JP5595782B2 - ドライ真空ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、多段ルーツ型ドライ真空ポンプを備えたドライ真空ポンプ装置に関し、特にポンプを駆動する電動機の冷却機構及び真空ポンプのロータケーシングに特徴を有し小型化が適した多段ルーツ型ドライ真空ポンプを備えたドライ真空ポンプ装置に関する。

近年、大気圧から動作が可能で、クリーンな真空環境が容易に得られるドライ真空ポンプが、半導体製造設備等の幅広い分野で使用されている。特に半導体デバイスの製造は、３００以上の工程数からなり、そこで使用される真空ポンプの数も非常に多い。そのため真空ポンプ装置の省フットプリント化は工場内の敷地面積を有効に利用する上で非常に重要である。特に真空ポンプ装置の幅に合せて複数の真空ポンプ装置を並べて設置することが多いため、幅を小さくすることが重要である。このような要望に応えるドライ真空ポンプとして、多段ルーツ型ドライ真空ポンプがある。

特表２００６−２００６号公報

多段ルーツ型ドライ真空ポンプにおいて、ポンプ部を駆動する電動機はフランジを介してポンプ部と一体に結合されている。そのためポンプ部で発生した熱がフランジを介して電動機のケーシングに伝達し、電動機自身が発生する熱にポンプ部からの熱も加わり、電動機ケーシングの温度が上昇するという問題がある。この対策として従来は電動機ケーシングのステータ外周部に冷却液を通す冷却液流路を形成し、該冷却液流路に冷却液を流して電動機ケーシングを冷却していた。そのため冷却液流路を形成する分電動機ケーシングの厚さを厚くしなければならず小型化の障害となっている。

また、ポンプ部のロータケーシングは上下に２分割する分割体で構成されており、該分割体を分割面で密接させ軸方向に等間隔で配列された複数本のボルトで両分割体を結合する構成を採用している。また、ポンプ部のロータケーシングには、各ロータ室で圧縮された気体を次段のロータ室に移送するための多段の気体流路が形成されており、両分割体を結合する複数のボルトは多段の気体流路の形成部分を避け、その外周側に軸方向に等間隔で配置していた。そのためロータケーシングの厚さ寸法が大きくなり、これが多段ルーツ型ドライ真空ポンプの幅寸法を大きくする原因となり、ドライ真空ポンプ装置の小型化の障害となるという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、多段ルーツ型ドライ真空ポンプのポンプから電動機ケーシングに伝達する熱を遮断し、電動機を冷却する冷却機構を簡略化して電動機を小型化すると共に、ポンプ部のロータケーシングの分割体の結合構成に工夫を凝らし、ポンプ部を小型化し、装置全体の小型化が可能な多段ルーツ型ドライ真空ポンプを備えたドライ真空ポンプ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明はロータケーシングに回転自在に支持された２本の回転軸と、該２本の回転軸に固定された一対の多段のロータとを備え、ロータケーシングには２本の回転軸に沿って設けられた多段のロータ室と該各ロータ室の外周側に設けられた多段の気体流路と初段のロータ室に連通する吸込口と最終段のロータ室に連通する吐出口とが形成され、電動機により回転軸を回転することにより、吸込口から吸込まれた気体が初段のロータ室で圧縮され、気体流路を通って順次下段側のロータ室に移送され、最終段の前記ロータ室で圧縮された気体が吐出口から吐き出される構成の多段ルーツ型ドライ真空ポンプを備えたドライ真空ポンプ装置において、電動機はモータケーシングのポンプ側端部に形成されたフランジを介し多段ルーツ型ドライ真空ポンプのロータケーシングと一体的に連結されており、電動機はモータステータとモータロータを具備し、モータステータはモータケーシングに納められ、モータケーシングのフランジ内にロータケーシングからモータケーシングに伝達する熱を吸収して遮断する冷却液を通す冷却液流路を設け、モータケーシングの冷却液流路を設けた部分がモータステータを納めた部分と重ならないようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、上記ドライ真空ポンプ装置において、電動機はブラシレスＤＣモータであることを特徴とする。
また、本発明は、上記ドライ真空ポンプ装置において、電動機のロータは多段のロータの回転軸の一方の端部に固定されていることを特徴とする。
また、本発明は、上記ドライ真空ポンプ装置において、ロータ室の１段目のロータ室の軸方向の幅寸法は２段目のロータ室の軸方向の幅寸法の２倍以上としていることを特徴とする。
また、本発明は、上記ドライ真空ポンプ装置において、電動機の冷却は自然放熱であることを特徴とする。

本発明によれば、電動機と多段ルーツ型ドライ真空ポンプと連結するフランジ内に冷却液を通す冷却液流路を設け、該冷却液流路に冷却液を流すことにより、ポンプから電動機ケーシングに伝達しようとする熱は、該冷却液流路内を流れる冷却液に吸収され遮断されるから、電動機に伝わる熱は抑制され、電動機ケーシングに格別の冷却手段を設けることがない。これにより、電動機幅寸法を従来の電動機ケーシングに冷却液流路を設ける場合に比較し小型化できる。

本発明に係るドライ真空ポンプ装置が備える多段ルーツ型ドライ真空ポンプの縦断面構造を示す図である。 図１の多段ルーツ型ドライ真空ポンプの横断面構造を示す図である。 本発明と従来の多段ルーツ型ドライ真空ポンプのロータケーシングに結合ボルトの貫通位置を比較例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。先ず本発明に係るドライ真空ポンプ装置が備える多段ルーツ型ドライ真空ポンプを図１及び図２を用いて説明する。図１は多段ルーツ型ドライ真空ポンプの全体構成を示す縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。本多段ルーツ型ドライ真空ポンプはポンプ部Ｐと電動機部（以下「モータ部」という）Ｍとからなる。ポンプ部Ｐは５段のポンプであり、２本の回転軸１１ａ、１１ｂに一対の５段のルーツ型のロータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅがそれぞれ固定されている。回転軸１１ａ、１１ｂはそれぞれ軸受２０、２１により回転自在に支持されている。なお、以下の説明では、一対のロータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅを総称して適宜ロータ１２、１２と称する。

ロータ１２、１２間、及びロータ１２、１２とロータケーシング１４の内周面との間には微小な隙間が形成されており、ロータ１２、１２は、それぞれの回転軸１１ａ、１１ｂを中心として非接触で回転するようになっている。ロータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅをそれぞれ収容して気体を移送するロータ室１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅがそれぞれ２本の回転軸１１ａ、１１ｂに沿って直列に１つのロータケーシング１４内に配置されている。ロータケーシング１４の上面には図示しないカバー部材が取り付けられている。ロータケーシング１４の上部には吸込口（図示せず）が形成されており、吸込口は初段のロータ室１３ａに連通している。ロータケーシング１４の吐出口側面には第１のサイドケーシング２６が固定されており、サイドケーシング２６の側面には軸受ケーシング２３が固定されている。サイドケーシング２６には、最終段のロータ室１３ｅに連通する吐出口（図示せず）が形成されている。

図１に示すように、軸受２０の図中左側のモータ部Ｍにはモータ（例えばブラシレスＤＣモータ）２２が用いられている。即ち、回転軸１１ａ、１１ｂの一方の端部にモータロータ２２ａが固定され、その周囲にモータステータ２２ｂが配置されている。モータ２２は図示しないインバータ装置等の電力供給装置により周波数可変電力の供給を受け、ソフトスタート等を含む真空ポンプの回転速度制御を行う。モータ２２は、モータケーシング２４の内部に配置されている。モータ２２に、ブラシレスＤＣモータを採用すると、ロータ１２、１２は回転軸１１ａ、１１ｂを介してこのブラシレスＤＣモータ２２により同期反転させられる。回転軸１１ａ、１１ｂの他方の端部には、それぞれタイミングギア２９及び吐出側の軸受２１が軸受ケーシング２３に収容されている。軸受２０、２１はそれぞれ軸受ケース４０、４１に保持されており、これらの軸受ケース４０、４１はそれぞれモータケーシング２４及び軸受ケーシング２３に収容されている。

各ロータ室１３ａ〜１３ｅにおいては、２本の回転軸１１ａ、１１ｂにそれぞれ固定されたロータ１２、１２とロータケーシング１４の内周面との間に閉じ込められた気体が吸込側から吐出側に移送される。ロータケーシング１４は二重ケーシングとなっており、二重ケーシングを構成する内外周囲壁の間には気体流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが設けられている。ロータ室１３ａの吐出側と次段のロータ室１３ｂの吸込側は気体流路１５ａによって連通しており、ロータ室１３ａ内のロータ１２ａによって圧縮された気体は気体流路１５ａを通ってロータ室１３ｂの吸込側に移送される。このようにして、各段のロータ１２、１２によって圧縮された気体は、気体流路１５ａ〜１５ｄを通って吐出し側に順次移送され、吐出口に移送される。

一般に多段ルーツ型ドライ真空ポンプにおいて、初段のロータ室の容積は設計する真空ポンプの排気速度により決定される。このため、排気速度の大きな真空ポンプを設計する場合は、初段のロータ室の容積を大きくすることが必要となる。これに対し、最終段のロータ室の容積は、最終段のロータ室での前後の圧力差によって発熱（圧縮熱）、及びその圧力差に抗してロータを回転させるモータの消費電力を抑えるために小さくする必要がある。しかしながら、最終段のロータ室の容積を小さくすると、スムーズに排気できなくなる。このように、容積比と発熱とはトレードオフの関係にあるため、どの点を重視して真空ポンプを設計するかによって、容積比（圧縮比）を大きくするか小さくするかを決定することになる。ここでは、１段目のロータ室１３ａの軸方向の幅寸法を２段目のロータ室１３ｂの幅寸法の２倍以上としている。そして順次３段目のロータ１２ｃ、４段目のロータ１２ｄ、５段目のロータ１２ｅをその軸方向幅を所定の比で小さくしている。

モータ２２に、ブラシレスＤＣモータを採用すると、モータ２２の回転速度制御を行うことで、最終段のロータ室１３ｅの容積を小さくしたまま排気速度を大きくすることができ、且つ発熱及びモータ消費電力を抑えることができる。つまり、通常のモータを使用した従来の真空ポンプに比べて、同じ排気速度を達成しつつ容積比（圧縮比）を大きくできると共に、発熱量を抑えることができる。また、２本の回転軸１１ａ、１１ｂを回転駆動する駆動源として上記のようにブラシレスＤＣモータ２２を用いることで、モータとしての効率が良いだけでなく大きな負荷変動に対応することができ、更に起動時における圧縮動力の増大にも対応することができる。

ドライ真空ポンプの吐出口の近傍には軸受２１が配置され、吸込側の軸受２０と共に回転軸１１ａ、１１ｂを回転自在に支持している。軸受２１は軸受ケーシング２３内に収容され、軸受ケーシング２３とロータケーシング１４との間にはサイドケーシング２６が配置されている。軸受ケーシング２３とサイドケーシング２６との間には図示しないＯリングシール（シール部）が配置され、これにより軸受ケーシング２３とサイドケーシング２６との間の微小な隙間が封止されている。また、サイドケーシング２６とロータケーシング１４との間にも図示しないＯリングシール（シール部）が配置され、これによりサイドケーシング２６とロータケーシング１４との間の微小な隙間が封止されている。軸受２０はモータケーシング２４内に収容されており、モータケーシング２４とロータケーシング１４との間には第２のサイドケーシング３０が配置されている。サイドケーシング３０とロータケーシング１４との間には図示しないＯリングシール（シール部）が配置されている。更に、サイドケーシング３０とポンプ取付け側のフランジ３１との間には図示しないＯリングシール（シール部）が配置されている。

上記構成のドライ真空ポンプにおいて、モータ２２を起動し、回転軸１１ａ、１１ｂを回転させると、ロータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅが回転し、吸込口から吸込まれたガスはロータ室１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ内のロータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅで圧縮され、気体流路１５ａ〜１５ｄを通って吐出し側に順次移送され、吐出口から大気圧領域に排出される。

上記構成の多段ルーツ型ドライ真空ポンプにおいて、モータ部Ｍのモータケーシング２４はポンプ取付け側のフランジ３１を介してポンプ部Ｐのサイドケーシング３０に連結されている。即ち、モータ部Ｍとポンプ部Ｐはフランジ３１を介して一体に結合されている。ポンプ部Ｐの各段のロータ１２、１２によって圧縮された気体は、気体流路１５ａ〜１５ｄを通って吐出し側に順次移送される。この気体圧縮により圧縮熱が発生し、該圧縮熱ポンプ部Ｐのロータケーシング１４、サイドケーシング３０、及びモータ部Ｍのポンプ取付け側のフランジ３１を介してモータケーシング２４に伝達される。また、上記圧縮熱はポンプ部Ｐのサイドケーシング２６を介して軸受ケーシング２３にも伝達される。

上記のようにポンプ部Ｐで発生した気体圧縮熱はモータ部Ｍのモータケーシング２４に伝達され、該モータケーシング２４の温度が上昇しモータ２２の特性に悪影響を与える。この対策として、ここではモータ部Ｍのポンプ取付け側のフランジ３１の中に冷却液を流す冷却液パイプ３２を埋め込み、該冷却液パイプ２２に冷却水等の冷却液を流すことにより、ポンプ部Ｐのロータケーシング１４からモータ部Ｍのモータケーシング２４に伝達される熱を吸収し、遮断している。これにより、モータ部Ｍのモータケーシング２４にはポンプ部Ｐから伝達される熱に対する格別の冷却手段を設けることはない。また、モータケーシング２４から発生する熱はモータケーシング２４からの自然放熱で賄える。なお、上記例ではモータ部Ｍのポンプ取付側のフランジ３１中に冷却液パイプ３２を埋め込んで冷却液流路を形成したが、フランジ３１中に直接冷却液流路を形成してもよい。

従来、上記ポンプＰからモータケーシング２４に伝達される熱によるモータケーシング２４の温度上昇を抑制するため、モータケーシング２４中に冷却液を流す冷却液パイプを埋め込んでいた。このためモータケーシング２４の厚さを大きくする必要があり、小型化の障害となっていた、ここでは上記のように厚さ寸法の大きいポンプ取付け側のフランジ３１に冷却液パイプ２２を埋め込むことで、モータケーシング２４には格別の冷却手段を設けることなく、その分モータケーシング２４の肉厚を薄くできモータ部Ｍの小型化軽量化を図ることができる。

ポンプ部Ｐのロータケーシング１４は図２に示すように上下に分割された分割体１４−１、１４−２で構成され、両分割体１４−１、１４−２を互いに分割面を密接させ、複数本のボルト１８で互いに結合している。従来この両分割体１４−１、１４−２結合は図３の点線で示すように（図では分割体１４−２’のみを示す）、本実施形態例より肉厚がΔｄだけ厚いロータケーシング１４の分割体１４−１’、１４−２’を採用し、その分割体１４−１’、１４−２’の気体流路１５ａ〜１５ｄの外周側に直線状に等間隔に複数本（図では４本）のボルト１８を貫通させて固定している。（なお、分割体１４’−１の図示は省略するが上下が異なるだけでボルト１８を貫通の貫通位置は分割体１４’−２と同じである。）そのためロータケーシング１４’の分割体１４−１’、１４−２’の肉厚が本実施形態のロータケーシング１４の分割体１４−１、１４−２よりΔｄだけ厚くなるという問題がある。

本実施形態では、消費電力の低減については、圧縮動力の削減とモータ効率向上を行っている。本ドライ真空ポンプはルーツ型の容積移送式真空ポンプであり、真空から大気まで数段に分けてガスを圧縮した排気する。本ポンプでは各段の圧縮比を最適化して、圧縮動力削減による消費電力低減を実現している。また、各段の圧縮比を最適化するにあたり、排気速度を確保するとともに、機械的損失を最小限に抑えた回転速度設定を行なっている。消費電力低減のためにブラシレス直流モータを採用するのが有効であるが、本実施形態では更にモータ鉄心の材料変更や巻き線の改良によりモータ効率向上を達成した。

本実施形態では、小型化を目的に、上記のようにポンプの圧縮比を最適化することでポンプ発熱を抑えたことにより、ボルト１８の位置を変えられ、ロータケーシング１４の肉厚を減らすことができた。更に、ポンプ圧縮比の最適化のため、機械的損失を抑えたポンプの回転速度を設定することにした。これはモータ２２の鉄心の材料変更や巻線の改良を行うことでモータ効率を向上させることになり、モータ２２の発熱量が抑えられ、冷却液パイプ３２をフランジ３１に設けるのみで発熱を抑えることが可能となった。

そのため図３の実線で示すように、両分割体を気体流路１５ａと１５ｂの間、気体流路１５ｂと１５ｃの間、気体流路１５ｃと１５ｄの間、及び気体流路１５が形成されていない部位で気体流路が形成されている円周位置に接近した部位にボルト１８を貫通させるボルト貫通孔を形成し、該ボルト貫通孔にボルト１８を貫通させて分割体１４−１、１４−２を結合している。これによりロータケーシング１４の分割体１４−１、１４−２に幅方向の肉厚の薄い分割体を採用でき、その分多段ルーツ型ドライ真空ポンプの幅方向の寸法を小さくできる。即ち、ドライ真空ポンプ装置の小型化が可能となる。

また、ポンプ部Ｐ側の軸受ケーシング２３内には軸受（例えば組合せアンギュラ玉軸受）２１、２１やタイミングギア２９、２９が配置されており、これらからの機械損による熱が発生する。この機械損熱による温度上昇を抑えるために軸受ケーシング２３中に冷却液パイプ３３を埋め込んで冷却液流路を形成している。なお、冷却液パイプ３３を埋め込むのではなく、冷却液流路を軸受ケーシング２３中に直接形成してもよい。

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例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。例えば、上記実施形態例では、１台の多段ルーツ型ドライ真空ポンプを備えるドライ真空ポンプ装置を例に説明したが、例えばメインポンプとブースタポンプというように、複数台の直列に接続した多段ルーツ型ドライ真空ポンプを備えることも当然可能である。

本発明は、電動機と多段ルーツ型ドライ真空ポンプと連結するフランジ内に冷却液を通す冷却液流路を設け、該冷却液流路に冷却液を流すことにより、ポンプから電動機ケーシングに伝達しようとする熱は、該冷却液流路内を流れる冷却液に吸収され遮断されるから、電動機に伝わる熱は抑制され、電動機で発生する熱は電動機ケーシングからの自然放熱で冷却できるから、ことになり、電動機ケーシングに格別の冷却手段を設けることがない。これにより、電動機ケーシングの幅寸法を従来の電動機ケーシングに冷却液流路を設ける場合に比較し薄くでき、その分電動機の小型軽量化が可能なドライ真空装置として利用できる。

１１ａ 回転軸
１１ｂ 回転軸
１２ ロータ
１２ａ〜１２ｅ ロータ
１３ａ〜１３ｅ ロータ室
１４ ロータケーシング
１４−１ 分割体
１４−２ 分割体
１５ａ〜１５ｄ 気体流路
１８ ボルト
２０ 軸受
２１ 軸受
２２ モータ
２２ａ モータロータ
２２ｂ モータステータ
２３ 軸受ケーシング
２４ モータケーシング
２６ サイドケーシング
２９ タイミングギア
３０ サイドケーシング
３１ フランジ
３２ 冷却液パイプ
３３ 冷却液パイプ

Claims (5)

1. ロータケーシングに回転自在に支持された２本の回転軸と、該２本の回転軸に固定された一対の多段のロータとを備え、前記ロータケーシングには前記２本の回転軸に沿って設けられた多段のロータ室と該各ロータ室の外周側に設けられた多段の気体流路と初段のロータ室に連通する吸込口と最終段のロータ室に連通する吐出口とが形成され、電動機により前記回転軸を回転することにより、前記吸込口から吸込まれた気体が初段の前記ロータ室で圧縮され、前記気体流路を通って順次下段側のロータ室に移送され、最終段の前記ロータ室で圧縮された気体が前記吐出口から吐き出される構成の多段ルーツ型ドライ真空ポンプを備えたドライ真空ポンプ装置において、
   前記電動機はモータケーシングのポンプ側端部に形成されたフランジを介し前記多段ルーツ型ドライ真空ポンプの前記ロータケーシングと一体的に連結されており、
   前記電動機はモータステータとモータロータを具備し、
   前記モータステータは前記モータケーシングに納められ、
   前記モータケーシングのフランジ内に前記ロータケーシングから前記モータケーシングに伝達する熱を吸収して遮断する冷却液を通す冷却液流路を設け、前記モータケーシングの前記冷却液流路を設けた部分が前記モータステータを納めた部分と重ならないようにしたことを特徴とするドライ真空ポンプ装置。
   
   
2. 請求項１に記載のドライ真空ポンプ装置において、
   前記電動機はブラシレスＤＣモータであることを特徴とするドライ真空ポンプ装置。
3. 請求項１又は２に記載のドライ真空ポンプ装置において、
   前記電動機のロータは前記多段のロータの回転軸の一方の端部に固定されていることを特徴とするドライ真空ポンプ装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドライ真空ポンプ装置において、
   前記ロータ室の１段目のロータ室の軸方向の幅寸法は２段目のロータ室の軸方向の幅寸法の２倍以上としていることを特徴とするドライ真空ポンプ装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のドライ真空ポンプ装置において、
   前記電動機の冷却は自然放熱であることを特徴とするドライ真空ポンプ装置。

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