JP5906776B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ロータに接着接合された繊維強化プラスチックの円筒部を有するターボ分子ポンプに関する。

従来、ターボ分子ポンプには、回転翼および固定翼のみを備えた全翼タイプのターボ分子ポンプと、回転翼および固定翼から成るターボポンプ段と回転側円筒部または固定側円筒部にネジ溝が形成されたドラッグポンプ段とから成る複合型ターボ分子ポンプとがある。

複合型ターボ分子ポンプでは、一般的に、ドラッグポンプ段の回転側円筒部は回転翼と一体に形成され、その材料にはアルミ合金等の金属材料が用いられている。一方で、ロータ軽量化のために、ドラッグポンプ段の回転側円筒部を比重が軽い炭素繊維強化複合材（ＣＦＲＰ）等で形成する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ＣＦＲＰ円筒部とアルミロータとの接続には、通常、ＣＦＲＰ円筒部が穴でロータ側が軸であるはめ合い構造とされ、接合には接着が用いられる。ＣＦＲＰはアルミと比べて比重が小さく、ヤング率が大きく、熱膨張率が小さいため、回転中は遠心力や熱膨張による膨張が小さい。そのため、回転中はロータからの面圧が増加する傾向にあり、回転中に過大な面圧が発生するのを防止するために、締め代は小さく設定されている。

特開平７−４３８３号公報

ところで、上述のようにＣＦＲＰ円筒部とロータとの熱膨張率が異なるため、寒冷地や空輸時のように想定以上の低温にさらされた場合、ＣＦＲＰ円筒部とロータとの結合が緩んでしまう可能性がある。そのように緩んだ状態で、衝撃や振動が加わると、ロータに対してＣＦＲＰ円筒部がずれて回転体のバランスが悪化してしまうというおそれがあった。

請求項１の発明に係るターボ分子ポンプは、複数段の回転翼が形成されるとともに、軸方向一端にリング部が形成された金属製のロータと、回転翼に対して軸方向に交互に配置された複数段の固定翼と、繊維強化プラスチックで形成され、リング部に外挿されるように接着された円筒部と、円筒部の外周側に隙間を介して配置された回転円筒部と、を備え、リング部の接着部には、接着剤が充填され、回転円筒部のずれを阻止するための溝が少なくとも一つ形成されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、リング部に、軸方向に対して角度の異なる２種類の溝を形成したものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、２種類の溝の一方を、リング部を一周するリング溝としたものである。
請求項４の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、溝は軸方向に対して傾いた斜め溝であり、リング部は、斜め溝が形成された溝形成領域と、溝形成領域の軸方向両端に接してそれぞれ設けられ、回転円筒部に対するインロー部として機能するインロー部領域と、を有することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、溝は軸方向に対して傾いているとともに、該溝の延在方向の一端から他端にかけて溝深さが減少するように形成された斜め溝であり、リング部は、斜め溝が形成された溝形成領域と、斜め溝の一端側であって溝形成領域の軸方向に接して設けられ、回転円筒部に対するインロー部として機能するインロー部領域と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、低温時等にＦＲＰ製の回転円筒部が緩むようなことがあっても、回転円筒部はロータのリング部に対してずれることがない。

ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。 回転円筒部３２とロータ３０との接合構造の第１の例を示す図である。 斜め溝３００，３０１同士を交差させた場合を示す図である。 斜め溝とリング溝との組み合わせた場合を示す図である。 接合構造の第２の例を示す図である。 接合構造の第３の例を示す図である。 接合構造の第４の例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための実施の形態について説明する。図１は磁気浮上式ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。なお、本実施の形態では、磁気浮上式のターボ分子ポンプを例に説明するが、磁気浮上式でないターボ分子ポンプのロータにも同様に適用することができる。

ターボ分子ポンプ１には不図示の電源装置が接続され、その電源装置により駆動制御される。ロータ３０が取り付けられたシャフト３１は、ベース２０に設けられた電磁石３７，３８，３９によって非接触支持される。アキシャル磁気軸受を構成する電磁石３９は、シャフト３１の下端に設けられたロータディスク３５を軸方向に挟むように配置されている。シャフト３１の浮上位置は、ラジアル変位センサ２７，２８およびアキシャル変位センサ２９によって検出される。

磁気軸受によって回転自在に磁気浮上された回転体（ロータ３０およびシャフト３１）は、モータ３６により高速回転駆動される。モータ３６には例えば、ブラシレスＤＣモータが用いられる。モータステータ３６ａはベース２０に設けられ、モータロータ（永久磁石）３６ｂはシャフト３１側に設けられている。

ロータ３０の回転は、回転センサ３３によって検出される。モータ３６によって回転駆動されるシャフト３１の下端には、センサターゲット３４が設けられている。センサターゲット３４はシャフト３１と一体に回転する。上述したアキシャル変位センサ２９および回転センサ３３は、センサターゲット３４の下面と対向する位置に配置されている。２６ａ，２６ｂは非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはこれらのメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂによってシャフト３１は支持される。

図１に示すターボ分子ポンプ１は、回転翼３０ｂと固定翼２２とで構成されるターボポンプ段と、回転円筒部３２とネジステータ２４とで構成されるドラッグポンプ段（ネジ溝ポンプ）とを有している。なお、ここではネジステータ２４側にネジ溝が形成されているが、回転円筒部３２側にネジ溝を形成しても構わない。アルミ合金製のロータ３０には複数段の回転翼３０ｂが形成されている。複数段の固定翼２２は、軸方向に対して回転翼３０ｂと交互に配置されている。各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング２１の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング２１との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。

ロータ３０の軸方向下端にはリング部３０ａが形成されており、上述した回転円筒部３２は、その上端部分がリング部３０ａに外挿されるように接着接合される。回転円筒部３２の外周側には固定側のドラッグポンプ段であるネジステータ２４が設けられている。ネジステータ２４は、回転円筒部３２との間に所定のギャップが形成されるように、ベース２０に取り付けられている。

回転円筒部３２には、ロータ軽量化のために比重の軽いＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ等の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）が用いられている。繊維強化プラスチックの母材（マトリックス）としては、一般に、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂を使用することが多く、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等も使用される。回転円筒部３２とロータ３０との接合構造の詳細については後述する。

ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。

図２は、回転円筒部３２とロータ３０との接合構造（図１の符号Ａで示す部分）の第１の例を示す図である。図２（ａ）は、ロータ３０のリング部３０ａの部分の拡大図であり、図２（ｂ）はロータ３０と回転円筒部３２の接合部の断面を示したものである。図２（ａ）に示すように、リング部３０ａの外周面には２種類の斜め溝３００，３０１が形成されている。図２（ａ）に示す例では、斜め溝３００，３０１がリング部外周面に所定間隔で複数形成されているが、斜め溝３００，３０１を一組だけ形成するようにしても良い。ただし、バランスの観点から、斜め溝３００，３０１は一周にわたって等間隔に配置するのが好ましい。

斜め溝３００と斜め溝３０１とは、軸方向Ｊに対する角度が異なっている。図２に示す例では、斜め溝３００は軸方向Ｊに対して角度θだけ傾いている。一方、軸方向Ｊに対する斜め溝３０１の角度θ１は、θ１＝−θに設定されている。回転円筒部３２をリング部３０ａに接合する場合、回転円筒部３２の接合部内周面に接着剤３２０を塗布し、図２（ｂ）に示すように回転円筒部３２をリング部３０ａに外挿する。上述したように、回転円筒部３２とリング部３０ａとは締め代を有するはめ合いで接合され、回転円筒部３２をリング部３０ａに外挿した際に、斜め溝３００，３０１内に接着剤３２０が入り込む。

接着剤３２０は、回転円筒部３２の内周面とリング部３０ａの外周面との間、および溝内に分布することになり、この接着剤３２０によって回転円筒部３２とリング部３０ａとが接着されることになる。なお、リング部３０ａの、斜め溝３００，３０１が形成されていない領域３０３は、インロー部として機能するインロー部領域であり、これにより回転円筒部３２とリング部３０ａとの同軸度の向上が図れる。

斜め溝３００，３０１の溝深さは、通常想定される寒冷地におけるマイナス温度においても、リング部３０ａに対して回転円筒部３２が緩んだ際でも、斜め溝３００，３０１内で硬化した接着剤がリング部３０ａ側の斜め溝３００，３０１内に係止されるような寸法に設定される。例えば、０．１〜０．２ｍｍに設定される。

図２に示すように、傾きの異なる斜め溝３００，３０１を設けたことにより、低温時にリング部３０ａに対して回転円筒部３２が緩んだ場合であっても、リング部３０ａに対して回転円筒部３２がずれるのを防止することができる。

ここで、斜め溝３００，３０１の各々の作用効果について説明する。接着剤３２０の接着強度は、アルミ合金で形成されたリング部３０ａに対するよりも、繊維強化プラスチックで形成された回転円筒部３２に対してより強固に接着される。斜め溝３００はリング部３０ａの下端まで形成されているため、低温時に回転円筒部３２が緩んだ場合、回転円筒部３２は、溝内の接着剤３２０が斜め溝３００の溝延在方向Ｄ１のみにずれることが可能となる。すなわち、回転円筒部３２は、Ｄ11方向に回転しつつ軸方向Ｄ12に移動する。一方、斜め溝３００の上端は開放されておらず、リング部３０ａの途中で止まっている。そのため、回転円筒部３２の斜め右上方向のずれ、すなわち、マイナスＤ11方向および、マイナスＤ12方向のずれは阻止される。

逆に、斜め溝３０１だけが形成されている場合には、回転円筒部３２は、溝内の接着剤３２０が斜め溝３０１の溝延在方向Ｄ２のみにずれることが可能となる。すなわち、リング部３０ａに対して回転円筒部３２が緩むと、回転円筒部３２は、Ｄ11とは逆方向のＤ21方向に回転しつつ軸方向Ｄ12にずれることになる。

しかし、図２に示す例では、両方の斜め溝３００，３０１が形成されているので、回転円筒部３２が緩んだ場合であっても、Ｄ11方向のずれは斜め溝３０１によって阻止され、Ｄ12方向のずれは斜め溝３００によって阻止される。その結果、回転円筒部３２はリング部３０ａに対する回転ずれが阻止され、軸方向のずれも阻止されることになる。

図３は図２に示した形態の変形例を示す図である。この変形例では、斜め溝３００，３０１の周方向のピッチを図２の場合より小さくして、斜め溝３００，３０１同士が交差するような溝形態としている。この場合、斜め溝の数が増すので、ずれ防止の効果がより高まる。

図４（ａ）は、角度の異なる２種類の溝として、斜め溝３０１とリング溝３０４とを形成した場合を示す。上述したように、斜め溝３０１は、回転円筒部３２に対してＤ２方向（Ｄ21およびＤ12方向）のずれを許容する。しかし、リング溝３０４を形成したことにより、回転円筒部３２の軸方向Ｊ（Ｄ12方向）のずれが阻止される。すなわち、リング部３０ａに対して回転円筒部３２が緩んだ場合でも、回転円筒部３２は回転方向および軸方向のいずれにもずれることができない。

さらに、図４（ｂ）に示す例では、図４（ａ）の斜め溝３０１の角度を９０度とした場合であり、リング溝３０４と軸方向に延在する溝３０５とを形成した。この場合、溝３０５によって、回転円筒部３２の回転方向のずれが阻止され、リング溝３０４によって軸方向のずれが阻止される。

図５は、接合構造の第２の例を示す図である。第２の例では、接着剤３２０が充填される溝を一種類の斜め溝で構成し、その斜め溝の形状をらせん溝（ネジ溝）とした。図５（ａ）に示す例では、らせん溝は等リードのネジ溝３０６で形成され、図５（ｂ）に示す例では、らせん溝は可変リードのネジ溝３０７で形成されている。

図５（ａ）に示す構成の場合、等リードのネジ溝３０６が形成されている溝形成領域３０８の軸方向両端には、溝が形成されていないインロー部領域３０３ａ，３０３ｂが形成されている。すなわち、ネジ溝３０６の上端および下端は、図４に示す斜め溝３０１の下端のように開放されておらず、溝のない領域（インロー部領域３０３ａ，３０３ｂ）に接している。その結果、溝内の接着剤３２０は回転方向のずれも軸方向のずれもネジ溝３０６によって阻止される。その結果、ネジ溝３０６内の接着剤３２０に固着されている回転円筒部３２は、リング部３０ａに対して軸方向にも回転方向にもずれることができない。

一方、図５（ｂ）に示す可変リードのネジ溝３０７の場合には、ネジ溝３０７の傾きが変化しているため、結果的には、図２に示す２種類の斜め溝を設けた場合と同様の効果を奏する。すなわち、一つのネジ溝３０７によって、回転円筒部３２は回転方向および軸方向のずれが阻止される。そのため、図５（ｂ）の場合には、同軸度を出すためのインロー部領域３０３は、可変リードのネジ溝３０７が形成された溝形成領域３０８の一方の側にのみ形成されている。

図６は、接合構造の第３の例を示す図である。図６（ａ）は接合部を示す図であり、図６（ｂ）は、Ｃ−Ｃ断面図である。第３の例では、リング部３０ａに一種類の斜め溝３０９を複数形成するようにした。図６（ｂ）に示すように、斜め溝３０９は、溝延在方向の下端が開放状態となっているが、上端から下端にかけて溝深さが浅くなっている。すなわち、溝内の固化した接着剤３２０は、斜め溝３０９の上端が途中で途切れているので溝延在方向の斜め上方向にずれることができず、一方、溝深さが下端に近づくほど浅くなっているので、溝延在方向の斜め下方向にもずれることができない。そのため、このような構成とすることで、リング部３０ａに対して回転円筒部３２が緩んだ場合でも、回転円筒部３２にはずれることがない。

なお、図６に示す例では、斜め溝３０９を複数設けているが一つであってもずれ防止効果を有する。

図７は、接合構造の第４の例を示す図である。図７（ａ）は接合部を示す図であり、図７（ｂ）は、Ｅ−Ｅ断面図である。第４の例では、リング部３０ａの周方向に、軸方向に水平な円弧状の溝３１０を複数配置した。各溝３１０は、軸方向に直交する面３１０ａ，３１０ｂ、軸方向に延在する面３１０ｃ、３１０ｄを有している。そのため、溝内の固化した接着剤３２０は、軸方向のずれが面３１０ａ，３１０ｂによって阻止され、かつ、周方向のずれが面３１０ｃ、３１０ｄによって阻止される。その結果、接着剤３２０に固着している回転円筒部３２は、リング部３０ａに対して軸方向にも周方向（回転方向）にもずれることができない。

なお、図７に示した例では、円弧状の溝３１０を複数設けたが、一つであっても同様の効果を奏する。

以上説明したように、本実施の形態では、ロータ３０の軸方向一端に形成されたリング部３０ａに外挿されるように接着された繊維強化プラスチックの回転円筒部３２を備えるターボ分子ポンプにおいて、リング部３０ａ側の接着部であるリング部３０ａの外周面には、接着剤３２０が充填される溝が、図２の斜め溝３００，３０１や、図７の溝３１０のように少なくとも一つ形成されている。そのため、固化して回転円筒部３２に固着した接着剤３２０が溝内に入り込んでいるため、低温時に回転円筒部３２が緩むようなことがあっても、リング部３０ａに対して回転円筒部３２がずれることがない。

例えば、図２〜４に示すように軸方向Ｊに対して角度の異なる２種類の溝をリング部３０ａに形成することで、回転円筒部３２のずれを防止することができる。

また、図５に示すように、斜め溝であるネジ溝３０６が形成される溝形成領域３０８の軸方向両端に接してインロー部領域３０３ａ，３０３ｂを設けることにより、すなわち、インロー部領域３０３ａ，３０３ｂに挟まれた溝形成領域３０８にネジ溝３０６を形成することで、ネジ溝３０６は両止まりの溝となる。そのため、ネジ溝３０６内において接着剤３２０はずれることができず、その結果、接着剤３２０に固着している回転円筒部３２はずれが防止される。

さらにまた、図６に示すように、斜め溝３０９は、溝の延在方向の一端から他端にかけて溝深さが減少するように形成された斜め溝であり、溝の深い一端側であって溝形成領域３０８の軸方向に接してインロー部領域３０３を設けるようにしても良い。その結果、回転円筒部３２の軸方向下側へのずれは、溝深さが下側ほど浅くなっていることから防止される。また、インロー部領域３０３によって斜め溝３０９がそこで切れているため、回転円筒部３２の軸方向上側へのずれは、切れている部分の溝端面によって阻止される。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

１：ターボ分子ポンプ、２２：固定翼、２４：ネジステータ、３０：ロータ、３０ａ：リング部、３０ｂ：回転翼、３１：シャフト、３２：回転円筒部、３００，３０１，３０９：斜め溝、３０３，３０３ａ，３０３ｂ：インロー部領域、３０４：リング溝、３０５，３１０：溝、３０６，３０７：ネジ溝、３０８：溝形成領域、３２０：接着剤

Claims (5)

1. 複数段の回転翼が形成されるとともに、軸方向一端にリング部が形成された金属製のロータと、
   前記回転翼に対して軸方向に交互に配置された複数段の固定翼と、
   繊維強化プラスチックで形成され、前記リング部に外挿されるように接着された回転円筒部と、
   前記回転円筒部の外周側に隙間を介して配置された固定円筒部と、を備え、
   前記リング部の接着部には、接着剤が充填され、前記回転円筒部のずれを阻止するための溝が少なくとも一つ形成されている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、
   前記リング部には、軸方向に対して角度の異なる２種類の前記溝が形成されている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２種類の溝の一方は、前記リング部を一周するリング溝であることを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記溝は軸方向に対して傾いた斜め溝であり、
   前記リング部は、
   前記斜め溝が形成された溝形成領域と、
   前記溝形成領域の軸方向両端に接してそれぞれ設けられ、前記回転円筒部に対するインロー部として機能するインロー部領域と、を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
5. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記溝は軸方向に対して傾いているとともに、該溝の延在方向の一端から他端にかけて溝深さが減少するように形成された斜め溝であり、
   前記リング部は、
   前記斜め溝が形成された溝形成領域と、
   前記斜め溝の前記一端側であって前記溝形成領域の軸方向に接して設けられ、前記回転円筒部に対するインロー部として機能するインロー部領域と、を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
   

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