JP2009203981A - 回転真空ポンプのロータアセンブリの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実施が容易であり、可逆性が高く、特性が向上したロータアセンブリを得ることを可能にする。
【解決手段】回転真空ポンプ用のロータアセンブリ1の製造方法であって、第1の材料を用意し、軸方向雄突起9を有するロータ3をそれから形成するステップと、第2の材料を用意し、周囲温度で干渉を有する状態でロータ3の雄突起9を受けるための形状および寸法を有する雌穴15が設けられた端部13を有する支持シャフト11を、それから形成するステップと、突起9を導入するのに十分なように雌穴15を拡張するために、端部13を加熱するステップと、雄突起9を雌穴15に導入するステップと、端部13を周囲温度まで冷却し、それにより、穴15の寸法を小さくし、その結果、シャフト11とロータ3との間の固定的な干渉結合を形成するステップとを含む、方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転真空ポンプのロータアセンブリの製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、ターボ分子回転真空ポンプのロータアセンブリの製造方法に関する。

本特許出願は、2008年2月27日に欧州特許庁に提出された欧州特許出願第08425120.6号の優先権を主張する。
一般に、「ロータアセンブリ」という用語は、本明細書で使用するように、回転真空ポンプのロータまたはインペラおよびそれと連携する支持シャフトの全体を意味する。ターボ分子ポンプの例が、欧州特許第0773367号および欧州特許第1484508号に開示されている。

ターボ分子真空ポンプの分野において、ある場合、特に寸法の小さなポンプの場合に、ロータおよびその支持シャフトを、例えばアルミニウム合金のような同一の材料で形成することができ、ゆえに、ロータアセンブリを一体品として製造することができる。しかし、中型および大型の真空ポンプでは、ポンプの性能を上げるために、ロータおよびその支持シャフトを異なる材料で形成することが非常に好ましい。

より詳しくは、ターボ分子真空ポンプのロータによって得られる極端に高い回転速度（一般に3×10⁴rpmを超え、しばしば1×10⁵rpm近くになる）を考慮に入れると、特に支持シャフトについて耐久性および剛性を同時にできるだけ高く維持しながら、回転する構成部品の質量を最小化することが必要なのは明らかである。これは、支持シャフトがポンプの作動中に最も負荷を受ける部品であるためである。このゆえに、軽合金、例えばアルミニウム合金製のロータと、ステンレス鋼製の支持シャフトとを備えた、ターボ分子ポンプ用のロータアセンブリがこれまで製造されてきた。

先行技術によれば、ロータおよびシャフトがそれぞれアルミニウムおよび鋼で形成されている場合、ロータとその支持シャフトとの間の結合は、圧入用に雄円筒突起を有する鋼製シャフトを、ロータ本体に形成された雌円筒穴に圧入することにより達成される。ロータとそのシャフトとの間の結合において必要な干渉を確保するため、ロータ穴の直径はシャフト突起の直径よりも小さくなければならない。このような干渉は、ロータアセンブリのすべての作動条件において確保されなければならない。そのようにして、ポンプの作動時にロータアセンブリがさらされる、温度の変化による変形および遠心力に関係する変形の両方を、雄突起および雌穴の直径を選択する際に、考慮に入れるべきである。

鋼に対するアルミニウムのより高い熱膨張係数ゆえに、作動時にアルミニウムのロータの温度が上がると、ロータの雌穴とシャフトの雄突起との間の干渉の損失が起こり、結果として、ロータの振動および整列不良または軸方向拘束の損失が生じる。
ゆえに、上記の現象を補償するために、ロータアセンブリを周囲温度において非常に高い干渉で組み立てることが必要である。ゆえに、ロータアセンブリの製造時に、ロータとシャフトとの結合に必要な遊び（クリアランス）を得るために、アルミニウム合金のロータを200℃を超える温度まで加熱し、同時に鋼製のシャフトを約−80℃の温度まで冷却する。

しかし、この公知の手続きにはいくつか欠点がある。第1に、アルミニウムのロータを高温に加熱することで、機械的特性、特に引張降伏点の低下を招く。第2に、いかなる作動条件においても、例えば、ポンプで汲み出されている気体との摩擦によって生じる加熱のためにロータが高温で作動している場合でさえ、良好な干渉を維持するため、公称条件下で、つまりロータが定常的で、そのためロータの材料の降伏点に近い応力がかかるおそれがあるときに、非常に高い干渉を提供する必要がある。さらに、このような非常に高い応力レベルは、ロータを形成するアルミニウム合金の非等方特性を増加させる。第3に、ロータの加熱自体では不十分であり、鋼製のシャフトを0℃を大きく下回る温度まで冷却することも必要であるため、液体窒素を使用する高価な機器の使用が必要である。

上述した先行技術のさらなる欠点は、結合工程が不可逆であることに関連しており、そのためにロータアセンブリの製造中に誤りが起きると、不良品として廃棄せねばならない。この後者の欠点は、これが起きるのがロータアセンブリの製造工程の最後であり、すでに完成した高価な半製造品の廃棄につながることを考えると、さらに深刻である。
上述した方法の欠点を克服するため、適切な雄突起を有するアルミニウムのロータと、当該ロータの雄突起を受けるための対応する雌穴を有する鋼製の支持シャフトとを製造することが、これまでに提案されてきた。このような解決手段によれば、シャフト穴を貫通するのはロータ突起であり、逆ではない。

温度が上がると干渉は増加するため、鋼に対するアルミニウムのより高い熱膨張係数のために、雄部分がアルミニウムで形成されるこのような解決手段には、周囲温度での干渉が低くてよいという利点がある。
国際公開第2006／048379号には、雄突起を有するロータと、対応する雌穴が形成されたシャフトとを備えた、真空ポンプ用のロータアセンブリの製造方法が開示されている。この方法は、以下のステップを含んでいる。軸方向の穴を有するシャフトをロータ用の鋳型に入れるステップ。鋳型およびシャフト穴を、ロータを形成することになる流体状の成形材料で満たすステップ。最後に、このようにして得たロータアセンブリを、冷めたのちに鋳型から取り出すステップ。

あるいは、この方法は、軸方向の穴を有するシャフトをロータ用の鍛造型に置くステップと、型およびシャフト穴を、白熱した状態のロータ鍛造材料で満たすステップと、最後に、このようにして得たロータアセンブリを、冷めたのちに型から取り出すステップとを含んでいる。
上述の方法ではともに、ロータを形成するアルミニウム合金を非常に高い温度に加熱することが必要であり、そのため機械的特性が損なわれるおそれがあるという大きな欠点を有している。

英国特許第1,422,426号には、軽合金製のロータと鋼製のシャフトとを備えた遠心圧縮機の製造方法が開示されている。この方法は、円錐台形状の雄突起を有するロータと、対応する円錐台形状の雌穴とを設けるステップを含んでいる。ロータをシャフトと結合するために、最初にロータ突起がシャフト穴に挿入される。次いで、加圧された流体（水または油）を導管から穴に導入して同穴を拡張し、ロータ突起が完全に孔に貫通するようにする。最後に、シャフト穴を最初の寸法に戻し、穴の壁がロータ突起をブロックするようにする。

これは非常に複雑な方法であり、特別な機器の使用が必要である。さらに、これは、ターボ分子ポンプの分野での適用に、いくつかの理由で適さない。第1に、油または水が残っていると、真空下の環境が汚染される可能性がある。さらに、加圧した流体を導入するための導管があることで、シャフトの質量分布が不均衡となる可能性があり、ロータのきわめて高い回転速度を考慮すると、非常に深刻な結果につながりかねない。

欧州特許第1,621,774号には、金属製のシャフトに形成された雌穴内に導入され係止される雄突起が設けられたチタンアルミナイドのロータを備えたターボ圧縮機が開示されている。ロータとシャフトとの間の結合は、幾何学的干渉と、雄要素および雌要素のロウ付けとを組み合わせることで得られる。
しかし、このような方法はロウ付けのために不可逆であるという欠点を有しており、そのために欠陥品を再生することができない。さらに、この場合にも、ターボ分子真空ポンプへの適用が不可能であると思われる。なぜなら、自由に動くことができるロウ付け材料を導入し、そのために同材料がシャフトとロータとの間で無秩序に分布することで、質量分布の均一性が損なわれる可能性があり、このために、高い回転速度を考慮に入れると、ロータがきわめて高速で回転するときに、不均衡による結果が生じる可能性があるためである。

欧州特許第0773367号明細書 欧州特許第1484508号明細書 国際公開第2006／048379号パンフレット 英国特許第1,422,426号明細書 欧州特許第1,621,774号明細書

本発明の主な目的は、軽い材料、例えばアルミニウム合金で形成されたロータと、剛性材料、例えば鋼で形成されたシャフトとを備えた種類のロータアセンブリの製造方法を提供することであり、本方法は実施が容易であり、可逆性が高く、特性が向上したロータアセンブリを得ることを可能にする。
本発明の別の目的は、製造費用を削減できる、ロータアセンブリの製造方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、高い機械的特性を有し、3×10⁴rpmを超える速度で回転することができ、最大で約1×10⁵rpmで回転することができ、結果としてターボ分子真空ポンプに適用できるロータアセンブリの製造を可能にする方法を提供することである。

上述のおよび他の目的は、添付の特許請求の範囲に記載する方法により達成される。
本発明は、ロータアセンブリの製造方法と、この方法により作製されるロータアセンブリとに向けられている。本発明によれば、ロータとシャフトとの結合時に想定される唯一の熱処理は、鋼製のシャフトを加熱することであり、処理費用の削減につながる。
有利なことに、本発明によれば、ロータアセンブリの材料、および特にアルミニウム合金製のロータ本体の材料に加えられる応力レベルは、降伏点を少なくとも30％下回っている。

有利なことに、本発明の方法によれば、ロータと支持シャフトとを結合する工程は可逆性が高く、同ロータを冷却することにより行える。このようにして、結合ステップで整列誤差が生じた場合にロータおよび支持シャフトを再生することができるため、廃棄品の数が減り、その結果、製造費全体の削減につながる。

ターボ分子真空ポンプのロータアセンブリを示す。 別の実施形態にかかるターボ分子真空ポンプのロータアセンブリの詳細を示す。

以下では、本方法の好ましい実施形態のいくつかを、非限定的な例として、添付の図面を参照して説明する。
図1に、ロータ3および支持シャフト11を備えたロータアセンブリ1を示す。図の例はターボ分子ポンプに関するものであり、ロータ3は、ポンプの電動モータを収容するための中央の釣鐘形空洞5と、ポンピングステージを形成するためにポンプの固定部分に形成された対応するステータディスクと協働するための、複数の平行ロータディスク7とを含んでいる。

本発明によれば、ロータ3は、釣鐘形空洞5の内部に向かって中央を軸方向に延びる雄突起9をさらに含んでいる。図の例において、突起9は円筒状であるが、例えば円錐台形状などの異なる形状を有していてもよい。しかし、ロータアセンブリは支持シャフト11の軸S周りを、完全に整列した状態を維持しながら、非常な高速で回転するものであるため、突起が回転体の形状を有しており、ロータアセンブリの平衡を極力乱さないことが好ましいのは明らかである。

図1をさらに参照して、支持シャフト11はロータ3とシャフト結合するために結合端部13を有しており、この部分は実質的にカップ形状をしており、ロータ3の突起9を受けて、それと係合するための穴15を有している。図の例では、穴15も円筒形状を有している。
このような実施形態によれば、シャフト11およびロータ3の適切な相対的な軸方向の位置決めは、ロータ表面に対する、および図の例ではロータの釣鐘形空洞5の表面に対する、シャフト11の端部13の当接によって得られる。この目的のために、環状の当接座部（シート）17がロータ3の突起9の周りに設けられており、シャフト11の端部13の縁19がこのような座部に当接する。

有利なことに、本発明によれば、当接表面17および端部13の当接縁19の平滑度における誤差は10μm未満であるのが好ましく、それにより、より複雑で高価な方法を使った現在の解決手段によって実現できるよりも、より高い軸方向の位置決め精度を得ることができる。
図1をさらに参照して、本発明によれば、第1の本体は第1の材料によって用意される。雄軸方向突起9を有するロータ3は、好ましくは旋盤加工により、第1の本体から形成される。次いで、第2の本体が第2の材料から形成される。支持シャフト11は、好ましくは旋盤加工により、第2の本体から形成される。支持シャフト11は、雌穴15が設けられた端部13を有しており、当該穴の形状および寸法は、周囲温度において干渉のある状態で当該穴がロータ3の雄突起9を受けることができるものである。その後、ロータ3の雄突起9を雌穴15に導入するのに十分なように当該穴を拡大するため、端部13を加熱する。雄突起9は雌穴15に導入される。次いで、穴15の寸法が小さくなり、その結果、シャフト11とロータ3との間が固定的に干渉結合されるように、端部13を周囲温度に戻す。

本発明の方法は、当接表面17および端部13の縁19を平滑度誤差が10μm未満で形成する、対応するステップをさらに含んでいる。有利なことに、本発明によれば、このような特徴により、高い機械的特性を有する、すなわち3×10⁴rpmを超える速度で回転することができ、最大で約1×10⁵rpmで回転することができるターボ分子真空ポンプ用にロータを使用し、ロウ付けのような補助的な固定手段を使わずに形成することができる。

有利なことに、本発明によればさらに、ロータ3とシャフト11との軸方向の整列が当接表面17と当接縁19との間の軸方向の当接のみによって得られるのが好ましく、他方、隙間21が穴15と突起9の端表面との間に残される。このようにして、平滑度誤差を最小にするために処理すべき表面の範囲が減少する。これは、処理が、当接表面17および対応する当接縁19に限定されるためである。

図の例では、ターボ分子ポンプの分野が参照されており、ロータ3はアルミニウムまたはアルミニウム合金、より詳しくは2000または7000シリーズの合金で形成されており、シャフト11はステンレス鋼または鋼合金、より詳しくは300または400シリーズで形成されている。
ロータ3の突起9とシャフト11の穴15の壁との間に、結合を可能にするのに十分な遊びを得るために、一般に、ロータ3を約20℃の周囲温度に保ちながら、シャフト11を200℃のオーダーの温度に加熱すれば十分である。

これにより、多様な目的を実現することができる。第1に、単一の熱処理ステップが求められるだけであるため、処理が簡単になり、製造費が減少する。これは、高価な器具の使用が省かれるためでもある。第2に、アルミニウム合金のロータが熱処理を受けないため、その機械的な特性が影響を受けない。
上述したように、各旋盤加工ステップは、ロータ3の突起9を囲む当接表面17、およびシャフト11の端部13の当接縁19それぞれの平滑度を得るための仕上げステップを含むことが好ましく、それによりロータおよびシャフトの軸方向の相互の位置決めを最適化することができる。

実験により、本発明の教示により得られる、ロータとシャフトとの間の結合は可逆性が高いことが証明されている。実際、ステンレス鋼に対するアルミニウム合金のより高い熱膨張／収縮係数を利用すれば、干渉を除去し、ロータをシャフトから分離するために、ロータアセンブリを冷却すれば十分である。実験により、ロータをシャフトから分離するのに、120℃未満の温度差で十分であることが分かっている。このように、結合ステップ中の幾何学的な整列誤差の場合、ロータ3およびシャフト11を分離し再生することができ、廃棄する部品が出ない。

次に図2において、本発明の別の実施形態が示されており、ロータ3とシャフト11との結合をより容易にすることができる。
この別の実施形態によれば、ロータ3の突起9は一定の直径を有しておらず、突起9の基部（ベース）からの距離が大きくなるに従って、直径が順次小さくなる円筒部分9a、9bおよび9cを含んでいる。対応して、シャフト11の穴15は、穴15の底に向かう方向に直径が順次小さくなる、いくつかの円筒部分15a、15bおよび15cを含んでいる。

異なる部分9a、9b、9cと15a、15b、15cとの間の移行表面は、斜角を付ける、または傾斜させることができ、それにより、ロータ3とシャフト11との結合時に、突起9を穴15に挿入するための対応する隙間（ドラフト）領域が形成される。
上記記載から、本発明の方法により、回転機械、特にターボ分子真空ポンプ用のロータアセンブリの製造を、簡単で費用がかからず可逆的な仕方で製造できるという所望の目的が達成されることが明らかである。

また、上記記載は非限定的な例として示したのであり、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することなく、変更および改良が可能であることも明らかである。

Claims (16)

1. 回転真空ポンプ用のロータアセンブリ（1）の製造方法であって、
   第1の材料を用意するステップと、
   軸方向雄突起（9）を有するロータ（3）を、前記第1の材料から形成するステップと、
   第2の材料を用意するステップと、
   周囲温度で干渉を有する状態で前記ロータ（3）の前記雄突起（9）を受けるための形状および寸法の雌穴（15）が設けられた端部（13）を有する支持シャフト（11）を、前記第2の材料から形成するステップと、
   前記雌穴（15）に前記ロータ（3）の前記突起（9）を導入するのに十分なように前記穴（15）を拡張するために、前記端部（13）を加熱するステップと、
   前記雄突起（9）を前記雌穴（15）に導入するステップと、
   前記端部（13）を周囲温度まで冷却し、それにより、前記穴（15）の前記寸法を小さくし、その結果、前記シャフト（11）と前記ロータ（3）との間の固定的な干渉結合を得るステップとを含む、方法。
2. 前記端部（13）を加熱するステップが、前記ロータ（3）と前記シャフト（11）との間の干渉を減少させ、その結果、前記ロータ（3）を前記シャフト（11）から分離することができるものである、請求項1に記載の方法。
3. 前記ロータ（3）の前記雄突起（9）の周りに、当接表面（17）と、前記端部（13）の対応する当接縁（19）とを、10μm未満の平滑度誤差で形成するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
4. 前記第1の材料がアルミニウム合金である、請求項1に記載の方法。
5. 軸方向雄突起（9）を有するロータ（3）を形成する前記ステップを、旋盤加工により行う、請求項1に記載の方法。
6. 前記第1の材料を旋盤加工する前記ステップの後、前記突起（9）の基部を囲む環状の当接座部（17）の平滑度を得るために表面仕上げステップを行う、請求項5に記載の方法。
7. 前記ロータ（3）と前記シャフト（11）との間の軸方向の整列を、前記当接表面（17）と前記当接縁（19）との間の軸方向の当接のみによって得て、
   前記雌穴（15）の底と前記雄突起（9）の端表面との間に、隙間（21）が残される、請求項3に記載の方法。
8. 前記第2の材料が鋼または鋼合金である、請求項1に記載の方法。
9. 支持シャフト（11）を形成する前記ステップを旋盤加工によって行う、請求項1に記載の方法。
10. 前記第2の材料を旋盤加工する前記ステップの後、前記端部（13）の前記縁（19）の平滑度を得るために表面仕上げステップを行う、請求項9に記載の方法。
11. 前記端部（13）を加熱する前記ステップが、約200℃の温度に加熱することを含む、請求項10に記載の方法。
12. 前記雄突起（9）および前記雌穴（15）が円筒形状を有している、請求項1に記載の方法。
13. 前記雄突起の基部からの距離が大きくなるに従って、直径が順次小さくなる円筒部分（9a、9b、9c）が、前記ロータ（3）の前記雄突起（9）に形成され、
    前記穴の底に向かうに従って直径が順次小さくなる、対応する円筒部分（15a、15b、15c）が、前記雌穴（15）に形成されている、請求項1に記載の方法。
14. 請求項1ないし13のいずれか1項に記載の方法により製造されたことを特徴とする、真空ポンプ用のロータアセンブリ（1）。
15. 請求項14に記載のロータアセンブリを含むことを特徴とする、回転真空ポンプ。
16. 当該ポンプが、前記ロータが3×10⁴rpmを超える回転速度を有するターボ分子真空ポンプである、請求項15に記載の真空ポンプ。

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