JP7023713B2 - 真空ポンプ用潤滑剤 - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプ用潤滑剤に関し、特に真空ポンプの軸受を潤滑化する潤滑システム及び化合物に関する。

通常、真空ポンプは、周囲のステータに対して回転するようにロータシャフト上に取り付けられたロータの形のインペラを含む。ロータシャフトは、シャフトのそれぞれの端部又はその中間に位置する２つの軸受を含むことができる軸受構成によって支持される。これらの軸受の一方又は両方は、転がり軸受とすることができる。

典型的な既知の転がり軸受は、ロータシャフトに対して固定されたインナーレースと、アウターレースと、これらの間に位置してインナーレースとアウターレースの相対的回転を可能にする複数の転動体とを含む。多くの場合、インナーレース及びアウターレースは、転動体同士の相互接続を防ぐためにケージに導かれて均等に離間する。転がり軸受の正確で信頼できる動作を確実にするには、十分な潤滑剤が不可欠である。潤滑剤の主な目的は、摩擦及び摩耗を最小化するために、転がり接触及び滑り接触する軸受部品を分離する耐荷膜を構築することである。他の目的としては、軸受部品の酸化又は腐食の防止、汚染物質に対する障壁の形成、及び軸受部品からの放熱が挙げられる。

潤滑剤は、一般に油又はグリース（油と増粘剤の混合物）のいずれかの形を取る。しかしながら、真空ポンプの構成及び真空ポンプの動作用途によっては適さない潤滑剤も存在する。具体的に言えば、いくつかの工業用途では、ポンプが真空化しているチャンバ内に汚染を引き起こさずに真空ポンプが動作する必要がある。この結果、真空ポンプ機構内での使用には、蒸気圧の低い炭化水素油が適していると考えることができる。しかしながら、真空ポンプの設計者は、チャンバの真空期間中にポンプを通過するガスの化学的性質も考慮する必要がある。従って、ポンプを通過するガスと化学的に反応しない潤滑剤を選択する必要がある。ポンプの動作温度に対してもさらなる考慮を行う必要がある。潤滑剤は、最適な動作温度パラメータウインドウを有しており、閾値を上回る動作温度に曝された場合に劣化することが知られているものもある。

例えば、特定の半導体製品の製造中には、プロセスチャンバに超清浄環境が必要とされる。この環境は、ポンプのロータとステータとの間の間隙を埋めるのに使用される密封流体をポンプの掃引容積に使用しないいわゆるドライ真空ポンプを利用することによって達成することができる。このようなドライ真空ポンプは、ロータシャフトの回転を容易にするために玉軸受を使用する。軸受は、減圧環境で動作する必要もある。従って、特定の炭化水素潤滑剤を用いて軸受を潤滑化した場合に発生する恐れがある真空チャンバの汚染を防ごうと試みるために、合成潤滑剤を用いて軸受を潤滑化する。さらに、特定の合成潤滑剤は、この種の潤滑剤の化学的安定性及び動作温度範囲により、真空ポンプにおいて使用するための魅力的な提案になっている。半導体加工用途で使用するのに適した化学的不活性を有する好適な合成潤滑剤は、総称的にペルフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）として知られている化合物を含む。また、いくつかのＰＦＰＥ化合物は、このような化合物を真空用途に適したものにする好適な低蒸気圧を有することが知られている。このような化合物の一例は、ＦＯＭＢＬＩＮという登録商標で販売されている。

しかしながら、現在真空用途において使用されている既知の合成潤滑剤は、（上述したように真空ポンプでの使用に適していない）炭化水素化合物潤滑剤に比べて潤滑特性が相対的に良くない。この結果、従来の鋼軸受は、ＰＦＰＥ潤滑剤を使用した時に最大の成果を示さない。従って、異なる軸受材料を使用して軸受の寿命及び堅牢性を高めることができる。例えば、セラミック玉軸受は、ＰＦＰＥ潤滑剤と併せて使用した時に十分な性能を示すことが分かっている。しかしながら、このようなセラミック軸受は、金属軸受又は鋼軸受に比べて相対的に高価である。さらに、セラミック軸受を使用すると、金属軸受又は鋼軸受に比べて軸受性能が異なることにより、ポンプ部品の設計及び動作特性が制約される可能性もある。

真空ポンプの軸受及び潤滑剤のコストを削減することが望まれている。

この要望に取り組むために、本発明概念は、ロータとステータとを含む真空ポンプであって、ロータが、ステータに対するロータの相対的回転を可能にするように（鋼軸受などの）金属軸受によって支持された真空ポンプに関する。軸受を潤滑化するために液体ＰＦＰＥ潤滑剤化合物が提供され、潤滑剤は、液体潤滑剤に懸濁した状態の固体潤滑剤をさらに含む。固体潤滑剤は、黒鉛、グラフェン及び二硫化モリブデンのうちのいずれかを含むことができる。換言すれば、本発明概念は、準大気圧条件下で本体内の回転シャフトを支持するように構成された潤滑軸受を含み、軸受を潤滑化するために使用される潤滑剤は、低蒸気圧を有する液体ＰＦＰＥ潤滑剤と、液体潤滑剤中に懸濁状態で保持された固体潤滑剤とを含む。固体潤滑剤は、黒鉛、グラフェン及び二硫化モリブデンのうちのいずれかを含むことができる。

さらに具体的には、ステータの内側に取り付けられたロータと、ロータのシャフト上に配置されてステータに対するロータの回転を可能にする少なくとも１つのころ軸受構成と、ころ軸受に潤滑剤化合物を供給するように構成された潤滑剤供給装置とを備え、潤滑剤化合物が、ＰＦＰＥ潤滑剤を含む液体成分と、液体成分内に懸濁状態で保持された黒鉛、グラフェン又は硫化モリブデンのうちの１つ又は２つ以上を含む固体成分とを含む真空ポンプを提供する。

本発明の別の態様では、固体成分と液体成分とを含む真空ポンプ用潤滑剤を提供し、固体成分は、液体成分内の懸濁液を形成し、液体成分は、ＰＦＰＥ潤滑剤であり、固体成分は、黒鉛、グラフェン又は硫化モリブデンのうちのいずれか１つである。

この結果、本発明のこれらの態様は、上述した問題点に対するコスト効率の良い解決策を提供する。固体潤滑剤が、金属軸受の可動部品上に金属の層を形成するので、液体潤滑剤中に懸濁状態で保持された固体成分が、金属ころ軸受の使用を可能にして、低蒸気圧合成潤滑剤によって潤滑化される金属軸受の使用と比べた時に、軸受の動作寿命が大幅に延びるようになる。換言すれば、ＰＦＰＥ真空潤滑剤中に固体潤滑剤を添加することにより、今まで使用されていた高価なセラミック軸受とは対照的に、真空ポンプが金属（鋼）ころ軸受を使用できるようになる。この結果、本発明を組み込んだ真空ポンプを製造して動作させるコストを著しく削減することができる。

以下、本発明の実施形態を一例として説明する。当業者であれば、本発明概念は、本明細書において説明する実施形態に限定されるものではなく、全体的な発明概念の範囲から逸脱することなく他の代替実施形態を使用することもできると理解する。

ＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）は、真空用途において使用できる既知の合成ＰＦＰＥ潤滑剤である。具体的に言えば、この潤滑剤は、真空ポンプにおいてポンプのロータとステータとの間に配置されたころ軸受を潤滑化するために使用される。しかしながら、通常、ＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）は、十分な軸受性能を達成するためにセラミック軸受と組み合わせて使用した時に、真空ポンプ用途において最も効果的である。

本発明者らは、ＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）に懸濁液の形で固体潤滑剤を添加した時に、金属ころ軸受又は鋼ころ軸受を有する真空ポンプにおいてＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）を効果的に使用できると考える。固体潤滑剤を添加すると、鋼製の軸受部品間にさらなる潤滑層をもたらして、真空ポンプ用途における鋼軸受の使用が採算に見合う程度にまで鋼軸受の動作寿命が延びるようになると考えられる。

固体潤滑剤は、駆動形態の黒鉛、二硫化モリブデン又はグラフェンを含むことができる。固体潤滑剤は、液体潤滑剤（例えば、ＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標））中に懸濁状態で保持される。固体潤滑剤と液体潤滑剤との割合は、ポンプ設計、及びポンプを使用する工業用途に依存する。例えば、加工中に高腐食性のガスが真空ポンプを通過する比較的厳しい半導体製造工程でポンプを使用する場合には、比較的軽い負荷サイクルに比べて高／低濃度の固体潤滑剤が必要になることがある。また、真空ポンプが長期間（例えば、数か月又は数年）にわたって連続動作している場合には、負荷サイクルが比較的軽いポンプに比べて多くの固体潤滑剤が必要になることもある。固体潤滑剤と液体ＰＦＰＥとの割合は、液体潤滑剤に対する固体材料の容積が０．００１％～１０％の濃度レベル付近、或いは、具体的には真空ポンプの用途に応じて０．０１％～１％の範囲になると思われる。

真空ポンプでは、上述した潤滑剤を、潤滑剤供給及び再循環回路内で、潤滑剤を必要とする部品全体を通じて循環させることができる。懸濁状態で保持された固体潤滑剤を含む液体潤滑剤を潤滑剤リザーバに蓄え、ここから重力下で、又は好適な潤滑剤ポンプによって、潤滑剤を必要とする軸受に送出することができる。

典型的には、軸受は、ポンプのステータにロータを取り付けた時にロータが回転できるようにロータシャフト上に配置される。軸受は、間に玉軸受が配置されたインナーレースとアウターレースとを含む既知の玉軸受構成である。ケージを用いて、鋼球間に適当な間隔を配置して維持し、軸受が通常の形で機能できるようにする。潤滑剤は、サービス間隔の合間にポンプの動作を維持するために球上に必要とされる。

従って、潤滑剤（固体成分と液体成分の両方を含む）は、軸受に供給され、潤滑剤回路を通じて潤滑剤リザーバに戻る。この結果、潤滑剤は、潤滑を必要とする部品に継続的に循環することができる。液体内で固体潤滑剤を懸濁状態に維持するために、潤滑剤を攪拌する手段が必要になることもある。攪拌手段は、駆動攪拌機を含むことができ、或いは潤滑剤の再循環を、潤滑剤の流れに乱流を引き起こす部品を横切って懸濁液を攪拌するように設計し、これによって固体潤滑剤を懸濁状態に保つこともできる。

他のタイプの合成潤滑剤を使用することもでき、従って本発明は、ＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）に限定されるものではない。他の好適な潤滑剤としては、ＫＲＹＴＯＸ（登録商標）及びＫＬＵＥＢＥＲ（登録商標）という商標で販売されているものが挙げられる。また、改質された又は異なる固体潤滑剤を好適な駆動形態で使用することもできる。例えば、グラフェンの場合には、グラフェンを適切な分子群又は分子鎖で官能化して、ＰＦＰＥ油中におけるグラフェンの分散を支援することができる。例えば、要件によっては、フッ素化された有機チオールを含み得るフッ素化された長鎖炭化水素が適することもある。さらに、黒鉛懸濁液は、粉末黒鉛、又は球状のフラーレン（いわゆるバッキーボール）などのナノ構造の形に形成された黒鉛、或いは炭素ナノチューブなどの円筒状のフラーレンを含むこともできる。

Claims (8)

1. 真空ポンプであって、
   ステータの内側に取り付けられたロータと、
   前記ロータのシャフト上に配置されて前記ステータに対する前記ロータの回転を可能にする少なくとも１つのころ軸受構成と、
   前記ころ軸受に潤滑剤化合物を供給するように構成された潤滑剤供給装置と、を備え、
   前記潤滑剤化合物は、ＰＦＰＥ潤滑剤を含む液体成分と、前記液体成分内に懸濁状態で保持されたグラフェンを含む固体成分とを含み、
   前記グラフェンを含む固体成分は、前記液体成分内での分散を向上させるために官能化され、
   前記グラフェンは、フッ素化された長鎖炭化水素で官能化され、
   前記長鎖炭化水素は、フッ素化された有機チオールを含む、
   ことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記固体成分は、黒鉛および硫化モリブデンの少なくとも１つを更に含む、
   請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記ころ軸受構成は、金属製のインナーレースと金属製のアウターレースとの間に配置された金属玉軸受を含む、
   請求項１または２に記載の真空ポンプ。
4. 前記液体成分は、準大気圧で使用できるように低蒸気圧を有するＰＦＰＥ化合物を含む、
   請求項１または２に記載の真空ポンプ。
5. 前記ＰＦＰＥ潤滑剤は、ＦＯＭＢＬＩＮ（登録商標）、ＫＲＹＴＯＸ（登録商標）又はＫＬＵＥＢＥＲ（登録商標）のうちのいずれかである、
   請求項３に記載の真空ポンプ。
6. 前記固体成分は、前記液体成分の総重量の０．００１％～１０％を構成する、
   請求項１または２に記載の真空ポンプ。
7. 前記固体成分は、前記液体成分の総重量の０．０１％～１％を構成する、
   請求項６に記載の真空ポンプ。
8. 固体成分と液体成分とを含む真空ポンプ用潤滑剤であって、前記固体成分は、前記液体成分内に懸濁状態で保持され、前記液体成分は、ＰＦＰＥ潤滑剤であり、前記固体成分は、グラフェンであり、
   前記グラフェンの固体潤滑剤成分は、前記液体成分内での分散を向上させるために官能化され、
   前記グラフェンは、フッ素化された長鎖炭化水素で官能化される、
   前記長鎖炭化水素は、フッ素化された有機チオールを含む、
   ことを特徴とする真空ポンプ用潤滑剤。