HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Vakuumpumpe und insbesondere auf eine mehrstufige
Verdrängungsvakuumpumpe, die vorzugsweise bei der Herstellung von
Halbleitervorrichtungen verwendet wird, und die von
atmosphärischen Druck aus betrieben werden kann.
Beschreibung der verwandten Technik
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Es ist eine Vakuumpumpe bekannt gewesen, die Roots-Pumpe
genannt wurde, die ein paar von flügelansatzförmigen
Pumpenrotoren hat, und zwar zur Drehung synchron in
entgegengesetzten Richtungen zum Ausstoß eines Gases aus einem
Raum, der auf einem Druck unter dem Atmosphärendruck zu
halten ist. Die Pumpenrotoren sind drehbar in einem
Gehäuse zur Drehung in entgegengesetzten Richtungen
aufgenommen. Die Pumpenrotoren werden außer Kontakt
miteinander mit einem kleinen Spalt dazwischen gehalten, und die
Pumpenrotoren und die Innenwandoberfläche des Gehäuses
werden auch außer Kontakt zueinander mit einem kleinen
Spalt dazwischen gehalten. Eine Bauart einer solchen
Roots-Pumpe hat Pumpenrotoren, die in mehreren Stufen
angeordnet sind, um einen Druck von ungefähr 10&supmin;³ Torr bei
einem Ansauganschluß mit dem Atmosphärendruck bei einem
Auslaßanschluß zu entwickeln.
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Fig. 8 zeigt eine herkömmliche Roots-Vakuumpumpe, die
Pumpenrotoren hat, die in mehreren Stufen angeordnet
sind. Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen einem
Pumpengehäuse und einem Roots-Rotor. Fig. 9 ist eine
Querschnittsansicht, die entlang der Line IX - IX der Fig. 8
aufgenommen wurde. Wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt,
hat die Vakuumpumpe ein Paar von Roots-Rotoren 21 als
Pumpenrotoren, die drehbar in einem Pumpengehäuse 22
aufgenommen sind. Das Pumpengehäuse 22 hat zylindrische
Wände 22w, die jeweils zwischen den Stufen vorgesehen sind,
d. h. zwischen einer vorhergehenden Stufe und einer
nachfolgenden Stufe.
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In den Fig. 8 und 9 wird der Druck am Ansauganschluß
der vorhergehenden Stufe durch P&sub1; dargestellt, und der
Druck am Auslaßanschluß der vorhergehenden Stufe wird
durch P&sub2; dargestellt. Weiterhin wird der Druck am
Ansauganschluß der darauffolgenden Stufe durch P&sub2;
dargestellt, und der Druck am Auslaßanschluß der nachfolgenden
Stufe wird durch P&sub3; dargestellt.
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Bei der herkömmlichen Vakuumpumpe, wie in Fig. 8
gezeigt, werden die drei Drücke P&sub1;, P&sub2; und P&sub3; um eine
Rotorwelle herum zwischen einer vorhergehenden Stufe und einer
nachfolgenden Stufe geformt. Daher werden die folgenden
sechs Gasflüsse um die Rotorwelle herum geformt.
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P&sub1; → P&sub2;
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P&sub1; ← P&sub2;
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P&sub2; → P&sub3;
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P&sub2; ← P&sub3;
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P&sub1; → P&sub3;
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P&sub1; ← P&sub3;
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In der herkömmlichen Vakuumpumpe verringern die obigen
Gasflüsse den Pumpenwirkungsgrad.
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Das US-Patent 1,531,607 offenbart eine mehrstufige Pumpe,
die eine Anzahl von einstufigen Roots-Rotationspumpen mit
einem Freiraum zwischen ihnen aufweist, um als Kanal zu
dienen, wobei Wände die Grenzen des Kanals bilden, und
wobei eine Verbindung zwischen den entgegengesetzten
äußeren Teilen des Kanals und dem Auslaß von einem
Pumpenabteil bzw. dem Einlaß des anderen eingerichtet wird, und
wobei Mittel zur Wärmebehandlung des Strömungsmittels
vorgesehen sind, wenn es durch
die Pumpe läuft.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine mehrstufige
Verdrängungsvakuumpumpe nach Anspruch 1 vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den
abhängigen Ansprüchen offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
mehrstufige Verdrängungsvakuumpumpe vorzusehen, die einen
Pumpenwirkungsgrad oder eine Leistung verbessern kann
durch Reduzierung der Gasflüsse von P&sub1; → P&sub3; und P&sub1; ← P&sub3;
verbessern kann, die von der größten Druckdifferenz unter
den sechs Gasflüssen bewirkt wird, die zwischen einer
vorhergehenden Stufe und einer nachfolgenden Stufe
gebildet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine
mehrstufige Verdrängungsvakuumpumpe bzw. Vakuumpumpe mit
positiver Verdrängung vorgesehen, die folgendes aufweist:
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ein Pumpengehäuse; eine Pumpenanordnung, die in dem
Pumpengehäuse aufgenommen ist und ein Paar von Pumpenrotoren
aufweist, die synchron miteinander drehbar sind und in
mehreren Stufen angeordnet sind; und eine
Zwischendruckkammer zwischen einer vorangegangenen Stufe und einer
darauffolgenden Stufe in dem Pumpengehäuse, wobei
Wellenteile der Pumpenrotoren, die zwischen den vorhergehenden
und den nachfolgenden Stufen liegen, in der
Zwischendruckkammer gelegen sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine
Zwischendruckkammer zwischen den vorhergehenden und den nachfolgenden
Stufen vorgesehen, und es wird keine zylindrische Wand
zwischen den vorhergehenden und den nachfolgenden Stufen
ausgebildet. Daher werden die Rotorwellenteile, die
zwischen den vorhergehenden und den nachfolgenden Stufen
gelegen sind, von Gas umschlossen, welches einen Druck nach
der Komprimierung durch die vorhergehende Stufe und vor
der Komprimierung durch die nachfolgende Stufe hat, wobei
somit Gasflüsse, die von der größten Druckdifferenz
zwischen den vorhergehenden und den nachfolgenden Stufen
verursacht werden, verringert werden können, und wobei
der Vakuumgrad verbessert wird. Bei dem
Halbleiterherstellprozeß tritt Korrosion im Inneren der Vakuumpumpe
auf, und eine Ablagerung von Materialien wird im Inneren
der Vakuumpumpe aufgrund von Prozessgasen erzeugt. Bei
der vorliegenden Erfindung jedoch kann die
Instandhaltungslebensdauer bzw. der Serviceintervall der
Vakuumpumpe verlängert werden, da eine große Menge von
Stickstoffgas, welches gegen die obige Korrosion und die Ablagerung
wirksam ist, verwendet werden kann, um das Prozessgas zu
lösen.
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Da weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung das
Pumpengehäuse die oberen und unteren Gehäuseglieder aufweist,
können sie leicht montiert und demontiert werden.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung offensichtlich, wenn diese in Verbindung mit den
beigefügten Zeichnungen gesehen wird, die ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
beispielhaft darstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Längsquerschnittsansicht einer
mehrstufigen Verdrängungsvakuumpumpe gemäß eines
Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen
entlang der Linie II-II der Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen
entlang der Linie III-III der Fig. 2;
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Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen
entlang der Linie IV-IV der Fig. 1;
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Fig. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der
Fig. 1;
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Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen
entlang der Linie VI-VI
der Fig. 1;
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Fig. 7A, 7B, 7C und 7D sind Querschnittsansichten, die
die Art und Weise veranschaulichen, in der die
Roots-Rotoren der in Fig. 1 gezeigten
Vakuumpumpe arbeiten;
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Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht einer
herkömmlichen Vakuumpumpe; und
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Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen
entlang der Linie IX - IX der Fig. 8.
DETAIL IL ERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, weist eine
mehrstufige Verdrängungsvakuumpumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Pumpengehäuse 1 und ein Paar von Roots-Rotoren 2
auf, wobei die Roots-Rotoren drehbar in dem Pumpengehäuse
1 aufgenommen sind. Die Roots-Rotoren 2 sind in mehreren
Stufen angeordnet. Das Pumpengehäuse 1 hat einen
langgestreckten Körper mit einer Ansaugseite, wo ein
Ansauganschluß 16 gelegen ist, und eine Auslassseite, wo ein
Auslaßanschluß 1d gelegen ist. Jeder der Roots-Rotoren 2
wird drehbar an seinen Enden durch Lager 3 getragen, die
jeweils an entgegengesetzten axialen Enden des
Pumpengehäuses 1 montiert sind. Die Roots-Rotoren 2 können um
ihre eigenen Achsen durch einen bürstenlosen
Gleichstrommotor M mit doppelter Welle gedreht werden, der an einem
der axialen Enden des Pumpengehäuses 1 montiert ist. Der
Gleichstrommotor M ist an der Ansaugseite des
Pumpengehäuses 1 gelegen. Das Pumpengehäuse 1 weist obere und
untere Gehäuse 1A und 1B auf, die trennbar sind.
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der
Linie III-III der Fig. 2 aufgenommen ist, und Fig. 4
ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Line IV -
IV der Fig. 1 aufgenommen ist. Die Fig. 2, 3 und 4
zeigen die Struktur der Pumpe und der Drücke an
verschiedenen Stellen in der Pumpe. D. h., der Druck am
Ansauganschluß der vorhergehenden Stufe wird durch P&sub1;
dargestellt, und der Druck an dem Auslaßanschluß der
vorhergehenden Stufe wird von P&sub2; dargestellt. Weiterhin wird der
Druck am Ansauganschluß der nachfolgenden Stufe von P&sub2;,
und der Druck am Auslaßanschluß der nachfolgenden Stufe
wird von P&sub3; dargestellt.
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Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Pumpengehäuse 1
und den Roots-Rotoren 2. Wie in Fig. 5 gezeigt, hat das
Pumpengehäuse 1 Zwischendruckkammern 4, die jeweils
zwischen einer vorhergehenden Stufe und einer nachfolgenden
Stufe vorgesehen sind, so daß die Rotorwellenteile 2A der
Roots-Rotoren 2, die zwischen den vorhergehenden und den
nachfolgenden Stufen gelegen sind, von einem Gas
umschlossen werden, welches einen Druck von P&sub2; hat. Der
Druck von P&sub2; ist ein Druck nach der Komprimierung durch
die vorhergehende Stufe und vor der Komprimierung durch
die nachfolgende Stufe. In diesem Ausführungsbeispiel
sind zwei Zwischendruckkammern 4 vorgesehen, die zwischen
ersten und zweiten Stufen und zwischen zweiten und
dritten Stufen gelegen sind, wie in Fig. 1 gezeigt. Eine
zylindrische Wand ist nicht zwischen den vorhergehenden und
den nachfolgenden Stufen vorgesehen. Daher werden die
Gasflüsse P&sub1; → P&sub2;, P&sub1; ← P&sub2;, P&sub2; → P&sub3; und
P&sub2; ← P&sub3; ausgebildet, jedoch werden die Gasflüsse P&sub1; → P&sub3;
und P&sub1; ← P&sub3;, die von der größten Druckdifferenz
verursacht werden, im Vergleich zu der herkömmlichen
Vakuumpumpe stark verringert. Somit wird das
Kompressionsverhältnis von jeder Stufe in der Vakuumpumpe stark
verbessert, und der Pumpenwirkungsgrad oder die Leistung wird
vergrößert.
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Fig. 6 zeigt ein Strukturdetail des bürstenlosen
Gleichstrommotors M mit doppelter Welle. Wie in den Fig. 1
und 6 gezeigt, hat der bürstenlose Gleichstrommotor M mit
zwei Wellen zwei Motorrotoren 5A, 5B, die fest an
jeweiligen Enden 2A der Wellen der Roots-Rotoren 2 montiert
sind. Die Motorrotoren 5A, 5B sind an der Ansaugseite der
Vakuumpumpe gelegen. Die Motorrotoren 5A, 5B weisen
jeweilige Sätze von 2n (n ist eine ganze Zahl) von
Permanentmagneten 5A, 5B auf, die jeweils an den Wellenenden
2A bei gleichen Umfangsintervallen montiert sind, um
Radialmagnetflüsse zu erzeugen.
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Wie in den Fig. 1 und 6 gezeigt, hat der bürstenlose
Gleichstrommotor M mit doppelter Welle ein Paar von
zylindrischen Rohren bzw. Näpfen 7, die aus einem
korrosionsbeständigen Material oder einem synthetischen Harz
hergestellt sind, welches um die jeweiligen Motorrotoren
5A, 5B herum angeordnet ist, und einen Motorstator 6, der
um die Außenumfangsoberflächen der Rohre 7 herum
angeordnet ist. Die Rohre 7, die als Vakuumbehälter dienen, um
ein Vakuum darin zu entwickeln, bedecken äußere
Umfangsoberflächen und die axialen Endoberflächen der
Motorrotoren 5A, 5B in beabstandeter Beziehung dazu, wobei somit
eine Pumpenanordnung der Vakuumpumpe abgedichtet wird,
die die Roots-Rotoren 2 aufweist. D. h., ein Vakuum wird
innerhalb der Rohre 7 entwickelt. Die Innenoberflächen
der Rohre 7 und die Außenoberflächen der Motorrotoren 5A,
5B sind schwarz gefärbt.
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Der Motorstator 6 ist in einem wassergekühlten
Motorrahmen 9 aufgenommen, der an dem Pumpengehäuse 1 angebracht
ist, und einen Wassermantel 9a besitzt. Der Motorstator 6
weist einen Motorstatorkern 6a auf, der in den
wassergekühlten Motorrahmen 9 angeordnet ist, und der laminierte
Bleche aus Siliziumstahl aufweist, und ein Paar von
Spulensätzen 8a, 8b, die in dem Motorstatorkern 6a in
umgebender Beziehung zu den Rohren bzw. Näpfen 7 getragen
werden.
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Wie in Fig. 6 gezeigt, hat der Motorstatorkern 6a eine
erste Gruppe von sechs Magnetpolzähnen U, V, W, X, Y, Z,
die sich radial nach innen an umfangsmäßig gleichen
Intervallen erstrecken, und eine zweite Gruppe von sechs
Magnetpolzähen U1, V1, W1, X1, Y1, Z1, die sich radial
innerhalb an umfangsmäßig gleichen Intervallen
erstrecken. Die Spulen 8a sind jeweils an den Magnetpolzähnen U,
V, W, X, Y, Z montiert, und die Spulen 8b sind jeweils an
den Magnetpolzähnen U1, V1, W1, X1, Y1, Z1 montiert. Die
Spulen 8a, 8b, die somit an den jeweiligen
Magnetpolzähnen montiert sind, werden symmetrisch mit Bezug auf eine
mittlere Ebene C angeordnet, die zwischen den
Motorrotoren 5A, 5B liegt, und sind in entgegengesetzten
Richtungen gewickelt, so daß sie Magnetpole von
entgegengesetzten Polaritäten vorsehen. Der wassergekühlte Motorrahmen
9 nimmt darin einen gegossenen Körper 12 auf, der aus
Gummi Synthetikharz oder ähnlichem hergestellt ist, der
in engem Kontakt damit gehalten wird und den
Motorstatorkern 6a, die Spulen 8a, 8b und die Rohre bzw. Näpfe 7
umschließt.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Motortreiber 10 fest an
einer Außenumfangsoberfläche des Motorrahmens 9 montiert.
Der Motortreiber 10 hat eine (nicht gezeigte)
Treiberschaltung, die elektrisch mit den Spulen 8a, 8b verbunden
ist, um den bürstenlosen Gleichstrommotor mit doppelter
Welle zu erregen, um die Vakuumpumpe zu betätigen. Zwei
Zeitsteuerungszahnräder 11 (von denen eins in Fig. 1
gezeigt ist) sind fest an jeweiligen Enden der Wellen der
Roots-Rotoren 2 montiert, und zwar entfernt von dem
bürstenlosen Gleichstrommotor M mit doppelter Welle. Die
Zeitsteuerungszahnräder 11 dienen dazu, zu verhindern,
daß die Roots-Rotoren 2 nicht synchron zueinander unter
zufälligen Störkräften rotieren.
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Der Betrieb der Vakuumpumpe wird unten mit Bezugnahme auf
die Fig. 6 und 7A -7D beschrieben.
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Wenn die Spulen 8a, 8b des bürstenlosen Gleichstrommotors
M mit doppelter Welle von dem Motortreiber 10 erregt
werden, entwickeln sie ein sich räumlich bewegendes
Magnetfeld in dem Motorstatorkern 6a zur Drehung der
Motorrotoren 5A, 5B in entgegengesetzten Richtungen.
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Magnetfelder, die von den Permanentmagneten 5a, 5b der
Motorrotoren 5A, 5B erzeugt werden, laufen durch einen
geschlossenen magnetischen Pfad, der zwischen den
Motorrotoren 5A, 5B gebildet wird, und zwar von dem
Motorstatorkern 6a. Die Motorrotoren 5A, 5B werden in
entgegengesetzten Richtungen synchron zueinander gedreht, und zwar
aufgrund einer magnetischen Koppelungswirkung zwischen
ungleichen Magnetpolen davon.
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Wenn die Motorrotoren 5A, 5B synchron in
entgegengesetzten Richtungen gedreht werden, werden die Roots-Rotoren 2
auch synchron in entgegengesetzten Richtungen gedreht, da
die Roots-Rotoren und die Motorrotoren 5A, 5B koaxial
vorgesehen sind.
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Die Fig. 7A bis 7D veranschaulichen schematisch die
Art und Weise, in der die Roots-Rotoren 2 in einer
gewissen Stufe arbeiten, wie beispielsweise in einer ersten
Stufe. Wie in den Fig. 7A, 7B gezeigt, werden die
Roots-Rotoren 2 in entgegengesetzten Richtungen außer
Kontakt zueinander mit geringfügigen Spalten zwischen den
Roots-Rotoren 2 und der Innenumfangsoberfläche des
Pumpengehäuses 1 gedreht, und auch zwischen den Roots-
Rotoren 2 selbst. Wenn die Roots-Rotoren 2
aufeinanderfolgend von der Phase 1 (Fig. 7A) zur Phase 4 (Fig. 7D)
gedreht werden, wird ein Gas, welches von einer
Ansaugseite angezogen wird, zwischen den Roots-Rotoren 2 und
dem Pumpengehäuse 1 eingeschlossen und zu einer
Auslassseite transportiert. Jeder der Roots-Rotoren 2 ist als
Roots-Rotor mit drei Flügelansätzen gezeigt. Da der
Roots-Rotor mit drei Flügelansätzen drei Täler zwischen
den Flügelansätzen hat, wird das Gas sechsmal pro
Umdrehung ausgestoßen. Das aus einer gewissen Stufe ausgestoßene
Gas, wie beispielsweise aus der ersten Stufe, wird
in die nächste Stufe, wie beispielsweise eine zweite
Stufe eingeleitet.
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Bei der vorliegenden Erfindung hat das Pumpengehäuse 1
die Zwischendruckkammern 4, die jeweils zwischen einer
vorhergehenden Stufe und einer nachfolgenden Stufe
vorgesehen sind, so daß die Rotorwellenteile 2a zwischen den
vorhergehenden und den nachfolgenden Stufen gelegen sind,
von einem Gas umschlossen werden, welches einen Druck von
P&sub2; hat. Der Druck P&sub2; ist ein Druck nach der Komprimierung
durch die vorhergehende Stufe und vor der Komprimierung
durch die nachfolgende Stufe. Eine zylindrische Wand ist
nicht zwischen den vorhergehenden und den nachfolgenden
Stufen vorgesehen. Somit werden die Gasflüsse P&sub1; → P&sub2;, P&sub1;
← P&sub2;, P&sub2; → P&sub3; und P&sub2; ← P&sub3; ausgebildet, jedoch werden die
Gasflüsse P&sub1; → P&sub3; und P&sub1; ← P&sub3;, die von der größten
Druckdifferenz verursacht werden, im Vergleich zu der
herkömmlichen Vakuumpumpe stark verringert. Somit wird das
Kompressionsverhältnis von jeder Stufe in der Vakuumpumpe
stark verbessert, und der Pumpenwirkungsgrad oder die
Leistung wird vergrößert, und der Vakuumgrad wird
verbessert.
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Wie aus der obigen Beschreibung offensichtlich, wird
gemäß der vorliegenden Erfindung der Vakuumgrad verbessert
durch Vorsehen der Zwischendruckkammer zwischen dem
vorhergehenden und den nachfolgenden Stufen.
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In dem Halbleiterherstellprozeß tritt Korrosion im
inneren der Vakuumpumpe auf, und eine Ablagerung von Materialien
wird im inneren der Vakuumpumpe aufgrund von
Prozeßgasen erzeugt. Da jedoch bei der vorliegenden Erfindung
eine große Menge von Stickstoffgas, welches gegen die
obige Korrosion und Ablagerung wirksam ist, verwendet
werden kann, um die Prozessgase zu lösen, kann die
Instandhaltungslebensdauer bzw. der Serviceintervall der
Vakuumpumpe verlängert werden.
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Da weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung das
Pumpengehäuse die oberen und unteren Gehäuseglieder aufweist,
können sie leicht montiert und demontiert werden.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein
bürstenloser Gleichstrommotor mit doppelter Welle gezeigt
und beschrieben worden, wie er als Motor für den Antrieb
der Roots-Rotoren eingesetzt wird. Jedoch kann ein
normaler Motor, wie beispielsweise ein
Käfigläuferinduktionsmotor verwendet werden.
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Obwohl ein gewisses bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben
worden ist, sei bemerkt, daß verschiedene Veränderungen
und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne
vom Kern der beigefügten Ansprüche abzuweichen.