JP2009092042A - 回転ロータ式ポンプの軸受保護機構 - Google Patents

Abstract

【課題】排気室側が高温になっても簡易な構成で軸受周辺の温度上昇を抑えることのできる回転ロータ式ポンプを提供する。
【解決手段】吸気口と排気口が形成された排気室を形成するハウジング内に回転ロータが収納され、排出ガスを吸気口から吸収し、排気口から排気する回転ロータ式ポンプにおいて、該回転ロータはロータ軸端部でハウジングに対して軸受を介して回転自在に支持され、該軸受とハウジング内に形成された排気室との間に断熱空間を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転ロータ式ポンプにおける軸受の保護機構に関する。特に一対のスクリューロータを持つ真空ポンプの軸受保護機構に関する。

ガスを排気するために用いられる回転ロータ式ポンプのロータを回転自在に支持するための軸受を支持している軸受ハウジングは、回転ロータ式ポンプを圧縮機として用いた場合は、ガスの圧縮熱により軸受ハウジングが高温になり、軸受も高温になる。また、回転ロータ式ポンプを真空ポンプとして用いる場合は、排気時にガスが断熱圧縮されるため、軸受ハウジングが高温になり、軸受も高温になる。そのため、軸受の寿命が短くなるという問題があった。

特に、半導体製造装置に使用される回転ロータ式真空ポンプは、半導体製造装置のチャンバー内で、半導体製造プロセスに用いられるガスを吸気する必要がある。ポンプで吸入されるガスには、昇華性を有するものがあり、これらを吸気する回転ロータ式真空ポンプにおいては、回転ロータ式真空ポンプ内部で上記の上記吸入ガスが圧力の上昇とともに固体化し主として粉体として析出してしまう問題があった。
上記プロセスガスが回転ロータ式真空ポンプの排気室内で固形物として析出すると、その析出物（反応生成物）は非常に硬い場合もあり、排気室内でロータ間やロータとハウジングとの間で噛み込むと、ロータを破壊してしまうという問題があった。また、ガスが排気される排気管路の内面に析出すると、排気効率が低下してしまうという問題もあった。

上記のような問題を解決するためには、ポンプハウジングの温度を高く維持して、プロセスガスや反応生成ガスが気体の状態を維持しながら排気させるのが効果的である。しかしながら、軸受ハウジングに支持されている軸受の温度が上昇しすぎると、軸受の寿命が短くなってしまう。そのため、ポンプハウジングの温度は、軸受の寿命を考慮すれば、適度に低い温度に抑えておく必要がある。

そこで、下記特許文献１のように、軸受ハウジングに冷却流路を通して水冷して、軸受ハウジングの温度を比較的低く保持する技術が開示されている。
以下、図７を用いて、特許文献１に開示されている真空ポンプについて説明する。図７に示す回転ロータ式真空ポンプ２０は、複数のポンプ室が形成されているポンプハウジング２１とポンプ室（例えば、ポンプ室２２）内に内設されるロータ２３、２３’と、該ロータ２３、２３’に固設される回転軸３、３’と、該回転軸３、３’を回転させる駆動機構１４とを有する。回転軸３、３’は、互いに平行に設けられており、この回転軸３、３’にそれぞれロータ２３、２３’が固設されている。

ハウジング２２には、吸気口５側から第一段目ポンプ室３１、第二段目ポンプ室３２、第三段目ポンプ室３３、第四段目ポンプ室３４、第五段目ポンプ室３５と、５つのポンプ室が形成されており、第一段目ポンプ室３１から第五段目ポンプ室３５に向かって、順番にポンプ室の容積が小さくなっている。

また、排気口側軸受ハウジング１０のハウジング２２とは反対側には、ギアハウジング１１が設けられており、このギアハウジング１１に設けられているギア室１１ａに、回転軸３、３’に取付けられる形でタイミングギア１４、１４’が配置されている。このギアハウジング１１に設けられるギア室１１ａには、回転軸３、３’の回転を潤滑する目的で潤滑油が充填されており、そして、ギアハウジング１１のリアハウジング１０とは反対側にモータ等の駆動機構を含む駆動部１４が備えられている。

さらに、吸気口側軸受ハウジング９には回転軸３、３’を吸気口５側で回転自在に支持する為に、回転軸挿通孔と吸気側軸受７、７’が設けられている。一方、排気口側軸受ハウジング１０にも、回転軸３、３’を排気口３６側で回転自在に支持するために、回転軸挿通孔と排気側軸受８、８’が設けられている。これら吸気側軸受７、７’、排気側軸受８、８’により回転軸３、３’がポンプハウジング２１に対して回転可能に支持されている。
また、排気口側軸受ハウジング１０には、排気側軸受８、８’よりも第五段目ポンプ室３５側にシール部材１３、１３’が設けられている。このシール部材１３、１３’により、排気室側からプロセスガスが軸受側に漏れることと、軸受側から排気室側へ油が漏洩することを防止している。

さらに、ポンプハウジング２１内に、冷媒流路４２が形成されている。この冷媒流路４２は、排気側軸受８、８’とシール部材１３、１３’とが設けられている排気側軸受ハウジング１０に形成されている。
特開２００４−３００９６４号公報

しかしながら、回転ロータ式圧縮機や回転ロータ式真空ポンプ等の回転ロータ式ポンプのように軸受周辺が高温になる場合、複雑な冷却配管や冷却装置を軸受周辺に配置しなければならなかった。特に、特許文献１のように軸受ハウジングに冷却流路を通して水冷して、軸受ハウジングの温度を比較的低く保持する方法では、軸受を冷却すると同時に、リアハウジングの端面（軸受ハウジングとの合せ面）や、軸受ハウジングの排気室の壁面を構成する部分も冷却されることになる。そのため、軸受ハウジングの端面のうち排気室に近い部分や、軸受ハウジングの排気室の壁面を構成する部分のほうが温度が低くなる場合もあるので、これらポンプハウジングの温度が低い部分にプロセスガスが固体化するのを防止できるとは言えず、ポンプのトラブルを招きやすい。また、プロセスガスの固体化を防止するためにポンプハウジングの温度をさらに上昇させると、結局は軸受周辺の温度も高くなり、ポンプの寿命や信頼性の低下、コスト高を招く。このように、排気室内でのプロセスガスの固体化を防止しつつ、軸受等の寿命を維持するのは従来の技術では困難であった。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、排気室側が高温になっても簡易な構成で軸受周辺の温度上昇を抑えることのできる回転ロータ式ポンプを提供することを課題とする。特に、半導体装置製造分野のようなプロセスガスの凝縮が問題となる領域においては、該プロセスガスの凝縮が防止できるように、排気室の温度を比較的高く維持できるとともに、軸受等が配置される近傍では、温度を比較的低くして、軸受等の寿命を維持しつつ、排気室内でのプロセスガスの凝縮を防止することができる真空ポンプを提供することを課題とする。

上記課題を解決する為に、本発明の回転ロータ式ポンプの軸受保護機構は、吸気口と排気口が形成された排気室を形成するハウジング内に回転ロータが収納され、排出ガスを吸気口から吸収し、排気口から排気する回転ロータ式ポンプにおいて、該回転ロータはロータ軸端部でハウジングに対して軸受を介して回転自在に支持され、該軸受とハウジング内に形成された排気室との間に断熱空間を設けたことを特徴とする。

上記の構成においては、金属と比較して熱伝導率の低い断熱空間が、比較的低温に維持しなければならない軸受と比較的高温になる排気室との間を隔てているので、軸受を排気室と比較して低温に維持することができる。該断熱空間は、排気室と軸受との間で軸受ハウジングのロータ軸周辺に中空部を形成するだけの簡単な構造とすることができる。このような構成にすれば、排気室で発生した熱が軸受へ伝わらないように空間で遮断できるとともに、軸受ハウジングを構成する金属部分も空間を形成することにより、排気室と軸受との間の熱伝達経路の断面積を狭くすることができ、金属部分で軸受へ移送される熱量を減らすことができる。さらに、排気室と軸受との間の熱伝達経路も長くすることができるので、排気室と軸受間の熱抵抗が大きくなり、熱エネルギーを伝わりにくくすることができる。以上より、断熱効果が大幅に向上する。

特に、昇華性のガスが発生する半導体製造装置に使用した場合、排気室側を高温にかつ軸受を低い温度に維持することができる。本発明を一対のスクリューロータを持つスクリュー式真空ポンプに適応した場合、排気側でのプロセスガスの圧縮作用が急激で排気口付近のハウジングが特に高温になるため、効果が大きい。

さらに、本発明の回転ロータ式ポンプの軸受保護機構は、前記軸受に対して排気室とは反対側の回転ロータ軸一端側に回転ロータの駆動部を配置し、該駆動部と前記軸受との間の前記断熱空間内に冷却手段を配置するとよい。
このような構成にすることにより、駆動部を構成するモータからの発熱が軸受に伝達し、軸受が高温になることによる軸受の不具合を防止することができる。冷却手段としてはアルミ系や銅系等の熱伝導率のよい材質を用いた冷却プレートを用い、軸受ハウジングと駆動手段の間に配置する。冷却プレートは駆動手段から熱を吸収するように駆動手段と密着させ、軸受ハウジングから熱を奪わないように軸受ハウジングとは非接触で配置するのが良い。しかし、排気室の発熱量が多く軸受ハウジングが高温になってしまう場合は、冷却プレートを軸受ハウジングにも接触させて熱を吸収する構成とする。冷却プレートには冷却水循環用の経路を形成し、冷却水を循環させることにより、冷却効果は向上する。

特に、昇華性のガスが発生する半導体製造装置に使用した場合、排気室側を高温にかつ軸受を確実に低い温度に維持することができる。本発明を一対のスクリューロータを持つスクリュー式真空ポンプに適応した場合、排気側でのプロセスガスの圧縮作用が急激で排気口付近のハウジングが特に高温になるため、効果が大きい。

以上のように、請求項１の発明の回転ロータ式ポンプにおいては、断熱空間が、比較的低温に維持しなければならない軸受と比較的高温になる排気室との間を隔てているので、軸受を排気室と比較して低温に維持することができる。該断熱空間は、排気室と軸受との間で軸受ハウジングのロータ軸周辺に中空部を形成するだけの簡単な構造とすることができる。

また、請求項２の発明の回転ロータ式ポンプにおいては、駆動部を構成するモータからの発熱が軸受に伝達し、軸受が高温になることによる軸受の不具合を防止することができる。

以下、本発明に係る真空ポンプの実施の形態について図面に基づき説明する。図５は本願発明に係る二段スクリュー式真空ポンプの実施の形態を模式的に示す断面図である。
ここで、図５の第一のスクリュー式真空ポンプ（第一の真空ポンプ、回転ロータ式ポンプ、片持ち式回転ポンプ、前段真空ポンプもしくはブースタポンプ）１Ａについて、図１及び図２を用いて説明する。
図１は第一のスクリュー式真空ポンプ（第一の真空ポンプ、回転ロータ式ポンプ、片持ち式回転ポンプ、前段真空ポンプもしくはブースタポンプ）１Ａの実施の形態を模式的に示す断面図である。また、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
図示するように、この第一のスクリュー式真空ポンプ１Ａは、縦置に配置された一対のスクリューロータ１０２，１０３を備え、この一対のスクリューロータ１０２、１０３は排気室ハウジング１７１の内部に収納されている。排気室を形成するハウジング（排気室ハウジング）１７１はロータハウジング１０４、上端ハウジング１７２及び軸受ハウジング１７３により構成されている。

前記一対のスクリューロータ１０２、１０３と排気室ハウジング１７１により複数の作動室１０７が形成される。この作動室１０７はロータハウジング１０４及び上端ハウジング１７２に形成された吸気口１５３からプロセスガス（反応生成ガス）を吸入し、前記一対のスクリューロータ１０２、１０３の回転に伴いプロセスガス（反応生成ガス）を圧縮してロータハウジング１０４の側面に形成された排出口（排気口）１５４から排気する。

スクリューロータ１０２、１０３と排気室ハウジング１７１とで吸気口１５３と排出口（排気口）１５４とが常に連通しないように仕切られ、 吸気側のスクリューロータ１０２、１０３と排気室ハウジング１７１で排気室１６８の吸気側が閉じるまでの位置において、ロータハウジング１０４に形成されている吸気口１５３の下端部には、反応生成物を収容するための窪み１７３が設けられている。また、スクリューロータ１０２，１０３の上部の吸気口１５３には反応生成物の塊がダイレクトに排気室１６８に落下しないように邪魔板１７４が配置されている。

スクリューロータ１０２、１０３と排気室ハウジング１７１間はスクリューロータ１０２、１０３の端面も含めて微小隙間とされるが、大気側に配置され、大気のシール機能も必要となる第二のスクリュー式真空ポンプと比較して隙間は大きくてもよい。

また、第一のスクリュー式真空ポンプ（前段真空ポンプもしくはブースタポンプ）１Ａで容積圧縮して排気することにより、大気へ排気するための動力が大きな第二のスクリュー式真空ポンプ（後段真空ポンプもしくはメインタポンプ）１Ｂを小型化することができ、省エネとなる。

スクリューロータ１０２は、ロータ部材１５６と回転軸部材１０５により構成されている。ロータ部材１５６はアルミニウム系の素材、回転軸部材１０５は鉄系の素材でできている。ロータ部材１５６は中空ロータであり、中空部分には鉄系の素材でできた筒部材１５７が焼嵌めもしくは冷嵌めされている。このように、アルミニウム系の素材でできたロータ部材１５６に鉄系の素材でできた筒部材１５７を焼嵌めもしくは冷嵌めすることにより、温度上昇した際にアルミ系の素材のほうが鉄系の素材よりも熱膨張しても、焼嵌めもしくは冷嵌めによる鉄系素材の圧縮とアルミ系素材の膨張が緩衝し、ロータ部材１５６と筒部材１５７との間に隙間を生じにくくすることができた。また、ロータ部材１５６と筒部材１５７間の接合面を円筒形状とし、両部材の回転軸合わせを容易にできるようにしている。筒部材１５７の下端にはロータ部材１５６と軸方向の相対位置が変わらないように段部１６６が設けられている。がさらに、筒部材１５７の内周に上部に行くにしたがって狭くなるテーパを設け、さらに回転軸部材１０５の上端にも端部に行くにしたがって細くなる筒部材１５７のテーパと同形状のテーパを設けてある。そして筒部材１５７と回転軸部材１０５のテーパ部を圧密着させることによりロータ部材１５６と筒部材１５７の回転軸を一致させ、さらには回転軸部材１０５との回転軸とも一致させる。筒部材１５７と回転軸部材１０５は同じ鉄系の素材であり、温度変化による熱膨張量の違いはほとんどない。筒部材１５７と回転軸部材１０５とは、円筒部材１５７の上面と回転軸部材１０５の上端に締結されたボルト１５９との間に皿バネ１５８を配置することにより圧密着される。スクリューロータ１０２の上端部にはロータ部材１５６の中空部に反応性生物が堆積しないように蓋１６０が締結されている。

同様に、スクリューロータ１０３は、ロータ部材１６１と回転軸部材１０８により構成されている。ロータ部材１６１はアルミニウム系の素材、回転軸部材１０８は鉄系の素材でできている。ロータ部材１６１は中空ロータであり、中空部分には鉄系の素材でできた筒部材１６２が焼嵌めもしくは冷嵌めされている。このように、アルミニウム系の素材でできたロータ部材１６１に鉄系の素材でできた筒部材１６２を焼嵌めもしくは冷嵌めすることにより、温度上昇した際にアルミ系の素材のほうが鉄系の素材よりも熱膨張しても、焼嵌めもしくは冷嵌めによる鉄系素材の圧縮とアルミ系素材の膨張が緩衝し、ロータ部材１６１と筒部材１６２との間に隙間を生じにくくすることができた。また、ロータ部材１６１と筒部材１６２間の接合面を円筒形状とし、両部材の回転軸合わせを容易にできるようにしている。筒部材１６２の下端にはロータ部材１６１と軸方向の相対位置が変わらないように段部１６７が設けられている。さらに、筒部材１６２の内周に上部に行くにしたがって狭くなるテーパを設け、さらに回転軸部材１０８の上端にも端部に行くにしたがって細くなる筒部材１６２のテーパと同形状のテーパを設けてある。そして筒部材１６２と回転軸部材１０８のテーパ部を圧密着させることによりロータ部材１６１と筒部材１６２の回転軸を一致させ、さらには回転軸部材１０８との回転軸とも一致させる。筒部材１６２と回転軸部材１０８は同じ鉄系の素材であり、温度変化による熱膨張量の違いはほとんどない。筒部材１６２と回転軸部材１０８とは、筒部材１６２の上面と回転軸部材１０８の上端に締結されたボルト１６４との間に皿バネ１６３を配置することにより圧密着される。スクリューロータ１０３の上端部にはロータ部材１６１の中空部に反応性生物が堆積しないように蓋１６５が締結されている。

スクリューロータ１０２、１０３のように軽量なアルミニウム系素材や中空部を設けてスクリューロータ１０２、１０３をできるだけ軽量にすることにより、共振周波数を高くしてスクリューロータ１０２、１０３を高速回転できるようにした。これにより、第一の真空ポンプ（前段真空ポンプもしくはブースタポンプ）が小型になり、シール性を向上できるので排気効率のよい第一の真空ポンプ（前段真空ポンプもしくはブースタポンプ）を構成することができる。

スクリューロータ１０２は、ロータの回転軸部１０５が、回転軸部１０５の下方で上部に設けられた軸受１０６、１０１及び下部に設けられた軸受１２３によりロータハウジング１０４内で回転自在に支持されている。軸受１０６と排気室１６８との間には排気室内のプロセスガス（反応生成ガス）が軸受側に漏れて軸受に堆積したり潤滑油を汚染しないように、さらには軸受側１０６の潤滑油が排気室１６８側に漏れないように軸シール１６９が設けられている。また、軸受１０６、１０１、１２３は皿ばね（図示なし。）等で与圧をかけられている。

また、スクリューロータ１０３も同様に、ロータの回転軸部１０８が、回転軸部１０８の下方で上部に設けられた軸受１０９、１１０及び下部に設けられた軸受１２４によりロータハウジング１０４内で回転自在に支持されている。軸受１０９と排気室１６８との間には排気室内のプロセスガス（反応生成ガス）が軸受側に漏れて軸受に堆積したり潤滑油を汚染しないように、さらには軸受側１０９の潤滑油が排気室１６８側に漏れないように軸シール１７０が設けられている。軸受１０９、１１０、１２４は皿ばね（図示なし。）等で与圧をかけられている。

軸受１０６，１０１の外輪は、鉄系の素材でできた円柱形状の軸受支持部材１７５の内周に圧接固定され、軸受支持部材１７５の外周部分はアルミ系の素材でできた軸受ハウジング１７５に圧接固定している。軸受支持部材１７５の下端には軸受の外輪と軸受ハウジング１７５に対して軸方向で位置決めし易いように回転軸の放射方向に突出部１８０が形成されている。同様に、軸受１０９，１１０の外輪は、鉄系の素材でできた軸受支持部材１７７に圧接固定され、軸受支持部材１７７はアルミ系の素材でできた軸受ハウジング１７６に圧接固定している。軸受支持部材１７７の下端には軸受の外輪と軸受ハウジング１７６に対して軸方向で位置決めし易いように回転軸の放射方向に突出部１８１が形成されている。このように軸受１０６，１０１、１０９、１１０の外輪とほぼ同じ熱膨張率を持つ軸受支持部材１７５、１７７を介して熱膨張率の異なる（大きな）アルミ系の素材でできた軸受ハウジング１７６に固定することにより、軸受１０６，１０１、１０９，１１０の外輪と軸受支持部材１７５，１７７との間に隙間の変化ができないようにできる。

さらに、軸受ハウジング１７６には軸受１０６，１０１、１０９，１１０と排気室１６８とを熱的に断熱するための中空部１８２が形成されている。このように排気室１６８で発生した排気ガスの圧縮熱等の熱が、軸受１０６，１０１、１０９，１１０へ伝達しないように、排気室１６８と軸受１０６，１０１、１０９，１１０との間の熱伝導経路に空間を設けることにより、軸受１０６，１０１、１０９，１１０へ熱が伝達しにくくなり、軸受１０６，１０１、１０９，１１０が高温になることによる破壊を防止することができる。この中空部１８２は軸受１０６，１０１、１０９，１１０の周辺に設けることにより、軸受ハウジング１７６を介して軸受１０６，１０１、１０９，１１０へ熱が伝わる熱伝導経路を長くできるので、より断熱効果が向上する。さらに、低温で固体となる反応生成ガスが流れる場合、反応生成物が堆積しないように、反応生成ガスが流れる経路（吸気口１５３→排気室１６８→排気口１５４）を高温にして真空ポンプを運転する必要があるが、中空部１８２により高温に維持されている排気室１６８周辺の熱が、軸受１０６，１０１、１０９，１１０へ伝達するのを防止するという効果もある。

排気室ハウジング１７１を構成するロータハウジング１０４、上端ハウジング１７２及び軸受ハウジング１７３は、アルミ系の素材でできたロータ部材１６１と同じアルミ系の素材で構成されており、熱膨張率を同等とすることによりスクリューロータ１０２，１０３と排気室ハウジング１７１との隙間が温度により変化しないようにしている。さらに排気室ハウジング１７１がアルミ系の素材でできているので熱伝導率が良く排気口１５３付近で発生した熱を吸気口１５４側へ移送し易くなり、排気室１６８の温度を均一にし易い。

ロータハウジング１０４の周辺には排気室１６８内の温度を制御するためのアルミ系の素材でできた伝熱プレート１８３が密着されている。該伝熱プレートには冷却媒体（水等）もしくは加熱媒体（高温高圧蒸気等）を流すための経路１８４が形成されており、加熱・冷却はこれらの媒体で行う。例えば、タングステン系等の高温で固化する反応生成ガスを排気する場合は、排気室を低温に維持する必要があり、経路１８４に冷却水を流す。

軸受ハウジング１７６の下端であり、軸受ハウジング１７６を介して軸受１０６，１０１、１０９，１１０へ熱が伝わる熱伝導経路と接する位置にはアルミ系の素材でできた冷却プレート１８５が配置されている。中空部１８２だけでは十分に軸受１０６，１０１、１０９，１１０を低温に維持できない場合、前記冷却プレート１８５が配置されていることにより、軸受１０６，１０１、１０９，１１０へ伝導する熱量を減らすことができるので、軸受１０６，１０１、１０９，１１０の温度上昇を抑えることができる。
該冷却プレート１８５には冷却水等の媒体を流すための冷却経路１８６が形成されており、冷却効率をより向上させている。

さらに、前記冷却プレート１８５はモータハウジング１８７とも接しており、モータ１１３も冷却することができる。さらにモータハウジング１８７の外周には第二の冷却プレート１８８が密着しており、該第二の冷却プレート１８８によってもモータ１１３は冷却される。また、第二の冷却プレート１８８には冷却水等の媒体を流すための冷却経路１８９が形成されており、冷却効率をより向上させている。

回転軸部１０５の下端部にはタイミングギア１１１が設けられ、回転軸部１０８の下端部にはタイミングギア１１２が設けられており、タイミングギア１１１及び１１２が互いに噛み合うことにより、スクリューロータ１０２及び１０３が同期して非接触で回転するように構成されている。

回転軸部１０８の軸受１１０とタイミングギア１１２間にはモータ１１３の永久磁石方式の回転子１５０が固定され、キャン１５１によりキャンド化されている。真空ポンプ駆動して排気室１６８内が真空になるとモータ１１３側も真空に引かれるので、キャン１５１で回転子１５０側を大気と分離することにより排気室１６８への大気の漏洩を防止している。また、運転開始時等に排気口１５３の圧力が大気圧よりも高くなると、排気室１６８内のプロセスガスがモータ１１３側に漏れることもある。この場合、モータがキャンド化されていることによりプロセスガスが大気へ漏れることを防止できる。キャン１５１の外側にはモータ１１３の電磁石方式の固定子１５２が固定されており、インバータによりスクリューロータ１０３の回転数を制御している。さらに、該回転運動をタイミングギア１１１及び１１２を介してスクリューロータ１０２を伝達することによりスクリューロータ１０２及び１０３は同期して非接触で回転するように構成されている。

タイミングギア１１１及び１１２はオイルハウジング１２５で仕切られた潤滑油１２６が貯留されているオイル室１２７内に収納されている。タイミングギア１１１及び１１２には図示していない潤滑油供給手段により潤滑油が供給されるように構成されている。さらに、タイミングギア１１１及び１１２の軸方向の厚みを変え、軸方向底面を合わせて配置することによりタイミングギア１１１から回転の遠心力によりタイミングギア１１２へ飛ばされた潤滑油がタイミングギア１１２との段差部分で止められて、タイミングギア１１１及び１１２との噛み合い部分を潤滑するように構成されている。

次に、図５の第二のスクリュー式真空ポンプ（回転ロータ式ポンプ、片持ち式回転ポンプ、後段真空ポンプもしくはメインポンプ）１Ｂについて、図３及び図４を用いて説明する。
図３は第二のスクリュー式真空ポンプ（回転ロータ式ポンプ、片持ち式回転ポンプ、後段真空ポンプもしくはメインポンプ）１Ｂの実施の形態を模式的に示す断面図である。 また、図４は図３のＢ−Ｂ断面図である。
図示するように、このスクリュー式真空ポンプ１Bは、縦置に配置された一対のスクリューロータ２０２，２０３を備え、この一対のスクリューロータ２０２、２０３は排気室ハウジング２７１の内部に収納されている。排気室ハウジング２７１はロータハウジング２０４、上端ハウジング２７２及び軸受ハウジング２７６により構成されている。

前記一対のスクリューロータ２０２、２０３と排気室ハウジング２７１により複数の作動室２０７が形成される。この複数の作動室２０７は上端ハウジング２７２に形成された吸気口２５３からプロセスガス（反応生成ガス）を吸入し、前記一対のスクリューロータ２０２、２０３の回転に伴いプロセスガス（反応生成ガス）を移送してロータハウジング２０４の下端の側面に形成された排出口（排気口）２５４から排気する。

上端ハウジング２７２、つまり下記説明の構造をもつ片持ちのスクリューロータ２０２，２０３の上部には、第一のスクリュー式真空ポンプ１Ａの排気口１５４と第二のスクリュー式真空ポンプ１Bの吸気口２５３との間の中間圧が脈動した際に、脈動を緩衝するための脈動防止空間２９０が形成されている。例えば、極端な場合として真空状態から急激に大気圧を排気すると、脈動の最高圧力は大気圧以上（場合によっては大気圧の数倍以上）となり、第一のスクリュー式真空ポンプ１Ａの排気口１５４と第二のスクリュー式真空ポンプ１Bの吸気口２５３との間で脈動が生じると、圧力の低い第一のスクリュー式真空ポンプ１Aの軸受１０９側へプロセスガスが漏れ、故障の原因となる。また、中間圧に圧力変化の大きい脈動が生じると、第一のスクリュー式真空ポンプ１Ａ及び第二のスクリュー式真空ポンプ１Ｂのような片持ちのスクリューロータの場合、スクリューロータを曲げる方向に偏った力が発生し、スクリューロータ間もしくはスクリューロータとハウジング間で接触が生じ破壊の原因となる。特に、第一のスクリュー式真空ポンプは例えば一対のスクリューロータを３条と４条、４条と６条というように並列に複数の作動室が形成され、容積圧縮して排気しているため、排気端面での各作動室の圧力が異なり、スクリューロータに対して曲げる方向への力が大きくなる。第二のスクリュー式真空ポンプでは、両スクリューロータを１条とし、容積圧縮しないで排気する構造であり、第一のスクリュー式真空ポンプのスクリューロータと比較して軸径も小さいので、第一の真空ポンプと比較してスクリューロータに対して曲げる方向への力はそれほど大きくはならない。

上端ハウジング２７２内に形成された脈動防止空間２９０には反応生成物が排気室２６８内に侵入しないように吸気口２５３と排気室２６８間を仕切るようにトラップ部材２９１が配置されている。トラップ部材２９１は下端から上端に行くにしたがって先細りとなる中空構造で、上端ハウジング２７２とトラップ部材２９１との間に形成される溝部２９２に反応生成物が堆積するような構成となっている。上端ハウジング２７２を上面フランジと吸気口２５３が形成された側面ハウジングという構成にすることにより、該上面フランジを取り外すだけで、前記溝部２９２に堆積した反応生成物を掃除することができる。

スクリューロータ２０２、２０３と少なくともロータハウジング２０４間は微小隙間とされる。

スクリューロータ２０２は、ロータ部材２５６と回転軸部材２０５により構成されている。ロータ部材２５６及び回転軸部材２０５は鉄系の素材でできている。ロータ部材２５６は中空ロータであり、ロータ部材２５６の内周に上部に行くにしたがって狭くなるテーパを設け、さらに回転軸部材２０５の上端にも端部に行くにしたがって細くなるロータ部材２５６のテーパと同形状のテーパを設けてある。そしてロータ部材２５６と回転軸部材２０５のテーパ部を圧密着させることによりロータ部材１５６と回転軸部材２０５との回転軸を容易に一致させることができる。ロータ部材２５６と回転軸部材２０５は同じ鉄系の素材であり、温度変化による熱膨張量の違いはほとんどない。ロータ部材２５６と回転軸部材２０５とは、ロータ部材２５６の中空内上面と回転軸部材２０５の上端に締結されたボルト２５９との間に皿バネ２５８を配置することによりテーパ部で圧密着される。スクリューロータ２０２の上端部にはロータ部材２５６の中空部に反応性生物が堆積しないように蓋２６０が締結されている。

同様に、スクリューロータ２０３は、ロータ部材２６１と回転軸部材２０８により構成されている。ロータ部材２６１及び回転軸部材２０８は鉄系の素材でできている。ロータ部材２６１は中空ロータであり、ロータ部材２６１の内周上部に行くにしたがって狭くなるテーパを設け、さらに回転軸部材２０８の上端にも端部に行くにしたがって細くなり、ロータ部材２６１のテーパと同形状のテーパを設けてある。そしてロータ部材２６１と回転軸部材２０８のテーパ部を圧密着させることによりロータ部材２６１と回転軸部材２０８との回転軸を容易に一致させることができる。ロータ部材２６１と回転軸部材２０８は同じ鉄系の素材であり、温度変化による熱膨張量の違いはほとんどない。ロータ部材２６１と回転軸部材２０８とは、ロータ部材２６１の中空内上面と回転軸部材２０８の上端に締結されたボルト２６４との間に皿バネ２６４を配置することによりテーパ部で圧密着される。スクリューロータ２０３の上端部にはロータ部材２６１の中空部に反応性生物が堆積しないように蓋２６５が締結されている。

第一のスクリュー式真空ポンプは、排気容量を得るために、スクリューロータが大きくなり、回転部の重量は重くなる。しかしながら、運転中の排気室１６８は分子流領域付近であり、スクリューロータ間及びスクリューロータとロータケーシング間等の隙間は広くできるため、熱膨張係数の大きな材料でも使用が可能である。従って、第一のスクリュー式真空ポンプのスクリューロータは、熱膨張係数は大きいが軽量であるアルミ系の材料が最適である。
それに対し、第二のスクリュー式真空ポンプは第一のスクリュー式真空ポンプより排気容量が小さいため、スクリューロータ部は小型であるが、大気の逆流を抑えるためのシール機能が必要なため、スクリューロータ間及びスクリューロータとロータケーシング間等の隙間を狭くする必要がある。従って、第二のスクリュー式真空ポンプのスクリューロータは、密度は大きいが熱膨張係数は小さい鉄系の材料が最適である。

スクリューロータ２０２は、ロータの回転軸部２０５が、回転軸部２０５の下方で上部に設けられた軸受２０６、２０１及び下部に設けられた軸受２２３によりロータハウジング２０４内で回転自在に支持されている。軸受２０６と排気室２６８との間には排気室内のプロセスガス（反応生成ガス）が軸受側に漏れて軸受に堆積したり、潤滑油を汚染しないように、さらには軸受側２０６の潤滑油が排気室２６８側に漏れないように軸シール２６９が設けられている。また、軸受２０６、２０１、２２３は皿ばね（図示なし。）等で与圧をかけられている。

また、スクリューロータ２０３も同様に、ロータの回転軸部２０８が、回転軸部２０８の下方で上部に設けられた軸受２０９、２１０及び下部に設けられた軸受２２４によりロータハウジング２０４内で回転自在に支持されている。軸受２０９と排気室２６８との間には排気室内のプロセスガス（反応生成ガス）が軸受側に漏れて軸受に堆積したり、潤滑油を汚染しないように、さらには軸受側２０９の潤滑油が排気室２６８側に漏れないように軸シール２７０が設けられている。軸受２０６、２０１、２２３は皿ばね（図示なし。）等で与圧をかけられている。

軸受２０６，２０１の外輪は、鉄系の素材でできた円柱形状の軸受支持部材２７５の内周に圧接固定され、軸受支持部材２７５の外周部分は鉄系の素材でできた軸受ハウジング２７６に圧接固定している。軸受支持部材２７５の下端には軸受の外輪と軸受ハウジング２７６に対して軸方向で位置決めし易いように回転軸の放射方向に突出部２８０が形成されている。同様に、軸受２０９，２１０の外輪は、鉄系の素材でできた軸受支持部材２７７に圧接固定され、軸受支持部材２７７は鉄系の素材でできた軸受ハウジング２７６に圧接固定している。軸受支持部材２７７の下端には軸受の外輪と軸受ハウジング２７６に対して回転軸方向で位置決めし易いように回転軸の放射方向に突出部２８１が形成されている。軸受支持部材２７５、２７７は後記する空部２８２内で軸受を支持するように配置される。
このように軸受支持部材２７５、２７７を介して軸受２０６，２０７、２０９，２１０の外輪を軸受ハウジング２７６に固定することにより、中空部２８２と軸受２０６，２０７、２０９，２１０を軸方向で直列に配置せずに、真空ポンプの軸方向長を短くすることもできる。

さらに、軸受ハウジング２７６には軸受２０６，２０７、２０９，２１０と排気室２６８とを熱的に断熱するための中空部２８２が形成されている。このように排気室２６８で発生した排気ガスの圧縮熱等の熱が、軸受２０６，２０７、２０９，２１０へ伝達しないように、排気室２６８と軸受２０６，２０７、２０９，２１０との間の熱伝導経路に空間を設けることにより、軸受２０６，２０７、２０９，２１０へ熱が伝達しにくくなり、軸受２０６，２０７、２０９，２１０が高温になることによる破壊を防止することができる。この中空部２８２は軸受２０６，２０７、２０９，２１０の周辺に設けることにより、軸受ハウジング１７６を介して軸受２０６，２０７、２０９，２１０へ熱が伝わる熱伝導経路を長くできるので、より断熱効果が向上する。さらに、反応生成ガスを排気する場合、反応生成物が堆積しないように、反応生成ガスが流れる経路（吸気口２５３→排気室２６８→排気口２５４）を高温にして真空ポンプを運転する必要があるが、中空部２８２により高温に維持されている排気室２６８周辺の熱が、軸受２０６，２０７、２０９，２１０へ伝達するのを防止するという効果もある。

排気室ハウジング２７１を構成するロータハウジング２０４、上端ハウジング２７２及び軸受ハウジング２７６は、鉄系の素材でできたロータ部材１６１と同じ鉄系の素材で構成されており、熱膨張率を同等とすることによりスクリューロータ２０２，２０３と排気室ハウジング２７１との隙間が温度により変化しないようにしている。

ロータハウジング２０４の周辺には排気室２６８内の温度を制御するためのアルミ系の素材でできた伝熱プレート２８３が密着されている。該伝熱プレート２８３には冷却媒体（水等）もしくは加熱媒体（高温高圧蒸気等）を流すための経路２８４が形成されており、加熱・冷却はこれらの媒体で行う。例えば、タングステン系等の高温で固化する反応生成ガスを排気する場合は、排気室を低温に維持する必要があり、経路２８４に冷却水を流す。このように鉄系の素材よりも熱伝導率のよいアルミ系素材でできた伝熱プレート２８３をロータハウジング２０４に密着させて、ロータハウジング２０４の均熱化をしている。

軸受ハウジング２７６の下端であり、軸受ハウジング２７６を介して軸受２０６，２０７、２０９，２１０へ熱が伝わる熱伝導経路と接する位置にはアルミ系の素材でできた冷却プレート２８５が配置されている。中空部２８２だけでは十分に軸受２０６，２０７、２０９，２１０を低温に維持できない場合、前記冷却プレート２８５が配置されていることにより、軸受２０６，２０７、２０９，２１０へ伝導する熱量を減らすことができるので、軸受２０６，２０７、２０９，２１０の温度上昇を抑えることができる。
該冷却プレート２８５には冷却水等の媒体を流すための冷却経路２８６が形成されており、冷却効率をより向上させている。

さらに、前記冷却プレート２８５はモータハウジング２８７とも接しており、モータ２１３も冷却することができる。さらにモータハウジング２８７の外周には第二の冷却プレート２８８が密着しており、該第二の冷却プレート２８８によってもモータ２１３は冷却される。また、第二の冷却プレート２８８には冷却水等の媒体を流すための冷却経路２８９が形成されており、冷却効率をより向上させている。

回転軸部２０５の下端部にはタイミングギア２１１が設けられ、回転軸部２０８の下端部にはタイミングギア２１２が設けられており、タイミングギア２１１及び２１２が互いに噛み合うことにより、スクリューロータ２０２及び２０３が同期して非接触で回転するように構成されている。

回転軸部２０８の軸受２１０とタイミングギア２１２間にはモータ２１３の永久磁石方式の回転子２５０が固定され、キャン２５１によりキャンド化されている。第二のスクリュー式真空ポンプの排気口２５４側が詰まると、排気口２５４付近の圧力が大気圧よりも高くなることもあり、排気室２６８内のプロセスガスがモータ２１３側に漏れる。この場合、モータ２１３がキャンド化されていることによりプロセスガスが大気へ漏れることを防止できる。キャン２５１の外側にはモータ２１３の電磁石方式の固定子２５２が固定されており、インバータによりスクリューロータ２０３の回転数を制御している。さらに、該回転運動をタイミングギア２１１及び２１２を介してスクリューロータ２０２の伝達することによりスクリューロータ２０２及び２０３は同期して非接触で回転するように構成されている。

タイミングギア２１１及び２１２はオイルハウジング２２５で仕切られた潤滑油２２６が貯留されているオイル室２２７内に収納されている。タイミングギア２１１及び２１２には図示していない潤滑油供給手段により潤滑油が供給されるように構成されている。さらに、タイミングギア２１１及び２１２の軸方向の厚みを変え、軸方向底面を合わせて配置することにより、タイミングギア２１１から回転の遠心力によりタイミングギア２１２へ飛ばされた潤滑油がタイミングギア２１２との段差部分で止められて、タイミングギア２１１及び２１２との噛み合い部分を潤滑するように構成されている。

反応生成ガスは圧力が高くなると固化しやすい種類のものもあるため、大気側に配置されている第二のスクリュー式真空ポンプ１Bのロータハウジング２０４の側面には排気室内に不活性ガスを注入し、反応生成ガスを希釈して反応生成物ができにくくするための不活性ガス注入路２９５が設けられている。

最後に図５を用いて、前記第一のスクリュー式真空ポンプ１Aの排気口１５４と第二のスクリュー式真空ポンプ１Bの吸気口２５３を直列に連結して縦置き二段スクリュー式真空ポンプ３００の構成について説明する。

図５に示すように、前記第一のスクリュー式真空ポンプ１Aの排気口１５４、第二のスクリュー式真空ポンプ１Bの吸気口２５３及び中間配管３０１で形成されている排気経路は水平になるように配置することにより、コンダクタンスをほとんど落とすことなく、前記第一のスクリュー式真空ポンプ１Aの排気口１５４と第二のスクリュー式真空ポンプ１Bの吸気口２５３を接続することができる。
また、中間配管３０１を用いないで第一のスクリュー式真空ポンプ１Aの排気口１５４と第二のスクリュー式真空ポンプ１Bの吸気口２５３を接続してもよい。

スクリューロータ部分の修理やメンテナンス等を行う場合は、第一のスクリュー式真空ポンプ及び第二のスクリュー式真空ポンプの各々の軸受ハウジングとロータハウジングとの締結を解除しロータハウジングとともにロータハウジングよりも上部に配置されている上端ハウジング等を取り外すことにより、容易にスクリューロータ部分を作業者に対して露出することができ、作業性が向上するとともに、組立も容易となる。

回転ロータ式流体ポンプ、片持ち式回転流体ポンプ、回転ロータ式真空ポンプ、片持ち式回転真空ポンプ等に適応可能である。特に、半導体製造工程で使用されるプロセスガスを排気するための片持ちスクリュー式真空ポンプ、その中でも該片持ちスクリュー式真空ポンプを複数台を直列に連結した多段片持ちスクリュー式真空ポンプに適用できる。

本願発明に係る二段スクリュー式真空ポンプの第一のスクリュー式真空ポンプの実施の形態を模式的に示す断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本願発明に係る二段スクリュー式真空ポンプの第二のスクリュー式真空ポンプの実施の形態を模式的に示す断面図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 本願発明に係る二段スクリュー式真空ポンプの実施の形態を模式的に示す断面図である。 従来技術を示した説明図である。

符号の説明

１Ａ 第一のスクリュー式真空ポンプ
１０２，１０３ スクリューロータ
１０４ ロータハウジング
１０５ 回転軸部材
１０１、１０６、１０９、１１０、１２３、１２４ 軸受
１０７ 作動室が形成
１１３ モータ
１１１、１１２ タイミングギア
１２５ オイルハウジング
１２６ 潤滑油
１５０ 回転子
１５１ キャン
１５２ 固定子
１５３ 吸気口
１５４ 排出口（排気口）
１５６ ロータ部材
１５７ 筒部材
１６６ 段部
１５８、１６３ 皿バネ
１５９、１６４ ボルト
１６０、１６５ 蓋
１６８ 排気室
１６９、１７０ 軸シール
１７１ 排気室ハウジング
１７２ 上端ハウジング
１７３ 軸受ハウジング
１７４ 邪魔板
１７５、１７７ 軸受支持部材
１８２ 中空部
１８３ 伝熱プレート
１８４ 経路
１８５ 冷却プレート
１８６、１８９ 冷却経路
１８８ 第二の冷却プレート

Claims (2)

1. 吸気口と排気口が形成された排気室を形成するハウジング内に回転ロータが収納され、排出ガスを吸気口から吸収し、排気口から排気する回転ロータ式ポンプにおいて、該回転ロータはロータ軸端部でハウジングに対して軸受を介して回転自在に支持され、該軸受とハウジング内に形成された排気室との間に断熱空間を設けたことを特徴とする回転ロータ式ポンプの軸受保護機構。
2. 前記軸受に対して排気室とは反対側の回転ロータ軸一端側に回転ロータの駆動部を配置し、該駆動部と前記軸受との間の前記断熱空間内に冷却手段を配置したことを特徴とする請求項１に記載の回転ロータ式ポンプの軸受保護機構。

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