JP4839443B2 - スクリュー真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、スクリュー真空ポンプに係わり、特に大気圧から０．１Ｐａの領域に最適なスクリュー真空ポンプに関するものである。

従来より、半導体デバイス製造装置は、該半導体デバイス製造装置のプロセスチャンバーに、ポンプからのオイル逆流があっては半導体デバイス製造工程上重大な問題をもたらすため、吸気ガスとオイルが接触することがない、いわゆるドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、及びターボ分子ポンプ等が用いられている。

これらのドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、及びスクリューポンプ等は、軸シールが吸入側と吐出側と両端あり、特に吸入側の軸シールのシールガス量及びシールからの漏れ量が排気速度の低下の原因となり、必要以上に排気速度の大きなポンプを使用せざるを得ないという問題がある。

また、プロセスガス、キャリアガス、発生ガス等の分子量が１から百数十と広いため、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使い分けをしているのが現状である。

一方では排気ガスの種類によって排気速度が低下するため排気速度の大きなポンプを効率の悪い状態で使用しているという問題がある。また一般のドライポンプ、メカニカルブースターポンプは吸入口から吐出口の間のポンプ内部に生成物が堆積する問題がある。

本発明者は、特許文献１にスクリュー真空ポンプを提案している。この特許文献１に提案したスクリューポンプは、不等リードの吸入側及び排出側に等リードを設けた構成を備えているものである。

特開２００４−２６３６２９号公報

そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガスの種類に係わらず０．１Ｐａ程度まで、安定した排気性能を維持することができるスクリュー真空ポンプを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るスクリュー真空ポンプは、互いに噛み合い、軸方向に移動するに従って連続的にリード角が変化するネジ歯車を各々備えた雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するステータとにより形成される気体作動室と、前記作動室の一端部及び他端に連通しうるように前記ステータに設けられた気体の吸入口及び吐出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び前記雌ロータは、夫々の軸直角断面形状が連続的なリード角の変化に伴い、当該雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状が夫々変化する不等リードを備え、前記雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状における噛み合い隙間が、吐出側から吸入側に移動するにつれて、次第に狭くなるように形成され、前記雌雄ロータのリード角の変化に伴い、前記雌雄ロータの両方の軸直角断面形状を変化させ、スクリューロータ噛み合い隙間を一定にすることで噛み合い部のコンダクタンスが小さくなるように構成し、それによって逆拡散を抑え、圧縮比を大幅に改善したことを特徴としている。

また、本発明に係るスクリュー真空ポンプは、互いに噛み合い、軸方向に移動するに従って連続的にリード角が変化するネジ歯車を各々備えた雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するステータとにより形成される気体作動室と、前記作動室の一端部及び他端に連通しうるように前記ステータに設けられた気体の吸入口及び吐出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び前記雌ロータは、夫々の軸直角断面形状が連続的なリード角の変化に伴い、当該雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状が夫々変化する不等リードを備え、前記雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状における噛み合い隙間が、吐出側から吸入側に移動するにつれて、次第に狭くなるように形成され、前記雌雄ロータの吸入側のリード角をθ１、吐出側のリード角をθ２とし、前記雌雄ロータの軸直角断面形状における吸入側及び吐出側の噛み合い隙間を夫々Ｌ１，Ｌ２としたときに、前記雌雄ロータの吸入側及び吐出側のスクリューロータ噛み合い隙間がＬ１ｓｉｎθ１＝Ｌ２ｓｉｎθ２＝一定値となる断面形状に夫々構成したことを特徴としている。ここで、本発明において、スクリューロータ噛み合い隙間とは、雌雄ロータスクリューの歯すじ方向に直角な方向、即ち、夫々のリードに直角方向の噛み合い隙間を呼ぶ。

また、本発明に係るスクリュー真空ポンプは、互いに噛み合い、軸方向に移動するに従って連続的にリード角が変化するネジ歯車を各々備えた雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するステータとにより形成される気体作動室と、該作動室の一端部及び他端に連通しうるように前記ステータに設けられた気体の吸入口及び吐出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び雌ロータは、夫々の軸直角断面形状が連続的なリード角の変化に伴い、一方のロータの軸直角断面形状のみがリード角の変化に伴い変化し、他方のロータの軸直角断面形状はリード角の変化に関係なく、一定な不等リードを備え、前記雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状における噛み合い隙間が、吐出側から吸入側に移動するにつれて、次第に狭くなるように形成され、前記雌雄ロータのリード角の変化に伴い、前記一方のロータの軸直角断面形状を変化させ、スクリューロータ噛み合い隙間を一定にすることで噛み合い部のコンダクタンスが小さくなるように構成し、それによって逆拡散を抑え、圧縮比を大幅に改善したことを特徴としている。

以上のように、本発明に係る不等リードスクリュー真空ポンプは、雌雄ロータのリード角の変化に伴い、雌雄ロータの一方又は両方の軸直角断面形状を変化させ、スクリューロータ噛み合い隙間を一定にすることで噛み合い部のコンダクタンスが小さくなり、逆拡散を抑え、圧縮比を大幅に改善することができる。その結果、ガスの種類に係わらず０．１Ｐａ以下まで、安定した排気性能を維持することができる。

本発明によって、スクリュー真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よく大気圧から０．１Ｐａまで安定した排気速度を得ることができ、広い動作範囲をカバーすることができるスクリュー真空ポンプを提供することができる。

さらに、本発明のスクリュー真空ポンプを使用することにより、従来のドライポンプやメカニカルポンプなどを組み合わせた真空系と比較して構造が簡単で安価な真空系を構成することができるスクリュー真空ポンプを提供することができる。

更に、本発明によれば、真空系の構成が簡単になることにより、バルブの切り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スクリュー真空ポンプを提供できる。

従来のポンプの排気速度と、本発明によるポンプと比較を示した図である。 本発明の実施の形態によるスクリュー真空ポンプの全体構成を示す断面図である。 本発明の一例の基礎円筒上の展開図であって、横軸に基礎円筒の雄雌転がり周長を、縦軸にねじれ進行方向量をとり、この座標軸上に放物線（二次曲線）からなる歯型外形接触部歯すじねじれ曲線を表した展開図である。 本発明の実施の形態によるスクリュー軸直角断面図である。 リード角により、スクリュー噛み合い隙間が変化することを示した図である。

本発明の実施の形態を述べる前に、本発明の理解を容易にするために、従来のスクリューポンプの欠点について、図１を参照しながら、説明する。

図１を参照すると、従来のスクリュー真空ポンプは、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、３Ｐａ前後の到達圧力となり、図１の曲線２のごとく分子流域側で排気速度が大幅に減少する。さらに水素の排気速度は窒素の１／３から１／２となり、図１の曲線３のごとく圧縮比が小さいため排気速度が極端に減少する。このような欠点を解決するための一手段としては、本発明者は、特許文献１にスクリュー真空ポンプを提案している。この特許文献１に提案したスクリューポンプは、不等リードの吸入側及び排出側に等リードを設けた構成を備えているものである。

それでは、本発明について図２乃至図６を参照しながら説明する。

図２を参照すると、スクリュー真空ポンプ３０は、ポンプ側から、第１のハウジング３１と、第２のハウジング３２と、第３のハウジング３３とをこの順で一軸方向に連結した構造を有している。

第１のハウジング３１は、ステータ１３と、一端側に流体を吸入する吸入口１４とを備え、他端側は第２のハウジング３２に連結している。第２のハウジングの第１のハウジング３１との連結部には、流体を排出する吐出口１０が設けられている。また、第１のハウジング３１のステータ１３内には、第１のシャフト２３及び第２のシャフト２４を回転軸とし、互いに噛み合う雌スクリューロータと、雄スクリューロータとが配置されている。

第２のハウジング３２内には、雌スクリューロータ４の回転軸をなす第１のシャフト２３と、雄スクリューロータ５の回転軸をなす第２のシャフト２４とが第１のハウジング３１内の各々のスクリューロータから各々軸方向に設けられ、第１のシャフト２３は第３のハウジング３３内まで延在している。第１のシャフト２３及び第２のシャフト２４は、第２のハウジング３２内の各々の両端に配置された軸受けベアリング９によって、回転可能に設けられている。

第２のハウジング３２内の第２のシャフト２４の周囲には、オイル跳ね上げ機構１１が配置され、第１のシャフト２３及び第２のシャフト２４の軸方向のほぼ同じ位置に互いに噛み合わされるタイミングギア１２が設けられている。

第３のハウジング３３内には、第１のシャフト２３の一端を回転軸とする電動式モータ８が配置されている。

第３のハウジング３３内のモータ８により、軸受けベアリング９で保持された第１のシャフト２３が回転し、この回転は、第１及び第２のシャフト２３、２４をタイミングギア１２によって、シンクロナイズして回転させる。また、第２のシャフト２４には、タイミングギア１２及び軸受けベアリング９にオイルを供給するオイル跳ね上げ機構１１が取り付けられている。

ポンプ側においては、雌スクリューロータ４及び雄スクリューロータ５を備えた、スクリューロータが高速回転することにより、高真空にするものである。

図３は、本発明における不等リードスクリューの歯すじ転がり曲線を示している。図３に示すように、スクリューのリード角（θＭ，θＦ）が連続的に変化している。

また、本発明は、図４及び図５に示すように、互いに噛みあう雌雄スクリューロータ４，５の１リード間の容積を連続的に減少させ、気体を圧縮する作動室を形成する不等リードスクリュー真空ポンプにおいて、気体を圧縮する作動室を形成するスクリュー噛み合いからの逆拡散を抑えるために、スクリューのリード角（θＭ，θＦ）の変化に伴い、雄雌スクリュー４，５の軸直角断面形状をリード角（θＭ，θＦ）によって変化させ、スクリューロータ噛み合い隙間３５，３６を一定にする／またはどちらか一方のスクリュー４又は５の軸直角断面形状をリード角（θＭ，θＦ）によって変化させ、他方のスクリュー５又は４は、軸直角断面形状を一定で変化させず、スクリューロータ噛み合い隙間３５，３６を一定にする。ここで、スクリューロータ噛み合い隙間とは、雌雄ロータスクリューの歯すじ方向に直角な方向、即ち、夫々のリードに直角方向の噛み合い隙間を呼ぶ。

また、ここでの重要な点は、スクリュー軸直角断面形状の噛み合い隙間３４を一定にしたのでは、スクリューリード角（θＭ，θＦ）の変化により、リード角（θＭ，θＦ）が大きくなるにしたがって、スクリューロータ噛み合い隙間３５，３６が大きくなる。これにより、スクリュー真空ポンプの圧縮比を下げ、吐出口１０からの逆拡散を抑えることができず、逆拡散した気体は作動室に入り、再度圧縮、排気されるため消費電力が増大する。

また、逆拡散の増大により、到達圧力、排気速度に大きな影響を与えている。また最終リードにおいても逆拡散が圧縮、排気を行うため、吐出口近傍において圧縮熱によって膨張、歪みが発生しスクリューとスクリュー、スクリューとステータ間で接触を起こす原因となる。

この逆拡散を抑えることが排気性能の向上及び省電力につながる。

次に、本発明に係わるスクリュー真空ポンプの―具体例を図３乃至図６にもとづいて更に詳細に説明する。

図３は、横軸に基礎円筒の雄雌転がり周長を、縦軸にねじれ進行量をとり、この座標軸上に放物線（二次曲線）からなる歯すじ転がり曲線を示している。図４は雄雌スクリューの軸直角断面図を示している。また、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）において、軸直角断面形状が同一の場合のリード角と噛み合い隙間の関係が示されている。ここで、仮に、雌スクリューロータ４及び雄スクリューロータ５との軸直角断面噛み合い隙間３４はリード角の変化によって、軸直角断面形状は変化させず、雌スクリューロータ４及び雄スクリューロータ５の軸直角断面形状における噛み合い隙間を一定にするものと仮定している。

また、そのような一例として、吸入効率が最も良い吸入側リード角３７を４５°、吐出口からの逆拡散を抑えるのに必要な雌スクリューロータ４及び雄スクリューロータ５のスクリューロータ噛み合い隙間３６を５０μｍで、吐出側リード角３８を１０°とした。また吐出側のスクリューロータ噛み合い隙間３６を５０μｍとした場合、吸入側リード角３７の雌スクリューロータ４及び雄スクリューロータ５のスクリューロータ噛み合い隙間３５は、（５０／ｓｉｎ１０°）×ｓｉｎ４５°＝２０３．６μｍである。但し、軸直角断面噛み合い隙間（Ｌ１）３４は（５０／ｓｉｎ１０°）で示される。

このような仮定によれば、吸入側の雌スクリューロータ４及び雄スクリューロータ５のスクリューロータ噛み合い隙間３５は、吐出側のスクリューロータ噛み合い隙間３６の５０μｍに対して、２０３．６μｍと約４倍になり、逆拡散を抑えることが困難となるので好ましくない。

従って、本発明においては、雌スクリューロータ４及び雄スクリューロータ５のねじれ角の進行に伴って連続的にリード角の変化に伴い、軸直角断面形状を変化させ、スクリューロータ噛み合い隙間３５，３６が吸入側から吐出側まで一定となるように構成している。これによって、吸入側、吐出側のリード角による軸直角断面噛み合い隙間３４を夫々をＬ１、Ｌ２とすると、スクリューロータ噛み合い隙間３５，３６は、夫々Ｌ２・ｓｉｎ１０°及びＬ１・ｓｉｎ４５°であり、Ｌ２・ｓｉｎ１０°及び＝Ｌ１・ｓｉｎ４５°＝一定値（５０μｍ以下）となる軸直角断面形状とすることで、スクリューロータ噛み合い隙間３５，３６を吸入側から吐出側まで一定にすることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態においては、図１の曲線１に示すようにスクリュー真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よく大気圧から０．１Ｐａまで安定した排気速度を得ることができ、広い動作範囲をカバーすることができるという効果を奏する。

以上説明したように、本発明に係るスクリュー真空ポンプは、通常の真空ポンプとして、特に、半導体デバイス製造装置のプロセスチャンバーの真空系の構成や排気用の真空ポンプ等に最適である。

４ 雌スクリューロータ
５ 雄スクリューロータ
８ モータ
９ 軸受けベアリング
１０ 吐出口
１１ オイル跳ね上げ機構
１２ タイミングギア
１３ ステータ
１４ 吸入口
１６ 歯車噛み合いピッチ円
１９ 雄スクリュー外径
２０ 雌スクリュー外径
２１ 雄スクリュー歯
２２ 雌スクリュー歯
２３ 第１のシャフト
２４ 第２のシャフト
３０ スクリュー真空ポンプ
３１ 第１のハウジング
３２ 第２のハウジング
３３ 第３のハウジング

Claims (8)

1. 互いに噛み合い、軸方向に移動するに従って連続的にリード角が変化するネジ歯車を各々備えた雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するステータとにより形成される気体作動室と、前記作動室の一端部及び他端に連通しうるように前記ステータに設けられた気体の吸入口及び吐出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び前記雌ロータは、夫々の軸直角断面形状が連続的なリード角の変化に伴い、当該雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状が夫々変化する不等リードを備え、
   前記雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状における噛み合い隙間が、吐出側から吸入側に移動するにつれて、次第に狭くなるように形成され、
   前記雌雄ロータのリード角の変化に伴い、前記雌雄ロータの両方の軸直角断面形状を変化させ、スクリューロータ噛み合い隙間を一定にすることで噛み合い部のコンダクタンスが小さくなるように構成し、それによって逆拡散を抑え、圧縮比を大幅に改善したことを特徴とするスクリュー真空ポンプ。
2. 請求項１に記載のスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び前記雌ロータの軸直角断面形状における歯数が互いに異なることを特徴とするスクリュー真空ポンプ。
3. 請求項１又は２に記載のスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状は、軸方向の吐出側から吸入側に移動するにつれて、次第に面積が広くなるように形成されていることを特徴とするスクリュー真空ポンプ。
4. 互いに噛み合い、軸方向に移動するに従って連続的にリード角が変化するネジ歯車を各々備えた雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するステータとにより形成される気体作動室と、前記作動室の一端部及び他端に連通しうるように前記ステータに設けられた気体の吸入口及び吐出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び前記雌ロータは、夫々の軸直角断面形状が連続的なリード角の変化に伴い、当該雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状が夫々変化する不等リードを備え、
   前記雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状における噛み合い隙間が、吐出側から吸入側に移動するにつれて、次第に狭くなるように形成され、
   前記雌雄ロータの吸入側のリード角をθ１、吐出側のリード角をθ２とし、前記雌雄ロータの軸直角断面形状における吸入側及び吐出側の噛み合い隙間を夫々Ｌ１，Ｌ２としたときに、前記雌雄ロータの吸入側及び吐出側のスクリューロータ噛み合い隙間がＬ１ｓｉｎθ１＝Ｌ２ｓｉｎθ２＝一定値となる断面形状に夫々構成したことを特徴とするスクリュー真空ポンプ。
5. 互いに噛み合い、軸方向に移動するに従って連続的にリード角が変化するネジ歯車を各々備えた雄ロータ及び雌ロータと、両ロータを収納するステータとにより形成される気体作動室と、該作動室の一端部及び他端に連通しうるように前記ステータに設けられた気体の吸入口及び吐出口とを備えたスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び雌ロータは、夫々の軸直角断面形状が連続的なリード角の変化に伴い、一方のロータの軸直角断面形状のみがリード角の変化に伴い変化し、他方のロータの軸直角断面形状はリード角の変化に関係なく、一定な不等リードを備え、
   前記雄ロータ及び雌ロータの軸直角断面形状における噛み合い隙間が、吐出側から吸入側に移動するにつれて、次第に狭くなるように形成され、
   前記雌雄ロータのリード角の変化に伴い、前記一方のロータの軸直角断面形状を変化させ、スクリューロータ噛み合い隙間を一定にすることで噛み合い部のコンダクタンスが小さくなるように構成し、それによって逆拡散を抑え、圧縮比を大幅に改善したことを特徴とするスクリュー真空ポンプ。
6. 請求項５に記載のスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び前記雌ロータの軸直角断面形状における歯数が互いに異なることを特徴とするスクリュー真空ポンプ。
7. 請求項５又は６に記載のスクリュー真空ポンプにおいて、前記雄ロータ及び雌ロータの内の前記一方の軸直角断面形状は、軸方向の吐出側から吸入側に移動するにつれて、次第に面積が広くなるように形成されていることを特徴とするスクリュー真空ポンプ。
8. 請求項５に記載のスクリュー真空ポンプにおいて、前記雌雄ロータの吸入側のリード角をθ１、吐出側のリード角をθ２とし、前記雌雄ロータの軸直角断面形状における吸入側及び吐出側の噛み合い隙間を夫々Ｌ１，Ｌ２としたときに、前記雌雄ロータの吸入側及び吐出側のスクリューロータ噛み合い隙間がＬ１ｓｉｎθ１＝Ｌ２ｓｉｎθ２＝一定値となる断面形状に夫々構成したことを特徴とするスクリュー真空ポンプ。

Images