JP2006525466A

JP2006525466A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP2006525466A
Application number: JP2006506175A
Authority: JP
Inventors: ジェニファーメアリースクーリング; バリーダドリーブルースター
Original assignee: ザビーオーシーグループピーエルシー
Priority date: 2003-04-29
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2006-11-09
Also published as: WO2004097224A1; DE602004012546T2; US8021131B2; GB0309830D0; TWI337224B; EP1618308B1; ATE389808T1; EP1618308A1; US20060245960A1; TW200508499A; DE602004012546D1

Abstract

真空ポンプ（５０）が、ポンプ排出装置と、ポンプ排出装置を駆動するシャフト（１０）と、シャフト（１０）を回転させるモータ（６０）と、シャフト（１０）を回転可能に支持する支承装置とを有し、支承装置は、シャフト（１０）の第１の部分を支持する転がり軸受（１２）と、スラスト軸受（３０）とを有する。スラスト軸受（３０）は、複数の転がり要素（３６）が転がり軸受（１２）の外レース（１８）及びスラスト軸受（３０）のレース（３４）と支承接触状態に維持されるようこれら転がり要素（３６）を収容する。このようにして、転がり軸受（１２）の半径方向運動を許容しながら転がり軸受（１２）の軸方向運動に抵抗することができる。

Description

本発明は、真空ポンプの支承装置に関する。

図２は、従来知られている真空ポンプ５０の断面図であり、この真空ポンプは、単一のシャフトにより駆動されるポンプ排出装置を有している。図示の装置は、ターボ分子ポンプ排出機構５２及びホルベック（Holweck）ポンプ排出機構５４を有し、ホルベックポンプ排出機構は、分子ドラグポンプ排出機構である。ターボ分子ポンプ排出機構及びホルベックポンプ排出機構のそれぞれのロータ５８，５９は、シャフト５６によって駆動されるよう構成されており、シャフトをモータ６０で回転させると、シャフトがポンプ排出装置５２，５４を駆動するようになっている。シャフト５６は、２つの軸受から成る支承装置によって支持され、これら２つの軸受は、図示のようにシャフトのそれぞれの端部のところに位置決めされ、或いは、端部相互間の中間に位置決めされる。図２においては、転がり軸受６４が、シャフト５６の第１の部分を支持し、磁気軸受６２が、シャフト５６の第２の部分を支持している。磁気軸受６２に代わる手段として第２の転がり軸受を用いてもよい。磁気軸受を用いる場合、当該技術分野において周知のようにバックアップ軸受を組み込むことも又望ましい場合がある。図３と関連して以下に詳細に説明するように、転がり軸受６４は、シャフト５６の第２の端部とポンプ５０のハウジング部分６６との間に設けられる。

かかるポンプでは、転がり軸受６４は、或る程度、半径方向に動くことができる（半径方向応従性である）が、軸方向に動くのを阻止することが望ましい。軸方向運動が生じると、これにより、ターボ分子ポンプ排出機構のロータ羽根又は回転翼とステータが衝突する場合があり、その結果、ポンプが破損することになる。残留不均衡状態により引き起こされるポンプロータからポンプハウジングへの振動の伝達を減少させるために、ラジアル軸受の、或る程度の半径方向運動を可能にすることが有利である。

転がり軸受６４の拡大図である図３を参照して先行技術の支承（ベアリング）装置を説明する。転がり軸受は、シャフト５６に対して固定された内レース６８と、外レース７０と、ケージ７３によって支持されていて、内レースと外レースの相対回転を可能にする複数の転がり要素７２とから成る。転がり軸受６４は、その要素の摩耗を減少させるため潤滑が行なわれ、遮蔽体要素７４が、転がり軸受からの潤滑剤の滲出に抵抗するために設けられている。遮蔽体は、ばねクリップ、又は、他の締結具により定位置に保持される別個の部品であるのがよく、或いは変形例として、軸受の外リングの一体部分であってもよい。半径方向減衰リング７５が、外レース７０の半径方向運動を減衰させるために外レース７０とハウジング部分６６との間に半径方向に位置決めされている。外レース７０の端面とハウジング部分６６との間に軸方向減衰リング７６が設けられ、この軸方向減衰リング７６は、外レースの軸方向運動に抵抗するが、その半径方向運動は許容する。

しかしながら、軸方向減衰リング７６は、外レースの軸方向運動には適切には抵抗しない。その理由は、これは、或る程度軸方向に圧縮可能であり、時間の経過につれて問題を悪化させるクリープ（又は圧縮歪み）を生じるという欠点がある。

さらに、転がり軸受６４に潤滑剤を用いても、ポンプ排出装置の潜在的に高い回転速度に起因して、転がり軸受は作動中に温度が上昇する。かかる温度上昇により、もし熱を転がり軸受から消散させなければ、転がり軸受の迅速な破損が生じる。先行技術の装置と関連した別の問題は、軸方向減衰リング７６がエラストマーで作られ、このエラストマーは、熱伝導率が低く、外レースからハウジング部分への熱の伝導を行ないにくくするということにある。ハウジング部分は典型的には、アルミニウム合金で作られ、かかる材料の熱伝導率が約１５０Ｗ／ｍＫなので比較的低温に維持される場合がある。
改良型真空ポンプを提供することが望ましい。

本発明は、真空ポンプであって、ポンプ排出装置と、ポンプ排出装置を駆動するシャフトと、シャフトを回転させるモータと、シャフトを回転可能に支持する支承装置とを有し、支承装置は、シャフトの第１の部分を支持する転がり軸受と、転がり軸受の軸方向運動に抵抗すると共に転がり軸受の半径方向運動を許容するために、複数の転がり要素を転がり軸受の外レース及びスラスト軸受のレースと支承接触状態で収容するスラスト軸受とを有することを特徴とする真空ポンプを提供する。

本発明は又、真空ポンプであって、ポンプ排出装置と、ポンプ排出装置を駆動するシャフトと、シャフトを回転させるモータと、シャフトを回転可能に支持する支承装置とを有し、支承装置は、シャフトの第１の部分を支持する転がり軸受と、転がり軸受の外レースから間隔を置いて位置するケージを備えたスラスト軸受とを有し、ケージは、転がり軸受の軸方向運動に抵抗すると共に転がり軸受の半径方向運動を許容するために複数の転がり要素を転がり軸受の外レース及びスラスト軸受のレースと支承接触状態で収容していることを特徴とする真空ポンプを提供する。
本発明の他の好ましい特徴は、引用形式で記載されている請求項に記載されている。

本発明を十分に理解できるようにするために、例示として与えられているに過ぎないその実施形態について添付の図面を参照して以下に説明する。
実施形態は、図２に示す全体構造を有し、先行技術とは転がり軸受の構造及び取り付け方のみが異なっている。したがって、煩雑になるのを避けるために、図１、図４及び図５に示す転がり軸受装置についてのみ以下に詳細に説明する。

図１を参照すると、真空ポンプは、軸受装置によって支持されたシャフト１０を有する。支承装置は、シャフト１０の第１の部分を支持した転がり軸受１２を有し、この転がり軸受は、図２を参照して説明したのと同じ仕方でシャフト１０とハウジング部分１４との間に位置決めされている。図１に示す装置は、軸線Ａを中心として回転対称である。支承装置は更に、シャフト１０の第２の部分を支持した磁気軸受を有する。なお、これは図１には示されていない。

転がり軸受１２は、シャフト１０に対して固定された内レース１６と、外レース１８と、ケージ２１内に設けられていて、内レースと外レースの相対回転を可能にする複数の転がり要素２０とを有している。転がり要素２０は好ましくは、高強度鋼又はセラミックで作られた玉軸受である。例えば、油又はグリースであるのがよい潤滑剤２２が、軸受１２の可動部分相互間の摩擦及び摩耗を減少させるために設けられている。遮蔽体又はフランジ部分２４が、外レース１８の軸方向端部から半径方向内方に延びていて、外レースと一体になっている。変形例として、遮蔽体部分２４は、別個の部品であってもよい。遮蔽体部分は、転がり軸受からの潤滑剤２２の滲出に抵抗する。遮蔽体要素２５も又、潤滑剤の滲出に抵抗するよう設けられている。半径方向減衰リング２６が、ハウジング部分１４に設けられた円周方向凹部２８内に収容されていて、転がり軸受１２の過剰の半径方向運動に抵抗するようになっている。変形例として、減衰リング２６を、図４に例示するように外レースに設けられた円周凹部内に収容してもよい。

スラスト軸受３０は、外レース１８（一体遮蔽体部分２４を含む）の軸方向端面とハウジング部分１４の肩３２との間に位置決めされている。スラスト軸受は、円板３４の形態をしたレースを有し、この円板は、好ましくは高強度材料、例えば鋼で作られ、肩３２に当接する。複数の転がり要素３６が、円板３４及び外レース１８と接触状態で設けられていて、外レースの軸方向運動に抵抗するがその比較的自由な半径方向運動を可能にするようになっている。転がり要素３６は、ケージ３８に設けられたポケットにそれぞれ収容され、このケージは、ハウジング部分１４及び円板３４に対して固定されていて、外レース１８の軸方向端面から間隔を置いて設けられている。変形例として、転がり要素を外レース１８に直接形成されるポケット又は円周方向溝内に設けてもよい。ポケットは、各々がポンプ回転軸線に平行な軸線を持つ円筒形凹部として形成されたものであるのがよい。ハウジング部分１４は、転がり軸受と比較して比較的低い温度状態に維持される。その理由は、ハウジング部分は、可動部品ではなく、冷却可能であって、代表的には熱伝導率の高い材料で作られているからである。したがって、熱は、ハウジング部分に固定されているケージ３８から容易に伝わって、ケージがポンプの使用中、転がり軸受１２よりも低い温度状態に保たれるようになっている。かかる組立体は、ケージ３８と外レース１８との間に僅かな軸方向隙間を持つよう構成される。熱を転がり軸受１２からスラストレース３０に伝達する熱経路を作るためにこの隙間を油又はグリースで満たすのがよい。油又はグリースは、代表的には、熱伝導率が約０．１０〜０．１６Ｗ／ｍＫである。

先行技術においては、軸方向減衰リングの典型的な熱抵抗は、１８Ｋ／Ｗであり、半径方向減衰リングは、６５Ｋ／Ｗであり、支承取付け手段について約１４Ｋ／Ｗの正味の熱抵抗が生じる。本実施形態によれば、熱抵抗は、５Ｋ／Ｗ未満であり、転がり軸受を、これよりも低温に維持することができる。

ケージ３８は、転がり軸受１２とスラストレース３０との間の熱経路を改良するようケージ３８と外レース１８の端面及び遮蔽体部分２４との間に僅かな隙間Ｃを生じさせるよう正確に製造されている。隙間Ｃは、０．５ｍｍ未満である。ただし、これは好ましくは、０．３７ｍｍ未満である。より好ましくは、隙間Ｃは、０．１０ｍｍ未満である。転がり軸受１２からスラストレース３０に伝わることができる熱の量は、隙間Ｃの寸法にほぼ反比例し、したがって、外レース１８の軸方向端面とケージ３８の接触の恐れを生じさせないで、隙間Ｃを減少させると、熱伝達量が増加する。潤滑剤、例えば油又はグリースを隙間Ｃ内に入れた場合、転がり軸受１２からスラストレース３０に消散させることができる熱の量が一段と増加する。一例を挙げると、隙間Ｃが約０．０５〜０．１ｍｍであり、これに油又はグリースを充填すると、支承取付け手段の熱抵抗は、約１．３〜２．６Ｋ／Ｗである。

ケージ３８は、転がり軸受１２からスラストレース３０への熱経路に沿う熱抵抗を減少させるよう熱伝導率の高い材料、例えば、青銅又は青銅合金で作られている。例えば、ケージを熱伝導率が約５０〜８０Ｗ／ｍＫの燐青銅で作るのがよい。ケージ３８の形状（即ち、転がり軸受に向かって広い表面積を持つ形状）は、熱抵抗を減少させる。これと同様に、外レース１８と一体であるのがよい遮蔽体部分２４は、ケージ３８に向いた外レースの表面積を増大させ、かくして、これまた熱抵抗を減少させる。円板３４及び軸受外レース１８は好ましくは、熱伝導率が４６Ｗ／ｍＫの高炭素鋼、例えば、ＡＩＳＩ５２１００高炭素鋼で作られる。

上述のことから、軸方向隙間は、熱を転がり軸受から消散させる熱抵抗がケージよりも大きいことは理解されよう。その理由は、油又はグリースの熱伝導率は、燐青銅の熱伝導率の約１／５００だからである。しかしながら、ケージは、厚さが約５ｍｍの場合、即ち、油又はグリースで満たされた隙間の厚さの約５００倍であれば、同じ程度に影響を及ぼすようになる。
転がり要素３６と外レース１８の相互接触面積は、小さく、これは、この経路によっては無視できるほどの量の熱しか転がり軸受からスラスト軸受に伝達できず、それ自体では転がり軸受から十分な熱を消散させることができないということを意味している。

本発明の第２の実施形態が、図４に示されており、図４においては、スラストレース８５が図１に示す実施形態の場合と同様に外レース８３から間隔を置いて位置するのではなく、外レース８３と接触状態に配置されていることが理解できる。したがって、隙間Ｃは、先の実施形態の場合よりも外レース８３から長い距離のところに設けられる。かかる構成により、外レース８３からスラストレースケージ８７までの熱伝導率が向上するが、これから円板８６への熱伝導率は減少する。
スラストレース８５と転がり軸受８２の外レース８３との間の同心性を維持するため、肩８８が、ケージ８７に形成され、この肩は、外レース８３に設けられた凹部８９に協働する。

上述したように、半径方向減衰リング２６を外レース８３の外面に設けられた円周方向凹部８４内に収容することができ、かかる構成は、図４に示されている。
本発明の第３の実施形態が、図５に示されている。この場合、スラストレース９５のケージ９７は、転がり軸受９２の外レース９３の一体部分として設けられている。この場合も又、隙間Ｃは、リング９６に隣接して設けられ、この隙間を先の実施形態の場合と同様に潤滑剤又はグリースで満たして転がり軸受９２とハウジング部分１４との間の熱経路を形成するのがよい。

本発明の実施形態としての真空ポンプの転がり軸受を示す拡大断面図である。先行技術の真空ポンプの断面図である。図２に示す真空ポンプの転がり軸受を示す拡大断面図である。本発明の別の実施形態としての真空ポンプの転がり軸受を示す断面図である。本発明の第３の実施形態としての真空ポンプの転がり軸受を示す断面図である。

Claims

真空ポンプであって、ポンプ排出装置と、ポンプ排出装置を駆動するシャフトと、シャフトを回転させるモータと、シャフトを回転可能に支持する支承装置とを有し、支承装置は、シャフトの第１の部分を支持する転がり軸受と、転がり軸受の軸方向運動に抵抗すると共に転がり軸受の半径方向運動を許容するために複数の転がり要素を転がり軸受の外レース及びスラスト軸受のレースと支承接触状態で収容するスラスト軸受とを有することを特徴とする真空ポンプ。
スラスト軸受は、複数の転がり要素が収納されたケージを有することを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
ケージは、転がり軸受の外レースから間隔を置いて位置していることを特徴とする請求項２記載の真空ポンプ。
ケージは、スラスト軸受のレースから間隔を置いて位置していることを特徴とする請求項２記載の真空ポンプ。
ケージは、転がり軸受の外レースと一体であることを特徴とする請求項４記載の真空ポンプ。
スラスト軸受は、転がり軸受の外レースに形成された複数のポケットを有し、複数の転がり要素は、それぞれポケット内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
スラスト軸受は、転がり軸受の外レースに形成された円周方向溝を有し、この円周方向溝内には、複数の転がり要素が配置されていることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
支承装置は、シャフトの第２の部分を支持する磁気軸受を有することを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
転がり軸受は、玉軸受であることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
ポンプ排出装置は、ターボ分子ポンプ排出機構から成ることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
熱経路が、熱を転がり軸受からスラストレースに伝達することを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
外レースは、転がり軸受からの潤滑剤の滲出に抵抗する遮蔽体を有し、熱経路が、遮蔽体とスラストレースのケージとの間に設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
遮蔽体は、外レースと一体であることを特徴とする請求項１２記載の真空ポンプ。
潤滑剤が、外レースの端面とケージとの間の隙間の中に設けられていることを特徴とする請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
外レースの端面とケージとの間の隙間は、０．５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１〜１４のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
隙間は、０．１０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１５記載の真空ポンプ。
ケージは、熱伝導率の高い材料で作られていることを特徴とする請求項１〜１６のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
ケージは、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫよりも高い材料で作られていること特徴とする請求項１〜１７のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
ケージは、青銅又は青銅合金で作られていることを特徴とする請求項１〜１８のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
スラストレースの転がり要素は、外レースの軸方向運動に抵抗する高強度鋼又はセラミックで作られていることを特徴とする請求項１〜１９のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
転がり要素の外レースとポンプハウジングとの間の熱経路の熱抵抗は、５Ｋ／Ｗ未満であることを特徴とする請求項１〜２０のうちいずれか一項に記載の真空ポンプ。
真空ポンプであって、ポンプ排出装置と、ポンプ排出装置を駆動するシャフトと、シャフトを回転させるモータと、シャフトを回転可能に支持する支承装置とを有し、支承装置は、シャフトの第１の部分を支持する転がり軸受と、転がり軸受の外レースから間隔を置いて位置するケージを備えたスラスト軸受とを有し、ケージは、転がり軸受の軸方向運動に抵抗すると共に、転がり軸受の半径方向運動を許容するために、複数の転がり要素を転がり軸受の外レース及びスラスト軸受のレースと支承接触状態で収容していることを特徴とする真空ポンプ。