(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングの内周に設置された固定翼と回転翼との組み合わせからなるターボ機構を複数段有するとともに、回転翼はそれと一体の回転軸を介して前記ケーシングと一体の固定部に対し軸受を介して回転自在に支持され、かつこの回転軸はその内方に設けた永久磁石と前記固定部に設けた電機子巻線にて構成されたモータによって回転駆動され、ケーシングの吸気口からの分子を排気口に排気するポンプであって、前記軸受は回転軸を固定部に対し磁力にて支持する磁気軸受と停止時に回転翼を接触支持する複数のタッチダウン軸受とを併設したターボ分子ポンプにおいて、前記複数のタッチダウン軸受のうち、前記回転軸が挿通される際に前記回転軸の内方に設けられた永久磁石が通過するタッチダウン軸受については、該軸受の内輪をオーステナイト系ステンレス鋼にて構成し、前記永久磁石が通過しないタッチダウン軸受については、該軸受の内輪を軸受鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、あるいは工具鋼のいずれかで構成するとともに、前記永久磁石が通過するタッチダウン軸受の内輪の直径を、前記永久磁石が通過しないタッチダウン軸受の内輪の直径よりも大きくしたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータにて回転軸を介して回転駆動される回転翼と、この回転翼に対向してケーシングに固定設置された固定翼との組み合わせからなるターボ機構を複数段備え、このターボ機構の作動によって前記ケーシングの吸気口側より排気口側へ排気を行うターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプは、回転翼と固定翼との組み合わせからなるターボ機構の作動により排気を行うもので、このターボ分子ポンプの構成は図１に示すとおりである。このターボ分子ポンプは、たとえばアルミニウム合金製の固定部１Ｆとケーシング１を主体として構成されるとともに、固定部１Ｆの中央内方には、モータＭにて回転駆動される回転軸５が回転自在に配設されている。この回転軸５には回転体２が一体的に結合されるとともに、この回転体２の外周には回転翼２Ｂが突設されている。他方、ケーシング１の内周には、積層形にリング状のスペーサ１Ｓが設置され、この各スペーサ１Ｓ間に基端が保持され、かつ内方に突設された固定翼１Ｂが設けられている。この回転翼２Ｂと固定翼１Ｂとの組み合わせにより、ターボ機構Ｔが構成される。そして、このターボ機構Ｔの作動、すなわち回転翼２Ｂ側の高速回転によって、吸気口３から吸入したガス分子をこのターボ機構Ｔによって叩き飛ばし、排気口４に向かって圧縮排気するのである。
【０００３】
さらに、この回転体２の排気口４の側の端部には、回転円筒部２Ｄが延設されていて、この回転円筒部２Ｄがケーシング１に固設された固定円筒部１Ｄの内周面に近接対応している。さらに、この固定円筒部１Ｄには、２点鎖線で示すように、内周面に螺旋溝１Ｍが刻設されている。そして、この螺旋溝１Ｍと回転円筒部２Ｄとの協働により、粘性流による排気機能が行われるモレキュラードラッグポンプが構成されている。このように、ターボ機構とモレキュラードラッグポンプとを結合させたターボ分子ポンプをハイブリッド形ターボ分子ポンプと称している。Ｆは吸気口３を被排気室に接続するためのフランジである。
【０００４】
なお、回転体２も高速回転に耐えるために、アルミニウム合金などの金属材料で製作されている。また、図示例の場合、回転体２と一体の回転軸５は、上下一対のラジアル用磁気軸受６およびスラスト用磁気軸受７によって、固定部１Ｆに対して非接触式に支持される。５Ｆは回転軸５に固着されたフランジで、このフランジ５Ｆと電磁石７Ｇとの組み合わせによりスラスト用磁気軸受７が構成されている。すなわち、分子の排気を行うためにはターボ機構Ｔが高速で作動ことが求められるが、高速回転を通常の玉軸受のような接触形の軸受を採用すると高温となり、焼付き、膨張等から損傷し、あるいはポンプの性能を低下させるからである。このような事情からターボ分子ポンプにおいては、ラジアル用磁気軸受６およびスラスト用磁気軸受７が常用されている。
【０００５】
さらに、この磁気軸受形のターボ分子ポンプにおいては、ポンプ静止時、すなわち運転停止時にはこのラジアル用磁気軸受６およびスラスト用磁気軸受７は機能させず、通常の玉軸受等によるタッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢ２にて軸支するようにしている。非常時の場合も、このタッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢ２が回転翼２Ｂを支承するようになっている。なお、このタッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢ２とラジアル用磁気軸受６およびスラスト用磁気軸７は同一軸上に配置されている。１Ｐはタッチダウン軸受ＴＢ１を固定部１Ｆの頂部に固定保持するための押え環である。
【０００６】
ところで、モータＭは回転軸５と固定部１Ｆとの間で構成された高周波モータで、具体的には図４に示すように、回転軸５にはＮ極としての永久磁石５Ｎ、Ｓ極としての永久磁石５Ｓが埋設され、その外周をスリーブ５Ｌで覆って構成されており、他方固定部１Ｆの側の内周面には電機子巻線ＭＷが設置され、この両者の組み合わせによって構成されている。なお、５Ｐはスペーサである。ＥＧはモータＭへの電気エネルギを供給するための電源接続部である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような磁気軸受形のターボ分子ポンプを組み立てる場合、その行程の中でケーシング１内の固定部１ＦにモータＭを構成する電機子巻線ＭＷとともにラジアル用磁気軸受６およびスラスト用磁気軸７とタッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢ２を設置し、その後に回転翼２Ｂと一体の回転軸５をこの固定部１Ｆに挿設する。この場合、回転軸５をタッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢ２、そしてラジアル用磁気軸受６およびスラスト用磁気軸７の内方を挿通させることになる。
【０００８】
この時、回転軸５に埋設されたＮ極の永久磁石５Ｎ、Ｓ極の永久磁石５Ｓの磁界によってタッチダウン軸受ＴＢ１の内輪（インナーレース）ＩＬが磁化される。そして、内輪に残留磁場が生成される。すなわち、タッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢ２の内輪ＩＬは、従来では軸受鋼とかマルテンサイト系ステンレス鋼、あるいは工具鋼などにて作成されている。したがって、回転軸５がＮ極の永久磁石５Ｎ、Ｓ極の永久磁石５Ｓを挿通すると、この内輪ＩＬに磁場が残留することになるのである。磁場が残留すると、回転軸５と内輪ＩＬとの間には図３に示されるように磁気回路が形成される。
【０００９】
図３は固定部１Ｆに押え環１Ｐによって固設されたタッチダウン軸受ＴＢ１と回転軸５を横断面で切断した断面図であるが、図示のように内輪ＩＬに磁場が残留し磁気回路ＧＫが形成される。この磁気回路ＧＫの形成によって回転軸５に対して電磁制動、すなわち静止状態を保持させる力が作用する。
【００１０】
この電磁制動が作用している状態で回転軸５を強制的に回転させると、過電流が発生する。この過電流の発生によって回転軸５の磁石を含む導体材料に電流が流れることになるが、この電流の流れによってジュールの法則による熱が生起する。すなわち、このジュールの法則によれば、１ワットの電力を使って導体を流れる電流は、１秒あたり０．２４カロリの熱を発生することになるが、発明者らの実験によれば、内輪ＩＬが磁化された場合、磁化されなかった場合に比較して摂氏２０度ないし摂氏３０度高くなっていることが確認された。なお、図３においてＯＬは外輪であり、Ｂは軸受としての転動体である球体（玉）である。
【００１１】
電気エネルギが回転エネルギに変換され、回転軸５が回転されるわけであるが、発熱は回転エネルギが熱の発生にも消費されたことを意味する。発熱をより防止するために磁気軸受方式が採用されているわけであるが、ターボ分子ポンプの場合、回転軸５は毎分数万回転していて、高速回転であるためにポンプ全体が発熱体であり、この摂氏２０から摂氏３０度の上昇はポンプの機能に極めて有害である。すなわち、このジュールの法則による発熱は、回転翼２Ｂの発熱を招来することになるが、この発熱による昇温が回転翼２Ｂの材料の許容限温度を超えるとポンプの破損や性能低下につながることになる。
本発明はこのような課題を解決するターボ分子ポンプを提供せんとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供するターボ分子ポンプは、上記課題を解決するために、タッチダウン軸受を併設した磁気軸受採用のターボ分子ポンプであって、回転軸が挿通するタッチダウン軸受の内輪の材質を低残留磁束密度の物質で構成する。したがって、ポンプ組立時において回転軸をタッチダウン軸受の内輪に挿通しても、この内輪に磁場が残留しない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施例にしたがって説明する。本発明によるターボ分子ポンプの構成は図１におけるタッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢ２の構成材料に特徴がある。特に、組立時における回転軸５のＮ極の永久磁石５Ｎ、Ｓ極の永久磁石５Ｓがその内方を挿通するタッチダウン軸受、すなわち、上方のタッチダウン軸受ＴＢ１の構成材料に特徴がある。
【００１４】
図２は、図３と同様図１における上方のタッチダウン軸受ＴＢ１の部分を横断して示す図で、本発明において内輪ＩＬは低残留磁束密度の材質で形成されている。具体的にはオーステナイト系ステンレス鋼で構成する。オーステナイト系ステンレス鋼は、いわゆる固容体状態でつくられたステンレス鋼で磁化を受けてもその磁束が残留しない特性を有している。したがって、ポンプ組立時回転軸５に埋設されている永久磁石５Ｎ、５Ｓが挿通しても、それによって内輪ＩＬに磁束が残留しない。
本発明が提供するターボ分子ポンプは以上説明したとおりであるから、組立後ポンプを運転し回転軸５を高速回転させても回転軸５にジュール熱に伴う発熱は生起しない。
【００１６】
なお、ターボ分子ポンプの形式、構成については、本発明の要点と直接的に関係なく、種々の形式、構成のターボ分子ポンプに適用できる。たとえば、図示例はハイブリッド形のターボ分子ポンプであるが、タービン翼だけの形式のターボ分子ポンプにも適用できる。また、ラジアル用磁気軸受６およびスラスト用磁気軸受７の配置やタッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢ２の個数、配設の仕方などについても種々の変形実施例を挙げることができる。また、タッチダウン軸受ＴＢ１、ＴＢの形式について、図示例では玉軸受の例を示したが、ローラ軸受とすることもでき、玉軸受のみに限定されるものではない。
本発明は、これらすべての変形実施例を包含する。
【００１７】
【発明の効果】
本発明が提供するターボ分子ポンプは以上詳述したとおりであるから、回転翼の無用な温度上昇を防止することができる。そして、回転翼の安全性が向上しポンプの寿命を長くすることができ、耐久性の大きいターボ分子ポンプを提供することができる。さらに、タッチダウン軸受の寿命も長くなり、高温化されないので、流量の上限値を増大でき、幅広い運転条件に対応できるターボ分子ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボ分子ポンプの構成を示す図である。
【図２】本発明によるターボ分子ポンプの軸受構成を示す図である。
【図３】従来におけるターボ分子ポンプの軸受構成を示す図である。
【図４】ターボ分子ポンプにおける回転軸の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…ケーシング
１Ｂ…固定翼
１Ｄ…固定円筒部
２…回転体
２Ｂ…回転翼
２Ｄ…回転円筒部
３…吸気口
４…排気口
５…回転軸
６…ラジアル用磁気軸受
７…スラスト用磁気軸受
ＴＢ１、ＴＢ２…タッチダウン軸受
１Ｆ…固定部
１Ｐ…押え環
Ｍ…モータ
ＩＬ…内輪
ＯＬ…外輪
【図１】
0004438195.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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