JP2014503049A

JP2014503049A - ポンプ

Info

Publication number: JP2014503049A
Application number: JP2013549881A
Authority: JP
Inventors: スティーブンエドワードダウナム; ディヴィッドポールマンソン; フーポーウェル
Original assignee: エドワーズリミテッド
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2014-02-06
Also published as: WO2012098386A3; EP2665936A2; EP2665936B2; WO2012098386A2; EP2665936B1; GB2487376A; US20130294957A1; CN103582761A; KR20130141649A; CN103582761B; US9080571B2; GB201100849D0; TWI601880B; TW201241315A

Abstract

本発明は、ロータ装置（６４）及びステータ装置（６６）を有する真空ポンプ（６２）に関する。ステータ装置は、耐食性材料で作られた第１の部分（６８）を有し、第１の部分は、流体をステータ装置の入口（７２）から出口（７４）に圧送するために使用中、ロータ装置によって掃過される容積部（７０）を画定している。ステータ装置の第２の部分（７６）が熱伝導性材料で作られ、第２の部分は、第１の部分内で生じた熱を第１の部分と第２の部分との間のインターフェース表面（７８）で第２の部分に伝達することができるよう第１の部分を包囲している。第２の部分（７６）中には、ステータ装置を冷却するために第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を第２の部分から液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクト（８０）が形成されている。

Description

本発明は、真空ポンプ及び真空ポンプ用ステータ装置に関する。

真空ポンプは、容積移送式ポンプ、例えばルーツポンプ、クローポンプ又はスクリューポンプにより形成される場合がある。これらポンプは、ステータ装置を有し、ステータ装置は、気体をステータ装置の入口から出口に圧送するロータ装置によって掃過される容積部を画定する。圧送された気体の圧縮及び使用中における機械的コンポーネント及び電気的コンポーネントの能率の悪さによって熱が生じる。

真空ポンプ中における熱の発生は、信頼性及び性能を低下させる場合がある。例えば、真空ポンプは、金属を主成分とする半導体前駆物質の被着に起因して焼き付く場合があり、被着は、高い温度で増加してステータコンポーネントとロータコンポーネントとの間の隙間の減少を生じさせる。気体、例えば弗素とポンプコンポーネントの表面との反応に起因した腐食によっても高い温度で隙間の減少が生じる。また、ポンプ潤滑剤が劣化し又は蒸発する場合のあることが注目された。

典型的には、ポンプは、冷却板組立体又はウォータジャケットによって冷却される。前者においては、アルミニウム製の冷却板がポンプステータの表面に固定される。管が通常水である液体冷却剤を運ぶために冷却板の表面中に押し込められる。熱は、３つの熱的インターフェースを横切って水に伝達される。第１のインターフェースは、アルミニウム冷却板へのポンプステータのインターフェースである。第２のインターフェースは、冷却板から管へのインターフェースであり、最終のインターフェースは、管から水のインターフェースである。この場合、水中の熱は、システムから運び去られる。この冷却方法は、経時的に最適化されたが、この冷却方法は、依然として、特に効果的な冷却法であるという訳ではない。冷却プレート組立体を利用することができる表面積の量は、除去できる熱の大きさを制限する。また、冷却板を他のコンポーネントが冷却のためにポンプ及びブロック接近部への取り付けを必要とする場合があるのでステータの表面の１つのみ又はステータの表面の少なくとも全てではない数の表面に固定することが可能な場合がある。

ウォータジャケットでは、ポンプステータは、中空であり、水は、ポンプステータを通って運ばれて熱をシステムから除去する。この方法は、冷却板組立体方式よりも熱的に能率が高いが、事実上の欠点が存在する。ウォータジャケットによる冷却方法は、通常、２つのやり方の一方で、即ち、直接的又は間接的に実施される。直接的冷却では、水を直接ポンプステータのコア中に通すので腐食が関心事となる。これは、多くのポンプは、鉄で作られているからである。間接的冷却は、水が腐食防止剤で状態調節された状態で働く閉鎖系によって冷却水が提供されることを意味している。このようなシステムは、複雑であり且つ高価である。これは、水を循環させるためにポンプが必要でありしかも冷却水を冷却するために熱交換器が必要だからである。

本発明は、能率的な冷却を可能にするよう構成されたステータ装置を有する改良型真空ポンプを提供する。

第１の態様では、本発明は、ロータ装置及びステータ装置を有する真空ポンプであって、ステータ装置は、耐食性材料で作られ流体をステータ装置の入口から出口に圧送するために、使用中に、ロータ装置によって掃過される容積部を画定する第１の部分と熱伝導性材料で作られた第２の部分とを有し、第２の部分は、第１の部分内で生じた熱を第１の部分と第２の部分との間のインターフェース表面で第２の部分に伝達することができるよう第１の部分を包囲しており、第２の部分中には、ステータ装置を冷却するために第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を第２の部分から液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクトが形成されていることを特徴とするポンプを提供する。変形例として、真空ポンプステータ装置であって、耐食性材料で作られ流体をステータ装置の入口から出口に圧送するために使用中、ロータ装置によって掃過される容積部を画定する第１の部分と熱伝導性材料で作られた第２の部分とを有し、第２の部分は、第１の部分内で生じた熱を第１の部分と第２の部分との間のインターフェース表面で第２の部分に伝達することができるよう第１の部分を包囲しており、第２の部分中には、ステータ装置を冷却するために第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を第２の部分から液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクトが形成されていることを特徴とする真空ポンプステータ装置が提供される。ステータ装置の第２の部分は、これをステータ装置の第２の部分の周りに鋳造することによって形成されるのが良い。

第２の態様では、本発明は、ステータスライスであって、耐食性材料で作られ流体をステータスライスの入口から出口に圧送するために、使用中に、ロータ装置によって掃過される容積部を画定する第１の部分と熱伝導性材料で作られた第２の部分とを有し、第２の部分は、第１の部分内で生じた熱を第１の部分と第２の部分との間のインターフェース表面で第２の部分に伝達することができるよう第１の部分を包囲しており、第２の部分中には、ステータスライスを冷却するために第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を第２の部分から液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクトが形成されていることを特徴とするステータスライスを提供する。

第３の態様では、本発明は又、ステータ装置であって、積層ポンプ構造体を形成する複数個のステータスライスを含み、ステータスライスの少なくとも１つは、耐食性材料で作られ流体をステータ装置の入口から出口に圧送するために、使用中に、ロータ装置によって掃過される容積部を画定する第１の部分と熱伝導性材料で作られた第２の部分とを有し、第２の部分は、第１の部分内で生じた熱を第１の部分と第２の部分との間のインターフェース表面で第２の部分に伝達することができるよう第１の部分を包囲しており、第２の部分中には、ステータ装置を冷却するために第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を第２の部分から液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクトが形成されていることを特徴とするステータ装置を提供する。

第４の態様では、本発明は、積層ポンプ構造体のためのステータ装置用のステータスライスを製造する方法であって、耐食性材料で作られ入口及び出口を有し且つ流体をステータスライスの入口から出口に圧送するために使用中、ロータ装置によって掃過される容積部を画定する第１の部分を形成するステップと、熱伝導性材料で作られた第２のステータ部分を第１のステータ要素部分周りに鋳造して第２のステータ部分が第１のステータ要素部分を包囲すると共に第１のステータ要素部分と第１のステータ要素部分との間に密なインターフェース表面を形成し、使用中、第１のステータ部分内に生じた熱を２つのステータ部分相互間のインターフェース表面で第２のステータ部分に伝達することができるようにするステップと、第２のステータ部分を通って液体冷却剤を運ぶ少なくとも１本のダクトを第２のステータ部分中に形成し、使用中、ステータスライスを冷却するために熱を第２のステータ要素部分から液体冷却剤に伝達することができるようにするステップとを含むことを特徴とする方法を提供する。

次に、本発明を良好に理解することができるようにするために、図面を参照して例示として与えられているに過ぎない本発明の幾つかの実施形態について説明する。

ルーツポンプの断面図である。スクリューポンプの断面図である。本発明を具体化したルーツポンプの断面図である。本発明を具体化したスクリューポンプの断面図である。本発明を具体化した積層ポンプの略図である。

図１は、先行技術で知られ、国際公開第２００７／０８８１０３号パンフレットに記載されたルーツポンプ１０の断面図である。このポンプは、ステータ本体１４により画定された圧送又は掃過容積部１２を有している。ロータ装置が１対の反転かみ合い式多ローブ付き、又はまゆ形ロータ１６，１８を備え、ロータ１６，１８は、それぞれの水平軸線２０，２２を中心に回転するよう配置されている。図１のポンプは、各ロータに設けられた２つのローブを有し、ローブの先端部分２４，２６は、ステータの弧状内面２４と協働するよう配置され、それによりロータとステータ１４との間に所与の量の気体２８を捕捉する。気体は、ロータの逆回転運動によって入口３０から出口３２に圧送される。

図２を参照すると、スクリューポンプ３４が示され、スクリューポンプ３４は、頂板３８及び底板４０を備えたステータ３６を有している。流体入口４２が頂板３８に形成され、流体出口４４が底板４０に形成されている。ポンプ３２は、第１のシャフト４６及び第１のシャフトから間隔をおくと共にこれに平行な第２のシャフト４８を更に有し、第２のシャフト４８は、頂板３８及び底板４０と実質的に直交した長手方向軸線を有している。シャフト４６，４８は、これらの長手方向軸線回りに反転方向にステータ内で回転可能に構成されている。

第１のロータ５０がステータ３６内で回転運動可能に第１のシャフト４６に取り付けられ、第２のロータ５２が同様に第２のシャフト４８に取り付けられている。２つのロータの各々のルーツは、流体出口４４から流体入口４２に向かってテーパした形状を有し、各ロータは、その外面上にそれぞれ形成された螺旋羽根又はねじ山５４，５６を有し、ねじ山は、図示のように互いにかみ合うようになっている。

ステータ３６は、出口４４に向かってテーパした圧送又は掃過容積部５８を画定し、ねじ山５４，５６は、ロータ５０，５２と一緒になって捕捉容積部６０を形成し、この捕捉容積部は、使用中に、出口に向かって容積が次第に減少し、それにより気体が入口と出口との間で圧縮される。

本発明を具体化したルーツポンプ６２が図３に示されている。ポンプ６２は、ロータ装置６４及びステータ装置６６を有し、ステータ装置は、耐食性材料で作られた第１の部分６８を有している。ステータ装置の第１の部分は、使用中に、流体をステータ装置の入口７２から出口７４に圧送するためにロータ装置によって掃過される容積部７０を画定している。ステータ装置の第２の部分７６が熱伝導性材料で作られており、この第２の部分は、第１の部分６８と密な接触面７８を形成した状態で第１の部分６８を包囲し、その結果、第１の部分中に生じた熱を２つの部分相互間のインターフェース表面７８で第２の部分に伝達することができるようになっている。図３に示されているように、第２の部分は、第１の部分を包囲すると共に少なくとも図３に示された断面平面において第１の部分と全体として同一の広がりを有し、それにより熱を伝達することができるインターフェースのところに広い表面領域が提供されている。第１の部分及び第２の部分は、掃過容積部への入口及びこれからの出口を形成している。第２の部分も又、好ましくは、第１の部分の軸方向端部を包囲すると共にこれらと全体として同一の広がりを有し、その結果、第１の部分が第２の部分によって完全に包囲されている。第２の部分を第１の部分周りに鋳造することにより、能率的な熱伝達を可能にする密な接触面７８が提供される。第２の部分７６中には、第２の部分を通って液体冷却剤を運ぶ少なくとも１本のダクト８０が形成され、その結果、ステータ装置を冷却するために熱を第２の部分から液体冷却剤に伝達することができるようになっている。

本発明を具体化したスクリューポンプ８２が図４に示されている。ポンプ８２は、ロータ装置８４及びステータ装置８６を有し、ステータ装置は、耐食性材料で作られた第１の部分８８を有している。ステータ装置の第１の部分は、使用中に、流体をステータ装置の入口９２から出口９４に圧送するためにロータ装置によって掃過される容積部９０を画定している。ステータ装置の第２の部分９６が熱伝導性材料で作られており、この第２の部分は、第１の部分８８と密な接触面９８を形成した状態で第１の部分８８を包囲し、その結果、第１の部分中に生じた熱を２つの部分相互間のインターフェース表面９８で第２の部分に伝達することができるようになっている。図４に示されているように、第２の部分は、第１の部分を包囲すると共に少なくとも図４に示された断面平面において第１の部分と全体として同一の広がりを有し、それにより熱を伝達することができるインターフェースのところに広い表面領域が提供されている。第１の部分及び第２の部分は、掃過容積部への入口及びこれからの出口を形成している。第２の部分も又、好ましくは、第１の部分の軸方向端部を包囲すると共にこれらと全体として同一の広がりを有し、その結果、第１の部分が第２の部分によって完全に包囲されている。第２の部分９６中には、第２の部分を通って液体冷却剤を運ぶ少なくとも１本のダクト１００が形成され、その結果、ステータ装置を冷却するために熱を第２の部分から液体冷却剤に伝達することができるようになっている。

図３及び図４に示されている実施形態の両方において、第２の部分７６，９６は、第１の部分から第２の部分への熱の伝達又は伝導を向上させるために第１の部分と第２の部分との又はステータ要素部分相互間の密な接触を可能にするよう第１の部分６８，８８周りに形成された鋳物である。１本のダクト又は２本のダクト８０，１００は、このようなダクト中に冷却液を通すことによって腐食に対して耐性のある熱伝導性材料で作られた１本又は２本以上の管によって第２の部分中に形成されている。第２の部分は、第１の部分から第２の部分への熱の伝達又は伝導を向上させるために第１の部分と第２の部分との密な接触を可能にするよう１本又は複数本の管の周りに形成された鋳物である。

ポンプ６２，８２は、冷却液源１０２及びダクトを通った加熱状態の液体冷却剤を収集し又は処分する廃棄物又は処分ユニット１０４を含む開放真空圧送システムの一部をなすことができる。好ましくは、液体冷却剤は、水である。これは、水は、豊富であり且つ安価だからである。液体の再循環は必要ではなく、したがって、公知の閉鎖系とは異なり、液体を冷却するための熱交換器が不要である。

１本のダクト８０，１００が図３及び図４に示されており、このダクトは、ステータ装置の第２の部分を貫通すると共に第１の部分周りに延びている。ダクトは、第１の部分周りにぐるりと完全に延びていても良く又は第１の部分周りにぐるりと完全に延びていなくても良い。ただし、ダクトは、第１の部分周りに多数回にわたって延び、それにより複数の巻き又は回路を形成することが好ましい。２本以上のダクトが設けられても良く、各ダクトは、好都合には枝部を形成するのが良い。好ましくは、１本又は複数本のダクトは、第１の部分と第２の部分との間のインターフェース表面に近接して配置され、その結果、インターフェースを横切って伝達される熱をダクト中の冷却剤との相互作用により冷却される前に相当な距離にわたって伝導する必要がないようになっている。より好ましくは、ダクトは、全体としてインターフェース表面を包囲し、その結果、第１の部分の全体として一様な冷却が起こることができるようになっている。

ダクト系統は、好ましくは、ステータの均等な冷却を可能にするよう構成されるのが良く、それにより熱膨張差又は熱収縮差をもたらすホットスポット及びコールドスポットの発生が阻止される。注目されるように、冷却板が特にステータの一表面にのみ固定された場合、冷却差をもたらす。ポンプの使用中、大きな温度上昇を生じやすいステータの領域に冷却のための実質的に多くのダクト系統又は少なくとも広い表面領域を配置することが更に好ましい場合がある。

第１の部分は、好ましくは、球状黒鉛（ＳＧ）鉄、オーステンパ延性鉄又はＮｉレジスト鉄で作られ、これら両方の鉄は、ガス、例えば半導体部品の真空処理中に用いられる弗素ガス及び他の典型的なガスによる腐食に対して耐性がある。図３及び図４にそれぞれＡで示された第１の部分６６，８８の幅又は厚さは、第１の部分又はステータ要素部分が使用中、ポンプ内に生じる圧力に耐えることができるようにするために好ましくは１ｃｍよりも大きい。

第２の部分は、好ましくは、比較的熱伝導率の高いアルミニウムで作られる。１本又は複数本のダクトを形成する管は、好ましくは、液体冷却剤、代表的には水による腐食に抵抗するよう選択されたステンレス鋼で作られる。

図５を参照すると、ポンプ１１０が示されており、ポンプ１１０は、複数個の圧送段１１２，１１４，１１６，１１８を有する。圧送段の各々は、流体を各段の入口から出口に圧送するためのロータ装置（図示せず）及びステータ装置１２０，１２２，１２４，１２６を有している。一圧送段の出口は、隣接の下流側の段の入口と流体連通状態にあり、その結果、ポンプにより達成される圧縮が段の各々の累積結果であるようになっている。段間装置１２８，１３０，１３２が隣り合う圧送段相互間に介在して位置している。これら段間装置は、隣り合う圧送段の圧送チャンバを互いに隔てており、そして流体を上流側の圧送段の出口から下流側の圧送段の入口に運ぶ。２枚のヘッドプレート１３４，１３６が圧送スタックの各端のところに配置されている。ヘッドプレートは、最も上流側の圧送段及び最も下流側の圧送段の圧送チャンバをそれぞれポンプの他のコンポーネント、例えば歯車やモータから隔てており、そして流体を第１の圧送段の入口中に運んだり最初の圧送段の出口から運んだりする。したがって、ポンプは、ポンプを形成するよう互いに積層される複数の別々の層で作られる。積層は、適切には、１本又は２本以上のアンカーロッドが層の各々に設けられた孔を通って締結具、例えばボルトで締結されることによって達成可能である。

図５には示されていないが、代表的にはステータスライスと呼ばれる各圧送段のステータ装置は、本明細書において説明した鋳物冷却システムを備えるのが良い。即ち、各ステータスライスは、耐食性材料で作られた第１の部分及び熱伝導性材料で作られた第２の部分を有する。第２の部分中には、ステータスライスを冷却するために第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を第２の部分から液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクトが形成されている。

ポンプ中のステータスライスの各々は、本発明の冷却装置を有するのが良く又は変形例としてスライスの全てではないが１つ又は２つ以上が冷却装置を有しても良い。例えば、ポンプの高圧段では多くの熱が生じ、したがって、冷却装置を高圧段の１つ又は２つ以上にのみ、例えば図５の圧送段１１８にのみ設けても良い。積層構造は又、既存の積層ポンプへの本発明の冷却システムを備えた１つ又は２つ以上のステータスライスのレトロフィットを可能にする。

Claims

ロータ装置及びステータ装置を有する真空ポンプであって、
前記ステータ装置は、耐食性材料で作られ、前記ステータ装置の入口から出口に流体を圧送する前記ロータ装置によって使用中に掃過される容積部を画定する第１の部分と、熱伝導性材料で作られた第２の部分を有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分内で生じた熱を前記第１の部分と前記第２の部分との間のインターフェース表面で前記第２の部分に伝達することができるよう前記第１の部分を包囲し、前記第２の部分中には、前記ステータ装置を冷却するために前記第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を前記第２の部分から前記液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクトが形成されている、
ことを特徴とするポンプ。
前記第２の部分は、前記第１の部分から前記第２の部分への熱の伝達／伝導を向上させるために前記第１の部分と前記第２の部分との密な接触を可能にするよう前記第１の部分周りに形成された鋳物である、
請求項１記載のポンプ。
前記少なくとも１本のダクトは、液体による腐食に対して耐性のある熱伝導性材料で作られた１本又は２本以上の管により前記第２の部分中に形成され、前記第２の部分は、前記第２の部分と前記管との間における熱の伝達を向上させるために前記第１の部分と前記第２の部分との密な接触を可能にするよう前記管周りに形成された鋳物である、
請求項１又は２記載のポンプ。
前記少なくとも１本のダクトは、前記第１の部分周りに複数回の巻き状態をなして延びている、
請求項２記載のポンプ。
前記第１の部分は、ＳＧ鉄又はＮｉレジスト鉄で作られている、
請求項１な４のいずれか１項に記載のポンプ。
前記第２の部分は、アルミニウムで作られている、
請求項５記載のポンプ。
前記管は、ステンレス鋼で作られている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のポンプ。
真空圧送システムであって、請求項１〜７のいずれか１項に記載のポンプと、冷却のために液体冷却剤を前記ステータ装置に運ぶよう連結された液体冷却剤源と、前記ステータ装置を通って運ばれた液体冷却剤を処分するよう連結された液体廃棄物ユニットとを備えている、真空圧送システム。
真空ポンプステータ装置であって、耐食性材料で作られ流体を前記ステータ装置の入口から出口に圧送するために、使用中に、前記ロータ装置によって掃過される容積部を画定する第１の部分と、熱伝導性材料で作られた第２の部分とを有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分内で生じた熱を前記第１の部分と前記第２の部分との間のインターフェース表面で前記第２の部分に伝達することができるよう前記第１の部分を包囲し、
前記第２の部分中には、前記ステータ装置を冷却するために前記第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を前記第２の部分から前記液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクトが形成されている、
ことを特徴とする真空ポンプステータ装置。
積層ポンプ構造体を形成する複数個のステータスライスを含み、前記ステータスライスの少なくとも１つは、耐食性材料で作られ流体を前記ステータ装置の入口から出口に圧送するために、使用中に、前記ロータ装置によって掃過される容積部を画定する第１の部分と、熱伝導性材料で作られた第２の部分とを有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分内で生じた熱を前記第１の部分と前記第２の部分との間のインターフェース表面で前記第２の部分に伝達することができるよう前記第１の部分を包囲し、
前記第２の部分中には、前記ステータ装置を冷却するために前記第２の部分を通って液体冷却剤を運んで熱を前記第２の部分から前記液体冷却剤に伝達することができるようにする少なくとも１本のダクトが形成されている、
請求項９記載の真空ポンプステータ装置。
請求項１０記載のステータ装置用のステータスライス。
請求項１１記載のステータ装置用のステータスライスを製造する方法であって、
耐食性材料で作られ入口及び出口を有する第１のステータ要素部分を形成するステップであって、前記第１のステータ要素部分が、流体を前記ステータ要素部分の入口から出口に圧送するために、使用中に、前記ロータ装置によって掃過される容積部を画定するステップと、
熱伝導性材料で作られた第２のステータ要素部分を前記第１のステータ要素部分周りに鋳造して前記第２のステータ要素部分が前記第１のステータ要素部分を包囲すると共に前記第１のステータ要素部分と前記第１のステータ要素部分との間に密なインターフェース表面を形成し、使用中、前記第１のステータ要素部分内に生じた熱を前記２つのステータ要素部分相互間の前記インターフェース表面で前記第２のステータ要素部分に伝達することができるようにするステップと、
前記第２のステータ要素部分を通って液体冷却剤を運ぶ少なくとも１本のダクトを前記第２のステータ要素部分中に形成し、使用中に、前記ステータ要素を冷却するために熱を前記第２のステータ要素部分から前記液体冷却剤に伝達することができるようにするステップと、を備えている、
ことを特徴とする方法。