JPH11236891A

JPH11236891A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JPH11236891A
Application number: JP3987698A
Authority: JP
Inventors: Kiyozumi Fukui; 清純福井
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1998-02-23
Publication date: 1999-08-31
Also published as: WO1999042729A1; TW402665B

Abstract

(57)【要約】【課題】排気口側の温度上昇を抑え、大容量、高速お
よび高圧縮比にしても連続運転することができる真空ポ
ンプを提供する。【解決手段】ハウジング１１と、両端部でハウジング
１１に支持されたロータ軸２３，２４と、ロータ室１４
内でロータ軸２３，２４と一体的に回転し吸入口１２か
らロータ室１４に圧縮性流体を吸入するとともにこれを
圧縮して排出口１３から排出するロータ２１，２２とを
備えた真空ポンプであり、そのロータ軸２３，２４に
は、ロータ軸２３，２４の一端側でそれぞれ開口する外
側通路部４１ａ，４２ａおよび内側通路部４１ｂ，４２
ｂを有し両通路部をロータ２１，２２の内方で折り返し
接続してなる冷却通路４１，４２が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空ポンプ、例え
ば空気や他のガスが交じった圧縮性流体を排気する容積
移送型の真空ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、低圧作業空間を得るための真空排
気等にメカニカルブースタポンプとともに使用される主
真空ポンプとして、ルーツ型、クロー型、スクリュー型
といった容積移送型のポンプが多用されている。この種
の真空ポンプでは、ポンプハウジングとロータの間の気
体移送室が吸気口側から排気口側までの移送中に所定の
圧縮率でその容積を減少しながら次々と排気口に連通
し、排気がなされる。したがって、圧縮熱や漏れにより
大気側（排気口側）からポンプ内に侵入する気体が再度
大気側に戻される損失サイクル等により、ポンプの排気
口側はかなり高温となる。

【０００３】そして、真空装置システムは、例えば半導
体製造用の真空チャンバーを真空排気する場合のよう
に、真空チャンバに大容量のメカニカルブースターポン
プ（例えばルーツポンプ）を接続し、その排気側に多段
容積型の主真空ポンプ（例えば２軸スクリュウポンプ）
を接続して、真空チャンバ内の圧力が１０Torr程度以下
になるまでメカニカルブースタポンプをバイパスして、
主真空ポンプのみで真空排気し、その後、メカニカルブ
ースタポンプと主真空ポンプを共に作動させて所望の真
空度を得るのが通常の運転態様である。

【０００４】このような運転において、主真空ポンプの
排気口側は上述したようにかなりの高温となるが、製造
される半導体のサイズが小さく、したがって、主真空ポ
ンプの容量も小さいうちは、ハウジングにウォータジャ
ケットを設けて冷却する程度の対策で重大な障害はなか
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
製造される半導体が大型となり、したがって製造用の真
空チャンバーが大型化すると、主真空ポンプは加速度的
に大容量のものが必要になる。さらに、所定の排気速度
を得るためメカニカルブースタポンプを早い段階（大気
圧近辺で）で作動させるようなこと、つまりメカニカル
ブースタポンプと主真空ポンプとを大半の時間に亙り同
時運転させるようなこと、も必要となる。このようなこ
とから、それら両ポンプの機能を一体にした大容量の高
圧縮比多段容積型のポンプが望まれることとなる。

【０００６】しかし、このようにポンプが大容量化する
と、その駆動に必要な動力も従来よりはるかに大きくな
り、真空ポンプにおいてはその動力の大部分が排気口側
での発熱となるため、上述した排気口側の温度上昇が顕
著になり、ロータとハウジングの間の焼付、あるいはロ
ータの軸受の焼付が生じ易いという問題が生じる。この
排気口側の温度上昇について具体的に説明すると、従来
のポンプでは、大気にさらされる（あるいは強制冷却さ
れる）ハウジングが運転中に比較的低温に維持されるの
に対し、高真空状態の気体移送室に囲まれたロータは輻
射によるハウジング側への熱伝達と軸端での僅かな大気
冷却のみとなり、ハウジングとロータの間には２００℃
を越える温度差が生じる場合も稀ではない。このため、
ロータおよびロータ軸が大きく熱膨張するのに対し、ハ
ウジングの熱膨張はそれほど大きな熱膨張にならない運
転状態となり、焼き付きによる運転障害が生じる。

【０００７】このような理由から、大容量、高圧縮比の
多段容積型の主真空ポンプを長時間にわたって高速連続
運転することができず、長期連続運転が必要な用途、例
えば半導体製造装置の真空排気に従来のポンプを使用す
る場合、真空ポンプのメンテナンスのために生産性が低
下するという問題があった。本発明は、上述のような解
決すべき課題に鑑みてなされたもので、大容量、高速お
よび高圧縮比にしても連続運転することができる真空ポ
ンプを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、吸気口および排気口を有
し、内部にロータ収納室が形成されたハウジングと、吸
入口側および排気口側でハウジングに両持支持又は排気
口側でハウジングに片持支持、されたロータ軸と、前記
ロータ収納室内で該ロータ軸と一体的に回転し、前記吸
気口からロータ収納室に圧縮性流体を吸入するとともに
該流体を圧縮して排気口から排出するロータと、を備
え、該ハウジングと前記ロータとの間に、前記ロータの
回転によって前記ロータの軸線方向一方側に移送される
流体移送室が形成された真空ポンプにおいて、前記ロー
タ軸に、前記ロータ軸の内部に延在し前記軸線方向一方
側でそれぞれ開口する外側通路部および内側通路部を有
し、両通路部を前記ロータの内方で折り返し接続してな
る冷却通路を形成したことを特徴とする。

【０００９】この発明では、大気側のハウジングが運転
中に比較的低温に維持され、一方、高真空状態の流体移
送室に囲まれたロータが排気口側での圧縮排気のために
高温となるが、前記排気口側からロータ内方の折り返し
位置までロータ軸内に入り込んだ冷却通路を介し、ロー
タ軸が排気口側で有効に冷却されることから、ロータの
排気口側の温度上昇が適度な範囲内に抑えられる。

【００１０】また、請求項２記載の発明のように、前記
ロータ軸に、前記ロータ内に底面を有し該ロータ軸の軸
方向に延在する深孔を形成するとともに、該ロータ軸の
深孔内に遊挿された筒状壁部を設け、前記冷却通路の外
側通路部および内側通路部を、前記深孔の底部と前記筒
状壁部の間で折り返し接続すると、内外に折り返される
細長い冷却通路を簡素な部品から容易に形成することが
できる。

【００１１】さらに、請求項３記載の発明のように、前
記冷却通路の外側通路部および内側通路部が前記ロータ
軸の軸方向に離間して該ロータ軸の外周面上に開口し、
前記ロータ軸と前記ハウジングの間に該開口に連通する
２つの環状液通路が形成されると、ロータの回転に関係
なく、冷却通路を外部の冷却液循環通路等に容易に接続
することができる。

【００１２】また、請求項４記載の発明のように、前記
ハウジング、ロータおよびロータ軸のうち少なくとも１
つの温度を検出する温度センサを設けるとともに、該温
度センサの検出温度に基づいて前記冷却通路内に冷却液
を給排する給排手段を設けると、ロータの排気口側をよ
り有効に冷却することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について添付図面を参照しつつ説明する。図１〜図２
は、本発明に係る真空ポンプを２軸スクリューポンプに
適用した一実施形態を示している。まず、その構成を説
明すると、図１において、１０はスクリューポンプ（真
空ポンプ）で、ポンプハウジング１１を有している。こ
のポンプハウジング１１には、吸気口１２および排気口
１３と、これらに連通する内部のロータ収納室１４とが
形成されている。２１、２２は、ポンプハウジング１１
内にそれぞれ微小隙間（例えば５０μｍ程度）をもって
回転可能に収納された雌雄のスクリュウロータであり、
スクリュウロータ２１、２２のうち雄スクリュウロータ
２１は雄ねじ状に、雌スクリュウロータ２２はロータ２
１とは逆ねじ方向の雌ねじ状に形成されている。これら
スクリュウロータ２１、２２は、ポンプハウジング１１
の内部で微小隙間（例えば５０μｍ程度）をもって平行
に隣接配置され、後述する駆動手段によって相互に逆方
向に駆動されるようになっている。

【００１４】ポンプハウジング１１とロータ２１、２２
との間には、ロータ２１、２２の近接部分で仕切られた
複数の螺旋状の流体移送室（詳細は図示していない）が
形成されており、ロータ２１、２２が回転するとき、こ
れら流体移送室が吸気口１２に連通している吸気側の移
送区間では容積を所定値まで増加させて吸気作用をな
し、吸気口１２にも排気口１３にも連通しない中間の移
送区間では一定容積で又は段階的に容積を減少しなが
ら、吸気口１２側から排気口１３側に向かうロータ軸線
方向一方側に移送され、排気口１３に連通する排出側の
移送区間では容積を最小値まで減少させて排出作用をな
すようになっている。

【００１５】また、雄スクリュウロータ２１は軸方向両
端側に突出するロータ軸２３と同軸かつ一体に、雌スク
リュウロータ２２は軸方向両端側に突出するロータ軸２
４と同軸かつ一体に、それぞれ形成されている。そし
て、ロータ軸２３および２４がそれぞれの両端部で軸受
２６〜２９を介してポンプハウジング１１に回転自在に
両持支持されることで、ロータ２１、２２が回転自在に
なっている。なお、軸受２６、２７はポンプハウジング
１１に対するロータ２１、２２の軸方向変位を規制する
機能を有しており、軸受２８、２９はポンプハウジング
１１に対するロータ２１、２２の軸方向変位（具体的に
は、軸受２６、２７によって一端部の軸方向変位を規制
されたロータ２１、２２が熱膨張に伴い伸長して他端部
が変位する）を許容する機能を有している。

【００１６】また、軸受２８、２９は必ずしも必要でな
く、ロータ軸２１が排気口１３側の軸受２６、２７を介
してハウジングに片持支持される構造であってもよい。
３０は、スクリュウロータ２１、２２を駆動する駆動手
段で、雄スクリュウロータ２１のロータ軸２３に連結さ
れた電動機３１と、ロータ軸２３、２４にそれぞれ固定
された同期歯車３２、３３と、を含んで構成されてい
る。同期歯車３２、３３はポンプハウジング１１に形成
された伝動機構収納室１５内で互いに噛合しており、ロ
ータ２１、２２を同期回転させる機能を有している。

【００１７】４０は、ロータ２１、２２を排気口１３側
から冷却する冷却機構である。この冷却機構４０は、ロ
ータ軸２３、２４の軸線方向一方側、すなわち排気口１
３側の端部および中間部を通してロータ２１、２２を内
部から冷却する冷却通路部４１、４２（冷却通路）と、
各冷却通路部４１、４２を外部に接続するための通路接
続部４３、４４と、これら通路接続部４３、４４を介し
て冷却通路部４１、４２に接続されロータ２１、２２の
内方で折り返される所定の冷却経路で冷却液を循環させ
る外部の冷却液給排手段４５と、から構成されている。

【００１８】具体的には、ロータ軸２３に形成された冷
却通路部４１は、ロータ軸線方向に延在しロータ軸２３
の排気口１３側の端部付近でそれぞれ開口する外側通路
部４１ａおよび内側通路部４１ｂを有しており、両通路
部４１ａ、４１ｂをロータ２１の内方で折り返し接続し
た冷却通路となっている。また、同様に、ロータ軸２４
に形成された冷却通路部４２は、ロータ軸線方向に延在
しロータ軸２４の排気口１３側の端部付近でそれぞれ開
口する外側通路部４２ａおよび内側通路部４２ｂを有し
ており、両通路部４２ａ、４２ｂをロータ２２の内方で
折り返し接続した冷却通路となっている。

【００１９】また、ロータ軸２３、２４は、ロータ２
１、２２内に底面を有するよう軸方向に延在する深孔２
３ａ、２４ａを形成し、これら深孔２３ａ、２４ａ内に
筒状壁部２３ｂ、２４ｂを設けて、冷却通路部４１、４
２の外側通路部４１ａ、４２ａおよび内側通路部４１
ｂ、４２ｂを、前記深孔２３ａ、２４ａの底部と筒状壁
部２３ｂ、２４ｂの間で折り返し接続したものとなって
いる。さらに、冷却通路４１、４２の外側通路部４１
ａ、４２ａおよび内側通路部４１ｂ、４２ｂは、ロータ
軸２３、２４の軸方向に離間する所定位置で、ロータ軸
２３、２４の外周面上にそれぞれ開口している。

【００２０】通路接続部４３、４４は、冷却通路部４
１、４２の両端の上述した開口を挟んでロータ軸２３、
２４に設けられた各一対の環状側壁部２３ｃ、２３ｄ、
２４ｃ、２４ｄと、各冷却通路部４１又は４２とその両
側の各一対の環状側壁部２３ｃ、２３ｄ、２４ｃ又は２
４ｄを挟んでこれらの軸方向両側に配置された各一対の
環状シール部材５１、５２と、各環状シール部材５１又
は５２を環状側壁部２３ｃ、２３ｄ、２４ｃ又は２４ｄ
に押し付ける複数のスプリング５３、５４（弾性部材）
とを備えており、更に、ロータ軸２３の周りで環状側壁
部２３ｃ、２３ｄ、環状シール部材５１およびスプリン
グ５３を全体的に収納するようポンプハウジングに設け
られた継手ハウジング部５５と、ロータ軸２４の周りで
環状側壁部２４ｃ、２４ｄ、環状シール部材５２および
スプリング５３を全体的に収納するようポンプハウジン
グに設けられた継手ハウジング部５６と、を備えてい
る。なお、環状シール部材５１、５２は、それぞれ環状
側壁部２３ｃ、２３ｄ、２４ｃ、２４ｄに摺接する金属
又はこれと同等の硬質材料からなる外周溝付きの耐摩耗
性リング５１ａ、５２ａと、これら耐摩耗性リング５１
ａ、５２ａの外周溝に装着されたＯリング等の弾性シー
ルリング５１ｂ、５２ｂとからなる。また、５７，５８
は、各一対の環状側壁部２３ｃ、２３ｄ、２４ｃ、２４
ｄと継手ハウジング部５５，５６との間にそれぞれ形成
された環状通路で、各冷却通路４１又は４２の両端部に
連通している。

【００２１】冷却機構４０は、更に、ポンプハウジング
１１、ロータ２１、２２およびロータ軸２３、２４のう
ち少なくとも１つの温度を検出する温度センサ、例えば
図３（ａ）又は図３（ｂ）に示すような温度センサ６１
を有している。この温度センサ６１は、ロータ軸２４又
はポンプハウジング１１の温度を排気口１３の近傍にお
いて検出するものであり、その検出温度に基づいて、冷
却液給排手段４５によって給排される冷却液を冷却通路
部４１、４２を通して給排し、所定の循環経路で循環さ
せるようになっている。

【００２２】このように構成された本実施形態の真空ポ
ンプにおいては、駆動手段３０の電動機３１によって雄
スクリュウロータ２１が駆動され、伝動ギヤ３２、３３
を介して両ロータ２１、２２が同期駆動されると、これ
ら前記複数の螺旋状の流体移送室が、前記吸入側の移送
区間では容積を所定値まで増加させて吸気作用をなし、
前記中間の移送区間では所定容積で移送され、前記排出
側の移送区間では容積を減少させて排出作用をなす。

【００２３】この状態において、排気口１３側では流体
移送室が次々と連続的に大気側に開放されて排気される
が、この排気のための圧縮によって生じる熱や、漏れに
より大気側から排気口１３を通してポンプハウジング１
１内に侵入する気体が再度大気側に排出される損失サイ
クル等により、排気口１３側はかなり高温となる。ま
た、運転時には排気口１３の近傍において流体移送室が
高真空状態となることから、ロータ軸２３、２４の軸線
方向一端側において、ポンプハウジング１１は外気への
放熱が可能で比較的低温であるにもかかわらず、高温の
スクリュウロータ２１、２２側からこのポンプハウジン
グ１１側に熱が伝達され難くなる。

【００２４】しかしながら、本実施形態の真空ポンプで
は、排気口１３側の端部からロータ２１、２２の内方の
折り返し位置までロータ軸２３、２４内に入り込んだ冷
却通路部４１、４２を介して、ロータ軸２３、２４が、
吸気口１２側では実質的に冷却されず、排気口１３側で
のみ有効に冷却されることになる。したがって、ロータ
２１、２２の排気口１３側の温度上昇が適度な範囲内に
抑えられ、ロータ２１、２２が全体として所定の温度範
囲内に維持され、大容量、高速および高圧縮比にしても
焼付等が生じ難い、長時間の連続運転が可能な真空ポン
プとなる。

【００２５】また、定常運転時には、ロータ２１、２２
の間あるはこれとポンプハウジング１１との間におい
て、温度による隙間変動を少なくすることができるの
で、各部の隙間が小さい、すなわち、気密性の高い、性
能の良い真空ポンプを得ることができる。したがって、
これを半導体製造装置用の真空チャンバーを真空排気す
る設備に用いた場合、半導体製造ガスの反応によって発
生する固形物が溜り易いポンプの吸気側を固形物ができ
難い所望の温度範囲（例えば１００℃〜２５０℃）に維
持しながら、ロータ２１，２２とハウジング１１との温
度差が過大にならないように運転制御することができ、
オーバーホールを頻繁に行うことなく、長期間安定して
排気運転を継続することができる。

【００２６】さらに、本実施形態では、ロータ軸２３、
２４に、ロータ２１、２２の内方に底面を有しロータ軸
方向に延在する深孔２３ａ、２４ａを形成するととも
に、これらの孔内に遊挿された筒状壁部２３ｂ、２４ｂ
を設けて、冷却通路部４１、４２の外側通路部４１ａ、
４２ａおよび内側通路部４１ｂ、４２ｂを、前記深孔２
３ａ、２４ａの底部と筒状壁部２３ｂ、２４ｂの内端の
間で折り返し接続しているので、内外に折り返される細
長い冷却通路部４１、４２を簡素な部品から容易に形成
することができ、製造コストを低減させることができ
る。

【００２７】また、冷却通路部４１、４２の外側通路部
４１ａ、４２ａおよび内側通路部４１ｂ、４２ｂがロー
タ軸２３、２４の軸方向に離間してこれらロータ軸２
３、２４の外周面上に開口し、ロータ軸２３、２４とポ
ンプハウジング１１の間に前記開口に連通する２つの環
状液通路が形成されているので、ロータ２１、２２の回
転に関係なく、冷却通路部４１、４２を外部の冷却液循
環通路等を含む冷却液給排手段４５に容易に接続するこ
とができる。

【００２８】また、ポンプハウジング１１、ロータ２
１、２２およびロータ軸２３、２４のうち少なくとも１
つの温度を検出する温度センサ６１を設けるとともに、
その検出温度に基づいて冷却通路部４１、４２内に冷却
液を給排する給排手段４５を設けているので、排気口１
３側でロータ２１、２２、ロータ軸２３、２４および軸
受２６、２７等をより有効に冷却することができる。

【００２９】

【発明の効果】本願発明によれば、排気口側の端部から
ロータ内方の折返し位置までロータ軸内に入り込んだ冷
却通路を介して、ロータ軸を排気口側でのみ有効に冷却
するようにしているので、ロータの排気口側の温度上昇
を抑え、大容量、高速および高圧縮比にしても焼付等が
生じ難い、長時間の連続運転が可能な真空ポンプを提供
することができる。その結果、長期連続運転が必要な用
途、例えば半導体製造装置の真空排気設備等に好適なポ
ンプを提供することができる。

【００３０】また、ロータ軸内の深孔内に筒状壁部を挿
入する構造とすれば、内外に折り返される細長い冷却通
路を簡素な部品から容易に形成することができ、製造コ
ストの低減を図ることができる。さらに、ロータ軸の外
周面に開口した冷却通路をロータ軸とハウジングの間の
２つの環状液通路を介して連通さることにより、ロータ
の回転に関係なく、冷却通路を外部の冷却液循環通路等
に容易に接続することができ、ハウジング、ロータおよ
びロータ軸のうち少なくとも１つの温度を検出する温度
センサを設け、その検出温度に基づいて冷却通路に冷却
液を給排することにより、排気口側でロータ、ロータ軸
および軸受等をより有効に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る真空ポンプの一実施形態を示す断
面図である。

【図２】図１の真空ポンプの要部断面図である。

【図３】図１の真空ポンプに設けられる温度センサの設
置態様を示す図で、（ａ）はロータ軸の外周面温度を検
出する場合、（ｂ）はハウジングの温度を検出する場合
を示している。

【符号の説明】

１０スクリューポンプ（真空ポンプ）１１ポンプハウジング（ハウジング）１２吸気口１３排気口１４ロータ収納室２１雄スクリュウロータ（ロータ）２２雌スクリュウロータ（ロータ）２３、２４ロータ軸２３ａ、２４ａ深孔２３ｂ、２４ｂ筒状壁部２６、２７、２８、２９軸受３０駆動手段３１電動機３２、３３同期歯車４０冷却機構４１、４２冷却通路部（冷却通路）４１ａ、４２ａ外側通路部４１ｂ、４２ｂ内側通路部４３、４４通路接続部４５冷却液給排手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気口および排気口を有し、内部にロータ
収納室が形成されたハウジングと、吸入口側および排気口側でハウジングに両持支持又は排
気口側でハウジングに片持支持、されたロータ軸と、前記ロータ収納室内で該ロータ軸と一体的に回転し、前
記吸気口からロータ収納室に圧縮性流体を吸入するとと
もに該流体を圧縮して排気口から排出するロータと、を
備え、該ハウジングと前記ロータとの間に、前記ロータの回転
によって前記ロータの軸線方向一方側に移送される流体
移送室が形成された真空ポンプにおいて、前記ロータ軸に、前記ロータ軸の内部に延在し前記軸線
方向一方側でそれぞれ開口する外側通路部および内側通
路部を有し、両通路部を前記ロータの内方で折り返し接
続してなる冷却通路を形成したことを特徴とする真空ポ
ンプ。
【請求項２】前記ロータ軸に、前記ロータ内に底面を有
し該ロータ軸の軸方向に延在する深孔を形成するととも
に、該ロータ軸の深孔内に遊挿された筒状壁部を設け、前記冷却通路の外側通路部および内側通路部を、前記深
孔の底部と前記筒状壁部の間で折り返し接続したことを
特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
【請求項３】前記冷却通路の外側通路部および内側通路
部が前記ロータ軸の軸方向に離間して該ロータ軸の外周
面上に開口し、前記ロータ軸と前記ハウジングの間に該
開口に連通する２つの環状液通路が形成されたことを特
徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
【請求項４】前記ハウジング、ロータおよびロータ軸の
うち少なくとも１つの温度を検出する温度センサを設け
るとともに、該温度センサの検出温度に基づいて前記冷
却通路内に冷却液を給排する給排手段を設けたことを特
徴とする請求項１、２又は３に記載の真空ポンプ。