(57)【要約】  本発明は、スチール製シャフト（１４）と、シャフト（１４）によって保持された、シャフトのスチールとは異なる材料から成る一体構造のロータ（１２）とを有する真空ポンプインペラに関する。シャフト（１４）は軸方向中空室（２２）を有しており、ロータ（１２）は軸方向連結部（１６）を有しており、該軸方向連結部（１６）は形状結合及び／又は摩擦結合によってシャフトの中空室（２２）に着座している。
2008519191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ポンプインペラ（１０）であって、
スチール製のシャフト（１４）と、該シャフト（１４）によって保持された、シャフトのスチールとは異なる材料から成る一体構造のロータ（１２）とを有する形式のものにおいて、
シャフト（１４）は軸方向中空室（２２）を有しており、ロータ（１２）は軸方向連結部（１６）を有しており、該軸方向連結部（１６）は、形状結合及び／又は摩擦結合によって軸方向中空室（２２）に着座していることを特徴とする、真空ポンプインペラ（１０）。
【請求項２】
ロータ連結部（１６）及びシャフト（１４）は中空室（２２）において夫々成形部（２４，２６，２８，３０）を有しており、該成形部（２４，２６，２８，３０）は互いに軸方向及び周方向の形状結合を形成する、請求項１記載の真空ポンプインペラ（１０）。
【請求項３】
ロータ（１２）は鋳造体であり、該ロータ（１２）の連結部（１６）はシャフト中空室（２２）内に鋳込まれている、請求項１又は２記載の真空ポンプインペラ（１０）。
【請求項４】
成形部（２４，２６，２８，３０）は溝及びウエブとして形成されている、請求項２又は３記載の真空ポンプインペラ（１０）。
【請求項５】
ロータ側端部（３２）において、シャフト（１４）の壁厚さが中空室開口（３４）に向かって減少している、請求項１から４までのいずれか１項記載の真空ポンプインペラ（１０）。
【請求項６】
ロータ（１２）は１つのシャフト（１４）によって保持されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の真空ポンプインペラ（１０）。
【請求項７】
ロータ材料は軽金属又はプラスチックである、請求項１から６までのいずれか１項記載の真空ポンプインペラ（１０）。
【請求項８】
ロータ材料はアルミニウムである、請求項７記載の真空ポンプインペラ（１０）。
【請求項９】
軸方向中空室（２２）を有するシャフト（１４）をロータ用鋳型に挿入する処理工程と、
液状のロータ用鋳物材料を、前記ロータ用鋳型及び前記シャフト中空室（２２）内に注入する処理工程と、
ロータ（１２）の冷却後に、真空ポンプインペラ（１０）を前記ロータ用鋳型から取り出す処理工程とを有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の真空ポンプインペラ（１０）の鋳造による製造方法。
【請求項１０】
軸方向中空室（８６）を有するシャフト（８４）をロータ用鍛造型に挿入する処理工程と、
加熱されたロータ用鍛造材料を、前記ロータ用鍛造型及び前記シャフト中空室（８６）内で鍛造する処理工程と、
真空ポンプインペラ（８０）を前記ロータ用鍛造型から取り出す処理工程とを有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の真空ポンプインペラ（８０）の鍛造による製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スチールシャフトと、該シャフトに保持された、シャフトのスチールとは異なる材料から成る一体構造のロータとを有する真空ポンプインペラ、及び真空ポンプインペラの製造方法に関する。
【０００２】
真空ポンプインペラは、種々の構成が知られており、例えば、螺旋状インペラ、ターボインペラ、回転プランジャインペラ、流路インペラがあり、特に真空ポンプインペラは、オーバーハングするように構成可能である。即ち、このインペラは、軸方向の一端においてのみ支承されていて、ロータが片持ち式に配置されている。インペラは、部分的に、高い回転数で駆動されるので、大きな半径方向の力が生じる場合がある。このようなインペラの構成に対して、予め、特にロータの重量を可能な限り少なくすることが、シャフトの強度及び硬度を可能な限り大きくすることによって試みられている。このことは、実際に、スチール製シャフトの外側に、可能な限り軽い金属、例えばアルミニウムから成るロータが固定されることによって実現されている。ロータは運転中に、高温度及び遠心力によってシャフトよりも大きく延びるので、耐久性があり且つ遊びの無いロータのシャフトへの結合は、手間及び費用のかかる、例えば、溶接、はんだ付け、貼着、軸方向の付勢による正面噛み合い、及びタイロッド等によって成される必要がある。
【０００３】
これに対して、本発明の課題は、簡単で耐久性のある、ロータのシャフトへの結合を可能にする真空ポンプインペラ及びその製造方法を提供することにある。
【０００４】
上記課題は、本発明に従って、請求項１〜９の特徴部によって解決される。
【０００５】
本発明に係る真空ポンプインペラにおいては、シャフトが軸方向端部に軸方向中空室を有しており、また、ロータが相応する軸方向連結部を有しており、この連結部は形状結合及び／又は摩擦結合によって上記シャフトの軸方向中空室に着座している。ロータは、従って、もはやシャフトの外側に固定されるのではなく、主に中空のスチール製シャフトのさや状部分の内側に固定されている。運転時に発生する遠心力及び加熱により、ロータにおいて、シャフト内に着座するロータ連結部が中空シャフトより大きく膨張することができる。これにより、運転時において、特に高回転時において、ロータとシャフトとの間の結合が強固になる。この構成は、引っ張り留め金具等による費用のかかる結合配置を不要にすることを可能にし、シャフト及びロータにおける穴を避けるものであるので、均一な摩擦結合によりシャフト又はロータの破損が防止される。加えて、費用のかかる固定配置を不要にすることにより、インペラの重量も低く保たれて、特に高回転時に例えばターボインペラによって駆動される場合は、軸受け構造を簡素化する。このため、本発明に係る真空ポンプインペラによれば、高回転及び／又はインペラの重量若しくは構造容積の低減が実現可能になる。
【０００６】
好ましくは、ロータ連結部及びシャフトは中空室において各々、互いに形状結合を軸方向及び／又は周方向において形成する成形部を有する。この形状結合の形成により、確実且つ簡単に形成可能な、ロータとシャフトとの間の結合が形成される。
【０００７】
より好ましい形態によれば、ロータは鋳造体であり、ロータの連結部は、シャフト中空室内に鋳込まれる。ロータの鋳造の前に、シャフトが、中空室を有する部分において、枠鋳型内に挿入され、次いで、液状のロータ用材料がロータ用枠鋳型内に注入される。このとき、液状のロータ用材料がシャフト中空室内に流れ込む。この方法により、すでにロータ鋳造において、シャフトの中空室内の形状に倣って、ロータ連結部が成形される。更なるロータをシャフトに固定するための作業工程は不用になる。これにより、同様に、重量が低減され、アンバランスの原因が取り除かれる。
【０００８】
好ましくは、溝及びウエブとしての成形部が形成されている。これらの溝及びウエブは、軸方向及び周方向に配置可能である。ウエブ及び溝の詳細な形状及び向きは、特に、使用されるロータ材料及びシャフト材料の熱膨張特性、運転時の回転数若しくは遠心力、及びその他の周囲条件に依存している。
【０００９】
より好ましい形態によれば、シャフトのロータ側端部において、シャフトの壁厚さが中空室開口に向かって減少しているので、即ち、シャフトケースの壁厚さが開口に向かって連続的に減少しているので、シャフト端部の剛性が中空室開口に向かって減少しており、また、軸方向に向かう中空室の開口部は半径方向に比較的に弾性的になっている。これにより、大きな曲げ荷重及びねじり荷重をもたらし、従って特に大きな交番荷重の際に、早期の、割れをもたらす材料疲労を惹き起こし得る、シャフトの慣性モーメントの大きな及び／又は即座の変動が防止される。ロータ連結部が上述のように壊れる危険は著しく減り、相応するサイズの縮小及びこれによるロータ連結部の重量削減が実現可能になる。このような危険を低減する壁厚さは、シャフトの全長に対して１／１０未満となっており、しかしながら、少なくとも３ｍｍとされる。
【００１０】
基本的に、真空ポンプインペラは、２つのシャフトを有することが可能であり、これら２つのシャフトは各々、ロータの軸方向端部に配置されている。しかしながら、好ましくは、ロータの軸方向端部を保持するただ１つのシャフトが設けられている。この構成により、片持ち支承式の真空ポンプインペラが任意に使用され、これは、本発明に係る構成によって実現可能な重量削減に対して特に有利である。
【００１１】
好ましくは、ロータ用材料は、軽金属又はプラスチックである。ロータを鋳造体として形成する場合、ロータ用材料は、スチール製シャフトが破損することなくロータ用材料のシャフト中空室内への鋳込みが可能となる融解温度を有する必要がある。軽金属、特にアルミニウムではなく、ロータはまた、プラスチック、若しくは繊維強化プラスチックから成っていてもよい。
【００１２】
軸方向連結部を有するロータと、対応する中空室を有するスチール製シャフトとを備える真空ポンプインペラの製造方法によれば、軸方向中空室を有するシャフトをロータ用鋳型に挿入する処理工程と、液状のロータ用鋳物材料をロータ用鋳型及びシャフト中空室内に注入する処理工程と、冷却後に鋳型から真空ポンプインペラを取り出す処理工程とが設けられている。
【００１３】
上記製造方法を用いて、シャフト中空室に相応する成形部を設けることにより、シャフトとロータとの間の形状結合を形成することができる。これにより、ロータとシャフトとの間の形状結合を形成するための更なる構成要素を不要にすることができる。この製造方法は、比較的簡単であり、それ故に低コストである。
【００１４】
真空ポンプインペラの他の製造方法によれば、軸方向中空室を有するシャフトがロータ用鍛造型に挿入され、加熱されたロータ用鍛造材料がロータ用鍛造型及びシャフト中空室内で鍛造され、そして、真空ポンプインペラが鍛造型から取り出される。
【００１５】
この製造方法によれば、鋳造方法の場合と同様の効果が生ずる。
【００１６】
以下に、図面に基づいて、本発明の複数の実施例を詳細に説明する。
【００１７】
図１には、シャフト内に鋳造されて、次いで切削加工されたロータを有する第１の実施の形態に係る真空ポンプインペラの縦断面が図示されており、
図２には、図１の真空ポンプインペラにおけるシャフトの縦断面が図示されており、
図３には、第２の実施の形態に係る真空ポンプインペラの縦断面が図示されており、
図４には、第３の実施の形態に係る真空ポンプインペラの縦断面が図示されており、
図５には、第４の実施の形態に係る真空ポンプインペラの縦断面が図示されている。
【００１８】
図１には、螺旋状真空ポンプの２つのインペラの１つを成す真空ポンプインペラ１０が図示されている。このインペラ１０は、主として、２つの部分、つまり一体構造のアルミニウム製ロータ１２と一体構造のスチール製シャフト１４とから成る。シャフト１４は、その全長手方向長さに渡って中空シャフトとして形成されている。図１には、ロータの鋳造直後であって、切削加工の前のロータ１２及びシャフト１４を示すシャフト１４´及びロータ１２´の輪郭が破線によって図示されている。
【００１９】
ロータ１２は、長手方向に向かう２つの部分、つまり連結部１６及び作動部１８を備えている。作動部１８は半径方向外側に螺旋状構造部２０を有している。
【００２０】
シャフト１４は、長手方向全体に亘って、軽くテーパーしている形状の及び又は円筒形の中空室２２を有しており、この中空室２２内には、ロータ１２の連結部（連結管）１６が密に鋳込まれて形状結合されている。シャフト中空室２２内には、凹部長手方向ウエブ２４及び横方向ウエブ２６が配置されており、これらウエブ２４及びウエブ２６は、連結部１６の対応する長手方向溝２８及び横方向溝３０内にはまり込んでいる。
【００２１】
シャフト１４のロータ側端部３２において、中空シャフトの壁厚さは、中空室開口３４に向かって連続的に減少しており、シャフト１４の剛性が、この領域において、ロータ側端部３２に向かって減少するようになっている。大きなねじりモーメントをシャフト１４からロータ１２に伝達可能にするために、横方向ウエブ及び横方向溝２４，２６，２８，３０を介した形状結合が十分でない場合は、大きなねじりモーメントがシャフト１４からロータ１２に伝達可能となるように、シャフト端部３２は、図示のように、軸方向に歯を付けて形成されても良い。シャフト端部３２は、外側にも内側にも、軸方向に向かって約５°の角度で傾斜されている。横断面において傾斜した側面を有する、シャフト１４及びロータ１２の横方向ウエブ及び横方向溝２４，２６，２８，３０に関連して、ロータ１２及びシャフト１４が構成される２つの異なる材料の異なる熱膨張係数に基づく熱膨張効果作用も補償される。このようにして常に遊びの無い結合が保証されている。
【００２２】
真空ポンプインペラ１０の製造においては、先ず、図２に図示されているシャフト１４´の未加工の鋳造品が、型枠内にはめ込まれ、型枠が閉鎖されて、ロータ材料アルミニウムが溶融状態でこの型枠内に満たされる。このとき、溶融アルミニウムはシャフト中空室２２内にも流入して、シャフト側のウエブ２４，２６と相補する外形を形成する。次いで、冷却後、ロータ１２´及びシャフト１４´が型枠から取り出されて、切削加工されて、これにより、これらロータ及びシャフトが、図１に図示するような最終形状となる。
【００２３】
上述の製造方法によって、力及びねじりモーメントを受ける全ての成形要素が、鋳造技術によって製造可能になる。鋳造されたシャフトを使用することによって、更なる加工がもはや必要ではなくなるという利点が得られる。さらに、上述の鋳造方法によって、ほぼ全ての構成要素が鋳造半径を有して形成され、鋳造半径（丸み）は、特に応力集中の低減故に、アルミニウム製ロータ１２とスチール製シャフト１４との間の良好な結合につながるものである。中空シャフト１４はロータ１２の鋳造の際に冷却鉄材として作用でき、これによってロータの適切な冷却過程、これによる巣の除去及びロータ材料のより良い組織が実現可能となる。
【００２４】
上述の鋳造方法に代えて、本インペラは、類似の方法において実行される鍛造方法によっても製造可能である。
【００２５】
図３には、第２の実施の形態に係る、破線によって図示された遠心圧縮機ロータ５２及び中空シャフト５４から形成される真空ポンプインペラ５０が図示されている。円錐形ロータ連結部５６は、円錐形シャフト中空部５８内に鋳込まれる。ロータ５２とシャフト５４との間の形状結合は、長手方向及び周方向のウエブ及び溝によって生ずる。ロータ５２に加工されるロータ鋳造体５２´は実線によって図示されている。
【００２６】
図４には、同様に、遠心圧縮機ロータ６０が図示されている。この遠心圧縮機ロータ６０のロータ６２は、精密鋳造によって、特にロストワックス精密鋳造によって生成される羽根６６を有しており、この羽根６６には、単に、更に、外側の輪郭が切削加工によって製造されなければならない。シャフト６４は、全軸方向長さに亘って延びているのではなく、軸方向長さの約３分の１に亘って延びている中空部分６７を有している。中空部分６７の範囲において、円錐形の又は円筒形の軸方向中空室６５が設けられており、この中空室６５内に、ロータ６２の円錐形若しくは円筒形の軸方向連結部６３が着座している。ロータ６２とシャフト６４との間の形状結合は、少なくとも１つの偏心ロータプラグ６８によって形成されており、１つ又は複数の、所望の数の偏心ロータプラグ６８は、シャフト６４の偏心凹部６９に着座している。ロータ材料とシャフト材料との違いによるアンバランスを回避するために、プラグ６８は、例えば１８０°間隔で２つのプラグを、又は１２０°間隔で３つのプラグを配置することによって、可能な限りの重量バランスが生じるように、配置される必要がある。図４には、全体を理解するために、１つのプラグのみが図示されている。シャフト鋳造体６４´及びロータ鋳造体は、実線を用いて、切削仕上げされたロータ６２、若しくは切削加工されたシャフト６４は破線を用いて図示されている。
【００２７】
図５には、斜流圧縮機ロータ８２とシャフト８４とを有する真空ポンプインペラ８０が図示されている。シャフト８４は軸方向中空室８６を有しており、軸方向中空室８６は、シャフト８４の軸方向長さの約３分の１のみに亘って延びている。シャフト中空室８６内には、ロータ８２の相応する連結部８８が着座している。未加工ロータ８２´及び未加工シャフト８４´は実線を用いて、切削加工されたロータ８２及び切削加工されたシャフト８４は破線を用いて図示されている。
【００２８】
機械的な及び／又は熱的な負荷が高い場合、鋳造ロータは強度限界に達するときがあるため、他の製造方法や材料が必要とされている。図５に示すインペラ８０のロータ８２は、鍛造部品であり、例えばアルミニウムから成り、鍛造型において熱間鍛造され、この鍛造型内に、シャフト８４がその中空室８６でもって押し込まれる。ロータの強度は、鍛造法のみではなく、半径方向歯付きフランジ９０によっても改善される。このフランジ９０は、遠心力による応力を低減し、材料切り取り及び／又は、例えば重量ネジのような調整重量の嵌め込みによる重量バランスに利用可能である。摩擦結合の補助のために、更にフランジ９２が形成されてもよく、このフランジ９２はシャフトの相応する対向溝９４と共に、軸方向の固定を行う。
【００２９】
アルミニウム鋳造体の耐食性は、根本的に、陽極酸化又は硬質陽極酸化処理によって改善可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】シャフト内に鋳造されて、次いで切削加工されたロータを有する第１の実施の形態に係る真空ポンプインペラの縦断面図である。
【図２】図１の真空ポンプインペラにおけるシャフトの縦断面図である。
【図３】第２の実施の形態に係る真空ポンプインペラの縦断面図である。
【図４】第３の実施の形態に係る真空ポンプインペラの縦断面図である。
【図５】第４の実施の形態に係る真空ポンプインペラの縦断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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