JP3723593B2 - 摩擦ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、排気用の摩擦ポンプに関するものであり、より詳しくは、２枚の固定板の間で回転する回転板から成るポンプ段を少なくとも１段備え、前記回転板の片面ないし両面、もしくは前記２枚の固定板の前記回転板に対向した２つの面の一方ないし両方の面に、螺旋形の条溝及び突条を設けて成る、排気用のジークバーン形摩擦ポンプに関し、また、２つの固定円筒壁部材の間で回転する回転中空円筒部材から成るポンプ段を少なくとも１段備え、前記回転中空円筒部材の片面ないし両面、もしくは前記回転中空円筒部材に対向した前記２つの固定円筒壁部材の２つの面の一方ないし両方の面に、螺旋形の条溝及び突条を設けて成る、排気用のホルベック形摩擦ポンプに関するものである。
【０００２】
それら摩擦ポンプにおいては、磁気軸受がその摩擦ポンプの一体不可分の構成部分を形成している。従って、その構成部分は、磁気軸受の基本的構成要素としての機能を果たすものであると同時に、真空ポンプの機能を得るために不可欠な基本的構成要素としての機能も果たすものとなっている。
【０００３】
【従来の技術】
従来から様々な形式の排気用の摩擦ポンプが公知となっている。摩擦ポンプの動作メカニズムの基本は、運動する壁面から気体粒子へ、運動量が伝達されるということである。これによって所望の方向の気体の流れを発生させている。摩擦ポンプは、気体分子の自由行程がポンプの幾何学寸法より大きくなるような圧力範囲で作動するものであり、そのため分子流領域で作動する摩擦ポンプは、分子ポンプと呼ばれている。
【０００４】
このような摩擦ポンプの最初のものはゲーデによって提案された（W. Gaede, Ann. Phys. 41 (1913) 337 ff.）。その基本原理を踏襲した、ゲーデ形ポンプの発展技術というべきものが、ジークバーン形ポンプである（M. Siegbahn, Arch. Math. Ash. Fys. 30 B (1943)）である。ジークバーン形ポンプでは、運動する壁面として、回転板を使用している。摩擦ポンプの更に別の構成として、ホルベックが提案したホルベック形ポンプがある（F. Holweck, Comptes rendus Acad. Sience 177 (1923) 43 ff.）。ホルベック形ポンプは、円筒表面が、運動する壁面としての機能を果たすようにしたものである。
【０００５】
それらに続く気体摩擦ポンプの発展の中で、大いなる進歩と呼べるのは、ベッカー形の構成であった（W. Becker, Vakuum Technik 9/10 (1966)）。ベッカー形の構成では、運動壁体と固定壁体とを交互に何層にも配設し、それら運動壁体と固定壁体との両方を、タービンブレードを備えたタービン羽根車の形態にしたものである。そのため、このベッカー形の構成に対しては、ターボ分子ポンプという名称が使用されるようになった。
【０００６】
以上に列挙した、最初にゲーデによって提案された摩擦ポンプのその後の様々な発展形態は、真空技術の分野において、また特に高真空技術並びに超高真空技術の分野において、ますます重要な役割を担うようになってきた。またそれに伴って、一方のベッカー形ターボ分子ポンプの適用領域と、他方のジークバーン形摩擦ポンプ及びホルベック形摩擦ポンプの適用領域とが、分離されるようになった。ターボ分子ポンプは、多数のポンプ段を一列に並べた構成を有することから高い圧力比を得ることができ、そのため高真空領域及び超高真空領域への適用に特に適している。しかしながら、それより圧力が高い領域への適用には制約があり、その原因は、ターボ分子ポンプはポンプ構成要素の間の間隔が大きいため、約１０^-1ミリバール以下の低圧でないと十分に機能しないことにある。ジークバーン形摩擦ポンプ及びホルベック形摩擦ポンプは、そこから更に高圧側に続く圧力領域へ適用しても良好に適合する。これら摩擦ポンプは、そのような圧力領域において単独で使用し得るのみならず、ターボ分子ポンプと直列に接続して使用することも可能である。このようにターボ分子ポンプと摩擦ポンプとを組み合わせた最近の組合せ構造は、ターボ分子ポンプの作動領域を排出圧力のより高い方へシフトさせるための優れた構成態様となっている。
【０００７】
この種のポンプの機能に関しては、逆流損失ないし逆輸送損失を小さく抑えるために、回転部材と固定部材との間の間隙を非常に小さく抑えることが本質的に必要とされている。これは特に、ジークバーン形摩擦ポンプ及びホルベック形摩擦ポンプに関していえることである。そうすることによって、これら摩擦ポンプでは（並びにターボ分子ポンプでも）、回転部材と固定部材との間の間隙が、ポンプで排気しようとしている気体の分子の平均自由行程より小さくなるという条件を満たすようになり、より圧力の高い方の圧力領域でも分子流量域でも作動できるようになる。更にそれによって、以上に挙げたポンプは、分子流領域における全圧力比も改善される。
【０００８】
以上に挙げたポンプの全てに共通しているのは、運動する壁面の機能を果たしている回転部材の周速度に対して、圧力比は指数関数的に変化し、排気速度は一次関数的に変化するということである。そのため、効果的なポンプ性能を得るには、ロータ回転数を非常に高くすることが基本的に必要であるが、一方では、連続運転を高い信頼性をもって行えるようにすることも基本的に必要である。
【０００９】
そのため、ロータを軸支する軸受構造が非常に重要になる。油潤滑玉軸受を使用した伝統的なロータ軸受構造と並んで、現在では、永久磁石を用いた磁気軸受と玉軸受とを組み合わせた軸受構造も採用されている。完全無接触状態で軸支するための様々な実施態様のアクティブ制御式磁気軸受も採用されている。
【００１０】
回転数は高くすること、そして、固定部材と回転部材との間の間隙はできる限り小さくすること、これら２つの困難な要求は、摩擦ポンプの構造に関する、折り合いを付けることが困難な２つの必要条件である。回転数を高くするほど、衝突を避け、従ってポンプの損傷ないし完全な破壊を避けるために、固定部材と回転部材との間の最小間隙をそれに応じて大きくする必要がある。ジークバーン形摩擦ポンプ並びにホルベック形摩擦ポンプでは、効果的なポンプ性能を得るためには、この間隙を非常に小さくせねばならないため、その基準が非常に重要な役割を果たすことになる。例えば上述の間隙を小さく抑えると、連続運転の長い時間の間に重大な障害を引き起こすおそれが生じる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、回転数を非常に高くし且つ上述の間隙をできるだけ小さくするという困難な要求を満たしつつ、また摩擦ポンプに特有の例えば無潤滑で真空が得られるという優れた特性を生かしつつ、安全確実で信頼性の高い連続運転を保証する摩擦ポンプを提供することにある。また具体的には、ジークバーン形摩擦ポンプ及びホルベック形摩擦ポンプにおいて、連続運転の期間中、非常に小さな間隙を維持するという課題を達成することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明によれば、前記ジークバーン形摩擦ポンプに関しては、前記回転板を導電性材料で形成し、該回転板の両側に、前記固定板に取り付けた永久磁石を配設し、該永久磁石を、対向する向きの渦電流が前記回転板に誘導されるように配置し、該渦電流によって、ロータに対して軸方向安定化力を作用させる磁界が発生するようにしたことによって達成されており、また、前記ホルベック形摩擦ポンプに関しては、前記回転中空円筒部材を導電性材料で形成し、該回転中空円筒部材の両側に、前記固定円筒壁部材に取り付けた永久磁石を配設し、該永久磁石を、対向する向きの渦電流が前記回転中空円筒部材に誘導されるように配置し、該渦電流によって、ロータに対して径方向安定化力を作用させる磁界が発生するようにしたことによって達成されている。
【００１３】
新形式の磁気軸受を開発したことによって、摩擦ポンプにおける非常に小さな間隙を一定に維持するという問題が洗練された方法で解決されている。この解決法は洗練された方法であるばかりでなく更に簡明な方法でもあり、なぜならば、この解決法は、ポンプの基本的構成要素と磁気軸受の基本的構成要素とを同一の構成部材とし、その構成部材が、摩擦ポンプのポンプ機能を発揮するという必要条件と、磁気軸受としての基本的特性を提供するという条件との、本来は異なった条件を同時に満足するようにしているからである。
【００１４】
磁気軸受は自己調節機能を備えた軸受であり、渦電流誘導の原理に基づいたものである。そのため一般的に、その調節機能を発揮する部材を、導電性を有する薄肉の部材として構成する必要があり、その導電性薄肉部材に対向させるようにして複数の永久磁石を配列する。導電性薄肉部材が永久磁石に対して相対的に運動することによって、導電性薄肉部材の中に渦電流が誘導され、その誘導渦電流によって発生する磁界のために、導電性薄肉部材と永久磁石との間に反発力が作用する。導電性薄肉部材と永久磁石との間が近付くほど誘導電流は大きくなり、従ってその誘導電流によって発生する磁界も強力になる。そのため、導電性薄肉部材が永久磁石に近付こうとする運動に対して、抵抗力として働く反発力もまた増大する。導電性薄肉部材と永久磁石とが離れようとするときには、それに応じて以上とは逆の作用が生じる。従ってこの導電性薄肉部材は、磁力の大きさが可変の磁石のように機能する。以上の機構は、このようにして自己調節機能を発揮する。
【００１５】
互いに相対的に運動する部材どうしの幾何学的配置に関しては、様々な配置態様が存在している。磁気リニアベアリングを構成するためのリニア形の配置態様もあるが、このような配置態様は本発明への適用という点では無意味であり、それとは別の回転対称形の配置態様にうちに、真空ポンプへの適用に適した２通りの配置態様がある。
【００１６】
上述の導電性部材は、例えば円板等の回転板の形状に形成することができる。この回転板の両側に、永久磁石を備えたステータ構造体を配設する。この配置態様は基本的に、ジークバーン形摩擦ポンプの構造に対応したものである。この場合には、ステータ構造体の間に回転板を配設している。
【００１７】
本発明においては、磁気軸受の構成部材でもありジークバーン形摩擦ポンプの構成部材でもある兼用の構成部材を、磁気軸受にとっての本質的な特性と摩擦ポンプにとっての本質的な特性との双方を満足するように配置して組み合わせている。即ち、上述の薄肉の回転板を電気の良導体とし、それによって、その回転板に誘導電流を発生させ得るようにしている。更に加えて、回転板の材質は、摩擦ポンプに必要な高い回転数によって発生する荷重に耐えられるだけの剛性を有する必要である。一方、ステータ構成部材は、永久磁石を担持すると共に、排気のための螺旋形の条溝を備えている必要がある。ただし、その変更例として、螺旋形の条溝を回転板に設けるようにすることも可能である。
【００１８】
また、上述の導電性部材を、回転中空円筒部材として形成することもできる。この中空円筒部材の両側に、永久磁石を備えたステータ構造体を配設する。この配置態様は基本的に、ホルベック形摩擦ポンプの構造に対応したものである。この場合には、ステータ構造体の間に回転円筒部材を配設している。
【００１９】
上で説明したジークバーン形摩擦ポンプの場合と同様の考え方を用いれば、ホルベック形摩擦ポンプに関しても磁気軸受で軸支した洗練されたしかも簡明な構成を得ることができる。なおこの場合にも、螺旋形の条溝は、ステータを構成している部材に設けるばかりでなく、ロータを構成している部材に設けることも可能である。
【００２０】
回転板を用いた構成態様と回転円筒部材を用いた構成態様という、上述の２通りの構成態様の間の中間的な構成態様として、上述の導電性部材を円錐形ないし球形の部材とした構成態様も可能である。また、そのようにした場合に、導電性部材以外のその他の部材の構成をどのようにすべきかは、上の説明から明らかである。
【００２１】
更には上述の２通りの構成態様を、軸受の構成部材としての機能ないしポンプの構成部材としての機能を得るために利用することに加えて、１台のポンプの中にそれらを組み合わせて利用することも可能である。そうした場合には、径方向の支持構造（ジークバーン形の構造の場合）ないし軸方向の支持構造（ホルベック形の構成の場合）の１つを、余分なものとして省略することができる。
【００２２】
回転部材と固定部材との間の隙間をできる限り小さくすること、それに周速度をできる限り大きくすること、これら２つの条件は、磁気軸受としての性能を効果的なものとするための前提条件であると共に、摩擦ポンプとしての性能を効果的なものとするための前提条件でもある。
【００２３】
本発明によれば、これら厳しい要求条件の双方を満足する構成を作り出すことに成功している。そのため、磁気軸受にとっての基本的構成要素が同時に真空ポンプにとっての基本的機能を果たすようにした、磁気軸受で軸支した真空ポンプを構成することができる。このような洗練された簡明な構成態様は、従来の構成態様と比較して、寸法的にはよりコンパクトで、動作に関してはより信頼性が高くより安全確実な構成態様となり得るものである。ターボ分子ポンプと組み合わせた構造的組合せによって、より広い圧力範囲に適用でき、しかも簡単な構成の補助ポンプ（例えば膜ポンプ等）に接続して運転することができる、真空ポンプが得られる。
【００２４】
【実施例】
以下に添付図面を参照しつつ、本発明をその実施例に即して更に詳細に説明して行く。
図１及び図２に、単段式の形態のジークバーン形摩擦ポンプを示した。この摩擦ポンプは、その摩擦ポンプとしての本質的構成部材が、同時に、自己調節機能を備えた磁気スラスト軸受の基本的構成部材としての機能も果たすようにしたものである。吸気口フランジ２と排気口３とを備えたポンプケーシング１の中で、回転軸４がモータ機構５によって駆動される。回転軸４には、導電性材料製の平らな円板６を取り付けてある。この円板６に向かい合うようにして、この円板６の両側に一対の固定板８を配設してある。それら固定板８がポンプの構成要素としての機能を果たすようにするために、それら固定板８には、螺旋形の複数本の条溝９を設けてあり、それら複数本の条溝９は複数本の突条１９によって夫々隔てられている。回転する上述の円板（回転板）６によって運動量を付与された気体が、それら条溝９の中を輸送されて行く。固定板８には更に、それら固定板８が磁気スラスト軸受の構成要素としての機能を果たすようにするために、複数の永久磁石１０を取り付けてあり、それら永久磁石１０は、条溝９の下側に配設しても良く、或いは、突条１９の中に配設しても良い。それら永久磁石１０は導電性の回転板６に渦電流を誘導し、その渦電流によって磁界が発生する。その結果として発生する力が、回転板６と固定板８との間の軸方向の反発力として働く。回転板６が一方の固定板８に接近したならば、その接近した側の磁界が強まり、従ってそちら側の反発力が強まる。これとは逆に間隔が広がった場合には、反発力が減少する。このようにして、磁気スラスト軸受の自己調節機能が得られている。
【００２５】
この実施例では、ロータ構造体の径方向の安定化はパッシブ永久磁石軸受１４によって行っている。ただし、この径方向の安定化は、その他の任意の、磁石を用いた構成、電磁石を用いた構成、及び／または、機械的な構成によって行うことも可能である。
【００２６】
誘導渦電流が発生しているのは、従って磁界が発生しているのは、回転板６が回転しているときだけであり、そのため、ロータ構造体が静止しているときには上述の軸受構造は機能を消失している。そのような状況に対処するために、一対の始動及び停止用軸受１５を備えており、ロータ構造体の静止時や回転開始時には、それら軸受１５によってロータ構造体を軸方向に支持するようにしている。またそれら軸受１５は、この実施例では更に、構造体全体の運転中における緊急用軸受としての機能も果たしている。
【００２７】
図３、図４、及び図５に、単段式の形態のホルベック形摩擦ポンプを示した。この摩擦ポンプは、その摩擦ポンプとしての本質的構成部材が、同時に、自己調節機能を備えた磁気ラジアル軸受の基本的構成部材としての機能も果たすようにしたものである。ポンプケーシング、回転軸、及びモータ機構は、図１に示したものと同じである。ただし、回転軸４には、平らな円板ではなく、導電性材料製の中空円筒部材７を取り付けてある。この中空円筒部材７の内外両面の円筒壁面に向かい合うようにして、この中空円筒部材７の内外両側に一対の固定円筒壁部材１１を設けてある。それら固定円筒壁部材１１がポンプの構成要素としての機能を果たすようにするために、それら固定円筒壁部材１１には、螺旋形の複数本の条溝１３と複数本の突条２０とを設けてある。回転する上述の中空円筒部材７によって運動量を付与された気体が、それら条溝１３の中を輸送されて行く。固定円筒壁部材１１には更に、それら固定円筒壁部材１１が磁気ラジアル軸受の構成要素としての機能を果たすようにするために、複数の永久磁石１２を取り付けてあり、それら永久磁石１２は、条溝１３の下側に配設しても良く、或いは、突条２０の中に配設しても良い。中空円筒部材７を回転させることによって、上の第１実施例に関して説明したのもと同様の、反発力の作用及び自己調節機能が得られるが、ただしこの実施例では、反発力が作用する方向が径方向であるという点が異なっている。
【００２８】
ロータ構造体の軸方向の安定化は、パッシブ永久磁石軸受１６によって行っているが、同等の機能を有するその他の軸受構造によって行うようにしても良い。この実施例では、始動及び停止用の、また、緊急用の軸受として、この実施例には、一対の玉軸受１７を備えている。変更構成として、以上に説明した２つの実施例の構成のいずれにおいても、基本的機能が維持されるようにしつつ、螺旋形の条溝及び突条を、固定板ないし固定円筒壁部材に設けるようにしても良い。
【００２９】
図１〜図５には、本発明を単段式の摩擦ポンプの実施例に適用したものを示した。軸方向ないし径方向に複数のポンプ段を積層して並べた構成とすれば、より大きな圧力比を発生させることができる。
図６には、ターボ分子ポンプ１８と組み合わせた多段式のジークバーン形摩擦ポンプを示した。
図７には、多段式のホルベック形摩擦ポンプについての同様の組み合わせの構成を示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る、磁気スラスト軸受としての機能を併せ有するジークバーン形摩擦ポンプを示した断面図である。
【図２】（ａ）は図１の一部を取り出して拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施例に係る、磁気ラジアル軸受としての機能を併せ有するホルベック形摩擦ポンプを示した断面図である。
【図４】図３の一部を取り出して拡大した拡大断面図である。
【図５】図３及び図４の中の外側固定円筒壁面を示した見取り図である。
【図６】ジークバーン形摩擦ポンプとターボ分子ポンプとを組み合わせた構造を示した断面図である。
【図７】ホルベック形摩擦ポンプとターボ分子ポンプとを組み合わせた構造を示した断面図である。
【符号の説明】
６ 回転板
７ 回転中空円筒部材
８ 固定板
９ 条溝
１０ 永久磁石
１１ 固定円筒壁部材
１２ 永久磁石
１３ 条溝
１９ 突条
２０ 突条

Claims (12)

1. ２枚の固定板（８）の間で回転する回転板（６）から成るポンプ段を少なくとも１段備え、前記回転板の片面ないし両面、もしくは前記２枚の固定板の前記回転板に対向した２つの面の一方ないし両方の面に、螺旋形の条溝（９）及び突条（１９）を設けて成る、排気用のジークバーン形摩擦ポンプにおいて、
   前記回転板（６）を導電性材料で形成し、該回転板（６）の両側に、前記固定板（８）に取り付けた永久磁石（１０）を配設し、該永久磁石（１０）を、対向する向きの渦電流が前記回転板（６）に誘導されるように配置し、該渦電流によって、ロータに対して軸方向安定化力を作用させる磁界が発生するようにしたことを特徴とする摩擦ポンプ。
2. 前記螺旋形の条溝（９）及び突条（１９）を前記固定板（８）の表面に設け、前記永久磁石（１０）をそれら条溝及び突条の下側に取り付けてあることを特徴とする請求項１記載の摩擦ポンプ。
3. 前記永久磁石（１０）を前記突条（１９）の中に配設してあることを特徴とする請求項１または２記載の摩擦ポンプ。
4. 前記ロータを永久磁石（１４）から成る機構によって径方向に安定化してあることを特徴とする請求項１から３までのいずれか記載の摩擦ポンプ。
5. 前記ロータの回転開始以前ないし回転開始直後に該ロータを軸方向に安定化する機能を果たす少なくとも１つの機械式軸受（１５）を備えたことを特徴とする請求項１から４までのいずれか記載の摩擦ポンプ。
6. ２つの固定円筒壁部材（１１）の間で回転する回転中空円筒部材（７）から成るポンプ段を少なくとも１段備え、前記回転中空円筒部材の片面ないし両面、もしくは前記回転中空円筒部材に対向した前記２つの固定円筒壁部材（１１）の２つの面の一方ないし両方の面に、螺旋形の条溝（１３）及び突条（２０）を設けて成る、排気用のホルベック形摩擦ポンプにおいて、
   前記回転中空円筒部材（７）を導電性材料で形成し、該回転中空円筒部材の両側に、前記固定円筒壁部材（１１）に取り付けた永久磁石（１２）を配設し、該永久磁石（１２）を、対向する向きの渦電流が前記回転中空円筒部材（７）に誘導されるように配置し、該渦電流によって、ロータに対して径方向安定化力を作用させる磁界が発生するようにしたことを特徴とする摩擦ポンプ。
7. 前記螺旋形の条溝（１３）を前記固定円筒壁部材（１１）の表面に設け、前記永久磁石（１２）を該条溝の下側に取り付けてあることを特徴とする請求項６記載の摩擦ポンプ。
8. 前記永久磁石（１２）を前記突条（２０）の中に配設してあることを特徴とする請求項６または７記載の摩擦ポンプ。
9. 前記ロータを永久磁石（１６）から成る機構によって軸方向に安定化してあることを特徴とする請求項６から８までのいずれか記載の摩擦ポンプ。
10. 前記ロータの回転開始以前ないし回転開始直後に該ロータを軸方向に安定化する機能を果たす少なくとも１つの機械式軸受（１７）を備えたことを特徴とする請求項６から９までのいずれか記載の摩擦ポンプ。
11. 前記回転板ないし前記回転中空円筒部材に代えて円錐形部材ないし球形部材を備え、その円錐形部材ないし球形部材に近接させて備える固定部材を、その円錐形部材ないし球形部材に対応した形状のものとしたことを特徴とする請求項１から１０までのいずれか記載の摩擦ポンプ。
12. 前記摩擦ポンプをターボ分子ポンプ（１８）と組み合せ、該摩擦ポンプと該ターボ分子ポンプとを１本の回転軸に取り付け、該摩擦ポンプを該ターボ分子ポンプの背圧側に配設したことを特徴とする請求項１から１１までのいずれか記載の摩擦ポンプ。

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