JP2005307978A - 多段式真空ポンプおよびその種のポンプを備えたポンプ設備 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つの低圧の第１段および少なくとも１つの高圧の第２段を備える多段真空ポンプを提供すること。
【解決手段】少なくとも１つの段が、ポンプ輸送される気体を流入させるための少なくとも１つの吸入口を有し、少なくとも１つの段が、ポンプ輸送された気体を排出するために外部へ開いた少なくとも１つの吐出口を有する。第１段と第２段は、気体を第１段と第２段との間で流すために互いに連通している。第１段は、第２段の流量より少ない流量で作動する。オイルシール回転ベーン容積式ポンプでは、油は、流量が大きい方の段に注入される。
【選択図】図１

Description

本出願は、２００４年４月２１日出願の仏国特許出願第０４／５０ ７４１号に基づき、その利益を主張するものであり、同出願は参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は多段式真空ポンプに関する。さらに本発明は、その種のポンプを備えるポンプ設備に関する。

真空ポンプは、隔室内の圧力を下げるために、気体分子を抜き取り排出することができる装置である。「低」真空は約１ミリバール（ｍｂａｒ）より高い気圧として定義される。そのような環境では、ベーンポンプなどのいわゆる「１次」ポンプが使用される。「中」真空は、１ｍｂａｒから１０^−３ｍｂａｒの範囲にある圧力に対応する。「高」真空は、１０^−３より小さく１０^−７ｍｂａｒまでの圧力に合致し、それを超える真空は「超高」真空と呼ばれる。設備に高真空を実現することが望まれる場合、１次ポンプはそれに接続される２次ポンプ、たとえばターボ分子ポンプなどを有する。

同じポンプの中に、複数の同じ形式のポンプ段が共に直列で結合されたとき、ポンプは多段ポンプであると言われる。たとえば、広範に用いられている２段ポンプは、２つの段を有する。流れ方向の最初の段、または吸入段（一般に、これが最も低い圧力を発生する段であるので、「低圧」段と呼称される）は、ポンプ流量を最大限に大きくするために大型である。流れ方向の第２段、または吐出段（一般に、これが最も高い圧力で作動する段であるので「高圧」段と呼称される）は、一般に、より低流量でより小型である。

本発明は、特に、異なる真空レベルが必要な少なくとも２つの隔室を有し、それぞれがポンプユニットに接続されている設備に関する。そのような設備で異なる特性を有する複数のポンプが存在すると、投資、保守、およびエネルギー消費の面で特にコスト高になる。したがって、同等の性能に対して必要とするポンプの数が少なく、現在知られている設備のコストよりも低コストの設備が必要とされる。

例として、文献、米国特許第５ ７３３ １０４号明細書は、その中が真空である必要がある連続した４個の隔室を備える設備を記載している。後ろの３つの隔室は、２つのターボ分子ポンプ段および分子ポンプ段を備える２次ポンプユニットに接続されている。２つのターボ分子ポンプ段は、その吸気入口をそれぞれ、設備の最後尾の２つの隔室に接続され、２段目は１段目の出口にも接続されている。分子ポンプ段は、２段目のターボ分子段の出口に接続されており、３番目の隔室に接続された吸気入口を有する。これらの段は、そのロータを共通の伝動軸によって駆動され、伝動軸自体は、単一のモータおよび単一の制御部によって駆動されている。１番目の隔室は、ダイアフラムポンプなどの１次ドライポンプに接続されている。１次ドライポンプは、２次ポンプユニットと直列に搭載され、その吸入口を介して、分子ポンプ段の出口に接続されている。１番目の隔室を排気するダクトは同じ吸入口に接続されている。

その解決策は、ダイアフラムポンプの限定された流量に適合する１つの流れだけが可能であるという欠点を有する。それに加えて、その解決策は、隣り合う隔室の間の圧力比が一定な運転しかできない。ただし、分子ポンプ部分の圧縮比および圧縮性蒸気に対するコールドトラップの存在が、ダイアフラムの寿命を延ばすためにダイアフラムポンプの運転を一時的に停止することを可能にする。

米国特許第３ ６６８ ３９３号明細書は、たとえば電子顕微鏡など、第１に、高レベルの真空度が要求される封入室と、第２に、真空にされた別の区画とを備える設備を開示している。設備はやはり、ターボ分子ポンプ配置部および２段の１次ポンプを備えたポンプ群を有する。ターボ分子ポンプ配置部は、封入室に接続された主段と別の区画に接続された補助段とを備える。両段とも共通な筐体に収容され、共通な伝動軸を介してただ１つのモータに結合されている。ただし、互いに連通していない２つのポンプからの出口は相互の漏洩を防ぐ隔壁で分離されており、それぞれのポンプは、それに接続されるポンプの別々の段へ吐出する。１次ポンプは高圧段を備え、その高圧段の吸入口はターボ分子ポンプ配置部の主ポンプの出口に接続され、その出口は連続的に１次ポンプの低圧段へ気体を吐出する。次いで、低圧段は導管で高圧段に接続され、その導管に補助ポンプの出口がバルブを介して接続される。１次ポンプの低圧段からの流れが補助ターボ分子ポンプから来た流れと１次ポンプの高圧段で混合し、それによって、この２つの経路を介してポンプ吸引した気体を外部へ排出することができる。

そのような設備により、ただ１つの従来型２段の１次ポンプ、および、さらに２つの２次ポンプを含む構成を用いて、２つ別々の空間を同時に２つの異なったレベルの真空にすることが可能になる。

その解決策は、ベーンポンプの各オリフィスを通して得られる真空レベルと流量の間に高度な相互依存性が存在するという欠点を有する。したがって、システムは補助ポンプシステムの圧力変化が小さい運転しかできず、その結果、その用途が十分に定義された試験条件のみに限定される。
米国特許第５ ７３３ １０４号明細書 米国特許第３ ６６８ ３９３号明細書

本発明の目的は、一方の隔室に低真空を得るための１次ポンプとして働くと同時に、たとえば２次ポンプの出口にあって、真空をより低圧に保つための１次ポンプとして働くのに適した多段真空ポンプを提供することによって、従来技術の設備を改善することである。

したがって、本発明は、少なくとも１つの低圧の第１段および少なくとも１つの高圧の第２段を備え、前記両段のうちの少なくとも１つが、ポンプ輸送される気体を吸入するための少なくとも１つの入口（通常「吸入口」と呼称される）を有し、前記両段のうちの少なくとも１つが、ポンプ輸送された気体を排出するために外部に向かって開いている少なくとも１つの出口（通常「吐出口」と呼称される）を有し、前記第１段および第２段は、互いに連通して前記第１段と第２段との間で気体を通す多段真空ポンプであって、前記第１段が前記第２段より低い流量で作動することを特徴とする多段真空ポンプを提供する。

すなわち、この解決法は、現在知られているポンプと比較して、特に、低圧段と高圧段それぞれの流量を置き換えたことに基づいている。したがって、第１段のサイクル当たりの押しのけ量は、第２段より小さい。用語「サイクル当たりの押しのけ量」は、流量が回転当たり輸送される体積（構成要素の幾何学的寸法）と回転速度の両者によって変化することに基づいて、ポンプの流量がその構成要素の容積に依存する部分を表すのに用いられる。両段が同じ伝動軸上にあるとき、両回転速度は等しく、所与の直径に対して、長さが長い方が、サイクル当たりの押しのけ量が増加することになり、逆に長さが等しくても直径が異なれば、異なる流量にすることができる。本発明では、たとえば２次ポンプの出口から来る気体を吸入するために、流量の小さい低圧第１段が使用され、たとえば、装置を装填するとき用いる隔室（または「ロードロック」）など、低真空度しか要求しない隔室から来る気体を吸入するために、流量がより大きい、気体入口を有する高圧第２段が使用される。

本発明の第１の実施形態では、第１段と第２段が物理的に入れ替えられ、その結果それらの流量は上記のように修正されている。したがって、第１段または「低圧」段はサイクル当たりの押しのけ量が減らされており、その結果、第１段または「低圧」段は、より特定的に２次ポンプからの吐出をポンプ吸入するために用いられる。第２段または出口段は、サイクル当たりの流量が増加されており、したがって、さらに別の吸入口を介して大流量で吸入を行うために用いることができる。

本発明は、特に容積式ポンプに適用される。容積式ポンプでは、気体で充満された容積空間はサイクルごとに吸入位置から離隔されて、圧縮された後、吐出位置へ移送される。ポンプの流量を増加するには、その他の寸法が同じままの場合、各ポンプサイクルでの押しのけ量を増加するか、ポンプの回転速度を増加する必要がある。当然これは、段の大きさが同じになってしまい得る、押しのけ量が小さいポンプには適用されない。

容積式真空ポンプの中で、「オイルシール」ポンプとして知られている潤滑されたベーンを有する回転ポンプは多段ポンプであり、現在、産業用に使用されている。オイルシールポンプは、ポンプの機能部分、ポンプの諸段、および圧縮室へ油を導入する装置を全体的に囲う容器形式の液体油の供給部を有する。そのような油に求められる機能は数が多い。すなわち、潤滑油としての通常の役目に加えて、油は、ポンプから圧縮熱を取り除き、不用な空間を最小限に抑え、相対運動をする機械部品の間のシールを構成する。油によるシールがなければ、各段での内部漏洩は極めて大きくなり、それに応じて圧縮比が低下する。運動部分のシールに油を用いることによって、１段だけで最大１０５の圧縮比を得ることが可能である。低い限界圧力を達成するために漏洩率を最小限に抑えることが必要である。

「低圧」段位置に配置される従来技術のベーンポンプは、通常、外部から気体分子を吸入するための入口を備える。「高圧」段は、吸入口が「低圧」段の吐出口に接続され、圧縮された吐出気体を外部に排気するための出口を有する。高圧段はまた、大気圧に近い圧力に維持されている容器から油が導入される段としての役割を果たす。外気に常に接している油は空気を吸収しており、油が「高圧」段へ導入されるときに空気は圧力が低い体積部分に逃がされる。空気の一部はさらに吐出サイクル中に取り除かれる。すなわち、空気の一部は、内部漏洩の形で部分的に「高圧」段の吸入側へ移動する。２段オイルシールポンプでは、低圧段は、すでに「高圧」段で空気を抜かれた油を「高圧」段から供給される。そのとき、吸入圧力は高真空度範囲の値になっており、最低作動圧力は中真空と高真空の境界にある。

本発明の第２の実施形態では、各段は好ましくは従来技術のポンプがもつ従来の配置を保つが、各段の機能が入れ替わっている。油は第２段、すなわち流量が大きい方の段へ注入される。したがって、第２段が「高圧」段になる。気体を除去された油は、次いで高流量段から流量が低い方の段、または「低圧」段へ送られる。この「低圧」段からの出口では、導管が気体を「高圧」段の入口に移送するように修正されている。この解決法は、以前と同じポンプの段配置を維持することによる利点、すなわち諸寸法および実装コストが同様になる利点を提供する。

本発明の利点は、ターボ分子ポンプから吐出される出口流れなどの連続的低圧流れに「低圧」段を使用している間、たとえば、「低圧」段からの吐出圧は、従来技術のポンプにおける吐出圧より低くなることである。「高圧」段がより大きい押しのけ容積を有するので、「低圧」段から吐出された流れは、より大きい容積中へ、したがってより低い圧力で放出される。「高圧」段を介して周期的にエアロックをポンプ排気するとき、段の容積および押しのけ量がより大きいので、圧力の上昇が小さく、圧力を下げるのに必要な時間も同様に短くなる。圧力の周期的な上昇の間、「低圧」段のベーンは、「低圧」段の吸入圧力に対する「チェックバルブ」として作用することに注目すべきである。ベーンにより、また、「高圧」段の圧力降下の規模および継続時間が減少することによって、２次ポンプの出口へ向かう圧力上昇が限定的になる。このことは、「ロードロック」タイプの周期的用途において、高流量の「高圧」段によって、小規模から中規模のエアロック容積空間を大気圧からポンプ排気するときに特に有利である。

本発明は、ダイアフラムポンプ、回転ピストンポンプ、往復ピストンポンプなど、他の形式の容積式真空ポンプにも適用できる。本発明は、ルーツ（Ｒｏｏｔｓ）型多段ドライポンプなど、動的圧縮ポンプにも適用できる。そのような環境下では、潤滑の問題はもはや起こらない。そのような環境下で用いられるのは本発明の第１の実施形態、すなわち段を置き換える形態である。

また、本発明は、そのような多段ポンプ、および多段ポンプに吐出口が接続された少なくとも１つのターボ分子ポンプをさらに備える真空設備を提供する。

設備は、好ましくは少なくとも２つの隔室を有する。第１の隔室は、本発明の多段ポンプに接続され、第２の隔室は、多段ポンプにその吐出口が接続されたターボ分子ポンプに接続されている。より詳細には、低流量の第１段の気体入口は、ターボ分子ポンプからの出口に接続され、高流量の第２段の気体入口は、第１の隔室に直接接続されている。

本発明の多数の用途の中で、連続的な流れの流入を伴う質量分析装置、およびＣＤやＤＶＤの複製への応用に言及することができる。質量分析装置は、低真空度圧力の受け入れ隔室、および、高真空が必要な、２次ポンプが取り付けられた隔室をさらに有する。ＣＤおよびＤＶＤの複製に関する適用例では、ほとんど連続的に圧力が１ｍｂａｒより大幅に低い高真空下にある処理隔室、および、周期的に大気圧から数ｍｂａｒ程度の中真空までを繰り返す基板移送および充填隔室（またはロードロック）を用いる。

本発明の他の特徴および利点は、当然に非限定的例として挙げられた実施例の以下の説明を、添付図面と併せて読むことにより明らかになる。

図１に、本発明による潤滑ベーンを有する２段回転容積式真空ポンプ１を示す。従来の方法では、ポンプ１は、内部が真空であることを要求される封入室から気体分子を抜き取る「低圧」第１段２を備え、低圧第１段は気体分子を圧縮してから「高圧」第２段３へ送る。高圧第２段は、気体分子を高圧に圧縮してから外部へ排出する。両段２および３は類似の構造であり、それぞれが、モータ（図示せず）から送られる機械的エネルギーを伝達するシャフトに固定され、外側はシャフトの中心軸に平行な母線を有する円筒形をもつロータ４、５を備える。ロータ４、５は、ステータ６、７の内側に偏心して接するように装着されている。ロータ４、５は、ロータ４、５中のスロットの中をロータの軸に対して垂直に摺動するように装着された、ロータ４、５の軸に対して垂直なベーン８、９を有する。両段２および３は、「低圧」段２で圧縮された気体分子を「高圧」段３中へ流すことができる管１０を介して連通している。

本発明によれば、より低流量の「低圧」段２は、たとえば２次ポンプから吐出されて来る気体の吸入を可能にする入口１１を有する。より大流量の「高圧」段３は、たとえばロードロック室からの気体の吸入を可能にする入口１２、および排気される気体を外部に送出することを可能にする出口１３を有する。各段はさらに、排気バルブ（図示せず）が設けられた開口を有することができる。

ロータおよびステータ組立体４および６ならびに５および７の段それぞれは、タンク１５として働く油で満たされた容器１４内に配置されている。液体油はタンク１５内に収容され、「高圧」段３へ管１６を介して導入される。油は自然循環させることもできるし、オイルポンプ１７によって強制循環させることもできる。運転サイクル中、油は「高圧」段３から「低圧」段２へ通路１８を介して移送される。

図２に示される本発明による設備は、２つの隔室２０、２１を有する。第１の隔室２０からの出口２２は、より大きい流量、すなわちより大きい圧送容積を有する本発明によるポンプ１の「高圧」段３の吸入口１２に接続されている。次の隔室２１からの出口２３は、ターボ分子ポンプ２４に接続されている。ターボ分子ポンプの吐出口２５自体は、本発明によるポンプ１のより小さい流量を有する「低圧」段２の吸入口１３に接続されている。

本発明による２段回転容積式真空ポンプを示す概略断面図である。 図１のポンプを含む装置を示す線図である。

符号の説明

１ ２段回転容積式真空ポンプ
２ 低圧第１段
３ 高圧第２段
４、５ ロータ
６、７ ステータ
８、９ ベーン
１０、１６ 管
１１、１２ 入口
１３、２３ 出口
１４ 容器
１５ タンク
１７ オイルポンプ
１８ 通路
２０、２１ 隔室
２４ ターボ分子ポンプ
２５ 吐出口

Claims (11)

1. 少なくとも１つの低圧の第１段および少なくとも１つの高圧の第２段を備え、前記両段のうちの少なくとも１つが、ポンプ輸送される気体を吸入する少なくとも１つの入口を有し、前記両段のうちの少なくとも１つが、ポンプ輸送された気体を排出するように外部へ開いた少なくとも１つの出口を有し、前記第１段および第２段が互いに連通して、気体が前記第１段と第２段の間を流れることができる多段真空ポンプであって、前記第１段が前記第２段より低い流量で作動することを特徴とする多段真空ポンプ。
2. 前記第１段の圧送容積が、前記第２段の圧送容積より小さい請求項１に記載の多段真空ポンプ。
3. 前記第２段が、低真空を必要とする隔室から来る気体を吸引する請求項１に記載の多段真空ポンプ。
4. 前記第１段が、２次ポンプの出口から来る気体を吸引する請求項１に記載の多段真空ポンプ。
5. 前記第１段と第２段が、物理的に入れ替えられた請求項１に記載の多段真空ポンプ。
6. 多段真空ポンプがオイルシール回転ベーン容積式ポンプである請求項１に記載の多段真空ポンプ。
7. より大きい流量を有する前記第２段中へ油が注入される請求項６に記載の多段真空ポンプ。
8. 多段真空ポンプが、ダイアフラムポンプ、回転ピストンポンプ、往復ピストンポンプ、およびルーツ型動的圧縮ポンプから選択される容積式ポンプである請求項１に記載の多段真空ポンプ。
9. 請求項１に記載の多段ポンプを備える真空設備であって、前記多段ポンプにその吐出口が接続された少なくとも１つのターボ分子ポンプをさらに備える真空設備。
10. 少なくとも２つの隔室を有し、多段ポンプを備える設備であって、第１の隔室が前記多段ポンプに接続され、第２の隔室が、前記多段ポンプにその吐出口が接続されたターボ分子ポンプに接続される請求項９に記載の設備。
11. 低流量の前記第１段の気体入口が、ターボ分子ポンプの吐出口に接続され、より大きな流量の前記第２段の気体入口が前記第１の隔室に接続される請求項１０に記載の設備。

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