JPH0861290A - 磁気軸受を用いた摩擦ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡明な方式で、追加の構成部材を必要とする
ことなく、過酷な要求条件の下での摩擦ポンプの安全な
運転を保証できるようにする。 【構成】 本発明が提供する摩擦ポンプは、少なくとも
１つのアクティブ制御形の磁気ラジアル軸受(8) を備え
ている。この摩擦ポンプに求められる過酷な要求には、
ポンプ要素(1, 2)と非常用軸受(10)との間の間隙を狭く
しなければならないこと、回転数を高くしなければなら
ないこと、それに磁気軸受を使用できなければならない
ことがある。これらの要求を満たすために特別の制御機
構を備えており、この制御機構は、ロータ(3) 、位置セ
ンサ(9) 、及び磁気軸受の制御部と協働する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気軸受を用いた摩擦
ポンプに関し、より詳しくは、気体を輸送する１段また
は複数段のポンプ段を備え、少なくとも１つのアクティ
ブ制御形ラジアル軸受を含んでいる磁気軸受によってロ
ータを軸支しており、ハウジングまたはステータ構造部
に対する相対的な前記ロータの径方向位置を位置センサ
で検出するようにしてあり、少なくとも１つの機械式非
常用軸受を備えた摩擦ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】摩擦ポ
ンプは、分子流領域では一定の圧力比（圧縮比）を発生
させ、層流領域では一定の圧力差を発生させる。例えば
ゲーデ形、ホルベック形、またはジークバーン形の摩擦
ポンプでは、間隙を非常に狭くすることによって、分子
流領域における圧力比と層流領域における圧力差とがい
ずれも非常に大きくなるようにしている。初期の摩擦ポ
ンプの発展形態ともいうべきターボ分子ポンプでは、間
隙をより大きくして、分子流領域で極めて大きな圧力比
を発生させるようにしているが、その代わりに、層流領
域で発生させることのできる圧力差は小さくなってい
る。

【０００３】ホルベック形の摩擦ポンプの一例は、例え
ば「Comptes rendus Acad. Sience177 (1923) 43 ff.
」に示されており、ジークバーン形の摩擦ポンプの一
例は、例えば「Arch. Math. Astr. Fys. 30 B (1943)」
に示されている。また、ベッカー形のターボ分子ポンプ
の基本構成と作用とは「Vakuum-Technik 9/10 (1966)」
に記載されている。

【０００４】ターボ分子ポンプの作動範囲は、比較的高
い圧力の範囲を除いた部分だけに制約されており、なぜ
ならば、ターボ分子ポンプは分子流領域でなければ十分
に性能を発揮できないからである。分子流領域は、分子
の平均自由行程が導管断面の最大寸法より小さくなる圧
力の領域であると規定されている。

【０００５】そのためターボ分子ポンプは、常に補助ポ
ンプと組合せて使用されている。一般的に補助ポンプと
しては、二段式回転ポンプが用いられている。ただし、
ターボ分子ポンプの作動範囲をより高い圧力の方へシフ
トすることができれば、補助ポンプで背圧を発生させる
ためのコストを低減することができる。例えば、単段式
回転ポンプで十分になることもあり得る。また別の例と
しては、油回転ポンプを別の種類のポンプに（例えば乾
式膜ポンプ等に）代えることが可能になるかも知れな
い。

【０００６】背圧段としてホルベック形またはジークバ
ーン形の摩擦ポンプを付加することにより、ターボ分子
ポンプの作動範囲をより高い圧力の方へシフトさせるこ
とができる。そのように組合せた構成が、例えば、ドイ
ツ特許公報 DE-AS 24 09 857号や、ヨーロッパ特許公報
EP 01 29 709 号に記載されている。

【０００７】ホルベック形やジークバーン形の摩擦ポン
プが、適切に機能できるようにするためには、ロータと
ステータとの間の間隙を非常に狭くしておくことが重要
である。これら摩擦ポンプは、たとえ分子流領域で動作
する場合であっても、ターボ分子ポンプよりは高い圧力
で動作し、また、十分な圧力比を発生することによっ
て、作動範囲をより高い圧力の方へシフトさせる。

【０００８】摩擦ポンプを効果的に動作させるために
は、もう１つの条件があり、それは、ロータの回転数を
高くすべきであるということである。このことから、ロ
ータの軸支構造が重要になる。現在では、油潤滑式ボー
ルベアリングで構成した伝統的な機械式のロータ軸支構
造と並んで、永久磁石を用いた磁気軸受とボールベアリ
ングとを組合せた軸支構造も採用されている。更に、完
全無接触式の軸支構造とするために、アクティブ制御形
の磁気軸受も多くの用途に使用されている。

【０００９】ただし、完全無接触式の軸支構造を採用す
る場合には、磁気軸受ばかりでなく機械式の非常用軸受
も必要である。非常用軸受は、運転中に磁気軸受の全体
または一部分が故障した場合にロータを緊急に支持する
機能を果たす。場合によっては、非常用軸受がロータを
支持するのは、短時間の変調ないし故障の間だけであっ
て、その後、再びロータが磁気軸受によって支持された
状態に復帰することもあり、或いは、長時間に亙る故障
の間、非常用軸受がロータを支持し続けなければならな
いこともある。後者の場合、ロータは回転が完全に停止
するまでの間、非常用軸受に軸支されていなければなら
ない。いずれにせよ、非常用軸受は、ロータが非常に近
接しているステータ羽根車に接触することなく安全に回
転することを保証できるように構成されていなければな
らない。

【００１０】ポンプ要素どうしの間の間隔はもとより非
常に狭いものであるが、以上から、ロータと非常用軸受
との間の間隔はそれよりもなお一層狭くせねばならない
ことになる。回転数が高くなるとアンバランスに起因す
るロータの運動が発生するため、非常用軸受の間隙の余
裕は更に小さくなる。

【００１１】ロータに規制力を作用させずに回転させる
無規制力回転を行わせるような制御方式を採用すると有
利である。そのようにすれば、アンバランスに起因して
発生するロータの運動を制御によって完全に除去しなく
とも、その運動に対応した反作用力がハウジングへ伝達
する伝達量を軽減することができる。ただし、運転中に
様々な原因によってアンバランスが増大し、それによっ
てロータの運動の振幅が増大することがある。このよう
にして発生する振幅は、非常に小さな振幅に抑制する必
要があり、なぜならば、その振幅を抑制しないとステー
タとの接触が発生するおそれがあるからである。

【００１２】以上に述べた過酷な諸要件、即ち、回転数
を高くしなければならないこと、ポンプ要素のうちのス
テータ側部分とロータ側部分との間の間隔を非常に狭く
しなければならないこと、それに、磁気軸受が故障して
も安全に動作できるように非常用軸受を備えて非常事態
に対処できるようにしなければならないことは、この種
の摩擦ポンプの設計者にとって、互いに調和させること
が困難な条件である。

【００１３】高精度の機械加工を行うという方法でも、
この問題の解決に一歩近付くことができる。しかしなが
ら、この解決法では、加工工賃及び加工設備費が増大し
てしまう。センサを使用する解決法も考えられるが、そ
のような方法でも、コストが増大するという問題や加工
技術上の問題が付随してくる。

【００１４】本発明の目的は、前述の諸問題を簡明な方
式で解決し、過酷な諸要件の下でもポンプを安全に動作
させることができるようにした、ロータをアクティブ制
御形の磁気軸受で支持した摩擦ポンプを提供することに
ある。また特に、ロータの運動に関して、アンバランス
が小さいときには、ロータを規制力を作用させずにその
慣性主軸の回りに回転させるようにし、アンバランスが
より大きくなったときには、そのロータの運動の振幅を
規制するようにするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題は、本発明によ
れば、請求項に記載した構成によって解決される。

【００１６】ポンプに作用する外部からの影響等によっ
て発生する振動を制御によって除去するために、制御機
構がロータの位置を連続的にモニタしており、そして必
要に応じて制御機構が、アクティブ式の磁気ラジアル軸
受に流す電流を変化させることによってロータの位置を
修正する。ロータ位置を求めるためには、別の制御回路
の信号からロータ位置を導出するための様々な動作原理
ないし装備態様のセンサを使用することができる。ロー
タはその振動によって必然的に短時間だけ目標位置から
変位するが、制御機構によって元の位置へ戻される。こ
れによって、ロータと非常用軸受との間に、必ずある一
定の間隔が存在して、両者が決して接触しないようにし
ている。振動はどの方向にも発生し得るため、この間隔
はどの方向にも必要である。

【００１７】一言でいうならば、このようにしたポンプ
は、非常用軸受の全周に間隔が確保されるため、ロータ
が非常用軸受の形状中心に、より正確に位置するように
することによって、その耐振動性がより高くなるといえ
る。

【００１８】本発明の大きな利点は、ロータの中心位置
を求めるためにも、また、ロータの位置のセンタリング
を行うためにも、追加の構成部品を全く必要としないこ
とにある。即ち、センサや制御部のように、磁気軸受を
制御するためにもともと備えられている構成部品を利用
して、それらの機能を得ている。本発明の技法によって
今や凌駕された、高精度で機械加工を行うという技法
や、例えば線形センサ等の高コストのセンサ技法など
を、併用する必要はない。

【００１９】ロータのアンバランスは避けられないもの
であるが、回転数が高くなると、ロータの幾何学的な位
置がそのアンバランスとは無関係に規制されるようにな
るということが重要である。従来の方式の磁気軸受の制
御機構は、所定の位置というものを利用してロータの位
置制御を行っているため、前記問題を全く或いは不完全
にしか解決することができなかった。請求項３及び４に
記載した構成は、アンバランスが存在している場合に
も、摩擦ポンプのロータの安全な回転を保証する構成で
ある。そのアンバランスが、従ってロータの運動の振幅
が、所定値を超えたならば、請求項５及び６に記載した
ように、無規制力制御から振幅抑制制御へ移行させるよ
うにすればよい。

【００２０】

【実施例】以下に添付図面を参照しつつ、本発明をその
実施例に即して更に詳細に説明して行く。図１に示した
摩擦ポンプは、高真空ポンプ段であるターボ分子ポンプ
１と、それより高い圧力領域に対応したポンプ段である
ホルベック形の分子ポンプ２とで構成されている。双方
のポンプ段は共通のハウジング４の中に収容されてお
り、このハウジング４は、吸気口５と、補助ポンプに接
続する排気口６とを備えている。参照番号７は、共通の
ロータ３を回転駆動するための駆動機構である。アクテ
ィブ制御形の磁気ラジアル軸受８を、本実施例では、駆
動機構７の下方に装備している。参照番号９は、径方向
位置センサである。角度を９０゜ずらした位置に、同じ
構造の径方向位置センサをもう１つ備えているが、その
径方向位置センサはこの図では見えていない。参照番号
１０は、機械式の非常用軸受である。図示の実施例につ
いて更に説明すると、ロータ３の上部にはパッシブ形で
永久磁石式の磁気ラジアル軸受１１を備えており、ま
た、ロータ３の下端に設けたアクティブ形の磁気スラス
ト軸受１２によって軸方向位置を安定させている。

【００２１】図２は、制御機構の概要を示した図であ
る。センサ９から入力する信号が制御部１３で処理され
て、形状中心が求められる。制御部１３は更に、磁気軸
受のコイル１６に制御信号を供給しており、それによっ
て、このコイル１６がロータ３を中心位置へセンタリン
グするようにしている。アンバランス検出部１４では、
アンバランスに起因して発生したセンサ信号中の回転周
波数成分を、その振幅と位相とに関して検出しており、
検出された成分は計算処理部１５へ供給されている。こ
の計算処理部１５の出力が、補正量として、もとのセン
サ信号へ導入されている。また別法として、計算処理部
１５によって導出された対応する信号が、補正量とし
て、制御部１３の後方において、電磁石即ちコイル１６
を制御するための制御信号に直接導入されるようにして
もよい。

【００２２】尚、制御部１３をディジタル・マイクロプ
ロセッサで構成すれば、そのマイクロプロセッサにアン
バランス検出部１４及び計算処理部１５の機能を併せて
担当させることができるため、余分なハードウェアのた
めのコストをかけずに済むようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ターボ分子ポンプ段と、ホルベック形ポンプ段
と、磁気軸受とを備えた本発明の実施例に係る摩擦ポン
プの模式図である。

【図２】図１の摩擦ポンプの磁気軸受の制御機構のブロ
ック図である。

【符号の説明】

１ ターボ分子ポンプ段 ２ ホルベック形ポンプ段 ３ ロータ ４ ハウジング ８ 磁気ラジアル軸受 ９ 位置センサ １０ 非常用軸受 １３ 制御部 １４ アンバランス検出部 １５ 計算処理部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体を輸送する１段または複数段のポン
   プ段(1, 2)を備え、少なくとも１つのアクティブ制御形
   ラジアル軸受(8) を含んでいる磁気軸受によってロータ
   (3) を軸支しており、ハウジング(4) またはステータ構
   造部に対する相対的な前記ロータ(3) の径方向位置を位
   置センサ(9) で検出するようにしてあり、少なくとも１
   つの機械式非常用軸受(10)を備えた摩擦ポンプにおい
   て、 前記磁気ラジアル軸受(8) と、前記位置センサ(9) と、
   前記磁気軸受の制御部(13)とが協働することによって、
   前記非常用軸受(10)の中での前記ロータ(3) の形状中心
   を求め得るようにし、且つ、前記ロータ(3) の位置をセ
   ンタリングするようにしたことを特徴とする摩擦ポン
   プ。
2. 【請求項２】 前記アクティブ制御形ラジアル軸受(8)
   の前記制御部(13)が行う制御によって、前記ロータ(3)
   が２つの互いに直交した方向において次々と前記非常用
   軸受(10)の方へ引きつけられるようにし、前記制御部(1
   3)が、前記径方向位置センサ(9) によってその位置を測
   定し、その測定値に基づいて前記非常用軸受の形状中心
   を求め、更に、それら値を磁気軸受による軸支のための
   目標値として用いるようにしたことを特徴とする請求項
   １記載の摩擦ポンプ。
3. 【請求項３】 気体を輸送する１段または複数段のポン
   プ段(1, 2)を備え、少なくとも１つのアクティブ制御形
   ラジアル軸受(8) を含んでいる磁気軸受によってロータ
   (3) を軸支しており、ハウジング(4) またはステータ構
   造部に対する相対的な前記ロータ(3) の径方向位置を位
   置センサ(9) で検出するようにしてあり、少なくとも１
   つの機械式非常用軸受(10)を備えた摩擦ポンプにおい
   て、 アンバランス検出部(14)が、前記位置センサ(9) の信号
   から回転周波数成分を抽出し、その成分に対して計算処
   理部(15)において振幅及び位相に関する変更処理が施さ
   れ、更に、該計算処理部(15)の出力が、補正量として、
   前記制御部(13)から送出されるもとのセンサ信号に導入
   されるようにしたことを特徴とする摩擦ポンプ。
4. 【請求項４】 前記計算処理部(15)の前記出力が、補正
   量として、前記制御部(13)の後方において、前記磁気軸
   受(8) の電磁石(16)を制御するための制御信号に直接導
   入されるようにしたことを特徴とする請求項３記載の摩
   擦ポンプ。
5. 【請求項５】 前記制御を行う際に、前記計算処理部(1
   5)が、前記ロータの運動が所定の振幅を超えないうち
   は、該ロータに、規制力を作用させずに回転させる無規
   制力回転を行わせ、該振幅を超えたならば、振幅を抑制
   するように規制力を作用させて回転させる振幅抑制回転
   を行わせるようにすることを特徴とする請求項３または
   ４記載の摩擦ポンプ。
6. 【請求項６】 前記制御を行う際に、前記計算処理部(1
   5)が、前記ロータの運動の振幅に応じて、前記無規制力
   回転から前記振幅抑制回転への移行を行わせるようにす
   ることを特徴とする請求項５記載の摩擦ポンプ。