JP5628167B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプ、特にはターボ分子ポンプ又は複数入口式ターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは、複数のロータディスクを備えたロータ手段からなる少なくとも１つのロータを備えている。ロータディスク間には、ステータディスクが、ステータリングによって保持されて配置されている。ロータ手段は、高速回転するロータ軸に取り付けられている。ターボ分子ポンプは、吸込み側に入口を有しており、圧力側に出口を有している。吸込み側の入口では、場合によっては1・10^-10 mbar未満の終圧が達成され得る。圧力側のポンプコネクタは、追加のプレ真空ポンプに接続されていることが多い。

複数入口式ポンプは、吸込み側の主入口に加えて少なくとも１つの中間入口を備えている。通常、複数入口式ポンプのロータ手段は、例えば、ターボ分子段として形成され得る２つのポンプ段を備えており、前記中間入口は、前記２つのポンプ段の間に配置されている。例えばホルベック（Holweck ）段のような更なるポンプ段が、搬送方向に見たときにターボ分子段の後ろに設けられていることが多い。複数入口式ポンプの使用によって、異なる圧力レベルが、主入口及び前記少なくとも１つの中間入口で生成され得る。

特には、例えばターボ分子ポンプ及び複数入口式ポンプのような高速回転する真空ポンプでは、圧力側、つまり、低圧ではない領域のロータ軸が、電磁軸受によって支持され得る。公知の真空ポンプでは、ロータ軸の軸受支持のために設けられた電磁軸受が、120mbar までの圧力範囲で作動される。更に、ロータ軸を高真空領域で支持するために受動磁気軸受を使用することが知られている。

電磁軸受は、真空ポンプの吸込み側での軸受支持のために通常使用されない。これは、吸込み側で使用されるコイル体及びセンサ装置が大きな表面及び多数の空隙を有する構成要素であり、吸込み側の領域は低圧であるためである。このようにして、連続的なガス放出のために、所望の終圧を達成することが全く不可能であるか、又は辛うじて可能である。更に、高真空領域で受動磁気軸受を使用することが知られている。

独国特許出願公開第202005019644号明細書

ロータ軸全体を電磁気的に支持するために、独国特許出願公開第202005019644号明細書に、２つの電磁軸受をカートリッジ内に配置することが提案されている。前記カートリッジ内では、ロータ軸が、電磁軸受及び電動機と共に配置されている。カートリッジ内に、大気圧が存在するか、又はポンプの圧力側で作用する少なくとも比較的高い圧力が存在するように、カートリッジは圧力側に向けて実質的には開いている。ロータ軸は、カートリッジから延びてロータ手段を支持する突出部を有している。従って、ロータ手段は、ロータ軸の片持支持された端部に固定されている。更に、ポンプの構造的長さが制限されている。また、ロータ手段がロータ軸の片持支持された端部に取り付けられることにより、大きな力が電磁軸受の箇所に生じるので、対応して複雑な電磁軸受を設ける必要がある。更に、この構造設計は、ロータの動的挙動により、特には低い固有振動数のために非常に制限される。

独国特許出願公開第4410656 号明細書から、乱流の流動床を備えたタイプの軸受を設けることが知られている。乱流の流動床を備えた軸受は、対向する永久磁石の磁場によってエネルギを与えられるので、このような軸受は電磁軸受とは基本的に異なる。乱流の流動床を備えた軸受は非常に不安定であるので、ターボ分子ポンプでロータ軸を確実に支持するためには、このタイプの軸受手段は使用に適さない。更に、このタイプの軸受手段を使用する場合、十分な磁束により所望の軸受効果を達成するまで、伝導性ディスクにおける抵抗損によりロータは激しく加熱される。更に、この手法は、ロータに作用する制動作用を引き起こし、従って、駆動力を増大させる必要がある。

本発明は、軸受手段が改善されている真空ポンプ、特にはターボ分子ポンプ又は複数入口式ターボ分子ポンプを提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１の特徴によって達成される。

本発明の真空ポンプは、ロータ手段を支持するロータ軸を備えており、ロータ手段は、必要に応じて複数のロータ又は他の吸込み若しくはポンプ装置を有することが可能である。ロータ軸は、通常２つの軸受手段によって、特には圧力側の軸受手段及び吸込み側の軸受手段によって支持されている。本発明によれば、吸込み側の軸受手段は、高真空領域に配置されてあり、従って低圧に晒されている。更に、本発明によれば、吸込み側の軸受手段は電磁軸受である。高真空は、10^-3bar 未満の圧力として、好ましくは10^-5bar 未満の圧力として、最も好ましくは10^-10 bar未満の圧力としてここでは理解されている。

特には、吸込み側で生じるような非常に低い圧力の領域に、つまり、ターボ分子ポンプの入口領域に、電磁軸受が配置されている場合、特に好ましい実施形態によれば、電磁軸受のコイルが圧力封止された凹部に配置されている。圧力封止された凹部にコイルを配置することにより、コイル自体が、高真空領域に直接配置されていないことが保障される。このため、コイル内の多数の空隙により、連続的なガス放出が終圧の達成を不可能にするか、又は辛うじて可能にするという欠点が排除される。電磁軸受を高真空領域に設けることにより、ロータ軸を端部の領域で支持することが可能になる。特には、ロータ手段は、２つの軸受間でロータ軸に接続され得る。ロータ軸の片持支持された腕部へのロータ手段の取付、従ってロータの浮動支持が、もはや必要ではない。更に、圧力側の軸受手段が電磁軸受として形成されている場合、ロータ軸が非常に堅く設計されることが可能であり、軸受の箇所での減衰及び剛性はソフトウェアによってパラメータ化され得るので、ロータ軸を完全に電磁気的に支持することにより、より速い回転速度に達することが可能になる。

特に好ましい実施形態によれば、吸込み側は、電磁軸受のみを備えている。多くとも、安全軸受が、予防措置として電磁軸受に加えて設けられている。ここでは、吸込み側の軸受は、同時にラジアル電磁軸受及びアキシャル電磁軸受であるように設計されることが可能であり、２つの軸受の方向は、２つの別個の電磁軸受によって実現され得る。特に好ましい実施形態によれば、吸込み側の支持が、対応するラジアル電磁軸受によって実現される径方向の支持のみである。特に本実施形態では、軸方向の支持が、ロータ軸の反対側、つまり、圧力側でなされている。

特に好ましい実施形態によれば、前記凹部は、ハウジング要素に、つまり、好ましくはハウジングに接続された静止要素に配置されている。ここでは、凹部の開口が、好ましくはロータ軸の方向に向いている。好ましくは、凹部は、円環状であり、ロータ軸を完全に囲んでいる。従って、環状の電磁コイルを凹部内に配置することが可能である。好ましくは、ここでは、給電ラインが、ロータ軸の方向に向いた凹部の開口を介してではなく、ハウジングを介して凹部内に導きられ得る。

圧力封止のために、つまり、凹部の密閉のために、例えば、コイルを凹部に配置した後、凹部を合成樹脂等で充填することが可能である。しかしながら、圧力が非常に低い場合には、合成樹脂等の使用には、例えば軟化剤が高真空でガスを放出して、例えば分析結果の精度が低下するという欠点がある。本発明の好ましい実施形態によれば、凹部の開口は、好ましくは管状の閉鎖要素によって密に閉じられている。従って、好ましくはロータ軸の方向に内部に向いている開口は、管状の閉鎖要素によって簡易に閉じられ得る。凹部が、特には円柱状である場合、凹部の開口は、円環状の円柱の内周面に相当する。閉鎖要素は、好ましくは、例えばＯリングのような密閉要素によってハウジング要素に密閉して取り付けられ得る。

所与の場合に応じて、電磁軸受の圧力封止が省略され得る。例えば、達成されるべき圧力があまり低くない場合、及び／又は対応するガス放出が生じないか又は悪影響をもたらさない場合、このような圧力封止は、必ずしも必要とは限らない。例えば、複数入口式ポンプの中間入口の領域に電磁軸受を使用する場合には、圧力封止は、場合によって省略されてもよい。しかしながら、所与の適用に応じて、例えば、複数入口式ポンプを質量分析計に使用するとき、圧力封止は、ガス抜きの回避のために有利である。

好ましくは、吸込み側の軸受手段は、ラジアル電磁軸受としてのみ設計されている。この設計により、電磁コイルの封止が簡易な方法で実現され得るという利点がある。更に、ロータ軸の軸方向の支持が圧力側で実現されている場合、技術的な側面でより容易である。この場合、既存の圧力が明らかにより高く、従って、電磁コイルの封止が必要ではないので、電磁気による軸方向の支持を簡易な方法で用いることが可能になる。特に、圧力側の軸受をアキシャル軸受に加えてラジアル軸受として構成することが可能であり、好ましい実施形態によれば、電磁軸受が、圧力側でロータ軸を径方向及び軸方向の両方で支持するように、組み合わされた電磁軸受が設けられる。

更に、特にはロータ軸の位置を決定すべく設けられた軸受センサが、封止された凹部内に更に配置されている場合に有利である。好ましくは対応する電子部品に接続された軸受センサにより、電磁コイルが制御される。

ロータ軸を支持する構成として、唯一の入口及び１つの出口を有するターボ分子ポンプにおける吸込み側の軸受手段は、高真空の入口領域に直接配置されている。従って、ターボ分子ポンプのロータが２つの軸受手段の間に配置されているため、ロータ軸の支持は、ロータ軸の端部領域で実現され得る。

複数入口式ポンプのロータ軸を支持して、高真空領域で電磁軸受を使用するとき、電磁軸受は、圧力が最も低い主入口の領域に配置され得る。この場合、電磁軸受は、上記に説明されているように、好ましくは圧力封止された凹部に配置されている。

しかしながら、複数入口式ポンプでは、吸込み側の軸受手段を中間入口の領域に設けることも可能である。本発明によれば、高真空状態である中間入口の領域に電磁軸受を配置することが可能である。高真空状態の中間入口の領域における圧力が、主真空コネクタの領域の圧力より高いので、電磁軸受のコイルを圧力封止された領域に配置することが必ずしも必要とは限らない。従って、この構成では、電磁軸受は、ロータ手段の２つのロータの間に配置されている。この設計により、２つのロータの内の一方のみがロータ軸の片持支持された端部に配置されているという利点がある。そのため、第２のロータ、又は必要に応じて、複数のロータ若しくは対応するポンプ装置が、好ましくは両方とも電磁軸受として設計されている吸込み側軸受及び圧力側軸受間に配置され得る。更に、電磁軸受を中間真空コネクタの領域に設けることにより、複数入口式ポンプの全長が増大され得る。１つのロータのみ、従ってより小さな重量が、ロータ軸の片持支持された端部に配置されているので、軸受は、例えば、特には独国特許出願公開第202005019644号明細書に述べられているような片持支持されたロータ軸の場合より小さな力にさらされる。

本発明を、添付図面を参照して好ましい実施形態より以下に更に詳細に説明する。

本発明に係る軸受手段を備えたターボ分子ポンプを示す断面略図である。 本発明に係る軸受手段を備えた複数入口式ポンプを示す断面略図である。 本発明に係る代替の軸受手段を備えた複数入口式ポンプを示す断面略図である。

図１に概略的に示されているようなターボ分子ポンプは、ハウジング10内に配置されたロータ軸12を備えている。ロータ軸12は、示された実施形態では１つのロータを形成するロータ手段14を支持している。ロータ手段14は、複数のロータディスク16を備えている。ロータディスク16間に、ステータリング20によって固定されたステータディスク18が配置されている。媒体が矢印24によって示された方向に吸い込まれるように、ポンプの吸込み側22が高真空コネクタを形成している。ターボ分子ポンプの出口26、及び圧力側28が、通常プレ真空ポンプに接続されている。

本発明によれば、吸込み側22に配置された軸受手段30が電磁軸受を備えている。該電磁軸受は、電磁コイル32と、ロータ軸12に固定されてロータ軸12と共に回転すべく配置されて、例えばいわゆる電気薄板の形態で設けられた軸受要素34とを含んでいる。電磁コイル32は、エネルギ供給のために電気コネクタ36に接続されている。電磁コイル32は、ハウジング要素40の凹部38に配置されてあり、示された実施形態では、該凹部38は円柱状である。凹部38は、ロータ軸12を一端部領域で囲んでいる。凹部38が、好ましくはＯリングとして設けられた密閉要素44に加えて、管状の閉鎖要素42によっても閉じられているため、凹部38は圧力封止されている。従って、凹部38内には、吸込み側22の領域に存在する高真空が存在しない。そのため、電磁コイル32に存在する多数の空隙により終圧に達することが困難になるか、又は不可能になることが阻止される。

ライン36を介して電磁コイル32に供給される電圧を制御するために、破線で概略的に示された少なくとも１つの軸受センサ46が、特にはロータ軸12の位置を検出すべく凹部38内に配置されている。軸受センサ46の信号がライン48を介して電子ユニット50に送られて、電子ユニット50は、その後、特には電磁コイル32に供給される電圧レベルを制御する。

更に、示された吸込み側22の軸受手段30は、例えば、玉軸受として形成された機械式安全軸受51を備えている。安全軸受51は、前記ハウジング要素40に配置されてあり、ロータ軸12のピン52から僅かな距離を隔てて設けられている。安全軸受51は、実質的には、電磁軸受が不能状態になった場合に緊急運転特性を保障すべく機能する。示された実施形態では、ハウジング要素40は、カップ状であり、ロータ軸12の吸込み側22の端部54を囲んでいる。

示された実施形態では、圧力側28に設けられた軸受手段56も、電磁気的な軸受手段として形成されている。ロータ軸12を径方向に支持するために、電磁コイル58が設けられてあり、軸受要素60と協働すべく配置されている。軸受要素60は、ロータ軸12に配置されてあり、軸受要素34に対応する。ロータ軸12を軸方向に支持するために、示された実施形態では、Ｕ字状の断面を有する第２の電磁コイル62が設けられてあり、第２の電磁コイル62は、ロータ軸12に配置された更なる軸受要素（アキシャルディスク）64と協働する。該アキシャルディスク64は、アキシャル軸受を形成するように第２の電磁コイル62の凹部内に延びている。２個の電磁コイル58,62 は夫々、電気接続ライン66を有している。更に、軸受手段56は、ロータ軸12の軸方向及び径方向の位置を夫々検出するために、破線で概略的に示されている複数の位置センサ68を備えている。更に該位置センサ68は、前記電子ユニット50にライン70を介して接続されてあり、前記電子ユニット50は、センサ信号に応じて電磁コイル58,62 の電圧を制御する。

電磁軸受を備えた軸受手段30に対応して、軸受手段56も、通常玉軸受として設計されて軸受ピン70を、距離を隔てて囲む安全軸受69を備えている。

ロータ軸12は、通常電動機を備えた駆動手段72によって駆動されており、駆動手段72は、制御のために前記電子ユニット50にライン74を介して接続され得る。

図２の断面略図は、複数入口式ポンプにおける軸受手段の好ましい実施形態を示している。吸込み側22の軸受手段30及び圧力側28の軸受手段56は、図１を参照して説明されたターボ分子ポンプにおける軸受手段と同一に構成されている。同一及び同様の構成要素は、ターボ分子ポンプ（図１）と同一の参照番号で示されている。

複数入口式ポンプで使用されているように、ここでも軸受手段30,56 によって２つの端部領域で支持されているロータ軸12が、複数の凝縮段76,78,80を備えたロータ手段を支持している。示された実施形態では、第１及び第２の凝縮段76,78 は、ロータディスク16を有するロータ14を夫々備えたターボ分子ポンプである。ロータディスク16間には、ステータリング20によって保持されたステータディスク18が配置されている。２つのロータ14は、相互に距離を隔ててロータ軸12に配置されている。２つのロータ14間に、中間入口である入口開口82を備えたハウジング10が設けられている。

更に、図２に示された複数入口式ポンプは、高真空コネクタである主入口84を備えている。吸い込まれたガスが、主入口84を介して矢印24の方向に流れる。更に、中間入口82の領域では、媒体が、矢印86によって示されているように中間入口82を介して吸い込まれて、図２の左側に送られる。

その後、第３の凝縮段80は、矢印88によって示されているように、圧力側28の方向に出口26に向けて媒体を送る。出口26は、通常プレ真空ポンプに接続されている。

第３の凝縮段80は、例えば、ホルベック（Holweck ）段等によって形成され得る。通常、図２の左側に示されたロータ14を介して、第３の凝縮段80の回転要素がロータ軸12に接続されており、これらの構成要素は、共通に駆動される。

吸込み側22の軸受手段30の構成によって、ロータ軸12の端部に２つの軸受手段56,30 を設けることが可能になり、従って、軸受間の最大距離を実現することが可能になる。

更に、図３の断面略図は、複数入口式ポンプの実施形態を示しており、図２に示された吸込み側22の軸受手段30と比較すると、吸込み側の軸受手段90が更に内側に配置されている。同一及び同様の構成要素は、ここでも同一の参照番号によって示されている。

吸込み側の軸受手段90は、真空の中間入口82の領域に配置されている。例えば10^-3乃至10^-5mbarの高真空が未だ存在するが、電磁軸受を中間入口82の領域に配置することにより、軸受手段30の場合のような圧力封止された凹部内に電磁コイル32を配置する必要性がなくなる。しかしながら、電磁コイルのためにも圧力封止された要素を設けることが可能である。

示された実施形態では、吸込み側の軸受手段90の電磁コイル32はハウジング要素92に配置されている。ここでも、電磁コイル32は、ロータ軸12に固定して接続された軸受要素34に対向して配置されている。更に、電子ユニット50にライン48を介して接続されたセンサ46が設けられている。

従って、図３に示された複数入口式ポンプの実施形態では、軸受手段90は、２つのロータ14間に配置されている。従って、高真空コネクタ84に接続されたロータ14は、自由自在に片持支持されたロータ軸12の突出部94に密に接続されている。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのロータ手段を支持するロータ軸と、
   該ロータ軸を軸受支持するための、圧力側に設けられた軸受手段、及び吸込み側に設けられた軸受手段と
   を備えた真空ポンプにおいて、
   前記吸込み側の軸受手段は、高真空領域に配置されてあり、電磁軸受を有しており、
   前記電磁軸受のコイルが、圧力封止された凹部に配置されており、
   該凹部から前記吸込み側への前記コイルによるガス放出を防止するように、前記凹部の開口が閉鎖要素によって密に閉じられていることを特徴とする真空ポンプ。
2. 10^-5mbar未満の圧力が、前記高真空領域に存在していることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記圧力は、10^-10 mbar未満であることを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
4. 前記凹部は、ハウジング要素内に設けられてあることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
5. 前記凹部は、前記ロータ軸の方向に開いていることを特徴とする請求項４に記載の真空ポンプ。
6. 前記閉鎖要素は、管状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の真空ポンプ。
7. 前記吸込み側の軸受手段は、ラジアル軸受として、又はラジアル軸受及びアキシャル軸受として構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の真空ポンプ。
8. 少なくとも１つの軸受センサが、前記圧力封止された凹部内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の真空ポンプ。
9. 前記圧力側の軸受手段は、ラジアル軸受及びアキシャル軸受として構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の真空ポンプ。
10. 前記圧力側の軸受手段は、電磁軸受を有していることを特徴とする請求項９に記載の真空ポンプ。
11. 前記電磁軸受は、前記ロータ軸に接続された軸受要素を有していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の真空ポンプ。
12. 前記吸込み側の軸受手段は、前記ロータ手段の吸込み側の領域に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の真空ポンプ。
13. 前記ロータ手段は、前記２つの軸受手段の間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の真空ポンプ。
14. 前記吸込み側の軸受手段は、前記ロータ手段の２つのロータの間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の真空ポンプ。

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