JP4138085B2 - スクリュー式真空ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置等において反応室を真空引きし、生成された反応副生成物を排出するため等に使用されるスクリュー式真空ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スクリュー式真空ポンプとしては、例えば、図４に示す構造のものが知られている。このスクリュー式真空ポンプ３００は、半導体製造プロセス等に使用されるポンプ作用室に封液を使用しないドライ真空ポンプの例である。また、真空の清浄度を維持させるために、真空側に油潤滑等を必要とする軸受けの無い片側軸支持構造によりスクリューロータが支持されたものである。
【０００３】
すなわち、このスクリュー式真空ポンプ３００では、吸気口３０１および排気口３０２が形成されたポンプ作用室３０３の中に、縦置き状態で一対のスクリューロータ３０４、３０５が平行に配置されている。スクリューロータ３０４、３０５の外周面には等リードで右ねじ３０７、左ねじ３０８が形成され、相互に噛み合っている。スクリューロータ３０４、３０５の下端は歯車室３１０に突出して、ベアリング３１１、３１２によって回転自在に支持されている。
【０００４】
また、これらのスクリューロータ３０４、３０５は、タイミングギヤ３１３、３１４、アイドルギヤ３１５、駆動ギヤ３１６を介して、モータ３２０に連結されている。モータ３２０により一対のスクリューロータ３０４、３０５が相対回転すると、吸気口３０１から吸引した気体を排気側に向けて圧縮しながら移送するポンプ作用が発生する。
【０００５】
ここで、清浄な真空空間を形成するために、ポンプ作用室３０３には封液を使用していないので、スクリューロータ３０４、３０５とポンプケーシング３３０の隙間を通っての吸入気体の逆流量が多い。そこで、一般には、ねじの巻き数を増やして、仕切り数を多くしている。
【０００６】
また、半導体製造プロセスであるエッチング、ＣＶＤ等の各工程で発生する反応副生成物（粉体等）がスクリュー式真空ポンプ３００の内部に堆積し、スクリューロータ３０４、３０５に固着してしまうことを防止するために、スクリューロータ３０４、３０５は縦置きとされ、上端に位置している吸気口３０１を通って侵入した反応副生成物がロータ下端に固着することの無いように、スクリューロータ３０４、３０５の下端と、これに対峙しているポンプケーシング３３０の内側端面の間には大きな隙間が設けられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この構成のスクリュー式真空ポンプにおいて、その排気速度を増加させるためには、スクリューロータの回転数を高める方法、ねじによって区画されている螺旋状の溝の容積を増加する方法等が考えられる。
【０００８】
しかし、スクリューロータの回転数を高めると、その軸受け機構の寿命が低下する等の問題を併発するので好ましくない。
【０００９】
また、螺旋状の溝の容積を増加させる方法としては、ねじのリード角の増加、ロータ径の増加、溝の深さ寸法を増加する等の方法が考えられる。しかし、ねじリード角の増加はスクリューロータの全長を著しく増加させることになり、スクリューロータの片側軸支持構造を採用することが力学的に困難になる。また、ロータ径の増加は、スクリューロータに作用する推力の増加を招いてしまう。
【００１０】
溝を深くする方法は、ロータ外径が制限されている場合等には溝の深さには限度があり、希望する溝容積を得られないという制約がある。これに加えて、図に示す例のように等リードのねじが形成されている場合には、排気側の溝の容積も同様に増加するので、所要動力もそれに伴って増加してしまうという弊害がある。この問題を回避するためには、ねじのリード角を吸気側で大きくし、吐出側に向けて小さくしていく不等リードとすることが考えられる。しかし、不等リードのねじは、その加工が複雑で手間がかかるという問題を惹起する。
【００１１】
一方、排気速度を高めるためには、図５に示すような多段式の真空ポンプとし、スクリューロータ３０４、３０５の先端側、すなわちその吸い込み段に、仕切り壁４０１を介して、ルーツロータ等の吸い込み容積が大きく、ロータ長の短いポンプ要素４０２、４０３を同軸状態に追加することが考えられる。
【００１２】
しかしながら、この構造の多段式の真空ポンプ４００では、多段化した分だけ構造が複雑化するという問題がある。また、ルーツロータ等のポンプ要素４０１、４０２の下端の仕切り壁４０１に反応副生成物が固着しやすいという問題も発生する。
【００１３】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、複雑な構造とすることなく、排気速度を高めることの可能な小型のスクリュー式真空ポンプを実現することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、相互に噛み合い可能な右ねじおよび左ねじがそれぞれ外周面に形成された一対のスクリューロータを備え、これららのスクリューロータを相対回転させることにより排気動作を行うスクリュー式真空ポンプにおいて、各スクリューロータの吸い込み側の軸端に、同軸状態にロータ延長部を一体形成し、あるいは取り付けるようにしている。また、このロータ延長部を、前記スクリューロータの吸い込み側の軸端における軸直角断面形状とほぼ同一の軸直角断面形状にするようにしている。さらには、このロータ延長部と前記スクリューロータの吸い込み側の軸端とを、双方の端面形状が一致した状態で相互に接合した構成としてある。
【００１５】
本発明のスクリュー式真空ポンプでは、スクリューロータの吸い込み側に吸い込み容量が大きいロータ延長部を形成してあるので、排気速度を高めることができる。また、構造が複雑化することもない。さらには、ロータ延長部とスクリューロータの接合面は同一の端面形状をしているので、ロータ延長部で吸引された気体は円滑にスクリューロータのねじ溝の側に導入されるので、これらの間で気体が漏れる等の弊害は発生しない。
【００１６】
本発明では、上記構成に加えて、ポンプ吸い込み側に位置している各ロータ延長部の外周面とポンプケーシング内周面の間に粉体等が付着した場合に、これらの間のしゅう動面積を小さくするために、次のようにロータ延長部の輪郭形状、換言すると、その軸直角断面形状を定めることを特徴としている。
【００１７】
すなわち、前記の各ロータ延長部の軸直角断面形状は、前記スクリューロータの吸い込み側の軸端における軸直角断面形状を規定しているスクリューロータ外径線よりも半径方向の内方に後退した部分と、当該スクリューロータねじ谷径線よりも半径方向の外方に迫り出した部分とを含むようにしている。
【００１８】
次に、前記ロータ延長部を、前記スクリューロータの吸い込み側の軸端に対して締結具によって締結固定するように構成した場合には、前記ロータ延長部と前記スクリューロータの吸い込み側の軸端の間にシム板を挿入することにより、前記ロータ延長部の吸い込み側の軸端とポンプケーシングの隙間を簡単に調整できる。この結果、スクリューロータおよびロータ延長部の部品精度を高めることなく、所望の組み立て状態を形成できる。
【００１９】
一方、前記スクリューロータを、その吸い込み側が上側に位置するように、縦置き状態に配置し、下側に位置する排気側の部分のみで軸支持することが望ましい。この構成を採用すると、ポンプ吸い込み側に油潤滑を必要とする軸受けが無いので、真空引きされる側の真空雰囲気の清浄度を維持するのに適している。また、スクリューロータが縦置きとなっているので、エッチング、ＣＶＤプロセス等のように粉体状の反応副生成物が発生するプロセスに使用する場合に、ポンプ内に侵入した反応副生成物をスクリューロータ等に固着させることなくポンプ内の下端に落下させることができる。このために、粉体状の反応副生成物を含む気体を吸引する用途に安定的に使用可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したスクリュー式真空ポンプの実施例を説明する。
【００２１】
図１（Ａ）は本例のスクリュー式真空ポンプの概略縦断面図である。スクリュー式真空ポンプ１の基本的な構成は図４に示すスクリュー式真空ポンプ３００と同様であり、吸気口２および排気口３が形成されたポンプケーシング４を有している。このポンプケーシング４の内部には、縦置き状態で一対のスクリューロータ５、６が平行に配置されている。
【００２２】
スクリューロータ５、６は、ロータ本体５ａ、６ａと、その中心を貫通する状態に取り付けたロータシャフト５ｂ、６ｂと、ロータ本体５ａ、６ａの外周面にそれぞれ形成した右ねじ５ｃおよび左ねじ６ｃとを備えている。右ねじ５ｃおよび左ねじ６ｃは相互に僅かの隙間を保って噛み合った位置関係にある。本例の右ねじ５ｃおよび左ねじ６ｃは、等リードの角ねじとされている。
【００２３】
各スクリューロータ５、６の吸い込み側の軸端５ｄ、６ｄには、同軸状態に、ロータ延長部７、８が締結ボルト９によって締結固定されている。これらのロータ延長部７、８は、スクリューロータ５、６の吸い込み側の軸端５ｄ、６ｄの軸直角断面形状を略そのまま軸線方向に延長させた軸直角断面形状をしている。
【００２４】
一般には、図１（Ｂ）に示すように、一方が大径の半円部分７ａ、８ａとなり、他方が小径の半円分７ｂ、８ｂとなる。大径の半円部分７ａ、８ａの輪郭はスクリューロータ５、６の外径線に略一致しており、小径の半円部分７ｂ、８ｂの輪郭はスクリューロータ５、６のねじ谷径線に略一致している。
【００２５】
ここで、図２には各ロータ延長部７、８の具体的な輪郭形状の例を示してある。この図に示すように、大径の半円部分７ａ、８ａは、一点鎖線で示すスクリューロータ外径線に対して僅かに半径方向の内方に後退した部分を備えている。これに対して、小径の半円部分７ｂ、８ｂは、一点鎖線で示すスクリューロータねじ谷径線に対して僅かに半径方向の外方に迫り出した部分を備えている。このようにした理由は、粉体等が、ロータ延長部の外周面あるいは、それに対峙しているポンプケーシング内周面に付着した場合に、それらの間のしゅう動面積を小さくするためである。
【００２６】
次に、再び図１に戻って説明すると、各スクリューロータ５、６のシャフト５ｂ、６ｂの排気側の軸端は、ポンプ吐出口が形成されているポンプケーシング底壁４ａに対してベアリング１１、１２によって回転自在に支持されていると共に、当該底壁４ａを貫通して、当該ポンプケーシングの底面に取り付けたギヤボックス１０の内部に突出している。これらのロータシャフトの下端突出部５１、６１の下端もベアリング１３、１４によって回転自在に支持されている。このように、スクリューロータ５、６の支持構造は、その排気側の下端部分のみが回転自在に支持された片側軸支持構造となっている。
【００２７】
ギヤボックス１０の内部には、ロータシャフトの下端突出部５１、６１に取り付けられて相互に噛み合っているタイミングギヤ２１および２２と、一方のタイミングギヤ２２に同軸状態で一体形成されたピニオンギヤ２３と、このピニオンギヤ２３に噛み合っているアイドルギヤ２４と、このアイドルギヤに噛み合っている駆動ギヤ２５が収納されている。駆動ギヤ２５は、ポンプケーシング４の隣接した位置に下向きの姿勢で縦置きしたモータ３０の出力軸３１に固着されている。
【００２８】
この構成のスクリュー式真空ポンプ１では、ポンプケーシング４の内部には、上端にロータ延長部７、８が取り付けられたスクリューロータ５、６が配置され、これらのロータ延長部と、スクリューロータと、ポンプケーシング４の内側面とによってポンプ作用室が区画形成される。モータ３０を駆動すると、上記構成のギヤ列を介してモータ回転が各スクリューロータ５、６に伝達され、これらが相互に逆回転して、ポンプ動作が行われる。
【００２９】
図３には、本例のスクリュー式真空ポンプ１のロータ延長部７、８の排気原理を示してある。片側のロータ延長部８について説明すると、まず、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ロータ延長部８の小径部分８ｂとポンプケーシング４の内周面との間に形成される空間が、ロータ延長部８の矢印方向への回転に伴って増加し、この増加に伴って吸気口２から気体が吸い込まれる。
【００３０】
ロータ延長部８の小径部分８ｂが吸気口２を通り過ぎると（図３（ｃ））、吸気動作が終了する。
【００３１】
次に、図３（ｄ）に示すように、気体を吸い込んだロータ延長部８の小径部分の回転方向の先頭部分が、他方のロータ延長部７に対峙する位置まで到ると、吸い込まれた気体の圧縮動作が開始されると共に、ロータ延長部の回転に伴って、圧縮されながら気体は、スクリューロータ５、６のねじ溝内に移送される。ロータ延長部８の小径部分８ｂの回転方向の後端部分が他方のロータ延長部７の外周面に対峙する位置まで回転すると、スクリューロータ５、６のねじ溝内への気体の移送が終了する。
【００３２】
このようにして、一対のロータ延長部７、８によって、気体は、吸気口２から吸引されて、圧縮されながら、一対のスクリューロータ５、６の側に移送される。
【００３３】
このように構成した本例のスクリュー式真空ポンプ１では、スクリューロータ５、６の吸い込み側の軸端に、当該軸端の軸直角断面形状をそのまま軸線方向に延長させた軸直角断面形状のロータ延長部７、８を取り付けた構成を採用している。このロータ延長部７、８の吸い込み容量はスクリューロータ５、６に比べて大きいので、ポンプの排気速度を高めることができる。
【００３４】
ここで、スクリュー式真空ポンプが常用される定圧力領域では、ポンプ所要動力は、大気圧まで気体を圧縮するスクリューロータによってほぼ決まる。よって、本例のように真空側の吸い込み容積を増加させても所要動力が増加してしまうといった問題は発生しない。
【００３５】
また、上記のようにロータ延長部７、８から排出される気体は、スクリューロータ５、６のねじ溝に直接に流れ込む。よって、ロータ延長部７、８と、スクリューロータ５、６の間に仕切りを設けて、両者を繋ぐ流路を形成する必要がない。このために、ポンプの単段化が可能であり、構造を単純化できる。また、仕切り壁等に吸入気体に含まれている粉体状の反応副生成物が固着してしまう等といった弊害も発生しない。
【００３６】
さらに、本例のスクリュー式真空ポンプ１では、上端にロータ延長部７、８が取り付けられているスクリューロータ５、６を縦置きとし、その排気側の下端部分のみを軸支持した構造を採用している。この結果、吸い込み側に油潤滑が必要な軸受け部分が存在しないので、真空側空間に油等が侵入して清浄度が低下するという弊害は発生しない。また、縦置きとしてあるので、上端に位置している吸気口から侵入した粉体状の反応生成物はポンプケーシング底壁部分に落下しやすいので、スクリューロータやポンプケーシングの内周側面に付着あるいは堆積してしまうことが抑制される。
【００３７】
なお、本例のロータ延長部７、８は、スクリューロータ５、６の吸い込み側の軸端に締結ボルトによって締結固定しているが、この代わりに、スクリューロータ５、６のロータ本体５ａ、６ａの先端を延長してそこに大径部分および小径部分を一体形成するようにしてもよい。
【００３８】
また、ロータ延長部７、８にリードを付けることも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスクリュー式真空ポンプは、一対のスクリューロータの吸い込み側の軸端に、当該軸端の軸直角断面形状をそのまま延長させた軸直角断面形状をしたロータ延長部を形成した構成、あるいは取り付けた構成となっている。
【００４０】
このようなロータ延長部は気体吸い込み容量がスクリューロータに比べて大きいので、ポンプ排気速度を高めることができる。また、ロータ延長部はスクリューロータの吸い込み側の軸端の軸直角断面形状をそのまま延長させた断面形状であるので、ロータ延長部で吸引した気体を円滑に、しかも漏れ等を起こすことなく、スクリューロータの側に移送できるという利点がある。さらには、仕切り壁によって仕切られたポンプ要素が備わっている多段型の真空ポンプに比べて、構造を単純化でき、気体と共に吸引された粉体状の反応副生成物の堆積や固着を抑制できるという利点もある。
【００４１】
また、本発明では、スクリューロータの吸い込み側の軸端に、ロータ延長部を締結ボルトにより締結固定した構造の分割型ロータを用いているので、スクリューロータおよびロータ延長部の加工を別個に行うことができ、従って、加工が簡単になるという利点がある。また、これらの分割部分にシム板等を挟むことにより、分割型ロータの軸長を調整できるので、個々のロータの部品精度がそれほど高める必要がないという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したスクリュー式真空ポンプの概略縦断面図、およびそのロータ延長部の端面図である。
【図２】図１のポンプのロータ延長部の形状を示す説明図である。
【図３】図１のポンプのロータ延長部による気体吸い込み、圧縮、および移送動作を説明するための動作説明図である。
【図４】一般的なスクリュー式真空ポンプの概略縦断面図およびそのスクリューロータの端面図である。
【図５】多段型の真空ポンプの概略縦断面図、およびそのルーツロータの形状を示す端面図である。
【符号の説明】
１ スクリュー式真空ポンプ
２ 吸気口
３ 吐出口
４ ポンプケーシング
４ａ ケーシング底壁
５、６ スクリューロータ
５ａ，６ａ ロータ本体
５ｂ、６ｂ ロータシャフト
５ｃ，６ｃ ねじ
５ｄ、６ｄ スクリューロータの吸い込み側の軸端
５１、６１ 軸端突出部分
７、８ ロータ延長部
７ａ，８ａ 大径の半円部分
７ｂ、８ｂ 小径の半円部分
１１〜１４ ベアリング

Claims (3)

1. 相互に噛み合い可能な右ねじおよび左ねじがそれぞれ外周面に形成された一対のスクリューロータを備え、これらのスクリューロータを相対回転させることにより排気動作を行うスクリュー式真空ポンプにおいて、
   各スクリューロータの吸い込み側の軸端には、同軸状態にロータ延長部が一体形成され、あるいは取り付けられており、
   各ロータ延長部は、前記スクリューロータの吸い込み側の軸端における軸直角断面形状とほぼ同一の軸直角断面形状をしており、
   各ロータ延長部と前記スクリューロータの吸い込み側の軸端とは、双方の端面形状がほぼ一致した状態で相互に繋がっており、
   前記の各ロータ延長部の軸直角断面形状は、前記スクリューロータの吸い込み側の軸端における軸直角断面形状を規定しているスクリューロータ外径線よりも半径方向の内方に後退した部分と、当該スクリューロータねじ谷径線よりも半径方向の外方に迫り出した部分とを含んでいることを特徴とするスクリュー式真空ポンプ。
2. 請求項１において、
   前記ロータ延長部は、前記スクリューロータの吸い込み側の軸端に対して締結具によって締結固定されており、
   前記ロータ延長部と前記スクリューロータの吸い込み側の軸端の間にシム板を挿入することにより、前記ロータ延長部の吸い込み側の軸端とポンプケーシングの隙間を調整できることを特徴とするスクリュー式真空ポンプ。
3. 請求項１または２において、
   前記スクリューロータは、その吸い込み側が上側に位置するように、縦置き状態に配置され、下側に位置する排気側の部分のみで軸支されていることを特徴とするスクリュー式真空ポンプ。

Images