JPS6163385A - タ−ボ分子ポンプのロ−タの製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ターボ分子ポンプのロータの製作方法に係り
、特に、拡散接合の信頼性をたかめて。

ターボ分子ポンプの高性能化、高効率化および耐食性の
向上を図るのに好適なターボ分子ポンプのロータの製作
方法に関するものである。

〔発明の背景〕

超高真空に排気するターボ分子ポンプの開発とともに、
その−環としてターボ分子ポンプのロータの製造技術も
開発が進められている。

従来のターボ分子ポンプのロータは、あらかじめ分割成
形したＴｉ合金製の多数の翼板と、Ｔｉ合金製の多数の
ロータリングとを交互に積み重ねて、ＡＱまたはＡＱ合
金製のインサート材を挿入して拡散接合により一体化し
ていた。

このため、拡散接合の接合強度およびベーキング温度は
、インサート材のＡＱまたはＡＱ金合金特性に依存して
しまうため、Ｔｉ合金のもつ高い比強度を利用すること
ができず、ベーキング温度を高くすることができない欠
点があった。

また、製作するターボ分子ポンプのロータの寸法精度が
きびしく要求される場合、従来の拡散接合法ではインサ
ート材を軟化あるいは一時溶融させて接合していたため
、不均一加圧が助長され寸法の精度管理が十分行なえな
い欠点があった。

さらに、ターボ分子ポンプの使用環境が１例えば半導体
製造設備などの場合、塩素、アンモニアおよび砒素など
を含んだ腐食雰囲気の空気の排気作業となるため、Ｔｉ
合金とインサート材との異種金属接合部の腐食が懸念さ
れる。

さらにまた、ターボ分子ポンプのロータを製作する上で
の部品点数が多く、組立に時間がかかるとともに、Ａ２
合金インサート材を挿入忘れするような生産工程上のミ
スがあった場合、接合不可能となる欠点があった。

次に、ＴｉまたはＴｉ合金同士の拡散接合については従
来よく用いられているが、これらの接合において接合部
の機械的特性をＴｉあるいはＴｉ合金母材に近づけるた
めには、拡散接合を行う際。

接合温度を高くするか、接合時間を長く保持するか、ま
たは加圧力を高くするかのいずれか１つあるいは複数の
組合せで実施する必要がある。すなわち、良好な拡散接
合を実施するには、原子運動を活発にするための熱エネ
ルギを与えるか、熱エネルギの供給時間を長くするか、
原子の移動がスムーズに行えるように接合面間の原子間
距離を近づけるかなどを行う必要がある。

しかし、まず接合温度をあまり高くとるとＴｉまたはＴ
ｉ合金が軟化してしまい大きな変形を起こす問題がある
。

また、接合時間を長くするのは、ＴｉまたはＴｉ合金の
結晶粒が粗大化し母材自体の強度が低下してしまうため
比強度の高い材料としての効果がなくなるとともに、製
作時間が長くなると拡散接合を行う効果が小さくなり実
用的ではない。

さらに、加圧力を高くするのは、接合面の密着化ばかり
ではなく全体の塑性変形をも大きなもの　　　　）とし
、ターボ分子ポンプのロータの寸法精度が出せない欠点
があった。

なお、本発明に関する先行技術情報として開示されてい
るものはない。

〔発明の目的〕

本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決するた
めになされたもので、翼板およびロータリングの両者ま
たは少なくとも翼板を微細結晶栂造を呈しているＴｉま
たはＴｉ合金を選定して高い寸法精度と接合の信頼性を
たかぬ、高温強度部材を翼板変形防止治具に用い翼板の
高温クリープ変形を抑制するようにして拡散接合を行い
、ターボ分子ポンプの高性能化、高効率化および耐食性
の向上を図ることの可能なターボ分子ポンプのロータの
製作方法の提供を、その目的としている。

〔発明の概要〕

本発明に係るターボ分子ポンプのロータの製作方法は、
あらかじめ分割加工した多数の翼板と多数のロータリン
グとを重積して拡散接合により一体化するターボ分子ポ
ンプのロータ製作方法において、前記翼板およびロータ
リングの両者または少なくとも翼板を＃ｌ細結晶構造を
呈している材質のものとし、これら多数の翼板とロータ
リングとを交互に積み重ねるとともに、それぞれの翼板
と翼板との間に複数の高温剛性部材を翼板変形防止治具
として挿入した状態で拡散接合を行うようにした方法で
ある。

なお、本発明を開発した考え方を付記すると。

次のとおりである。

ターボ分子ポンプの高性能化を第一目的とした開発研究
において、比強度の高いＴｉ合金を動翼の材料として使
用することが必須である。従来は、Ｔｉ合金製のロータ
リングと動翼とを分割加工により製作し、低温で軟化あ
るいは溶融するＡＱまたはＡＱ金合金インサート材とし
て各ロータリングと各動翼との間に挿入して接合を行っ
て一体化していた。

しかし、ターボ分子ポンプの高速化またはベーキング温
度を高くして高効率化を進めるに当り。

ロータの接合強度がＡ　Ｑ、に依存する従来方法の製作
では困難であることが明らかとなった。

そこで、ターボ分子ポンプの高速化および高温ベーキン
グが可能なＴｉ合金同士の拡散接合法が考えられた。

そして、そのＴｉ合金同士の拡散接合については、多く
の報告があるが、いずれも接合温度（９００〜９６０℃
）および接合圧力（０，５〜２．０　ｋ　ｇ　ｆ　／ｍ
ｍ”）が高くロータリングおよび翼板のクリープ変形が
懸念され１寸法精度および動バランスが非常に重要なタ
ーボ分子ポンプのロータには採用困難と思われる。

これは、従来用いられているＴｉまたはＴｉ合金の素材
組織が、β鍛造組織あるいは結晶粒の大きな（１０〜２
０μｍ）組織を呈しているため前述の接合条件を用いな
ければならなかったものである。しかし、Ｔｉあるいは
Ｔｉ合金は、α＋β相の温度領域において十分に鍛造を
施すとその結晶粒が非常に細かく（１〜５μｍ程度）な
ることが知られている。この微細結晶粒となったＴｉま
たはＴｉ合金は、接合温度領域で僅かな圧力でも変形が
ゆっくりと進行することが明らかとなった。

すなわち、微細結晶構造のＴｉまたはＴｉ合金を用いる
ことにより、拡散接合を実施するために必要な接合面同
士の密着化（接合面間の原子量比ｍが接近）が十分に行
われ原子の移動が容易になる。

さらに、原子の拡散速度は、結晶粒内よりも結晶粒界の
方が数倍も速いことから微細結晶構造を呈している方が
十分に原子が拡散する。すなわち。

微細結晶構造を呈しているＴｉまたはＴｉ合金は、　　
　−接合温度において接合面の密着が容易に行われると
ともに原子の拡散が非常に速いため、菫かな圧力と短い
時間で良好な拡散接合を行いうろことが明らかとなった
。

次に、ＴｉまたはＴｉ合金は、７００℃以とになると高
温クリープ変形を起こす。特に薄板の場合、板自体を支
える面積が小さいときには、自重によりクリープ変形し
てしまい重力方向に曲ってしまう。すなわち、翼板を形
成する薄板円板を、この円板より小さな円筒であるロー
タリングの上に乗せて高温に加熱すると、円筒からはみ
出して　　　　　　　ｊいる円板の部分が下方にクリー
プ変形を起こしてしまう。

そこで、この翼板に係る薄板円板と薄板円板との間に高
温剛性を有する部材を翼板変形防止治具として挿入し、
円板の自重によるクリープ変形を部止することを考えた
。

その変形部正方法については、次に発明の実施例で具体
的に説明する。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図および第２図を参照し
て説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係るターボ分子ポンプの
ロータの製作方法を示すもので、（ａ）は、ターボ分子
ポンプロータの各部材と治具とを組立てた縦断面図、（
ｂ）はその１／４を示す平面図、第２図は、接合中のタ
ーボ分子ポンプロータの各部材と治具との状態を示す縦
断面図である。

図において、１は、あらかじめ分割加工した多数の翼板
で、翼板１は前述のように微細結晶構造を呈しているＴ
ｉ合金製のもの、２は、あらがじめ分割加工した多数の
Ｔｉ合金製のロータリングで、これら多数のＳへ板１と
多数のロータリング２とを交互に積み重ね、心合わせ治
具３により組立てる。

４は、高温剛性部材に係るステンレス製も翼板変形防止
治具で、翼板変形防止治具４は、前記多数の翼板１の変
形を防止する間隙を保つための円周段付部４ａを設けた
。多数の半割れドーナツ状の部材を積層するものである
。

これによって、翼板変形防止治具４の高温剛性部材の主
要部に、ぞれぞれの翼板と翼板の間に挿入された状態に
組立てられる。

この翼板変形防止治具４の方法は、次の考え方で設計さ
れている。

まず、Ｔｉ合全余部材同士拡散接合において良好な接合
性をあげるには、接合面同士の密着が必要であり、通常
、接合面の機械加工仕上げ面粗さ以上の変形を与える必
要がある６ たとえば、面粗さが３〜５μｍで仕上っている場合には
両方の面の凹凸の最大が１０μｍとなるから、これ以上
の変形防止を与えることにより接合面同士の密着が図ら
れる。

したがって、これ以上の変形量で、かつターボ分子ポン
プロータとして許容できる範囲の変形量を任意に設定す
る。

次に、治具の高さ設定について述べる。ターボ分子ポン
プロータに用いているＴｉ合金と翼板変形防止治具４の
ステンレス鋼とでは、熱膨張係数が異なるため、接合温
度における熱膨張量の差を考慮しなければならない。す
なわち、Ｔｉ合金よりもステンレス鋼の方が熱膨張量が
大きいのでその分を常温時の高さで調整しておく。さら
に、前述した接合時のＴｉ合金の変形量も考慮して翼板
変形防止治具４の高さを決定する。

その結果、第１図（ａ）に示すように、ターボ分子ポン
プロータのロータリング２、翼板１を順次積み重ねてゆ
く寸法Ｈ１ないしＨ８に対して、翼板変形防止治具４の
各部材を順次積み重ねる治具高さＨ１′ないしＨ６′が
決定される。

第１図のように組立てたターボ分子ポンプロータの各部
材と翼板変形防止治具４とを図示しない真空チャンバー
内に設置し、チャンバー内が１０−’ｔｏｒｒ台の真空
度まで排気したのち、９５０℃まで加熱する。この高真
空度および高温を保持した状態で、上下方向（軸方向）
から第２図に示す加圧ロッド５により０　、２　ｋｆｇ
／　ｍｍ２　の圧力を加え、所定時間（１２０ｍ１ｎ）
　　等温・加圧保持して各翼板１と各ロータリング２同
士を一体に拡散接合する。

この拡散接合において、微細結晶構造を呈している各翼
板１は、加圧力により徐々にクリープ変形を起こし、接
合面の密着割合を増加させるとともに二面間の原子の粒
界への移動を活発にし拡散を促進させている。

したがって、ロータリングにも微細結晶Ｔｉ合金を用い
るとその効果は大きなものとなる。

さらに変形が進行し、所定の変形量に達したとき、ター
ボ分子ポンプロータ高さと翼板変形防止治具高さが同一
になる。このとき、接合面の密着り 割合は完全に全面となり原子の拡散がより進行し接合面
が完全に一体となる。

したがって、これ以上の変形は無意味となるので、ここ
で変形を止めなければならない。そこで、ターボ分子ポ
ンプロータの高さと翼形変形防止治具４の高さとが同一
になったとき、加圧力を受ける面積が非常に大きくなる
ようにする。すなわち、第２図に示すように、上下の加
圧ロッド５からの圧力をターボ分子ポンプロータの接合
面積と翼板変形防止治具４の面積とで受けるようにする
と、翼板変形防止治具４の面積を大きくとることにより
初期の加圧力を十分に小さくすることができる。

また、この翼板変形防止治具４は、高温剛性を有してい
るので、加圧力全部を受は支えることができるので、タ
ーボ分子ポンプロータ全体には圧力がかからなくなり、
これ以上の変形は起こらない。

本実施例によれば、、Ｔｉ合金同士の拡散接合が容易に
行えるため、従来のＡＱ合金インサートを用いたＴｉ合
金製ロータよりも接合強さが２〜４倍も向上するので高
周速化によるターボ分子ポンプの性能向上が可能になる
。

また、Ｔｉ合金は応力負荷での熱安定性に優れ、４００
℃程度でも強度劣化しないので、ベーキング温度を従来
に比べ２倍以上に上げることができ、排気作業の能率向
上が可能である。

さらに、Ｔｉ合金は他の金属に比べ耐食性に優れている
ので、腐食性ガス環境下でも運転可能なターボ分子ポン
プを作ることができる。

拡散接合においては、翼板変形防止治具４を用いること
により１寸法精度の高いロータの製作が可能となるばか
りではなく、接合温度雰囲気を均一にする役目もするの
で、安定した拡散接合が行える効果がある。

また、ターボ分子ポンプロータの成形において。

インサート材を用いず、各翼板１および各ロータリング
２のみを接合して製作するので部品点数を最小限にする
ことができる。

なお、前述の実施例では、翼板１は微細結晶構造を呈し
ているＴｉ合金製とし、ロータリング２はＴｉ合金製の
ものとしたが１本発明はこれに限るものではなく、翼板
１およびロータリング２の材質がＴｉまたはＴｉ合金で
あり、少なくとも翼板が微細結晶構造を呈しているＴｉ
またはＴｉ合金であればよい。翼板１とロータリング２
の両者とも微細結晶構造を呈しているＴｉ合金を用いる
とその効果はより大きい。

また、高温剛性部材の翼板変形防止治具４の材質として
は、ステンレス鋼に限らず、セラミックス、タングステ
ンおよびモリブデンなどの高温剛性部材を用いてもよい
９ 〔発明の効果〕 以上述べたように、本発明によれば、５′＆板およびロ
ータリングの両者または少なくとも翼板を微細結晶ｔ＋
Ｗ造゛を呈しているＴｉまたはＴｉ合金に選定して高い
寸法精度と接合の信頼性を高め、高温強度部材を翼板変
形防止治具に用い翼板の高温クリープ変形を抑制するよ
うにして拡Ｍｍ合を行い、ターボ分子ポンプの高性能化
、高効率化および耐食性の向上を図ることの可能なター
ボ分子ポンプのロータの製作方法を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例に係るターボ分子ポンプの
ロータの製作方法を示すもので、（ａ）は、ターボ分子
ポンプロータの各部材と治具とを組立てた縦断面図、（
ｂ）はその平面図、第２図は、接合中のターボ分子ポン
プロータの各部材と治具との状態を示す縦断面図である
。 １・・・翼板、２・・・ロータリング、４・・・翼板変
形防止治具。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．あらかじめ分割加工した多数の翼板と多数のロータ
   リングとを重積して拡散接合により一体化するターボ分
   子ポンプのロータ製作方法において、前記翼板およびロ
   ータリングの両者または少なくとも翼板を微細結晶構造
   を呈している材質のものとし、これら多数の翼板とロー
   タリングとを交互に積み重ねるとともに、それぞれの翼
   板と翼板との間に複数の高温剛性部材を翼板変形防止治
   具とした挿入した状態で拡散接合を行うようにしたこと
   を特徴とするターボ分子ポンプのロータの製作方法。
2. ２．特許請求の範囲第１項記載の方法において、翼板お
   よびロータリングの材質がＴｉまたはＴｉ合金であり、
   少なくとも翼板が微細結晶構造を呈しているＴｉまたは
   Ｔｉ合金であるターボ分子ポンプのロータの製作方法。