JPH11106343A

JPH11106343A - 容積形ポンプ

Info

Publication number: JPH11106343A
Application number: JP26760797A
Authority: JP
Inventors: Kiyozumi Fukui; 清純福井
Original assignee: TD GIKEN KK
Current assignee: TD GIKEN KK
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ハウジングとロータの熱膨張の度合を顧慮し
てこれらの線膨張係数を異なる値に設定し、高温熱膨張
時においてもロータ周辺の微小隙間を所定範囲内に維持
して焼き付きを防止する。【解決手段】ハウジング１１と、ハウジング１１の吸
入口１１ａからロータ室１２に圧縮性流体を吸入すると
ともにその流体を排出口１１ｂから排出するようロータ
室１２内に設けられたロータと、を備えた容積型ポンプ
において、ハウジング１１が所定の線膨張係数を有する
とともに、ロータ２１，２２がハウジング１１の線膨張
係数より小さい線膨張係数を有するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容積形ポンプ、例
えば空気やこれと他の気体が交じった圧縮性流体を排気
する真空ポンプに好適な容積形ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、低圧作業空間を得るための真空排
気等に使用される真空ポンプとして、ルーツ型、クロー
型、スクリュー型といった容積形ポンプが多用されてい
る。この種の容積形ポンプの排気運転に際しては、排出
口までの移送中に所定の圧縮率で容積を減少した気体移
送室が次々と連続的に排出口に連通し、大気中への排気
がなされる。この排気のための断熱圧縮によって生じる
熱や、漏れにより大気側（排出口側）からポンプ内（後
続の気体移送室側）に逆流する気体が再度大気側に戻さ
れる損失サイクル等により、ポンプの排出口側は高温と
なる。このとき、排出口近傍のロータ部が相当高温とな
って大きく熱膨張するのに対し、排出口近傍のハウジン
グ部は大気にさらされていることによる放熱や強制冷却
による冷却があるのでロータ部ほどは大きく熱膨張しな
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】したがって、上述のよ
うな従来の容積形ポンプは、排出口側の温度が高くなる
と、上記ロータ部と上記ハウジング部との熱膨張の差が
大きくなり、次のような問題が生じる。図３に示すよう
に、ロータ（回転子）５の外周部とハウジング６の内周
面の間の微小隙間ｇa、並びに、隣接する複数のロータ
間の微小隙間（図示していない）等が熱膨張によって過
小となり、ロータ５の焼付きによる拘束現象あるいは軸
受３の焼付きが生じることがある。また、排出口側のロ
ータ５の端面とこれに対向するハウジング６の内壁面の
間の微小隙間ｇbが過大となり、該隙間を介しての、大
気側からポンプ内部への空気の逆流が増大し、排気性能
が低下するという問題が生じる。

【０００４】さらに、実際のポンプ運転においては、以
上のような問題を生じないようにするため、ポンプ排気
口側が過度に高温とならないような運転条件（例えばポ
ンプ回転数等の条件）で使用せざるを得ないという問題
があった。その結果、例えば半導体製造装置の真空排気
においては、特に比較的低温（例えば１００度以下）と
なるポンプの吸入口側のロータ外周等に、低圧作業空間
内から排気される特定のガス（例えばＣＶＤ法による薄
膜成形工程における反応ガス）に起因する固形生成物が
付着し、その固形生成物除去のためメンテナンスを頻繁
に行わなければならないという問題があった。

【０００５】本発明は、上述のような解決すべき課題に
鑑みてなされたもので、ポンプ内部の温度が上昇しても
ロータ周りの径方向および軸方向の微小隙間を所定範囲
内に保つようにして、ロータ等の焼付きを防止するとと
もに、排気性能が大きく低下しない容積形ポンプを提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、吸入口および排出口を有し、内部にロー
タ室が形成されたハウジングと、吸入口からロータ室に
圧縮性流体を吸入するとともに該流体を排出口から排出
するようロータ室内に回転可能に設けられたロータと、
を備えた容積形ポンプにおいて、前記ハウジングが所定
の線膨張係数を有するとともに、前記ロータが該ハウジ
ングの線膨張係数より小さい線膨張係数を有することを
特徴とするものである。

【０００７】かかる構成においては、ポンプ内部が排気
のための断熱圧縮や損失サイクル等によって高温とな
り、線膨張係数の小さいロータが所定量熱膨張すると
き、ハウジングは、放熱等によりロータ側より低温とな
るが、ロータより線膨張係数が大きいためにロータの熱
膨張に近い熱膨張を生じる。したがって、ロータとハウ
ジングの間の微小隙間は低温域から高温域にわたって所
定範囲内に保たれる。また、ハウジングの熱膨張によっ
てロータ軸間距離がわずかに拡大することと、各ロータ
の熱膨張が小さく抑えられることにより、熱膨張による
ロータ間の隙間（噛合隙間）の減少も抑えられる。さら
に、ポンプの排出口側が相当高温となるような運転状態
におけるロータ軸受部において、ロータの軸受部におけ
る熱膨張が少なく、軸穴側の熱膨張による拡径が助長さ
れることから、軸受に過大な荷重が作用することが軽減
される。したがって、ロータや軸受の焼付きを防止する
ことができるとともに、排気性能が大きく低下すること
もない。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について添付図面を参照しつつ説明する。図１および
図２は本発明に係る容積形ポンプの一実施形態を示す図
であり、本発明をスクリュー型の真空ポンプに適用した
例を示している。まず、その構成を説明すると、図１お
よび図２において、１１は、内部にロータ室１２が形成
されたポンプハウジングで、このポンプハウジング１１
は吸入口１１ａおよび排出口１１ｂを有している（図２
参照）。２１，２２はこのポンプハウジング１１のロー
タ室１２内にそれぞれ微小隙間（例えば５０μｍ程度）
をもって回転可能に収納された雌雄のスクリューロータ
である。スクリューロータ２１，２２のうち雄スクリュ
ーロータ２１は雄ねじ状に、雌スクリューロータ２２は
ロータ２１とは逆ねじ方向の雌ねじ状に形成されてお
り、ポンプハウジング１１の内部でこれらスクリューロ
ータ２１，２２が微小隙間（例えば５０μｍ程度）をも
って平行に隣接配置され、後述する駆動手段によって相
互に逆方向に駆動されるようになっている。

【０００９】ポンプハウジング１１とロータ室１２内の
ロータ２１，２２との間には、ロータ２１，２２の近接
部分で仕切られた複数の螺旋状の作動室２５，２６（気
体移送室）が形成されており、これら作動室２５，２６
はスクリューロータ２１，２２の各移送区間におけるリ
ード長に応じた所定の容積を有している。そして、ロー
タ２１，２２が回転するとき、作動室２５，２６は、吸
入口１１ａに連通している吸入側の移送区間では容積を
所定値まで増加させて吸気作用をなし、吸入口１１ａに
も排出口１１ｂにも連通しない中間の移送区間では所定
容積で移送され、排出口１１ｂに連通する排出側の移送
区間では容積を最小に減少させて大気圧程度以上の吐出
圧を生じ、これによって排出作用をなすようになってい
る。なお、スクリューロータ２１，２２のリード長やね
じ溝の断面積を変化させることにより、作動室２５，２
６の容積が前記中間の移送区間で徐々に（多段階に）減
少するようにしてもよい。その場合には排気性能の向上
により、メカニカルブースタポンプを不要とするような
ことも可能となり、この発明の適用の効果は特に大き
い。

【００１０】また、スクリューロータ２１，２２はその
回転中心軸であるロータ軸３１，３２（回転中心軸）と
一体に形成されており、ロータ軸３１，３２はロータ２
１，２２の軸方向両端から突出する一端部３１ａ，３２
ａおよび他端部３１ｂ，３２ｂを有している。４１，４
２は、ロータ軸３１，３２の一端部３１ａ，３２ａとポ
ンプハウジング１１の軸穴部１３ａ，１４ａとの間にそ
れぞれ介在する第１の軸受であり、４３，４４は、ロー
タ軸３１，３２の他端部３１ｂ，３２ｂとポンプハウジ
ング１１の軸穴部１３ｂ，１４ｂとの間にそれぞれ介在
する第２の軸受である。これら第１および第２の軸受４
１〜４４は、ロータ２１，２２をポンプハウジング１１
に対し回転自在に支持する機能を有する。また、第１の
軸受装置４１，４２は、これらの軸方向中間位置を基準
にして、ポンプハウジング１１に対するロータ２１，２
２の軸方向変位を規制する機能を有しており、一方、第
２の軸受４３，４４はポンプハウジング１１に対するロ
ータ２１，２２の軸方向変位（具体的には、第１の軸受
装置４１，４２によって一端部３１ａ，３２ａの軸方向
変位を規制されたロータ軸３１，３２が熱膨張に伴って
伸長し、他端部３１ｂ，３２ｂが変位する）を許容する
機能を有している。

【００１１】５０は、スクリューロータ２１，２２を駆
動する駆動手段で、雄スクリューロータ２１のロータ軸
３１に連結された電動機５１と、ロータ軸３１，３２に
それぞれ固定され互いに噛合する同一歯数のタイミング
ギヤである伝動ギヤ５２，５３と、を含んで構成されて
いる。ところで、ポンプハウジング１１は、所定の線膨
張係数を有する材料、例えばアルミニウム合金やステン
レス鋼によって形成されており、スクリューロータ２
１，２２はポンプハウジング１１より小さい線膨張係数
を有する材料、例えばインバー（invar）や低炭素合金
鋼等によって形成されている。ここでの線膨張係数の設
定は、スクリューロータ２１，２２の線膨張係数がポン
プハウジング１１の線膨張係数から少なくともその２０
％を減じた値になるようにしており、より好ましくは、
ポンプハウジング１１の線膨張係数からその３０％〜５
０％を減じた値の線膨張係数になる材料を選定する。ま
た、軸受装置４１，４２は、スクリューロータ２１，２
２の線膨張係数以上で、ポンプハウジング１１の線膨張
係数以下となる線膨張係数を有するのがよい。

【００１２】上述の構成においては、駆動手段５０の電
動機５１によって雄スクリューロータ２１が駆動される
と、伝動ギヤ５２，５３を介して雌スクリューロータ２
２が雄スクリューロータ２１と同期して逆方向に駆動さ
れ、両ロータ２１，２２の近接部分によって仕切られた
複数の螺旋状の作動室２５，２６が、吸入口１１ａに連
通している吸入側の移送区間では容積を所定値まで増加
させて吸気作用をなし、吸入口１１ａにも排出口１１ｂ
にも連通しない中間の移送区間では所定容積で又は容積
を徐々に減少させながら移送され、排出口１１ｂに連通
する排出側の移送区間では容積を最小に減少させて排出
作用をなす。

【００１３】この運転状態において、排出口１１ｂ側で
は作動室２５，２６が次々と排出口１１ｂに連通して大
気中への排気がされるが、この排気のための断熱圧縮に
よって生じる熱や、漏れにより大気側（排出口１１ｂに
連通した作動室２５，２６側）からポンプハウジング１
１内（後続の作動室）に侵入する気体が再度大気側に戻
される損失サイクル等により、排出口１１ｂ側は高温と
なる。また、運転時には大半の作動室２５，２６が負圧
状態となって断熱作用をなすことから、外気への放熱等
が可能なポンプハウジング１１が比較的低温であるにも
かかわらず、スクリューロータ２１，２２側はこのポン
プハウジング１１側に熱が伝達され難く高温状態に保持
される。

【００１４】このとき、ポンプハウジング１１の排出口
１１ｂ側で、スクリューロータ２１，２２、ロータ軸３
１，３２および第１の軸受装置４１，４２が、かなり高
温となり、それぞれ図２に仮想線で示すように温度上昇
に応じた熱膨張をする。一方、ポンプハウジング１１
は、放熱等によってこれらほど温度が上昇しないが、ス
クリューロータ２１，２２およびロータ軸３１，３２よ
り所定割合で線膨張係数が大きくなっているので、ポン
プハウジング１１の内周面はスクリューロータ２１，２
２の熱膨張による外径増加に対応する程度に熱膨張し、
ポンプハウジング１１とスクリューロータ２１，２２の
間の径方向隙間ｇ2が所定範囲内に保たれる。

【００１５】また、ポンプハウジング１１の熱膨張によ
ってスクリューロータ２１，２２の軸間距離がわずかに
拡大することと、各スクリューロータ２１，２２の熱膨
張が小さく抑えられることによって、熱膨張によるスク
リューロータ２１，２２間の隙間（噛合隙間）の変化も
小さく抑えられる。さらに、排出口１１ｂ側の第１の軸
受装置４１，４２によるロータ軸３１，３２の一端部３
１ａ，３２ａの軸受部分において、線膨張係数の小さい
ロータ軸３１，３２の熱膨張が抑えられ、かつ、線膨張
係数の大きいポンプハウジング１１の軸穴部１３ａ，１
４ａは熱膨張による拡径が促進されることから、第１の
軸受装置４１，４２に過大な荷重が作用することがな
い。また、ロータ軸３１，３２が熱膨張によって軸方向
に延びるときには、ロータ軸３１，３２の他端部３１
ｂ，３２ｂが第２の軸受４３，４４に対してスライド
し、第１の軸受装置４１，４２および第２の軸受４３，
４４によってロータ軸３１，３２がポンプハウジング１
１の軸穴部１３ａ，１４ａの中心軸上に安定軸支され
る。

【００１６】この状態において、スクリューロータ２
１，２２およびロータ軸３１，３２は排出口１１ｂ側で
第１の軸受装置４１，４２によって軸方向変位を規制さ
れるから、図２に示す第１の軸受装置４１，４２の軸方
向中間位置からスクリューロータ２１，２２の端面２１
ａ，２２ａまでの距離Ｌ1は、スクリューロータ２１，
２２およびロータ軸３１，３２の線膨張係数とその上昇
温度に応じて増加し、一方、同図に示す第１の軸受装置
４１，４２の軸方向中間位置からポンプハウジング１１
の内壁面１１ｃまでの距離Ｌ2は、ポンプハウジング１
１の線膨張係数とその上昇温度に応じて増加する。しか
し、スクリューロータ２１，２２およびロータ軸３１，
３２の熱膨張がその温度上昇の割に小さい線膨張係数に
よって抑えられ、一方、放熱等により温度上昇の少ない
ポンプハウジング１１の線膨張係数が所定割合で大きく
なされているので、ポンプハウジング１１の内壁面１１
ｃとスクリューロータ２１，２２の端面２１ａ，２２ａ
は、これらの間の軸方向隙間ｇ2を所定範囲内に保つよ
うに同方向に同程度変位することになる。

【００１７】さらに、本実施形態においては、スクリュ
ーロータ２１，２２の線膨張係数が、ポンプハウジング
１１の線膨張係数から少なくともその２０％を減じた値
となっているので、スクリューロータ２１，２２とポン
プハウジング１１の温度差が部分的に数十〜百数十度以
上となる高温熱膨張時にあっても、前記微小隙間ｇ1，
ｇ2の変化を抑え、これらを所定範囲内に保つことがで
きる。

【００１８】したがって、スクリューロータや軸受の焼
付き拘束が発生するという従来の問題を解消するととも
に、排気性能が大きく低下することもない。したがっ
て、高速回転での運転が可能となり、排気性能を向上さ
せることができる。また、上記排気性能の向上により、
メカニカルブースタポンプを不要とするようなことも可
能となる。また、高温運転により、ロータ等への固形生
成物の付着が減少する。

【００１９】なお、上述の一実施形態においてあげたポ
ンプハウジング１１の材料やスクリューロータ２１，２
２の材料は単なる一具体例であり、ポンプハウジング１
１の線膨張係数がスクリューロータ２１，２２の線膨張
係数より大くきなり、スクリューロータ２１，２２とハ
ウジング１１の熱膨張によりこれらの間に外径接触が生
じたり逆に低温時に過大な隙間が生じたりしない範囲内
で、適宜他の材料の組み合せを選択することができる。

【００２０】また、上述の説明においては、真空ポンプ
を例に本発明の実施形態を説明したが、ロータ材料とハ
ウジング材料の組み合せを特徴とする本発明は、真空ポ
ンプに限らず、圧縮ポンプにも適用することができる。

【００２１】

【実施例】実施例として、ポンプハウジング１１の材料
に線膨張係数が１６×１０^-6／℃のＳＵＳ３１６Ｌ（ス
テンレス鋼）を使用し、雌雄スクリューロータ２１，２
２の材料に線膨張係数が１１．６×１０^-6／℃のＳＣＭ
４３５（クロムモリブデン鋼）を使用して、上述の実施
形態と同一構造の容積形ポンプを作製し、更に、ポンプ
ハウジングおよびスクリューロータの材料にそれぞれ線
膨張係数が１６×１０^-6／℃のＳＵＳ３１６Ｌ（ステン
レス鋼）を使用した実施例と同一サイズ、同一構造の比
較例の容積形ポンプを作製して、これらの比較試験を行
ったところ、下表のような結果が得られた。

【００２２】なお、以下の実施例および比較例は、共
に、雄スクリューロータ２１の外径を約１６０ｍｍ、雌
スクリューロータ２２の外径を約１２０ｍｍ、スクリュ
ーロータ２１，２２の軸間距離を約１１０ｍｍとし、ス
クリューロータ２１，２２の長さを２４０ｍｍとしたも
のである。この表から明らかなように、比較例では、高温時におけ
るスクリューロータ端面の外径部分の径方向隙間が減少
する一方、スクリューロータ端面の軸方向隙間が過大と
なり、さらに、スクリューロータの大きな熱膨張に伴っ
てねじの三次元形状誤差が大きくなった。そのため、排
気口近傍のスクリューロータ端面で過大な排気の逆流が
生じたり（表中の*1）、スクリューロータの外周部がハ
ウジングの内周壁面に接触して焼付きを生じたりした
（表中の*2）。これに対し、実施例のポンプでは、ロー
タ径方向の隙間ｇ1およびロータ端面の軸方向隙間ｇ2の
何れも許容範囲内に保たれ、スクリューロータのねじの
三次元形状誤差も小さく抑えられた。したがって、本発
明の実施例のスクリューポンプは、高温での運転時でも
ロータの焼付きを確実に防止することができ、安定した
長時間の連続運転ができた。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、ロータの線膨張係数を
ハウジングより所定割合で小さくしているので、ポンプ
内部が排気のための断熱圧縮や損失サイクル等によって
高温となって線膨張係数の小さいロータが所定量熱膨張
するとき、放熱等によりロータ側より低温となるハウジ
ングをロータの熱膨張に近い程度に熱膨張させることが
でき、低温域から高温域まで、ロータとハウジングの間
の微小隙間の変化を所定範囲内に抑えることができ、排
気性能が大きく低下することもない。また、ロータが複
数の場合に、ハウジングの熱膨張によってロータ軸間距
離をわずかに拡大させつつ各ロータの熱膨張を小さく抑
えることができ、ロータ外周面間の隙間も所定範囲内に
保つことができる。さらに、ロータの軸受部において、
ポンプの排出口側が相当高温となるような運転状態にあ
っても、軸受部におけるロータの熱膨張を少なくすると
ともに軸穴側の熱膨張による拡径を生じさせ、軸受に過
大な荷重が作用しないようにすることができる。これら
の結果、高速回転での運転が可能となり、排気性能を向
上させることができる。また、反応ガス等による固形生
成物がロータ外周等に付着し難い温度域にまでポンプ内
部が温度上昇するような運転条件でポンプを使用するこ
とができ、ロータ表面等に付着する固形生成物を除去す
るためのメンテナンスの回数を減少させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る容積形ポンプの一実施形態を示す
その平面断面図である。

【図２】一実施形態の容積形ポンプの作用説明図であ
る。

【図３】従来例の容積形ポンプの作用説明図である。

【符号の説明】

１１ポンプハウジング１１ａ吸入口１１ｂ排出口１１ｃ内壁面１２ロータ室１３ａ，１４ａ軸穴部２１，２２スクリューロータ（ロータ）２１ａ，２２ａ端面（ロータの軸方向一端面）２５，２６作動室（気体移送室）３１，３２ロータ軸３１ａ，３２ａ一端部（排出口側の端部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ０７Ｊ 1/00 Ｃ０７Ｊ 1/00 Ｆ０４Ｃ 18/16 Ｆ０４Ｃ 18/16 Ｒ 25/02 25/02 Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸入口および排出口を有し、内部にロータ
室が形成されたハウジングと、吸入口からロータ室に圧縮性流体を吸入するとともに該
流体を排出口から排出するようロータ室内に回転可能に
設けられたロータと、を備えた容積形ポンプにおいて、前記ハウジングが所定の線膨張係数を有するとともに、前記ロータが該ハウジングの線膨張係数より小さい線膨
張係数を有することを特徴とする容積形ポンプ。