(57)【要約】【解決手段】本発明は、真空ポンプ、特にターボ分子ポンプに関しており、真空ポンプは軸(12)に支持されたポンプ要素(14)を備えている。軸(12)は、第１の軸受組立体(24)と第２の軸受組立体(26)とによりポンプハウジング(10)内に支持されている。動作中に生じる軸(12)とポンプハウジング(10)との熱膨張の差を補償するために、第１の軸受組立体(24)は、軸方向の移動を少なくとも部分的に補償するための補償要素(32)を有する。
2012529591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ要素(14)を支持する軸(12)と、
ポンプハウジング(10)と
を備えており、前記ポンプハウジング(10)内に、前記軸(12)が第１の軸受組立体(24)と第２の軸受組立体(26)とに支持されている真空ポンプ、特にはターボ分子真空ポンプにおいて、
前記第１の軸受組立体(24)は、前記ポンプハウジング(10)に連結された軸受要素(28)と前記軸(12)に連結された軸受要素(30)との間の軸方向の変位を少なくとも部分的に補償するための補償要素(32)を更に備えていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
前記補償要素(32)は環状であることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
【請求項３】
前記補償要素(32)が径方向に膨張することを制限するために、前記補償要素(32)は、好ましくは環状の制限要素(34)に径方向に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
【請求項４】
前記補償要素(32)は、前記制限要素(34)と前記ポンプハウジング(10)との間、又は前記制限要素(34)と前記軸(12)との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の真空ポンプ。
【請求項５】
前記補償要素(32)に、軸方向の特に高熱膨脹係数の材料が用い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真空ポンプ。
【請求項６】
前記補償要素(32)に、径方向の高剛性を有する材料が用いられているか、及び／又は
前記補償要素(32)の径方向の熱膨張が小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の真空ポンプ。
【請求項７】
前記補償要素(32)は、周方向に巻かれたCFK シェルを有す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真空ポンプ。
【請求項８】
前記補償要素(32)に、略異方性の材料が用いられてい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真空ポンプ。
【請求項９】
前記補償要素(32)に、略等方性の材料が用いられており、前記補償要素(32)は、好ましくは制限要素(34)によって径方向に画定されており、特にはチャンバ内に配置されていることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の真空ポンプ。
【請求項１０】
前記第１の軸受組立体(24)は前記第２の軸受組立体(26)に軸方向の付勢力を加え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真空ポンプ。
【請求項１１】
前記補償要素(32)は、前記真空ポンプの動作中に生じる温度の範囲略全体に亘って付勢力を維持する熱膨脹係数を有することを特徴とする請求項９に記載の真空ポンプ。
【請求項１２】
前記第１の軸受組立体(24)は、磁気軸受として、特には永久磁気軸受として設けられていることを特徴とする請求項１乃至11のいずれかに記載の真空ポンプ。
【請求項１３】
前記軸(12)に連結された前記磁気軸受(24)の少なくとも１つの磁気要素(30)が、前記ポンプハウジング(10)に連結された前記磁気軸受(24)の少なくとも１つの磁気要素(28)に対して軸方向に変位した位置に配置されていることを特徴とする請求項12に記載の真空ポンプ。
【請求項１４】
前記補償要素(32)の作用を受ける前記軸受要素(28,30)は、前記ポンプハウジング(10)又は前記軸(12)に、軸方向の変位可能に連結されてい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真空ポンプ。
【請求項１５】
前記補償要素(32)と協働する軸受要素(28,30)に作用する復帰要素(40)を更に備えており、
該復帰要素(40)は、好ましくは前記軸受要素(28,30) に対して前記補償要素(32)の反対側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至14のいずれかに記載の真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空ポンプ、特にはターボ分子真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
真空ポンプは、ポンプハウジング内にポンプ要素を備えており、ポンプ要素は、ターボ分子真空ポンプの場合にはポンプロータの形態で設けられている。前記ポンプ要素は軸に支持されている。軸は、ポンプハウジング内に２つの軸受組立体により支持されている。このような支持は通常、浮動軸受と固定軸受とにより行われる。特には受動型磁気軸受として実現され得る浮動軸受によって、磁気軸受又は玉軸受である固定軸受が軸方向に付勢される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第19804768号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方の軸受要素を支えるポンプハウジングと他方の軸受要素を支える軸との異なる熱膨張により、軸受要素が軸方向に変位する。このため、例えば固定軸受が玉軸受として形成され、浮動軸受が磁気軸受として形成されている場合、磁気軸受の２つの軸受要素が軸方向に変位する。磁気軸受の２つの軸受要素が軸方向に変位するため、磁気軸受の軸方向の力が変化する。この結果、固定軸受の軸方向の付勢が動作範囲に応じて変化する。このような場合、例えば軸方向の付勢力が固定軸受に作用しなくなるという無駄な動作状態が生じる虞がある。
【０００５】
ターボ分子ポンプでは、温度が130 ℃に上昇する場合がある。特に、軸とポンプハウジングとの温度差と、使用される材料とに応じて、相当な変位が軸方向に生じる場合がある。例えば、組み合わせで支持されるターボ分子ポンプでは、磁気軸受の径方向の剛性の大きさを300 N/mmとする必要がある。そのため、軸方向の剛性の大きさが約600 N/mmになる。軸方向の変位が既に0.2 mmであるため、最初に設定された軸方向の軸受力は約200N変わる。
【０００６】
本発明の目的は、固定軸受が、軸方向の付勢力を、好ましくは動作範囲全体に亘って略一定の軸方向の付勢力を受ける真空ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、上記の目的は請求項１に定義された特徴によって達成される。
【０００８】
本発明によれば、ポンプハウジングに連結された軸受要素と軸に連結された軸受要素との間の軸方向の変位を少なくとも部分的に補償するために、軸を支持する２つの軸受組立体の内の第１の軸受組立体が補償要素を備えている。熱膨張によって引き起こされるような軸受要素の互いに対する変位を少なくとも部分的に補償するこのような補償要素を設けることにより、固定軸受に作用する軸方向の付勢が、動作期間全体に亘って可能な限り大きな範囲内で一定に維持され得る。特に、前記補償要素の材料を適切に選択することにより、軸方向の変位の略完全な補償を達成することが可能になり、そのため、固定軸受に作用する軸方向の付勢力は、動作範囲の略全体に亘って一定のままである。
【０００９】
本発明によれば、前記補償要素は、２つの軸受要素の内の一方にのみ作用するように配置されていることが好ましい。この点に関して、２つの軸受要素の内のどちらがより大きな軸方向の変位を受けるかを検査により検出することが可能であり、そのため、補償要素がこの軸受要素に反対の軸方向の力を加えることが可能である。真空ポンプ、特にはターボ分子ポンプでは、一又は複数のロータを支持する軸の軸方向の膨張が、ポンプハウジングの対応する膨張より通常大きい。本発明では２つの軸受要素の内の一方に作用する補償要素を設けることにより、軸とポンプハウジングとの異なる軸方向の膨張が、少なくとも部分的に、好ましくは略完全に補償され得る。この点に関して、第１の実施形態によれば、補償要素を、ポンプハウジングに連結された軸受要素に作用するように配置することが可能である。従って、軸の軸方向の膨張がポンプハウジングの軸方向の膨張より大きい場合、ポンプハウジングに連結された軸受要素のある種の追随移動が行なわれる。ここで、ロータの熱膨張によって引き起こされた、軸に連結された軸受要素の変位と、補償要素によって引き起こされた、ポンプハウジングに連結された軸受要素の変位とが同一の方向に行われる。
【００１０】
更に補償要素を、軸に連結された軸受要素に作用するように配置することが可能である。軸の軸方向の膨張がここでもポンプハウジングの軸方向の膨張より大きい場合、補償要素は、軸の熱膨張によって引き起こされた、軸に連結された軸受要素の変位を無効にする。
【００１１】
任意には、２つの補償要素を設けることも可能であり、補償要素の内の一方が、軸に連結された軸受要素に作用し、他方の補償要素が、ポンプハウジングに連結された軸受要素に作用する。この場合、２つの補償要素の補償方向が互いに反対である。このような配置により、夫々の補償要素によって引き起こされる夫々の軸受要素の軸方向の変位は、２つの軸受要素が互いに反対の方向に変位されるのでより小さくなり、その結果、２つの補償要素が夫々軸方向の補償の一部のみを行うだけでよいという利点がある。
【００１２】
補償要素は、軸受要素と同様に、好ましくは環状に配置されており、好ましくは環として形成されている。特に高熱膨脹係数を実質的に有する材料を用いた補償要素が使用されていることが特に好ましい。全ての側面が高剛性の材料によって画定されているチャンバ内に補償要素を配置する場合、つまり、補償要素が閉チャンバ内に配置されている場合には、補償要素の材料が等方性の温度特性を有することが有用である。この点に関する材料として、ポリマーが特に適している。補償要素が閉チャンバ内に配置されておらず、特に径方向に画定されていない場合、補償要素に異方性材料が用いられていることが好ましく、補償要素が異方性材料から形成されていることが更に好ましい。補償要素の材料は、軸の長手方向、つまり軸方向に高熱膨脹係数を有し、且つ径方向に高剛性を有して構成されており、更に、材料の径方向の熱膨張が小さい。このようなタイプの補償要素として、例えば周方向に巻かれたCFK シェルが適している。補償要素の材料として、適切なペースト状又は流体状の材料を用いることが可能である。
【００１３】
補償要素は、好ましくはエラストマー材料から形成された環として設けられているか、又は環状ラインに沿って配置され補償要素を形成する個々の部材の組立体として設けられていることが好ましい。
【００１４】
補償要素の材料の熱膨脹係数により、固定軸受に必要な付勢力が動作範囲の略全体に亘って維持されるために、補償要素の材料が、所与の動作状態で生じる軸方向の変位に応じて選択されることが特に好ましい。補償要素の材料の選択がこの点に基づき適切に行われ、従って、材料は適切な熱膨脹係数を有することが好ましい。補償要素の材料の熱膨脹係数を、０℃から120 ℃までの温度範囲内で軸の材料の熱膨脹係数より大きくすべきである。補償要素の材料の熱膨脹係数と軸方向の膨張とは、軸方向の力の許容可能な変化を超えないように設定されていることが好ましい。軸方向の力の許容可能な変化は、例えば20℃で初期値の50%に設定され得る。
【００１５】
補償要素の径方向の膨張を防止するため、又はこのような膨張を小さな範囲内に少なくとも維持するために、径方向の膨張を制限するための制限要素が設けられていることが好ましい。環状の補償要素、又は環状ラインに沿って配置され補償要素を形成する個々の部材の場合、制限要素は、同様に環状であることが好ましい。補償要素が、例えばポンプハウジングに連結された軸受要素に作用する場合、補償要素は、ポンプハウジングの壁と補償要素の内側に位置付けられた環状の制限要素との間に径方向に配置されていることが好ましい。対応して、補償要素が軸に連結された軸受要素に作用する場合、補償要素は、軸の外面と、補償要素を囲み好ましくは環状をなす制限要素との間に配置されている。
【００１６】
好ましい実施形態によれば、第１の軸受組立体は、磁気軸受として形成されており、好ましくは永久磁気軸受として形成されている。固定軸受として機能する第２の軸受組立体は、好ましい実施形態によれば、転がり軸受として形成されており、好ましくは玉軸受として形成されている。
【００１７】
磁気軸受により固定軸受に軸方向の力を加えるために、磁気軸受の２つの軸受要素の個々の磁石要素が、互いに対して軸方向に変位した位置に配置されている。本発明によれば、補償要素を設けることにより、軸方向の僅かな変位が動作範囲の略全体に亘って維持されることが可能になる。
【００１８】
補償要素の作用を受ける第１の軸受組立体の、つまり特には磁気軸受の軸受要素が、軸方向に変位可能であることが好ましい。補償要素が、ポンプハウジングに連結された軸受要素に作用するか、又は軸に連結された軸受要素に作用するかに応じて、軸受要素はポンプハウジング又は軸に変位可能なように軸方向に対応して連結されている。復帰要素が設けられていることが好ましく、そのため、構成部品の冷却中、従って補償要素の冷却中に、対応する軸受要素の復帰が確保される。例えばばねとして形成された前記復帰要素は、補償要素とは軸方向に反対側である対応する軸受要素の側に配置されていることが好ましい。しかしながら、復帰要素を補償要素に組み込むことが更に可能である。任意には、補償要素が対応する軸受要素に軸方向に強固に連結されている場合、別個の復帰要素は省略され得る。そのため、温度変化による補償要素の収縮が、対応する軸受要素の引張りを引き起こす。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ポンプハウジングに連結された軸受要素に作用する非能動型補償要素を備えたターボ分子ポンプの第１の好ましい実施形態を示す概略断面図である。
【図２】補償要素が動作状態にある、図１に図示されたターボ分子ポンプを示す断面図である。
【図３】ポンプハウジングに連結された軸受要素に作用する非能動型補償要素を備えたターボ分子ポンプの第２の好ましい実施形態を示す概略断面図である。
【図４】軸に連結された軸受要素に作用する非能動型補償要素を備えたターボ分子ポンプの第３の好ましい実施形態を示す概略断面図である。
【図５】軸に連結された軸受要素に作用する非能動型補償要素を備えたターボ分子ポンプの第４の好ましい実施形態を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を、好ましい実施形態により添付図面を参照して更に詳細に以下に説明する。
【００２１】
ターボ分子ポンプは、軸12上に配置されたロータ14をポンプハウジング10内に備えている。前記ロータ14は径方向に延びる複数の動翼16を有する。該動翼16間に複数のステータディスク18が配置されており、ステータディスク18は、同様に径方向に延びており、前記ポンプハウジング10内に固定されている。前記ステータディスク18に対してロータ要素14を回転させることにより、ポンプハウジング10に設けられた入口22を通って出口20の方向に媒体が搬送される。
【００２２】
図示された実施形態では、軸12は、浮動軸受として機能する第１の軸受組立体24と固定軸受として機能する第２の軸受組立体26とに支持されている。図示された実施形態では、前記第２の軸受組立体26は玉軸受として形成されている。前記第１の軸受組立体24は磁気軸受である。
【００２３】
本発明の第１の好ましい実施形態（図１及び２）によれば、前記磁気軸受は、ポンプハウジング10に連結された第１の軸受要素28として使用するために３つの永久磁石を有する。第２の軸受要素が、軸12上に配置されており、同様に３つの永久磁石30によって実現されている。固定軸受としての第２の軸受組立体26に軸方向の付勢力を発生させるために、第１の軸受要素28は、第２の軸受要素30に対して軸方向に変位した位置に配置されている。
【００２４】
従来のターボ分子ポンプでは、軸12とポンプハウジング10との異なる熱膨張により、ターボ分子ポンプの動作中に、図１に図示された内側の軸受要素30は、矢印の方向31に更に左側に軸方向に変位する。本発明によれば、このような変位を補償するために、補償要素32が設けられている。図示された実施形態では、前記補償要素32は環状であり、軸12とポンプハウジング10との異なる熱膨張にも関わらず、外側の軸受要素28は内側の軸受要素30に対して軸方向に変位しないように、軸方向の熱膨脹係数を好ましくは有する材料から形成されていることが好ましい。
【００２５】
図２に図示されているように、補償要素32の体積が、動作中に生じた発熱により大きくなる。図示された実施形態では、補償要素32が径方向に全く膨張しないか、又は径方向にほんの僅かしか膨張しないことを保障するために、環状の制限要素34が設けられている。
【００２６】
従って、補償要素32は、ポンプハウジング10の内側側面36と前記環状の制限要素34との間に配置されている。変位可能に保持され、これも環状の伝達要素38により、補償要素32の軸方向の熱膨張によって引き起こされる変位が、外側の軸受要素28に伝達される。前記伝達要素38は、制限要素34を全ての動作状態で軸方向に部分的に覆うように構成されている。これにより、補償要素32が閉空間内に常時配置され、従って補償要素32の径方向の膨張が防止されることが保障される。
【００２７】
補償要素32とは軸方向に反対側である外側の軸受要素28の側に、復帰要素40が設けられており、例えばばねとして実現されている。動作温度が下げられたとき、前記復帰要素40は補償要素32を再度圧縮し、それにより、下げられた動作温度でも内側の軸受要素30と外側の軸受要素28との間の軸方向の変位を維持する。この作用を達成するために、補償要素32と伝達要素38とを介して引張力を加えることも可能である。
【００２８】
従って、図１及び２に示された実施形態では、補償要素32の補償は、軸12の熱膨張と同一の方向31で有効になる。
【００２９】
以下に述べられる更なる実施形態（図３乃至５）はある程度同一であり、同様の構成部品は同一の参照番号によって示されている。
【００３０】
第２の実施形態（図３）では、軸12が、第１の軸受組立体24の領域で中空軸として形成されている。軸12に連結された軸受要素28が、前記中空軸の内側側面上に配置されている。軸受要素28に対向して、軸受要素30が、中空軸内に延びるポンプハウジング10の円筒状の突出部42上に配置されており、軸受要素30は、図１及び２を参照して述べられた軸受要素に対応して構成されている。図１と同様に、補償要素32が、熱膨張によって引き起こされる軸方向の変位を補償するために軸受要素30に作用すべく設けられている。
【００３１】
図４に図示された第３の実施形態では、軸12が、図１に従った実施形態に対応する中実軸として構成されている。図１に従った実施形態以外では、補償要素32は、軸12に連結された軸受要素30に作用すべく設けられている。従って、補償要素32は、軸12の熱膨張の方向31に対向して（矢印の方向44に）作用する。
【００３２】
第４の実施形態（図５）では、軸12が、図３に対応して同様に中空軸として形成されている。図５に図示された実施形態では、補償要素32が、同じく軸12に連結された軸受要素30に作用するように配置されている。従って、補償の方向44は、ここでも軸12の熱膨張の方向31に対向して方向付けられている。
【図１】
2012529591.tif 000003
【図２】
2012529591.tif 000004
【図３】
2012529591.tif 000005
【図４】
2012529591.tif 000006
【図５】
2012529591.tif 000007
【国際調査報告】
2012529591.tif 000008
2012529591.tif 000009
2012529591.tif 000010
2012529591.tif 000011
2012529591.tif 000012
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