KR102669881B1 - 버퍼 챔버를 갖는 터보 분자 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보 분자 펌프에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 회전 블레이드 및 스테이터를 포함하고, 가스 분자를 배기하는 터보부, 터보부의 하류에 배치되어 나사 홈 유로부를 통해 가스 분자를 배기하는 배기하는 드래그부, 드래그부와 연결된 배기관 및 터보부 및 드래그부를 연결하는 연결 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 버퍼 챔버를 포함하는 터보 분자 펌프가 제공된다.

Description

버퍼 챔버를 갖는 터보 분자 펌프{Turbo molecular pump comprising buffer chamber}

본 발명은 버퍼 챔버를 갖는 터보 분자 펌프에 관한 것이다.

터보 분자 펌프는 다단의 로터 날개를 고속회전시켜 다양한 제조산업에서 고진공 및 고속배기를 목적으로 사용되는 진공펌프 장치이다.

터보 분자 펌프는, 흡기구 및 배기구를 갖는 하우징의 내부에서 로터가 고속 회전하는 구조를 갖는다. 상기 하우징 내부에 스테이터가 다단으로 설치되어 있으며, 한편, 로터에는 방사형으로 회전 블레이드가 마련되어 있고, 회전 블레이드는 다단으로 설치되어 있다.

이러한 구조에서, 로터가 고속 회전하면, 회전 블레이드와 스테이터의 작용에 의해 기체가 흡기구로 흡인되어, 배기구로 배기된다.

상기 터보 분자 펌프는 흡기구에서 배기구까지, 회전 블레이드 및 스테이터를 포함하는 터보부 및 터보부 하류의 나사 홈 유로부를 포함하는 드래그(drag)부를 포함한다.

한편, 터보 분자 펌프에서, 공정가스 부하시 터보부 및 드래그부의 사이 영역은 로터 회전부의 메커니즘이 전환되는 영역이기 때문에 일시적으로 압력이 상승하여 배기성능 저하가 발생할 수 있다.

즉, 공정가스 유량 부하에 의해 터보부 영역과 드래그부 영역 사이의 압력이 일시적으로 증가하여 공정가스의 고체 부산물이 생성될 수 있다.

따라서, 공정부산물 발생으로 로터 회전부와 스테이터 사이에 접촉이 발생하여 배기성능이 저하되거나 펌프의 내구성 감소가 발생할 수 있다.

일본공개특허공보 특개2003-269371호(2003.09.25.)

본 발명은 터보부 및 드래그부 사이에 압력해소를 위한 버퍼 챔버를 구비하여, 공정가스 고체 부산물을 방지할 수 있는 터보 분자 펌프를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 회전 블레이드 및 스테이터를 포함하고, 가스 분자를 배기하는 터보부, 터보부의 하류에 배치되어 나사 홈 유로부를 통해 가스 분자를 배기하는 배기하는 드래그부, 드래그부와 연결된 배기관 및 터보부 및 드래그부를 연결하는 연결 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 버퍼 챔버를 포함하는 터보 분자 펌프가 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 터보 분자 펌프는 다음과 같은 효과를 갖는다.

터보부 및 드래그부를 연결하는 유동영역에 버퍼 챔버를 구비하여, 공정가스 유량 부하에 의해 터보부 영역과 드래그부 영역 사이의 압력이 일시적으로 증가하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 압력을 해소하기 위한 완충 공간인 버퍼 챔버를 나사홈 유로부 및 가이드 스페이서 사이에 위치시킴으로써 압력을 해소하고 공정 부산물을 방지하여 펌프의 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 버퍼 챔버가 나사 홈 유로부 및 온도조절장치(수냉 장치) 의 직접적인 냉각 전도를 차단할 수 있는 여유 공간을 제공함으로써, 나사홈 유로부의 온도가 공정가스의 승화온도보다 높게 유지되고, 그 결과 고체 부산물 생성을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 터보 분자 펌프를 나타내는 개략도이다.
도 2는 터보부를 분리한 상태의 드래그부의 절개 사시도이다.
도 3은 도 2의 평면도이다.
도 4 및 도 5는 도 1의 도시된 버퍼 챔버 영역의 확대도들이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼 챔버를 갖는 터보 분자 펌프를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 터보 분자 펌프(1)를 나타내는 개략도이다.

본 문서에 따른 터보 분자 펌프는, 이 터보 분자 펌프는, 예를 들어 반도체 또는 디스플레이 제조 장치 내에 설치될 수 있고, 진공 챔버로부터 프로세스 가스의 배출을 행할 때에 이용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 터보 분자 펌프(1)는 흡기구(11)와 배기구(12)를 갖는 케이스(10), 및 케이스 내에 배치된 회전축(20)을 포함한다. 상기 케이스(10)는 터보 분자 펌프(1)의 외장체를 구성하며, 대략 원통 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 케이스(10)는 복수 개의 하우징, 예를 들어, 2개 이상의 하우징(13, 14)이 조립된 구조를 가질 수 있다.

또한, 케이스(10) 내부에는 가스 분자를 배기하기 위하여, 가스 분자를 이송하기 위한 기체 이송부가 마련되며, 상기 기체 이송부는 터보부(T) 및 드래그(drag)부(D)를 포함한다. 상기 터보부(T)는 회전 가능하게 축 지지된 회전 블레이드(31 ~37) 및 케이스(10) 내에 고정된 스테이터(40)를 포함한다.

도 1을 참조하면, 상기 터보 분자 펌프(1)는 회전 블레이드(31 ~37) 및 스테이터(40: 41~47)를 포함하고, 상기 터보 분자 펌프(1)는 회전 블레이드(31 ~37)의 회전에 따라 가스 분자를 드래그부 측으로 배기하는 터보부(T), 가스 분자의 배기방향을 따라 터보부(T)의 하류에 배치되어 나사 홈 유로부(50)를 통해 가스 분자를 배기하는 배기하는 드래그부(D)를 포함한다.

또한, 상기 터보부(T)는 회전축(20)에 지지되며, 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 복수 단의 회전 블레이드(31 내지 37)를 포함하는 로터부(30)를 포함한다. 복수 단의 회전 블레이드는 각각 회전축(20)을 기준으로 반경방향(x축 방향)을 따라 연장된다.

또한, 스테이터(40)는 링 형상의 내륜, 내륜과 동심으로 배치되고, 내륜보다 큰 직경을 갖는 외륜, 및 내륜과 외륜을 연결하는 복수 개의 고정 블레이드를 포함할 수 있다. 또한, 스테이터(40)는 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 복수 단으로 구성되고, 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 인접하는 2개의 회전 블레이드 사이에 각각 위치하게 된다. 즉, 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 회전 블레이드, 스테이터, 회전 블레이드, 및 스테이터 순으로 차례로 배치된다. 도 1에는 총 7단의 회전 블레이드 및 스테이터가 배치된 경우가 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

또한, 터보부(T)는 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 인접하는 2개의 스테이터 사이의 간격을 유지하도록 배치된 스페이서(90)를 포함한다.

또한, 터보부(T)는 스테이터 및 스페이서를 외곽에서 함께 둘러싸는 가이드(901)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 가이드(901)는 회전축(20)의 축 방향(y축 방향)을 따라 인접하여 배치된 복수 개의 스테이터 및 복수 개의 스페이서를 외곽에서 함께 둘러싸도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 터보 분자 펌프(1)의 케이스(10)는 터보부(T)를 둘러싸는 제1 하우징(13), 및 드래그부(D)를 둘러싸며, 배기관(80)이 장착된 제2 하우징(14)을 포함한다. 또한, 터보 분자 펌프(1)는 터보부(T)가 안착되며, 제1 및 제2 하우징(13, 14) 사이에 배치된 가이드 스페이서(60)를 포함한다. 상기 가이드 스페이서(60)에는 회전축(20)의 축 방향에 따른 최하단의 스페이서(90)가 안착될 수 있다.

또한, 회전축의 축방향을 따라 최하단에 위치하는 가이드(901)는 제1 하우징(13) 내에 배치되며, 가이드 스페이서(60) 내에 일부 영역이 삽입되어, 위치가 고정될 수 있다.

또한, 터보 분자 펌프(1)는 상기 로터부(30)가 회전축(20)에 고정되어 함께 회전되며, 상기 회전축(20)은 모터에 의해 회전될 수 있다. 특히, 터보 분자 펌프(1)는 로터부(100) 회전 시 로터부(100)를 자기베어링에 의해 비접촉 지지하고 있으며, 회전 상태에서는 회전축(20)의 외주면에 근접 배치된 2개의 래디얼 자기베어링과 회전축(20)에 일체로 형성된 플랜지부의 상하에 배치된 한 쌍의 액셜 자기 베어링에 의해 자기 부상 상태에서 비접촉 지지된다.

또한, 터보 분자 펌프(1)는 터치다운 베어링(200)을 포함하며, 터치 다운 베어링(200)은 회전축(20)의 정지 시 및 제어 이상 시에 회전축(20)과 래디얼 자기베어링 및 액셜 자기 베어링이 접촉해서 손상하는 것으로부터 보호하기 위한 구름 베어링이다.

터치다운 베어링(200)과 회전축(20)의 외주면 사이 간격은 각각의 자기 베어링과 회전축(20)의 외주면 사이 간격 보다 작다. 이러한 구조에서, 회전축(20)이 자기 베어링에 의해 자기 부상 상태에서 회전 지지되어 있는 상태에서, 회전축(20)은 터치다운 베어링(200)에 대해서 비접촉 상태를 유지하지만, 회전축(20)의 정지 시, 또는 외력의 작용 등에 의한 제어 이상 시에는 회전축(20)이 각 자기 베어링에 접촉하기 전에 터치다운 베어링(200)에 접촉해 회전 지지된다.

또한, 상기 터치다운 베어링(200)은 회전축의 회전 정지 시 또는 제어 이상 시 회전축(20)에 접촉하도록 마련된 내륜, 내륜에 지지된 복수 개의 볼 및 볼을 둘러싸는 외륜을 포함할 수 있고, 이때 내륜이 회전륜의 기능을 수행하도록 마련될 수 있다. 상기 볼은 복수 개로 구비되며, 강자성체 볼(예를 들어, 스테인리스 스틸 볼) 및 세라믹 볼을 포함할 수 있다.

상기 터치다운 베어링(200)은 회전축의 축 방향 상단부 및 하단부에 각각 배치될 수 있다. 또한, 터치 다운 베어링(200)의 외륜을 지지하는 상부 하우징(16)을 포함하며, 상부 하우징(16)에 삽입되며. 상기 볼을 외륜 측으로 당기도록 마련된 자화된 부재(300)를 포함할 수 있다. 상기 자화된 부재(300)는 자성체를 당기는 힘이 있도록 처리된 부재로서, 영구자석을 포함할 수 있다. 또한, 미설명 부호 17은 상부 하우징에 결합되는 하부 하우징을 나타낸다.

도 2는 터보부를 분리한 상태의 드래그부의 절개 사시도이고, 도 3은 도 2의 평면도이며, 도 4 및 도 5는 도 1의 도시된 버퍼 챔버 영역의 확대도들이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 터보 분자 펌프(1)는 드래그부(D)와 연결된 배기관(12) 및 터보부(T) 및 드래그부(D)를 연결하는 연결 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 버퍼 챔버(100)를 포함한다.

버퍼 챔버(100)는 터보부(T)를 통과한 가스 분자의 적어도 일부가 드래그부(D)로 유입되기 이전에, 버퍼 챔버(100) 내부로 유입되도록 배치된다. 즉, 상기 버퍼 챔버(100)는 터보부(T)와 드래그부(D) 사이의 연결 유로 상에 마련되며, 공정가스 유량 부하에 의해 터보부(T) 및 드래그부(D) 사이의 압력이 일시적으로 증가하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명에서, 터보부(T) 및 드래그부(D)와 같은 다른 메커니즘의 펌프 조합 시, 회전 메커니즘이 변경되는 영역에서의 순간적인 높은 압력을 해소하기 위해 상기 터보부(T)와 드래그부(D) 사이의 연결 유로 영역에 완충을 위한 버퍼 챔버(100)가 마련된다.

상기 연결 유로는 회전축(20)의 축 방향의 최하단 블레이드(37)의 하방영역 및 나사 홈 유로부(50)의 유입구 사이 공간을 지칭한다.

일 실시예로, 버퍼 챔버(100)는 가이드 스페이서(60) 및 드래그부(D) 사이에 마련될 수 있다. 구체적으로, 버퍼 챔버(100)는 가이드 스페이서(60) 및 나사 홈 유로부(50) 사이에 마련될 수 있다.

도 2, 도 4 및 도 5를 참조하면, 버퍼 챔버(100)의 유입구(I)는 가이드 스페이서(60)의 일부 영역이 드래그부(D)와 이격되어 형성될 수 있다. 구체적으로, 버퍼 챔버(100)의 유입구(I)는 가이드 스페이서(60)의 일부 영역이 나사 홈 유로부(60)와 이격되어 형성될 수 있다. 상기 유입구(I)의 간격(폭)은 터보부 및 드래그부의 처리 용량 및 터보부의 단수 등을 고려하여, 적절하게 설정할 수 있다. 예를 들어, 상기 유입구(I)의 간격(폭)은 약 0.1 내지 10mm일 수 있고, 상기 유입구(I)의 간격(폭)은 약 0.5 내지 5mm일 수 있다.

또한, 상기 터보 분자 펌프(1)에는 가이드 스페이서(60) 및 제2 하우징(14) 사이에 온도조절장치(70)가 배치될 수 있다. 또한, 온도조절장치는 가이드 스페이서(60) 내에 삽입될 수 있다. 일 실시예로, 상기 온도조절장치(70)는 냉각을 위한 장치로서, 일예로 수냉관일 수 있다.

이러한 구조에서, 상기 수냉관이 작동할 때, 수냉관 및 나사 홈 유로부(50) 사이에 버퍼 챔버(100)가 위치되어, 냉각효과가 나사 홈 유로부(50)에 직접 전달되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 나사 홈 유로부(50)는 고체 부산물 생성 방지를 위해 공정가스의 승화곡선보다 높은 온도를 유지할 수 있다.

또한, 버퍼 챔버(100)에 인접하여 수냉관이 위치해있기 때문에, 버퍼 챔버(100) 내부로 들어온 공정가스는 고체부산물로 승화될 수 있으며, 버퍼 챔버(100)가 고체 부산물을 포집하는 역할도 할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 버퍼 챔버(100)는, 회전 축의 중심축을 기준으로 회전 블레이드(31 ~ 37)의 회전방향(R)을 따라 연장 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼 챔버(100)는, 회전 블레이드(31 ~ 37)의 회전방향을 따라 연속하여 형성된 링 형상의 공간일 수 있다.

또한, 버퍼 챔버(100)는 유입 측(I)에서 배기관(80) 측을 향하는 방향을 따라 적어도 일부에서 유동 단면적이 증가하도록 마련될 수 있다.

터보부의 회전축(20)의 중심축 방향에 따른 버퍼 챔버의 높이(H)는 드래그부(D)의 높이보다 작을 수 있다. 구체적으로, 회전축(20)의 중심축 방향에 따른 버퍼 챔버의 높이(H)는 나사 홈 유로부(50)의 높이보다 작을 수 있다.

또한, 버퍼 챔버(100)는 유입구(I) 측에서 챔버 내부로 갈수록 폭(L)이 증가할 수 있다. 상기 버퍼 챔버(100)의 단면은 도 4와 같이, 다각형상일 수도 있고, 이와는 다르게 원형 또는 타원형일 수도 있다.

도 5를 참조하면, 터보 분자 펌프(1)는 버퍼 챔버(100) 및 배기관(80)을 연결하는 바이패스 유로(110)를 포함할 수 있다.

버퍼 챔버(100) 내부로 유입된 기류는 바이패스 유로(110)를 통해 배기관(80)으로 유동할 수 있다.

또한, 터보 분자 펌프(1)는 버퍼 챔버(100)에서 배기관(80)을 향하는 방향의 유동만을 허용하도록 바이패스 유로(110)에 배치된 체크 밸브(120)를 포함할 수 있다. 상기 체크밸브(120)는 바이패스 유로(110)에서 역류를 방지하기 위한 것으로, 버퍼 챔버(100)에서 배기관(80)을 향하는 방향의 유동만을 허용하고, 배기관(80) 측에서 버퍼 챔버(100)를 향하는 방향의 유동을 허용하지 않도록 마련된다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1: 터보 분자 펌프
10: 케이스
100: 버퍼 챔버

Claims (12)

1. 회전 블레이드 및 스테이터를 포함하고, 가스 분자를 배기하는 터보부;
   터보부의 하류에 배치되어 나사 홈 유로부를 통해 가스 분자를 배기하는 배기하는 드래그부;
   드래그부와 연결된 배기관;
   터보부 및 드래그부를 연결하는 연결 유로와 유체 이동 가능하게 연결된 버퍼 챔버; 및
   버퍼 챔버 및 배기관을 연결하는 바이패스 유로를 포함하는 터보 분자 펌프.
2. 제 1 항에 있어서,
   버퍼 챔버는 터보부를 통과한 가스 분자의 적어도 일부가 드래그부로 유입되기 이전에, 버퍼 챔버 내부로 유입되도록 배치된 터보 분자 펌프.
3. 제 1 항에 있어서,
   버퍼 챔버는, 회전 블레이드의 회전방향을 따라 연장 형성된 터보 분자 펌프.
4. 제 1 항에 있어서,
   버퍼 챔버는, 회전 블레이드의 회전방향을 따라 연속하여 형성된 링 형상인 터보 분자 펌프.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   버퍼 챔버는 유입 측에서 배기관 측을 향하는 방향을 따라 적어도 일부에서 유동 단면적이 증가하도록 마련된 터보 분자 펌프.
7. 제 1 항에 있어서,
   버퍼 챔버에서 배기관을 향하는 방향의 유동만을 허용하도록 바이패스 유로에 배치된 체크 밸브를 추가로 포함하는 터보 분자 펌프.
8. 제 1 항에 있어서,
   터보부를 둘러싸는 제1 하우징;
   드래그부를 둘러싸며, 배기관이 장착된 제2 하우징; 및
   터보부가 안착되며, 제1 및 제2 하우징 사이에 배치된 가이드 스페이서를 추가로 포함하며,
   버퍼 챔버는 가이드 스페이서 및 드래그부 사이에 마련된 터보 분자 펌프.
9. 제 8 항에 있어서,
   가이드 스페이서 및 제2 하우징 사이에 온도조절장치가 배치된 터보 분자 펌프.
10. 제 9 항에 있어서,
    온도조절장치는 가이드 스페이서 내에 삽입된 터보 분자 펌프.
11. 제 8 항에 있어서,
    버퍼 챔버의 유입구는 가이드 스페이서의 일부 영역이 드래그부와 이격되어 형성된 터보 분자 펌프.
12. 제 1 항에 있어서,
    터보부의 중심축 방향에 따른 버퍼 챔버의 높이는 드래그부의 높이보다 작은 터보 분자 펌프.
    

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