JP2016075276A - 真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスクの製造方法及び真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク - Google Patents

Abstract

【課題】ローターディスク又はステーターディスクの製造の為の方法であって、当該方法によって、羽根のオーバーラップの最適化と、これに伴い圧縮性及び吸引能力の改善が可能であるという方法を提供する。更に、極めて良好な吸引能力と極めて良好な圧縮性を有するローターディスク又はステーターディスクを提供する。
【解決手段】真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスクを製造するための方法であって、その際、ローターディスク又はステーターディスクが、ディスク面に対して傾斜して形成された複数のチャネルの鋸挽きによって中実材料からなるブランクから製造される方法において、ブランク１１の少なくとも一つのディスク表面が、チャネルの鋸挽きの前に放射相称に曲げられて形成されることにより解決される。
【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスクの製造の為の方法と、真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスクに関する。

分子ポンプの成功しているタイプの多くは、複数の羽根が、高速回転する軸に座している担持リングに取り付けられているディスクを基礎としている。例えば、その内部においてローターディスク及びステーターディスクが交互に存在する、いわゆるターボ分子ポンプがその例である。羽根の形状は、ポンプの性能データと耐久性に大きな影響を有する。

多くの種類のローターディスク又はステーターディスクが先行技術から公知である。流布している構造は、製造の際に複数の半径方向スリットを有する円形のディスクが生じるようプレスされる薄板から成っている。当該半径方向スリットは、外側の部分にわたってのみ設けられている。スリットの間に存在する部分は、曲げられているつまり、ディスク面から外に出されているので、結果、複数の羽根が生じる。この解決策は、特許文献１に示されている。

特許文献２にはステーター羽根とローター羽根が形成されている摩擦真空ポンプが属する。ステーター羽根は、薄板から形成されている。これは、製造の際、内側から外側に向かって羽根は増加する高さを有するよう適当にねじられる（独語：ｇｅｓｃｈｒａｅｎｋｔ）。ローター羽根は、相応して適合されている。これによって、羽根の間の間隙は、一定かつ可能な限り小さい。

羽根のねじり（独語：Ｓｃｈｒａｅｎｋｅｎ）は、材料変化が引き起こされるというデメリットを有する。これは、羽根の安定性を著しく制限する。

特に真空ポンプ、例えば極めて高い回転数を有するターボ分子ポンプにおいては、これによってしばしば問題が生じる。というのは、薄板が極めて薄く形成されているからである。これによって、ディスクは高速回転にさらされることが出来ない。というのは、羽根の基礎において材料負荷が高すぎるからである。

実践から、ローターディスク又はステーターディスクにおいて、個々の羽根の間のオーバーラップの度合と、これに伴い、いわゆる光学的な稠密性（独語：Ｄｉｃｈｔｈｅｉｔ）を調整するために、羽根角度が変更されることも公知である。ディスク表面は、その際、互いに面平行に整向されている。製造の為のこのような技術的可能性は、多くの場合、羽根角度の変更を制限するので、羽根は、その内直径部においてもう一度オーバーラップを行い、そして外直径部においてはもはや光学的に稠密（独語：ｄｉｃｈｔ）でない。ここでの不利益は、ディスクの外直径部において光学的な稠密性を達成するために、羽根角度が、外側で極めてフラットに選択される必要があるということであり、このことは、開かれた構造を小さくし、そしてこれに伴い吸引能力を制限する。

実践から公知の流布している解決策（ディスクを中実材料から、ディスク面に対して傾斜して形成されたチャネルを鋸挽きすることによって製造する解決策）は、製造可能な形状が、ツールによって制限されるという欠点を有する。例えば、羽根基礎において、急角度の迎角（独語：Ａｎｓｔｅｌｌｗｉｎｋｅｌ）をつくりだすのは困難である。というのは、その際、鋸が羽根の外側部材と接触するからである。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００ ５２ ６３７号明細書 ドイツ連邦共和国実用新案第２９７ １５ ０３５号明細書

本発明が基礎とする技術的課題は、ローターディスク又はステーターディスクの製造の為の方法であって、当該方法によって、羽根のオーバーラップの最適かと、これに伴い圧縮性及び吸引能力の改善が可能であるという方法を提供することである。更に、極めて良好な吸引能力と極めて良好な圧縮性を有するローターディスク又はステーターディスクが提供されるべきである。

この技術課題は、請求項１に記載の特徴を有する方法及び請求項７に記載の特徴を有するローターディスク又はステーターディスクによって解決される。

真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスクの製造の為の発明に係る方法であって、その際、ローターディスク又はステーターディスクが、中実材料からなるブランクから、ディスク面に対して傾斜して形成されたチャネルの鋸挽きによって製造される方法は、ブランクの少なくとも一つのディスク表面が、チャネルの鋸挽きの前に放射相称に曲げられて形成される点において際立っている。

当該実施形によって、例えばローターディスク又はステーターディスクを凸面球状に実施することが可能である。放射相称である曲率によって、羽根のオーバーラップを最適化することが可能である。オーバーラップは、正であることも、「ゼロ」であることも（つまり軸方向でみてディスクがぎりぎり光学的に稠密であることも）、負であることも（つまり軸方向観察において、所定の間隙が羽根の間に存在することも）可能である。

本発明の有利な実施形に従い、両方のディスク表面は放射相称に曲げられて形成されている。この実施形は、ステーターディスク又はローターディスクの羽根形状が要求される要求に応じて形成されている、つまり正のオーバーラップを有して、負のオーバーラップを有して、又は「ゼロ」のオーバーラップを有して形成されていることが可能であるというメリットを有する。

既に説明したように、ディスク表面は凸面球状に形成されていることが可能である。しかしまた、ディスク表面を凹面球状に実施する可能性も存在する。この実施形の選択は、同様に、最終的なディスク形状又はオーバーラップがどのように形成されるべきであるかにも依存する。

本発明の別の実施形は、少なくとも一つのディスク表面が、一つの半径を有する曲率、または複数の半径を有する曲率を有することを意図する。これによっても、望まれるディスク形状を得ることが可能となる。例えば、球性によってディスクのオーバーラップの度合が調整可能である。その際、ここで球性は、ディスクが正の領域の所望のオーバーラップ、負の領域のオーバーラップ、または「ゼロ」のオーバーラップを有するよう選択される。

本発明の別の有利な実施形に従い、ステーターディスクの外直径部に段状部が設けられている。この段状部は、ディスクが、外直径部におけるその厚さと無関係に、真空ポンプ内部のスペーサーリングの間に配置されることが可能であることに役立つ。

本発明の別の有利な実施形は、ステーターディスクの外直径部においてディスク部分が、凸面球状または凹面球状のディスク部分よりも薄い又は厚い厚さを有することを意図する。これによっても、羽根を内直径部においてのみ光学的に稠密であり、しかし外直径部においては光学的に透過性であるか、またはこの逆であるよう形成することが可能とされる。

本発明の別の実施形に従い、ローターディスク又はステーターディスクの厚さは、ブランク内で内側から外側に向かって減少するよう形成されている。本発明の別の実施形に従い、ローターディスク又はステーターディスクの厚さは、ブランク内で内側から外側に向かって増加するよう形成されている。内側から外側に向かって増加するよう形成されているとき、羽根角度を考慮せずとも、軸方向での光学的な稠密性のもと外側に向かって開かれた構造が生じる。

内側、つまり軸の近傍、および外側、つまりスペーサーリングの方向のブランクの厚さの他に、半径、例えば凸面状または凹面状の球性の半径も、羽根のオーバーラップに影響を与えるファクターである。

本発明の別の有利な実施形に従い、ブランクはハイスピードカッティング（高速切削、英語：Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ−Ｃｕｔｔｉｎｇ）によって処理される。ハイスピードカッティングにおいて、材料は除去される、つまりチャネルがブランク内に形成され、その際圧力はブランクに及ぼされない。これは、最終的に製造されるステーター羽根又はローター羽根の強度が減少されないというメリットを有する。

真空ポンプの為の発明に係るローターディスク又はステーターディスクであって、その際、ローターディスク又はステーターディスクが中実材料からなるブランクから、ディスク平面に対して傾斜して形成される複数のチャネルの鋸挽きによって作られるものは、ブランクの少なくとも一つのディスク表面が、複数のチャネルの鋸挽きの前に放射相称に曲げられて形成されている点において際立っている。

ローターディスク又はステーターディスクのこの態様によって、羽根角度に拠らず、羽根のオーバーラップが最適化される。オーバーラップは、正であることも、「ゼロ」であることも、負であることも可能である。

本発明の別の有利な実施形に従い、両方のディスク表面が放射相称に曲げられて形成されている。これは、ディスクの軸方向でみて、ディスクの両側面が曲げられて形成されていることを意味する。ディスク表面は、鏡面対称の曲率を有することが可能である。しかしまた、両方のディスク表面の曲げを異なって形成することも可能である。例えば、一方の面が、凸面球状、そして他方の面が凹面球状に形成されていることが可能である。

本発明の別の有利な実施形に従い、少なくとも一つのディスク表面が、凸面球状又は凹面球状に形成されていることが可能である。この実施形によって、羽根のオーバーラップが、完成されるディスクの要求に応じて選択されることが可能である。

本発明の別の有利な実施形に従い、少なくとも一つのディスク表面が、一つの半径を有する曲率又は複数の半径を有する曲率を有することが可能である。これによっても、オーバーラップの度合が選択されることができ、そして吸引能力がディスクの要求に関して最適化されることができる。

本発明の特に有利な実施形に従い、ステーターディスクの外直径部に段状部が設けられている。この段状部は、ポンプのスペーサーリングの間にステーターディスクを厚さによらず収容することを保証する。

本発明の別の実施形に従い、ステーターディスクの外直径部分におけるディスク部分が、凸面球状または凹面球状のディスク部分よりも薄いまたは厚い厚さを有する。これによっても、例えば羽根を、外側でのみ光学的に稠密であり、しかし内側では光学的に透過性であるよう形成することが可能であり、または羽根を内側でのみ光学的に稠密で、かつ外側では光学的に透過性であるよう形成することが可能である。

「内側」は、ディスクの内直径部の方向を意味し、「外側」はディスクの外直径部の方向を意味する。

本発明の可能な実施形に従い、ローターディスク又はステーターディスクの厚さは、ブランク内で内側から外側に向かって減少するよう形成されている。ローラーディスク又はステーターディスクの厚さがブランク内で内側から外側に向かって増加するよう形成されている可能性も存在する。これによって、例えば羽根角度を考慮することなく、外側に向かって開かれた構造が、軸方向における光学的な稠密性のもと生じる。

本発明の特に有利な実施形に従い、ステーターディスク又はローターディスクが、ハイスピードカッティングによって処理されたステーターディスク又はローターディスクとして形成されている。ハイスピードカッティングは、チャネルの形成の為の材料を圧力の無い状態で除去するので、ワークピースは決して応力などにさらされない。そしてこれによって完成したステーターディスク又はローターディスクは特に高い安定性を有する。

本発明の好ましい実施形に従い、ステーターディスク又はローターディスクは、チャネルの鋸挽き（独語：Ｅｉｎｓａｅｇｅｎ）の後、０から−０．２の間の指数（独語：Ｋｅｎｎｚａｈｌ）を有する。この場合、ディスクは光学的に稠密に形成されている。これらディスクは、極めて良好な圧縮性を有している。

本発明の別の有利な実施形に従い、ディスクは完全に光学的に稠密に形成されている。これによっても、ディスクは極めて良好な圧縮状況を図る。

別の有利な実施形に従い、ディスクは外直径部又は内直径部において光学的に稠密に形成されている。これによって、適用種別に応じて、極めて良好な吸引能力が図られる。

ローターディスクが、外直径部において、内直径部よりも厚い厚さを有し、そして外直径部の厚さが、内直径部の厚さから著しく異なっているとき、これは、外直径部における重量集中による高い遠心力に基づいて強度問題に通じる。ステーターディスクが、記載した球状の形状を有し、そしてローターディスクが相応して凹面状に形成されるとき、ローターディスクにおいて外側に向かって光学的に開かれた構造が生じる。ローター羽根が、外側に向かって薄く、よって軽量となるので、ローターディスクに係る遠心力は同じ回転数において減少する。代替としてローターディスクはより高速に回転することが可能である。その際、ディスク材料は当初の程度を越えて負荷を受けることが無い。これは圧縮性および吸引能力を向上させるので、場合によっては開かれたローターディスク構造によって発生するこれらの値の減少が相殺され、または減少されさえする。

本発明の更なる特徴及びメリットは、添付の図面に基づいて生じる。図面中には、ステーターディスクまたはローターディスクの複数の実施例が規範的にのみ表されている。図は以下を示す。

発明に係るディスクブランクの上面図。 図１ａの線Ｉ−Ｉに従う断面図。 ステーターディスクの上面図。 図２ａの線ＩＩ−ＩＩに従う断面図。 変更された実施例。 ローターディスクの上面図。 図４の線Ａ−Ａに従う断面図。 ローターディスクの側面図。 ローターディスクの上面図。 図７の線Ｂ−Ｂに従う断面図。 図７の線Ｃ−Ｃに従う断面図。 図７の線Ｄ−Ｄに従う断面図。 ターボ形状の開口性を決定するための導出のための図。 ステーターディスクの変更された実施例の上面図。 図１２ａの線ＸＩＩ−ＸＩＩに従う断面図。

図１ａおよび図１ｂは、ステーターディスク１の為のブランク１１（独語：Ｒｏｈｌｉｎｇ）を示す。これは、凸面球状に形成されている。最も厚いディスク厚さは、外直径部３に位置している。内直径部２において、ブランク１１は厚さｈ１を有する。外直径部３においてブランク１１は厚さｈ２を有する。

ブランク１１は凸面球状の形状を有している。ステーター羽根又はローター羽根の為のチャネルを形成する前に、ブランク１１は、最終的な凸面球状の形状に形成される。つまり、ブランク１１はステーター羽根又はローター羽根の為のチャネルの形成の前に、最終的に仕上げられたステーターディスク又はローターディスクが有する外輪郭を有する。

ブランク１１は、ステーター羽根又はローター羽根の為のチャネルの形成の前に、最終的な凸面球状の形状に形成されている凸面球状のブランクから形成される。つまり、ブランク１１は、ステーター羽根又はローター羽根の為のチャネルの形成の前に、最終的に仕上げられたステーターディスク又はローターディスクが有する外輪郭を有する。

厚さｈ１およびｈ２と凸面の球性の半径Ｒの実施形に応じて、羽根角度と関係なく羽根のオーバーラップが最適化されることが可能である。オーバーラップは、正である事も可能であるし、「ゼロ」であることも可能であるし（軸方向でみてディスクがぎりぎり光学的に稠密）、又は負であることも可能である（軸方向観察の際に羽根の間に所定の間隙）。

ｄ１は、ディスクの内直径部の直径を決定する。直径ｄ２まで、ディスクは面平行に形成されている。直径ｄ２とｄ３の間では、ディスク１は、放射相称である半径Ｒの曲率を有する。直径ｄ３とｄ４の間では、ディスクは再び面平行に形成される。これは例えばターボ分子ポンプのスペーサーピース（図示せず）の間に収容されるためである。

これによって外側でも羽根角度を考慮せずとも、軸方向の光学的な稠密性のもと開かれた構造が生じる。

厚さ及び半径の選択によって羽根を、外側のみで光学的に稠密であり、しかし内側では光学的に透過性であるよう形成することが可能である。同様に、羽根を内側のみ光学的に稠密であり、しかし外側では光学的に透過性に形成することも可能である。

図１ａは、ディスクブランク１１を示す。ディスクブランク１１は、鋸処理部の収容の為に中央に孔部を有している。

図２ａおよび２ｂは、内直径部２および外直径部３及び羽根４を有するディスク１の上面図を示す。ステーターディスク１は、軸方向の視線方向で完全に光学的に稠密に形成されている。つまり図２ａの図面平面内の視線方向では複数の羽根４が外直径部３までオーバーラップしている。

図３は、ステーターディスク５の部分断面図を示す。ステーターディスク５は、ここでもまた半径Ｒの凸面球状の断面を有する。ステーターディスク５の外直径部３には、段状部が設けられている。ステーターディスク５を真空ポンプ（図示せず）のスペーサーリング（図示せず）の間に配置するため、段状部は面平行に形成されている。真空ポンプ内でステーターディスクが、ステーターディスク５の形成に従い、説明した球状の形状を有して形成されていると有利である。ローターディスクは、相応して凹面状に形成されていることが可能であるので、ローターディスクにおいて、外側に向かって光学的に開かれた構造が生じる。ローター羽根は、外側に向かって薄く、よって軽量に成るので、同じ回転数のもとではローターディスクへの遠心力は小さくなる。代替として、ディスク材料に当初の程度を越えて負荷を与えることなく、ローターディスクがより高速で回転することが可能である。これは、圧縮性と吸引能力を高めるので、場合によってはローターディスク構造によって発生するこれらの値の低下が、開かれた相殺され、または減少されさえする。

凹面球状の形状においても、ブランクはその完全な形状において凹面球状に製造される。この製造の後、ステーターディスク又はローターディスクの形成の為のチャネルのみが更に形成される。

図４は、複数の羽根８を有するローターディスク７を示す。外直径部３の領域内には、複数の羽根８のオーバーラップは設けられていない。羽根８は、ここでは光学的に稠密で無い。内直径部２の方向では、複数の羽根８がオーバーラップし、そしてローターディスクは光学的に稠密である。

図５は、ローターディスク７の断面を示す。図５には、ローターディスク７が凸面球状の形状を有することが見て取れる。この形状は、ローターディスク７の為のブランクにおいて、チャネル９（図４）が形成される前に予め与えられたものである。

図６は、ローターディスク７を示す。個々でもまた、ローターディスク７の凸面球状の形状が見て取れる。

図７は、複数の羽根４を有する別のローターディスク１０を示す。羽根４は、外直径部の領域において光学的に透過性に互いに配置されている一方で、内直径部２の方向で光学的に稠密に形成されている。

図８，９および１０は、図７の線Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ、Ｄ−Ｄに沿った断面を示す。ステーターディスク１０の凸面球状の形状が見て取れる。

図１１は、二つのステーター羽根又はローター羽根４を示す。これらは開口角度αを有している。羽根の長さは、参照符号ｂを付されている。羽根の高さｈは符号ｈである。

羽根の幅は長さＳＤである。

羽根の開口性は、以下のように決定される。

開口性は、アクティブなローター構造によって少なくとも一重に覆われていないｄ（軸方向で「透明な」部分の）面積／経路の、ローター構造によって塗りつぶされた全経路／面積に対する比率として定義される。値が負である限り、経路／面積の部分は、一重のみならず、隣接位置する二つのローター羽根によって二重に覆われる。

光学的な稠密性は、可能な全ての直径における開口性が「ゼロ」以下である場合に生じる。しかしまた、その際、部分と製造公差も考慮にいれられるべきであるので、確実に製造可能である光学的な稠密性は、「ゼロ」よりもわずかに小さな値において初めて生じることが可能である。

本発明は、ステーターディスク５またはローターディスク７，１０が完全に閉じられたディスクとして旋盤によって製造される（独語：ｇｅｄｒｅｈｔ）点で際立っている。引き続いて、球状の形状、例えばステーターディスク５又はローターディスク７，１０の凸面球状又は凹面球状の形状が作りだされるとき、チャネル９は鋸で引くこと（独語：Ｓａｅｇｅｎ）、例えばハイスピードカッティングによってディスク５，７，１９内に形成される。

図１２ａおよび１２ｂは、複数の羽根４を有するステーターディスク５を示す。羽根４は、外直径部においてオーバーラップしていない。内直径部２においては、羽根はわずかにオーバーラップしている。

ディスク５は、図１２ａおよび１２ｂに従い、光学的に透過性である。

１ ステーターディスク
２ 内直径部
３ 外直径部
４ 羽根
５ ステーターディスク
６ 段状部
７ ローターディスク
８ 羽根
９ チャネル
１０ ローターディスク
１１ ブランク
１２ ディスク表面
１３ ディスク表面
ｈ１ 厚さ
ｈ２ 厚さ
Ｒ 半径
ｄ１ 直径
ｄ２ 直径
ｄ３ 直径
ｄ４ 直径
ｂ 羽根長さ
ｈ 羽根高さ
Ｓ 羽根間隔
ＳＤ 羽根幅

Claims (15)

1. 真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスクを製造するための方法であって、その際、ローターディスク又はステーターディスクが、ディスク面に対して傾斜して形成された複数のチャネルの鋸挽きによって中実材料からなるブランクから製造される方法において、ブランク（１１）の少なくとも一つのディスク表面が、チャネル（９）の鋸挽きの前に放射相称に曲げられて形成されることを特徴とする方法。
2. 両方のディスク表面（１２，１３）が、放射相称に曲げられて形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも一つのディスク表面（１２，１３）が、凸面球状又は凹面球状に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 少なくとも一つのディスク表面（１２，１３）が、一または複数の半径を有する曲率を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. ステーターディスク（１，５）の外直径部（３）において、ディスク部分が、凸面球状又は凹面球状のディスク部分よりも薄い又は厚い厚さを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ブランク（１１）が、ハイスピードカッティングによって処理されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスクであって、ローターディスク又はステーターディスクが、ディスク面に対して傾斜して形成されるチャネルの鋸挽きによって中実材料から成るブランクから製造されるものにおいて、ブランク（１１）の少なくとも一つのディスク表面（１２，１３）が、チャネル（９）の鋸挽きの前に放射相称に曲げられて形成されていることを特徴とするローターディスク又はステーターディスク。
8. 両方のディスク表面（１２，１３）が、放射相称に曲げられて形成されていることを特徴とする請求項７に記載の真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク。
9. 少なくとも一つのディスク表面（１２，１３）が、凸面球状又は凹面球状に形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク。
10. 少なくとも一つのディスク表面（１２，１３）が、一つの半径（Ｒ）を有する曲率、又は複数の半径を有する曲率を有することを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク。
11. ステーターディスク（５）の外直径部（３）において、ディスク部分が、凸面球状又は凹面凹面球状のディスク部分よりも薄いまたは厚い厚さを有することを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載の真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク。
12. ステーターディスク又はローターディスク（１，５，７，１０）が、ハイスピードカッティングによって処理されたステーターディスク又はローターディスク（１，５，７，１０）として形成されていることを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク。
13. ローターディスク（７，１０）又はステーターディスク（１，５）が、チャネルの鋸挽きの後、０．００から−０．２０の間の指数を有することを特徴とする請求項７から１２のいずれか一項に記載の真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク。
14. ディスク（１，５，７，１０）が完全に光学的に稠密に形成されていることを特徴とする請求項７から１３のいずれか一項に記載の真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク。
15. ディスク（１，５，７，１０）が、外直径部（３）において、または内直径部（２）の方向において光学的に稠密に形成されていることを特徴とする請求項７から１４に記載の真空ポンプの為のローターディスク又はステーターディスク。

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