。
また、内側保持リング51、外側保持リング52および板バネ53の少なくとも一つをMn−Cu−Ni−Fe系合金等の制振合金で形成することで、シャフト10の振動そのものを減少させる制振効果を生じさせることができる。その結果、低振動な真空ポンプを提供することができる。
さらに、凸部511、521に板バネ53の軸方向端部(幅方向端部)と接触する鍔部511b,521aを形成することで、この接触部における摩擦による制振効果を発生させることができる。内側保持リング51が径方向に振動したときに板バネ53が変形すると、板バネ53の端面と鍔部511b,521aとが擦れ、その摩擦により振動エネルギーの一部が消費されることになる。その結果、シャフト10の振動自体を減少させる制振効果が生じる。
なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、図1に示すように、シャフト10の一端側の軸受に永久磁石磁気軸受6を用い、他端側の軸受に玉軸受8を用いた。しかしながら、上述した軸受保持部50は、図1の軸受構成に限らず、永久磁石磁気軸受6に代えて玉軸受を用いた真空ポンプにも適用することができる。
1:ターボ分子ポンプ、2:ベース、3:ロータ、4:モータ、6:永久磁石磁気軸受、8,9:玉軸受、10:シャフト、18:スラストストッパ、51:内側保持リング、52:外側保持リング、53:板バネ、511、521:凸部、511a,511b,521a:鍔部、512、522:凹部、530:スリット
Claims (5)
- ロータの軸を回転自在に支持する玉軸受と、
前記ロータを回転駆動するモータと、
前記モータが設けられたポンプベースに固定され、前記玉軸受の外輪を保持する軸受保持部と、を備え、
前記軸受保持部は、
内周側に前記外輪を保持し、外周側に第1凸部および第1凹部が周方向に交互に複数形成された第1保持リングと、
前記第1保持リングの外周側に配置されるように前記ポンプベースに固定され、前記複数の第1凹部と対向する複数の第2凸部および前記複数の第1凸部と対向する複数の第2凹部が内周側に形成された第2保持リングと、
内周面の一部が前記複数の第1凸部に接触し、かつ、外周面の一部が前記複数の第2凸部に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、前記第1および第2保持リングとの間を周回するように介装されている板バネと、を備える真空ポンプ。 - 請求項1に記載の真空ポンプにおいて、
前記板バネには、前記第1凸部との接触領域と前記第2凸部との接触領域との間に、軸方向に長く延びたスリットが形成されている、真空ポンプ。 - 請求項1または2に記載の真空ポンプにおいて、
前記第1および第2保持リングの少なくとも前記板バネと接触する面には、該第1および第2保持リングよりも摩擦係数の小さな膜が形成されている、真空ポンプ。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記第1保持リング、第2保持リングおよび板バネの少なくとも一つが制振合金で形成されている、真空ポンプ。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記第1および第2凸部に、前記板バネの軸方向端部と接触する鍔部を形成した、真空ポンプ。
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JP (1) | JP2014173432A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN107956835A (zh) * | 2017-11-10 | 2018-04-24 | 南京航空航天大学 | 可控阻尼分子弹簧车辆悬架 |
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WO2023203325A1 (en) * | 2022-04-20 | 2023-10-26 | Edwards Limited | Vacuum pump damping arrangements |
-
2013
- 2013-03-06 JP JP2013043961A patent/JP2014173432A/ja active Pending
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