(57)【要約】【課題】コンパクトな構造でプロセスガスが軸受側に侵入することのない多段式ドライポンプを提供すること。【解決手段】複数のポンプ室８，９，１０，１１を備えるハウジング２と、各々にポンプ室８，９，１０，１１内で互いに逆方向に回転するロータ１２，１３，１４，１５が付設された２本の回転軸１６，１６’と、ハウジング２に付設され回転軸１６，１６’を支持する各々一対の軸受２４，２４’とを有する多段式ドライポンプであって、ポンプ室８，８’と軸受２４，２４’との間に少なくとも１つの羽根車内包室２９，２９’が形成され、両側表面が羽根車内包室の内壁３０，３０’，３１，３１’と微小の間隙を介するように、回転軸１６，１６’に付設された少なくとも１つの羽根車２６，２６’を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のポンプ室を備えるハウジングと、各々にポンプ室内で互いに逆方向に回転するロータが付設された２本の回転軸と、ハウジングに付設され回転軸を支持する各々一対の軸受とを有する多段式ドライポンプにおいて、
前記ポンプ室と前記軸受との間に、少なくとも１つの羽根車内包室が形成され、
前記羽根車内包室の内壁と所定の間隙を介するように、前記回転軸に付設された少なくとも１つの羽根車を有することを特徴とする多段式ドライポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載する多段式ドライポンプにおいて、
前記羽根車のポンプ室側表面に、回転方向に対して中心部から外周部に向かった外向きの螺旋状の溝を形成したことを特徴とする多段式ドライポンプ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する多段式ドライポンプにおいて、
前記羽根車の軸受側表面に、回転方向に対して外周部から中心部に向かった内向きの螺旋状の溝を形成したことを特徴とする多段式ドライポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多段式ドライポンプの排気性能を落とすことなく、軸受等がプロセスガスにより腐食されるのを防止できる多段式ドライポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特許文献１の図２に示されるように、楕円形状の空間であるポンプ室内に、２つの同じ断面形状のロータが各々回転軸に取り付けられたものを多段有するルーツ式多段式ドライポンプが知られている。ロータ同士の間、ロータとハウジング内壁との間には、わずかな間隙が設けられており、ロータは無潤滑で回転する。ロータは互いに逆方向に回転し、吸入口から取り入れた気体をオイルフリーのクリーンな状態のまま大気に放出する。
【０００３】
ロータの各回転軸は、吸気口側ハウジングと大気排気側ハウジングに設けられた一対の軸受で回転可能に支持されている。１つの回転軸の端部がモータに接続されている。回転軸の他端部は、もう一つの回転軸とタイミングギアにより連結され、回転軸は互いに逆方向に回転する。
このようなドライ真空ポンプでは、逆流量が常に一定量あるため、ある程度回転数を上げないと高い真空度を得ることができない。そのためのロータは、通常３０００ｒｐｍ以上の高速で回転される。そのため、軸受やタイミングギアは、潤滑油やグリースにより潤滑する必要がある。
【０００４】
そして、潤滑油等がポンプ室内に侵入することを防止するために、ポンプ室と軸受との間に、オイルシール、メカニカルシール、樹脂シール等の接触式シールを用いたり、また、ラビリンスシール等の非接触式シールを用いている。潤滑油等がポンプ室内に侵入すると、ポンプ停止時に真空チャンバに逆流する恐れがあり、それを防止するためである。
しかし、接触式シールの場合は、軸の回転が高速なため、シール部材の摩耗の問題、摩擦によるメカロスの問題、シール部材から発生した有機成分やアウトガスがポンプ室に侵入する問題があり、真空度の低下やクリーン度の低下をもたらしていた。
また、非接触式シールの場合は、軸とシール部材との間の間隙から、モータのステータの樹脂モールド部から発生する有機成分やアウトガスがポンプ室内に侵入する問題、高速化すると潤滑油等の蒸気圧が高くなり、潤滑油等の蒸気がポンプ室内に侵入する恐れがあるためポンプ室内で高い真空度を得ることが困難となる問題があった。以上が、第１の問題である。
【０００５】
一方、上記問題とは別に、排気されるプロセスガスが、反応性や腐食性の高いガスである場合、排気ガスが軸受側や潤滑油側に侵入し、軸受や潤滑油の劣化、ひいてはモータの損傷を引き起こす恐れがある。この問題に対しては、周知のように、非接触式シールの軸受側空間に窒素ガス等のパージガスを供給する方法がある。しかし、この方法を採用すると、パージガスがポンプ室内に漏れるため、ポンプ性能を落とし真空度が劣化する問題がある。これが、第２の問題である。第２の問題を解決するために、特許文献１の図１では、吸入口側から離れた位置で回転軸を支持する軸受部を設けることが提案されている。また、特許文献１の図４では、２つの軸受間に２つのポンプを設け、排気口を軸受側に吸入口を２つのポンプの間に設けることが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４−３１１６９６号公報（図２、図４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術には、次のような問題があった。
（１）図１に示された技術では、ロータが排気口側軸受だけの片持ち状態のため、ロータを高速で回転させたときに、振動が大きくなる問題があった。同様に、図４に示された技術では、構造が複雑かつ大型となり、また軸受間の距離が長くなるため、高速で回転させたときに、振動が大きくなる問題があった。
【０００８】
（２）ポンプのモータが突然停止して回転軸か停止するという緊急事態が発生したときに、ポンプ室内の圧力は急速に高くなる。そのため、ポンプ室内のプロセスガスが軸受側に流れ込む恐れがあり、流れ込んだプロセスガスが軸受やモータのステータ等を損傷する恐れがあった。
また、上記の内容と反対の現象として、ステータの樹脂モールドから発生するアウトガスやパーティクルが、ポンプ室側に流れ込み、さらに上流に流れる可能性もあった。
（３）従来技術で説明した第１の問題と第２の問題は、解決策が相反するものであり、両方の問題を同時に解決することは、困難であった。
【０００９】
本発明は、上述した第１及び第２の問題点を同時に解決するためになされたものであり、コンパクトな構造でプロセスガスが軸受側に侵入することのない多段式ドライポンプを提供することを目的とする。
より具体的には、本発明の目的は、反応性ガスや腐食性ガスを廃棄する場合に、軸受、軸封、モータ内部を保護するためにパージガスを供給しても、ポンプ室の真空度に影響を与えることのない多段式ドライポンプを提供することと、軸受のグリースや潤滑油、モータのステータモールド等から発生するアウトガスや有機成分がポンプ室を経由して真空室に逆流することを防止することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明の多段式ドライポンプは、次のような構成を有している。
（１）複数のポンプ室を備えるハウジングと、各々にポンプ室内で互いに逆方向に回転するロータが付設された２本の回転軸と、ハウジングに付設され回転軸を支持する各々一対の軸受とを有する多段式ドライポンプであって、ポンプ室と前記軸受との間に少なくとも１つの羽根車内包室が形成され、羽根車内包室の内壁と所定の間隙を介するように、回転軸に付設された少なくとも１つの羽根車を有する。
少なくとも１つの羽根車と、少なくとも１つの羽根車内包室とは、モータと回転軸との間にある軸受と、ポンプ室との間にあることが望ましい。しかし、他の軸受とポンプ室との間にあっても同じ作用・効果を奏し得る。
【００１１】
（２）（１）に記載する多段式ドライポンプにおいて、前記羽根車のポンプ室側表面に、回転方向に対して中心部から外周部に向かった外向きの螺旋状の溝を形成したことを特徴とする。
（３）（１）または（２）に記載する多段式ドライポンプにおいて、前記羽根車の軸受側表面に、回転方向に対して外周部から中心部に向かった内向きの螺旋状の溝を形成したことを特徴とする。
【００１２】
上記構成を有する本発明の多段式ドライポンプは、次のように作用する。
羽根車のポンプ室側表面に形成された外向きの螺旋状の溝は、回転方向に対して中心部から外周部に向かって形成されているので、羽根車が回転したときに、モレキュラードラッグポンプとして作用し、螺旋状の溝内の分子をポンプ室から吸引して、外周を介して軸受側に流す作用を行う。
また、羽根車の軸受側表面に形成された内向きの螺旋状の溝は、回転方向に対して外周部から中心部に向かって形成されているので、羽根車が回転したときに、モレキュラードラッグポンプとして作用し、螺旋状の溝内の分子を軸受側に押し出す作用を行う。
なお、羽根車内包室の内壁と羽根車との間の所定の隙間はは、羽根車が回転したときに、モレキュラードラッグポンプとして作用する程度に微小な隙間とすることができる。
【００１３】
ここで、モレキュラードラッグポンプとは、日本真空工業会編「真空用語辞典」によれば、「分子流領域にある気体は、気体分子相互の衝突よりも分子と壁との衝突の頻度が高く、壁が特定方向の速度を持つ場合には、気体分子に壁の速度方向の運動量を与えることができる。この原理を利用したポンプをモレキュラードラッグポンプと呼ぶ。」と定義されている。
【００１４】
両表面の螺旋状の溝も、ポンプ室の真空度が高いときには、ポンプ室から軸受へ分子の流れを形成させる。羽根車の両側表面に螺旋状の溝を形成した方が、効果は大きいが、どちらか一方にのみ螺旋状の溝を形成しても効果は期待できる。これにより、通常の運転状態でポンプ室が真空になっているときに、ポンプ室内に羽根車内包室側から流れがないので、ポンプ室内の真空を従来技術と比較してより高真空にできる。また、羽根車を介してポンプ室から軸受側に流れるプロセスガスの量は微量であるので、軸受等が損傷を受ける恐れがない。また当然、軸受側からグリス等がポンプ室側に流れる可能性は全くない。
【００１５】
一方、緊急事態によりポンプのモータが停止して回転軸が停止した場合、羽根車がモレキュラードラッグポンプとして作用しているので、羽根車内包室内の圧力は、高い圧力となっている。そして、羽根車と羽根車内包室の内壁との間は微小な間隙しかないので、圧力はある程度の時間維持される。
そのため、ポンプ室からプロセスガスが軸受側に流れ出るのを防止することができる。また、軸受側からアウトガス等がポンプ室に流れ込むのも防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は、４段式ドライポンプの中央断面図を示し、図２に図１のＣＣ断面図を示す。
ドライポンプのハウジングは、２本の回転軸１６、１６’の２本の軸心を含む平面で、上部ハウジング２と下部ハウジング２’とに２分割されている。ハウジング２，２’内には、ポンプ本体吸気口３からポンプ本体排気口４に至る間に、隔壁５，６，７で区切られた第１段ポンプ室８、第２段ポンプ室９、第３段ポンプ室１０、第４段ポンプ室１１が形成されている。各ポンプ室内には、２つの回転軸１６，１６’上に、一対の第１段ロータ１２，１２’、第２段ロータ１３，１３’、第３段ロータ１４，１４’、第４段ロータ１５，１５’の各４個のロータが各々内包されている。各段のポンプ室８，９，１０，１１は、気体移送通路１７，１８，１９で各々が連通されており、４段で排気する構成になっている。
【００１７】
上部ハウジング２では、ポンプ本体吸気口３が第１段ポンプ室８の吸気口に連通し、下部ハウジング２’では、ポンプ本体排気室４が第４段ポンプ室１１の排気口と連通している。上部ハウジング２と下部ハウジング２’とは、吸気口側サイドカバー２２、及び排気側サイドカバー２３と一体となって、各段ポンプ室８，９，１０，１１を内包している。
２本の回転軸１６，１６’は、吸気口サイドカバー２２に固定された軸受２４，２４’と、排気口サイドカバー２３に固定された軸受２５，２５’とで各々支持されている。一方の回転軸１６の端部がモータ１２に接続されている。回転軸１６，１６’は、軸受２５，２５’の外側で、タイミングギア２１，２１’により接続され、一対の各ロータ１２，１２’と、１３，１３’と、１４，１４’と、１５，１５’とは、各々１８０度の位相差をもって逆回転される。
これにより、各ポンプ室８，９，１０，１１で吸気・排気が行われ、全体として、ポンプ本体吸気口３から吸気された気体は、ポンプ本体排気口４から大気中に排気される。
【００１８】
モータ２０の内部は図示しないが、図１のように吸入口３側に配置される場合は、ステータ側をモールドタイプにして気密性を保つか、またはステータとロータとの間に隔離板を設けたいわゆるキャンドモータ構成となって気密性を保っている。
また、軸受２４，２４’と第１段ポンプ室８，８’の間には、軸受側からポンプ本体１の外部から窒素ガス等の希釈ガスを供給するパージガス供給口３２，３２’と、非接触シールリング３３，３３’と、回転軸１６，１６’上に固設された羽根車２６，２６’を内包する羽根車内包室２９，２９’が各々形成されている。
ここで、軸受２５，２５’として本実施の形態では、蒸気圧の低いフッ素系のグリース潤滑タイプのものを使用しているが、はねかけ等の潤滑油供給方式を採っても良い。また、非接触シールリング３３，３３’として本実施の形態では、断面矩形のリングを使用しているが、ラビリンスタイプやメカニカルシールタイプのものを使用しても良い。また、はねかけ等の潤滑油タイプを使用するときは、オイルシール等の接触タイプを使用しても良い。
【００１９】
図３は、図１のＡＡ断面図である。図４は、図１のＢＢ断面図である。
羽根車２６，２６’の表面には、図３及び図４に示す螺旋状の溝である螺旋溝２７，２７’，２８，２８’が形成されている。すなわち、図３に示すように、羽根車２６，２６’の第１段ポンプ室５，５’側の端面には、羽根車２６，２６’の回転方向（図中矢印で示す。）に対して、羽根車の中心部から外周部に向かって、回転方向と同じ向きに外向きの螺旋溝２７，２７’が１条形成されている。本実施の形態では、１条としているが複数条の螺旋溝を形成しても良い。
また、図４に示すように、羽根車２６，２６’の非接触シール３３，３３’側の端面には、羽根車２６，２６’の回転方向（図中矢印で示す。）に対して、羽根車の外周部から中心部に向かって、回転方向と同じ向きに内向きの螺旋溝２８，２８’が１条形成されている。本実施の形態では、１条としているが複数条の螺旋溝を形成しても良い。
羽根車２６，２６’の第１ポンプ室５，５’側の端面は、羽根車内包室２９，２９’の第１ポンプ室側壁面３０，３０’と微小な間隙を介して相対している。また、羽根車２６，２６’の非接触シールリング３３，３３’側の端面は、羽根車内包室２９，２９’の非接触シールリング側壁面３１，３１’と微小な間隙を介して相対している。
【００２０】
次に、上記構成を有する多段式ドライポンプの作用を説明する。
図１において、排気気体はポンプ本体吸気口３から吸引される。吸引された排気気体は、モータ２０とタイミングギア２１，２１’により逆方向に１８０度位相をずらして回転される第１段ロータ１２，１２’の作用によって、第１段ポンプ室８，８’内で圧縮され、気体移送通路１７，１７’を介して第２段ポンプ室９，９’に移送される。以下同様にして、第２段ロータ１３，１３’、第３段ロータ１４，１４’、及び第４段ロータ１５，１５’の作用により、順次排気気体が圧縮して移送され、最終的には、ポンプ本体排気口４からポンプ外へ排出される。これにより、ポンプ本体吸気口３に接続される空間から気体を排出して、その空間を真空とする。
【００２１】
本実施の形態では、多段式ドライポンプとして４段式のものを説明したが、５段式、６段式等でも同じである。一般に、段が増えるほど、到達できる真空度は高くなり、数Ｐａから数十Ｐａを得ることが可能となる。
また、排気気体が、気体の圧縮過程で凝縮したり、析出物を生成するような反応ガスの場合や腐食性ガスの場合には、パージガス供給口３２，３２’より、窒素ガスを供給して、反応ガスや腐食性ガスを希釈するして、ポンプ室、軸受、軸封、モータ内部等を保護している。
【００２２】
次に、本発明の主要部の作用を説明する。
回転軸１６，１６’の回転に伴い、羽根車２６，２６’も回転する。回転方向は、軸受２４，２４’側から見れば図３に示すように、時計回りであり、第１段ポンプ室８，８’側から見れば図４に示すように、反時計回りである。
始めに、図３で示す第１段ポンプ室８，８’側の端面に形成されている螺旋溝２７，２７’の作用を説明する。
真空ポンプとして稼働している場合、通常状態でポンプ本体吸気口３付近の気体の流れは、中間流または分子流となっている。そのため、螺旋溝２７，２７’で構成される圧縮ポンプは、ジグバーンポンプ（モレキュラードラッグポンプとも言う。）として、高い圧縮比をもって圧縮作用を行う。すなわち、螺旋溝２７，２７’は、回転方向に対して中心部から外周部に向かって外向きに形成されているので、羽根車２６，２６’が回転したときに、モレキュラードラッグポンプとして作用すると、螺旋状の溝内の分子を第１段ポンプ室８，８’から吸引して、羽根車２６，２６’の外周を介して軸受２４，２４’側に流す作用を行う。
【００２３】
次に、図４で示す軸受２４，２４’側の端面に形成されている螺旋溝２８，２８’の作用を説明する。
螺旋溝２８，２８’は、回転方向に対して外周部から中心部に向かって内向きに形成されているので、羽根車２６，２６’が回転したときに、モレキュラードラッグポンプとして作用すると、螺旋状の溝内の分子を軸受２４，２４’側に流す作用を行う。
螺旋溝２７，２７’と螺旋溝２８，２８’とは、共にモレキュラードラッグポンプとして作用すると、第１段ポンプ室８，８’から軸受２４，２４’側に分子を流す作用を行う。
【００２４】
そして、パージガス供給口３２，３２’から微少量の窒素ガスが常に供給されており、螺旋溝２７，２７’と螺旋溝２８，２８’とがモレキュラードラッグポンプとして分子を流す量は微少量なので、軸受２４，２４’やモータ２０が反応ガスや腐食性ガスで浸食されることがない。
一方、羽根車内包室２９，２９’の圧力は高いので、窒素ガスが第１段ポンプ室８，８’に流れ込むことがなく、第１段ポンプ室８，８’の真空度に影響を与えることがない。
螺旋溝２７，２７’と螺旋溝２８，２８’との圧縮作用は、中間流及び分子流領域で顕著であり、本実施の形態では、例えば１０以上の高い圧縮比を得ることができる。
これにより、一般の多段式ドライポンプでは、到達圧力が通常数Ｐａから数十Ｐａであるのに比較して、本実施の形態の多段式ドライポンプでは、０．１Ｐａのオーダーの真空度を容易に得ることができる。
【００２５】
また、非接触式シール３３，３３’では、通常５０ｍｌ／ｍｉｎ程度の漏れを想定している。通常の稼働時には問題がないが、例えば、モータが急に停止した場合に、従来のドライポンプでは、パージガスの流れにより、ステータモールドや軸受グリースから発生するアウトガスやパーティクルがポンプ室内に流れ込み、最悪の場合、真空チャンバまで逆流する恐れがあった。
しかし、本実施の形態によれば、螺旋溝２７，２７’と螺旋溝２８，２８’との圧縮作用により、羽根車内包室２９，２９’の内圧が十分高いので、パージガスがポンプ室に流れ込みにくいため、アウトガスやパーティクルがポンプ室内に流れ込む危険性が少ない。
特に、モレキュラードラッグポンプの特性として知られているように、分子量の大きい気体ほど高い圧縮比を持つので、潤滑油やグリースから発生する分子量の大きいアウトガスや有機成分は、羽根車内包室２９，２９’に流れ込むことが困難である。
【００２６】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の多段式ドライポンプによれば、ポンプ室８，８’と軸受２４，２４’との間に少なくとも１つの羽根車内包室２９，２９’が形成され、両側表面が羽根車内包室の内壁３０，３０’，３１，３１’と微小の間隙を介するように、回転軸１６，１６’に付設された少なくとも１つの羽根車２６，２６’を有するので、通常の運転状態でポンプ室８，８’が真空になっているときに、ポンプ室８，８’内に羽根車内包室２９，２９’側から流れがないので、ポンプ室８，８’内の真空を従来技術と比較してより高真空にできる。また、羽根車２６，２６’を介してポンプ８，８’室から軸受２４，２４’側に流れるプロセスガスの量は微量であるので、軸受２４，２４’等が損傷を受ける恐れがない。また当然、軸受２４，２４’側からグリス等がポンプ室側に流れる可能性は全くない。
【００２７】
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、色々な変形が可能である。
例えば、本実施の形態では、図３における螺旋溝２７，２７’を１条の螺旋形状としているが、図５に示すように、複数本の円弧状の溝２７ａ，２７’ａとしても良い。同様に、図４における螺旋溝２８，２８’を１条の螺旋形状としているが、図６に示すように、複数本の円弧状の溝２８ａ，２８’ａとしても良い。また、本実施の形態では、モータ側の軸受とポンプ室との間に適用したが、タイミングギア側の軸受とポンプ室との間に適用しても良い。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の多段式ドライポンプによれば、ポンプ室と軸受との間に少なくとも１つの羽根車内包室が形成され、羽根車内包室の内壁と所定の間隙を介するように、回転軸に付設された少なくとも１つの羽根車を有するので、通常の運転状態でポンプ室が真空になっているときに、ポンプ室内に羽根車内包室側から流れがないので、ポンプ室内の真空を従来技術と比較してより高真空にできる。
また、羽根車を介してポンプ室から軸受側に流れるプロセスガスの量は微量であるので、軸受等が損傷を受ける恐れがない。また当然、軸受側からグリス等がポンプ室側に流れる可能性は全くない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多段式ドライポンプの構成を示す中央断面図である。
【図２】図１のＣＣ断面図である。
【図３】図１のＡＡ断面図である。
【図４】図１のＢＢ断面図である。
【図５】別の実施の形態の羽根車２６，２６’に形成された螺旋溝２７，２７’の形状を示す図である。
【図６】別の実施の形態の羽根車２６，２６’に形成された螺旋溝２７，２７’の形状を示す図である。
【符号の説明】
８，８’      第１段ポンプ室
１２，１２’  第１段ロータ
２４，２４’  軸受
２６，２６’  羽根車
２７，２７’  ポンプ室側螺旋溝
２８，２８’  非接触シール側螺旋溝
２９，２９’  羽根車内包室
３０，３０’  羽根車内包室のポンプ側壁面
３１，３１’  羽根車内包室の非接触シール側壁面
３３，３３’  非接触シールリング
【図１】
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【図２】
2004293377.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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