JP2004263687A - 真空ポンプ用ロータの製造方法およびこれにより得られるロータ - Google Patents

Abstract

【課題】 非標準径の棒材を利用する場合の余計な作業と材料の無駄とを省き、均一な機械特性と材料密度とを有し、耐温度性が改善されたロータを得る。
【解決手段】１組のラジアル周縁羽を有する高真空ターボ分子ポンプ用ロータは、金属ワークを鍛造して均一な機械特性を有する略円柱体１，１１を得て、その後に機械加工することによって製造される。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、高真空タービンポンプに関し、特に、ターボ分子ポンプ用の真空ポンプロータの製造方法、および、これにより得られるロータに関する。

ターボ分子ポンプの従来のロータは、回転シャフトに取り付けられた１組のインペラを備え、各インペラは、１組の周縁ラジアル羽を備えたディスクを有する。動作中において、ロータは、３００ｍ／ｓｅｃ程度の高速の周速度で回転する。過酷な動作状態や、ターボ分子ポンプに関する圧縮率やポンピング速度の面でのより高度な性能追求により、各インペラやロータ全体を、丈夫でバランスの良い構造に構成する必要がある。さらに、ポンプ性能を最適化できるような形状にインペラ羽を形成しなければならない。

先行技術によれば、ロータの製造は、押出金属棒材から開始され、この押出金属棒材から円柱体を切り出し、その後、旋削加工（turning）、フライス加工（milling）、放電加工など様々な方法により加工する。例えば、下記特許文献１によれば、インペラは、幾つかのディスクを同時加工できる装置を使用して、フライス加工で羽を形成することによって製造される。

別の先行技術によれば、例えば、下記特許文献２および下記特許文献３に開示されているように、放電加工技術によりインペラの各羽を形成することが提案されている。
公知の製造方法には、欠点や制約がある。特に、機械特性や材料密度は、ロータの長期間にわたる作動寿命を保証できるほど均一ではない。例えば、従来の手法により製造されたロータにおいて、横断方向の機械特性は、縦断方向の特性よりもはるかに劣っている。さらに、高温におけるロータの寿命は限られている。アルミニウム合金２０１４製のロータは、（例えば、フォン・マイセス故障判定基準により決定される）約３００ＭＰａの等価応力下、約１３０℃の温度に連続的にさらされた場合、寿命が数百時間程度である。

さらに、この様なロータの製造は、押出棒材から開始され、その後、この押出棒材が加工される。市販の棒材は、標準径のものしか利用できないので、所要の直径よりも大きな棒材から開始し、棒材寸法を小さくする必要がある。これは、余計な作業と材料の無駄を招く。
英国特許出願公開第２１７９９４２号明細書 仏国特許出願公開第２５７０９７０号明細書 米国特許第５１８８５１４号明細書

したがって、本発明の目的は、従来の方法の欠点や制約を克服できる、高真空ターボ分子ポンプ用のロータの製造方法を提供することである。この方法により、非標準径の棒材を利用する場合の余計な作業と材料の無駄とを省き、均一な機械特性と材料密度とを有し、耐温度性が改善されたロータを得ることができる。

本発明の方法は、鍛造と、従来の機械加工手段によるその後の仕上げとにより得られる、均一な機械特性を有する中間半加工材を準備する工程を含む。
本発明の方法は、釣り鐘形状のロータを得るのに特に適しており、一般的には、軸穴内で駆動されるシャフトを備えた一体でないロータを得るのに適している。
本発明、その目的および利点は、添付の図面を参照して検討すれば、非限定的な実施例により示す以下の好適かつ非排他的な実施形態の詳細な説明を参照することによって、更に明確に理解され、認識されるであろう。

図１を参照して、模式的に示すように、円柱状ビレット１は、ある手段（図示せず）により力Ｐ_rをかけることによって半径方向の膨張を防止しながら、力Ｐ_lをかけて軸方向に圧縮にして鍛造することによって得られる。
ロータがいわゆる釣り鐘形状のロータである場合、棒材部分から開始され、まず、図２Ａに模式的に示すように、力Ｐ_lをかけて軸方向の圧縮によって、ビレット１１を略円柱状に形成する。次に、図２Ｂに示すように、ビレット１１を金型内に保持して力Ｐ_rをかけることによりビレットの半径方向の膨張を防止しながら、パンチ１２をビレット１１内に圧入することによって、軸方向のキャビティを形成する。

次に、フライス加工（milling）や旋削加工（turning）などの公知の手法によって、ビレット１１を機械加工し、羽を形成する。
釣り鐘形状のロータの製造の場合、鍛造によりパンチによって、部分的にのみ軸方向のキャビティ１３を形成することが好ましく、その他の部分は、機械加工によって仕上げ加工される。パンチにより得られたキャビティの軸方向の寸法は、通常、鍛造後のビレットの総高さの半分である。

ターボ分子ポンプロータの製造に一般的に使用されるアルミニウム合金として、焼き戻し、養生された押出棒材の形態で生成された合金２０１４（Ａｌ−Ｃｕ合金）と合金７０７５（Ａｌ−Ｚｎ合金）とがある。本発明によれば、プロセスの最初にこの様な種類の棒材を利用し、それを複数部分に切断して、この様な部分を鍛造し、中ぐりして、熱処理を行うことも可能である。鍛造により得られた釣り鐘形状部材の底部に中心穴を形成することによって、その後の熱処理により得られる機械特性を更に均一化できる。

図３および図４は、本発明の方法により得られる２つのロータを示す。実線は、機械加工によりその後仕上げされる釣り鐘形状のビレット１１（中間部材）の輪郭を示す。破線は、鍛造ビレットを旋削加工することによって得られるロータの輪郭を示す。
本発明の方法によれば、高真空ポンプ、特にターボ分子ポンプのロータを鍛造によって製造することにより、以下のような利点が認められる。
１）ロータの機械特性の均一化、特に、極限引張強さＲの均一化、試験片の破断時の対応する伸びＡの均一化、および引張強さが対応する伸びに対してもはや一次変化しなくなる値Ｒ_0.2（引張降伏強さ）の均一化。

従来のロータを押出棒材から得ると、棒材の中心から周縁までの間で上記の強度パラメータが大幅に変化することが認識される。これらのパラメータは、対応する円柱状引張試験片の軸が押出方向（棒材の軸に平行な軸）であるか、それともこの様な方向に垂直（棒材の半径方向または法線方向）であるかに依存する。
鍛造によるビレット製造によって、Ｒ、Ａ、およびＲ_0.2の値は、部材の様々なポイントにおいても、これらのパラメータの測定のための試験片を得る様々な方向においても、ほぼ一定となることが分かった。さらに、非鍛造部材内に認められる最高値に対応する数値は、鍛造製品とその他の製品との間で変化はほとんどない。

この様な特徴によって、前記の材料の利用が可能となり、その材料の機械特性は、正確に知られており、設計段階で導入可能であり、ロータの寸法オーバを招くような極端に高い安全係数の必要がない。
出願人により実施された実験テストにより、表１に示すとおり、アルミニウム部材に対して以下の結果を得た。

表１の実験データから、鍛造部材から得られたロータは、あらゆる方向において、縦方向に押し出された棒材と同一の特性を有することが分かった。
２）アルミニウム合金は、さらに、動作温度が１２０〜１３０℃を越えると、経時的に機械特性の永久劣化が起こる。鍛造部材は、最初から均一な高特性を有し、長期間の高温にも耐え得る一方、動作負荷に対して充分な残存強度を有する。
３）本発明の方法で得られたロータは、材料密度が均一化されている。この特徴は、高真空ターボ分子ポンプのロータの場合のように、高速（法線方向速度３００〜４００ｍ／ｓｅｃ程度）で回転させる必要のある部材にとって特に有利である。

したがって、密度が不均一であると、ロータの質量が軸対称に分布しないので、バランスに悪影響が出る。これに対して、均一な密度の場合は、（ロータ部品の製造および組立における）形状寸法誤差の影響のみを補正すればよい。
４）鍛造によって、ロータは、最終形状に非常に近い形状で得られるので、最終製品を得るのに要する旋削加工などの機械加工は少ない。

好適な実施形態を特に参照しながら本発明を説明してきたが、本発明は、この様な実施形態に限定されないものとする。本発明には、当業者にとって明白な全ての変更や修正も含まれる。

本発明に係る、円柱状ビレットの鍛造による棒材の製造を示す図である。 本発明に係る、釣り鐘形状ビレットの鍛造による製造を示す図である。 本発明に係る、釣り鐘形状ビレットの鍛造による製造を示す図である。 本発明の方法により得られたロータの横断面図である。 本発明の方法により得られたロータの横断面図である。

Claims (9)

1. 高真空ターボ分子ポンプ用のロータの製造方法であって、
   前記ロータの製造に適した材料で形成されたワークを提供するステップと、
   前記ワークを鍛造して、均一な機械特性を有する略円柱体（１，１１）を得るステップと、
   前記略円柱体上に１組以上のラジアル周縁羽を得るステップとを含む方法。
2. 前記略円柱体が、半径方向の膨張を防止しながら軸方向の圧縮（Ｐ_l）により鍛造することによって得られた円柱状ビレット（１）である請求項１の方法。
3. 前記ロータが、釣り鐘形状のロータである請求項１の方法。
4. 円柱状ビレット（１）である前記略円柱体を、軸方向の圧縮（Ｐ_l）により鍛造するステップと、
   その後、金型内に閉じ込めることによって前記ビレットの半径方向の膨張を防止しながら、ビレット内に圧入されるパンチ（１２）によって、前記円柱状ビレット内にキャビティを形成するステップとを更に含む請求項３の方法。
5. 前記キャビティを形成するステップが、前記キャビティ（１３）を前記円柱状ビレットの一部にわたって延長することと、その後の機械加工により仕上げることを含む請求項４の方法。
6. 前記キャビティの底部に中心穴を形成するステップと、
   その後、前記釣り鐘形状のロータの機械特性を改善するために熱処理を行うステップとを更に含む請求項５の方法。
7. フライス加工、旋削加工、および放電加工からなる群より選択される１以上の手法によって前記少なくとも１組のラジアル周縁羽を加工するステップを更に含む、請求項１ないし６の何れかに記載の方法。
8. 請求項１の方法によって製造されたターボ分子ポンプ用ロータ。
9. 前記ロータのあらゆる方向においてパラメータＲ、Ａ、およびＲ_0.2が一定である請求項８のターボ分子ポンプ用ロータ。

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