JP3661885B2 - スクリュー真空ポンプ及びねじ歯車 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリュー真空ポンプ及びスクリュー真空ポンプに適したねじ歯車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、低・中真空領域では油回転ポンプ、ル−ツポンプ、拡散ポンプなど種々形式の真空ポンプが用いられてきた。
例えば、半導体の製造分野では、真空状態にした容器内にウエハを収納して所定の処理が行われるが、この処理では、容器内にＮ2 ガス等の不活性ガスを供給しつつ真空ポンプで吸引し、容器内の不純物（Ｏ2 、ＣＯ2 等）を除去し、数Ｔｏｒｒから１０-4Ｔｏｒｒレベルの真空状態としている。
このような半導体製造工程において使用される真空ポンプとしては、油回転ポンプ、ルーツ式のメカニカルブースタポンプ等が用いられている。
【０００３】
しかし、油回転ポンプでは、使用している潤滑用油が半導体製造過程で用いる各種ガス（例えば、ヒ素、ガリウム、塩素、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ、フッ素等）と接触して、潤滑油としての寿命を短くするという問題があり、また油分子が半導体製造容器内を汚染して半導体製造工程上好ましくないという問題があった。
【０００４】
また、上記ポンプでは、正常動作する圧力範囲が狭いため、所定圧力に到達するまでに数種のポンプを切換えて使用しなければならず、大気圧から１０-4Ｔｏｒｒ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という問題があった。
【０００５】
これら問題を解決するものとして、特開昭６０−２１６０８９号公報に示されるオイルフリ−スクリュ−真空ポンプが既に提案されている。
前記公報に示されたスクリュ−真空ポンプは無潤滑式で、上記圧力範囲を一台でカバーできるスクリュ−真空ポンプである。
【０００６】
このスクリュ−式真空ポンプの概略を図１、２に基づいて説明する。
図に示すように、雄ロータ１０と雌ロータ１１は主ケーシング１２と吸入ケーシング１３内の軸受１４、１５、１６、１７により回転自在に支えられている。
前記雄ロータ１０と雌ロータ１１はねじ歯車からなり、この歯車は歯すじねじれ角は常に一定の角度であって、回転軸方向ピッチ及び軸直角面ピッチも一定であって、前記ロータ１０、１１の回転角の変化に伴って変化はするものではない。
【０００７】
また、ロータの吸入側１０ａは１０-4Ｔｏｒｒレベルの低圧であり吐出側１０ｂ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。そのため、吸入側の軸受１４、１５には深みぞ玉受軸を用いてラジアル荷重とスラスト荷重を支え、吐出側の軸受１６、１７には円筒ころ軸受を用いてラジアル荷重のみを支えている。
前記ロータの軸端にはタイミングギヤ１８、１９が取り付けられ、雄、雌ロータ１０、１１が互いに接触しないよう両ロータ間の隙間が調整される。
また軸受け１４、１５の潤滑は飛沫給油により行い、吸入カバ−２０内に溜った潤滑油２１をタイミングギヤによって跳ねかけるようになされている。
【０００８】
一方軸受１６、１７の潤滑のため雄ロータ軸には円盤２２が取り付けられ、吐出カバ−２３内の潤滑油２４を円板２２により跳ねかけるようになされている。
また、シャフトシール２５、２６、２７、２８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。
【０００９】
ロータの吐出側作動室１０ｂと吐出カバ−２３内はほぼ大気圧になるので吐出側のシャフトシール２７、２８に作用する差圧は比較的小さいが、吸入側作動室１０ａは１０-4Ｔｏｒｒレベルの圧力となるため吸入カバ−２０内を大気に開放すると吸入側シャフトシール２５、２６に作用する差圧が大きくなりシールが難しくなる。
そのため、吸入カバ−２０内を排圧管２９、３０によって低圧の作動室１０ｃと連通させ、吸入カバ−２０内の圧力を下げてシャフトシール２５、２６に作用する差圧を小さくしてシール効果を高めている。
【００１０】
前記吸入カバ−２０内は油の飛沫が充満しているので、この油の排圧管２９、３０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３１が設けられ、また排圧管にはオイルトラップ３２が取り付けられている。
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３３側へ逆流しないようにするため、主ケーシング１２の排圧口３４はロータの作動室１０ｃが吸入口３３から完全に閉じられた後の位置に開口されている。
【００１１】
雄ロータ１０の作動室１０ｃは、この作動室が吸入口３３を通過後吐出口３５と連通するまでの間に雌ロータ１１と２ケ所の噛み合い部３６、３７を有し、同様に雌ロータの作動室１１ｃは雄ロータと２ケ所の噛み合い部３８、３７を有する。
ロータの回転に伴い気体は吸入口３３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、吐出口３５から吐出される。
作動室１０ｃ、１１ｃ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３９、４０はロータの回転に伴いその容積を減少させ気体を圧縮する。
【００１２】
更に、雄ロータ１０と雌ロータ１１が噛み合っている状態をロータの周方向に展開した模式図である図３に基づいて説明する。
図に示すように、ロータを覆うケーシング１２はその軸方向の一端が気体の吸入口３３として大きく開口しており、反対側には吐出口３５が設けられている。
この両口以外ではケーシング１２は微少な隙間をもってロータ１０、１１を覆い、ロータとケーシングによりＶ字形の作動室が形成されている。
【００１３】
ロータが回転すると両ロータの噛み合い部は吸入口３３から吐出口３５へ向かって移動するが、この際作動室４１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４２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。
【００１４】
即ち、前記雄ロータ１０と雌ロータ１１は、歯すじねじれ角は常に一定の角度であって、回転軸方向ピッチ及び軸直角面ピッチも一定のねじ歯車で構成されるため、ロータとケーシングにより形成されるＶ字形の作動室４２の容積は一定である。
しかし、ロータが回転し、両ロータの噛み合い部は吸入口３３から吐出口３５へ向かって移動すると、ケーシング１２の端板１２ａによって作動室４１の容積は減少する。
したがって、作動室４１は容積を減少させ作動室内の気体を圧縮移送するように作用し、一方作動室４２は容積が一定であるので気体の圧縮作用はなく、単に移送をなすように作用する。
【００１５】
尚、図中、作動室４３は吐出口３５を通して気体の吐出中であり、また吸入口３３と連通している各作動室は、ロータの回転とともにその容積を増大させ気体の吸入作用をなしている。また、上述したようなスクリュー流体機構は、圧縮ポンプとしても利用されており、更に、モータとしても利用できるものである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上、詳述したように真空ポンプとして利用される従来のスクリュ−流体機械は、作動室の容積を減少させ流体を圧縮する作動室と、作動室の容積を一定とし、流体に圧縮作用を及ぼすことなく、単に移送作用をなす作動室とを有している。
【００１７】
そのため、従来のスクリュ−真空ポンプでは局部的（圧縮作用がなされる部分）な圧力上昇に起因して、真空ポンプのローター及びケ−シングの一部が異常に温度上昇する。即ち、図６の点線に示すように、作動室の容積を減少させ気体を圧縮する作動室が位置する吐出側の温度が異常に高くなるという傾向にあった。
その結果、局部的温度上昇によって、スクリュ−真空ポンプを構成する部材の熱膨張が不均一となり、ケーシングとローター、雄ローターと、雌ローターのかみ合い間の寸法精度等を良好なものにすることができない等の技術的課題があった。
【００１８】
本発明の目的はこのような課題を解決するためになされたものであり、局部的な温度上昇のないスクリュー真空ポンプを提供せんとするものである。また、そのようなスクリュー真空ポンプに適したねじ歯車を提供せんとするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかるスクリュー真空ポンプは、互に噛み合う雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するケ−シングと、雄雌ロータとケーシングとにより形成される流体作動室と、該作動室の一端部および他端部に連通しうるようケーシングに設けられた流体の流入口および流出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄雌ロータを構成するねじ歯車は、その歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、更に、前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯数との比と、２πとの積に等しい歯車であり、前記流体作動室の容積が、流入口から流出口に進行するにつれて連続的に減少し、前記流体作動室は吸引作用、連続圧縮移送作用、吐出作用を有するように構成されていることを基本的構成としている。
【００２０】
このように構成された真空ポンプにあっては、前記雄雌ロータを構成するねじ歯車は、その歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、更に、前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯数との比と、２πとの積に等しい歯車であり、前記流体作動室の容積が、流入口から流出口に進行するにつれて連続的に減少し、前記流体作動室は吸引作用、連続圧縮移送作用、吐出作用を有するように構成されている。
したがって、前記雄雌ロータとケーシングとにより形成される作動室は、吸入、連続圧縮、吐出作用を有し、作動室の容積を一定とした単なる移送作用を有しないため、局部的な圧力上昇による異常な温度上昇を防止することができる。
しかも、回転軸直角シール性が高くなり流体作動室の気密性を良好とすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明にかかるスクリュー流体機械においてスクリューに連続的に変化するねじれ角を持たせる場合における真空ポンプとしての一実施例を本発明にかかるねじ歯車（スクリュー）の実施例の説明も兼ねて図４乃至図５に基づいて説明する。
本発明者らは、吸引した気体に圧縮作用を及ぼすことなく、単に移送作用をなす容積一定の作動室を廃し、すべての作動室の容積を連続的に減少させ、気体を圧縮する作動室とすることに着目した。
そして、作動室の容積を連続的に減少させるために、スクリュー真空ポンプの雄ロータと雌ロータを構成する歯車の歯すじねじれ角をロータの回転角にしたがって変化させ、ロータとケーシングにより形成されるＶ字形の作動室容積を変化させようとしたものである。
したがって、ここでの重要点は雄ロータと雌ロータを構成するねじ歯車の形状にあるため、以下に説明する一実施例ではスクリュー真空ポンプのねじ歯車の形状について説明することとし、スクリュ−真空ポンプの他の構造は従来と同様でもあり説明を省略する。
【００２２】
本実施例にかかるスクリュ一真空ポンプに用いられるねじ歯車を図４及び図５に基づいて説明する。
ここで、図４はねじ歯車の平面図であり、図５は横軸にピッチ円筒上の雄雌歯車の転がり周長ｘM 及びｘF を、縦軸に回転軸方向の進行量ｙをとり、このｘM −ｙ面に雄歯車、ｘF −ｙ面上に雌歯車の歯すじ転がり曲線の展開図を示す。
尚、この図の左側半分は雌歯車についてのものでｘはｘF を表し、右側半分はは雄歯車についてのものでｘはｘM を表す。ｘの符号は、正の方向に歯車の歯すじをたどった時に歯すじが吸入側から吐出側に移動するものとする。即ち、雄歯車では右方向に正の向き、雌歯車では、左方向に正の向きとする。雄歯車は雄ロータに用いられる歯車であり、雌歯車は雌ロータに用いられる歯車である。
図５ではロータの吸入口の位置ｙ＝０とし、吐出口の位置をｙ＝Ｌとする。又雄雌ロータは、吸引口（ｙ＝０）でピッチ円筒上の雄雌の歯すじが一致しているものとし、その点をｘM ＝ｘF ＝０とする。
またここで歯すじ転がり曲線とは、一般的にはつる巻線とも呼ばれているものである。
【００２３】
又、図５のｘ，ｙの有効な範囲については、制限はない。即ち、ｘについては、
ｘM ≧０、ｘF ≧０
が有効な範囲であり、
ｙについては、ロータの長さＬで決まり、ｙの範囲は
０≦ｙ≦Ｌ
で与えられる。
【００２４】
吸入口（ｙ＝０）において、ピッチ円筒上で雄雌ロータが接触一致している点（すなわちｘM ＝０及びｘF ＝０）から伸びている雄雌ロータの歯すじ転がり曲線の展開図は、図５において原点から発し、共にｘの増加に伴ってｙも増加する。即ち、雄ロータについては、ｙはｘM の単調増加関数であり、雌ロータについては、ｙはｘF の単調増加関数である。
このことは、ｘとｙを交換してｙを独立変数とみなし、ｘがｙの関数であると考えても変わらない。即ち、
雄ロータについては
ｘM ＝ＦM （ｙ） …（１）
はｙの単調増加関数であり、
雌ロータについては
ｘF ＝ＦF （ｙ） …（２）
はｙの単調増加関数である。
また、共に原点を通るので、
ＦM （０）＝ＦF （０）＝０ …（３）
である。
【００２５】
ここで、βMg、βFg、θM 、θF によって
βMg；ピッチ円筒上での雄ロータのねじれ角
βFg；ピッチ円筒上での雌ロータのねじれ角
θM ；雄ロータ回転角
θF ；雌ロータ回転角
を表すことにする。ねじれ角βMg、βFgは図５に示す角度である。又、回転角θM 、θF は雄雌のピッチ円筒の半径をＲM 、ＲF とすれば、
θM ＝ｘM ／ＲM …（４）
θF ＝ｘF ／ＲF …（５）
で表される。
【００２６】
（１）、（２）式を用いれば、雄雌ロータのねじれ角βMg、βFgは
ｔａｎβMg＝ｄｘM ／ｄｙ＝ｄＦM ／ｄｙ …（６）
ｔａｎβFg＝ｄｘF ／ｄｙ＝ｄＦF ／ｄｙ …（７）
で与えられる。
【００２７】
雄雌ねじロ−タのねじの噛み合いにより画成される各流体作動室が、それらロ−タの回転に伴い、容積を連続的に減少しつつ真空ポンプ吐出方向に移動するよう、ロータねじれ角を連続的に増加させる。このことは、（６）、（７）式からｄＦM ／ｄｙ、ｄＦF ／ｄｙを連続的に増加させることと、等価である。即ち、（１）、（２）式で与えられるＦM （ｙ）、ＦF （ｙ）は、共に原点を通り、ｙに関して単調増加関数であり、かつそれらの微分係数も単調増加関数である。即ち、関数ＦM （ｙ）、ＦF （ｙ）は、ｙの変域０≦ｙ≦Ｌにおいて、
ＦM （０）＝０、ＦF （０）＝０ …（８）
ｄＦM （ｙ）／ｄｙ＞０、ｄＦF （ｙ）／ｄｙ＞０ …（９）
ｄ2 ＦM （ｙ）／ｄｙ2 ＞０、ｄ2 ＦF （ｙ）／ｄｙ2 ＞０ …（１０）
を満足しなければならない。即ち（８）、（９）、（１０）式を満足する任意の関数
ｘM ＝ＦM （ｙ）、ｘF ＝ＦF （ｙ）
は、雄雌のロータ歯すじ転がり曲線の展開図として採用することができる。
【００２８】
雄雌ロータの噛み合いの条件として、ピッチ円筒上における雄歯ねじれ角と雌歯ねじれ角は大きさ等しく、逆向きでなければならない。しかし、これまでの解析では、ピッチ円筒上での雄雌ロータの転がり周長ｘM 、ｘF の正の方向は互いに逆向きであるから、雄雌ロータの噛み合いの条件は全てのｙの値で、
βMg＝βFg …（１１）
を満たさなければならない。この条件から、
ｔａｎβMg＝ｔａｎβFg …（１２）
即ち、（６）、（７）式から、変域内の全てのｙの値で
ｄｘM ／ｄｙ＝ｄｘF ／ｄｙ …（１３）
の条件が得られる。
【００２９】
（１２）、（１３）式から、ｘM ＝ＦM （ｙ）とｘF ＝ＦF （ｙ）の関数は、全く同一のものであることが結論される。即ち、図５において示されている曲線は、ｙ軸に対して左右対称であることが結論される。即ち、ねじれ角変化型ロータの設計に当たっては、
Ｆ（０）＝０、ｄＦ／ｄｙ＞０、ｄ2 Ｆ／ｄｙ2 ＞０ …（１４）
を満たす任意の関数、Ｆ（ｙ）を選択し、これによって
ｘM ＝ＦM （ｙ）、ｘF ＝ＦF （ｙ） …（１５）
とする。
【００３０】
ピッチ円筒上の軸直角面ピッチＴは等しく、雄歯車の歯数をＮM 、雌歯車の歯数をＮF とすれば、
Ｔ＝２πＲM ／ＮM ＝２πＲF ／ＮF …（１６）
で与えられるが、他の歯型に対応するロータの歯すじ転がり曲線の展開図は、ｘ＝Ｆ（ｙ）をｘ軸方向にｍＴだけ並行移動したものである。ただし、ｍは正又は負の整数である。図５にはこれらの曲線を点線で示してある。
【００３１】
最も簡単な例として、Ｆ（ｙ）として次のような二次関数、
Ｆ（ｙ）＝Ａｙ2 ＋Ｂｙ （Ａ＞０、Ｂ＞０） …（１７）
を選択することができる。図５に示した曲線はこのような二次曲線の例である。
【００３２】
以上のように特定されたねじれ角変化型歯車にあっては、ピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線の展開図が、前記（１４）式を満たす任意の関数で与えられるものとして、この曲線の勾配変化を基礎として、ピッチ円筒上での歯すじねじれ角を歯車の回転に対応して変化させると共に、これを基準として歯形形状部を既知のはすば歯車やねじ歯車の歯すじねじれ角の基礎的な考え方に基づき、回転軸直角平面上の軸直角ピッチＴをピッチ円筒上で一致させることでかみ合いを実施し、回転軸方向ピッチｔs が、回転角の変化に伴い刻々変化しつつも回転軸直角平面上のかみ合い状態、歯形状況が保持されつつ、ねじれが回転軸方向（ｙ方向）に進んでいく。
【００３３】
即ち、ピッチ円筒上での転がり周長とねじれ進行方向量は、雄雌ロータで等しいことから、雄雌ロータのピッチ円筒上でのつる巻線の長さも等しい。即ち任意のｙの変域［ｙi 、ｙj ］において、
【００３４】
【００３５】
より、両方の歯車の噛み合いに対応して、変域［ｙi 、ｙj ］のピッチ円筒上でのつる巻線の長さは等しい。
また、歯すじ転がり曲線は回転角の関数としても表され、回転角と歯すじ転がり量は比例関係にある。雄雌歯形形状部のピッチ円径以外の径、ＲM ’、ＲF ’におけるつる巻線の長さは、（４）、（５）式を用い、（Ａ）式におけるｘM 、ｘF は
ｘ’M ＝ｘM ＲM ’／ＲM ｘ’F ＝ｘF ＲF ’／ＲF
で置き換えることによって得られる。したがって、（Ａ）に対応する式は、ピッチ円筒以外の径の接触部では成り立たず、滑りによって調整が取られている。即ち、
【００３６】
となる。
【００３７】
雄雌ロータの噛み合いが行われるためには、回転角θM 、θF の間には
θM ＮF ＝θF ＮM …（１８）
の関係が必要である。ここでＮM 、ＮF はそれぞれ雄、雌ロータの歯数である。またピッチ円筒の半径ＲM 、ＲF は、ピッチ円筒の性質上
ＲM ＮF ＝ＲF ＮM …（１９）
の関係がある。（１８）式を保ちつつθM 、θF が変化すれば、常に
ｙM （θM ）＝ｙF （θF ） …（２０）
が成り立つ。
【００３８】
また、雄雌歯すじの軸方向進行量ｙM （θM ）、ｙF （θF ）から、回転軸方向ピッチｔs をθ（θは（２０）式から、θM でもθF でも構わない）の関数として与えることができる。ｔs はθの増加とともに変化するが、ｙ（θ）の位置の前後のピッチｔV-、ｔV+は、
で与えられる。
【００３９】
従って図５におけるピッチｔsg、ｔs （＝ｔsg）は両ロータの噛み合い部におけるピッチを示すもので、ｔsg（ｎ、ｎ＋１）、ｔs （ｎ、ｎ＋１）は
である。ｙ（θ）の増加率ｄｙ／ｄθは
ｄｙ／ｄθ＝Ｒｄｙ／ｄｘ＝Ｒ／（ｄｘ／ｄｙ）＝Ｒ／（ｄＦ／ｄｙ）
であるから、ｙ（θ）の増加率はｄＦ／ｄｙに反比例、即ち、ｙの増加とともに次第に増加率は減少していく。このことは、回転軸方向ピッチはｙの増加と共に、次第に減少し、ｔs （ｎ−１、ｎ）＞ｔs （ｎ、ｎ＋１）、ｔsg（ｎ−１、ｎ）＞ｔsg（ｎ、ｎ＋１）と変化する。一方軸直角面ピッチは変化しないため、回転に伴っては、常に同一の歯形が現れる。
即ち、雄歯車の歯形と雌歯車の歯形で密閉状態にある容積は、回転に伴う移動に伴って時間的に縮小することができる。
【００４０】
以上のように特定されたねじれ角可変型歯車にあっては、かみ合いピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が、単調にその勾配を変えかつ単調増加関数的に変化し、この歯すじねじれ曲線の勾配変化を基礎として、ピッチ円筒上での可変歯すじねじれ角を定め、これを基準として歯型形状部を既知のはすば歯車や、ねじ歯車の歯すじねじれ角の基礎的な考え方に基ずき、ねじれ進行方向の回転軸直角平面上の軸直角面ピッチＴを一致させることでかみあいを実施し、回転軸方向ピッチｔsgが、回転角の変化に伴い刻々変化しつつも回転軸直角平面上のかみ合い状態、歯型形状が保持されつつねじれが回転軸方向Ｙ（θ）に進んで行くため、回転角と歯すじ転がり量は一定の関係を持ち、雄雌一対の歯車の歯型形状を回転軸方向の直角平面上で一致させることができ、回転軸方向の回転に伴い逐次現れる回転軸直角空間平面ｎ（ｎM 又はｎF ）番目に回転当初と同一歯が現れる。
即ち、この歯車によれば、通常の歯車としての特徴を有するばかりでなく、回転軸直角平面上のシ一ル性の高いねじとしての特徴も併せ持つものである。
【００４１】
また、回転軸方向ピッチを周期的かつ連続的に変化させることが可能である。
したがって、この歯車を用いて雄雌ロータを構成すれば、前記雄ロータと雌ロータの歯すじねじれ角はロータの回転角にしたがって変化し、その結果ロータとケーシングにより形成されるＶ字形の作動室容積を連続的に変化させることができる。
即ち、すべての作動室をその容積が減少する作動室とすることができる。
【００４２】
以上のように、上記歯車を用いてスクリュ−真空ポンプや圧縮ポンプを構成すれば、図６の実線で示されるように作動室の容積は連続的に変化して連続圧縮し、移送を行うため、それらポンプの温度状態は、吸入側から吐出側に向けて徐々に温度が上昇し、局部的に温度が上昇することはない。
また、作動室は吸入ポ−トと連通した状態で気体を吸入する吸入作用、作動室内の気体を連続圧縮移送する連続圧縮移送作用、吐出ポ−トと連通した状態で気体を吐出する吐出作用を行い、単なる移送作用を有さないため、効率的に駆動することができる。
【００４３】
更に、回転軸方向ピッチが変化するため、等ピッチの従来のスクリュ−流体機械と比べて、ロ−タの全長を短くすることができ、スクリュ−流体機械の小型化を図ることができるという効果を奏する。
【００４４】
次に、本発明に係る流体機械において、雄雌ロータの各スクリュー部の少なくとも一端側にルーツ部を設ける場合の真空ポンプとしての一実施例について、図７乃至図９に基づいて説明する。
尚、図７は本実施例に用いられる雄雌ロ−タの斜視図であり、図８は雄雌ロ−タの平面図である。また図９は図７、８に図示した雄雌ロ−タを用いたスリュー真空ポンプの断面図であって、図１０は図９のＡ−Ａ断面図である。
【００４５】
まず、本実施例の特徴について説明すると、従来雄雌ロ−タにはいわゆる単一のねじ歯車が形成されていたのに対し、本実施例は雄雌ロ−タに前記ねじ歯車とル−ツとを形成した点に特徴がある。
即ち、図７及び図８に示すように、雄雌ロ−タ１０１、１０２はねじ歯車部１０１ａ、１０２ａと雄側ル−ツ部１０３、１０５、雌側ル−ツ部１０４、１０６とにより構成され、前記雄側ル−ツ部１０３、１０５、雌側ル−ツ部１０４、１０６は前記ねじ歯車部１０１ａ、１０２ａの両端に形成されている。
【００４６】
また、雄雌ロ−タ１０１、１０２のねじ歯車部１０１ａ、１０２ａとケーシングによって形成される作動室１０１ｂ、１０２ｂと、雄側ル−ツ部１０３、雌側ル−ツ部１０４とケーシングとによって形成される作動室１０３ａ、１０４ａとは連通し、同様に作動室１０１ｂ、１０２ｂ、雄側ル−ツ部１０５、雌側ル−ツ部１０６とケーシングとによって形成される作動室１０５ａ、１０６ａとは連通している。
尚、前記雄雌ロ−タ１０１、１０２の一端部には回転軸１０７、１０８が形成されている。
【００４７】
次に、この雄雌ロ−タ１０１、１０２をケ−シングに配置した状態を図９、図１０に基づいて説明する。
図に示すように、雄ロータ１０１と雌ロータ１０２は、主ケーシング１０９に収納され、前記主ケーシング１０９の一端面を密封する端板１１０に取りつけられた軸受１１１、１１２と副ケーシング１１７に取りつけられた軸受１１８、１１９とにより回転自在に支持されている。
前記主ケーシング１０９の端板１１０側には雄雌ロ−タ１０１、１０２で圧縮された気体を外部に吐出する吐出口１０９ｂが設けられている。また各軸受け１１１、１１２にはシ−ル材１１３、１１４が取りつけられ、前記シール材１１３、１１４によって後述するタイミングギヤ１１５、１１６による潤滑油が作動室内へ侵入するのを防いでいる。
【００４８】
前記雄雌ロータ１０１、１０２の回転軸１０７、１０８には、副ケーシング１１７内に収納されたタイミングギヤ１１５、１１６が取付られ、雄、雌ロータが互いに接触しないように両ロータ間を調整している。
そして軸受１１１、１１２の潤滑は飛まつ給油より行ない、副ケーシング１１７内に溜った潤滑油（図示せず）をタイミングギヤ１１５、１１６によって跳ねかけるように成されている。
尚、前記主ケーシング１０９の他端側には副ケーシング１２０が取り付けられている。また前記主ケーシング１０９の他端側には吸入口１０９ａが設けられている。
【００４９】
このように構成されたスクリュ−真空ポンプは、雄、雌ロータ１０１、１０２の回転に伴い気体が吸入口１０９ａから雄側ル−ツ部１０５、雌側ル−ツ部１０６とケーシングとによって形成される作動室１０３ａ、１０４ａに吸い込まれる。この吸引時にル−ツ部１０３、１０４の作動室１０３ａ、１０４ａによって、吸引した気体は圧縮される。
そして、前記作動室１０３ａ、１０４ａと連通しているねじ歯車部１０１ａ、１０２ａとケーシングによって形成される作動室１０１ｂ、１０２ｂに移送される。前記作動室１０１ｂ、１０２ｂはロータ１０１、１０２の回転に伴い当初容積一定のまま気体を移送するが、さらにロータが回転するとその容積を減少させ気体を圧縮する。
更に、圧縮された気体は作動室１０１ｂ、１０２ｂと連通している雄側ル−ツ部１０５、雌側ル−ツ部１０６の作動室１０５ａ、１０６ａに移送され、圧縮されながら吐出口１０９ｂから吐出される。
【００５０】
尚、主ケーシング１０９の外側には気体の圧縮により温度が上昇するため、冷却ジャケット１２１を設け、このジャケット内に冷却水を通しケーシング１０９や圧縮気体を冷却するように成されている。
【００５１】
以上のように、本実施例によればスクリュ−ポンプとル−ツポンプの機能を兼ね備えるため、図１１の実線に示すようにスクリュ−真空空ポンプの排気速度が大幅に改善され、１台の真空ポンプで効率良く、大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）から１０-4Ｔｏｒｒの中真空領域まで、略安定した排気速度を得ることができ、広い作動範囲をカバーすることができる。また、上記実施例のポンプを圧縮機として使用した場合には高い吐出圧を得ることができる。
尚、上記実施例において、ルーツ部はねじ歯車部の両端、つまり吸入口側及び吐出口側の両方形成したが、必要に応じていずれか一方のみに形成しても良い。また、上記実施例において、ねじ歯車のねじれ角は、図４、５で説明したように連続的に変化するものであっても、従来の図１、２のように一定のものであっても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかるスクリュー真空ポンプによれば、前記雄雌ロータを構成するねじ歯車がその歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線は一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、更に前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯車との比と、２πとの積に等しい歯車で構成されているため、前記雄雌ロータとケーシングとにより形成される作動室は、吸入、連続圧縮移送、吐出作用を有し、前記流体作動室の容積が、流入口から流出口に進行するにつれて連続的に減少させることができる。
その結果、局部的に温度が異常に上昇するのを抑えることができ、ケーシングとロータ、雄ロータと雌ロータのかみ合い間の寸法精度を良好なものにすることができる等の効果を奏するものである。
また、このようなスクリュー真空ポンプの当該ねじ歯車は、その歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、更に、前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯数との比と、２πとの積に等しい歯車であることを特徴とする本発明にかかるねじ歯車を用いることができ、その結果、回転軸直角シール性が高くなり、流体作動室の機密性を良好とすることができる。
【００５３】
また、本発明にかかる真空ポンプによれば、雄雌ロータのスクリュー部の少なくとも一端部にルーツ部を設けているため、排気速度が大幅に改善され、１台の真空ポンプで効率よく大気圧から１０-4Ｔｏｒｒの中真空領域まで、安定した排気速度をえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のスクリュ−真空ポンプを示し、図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図２】図２は従来のスクリュ−真空ポンプを示し、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は従来のスクリュ−真空ポンプの雄ロータと雌ロータが噛み合っている状態をロータの周方向に展開した模式図である。
【図４】図４は本発明に用いられるねじ歯車の平面図である。
【図５】図５は本発明に用いられるねじ歯車のかみ合いピッチ円筒上の展開図あって、横軸にかみ合いピッチ円筒の雄転がり周長を、縦軸にねじれ進行量をとり、この座標軸上に放物線（２次曲線）からなる歯すじ転がり曲線を表した展開図である。
【図６】図６はスクリュ−真空ポンプの温度の上昇を表した図であって、点線は従来のスクリュ−真空ポンプの場合を示し、実線は本発明の一実施例の場合を示している。
【図７】図７は本発明の一実施例に用いられる雄雌ロ−タの斜視図である。
【図８】図８は図７の雄雌ロ−タの平面図である。
【図９】図９は図７、８に図示した雄雌ロ−タを用いたスリュー真空ポンプの断面図である。
【図１０】図１０は図９のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】図１１は排気速度の特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 雄歯車（雄ロ−タ）
２ 雌歯車（雌ロ−タ）
３ 雄かみ合いピッチ円筒
４ 雌かみ合いピッチ円筒
５ 雄歯型形状
６ 雌歯型形状
７ 雄回転軸
８ 雌回転軸
１０１ 雄ロ−タ
１０１ａ ねじ歯車部
１０２ 雌ロ−タ
１０２ａ ねじ歯車部
１０３ ル−ツ部
１０４ ル−ツ部
１０５ ル−ツ部
１０６ ル−ツ部
１０９ ケ−シング
１０９ａ 吸入口（流入口）
１０９ｂ 吐出口（流出口）
２０２ インバ−タ
２０３ インバ−タ
２０４ コントロ−ラ
２０５ フィ−ドバック回路
２０６ フィ−ドバック回路
Ｍ1 モ−タ
Ｍ2 モ−タ
３０１ 雄ロ−タ
３０１ａ 作動室
３０１ｂ 歯端面
３０２ 雌ロ−タ
３０２ａ 作動室
３０２ｂ 歯端面
３０３ ケ−シング
３０３ａ 雄ロ−タ側端面プレ−ト
３０３ｂ 雌ロ−タ側端面プレ−ト
３０４ａ〜３０４ｄ 排出口
３０５ａ〜３０５ｅ 排出口
３０６ 吐出口
３０７ 排出弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリュー真空ポンプ及びスクリュー真空ポンプに適したねじ歯車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、低・中真空領域では油回転ポンプ、ル−ツポンプ、拡散ポンプなど種々形式の真空ポンプが用いられてきた。
例えば、半導体の製造分野では、真空状態にした容器内にウエハを収納して所定の処理が行われるが、この処理では、容器内にＮ2 ガス等の不活性ガスを供給しつつ真空ポンプで吸引し、容器内の不純物（Ｏ2 、ＣＯ2 等）を除去し、数Ｔｏｒｒから１０-4Ｔｏｒｒレベルの真空状態としている。
このような半導体製造工程において使用される真空ポンプとしては、油回転ポンプ、ルーツ式のメカニカルブースタポンプ等が用いられている。
【０００３】
しかし、油回転ポンプでは、使用している潤滑用油が半導体製造過程で用いる各種ガス（例えば、ヒ素、ガリウム、塩素、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ、フッ素等）と接触して、潤滑油としての寿命を短くするという問題があり、また油分子が半導体製造容器内を汚染して半導体製造工程上好ましくないという問題があった。
【０００４】
また、上記ポンプでは、正常動作する圧力範囲が狭いため、所定圧力に到達するまでに数種のポンプを切換えて使用しなければならず、大気圧から１０-4Ｔｏｒｒ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という問題があった。
【０００５】
これら問題を解決するものとして、特開昭６０−２１６０８９号公報に示されるオイルフリ−スクリュ−真空ポンプが既に提案されている。
前記公報に示されたスクリュ−真空ポンプは無潤滑式で、上記圧力範囲を一台でカバーできるスクリュ−真空ポンプである。
【０００６】
このスクリュ−式真空ポンプの概略を図１、２に基づいて説明する。
図に示すように、雄ロータ１０と雌ロータ１１は主ケーシング１２と吸入ケーシング１３内の軸受１４、１５、１６、１７により回転自在に支えられている。
前記雄ロータ１０と雌ロータ１１はねじ歯車からなり、この歯車は歯すじねじれ角は常に一定の角度であって、回転軸方向ピッチ及び軸直角面ピッチも一定であって、前記ロータ１０、１１の回転角の変化に伴って変化はするものではない。
【０００７】
また、ロータの吸入側１０ａは１０-4Ｔｏｒｒレベルの低圧であり吐出側１０ｂ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。そのため、吸入側の軸受１４、１５には深みぞ玉受軸を用いてラジアル荷重とスラスト荷重を支え、吐出側の軸受１６、１７には円筒ころ軸受を用いてラジアル荷重のみを支えている。
前記ロータの軸端にはタイミングギヤ１８、１９が取り付けられ、雄、雌ロータ１０、１１が互いに接触しないよう両ロータ間の隙間が調整される。
また軸受け１４、１５の潤滑は飛沫給油により行い、吸入カバ−２０内に溜った潤滑油２１をタイミングギヤによって跳ねかけるようになされている。
【０００８】
一方軸受１６、１７の潤滑のため雄ロータ軸には円盤２２が取り付けられ、吐出カバ−２３内の潤滑油２４を円板２２により跳ねかけるようになされている。
また、シャフトシール２５、２６、２７、２８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。
【０００９】
ロータの吐出側作動室１０ｂと吐出カバ−２３内はほぼ大気圧になるので吐出側のシャフトシール２７、２８に作用する差圧は比較的小さいが、吸入側作動室１０ａは１０-4Ｔｏｒｒレベルの圧力となるため吸入カバ−２０内を大気に開放すると吸入側シャフトシール２５、２６に作用する差圧が大きくなりシールが難しくなる。
そのため、吸入カバ−２０内を排圧管２９、３０によって低圧の作動室１０ｃと連通させ、吸入カバ−２０内の圧力を下げてシャフトシール２５、２６に作用する差圧を小さくしてシール効果を高めている。
【００１０】
前記吸入カバ−２０内は油の飛沫が充満しているので、この油の排圧管２９、３０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３１が設けられ、また排圧管にはオイルトラップ３２が取り付けられている。
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３３側へ逆流しないようにするため、主ケーシング１２の排圧口３４はロータの作動室１０ｃが吸入口３３から完全に閉じられた後の位置に開口されている。
【００１１】
雄ロータ１０の作動室１０ｃは、この作動室が吸入口３３を通過後吐出口３５と連通するまでの間に雌ロータ１１と２ケ所の噛み合い部３６、３７を有し、同様に雌ロータの作動室１１ｃは雄ロータと２ケ所の噛み合い部３８、３７を有する。
ロータの回転に伴い気体は吸入口３３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、吐出口３５から吐出される。
作動室１０ｃ、１１ｃ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３９、４０はロータの回転に伴いその容積を減少させ気体を圧縮する。
【００１２】
更に、雄ロータ１０と雌ロータ１１が噛み合っている状態をロータの周方向に展開した模式図である図３に基づいて説明する。
図に示すように、ロータを覆うケーシング１２はその軸方向の一端が気体の吸入口３３として大きく開口しており、反対側には吐出口３５が設けられている。
この両口以外ではケーシング１２は微少な隙間をもってロータ１０、１１を覆い、ロータとケーシングによりＶ字形の作動室が形成されている。
【００１３】
ロータが回転すると両ロータの噛み合い部は吸入口３３から吐出口３５へ向かって移動するが、この際作動室４１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４２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。
【００１４】
即ち、前記雄ロータ１０と雌ロータ１１は、歯すじねじれ角は常に一定の角度であって、回転軸方向ピッチ及び軸直角面ピッチも一定のねじ歯車で構成されるため、ロータとケーシングにより形成されるＶ字形の作動室４２の容積は一定である。
しかし、ロータが回転し、両ロータの噛み合い部は吸入口３３から吐出口３５へ向かって移動すると、ケーシング１２の端板１２ａによって作動室４１の容積は減少する。
したがって、作動室４１は容積を減少させ作動室内の気体を圧縮移送するように作用し、一方作動室４２は容積が一定であるので気体の圧縮作用はなく、単に移送をなすように作用する。
【００１５】
尚、図中、作動室４３は吐出口３５を通して気体の吐出中であり、また吸入口３３と連通している各作動室は、ロータの回転とともにその容積を増大させ気体の吸入作用をなしている。また、上述したようなスクリュー流体機構は、圧縮ポンプとしても利用されており、更に、モータとしても利用できるものである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上、詳述したように真空ポンプとして利用される従来のスクリュ−流体機械は、作動室の容積を減少させ流体を圧縮する作動室と、作動室の容積を一定とし、流体に圧縮作用を及ぼすことなく、単に移送作用をなす作動室とを有している。
【００１７】
そのため、従来のスクリュ−真空ポンプでは局部的（圧縮作用がなされる部分）な圧力上昇に起因して、真空ポンプのローター及びケ−シングの一部が異常に温度上昇する。即ち、図６の点線に示すように、作動室の容積を減少させ気体を圧縮する作動室が位置する吐出側の温度が異常に高くなるという傾向にあった。
その結果、局部的温度上昇によって、スクリュ−真空ポンプを構成する部材の熱膨張が不均一となり、ケーシングとローター、雄ローターと、雌ローターのかみ合い間の寸法精度等を良好なものにすることができない等の技術的課題があった。
【００１８】
本発明の目的はこのような課題を解決するためになされたものであり、局部的な温度上昇のないスクリュー真空ポンプを提供せんとするものである。また、そのようなスクリュー真空ポンプに適したねじ歯車を提供せんとするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にかかるスクリュー真空ポンプは、互に噛み合う雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するケ−シングと、雄雌ロータとケーシングとにより形成される流体作動室と、該作動室の一端部および他端部に連通しうるようケーシングに設けられた流体の流入口および流出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄雌ロータを構成するねじ歯車は、その歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、更に、前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯数との比と、２πとの積に等しい歯車であり、前記流体作動室の容積が、流入口から流出口に進行するにつれて連続的に減少し、前記流体作動室は吸引作用、連続圧縮移送作用、吐出作用を有するように構成されていることを基本的構成としている。
【００２０】
このように構成された真空ポンプにあっては、前記雄雌ロータを構成するねじ歯車は、その歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、更に、前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯数との比と、２πとの積に等しい歯車であり、前記流体作動室の容積が、流入口から流出口に進行するにつれて連続的に減少し、前記流体作動室は吸引作用、連続圧縮移送作用、吐出作用を有するように構成されている。
したがって、前記雄雌ロータとケーシングとにより形成される作動室は、吸入、連続圧縮、吐出作用を有し、作動室の容積を一定とした単なる移送作用を有しないため、局部的な圧力上昇による異常な温度上昇を防止することができる。
しかも、回転軸直角シール性が高くなり流体作動室の気密性を良好とすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明にかかるスクリュー流体機械においてスクリューに連続的に変化するねじれ角を持たせる場合における真空ポンプとしての一実施例を本発明にかかるねじ歯車（スクリュー）の実施例の説明も兼ねて図４乃至図５に基づいて説明する。
本発明者らは、吸引した気体に圧縮作用を及ぼすことなく、単に移送作用をなす容積一定の作動室を廃し、すべての作動室の容積を連続的に減少させ、気体を圧縮する作動室とすることに着目した。
そして、作動室の容積を連続的に減少させるために、スクリュー真空ポンプの雄ロータと雌ロータを構成する歯車の歯すじねじれ角をロータの回転角にしたがって変化させ、ロータとケーシングにより形成されるＶ字形の作動室容積を変化させようとしたものである。
したがって、ここでの重要点は雄ロータと雌ロータを構成するねじ歯車の形状にあるため、以下に説明する一実施例ではスクリュー真空ポンプのねじ歯車の形状について説明することとし、スクリュ−真空ポンプの他の構造は従来と同様でもあり説明を省略する。
【００２２】
本実施例にかかるスクリュ一真空ポンプに用いられるねじ歯車を図４及び図５に基づいて説明する。
ここで、図４はねじ歯車の平面図であり、図５は横軸にピッチ円筒上の雄雌歯車の転がり周長ｘM 及びｘF を、縦軸に回転軸方向の進行量ｙをとり、このｘM −ｙ面に雄歯車、ｘF −ｙ面上に雌歯車の歯すじ転がり曲線の展開図を示す。
尚、この図の左側半分は雌歯車についてのものでｘはｘF を表し、右側半分はは雄歯車についてのものでｘはｘM を表す。ｘの符号は、正の方向に歯車の歯すじをたどった時に歯すじが吸入側から吐出側に移動するものとする。即ち、雄歯車では右方向に正の向き、雌歯車では、左方向に正の向きとする。雄歯車は雄ロータに用いられる歯車であり、雌歯車は雌ロータに用いられる歯車である。
図５ではロータの吸入口の位置ｙ＝０とし、吐出口の位置をｙ＝Ｌとする。又雄雌ロータは、吸引口（ｙ＝０）でピッチ円筒上の雄雌の歯すじが一致しているものとし、その点をｘM ＝ｘF ＝０とする。
またここで歯すじ転がり曲線とは、一般的にはつる巻線とも呼ばれているものである。
【００２３】
又、図５のｘ，ｙの有効な範囲については、制限はない。即ち、ｘについては、
ｘM ≧０、ｘF ≧０
が有効な範囲であり、
ｙについては、ロータの長さＬで決まり、ｙの範囲は
０≦ｙ≦Ｌ
で与えられる。
【００２４】
吸入口（ｙ＝０）において、ピッチ円筒上で雄雌ロータが接触一致している点（すなわちｘM ＝０及びｘF ＝０）から伸びている雄雌ロータの歯すじ転がり曲線の展開図は、図５において原点から発し、共にｘの増加に伴ってｙも増加する。即ち、雄ロータについては、ｙはｘM の単調増加関数であり、雌ロータについては、ｙはｘF の単調増加関数である。
このことは、ｘとｙを交換してｙを独立変数とみなし、ｘがｙの関数であると考えても変わらない。即ち、
雄ロータについては
ｘM ＝ＦM （ｙ） …（１）
はｙの単調増加関数であり、
雌ロータについては
ｘF ＝ＦF （ｙ） …（２）
はｙの単調増加関数である。
また、共に原点を通るので、
ＦM （０）＝ＦF （０）＝０ …（３）
である。
【００２５】
ここで、βMg、βFg、θM 、θF によって
βMg；ピッチ円筒上での雄ロータのねじれ角
βFg；ピッチ円筒上での雌ロータのねじれ角
θM ；雄ロータ回転角
θF ；雌ロータ回転角
を表すことにする。ねじれ角βMg、βFgは図５に示す角度である。又、回転角θM 、θF は雄雌のピッチ円筒の半径をＲM 、ＲF とすれば、
θM ＝ｘM ／ＲM …（４）
θF ＝ｘF ／ＲF …（５）
で表される。
【００２６】
（１）、（２）式を用いれば、雄雌ロータのねじれ角βMg、βFgは
ｔａｎβMg＝ｄｘM ／ｄｙ＝ｄＦM ／ｄｙ …（６）
ｔａｎβFg＝ｄｘF ／ｄｙ＝ｄＦF ／ｄｙ …（７）
で与えられる。
【００２７】
雄雌ねじロ−タのねじの噛み合いにより画成される各流体作動室が、それらロ−タの回転に伴い、容積を連続的に減少しつつ真空ポンプ吐出方向に移動するよう、ロータねじれ角を連続的に増加させる。このことは、（６）、（７）式からｄＦM ／ｄｙ、ｄＦF ／ｄｙを連続的に増加させることと、等価である。即ち、（１）、（２）式で与えられるＦM （ｙ）、ＦF （ｙ）は、共に原点を通り、ｙに関して単調増加関数であり、かつそれらの微分係数も単調増加関数である。即ち、関数ＦM （ｙ）、ＦF （ｙ）は、ｙの変域０≦ｙ≦Ｌにおいて、
ＦM （０）＝０、ＦF （０）＝０ …（８）
ｄＦM （ｙ）／ｄｙ＞０、ｄＦF （ｙ）／ｄｙ＞０ …（９）
ｄ2 ＦM （ｙ）／ｄｙ2 ＞０、ｄ2 ＦF （ｙ）／ｄｙ2 ＞０ …（１０）
を満足しなければならない。即ち（８）、（９）、（１０）式を満足する任意の関数
ｘM ＝ＦM （ｙ）、ｘF ＝ＦF （ｙ）
は、雄雌のロータ歯すじ転がり曲線の展開図として採用することができる。
【００２８】
雄雌ロータの噛み合いの条件として、ピッチ円筒上における雄歯ねじれ角と雌歯ねじれ角は大きさ等しく、逆向きでなければならない。しかし、これまでの解析では、ピッチ円筒上での雄雌ロータの転がり周長ｘM 、ｘF の正の方向は互いに逆向きであるから、雄雌ロータの噛み合いの条件は全てのｙの値で、
βMg＝βFg …（１１）
を満たさなければならない。この条件から、
ｔａｎβMg＝ｔａｎβFg …（１２）
即ち、（６）、（７）式から、変域内の全てのｙの値で
ｄｘM ／ｄｙ＝ｄｘF ／ｄｙ …（１３）
の条件が得られる。
【００２９】
（１２）、（１３）式から、ｘM ＝ＦM （ｙ）とｘF ＝ＦF （ｙ）の関数は、全く同一のものであることが結論される。即ち、図５において示されている曲線は、ｙ軸に対して左右対称であることが結論される。即ち、ねじれ角変化型ロータの設計に当たっては、
Ｆ（０）＝０、ｄＦ／ｄｙ＞０、ｄ2 Ｆ／ｄｙ2 ＞０ …（１４）
を満たす任意の関数、Ｆ（ｙ）を選択し、これによって
ｘM ＝ＦM （ｙ）、ｘF ＝ＦF （ｙ） …（１５）
とする。
【００３０】
ピッチ円筒上の軸直角面ピッチＴは等しく、雄歯車の歯数をＮM 、雌歯車の歯数をＮF とすれば、
Ｔ＝２πＲM ／ＮM ＝２πＲF ／ＮF …（１６）
で与えられるが、他の歯型に対応するロータの歯すじ転がり曲線の展開図は、ｘ＝Ｆ（ｙ）をｘ軸方向にｍＴだけ並行移動したものである。ただし、ｍは正又は負の整数である。図５にはこれらの曲線を点線で示してある。
【００３１】
最も簡単な例として、Ｆ（ｙ）として次のような二次関数、
Ｆ（ｙ）＝Ａｙ2 ＋Ｂｙ （Ａ＞０、Ｂ＞０） …（１７）
を選択することができる。図５に示した曲線はこのような二次曲線の例である。
【００３２】
以上のように特定されたねじれ角変化型歯車にあっては、ピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線の展開図が、前記（１４）式を満たす任意の関数で与えられるものとして、この曲線の勾配変化を基礎として、ピッチ円筒上での歯すじねじれ角を歯車の回転に対応して変化させると共に、これを基準として歯形形状部を既知のはすば歯車やねじ歯車の歯すじねじれ角の基礎的な考え方に基づき、回転軸直角平面上の軸直角ピッチＴをピッチ円筒上で一致させることでかみ合いを実施し、回転軸方向ピッチｔs が、回転角の変化に伴い刻々変化しつつも回転軸直角平面上のかみ合い状態、歯形状況が保持されつつ、ねじれが回転軸方向（ｙ方向）に進んでいく。
【００３３】
即ち、ピッチ円筒上での転がり周長とねじれ進行方向量は、雄雌ロータで等しいことから、雄雌ロータのピッチ円筒上でのつる巻線の長さも等しい。即ち任意のｙの変域［ｙi 、ｙj ］において、
【００３４】
より、両方の歯車の噛み合いに対応して、変域［ｙi 、ｙj ］のピッチ円筒上でのつる巻線の長さは等しい。
また、歯すじ転がり曲線は回転角の関数としても表され、回転角と歯すじ転がり量は比例関係にある。雄雌歯形形状部のピッチ円径以外の径、ＲM ’、ＲF ’におけるつる巻線の長さは、（４）、（５）式を用い、（Ａ）式におけるｘM 、ｘF は
ｘ’M ＝ｘM ＲM ’／ＲM ｘ’F ＝ｘF ＲF ’／ＲF
で置き換えることによって得られる。したがって、（Ａ）に対応する式は、ピッチ円筒以外の径の接触部では成り立たず、滑りによって調整が取られている。即ち、
【００３６】
【００３７】
雄雌ロータの噛み合いが行われるためには、回転角θM 、θF の間には
θM ＮF ＝θF ＮM …（１８）
の関係が必要である。ここでＮM 、ＮF はそれぞれ雄、雌ロータの歯数である。またピッチ円筒の半径ＲM 、ＲF は、ピッチ円筒の性質上
ＲM ＮF ＝ＲF ＮM …（１９）
の関係がある。（１８）式を保ちつつθM 、θF が変化すれば、常に
ｙM （θM ）＝ｙF （θF ） …（２０）
が成り立つ。
【００３８】
また、雄雌歯すじの軸方向進行量ｙM （θM ）、ｙF （θF ）から、回転軸方向ピッチｔs をθ（θは（２０）式から、θM でもθF でも構わない）の関数として与えることができる。ｔs はθの増加とともに変化するが、ｙ（θ）の位置の前後のピッチｔV-、ｔV+は、
【００３９】
従って図５におけるピッチｔsg、ｔs （＝ｔsg）は両ロータの噛み合い部におけるピッチを示すもので、ｔsg（ｎ、ｎ＋１）、ｔs （ｎ、ｎ＋１）は
ｄｙ／ｄθ＝Ｒｄｙ／ｄｘ＝Ｒ／（ｄｘ／ｄｙ）＝Ｒ／（ｄＦ／ｄｙ）
であるから、ｙ（θ）の増加率はｄＦ／ｄｙに反比例、即ち、ｙの増加とともに次第に増加率は減少していく。このことは、回転軸方向ピッチはｙの増加と共に、次第に減少し、ｔs （ｎ−１、ｎ）＞ｔs （ｎ、ｎ＋１）、ｔsg（ｎ−１、ｎ）＞ｔsg（ｎ、ｎ＋１）と変化する。一方軸直角面ピッチは変化しないため、回転に伴っては、常に同一の歯形が現れる。
即ち、雄歯車の歯形と雌歯車の歯形で密閉状態にある容積は、回転に伴う移動に伴って時間的に縮小することができる。
【００４０】
以上のように特定されたねじれ角可変型歯車にあっては、かみ合いピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が、単調にその勾配を変えかつ単調増加関数的に変化し、この歯すじねじれ曲線の勾配変化を基礎として、ピッチ円筒上での可変歯すじねじれ角を定め、これを基準として歯型形状部を既知のはすば歯車や、ねじ歯車の歯すじねじれ角の基礎的な考え方に基ずき、ねじれ進行方向の回転軸直角平面上の軸直角面ピッチＴを一致させることでかみあいを実施し、回転軸方向ピッチｔsgが、回転角の変化に伴い刻々変化しつつも回転軸直角平面上のかみ合い状態、歯型形状が保持されつつねじれが回転軸方向Ｙ（θ）に進んで行くため、回転角と歯すじ転がり量は一定の関係を持ち、雄雌一対の歯車の歯型形状を回転軸方向の直角平面上で一致させることができ、回転軸方向の回転に伴い逐次現れる回転軸直角空間平面ｎ（ｎM 又はｎF ）番目に回転当初と同一歯が現れる。
即ち、この歯車によれば、通常の歯車としての特徴を有するばかりでなく、回転軸直角平面上のシ一ル性の高いねじとしての特徴も併せ持つものである。
【００４１】
また、回転軸方向ピッチを周期的かつ連続的に変化させることが可能である。
したがって、この歯車を用いて雄雌ロータを構成すれば、前記雄ロータと雌ロータの歯すじねじれ角はロータの回転角にしたがって変化し、その結果ロータとケーシングにより形成されるＶ字形の作動室容積を連続的に変化させることができる。
即ち、すべての作動室をその容積が減少する作動室とすることができる。
【００４２】
以上のように、上記歯車を用いてスクリュ−真空ポンプや圧縮ポンプを構成すれば、図６の実線で示されるように作動室の容積は連続的に変化して連続圧縮し、移送を行うため、それらポンプの温度状態は、吸入側から吐出側に向けて徐々に温度が上昇し、局部的に温度が上昇することはない。
また、作動室は吸入ポ−トと連通した状態で気体を吸入する吸入作用、作動室内の気体を連続圧縮移送する連続圧縮移送作用、吐出ポ−トと連通した状態で気体を吐出する吐出作用を行い、単なる移送作用を有さないため、効率的に駆動することができる。
【００４３】
更に、回転軸方向ピッチが変化するため、等ピッチの従来のスクリュ−流体機械と比べて、ロ−タの全長を短くすることができ、スクリュ−流体機械の小型化を図ることができるという効果を奏する。
【００４４】
次に、本発明に係る流体機械において、雄雌ロータの各スクリュー部の少なくとも一端側にルーツ部を設ける場合の真空ポンプとしての一実施例について、図７乃至図９に基づいて説明する。
尚、図７は本実施例に用いられる雄雌ロ−タの斜視図であり、図８は雄雌ロ−タの平面図である。また図９は図７、８に図示した雄雌ロ−タを用いたスリュー真空ポンプの断面図であって、図１０は図９のＡ−Ａ断面図である。
【００４５】
まず、本実施例の特徴について説明すると、従来雄雌ロ−タにはいわゆる単一のねじ歯車が形成されていたのに対し、本実施例は雄雌ロ−タに前記ねじ歯車とル−ツとを形成した点に特徴がある。
即ち、図７及び図８に示すように、雄雌ロ−タ１０１、１０２はねじ歯車部１０１ａ、１０２ａと雄側ル−ツ部１０３、１０５、雌側ル−ツ部１０４、１０６とにより構成され、前記雄側ル−ツ部１０３、１０５、雌側ル−ツ部１０４、１０６は前記ねじ歯車部１０１ａ、１０２ａの両端に形成されている。
【００４６】
また、雄雌ロ−タ１０１、１０２のねじ歯車部１０１ａ、１０２ａとケーシングによって形成される作動室１０１ｂ、１０２ｂと、雄側ル−ツ部１０３、雌側ル−ツ部１０４とケーシングとによって形成される作動室１０３ａ、１０４ａとは連通し、同様に作動室１０１ｂ、１０２ｂ、雄側ル−ツ部１０５、雌側ル−ツ部１０６とケーシングとによって形成される作動室１０５ａ、１０６ａとは連通している。
尚、前記雄雌ロ−タ１０１、１０２の一端部には回転軸１０７、１０８が形成されている。
【００４７】
次に、この雄雌ロ−タ１０１、１０２をケ−シングに配置した状態を図９、図１０に基づいて説明する。
図に示すように、雄ロータ１０１と雌ロータ１０２は、主ケーシング１０９に収納され、前記主ケーシング１０９の一端面を密封する端板１１０に取りつけられた軸受１１１、１１２と副ケーシング１１７に取りつけられた軸受１１８、１１９とにより回転自在に支持されている。
前記主ケーシング１０９の端板１１０側には雄雌ロ−タ１０１、１０２で圧縮された気体を外部に吐出する吐出口１０９ｂが設けられている。また各軸受け１１１、１１２にはシ−ル材１１３、１１４が取りつけられ、前記シール材１１３、１１４によって後述するタイミングギヤ１１５、１１６による潤滑油が作動室内へ侵入するのを防いでいる。
【００４８】
前記雄雌ロータ１０１、１０２の回転軸１０７、１０８には、副ケーシング１１７内に収納されたタイミングギヤ１１５、１１６が取付られ、雄、雌ロータが互いに接触しないように両ロータ間を調整している。
そして軸受１１１、１１２の潤滑は飛まつ給油より行ない、副ケーシング１１７内に溜った潤滑油（図示せず）をタイミングギヤ１１５、１１６によって跳ねかけるように成されている。
尚、前記主ケーシング１０９の他端側には副ケーシング１２０が取り付けられている。また前記主ケーシング１０９の他端側には吸入口１０９ａが設けられている。
【００４９】
このように構成されたスクリュ−真空ポンプは、雄、雌ロータ１０１、１０２の回転に伴い気体が吸入口１０９ａから雄側ル−ツ部１０５、雌側ル−ツ部１０６とケーシングとによって形成される作動室１０３ａ、１０４ａに吸い込まれる。この吸引時にル−ツ部１０３、１０４の作動室１０３ａ、１０４ａによって、吸引した気体は圧縮される。
そして、前記作動室１０３ａ、１０４ａと連通しているねじ歯車部１０１ａ、１０２ａとケーシングによって形成される作動室１０１ｂ、１０２ｂに移送される。前記作動室１０１ｂ、１０２ｂはロータ１０１、１０２の回転に伴い当初容積一定のまま気体を移送するが、さらにロータが回転するとその容積を減少させ気体を圧縮する。
更に、圧縮された気体は作動室１０１ｂ、１０２ｂと連通している雄側ル−ツ部１０５、雌側ル−ツ部１０６の作動室１０５ａ、１０６ａに移送され、圧縮されながら吐出口１０９ｂから吐出される。
【００５０】
尚、主ケーシング１０９の外側には気体の圧縮により温度が上昇するため、冷却ジャケット１２１を設け、このジャケット内に冷却水を通しケーシング１０９や圧縮気体を冷却するように成されている。
【００５１】
以上のように、本実施例によればスクリュ−ポンプとル−ツポンプの機能を兼ね備えるため、図１１の実線に示すようにスクリュ−真空空ポンプの排気速度が大幅に改善され、１台の真空ポンプで効率良く、大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）から１０-4Ｔｏｒｒの中真空領域まで、略安定した排気速度を得ることができ、広い作動範囲をカバーすることができる。また、上記実施例のポンプを圧縮機として使用した場合には高い吐出圧を得ることができる。
尚、上記実施例において、ルーツ部はねじ歯車部の両端、つまり吸入口側及び吐出口側の両方形成したが、必要に応じていずれか一方のみに形成しても良い。また、上記実施例において、ねじ歯車のねじれ角は、図４、５で説明したように連続的に変化するものであっても、従来の図１、２のように一定のものであっても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかるスクリュー真空ポンプによれば、前記雄雌ロータを構成するねじ歯車がその歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線は一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、更に前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯車との比と、２πとの積に等しい歯車で構成されているため、前記雄雌ロータとケーシングとにより形成される作動室は、吸入、連続圧縮移送、吐出作用を有し、前記流体作動室の容積が、流入口から流出口に進行するにつれて連続的に減少させることができる。
その結果、局部的に温度が異常に上昇するのを抑えることができ、ケーシングとロータ、雄ロータと雌ロータのかみ合い間の寸法精度を良好なものにすることができる等の効果を奏するものである。
また、このようなスクリュー真空ポンプの当該ねじ歯車は、その歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、更に、前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯数との比と、２πとの積に等しい歯車であることを特徴とする本発明にかかるねじ歯車を用いることができ、その結果、回転軸直角シール性が高くなり、流体作動室の機密性を良好とすることができる。
【００５３】
また、本発明にかかる真空ポンプによれば、雄雌ロータのスクリュー部の少なくとも一端部にルーツ部を設けているため、排気速度が大幅に改善され、１台の真空ポンプで効率よく大気圧から１０-4Ｔｏｒｒの中真空領域まで、安定した排気速度をえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のスクリュ−真空ポンプを示し、図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図２】図２は従来のスクリュ−真空ポンプを示し、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は従来のスクリュ−真空ポンプの雄ロータと雌ロータが噛み合っている状態をロータの周方向に展開した模式図である。
【図４】図４は本発明に用いられるねじ歯車の平面図である。
【図５】図５は本発明に用いられるねじ歯車のかみ合いピッチ円筒上の展開図あって、横軸にかみ合いピッチ円筒の雄転がり周長を、縦軸にねじれ進行量をとり、この座標軸上に放物線（２次曲線）からなる歯すじ転がり曲線を表した展開図である。
【図６】図６はスクリュ−真空ポンプの温度の上昇を表した図であって、点線は従来のスクリュ−真空ポンプの場合を示し、実線は本発明の一実施例の場合を示している。
【図７】図７は本発明の一実施例に用いられる雄雌ロ−タの斜視図である。
【図８】図８は図７の雄雌ロ−タの平面図である。
【図９】図９は図７、８に図示した雄雌ロ−タを用いたスリュー真空ポンプの断面図である。
【図１０】図１０は図９のＡ−Ａ断面図である。
【図１１】図１１は排気速度の特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 雄歯車（雄ロ−タ）
２ 雌歯車（雌ロ−タ）
３ 雄かみ合いピッチ円筒
４ 雌かみ合いピッチ円筒
５ 雄歯型形状
６ 雌歯型形状
７ 雄回転軸
８ 雌回転軸
１０１ 雄ロ−タ
１０１ａ ねじ歯車部
１０２ 雌ロ−タ
１０２ａ ねじ歯車部
１０３ ル−ツ部
１０４ ル−ツ部
１０５ ル−ツ部
１０６ ル−ツ部
１０９ ケ−シング
１０９ａ 吸入口（流入口）
１０９ｂ 吐出口（流出口）
２０２ インバ−タ
２０３ インバ−タ
２０４ コントロ−ラ
２０５ フィ−ドバック回路
２０６ フィ−ドバック回路
Ｍ1 モ−タ
Ｍ2 モ−タ
３０１ 雄ロ−タ
３０１ａ 作動室
３０１ｂ 歯端面
３０２ 雌ロ−タ
３０２ａ 作動室
３０２ｂ 歯端面
３０３ ケ−シング
３０３ａ 雄ロ−タ側端面プレ−ト
３０３ｂ 雌ロ−タ側端面プレ−ト
３０４ａ〜３０４ｄ 排出口
３０５ａ〜３０５ｅ 排出口
３０６ 吐出口
３０７ 排出弁
Claims (4)
- 互に噛み合う雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するケ−シングと、雄雌ロータとケーシングとにより形成される流体作動室と、該作動室の一端部および他端部に連通しうるようケーシングに設けられた流体の流入口および流出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、
前記雄雌ロータを構成するねじ歯車は、その歯車のピッチ円筒上での歯すじ転がり曲線が一つの曲線であって単調増加関数で表され、かつ前記曲線の微分係数も単調増加関数で表され、該ねじ歯車のねじれ角が当該ねじれの進行に伴って連続的に増加する歯車であって、
更に、前記各ねじ歯車は、そのねじ山の回転軸方向ピッチは連続的に変化するが、軸直角ピッチが円周方向において一定な歯車であって、該軸直角ピッチはピッチ円筒半径と歯数との比と、２πとの積に等しい歯車であり、
前記流体作動室の容積が、流入口から流出口に進行するにつれて連続的に減少し、前記流体作動室は吸引作用、連続圧縮移送作用、吐出作用を有するように構成されていることを特徴とするスクリュー真空ポンプ。 - 前記雄雌ロータの各ねじ歯車部の少なくともいずれか一端部にルーツ部が形成されていること特徴とする請求項１に記載のスクリュー真空ポンプ。
- 前記雄雌ロータには、流入口側から流出口側に向かって、ルーツ部、ねじ歯車部、ルーツ部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のスクリュー真空ポンプ。
- 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたスクリュー真空ポンプに用いられるねじ歯車であることを特徴とするねじ歯車。
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