JP2023102884A - 真空ポンプ、真空ポンプ用回転体、及び真空ポンプの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)回転時にバランス不良が生じないよう、高精度での加工が必要。
(2)高速回転時に生じる遠心力に耐えるため、高い材料強度が必要。
方法1の課題: ロータディスク(66)のようなリング状の部品は、高速回転時に生じる遠心力によって、膨張しやすい。ロータディスク(66)が緩まないように、大きなシメシロ(しめ代)が必要となる。そのため、ロータディスク(66)に作用する負荷(圧入による負荷、与圧による負荷、応力による負荷)が増える。
(2)方法2:両者を、摩擦溶接、摩擦攪拌溶接等により接合する(段落0063)。
方法2の課題:ロータ軸(15)、ロータディスク(66)のどちらか一方を固定し、もう一方に強い荷重をかけながら回す必要がある。しかし、ロータディスク(66)には、工作機械のチャックで掴めるような箇所(平坦な箇所)がないため、ロータディスク(66)の加工が難しいと考えられる。
(3)方法3:両者を溶接等により結合させる(段落0063)。
方法3の課題:組み付けた後に対向面全体を溶接等するのが難しく、端面付近のみ(表面の浅い部分のみ)の溶接等が行われると考えられる。そのため、固定強度が不充分になり易い。
前記真空容器内に回転自在に設置された回転体と、を備えた真空ポンプにおいて、
前記回転体が、
内側に配置される第1の部品の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品を被せた構造を有することを特徴とする。
(2)上記目的を達成するために本発明に係る真空ポンプ用回転体は、真空ポンプの真空容器内に回転自在に設置される真空ポンプ用回転体において、
内側に配置される第1の部品の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品を被せた構造を有することを特徴とする。
(3)上記目的を達成するために本発明に係る真空ポンプの製造方法は、真空容器と、
前記真空容器内に回転自在に設置された回転体と、を備えた真空ポンプの製造方法において、
前記回転体が、
内側に配置される第1の部品の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品を被せる第1の工程と、
前記第1の部品と前記第2の部品とを共に焼結処理する第2の工程とを備えたことを特徴とする。
このターボ分子ポンプ100の縦断面図を図1に示す。図1において、ターボ分子ポンプ100は、円筒状の外筒127の上端に吸気口101が形成されている。そして、外筒127の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードである複数の回転翼102(102a、102b、102c・・・)を周部に放射状かつ多段に形成した回転体103が備えられている。この回転体103の中心にはロータ軸113が取り付けられており、このロータ軸113は、例えば5軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。
図5及び図6は、上述のようなターボ分子ポンプ100に用いられている回転体103の部品の構成を概略的に示している。本実施形態において、回転体103は、内側に配置される第1の部品の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品を被せた構造を有する。
図6における左右の図に示す外側筒部304は、第1の部品に分類され、回転体本体103a(図1)を構成する。図6における左側の図に示すように、内側筒部302は、段付きな円筒状に形成されている。内側筒部302の外径は、軸方向の一端部(図6における下端部)ほど大きく、他端部(図6における上端部)へいくほど段階的に小さくなっている。内側筒部302の外周面310には、上端側から下端側へ順に、第1の段差部312、第2の段差部314、及び第3の段差部316が形成されている。
外側筒部304は、上下の端部(軸心方向の両端部)を開放した円筒状に形成されている。外側筒部304は、第2の部品に分類され、前述した回転体下部円筒部103bを構成するものである。外側筒部304における上部には真円状の上部開口332が形成され、下部にも、同じく真円状の下部開口334が形成されている。上部開口332の直径(内径)は、下部開口334の直径(内径)よりも小さい。
ブレード環部306a~306kは、回転翼102(102a、102b、102c・・・)、を有する部品である。ブレード環部306a~306kにおいては、筒状の回転翼スペーサ部336a~336k毎の外周部に、多数の回転翼102a~102kが、所定角度間隔(例えば10度間隔)で、半径方向に突出するよう設けられている。各ブレード環部306a~306kに所定数ずつ設けられた回転翼102a~102kの形状や向きなどは、一般的なものと同様とすることができる。
前述したように、内側筒部302は、第1の部品に分類され、外側筒部304、及びブレード環部306a~306kは、第2の部品に分類される。本実施形態では、第2の部品は、回転体103の製造時に、収縮して第1の部品に結合される。
第2の部品である外側筒部304、及びブレード環部306a~306kは、圧粉体で形成されている。圧粉体は、プレス成型により圧力を加えて固められた金属粉(アルミニウム合金やステンレス鋼などの粉)により構成されている。外側筒部304、及びブレード環部306a~306kの製造は、3Dプリンタ(立体造形装置)を用いた積層造形により行うことも可能である。
BJ法(図8)は、平坦に敷き詰めた材料粉末238に対し、ヘッド部230がインクジェットノズル(図示略)から選択的に液体の結合剤(Binder)250を噴射し、材料粉末238を一層ずつ固形化する。図8に示すBJ法においては、立体造形装置220の筐体222の中に、材料供給部224、積層部226、余剰材料受入部228、及び、ヘッド部230が備えられている。材料供給部224、積層部226、及び、余剰材料受入部228は、一方向(図8では左から右、X軸方向)に並んでいる。
図9の例のFDM法においては、立体造形装置260に、フィラメント供給部262やヘッド部264が備えられている。以下では、BJ法(図8)と同様な部分については同一符号を付し、適宜説明は省略する。
圧粉体により外側筒部304、及びブレード環部306a~306k(第2の部品)が形成された後、これらの部品は、図6における左側の図に示したように、内側筒部302(第1の部品)に組み付けられる。外側筒部304、及びブレード環部306a~306kが、内側筒部302に、同心的に被せられる。この後、内側筒部302と、内側筒部302に被せられた外側筒部304、及びブレード環部306a~306kとが共に焼結処理される。
金属粉を固めて得られた部品である外側筒部304、及びブレード環部306a~306kは、焼結工程において約20%収縮する。また、回転体103の軸心を基準として、相対的に半径方向の外側に位置する部品は、内側に位置する部品に比べて、遠心力による影響を大きく受け、回転時の変形を生じ易い。このため、焼結により収縮した部品に、回転中の遠心力によるゆるみが生じないよう、対策を施すことが考えられる。
隙間の基準寸法=a-(c-b)-(d+e)/2
ここで、各記号の意味は以下のとおりである。
a:焼結時の収縮による直径変化量[mm]
b:内側(軸側)の部品の遠心力による直径変化量[mm]
c:外側(穴側)の部品の遠心力による直径変化量[mm]
d:内側(軸側)の部品の公差幅[mm]
e:外側(穴側)の部品の公差幅[mm]
a:100mm×0.2=20mm
b:0.1mm
c:0.2mm
d:内側の部品の公差幅0.1mm(±0.05mm)
e:外側の部品の公差幅0.2mm(±0.1mm)
この条件の下では、隙間の基準寸法は、20-(0.2-0.1)-(0.1+0.2)/2=18.75mmとなり、焼結時の収縮による直径変化量(20mm)よりも小さくなる。
そして、外側の部品(例えば、ブレード環部306a~306k)の内径を、118.75±0.1mmとし、この値を目安にして、各部品の設計を行う。
<<支持具400の利用>>
焼結工程において、第2部品に20%程度の収縮が生じるが、収縮を想定した工夫を事前に施しておくことが有効である。例えば、図7に示すように支持具400を用いることにより、焼結工程において、外側筒部304、及びブレード環部306a~306が収縮しても、内側筒部302、外側筒部304、及びブレード環部306a~306の係止状態を確保でき、これらの部品同士が分離してしまうのを防止できる。
また、内側筒部302に、外側筒部304、及びブレード環部306a~306kを組み付ける際に、図7に矢印Aで示すように、上方から押圧力を付与する。このようにすることで、1段目~3段目のブレード環部306a~306cが、内側筒部302の第1の段差部312に押し付けられ、ブレード環部306a~306cの、内側筒部302に対する緩みが防止される。
第2の部品とすることができるのは、上述のようなターボ分子ポンプ機構用回転翼や、ホルベックポンプ機構用回転翼(回転体下部円筒部103b(図1)を構成する外側筒部304)に限定されない。例えば、ターボ分子ポンプ100には、図10に示すように、シグバーン型排気機構部202が備えられる場合がある。シグバーン型排気機構部202を構成するシグバーンポンプ機構用回転翼(図13に示す回転円板環部370a~370c)も、第2の部品とすることができる。
第1実施形態に係る第1の部品の製造方法においては、第1の部品である内側筒部302は、金属塊の素材(円柱状の素材など)から削り出すことにより形成されていた。本第2実施形態では、内側筒部302は、3Dプリンタを用いた積層造形により製造される。
<<PBF法>>
PBF法(図14)は、平坦に敷き詰めた材料粉末238を、ヘッド部272から出力される熱源(レーザや電子ビームなど)により、一層ずつ溶融及び固着しながら積層する。図14に示す立体造形装置270においては、熱源としてレーザが用いられている。ヘッド部272は、内蔵した光学系(図示略)を介して、レーザ光源からのレーザ光274の照射を行う。
<<DED法>>
DED法(図15)は、レーザ、電子ビーム、プラズマアークなどの指向エネルギービームにより、金属粉末(材料粉末)や、フィラメントの金属を溶融し、肉盛溶接する。以下では、これまでに説明した各種の方式と同様な部分については同一符号を付し、適宜説明は省略する。
以上説明したように、本出願に係る真空ポンプ(ターボ分子ポンプ100など)は、以下のような特徴を有している。
(1)本出願に係る真空ポンプは、
真空容器(外筒127とベース部129とが組み合わさって構成される本体ケーシングなど)と、
前記真空容器内に回転自在に設置された回転体(回転体103など)と、を備えた真空ポンプにおいて、
前記回転体が、
内側に配置される第1の部品(内側筒部302など)の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品(外側筒部304、ブレード環部306a~306k、及び回転円板350a~350cなど)を被せた構造を有することを特徴とする。
(2)上記(1)に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第1の部品が、押出材、鋳造材、及び、鍛造材のうちの少なくとも1つで形成されたことを特徴とする。
(3)上記(1)に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第1の部品が、PBF法またはDED法を用いた立体造形装置で形成されたことを特徴とする。
(4)上記(1)に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第1の部品が、BJ法またはFDM法を用いた立体造形装置で形成後、焼結されたことを特徴とする。
(5)上記(1)から(4)のいずれか一項に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第2の部品が、圧粉体で形成されたことを特徴とする。
(6)上記(1)から(4)のいずれか一項に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第2の部品が、BJ法またはFDM法を用いた立体造形装置で形成されたことを特徴とする。
(7)上記(1)から(6)のいずれか一項に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第1の部品と、前記第1の部品に被せられた前記第2の部品とが共に焼結処理されていることを特徴とする。
(8)上記(7)に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第1の部品と前記第2の部品が、前記焼結処理前には隙間バメされ、かつ、前記焼結処理後にはしまりバメされていることを特徴とする。
(9)上記(1)から(8)のいずれか一項に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第2の部品が、放射状に配設された翼列からなるターボ分子ポンプ機構用回転翼(回転翼102など)を備えたことを特徴とする。
(10)上記(1)から(9)のいずれか一項に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第2の部品が、外周面に配設された円板部からなるシグバーンポンプ機構用回転翼(外側筒部304など)を備えたことを特徴とする。
(11)上記(1)から(10)のいずれか1項に係る真空ポンプの一実施形態は、
前記第2の部品が、外周面に配設された円筒部からなるホルベックポンプ機構用回転翼(回転円板350a~350cなど)を備えたことを特徴とする。
(12)本出願に係る真空ポンプ用回転体は、
真空ポンプの真空容器内に回転自在に設置される真空ポンプ用回転体(回転体103など)において、
内側に配置される第1の部品(内側筒部302など)の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品(外側筒部304、ブレード環部306a~306k、及び回転円板350a~350cなど)を被せた構造を有することを特徴とする。
(13)上記(12)に係る真空ポンプ用回転体の一実施形態は、
前記第1の部品と、前記第1の部品に被せられた前記第2の部品とが共に焼結処理されていることを特徴とする。
(14)本出願に係る真空ポンプの製造方法は、
真空容器(外筒127とベース部129とが組み合わさって構成される本体ケーシングなど)と、
前記真空容器内に回転自在に設置された回転体(回転体103など)と、を備えた真空ポンプの製造方法において、
前記回転体が、
内側に配置される第1の部品(内側筒部302など)の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品(外側筒部304、ブレード環部306a~306k、及び回転円板350a~350cなど)を被せる第1の工程と、
前記第1の部品と前記第2の部品とを共に焼結処理する第2の工程とを備えたことを特徴とする。
(15)上記(14)に係る真空ポンプ用回転体の一実施形態は、
前記第1の部品と前記第2の部品が、前記焼結処理前には隙間バメされ、かつ、前記焼結処理後にはしまりバメされることを特徴とする。
102(102a、102b、102c・・・):回転翼
103 :回転体
113 :ロータ軸
121 :モータ
131 :ネジ付スペーサ
131a :ネジ溝
202 :シグバーン型排気機構部
204 :ホルベック型排気機構部
220、260、270、280:立体造形装置
302 :内側筒部
304 :外側筒部
306a~306k:ブレード環部
312 :第1の段差部
314 :第2の段差部
316 :第3の段差部
322 :第1の円筒部
324 :第2の円筒部
326 :第3の円筒部
328 :フランジ部
332 :上部開口
334 :下部開口
336a~336k:回転翼スペーサ部
349a、349b:固定円板
350a~350c:回転円板
370a~370c:回転円板環部
400 :支持具
Claims (15)
- 真空容器と、
前記真空容器内に回転自在に設置された回転体と、を備えた真空ポンプにおいて、
前記回転体が、
内側に配置される第1の部品の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品を被せた構造を有することを特徴とする真空ポンプ。 - 前記第1の部品が、押出材、鋳造材、及び、鍛造材のうちの少なくとも1つで形成されたことを特徴とする請求項1に記載の真空ポンプ。
- 前記第1の部品が、PBF法またはDED法を用いた立体造形装置で形成されたことを特徴とする請求項1に記載の真空ポンプ。
- 前記第1の部品が、BJ法またはFDM法を用いた立体造形装置で形成後、焼結されたことを特徴とする請求項1に記載の真空ポンプ。
- 前記第2の部品が、圧粉体で形成された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真空ポンプ。
- 前記第2の部品が、BJ法またはFDM法を用いた立体造形装置で形成された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真空ポンプ。
- 前記第1の部品と、前記第1の部品に被せられた前記第2の部品とが共に焼結処理されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
- 前記第1の部品と前記第2の部品が、前記焼結処理前には隙間バメされ、かつ、前記焼結処理後にはしまりバメ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。
- 前記第2の部品が、放射状に配設された翼列からなるターボ分子ポンプ機構用回転翼を備えたことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
- 前記第2の部品が、外周面に配設された円板部からなるシグバーンポンプ機構用回転翼を備えたことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
- 前記第2の部品が、外周面に配設された円筒部からなるホルベックポンプ機構用回転翼を備えたことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の真空ポンプ。
- 真空ポンプの真空容器内に回転自在に設置される真空ポンプ用回転体において、
内側に配置される第1の部品の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品を被せた構造を有することを特徴とする真空ポンプ用回転体。 - 前記第1の部品と、前記第1の部品に被せられた前記第2の部品とが共に焼結処理されていることを特徴とする請求項12に記載の真空ポンプ用回転体。
- 真空容器と、
前記真空容器内に回転自在に設置された回転体と、を備えた真空ポンプの製造方法において、
前記回転体が、
内側に配置される第1の部品の周囲に、粉末を固めて形成された第2の部品を被せる第1の工程と、
前記第1の部品と前記第2の部品とを共に焼結処理する第2の工程とを備えたことを特徴とする真空ポンプの製造方法。 - 前記第1の部品と前記第2の部品が、前記焼結処理前には隙間バメされ、かつ、前記焼結処理後にはしまりバメされることを特徴とする請求項14に記載の真空ポンプの製造方法。
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