JP5274446B2 - ターボ分子ポンプのローター又はステーター - Google Patents

Description

本発明は、特殊なアルミニウム合金製のローターブレードを備えたターボ分子ポンプが、有しているローター又はステーターに関するものである。

アルミニウムは、可能な限り低密度でかつ高強度であるという要求と加工容易性という要求とを兼ね備えていることから、ローターブレードを備えたターボ分子ポンプが有するローターを作製するのに都合が良いので、資材として確立されてきている。例えば、非特許文献１のように、選りすぐられたアルミニウム合金でローター又はステーターを作製することは、以前から知られている。

高性能ポンプ用のローターやステーターを作製するのに、主に、高温強度に優れたアルミニウム合金が、用いられる。このような材料で作製されたローターは、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、通常は機械加工により製造される。とりわけ、そのブレードの輪郭形成には、時間とコストとがかかる。

特許文献３に、ローターブレード部は吸入側が凸状で圧力側が凹状の裏面を有し、又は、少なくともローターブレード部は吸入側が凹状で圧力側が凸状の前面を有しているローターが記載されている。

高強度合金を用いる場合、その再成形性が低いということを考慮しなければならない。そのため、剛体やディスクの最終成形は、機械加工法で行なわなければならず、より安価な塑性的再成形による成形法、例えばねじり加工、エンボス加工、又は圧印加工等で行なうことができない。

実際には、中強度合金でローター又はステーターをより経済的に作製する方法として、機械加工（曲げ加工、切断加工）法、及び／又は熱融除（浸食加工）と、塑性再成形加工（ねじり加工）との併法が、確立されてきている。

この方法によれば、先ず、機械加工して円筒状剛体に単層ディスク状セグメントの複数を付し、次いで、放電加工により軸方向に細長い溝を付す。これによりディスクセグメント毎に円盤状構造を作り上げる。次いで円盤状構造には、ブレードの前後軸方向のまわりに塑性ねじり加工が施され、所定の迎え角が付される。

特許文献４には、アルミニウム合金のみからなるローターを有する機械的動力吸引ポンプが、開示されている。高温強度とクリープ強度を増強させるために、アルミニウム以外の主な合金組成として、銅と、さらにマグネシウム、マンガン、ジルコニウム及び銀と、必要に応じてチタンとを用いた粉末冶金により調製した軽量金属合金を、ローター材料とすることが、提案されている。

常温時効状態で破断時の著しく高い伸びと、高強度かつ高い高温強度とを有する新規なアルミニウム鍛造用合金を用いることにより、従来のような低強度乃至中強度のアルミニウム合金に使われてきた安価な前記成形方法を用いることが、現在では可能となってきた。

特許文献５には、高い静的強度特性と動的強度特性とを有する半製品の調製のためのＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ合金が、開示されている。意外にも、開示された合金は、特に高い高温強度を有する一方、常温時効状態で極めて高い延性を有しているので、機械加工又は熱融除と再成形工程（例えば、ねじり加工や曲げ加工）とによって、低コストでローターを作製できる可能性があることを、見出した。

エム.ヴゥツ（M.Wutz）、真空技術の理論と実践（Theorie und Praxis der Vakuumtechnik）、第２版、１９８２年、フリーデル.フィーヴェッグ＆ゾーン、ブラウンシュバイク／ヴィースバーデン（Friedr.Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden）、p.207-208 独国特許出願公開第１０２１０４０４号明細書 独国実用新案第２９７１５０３５号明細書 独国特許出願公開第１０１０３２３０号明細書 独国特許出願公開第１００５３６６４号明細書 国際公開第２００４／００３２４４号パンフレット

そこで、本発明がなされたのである。

本発明は、第１の実施態様の通り、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ鍛造用合金を含有するアルミニウム合金製である複数のローターブレードを備えたターボ分子ポンプが有するローター又はステーターに関するものである。

例えば、単段のセグメントを組み立てたローター又はステーターと同様、多段で一体型のローター又はステーターも、本発明によって、得ることができるものである。そのローターやステーターは、低密度でかつ同時に高強度であって、しかも加工容易性を有するものである。

本発明は、次の成分
０．３〜０．７重量％のケイ素（Ｓｉ）
最大で０．１５重量％の鉄（Ｆｅ）
３．５〜４．５重量％の銅（Ｃｕ）
０．１〜０．５重量％のマンガン（Ｍｎ）
０．３〜０．８重量％のマグネシウム（Ｍｇ）
０．０５〜０．１５重量％のチタニウム（Ｔｉ）
０．１〜０．２５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）
０．３〜０．７重量％の銀（Ａｇ）
最大で夫々０．０５重量％であり最大で合計０．１５重量％のその他の元素
残余重量％のアルミニウム（Ａｌ）
を有するＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ鍛造用合金を含有するアルミニウム合金製であるローターブレードを備えたターボ分子ポンプが、有しているローター又はステーターであって、
鋳造した個々のディスク又は剛体から機械加工又は熱融除したブレードセグメントを、溶体化−焼き鈍し・焼入れ・常温時効状態により、この状態でドイツ規格ＥＮ１０００２に準拠した引っ張り試験における破断時伸びを少なくとも１４％の値となるように形成してから、所望の迎え角となるよう捻って塑性再成形した後、人工時効を行って得られたものであることを特徴とするローター又はステーターである。

その他の既知合金と比較して、用いられる鍛造用合金は、高い静的高温強度及び動的高温強度と、改善されたクリープ特性とを有し、一方、破断時の機械特性に優れている。そのため、この鍛造用合金は、本発明を適用するターボ分子ポンプのローター又はステーター用に、特に好適である。また、本発明に用いられる鍛造用合金は、ドイツ工業規格ＥＮ１０００２に準拠した引張試験を測定したところ、常温時効状態での破断時伸びが少なくとも１４％、とりわけ１７〜２０％の値となるものであった。

発明を実施するための好ましい形態

本発明において「鍛造用合金」の用語の意味は、例えば、押出し工程、圧延工程、鍛錬工程によって、高温で鋳造組織が変化しかつ鍛造されるように特別な処理を施した合金のことである。この処理によって、その軽金属は、一層、延性を持つようになる。それゆえ、鍛造用合金は、さらに低温成形工程、例えば圧延工程、延伸工程、又は鍛錬工程（例えば、低温鍛錬）等を行なうことが、可能となる。

特許文献５によれば、銅とマグネシウムとの比率が５〜９．５、特にその比率が６．３〜９．３であると、これらの特性が得られることが、知られている。

銅含有量は３．８〜４．２重量％、マグネシウム含有量は０．４５〜０．６重量％であることが好ましい。銅含有量は、特許請求の範囲に記載のマグネシウム含有量に対する銅の最大溶解度を、明らかに超えている。その結果、残余の合金と付随する元素に照らし合わせると、未溶解の銅含有相の比率がかなり低いことになる。それによって、このような合金から調製されたローターの動的特性と破壊靱性とが、改善される。

先行技術の既知アルミニウム合金と比較して、この鍛造用合金の銀含有量は、特許請求の範囲に記載のように０．３〜０．７重量％、好ましくは０．４５〜０．６重量％であり、相当に高い値である。ケイ素（０．３〜０．７重量％、好ましくは０．４〜０．６重量％）との相互作用により、銀不含有のＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ合金の場合と同じメカニズムで、硬化を生じる。しかし、ケイ素含有量が低い場合には、銀が添加されている所為で、偏析の経過が異なってくる。そのような合金を用いて作製されたローターは、良好な高温強度と冷却状態でのクリープ強度とを有するが、望まれる全ての要求を満たすわけではない。ケイ素含有量が０．３重量％以上であることによってのみ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ合金の偏析挙動に典型的な変化が起こることを阻止する事ができ、これによって、高温強度とクリープ強度とを損なうことなく、銅とマグネシウムとを含んでいても高強度値が達成できる。

用いられる合金のマグネシウム含有量は、０．１〜０．５重量％、好ましくは０．２〜０．４重量％である。マグネシウム含有量がもっと高い合金では、長期間の高温暴露試験において、強度の低下をもたらす望ましくない偏析現象が起こってしまった。このため、マグネシウム含有量は、０．５重量％以下に制限されるが、原則的には、構造制御に必要な合金成分である。

構造制御の観点から、マンガンの空格子点を補填するため、合金は、０．１〜０．２５重量％の比率、好ましくは０．１４〜０．２重量％の比率のジルコニウムを、含有している。偏析するジルコニウムアルミナイドは、通常、マンガンアルミナイドよりもかなり細かくなって均一に分散している。さらに、ジルコニウムアルミナイドは、合金の熱安定性にも寄与していることが、分かった。

より微細な粒状構造を達成するために、０．０５〜０．１５重量％、好ましくは０．１０〜０．１５重量％のチタンが、合金に加えられる。好都合なことに、チタンは、Ａｌ−５Ｔｉ−１Ｂのマスター合金の形態で合金に加えられるので、合金は必然的にホウ素を含むことになる。そのことによって微細に分散された未溶解の二ホウ化チタンが、形成される。これら金属は、合金の熱安定性に寄与している。

合金は、最大で０．１５％の鉄、好ましくは０．１０％の鉄を、必要な混合成分として含んでいてもよい。

前記のアルミニウム合金で作製されるローターブレードを有する本発明のターボ分子ポンプのローター又はステーターは、例えば個々のディスク又は剛体から放射状に隔離されるローターブレードの作製工程と、引続く再成形工程（たとえば、ねじり工程、曲げ工程、エンボス工程、鍛錬工程など）により所望の迎え角を形成することによって、作製される。所望の迎え角に調製する工程は、必要に応じて、ブレードを所期の輪郭に調製する工程を、含んでいてもよい。又は、隔離工程と再成形工程とは、単一工程、例えば圧印工程によって行なわれてもよい。

この工程を施すこと自体は、知られていたが、所望の再成形性を有していることから低強度や中強度のアルミニウム合金に対してのみ、適用されてきた。しかし、本発明によれば、この工程は、前記の高強度アルミニウム合金に対しても、適用され得る。

通常、この再成形工程は、個々のブレードセグメントがあらかじめ放射状に隔離されて形成される円盤状ブレード調製段階から、開始される。本発明における隔離方法には、浸食加工、機械加工、エンボス加工や圧印加工の他に、例えばレーザー切断加工やウォータージェット切断加工のような切断方法も、含まれる。

機械加工と塑性再成形工程とによる成形工程の組み合わせによって、ローター又はステーターの製造コストを抑えることができる。

（実施例１：再成形によるターボ分子ポンプのポンプローターのブレードの迎え角の調製）
合金ＡＡ ２０１６（特許文献５参照）で作製された円筒状の剛体から、ポンプの所望の段数だけ機械加工することにより、同心円状に重ね合わされたディスク状セグメントを、作製した。これにより、ハブ部に結合された複数の重なり合ったディスク状のリブからなる回転対称体を、得た。ここでのリブ厚さは、後述のブレード厚さに対応している。ここでは全てのリブディスクは、軸方向に、円周方向に沿ってハブ近傍まで一定間隔毎に細長い溝が設けられて、各ブレードセグメントが形成されている。

この工程中、その材料は、「溶体化−焼き鈍し、焼入れ、常温時効」状態になっている。この状態下、材料は、高い再成形可能状態を示した。

次に、その状態のままで、複数のブレードセグメントを、その前後軸まわりにねじ曲げた。このねじ曲げ加工は、フォーク状の把持具で、対応するブレードセグメントのブレードの根元近くまで挟み込み、次いでブレードの前後軸まわりに、所望の迎え角となるように捩るというものである。この加工で、ブレードセグメントはブレードの根元の近傍で塑性的再成形が行なわれる。このようにして、ブレードの根元の近傍で、初期割れを認めることなく、ねじれ開始部位に対して、約４５°のねじれ角又は迎え角が、簡易に形成された。

従来の高い高温強度を有するＡｌ合金では、そのような角度を、形成する事ができない。

その後の工程に必要な強度を得るために、状態Ｔ６による最高強度を得るよう人工時効を行なった。

（実施例２：ステーターディスクの圧印）
実施例１の材料で作製したＡｌシートから、次のように圧印によってステーターディスクを得た。

厚さ０．５〜１．０ｍｍのＡｌシートから、複数の半円状セグメントを、打ち抜いて得た。シートの状態は、「溶体化−焼き鈍し、焼き入れ、および常温時効」状態である。

次いで、これらのリングセグメントを鋳型に差し込み、この鋳型に底部型を圧印して、ブレードの輪郭を形成した。

放射対称に配置されるブレードセグメントを打ち抜いて気体流出する端部に成し、また、鋳型の中で塑性的再成形によってブレードの迎え角を、形成した。ブレードの気体流出しない先端と変形されていないシートとの間の変形箇所が、最も大きく再成形された部分である。

その後の工程で必要な強度を得るために人工時効を行なって、Ｔ６状態による最高強度が得られた。

Claims (1)

1. 下記成分
   ０．３〜０．７重量％のケイ素（Ｓｉ）
   最大で０．１５重量％の鉄（Ｆｅ）
   ３．５〜４．５重量％の銅（Ｃｕ）
   ０．１〜０．５重量％のマンガン（Ｍｎ）
   ０．３〜０．８重量％のマグネシウム（Ｍｇ）
   ０．０５〜０．１５重量％のチタニウム（Ｔｉ）
   ０．１〜０．２５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）
   ０．３〜０．７重量％の銀（Ａｇ）
   最大で夫々０．０５重量％であり最大で合計０．１５重量％のその他の元素
   残余重量％のアルミニウム（Ａｌ）
   を有するＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ鍛造用合金を含有するアルミニウム合金製であるローターブレードを備えたターボ分子ポンプが、有しているローター又はステーターであって、
   鋳造した個々のディスク又は剛体から機械加工又は熱融除したブレードセグメントを、溶体化−焼き鈍し・焼入れ・常温時効状態により、この状態でドイツ規格ＥＮ１０００２に準拠した引っ張り試験における破断時伸びを少なくとも１４％の値となるように形成してから、所望の迎え角となるよう捻って塑性再成形した後、人工時効を行って得られたものであることを特徴とするローター又はステーター。