KR20090010977A - 건식 진공 펌프 및 진공 펌프의 로터 구성요소 또는 스테이터 구성요소 - Google Patents

건식 진공 펌프 및 진공 펌프의 로터 구성요소 또는 스테이터 구성요소 Download PDF

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KR20090010977A
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임마뉴엘 우조마 오코로어포
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에드워즈 리미티드
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Abstract

건식 진공 펌프는 스테이터 구성요소와 적어도 하나의 로터 구성요소를 포함한다. 펌프를 통과하는 부식성의 가스 및 연마재 입자에 대한 펌프의 내구성을 향상시키기 위해, 스테이터 구성요소 및/또는 적어도 하나의 로터 구성요소는 오스템퍼드 구상 흑연 주철(austempered ductile iron)로 형성된다.

Description

건식 진공 펌프{VACUUM PUMP}
본 발명은 건식 진공 펌프(dry vacuum pump)에 관한 것이다.
건식 진공 펌프는 제품의 제조에 있어서 청정 및/또는 저압 환경을 제공하기 위해 산업 공정에서 널리 사용된다. 적용 대상은 제약, 반도체 및 플랫 패널 제조 산업을 포함한다. 이러한 펌프는 건식(또는 오일을 사용하지 않는) 펌핑 메카니즘을 본질적으로 포함하지만, 효과적이도록 윤활을 필요로 하는 펌핑 메카니즘을 구동시키기 위해, 통상적으로 베어링과 전동 기어와 같은 몇몇의 구성요소를 또한 포함한다. 건식 펌프의 예로는 루츠(Roots), 노데이(Northey)[또는 "클로(claw)"], 스크류 및 스크롤 펌프를 포함한다. 루츠 및/또는 노데이 로터 구성요소를 결합시킨 건식 펌프는 다중 스테이지 포지티브 변위(positive displacement) 펌프이며, 이 펌프는 통상적으로 교차식 로터 구성요소의 각각의 쌍을 각각 수용하는 복수의 펌핑 챔버를 형성하는 스테이터 구성요소를 포함한다. 로터 구성요소는 역회전 샤프트 상에 위치되며, 각각의 챔버 내에 동일한 타입의 프로파일을 가지거나 챔버에 따라 변경될 수 있는 프로파일을 가질 수 있다.
주철(iron casting)은 건식 진공 펌프에서의 스테이터 및 로터 구성요소의 제조에 있어서 오랜 기간 사용되어 왔다. 그러나, 반도체 산업에서, 비교적 고유량의 부식 가스, 예컨대 염소, 삼염화붕소, 브롬화수소, 불소 및 삼불화염소와 같은 부식 가스의 사용의 증가는 심각한 부식을 야기하며, 따라서 주철 스테이터 및 로터 구성요소의 비교적 짧은 수명을 초래한다. 이러한 부식은 장비 고장, 처리 가스의 누출 및 가능한 처리 오염을 야기할 수 있으며, 또한 펌프의 교체와 관련한 비용이나 부식된 부품 및 결과적인 처리 정지 시간을 야기할 수도 있다.
이러한 점을 고려하여, 부식 가스에 노출되는 구성요소 표면 상에 수지 또는 플루오로폴리머(flouropolymer) 또는 폴리이미드(polyimide) 재료의 중합체 코팅의 형성에 의해 이들 구성요소를 수동적으로 보호하는 것이 공지되어 있다. 이러한 코팅은 시간에 따라 퇴화되어, 하부에 놓인 주철을 부식 가스에 노출시키는 코팅의 벗겨짐 또는 벗겨져 떨어져 나감을 결과적으로 수반하게 된다. 다른 변형예는 니켈 풍부(nickel-rich) 주철, 예컨대 연성 니-레지스트(ductile Ni-resist) 주철 또는 우수한 내부식성을 갖는 스테인레스강으로부터 이들 구성요소를 형성하는 것이다. 그러나, 니-레지스트 주철 및 스테인레스강은 비교적 고가이며, 기계 가공하는데 어려움이 있어서, 로터 및 스테이터 구성요소의 제조시 사용하는데 있어 비용 효율적인 옵션을 제공하지 않는다.
본 발명은 스테이터 구성요소와 적어도 하나의 로터 구성요소를 포함하는 건식 진공 펌프를 제공하며, 스테이터 구성요소 및/또는 적어도 하나의 로터 구성요소는 오스템퍼드 구상 흑연 주철(austempered ductile iron; ADI)로 형성된다.
스테이터 구성요소는 스테이터 구성요소 내에서 역회전하도록 구성된 제 1 및 제 2 교차식 로터 구성요소를 수용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 로터 구성요소는 필요에 따라 노데이 또는 스크류 프로파일을 가질 수 있더라도, 루츠 프로파일을 갖는다.
펌프는 다중 스테이지 펌프의 형태일 수 있으며, 이 펌프에서 스테이터 구성요소는 오스템퍼드 구상 흑연 주철로 형성된 각각의 로터 구성요소를 각각 수용하며 직렬로 배치된 복수의 상호연결된 펌핑 챔버를 형성한다. 교차식 로터 구성요소는 각각의 샤프트 상에 위치될 수 있으며, 펌프는 하나의 샤프트로부터 다른 샤프트로 토크를 전달하기 위한 기어 조립체를 포함하며, 기어 조립체의 적어도 하나의 기어는 바람직하게 오스템퍼드 구상 흑연 주철로 형성된다.
변형적으로, 펌프는 스크롤 펌프의 형태일 수 있으며, 이 펌프에서 스테이터 구성요소는 그들로부터 연장하는 제 1 나선형 랩(wrap)을 구비한 단부 플레이트를 갖는 고정식 스크롤 부재를 포함하며, 상기 적어도 하나의 로터 구성요소는 그들로부터 연장하여 제 1 나선형 랩과 교차하는 제 2 나선형 랩을 구비한 단부 플레이트를 갖는 궤도식 스크롤 부재를 포함한다. 각각의 스크롤 부재는 바람직하게 ADI(austempered ductile iron)로 형성된다.
ADI는 바람직하게 적어도 90%의 흑연 구상화율(graphite nodularity)을 갖는다.
ADI는 바람직하게 침상 페라이트(acicular ferrite) 및 탄소 안정화 오스테나이트의 매트릭스를 갖는다.
오스템퍼드 구상 흑연 주철은 질량으로 3.4 내지 3.5%의 범위 내의 양의 탄소와, 질량으로 2 내지 2.3%의 범위 내의 양의 실리콘과, 질량으로 0.075 내지 0.15%의 범위 내의 양의 망간과, 질량으로 3.4 내지 3.5%의 범위 내의 양의 몰리브덴과, 질량으로 1.2 내지 1.4%의 범위 내의 양의 니켈과, 질량으로 0.75 내지 0.95%의 범위 내의 양의 구리 중 하나 이상을 바람직하게 포함한다.
본 발명의 바람직한 특징은 하기의 도면을 참조하여 하기에 단지 예시로서 기술된다.
도 1은 다중 스테이지 건식 진공 펌프의 단면도,
도 2는 도 1의 A-A선을 따르는 도면.
도 1 및 도 2를 참조하면, 다중 스테이지 건식 진공 펌프(10)는, 오스템퍼드 구상 흑연 주철(ADI)로 바람직하게 형성되고 복수의 펌핑 챔버(14, 16, 18, 20, 22)를 형성하는 일련의 벽을 갖는 스테이터 구성요소(12)를 포함한다. 또한, 펌핑된 가스를 입구 펌핑 챔버(14)로 이송시키기 위한 입구 도관(24)과, 펌핑된 가스를 배기 펌핑 챔버(22)로부터 배기하기 위한 배기 도관(26)은 스테이터(12) 내에 형성 된다. 스테이터(12) 내에 형성된 원주방향 통로(28, 30, 32, 34)는 일련의 펌핑 챔버(14, 16, 18, 20, 22)를 연결한다.
스테이터(12)는 제 1 샤프트(36)와, 그로부터 이격되고 평행한 제 2 샤프트(38)를 수용한다. 샤프트(36, 38)를 지지하기 위한 베어링(40)은 스테이터(12)의 단부 플레이트(42, 44) 내에 제공된다. 샤프트(36) 중 하나는 구동 모터(46)에 연결되며, 샤프트는 타이밍 기어(47)에 의해 함께 연결되어서, 사용시 샤프트(36, 38)는 동일한 속도로, 도 2에서 화살표(48, 50)로 도시된 바와 같이 반대 방향으로 회전한다. 펌프(10)의 측부에 부착된 기어 박스(52)는 타이밍 기어(47)를 윤활시키는 오일(54)을 수용한다. 타이밍 기어(47)는 ADI로 형성될 수 있다.
각각의 펌핑 챔버 내에서, 샤프트(36, 38)는 역시 ADI로 형성될 수 있는 각각의 로터 구성요소(56, 58)를 지지한다. 이러한 실시예에서, 루츠 및 노데이 타입 프로파일의 혼합 프로파일이 펌프(10) 내에 제공될 수 있더라도, 로터(56, 58)는 각각의 펌핑 챔버 내에 루츠 타입 프로파일을 갖는다. 로터(56, 58)는 스테이터(12)의 내측 표면에 대해 각각의 펌핑 챔버 내에 위치되어서, 로터(56, 58)는 그 자체로 공지된 교차 방식으로 작동할 수 있다.
사용시, 가스는 입구 도관(24)을 통해 펌프(10) 내로 가압되어, 입구 펌핑 챔버(14) 내로 통과된다. 가스는 입구 펌핑 챔버(14) 내에 위치된 로터(56, 58)에 의해 압축되어, 통로(28)를 통해 다음 펌핑 챔버(16) 내로 공급된다. 펌핑 챔버(16) 내로 공급된 가스는 그 내에서 로터(56, 58)에 의해 유사하게 압축되어, 통로(30)를 통해 다음 펌핑 챔버(18)로 공급된다. 유사한 가스 압축이 펌핑 챔 버(18, 20, 22)에서 일어나며, 펌핑된 가스는 마지막으로 배기 도관(26)을 통해 펌프(10)로부터 배기된다.
펌프(10)의 스테이터 구성요소(12) 및/또는 로터 구성요소(56, 58)를 제조하기 위한 오스템퍼드 구상 흑연 주철(ADI)의 사용은, 펌프(10)가 염소, 삼염화붕소, 브롬화수소, 불소 및 삼불화염소와 같은 부식 가스를 펌핑하는데 특히 적절하게 한다. 현재 ADI보다 4배 내지 5배 정도 고가인 니-레지스트 재료에 비해, ADI는 우수한 경도와, 보다 높은 특정 강도 비 및 비교가능한 F2 부식 민감성을 갖는다. 이것은 스테이터, 로터 구성요소 및 타이밍 기어가, 감소된 구성요소 중량과, 상응하거나 개선된 성능에 대한 비용과 함께 비교적 높은 내마모성 및 내부식성을 갖게 한다.
예시로서, 스테이터 구성요소(12) 및/또는 로터 구성요소(56, 58) 및/또는 타이밍 기어(47)를 제조하는데 사용되는 오스템퍼드 구상 흑연 주철(ADI)은 하기와 같은 (질량으로) %를 갖는다.
원소 %
탄소 3.4 - 3.5
실리콘 2.0 - 2.3
망간 0.2 - 0.22
몰리브덴 0.075 - 0.15
니켈 1.2 - 1.4
구리 0.75 - 0.95
ADI는 바람직하게 적어도 90%의 흑연 구상화율을 가지며, 바람직하게 150 내지 300/㎟ 범위의 결정 개수(nodule count)를 갖는다. ADI는 실질적으로 탄화물, 함유물 및 다공질이 없는 침상 페라이트 및 탄소 안정화 오스테나이트의 우수한 매트릭스를 바람직하게 갖는다. ADI의 이들 특징은 재료가 반도체 처리 장비용 성능 요건과, 상승된 온도에서의 특히 적절한 마찰 및 기계적 특성과, 내부식성을 충족시키도록 할 수 있다.

Claims (14)

  1. 건식 진공 펌프에 있어서,
    스테이터 구성요소와 적어도 하나의 로터 구성요소를 포함하며,
    상기 스테이터 구성요소 및/또는 상기 적어도 하나의 로터 구성요소는 오스템퍼드 구상 흑연 주철(austempered ductile iron)로 형성되는
    건식 진공 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 로터 구성요소는 스크류, 루츠(Roots) 또는 노데이(Northey) 프로파일 중 하나를 갖는
    건식 진공 펌프.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이터 구성요소 내에서 역회전하도록 구성된 제 1 및 제 2 교차식 로터 구성요소를 더 포함하는
    건식 진공 펌프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    다중 스테이지 건식 진공 펌프의 형태이며, 이 펌프에서 상기 스테이터 구성 요소는 오스템퍼드 구상 흑연 주철로 각각 형성된 로터 구성요소의 각각의 쌍을 각각 수용하며 직렬로 배치된 복수의 상호연결된 펌핑 챔버를 형성하는
    건식 진공 펌프.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    교차식 로터 구성요소는 각각의 샤프트 상에 위치되며, 상기 펌프는 하나의 샤프트로부터 다른 샤프트로 토크를 전달하기 위한 기어 조립체를 포함하며, 상기 기어 조립체의 적어도 하나의 기어는 오스템퍼드 구상 흑연 주철로 형성되는
    건식 진공 펌프.
  6. 제 1 항에 있어서,
    스크롤 펌프의 형태이며, 이 펌프에서 상기 스테이터 구성요소는 그들로부터 연장하는 제 1 나선형 랩(wrap)을 구비한 단부 플레이트를 갖는 고정식 스크롤 부재를 포함하며, 상기 적어도 하나의 로터 구성요소는 그들로부터 연장하여 상기 제 1 나선형 랩과 교차하는 제 2 나선형 랩을 구비한 단부 플레이트를 갖는 궤도식 스크롤 부재를 포함하는
    건식 진공 펌프.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스템퍼드 구상 흑연 주철은 적어도 90%의 흑연 구상화율(graphite nodularity)을 갖는
    건식 진공 펌프.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스템퍼드 구상 흑연 주철은 침상 페라이트(acicular ferrite) 및 탄소 안정화 오스테나이트의 매트릭스를 갖는
    건식 진공 펌프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스템퍼드 구상 흑연 주철은 질량으로 3.4 내지 3.5%의 범위 내의 양의 탄소를 포함하는
    건식 진공 펌프.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스템퍼드 구상 흑연 주철은 질량으로 2 내지 2.3%의 범위 내의 양의 실리콘을 포함하는
    건식 진공 펌프.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스템퍼드 구상 흑연 주철은 질량으로 0.075 내지 0.15%의 범위 내의 양의 망간을 포함하는
    건식 진공 펌프.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스템퍼드 구상 흑연 주철은 질량으로 3.4 내지 3.5%의 범위 내의 양의 몰리브덴을 포함하는
    건식 진공 펌프.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스템퍼드 구상 흑연 주철은 질량으로 1.2 내지 1.4%의 범위 내의 양의 니켈을 포함하는
    건식 진공 펌프.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스템퍼드 구상 흑연 주철은 질량으로 0.75 내지 0.95%의 범위 내의 양의 구리를 포함하는
    건식 진공 펌프.
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