JP5157842B2 - ターボ分子ポンプおよび回転体の重心位置調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ、およびターボ分子ポンプに用いられる回転体の重心位置調整方法に関する。

磁気軸受式ターボ分子ポンプの回転体は、回転翼が形成されたロータと、モータや磁気軸受の構成部品が装着されたシャフトとから構成されている（例えば、特許文献１参照）。回転体は高速回転するため、良好な回転特性を得るためには重心位置を最適な位置に設定する必要がある。

特開２００８−３８８４４号公報

従来、回転体重心は、ロータやシャフトの形状により調整を行っている。近年は、ターボ分子ポンプの小型化および高性能化に対する要望が大きく、ターボ分子ポンプは高速回転化する傾向にある。高速回転化すると、ロータの内径や外径およびシャフトの外径は、遠心応力による強度上の条件によりほぼ決定されるようになる。また、小型化のために厚さや長さを大きくすることができないため、ロータおよびシャフトによる重心調整が複雑になると共に、調整が困難になるという問題があった。

本発明は、回転翼が形成されたロータと回転軸とを締結して成る回転体を備えるターボ分子ポンプに適用され、ロータの比重よりも大きな比重の材料で形成され、回転体の軸に関して回転対称な形状を有する重心位置調整部材を、回転体に設けたことを特徴とする。
重心位置調整部材は、ロータの軸方向最大寸法を規定する両端面と最大外径を規定する円筒面とで囲まれたロータ領域に設けるのが好ましい。
さらに、ロータの軸方向端面に凹部を形成し、該凹部内に重心位置調整部材を設けるのが好ましい。
さらに、重心位置調整部材は円柱状またはリング状の部材であって、回転体の軸と円柱状またはリング状の部材の軸とが一致するように、該円柱状またはリング状の部材が凹部内に設けられるのが好ましい。
本発明による回転体の重心位置調整方法は、回転翼が形成されたロータと回転軸とを締結して成る回転体の軸方向重心位置を計算し、軸方向重心位置を所定重心位置へと移動させるための回転体の軸に関して回転対称な形状を有する重心位置調整部材を形成し、回転体に重心位置調整部材を固定することを特徴とする。

本発明によれば、重心位置調整部材を設けたことにより、回転体の小型化を図りつつ、回転体の重心位置調整を容易に行うことができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は磁気軸受式ターボ分子ポンプ１の概略構成を示す断面図である。ターボ分子ポンプ１のケーシング１３内には、回転翼８および円筒部１２が形成されたロータ２と、固定翼９およびネジステータ１１，２３とが設けられている。

回転翼８はロータ２の回転軸方向に沿って複数段形成されており、各固定翼９は上下に並んだ回転翼８の間にそれぞれ配設されている。各固定翼９は、スペーサ１０によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ１０は、固定翼９の保持機能とともに、固定翼９間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。これらの回転翼８と固定翼９とにより、ターボ分子ポンプ１のタービン翼段が構成される。

一方、タービン翼段の後段（図示下方）には、ロータ２の円筒部１２と、円筒部１２の外周側および内周側に設けられたネジステータ１１，２３とにより構成されるドラッグポンプ段が設けられている。吸気口１３ａから吸入されたガスは、タービン翼段およびドラッグポンプ段の順に送られ、ベース４に形成された排気口４ａからポンプ外へと排出される。排気口４ａには油回転ポンプ等の補助ポンプが接続される。

ロータ２はボルト２７によってシャフト３の上端に形成されたフランジ部３ａに締結されている。シャフト３は、ベース４に設けられたラジアル電磁石５１，５２およびスラスト電磁石５３によって非接触支持されている。スラスト電磁石５３は、シャフト３の下部に設けられたロータディスク７６を隙間を介して上下から挟むように配置されている。シャフト３の浮上位置は、ベース４に設けられたラジアル変位センサ７１，７２およびスラスト変位センサ７３によって検出される。ベース４には、ロータ２を回転駆動するモータ６、保護ベアリング２８が設けられている。保護ベアリング２８にはメカニカルベアリングが用いられ、電磁石５１〜５３によるシャフト３の磁気浮上がオフされたときにシャフト３を支持する。

図２は、回転体１００を示す断面図である。回転体１００は、ロータ２，シャフト３，重心位置調整部材１０１，ロータディスク７６およびターゲット７５により構成される。ロータ２の上端（吸気側の端部）には凹部２０が形成され、凹部２０内には、重心位置調整部材１０１がボルト１０２により固定されている。重心位置調整部材１０１は、円柱形状のように、回転体１０１の軸に対して回転対称な形状を有している。ロータ２の材料には一般的にアルミニウム合金が用いられるが、重心位置調整部材１０１にはロータ部材よりも比重の大きな材料、例えば、ステンレス材（ＳＵＳ３０４）や鉄系（Ｓ４５ＣやＳＣＭ４３５）などが用いられる。鉄系の材料を用いる場合には、腐食防止のためにニッケルメッキ等のメッキ処理が施される。

本実施の形態における重心位置調整部材１０１は、回転体１００の軸方向の重心位置を調整するために設けられたものである。前述したように、近年はターボ分子ポンプの小型化および高性能化に対する要望が大きく、ターボ分子ポンプは高速回転化する傾向にある。高速回転化に対応するためにシャフト３は短くなり、回転体１００の重心が下がる傾向になる。そのため、ロータ２の形状を決定する際には、回転体１００の重心を上側（ポンプ吸気口側）に上げるように設計される。

従来は、締結フランジ部２ａやシャフト３のフランジ部３ａの厚みを調整したり、ロータ２の内径・外径やフランジ部３ａの外径を調整したり、シャフト３の長さを調整したりして、回転体１００の重心位置を調整していた。しかし、回転翼８および円筒部１２の形状は排気設計によって決まってしまうため、回転体１００が大型化しないように、ロータ２やシャフト３の各寸法を調整して重心位置の調整を行う必要があり、調整が複雑になるという問題があった。また、そのような複雑さを避ける方法としては、従来の場合、ロータ２の締結フランジ部２ａを厚くする程度しか方法がなかった。そのため、重心位置調整の余裕代が小さく、重心位置調整が困難な場合も生じる。

そのような問題を解消するために、本実施形態では、ロータ２の大きさを規定する外形面、すなわち、図２に示すロータ２の上端面Ｐ１，下端面Ｐ２および側面（回転翼８の先端を含む円筒面）Ｐ３で囲まれた空間内に、ロータ２に用いられている材料の比重よりも大きな比重を有する重心位置調整部材１０１を設けた。図２に示す例では、重心位置調整部材１０１はロータ２の凹部２０内に固定されており、重心位置調整部材１０１を設けない場合に比べて、回転体１００の重心位置が軸方向上側に移動している。図２では、ボルト１０２のボルト頭が重心位置調整部材１０１の上面に突出しているが、座グリを形成してボルト頭が重心位置調整部材１０１内に沈み込むようにすることもできる。そうすることで、ロータ２の上端面ぎりぎりまで重心位置調整部材１０１を大きくすることができ、重心位置調整の幅が広がる。

図３は、重心位置調整部材１０１の他の例を示す図である。重心位置調整部材１０１ａはリング形状をしており、凹部２０内に圧入にて固定する。また、重心位置調整部材１０１ｂの場合には、ロータ２の外周に巻き付けるように設けられている。いずれの場合も回転軸に関して回転対称な形状を有しており、回転体１００の外形寸法を大きくすることなく、回転体１００の重心位置を軸方向上側に調整することができる。

重心位置調整部材１０１の形状の設定は、次のような手順で行われる。ポンプとしての排気性能、および、回転体１００としての機械的な性能を満足するように、ロータ２およびシャフト３が設計される。ここでは、回転体１００として最適な重心位置に関しては、最終的に重心位置調整部材１０１で調整することを前提とし、排気性能および小型化を優先して設計を行う。この場合、ロータ２の締結フランジ部２ａに凹部２０を設けず、ロータ上端面が平面となるように設計しても良いし、重心位置調整部材１０１の調整を前提として、最初から凹部２０を設けた形状としても良い。

第２に、ロータ２とシャフト３とを締結した状態における重心位置を求め、その重心位置を目標とする所定重心位置へ移動させるのに必要な重心位置調整部材１０１を設計する。重心位置調整部材１０１の径寸法および厚さ寸法は、使用する材料の比重に応じて設定される。また、ロータ上端面が平面となるようにロータ２が設計されている場合には、ロータ２の上端中央部のアルミ材を重心位置調整部材１０１に用いるステンレス材に置き換えた場合に、どれだけの体積（径寸法および厚さ寸法）を置き換えれば必要な重心位置移動量となるかを計算する。その結果、重心位置調整部材１０１の形状が決定される。

そして、実際に、図２に示すように回転体１００を組み立てたならば、従来の場合と同様に回転体１００の動バランス調整を行う。なお、この動バランス調整作業では、バランス調整のためにロータ２の一部を削除するが、重心位置調整部材１０１の一部を削除するようしにても良い。重心位置調整部材１０１の比重はロータ部材に比べて大きいので、より少ない削除量でバランス調整を行うことができる。

以上説明したように、本実施の形態では、ロータ材よりも比重の大きな材料で形成された重心位置調整部材１０１，１０１ａ，１０１ｂをロータ２に設け、それらの径方向寸法や厚さ寸法を調整することで、回転体１００を小型化しつつ、回転体１００の重心位置を簡単に調整することができる。

その場合、図２に示すように、ロータ２の軸方向最大寸法を規定する両端面Ｐ１，Ｐ２と最大外径を規定する円筒面Ｐ３とで囲まれたロータ領域に、重心位置調整部材１０１を設けるのが好ましい。例えば、ロータ２の軸方向端面に凹部２０を形成し、その凹部２０内に重心位置調整部材１０１を設けることで、ロータ外形を小さく抑えることができる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、磁気軸受式のターボ分子ポンプを例に説明したが、磁気軸受式に限らず適用可能であり、また、ドラッグポンプ段を有しないタービン翼段のみのターボ分子ポンプにも適用することができる。さらに、重心位置調整部材１０１，１０１ａ，１０１ｂを組み合わせて用いても良い。

磁気軸受式ターボ分子ポンプ１の概略構成を示す断面図である。 回転体１００を示す断面図である。 重心位置調整部材１０１の他の例を示す図である。

符号の説明

１：ターボ分子ポンプ、２：ロータ、２ａ：締結フランジ部、３：シャフト、８：回転翼、９：固定翼、２０：凹部、１００：回転体、１０１，１０１ａ，１０１ｂ：重心位置調整部材、

Claims (5)

1. 回転翼が形成されたロータと回転軸とを締結して成る回転体を備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記ロータの比重よりも大きな比重の材料で形成され、前記回転体の軸に関して回転対称な形状を有する重心位置調整部材を、前記回転体に設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ロータの軸方向最大寸法を規定する両端面と最大外径を規定する円筒面とで囲まれたロータ領域に、前記重心位置調整部材を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ロータの軸方向端面に凹部を形成し、該凹部内に前記重心位置調整部材を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項３に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記重心位置調整部材は円柱状またはリング状の部材であって、
   前記回転体の軸と前記円柱状またはリング状の部材の軸とが一致するように、該円柱状またはリング状の部材を前記凹部内に設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
5. 回転翼が形成されたロータと回転軸とを締結して成る回転体の軸方向重心位置を計算し、
   前記軸方向重心位置を所定重心位置へと移動させるための前記回転体の軸に関して回転対称な形状を有する重心位置調整部材を形成し、
   前記回転体に前記重心位置調整部材を固定することを特徴とする回転体の重心位置調整方法。

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