JP6445041B2 - 真空ポンプシステムの圧送方法および真空ポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、メインポンプがスクリュータイプのドライ真空ポンプであり、一方でこれが出口ガスの温度およびシステムの電気エネルギー消費を減少させる真空ポンプシステムにおける流量および最終真空度の点で性能が改善されることを可能にする圧送方法に関する。本発明は、本発明にかかる方法を実現するために使用することができる真空ポンプシステムにも関する。

化学産業、製薬産業、真空蒸着、半導体などのような産業において、設置およびエネルギー消費のコストを減少させるために真空ポンプの性能を向上させる全体的な傾向によって、駆動部における性能、省エネルギー、嵩などの点で、著しい進歩がもたらされた。

現状技術は、最終真空度を向上させるために、多段ルートタイプまたは多段クロータイプ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証明している。スクリュータイプのドライ真空ポンプに対しては、スクリューに追加の回転を与えなければならず、かつ／または内部圧縮率を高めなければならない。

ポンプの回転速度は、チャンバの排気の異なる段階におけるポンプの動作を規定する極めて重要な役割を演じる。市販のポンプの内部圧縮率（例えば、２〜２０の範囲）によって、大気圧と約１００ミリバールとの間の、または強い質量流(strong mass flow rate)と呼ばれる吸引圧力での圧送の段階で必要とされる電力は、極めて高くなり得る。通常の解決策は、圧力タイプ、最大の流れ、限界トルク、温度などの異なる基準に応じて、速度の減少または増加、その結果として能力の減少または増加を可能にする可変速度駆動部を使用することである。しかし、低下した回転速度での動作期間中、高圧での流量低下があり、流量は回転速度に比例している。可変周波数駆動部による速度のバリエーションは、追加のコストおよび嵩高性を与える。別の通常の解決策は、多段ルートタイプまたは多段クロータイプの真空ポンプにおける特定の段での、またはスクリュータイプのドライ真空ポンプにおけるスクリューに沿った、特定の良好に規定された位置のそれぞれでの、バイパスタイプの弁の使用である。この解決策は、多数の部品を必要とし、信頼性の問題を提起する。

最終真空度の改善および流量の増加を目的とする真空ポンプシステムに関する現状技術は、プライマリドライポンプの上流に配置されたルートタイプのブースターポンプを示している。このタイプのシステムは、嵩高く、信頼性の問題を提起するバイパス弁によって、または測定、チェック、調整、または自動制御の手段を採用することによって動作する。しかし、これらのチェック、調整、または自動制御の手段は、システムの構成部品の数の増加、システムの複雑性の増加、およびシステムのコストの増加を必然的にもたらすアクティブな方法で、パイロット式に動作されなければならない。

本発明は、その目的として、真空チャンバにおいて、（０．０００１ミリバールのオーダーでの、）スクリュータイプの単一のドライ真空ポンプを用いて得ることができる真空よりも良好な真空を得ることを可能にする、真空ポンプシステムの圧送方法を提案しなければならない。

本発明は、その目的として、真空チャンバの圧送中、スクリュータイプの単一のドライ真空ポンプを用いて得ることができる圧力よりも低い圧力で得られる流量を多くできる、真空ポンプシステムの圧送方法も提案しなければならない。

本発明は、同様に、その目的として、真空下に真空チャンバを置き、真空チャンバを維持するのに必要な電気エネルギーを減少させることを可能にし、出口ガスの温度を低下させることを可能にする、真空ポンプシステムの圧送方法を提案しなければならない。

本発明のこれらの目的は、真空チャンバに連結されたガス入口オリフィスと、大気または他の装置に出てくる前の逆止弁を備える導管に繋がるガス出口オリフィスとを備えたプライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの中にその構造が本質的に存在する、圧送システムの構成の内部で実現される圧送方法を用いて得られる。イジェクタの吸引ポートは、この逆止弁に対して並列に連結され、イジェクタの出口は、大気に行くか、または逆止弁の後でプライマリポンプの導管に再結合する。

このような圧送方法は、特に、独立の請求項１の主題である。さらに、本発明の異なる望ましい実施形態は、従属の請求項の主題である。

このような方法は、本質的に、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプが真空チャンバの中に収容されたガスをガス入口オリフィスを通して圧送する間ずっと、しかしまた、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプが、出てくるガスをその出口を通して放出することによって、チャンバ内の所定の圧力（例えば、最終真空）を維持する間ずっと、連続してイジェクタに作動流体を供給し、イジェクタを動作させることからなる。

第１の態様によれば、本発明は、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプおよびイジェクタの連結が個別の測定結果および装置（例えば、圧力、温度、電流などのためのセンサ）、自動制御またはデータ管理および演算を必要としないという事実にある。その結果として、本発明の圧送方法を実施するのに適する真空ポンプシステムは、最小数の構成部品を備え、優れた単純さを有し、現存するシステムよりはるかに安価である。

第２の態様によれば、本発明は、新規の圧送方法によって、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプが、それ自体の動作モードに従って、単一の一定速度で配電網のものを動作することができるか、または可変速度で回転することができるという事実にある。その結果として、本発明の圧送方法を実施するのに適する真空ポンプシステムの複雑性およびコストをさらに減少することができる。

その特質によって、真空ポンプシステムに一体化されたイジェクタは、この圧送方法に従って、損傷なく常に機能することができる。イジェクタの寸法決めは、装置を動作させるための最小消費量の作動流体に依存する。イジェクタは、通常、単段のものである。イジェクタの公称流量は、逆止弁によって限定されるプライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの出口導管の密閉空間に応じて選択される。イジェクタの流れは、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの公称流量の１／５００〜１／２０にすることができるが、これらの値よりも少なくすることもできるし、これらの値よりも多くすることもできる。イジェクタの作動流体は、圧縮された空気であることもできるが、圧縮された他のガス（例えば、圧縮された窒素）であることもできる。プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの出口の導管に置かれた逆止弁は、市販されている標準的な構成部品であることができる。逆止弁は、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの公称流量に従って寸法が決められている。具体的には、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの吸引端部の圧力が５００ミリバール絶対圧と最終真空（例えば、１００ミリバール）との間にあるときに逆止弁は閉じることが予測される。

別の変形形態によれば、イジェクタは、多段のものである。
さらなる別の変形形態によれば、イジェクタは、半導体産業で通常使用される物質およびガスに対する化学抵抗を高めた材料、単段イジェクタの変形形態および多段イジェクタにおけるものからできていてもよい。
イジェクタは、望ましくは小さいサイズである。

別の変形形態によれば、イジェクタは、逆止弁を組み込んだカートリッジに一体化されている。
さらなる別の変形形態によれば、イジェクタは、逆止弁を組み込んだカートリッジに一体化され、このカートリッジ自体は、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプのガス出口オリフィスに固定された排気マフラーの中に収容されている。
本発明にかかる真空ポンプシステムの動作に従って、イジェクタは、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプのガス出口オリフィスと逆止弁との間の密閉空間で常に圧送する。

本発明のさらなる別の変形形態によれば、イジェクタの動作に必要な圧力のガスの流量は、圧縮機によって供給される。注目すべき方法で、この圧縮機は、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプのシャフトの少なくともの１つによって駆動することができるか、または、代案としてもしくはさらに、自律的な方法で、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプから独立して駆動することができる。この圧縮機は、大気、または逆止弁の後のガス出口導管内のガスを排気することができる。このような圧縮機の存在は、特定の工業環境に適することができるスクリュータイプ真空ポンプシステムを圧縮ガス源から独立した状態にする。

チャンバの排気サイクルから始めると、チャンバの圧力は、例えば大気圧に等しくなるように上昇する。プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプでの圧縮を考慮すると、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの出口で放出されるガスの圧力は、（プライマリポンプの出口のガスが大気に直接放出される場合、）大気圧よりも高いか、または下流に連結された別の装置の入口の圧力よりも高い。これにより、逆止弁の開弁が引き起こされる。

この逆止弁が開かれると、イジェクタの入口の圧力がイジェクタの出口の圧力にほぼ等しいので、イジェクタの動きが、極めて僅かに感じられる。対照的に、（チャンバの圧力がその間に低下していたので、）逆止弁が特定の圧力で閉じると、イジェクタの動きが、チャンバと弁の後の導管との間の圧力差の漸進的な低下を引き起こす。プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの出口の圧力は、イジェクタの入口の圧力になり、イジェクタの出口の圧力は、常に逆止弁の後の導管における圧力となる。イジェクタが多く圧送すればするほど、閉じられた逆止弁によって限定された密閉空間において、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプの出口で、圧力はより低下し、その結果として、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプのチャンバと出口との間の圧力差は減少する。この僅かな差は、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプにおける内部の漏れを減少させ、最終真空度を向上させるチャンバの圧力の低下をもたらす。さらに、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプは、圧縮のためのエネルギーを次第に減少するように消費し、圧縮熱を次第に減少するように生成する。

一方、機械的概念の研究が、密閉空間での圧力をより迅速に低下させる目的で、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプのガス出口オリフィスと逆止弁との間の密閉空間を減少させることを意図することも明らかである。

本発明の特異点および利点は、示した添付図面を参照して限定しない方法で、説明のために与えられる実施形態の例によって理解することができる説明の文脈の中でのより多くの詳細によって明らかになるはずである。

本発明の第１の実施形態に従う圧送方法を実現するのに適した真空ポンプシステムを図式的に示した図である。 本発明の第２の実施形態に従う圧送方法を実現するのに適した真空ポンプシステムを図式的に示した図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に従う圧送方法を実現するのに適した真空ポンプシステム（ＳＰ）を示す。
この真空ポンプシステム（ＳＰ）は、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３の吸引オリフィスまたは吸気口２に連結されたチャンバ１を備える。プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３のガス出口オリフィスは、導管５に連結されている。逆止弁６が導管５の中に置かれ、導管５は、この逆止弁の後、ガス出口導管８に続く。逆止弁６は、閉じられたとき、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３のガス出口オリフィスと弁そのものとの間に収容される密閉空間４の形成を可能にする。真空ポンプシステム（ＳＰ）は、逆止弁６に対して並列に連結されたイジェクタ７も備える。イジェクタの吸気口は、導管５の密閉空間４に連結され、イジェクタのリリースオリフィスは、導管８に連結されている。供給パイプ９は、イジェクタ７の作動流体を供給する。

プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３を動作状態にセットすることによって、イジェクタ７の作動流体は、供給パイプ９によって注入される。プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３は、チャンバ１のガスを連結された導管２を通してプライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３の入口で吸引し、その後、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３の出口で、逆止弁６を通る導管５の中にガスを放出するために、ガスを圧縮する。逆止弁６を閉じるための圧力に達すると、弁は閉じる。この瞬間から開始して、イジェクタ７の圧送によって、密閉空間４の圧力は圧力限界値に徐々に減少する。並行して、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３によって消費される電力は、徐々に低下する。これは、短時間の間（例えば、５〜１０秒の必ず起きるサイクルの間）に起こる。

プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３の流量およびチャンバ１の密閉空間に応じた、イジェクタ７の流量および逆止弁６を閉じる圧力の適切な調整によって、排気サイクルの継続時間に関して、逆止弁６を閉じる前の時間を減少させ、従って、圧送への影響なしに、イジェクタ７のこの動作時間の間、作動流体の損失を減少させることがさらに考えられる。さらに、極めて小さなこれらの「損失」は、エネルギー消費の全体量の評価を考慮する。対照的に、容易性の利点によって、プログラム可能な自動装置および／または可変速度駆動ユニット、制御弁、センサなどを備えた同様のポンプと比較して、システムに対する優れた信頼性および１０％〜２０％の安価な価格がもたらされる。

図２は、本発明の第２の実施形態に従う圧送方法を実施するのに適した真空ポンプシステム（ＳＰ）を示す。
図１に示されたシステムに対して、図２に示されたシステムは、イジェクタ７の機能に必要な圧力のガス流量を供給する圧縮機１０をさらに備える。実際には、この圧縮機１０は、大気、または逆止弁６の後のガス出口導管８内のガスを吸引することができる。圧縮機１０の存在により、特定の工業環境に適することができる真空ポンプシステムを圧縮ガス源から独立させる。圧縮機１０は、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３の少なくとも１つのシャフトによって、または圧縮機１０そのものの電気モータによって、従ってプライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３から完全に独立した方法で駆動することができる。全ての場合、イジェクタ７を動作させるために必要な圧力のガス流量を供給できるようにするためのそのエネルギー消費は、プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ３のエネルギー消費で実現される節約に対して、はるかに少ない（例えば、３％〜５％のオーダー）。

確かに本発明は、その実施に関して多数の変形を受ける。多様な実施形態について説明してきたけれども、包括的な方法で全ての考えられる実施形態を特定することは考えられないことが十分に理解される。もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、説明された１つの手段を等価手段によって置換することを想定することができる。全てのこれらの修正は、真空技術の分野における当業者の一般的な知識の一部分を形成する。

Claims (22)

1. 真空チャンバ（１）に連結されたガス入口オリフィス（２）と、真空ポンプシステム（ＳＰ）のガス出口（８）に出てくる前の導管（５）に繋がるガス出口オリフィス（４）とを有するプライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）と、
   前記ガス出口オリフィス（４）と前記ガス出口（８）との間の前記導管（５）に位置決めされた逆止弁（６）と、
   前記逆止弁（６）に対して並列に連結されたイジェクタ（７）と、
   前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）のシャフトの少なくとも１つによって駆動される圧縮機（１０）と、を備える真空ポンプシステム（ＳＰ）における圧送方法であって、
   前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）が、前記真空チャンバ（１）の中に収容されたガスを前記ガス出口オリフィス（４）を通して圧送するために、動作状態に置かれ、
   同時に起こる方法で、前記イジェクタ（７）に作業流体が前記圧縮機（１０）によって供給され、
   前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）が前記真空チャンバ（１）を動かし、かつ排気する間ずっと、前記イジェクタ（７）に作業流体が供給され続けることを特徴とする真空ポンプシステム（ＳＰ）の圧送方法。
2. 請求項１記載の圧送方法において、
   前記イジェクタ（７）の出口は、前記逆止弁（６）の後で前記導管（５）に再結合することを特徴とする圧送方法。
3. 請求項１または２記載の圧送方法において、
   前記イジェクタ（７）は、最小消費量の作動流体を有するように寸法が決められることを特徴とする圧送方法。
4. 請求項１〜３のいずれか記載の圧送方法において、
   前記イジェクタ（７）の公称流量は、前記逆止弁（６）によって限定される前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）の導管（５）の密閉空間に応じて選択されることを特徴とする圧送方法。
5. 請求項４記載の圧送方法において、
   前記イジェクタ（７）の流量は、前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）の公称流量の１／５００〜１／２０であることを特徴とする圧送方法。
6. 請求項１〜５のいずれか記載の圧送方法において、
   前記イジェクタ（７）の作動流体は、圧縮された空気および／または窒素であることを特徴とする圧送方法。
7. 請求項１〜６のいずれか記載の圧送方法において、
   前記イジェクタ（７）は、単段または多段であることを特徴とする圧送方法。
8. 請求項１〜７のいずれか記載の圧送方法において、
   前記逆止弁（６）は、前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）の吸引端部の圧力が５００ミリバール絶対圧と最終真空との間にあるときに閉じることを特徴とする圧送方法。
9. 請求項１〜８のいずれか記載の圧送方法において、
   前記イジェクタ（７）は、半導体産業で通常使用される物質およびガスに対する化学抵抗を高めた材料からできていることを特徴とする圧送方法。
10. 請求項１〜９のいずれか記載の圧送方法において、
    前記イジェクタ（７）は、前記逆止弁（６）を組み込んだカートリッジに一体化されることを特徴とする圧送方法。
11. 請求項１０記載の圧送方法において、
    前記カートリッジは、前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）のガス出口オリフィス（４）に固定された排気マフラーの中に収容されることを特徴とする圧送方法。
12. 真空チャンバ（１）に連結されたガス入口オリフィス（２）と、真空ポンプシステム（ＳＰ）のガス出口（８）に出てくる前の導管（５）に繋がるガス出口オリフィス（４）とを有するプライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）と、
    前記ガス出口オリフィス（４）と前記ガス出口（８）との間の前記導管（５）に位置決めされた逆止弁（６）と、
    前記逆止弁（６）に対して並列に連結されたイジェクタ（７）と、
    前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）のシャフトの少なくとも１つによって駆動される圧縮機（１０）と、を備える真空ポンプシステム（ＳＰ）であって、
    前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）が前記真空チャンバ（１）を動かし、かつ排気する間ずっと、前記イジェクタ（７）に作業流体が前記圧縮機（１０）によって供給されることができるように前記イジェクタ（７）が設計されることを特徴とする真空ポンプシステム（ＳＰ）。
13. 請求項１２記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記イジェクタ（７）の出口は、前記逆止弁（６）の後で前記導管（５）に再結合することを特徴とする真空ポンプシステム。
14. 請求項１２または１３記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記イジェクタ（７）は、最小消費量の作動流体を有するように寸法が決められることを特徴とする真空ポンプシステム。
15. 請求項１２〜１４のいずれか記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記イジェクタ（７）の公称流量は、前記逆止弁（６）によって限定される前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）の導管（５）の密閉空間に応じて選択されることを特徴とする真空ポンプシステム。
16. 請求項１５記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記イジェクタ（７）の流量は、前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）の公称流量の１／５００〜１／２０であることを特徴とする真空ポンプシステム。
17. 請求項１２〜１６のいずれか記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記イジェクタ（７）の作動流体は、圧縮された空気および／または窒素であることを特徴とする真空ポンプシステム。
18. 請求項１２〜１７のいずれか記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記イジェクタ（７）は、単段または多段であることを特徴とする真空ポンプシステム。
19. 請求項１２〜１８のいずれか記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記逆止弁（６）は、前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）の吸引端部の圧力が５００ミリバール絶対圧と最終真空との間にあるときに閉じることを特徴とする真空ポンプシステム。
20. 請求項１２〜１９のいずれか記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記イジェクタ（７）は、半導体産業で通常使用される物質およびガスに対する化学抵抗を高めた材料からできていることを特徴とする真空ポンプシステム。
21. 請求項１２〜２０のいずれか記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記イジェクタ（７）は、前記逆止弁（６）を組み込んだカートリッジに一体化されることを特徴とする真空ポンプシステム。
22. 請求項２１記載の真空ポンプシステムにおいて、
    前記カートリッジは、前記プライマリドライスクリュータイプ真空ポンプ（３）のガス出口オリフィス（４）に固定された排気マフラーの中に収容されることを特徴とする真空ポンプシステム。

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