(57)【要約】【解決手段】真空装置の回転要素を支持するための転動体軸受が、軸受要素(12,14) 間に配置された複数の転動体(10)を備えている。軸受空間(26)が、例えば、密閉要素(22,24) によって両側で閉じられている。密閉要素(22,24) は僅かなシールギャップ(s) を置いて設けられている。本発明に係る転動体軸受は、圧力が10-3mbar未満である真空部分で使用される。
2011530053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの軸受要素(12,14) 間の軸受空間(26)に配置された複数の転動体(10)と、
前記軸受空間(26)を真空部分(18,20) に対して少なくとも一側で密閉するための少なくとも１つの密閉要素(22,24,40,46) と
を備えており、
前記密閉要素(22,24,40,46) は、前記２つの軸受要素の内の一方(14)、又は該軸受要素(14)に接続された構成要素(36)に固定して接続されており、ギャップリングシールを形成するために、前記密閉要素は、他方の軸受要素(12)又は該軸受要素(12)に接続された構成要素(30,32) から、前記真空部分(18,20) 内の分子の平均自由行程より小さい間隔(s) を置いて設けられている、真空装置の回転要素を支持するための転動体軸受の使用方法において、
前記真空部分(18,20) の圧力が10-3mbar未満であることを特徴とする使用方法。
【請求項２】
前記真空部分(18,20) の圧力は、10-5mbar未満であり、特には10-7mbar未満であることを特徴とする請求項１に記載の使用方法。
【請求項３】
前記間隔(s) に以下の式が適用されており、
s < (x・10-5m mbar)/p
ここでは、p は、前記真空部分(18,20) のmbar単位の圧力であり、
x ∈ R
であり、0.5 ≦ x ≦ 12であることを特徴とする請求項１又は２に記載の使用方法。
【請求項４】
前記間隔(s) は、前記軸受要素間の間隔(h) の20%未満であり、好ましくは10%未満であり、特に好ましくは５%未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の使用方法。
【請求項５】
前記密閉要素(22,24; 40,46)は、前記軸受空間(26)を両側で密閉するために２つ対向して設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の使用方法。
【請求項６】
前記２つの密閉要素(22,24; 40,46)は、特には前記真空部分(18,20) の異なる圧力に基づき、前記軸受要素の両側で異なる前記間隔(s) を置いて設けられていることを特徴とする請求項５に記載の使用方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの密閉要素(22,24) は、外側の前記軸受要素に固定して接続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使用方法。
【請求項８】
前記間隔(s) は周方向に一定であ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使用方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの密閉要素(22,24) は、小さな前記軸受空間(26)を形成するために、前記転動体(10)又は該転動体(10)を支持する保持器(16)から小さな間隔を置いて設けら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使用方法。
【請求項１０】
前記ギャップリングシールの領域の前記密閉要素(40)の幅(b) が、少なくとも前記間隔(s) に相当する長さであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の使用方法。
【請求項１１】
前記密閉要素(40,46) の領域に配置されており、流出した潤滑剤を前記軸受空間(26)に戻すための能動搬送要素(45)を更に備え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使用方法。
【請求項１２】
前記能動搬送要素(45)は、回転軸(30)に面する前記密閉要素(40,46) の内面(42,48) 、及び／又は前記密閉要素(40,46) の領域の前記回転軸(30)の表面(44)に螺旋状の刻み目を有していることを特徴とする請求項11に記載の使用方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記転動体軸受に支持された前記回転要素は、少なくとも6,000rpm の速度で、特には30,000rpm を超える速度で回転す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使用方法。
【請求項１４】
特にはポンプロータを支持するために、ターボ分子ポンプで実行されることを特徴とする請求項１乃至13のいずれかに記載の使用方法。
【請求項１５】
吸込室に配置されたポンプ要素(66,68) と、
該ポンプ要素(66,68) を支持する少なくとも１つの回転軸(62)と、
少なくとも一方(76)が転動体軸受であり、前記回転軸(62)を支持する少なくとも２つの軸受構造(76,78) と
を備えており、
前記軸受構造(76,78) は、
２つの軸受要素(12,14) 間の軸受空間(26)に配置された複数の転動体(10)と、
前記軸受空間(26)を真空部分(18,20) に対して少なくとも一側で密閉するための少なくとも１つの密閉要素(22,24,40,46) と
を備えており、
前記密閉要素(22,24,40,46) は、前記２つの軸受要素の内の一方(14)又は該軸受要素(14)に接続された構成要素(36)に固定して接続されており、ギャップリングシールを形成するために、前記密閉要素は、他方の軸受要素(12)又は該軸受要素に接続された構成要素(30,32) から、前記真空部分(18,20) 内の分子の平均自由行程より小さい間隔(s) を置いて設けられている真空装置、特には真空ポンプにおいて、
圧力が10-3mbar未満である前記真空部分(18,20) での使用が許容されていることを特徴とする真空装置。
【請求項１６】
前記転動体軸受は、請求項１乃至14のいずれかに記載の転動体軸受であることを特徴とする請求項15に記載の真空装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空装置の回転要素を支持するための転動体軸受の使用方法、及び真空装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空ポンプのような真空装置は、吸込室に配置されたポンプ要素を備えている。ポンプ要素は、例えばルーツ式ピストン、スクリューロータ等である。通常、ポンプ要素は回転軸に夫々支持されている。回転軸は、２つの軸受構造に通常支持されている。軸受構造は、脂質潤滑された転動体軸受を備えていることが多い。真空ポンプでの任意の転動体軸受の使用は、圧力が10-3mbarを下回らない適用例においてのみ有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】英国特許出願公開第８０９４４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、回転要素、特に回転軸は、脂質潤滑された転動体軸受に一般的に支持されている。一般的な熟練者の見解によれば、このために、転動体軸受がいかなる高真空にもさらされないように転動体軸受を配置することが必要である。現在使用されている転動体軸受は、10-3mbarまでの圧力に関してのみ承認されている。10-3mbar未満のより低い圧力では、転動体が収容されている軸受空間から大量の潤滑剤が流出するという危険性があり、そのため、転動体軸受の運用寿命が著しく短くなる。脂質潤滑された転動体軸受の使用を可能にするために、過度に真空ではない領域に転動体軸受を配置しなければならない。このため、複雑な構造が必要とされることが多い。圧力が十分に高い領域での転動体軸受の配置を考慮して、例えば、ターボ分子ポンプのポンプロータが、突出した軸に配置される。軸の固定されていない片持ちされた腕部が、突出した転動体軸受により、軸の構造的長さを制限して、更に、転動体軸受に実質的な負荷を生じさせる。更に、このような構造は高価で複雑である。
【０００５】
別の可能性として、脂質潤滑された転動体軸受の代わりに、磁気軸受を設けることも可能である。しかしながら、磁気軸受は、高価な構成要素であり、更に、故障の場合に非常時運転特性を保証するために安全軸受と組み合わせられる必要がある。
【０００６】
本発明は、特には10-3mbar未満のかなり低い圧力でも使用可能な真空装置の構造を簡素化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的は、本発明によれば、請求項１及び15の特徴により夫々達成される。
【０００８】
研究により、適切に設計された密閉要素を備えた転動体軸受が、圧力が10-3mbar未満であり、特には10-5mbar未満であり、更には10-7mbar未満でもある真空部分で使用され得ることが示された。従って、一般的な熟練者の見解、更には対応する脂質潤滑された転動体軸受に関する製造業者の仕様書に反して、このような転動体軸受が、低圧の領域でも使用され得ることが意外にも見出された。対応して検討した結果、10-3mbar未満の圧力でも軸受の運用寿命を維持することが可能であることが判明した。
【０００９】
本発明に応じて使用される転動体軸受は、２つの軸受要素を備えており、該軸受要素間の軸受空間に転動体が配置されている。前記２つの軸受要素は、例えば、内側軸受レース及び外側軸受レースであってもよい。同様に、２つの軸受要素の内の一方が、軸、又はハウジング等の軸を囲む構成要素によって囲まれるように、軸受レースの内の一方が省略されて、軸自体又は軸を囲むハウジングによって直接形成され得る。更に、軸受空間を真空部分に対して少なくとも一側で密閉する少なくとも１つの密閉要素が設けられている。転動体及び潤滑剤が収容されている軸受空間は、特には略環状の密閉要素によって真空部分から分離されている。真空部分が低圧であっても、特に脂質の多い潤滑剤が真空部分から流出したり、若しくは真空部分に流れ込んだりすることを防止するか、又は著しく低減するために、本発明では、密閉要素がギャップリングを形成しており、特に小さなギャップ幅が存在するように、密閉要素は、２つの軸受要素の内の一方から間隔を置いて配置されている。更に、密閉要素は、他方の軸受要素に間接的であれ又は直接的であれ固定して接続されている。
【００１０】
前記他方の軸受要素が、例えば外側軸受レースである場合、密閉要素は、外側軸受レース、又は外側軸受レースを保持するハウジング等の構成要素に直接固定して接続され得る。例えば、外側軸受レースが固定されている場合、密閉要素も固定されるべく取り付けられている。大量の潤滑剤が転動体軸受から流出することなく、真空部分の低圧を可能にし、特には10-3mbar未満の圧力を可能にするために、密閉要素と２つの軸受要素の内の一方との間の間隔、つまりギャップ幅が、真空部分内の分子の平均自由行程より小さい。20℃の温度における空気分子の平均自由行程が想定されることが好ましい。
【００１１】
ギャップ幅s に以下の式が適用されることが好ましい。
s < (x・10-5m mbar)/p
ここでは、p が真空部分でのmbar単位の圧力であり、密閉要素は、対応する真空部分と軸受空間との間に設けられている。尚、
x ∈ R
であり、0.5 ≦ x ≦ 12 である。x は、0.5 乃至12の範囲内であらゆるガスに関して指定され得る。
【００１２】
好ましい実施形態では、ギャップ幅すなわち間隔s は、軸受要素間隔h の20%未満であり、特には10%未満であり、特に好ましくは５%未満である。ここでは、軸受要素間隔h は、２つの軸受要素間の間隔、つまり側方の任意の間隔、すなわち転動体軸受の側方の開口部とみなしている。特には、圧力の関数としてのギャップ幅の上記の式と、軸受要素間隔の関数としてのギャップ幅の条件との両方が満たされることが好ましい。
【００１３】
好ましい実施形態では、２つの相互に対向する密閉要素が、軸受空間を両側で密閉するために設けられている。場合によっては、２つの密閉要素が、異なるように設計されることが可能であり、特には異なるギャップ幅で設計されることが可能であり、つまり、対応する軸受要素に対する夫々の間隔が異なってもよい。理由は、２つの軸受要素に対する圧力を異ならせることが可能であるためであり、例えば、両側の内の一方で密閉要素をより大きなギャップ幅を置いて設けられるだけで十分であるためである。それにより、製造コストが削減され得る。
【００１４】
好ましい実施形態では、少なくとも１つの密閉要素は、外側軸受要素に固定して接続されている。その結果、シールギャップが、例えば回転要素自体であってもよい内側軸受要素と密閉要素との間に形成されている。それにより、シールギャップの長さは可能な限り短く維持される。このため、潤滑剤が流出し得る表面が低減されるという利点がある。従って、密閉要素が内側軸受レースを通過して設けられて、効果的なギャップ幅が密閉要素と軸との間で形成されるように密閉要素を構成することは、軸受レースのような内側軸受要素を備えた転動体軸受に適切である。従って、短いギャップ幅が、内側軸受レースを有する軸受でも実現され得る。本実施形態の不可欠な発明性がある様態は、密閉要素と、２つの軸受要素の内の一方、又は該軸受要素に接続された要素との間の間隔が短いことである。従って、選択された構造に対応して、本発明によれば狭く、隣接した真空部分での低圧を考慮したシールギャップは、密閉要素と軸受要素との間、又は密閉要素と回転軸のような対応する軸受要素に接続された構成要素との間に直接設けられている。
【００１５】
前記間隔は、ギャップが一定の幅のリングであるように周方向に一定であることが好ましい。
【００１６】
転動体及び潤滑剤が収容される軸受空間を可能な限り小さくすることが好ましい。従って、密閉要素の形状は、転動体からの間隔又は転動体を支持する保持器からの間隔が小さいように選択され得る。
【００１７】
本発明によれば、転動体軸受は、6,000 rpmを超える速度範囲、特には30,000rpm を超える速度範囲で使用される。これに関連して、採用される軸受の発明性のある設計は、非常に高速であるにもかかわらず、対応する軸受が非常に低圧で使用され得るという利点を有する。
【００１８】
特に有利には、上述された軸受が、ターボ分子ポンプに設けられるような高速回転式軸と共に使用される。具体的には、上述された転動体軸受は、ターボ分子ポンプの回転軸を支持すべく機能し、前記転動体軸受は、特には吸込み側、つまり高真空側で使用される。
【００１９】
更に、適切な潤滑剤を軸受空間内で使用することが特に好ましい。具体的には、潤滑剤は、滑らかにする作用剤及び増粘剤により形成された化合物である。ここで、滑らかにする作用剤は、特には油脂を含有するか、又は油性である。尚、油脂は、鉱物油又は天然油を含有すると理解されるだけでなく、滑らかにする作用剤をも含有すると理解されており、該作用剤は、塗布領域では、液状で微視的に視認可能な凝集状態を有する。潤滑剤は糊状であることが好ましく、これは、本件の場合には、小さな剪断応力が印加されると、外形の延性変形が可能であり、外形は、前記剪断応力により変形し、自身の重量又は重力加速度によって変形しないことを意味する。
【００２０】
本発明は更に、真空装置、特には真空ポンプに関し、前記真空装置は、特には上述された好ましい実施形態では、上述されたタイプの転動体軸受を備えており、該転動体軸受は、10-3mbar未満の圧力が許容される真空部分に配置されている。これは、10-3mbar未満の圧力が生じても、前記真空部分の転動体軸受の運用寿命期間が、他の圧力での動作に対して不変のままであることが推測され得ることを意味する。
【００２１】
真空ポンプは、ルーツ式ピストン、スクリューロータのような、吸込室に配置されたポンプ要素を備えている。一般的には、ポンプ要素は夫々、少なくとも２つの軸受構造に支持された回転軸に接続されている。本発明によれば、２つの軸受構造の内の一方は、対応して圧力が低い真空部分に配置され得る。
【００２２】
好ましい実施形態では、本発明の真空装置は具体的には、上述された転動体軸受の好ましい実施形態を備えている。
【００２３】
前記転動体軸受は、特には上述された好ましい実施形態において更に独立した発明に相当する。
【００２４】
本発明を、添付図面を参照して好ましい実施形態により以下に更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る使用方法に適した転動体軸受の第１実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る使用方法に適した転動体軸受の第２実施形態を示す概略断面図である。
【図３】転動体軸受が低圧部分に配置されているターボ分子真空ポンプを非常に簡略化して示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１に示された転動体軸受の第１実施形態では、球状の転動体10が、内側軸受要素すなわち内側軸受レース12と外側軸受要素すなわち外側軸受レース14との間に配置されている。転動体10は、保持器16によって保持されている。真空部分を夫々画定する両側18,20 には、密閉要素22,24 が夫々配置されている。２つの密閉要素22,24 は、該密閉要素22,24 間に軸受空間26を画定しており、該軸受空間26には、転動体10が収容されており、脂質のような潤滑剤が充填されている。示された実施形態では、クランク状の２つの密閉要素22,24 は、安全環28のような保持要素により外側軸受レースに固定して接続されている。
【００２７】
密閉要素22,24 は、内側軸受レース12に対して間隔s を置いて設けられているように設計されており、密閉要素22及び密閉要素24のギャップ幅、すなわち間隔s は、互いに異なることが可能である。これは、現状の転動体軸受の使用方法と、２つの真空部分18,20 の圧力とに応じて決まる。好ましくは、ギャップ幅s は、転動体軸受を囲む真空、又は真空部分18,20 の真空における分子の平均自由行程より小さい。本発明によれば、圧力は10-3mbarであってもよい。転動体軸受の図示された実施形態は、内側軸受レース12の非対称的な設計により、両側で異なる軸受要素間隔h を示している。ここでは、軸受要素間隔h は、２つの軸受要素、すなわち２つの軸受レース12,14 間の任意の間隔である。
【００２８】
図２に示された第２実施形態では、同様又は同一の構成要素が同一の参照番号で示されている。
【００２９】
本実施形態（図２）では、内側軸受レース12は、軸30に配置されており、内側軸受レース12を固定すべく保持要素32によって軸受肩部34に押し付けられている。外側軸受レース14は、ハウジング要素36に設けられており、例えば、ばね38によって付勢された保持部材40によって固定されている。保持部材40は、外側軸受レース14に対応するようにハウジング要素36に接続されている。従って、保持部材40は、密閉要素としても機能しており、それ故、本発明によれば、軸30に面する保持部材40の内面42と軸30の上面44との間に間隔s が設けられている。本発明によって提示されているように、シールギャップs は、同様に狭い幅を有しており、真空部分18の圧力の関数である。図示された実施形態では、軸受空間26は、密閉要素40,46 内に設けられて、同様に潤滑剤を保持する貯蔵空間51,52 を更に有している。
【００３０】
軸受の反対側には、真空部分20に面して、構成要素46が、密閉要素として機能すべくハウジング要素36に固定して接続されている。本発明によれば、軸30に面する密閉要素46の内面48と、保持要素32の上面50との間に小さな間隔s が設けられている。更に、シールギャップs は、密閉要素46の内面48と軸30の上面44との間に直接設けられるように、保持要素32をシールギャップs の領域でより短くすることが可能である。
【００３１】
図２に保持部材40によって示されているように、軸30に向いた内面42は幅b を有する。幅b が大きいほど、ギャップの密封効果がより高められる。幅b は、少なくとも間隔s に相当する長さである。例えば、密閉要素22,24,46のような他の密閉要素の設計におけるギャップ幅についても同じことが言える。
【００３２】
軸受空間26からの潤滑剤の損失を更に低減するために、又はより大きなギャップ幅の選択を可能にするために、ねじ部45が、軸30の上面44に設けられることが可能であり、能動搬送要素として機能する。ねじ部45は、軸30に堆積された潤滑剤の分子を軸受空間26に向かって送り戻す。ねじ部45に加えて、又はねじ部45の代わりに、対応するねじ部が、反対側に、つまり内面42に設けられ得る。螺旋状の刻み目が能動搬送要素として十分であるように、このねじ部は、より浅い深さを有するだけでよい。軸30が旋盤で回されるときに形成された回転溝でも、能動搬送要素として機能する。搬送が軸受空間26に向かって行われるように、螺旋状の刻み目が軸受空間26に向かって螺旋状に延びることを考慮すべきである。
【００３３】
特には図２に示されている実施形態から分かるように、転動体10及び潤滑剤が収容されている軸受空間26は、真空部分18,22 の一方又は両方に、狭いシールギャップs の形態でほんの小さな接続部分を備えていることが本発明にとって不可欠である。更に、反対方向に回転する対向部分が互いに接触しないように、シールギャップs が設けられていることが不可欠である。これは、回転速度が高いために特に必要である。
【００３４】
本発明によれば、図１及び２を参照して上述された転動体軸受、つまり軸受構造の２つの好ましい実施形態は、圧力が好ましくは10-3mbar未満である真空部分で使用され得る。
【００３５】
図３に概略的に示されているように、類似の軸受又は同様の軸受がターボ分子ポンプに使用され得る。図３に概略的に示されているターボ分子ポンプは、ポンプハウジング60内に回転軸62を備えている。回転軸62は、ポンプ要素としてのロータ要素64を支持している。ロータ要素64は複数のロータディスク66を有しており、各ロータディスク66間にステータディスク68が配置されている。静止したステータディスク68は、ステータリング70によって保持されている。
【００３６】
図３に概略的に示されているターボ分子ポンプは、矢印72の方向に媒体を流し、矢印74の方向に媒体を吐出する。図３の右側、つまりターボ分子ポンプの吸込み側では、圧力が、好ましくは10-3mbar未満の低圧である。本発明によれば、例えば、図１又は２を参照して説明された軸受であってもよい軸受構造76が、真空部分20に配置されている。図３の左側では、回転軸62は、場合によってはより簡素な設計の転動体軸受であってもよい別の軸受78に支持されている。
【図１】
2011530053.tif 000003
【図２】
2011530053.tif 000004
【図３】
2011530053.tif 000005
【国際調査報告】
2011530053.tif 000006
2011530053.tif 000007
2011530053.tif 000008
2011530053.tif 000009
2011530053.tif 000010
2011530053.tif 000011