JP2006291952A - エネルギー消費を制限しながら、エンクロージャを迅速に排気すること - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー消費を制限しながら、エンクロージャを迅速に排気することを提供する。
【解決手段】本発明の真空ポンプ装置が、複数の連続的な構成で、段５、６、７、８が並列に接続され、次いで、直列に接続されることが連続的に行われる多段ドライメカニカルポンプ２を駆動するモータ１を含み、構成のそれぞれは、現在の圧力範囲において排気速度を最適化するように選択される。これにより、同一の排気の速さを得るのに十分な速度を有する従来のポンプと比べて、約４０％、ポンプの容積、およびポンプによって消費されるエネルギーを低減しながら、エンクロージャ１００内部の圧力を迅速に低下させることが可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンクロージャ内で適切な真空状態を確立し、維持することができる真空ポンプ装置に関する。

特に、製造ステップの一部が真空状態で実行される必要がある、半導体を製造するための工業プロセスにおいて、エンクロージャ内で真空状態を確立することが、一般的な慣行である。

そのようなプロセスでは、基板は、製造目的に適した真空状態が存在するプロセスチャンバの中に半導体基板を後に移送するために十分な値まで、ロードチャンバ内部の圧力を低下させるための真空ポンプ装置に接続されたロードチャンバ（「ロードロック」として知られる）の中に入れられる。

各回の基板ロード操作または基板アンロード操作は、ロードチャンバ内のガス圧力が、低下させられ、次いで、上昇させられることを要求し、このため、真空ポンプ装置による頻繁な介入を要するものと理解することができる。

また、真空状態は、ポンプチャンバ内で瞬時には確立されず、要する時間が、製造プロセスの全体的な速度の限度となることも理解されている。

この限度は、基板が大きいサイズである場合、特に顕著である。そのような状況下では、特に、フラットＴＶまたはディスプレイスクリーンを製造することに関して、ロードチャンバは、１つまたは複数のフラットスクリーンを封じ込めるのに適した容積を必然的に有さなければならない。
欧州特許公開第０７３００９３号明細書 米国特許公開第２００４／２４７４６５号明細書 独国特許公開第１０３０８４２０号明細書 米国特許公開第２００４／１３６８３５号明細書 特開２００４−１５０３２９号公報 特開平０９−１３７７８６号公報 米国特許第５０３９２８０号明細書 欧州特許公開第１３１４８９０号明細書 英国特許公開第７３８３７７号明細書

例えば、現在、フラットスクリーンを製造するために使用されるロードチャンバは、一般的に、およそ５００リットル（Ｌ）ないし１０００Ｌの、そして時々５０００Ｌを超える大きい容積のものであり、それらのチャンバは、可能な限り迅速に排気される必要がある。

そのような大きい容積のロードチャンバを迅速に排気するために現在、使用されている問題解決法は、大型モータが取り付けられた大型ポンプを使用することである。その結果、ポンプ、およびポンプのモータは、かさばり、高価で、大量のエネルギーを消費する要素となる。

本発明が提起する問題は、大きい容積のエンクロージャを迅速に排気して、エンクロージャ内部で適切な真空状態に迅速に達するようにすることを、真空ポンプ装置のサイズを小さくしながら、十分な真空状態に達するのに真空ポンプ装置が消費するエネルギーを制限しながら、行うことである。

本発明は、所与の真空ポンプ装置が、概して、何らかの所与の圧力範囲において最大値を示す、圧力の関数としての速度特性を示し、最大速度に関する特定の圧力範囲は、真空ポンプ装置のアーキテクチャに依存するという所見からもたらされる。

本発明は、この所見を利用して、排気の各段階中に、すなわち、排気されているエンクロージャ内部の様々な連続した圧力範囲の間に、装置の形状が、ポンプ装置の速度を最適化するために、１回または複数回、変化するようにさせられる、可変形状の真空ポンプ装置を考案する。

このため、本発明は、様々な段を直列モードおよび並列モードでインテリジェントな形で接続するためのスキームで、場合により、ポンプの速度を制限することとも組み合わせて、多段ドライメカニカルポンプを使用することにより、探し求められる結果を実現する。

このため、排気段のための複数の構成が、連続して使用され、これらの構成は、吸気圧力が低減されるにつれ、相続き、いつでも、選択される構成は、そのポンプ装置に関して最大の排気速度をもたらす構成である。

実際には、１つの構成から次の構成への切り替えは、排気されるべき容積に適合したタイミングに基づいてか、またはポンプモータの瞬間電力消費に基づいてか、または排気されているエンクロージャ内部の圧力を測定する圧力ゲージから獲得された圧力情報に基づいて行われる。

その結果、比較的小さいサイズのポンプが、より高い速度で排気することができ、このため、より大型のモータによって駆動され、より多くのエネルギーを消費する、より大型のポンプを使用する必要性が回避される。

ポンプ装置容積およびエネルギー消費に関する節約は、約４０％にもなる可能性がある。

以上、およびその他の目的を達するため、本発明は、エンクロージャの圧力を低下させるための真空ポンプ装置を提供し、装置は、吸気口と排気口とを各段が有する、多段ドライメカニカル真空ポンプを駆動するモータを含み、ポンプは、エンクロージャからガスを排出するための回路として段を互いに接続するためのパイプを含む。装置は、第１の排気ステップ中に段が少なくともペアで並列に接続される第１の構成から、中間排気ステップ中の少なくとも１つの中間構成を経て、最後の排気ステップにおいて段が直列に接続される最後の構成まで、段が移行するように段を互いに接続し、排気速度が、それぞれの現在の圧力範囲において最適化されて、少なくとも１つの段が、少なくとも１つの別の段と並列に接続される一方で、少なくとも１つの段が、少なくとも１つの別の段と直列に接続される流体フロー接続手段を含む。

実際には、流体フロー接続手段は、電子制御手段によって制御され、パイプの中に挿入されたバルブを含むことが有利に可能である。

本発明による実施形態では、電子制御手段は、エンクロージャ内部のガス圧力の変化に応答して、１つの構成から次の構成に移行するようにバルブを動かす。エンクロージャ内部のガス圧力は、現在の構成における真空ポンプ装置の排気量の信頼できる指標であり、最良の排気量を示す構成を常に選択するために、様々な構成の速度曲線を比較することが可能である。

代替として、電子制御手段は、ポンプのモータによって消費される電力の変化に応答して、１つの構成から次の構成に移行するようにバルブを動かす。実際には、モータによって消費される電力も、段の現在の構成の最適状態または非最適状態についての指示を与える適切なパラメータである。というのは、ポンプ装置によって消費される電力は、速度曲線の最大値に達した後、何らかの限度値を超えて増加するからである。

別の可能性では、電子制御手段は、排気されているエンクロージャの容積の関数である事前定義された期間の後、１つの構成から次の構成に移行するようにバルブを動かすことができる。排気されるエンクロージャの所与の容積に関して、真空ポンプ装置の速度を最適化する構成に継続的に留まるために、１つの構成から次の構成に切り替えることが必要な時点を、試行錯誤によって特定することが可能である。

好ましくは、バルブおよび段間パイプは、真空ポンプの本体に組み込まれる。

最初の排気ステップ中、エンクロージャ内部の圧力が、依然として高い場合、段が並列である第１の構成が選択される。最後の排気ステップ中、エンクロージャ内部の圧力が低い場合、段が直列である最後の構成が選択されて、圧縮比を高めるようにし、これにより、エンクロージャ内部でさらに低い圧力に達するようにする。さらに、最後の排気ステップ中、電子制御手段は、モータの速度を有利に増加させ、これにより、ポンプの速度を、ポンプの公称速度を超えて増加させることができ、電力限度を超えることなしに、公称速度を超えることができることが確認されている。というのは、電力を制限する段である低圧力段は、このステップ中、低い圧縮の区間内にあるからである。

エンクロージャ内部で所望の圧力状態に達すると、電子制御手段は、真空ポンプ装置のモータの回転速度を低減して、圧力を維持する排気をもたらすようにすることによるか、または低い速度を示す、さらなる排気段を排気口に接続して、同様に圧力を維持するようにすることにより、真空ポンプ装置を低コスト動作モードに入れることができる。

本発明の第１の実施形態では、装置は、排気中、以下の連続した構成で接続される４つの段を有する。すなわち、
ａ）第１の構成において、第１の排気ステップ中、第１の段と第２の段が、互いに並列に接続されて、第１の段ペアを形成し、第３の段と第４の段が互いに並列に接続されて、第２の段ペアを形成し、２つの段ペアは、ガスフローパス上で直列に接続される。
ｂ）第２の構成において、中間排気ステップ中、第１の段と第２の段が、互いに並列に接続されたままである一方で、第３の段と第４の段は、互いに直列に接続され、第１の段と第２の段とを含む第１の段ペアは、第３の段と第４の段とを含む第２の段ペアと直列に接続される。
ｃ）第３の構成において、最後の排気ステップ中、４つすべての段が、互いに直列に接続される。

第２の実施形態では、装置は、排気中、以下の連続した構成で接続される５つの段を有する。すなわち、
ａ）第１の構成において、第１の排気ステップ中、第１の段、第２の段、および第３の段が、並列に接続されて、段グループを形成し、第４の段と第５の段が、互いに並列に接続されて、段ペアを形成し、段グループと段ペアは、ガスフローパス上で互いに直列に接続される。
ｂ）第２の構成において、第１の中間排気ステップ中、第１の段と第２の段が、互いに並列に接続されて、第１の段ペアを形成し、第３の段と第４の段が、互いに並列に接続されて、第２の段ペアを形成し、第１の段ペアと第２の段ペアは、互いと、第５の段とに直列に接続される。
ｃ）第３の構成において、第２の中間排気ステップ中、第１の段と第２の段が、互いに並列に接続されて、段ペアを形成し、第３の段、第４の段、および第５の段が、互いと、段のペアとに直列に接続される。
ｄ）第４の構成において、最後の排気ステップ中、５つすべての段が、互いに直列に接続される。

本発明の第３の実施形態では、装置は、排気中、以下の連続した構成で接続される６つの段を有する。すなわち、
ａ）第１の構成において、第１の排気ステップ中、第１の段、第２の段、および第３の段が、並列に接続されて、第１の段グループを形成し、第４の段、第５の段、および第６の段が、並列に接続されて、第２の段グループを形成し、第１の段グループと第２の段グループは、ガスフローパス上で互いに直列に接続される。
ｂ）第２の構成において、第１の中間排気ステップ中、第１の段、第２の段、および第３の段が、並列に接続されて、段グループを形成し、第３の段と第４の段が、互いに並列に接続されて、段ペアを形成し、段グループと段ペアは、互いと、第６の段とに直列に接続される。
ｃ）第３の構成において、第２の中間排気ステップ中、第１の段、第２の段、および第３の段が、並列に接続されて、段グループを形成し、第４の段、第５の段、および第６の段が、互いと、段グループとに直列に接続される。
ｄ）第４の構成において、第３の中間排気ステップ中、第１の段と第２の段が、互いに並列に接続されて、段ペアを形成し、第３の段、第４の段、第５の段、および第６の段が、互いと、段ペアとに直列に接続される。
ｅ）第５の構成において、最後の排気ステップ中、６つすべての段が、互いに直列に接続される。

本発明の第４の実施形態では、装置は、排気中、以下の連続した構成で接続される６つの段を有する。すなわち、
ａ）第１の構成において、第１の排気ステップ中、第１の段、第２の段、および第３の段が、並列に接続されて、第１の段グループを形成し、第４の段、第５の段、および第６の段が、並列に接続されて、第２の段グループを形成し、第１の段グループと第２の段グループは、ガスフローパス上で直列に接続される。
ｂ）第２の構成において、第１の中間排気ステップ中、第１の段と第２の段が、互いに並列に接続されて、第１の段ペアを形成し、第３の段と第４の段が、互いに並列に接続されて、第２の段ペアを形成し、第５の段と第６の段が、互いに並列に接続されて、第３の段ペアを形成し、第１の段ペア、第２の段ペア、および第３の段ペアが、互いに直列に接続される。
ｃ）第３の構成において、第２の中間排気ステップ中、第１の段と第２の段が、互いに並列に接続されて、第１の段ペアを形成し、第３の段と第４の段が、互いに並列に接続されて、第２の段ペアを形成し、第５の段と第６の段が、互いと、第１の段ペアと第２の段ペアとに直列に接続される。
ｄ）第４の構成において、第３の中間排気ステップ中、第１の段と第２の段が、互いに並列に接続されて、段ペアを形成し、第３の段、第４の段、第５の段、および第６の段が、互いと、段ペアとに直列に接続される。
ｅ）第５の構成において、最後の排気ステップ中、６つすべての段が、互いに直列に接続される。

別の実施形態では、本発明は、エンクロージャ内部の圧力を低下させるための多段ドライメカニカルポンプを使用する真空排気方法を提供し、この方法では、ポンプの段は、段が、第１の排気ステップ中に、少なくともペアで並列に接続される第１の構成から、段が、最後の排気ステップ中に、直列に接続される最後の構成まで移行するように、少なくとも１つの中間構成を経て、各構成が、現在の圧力範囲における排気速度を最適化するように選択されて、複数の連続的な構成で互いに接続される。中間構成において、または各中間構成において、少なくとも１つの吸気段が、少なくとも１つの他の吸気段と並列に接続され、少なくとも１つの排気段が、少なくとも１つの他の段と直列に接続される。

そのような方法では、第１の排気ステップ中に、段が、少なくともペアで並列に接続され、最後の排気ステップ中に、段が、直列に接続され、オプションとして、中間排気ステップ中に、吸気段が、並列のままである一方で、排気段は、直列であるように供給を行うことができる。

さらに、最後の排気ステップ中、ポンプの速度は、ポンプの公称速度を超えて、一時的に増加されることが可能である。

本発明のその他の目的、特徴、および利点は、添付の図を参照して与えられる、特定の諸実施形態の以下の説明から明らかとなる。

最初に、図１に示された先行技術のポンプ装置の構造を考慮する。

そのような装置は、吸気口３を介してエンクロージャ１００からガスを吸い込み、排気口４を介して、そのガスを排出する多段ルーツ型ポンプ２を駆動するモータ１を含む。

図示した実施形態では、ポンプ２は、固定子段５ａ、６ａ、７ａ、および８ａ、ならびに２重回転子段５ｂ、６ｂ、７ｂ、および８ｂをそれぞれが有する、４つの連続的な段５、６、７、および８を含む。

各段は、独自の吸気口５ｃ、６ｃ、７ｃ、および８ｃ、ならびに独自の排気口５ｄ、６ｄ、７ｄ、および８ｄを有する。

この先行技術の装置では、連続的な段は、それぞれの段間パイプ９、１０、および１１によって、次々に直列に接続される。この先行技術のポンプにおける各段間パイプ９〜１１は、先行する段の排気口を、後続の段の吸気口に接続する。例えば、段間パイプ９が、排気パイプ５ｄを吸気口６ｃに接続する。この接続は、排気プロセス中に変更されない。

次に、図２を参照すると、本発明の実施形態による真空ポンプ装置構造が示されている。

この実施形態は、図１に示された種類の、従来の多段ルーツポンプと同一の全体的な構造を再現するが、段の間の接続を変更することを可能にする改造を適用する。このため、図２では、図１のポンプの場合と同一の主な要素を見ることができ、それらの要素が、同一の符号によって識別されている。

このため、それぞれの吸気口５ｃ〜８ｃ、それぞれの排気口５ｄ〜８ｄ、および段間パイプ９〜１１を有する４つの段５〜８を見ることができる。

段間パイプ９は、排気口５ｄを吸気口６ｃに接続し、段間パイプ１０は、排気口６ｄを吸気口７ｃに接続し、段間パイプ１１は、排気口７ｄを吸気口８ｃに接続する。

本発明では、図で見ることができるとおり、吸気口５ｃと段間パイプ９の間における第１のバイパスパイプ１２、段間パイプ９と段間パイプ１０の間における第２のバイパスパイプ１３、段間パイプ１０と段間パイプ１１の間における第３のバイパスパイプ１４、および段間パイプ１１と排気口８ｄの間における第４のバイパスパイプ１５の供給も行われる。

最後に、図２では、４つのバルブ１６、１７、１８、および１９を見ることができる。バルブ１６は、吸気口６ｃを、バイパスパイプ１２と通じさせるか、または段間パイプ９および排気口５ｄと通じさせることを選択的に行うように配置される。バルブ１７は、バイパスパイプ１３を選択的に閉じるように配置される。バルブ１８は、吸気口８ｃを、バイパスパイプ１４と通じさせるか、または段間パイプ１１および排気口７ｄと通じさせることを選択的に行うように配置される。最後に、バルブ１９は、バイパスパイプ１５を選択的に閉じるように配置される。

図２に示された実施形態では、バルブ１６とバルブ１７は、段間パイプ９に係合し、アクチュエータ２０によって駆動される縦方向アクチュエータロッドによって、互いに機械的に結合される。同様に、バルブ１８およびバルブ１９も、アクチュエータ２１によって駆動される縦方向ロッド上で、互いに機械的に結合される。

第１の排気ステップＥ１中のポンプ装置の第１の構成では、図２に示すとおり、アクチュエータ２０および２１が下げられ、バルブ１６〜１９が下げられる。第１の段５と第２の段６が、互いに並列に接続されて、第１の段ペアを形成し、第３の段７と第４の段８が、互いに並列に接続されて、第２の段ペアを形成する。２つの段ペアは、吸気口３と排気口４の間のガスフローパスにおいて直列に接続される。

アクチュエータ２０および２１は、アクチュエータ２０および２１が、電線２０ａおよび２１ａによって接続された電子コントローラ２２によって制御される。電子コントローラ２２は、例えば、以下に説明するとおり、アクチュエータ２０および２１に適切に電力を供給するため、ならびにバルブ１６〜１９が、装置によって実施される様々な動作ステップ中に適切に位置付けられることを確実にするためのプログラムを含むメモリに関連する、プロセッサを含む。

また、モータ１の速度も、電子コントローラ２２によって制御され、モータ１は、コントローラ２２に、電線１ａによって接続され、速度コントローラが、モータ１の外部または内部に、あるいは電子コントローラ２２内に配置される。

図３は、図２と同一の要素を示すが、ただし、３次元の図で示す。そのため、モータ１、および吸気口３と排気口４とを有するポンプ２を見ることができる。また、２つのアクチュエータ２０および２１、バルブ１６および１８、ならびにそれぞれの段５、６、および７のルーツ型回転子５ｂ、６ｂ、および７ｂも見ることができる。排気段８は、見えない。

図４は、図２の構成を示し、このため、吸気口３と排気口４の間に、並列に接続された２つの段５および６を見ることができ、それぞれの吸気口５ｃおよび６ｃは、バイパスパイプ１２を介して互いに接続され、それぞれ排気口５ｄおよび６ｄは、バイパスパイプ１３によって互いに接続されている。段７と段８も同様に、並列に接続され、それぞれの吸気口７ｃおよび８ｃは、バイパスパイプ１４によって互いに接続され、それぞれの排気口７ｃおよび８ｃは、バイパスパイプ１５によって互いに接続されている。２つのペア５−６および７−８は、吸気口３から排気口４までガスがたどるパス上の段間パイプ１０によって、互いに直列に接続される。

２つの並列段ペアを有する、図２ないし図４に示された、この第１の構成は、エンクロージャを排気する第１のステップ中に装置に与えられる第１の構成に相当する。

図５および図６では、システムには、中間排気ステップＥ２中に、第２の構成が与えられる。第１の段５と第２の段６、つまり、「吸気」段は、互いに並列に接続されたままであるのに対して、第３の段７と第４の段８、つまり、排気段は、互いに直列に接続される。第１の段５と第２の段６によって形成される第１の段ペアは、第３の段７および第４の段８と直列に接続される。これを行うのに、アクチュエータ２０は、下がったままであるのに対して、アクチュエータ２１は、上げられて、上がった位置になる。

最後に、最後の排気ステップＥ３中に使用するための、図７に示された第３の、つまり、最後の構成では、４つすべての段５、６、７、および８が、ガスフローパスにおいて互いに直列に接続される。これを行うのに、アクチュエータ２０とアクチュエータ２１がともに下げられている。

本発明の利点は、計算によるシミュレーションを実行することによって説明される。

エンクロージャ１００は、１０００Ｌの容積Ｖを有し、４５秒間の期間ｔをかけてエンクロージャ１０００を真空にすることが所望される、つまり、実際には、エンクロージャ内部の圧力が、１気圧の圧力ｐ１から、例えば、０．１ミリバール（ｍＢａｒ）の圧力ｐ２まで低下するようにさせることが所望されるものと想定される。

比較のため、従来のポンプが使用されるものと最初に想定する。従来のポンプの平均速度Ｓは、以下の公式、すなわち、
Ｓ＝（Ｖ／ｔ）１ｎ（ｐ１／ｐ２）
を適用して、およそ毎時７００立方メートル（ｍ^３／ｈ）である必要がある。

フローＳを０．１ｍＢａｒから１気圧にするのに必要とされる電力は、以下の公式、すなわち、
Ｐｗ＝（ｐ１−ｐ２）Ｓ
によって与えられ、ただし、Ｐｗは、ワット数（Ｗ）であり、ｐ１およびｐ２は、パスカル（Ｐａ）単位であり、Ｓは、毎秒立方メートル（ｍ^３／ｓ）単位であり、この公式は、この例では、以下をもたらす、すなわち、
Ｐｗ＝１９．５キロワット（ｋＷ）。

消費される電力が、排気の開始から漸進的に増加する仕方から、その容積を空にするために要求される平均電力は、約１３ｋＷ（図９参照）である。

本発明が、４００ｍ^３／ｈという最適速度のために当初、設計されているポンプを使用して、３つの連続的なステップで、７００ｍ^３／ｈ近い速度を得ることを可能にするという、計算による実証がもたらされる。

段５は、４００ｍ^３／ｈの速度Ｓ１を有し、段６は、３００ｍ^３／ｈの速度Ｓ２を有し、段７は、３００ｍ^３／ｈの速度Ｓ３を有し、段８は、２００ｍ^３／ｈの速度Ｓ４を有するものと想定される。平均電力消費は、１０ｋＷ未満に留まることが、以下に示される。

エンクロージャ１００を排気する第１のステップ中、エンクロージャ内部のガス圧力は、１気圧から圧力ｐ１まで低下させられる。すると、真空ポンプ装置は、図２および図４で示される構成になっている。

ポンプの予期される速度は、Ｓ＝Ｋ（Ｓ１＋Ｓ２）であり、
Ｋ＝Ｋ０／（Ｋ０−１＋（Ｓ１＋Ｓ２）／（Ｓ３＋Ｓ４））＝０．９３であり、大気圧でＫ０＝５であり、
Ｋ０は、０の速度におけるポンプの圧縮比である。

Ｓ＝６５０ｍ^３／ｈであり、
Ｐｗ＝７００（ｐ’−ｐ２（ｉｎ））＋５００（ｐ（ｒｅｆ）−ｐ’）であり、
流量保存の法則により、ｐ’＝中間圧力＝ｐ１（ｉｎ）（Ｓ１＋Ｓ２）／（Ｓ３＋Ｓ４）である。

電力消費は、高圧力段において、より大きい。電力は、圧力ｐ１（ｉｎ）が低下するとともに、各段で増加する。

ｐ１（ｉｎ）は、Ｐｗ＝１０ｋＷを超えることを回避するように定められる。

電力消費が、２つの段の間で仕事を分担することによって、ｐ１＝３００ｍＢａｒに関して計算される場合、ｐ’＝４２０ｍＢａｒであり、
Ｐｗ＝７００ｍ^３／ｈ×１２０ｍＢａｒ＋５００ｍ^３／ｈ×５８０ｍＢａｒ＝１０．３ｋＷである。

ポンプ段のこの新たな構成を使用して、この圧力範囲では、電力は、再び低減され、排気速度は、７００ｍ^３／ｈに近い。

排気されているチャンバ内の圧力の関数としてポンプ速度の曲線をプロットする図８を参照する。ステップＥ１中、第１の構成における本発明の真空ポンプ装置の速度は、最大値を示す曲線Ａをたどる。

圧力ｐ１に達すると、システムは、次の構成に切り替えられる。

図９は、エンクロージャ内の圧力の関数として、ポンプを機械的に駆動して回転させるためのエネルギー消費をプロットする。ステップＥ１中、エネルギー消費は、曲線Ｂをたどって規則的に増加し、その後、装置が装置の第２の構成に切り替えられる圧力ｐ１で、急に低下する。

図５および図６に示される第２の構成では、エンクロージャ内部の圧力が、圧力ｐ１から圧力ｐ２にされる。

ｐ１で、並列排気段７−８が、分割されて直列にされて、高圧力段によって消費される電力を低減するようにする。

ポンプの見込まれる速度は、Ｓ＝Ｋ’（Ｓ１＋Ｓ２）であり、
Ｋ’＝０．７８であり、Ｓ＝５５０ｍ^３／ｈである場合、Ｋ０＝５である。

ｐ２＝５０ｍＢａｒのために消費される電力は、３つの段の間で、以下の圧力分布、すなわち、
５０→１００→５５０→１０００
を想定すると、
Ｐｗ＝７００×（１００−５０）＋３００×（５５０−１００）＋２００×（１０００−５５０）であり、すなわち、Ｐｗ＝７．２ｋＷである。

図８で、圧力ｐ１と圧力ｐ２の間のステップＥ２中に、本発明の装置の速度Ｓの特性は、最大値を示す曲線Ｃをたどることを見て取ることができる。図９で、この同じステップＥ２の間、装置の電力特性は、曲線Ｄをたどることを見て取ることができる。

その後、装置の構成は、エンクロージャ内部の圧力を、圧力ｐ２から圧力ｐ３に低下させるように再び変更される。すると、構成は、図７に示されるとおりであり、４つすべての段５〜８が、直列になっている。

圧力ｐ２で、直列の段のこの構成により、圧縮比が高められることが可能になる。

７００ｍ^３／ｈという高い速度を維持するため、回転速度を増加させることにより、公称排気速度を増加させることが必要である。

速度は、係数Ｋｎ倍に増加させられる。

予期される速度Ｓ＝４００×Ｋｎである。

Ｋｎは、７／４であるように選択され、Ｓ＝７００ｍ^３／ｈが与えられる。

ｐ３＝１ｍＢａｒのための電力消費は、利用圧力の関数として段の圧縮比についての想定を行うと、以下のとおりである。すなわち、
段５が、１ｍＢａｒから１０ｍＢａｒまで働き（Ｋ０＝１０）、段６が、１０ｍＢａｒから５０ｍＢａｒまで働き（Ｋ０＝５）、段７が、５０ｍＢａｒから２５０ｍＢａｒまで働き、段８が、２５０ｍＢａｒから１０００ｍＢａｒまで働く（Ｋ０＝４）。

Ｐｗ＝Ｋｎ（４００×９＋３００×４０＋３００×２００＋２００×７５０）であり、
Ｐｗ＝１０．９ｋＷである。

図８で、増加するポンプ速度の影響を見て取ることができる。すなわち、一定の速度では、速度特性は、曲線Ｅをたどり、すなわち、速度は、ステップＥ１の間、およびステップＥ２の間に得られた速度と比べて低下する。しかし、速度を増加させることにより、速度特性は、曲線Ｆをたどり、曲線Ｆは、相当な圧力範囲にわたって、最大速度に近い排気速度を維持する。

図８の図から、曲線Ａ、曲線Ｃ、および曲線Ｆが、７００ｍ^３／ｈに近い平均速度での排気を特徴付けるのに対して（曲線Ｇは、７００ｍ^３／ｈで動作している理想的なポンプを表す）、ポンプの最大の段は、４００ｍ^３／ｈしかもたらさないことを見て取ることができる。

図９では、ポンプを駆動するために必要とされる電力は、一連の曲線Ｂ、曲線Ｄ、および曲線Ｈをたどって、約１０ｋＷに制限されるのに対して、７００ｍ^３／ｈの速度を有する従来の多段ポンプは、曲線Ｉによって表されるとおり、１９．５ｋＷの電力を要求することを見て取ることができる。

このため、本発明は、４０％ないし４５％の最大電力の節約、ならびに２０％ないし２５％の平均エネルギー消費の節約をもたらす。

また、本発明は、約４０％のポンプの公称サイズの節約ももたらすものと考えられる。

説明した実施例は、４段ルーツ型ドライメカニカルポンプを有するポンプ装置に関する。当然、本発明は、他の何らかの数の段を有するドライメカニカルポンプに基づくポンプ装置にも同一の形で適用可能であり、段の数が、４以上であることも可能である。

図１０Ａ〜Ｄは、５つの段を有する装置に関して、圧力が低下するにつれての、本発明のポンプ装置の連続的な構成の実施例を示す。

図１０Ａでは、吸気口１００と排気口１０１の間に、並列に接続された３つの段１０２、１０３、および１０４を見ることができ、それぞれの吸気口１０２ｃ、１０３ｃ、および１０４ｃは、バイパスパイプ１０５によって互いに接続され、それぞれの排気口１０２ｄ、１０３ｄ、および１０４ｄは、バイパスパイプ１０６によって互いに接続されている。２つの段１０７および１０８も同様に、並列に接続され、それぞれの吸気口１０７ｃおよび１０８ｃは、バイパスパイプ１０９によって互いに接続され、それぞれの排気口１０７ｄおよび１０８ｄは、バイパスパイプ１１０によって互いに接続されている。２つのグループ１０２−１０２−１０４および１０７−１０８は、吸気口１００と排気口１０１の間のガスフローパス上で、段間パイプ１１１によって互いに直列に接続される。

この第１の構成は、図１０Ａに示すとおり、エンクロージャを排気する第１のステップＥ１中に装置に与えられる構成となる。

図１０Ｂで、システムには、中間排気ステップＥ２において、第２の構成が与えられる。第１の段１０２と第２の段１０３が、互いに並列に接続され、第３の段１０４と第４の段１０７も同様である。第１の段１０２と第２の段１０３によって形成される第１の段ペアは、第３の段１０４と第４の段１０７によって形成される第２の段ペアと直列に接続され、また、第５の段１０８と直列の接続も行われる。

中間排気ステップＥ３において使用される第３の構成が、図１０Ｃに示される。第１の段１０２と第２の段１０３が、互いに並列に接続されるのに対して、第３の段１０４、第４の段１０７、および第５の段１０８は、第１の段１０２と第２の段１０３によって形成される第１の段ペアと直列に接続される。

最後に、図１０Ｄに示される第４の、最後の構成では、最後の排気ステップＥ４が、５つすべての段１０２、１０３、１０４、１０７、および１０８を、ガスフローパス上で互いに直列に接続させている。

図１１Ａ〜Ｅは、本発明のポンプ装置が６つの段を有する場合に、圧力が低下されている間の、装置に関する連続的な構成の実施例を示す。

図１１Ａでは、吸気口２００と排気口２０１の間に、並列に接続された３つの段２０２、２０３、および２０４を見ることができ、それぞれの吸気口２０２ｃ、２０３ｃ、および２０４ｃは、バイパスダクト２０５によって互いに接続され、それぞれの排気口２０２ｄ、２０３ｄ、および２０４ｄは、バイパスダクト２０６によって互いに接続されている。３つの段２０７、２０８、および２０９も同様に、並列に接続され、それぞれの吸気口２０７ｃ、２０８ｃ、および２０９ｃは、バイパスダクト２１０によって互いに接続され、それぞれの排気口２０７ｄ、２０８ｄ、および２０９ｄは、バイパスダクト２１１によって互いに接続されている。２つのグループ２０２−２０３−２０４および２０７−２０８−２０９は、吸気口２００と排気口２０１の間のガスフローパス上で、段間パイプ２１２によって、互いに直列に接続される。

図１１Ａに示された、この第１の構成は、エンクロージャを排気する第１のステップＥ１において装置に与えられる構成となる。

図１１Ｂでは、システムには、中間排気ステップＥ２において、第２の構成が与えられる。第１の３つの段２０２、２０２、および２０４は、並列に接続されたままである。第４の段２０７と第５の段２０８が、互いに並列に接続される。グループ２０２−２０３−２０４、ペア２０７−２０８、および第６の段２０９が、直列に接続される。

中間排気ステップＥ３に関する第３の構成が、図１１Ｃに示される。最初の３つの段２０２、２０３、および２０４は、依然として、並列に接続されている。第４の段２０７、第５の段２０８、および第６の段２０９が、互いと、グループ２０２−２０３−２０４とに直列に接続される。

中間排気ステップＥ４に関する第４の構成が、図１１Ｄに示される。第１の段２０２と第２の段２０３が、互いに並列に接続される。第３の段２０４、第４の段２０７、第５の段２０８、および第６の段２０９が、互いと、第１の段２０２と第２の段２０３によって形成される第１の段ペアとに直列に接続される。

最後に、最後の排気ステップＥ５のために使用される、図１１Ｅに示される第５の、つまり、最後の構成では、６つすべての段２０２、２０３、２０４、２０７、２０８、および２０９が、ガスフローパス上で、互いに直列に接続される。

図１２ＡおよびＢは、６つの段を有する本発明のポンプ装置で使用されることが可能な代替の構成の実施例を示す。第１の構成は、図１１Ａに示されるとおりであり、エンクロージャを排気する第１のステップＥ１中に、ポンプ装置に与えられる構成となる。

図１２Ａでは、システムには、中間排気ステップＥ２において、第２の構成が与えられる。吸気口３００と排気口３０１の間に、並列に接続された最初の２つの段３０２および３０３が存在し、それぞれの吸気口３０２ｃおよび３０３ｃは、バイパスパイプ３０４によって互いに接続され、それぞれの排気口３０２ｄおよび３０３ｄは、バイパスパイプ３０５によって互いに接続されている。次の２つの段３０６および３０７も同様に、並列に接続され、それぞれの吸気口３０６ｃおよび３０７ｃは、バイパスパイプ３０８によって互いに接続されているのに対して、それぞれの排気口３０７ｄおよび３０８ｄは、バイパスパイプ３０９によって互いに接続されている。最後に、最後の２つの段３１０および３１１も同様に、並列に接続され、それぞれの吸気口３１０ｃおよび３１１ｃは、バイパスパイプ３１２によって互いに接続されているのに対して、それぞれの排気口３１０ｄおよび３１１ｄは、バイパスパイプ３１３によって互いに接続されている。３つのペア３０２−３０３、３０６−３０７、および３１０−３１１は、吸気口３００と排気口３０１の間のガスフローパス上で、それぞれ、段間パイプ３１４および段間パイプ３１５によって、互いに直列に接続される。

中間排気ステップＥ３のための第３の構成が、図１２Ｂに示される。第１の２つの段３０２および３０３は、並列に接続される。また、第３の段３０６および第４の段３０７も、並列に接続される。最後の２つの段３１０および３１１は、ペア３０２−３０３およびペア３０７−３０８と直列に接続される。

第４の構成および第５の構成は、図１１Ｄおよび図１１Ｅに示した構成と同様である。

本発明は、明示的に説明した諸実施形態に限定されず、当業者の技量とともに得られる、多数の変種および一般化を含む。

多段ポンプが、４つの排気段が直列になったルーツ型のものである、真空ポンプ装置に関する先行技術の構造を示す図である。 ルーツ型の４つの段をやはり含み、段は、第１の構成で互いに接続されている、本発明の実施形態における真空ポンプ装置の図である。 部分的に開かれて示された図２のポンプ装置の透視図である。 図２の第１の構成においてポンプ段がどのように互いに接続されるかを示す流れ図である。 第２の構成で図２の実施形態におけるポンプ装置を示す図である。 図５の第２の構成においてポンプ段が互いに接続される形を示す流れ図である。 第３の構成においてポンプ段がどのように互いに接続されるかを示す流れ図である。 図２ないし図７の装置の排気速度の曲線を、排気されているエンクロージャ内の圧力の関数としてプロットするグラフである。 エンクロージャ内の圧力を低下させる間の、図２ないし図７のポンプ装置の電力消費の曲線をプロットするグラフである。 チャンバ内の圧力を低下させる間の４つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の５つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 チャンバ内の圧力を低下させる間の４つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の５つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 チャンバ内の圧力を低下させる間の４つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の５つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 チャンバ内の圧力を低下させる間の４つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の５つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 チャンバ内の圧力を低下させる間の５つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の６つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 チャンバ内の圧力を低下させる間の５つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の６つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 チャンバ内の圧力を低下させる間の５つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の６つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 チャンバ内の圧力を低下させる間の５つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の６つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 チャンバ内の圧力を低下させる間の５つの連続的な構成の１つで示された、ルーツ型の６つの段を含む、本発明の実施形態における真空ポンプ装置を示す図である。 図１１Ｂに対応する代替の実施形態を示す図である。 図１１Ｃに対応する代替の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ モータ
１ａ、２０ａ、２１ａ 電線
２ ポンプ
３、５ｃ、６ｃ、７ｃ、８ｃ 吸気口
４、５ｄ、６ｄ、７ｄ、８ｄ 排気口
５、６、７、８ 段
５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ 回転子
９、１０、１１、１２、１３、１４、１５ パイプ
１６、１７、１８、１９ バルブ
２０、２１ アクチュエータ
２２ コントローラ
１００ エンクロージャ

Claims (15)

1. 吸気口（５ｃ〜８ｃ）と、排気口（５ｄ〜８ｄ）とを各段が有し、エンクロージャからガスを排出するための回路として段（５〜８）を互いに接続するためのパイプ（９〜１１）を含む多段ドライメカニカル真空ポンプ（２）を駆動するモータ（１）を含む、エンクロージャ（１００）の圧力を低下させるための真空ポンプ装置であって、
   第１の排気ステップ（Ｅ１）中に段が少なくともペアで並列に接続される第１の構成から、中間排気ステップ（Ｅ２）中の少なくとも１つの中間構成を経て、最後の排気ステップ（Ｅ３）において段が直列に接続される最後の構成に、段が移行するように、段（５〜８）を互いに接続し、排気速度は、それぞれの現在の圧力範囲において最適化され、少なくとも１つの段（５）が、少なくとも１つの他の段（６）と並列に接続される一方で、少なくとも１つの段（７）が、少なくとも１つの他の段（８）と直列に接続される流体フロー接続手段（１２〜１９）を含むことを特徴とする装置。
2. 流体フロー接続手段（１２〜１９）は、電子制御手段（２２）によって制御され、パイプ（９、１１、１３、１５）の中に挿入されるバルブ（１６〜１９）を含む請求項１に記載の装置。
3. 電子制御手段（２２）は、エンクロージャ（１００）内部のガス圧力の変化に応答して、１つの構成から次の構成に移行するようにバルブ（１６〜１９）を動かす請求項２に記載の装置。
4. 電子制御手段（２２）は、ポンプのモータ（１）によって消費される電力の変化に応答して、１つの構成から次の構成に移行するようにバルブ（１６〜１９）を動かす請求項２に記載の装置。
5. 電子制御手段（２２）は、所定の継続期間の後、１つの構成から次の構成に移行するようにバルブ（１６〜１９）を動かす請求項２に記載の装置。
6. バルブ（１６〜１９）および段間パイプ（９〜１１）は、真空ポンプ（２）の本体に組み込まれる請求項２に記載の装置。
7. 最後の排気ステップ（Ｅ３）において、電子制御手段（２２）は、モータ（１）の速度を増加させる請求項２に記載の装置。
8. エンクロージャ（１００）内部が所望される圧力状態に達すると、電子制御手段（２２）は、モータ（１）の回転の速度を低減して、圧力を維持する排気をもたらす請求項２に記載の装置。
9. エンクロージャ（１００）内部が所望される圧力状態に達すると、電子制御手段（２２）は、圧力を維持するために、追加の低速排気段を排気口（４）に接続する請求項２に記載の装置。
10. 排気中、
    ａ）第１の構成において、第１の排気ステップ（Ｅ１）中、第１の段（５）と第２の段（６）は、互いに並列に接続されて、第１の段ペアを形成し、第３の段（７）と第４の段（８）は、互いに並列に接続されて、第２の段ペアを形成し、２つの段ペア（５−６）および（７−８）は、ガスフローパス上で直列に接続され、
    ｂ）第２の構成において、中間排気ステップ（Ｅ２）中、第１の段（５）と第２の段（６）は、互いに並列に接続されたままであり、第３の段（７）と第４の段（８）は、互いに直列に接続され、第１の段と第２の段とを含む第１の段ペアは、第３の段と第４の段とを含む第２の段ペア（７−８）と直列に接続され、
    ｃ）第３の構成において、最後の排気ステップ（Ｅ３）中、４つすべての段（５〜８）は、互いに直列に接続される、連続する構成で接続される４つの段（５〜８）を含む請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 排気中、
    ａ）第１の構成において、第１の排気ステップ（Ｅ１）中、第１の段（１０２）、第２の段（１０３）、および第３の段（１０４）は、並列に接続されて、段グループ（１０２−１０４）を形成し、第４の段（１０７）と第５の段（１０８）は、互いに並列に接続されて、段ペア（１０７−１０８）を形成し、段グループ（１０２−１０４）と段ペア（１０７−１０８）は、ガスフローパス上で互いに直列に接続され、
    ｂ）第２の構成において、第１の中間排気ステップ（Ｅ２）中、第１の段（１０２）と第２の段（１０３）は、互いに並列に接続されて、第１の段ペア（１０２−１０３）を形成し、第３の段（１０４）と第４の段（１０７）は、互いに並列に接続されて、第２の段ペア（１０４−１０７）を形成し、第１の段ペア（１０２−１０３）と第２の段ペア（１０４−１０７）は、互いと、第５の段（１０８）とに直列に接続され、
    ｃ）第３の構成において、第２の中間排気ステップ（Ｅ３）中、第１の段（１０２）と第２の段（１０３）は、互いに並列に接続されて、段ペア（１０２−１０３）を形成し、第３の段（１０４）、第４の段（１０７）、および第５の段（１０８）は、互いと、段のペア（１０２−１０３）とに直列に接続され、
    ｄ）第４の構成において、最後の排気ステップ（Ｅ４）中、５つすべての段（１０２、１０３、１０４、１０７、１０８）は、互いに直列に接続される、連続する構成で接続される５つの段（１０２、１０３、１０４、１０７、１０８）を含む請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
12. 排気中、
    ａ）第１の構成において、第１の排気ステップ（Ｅ１）中、第１の段（２０２）、第２の段（２０３）、および第３の段（２０４）は、並列に接続されて、第１の段グループ（２０２−２０４）を形成し、第４の段（２０７）、第５の段（２０８）、および第６の段（２０９）は、並列に接続されて、第２の段グループ（２０７−２０９）を形成し、第１の段グループ（２０２−２０４）と第２の段グループ（２０７−２０９）は、ガスフローパス上で互いに直列に接続され、
    ｂ）第２の構成において、第１の中間排気ステップ（Ｅ２）中、第１の段（２０２）、第２の段（２０３）、および第３の段（２０４）は、並列に接続されて、段グループ（２０２−２０４）を形成し、第３の段（２０７）と第４の段（２０８）は、互いに並列に接続されて、段ペア（２０７−２０８）を形成し、段グループ（２０２−２０４）と段ペア（２０７−２０８）は、互いと、第６の段（２０９）とに直列に接続され、
    ｃ）第３の構成において、第２の中間排気ステップ（Ｅ３）中、第１の段（２０２）、第２の段（２０３）、および第３の段（２０４）は、並列に接続されて、段グループ（２０２−２０４）を形成し、第４の段（２０７）、第５の段（２０８）、および第６の段（２０９）は、互いと、段グループ（２０２−２０４）とに直列に接続され、
    ｄ）第４の構成において、第３の中間排気ステップ（Ｅ４）中、第１の段（２０２）と第２の段（２０３）は、互いに並列に接続されて、段ペア（２０２−２０３）を形成し、第３の段（２０４）、第４の段（２０７）、第５の段（２０８）、および第６の段（２０９）は、互いと、段ペア（２０２−２０３）とに直列に接続され、
    ｅ）第５の構成において、最後の排気ステップ（Ｅ５）中、６つすべての段（２０２、２０３、２０４、２０７、２０８、２０９）は、互いに直列に接続される、連続する構成で接続される６つの段（２０２、２０３、２０４、２０７、２０８、２０９）を含む請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
13. 排気中、
    ａ）第１の構成において、第１の排気ステップ（Ｅ１）中、第１の段（３０２）、第２の段（３０３）、および第３の段（３０６）は、並列に接続されて、第１の段グループ（３０２−３０６）を形成し、第４の段（３０７）、第５の段（３１０）、および第６の段（３１１）は、並列に接続されて、第２の段グループ（３０７−３１１）を形成し、第１の段グループ（３０２−３０６）と第２の段グループ（３０７−３１１）は、ガスフローパス上で直列に接続され、
    ｂ）第２の構成において、第１の中間排気ステップ（Ｅ２）中、第１の段（３０２）と第２の段（３０３）は、互いに並列に接続されて、第１の段ペア（３０２−３０３）を形成し、第３の段（３０６）と第４の段（３０７）は、互いに並列に接続されて、第２の段ペア（３０６−３０７）を形成し、第５の段（３１０）と第６の段（３１１）は、互いに並列に接続されて、第３の段ペア（３１０−３１１）を形成し、第１の段ペア（３０２−３０３）、第２の段ペア（３０６−３０７）、および第３の段ペア（３１０−３１１）は、互いに直列に接続され、
    ｃ）第３の構成において、第２の中間排気ステップ（Ｅ３）中、第１の段（３０２）と第２の段（３０３）は、互いに並列に接続されて、第１の段ペア（３０２−３０３）を形成し、第３の段（３０６）と第４の段（３０７）は、互いに並列に接続されて、第２の段ペア（３０６−３０７）を形成し、第５の段（３１０）と第６の段（３１１）は、互いと、第１の段ペア（３０２−３０３）と第２の段ペア（３０６−３０７）とに直列に接続され、
    ｄ）第４の構成において、第３の中間排気ステップ（Ｅ４）中、第１の段（３０２）と第２の段（３０３）は、互いに並列に接続されて、段ペア（３０２−３０３）を形成し、第３の段（３０３）、第４の段（３０７）、第５の段（３１０）、および第６の段（３１１）は、互いと、段ペア（３０２−３０３）とに直列に接続され、
    ｅ）第５の構成において、最後の排気ステップ（Ｅ５）中、６つすべての段（３０２、３０３、３０６、３０７、３１０、３１１）は、互いに直列に接続される、連続する構成で接続される６つの段（３０２、３０３、３０４、３０７、３１０、３１１）を含む請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
14. エンクロージャ内部の圧力を低下させるための多段ドライメカニカルポンプ（２）を使用する真空排気方法であって、
    第１の排気ステップ（Ｅ１）中に段が少なくともペアで並列に接続される第１の構成から、少なくとも１つの中間構成（Ｅ２）を経て、最後の排気ステップ（Ｅ３）中に段が直列に接続される最後の構成まで、段が移行するように、ポンプ（２）の段（５〜８）が、複数の連続する構成で互いに接続され、各構成が、現在の圧力範囲における排気速度を最適化するように選択され、各中間構成において、少なくとも１つの吸気段（５）は、少なくとも１つの他の吸気段（６）と並列に接続され、少なくとも１つの排気段（７）は、少なくとも１つの他の段（８）と直列に接続される方法。
15. 最後の排気ステップ中、ポンプの速度は、ポンプの公称速度を超えて、一時的に増加される請求項１４に記載の方法。

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