JPH079239B2

JPH079239B2 - スクリュー真空ポンプ

Info

Publication number: JPH079239B2
Application number: JP59070830A
Authority: JP
Inventors: 克躬松原; 利一内田; 正敏村松
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-04-11
Filing date: 1984-04-11
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS60216089A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、密閉された空間を真空にするためのスクリユ
ー真空ポンプに関し、特に大気圧から10^-4Torrレベルの
低・中真空領域に好適なオイルフリースクリユー真空ポ
ンプに関する。

〔従来の技術〕

10^-4Torr程度より高い圧力の低・中真空領域では、油回
転ポンプルーツ式のメカニカルブースターポンプ，エゼ
クタポンプ，拡散ホンプなど、種々の形式の真空ポンプ
が用いられていた。これらの真空ポンプは、その作動圧
力範囲が狭く、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。特に背圧が大気圧
のもとで作動可能な真空ポンプとしては油回転ポンプが
ほとんど唯一のものであり、その他のポンプは背圧が10
Torr以下でないと使用できない。このためCVD炉などの
半導体製造装置で10^-1〜10^-4Torrの到達圧力を達成しよ
うとする場合には、２段の油回転ポンプを用いるか、あ
るいは油回転ポンプを粗引きポンプとして使い、これに
メカニカルブースターなど他のポンプをバルブを介して
組合せて使用している。この場合、真空槽の圧力が高い
ときには真空槽と油回転ポンプ間に挿入されたバルブを
開けメカニカルブースター側のバルブを閉じて油回転ポ
ンプで排気を行ない、ついで槽内の圧力がメカニカルブ
ースターの作動可能な10Torr以下に低下したところで油
回転ポンプ側のバルブを閉じ、他のポンプ側のバルブを
開けてメカニカルブースターと油回転ポンプを直列に作
動させて排気を続ける。

なお、本発明に関連する技術としては、例えば、特公昭
56−17559号公報に開示されたものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕このように従来の真空ポンプを使つた真空系は複雑で高
価であり、またバルブの開閉などその操作がきわめて煩
雑であつた。

また、油回転ポンプは作動室内が油で満たされているた
め、この油分子が逆流して真空度が低下したり真空系を
汚染する恐れがある。このため油回転ポンプと真空槽の
間にトラツプを設け油分子が真空槽側へ入り込まないよ
うにする必要があり、真空系がますます複雑になつてい
た。またCVD装置では水素化物などの反応性ガスを用い
るためガス中の活性成分により真空ポンプの油が分解変
質するので、頻繁に油を交換する必要が生じ、メンテナ
ンスに多大の労力と費用を要している。

本発明の目的は、10^-1〜10^-4Torr程度のレベルの中真空
を１段のポンプで達成できるスクリユー真空ポンプを提
供することである。

本発明の他の目的は、簡単な構成で10^-1〜10^-4Torr程度
の中真空を達成できるスクリユー真空ポンプを提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は複数のらせん状の
歯部および溝部を有する雄ロータと、複数のらせん状の
歯部及び溝部を有し、前記雄ロータと噛合う雌ロータ
と、両ロータを収容する空間及びこの空間に連通して形
成された吸入ポートと吐出ポートを有するケーシングと
を備えたものであって、両ロータとケーシングによって
形成される作動室は、吸入ポート及び吐出ポートのいず
れにも連通されない閉じられた作動室を有し、閉じられ
た作動室は、両ロータが噛合って回転した際に、回転に
ともなって容積が減少する作動室と、容積が変化しない
作動室とを有し、容積変化を起こす作動室と容積変化が
ない作動室とは、両ロータの噛合部によって隔てられて
いるように構成したものである。

〔作用〕ロータを覆うケーシングは、その軸方向の一方が気体の
吸入ポートとして大きく開口しており、反対側には吐出
ポートが設けられている。この両ポート以外では、ケー
シングは微小な隙間をもつてロータを覆いロータとケー
シングによりＶ字形の作動室を形成している。そして、
ロータが回転すると、両ロータの噛み合い部は吸入ポー
トから吐出ポートへ向つて移動するが、この際、内部圧
縮領域の作動室は、その容積を減少させ作動室内の気体
を圧縮する。一方、移送領域の作動室は容積一定である
ので、気体の圧縮作用はなく移送作用をなすことにな
る。

〔実施例〕

次に本発明のスクリユー真空ポンプにおける動作原理を
説明する。

第１図は雄ロータ11と雌ロータ12が噛み合つている状態
を、ロータの周方向に展開して示したモデルである。な
お第１図は雄ロータと雌ロータの歯数がそれぞれ５枚と
６枚で歯数が１枚差の場合について示したものである
が、本発明はこれ以外の歯数組合せについても有効であ
ることは以下の説明から明らかである。また第２図は、
雄ロータ11と雌ロータ12の噛み合い状態の斜視図であ
り、雄ロータ11の歯数は４枚、雌ロータ12の歯数は６枚
で歯数が２枚差の歯数組合せである。

ロータを覆うケーシング13はその軸方向の一端が気体の
吸入ポート14として大きく開口しており、反対側には吐
出ポート15が設けられている。この両ポート以外ではケ
ーシング13は、微小な隙間をもつてロータ11,12を覆
い、ロータとケーシングによりＶ字形の作動室16m〜26
m,16f〜26fを形成する。

ロータが回転すると両ロータの噛み合い部は吸入ポート
14から吐出ポート15へ向つて移動するが、この際、作動
室16m,16f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21m,22m,21f,22f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。

なお図中吸入ポート14と連通している各作動室23m〜26
m,23f〜26f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す。

スクリユー流体機械を圧縮機として利用する場合には、
この移送部分は必要なく吸入部分と圧縮部分だけを利用
すればよいので、例えばオイルフリースクリユー圧縮機
では雄ロータの歯部の巻き角_M＝250°、雄ロータ径D_M
に対する長さＬの割合をL/D_M＝1.25にしている。幾何学
的な考察から明らかなように、吸入部分と圧縮部分を利
用するにはロータの歯部の巻き角は360°以下でよいの
で、一般にスクリユー圧縮機では_M＝200〜300°,L/D_M
＝1.0〜1.7の範囲に選んでいる。

第１図及び第２図で作動室16m,16fは吐出ポート15を通
して気体を吐出中であり、ここの圧力は吐出圧力に等し
く各作動室の中で最も圧力が高くなつている。作動室16
m,16fからの気体の洩れはロータ外周およびロータ端面
とケーシングの間の隙間を通つて隣りの作動室17m,17f
へ洩れるものと、両ロータの噛み合い部Ｋを通つて第１
図の表側から裏側へ、すなわち雄ロータ側の作動室21m
と雌ロータ側の作動室22fへ洩れるものがある。前述の
ようにスクリユー圧縮機ではロータの歯部の巻き角は36
0℃以下であるので、作動室21mと22fは直接吸入ポート
に連通しており、ロータ噛み合い部のシール効果の良し
悪しが圧縮機の性能を大きく左右する。ロータ外周部に
ついては、吐出ポートと吸入ポートの間には幾つかの密
閉部（第１図では雄ロータで５箇所、雌ロータで６箇
所、第２図では雄ロータ４箇所、雌ロータで６箇所）が
できるので、ここからの気体の洩れは比較的小さい。

さて圧縮機と真空ポンプの作用は基本的には同じ部分も
存在するということを前に述べたが、大きな違いが１つ
ある。それは真空域では気体の圧力レベルにより気体の
性質が全く異なつてくることである。

第３図は空気の主成分である窒素分子の平均自由行程と
圧力の関係を示したものである。圧力が低くなると分子
の平均自由行程は長くなり、1Torrの圧力で約0.05mmと
なる。スクリユー真空ポンプの各部の隙間は圧縮機の場
合と同じく大略0.1〜0.05mm程度であるので、大気圧か
ら1Torrレベルの圧力では気体分子の平均自由行程は各
部の隙間より小さく、これらの隙間を洩れる気体の流れ
は圧縮機の場合と同じ粘性流として取り扱うことができ
る。一方1Torr以下の圧力レベルになると気体分子の平
均自由行程が各部の隙間より長くなり、気体の流れは中
間流あるいは分子流になる。このような領域では気体分
子は各部の隙間から洩れにくくなり、空間を飛び回つて
いる気体分子を捕捉し移送するだけで十分なポンプ作用
をなすことが可能である。そして第１図のＡ部の移送部
分だけのロータを、両端の開いたケーシング内で回転さ
せ吸入側から吐出側へ排気すると、吐出側の背圧が1Tor
rのときほぼ第４図の破線で示した排気曲線に近い特性
をうることができる。

そこで第１図で雄ロータの歯部の巻き角度を大きく_M
≒525°（第２図の場合は_M＝500°）とすると、作動
室は吸入ポートと吐出ポートの間に２箇所のロータ噛み
合い部をもつことになる。

このような条件を満たす巻き角_Mは、で求めることができる。

また、αはある作動室が吐出ポートに連通し始めてから
この作動室の容積が零になるまでの雌ロータ側の回転角
であり、めすロータの１歯分に相当する角度と等しいか小さい値のものである。

作動室16m,16fの圧力が大気圧のとき作動室21mと22fの
圧力を1Torrレベルに、さらに吸入ポート14の圧力を10
^-4Torrレベルにすることができ、単段の真空ポンプで大
気圧から10^-4Torrレベルまでの到達圧力を得ることが可
能になる。

雄ロータの歯部の巻き角_Mが525°より小さいとき、例
えば第１図に示した如く_M＝450°（第２図の場合は、
_M＝500°）のときには、雌ロータ12の作動室22fは直
接吸入ポート14と連通してしまうが、このときは符号27
で示した領域を吸入ケーシングで覆うことによりこの作
動室22fが吸入ポートに直接連通するのを防ぐことがで
きる。

このように雌ロータの吸入側端面を塞ぐことができる範
囲の最大は、雌ロータと雄ロータの歯数の差に対応した
角度となる。

作動室17m,17fの圧力は作動室16m,16fより低いが作動室
21mや22fよりかなり高いので、ここから作動室23fへ洩
れた気体が直接吸入ポートへ洩れないようにするには、
第１図の破線で示したところまでロータを長くするとよ
い。

このようにロータの歯部の巻き角を大きくし噛み合い数
を多くすれば気体の洩れは少なくなり真空ポンプとして
の特性は良くなるが、ポンプは大きく高価にものとな
り、またロータの軸方向長さが長くなることにより軸振
動などの問題が生ずる。ロータの歯の巻き角を少なくす
ると真空ポンプは小形安価になるが、そのポンプ特性は
劣ることになる。

このように、ロータの歯部の巻き角_M、長さL/D_Mやロ
ータ歯数は真空ポンプとしての特性，価格，寸法等を勘
案して決められるが、本発明で第１に重要な点は、各作
動室は、吸入ポートと吐出ポートとの間に複数箇所の密
閉部を有することである。

具体的には、 1.吸入行程の作動室と、移送領域の作動室とを隔てる第
１の密閉部、移送領域の作動室と内部圧縮領域または、
吐出行程の作動室とを隔てる第２の密閉部を備え、第1,
2の密閉部はともに両ロータの噛合い部によつて形成さ
れる。

2.移送領域の作動室を形成する第1,第２の密閉部、内部
圧縮領域に入る直前の作動室を形成する第2,第３の密閉
部を備え、第１の密閉部は、ケーシングによつて形成さ
れ、第2,3の密閉部は、両ロータ同士の噛合い部によつ
て形成されるようにしたことである。換言すれば、ロー
タの任意の１つの溝に沿つて、吸入、移送作用を行なわ
せる移送領域の作動室と内部圧縮作用を行なわせる内部
圧縮領域の作動室とを有し、この一対の作動室がロータ
の各溝に沿つて形成される。そして、ロータの回転にと
もなつて、一対の作動室は、軸方向に移送するので移送
室が途中において、圧縮，吐出用の作動室となり、この
作動室の吸入口寄りの位置に新たに移送用の作動室が形
成される。他の対の作動室も同様である。両ロータとケ
ーシングによつて形成される作動室が吸入から遮断され
て、移送用の作動室を形成する時期は、圧縮，吐出作用
を行う作動室が、容積を縮少し始めるときから、吐出口
に連通する直前に達するまでの間に選定することが望ま
しい。

ロータの歯数差が２枚差の場合、各溝部ごとに形成され
移送領域の作動室は、両ロータの噛合い部で次の移送領
域の作動室と連通し、各移送領域の作動室が連続した１
つの移送領域の作動室となる。要するにロータの溝１個
に対して１個の割合で閉じられた移送領域が形成されな
いが、移送機能は発揮する。また、各々の内部圧縮領域
の作動室は、その一端がケーシングによつて閉じられて
いるので、内部圧縮領域の作動室同士が連通することが
なくロータの１つの溝部に対して一つの割合で独立して
形成される。

大気圧から10^-4Torrまで引く真空ポンプの必要仕事量を
考えると、第５図に示す如く10^-4Torrから1Torrまで昇
圧するのに要する仕事量は斜線を付した面積であらわさ
れ、これは1Torrから760Torrまで昇圧するのに要する仕
事量（点数を付した部分の面積で表わされる。）と比較
して無視できるほど小さい。したがつて10^-4Torrから1T
orrの間は内部圧縮は必要ないが、1Torrから760Torrの
昇圧部分では内部圧縮を行なうと必要仕事量を非常に小
さくできる。

次に本発明の一実施例を第６図，第７図および第８図に
より説明する。

４枚の歯部と溝部を有する雄ロータ31と６枚の歯部と溝
部を有する雌ロータ32は、主ケーシング33と吸入ケーシ
ング34の内に配置された軸受35,36,37,38により回転自
在に支えられている。雄ロータ39の歯部の巻き角は、65
0°、雌ロータ40の歯部の巻き角は約433°となつてい
る。定常動作時には、ロータ31,32の吸入側作動室39
は、10^-4Torrレベルの低圧であり吐出側作動室40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。そこで吸入側の軸受35,36には
深みぞ玉受軸を用いラジアル荷重とスラスト荷重を支
え、吐出側の軸受37,38には円筒ころ軸受を用いてラジ
アル荷重のみを支持する。ロータの軸端には対のタイミ
ングギヤ41,42を取り付け、雄・雌ロータが互いに接触
しないよう両ロータ間の隙間を調整する。軸受35,36の
潤滑は、飛まつ給油により行ない、吸入カバ43内に溜つ
た潤滑油44をタイミングギヤ41,42によつて跳ねかけ
る。一方軸受37,38の潤滑のため雄ロータ軸には円板45
を取り付け、吐出カバ46内の潤滑油44を円板45により跳
ねかける。シヤフトシール46,47,48,49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。ロータの吐出側作動室40と吐出カバ46内はほぼ大気
圧になるので吐出側のシヤフトシール48,49に作用する
差圧は比較的小さいが、吸入側作動室39は10^-4Torrレベ
ルの圧力となるため吸入カバ43内を大気に開放すると吸
入側シヤフトシール46,47に作用する差圧が大きくなり
シールが難かしくなる。そこで吸入カバ43内を排圧管5
0,51によつて低圧又は中間の作動室52と連通させ、吸入
カバ43内の圧力を下げてシヤフトシール46,47に作用す
る差圧を小さくしてシール効果を高めている。吸入カバ
43内は油の飛沫が充満しているので、この油が排圧管5
0,51を通つて作動室へ入るのを防ぐため吸入カバには飛
沫分離室53が設けられ、また排圧管にはオイルトラツプ
54が取付けられている。また万一排圧管を通つて油が作
動室へ入つた場合でも、この油が吸入ポート55側へ逆流
しないようにするため、主ケーシング33への排圧口56は
ロータの作動室52が吸入ポート55から完全に閉じられた
後の位置に開口されている。雄ロータ31の作動室52は、
この作動室が吸入ポート55を通過後吐出ポート57と連通
するまでの間に雌ロータ32と２箇所の噛み合い部58,59
を有し、同様に雌ロータ32の作動室60は雄ロータ31と２
箇所の噛み合い部61,59を有する。

ロータの回転に伴い気体は吸入ポート55からロータ歯溝
とケーシングによつて形成される作動室に吸い込まれ、
吐出ポート57から吐出される。作動室52,60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62,63はロータの回転
に伴いその容積を減少させ気体を内部圧縮する。このた
め吐出側では気体の温度が上昇するので、主ケーシング
33の吐出側には冷却ジヤケツト64a〜64eを設け、このジ
ヤケツト内に冷却水を通しケーシングや圧縮気体を冷却
する。

第９図は、本発明の他の実施例を示すもので、前記の実
施例と異なる点は、前記雌ロータ32の歯数が６枚、雄ロ
ータ31の歯数が５枚のもので、雌ロータの歯数が雄ロー
タより１枚多いものである。

第10図は本発明の他の実施例であり、説明を簡単にする
ためロータ部分についてのみ示すが、ロータ以外の構成
は第６図，第７図と同一である。真空ポンプの吸入側で
は気体の比容積が大きく吐出側では小さいので、真空ポ
ンプの排気速度を大きくするには吸入・移送作用をなす
作動室の容積を大きく、圧縮作用をなす作動室の容積は
小さくした方がよい。第10図で雄ロータ31と雌ロータ32
は、吸入・移送作用をなす部分65,66と、圧縮作用をな
す部分67,68によつて構成されている。吸入・移送部65,
66は圧縮部67,68と比べてロータのねじれ角_M，_Fが
小さくL/Dが大きい。したがつて、第10図のロータを用
いた真空ポンプは、第６図の真空ポンプと同じ大きさ
で、大きな排気速度を得ることができる。

上記の各実施例では、密閉部が２〜３箇所のものにつき
述べたが、密閉部が３〜４箇所（両ロータの噛合部によ
る密閉部を常時２箇所）のもの、すなわちロータの任意
の１つの溝部に沿つて、吐出口から吸入口に至る間に圧
縮，吐出用の作動室、この作動室と両ロータの噛合部に
よる密閉部を介して連なる移送用の作動室、さらにこの
移送用の作動室と両ロータの噛合部による密閉部を介し
て第２の移送用作動室を形成してもよい。

このように溝部１箇所について移送用の作動室が２室形
成すると、ガス洩れが減少するのでさらに高い真空度を
得ることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の実施例によれば、オイルフリー
真空ポンプの排気特性が大幅に改善され、１台の真空ポ
ンプで効率良く大気圧から10^-4Torrレベルの中真空領域
までの広い作動範囲をカバーすることが可能となる。

また本発明に係る真空ポンプを使用することにより、従
来の油回転ポンプやメカニカルブースターなどを組合せ
て使つて真空系と比べて構造が簡単で安定な真空系を構
成することができる。さらに真空系の構成が簡単になる
ことにより、バルブの切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。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は本発明のスクリユー真空ポンプを説
明する図で、第１図は両ロータを展開して示したモデル
図、第２図は両ロータの噛合い状態の斜視図、第３図は
圧力と分子の平均自由行程との関係を示す線図、第４図
は排気速度と吸入圧力との関係を示す線図、第５図は大
気圧から10^-4Torrまで引く真空ポンプの必要仕事量を示
す線図、第６図は具体的実施例の水平断面図、第７図は
第６図のVII−VII線断面図、第８図は第６図のVIII−VI
II線断面図（軸直角断面図）、第９図は他の実施例の軸
直角断面図、第10図は、さらに他の実施例の要部のみ示
す図である。 31……雄ロータ、32……雌ロータ、33……主ケーシン
グ、39……吸入側作動室、40……吐出側作動室、41,42
……タイミングギヤ、43……吸入カバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村松正敏茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (56)参考文献特開昭55−153881（ＪＰ，Ａ) 石井博著「真空技術講座２真空ポンプ」日刊工業新聞社（昭和40年２月25日）Ｐ. 84

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のらせん状の歯部及び溝部を有する雄
ロータと、複数のらせん状の歯部及び溝部を有し、前記
雄ロータと噛合う雌ロータと、前記雄ロータと雌ロータ
を収容する空間及びこの空間に連通して形成された吸入
ポートと吐出ポートを有するケーシングとを備えたもの
であって、前記両ロータとケーシングによってロータの
溝部に沿って作動室を形成し、該作動室は、前記吸入ポ
ート及び吐出ポートのいずれにも連通されない閉じられ
た作動室を有し、これら閉じられた作動室は、両ロータ
が噛合って回転した際に、回転にともなって容積が減少
し気体を内部圧縮する作動室と、回転にともなって容積
が変化せず気体を圧縮することなく容積一定のまま移送
する作動室とを有し、前記容積変化を起こす作動室と容
積変化を起こさない作動室とは、両ロータの噛合部によ
って隔てられていることを特徴とするスクリュー真空ポ
ンプ。
【請求項２】一方端の密閉部は両ロータの噛合い部で形
成され、他方端の密閉部は両ロータの端面に面して形成
したケーシングの壁で形成された作動室を１つ備えるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のスクリュー
真空ポンプ。
【請求項３】作動室の１つが吐出ポートに連通してから
この作動室の容積が零になるまでのロータ角をαとする
とき、雄ロータの歯部の巻角φ_Mは、であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のス
クリュー真空ポンプ。
【請求項４】雄ロータの歯部の巻角は650°以下であり
雌ロータの歯部の巻角は、前記雄ロータに噛合う巻角と
なっていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
のスクリュー真空ポンプ。
【請求項５】雌ロータは、雄ロータよりも１個多い複数
のらせん状の歯部と溝部を有し、閉じられた作動室は、
各溝部に沿って前記ロータの溝部の１つにつき少なくと
も２個形成され、その作動室のうち１つは、前記両ロー
タが噛合って回転した際に、回転にともなって容積変化
を起こす作動室であり、残りの作動室の１つは、ロータ
が回転しても容積変化を起こさない作動室であることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のスクリュー真空
ポンプ。
【請求項６】作動室の１つが吐出ポートに連通してから
この作動室の容積が零になるまでのロータ角をαとする
とき、雄ロータの歯部の巻角φ_Mは、であることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載のス
クリュー真空ポンプ。