JP6142630B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ドラッグポンプ部を有する真空ポンプに関する。

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部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部とから成る複合型ターボ分子ポンプとがある。また、ドラッグポンプ部のみからなるポンプも存在し、以下、本質的に影響しないので、これを含めて複合型ターボ分子ポンプとして説明する。複合型ターボ分子ポンプでは、一般的に、ドラッグポンプ部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。

特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、ロータに一体に形成された筒部の上端部（環状部）に、筒部の外側と内側を連通させる開口を複数形成することで、ドラッグポンプ部の流路断面積を増やして、排気流量性能の向上を図っている。

実開平５−３８３８９号公報

一般に、高速回転するロータにはアルミ合金材が用いられるが、筒部に作用する遠心力により、ロータと環状部との接続部や環状部における周方向応力が大きくなる。そのため、環状部に複数の開口を形成すると強度不足となり、また、開口近傍における応力集中が問題となる。特に、筒部の大径化に伴って、ロータと筒部との接続部分の強度が問題となる。

本発明の好ましい一実施形態による真空ポンプは、アルミ合金製のポンプロータと、ポンプロータの外周に外挿固定され、ポンプロータ軸芯と同心の環状嵌合部が少なくとも一つ形成されたアルミ合金製の環状部材と、環状嵌合部に外挿されるように嵌合される繊維強化プラスチック製の円筒部材と、円筒部材の内周面および外周面と所定隙間を介して配置されるステータと、を備え、環状部材には、該環状部材よりも排気上流側の空間と、円筒部材の内周面とステータとの間の所定隙間とを連通する連通開口が、複数形成されている。
さらに好ましい実施形態では、環状部材が外挿固定された部分よりも排気上流側において、ポンプロータの外周に形成された複数段の回転翼と、複数段の回転翼に対して軸方向に交互に配設される複数段の固定翼と、をさらに備える。
さらに好ましい実施形態では、複数の連通開口は、環状部材の外径側に偏って配置されるとともに、軸対称に配置されている。
また、環状嵌合部として環状部材の外周に凹凸面が形成されるとともに、円筒部材が凹凸面に外挿されるように嵌合され、円筒部材の内周面と凹凸面とで囲まれた領域が連通開口を構成するようにしても良い。
さらに好ましい実施形態では、円筒部材の内周面と凹凸面とで囲まれた領域とは別に、環状部材の凹凸面を構成する凸面の先端近傍に連通開口がさらに形成されている。
さらに好ましい実施形態では、ポンプロータの前記外周には、側方に突出するフランジ部が形成され、環状部材は前記フランジ部の外周に外挿固定される、ターボ分子ポンプ。
また、ポンプロータは、環状部材が外挿固定された外周よりも排気下流側に一体に形成されるとともに、円筒部材の内周側に配置される円筒ロータ部を有し、ステータは、円筒部材の内外周面および円筒ロータ部の内外周面と所定隙間を介して配置されるようにしても良い。
さらに好ましい実施形態では、環状部材の外周面には凸部が形成され、円筒部材の内周面には、凸部が挿入される凹部が形成されている。
本発明の好ましい他の実施形態による真空ポンプは、アルミ合金製のポンプロータと、ポンプロータの外周に形成され、ポンプロータ軸芯と同心の環状嵌合部を有する環状部材と、環状嵌合部に外挿されるように嵌合される繊維強化プラスチック製の円筒部材と、前記円筒部材の内周面および外周面と所定隙間を介して配置されるステータと、を備え、前記環状部材には、該環状部材よりも排気上流側の空間と、前記円筒部材の内周面と前記ステータとの間の前記所定隙間とを連通する連通開口が、複数形成され、前記環状嵌合部の外周面には凸部が形成され、前記円筒部材の内周面には、前記凸部が挿入される凹部が形成され、前記円筒部材の内周面が前記環状嵌合部の外周面に外装された状態で、前記凸部が前記凹部内に挿入され、かつ、凸部の先端面と前記凹部の底部との間に隙間が形成されている。

本発明によれば、真空ポンプの信頼性向上および大径化が容易となる。

図１は、磁気浮上式ターボ分子ポンプの概略構成を示す断面図である。 図２は、円筒部３２およびネジステータ２４ａ，２４ｂの部分の拡大図である。 図３は、支持板３３の平面図（ポンプ吸気口側から見た平面図）である。 図４は、支持部３３とロータ３０との取り付け構造の第１の変形例を示す図である。 図５は、変形例２を説明する図である。 図６は、変形例３を説明する図である。 図７は、第２の実施の形態における、ロータ３０，支持板３３，円筒部３２を示す断面図（水平断面）である。 図８は、ロータ３０，支持板３３，円筒部３２，ネジステータ２４ａ，２４ｂを示す断面図（縦断面）である。 図９は、第２の実施の形態の変形例を示す図である。 図１０は、第３の実施の形態を説明する図である。 図１１は、環状支持部３０ｃの平面図である。 図１２は、円筒部３２と支持板３３との嵌合部の断面図である。 図１３は、接着圧入構成の一例を示す図である。 図１４は、熱膨張による半径Ｒaおよび半径Ｒcの変化を示す図である。 図１５は、遠心力による変位を説明する図である。 図１６は、リング部３０ａに関する半径Ｒa1，Ｒa2の変化、および回転円筒部３２に関する半径Ｒc1，Ｒc2の熱膨張による変化を示したものである。 図１７は、遠心力による変位を説明する図である。

−第１の実施の形態−
以下、図を参照して本発明を実施するため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断面図である。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４０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４０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。磁気軸受が作動していない時には、シャフト３１は非常用のメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂによって支持される。

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部と、円筒部３２と一対のネジステータ２４ａ，２４ｂとで構成されるドラッグポンプ部（ネジ溝ポンプ）とを有している。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、軸方向に関して複数段の回転翼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、リング状の支持板３３が焼きばめにより圧入されている。上述した円筒部３２は、支持板３３の外周端部に、冷やしばめにより圧入されている。ロータ３０と一体に回転する円筒部３２の外周側および内周側には、所定の隙間を介して固定側のドラッグポンプ部であるネジステータ２４ａ，２４ｂが配置されている。ネジステータ２４ａ，２４ｂは、ベース２０に取り付けられている。

円筒部３２には、ロータ軽量化のために比重の軽いＣＦＲＰ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。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。以下では、円筒部３２はＣＦＲＰ材で形成されているものとして説明する。

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、円筒部３２およびネジステータ２４ａ，２４ｂが設けられた部分の拡大図である。また、図３は、支持板３３の平面図（ポンプ吸気口側から見た平面図）である。図２では図示していないが、ネジステータ２４ａ，２４ｂの、円筒部３２に対向する面には、ネジ溝が形成されている。円筒部３２の外周面は所定隙間を介してネジステータ２４ａと対向し、円筒部３２の内周面は所定隙間を介してネジステータ２４ｂと対向している。支持板３３の図示上側の空間は回転翼および固定翼が配置されている領域であり、この排気領域と、円筒部３２とネジステータ２４ｂとで挟まれた領域とは、支持板３３に形成された複数の連通開口３３ａ（図３も参照）を介して連通している。円筒部３２がロータ３０とともに高速回転すると、破線矢印で示すように気体の流れが発生する。

本実施の形態では、上述のように、ロータ３０の排気下流側の端部に、アルミ合金製の支持板３３を嵌合させる構造を採用する。そして、その支持板３３の外周側に、ＣＦＲＰ材（または、ＦＲＰ材）による円筒部３２を取り付ける構成とした。ロータ３０への支持部３３の取り付けには、焼きばめまたは冷やしばめを用いることができる。また、円環状の支持部３３への円筒部３２の取り付けには、冷やしばめを用いることができる。いずれの場合にも、嵌合部に接着剤を併用しても良い。

図２に示すように、支持部３３の外周面は段差構造となっており、外径が小さい方の面に円筒部３２が嵌合される。図２に示す例では、嵌合面を大きく取るために、支持部３３の下面外周側に環状凸部３３ｂを形成して、その凸部の外周面も嵌合面として利用している。このような構成とすることで、支持部３３が必要以上に厚くなるのを防止している。

特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、ロータ３０の下端から径方向外側に延出するように円環支持部を一体に形成し、その円環支持部に円筒部を一体に形成している。ロータ３０の円環支持部を設けた部分は回転時の遠心力が増大し、比較的大型のポンプでは円環支持部内径付近の周方向応力が許容限界を超えてしまという問題がある。

一方、本実施の形態では、円筒部３２が固定される円環支持部３３とロータ３０とを別部材としたことにより、部材間で質量分担され、遠心力による周方向応力の最大値を低減できる。これにより、特に注意が必要なアルミ合金製ロータ３０の遠心力による周方向応力の増大を、回避することができる。さらに、支持板３３の外径を大きくすることで、ロータ３０の周方向応力の増大を避けつつ、大径の円筒部３２に対応することが可能となる。

ところで、支持板３３の周方向応力は、主に、（ａ）ロータ３０に作用する遠心力に起因する内側からの圧力印加の影響、（ｂ）連通開口３３ａを形成したことによる応力集中の影響、（ｃ）支持板３３自体の遠心力の影響、（ｄ）円筒部３２による外側からの圧力印加の影響、を受ける。この内、（ｃ）の支持板３３自体の遠心力の影響については、連通開口３３ａを形成したことによる質量低減によって軽減される。

また、後述するように、回転による遠心力が加わった場合における、ＣＦＲＰ等のＦＲＰ材の変形量はアルミ合金材の変形量に比べて小さい。そのため、通常温度においては、円筒部３２と支持板３３との嵌め合いは締まりばめ状態となる。そのため、（ｄ）に関しては、ＣＦＲＰ製の円筒部３２とアルミ合金製の支持板３３との嵌め合いが締まりばめ状態となるので、支持板３３は外周側から圧縮され、周方向応力に対しては緩和効果として作用する。また、（ｂ）の連通開口３３ａによる応力集中の影響については、支持板３３は均質等方性材料のアルミ材であって、また、支持板単独で行えばよいので、検討がしやすい。

図３に示すように、支持板３３には、ロータ３０と内周側のネジステータ２４ｂとの間の隙間空間と、複数段の回転翼３０ｂおよび固定翼２２が配設される空間とを連通する連通開口３３ａが複数形成されている。このような連通開口３３ａを形成することにより、ネジステータ２４ａと円筒部３２の外周面との間での気体排気だけでなく、それと並列に、ネジステータ２４ｂと円筒部３２の内周面との間での気体排気を行うことができ、排気性能の向上を図ることができる。

このように、支持板３３に連通開口３３ａを形成することにより、排気性能の向上を図ることができると共に、機械的な性能の向上も図ることができる。すなわち、連通開口３３ａを形成することにより支持板３３の質量が低下するので、（ｃ）の支持板３３自体の遠心力の周方向内部応力への寄与を軽減することができる。それにより、支持板３３の外径をより大きくすることができ、円筒部３２の大径化を容易に対応することができる。

また、円筒部３２と支持板３３との嵌め合いは上述したように締まりばめとなり、円筒部３２には外側に押し広げるような力が支持板３３から作用する。この力が過大であると、ＣＦＲＰ製円筒部３２の強度限界を超えてしまうので、円筒部３２と支持板３３との間の力（突っ張り力）は小さい方が好ましい。支持板３３に連通開口３３ａを形成すると、この突っ張り力が軽減される。連通開口３３ａの外周側の弾性力が軽減され、また、連通開口３３ａを外周側に偏らせて配置することで、すなわち、連通開口位置が支持板２２の内径と外径との中間位置よりも外側となるように配置することで、支持板３３の外周部の剛性をさらに低減させることができる。その結果、上述の突っ張り力をより緩和することができる。また、連通開口３３ａを外側に配置するほど支持板３３に加わる遠心力が小さくなるので、周方向応力軽減の観点でも外側に配置するのが好ましい。

連通開口３３ａの配置は、ロータアンバランスの観点から軸対称配置に配置するのが好ましい。また、連通開口３３ａの形状は、円形、楕円形、長円等種々の形状が可能であるが、連通開口周辺の応力集中を軽減するために、周方向に長い形状が好ましい。また、配置の場合と同様に、複数配置した場合に、軸対称となる形状が好ましい。

（変形例１）
図４は、支持部３３とロータ３０との取り付け構造の変形例を示す図である。ロータ３０の下部には、環状のフランジ部３００が、ポンプロータの外周面から径方向外側に突出するように形成されている。フランジ部３００の外周面には支持板３３が外挿されるように嵌合している。支持板３３のフランジ部３００への固定には、上述した実施形態の場合と同様に、焼きばめまたは冷やしばめによる嵌合を用いることができる。

このような構造とすることで、上述した実施形態の作用効果に加えて、ロータ３０および支持板３３の最大応力が許容限界を超えないように、設計段階で寸法調整できる。

（変形例２）
図５に示す変形例２では、ロータ３０の下部には、一般的な複合型ターボ分子ポンプの場合と同様に、ドラッグポンプ部を構成する円筒ロータ部３０１が一体に形成されている。さらに、円筒ロータ部３０１の外周面に、図２に示したものと同様の構成の支持板３３が嵌合されている。嵌合構造は、上述した実施の形態（例えば、図２の構成）の場合と同様である。ネジステータ２４ｂは、外周面（円筒部３２と対向する面）および内周面（円筒ロータ部３０１と対向する面）には、ネジ溝が形成されている。

変形例２では、上述した実施形態の作用効果に加えて、ドラッグポンプ部の流路構成が、破線で示すように３つの流路が並列に設けられる構成となるので、排気性能の向上を図ることができる。逆に、円筒部３２の径寸法は小さく抑えられる。

（変形例３）
変形例３では、図６に示すように、支持板３３に取り付けられる円筒部を２個としたものである。すなわち、支持部３３の下面には、２つの環状凸部３３ｂ，３３ｃが同心円状に形成されている。円筒部３２ａは環状凸部３３ｂに外挿固定され、円筒部３２ｂは環状凸部３３ｃに外挿固定されている。いずれも、冷やしばめによる嵌合が用いられる。支持板３３には、環状凸部３３ｂ，３３ｃに対応させて円周上に複数配置された連通開口３３ａと同様に複数配置された連通開口３３ｄとが形成されている。円筒部３２ａの外周側にはネジステータ２４ａが設けられ、円筒部３２ａ，３２ｂ間にはネジステータ２４ｂが設けられ、円筒部３２ｂの内周側にはネジステータ２４ｃが設けられている。

本実施の形態では、円筒部が取り付けられる支持板３３をロータ３０と別体にしているので、一体とした場合に比べて支持板３３の外径を大きくすることができる。そのため、変形例３のように２つの円筒部を設けることも可能となる。もちろん、円筒部を３つ以上設けても構わない。

−第２の実施の形態−
図７，８は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。図７は、ロータ３０，支持板３３，円筒部３２を示す断面図（水平断面）である。図８は図７のＡ−Ａ断面に相当する図であって、ロータ３０，支持板３３，円筒部３２，ネジステータ２４ａ，２４ｂを示す図である。

本実施の形態では、図７に示すように支持板３３の外周面は凹凸面となっている。円筒部３２は支持部３３の凹凸外周面に外挿されるように嵌合されている。すなわち、円筒部３２は支持板３３の凸部３０３の部分に嵌合し、その結果、凹部３０４と円筒部３２との間に、支持板３３を上下に貫通する隙間Ｓが形成される。隙間Ｓを通過した気体は、円筒部３２とネジステータ２４ｂとの隙間を通って排気される。

図３に示した支持板３３の場合には、支持板３３に連通開口３３ａを形成しているため、連通開口周辺に応力集中が発生する。しかし、本実施の形態では、支持板３３に連通開口を形成することなく、回転翼および固定翼が配置される空間とネジステータ２４ｂが配置される空間とを連通する隙間Ｓを形成しているので、上述したような応力集中の発生を抑えることができる。そのため、隙間Ｓの連通開口面積をより大きく確保することができる。また、支持板３３をロータ３０と別体で設けた点や、隙間Ｓの分だけ支持板３３の重量低減が図れる点については、第１の実施の形態の支持板３３と同様の作用効果を奏する。特に、隙間Ｓの連通開口面積を容易に大きくすることができるので、重量低減による周方向応力軽減を効果的に図ることができる。

なお、支持板３３の凹凸形状は図７に示すものに限らず様々な形状が可能であるが、ロータアンバランスの観点から、軸対称であることが好ましい。また、支持板３３とロータ３０との取り付け構造に関しては、図７，８に示すものに限らず、図４に示すように、ロータ３０のフランジ部３００に、図７に示す支持板３３を取り付けるようにしても良い。

図９は、第２の実施の形態の変形例を示す図である。ここでは、円筒部３２が嵌合している凸部３０３に、上下に貫通する連通開口３０５を形成した。それにより、凸部３０３の剛性を局部的に低減することができ、円筒部３２との突っ張り力が緩和される。その結果、ＣＦＲＰ製の円筒部３２の強度限界を緩和でき、適用回転速度のアップ、適用温度範囲の広域化が可能となる。

−第３の実施の形態−
図１０，１１は、第３の実施の形態を説明する図である。第３の実施の形態では、ロータ３０に環状支持部３０ｃを一体に形成する構成とした。環状支持部３０ｃの下面外周側には環状凸部３０７が形成されている。環状凸部３０７の構成および機能は上述した環状凸部３３ｂ（図２参照）と同様である。図１１に示すように、環状支持部３０ｃには上述した連通開口３３ａと同様の連通開口３０６が複数形成されている。図１１では、連通開口３０６は環状支持部３０ｃの外周側に偏って配置されている。なお、図１０，１１では、円筒部３２を一つとしたが、図６のように２つ以上設けても良い。

本実施の形態では、環状支持部３０ｃがロータ３０と一体に形成されているので、上述した実施の形態に比べてロータ３０の周方向応力は大きくなる。しかし、特許文献１では一体に形成されていた円筒ロータ部を、本実施の形態では別体で設けられたＦＲＰ製の円筒部３２としているので、特許文献１の構成と比べた場合にはロータ３０の周方向応力は低減されている。また、ＣＦＲＰ製円筒部３２とアルミ合金製ロータ３０とは締まりばめ状態となるので、環状支持部３０ｃの周方向応力に関しては緩和効果として作用し、この点に関しても特許文献１の構成よりも優れている。

また、環状支持部３０ｃの外周面を図７の支持板３３と同様の凹凸面とし、その凹凸面に円筒部３２を外挿固定するようにしても良い。

−第４の実施の形態−
図１２〜１７を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１２は、円筒部３２と支持板３３との嵌合部の断面図である。なお、上述したように円筒部３２と支持板３３とは冷やしばめにより圧入されているので、円筒部３２の内周面と支持板３３の外周面とは隙間なく嵌合しているが、図１２では、内周面と外周面とが分かりやすいように隙間を開けて図示している。

支持板３３の環状凸部３３ｂの外周面には凸部３０８が形成されている。図１２に示す例では、凸部３０８は柱状凸部（例えば、円柱）であって、外周面の周方向に沿って複数形成されている。凸部３０８の形状は円柱状に限らず、半球状等、種々の形状が可能である。なお、複数の凸部３０８は、ロータのアンバランスの観点から軸対称に形成するのが好ましい。一方、円筒部３２の内周面には、凸部３０８に対向する位置に凹部３２０がそれぞれ形成されている。

図１２において、Ｒa1は環状凸部３３ｂの外周面の半径、Ｒa2は凸部３０８の先端部分の半径、Ｒc1は円筒部３２の内周面の半径、Ｒc2は凹部３２０の底部の半径である。ここで、半径とは、それぞれの軸中心からの半径のことである。後述するようにＲa1、Ｒc1の大小関係は温度および回転時の遠心力に依存して変化するが、冷やしばめにより円筒部３２を環状凸部３３ｂに嵌合する際の寸法関係は、Ｒc1＞Ｒa1、Ｒa2のように設定される。また、Ｒc2は、常に隙間が形成されるように設定される。

次に、温度変化が生じた場合、および、ロータ回転速度が変化した場合のＲa1とＲc1との関係について説明する。まず、図１３〜１５を参照して、円筒部３２を環状凸部３３ｂに接着圧入する、従来の構成について説明する。図１３は、接着圧入構成の一例を示す図であり、図１２と同様の部分の断面図である。環状凸部３３ｂには、接着剤を充填するための溝３０２が形成されている。なお、図１３では、溝３０２内の接着剤は図示を省略した。

この場合も、冷やしばめにより環状凸部３３ｂと円筒部３２とが嵌合される。すなわち、支持板３３側を冷やしばめ温度（−１００℃程度）に冷却し、環状凸部３３ｂを円筒部３２に挿入する。温度が常温に戻ると環状凸部３３ｂが膨張して締まりばめ状態となり、円筒部３２が環状凸部３３ｂに固定される。また、溝３０２内の接着剤により円筒部３２と環状凸部３３ｂとが接着される。

図１４は、環状凸部３３ｂが形成された支持板３３単体の熱膨張による半径Ｒa1の変化、および、円筒部３２単体の熱膨張による半径Ｒc1の変化とを示す図である。アルミ合金製の環状凸部３３ｂにＣＦＲＰ製の円筒部３２を組み付ける作業においては、一般的に、支持板３３を液体窒素などで冷やして熱収縮させる冷やしばめが採用される。そのため、組み付け時（熱収縮時）における環状凸部３３ｂの外周面の半径Ｒa1をＲa10、円筒部３２の内周面の半径Ｒc1をＲc10とすると、Ｒa10＜Ｒc10が満足されるように常温時のＲa1、Ｒc1が設定される。

組み付け時の温度（例えば、−１００℃）から支持板３３および円筒部３２の温度が上昇すると、熱膨張により半径Ｒa1およびＲc1は増加する。アルミ合金製の支持板３３の熱膨張率はＣＦＲＰ製の円筒部３２の熱膨張率よりも大きいので、図１４に示すように半径Ｒa1の方が変化の度合いが大きく、Ｒa1＜Ｒc1（隙間ばめ状態）であったものが、温度Ｔc1を越えるとＲa1＞Ｒc1（締まりばめ状態）のように大小関係が逆転する。

さらに温度が上昇すると、温度上昇と共に締め代が大きくなり、環状凸部３３ｂに外挿された円筒部３２の引っ張り応力が増大する。この場合、円筒部３２に強度的な限界があるので、引っ張り応力の上限（余裕度を考慮した上限）から円筒部３２の上限温度Ｔmax1が決まる。温度が低下してＴ＜Ｔc1となると再び隙間ばめ状態となるが、環状凸部３３ｂと円筒部３２との間の接着剤自体の延び変位で、環状凸部３３ｂと円筒部３２との接合が保たれる。

しかしながら、この延び変位には、剥離防止のために許容限度がある。さらに、温度変化による膨張収縮の繰り返しを考慮すると、延び変位限度はさらに小さくなる。温度Ｔminは、剥離防止の許容限度から決まる温度下限値である。すなわち、ロータ温度（支持板３３および円筒部３２の温度）Ｔは、Ｔmin≦Ｔ≦Ｔmax1に制限される。寸法Ｌiは温度Ｔmax1時の締め代、すなわち、締め代の限界値である。一方、寸法ＬdはＴmin時の隙間寸法であって、接着剤の延び変位の限界である。そのため、ポンプ保管温度の下限は、Ｔmin以上に設定されなければならない。

図１４に示した熱膨張変位は、回転による遠心力を一定と仮定した場合（例えば、回転数＝０）の変位状況を示したものである。一方、図１５は、遠心力による変位を説明する図である。図１５の場合も、支持板３３と円筒部３２とが単独の場合の、回転速度変化による半径Ｒa1、Ｒc1の変化を示したものである。一般に、変位は回転速度ωの２乗に比例する。Ｒa11、Ｒc11はω＝０のときの半径Ｒa1、Ｒc1であり、ポンプ温度Ｔ1が図１４に示したＴminよりも高ければ、隙間寸法（Ｒc1−Ｒa1）はＬdよりも小さい。回転速度ωが増加すると隙間寸法（Ｒc1−Ｒa1）は小さくなり、回転速度ωc1において大小関係が逆転しω＞ωc1においては締りばめ状態となる。

上述したように、環状凸部３３ｂと円筒部３２との間の締め代には、円筒部３２の強度的限界に依存した限界値Ｌiがある。遠心力が加わる場合には、環状凸部３３ｂに外挿されている円筒部３２には、環状凸部３３ｂからの力と円筒部３２自身の遠心力による力とが働く。図１５の回転速度ωmax1は、締め代が限界値Ｌiとなるときの回転速度である。ポンプ温度Ｔ2をＴ2＞Ｔ1とすると、締め代が限界値Ｌiとなる回転速度ωも小さくなる。

以上のように接着剤の延び変位の限界から下限温度が制限され、この下限温度が保管下限温度よりも低くなるように、組み付け時の半径Ｒc10と半径Ｒa10との差を設定する必要がある。この差が大きくなると、隙間寸法がその限界値Ｌdとなる温度Ｔminも高くなり、保管下限温度が制限されるおそれがある。一方、半径Ｒc10と半径Ｒa10との差を小さくすると、締め代が限界値Ｌiとなる温度が低くなり、使用温度上限が制限されるおそれがある。

図１６，１７は、環状凸部３３ｂと円筒部３２との接続構造を図１２に示すような構造とした場合の、変位を説明する図である。図１６は図１４に対応する図であり、環状凸部３３ｂに関する半径Ｒa1，Ｒa2の変化、および円筒部３２に関する半径Ｒc1，Ｒc2の、熱膨張による変化を示したものである。この場合、冷やしばめによる組み付け作業が可能なように、冷やしばめ温度における環状凸部３３ｂの凸部先端の半径Ｒa20は、円筒部３２の内周面の半径Ｒc10よりも小さく設定される。すなわち、Ｒc10＞Ｒa20を満足している。

図１２に示す構造の場合には、ポンプ保管温度（図１４のＴmin）において円筒部３２が環状凸部３３ｂから外れないようにするためには、その際に環状凸部３３ｂの凸部３０８が円筒部３２の凹部３２０に嵌め込まれた状態、すなわち、Ｒa2＞Ｒc1となっていれば良く、従来のように接着剤の剥離に関する制限はない。よって、図１６からも分かるように、Ｒa20は、Ｒc10＞Ｒa20＞Ｒa10のように設定されているが、冷やしばめ温度(−１００℃ 程度)は保管温度（−２５℃ )よりもが十分に低いので、冷やしばめ作業時の作業性に問題はない。

図１６に示す破線は、図１４における半径Ｒa1の変化を示したものである。上述のように、図１６における冷やしばめ作業時の環状凸部３３ｂの半径Ｒa10は、図１４の半径Ｒa10よりも小さく設定されている。そのため、隙間ばめ状態から締りばめ状態に切り替わる温度Ｔc2は、図１４の場合の温度Ｔc1よりも高くなり、半径Ｒa1と半径Ｒc1との差が締め代の限界値Ｌiとなる温度Ｔmax2は、図１４の場合の温度Ｔmax1よりも高くなる。すなわち、図１２の構成の場合の温度許容範囲ΔＴ2（＝Ｔmax2−Ｔmin）は、接着剤を用いる構造の場合の温度許容範囲ΔＴ1よりも高温側に拡がることが分かる。

図１７は、図１５の場合と同様に、遠心力による変位を説明する図である。図１７の曲線Ｒa1’は、図１５に示した曲線Ｒa1と同じものである。図１６で説明した場合と同様に、図１７のω＝０における半径Ｒa11は、接着剤を用いた場合の半径Ｒa11よりも小さく設定されるので、隙間ばめから締りばめに切り替わる回転速度ωc2が、図１５の場合の回転速度ωc1よりも大きくなる。その結果、締め代が限界値Ｌiとなる回転速度ωmax2は、ωmax2＞ωmax1となり、許容回転速度範囲Δω2は、図１５の場合の許容回転速度範囲Δω1と比べると高温側に拡がっている。

以上、熱膨張、遠心力膨張を個別に検討したが、実際に両者をあわせて考慮する場合でも、本発明は従来のように接着剤を用いて固定する場合に比べて、運転範囲（温度範囲および回転速度範囲）を広くとることができ、回転速度を高くすることが可能となる。特に、ロータ寸法が大きい大排気速度ポンプでは、本発明適用の効果が顕著である。従来、小型ポンプに適用されていたＣＦＲＰ円筒を、大排気速度でアルミロータの限界温度まで通常使用されるＦＰＤ(flat panel display, フラットパネルディスプレイ）、半導体のエッチング用途で使用される大型ポンプヘも適用できる。これにより、ロータの軽量化による省電力化、コスト低減が可能となる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、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、ターボポンプ部とドラッグポンプ部とを備えた複合型ターボ分子ポンプを例に説明したが、ターボポンプ部が無い、ドラッグポンプ部のみから成る真空ポンプにも、本発明は適用することができる。その場合には、シャフト３１に締結されたアルミ合金製のポンプロータの外周に、ポンプロータ軸芯と同心の環状嵌合部が少なくとも一つ形成されたアルミ合金製の環状部材が外挿固定される。そして、その環状嵌合部に、繊維強化プラスチック製の円筒部材が外挿されるように嵌合される。

１：ターボ分子ポンプ、２２：固定翼、２４ａ，２４ｂ：ネジステータ、３０：ロータ、３０ｂ：回転翼、３０ｃ：環状支持部、３２，３２ａ，３２ｂ：円筒部、３３：支持板、３３ａ，３３ｄ，３０５，３０６：連通開口、３３ｂ，３３ｃ，３０７：環状凸部、３００：フランジ部、３０１：円筒ロータ部、３０３：凸部、３０４：凹部、３０８：凹部３２０に挿入される凸部、３２０：凸部３０８が挿入される凹部

Claims (9)

1. アルミ合金製のポンプロータと、
   前記ポンプロータの外周に外挿固定され、ポンプロータ軸芯と同心の環状嵌合部が少なくとも一つ形成されたアルミ合金製の環状部材と、
   前記環状嵌合部に外挿されるように嵌合される繊維強化プラスチック製の円筒部材と、
   前記円筒部材の内周面および外周面と所定隙間を介して配置されるステータと、を備え、
   前記環状部材には、該環状部材よりも排気上流側の空間と、前記円筒部材の内周面と前記ステータとの間の前記所定隙間とを連通する連通開口が、複数形成されている、真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記環状部材が外挿固定された部分よりも排気上流側において、前記ポンプロータの外周に形成された複数段の回転翼と、
   前記複数段の回転翼に対して軸方向に交互に配設される複数段の固定翼と、をさらに備える、真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記複数の連通開口は、前記環状部材の外径側に偏って配置されるとともに、軸対称に配置されている、真空ポンプ。
4. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記環状嵌合部として前記環状部材の外周に凹凸面が形成されるとともに、前記円筒部材が前記凹凸面に外挿されるように嵌合され、
   前記円筒部材の内周面と前記凹凸面とで囲まれた領域が前記連通開口を構成する、真空ポンプ。
5. 請求項４に記載の真空ポンプにおいて、
   前記円筒部材の内周面と前記凹凸面とで囲まれた領域とは別に、前記環状部材の前記凹凸面を構成する凸面の先端近傍に前記連通開口がさらに形成されている、真空ポンプ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ポンプロータの前記外周には、側方に突出するフランジ部が形成され、
   前記環状部材は前記フランジ部の外周に外挿固定される、真空ポンプ。
7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ポンプロータは、前記環状部材が外挿固定された前記外周よりも排気下流側に一体に形成されるとともに、前記円筒部材の内周側に配置される円筒ロータ部を有し、
   前記ステータは、前記円筒部材の内外周面および前記円筒ロータ部の内外周面と所定隙間を介して配置される、真空ポンプ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記環状部材の外周面には凸部が形成され、
   前記円筒部材の内周面には、前記凸部が挿入される凹部が形成されている、真空ポンプ。
9. アルミ合金製のポンプロータと、
   前記ポンプロータの外周に形成され、ポンプロータ軸芯と同心の環状嵌合部を有する環状部材と、
   前記環状嵌合部に外挿されるように嵌合される繊維強化プラスチック製の円筒部材と、
   前記円筒部材の内周面および外周面と所定隙間を介して配置されるステータと、を備え、
   前記環状部材には、該環状部材よりも排気上流側の空間と、前記円筒部材の内周面と前記ステータとの間の前記所定隙間とを連通する連通開口が、複数形成され、
   前記環状嵌合部の外周面には凸部が形成され、
   前記円筒部材の内周面には、前記凸部が挿入される凹部が形成され、
   前記円筒部材の内周面が前記環状嵌合部の外周面に外装された状態で、前記凸部が前記凹部内に挿入され、かつ、凸部の先端面と前記凹部の底部との間に隙間が形成されている、真空ポンプ。
   

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