(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に動圧ガス軸受を介して回転体を軸支し、この回転体を高速回転させ、ガス動圧にて回転体を支承するようにした高速回転機器において、前記動圧ガス軸受の母材を電気導体で構成しかつ絶縁皮膜を形成するとともに、前記動圧ガス軸受の母材に導線を接続し、前記動圧ガス軸受の母材とは別個に前記回転体へ電気的接続を行う導通手段を設け、この導通手段に導線を接続するよう構成し、前記動圧ガス軸受の絶縁皮膜がとれて母材と回転体が接触したときの電気量の変化を、前記動圧ガス軸受に接続された導線と、前記回転体と、前記導通手段に接続された導線からなる閉回路に流れる電気量の変化として検出することにより、前記動圧ガス軸受の磨耗状態を確認することができることを特徴とする高速回転機器。
【請求項２】
絶縁皮膜を２層構造とし、上層をテフロン（登録商標）材で構成するとともに下層を電導性材料で構成したことを特徴とする請求項１項記載の高速回転機器。
【請求項３】
前記導通手段は、動圧ガス軸受に併設して回転体の回転停止時に回転体を支承するタッチダウン軸受における回転体との導通部材であることを特徴とする請求項１項記載の高速回転機器。
【請求項４】
前記導通手段は、回転中の回転体に適宜接触できる接触子であることを特徴とする請求項１項記載の高速回転機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハウジング内に軸受を介して回転体を軸支し、この回転体を高速回転させてその円周部と前記ハウジングの内周に形成したステータとの間でガス圧縮のポンプ作用を行う高速回転機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の高速回転機器としては、たとえばターボ形ドライポンプやターボ分子ポンプなどの高速回転形真空ポンプ機器を挙げることができる。
たとえば、ターボ形ドライポンプの場合、回転体（以下ロータという）は電動機等により高速回転（たとえば１０万ｒｐｍ）されることによってその機能が充分発揮されるものであり、そのために特に軸受機構としてはガス動圧を利用する軸受機構が採用されている。これは回転体の回転中心部における回転軸に対して、軸受部材側との間で形成される楔形状空間にガスを圧縮し、ガス動圧を発生させて回転体をハウジングに対して浮上させ回転体を非接触状態で支承するもので、その基本的な構成は図６に示すとおりである。
【０００３】
図６は軸受部材側としてフォイルタイプの動圧ガス軸受を使用し、ハウジングＨに対して回転軸Ｓが支承されるフォイル軸受の断面図であるが、図に示すように回転軸Ｓには一端がハウジングＨに固定保持された１枚のアッパーフォイルＵＦが囲撓されており、またハウジングＨの内周面とアッパーフォイルＵＦとの間には４枚のアンダーフォイルＤＦが介在されている。このアンダーフォイルＤＦはアッパーフォイルＵＦを回転軸Ｓに対して付勢するためのものである。また、ＨＰはアッパーフォイルＵＦの一端ＦＴをハウジングＨに対して固定する固定部材である。
【０００４】
このような構成によって回転体（回転軸）Ｓが高速回転するとアッパーフォイルＵＦと回転軸Ｓの周面との間に形成される楔状空間にガスが圧縮されて動圧が発生し、このガス動圧によって回転軸ＳがアッパーフォイルＵＦから浮上する。このようにして回転軸ＳはハウジングＨに対して非接触状態にて軸支されることになる。このフォイル軸受のアッパーフォイルＵＦは、通常母材が金属材料で形成され、かつその表面には磨耗等を低減させるためテフロン等の絶縁材がコーティングされている。なお、アンダーフォイルＤＦはアッパーフォイルＵＦを弾性的に支持するものである。
【０００５】
さて、このようなフォイル軸受の軸支方法においては、回転軸Ｓが高速回転時は別として、回転軸Ｓが停止状態の時あるいは低速回転時においては回転軸ＳはアッパーフォイルＵＦに接触している。したがって、起動時ないし低速回転時はガス動圧の力が小さく、回転軸Ｓの周面にアッパーフォイルＵＦが摺接する状態で運転されることになる。そのために表面のコーティング皮膜すなわちテフロン材の絶縁材が剥離され母材の金属表面がさらけ出されることがある。この起動を繰り返すと、アッパーフォイルＵＦの金属表面のさらけ出しが大きくなり、その結果回転軸ＳとアッパーフォイルＵＦとの金属同士の接触が起こり、摩擦熱による昇温、過熱、焼き付き現象が発生する。このような事態は回転軸Ｓの高速回転を保障できないので、したがってこのような事態が発生しないよう事前に定期的にアッパーフォイルのコーティングについて点検作業を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このフォイル軸受のチェックはフォイル軸受およびその取付部の分解を必要とする。そして、そのためには回転体ＳをハウジングＨから取り外し、その後フォイル軸受をハウジングＨから取り外して分解する必要がある。したがって点検に相当の手数と時間、および熟練を要する。また、フォイル軸受にはその寿命について製品間のバラツキがあり、そのために定期的な点検ではそれまでに寿命がきて間に合わないフォイル軸受もあり得る。したがって、点検を待たずに焼き付き現象が発生する場合もあり得る。本発明はこのような問題点を解決せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供する高速回転機器は上記課題を解決するために、動圧ガス軸受の母材を電気導体で構成し、かつ絶縁皮膜を形成するとともに、前記母材に導線を接続して構成する。したがって前記母材の絶縁皮膜がとれて母材と回転体が接触すると、これらおよび導線からなる導通系における電気量（抵抗等）が変化するが、この変化を検出できるようにしたものである。この電気量の変化により母材と回転軸との接触が起きたことが確認できる。そして、即高速回転機器の使用を止めることにより焼き付き等の事態を回避でき分解修理によって高速回転機器の機能を維持できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をターボ形ドライポンプに実施した場合の実施形態について説明する。
図１はこのターボ形ドライポンプの構成を示す縦断面図で、本発明の構成が概略的に示されている。まずターボ形ドライポンプについて説明する。
【０００９】
このドライポンプＤＰの主体は、円筒状のハウジング１と、このハウジング１の内方で軸受にて回転自在に軸着された回転体（以下ロータという）２で構成されている。ハウジング１は具体的には図示のとおり有底形となっていて、軸方向一端側（上方）の開口部が吸気口１Ｋであり、中段には軸方向他端側（下方）にて排気口１Ｈが設置されている。そして、ロータ２の円周部とハウジング１の内周に形成されたステータ１Ｔとの組み合わせによって円周流ポンプＳＰが構成されている。この円周流ポンプＳＰはロータ２の軸方向に複数段、すなわち多段状に設けられている。なお、図１に示される実施例は、円周流ポンプＳＰの上方にねじ溝ポンプＮＰが設置された、いわゆるハイブリッド形ドライポンプの構成が示されている。
【００１０】
以下、この構成を詳述すると、まずハウジング１の内周上段には、ねじ溝１Ｍが刻設されていて、このねじ溝１Ｍに近接すべくロータ２における上段の円筒部２Ｐが対向している。他方、このねじ溝１Ｍとロータ２の円筒部２Ｐの組み合わせによって、いわゆるねじ溝ポンプ機構ＮＰが構成されている。このような構成によりロータ２の回転によって気体の遷移流域の分子を圧縮し下方へと圧送する。
【００１１】
さらに、ハウジング１の内周中段には、ステータ部１Ｔが多段、具体的には７段、軸方向に積設されている。他方ロータ２には、その中段から下方にこれら各ステータ１Ｔ間に挿入されるロータ円周部２Ｂが対向して設けられている。そして、ステータ部１Ｔには内周端に溝１Ｇが形成され、他方ロータ円周部２Ｂの外周端にも溝２Ｇが形成されている。この両溝１Ｇ、２Ｇの相対的変位にて気流を生起させポンプ機能が作動する。このポンプ機能が流路１Ｎを介して後段に順次連接され、全体としてガスの圧縮が行われる。この両者は互いに非接触であるが、その組み合わせによって円周流ポンプＳＰが形成される。この多段の円周流ポンプＳＰの作動によって、ねじ溝ポンプ機構ＮＰにて圧送されたガスは、さらに圧縮されて下方へと圧送され排気口１Ｈに排気されることになる。すなわち、各段の円周流ポンプＳＰは、その円周でガスを圧縮して、終端で流路１Ｎを経て次段の円周流ポンプＳＰにガスを送り出し、これが各段順次行われ排気する。
【００１２】
以上が、ターボ形ドライポンプの基本的な原理とその作動であるが、ロータ２は図面に示すとおり断面がＨ形をなしていて、その中央部が回転駆動機構に連結されるとともに軸着されている。すなわち、３は回転軸でハウジング１の軸芯上に配置され、中段に軸受のためのフランジ部３Ｆが顎設されているとともに、その下方にこの回転軸３を駆動する電動機（モータ）４が一体的に設置されている。この電動機４は電機子に相当するハウジング１の内周に設置された電機子巻線４Ｍと回転子に相当する回転軸３に設置された回転子巻線３Ｍとの組み合わせによって構成され、外部からの電気エネルギー９の供給によって回転軸３を高速回転させる。なお、図において３Ｓは回転軸３の上端のねじ部でナット３Ｎと協働し、ロータ２をこの回転軸３に固着するものである。
【００１３】
このような回転体すなわちロータ２は、動圧ガス軸受すなわちフォイル軸受によってハウジング１に軸着されている。具体的にはフランジ部３Ｆとハウジング１の円筒部１Ｅとの上下隙間にはスラスト軸受としてのスラスト用フォイル軸受５が周囲均等に複数個設置されている。フランジ部３Ｆの上下に設置されることで強力なスラスト力にも対応できるようになっている。他方、回転軸３の上下には、ハウジング１の円筒部１Ｅとの隙間に上下２段にてラジアル用フォイル軸受６が設置されている。これら両方のフォイル軸受５、６によってロータ２が非接触でかつ円滑に軸受されている。このような動圧ガス軸受５、６は非接触形軸受であるが、ガス流による発熱が生起する。この熱を取り除くために冷却ガスの供給口１Ｆが設けられており、ここから供給された冷却ガスによって上記両フォイル軸受５、６の冷却が行われる。
【００１４】
以上の構成は従来より実施されているターボ形ドライポンプの構成であって、本発明はこれらの構成において、フォイル軸受５、６の磨耗状況が分解することなく確認できるようにしたものである。
そのために本発明においては、図１に示すとおり、フォイル軸受５、６のそれぞれにおけるアッパーフォイル５Ｕ、６Ｕに導線Ｌ１〜Ｌ４の一端が接続されている。図２は、このフォイル軸受５、６と導線Ｌ１〜Ｌ４の接続関係のみを拡大して示す図であるが、この図２に示すとおり、導線Ｌ１〜Ｌ４の各一端はアッパーフォイル５、６の一端に接続されている。このアッパーフォイル５、６の一端とは、図６に示すとおり、アッパーフォイル５、６の固定部材ＨＰへの取付け基部が望ましい。この場合、固定部材ＨＰは非導電性材料で構成されている。そして、導線Ｌ１〜Ｌ４はアッパーフォイル５Ｕ、６Ｕの母材に接続されている。アッパーフォイルが複数個ある場合、すべてのアッパーフォイルに導線で接続される。たとえば、フランジ部３Ｆにおける軸受では周囲に複数個のフォイル軸受が配置される場合があるが、その場合、各アッパーフォイルの母材同士がそれぞれ導線ないし導通部材で連接される。そのことによりいずれのアッパーフォイルの磨耗をもすべて検出できるようにする。
【００１５】
ところで、各導線Ｌ１〜Ｌ４はハウジング１内に配設されるが、この場合、各導線Ｌ１〜Ｌ４はハウジング１に対して被覆され、ハウジング１の金属材料に対しては絶縁されて配線されている。そして、この各導線Ｌ１〜Ｌ４の他端は、図１に示すように切換スイッチ７に対置されている。この切換スイッチ７には、導線Ｌが接続されているが、この導線Ｌの他端は接触部材１０に接続されている。８はこの導線Ｌの系に介設された抵抗計で、この導線Ｌ、そして導線Ｌ１〜Ｌ４を流れる電気量（抵抗）を検出し表示するものである。
【００１６】
ところで、接触部材１０は、導線Ｌと回転軸３（金属性材料＝導電性材料）との接続を必要に応じて行うことができるものである。この接触部材１０は、ハウジング１の底部から挿設されていて、その内方端が常時回転軸３の下方端に接触しているようになっている。すなわち、この接触部材１０は、導線Ｌと回転軸３との電気的接続を構成するものである。この場合も導線Ｌとハウジング１との導通が生じないように、接触部材１０は絶縁材で導電線を被覆して構成されている。
【００１７】
以上のような構成において、フォイル軸受５、６のフォイル（アッパーフォイル）の磨耗状態を検査する場合は、切換スイッチ７を順次導線Ｌ１〜Ｌ４の端部に接続する。そして、各端部と切換スイッチ７との接続時ごとに、抵抗計８を観察する。各フォイル軸受５、６のそれぞれのアッパーフォイル５Ｕ、６Ｕの磨耗が進行し、母材が露出していれば、アッパーフォイル５Ｕ、６Ｕと回転軸３との金属的接触が生じ、抵抗値（電気量）が小さくなり、磨耗の状況、進行状況を知ることができる。したがって、フォイル軸受や高速回転機器を分解することなく、この磨耗状況を知ることができる。図３はこの磨耗観察（検査）を概念的に図解するものである。
【００１８】
本発明の場合、この磨耗状況の検査は、必要とするとき適宜実施でき、あるいは運転を終了し、あるいは中止したときに自動的に実施できると有益であるが、図４は必要とするとき適宜観察できる実施例を示し、図５は運転終了時（中止時）に観察できる実施例を示している。以下、この２つの実施例について説明する。
【００１９】
図４は、必要時適宜観察できる実施例で、図１に示す接触部材１０を変更したものである。すなわち、図４に示す実施例では、接触棒１１が、回転軸３の下方端面に対して進退自在に設置されているものである。導電材料でつくられた接触棒１１はハウジング１に穿設された通孔に上下動自在でかつ絶縁材のシール部を介して嵌挿されている。さらに、中段にはフランジ１１Ｆが形成されていて、このフランジ１１Ｆとハウジング１との間には非導電性材料からなる圧縮バネ１２が圧入されており、したがって、接触棒１１は常時外方に付勢されている。
【００２０】
この接触棒１１には導線Ｌの一端が接続されていて、したがって把手１３を持って接触棒１１を内方（上方）へ押し、その先端１１Ｓを回転軸３下端面に接触させると、図３のスイッチ７が閉じた状態にしておけば、即、抵抗計８にてその電気量（抵抗）の変化状況から該当するアッパーフォイルの磨耗状況を観察することができる。把手１３を離すと圧縮バネ１２の弾力によって接触棒１１は図の状態に復元し回転軸３との接触状態は断たれる。図１ならびに図４に示されるこれら接触部材や接触棒は接触子の実施例でその形状等については図示例に限定されない。
【００２１】
他方、図５はタッチダウン軸受方式を採用して運転終了時（中止時）にアッパーフォイル５Ｕの磨耗状況を検査するに好適な実施例を示している。すなわち、回転軸３のスラスト軸受としてのフォイル軸受５は、上方側のみとなっている。これは運転時圧力差によって回転軸３（ロータ全体）が低圧側に付勢されるためで、片方側だけの軸受方式とし、運転終了（中止）時は、自重とフォイル軸受５のアンダーフォイルの弾力による落下で機械的な軸受にタッチダウンして軸受される例である。
【００２２】
すなわち、図においてＴＳはボール軸受形のタッチダウン軸受で、１４はそのリテーナを示し、１５がボールを示している。このリテーナ１４およびボール１５は導電性材料で製作され、かつ互いに金属接触していて導通部材を構成しており、また図５に示すとおり、リテーナ１４には導線Ｌが接続されている。図示状態は運転中で運転が停止するとフランジ部３Ｆがロータの自重ならびにフォイル軸受５のアンダーフォイル５Ｄの弾性力も作用して、回転軸３ならびにフランジ部３Ｆが降下して、フランジ部３Ｆがタッチダウン軸受ＴＳのボール１５に接触する。この接触によって、回転軸３と抵抗計８との間に導電系路が構成され、図３においてスイッチ７が閉じられた状態となって抵抗計８により、アッパーフォイル６Ｕの磨耗状態を検査することができる。なおこの実施例の場合、スラスト軸受としてのフォイル軸受５におけるアッパーフォイル５Ｕの磨耗状況についてはこのアッパーフォイル５Ｕがタッチダウン後もフランジ部３Ｆに圧接していれば検査できる。
【００２３】
この発明が提供する高速回転機器は以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例に示す実施例に限定するものではなく、本発明の特徴を備える種々の変形例を包含する。
まず、高速回転機器として図示例では高速回転形真空ポンプの例を示したが、真空機器に限定されるものではなく、コンプレッサなどにも適用できる。また、真空機器の場合でも実施例ではターボ形ドライポンプの例であるが、ドライポンプに限定されずターボ分子ポンプ等にも適用できる。また、図示例ではねじポンプ機構を結合した、ハイブリッド型ドライポンプであるが、ドライポンプへの適用の場合でもハイブリッド型のポンプに限定されるものではない。ポンプのみならずコンプレッサなどにも本発明は適用可能である。動圧ガス軸受（フォイル軸受）の形式や構造についても図示例に限定されない。
【００２４】
本発明においては、動圧ガス軸受としてのフォイル軸受におけるアッパーフォイルを介して、その磨耗による導通状態の発生有無によって磨耗の進行状況を検査するものであるが、そのためにアッパーフォイルを導通系の一部とすることが前提となる。そのためにアッパーフォイルに導線を接続することになるが、このアンダーフォイルと接している金属材料に導線を接続することもできる。
【００２５】
また、このアッパーフォイルのコーティングを２層にし、下方のコーティング層を導通材料で構成すれば、なおも最下層のコーティング層が残っている状態で磨耗進行状態を知ることができ、焼き付き等をより確実に防ぐことができる。電気量の測定方法についても、抵抗値の測定に限定されず、電流や電圧の変化の測定により検査する構成とすることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明が提供する高速回転機器は以上詳述したとおりであるから、回転機器あるいは動圧ガス軸受を分解することなく、動圧ガス軸受表面の磨耗状況を知ることができ、的確に動圧ガス軸受の交換時期を判断することができる。そして、回転機器の破損等を未然に防止することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す図である。
【図２】本発明の構成を示す要部拡大図である。
【図３】本発明の特徴を概略的に示す図である。
【図４】本発明の構成を示す要部拡大図である。
【図５】本発明の構成を示す要部拡大図である。
【図６】フォイル軸受の構成を示す図である。
【符号の説明】
１……ハウジング
２……ロータ
３……回転軸
４……電動機
５、６……フォイル軸受
５Ｕ、６Ｕ……アッパーフォイル
７……切換スイッチ
８……抵抗計
９……電気エネルギー
１０……接触部材
１１……接触棒
１２……圧縮バネ
１３……把手
１４……リテーナ
１５……ボール
Ｌ、Ｌ１〜Ｌ４……導線
【図１】
0004474734.tif 000002
【図２】
0004474734.tif 000003
【図３】
0004474734.tif 000004
【図４】
0004474734.tif 000005
【図５】
0004474734.tif 000006
【図６】
0004474734.tif 000007