JP2015004326A - 真空ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空冷式で十分な冷却を確保しながらも、小型化が可能で安価な真空ポンプ装置を提供する。【解決手段】真空ポンプ装置は、一対の回転軸１２にそれぞれ取り付けられた一対のポンプロータ１１ａ〜１１ｅを収容するポンプケーシング１４と、一対の回転軸１２を回転自在に支持する軸受２１、および、一対の回転軸１２にそれぞれ取り付けられ、互いに噛み合うタイミングギア２３を収容するギアカバー２５と、一対の回転軸１２を回転させるためのモータ１８が収容されるモータフレーム３２と、を備える。ギアカバー２５とモータフレーム３２とは、高熱伝導材料から構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、真空ポンプ装置に関し、特に、ポンプの主要発熱部を効率よく冷却することが可能な空冷式のドライ真空ポンプ装置に関するものである。

ドライ真空ポンプは、清浄な真空を作るという長所を活かして、高い清浄度を要求される半導体、液晶、太陽電池などの製造ラインで多数用いられている。一方で、機械部品や金属の製造、食品製造、理化学機器等の幅広い産業分野においては、要求される真空度の低さ、低価格、運転設備の簡素さなどの理由から油回転ポンプが主に利用されている。しかし、油回転ポンプは、排気流路に油を使用するため排気系や周辺環境を汚染する、メンテナンス頻度が高いなどの課題を有する。このため、作業環境の改善、稼働率の向上およびメンテナンス頻度の低減などを目的として、油回転ポンプのドライ真空ポンプへの置換えが進んでいる。ドライ真空ポンプ装置の代表例である容積式真空ポンプ装置は、一対のポンプロータを互いに反対方向に回転させることで、気体をポンプロータの上流側（すなわち、ポンプの吸気側）から下流側（すなわち、ポンプの排気側）に移送する。

この種のドライ真空ポンプ装置では、気体を圧縮して排気するため、気体の圧縮熱により、特にポンプケーシングの圧縮最終段部分が非常に高温になる。また、ポンプロータを互いに反対方向に回転させるためのタイミングギアや、ポンプロータが固定された回転軸を支持する軸受なども、摩擦などに起因して発熱する。さらには、回転軸を回転させるモータも銅損や鉄損などにより発熱する。

これら主要な発熱部位は、ポンプの故障防止の観点から過度の昇温防止のために冷却する必要がある。ドライ真空ポンプでは、これら主要発熱部の冷却を水冷式とするのが一般的であるが、油回転ポンプは空冷式が一般的であり、油回転ポンプを使用している設備に冷却水供給設備が整備されていることは稀である。したがって、水冷式のドライ真空ポンプを油回転ポンプに置換える場合、冷却水供給設備を新たに整備する必要があり、使用者の負担が増えてしまうという問題がある。このため、冷却水を使用しなくても、これら主要発熱部位を効率よく冷却できる空冷式のドライ真空ポンプが要求されている。

特許文献１には、放熱フィンを具備する放熱板を備え、当該放熱板上に電装部品を実装すると共に、放熱板上に熱伝導の良い材料で構成されたポンプ取付台を介在させてポンプを取り付けるか、または放熱板上に直接ポンプを取り付ける構成が開示されている。

しかしながら、このような構成の場合、放熱板やポンプ取付台などの専用品が必要となり、ポンプが比較的高価になってしまうという問題があった。また、放熱板やポンプ取付台などの構成部品を別個に用意する必要があり、ポンプを小型化することが困難であった。

特開２０１０−１２７１１８号公報

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、空冷式で十分な冷却を確保しながらも、小型化が可能で安価な真空ポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明の一態様は、一対の回転軸にそれぞれ取り付けられた一対のポンプロータを収容するポンプケーシングと、前記一対の回転軸を回転自在に支持する軸受、および、前記一対の回転軸にそれぞれ取り付けられ、互いに噛み合うタイミングギアを収容するギアカバーと、前記一対の回転軸を回転させるためのモータが収容されるモータフレームと、を備え、前記ギアカバーと前記モータフレームとが高熱伝導材料から構成されることを特徴とする真空ポンプ装置である。

本発明の好ましい態様は、前記モータのモータロータが、前記一対の回転軸の少なくとも一方に取り付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記モータの回転軸が、カップリングを介して、前記一対の回転軸のいずれか一方と連結されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ギアカバーおよび／または前記モータフレームの外周には、冷却フィンが設けられていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ポンプケーシング、前記ギアカバー、および前記モータフレームを少なくとも覆う外装カバーと、前記外装カバーに設けられた冷却ファンとをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ポンプケーシングの圧縮最終段部、前記ギアカバー、および前記モータフレームが、前記冷却ファンから送られる空気の流れの上流側領域に配置されることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記高熱伝導材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする。

本発明の構成によれば、ギアカバー内に収容される軸受およびタイミングギアや、モータフレームに収容されるモータが発熱しても、ギアカバーとモータフレームとが高熱伝導材料から構成されているので、当該熱を効率よく真空ポンプ装置外に放出することが可能となる。また、ギアカバーおよびモータフレームを冷却するための新たな部材を必要としないので、真空ポンプ装置の設置面積を必要最小限とすることができ、真空ポンプ装置の小型化を図ることができると共に、真空ポンプ装置の製造コストを安価に抑えることができる。

本発明の真空ポンプ装置を構成する真空ポンプユニットの一実施形態を示す概略断面図である。 図１に示す真空ポンプユニットおよび当該真空ポンプユニットを覆う外装カバーを備えた真空ポンプ装置の一実施形態を示す概略断面図である。 図２に示す真空ポンプ装置の概略斜視図である。 本発明の真空ポンプ装置を構成する真空ポンプユニットの他の実施形態を示す概略断面図である。

以下、本発明に係る真空ポンプ装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の真空ポンプ装置を構成する真空ポンプユニットの一実施形態を示す概略断面図である。図１に記載される真空ポンプユニット１は、気体の流路内にオイルを使用しないドライ真空ポンプユニットである。本実施形態ではルーツ型真空ポンプユニットを説明するが、ルーツ型真空ポンプユニットの他にスクリュー型などの他のタイプの真空ポンプユニットを使用してもよい。

真空ポンプユニット１は、図示しない外部空間（例えば真空チャンバであり、以下、外部空間を真空チャンバとして説明する）に連通する吸気ポート１５と、気体を排出するための排気ポート１６とを備えている。真空ポンプユニット１の運転により、真空チャンバ内の気体は、吸気ポート１５を通って真空ポンプユニット１に吸い込まれ、排気ポート１６から排出される。真空ポンプユニット１は、一対の多段のポンプロータ（ルーツロータ）１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅと、これらポンプロータ１１ａ〜１１ｅが固定される一対の回転軸１２と、ポンプロータ１１ａ〜１１ｅが収容されるポンプケーシング１４と、回転軸１２を介してポンプロータ１１ａ〜１１ｅを回転させるモータ１８とを備えている。なお、ここに図示した例では、５段のポンプロータを示したが、本発明はこれに限られず、ポンプロータの段数は、求められる真空度や排気量などに応じて適宜選定することができる。

モータ１８は、図示しないインバータに接続されており、インバータから可変周波数の電圧がモータ１８に印加されるようになっている。回転軸１２は、軸受２０，２１によって回転自在に支持されている。回転軸１２の一方の端部には、互いに噛み合う一対のタイミングギア２３が設けられており、これらタイミングギア２３は、軸受２１と共にギアカバー２５内に収容されている。

モータ１８は、２つの回転軸１２のうちの少なくとも一方に固定されたモータロータ２７と、コイルが巻かれたステータコアを有するモータステータ２８と、これらモータロータ２７、モータステータ２８を収容するモータフレーム３２とを備えている。モータステータ２８は、モータロータ２７を囲むように配置されており、モータフレーム３２の内周面に固定されている。モータ１８が駆動されると、タイミングギア２３を介して一対のポンプロータ１１ａ〜１１ｅが互いに反対方向に回転し、気体が吸気ポート１５を通じて真空ポンプユニット１に吸い込まれ、ポンプロータ１１ａ〜１１ｅによって下流側に移送され、排気ポート１６から排出される。なお、ここに図示した実施形態では、２つの回転軸１２のうちの一方にモータ１８が連結される例を示したが、図示した例とは相違して、２つの回転軸１２の両方にそれぞれモータを連結してもよい。

ポンプケーシング１４とギアカバー２５との間には、サイドカバー１７が配置されており、排気ポート１６はサイドカバー１７に設けられる。吸気ポート１５が設けられるポンプケーシング１４、排気ポート１６が設けられるサイドカバー１７、タイミングギア２３が配置されるギアカバー２５、およびモータ１８のモータフレーム３２は、この順番に直列に並んで配置されている。すなわち、ポンプケーシング１４の圧縮最終段部、サイドカバー１７、ギアカバー２５、およびモータフレーム３２からなる主要発熱部が一箇所に集中配置されている。図示した例では、吸気ポート１５は、ポンプケーシング１４に配置されているが、吸気側にサイドカバーを別途設けて、当該サイドカバーに吸気ポート１５を設けてもよい。また、同様に、排気ポート１５は、サイドカバー１７に設けられているが、ポンプケーシング１４に設けてもよい。

上記したポンプケーシング１４とサイドカバー１７とは、例えばＦＣ（ねずみ鋳鉄）やＦＣＤ（ダクタイル鋳鉄）などの鉄系鋳物材料から構成される。一方で、上記したギアカバー２５とモータフレーム３２とは、高熱伝導材料から構成されている。高熱伝導材料とは、鉄よりも高い熱伝導率を有している材料のことを言う。高熱伝導材料の例としては、アルミニウムやアルミニウム合金、あるいは、銅などが挙げられる。アルミニウムやアルミニウム合金が選択された場合は、真空ポンプユニット１の軽量化を図ることができるので好適である。

サイドカバー１７は、ポンプケーシング１４と同一の材料から製作される。これは、サイドカバー１７がポンプロータ１１ａ〜１１ｅとポンプケーシング１４との間の相対的な位置決めを行う位置決め部材の役目も担っているため、サイドカバー１７とポンプケーシング１４とは、同一の熱膨張係数を有していることが好ましいことによる。なお、真空ポンプユニット１の運転状況や発熱量によっては、ポンプケーシング１４にも冷却効果を持たせたい場合がある。このような場合は、ポンプケーシング１４とサイドカバー１７をアルミニウムやアルミニウム合金などの高熱伝導材料で構成してもよい。

ギアカバー２５が高熱伝導材料から構成されているので、タイミングギア２３と軸受２１とが摩擦により発熱したとしても、この熱はギアカバー２５内の潤滑油、およびギアカバー２５を介して効率よく真空ポンプユニット外に放出され、タイミングギア２３や軸受２１の昇温が防止される。また、同様に、モータフレーム３２が高熱伝導材料から構成されているので、モータ１８が発熱したとしても、この熱は当該モータフレーム３２を介して効率よく真空ポンプユニット外に放出され、モータ１８の昇温が防止される。さらに、真空ポンプユニット１を冷却するために、冷却用の新たな部材を必要としないので、真空ポンプユニット１の設置面積は必要最小限とすることができ、真空ポンプユニット１の小型化を図ることができると共に、真空ポンプユニット１の製造コストを安価に抑えることができる。

さらに効率よく放熱させるために、ギアカバー２５およびモータフレーム３２の外周に冷却フィンを設けてもよい。この冷却フィンは、ギアカバー２５およびモータフレーム３２と一体に形成してもよいし、冷却フィンを別部材として構成して、ギアカバー２５およびモータフレーム３２に取り付けてもよい。冷却フィンを別部材として構成する場合、当該冷却フィンも高熱伝導材料から構成される。このように高熱伝導材料からなる冷却フィンをギアカバー２５およびモータフレーム３２の外周に設けることで、放熱のための面積が増えるため、更に効率よく放熱することができる。冷却フィンを設けるか否かは、真空ポンプユニット１の定格運転によるタイミングギア２５やモータ１８などの発熱量と、ギアカバー２５およびモータフレーム３２の放熱量とを比較した上で、適宜決定すればよい。当然ながら、ギアカバー２５とモータフレーム３２のいずれか一方に冷却フィンを設けてもよい。さらに、ポンプケーシング１４とサイドカバー１７にも冷却フィンを設けることができる。

また、図２および図３に示すように、真空ポンプユニット１の全体を覆う外装カバー３０に、真空ポンプユニット１に向かって気流を発生させる冷却ファン３５を設けることもできる。冷却ファン３５によって発生させられる気流が、図中白抜き矢印で示される。このような冷却ファン３５を設けることで、真空ポンプユニット１の更なる冷却を図ることができる。また、冷却ファン３５を設けるにあたっては、冷却フィンがギアカバー２５およびモータフレーム３２に設けられているのが好ましいが、冷却フィンを設けなくてもよい。

真空ポンプユニット１におけるギアカバー２５とモータフレーム３２とは高熱伝導材料から構成されているので、低風量で小型の冷却ファン３５を採用することができる。したがって、冷却ファン３５を設けたとしても、増える電力量は最小限であり、風切り音も小さくてすむので、省電力で低騒音な真空ポンプ装置を実現することができる。

モータフレーム３２、ギアカバー２５、サイドカバー１７、およびポンプケーシング１４の圧縮最終段部は、冷却ファン３５から送られる空気の流れ方向に沿って、この順に直列に配置されている。すなわち、真空ポンプユニット１における主要発熱部を、冷却ファン３５の近傍の一箇所に集中配置していて、特にポンプケーシング１４の圧縮最終段部、ギアカバー２５、およびモータフレーム３２が、冷却ファン３５から送られる空気の流れの上流側領域に配置されている。仮に、発熱部を分散配置すると、当該発熱部それぞれに専用の冷却ファンが必要となるが、このように主要発熱部を冷却ファン３５から送られる空気の流れの上流側領域に集中配置することで、必要とされる冷却ファンは一つでよくなり、必要最小限の能力を有する冷却ファン３５を選定することができる。したがって、真空ポンプユニット１が配置される真空ポンプ装置の低コスト化、省電力化、および低騒音化に対して効果的である。

なお、図示した例では、冷却ファン３５は、外装カバー３０の側面に設けられ、気流が真空ポンプユニット１の長手方向に流れる構成である。これに代えて、外装カバー３０の上面または下面に冷却ファン３５を設け、冷却ファン３５によって発生される気流が、真空ポンプユニット１の長手方向に対して垂直な方向に流れる構成であってもよい。この場合も、真空ポンプユニット１における主要発熱部は、冷却ファン３５の近傍の一箇所に集中配置され、特にポンプケーシング１４の圧縮最終段部、ギアカバー２５、およびモータフレーム３２は、冷却ファン３５から送られる空気の流れの上流側領域に配置される。

次に、図４に示される実施形態について説明する。図４は、本発明の真空ポンプ装置を構成する真空ポンプユニットの他の実施形態を示す概略断面図である。先に記述した実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付すことで、重複する説明を省略する。

図４に示される実施形態は、真空ポンプユニット１に配置される２つの回転軸１２のうちの一方の回転軸１２に、カップリング２９を介して、モータ１８の回転軸が連結される点で上述した実施形態と相違する。その他の構成は、上述した実施形態と同様である。このように、本発明は、図１に示されるような回転軸１２を直接駆動する所謂ダイレクトドライブの構成（すなわち、モータ１８のモータロータ２７が一対の回転軸１２の少なくとも一方に取り付けられる構成）、および、モータ１８の回転軸が、カップリング２９を介して、一対の回転軸１２のいずれか一方に連結された構成のどちらにも適用することができる。

図４に示される実施形態においても、ギアカバー２５と、モータ１８のモータフレーム３２は高熱伝導材料から構成される。ギアカバー２５とモータフレーム３２とに、冷却フィンを設けることもできるし、外装カバー３０に冷却ファン３５を設けることができる。さらに、真空ポンプユニット１における主要発熱部を、冷却ファン３５の近傍の一箇所に集中配置することも可能であり、特にポンプケーシング１４の最終圧縮段部、ギアカバー２５、およびモータフレーム３２が、冷却ファン３５から送られる空気の流れの上流側領域に配置される。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

１ 真空ポンプユニット
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ ポンプロータ
１２ 回転軸
１４ ポンプケーシング
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ サイドカバー
１８ モータ
２０，２１ 軸受
２３ タイミングギア
２５ ギアカバー
２７ モータロータ
２８ ステータコア
２９ カップリング
３０ 外装カバー
３２ モータフレーム
３５ 冷却ファン

Claims (7)

1. 一対の回転軸にそれぞれ取り付けられた一対のポンプロータを収容するポンプケーシングと、
   前記一対の回転軸を回転自在に支持する軸受、および、前記一対の回転軸にそれぞれ取り付けられ、互いに噛み合うタイミングギアを収容するギアカバーと、
   前記一対の回転軸を回転させるためのモータが収容されるモータフレームと、を備え、
   前記ギアカバーと前記モータフレームとが高熱伝導材料から構成されることを特徴とする真空ポンプ装置。
2. 前記モータのモータロータが、前記一対の回転軸の少なくとも一方に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ装置。
3. 前記モータの回転軸が、カップリングを介して、前記一対の回転軸のいずれか一方と連結されていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ装置。
4. 前記ギアカバーおよび／または前記モータフレームの外周には、冷却フィンが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空ポンプ装置。
5. 前記ポンプケーシング、前記ギアカバー、および前記モータフレームを少なくとも覆う外装カバーと、前記外装カバーに設けられた冷却ファンとをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空ポンプ装置。
6. 前記ポンプケーシングの圧縮最終段部、前記ギアカバー、および前記モータフレームが、前記冷却ファンから送られる空気の流れの上流側領域に配置されることを特徴とする請求項５に記載の真空ポンプ装置。
7. 前記高熱伝導材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の真空ポンプ装置。

Images