CN103998789A - 真空泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供真空泵，能够使纤维强化树脂制成的旋转圆筒的形变尽量减小来使旋转圆筒和固定圆筒之间的间隙足够小，相应地实现排气性能的提高。真空泵具备螺纹槽泵部，该螺纹槽泵部具备：固定圆筒部(2)，在其内周面设有螺旋状的螺纹槽部(1)；以及旋转圆筒部(3)，其配设在该固定圆筒部(2)内，所述螺纹槽泵部通过使该旋转圆筒部(3)旋转，来通过由所述螺纹槽部(1)和所述旋转圆筒部(3)的外周面形成的螺旋状的排气流路进行排气，所述旋转圆筒部(3)是层叠多个纤维强化树脂层而构成的，最外侧的所述纤维强化树脂层构成为比相邻的层厚。

Description

真空泵
技术领域
本发明涉及具备螺纹槽泵部的真空泵。
背景技术
在用于实现真空装置的高真空环境的复合型涡轮分子泵中，在将旋转叶片和固定叶片交替地配置而构成的轴流泵的下游设有螺纹槽泵，该螺纹槽泵由旋转圆筒和与该旋转圆筒对置的固定圆筒构成。
关于该螺纹槽泵，对置的旋转圆筒和固定圆筒之间的间隙越小，排气性能越高，因此，对于构成螺纹槽泵的旋转圆筒部分要求高精度。
因此，通常，旋转圆筒部分为金属制成，并通过与旋转叶片一体地切出而形成，但为了实现具有该旋转叶片和旋转圆筒的旋转体的轻量化，提出有下述技术：将旋转圆筒部分替换为轻量且强度优异的FRP制成(纤维强化树脂制成)的圆筒(例如参照专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-108752号公报
专利文献2：日本特开2004-278512号公报
发明内容
发明要解决的课题
可是，上述旋转体由于高速旋转而在圆周方向上施加有载荷。并且，旋转圆筒是只有一端被固定于旋转轴的结构，因此，不仅在圆周方向上，在轴向上也被施加有载荷。
因此，FRP制成的旋转圆筒一般是将环绕层和螺旋层交替地层叠而成的多层结构，其中，环绕层是沿圆周方向配置纤维而成的，螺旋层是与轴向带有一些角度地配置纤维而成的。并且，这时，为了使旋转圆筒的材料特性平均化，一般还尽量减小各层的厚度并增加层叠数。
然而，在为上述多层结构的情况下，由于螺旋层中的纤维的重叠、和卷绕纤维时的略微的位置偏移等，而在表面会产生凹凸。
因此，旋转圆筒通常是在以最外层为环绕层的方式卷绕纤维而成形之后，需要对表面的凹凸进行除去加工从而精加工成规定的形状精度。
可是，存在下述问题：由于对表面的凹凸进行除去加工(精加工)，会产生由内部应变(ひずみ)的释放造成的内部应力的不均，旋转圆筒整体会发生形变(歪む)，因而无法使与对置的固定圆筒之间的间隙足够小。
这被认为是由于以下原因造成的：FRP制成的旋转圆筒由至少2种材料(纤维和树脂)形成；环绕层和螺旋层这些纤维定向不同的层被一体化；以及由于材料在树脂硬化时的硬化收缩所引起的形变和热膨胀率的差，会产生大的内部应力。
另外，从另一观点来看，通过对表面的凹凸进行除去加工(精加工)，有时还因为以下原因使得旋转圆筒变形：
A)连续的纤维的切断；
B)各向异性材料层与其它各向异性材料层的应变平衡的破坏；
C)层的规定的部分的纤维的张力的变化。
并且，有时即使不切断纤维，当削去某一部分的树脂层时，该应变平衡也会破坏，从而导致旋转圆筒变形。
另外，从又一观点来看，FRP为与铁等各向同性材料不同的各向异性材料，环绕层和螺旋层的材料特性不同。对于FRP，当在一个硬化工序中使环绕层和螺旋层硬化了的情况下(即，在不是只使环绕层硬化，接着只使螺旋层硬化这一方法，而是在卷绕工序中使环绕层、螺旋层层叠卷绕，并同时一体地使环绕层和螺旋层硬化的情况下)，螺旋层和环绕层保持平衡而维持旋转圆筒。因此，若该平衡发生破坏，则旋转圆筒自身会产生大的变形。换句话说，在对环绕层或螺旋层的一部分进行切削加工而切断纤维，或者即使不切断纤维而削去其树脂层的情况下，存在这样的问题点：在旋转圆筒中应力平衡发生破坏，无法维持旋转圆筒的形状。
本发明解决了上述问题点，提供一种极其优异的真空泵，其能够尽量减小纤维强化树脂制成的旋转圆筒的形变并使旋转圆筒和固定圆筒之间的间隙足够小，相应地实现排气性能的提高。
用于解决课题的手段
参照附图对本发明的主旨进行说明。
涉及一种真空泵，其特征在于，所述真空泵具备螺纹槽泵部，该螺纹槽泵部具备：固定圆筒部2，在其内周面设有螺旋状的螺纹槽部1；以及旋转圆筒部3，其配设在该固定圆筒部2内，所述螺纹槽泵部通过使该旋转圆筒部3旋转，来通过由所述螺纹槽部1和所述旋转圆筒部3的外周面形成的螺旋状的排气流路进行排气，所述真空泵的特征在于，
所述旋转圆筒部3是层叠多个纤维强化树脂层而构成的，最外侧的所述纤维强化树脂层构成为比相邻的层厚。
并且，在技术方案1所述的真空泵的基础上，真空泵的特征在于，最外侧的所述纤维强化树脂层构成为比相邻的层厚25％以上。
另外，涉及一种真空泵，其特征在于，所述真空泵具备螺纹槽泵部，该螺纹槽泵部具备：固定圆筒部2，在其内周面设有螺旋状的螺纹槽部1；以及旋转圆筒部3，其配设在该固定圆筒部2内，所述螺纹槽泵通过使该旋转圆筒部3旋转，来通过由所述螺纹槽部1和所述旋转圆筒部3的外周面形成的螺旋状的排气流路进行排气，所述旋转圆筒部3是层叠多个纤维强化树脂层而构成的，在该纤维强化树脂层具有将纤维螺旋卷绕而形成的螺旋层4、和将纤维环向卷绕而形成的环绕层5，最外侧的所述环绕层5构成为比相邻的层厚。
并且，在技术方案3所述的真空泵的基础上，真空泵的特征在于，最外侧的所述环绕层5构成为比相邻的层厚25％以上。
并且，在技术方案1～4中的任一方案的真空泵的基础上，真空泵的特征在于，所述旋转圆筒部3的表面至少一部分被除去。
并且，在技术方案1～5中的任一方案的真空泵的基础上，真空泵的特征在于，所述旋转圆筒部3的最外层为环绕层5。
并且，在技术方案1～6中的任一方案的真空泵的基础上，真空泵的特征在于，所述旋转圆筒部3的最内层为环绕层5。
并且，在技术方案7的真空泵的基础上，真空泵的特征在于，所述旋转圆筒部3的最外层和最内层的所述环绕层5为相同厚度。
并且，在技术方案1～8中的任一方案的真空泵的基础上，真空泵的特征在于，所述旋转圆筒部3的除最外层和最内层以外的其它层被设定为相同厚度。
发明效果
本发明如上述那样构成，因此，本发明为极其优秀的真空泵能够尽量减小纤维强化树脂制成的旋转圆筒的形变从而使旋转圆筒和固定圆筒之间的间隙足够小，相应地实现了排气性能的提高。
附图说明
图1是本实施例的概略说明剖视图。
图2是现有的旋转圆筒部的概略说明剖视图。
图3是本实施例的旋转圆筒部的概略说明剖视图。
图4是表示由旋转圆筒部的内部应力或层的规定的部分的纤维的张力的差造成的变形的例子的概略说明图。
图5是本实施例的旋转圆筒部的概略说明剖视图。
图6是本实施例的另一例的概略说明剖视图。
图7是表示最外层(最外侧的环绕层)的厚度与除去加工前后的表面的凹凸量的模拟结果的曲线图。
具体实施方式
对于优选的本发明的实施方式，根据附图示出本发明的作用并简单地进行说明。
通过使最外侧的纤维强化树脂层(例如环绕层5)比相邻的层厚，能够相对地减小除去加工中导致的、由内部应变的释放造成的内部应力的不均，由此，能够减小纤维强化树脂制成的旋转圆筒部3的形变。并且，能够相对地减小除去加工导致的、由连续的纤维的切断、各向异性材料层与其它各向异性材料层的应变平衡的破坏、和层的规定的部分的纤维的张力的变化造成的影响，由此，能够减小纤维强化树脂制成的旋转圆筒部3的形变。
实施例
根据附图对本发明的具体的实施例进行说明。
本实施例的真空泵具备螺纹槽泵部，该螺纹槽泵部具备：固定圆筒部2，在其内周面设有螺旋状的螺纹槽部1；以及旋转圆筒部3，其配设在该固定圆筒部2内，螺纹槽泵部通过使该旋转圆筒部3旋转，来通过由所述螺纹槽部1和所述旋转圆筒部3的外周面形成的螺旋状的排气流路进行排气，所述旋转圆筒部3是层叠多个纤维强化树脂层而构成的，在该纤维强化树脂层具有将纤维螺旋卷绕而形成的螺旋层4、和将纤维环向卷绕而形成的环绕层5，最外侧的所述环绕层5的表面被除去，该除去后的最外侧的所述环绕层5构成为比相邻的层厚。
具体来说，如图1所示，本实施例为将旋转体7(转子)以能够旋转的方式配置在筒状的泵壳体6内而成的螺纹槽泵。旋转体7由旋转圆筒部3和金属制成的圆盘状的安装部10构成，其中，该安装部10安装于DC马达8的旋转轴9，该安装部10与该旋转圆筒部3配合连结。图中，标号11为与腔室12连通的进气口，标号13为排气口，标号14为径向电磁铁，标号15为轴向电磁铁。
关于安装部10和旋转圆筒部3，例如使安装部10的外径和旋转圆筒部3的内径为大致同径，通过将安装部10利用液氮等冷却并插入配合于旋转圆筒部3的上部的所谓冷套进行配合连结。
并且，本实施例的旋转圆筒部3是将使用公知的纤维缠绕法形成的纤维强化树脂层层叠多层而构成的，旋转圆筒部3是将螺旋层4和环绕层5交替层叠多层而形成的，螺旋层4是利用纤维相对于芯棒的轴心的卷绕角度小于80°的螺旋卷而形成的，环绕层5是利用纤维相对于芯棒的轴心的卷绕角度为80°以上的环形卷而形成的。
具体来说，本实施例的旋转圆筒部3是将螺旋层4(相对于芯棒轴心的卷绕角度为±20°)和环绕层5以至少最内层和最外层为环绕层5的方式交替地层叠包括环绕层/螺旋层/环绕层结构的3层以上而形成的(优选为大约5～7层。)。
螺旋层4是为了获得相对轴向的力的耐力而设置的，环绕层5是为了获得相对圆周方向的力的耐力而设置的。并且，由于各层越厚、层叠数越少，层间的形变就越大，因此，通过增加层叠数并减小各层的厚度能够减小层间的形变。另外，最外层和最内层不限于环绕层5，也可以是螺旋层4或只有树脂的层，但在为环绕层5能够进一步减小旋转圆筒部3的形变。
例如，旋转圆筒部3是这样形成的：将浸渍有树脂的碳纤维卷绕层叠于芯棒，将环绕层5和螺旋层4交替地层叠，使树脂加热硬化，然后，将芯棒脱模。另外，关于树脂，从苯酚树脂、不饱和聚酯树脂和环氧树脂等中选取与用途相适合的即可。
另外，在芯棒脱模后，对旋转圆筒部3的最外层的表面(的凹凸)稍微地进行研磨(除去加工)，以使旋转圆筒部3的外径为规定的尺寸(形状)。
为了尽量减小对表面的凹凸进行除去加工(精加工)所致的、由内部应变的释放造成的内部应力的不均，在本实施例中构成为使最外侧的环绕层5的厚度比相邻的层厚。并且，为了尽量减小对表面的凹凸进行除去加工(精加工)所致的、由连续的纤维的切断、各向异性材料层与其它各向异性材料层的应变平衡的破坏和层的规定的部分的纤维的张力的变化造成的影响，在本实施例中构成为使最外的环绕层5的厚度比相邻的层厚。另外，其它层的厚度设定为相同厚度。
这里，图2是表示以最外层和各层的厚度相同的方式缠绕纤维成形的现有的旋转圆筒部3’的最外层的厚度最大时的图(a)和厚度最小时(b)的图，图3是以最外层的厚度为最大的方式缠绕纤维成形的本实施例的旋转圆筒部3的最外层的厚度最大时的图(a)和厚度最小时(b)的图。图中，标号4’和4为螺旋层，标号5’和5为环绕层。
根据图2、图3可知，在内侧层(除最外层和最内层以外的内侧的层)的厚度不均的累积差a为最大，且除去加工量的差b为最大的情况下(最外层的厚度中的、加工前的厚度与加工后的厚度的差为最大的情况下)，可知图3中最外层的厚度变化的影响程度更小。另外，图4是由于内部应力或层的规定的部分的纤维的张力的差造成的变形的例子，由于像这样发生变形，因此在各部分处除去加工量的差b产生差异。
在除去加工之后的最外层(最外的环绕层5)的厚度小的情况下，该变形的影响大，有时旋转圆筒部3的真圆度反而比除去加工前变差。因此，优选该最外层(最外侧的环绕层5)的厚度尽量厚，以便减小前述的内部应力或层的规定的部分的纤维的张力的差。
这里，最外层(最外侧的环绕层5)的厚度与除去加工前后的表面的凹凸量的关系例如如图7所示。
在图7的例子中，由于螺旋层中的纤维的重叠、和卷绕纤维时的略微的位置偏移等，在除去加工前的表面产生了0.25mm的凹凸。为了除掉该凹凸而进行除去加工，但有时即使除掉由于纤维的重叠等引起的凹凸，也会由于加工不均而产生由内部应变的释放造成的内部应力的不均，从而圆筒整体较大地形变。并且，有时由于加工不均而产生连续的纤维的切断、各向异性材料层与其它各向异性材料层的应变平衡的破坏、和层的规定的部分的纤维的张力的变化，从而圆筒整体也会发生形变。而且，纤维强化树脂制成的树脂硬化后的圆筒通过切断纤维，有时该纤维的张力会变化，从而圆筒整体发生形变。
其结果是，有时使由纤维的重叠等引起的凹凸、和由圆筒整体的形变引起的凹凸合并后的表面的全凹凸量反而比除去加工前变差。在图7的例子中，在与本实施例相同的结构中，在使最外层的厚度变化的情况下，在加工不均(内侧层的厚度不均)比较少的情况(0.05mm)与比较多的情况(0.07mm)两种情况下，模拟了表面的全凹凸量。其结果是得到了以下结果：在除去加工后的最外层的厚度薄的情况下，表面的全凹凸量比除去加工前大，而当增加除去加工后的最外层的厚度时，表面的全凹凸量降低，例如，在加工不均为0.07mm的情况下，在除去加工后的最外层的厚度为0.1mm时，除去加工后的表面的全凹凸量增加至0.35mm，而当使除去加工后的最外层的厚度为1.6mm时，表面的全凹凸量降低至0.17mm。并且，可以推测：表面的凹凸量比加工前小(具有某种程度的富余)的话，为大致0.5mm(其它层的0.4mm的1.25倍)，因而优选表面除去后的厚度比其它层厚25％以上。
通过像上述那样设定最外的环绕层5的厚度，即使利用除去加工除去的纤维量产生不均，也能够相对地减小由该除去加工时除去的纤维量的不均引起的、由内部应变的释放造成的内部应力的不均，由此，能够减小纤维强化树脂制成的旋转圆筒部3的形变，相应地能够使旋转圆筒和固定圆筒之间的缝隙足够(在金属制成的情况下不逊色，例如至大约1mm)小，从而相应地实现了排气性能的提高。并且，能够相对地减小由除去加工时除去的纤维量的不均引起的、由连续的纤维的切断、各向异性材料层与其它各向异性材料层的应变平衡的破坏、和层的规定的部分的纤维的张力的变化造成的影响，能够获得与上述同样的效果。
而且，也可以构成为将最内层的厚度设定为与最外层相同(也可以构成为最外层和最内层具有最大厚度。)。这是因为：如图5中图示的那样，与最外层和最内层的厚度不相同的情况(a)相比，在使最外层和最内层的厚度相同(对称)的情况(b)下，内部应力内外对称，能够防止力矩的产生，能够抵消内部应力。并且，还能够相对减小除去加工所致的、由规定的部分的张力的变化造成的内外的张力的差。另外，在该情况下，使最外层和最内层比除最外层和最内层以外的其它层(最小厚度的层)厚25％以上。由此，即使最外层由于除去加工而变薄，也能够保持旋转圆筒部3的真圆度(形状)。
并且，本实施例对螺纹槽泵进行了说明，但只要是图6中图示出的另一例那样的复合型的涡轮分子泵等、具有螺纹槽泵部的结构，就也能够同样地采用上述结构。图中，标号16为在泵壳体6的内壁面隔开规定的间隔地突出设置多段的固定叶片，标号17为与固定叶片16交替地配设的旋转叶片(一体地设置于在DC马达8的旋转轴9安装的金属制成的安装部10上)，将在安装部10的下端部设置的环状的配合部18通过冷套而与旋转圆筒部3配合连结。其余与图1的情况相同。
由于本实施例如上述那样构成，所以极其优秀，能够尽量减小纤维强化树脂制成的旋转圆筒部3的形变而使旋转圆筒部3和固定圆筒部2之间的间隙足够小，相应地了实现排气性能的提高。
标号说明
1：螺纹槽部；
2：固定圆筒部；
3：旋转圆筒部；
4：螺旋层；
5：环绕层。

Claims (9)

1.一种真空泵，所述真空泵具备螺纹槽泵部，该螺纹槽泵部具备：固定圆筒部，在其内周面设有螺旋状的螺纹槽部；以及旋转圆筒部，其配设在该固定圆筒部内，所述螺纹槽泵部通过使该旋转圆筒部旋转，来通过由所述螺纹槽部和所述旋转圆筒部的外周面形成的螺旋状的排气流路进行排气，所述真空泵的特征在于，
所述旋转圆筒部是层叠多个纤维强化树脂层而构成的，最外侧的所述纤维强化树脂层构成为比相邻的层厚。
2.根据权利要求1所述的真空泵，其特征在于，
最外侧的所述纤维强化树脂层构成为比相邻的层厚25％以上。
3.一种真空泵，所述真空泵具备螺纹槽泵部，该螺纹槽泵部具备：固定圆筒部，在其内周面设有螺旋状的螺纹槽部；以及旋转圆筒部，其配设在该固定圆筒部内，所述螺纹槽泵部通过使该旋转圆筒部旋转，来通过由所述螺纹槽部和所述旋转圆筒部的外周面形成的螺旋状的排气流路进行排气，所述真空泵的特征在于，
所述旋转圆筒部是层叠多个纤维强化树脂层而构成的，在该纤维强化树脂层具有将纤维螺旋卷绕而形成的螺旋层、和将纤维环向卷绕而形成的环绕层，最外侧的所述环绕层构成为比相邻的层厚。
4.根据权利要求3所述的真空泵，其特征在于，
最外侧的所述环绕层构成为比相邻的层厚25％以上。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的真空泵，其特征在于，
所述旋转圆筒部的表面至少一部分被除去。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的真空泵，其特征在于，
所述旋转圆筒部的最外层为环绕层。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的真空泵，其特征在于，
所述旋转圆筒部的最内层为环绕层。
8.根据权利要求7所述的真空泵，其特征在于，
所述旋转圆筒部的最外层和最内层的所述环绕层为相同厚度。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的真空泵，其特征在于，
所述旋转圆筒部的除最外层和最内层以外的其它层被设定为相同厚度。
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