JPH10281089A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体製造設備等に用いられる真空ポンプに
おいて、その回転支持の要となる軸受部の信頼性を向上
させることを目的とする。 【解決手段】 回転軸１および２の内部に遠心力による
冷却油の吸い上げ作用を行う管路１９、２０が設置され
ており、その先端のノズル１５、１６は冷却液タンク１
７に満たされた冷却および軸受潤滑のための冷却液１８
に浸かっている。冷却液１８は軸受４、５の高さまで吸
い上げられた所で、回転軸１、２内の穴の内壁と管１
９、２０の外壁との間の空間２１、２２を落下し、冷却
液タンク１７に戻ることによって回転軸１、２および軸
受４、５の内輪を冷却し、軸受４、５の外輪に対する内
輪の熱膨張量が過大になることを抑制し、軸受内の玉と
内外輪の接触圧が過剰にならないようにすることによ
り、軸受部に高い信頼性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は半導体製造設備等
に用いられる真空ポンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の容積式ドライ真空ポンプの気体の
吸入吐出作用を行うポンプ本体部分は図５に示すよう
に、ハウジング１００と一対のロータ１０１、１０２を
備えた回転軸１０３、１０４およびこれらを同期回転さ
せるためのタイミング歯車１０５、１０６と回転軸１０
３、１０４を支持する軸受とからなり、動力源のモータ
１０７はポンプ本体部とは離して設置され、その動力は
複数個の歯車１０８、１０９により伝達されるような構
成であった。このような構成からなる２つのロータを持
つ容積式ドライ真空ポンプでは、タイミング歯車を用
いた接触型の同期回転であるため回転数の高速化ができ
ず、１回転当たりの吸入吐出容積と回転数の積で決まる
ポンプの排気能力を稼ぐためにはポンプ作用を行うロー
タ部が大型化するということ、動力伝達と同期回転の
ために多数の歯車を必要とし部品点数が多く装置が大型
でかつ複雑になるということ、複数個の歯車は全て接
触によって動力を伝達するので磨耗や焼き付き防止のた
め歯車の接触部分には潤滑油を供給する必要があり、こ
の潤滑油が真空排気経路に漏洩しないようにオイルシー
ルの部品が必要となること、複数個の歯車の機械的接
触が振動や騒音の原因となっていること 等の問題点が
あった。

【０００３】そこで上記した〜の課題を解決するた
めに、本出願の発明者らは２つのロータの組合せからな
る容積式真空ポンプのロータが設置されている各回転軸
にビルトイン形のモータを配し、かつ、この２つの軸を
電子制御により同期運転することにより、動力伝達およ
び同期のための歯車を全く持たず、かつ高速小型ロータ
を簡易な構造で小さく納めた広帯域用複合型真空ポンプ
を特開平４−１７５４９１号により提案している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した２つの軸を電
子制御によって同期運転させる真空ポンプでは、それぞ
れの回転軸にモータが直結したビルトイン構造となって
いる。そのためロータの高速回転化が容易となり、その
結果装置全体の小型化が可能となる。

【０００５】しかしその反面、次のような発熱を伴う要
素部品が小さな空間に凝縮した構成で配置されているこ
とになる。すなわち、ポンプのロータ部での輸送ガス
の圧縮作用による発熱、軸受部での摺動発熱、モー
タロータ部での渦電流損失等による発熱であり、これら
の発熱量はロータの高速化によって著しく増大する。そ
の結果、主に軸受の信頼性と寿命に大きな影響を与える
部材の温度上昇という課題が生じた。

【０００６】モータのステータを保持しているハウジン
グを冷却水等を循環させることにより冷却すれば、ポン
プ全体の温度上昇は抑えられる。しかし、冷却が容易な
固定側と熱的に遮断された状態にある回転軸との温度差
は如何ともしがたいものである。本出願の発明者らは詳
細に各部の温度分布を分析した結果、特に軸受部では玉
軸受の内輪の温度が外輪に比べかなり高くなることが明
らかになった。従って、外輪に対して内輪が余分に熱膨
張することとなり、軸受内部の隙間が減少し、軸受の玉
と内輪および玉と外輪の接触する圧力が異常に大きくな
ることが原因で軸受の寿命が著しく短くなるかもしくは
軸受の焼き付きに至るということが問題点となった。

【０００７】本発明は、このような電子制御によって同
期運転する容積式ドライ真空ポンプの軸受信頼性を高め
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑みて本発明
の第１の発明は、回転軸内に循環させた冷却液により回
転軸および軸受の内輪を冷却する冷却手段を具備したこ
とを特徴とする真空ポンプを提供する。

【０００９】本発明の第２の発明は、第１の発明におい
て、管路の回転を利用して冷却液を循環させる構成とし
たものである。

【００１０】本発明の第３の発明は、第１の発明におい
て、ハウジングとは別に設置された冷却液循環用の強制
給油ポンプによって冷却液を循環する構成としたもので
ある。

【００１１】本発明の第４の発明は、第１、２、３の発
明において冷却液の一部が回転軸を支持する軸受の潤滑
油として供給される構成としたものである。

【００１２】本発明の第５の発明は、第１、第２、第３
の発明において、ロータを冷却することなく、軸受部の
みに冷却効果を持たせる構成としたものである。

【００１３】本発明の第６の発明は、第５の発明におい
て、冷却液の流通路を回転軸の端部から軸受が配置され
た位置の近傍まで形成したものである。

【００１４】これらの本発明によれば、軸受信頼性の高
い真空ポンプが得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載した発明
は、ハウジング内に収納された複数個のロータと、これ
らのロータの回転軸を支持する軸受と、複数個のロータ
をそれぞれ独立して回転させる複数個のモータからなる
容積式の真空ポンプにおいて、回転軸内に循環させた冷
却液により回転軸および軸受の内輪を冷却する冷却手段
を具備したものであり、外輪に対する内輪の熱膨張を抑
えることによって軸受の玉と内外輪の接触する圧力が過
剰になることを防ぎ、軸受の焼付防止を図る。

【００１６】請求項２に記載の発明は、請求項１におけ
る冷却手段として、回転の遠心力を利用して回転軸の軸
心に挿入された管路内で冷却液を軸上端付近まで吸い上
げ、さらに吸い上げた冷却油を回転軸内およびハウジン
グ内を通してポンプ底部に設けられた冷却液タンクへ戻
すための通路が設けられており、冷却液が回転軸内を循
環する間に回転軸および軸受内輪の熱を奪うという作用
を有する。

【００１７】請求項３に記載の発明は、請求項１におけ
る冷却手段として、回転軸の軸心に配置され回転軸とは
接しない冷却液循環のための固定管路が別に設置され、
この固定管路は回転軸の駆動用モータとは別の駆動源に
よって運転される冷却液循環用の強制給油ポンプに接続
されており、回転軸の内壁と固定管路の外壁により形成
される空間を冷却液の戻り通路ならびに回転軸と軸受内
輪の吸熱壁として構成することにより回転軸の温度上昇
を抑制している。

【００１８】請求項４に記載の発明は、冷却液が回転軸
の軸心より径方向に流れ出ることができる小径の穴を回
転軸に備えているものであり、冷却液の一部が回転軸を
支持する軸受の潤滑油として供給されるという作用を有
する。

【００１９】請求項５および請求項６に記載の発明は、
回転軸およびロータのうち軸受近傍のみに主な冷却効果
が得られるように冷却液の流通路を形成したことを特徴
としたものであり、反応性生成物を発生するプロセスに
本発明の真空ポンプ適用した場合に、反応性生成物がポ
ンプの吐出側で温度降下と昇圧のために固体化すること
を防ぎ気体状態のままで真空ポンプの下流側へ排出する
ように、ロータおよび気体の排気経路を高温状態に維持
するものである。

【００２０】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図４を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の第１の実施形態におけ
る真空ポンプの正面断面図である。第１回転軸１、第２
回転軸２はハウジング３内に収納された軸受４、５によ
って支持されている。第１回転軸１および第２回転軸２
には筒型ロータ６、７が嵌合されている。各ロータ６、
７の外周面には互いに噛み合うようにして矩形のネジ溝
８、９が形成されている。これらの両ネジ溝８、９の噛
み合い部分の凹部とケーシング１０および対向するロー
タ６、７のネジ溝の凸部に囲まれて形成された密封空間
は、両回転軸１、２が互いに逆方向に同期しながら回転
することに伴い周期的に容積変化を起こし、この容積変
化により吸入吐出の作用を繰り返すようになっている。
前記第１回転軸１と第２回転軸２の下部には、回転軸に
駆動力を与えるビルトイン型のサーボモータのロータ部
１１、１２が、さらに下部に回転位置センサー１３、１
４が設けられている。本実施形態では、両回転軸１、２
の回転角および回転数の検出に電磁誘導作用を利用した
レゾルバを用いている。レゾルバは一次側に交流電流を
印加したときに誘起される電圧変化によって回転角を検
出する一種の回転型の変圧器である。

【００２１】回転軸１、２の下端部には冷却液を吸い上
げるためのノズル１５、１６が設置されており、冷却液
タンク１７に満たされた冷却および軸受潤滑のための冷
却液１８に浸かっている。ノズル１５および１６は遠心
力による冷却液１８の吸い上げ作用を行う回転軸１、２
内に設けられた管路１９、２０につながっており、回転
軸１、２上部まで冷却液１８が上った所で、遠心力によ
って径方向へ流れを変え、今度は回転軸１、２内の穴の
内壁と管路１９、２０の外壁との間の空間２１、２２を
自重によって落下し、オイルタンク１７に戻る。冷却液
１８が回転軸１、２の穴の内壁をつたって落ちるとき回
転軸および軸受４、５の内輪の熱を奪っていくことによ
って、軸受４、５の内外輪の熱膨張の差異を抑制し、軸
受内の玉と内外輪の接触圧が異常に上昇しないようにし
ている。図２には図１の軸受４、５のような軸受構成の
場合に限定して、玉軸受の内外輪の温度差と軸受の疲労
寿命の関係を示している。図２を見ると、内外輪温度差
が５０度の場合、温度差が１０度の場合の１／３０程度
の寿命となることが予測され、非常に短時間で焼き付き
を起こす可能性が高いことがわかる。

【００２２】また、回転軸１、２の上部には冷却液１８
の循環路２１、２２から軸受内輪側へ通ずる小径の穴２
３、２４が設けられている場合もあり、冷却液１８に働
く遠心力によってこの穴２３、２４を通って軸受４、５
側へ流れ出た冷却液１８は軸受４、５に対し潤滑と吸熱
の作用を施し、ケーシング１０に設けられた冷却液戻り
通路２５、２６を流れて冷却液タンク１７へ戻るように
なっている。

【００２３】なお、図１では遠心力を利用して冷却液を
軸受位置まで吸い上げる方法を示したが、冷却に必要な
所定の圧力と流量が得られるならば、軸端がネジ形状を
した粘性ポンプやトロコイドなどの容積式ポンプなど、
軸の回転を利用した各種の自給式ポンプによって冷却液
の循環機構を構成しても同様の効果が得られる。

【００２４】（実施の形態２）図３は本発明の第２の実
施形態を示す。基本的構造は第１の実施形態と同じであ
るが、回転軸１、２の軸下端にノズルがなく、さらに軸
内に挿入されている管２９は回転軸１、２とは全く分離
され冷却液タンク１７の底部に固定されている。冷却液
１８を軸上端付近まで送るためのこの管２９は冷却液タ
ンクの底板を貫通し、ポンプ外部に配された管２７を介
してポンプ外部に別に設置された循環用液体ポンプ３０
につながっている。冷却液１８は一旦冷却液タンク１７
から管２８を通ってこの強制給油ポンプ３０に吸い出さ
れ、強制給油ポンプ３０から管２９を通って回転軸１、
２の穴の上部へ送り出される。回転軸１、２の穴の内壁
と管の外壁の間の空間２１、２２を通過する間に吸熱作
用を行うのは第１の実施形態と同じである。また、冷却
液１８の一部を軸受４、５の潤滑作用に使う構造にした
場合の冷却液１８が冷却液タンク１７ヘ戻るルートも第
１の実施形態と同じと考えてよい。

【００２５】（実施の形態３）図４は、ＣＶＤやエッチ
ングなどのプロセスの中でも特に反応性生成物を発生す
るガスを排気する場合に本発明の真空ポンプ適用する場
合、回転軸およびロータのうち軸受近傍のみに主な冷却
効果が得られるように冷却液の流通路を形成する第３の
実施形態における真空ポンプを示している。凝固点温度
が比較的低い塩化アンモニウムや塩化アルミニウム、Ｔ
ＥＯＳなどの反応性生成物が発生するプロセスにおいて
は、その気体分圧が高くなるポンプの吐出側においても
凝固せず気体状態を維持するように、ケーシング３１や
ロータ部３２、３３を圧縮熱によって高温状態に保つよ
うに、回転部のうちポンプ作用を行うロータ部３２、３
３はできるだけ冷やさず、軸受部のみに冷却効果を持た
せるよう冷却液循環路を設けた例を示したものである。
これは、冷却の目的があくまで軸受の信頼性を高めるこ
とにあって、ポンプロータ部全体を冷却することによっ
てロータの熱膨張を抑えケーシングとの微小隙間を維持
しようとする真空ポンプとは異なることを意味してい
る。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、既提案の
電子制御による高速同期運転方式を用いた小型の真空ポ
ンプにおいて、高速回転領域においてもその回転支持の
要となる軸受部の高信頼性を確保できるという有利な効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空ポンプの一実施形態を示す正面断
面図

【図２】図１に示す真空ポンプの軸受の内外輪温度差と
予測寿命の関係図

【図３】本発明の真空ポンプの第２実施形態を示す正面
断面図

【図４】本発明の真空ポンプの第３実施形態を示す正面
断面図

【図５】従来の真空ポンプの構造を示す正面断面図

【符号の説明】

１、２ 回転軸 ３ ハウジング ４、５ 軸受 ６、７ ロータ １０ ケーシング １１、１２ サーボモータのロータ部 １３、１４ 回転位置センサー １５、１６ ノズル １７ 冷却液タンク １８ 冷却液 １９、２０ 管路 ２５、２６ 冷却液戻り通路 ２９ 管 ３０ 強制給油ポンプ ３１ ハウジング ３２、３３ ロータ部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングの内部に収納された複数個の
   ロータと、これらのロータの回転軸を支持する軸受と、
   前記ハウジングに形成された気体の吸気口および吐出口
   と、前記複数個のロータをそれぞれ独立して回転させる
   複数個のモータと、前記モータの回転角および回転数を
   検知する検出手段とからなり、前記検出手段からの信号
   を用いて前記ロータを同期して回転させることによって
   前記複数個のロータおよび前記ハウジングで形成される
   密閉空間の容積変化を利用して気体の吸気および排気を
   行う容積式の真空ポンプにおいて、前記回転軸内に冷却
   液を循環させることにより前記回転軸および前記軸受を
   冷却する冷却手段を具備したことを特徴とする真空ポン
   プ。
2. 【請求項２】 冷却手段として設けられた冷却液の循環
   手段には、回転軸の軸心に冷却液循環のための管路が挿
   入され、前記回転軸および挿入された前記管路の回転を
   利用して前記冷却液をハウジング底部に設けられた冷却
   液タンクより吸い上げる自給式ポンプとして構成されて
   おり、吸い上げられた前記冷却液が前記冷却液タンクへ
   帰還するための戻り通路が前記回転軸内および前記ハウ
   ジング内に設けられている請求項１記載の真空ポンプ。
3. 【請求項３】 冷却手段として設けられた冷却液の循環
   手段として、回転軸の軸心に前記回転軸とは接しない冷
   却液循環のための固定管路が設けられ、この固定管路
   が、ローターの回転駆動用のモータとは別の駆動源によ
   って運転されハウジングとは別に設置される冷却液循環
   用の強制給油ポンプに接続されており、前記回転軸の内
   壁と前記固定管路の外壁により形成される空間が冷却液
   の戻り通路および回転軸と軸受内輪の吸熱壁として構成
   されていることを特徴とする請求項１記載の真空ポン
   プ。
4. 【請求項４】 冷却手段は、回転軸の軸受嵌合付近にお
   いて、軸心より半径方向に向う小径の穴を備え、冷却液
   の一部は前記回転軸を支持する前記軸受の潤滑油として
   供給される請求項１、２、３記載の真空ポンプ。
5. 【請求項５】 回転軸には軸受近傍のみに主な冷却効果
   が得られるように前記回転軸の一部に冷却液の流通路を
   形成したことを特徴とする請求項１、２、３に記載の真
   空ポンプ。
6. 【請求項６】 流通路は回転軸の端部から軸受が配置さ
   れた位置の近傍まで形成してロータ側は密封端とし、前
   記ロータの配置位近傍には形成していない請求項５記載
   の真空ポンプ。