JP2007516372A - Rotor blade for turbomolecular pump - Google Patents
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Abstract
本発明のターボモルキュラーポンプ用回転翼は、ハブとハブに取り付けられる複数のブレードとを有する。前記ブレードは、繊維あるいは粒子により強化されたポリマー材料のストリップから形成される。 The rotor blade for a turbomolecular pump of the present invention has a hub and a plurality of blades attached to the hub. The blade is formed from a strip of polymer material reinforced with fibers or particles.
Description
本発明は、ターボモルキュラーポンプ用回転翼に関し、半導体製造における真空環境を作り出すのに通常用いられるポンプに関する。 The present invention relates to a rotor blade for a turbomolecular pump, and relates to a pump that is usually used to create a vacuum environment in semiconductor manufacturing.
標準のターボモルキュラーポンプは回転翼を有し、この回転翼は高速、例えば1分間に6万回転するような通常角度のついたブレードを、ステイターの固定ブレードの列の間に交互に配置している。一般的にステイターのブレードは、ロータのブレードと対向する向きに傾斜している。 Standard turbomolecular pumps have rotor blades that are arranged at high speeds, for example, blades that are normally angled to rotate 60,000 revolutions per minute, alternately between rows of stationary blades in the stator. ing. In general, the blades of the statuser are inclined in a direction facing the rotor blades.
ターボモルキュラーポンプにおいては、ガスは、高真空チェンバから通常取り出され、圧縮されてバッキング・ポンプ(backing pump)、例えば多段回転ポンプに渡される。このバッキング・ポンプは、ターボモルキュラーポンプが約10-1mbarまでの排気圧力で動作する際に必要とされ、バッキング・ポンプを使用することにより、この領域の排気圧力を高め、ポンプで駆動されたガスを大気に放出している。 In a turbomolecular pump, gas is typically taken from a high vacuum chamber, compressed and passed to a backing pump, such as a multistage rotary pump. This backing pump is required when turbomolecular pumps operate at exhaust pressures up to about 10 -1 mbar, and by using a backing pump, the exhaust pressure in this region is increased and driven by the pump. Gas is released into the atmosphere.
ターボモルキュラーポンプのポンプ能力は、ブレードの回転速度に大きく依存する。この速度は、回転翼のブレード材料内で許容可能な応力により制限される。通常ターボモルキュラーポンプの用回転翼のハブとブレードは、軽量金属、例えばアルミあるいはその合金の一つの一体ピースから機械加工で形成されている。 The pumping capacity of the turbomolecular pump is highly dependent on the rotational speed of the blade. This speed is limited by the allowable stress in the blade material of the rotor blade. Usually, the hub and blade of a rotor blade for a turbomolecular pump are machined from a single piece of lightweight metal, such as aluminum or an alloy thereof.
本発明は、ターボモルキュラーポンプ用回転翼の材料と製造方法を提供する。 The present invention provides a material and a manufacturing method of a rotor blade for a turbomolecular pump.
本発明は、ターボモルキュラーポンプ用回転翼が、ハブと、強化ポリマー材料製の複数のブレードと、前記ブレードをハブに取り付ける手段とを有するターボモルキュラーポンプ用回転翼を提供する。 The present invention provides a turbomolecular pump rotor blade having a hub, a plurality of blades made of reinforced polymer material, and means for attaching the blade to the hub.
回転翼のブレード用に従来用いられている金属材料の代わりに、強化ポリマー材料を使用することによりいくつかの利点が得られる。第1の利点は、ブレードの軽量化と金属から形成されたブレードに比較して重さに対する強度の比率が優れていることである。この観点から、高速回転が達成され、かくしてポンプ性能が向上する。第2の利点は、強化ポリマー材料製回転翼は金属製ブレードを有する回転翼に比較して、回転慣性が減ることである。これにより、回転翼が有する少ないエネルギーがポンプのステイターに掛かる場合に、使用中にポンプ周囲の環境の安全性を高める。 The use of a reinforced polymer material instead of the metal material conventionally used for rotor blades provides several advantages. The first advantage is that the ratio of strength to weight is superior to the weight reduction of the blade and the blade made of metal. From this point of view, high speed rotation is achieved, thus improving pump performance. A second advantage is that reinforced polymer material rotors have reduced rotational inertia compared to rotor blades having metal blades. This increases the safety of the environment around the pump during use when less energy on the rotor blades is applied to the pump's stator.
好ましい実施例においては、ポリマー材料は、繊維あるいは粒子の一方により強化されている。好ましくは、これらの繊維あるいは粒子は、方向が整合しており、回転翼の使用中にブレードにかかる最高負荷の領域および/または方向に最大強度を与える。例えば、繊維あるいは粒子の大部分、例えば繊維あるいは粒子の75%−85%は、ブレードの根本から先端方向に整合している。 In a preferred embodiment, the polymeric material is reinforced with either fibers or particles. Preferably, these fibers or particles are aligned in direction and provide maximum strength in the highest load area and / or direction on the blade during use of the rotor blades. For example, the majority of the fibers or particles, for example 75% -85% of the fibers or particles, are aligned from the root of the blade to the tip.
前記ポリマー材料は、カーボンファイバ、ガラス又はセラミック材料から形成される繊維あるいは粒子、合成繊維、例えば、パラ−アミド繊維(para-amid fibres)、Kevlar(登録商標)繊維で強化されている。ポリマー材料は、マトリックス、エポキシ、例えば、ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone)でもよい。 The polymer material is reinforced with fibers or particles formed from carbon fibers, glass or ceramic materials, synthetic fibers such as para-amid fibers, Kevlar® fibers. The polymeric material may be a matrix, an epoxy, for example a polyetheretherketone.
ブレードは、回転翼のハブに例えばピンにより取り付けられる強化ポリマー材料のストリップの形態を採る。これらのストリップはさまざまな技術を用いてハブに取り付けることができる。 The blade takes the form of a strip of reinforced polymer material that is attached to the hub of the rotor blade by, for example, pins. These strips can be attached to the hub using a variety of techniques.
ある一つの技術では、ストリップは曲げられて一対の回転翼を提供し、ストリップの曲げ部がハブに取り付けられる保持ピンの周囲に配置される。選択的事項として、(曲げる前の)ストリップは、2つの等しい大きさで且つ平行に整合した端部部分を有し、この端部部分が中央部分で繋がり、前記中央部分は、前記2つの端部部分に対し傾斜して、ストリップに対しドッグ−レッグの曲げ部を提供する。この構成においては、ストリップは、中央部分に沿って曲げられ、一対の回転翼ブレードを提供する。 In one technique, the strip is bent to provide a pair of rotor blades, where the bend of the strip is placed around a retaining pin that is attached to the hub. As an option, the strip (before bending) has two equally sized and parallel aligned end portions that are joined by a central portion, the central portion being the two end portions. Inclined with respect to the section to provide a dog-leg bend for the strip. In this configuration, the strip is bent along the central portion to provide a pair of rotor blades.
本発明の他の実施例においては、各ブレードはストリップから形成され、取り付け手段がこのストリップの一端にあるいは一端方向に配置される。さまざまな取り付け手段が当業者には明らかである。ある一般的な例を以下説明する。 In another embodiment of the invention, each blade is formed from a strip and the attachment means is located at or in one direction of the strip. Various attachment means will be apparent to those skilled in the art. One general example is described below.
本発明の一実施例においては、ピンはストリップの一端に形成された孔を貫通する。ストリップのこの端部は、厚くなっているかあるいは孔の周囲の領域で強化されている。例えば、各ブレードはストリップの一端を挟み込む一対の強化プレートを有し、ピンがこのプレートに形成された孔を貫通する。これらの孔は、ブレードの表面の法線に対し、例えば、鋭角で機械加工される。この角度は、ブレードが、回転翼の回転面に対し傾斜するのが好ましい角度に対応している。かくしてピンがハブの回転面と直交する方向に挿入されると、ブレードはその面に対しある角度でもって配置される。 In one embodiment of the invention, the pin passes through a hole formed at one end of the strip. This end of the strip is thickened or reinforced in the area surrounding the hole. For example, each blade has a pair of reinforcing plates that sandwich one end of the strip, and pins pass through holes formed in the plates. These holes are machined, for example, at an acute angle with respect to the normal of the blade surface. This angle corresponds to an angle at which the blade is preferably inclined with respect to the rotating surface of the rotor blade. Thus, when the pin is inserted in a direction perpendicular to the plane of rotation of the hub, the blade is positioned at an angle relative to that plane.
複数のブレードを同一のブレード列に1本の係止ピンで配置することにより、よりコンパクトなローター設計が可能となる。別法としてあるいはそれに追加して、このピンは、異なる列にある複数のブレードをハブに固定してもよい。 By arranging a plurality of blades in the same blade row with one locking pin, a more compact rotor design is possible. Alternatively or additionally, the pin may secure a plurality of blades in different rows to the hub.
別の実施例においては、各ブレードの端部は鳩の尾形状(dovetail)あるいはそれに類似する形状を有するよう構成してもよい。この鳩の尾形状は、ハブ内の類似形状のスロット内にぴったりと適合するよう構成するのが好ましい。この鳩の尾形状は、ブレード材料製の層を積み重ねて形成してもよい。別法として、異なる材料の鳩の尾形状をブレードに結合してもよい。鳩の尾形状部分が別の材料から形成されている場合には、この別の材料をブレードの端部に結合あるいは固定してもよい。 In another embodiment, the end of each blade may be configured to have a dovetail shape or similar shape. The dovetail shape is preferably configured to fit snugly within a similarly shaped slot in the hub. The dovetail shape may be formed by stacking layers of blade material. Alternatively, dovetail shapes of different materials may be coupled to the blade. If the tail shape of the dove is formed from another material, this other material may be bonded or fixed to the end of the blade.
別法として、一般的に平坦なブレードをハブ内に予め機械加工して形成したスロット内に結合あるいは固定してもよい。 Alternatively, a generally flat blade may be coupled or secured in a slot that is pre-machined in the hub.
前述したブレードのどれも、使用中のポンプを通過する化学物質と反応しないよう選択されたコーティング層(例えば金属)をさらに含んでもよい。 Any of the blades described above may further include a coating layer (eg, metal) selected to not react with chemicals passing through the pump in use.
本発明の実施例を以下図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1−7は、回転翼のハブに取り付けられた、繊維あるいは粒子で強化されたポリマー材料から形成されたブレードを有する回転翼を提供するさまざまな技術を示す。ここに示された実施例においては、各ブレードはハブに取り付けられた強化ポリマー材料製のストリップから形成される。 FIGS. 1-7 illustrate various techniques for providing a rotor blade having a blade formed from a polymer material reinforced with fibers or particles attached to the hub of the rotor blade. In the embodiment shown here, each blade is formed from a strip of reinforced polymer material attached to a hub.
このストリップにおいては、ブレードの粒子あるいは連続する繊維の大部分は、2つのブレードのそれぞれの根本部から先端部までのラインに沿うようにその方向が整合している。これにより、繊維の整合方向に引っ張り負荷を引き起こす。その結果、繊維はターボモルキュラーポンプの必要とされる動作速度において、この引っ張り負荷を安全に保持する。 In this strip, the majority of the blade particles or continuous fibers are aligned in direction along the line from the root to the tip of each of the two blades. This causes a tensile load in the fiber alignment direction. As a result, the fiber safely holds this tensile load at the required operating speed of the turbomolecular pump.
図1は、ターボモルキュラーポンプの回転翼の隣接するブレード12、14を形成するために用いられる繊維あるいは粒子による強化ポリマー材料材料のストリップ10を示す。この実施例において、矩形のストリップ10は点線16に沿って折り曲げられ(図1a)、これによりU字型をしたブレード対構成18を形成する(図1b)。
FIG. 1 shows a
図2は、図1と類似の実施例を示す。この実施例において、ストリップ20は、矩形ではなく、中央部分でドックレグ曲げ部22を有する。第1実施例と同様に、ストリップ20は、点線24に沿ってドックレグ曲げ部22を横切り曲げられ、ほぼU字型のブレード対構成を提供する。この構成は、図1bのそれに対し次の点で利点がある。ストリップ20から形成されたブレード対構成は、矩形のストリップ10から形成された図1bの構成に比較して、高さが低くなっている点である。
FIG. 2 shows an embodiment similar to FIG. In this embodiment, the
図3は、前述したブレード対構成がハブ26に如何に取り付けられるかを示す断面図である。ハブ26は円周方向に凹部28を具備する。凹部28を囲む壁30を開口32が貫通して結合ピン34を収納する。この結合ピン34の周囲にブレード対構成18の曲げ部36が延びる。開口32と結合ピン34は、凹部28とブレード対構成18に対し、ブレード対構成18がハブ26の内側円周表面38に当たってピンで固定されるよう配置される。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing how the blade pair configuration described above is attached to the
図4−6は、ブレード40、50、60、70が1本のストリップから形成される実施例を示す。
4-6 show an embodiment in which the
図4の実施例においては、一対の強化プレート42がブレード40の一端に固定あるいは取り付けられる。2個の貫通孔44がブレード40の最も幅の広い表面の面に対し、若干傾斜してブレード40の強化部分にドリルで貫通される。この傾斜角は、回転翼の回転面に対しブレード40の望ましい傾斜角に対応する。貫通孔44は固定ピン46を収納するよう形成され、この固定ピン46は使用中はハブの貫通孔を通過する。これは図3の結合ピン34に類似する。
In the embodiment of FIG. 4, a pair of reinforcing
プレート42は金属製、例えば高品質アルミあるいはチタン製であるが、他の材料も用いることができる。このプレート材料は、回転翼がターボモルキュラーポンプに必要な動作速度で回転している時に、固定ピン46のブレード40に対する反力に耐えるよう、あるいはブレード40の強化部分に集中した引っ張り負荷あるいは圧縮負荷に耐えるよう選択される。強化プレートの代わりとして、ブレード40を貫通孔44の領域で単に厚くしてもよい。
The
選択的事項として、複数のブレード列を、1個の固定ピン46を用で異なる列の複数の平行なブレードを配置するよう、配列してもよい。
As an option, the plurality of blade rows may be arranged so that a plurality of parallel blades in different rows are arranged using a
図5の実施例においては、一対の係止プレート48がブレード50の一端に固着あるいは取り付けられる。例えば、ブレード50の製造時、係止プレート48はブレード50が固化されるモールドツール内に配置してもよい。
In the embodiment of FIG. 5, a pair of locking
係止プレート48は、その根本部でブレード50を強化すること、およびブレード50をハブ内に取り付ける係止手段を提供する二重の機能を有する。ここに示した実施例においては、係止プレート48は、実質的に鳩の尾形状をしているが、プレート48は如何なる他の形状も採ることができる。例えば、ブレードの端部近傍が広がった部分を有する形状である。係止プレート48の材料とその寸法は、回転翼がターボモルキュラーポンプに必要な動作速度で回転している時にブレード50の強化部分に集中する引っ張り力と圧縮力に耐えるよう選択される。例えば係止プレート48は金属材料(例、高品質アルミまたはチタン)あるいは非金属材料、例えばブレード50が形成されるのと同一材料の層から形成することもできる。かくして遠心力は係止プレート48全体に均等に分散し、これらの係止プレート48は互いに勝手違い(mirror image)で形成できる。
The locking
ブレード50をハブに取り付けるために、ハブは機械加工したキー・ホールを具備し、これらがそれぞれのブレード50の鳩の尾形状端部を収納できるよう構成される。ブレード50は、これらのキー・ホールあるいはキー・ホールに摩擦接合あるいは結合してもよい。結合は、化学手段(例えば接着剤)あるいは物理的手段(例えば溶接)により行ってもよい。
In order to attach the
図6に示した実施例においては、ブレード60の端部はハブ64に形成されたスロット62内に単に適合している。ブレード60の根本部とスロット62の両側に隣接した位置でハブ64が、番号66で示すように切り取られて、スロット62の膨張を減らす。これは、ハブ64はターボモルキュラーポンプの正規動作速度で回転している間熱的に膨張する場合である。さらに回転翼の全体重量を減らしている。
In the embodiment shown in FIG. 6, the end of the
図7は、図4の実施例の展開状態を示す。複数のブレード70がハブ71周囲に平行に整合した状態で配列され、隣接するブレードが垂直面でオーバーラップする。複数のピン72がハブ71内の孔74を垂直方向に貫通して延び、各ピンは2つのブレードを貫通する。かくして各ブレードは2つの端部で固定され、各ピンは2つのブレードを固定し、これによりブレードの安全性を高めることができる。
FIG. 7 shows a developed state of the embodiment of FIG. A plurality of
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 The above description relates to one embodiment of the present invention, and those skilled in the art can consider various modifications of the present invention, all of which are included in the technical scope of the present invention. The
10 ストリップ
12,14 ブレード
18 ブレード対構成
20 ストリップ
22 ドックレグ曲げ部
26 ハブ
28 凹部
30 壁
32 開口
34 結合ピン
36 曲げ部
38 内側円周表面
40,50,60、70 ブレード
44 貫通孔
46 固定ピン
48 係止プレート
62 スロット
64 ハブ
71 ハブ
72 ピン
74 孔
DESCRIPTION OF
Claims (34)
ハブと、
強化ポリマー材料製の複数のブレードと、
前記ブレードをハブに取り付ける手段と、
を有することを特徴とするターボポンプ用回転翼。 In the rotor blade for a turbomolecular pump, the rotor blade is:
A hub,
A plurality of blades made of reinforced polymer material;
Means for attaching the blade to the hub;
A rotor blade for a turbo pump characterized by comprising:
前記中央部分は、前記2つの端部部分に対し傾斜して、ストリップに対しドッグ−レッグの曲げ部を提供し、
前記ストリップは、中央部分に沿って曲げられる請求項15記載の回転翼。 The unbent strip has two equally sized and parallel aligned end portions that are joined at the central portion;
The central portion is inclined with respect to the two end portions to provide a dog-leg bend to the strip;
The rotor blade of claim 15, wherein the strip is bent along a central portion.
ハブと、
前記ハブに取り付けられる、強化ポリマー材料製のストリップから形成される複数のブレードと、
を有することを特徴とするターボモルキュラーポンプ用回転翼。 In a rotor blade for a turbomolecular pump, the rotor blade is:
A hub,
A plurality of blades formed from strips of reinforced polymer material attached to the hub;
A rotor blade for a turbomolecular pump, comprising:
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