JP6429625B2 - スクロールポンプ - Google Patents

Description

本発明は、しばしばスクロールコンプレッサとも呼ばれているスクロールポンプに関する。

図７には、従来技術のスクロールコンプレッサすなわちスクロールポンプ１００が示されている。ポンプ１００は、ポンプハウジング１０２と、偏心軸部分１０６を備えた駆動軸１０４とを有している。軸１０４はモータ１０８により駆動され、偏心軸部分１０６は軌道周回スクロール１１０に連結されている。これにより、使用時に、軸１０４の回転が、軌道周回運動を、固定スクロール１１２に対して軌道周回するスクロール１１０に伝達し、流体を、ポンプ入口１１４とコンプレッサのポンプ出口１１６との間の流体流路に沿ってポンピングする。

固定スクロール１１２は、ほぼ円形のベースプレート１２０に対して垂直に延びているスクロール壁１１８を有している。軌道周回スクロール１１０は、ほぼ円形のベースプレート１２６に対して垂直に延びているスクロール壁１２４を有している。軌道周回スクロール壁１２４は、軌道周回スクロール１１０の軌道周回運動中に、固定スクロール壁１１８と協働しかつ噛み合う。両スクロール１１０、１１２の相対軌道周回運動によって、一定体積のガスが両スクロールの間に捕捉されかつ入口１１４から出口１１６へとポンピングされる。

スクロールポンプは、例えば、半導体製品が加工されるプロセスチャンバを真空引きする真空ポンプとして使用される。スクロールポンプは、ターボ分子ポンプのような高真空ポンプと直列に配置するか、プロセスチャンバに直接連結することができる。最初の真空引きが開始されるとき、スクロールポンプの入口および出口は大気圧にある。この初期フェーズはしばしばラフィング（roughing）と呼ばれ、このようにして使用されるスクロールポンプはラフィングポンプと呼ばれる。ラフィングの間、ガスはスクロールポンプにより圧縮されるが、入口は最初大気圧にあるので、ポンプは、ポンプ内に過圧縮を引き起こすことがある。本明細書において過圧縮とは、大気圧より高い圧力がポンプ内に発生されることを意味する。過圧縮はポンプの負荷を増大させ、したがってポンプのモータの出力条件を高めるため好ましくない。

本発明は、スクロールポンピング機構を備えた真空ポンプ提供し、該真空ポンプは、
２つのスクロールを有し、両スクロールは協働して、相対軌道周回時に、ガスをスクロールポンピング機構のスクロール入口からスクロール出口へとポンピングチャネルに沿ってポンピングし、
ポンピングチャネルの第１位置の入口とポンピングチャネルの第２位置の出口とを備えたガス導管を有し、該ガス導管は、ポンピングチャネルの第１位置での大気圧より高いガスの過圧縮を、ポンピングチャネルの第２位置に放出でき、
ガス導管内に配置された一方向弁装置を更に有し、該一方向弁は、ラフィング中にスクロール入口が大気圧またはほぼ大気圧にあるときに、ポンピングチャネルの第１位置と第２位置との間に所定の圧力差が生じた場合にのみ、ガスを、導管入口から導管出口へと導管を通して流すことができることを特徴とする。
本発明の他の好ましい態様および／または任意の態様は、特許請求の範囲の実施態様項に記載されている。
本発明をより良く理解できるようにするため、例示としてのみ示す幾つかの実施形態を添付図面を参照して以下に説明する。

スクロールポンピング機構を有する真空ポンプを概略的に示すものである。 スクロールポンピング機構を有する他の真空ポンプを概略的に示すものである。 スクロールポンピング機構を有する更に別の真空ポンプを概略的に示すものである。 スクロールポンピング機構を有する更に別の真空ポンプを概略的に示すものである。 改変された真空ポンプのスクロールポンピング機構を示すものである。 他の真空ポンプのスクロールポンピング機構を示すものである。 従来技術のスクロールポンプを概略的に示すものである。

図１には、スクロールポンピング機構１１を備えた真空ポンプ１０が示されている。ポンプ１０は、ポンプハウジング１２と、偏心軸部分１６を備えた駆動軸１４とを有している。軸１４はモータ１８により駆動され、偏心軸部分１６は軌道周回スクロール２０に連結されている。これにより、使用時に、軸１４の回転が、軌道周回運動を、固定スクロール２２に対して軌道周回するスクロール２０に伝達し、流体を、ポンプ入口２４とコンプレッサのポンプ出口２６との間の流体流路に沿ってポンピングする。

固定スクロール２２は、ほぼ円形のベースプレート３０に対して垂直に延びているスクロール壁２８を有している。軌道周回スクロール２０は、ほぼ円形のベースプレート３６に対して垂直に延びているスクロール壁３４を有している。両スクロール２０、２２は、これらの相対軌道周回運動時に協働して、ガスを、機構１１の半径方向外方のスクロール入口２５から、半径方向内方のスクロール出口２７へとポンピングチャネル３２に沿ってポンピングする。

ガス導管３８は、ポンピングチャネル３２の第１位置での入口４０と、ポンピングチャネル３２の第２位置での出口４２とを有し、ポンピングチャネルの第１位置での過圧縮をポンピングチャネルの第２位置に放出することができる。ポンピングチャネルの第１位置４０は、スクロール入口２５とスクロール出口２７との間に位置し、ポンピングチャネルの第２位置４２は、スクロール出口２７に位置している。

スクロールポンピング装置の当業者ならば、流体が２つのポンピングチャネル３２に沿ってポンピングされることは理解されよう。ポンピングチャネル３２はほぼ平行であり、かつ両スクロール２０、２２のうちの一方（通常は、軌道周回スクロール２０）のいずれかの側面に配置される。上記ガス導管３８は両ポンピングチャネル内の過圧縮を緩和させるように配置され、或いはガス導管は、それぞれのポンピングチャネル内の過圧縮を緩和するための２つの別々の要素で構成できる。

ガス導管３８には一方向弁４４が配置されており、該一方向弁４４は、導管入口から導管出口へと導管を通って流れるガスが図１に矢印で示す方向のみに流れることを可能にする。図面には２つの一方向弁が示されているが、単一の一方向弁を使用することもできる。２つの一方向弁を設けることにより、一方の弁が故障したときにバックアップ弁として機能し、かつガスがスクロール入口に向かって上流側に漏洩して、スクロールポンプにより真空引きされる真空処理機器が汚染されないように確保できる。この点に関し、スクロールポンプは、スクロール入口とスクロール出口との間に高い圧力差を達成できる。例えば、スクロール入口は、好ましくは１０ミリバールより低い圧力、より好ましくは１ミリバールより低い圧力および更に好ましくは１０^-１ミリバールより低い圧力に真空引きでき、一方、スクロール出口は大気圧または１バールに維持される。これらの場合、スクロール出口とスクロール入口との間の圧力差は、１００：１、１，０００：１または１０，０００：１より大きい比率を有する。すなわち、スクロール出口の圧力は、スクロール入口の圧力より１０の二乗、三乗または四乗倍大きい。比較するならば、正圧スクロールポンプは、スクロール出口で約１０〜２０バールの圧力およびスクロール入口で１バールの圧力を達成でき、約１０：１〜２０：１の圧力差を発生できる。したがって、ガスがスクロール入口に向かって上流側に流れることを防止するため、弁装置はかなりの圧力差に耐えることを要求される。導管内での２つの一方向弁の位置は、ガスが上流側に流れることを防止しかつ単一の高気密弁（high integrity valve）より経済的な解決法が得られる位置である。

一方向弁装置は内部抵抗を有し、この内部抵抗は、ガスが導管に沿って通ることを許容される前に、弁装置の前後の圧力差により打ち消されなくてはならない。例えば、弁装置を開状態から閉状態に切換えるのに要する圧力差は０．５バールとすることができるが、条件によっては他の圧力差を選択することもできる。弁は任意の形態のものでよいが、一般的には、スプリングにより弁座に押圧される可動弁プレートを備えた弁である。弁プレートを弁座から離れさせて弁ブロックを通るガス通路を形成するには、スプリングの内部抵抗は打ち消されなくてはならない。内部抵抗は、弁が、一般に行われる通常の作業状態中には開かないが、スクロール入口が大気圧または大気圧近くにあるときのラフィング中に、ポンピングチャネルの第１位置と第２位置との間に所定の圧力差が発生されるときにのみ開くように選択されなくてはならない。すなわち、ポンプが最初に作動されるとき、スクロール入口およびスクロール出口は大気圧にある。スクロール機構１１は、ポンピングチャネル３２の第１位置４０が大気圧より高い圧力にあって、過圧縮が発生されるように圧縮を達成する。過圧縮が例えば１．５バールの所定圧力に到達したとき、この圧力を放出すなわち解放するには、導管入口４０と導管出口４２との間の圧力差（この圧力差は約１バールである）は、弁装置の内部抵抗に打勝つのに充分大きさであり、過圧縮をスクロール出口２６に放出することができる。第１位置がポンピングチャネルのどこに位置するかに基いて、およびスクロール入口圧力が１００ミリバールより低いときにポンプの過圧縮の他の特徴が発生しないということに基づいてではあるが、スクロール入口での圧力が低下する間は第１位置での過圧縮が続く。したがって、スクロール入口２５が１００ミリバールと１バールとの間の圧力にあるときは、過圧縮が引き起こされる。

弁装置に２つの一方向弁４４が含まれ、かつ各弁が内部抵抗を有する場合には、第１位置４０と第２位置４２との間の圧力差は、両弁の内部抵抗に打勝つのに充分なものでなくてはならない。

開いたときのガス導管および弁のコンダクタンスは、ポンプに実質的な時間で負荷をかけることなく、ポンプ内の過圧縮を比較的迅速に解放できるのに充分なものでなくてはならない。好ましくは、圧力は、約５秒より短時間で解放すべきである。

ガス導管入口４０の位置は、スクロールポンピング機構１１のポンピング特性に基づいて定められる。入口４０はスクロール入口２５（すなわち、過圧縮が生じる位置）から少なくとも１ラップ（すなわち３６０°）離れた位置で、かつスクロール出口２７から少なくとも１ラップ離れた位置に定めるべきである。例えば、０．５バールの過圧縮（すなわち、大気圧に０．５バールを加えた１．５バールの圧力）を緩和すべき場合には、入口４０を第２ラップに配置すべきである。この場合、入口４０の圧力が１．５バールに到達したときに、ガスが導管を通って大気中に流れるように、弁（単一または複数）のスプリング圧は、０．５バールとなるように選択される。入口４０の位置および弁のスプリング圧は、種々の異なるポンピング条件および電力消費条件に合致するように変えることができる。

使用に際し、ラフィング中にポンプ入口２４およびスクロール入口２５が大気圧またはほぼ大気圧にあるときは、両スクロール２０、２２が協働して、ポンピングチャネル３２に沿ってガスを圧縮する。ポンピングチャネルの第１位置４０に過圧縮が発生して、過圧縮が入口圧力より高い所定レベルに到達したときは、弁４４が開いて、大気圧にあるポンプ出口２６にガスを放出でき、これによりポンプへの負荷およびモータ１８の電力消費が低減される。この初期段階中、第１位置４０とポンプ出口２６との間の両スクロール２０、２２の協働ラップは、ガスを圧縮するのには使用されない。ポンプが連続使用される間、ポンプ入口２４の圧力は低下され、これにより、ポンピングチャネル３２の第１位置４０での圧力が低下される。過圧縮が所定レベルより降下すると、弁４４が閉じ、かつガスは、弁４４を通って大気に放出されるのではなく、ポンプ出口２６でポンピングチャネル３２の残部に沿って搬送される。

ラフィング中にスクロール入口が大気圧またはほぼ大気圧にあるときのポンプの第１状態では、弁装置が閉じられる。ラフィング中にポンピングチャネルの第１位置と第２位置との間に所定の圧力差が発生されかつ第１位置の圧力が大気圧より高いときの第２状態では、弁装置が開かれる。スクロール入口の圧力が大気圧より低下され（一般的には０．５バール以下）かつポンピングチャネルの第１位置と第２位置との間の圧力差が所定圧力より小さいときの第３状態では、弁装置が閉じられる。ポンプの第３状態では、スクロール入口は約１０^-１ミリバールと１０ミリバールとの間の真空圧力に低下され、したがって弁装置の前後の圧力差は、第２状態の圧力差と比較して逆になる。

図２に示す他の真空ポンプ５０では、図１に示しかつ上述した要素を示すのに同じ参照番号が使用されている。図２の装置は、ガス導管５２が、スクロール入口とスクロール出口との間のポンピングチャネル３２の第１位置５４から、スクロール入口２５でのポンピングチャネルの第２位置５６まで延びている点で図１の装置とは異なっている。

ラフィング中に、スクロール入口２５が大気圧にあるか、ほぼ大気圧にありかつ第１位置５４に過圧縮が生じているときは、ガスは、導管入口５４と導管出口５６との間の圧力差が所定レベルより大きいときにガス導管５２を通って解放され、これにより、ポンプへの負荷および所要電力が低減される。この装置は、ラフィングの初期段階中に有効である。ポンプダウンの初期段階中にスクロール入口の圧力が大きく低下するとはいえ、ガスは、スクロール入口に連結されたプロセスチャンバからポンピングされ続ける。このようにして、ガス導管５２および弁装置は、ラフィング中の所要電力を低減させる。

図３に示す更に別の真空ポンプ６０では、図１に示しかつ上述した要素を示すのに同じ参照番号が使用されている。図３の装置は、ガス導管６２が、スクロール入口とスクロール出口との間のポンピングチャネル３２の第１位置６４から、これもスクロール入口とスクロール出口との間のポンピングチャネルの第２位置６６まで延びている点で図１の装置とは異なっている。

ラフィング中に第１位置６４に過圧縮が生じているときは、ガスは、導管入口６４と導管出口６６との間の圧力差が所定レベルより大きいときにガス導管６２を通って解放され、これにより、ポンプへの負荷および所要電力が低減される。第１位置６４の圧力は、一般に、上流側の第２位置６６の圧力より低い。

更に別の装置では、図４に示すように、真空ポンプ７０は複数のガス導管５２、７２を有し、該ガス導管５２、７２は、それぞれの第１導管入口５４、７４とそれぞれの第２導管出口５６、７６とを連結している。この装置は、図１および図２の装置を融合したものと考えられ、圧力は、ポンピングチャネルの複数の異なる位置から解放される。図４には２つのガス導管が示されているが、３つ以上の導管を用いることもできる。例えば、スクロール出口２７に徐々に近づくポンピングチャネル３２のそれぞれの第１位置から複数の導管を延ばすことができる。このようにして、スクロール入口の近くに過圧縮が発生したときは、この圧力が解放される。後で、スクロール出口の近くに過圧縮が生じたときは、この圧力も同様に解放される。

図１〜図４に示すように、各ガス導管は固定スクロールのスクロールプレートに形成されている。しかしながら、ガス導管（単一または複数）は、ポンピングチャネルに連通している入口および出口が設けられている他の場所に配置できる。例えば、ガス導管（単一または複数）は、軌道周回スクロールに配置するか、ポンピングチャネルの入口ポートおよび出口ポートが、ガスを、１つの位置からチャンバを通ってポンピングチャネルに沿って他の位置に搬送できるように、固定スクロール側でハウジング内のチャンバにより形成できる。

図５および図６には、図１〜図５のスクロールポンピング機構１１と交換できる改変スクロールポンピング機構７８が示されている。固定スクロール２２は、ほぼ円形のベースプレート３０に対して垂直に延びているスクロール壁８０（ハッチングで示す）を有している。軌道周回スクロール２０は、ほぼ円形のベースプレート３６に対して垂直に延びているスクロール壁８２（太線で示す）を有している。両スクロール２０、２２は協働し、これらが相対軌道周回運動するときに、ガスを、半径方向外方のスクロール入口２５から半径方向内方のスクロール出口２７へとポンピングチャネル８４、８６に沿ってポンピングする。

スクロールポンピング機構７８は、スクロール入口２５に隣接する第１セクションと、スクロール出口２７に隣接する第２セクションとを有し、第１セクションのポンピング容積は第２セクションのポンピング容積より大きい。また、ポンピングチャネルの第１位置は、第１セクションと第２セクションとの間の遷移部８８の下流側にある。図５および図６において、第１セクションは、スクロール入口２５から平行に延びている複数のポンピングチャネル８４、８６からなる。ポンピングチャネルは、第１セクションと第２セクションとの間の遷移部８８で収斂しており、該遷移部８８からスクロール出口２７まで延びた単一ポンピングチャネル８４、８６を形成している。この多スタート構造は、より大きい容積を形成できる。なぜならば２つのチャネルが、スクロール入口を通るガスを、図１〜図４に示した単一スタート構造の単一チャネルより多量にポンピングできるからである。しかしながら、多スタート構造は、両チャネルが収斂するため、特に第１セクションと第２セクションとの間の遷移部で過圧縮を発生する大きい傾向を有する。ポンピングチャネル８４、８６の第１位置と第２位置との間、すなわち、スクロール入口２５とスクロール出口２７との間の第１位置と、スクロール出口の第２位置９２との間には、図１に示したものと同様にバイパス導管３８が延びている。バイパス装置の第１位置９０は収斂点の下流側にあり、特に、ポンピングチャネルの収斂点に生じる過圧縮を緩和でき、したがって、圧力増大の結果として引き起こされる電力消費を低減できる。第１位置９０が収斂点に近いほど、収斂点で上昇する圧力により引き起こされる電力の増大が緩和される。

図６のスクロールポンピング機構では、バイパス装置の第１位置９４はポンピングチャネル間の収斂点８８の近くに位置しており、したがって、収斂点での圧力増大を緩和するのに最も有効である。第２位置９６は第１位置９４の上流側にあり、図２に示した装置と同様である。第１位置９４は収斂点の１スクロールラップ内にあり、図示のように収斂点の約４５°下流側にある。２つの弁が設けられているため、ガスが第２位置から第１位置に流れることを妨げる有効なシールが形成される。

図５および図６では、ポンピング機構の第１セクションは、第２ポンピング容積より大きい容積を有している。スクロール入口２５の大きい容積は、平行なポンピングチャネル８４、８６により形成される。他の装置では、スクロール機構の第１セクションは、スクロール入口２５に隣接する単一のポンピングチャネルを有するが、第１セクションのポンピングチャネルは第２セクションのポンピングチャネルより深い。より深い（軸線方向により大きい）チャネルであるほど、浅いチャネルより大きいポンピング容積を有する。第１セクションと第２セクションとの間の遷移部は、上記と同じ態様で圧力の増大を引き起こし、バイパス装置を設けることにより圧力が緩和される。更に、スクロールポンプの第１セクションには、２種類のスクロール機構を組合わせた深いチャネルとともに、多スタート構造を設けることができる。

１０、５０、６０、７０、 真空ポンプ
１１、７８ スクロールポンピング機構
２０ 軌道周回スクロール
２２ 固定スクロール
２５ スクロール入口
２７ スクロール出口
３２、８４、８６ ポンピングチャネル
３８ ガス導管
４４ 一方向弁
８８ 遷移部

Claims (12)

1. スクロールポンピング機構を有する真空ポンプにおいて、
   ２つのスクロールを有し、両スクロールは協働して、相対軌道周回時に、ガスをスクロールポンピング機構のスクロール入口からスクロール出口へとポンピングチャネルに沿ってポンピングし、
   ポンピングチャネルの第１位置の入口とポンピングチャネルの第２位置の出口とを備えたガス導管を有し、該ガス導管は、ポンピングチャネルの第１位置での大気圧より高いガスの過圧縮を、ポンピングチャネルの第２位置に放出でき、
   ガス導管内に配置された一方向弁装置を更に有し、該一方向弁は、ラフィング中にスクロール入口が大気圧またはほぼ大気圧にあるときに、ポンピングチャネルの第１位置と第２位置との間に所定の圧力差が生じた場合にのみ、ガスを、導管入口から導管出口へと導管を通して流すことができ、
   前記スクロールポンピング機構は、スクロール入口に隣接する第１セクションおよびスクロール出口に隣接する第２セクションを有し、第１セクションのポンピング容積は第２セクションのポンピング容積より大きく、ポンピングチャネルの第１位置は、第１セクションと第２セクションとの間の遷移部の下流側にあり、
   前記第１セクションは第２セクションより深いポンピングチャネルを有しており、又は
   前記第１セクションは、スクロール入口から平行に延びている複数のポンピングチャネルを有し、該ポンピングチャネルは、第１セクションと第２セクションとの間の遷移部で収斂して、該遷移部からスクロール出口まで延びている単一のポンピングチャネルを形成していることを特徴とする真空ポンプ。
2. ラフィング中にスクロール入口が大気圧またはほぼ大気圧にあり、かつ、前記ポンピングチャンネルの第１位置と第２位置の圧力差が所定の圧力差よりも小さいときのポンプの第１状態では弁装置が閉じられ、ラフィング中にポンピングチャネルの第１位置と第２位置との間に前記所定の圧力差が発生されるときの第２状態では弁装置が開かれ、スクロール入口の圧力が大気圧より低下されかつポンピングチャネルの第１位置と第２位置との間の圧力差が前記所定の圧力差より小さいときの第３状態では弁装置が閉じられることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
3. 前記一方向弁装置はガス導管内に配置された２つの一方向弁を有し、該一方向弁は、閉じたときにはガスが導管入口から導管出口へと導管を通って流れることを妨げ、開いたときにはガスが導管を通って流れることを許容することを特徴とする請求項１または２記載の真空ポンプ。
4. 前記弁装置は、導管出口の圧力が導管入口の圧力より少なくとも１０の二乗倍大きくなると、ガスが導管出口から導管入口へと流れることを防止するように構成されていることを特徴とする請求項３記載の真空ポンプ。
5. 前記ポンピングチャネルの第１位置は、遷移部の下流側のポンピング機構の１ラップ以内にあることを特徴とする請求項１又は２記載の真空ポンプ。
6. ポンピングチャネルの第２位置はスクロール出口にあることを特徴とする請求項１又は２記載の真空ポンプ。
7. ポンピングチャネルの第２位置はスクロール入口にあることを特徴とする請求項１又は２記載の真空ポンプ。
8. ポンピングチャネルの第２位置もスクロール入口とスクロール出口との間にあることを特徴とする請求項１又は２記載の真空ポンプ。
9. 第１位置と異なる第１導管入口と、第２位置と異なる第２導管出口とを連結するさらなるガス導管を有することを特徴とする請求項１又は２記載の真空ポンプ。
10. 前記各ガス導管が１つ以上の一方向弁を有していることを特徴とする請求項９記載の真空ポンプ。
11. 前記２つのスクロールが固定スクロールおよび軌道周回スクロールからなり、固定スクロールには各ガス導管が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の真空ポンプ。
12. ラフィング中、スクロール入口は１００００パスカル（１００ミリバール）と大気圧との間の圧力にあることを特徴とする請求項１又は２記載の真空ポンプ。

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