JP2017531125A - 真空を生成するための圧送システムおよびこの圧送システムによる圧送方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、真空を生成するための圧送システム（ＳＰ）に関し、この圧送システムは、真空チャンバ（１）に連結されたガス吸い込み入口（２）と、圧送システムの外側のガスエグゾースト出口（８）の方向においてガス真空排気導管（５）内に至るガスディスチャージ出口（４）とを有する乾式スクリューポンプ（３）である主真空ポンプを備える。この圧送システムは、ガスディスチャージ出口（４）とガスエグゾースト出口（８）との間に位置する逆止め弁（６）と、逆止め弁に並列に連結された補助真空ポンプ（７）と、をさらに備える。この圧送システムによる圧送方法において、真空チャンバ（１）に含まれるガスを圧送してこれらのガスをそのガスディスチャージ出口（４）を通して排出するために主真空ポンプ（３）を始動し、補助真空ポンプ（７）も同時に始動する。さらに、主真空ポンプ（３）が真空チャンバ（１）に含まれるガスを圧送している間じゅうおよび／または主真空ポンプ（３）が真空チャンバ（１）内の所定の圧力を維持している間じゅう、補助真空ポンプ（７）が圧送し続ける。

Description

本発明は、真空技術の分野に関する。より正確には、本発明は、乾式スクリューポンプを含む圧送システムおよびこの圧送システムによる圧送方法に関する。

真空ポンプの性能を高め、化学工業、医薬品工業、真空蒸着工業、半導体工業などの工業における設備コストおよびエネルギー消費量を減らす一般的な目的は、駆動装置における性能、エネルギー経済、嵩高性などに関しての顕著な発達に至っている。

現状技術は、最終真空度を改善するためには多段ルーツ形または多段クロー形の真空ポンプに補助段を付け加えなければならないことを示している。スクリュー形の乾式真空ポンプについて、スクリューの追加の回転を提供しなければならず、かつ／または内部圧縮率を高めなくてはならないことが知られている。

ポンプの回転速度は、真空チャンバの真空排気の過程で異なる連続する段階の間、ポンプの動作を規定することによって非常に重要な役割を果たす。市販されているポンプの内部圧縮率では（その桁は、例えば、２と２０の間にある）、吸い込み端部での圧力が大気圧と約１００ｍｂａｒとの間にある第１の圧送段階における所要な電力（すなわち、大質量流量動作中の所要な電力）は、ポンプの回転速度を低下させることができないとすれば、非常に大きい。ありふれた解決策は、圧力、最大電流、制限トルク、温度などのタイプの様々な基準の関数として速度（従って、電力）の低減または増大を可能にする可変速駆動装置を用いることである。しかし、低回転速度動作期間中、高圧では流量の低下があり、流量は回転速度に比例する。可変速駆動装置による速度変化は、追加のコストおよびより大きな嵩高性を必要とする。他の１つのありふれた解決策は、ルーツ形はクロー形の多段真空ポンプにおいては或る段で、あるいはスクリュー形の乾式真空ポンプにおいてはスクリューに沿う或る良く画定された位置でバイパス形の弁を用いることである。この解決策は多数の部品を必要とし、信頼性の問題を引き起こす。

最終真空度を改善するとともに流量を増大させようとする圧送システムに関する現状技術は、主乾式ポンプの上流側に配置されたルーツ形のブースタポンプも含む。このタイプのシステムは、嵩張り、信頼性の問題を引き起こすバイパス弁を用いるか、または測定、制御、調整もしくはサーボ制御の手段を使うことによって、稼働する。しかし、制御、調整もしくはサーボ制御のこれらの手段は能動的に制御されなくてはならず、それは必然的にシステムの構成要素の数、その複雑さ、およびそのコストの増大をもたらす。

本発明は、スクリュー形の単一の乾式真空ポンプが真空チャンバにおいて生成することのできる真空度よりも良好な真空度（およそ０．０００１ｍｂａｒ）を得ることを可能にすることを目的とする。
本発明は、低圧において、真空チャンバ内で真空を達成する圧送中にスクリュー形の単一の乾式真空ポンプの助けにより得ることのできる排出または真空排気速度より大きな排出または真空排気速度を得ることをも目的とする。
本発明は、同様に、真空チャンバを真空排気し、真空を維持するために必要な電気エネルギーの低減を可能にするとともに流出ガスの温度低下を達成することをも目的とする。

本発明のこれらの目的は、真空を生成するための圧送システムの助けによって達成され、この圧送システムは、真空チャンバに連結されたガス吸い込み入口と、圧送システムの外側のガスエグゾースト出口の方向においてガス真空排気導管内に至るガスディスチャージ出口とを有する乾式スクリューポンプである主真空ポンプを備える。この圧送システムは、ガスディスチャージ出口とガスエグゾースト出口との間に位置する逆止め弁と、逆止め弁に並列に連結された補助真空ポンプと、をさらに備える。

補助真空ポンプは、乾式スクリューポンプ、クローポンプ、多段ルーツポンプ、ダイヤフラムポンプ、乾式回転羽根ポンプ、潤滑回転羽根ポンプのタイプのものであり得る。

本発明は、同様に、前に定義されたような圧送システムによる圧送方法を主題として有する。この方法は、真空チャンバに含まれるガスを圧送してこれらのガスをそのガスディスチャージ出口を通して排出するために主真空ポンプを始動するステップと、補助真空ポンプを同時に始動するステップと、真空チャンバに含まれるガスを主真空ポンプが圧送している間じゅうおよび／または主真空ポンプが真空チャンバにおいて所定の圧力を維持している間じゅう、補助真空ポンプが圧送し続けるステップと、を含む。

本発明による方法では、補助ポンプは、乾式スクリュー形の主真空ポンプが真空チャンバを真空排気している間じゅうだけでなくて、主乾式スクリュー真空ポンプがチャンバにおいてそのディスチャージ端部を通してガスを真空排気することによって所定の圧力（例えば、最終真空度）を維持している間じゅうも、連続的に作動させられる。

本発明の方法により、特別の手段や装置（例えば、圧力、温度、電流などのためのセンサ）、サーボ制御、データ管理を必要とせずにかつ計算も行わずに、乾式スクリュー形の主真空ポンプおよび補助ポンプの結合が成し遂げられる。従って、本発明による圧送方法を実行するのに適する圧送システムは、極めて少ない数の構成要素だけを含むことができ、非常な簡潔さを有することができ、既存のシステムより著しく少ないコストを要するだけであり得る。

本発明による方法により、乾式スクリュー形の主真空ポンプは、単一の一定速度（送電網の速度）で動作することができるか、あるいはそれ自身の動作モードに応じて可変速度で回転することができる。従って、本発明による圧送方法を実行するのに適する圧送システムの複雑さおよびコストはなお低減され得る。

本質的に、圧送システムに統合された補助ポンプは、常に損害を被ることなく本発明の圧送方法に従って動作することができる。その寸法設計は、デバイスの動作のための最小エネルギー消費量により左右される。その公称流量は、主乾式スクリュー真空ポンプと逆止め弁との間の真空排気導管の容積の関数として選択される。この流量は、主乾式スクリュー真空ポンプの公称流量の１／５００〜１／２０で有利にあり得るが、これらの値より大きくても小さくてもよく、特に主真空ポンプの公称流量の１／５００〜１／１０あるいは１／５００〜１／５でもあり得る。

導管内で主乾式スクリュー真空ポンプの下流側に配置される逆止め弁は、標準的な市販のものであり得る。これは、主乾式スクリュー真空ポンプの公称流量に応じて寸法設計される。特に、主乾式スクリュー真空ポンプの吸い込み端部における圧力が５００ｍｂａｒ絶対圧と最終真空度（例えば、１００ｍｂａｒ）との間にあるときに、逆止め弁を閉じると予想される。

さらに他の１つの別形では、補助ポンプは、半導体工業で一般的に使われる物質およびガスに対して大きな耐薬品性を持つことができる。
補助ポンプは、好ましくは小形である。
好ましくは、本発明の圧送システムを使用する圧送方法によれば、補助真空ポンプは、主真空ポンプのガスディスチャージ出口と逆止め弁との間のボリュームにおいて常時圧送する。

本発明の方法の他の１つの別形では、特別の要求条件を満たすために、補助真空ポンプの作動は「全か無か」の仕方で制御される。制御は、１つ以上のパラメータを測定して一定の規則に従って補助真空ポンプを作動させるかまたは停止させることにある。適切なセンサにより提供されるパラメータは、例えば、主乾式スクリュー真空ポンプのモータの電流、そのエグゾースト端部（すなわち、真空排気導管内の逆止め弁の上流側のスペース）におけるガスの温度もしくは圧力、またはこれらのパラメータの組み合わせである。

補助真空ポンプの寸法設計は、そのモータの最小エネルギー消費量を達成することを狙う。その公称流量は、主乾式スクリュー真空ポンプの流量の関数として、ガス真空排気導管が主真空ポンプと逆止め弁との間で画定する容積も考慮して、選択される。この流量は、主乾式スクリュー真空ポンプの公称流量の１／５００〜１／２０であり得るけれども、これらの値より小さくても大きくてもよい。

チャンバの真空排気のサイクルを開始するとそこでの圧力は高く、例えば大気圧に等しい。主乾式スクリュー真空ポンプにおける圧縮を考慮すると、その出口から排出されるガスの圧力は、（主ポンプの出口のガスが大気中に直接排出されるならば）大気圧より高いか、あるいは下流側に連結されている他の装置の入口の圧力より高い。これは逆止め弁の開放を引き起こす。

この逆止め弁が開いているとき、補助真空ポンプの動作は、その吸い込み端部における圧力がそのディスチャージ端部における圧力とほとんど同じなので、非常にわずかに感じられる。一方、逆止め弁が一定圧力で閉じると（チャンバ内の圧力がその間に低下しているので）、補助真空ポンプの動作は、真空チャンバと弁の上流側の真空排気導管との間の圧力差の漸進的低減を引き起こす。主乾式スクリュー真空ポンプの出口の圧力は補助真空ポンプの入口の圧力になり、その出口の圧力は常に逆止め弁の後の導管内の圧力である。補助真空ポンプが圧送すればするほど、閉じた逆止め弁により限定されるスペース内の、主乾式スクリュー真空ポンプの出口の圧力が低下し、従ってチャンバと主乾式スクリュー真空ポンプの出口との間の圧力差が減少してゆく。

この僅かな差は、主乾式スクリュー真空ポンプにおける内部漏れを減少させるとともにチャンバ内の圧力の低下を引き起こし、これが最終真空度を改善する。さらに、主乾式スクリュー真空ポンプは、圧縮のためにより少ないエネルギーを消費し、より少ない圧縮熱を生じさせる。

一方、機械的思想の研究が主乾式スクリュー真空ポンプのガスディスチャージ出口と逆止め弁との間のスペースを、そこでの圧力をより速やかに低下させ得るようにするという目的で、小さくしようとすることも明らかである。

本発明の特徴および利点は、添付図面と関連して例示という方法で非限定的に与えられる実施例を伴って以下に続く記載の文脈の中でより詳しく明らかになるはずである。

本発明の第１の実施形態による圧送方法の実行に適する圧送システムを線図式に表す。 本発明の第２の実施形態による圧送方法の実行に適する圧送システムを線図式に表す。

図１は、本発明の第１の実施形態による圧送方法を実行するのに適した真空を生成するための圧送システム（ＳＰ）を示す。

この圧送システム（ＳＰ）は、チャンバ１を備える。このチャンバ１は、乾式スクリューポンプにより構成される主真空ポンプ３の吸い込み端部２に連結されている。主乾式スクリュー真空ポンプ３のガスディスチャージ出口は真空排気導管５に連結されている。逆止めディスチャージ弁６は真空排気導管５内に配置され、この逆止め弁の後で、ガス出口導管８内に続く。逆止め弁６は、それが閉じられると、主乾式スクリュー真空ポンプ３のガスディスチャージ出口とそれ自身との間に含まれるスペース４の形成を可能にする。

圧送システム（ＳＰ）は、逆止め弁６に並列に連結された補助真空ポンプ７も備える。補助真空ポンプ７の吸い込み端部は真空排気導管５のスペース４に連結され、そのディスチャージ端部は導管８に連結される。

主乾式スクリュー真空ポンプ３の作動に伴って、補助真空ポンプ７自身も作動させられる。主乾式スクリュー真空ポンプ３は、その入口に連結されている導管２を通してチャンバ１内のガスを吸い込み、それらを、その後、真空排気導管５内のその出口から逆止め弁６を通して排出するために、圧縮する。逆止め弁６の閉鎖圧力に達すると、弁は閉じる。この瞬間から補助真空ポンプ７の圧送は、スペース４内の圧力をその圧力限界値まで漸進的に低下させる。同時に、主乾式スクリュー真空ポンプ３により消費される電力は漸次減少する。このことは、短期間内に、例えば５〜１０秒の間の一定サイクルの間に生じる。

補助真空ポンプ７の流量と逆止め弁６の閉鎖圧力とを主乾式スクリュー真空ポンプ３の流量とチャンバ１の容積との関数として慎重に調整することにより、さらに、真空排気サイクルの継続時間に関して逆止め弁６の閉鎖の前の時間を短縮し、従って補助真空ポンプ７のこの動作時間の間に消費されるエネルギーの量を圧送に影響を及ぼすことなく減少させることが可能である。一方、簡潔であるという利点は、優れた信頼性をシステムに与える。

第１の可能性により、補助真空ポンプ７自身は乾式スクリューポンプである。従って、主ポンプおよび補助ポンプは同じタイプのポンプであることができ、このことは操作および取り扱いを簡単にする。さらに、ポンプのこのような組み合わせは、乾式スクリューポンプだけが使用され得る全ての用途のために圧送システム（ＳＰ）を使用することを可能にする。

他の可能性によれば、補助真空ポンプ７はクローポンプ、多段ルーツポンプ、ダイヤフラムポンプ、乾式回転羽根ポンプまたは潤滑回転羽根ポンプである。ポンプのこれらの全ての組み合わせは、各タイプの個々のポンプの特定の特性と結びついた利点を有する。

図２は、本発明の第２の実施形態による圧送方法の実行に適した圧送システム（ＳＰＰ）を示す。

図１に示されているシステムに関して、図２に示されているシステムは、被制御圧送システム（ＳＰＰ）を示し、さらに、主乾式スクリュー真空ポンプ３のモータの電流（センサ１１）、または逆止め弁６により限定される主乾式スクリュー真空ポンプ３の出口にある出口導管のスペース内のガスの圧力（センサ１３）、または逆止め弁６により限定される主乾式スクリュー真空ポンプ３の出口にある出口導管のスペース内のガスの温度（センサ１２）、またはこれらのパラメータの組み合わせをチェックする適切なセンサ１１、１２、１３を含む。実際に、主乾式スクリュー真空ポンプ３が真空チャンバ１のガスを圧送し始めると、そのモータの電流、出口導管のスペース４内のガスの温度および圧力などのパラメータが変化し始めて、センサにより検出されるしきい値に到達する。或るタイムラグの後、これが補助真空ポンプ７の始動を引き起こす。これらのパラメータが初期範囲（セット値の外側の）に戻ると、或るタイムラグを伴って補助真空ポンプ７は停止される。

図２に示した本発明の第２の実施形態でも、図１に示した本発明の第１の実施形態の場合と同様に、補助真空ポンプは、乾式スクリュー形、クロー形、多段ルーツ形、ダイヤフラム形、乾式回転羽根形または潤滑回転羽根形のものであり得る。

種々の実施形態が記載されたけれども、可能な全ての実施形態を網羅的に特定することは考えられないということは良く分かる。もちろん、記載された手段の代わりに同等の手段を用いることは、本発明の範囲から逸脱することなく想像することができる。これら全ての改変は、真空技術の分野の当業者の普通の知識の一部を形成する。

Claims (18)

1. 真空チャンバ（１）に連結されたガス吸い込み入口（２）と、前記圧送システムの外側のガスエグゾースト出口（８）の方向においてガス真空排気導管（５）内に至るガスディスチャージ出口（４）とを有する乾式スクリューポンプ（３）である主真空ポンプを備えることを特徴とする真空を生成するための圧送システム（ＳＰ）であって、
   前記ガスディスチャージ出口（４）と前記ガスエグゾースト出口（８）との間に位置する逆止め弁（６）と、
   前記逆止め弁に並列に連結された補助真空ポンプ（７）と、
   を備えることをさらに特徴とする圧送システム。
2. 請求項１記載の圧送システムにおいて、
   前記補助真空ポンプ（７）は、乾式スクリューポンプ、クローポンプ、多段ルーツポンプ、ダイヤフラムポンプ、乾式回転羽根ポンプおよび潤滑回転羽根ポンプの中から選択されることを特徴とする圧送システム。
3. 請求項１または２記載の圧送システムにおいて、
   前記補助真空ポンプ（７）は、乾式スクリューポンプであることを特徴とする圧送システム。
4. 請求項１または２記載の圧送システムにおいて、
   前記補助真空ポンプ（７）は、クローポンプであることを特徴とする圧送システム。
5. 請求項１または２記載の圧送システムにおいて、
   前記補助真空ポンプ（７）は、多段ルーツポンプであることを特徴とする圧送システム。
6. 請求項１または２記載の圧送システムにおいて、
   前記補助真空ポンプ（７）は、ダイヤフラムポンプであることを特徴とする圧送システム。
7. 請求項１または２記載の圧送システムにおいて、
   前記補助真空ポンプ（７）は、乾式回転羽根ポンプであることを特徴とする圧送システム。
8. 請求項１または２記載の圧送システムにおいて、
   前記補助真空ポンプ（７）は、潤滑回転羽根ポンプであることを特徴とする圧送システム。
9. 請求項１〜８のいずれか記載の圧送システムにおいて、
   前記主真空ポンプ（３）が前記真空チャンバ（１）に含まれるガスを圧送している間じゅうおよび／または前記主真空ポンプ（３）が前記真空チャンバ（１）内の所定の圧力を維持している間じゅう、前記補助真空ポンプ（７）が圧送し得るように設計されることを特徴とする圧送システム。
10. 請求項１〜９のいずれか記載の圧送システムにおいて、
    前記補助真空ポンプ（７）は、前記逆止め弁（６）の下流側で前記ガス真空排気導管（５）に連結されるディスチャージ端部を含むことを特徴とする圧送システム。
11. 請求項１〜１０のいずれか記載の圧送システムにおいて、
    前記補助真空ポンプ（７）の公称流量は、前記ガス真空排気導管（５）が前記主真空ポンプ（３）と前記逆止め弁（６）との間に画定する容積の関数として選択されることを特徴とする圧送システム。
12. 請求項１〜１１のいずれか記載の圧送システムにおいて、
    前記補助真空ポンプ（７）の公称流量は、前記主真空ポンプ（３）の公称流量の１／５００〜１／２０であることを特徴とする圧送システム。
13. 請求項１〜１２のいずれか記載の圧送システムにおいて、
    前記補助真空ポンプ（７）は、単段式または多段式であることを特徴とする圧送システム。
14. 請求項１〜１３のいずれか記載の圧送システムにおいて、
    前記主真空ポンプ（３）の吸い込み端部における圧力が５００ｍｂａｒ絶対圧より低いときに、前記逆止め弁（６）を閉じるように構成されることを特徴とする圧送システム。
15. 請求項１〜１４のいずれか記載の圧送システムにおいて、
    前記補助真空ポンプ（７）は、半導体工業で一般的に使われる物質およびガスに対して大きな耐薬品性を有する材料から作られることを特徴とする圧送システム。
16. 請求項１〜１５のいずれか記載の圧送システム（ＳＰ）による圧送方法であって、
    前記真空チャンバ（１）に含まれるガスを圧送してこれらのガスをそのガスディスチャージ出口（４）を通して排出するために前記主真空ポンプ（３）を始動するステップと、
    前記補助真空ポンプ（７）を同時に始動するステップと、
    前記主真空ポンプ（３）が前記真空チャンバ（１）に含まれるガスを圧送している間じゅうおよび／または前記主真空ポンプ（３）が前記真空チャンバ（１）内の所定の圧力を維持している間じゅう、前記補助真空ポンプ（７）が圧送し続けるステップと、
    を含むことを特徴とする圧送方法。
17. 請求項１６記載の圧送方法において、
    前記補助真空ポンプ（７）は、前記主真空ポンプ（３）の公称流量の１／５００〜１／２０のオーダの流量で圧送することを特徴とする圧送方法。
18. 請求項１６または１７項記載の圧送方法において、
    前記主真空ポンプ（３）の吸い込み端部における圧力が５００ｍｂａｒ絶対圧より低いときに、前記逆止め弁（６）を閉じることを特徴とする圧送方法。

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