KR20010051783A - 진공 배기 장치 - Google Patents

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키요시 안도
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마코토 오키추
테이진 세이키 가부시키 가이샤
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Abstract

본 발명은, 압력차로 인한 동력을 감소시킴으로써, 흡입측 압력이 최종 압력에 도달하거나 소정 진공도가 되었을 때 높은 에너지 효율을 가지는 진공 배기 장치에 관한 것이다. 진공 배기 장치(100)는 각각 스크류 진공 펌프로 구성되는 러핑 진공 펌프(B) 및 부스터 펌프(A)를 가지며, 러핑 스크류 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도는 부스터 펌프(A)의 설계 펌핑 속도보다 충분히 작지만 러핑 진공 펌프로 작동되기에는 적합하며, 상기 부스터 펌프(A)의 나선수는 러핑 진공 펌프(B)의 나선수보다 작다.

Description

진공 배기 장치{Evacuating apparatus}
본 발명은 반도체 제조 공장의 진공 챔버를 배기하는데 사용되는 진공 배기 장치에 관한 것이다.
반도체 진공 장치들에 있어서, 배기되는 챔버가 약 10-3Pa의 진공도를 달성할 수 있고, 오일 입자들은 배기되는 챔버로 들어가지 않아야 하는 것이 특히 중요하다. 그러므로, 스크류 진공 펌프(JP-B-7-9239)가 일단으로 이러한 요구를 충족시키는 진공 펌프로 제안되었으며, 이 펌프는 (높은 압축률 및 넓은 작동 압력 범위를 가지며) 일단으로 대기압으로부터 약 10-3Pa까지 배기할 수 있고 오일이 없다.
그러나, 스크류 진공 펌프는 다음과 같은 근본적인 문제점을 가진다.
(1) 스크류 진공 펌프는 배출될 가스 입자들을 수용하고 운반하는데 스크류홈이 사용되기 때문에 컨덕턴스(conductance)가 작다. 따라서, 펌핑 속도가 입자 흐름 범위로 느리다.
(2) 스크류 진공 펌프는 암스크류와 수스크류의 맞물리는 면들 사이, 및 스크류의 외주와 하우징의 내주 사이에 공극이 필요하다. 따라서, 기밀성이 나쁘고, 이는 도달 진공도(ultimate vacuum)를 달성하는데 역효과가 있다.
(3) 상술한 바와 같이, 스크류 진공 펌프는 기밀성이 나쁘고 러핑 진공 펌프(a roughing vacuum pump)로 사용될 때 대기측으로부터 역류되는 공기를 재압축하여 배출하는데 큰 동력을 소모한다(동력 손실). 특히, 높은 펌핑 속도를 가지는 스크류 진공 펌프에 대해, (2)항에서 한정된 바와 같은 공극 총량이 커져 동력 손실은 커지는 경향이 있다. 또한, 스크류 펌프가 러핑 진공 펌프로 사용될 때 스크류 펌프는 큰 동력 손실을 발생시키며, 이러한 동력 손실은, 이미 흡입측이 필요한 진공도에 도달했더라도, 흡입측과 대기측 간의 압력차에 의해 초래된다.
상술된 바와 같은 스크류 진공 펌프의 근본적인 문제점에 대해 다음의 해결 수단이 종래에 제안되었다.
(A) 우선, (1)항의 컨덕턴스 문제를 해결하기 위하여, 스크류 진공 펌프는 컨덕턴스 문제가 훨씬 적은 러핑 진공 펌프로 사용되고 부스터 펌프(booster pump)는 큰 컨덕턴스를 가지는 루츠식 진공 펌프(Roots vacuum pump)인 수단이 제안되었다.
그러나, 이러한 이단 펌프에 있어서, 루츠식 진공 펌프는 압축비가 작기 때문에, 러핑 진공 펌프로서의 스크류 펌프의 펌핑 속도는 너무 작아질 수 없다. 러핑 진공 펌프의 펌핑 속도가 줄어들 수 없다는 사실 때문에, 러핑 진공 펌프를 구동하기 위한 모터의 용량은 감소될 수 없고, (3)항에서 기술된 각 동력 손실은 감소될 수 없다. ((2)항의 문제점이 여전히 존재한다.)
(B1) (2)항의 기밀성에 관한 문제를 해결하기 위하여, 기밀성을 향상시키도록, 일단으로 사용되는 스크류 펌프에 많은 나선수를 제공함으로써 유체를 운반하기 위한 다수의 챔버들이 흡입 포트와 배출 포트 사이에 제공되는 수단이 제안되었다(JP-B-7-9239). 그러나, 이러한 해결 수단은 스크류의 축선 방향 길이가 증가되어, 장치가 훨씬 커진다. 또한, 많은 나선수 때문에 (3)항의 문제점들이 간단하게 해결되지 않는다.
(B2) 유사하게, (2)항의 기밀성에 관한 문제를 해결하기 위하여, 스크류 진공 펌프는 기밀성 문제가 훨씬 적은 부스터 펌프로 사용되고 기밀성이 우수한 다이어프램 펌프(diaphragm pump) 또는 오일로 밀봉된 회전 진공 펌프(oil-sealed rotary vacuum pump)가 러핑 진공 펌프로 사용되는 수단이 제안되었다(JP-A-62-243982). 오일로 밀봉된 진공 펌프는 대개 배출 포트에 체크 밸브가 제공되기 때문에, 대기측으로부터 공기가 역류되는 것을 방지할 수 있어 (3)항에 기술된 각 동력 손실은 감소될 수 있다.
그러나, 이러한 이단 펌프에 있어서, 기밀성이 우수한 다이어프램 펌프 또는 오일-밀봉된 회전 진공 펌프가 러핑 진공 펌프로 사용될 필요가 있기 때문에, 예를 들어 다이어프램 펌프의 경우, (배기 챔버를 통해 흐르는 반응 가스로부터 만들어지는) 반응물들이 펌프 내부에 남을 수 있다. 반응물들이 남으면, 배기 성능은 크게 저하되고 수리하는데 많은 비용과 시간이 소요될 것이다. 또한, 오일로 밀봉된 회전 진공 펌프의 경우, 배기 챔버가 오일 입자들로 오염될 위험이 있으며, 오일은 반응 가스 때문에 짧은 시간 내에 품질이 저하될 수 있고, 자주 교환되어야 하는 문제점이 있다.
(C1) (3)항의 동력 손실에 관한 문제를 해결하기 위하여, 펌핑 속도가 매우 작은 마이크로 펌프가 러핑 스크류 진공 펌프의 배기측에 제공되는 수단이 제안되었다(JP-A-7-119666, JP-A-10-184576). 마이크로 펌프의 펌핑 속도는 진공 챔버를 통해 흐르는 적은 양(150cc/min 이하)의 반응 가스를 흡입하고 배출하기에 충분히 크다(펌핑 속도는 러핑 진공 펌프의 펌핑 속도의 수백분의 일 이하이다). 달리 말하면, 펌핑 속도는 매우 작게 세팅된다. 따라서, 마이크로 펌프에 작용하는 압력차로 인한 역토크 또한 매우 작아지기 때문에, 동력 손실은 매우 작아진다.
그러나, 이러한 해결책은 러핑 스크류 진공 펌프가 대기압으로부터 고진공 상태로, 즉 가스의 점성 흐름 영역으로부터 입자 흐름 영역으로 계속해서 배기하는 것이다. 따라서, 점성 흐름 영역(러핑 배기)의 기밀성을 향상시키도록, 나선수가 증가되고 스크류와 하우징 사이의 공극이 줄어들 필요가 있다. 그리고, 입자 흐름 영역에서 펌핑 속도를 만족시키도록, 가스 운반량은 반드시 커야 한다. 따라서, 스크류 진공 펌프는 반경 및 축선 방향으로 커지며, 열팽창으로 인한 공극 편차의 문제점이 심각하게 발생된다. 결과적으로, 스크류를 매우 정밀하게 가공해야 하고 스크류 수용 챔버(하우징)가 필요하여 비용이 훨씬 높아진다. 대용량의 스크류 진공 펌프가 대기압 근처로 가스를 배출하기 때문에, 스크류 진공 펌프를 구동하기 위한 모터 또한 그 용량이 커야 한다.
(C2) 유사하게, (3)항의 동력 손실에 관한 문제를 해결하기 위하여, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 많은 나선수를 가지며 또한 작은 용적의 운반 챔버를 배출측에 가짐으로써, 스크류 진공 펌프가 일단으로 사용되는 수단이 제안되었다. 이하, 본 발명을 용이하게 이해하도록 이러한 종래의 예를 설명한다.
하우징(210)의 내측에 형성된 로터 수용 챔버(210b)는 5 대 4의 잇수비를 가지는 암, 수 스크류 로터들(220f, 220)로 이루어진 주 스크류 로터(220) 및 5 대 4의 잇수비를 가지는 다른 암, 수 로터들(230f, 230m)로 이루어진 보조 스크류 로터(230)를 회전 가능하게 수용한다.
모터(243)가 회전되면, 모터(243)에 연결된 수 로터들(230m, 220m)이 회전되는 동시에 타이밍 기어들(241, 242)을 통해 암 로터들(220f, 230f)이 회전된다. 이렇게, 주 및 보조 로터들(220, 230)이 구동되어 회전되면, 배기 챔버 내의 가스는 흡입 포트(210a)를 통해 하우징(210) 내부로 흡입되고, 운반되고 압축되며, 그리고 배출 포트(210c)를 통해 외부로 배출된다.
그런데, 배출 작동시 용적이송식 진공 펌프(200, positive displacement vacuum pump)에 필요한 동력은 흡입된 압축 유체를 배출 포트(210c)로 운반하기 위한 운반 동력, 흡입 포트(210a)로부터 배출 포트(210c)까지 훨씬 작은 용적이송식 펌프(200)의 운반 챔버 용적으로 인한 용적 압축 동력, 주 스크류 로터(220) 또는 보조 스크류 로터(230)와 하우징(210) 사이에 형성된 공극을 통해 고압측, 즉 배출측으로부터 저압측, 즉 흡입측으로 역류되는 압축 유체를 다시 배출 포트(210c)로 운반하기 위한 동력, 및 흡입측 및 배출측 간의 압력차로 인해 압축 유체로부터 가해지는 힘에 대항하는 동력(이하 압력차로 인한 동력이라 한다)으로 나누어진다.
배출 작동시 용적이송식 진공 펌프(220)에 필요한 동력의 크기는 흡입 포트(210a) 근처 또는 배출 포트(210c) 근처의 압축 유체의 압력에 따라 상이할 것이다. 예를 들어, 대기압과 같은 내부 압력을 가지는 고정된 용적의 용기(이하 배기 용기라 한다)가 용적이송식 진공 펌프(200)에 의해 흡입 포트(210a)를 통해 배기될 때, 흡입 포트(210a) 근처의 압축 유체의 압력은 시간에 따라 감소되어, 최종적으로 도달 압력(ultimate pressure)까지 내려간다. 그러나, 적은 량의 가스가 흡입 포트(210a)로 흐를 때, 흡입 포트(210a) 근처의 압축 유체는 도달 압력에 도달하지 않고, 소정 진공도가 된다. 따라서, 배출이 시작될 때, 흡입 포트(210a) 근처의 압축 유체 및 배출 포트(210c) 근처의 압축 유체는 모두 대기압과 동등하며, 필요한 동력은 주로 용적 압축 동력이다. 그러나, 배기 용기 내의 가스가 도달 압력에 도달하거나 소정 진공도가 되었을 때, 배기 포트(210c) 근처의 압축 유체와 흡입 포트(210a) 근처의 압축 유체 사이에 큰 압력차가 있으며, 필요한 동력은 주로 압력차로 인한 동력이다.
보통, 대부분의 경우에 있어서 진공 펌프는 고정된 용적의 용기를 진공으로 유지하는데 사용되기 때문에, 진공 펌프가 작동할 때 필요한 동력, 즉 소비 동력은 압력차에 의해 발생되는 동력이 대부분이다. 따라서, 진공 펌프의 에너지 절약은 압력차로 인한 동력을 감소시킴으로써 달성될 수 있다.
여기서, 로터의 토크를 T, 로터의 회전 속도를 N, 상수를 a로 가정하면, 스크류 진공 펌프의 각 암, 수 로터들의 압력차로 인한 소비 동력 W는 다음 (1)식으로 주어질 수 있다.
W=a×T×N (1)
또한, 로터의 회전 축선과 평행한 방향으로 변환된 고압측 압력 영역을 A1, 고압측의 평균 압력을 P1, A1 영역의 중심으로부터 로터의 회전 중심까지의 거리를 L1, 로터의 회전 축선과 평행한 방향으로 변환된 저압측 압력 영역을 A2, 저압측의 평균 압력을 P2, A2 영역의 중심으로부터 로터의 회전 중심까지의 거리를 L2로 가정하면, 토크 T는 다음의 (2)식으로 주어질 수 있으며, 여기서 고압측은 배출측을 의미하고 저압측은 흡입측을 의미한다.
T=A1×P1×L1-A2×P2×L2 (2)
위의 (2)식에 있어서, A1, A2, L1, 및 L2는 진공 펌프의 구조에 따라 변화될 수 있다. (1)식 및 (2)식에 따라, 토크 T가 작아지도록 진공 펌프의 구조를 결정함으로써 압력차로 인한 동력 W는 감소될 수 있다.
그러나, 실제적으로, A2와 L2는 진공 펌프의 펌핑 속도가 세팅되면 반드시 결정되는 수치들이다. 배기 용기 내의 가스가 도달 압력에 도달되거나 소정 진공도가 되었을 때, 즉 흡입측 압력이 어느 정도까지 낮아졌을 때, 흡입측 압축 유체의 압력으로 인한 힘은 무시될 수 있다. 따라서, 압력차로 인한 동력 W는 A1과 L1, 즉 보조 스크류 로터(230)의 잇공간(tooth space)과 하우징(210)에 의해 형성되며, 배출 포트(210c, 대기압)와 소통되는 운반 챔버(230A, 이하 배출측 운반 챔버라 한다)의 용적을 줄이는 것에 의해 감소될 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 진공 펌프에 있어서, 배출측 운반 챔버(230A)를 형성하는 보조 스크류 로터(230)의 외경 및 하우징(210)의 내경은 각각 주 스크류 로터(220)의 외경 및 하우징(210)의 내경과 같다. 그러므로, 흡입 포트(210a)를 차단하고 나서 바로 주 스크류 로터(220)의 잇공간과 하우징(210)에 의해 형성되는 운반 챔버(220A, 이하 흡입측 운반 챔버라 한다)의 용적이 설계 펌핑 속도(입력축의 일회전당 가스 운반 용적을 입력축의 단위 시간당 회전 속도로 곱한 값)를 증가시키도록 크게 설계되면, 배출측 운반 챔버(230A)의 용적을 최적의 크기로 줄이는 것이 어려웠다.
즉, 스크류 펌프의 경우에 있어서, 가스 운반 챔버는 암, 수 로터들이 맞물리는 것에 의해 형성된다. 따라서, 종래의 진공 펌프는 흡입측 운반 챔버(220A)를 형성하는 암, 수 로터들(220f, 220m)의 외경이 배출측 운반 챔버(230A)를 형성하는 암, 수 로터들(230f, 230m)의 외경과 같기 때문에, θ2의 리드각을 가지는 중간 운반 챔버(230B)는 배출측 운반 챔버(230A)의 용적을 줄이도록, 도 11에 도시된 바와 같이, 보조 스크류 로터(230)의 리드각 θ2를 더 작게 만드는 것에 의해 줄어들 수 있다. 그러나, 리드각 θ2를 더 작게 만드는데 작업상의 제한이 있다. 결과적으로, 중간 운반 챔버(230B)의 용적은 흡입측 운반 챔버(220A)의 용적의 1/3까지만 줄어들 수 있다. 중간 운반 챔버(230B)의 용적이 줄어들 수 없다는 사실로 인하여, 결과적으로 배출측 운반 챔버(230A) 또한 줄어들 수 없다. 보다 상세하게는, 배출측 운반 챔버(230A)의 용적은 중간 챔버(230B)의 용적의 대략 1/5까지만 줄어들 수 있었다.
루츠식 또는 클로식(claw) 진공 펌프가 관련될 때, 배출측 운반 챔버의 용적을 줄이도록 축선 방향의 로터 폭은 반드시 감소되어야 하지만, 축선 방향으로 로터 폭을 감소시키는데 한계가 있다. 흡입측 운반 챔버의 용적이 설계 펌핑 속도를 증가시키도록 크게 설계되면, 배출측 운반 챔버의 용적을 최적 크기로 줄이는 것이 어렵다.
이렇게, 도 11 및 도 12에 도시된 스크류 진공 펌프에 있어서, 배출측 운반 챔버의 용적을 최적 크기로 줄이는 것이 어려웠다. 그러므로, 압력차로 인한 동력은 감소될 수 없었고, 흡입측 압력이 도달 압력에 도달하거나 소정 진공도가 될 때 에너지 효율은 낮았다.
또한, 스크류의 축선 방향 길이가 길어져, (B)항에서 기술된 바와 같이, 장치가 커진다.
상술한 바와 같이, 스크류 진공 펌프를 사용하는 종래의 진공 배기 장치에 있어서, 스크류 펌프의 근본 문제점, 즉 컨덕턴스, 기밀성, 및 소비 동력과 관련한 문제점들을 개별적으로 해결하기 위한 수단들은 제안되었다. 그러나, 모든 문제점들을 해결하기 위한 수단은 없었으며, 한편으로 이러한 해결 수단들은 장치가 커진다든지 유지 보수가 곤란하다는 등의 새로운 문제점을 야기한다.
본 발명은 스크류 진공 펌프를 사용하는 이러한 진공 배기 장치의 문제점들을 해결하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진공 배기 장치의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 진공 배기 장치의 부분 확대 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 진공 배기 장치의 스크류부의 확대도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공 배기 장치의 단면도.
도 5는 도 4의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 취한 것으로, 암, 수 스크류 로터들(320f, 320m)의 회전 평면을 도시한 단면도.
도 6은 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 취한 것으로, 암, 수 스크류 로터들(350f, 350m)의 회전 평면을 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공 배기 장치의 흡입측 압력과 펌핑 속도 사이의 관계를 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 부스터 펌프(A)의 흡입측을 통해 어떤 가스도 흐르지 않을 때 흡입측 압력과 모터(343)의 회전 속도 사이의 관계를 도시한 그래프.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 부스터 펌프(A)의 흡입측을 통해 적은 량의 가스가 흐를 때 흡입측 압력과 모터(343)의 회전 속도 사이의 관계를 도시한 그래프.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 부스터 펌프(A)의 흡입측 압력과 배출측(또는 러핑 진공 펌프의 흡입측) 압력 사이의 관계를 도시한 그래프.
도 11은 종래의 진공 배기 장치의 단면도.
도 12는 도 11에 도시된 진공 배기 장치의 스크류부를 도시한 전개도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
A : 부스터 펌프 B : 러핑 진공 펌프
100 : 진공 배기 장치 110 : 하우징
110a : 흡입 포트 110e : 배출 포트
120 : 주 스크류 로터
120A : 부스터 펌프의 흡입측 운반 챔버
120m : 주 스크류 로터의 수 스크류 로터
120f : 주 스크류 로터의 암 스크류 로터
143 : 모터 150 : 보조 스크류 로터
150A : 러핑 펌프의 배출측 운반 챔버
150m : 보조 스크류 로터의 수 스크류 로터
150f : 보조 스크류 로터의 암 스크류 로터
상술된 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 각각 스크류 진공 펌프로 구성되는 러핑 진공 펌프 및 부스터 펌프를 가지며, 러핑 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도(입력축의 일회전당 가스 운반 용적을 입력축의 단위 시간당 회전 속도로 곱한 값)는 부스터 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도보다 충분히 작지만 러핑 진공 펌프로 작동되기에는 적합하며, 러핑 스크류 진공 펌프의 나선수(암, 수 스크류의 잇수가 상이할 때 더 많은 잇수를 가지는 스크류의 나선수)는 부스터 스크류 진공 펌프의 나선수보다 큰 진공 배기 장치를 제공한다.
1) 상술된 구성으로서는, 일반적인 특성에 따라 높은 압축비를 가지는 스크류 진공 펌프가 부스터 펌프로 사용되기 때문에, 러핑 진공 펌프의 설계 펌핑 속도가 낮더라도(작더라도) 시스템 전체로서 높은 펌핑 속도가 달성될 수 있다.
2) 더욱이, 러핑 스크류 펌프의 설계 펌핑 속도는 부스터 펌프의 설계 펑핑 속도보다 상당히 작지만, 러핑 진공 펌프로 작동하기에는 적합하다. 따라서, 부스터 펌프는 흡입측 대기압으로부터의 배출 능력이 필요없어 작고 간단한 구조를 가질 수 있다. 다른 한편으로, 흡입측이 도달 압력에 도달하거나 소정 진공도가 된 상태에서러핑 진공 펌프는 압력차로 인한 동력 손실을 줄일 수 있다.
3) 러핑 스크류 펌프의 설계 펌핑 속도가 상술된 바와 같이 충분히 작기 때문에, 그 스크류의 반경이 줄어들 수 있다. 따라서, 축방향으로 초래되는 열팽창으로 인한 공극 편차는 반경 방향으로 전개되는 공극이 작아지도록 감소될 수 있다. 결과적으로, 총 가스 누설 공간은 줄어들고, 기밀성은 향상될 수 있다.
4) 이렇게, 러핑 스크류 펌프의 기밀성이 향상될 수 있기 때문에, 기밀성을 개선하도록 나선수를 증가시킬 필요가 없으며, 러핑 진공 펌프의 축선 방향 길이는 축소될 수 있다.
5) 러핑 진공 펌프의 기밀성이 개선될 수 있기 때문에, 높은 진공도가 달성될 수 있고, 부스터 펌프용 스크류의 나선수가 작거나 스크류와 하우징 사이의 공극이 정밀도가 낮더라도 부스터 펌프의 축선 방향 길이는 줄어들 수 있다.
6) 부스터 펌프용 스크류의 나선수가 줄어들 수 있기 때문에, 컨덕턴스가 증가되도록 부스터 펌프용 스크류의 리드각을 증가시키는 것에 의해 축선 방향 길이는 과도해지지 않을 수 있다.
7) 간단한 구조의 스크류 진공 펌프가 러핑 진공 펌프용 및 부스터 펌프용으로 채택되기 때문에, 배출 통로가 훨씬 간단해지고 짧아진다. 따라서, 반응물들은 쉽게 배출 통로를 막지 않으며, 비록 막거나 서로 고착되더라도, 제거될 수 있어 용이하게 보수될 수 있다.
본 발명에 따른 진공 배기 장치에 있어서, 러핑 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도는 부스터 스크류 진공 펌프의 1/5 내지 1/100이다.
이러한 구성으로, 종래의 진공 배기 장치보다 에너지 효율이 더 높은 진공 배기 장치가 확실히 제공될 수 있다. 부스터 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도에 관한 러핑 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도가 작아질수록, 소비 동력은 더 적어진다. 그러나, 러핑 진공 펌프의 설계 펌핑 속도가 너무 작으면, 배기 용기가 대기압으로부터 도달 압력으로 배기되는 경과 기간에서 배기 시간이 길어지는 위험이 있다. 따라서, 소비 동력과 배출 시간을 모두 고려하여, 러핑 진공 펌프의 설계 펌핑 속도는 부스터 펌프의 설계 펌핑 속도의 1/5 내지 1/100인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 진공 배기 장치에 있어서, 부스터 스크류 진공 펌프의 스크류의 나선수는 상기 부스터 펌프의 흡입 포트 또는 배출 포트 중 어느 것과도 소통되지 않는 적어도 하나의 가스 운반 챔버가 형성되는 대체로 1 또는 다수의 나선수이다.
이러한 구성으로, 장치의 크기에 크게 영향을 미칠 수 있는 부스터 스크류 진공 펌프의 축선 방향 길이가 실질적으로 최소화될 수 있어, 장치는 훨씬 작아질 수 있다.
본 발명에 따른 진공 배기 장치에 있어서, 러핑 스크류 진공 펌프의 스크류의 나선수는 3 내지 10이다.
이러한 구성으로, 부스터 스크류 진공 펌프의 기밀성이 개선되지 않을지라도 진공 배기 장치의 기밀성은 전체로서 우수하게 유지될 수 있으며, 러핑 진공 펌프의 축선 방향 길이는 너무 과도해지지 않는다.
본 발명에 따른 진공 배기 장치에 있어서, 부스터 스크류 진공 펌프의 스크류 리드각은 러핑 스크류 진공 펌프의 스크류 리드각보다 크다.
이러한 구성으로, 부스터 스크류 펌프의 축선 방향 길이는 리드각과 일치하여 훨씬 크지만, 컨덕턴스는 증가될 수 없다. 한편, 러핑 진공 펌프의 축선 방향 길이는 커지지 않는다.
본 발명에 따른 진공 배기 장치에 있어서, 부스터 진공 펌프의 흡입측 압력이 대기압으로부터 대략 13,300Pa로 될 때까지는 러핑 스크류 진공 펌프만 구동되며, 부스터 스크류 진공 펌프의 흡입측 압력이 대략 13,300Pa 이하로 될 때 부스터 펌프는 구동되기 시작한다.
이러한 구성으로, 부스터 펌프를 구동하는데 필요한 동력은 작을 수 있으며, 구동 모터는 적은 용량을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 진공 배기 장치에 있어서, 부스터 스크류 진공 펌프 및 러핑 스크류 진공 펌프의 각 구동 모터들은 부스터 스크류 진공 펌프의 흡입측 압력이 비교적 높은 범위에서 배출 시간을 단축하도록 가능한 한 높은 회전 속도로 회전되고, 부스터 스크류 진공 펌프의 흡입측 압력이 도달 압력 또는 비교적 낮은 압력에 도달되었을 때 부스터 스크류 진공 펌프용 구동 모터의 회전 속도는 필요한 진공도를 유지하도록 최저 회전 속도로 감소되며, 러핑 스크류 진공 펌프용 구동 모터의 회전 속도는 부스터 펌프의 역압이 그 임계 역압 이하로 유지되는 범위에서 가능한 한 낮은 속도로 감소되어 필요한 동력은 감소된다.
이러한 구성으로, 배기 챔버를 대기압으로부터 배출하는 펌핑 속도가 증가될 수 있으며, 소비 동력은 줄어들 수 있다.
본 개시는 참조에 의해 여기에 명백하고도 완전하게 통합된 일본 특허 출원 평11-326276호(1999년 11월 17일 출원) 및 2000-213110호(2000년 7월 13일 출원)에 포함된 요지와 관련되어 있다.
도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
[제 1 실시예]
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진공 배기 장치(100)를 설명한다.
진공 배기 장치(100)는 기계적인 부스터 펌프로서의 스크류 진공 펌프(A)와 러핑 진공 펌프로서의 스크류 진공 펌프(B)로 구성되어 있다. 여기에 사용된 용어들에 있어서, "주"는 "부스터 스크류 진공 펌프"를 의미하고, "보조"는 "러핑 스크류 진공 펌프"를 의미한다.
진공 배기 장치(100)는 주 스크류 로터(120, 부스터 스크류 진공 펌프용 스크류 로터) 및 주 스크류 로터(120)보다 작은 외경을 가지는 보조 스크류 로터(150, 러핑 스크류 진공 펌프용 스크류 로터)를 포함한다. 주 스크류 로터(120)는 암, 수 스크류 로터(120f, 120m)로 구성되고, 보조 스크류 로터(150)는 암, 수 스크류 로터들(150f, 150m)로 구성된다.
주 스크류 로터(120)는 하우징(110)의 내측에 형성된 주 로터 수용 챔버(110b) 내에 수용된다. 보다 상세하게, 암 로터(120f)는 베어링들(131, 132, 133)에 의해 하우징(110)에 회전가능하게 지지되고, 수 로터(120m)는 베어링들(134, 135, 136)에 의해 하우징(110)에 회전가능하게 지지된다. 여기서, 실들(seals; 137, 138, 139, 140)은 베어링들(131, 132, 133, 134, 135, 136)을 주 로터 수용 챔버(110b)로부터 격리함으로써, 베어링들(131, 132, 133, 134, 135, 136)의 윤활유가 주 로터 수용 챔버(110b)로 누설되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 주 로터 수용 챔버(110b)로부터 외부의 이물질이 베어링들(131, 132, 133, 134, 135, 136)로 유입되는 것을 방지한다.
보조 스크류 로터(150)는 하우징(110)의 내측에 형성된 보조 로터 수용 챔버(110d) 내에 수용된다. 보다 상세하게, 암 로터(150f)는 베어링들(161, 162, 163)에 의해 하우징(110)에 회전가능하게 지지되고, 수 로터(150m)는 베어링들(164, 165, 166)에 의해 하우징(110)에 회전가능하게 지지된다. 여기서, 실들(167, 168, 169, 170)은 베어링들(161, 162, 163, 164, 165, 166)을 보조 로터 수용 챔버(110d)로부터 격리함으로써, 베어링들(161, 162, 163, 164, 165, 166)의 윤활유가 보조 로터 수용 챔버(110d)로 누설되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 보조 로터 수용 챔버(110d)로부터 외부의 이물질이 베어링들(161, 162, 163, 164, 165, 166)로 유입되는 것을 방지한다.
여기서, 러핑 진공 펌프(B)용 배출측 운반 챔버(150A)의 용적은 부스터 펌프(A)용 흡입측 운반 챔버(120A)의 용적의 1/5 이하로 설계된다.
러핑 진공 펌프로서의 스크류 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도(입력축의 일회전당 가스 운반 용적을 입력축의 단위 시간당 회전 속도로 곱한 값)는 420L/min(모터(173)에 대해 4500rpm의 정격 회전 속도)이고, 기계적인 부스터 펌프로서의 스크류 진공 펌프(A)의 설계 펌핑 속도는 8500L/min(모터(143)에 대해 6800rpm의 정격 회전 속도)이다. 달리 말하면, 러핑 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도는 부스터 진공 펌프(A)의 설계 펌핑 속도의 대략 1/20(입력축의 일회전당 가스 운반 용적비로 환산하면 대략 1/13)로 설계된다. 이러한 방법으로, 러핑 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도가 부스터 펌프(A)의 설계 펌핑 속도보다 작기 때문에, 대기와 소통되는 러핑 진공 펌프(B)용 배출측 운반 챔버(150A)의 용적은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상당히 작다. 따라서, 러핑 진공 펌프(B)용 배출측 운반 챔버(150A)의 용적은 부스터 펌프(A)용 흡입측 운반 챔버(120A)의 용적보다 충분히 작다. 도 3의 대기와 소통되는 러핑 진공 펌프(B)용 배출측 운반 챔버(150A)의 우측면과 도 3의 배출 포트(110e)의 좌측면(하우징의 내측벽)의 관계는 대기와 소통되는 배출측 운반 챔버(150A)의 용적이 최소일 때에도 필요한 배기 통로 영역이 확보되도록 설계된다. 더욱 상세하게, 배출측 운반 챔버(150A)의 용적은 러핑 진공 펌프 자체의 흡입측 운반 챔버(150B)의 용적의 1/5로 감소될 수 있다.
주 로터 수용 챔버(110b)는 하우징(110)의 벽부에 형성되고, 하우징(110)의 외부로부터 하우징(110)의 내부로 압축된 유체를 흡입하기 위한 흡입 포트(110a)를 통해 하우징(110)의 외부와 소통된다. 주 로터 수용 챔버(110b) 및 보조 로터 수용 챔버(110d)는 하우징(110) 내에 형성된 소통 통로(110c)를 통해 소통된다. 보조 로터 수용 챔버(110d)는 하우징(110)의 벽부에 형성되고, 하우징(110)의 내부로부터 하우징(110)의 외부로 압축된 유체를 배출하기 위한 배출 포트(110e)를 통해 하우징(110)의 외부와 소통된다. 여기서, 흡입 포트(110a)는 고정된 용적을 가지며 도시되지는 않은 배기 챔버와 소통되고 , 배출 포트(110e)는 대기와 소통된다.
주 스크류 로터(120)용 암, 수 로터들(120f, 120m)의 일단부들에, 한 로터의 회전에 따라 다른 로터를 회전시키기 위한 타이밍 기어들(141, 142)은 서로 맞물리도록 고정된다. 또한, 주 모터(143)는 수 로터(120m)의 일단부에 일체로 연결된다.
하우징(110)은 제 1 주 하우징 부재(111), 제 2 주 하우징 부재(112), 제 3 주 하우징 부재(113), 제 4 주 하우징 부재(114), 제 1 보조 하우징 부재(115), 제 2 보조 하우징 부재(116), 제 3 보조 하우징 부재(117), 및 제 4 보조 하우징 부재(118)로 구성된다.
주 펌프측 암, 수 로터들(120f, 120m)은 스크류 잇수비가 6 대 5이며, 보조 펌프측 암, 수 로터들(150f, 150m) 또한 스크류 잇수비가 6 대 5이다. 주 펌프측 암, 수 로터들(120f, 120m)을 위한 스크류의 나선수는 1(여기서 언급된 "나선수 1"은 암 스크류(120f, 잇수 6)을 위한 나선수를 의미하며, "나선수"는 암, 수 스크류의 잇수가 상이할 때 더 많은 잇수를 가지는 스크류의 나선수를 의미한다)이며, 각 보조 펌프측 암, 수 로터들(150f, 150m)을 위한 스크류의 나선수는 5이다. 주 펌프측 암 로터(120f)의 스크류 리드각은 대략 45도이고, 보조 펌프측 암 로터(150f)의 스크류 리드각은 대략 12도이다.
여기서, 주 펌프측 암, 수 로터(120f, 120m)를 위한 스크류 나선수는 대체로 1이거나, 흡입 포트(110a)나 배출 포트(110c) 중 어느 것과도 소통되지 않는 적어도 하나의 가스 운반 챔버(예를 들면, 도 3에서 120B로 지시된 압축 공정에 포함된 챔버)가 형성되는 수이다. 이는 러핑 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도와 기밀성 사이의 관계로부터 본 실시예의 부스터 펌프(A)가 더 우수한 기밀성을 가질 필요가 없기 때문이다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진공 배기 장치(100)의 작용을 설명한다.
우선, 예를 들어 설명하면, 배기 용기(미도시) 내부의 가스는, 배기 용기 내의 압력이 대기압 근처로부터 대략 13,300Pa로 감소될 때까지, 러핑 스크류 진공 펌프(B)에 의해 배출된다.
보조 모터(173)의 구동에 의해 암, 수 로터들(150f, 150m)이 회전됨으로써, 배기 챔버 내의 가스는 배출된다. 그러면, 배기 챔버 내의 가스는 러핑 진공 펌프(B)에 의해 부스터 펌프(A)의 흡입 포트(110a)를 통하고, 부스터 펌프(A) 및 소통 통로(110c)를 경유하여 흡입되고, 배출 포트(110e)를 통해 대기로 배출된다.
부스터 스크류 진공 펌프(A)의 흡입측 압력이 대략 13,300Pa 이하로 떨어질 때, 부스터 펌프(A)는 구동되기 시작하며, 러핑 진공 펌프(B)용 로터들(150m, 150f)의 회전은 유지된다. 즉, 주 모터(143)를 구동하는 것에 의해 암, 수 로터들(120f, 120m)은 회전되며, 배기 챔버 내의 희박해진 가스는 러핑 진공 펌프(B)로 운반되어 배출된다. 또한, 러핑 진공 펌프(B)는 부스터 펌프(A)로부터 운반되고 배출 포트(110e)를 통해 대기로 배출되는 가스를 운반하고 압축한다. 이러한 방법으로, 배기 용기의 압력은 도달 압력까지 감소된다.
여기서, 부스터 펌프(A)가 낮은 압력을 가지는 가스를 배출하기 때문에, 부스터 펌프(A)를 구동하는데 필요한 동력이 작아 구동 모터는 적은 용량을 가질 수 있다.
러핑 진공 펌프로서의 스크류 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도는 420L/min(모터(173)에 대해 4500rpm의 정격 회전 속도)이고, 부스터 펌프로서의 스크류 진공 펌프(A)의 설계 펌핑 속도는 8500L/min(모터(143)에 대해 6800rpm의 정격 회전 속도)이도록 진공 펌프(100)는 설계된다. 즉, 러핑 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도가 부스터 펌프(A)의 설계 펌핑 속도의 대략 1/20로 설계되기 때문에, 압력차로 인한 동력은 통상의 것보다 작아질 수 있고, 흡입측 압력이 도달 압력에 도달하거나 소정 진공도가 될 때 에너지 효율은 향상될 수 있다.
이렇게, 에너지 효율이 향상되고 장치 구성이 간단한 본 실시예의 진공 배기 장치를 더 잘 이해하기 위해, 기계적 부스터 펌프로 적용되는 루츠식 진공 펌프를 비교예로서 설명한다.
루츠식 진공 펌프가 부스터 펌프용으로 사용될 때, 러핑 진공 펌프의 펌핑 속도는 반드시 증가되며, 이는 루츠식 진공 펌프가 대략 10 대 1의 작은 압축비(배출측 압력 대 흡입측 압력의 비)를 가지기 때문이다. 예를 들어, 흡입측 압력이 1Pa일 때 4,000L/min의 펌핑 속도를 가지는 부스터 펌프를 고려하면, 부스터 펌프의 흡입측 압력이 1Pa인 조건에서 4,000Pa·L/min로 부스터 펌프의 흡입 포트로부터 가스가 흐른다면, 압축비 관계로부터 부스터 펌프의 배출 포트 압력은 대략 10Pa이 된다. 그러므로, 이러한 시스템의 러핑 진공 펌프는 흡입 포트 압력이 대략 10Pa일 때 400L/min 이상의 펌핑 속도가 필요하고, 설계 펌핑 속도는 1000L/min 이상이기 때문에 대용량 펌프가 된다. 예를 들어, 스크류 펌프를 사용하는 경우, 스크류의 홈, 직경, 및 길이는 증가된다. 달리 말하면, 이전식(2)의 A1과 L1은 증가된다. 이렇게, 러핑 진공 펌프가 대용량을 가지면, 압력차로 인한 (식(2)로부터 유도되는) 소비 동력 또한 자연적으로 증가된다.
반대로, 부스터 펌프용으로 스크류 진공 펌프가 사용되었을 때, 중간 및 높은 진공 영역들에서 압축비는 1 대 100 이상으로 매우 큰 것으로 실험 결과 나타났다. 이로부터, 상술된 바와 동일한 조건(부스터 펌프는 흡입측 압력이 1Pa일 때 4,000L/min의 펌핑 속도를 가지는 것을 고려하면, 부스터 펌프의 흡입측 압력이 1Pa인 조건에서 4000Pa·L/min의 비율로 부스터 펌프의 흡입 포트로부터 가스는 흐른다) 하에서, 스크류 진공 펌프가 부스터 펌프용으로 사용될 때 배출측 압력은 대략 100Pa 정도로 높을 것이다. 그러므로, 이러한 시스템의 러핑 진공 펌프는 흡입 포트 압력이 100Pa일 때 대략 40L/min 정도로 작은 펌핑 속도를 가질 수 있다. 따라서, 러핑 진공 펌프의 가스 운반 용량은 충분히 작을 수 있다. 이렇게, 러핑 진공 펌프의 운반 용량이 감소될 수 있으면, 스크류의 홈, 직경, 및 길이는 자연적으로 감소될 수 있다. 즉 이전식(2)의 A1과 L1이 감소될 수 있으며, 압력차로 인한 소비 동력은 크게 감소된다.
여기서, 부스터 스크류 펌프(A)의 설계 펌핑 속도에 관한 러핑 스크류 펌프의 설계 펌핑 속도가 작아질수록, 소비 동력은 더 적어진다. 그러나, 러핑 진공 펌프의 설계 펌핑 속도가 너무 작으면, 배기 용기가 대기압으로부터 도달 압력으로 배출되는 경과 기간에서 배출 시간이 길어지는 불편함이 있다. 따라서, 소비 동력과 배출 시간을 모두 고려하여, 러핑 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도는 부스터 펌프(A)의 설계 펌핑 속도의 1/5 내지 1/100인 것이 바람직하다.
이러한 방법으로, 러핑 스크류 펌프(B)의 설계 펌핑 속도가 충분히 줄어들기 때문에, 스크류의 외경은 작아질 수 있다. 따라서, 반경 방향으로 발생되는 열팽창으로 인한 공극 편차는 더 작아지고, 반경 방향 공극은 훨씬 감소될 수 있다. 그 결과, 가스의 총 누설 공간은 작아지고, 기밀성은 향상된다. 그러므로, 러핑 스크류 펌프는 기밀성이 향상되도록 스크류의 나선수를 증대시킬 필요가 없다. 그리고, 축선 방향 길이는 감소된다. 더욱이, 부스터 펌프(A)용 스크류의 나선수가 감소되고 스크류와 하우징 간의 공극이 그 정밀도가 낮더라도, 높은 진공도가 달성될 수 있고, 부스터 스크류 펌프(A)의 축선 방향 길이는 감소될 수 있다.
여기서, 도달 진공도 및 축선 방향 길이의 관점에서, 부스터 펌프(A)의 암, 수 스크류 로터들(120f, 120m)을 위한 나선수는 부스터 펌프의 흡입 포트나 배출 포트 중 어느 것과도 소통되지 않는 적어도 하나의 가스 운반 챔버가 형성되는 대체로 1 또는 다수의 나선수이다. 기밀성을 고려하면 러핑 진공 펌프(B)의 암, 수 스크류 로터(120f, 120m)를 위한 나선수는 더 커야 하지만, 본 발명에서 있어서는 상술한 바와 같이 기밀성이 매우 우수하기 때문에 대략 3 내지 10일 수 있다.
이러한 방법으로, 부스터 펌프(A)의 축선 방향 길이는 감소될 수 있기 때문에, 컨덕턴스를 증가시키도록 부스터 펌프(A)용 스크류의 리드각이 증가되더라도 축선 방향 길이는 과도해지지 않는다.
여기서, 부스터 스크류 펌프(A)의 암 스크류 로터(120f)의 리드각은 흡입측의 가스 입자들이 스크류 홈으로 들어가는 것이 용이하도록 대략 30。 내지 60。가 바람직하다. 특히, 스크류의 잇면으로 흡입측 가스 입자들의 녹크-온(knock-on) 효과를 촉진하도록, 암 스크류 로터(120f)의 리드각은 거의 45도인 것이 바람직하다. 러핑 스크류 펌프(B)의 암 스크류 로터(150f)의 리드각은 증가될 필요는 없으며, 가공 및 축선 길이를 고려하여 대략 8 내지 15도일 수 있다.
간단한 구조의 스크류 진공 펌프가 러핑 진공 펌프로 채택되기 때문에, 배출 통로는 훨씬 간단하고 짧아진다. 따라서, 반응물들은 쉽게 배출 통로를 막지 않으며, 비록 막거나 서로 고착되더라도, 제거될 수 있어 보수가 용이하다.
본 실시예의 진공 배기 장치(100)에 있어서, 주 스크류 로터(120)의 회전 축선이 보조 스크류 로터(150)의 회전 축선과 상이하기 때문에, 로터들은 도 11에 도시된 종래의 예보다 더 큰 자유도로 설계될 수 있다. 따라서, 주 스크류 로터(120)는 큰 외경의 스크류를 허용하고 설계되도록 유도하므로, 흡입 컨덕턴스는 증대될 수 있다. 또한, 보조 스크류 로터(150)는 작은 외경을 가지는 스크류를 허용하고 리드각 θ1이 가공에 적당하게 설계되도록 허용하므로, 압력차로 인한 동력은 작아질 수 있다. 즉, 기밀성, 작업성, 및 회전 밸런스의 관점에서 배출측 운반 챔버(150A)는 적은 용량을 가질 수도 있다.
[제 2 실시예]
도 4 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공 배기 장치(300)를 설명한다.
여기서는 실질적으로 제 1 실시예와 상이한 부분들만 설명하며, 제 1 실시예와 동일한 구성은 더 이상 설명하지 않는다.
도 4에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공 배기 장치에 있어서, 부스터 펌프(A)의 암, 수 스크류 로터(320f, 320m)는 외팔보 형태로 구성되며, 흡입측의 베어링들 및 오일 실들을 없애는 것에 의해 베어링 윤활유가 진공 챔버로 역류하는 것은 제거될 수 있고, 가스가 흘러 들어가는 통로를 막지 않고도 흡입 컨덕턴스는 향상될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 부스터 펌프(A)의 암, 수 로터들(320f, 320m)을 위한 스크류의 잇수비는 4 대 3으로 정해지고, 스크류의 나선수는 1이다. 한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 암, 수 스크류 로터들(350f, 350m)을 위한 스크류의 잇수비는 1 대 1로 정해지고, 스크류의 나선수는 5이다.
러핑 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도는, 제 1 실시예에서와 같이, 부스터 펌프(A)의 설계 펌핑 속도의 1/20이다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공 배기 장치의 작동은 제 1 실시예와 동일하다.
여기서, (제 1 실시예와 유사한) 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공 배기 장치(300)를 작동시키는 바람직한 방법을 이하에서 설명한다.
(작동 방법 1)
도 7은 진공 배기 장치(300)의 흡입 포트(110a) 압력과 펌핑 속도 사이의 관계 도시한다. 도면의 영역(Y)에서 러핑 진공 펌프(B)만이 작동된다. 이 영역에서 펌핑 속도는 러핑 진공 펌프(B)의 펌핑 속도와 동일하다. 흡입 포트(110a)의 압력이 대략 1,000Pa에 도달했을 때, 부스터 펌프(A)의 작동이 시작된다. 그러면, 진공 배기 장치(300)의 펌핑 속도는 부스터 펌프(A)와 동일한 펌핑 속도를 얻을 수 있다. 진공 배기 장치가 반도체용으로 사용될 때, 필요한 작동 영역은 개략적으로 1 내지 1000Pa이기 때문에, 러핑 진공 펌프는 소비 동력량을 억제하도록 대기압으로부터 대략 1000Pa로 배출하는데만 사용된다.
(작동 방법 2)
스크류 진공 펌프의 각 암, 수 로터의 소비 동력(W)은 이전에 기술된 일반식(1)로 표현된 바와 같이,
W=a×T×N
로 주어진다. 이 식으로부터, 러핑 진공 펌프(B)의 설계 펌핑 속도를 부스터 펌프(A)의 설계 펌핑 속도보다 작게 설계함으로써, 토크(T)가 이미 작은 상태에서 소비 동력(W)를 더 감소시키도록 각 암, 수 로터들의 회전 속도(N)는 감소될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이하 본 실시예의 진공 배기 장치(300)의 진공 배기 성능을 완전하게 유지하는 동안 회전 속도(N)을 감소시키는 방법을 설명한다.
도 8은 부스터 스크류 펌프(A)가 도달 압력에 있을 때 수 로터(320m)의 회전 속도와 흡입 포트(110a)의 압력 사이의 관계를 도시한다. 이 도면으로부터, 도달 압력에서, 회전 속도가 지점(P)으로부터 지점(Q)으로 감소되더라도 흡입 압력은 변경되지 않는다. 이러한 관계로부터, 도달 압력을 유지하도록 회전 속도는 지점(Q)으로 취해질 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 9는 가스가 0.1SLM(standard liter per minute)으로 부스터 스크류 펌프의 흡입 포트(110a) 측으로 흐르는 상태에 있어서 수 로터(320m)의 회전 속도와 흡입 포트(110a)의 압력 사이의 관계를 도시한다. 이 도면으로부터, 이전에 기술된 바와 동일한 방법으로, 적은 량의 가스가 흡입 포트(110a)로 흐르는 상태에서 회전 속도는 지점(R)으로부터 지점(S)으로 감소될 수 있다는 것을 알 수 있다.
상술된 바로부터, 흡입 포트(110a)에서 압력 조건에 따른 최적의 회전 속도가 있다는 것을 알 수 있다. 회전 속도는 러핑 진공 펌프(B)로부터 부스터 펌프로 누설되는 가스량 및 흡입 포트(110a)를 통해 부스터 펌프(A)로 누설되는 가스량을 전부 배출하는데 적당한 펌핑 속도를 유지할 필요가 있다. 따라서, 부스터 펌프(A)가 흡입 포트(110a)의 압력에 따라 회전 속도를 제어함으로써, 각 압력 조건하에서의 소비 동력은 최소화될 수 있다.
도 10은 부스터 펌프(A)의 흡입측 압력과 배출측 압력(또는 러핑 진공 펌프의 흡입측 압력) 사이의 관계를 도시한다. 이 그래프에 도시된 바와 같이, 배출측 압력이 지점(T)으로부터 지점(U)까지 위치되는 범위에서 부스터 펌프(A)의 흡입 압력은 변경되지 않는다. 지점(U)의 압력은 임계 역압이라 한다.
본 실시예의 시스템에 있어서, 부스터 펌프(A)의 임계 역압은 러핑 압력(B)에 의해 유지된다. 따라서, 부스터 펌프(A)의 배출측(즉, 러핑 진공 펌프의 흡입측) 압력이 임계 역압(지점(U)) 이하로 유지될 수 있는 정도까지 러핑 진공 펌프(B)의 회전 속도는 낮아질 수 있다. 그러므로, 소비 동력은 필요에 따라 최소화될 수 있다.
(작동 방법 3)
상술된 작동 방법 2는 진공 배기 장치(300)의 흡입 포트(110a)측이 도달 압력에 도달하거나 소정의 진공도가 되는 경우와 관련되어 있다. 이에 반하여, 진공 배기 장치(300)가 흡입 포트(110a)에 연결된 진공 용기를 대기압으로부터 배기할 때, (예를 들어, 대략 1000Pa까지) 짧은 시간 내에 배기시키는 것이 가끔 필요할 수도 있다. 이러한 필요성에 대처하도록 부스터 펌프(A)와 러핑 진공 펌프(B)를 구동하기 위한 각 모터들은 그 용량 범위 내에서 항상 가능한 한 높은 회전 속도에 도달하도록 제어된다. 그러므로, 각 펌프들(A, B)의 회전 속도가 제어되지 않을 때보다 훨씬 더 효율적이고 빠르게 용기를 배기하는 것이 가능하다.
(작동 방법 4)
대기압으로부터 용기를 배기함에 있어서, 배출 시간은 느릴 수 있지만, 항상 동력이 낮게 억제될 필요가 있을 때 펌프들(A, B)을 위한 각 모터들의 회전 속도는 가능한 한 낮아질 수 있고, 각 펌프의 흡입측 압력이 떨어질 때 회전 속도는 증가될 수 있다.
작동 방법 2 내지 작동 방법 4는 다음과 같이 요약된다.
1. 부스터 펌프
a) 흡입 포트(110a)측 압력이 도달 압력에 도달하거나 소정 진공도(예를 들면, 대략 10Pa)가 되었을 때, 스크류 로터들(320m, 320f)의 회전 속도는 흡입측 압력이 유지될 수 있는 최저 회전 속도로 제어된다.
b) 흡입 포트(110a)에 연결된 진공 용기를 대기압으로부터 배출시킴에 있어서
1) 배출 시간을 단축할 필요가 있을 때, 스크류 로터들(320m, 320f)의 회전 속도는 항상 부스터 펌프(A)를 위한 구동 모터의 용량 범위 내에서 가능한 한 높게 제어된다.
2) 순간 동력을 낮게 억제할 필요가 있을 때, 스크류 로터들(320m, 320f)의 회전 속도는 가능한 한 낮게, 그리고 흡입 포트(110a)의 압력이 감소됨에 따라 증가되도록 제어된다.
2. 러핑 진공 펌프
a) 부스터 펌프(A)의 흡입 포트(110a)측 압력이 도달 압력에 도달하거나 소정 진공도(예를 들면, 대략 10Pa)가 되었을 때, 스크류 로터들(350m, 350f)의 회전 속도는 부스터 펌프(A)의 배출측 압력(즉 러핑 진공 펌프의 흡입측 압력)이 부스터 펌프의 임계 역압 이하로 유지될 수 있도록 최저 회전 속도로 제어된다.
b) 부스터 펌프(A)의 흡입 포트에 연결된 진공 용기를 대기압으로부터 배출시킴에 있어서
1) 배출 시간을 단축할 필요가 있을 때, 스크류 로터들(350m, 350f)의 회전 속도는 항상 러핑 진공 펌프(B)를 위한 구동 모터의 용량 범위 내에서 가능한 한 높게 제어된다.
2) 순간 동력을 낮게 억제할 필요가 있을 때, 스크류 로터들(350m, 350f)의 회전 속도는 가능한 한 낮게, 그리고 흡입측(즉 부스터 펌프(A)의 배출측) 압력이 감소됨에 따라 증가되도록 제어된다.
진공 배기 장치의 소비 동력은 위에서 요약된 작동 방법을 채택함으로써 최소화될 수 있어, 에너지 효율은 향상될 수 있다.
상술한 실시예에 있어서, 러핑 스크류 펌프의 리드각은 축방향으로 변경되지 않는다. 그러나, 도 11에 도시된 바와 같이 배출 포트측을 향해 단계적으로 감소될 수도 있다. 그러므로, 소비 동력은 더 감소될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 진공 배기 장치는, 러핑 진공 펌프 및 부스터 펌프가 각각 스크류 진공 펌프로 구성되며, 러핑 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도가 부스터 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도보다 충분히 작지만 러핑 진공 펌프로서 작동되기에는 적당하고, 부스터 스크류 진공 펌프용 스크류의 나선수는 러핑 스크류 진공 펌프용 스크류의 나선수보다 작기 때문에, 구조가 간단하며 소비 동력이 적고 진공 도달 압력이 높으며 유지 보수가 용이한 진공 배기 장치가 제공될 수 있다.

Claims (7)

  1. 각각 스크류 진공 펌프로 구성되는 러핑 진공 펌프 및 부스터 펌프를 가지며, 러핑 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도는 부스터 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도보다 충분히 작지만 러핑 진공 펌프로 작동되기에는 적합하며, 상기 부스터 스크류 진공 펌프의 나선수는 러핑 스크류 진공 펌프의 나선수보다 작은 진공 배기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 러핑 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도는 부스터 스크류 진공 펌프의 설계 펌핑 속도의 1/5 내지 1/100인 진공 배기 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 부스터 스크류 진공 펌프의 스크류의 나선수는 상기 부스터 펌프의 흡입 포트 또는 배출 포트 중 어느 것과도 소통되지 않는 적어도 하나의 가스 운반 챔버가 형성되는 대체로 1 또는 다수의 나선수인 진공 배기 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 러핑 스크류 진공 펌프의 나선수는 3 내지 10인 진공 배기 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 부스터 스크류 진공 펌프의 스크류 리드각은 러핑 스크류 진공 펌프의 스크류 리드각보다 큰 진공 배기 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 부스터 진공 펌프의 흡입측 압력이 대기압으로부터 대략 13,300Pa로 될 때까지는 상기 러핑 스크류 진공 펌프만 구동되며, 상기 부스터 스크류 진공 펌프의 흡입측 압력이 대략 13,300Pa 이하로 될 때 상기 부스터 펌프가 구동되기 시작하는 진공 배기 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 부스터 스크류 진공 펌프 및 상기 러핑 스크류 진공 펌프의 각 구동 모터들은 상기 부스터 스크류 진공 펌프의 흡입측 압력이 비교적 높은 범위에서 배출 시간을 단축하도록 가능한 한 높은 회전 속도로 회전되고, 상기 부스터 스크류 진공 펌프의 흡입측 압력이 도달 압력 또는 비교적 낮은 압력에 도달되었을 때 상기 부스터 스크류 진공 펌프용 구동 모터의 회전 속도는 필요한 진공도를 유지하도록 최저 회전 속도로 감소되며, 상기 러핑 스크류 진공 펌프용 구동 모터의 회전 속도는 상기 부스터 펌프의 역압이 그 임계 역압 이하로 유지되는 범위에서 가능한 한 낮은 속도로 감소됨으로써 필요한 동력이 감소되는 진공 배기 장치.
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