KR20070023781A

KR20070023781A - 나사 펌프 및 나사 기어

Info

Publication number: KR20070023781A
Application number: KR1020067027441A
Authority: KR
Inventors: 신야 야마모토; 사토루 구라모토; 료스케 고시자카; 히데유키 이토
Original assignee: 가부시키가이샤 도요다 지도숏키
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2007-02-28

Abstract

나사 펌프는 유체 이송체로서 기능하는 한 쌍의 스크류 로터를 구비하고 있다. 각 스크류 로터의 축선 주위에서의 회전 각도 (x) 에 관하여, 나선조의 시단에 대응하는 회전 각도 (x) 인 권시각 (O) 으로부터, 나선조의 종단에 대응하는 회전 각도 (x) 인 권종각 (E) 에 이르기까지의 사이에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화는, 리드각 변화 함수 (θ(x)) 로서 표시할 수 있다. 이 리드각 변화 함수 (θ(x)) 는 변화 양태가 상이한 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 의 조합에 의해 구성된다. 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 의 조합 방법에 따라, 리드각 (θ) 의 변화 양태를 임의로 설정할 수 있다. 그 때문에, 펌프의 유체 압축 특성을 스크류 로터의 축 방향 길이 (L) 와의 함수에 있어서 임의로 설정하는 것이 가능해진다.

나사 펌프, 나사 기어

Description

나사 펌프 및 나사 기어{SCREW PUMP AND SCREW GEAR}

본 발명은 예를 들어 반도체 제조 프로세스에 있어서 사용되는 나사 펌프 (screw pump) 및 당해 나사 펌프에 적용하는데 바람직한 나사 기어에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 제조 프로세스에서는, 진공 환경을 만들기 위해 나사 펌프가 진공 펌프로서 이용된다. 즉, 반도체 제조 프로세스에서는, 진공 환경 하에서 웨이퍼에 각종 처리를 실시하기 위해 웨이퍼가 수납된 용기 내에 유체인 F₂ 가스 등의 비활성 가스를 공급하는 한편, 당해 가스를 용기 내에 잔류하는 불순물 (0₂, C0₂ 등) 과 함께 진공 펌프로 흡인하여, 용기 내에 청정한 진공 환경을 만들도록 하고 있다. 이러한 진공 펌프로서, 종래부터, 예를 들어 특허 문헌 1 에 기재된 바와 같은 나사 펌프가 알려져 있다.

이 특허 문헌 1 의 나사 펌프에 있어서, 나선 형상으로 맞물리는 한 쌍의 나사 기어, 즉 한 쌍의 스크류 로터가, 유체 이송체 (가스 이송체) 로서 기능하도록 구성되어 있다. 각 나사 기어는 구동원에 의해 회전되는 회전축에 대하여 일체 회전하도록 연결되어 있다. 각 나사 기어의 리드각 (비틀림 각) 은, 당해 나사 기어의 나선조 (helix 선) 를 따라감에 따라 연속적으로 변화하는, 구체적으로는 리드각은 나사 기어에 있어서의 저압 (흡입) 측의 축 방향 단부로부터 고압 (배출) 측의 축 방향 단부를 향해 단조롭게 증가한다. 또한, 리드각은 나사 기어의 축선에 대한 나선조의 경사각으로서 정의된다. 상기 회전축의 회전에 수반하여 양 나사 기어가 회전된 경우에는 비활성 가스가 외부로부터 펌프실 내에 흡인되고, 당해 펌프실 내에 있어서 양 나사 기어에 의해 압축되면서 배출측으로 이송된 후, 펌프실 내로부터 외부로 배출되도록 되어 있다.

도 4(a) 는 특허 문헌 1 의 나사 기어에 리드각 (θ) 의 변화 양태를 나타내는 그래프이다. 도 4(a) 는 나사 기어의 나선조의 시단 (흡입측 단부) 으로부터 종단 (배출측 단부) 에 이르기까지의 사이에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화를, 나사 기어의 축선 주위에서의 회전 각도 (x) 를 횡축으로서 나타내고 있다. 도 4(a) 에 나타내는 바와 같이, 흡입측 단부로부터 배출측 단부에 이르기까지의 나선조에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화는 나사 기어의 축선 주위에서의 회전 각도 (x) 의 함수 (θ(x)) 로서 나타낼 수 있다. 또한, 도 4(a) 의 그래프의 횡축에 관하여, 나선조의 흡입측 단부에 대응하는 회전 각도 (x) 가 권시각 (O) 으로 정의되고, 나선조의 배출측 단부에 대응하는 회전 각도 (x) 가 권종각 (E) 으로 정의되어 있다.

이 도 4(a) 의 그래프로부터 알 수 있듯이, 리드각 (θ) 은 권시각 (O) 에 대응하는 리드각인 권시 리드각 (DegS (예를 들어 50 도)) 으로부터, 권종각 (E) 에 대응하는 리드각인 권종 리드각 (DegE (예를 들어 80 도)) 에 이르기까지 단순 증가한다. 그 때문에, 특허 문헌 1 에서는, 도 4(b) 에 나타내는 바와 같이, 나사 기어의 축 방향에 있어서의 전체 길이 (L) 는, 권시 리드각 (DegS) 과 권종 리드각 (DegE) 을 이용한 단순 증가 함수 (θ(x)) 에 의해 일의적으로 정해진다.

즉, 나사 기어의 리드각 (θ) 의 변화를 나타내는 단조 증가 함수 (θ(x)) 는 하기 식 (11) 로 나타낼 수 있고, 동일 식 (11) 에 있어서의 상수 k 는 하기 식 (12) 로 나타낼 수 있다. 또한, r 은 나사 기어의 피치 원의 반경이다.

θ(x)=DegS+k·x … (11)

k=(DegE-DegS)/(2πr·E) … (12)

상기 식 (11), (12) 로부터, 나사 기어의 전체 길이 (L) 는 하기 식 (13) 에 의해 일의적으로 구해진다.

L=1/k·log(sin(DegS+k·2πr·E)/Sin(DegS)) … (13)

상기 식 (13) 은 나사 기어의 전체 길이 (L) 가 당해 나사 기어에 있어서의 권시 리드각 (DegS) 과 권종 리드각 (DegE) 에 의해 결정되는 것을 나타내고 있다.

또한, 상기 특허 문헌 1 의 나사 펌프에 있어서, 나사 기어에 의해 펌프실 내에 형성되는 복수의 가스 작동실의 용적이 흡입측으로부터 배출측을 향해 점차 작아지고 있어, 가스는 배출측의 작동실을 향하여 이송됨에 따라 압축된다. 흡입측으로부터 배출측으로의 작동실의 용적의 변화 양태, 바꾸어 말하면 나사 펌프의 가스 압축 특성을 변경하는 경우에는, 나사 기어의 전체 길이 (L) 에 영향을 주는 상기 권시 리드각 (DegS) 이나 상기 권종 리드각 (DegE) 이 변경된다. 한편, 나사 기어는 진공 펌프에 있어서의 펌프실에 수납되는 것이기 때문에, 나사 기어의 전체 길이 (L) 는 펌프실 내에 나사 기어를 수납 가능하게 하는 값으로 설정 될 필요가 있다. 그러나, 나사 펌프의 가스 압축 특성을 변경하기 위해서 권시 리드각 (DegS) 이나 권종 리드각 (DegE) 을 변경한 경우에는, 나사 기어의 전체 길이 (L) 가 펌프실 내에 나사 기어를 수납 불가능하게 하는 값이 될 수도 있다. 그 때문에, 특허 문헌 1 의 나사 펌프는 가스 압축 특성의 변경의 자유도가 뒤떨어진다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평9-32766호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명의 목적은 유체 압축 특성의 변경의 자유도가 우수한 나사 펌프 및 나사 기어를 제공하는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 나선조의 시단으로부터 종단에 이르기까지의 리드각이 연속적으로 변화하는 부분을 갖는 나사 기어로서, 상기 나사 기어의 축선 주위에서의 회전 각도에 관하여, 상기 나선조의 시단에 대응하는 회전 각도인 권시각으로부터, 상기 나선조의 종단에 대응하는 회전 각도인 권종각에 이르기까지의 사이에서의 상기 리드각의 변화를, 리드각 변화 함수로서 나타낸 경우, 당해 리드각 변화 함수가 변화 양태가 상이한 복수의 변화 함수의 조합에 의해 구성되는 나사 기어를 제공한다.

또한, 본 발명은 서로 맞물리는 한 쌍의 나사 기어와 양 나사 기어를 수납하는 펌프실을 구비하고, 양 나사 기어가 서로 맞물리면서 회전함으로써, 펌프실 내에 흡입된 유체가 당해 펌프실 내에서 압축되면서 나사 기어의 축 방향으로 이송되는 나사 펌프 장치를 제공한다. 각 나사 기어는 상기 기술한 바와 같이 구성 된 나사 기어로 구성되고, 각 나사 기어의 축 방향에 있어서 이웃하는 나사산의 부분 사이에는, 유체를 압축하기 위한 작동실이 형성된다.

도 1 은 본 발명의 일 실시 형태에 관련되는 나사 진공 펌프의 평단면도.

도 2 는 도 2(a) 는 스크류 로터의 리드각의 변화 양태를 나타내는 그래프, 도 2(b) 는 스크류 로터의 축 방향 길이를 설명하는 그래프.

도 3 은 도 3(a) 는 스크류 로터의 리드각의 변화 양태를 나타내는 그래프, 도 3(b) 는 스크류 로터의 축 방향 길이를 설명하는 그래프.

도 4 는 도 4(a) 는 종래 기술에 있어서의 스크류 로터의 리드각의 변화 양태를 나타내는 그래프, 도 4(b) 는 종래 기술에 있어서의 스크류 로터의 축 방향 길이를 설명하는 그래프.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명을 구체화한 일 실시 형태를 도 1 ∼ 도 3(b) 에 따라 설명한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 나사 진공 펌프 (11) 는 통 형상을 이루는 로터 하우징 부재 (12) 와, 그 로터 하우징 부재 (12) 의 전 단 (도 1 에서는 좌단) 에 접합되는 덮개 형상을 이루는 프론트 하우징 부재 (13) 와, 로터 하우징 부재 (12) 의 후단 (도 1 에서는 우단) 에 접합되는 판 형상을 이루는 리어 하우징 부재 (14) 를 구비하고 있다. 리어 하우징 부재 (14) 에는 단차 형성 장착 구멍 (14a) 이 형성되어 있고, 축수체 (15) 가 당해 장착 구멍 (14a) 에 감압된 상태에서 리어 하우징 부재 (14) 에 볼트에 의해 고정되어 있다. 상기 로터 하우징 부재 (12) 내에는 유체 이송체로서 기능하는 한 쌍의 스크류 로터 (나사 기어 ; 16) 가 수납되어 있다. 이들 스크류 로터 (16) 의 외주면과 로터 하우징 부재 (12) 의 내주면 사이에는 펌프실 (17) 이 형성된다. 또한, 상기 스크류 로터 (16) 의 구체적 구성에 대해서는 후술한다.

상기 축수체 (15) 에는 한 쌍의 지지 구멍 (18) 이 관통 형성되어 있고, 각 지지 구멍 (18) 에는 회전축 (19) 가 각각 삽입되어 지지되어 있다. 각 회전축 (19) 의 단부 (도 1 에서는 좌단) 는 대응하는 지지 구멍 (18) 으로부터 펌프실 (17) 내로 돌출되어 있고, 각 회전축 (19) 의 단부에 대하여 상기 양 스크류 로터 (16) 의 일방이 볼트에 의해 고정되어 있다. 즉, 각 스크류 로터 (16) 는 대응하는 회전축 (19) 에 대하여 당해 회전축 (19) 과 일체 회전하도록 연결되어 있다.

상기 리어 하우징 부재 (14) 의 후단에는 일단이 폐색된 통의 형태를 이루는 기어 하우징 부재 (20) 가 고정되어 있다. 기어 하우징 부재 (20) 내에는 상기 양 회전축 (19) 의 단부 (도 1 에서는 우단 ; 19a) 이 각각 돌출되어 있고, 그들의 돌출 단부 (19a) 에는 기어 (21) 가 서로 맞물린 상태에서 고정되어 있다. 상기 기어 하우징 부재 (20) 의 외면에는 구동원이 되는 전동 모터 (22) 가 장착되어 있다. 기어 하우징 부재 (20) 내로 연장되는 전동 모터 (22) 의 출력축 (22a) 에 대하여, 상기 양 회전축 (19) 중 일방의 회전축 (도 1 에서는 하측의 회전축 ; 19) 의 단부 (19a) 가 커플링 (23) 을 통하여 연결되어 있다.

상기 프론트 하우징 부재 (13) 의 대략 중앙부에는, 유체, 구체적으로는 F₂ 가스 등의 비활성 가스의 도입을 허용하는 흡입구 (24) 가 상기 펌프실 (17) 에 연통하도록 형성되어 있다. 상기 흡입구 (24) 와는 반대측에 위치하는 로터 하우징 부재 (12) 의 단부 부근에 있어서, 당해 로터 하우징 부재 (12) 의 둘레의 벽에는 상기 비활성 가스의 배출을 허용하는 배출구 (도시 생략) 가 펌프실 (17) 에 연통하도록 형성되어 있다. 이 배출구는, 로터 하우징 부재 (12) 의 폭 방향 (도 1 에서는 상하 방향) 대략 중앙의 하부에 위치한다. 상기 전동 모터 (22) 가 구동되면, 상기 양 회전축 (19) 의 회전에 수반하여 양 스크류 로터 (16) 가 서로 역방향으로 회전한다. 그것에 의해, 흡입구 (24) 를 통하여 펌프실 (17) 내로 흡입된 비활성 가스가 스크류 로터 (16) 의 축 방향으로 펌프실 (17) 내를 배출구를 향하여 압축되면서 이송된 후, 당해 배출구로부터 외부로 배출된다.

다음으로, 상기 스크류 로터 (16) 에 대하여 설명한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 상기 각 스크류 로터 (16) 는 나사 기어의 형태를 이루고 있고, 그 외주면 상에 나선조, 즉 나사산 (16a) 과 나사홈 (16b) 을 갖고 있다. 양 스크류 로터 (16) 의 일방에 있어서의 나사산 (16a) 과, 타방에 있어서의 나사홈 (16b) 이 서로 맞물리도록 하여, 양 스크류 로터 (16) 가 펌프실 (17) 내에 있어서 서로 평행으로 연장되어 있다. 펌프실 (17) 내에 있어서, 각 스크류 로터 (16) 의 축 방향에 있어서 이웃하는 나사산 (16a) 부분의 사이에는, 비활성 가스를 위한 작동실 (25) 이 형성된다. 이들의 작동실 (25) 은 흡입구 (24) 로부터 배출구를 향해, 바꾸어 말하면 저압측으로부터 고압측을 향해, 비활성 가스를 압축하면서 이송된다.

상기 각 스크류 로터 (16) 는 당해 스크류 로터 (16) 의 나선조를 따라감에 따라 연속적으로 변화하는 리드각 (비틀림 각이라고도 한다 ; θ) 을 갖고 있다. 또한, 리드각 (θ) 은 스크류 로터 (16) 의 축선에 대한 나선조 (나사산 (16a) 및 나사홈 (16b)) 의 경사각으로서 정의된다. 스크류 로터 (16) 는 흡입구 (24 ; 흡입측) 로부터 배출구 (배출측) 를 향해 점차 상기 작동실 (25) 의 용적이 감소하도록, 흡입구 (24) 의 가장 가까운 부분에 있어서의 리드 (P1) 가 최대가 되도록 형성되는 한편, 배출구의 가장 가까운 부분에 있어서의 리드 (P4) 가 최소가 되도록 형성된다. 구체적으로는, 스크류 로터 (16) 의 흡입구의 (24) 가장 가까운 부분으로부터 축 방향에 있어서의 중도 지점 (m) 까지의 제 1 범위 (흡입측 범위) 에서는, 리드가 최대의 리드 (P1) 로부터 그것보다 작은 리드 (P2) 로 점차 작아지도록, 리드각 (θ) 이 변화한다. 스크류 로터 (16) 의 상기 중도 지점 (m) 으로부터 배출구의 가장 가까운 부분까지의 제 2 범위 (배출측 범위) 에서는, 리드가 리드 (P3) 로부터 그것보다 작은 리드 (P4) 로 점차 짧아지도록, 리드각 (θ) 이 상기 제 1 범위에서의 변화 양태와는 상이한 변화 양태에서 변화한다. 또한, 본 실시 형태에서는 스크류 로터 (16) 가 1 조 나사 기어의 형태를 이루고 있기 때 문에, 스크류 로터 (16) 리드, 즉 나선조 (helix선) 를 따라 스크류 로터 (16) 의 축선 주위를 일주했을 때에 축 방향으로 진행되는 거리는 나사산 (16a) 의 피치와 동일하다.

도 2(a) 는 본 실시 형태에 있어서의 스크류 로터 (16) 리드각 (θ) 의 변화 양태를 나타내는 그래프이다. 도 2(a) 는 스크류 로터 (16) 의 나선조의 시단 (흡입측 단부) 으로부터 종단 (배산측 단부) 에 이르기까지의 사이에 있어서의 리드각 (θ)의 변화를, 스크류 로터 (16) 의 축선 주위에서의 회전 각도 (x) 를 횡축으로서 나타내고 있다. 도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 흡입측 단부로부터 배출측 단부에 이르기까지의 나선조에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화는 스크류 로터 (16) 의 축선 주위에서의 회전 각도 (x) 의 함수 (θ(x)) 로서 나타낼 수 있다. 이하, 이 함수 (θ(x)) 리드각 변화 함수 (θ(x)) 라고 한다. 또한, 도 2(a) 의 그래프의 횡축에 관하여, 나선조의 흡입측 단부에 대응하는 회전 각도 (x) 가 권시각 (O) 으로서 정의되고, 상기 중도 지점 (m) 에 대응하는 회전 각도 (x) 가 전환각 (M) 으로서 정의되고, 나선조의 배출측 단부에 대응하는 회전 각도 (x) 가 권종각 (E) 으로서 정의되어 있다. 즉, 스크류 로터 (16) 의 축선 주위를 주회 (周回) 하면서 나선조를 그 흡입측 단부로부터 배출측 단부까지 간 경우에 있어서, 나선조의 흡입측 단부에 대응하는 회전 각도 (x) 가 권시각 (O) 으로서 정의되고, 상기 중도 지점 (m) 에 이르렀을 때의 회전 각도 (x) 가 전환각 (M) 으로서 정의되고, 나선조의 배출측 단부에 이르렀을 때의 회전 각도 (x) 가 권종각 (E) 으로서 정의된다.

도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 상기 회전 각도 (x) 가 권시각 (O) 으로부터 권종각 (E) 에 이르기까지의 사이에 있어서, 상기 리드각 변화 함수 (θ(x)) 는, 변화 양태가 상이한 복수 (도 2(a) 에서는 2 개) 의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 의 조합에 의해 구성된다. 바꾸어 말하면, 회전 각도 (x) 가 권시각 (O) 으로부터 권종각 (E) 에 이르기까지의 사이에 있어서, 리드각 (θ) 의 변화는 변화 양태가 상이한 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 의 조합에 의해 표시된다.

상기 변화 함수 (θ1(x)) 는 권시각 (O) 으로부터 전환각 (M) 까지의 각도 범위에 대응하는 제 1 변화 함수 (흡입측 변화 함수) 이며, 상기 제 1 범위 (흡입측 범위) 에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화를 나타내고 있다. 변화 함수 (θ2(x)) 는 전환각 (M) 으로부터 권종각 (E) 까지의 각도 범위에 대응하는 제 2 변화 함수 (흡입측 변화 함수) 이며, 상기 제 2 범위 (배출측 범위) 에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화를 표시하고 있다. 이 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 와 비교하여, 리드각 (θ) 의 변화를 완만한 변화 정도로 표시하고 있다. 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 및 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 모두 회전 각도 (x) 가 권시각 (O) 으로부터 권종각 (E) 을 향함에 따라 리드각 (O) 을 점차 증가시키는 단순 증가 함수이다.

도 2(a) 의 그래프의 세로축에 관하여, "DegS" 는 권시각 (O) 에 대응하는 나선조의 흡입측 단부에서의 리드각, 즉 권시 리드각이며, "DegM" 은 전환각 (M) 에 대응하는 중도 지점 (m) 에서의 리드각, 즉 변환 리드각이며, "DegE" 는 권종각 (E) 에 대응하는 나선조의 배출측 단부에서의 리드각, 즉 권종 리드각이다. 예 를 들어, 권시 리드각 (DegS) 을 50 도, 변환 리드각 (DegM) 을 70 도, 권종 리드각 (DegE) 을 80 도로 설정한 것으로 한다. 이 경우, 권시각 (O) 으로부터 전환각 (M) 에 이르기까지의 사이에, 리드각은 20 도 정도만 비교적 험준하게 단순 증가한다. 한편, 전환각 (M) 으로부터 권종각 (E) 에 이르기까지의 사이에 있어서, 리드각은 10 도 정도만 비교적 완만하게 단순 증가한다.

스크류 로터 (16) 의 축선 주위를 권시각 (O) 으로부터 권종각 (E) 까지 주회했을 때에 얻어지는 합계는, 상기 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 와 상기 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 를 조합하여 이루어지는 리드각 변화 함수 (θ(x)) 에 기초하여, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 로서 구할 수 있다. 즉, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 스크류 로터 (16) 의 상기 제 1 범위에 있어서의 축 방향 길이, 즉 제 1 축 방향 길이 (흡입측 축 방향 길이 ; L1) 는 권시각 (O) 으로부터 전환각 (M) 까지의 각도 범위에 대응하는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 에 기초하여 구해진다. 또한, 스크류 로터 (16) 의 상기 제 2 범위에 있어서의 축 방향 길이, 즉 제 2 축 방향 길이 (배출측축 방향 길이 ; L2) 는, 전환각 (M) 으로부터 권종각 (E) 까지의 각도 범위에 대응하는 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 에 기초하여 구해진다. 그리고, 상기 양 축 방향 길이 (L1, L2) 의 합계가 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 로서 구해진다.

상기 제 1 변화 함수 (θ1(x)) , 상기 제 2 변화 함수 (θ2(x)), 및, 그들 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 에 기초하여 구해지는 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L(=L1+L2)) 는 이하와 같은 식에 의해 표시할 수 있다.

우선, 권시각 (O) 으로부터 전환각 (M) 까지의 각도 범위 (0 < x < M) 에 대응하는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 는 하기 식 (1) 으로 표시할 수 있고, 동일 식 (1) 에 있어서의 상수 (k1) 는 하기 식 (2) 으로 표시할 수 있다. 또한, 식 (2) 에 있어서의 r 은, 스크류 로터 (16) 의 피치 원의 반경이다.

θ1(x)=DegS+k1·x … (1)

k1=(DegM-DegS)/(2πr·M) … (2)

만일, 도 2(a) 에 실선으로 나타내는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 에 대하여, 전환각 (M) 및 변환 리드각 (DegM) 을 변경하지 않고, 권시 리드각 (DegS) 을 큰 값으로 변경했다고 하자. 이 경우에는, 권시각 (O) 으로부터 전환각 (M) 에 이르기까지의 사이에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화 정도가 실선으로 나타내는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 에 있어서의 그것보다 완만해진다. 바꾸어 말하면, 펌프 (11) 의 가스 압축 특성을 결정하는 흡입측으로부터 배출측으로의 작동실 (25) 의 용적의 변화 정도가 스크류 로터 (16) 의 제 1 범위에 있어서 실선으로 나타내는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 의 경우보다 완만해진다. 그 반대로, 도 2(a) 에 실선으로 나타내는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 에 대하여, 권시 리드각 (DegS) 을 작은 값으로 변경했다고 하자. 이 경우에는 권시각 (O) 으로부터 전환각 (M) 에 이르기까지의 사이에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화 정도가 실선으로 나타내는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 에 있어서의 경우보다 급격하게 된다. 바꾸어 말하면, 흡입측으로부터 배출측으로의 작동실 (25) 의 용적의 변화 정도가 스크류 로터 (16) 의 제 1 범위에 있어서 실선으로 나타내는 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 의 경우보다 급격하게 된다.

한편, 전환각 (M) 으로부터 권종각 (E) 까지의 각도 범위 (M < x < E) 에 대응하는 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 는 하기 식 (3) 으로 표시할 수 있고, 동일 식 (3) 에 있어서의 상수 k2 는 하기 식 (4) 로 나타낼 수 있다.

θ2(x)=DegM+k2·(x-M) … (3)

k2=(DegE-DegM)/(2πr·E) … (4)

만일, 도 2(a) 에 실선으로 나타내는 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 에 대하여, 변환 리드각 (DegM) 을 변경하지 않고, 권종 리드각 (DegE) 을 큰 값으로 변경한 것으로 하자. 이 경우에는, 전환각 (M) 으로부터 권종각 (E) 에 이르기까지의 사이에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화 정도가 실선으로 나타내는 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 에 있어서의 그것보다 급격하게 된다. 바꾸어 말하면, 흡입측으로부터 배출측으로의 작동실 (25) 의 용적의 변화 정도가 스크류 로터 (16) 의 제 2 범위에 있어서 실선으로 나타내는 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 의 경우의 그것보다 급격하게 된다. 그 반대로, 도 2(a) 에 실선으로 나타내는 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 에 대하여, 권종 리드각 (DegE) 을 작은 값으로 변경한 것으로 하자. 이 경우에는, 전환각 (M) 으로부터 권종각 (E) 에 이르기까지의 사이에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화 정도가 실선으로 나타내는 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 에 있어서의 그것보다 완만해진다. 바꾸어 말하면, 흡입측으로부터 배출측으로의 작동실 (25) 의 용적의 변화 정도가 스크류 로터 (16) 의 제 2 범위에 있어서 실선으로 나타내는 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 의 경우의 그것보다 완만해진다.

다음으로, 상기 리드각 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 로부터 유도되는 상기 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L(=L1+L2)) 에 대하여 설명한다.

우선, 권시각 (O) 으로부터 전환각 (M) 까지의 각도 범위 (0 < x < M) 에 대응하는 제 1 범위에 있어서의 제 1 축 방향 길이 (L1) 는 하기 식 (5) 로 표시할 수 있다.

L1=1/k1·log(sin(DegS+k1·2πr·M)/Sin(DegS)) … (5)

또, 전환각 (M) 으로부터 권종각 (E) 까지의 각도 범위 (M < x < E) 에 대응하는 제 2 범위에 있어서의 제 2 축 방향 길이 (L2) 는 하기 식 (6) 으로 나타낼 수 있다.

L2=1/k2·log(sin(DegM+k2·2πr·E)/Sin(DegM)) … (6)

따라서, 상기 식 (5), (6) 에 기초하여, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L(=L1+L2)) 를 구할 수 있다.

다음으로, 상기와 같이 구성된 펌프 (11) 의 동작에 대하여 설명한다.

그런데, 상기 전동 모터 (22) 에 의해 양 회전축 (19) 이 회전되면, 양 회전축 (19) 과 함께 서로 맞물리는 양 스크류 로터 (16) 가 회전하여, 외부로부터 비활성 가스가 흡입구 (24) 를 통하여 펌프실 (17) 내로 흡인된다. 펌프실 (17) 내에 흡인된 비활성 가스는 양 스크류 로터 (16) 의 회전에 수반하여 각 작동실 (25) 내에서 압축되면서 배출구를 향하여 이송되고, 당해 배출구를 통하여 펌프실 (17) 내로부터 외부로 배출된다. 그 때문에, 반도체 제조 프로세스에 있어서, 웨이퍼 (도시 생략) 에 대한 각종 처리를 실시하는 작업 룸 또는 작업 용기에 흡입 구 (24) 를 접속시킨 상태에서 펌프 (11) 를 작동시킨 경우에는, 당해 작업 룸이나 작업 용기 내에 청정한 진공 환경이 만들어진다.

한편, 스크류 로터 (16) 는 다음과 같이 하여 압축 작용을 실시한다. 즉, 흡입구 (24) 로부터 펌프실 (17) 내에 흡입된 비활성 가스는 스크류 로터 (16) 의 제 1 범위에 있어서의 작동실 (25) 이 이송될 때에, 당해 작동실 (25) 의 용적 변화 정도가 비교적 급격하기 때문에 급격하게 압축된다. 그 후, 비활성 가스는, 스크류 로터 (16) 의 제 2 범위에 있어서의 작동실 (25) 이 이송될 때에는, 당해 작동실 (25) 의 용적 변화 정도가 비교적 완만하기 때문에 완만하게 압축된다. 그 때문에, 배출구의 근방에 있어서 급격한 압력 상승이 일어나는 사태가 회피되고, 배출구의 근방에서의 국부적인 온도 상승이 억제된다.

스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 는 상기 식 (1) ∼ (6) 에 기초하여 정해진다. 이러한 전제에 있어서, 당해 축 방향 전체 길이 (L) 를 변경하지 않고, 펌프 (11) 의 가스 압축 특성을 결정하는 흡입측으로부터 배출측으로의 작동실 (25) 의 용적 변화 양태를 변경하는 경우에는, 예를 들어 도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 변환 리드각 (DegM) 이 변경된다. 또한, 도 2(a) 의 예에서는, 권시각 (O), 전환각 (M) 및 권종각 (E) 은 변경되지 않고, 또 권시 리드각 (DegS) 및 권종 리드각 (DegE) 도 변경되지 않는다. 즉, 변환 리드각 (DegM) 을 예를 들어, 도 2(a) 에 실선으로 나타내는 리드각 변화 함수 (θ(x)) 에 있어서의 값보다 작은 값 (DegM') 으로 변경한 경우에는, 도 2(a) 에 1 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 가 보다 완만한 리드각 (θ) 의 변화 정 도를 표시하게 되고, 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 가 보다 급격한 리드각 (θ) 의 변화 정도를 표시하게 된다. 이 경우, 도 2(b) 에 1 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L(=L1'+L2')) 는, 변환 리드각 (DegM) 을 변경하기 전의 축 방향 전체 길이 (L(=L1+L2)) 와 동일해진다. 또한, 변환 리드각 (DegM) 을 예를 들어, 도 2(a) 에 실선으로 나타내는 리드각 변화 함수 (θ(x)) 에 있어서의 값보다 큰 값 (DegM") 으로 변경한 경우에는, 도 2(a) 에 2 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 가 보다 급격한 리드각 (θ) 의 변화 정도를 표시하게 되고, 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 가 보다 완만한 리드각 (θ) 의 변화 정도를 표시하게 된다. 이 경우에 있어서도, 도 2(b) 에 2 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L(=L1"+L2")) 는, 변환 리드각 (DegM) 을 변경하기 전의 축 방향 전체 길이 (L(=L1+L2)) 와 동일해진다. 이와 같이, 변화 양태가 상이한 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 의 조합으로 리드각 변화 함수 (θ(x)) 를 구성하면, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 를 변경할 수 없는 사정이 있는 경우라도, 권시각 (O) 으로부터 권종각 (E) 에 이르기까지의 사이에 있어서의 리드각 (θ) 의 변화 양태를 변경함으로써 펌프 (11) 의 압축 특성이 변경 가능해진다.

한편, 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 와 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 를 변경하지 않고, 상기 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 를 변경하는 경우에는, 예를 들어 도 3(a) 에 나타내는 바와 같이 전환각 (M) 이 변경된다. 또한, 도 3(a) 의 예에서는, 권시각 (0) 및 권종각 (E) 은 변경되지 않고, 또한 권시 리드각 (DegS) 도 변경되지 않는다. 즉, 전환각 (M) 을 예를 들어, 도 3(a) 에 1 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이 작은 값 (M') 으로 변경한 경우에는, 제 1 및 제 2 변화 함수 (θ1(x) ,θ2(x)) 에 의해 각각 표시되는 리드각 (θ) 의 변화 정도가 변하지 않은 상태에서 변환 리드각 (DegM) 및 권종 리드각 (DegE) 이 작아진다. 그 결과, 이 경우에는, 도 3(b) 에 1 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 가 큰 값 (L') 으로 변경된다. 또, 전환각 (M) 을 예를 들어, 도 3(a) 에 2 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이 큰 값 (M") 으로 변경한 경우에는, 제 1 및 제 2 변화 함수 (θ1(x) ,θ2(x)) 에 의해 각각 표시되는 리드각 (θ) 의 변화 정도가 변함없는 상태에서, 변환 리드각 (DegM) 및 권종 리드각 (DegE) 이 커진다. 그 결과, 이 경우에는, 도 3(b) 에 2 점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 가 작은 값 (L") 으로 변경된다. 이와 같이, 리드각 변화 함수 (θ(x)) 를 구성하는 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 자체를 변경시키지 않고, 전환각 (M) 을 변경함으로써, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 를 임의로 변경하는 것도 가능해진다.

상기 실시 형태는, 이하의 이점을 갖는다.

(1) 본 실시 형태에서는, 권시각 (O) 으로부터 권종각 (E) 에 이르기까지의 사이에 있어서, 스크류 로터 (16) 에 리드각 (θ) 의 변화가, 변화 양태가 상이한 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 를 조합하여 이루어지는 리드각 변화 함수 (θ(x)) 로 표시된다. 그 때문에, 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 의 조합 방법에 따라, 리드각 (θ) 의 변화 양태를 임의로 설정할 수 있다. 따라서, 조 합되는 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 에 기초하는 리드각 (θ) 의 변화 양태에 의해 유도되는 압축 특성 (작동실 (25) 의 용적의 변화 양태) 을 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 와의 관계에 있어서 임의로 설정할 수 있고, 압축 대상이 되는 비활성 가스 (유체) 의 종류에 따라 압축 효율이 최적이 되도록 설정할 수 있다.

(2) 리드각 (θ) 의 변화 정도는 스크류 로터 (16) 에 있어서의 제 2 범위가 제 1 범위보다 완만해져 있다. 바꾸어 말하면, 펌프 (11) 의 압축 특성을 결정하는 작동실 (25) 의 용적 변화 정도는 스크류 로터 (16) 에 있어서의 제 2 범위가 제 1 범위보다 완만해져 있다. 그 때문에, 펌프 (11) 의 작동시에 있어서, 작동실 (25) 의 용적 변화 정도가 펌프 (11) 의 배출구의 근방에서는 완만해진다. 따라서, 배출구 근방에서의 급격한 압력 상승 및 당해 압력 상승에 기인한 국부적인 온도 상승을 양호하게 회피할 수 있다.

(3) 리드각 변화 함수 (θ(x)) 를 구성하는 제 1 및 제 2 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 의 각각은, 회전 각도 (x) 가 권시각 (O) 으로부터 권종각 (E) 을 향함에 따라 리드각 (θ) 을 점차 증가시키는 단순 변화 함수이다. 그 때문에, 스크류 로터 (16) 에 있어서의 리드는, 권시각 (O) 으로부터 권종각 (E) 을 향해 단조롭게 감소한다. 따라서, 펌프실 (17) 내에서 한 쌍의 스크류 로터 (16) 가 서로 맞물리면서 회전할 때에 있어서, 양 스크류 로터 (16) 의 회전 부하가 작아져, 펌프 (11) 의 양호한 압축 동작을 실현할 수 있다.

(4) 펌프 (11) 에서의 압축 대상이 되는 비활성 가스의 종류에 따라, 펌프 (11) 의 압축 특성 (작동실 (25) 의 용적 변화 양태) 을 변경하는 것이 요구되는 경우가 있다. 그러한 경우, 본 실시 형태에서는 스크류 로터 (16) 의 축 방향 중도 지점 (m) 에 대응하는 전환각 (M) 에서의 변환 리드각 (DegM) 이 변경된다. 그 결과, 스페이스적으로 제약이 있는 펌프실 (17) 내에 수납되는 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 를 변경하지 않고, 용이하게 펌프 (11) 의 압축 특성을 변경할 수 있고, 각종 비활성 가스를 최적인 압축 효율로 압축 또한 이송할 수 있다.

(5) 펌프실 (17) 의 용적을 변경하는 경우 등에 있어서, 펌프 (11) 의 압축 특성 (작동실 (25) 의 용적 변화 양태) 을 변경하지 않고, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 를 변경하는 것이 요구되는 경우가 있다. 그러한 경우, 본 실시 형태에서는, 2 개의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 가 변환되는 경계가 되는 회전 각도 (x), 즉, 전환각 (M) 이 변경된다. 또한, 이 때, 전환각 (M) 의 변경에 수반하여 변환 리드각 (DegM) 도 변경된다. 그 결과, 펌프의 압축 특성 자체를 변경하지 않고, 스크류 로터 (16) 의 축 방향 전체 길이 (L) 를 용이하게 변경할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태는 이하와 같이 변경해도 된다.

스크류 로터 (16) 의 회전에 수반하여 펌프실 (17) 내로 압축되면서 이송되는 유체는 비활성 가스 (F₂ 가스 등) 이외의 가스, 예를 들어 냉매 가스이어도 되고, 또 작동유 등의 액체이어도 된다. 또, 본 발명의 나사 펌프는 진공 펌프 이외의 펌프에도 적용할 수 있다.

리드각 변화 함수 (θ(x)) 를 구성하기 위해서 조합되는 복수의 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 는 단조 증가 함수에 한정되지 않고, 2 차 함수나 n 차 함수 또는 지수 함수 등이어도 된다.

리드각 변화 함수 (θ(x)) 를 구성하기 위해서 조합되는 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 의 수는, 복수이면 2 개로 한정되지 않고 3 개 이상이어도 된다.

리드각 변화 함수 (θ(x)) 를 구성하기 위해서 조합되는 변화 함수 (θ1(x), θ2(x)) 에 대하여, 도 2(a) 에 실선으로 나타내는 것과는 달리, 제 1 변화 함수 (θ1(x)) 가 제 2 변화 함수 (θ2(x)) 보다 리드각 (θ) 의 변화를 완만한 변화 정도로 표시하도록 해도 된다.

리드각 변화 함수 (θ(x)) 를 구성하기 위해서 조합되는 복수의 함수에 대하여, 예를 들어 2 개의 함수의 조합으로 하는 경우, 일방의 함수를 리드각 (θ) 이 연속적으로 변화하는 상태를 표시하는 변화 함수로 하고, 타방의 함수를 리드각 (θ) 이 연속적으로 변화하지 않는 상태를 표시하는 함수로 해도 된다. 즉, 스크류 로터 (16) 는, 나선조의 시단 (흡입측 단부) 으로부터 종단 (배출측 단부) 에 이르기까지의 사이에 있어서, 리드각 (θ) 이 연속적으로 변화하는 부분을 적어도 일부 갖고 있으면 된다.

Claims

나선조의 시단으로부터 종단에 이르기까지 사이에 있어서 리드각이 연속적으로 변화하는 부분을 갖는 나사 기어로서,

상기 나사 기어의 축선 주위에서의 회전 각도에 관하여, 상기 나선조의 시단에 대응하는 회전 각도인 권시각으로부터, 상기 나선조의 종단에 대응하는 회전 각도인 권종각에 이르기까지의 사이에 있어서의 상기 리드각의 변화를 리드각 변화 함수로서 표시한 경우, 당해 리드각 변화 함수가 변화 양태가 상이한 복수의 변화 함수의 조합에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 나사 기어.
제 1 항에 있어서,

상기 권시각과 상기 권종각 사이에 있어서의 소정의 회전 각도가 전환각으로서 설정되고, 상기 리드각 변화 함수는 상기 권시각으로부터 상기 전환각까지의 각도 범위에 대응하는 제 1 변화 함수와, 상기 전환각으로부터 상기 권종각까지의 각도 범위에 대응하는 제 2 변화 함수를 포함하며, 상기 제 2 변화 함수의 쪽이 상기 제 1 변화 함수보다 리드각의 변화를 완만한 변화 정도로 표시하는 것을 특징으로 하는 나사 기어.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 리드각 변화 함수를 구성하는 복수의 변화 함수의 각각은 상기 회전 각 도가 상기 권시각으로부터 상기 권종각을 향함에 따라 리드각를 점차 증가시키는 단조 변화 함수인 것을 특징으로 하는 나사 기어.
x : 회전 각도, O : 권시각, E : 권종각, M : 권시각 (O) 과 권종각 (E) 의 사이에 설정되는 회전 각도 (x) 인 전환각, DegS : 권시각 (O) 에서의 리드각인 권시 리드각, DegE : 권종각 (E) 에서의 리드각인 권종 리드각, DegM : 전환각 (M) 에서의 리드각인 변환 리드각, θ1(x) : 권시각 (O) 으로부터 전환각 (M) 까지의 각도 범위 (0 < x < M) 에 있어서의 리드각의 변화를 표시하는 변화 함수, θ2(x) : 전환각 (M) 으로부터 권종각 (E) 까지의 각도 범위 (M < x < E) 에 있어서의 리드각의 변화를 나타내는 변화 함수, k1, k2 : 상수, r : 나사 기어의 피치 원의 반경, L : 나사 기어의 축 방향 전체 길이, L1 : 0 < x < M 의 각도 범위에 대응하는 나사 기어의 축 방향 길이, L2:M < x < E의 각도 범위에 대응하는 나사 기어의 축 방향 길이로 한 경우, 이하의 식이 성립하는 것을 특징으로 하는 나사 기어.

θ1(x)=DegS+k1·x (단, 0 < x < M)

k1=(DegM-DegS)/(2πr·M)

θ2(x)=DegM+k2·(x-M) (단, M < x < E)

k2=(DegE-DegM)/(2πr·E)

L1=1/k1·log(sin(DegS+k1·2πr·M)/Sin(DegS))

L2=1/k2·log(sin(DegM+k2·2πr·E)/Sin(DegM))

L=L1+L2
서로 맞물리는 한 쌍의 나사 기어와 양 나사 기어를 수납하는 펌프실을 구비하고, 양 나사 기어가 서로 맞물리면서 회전함으로써, 펌프실 내에 흡입된 유체가 당해 펌프실 내에서 압축되면서 나사 기어의 축 방향으로 이송되는 나사 펌프 장치에 있어서, 상기 각 나사 기어는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 나사 기어로 구성되고, 각 나사 기어의 축 방향에 있어서 이웃하는 나사산의 부분의 사이에는, 유체를 압축하기 위한 작동실이 형성되는 것을 특징으로 하는 나사 펌프 장치.