JP6446476B2 - スクリュー真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ねじれ方向が逆方向で等ピッチの螺旋歯を夫々有する一対のスクリューロータを備え、これら一対のスクリューロータを非接触で互いに噛み合わせた状態でケーシングに格納し、両スクリューロータの同期回転によりケーシングの一端より吸気して他端より吐出するスクリュー真空ポンプに関する。

この種のスクリュー真空ポンプは例えば特許文献１で知られている。この従来例のものでは、螺旋歯の軸直角断面形状が、その歯底部を構成する、スクリューロータの回転中心を中心とする第１円弧と、その歯先部を構成する、スクリューロータの回転中心を中心とする第２円弧と、第１円弧と第２円弧とを夫々結ぶ第１曲線と第２曲線とで創成されている。そして、第１曲線が、対をなす他方のスクリューロータの第２円弧上の点で創成されるエピトロコイド曲線で創成され、第２曲線が所定の曲線で構成される仮想的なラックにより創成されている。

この種のスクリュー真空ポンプは、ケーシングの吸気口から吸気した気体をスクリューロータとケーシングとの間に閉じ込めて圧縮しながら移送し、ケーシングの吐出口から吐出する。このとき、螺旋歯相互が確実に干渉しないように両螺旋歯の歯面間の隙間を大きくすると、この隙間を通って逆流する気体の逆流量が増加し、ポンプ能力の低下を招来してしまう。このため、スクリュー真空ポンプの使用環境に応じた熱膨張や加工精度等を考慮しつつ、一対のスクリューロータを非接触で互いに噛み合わるときの両螺旋歯の歯面間の隙間をその径方向全長に亘って同等でかつ可及的に小さくなる（例えば、０．０５ｍｍ）ように設計する必要がある。

ここで、上記従来例のように、第１円弧と第２円弧とを結ぶ第１曲線がエピトロコイド曲線で創成されていると、両スクリューロータの螺旋歯相互の隙間が、回転中心側では広く、その外周側に向かうに従い狭くなることが判明した。これは、スクリューロータの回転中心から径方向の任意の距離（Ｒ）における螺旋歯のピッチ角（θｐ）が異なることに起因していると考えられる。そこで、本発明の発明者らは、鋭意研究を重ね、スクリューロータの回転中心からの距離（Ｒ）におけるピッチ角（θｐ）に応じて補正角（α）を算出し、これを基にエピトロコイド曲線の座標を補正すれば、両螺旋歯の歯面間の隙間をその径方向全長に亘って同等にできることを知見するのに至った。

特開平８−１８９４８５号公報

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、一対のスクリューロータを非接触で互いに噛み合わるときの両螺旋歯の歯面間の隙間が同等であるスクリュー真空ポンプを提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、ねじれ方向が逆方向で等ピッチの螺旋歯を夫々有する一対のスクリューロータを備え、これら一対のスクリューロータを非接触で互いに噛み合わせた状態でケージングに格納し、両スクリューロータの同期回転によりケーシングの一端より吸気して他端より吐出する本発明のスクリュー真空ポンプは、螺旋歯の軸直角断面形状が、その歯底部を構成する、スクリューロータの回転中心を中心とする第１円弧と、その歯先部を構成する、スクリューロータの回転中心を中心とする第２円弧と、第１円弧と第２円弧とを夫々結ぶ第１曲線と第２曲線とで創成され、スクリューロータの軸直角断面にて互いに直交する径方向の二軸方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、第１曲線は、両螺旋歯の歯面間の隙間をゼロとした場合の対をなす他方のスクリューロータの第２円弧上の点で創成される、このスクリューロータの回転中心から径方向の任意の距離における螺旋歯のピッチ角が異なるエピトロコイド曲線を基に、このエピトロコイド曲線の径方向における座標（Ｘ_ｔ＝２Ａｃｏｓθ−ｒ_ｄｃｏｓ（２θ），Ｙ_ｔ＝２Ａｓｉｎθ−ｒ_ｄｓｉｎ（２θ）、Ａは両スクリューロータの回転中心間の距離の半分、ｒ_ｄは第２円弧の半径、θは回転角）を、当該座標と次式（１）で算出される補正角（α）とに基づいて補正し、補正後の各座標（Ｘ＝Ｘ_ｔｃｏｓα−Ｙ_ｔｓｉｎα，Ｙ＝Ｘ_ｔｓｉｎα＋Ｙ_ｔｃｏｓα）を結んで描くものとしたことを特徴とする。

（但し、Ｐが、螺旋歯のピッチ、Ｒが、スクリューロータの回転軸の中心からの径方向距離、ＤＧが、螺旋歯の歯面間の半分の距離。）

本発明によれば、スクリューロータの回転中心からの距離（Ｒ）におけるピッチ角（θｐ）に応じて補正角（α）を算出し、エピトロコイド曲線の座標を補正するため、一対のスクリューロータを非接触で互いに噛み合わるときの両螺旋歯の歯面間の隙間をその径方向全体に亘って同等でかつ可及的に小さくできる。

本発明においては、前記第２曲線は、外サイクロイド曲線とインボリュート曲線とを組み合わせて形成されることが好ましい。

本発明の実施形態のスクリュー真空ポンプの構成を説明する断面図。 （ａ）は、螺旋歯の軸断面形状を示す図、（ｂ）は、螺旋歯の軸直角断面形状を示す図、（ｃ）は、両螺旋歯を非接触で噛み合わせた状態で示す軸直角断面図。 （ａ）は、一方のスクリューロータを、当該スクリューロータの螺旋歯となる内径で切断した図、（ｂ）は、一方のスクリューロータを、他方のスクリューロータの螺旋歯となる内径で切断した図。 一対のスクリューロータの螺旋歯相互の隙間が変化する理由を説明するグラフ。 第１曲線の座標の補正を説明するグラフ。

図１を参照して、ＳＰは、本発明の実施形態のスクリュー真空ポンプである。スクリュー真空ポンプＳＰは、円筒状のケーシング１を備え、ケーシング１の一側（図１中、上側）には、真空引きしようとする設備（真空チャンバ等）からの接続管（図示せず）が接続自在な吸気口１１が設けられている。ケーシング１の他側（図１中、下側）には、ケーシング１内の気体を外部に吐出する吐出口１２が設けられている。そして、ケーシング１内の作動空間１ａには、一対のスクリューロータ２_１，２_２が、回転軸２１ａ，２１ｂに一体に形成されたその螺旋歯２２ａ，２２ｂを非接触で互いに噛み合わせた状態で格納されている。以下においては、図１に示す姿勢を基準とし、一対のスクリューロータ２_１，２_２の回転軸２１ａ，２１ｂがのびる方向を上下方向、これに直交する方向を左右方向とし、方向を示す用語を用いるものとする。

ケーシング１の上面開口及び下面開口は、その内部の作動空間１ａを気密保持する吸気側カバー１３ａと吐出側カバー１３ｂとで閉塞されている。吸気側カバー１３ａと吐出側カバー１３ｂとには、軸受３ａ，３ｂが夫々組み付けられ、左右一対のスクリューロータ２_１，２_２の回転軸２１ａ，２１ｂの上端部及び下端部が夫々支承されるようにしている。また、回転軸２１ａ，２１ｂの下端部は、吐出側カバー１３ｂの下方まで延出され、互いに噛合う同一形態のギア４ａ，４ｂが夫々外挿されている。更に、右スクリューロータ２_１の回転軸２１ａの下端にはカップリング５ａが設けられ、駆動モータ６の駆動軸６１に設けたカップリング５ｂに連結されて駆動モータ６の動力が回転軸２１ａに導入されるようにしている。これにより、両スクリューロータ２_１，２_２が同期して互いに逆方向に回転し、ケーシング１の吸気口１１から吸気された気体がスクリューロータ２_１，２_２とケーシング１との間に閉じ込めながら移送され、螺旋歯２２ａ，２２ｂの終端部分で圧縮されて吐出口１２から吐出される。

スクリューロータ２_１，２_２の各螺旋歯２２ａ,２２ｂは、これら螺旋歯２２ａ,２２ｂ相互間の距離（上下方向高さ）、即ち、ピッチＰ（またはリード）が同等でそのねじれ方向が逆方向になるように夫々形成されている。各螺旋歯２２ａ，２２ｂの歯形の軸断面形状及び軸直角断面形状は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、その歯底部（図２（ｂ）中、Ｔａ−Ｔｂ間）を構成する、回転軸２１ａ,２１ｂの回転中心ｔｃを中心とする、第１円弧ｔ１と、その歯先部（図２（ｂ）中、Ｔｃ−Ｔｄ間）を構成する、スクリューロータ２_１，２_２の回転中心を中心ｔｃとする第２円弧ｔ２と、第１円弧ｔ１と第２円弧ｔ２とを夫々結ぶ第１曲線ｔ３（図２（ｂ）中、Ｔｂ−Ｔｃ間）と第２曲線ｔ４（図２（ｂ）中、Ｔｄ−Ｔａ間）とで創成されている。第２曲線ｔ４は、例えば外サイクロイド曲線とインボリュート曲線とを組み合わせて形成される。

ここで、一方のスクリューロータ２_１の各螺旋歯２２ａを構成する第１曲線ｔ３が、他方のスクリューロータ２_２の第２円弧ｔ２上の点で創成されるエピトロコイド曲線で創成されていると、螺旋歯２２ａ,２２ｂ相互の隙間が、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、回転軸２１ａ，２１ｂの回転中心ｔｃ側では広く、その外周側に向かうに従い狭くなることが判明した。これは、回転中心ｔｃから径方向の任意の距離（Ｒ）における螺旋歯２２ａ,２２ｂのピッチ角（θｐ）が異なること、即ち、図４に示すように、任意の距離（Ｒ）を半径とする円の円弧の長さ（周長）を例えばＡ，Ｂ，Ｃとし、これらとピッチ高さとを結んだときのなす角度θｐ１，θｐ２，θｐ３が異なることに起因していると考えられる。このため、角度毎に螺旋歯２２ａ,２２ｂ相互の隙間が一定になるようにする補正が必要である。

本実施形態では、第１曲線ｔ３を、両螺旋歯２２ａ,２２ｂの歯面間の隙間をゼロとした場合の他方のスクリューロータ２_２の第２円弧ｔ２上の点で創成されるエピトロコイド曲線の径方向における座標（Ｘ_ｔ＝２Ａｃｏｓθ−ｒ_ｄｃｏｓ（２θ），Ｙ_ｔ＝２Ａｓｉｎθ−ｒ_ｄｓｉｎ（２θ）、Ａは両スクリューロータ２_１，２_２の回転中心ｔｃ間の距離の半分、ｒ_ｄは、第２円弧ｔ２の半径、θは回転角）を、当該座標と次式（数１）で算出される補正角（α）とに基づいて補正し、補正後の各座標（Ｘ＝Ｘ_ｔｃｏｓα−Ｙ_ｔｓｉｎα，Ｙ＝Ｘ_ｔｓｉｎα＋Ｙ_ｔｃｏｓα）を結んで描くものとした。

即ち、図５を参照して、第１曲線ｔ３を上記エピトロコイド曲線とした場合、図５中に点線で示すような曲線を描く（Ｘ_ｔ＝２Ａｃｏｓθ−ｒ_ｄｃｏｓ（２θ），Ｙ_ｔ＝２Ａｓｉｎθ−ｒ_ｄｓｉｎ（２θ）。そして、このときのピッチ角（θｐ）は、スクリューロータ２_１，２_２の回転中心ｔｃからの距離（Ｒ）を考慮すると、次式（数２）で表すことができる。

次に、両螺旋歯２２ａ,２２ｂの歯面間の隙間がゼロとなる位置からの移動させるべき距離をｉｊとした場合、ｉｊは次式（数３）で表すことができ、次式（数４）のように変形することができる。この場合、Ｐが、螺旋歯２２ａ，２２ｂのピッチ、Ｒが、回転軸２１ａ，２１ｂの中心からの径方向距離、ＤＧが、螺旋歯２２ａ，２２ｂの歯面間の半分の距離とする。

上記各式（数２）〜式（数４）から、補正角（α）が上記式（数１）のように表すことができ、これを図５中に示すと、一点鎖線で示す線となる。なお、図５は、スクリューロータ２_１，２_２の回転中心を（Ｘ，Ｙ）＝０，０としたときの座標系を示し、図２（ｂ）に示すものを１８０°回転させた状態に対応するものである。

以上のように補正角（α）を定め、両螺旋歯２２ａ,２２ｂの歯面間の隙間をゼロとした場合のエピトロコイド曲線の座標（Ｘ_ｔ，Ｙ_ｔ）を補正角（α）に基づいて補正すると、第１曲線ｔ３は、図５中、実線で示す座標（Ｘ＝Ｘ_ｔｃｏｓα−Ｙ_ｔｓｉｎα，Ｙ＝Ｘ_ｔｓｉｎα＋Ｙ_ｔｃｏｓα）を結ぶものとなる。以上の実施形態によれば、スクリューロータ２_１，２_２の回転中心ｔｃからの距離（Ｒ）におけるピッチ角（θｐ）に応じて補正角（α）を算出し、エピトロコイド曲線の座標を補正したため、一対のスクリューロータ２_１，２_２を非接触で互いに噛み合わるときの両螺旋歯２２ａ,２２ｂの歯面間の隙間をその径方向全体に亘って同等でかつ可及的に小さくできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、第２曲線ｔ４を外サイクロイド曲線とインボリュート曲線とを組み合わせて形成されるものを例にしたが、これに限定されるものではなく、例えば、サインカーブ、サイクロイド曲線、クロソイド曲線であってもよい。また、スクリューロータ２_１，２_２の条数は１ではなくとも２条以上であってもよい。

１…ケーシング、２_１，２_２…スクリューロータ、２１ａ，２１ｂ…回転軸、２２ａ，２２ｂ…螺旋歯、ｔ１…第１円弧、ｔ２…第２の円弧、ｔ３…第１曲線、ｔ４…第２曲線。

Claims (2)

1. ねじれ方向が逆方向で等ピッチの螺旋歯を夫々有する一対のスクリューロータを備え、これら一対のスクリューロータを非接触で互いに噛み合わせた状態でケーシングに格納し、両スクリューロータの同期回転によりケーシングの一端より吸気して他端より吐出するスクリュー真空ポンプであって、
   螺旋歯の軸直角断面形状が、その歯底部を構成する、スクリューロータの回転中心を中心とする第１円弧と、その歯先部を構成する、スクリューロータの回転中心を中心とする第２円弧と、第１円弧と第２円弧とを夫々結ぶ第１曲線と第２曲線とで創成されるものにおいて、
   スクリューロータの軸直角断面にて互いに直交する径方向の二軸方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、
   第１曲線は、両螺旋歯の歯面間の隙間をゼロとした場合の対をなす他方のスクリューロータの第２円弧上の点で創成される、このスクリューロータの回転中心から径方向の任意の距離における螺旋歯のピッチ角が異なるエピトロコイド曲線を基に、このエピトロコイド曲線の径方向における座標（Ｘ_ｔ＝２Ａｃｏｓθ−ｒ_ｄｃｏｓ（２θ），Ｙ_ｔ＝２Ａｓｉｎθ−ｒ_ｄｓｉｎ（２θ）、Ａは両スクリューロータの回転中心間の距離の半分、ｒ_ｄは第２円弧の半径、θは回転角）を、当該座標と次式（数１）で算出される補正角（α）とに基づいて補正し、補正後の各座標（Ｘ＝Ｘ_ｔｃｏｓα−Ｙ_ｔｓｉｎα，Ｙ＝Ｘ_ｔｓｉｎα＋Ｙ_ｔｃｏｓα）を結んで描くものとしたことを特徴とするスクリュー真空ポンプ。
   

   

   （但し、Ｐが、螺旋歯のピッチ、Ｒが、スクリューロータの回転軸の中心からの径方向距離、ＤＧが、螺旋歯の歯面間の半分の距離。）
2. 前記第２曲線は、外サイクロイド曲線とインボリュート曲線とを組み合わせて形成されることを特徴とする請求項１記載のスクリュー真空ポンプ。

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