当日配布資料（1.19MB）

Komori_Lab.
ターボ分子ポンプに代替可能な、
安価で高性能な真空排気ポンプ
九州工業大学大学院工学研究院
先端機能システム工学研究系
教授小森望充
Komori_Lab.
研究背景
真空装置の必要性
真空技術
真空ポンプ及び付属部品の国際市場統計
市場区分
吸引，吸着，成型，置換，保存，乾燥，
蒸留，濃縮，脱気，成膜，断熱，冷却
半導体，薄膜製造，化学，医薬，食品
億US$
半導体
9.9
一般工業
3.1
化学医薬食品生産
3.1
計測関連機器
2.9
薄膜製造
2.6
その他
4.4
合計
26
Komori_Lab.
真空ポンプ構造
高速で回転翼を回転させると，ガス分子が回転翼にぶつかり下
に弾き飛ばされ，さらに1段下の回転翼でさらに弾き飛ばされる。
これを繰り返し圧縮され排気口に押しやられる。
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従来技術とその問題点
一般の高真空排気ポンプにおいて，排気が
難しいガスは水分子である。
ターボ分子ポンプは水分子の排気速度が高
くない。
そこで極低温で水分子を凝縮・吸着排気する
コールドトラップをターボ分子ポンプの吸気口
に取り付けて，排気速度を向上させている。
この方法は，コスト面で高くなる。
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超電導磁気軸受(SMB)のメリット

非接触のためクリーンな真空

メンテナンスフリー

省エネルギー

構造が簡易
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超電導磁気軸受(SMB)
超電導体に永久磁石の磁場がピン止めされる。
Displacement[mm]
ピン止めにより上下左右どの方向に動いても
復元力が生じ，安定状態で浮上する。
超電導体
N
N
S
S
0.02
0.01
0
-0.01
-0.02
0
500
1000
1500
2000
Time[ms]
ピン止め力
(復元力)
ばね定数 k [N/m]
減衰定数ｃ [N・s/m]
12990
4.46
Komori_Lab.
新技術の特徴・従来技術との比較



超電導軸受を用いることによって，ターボ分
子ポンプと同等の高速回転に成功した。
超電導軸受の低温状態を用いることによって，
水分子の吸着排気が実現できる。
拡散ポンプと同程度の価格で，ターボ分子ポ
ンプ以上の排気能力が実現できる。
Komori_Lab.
想定される用途



ターボ分子ポンプの代替に利用できる。利用
分野として，ターボ分子ポンプが多用される
半導体製造産業や精密機器製造業など。
拡散ポンプの代替に利用できる。拡散ポンプ
の運転に必要な液体窒素を用いて，ターボ分
子ポンプ以上の性能が期待できる。
また、宇宙分野での，ジャイロや低温機器の
真空排気装置などにも利用できる。
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運動解析（SMB1個，ピボット軸受）
モデル1
192mm
•
•
•
SMB（上）
ピボット軸受部では振動が非常に小さい。
ピボット軸受から離れるにつれて振動が
増加している。
ピーク振動は1.5×10-3mmである。
Displacemennt[10 -3mmp-p]
ピボット軸受
速度－振動特性
2
ピボット軸受
1.5
タービン
1
SMB
0.5
0
1000
4000
7000
10000 13000
Rotational speed[rpm]
16000
19000
Komori_Lab.
運動解析（SMB2個，ピボット軸受）
モデル2
232mm
SMB（上）
SMBを2個にすることにより
振動をより抑えられている。
Displacement[10 -3mmp-p]
ピボット軸受 SMB(下）
速度－振動特性
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
1000
ピボット軸受
SMB(下)
タービン
SMB(上)
4000
7000
10000 13000
Rotational speed[rpm]
16000
19000
Komori_Lab.
運動解析（SMB2個）
モデル3
232mm
SMB（上）
ロータ下部の振動は増加しているが
振動のピークは減少している。
Displacement[10 -3mmp-p]
SMB(下）
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
1000
速度－振動特性
ロータ下部
SMB(下)
タービン
SMB(上)
4000
7000 10000 13000
Rotational speed[rpm]
16000
19000
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実験装置
真空チャンバー内
超電導磁気軸受
大気
液体窒素流入管
液体窒素出口
仕様
永久磁石
(φ 24mm×φ 8mm×4,25mm)×4個
最大表面磁束密度：0.67T
超電導体
Dy1-Ba2-Cu3-Ox
φ 48㎜×φ 25.6㎜×15㎜
液体窒素入口
モータ
ピボット軸受
ロータ質量
590ｇ
モータ
３相ブラシレス永久磁石同期型
サーボモータ
真空度（実験時）
100Pa
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回転実験（SMB2個，ピボット軸受）
4,000ｒｐｍ
0.2
上
下
0.1
0
-0.1
-0.2
0
50
100
150
200
Ｄisplacement[mm]
Ｄisplacement[mm]
1,000ｒｐｍ
0.2
上
下
0.1
0
-0.1
-0.2
0
Ｔime[ms]
20
40
60
Ｔime[ms]
Ｄisplacement[mm]
8,000ｒｐｍ
0.2
上
下
0.1
0
-0.1
-0.2
0
10
20
Ｔime[ms]
30
ロータ下部ではどの速度においても
振動が抑えられていたが上部では
共振時に0.3mmの振動が発生した。
Komori_Lab.
回転実験（SMB2個）
5,000ｒｐｍ
0.1
上
下
0.05
0
-0.05
-0.1
0
50
100
150
200
Displacement[mm]
Displacement[mm]
1,000ｒｐｍ
0.1
上
下
0.05
0
-0.05
-0.1
0
Time[ms]
10
20
30
40
50
60
Time[ms]
Displacement[mm]
20,000ｒｐｍ
0.1
上
下
0.05
0
-0.05
-0.1
0
2
4
6
Time[ms]
8
10
共振時に0.2mmの振動が発生したが
それ以外では振動を抑えることができ
20,000rpmまで回転することができた。
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0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
0.15 0
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
-0.15
20000 0
50
100
Time[s]
150
200
下
Displacement[mm]
上
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
上
下
0
50
15000
100
Time[s]
150
200
回転速度
10000
Displacement[mm]
Rotational speed[rpm] Displacement[mm] Displacement[mm]
フリーラン測定（SMB2個）
0
0
50
100
Time[s]
150
200
20
30
40
Time[ms]
50
60
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
上
下
0
5000
10
10
20
30
40
Time[ms]
50
60
Komori_Lab.
実用化に向けた課題



現在、超電導軸受を用いて，タービン翼（市
販品）を20000ｒｐｍの高速回転に成功してい
る。実用化には更なる高速回転が必要であ
る。
コールドトラップに関する効果については，実
験的な検証が必要である。
実用化に向けて、本発明を用いた真空排気
ポンプのプロトタイプを作製し，性能評価を行
う必要もあり。
Komori_Lab.
企業への期待


真空装置・断熱装置の技術を持つ企業との
共同研究を希望。
ターボ分子ポンプを開発中の企業、拡散ポン
プを開発中の企業，真空装置分野への展開
を考えている企業には、本技術の導入が有
効と思われる。
Komori_Lab.
本技術に関する知的財産権




発明の名称：真空排気ポンプ
出願番号：特願2009-184795
出願人
：九州工業大学
発明者
：小森望充、原啓城
Komori_Lab.
構造物の腐食鉄筋を簡便，安価，
安全に診断できる非破壊評価技術




パルス着磁という新しい手法に基づく
鉄筋の位置、かぶり、太さを同時測定可能
コンクリート構造物以外の非破壊検査に応用
パルス着磁を用いることで、装置の小型化
Komori_Lab.
鉄筋の磁束分布（Y，Z方向）
Y=14
Y=14
Y=10
Y=10
Y=6
Y=6
Y=2
Y=2
Y[cm]
X[cm]
Y=14
Y=14
Y=10
Y=10
Y=6
Y=6
Y=2
Y=2
Y[cm]
X[cm]
X[cm]
（a）Φ8mm
（b）Φ12mm
Y=-14
100
90
80
70
Φ [gauss]
0
Y=-14
60
Y=-10
50
Y=-10
40
Y=-6
30
Y=-6
20
Y=-2
10
Y=-2
100
90
80
70
60
50
40
30
20
0
10
Y[cm]
Φ [gauss]
Y=-14
100
90
0
X[cm]
80
Φ [gauss]
70
Y=-14
60
Y=-10
50
Y=-10
40
Y=-6
30
Y=-6
20
Y=-2
10
Y=-2
100
90
80
70
60
50
40
30
20
0
Φ [gauss]
10
Y[cm]
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鉄筋深さの理論値と実験値との比較
15
14
実験値[cm]
13
12
11
10
Φ 12mm
Φ 10mm
Φ 8mm
9
8
7
7
8
9
10 11 12
理論値[cm]
13
14
15
Komori_Lab.
想定される用途



鉄筋コンクリート構造物（例えば、道路、鉄道
などの橋脚、ビルの柱、電柱）などの位置検
査、腐食検査、破断検査など。
プラントにおいて断熱材などで覆われた鉄筋
配管などの腐食評価。
従来技術では評価できなかった構造物の非
破壊検査も可能と思われる。
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産学連携等の経歴



2006年度 JSTシーズ発掘試験に採択
鉄筋構造物の新原理非破壊検査方法の開発
2007年度 JSTシーズ発掘試験に採択
超電導軸受式ターボ分子ポンプの開発
2009-2011年文部省科学研究費（一般C）採択
人工心臓用ポンプのための1軸制御浮上型
モータの試作
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お問い合わせ先
国立大学法人九州工業大学
産学連携推進センター知的財産部門
ＴＥＬ 093-884-3499
ＦＡＸ 093-884-3531
e-mail [email protected]

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