JP2006520873A - 容積型真空ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、２軸の同期反転するロータが互いに非接触を保ちつつ回転することで気体を排出する容積型の真空ポンプに関する。本発明の容積型の真空ポンプは、同期反転する２本の回転軸（１１ａ，１１ｂ）と、それぞれの回転軸（１１ａ，１１ｂ）に提供された多段のロータ（１２，１２）と、多段のロータ（１２，１２）を備えたロータケーシング（１４）と、回転軸（１１ａ，１１ｂ）を回転しながら支持する複数の軸受（２１）と、軸受（２１）を収容するための軸受ケーシング（２３）と、軸受ケーシング（２３）を冷却する冷却機構（２５）と、軸受（２１）近傍に配置されたシール部（２７）とを有する。軸受（２１）とシール部（２７）は冷却機構（２５）によって冷却される。

Description

本発明は真空ポンプに係り、特に２軸の同期反転するロータが互いに非接触を保ちつつ回転することで気体を排出する容積型の真空ポンプに関する。

ルーツ型の真空ポンプは、比較的低い真空領域から大気圧領域の圧力差間で気体を排出する容積型真空ポンプとして、広く各種の真空排気装置に用いられている。図１は従来のルーツ型真空ポンプを示す断面図である。このルーツ型の真空ポンプでは、軸受５５，５６に支持された２軸の回転軸５３（図１には１つの回転軸のみを示す）にルーツ型ロータ５４が固定され、これらのルーツ型ロータ５４はロータケーシング５１内に収容されている。回転軸５３の端部にはタイミングギア５８がそれぞれ固定され、モータ５７を駆動させることにより回転軸５３が同期反転する。回転軸５３に固定されたルーツ型ロータ５４が互いに同期反転すると、ロータケーシング５１内周面との間に閉じ込められた気体が吸込側から吐出側に送り出される。これによって、真空排気が行われる。軸受５５，５６は、軸受ケーシング６０，６１により密封され、気体の移送が行われる排気室５２とは分離されている。このため、排気通路に油分が存在せず、上記真空ポンプはドライポンプとも呼ばれている。

かかる真空ポンプにおいては、吸込口が真空領域に接続され、また吐出口が大気圧領域に接続されるため、一般に３乃至５段の多段のロータ室を備え、ロータ室の各段で段階的に圧縮が行われるようになっている。各段のロータ室では段階的に圧縮が行われるため、ロータ室の容積は吸込側の初段ロータ室が最も大きく、最終段の吐出側ロータ室にいくに従って減少するようになっている。

このようなルーツ型の真空ポンプは、達成すべき真空度が比較的低い場合には単独で用いられ、または同様の構成を備えるブースタポンプを用いて直列接続された複数のポンプにより、真空領域から大気圧領域に気体を排出している。また、達成すべき真空度が高い場合には、クライオポンプ、モレキュラポンプ等の種々の高真空排気用のポンプと組み合わせて用いられる。

ロータの段数は一般に多くすれば、より滑らかに圧縮作用を発揮できる。しかしながら、ロータの段数が多い程、ポンプの全体の軸長が長くなり、ポンプの大型化につながり、またその製造コストが高価なものとなる。また、ロータ段数が多くなると、軸長が長くなり、そのため設置面積も大きくなるという問題がある。

近年、真空ポンプは半導体製造装置等に広く用いられている。半導体製造装置には、真空蒸着装置、スパッタリング装置、イオン注入装置、プラズマＣＶＤ装置等の真空環境下で処理を行う装置が多い。かかる用途に用いられる真空ポンプにおいては、真空排気の対象となるガス中に、半導体ウェハの加工に用いられる原料ガスや処理後の反応生成物等が含まれる場合がある。これらの原料ガスや反応生成物を含むガスを真空ポンプにより真空排気すると、特に真空ポンプの吐出口周辺において固化して粉末状となり、ポンプを閉塞する場合がある。これは、ポンプの吐出口周辺において、常圧に近くなると原料ガスや反応生成物を含むガスが高温の場合はガス状態を維持しているが、低温の場合は固化する場合が生じるからである。

このため、真空ポンプの吐出口はなるべく高温に維持する必要がある。これにより原料ガスや反応生成物を含むガスの固化を防止でき、ポンプの閉塞という問題を回避することができる。しかしながら、多段のロータを備えた回転軸は、軸受により支持され、多段のロータ室の最終段のロータ室が吐出口近傍に位置し、一般にその近傍で軸受により支持されている。このため、軸受は高温となりやすい。そして、軸受の温度が過度に上昇すると、軸受寿命が低下し、ひいてはポンプ全体の寿命が低下するという問題がある。また、真空ポンプには、排気室などの各種空間を気密に封止するためのシール部を備えているが、高温に曝されることは、その機能上、好ましいことではない。このため、回転軸を支持する軸受やシール部を冷却する冷却機構を設けることが必要であるが、過度の冷却を行うと吐出口近傍で原料ガスや反応生成物が固化しやすくなるという問題がある。

従来、このような冷却機構として、冷却ジャケットやインタークーラーが用いられていた。例えば、図１に示すように、ロータケーシング５１の下部に冷却ジャケット６６を取り付け、この冷却ジャケット６６によってロータケーシング５１を冷却することが行われていた。しかしながら、ロータケーシング５１全体が冷却ジャケット６６によって冷却されるため、原料ガスや昇華した反応生成物がロータケーシング５１内で固化してロータ５４の回転を妨げ、モータ５７に過大な負荷がかかるという問題が生じていた。また、冷却機構の他の例として、図２に示すように、ロータケーシング５１とインタークーラー７２（図２には１つのインタークーラーのみを示す）とを導管７３によって接続し、気体の圧縮工程で発生した圧縮熱を除去することが行われている。しかしながら、図２に示すインタークーラー７２は各段のロータ５４毎に設置されるため、大きな設置空間を必要とし、これが真空ポンプ全体を大型化させる要因となっていた。

本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、排気対象となる気体が固化しない程度に軸受やシール部を冷却することができ、且つ小型化及び省エネルギー化を達成することができる容積式真空ポンプを提供することを目的とする。

本発明の容積型真空ポンプは、ロータケーシング内に、多段のロータを備えた、同期反転する２本の回転軸を有し、該回転軸を支持する軸受を収容するための軸受ケーシングを設け、該軸受ケーシングを冷却する冷却機構によって、前記軸受と該軸受近傍に配置されたシール部とを冷却することを特徴とするものである。

本発明によれば、軸受近傍の軸受ケーシング内部に設けられた冷却水流路等の冷却機構によって、吐出口近傍において原料ガスや反応生成物を固化させることなく軸受やシール部を効率的に冷却することができる。

本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングと前記軸受ケーシングとの間にサイドケーシングを配置し、前記冷却機構は前記サイドケーシングを介して前記ロータケーシングを冷却することを特徴とする。

本発明によれば、サイドケーシングとロータケーシングとの接触面積、サイドケーシングと軸受ケーシングとの接触面積、及びサイドケーシングの厚さを適切に設計することにより、冷却機構の冷却能力を適切にすることができる。例えば、サイドケーシングの厚さを薄くし、サイドケーシングと軸受ケーシングとの接触面積を増やせば冷却能力を増大させることができる。一方、サイドケーシングの厚さを厚くし、サイドケーシングと軸受ケーシングとの接触面積を減らせば冷却能力を減少させることができる。従って、従来のような冷却ジャケットやインタークーラーを設けることなく、ガスが固化しない程度にロータケーシングを冷却することができる。このように、ロータケーシングに隣接するサイドケーシングを介してロータケーシングを間接的に冷却することで、ロータケーシングが過度に冷却されてしまうことを防止することができる。従って、例えば半導体製造装置等の原料ガスや反応生成物を含むガスを固化成分を発生させることなく排気することができると共に、軸受やシール部が適度に冷却され、安定したポンプの運転が可能となる。さらに、サイドケーシングを設けることによって気体の圧縮熱が軸受ケーシングに伝わることを防止することができ、軸受やシール部が高温となることを防止することができる。なお、設置場所における真空ポンプの仕様条件が予め決まっている場合には、ロータケーシングと軸受ケーシングとの間にサイドケーシングを設けなくともよい。この場合は、必要とされる冷却能力に見合った厚さを有する肉厚部をロータケーシング及び軸受ケーシングの少なくとも一方に設けることで、サイドケーシングの代用とすることができる。

本発明の好ましい態様は、前記サイドケーシングは吐出口を有することを特徴とする。
従来は、ロータケーシングに吐出口が設けられていたため、ロータケーシングの構造が複雑であった。本発明では、サイドケーシングに吐出口を設けたため、ロータケーシングの構造を単純にすることができるとともに、ポンプの高さを低くすることができる。

本発明の好ましい態様は、前記ロータは、ルーツ型ロータであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、吸込側初段のロータ室の吐出側最終段のロータ室に対する容積の比率が８〜１４であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、吐出側最終段のロータの厚さと径との比は、０．０５〜０．１１であることを特徴とする。

これにより、ブースタポンプ等を用いることなく、一台の真空ポンプで真空容器を十分な真空度まで排気することができる。そして、吐出側最終段のロータの厚さが極めて薄いことから、最終段のロータ室の容積を極めて小さくすることができる。この種の真空ポンプでは、吐出口が略大気圧となるので、最終段のロータ室では定常運転時の負荷分担が大きくなり最もエネルギーが消費される。そして、最終段のロータ室の容積を極めて小さくすることで、大幅な真空ポンプの省エネルギー化を達成できる。また、気体の圧縮にかかわるエネルギー消費量が低減することで、気体の圧縮熱の発生を低減させることができる。従って、軸受ケーシングを冷却するだけでロータケーシングを十分に冷却することができ、その結果として、ロータケーシングに冷却機構を設けることを不要とすることができる。

本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、前記ロータケーシングは、前段のロータ室の吐出気体を次段のロータ室に導く流路を有することを特徴とする。
これにより、ロータの軸長を短くすることができ、真空ポンプの小型化・省スペース化を達成できる。

本発明の好ましい態様は、前記ロータを回転駆動する駆動源が、ブラシレスＤＣモータであることを特徴とする。
一般に、吸込側初段のロータ室と吐出側最終段のロータ室との容積比を大きくすると、容積式真空ポンプの起動時には大きな起動トルクが必要となる。本発明では、回転軸の駆動源としてブラシレスＤＣモータを用いることで、モータとしての効率が良いだけでなく大きな負荷変動に対応することができる。

本発明の好ましい態様は、前記ロータの全段が１つのロータケーシング内に直列に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記冷却機構は前記軸受ケーシング内に形成された冷却液流路であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記軸受ケーシングは、モータを収容するモータケーシングであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングと前記モータケーシングとの間にサイドケーシングを配置し、前記冷却機構は前記サイドケーシングを介して前記ロータケーシングを冷却することを特徴とする。

本発明の他の態様は、同期反転する２本の回転軸と、前記回転軸にそれぞれ設けられた一対の多段のロータと、前記多段のロータを収容するロータケーシングと、前記回転軸を回転自在に支持する複数の軸受と、前記軸受を収容する軸受ケーシングと、前記ロータケーシングと前記軸受ケーシングとの間に配置された第１のサイドケーシングと、前記軸受ケーシングを冷却する第１の冷却機構とを備えたことを特徴とする容積型真空ポンプである。

本発明の好ましい態様は、モータを収容するためのモータケーシングと、前記ロータケーシングと前記モータケーシングとの間に配置された第２のサイドケーシングと、前記モータケーシングを冷却するための第２の冷却機構とを更に備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記軸受を保持する複数の軸受ケースを更に備え、該複数の軸受ケースは前記軸受ケーシング及び前記モータケーシング内にそれぞれ配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１のサイドケーシングは吐出口を有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ロータは、ルーツ型ロータであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、吸込側初段のロータ室の吐出側最終段のロータ室に対する容積の比率が８〜１４であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、吐出側最終段のロータの厚さと径との比は、０．０５〜０．１１であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、前記ロータケーシングは、前段のロータ室の吐出気体を次段のロータ室に導く流路を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ロータを回転駆動する駆動源が、ブラシレスＤＣモータであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ロータの全段が１つのロータケーシング内に直列に配置されていることを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、小型コンパクト化すると共に消費電力を大幅に低減した高性能の真空ポンプを提供できる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３は、本発明の第１の実施形態の容積型真空ポンプの全体構成を示す断面図であり、図４は図３に示す容積型真空ポンプの要部を示す斜視図であり、図５は図４のV線矢視図である。
図３乃至図５に示すように、この容積型真空ポンプは、２本の回転軸１１ａ，１１ｂに、一対の６段のルーツ型ロータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆがそれぞれ固定されている。回転軸１１ａ，１１ｂはそれぞれ軸受２０，２１により回転自在に支持されている。なお、以下の説明では、一対のロータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆを総称して適宜ロータ１２，１２と称する。

ロータ１２，１２間、及びロータ１２，１２とロータケーシング１４の内周面との間には微少な隙間が形成されており、ロータ１２，１２は、それぞれの回転軸１１ａ，１１ｂを中心として非接触で回転するようになっている。ロータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆをそれぞれ収容して気体を移送するロータ室１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆがそれぞれ２本の回転軸１１ａ，１１ｂに沿って直列に一つのロータケーシング１４内に配置されている。ロータケーシング１４の上面には図示しないカバー部材が取り付けられている。ロータケーシング１４の上部には吸込口１７が形成されており、吸込口１７は初段のロータ室１３ａに連通している。ロータケーシング１４の吐出側端面には（第１の）サイドケーシング２６が固定されており、サイドケーシング２６の側面には軸受ケーシング２３が固定されている。サイドケーシング２６には、最終段のロータ室１３ｆに連通する吐出口１８が形成されており、この吐出口１８は大気圧領域に開口している。

図３に示すように、軸受２０の図中左側には駆動源であるブラシレスＤＣモータ２２が配置されている。即ち、回転軸１１ａ，１１ｂの一方の端部にモータロータ２２ａ（図３には１つのモータロータのみを示す）が固定され、その周囲にモータステータ２２ｂが配置されている。ここで、モータステータ２２ｂをモールドするか、あるいはキャンで気密に覆うことにより、モータステータ２２ｂが、モータロータ２２ａとモータステータ２２ｂとの間の空間に存在するガスと接触しないようにすることが好ましい。ブラシレスＤＣモータ２２は図示しないインバータ装置等の電力供給装置により周波数可変電力の供給を受け、ソフトスタート等を含む真空ポンプの回転速度制御を行う。インバータ装置等とブラシレスＤＣモータ２２とを組合わせることで、起動時には大きな駆動トルクが得られると共に、定常速度においては適切な回転速度で運転することにより省エネルギー運転が行える。ブラシレスＤＣモータ２２は、モータケーシング２４の内部に配置されている。上記ブラシレスＤＣモータ２２は、回転軸１１ａ，１１ｂを同期反転させる２軸同期型モータであり、ロータ１２，１２は回転軸１１ａ，１１ｂを介してブラシレスＤＣモータ２２により同期反転させられる。回転軸１１ａ，１１ｂの他方の端部には、それぞれタイミングギア２９が取り付けられており、タイミングギア２９及び吐出側の軸受２１は軸受ケーシング２３に収容されている。軸受２０，２１はそれぞれ軸受ケース４０，４１に保持されており、これらの軸受ケース４０，４１はそれぞれモータケーシング２４及び軸受ケーシング２３に収容されている。

各ロータ室１３ａ〜１３ｆにおいては、２本の回転軸１１ａ，１１ｂにそれぞれ固定されたロータ１２，１２が同期反転することで、ロータ１２，１２とロータケーシング１４の内周面との間に閉じ込められた気体が吸込側から吐出側に移送される。ロータケーシング１４は二重ケーシングとなっており、二重ケーシングを構成する内外周壁の間には気体流路１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅが設けられている。ロータ室１３ａ〜１３ｆは気体流路１５ａ〜１５ｅを介して順次接続されている。即ち、ロータ室１３ａの吐出側と次段のロータ室１３ｂの吸込側は気体流路１５ａによって連通しており、ロータ室１３ａ内のロータ１２ａによって圧縮された気体は気体流路１５ａを通ってロータ室１３ｂの吸込側に移送される。このようにして、各段のロータ１２，１２によって圧縮された気体は、気体流路１５ａ〜１５ｅを通って吐出側に順次移送され、吐出口１８から大気圧領域に排出される。

この真空ポンプにおいては、吸込側初段のロータ室１３ａの容積が吐出側最終段のロータ室１３ｆの容積に対して８〜１４の比率を有している。即ち、初段のロータ１２ａの厚さＷａと最終段のロータ１２ｆの厚さＷｆの比が８〜１４であり、この比が初段のロータ室１３ａと最終段のロータ１２ｆの容積比となっている。

一般に、初段のロータ室の容積は設計する真空ポンプの排気速度により決定される。このため、排気速度の大きな真空ポンプを設計する場合は、初段のロータ室の容積を大きくすることが必要となる。これに対し、最終段のロータ室の容積は、最終段のロータ室での前後の圧力差による発熱（圧縮熱）、及びその圧力差に抗してロータを回転させるモータの消費電力を抑えるために小さくする必要がある。しかしながら、最終段のロータ室の容積を小さくすると、スムーズに排気できなくなる。このように、容積比と発熱とはトレードオフの関係にあるため、どの点を重視して真空ポンプを設計するかによって、容積比（圧縮比）を大きくするか小さくするかを決定することになる。

本発明の真空ポンプでは、ブラシレスＤＣモータの回転速度制御を行うことで、最終段のロータ室の容積を小さくしたままで排気速度を大きくすることができ、かつ発熱及びモータ消費電力を抑えることができる。つまり、通常のモータを使用した従来の真空ポンプに比べて、同じ排気速度を達成しつつ容積比（圧縮比）を大きくできるとともに、発熱を抑えることができる。

通常、初段のロータ室と最終段のロータ室との容積比は、設計上の理由により最終段のロータの厚さ（幅）により決定される。本発明では、ある程度の発熱が許容される場合には容積比を３〜１４としてもよく、好ましくは８〜１４である。
本実施形態では、最終段のロータ１２ｆの厚さＷｆは７．５ｍｍ以下となっている。また、最終段のロータ１２ｆの厚さＷｆと径Ｄｆ（図５参照）との比は、０．０５〜０．１１、好ましくは０．０５〜０．０９である。通常、最終段のロータの厚さと径の比は、設計上の理由により最終段のロータの厚さにより決定される。本発明では、ある程度の発熱が許容される場合には最終段のロータ１２ｆの厚さＷｆと径Ｄｆの比を０．０５〜０．１１としてよく、好ましくは０．０５〜０．０９である。この最終段のロータ１２ｆの厚さＷｆは製造上および運転上支障のない範囲でできるだけ薄くしてある。そして、内外周壁間に設けた気体流路１５ａ〜１５ｅを備えた二重構造のロータケーシング１４の内部に、６段のロータ室１３ａ〜１３ｆをコンパクトな構成にまとめて配置してある。

これにより、起動時等の吸込側が大気圧またはこれに近い状態の場合には大きな排気速度が得られ、急速な真空排気が行える。また定常運転時には、最終段のロータ室の容積を極端に小さくしたことにより消費電力の大幅な低減が図れる。そして、ロータ段数をあえて従来の３〜５段から増やし６段としたので、これにより効率的且つ滑らかな真空排気が行える。ここで、初段のロータ室と最終段のロータ室の容積比を高くすると、起動時の排気速度が向上するが、起動時の圧縮比が高くなり、起動時の圧縮動力が大きくなるという問題がある。本実施形態では、２本の回転軸１１ａ，１１ｂを回転駆動する駆動源としてブラシレスＤＣモータ２２を用いることで、モータとしての効率が良いだけでなく大きな負荷変動に対応することができ、さらには、起動時における圧縮動力の増大にも対応することができる。

ポンプの吐出口１８の近傍には軸受２１が配置され、吸込側の軸受２０と共に回転軸１１ａ，１１ｂを回転自在に支持している。軸受２１は軸受ケーシング２３内に収容され、軸受ケーシング２３とロータケーシング１４との間には上述したサイドケーシング２６が配置されている。軸受ケーシング２３とサイドケーシング２６との間にはＯリングシール（シール部）２７が配置され、これにより軸受ケーシング２３とサイドケーシング２６との間の微小な隙間が封止されている。また、サイドケーシング２６とロータケーシング１４との間にもＯリングシール（シール部）２８が配置され、これによりサイドケーシング２６とロータケーシング１４との間の微小な隙間が封止されている。軸受２０はモータケーシング２４内に収容されており、モータケーシング２４とロータケーシング１４との間には（第２の）サイドケーシング３０が配置されている。サイドケーシング３０とロータケーシング１４との間にはＯリングシール（シール部）３１が配置されている。さらに、サイドケーシング３０とモータケーシング２４との間にはＯリングシール（シール部）３２が配置されている。

軸受ケーシング２３の内部には冷却機構としての冷却液流路（循環流路）２５が設けられている。より詳しくは、軸受ケーシング２３に冷却パイプ３６を埋設することで冷却液流路２５が形成されている。冷却パイプ３６は、冷却液に対して耐腐食性を有する材料から構成されている。そして、この冷却液流路２５に冷却液（例えば冷却水）を流すことで、軸受ケーシング２３が冷却液により冷却される。また軸受ケーシング２３内部の冷却された潤滑油を介して軸受２１およびシール部２７，２８等が、冷却液流路２５を流れる冷却液によって十分に冷却される。このように、本発明によれば、冷却機構によって軸受と軸受近傍に配置されたシール部が冷却される。ここで、本実施形態において、軸受の近傍に配置されたシール部とは、軸封部だけでなく、サイドケーシング２６と軸受ケーシング２３との間に配置されたＯリングシール２７や、ロータケーシング１４とサイドケーシング２６との間に配置されたＯリングシール２８も含まれる。ここで、Ｏリングシール（シール部）２７，２８の取り付け方は図３に示す取り付け方に限定されるものではない。例えば、図３においては、Ｏリングシール２７は軸受ケーシング２３に取り付けられているが、サイドケーシング２６に取り付けてもよい。なお、真空ポンプが設置される室内圧力（すなわち大気圧）に近い内圧を有する軸受ケーシングと、大気圧よりも低い内圧を有するロータケーシングとが接続され、かつ回転軸が軸受ケーシング及びロータケーシングを貫通する構成の場合は、軸受近傍に配置されるシール部は本実施形態に限られない。このような構成では、軸受近傍に配置されるシール部は、回転軸の外周面と軸受ケーシング又はロータケーシングとの間に配置されるシール部や、軸受ケーシングとロータケーシングとの間に配置されるシール部などを意味する。ここで、冷却パイプ３６を耐腐食性を有する材料から構成した場合は、軸受ケーシング２３を耐腐食性を有する高価な材料から構成する必要がなくなり、安価な真空ポンプを提供することができる。

図６は冷却機構の他の構成例を示す斜視図である。図６に示すように、冷却液流路２５を構成する冷却パイプ３６の巻数は、図３に示す冷却パイプ３６の巻数よりも多くなっている。また、図６に示す冷却パイプ３６の位置は、図３に示す冷却パイプ３６の位置よりもロータケーシング１４側に近接している。このように、軸受ケーシング２３に埋設される冷却パイプ３６の巻数や位置を変更することにより、ロータケーシング１４や吐出側のガスの温度を調節することができる。この場合、金属を冷却パイプ３６とともに鋳込むなどして軸受ケーシング２３を製造する。

真空ポンプにおいては、真空排気対象の容器の真空度が高まり、定常運転状態になると、気体の排出流量が低減し大気圧と真空圧間の圧力差の大部分が最終段のロータ１２ｆにかかることになる。このため、最終段のロータ１２ｆは大気圧に近い圧力差に抗して回転するため、最終段のロータ室１３ｆで大きな発熱が生じ、このロータ室１３ｆ近傍が高温となる。この最終段のロータ室１３ｆ近傍が高温となることは、上述したように半導体製造処理におけるプロセスガスや排気ガス中に含まれる反応生成物が固化することを防止することができるが、軸受２１やポンプのＯリングシール２７，２８等に高温がおよぶと、これを損傷または劣化させる原因となり好ましいことではない。

このため、この真空ポンプにおいては、冷却液流路２５を軸受ケーシング２３の内部に設けている。ここに流れる冷却液により、軸受２１およびＯリングシール２７，２８等の高温となることが好ましくない部分が冷却されると共に、吐出口近傍の排気ガス中の成分が固化しない程度にサイドケーシング２６及びロータケーシング１４が冷却される。これにより、従来必要とされていたロータケーシングの外周部に設けた冷却ジャケット等を不要とすることができ、製造コストを低減することができる。同時に、従来の冷却ジャケットによる吐出口近傍の過度の冷却を防止し、排気ガス中の反応生成物等の固化を防止することができる。

この実施形態の真空ポンプは、吸込側に配置される初段のロータ室１３ａと吐出側に配置される最終段のロータ室１３ｆの容積比を大きくすると共に、最終段のロータ室１３ｆの容積を小さくし、且つ各ロータ室１３ａ〜１３ｆを接続する気体流路１５ａ〜１５ｅをポンプのロータ室１３ａ〜１３ｆの外周側に配置したものである。そして、圧縮比が高くなるがブラシレスＤＣモータ２２の速度制御により滑らかな起動を行えるようにすると共に省エネルギー運転を可能とし、且つ軸受ケーシング２３に埋設した冷却パイプ３６による冷却機構２５を軸受２１やＯリング２７，２８の近傍に配置して、これによりポンプ吐出口１８の周辺を適度に冷却するようにしたものである。

このため、外付け冷却ジャケット等の構造が不要となり、且つ全体としてポンプを小型コンパクト化することができ、且つ消費電力を大幅に低減することができる。そして、軸受２１やＯリング２７，２８などが適度に冷却されると共に反応生成物等の固化を防止することができ、安定したポンプの運転が可能となる。また、ポンプ全長を短くし、高さも低くでき、外付け冷却ジャケット等の付帯構造がなくなり、シンプル且つコンパクトなポンプ構成を実現した。

図７は本発明の第２の実施形態に係る容積式真空ポンプを示す断面図である。図８は図７の軸受ケーシングを模式的に示す断面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
図７及び図８に示すように、軸受ケーシング２３の一部は、外壁２３ａ及び内壁２３ｂから構成される二重壁を有しており、外壁２３ａと内壁２３ｂとの間に冷却液流路２５が形成されている。軸受ケーシング２３の下部には冷却液入口３３が設けられており、冷却液は冷却液入口３３から冷却液流路２５に供給されるようになっている。また、軸受ケーシング２３の上部には冷却液出口３４が設けられており、冷却液流路２５を流れた冷却液は冷却液出口３４から排出されるようになっている。そして、この冷却液流路２５内を冷却液が流れることで軸受ケーシング２３が冷却される。本実施形態においても、冷却液流路２５の幅や位置を変更することによりロータケーシング１４や吐出側のガスの温度を調節することができる。なお、軸受ケーシング２３は冷却液に対して耐腐食性を有する材料から構成されている。

図９は本発明の第３の実施形態に係る容積式真空ポンプの軸受ケーシングを模式的に示す断面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態では、軸受ケーシング２３の外周面に冷却機構としての冷却ジャケット３５が取り付けられている。これらの冷却ジャケット３５は軸受ケーシング２３の上部及び下部にそれぞれ取り付けられている。本実施形態においても、第１及び第２の実施形態と同様に、冷却ジャケット３５の大きさ及び取付け位置に基づいてロータケーシング１４及び吐出側のガスの温度を調節することが可能である。

図１０は本発明の第４の実施形態に係る容積式真空ポンプの全体構成を示す断面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
本実施形態の真空ポンプは、第１の実施形態の真空ポンプと同様の基本的構成を有しているが、第１の冷却機構としての冷却液流路２５に加えて吸込側の軸受２０の近傍に第２の冷却機構を設けた点で第１の実施形態の真空ポンプと異なっている。即ち、図１０に示すように、モータケーシング２４の内部には第２の冷却機構としての冷却液流路３８が形成されている。冷却液は、冷却液入口３９から冷却液流路３８に供給され、これによりモータケーシング２４が冷却液流路３８を流れる冷却液によって冷却される。

一般に、吸込口１７から導入されるガスの流量が多いと、初段のロータ室１３ａで発生する熱量が多くなるため、ロータ室１３ａや吸込側の軸受２０を冷却する必要が生じる。その場合、ロータ室１３ａを直接冷却すると、ガスが固化してロータ室１３ａ内に析出してしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、ロータケーシング１４は冷却液流路３８を流れる冷却液によってサイドケーシング３０を介して間接的に冷却されるようになっている。これにより、ロータケーシング１４が過度に冷却されることを防ぎつつ、モータケーシング２４に収容されている軸受２０を冷却することができる。

また、冷却液流路３８を流れる冷却液によってモータケーシング２４が冷却されると、モータケーシング２４に隣接するサイドケーシング３０も冷却される。従って、モータケーシング２４とサイドケーシング３０との間に配置されているＯリングシール（シール部）３２や、サイドケーシング３０とロータケーシング１４との間に配置されているＯリングシール（シール部）３１も冷却することができる。このように、本実施形態によれば、排気対象となるガスを固化させることなく、吸込側及び吐出側に配置された軸受やシール部を冷却することができる。なお、モータケーシング２４は、ブラシレスＤＣモータ２２を収容するとともに軸受２０も収容しており、かかる観点からモータケーシング２４は軸受ケーシングとしても機能する。軸受ケーシング２３の冷却液流路２５とモータケーシング２４の冷却液流路３８とを接続して一つの冷却液流路を形成してもよい。この場合、冷却液を、冷却液流路２５，３８の順に流すこととなる。

尚、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。

本発明は、２軸の同期反転するロータが互いに非接触を保ちつつ回転することで気体を排出する容積型の真空ポンプに利用可能である。

従来の容積型真空ポンプを示す断面図である。 従来の容積型真空ポンプに用いられるインタークーラーを示す正面図である。 本発明の第１の実施形態の容積型真空ポンプの全体構成を示す断面図である。 図３に示す容積型真空ポンプの要部を示す斜視図である。 図４のV線矢視図である。 冷却機構の他の構成例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る容積式真空ポンプの全体構成を示す断面図である。 図７の軸受ケーシングを模式的に示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る容積式真空ポンプの軸受ケーシングを模式的に示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る容積式真空ポンプの全体構成を示す断面図である。

本発明の容積型真空ポンプは、ロータケーシング内に、多段のロータを備えた、同期反転する２本の回転軸を有し、該回転軸を支持する軸受を収容するための軸受ケーシングを設け、前記ロータケーシングと前記軸受ケーシングとの間にサイドケーシングを配置し、前記軸受ケーシングと前記サイドケーシングとの間に第１のシール部を配置し、前記サイドケーシングと前記ロータケーシングとの間に第２のシール部を配置し、前記軸受ケーシングに冷却機構を設け、前記冷却機構は、前記軸受ケーシングを冷却することによって、前記第１のシール部、前記サイドケーシング、および前記第２のシール部を介して前記軸受および前記ロータケーシングの両方を冷却することを特徴とするものである。

なお、前記冷却機構は前記サイドケーシングを介して前記ロータケーシングを冷却してもよい。

前記ロータは、ルーツ型ロータであることが好ましい。
本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、吸込側初段のロータ室の吐出側最終段のロータ室に対する容積の比率が８〜１４であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、吐出側最終段のロータの厚さと径との比は、０．０５〜０．１１であることを特徴とする。

前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、前記ロータケーシングは、前段のロータ室の吐出気体を次段のロータ室に導く流路を有することが好ましい。
これにより、ロータの軸長を短くすることができ、真空ポンプの小型化・省スペース化を達成できる。

前記ロータを回転駆動する駆動源が、ブラシレスＤＣモータであることが好ましい。
一般に、吸込側初段のロータ室と吐出側最終段のロータ室との容積比を大きくすると、容積式真空ポンプの起動時には大きな起動トルクが必要となる。回転軸の駆動源としてブラシレスＤＣモータを用いることで、モータとしての効率が良いだけでなく大きな負荷変動に対応することができる。

前記ロータの全段が１つのロータケーシング内に直列に配置されていることが好ましい。
本発明の好ましい態様は、前記冷却機構は前記軸受ケーシング内に形成された冷却液流路であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記軸受ケーシングは、モータを収容するモータケーシングであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングと前記モータケーシングとの間にサイドケーシングを配置し、前記冷却機構は前記サイドケーシングを介して前記ロータケーシングを冷却することを特徴とする。

本発明の他の態様は、同期反転する２本の回転軸と、前記回転軸にそれぞれ設けられた一対の多段のロータと、前記多段のロータを収容するロータケーシングと、前記回転軸を回転自在に支持する複数の軸受と、前記軸受を収容する軸受ケーシングと、前記ロータケーシングと前記軸受ケーシングとの間に配置された第１のサイドケーシングと、前記軸受ケーシングを冷却する第１の冷却機構と、モータを収容するためのモータケーシングと、前記ロータケーシングと前記モータケーシングとの間に配置される第２のサイドケーシングと、前記モータケーシングを冷却する第２の冷却機構とを備えたことを特徴とする容積型真空ポンプである。

本発明の好ましい態様は、前記軸受を保持する複数の軸受ケースを更に備え、該複数の軸受ケースは前記軸受ケーシング及び前記モータケーシング内にそれぞれ配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１のサイドケーシングは吐出口を有することを特徴とする。

前記ロータは、ルーツ型ロータであることが好ましい。
本発明の好ましい態様は、前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、吸込側初段のロータ室の吐出側最終段のロータ室に対する容積の比率が８〜１４であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、吐出側最終段のロータの厚さと径との比は、０．０５〜０．１１であることを特徴とする。

前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、前記ロータケーシングは、前段のロータ室の吐出気体を次段のロータ室に導く流路を有することが好ましい。
前記ロータを回転駆動する駆動源が、ブラシレスＤＣモータであることが好ましい。
前記ロータの全段が１つのロータケーシング内に直列に配置されていることが好ましい。

Claims (22)

1. ロータケーシング内に、多段のロータを備えた、同期反転する２本の回転軸を有し、
   該回転軸を支持する軸受を収容するための軸受ケーシングを設け、該軸受ケーシングを冷却する冷却機構によって、
   前記軸受と該軸受近傍に配置されたシール部とを冷却することを特徴とする容積型真空ポンプ。
2. 前記ロータケーシングと前記軸受ケーシングとの間にサイドケーシングを配置し、前記冷却機構は前記サイドケーシングを介して前記ロータケーシングを冷却することを特徴とする請求項１に記載の容積式真空ポンプ。
3. 前記サイドケーシングは吐出口を有することを特徴とする請求項２に記載の容積式真空ポンプ。
4. 前記ロータは、ルーツ型ロータであることを特徴とする請求項１に記載の容積型真空ポンプ。
5. 前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、吸込側初段のロータ室の吐出側最終段のロータ室に対する容積の比率が８〜１４であることを特徴とする請求項１に記載の容積型真空ポンプ。
6. 吐出側最終段のロータの厚さと径との比は、０．０５〜０．１１であることを特徴とする請求項５に記載の容積型真空ポンプ。
7. 前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、前記ロータケーシングは、前段のロータ室の吐出気体を次段のロータ室に導く流路を有することを特徴とする請求項１に記載の容積型真空ポンプ。
8. 前記ロータを回転駆動する駆動源が、ブラシレスＤＣモータであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の容積型真空ポンプ。
9. 前記ロータの全段が１つのロータケーシング内に直列に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の容積型真空ポンプ。
10. 前記冷却機構は前記軸受ケーシング内に形成された冷却液流路であることを特徴とする請求項１に記載の容積型真空ポンプ。
11. 前記軸受ケーシングは、モータを収容するモータケーシングであることを特徴とする請求項１に記載の容積型真空ポンプ。
12. 前記ロータケーシングと前記モータケーシングとの間にサイドケーシングを配置し、前記冷却機構は前記サイドケーシングを介して前記ロータケーシングを冷却することを特徴とする請求項１１に記載の容積式真空ポンプ。
13. 同期反転する２本の回転軸と、
    前記回転軸にそれぞれ設けられた一対の多段のロータと、
    前記多段のロータを収容するロータケーシングと、
    前記回転軸を回転自在に支持する複数の軸受と、
    前記軸受を収容する軸受ケーシングと、
    前記ロータケーシングと前記軸受ケーシングとの間に配置された第１のサイドケーシングと、
    前記軸受ケーシングを冷却する第１の冷却機構とを備えたことを特徴とする容積型真空ポンプ。
14. モータを収容するためのモータケーシングと、
    前記ロータケーシングと前記モータケーシングとの間に配置された第２のサイドケーシングと、
    前記モータケーシングを冷却するための第２の冷却機構とを更に備えたことを特徴とする請求項１３に記載の容積型真空ポンプ。
15. 前記軸受を保持する複数の軸受ケースを更に備え、該複数の軸受ケースは前記軸受ケーシング及び前記モータケーシング内にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の容積型真空ポンプ。
16. 前記第１のサイドケーシングは吐出口を有することを特徴とする請求項１３に記載の容積式真空ポンプ。
17. 前記ロータは、ルーツ型ロータであることを特徴とする請求項１３に記載の容積型真空ポンプ。
18. 前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、吸込側初段のロータ室の吐出側最終段のロータ室に対する容積の比率が８〜１４であることを特徴とする請求項１３に記載の容積型真空ポンプ。
19. 吐出側最終段のロータの厚さと径との比は、０．０５〜０．１１であることを特徴とする請求項１３記載の容積型真空ポンプ。
20. 前記ロータケーシングは前記ロータがそれぞれ収容される複数のロータ室を有し、前記ロータケーシングは、前段のロータ室の吐出気体を次段のロータ室に導く流路を有することを特徴とする請求項１３に記載の容積型真空ポンプ。
21. 前記ロータを回転駆動する駆動源が、ブラシレスＤＣモータであることを特徴とする請求項１３乃至２０のいずれかに記載の容積型真空ポンプ。
22. 前記ロータの全段が１つのロータケーシング内に直列に配置されていることを特徴とする請求項１３乃至２１のいずれかに記載の容積型真空ポンプ。

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