JP2006009686A - ガス冷却機構を備えた真空排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気速度を低下させることなく、ドライポンプの内部、外部に冷却機構を付設する必要がなく、複雑な構造となることが防止できるためポンプの小型化が可能となり、総合的に安価な真空排気装置を提供する。
【解決手段】 真空処理装置から真空ポンプを介して排気する真空排気装置において、前記真空ポンプの前段にガス冷却機構を備えたことを特徴とする真空排気装置。前記ガス冷却機構は冷却板を備え、または前記ガス冷却機構は周りに冷却ジャケットを備え、前記ガス冷却機構で用いた冷却水を前記真空ポンプの冷却に用いる為の配管を、前記冷却機構と前記真空ポンプの間に備え、及び前記冷却板は高熱伝導性の材料を用いることが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス冷却機構を備えた真空排気装置に関する。詳細には、本発明は、半導体もしくは液晶の製造工程における真空雰囲気を形成するために用いるドライ真空ポンプの、ポンプロータの熱膨張を防止して、熱膨張によってロータがケーシングに接触して、ポンプの稼動に支障を生じるおそれを消滅することのできる真空排気装置に関する。

真空状態は、現在工業技術上では、広い分野で利用されており、例えば、水分の蒸発などを促進することは真空乾燥などに、また分子間の衝突が少なくなることは各種電子管、蒸着、真空治金などに利用されている。
そして、容器中の空気を抜いて真空を作る真空ポンプの工業用のものは、機械的真空ポンプ（往復ポンプと回転ポンプ）、拡散ポンプ、噴射ポンプに大別できるが、通常０．１３３Ｐａ（１０^−３ｍｍＨｇ）程度までの真空には回転ポンプが、それ以上の高真空を得るには拡散ポンプ、もしくはターボ分子ポンプ、クライオ真空ポンプ、サブリメーションポンプが用いられる。

このうち、回転ポンプは最も一般的なもので、胴に偏心して組み立てられ、内壁に沿って回転する翼によって空気を吸入、排出して真空を作るものである。
この回転ポンプの１種として、半導体もしくは液晶の製造工程（例えばメタルＣＶＤプロセス）の真空雰囲気を形成するためや、その他の工業技術分野で、０．１３３Ｐａ程度までの真空雰囲気を形成するための真空ポンプとして、ドライ真空ポンプが広く使用されている。

そして、ドライ真空ポンプは、ロータとケーシング間に微妙なクリアランスを保ちながら高速回転することにより気体を排気して真空状態を形成しているが、クリアランスは微少であり、半導体もしくは液晶の製造工程からの高温のガスが流入することによるロータの熱膨張によって、ロータがケーシングに接触してしまうという支障を生じる場合があった。
このような、ＣＶＤプロセスからの高温ガスの吸引によりポンプ室内が高温化することを防止するために、幾つかのポンプ室高温化防止対策が提案されている。例えば、真空ポンプの冷却構造として、ポンプケーシングに不活性気体供給パイプを取り付け、不活性気体を供給して断熱膨張させ、この膨張した冷気により流体（高温ガス）を冷却する技術が提案されている。

また、内部分流逆流冷却多段式の三葉式真空ポンプとして、特別な制御装置等を使用せずに、冷却器により一定の温度に冷却された気体をハウジング外周部の気体流路に流し、ポンプ運転時のハウジングの温度をポンプ周囲温度の変化にかかわらず安定に保つことにより、ポンプ周囲温度の変化によるハウジングの熱膨張量の変化量を小さく抑え、運転中のポンプにおけるロータの外周及び両端面とハウジング間の隙間の変化量を少なくし、その結果、ロータとハウジングの接触を引き起こすことなしに隙間をより微少に設定することを可能とし、この隙間を通して漏れる気体の量を減少せしめ、性能向上をはかる冷却技術が提案されている。

さらに、ポンプハウジングと、この中に形成されたポンプ室と、このポンプ室に配置されているスクリューロータと、前記ポンプ室の吸引側端面に形成した吸気口と、前記ポンプ室の吐出側端面に形成した吐出口とを有するスクリュードライ真空ポンプにおいて、前記ポンプ室の前記吐出側端面に隣接している当該ポンプ室の内周側面の少なくとも一部を、前記ポンプハウジングよりも熱伝導率の高い冷却用部材によって形成し、当該冷却用部材の内部には、冷却液を流通させるための冷却液通路を形成したドライ真空ポンプのポンプ室昇温防止技術が提案されている。

さらにまた、冷却器が放熱ハウジングを冷却し、放熱空間となるギヤ収容室内の雰囲気となる流体が、この冷却器の冷却作用によって冷却される真空ポンプの冷却構造が開示してある。すなわち、冷却器は、冷却孔内を間接的に冷却するが、回転軸及びロータを効率よく冷却する、ポンプ室の昇温防止技術が提案されている。

しかしながら、前記の不活性気体を供給して断熱膨張させ、この膨張した冷気により流体（高温ガス）を冷却する技術は、真空装置外部より不活性ガスを導入して排気ガスを冷却しているので、排気速度を低下させるという問題点があった。
また、前記した技術の全てにおいて、ドライポンプの内部、外部に特別の装置を設けているので、ポンプの構造が複雑になり、ポンプの小型化が困難となり、製造コストが高価になるという問題点があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、排気速度を低下させることなく、ドライポンプの内部、外部に冷却機構を付設する必要がなく、複雑な構造となることが防止できるためポンプの小型化が可能となり、総合的に安価なガス冷却機構を備えた真空排気装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意研究を行い、ドライ真空ポンプの流入口にガス冷却機構を設けて流入ガスを冷却すれば、真空雰囲気で稼動する装置チャンバやプラズマ除外装置からの距離が短い場合でも、ポンプロータの熱による膨張によりケーシングとの接触を防止できることを見出し、かかる知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の手段により上記の課題を達成することができた。
（１）真空処理装置から真空ポンプを介して排気する真空排気装置において、前記真空ポンプの前段にガス冷却機構を備えたことを特徴とする真空排気装置。
（２）真空処理装置から真空ポンプを介して排気される気体は、前記真空ポンプの前段で冷却されることを特徴とする前記（１）記載の真空排気装置。
（３）前記ガス冷却機構は、前記排気される気体の通路中に冷却板を備えたことを特徴とする前記（１）記載の真空排気装置。
（４）前記冷却板は、熱伝導性材料を用いたことを特徴とする前記（３）記載の真空排気装置。
（５）前記ガス冷却機構は、周りに冷却ジャケットを備えたことを特徴とする前記（１）、（３）、（４）のいずれか１項記載の真空排気装置。
（６）前記ガス冷却機構で用いた冷却水を前記真空ポンプの冷却に用いる為の配管を、前記冷却機構と前記真空ポンプの間に備えたことを特徴とする前記（５）記載の真空排気装置。

上記したように、本発明の骨子は、ドライ真空ポンプの流入口の前に流入ガスの冷却機構を設け、流入ガスを冷却することにより真空ポンプのロータの熱膨張を防止し、その結果としてロータとケーシングの接触を防止することにある。

本発明においては、ドライ真空ポンプ流入口に流入ガス冷却機構を設けることによって、高温のガスが流れてきた場合でも、それを冷却し、ポンプロータの熱による膨張によるケーシングとの接触を防止する。
これにより、装置チャンバからの距離が短い場合や、プラズマ除害装置からの距離が短い場合でもポンプを問題なく稼働させることができる。また、ポンプ配置のレイアウト自由度が得られる。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は、この実施の形態のみに限定されるものではない。また、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有する構成要素は同一符号を用いて示す。

図１は、図７の冷却機構を備えたドライ真空ポンプの構成概略図であり、図２は、図８の冷却機構を備えたドライ真空ポンプの構成概略図であり、図７は、流入ガスを冷却板に当接させて冷却するガス冷却流路構造を示す模式図であり、図８は、流入ガス配管を水冷ジャケットを使用して冷却するガス冷却流路構造を示す模式図であり、図９は、冷却バッフル板の伝熱により放熱させる冷却機構の説明図である。

図７に示すガス冷却機構１においては、冷却筒体２の内部には上下方向に左右両壁面から複数の冷却板３、３が邪魔板（バッフル板）として突出しており、冷却筒体２の上面には真空処理装置（図示省略）からの高温ガス６の流入口４が、下面にはドライ真空ポンプの吸気口（図示省略）と連結する冷却ガス流出口５が、それぞれ付設されている。なお、ガス冷却機構１においては、高い冷却能力を必要としない場合には、両壁面から突出する邪魔板からなる冷却板３、３を用いないで、壁面を冷却板として使用するようにしてもよい。

このガス冷却機構１においては、図９に示すように、冷却板３は、腐食やメタルコンタミネーション発生の懸念の点から、冷却を受ける高温ガス６と接触する外側になるガス接触部にはステンレス材８を使用し、内側には熱伝導性の良いＡｌ材９を用いる。このように構成することにより、高温ガス６の冷却に冷却水を使用せず、冷却バッフル板３の伝熱により高温ガス６の熱を大気中へ放熱する。従って、冷却水用の配管が不用となるため、真空排気装置全体の小型化が可能となり、安価に構築することができる。しかし、自然放熱によるだけでなく、冷気や空気を強制的に冷却筒体２に吹き付けて強制的に外部へ放熱させることにより、冷却効率を高めるようにしてもよいことは勿論である。

図７に示す冷却機構１においては、複数の冷却板３、３を用いることにより、高温ガス６と冷却板３、３が多くの面積で接触することになり、熱交換の増大に寄与することになる。また、複数の冷却板３、３が左右交互に配置されているので、冷却バッフル板３、３を通過する気体６は、冷却板３、３及び冷却筒体２に対して接触面積が大きくなり、放熱効率が高まることになる。

図１は、この冷却機構１をドライ真空ポンプ１０に、冷却機構１の冷却ガス流出口５（図示省略）と真空ポンプ１０の吸気口１１とを連結することにより冷却機構付き真空排気装置を構築した構成概略図である。この真空排気装置は、冷却板３に高温ガス６を当接させるだけで自然放熱によりガスを冷却し、ポンプのロータの熱による膨張によりケーシングと接触することを極めて低コストで防止できる。

図８は、ポンプロータの昇温に起因するドライ真空ポンプの損傷保護機構として作用する、高温の流入ガス６を流入ガス配管を水冷ジャケット１２で冷却するガス冷却機構２１の構造説明図である。
図８においては、図７と同様に上下方向に左右両方から複数の冷却板３、３がバッフル板として突出し、上面には真空処理装置（図示省略）からの高温ガス６の流入口４が、下面にはドライポンプの吸気口（図示省略）と連結される冷却ガス流出口５が、それぞれ付設された冷却筒体２の周壁が水冷ジャケット１２で囲まれるようにガス冷却機構２１が構築されている。

このガス冷却機構２１においては、図９に示すのと同様に、各冷却板３は高温ガス６と接触する外側になるガス接触部にステンレス材８を使用し、内側には熱伝導性が良いＡｌ材９を用いた中空構造であっても、あるいはＡｌ芯材をステンレス材８で被覆した中実材のどちらであってもよい。このように構成することにより、高温ガス６は冷却バッフル板３のＡｌ材９による伝熱により水冷ジャケット１２の冷却水により十分に冷却されて、低温ガス７としてドライ真空ポンプ１０へ供給されるので、ポンプロータの昇温による膨張に起因する損傷が防止されるようになる。

図２は、この冷却機構２１をドライ真空ポンプ１０に、冷却機構２１の冷却ガス流出口５と真空ポンプ１０の吸気口１１とを連結することにより冷却機構付き真空排気装置を構築した構成概略図である。この真空排気装置は、高温ガスを冷却するための冷却水１３をガス冷却機構２１で使用したあと、ドライ真空ポンプ１０の冷却に引き続いて使用するために、ガス冷却機構２１とドライ真空ポンプ１０との間に冷却水１３を通す配管１５を設ける。なお、１４はガス冷却機構２１に冷却水１３を供給して冷却するための冷却水配管である。このように構成することにより、冷却系統を１系統にできるので、ガス冷却機構２１、ドライ真空ポンプ１０を含めた真空排気装置の設置面積を減少させることができる。更に、ガス冷却機構２１とドライ真空ポンプ１０のそれぞれに冷却系統を備える場合に比較して、冷却水１３の使用量も減少する。

その上、従来技術で真空装置外部より不活性ガスを導入して、排気ガスを冷却している場合に比べて、不活性ガスを使用しないので、排気速度を減少させることなく、所定の排気効果を得ることができる。

本発明のガス冷却機構を備えた真空排気装置は、ドライ真空ポンプの吸気口の前に流入ガス冷却機構を設置することにより、真空処理装置チャンバやプラズマ除害装置からの距離が短い場合でも、ドライ真空ポンプを問題なく稼働させることができるので、真空乾燥、各種電子管の製造、蒸着、真空冶金などの工業分野、特に半導体、液晶の製造工業に利用できる。

図７の冷却機構を備えたドライ真空ポンプで構成した本発明の真空排気装置の構成概略図である。 図８の冷却機構を備えたドライ真空ポンプで構成した本発明の真空排気装置の構成概略図である。 本発明のガス冷却機構で冷却用ガスを内部に通す冷却板を用いる形式の模式図である。 本発明のガス冷却機構で冷却水を内部に通す冷却板を用いる形式の模式図である。 本発明のガス冷却機構で表面にフィンを設けた冷却板を用いる形式の模式図である。 本発明のガス冷却機構で外部表面にフィンを設けた冷却筒体を用いる形式の模式図である。 流入ガスを冷却板に当接される本発明のガス冷却機構を説明する模式図である。 流入ガスを水冷ジャケットで冷却する本発明のガス冷却機構を説明する模式図である。 本発明のガス冷却機構で用いる冷却バッフル板の放熱機構の説明図である。

符号の説明

１ ガス冷却機構
２ 冷却筒体
３ 冷却板
４ 高温ガス流入口
５ 冷却ガス流出口
６ 高温ガス
７ 低温ガス
８ ステンレス材
９ Ａｌ材
１０ ドライ真空ポンプ
１１ 吸気口
１２ 水冷ジャケット
１３ 冷却水
１４ 冷却水供給配管
１５ 冷却水配管
１６ 冷却用ガス
１７ フィン
２１ 水冷ジャケット付きガス冷却機構

Claims (6)

1. 真空処理装置から真空ポンプを介して排気する真空排気装置において、前記真空ポンプの前段にガス冷却機構を備えたことを特徴とする真空排気装置。
2. 真空処理装置から真空ポンプを介して排気される気体は、前記真空ポンプの前段で冷却されることを特徴とする真空排気装置。
3. 前記ガス冷却機構は、前記排気される気体の通路中に冷却板を備えたことを特徴とする請求項１記載の真空排気装置。
4. 前記冷却板は、熱伝導性材料を用いたことを特徴とする請求項３記載の真空排気装置。
5. 前記ガス冷却機構は、周りに冷却ジャケットを備えたことを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項記載の真空排気装置。
6. 前記ガス冷却機構で用いた冷却水を前記真空ポンプの冷却に用いる為の配管を、前記冷却機構と前記真空ポンプの間に備えたことを特徴とする請求項５記載の真空排気装置。

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