JP2000297781A

JP2000297781A - 気体軸受を備えた真空ポンプ

Info

Publication number: JP2000297781A
Application number: JP2000073671A
Authority: JP
Inventors: Armin Conrad; アルミーン・コンラッド; Wolfgang Eberl; ヴォルフガング・エーバール
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2000-10-24
Also published as: DE50012061D1; US6368082B1; DE19915983A1; EP1043505A2; EP1043505A3; ATE316209T1; EP1043505B1

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで高い信頼性を有する、気体軸受を
備えた真空ポンプを構成できるようにする。【解決手段】気体軸受のステータ部材１８、２２、２
６を、弾性体構造５０、５４、５８を介して軸受ケーシ
ング８に連結した。弾性体構造は、軸受ケーシング８の
高圧空間と背圧室７の低圧空間との間を封止するシール
部材としても機能している。気体軸受の気体排出管路３
８、４０、４２は、真空ポンプ装置１１、１２に接続し
てもよく、また、真空ポンプが大気への排出を行う排出
段９を備えているならば、その排出段の位置またはその
排出段の低圧側に接続してもよい。いずれの場合でも気
体排出はコンプレッサ装置を用いて行うことも可能であ
る。コンプレッサ装置は高性能のものである必要はな
く、場合によってはコンプレッサ装置が不要なこともあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体軸受を備えた
真空ポンプに関するものであり、この真空ポンプはケー
シングを備え、このケーシングは吸入口と吐出口とを有
する。ケーシングの内部には、固定側ポンプ作用発生構
造部と、回転側ポンプ作用発生構造部とが配設されてい
る。回転側ポンプ作用発生構造部はロータ軸に取付けら
れており、このロータ軸は、気体軸受構造によって軸支
されている。また、この気体軸受構造は、気体導入管路
が形成され気体流動間隙を画成しているステータ部材を
備えている。

【０００２】

【従来の技術】様々な回転式真空ポンプのうちでも、特
に気体摩擦ポンプは、高真空技術及び超高真空技術に関
連した用途に用いるのに抜群に適しているという点で、
優れた真空ポンプである。気体摩擦ポンプは、その固有
の動作方式のために、分子量が大きくなると指数関数的
に圧力比が上昇するという特性を有し、また、炭化水素
が存在しない高真空を発生させるために使用すると、非
常に効果的である。気体摩擦ポンプに分類されるポンプ
のうち、非常によく知られており、また大きな成功をお
さめたポンプには、ターボ分子ポンプ、ホルベック形ポ
ンプ等の分子ポンプ、それに、ターボ分子ポンプとホル
ベック形ポンプ等の分子ポンプとを組合せた組合せポン
プなどがある。ただし、以下に述べる、従来の技術に関
するポンプ特性及びポンプ構造、それら特性及び構造に
よって発生していた様々な問題点、それに本発明の基本
概念によるそれら問題点の解決方法についての説明は、
以上に列挙した特定の種類のポンプにばかりでなく、更
にその他の種類の真空ポンプにも該当するものであり、
また特に、様々な気体摩擦ポンプに該当するものであ
る。

【０００３】気体摩擦ポンプの効率を上げるために重要
なことは、ロータを高速回転させること、それに、回転
側構造部と固定側構造部との間隙を非常に狭くしかも高
精度で画成することである。これら構造上の２つの条件
を満足しようとすると、ロータの軸受に厳しい要求が課
せられることになる。気体摩擦ポンプの軸受として、初
期にはボールベアリングが用いられていた。その後、高
品質の磁性体材料が開発されるにつれて、磁気軸受が格
段に小型化し、またそのコストが低下したことから、高
速回転する真空ポンプに磁気軸受を使用するということ
が、技術的観点からも、また経済的観点からも合理性を
有するものとなった。しかしながら、気体摩擦ポンプに
気体軸受を装備しようとする試みは、これまで成功した
とはいえず、それは以下に詳述する原因によるものであ
った。

【０００４】気体摩擦ポンプには、その固有の動作方式
ゆえに、特に、炭化水素を含まない真空を発生させる用
途に適しているという利点があるが、このような気体摩
擦ポンプに、オイル潤滑式またはグリース潤滑式のボー
ルベアリングを装備したならば、それによって、この利
点が損なわれるおそれがある。気体摩擦ポンプの運転中
は、潤滑剤から発散する炭化水素は高真空側から遮断さ
れているが、停止状態になったならば、その炭化水素が
高真空側へ拡散して行くおそれがある。この拡散を防止
するための防止手段も存在しているが、そのような防止
手段は、それ自体が高コストである上に、ポンプから炭
化水素を完全に排除することができず、そのためにポン
プの用途が狭められていた。乾式ローラ軸受や乾式滑り
軸受は、摩擦損失が大きく、また、長期に亘って使用す
るとかなり摩耗が進行するため、ここでの用途には適し
ていない。

【０００５】真空技術に関連した用途に用いるのに適し
た様々な形態の磁気軸受がこれまでに提案されており、
そのような磁気軸受を使用すれば、乾式の、そして摩耗
を発生するおそれのない、駆動方式が可能となる。ただ
し、磁気軸受を使用して、故障の少ない確実な運転を保
証するためには、磁気軸受に付属する電子回路に高いコ
ストをかけなければならない。更に、磁気軸受を使用す
ると、その近傍に強い磁場が発生するという問題や、強
力な電磁波が環境中に放射されるという問題も発生す
る。更に、万一故障が発生した場合には、更に余分な出
費を強いられることになる。

【０００６】ドイツ特許公開公報ＤＥ−ＯＳ２２５５６
１８号、同ＤＥ−ＯＳ２３５９４５６号、それに同ＤＥ
−ＯＳ３８９１２８０号には、様々な形態の気体軸受を
備えたターボ分子ポンプが提案されている。それらポン
プは、気体軸受を使用しているため、上で説明した機械
軸受や磁気軸受に付随する欠点はある程度まで解消され
ている。しかしながら、これら公報の構造は、実地の使
用において成功をおさめることができなかった。その原
因は、気体軸受の気体流量が大きすぎること、ロータデ
ィスクとステータディスクとの間の死容積が一定しない
こと、ポンプの寸法が大型化してしまうこと、安定性に
欠けること、組立後の全体寸法の精度が出にくいこと、
等々にあった。

【０００７】その後、空力軸受の一層の改善が進んだ結
果、以上の欠点の一部が解消された軸受構造が開発され
た（ドイツ特許公告公報ＤＥ−ＰＳ４４３６１５６
号）。これは、レーザ技術を利用することで、軸受面に
多数の微細孔を穿設することが可能になったことによる
ものである。それによって従来の気体軸受のジェットが
多少なりとも強力になった。そのため、軸受作用の安定
性が向上し、気体流量が低減され、死容積が縮小され、
ひいては、軸受間隙をより狭くできることから軸受剛性
を増大させることが可能になった。

【０００８】しかしながら、この最後の特徴である、軸
受間隙が狭いということのために、すぐにまた限界に突
き当たることになった。これは特に、軸受のステータ部
材とロータ部材との組立精度に関連した問題であった。
例えば、２個のラジアル気体軸受を所定の間隔をあけて
装備した場合に、一方の軸受のセンター位置が僅かにず
れただけで、軸受間隙が非常に狭いために、他方の軸受
における軸受間隙が許容限度を超えて変化してしまう。
しかも、必要な高精度の調整を加えることが、たとえ不
可能ではないにしても極めて困難である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、気体
軸受を備えた真空ポンプであって、真空技術に関連して
要求される様々な条件を考慮に入れた、できるだけ低コ
ストで、しかも故障することの少ない高信頼性動作が保
証される真空ポンプを提供することにある。これから
先、新規な技術が利用可能になることによって、また特
にポンプの組立技術に関連して、実際に使用される気体
軸受の軸受間隙が更に狭くなって行くことは間違いな
い。そして、軸受間隙が狭くなることによって得られる
利点は、更に、気体軸受が小型化される利点や、全体と
してのコストが低減されるという利点にもつながるもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の目的が、本発明に
おいては、請求項１の特徴部分に記載したように、ステ
ータ部材を、弾性体構造を介して軸受ケーシングに連結
したことによって達成されている。尚、請求項２ないし
９は、本発明の実施の形態にかかる具体的な構成を記載
したものである。

【００１１】この独創的な構成は、何よりも先ず、気体
軸受が格段に改良されたため、その改良された気体軸受
を真空ポンプに適用すれば得られるはずだった利点の実
現を阻んでいた障害を取除き、実際にその利点を享受で
きるようにしたものである。気体軸受のステータ部材
を、弾性体構造を介して支持するようにしたため、気体
軸受のステータ部材とロータ部材との位置関係にある程
度の融通性が付与され、そのために、完全に防止するこ
とはできない両者間の小さな相対的傾きが吸収されて、
両者のアライメントが高精度で達成されることから、気
体軸受の組立精度の向上が可能になったのである。ま
た、弾性体構造が、軸受ケーシングの高圧空間と背圧室
の低圧空間との間を封止するシール部材としての機能を
併せて果たすようにすることによっても、利点が得られ
る。

【００１２】弾性体構造の剛性は、気体軸受構造の剛性
より小さくすべきであり、そうすることによって、気体
軸受のロータ部材とステータ部材との間に十分な融通性
が付与されて、互いの間のずれが吸収されるようにな
る。ただし、弾性体構造の剛性は、ポンプのロータ部材
（回転側ポンプ作用発生構造部）とステータ部材（固定
側ポンプ作用発生構造部）との間の狭い間隙の寸法によ
って決定される条件を満足し得る程度に大きくしておく
必要があり、これは、ポンプのロータ部材とステータ部
材との衝突を避けるためである。

【００１３】気体軸受構造の軸受間隙を狭くすることに
よって、幾つもの利点が得られる。それら利点のうちに
は、例えば、軸受剛性が増大すること、気体使用量を減
らせること、それに、荷重を支持するために必要な気体
のクッション作用が、より小さな圧力差で得られるよう
になることなどがある。特にこの最後の利点について
は、その圧力差を１バール以下にし得る可能性がある。
そうした場合には、大気圧と真空との間の圧力差は当
然、１バールの大きさであるため、その圧力差だけで荷
重を十分に支持することが可能になる。従って、圧力気
体を発生させるための装置が不要になるため、製造コス
トの引き下げが可能となり、占有容積も小さくなり、動
作信頼性が高まり、気体軸受それ自体のコストも大幅に
引き下げることが可能になる。荷重を支持するために必
要な圧力差を維持するには、請求項４に記載したよう
に、気体軸受構造の気体排出管路を、真空ポンプ装置に
接続しておけばよい。また、そのための真空ポンプ装置
としては、請求項５に記載したように、既存の背圧ポン
プ装置を利用するようにしてもよい。また、気体摩擦ポ
ンプが、大気への排出を行う圧力段を備えており、従っ
て別設の背圧ポンプ装置を使用していない場合には、請
求項６に記載したように、気体排出管路をその圧力段の
位置に接続してもよく、或いは、請求項７に記載したよ
うに、その圧力段の低圧側に接続してもよい。気体導入
管路は、請求項８に記載したように、直接大気に連通さ
せるようにしてもよく、また、請求項９に記載したよう
に、補助的なコンプレッサ装置を介して大気に連通させ
るようにしてもよい。ただし、このコンプレッサ装置
は、以前の気体軸受に用いられていたものと比べれば、
より低性能のもので十分である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に図１及び図２を参照しつ
つ、ターボ分子ポンプに本発明を適用した実施の形態を
例にとって、本発明を更に詳細に説明して行く。

【００１５】ポンプケーシング１は、吸入口フランジ２
と、吐出口３とを備えており、このポンプケーシング１
の内部に、固定側ポンプ作用発生構造部を構成している
ステータディスク６が配設されている。更に、回転側ポ
ンプ作用発生構造部を構成しているロータディスク５が
配設されており、このロータディスク５は、ロータ軸４
に固定して取付けられている。ロータ軸４は駆動機構１
３によって駆動されて回転する。ロータ軸４は気体軸受
構造によって軸支されており、この気体軸受構造は、気
体導入機構（気体導入管路）３２、３４、及び３６が形
成され気体流動間隙２０、２４、及び２８を画成してい
るステータ部材１８、２２、及び２６を備えている。そ
れらステータ部材１８、２２、及び２６は、本発明に従
って、弾性体構造５０、５４、及び５８を介して軸受ケ
ーシング８に連結されている。また、弾性体構造は、軸
受ケーシング８の高圧空間と背圧室７の低圧空間との間
を封止するシール部材の機能も果たしている。

【００１６】以上の構成が適切に機能するためには、弾
性体構造５０、５４、及び５８の剛性が、気体軸受構造
の剛性より小さいということが重要である。ただし、弾
性体構造の剛性は、ポンプのロータ部材（ロータディス
ク）とステータ部材（ステータディスク）との間の狭い
間隙の寸法と、ロータディスクに作用する力の大きさと
によって決定される最小限度を下回ってはならない。

【００１７】気体流動間隙２０、２４、及び２８を通過
して流出した気体は、気体排出管路３８、４０、及び４
２を含む管路系を介して、真空ポンプ装置１１、２２に
接続されている。それら真空ポンプ装置１１、２２が、
気体摩擦ポンプの背圧ポンプとしての機能も併せて果た
すように構成してもよく、その場合には、それら真空ポ
ンプ装置１１、２２を背圧室７に接続しておけばよい。

【００１８】図２に示したように、気体摩擦ポンプの排
出段９の圧力が高く、大気圧への排出を行うものである
こともある。この場合には、気体排出管路３８、４０、
及び４２を、この排出段９の、背圧と大気圧との中間の
圧力レベルの位置１０に接続すればよい。

【００１９】気体導入管路３２、３４、及び３６は、管
路４４を介して大気圧に連通させることもでき、また、
コンプレッサ装置４５に接続することもできるようにし
てある。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低コストで高い信頼性を有する、気体軸受を備えた真空
ポンプを構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】気体軸受を備えたターボ分子ポンプにおける本
発明にかかる構成を示した図である。

【図２】本発明にかかる構成の別の実施の形態を示した
図である。

【符号の説明】

１ポンプケーシング２吸入口フランジ３吐出口４ロータ軸５ロータディスク６ステータディスク７背圧室８軸受ケーシング１８、２２、２６ステータ部材２０、２４、２８気体流動間隙５０、５４、５８弾性体構造

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング（１）を備え、該ケーシング
は吸入口（２）と吐出口（３）とを有し、該ケーシング
の内部に固定側ポンプ作用発生構造部（６）と回転側ポ
ンプ作用発生構造部（５）とが配設されており、該回転
側ポンプ作用発生構造部（５）はロータ軸（４）に取付
けられており、該ロータ軸（４）は気体軸受構造によっ
て軸支されており、該気体軸受構造は、気体導入管路
（３２、３４、３６）が形成され気体流動間隙（２０、
２４、２８）を画成しているステータ部材（１８、２
２、２６）を備えている、真空ポンプにおいて、前記ステータ部材（１８、２２、２６）を、弾性体構造
（５０、５４、５８）を介して軸受ケーシング（８）に
連結したことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】前記弾性体構造（５０、５４、５８）
が、前記軸受ケーシング（８）の高圧空間と背圧室
（７）の低圧空間との間を封止するシール部材の機能を
併せて果たすようにしたことを特徴とする請求項１記載
の真空ポンプ。
【請求項３】前記弾性体構造（５０、５４、５８）の
剛性が、前記気体軸受構造の剛性より小さいことを特徴
とする請求項１または２記載の真空ポンプ。
【請求項４】更に気体排出管路（３８、４０、４２）
を備えており、該気体排出管路（３８、４０、４２）
が、真空ポンプ装置（１１、１２）に接続されているこ
とを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項記載の真
空ポンプ。
【請求項５】前記真空ポンプ装置（１１、１２）が、
気体摩擦ポンプの背圧ポンプとしての機能も併せて果た
すように構成されていることを特徴とする請求項４記載
の真空ポンプ。
【請求項６】前記真空ポンプが、大気への排出を行う
排出段（９）を備えており、更に、気体排出管路（３
８、４０、４２）を備えており、該気体排出管路（３
８、４０、４２）が、前記排出段の、背圧と大気圧との
中間の圧力レベルの位置（１０）に接続されていること
を特徴とする請求項１ないし３の何れか１項記載の真空
ポンプ。
【請求項７】前記気体排出管路（３８、４０、４２）
が接続されている前記位置（１０）の圧力レベルが、前
記背圧に略々等しいことを特徴とする請求項６記載の真
空ポンプ。
【請求項８】前記気体導入管路（３２、３４、３６）
が、管路（４４）を介して外部の大気圧に連通されてい
ることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項記載
の真空ポンプ。
【請求項９】前記気体導入管路（３２、３４、３６）
が、コンプレッサ装置（４５）に接続されていることを
特徴とする請求項１ないし７の何れか１項記載の真空ポ
ンプ。