JP4637092B2 - シール組立体の改良 - Google Patents

Description

本発明は、シール組立体に関し、特に真空ポンプ、特に多段無潤滑式（乾式）真空ポンプに用いられるシール組立体に関する。

真空チャンバ内においてオイルフリーであり、したがって例えば半導体産業に見受けられるようなクリーンな環境で有用な真空ポンプが知られている。かかる製造環境においては、潤滑油が真空チャンバ内に存在していると、これら潤滑油は潜在的にプロセスチャンバ内へ戻るが、そうする際に製造中の製品の汚染を生じさせる場合がある。かかる乾式真空ポンプは、各真空チャンバ内に互いに噛み合うロータを用いる通常は多段の容量形（又は容積形）ポンプである。ロータは、各チャンバ内の同一プロフィールタイプを有する場合があり、或いはプロフィールは、チャンバごとに様々である場合がある。

ルーツ（Roots ）型の装置又はノーゼイ（Northey ）（「クロー」）型の装置のいずれにおいても、各チャンバは典型的には、２つの別々に機械加工されたステータ部品から形成され、ロータ部品は、これらステータ部品相互間に形成されたキャビティ内に位置している。ポンプからのプロセスガスの漏れを阻止すると共に周囲空気がポンプに入るのを阻止するために２つのステータ部品相互間に密封手段を設けることが必要である。典型的には、この密封機能を果たすためにＯリングが設けられる。しかしながら、プロセスガスの性質が過酷で腐食性であれば、これらＯリングは、容易に攻撃され、頻繁に交換の必要があり、かくしてプロセス全体について費用のかかる点検整備のための停止時間が生じる。さらに、ステータの接触面は、腐食を生じる場合があり、これが原因となってこれら表面に異常が生じる場合があり、その結果ポンプケースの歪みが生じる場合がある。この歪みが原因となって回転部品と静止部品との間の隙間が減少し、それによりポンプの機械的信頼性に悪影響が生じる場合がある。

有害／腐食性ガス状物質のうちの幾分かがＯリング部品に達するのを阻止することにより静的密封機構を保護するよう機械的バリヤを導入する従来型システムが知られている。しかしながら、この機械的バリヤを形成するために選択される材料とプロセスガスの適合性又は両立性を達成しなければならない。さらに、かかる機械的バリヤの存在により追加の複雑さがシステムに加わり、かかる機械的バリヤは一般に、ステータの接触面を保護することはない。

本発明の目的は、密封機構及びステータの接触面を保護する別法としての単純な手段を提供することにより上述の問題を解決することを目的としている。

本発明によれば、真空ポンプに用いられる静的シール装置、すなわち、静止用シール装置の保護のためのシール組立体であって、互いに密封的に連結される少なくとも２つの部品と、２つの部品相互間に嵌まっていて、これら２つの部品相互間におけるポンプへの流体の出入りを阻止するＯリングシールと、Ｏリングシールの平面内に位置すると共にＯリングシールとプロセスガス流路との間に設けられた流体チャネルとを有し、流体チャネルは、使用中、バリヤ流体を送る経路となる形態を有し、チャネルは、バリヤ流体の外部源に連結可能な入口及び真空ポンプの押退け容積部と流体連通している出口を有する、シール組立体が提供される。

流体チャネルをステータ部品のうちの一方又は両方に設けるのがよく、かかる流体チャネルは、キャビティに向かう半径方向漏れを促進する側方チャネルを含むのがよい。Ｏリングシールをエラストマー材料で作るのがよく、かかるＯリングシールを流体チャネル内に設けるのがよい。複数のステータ部品を有し、ステータ部品の各対がこれらステータ部品の間にキャビティを形成するよう互いに対して位置決めされた真空ポンプを提供できる。プロセスガスは、使用中、このキャビティを通過することができる。隣り合うステータ部品相互間に流体密シールとなる本発明のシール組立体を設けるのがよい。

次に、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、乾式ポンプの１つの段から取り出したステータ部品１の表面を示している。第２のステータ部品（図示せず）の表面は、第１のステータ部品１の対応の表面３に接触し、キャビティ２がこれら部品相互間に形成されている。このキャビティ２は、ポンプを組み立てたときにロータ部品（図示せず）を収容するために形成される。かかるポンプは代表的には、数個のかかる段を有し、各段のキャビティ２は、段間（インターステージ）孔９を介して次の段と連通している。

この種の従来型ポンプの場合と同様、Ｏリングシール４がキャビティの周囲に沿ってぐるりと設けられている。このシール４は、隣り合うステータ部品相互間の流体密シールとなり、ポンプの使用中、プロセスガスがキャビティ２から逃げ出るのを阻止すると共に周囲空気がキャビティに入らないようにしている。しかしながら、これらプロセスガスは特に攻撃性が強い場合があり、Ｏリングシール４とステータ部品の接触面３の両方の損傷を容易に生じさせる場合がある。

本発明のこの実施形態では、Ｏリング４は、エラストマー材料で作られていて、溝５内に納められている。この溝は、ステータ部品の表面３に機械加工されている。追加のチャネル６が、ステータ部品１の接触面３に形成されている。このチャネル６は、Ｏリング溝５とキャビティ２との間に配置されていて、使用中プロセスガスを通過させる。

ポンプには代表的にはパージガスが供給され、このパージガスは、所与の条件下で非反応性であるよう選択され、これは例えば窒素である。このパージガスは、ポンプ内のプロセスガスを希釈してプロセスガスの部分圧力を凝縮が生じ始める場合のある飽和値以下に維持するのに役立つ。かかる凝縮を阻止することが望ましい。というのは、この凝縮は、ポンプ部品の腐食の原因となる場合があり、或いは別の例として、ロータ部品とステータ部品との間の隙間内に生じる堆積物の原因となる場合があるからである。かかる効果により、公差に悪影響が及ぶ場合があるのでポンプの信頼性が低下し、極端な場合には、特に或る程度の運転停止後のポンプの再始動の際に焼付きが生じる場合がある。或るポンプでは、かかるパージガスは、段間孔９（図１に示す）を介してパージ流体入口７を通ってキャビティ２内に直接導入されてプロセスガスと混じり合う。このパージガスは代表的には、プロセスガスよりも高い圧力状態にあり、したがってそれほど抵抗を受けないでキャビティ２内へ流入する。

本発明では、この従来型のパージ流体入口７は、プラグ又は栓１０（図１に示す）を用いて遮断され、別のパージ流体入口７ａが設けられている。高圧のパージガスが使用中孔８を通って流体チャネル６に流れてバリヤガスとして働く。このバリヤガスは、流体チャネル６に沿って両方向に流れて孔８ａを介してこのチャネルから出て段間孔９内に流れ、それによりポンプ排出機構内で従来のパージ機能を果たす。使用中、このバリヤガスは、チャネル６に沿って流れて、プロセスガスがＯリングシール４に至る度合いを最小限に抑える障害物となる。このバリヤガスの圧力が高いことにより、バリヤガスチャネル６から生じる僅かな予想されるレベルの漏れがチャネルからキャビティ２に向かって流れる傾向を持つようになる。バリヤガスとパージガスは同一源からの同一物質なので、ポンプの性能に対するこの漏れの影響は無視できる。

バリヤガスとプロセスガスとの間の圧力勾配は、プロセスガスがＯリングシール４と接触するのを一段と阻止することになる。しかしながら、何らかの過渡的条件が生じた場合、望ましい圧力勾配が維持されない場合がある。かかる状況では、幾分かのプロセスガスがＯリングシール４に触れる場合がある。これら条件下においては、バリヤガスは、潜在的に腐食性のプロセス流体を希釈してＯリングシール４に対するその有害な影響を著しく軽減するようにするのに役立つ。さらに、かかる条件が生じてそれにより保護領域が汚染状態になる場合、バリヤガスは、いったん過渡的条件が無くなると、この領域をフラッシしてクリーンにするであろう。

図２ａは、本発明のポンプの一部を示している。この図は、多数のステータ部品１を一連のキャビティ２を形成するよう互いに隣接してどのように位置決めするかを示している。エラストマーシール４は、流体密シールとなるよう溝５内に設けられている。チャネル６は、キャビティ２とシール４との間の保護層となり、パージガスが使用中接触面３相互間の領域をフラッシできるようにするためにシール４の半径方向内方に位置決めされている。

本発明の変形実施形態では、チャネル６と溝５を、チャネルが図２ｂに示すようにバリヤガスとＯリングシール４の両方を受け入れるよう単一の特徴部の状態に組み合わせてもよい。

従来型密封手段の機械的バリヤの製作に用いられる材料を当該ポンプが遭遇しがちな特に攻撃性のあるプロセスガスに適合させることが必要である。本明細書により提供させる非反応性ガスバリヤを用いることにより、互いに異なるプロセスガスとの広い範囲の適合性をこの選択機能が単純化させるよう達成できる。さらに、機械的バリヤを異なる組成のものに変えるためにはポンプの取外しが必要であるが、別のプロセスを実施しようとする場合、別の適合性のあるパージ／バリヤガスを代用することが容易である。確かに、この融通性は、別のパージガスへの切替えを必要の場合のある或る範囲の潜在的に不適合性の材料を用いる種々のプロセスにおいては、非常に効果的に利用できる。パージガスがバリヤガスとしても働くので、材料の選択は既に行われており、したがって適合性があるものと見なすことができる。

従来型機械的バリヤは攻撃的なプロセスガスによって攻撃されるので、従来型バリヤの有効寿命は短い。これらバリヤ及びシールを交換するには、費用の高くつく製造プロセスの中断が行なわれる。しかしながら、本発明のバリヤガスは、常時補充され、かくしてポンプ排出装置についての点検整備のための休止の一因とはならない。

本発明の別の利点は、隣り合うステータ部品の接触面を保護することにある。これら一般に金属の表面が攻撃性のあるプロセスガスに接触すると、腐食が生じることになる。腐食生成物が元の金属よりも多い量を占めるので、金属表面は腐食すると膨潤する。この増量により、隣り合うステータ部品が互いに分離する。横から見た場合（図２の場合のように）、外側ステータ部品のうちの一方がポンプハウジングに対して固定されていると仮定する。かかる腐食が生じると、隣接のステータ部品は、接触面に垂直な軸線に沿って第１のステータ部品から遠ざかることになる。この腐食がかかる接触面の全てで生じると、次々に位置するステータ部品の各々の生じる変位は、合算されることになる。その結果、第１の固定ステータ部品から見て遠くに位置するステータは、この腐食の効果に起因して、第１の固定ステータ部品の近くに位置するステータよりも大きく動く。ステータ部品が変位すると、これらステータ部品相互間に形成されたキャビティ２も又ずれて当初の固定ステータ部品から遠ざかる。しかしながら、ロータ部品は、この元の固定ステータ配置場所に対して動かない。これは、任意の単一のロータ部品を関連のキャビティの一方の側に相対的に変位させてロータ部品とその隣りのステータ部品との間の軸方向隙間が不均衡状態になるようにする効果を有している。極端な場合、ロータ部品とその関連のステータ部品との間の隙間は、ゼロにまで減少して２つの部品が互いに接触するようになる場合がある。かかる筋書きが生じる恐れは、運転停止期間後におけるポンプの再始動中に高くなる場合がある。

従来型機械的バリヤは、エラストマーシールを保護するよう位置決めされており、かかる機械的バリヤは、隣り合うステータ部品の接触面に対しては何ら保護を与えない。本発明においてエラストマーシールを保護するために用いられるバリヤガスの幾分かの漏れは、これら接触面を横切って生じ、確かに図３に示すように、チャネル６は、かかる漏れを促進するよう例えば側方溝又はチャネル１１を設けることにより一段と改造できる。接触面相互間でこの領域中にバリヤガスが存在することは、この領域中の攻撃的なプロセスガスの濃度を効率的に減少させ、それによりこれら接触面の腐食のレベルを軽減し、その結果ポンプの信頼性／寿命を向上させる。

プロセスガスが特に攻撃的である例外的なほど過酷な環境では、Ｏリングシールの保護を一段と向上させるよう本発明を従来的機械的バリヤ装置又は別のガスバリヤと連続的に組み合わせるのがよい。

本発明の実施形態の種々の部品を示すステータ部品の正面図である。 本発明の一実施形態の概略側面図である。 本発明の別の実施形態の概略側面図である。 本発明の別の実施形態を示す図である。

Claims (5)

1. 互いに密封的に連結され且つ間にロータ部品を収容するキャビティを形成する、少なくとも２つのステータ部品を有する真空ポンプ内で使用される静的シール装置の保護のためのシール組立体であって、
   これら２つのステータ部品間において前記キャビティへの外気の流れ及び前記キャビティからのプロセスガスの流れを阻止するように、前記２つのステータ部品間に係合されたＯリングシールと、
   前記Ｏリングシールの平面内で前記ステータ部品のうちの少なくとも１つに設けられ、前記Ｏリングシールと使用中プロセスガスが通るキャビティとの間に配置された凹状の流体チャネルと、を有し、
   該流体チャネルは、使用中、回送すべきバリヤ流体の経路を形成するとともに、前記バリヤ流体の外部源に連結可能な入口と、前記キャビティと流体連通している出口とを有する、
   シール組立体。
2. 前記Ｏリングシールがエラストマー材料で作られている、請求項１記載のシール組立体。
3. 前記Ｏリングシールは、流体チャネル内に設けられている、請求項１又は２に記載のシール組立体。
4. 前記流体チャネルは、使用中、キャビティに向かうバリヤ流体の漏れを促進するように流体チャネルとキャビティとを連通する側方チャネルを更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシール組立体。
5. 真空ポンプであって、
   複数のステータ部品を有し、各対の前記ステータ部品が、これらのステータ部品間にキャビティを形成するように互いに対して位置決めされ、前記キャビティを、使用中、プロセスガスが通る、複数のステータ部品と、
   隣接した前記ステータ部品間に設けられた請求項１〜４のいずれか一項に記載のシール組立体と、を有する、
   真空ポンプ。

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