(57)【要約】  【課題】回転軸と該回転軸の軸方向に沿って一つまたは複数のロータとを備えた回転体に対し、強い軸強度と剛性および、高い加工精度を、高い生産性と安価な製造コストで確保すること。  【解決手段】軸方向に四つの１段目ロータ６，２段目ロータ７，３段目ロータ８，４段目ロータ９を備えたロータを担持した回転軸５ｃの軸材の一方の軸端に、モータ側回転軸５ａの軸材の軸端をまた、該ロータを担持した回転軸５ｃの軸材の他方の軸端に、ギア側回転軸５ｂの軸材の軸端を、それぞれ軸心を同一にして軸方向に、摩擦圧接による接合技術で一体化して、旋削または研削加工することにより、回転軸とロータを備えた回転体４を形成する。    【選択図】図３
2007092625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された一つまたは複数のロータとを担持した回転体において、該回転軸を形成する軸材と該ロータを備えた回転軸を形成する軸材とを軸方向に摩擦圧接することにより一体化した回転体用素材を形成し、該回転体用素材を旋削または研削加工により該回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された一個または複数のロータを形成したこと、を特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【請求項２】
請求項１において、前記回転軸を形成する軸材と前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材とを軸方向に摩擦圧接する方法は、連続駆動式摩擦圧接機（制動式またはブレーキ式）による圧接方法であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２において、前記回転軸を形成する軸材乃至前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、押し出し材または、引き抜き材であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項２において、前記回転軸を形成する軸材乃至前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、ロストワックスなどの精密鋳造材であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３において、前記回転軸を形成する軸材乃至前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【請求項６】
請求項１乃至請求項２において、前記回転軸を形成する軸材乃至前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、鉄または鉄基合金であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４において、前記回転軸を形成する軸材と前記ロータを備え
た回転軸を形成する軸材は、異種金属であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【請求項８】
請求項７において、前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金でありまた、前記回転軸を形成する軸材は鉄または鉄基合金であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８において、前記回転軸とロータを備えた前記回転体は、ドライ真空ポンプにおける回転軸とロータを備えた前記回転体であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された、一つまたは複数のロータを備えた回転体およびその製造方法に関する。
【０００２】
より詳しくは、回転軸を形成する軸材と前記ロータを備えた回転軸を形成する軸
材とを一体化した回転体用素材から、旋削や研削加工により、該回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された一個または複数のロータを、回転軸とロータとの堅固な係止強度と強い軸剛性を有して、高い加工精度で形成した回転軸とロータを備えた回転体およびその製造方法に関する
特に本発明の、回転軸とロータとの堅固な係止強度と強い軸剛性を有して、高い加工精度で形成した回転軸とロータを備えた回転体は、例えば、ドライ真空ポンプ用の回転体や、ルーツブロアー用の回転体など、微小隙間を介して高速で回転する、流体機械などの回転体に好適に用いることが出来る。
【背景技術】
【０００３】
回転軸と、該回転軸の軸方向に沿って配設されたロータとを備え、該ロータに対
する堅固な係止強度と強い軸剛性を有して、高い加工精度を要求される回転体で構
成された流体機械の一つに、ドライ真空ポンプが知られている。
【０００４】
ドライ真空ポンプは、よく知られるように、回転軸と回転軸の軸方向に沿って配
設された一つまたは複数段のロータを備えた一対の回転体を、ケーシング内に相隣接して嵌装し、相対向した該ロータが互いに逆方向へ回転して、気体の吸入、排気を行なうもので、該回転軸と該ロータを備えた回転体は、相対向するロータ同士および、該ロータとケーシング内壁との間に、わずかな隙間を保って接触することなく、高速に回転するようになっているため、該回転軸に対する該ロータの堅固な係止強度および強い軸剛性と、高い加工精度が必要とされる。
【０００５】
このドライ真空ポンプなどの流体機械に使用される、強い軸剛性と高い加工精度
を有する回転軸とロータを備えた回転体の製造法については、従来から、圧延材や鋳物材や鍛造材などで形成された一つの素材から直接、旋削加工や研削加工などによって仕上げ加工する製造法や、回転体を構成する回転軸部とロータ部とを、それぞれ別々に加工し、該回転軸部に対して該ロータ部を嵌合して、該回転軸に対して各該ロータ部をキーなどで係止するとともに、各該ロータ部間にはスリーブ及びシムを介挿することにより、各該ロータ部の該回転軸部に対する軸方向における位置調整を行なって一体化した、回転軸とロータを備えた回転体とする製造法が提案されている。
【０００６】
また、前記回転軸部を形成すべき軸材料を、前記ロータ部を形成する材料で直接
鋳ぐるむことにより、一体となった回転体用素材を形成して、この一体となった回転体用素材から、旋削や研削加工などによって、回転軸とロータを備えた回転体として仕上げ加工する製造法のものもある。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５-１８３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ドライ真空ポンプに使用される、強い軸強度および軸剛性と、高
い加工精度を有する回転軸とロータを備えた回転体の製造法において、圧延材や鋳物材や鍛造材などで形成された一つの素材から、旋削加工や研削加工などで、高い加工精度を有する回転体とロータを備えた回転体を、仕上げ加工する製造法では、一体の素材から加工するので、軸の強度や剛性を落とすことなく、振動の少ない高速回転に適した回転軸とロータを備えた回転体を形成することができるが、圧延材や鋳物材や鍛造材などの素材は、該素材の製造上の特性から素材の仕上がり形状や寸法精度面において限界があり、高い加工精度が要求される回転軸とロータを備えた回転体を製造するには、どうしても加工しろが大きくなるため粗加工に時間がかかり、製造コストおよび、生産性の点で問題があった。
【０００８】
また、前記回転軸部と、前記ロータ部とを別々に加工してから、該回転軸部に該ロータ部を嵌合しキー等で係止・一体化して、回転軸とロータを備えた回転体を製造法する方法では、該回転軸部と該ロータ部との嵌合部ならびにキー溝部の遊びや、各部品の加工部位が持つ寸法公差の累積などによって、該ロータ部の軸方向における端面が該回転軸部に対して傾斜したり、軸方向における該ロータ部の位置がずれたりするために、修正加工や再組み立てを必要としたりまた、対となって相対する該ロータ部相互および、該ロータ部と前記ケーシング内壁との隙間を大きくしたりして対応しているが、隙間が大きくなると気体の逆流量が多くなり、性能の低下をきたすという問題もあった。
【０００９】
さらに、該ロータ部を該回転軸に、キーなどで係止して一体化した、ロータを備えた回転体では、キー溝を含めて回転体を構成する回転軸の剛性が落ちるとともに、該ロータ部を備えた回転体自体にも、キー溝や嵌合隙間に伴うアンバランスも発生しやすく、振動の発生原因ともなって、高速回転化にも限界があるという問題もあった。
【００１０】
また、前記回転軸部を前記ロータ部で鋳ぐるんで一体化した回転体用素材から加工する製造法では、これも一体化した素材から加工するので、軸の強度や剛性を落とすことなく、振動の少ない高速回転に適した回転体を形成することができるが、鋳造上の仕上がり寸法に対する製法上の限界から、どうしても加工しろが大きくなるため、粗加工を含めた仕上げ加工に時間がかかる上、鋳ぐるむための鋳造型費や、鋳造歩留りを含めて、高い鋳造コストがかかるという問題があった。
【００１１】
さらには、前記回転軸部に対して前記ロータ部を鋳ぐるむ場合には、一般的には該ロータ部は、軽量化のために熱膨張係数の大きいアルミニウム系材料がまた、該回転軸部は、強度を確保するために熱膨張係数の比較的小さい鉄系の材料で構成されることが多いが、ポンプを高温運転条件下で運転する場合、該ロータ部と該回転軸部の嵌合部では、この熱膨張差によって嵌合が緩んで、振動発生の原因となったりまた、わずかな隙間をもって相対して逆方向に回転する該ロータ部相互の間で、該ロータの干渉が起ってロータ破損につながるという問題もあった。
【００１２】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、回転軸と該回転軸の軸方向に沿って一つまたは複数のロータを備えた回転体を、高い生産性と安価な製造コストのもと、強い軸強度と剛性および、高い寸法精度と同軸度で提供することを解決すべき技術課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された一つまたは複数のロータとを備えた回転体において、該回転軸を形成する軸材と該ロータを備えた回転軸を形成する軸材とを軸方向に摩擦圧接することにより一体化した回転体用素材を形成し、該回転体用素材を旋削や研削加工により該回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された一個または複数のロータを形成したことを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体としたことである。
【００１４】
また上記課題を解決するにあたり請求項２のように、前記回転軸を形成する軸材と前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材とを軸方向に摩擦圧接する方法は、連続駆動式摩擦圧接機（制動式またはブレーキ式）による圧接方法であることが好ましい。
【００１５】
また上記課題を解決するにあたり請求項３のように、前記回転軸を形成する軸材乃至前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、押し出し材または、引き抜き材であることが好ましい。
【００１６】
また上記課題を解決するにあたり請求項４のように、前記回転軸を形成する軸材乃至前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、ロストワックスなどの精密鋳造材であることが好ましい。
【００１７】
また上記課題を解決するにあたり請求項５のように、前記回転軸を形成する軸材乃至前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体としたことである。
【００１８】
また上記課題を解決するにあたり請求項６のように、前記回転軸を形成する軸材乃至前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、鉄または鉄基合金であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体としたことである。
【００１９】
また上記課題を解決するにあたり請求項７のように、前記回転軸を形成する軸材と前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、異種金属であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体としたことである。
【００２０】
また上記課題を解決するにあたり請求項７のように、前記ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金でありまた、前記回転軸を形成する軸材は鉄または鉄基合金であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体としたことである。
【００２１】
また上記課題を解決するにあたり請求項８のように、前記回転軸とロータを備えた前記回転体は、ドライ真空ポンプにおける回転軸とロータを備えた前記回転体であることを特徴とする回転軸とロータを備えた回転体としたことである。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１〜請求項８記載の回転軸とロータを備えた回転体においては、回転軸部を形成する軸材と、該ロータを備えた回転軸を形成する軸材とを、軸方向に摩擦圧接することにより一体化した回転体用素材から、旋削や研削加工により、該回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された一個または複数のロータを形成するようにしているので、摩擦圧接による一体化接合の有する特徴を生かして、回転軸部とロータ部を別々に加工してキーなどで嵌合、係止して一体化する製造法および、圧延材や鍛造材や鋳ぐるみや他の溶接法などで一体化した回転体用素材から加工する製造法に比較して、以下のような効果を持たせることが出来る。
【００２３】
まず摩擦圧接により一体化した回転用素材からの加工によれば、圧接部の溶接強度は高く、引っ張り強度、曲げ強度とも母材とほぼ同等の強さが確保されるので、回転軸部とロータ部を別々に加工してキーなどで嵌合、係止して一体化した、回転軸とロータを備えた回転体に比較して、剛性を始めとする械的強度信頼性の高い回転軸とロータを備えた回転体を形成することが出来るしまた、該回転軸部に対し該ロータ部のガタつきや軸方向の該ロータの位置ずれさらには、キーなどを介した嵌合・係止部での軸剛性低下やアンバランスを発生させることがないので、低振動で高速回転させることのできる回転軸とロータを備えた回転体を提供できる。
【００２４】
また摩擦圧接により一体化した回転用素材からの加工によれば、他の溶接法により一体化した回転用素材からの加工に比較して、圧接のためのエネルギー効率は高いし、溶接棒やガスなどの消耗品がなくランニングコストは安価で、開先加工や嵌め合い部の加工などもなく素材コストも安いので、高い経済性を持って、回転軸とロータを備えた回転体を形成することが出来る。
【００２５】
また摩擦圧接により一体化した回転用素材からの加工によれば、他の溶接法や鋳ぐるみや鋳造材や鍛造材により一体化した回転用素材からの加工に比較して、圧接精度が高いので、材料の加工しろを低減できて加工時間が短縮でき高い生産性を持って、回転軸とロータを備えた回転体を形成することが出来る。
【００２６】
さらに、請求項３記載の回転軸とロータタを備えた回転体においては、回転軸を形成する軸材と、該ロータを備えた回転軸を形成する軸材それぞれを、比較的寸法公差が小さくて加工しろの少ない押し出し材または引き抜き材またはロストワックスなどの精密鋳造で形成して、摩擦圧接で一体化した回転用素材から加工することにより、材料費の低減ばかりでなく、切削における機械加工時間を大幅に短縮することが出来て、高い生産性と安価な製造コストが確保できる
また摩擦圧接は、他の接合方法と異なり、径が大きな回転軸同士でも接合面は前面接合されるため、製品としての強度は高い。
【００２７】
請求項５記載の回転軸とロータを備えた回転体によれば、回転軸を形成する軸材乃至ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、比較的比重の軽いアルミニウムまたはアルミニウム合金であるので、該回転軸とロータを備えた回転体は、軽量化されるとともに、回転体の慣性力も小さく起動トルクや振動が低減できて高速回転化しやすくなって、該回転軸とロータを備えた回転体が組み込まれた、流体機械の高効率化と小型化が図れる。
【００２８】
また回転軸を形成する軸材乃至ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であるが、該アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成された回転軸部とロータ部を別々に加工して、キーなどで嵌合、係止して一体化した、回転軸とロータを備えた回転体に比較して、摩擦圧接で一体化されているので、接合部では、母材並みの機械的強度が確保されて軸のねじり強度も高いので高速回転させることができる。
【００２９】
請求項６記載の回転軸とロータを備えた回転体によれば、回転軸を形成する軸材乃至ロータを備えた回転軸を形成する軸材は、比較的引っ張り強度や曲げ強度に代表される機械強度が高く、剛性の高い、鉄または鉄基合金で構成されまた、該回転軸とロータを備えた回転体は、摩擦圧接で一体化されて、接合部では母材並みの機械的強度が確保されているので、高い圧縮比や高粘度の流体にたいする圧縮や高速回転化などの高い機械的負荷が要求される流体機械に対しても、該回転軸とロータを備えた回転体を組み込むことにより、信頼性ある流体機械を提供することができる。
【００３０】
請求項７乃至請求項８に記載の回転軸とロータを備えた回転体においては、回転
軸を形成する軸材と前記ロータを備えた回転軸は、異種金属であるであるので、部位ごとに要求される機械的特性や物理的特性にもとづいて、それぞれの使用条件に応じた最適な軸材を選択できる。
【００３１】
したがってたとえば、比較的高価な強度や耐食性などの必要な部位、たとえばロ
ータ部だけを、それに適応するな材料を選ぶようにすれば、製造コストが低減できるしまた、軽量化が要求される部位には比重の軽い材料を選ぶようにするなど、それぞれの使用条件に応じた最適な回転軸とロータを備えた回転体を選択できて、設計仕様に基づいた最適材料回転軸とロータを備えた回転体が、低コストで提供できる。
【００３２】
請求項８に記載の回転軸とロータを備えた回転体においては、高速で回転させるために軽量化が要求されるロータを備えた回転軸部を、比較的比重の軽いアルミニウムまたはアルミニウム合金でまた、機械的強度が要求される回転軸を形成する軸材を、比較的機械的強度の強い鉄または鉄基合金で形成しているため、十分な強度と剛性を有して高速回転に適した、回転軸とロータを備えた回転体を提供することができる。
【００３３】
請求項９に記載の回転軸とロータを備えた回転体においては、摩擦圧接により母材なみの機械的強度を有して一体化された回転体要素材から、旋削や研削加工により形成された、回転軸とロータを備えた回転体が、ドライ真空ポンプに組み込まれるようになっているので、摩擦圧接の特徴が相乗されて、該ドライ真空ポンプでは以下のような効果が得られる。
【００３４】
まず、ドライ真空ポンプに組み込まれた、前記回転軸とロータを備えた回転体は、摩擦圧接で一体化されて、接合部では母材並みの機械的強度が確保されているので、回転軸部とロータ部を別々に加工してキーなどで嵌合、係止して一体化した、回転軸とロータを備えた回転体を適用した場合に比較して、軸の剛性は十分に確保できるために、ドライ真空ポンプの振動は低減されるしまた、高速回転化も可能となり小型化ができる。
【００３５】
また、ドライ真空ポンプでは、ロータ部は一般的に４段から６段のロータで構成されて回転体を支承する回転軸の軸長は長くまた、ロータプロフィールも２葉繭型などの複雑な形状にあるが、旋削や研削加工によるこれらの加工に際しても、軸の剛性が高いので、高い加工精度が確保できるしまた、切削量を上げたり、加工速度を速めた高精度加工も可能となり、回転軸とロータを備えた回転体の精度と生産性向上ひいては、ドライ真空ポンプの高性能化および高生産性が確保できる。
【００３６】
また、回転軸とロータを備えた回転体は、ドライ真空ポンプの構成部品の中でも形状が大きく複雑で、必要とする個数も二つあり、全体の製造コストの中でも高い割合を占める高コスト部品であるが、他の溶接法や鋳ぐるみや鋳造材や鍛造材により一体化した回転用素材からの加工に比較して、摩擦圧接では圧接精度が高いので、摩擦圧接する、回転軸を形成する軸材と前記ロータを備えた回転軸を、比較的寸法公差が小さくて加工しろの少ない押し出し材または引き抜き材またはロストワックスなどの精密鋳造で形成することにより、材料の加工しろを低減して加工時間を低減することができて、製造コストを大幅に低減することができるし生産性も向上する。
【００３７】
ちなみに、ドライ真空ポンプ用の回転軸とロータを備えた回転体において、アルミニウム合金の押し材で形成された回転軸を形成する軸材とロータを備えた回転軸を形成する軸材とを摩擦圧接により一体化した回転材用素材から、旋削や研削加工で仕上げる時の切削しろは、約１ｍｍ程度でよく、これは鋳造材の１／３程度の切削しろである。
【００３８】
また他の溶接法により一体化した回転用素材からの加工に比較しても、圧接のためのエネルギー効率は高いし、溶接棒やガスなどの消耗品がなくランニングコストは安価で、開先加工や嵌め合い部の加工などもなく素材コストも安くすることが出来て、製造コストを大幅に低減することができる。
【００３９】
また他の鋳物材や鍛造材や鋳ぐるみ材により一体化した回転用素材からの加工に比較しても、型費は必要としないし、材料歩留りもきわめて高いので、一体化した回転用素材のコストを大幅に低減することができる。
【００４０】
このように、ドライ真空ポンプの構成部品の中でも形状が大きく複雑で製造コストの高い部位である回転軸とロータを備えた回転を、高い生産性と低コストで形成することが出来るので、ドライ真空ポンプ全体の製造コストを、大幅に低減することができる。
【００４１】
なお請求項９に記載の回転軸とロータを備えた回転体においては、ドライ真空ポンプに組み込まれたものであるが、おなじように一対の回転軸とロータを備えた回転体が組み込まれたルーツブロアーやスーパーチャージャーなどの流体機械においても同じような効果がえられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明に係わる、実施の形態を、図面１乃至図面７を参照しつつ、具体的に説明する。
【００４３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体を有するドライ真空ポンプの全体構成を示す断面図、図２は、図１中のＡ―Ａ線に沿った断面図、図３は、本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体の正面図、図４は、本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体のギア側回転軸側の側面図、図５は、本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体の製造方法の一例を示す説明図、図６は、本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体における、ロータを備えた回転軸を形成する軸材と回転軸を形成する軸材との摩擦圧接法の一例を示す説明図、図７は、本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体における、ロータを備えた回転軸を形成する軸材と回転軸を形成する軸材との摩擦圧接の接合条件を示す説明図である。
【００４４】
本実施形態は、回転軸とロータを備えた回転体４を、ドライ真空ポンプ２０に適用した例である。
【００４５】
ドライ真空ポンプ２０は、吸入口２１、排気口２２を備えたケーシング本体１と、該ケーシング本体１内において、一対の回転軸上にそれぞれ、４から６つのロータを担持した、回転軸とロータを備えた回転体４を嵌装して、それぞれの回転軸とロータを備えた回転体４を逆方向に同期して高速回転させ、該吸入口２１から吸入した気体を、４段から６段圧縮して大気へ排気するようになっているが、以下の説明では、４つのロータを担持した一対の回転軸とロータを備えた回転体４による４段圧縮の例で説明する。
【００４６】
また、本実施形態に係わる、ドライ真空ポンプ２０において、前記回転軸とロータを備えた回転体４は、一対となって、前記ケーシング本体４内に嵌装されているが、図１乃至図６において、対を成す該回転軸とロータを備えた回転体４の同じ部位については、同一符号を適用して説明している。
【００４７】
図１、図２において、ドライ真空ポンプ２０は、モータ側サイドケーシング２及
び、ギア側サイドケーシング３で両側を囲繞されたケーシング本体１内に、それぞれ四つの２葉繭型のプロフィールを有するロータを担持した、一対の回転軸とロータを備えた回転体４を配設するとともに、該一対の回転軸とロータを備えた回転体４はそれぞれ、四つの２葉繭型のプロフィールを有するロータを備えた回転軸５ｃと、該ロータを備えた回転軸５ｃの両端にそれぞれ、モータ側回転軸５ａおよび、ギア側回転軸５ｂとが、軸方向に軸心を同一にして、摩擦圧接によって、連接されて一体化した構成に形成されている。
【００４８】
前記回転軸とロータを備えた回転体４は、対を成しておりそれぞれ、ロータを担持した回転軸５ｃの外周面に、該ロータを備えた回転軸５ｃ軸線方向に沿って軸心を同一にして配置された４つのロータ、すなわち１段目ロータ６、２段目ロータ７、３段目ロータ８、４段目ロータ９をそれぞれ担持して、ケーシング本体１内に相対向して配設され、相対向した４つの該ロータ、すなわち該１段目ロータ６、該２段目ロータ７、該３段目ロータ８、該４段目ロータが、互いに矢印のように逆方向へ回転して、前記吸入口２０から吸入した気体を、前記排気口２１を介して大気へ排出するものであるが、相対向する各該ロータすなわち、該１段目ロータ６、該２段目ロータ７、該３段目ロータ８、該４段目ロータ９同士ならびに、各該ロータすなわち、該１段目ロータ６、該２段目ロータ７、該３段目ロータ８、該４段目ロータ９と、該ケーシング本体１および前記モータ側サイドケーシング２および前記ギア側サイドケーシング３との間には、それぞれわずかな隙間を保って、接触することなく高速で回転するようになっているので、複雑なロータのプロフィールの加工に、高い加工精度と強固な軸剛性が要求されるものである。
【００４９】
前記１段目ロータ６、前記２段目ロータ７、前記３段目ロータ８、前記４段目ロータ９のプロフィールはそれぞれ、２葉の繭型プロフィールにあり、該繭型のプロフィールの軸線方向における幅長さは、前記ドライ真空ポンプ２０の前記吸入口２１側に配置される１段目ロータ６から、前記排気口２２側に配置される４段目ロータ９に向かって、順次小さくなるように形成される。
【００５０】
前記１段目ロータ６、前記２段目ロータ７、前記３段目ロータ８、前記４段目ロータ９のプロフィールはいずれも、本実施形態では、２葉の繭型にあるが、３葉のプロフィールやスクリューなどでもよいしまた、これらが例えば、高真空段ロータが２葉、低真空段ロータが３葉となるように、各ロータごとに複合されて形成されたものでも同じように適用されるものである。
【００５１】
また、前記四つのロータを備えた回転軸５ｃの一方の軸端に摩擦圧接で連接されて一体化されたギア側回転軸５ｂの軸端部には、前記回転軸とロータを備えた回転体４を、同期回転させるためのギア１３をまた、該四つのロータを備えた回転軸５ｃの他方の軸端に摩擦圧接で連接されて一体化されたモータ側回転軸５ａの軸端部には，前記回転軸とロータを備えた回転体４を回転させる、モータ１２を連結させるとともに、該回転軸と該ロータを備えた回転体４は、該モータ側回転軸５ａ部において、モータ側軸受け１０を介してモータ側サイドケーシング２にまた、該ギア側回転軸５ｂ部においては、ギア側軸受け１１を介して、ギア側サイドケーシング３にそれぞれ回転支承されている。
【００５２】
前記ギア側回転軸５ｂは対をなし、それぞれの該ギア側回転軸５ｂ軸端側に嵌合・係止した一対の前記ギア１３によって噛み合って連結されており、該ギア側回転軸５ｂが連接されている、各回転軸とロータを備えた回転体４が、逆方向に同期回転するようになっている。
【００５３】
前記ギア１３は、ギアケース１４内に収容され、該ギア１３及び軸受け１１は、該ギアケース１４内に貯溜されている潤滑油１５によって油潤滑がされる。
【００５４】
前記モータ１２は、前記モータ側回転軸５ａの軸端に連結され、モータ１２の動力は、該歯車８を介して、該モータ１２と連結した、一方の回転軸とロータを備えた回転体４から、他方の回転軸とロータを備えた回転体４に、伝達されるようになっている。
【００５５】
以上のように構成された前記ドライ真空ポンプ２０は、前記モータ１２の動力が、該モータ１２と連結した、回転軸とロータを備えた回転体４から、前記ギア１３によって、他方の回転軸とロータを備えた回転体４に、伝達されると、一対のロータを備えた回転体４は、図１、図２に示すように、互いに反対方向に回転して、吸入口２０から吸入した気体を、一対のロータを備えた回転体４にそれぞれ形成されている各前記１段目ロータ６、前記２段目ロータ７  前記３段目ロータ８、前記４段目ロータ９によって、順番に圧縮して、前記排気口２１を介して、大気へ排出するようになっている。
【００５６】
次に本実施形態に係わる、ドライ真空ポンプ２０に適用された、前記回転軸とロータを備えた回転体４の構成を、図３、図４に基づき、詳しく説明する。
【００５７】
図３、図４において、前記回転体とロータを備えた回転体４は、前記四つのロータすなわち前記１段目ロータ６、前記２段目ロータ７、前記３段目ロータ８、前記４段目ロータ９をそれぞれ担持した、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃと、該ロータを備えたロータ側回転軸５ｃの、一方の軸端に軸心を同一にして軸方向に連接した前記モータ側回転軸５ａと、該ロータを備えたロータ回転軸５ｃの他方の軸端に軸心を同一にして軸方向に連接した前記ギア側回転軸５ｂとで形成されるとともに、該ロータを備えたロータ回転軸５ｃの一方の軸端と該モータ側回転軸５ａとの軸端および、該ロータを備えたロータ回転軸５ｃの他方の軸端と該ギア側回転軸５ｂとの軸端は、それぞれ軸心を同一にして軸方向に、摩擦圧接による接合技術で一体化されている。
【００５８】
また前記ロータを備えた回転体４に形成された、前記ロータすなわち、前記１段目ロータ６、前記２段目ロータ７、前記３段目ロータ８、前記４段目ロータ９の軸方向におけるそれぞれのロータの軸方向における巾長さは方向、上記に説明したように、吸入口２１側に配置される第１段目ロータ６から、排気口２２側に配置される第４段目ロータ９に向かって、順次小さくなるように形成されている。
【００５９】
次に図３、図４に示す、前記回転軸とロータを備えた回転体４の製造過程について、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）および、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）図６および、図７を参照して説明する。
【００６０】
まず、図５（ａ）に示すように、鋳物や鍛造材や鋳ぐるみ材に対して比較的材料の寸法公差が小さくて加工しろの少ない、引き抜きや押し出しやロストワックスなどの精密鋳造による量産的な製造方法で製造された、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’及び、前記ギア側回転軸５ｂ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｂ’及び、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’とをそれぞれ用意する。
【００６１】
次に、図５（ｂ）に示すように、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’の一方の軸端と、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’の軸端とを、軸心を同一にして軸方向に、摩擦圧接によって接合して一体化した素材１８ａを製造する。
【００６２】
次に、図５（ｃ）に示すように、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’の一方の軸端に、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’を、軸心を同一にして軸方向に、前記摩擦圧接によって一体化した素材１８ａに対して、該ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’のもう一方の軸端側に、前記ギア側回転軸５ｂ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｂ’の軸端を、軸心を同一にして軸方向に、摩擦圧接によって一体化した素材１８ｂを製造する。
【００６３】
すなわち、図５（ｃ）において、符号１８ｂで示す摩擦圧接によって一体化した素材は、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’の両側の軸端に、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と、前記ギア側回転軸５ｂ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｂ’とが摩擦圧接によってそれぞれ圧接されて一体化された、前記回転軸とロータを備えた回転体４用の素材を示し、符号１６は、該ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’と、該モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａとの接合部を示しまた、符号１７は、該ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’と、該ギア側回転軸５ｂ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｂ’との接合部をそれぞれ示す。
【００６４】
次に、図５（ｂ）、（ｃ）で説明してきたような、摩擦圧接によって接合して一体化された、回転軸とロータを備えた回転体用の素材１８ａを、旋削加工や研削加工によって、最終加工をして、図５（ｄ）に示すように、本実施形態に係わる、ドライ真空ポンプ用の、四つのロータを担持した、前記回転軸とロータを備えた回転体４が製作される。
【００６５】
すなわち、図５（ｄ）において、前記回転軸とロータを備えた回転体４は、上記の摩擦圧接によって一体化された、該回転軸とロータを備えた回転体４用の素材１８ａから、四つのロータすなわち、前記１段目ロータ６、２段目ロータ７、３段目ロータ８、４段目ロータ９を備えた、前記ロータを担持した回転軸５ｃ部の両側にそれぞれ、前記モータ側回転軸５ａ部がと前記ギア側回転軸５ｂ部を備えて、前記ドライ真空ポンプ２０用の、ロータを備えた回転体４として、各部位は所定の寸法に仕上げられる。
【００６６】
つぎに、本実施形態例にかかわる、上記で説明した摩擦圧接の圧接過程および、圧接条件について、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）および、図７を参照して、図５（ｂ）に示した、ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’の一方の軸端に、モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’の軸端を、摩擦圧接によって接合した圧接例で、発明者らの試作品における検証結果をも踏まえて、以下に具体的に詳しく説明する。
【００６７】
図６は、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’とを、摩擦圧接機によって、摩擦圧接するときの過程を示す説明図で、図７は、アルミニウム合金で構成される、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’に対して、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’を、摩擦圧接する時の接合条件の一例を示す説明図である。
【００６８】
まず図６（ａ）および、図７に示すように、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’の、二つの母材を用意して、それぞれ図示しない摩擦圧接機の一つである連続駆動式摩擦圧接機（制動式またはブレーキ式とも言はれる）にセットし、母材の一つである、該モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’を所定の回転数で回転させる。
【００６９】
試作品では、母材となる前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’および前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’それぞれは、ともにアルミニウム合金であるＡ６０６１（ＪＩＳＨ４０００）を適用し、該モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’は、外径φ３５ｍｍ、長さ１４０の引き抜き丸棒をまた、該ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’は、長径１１５ｍｍ、短径４０ｍｍの２葉の繭型形状で、軸方向の長さ１５０ｍｍの同じく引き抜き材を適用した。
【００７０】
また前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’側の回転数は、約１５００ｒｐｍ前後に設定した。
【００７１】
次に図６（ｂ）および、図７に示すように、所定の回転数で、すなわち試作品においては１５００ｒｐｍ前後で回転している、一方の母材である前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’に対して、もう一つの母材である前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’を、適当な推力（摩擦圧）Ｐ１で、すなわち試作品においてはＰ１＝４０ＭＰａ前後加圧して接触させて、所定の時間、すなわち試作品においては０．５秒程度、二つの母材の接触面１６で摩擦発熱させ始める。
【００７２】
すると、図６（ｃ）に示すように、二つの母材の接触面１６及びその近傍の母材の温度が上がって変形抵抗が下がり、その部分の推力によって双方の双方の母材の一部がおしだされて、圧接部バリ１９が発生する。
【００７３】
次に図６（ｄ）および、図７に示すように、二つの母材の接触面１６が接合に十分なだけの塑性変形状態に達すると、それまで維持していた前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’の回転を急停止させるとともに、急停止後には一定の遅延時間を設けて、すなわち試作品では０．６秒前後の遅延時間を設けたあと、さらに前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’からの加圧力を一段と増大させたアプセット圧力、すなわち試作品では８０Ｍａのアプセット圧力を、ある一定時間，すなわち試作品では６秒加えて、接合が完了し、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’とが一体化した、回転軸とロータを備えた回転体４用の素材１８ａが形成されている。
【００７４】
また同じように、前記ギア側回転軸５ｂ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｂ’も、上記の図６で説明した、摩擦圧接により前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’とが一体化した、回転軸とロータを備えた回転体４用の素材１８ａに摩擦圧接されるが、この圧接過程および条件は、上記で説明した、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’とを圧接した時と、ほぼ同じ圧縮過程と圧縮条件であるので説明は省略する。
【００７５】
以上の試作品において、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’の両側の軸端にそれぞれ、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と前記ギア側回転軸５ｂ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｂ’とが、摩擦圧接によって一体化した前記回転軸とロータを備えた回転体４用の、素材１８ｂが形成されるが、上記に示した圧接過程および圧接条件で試作した、試作品では、接合部における引張り強度や軸のねじり強度は、母材であるアルミニウム合金Ａ６０６１の９０％以上が得られており、摩擦圧接によって、強固な接合強度が確保されていることが検証されている。
【００７６】
また、摩擦圧接した後の、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’に対する、前記モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と、前記ギア側回転軸５ｂ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｂ’とのそれぞれの同軸度も、上記に示した圧接過程および圧接条件で試作した、試作品では、接合熱処理後の同軸度は、０．６ｍｍ以下となって、熱変形による曲がり精度が小さいことも検証されている。
【００７７】
したがって、たとえば、前記ドライ真空ポンプ２０用の前記回転軸とロータを備えた回転体４において、アルミニウム合金の押し材で形成された回転軸を形成する軸材とロータを備えた回転軸を形成する軸材とを、摩擦圧接により一体化した回転材用素材から、旋削加工や研削加工で仕上げる時の切削しろは、上記の同軸度および押し出し材における寸法精度から鑑みて、約１ｍｍ程度でよく、これは鋳造材の１／３程度の切削しろであり、製造コストの低減および、生産性の向上に大きく寄与できる。
【００７８】
上記で説明してきた、摩擦圧接法は周知されるように、接合しようとする２つの母材となる金属を突き合わせて接触させて、加圧しながら接触面に起こす相対運動により摩擦熱を発生させ、そのエネルギーにより接合する方法で、突合せ面の薄い酸化物や付着物、汚れなどは、摩擦発熱中に破壊されて接合部からバリとなって押し出され、さらにアプセットすることにより、高温状態で拡散された強力な金属結合が得られるため、溶接などの溶融接合に見られるような鋳造組織、粗大結晶粒、ピンホール、ブローホールなどの発生がなく、原理的には母材に対して強さの低下はほとんど起こらないもので、これらの特性は、上記で説明したように、発明者らの、本実施形態に係る、試作品の結果でも検証されているが、さらにまた次のような特徴も、試作品の試作過程の中で検証されている。
【００７９】
１．アルミニウムや鉄をはじめとする、異種金属の接合も容易に行なうことが出来る。
【００８０】
２．他の溶接法で必要とされる開先加工、嵌合加工、突合せ面加工などが不要のため素材コストが安くなるしまた、鋳鍛造における型費コストは必要なく、高い経済性をもつ。
【００８１】
３．熱が局部的に有効に使われてエネルギー効率も高く、溶接棒やガスも不要のため、ランニングコストも安い。
【００８２】
したがって、以上説明したような、前記、モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’と、前記ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’と、前記ギア側回転軸５ｂ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｂ’とを摩擦圧接して一体化した、前記回転軸とロータを備えた回転体４用の素材１８ｂから、旋削や研削加工により、回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された一個または複数のロータとを形成した、前記回転軸とロータを備えた回転体４によれば、一体化した前記接合部１６の接合強度は高く、引っ張り強度、曲げ強度とも母材とほぼ同等の強さが確保されるので、剛性が高く低振動で、強度上面で信頼性の高い、前記ドライ真空ポンプ４用の前記回転軸とロータを備えた回転体４を形成することが出来るしまた、圧接精度も高いので、材料の加工しろを低減できて加工時間が短縮でき高い生産性を持って、該回転軸とロータを備えた回転体４を形成することが出来る。
【００８３】
また、このように摩擦圧接で形成した、前記ドライ真空ポンプ２０用の、前記回転軸とロータを備えた回転体４によれば、アルミニウムや鉄をはじめとする異種金属の接合も容易に行なうことが出来て、使用条件に応じた回転体が形成できるしまた、他の溶接法で必要とされる開先加工、嵌合加工、突合せ面加工などが不要のため素材コストが安くなる。
【００８４】
さらには、鋳鍛造における型費コストは必要なく、高い経済性を有するともに、熱が局部的に有効に使われてエネルギー効率も高く、溶接棒やガスも不要のため、ランニングコストも安いなどの効果もある。
【００８５】
以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明は何ら前記の実施に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の変形例を含むものである。
【００８６】
たとえば、本実施形態では、回転軸を形成する軸材と該ロータを備えた回転軸を形成する軸材とを軸方向に摩擦圧接することにより一体化した、回転軸とロータを備えた回転体４用の素材を形成し、一体化した該回転軸とロータを備えた回転体４用の素材を旋削や研削加工により該回転軸と該回転軸の軸方向に沿って配置された一個または複数のロータとを形成したこと回転体の適用例としては、ドライ真空ポンプの例で示したが、他の一対の回転体を備えて構成されるルーツブロアーや、スクリューなどはもちろん、一つの回転体を備えて構成されるタービンや軸流圧縮機やリングブロアーなどの各種流体機械にも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体を有するドライ真空ポンプの全体構成を示す断面図である。
【図２】図１中のＡ―Ａ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体の正面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体のギア側回転軸側の側面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体の製造方法の一例を示す説明図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体における、ロータを備えた回転軸を形成する軸材と回転軸を形成する軸材との摩擦圧接法の一例を示す説明図で、（ａ）は、モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’とロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’の二つの母材を、それぞれ図示しない摩擦圧接機にセットし、モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’側の母材を所定の回転数で回転する過程を、（ｂ）は、所定の回転数で回転している、モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’に対して、ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’を、適当な摩擦圧：Ｐ１で、加圧して接触させ、摩擦発熱させる過程を、（ｃ）は、二つの母材の接触面１６の温度が上がって圧接部バリ１９が発生する過程を、（ｄ）は、モータ側回転軸５ａ部を仕上げ加工で形成する軸材５ａ’の回転を急停止させ、ロータを備えたロータ回転軸５ｃ部を仕上げ加工で形成する軸材５ｃ’からアプセット圧力をある加えて、接合が完了する過程をそれぞれ示す説明図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る、回転軸とロータを備えた回転体における、ロータを備えた回転軸を形成する軸材と回転軸を形成する軸材との摩擦圧接の接合条件の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８８】
１・・・ケーシング本体
２・・・モータ側サイドケーシング
３・・・ギア側サイドケーシング
４・・・回転軸とロータを備えた回転体
５ａ・・モータ側回転軸      
５ｂ・・ギア側回転軸
５ｃ・・ロータを備えた回転軸    
６・・・１段目ロータ
７・・・２段目ロータ
８・・・３段目ロータ
９・・・４段目ロータ
１０・・モータ側軸受け
１１・・ギア側軸受け
１２・・モータ
１３・・ギア
１４・・ギアケース
１５・・潤滑油
１６・・モータ側摩擦圧接部
１７・・ギア側摩擦圧接部
１９・・圧接部バリ
２０・・ドライ真空ポンプ
２１・・吸入口
２２・・排気口
【図１】
2007092625.tif 000003
【図２】
2007092625.tif 000004
【図３】
2007092625.tif 000005
【図４】
2007092625.tif 000006
【図５】
2007092625.tif 000007
【図６】
2007092625.tif 000008
【図７】
2007092625.tif 000009