JPS63255596A - タ−ボ分子ポンプ - 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、軸受潤滑剤、特に潤滑油を含まない高度の真
空を発生させるための回転子をケーシング内室に支承し
て有している真空ポンプ、殊に高速回転を必要とするタ
ーボ分子ポンプに関するものである。

〔従来の技術〕

一般に半導体製造設備、電子顕微鏡装置、蒸着装置、高
真空炉、真空管製造設備等においては高度に浄化された
真空を必要とし、これがため、必ず付属装置として真空
ポンプが設けられている。

この真空ポンプには、高度の真空を発生させるた、　め
の回転子をケーシング内に支承された種々異なる形式、
例えば油拡散式真空ポンプ、ターボ分子ポンプ、容積式
真空ポンプ、軸流式真空ポンプなど多種多用なものがあ
り、その用途に応じて使いわけられている。

なかでも、ターボ分子ポンプや軸流式真空ポンプは、運
転の起動が容易であり、又、幅広い真空度に対して適用
できることから、精密加工技術の発達と共に広範囲の分
野に普及してきているが、これらターボ分子ポンプでは
おおむね分子的な圧力範囲での圧力値１０−２〜１０−
”　ｎｌ（ｇの圧力を得るために回転数をほぼ２０．０
００ｒ、ｐ、ｍ以上の致方回転の高い回転数で回転する
ので回転子の支承に特別な問題が生ずることが多いこと
が知られている。

従来のターボ分子ポンプでは固定翼の間隔に配列された
回転翼を１分間に致方回転の高速で回転させ、気体分子
に一定方向の運動量を与えることにより真空排気するも
ので、高速回転を得るための電動機は、−船間用周波数
よりも高い周波数の　　　　　　゛電源を用いて電力を
供給している。また高速回転のための軸受はポンプの信
頼性に大きく関与する重要な部品であり、通常ポンプケ
ーシングの最下部に設けた潤滑油溜から軸受へ潤滑油を
供給し、軸受の摩耗、焼付を防止している。

ターボ分子ポンプは、前述のように手軽に超高真空を実
現できるすぐれた性質の真空ポンプであるが、軸受の部
分に潤滑油を用いていることがら、ポンプの運転を停止
する際に潤滑油が真空チャンバへ拡散したり、或いは運
転中に軸受局所において生ずる機械的な接触によって潤
滑油が分解し、低分子量の分子を発生し、これが真空チ
ャンバへ拡散したりするため、高度に清浄な真空を必要
とする真空設備については磁気軸受を用いたターボ分子
ポンプを用いることもあった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のターボ分子ポンプにおいて回転子を軸受で支承す
る場合において、用いられる軸受としてのころがり軸受
若しくは球軸受は固体接触のためにしばしばオイル又は
グリース潤滑の潤滑剤を併用し、その潤滑剤回路を介し
て潤滑かつ冷却されなければならないが、このベアリン
グ装置の正しい潤滑と十分な冷却との確保が難しく、グ
リースなどの油潤滑では真空中に油ミストが混入しやす
く寿命も極めて短いばかりか、軸受での固体接触による
局部的発熱現象によって潤滑剤蒸気若しくは潤滑油蒸気
などの炭化水素が発生し、蒸気の高真空側への拡散傾向
があって潤滑剤の劣化が激しいと共に、潤滑剤の少ない
真空を達成しようとする場合にはポンプの再運転開始に
際して費用のかかる加熱過程を長時間にわたって必要と
するほか、真空中の炭化水素は電気的な閃絡に対する強
度を低下させる欠点があり、殊に軸受に金属材料を用い
ると変形が大きく、かつ潤滑剤の劣化が生じると輻射熱
の放出も少なくなって冷却効果も低下して耐久性もなく
なり、また、ポールベアリングのように微視的にみると
固体接触が行われる軸受にあっては所定の運転期間が経
過すると軸受の寿命がくる等と、問題がさらに大きくな
るものであった。

さらに磁気軸受を用いた場合でも、磁気軸受は極めて複
雑な制御装置を必要とするにもががねらず、通常電源の
喪失時、即ち停電時には磁気軸受効果が完全に失われ、
高速回転中の回転翼の支持ができない欠点もあり、これ
がため、磁気軸受を採用したターボ分子ポンプにあって
は、停電時に対策用として非常用バッテリーや非常用発
電フライホイールを併設しなければならず、又、回転体
側での発熱を放出する手段がないことから、−概に安全
有利な真空ポンプとは云えないものであった。

本発明は、これら従来の欠点を排除しようとするもので
、固体接触することなく局部的発熱がなく、正しい潤滑
を可能にし、潤滑剤の分解ガス発生を抑え、その劣化が
なく、安定した回転子の超高速運転を可能とし、かつ清
浄な高真空を容易に得られることができ信頼性も高く耐
久性あるターボ分子ポンプを構成簡単で安価な形態で提
供することを目的としたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、ケーシング内にその軸線方向に多段に設けら
れた静翼と、この静翼間に位置し、かつケーシング中心
に位置するロータの外周に設けられた動翼をモータ軸を
介して回転体として回転自在に備えたターボ分子ポンプ
において、モータ軸ｔこ取付けたスラスト受板と該スラ
スト受板に対応する支承部材とのいずれかに動圧発生用
溝を設けてスラスト軸受部を構成し、前記モータ軸端部
外周にラジアル軸受部を備えると共に、モータ軸端を流
体封入室に嵌挿配備したことを特徴とするターボ分子ポ
ンプである。

〔実施例〕

本発明の実施例を真空ポンプの例について第１図例で説
明すると、ケーシング１内にその軸線方向に多段に設け
られた静翼２と、この静翼２間に位置し、かつケーシン
グ中心に位置するロータ３の外周に設けられた動翼４を
モータ軸５を介して回転自在に回転体として備えたター
ボ分子ポンプにおいて、前記回転体をそれぞれ動圧発生
用溝例えばスパイラル状溝６のあるスラスト受板７、即
ちモータ軸５に取付けたスラスト受板７と、該スラスト
受板７に対向する支承部材８とからなるスラスト軸受部
と、モータ軸端部に備えられるラジアル軸受１）とで回
転可能に支え、モータ軸端部を流体封入室９に嵌挿配備
し、前記回転体の自重を支える方の前記スラスト受板７
、支承部材８又はラジアル軸受１）の少なくとも一方又
はいずれもがセラミックス焼結体から成る構成としたタ
ーボ分子ポンプとしである。

前記スラスト受板７は、スパイラル状溝６を形成したス
パイラルグループを用いて、前記モータ軸５の端部に設
けられ、モータ軸５がケーシング底面に突設される支承
壁部１０で形成される流体封入室９に嵌挿配備されてい
るもので、スパイラルグループ軸受として用いである。

この場合、前記スラスト受板７とこれに対向する支承部
材８とが、強イタンピング作用や大きなアンバランスに
対して極めて良好な回転を呈して効果的である。

この場合、水平方向のずればモータ軸端部のラジアル軸
受１）で保つのがよく、必要に応じスラスト受板７と支
承部材８との間にグリース、油、油滴下、油浸漬、磁性
流体封入をしてもよい。

また、前記ラジアル軸受１）としては、前記モータ軸５
に嵌合固着したスリーブ状のブツシュ１）゜にその外周
面に必要に応じヘリングボーン状溝１）□を形成してケ
ーシングの支承壁部１０に形成した嵌合孔内周面に対設
したものを用いであるが、モータ軸５に形成した段付部
外側又はモータ軸外周に設けた形態とすることもできる
。

なお、前記流体封入室９は潤滑油などの粘性流体又は磁
性流体を封入されているものであって、ケーシングに突
設されているもので、必要に応じ粘性の小さい液体或い
は封入気体で代用することもでき、スラスト受板７を含
む動圧スラスト軸受では粘性がやや大きくても摩擦抵抗
は小さいし、ラジアル軸受１）は隙間が一定であるため
粘性が即、抵抗となるためスラスト側には太き目の粘度
を持つ潤滑剤、ラジアル側には小さいものを使う方が良
い。

そして、粘性流体として、気体（Ｎｚ、　Ｃｏ。等）や
比較的蒸気圧の高いオイルを用いるときには、僅かでは
あるが、粘性流体が吐出口へ排気されるので、これを補
うために適宜、補給手段を設けるのが望ましく、例えば
Ｎ２の如き不活性ガスを用いるのであれば、流体封入室
９へその供給管を接続する。

また前記スパイラル状溝６又はへリングボーン状溝１）
□のある面に対向する面は平滑面とすることが考慮され
ているが、前記動圧発生用溝としてのスパイラル状溝６
又はへリングボーン状溝１）□を形成した硬質のセラミ
ックス材料例えばＳｉＣ焼結体、ＢｅＯを含むＣＸ−３
ｉＣ焼結体、又はＳ＋ｚＮａ焼結体などで構成したもの
を用いてスラスト軸受部又はラジアル軸受部として形成
するのがよい。

図中１）３は支承用カラーでラジアル軸受を兼ねる。１
２は駆動モータ、１３は給電コネクタ、１４は吐出口、
１５は吸込口である。

第２図例では、ラジアル軸受１）としてヘリングボーン
状溝１）２を設けたスリーブＩ６をモータ軸５に固着し
、筒状支承部１８に嵌挿して軸受部とした例で支承部１
８との間に形成される隙間に磁性流体を封入し、該磁性
流体を保持制御する永久磁石又は二次導体からなるマグ
ネット１７を備えてシール効果とラジアル軸受作用を兼
用するようにしたものである。この場合、前記スラスト
受板７ば筒状部のブツシュＩＩ、を一体に形成した部材
で流体封入室９に対設するのがよい。

しかして動翼４のある回転体のロータ３はモータ軸５で
回転自在に動圧発生用溝のあるスラスト受板７と支承部
材８とからなるスラスト軸受及びラジアル軸受１）上に
マスバランス、流体バランス及び磁気バランスが良好に
維持されて円滑に回転され、超高速で運転できるもので
ある。

この場合前記軸受を構成するスラスト受板７に動圧発生
用溝のスパイラル状′ａ６を形成し、他方の面は平滑な
平面としてスラスト軸受とするものであり、また、ラジ
アル軸受１）はモータ軸５にあるスリーブ状のブツシュ
１）．の外周面、又は中空筒状の支承壁部１０の貫通孔
の円筒面のいずれか一方の面に動圧発生用のへリングボ
ーン状溝１）□を形成し、他方の面を平滑な円筒面とす
るものであり、いずれの実施例でも、スラスト荷重を支
えるためのスパイラル状ａ６、ラジアル荷重を支えるた
めのへリングポーン状溝１）□は各々３〜５０μｍ程度
の溝深さである。またこの動圧発生用溝のある面は全面
のうねりが０．３μｍ以下で最大面粗度が０．１μｍの
平滑な平面であるランド面とした上で、ショツトブラス
トによって３〜５０μｍの深さのスパイラル状溝加工を
したものである。

この溝深さは、粘性流体の粘性に応して最適寸法が変化
するものであり、粘性が大きい流体であれば深い寸法と
なるべきである。また、粘性が大きい流体を用いるなら
ば、動圧発生用溝における摺動面の最大面粗度もより大
きいものであっても動圧効果は十分に得られるものであ
り、前記０．３μｍ及び０．１μｍと云う数値は気体を
用いた場合でも効果が得られる寸法であり、オイルのよ
うに粘性の大きい流体を動圧発生用溝のすきまに介在さ
せるならば、この寸法はより大きいものとなる。

なお、動圧効果を利用した軸受は硬質のセラミックス材
料でつくり高い精度で前記動圧発生用溝を加工すること
ができ、かつ、その動圧発生に適した摺動部の形状が動
圧が発生した状態においても維持され、しかも、起動、
停止の際に生じる固定摺擦に対しても、ある程度の負荷
であれば耐久性を持って有効に用いられる。

〔発明の効果〕

本発明は、ケーシング内にその軸線方向に多段に設けら
れた静翼と、この静翼間に位置し、かつケーシング中心
に位置するロータの外周に設けられた動翼をモータ軸を
介して回転体として回転自在に備えたターボ分子ポンプ
において、モータ軸に取付けたスラスト受板と該スラス
ト受板に対応する支承部材とのいずれかに動圧発生用溝
を設けてスラスト軸受部を構成し、前記モータ軸端部外
周にラジアル軸受部を備えると共に、モータ軸端を流体
封入室に嵌挿配備したことにより、従来のポール、ベア
リングで生した潤滑油の分解ガスの発生を極力抑えるこ
とができ、しかもグリース、油の潤滑剤を封じ込む作用
とかつ、外部と接触している表面積が他の軸受より小さ
いので、蒸発量は極端に少なくなって潤滑剤の保持が容
易であり、大気側と真空系のシールをも適確に可能とな
り、軸受作用も効果的に発揮でき、前記回転体の自重を
支える方の前記スラスト軸受又はラジアル軸受に局部的
な固体接触がなく、オイル又はグリース潤滑の潤滑剤を
用いても発熱現象がなく潤滑剤の分解ガスの発生を極力
抑えられ、潤滑剤の劣化消耗による支障もなくなり、ラ
ジアル荷重も十分適確に受けられ安定した回転子の超高
速運転を可能とし、かつ高真空を容易に達成することが
できるほか流体封入室の流体で可動部分の摺動が良好に
維持され、耐久性あるターボ分子ポンプを構成簡単で安
価な形態で提供できるほか著しくコンパクト化できる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の縦断面図、第２図は他の実施
例の縦断面図である。 １・・・ケーシング、２・・・静翼、３・・・ロータ、
４・・・動翼、５・・・モータ軸、６・・・スパイラル
状溝、７・・・スラスト受板、８・・・支承部材、９・
・・流体封入室、１０・・・支承壁部、１）・・・ラジ
アル軸受、１）．・・・ブツシュ、１）□・・・ヘリン
グボーン状溝、１）３・・・カラー。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ケーシング内にその軸線方向に多段に設けられた
   静翼と、この静翼間に位置し、かつケーシング中心に位
   置するロータの外周に設けられた動翼をモータ軸を介し
   て回転体として回転自在に備えたターボ分子ポンプにお
   いて、モータ軸に取付けたスラスト受板と該スラスト受
   板に対応する支承部材とのいずれかに動圧発生用溝を設
   けてスラスト軸受部を構成し、前記モータ軸端部外周に
   ラジアル軸受部を備えると共に、モータ軸端を流体封入
   室に嵌挿配備したことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. （２）前記モータ軸が、外周面にヘリングボーン状の動
   圧発生用溝を形成したスリーブ状のブッシュを備え、前
   記流体封入室の嵌合孔に嵌挿配備したものである特許請
   求の範囲第１項記載のターボ分子ポンプ。
3. （３）前記流体封入室が、潤滑油などの粘性流体又は磁
   性流体を封入したものであって、ケーシングに突設され
   ているものである特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   のターボ分子ポンプ。
4. （４）前記回転体が、前記回転体をそれぞれ動圧発生用
   溝のあるスラスト軸受とラジアル軸受とで回転可能に支
   えられ、前記回転体の自重を支える方の前記スラスト軸
   受の少なくとも一方の軸受がセラミックス焼結体である
   特許請求の範囲第１〜３項のいずれか一つの項記載のタ
   ーボ分子ポンプ。