JP4133233B2

JP4133233B2 - ターボ分子ポンプおよびそのロータ

Info

Publication number: JP4133233B2
Application number: JP2002322332A
Authority: JP
Inventors: 知明岡村; 篤史東尾
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: JP2004156518A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速回転するターボ分子ポンプ、特にターボ分子ポンプのロータの接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプは、例えば毎分数万回転といった高速で回転するロータを内部に備えた回転機械である。
このようなターボ分子ポンプのロータの一例を図２に示す。
図２は、従来のターボ分子ポンプにおけるロータ１０１の動翼体１０２とシャフト部（回転軸体）１０３との接続部を示した部分拡大断面図である（特許文献１参照）。
動翼体１０２は、その軸線周りに形成された円盤部（中央部）１０２ａと、該円盤部１０２ａの外周側に一体に接続された動翼（図示せず）とを有している。円盤部１０２ａには、軸線方向下方に向かって突出する凸部１０２ｂが設けられている。この凸部１０２は、下方に向かって縮径するように形成された円錐台形状とされている。
シャフト部１０３は、下方に主軸１０３ａを備え、上端には凸部１０２ｂに対応するテーパ穴１０３ｂが形成されている。主軸１０３ａは円柱状で、図示しない磁気軸受によって支持され、モータによって駆動力を得ている。テーパ穴１０３ｂは、凸部１０２ｂに対応する円錐台状とされている。動翼体１０２の凸部１０２ｂがシャフト部１０３のテーパ穴１０３ｂに嵌入されることで、シャフト部１０３に対して動翼体１０２が締結されている。さらに、動翼体１０２とシャフト部１０３とは、複数のボルト１０４によって固定されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２９７７８２号公報（第２−３頁、第１−３図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成のロータ１０１を有するターボ分子ポンプに対して過大な振動や内部での異常状態が生じると、次のような過程を経てロータは破壊する。
複数のボルト１０４が破断した後、動翼体１０２は、凸部１０２ｂがテーパ穴１０３ｂに嵌合した状態でシャフト部１０３に対して保持される。しかし、最終的にはこの嵌合状態が保持されずに、動翼体１０２は、嵌合部分がテーパ状となっているので、テーパ状の斜面に沿って斜め上方に飛び出すことになる。
また、動翼体１０２とシャフト部１０３との嵌合状態が強固に固定されている場合であっても、動翼体１０２の遠心力によって凸部１０２ｂが剪断されて破断することになる。
このように動翼体１０２がシャフト部１０３から切り離されて飛び出すと、ターボ分子ポンプのロータ１０１の周囲に配置された各機器に損傷を与えてしまうという問題があった。
一方、上記従来のターボ分子ポンプのロータ１０１は、動翼体１０２とシャフト部１０３との芯出しを行うために、凸部１０２ｂおよびテーパ穴１０３ｂがテーパ状となっている。また、芯出しという機能を達成することを考慮すれば、凸部１０２の径が大きくなればそれだけ遠心力による変形が増大するので、凸部の径はなるべく小さくすることが技術常識といえる。
このように、上記従来のターボ分子ポンプのロータ１０１は、破壊時において他の機器に与える損傷を抑えるためにどのように凸部１０２を形成するかという考慮がなされていない。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、過大な振動や内部での異常状態によってロータが破壊を起こしたとしても、周囲の機器に対する被害を抑えるターボ分子ポンプおよびそのロータ、さらにターボ分子ポンプの組立方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、次のような構成を採用する。
すなわち本発明に係る請求項１記載のターボ分子ポンプのロータは、軸線方向に突出する凸部を有する中央部と該中央部の外周側に一体に設けられた動翼とを有する動翼体と、前記中央部の前記凸部が挿入される凹部が先端部に形成された回転軸体と、を備えたターボ分子ポンプのロータにおいて、前記凸部の周囲および前記凹部の周囲には、それぞれ前記軸線方向に対して垂直な方向にボルト締結面が形成され、これらボルト締結面を介して前記動翼体と前記動翼体とが締結され、前記凸部は、前記ボルト締結面よりも突出して設けられるとともに、前記軸線に対して平行な側面を有し、前記回転軸体の外径に対する前記凸部の外径の比が０．４以上とされ、前記凸部の外径に対する前記凸部の軸線方向長さの比が０．５以上とされ、さらに前記動翼体は、前記回転軸体の比重よりも小さい比重とされていることを特徴とする。
【０００７】
凸部の側面を軸線に対して平行としたことにより、動翼体すなわち凸部に遠心力が加わったとしても、遠心力による分力が平行な側面に沿って形成されることはない。したがって、遠心力によって凸部ひいては動翼体が回転軸体の凹部に沿って移動して飛び出すことがない。なお、凸部の側面を軸線に対して平行にする形状としては、円柱状が好ましい。ただし、円柱状に限定されるわけではなく、角柱であっても構わない。
また、回転軸体の外径に対する凸部の外径の比を０．４以上として、凸部を太くした。これにより、仮に凸部が動翼体に加わる遠心力による剪断力によって破断されるとしても、太い分だけ破断時のエネルギを消費することになる。したがって、破断後に動翼体が回転軸体から分離して飛び出したとしても、他の機器に与える損傷を最小限に抑えることができる。なお、回転軸体の外径に対する凸部の外径の比は、好ましくは０．５以上、更に好ましくは０．６以上である。
【０００８】
また、凸部の外径に対する凸部の軸線方向長さの比を０．５以上として、凸部を長くした。これにより、回転軸体の凹部に対して凸部が接触する領域が拡大するので、これら凹部と凸部摩擦力が増大することとなる。なお、凸部の外径に対する凸部の軸線方向長さの比は、好ましくは０．６以上である。
【０００９】
本発明においては、比重の小さいロータの凸部が比重の大きいシャフト部凹部に入り込むので、ロータが全体として軽量化されることになる。
【００１０】
請求項２記載のターボ分子ポンプのロータは、前記動翼体の前記中央部の外面から前記回転軸体にかけて、これら動翼体および回転軸体の中心軸線に沿ってロータ組立用の仮軸を挿脱可能な孔が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、孔が動翼体および回転軸体に形成されることによって、ロータ全体が軽量化されることになる。特に動翼体が軽量化されることによって、ロータ破壊時に動翼体が飛び出す際の運動エネルギが低減させられることとなる。
また、ロータ組立時に、回転軸体の孔に仮軸を挿入し、その上から仮軸に動翼体を嵌入させることで、動翼体の位置決めが容易に行える。
【００１２】
さらに、ターボ分子ポンプが、上記請求項１または２に記載されたロータを備えていれば、ロータの破壊が生じても各機器への損傷を最小限に止めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係るターボ分子ポンプ及びそのロータの第１の実施形態を、図１に示して説明する。
ターボ分子ポンプ１は、ロータ２と、ロータ２を収納して保護するケーシング３とを備えている。
【００１４】
ロータ２は、動翼体４と、シャフト部（回転軸体）６とを備えている。
動翼体４は、動翼４Aと、円盤部（中央部）４Bと、凸部４Cと、ねじ溝部４Dとを備えている。円盤部４Bには、動翼体４の軸線方向にシャフト部６側へと突出する凸部４Cが設けられている。円盤部４Bの外周側には、動翼４Aが円盤部４Bと一体に多段状に設けられている。また、動翼体４下部の外側部分にはねじ溝が切ってあり、ねじ溝部４Dが形成されている。また、動翼体４は比重が軽いアルミ合金によって形成されており、その比重は２．８とされている。
動翼体４の中央には、軸方向に貫く貫通孔４Eが設けられている。
【００１５】
シャフト部６は、上部のフランジ部（先端部）６Aと、主軸６Bと、下部のスラストディスク６Cとを備えている。フランジ部６Aには凹部６Dが設けられており、凹部６Dにはロータの凸部４Cが嵌合して動翼体４とシャフト部６とが締結されている。また、凹部６Dと凸部４Cによる嵌合部の周囲において、複数のボルト７によっても動翼体４と、シャフト部６と、が締結されている。シャフト部６はステンレスにより形成されており、その比重は８とされている。シャフト部６上端の中央からは、動翼体４の貫通孔４Eに続く穿孔６Eが設けられている。動翼体４Aに設けられた貫通孔４Eと、シャフト部６に設けられた穿孔６Eとによって連続した孔が形成されている。貫通孔４Eと穿孔６Eとは、それぞれ動翼体４とシャフト部６の中心軸線に沿って形成されている。動翼体４の凸部４Cとシャフト部６の凹部６Dとの嵌合部分は、それぞれが抜け難いようにするために、テーパ状ではなく、凸部４Cの側面が平行となる円柱状とされている。凸部４Cの側面が平行とされているので、動翼体４の遠心力の分力が軸方向に存在しないために動翼体４が抜け難い。
【００１６】
凸部４C及び凹部６Dによる嵌合部においては、シャフト部６の外径に対する凸部４Cの外径の比が０．４以上とされている。また、凸部の外径に対する凸部４Cの軸方向長さの比は０．５以上とされている。
【００１７】
ケーシング３は、上部ケーシング９と下部ケーシング１０が複数のボルト１２によって締結されて形成されている。上部ケーシング９の上端には開口部であるガス吸気口１３が設けられている。下部ケーシング１０には排気口１４が設けられている。
上部ケーシング９における動翼４Aと略同じ高さの部分からは、動翼４Aの間に向かって静翼１５が延びている。動翼４Aと静翼１５とが交互に設けられて複数の翼段を構成している。
【００１８】
下部ケーシング１０とシャフト部６との対向面の上端には、上部保護玉軸受１６が設けられている。上部保護玉軸受１６の下面に接する部分には上部ラジアル磁気軸受１７が設けられている。また、下部ケーシング１０とシャフト部６との対向面の下方には下部ラジアル磁気軸受１８が設けられている。上部ラジアル磁気軸受１７と下部ラジアル磁気軸受１８との二つの磁気軸受の間にモータ１９が配置されている。
下部ラジアル磁気軸受１８の下方には下部保護玉軸受２０が設けられている。また、シャフト部６の下端面に設けられたスラストディスク６Cの上下面にはスラストディスク６Cに対向してスラスト磁気軸受２１が設けられている。
【００１９】
上記のように構成されたターボ分子ポンプを作動させると、スラスト磁気軸受２１と、上部ラジアル磁気軸受１７と、下部ラジアル磁気軸受１８と、に通電し、ロータ２を軸中心に浮上させた状態でモータ１９を回転させ、ロータ２を１００００〜１０００００ｒｐｍで高速回転させる。ロータ２を回転させると、ガス吸気口１３からガスが吸気される。ガスが吸気されてガス吸気口１３側が高真空状態になると、ガスの粒子は動翼４Aの回転により下方向の速度を与えられる。
【００２０】
下方向の速度を与えられたガスは、動翼４Aと静翼１５とによる翼段を通り、動翼体４のねじ溝部４Dで圧縮されて押し出され、排気口１４に導かれる。こうして、排気口１４からガスが排出されることによって、ガス吸気口１３側が高真空に保持される。
【００２１】
ターボ分子ポンプ１の運転時において、許容値を超える過大振動や内部での異常状態によって大きな運動エネルギを持った動翼体４が破壊されると、動翼体４の破片は外に飛び出そうとする。しかし、動翼４Aは比重が軽い材料によって形成されており、破片も小さくなるためにさほど大きな運動エネルギは放出しない。しかし、動翼体４の円盤部分４Bは、比較的大きな質量を持っている。そのため、動翼体４の円盤部分４Bが飛び出して運動エネルギを放出すると、周囲の機器に対して大きく損傷させることが予想される。しかし、動翼体４の凸部４C及びシャフト部６の凹部６Dが大きくかつ深く嵌合しているために、ロータ４が飛び出し難い。
【００２２】
また、飛び出したとしても、凸部４Cと凹部６Dとによる嵌合部が抜けるまでに運動エネルギが動翼体４の凸部４Cとシャフト部の凹部６Dとの間の摩擦エネルギに変わって消費されるので運動エネルギが放出されずに済み、周囲の機器に対してダメージを与えない。また、動翼体４の凸部４Cと、シャフト部６の凹部６Dと、の嵌合部分の径が大きいために、凸部４Cが動翼体４に加わる遠心力による剪断力によって破断されるとしても、太い分だけ破断時のエネルギを消費することになるので、破断後に動翼体が回転軸体から分離して飛び出したとしても、エネルギの放出量が抑えられ、他の機器に与える損傷を最小限に抑えることができる。また、凸部４Cの径が大きいために凸部４Cの強度が確保されて、動翼体の凸部４Cが破壊して動翼体４の円盤部分４Bが飛び出すことが抑えられる。
【００２３】
また、比重が小さい動翼体４がシャフト部６に対して大きくかつ深く入り込むために、ロータ２の全体的な重量が軽くなり、重心が低くなる。重心が低くなるために、回転が安定し、回転性能が向上して最大回転数が上がる。また、軸受の外側部分の重量が軽くなり、オーバハングが抑えられるので、振れ回りの発生が抑えられ、振れ回りによる事故の発生が抑えられる。また、振れ回りの発生が抑えられるために、回転が安定して回転性能が向上する。
【００２４】
動翼体４の中心には動翼体４を軸方向に貫く貫通孔４Eが設けられ、シャフト部６の中心には穿孔６Eが設けられている。これにより、組立て時に予めシャフト部６の穿孔６Eに仮軸を嵌入させ、シャフト部に対して仮軸を固定する。それから、仮軸にロータの貫通孔を上から嵌入させることで、ロータの位置決めが容易に行われる。また、ターボ分子ポンプ１を組み立てた後の貫通孔４E及び穿孔６Eは、仮軸が抜かれた後にロータ２の軽量化に寄与する。ロータ２が軽量化されるために、回転性能が向上し最大回転数も向上する。
【００２５】
なお、本実施形態においては凸部４C及び凹部６Dを円柱状としたが、これに変えて角柱状としても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るターボ分子ポンプ及びそのロータによれば、凸部の側面を軸線に対して平行としたことにより、動翼体すなわち凸部に遠心力が加わったとしても、動翼体が回転軸体から抜け難い。また、回転軸体の外径に対する凸部の外径の比を０．４以上として、凸部を太くしたことにより、凸部が動翼体に加わる遠心力による剪断力によって破断されるとしても、太い分だけ破断時のエネルギを消費することになるので、動翼体の飛び出しが抑制され、動翼体が飛び出したとしても放出されるエネルギが少ないので、周囲の機器に損傷を与えずに済み、ターボ分子ポンプの安全性が保たれる。また、回転軸体の外径に対する凸部の外径の比を０．４以上として、凸部を太くしたことにより、凸部が動翼体に加わる遠心力による剪断力によって破断されるとしても、太い分だけ破断時のエネルギを消費するので、動翼体が回転軸体から飛び出したとしても、エネルギが放出されず、他の機器に与える損傷を最小限に抑えることができ安全性が保たれる。
【００２７】
また、本発明に係るターボ分子ポンプ及びそのロータによれば、比重の小さい動翼体の凸部が比重の大きい回転軸体の凹部に入り込むことによって、ロータが軽量化されるので回転性能が向上し最大回転数が上がる。
【００２８】
また、本発明に係るターボ分子ポンプ及びそのロータによれば、孔が動翼体および回転軸体に形成されることによって、ロータ全体が軽量化されることになる。特に動翼体が軽量化されることによって、ロータ破壊時に動翼体が飛び出す際の運動エネルギが低減させられることとなるので、他の機器に対する安全性が増す。また、ロータ組立時に、回転軸体の孔に仮軸を挿入し、その上から仮軸に動翼体を嵌入させることで、動翼体の位置決めが容易に行えるので、組立時の作業者の手間が省ける。
【００２９】
また、本発明に係るターボ分子ポンプ及びそのロータによれば、ターボ分子ポンプが、請求項１または２に記載されたロータを備えていれば、ロータの破壊が生じても各機器への損傷を最小限に止めることができるので、ターボ分子ポンプの安全性が増す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるターボ分子ポンプの断面図である。
【図２】従来のターボ分子ポンプのロータの断面図である。
【符号の説明】
１ターボ分子ポンプ
２ロータ
４動翼体
４Ｃ凸部
４Ｅ貫通孔
６シャフト部
６Ｄ凹部
６Ｅ穿孔

Claims

軸線方向に突出する凸部を有する中央部と該中央部の外周側に一体に設けられた動翼とを有する動翼体と、
前記中央部の前記凸部が挿入される凹部が先端部に形成された回転軸体と、を備えたターボ分子ポンプのロータにおいて、
前記凸部の周囲および前記凹部の周囲には、それぞれ前記軸線方向に対して垂直な方向にボルト締結面が形成され、これらボルト締結面を介して前記動翼体と前記回転軸体とが締結され、
前記凸部は、前記ボルト締結面よりも突出して設けられるとともに、前記軸線に対して平行な側面を有し、
前記回転軸体の外径に対する前記凸部の外径の比が０．４以上とされ、
前記凸部の外径に対する前記凸部の軸線方向長さの比が０．５以上とされ、
さらに前記動翼体は、前記回転軸体の比重よりも小さい比重とされていることを特徴とするターボ分子ポンプのロータ。
前記動翼体の前記中央部の外面から前記回転軸体にかけて、これら動翼体および回転軸体の中心軸線に沿ってロータ組立用の仮軸を挿脱可能な孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプのロータ。
請求項１または２に記載のターボ分子ポンプのロータを備えたターボ分子ポンプ。
軸線方向に突出する凸部を有する中央部と該中央部の外周側に一体に設けられた動翼とを有する動翼体と、前記中央部の前記凸部が挿入される凹部が先端部に形成された回転軸体とを結合するターボ分子ポンプの組立方法であって、
前記凹部の中心部に、前記回転軸体の中心軸線に沿って仮軸を固定する工程と、
前記動翼体の中心軸線に沿って前記凸部の中心部に形成された貫通孔に、前記仮軸を嵌入させつつ、前記凹部に前記凸部を挿入する工程と、
前記凹部に前記凸部を挿入した後、前記仮軸を取り外す工程とを含むことを特徴とするターボ分子ポンプの組立方法。