JP2013507576A - スクリューロータ型真空ポンプ - Google Patents

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Abstract

【解決手段】本発明は一つのスクリューロータが等間隔、不等間隔、等間隔の３段階に連続的に変化するリードを有するスクリューロータ型真空ポンプに関し、大気圧から０．５Ｐａの領域まで安定した排気性能を維持できる技術に関する。
本発明によれば、互いに噛み合って回転する一対のスクリューロータ；前記一対のスクリューロータを収納し、一側には吸入口が備えられ他側には吐出口が備えられたハウジング；前記スクリューロータを回転させるためのモータ；及び前記スクリューロータの外周面に形成され、リード角が連続的に変化する部分を有するねじ山；を含むことを特徴とするスクリューロータ型真空ポンプが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は一つのスクリューロータが等間隔、不等間隔、等間隔の３段階に連続的に変化するリードを有するスクリューロータ型真空ポンプに関し、大気圧から０．５Ｐａの領域まで安定した排気性能を維持できる技術に関する。
従来より半導体デバイス製造装置、液晶パネル製造装置及び太陽電池板の製造装置は、デバイス製造装置のプロセスチャンバにポンプからオイルが逆流すると、各デバイス製造工程に重大な問題をきたす。したがって、吸気ガスとオイルが接触しない、いわゆるドライポンプ（Ｄｒｙ Ｐｕｍｐ）、メカニカルブースターポンプ（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂｏｏｓｔｅｒ Ｐｕｍｐ）、ターボ分子ポンプ（Ｔｕｒｂｏ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｐｕｍｐ）が利用されている。また、プロセスガス、キャリアガス、発生ガスなどの分子量は１から相当大きい場合まで多様であるため、前記ポンプの各種ガスの排気特性とポンプ固有の排気領域によって区分して使用していることが実情である。
しかし、従来のスクリューロータ型真空ポンプは等間隔リードを有するスクリューロータを使用して吸入した気体を圧縮する過程なく移送作用のみを行う。これにより排気ガスの種類によって排気速度が低下することがあり、真空ポンプを効率が低い状態で使用するしかないという問題がある。したがって、従来のドライポンプは密封用ガスを１５Ｌ／ｍｉｎ程度に大量に流さなければならなかった。また、排気速度の低下によって、一般的なドライポンプ、メカニカルブースターポンプには吸入口から吐出口間のポンプの内部に工程副産物が堆積される問題がある。
従来、真空ポンプは吐出口からの逆拡散量、希釈ガスの逆拡散量が大きいため到達圧力が３Ｐａ前後であり、図１の曲線Ｂのように分子流域側で排気速度が大幅に減少する。さらに、従来のスクリューロータ型真空ポンプで排気ガスに水素を使用する場合、水素の排気速度は窒素の１／３から１／２で、圧縮比が小さいため、図１の曲線Ｃのように吸入圧が１０Ｐａ程度である時は排気速度が極端に減少する。
このような従来の問題点を解決するための本発明は、一つのスクリューロータに等間隔、不等間隔、等間隔の３段階に連続的に変化するリードを形成してガスの種類に関係なく大気圧（１０１３２５Ｐａ）から０．５Ｐａまで、安定した排気性能を維持できるスクリューロータ型真空ポンプを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明によれば、互いに噛み合って回転する一対のスクリューロータ；前記一対のスクリューロータを収納し、一側には吸入口が備えられ他側には吐出口が備えられたハウジング；前記スクリューロータを回転させるためのモータ；及び前記スクリューロータの外周面に形成され、リード角が連続的に変化する部分を有するねじ山；を含むことを特徴とするスクリューロータ型真空ポンプが提供される。
前記リード角が連続的に変化する部分は不等リード区間（ｂ）であり、前記ねじ山は等リード区間（ａ）、不等リード区間（ｂ）、等リード区間（ｃ）に沿って連続的に連結されることが好ましい。
前記ねじ山の形態は、等リード区間（ａ）は
Figure 2013507576
、不等リード区間（ｂ）は
Figure 2013507576
、等リード区間（ｃ）は
Figure 2013507576
の関数が示すグラフの形態を連結したことを特徴とし、
前記ａ１、ａ３の値はスクリューロータの回転時に直径によるリード値とスクリュー歯溝の体積によって計算された適正ポンプ容量を満たすスクリューロータの高さの比によって求められる勾配であり、ｃ１、ｃ３の値は雌・雄スクリューロータの直径差によって発生する相互歯間の重なりを解消できる範囲の値であり、
前記不等リード区間（ｂ）のねじ山の形態を示す下記式
Figure 2013507576
でｂ２はａ３ と同じ値を有し、
前記式
Figure 2013507576
をｘ２に対して微分すると得られる式
Figure 2013507576
によって求めた勾配はａ１、ａ３と同じであり、この時、前記不等リード区間（ｂ）と前記等リード区間（ｃ）が会う点を等リード区間（ｃ）が終わる点として、ｃ２値を求めることが好ましい。
前記ねじ山はまずは等リード区間（ａ）と等リード区間（ｃ）での形態を求めた後、不等リード区間（ｂ）の形態を求めてねじ山の全体の形態を完成することが好ましい。
上述のような本発明によれば、一つのスクリューロータに等間隔、不等間隔、等間隔の３段階に連続的に変化するリードを形成してガスの種類に関係なく大気圧１０１３２５Ｐａから０．５Ｐａまで、安定した排気性能を維持できるスクリューロータ型真空ポンプが提供されることができる。
それにより、本発明によれば、真空ポンプの排気速度が大幅に改善されて一台の真空ポンプでも高い効率で安定した排気速度を得ることができ、大気圧から０．５Ｐａまで、広い動作範囲で作動できるようになる。
本発明による等間隔リード、不等間隔リード、等間隔リードを有するスクリューロータ型真空ポンプと等間隔リードを有する従来のスクリューロータ型真空ポンプの排気速度を比較したグラフである。 本発明によるスクリューロータ型真空ポンプの断面図である。 本発明によるスクリューロータ型真空ポンプに含まれたスクリューロータの断面図である。 本発明によるスクリューロータ型真空ポンプに含まれたスクリューロータの外側面の展開図である。
以下、本発明の好ましい実施形態による一つのスクリューロータが等間隔、不等間隔、等間隔の３段階に連続的に変化するリードを持つことを特徴とするスクリューロータ型真空ポンプを図面を参照して詳しく説明する。
図１には本発明と等間隔リードを有する従来のスクリューロータ型真空ポンプの排気速度を比較したグラフが示されている。そして、図２には本発明の一実施形態によるスクリューロータ型真空ポンプの断面図が示されている。図３にはスクリューロータの断面図が示されており、図４にはスクリューロータの外側面の展開図が示されている。
図２にはモータ内蔵型真空ポンプが示されている。しかし、本発明による一つのスクリューロータが等間隔、不等間隔、等間隔の３段階に連続的に変化するリードを有するスクリューロータ型真空ポンプは外付け型モータを使用する真空ポンプやその他業界で一般的に使用できる真空ポンプにも使用され得る。
図２に示すように、本発明の一実施形態による真空ポンプは気体を圧縮移送できる雄スクリューロータ２６及び雌スクリューロータ２５と、これらを外部から囲むハウジング２７を含む。前記一対のスクリューロータを回転させるためにいずれか一つのスクリューロータの内部にはモータ４が備えられている。各ロータ２５、２６の回転軸にはこれを支持するための軸受３がある。ロータ２５、２６の下側にはタイミングギヤ２があり、前記タイミングギヤ２は雄スクリューロータ２６の回転軸と雌スクリューロータ２５の回転軸を共に同期させて回転させることができるようにする。
前記一対のスクリューロータ軸に備えられた遠心ポンプ１は下方の末端部に毛細管のような細い管がオイルと接触して形成されている。この時、細い管を介してオイルが真空ポンプの内部に上昇するようになり、軸受３に潤滑剤の役割を行うオイルが供給されて円滑な作動が行われるようになる。
図３に示すように、本発明の一実施形態による等間隔、不等間隔、等間隔の３段階に連続的に変化するリードを有するスクリューロータ型真空ポンプは、雄スクリューロータ２６及び雌スクリューロータ２５とこれらのロータを収納するハウジング２７によって形成される作動室２８を含む。また、作動室２８は作動室２８の一側に連結された吸入口２１及び作動室２８の他側に連結された吐出口２２を含む。
前記作動室２８の内部で雄スクリューロータ２６と雌スクリューロータ２５によって、矢印方向に、気体の圧縮移送が行われる。好ましくは雄スクリューロータ２６の外径が雌スクリューロータ２５の外径より大きい。これは外径の差による回転速度の差によって、雄スクリューロータ２６と雌スクリューロータ２５が接する部分の摩擦力で工程副産物が積もる現象を抑制できるからである。
作動室２８の下方にはハウジング断面プレート２４が、吐出口２２の方向に、断面積が次第に狭くなる形態で傾斜するように形成されており、ハウジング断面プレート２４とスクリューロータ２５、２６の間には断面隙間２３が存在する。前記ハウジング断面プレート２４の傾斜した形態によってスクリューロータ２５、２６から出たガスが吐出口２２側に效率的に放出されることができるとともに、ガスが逆拡散されることを防止できる。
また、等間隔、不等間隔、等間隔の３段階に連続的に変化するリードを有する雄スクリューロータ２６及び雌スクリューロータ２５を利用すると、リード角が吸入口から吐出口方向へ行くほど次第に減少するようになる。したがって、作動室２８内にあるねじ山によって形成される容積が、吐出口２２に近くなるほど小さくなるので吐出口２２での吐出圧力が増加して吐出口２２側に行くほどガスの流れが急激に増加するようになる。したがって、ガスの円滑な排出が行われ吐出口２２側の過熱を防止することができ、熱的にも安定した構造の真空ポンプになることができる。
以下、図４を参照して本発明によるスクリューロータの外周面に形成されたねじ山の形態を説明する。
図４に示すように、スクリューロータの外側面の展開図にはねじ山が回転軸を基準にして放物線状に両側に広げられている。スクリューロータには等リード区間（ａ）、不等リード区間（ｂ）、等リード区間（ｃ）でねじ山が連続的に連結されている。前記それぞれの区間でねじ山の形態は、等リード区間（ａ）は
Figure 2013507576
、不等リード区間（ｂ）は
Figure 2013507576
、等リード区間（ｃ）は
Figure 2013507576
の関数が示すグラフの形態と同じである。
前記等リード区間（ａ）、（ｃ）ではリード角が一定であり、前記不等リード区間（ｂ）ではリード角が連続的に変化する。ここでリード角とはスクリューロータとねじ山がなす角で図３に示すとおりである。
前記等リード区間（ａ）のａ１はスクリューロータの回転時に直径によるリード値（円周）とスクリュー歯溝の体積によって計算された適正ポンプ容量を満たす等リード区間（ａ）のスクリューロータ高さの比によって求められる勾配であり、ｃ１は雌・雄スクリューロータ２５、２６の直径差によって発生する相互歯間の重なりを解消できる範囲の値である。
この時、ｃ１は雄スクリューロータ２６の場合は０の値を有し、雌スクリューロータ２５は最初は値を０にして計算した後、３次元立体シミュレーションプログラムでスクリューロータを作製してシミュレートした時、雌・雄スクリューロータ２５、２６の回転時に干渉と隙間間隔が不特定に発生する。この時、雌スクリューロータ２５のｃ１値は干渉を解消できる範囲及び隙間間隔が決められた公差内を満たすことができる値であり、少数点下６桁までの公差を適用して再調整するようになる。
前記等リード区間（ｃ）のａ３は前記等リード区間（ａ）のａ１と同じ意味を有するので前記等リード区間（ａ）と同じ方式でａ３値を求めることができる。また、前記等リード区間（ｃ）のｃ３は前記等リード区間（ａ）のｃ１と同じ意味を有し、前記等リード区間（ｃ）でａ３値を代入した直線を描いた時、ｙ軸と会う点でｃ３値を求めることができる。
前記不等リード区間（ｂ）のねじ山の形態は下記式で求めることができる。
Figure 2013507576
前記式（１）でｂ２はａ３と同じ値を有する。
また、前記式１をｘ２に対して微分すると、下記式を求めることができる。
Figure 2013507576
また、前記式（２）を通じて求めた勾配はａ１、ａ３と同じである。この時、前記不等リード区間（ｂ）と前記等リード区間（ｃ）が会う点を等リード区間（ｃ）が終わる点として、ｃ２値を求めるようになる。
この時、容積計算によって得られた等リード区間（ａ）の最小高さの値を満たすとともに、前記不等リード区間（ｂ）のねじ山と前記等リード区間（ａ）のねじ山が連結され得るべきである。すなわち、等リード区間（ｃ）の延長線に沿って接することを維持するようにｃ２値を少数点以下６桁までの公差を適用してｃ２値を調整して不等リード区間（ｂ）曲線を移動させるようになる。結局、ｃ２値の変化による移動値だけ等リード区間（ｃ）の高さを延長してスクリューロータの総高さを再調整する。
結局、これにより等リード区間（ａ）のねじ山と等リード区間（ｃ）のねじ山を連結する不等リード区間（ｂ）の無理関数の曲線を持つようになり、ねじ山の全体の形態を図４に示すように求めることができる。
このように、本発明のリード構造によればガスが逆拡散されることを防止することができ、大気圧から０．５Ｐａまで広い領域で安定した排気速度を得ることができる。
また、本発明による真空ポンプを使用することによって、従来のドライポンプやメカニカルブースターポンプなどを組み合わせた真空系に比べて簡単な構造で真空系を構成することができ、これによってコストを低減できる。
以上のように本発明によるスクリューロータ型真空ポンプを、本発明の好ましい実施形態を参照して説明した。しかし、本発明は以上で説明された実施形態と図面によって限定されず、特許請求の範囲内で本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって様々な修正及び変形が行われることができることは無論である。
１：遠心ポンプ
２：タイミングギヤ
３：軸受
４：モータ
２１：吸入口
２２：吐出口
２３：断面隙間
２４：ハウジング断面プレート
２５：雌スクリューロータ
２６：雄スクリューロータ
２７：ハウジング
２８：作動室

Claims (4)

  1. 互いに噛み合って回転する一対のスクリューロータ；
    前記一対のスクリューロータを収納し、一側には吸入口が備えられ他側には吐出口が備えられたハウジング；
    前記スクリューロータを回転させるためのモータ；及び
    前記スクリューロータの外周面に形成され、リード角が連続的に変化する部分を有するねじ山；を含むことを特徴とするスクリューロータ型真空ポンプ。
  2. 前記リード角が連続的に変化する部分は不等リード区間（ｂ）であり
    前記ねじ山は等リード区間（ａ）、不等リード区間（ｂ）、等リード区間（ｃ）に沿って連続的に連結されることを特徴とする請求項１に記載のスクリューロータ型真空ポンプ。
  3. 前記ねじ山の形態は、
    等リード区間（ａ）は
    Figure 2013507576
    、不等リード区間（ｂ）は
    Figure 2013507576
    、等リード区間（ｃ）は
    Figure 2013507576
    の関数が示すグラフの形態を連結したことを特徴とし、
    前記ａ１、ａ３の値はスクリューロータの回転時に直径によるリード値とスクリュー歯溝の体積によって計算された適正ポンプ容量を満たすスクリューロータの高さの比によって求められる勾配であり、ｃ１、ｃ３値は雌・雄スクリューロータの直径差によって発生する相互歯間の重なりを解消できる範囲の値であり、
    前記不等リード区間（ｂ）のねじ山の形態を示す式
    Figure 2013507576
    でｂ２はａ３ と同じ値を有し、
    前記式
    Figure 2013507576
    をｘ２に対して微分すると得られる式
    Figure 2013507576
    によって求めた勾配はａ１、ａ３と同じであり、この時、前記不等リード区間（ｂ）と前記等リード区間（ｃ）が会う点を等リード区間（ｃ）が終わる点として、ｃ２値を求めることを特徴とする請求項２に記載のスクリューロータ型真空ポンプ。
  4. 前記ねじ山はまずは等リード区間（ａ）と等リード区間（ｃ）での形態を求めた後、不等リード区間（ｂ）の形態を求めてねじ山の全体の形態を完成することを特徴とする請求項２に記載のスクリューロータ型真空ポンプ。
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