(57)【要約】【課題】従来技術では真空チャンバ内の真空度を保つために設けられた磁性流体シールは周速に限界があり、高速回転用に使用するには軸径を小さくせざるを得ず、必要な軸受強度を確保するには軸受を高真空のチャンバ内に配備せざるを得ない。その結果、潤滑性の悪い真空グリースを使用せざるを得ず、高速性が劣り、またグリースの寿命が短く、年に１回以上の装置の分解、点検が必要である等の問題があった。【解決手段】本発明では寸法、強度の制限のある磁性流体シールを使うことなく、非接触シールと多段排気チャンバにより、高度の真空度を確保するものである。その結果、軸径の制限がないため軸受を大気圧雰囲気部に配備することができ、従って、軸受の潤滑に潤滑性の良いグリースや、必要に応じて油潤滑も可能となり、軸受寿命の増大と共に、高速性も格段に改善できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ポンプで排気される真空チャンバ内で高速回転する回転体を有し、大気圧側から順に、シールガスにより非接触を保つシール装置と軸と狭隙を形成して設けられた中間チャンバを複数配備し、その中間チャンバ部から真空ポンプで排気するように構成されたことを特徴とする回転体の真空シール装置。
【請求項２】
真空ポンプで排気される真空チャンバ内で高速回転する回転体を有し、大気圧側から順に、シールガスにより非接触を保つシール装置と軸と狭隙を形成して設けられた中間チャンバを複数配備し、その中間チャンバ部から真空ポンプで排気するように構成されたことを特徴とする回転体の真空シール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は真空中で高速回転する回転体の周囲雰囲気の真空度を確保する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術は例えば図５に示す如く、真空ポンプで排気された真空チャンバ２３中に配備された軸受２４で支持されて高速回転する回転体雰囲気の真空度を確保するため磁性流体シール２２で外部からの空気の侵入を防止していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術では真空チャンバ２３内の真空度を保つために設けられた磁性流体シール２２は磁性流体２７で軸との隙間を埋めるものであるが、軸が高速で回転すると磁性流体が遠心力で飛散するので周速は毎秒１０数メートル程度に限定される。そのため、軸径Ｄｍは小さくせざるを得ず、軸トルクの伝達能力不足あるいは振動の発生 等の問題があった。更に、この軸径制限のために、軸受寿命の関係より軸受を高真空のチャンバ内に配備せざるを得ない。その結果、軸受潤滑に放出ガスのでない真空グリースを使用せざるを得ず、潤滑性の良いグリースや潤滑油を使えず高速性に問題があった。またこの真空グリースは封じ込みでの使用に限られるため、グリースの寿命の点からその交換のため、年に１回以上の装置の分解、点検が必要であった。
【０００４】
本発明の目的は磁性流体シールを使うことなく、高度な真空度を確保すると共に、軸受を大気圧雰囲気部に配備が可能な回転体の真空シール装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では寸法、強度の制限のある磁性流体シールを使うことなく、非接触シールと多段排気チャンバにより、高度の真空度を確保するものである。その結果、軸径の制限がないため軸受を大気圧雰囲気部に配備することができ、従って、軸受の潤滑に潤滑性の良いグリースや、必要に応じて油潤滑も可能となり、軸受寿命の増大と共に、高速性も格段に改善でき、前記目的を達成する。
【０００６】
本発明の回転体の真空シール装置は、図１に示すごとく、外部から侵入するガス（空気等）量を最少とすべく１０〜１５μｍの隙間を保持して作動する非接触シール２を設ける。更にこの非接触シール部を通過して侵入したガスは軸との間の狭隙部８で接続された多段排気チャンバ３で真空ポンプにより排気され、そして最終の真空チャンバ４でも真空ポンプにより排気され所期の真空圧Ｐｃが確保される。この軸と多段排気チャンバ間の狭隙部８はガスの流れの大きな抵抗となり、各チャンバ間に大きな圧力差を生じる。従ってこのような排気チャンバ９、１０を複数個配備することにより、最終の真空チャンバ内で所定の高い真空度を確保する。
【０００７】
排気チャンバの機能を図４により説明する。軸との狭い隙間ｇａｐを通過する流量と圧力の関係は、流れのコンダクタンスをＣとすれば
Ｑｍｉｎ＝Ｃ×（Ｐｃａ−Ｐｃｂ）  Ｑｍｏｕｔ＝Ｃ×（Ｐｃｂ−Ｐｃｃ）・・・・（１）
また、真空ポンプの排気速度との関係は、侵入流量Ｑｍｉｎに比較して流出流量Ｑｍｏｕｔがずっと少ないことを考慮して
Ｐｃｂ×Ｑｐ＝Ｑｍｉｎ−Ｑｍｏｕｔ≒Ｑｍｉｎ・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
上式より
Ｐｃｂ＝Ｑｍｉｎ／Ｑｐ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
【０００８】
この式より侵入流量Ｑｍｉｎが少なければ少ない程、チャンバ内の圧力Ｐｃｂは小さくなる、即ち真空度は上がることになる。従って、侵入流量を下げるには狭隙部の隙間ｇａｐを小さくすることが有効ではあるが、この狭隙部は高速で回転する軸との間で非接触状態を保つ必要があり５０μｍ程度が限界である。非接触シール２は１０〜１５μｍの非常に小さい隙間で運転可能であり、狭隙部のｇａｐの５０μｍに比較して１／３〜１／５程度であり、ここを通過する侵入ガス量は少ない。直径の効果を入れても流れる流量は１／２〜１／３となり、その分だけチャンバ内の圧力を下げ得るので、この非接触シールを設けることの効果は大きい。
【０００９】
必要な真空度を確保するに必要な排気段数について説明する。（１）、（２）式より
Ｐｃｂ＝Ｃ×Ｐｃａ／（Ｑｐ＋Ｃ）＝Ｐｃａ×（Ｃ／Ｑｐ）／（１＋（Ｃ／Ｑｐ））・・・（４）
コンダクタンスCと真空ポンプの排気速度Ｑｐの比率は約１／５０であるので狭隙部を１箇所通過すると圧力は約１／５０になる。いま真空チャンバの目標圧力を１Ｐａとすれば、大気圧（＝１０５Ｐａ）から１Ｐａに落とすことになり、必要な排気段数ｎは
ｎ＝Ｌｏｇ（１０５）／Ｌｏｇ（５０）＝２．９４・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
即ち  ３段の排気が必要である。真空チャンバ４も排気室であるので多段排気室は２ケ必要になる。
【００１０】
図３に本発明による各チャンバでの圧力の実測値を示す。２段排気チャンバ（真空チャンバを含むと３段排気となる）で真空チャンバの圧力が０．５Ｐａまで下がっており、本発明により十分に高度な真空度が得られることが解る。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の回転体の真空シール装置によれば、シール部は回転軸と非接触であるため、摩耗する部品が無く、且つ、軸受も潤滑条件の良い大気圧雰囲気に配備できるため、長寿命が期待でき、長期間に亘ってメンテナンスが不要である。また、非接触シールにより、侵入ガスの流量を最少に抑えられるため、使用する真空ポンプの容量も小さいものにできる。
【実施例１】
【００１２】
以下、本発明の実施例を図１、２を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施例の内部の構造を示す図で、図２はそれを平面からみた配置図である。真空チャンバ４内で回転する回転体（ロータ）１は軸受５で支持され軸部６を経由してプーリ７、ベルト１１を介してモータ１２により回転駆動されている。真空チャンバ４内の真空度を確保するため、回転体１の両側に非接触シール２と多段排気チャンバ３が配備されている。非接触シール２には軸と一体で回転する部分と固定側の部分の接触を防止するため、シールガス（圧力Ｐｓ）がシールガス供給装置１６から供給されている。このシールガスの圧力Ｐｓは押付用のバネ力に見合ったものに設定され、隙間を最小の１０〜１５μｍに保持している。また、多段排気チャンバ３と真空チャンバ４は各々に真空ポンプ１３、１４，１５に接続され、内部のガスを排出している。多段排気チャンバ３には軸との間に狭い隙間を形成する狭隙部８と侵入したガスを溜めて外部に排出するチャンバ９、１０が設けられており、［課題を解決するための手段］の項で説明した如く、排気の各段毎に急激に圧力を下げ、最終での真空チャンバ４の高い真空度を確保している。
【００１４】
多段排気チャンバ３の狭隙部８の隙間ｇａｐは小さければ小さい程、コンダクタンスが小さくなり真空度アップには好都合であるが、軸受の寸法精度や内部隙間、軸受ホルダの加工精度等から５０μｍ程度が限界である。試作機では５５μｍのｇａｐで、軸との接触もなく６０００ｒｐｍの高速回転が可能であった。以上のような構成にすることにより、回転体の軸の寸法的な制約が無くなり、軸受を大気圧雰囲気の部分に配備できた。
【００１５】
尚、本発明の実施例では多段排気チャンバ３のチャンバ数は２ケであるが、これは真空チャンバ４の真空度を１Ｐａとした場合の例であり、真空チャンバの目標真空度により増減し得ることは明らかである。また、本実施例では回転体の駆動はプーリで行っているがモータを直結して駆動を行い得ることも明白である。
【実施例２】
【００１６】
本発明の実施例１の非接触シール２はシールガス圧により非接触を保つ静圧方式であるが、本発明の他の実施例として非接触部にスパイラル溝を創生し動圧により非接触状態を保つ方式の非接触シールを使っても本発明の目的は達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１である回転体の真空シール装置の構造を示す図
【図２】本発明の実施例１の図１の平面配置図
【図３】本発明による各部分の圧力の分布を示す図
【図４】本発明の多段排気チャンバでの圧力と流量の状態を示す図
【図５】従来技術の１例を示す図
【符号の説明】
【００１８】
１、ロータ（回転体）    ２、非接触シール    ３、多段排気チャンバ
４、真空チャンバ    ５、軸受    ６、回転体（ロータ）軸    ７、プーリ
８、狭隙部    ９、１段排気チャンバ    １０、２段排気チャンバ    １１、ベルト
１２、モータ    １３、１段排気真空ポンプ    １４、２段排気真空ポンプ 
１５、真空チャンバ用真空ポンプ    １６、シールガス供給装置
２１、回転体（ロータ）    ２２、磁性流体シール    ２３、真空チャンバ
２４、軸受    ２５、回転体（ロータ）軸    ２６、プーリ    ２７、磁性流体
Ｐs、シール（ガス）圧    Ｐｏ、入口チャンバ圧    Ｐｌ、１段排気チャンバ圧
Ｐ２、２段排気チャンバ圧    Ｐｃ、真空チャンバ圧    N、ロータ回転数
Ｄｂ、軸受部直径    Ｑｍｉｎ、侵入流量（質量）    Ｑｍｏｕｔ、流出流量（質量）
Ｑｐ、排気速度（体積）    Ｐｃａ、侵入側の圧力    Ｐｃｂ、チャンバ内圧
Ｐｃｃ、流出側の圧力    ｇｐａ、軸とチャンバ間隙間    Ｄｍ、磁性流体シール部直径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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