JPH01303313A - ポンプ用動圧軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、スパッタリング装置やＣＶＤ装置を構成する
ためのターボ分子ポンプやヘリウム圧縮機等のポンプに
採用される軸受に関し、特にこれらのポンプを構成して
超高速で回転する回転軸のための動圧軸受に関するもの
である。

（従来の技術） ターボ分子ポンプやヘリウム等のための圧縮機にあって
は、その回転軸を高速回転させることにより、この回転
軸と一体的に設けられている動１翼あるいはインペラー
によって高真空あるいは高圧を発生させるものである。

従って、当該回転軸の回転を円滑にするための軸受を採
用する必要かある。

従来のこのような高速回転する回転軸に対しては、一般
にベアリングか使用されており、このベアリングの作動
を円滑にするために潤滑油をこのベアリングに供給する
ように構成されていた。ところが、ターボ分子ポンプの
ように、Ｉｆｉ高真空を作り出すためのポンプになると
、ベアリングのための潤滑油か気化してしまい、完全な
高真空を得られないばかりか、気化した潤滑油かシール
を介して真空系に流入し汚染してしまうという問題が生
ずることになる。

これに対して、ベアリングを使用しないで、磁気軸受を
採用するポンプも提案されている。しかしながら、この
磁気軸受は相当高価なものであるたけでなく、全体の構
造も複雑化せざるを書ないものであって、実験室用とし
てはともかく、所謂産業用としては適さないものである
。

そこで、本発明者算は、産業用としても適し。

かつ１−分な機能を備えたポンプ用軸受を開発すべく鋭
意研究を干ねた結果、本発明の動圧軸受を完成したので
ある。

（発明か解決しようとする課題） 本発明は以１−のような経緯に基づいてなされたもので
、その解決しようとする課題は、従来の軸受におけるコ
スト高であり、構造上の複雑さである。

そして、本発明の目的とするところは、動圧を発生させ
るグルーブ溝を積極的に形成することによって１機能的
に十分であることは勿論、筒中な構Ｗてあってポンプ全
体のコスト低下を達成することかでき、汚染することの
ないポンプ用動ｊＥ軸受を提供することにある。

（課題を解決するための１段） 以４−のａａを解決するために１本発明の採った１段は
、実施例に対応する１１面を参照して説明すると、 「ポンプ（１０）を構成し動翼（Ｉ６）を回転させるた
めの回転軸（１５）の一部に一体的に設けた円筒状のシ
ャフトスリーブ（２１）と、このシャフトスリーブ（２
１）の近傍に位置するスラスト受板（２２）と、これら
のシャフトスリーブ（２１）及びスラスト受板（２２）
に同時に対向するとともにポンプ（ｌＯ）のケーシング
（ＩＩ）側に固定的に設けた固定軸受（２４）とを備え
。

この固定軸受（２１）のシャフトスリーブ（２１）及び
スラスト受板（２２）に対向する面、またはシャフトス
リーブ（２１）及びスラスト受板（２２）の固定軸受（
２４）に対向する両面の、少なくともいずれか一方に、
動圧を発生させるためのグルーブ溝（２コ）を形成し。

さらに、このν４定輌受（２４）に、１９けた空気孔（
２５）を通して当該ポンプ（■））外からグルーブ溝（
２３）に対して空気を導入するように構成するとともに
、固定軸受（２４）とシャフトスリーブ（２１）間に、
空気孔（２５）から導入された空気の動翼（１６）側へ
の移動を遮断するガスシール（２６）を設けたことを特
徴とする動圧軸受（２０）Ｊてある。

すなわち、未発ＩＩに係る動圧軸受（２０）は、例えば
第１　ｒ−４に示すようなターボ分子ポンプ等のポンプ
（１０）を構成している回転軸（１５）に設けられるも
のであり、固定軸受（２４）側、または回転軸（１５）
と川に回転するシャフトスリーブ（２１＞Ｅｔびスラス
ト受板（２２）側の所定位置にグルーブ１ＩＩＩ（２：
りをそれぞれ形成するとともに、これらのグルーブ溝（
２３）に対向する面を有する固定軸受（２４）をポンプ
（１０）のケーシング（１１）側に固定したものである
。そして、この動圧軸受（２０）は、各グルーブ溝（２
３）における動圧を発生させるために必要な空気を供給
する空気孔（２５）を固定軸受（２４）に形成するとと
もに、この空気を高負圧にした部分へ志かさないように
するガスシール（２６）を、シャフトスリーブ（２りと
固定軸受（２４）との間であってポンプ（１０）の動岡
（１６）側となる箇所に設けたものである。

（発明の作用） 以りのような構成を有する本発明に係る動圧軸受（２０
）の作用について、との動圧軸受（２０）が回転軸（１
５）のトド部分に一対採用されているポンプ（ｌＯ）の
作動とともに説明する。なお、この説明においては、グ
ルーブＩＩＩＩ（２：ｌ）かシャフトスリーブ（２１）
及びスラスト受板（２２）の固定軸受（２４）に対向す
る而に設けられている場合を中心にして行なうものであ
るが、クループ溝（２３）が固定軸受（２４）に設けら
れている場合も同様な作用をするので、その場合の説明
は省略する。

さて、ポンプ（１０）のモータステータ（１３）に通電
されることによりモータロータ（１４）、すなわち回転
軸（１５）が回転を始めると、この回転軸（＋５）と一
体内なシャフトスリーブ（２Ｉ）及びスラスト受板（２
２）も回転を始める。これらのシャフトスリーブ（２１
）及びスラスト受板（２２）の回転に伴って、各シャフ
ト１リーブ（２Ｉ）及びスラスト受板（２２）に形成し
である各グルーブｙ４（２コ）により、ポンプ（＋　１
１　）外の空気か固定軸受（２４）に設けた空気孔（２
５）から当該動圧軸受（２０）内に供給され始める。

なお、この空気孔（２５）からの供給の、特に初期供給
は、実施例に示すように、空気孔（２５）に接続される
図示しないポンプによって強制的に行なえば１回転軸（
１５）の初期動作はより円滑になされるものである。

このような状態から、ポンプ（ｌＯ）の回転軸（＋５）
が更に回転数を１−ばてくると、ｆｈ圧軸軸受２０）の
シャフトスリーブ（２１）及びスラスト受板（２２）に
設けであるグルーブ溝（２コ）によってポンプ（Ｉｎ）
外の空気か空気孔（２５）からより一層取り入れられる
ようになる。これにより、シャフトスリーブ（２１）及
びスラスト受板（２２）と、これにそれぞれ対向してい
る［、’ｉｆ定軸受（２４）間に、グルーブ溝（２３）
に沿って流れる空気による動圧か発生するのである。す
なわち、シャフトスリーブ（２１）と固定軸受（２４）
間には所謂スラスト荷重を支える動圧が発生するのてあ
り、またスラスト受板（２２）と固定軸受（２４）間に
は所謂ラジアル荷セを支える動圧が発生するのである。

以Ｆ二種類の動圧が発生することにより、ポンプ（１０
）を構成している回転軸（＋５）は円滑に回転する。つ
まり回転軸（１５）か超高速で回転しても、その軸心に
対する回転ブレは、スラスト受板（２２）と固定軸受（
２４）間に発生する４ｊｊｌＥによって完全に押えられ
るのてあり、また回転軸（１５）を基本的に支持してい
るＦ力の軸受（１９）に対して殆んど荷重かかからない
ようになるのである。従って、この回転軸（１５）は異
ａの発生も、またモータステータ（１３）における電力
消費の増大もなく、＋４めて安定かつ円滑に回転するの
である。

さらに、この回転軸（１５）の回転時、固定軸受（２４
）の空気孔（２５）から各動圧軸受（２０）内に供給さ
れた空気は、例えば第１図に示したポンプ（ｌＯ）のモ
ータハウジング（１２）の外側、すなわち高負圧になっ
ている勅！（＋６）側に移動しようとする。しかしなが
ら１本発明に係る動圧軸受（２０）にあっては、シャフ
ト１リーブ（２１）と固定軸受（２４）の動岡（＋６）
側、すなわち第１図の図示り部に、この空気の流れを遮
断するガスシール（２６）か形成しであるから、この空
気は動翼（璽６）側へは流れないのである。換言すれば
、モータハウジング（］＋２の外側、すなわちａｍ（＋
６）側は完全に気密状態に保たれているのであり、ポン
プ（１０）の機能を損うことは全くないのである。

さらに、本発明の動圧軸受（２０）は、グルーブ溝（２
３）を有するシャフトスリーブ（２１）及びスラスト受
板 ト受板（２２）に対向する固定軸受（２４）によって構
成し、かつ固定軸受（２４）とシャフトスリーブ（２１
）との図示に部に公知のガスシール（２６）を形成すれ
ばよいものであるから、その構成は１例えば磁気軸受に
比較すれば非常に筒中になっているのである。

（実施例） 次に、未発明に係る動圧軸受（２０）を１図面に示した
実施例に従って詳細に説明する。

第１図には本発明に係る動圧軸受（２０）を回転軸（１
５）のヒ下に−・対採用したポンプ（１０）の断面図か
示しであるが１本発明の動圧軸受（２０）を説明する前
にこのポンプ（１０）の概略について説明する。

このポンプ（１０）は、ケーシング（１１）と、その下
部に気密的に取付けられて排気口を有する↑゛部ケーシ
ング（１８）とによって１つの気密空間を形成している
ものである。この気密空間内には、モータハウジング（
１２）に支持されるモータステータ（１３）と、このモ
ータステータ（１３）の反発作用を受けるモータロータ
（１４）を一体重に有した回転軸（＋５）か配置されて
おり、この回転軸（１５）には負圧を発生させるための
多数の動ｉ（＋６）を有する動児支持台（１７）か固定
しである。

また、このポンプ（Ｉ　ｔ＋　）の回転軸（１５）は、
そのド端に設けた軸受（１９）によって、モータハウシ
ング（１２）及び下部ケーシング（１８）に対して回転
自在となるように、基本的支持がなされている。そして
、この回転軸（１５）と一体重なモータロータ（１４）
のｈ丁に位ｌする部分には２本発明に係る動圧軸受（２
０）かそれぞれ設けであるのである。

各動圧軸受（２０）は、１として、ポンプ（１０）の回
転軸（１５）側に固定されるシャフトスリーブ（２１）
及びスラスト受板（２２）と、これらシャフトスリーブ
（２１）及びスラスト受板（２２）に均白してポンプ（
１０）のモータハウジング（１２）側に固定される固定
軸受（２４）と、シャフトスリーブ（２１）及び固定軸
受（２４）の図示１一部に配置したガスシール（２６）
とを愉えており、本実施例においては、シャフトスリー
ブ（２１）及びスラスト受板（２２）の固定軸受（２４
）に対向する面にグルーブ溝（２３）かそれぞれ形成し
である。

シャフトスリーブ（２１）は１回転軸（＋５）の図示下
端部に嵌合支持することにより回転軸（１５）と−・体
重にしたものであり、その図示下部外面には、第２図に
示すように、所謂ヘリングボーンタイプのグルーブ溝（
２３）が形成しである。また、スラスト受板（２２）も
、その中心に設けた穴内にて回転軸（１５）に挿通して
これに固定したものてあり、その図示上面には、第２図
に示したように、スパイラルタイプのグルーブｎ　Ｃ２
３）が形成しである。これらのグルーブ溝（２３）は、
後述の固定軸受（２４）のシャフトスリーブ（２１）及
びスラスト受板（２２）に対向するそれぞれの面に形成
して実施してもよいものである。なお、シャフトスリー
ブ（２１）及びスラスト受板（２２）は本実施例のよう
に別体のものとして構成してもよいか、これらな−・体
止して実施してもよい。

シャフトスリーブ（２１）及びスラスト受＆（２２）に
対向する固定軸受（２４）は、第１図に示したように筒
状のものてあり、これをポンプ（Ｉｎ）のモータハウジ
ンク（＋２）に固定することにより、下部ケーシング（
１８）及びケーシング（ｌりと一体化されているもので
ある。また、この固定軸受（２４）には、これに対向し
ているシャフトスリーブ（２１）及びスラスト受板（２
２）との空間内に外部空気を導入するための空気孔（２
５）か設けてあり、この空気孔（２５）は本実施例の場
合、ポンプ（ｌＯ）のモータハウジンク（１２）及び下
部ケーシング（１８）に形成した通路を通してポンプ（
１０）の外部と連通ずるようになっている。なお、この
空気孔（２５）から導入された空気の出「１は、下部ケ
ーシング（１８）の図示しない箇所に設けてあり、また
空気孔（２５）には回転軸（＋５）の回転初期において
空気を強制的に供給するためのポンプ（図示しない）が
接続しである。

以りの動圧軸受（２０）を主として構成している各シャ
フトスリーブ（２１）及びスラスト受板（２２）、また
はこれらに対向する固定軸受（２４）のいずれか−・方
は、本実施例にあっては、セラミ・ツクを材料として形
成したものである。

すなわち、この発１１に係る動圧軸受（２０）は、これ
を構成して相対回転運動を行なう各部材の少なくとも一
方の部材かセラミックからなるものであることか好まし
いものである。その理由は、このセラミックは高い硬度
と耐摩耗性に優れているため耐荷手性に優れるからてあ
り、Ａ文、０３、Ｓｉｏ２、ＺｒＯ３、ＳｉＣ，ＴｉＣ
，ＴａＣ。

Ｂ　＜　Ｃ、ＷＣ、Ｃｒ　：Ｉ　Ｃ＝　、　Ｓ　Ｉ　１
Ｎ　４　、８　Ｎ　。

ＴｉＮ、ＡＪ、Ｎ、ＴｉＢ２．ＣｒＢ２．ＺｒＢｔコー
シェラーイト、ムライト、Ｔｉｅ、からなる多孔質体、
あるいはこれらの開放気孔内に潤滑剤を充填した複合物
からなることが好ましい。なかでも、Ａ１２ｏ、、Ｚｒ
Ｏ２，５ｉｆｆＮ４．ＳｉＣコージェライトかより高い
強度を有していて主として優れた熱衝撃性を有するため
、より好適である。そして、相対回転連動を行なう一方
の部材かセラミックから構成されてなり、他方の部材か
他の材ネ１　例えば金属によって形成されている場合に
も、セラミックから構成されてなる部材は相−Ｌ材に対
する耐摩耗性に優れるからである。

また、このセラミックは多孔質であることか好ましい。

これは、セラミックは自己潤滑性に乏しいＭ質を有して
いて、それ自体では耐摩耗性に優れるか摩耗係数が比較
的大きい欠点を有ｌノているのに対し、セラミックを多
孔質にすることによりその開放気孔中に潤滑剤を充填す
ることによって「１己謂滑性を付γすることかてきるか
らである。

この場合、このセラミック多孔質体の気孔率は１０〜６
Ｑｇ臂％であることか好ましい。その理由は、気孔率が
１０容埴％よりも小さいと、潤滑剤を充填しても、それ
らの潤滑性を有する気孔面精よりもセラミックの摺動面
植の方か大きいため、潤滑剤の効果か充分発揮できない
ためである。

一方、開放気孔の気孔率が６０容埴％よりも大きいと、
潤滑性の効果は充分であるか、逆にセラミック多孔質体
の強度か低ドし、耐荷改性か低゛↑゛するからであり、
なかでも気孔率は２０〜ｂあることかより好適である。

なお、他方の部材には、セラミックまたはセラミック多
孔質体あるいは金属等いずれも使用することができるが
、セラミック多孔質体製の部材に摩耗現象をほとんど生
しさせないような材質を使用するものである。

そして、］；記のようなセラミック多孔質体の開放気孔
中に充填される潤滑剤としては、フッ素系オイル、シリ
コン系オイル、鉱油、動ψ物油。

パラフィン系オイル、ナフテン系オイルより選ばれるい
ずれか少なくとも一種てあることか好ましい。これらは
セラミックの気孔中に含浸させ易く、起動時の若トのＩ
ｔｉ擦熱に対して敏感に反応し、低粘度となって、各部
材間のｆｆ４接面にボンピング効果により供給され、起
動トルクを涛しく低減させるためであり、なかでもフッ
素系オイル、シリコン系オイル、パラフィン系オイルあ
るいはナフテン系オイルから選ばれるいずれか少なくと
も１種であることかより効果的である。

潤滑剤は、セラミックの気孔中に少なくともＩｌｌ容１
．）％充填されていることか好ましい。このようにする
理由は、　１０容星％よりも少ないと、その潤滑効果を
十分発揮することか困難となるためてあり、なかでも３
０容埴％以ヒであることがより効果的である。

なお、潤滑剤の気孔中への充填方法としては、潤滑剤を
加熱して溶融し含浸する方法、溶剤に溶解させて含浸す
る方法、七ツマ−あるいは反応原料を含浸した後反応せ
しめる方法、微粒化した潤滑剤を分子ｔ！Ｉ媒中に懸濁
あるいは乳濁させた後乾爆して分散媒を除去する方杖か
あり、２挿具１−の方法を併用することかでき、また数
回に分けて充填することもできる。

未発１１に係る多孔質セラミック製の動圧軸受（２０）
におけるクループ溝（２３）の深さは、３４ｍから５０
Ｂｍの範囲内にすることが好ましい。即ち、グルーブ溝
（２３）の深さか３ｇｍ未満では、動圧効果はあっても
、使用中に摩耗粉によってグルーブ溝（２コ）に［１づ
まりが生ずるためにその性能か劣化し、またセラミ・・
Ｉり材料の研削加工ｌ二経済的ではないなどの問題が生
ずるからである。一方、クループ溝（２３）の深さが５
０ｇｍを越えると、ト分な動圧効果を発揮させることか
できないからである。

シャフトスリーブ（２１）と固定軸受（２４）との図示
１一部に設けたガスシール（２６）は、木′！施例にお
いては、第２図に示したように、シャフトスリーブ（２
１）のＬ部外周に螺線状の溝を形成して構成したちので
ある。すなわち、この螺線溝としては、ドの回転に伴な
って回転することにより、シャフトスリーブ（２１）及
び１．＋４定軸受（２４）間の空気を図示ド方へ強制的
に送るようなものとして構成したものである。

勿論、このガスシール（２６）としては、シャフトスリ
ーブ（２１）及びスラスト受板（２２）と固定軸受（２
４）とによって構成された空間内に供給された空気を図
示Ｆ方に逃がさないようにするためのものであるから、
を記の実施例に限るものではなく。

例えばラビリンス等の他のメカニカルシールを採用して
実施してもよいものである。

（発明の効果） 以１−詳述した通り、本発明においては、ヒ記実施例に
て例示した如く。

［ポンプ（Ｉｉｌ）を構成し動’ＩＫ（＋６）を回転さ
せるための回転軸（１５）の一部に−・体重に設けた円
筒状のシャフトスリーブ（２１）と、このシャフトスリ
ーブ（２１）の近傍に位置するスラスト受板（２２）と
、これらのシャフトスリーブ（２１）及びスラスト受板
（２２）に同時に対向するとともにポンプ（ｌＯ）のケ
ーシング（１１）側に固定的に設けた固定軸受（２４）
とを備え、 この固定軸受（２４）のシャツトスリーフ頁２１）及び
スラスト受板（２２）に対向する而、またはシャフトス
リーブ（２１）及びスラスト受板（２２）の固定軸受（
２４）に対向する両面の、少なくともいずれか一方に、
動圧を発生させるためのクループ溝（２３）を形成し。

さらに、この固定軸受（２４）に設けた空気孔（２５）
を通して当該ポンプ（Ｉｌｌ）外からクループ溝（２コ
）に対して空気を導入するように構成するとともに、固
定軸受（２４）とシャフトスリーブ（２１）間に、空気
孔（２５）から導入された空気の＋［（１６）側への移
動を遮断するガスシール（２６）を設けたこと］ にその構成ヒの特徴かあり、これにより、動圧を発生さ
せるクループ溝を積極的に形成することによって、ｍ能
的にト分であることは勿論、筒中なｍＷてあってポンプ
全体のコスト低下を達成することかでき、７ｒ７染する
ことのないポンプ用動圧軸’３（２１１）を提供するこ
とかできるのである。

すなわち、本発明の動圧軸受（２０）によれば、従来必
要であった潤滑油は全く不要であるため、潤滑油の気化
の及ぼす悪影響は全く発生しないものであり、当然潤滑
油の補給というようなメンテナンスも全く不要とするこ
とかできるものである。

また、この動圧軸受（２０）によれば、機械的てしかＩ
Ｊ摩擦か殆んど生じないものとして構成することかでき
るため、例えば磁気軸受の場合と比較した場合、その構
成を筒中にすることができて、全体のコストを低下させ
ることかできるのである。

しかも、この動圧軸受（２０）は構造かｍ重であること
から、その設置スペースとして大きなものは必要かなく
、ポンプ（Ｉｌｌ）全体をよりコンパクト化することか
てきるのである。

【図面の簡単な説明】

第１［７！は本発明に係る動圧軸受を採用したポンプの
断面［Ａ、第２図はシャフトスリーブ及びスラスト受板
の斜視図である。 符　　　号　　　の　　　説　　　明 １０・・・ポンプ、１５・・・回転軸、１６・−１７１
質、２０−・・動圧軸受、２１・・・シャフトスリーブ
、２２・・・スラスト受板２ゴ・・・グルーブ溝、２４
・・・固定軸受、２５・・・空気孔、２６・・・ガスシ
ール。 以側−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ポンプを構成し動翼を回転させるための回転軸の一部に
   一体的に設けた円筒状のシャフトスリーブと、このシャ
   フトスリーブの近傍に位置するスラスト受板と、これら
   のシャフトスリーブ及びスラスト受板に同時に対向する
   とともに前記ポンプのケーシング側に固定的に設けた固
   定軸受とを備え、 この固定軸受の前記シャフトスリーブ及びスラスト受板
   に対向する面、または前記シャフトスリーブ及びスラス
   ト受板の前記固定軸受に対向する両面の、少なくともい
   ずれか一方に、動圧を発生させるためのグルーブ溝を形
   成し、 さらに、この固定軸受に設けた空気孔を通して当該ポン
   プ外から前記グルーブ溝に対して空気を導入するように
   構成するとともに、前記固定軸受とシャフトスリーブ間
   に、前記空気孔から導入された空気の前記動翼側への移
   動を遮断するガスシールを設けたことを特徴とする動圧
   軸受。