JPS60216089A - スクリユ−真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はスクリュ一式真空ポンプに係り、特に大気圧か
ら１０−’Ｔｏｒｒレベルの低・中真空領域に好適なオ
イルフリー真空ポンプに関する。

〔発明の背景〕

従来より低・中真空領域では油回転ポンプ、ルーツ式の
メカニカルブースターポンプ、エゼクタポンプ、拡散ポ
ンプなど１種々の形式の真空ポンプが用いられていた。

従来の真空ポンプや真空系の問題点は。

（１）真空ポンプの作動圧力範囲が狭く、大気圧から１
０−’Ｔｏｒｒレベルまで一台の真空ポンプで排気する
ことができない。特に背圧が大気圧のもとて作動可能な
真空ポンプとしては油回転ポンプがほとんど唯一のもの
であり、その他のポンプは背圧がＩＱＴｏｒｒ以下でな
いと使用できない、このため（、ＶＤ炉などの半導体製
造装置で１０−’　〜１０−’　Ｔｏｒｒの到達圧力を
達成しようとすると２段の油回転ポンプを用いるか、あ
るいは第１図に一例を示す如く油回転ポンプ２を粗引き
ポンプとして使い、これにメカニカルブースター３など
他のポンプを組合せて使わざるをえない、この場合、真
空槽１の圧力が高いときにはバルブ５を開はバルブ６．
７を閉じて油回転ポンプで排気を行ない、ついで槽内の
圧力がメカニカルブースター３の作動可能な１０Ｔｏｒ
ｒ以下に低下したところでバルブ５を閉じ、バルブ６．
７を開けてメカニカルブースターと油回転ポンプを直列
に作動させて排気を続ける。このように従来の真空ポン
プを使った真空系は複雑で高価であり、またバルブの開
閉な、とその操作がきわめて煩雑であった。

（２）油回転ポンプは作動室内が油で満たされているた
め、この油分子が逆流して真空度が低下したり真空系を
汚染する恐れがある。このため油回転ポンプと真空槽の
間にトラップ４を設は油分子が真空槽側へ入り込まない
ようにする必要があり、真空系がますます複雑になって
いた。

声たＣＶＤ装置では水素化物などの反応性ガスを用いる
ためガス中の活性成分により真空ポンプの油が分解変質
するので、頻繁に油を交換する必要が生じ、メンテナン
スに多大の労力と費用を要している。

（発明の目的） 本発明の目的は、１０−　’　Ｔｏｒｒ程度のレベルの
中真空を１段のポンプで達成できる真空ポンプを提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

真空ポンプは、低圧側の気体を高圧側へ排出する点にお
いて、基本的に圧縮機と同一の作用をなす。オイルフリ
ー圧縮機として、第２図に示すスクリュー圧縮機がよく
知られている。

雄ロータ８と雌ロータ９は互いに噛み合いながら、主ケ
ーシング１０と吸入ケーシング１１内に設けられた円筒
ころ軸受１２，１３，１４，１５によって回転自在に支
持される。組合せアンギュラ玉軸受１６．１７は雄・雌
ロータの軸方向の位置決めとともに、ロータに作用する
スラスト荷重を支える。雄ロータ８、雌ロータ９は主ケ
ーシング１０との間に作動室２６を形成し、ロータの回
転とともにこの作動室の容積を減少させて気体を圧縮す
る。シャフトシール１Ｂ、１９，２０゜２１は軸受の潤
滑油が作動室内へ侵入するのを防ぐ、ロータの吐出側軸
端に取り付けられたタイミングギヤ２２，２３は、雄・
雌面ロータが互いに接触しないよう両ロータ間の隙間を
調整している。

駆動側の雄ロータの吸入側軸端にはピニオン２４が取付
けられ、図示されていない増速ギヤで駆動−される、ま
た主ケーシング１０には冷却ジャケット２５を設け、ジ
ャケット内に冷却水を４１Ｉ！ｉｉＩさせる。− 前述の如く、圧縮機と真空ポンプはその作用は基本的に
同じであるが、第２図のオイルフリース、クリユー圧縮
機を真空ポンプとして用いたときの、特性の一例を第３
図に示す、第３図で実線と破線は、それぞれの背圧を大
気圧（７６０Ｔｏｒｒ　）およびＩＴｏｒｒにしたとき
の排気速度曲線である。

、このようにオイルフリースクリユー圧縮機は真空ポン
プとして利用することが可能であるが、従来のオイルフ
リー圧縮機をそのまま用いたのでは。

第３図に示す如く一段では大気圧からたかだか１Ｔｏｒ
ｒレベルの到達圧力しか得られない。したがって従来技
術を用いて１０−４．Ｔｏｒｒレベルの到、達圧力を得
るためには、第３図の実線と破線のような排気速度特性
をもつポンプを組合せて２段にする必要があり、必然的
瞬真空ポンプの構造が複雑で高価にならざるをえない。

第４図（ａ）はスクリュー流体機械で雄ロータ２７と雌
ロータ２８が噛み合っている状態を、ロータの周方向に
展開して示したモデルである。なお第４図は雄ロータと
雌ロータの歯数がそれぞれ４枚と６枚の場合について示
してものであるが、本発明はこれ以外の歯数組合せにつ
いても有効であることは以下の説明から明らかである。

また第４図（ｂ）は、雄ロータ２７と雌ロータ２８の噛
み合い状態の斜視図であり、雄ロータ２７は４枚、雌ロ
ータ２８は５枚の歯数組合せである。

ロータを覆うケーシング２９はその軸方向の一端が気体
の吸入ポート３５として大きく開口しており１反対側に
は吐出ポー１−３６が設けられている。この両ポート以
外ではケーシング２９は微少、な隙間をもってロータ２
７，２８を覆い、ロータ゛とケーシングによりＶ字形の
作動室を形成する。

ロータが回転すると両ロータの噛み合い部は吸入ポート
３５から吐出ポート３６へ向って移動するが、この際作
動室３０′はその容積を減少させ作動室内の気体を圧縮
する。一方作動室３１は容積一定であるので気体の圧縮
作用はなく、移送作用をなす。

なお図中吸入ポート３６と連通している各作動室は、ロ
ータの回転にとともにその容積を増大させ気体の吸入作
用をなす。

スクリュー流体機械を圧縮機として利用する場合には、
この移送部分は必要なく吸入部分と圧縮部分だけを利用
すればよいので、例えば第２図のオイルフリースクリユ
ー圧縮機では雄ロータの巻き角？。＝２５０°、雄ロー
タ径ＤＭに対する長さＬの割合をＬ／ＤＨ＝１．２５　
にしている。幾何学的な考察から明らかなように、吸入
部分と圧縮部分を利用するにはロータの巻き角は３６０
’以下でよいので、一般にスクリュー圧縮機では９ｓ　
”２００””３００’　、Ｌ／ＤＨ＝１．０〜１．７　
の範囲に選んでいる。

第４図（ａ）、第４図（ｂ）で作動室３２は吐出ポート
３６を通して気体を吐出中であり、ここの圧力は吐出圧
力に等しく各作動室の中で最も圧力が高くなっている。

作動室３２からの気体の洩れはロータ外周およびロータ
端面とケーシングの間の隙間を通って隣りの作動室３０
へ洩れるものと、両ロータの噛み合い部Ｋを通って第４
図の表側から裏側へ、すなわち雄ロータ側の作動室３３
と雌ロータ側の作動室３４へ洩れるものがある。

前述のようにスクリュー圧縮機ではロータの巻き角は３
６０”以下であるので、作動室３３と３４は直接吸入ポ
ートに連通しており、ロータ噛み合い部のシール効果の
良し悪しが圧縮機の性能を大きく左右する。ロータ外周
部については、吐出ポートと吸入ポートの間には幾つか
の（第４図（ａ）では雄ロータで４ケ、雌ロータで６ケ
、第４図（ｂ）では雄ロータ４ケ、雌ロータで５ケ）の
密閉部ができるので、ここからの気体の洩れは比較的小
さい。

さて圧縮機と真空ポンプの作用は基本的には同じという
ことを前に述べたが、大きな違いが１つある。それは真
空域では気体の圧力レベルにより気体の性質が全く異な
ってくることである。

第５図は空気の主成分である窒素分子の平均自由行程と
圧力の関係を示したものである。圧力が低くなると分子
の平均自由行程は長くなり、ＩＴｏｒｒの圧力で約０．
０５閣となる。スクリュー真空ポンプの各部の隙間は圧
縮機の場合と同じく大略０．１〜０．０５ｍ程度である
ので、大気圧からＩＴｏｒｒレベルの圧力では気体分子
の平均自由行程は各部の隙間より小さく、これらの隙間
を洩れ°る気体の流れは圧縮機の場合と同じ粘性流とし
て取り扱うことができる。一方ＩＴｏｒｒ以下の圧力レ
ベルになると気体分子の平均自由行程が各部の隙間より
長くなり、気体の流れは中間流あるいは分子流になる。

このような領域では気体分子は各部の隙間から洩れにく
くなり、空間を飛び回っている気体分すを捕捉し移送す
るだけで十分なポンプ作用をなすことが可能である。そ
して第４図のＡ部の移送部分だけのロータを、両端の開
いたケーシング内で回転させ、吸入側から吐出側へ排気
すると、吐出側の背圧がＬＴｏｒｒのときほぼ第３図の
破線で示した排気曲線に近い特性をうろことができる。

そこで第４図でロータの巻き角を大きくシ？。

＝６５０°とすると１作動室は吸入ポートと吐出ポート
の間に２ケ所のロータ噛み合い部をもつことになり、作
動室３２の圧力が大気圧のとき作動室３３と３４の圧力
をＩＴｏｒｒレベルに、さらに吸入ポート３８の圧力を
１０−’Ｔｏｒｒレベルにすることができ、単段の真空
ポンプで大気圧から１０−　’　Ｔｏｒｒレベルまでの
到達圧力を得ることが可能になる。

ロータの巻き角？Ｈが６．５０ｍ、より小さいとき、例
えば第４図に示した如＜９’ｘ＝５００”のときには、
雄ロータの作動室は直接吸入ポートと連通してしまうが
、このときは３８の部分を吸入ケーシングで覆う、こと
によりこの作動室が吸入ポートに直接連通すやのを防ぐ
ことができる。

作動室３０の圧力は作動室３２より低いが作動室３３や
３４よりかなり高いので、こ、こから作動室３５へ洩れ
た気体が直接吸入ポートへ洩れないようにするには、第
４図の破線で示したところまでロータを長くするとよい
。

このようにロータの巻き角を大きくし噛み合いの数を多
くすれば気体の洩れは少なくなり真空ポンプとしての特
性は良くなるが、ポンプは大きく高価なものとなり、ま
たロータの軸方向長さが長くなることシこより軸振動な
どの問題が生ずる。ロータの巻き角を少なくすると真空
ポンプは小形安価になるが、そのポンプ特性は劣ること
になる。

このようにロータの巻き角？８、長さＬ／ＤＭやロータ
歯数は真空ポンプとしての特性、価格、寸法等を勘案し
て決められるが２本発明で第１に重要な点は、各作動室
は吸入ポートと吐出ボートとの間に２ケ所〜３ケ所の密
閉部を有することである。

具体的には、 −１，吸入行程の作動室と、移送行程の作動室とを隔て
る第１の密閉部、移送行程の作動室と圧縮行程または、
吐出行程の作動室とを隔てる第２の密閉部を備え、第１
．２の密閉部はともに両ロータの噛合い部によって形成
される。

２、移送行程の作動室を形成する第１．第２の密閉部、
圧縮行程に入る直前の作動室を形成する第２、第３の密
閉部を備え、第１の密閉部は、ケーシングによって形成
され、第２，３の密閉部は、両ロータ同士の噛合い部に
よって形成されるようにしたことである。換言すれば、
ロータの任意の１つの溝に沿って、吸入、移送作用を行
なわせる移送用の作動室と圧縮、吐出作用を行なわせる
圧縮吐出用の作動室とを有し、この一対の作動室がロー
タの各溝に沿って形成される。そして、ロータの回転に
ともなって、一対の作動室は、軸方向に移動するので移
送室が途中において、圧縮、吐出用の作動室となり、こ
の作動室の吸入口寄りの位置に新たに移送用の作動室が
形成される。他の対の作動室も同様である。両ロータと
ケーシングによって形成される作動室が吸入口から遮断
されて、移送用の作動室を形成する時期は、圧縮、吐出
作用を行う作動室が、容積を縮少し始めるときから、吐
出口に連通ずる直前に達するまでの間に選定することが
望ましい。

ロータの巻き角が３６０″以上のスクリュー形流体機械
として、第６図に示すねじポンプ（液体ポンプ）が知ら
れている。このねじポンプはロータの回転に伴って作動
室が吸入側から吐出側へ移送するが、流体に対しては移
送作用をなすのみで内部圧縮作用はない。本発明のスク
リュー真空ポンプは、その作動室が移送部と内部圧縮部
によって形成されているが、これが本発明で第２に重要
な点である。第７図は圧縮機あるいは真空ポンプにおい
て作動室の容積と圧力の関係を示したものである。圧力
Ｐ１の気体を圧力ＰＩ２に昇圧するとき、前記ねじポン
プの如き内部圧縮がなく移送作用のみの流体機械の圧縮
過程はＡ→Ｂ−ＤＣとなり、スクリュー圧縮機の如く内
部圧縮のある場合の過程はＡ−ＤＣとなる。熱力学でよ
く知られているように、圧力ＰＩ　（容積Ｖｔ）の気体
を圧力Ｐ２に昇圧・排出するのに要する仕事量は面積Ｐ
、　ＡＢＰＩ２またはＰＩＡＣＰ１２によって表わされ
るので、内部圧縮をさせる方が必要な仕事量が少なくて
効率が良いことになる。

大気圧から１０−’Ｔｏｒｒまで引く真空ポンプの必要
仕事量を考えると、第８図に示す如く１０−’Ｔｏｒｒ
からＩ　Ｔｏｒｒまで昇圧するのに要する仕事量は、Ｉ
Ｔｏｒｒがら７６０　Ｔｏｒｒまで昇圧するのに要する
仕事量と比較して熊視できるほど小さい。したがって１
０−’ＴｏｒｒがらＩＴｏｒｒの間は内部圧縮は必要な
いが、ＩＴｏｒｒがら７６０Ｔｏｒｒの昇圧部分では内
部圧縮を行なわないと必要仕事量が非常に大きくなり、
真空ポンプとして効率が悪くなってしまう。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を第９図、第１０図および第１１
図により説明する。

雄ロータ３９と雌ロータ４ｏは主ケーシング４１と吸入
ケーシング４２内の軸受４５，４６゜４７．４Ｂにより
回転自在に支えられている。ロータの吸入側６５は１０
−’Ｔｏｒｒレベルの低圧であり吐出側６６は大気圧に
なるため、ロータに作用するラジアル荷重は吸入側の方
がはるかに小さい、そこで吸入側の軸受４５，４６には
深みぞ玉受軸を用いラジアル荷重とスラスト荷重を支え
、吐出側の軸受４７，４８には円筒ころ軸受を用いてラ
ジアル荷重のみを支持する。ロータの軸端にはタイミン
グギヤ４９，５０を取り付け、雄・雌ロータが互いに接
触しないよう両ロータ間の隙間を調整する。軸受４５．
４６の潤滑は飛まつ給油により行ない、吸入カバ４３内
に溜った潤滑油５６をタイミングギヤによって跳ねかけ
る。一方軸受４７．４８の潤滑のため雄ロータ軸には円
板５１を取り付け、吐出カバ４４内の潤滑油５７を円板
５１により跳ねかける。シャフトシール５２゜５３．５
４，５５は軸受やタイミングギヤの潤滑油が作動室内へ
侵入するのを防いでいる。ロータの吐出側作動室６６と
吐出カバ４４内はほぼ大気圧になるので吐出側のシャフ
トシール５４，５５に作用する差圧は比較的小さいが、
吸入側作動室６５は１０−’Ｔｏｒｒ　レベルの圧力と
なるため吸入カバ４３内を大気に開放すると吸入側シャ
フトシール５２，５３に作用する差圧が大きくなりシー
ルが難かしくなる。そこで吸入カバ４３内を排圧管５９
，６０によって低圧の差動室６７と連通させ、吸入カバ
４３内の圧力を下げてシャフトシール５２，５３に作用
する差圧を小さくしてシール効果を高めている。吸入カ
バ４３内は油の飛沫が充満しているので、この油が排圧
管５９．６０を通って作動室へ入るのを防ぐため吸入カ
バには飛沫分離室５８が設けられ、また排圧管にはオイ
ルトラップ６１が取付けられている。また万一排圧管を
通って油が作動室へ入った場合でも、この油が吸入ポー
ト６３側へ逆流しないようにするため、主ケーシング４
１の排圧口６２はロータの作動室６７が吸入ポート６３
から完全に閉じられた後の位置に開口されている。雄ロ
ータ３９の作動室６７は、この作動室が吸入ポート６３
を通過後吐出ポート６４と連通するまでの間に雌ロータ
４０と２ケ所の噛み合い部６８．６９を有し、同様に雌
ロータの作動室７０は雄ロータと２ケ所の噛み合い部７
１．６９を有する。

ロータの回転に伴い気体は吸入ポート６３からロータ歯
溝とケーシングによって形成される作動室に吸い込まれ
、吐出ポート６４から吐出される。

作動室６７．７０はロータの回転に伴い容積一定のまま
気体を移送するが、さらにロータが回転した位置にある
作動室７２，７３はロータの回転に伴いその容積を減少
させ気体を内部圧縮する。このため吐出側では気体の温
度が上昇するので、主ケーシング４１の吐出側には冷却
ジャケット７４ａ〜７４ｅを設け、このジャケット内に
冷却水を通しケーシングや圧縮気体を冷却する。

第１１図は本発明の他の実施例であり、説明を簡単にす
るためロータ部分についてのみ示すが、ロータ以外の構
成は第９図、第１０図と同一である。真空ポンプの吸入
側では気体の比容積が大きく吐出側では小さいので、真
空ポンプの排気速度を大きくするには吸入・移送作用を
なす作動室の容積を大きく、圧縮作用をなす作動室の容
積は小さくした方がよい。第１１図で雄ロータ７５と雌
ロータ７６は、吸入・移送作用をなす部分７７゜７８と
、圧縮作用をなす部分７９．８０によって構成されてい
る。吸入・移送部７７．７８は圧縮部７９．８０と比べ
てロータのねじれ角？８゜Ｔｐが小さくＬ／Ｄが大きい
、したがって、第１１図のロータを用いた真空ポンプは
、第９図の真空ポンプと同じ大きさで、大きな排気速度
を得ることができる。

上記の各実施例では、密閉部が２〜３箇所のものにつき
述べたが、密閉部が３〜４箇所（両ロータの噛合部によ
る密閉部を常時２箇所）のもの、すなわちロータの任意
の１つの溝部に沿って、吐出口から吸入口に至る間に圧
縮、吐出用の作動室、この作動室と両ロータの噛合部に
よる密閉部を介して連なる移送用の作動室、さらにこの
移送用の作動室と両ロータの噛合部による密閉部を介し
て第２の移送用作動室を形成してもよい。

このように溝部１箇所について移送用の作動室が２室形
成する矢、ガス洩れが減少するのでさらに高い真空度を
得ることができる。

以上のように、本発明の実施例によれば、オイルフリー
真空ポンプの排気特性が大幅に改善され、１台の真空ポ
ンプで効率良く大気圧から１０−４Ｔ　Ｏｒｒレベルの
中真空領域までの広い作動範囲をカバーすることが可能
となる。

また本発明に係る真空ポンプを使用することにより、従
来の油回転ポンプやメカニカルブースターなどを組合せ
て使った真空系と比べて構造が簡単で安価な真空系を構
成することができる。さらに真空系の構成が簡単になる
ことにより、バルブの切換えなど煩雑な操作が不要にな
り制御系を簡単で安価なものにすることができる。

〔発明の効果〕

以上詳細に述べたように本発明によれば、大気圧から１
０−’Ｔｏｒｒ程度レベルの中真空を１段のポンプで達
成できる真空ポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の真空排気系の一例の系統図、第２図はオ
イルフリースクリユー圧縮機の断面図、第３図は第２図
のオイルフリースクリユー圧縮機を真空ポンプに転用し
たときの排気速度の一例を示す曲線図、第４図（ａ）、
第４図（ｂ）、第５図、第７図、第８図は本発明の詳細
な説明図、第６図はねじポンプの概要説明図、第９図、
第１０図は本発明の一実施例であり、第９図は第１０図
のＢ−Ｂ断面図、第１０図は第９図のＡ−Ａ断面図、第
１１図は本発明の他の実施例の説明図である。 ２７・・・雄ロータのモデル、２８・・・雌ロータのモ
デル、２９・・・ケーシングのモデル、３９・・・雄ロ
ータ、４０・・・雌ロータ、４１・・・主ケーシング、
４２・・・吸入ケーシング、４５．４６・・・深みぞ玉
軸受、４７゜４８・・・円筒ころ軸受、４９．５０・・
・タイミングギヤ、５２，５３，５４，５５・・・シャ
フトシール、６３・・・吸入ボート、６４・・・吐出ポ
ート。 代理人　弁理士　高橋明夫 ′ｆＪ　１　図 石　２　目 冨　３　図 吸猛１　（Ｔｏｒｒ） 第　４　図　（（１−） 第　４　図　Ｃｂ） ３ ￥Ｊ　５　図 今４９平均自山ｒＴｊ限（ｍｍン １図 ■７　図 （作動１容イ囁〕 ′ｆＪ　ｇ　図 Ｔ→ 冨　１／　図 １．事件の表示 昭和５９　年特許顕部７０８３０　号 ２発明の名称　スクリュー真空ポンプ ３、補正をする者 ・１１件との関係　特許出願人 名　称　（５１０１株式会＞、１　日　立　製　作　所
４、代　理　人 （１）本願明細書第６ページ第５行［第４図」を「第４
図（ａ）」に訂正する。 （２）同上第６ページ第７行ｒ本発明は、これ以外の歯
数組合せについても有効で　」をｒ本発明は、これ以外
の歯数組合せたとえば雄ロータが４枚、雌ロータが５枚
や、雄ロータが５枚、雌ロータが６枚の組合せについて
も有効で」に訂正する。 （３）同上第６ページ第１１行「雌ロータ２８は５枚の
歯数組合せである。」を「雌ロータ２８は、５枚の歯数
組合せが１枚差の場合である。」に訂正する。 （４）同上第８ページ第４行「第４図」を「第４図（ａ
）、（第４図（ｂ）も同様）」に訂正する。 （５）同上第１０ページ第２行および第２０行「第４図
」を「第４図（ａ）」に訂正する。 （６）第４図（ｂ）を添付の通り訂正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数の螺旋状の陵部と溝部とを有し、互いに噛合い
   ながら実質的に平行な二軸の回りを回転する対の雄ロー
   タと、雌ロータ、および吸入ポートと吐出ポートを有し
   、前記両ロータを収納するケーシングを備え、前記溝部
   に沿って１つの溝部につき一対の作動室を、前記両ロー
   タとケーシングとによって形成し、この一対の作動室の
   １つは、圧縮・吐出作用を有し、残りの作動室は吸入・
   移送作用を有することを特徴とするスクリュー真空ポン
   プ。