JP2021513029A - 強化された真空システム部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、真空ポンプのロータアセンブリを提供する。ロータアセンブリは、ハブと、１又は２以上の動翼配列とを含み、各動翼配列は、少なくとも１つの動翼を含み、各動翼は、ハブに隣接する動翼根元から動翼先端に延び、各動翼は、連続繊維強化マトリクス材を含む。さらに、本発明は、動翼の設計及び製造方法、並びに連続繊維強化マトリクス材を含む部品を有する真空システムも提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、真空システム、特に１又は２以上の部品が連続繊維強化マトリクス材（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｆｉｂｒｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｍａｔｒｉｘ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含む真空システム、具体的には真空ポンプのロータアセンブリに関する。さらに、本発明は、動翼、並びに真空システム及びその部品の製造方法にも関する。

一般に、ターボ分子ポンプは、複数の軸方向に離間して傾斜した動翼の環状配列を有するロータを含む。翼は、各配列内で規則的に間隔を空け、中心シャフトから半径方向外向きに延びる。ポンプのステータは、ロータを取り囲み、動翼の配列と軸方向に交互する傾斜した静翼の環状配列を含む。各隣接する動翼配列と静翼配列の対は、ターボ分子ポンプの段を形成する。ロータが回転すると、流入する気体分子に動翼が影響を与え、翼の機械的エネルギーを、ポンプ入口から段を通じてポンプ出口に向かう気体分子の運動量に移行させる。

一般に、ターボ分子ポンプのロータは、翼がシャフトと一体化されたチタン合金などの単一金属構造として製造される。

しかしながら、全てのタイプの真空ポンプにわたり、ロータ速度を高めてランニングコストを抑えることが今もなお必要とされている。

これまで、典型的な付加製造法に関連する本質的限界によって、付加製造法の真空ポンプへの適用性、特に結果として得られる部品の強度及び耐久性に限りがあった。

例えば、溶融フィラメント製法（Ｆｕｓｅｄ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ：ＦＦＦ）では、部品が低強度を示すようになる。一方で、シートベースの方法（ｓｈｅｅｔ−ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ）を使用して３次元部品を形成するプリプレグ複合工法（ｐｒｅｐｒｅｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ）は、時間が掛かるとともに取り扱いが困難であり、費用が高くなってしまう。さらに、このようなシートを曲線の周囲で曲げると、繊維の重なり、崩れ及び／又は変形が発生して、結果として得られる真空部品に望ましくない軟点（ｓｏｆｔ ｓｐｏｔｓ）が生じる恐れがある。

国際公開第２００７／０１５０５６号 国際公開第２００８／１２９３１７号 国際公開第２００７／０６８９７３号 国際公開第２００８／０３５１１２号

従って、コストを削減して動作速度を高める新たな部品及び製造方法が今もなお必要とされている。

本発明は、先行技術のこれらの及びその他の問題点に少なくともある程度まで対処しようとするものである。

従って、本発明は、第１の態様では、真空ポンプのロータアセンブリであって、ハブと、１又は２以上の動翼配列とを含み、各動翼配列が、ハブに隣接する動翼根元から動翼先端に延びる少なくとも１つの動翼を含むロータアセンブリを提供する。動翼は、連続繊維強化マトリクス材と、前記動翼から前記動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維とを含む。

本発明によるロータアセンブリは、既知のロータアセンブリよりも軽量、高速、安価であることができる。場合によっては、切り欠き、空洞及びその他の軽量化戦略の必要性が低減又は排除される。

通常、ロータアセンブリは、複数の動翼配列を含む。動翼配列は、１又は２以上の、通常は２又は３以上の動翼を含むことができる。アセンブリが複数の配列を含む場合、及び／又は配列が複数の動翼を含む場合、通常、全ての動翼は、その動翼からその動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維を含む。

ハブは実質的に環状とすることができ、そこから半径方向に動翼が延びる。

ハブは、真空ポンプのロータシャフトと一体に形成することができる。或いは、一連のロータアセンブリを順に配置し、隣接するハブを互いに結合してロータシャフトを形成することもできる。

実施形態では、連続繊維が動翼からロータシャフトに延びることができる。

強化用連続繊維のタイプ及び／又はレイアップ（ｌａｙ−ｕｐ）は、動翼根元と動翼先端との間で変化することが好ましい。通常、連続繊維のタイプ及び／又はレイアップは、動翼根元と動翼先端とでは異なる。

ロータアセンブリは、ターボ分子ポンプのためのものとすることができ、環状ハブと、１又は２以上の実質的に環状の動翼配列とを含み、各動翼配列は、それぞれがハブに隣接する動翼根元から動翼先端に半径方向に延びる複数の実質的に同一の動翼を含み、各動翼は、連続繊維強化マトリクス材と、前記動翼から前記動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維とを含む。

ロータアセンブリは、ルーツ型ロータアセンブリとすることもできる。ルーツ型ロータアセンブリは、一連の段の形態の複数のロータ配列を含むことができる。通常、各ルーツ型ロータ段は、ハブに隣接する動翼根元から動翼先端に半径方向に延びる、ローブとも呼ばれる２〜５個の動翼を含む。ハブは、ロータシャフトから分離することも、又はロータシャフトと一体に形成することもできる。或いは、隣接する段のハブを接合してロータシャフトを形成することもできる。各動翼は、連続繊維強化マトリクス材と、前記動翼（又はローブ）から前記動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維とを含む。国際公開第２００７０１５０５６号には、本発明を採用するのに適したルーツ型真空ロータアセンブリが開示されており、この文献は引用により本明細書に組み入れられる。

ロータアセンブリは、ノーシー（又はクロー）型ロータアセンブリとすることができる。ノーシー型ロータアセンブリは、一連の段の形態の複数のロータ配列を含むことができる。通常、各ノーシー型ロータ段は、ハブに接触する動翼（又はクロー）根元から動翼（又はクロー）先端へと半径方向に延びる、クローとも呼ばれる単一の動翼を含む。ハブは、ロータシャフトから分離することも、又はロータシャフトと一体に形成することもできる。或いは、隣接する段のハブを接合してロータシャフトを形成することもできる。各動翼は、連続繊維強化マトリクス材と、前記動翼（クロー）から前記動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維とを含む。国際公開第２００８１２９３１７号には、本発明を採用するのに適したノーシー型真空ロータアセンブリが開示されており、この文献は引用により本明細書に組み入れられる。

本発明によるロータアセンブリは、１又は２以上のノーシー型ロータ配列、及び１又は２以上のルーツ型ロータ配列の両方を含むことができる。

或いは、ロータアセンブリは、ねじポンプのロータアセンブリとすることもできる。このロータアセンブリは、一連の段の形態の雄ねじ付き動翼配列を含む。通常、各ねじポンプロータ段は、ハブから延びる単一の動翼を含む。ロータは、テーパ状とすることができる。通常、ねじ山のピッチは、ポンプの流体入口から流体出口にかけて次第に増加することができる。ハブは、ロータシャフトから分離することも、又はロータシャフトと一体に形成することもできる。或いは、隣接する段のハブを連結してロータシャフトを形成することもできる。各動翼は、連続繊維強化マトリクス材と、前記動翼から前記動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維とを含む。国際公開第２００７０６８９７３号には、本発明を採用するのに適したねじポンプロータアセンブリが開示されており、この文献は引用により本明細書に組み入れられる。

或いは、ロータアセンブリは、シーグバーン型ポンプ機構などのドラッグポンプのためのものとすることもできる。各ロータは、ドライブシャフトの形態の、ハブから外向きに延びる平面的な円盤状の動翼を含むことができる。各動翼は、連続繊維強化マトリクス材と、前記動翼から前記動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維とを含む。国際公開第２００８０３５１１２号には、本発明を採用するのに適したシーグバーン型ロータアセンブリが開示されており、この文献は引用により本明細書に組み入れられる。

実施形態では、動翼根元及び／又は動翼先端が、動翼本体の残り部分よりも高い引張強度及び／又は曲げ強度及び／又はクリープ抵抗及び／又は弾性歪み制御を有する。

これに加えて、これとは別に、ハブ及び動翼は、それぞれ実質的に同様又は同一のマトリクス材を含むことができ、各動翼は、この動翼からこの動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維を含む。

連続繊維強化マトリクス材は、溶融フィラメントマトリクスを含むことが好ましい。連続繊維強化マトリクス材は、溶融複合フィラメント及び溶融フィラメントマトリクスを含むことが好ましい。複合フィラメント及びマトリクスフィラメントは、プリントされることが好ましい。誤解を避けるために、複合フィラメント及び／又は溶融フィラメントは、本出願の他の箇所で説明するようなものとすることができる。

本発明の実施形態では、各動翼が、格子コア、典型的には付加製造された格子コア、好ましくは３Ｄプリントされた格子コアを含むことができる。

本発明は、ドラッグポンプと、ターボ分子ポンプと、ねじポンプと、ルーツ型及び／又はノーシー型ロータ配列を含む機械式ポンプとをさらに含む。

本発明は、さらなる態様では、真空ポンプの動翼アセンブリの製造方法であって、各動翼アセンブリは、ハブに隣接する動翼根元から動翼先端に延びる少なくとも１つの動翼を含み、動翼は連続繊維強化マトリクス材を含み、方法は、動翼を形成するために連続複合フィラメント及びマトリックスフィラメントを溶融させるステップを含み、各動翼の少なくとも１つの強化用連続繊維は、動翼から動翼根元に直接隣接するハブの部分に延びるように配置される、方法を提供する。このように製造されるロータアセンブリは、先の態様に従うことができる。

本発明は、別の態様では、連続繊維強化マトリクス材を含む単一構造の部品を含む真空システムであって、部品の第１の部分内の強化用連続繊維のタイプ及び／又はレイアップが部品の第２の部分のものと異なる真空システムを提供する。通常、強化用連続繊維のレイアップ及び／又はタイプは、第１の部分の少なくとも１つの機械的特性が第２の部分の機械的特性と異なるようなものである。

この部品は、第３の部分をさらに含むことができ、第３の部分の強化用連続繊維のタイプ及び／又はレイアップは、同じ部品の第２の部分及び第１の部分と異なり、この結果、個々の部品の第３の部分の少なくとも１つの機械的特性が同じ部品の第１及び第２の部分のいずれの機械的特性とも異なることが好ましい。

この部品は、使用時には真空システムの動翼などの可動部であることができる。通常、この部品は付加製造される。

通常、個々の部分（例えば、第１の部分及び／又は第２の部分及び／又は第３の部分）は、単一の連続繊維を含む。個々の部分は、単一の連続繊維によって強化された部品の異なる部分によって定めることができる。或いは、単一部品が単一の連続繊維を含むこともできる。従って、実施形態では、連続繊維が、第１の部分、第２の部分及び任意の第３の部分を強化することができる。

連続繊維は、典型的には０．２ｍｍ〜１０ｍｍの長さを有する短繊維（ｃｈｏｐｐｅｄ ｆｉｂｒｅｓ）とは異なる。通常、本発明による部品内の連続繊維は、少なくとも０．５ｍの、好ましくは約１ｍ〜約５０ｍの長さを有する。正確な長さは、部品のサイズ及び部品内の連続繊維の特定のレイアップに依存する。通常、連続繊維は、約０．５ｍｍ〜約１．２ｍｍの、好ましくは約０．８ｍｍ〜約１ｍｍの幅及び／又は直径を有する。繊維が、複合フィラメントである場合、例えばプラスチックシェル内の強化用連続繊維を予湿材料（ｐｒｅ−ｗｅｔｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）で取り囲むことによって繊維の半径を増加させることができる。従って、複合フィラメントは、約０．５ｍｍ〜約１．５ｍｍの、好ましくは約１ｍｍ以上の半径を有することができる。

この部品を製造するために使用されるいずれかの３次元プリントシステムには、切断機構を含めることが望ましいと考えられる。所望の材料長さを堆積させるために、このような切断機構を使用して選択的な終端部をもたらすことができる。そうでなければ、使用時に、例えば連続コアなどの堆積ヘッド内の材料に依然として堆積材料が接続されていることによってプリントプロセスを容易に終了できない恐れがある。

第１の部分は、例えば部品の周辺縁部に沿って延びるように部品の縁部に及び／又は部品の縁部に直接隣接して位置することも、或いは同じ部品の第１の表面と第２の表面との交点に位置することもできる。第１の部分は、交点に位置する時には交点を横切ることができる。

第２の部分は、同じ部品の別の縁部及び／又は別の交点に位置することができる。或いは、第２の部分は、周辺端部などの縁部と交点との間に延びる部品の本体部分とすることもできる。

通常、この部品は可動部品であり、使用中、第１の部分は部品の相対的に高い応力部分であり、第２の部分は部品の相対的に低い応力部分である。第３の部分は、同じ部品の相対的に中間の応力部分、或いは同じ部品の相対的にさらに高い応力部分、又は相対的にさらに低い応力部分とすることができる。

実施形態では、第１の部分が部品の周辺端部に配置される。

第１の部分及び第２の部分は、接触又は分離することができる。同様に、第３の部分は、第１及び／又は第２の部分のいずれかに接触し、或いは第１及び／又は第２の部分のいずれかから分離することができる。

本発明における強化用繊維のタイプとは、例えば繊維の断面の形状及び／又はサイズなどの繊維の幾何学的形状を意味することができる。これに加えて、又はこれとは別に、強化用繊維のタイプは、例えばポリマー繊維、炭素繊維、金属繊維又はガラス繊維などの、繊維を形成する材料を意味することもできる。従って、個々の部品は、第１の材料を含む連続繊維を含む第１の部分と、第２の材料を含む連続繊維を含む第２の部分と、任意に第３の材料を含む連続繊維を含む第３の部分とを有することができ、第１、第２及び第３の材料はそれぞれ互いに異なる。

本発明における強化用連続繊維のレイアップとは、マトリクス内の繊維の位置を意味し、繊維方向及び／又は繊維密度及び／又は繊維パターンを様々に意味することができる。従って、部品の第１の部分の繊維密度及び／又は方向及び／又は繊維パターンは、同じ部品の第２の部分の繊維密度及び／又は方向及び／又はパターンと比べて異なることができる。部品の第１の部分は、第２の部分よりも高い繊維密度を有することができる。実施形態では、第２の部分に連続繊維強化材が実質的に存在しないこともできる。これに加えて、又はこれとは別に、個々の部品内に第１のレイアップを有する複数の部分と第２のレイアップを有する複数の部分とが存在することもできる。個々の部品は、第３の又はさらなるレイアップを有する１又は２以上の領域を含むこともできる。通常、繊維密度は、使用中に最も高い応力を受けると判断される部品の量において最も高くなる。

連続繊維強化材は、部品の所定の領域内に配置されて、例えば強度、剛性、クリープ抵抗、高温安定性及び疲労抵抗などのその領域の機械的特性を強化することができる。繊維の戦略的な位置決め及び層化は、従来の複合材料又は基本高分子と比べてコスト、重量及び材料使用量を低下させる。

通常、動翼の疲労寿命は、製品の寿命期間中の疲労破壊を防ぐのに十分なものとされる。疲労寿命は、各サイクルが真空ポンプをゼロから全速まで高めて戻すことを含む２０，０００回の疲労サイクルを上回ることが好ましい。

通常、動翼のクリープ抵抗は、インペラが１０年間動作できて０．５ｍｍを上回るクリープを起こさないようなものとされる。好ましくは、このようなクリープ抵抗は、１００℃又はそれを上回るロータ温度で達成されなければならない。

動翼は、所定の動作温度で安定することが好ましい。通常、動作温度は約１００℃〜約１５０℃であるが、さらに高い動作温度及びさらに低い動作温度も予測される。

連続繊維強化マトリクス材は、プリントされた複合フィラメントを含むことが好ましい。複合フィラメントは、マトリクス材又はマトリクス結合剤で湿らせた又はこれらが予め埋め込まれた連続強化用コアを含む連続強化用繊維であると理解される。強化用コアは、連続中実コア（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｏｌｉｄ ｃｏｒｅ）とすることも、又は連続多心コア（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｕｌｔｉｓｔｒａｎｄ ｃｏｒｅ）を含むこともできる。複合フィラメントは、熱可塑性ポリマーに予め埋め込まれた連続炭素繊維とすることができる。

連続繊維強化マトリクス材は、溶融フィラメントマトリクスを含むことが好ましい。溶融フィラメントマトリクスは、溶融フィラメント加工を用いて製造されたマトリクスであると理解される。すなわち、加熱されたプリンターの押出機ヘッドを通じて熱可塑性ポリマーなどの連続フィラメントの供給物が供給されて溶融し、作業面又は成長する部品上に溶融物質が堆積する付加製造法である。ヘッド及び作業面は、互いに対して移動してプリント形状を定める。通常、ヘッドは層状に移動し、一度に２次元で移動して１つの水平面を堆積させた後で、わずかに上向きに移動して新たな薄片（ｓｌｉｃｅ）を開始する。押出機ヘッドの速度は、堆積の停止及び開始、中断された平面の形成を行うように制御することもできる。

従って、本発明は、第２の態様では、１又は２以上の部品が連続繊維強化マトリクス材を含み、連続繊維強化マトリクス材が溶融複合フィラメント及び溶融フィラメントマトリクスを含む真空システムを提供する。通常、複合フィラメント及びマトリクスフィラメントはプリントされる。

本発明の上記で開示した態様及び以下で開示する態様と同様に、個々の部品の第１の部分の強化用連続繊維のタイプ及び／又はレイアップは、同じ部品の第２の部分と異なり、この結果、個々の部品の第１の部分の少なくとも１つの機械的特性が同じ部品の第２の部分のものと異なることが好ましい。

連続複合フィラメントを採用する全ての態様では、適切な連続コア繊維又はストランドが、構造的特性、（電気的及び／又は熱的）伝導性、（電気的及び／又は熱的）絶縁性、光学的特性、及び／又は流体移送性などの所望の特性を与える材料を含む。このような材料としては、以下に限定するわけではないが、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、（銅、銀、金、スズ、鋼などの）金属、光ファイバー及び可撓管が挙げられる。さらに、単一の連続コア強化フィラメントにおいて、電気的特性と光学的特性などの複数の機能性を提供するように複数のタイプの連続コアを使用することもできる。また、単一の材料を使用してコア強化フィラメントに複数の特性を提供することもできると理解されたい。例えば、鋼心を使用して、構造的特性及び導電性の両方を提供することができる。

個々の部品内に導電性、光伝導性及び／又は流体伝導性のコアを導入する能力は、異なる機械的特性に加えて構造内における機能部品の構築を可能にするという利点を有する。例えば、導電性及び光伝導性の連続コアを使用して、歪みゲージ、光学センサ、配線及びその他の適切な部品を構築することができる。流体伝導性のコアを使用して、流体チャネル及び熱交換器などの部品を形成することもできる。

連続マトリクス繊維は、様々なサイズで提供することもできる。例えば、連続マトリクス繊維は、約０．０２５ｍｍ以上かつ約１０ｍｍ以下の外径を有することができる。１つの具体的な実施形態では、マトリクス繊維の外径が、約０．２５ｍｍ以上かつ約１ｍｍ以下である。いくつかの実施形態では、コア強化フィラメントがその長さに沿って実質的に一定の外径を含むことも望ましい。

これに加えて、又はこれとは別に、マトリクス材は、ポリマーマトリクス又は金属マトリクスとすることもできる。

マトリクスがポリマーマトリクスである実施形態では、熱硬化性樹脂、熱可塑性物質、エラストマー及びこれらの組み合わせから成る群からポリマーを選択することができる。例えば、適切な樹脂及びポリマーとしては、以下に限定するわけではないが、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、エポキシ樹脂、ビニル、ナイロン、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、液晶高分子、及びその他の様々な熱可塑性物質が挙げられる。コアは、いずれかの所望の特性を提供するように選択することもできる。

マトリクスが金属マトリクスである実施形態では、マトリクスが、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、及びアルミニウムマグネシウムスカンジウム合金を含むこれらの合金から成る群から選択された材料を含むことができる。

実施形態では、部品が、動翼又は実質的に環状の動翼配列である。通常、第１の部分は動翼の周辺端部を含み、及び／又は第２の部分は同じ動翼の概ね中央部分を含む。

従って、本発明は、さらなる態様では、ターボ分子ポンプのロータアセンブリであって、環状ハブと、１又は２以上の実質的に環状の動翼配列とを含み、各動翼配列が、それぞれがハブに隣接する動翼根元から動翼先端に半径方向に延びる複数の実質的に同一の動翼を含み、各動翼が、格子コア、典型的には付加製造された、例えば３Ｄプリントされた格子コアを含む、ロータアセンブリを提供する。

この態様及び以前の態様では、格子コアが、閉じた又は開いたセル状構造（ｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有することができる。従って、格子コアは、連続的又は不連続的な孔隙（ｐｏｒｅ ｓｐａｃｅ）を含むことができる。

格子コアは、確率的構造又は周期的構造のものとすることができる。通常、周期的構造は、確率的構造よりも大幅に高い強度を有する。当業者であれば、特定の動翼の要件に応じて格子構造を選択するであろう。本発明において役立つ周期的格子構造としては、立方体格子構造、オクテットトラス形格子構造、及び六角形格子構造が挙げられる。

使用する格子構造は、均一型又は傾斜型とすることができる。均一型格子構造では、各基本構造のサイズ及び寸法が部品全体を通じて一定である。傾斜型格子構造では、各基本格子構造の寸法及びトラスの断面が部品全体を通じて変化する。部品の密度を変化させるために、傾斜型格子構造を使用することができる。従って、同じ材料では、密度の高い格子の方が強度及び剛性も高くなるが、さらなる質量が加わるようになる。構造の特性を局所的に最適化することにより、部品内の性能を特定の用途に合わせることが可能になる。

これに加えて、又はこれとは別に、格子構造は、共形型、すなわち部品の表面の形態及び方向に従って配向されたもの、又は非共形型、すなわち部品の表面の形態とは無関係なものとすることもできる。

通常、格子コアは、それ自体が完全に取り囲まれており、従って動翼の外部から見ることができない。通常は、外側シートが格子コアを完全に取り囲む。通常、シート、及び格子を形成する１又は２以上のトラスは連続する。シート、及び格子を形成する１又は２以上のトラスは、単一構造の形を取ることが好ましい。

各ロータにおいて格子構造を採用すると、構造の質量が有利に減少すると同時に、正確な格子形状及び／又は連続繊維配置を利用して所望の機械的性能を達成することができる。

通常、各ロータは、単一の単体構造である。各動翼アセンブリは、単一の単体構造の形態を取ることが好ましい。

本発明の他の態様で説明したように、ロータアセンブリは、連続繊維強化マトリクス材を含むことができる。

本発明は、さらなる態様では、連続繊維強化マトリクス材を含む真空システムの部品の製造方法であって、個々の部品の第１の部分の強化用連続繊維のタイプ及び／又はレイアップが同じ部品の第２の部分と異なることによって前記個々の部品の第１の部分の少なくとも１つの機械的特性が同じ部品の第２の部分の機械的特性と異なるような部品を形成するため、連続複合フィラメントとマトリクスフィラメントとを溶融させるステップを含む方法を提供する。

真空システムの動翼アセンブリの製造方法であって、強化用フィラメント及びマトリクス材を受け取るように構成されたプリントヘッドに連続強化用フィラメント及びマトリクス材を供給するステップと、強化用フィラメント及びマトリクス材が少なくとも１つのノズル外に移動する際に、少なくとも１つのノズル内で強化用フィラメント及びマトリクス材を加熱するステップと、加熱された強化用フィラメント及びマトリクスをプリントベッド（ｐｒｉｎｔ ｂｅｄ）上に堆積させるステップと、プリントベッド及び／又はプリントヘッドを他方に対して動かして動翼アセンブリを形成するステップと、を含む方法。

プリントヘッドに供給される連続強化用フィラメントは、典型的には熱可塑性ポリマーであるポリマーに予め埋め込まれた連続強化用コアを含む複合フィラメントの形態であることが好ましい。プリントヘッドには、単独の熱可塑性フィラメントが供給されることが好ましい。通常、熱可塑性フィラメントは、複合フィラメントと同じ又は異なるポリマーを含む。

他の態様と同様に、連続繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維、又は本明細書で説明したその他の繊維、及び／又はこれらの組み合わせから成る群から選択することができる。

本発明は、さらなる態様では、真空システムの動翼アセンブリの設計方法であって、使用時に動翼アセンブリの部分の異なる機械的特性要件を識別するステップと、連続フィラメント強化マトリクス材を使用して、部品の識別された異なる機械的特性要件を提供するレイアップを選択するステップと、付加製造法、好ましくは複合フィラメント製造法を使用して、選択されたレイアップを有する動翼アセンブリを製造するステップと、を含む方法を提供する。様々な機械的特性要件は、有限要素解析（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）を使用して識別することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい特徴を一例として説明する。

本発明による動翼アセンブリの概略的表現を示す図である。 本発明による動翼アセンブリの概略的表現を示す図である。 本発明による動翼アセンブリの概略的表現を示す図である。

本発明は、連続繊維強化マトリクス材を含む単一構造を有する部品を含む真空システムであって、部品の第１の部分における強化用連続繊維のタイプ及び／又はレイアップが部品の第２の部分のものと異なることにより、第１の部分の少なくとも１つの機械的特性の大きさが第２の部分の機械的特性の大きさと異なる真空システムを提供する。

通常、この部品は、使用時には真空システムの可動部品であり、第１の部分は、第２の部分よりも高い剛性及び／又は弾性係数を有する。これに加えて、又はこれとは別に、第１の部分は、第２の部分よりも高いクリープ抵抗を有することもできる。この部品は、動翼であることが好ましい。通常、第１の部分は翼根元（ｂｌａｄｅ ｒｏｏｔ）を含み、第２の部分は動翼の本体を含む。翼根元は、剛性及びクリープ抵抗が最も高い動翼の部分であることが好ましい。

既に開示したように、本発明は、真空ポンプのロータアセンブリであって、ハブと、１又は２以上の動翼配列とを含み、各動翼配列が、ハブに隣接する動翼根元から動翼先端に延びる１又は２以上の動翼を有し、各動翼が、連続繊維強化マトリクス材と、各動翼から動翼に直接隣接するハブの部分に延びる連続繊維とを含む、ロータアセンブリをさらに提供する。

全速動作中、ターボ分子ポンプの翼根元などの翼根元は非常に高い応力を受ける。翼上の遠心力は、回転速度、翼の形状及び翼の質量に依存する。通常、翼の形状及び回転速度は、既知の性能のために固定される。

本発明は、翼の製造において低密度の複合材料を使用することを可能にし、これにより翼根元における応力を低減し、より速い回転速度を可能にし、ロータ動力学性能（ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を改善し、より低いエネルギーで全速力に達することを可能にする。

ターボ翼の根元を強化することにより、最も高い応力の領域が強化されるため、クリープの影響が低下する。動翼内に戦略的に配置された強化繊維の使用は、ねじり力に耐え、翼の位置を正しく保ち、翼の形状を変化させて性能に悪影響を及ぼす恐れがある高負荷での翼のねじれを低減するのに役立つこともできる。

図１に、Ｅｄｗａｒｄｓ（商標）社製のターボ分子ポンプでの使用に適した本発明による動翼アセンブリ（１）の例を示す。アセンブリ（１）は、環状ハブ（２）と、ハブ（２）から半径方向に延びる動翼（３）の配列とを含む。各動翼（３）とロータハブ（２）との間の交点（４）は、動翼根元と呼ばれる。動翼（３）の周囲には動翼エッジ（５）が延びて、動翼（３）の半径方向最外先端部に動翼先端（６）を含む。動翼根元（４）から動翼先端（６）へは、実質的に平面状に動翼本体（７）が延びる。動翼（３）及び動翼アセンブリ（１）の正確な形状は、関連するポンプの特性に依存する。

繊維レイアップ（ｆｉｂｒｅ ｌａｙｕｐ）の形状・配置は、用途のために及び／又は部品の特定の領域内で最適化され、例えば円筒形状（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌａｙ）、螺旋状、斜線状（ｈａｔｃｈｅｄ）、メッシュ状、平面状、軌道状などとすることができる。繊維は、内部又は外部に存在することができる。動翼は、優れた表面仕上げを提供し、及び／又は性能の調整及び／又はガス放出の低減を行う、例えば連続繊維が存在しない、連続的な外側ポリマー又は金属表面を有することができる。

図１の例示的な動翼には、連続繊維の平面型（８）及び軌道型（９）レイアップを概略的に示す。図示のレイアップは、それぞれねじり剛性及び半径方向剛性への耐性をもたらす。連続繊維マトリクスは、ナイロンマトリクスの連続炭素繊維とすることができる。

図２に、連続繊維（１０）が動翼（３）の翼根元（４）を横切るさらなる構成を示す。この構成は、ロータアセンブリ（１）の根元部分のクリープを有利に低減する。

図３には、螺旋状に配置された連続繊維（１１）で環状ロータハブ（２）を強化したさらに別の構成を示す。この構成は、ハブを強化して使用中の変形を防ぐ。

本発明の部品及びロータアセンブリは、Ｍａｒｋｆｏｒｇｅｄ（商標）社製のＸ７炭素繊維プリンターを使用して製造することができる。

図示の実施形態には、添付の特許請求の範囲によって定められる、特許法の下で解釈される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができると理解されるであろう。

１．ロータアセンブリ
２．環状ハブ
３．動翼
４．動翼根元
５．動翼エッジ
６．動翼先端
７．動翼本体
８．平面型連続繊維レイアップ
９．軌道型連続繊維レイアップ
１０．連続繊維
１１．螺旋状に配置された連続繊維レイアップ

Claims (15)

1. 真空ポンプのロータアセンブリであって、ハブと、１又は２以上の動翼配列とを備え、各動翼配列は、前記ハブに隣接する動翼根元から動翼先端に延びる少なくとも１つの動翼を有し、前記動翼は、連続繊維強化マトリクス材と、前記動翼から該動翼に直接隣接する前記ハブの部分に延びる連続繊維とを含む、
   ことを特徴とするロータアセンブリ。
2. 前記ロータアセンブリは、ターボ分子ポンプのためのものであって、実質的に環状のハブと、１又は２以上の実質的に環状の動翼配列とを備え、各動翼配列は、複数の実質的に同一の動翼を有し、各動翼は、前記ハブに隣接する動翼根元から動翼先端に半径方向に延び、各動翼は、連続繊維強化マトリクス材と、前記動翼から該動翼に直接隣接する前記ハブの部分に延びる連続繊維とを含む、
   請求項１に記載のロータアセンブリ。
3. 複数の動翼配列を備える、
   請求項１又は２に記載のロータアセンブリ。
4. 前記動翼根元及び／又は前記動翼先端は、該翼の残り部分よりも高い引張強度及び／又は高い曲げ強度及び／又はより高いクリープ抵抗を有する、
   請求項１から３のいずれかに記載のロータアセンブリ。
5. 前記ハブ及び動翼は、実質的に同様又は同一のマトリクス材を含む、
   請求項１から４のいずれかに記載のロータアセンブリ。
6. 前記連続繊維強化マトリクス材は、溶融フィラメントマトリクスを含む、
   請求項１から５のいずれかに記載のロータアセンブリ。
7. 前記連続繊維強化マトリクス材は、溶融複合フィラメント及び溶融フィラメントマトリクスを含む、
   請求項１から６のいずれかに記載のロータアセンブリ。
8. 前記複合フィラメントはプリントされ、及び／又はマトリクスフィラメントはプリントされる、
   請求項７に記載のロータアセンブリ。
9. 前記連続繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維及び／又はこれらの組み合わせから成る群から選択される、
   請求項１から８のいずれかに記載のロータアセンブリ。
10. 前記マトリクスは、ポリマーマトリクス又は金属マトリクスである、
    請求項１から９のいずれかに記載のロータアセンブリ。
11. 前記マトリクスはポリマーマトリクスであり、前記ポリマーは、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エラストマー及びこれらの組み合わせから成る群から選択される、
    請求項１から１０のいずれかに記載のロータアセンブリ。
12. 各動翼は、格子コアを含む、
    請求項１から１１のいずれかに記載のロータアセンブリ。
13. 前記格子コアを外側シートが完全に取り囲む、
    請求項１２に記載のロータアセンブリ。
14. 前記シート及び格子コアは、単一構造の形態である、
    請求項１３に記載のロータアセンブリ。
15. 真空ポンプの動翼アセンブリの製造方法であって、各動翼アセンブリは、ハブに隣接する動翼根元から動翼先端に延びる少なくとも１つの動翼を含み、前記動翼は、連続繊維強化マトリクス材を含み、前記方法は、前記動翼を形成するために連続複合フィラメント及びマトリックスフィラメントを溶融させるステップを含み、各動翼の少なくとも１つの強化用連続繊維が、前記動翼から前記動翼根元に直接隣接する前記ハブの部分に延びるように配置される、
    ことを特徴とする方法。

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