WO2005124154A1

WO2005124154A1 - スクリュ式ポンプ及びねじ歯車

Info

Publication number: WO2005124154A1
Application number: PCT/JP2005/010853
Authority: WO
Inventors: Shinya Yamamoto; Satoru Kuramoto; Ryosuke Koshizaka; Hideyuki Ito
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2005-12-29
Also published as: JPWO2005124154A1; EP1767785A1; TWI281531B; TW200607927A; CN1969126A; US20090016920A1

Abstract

　スクリュ式ポンプは、流体移送体として機能する一対のスクリュロータを備えている。各スクリュロータの軸線周りでの回転角度ｘに関して、螺旋条の始端に対応する回転角度ｘである巻き始め角０から、螺旋条の終端に対応する回転角度ｘである巻き終わり角Ｅに至るまでの間におけるリード角θの変化は、リード角変化関数θ（ｘ）として表すことができる。このリード角変化関数θ（ｘ）は、変化態様の異なる複数の変化関数θ１（ｘ），θ２（ｘ）の組み合わせにより構成される。複数の変化関数θ１（ｘ），θ２（ｘ）の組み合わせ方次第で、リード角θの変化態様を任意に設定できる。そのため、ポンプの流体圧縮特性を、スクリュロータの軸方向長さＬとの関係において任意に設定することが可能となる。

Description

明細書

スクリュ式ポンプ及びねじ歯車

技術分野

[0001] 本発明は、例えば半導体製造プロセスにおいて使用されるスクリュ式ポンプ及び当該スクリュ式ポンプに適用するのに好適なねじ歯車に関する。

背景技術

[0002] 一般に、半導体製造プロセスでは、真空環境を作り出すために、スクリュ式ポンプが真空ポンプとして用いられる。即ち、半導体製造プロセスでは、真空環境下でウェハに各種の処理を行うため、ウェハが収納された容器内に流体である Fガス等の不活

2

性ガスを供給する一方、当該ガスを容器内に残留する不純物 (O , CO等）と共に真

2 2 空ポンプで吸引し、容器内に清浄な真空環境を作り出すようにしている。このような真空ポンプとして、従来から、例えば特許文献 1に記載されるようなスクリュ式ポンプが知られている。

[0003] この特許文献 1のスクリュ式ポンプでは、螺旋状に嚙み合う一対のねじ歯車、即ち一対のスクリュロータが、流体移送体 (ガス移送体)として機能するように構成されている。各ねじ歯車は、駆動源によって回転させられる回転軸に対して一体回転するように連結されている。各ねじ歯車のリード角（ねじれ角）は、当該ねじ歯車の螺旋条（つるまき線)を迪るのに従い連続的に変化する、具体的には、リード角は、ねじ歯車における低圧（吸入)側の軸方向端部力も高圧 (排出)側の軸方向端部へ向力つて単調に増加する。なお、リード角は、ねじ歯車の軸線に対する螺旋条の傾き角として定義される。前記回転軸の回転に伴い両ねじ歯車が回転した場合には、不活性ガスが外部からポンプ室内に吸引され、当該ポンプ室内において両ねじ歯車により圧縮されながら排出側へ移送された後、ポンプ室内から外部へ排出されるようになっている。

[0004] 図 4 (a)は、特許文献 1のねじ歯車におけるリード角 Θの変化態様を示すグラフである。図 4 (a)は、ねじ歯車の螺旋条 (つるまき線)の始端 (吸入側端部)から終端 (排出側端部）に至るまでの間におけるリード角 Θの変化を、ねじ歯車の軸線周りでの回転角度 xを横軸として示している。図 4 (a)に示すように、吸入側端部から排出側端部に至るまでの螺旋条におけるリード角 Θの変化は、ねじ歯車の軸線周りでの回転角度 X の関数 0 (X)として表すことができる。なお、図 4 (a)のグラフの横軸に関して、螺旋条の吸入側端部に対応する回転角度 Xが巻き始め角 0として定義され、螺旋条の排出側端部に対応する回転角度 Xが巻き終わり角 Eとして定義されている。

[0005] この図 4 (a)のグラフから判るように、リード角 Θは、巻き始め角 0に対応するリード角である巻き始めリード角 DegS (例えば 50度)から、巻き終わり角 Eに対応するリード角である巻き終わりリード角 DegE (例えば 80度）に至るまで、単調増加する。そのため、特許文献 1では、図 4 (b)に示すように、ねじ歯車の軸方向における全長 Lは、巻き始めリード角 DegSと巻き終わりリード角 DegEとを用いた単調増加関数 θ (x)により一義的に定まる。

[0006] すなわち、ねじ歯車のリード角 Θの変化を表す単調増加関数 θ (X)は下記式（11) で表すことができ、同式（11)における定数 kは下記式（12)で表すことができる。なお、 rはねじ歯車のピッチ円の半径である。

[0007] Θ (x) =DegS + k-x - " (11)

k= (DegE— DegS)Z(27u r'E) - -- (12)

上記式（11) , (12)から、ねじ歯車の全長 Lは、下記式（13)により一義的に求められる。

[0008] L=l/k · log(sin(DegS+k · 2 π r · E)/Sin(DegS)) - -- (13)

上記式（13)は、ねじ歯車の全長 Lが当該ねじ歯車における巻き始めリード角 Deg Sと巻き終わりリード角 DegEとにより決定されることを示している。

[0009] また、上記特許文献 1のスクリュ式ポンプでは、ねじ歯車によってポンプ室内に形成される複数のガス作動室の容積が、吸入側力も排出側に向力つて次第に小さくなつており、ガスは排出側の作動室に向かって移送されるのに従い圧縮される。吸入側力排出側への作動室の容積の変化態様、言、換えればスクリュ式ポンプのガス圧縮特性を変更する場合には、ねじ歯車の全長 Lに影響を与える前記巻き始めリード角 DegSや前記巻き終わりリード角 DegEが変更される。一方、ねじ歯車は真空ボンプにおけるポンプ室に収納されるものであるため、ねじ歯車の全長 Lは、ポンプ室内にねじ歯車を収納可能とする値に設定される必要がある。しかし、スクリュ式ポンプのガス圧縮特性を変更するために巻き始めリード角 DegSや巻き終わりリード角 DegE を変更した場合には、ねじ歯車の全長 Lがポンプ室内にねじ歯車を収納不能とする値となることもあり得る。そのため、特許文献 1のスクリュ式ポンプは、ガス圧縮特性の変更の自由度に劣る。

特許文献 1：特開平 9 32766号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 本発明の目的は、流体圧縮特性の変更の自由度に優れるスクリュ式ポンプ及びねじ歯車を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0011] 上記目的を達成するため、本発明は、螺旋条の始端から終端に至るまでの間においてリード角が連続的に変化する部分を有するねじ歯車であって、前記ねじ歯車の軸線周りでの回転角度に関して、前記螺旋条の始端に対応する回転角度である巻き始め角から、前記螺旋条の終端に対応する回転角度である巻き終わり角に至るまでの間における前記リード角の変化を、リード角変化関数として表した場合、当該リード角変化関数が変化態様の異なる複数の変化関数の組み合わせにより構成されるねじ歯車を提供する。

[0012] 本発明はまた、互いに嚙み合う一対のねじ歯車と両ねじ歯車を収納するポンプ室とを備え、両ねじ歯車が互いに嚙み合いながら回転することによって、ポンプ室内に吸入された流体が当該ポンプ室内で圧縮されながらねじ歯車の軸方向に移送されるスクリュ式ポンプ装置を提供する。各ねじ歯車は上述のように構成されたねじ歯車にて構成され、各ねじ歯車の軸方向において隣り合うねじ山の部分の間には、流体を圧縮するための作動室が形成される。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]本発明の一実施形態に係るスクリュ式真空ポンプの平断面図。

[図 2]図 2 (a)はスクリュロータのリード角の変化態様を示すグラフ、図 2 (b)はスクリュロ一タの軸方向長さを説明するグラフ。

[図 3]図 3 (a)はスクリュロータのリード角の変化態様を示すグラフ、図 3 (b)はスクリュロ一タの軸方向長さを説明するグラフ。

[図 4]図 4 (a)は従来技術におけるスクリュロータのリード角の変化態様を示すグラフ、図 4 (b)は従来技術におけるスクリュロータの軸方向長さを説明するグラフ。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 以下、本発明を具体ィ匕した一実施形態を図 1〜図 3 (b)に従って説明する。

図 1に示すように、本実施形態におけるスクリュ式真空ポンプ 11は、筒状をなす口ータハウジング部材 12と、そのロータハウジング部材 12の前端（図 1では左端）に接合される蓋状をなすフロントハウジング部材 13と、ロータハウジング部材 12の後端（図 1では右端）に接合される板状をなすリャハウジング部材 14とを備えている。リャハウジング部材 14には段差付き取付孔 14aが形成されており、軸受体 15が当該取付孔 14aに嵌合された状態でリャハウジング部材 14にボルトによって固定されている。前記ロータハウジング部材 12内には、流体移送体として機能する一対のスクリュロータ（ねじ歯車） 16が収納されている。これらスクリュロータ 16の外周面とロータハウジング部材 12の内周面との間には、ポンプ室 17が形成される。なお、前記スクリュロータ 16の具体的構成については、後述する。

[0015] 前記軸受体 15には、一対の支持孔 18が貫通形成されており、各支持孔 18には回転軸 19がそれぞれ挿入されて支持されて、る。各回転軸 19の端部（図 1では左端）は対応する支持孔 18からポンプ室 17内に突出しており、各回転軸 19の端部に対して前記両スクリュロータ 16の一方がボルトにより固定されている。即ち、各スクリュロータ 16は対応する回転軸 19に対して当該回転軸 19と一体回転するように連結されている。

[0016] 前記リャハウジング部材 14の後端には、一端が閉塞された筒の形態をなすギヤハウジング部材 20が固定されている。ギヤハウジング部材 20内には前記両回転軸 19 の端部（図 1では右端） 19aがそれぞれ突出しており、それらの突出端部 19aにはギャ 21が互いに嚙み合った状態で止着されている。前記ギヤハウジング部材 20の外面には、駆動源となる電動モータ 22が取り付けられている。ギヤハウジング部材 20 内に延びる電動モータ 22の出力軸 22aに対して、前記両回転軸 19のうち一方の回転軸（図 1では下側の回転軸） 19の端部 19aが軸継手 23を介して連結されている。

[0017] 前記フロントハウジング部材 13の略中央部には、流体、具体的には Fガス等の不

2

活性ガスの導入を許容する吸入口 24が、前記ポンプ室 17に連通するように形成されて、る。前記吸入口 24とは反対側に位置するロータハウジング部材 12の端部の付近において、当該ロータハウジング部材 12の周壁には、前記不活性ガスの排出を許容する排出口（図示略）が、ポンプ室 17に連通するように形成されている。この排出口は、ロータハウジング部材 12の幅方向（図 1では上下方向）略中央の下部に位置する。前記電動モータ 22が駆動されると、前記両回転軸 19の回転に伴い両スタリュロータ 16が互いに逆向きに回転する。それにより、吸入口 24を介してポンプ室 17 内に吸入された不活性ガス力スクリュロータ 16の軸方向に、ポンプ室 17内を排出口に向力つて圧縮されながら移送された後、当該排出ロカ外部へ排出される。

[0018] 次に、前記スクリュロータ 16について説明する。

図 1に示すように、前記各スクリュロータ 16は一条ねじ歯車の形態をなしており、その外周面上に螺旋条、すなわちねじ山 16aとねじ溝 16bとを有している。両スクリュロータ 16の一方におけるねじ山 16aと、他方におけるねじ溝 16bとが互いに嚙み合わさるようにして、両スクリュロータ 16がポンプ室 17内にお!ヽて互ヽに平行に延びて!/ヽる。ポンプ室 17内において、各スクリュロータ 16の軸方向において隣り合うねじ山 16 aの部分の間には、不活性ガスのための作動室 25が形成される。これらの作動室 25 は、吸入口 24から排出口に向力つて、言い換えれば低圧側から高圧側に向力つて、不活性ガスを圧縮しながら移送する。

[0019] 前記各スクリュロータ 16は、当該スクリュロータ 16の螺旋条（つるまき線）を迪るのに従い連続的に変化するリード角（ねじれ角ともいう） Θを有している。なお、リード角 Θ は、スクリュロータ 16の軸線に対する螺旋条（ねじ山 16a及びねじ溝 16b)の傾き角として定義される。スクリュロータ 16は、吸入口 24 (吸入側）から排出口（排出側）へ向力つて次第に前記作動室 25の容積が減少するよう、最も吸入口 24寄りの部分におけるリード P1が最大となるように形成される一方、最も排出口寄りの部分におけるリード P4が最小となるように形成される。具体的には、スクリュロータ 16の最も吸入口 24 寄りの部分力軸方向における中途地点 mまでの第 1範囲（吸入側範囲）では、リードが最大のリード P1からそれよりも小さいリード P2へと次第に小さくなるように、リード角 Θが変化する。スクリュロータ 16の前記中途地点 m力も最も排出口寄りの部分までの第 2範囲 (排出側範囲)では、リードがリード P3からそれよりも小さいリード P4へと次第に短くなるように、リード角 Θが前記第 1範囲での変化態様とは異なる変化態様で変化する。なお、本実施形態ではスクリュロータ 16が一条ねじ歯車の形態をなしているので、スクリュロータ 16のリード、すなわち螺旋条（つるまき線）に沿ってスクリュロータ 16の軸線周りを一周したときに軸方向に進む距離は、ねじ山 16aのピッチに等しい

[0020] 図 2 (a)は、本実施形態におけるスクリュロータ 16のリード角 Θの変化態様を示すグラフである。図 2 (a)は、スクリュロータ 16の螺旋条 (つるまき線)の始端 (吸入側端部）力終端 (排出側端部）に至るまでの間におけるリード角 Θの変化を、スクリュロータ 1 6の軸線周りでの回転角度 Xを横軸として示している。図 2 (a)に示すように、吸入側端部から排出側端部に至るまでの螺旋条におけるリード角 Θの変化は、スクリュロータ 16の軸線周りでの回転角度 Xの関数 0 (X)として表すことができる。以下、この関数 θ (X)をリード角変化関数 0 (X)と称する。なお、図 2 (a)のグラフの横軸に関して、螺旋条の吸入側端部に対応する回転角度 Xが巻き始め角 0として定義され、前記中途地点 mに対応する回転角度 Xが切り換わり角 Mとして定義され、螺旋条の排出側端部に対応する回転角度 Xが巻き終わり角 Eとして定義されている。すなわち、スクリュロータ 16の軸線周りを周回しながら螺旋条をその吸入側端部から排出側端部まで迪つた場合において、螺旋条の吸入側端部に対応する回転角度 Xが巻き始め角 0として定義され、前記中途地点 mに至ったときの回転角度 Xが切り換わり角 Mとして定義され、螺旋条の排出側端部に至ったときの回転角度 Xが巻き終わり角 Eとして定義される。

[0021] 図 2 (a)に示すように、前記回転角度 Xが巻き始め角 0から巻き終わり角 Eに至るまでの間において、前記リード角変化関数 θ )は、変化態様の異なる複数 (図 2 (a) では 2つ）の変化関数 0 1 (X) , Θ 2 (X)の組み合わせにより構成される。言、換えれば、回転角度 Xが巻き始め角 0から巻き終わり角 Eに至るまでの間において、リード角 Θの変化は、変化態様の異なる複数の変化関数 0 1 (X) , Θ 2 (X)の組み合わせによつて表される。

[0022] 前記変化関数 θ 1 (X)は、巻き始め角 0から切り換わり角 Μまでの角度範囲に対応する第 1変化関数 (吸入側変化関数)であり、前記第 1範囲 (吸入側範囲）におけるリード角 Θの変化を表している。変化関数 θ 2 (χ)は、切り換わり角 Μ力も巻き終わり角 Εまでの角度範囲に対応する第 2変化関数 (吸入側変化関数)であり、前記第 2範囲 (排出側範囲）におけるリード角 Θの変化を表している。この第 2変化関数 θ 2 (χ)は、第 1変化関数 θ 1 (X)と比較して、リード角 Θの変化を緩や力な変化度合いで表している。第 1変化関数 0 l (x)及び第 2変化関数 0 2 (χ)の何れも、回転角度 Xが巻き始め角 0から巻き終わり角 Εに向かうにつれてリード角 Θを次第に増加させる単調増加関数である。

[0023] 図 2 (a)のグラフの縦軸に関して、 "DegS"は巻き始め角 0に対応する螺旋条の吸入側端部でのリード角、すなわち巻き始めリード角であり、 "DegM"は切り換わり角 M に対応する中途地点 mでのリード角、すなわち切り換わりリード角であり、 "DegE"は巻き終わり角 Eに対応する螺旋条の排出側端部でのリード角、すなわち巻き終わりリード角である。例えば、巻き始めリード角 DegSを 50度、切り換わりリード角 DegMを 7 0度、巻き終わりリード角 DegEを 80度に設定したとする。この場合、巻き始め角 0から切り換わり角 Mに至るまでの間に、リード角は 20度分だけ比較的急峻に単調増加する。一方、切り換わり角 M力も巻き終わり角 Eに至るまでの間においては、リード角は 10度分だけ比較的緩やかに単調増加する。

[0024] スクリュロータ 16の軸線周りを巻き始め角 0から巻き終わり角 Eまで周回した際に得られるリード合計は、前記第 1変化関数 Θ 1 )と前記第 2変化関数 Θ 2 )とを組み合わせてなるリード角変化関数 θ (X)に基づき、スクリュロータ 16の軸方向全長 Lとして求めることができる。即ち、図 2 (b)に示すように、スクリュロータ 16の前記第 1範囲における軸方向長さ、すなわち第 1軸方向長さ（吸入側軸方向長さ) L1は、巻き始め角 0から切り換わり角 Mまでの角度範囲に対応する第 1変化関数 Θ 1 (X)に基づき求められる。また、スクリュロータ 16の前記第 2範囲における軸方向長さ、すなわち第 2 軸方向長さ（排出側軸方向長さ） L2は、切り換わり角 Mから巻き終わり角 Eまでの角度範囲に対応する第 2変化関数 θ 2 (x)に基づき求められる。そして、前記両軸方向長さ LI, L2の合計がスクリュロータ 16の軸方向全長 Lとして求められる。

[0025] 前記第 1変化関数 Θ 1 )、前記第 2変化関数 Θ 2 )、及び、それら変化関数 θ 1

(X) , θ 2 (x)に基づき求められるスクリュロータ 16の軸方向全長 L (=L1 +L2)は、以下のような式により表すことができる。

[0026] まず、巻き始め角 0から切り換わり角 Mまでの角度範囲（0<xく M)に対応する第 1 変化関数 0 l (x)は下記式（1)で表すことができ、同式（1)における定数 klは下記式（2)で表すことができる。なお、式（2)における rは、スクリュロータ 16のピッチ円の半径である。

[0027] Θ l (x) =DegS + kl -x

kl = (DegM - DegS) / (2 π r · Μ) · '· (2)

いま仮に、図 2 (a)に実線で示す第 1変化関数 0 l (x)について、切り換わり角 M及び切り換わりリード角 DegMを変更せずに、巻き始めリード角 DegSを大きな値に変更したとする。この場合には、巻き始め角 0から切り換わり角 Mに至るまでの間におけるリード角 Θの変化度合いが、実線で示す第 1変化関数 Θ 1 (X)におけるそれよりも緩やかとなる。換言すると、ポンプ 11のガス圧縮特性を決定する吸入側カゝら排出側への作動室 25の容積の変化度合いが、スクリュロータ 16の第 1範囲において、実線で示す第 1変化関数 0 l (x)の場合のそれよりも緩や力となる。その逆に、図 2 (a)に実線で示す第 1変化関数 Θ 1 (X)について、巻き始めリード角 DegSを小さな値に変更したとする。この場合には、巻き始め角 0から切り換わり角 Mに至るまでの間におけるリード角 Θの変化度合いが、実線で示す第 1変化関数 Θ 1 (X)におけるそれよりも急なものとなる。換言すると、吸入側力排出側への作動室 25の容積の変化度合い力スクリュロータ 16の第 1範囲において、実線で示す第 1変化関数 0 l (x)の場合のそれよりも急なものとなる。

[0028] 一方、切り換わり角 M力巻き終わり角 Eまでの角度範囲（M<x<E)に対応する第 2変化関数 Θ 2 (X)は下記式（3)で表すことができ、同式（3)における定数 k2は下記式 (4)で表すことができる。

[0029] Θ 2 (x) =DegM + k2- (χ-Μ) · '· (3) k2 = (DegE - DegM) / ( 2 π r · E) "- (4)

いま仮に、図 2 (a)に実線で示す第 2変化関数 θ 2 (x)について、切り換わりリード角 DegMを変更せずに、巻き終わりリード角 DegEを大きな値に変更したとする。この場合には、切り換わり角 M力も巻き終わり角 Eに至るまでの間におけるリード角 Θの変化度合いが、実線で示す第 2変化関数 θ 2 (x)におけるそれよりも急なものとなる。換言すると、吸入側から排出側への作動室 25の容積の変化度合いが、スクリュロータ 1 6の第 2範囲において、実線で示す第 2変化関数 0 2 (X)の場合のそれよりも急なものとなる。その逆に、図 2 (a)に実線で示す第 2変化関数 θ 2 (x)について、巻き終わりリード角 DegEを小さな値に変更したとする。この場合には、切り換わり角 Mから巻き終わり角 Eに至るまでの間におけるリード角 Θの変化度合いが、実線で示す第 2変化関数 θ 2 (x)におけるそれよりも緩や力となる。換言すると、吸入側から排出側への作動室 25の容積の変化度合いが、スクリュロータ 16の第 2範囲において、実線で示す第 2変化関数 Θ 2 (X)の場合のそれよりも緩や力となる。

[0030] 次に、上記リード角変化関数（ θ 1 (χ) , Θ 2 (X) )から導かれる前記スクリュロータ 16 の軸方向全長 L (=L1 +L2)について説明する。

まず、巻き始め角 0から切り換わり角 Mまでの角度範囲（0<xく M)に対応する第 1 範囲における第 1軸方向長さ L1は、下記式（5)で表すことができる。

[0031] Ll=l/kl · log(sin(DegS+kl · 2 π r · M)/Sin(DegS)) - -- (5)

また、切り換わり角 M力巻き終わり角 Eまでの角度範囲（M<x<E)に対応する第 2範囲における第 2軸方向長さ L2は、下記式 (6)で表すことができる。

[0032] L2=l/k2 · log(sin(DegM+k2 · 2 π r · E)/Sin(DegM》 · · ·（6)

従って、上記式（5) , (6)に基づき、スクリュロータ 16の軸方向全長 L (=L1 +L2) を求めることができる。

[0033] 次に、上記のように構成されたポンプ 11の動作について説明する。

さて、前記電動モータ 22によって両回転軸 19が回転させられると、両回転軸 19と共に、互いに嚙み合う両スクリュロータ 16が回転し、外部力も不活性ガスが吸入口 24 を介してポンプ室 17内に吸引される。ポンプ室 17内に吸引された不活性ガスは、両スクリュロータ 16の回転に伴い各作動室 25内で圧縮されながら排出口に向けて移送され、当該排出口を介してポンプ室 17内から外部へ排出される。そのため、半導体製造プロセスにおいて、ウェハ（図示略）に対する各種処理を行う作業ルーム又は作業容器に吸入口 24を接続した状態でポンプ 11を作動させた場合には、当該作業ルームゃ作業容器内に清浄な真空環境が作り出される。

[0034] 一方、スクリュロータ 16は、次のようにして圧縮作用を行う。即ち、吸入口 24からポンプ室 17内に吸引された不活性ガスは、スクリュロータ 16の第 1範囲における作動室 25を移送される際に、当該作動室 25の容積変化度合いが比較的急であるため急激に圧縮される。その後、不活性ガスは、スクリュロータ 16の第 2範囲における作動室 25を移送される際には、当該作動室 25の容積変化度合いが比較的緩やかであるため緩やかに圧縮される。そのため、排出口の近傍において急激な圧力上昇が起こるような事態が回避され、排出口の近傍での局部的な温度上昇が抑制される。

[0035] スクリュロータ 16の軸方向全長 Lは、前記式（1)〜（6)に基づき定められる。このような前提において、当該軸方向全長 Lを変更することなぐポンプ 11のガス圧縮特性を決定する吸入側力も排出側への作動室 25の容積変化態様を変更する場合には、例えば図 2 (a)に示すように切り換わりリード角 DegMが変更される。なお、図 2 (a)の例では、巻き始め角 0、切り換わり角 M及び巻き終わり角 Eは変更されず、また巻き始めリード角 DegS及び巻き終わりリード角 DegEも変更されない。即ち、切り換わりリード角 DegMを、例えば、図 2 (a)に実線で示すリード角変化関数 θ (x)における値よりも小さな値 DegM'に変更した場合には、図 2 (a)に一点鎖線で示すように、第 1変化関数 0 1 (X)がより緩や力なリード角 Θの変化度合いを表すようになり、第 2変化関数 Θ 2 (X)がより急激なリード角 Θの変化度合いを表すようになる。この場合、図 2 (b)に一点鎖線で示すように、スクリュロータ 16の軸方向全長 L ( = L1， +L2' )は、切り換わりリード角 DegMを変更する前の軸方向全長 L ( = L1 +L2)と同じになる。また、切り換わりリード角 DegMを、例えば、図 2 (a)に実線で示すリード角変化関数 0 (x)における値よりも大きな値 DegM"に変更した場合には、図 2 (a)に二点鎖線で示すように、第 1変化関数 Θ 1 (X)がより急激なリード角 Θの変化度合いを表すようになり、第 2変化関数 0 2 (X)がより緩やかなリード角 Θの変化度合いを表すようになる。この場合においても、図 2 (b)に二点鎖線で示すように、スクリュロータ 16の軸方向全長 L ( = L1 " + L2")は、切り換わりリード角 DegMを変更する前の軸方向全長 L ( = L1 +L2)と同じになる。このように、変化態様の異なる複数の変化関数 0 1 (X) , Θ 2 (X)の組み合わせでリード角変化関数 θ (X)を構成すれば、スクリュロータ 16の軸方向全長 Lを変更できない事情がある場合でも、巻き始め角 0から巻き終わり角 Eに至るまでの間におけるリード角 Θの変化態様を変更することにより、ポンプ 11の圧縮特性を変更可能となる。

[0036] 一方、第 1変化関数 θ l (x)と第 2変化関数 Θ 2 )とを変更することなぐ前記スクリュロータ 16の軸方向全長 Lを変更する場合には、例えば図 3 (a)に示すように切り換わり角 Mが変更される。なお、図 3 (a)の例では、巻き始め角 0及び巻き終わり角 Eは変更されず、また巻き始めリード角 DegSも変更されない。即ち、切り換わり角 Mを、例えば図 3 (a)に一点鎖線で示すように小さな値 M'に変更した場合は、第 1及び第 2 変化関数 0 1 (X) , Θ 2 (X)によってそれぞれ表されるリード角 Θの変化度合!、が変わらない状態で、切り換わりリード角 DegM及び巻き終わりリード角 DegEが小さくなる。その結果、この場合には、図 3 (b)に一点鎖線で示すように、スクリュロータ 16の軸方向全長 Lが大きな値 L'に変更される。また、切り換わり角 Mを、例えば図 3 (a)に二点鎖線で示すように大きな値 M"に変更した場合は、第 1及び第 2変化関数 θ l (x ) , Θ 2 (X)によってそれぞれ表されるリード角 Θの変化度合いが変わらない状態で、切り換わりリード角 DegM及び巻き終わりリード角 DegEが大きくなる。その結果、この場合には、図 3 (b)に二点鎖線で示すように、スクリュロータ 16の軸方向全長 Lが小さな値 L"に変更される。このように、リード角変化関数 θ (X)を構成する複数の変化関数 0 1 (χ) , Θ 2 (χ)自体を変更せずに、切り換わり角 Μを変更することにより、スクリュロータ 16の軸方向全長 Lを任意に変更することも可能となる。

[0037] 上記実施形態は、以下の利点を有する。

(1)本実施形態では、巻き始め角 0から巻き終わり角 Εに至るまでの間において、スクリュロータ 16におけるリード角 Θの変化が、変化態様の異なる複数の変化関数 0 1 (X) , Θ 2 (X)を組み合わせてなるリード角変化関数 θ (X)で表される。そのため、複数の変化関数 0 1 (X) , Θ 2 (X)の組み合わせ方次第で、リード角 Θの変化態様を任意に設定できる。従って、組み合わされる複数の変化関数 0 1 (X) , Θ 2 (X)に基づくリード角 Θの変化態様によって導かれる圧縮特性 (作動室 25の容積の変化態様)を、スクリュロータ 16の軸方向全長 Lとの関係において任意に設定でき、圧縮対象となる不活性ガス (流体)の種類に応じて、圧縮効率が最適となるように設定できる。

[0038] (2)リード角 Θの変化度合いは、スクリュロータ 16における第 2範囲の方が第 1範囲よりも緩や力となっている。言い換えれば、ポンプ 11の圧縮特性を決定する作動室 2 5の容積変化度合いは、スクリュロータ 16における第 2範囲の方が第 1範囲よりも緩や力となっている。そのため、ポンプ 11の作動時において、作動室 25の容積変化度合いがポンプ 11の排出口の近傍では緩やかになる。従って、排出口の近傍での急激な圧力上昇及び当該圧力上昇に起因した局部的な温度上昇を良好に回避することができる。

[0039] (3)リード角変化関数 θ (X)を構成する第 1及び第 2変化関数 θ 1 (χ) , θ 2 (χ)の各々は、回転角度 Xが巻き始め角 0から巻き終わり角 Εに向力につれてリード角 Θを次第に増加させる単調変化関数である。そのため、スクリュロータ 16におけるリードは、巻き始め角 0から巻き終わり角 Εへと向力つて単調に減少する。従って、ポンプ室 1 7内で一対のスクリュロータ 16が互いに嚙み合いながら回転する際において、両スクリュロータ 16の回転負荷が少ないものとなり、ポンプ 11の良好な圧縮動作を実現することがでさる。

[0040] (4)ポンプ 11での圧縮対象となる不活性ガスの種類に応じて、ポンプ 11の圧縮特性 (作動室 25の容積変化態様)を変更することが要求される場合がある。そのような場合、本実施形態では、スクリュロータ 16の軸方向中途地点 mに対応する切り換わり角 Mでの切り換わりリード角 DegMが変更される。その結果、スペース的に制約のあるポンプ室 17内に収納されるスクリュロータ 16の軸方向全長 Lを変更することなぐ容易にポンプ 11の圧縮特性を変更でき、各種の不活性ガスを最適な圧縮効率で圧縮且つ移送できる。

[0041] (5)ポンプ室 17の容積を変更する場合等において、ポンプ 11の圧縮特性 (作動室 25の容積変化態様)を変更することなぐスクリュロータ 16の軸方向全長 Lを変更することが要求される場合がある。そのような場合、本実施形態では、 2つの変化関数 θ 1 (χ) , Θ 2 (X)が切り換わる境界となる回転角度 x、即ち、切り換わり角 Mが変更される。なお、このとき、切り換わり角 Mの変更に伴い切り換わりリード角 DegMも変更される。その結果、ポンプの圧縮特性自体を変更することなぐスクリュロータ 16の軸方向全長 Lを容易に変更することができる。

[0042] なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

スクリュロータ 16の回転に伴いポンプ室 17内を圧縮されながら移送される流体は不活性ガスおガス等）以外のガス、例えば冷媒ガスでもよぐまた、作動油等の液体

2

であってもよい。また、本発明のスクリュ式ポンプは、真空ポンプ以外のポンプにも適用できる。

[0043] リード角変化関数 θ (X)を構成するために組み合わされる複数の変化関数 Θ 1 (X) , θ 2 (x)は、単調増加関数に限らず、 2次関数や n次関数又は指数関数等であってちょい。

[0044] リード角変化関数 θ (X)を構成するために組み合わされる変化関数 0 1 (X) , Θ 2 ( X)の数は、複数であれば 2つに限らず 3つ以上でもよい。

リード角変化関数 θ (X)を構成するために組み合わされる変化関数 Θ 1 (χ) , Θ 2 ( χ)について、図 2 (a)に実線で示すものとは異なり、第 1変化関数 0 1 (χ)の方が第 2 変化関数 0 2 (X)よりもリード角 Θの変化を緩やかな変化度合で表すようにしてもよい

[0045] リード角変化関数 θ (X)を構成するために組み合わされる複数の関数について、例えば 2つの関数の組み合わせとする場合、一方の関数をリード角 Θが連続的に変化する状態を表す変化関数とし、他方の関数をリード角 Θが連続的に変化しない状態を表す関数としてもよい。即ち、スクリュロータ 16は、螺旋条（つるまき線)の始端（吸入側端部)から終端 (排出側端部）に至るまでの間において、リード角 Θが連続的に変化する部分を少なくとも一部有して、ればよ、。

Claims

請求の範囲

[1] 螺旋条の始端力終端に至るまでの間においてリード角が連続的に変化する部分を有するねじ歯車であって、

前記ねじ歯車の軸線周りでの回転角度に関して、前記螺旋条の始端に対応する回転角度である巻き始め角から、前記螺旋条の終端に対応する回転角度である巻き終わり角に至るまでの間における前記リード角の変化を、リード角変化関数として表した場合、当該リード角変化関数が変化態様の異なる複数の変化関数の組み合わせにより構成されることを特徴とするねじ歯車。

[2] 前記巻き始め角と前記巻き終わり角との間における所定の回転角度が切り換わり角として設定され、前記リード角変化関数は、前記巻き始め角から前記切り換わり角までの角度範囲に対応する第 1変化関数と、前記切り換わり角から前記巻き終わり角までの角度範囲に対応する第 2変化関数とを含み、前記第 2変化関数の方が前記第 1 変化関数よりも、リード角の変化を緩や力な変化度合いで表すことを特徴とする請求項 1に記載のねじ歯車。

[3] 前記リード角変化関数を構成する複数の変化関数の各々は、前記回転角度が前記巻き始め角力前記巻き終わり角に向かうにつれてリード角を次第に増加させる単調変化関数であることを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載のねじ歯車。

[4] X：回転角度、 0 :巻き始め角、 E :巻き終わり角、 M :巻き始め角 0と巻き終わり角 Eとの間に設定される回転角度 Xである切り換わり角、 DegS :巻き始め角 0でのリード角である巻き始めリード角、 DegE :巻き終わり角 Eでのリード角である巻き終わりリード角、 DegM :切り換わり角 Mでのリード角である切り換わりリード角、 0 l (x)：卷き始め角 0から切り換わり角 Mまでの角度範囲（0<xく M)におけるリード角の変化を表す変化関数、 θ 2 (x)：切り換わり角 M力巻き終わり角 Eまでの角度範囲（M<x<E) におけるリード角の変化を表す変化関数、 kl, k2 :定数、 r:ねじ歯車のピッチ円の半径、 L:ねじ歯車の軸方向全長、 Ll : 0<x< Mの角度範囲に対応するねじ歯車の軸方向長さ、 L2 : M<x<Eの角度範囲に対応するねじ歯車の軸方向長さ、とした場合、以下の式が成立することを特徴とする請求項 1に記載のねじ歯車。

Θ l (x) =DegS + kl - x (但し、 0く Xく M) kl = (DegM DegS) Z (2 π r · M)

Θ 2 (x) =DegM + k2- (χ-M) (但し、 M<x<E)

k2 = (DegE— DegM) Z ( 2 π r · E)

Ll=l/kl · log(sin(DegS+kl · 2 π r · M)/Sin(DegS))

L2=l/k2 · log(sin(DegM+k2 · 2 π r · E)/Sin(DegM》

L = L1 +L2

互いに嚙み合う一対のねじ歯車と両ねじ歯車を収納するポンプ室とを備え、両ねじ歯車が互いに嚙み合いながら回転することによって、ポンプ室内に吸入された流体が当該ポンプ室内で圧縮されながらねじ歯車の軸方向に移送されるスクリュ式ポンプ装置において、前記各ねじ歯車は請求項 1〜請求項 4の何れか一項に記載のねじ歯車にて構成され、各ねじ歯車の軸方向において隣り合うねじ山の部分の間には、流体を圧縮するための作動室が形成されることを特徴とするスクリュ式ポンプ装置。