JP4767625B2 - 多段ルーツ式ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、一対の回転軸に支持された一対のロータにより気体を移送するルーツ式ポンプに関し、特に、前記ロータが多段に配置された多段ルーツ式ポンプに関する。

半導体製造プロセスや液晶パネルの製造装置等において使用されるルーツ式のポンプは、一対の回転軸それぞれに設けられたロータを使用して気体を移送し、容積が順次小さくなるポンプ室で圧縮して排気している。
このような多段ルーツ型のドライ真空ポンプにおいて、常用圧力運転時の消費電力を低減するためには、後段側（気体移送方向の下流側）、特に、最終段の排気量を減らす必要がある。前記排気量は、複数の歯を有するロータの凹み部分と、ロータが収容されたポンプ室の内壁とにより囲まれた空間の容積に基づいて決定される。
現在使用されている多段ルーツ式ポンプでは、回転軸に支持されたロータの形状は全て同じ形状に形成されているため（例えば、特許文献１（特開２００３−３０７１９２号公報）等参照）、排気量を減らすためには、ポンプ室およびロータの軸方向の長さを短くする必要がある。しかし、ロータの軸方向の長さ、すなわち、ロータの厚みを極端に薄くすると強度が低下し、変形する恐れがあるため、後段側の排気量を減少させる上で限界がある。

図５は、ロータの葉数と排気面積との説明図であり、図５Ａは３葉のインボリュート歯形ロータの説明図、図５Ｂは４葉のインボリュート歯形ロータの説明図、図５Ｃは６葉のインボリュート歯形ロータの説明図である。
この問題を解決するための技術として、下記の特許文献２（特開２００２−３６４５６９号公報）記載の技術が公知である。
特許文献２には、前段側（上流側）のロータを３葉で構成し、後段側（下流側）のロータを５葉で構成することにより、後段側のロータによる排気面積を小さくすることにより排気量を低減する技術が記載されている。
具体的には、図５に示す従来最も多く使用されているインボリュート歯形ロータにおいて、基準円０１の半径を同一に設定した場合、３葉のロータの総排気面積（図５Ａのパターニングした部分の面積Ｓ０１×３箇所）に対して、４葉のロータの総排気面積（図５Ｂのパターニングした部分の面積Ｓ０２×４箇所）は約７８％になっており、６葉のロータの総排気面積（図５Ｃのパターニングした部分の面積Ｓ０３×６箇所）は約５３％になっている。したがって、特許文献２記載の技術では、後段側のロータの葉数を増やすことにより、排気面積を小さくできるため、ロータの厚みをあまり薄くしなくても、後段側のロータによる排気量が低減できる。

特開２００３−３０７１９２号公報（第８図、第９図） 特開２００２−３６４５６９号公報（「０００９」〜「００１５」第１図〜第３図）

（従来技術の問題点）
しかしながら、前記特許文献２記載の従来技術では、ロータの後段側で葉数が多くなるため、後段側のロータの加工時間が長くなるという問題がある。
特に、ルーツ式ポンプのロータを作製する際には、軸方向のロータどうしの間隔の精度を高めるために、円板等のロータ切削用の板体を軸に精度良く固定した状態で、切削用の工具を使用して円板からロータを切削することがよく行われている。しかし、同じ軸上にあるロータの葉数が異なると、切削作業が複雑になり、加工に時間がかかるという問題がある。
先にロータを作製しておいてから軸に固定する場合、軸方向の位置の精度が出にくいだけでなく、複数段のロータ対の全てでロータどうしが精確に噛み合うように、各ロータの位相を精度良く調整して固定する必要があり、非常に高い精度が要求される。その上、特許文献２記載の技術では、葉数が異なるために噛合位置が前段側と後段側で異なるので、位相の調整が非常に複雑になり、精度も出しにくく、組み立てが非常に難しくなるという問題がある。

本発明は、前述の事情に鑑み、ポンプの消費電力を減少させつつ、ロータの作製を容易にすることを技術的課題とする。

（本発明）
次に、前記課題を解決した本発明を説明するが、本発明の要素には、後述の実施の形態の具体例（実施例）の要素との対応を容易にするため、実施例の要素の符号をカッコで囲んだものを付記する。また、本発明を後述の実施例の符号と対応させて説明する理由は、本発明の理解を容易にするためであり、本発明の範囲を実施例に限定するためではない。

（第１発明）
前記技術的課題を解決するために、第１発明の多段ルーツ式ポンプ（１）は、
内部に複数のポンプ室（Ｐ１〜Ｐ５）を有するケーシング（Ｃ）と、
前記ケーシング（Ｃ）に支持され、回転する一対の回転軸（Ａ１，Ａ２）と、
気体移送方向上流側の前記ポンプ室（Ｐ１，Ｐ２）内に配置され且つ前記各回転軸（Ａ１，Ａ２）に支持された複数の歯（２１，２１′）を有する上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）であって、インボリュート曲線（２８）またはサイクロイド曲線を含む外形により形成された前記上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）と、
気体移送方向下流側の前記ポンプ室（Ｐ３〜Ｐ５）内に配置され且つ前記各回転軸（Ａ１，Ａ２）に支持され、前記上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）と同一の葉数の歯（３１，３１″）を有する下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）であって、前記下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）の外周面と前記ポンプ室（Ｐ１〜Ｐ５）の内周面とにより囲まれた排気面積（ＨＭ２，ＨＭ２″）が前記上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）の排気面積（ＨＭ１，ＨＭ１′）よりも小さい下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）であって、前記インボリュート曲線（２８）またはサイクロイド曲線とは異なるエンベロープ曲線（３２）を含む外形により形成された前記下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）と、
を備えたことを特徴とする。

（第１発明の作用）
前記構成要件を備えた第１発明の多段ルーツ式ポンプ（１）では、回転する一対の回転軸（Ａ１，Ａ２）は、内部に複数のポンプ室（Ｐ１〜Ｐ５）を有するケーシング（Ｃ）に支持されている。前記各回転軸（Ａ１，Ａ２）に支持された複数の歯（２１，２１′）を有する上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）は、気体移送方向上流側の前記ポンプ室（Ｐ１，Ｐ２）内に配置されている。前記各回転軸（Ａ１，Ａ２）に支持された前記上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）と同一の葉数の歯（３１，３１″）を有する下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）は、気体移送方向下流側の前記ポンプ室（Ｐ３〜Ｐ５）内に配置されている。前記下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）は、前記下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）の外周面と前記ポンプ室（Ｐ１〜Ｐ５）の内周面とにより囲まれた排気面積（ＨＭ２，ＨＭ２″）が前記上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）の排気面積（ＨＭ１，ＨＭ１′）よりも小さい。

したがって、第１発明の多段ルーツ式ポンプ（１）では、下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）の排気面積（ＨＭ２，ＨＭ２″）が上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）の排気面積（ＨＭ１，ＨＭ１″）よりも小さいので、下流側での排気量を低減することができる。この結果、消費電力を低減することができる。また、上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）と下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）とは同一の葉数を有するため、異なる葉数のロータを使用する場合に比べ、加工作業が容易になり、加工時間も短縮できる。また、葉数が同一であるため、一対のロータを噛み合わせる噛合位置が同じになり、位相合わせが容易となり、組み立て作業も容易になる。この結果、第１発明の多段ルーツ式ポンプ（１）は、ロータの作製が容易になり、コストも低減できる。
また、前記上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）は、インボリュート曲線（２８）またはサイクロイド曲線を含む外形により形成されている。前記下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）は、前記インボリュート曲線（２８）またはサイクロイド曲線とは異なるエンベロープ曲線（３２）を含む外形により形成されている。したがって、第１発明では、上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）は、いわゆる、インボリュート歯形のロータまたはサイクロイド歯形のロータにより構成できる。また、下流側は、前記インボリュート歯形のロータまたはサイクロイド歯形のロータとは異なるエンベロープ曲線（３２）を含む外形の歯形のロータにより構成できる。

（第１発明の形態１）
第１発明の形態１の多段ルーツ式ポンプ（１）は、前記第１発明において、
複数段の上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）と、
複数段の下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）と、
を備えたことを特徴とする。
（第１発明の形態１の作用）
前記構成要件を備えた第１発明の形態１の多段ルーツ式ポンプ（１）では、上流側ロータ（Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′）が複数段設けられ、下流側ロータ（Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″）も複数段設けられている。したがって、下流側での排気量を低減しつつ、気体の圧縮性能を高めることができる。

前述の本発明は、ポンプの消費電力を減少させつつ、ロータの加工を容易にすることができる。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（実施例）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は本発明の実施例１の多段ルーツポンプの縦断面図である。
図２は前記図１の多段ルーツポンプの横断面の説明図であり、図２Ａは前記図１のＩＩＡ−ＩＩＡ線断面図、図２Ｂは前記図１のＩＩＢ−ＩＩＢ線断面図である。
図１、図２において、多段ルーツポンプ１は、互いに離れて配置された上流端壁２および下流端壁３を有している。上流端壁２の外端面にはモータＭを収容するモータ室２ａが形成されており、モータ室２ａの外端は上流端カバー４により閉塞されている。前記モータ室２ａの内側には駆動軸Ａ１の端部を回転可能に支持するベアリングＢｒ１と、気体の流入を防止するためのシール部材ＳＬ１とが支持されている。
下流端壁３の外端面には駆動軸Ａ１に装着されたギヤＧ１、従動軸Ａ２（図２参照）に装着されたギヤＧ２（図示せず）および潤滑油等を収容するギヤ室３ａ（図１参照）が形成されている。ギヤＧ１，Ｇ２を収容するギヤ室３ａの外端は下流端カバー５により閉塞されている。前記下流端壁３の内側には、駆動軸Ａ１を回転可能に支持するベアリングＢｒ２と、気体や潤滑油の流入を防止するためのシール部材ＳＬ２とが支持されている。

前記両端壁２，３間には仕切壁形成ブロックＢが配置されており、仕切壁形成ブロックＢは下ブロックＢａおよび上ブロックＢｂに分割して構成されている。仕切壁形成ブロックＢは複数の仕切壁６，７，８，９および外壁１０を有しており、下ブロックＢａは各仕切壁６〜９の下半分である下部仕切壁６ａ〜９ａおよび外壁１０の下半分である下部外壁１０ａにより構成され、上ブロックＢｂは各仕切壁６〜９の上半分である上部仕切壁６ｂ〜９ｂおよび外壁１０の上半分である上部外壁１０ｂにより構成されている。前記両端壁２，３および仕切壁６〜９の間にはそれぞれ第１ポンプ室Ｐ１〜第５ポンプ室Ｐ５が形成されている。
なお、前記両端壁２，３、仕切壁形成ブロックＢ、上流端カバー４、下流端カバー５等によりケーシングＣが構成されている。

ケーシングＣには、各ポンプ室Ｐ１〜Ｐ５の上端部にそれぞれ接続する吸気孔Ｐ１ａ〜Ｐ５ａおよび下端部にそれぞれ接続する排気孔Ｐ１ｂ〜Ｐ５ｂが形成されている。そして、前記各仕切壁６〜９の外周部分にはそれぞれ、上流側のポンプ室Ｐ１〜Ｐ４の排気孔Ｐ１ｂ〜Ｐ４ｂと下流側のポンプ室Ｐ２〜Ｐ５の吸気孔Ｐ２ａ〜Ｐ５ａとを連通させる連通路Ｓ１〜Ｓ４が形成されている。最後段の第５ポンプ室Ｐ５の排気孔Ｐ５ｂは、排気路１１に接続されており、気体が排気される。図１において、前記第２ポンプ室Ｐ２の下流端部には中間段排気口Ｐ２ｃが形成されており、中間段排気口Ｐ２ｃは逆止弁１２を介して排気路１１に接続されている。したがって、排気開始直後で中間段排気口Ｐ２ｃの圧力の高い状態では、前記逆止弁１２が開放されて中間段排気口Ｐ２ｃから排気され、排気が進んで圧力が低下してくると逆止弁１２が閉じて第５ポンプ室Ｐ５の排気孔Ｐ５ｂから排気される。

図２において、実施例１のポンプ１では、前記ポンプ室形成壁２，６〜９，３を貫通して平行な駆動軸Ａ１および従動軸Ａ２（図２参照）が回転可能に支持されており、駆動軸Ａ１はモータＭにより回転駆動される。駆動軸Ａ１および従動軸Ａ２には前記ギヤ室３ａ内において互いに噛み合うギヤＧ１およびＧ２が装着されている。したがって、駆動軸（回転軸）Ａ１が回転するとギヤＧ１、Ｇ２を介して従動軸（回転軸）Ａ２も回転する。
前記駆動軸Ａ１および従動軸Ａ２には、それぞれ前記各ポンプ室Ｐ１〜Ｐ５内部に収容されたポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂが固定支持されている。前記各ポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂは前記駆動軸Ａ１および従動軸Ａ２と一体的に回転し、その回転時に、各ポンプ室Ｐ１〜Ｐ５の吸気孔Ｐ１ａ〜Ｐ５ａから吸気した気体を排気孔Ｐ１ｂ〜Ｐ５ｂに移送する。

（ロータの説明）
（上流側ロータの説明）
図３は実施例１の多段ルーツ式ポンプのロータの説明図であり、図３Ａは側面図、図３Ｂは図３Ａの矢印IIIＢ方向から見た図、図３Ｃは図３Ａの矢印IIIＣ方向から見た図である。
図４はロータの説明図であり、図４Ａは実施例１の上流側のロータの説明図、図４Ｂは実施例１の下流側のロータの説明図、図４Ｃは実施例１の変更例１のロータの説明図、図４Ｄは実施例１の変更例２のロータの説明図である。
図１〜図３において、実施例１のポンプ１では、駆動軸Ａ１および従動軸Ａ２に支持された上流側ロータとしての第１ポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂおよび第２ポンプロータＲ２ａ，Ｒ２ｂは、外形が同形状のロータにより構成されており、軸方向の厚みが異なっている（第２ポンプロータＲ２ａ，Ｒ２ｂの方が薄い）。図２、図３、図４Ａにおいて、各上流側ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂは、３つの凸部（歯、歯先）２１および３つの凹部（歯元）２２を有する３葉のロータにより構成されており、外形は一般的に広く使用されているインボリュート歯形のロータにより構成されている。

図４Ａにおいて、インボリュート歯形の上流側ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂの外形は、以下のようにして形成される。先ず、基準円２３（図４Ａの一点鎖線参照）を設定する。次に、基準円２３の中心から等間隔（３葉なので１２０度間隔）に、放射状の３つの直線（図４Ａの一点鎖線の直線参照）を引き、各直線と基準円２３とが交差する位置を凸部２１の中心とし、もう一方側の交点を凹部２２の中心とする。そして、それぞれの中心より、中心角１２０度の円弧２１ａ、２２ａを設定する（円弧の半径は基準円２３の約０．４５倍）。前記放射状の３つの各直線の角の２等分線を６つ引きその線と基準円２３とが交差する点を接続点２７とする。そして、接続点２７を通過するインボリュート曲線（伸開線）２８で各円弧２１ａ、２２ａの間を接続する。

したがって、実施例１の上流側ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂは、前記円弧２１ａ、２２ａと、円弧２１ａ、２２ａ間を補完するインボリュート曲線２８とを有する外形の３葉のインボリュート歯形のロータにより構成されている。各ロータ対Ｒ１，Ｒ２が回転することにより、一方のロータの凸部２１が他方のロータの凹部２２に噛み合って回転し（図２Ａ参照）、ロータの凹部２２とポンプ室Ｐ１，Ｐ２の内面との間に形成される空間が吸気孔Ｐ１ａ、Ｐ２ａから排気孔Ｐ１ｂ，Ｐ２ｂ側に移動することにより、前記空間内の気体が下流側に移送される。なお、図４Ａにおいて、上流側ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂの排気面積ＨＭ１は、前記凸部２１の先端を結ぶロータ外径円２４（ポンプ室の内周面に対応）と円弧２１ａ、２２ａおよびインボリュート曲線２８とによって囲まれた部分（図４Ａのパターニングされた部分参照）となる。

（下流側ロータの説明）
図１〜図３において、駆動軸Ａ１および従動軸Ａ２に支持された下流側ロータとしての第３ポンプロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜第５ポンプロータＲ５ａ，Ｒ５ｂは、外形が同形状のロータにより構成されており、軸方向の厚みが下流側ほど薄く形成されている。図２、図３、図４Ｂにおいて、前記下流側ロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂは、上流側ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂの場合と同様に、３つの凸部（歯）３１および３つの凹部３２を有する３葉のロータにより構成されている。そして、下流側ポンプロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂの排気面積ＨＭ２（図４Ｂのパターニングされた部分参照）が上流側ポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂの排気面積ＨＭ１よりも小さくなるように設定されている。

図４Ｂにおいて、実施例１の下流側ロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂは、下記の外形を有する。前記インボリュート歯形のロータの場合と同様にして、基準円３３（図４Ｂの一点鎖線参照）を設定する。次に、凸部３１の先端、および接続点３７を設定する。そして、凸部３１の先端とその両側の接続点３７を通過する円弧３１ａと、相対するロータの凸部（噛合う凸部）の円弧３１ａにより描かれるエンベロープ曲線３２ａにより外形が形成されている。
なお、実施例１の基準円３３の半径は基準円２３の半径と同一に設定され、ロータ外径円３４の半径は基準円３３の半径の１．２５倍に設定されている。このように作製された実施例１の下流側ロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂの総排気面積（排気面積ＨＭ２×３）は、上流側ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂの総排気面積（排気面積ＨＭ１×３）に対して、約５２％になっている。

したがって、実施例１の下流側ロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂは、前記円弧３１ａ、３２ａを有する外形の３葉のロータにより構成されている。そして、各ロータ対Ｒ３〜Ｒ５が回転することにより、一方のロータの凸部３１が他方のロータの凹部３２に噛み合って回転し（図２Ｂ参照）、ロータの凹部３２とポンプ室Ｐ３〜Ｐ５の内面との間に形成される空間が吸気孔Ｐ３ａ、Ｐ３ａから排気孔Ｐ３ｂ，Ｐ３ｂ側に移動することにより、前記空間内の気体が下流側に移送される。
なお、実施例１のポンプ１では、駆動軸Ａ１および従動軸Ａ２の第３ポンプロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜第５ポンプロータＲ５ａ，Ｒ５ｂが固定されている部分Ａ１ａ，Ａ２ａは、軸の外径が太く形成されている。

（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の多段ルーツ式のポンプ１では、モータＭの駆動により回転軸Ａ１，Ａ２が回転すると、各ロータ対Ｒ１〜Ｒ５が回転し、各ポンプ室Ｐ１〜Ｐ５内の気体が吸気孔Ｐ１ａ〜Ｐ５ａ側から排気孔Ｐ１ｂ〜Ｐ５ｂ側に移送される。そして、移送された気体は、各ポンプ室Ｐ１〜Ｐ５の容積の比率に応じて圧縮され、最終的に排気路１１を通じて排気される。
実施例１のポンプ１では、ロータ対Ｒ１〜Ｒ５の下流側で排気面積が小さく且つ下流側ほど厚みが薄いので、下流側に行くほど排気孔Ｐ１ｂ〜Ｐ５ｂからの排気量が少なくなり、最下流側で排気量を減らすことができる。この結果、省電力化することができ、ランニングコストを低減できる。
また、下流側ほど排気面積自体が小さいので、排気面積と厚みとに基づいて決定される排気量を設定する際に、厚みを薄くしすぎなくても、下流側で排気量を十分低減することができる。したがって、排気量を低減しつつ厚みを十分確保できるので、ポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂの強度を十分強くすることができ、変形、破損を低減できる。

さらに、実施例１のポンプ１では、上流側ロータ対Ｒ１，Ｒ２と、下流側ロータ対Ｒ３〜Ｒ５とが同じ３葉のロータで構成されており、図３Ｂ，図３Ｃに示すように、外形が共通する部分が多い。したがって、回転軸Ａ１，Ａ２に固定した切削用の板体からロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂを切削して作製する場合に、例えば、切削工具を軸方向に沿って貫通させて共通する外形を切削してから、切削工具を上流側から移動させて上流側ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを切削し、切削工具を下流側から移動させて下流側ロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂを切削することにより、加工を行うことができる。これに対し、特許文献２記載の従来技術のように葉数が異なる場合は、共通する部分が少なく、共通しない部分が多いため、切削に時間がかかる。この結果、葉数が異なる場合に比べ、実施例１のロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂは短時間で加工することができる。この結果、加工コスト、製造コストを低減することができる。

また、実施例１のポンプでは、ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂの外形が共通する部分が多いので、加工代（しろ）の少ない板体（例えば、３葉の場合は円板ではなく三角形板）から削り出すことができる。一方、葉数が異なる場合は、共通する部分が少ないので、共通の板体を使用する場合、円板や多角形板体を使用する必要があり、加工代が多くなる。したがって、実施例１のポンプ１では、加工代の少ない板体から切削でき、加工時間を短縮することができる。また、加工代が少ないため、削り取ってしまう部分を少なくすることができ、無駄を省くことができ、低コスト化できる。
さらに、実施例１のポンプ１では、ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂの葉数が３葉と少ないので、比較的大きな切削工具を使用することができ、加工作業が容易になり、加工時間を短縮することができる。また、上流側と下流側で葉数が異なる場合には、別々の工具を使用しなければならないことがあるが、実施例１のポンプでは、上流側と下流側でロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂの葉数が同じため、同じ工具を使用して切削を行うことができる。したがって、切削作業を容易に行うことができ、工具の種類も共通化できるため、コストを抑えることができる。

また、上流側と下流側で葉数が同一であるため、ロータ対Ｒ１〜Ｒ５を噛み合わせる噛合位置が同じ位置であるため、位相あわせが容易であり、ポンプ１の組み上げが容易になる。さらに、最初にロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂを切削してから回転軸Ａ１，Ａ２に固定する場合でも、噛合位置が同じため、位相合わせを容易にできる。したがって、比較的容易且つ精度良く回転軸Ａ１，Ａ２にロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂを固定することができ、コストを低減できる。
この他にも、例えば、上流側のポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂは回転軸Ａ１，Ａ２に固定した板体から切削し、下流側のポンプロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂは回転軸Ａ１，Ａ２に固定する前に予め作製しておいてから回転軸Ａ１，Ａ２に固定して作製することもできる。このように作製することにより、さらなる加工時間の短縮が可能となる。

また、実施例１のポンプ１では、回転軸Ａ１，Ａ２の第３ポンプロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜第５ポンプロータＲ５ａ，Ｒ５ｂが固定されている大径部Ａ１ａ、Ａ２ａは、軸の外径が大きくなっているので、回転軸Ａ１，Ａ２の剛性を高めることができる。
さらに、実施例１のポンプ１では、中間段排気口Ｐ２ｃが設けられているので、上流側の第２ポンプ室Ｐ２と下流側の第３ポンプ室Ｐ３で容積比を大きくなり、排気孔Ｐ２ｂでの圧力が高くなって過圧縮状態が発生しても、中間段排気口Ｐ２ｃから排気できる。この結果、圧力が高い排気開始直後の場合でも、排気速度の減少を回避することができる。
また、実施例１のポンプ１では、下流側ロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂの外形が円弧３１ａとエンベロープ曲線３２ａを組み合わせた外形になっており、基準円３３に対し、ロータ外径円３４の半径を比較的自由に設定でき、排気面積ＨＭ２を容易に調整することができる。この結果、排気面積ＨＭ２や排気量の設定の自由度が高まり、ポンプ１の設計の自由度を高めることができる。

（実施例１の変更例１）
前記実施例１において、上流側のポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂを、インボリュート歯形のロータに替えて、下流側のポンプロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂと同様にして、円弧の組み合わせによるロータを使用することができる。
すなわち、図４Ｃにおいて、まず、基準円２３′（図４Ｃの一点鎖線参照）に対して、下流側のロータのロータ外形円３４よりも半径の大きな同心円であるロータ外径円２４′（図４Ｃの二点鎖線参照）を設定する。そして、実施例１と同様に、凸部２１′の先端および接続点２７′を設定する。そして、凸部２１′の先端とその両側の接続点２７′を通過する円弧２１ａ′と、相対するロータの凸部円弧により描かれるエンベロープ曲線２２ａ′とにより上流側のポンプロータＲ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′の外形を形作る。

（実施例１の変更例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の変更例１のポンプにおいて、前述のように円弧とエンベロープ曲線を組み合わせた歯形のロータでは、排気面積を比較的自由に設定できる。一方、実施例１の上流側ロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂのようなインボリュート歯形や後述するサイクロイド歯形のロータの場合、基準円３３の半径と葉数が決まると、ロータ外径円３４の半径が一元的に決まるため、設計の自由度が低い。これに対して、実施例１の変更例１のポンプでは、設計の自由度が高い円弧２１ａ′とエンベロープ曲線２２ａ′を組み合わせた歯形のロータを採用しているので、上流側ポンプロータＲ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′の排気面積ＨＭ１′（図４Ｃのパターンニングで示した部分参照）を自由に設定でき、実施例１の排気面積ＨＭ１とほぼ同じ面積に設定できる。この結果、実施例１の変更例１のポンプでも実施例１のポンプ１と同様の作用効果を有する。

（実施例１の変更例２）
前記実施例１において、下流側のポンプロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂを替えて、いわゆるサイクロイド歯形のロータを使用することができる。
すなわち、図４Ｄにおいて、実施例１と同様に基準円３３″（図４Ｄの一点鎖線参照）、ロータ外径円３４″（図４Ｄの二点鎖線参照）、ロータ内径円３６″（図４Ｄの破線参照）、および、凸部３１′の先端、凹部３２′の底および接続点３７′を設定する。そして、凸部３１′の先端とその両側の接続点３７′を通過するサイクロイド曲線（外サイクロイド、エピサイクロイド）３１ａ″と、凹部３２′の底とその両側の接続点３７′を通過するサイクロイド曲線（内サイクロイド、ハイポサイクロイド）３２ａ″とにより下流側のポンプロータＲ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″の外形を形作る。

（実施例１の変更例２の作用）
前記構成を備えた実施例１の変更例１のポンプでは、実施例１の下流側のポンプロータＲ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂに比べ、排気面積ＨＭ２″は大きくなるが、上流側のポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂの排気面積ＨＭ１よりは排気面積ＨＭ２″が小さくなる。したがって、実施例１の変更例２のポンプでも、実施例１のポンプ１と同様の作用効果を有する。

(変更例)
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ06）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、ポンプロータＲ１ａ，Ｒ１ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂの葉数は３つに限定されず、２つまたは４つ以上とすることも可能である。
（Ｈ02）前記実施例において、中間段排気口Ｐ２ｃは省略することも可能である。
（Ｈ03）前記実施例において、回転軸Ａ１，Ａ２の下流側部分の外径を太くしたが、同一径とすることも可能である。

（Ｈ04）前記実施例において、上流側をインボリュート歯形のロータまたは円弧の組み合わされた歯形のロータを使用したが、下流側よりも排気面積の広いサイクロイド歯形のロータを使用することも可能である。
（Ｈ05）前記実施例において、上流側ロータ対Ｒ１，Ｒ２を２段、下流側ロータ対Ｒ３〜Ｒ５を３段としたが、段数は任意に変更可能であり、１段ずつとすることも可能である。

（Ｈ06）前記実施例において、上流側と下流側の２種類の外形のポンプロータを例示したが、これに限定されず、上流側、中流側、下流側等で３種類以上の外形のポンプロータを使用することも可能である。例えば、上流側はインボリュート歯形のポンプロータ、中流側をサイクロイド歯形のポンプロータ、下流側を円弧が組み合わされた歯形のポンプロータとすることも可能である。

図１は本発明の実施例１の多段ルーツポンプの縦断面図である。 図２は前記図１の多段ルーツポンプの横断面の説明図であり、図２Ａは前記図１のＩＩＡ−ＩＩＡ線断面図、図２Ｂは前記図１のＩＩＢ−ＩＩＢ線断面図である。 図３は実施例１の多段ルーツ式ポンプのロータの説明図であり、図３Ａは側面図、図３Ｂは図３Ａの矢印IIIＢ方向から見た図、図３Ｃは図３Ａの矢印IIIＣ方向から見た図である。 図４はロータの説明図であり、図４Ａは実施例１の上流側のロータの説明図、図４Ｂは実施例１の下流側のロータの説明図、図４Ｃは実施例１の変更例１のロータの説明図、図４Ｄは実施例１の変更例２のロータの説明図である。 図５は、ロータの葉数と排気面積との説明図であり、図５Ａは３葉のインボリュート歯形ロータの説明図、図５Ｂは４葉のインボリュート歯形ロータの説明図、図５Ｃは６葉のインボリュート歯形ロータの説明図である。

符号の説明

１…多段ルーツ式ポンプ、
２１，２１′…歯、
２８…インボリュート曲線、
３１，３１″…歯、
３１ａ…円弧、
３２ａ…エンベロープ曲線
Ａ１，Ａ２…回転軸、
Ｃ…ケーシング、
ＨＭ１，ＨＭ１′，ＨＭ２，ＨＭ２″…排気面積、
Ｐ１〜Ｐ５…ポンプ室、
Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ１ａ′，Ｒ１ｂ′，Ｒ２ａ′，Ｒ２ｂ′…上流側ロータ、
Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ〜Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ３ａ″，Ｒ３ｂ″〜Ｒ５ａ″，Ｒ５ｂ″…下流側ロータ。

Claims (2)

1. 内部に複数のポンプ室を有するケーシングと、
   前記ケーシングに支持され、回転する一対の回転軸と、
   気体移送方向上流側の前記ポンプ室内に配置され且つ前記各回転軸に支持された複数の歯を有する上流側ロータであって、インボリュート曲線またはサイクロイド曲線を含む外形により形成された前記上流側ロータと、
   気体移送方向下流側の前記ポンプ室内に配置され且つ前記各回転軸に支持され、前記上流側ロータと同一の葉数の歯を有する下流側ロータであって、前記下流側ロータの外周面と前記ポンプ室の内周面とにより囲まれた排気面積が前記上流側ロータの排気面積よりも小さい下流側ロータであって、前記インボリュート曲線またはサイクロイド曲線とは異なるエンベロープ曲線を含む外形により形成された前記下流側ロータと、
   を備えたことを特徴とする多段ルーツ式ポンプ。
2. 複数段の上流側ロータと、
   複数段の下流側ロータと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多段ルーツ式ポンプ。

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