JP6430718B2 - 真空ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプ装置に関し、特に、簡単な構造でありながらも向上したシール性能を有する軸シール部を備えた真空ポンプ装置に関するものである。

半導体製造装置などにおいては、真空チャンバ内の気体を排出するために、ドライ真空ポンプ装置が用いられる。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、一対の回転軸に固定された一対のポンプロータをモータにより互いに反対方向に回転させ、真空チャンバ内の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）に移送して排気することで、真空チャンバを真空にする。

この種の真空ポンプ装置の一対のポンプロータは、一対の回転軸にそれぞれ取り付けられており、当該回転軸は、軸受を介して回転可能に支持されている。この軸受に、腐食性ガスなどの排気ガスが接触すると、潤滑油が変質してしまうおそれがある。そのため、真空ポンプ装置のポンプ排気部と軸受配置部との間の回転軸近傍には軸シール部が設けられており、当該軸シール部に不活性ガスなどのパージガスを流して、排気ガスが軸受まで到達しないように構成されている。

この従来の軸シール部が図１に記載される。図１は、従来の軸シール部の上半分を拡大して描いた概略断面図である。図１に示されるように、多段のポンプロータ（図１では最終段のポンプロータ１１１ｅのみを示す）が取り付けられた回転軸１１２は、ポンプケーシング１１４とサイドカバー１１７とを貫通して延びている。サイドカバー１１７の側壁から構成されるブロック部材１８１は、この回転軸１１２を囲むように設けられた内周面を有しており、この内周面には、２つの環状部材１８０が取り付けられる。回転軸１１２には、２つの環状部材１８０を受け入れるための２つの環状凹部１１２ａが、環状部材１８０に対向する回転軸１１２の外周面に設けられている。

このような構成の軸シール部では、ブロック部材１８１（サイドカバー１１７の側壁）の内部に形成されたパージガス流路１８１ａを通じてパージガスが導入される。導入されたパージガスは、パージガス流路１８１ａに対向している回転軸１１２の外周面に到達した後で、２つの環状部材１８０の間に挟まれた回転軸１１２の外周面と、ブロック部材１８１の内周面とで形成される空間を満たし、その後、環状部材１８０と環状凹部１１２ａとの間の空間に流れ込む。そして、環状部材１８０と環状凹部１１２ａとの間の空間を流れていって、当該空間の全体に行き渡る。さらに、パージガスは、環状部材１８０と環状凹部１１２ａとの間の空間から回転軸１１２に沿って外側へ流れていく。このような構成により、回転軸１１２の全周囲にわたるパージガスの外側への流れが作り出される。その結果、パージガスにより排気ガスが遮断され、排気ガスが軸受まで到達することが防止される。

しかしながら、このような従来の構成では、環状部材１８０が、回転軸１１２に接触しないように、環状部材１８０と環状凹部１１２ａとの間のクリアランスを比較的大きくしなければならない。したがって、このクリアランスに排気ガスが入り込む可能性があるため、パージガスの流量を増加するなどして軸シールの効果を十分に得られるようにする必要がある。また、環状部材１８０と回転軸１１２とが接触しないようにするには、環状部材１８０や環状凹部１１２ａの形成に、非常に高い加工精度が必要とされる。

特許文献１では、軸受に供給される潤滑油の蒸気が、作動気体の流路に入り込むのを防ぐために、軸受とインペラとの間に軸シール部が設けられ、当該軸シール部にはラビリンス・シールが設けられる構成が開示されている。しかしながら、ラビリンス・シールは複雑である。また、このようなラビリンス・シールを設けたとしても、当該ラビリンス・シールが回転軸と接触しないように、ラビリンス・シールには高い加工精度が要求される。

特開昭６１−１１２７９６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、高い加工精度を必要とせずに、簡単な構造でありながらも、軸シール性能を向上させることができる軸シール部を有する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、一対のポンプロータと、前記一対のポンプロータがそれぞれ取り付けられる一対の回転軸と、前記一対の回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記ポンプロータと前記軸受との間に配置される軸シール部と、を備え、前記軸シール部は、前記回転軸の外周面に対向する内周面を有するブロック部材と、前記ブロック部材の前記内周面に対向し、かつ前記回転軸の外周面に設けられた環状溝と、前記ブロック部材に設けられた、パージガスを導入するためのパージガス流路と、を有しており、前記環状溝は前記パージガス流路に接続されており、前記パージガスは、前記ポンプロータによって移送される排気ガスとは異なる気体であり、前記回転軸の軸シールは、前記パージガス流路から導入された前記パージガスが流れ出す前記環状溝だけで達成されることを特徴とする真空ポンプ装置である。

本発明の他の態様は、一対のポンプロータと、前記一対のポンプロータがそれぞれ取り付けられる一対の回転軸と、前記一対の回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記ポンプロータと前記軸受との間に配置される軸シール部と、を備え、前記軸シール部は、前記回転軸の外周面に対向する内周面を有するブロック部材と、前記ブロック部材の前記内周面に形成された、前記回転軸の周方向に沿って延びる環状溝と、前記ブロック部材に設けられた、パージガスを導入するためのパージガス流路と、を有しており、前記環状溝は前記パージガス流路に接続されており、前記環状溝は、該環状溝と前記回転軸の外周面とによって環状空間を形成するように、前記回転軸の外周面に対向しており、前記パージガスは、前記ポンプロータによって移送される排気ガスとは異なる気体であり、前記回転軸の軸シールは、前記パージガス流路から導入された前記パージガスが流れ出す前記環状溝だけで達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、外部空間に連通する吸気ポート、および気体を排出するための排気ポートをさらに備えたことを特徴とする。

本発明の構成によれば、環状溝だけを回転軸またはブロック部材に設けるといった簡単な構成で、回転軸の軸シールを達成することが可能となる。また、回転軸と接触する可能性のある構成要素は存在せず、回転軸とブロック部材との間のクリアランスを極限まで小さくすることが可能である。その結果、軸シール性能が向上し、不必要にパージガス流量を増やすことなく、必要最小限のパージガス流量での軸シールが可能となり、窒素ガスなどのポンプ使用者側のユーティリティコストを大幅に削減することができる。さらに、環状溝を回転軸またはブロック部材に加工するにあたり正確な加工精度は必要とされないので、安価に軸シール部を製造することができる。加えて、軸シール部を構成するにあたり、従来設けられていた環状部材が不要となるだけでなく、加工精度を要求される環状凹部を２本形成しなければならなかったのが、加工精度を要しない１本の溝を形成するだけでよくなる。したがって、この観点からも安価な軸シール部を提供することができる。

従来の軸シール部の上半分を拡大して描いた概略断面図である。 本発明の真空ポンプ装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る軸シール部の上半分を拡大して描いた概略断面図である。 本発明の他の実施形態に係る軸シール部の上半分を拡大して描いた概略断面図である。

以下、本発明に係る真空ポンプ装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
図２は、本発明の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に記載される真空ポンプ装置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装置である。本実施形態ではルーツ型真空ポンプ装置を説明するが、ルーツ型真空ポンプ装置の他にスクリュー型などの他のタイプの真空ポンプ装置を選択してもよい。

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。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。

このように構成される真空ポンプ装置１において、一対の回転軸１２を支持する軸受２０および軸受２１に隣接して、一対の軸シール部がそれぞれ設けられる。軸シール部は、図２における点線で囲まれた４つの領域に配置されていて、吸気ポート１５から排気ポート１６まで流れる排気ガスの一部が、回転軸１２に沿って軸受２０，２１に向かって流れてくるのを遮断するために設けられる。これは、排気ガスの種類によっては、軸受２０，２１の潤滑油などが変性をきたすおそれがあるためであり、軸シール部により、軸受２０，２１の位置まで排気ガスが到達できないように、排気ガスを遮断することができる。軸受２０に隣接して設けられる軸シール部は、軸受２１に隣接して設けられる軸シール部と同一の構成を有するため、以下、軸受２１に隣接して配置された軸シール部についてのみ説明し、重複する説明を省略する。

図３は、軸受２１に隣接して設けられた、本発明の一実施形態に係る軸シール部の上半分を拡大して描いた概略断面図である。図３に示されるように、多段のポンプロータ１１ａ〜１１ｅ（図３では、最終段のポンプロータ１１ｅのみを示す）が取り付けられた回転軸１２は、ポンプケーシング１４に設けられた貫通孔と、サイドカバー１７に設けられた貫通孔とを通って延びている。回転軸１２の図中右方側の先には、回転軸１２を回転可能に支持する軸受２１が存在する。

ここに図示した例の軸シール部は、ポンプロータ１１ａ〜１１ｅと軸受２１との間に配置されている。この軸シール部は、回転軸１２の外周面に対向する内周面を有するブロック部材８１と、当該ブロック部材８１の内周面に対向し、かつ回転軸１２の外周面に設けられた環状溝８３と、ブロック部材８１に設けられた、パージガスを導入するためのパージガス流路８１ａとを備えている。ブロック部材８１は、先に記述したサイドカバー１７の側壁から構成されている。すなわち、ブロック部材８１は、サイドカバー１７の一部である。環状溝８３は、ブロック部材８１の内周面に対向しており、ブロック部材８１のパージガス流路８１ａに接続されている。

パージガスは、真空ポンプ装置１の外部から延びるパージガス用配管（図示せず）から真空ポンプ装置１内に供給されるようになっている。一対の軸シール部のブロック部材８１それぞれに、２つのパージガス用配管を設けてもよいし、１本のパージガス用配管を真空ポンプ装置１内で分岐して、それぞれ一対のブロック部材８１に接続してもよい。

ブロック部材８１のパージガス流路８１ａに導入されたパージガスは、パージガス流路８１ａの出口と対向する位置に設けられた環状溝８３に達した後で、当該環状溝８３とブロック部材８１の内周面とにより形成された環状空間をバッファ室にするかの如くその全体に行き渡る。そして、当該環状空間を満たしたパージガスは、環状溝８３の外側に流れ出して、回転軸１２とブロック部材８１との間に設けられた隙間を通り、回転軸１２の全周にわたったパージガスの外側への流れを作り出すことができる。その結果、パージガスは、排気ガスが軸受２１まで流れることを遮断するように作用することができる。

したがって、環状溝８３だけを回転軸１２の外周面に設けるといった簡単な構成で、回転軸１２の軸シールを達成することが可能となる。また、回転軸１２と接触する可能性のある構成要素は存在せず、回転軸１２とブロック部材８１との間のクリアランスを極限まで小さくすることが可能である。その結果、軸シール性能が向上し、不必要にパージガス流量を増やすことなく、必要最小限のパージガス流量での軸シールが可能となり、窒素ガスなどのポンプ使用者側のユーティリティコストを大幅に削減することができる。さらに、環状溝８３を回転軸１２に加工するにあたり正確な加工精度は必要とされないので、安価に軸シール部を製造することができる。加えて、軸シール部を構成するにあたり、従来設けられていた環状部材１８０が不要となるだけでなく、加工精度を要求される環状凹部１１２ａを２本形成しなければならなかったのが、加工精度を要しない１本の溝８３を形成するだけでよくなる。したがって、この観点からも安価な軸シール部を提供することができるようになる。

次に、本発明の他の実施形態を、図４を用いて説明する。図４は、本発明の他の実施形態に係る軸シール部の上半分を拡大して描いた概略断面図である。図４に示される実施形態では、図３に示される環状溝８３を回転軸１２に設ける代わりに、ブロック部材８１の内周面に環状溝８４が設けられている。環状溝８４は、回転軸１２の周方向に沿って延びており、回転軸１２の外周面に対向している。この実施形態でも、ブロック部材８１に設けられたパージガス流路８１ａは環状溝８４に接続され、パージガス流路８１ａを通じてパージガスが環状溝８４に導入される。

パージガスは、回転軸１２の外周面と環状溝８４とによって形成された環状空間をバッファ室にするかの如くその全体に行き渡る。そして当該環状空間を満たしたパージガスは、環状溝８４の外側に流れ出して、回転軸１２とブロック部材８１との間に設けられた隙間を通り、回転軸１２の全周にわたったパージガスの外側への流れを作り出すことができる。その結果、パージガスは、排気ガスが軸受２１まで流れることを遮断するように作用することができる。

したがって、環状溝８４だけをブロック部材８１の内周面に設けるといった簡単な構成で、回転軸１２の軸シールを達成することが可能となる。また、回転軸１２と接触する可能性のある構成要素は存在せず、回転軸１２とブロック部材８１との間のクリアランスを極限まで小さくすることが可能である。その結果、軸シール性能が向上し、不必要にパージガス流量を増やすことなく、必要最小限のパージガス流量での軸シールが可能となり、窒素ガスなどのポンプ使用者側のユーティリティコストを大幅に削減することができる。さらに、環状溝８４をブロック部材８１に加工するにあたり正確な加工精度は必要とされないので、安価に軸シール部を製造することができる。加えて、軸シール部を構成するにあたり、従来設けられていた環状部材１８０が不要となるだけでなく、加工精度を要求される環状凹部１１２ａを２本形成しなければならなかったのが、加工精度を要しない１本の溝８４を形成するだけでよくなる。したがって、この観点からも安価な軸シール部を提供することができるようになる。

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 真空ポンプ装置
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
３２ モータフレーム
８１ ブロック部材
８１ａ パージガス流路
８３，８４ 環状溝

Claims (3)

1. 一対のポンプロータと、
   前記一対のポンプロータがそれぞれ取り付けられる一対の回転軸と、
   前記一対の回転軸を回転自在に支持する軸受と、
   前記ポンプロータと前記軸受との間に配置される軸シール部と、を備え、
   前記軸シール部は、
   前記回転軸の外周面に対向する内周面を有するブロック部材と、
   前記ブロック部材の前記内周面に対向し、かつ前記回転軸の外周面に設けられた環状溝と、
   前記ブロック部材に設けられた、パージガスを導入するためのパージガス流路と、を有しており、
   前記環状溝は前記パージガス流路に接続されており、
   前記パージガスは、前記ポンプロータによって移送される排気ガスとは異なる気体であり、
   前記回転軸の軸シールは、前記パージガス流路から導入された前記パージガスが流れ出す前記環状溝だけで達成されることを特徴とする真空ポンプ装置。
2. 一対のポンプロータと、
   前記一対のポンプロータがそれぞれ取り付けられる一対の回転軸と、
   前記一対の回転軸を回転自在に支持する軸受と、
   前記ポンプロータと前記軸受との間に配置される軸シール部と、を備え、
   前記軸シール部は、
   前記回転軸の外周面に対向する内周面を有するブロック部材と、
   前記ブロック部材の前記内周面に形成された、前記回転軸の周方向に沿って延びる環状溝と、
   前記ブロック部材に設けられた、パージガスを導入するためのパージガス流路と、を有しており、
   前記環状溝は前記パージガス流路に接続されており、
   前記環状溝は、該環状溝と前記回転軸の外周面とによって環状空間を形成するように、前記回転軸の外周面に対向しており、
   前記パージガスは、前記ポンプロータによって移送される排気ガスとは異なる気体であり、
   前記回転軸の軸シールは、前記パージガス流路から導入された前記パージガスが流れ出す前記環状溝だけで達成されることを特徴とする真空ポンプ装置。
3. 外部空間に連通する吸気ポート、および気体を排出するための排気ポートをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の真空ポンプ装置。

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