JP5015619B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、回転翼本体の外周に複数の回転ブレードを取り付けて回転翼とした真空ポンプに関する。

真空ポンプは、回転翼を数万r.p.m.の高速で回転して、回転ブレードとこれに微小間隔を保って交互に積層配置された固定ブレードとの間で気体分子を叩くようにして気体を排気する。固定ブレードとの間で微小間隔を保って高速回転しながら気体を排気する回転翼は、精密に製作されなければならないので、一般に、ひとつの材料から削り出して、形状複雑に積層された多数の薄い回転ブレードとその中心の回転翼本体とを成形している。しかし、この削り出し方法は、高価な回転翼材料のかなりのパーセンテージを削り屑にしてしまい、しかも、精密に削り出すのに日単位の長い加工時間を費やす。

そこで、材料費と加工費の節減のために、回転翼の回転ブレードを別工程で製作し、これを回転翼本体に取り付ける技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１では、内環部材（回転翼本体）１０の外周に、別工程で製作した複数のロータブレード（回転ブレード）１１が放射状に取り付けられ、更に、これらのロータブレード１１を囲うリング部材１２が取り付けられている。内環部材１０とロータブレード１１、ロータブレード１１とリング部材１２はそれぞれ溶接または接着により取り付けられていて、この構成により、ロータブレードの剛性を径方向に大きくし、ロータブレードの薄型化を可能とし、排気効率を高めている。

特許文献１の内環部材／ロータブレード／リング部材別体型は、剛性があり、運転中の遠心力や振動で結合部がゆるんだり外れることはない。しかし、外周のリング部材がなくて済めば、更に経済的であるばかりか軽量化もできる。

一方、特許文献２には、動翼１６とロータディスク１２との着脱自在の結合部をダブテール（アリ溝）構造２４として、動翼／ロータディスク別体型にしたガスタービンが開示されている。

特許文献２では、動翼１６とロータディスク１２とを着脱自在に取り付けるために、その結合部の「はめあい」は「すきまばめ」となっていて、別の固定手段により固定されていると考えられ、このダブテール構造によりタービン運転中に遠心力や振動で結合部がゆるんだり外れることはないことになっている。

そこで、特許文献１に特許文献２を適用して、外周のリング部材をなくし、回転翼本体（内環部材）と回転ブレード（ロータブレード）とをダブテール（アリ溝）構造で結合すれば、真空ポンプ運転中に遠心力や振動で結合部がゆるんだり外れることはなくなるのではないか、ということが考えられる。

ガスタービンのように着脱を行なわず、回転翼本体（内環部材）に固着したままの真空ポンプでは、その回転ブレード（ロータブレード）は、焼きばめにより強固に結合されることが好ましく、このようにすれば、真空ポンプ運転中の回転ブレード（ロータブレード）の振動や遠心力による脱落の危険は一層低減できると期待される。

このような回転翼本体／回転ブレード別体型の場合、回転翼本体を、強度が優れたアルミ合金、回転ブレードを、強度が優れ軽量なＦＲＰ樹脂のように異なる材料で作ることが好ましい。

しかし、真空ポンプ運転中は、プロセスガスと回転ブレードとの衝突によって、回転ブレードと回転翼本体の温度が上昇する。このとき、回転翼本体と回転ブレードとの線膨張係数の違いがあると、両者の熱膨張により「はめあい」が緩くなって、アリ溝型結合部の結合強度が弱くなり、これに伴い、回転ブレードの固有振動数が変化し、真空ポンプの回転翼を浮上制御して保持する磁気軸受での制御が難しくなったりする、という問題があった。また、結合強度は、遠心力による変形によっても弱くなり、同様の問題があった。なお、アリ溝型結合部の結合強度があまり弱くなると、最悪の場合、結合力を失って回転ブレードが外れるおそれもある。

特開２００６−４６０７４号公報

特開２０００−３３７２９４号公報

この発明は、上述の課題を解決するために、ポンプ運転中に温度が上昇しても回転翼本体と回転ブレードとの結合強度が低下することなく、磁気軸受がポンプの回転翼を安定した浮上制御できる回転翼本体／回転ブレード別体型の真空ポンプを提供するものである。

上述の課題を解決するために、この発明の真空ポンプは、ポンプケース内に回転可能に設置された回転翼本体と、上記回転翼本体の外周に、放射状に、各々がアリ溝型結合部で上記回転翼本体に取り付けられた複数の回転ブレードと、上記回転翼本体の回転軸方向に、上記回転ブレードと隙間を隔てて、上記ポンプケース内に固定された固定ブレードと、上記アリ溝型結合部のアリ溝とアリホゾとの間に挟まれた間挿部材と、を具備し、上記間挿部材の線膨張係数が、上記アリ溝を形成する部材（以下、アリ溝部材という）と上記アリホゾを形成する部材（以下、アリホゾ部材という）の線膨張係数より大きいことを特徴とする。

更に、また、上記アリ溝部材と上記アリホゾ部材の線膨張係数が等しいことを特徴とする。

また、上記間挿部材の線膨張係数をα₁ 、上記アリ溝部材の線膨張係数をα₂ 、上記アリホゾ部材の線膨張係数をα₃ 、所定の温度における、上記間挿部材の肉厚をｒ₁ 、上記アリホゾ部材の肉厚をｒ₃ とするとき、上記間挿部材の線膨張係数α₁ は、
α₁ ≧ｒ₃ （α₂ −α₃ ）／２ｒ₁ ＋α₂
を満たすことを特徴とする。

上記のように間挿部材とアリ溝部材の材料を選択すれば、温度上昇時も充分大きなアリ溝型結合部の結合力が確保される。

好ましい例としては、アリ溝部材の材料をアルミニウムまたはアルミ合金とし、間挿部材の材料がマグネシウム、マグネシウム合金、亜鉛または亜鉛合金としたり、アリ溝部材の材料をチタンまたはチタン合金とし、間挿部材の材料をアルミニウム、アルミ合金、銅、銅合金、鉄、鉄合金、マンガンまたは、マンガン合金とする組み合わせが挙げられる。

上記アリ溝型結合部は、アリ溝を回転翼本体の軸線方向に沿わせ、または、円周方向に沿わせて配設するとよい。

この発明の真空ポンプにおいては、運転中に回転翼本体と回転ブレードが熱膨張しても、線膨張係数の大きい間挿部材が、回転翼本体と回転ブレードのいずれかアリ溝のあるアリ溝部材よりも大きく膨張して、回転翼本体と回転ブレードとの双方を押し、両者の結合力を弱めることがない。このため回転ブレードの固有振動数が変化することがなく、磁気軸受は回転翼を安定して浮上制御し続ける。

この発明において、「アリ溝型結合部」とは、溝にホゾを溝方向から差し込んで溝側部材とホゾ側部材とを結合し、両部材が溝と直交する方向に抜けないようにした構造の結合部を意味し、アリ溝とアリホゾとで結合するもののほか、例えば、Ｔ溝とＴ型のホゾとで結合する等、両部材が溝と直交する方向に抜けない結合構造を含む。

この発明においては、真空ポンプの運転中に回転翼本体と回転ブレードが温度上昇しても、回転翼本体と回転ブレードとの結合力が弱まることがなく、回転ブレードの固有振動数の変化が少なく、磁気軸受による回転翼の制御を安定に維持することができる。更に、回転ブレードの遠心力による結合力低下も起こらず、磁気軸受による回転翼の制御を安定に維持することができる。回転ブレードの抜け落ちの危惧もない。

［第１の実施形態］
この発明の第１の実施の形態を、以下、図１〜図３を参照して説明する。図１は、この発明の真空ポンプの一実施の形態を示す縦断面図、図２は、図１の真空ポンプの回転翼を示す縦断面図、図３（ａ）は図２の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図である。

図１において、１はベース、２はステータコラム、３はポンプケースである。上記ステータコラム２はベース１の中央上側に立設され、ポンプケース３はベース１の外周上側に立設され、ステータコラム２を囲っている。

４はロータ軸、５は回転翼、６、６はラジアル磁気軸受、７はアキシアル磁気軸受、８はモータである。

上記ロータ軸４とこのロータ軸４の上部に固着された回転翼５とは、上記ステータコラム２とロータ軸４の間に設けられたラジアル磁気軸受６とアキシアル磁気軸受７とにより回転可能に浮上保持され、モータ８により高速回転駆動される。

上記回転翼５は、図２および図３に示すように、アルミ合金製の回転翼本体５ａと、この回転翼本体５ａの外周に放射状に、かつ、複数層に配置されて取り付けられた複数のＦＲＰ樹脂製の回転ブレード５ｂ、５ｂ、‥‥とからなっている。後の説明を明確にするために、ひとつの層に放射状に配置された回転ブレード５ｂ、５ｂ、‥‥の各組に、図面上で、５Ｂｆ、５Ｂｇ、５Ｂｈのように符号を付してある。

図１における９、９、‥‥は、複数の羽根が内側に向かって放射状に配置された、複数の固定ブレード、１０、１０、‥‥は複数のリング状のスペーサである。

上記固定ブレード９、９、‥‥の各層は、上記複数層に配置された回転ブレード５ｂの層‥‥５Ｂｆ、５Ｂｇ、５Ｂｈ、‥‥間に、スペーサ１０、１０、‥‥により位置決めされて、上記ポンプケース３により固定されている。

すなわち、ポンプケース３で固定された固定ブレード９、９、‥‥と、これらの固定ブレード９、９、‥‥間に配置されて高速回転する回転ブレード５ｂ、５ｂ、‥‥とで、真空ポンプのターボ分子ポンプ部が構成されている。

なお、この実施の形態では、回転翼本体５ａの下部に回転翼薄肉円筒部５ｃが形成されている。この回転翼薄肉円筒部５ｃの外周面と、ポンプケース３内、ベース１とターボ分子ポンプ部の上記スペーサ１０との間に設けられたネジステータ１１のネジ溝とによって、上記ターボ分子ポンプ部に連なりガスを更に吸引するネジ溝ポンプ部が形成されている。

１２は、ターボ分子ポンプ部上部に設けられた真空ポンプの吸気口、１３は、ネジ溝ポンプ部下部に設けられた真空ポンプの排気口である。

１４、１４は、保護ベアリングである。この保護ベアリング１４は、常時はロータ軸４から離れているが、磁気軸受６、７の制御が万一不調になった場合に、ロータ軸４に接触してこれを支持するためのものである。

排気されるガスは、吸気口１２からターボ分子ポンプ部の回転ブレード５ｂ、５ｂ、‥‥と固定ブレード９、９、‥‥との間に形成されているガス吸引通路を通過し、ネジ溝ポンプ部の回転翼薄肉円筒部５ｃとネジステータ１１との間に形成されているガス吸引通路を通過して、排気口１３から排出される。

上記ロータ軸４、回転翼５は、モータ８による回転中、磁気軸受６、７により絶えず細かい周期で、位置、姿勢を制御されている。これにより、回転ブレード５ｂ、５ｂ、‥‥と固定ブレード９、９、‥‥との間に形成されているガス吸引通路内のガス分子の回転ブレード５ｂへの衝突等に起因する不規則な振動などが抑制され、ロータ軸４、回転翼５は常に安定浮上して保持される。

次に、この発明の特徴である、アルミ合金製の回転翼本体５ａにＦＲＰ樹脂製の回転ブレード５ｂを取り付けるアリ溝型結合部について説明する。

図３に示すように、回転翼本体５ａの外周には、アリ溝型結合部２０、２０、‥‥が等間隔に設けられ、各結合部２０に回転ブレード５ｂがひとつずつ配備されて、放射状に取り付けられている。

上記アリ溝型結合部２０は、回転翼本体５ａに回転翼本体の軸線方向に沿って設けたアリ溝２０１と、回転ブレード５ｂに設けた、上記アリ溝２０１に嵌合するアリホゾ２０２と、アリ溝２０１とアリホゾ２０２との間に挟まれた間挿部材５ｄとからなっている。なお、回転ブレード５ｂのアリホゾ２０２根元両側には肩部２０３、２０３が形成されていて、この両肩部２０３、２０３を、回転翼本体５ａの外周面に直接当てることで、回転翼本体５ａと回転ブレード５ｂとの結合位置、姿勢を規定している。

このアリ溝型結合部２０では、強い結合力を得るために、「しめしろ」の大きい「焼きばめ」により、回転翼本体５ａ、間挿部材５ｄおよび回転ブレード５ｂが結合される。具体的には、アリ溝２０１のある回転翼本体５ａを充分に温度を上げてアリ溝２０１を膨張させたまま保ち、アリホゾ２０２に間挿部材５ｄを被せておいて、アリホゾ２０２のある回転ブレード５ｂを充分に冷却してアリホゾ２０２と間挿部材５ｄを収縮させ、アリ溝２０１に間挿部材５ｄを被せたアリホゾ２０２を挿入し、そのまま常温になるまで放置する。この「焼きばめ」により、回転翼本体５ａ、間挿部材５ｄおよび回転ブレード５ｂが強固に結合される。

上記間挿部材５ｄの材料は、アルミ合金製の回転翼本体５ａより大きい線膨張係数を有するマグネシウム、マグネシウム合金、亜鉛、亜鉛合金などから選択される。

アルミニウムの線膨張係数は２３．０３×１０^-6であるのに対し、マグネシウムの線膨張係数は２５．６×１０^-6、亜鉛の線膨張係数は３３×１０^-6で、アルミニウムの線膨張係数よりもマグネシウム、亜鉛の線膨張係数は大きい。使用したアルミ合金は、アルミニウムの線膨張係数とあまり変わらない。従って、アルミ合金製の回転翼本体５ａとマグネシウム、マグネシウム合金、亜鉛または亜鉛合金製の間挿部材５ｄとが、ポンプ運転により温度上昇すると、間挿部材５ｄが回転翼本体５ａよりも熱膨張が大きく、回転翼本体５ａのアリ溝２０１を押圧する。また、熱膨張をアリ溝２０１に妨げられた間挿部材５ｄはＦＲＰ樹脂製回転ブレード５ｂのアリホゾ２０２側にも膨張してこれを押圧する。それ故、線膨張係数の大きい間挿部材５ｄが介在することで、温度上昇により回転翼本体５ａと各回転ブレード５ｂとの結合力が弱まることがない。

ここで、間挿部材、アリホゾ部材およびアリ溝部材の線膨張係数の大小関係が運転中の温度上昇の際、アリ溝とアリホゾとに充分な結合力を維持できる条件を考察する。

図５は、アリの形状を円形として線膨張を計算するための模式的な説明図である。実際のアリの形状は、必ずしも円形ではないが、これに近似することができる。

図５において、間挿部材５５ｄの線膨張係数をα₁ 、アリ溝部材５０１の線膨張係数をα₂ 、アリホゾ部材５０２の線膨張係数をα₃ 、間挿部材５５ｄの肉厚をｒ₁ 、アリホゾ部材５０２の肉厚をｒ₃ とすると、常温よりもΔｔだけ高い運転中の温度における、アリの円の中心Ｏからの熱膨張量は、アリホゾ部材５０２でα₃ ｒ₃ Δｔ／２、アリ溝部材５０１でα₂ （ｒ₃ ／２＋ｒ₁ ）Δｔとなり、また、間挿部材５５ｄの厚み方向の熱膨張量は、α₁ ｒ₁ Δｔとなる。

間挿部材５５ｄの厚み方向の熱膨張量が、アリ溝部材５０１の熱膨張量とアリホゾ部材５０２の熱膨張量との差に等しいか、大きいかであれば、すなわち、［数２］の条件を満たせば、アリ溝部材５０１とアリホゾ部材５０２との結合力が熱膨張により弱まることがない。

上記［数２］を整理すると、［数３］となる。

なお、一般に、アリホゾ部材の線膨張係数の大小は問わない。なぜならば、仮にアリホゾ部材が全く熱膨張しなくても、上述の温度上昇時におけるアリ溝とアリホゾによる間挿部材締め付け作用が生じるからである。

上記［数３］からも明らかなように、アリ溝を形成する部材とアリホゾを構成する部材とに、線膨張係数の等しい同一材料、例えば、アルミ合金を用い、間挿部材にこれよりも線膨張係数の大きい材料、例えば、亜鉛合金を用いても、上述の温度上昇時におけるアリ溝とアリホゾによる間挿部材締め付け作用を生じる。

もし、従来技術を適用して、間挿部材５ｄなしで回転翼本体５ａのアリ溝２０１と回転ブレード５ｂのアリホゾ２０２とを「しめしろ」をもって結合すると、熱膨張により実効「しめしろ」が減少して結合力を弱め、更に回転による遠心力がこれを助長して、回転ブレード５ｂの固有振動数が変化したり、著しいときは「しめしろ」がなくなって回転ブレード５ｂ脱落のおそれも出てくる。回転ブレードの固有振動数変化は、固有振動数が磁気軸受の上述の制御周期と一致するなどしたとき、磁気軸受の安定制御を乱すことがある。

この発明では、上述のように、熱膨張によって回転翼本体と回転ブレードとの結合力が弱くなることがなく、遠心力による結合力低下も起こらないから、回転ブレードの固有振動数変化を生じることがなく、ポンプの温度上昇に係わりなく磁気軸受の安定制御を維持することができる。

上述の実施の形態では、回転翼本体５ａにアリ溝２０１を、回転ブレード５ｂにアリホゾ２０２を設けたが、回転ブレード５ｂにアリ溝２０１を、回転翼本体５ａにアリホゾ２０２を設けることもできる。この場合は、回転ブレード５ｂの材料の線膨張係数よりも間挿部材５ｄの材料の線膨張係数が大きいようにする。

上述の実施の形態では、アリ溝部材の材料にアルミ合金を用いたが、アルミニウムを用いてもよい。

また、アリ溝部材の材料に軽量、強靱で化学的に安定したチタンやチタン合金を用いてもよい。チタンやチタン合金の線膨張係数は８．５×１０^-6程であるので、それよりも線膨張係数の大きい銅、銅合金、鉄、鉄合金、マンガン、マンガン合金やアルミニウム、アルミ合金を間挿部材５ｄに用いてもよい。

［第２の実施形態］
図４は、この発明の第２の実施の形態の要部を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）の４Ｂ−４Ｂ線に沿った横断面図、（ｃ）は、（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面図であって、（ｃ）では、回転ブレードと間挿部材を除去して示している。

図４の実施の形態は、アリ溝型結合部のアリ溝が回転翼本体の円周方向に沿って円環状に形成されているものである。真空ポンプの構成、アリ溝型結合部の材料の組み合わせ、や「焼きばめ」、ポンプ運転時の熱膨張によるアリ溝型結合部の結合力安定化作用等は、第１の実施の形態と同様である。

図４において、１５ａは回転翼本体、１５ｂは回転ブレード、１５ｄは間挿部材、３０はアリ溝型結合部、３０１は円環状のアリ溝、３０２はアリホゾ、３０３はアリホゾ３０２根元両側の肩部である。

回転翼本体１５ａのアリ溝３０１に、回転ブレード１５ｂのアリホゾ３０２と間挿部材１５ｄを組み付けるために、回転翼本体１５ａ外周には、回転ブレード１５ｂのアリホゾ３０２の幅よりも若干幅広のスロット３０４が回転翼本体軸線方向に設けてある。回転時のバランスを取るために、また、組付けを容易にするために、複数のスロット３０４が回転翼本体１５ａ外周に等間隔で配置されている。

回転翼本体１５ａに回転ブレード１５ｂを組み付けるには、回転ブレード１５ｂのアリホゾ３０２を、図４の矢印Ｓからスロット３０４に挿入し、アリホゾ３０２をアリ溝３０１内を横に動かして回転ブレード１５ｂを所望の位置に固定する。

この発明の真空ポンプの一実施の形態を示す縦断面図。 この発明の第１の実施の形態の真空ポンプの回転翼を示す縦断面図。 図２の要部を示し、（ａ）は、縦断面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った横断面図。 この発明の第２の実施の形態の要部を示し、（ａ）は、縦断面図、（ｂ）は、（ａ）の４Ｂ−４Ｂ線に沿った横断面図、（ｃ）は、（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面図。 この発明におけるアリホゾの厚みと線膨張係数および間挿部材の厚みと線膨張係数の関係を説明する説明図。

符号の説明

１ ベース
２ ステータコラム
３ ポンプケース
４ ロータ軸
５ 回転翼
５ａ 回転翼本体
５ｂ 回転ブレード
５ｃ 回転薄肉円筒部
５ｄ 間挿部材
６ ラジアル磁気軸受
７ アキシアル磁気軸受
８ モータ
９ 固定ブレード
１０ スペーサ
１１ ネジステータ
１２ 吸気口
１３ 排気口
１４ 保護ベアリング
１５ａ 回転翼本体
１５ｂ 回転ブレード
１５ｄ 間挿部材
２０ アリ溝型結合部
２０１ アリ溝
２０２ アリホゾ
２０３ 肩部
３０ アリ溝型結合部
３０１ アリ溝
３０２ アリホゾ
３０３ 肩部
３０４ スロット
５０１ アリ溝部材
５０２ アリホゾ部材
５５ｄ 間挿部材
ｒ₁ 間挿部材の厚み
ｒ₃ アリホゾの厚み
α₁ 間挿部材の線膨張係数
α₂ アリ溝の線膨張係数
α₃ アリホゾの線膨張係数

Claims (3)

1. ポンプケース内に回転可能に設置された回転翼本体と、
   上記回転翼本体の外周に、放射状に、各々がアリ溝型結合部で上記回転翼本体に取り付けられた複数の回転ブレードと、
   上記回転翼本体の回転軸方向に、上記回転ブレードと隙間を隔てて、上記ポンプケース内に固定された固定ブレードと、
   上記アリ溝型結合部のアリ溝とアリホゾとの間に挟まれた間挿部材と、
   を具備し、
   上記間挿部材の線膨張係数が、上記アリ溝を形成する部材（以下、アリ溝部材という）と上記アリホゾを形成する部材（以下、アリホゾ部材という）の線膨張係数より大きいことを特徴とする真空ポンプ。
2. 上記アリ溝部材と上記アリホゾ部材の線膨張係数が等しいことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 上記間挿部材の線膨張係数をα₁ 、上記アリ溝部材の線膨張係数をα₂ 、上記アリホゾ部材の線膨張係数をα₃ 、所定の温度における、上記間挿部材の肉厚をｒ₁ 、上記アリホゾ部材の肉厚をｒ₃ とするとき、上記間挿部材の線膨張係数α₁ は、［数１］を満たすことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
   

   

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