JP2005098210A - 多段ドライポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータロックが発生することを抑制でき、プロフィールが複雑であり加工に高い精度が要求されるロータを加工しやすくして製造コストを低減できる多段ドライポンプを提供する。
【解決手段】多段ドライポンプ１は、複数のポンプ室をもつポンプハウジング２と、ポンプハウジング２に保持された回転軸１６と、回転軸１６に一体的に配設され回転軸１６の軸長方向に沿って並設状態に担持した複数のロータ１２〜１５とからなるロータ回転部材３４とを有する。ロータ回転部材３４のうち回転軸１６は、線膨張係数が６×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料を基材として形成されている。ロータ回転部材３４のうちロータ１２〜１５は、回転軸１６よりも加工性がよい材料、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、炭素鋼等を基材として形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は回転軸の軸長方向において複数のロータを並設状態に担持したロータ回転部材を備えた多段ドライポンプに関する。ドライポンプはポンプ室に潤滑油を使用することを抑えつつ減圧状態を形成するポンプである。

多段ドライポンプは、並設された複数のポンプ室をもつポンプハウジングと、複数のポンプ室に架設された二個一対のロータ回転部材とを有する。ロータ回転部材は、ポンプハウジングに回転可能に保持された回転軸と、回転軸の軸長方向において並設状態に担持された複数のロータとを有する（特許文献１、２）。

上記した多段ドライポンプによれば、具体的には、二個一対のロータ回転部材をポンプ室内に配置するとともに、二個一対のロータ回転部材を互いに逆方向に高速で回転させ、ポンプハウジングの主吸気口から取り入れた気体を多段に圧縮し、主排気口から大気中に排出させる。

ここで、二個一組のロータ回転部材のうちロータ同士の間、ロータとポンプハウジングの内壁面との間に、わずかな隙間を保ちながら、ロータが回転する。このような多段ドライポンプによれば、到達真空度や排気速度等のポンプの性能を良くするためには、この隙間をできる限り小さく保つことが好ましい。
特開平５−１８３７９号公報 特開平８−２９６５５７号公報

上記した多段ドライポンプによれば、ポンプ室の内部を比較的高い温度に保持してポンプを運転することが好ましいことがある。例えば、半導体製造工程、液晶部品製造工程等においては、反応生成物を析出しやすい気体、凝縮性気体等の気体を主吸引口から吸引して主排気口から排気することがある。この場合には、ポンプ内部でそれらの気体が液化または固体化しないように、気体のままポンプのポンプ室内を通過させることが好ましい。気体の液化または固体化がポンプ室内で生じると、ロータの円滑回転性が損なわれるおそれがある。気体の液化または固体化を抑制するためには、ポンプ室の内部を比較的高い温度に保持することが好ましい。

しかしながらポンプ室の内部を比較的高い温度に保持するようにポンプを運転すると、凝縮性気体や反応生成物を析出しやすい気体の液化または固体化は抑えられるものの、気体の圧縮熱の影響で、ロータ回転部材及びポンプハウジングの温度が上昇する。殊に、ポンプ室内部に架設されているため高温になりがちなロータ回転部材の温度は、ポンプハウジングの外面側よりも上昇する。そして熱膨張によって、前記した隙間が小さくなる。

これによりポンプハウジングのポンプ室の内壁面にロータが干渉または接触し、ロータがロックするロータロック現象を発生させることがある。このような熱膨張に起因するロータロック現象を防止する観点から、ポンプ室の温度をあまり高くして運転することはできないという問題があった。

そこで特許文献１、２に開示されているように、回転軸の軸長方向における加工や組み立て誤差に対しては、キーやボルト等の締結材を使用せず、回転軸とロータを一体化してロータ回転部材とすることで精度を高め、運転時の温度上昇による熱膨張を含めてロータ同士間の隙間、及び、ロータとポンプハウジングのポンプ室の内壁面との隙間が最適になるように設定されている。

上記した隙間が小さいほど気体の逆流が抑えられ、ポンプ性能は向上するものの、ロータが、熱膨張係数の大きいＳ４５Ｃ等の鉄鋼材料や鋳鉄材料あるいはアルミ合金で構成されているため、ポンプ室の温度を高温になるようにポンプを運転すると、ロータとポンプハウジングのポンプ室の内壁面とが熱膨張により干渉、接触するおそれが大きくなる。この点からもポンプ室の温度をあまり温度を上げてポンプを運転することはできない。特に、長さが長い回転軸の軸長方向においては、回転軸に固定されているロータとポンプハウジングのポンプ室の内壁面とが熱膨張により干渉、接触するおそれが大きくなり、ポンプ室の温度をあまり上げることはできない。

このようにポンプ室の温度をあまり上げることはできない場合には、凝縮性気体や反応生成物析出しやすい気体を主吸引口から吸引して主排気口から排気する場合には、それらの気体がポンプ内部で液化または固体化し易くする。この場合、液化または固体化に起因してロータの円滑回転性を損なうおそれがある。

また他の従来例として、繭形をなすロータ自体が線膨張係数の小さなオ−ステナイト系鋳鉄で構成されている場合もある。しかしながらオ−ステナイト系鋳鉄は粘くて切削加工が容易ではない難切削材である。この場合、繭形のロータは難切削材で形成されているにもかかわらず、複雑なプロフィールが必要されるばかりか、上記した微小な隙間を保持するための精密な加工とが必要とされるため、生産性やコストの面で問題となっていた。

本発明は前述した実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、ポンプ室の温度を高温化するとき特に問題となる熱膨張を小さくすることができ、ひいてはロータとポンプハウジングのポンプ室の内壁面との間で熱膨張によりロータロック現象が発生することを抑制でき、さらにまた、プロフィールが複雑であり加工に高い精度が要求されるロータを、加工しやすくし、製造コストを低減できるようにした多段ドライポンプを提供することにある。

本発明者は上記した課題のもとに多段ドライポンプについて鋭意開発を進めている。そして本発明者は、従来の多段ドライポンプによれば、ロータの半径方向の距離（図２のＲに相当）に比し、回転軸の軸長方向の距離は長く、回転軸の軸長方向における熱膨張の量が大きくなることに着目し、ロータ回転部材のうち回転軸を、線膨張係数が小さな材料を基材として形成すれば、熱膨張の影響を抑えることができ、ひいては熱膨張の影響でロータロック現象が発生することを抑えることができることを知見し、試験で確認し、本発明に係る多段ドライポンプを開発した。

即ち、様相１に係る多段ドライポンプは、並設された複数のポンプ室をもつポンプハウジングと、複数のポンプ室にこれの並設方向に沿って架設されポンプハウジングに回転可能に保持された回転軸と、回転軸に一体的に配設され回転軸の軸長方向に沿って並設状態に担持された複数のロータとからなるロータ回転部材とを具備する多段ドライポンプにおいて、
ロータ回転部材のうち回転軸は、線膨張係数が６×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料を基材として形成されており、ロータ回転部材のうちロータは、回転軸よりも加工性がよい材料で形成されていることを特徴とする。ここで、本発明では線膨張係数は、常温〜２００℃の温度領域における平均線膨張係数を意味する。

様相１に係る多段ドライポンプによれば、ロータ回転部材のうち回転軸は線膨張係数が小さく設定されているため、ポンプ室の内部の高温化を許容しつつ、多段ドライポンプを運転するときロータ回転部材のうち特に問題となる回転軸の軸長方向における熱膨張を小さくすることができる。また、回転軸の軸長方向における熱膨張による回転軸とロータとの間で発生する熱ひずみの影響を小さくすることができる。この結果、ロータとポンプハウジングのポンプ室の内壁面との熱膨張に起因する干渉または接触を抑えることができる。故に、ポンプハウジングのポンプ室の内壁面にロータがロックされるロータロック現象が発生することを抑制することができる。

さらに様相１に係る多段ドライポンプによれば、プロフィールが複雑で加工に高い精度が要求されるロータは、回転軸よりも加工性がよい材料で形成されているため、ロータは加工しやすく、製造コストの低減に有利である。回転軸よりも加工性がよい材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、炭素鋼のうちの少なくともいずれかが例示される。

様相１に係る多段ドライポンプによれば、好ましくは、ロータ回転部材のうち回転軸は、線膨張係数が３×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料、あるいは、線膨張係数が１×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料を基材として形成されている形態を採用できる。回転軸の線膨張係数を低下させるためには、回転軸の基材を、例えば、鉄−ニッケル系合金とすることができる。鉄−ニッケル系合金によれば、ニッケル含有量は線熱膨張係数に大きな影響を与える。この場合、重量％で、ニッケル１０〜５０％、１５〜４５％、または２０〜４０％、３４〜４０％等を例示することができる。

前記した鉄−ニッケル系合金としては、ニッケルリッチのオーステナイト系材料（例えばオーステナイト系鋳鉄）、インバー合金（ニッケル：約３２〜３９重量％）、さらにコバルトを添加したスーパーインバー合金（ニッケル：約３０〜３４重量％、コバルト約２〜８重量％）を例示できる。インバー合金では線膨張係数が例えば１．５×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。スーパーインバー合金では線膨張係数が例えば１．５×１０^-7ｍ／ｍ・Ｋ以下とすることができる。

オーステナイト系材料（オーステナイト系鋳鉄を含む）の場合には、重量％で、炭素は１．２〜３．０％、特に１．４〜２．４％とすることができる。ニッケルは２５〜４５％、特に３０〜４０％とすることができる。シリコン０．２〜５％、特に０．５〜３％とすることができる。但しこれらに限定されるものではない。炭素は溶湯の湯流れ性の改善に寄与すると共に黒鉛を生成させることができる。シリコンは溶湯の湯流れ性の改善に寄与するが、過剰であると、線膨張係数を増加させる傾向があるため、重量比で２．５％以下、殊に１．５％以下とすることが好ましい。オーステナイト系鋳鉄の場合には、黒鉛の形態は、片状黒鉛、球状黒鉛等を例示できる。

様相２に係る多段ドライポンプによれば、ロータ回転部材は、一体鋳包み、ロウ付け、圧入のいずれかからなる接合形態でロータを回転軸の外周部に一体化することにより構成されていることを特徴とする。これによりロータを回転軸に容易に一体化させ得る。

様相３に係る多段ドライポンプによれば、ロータ回転部材のうち回転軸の軸長方向において互いに隣設する各ロータは、回転軸の軸長方向において分離部でそれぞれ互いに分離されるように並設されていることを特徴とする。この場合、当該軸長方向における複数のロータの熱膨張は互いに独立することになる。この結果、一のロータの熱膨張が他のロータの熱膨張を増加させることを抑えることができる。故に、ポンプの過渡的運転時を含めポンプ室の温度を高温にしてポンプを運転するときにおいても、回転軸の軸長方向における各ロータの熱膨張を小さくすることができる。この結果、ポンプ室の温度を高温にしてポンプを運転する場合においても、ロータとポンプハウジングのポンプ室の内壁面とでロータをロックさせるロータロック現象が発生することを抑制することができる。よって、凝縮性気体や反応生成物を析出しやすい気体を多段ドライポンプで排気させる場合においても、ポンプ室の温度を高くして凝縮性気体や反応生成物等の液化または固体化を抑えることができる。故に、液化または固体化に起因してロータの回転が損なわれることを抑制しつつ、ポンプを運転することができる。

様相４に係る多段ドライポンプによれば、ロータ回転部材を内蔵するポンプハウジングは線膨張係数が６×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料で構成されていることを特徴とする。この場合、前述したように回転軸は線膨張係数が小さくされていると共に、ポンプハウジングは線膨張係数が小さくされているため、ポンプハウジングのポンプ室の内壁面と各ロータとの間の隙間を一層小さく維持することができる。故に、圧縮された気体がこの隙間を通って逆流することを抑制することができる。よって、凝縮性気体や反応生成物を析出しやすい気体を排気させる場合においても、ポンプ温度を高くして凝縮性気体や反応生成物等の液化または固体化を抑えることができる。よって、液化または固体化に起因してロータの円滑回転性が損なわれることを抑制しつつ、ポンプを運転することができる。

様相４に係る多段ドライポンプによれば、ロータ回転部材を内蔵するポンプハウジングは、線膨張係数が４×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料で構成されていることが好ましく、殊に、線膨張係数が３×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料で構成されていることが好ましい。故に、ポンプハウジングの基材としては例えば鉄−ニッケル系合金を例示することができる。鉄−ニッケル系合金によれば、前述したように、重量％で、ニッケル１０〜５０％、１５〜４５％、２０〜４０％を例示することができる。鉄−ニッケル系合金としては、ニッケルリッチのオーステナイト系材料（オーステナイト系鋳鉄を含む）、インバー合金、さらに、コバルトを添加したスーパーインバー合金を例示できる。なお鉄−ニッケル系合金によれば、ニッケル含有量を増加すれば、熱伝達率の低減、耐食性の向上をも図ることができる。

様相５に係る多段ドライポンプは、回転軸の軸長方向において互いに隣設するロータ間には、シ−ル部材が介在されていることを特徴とする。この場合、回転軸の軸長方向において互いに隣設するロータ間にはシ−ル部材が介在されているため、回転軸の軸長方向に沿ったポンプ室間の気体の逆流を抑えることができ、ポンプの性能をさらに向上させることもできる。

様相６に係る多段ドライポンプによれば、回転軸は、線膨張係数及び熱伝達率が小さい鉄−ニッケル系合金を基材として形成されている。回転軸の熱伝達率は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、殊に１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下を例示することができる。例えば、１０〜１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）を例示することができる。熱伝達率は常温〜２００℃の温度領域における熱伝達率を意味する。

このように回転軸の熱伝達率を小さくすれば、回転軸を介しての軸長方向の熱伝達を抑制することができる。このため、ポンプ室の温度を高温に維持しつつ、回転軸の軸端側の温度を低下させるのに有利となる。従って、回転軸の軸端側を回転可能に保持する軸受付近の温度を低下させるのに有利となる。つまり、ポンプ室の温度を高くしつつ、ハウジングの端側の温度を低くするような温度勾配を形成することができる。故に、ポンプ室の温度を高くして凝縮性気体や反応生成物等の液化または固体化を抑えることができる。よって、液化または固体化に起因してロータの回転が損なわれることを抑制しつつ、軸受の軸受性を良好に確保するのに有利である。

回転軸の熱伝達率を低下させるためには、回転軸の基材を例えば鉄−ニッケル系合金とすることができる。このような鉄−ニッケル系合金によれば、重量％で、ニッケル１０〜５０％、１５〜４５％、２０〜４０％を例示することができる。ポンプハウジングも、線膨張係数及び熱伝達率が小さい鉄−ニッケル系合金を基材として形成することができる。

様相７に係る多段ドライポンプによれば、回転軸よりも加工性がよい材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、炭素鋼のうちの少なくともいずれかであることを特徴とする。この場合、プロフィールが複雑で加工に高い精度が要求されるロータは、回転軸よりも加工性がよい材料で形成されているため、ロータは加工しやすく、製造コストの低減に有利である。

（実施形態１）
本発明の代表的な実施形態を図１〜図５を参照して説明する。図１は多段ドライポンプの軸長方向に沿って切断した断面図を示す。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図を示す。図３は一方のロータ回転部材の軸長方向に沿って切断した断面図を示す。図４は他方のロータ回転部材の軸長方向に沿って切断した断面図を示す。図５は多段ドライポンプの内部構造を模式的に表す概念斜視図を示す。

１は多段ドライポンプを示す。多段ドライポンプ１は上下に分離されたポンプハウジング２、２’を有する。本明細書では上付きの『’』は、対をなすものを意味する。このポンプハウジング２、２’内においては、隔壁５、６、７で仕切られた第一段目ポンプ室８、第二段目ポンプ室９、第三段目ポンプ室１０、第四段目ポンプ室１１の複数個（４個）のポンプ室が形成されている。このような４個のポンプ室８、９、１０、１１は、この順序で、ドライポンプ１の主吸気口３から主排気口４に至る間に一方向に並設されている。上側のポンプハウジング２においては、多段ドライポンプ１のうち対象室９０に連通する主吸気口３が第一段目ポンプ室８の吸気口８ｘと連通するように形成されている。また下側のポンプハウジング２’においては、大気に連通する主排気口４が第四段目ポンプ室１１の排気口１１ｘと連通するように形成されている。

ポンプ室容積については、ポンプ室８、９、１０、１１の順に小さく設定されており、主吸気口３側の第一段目ポンプ室８の容積が最も大きく、主排気口４側の第四段目ポンプ室１１の容積が最も小さくされている。従って、ポンプ室の軸長サイズについては、ポンプ室８、９、１０、１１の順に小さく設定されており、主吸気口３側の第一段目ポンプ室８の軸長サイズが最も大きく、主排気口４側の第四段目ポンプ室１１の軸長サイズが最も小さくされている。

これは主として次の理由による。即ち、ポンプ室８、９、１０、１１の順に、吸引側と排出側との圧力の差が大きくなる。即ち、ポンプ室１１では、吸引側と排出側との圧力の差が他のポンプ室８、９、１０よりも大きくなる。このため、主排気口４側の第四段目ポンプ室１１の圧縮仕事が最も大きく、第四段目ポンプ室１１において発生する圧縮熱が最も大きく、主排気口４側の第四段目ポンプ室１１の温度は、他のポンプ室８、９、１０の温度よりも高くなる。そこで、ポンプ室８、９、１０、１１のポンプ室容積を下流に向かうにつれて小さくし、主吸気口３側の第一段目ポンプ室８と主排気口４側の第四段目ポンプ室１１との圧縮仕事の差が過剰に大きくならないようにしている。この結果、第一段目ポンプ室８と第四段目ポンプ室１１との圧縮熱の差が過剰に大きくならないようになる。なお。図１に示すように、ポンプハウジング２、２’は、内蔵している回転軸１６、１６’の軸長方向にそって延設されている。

図５に示すように、第一段目ポンプ室８内では、二個一対の回転軸１６、１６’に雛型形状の二個一対の第一段目ロータ１２、１２’が回転可能に配置されている。同様に、第二段目ポンプ室９内では２つの回転軸１６、１６’に雛型形状の二個一対の第二段目ロータ１３、１３’が回転可能に配置されている。また図２及び図５に示すように、第三段目ポンプ室１０内では、互いに並設されている二個一対の回転軸１６、１６’のそれぞれに、雛形状をなす二個一対の第三段目ロータ１４、１４’が回転可能に配置されている。同様に、第四段目ポンプ室１１内では、二個一対の回転軸１６、１６’に雛型形状の二個一対の第四段目ロータ１５、１５’が回転可能に配置されている。

図１に示すように、回転軸１６、１６’の軸長方向において互いに隣設するポンプ室８、９は、気体移送通路１７で連通されている。回転軸１６、１６’の軸長方向において互いに隣設するポンプ室９、１０は、気体移送通路１８で連通されている。回転軸１６、１６’の軸長方向において互いに隣設するポンプ室１０、１１は、気体移送通路１９で連通されている。これにより主吸気口３から矢印Ａ１方向に吸引した気体を、四段で圧縮して主排気口４から矢印Ａ２方向に排気するようになっている。

また図１に示すように、ポンプハウジング２、２’は、主吸気口３側ではサイドカバー２２と一体となっており、且つ、主排気口４側ではサイドカバー２３と一体となっている。この主吸気口３側のサイドカバー２２には、主吸気口３側の軸受２４、２４’が設けられている。同様に、主排気口４側のサイドカバー２３には、主排気口４側の軸受２５、２５’が設けられている。一方の回転軸１６の両端部は、軸受２４、２５で回転可能に支持されている。他方の回転軸１６’の両端部は、軸受２４’、２５’で回転可能に支持されている。一方の回転軸１６はモータ２０に接続されて駆動軸とされている。他方の回転軸１６’はモータ２０に接続されておらず、従動軸とされている。

ここで、回転軸１６、１６’に噛合するように取り付けられたタイミングギア２１、２１’を介して、二個一対の回転軸１６、１６’は連動して一体的に互いに逆方向に回転する。図１に示すように、サイドカバー２３の軸端にはエンドカバー２６が取り付けられている。エンドカバー２６の油室２６ｃにはタイミングギア２１、２１’が収容されている。油室２６ｃには、タイミングギア２１、２１’等の駆動機構を潤滑する油２７が収容されている。サイドカバー２３と回転軸１６、１６’の外周面との間には、油室２６ｃの油２７がポンプ室１１側に進入することを抑えるシール部材４０が装備されている。

図２に示す二個一対のロータ１４、１４’は互いに逆回転し、ロータ１４、１４’が収容されているポンプ室１０で吸気・排気が行なわれるようになっている。同様に、回転軸１６、１６’に取り付けられている二個一対の各ロータ１２、１２’は、互いに逆回転し、ロータ１２、１２’を収容するポンプ室８で吸気・排気が行なわれるようになっている。同様に、回転軸１６、１６’に取り付けられている二個一対のロータ１３、１３’は互いに逆回転し、ロータ１３、１３’が収容されているポンプ室９で吸気・排気が行なわれるようになっている。また回転軸１６、１６’に取り付けられている二個一対のロータ１５、１５’は、互いに逆回転し、ロータ１５、１５’を収容するポンプ室１１で吸気・排気が行なわれるようになっている。

図２において、二個一対のロータ１４、１４’同士の間にわずかな隙間が形成されており、ロータ１４、１４’同士は非接触となるように配置されている。また二個一対のロータ１４、１４’については、ロータ１４、１４’の外壁面とポンプ室１０の内壁面との間にわずかな隙間が形成されており、互いに非接触となるように配置されている。他の二個一対のロータ１２、１２’、二個一対のロータ１３、１３’、二個一対のロータ１５、１５’についても同様とされている。

本実施形態によれば、主排気口４側の軸受２５によって回転軸１６を拘束し、これの軸長方向における位置決めを行っている。また、主排気口４側の軸受２５’によって回転軸１６’を拘束し、これの軸長方向における位置決めを行っている。従って、主排気口４側の軸受２５、２５’は、回転軸１６、１６’の位置決め基準部とされている。軸受２５、２５’は例えば複列アンギュラー軸受とされている。上記したように軸受２５、２５’は回転軸１６、１６’の軸長方向の位置決め基準部とされているため、回転軸１６、１６’が軸長方向に熱膨張すると、回転軸１６、１６’は軸受２５、２５’から主として軸受２４、２４’に向けて（図１に示す矢印Ｙ１方向）変位することになる。

前述したように、主排気口４側の第四段目ポンプ室１１の圧縮仕事が最も大きく、第四段目ポンプ室１１において発生する圧縮熱が最も大きいため、主排気口４側の第四段目ポンプ室１１の温度は、他のポンプ室８、９、１０の温度よりも高くなる。この点本実施形態によれば、高温側となる第四段目ポンプ室１１近くに配置されている主排気口４側の軸受２５、２５’によって、回転軸１６、１６’の軸長方向における位置決めを行っている。

従って、軸受２５、２５’は、回転軸１６、１６’のうち相対的に高温となる側を拘束して軸長方向において位置決めする位置決め部として機能することができる。このように回転軸１６、１６’のうち相対的に高温となる側を拘束して軸長方向において位置決めすれば、回転軸１６、１６’の熱膨張による影響を低減させるのに有利となる。

また前述したように第四段目ポンプ室１１の温度は他のポンプ室８、９、１０の温度よりも相対的に高くなる。このように相対的に高温となる第四段目ポンプ室１１内に配置されているロータ１５、１５’は、他のポンプ室８、９、１０内に配置されているロータ１２、１２’、１３、１３’、１４、１４’よりも薄肉で軸長寸法が小さいため、高温側のロータ１５、１５’の熱膨張を抑えるのに有利となる。

さて本実施形態によれば、二個一対の回転軸１６、１６’は線膨張係数が６×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下、殊に４×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の金属材料で形成されている。具体的には、ニッケルリッチ（ニッケル：３０〜４０重量％）のオーステナイト系材料（例えばオーステナイト系鋳鉄）で形成されている。これにより回転軸１６、１６’はポンプ室８、９、１０、１１に架設されているため軸長寸法が長いものの、軸長方向における熱膨張が抑えられている。

またポンプハウジング２、２’は、回転軸１６、１６’と同じように、線膨張係数が６×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下、殊に４×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下に設定された熱膨張しにくい材料で形成されている。具体的には、ニッケルリッチ（ニッケル：３０〜４０重量％）のオ−ステナイト系材料（例えばオ−ステナイト系鋳鉄）で形成されている。上記したオーステナイト系鋳鉄は球状黒鉛鋳鉄でも片状黒鉛鋳鉄でも良いが、球状黒鉛鋳鉄の方が、耐食性の向上、熱伝達率の低減、強度増加等に有利である。

また一方の回転軸１６の外周部に担持されているロータ１２、１３、１４、１５は、加工性の良いアルミニウムまたはアルミニウム合金、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、炭素鋼等の金属材料で形成されている。同様に、他方の回転軸１６’の外周部に担持されているロータ１２’、１３’、１４’、１５’は、加工性の良いアルミニウムまたはアルミニウム合金、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、炭素鋼等の金属材料で形成されている。

この場合、ロータ１２、１３、１４、１５を回転軸１６の軸長方向において回転軸１６の外周部に一体的に鋳包むか、あるいは、回転軸１６の外周部にロウ付けするか、あるいは、圧入（焼き嵌め、冷やし嵌めを含む）等の接合技術により接合することにより、一方のロータ初期部材を構成する。ロータ１２、１３、１４、１５は周方向において同位相とされている。

同様に、ロータ１２’、１３’、１４’、１５’を回転軸１６’の軸長方向において回転軸１６’の外周部に一体的に鋳包むか、あるいは、回転軸１６’の外周部にロウ付けするか、あるいは、圧入（焼き嵌め、冷やし嵌めを含む）等の接合技術により接合することより、他方のロータ初期部材を構成する。ロータ１２’、１３’、１４’、１５’は周方向において同位相とされている。

このような回転軸１６をもつ一方のロータ初期部材について切削加工を施すことにより、回転軸１６の軸長方向において並設された複数段（四段）のロータ１２、１３、１４、１５が一体的に組み付けられた一方のロータ回転部材３４を形成する。同様に、回転軸１６’をもつ他方のロータ初期部材について切削加工を施すことにより、回転軸１６’と複数段（四段）のロータ１２’、１３’、１４’、１５’が一体的に組み付けられた他方のロータ回転部材３４’を形成する。

さて、多段ドライポンプ１を使用する際には、対象室９０内の排気される気体は、ポンプハウジング２の主吸気口３から矢印Ａ１方向に吸入される。またポンプ運転時には、回転軸１６、１６’に各ロータ１２、１２’、１３、１３’、１４、１４’、１５、１５’を担持する二個一対のロータ回転部材３４、３４’がモータ２０によって互いに逆方向に回転される。すると、主吸気口３から吸引された気体は、まず第一段目ポンプ室８で圧縮され、気体移送通路１７を介して第二段目ポンプ室９に移送される。更に、第二段目ポンプ室９で圧縮された気体は、気体移送通路１８を介して第三段目ポンプ室１０に移送される。更に、第三段目ポンプ室１０で圧縮された気体は、気体移送通路１９を介して第四段目ポンプ室１１に移送される。このように圧縮された気体は、最終的には主排気口４から矢印Ａ２方向に多段ドライポンプ１外（大気側）へ排出される。

このとき各ポンプ室８、９、１０、１１において気体が圧縮されるため、圧縮熱が発生する。このためロータ回転部材３４、３４’および、ポンプハウジング２、２’の温度が上昇する。もちろん、多段ドライポンプ１の外部から適当な水冷または空冷装置によって多段ドライポンプ１は冷却されるが、特に凝縮性気体や反応生成物を析出しやすい気体を主排気口４から排気するときには、ポンプ内部でそれらが液化または固体化させないように、気体のまま多段ドライポンプ１の内部を通過させることが好ましい。従って、前述したように、できる限りポンプ内部を高い温度に保持することが好ましい。

しかしながらこのようにポンプ室８、９、１０、１１を高温に保持して多段ドライポンプ１を運転しようとすると、ポンプハウジング２、２’、ロータ回転部材３４、３４’はそれぞれの線膨張係数に基づき熱膨張する。特に、多段ドライポンプ１の場合には、ロータ１２、１３、１４、１５、１２’、１３’、１４’、１５’の長径方向の距離Ｒ（図２参照）に比し、ロータ回転部材３４、３４’の軸長方向の長さ寸法はかなり大きいため、軸長方向における熱膨張に基づいて、各ロータと各ポンプ室の内壁面でのロータロックがおこりやすい傾向がある。

この点本実施形態によれば、線膨張係数の小さい金属材料、具体的にニッケルリッチのオ−ステナイト系材料（例えばオ−ステナイト系鋳鉄）で回転軸１６、１６’を構成し、この熱膨張の影響を小さくするようにしている。この結果、ポンプ室の内部が高温となるようにドライポンプ１を運転したとしても、回転軸１６、１６’の熱膨張を抑えることができる。故に、ポンプ室を高温化するとき特に問題となる回転軸１６、１６’の軸長方向における熱膨張を小さくすることができる。また、熱膨張に起因して回転軸１６とロータ１２、１３、１４、１５との間で発生する熱ひずみ、熱膨張による回転軸１６’とロータ１２’、１３’、１４’、１５’との間で発生する熱ひずみの影響を小さくすることができる。この結果、熱膨張に起因してロータロックが発生することを抑制することができる。

また本実施形態によれば、ロータ回転部材３４、３４’を内蔵するポンプハウジング２、２’は線膨張係数が小さな材料、具体的にニッケルリッチのオ−ステナイト系材料（例えばオ−ステナイト系鋳鉄）で構成されている。このように回転軸１６、１６’は線膨張係数が小さくされていると共に、ポンプハウジング２、２’は線膨張係数が小さくされているため、各ロータ１２、１３、１４、１５とポンプハウジング２のポンプ室８、９、１０、１１の内壁面との間の隙間を小さくできる。同様に、各ロータ１２’、１３’、１４’、１５’とポンプハウジング２’のポンプ室８、９、１０、１１の内壁面との間の隙間を小さくできる。故に、圧縮された気体がこの隙間を通って逆流することを抑制することができる。よって、凝縮性気体や反応生成物を析出しやすい気体を排気するときにおいても、ポンプ温度を高くして高い性能で運転することができる。

前記した材料は、ニッケルリッチのオーステナイト系材料（例えばオ−ステナイト系鋳鉄）は粘いため加工がしにくく、且つ、切削工具の摩耗も大きく、従って、高い精度を必要とする繭形のプロフィールをもつロータ１２、１３、１４、１５、１２’、１３’、１４’、１５’において、特に生産性や製造コストに問題がある。この点本実施形態によれば、ロータ１２、１３、１４、１５、１２’、１３’、１４’、１５’は、回転軸１６、１６’の基材であるオ−ステナイト系鉄（例えばオ−ステナイト系鋳鉄）よりも加工しやすい材料で構成されているため、高い精度を必要とするプロフィールをもつ前記したロータ１２、１３、１４、１５、１２’、１３’、１４’、１５’を容易に形成でき、生産性を高めてコストを低廉化させることができる。

本実施形態によれば、図３に示すように、一方のロータ回転部材３４について、一方の回転軸１６の軸長方向において間隔を隔てて分離部としての分離溝２８、２９、３０が形成されている。分離溝２８、２９、３０は、ロータ１２のボス部１２ｂ、ロータ１３のボス部１３ｂ、ロータ１４のボス部１４ｂ、ロータ１５のボス部１５ｂを、回転軸１６の軸長方向においてそれぞれ分離している。この結果、ロータ１２、１３、１４、１５は互いに非接触である。よって、ロータ１２、１３、１４、１５の熱膨張がそれぞれ独立することになり、隣設するロータ同士が影響を与え合うことが抑えられている。このため、回転軸１６の軸長方向におけるロータ１２、１３、１４、１５の熱膨張が抑えられ、ロータ１２、１３、１４、１５のロータロック現象が抑えられる。

同様に、図４に示すように、他方のロータ回転部材３４’について、他方の回転軸１６’の軸長方向において間隔を隔てて分離部としての分離溝２８’、２９’、３０’が形成されている。分離溝２８’、２９’、３０’は、ロータ１２’のボス部１２ｃ、ロータ１３’のボス部１３ｃ、ロータ１４’のボス部１４ｃ、ロータ１５’のボス部１５ｃを回転軸１６’の軸長方向において分離している。この結果、ロータ１２’、１３’、１４’、１５’は互いに非接触である。故に、ロータ１２’、１３’、１４’、１５’の熱膨張がそれぞれ独立することになり、隣設するロータ同士が熱膨張の影響を与え合うことが抑えられている。このため、回転軸１６’の軸長方向におけるロータ１２’、１３’、１４’、１５’の熱膨張が抑えられ、ロータ１２’、１３’、１４’、１５’のロータロック現象が抑えられる。

即ち、加工が難しいが線膨張係数の小さいニッケルリッチのオ−ステナイト系材料（例えばオ−ステナイト系鋳鉄）でロータ回転部材３４、３４’の全体を一体化した場合とほぼ同じように、熱膨張による回転軸１６の軸長方向におけるロータ１２、１３、１４、１５とポンプ室８、９、１０、１１の内壁面との隙間を小さく保つことができる。同様に、熱膨張による回転軸１６’の軸長方向におけるロータ１２’、１３’、１４’、１５’とポンプ室８、９、１０、１１の内壁面との隙間を小さく保つことができる。

本実施形態によれば、回転軸１６、１６’の熱伝達率は常温〜２００℃の領域において２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、殊に１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下と抑えられている。この場合、回転軸１６、１６’の軸長方向を介しての外部への熱伝達を抑えるのに有利である。このため、ポンプ室８、９、１０、１１内の温度を高温に維持しつつ、ポンプハウジング２、２’のうちポンプ室８、９、１０、１１以外の部位、例えば、回転軸１６、１６’の軸端側を回転可能に保持する軸受２５、２５’付近の温度を低下させることができる。

つまり、ポンプハウジング２、２’においてポンプ室８、９、１０、１１の温度を高くしつつ、ポンプハウジング２、２’の端側の温度を低くするような温度勾配を形成することができる。故に、ポンプ温度を高くして凝縮性気体や反応生成物等の液化または固体化を抑えてロータロックの発生を抑制しつつ、回転軸１６、１６’の軸端側の軸受２５、２５’の高温化を抑え、軸受２５、２５’の軸受性を良好に確保するのに有利である。殊に、回転軸１６、１６’、ポンプハウジング２、２’を構成するオーステナイト系材料がオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄であれば、黒鉛が片状ではなく球状であるため、強度を確保するのに有利であるばかりか、熱伝達率を小さくするのに有利であり、ポンプ温度を高くするのに貢献できる。

また多段ドライポンプ１で吸引搬送される気体が腐食性を有する場合であっても、回転軸１６、１６’、ポンプハウジング２、２’は、耐食性が良好なニッケルリッチのオーステナイト系材料（例えばオーステナイト系鋳鉄）で形成されているため、耐食性が確保される。よって、多段ドライポンプを長期にわたり使用したとしても、腐食劣化に起因する隙間増加が抑制され、隙間を介しての気体の逆流を防止するのに有利である。殊に、回転軸１６、１６’、ポンプハウジング２、２’を構成するオーステナイト材料がオーステナイト系の球状黒鉛鋳鉄であれば、黒鉛が片状ではなく球状であるため、片状黒鉛鋳鉄に比較して耐食性が良好であり、気体が腐食性を有する場合に適する。

（実施形態２）
図６は実施形態２を示す。実施形態２は実施形態１と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を奏する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。本実施形態に係る多段ドライポンプ１では、前述のように対象室９０から主吸気口３を介して吸入された気体は、第一段目ポンプ室８、第二段目ポンプ室９、第三段目ポンプ室１０、第四段目ポンプ室１１の順に多段に圧縮されて大気への排出される。このとき回転軸１６、１６’はポンプハウジング２、２’内の隔壁５、６、７を貫通しているので、回転軸１６、１６’の外周側の隙間から、気体が逆流し、ポンプの性能を劣化させるおそれがある。

この点本実施形態によれば、図６に示すように、各ロータ１２、１３、１４、１５間に設けた各分離溝２８、２９、３０に、軟質材料で形成されたシール性をもつシールリング３１、３２、３３を介在させている。同様に、各ロータ１２’、１３’、１４’、１５’間に設けた分離溝２８’、２９’、３０’に、シールリング３１’、３２’、３３’を介在させている。このため圧縮された気体が回転軸１６、１６’の外周面に沿って吸入口３側へ逆流する量を減らすことができ、ポンプ性能を向上させることができる。

（その他）
本発明の実施形態について説明したが、本発明の基本的な技術思想に基づいて次のような変形も可能である。即ち、前記した実施形態によれば、回転軸１６、１６’及びポンプハウジング２、２’は線膨張係数が２×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料で構成しても良い。
また回転軸１６、１６’及びポンプハウジング２、２’は線膨張係数が０（０以上を含む）とすることができる。前記した実施形態によれば、回転軸１６に、ロータ１２、１３、１４、１５を保持する。または回転軸１６’に、ロータ１２’、１３’、１４’、１５’を保持する。この場合、加工性の良い材料の金属溶湯を回転軸１６の外周部に一体的にまとめて鋳包むようにするか、あるいは、回転軸１６の外周部にロウ付け、圧入その他の接合技術で接合してまとめて一体化した素材として構成するようにしている。これに限らず、回転軸１６の外周部にロータ１２、１３、１４、１５をそれぞれを個別に鋳包むようにしても良い。同様に、回転軸１６’の外周部にロータ１２’、１３’、１４’、１５’をそれぞれを個別に鋳包むようにしても良い。または回転軸１６の外周部にロータ１２、１３、１４、１５をそれぞれを個別にロウ付け、圧入その他の接合技術で接合しても良い。同様に、回転軸１６’の外周部にロータ１２’、１３’、１４’、１５’をそれぞれを個別にロウ付け、圧入その他の接合技術で接合しても良い。

上記した実施形態によれば、二個一対のロータ１２、１２’、二個一対のロータ１３、１３’、二個一対のロータ１４、１４’、二個一対のロータ１５、１５’を２葉の繭形ルーツの四段構成としているが、これに限らず、上記したロータのプロフィールは３葉以上のルーツやクロー型ルーツ等とすることもできる。また回転軸１６、１６’の軸長方向に並設する段数も四段以外の構成、例えば、三段、五段、六段等のようにした多段ドライポンプにも適用されることは言うまでもない。

上記した実施形態によれば、ロータ１２、１３、１４、１５、ロータ１２’、１３’、１４’、１５’をニッケルリッチのオ−ステナイト系鋳鉄よりも加工性が良いアルミニウムやアルミ合金、片状黒鉛鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、炭素鋼等で形成しているが、耐触性を更に向上させるために、ニッケルメッキ等のメッキ膜を施したものやフッ素樹脂等の樹脂コーティングを、各ロータの表面に施すことにしても良い。上記した実施形態によれば、反応生成物を析出しやすい気体、凝縮性気体等を主吸引口３から吸引して主排気口４から排気するのに好適としているが、気体としてはこれらに限定されるものではない。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で必要に応じて適宜変更して実施できるものである。

本発明は例えば半導体製造工程、液晶製品製造工程等において高真空を得るのに使用される多段ドライポンプに利用することができる。

多段ドライポンプの軸長方向に沿って切断した断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 一方のロータ回転部材の軸長方向に沿って切断した断面図である。 他方のロータ回転部材の軸長方向に沿って切断した断面図である。 多段ドライポンプの内部構造を模式的に表す概念斜視図である。 別の実施形態に係り、ロータ回転部材の軸長方向に沿って切断した断面図である。

符号の説明

図中、１は多段ドライポンプ、２、２’はポンプハウジング、５、６、７は隔壁、８、９、１０、１１はポンプ室、１２、１３、１４、１５、１２’、１３’、１４’、１５’はロータ、１６、１６’は回転軸、２８、２９、３０、２８’、２９’、３０’は分離溝、３４、３４’はロータ回転部材を示す。

Claims (7)

1. 並設された複数のポンプ室をもつポンプハウジングと、
   複数の前記ポンプ室にこれの並設方向に沿って架設され前記ポンプハウジングに回転可能に保持された回転軸と、前記回転軸に一体的に配設され前記回転軸の軸長方向に沿って並設状態に担持された複数のロータとからなるロータ回転部材とを具備する多段ドライポンプにおいて、
   前記ロータ回転部材のうち前記回転軸は、線膨張係数が６×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料を基材として形成されており、
   前記ロータ回転部材のうち前記ロータは、前記回転軸よりも加工性がよい材料で形成されていることを特徴とする多段ドライポンプ。
2. 請求項１において、前記ロータ回転部材は、一体鋳包み、ロウ付け、圧入のいずれかからなる接合形態で前記ロータを前記回転軸の外周部に一体化することにより構成されていることを特徴とする多段ドライポンプ。
3. 請求項１または請求項２において、前記ロータ回転部材のうち、前記回転軸の軸長方向において互いに隣設する前記各ロータは、前記回転軸の軸長方向において分離部でそれぞれ互いに分離されるように並設されていることを特徴とする多段ドライポンプ。
4. 請求項１〜請求項３のうちの一項において、前記ロータ回転部材を内蔵する前記ポンプハウジングは線膨張係数が６×１０^-6ｍ／ｍ・Ｋ以下の材料で構成されていることを特徴とする多段ドライポンプ。
5. 請求項１〜請求項４のうちの一項において、前記回転軸の軸長方向において互いに隣設する前記ロータ間に、シ−ル部材が介在されていることを特徴とする多段ドライポンプ。
6. 請求項１〜請求項５のうちの一項において、前記回転軸は、線膨張係数及び熱伝達率が小さい鉄−ニッケル系合金を基材として形成されていることを特徴とする多段ドライポンプ。
7. 請求項１〜請求項６のうちの一項において、前記回転軸よりも加工性がよい材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、いも虫状黒鉛鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、炭素鋼のうちの少なくともいずれかであることを特徴とする多段ドライポンプ。

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