(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転するロータを有し磁気軸受を用いた真空ポンプであって、電磁石を用いたアクティブ制御式の少なくとも１つの磁気スラスト軸受と制御可能な給気機構とを備えた真空ポンプに給気するための給気装置において、目標値設定変更部(23)を備え、該目標値設定変更部(23)が、給気過程の開始時に、注入量制御部(22)を介して磁気スラスト軸受(12)の制御回路(15, 17, 19)に関与して、スラスト軸受板(20)とスラスト軸受磁石(12)との間の空隙を制御技術が許す限り小さくするようにしたことを特徴とする、高速回転するロータを有し磁気軸受を用いた真空ポンプに給気するための給気装置。
【請求項２】
前記目標値設定変更部(23)が、通常運転時に、前記スラスト軸受板(20)と前記スラスト軸受磁石(12)との間の前記空隙を上限の大きさになるように制御するようにしたことを特徴とする、請求項１記載の高速回転するロータを有し磁気軸受を用いた真空ポンプに給気するための給気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気軸受を用いた真空ポンプのための給気装置に関し、より詳しくは、高速回転するロータを有するその種の真空ポンプのための給気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
広く用いられている種々の高速回転形の真空ポンプのうちの１つに、ターボ分子ポンプがある。以下にこのターボ分子ポンプを例にとって、解決すべき課題とその課題を解決するための手段について説明して行く。
【０００３】
ターボ分子ポンプは、その選択的なポンプ動作によって、油微粒子の存在しない状態でのポンプ作用を保証している。しかしながらターボ分子ポンプは、運転を停止すると、油微粒子やその他の汚染物質が背圧側から高真空側へ逆流して、高真空側にかなりの量の汚染物質が蓄積するおそれがあり、蓄積した汚染物質は、ポンプの再始動時には初期汚染物質となるため、甚だしい不都合をもたらす。このような汚染物質は、特にそれが炭化水素や水である場合に、ポンプによる排気時間を著しく長引かせるという結果を生じる。これを防止するには、ターボ分子ポンプの運転を停止した直後に、そのターボ分子ポンプの内部へ不活性ガスを給気すればよい。これによってポンプ及び真空容器の内側表面が不活性ガスで覆われるため、再始動後の排気時間を大幅に短縮することができる。更に、この給気を行うことによって、ロータが完全に停止するまでの時間も短縮することができる。このことは、特に磁気軸受を用いたポンプでは、摩擦が非常に小さいため、特に重要である。
【０００４】
給気装置を備えたターボ分子ポンプは、ドイツ特許公報 DE-PS 18 09 902号にも記載されており、また、「Vakuumtechnik (真空技術)」という雑誌の、第20巻 (1971年度)、第7号、第201頁以降にも記載されている。
【０００５】
これら刊行物によれば、幾つかの給気条件を最適に設定することで、ポンプの再始動後の排気時間を大幅に短縮することができる。しかしながら、１つの重大な問題が十分に対処されないままでいる。それは給気流量に関する問題である。これに関して問題となるのは、ポンプ内へ注入する給気ガスの速度をどれほどにすれば、最適給気条件を更に向上させることができ、また特に、悪影響を軽減することができるかということである。
【０００６】
このことは特に磁気軸受を用いたポンプにおいて問題になる。そのようなポンプに関して特に考慮せねばならないのは、摩擦が非常に小さいために回転が完全に停止するまでの時間が長くかかること、それに、外部からロータに作用させることのできる力の大きさに限界があることである。
【０００７】
この給気速度の問題は、何よりも先ず弁の開口の断面積の問題に還元される。この断面積が小さい場合には、ポンプへの給気を非常に長時間に亙って行うことになり、そのためロータが完全に停止するまでの時間が非常に長くかかり、これは、殆どの用途において許されないことである。
【０００８】
一方、その断面積が大きい場合には、注入されるガスからロータに作用する力が非常に大きくなり、そのため、例えばスラスト軸受の負荷が過大となってロータが非常用軸受に接触してしまうというような、重大な結果が生じかねない。その断面積を中程度の大きさにすると、上述の両方の短所が交錯することになり、結局のところ、弁の開口の断面積を変化させるという方法では、十分な解決法には到達できない。更に、たとえポンプの大きさが同程度であっても、そのポンプに接続される真空容器の容積は実に様々であり、このことが、所定のポンプの種類に適合した最適給気条件を予め定めることを一層困難にしている。
【０００９】
給気流量を変化させるための可能な方法の１つに、給気弁を、予め定めた一定の長さの期間だけ開弁したり閉弁したりするという方法がある。この方法では余計なコストがかかり、しかもそのコストは効果によって正当化される程度を超えている。またこの方法では、最適な給気過程を実現することはできず、なぜならば、例えば真空容器の大きさ、給気ガスの種類及び圧力、それに補助ポンプの作動態様等の様々な構成条件がこの方法では考慮されないからである。また、サイクルタイムに応じて上述したのと同様の短所が発生する。
【００１０】
ドイツ特許公報 DE-OS 40 22 523号に１つの解決法が記載されている。そこでは、ロータに作用する力の大きさを測定し、その測定値に基づいて制御部を介して給気弁を制御することによって、最適な給気速度を達成している。また、ロータに作用する合計の力が、安全基準を考慮して決定した所定値を超えないという条件の範囲内で、できる限り大量のガスを注入するという方法で、給気弁の開弁時間を最適化するようにしている。ロータにアクティブ制御式の磁気軸受が備えられていると、多くの場合、力の測定値は、その磁気軸受の制御回路の中にもともと任意に定められている値より大きくなる。またこの場合、磁気軸受の電磁石の電流は、その力の大きさに比例した大きさになる。
【００１１】
しかしながら、この最後に説明した解決法では、幾つかの考慮されていない点がある。
【００１２】
即ち、ロータの最適位置は、磁気スラスト軸受の空隙の大きさが上限の大きさと下限の大きさとの間にくる位置として規定される。そして、空隙の最大幅は、それ以上空隙が広がると磁気スラスト軸受に作用する荷重が小さくなり過ぎて、ロータの安定位置の値が保証されなくなる幅として規定される。
【００１３】
一方、空隙が小さくなると上記荷重も大きくなり、それと同時に、制御回路の固有振動周波数も大きくなって、その減衰が不可能となるおそれがあり、そうなると制御回路が不安定になる。このことから、関連した空隙の下限の大きさが定められる。
【００１４】
また更に、空隙がそれより更に小さくなると、制御回路の働きによってロータに作用する力や、常時存在している多少の大きさの外乱によってロータに作用する力も大きくなり、そのため、ポンプのハウジングに作用する反作用力も大きくなる。多くの場合、これによって発生するポンプのハウジングの振動は、非常に不都合な、許容されないものである。それゆえ、長時間の運転を行う場合には、磁気軸受の空隙の大きさはできる限り上限の近くに維持すべきである。
【００１５】
これに対して、給気過程の実行中は、既述の如く磁気軸受に大きな耐荷重性が要求されるため、ロータ位置を下限位置に近付けて磁気軸受の負荷能力を高めるのが有利である。この場合には、振動が大きくなることは不都合ではなく、なぜなら、このときポンプは回転を停止しようとしているからである。
【００１６】
本発明の目的は、高速回転するロータを有し磁気軸受を用いた真空ポンプのための給気装置であって、製造コストを増大させることなく在来のこの種の給気装置を改良した、給気装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる給気装置は、目標値設定変更部(23)を備え、該目標値設定変更部(23)が、給気過程の開始時に、注入量制御部(22)を介して磁気スラスト軸受(12)の制御回路(15, 17, 19)に関与して、スラスト軸受板(20)とスラスト軸受磁石(12)との間の空隙を制御技術が許す限り小さくするようにしたことを特徴とする。
また、本発明にかかる給気装置は、前記目標値設定変更部(23)が、通常運転時に、前記スラスト軸受板(20)と前記スラスト軸受磁石(12)との間の前記空隙を上限の大きさになるように制御するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
この課題の解決法によれば、高速回転するロータを有し磁気軸受を用いた真空ポンプの給気を、空隙を小さくして磁気軸受の耐荷重性を大きくすることによって最適化することができる。また更に、長時間の運転を行う際には、そのような場合に最適な空隙幅を維持するため、安全で静粛な運転が保証される。
【００１９】
【実施例】
以下に添付図面を参照しつつ、磁気軸受を用いたターボ分子ポンプの実施例に即して本発明を更に詳細に説明する。
ターボ分子ポンプのハウジング１の中には、複数のポンプ要素が配設されており、それらポンプ要素は複数枚のステータ羽根車２と複数枚のロータ羽根車３とから成り、ロータ羽根車３はロータ軸４に取付けられている。給気ガスを注入するために、ハウジング１にはガス注入口５を形成してあり、このガス注入口５に制御可能な給気弁６を備えている。参照番号８は、ロータ軸４を回転駆動するための駆動機構である。ロータの軸支構造は、図示の実施例では、吸気口を備えたポンプ上部に設けたパッシブ形の磁気ラジアル軸受９と、駆動機構８の下側に設けたアクティブ形の磁気ラジアル軸受１０と、ロータ軸４の下端に装備したアクティブ形の磁気スラスト軸受１２とで構成されている。径方向センサ１１及び軸方向センサ１３は、夫々、ロータ軸４の径方向位置と軸方向位置とを測定する機能を果たしている。センサ評価部１４、１５と制御部１６、１７とで、夫々の制御信号を発生させており、それら制御信号が、電力増幅器１８、１９を介してアクティブ形の磁気軸受１０、１２の電流を制御して、ロータを安定した位置に維持する。
【００２０】
アクティブ形の磁気スラスト軸受の制御は、例えば、スラスト軸受磁石１２とスラスト軸受板２０との間の空隙が一定になるようにする制御である。ロータに作用する力が増大したならば、電磁石の電流が変化するようにしてあり、従って電磁石の電流はロータに加わる力に比例した大きさを持つ。
【００２１】
この電流の大きさが、ロータに作用する所定の大きさの力に対応させて予め設定してある電流値を超えたならば、給気弁６が限界値検出部２１によって閉弁される。その結果、ポンプの内部に圧力平衡状態が発生し、そのため、ロータに加わっていた力が低下する。これによって電流も減少し、給気弁６が再び開弁される。
【００２２】
本発明に従って、更に目標値設定変更部２３を備えており、この目標値設定変更部２３は、給気過程の開始時に、注入量制御部２２を介して磁気スラスト軸受１２の制御回路１５、１７、１９に関与する。そしてそれによって、スラスト軸受板２０とスラスト軸受磁石１２との間の空隙を、制御技術が許す限り小さくするようにしている。磁気スラスト軸受１２は、これによって、最大の負荷能力を発揮する状態になり、給気過程の実行に伴って発生する大きな荷重に耐えられるようになる。通常運転時には、この空隙を拡げて上限の大きさになるようにする。これによって振動が大幅に抑制され、より静粛でより安全なロータの回転が保証されるようになる。尚、給気過程の実行時間は非常に短縮される。
【００２３】
上述した解決すべき課題とその課題を解決するための手段とは、以上に例示した実施例に限定されるものではない。それらはその他の種類の真空ポンプにも同様に適用され、また、その真空ポンプに用いられている磁気軸受がスラスト軸受とラジアル軸受とのいずれであっても、同様に良好に適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボ分子ポンプに適用した、本発明の実施例にかかる給気装置の模式図である。
【符号の説明】
３    ロータ羽根車
４    ロータ軸
５    ガス注入口
６    給気弁
１２  磁気スラスト軸受（スラスト軸受磁石）
１５  センサ評価部（制御回路）
１７  制御部（制御回路）
１９  電力増幅器（制御回路）
２０  スラスト軸受板
２２  注入量制御部
２３  目標値設定変更部
【図１】
0003722874.tif 000002