JP2005171766A - ドライポンプ及びドライポンプの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポンプ性能や機器精度に与える影響を抑えつつ、内部汚染の防止を図ったドライポンプ及びドライポンプの運転方法を提供すること。
【解決手段】 それぞれロータ１１、１２、１３、１４、１５、１６を収容し、直列に接続された多段（６段）のロータ室２０と、例えば３段目より下流の少なくとも１つのロータ室２０に接続され、そのロータ室２０内にガスバラストガスを導入するガスバラスト手段２と、ロータ室２０内に導入される前のガスバラストガスをロータ室２０の外部で加熱し、ロータ室２０内の気体温度より高い温度にする加熱手段３とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体を排出するドライポンプ及びその運転方法に関し、特に、凝縮性もしくは凝固性ガスを含む気体の排出に使用され、さらにガスバラスト手段を備えたドライポンプ及びドライポンプの運転方法に関する。

凝縮性もしくは凝固性ガスを含むガスをドライポンプで排気する場合、ロータ室内で凝縮性ガスが凝縮、もしくは凝固性ガスが凝固する場合がある。凝縮物はポンプ内の汚染の原因となり、凝固物はロータの回転の阻害原因となる。このため、定期的にポンプを分解してクリーニングが行われている。

また、ガスバラスト手段をロータ室内に接続し、そのロータ室内にガスバラストガスを導入することにより、凝縮性もしくは凝固性ガスの濃度を下げ、凝縮もしくは凝固を抑制するようにした構成のものがある。例えば、特許文献１参照。
特開平５−１１８２８６号公報

また、凝縮性ガスの凝縮もしくは凝固性ガスの凝固を抑制する目的で、ポンプ自体をケーシング外側から加熱してポンプの温度を上昇させることが行われる場合もある。

ガスバラストガスを導入しても、そのガスバラストガスの温度が低いとロータ室内の気体温度を一時的に下げ、かえって凝縮もしくは凝固が促進される場合がある。内部気体の温度が下がっても凝縮性ガスが凝縮したり、凝固性ガスが凝固しないようにするためには、多量のガスバラストガスを導入して、凝縮性もしくは凝固性ガスを十分に希釈する必要がある。しかし、ロータ室内におけるガスバラストガス量の増加はドライポンプの性能を下げてしまう。

また、ポンプ自体をケーシングの外側から加熱する場合、ロータ室内の気体を十分に加熱できない場合がある。内部気体を十分に加熱するためには、その分、ケーシングの外側からの加熱温度を高くする必要があるが、その加熱温度の上昇は、機器の精度上、もしくはエネルギー効率上好ましくない場合がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、ポンプ性能や機器精度に与える影響を抑制しつつ、内部汚染の防止を図ったドライポンプ及びドライポンプの運転方法を提供することにある。

本発明のドライポンプは、ロータを収容するロータ室と、ロータ室に接続され、ロータ室内にガスバラストガスを導入するガスバラスト手段と、ガスバラストガスをロータ室の外部で加熱し、ロータ室内の気体温度より高い温度にする加熱手段とを備えることを特徴としている。

また、本発明のドライポンプの運転方法は、ロータを回転させてロータ室内に容器内の気体を吸気するステップと、吸気された気体をロータの回転によりロータ室内で圧縮するステップと、圧縮された気体に、その気体より温度が高いガスバラストガスを混合するステップと、これら気体とガスバラストガスとをロータ室外へ排出するステップとを含むことを特徴としている。

上記ロータ室内に、そのロータ室内の気体温度より高い温度に加熱されたガスバラストガスを導入することで、そのガスバラストガスが導入されるロータ室内の気体温度を上昇させることができる。

これにより、そのロータ室内に、凝縮性もしくは凝固性ガスが含まれる場合であっても、そのガスの温度を下げることなく分圧を下げることができ（希釈することができ）、凝縮性もしくは凝固性ガスを気体のままロータ室外へ排出することができ、ロータ室内における凝縮物あるいは凝固物の付着を抑制できる。

更に、ガスバラストガスを加熱しない場合に比べて、少ない導入量でもって上記凝縮あるいは凝固を抑制できるので、ガスバラストガスの使用量を低減でき、コスト低減が図れる。また、ロータ室へのガスバラストガス導入量を低減できることは、その分、容器からの吸気効率を向上させることができ、ガスバラストガス導入に伴うドライポンプの性能低下も抑制できる。

更に、ロータ室内の局所加熱であるので、ポンプ全体の過度の加熱を回避でき、加熱に使うエネルギー消費量を抑制することができると共に、ポンプの熱損傷も防げる。

上記加熱手段としては、ヒータなどで加熱された金属製パネルあるいはヒータ自体にガスバラストガスをぶつける構成、あるいは加熱された配管内にガスバラストガスを流す構成などが挙げられる。

また、３段以上のロータ室が直列に接続された多段式ドライポンプにあっては、吸気気体が前段側（上流側）から後段側（下流側）へと順次圧縮されて移送されるのに伴って、後段の方が、より気体圧力が上昇することから、後段部側で特に凝縮あるいは凝固が生じやすい。したがって、ガスバラストガスを、中間段もしくは３段目より下流の少なくとも１つのロータ室内に導入することが好ましい。もちろん、中間段もしくは３段目より下流の全てに導入してもよい。

本発明は、ロータ室が１つの単段式、あるいは２つの２段式ドライポンプにも適用できる。２段式の場合には、上記３段以上のポンプの場合と同じ理由から後段（下流）側のロータ室にガスバラストガスを導入することが好ましい。

また、ガスバラストガスとして、窒素、アルゴンなどで例示される不活性ガスを用いれば、ロータ室内での反応を防げ、その反応によって生じる生成物による汚染を防げる。

本発明は、ＣＶＤ、エッチングプロセス等における活性ガス排気、Ｓｉ単結晶引上げ等の粉体の発生するプロセスでの排気、ターボ分子ポンプ、メカニカルブースターポンプ等の補助排気、その他真空排気などに適用できる。

中でも、凝縮性もしくは凝固性のガスを含む気体の排気に有効である。凝縮性もしくは凝固性のガスとしては、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂を使用するＳｉＮ−ＬＰＣＶＤで発生するＮＨ₄Ｃｌガス、Ａｌエッチングで発生するＡｌＣｌ₃ガス、タンタル膜エッチングで発生するＴａＦ₅ガス、シリコン酸化膜ＣＶＤで発生するＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄ガス、モリブデン膜エッチングで発生するＭｏＦ₆ガス、シリコン膜エッチングで発生するＳｉＣｌ₄ガス、ＳｉＦ₄ガス、タングステン膜エッチングで発生するＷＦ₆ガス、ＣＶＤやエッチングプロセスにおいて塩素及びフッ素ガスを使用し、水分等が介在する場合に発生するＨＣＬガス、ＨＦガスなどが挙げられる。

本発明のドライポンプまたはその運転方法によれば、ポンプ性能をそれほど低下させることなく、吸気される様々な種類の排気物質を気体の状態で通過させることが可能であり、ポンプ内部の凝縮物、凝固物の固着を抑え、メンテナンスサイクルを延ばすことができる。これにより、メンテナンス作業の軽減とコスト低減が図れる。

図１は本発明の実施形態に係るドライポンプの全体構成を、図２はロータ室２０の断面図を示す。

ポンプ本体１のケーシング３１内には長手方向に延在して２本の回転軸４０が配設されている。これら２本の回転軸４０は互いに平行に延在している。各回転軸４０は軸受３５、３６に回転自在に支持されている。

これら軸受３５、３６間には、回転軸４０の軸方向に沿って複数のロータ１１〜１６が配設されている。これらロータ１１〜１６は、回転軸４０に装着され回転軸４０と共に回転可能となっている。

各ロータ１１〜１６に対応して、回転軸４０の延在方向に沿って、複数段（本実施形態では例えば６段）のロータ室２０が直列に接続されている。各ロータ室２０内には、上記ロータ１１〜１６を装着した２本の回転軸４０が通されている。

吸入口がポンプ本体１の吸気口４１に連通された１段目のロータ室２０内には、１組のロータ１１が収容されている。１組のロータ１１は同寸法、同形状であり、例えば３葉構造のロータである。１組のロータ１１は、僅かな隙間を維持して相対向して設けられ、また各ロータ１１とロータ室２０の内壁との間に油膜は存在せず僅かな隙間が形成されている。

吸入口が上記１段目のロータ室２０の排出口と連通された２段目のロータ室２０内には、１組のロータ１２が収容されている。１組のロータ１２は同寸法、同形状であり、例えば３葉構造のロータである。１組のロータ１２は、僅かな隙間を維持して相対向して設けられ、また各ロータ１２とロータ室２０の内壁との間に油膜は存在せず僅かな隙間が形成されている。

吸入口が上記２段目のロータ室２０の排出口と連通された３段目のロータ室２０内には、１組のロータ１３が収容されている。１組のロータ１３は同寸法、同形状であり、例えば３葉構造のロータである。１組のロータ１３は、僅かな隙間を維持して相対向して設けられ、また各ロータ１３とロータ室２０の内壁との間に油膜は存在せず僅かな隙間が形成されている。

吸入口が上記３段目のロータ室２０の排出口と連通された４段目のロータ室２０内には、１組のロータ１４が収容されている。１組のロータ１４は同寸法、同形状であり、例えば３葉構造のロータである。１組のロータ１４は、僅かな隙間を維持して相対向して設けられ、また各ロータ１４とロータ室２０の内壁との間に油膜は存在せず僅かな隙間が形成されている。

吸入口が上記４段目のロータ室２０の排出口と連通された５段目のロータ室２０内には、１組のロータ１５が収容されている。１組のロータ１５は同寸法、同形状であり、例えば３葉構造のロータである。１組のロータ１５は、僅かな隙間を維持して相対向して設けられ、また各ロータ１５とロータ室２０の内壁との間に油膜は存在せず僅かな隙間が形成されている。

吸入口が上記５段目のロータ室２０の排出口と連通された６段目のロータ室２０内には、１組のロータ１６が収容されている。１組のロータ１６は同寸法、同形状であり、例えば３葉構造のロータである。１組のロータ１６は、僅かな隙間を維持して相対向して設けられ、また各ロータ１６とロータ室２０の内壁との間に油膜は存在せず僅かな隙間が形成されている。この６段目のロータ室２０の排出口は、ポンプ本体１の排出口４２と連通している。

２本の回転軸４０のうち、一方の回転軸４０は、その一端部においてカップリング３３を介してモータ３２に連結される。そして、この一方の回転軸４０から他方の回転軸４０へは、カップリング３３と軸受３５との間に設けられたタイミングギア３４によって動力が伝達される。

ポンプ本体１において、軸受４３と６段目のロータ室２０との間には、回転軸４０の軸シールを行うための軸シールガスの導入路４３が形成されている。

ポンプ本体１の外部には、ガスバラスト手段と、加熱手段３が設けられている。ガスバラスト手段は、ガスバラストガスをロータ室内に導入するための導入管２やバルブなどを備えて構成される。本実施形態においては、導入管２は、例えば４段目のロータ室２０に接続される。

加熱手段３は、ロータ室２０内に導入される前のガスバラストガスを加熱して、そのガスバラストガスが導入されるロータ室（本実施形態では例えば４段目のロータ室）２０内の気体温度より高い温度にする。

具体的には、ヒータなどで加熱された金属製パネルにガスバラストガスをぶつける構成、あるいは加熱された配管内にガスバラストガスを流す構成などが挙げられる。

次に、以上のように構成されるドライポンプの動作について説明する。

ポンプ本体１は、その吸気口４１が、容器内（例えばＣＶＤ装置やエッチング装置などのチャンバ内）と連通されるように接続され、モータ３２の駆動によって回転軸４０及びロータ１１〜１６が回転される。

１段目のロータ室２０内に収容された１組のロータ１１は、図３に示すように、僅かな隙間を維持しながら非接触で互いに反対方向（矢印方向）に回転する。このロータ１１の回転により、容器内の気体は１段目のロータ室２０に吸気され、その吸気された気体は図３Ａから図３Ｂの段階で、ロータ１１のへこみ部とロータ室２０内壁とで囲まれた空間Ｖで捕捉され、更なるロータ１１の回転により圧縮されて図３Ｃ、図３Ｄを経て、２段目のロータ室２０へと排出される。

以降、同様にして、２段目以降のロータ室２０で順次圧縮され、排出口４２及びこの排出口４２に接続された排気管４４を介して、外部に排出される。

以上のようにしてドライポンプは連続運転され、その運転中、導入管２からは４段目のロータ室２０内に加熱手段３にて加熱されたガスバラストガスが導入される。これは、例えば上記ドライポンプの運転中は連続的に導入される。

加熱手段３にて加熱され、導入管２を通じて導入されるガスバラストガスは、容器から吸気され１〜３段目のロータ室２０を経由して４段目のロータ室２０内に存在する圧縮気体に混合され、この混合ガスは排出口４２から排出される。

ガスバラストガスとしては、窒素、アルゴンに例示される不活性ガス、もしくは空気が使用される。ガスバラストガスは、加熱手段３で加熱され、導入される４段目のロータ室２０内の気体温度より高温で導入される。

ガスバラストガスの温度は、容器から吸気した気体に含まれる凝縮または凝固性成分の種類、濃度、導入される段内部のガス圧力、温度、ガスバラストガスの導入量などの要素により決められる。

具体的な設定条件としては、排出口４２からの排出ガス温度が１３０℃、ガスバラストガス組成がＮ₂、ガスバラストガス温度が１５０℃、ガスバラストガス導入量が８５ＳＬＭ（standard liter / minute）を、一例として挙げることができる。

以上のように、ロータ室２０内に、加熱されたガスバラストガスを導入することにより、そのガスバラストガスが導入されるロータ室２０内の温度を上昇させることができる。

これにより、そのロータ室２０内に、例えば（ＮＨ₄）２ＳｉＦ₆などの凝縮性あるいは凝固性ガスが含まれる場合であっても、そのガスの温度を下げることなく分圧を下げることができ、気体のままロータ室２０外へ排出することができ、ロータ室２０内における凝縮物あるいは凝固物の付着を抑制できる。

この結果、ドライポンプのクリーニングの周期が延び、メンテナンスが軽減されると共に、連続運転時間の延長も図れる。

更に、ガスバラストガスを加熱しない場合に比べて、少ない導入量でもって上記凝縮あるいは凝固を抑制できるので、ガスバラストガスの使用量を低減でき、コスト低減が図れる。また、ロータ室２０へのガスバラストガス導入量を低減できることは、その分、容器からの吸気効率を向上させることができ、ガスバラストガス導入に伴うドライポンプの性能低下も抑制できる。

更に、ポンプ本体１全体を加熱するのではないので、ポンプ本体１の過度の加熱を回避でき、加熱に使うエネルギー消費量を抑制することができると共に、ポンプ本体１の熱損傷も防げる。

また、本実施形態のように、６段のロータ室２０が直列に接続された多段式ドライポンプにあっては、吸気気体が１段目から６段目へと順次圧縮されて移送されるのに伴って、後段の方が、より気体圧力が上昇することから、後段部側で特に凝縮あるいは凝固が生じやすい。したがって、ガスバラストガスは、４〜６段目のロータ室２０の少なくとも１つのロータ室２０内に導入することが好ましい。もちろん、４〜６段目の全てに導入してもよい。更には、１〜３段目の何れか、あるいは全てに導入してもよい。

ガスバラストガスの加熱温度としては、加熱に使うエネルギー消費量の増大を抑える点、あるいはロータの熱変形による寸法精度の悪化を抑える点から、あまり高過ぎてもよくない。例えば、ガスバラストガスの温度範囲として、１３０℃以上１５０℃以下とすることが好ましい。この温度範囲であれば、一般的に用いられるドライポンプにおいて、ロータ室内における凝縮あるいは凝固物の付着を抑えつつ、上記過熱による問題を回避できる。

また、バラストガス導入量として、ドライポンプの最大排気速度の１％〜１０％が適用される場合がある。例えば、最大排気速度３０００Ｌ／Ｍのドライポンプに対して、５０〜２００ＳＭＬのバラストガスが導入される場合がある。この範囲であれば、一般的に用いられるドライポンプにおいて、ポンプ性能の低下を抑えつつ、ロータ室内における凝縮あるいは凝固物の付着を抑えることができる。バラストガスの導入量は、凝縮あるいは凝固物の種類および濃度、運転温度、排気量、バラストガスの温度等により好適な量が決められる。

なお、例えば、排気速度３０００Ｌ／Ｍのドライポンプにおいて、排出口４２からの排出ガス温度が１３０℃、ガスバラストガス組成がＮ₂、ガスバラストガス温度が１５０℃、ガスバラストガス導入量が８５ＳＬＭ（standard liter / minute）という設定条件でもって、テスト運転を約７０００時間連続して行った後、そのドライポンプの内部を分解してガスバラストガスを加熱した場合と、加熱していない場合とで比較したところ、加熱したガスバラストガスを用いたドライポンプの内部には、凝縮あるいは凝固物の付着は全く見られず、大きな効果があることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

１つのロータ室内へのガスバラストガス導入箇所は複数箇所でもよい。更には、複数のロータ室内に導入するようにしてもよい。このような場合、加熱手段は１つだけ設け、その１つの加熱手段から分岐した導入管を、ロータ室内の複数箇所、あるいは複数のロータ室内に接続させる構成とすれば、簡単且つコストを抑えた構成とすることができる。

上記実施形態では、ルーツ型ドライポンプを示したが、これに限らず、ベーン型、カム型、ターボ型などのドライポンプにも本発明は適用できる。

本発明の実施形態に係るドライポンプの全体構成を示す断面図である。 ドライポンプにおけるロータ室の断面図である。 ロータ室での吸入・排気作用を説明する断面図である。

符号の説明

１…ポンプ本体、２…ガスバラスト手段、３…加熱手段、１１〜１６…ロータ、２０…ロータ室、３１…ケーシング、３２…モータ、４０…回転軸、４１…吸気口、４２…排出口、４３…軸シールガス導入路。

Claims (5)

1. ロータの回転により、容器内の気体を排出するドライポンプであって、
   前記ロータを収容するロータ室と、
   前記ロータ室に接続され、前記ロータ室内にガスバラストガスを導入するガスバラスト手段と、
   前記ガスバラストガスを前記ロータ室の外部で加熱し、前記ロータ室内の気体温度より高い温度にする加熱手段と、
   を備えることを特徴とするドライポンプ。
2. ３段以上の前記ロータ室が直列に接続され、
   前記ガスバラスト手段は、中間段もしくは３段目より下流の少なくとも１つのロータ室に接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載のドライポンプ。
3. 前記ガスバラストガスは不活性ガスである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のドライポンプ。
4. 前記気体は、凝縮性もしくは凝固性のガスを含む
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のドライポンプ。
5. 容器内の気体を排出するドライポンプの運転方法であって、
   ロータを回転させてロータ室内に前記気体を吸気するステップと、
   吸気された前記気体を前記ロータの回転により前記ロータ室内で圧縮するステップと、
   圧縮された前記気体に、前記気体より温度が高いガスバラストガスを混合するステップと、
   前記気体と前記ガスバラストガスとを前記ロータ室外へ排出するステップと、
   を含むことを特徴とするドライポンプの運転方法。

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