JP6111746B2

JP6111746B2 - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP6111746B2
Application number: JP2013045485A
Authority: JP
Inventors: 耕平大上; 俊哉藤家
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP2014173467A

Description

本発明は、磁気軸受を備える真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは、ハウジング内に収容され高速に回転するロータおよびロータを固定するシャフトを備えている。ロータとシャフトとは、アルミニウム合金あるいはＳＵＳや鋼材等により形成され、ボルト締結または焼嵌め等により固定されている。

シャフト支持用軸受に予圧を与える構造を簡素にし、ハウジングの小型化を図るため、ロータの上端側とハウジングとに永久磁石を取り付けて磁気軸受を構成し、シャフトの下端側にラジアルまたはアキシャル軸受を設けたターボ分子ポンプが知られている。

上記構造のターボ分子ポンプでは、ロータ側永久磁石とハウジング側永久磁石とをアキシャル方向に僅かにずらして配置し、永久磁石の反発力によりシャフトの下端側の軸受に予圧を与えるようにしている（特許文献１参照）。

特開２０００−２７４３９２号公報

上記特許文献１には、ロータおよびシャフトの材質および接続部の構造は記載されていないが、一般的には、ロータとシャフトとの接続部の緩み、ずれを防止するために、ボルト締結よりも焼嵌め等による接続の方が好ましい。焼嵌めによる場合、ロータとシャフトとが熱膨張係数が異なる金属により形成されていると、ロータの温度上昇により接続が緩んでしまう。これに対しては、ロータとシャフトとをアルミニウム合金のような同種金属で形成することにより対応することができる。しかし、アルミニウム合金は熱膨張係数が大きいため、温度上昇に伴う接続部の緩みは抑制できるが、固定側永久磁石に対するロータ側永久磁石の位置がずれ、シャフト支持用軸受にかかる予圧が変化してしまう。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータおよびシャフトが一体に形成され、ハウジング内に収容されるロータユニットを備え、前記ロータは、軸部と、前記軸部の周囲に形成された排気部とを有し、前記シャフトは、前記ロータとは熱膨張係数が異なる金属により形成され、前記ロータの軸部の、スラスト方向における端面に接合により固定され、前記ロータユニットの一端側に設けられ、前記ロータユニットをスラスト方向に付勢する磁気軸受をさらに備え、前記磁気軸受は、前記ロータの前記一端側に設けられた永久磁石と、前記ハウジングに固定された永久磁石とにより構成された永久磁石式磁気軸受であり、前記ロータはアルミニウム合金により形成され、前記シャフトはＳＵＳ、クロムモリブデン鋼、炭素鋼のいずれかにより形成され、前記ロータと前記シャフトとの間に、純アルミニウムにより形成され、前記ロータおよび前記シャフトに接合された接合層を有する。

本発明によれば、シャフトとロータとはスラスト方向における端面において接合により一体化されており、接合力は熱膨張係数の差の影響を受けることが無い。このため、シャフトとロータとが熱膨張係数が異なる金属で形成されていても温度上昇に伴う接合部の緩みは生じない。また、シャフトとロータとは熱膨張係数が異なる金属により形成されているので、ロータ全体が、熱膨張係数が大きい金属により形成されている構造に対し、温度上昇によるスラスト方向の長さの変化を小さくすることができ、予圧の変化を抑制することができる。

本発明の真空ポンプとしてのターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。図１におけるロータユニットの拡大図。（ａ）〜（ｄ）は、ロータユニットの製造方法を説明するための図。本発明のロータユニットの実施形態２を示す断面図。

--実施形態１--
以下、図を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１は本発明に係る真空ポンプの一実施形態としてのターボ分子ポンプの断面図である。
ターボ分子ポンプは、ケーシング３とベース２とにより構成されるハウジング１の内部に収容されたロータユニット１０を備えている。ケーシング３とベース２とは、両部材間にシール部材８１を介して不図示の締結部材により締結され、外部から密封されている。
ロータユニット１０は、ロータ２０とシャフト３０とを備えている。詳細は後述するが、ロータ２０とシャフト３０とは、接合部材（接合層）６１により接合されている。

ロータ２０は、翼排気機能部としてのロータ翼部２１と、ねじ溝排気機能部としての円筒部２５とを備えている。ロータ翼部２１は、軸部２２と、軸部２２の周囲に多段に配列されたロータ翼２３とを備えている。
円筒部２５は、内周円筒部２６および外周円筒部２７の二重円筒構造を有している。
ロータ翼２３に対応して、ケーシング３の内側に固定翼４１がスペーサリング４２で位置合せされて設けられており、ロータ翼２３と固定翼４１とにより高真空側排気機能部を構成している。外周円筒部２７の外周には、外周ステータ４４がハウジング１に取り付けられている。

外周ステータ４４と外周円筒部２７のいずれか一方には、両部材が対向する面に螺旋状の溝が形成されている。内周円筒部２６と外周円筒部２７との間には、内周ステータ４５が配置されている。内周ステータ４５はベース２に取り付けられている。内周ステータ４５と外周円筒部２７のいずれか一方には、両部材が対向する面に螺旋状の溝が形成されている。内周ステータ４５と内周円筒部２６とのいずれか一方には、両部材が対面する側の面に螺旋状の溝が形成されている。内周円筒部２６、外周円筒部２７、内周ステータ４５、外周ステータ４４は、低真空側排気機能部を構成している。

シャフト３０は、ロータ翼部２１の軸部２２と同芯に配置されている。シャフト３０はモータ部７０により回転駆動される。モータ部７０は、ＤＣブラシレスモータを構成するものであり、シャフト３０に形成されたロータモータ部７１と、ロータモータ部７１の周囲に配置されたステータモータ部７２とを備えている。

ケーシング３のフランジ部分には、磁石ホルダ１１が取り付けられており、磁石ホルダ１１には、ロータユニット１０と同芯の磁石保持軸１１ａが設けられている。磁石保持軸１１ａの軸回りには、複数の永久磁石１２が固定されている。また、ロータ２０には、上部に、磁石保持軸１１ａを収容する凹部２０ａが形成されており、この凹部２０ａの側壁には、各永久磁石１２に対向して、各永久磁石１２から、ラジアル方向において所定の間隔で離間する複数の永久磁石１３が固定されている。永久磁石１２と永久磁石１３とにより永久磁石式磁気軸受１４が構成されている。

永久磁石式磁気軸受１４を構成する各永久磁石１２、１３は、それぞれ、軸方向（スラスト方向）の上下に配置された一対のＮ極とＳ極とから構成されている。一対のＮ極およびＳ極を有する各永久磁石１２、１３は、互いに所定の間隔で離間して配設されている。磁石保持軸１１ａに固定された固定側の各永久磁石１２は、ロータ２０側に固定された各永久磁石１３に対し、ずれ量（ΔＺ)だけ軸方向の上方に位置している。従って、ロータ２０は、複数の永久磁石１２、１３間に作用する反発力により、常時、軸方向の下方側に向けて付勢されている。なお、本明細書においては、永久磁石式磁気軸受１４が配置された側を上方（上部）側とし、その反対側、すなわち、ベース２の底面側を下方（下部）側とする。

磁石保持軸１１ａの中央部には、ロータ２０の軸部２０ｂが収容される中空部１１ｂが設けられており、磁石保持軸１１ａの内側と軸部２０ｂとの間には、ロータ２０を回転可能に支持する保護用のボールベアリング８２が介装されている。

ボールベアリング８２はシャフト３０上部のラジアル方向の振れを制限するために設けられているものであり、ボールベアリング８２の内輪と軸部２０ｂの上部側に設けられた径小な軸との間には隙間が形成されている。この隙間の寸法は、永久磁石１２、１３間の隙間寸法より小さく設定されている。これにより、危険速度通過時にロータ２０が振れ回った際に、永久磁石１２、１３同士が接触するのを防止している。

シャフト３０の下端側には、段部３１ａを有する径小の下部軸部３１が形成されている。ベース２には、下部軸部３１が貫通される、下部軸部３１よりも径大の貫通孔２ａが形成されている。貫通孔２ａ内には、下部軸部３１を回転可能に支持する玉軸受等のボールベアリング（支持用軸受）８３が収容されている。ボールベアリング８３は、グリース潤滑式の軸受である。図示はしないが、ボールベアリング８３とベース２との間には、制振機構が介装されている。

ボールベアリング８３は、スラストナット８５により、下部軸部３１の段部３１ａに押し付けられてシャフト３０に取り付けられている。スラストナット８５の外周には雄ねじ部が設けられており、この雄ねじ部をベース２の凹部２ｂに形成された雌ねじ部に螺合することにより、スラストナット８５がベース２に締結されている。
これにより、ロータユニット１０は、軸芯上に配置された上下一対のボールベアリング８２、８３により回転可能に保持される。

上述した如く、ロータユニット１０の上部側には永久磁石式磁気軸受１４が設けられており、固定側およびロータ２０側に取り付けられた永久磁石１２、１３の反発力により、ロータユニット１０は下方側に付勢されている。このため、ボールベアリング８３には、永久磁石式磁気軸受１４による予圧が与えられている。予圧の大きさは、永久磁石式磁気軸受１４を構成する永久磁石１２と永久磁石１３との軸方向のずれ量（ΔＺ）を調整することにより適切な値に設定される。
次に、ロータユニット１０について、さらに、説明する。

図２は、図１におけるロータユニット１０の拡大図である。
上述した如く、ロータユニット１０は、ロータ２０とシャフト３０とが、接合部材（接合層）６１により接合されて構成されている。
ロータ２０は、例えば、アルミニウム合金により形成されている。アルミニウム合金であれば、特に制限はないが、中でも、引張り強さおよび耐力の点でＡ２６１８が、また、疲れ強さの点でＡ２０１４が好ましい。シャフト３０は、例えば、ＳＵＳ（ステンレス）や鋼材により形成されている。鋼材であれば制限はないが、一例として、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５等）や、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ等）を挙げることができる。

ロータ２０としてアルミニウム合金を用い、シャフト３０としてＳＵＳや鋼材を用いた場合、摩擦攪拌接合（摩擦圧接接合）により接合することができる。摩擦攪拌接合の場合、アルミニウム合金と純アルミニウム、およびＳＵＳや鋼材と純アルミニウムとの接合は、アルミニウム合金とＳＵＳまたは鋼材とを、直接、接合するよりも大きい接合力を得ることができる。
ロータ２０とシャフト３０との間に、接合部材（接合層）６１が介在されているのはこのような理由である。
以下、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して、ロータ２０とシャフト３０とを摩擦攪拌接合により接合してロータユニット１０を作製する方法を説明する。

図３（ａ）に図示されるように、アルミニウム合金で形成されたロータ２０の軸部２２の、スラスト方向における下端面２２ａに、純アルミニウムにより形成された円柱状の接合部材６１を摩擦攪拌接合により接合する。
摩擦攪拌接合は、ロータ２０を固定した状態で、圧接用装置９１により、接合部材６１を軸部２２の下端面２２ａに圧接しながら高速に回転させて行う。これにより、軸部２２の下端面２２ａと接合部材６１との接触面に摩擦熱が発生し、熱により、軸部２２の下端面２２ａと接合部材６１とが軟化し、塑性流動化して接合される。塑性流動化により、接合部材６１の厚さは、接合前の厚さｔ₀（図示せず）よりも薄い厚さｔ₁になる。

図３（ｂ）に図示されるように、圧接用装置９１を取り外し、一面が軸部２２に接合された接合部材６１の他面６１ａを、旋盤などにより切削する。これにより、接合部材６１の厚さは、切削前の厚さｔ₁よりも薄い厚さｔ₂になる。図３（ａ）に図示する、ロータ２０の軸部２２の下端面２２ａに接合部材６１を摩擦攪拌接合により接合する際、ロータ２０の軸部２２および接合部材６１が塑性流動化し、接合部材６１の外周に流動する。図３（ｂ）における接合部材６１の切削工程では、接合部材６１の外周に流動した塑性流動部を除去することが好ましい。

図３（ｃ）に図示されるように、シャフト３０の、スラスト方向における上方側の端面を、接合部材６１の他面６１ａに摩擦攪拌接合により接合する。
摩擦攪拌接合は、接合部材６１が接合されたロータ２０を固定した状態で、回転装置を用いて、シャフト３０の、スラスト方向における上方側の端面を、接合部材６１の他面６１ａに圧接しながら高速に回転させて行う。これにより、接合部材６１とシャフト３０との接触面に摩擦熱が発生し、熱により、接合部材６１の他面６１ａとシャフト３０の接触面が軟化し、塑性流動化して接合される（図３（ｄ）参照）。塑性流動化により、接合部材６１の厚さは、接合前の厚さｔ₂よりも薄い厚さｔ₃になる。この場合にも、摩擦攪拌接合の際、シャフト３０と接合部材６１との外周に流動する塑性流動部を切削することが好ましい。

なお、接合部材６１は、上下両面において摩擦攪拌接合がなされるため、上下両面に塑性流動化した層がそれぞれ形成される。塑性流動化した上下両面の各層は互いに離間されることが好ましい。したがって、上下両面の塑性流動化した層が連続しない厚さとなるように図３（ｂ）における接合部材６１を切削することが好ましい。通常、塑性流動化する層の厚さは、１μｍ程度以下である。

アルミニウムは、熱膨張係数が２４×１０^-6／Ｋ程度である。一方、ＳＵＳや鋼材は、熱膨張係数が（１０〜１１）×１０^-6／Ｋ程度である。
ターボ分子ポンプを駆動してロータユニット１０の温度が上昇すると、永久磁石式磁気軸受１４のロータ２０に固定された永久磁石１３がスラスト方向の上方にずれ、固定側の永久磁石１２とのずれ量（ΔＺ）が小さくなる。このため、ボールベアリング８３の予圧が増大し、ボールベアリング８３が損傷したり、振動が増大したりする。

上記一実施の形態では、シャフト３０を、ＳＵＳや鋼などの熱膨張係数が小さい材料で形成したので、熱膨張係数が大きいアルミニウム合金で形成されたロータ２０のスラスト方向の長さを小さくすることができる。このため、ロータユニット１０の温度が上昇した場合でも、永久磁石式磁気軸受１４の固定側およびロータ２０側に取り付けられた永久磁石１２、１３のずれ量（ΔＺ）の変化量を低減することができる。

--実施形態２--
図４は、本発明におけるロータユニットの実施形態２を示す断面図である。
実施形態２は、実施形態１のロータ２０に対し、ロータ２０Ａのスラスト方向における長さを小さくした構造とした点に特徴を有する。
図４に図示されるように、ロータユニット１０Ａは、実施形態１と同様に、ロータ２０Ａとシャフト３０Ａとを、接合部材６１を介して、摩擦攪拌接合により接合されている。
ロータ２０Ａは、ロータ翼部２１Ａと円筒部２５とを備えている。ロータ翼部２１Ａは、軸部２２Ａと、軸部２２Ａの周囲に多段に配列されたロータ翼２３とを備えている。

軸部２２Ａのスラスト方向における長さは、ロータ翼部２１Ａのスラスト方向における長さより小さく、軸部２２Ａの下端面２２ａは、ロータ翼部２１Ａの下端面２１ａよりも、スラスト方向における上方に位置している。接合部材６１の上面は、軸部２２Ａの下端面２２ａでロータ２０Ａに接合されているので、シャフト３０Ａは、ロータ翼部２１Ａの下端面２１ａよりも、スラスト方向における上方に延出されており、この分、実施形態１におけるシャフト３０よりも長く形成されている。

シャフト３０Ａの外周とロータ翼部２１Ａの内周との間には空間Ｓが形成されている。接合部材６１とロータ翼部２１Ａの軸部２２Ａとを摩擦攪拌接合する際、塑性流動化して接合部材６１と軸部２２Ａとの外周に流動する塑性流動部を、空間Ｓにカッターを挿入して切削する。接合部材６とシャフト３０Ａとの摩擦攪拌接合の際、接合部材６１とシャフト３０Ａとの外周に流動する塑性流動部も、空間Ｓにカッターを挿入して切削することができる。

実施形態２の構造は、実施形態１に対し、熱膨張率が小さいシャフト３０Ａの長さが長く、熱膨張率が大きいロータ翼部２１Ａの長さが短い。従って、この分、実施形態１の場合よりも、さらに、ロータ２０に固定された永久磁石１３と固定側の永久磁石１２とのずれ量（ΔＺ）を小さくすることができる。
実施形態２において、上記以外は実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。

上記一実施の形態によれば下記の効果を奏する。
（１）シャフト３０、３０Ａは、ロータ２０、２０Ａの軸部のスラスト方向における端面に接合により一体化されており、焼嵌めによって接合する場合と異なり、接合力は熱膨張係数の差の影響を受けることが無い。このため、ロータ２０、２０Ａとシャフト３０、３０Ａとを熱膨張係数が異なる金属により形成しても、温度上昇に伴う接合部の緩みは生じない。

（２）シャフト３０、３０Ａとロータ２０、２０Ａとは熱膨張係数が異なる金属により形成されているので、ロータ全体が、アルミニウム等の熱膨張係数が大きい金属により形成されている構造に対し、温度上昇によるスラスト方向の長さの変化を小さくすることができ、予圧の変動を抑制することができる。これにより、ボールベアリング８３が損傷したり、振動が増大したりするのを抑制することができる。

なお、上記各実施形態において、シャフト３０、３０ＡをＳＵＳや鋼材により、ロータ２０、２０Ａをアルミニウム合金で形成した構造として例示した。しかし、シャフト３０、３０Ａをアルムニウム等の熱膨張係数が大きい金属、ロータ２０、２０ＡをＳＵＳや鋼材等の熱膨張係数が小さい金属により形成してもよい。

上記各実施形態では、シャフト３０、３０ＡをＳＵＳや鋼材とし、ロータ２０、２０Ａをアルミニウム合金とし、両部材間に純アルミニムからなる接合部材６１を介在して、摩擦攪拌接合により接合する方法として例示した。しかし、シャフト３０、３０Ａとロータ２０、２０Ａとの間に接合部材６１を介在せず、シャフト３０、３０Ａとロータ２０、２０Ａとを、直接、摩擦攪拌接合により接合するようにしてもよい。
また、シャフト３０、３０Ａとロータ２０、２０Ａとの接合を、摩擦攪拌接合によらず、レーザ溶接等、他の方法により行うようにしてもよい。

また、本発明は、ターボ分子ポンプに限らず、排気部としてロータ翼２３を備えず、軸部２２、２２Ａの外周にねじ溝部を備える真空ポンプにも適用することができる。
その他、本発明の趣旨の範囲内において、種々、変形することができるものであり、上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１ハウジング
１０ロータユニット
１１磁石ホルダ
１２、１３永久磁石
１４永久磁石式磁気軸受
２０、２０Ａロータ
２１、２１Ａロータ翼部
２２、２２Ａ軸部
２３ロータ翼（排気部）
２５円筒部
３０シャフト
６１接合部材（接合層）
７０モータ部
８３ボールベアリング（支持用軸受）

Claims

ロータおよびシャフトが一体に形成され、ハウジング内に収容されるロータユニットを備え、
前記ロータは、軸部と、前記軸部の周囲に形成された排気部とを有し、
前記シャフトは、前記ロータとは熱膨張係数が異なる金属により形成され、前記ロータの軸部の、スラスト方向における端面に接合により固定され、
前記ロータユニットの一端側に設けられ、前記ロータユニットをスラスト方向に付勢する磁気軸受をさらに備え、前記磁気軸受は、前記ロータの前記一端側に設けられた永久磁石と、前記ハウジングに固定された永久磁石とにより構成された永久磁石式磁気軸受であり、
前記ロータはアルミニウム合金により形成され、前記シャフトはＳＵＳ、クロムモリブデン鋼、炭素鋼のいずれかにより形成され、前記ロータと前記シャフトとの間に、純アルミニウムにより形成され、前記ロータおよび前記シャフトに接合された接合層を有する、真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記排気部は、前記軸部の周囲にロータ翼が多段に形成されたロータ翼部を有し、
前記ロータと前記シャフトとの接合部は、前記ロータ翼部のスラスト方向における中間位置に位置しており、前記接合部の外周に形成される塑性流動物が流動する空間が設けられている、真空ポンプ。