JP2023553342A - ターボ分子ポンプ用のロータ組立体 - Google Patents

Abstract

本開示は、ターボ分子ポンプ１００用のロータ組立体１０２に関する。ロータ組立体１０２は、ロータシャフト１１６と、ロータシャフト１１６から延びる複数のロータブレード１２６と、ロータシャフト１１６内に締まり嵌めにより嵌合されるバランス部材１３０とを備える。ロータシャフト１１６は、ロータ組立体１０２がその周りを回転するように構成された長手方向軸１２２に沿って延びている。締まり嵌めは、バランス部材１３０がロータ組立体１０２によって圧縮状態で保持されるようなものである。本開示はまた、ロータ組立体１０２を含むターボ分子ポンプ１００、及びターボ分子ポンプ１００用のロータ組立体１０２を組み立てる方法に関する。【選択図】 図１

Description

本開示は、ターボ分子ポンプ用のロータ組立体に関する。本開示はまた、ロータ組立体を含むターボ分子ポンプ、及びターボ分子ポンプ用のロータ組立体を組み立てる方法に関する。

ターボ分子ポンプ（又は「ターボポンプ」）は、真空を作り出すためにステータベーンと協働する高速回転ロータブレードを使用する真空ポンプの一種である。ロータブレードは、モータによって駆動されるロータシャフト（ロータ組立体を形成）上で回転する。ロータブレードが回転すると、ロータブレードは、特定のシステム又は空間に真空を作り出して維持するために、ガス分子をポンプの入口から排気に向かって「ぶつける」及び「押し進める」。

当業者であれば理解できるように、ターボ分子ポンプでは、ターボ段（ロータブレードとステータベーンによって形成される）を他のロータ駆動ポンプ段（例えば、ホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）、ゲーデ（Ｇａｅｄｅ）又はシーグバーン（Ｓｉｅｇｂａｈｎ）ポンプ段などのドラッグポンプ段、及び／又は再生ポンプ段）と併用して所望の程度の真空及びポンプ効率を達成することができる。

公知のターボ分子ポンプでは、ロータシャフトは磁気軸受によって（少なくとも部分的に）支持される。磁気軸受は、対の回転磁石及び静止磁石を備える。静止磁石は中央ステータに支持され、回転磁石は、静止磁石を取り囲みロータシャフトに対して固定される。回転磁石はロータシャフトを支持し、静止磁石からの磁気反発を利用してロータシャフトと中央ステータの間隔を保つことで、ロータシャフトと中央ステータとの間の摩擦を低減する。磁気軸受は、真空環境を汚染する可能性のある潤滑化合物又は流体を必要とする軸受の必要がないようにするので、一般にターボ分子ポンプに使用される。

所望レベルの真空を発生させるために、ロータ組立体は、高速で回転する必要がある（例えば、毎分２０，０００と９０，０００回転（ＲＰＭ）との間）。動作時のロータ組立体の高速回転によって、ロータ組立体は大きな応力を発生させる大きな遠心力を受けるという結果になる可能性がある。ロータ組立体は通常、その回転軸の周りにある程度の「アンバランス」を有する（例えば、製造公差、及び、製造又はそれに取り付けられた構成要素の不一致に起因する質量アンバランス）。動作時の大きな遠心力の下で、このアンバランスは、ロータ組立体（例えば、ロータブレードとロータシャフト、及び／又はそれらを所定の位置に支持する軸受）に有害な高応力及び高荷重を発生させる可能性がある。このような有害な高応力は、ロータ組立体の寿命の低下、並びにロータ組立体及びポンプの突然の又は早期の故障につながる可能性があり、これは望ましくない。ロータ組立体に対するこれらの高い回転力及び遠心力の影響を最小化するために、ロータ組立体の「アンバランス」の程度を最小化することが望ましい。

ロータ組立体内の特定の「バランス平面」において、ロータ組立体に質量を追加すること又はそこから除去することで、ロータ組立体の「アンバランス」の程度を最小化することが知られている。当業者であれば理解できるように、特定のロータ組立体に関して１又は２以上のバランス平面が存在する可能性があり、その数及び位置は特定の設計又は用途に応じて異なるものになる。

ポンプ内にバリ又は汚染物を発生させる可能性のある質量除去ではなく、清浄な環境を維持するために質量を加えることによってロータのバランスをとることが望ましい。例えば、ロータシャフトにバランスウェイトを追加するために、そのような「バランス平面」においてロータシャフトの穴にバランスねじを追加することが知られている（例えば協働的ねじ切りによって）。

このような公知のターボ分子ポンプは、例えば米国特許第９，８６９，３１９号明細書及び米国特許出願公開第２０２０／０１１６１５５号明細書に開示されている。

これらの公知のターボポンプロータ組立体のバランス補正方法は、一般に、ロータ組立体に余分な部品を追加する必要があり、全体的に部品点数が多くなると、ターボポンプの製造コスト、時間、及び複雑さが増大する可能性がある。

さらに、既知のバランス方法は、それでもなお、ロータ組立体の高い速度及びそれによって発生する局部応力に応じて、それ自体が機能しなくなる可能性があることが分かっている。このような機能不良は、最終的にロータ組立体及びポンプの損傷及び故障につながる可能性がある。例えば、バランス穴（例えば、バランスねじを受け入れる穴）を使用する場合の問題点は、バランス穴の形及び形状が、ロータ組立体によって生成される高い回転力及び遠心力に応じて、バランス平面の周りで局部応力を増加させる可能性があることである。使用中にバランス穴の局部応力が増加すると、バランス平面の材料が降伏して損なわれる可能性がある（例えば、長期間にわたって穴の周りで高い局部応力状態に繰り返しさらされることによる疲労破壊）。従って、このようなターボ分子ポンプに採用されるバランス装置の耐久性を向上させるとともに、全体的な部品点数及びコストを削減する必要性が存在する。

米国特許第９，８６９，３１９号明細書 米国特許出願公開第２０２０／０１１６１５５号明細書

１つの態様では、本開示は、ターボ分子ポンプ用のロータ組立体を提供する。ロータ組立体は、ロータシャフトと、ロータシャフトから延びる複数のロータブレードと、ロータシャフト内に締まり嵌めで嵌合されるバランス部材とを備える。ロータシャフトは、ロータ組立体がその周りで回転するように構成されている長手方向軸に沿って延びており、締まり嵌めは、バランス部材がロータ組立体によって圧縮状態で保持されるようなものである。

シャフト「内」とは、バランス部材がロータシャフトの外周内で半径方向に保持されることを意味する。

ロータシャフト内のバランス部材の締まり嵌めは、ロータ組立体の回転中のバランス部材の拡張（すなわち、膨張）を低減又は防止するために、バランス部材を圧縮状態に保持する。これにより、ポンプの動作中にバランス部材が受ける局部応力を低減させることができる。これにより、バランス部材の耐久性及び稼働寿命を向上させ、その欠陥率を低減させることができる。

上記の実施形態では、ロータシャフトは、円周方向に延びるシャフト内面を画定し、バランス部材は、円周方向に延びる外面を画定する。締まり嵌めは、シャフト内面と外面との間である。

このようにして、円周方向に延びるシャフト内面は、バランス部材の円周方向に延びる外面を圧縮する。これは、バランス部材の外面の周りに一貫した締まり嵌め及び圧縮を提供する。

上記のさらなる実施形態では、バランス部材は、略環状であり、中央ボアと、中央ボアと円周方向に延びる外面との間に延びる半径方向に延びる前面及び反対側に半径方向に延びる後面と画定する。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、面取り面は、円周方向に延びる外面と半径方向に延びる後面との間に延びる。面取り面は、長手方向軸線に対して半径方向内向きの角度で外面から後面に延びる平面である。この角度は、何らかの適切な鋭角、例えば４５°とすることができる。

随意的な面取り面は、バランス部材の半径方向に延びる後面のシャフト内面との接触を回避し、少なくとも１つの磁石とのより強固な保持接触を提供するのを助けることができる。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、バランス部材は、その内部に画定された少なくとも１つのバランス特徴部を含む。

「バランス特徴部」とは、例えば、バランス部材にウェイトを追加する又はそこから除去することによって、ロータ組立体の回転バランスの「微調整」を助けるために使用することができる、バランス部材に追加された又はバランス部材に画定された何らかの特徴部である。

１つの実施形態では、バランス部材の半径方向に延びる前面（すなわち、前軸面）は、バランスウェイトを受け入れるためにその内部に画定された複数の穴の形態の複数のバランス特徴部を含む。複数の穴は、バランス部材の円周の周りに等間隔に配置することができ、協働的にねじ切りされたバランスウェイト（例えば、バランスねじ）を受け入れるようにねじ切りすることができる。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、ロータ組立体は、ロータシャフトに取り付けられ、一緒に回転する少なくとも１つの磁石をさらに備える。

少なくとも１つの磁石は、ターボ分子ポンプに使用される場合、ロータ組立体を支持するための磁気軸受を形成するために使用することができる。

上記のさらなる実施形態では、バランス部材は、少なくとも１つの磁石をロータシャフトに対して軸方向に保持するように配置される。

このように、バランス部材は、別個の磁石保持部材の必要性を除去し、結果として部品点数を低減し、組み立てを単純化し、製造コストを削減する。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、バランス部材は、少なくとも１つの磁石に軸方向に当接する。

このように、バランス部材は、少なくとも１つの磁石に接触して、磁石を軸方向に（すなわち、長手軸に沿って）保持し、磁石の軸方向の移動を防止する。これにより、少なくとも１つの磁石によって形成された磁気軸受は、動作時に安定した状態を保つことができる。また、少なくとも１つの磁石を保持するバランス部材は、組み立て時及び動作時に磁石を保護するのを助ける。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、少なくとも１つの磁石は円周方向に延びるシャフト内面に、締まり嵌めによって取り付けられる。

締まり嵌めは、シャフト内における少なくとも１つの磁石の保持を改善して動作中の移動を防止し、少なくとも１つの磁石に圧縮を加えて耐久性を改善するのを助けることができる。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、バランス部材は、円周方向に延びるシャフト内面によって画定される凹部の中に嵌合される。換言すれば、シャフト内面は、バランス部材が嵌合される凹部を備える。１つの実施形態では、凹部は、長手方向軸の周りに円周方向に延び、半径方向に延びる表面を画定する環状肩部を形成する環状凹部である。

凹部内にバランス部材を嵌合することは、バランス部材のよりしっかりした保持をもたらすのを助け、ロータ組立体内のバランス部材の正確かつ安定した組み立てを容易にする。

上記のさらなる実施形態では、バランス部材は、環状凹部内に締まり嵌めで嵌合され、少なくとも１つの磁石に軸方向に当接する半径方向に延びる後面を備え、環状肩部の半径方向に延びる表面とバランス部材の半径方向に延びる後面との間に間隙が形成される。

間隙は、環状肩部の半径方向に延びる表面がそのような接触を制限することなく、バランス部材の半径方向に延びる後面が少なくとも１つの磁石とのより強固な保持接触を提供することを意味する。

別の態様では、本開示は、ターボ分子ポンプを提供する。ターボ分子ポンプは、上記態様又はその実施形態のいずれかのロータ組立体と、ロータ組立体を回転駆動するモータとを備える。

ロータ組立体を含むターボ分子ポンプは、バランス部材がその中に実装されることにより、改善された耐久性、稼働寿命及び振動特性を有する。

さらなる実施形態では、ポンプは、ロータ組立体を支持するための中央ステータ組立体をさらに含む。ロータ組立体が少なくとも１つの磁石を備える実施形態では、中央ステータ組立体は、ロータ組立体の少なくとも１つの磁石と磁気軸受を形成する、静的に固定された対応するステータ磁石（複数可）を含む。

上記のいずれかのさらなる実施形態では、ポンプは、ロータ組立体、モータ、及び（それが含まれる実施形態では）中央ステータ組立体を収容する外側ケーシングをさらに備える。

上記のさらなる実施形態では、外側ケーシングは、外側ケーシングによって支持され、ロータブレードの上流及び／又は下流にステータ段を提供するように配置されるステータベーンを含む。ロータブレード及び／又はステータベーンは、ポンプのターボ段を形成する。

上記のさらに別の実施形態では、ポンプは、ターボ段の下流にドラッグポンプ段をさらに備える。ドラッグポンプ段は、ホルベック（Ｈｏｌｗｅｃｋ）、ゲーデ（Ｇａｅｄｅ）又はシーグバーン（Ｓｉｅｇｂａｈｎ）ポンプ段などの何らかの適切なドラッグポンプ段とすることができる。

上記のさらに別の実施形態では、ポンプは、ドラッグポンプ段の下流に再生ポンプ段をさらに備える。

別の態様では、本開示は、ターボ分子ポンプ用のロータ組立体を組み立てる方法を提供する。本方法は、ロータシャフト内にバランス部材を締まり嵌めにより嵌合するステップを含む。ロータシャフトは、ロータ組立体がその周りを回転するように構成されている長手方向軸に沿って延び、複数のロータブレードがロータシャフトから延びる。

上記のさらなる実施形態では、本方法は、ロータシャフトを加熱して、ロータシャフトを熱膨張させるステップと、バランス部材を冷却して、バランス部材を熱収縮させるステップと、収縮したバランス部材を膨張したロータシャフトに押し込むステップと、ロータシャフトが熱収縮し、バランス部材が熱膨張して締まり嵌めを形成するように、ロータシャフト及びバランス部材の温度を等しくするステップとをさらに含む。

温度を「等しくする」とは、ロータシャフト及びバランス部材のそれぞれの加熱及び冷却のプロセスを停止し、ロータシャフト及びバランス部材を周囲温度に戻すことを意味する。

本方法を使用することで、ロータシャフトとバランス部材との間で（例えば、周囲温度で単に圧入する場合と比較して）より高度な干渉（すなわち、より大きな締まり嵌め）を達成するのを保証することができる。これは、動作中に使用される高回転速度条件下で、バランス部材が所定位置に保持されたままであることを保証するのを助けることができる。

上記のさらなる実施形態において、本方法は、バランス部材を嵌合する前に、ロータシャフト内に少なくとも１つの磁石を嵌合することをさらに含む。少なくとも１つの磁石は、ロータシャフト内に締まり嵌めすることができる。

バランス部材の前に少なくとも１つの磁石を嵌合することにより、バランス部材は、ロータ組立体に回転バランスを提供すると同時に、少なくとも１つの磁石の保持手段としての機能を果たすという２つの機能を有することができる。これにより、部品点数を低減し、製造の複雑さ及びコストを削減することができる。

さらなる実施形態では、本方法は、上記態様で説明した何らかの特徴又はその何らかの実施形態を有するロータ組立体を組み立てるために使用することができる。

以上、特定の利点について特定の特徴に関連して説明したが、特定の特徴の他の利点は、本開示に従って当業者に明らかになるであろう。

次に、１又は２以上の非限定的な実施例は、例示的に添付の図面を参照して説明される。

本開示の実施形態によるロータ組立体を含むターボ分子ポンプの断面図を示す。 本開示の実施形態による図１のロータ組立体の断面図を示す。 図２のロータ組立体に使用するバランスリングの斜視図を示す。 図３のバランスリングの別の斜視図を示す。 図２のロータ組立体の一部のクローズアップ図を示す。

図１を参照すると、本開示の一実施形態によるターボ分子ポンプ１００が示されている。ターボ分子ポンプ１００は、磁気軸受１０６を用いて中央ステータ組立体１０４によって支持されたロータ組立体１０２と、ロータ組立体１０２を駆動するためのモータ１０８とを備える。ロータ組立体１０２、中央ステータ組立体１０４、及びモータ１０８は、外側ケーシング１１０内に収容することができる。外側ケーシング１１０は、ガス入口１１２とガス出口（この特定の断面では見えない）を画定する。モータ１０８は、制御電子機器１０９によって制御され、この制御電子機器１０９は、外側ケーシング１１０内に画定された電子機器通路１１４（仮想線）を通過するワイヤ又は他の適切な電気接続によってモータ１０８と通信する。

図２は、本開示の実施形態によるロータ組立体１０２を単独で示す。ロータ組立体１０２は、ロータ組立体１０２がその周りで回転するように構成された長手方向軸１２２に沿って、第１の端部１１８から第２の端部１２０まで延びるロータシャフト１１６を備える。換言すれば、長手方向軸１２２は、ロータ組立体１０２の回転軸である。

ロータシャフト１１６は、第１の端部１１８にハブ１２４を有し、そこから複数のロータブレード１２６が延びている。ロータブレード１２６は、ロータシャフト１１６と一体的に形成すること、又は別体で形成されて何らかの適切な手段によってロータシャフト１１６に取り付けることができる。図１に示すように、ロータブレード１２６は、ロータ組立体１０２がターボ分子ポンプ１００に組み込まれると、外側ケーシング１１０によって支持されるステータベーン１２８の段と交互になるように段状に配置されている。

実施形態において、ロータ組立体１０２は、分子ドラッグポンプ段を備えることもできる。例えば、図示の実施形態では、ホルベック段１３４は、ポンプ１００から排出されるガス／分子の量を増加させるために、ロータブレード１２６の下流に配置されている。

図１及び２の両方を参照すると、真空を生成又は維持するために、モータ１０８は、ロータブレード１２６を含むロータ組立体１０２を長手方向軸１２２の周りで回転するように駆動する。ロータ組立体１０２の回転ブレード１２６は、ステータベーン１２８と協働して、ガス分子をガス入口１１２からポンプ１００を通ってホルベック段１３４まで送る。次に、ホルベック段１３４は、ポンプ１００から排出するために、ガス分子をその下流のガス出口にポンプ送給するのを助けるように機能する。

図１及び２に示すように、ロータ組立体１０２は、ロータシャフト１１６の第１の端部１１８がガス入口１１２にあり、ロータシャフト１１６の第２の端部が長手方向軸１２２に沿って反対側にある状態で、ターボ分子ポンプ１００内に組み込まれる。ロータシャフト１１６の第１の端部１１８は磁気軸受１０６によって支持され、第２の端部１２０は機械軸受１３６によって支持される。

機械軸受１３６は、深溝軸受又はアンギュラコンタクト軸受などの、何らかの適切なタイプの軸受とすることができる。他の可能な例としては、玉軸受又はころ軸受が挙げられる。

図示の実施形態では、ロータ組立体１０２はまた、端部１２０にロータシャフト１１６を機械軸受１３６に結合するために使用されるスタブシャフト１３８を備える。しかしながら、本開示の範囲内において、ロータシャフト１１６を支持及び／又は結合する他の何らかの適切な手段を使用することができる。

磁気軸受１０６は、ハブ１２４と中央ステータ組立体１０４との間に設けられ、ロータ磁石１３２はハブ１２４に取り付けられる。

磁気軸受１０６を形成するために、ステータ磁石１４０は、ハブ１２４内に受容される中央ステータ組立体１０４に取り付けられ、ロータ磁石１３２とステータ磁石１４０との間に半径方向の反発力がもたらされるようになっている。

図示の実施形態では、中央ステータ組立体１０４に取り付けられた２つの環状ステータ磁石１４０と、ハブ１２４に取り付けられた２つの対応する環状ロータ磁石１３２がある。しかしながら、特定の用途で必要に応じて、何らかの適切な数のステータ磁石１４０及びロータ磁石１３２が存在できることを理解されたい。例えば、２より多い又はそれよりも少ないステータ及びロータ磁石１４０、１３２が存在することができる。より一般的には、少なくとも１つのロータ磁石１３２と少なくとも１つの対応するステータ磁石１４０が存在する。

環状ステータ及びロータ磁石１３２、１４０は、長手方向軸１２２の周りに同軸に配置され、ステータ磁石１４０は、ロータ磁石１３２内に同心に配置され、それらの間に半径方向の反発力をもたらす。

図１に示されるように、ロータ磁石１３２は、ステータ磁石１４０から軸方向にわずかにオフセットされ、磁石１３２、１４０の間に軸方向の反発力を与えて、ロータシャフト１１６の第２の端部１２０で機械軸受１３６に予荷重を与えることができる。

このようにして、磁気軸受１０６は、ロータシャフト１１６の支持を可能にすると共にポンプ１００内でロータシャフト１１６を中心に集め、一方で、シャフト１１６が回転する際にロータ磁石１３２とステータ磁石１４０との間の磁気反発によって摩擦を低減する。

機械軸受とは対照的に、シャフト１１６の第１の端部に磁気軸受１０６を使用することで、真空環境を汚染する可能性のある潤滑化合物又は流体の必要性を回避することができる。それにもかかわらず、本開示の範囲内において、他の実施形態は、磁気軸受１０６の代わりに第２の機械軸受（例えば、第１の機械軸受１３６と同様）を使用することができる。そのような実施形態は、潜在的により高価で壊れやすい磁性材料を使用する必要性を回避するので、コスト及び組み立て上の恩恵を有することができる。

上述したように、ロータ組立体１０２は、バランス平面でバランスさせることが有利である。バランス平面は、ロータシャフト１１６に沿った様々な点でのバランスねじの追加によって提供することができる。ロータ組立体１０２に複数のバランス平面を設けることができる。例えば、ロータ組立体１０２は、ロータシャフトの第１の端部１１８に設けられた第１のバランス平面１４２と、ロータシャフト１１６の第２の端部１２０に設けられた第２のバランス平面（図示せず）と、第１及び第２のバランス平面の中間に設けられた第３のバランス平面（図示せず）とを備えることができる。必要なバランス平面の数は、特定の用途と、その用途におけるポンプ動作に許容可能とみなされるロータ組立体の残留「アンバランス」の量とに応じて変わることになることを理解されたい。

図１及び２の実施形態では、ロータ組立体１０２は、ロータシャフト１１６の第１の端部１１８に少なくとも１つのバランス平面１４２を備える。このバランス平面１４２は、ロータシャフト１１６内に締まり嵌めによって嵌合されたバランス部材１３０の追加によって提供される。換言すれば、バランス部材１３０は、ロータシャフト１１６の外周の内側で、それとの締まり嵌めによって半径方向に保持される。

詳細には、図示のように、バランス部材１３０は、ハブ１２４の内側に締まり嵌めでロータシャフト１１６内に嵌合される。以下により詳細に説明するように、バランス部材１３０は、ロータ組立体１０２の回転バランスの補正／補償を行うために使用することができ、さらに、磁気軸受１０６を形成するためにハブ１２４の内側に嵌合されるロータ磁石１３２を保持する。

ロータシャフト１１６内のバランス部材１３０の締まり嵌めは、ロータ組立体１０２の回転中のバランス部材１３０の拡張（すなわち、膨張）を低減又は防止するために、バランス部材を圧縮状態に保持する。これにより、ポンプ１００の動作中にバランス部材１３０に生じる局部応力を低減することができる。これは、バランス部材１３０の耐久性及び寿命を改善し、その欠陥率を低減することができる。

図３から５をさらに参照すると、バランス部材１３０は、略環状であり、中央ボア１４４及び円周方向に延びる外面１４６を画定するバランスリング１３０を形成する。しかしながら、バランス部材１３０は、環状に限定されず、何らかの他の適切な形態又は形状、例えば、何らかの略環状又は軸対称の形状で提供できることを理解されたい。

ロータシャフト１１６は、ハブ１２４内に円周方向に延びるシャフト内面１４８を画定し、締まり嵌めは、シャフト内面１４８とバランス部材外面１４６との間である。シャフト内面１４８とバランス部材外面１４６との間の締まり嵌めは、バランスリング１３０がロータシャフト１１６によって圧縮状態で保持され、ロータ組立体１０２が回転する際のバランスリング１３０の拡張（例えば、膨張）を低減又は防止するようなものである。

締まり嵌めは、ロータ組立体１００の高い最高動作速度及びそれによって発生する荷重の下で、バランスリング１３０を所定の位置に保持するのに十分に高いものとなる。

一例では、適切な締まり嵌めの程度は、１００－７０μｍ又は約８５μｍ（例えば、８５μｍ±１５μｍ）である。しかしながら、本開示の範囲内において、バランスリング１３０とロータシャフト１１６との間の締まり嵌めの程度は、その特定の用途及び動作速度に応じて、何らかの他の適切な値に変わり得ることを理解されたい。

バランスリング１３０は、バランスねじ（図示せず）を受け入れるために半径方向に延びる前面１５２に形成された穴１５０の形のバランス特徴部を備える。穴１５０は、ねじ付きとすることができ、ロータ組立体１０２の回転バランスを微調整するために必要に応じて又はその必要なしで、バランスねじを穴１５０にねじ込んでバランスリング１３０に重量を加えることができるようになっている。

図示の実施形態では、バランスリング１３０の円周上に１６個の穴１５０が等間隔に配置されている（すなわち、各穴１５０は、バランスリング１３０の円周の周りで次の穴１５０から２２．５度の間隔を空けて配置されている）。しかしながら、本開示の範囲内で、特定の用途に必要な微調整を提供するために必要であれば、穴１５０の何らかの適切な数及び／又は間隔（均等又は不均等）を使用することができる。

さらに、バランスリング１３０は、バランス特徴部としてバランスウェイトを受け入れるための穴１５０を描写するが、本開示の範囲は、何らかの他の適切なバランス特徴部にも及ぶ。

例えば、バランスリング１３０は、回転バランスを提供するために、成形する、又は内部に重りを付ける、又は特定の領域でそこからウェイトを除去するように機械加工する（例えば、レーザー切断によって）ことができる。さらに、穴１５０にバランスウエイトを追加する代わりに、穴１５０を省略し、ウェイトを追加するために、バランスリング１３０への少量の接着剤又は粘着剤の追加を特徴とすることができる。さらに、バランスリング１３０だけで、特定の付加的なバランス特徴部なしに回転バランスを提供するのに十分である場合もある。

従って、本開示は、上述したような回転バランスを提供することができるバランス部材及び／又はバランス特徴部の何らかの適切な構成を含むように拡張される。

図示の実施形態では、ロータシャフト１１６は、バランスリング１３０を受け入れるために、ハブ１２４の円周方向に延びるシャフト内面１４６に第１の凹部１５４を画定する。第１の凹部１５４は、長手方向軸１２２の周りに円周方向に延びる環状凹部であり、第１の凹部１５４内に半径方向に延びる表面１５７を画定する第１の環状肩部１５６を形成する。

バランスリング１３０は、第１の環状肩部１５６に隣接して第１の環状凹部１５４内に嵌合される。肩部１５６に隣接する凹部１５４内にバランスリング１３０を配置することにより、バランスリング１３０とロータ組立体１０２との間の嵌合（ｆｉｔｍｅｎｔ）が安定し、さらにロータシャフト１１６内でのバランスリング１３０の組み込みが容易になる場合がある。

それにもかかわらず、本開示の範囲内の他の実施形態では、バランスリング１３０は、凹部１５４に保持される必要がないことを理解されたい。例えば、バランスリング１３０は、代わりに、凹部（又は対応する肩部）がそこに存在することなく、ハブ１２４の半径方向内面に互いに接触して締まり嵌めすることができる。

ロータ組立体１０２及びその個々の構成要素（例えばロータシャフト１１６及びバランスリング１３０）は、金属合金などの何らかの適切な材料又は材料の組み合わせで作ることができる。１つの特定の例では、ロータシャフト１１６及びバランスリング１３０を含むロータ組立体１０２は、ＡＡ７０７５のようなアルミニウム合金で作られている。アルミニウム合金は、比較的軽量であり、ターボポンプ用途に十分な機械的特性及び耐食性を有するため、ステンレス鋼などの他の適切な金属材料と比較して有利である。

より耐久性のある改良されたバランス部材を提供することに加えて、図示のバランスリング１３０は、ロータ磁石１３２の保持部材（すなわち、保持リング）の機能を提供するように配置されている。

バランス機能と磁石保持機能を単一の構成要素に統合することにより、別個の磁石保持リングの必要性がなくなり、従って、部品点数が低減され、組み立てが簡素化され、製造コストが削減される。

図示の実施形態では、ロータ磁石１３２は希土類磁石（ネオジム－鉄－ボロン磁石又はサマリウム－コバルト磁石など）であり、（例えばロータ組立体１０２の他の部分と比較して）比較的脆い材料であり、容易に欠ける可能性がある。従って、ポンプ１００の組み立て時又は動作時に損傷を引き起こす可能性のある磁石１３２の移動を避けるために、シャフト１１６内でバランスリング１３０を使用してこのようなロータ磁石１３２をしっかりと保持することが特に有利である。理解されるように、これらの磁石は、所定形状（例えば、環状体）にプレスされて焼結される粉末材料から作ることができる。他の例では、ロータ磁石１３２は、セラミック磁石又は何らかの他の適切な磁性材料とすることができる。

締まり嵌めは、ロータ磁石１３２のさらなる保持を可能にするためにロータ磁石１３２とロータシャフト１１６との間に提供される。ロータシャフト１１６に対するロータ磁石１３２の締まり嵌めは、バランスリング１３０と同程度にすること（上述のように）、又は、特定の用途及び使用される磁石材料に応じて大きくすること又は小さくすることができる。例えば、必要とされる締まり嵌めは、特定の用途及び動作速度に対して磁石の保持がどの程度必要とされるかに依存し、比較的脆い希土類磁石は、割れを避けるために、他のより延性のある磁石材料と比較して、ロータシャフト１１６内でより高い圧縮度で保持する必要があろう。

図１及び２に示すように、ロータ磁石１３２は、ロータシャフト１１６の第１の端部１１８でハブ１２４内に画定された第２の環状凹部１５８に取り付けられ。ロータ磁石１３２は、第２の環状凹部１５８によって形成された第２の環状肩部１６０上に積み重ねられ、第２の環状肩部１６０とバランスリング１３０との間に保持される。バランスリング１３０の中央ボア１４４は、ステータ磁石１４０を保持する中央ステータ組立体１０４を収容する。

上記のバランスリング１３０と同様に、本開示の範囲内の他の実施形態では、ロータ磁石１３２は、凹部１５８に保持される必要がないことを理解されたい。例えば、ロータ磁石１３２は、代わりに、凹部（又は対応する肩部）がそこに存在することなく、ハブ１２４の半径方向内面に互いに接触して嵌合することができる。

図５をさらに参照すると、図示の実施形態では、バランスリング１３０は、ロータシャフト１１６内でロータ磁石１３２を軸方向に保持するのを助けるために、ロータ磁石１３２の一方と軸方向に当接する。

バランスリング１３０の半径方向に延びる後面１６２（半径方向に延びる前面１５２の反対側で、軸方向後方）は、ロータ磁石１３２の一方の半径方向に延びる端面１６４と接触状態にある。

バランスリング１３０は、ロータ磁石１３２の環状幅Ｗ_Mよりも大きな環状幅Ｗ_Bを有し、バランスリング１３０の半径方向に延びる後面１６２の半径方向内側部分１６６のみが、ロータ磁石１３２の一方の半径方向に延びる端面１６４と接触状態になるようになっている。バランスリング１３０の半径方向に延びる後面１６２の残りの部分、すなわち半径方向外側部分は、第１の環状凹部１５４の第１の環状肩部１５６と整列している（すなわち平行である）。

図５に示すように、第２の環状肩部１６０上に積み重ねられたロータ磁石１３２は、バランスリング１３０の半径方向に延びる後面１６２と第１の環状肩部１５４の半径方向に延びる表面１５７との間に間隙Ｇが設けられるように、第１の環状肩部１５６を越えて軸方向に延びている。換言すれば、バランスリング１３０の半径方向に延びる後面１６２とロータ磁石１３２のうちの一方の半径方向に延びる端面１６４との間の接触は、バランスリング１３０が第１の環状肩部１５６と接触する状態になることを防止する。

第１の環状肩部１５６との接触をさらに防止し、結果として間隙Ｇを維持するために、バランスリング１３０は、外面１４６と後面１６２との間に延びる面取り面１４７をさらに含む。面取り面１４７は、外面１４６から後面１６２まで、長手方向軸１２２に対して半径方向内向きのある角度で延びる。この角度は何らかの適切な鋭角とすることができるが、図示の例では４５°である。

間隙Ｇは、バランスリング１３０が動作時に常に隣接するロータ磁石１３２との接触を維持することを可能にするので有利である。これは、磁石１３２の変形又は損傷を最小限にするためにロータ磁石１３２の軸方向の保持を改善し、さらに磁気軸受１０６の安定した動作のために、ステータ磁石１４０に対するロータ磁石１３２の配置を維持することができる。

図示の例では、間隙Ｇは約０．１ｍｍ（すなわち、±０．０５ｍｍ）であるが、ロータ組立体の大きさ及び動作に悪影響を与えることなく、ロータ磁石１３２がバランスリング１３０によってしっかりと保持されることを保証する他の適切な大きさとすることができる。例えば、０．１ｍｍから１ｍｍの間である。

ロータ磁石１３２を保持するための、第１の端部１１８におけるバランスリング１３０の上述の配置は特に有利であるが、本開示の範囲内において、バランスリング１３０は、本開示の範囲から逸脱することなく、ロータシャフト１１６に沿った何らかの他の適切な位置（例えば、任意の他の適切なバランス平面）で使用できることを理解されたい。

例えば、バランスリング１３０は、追加的に又は代替的に、第２の端部１２０又はロータシャフト１１６に沿った中間位置に適用することができる。このような位置決めでは、バランスリング１３０が磁石保持装置を兼ねるという利点は得られないであろうが、それにもかかわらず、これらの追加的又は代替的なバランス平面がその耐久性の利点の恩恵を受けることを可能にするであろう。

図２を参照して、本開示の実施形態によるロータ組立体１０２を組み立てる方法を説明する。ロータシャフト１１６とバランスリング１３０との間の締まり嵌めでロータ組立体１０２を組み立てるために、ロータシャフト１１６を熱膨張させ、バランスリング１３０を熱収縮させて、バランスリング１３０の外径Ｄ_Bとロータシャフト１１６の内径Ｄ_R1との間の差を大きくする。図示の実施形態では、ロータシャフト１１６の内径Ｄ_R1は、バランスリング１３０を受け入れるハブ１２４の第１の凹部１５４の内径Ｄ_R1である。

従って、組み立て方法は、熱膨張のためにロータシャフト１１６を加熱すること及び熱収縮のためにバランスリング１３０を冷却することを含む。例えば、ロータシャフト１１６は、炉又はオーブンで１００℃と１５０℃の範囲、より狭くは約１３５℃の温度まで加熱することができる。バランスリング１３０は、冷凍装置又は液体窒素のような冷却流体槽を用いて、［広い範囲］の温度、より狭くは約－１９０℃の温度まで冷却することができる。

冷却されて熱収縮したバランスリング１３０は、加熱されて熱膨張したロータシャフト１１６内に嵌合される（すなわち、位置決めされる）。その後、バランスリング１３０とロータシャフト１１６の温度を等しくさせることで、バランスリング１３０が膨張し、ロータシャフト１１６が収縮して両者の間に締まり嵌めが形成される。

ロータ磁石１３２は、磁石１３２が熱収縮して環状ロータ磁石１３２の外径Ｄ_Mとロータシャフト１１６の内径Ｄ_R2との間の差が大きくなるように磁石１３２を冷却することで同様の方法でロータ組立体１１６に取り付けることができる。図示の実施形態では、ロータシャフト１１６の内径Ｄ_R2は、ロータ磁石１３２を受け入れるハブ１２４の第２の凹部１５８の内径Ｄ_R2である。

冷却され熱収縮したロータ磁石１３２は、バランスリング１３０が嵌合される前に、加熱され熱膨張したロータシャフト１１６内に嵌合される（すなわち、位置決めされる）。ロータ磁石１３２の温度をロータシャフト１１６（及びバランスリング１３０）の温度と等しくさせることで、ロータ磁石１３２が熱膨張し、ロータシャフト１１６が冷えて収縮すると、両者の間に締まり嵌めが形成される。

当業者であれば理解できるように、相対的な直径（Ｄ_R1、Ｄ_B、Ｄ_R2、Ｄ_M）及び加熱温度及び冷却温度は、バランスリング１３０／ロータ磁石１３２とロータシャフト１１６との間の所望の程度の締まり嵌め及び／又は嵌合の容易さを提供するように変えることができる。

さらに、締まり嵌めを形成するための他の好適な組み立て方法では、ロータシャフト１１６は、バランスリング１３０／ロータ磁石１３２をその熱収縮（すなわち、冷却）を必要とすることなく嵌合できるように十分に熱膨張される。同様に、締まり嵌めを形成するためのさらに他の好適な組み立て方法では、バランスリング１３０／ロータ磁石１３２は、ロータシャフト１１６をその熱膨張（すなわち、加熱）を必要とすることなく嵌合できるように十分に熱収縮させることができる。

１００ ターボ分子ポンプ
１０２ ロータ組立体
１０４中央ステータ組立体
１０６ 磁気軸受
１０８ モータ
１０９ 制御電子機器
１１０ 外側ケーシング
１１２ ガス入口
１１４ 電子機器通路
１１６ ロータシャフト
１１８ 第１の端部
１２０ 第２の端部
１２２ 長手方向軸
１２４ ハブ
１２６ ロータブレード
１２８ ステータベーン
１３０ バランスリング
１３２ ロータ磁石
１３４ ホルベック段
１３６ 機械軸受
１３８ スタブシャフト
１４０ ステータ磁石
１４２バランス平面
１４４ 中央ボア
１４６ 円周方向に延びる外面
１４７ 面取り面
１４８ 円周方向に延びるシャフト内面
１５０ ねじ穴
１５２ 半径方向に延びる前面
１５４ 第１の環状凹部
１５６ 第１の環状肩部
１５７ 半径方向に延びる表面
１５８ 第２の環状凹部
１６０ 第２の環状肩部
１６２ 半径方向に延びる後面
１６４ 半径方向に延びる端面
１６６ 半径方向内側部分
Ｗ_B バランスリングの環状幅
Ｗ_M ロータ磁石の環状幅
Ｇ 間隙
Ｄ_B バランスリングの外径
Ｄ_M ロータ磁石の外径

Claims (15)

1. ターボ分子ポンプ用のロータ組立体であって、
   前記ロータ組立体がその周りで回転するように構成されている長手方向軸に沿って延びるロータシャフトと、
   前記ロータシャフトから延びる複数のロータブレードと、
   前記ロータシャフト内に締まり嵌めで嵌合されるバランス部材と、
   を備え、
   前記バランス部材は、前記ロータ組立体によって圧縮状態で保持されるようになっている、ロータ組立体。
2. 前記ロータシャフトは、円周方向に延びるシャフト内面を画定し、前記バランス部材は円周方向に延びる外面を画定し、前記締まり嵌めは、前記シャフト内面と前記外面との間である、請求項１に記載のロータ組立体。
3. 前記バランス部材は、略環状であり、中央ボアと、前記中央ボアと前記円周方向に延びる外面との間に延びる半径方向に延びる前面及び反対側の半径方向に延びる後面と、前記円周方向に延びる外面と前記半径方向に延びる後面との間に延びる面取り面とを画定する、請求項２に記載のロータ組立体。
4. 前記バランス部材は、その内部に形成された少なくとも１つのバランス特徴部を含む、請求項１、２、又は３に記載のロータ組立体。
5. 前記ロータシャフトに取り付けられ、一緒に回転する少なくとも１つの磁石をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のロータ組立体。
6. 前記バランス部材は、前記少なくとも１つの磁石を前記ロータシャフトに対して軸方向に保持するように配置されている、請求項５に記載のロータ組立体。
7. 前記バランス部材は、前記少なくとも１つの磁石に軸方向に当接する、請求項５又は６に記載のロータ組立体。
8. 前記少なくとも１つの磁石は、円周方向／前記円周方向に延びるシャフト内面に締まり嵌めにより取り付けられる、請求項１から７のいずれか一項に記載のロータ組立体。
9. 前記バランス部材は、円周方向／前記円周方向に延びるシャフト内面によって画定された凹部の中に嵌合される、請求項１から８のいずれか一項に記載のロータ組立体。
10. 前記凹部は、前記長手方向軸の周りに円周方向に延び、半径方向に延びる表面を画定する環状肩部を形成する環状凹部である、請求項９に記載のロータ組立体。
11. 円周方向／前記円周方向に延びるシャフト内面は、前記長手方向軸の周りに円周方向に延びる環状凹部を画定し、半径方向に延びる表面を画定する環状肩部を形成し、
    前記バランス部材は、前記環状凹部内に嵌合され、前記少なくとも１つの磁石に軸方向に当接する半径方向／前記半径方向に延びる後面を備え、
    前記環状肩部の前記半径方向に延びる表面と、前記バランス部材の前記半径方向に延びる後面との間に間隙が形成される、請求項５から８のいずれか一項に記載のロータ組立体。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のロータ組立体と、
    前記ロータ組立体を回転駆動するモータと、
    を備えるターボ分子ポンプ。
13. ターボ分子ポンプ用のロータ組立体を組み立てる方法であって、前記方法は、
    ロータ組立体のロータシャフト内にバランス部材を締まり嵌めにより嵌合するステップを含み、
    前記ロータシャフトは、前記ロータ組立体がその周りを回転するように構成されている長手方向軸に沿って延び、複数のロータブレードが前記ロータシャフトから延びる、方法。
14. 前記ロータシャフトを加熱して、前記ロータシャフトを熱膨張させるステップと、
    前記バランス部材を冷却して、前記バランス部材を熱収縮させるステップと、
    収縮した前記バランス部材を膨張した前記ロータシャフトに押し込むステップと、
    前記ロータシャフトが熱収縮し、前記バランス部材が熱膨張して前記締まり嵌めを形成するように、前記ロータシャフト及び前記バランス部材の温度を等しくするステップと、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記バランス部材を嵌合する前に、前記ロータシャフト内に少なくとも１つの磁石を嵌合するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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