(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス導出入口を有し、回転翼の回転によりガス導出入口からガスの吸い込みおよび吐き出し作用を営むとともに、前記回転翼を含む回転体を回動可能に支承する非接触型軸受と、前記回転体の基準回転位置からのずれを、回転体に当接することにより許容量以下に抑制する滑動部材とを備えた高速回転機器において、この滑動部材をガス導入口圧が高い場合は前記回転体から離間する方向へ移動させ前記許容量を大きく設定し、ガス導入口圧が低い場合は前記回転体に近づく方向へ移動させ前記許容量を小さく設定し得る滑動部材駆動機構を設けたことを特徴とする高速回転機器。
【請求項２】
ガス導出入口を有し、回転翼の回転によりガス導出入口からガスの吸い込みおよび吐き出し作用を営むとともに、前記回転翼を含む回転体を回動可能に支承する動圧ガス軸受と、前記回転体の基準回転位置からのずれを、回転体に当接することにより許容量以下に抑制する滑動部材とを備えた高速回転機器において、この滑動部材を前記回転体の回転数が高い場合は前記回転体から離間する方向へ移動させ前記許容量を大きく設定し、前記回転体の回転数が低い場合は前記回転体に近づく方向へ移動させ前記許容量を小さく設定し得る滑動部材駆動機構を設けたことを特徴とする高速回転機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転翼を有し、この回転翼の回転によりガス圧縮作用やガス循環作用を営むターボ型真空ポンプ、ターボブロワ、ルーツブロワ等の高速回転機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転翼を有し、この回転翼の回転によりガス圧縮作用やガス循環作用を営むターボ機械等の高速回転機器において、ガス動圧軸受や磁気浮上軸受等に代表される非接触型の軸受を用いてなるものには、低速回転時や外乱等により回転翼やこれを支持する回転軸等の回転体が基準回転位置から移動し、軸受やケーシング等に接触することを防止するために、滑動部材たるタッチダウンベアリングを位置を固定して配設する場合がある。このタッチダウンベアリングは回転体が軸受により支持され安定した状態である基準回転位置においては回転体に対して非接触であり、回転体が何らかの理由で基準回転位置から許容量を超えて動こうとするとこれに当接し、回転体が軸受やケーシングなどに接触するのを防止する安全対策部品である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、このような非接触型軸受を有する高速回転機器においては、回転加減速時や低速回転時等の機器運転状態によっては、回転体には外力が加わるなどするため前記基準回転位置からの位置ずれが必ず惹起される。このため、例えば、動圧ガス軸受であれば、低回転時に生じる位置ずれにより、必ず回転体と摺動摩擦し、この摺動による摩耗で軸受寿命が制限されていた。また、磁気浮上軸受であれば、回転体を、位置ずれを生じた後の基準回転位置に戻すための制御が非常に難しくなる等の問題点があった。このような問題点を解決するために、前記タッチダウンベアリングを回転体に対し近接配置して位置ずれを防止することも考えられるが、このようにすると、安定運転時においても頻繁に回転体がタッチダウンベアリングに接触することが考えられ、タッチダウンベアリング自体の寿命が短くなったり、接触のたびに回転体の回転数が変動したりするという不具合を招くおそれがある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を一挙に解決するために、本発明は、ガス導出入口を有し、回転翼の回転によりガス導出入口からガスの吸い込みおよび吐き出し作用を営むとともに、前記回転翼を含む回転体を回動可能に支承する非接触型軸受と、前記回転体の基準回転位置からのずれを、回転体に当接することにより許容量以下に抑制する滑動部材とを備えた高速回転機器において、この滑動部材を機器運転状態に応じて移動させ前記許容量を可変に設定し得る滑動部材駆動機構を設けたことを特徴とするものである。
【０００５】
このようなものであれば、機器運転状態を監視しておき、回転体が安定運転状態では、滑動部材を回転体から離間する方向へ移動させ許容量を大きく設定することにより、滑動部材への回転体の当接を防止することができる。また、その運転状態が回転体が基準回転位置から大きくずれると予想される場合には、滑動部材を回転体に近づけ前記許容量を小さくすることで、回転体の位置ずれを滑動部材に当接させて低減することができる。すなわち、滑動部材が能動移動して回転体の位置ずれを必要時にのみ抑制する機能を兼備することになり、滑動部材の寿命を低減させることなく、回転体の位置ずれを低減できる。その結果例えば非接触型軸受が磁気浮上軸受であれば、回転体の位置制御が容易になり、また、非接触型軸受が動圧ガス軸受であれば、軸受と回転体とを稼動中には完全に非接触にすることができ、軸受寿命を増大させることができるなどの効果を奏する。
【０００６】
具体的に許容量設定のパラメータとなる機器運転状態としては、回転体の回転数や、ガス導入口のガス圧力等が挙げられる。
【０００７】
【実施例】
以下本発明の第１実施例を、図１を参照して説明する。
図１は、本実施例の高速回転機器であるターボ型真空ポンプ１００の内部構造を示す概略断面模式図である。
本実施例によるターボ型真空ポンプ１００は、図１に示すように、筒状のケーシング５と、外周に複数の翼体１１を周設してなる回転翼１と、この回転翼１に螺着した回転軸２と、この回転軸２を回動可能に支承する非接触型軸受たる動圧ガス軸受３１、３２と、この回転軸２を回転させる電動モータ４とを具備してなり、回転翼１を上方にして起立させて使用する。
【０００８】
ケーシング５は、回転翼１を保持する回転翼保持室５１と、この回転翼保持室５１の下方に連続して設けられ、回転軸２を遊嵌させる軸受保持室５２とを備えてなる。回転翼保持室５１には、回転翼１の上方に開口するガス導入口５３と、回転翼１の側方に開口するガス導出口５４と、前記翼体１１と交互に配設されてなる固定翼体５５とを設けている。
【０００９】
軸受保持室５２には、その中央近傍に後述する電動モータ４を配設し得るモータ配設部５５と、その下端近傍に後述するスラスト軸受３２を配設するスラスト軸受配設部５６とを設けている。さらに、下端からは外部接続経路６を延出し、ケーシング５の外面に開口する外部ポート７に連通させている。
回転軸２は、回転翼１に貫通させて螺着したもので、端部近傍には円盤体２１を一体に固設している。
【００１０】
動圧ガス軸受３１、３２は、ジャーナル方向に作用する負荷に対して回転軸２を支持するジャーナル軸受３１と、スラスト方向に作用する負荷に対して回転軸２を支持するスラスト軸受３２とから構成している。ジャーナル軸受３１は、回転軸２の上方よりおよび下方よりの２カ所に配設したもので、例えば、矩形状の薄板を丸めて形成するとともにその一端を軸受保持室５２の内壁面に支持させ、回転軸２の周囲に配置したジャーナル支持板３３と、このジャーナル支持板３３の外方に周設され、ジャーナル支持板３３を内方に弾性付勢して回転軸２に押接させる複数の板ばね材３４とから構成したものである。スラスト軸受３２は、例えば、円盤体２１の上下にそれぞれ配設したスラスト支持板３６と、これらスラスト支持板３６の上下に配設されスラスト支持板３６を弾性付勢して円盤体２１に押接させる板ばね材３７とから構成している。そして、回転軸２が静止もしくは一定回転数以下の場合には、ジャーナル支持板３３とスラスト支持板３６とを前記板ばね材３４，３７の弾性付勢力により回転軸２に近接もしくは密接させ、これを支承するとともに、一定回転数以上になると回転軸２の回転により巻き込まれるガスを利用して、回転軸２の周囲および円盤体２１の上下面に動圧を発生させ、この動圧によりジャーナル支持板３３およびスラスト支持板３６を後退させて気体膜を形成し、回転軸２を非接触に支持する機能を有するものである。なお、この動圧ガス軸受３１、３２に供給する窒素等のガスは、外部ポート７から外部接続経路６を介して供給している。また、本実施例において気体膜が形成され回転軸２が非接触状態で安定して回転する位置を基準回転位置としている。
【００１１】
電動モータ４は、ロータ４１を回転軸２に固着するとともに、ロータ４１の周囲にケーシング５に支持させてステータ４２を配設した例えばＤＣブラシレス式のものであって、回転軸２と一体的に設け、直接的に回転軸２を駆動させるものである。本実施例では電動モータ４の駆動源としてインバータ４３を用いており、このインバータ４３は電動モータ４を、そのモータ駆動信号における周波数に比例した回転数で回転させ得る周知のものである。
【００１２】
このように構成したターボ型真空ポンプ１００は、回転翼１を電動モータ４により回転させることにより、ガス導入口５３から吸い込んだガスを翼体１１と固定翼体５５との相互作用によって吹き飛ばし、ガス導出口５４から強制排気するポンプ作用を営むものである。なお、本ターボ型真空ポンプ１００において回転体に相当するものは、回転翼１、回転軸２およびロータ４１になる。
【００１３】
しかして、本実施例では、円盤体２１の下方に複数の滑動部材たるタッチダウンベアリング８を配設するとともに、このタッチダウンベアリング８を機器運転状態である回転軸２の回転数に応じて上下動させる滑動部材駆動機構９を設けている。滑動部材駆動機構９は、タッチダウンベアリング８を上設定位置と下設定位置との間で上下動させる電動アクチュエータ９１と、回転軸２の回転数をインバータ４３のモータ駆動信号における周波数により検出し、この検出信号ａから回転数が予め定めた設定回転数を下回る場合にはタッチダウンベアリング８を上設定位置Ａまで上動させ、そうでない場合にはタッチダウンベアリング８を下設定位置Ｂにまで下動させる制御手段９２とを有したものである。なお、上記、設定回転数は、動圧ガス軸受３１，３２に回転軸２を非接触で支持し得る十分な圧力の気体膜が形成される付近の回転数に設定している。一方、この上設定位置Ａは、回転軸２がスラスト支持板３６の付加の作用していない自然位置と同一もしくは若干上方、すなわち、スラスト方向における前記基準回転位置に設定している。このようにして上設定位置Ａにおけるずれの許容量を略０としている。また、下設定位置Ｂは、従来のタッチダウンベアリングの固設位置とほぼ同じ、すなわち、タッチダウンベアリング８が回転軸２がケーシング５などに接触するのを防止できる範囲に設定している。
【００１４】
このように構成した本実施例の回転体の作動は以下のようになる。本ターボ型真空ポンプ１００を稼動させ回転体を回転させ始めた段階、すなわち回転体の回転数が設定回転数を下回っている間は、回転体はスラスト方向においてタッチダウンベアリング８に支持され基準回転位置において回転することになる。しかして、この設定回転数を上回れば、タッチダウンベアリング８は下動するが、この時点では気体膜の圧力により、回転体は非接触状態でその基準回転位置近傍において支持されることになる。また回転体の回転を停止するときは、上述と逆で、設定回転以下になった時点でタッチダウンベアリング８が上設定位置Ａまで上昇し、再び回転体に滑動自在に当接しこれを支持することになる。
【００１５】
したがって、回転体は、従来のもののように低回転時に下方に大きく位置ずれすることなく、終始基準回転位置近傍に位置させることができる。また従来であれば、回転体を支持し得る気体膜が形成されるまでの低回転時には完全に摺動接触していたスラスト支持板３６と円盤体２１とは、低回転時には回転体がタッチダウンベアリング８で支持されることになるため、非接触状態となり摩耗低減に貢献して、動圧ガス軸受３２の寿命を増大させることにもなる。
【００１６】
次に本発明の第２実施例を図２〜図４を参照して説明する。なお、第１実施例と同様の部材については同一の符号を付すこととする。
本実施例のターボ型真空ポンプ１０１は、第１実施例のものと比較して、滑動部材駆動機構のみが異なる。
すなわち、このターボ型真空ポンプ１０１は、円盤体２１の下方に複数のタッチダウンベアリング８を配設するとともに、このタッチダウンベアリング８を機器運転状態であるガス導入口５３におけるガス圧に応じて上下動させる滑動部材駆動機構１０９に支持させている。この滑動部材駆動機構１０９は、タッチダウンベアリング８を支持する支柱８１の下端に設けた円板状の板体１９１と、スラスト軸受配設部５６の底部に設けられこの板体１９１を上下動可能に支持する支持穴１９２と、板体１９１を下方に弾性付勢するコイルばね１９３と、支持穴１９２の底面に一端を開口し他端をガス導入口５３に開口する流体経路１９４とを具備してなる。また、図３、４に特に示すように、板体１９１の側面にはシール部材１９５を周設し支持穴１９２の側面に密接させることにより、流体経路１９４とスラスト軸受配設部５６とが連通しないようにしている。
【００１７】
しかして、ターボ型真空ポンプ１０１が通常に運転されており、ガス導入口５３の圧力が真空もしくは真空に近い状態では、前記コイルばね１９３とスラスト軸受配設部５６に導入されているガス圧力によりタッチダウンベアリング８は下方に付勢され図３に示す前記下設定位置Ｂに保持されている。しかして、真空チャンバの真空状態が破れた場合等によりガス導入口５３のガス圧が所定以上になった場合には、回転体に急激に下方への過大な負荷が作用することになるが、このような場合に、流体経路１９４を介して支持穴１９２にもガス導入口５３のガス圧が導かれ、板体１９１を上方に持ち上げるとともにタッチダウンベアリング８を図４に示す上設定位置Ａにまで上昇させ、前記負荷に拮抗させて回転体が下方へ大きく移動しないように支持する。なお、板体１９１の面積は、ガス導入口５３のガス圧が作用して回転体を支持し得る値に設定している。
【００１８】
したがって、このようなものであれば、回転体は、従来のもののようにガス導入口５３のガス圧が大きくなっても下方に大きく位置ずれすることなく、終始基準回転位置近傍に位置させることができる。
なお、滑動部材駆動機構は本実施例に限られず、ガス導入口５３の圧力を検出する圧力検出手段と、検出した圧力に応じてタッチダウンベアリング８を上下駆動する電動アクチュエータにより構成したもの等でも構わない。
【００１９】
このような第１，第２実施例によれば、次のような基本的な効果を奏する。すなわち、タッチダウンベアリングが能動移動して、回転体のスラスト方向への軸ぶれを必要時にのみ抑制する機能を具備することになるため、タッチダウンベアリングの寿命を低減させることなく、回転体の基準回転位置からの位置ずれを小さくでき、振動等の低減に貢献し得る。
【００２０】
なお、本発明は以上に示したものに限られるものではない。例えば、回転数とガス導入口圧の双方を監視してどちらかの条件によってもタッチダウンベアリングを移動させるようにしてもよい。もちろん機器運転状態は回転数とガス導入口圧に限られるものではない。また、スラスト方向の位置ずれのみならず、ジャーナル方向の回転体の位置ずれをも抑制すべく、タッチダウンベアリングおよび同様の滑動部材駆動機構を付加しても構わない。またタッチダウンベアリングの配設位置は、回転体を支持できる部位であればよく、例えば、回転翼に直接タッチダウンベアリングを当接させるような部位であっても同様の効果を奏するものである。
【００２１】
また、磁気浮上軸受を備えるターボ型真空ポンプに第１、第２実施例の構成のタッチダウンベアリング８およびこれを駆動する滑動部材駆動機構９、もしくは１０９を適用してもよい。上述した構成にしておけば、磁気浮上軸受の場合には起動時や停止時における振動や圧力比の変化により、回転体に力（特にスラスト方向）が作用し、回転体に位置ずれが生じるが、このような際タッチダウンベアリング８により位置ずれを抑制できるので軸受制御が容易になる。また、ガス導入口５３のガス圧が大きくなっても回転体が下方に大きく位置ずれすることなく、終始基準回転位置近傍に位置させることができるため、やはり軸受制御が容易になる。
【００２２】
軸受が動圧ガス軸受の場合には、次のような構成を採用してもよい。すなわち、このターボ型真空ポンプ１０２は、図５に示すように、動圧ガス軸受３１、３２におけるジャーナル支持板３３、板ばね材３４、スラスト支持板３６、および板ばね材３７に磁性材料を用い、ケーシングにおける動圧ガス軸受３１、３２の外周に電磁石２０１を埋め込んだものである。なお、タッチダウンベアリング８やその駆動機構９は例えば第１実施例と同様のものを採用している。そして、この電磁石２０１を駆動する制御装置２０２が外部に設けてあり、電磁石２０１に電流を流して、ジャーナル支持板３３、板ばね材３４、スラスト支持板３６、および板ばね材３７を回転軸２から離間する方向に移動させ得るものである。このようなものであれば、停止状態において、ジャーナル支持板３３およびスラスト支持板３６を板ばね材３４、３７により完全に回転軸２に押圧密着させて、回転軸２を含む回転体の支持状態をがたのない良好なものにできるという付加的効果を得ることができる。また、稼動時においては、低回転時に電磁石２０１に電流を流して、ジャーナル支持板３３、板ばね材３４、スラスト支持板３６、および板ばね材３７を回転軸２から離間する方向に移動させて、第１実施例同様、回転軸２とジャーナル支持板３３またはスラスト支持板３６とを終始非接触状態に保つことができる。
【００２３】
さらに、特有の効果としては、このようなターボ型真空ポンプ１０２の製造過程における回転体のバランス取りを好適なものにできる点が挙げられる。すなわち、従来、回転体のバランス取りにおいては、バランシングマシン上にて低速にて回転体を回しながらアンバランス量を測定し、バランス調整を行っていた。このため、動圧ガス軸受を組み込んだ状態においては回転体と動圧ガス軸受とが接触することによるアンバランスの発生により正確なアンバランス量の測定ができない。したがって、動圧ガス軸受を取り外した状態でバランス取りを行い、その後、回転翼１、回転軸１等を一旦分解して再び動圧ガス軸受を組み込んで最終組み立てをする必要がある上に、最終組み立て品としてのバランス取りはできなかった。
【００２４】
しかして、上述したものであれば動圧ガス軸受３１，３２を組み込んだ最終組み立て品としての状態で、電磁石２０１により回転体と動圧ガス軸受３１，３２とを非接触にしてバランス取りを行うことができ、工程の簡略化や正確なバランス取りが可能になる。
なお、バランス取りに際して、ケーシングにおいて例えば図中点線に示すように電磁石２０１を含む必要部分Ｙだけを分離可能に構成しておけば、バランシングマシンに載置する部分の重量を低減できることになり、より正確なバランス取りを行えることになる。
【００２５】
また本発明は、ターボ型真空ポンプにのみ適用されるものではなく、回転翼を有し、この回転翼の回転によりガス圧縮作用やガス循環作用を営むターボブロワ、ルーツブロワ等のターボ機械であれば適用可能である。
その他、構成は図示例に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で例えばタッチダウンベアリングとして実施例ではカムフォロアを用いているが、アンギュラ玉軸受を選択する等種々変形が可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、滑動部材駆動機構により滑動部材を機器運転状態に応じて移動させ前記許容量を可変に設定し得るように構成しているので、滑動部材を能動移動させ、回転体の位置ずれを必要時にのみ抑制することができ、滑動部材の寿命を低減させることなく、回転体の位置ずれを低減できる。その結果例えば、非接触型軸受が磁気浮上軸受の場合には、回転体の位置制御が容易になり、また、非接触型軸受が動圧ガス軸受の場合には、軸受と回転体とを稼動時に完全に非接触にすることができ、軸受寿命を増大させることができるなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すターボ型真空ポンプの概略断面図。
【図２】本発明の第２実施例を示すターボ型真空ポンプの概略断面図。
【図３】同実施例のタッチダウンベアリングが上設定位置にある状態を示す概略拡大図。
【図４】同実施例のタッチダウンベアリングが下設定位置にある状態を示す概略拡大図。
【図５】本発明の変形例を示すターボ型真空ポンプの概略断面図。
【符号の説明】
１００、１０１、１０２・・・高速回転機器（ターボ型真空ポンプ）
１・・・回転翼
１、２、４１・・・回転体
３１、３２・・・非接触型軸受（動圧ガス軸受）
５３・・・ガス導入口
５４・・・ガス導出口
８・・・滑動部材（タッチダウンベアリング）
９、１０９・・・滑動部材駆動機構
【図１】
0003997578.tif 000002
【図２】
0003997578.tif 000003
【図３】
0003997578.tif 000004
【図４】
0003997578.tif 000005
【図５】
0003997578.tif 000006