KR20110043895A - 스크루 로터 타입 진공 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 스크류 로터가 등 간격, 부등 간격, 등 간격의 3단계로 연속적으로 변화되는 리드를 가지는 스크루 로터 타입 진공펌프에 관한 것으로서, 대기압으로부터 0.5 ㎩의 영역까지 안정된 배기 성능을 유지할 수 있는 기술에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 서로 맞물리며 회전하는 한 쌍의 스크루 로터와; 상기 한 쌍의 스크루 로터를 수납하며, 일측에는 흡입구가 구비되고 타측에는 토출구가 구비된 하우징과; 상기 스크루 로터를 회전시키기 위한 모터; 및 상기 스크루 로터의 외주면에 형성되며, 리드각이 연속적으로 변화하는 부분을 가지는 나사산; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크루 로터 타입 진공펌프가 제공된다.

진공펌프, 부등 리드, 스크루 로터, 리드각

Description

스크루 로터 타입 진공 펌프{SCREW ROTOR TYPE VACCUM PUMP}

본 발명은 하나의 스크루 로터가 등 간격, 부등 간격, 등 간격의 3단계로 연속적으로 변화되는 리드를 가지는 스크루 로터 타입 진공 펌프에 관한 것으로서, 대기압으로부터 0.5 ㎩의 영역까지 안정된 배기 성능을 유지할 수 있는 기술에 관한 것이다.

종래부터 반도체 디바이스 제조 장치, 액정 패널 제조 장치 및 태양 전지판 제조 장치는, 디바이스 제조 장치의 프로세스 챔버에 펌프로부터의 오일 역류가 있으면, 각 디바이스 제조 공정상 중대한 문제를 가져온다. 따라서 흡기 가스와 오일이 접촉하지 않는, 이른바 드라이 펌프(Dry Pump), 미케니컬 부스터 펌프 (Mechanical Booster Pump), 터보 분자 펌프(Turbo molecule pump)가 이용되고 있다. 또 프로세스 가스, 캐리어 가스, 발생 가스 등의 분자량은 1에서부터 상당히 큰 경우까지 다양하기 때문에, 상기 펌프의 각종 가스의 배기 특성과 펌프 고유의 배기 영역에 의해 구분하여 사용하고 있는 것이 현실이다.

하지만 종래의 스크루 로터 타입 진공 펌프는 등 간격 리드를 가지는 스크루 로터를 사용하여 흡입한 기체를 압축하는 과정 없이 단지 이송 작용만을 하게 된 다. 이로 인해 배기가스의 종류에 따라 배기 속도가 저하되는 경우가 있으며 진공펌프를 효율이 낮은 상태로 사용할 수밖에 없는 문제가 있다. 따라서 종래의 드라이 펌프는 밀봉용 가스를 15 L/min 정도로 대량으로 흘려주어야 하였다. 또한 배기 속도의 저하로 인해, 일반적인 드라이 펌프, 미케니컬 부스터 펌프에는 흡입구로부터 토출구 사이의 펌프 내부에 공정부산물이 퇴적되는 문제가 있다.

종래 진공펌프는 토출구로부터의 역확산량, 희석 가스의 역확산량이 크기 때문에 도달 압력이 3㎩ 전후로 되고, 도 1의 곡선 B와 같이 분자 유역 측에서 배기 속도가 큰 폭으로 감소한다. 나아가 종래 스크루 로터 타입 진공 펌프에서 배기가스로 수소를 사용할 경우, 수소의 배기 속도는 질소의 1/3 에서 1/2 이고, 압축비가 작기 때문에 도 1의 곡선 C과 같이 흡입압이 10㎩ 정도 일 때 배기 속도가 극단적으로 감소한다.

이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 하나의 스크류 로터에 등 간격, 부등 간격, 등 간격의 3단계로 연속적으로 변화되는 리드를 형성하여 가스의 종류와 관계없이 대기압(101325 ㎩)으로부터 0.5 ㎩까지, 안정된 배기 성능을 유지할 수 있는 스크루 로터 타입 진공 펌프를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 서로 맞물리며 회전하는 한 쌍의 스크루 로터와; 상기 한 쌍의 스크루 로터를 수납하며, 일측에는 흡입구가 구비되고 타측에는 토출구가 구비된 하우징과; 상기 스크루 로터를 회전시키기 위한 모터; 및 상기 스크루 로터의 외주면에 형성되며, 리드각이 연속적으로 변화하는 부분을 가지는 나사산; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크루 로터 타입 진공펌프가 제공된다.

상기 리드각이 연속적으로 변화하는 부분은 부등 리드 구간(b)이며, 상기 나사산은 등 리드 구간(a), 부등 리드 구간(b), 등 리드 구간(c)을 따라 연속적으로 연결된 것이 바람직하다.

상기 나사산의 형태는, 등 리드 구간(a)은

, 부등 리드 구간(b)은

, 등 리드 구간(c)은

의 함수가 나타내는 그래프의 모양을 연결한 것을 특징으로 하며,

상기 a_{1 ,}a₃ 값은 스크루 로터의 회전시 지름에 의한 리드값과 스크루 치홈의 부피에 의해 계산된 적정 펌프 용량을 만족하는 스크루 로터의 높이의 비에 의해 구해지는 기울기이며, c_{1 ,}c₃ 값은 암,수 스크루 로터의 지름차에 의해 발생 되는 상호 치간의 겹침을 해소할 수 있는 범위의 값이며,

상기 부등 리드 구간(b)의 나사산 형태를 나타내는 식

에서 b₂는 a₃와 같은 값을 가지며,

상기

식을 x₂ 에 대하여 미분하게 되면 얻게되는 식

을 통해 구한 기울기는 a₁, a₃과 같으며 이때 상기 부등 리드 구간(b)과 상기 등 리드 구간(c)이 만나는 점을 등 리드 구간(c)이 끝나는 점으로 하여, c₂값을 구하는 것이 바람직하다.

상기 나사산은 등 리드 구간(a)과 등 리드 구간(c)에서의 형태를 먼저 구한 후, 부등 리드 구간(b)의 형태를 구하여 전체 나사산의 형태를 완성하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 하나의 스크류 로터에 등 간격, 부등 간격, 등 간격의 3단계로 연속적으로 변화되는 리드를 형성하여 가스의 종류와 관 계없이 대기압(101325 ㎩)으로부터 0.5 ㎩까지, 안정된 배기 성능을 유지할 수 있는 스크루 로터 타입 진공 펌프가 제공될 수 있다.

그에 따라 본 발명에 의하면, 진공 펌프의 배기 속도가 큰 폭으로 개선되어 한대의 진공 펌프로도 높은 효율로 안정된 배기 속도를 얻을 수 있어, 대기압으로부터 0.5 ㎩까지, 넓은 동작 범위에서 작동할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 하나의 스크류 로터가 등 간격, 부등 간격, 등 간격의 3단계로 연속적으로 변화하는 리드를 가지는 것을 특징으로 하는 스크루 로터 타입 진공 펌프를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명과, 등 간격 리드를 가지는 종래 스크루 로터 타입 진공 펌프의 배기속도를 비교한 그래프가 도시되어 있다. 그리고 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 스크루 로터 타입 진공 펌프의 단면도가 도시되어 있다. 도 3에는 스크루 로터의 단면도가 도시되어 있으며 도 4에는 스크루 로터 외측면의 전개도가 도시되어 있다.

도 2에는 모터 내장형 진공펌프가 도시되어 있다. 하지만 본 발명에 따른, 하나의 스크류 로터가 등 간격, 부등 간격, 등 간격의 3단계로 연속적으로 변화되는 리드를 가지는 스크루 로터 타입 진공 펌프는 외장형 모터를 사용하는 진공펌프나 기타 일반적으로 업계에서 사용할 수 있는 진공펌프에도 사용될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 진공펌프는 기체를 압축 이송할 수 있는 수 스크루 로터(26) 및 암 스크루 로터(25)와, 이들을 외부에 서 둘러싸는 하우징(27)을 포함한다. 상기 한쌍의 스크루 로터를 회전시키기 위해서 어느 하나의 스크루 로터 내부에는 모터(4)가 구비되어 있다. 각 로터(25,26)의 회전축에는 이를 지지하기 위한 베어링(3)이 있다. 로터(25,26) 아래 측에는 타이밍 기어(2)가 있으며, 상기 타이밍 기어(2)는 수 스크루 로터(26)의 회전축과 암 스크루 로터(25)의 회전축을 함께 동기시켜 회전시킬 수 있도록 한다.

상기 한 쌍의 스크루 로터 축에 구비된 원심펌프(1)는 아래쪽 말단부에 모세관과 같이 가는 관이 오일과 접촉하며 형성되어 있다. 이때 가는 관을 통해서 오일이 진공펌프 내부로 상승하게 되며, 베어링(3)에 윤활제 역할을 하는 오일이 공급되어 원활한 작동이 이루어 지게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 등 간격, 부등 간격, 등 간격의 3단계로 연속적으로 변화되는 리드를 가지는 스크루 로터 타입 진공 펌프는, 수 스크루 로터(26) 및 암 스크루 로터(25)와 이들 로터를 수납하는 하우징(27)에 의해 형성되는 작동실(28)을 포함한다. 또한 작동실(28)은 작동실(28)의 일측에 연결된 흡입구(21) 및 작동실(28)의 타측에 연결된 토출구(22)를 포함한다.

상기 작동실(28) 내부에서 수 스크루 로터(26) 와 암 스크루 로터(25)에 의해, 화살표 방향으로, 기체의 압축 이송이 이루어진다. 바람직하게는 수 스크루 로터(26)의 외경이 암 스크루 로터(25)의 외경보다 크다. 이는 외경의 차이로 인한 회전속도의 차이로 인해, 수 스크루 로터(26)와 암 스크루 로터(25)가 접하는 부분의 마찰력으로 공정부산물이 쌓이는 현상을 억제할 수 있기 때문이다.

작동실(28) 아래쪽에는 하우징 단면 플레이트(24)가, 토출구(22)방향으로, 단면적이 점차 좁아지는 형태로 경사지게 형성되어 있으며 하우징 단면 플레이트(24)와 스크루 로터(25,26) 사이에는 단면틈새(23)가 존재한다. 상기 하우징 단면 플레이트(24)의 경사진 형태에 의해 스크루 로터(25,26)에서 나온 가스가 토출구(22) 쪽으로 효율적으로 방출될 수 있으며 동시에 가스가 역확산 되는 것을 방지할 수 있다.

또한 등 간격, 부등 간격, 등 간격의 3단계로 연속적으로 변화되는 리드를 가지는 수 스크루 로터(26) 및 암 스크루 로터(25)를 이용하면, 리드각이 흡입구에서 부터 토출구 방향으로 가면서 점차 감소하게 된다. 따라서 작동실(28)내에 있는 나사산에 의해 형성되는 용적이, 토출구(22)에 가까워질수록 작아지게 되므로 토출구(22)에서의 토출 압력이 증가하여 토출구(22) 쪽으로 갈수록 가스의 흐름이 급격하게 증가하게 된다. 따라서 가스의 원활한 배출이 이루어져 토출구(22)쪽의 과열을 방지할 수 있어 열적으로도 안정적인 구조의 진공펌프가 될 수 있다.

이하 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 스크루 로터의 외주면에 형성된 나사산의 형태를 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 스크루 로터 외측면의 전개도에는 나사산이 회전축을 기준으로 하여 포물선 형상으로 양 옆으로 펼쳐져 있다. 스크루 로터에는 등 리드 구간(a), 부등 리드 구간(b), 등 리드 구간(c)에서 나사산이 연속적으로 연결되어 있다. 상기 각각의 구간에서 나사산의 형태는 등 리드 구간(a)은

, 부등 리드 구간(b)은

, 등 리드 구 간(c)은

의 함수가 나타내는 그래프의 모양을 따른다.

상기 등 리드 구간(a,c)에서는 리드각이 일정하며 상기 부등 리드 구간(b)에서는 리드각이 연속적으로 변화한다. 여기서 리드각이란 스크루 로터와 나사산이 이루는 각으로 도 3에 도시된 바와 같다.

상기 등 리드 구간(a)의 a₁은 스크루 로터의 회전시 지름에 의한 리드값(원주)과 스크루 치홈의 부피에 의해 계산된 적정 펌프 용량을 만족하는 등 리드 구간(a)의 스크루 로터 높이의 비에 의해 구해지는 기울기이며, c₁은 암,수 스크루 로터(25, 26)의 지름차에 의해 발생 되는 상호 치간의 겹침을 해소할 수 있는 범위의 값이다.

이때 c₁ 은 수 스크루 로터(26)의 경우는 0의 값을 가지며, 암 스크루 로터(25)는 0의 값으로 최초 계산한 후, 3차원 입체 시뮬레이션 프로그램으로 스크루 로터를 제작하여 시뮬레이션하였을 때 암, 수 스크루 로터(25, 26)의 회전시 간섭과 틈새 간격이 불특정하게 발생된다. 이때 암 스크루 로터(25)의 c₁값은 간섭을 해소 할 수 있는 범위 및 틈새 간격이 정해진 공차 내를 만족할 수 있는 값으로서 소수점 아래 6자리 까지의 공차를 적용하여 재조정하게 된다.

상기 등 리드 구간(c)의 a₃은 상기 등 리드 구간(a)의 a₁과 같은 의미를 가지므로 상기 등 리드 구간(a)과 동일한 방식으로 a₃ 값을 구할 수 있다. 또한 상기 등 리드 구간(c)의 c₃은 상기 등 리드 구간(a)의 c₁과 같은 의미를 가지며, 상기 등 리드 구간(c)에서 a₃ 값을 대입한 직선을 그렸을 때 y축과 만나는 점으로 c₃값을 구할 수 있다.

상기 부등 리드 구간(b)의 나사산 형태는 다음과 같은 수식으로 구할 수 있다.

상기 수학식 1에서 b₂는 a₃와 같은 값을 가진다.

또한 상기 수학식 1을 x₂ 에 대하여 미분하게 되면 다음과 같은 수식을 구할 수 있다.

또한 상기 수학식 2를 통해 구한 기울기는 a₁, a₃과 같다. 이때 상기 부등 리드 구간(b)과 상기 등 리드 구간(c)이 만나는 점을 등 리드 구간(c)이 끝나는 점으로 하여, c₂값을 구하게 된다.

이때 용적계산에 의해 얻어진 등 리드 구간(a)의 최소 높이 값을 만족하면 서 동시에 상기 부등 리드 구간(b)의 나사산과 상기 등 리드 구간(a)의 나사산이 연결될 수 있어야 한다. 즉 등 리드 구간(c)의 연장선을 따라 접함을 유지하도록 c₂값을 소수점 아래 6자리까지의 공차를 적용하여 c₂값을 조정하여 부등 리드 구간(b) 곡선을 이동시키게 된다. 결국 c₂값의 변화에 따른 이동 값만큼 등 리드 구간(c)의 높이를 연장하여 총 스크루 로터 높이를 재조정한다.

결국 이를 통해 등 리드 구간(a)의 나사산과 등 리드 구간(c)의 나사산을 연결하는 부등 리드 구간(b)의 무리함수 곡선을 가지게 되며 전체 나사산의 형태를 도 4에 도시된 바와 같이 구할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명의 리드 구조에 따르면 가스가 역 확산 되는 것을 방지할 수 있어, 대기압으로부터 0.5㎩ 까지 넓은 영역에서 안정된 배기 속도를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 의한 진공 펌프를 사용함으로써, 종래 드라이 펌프나 미케니컬 펌프 등을 조합한 진공계와 비교해 구조가 간단하게 진공계를 구성할 수 있으며 이에 따라 원가를 절감할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 스크루 로터 타입 진공 펌프를, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였다. 하지만 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 등 간격 리드, 부등 간격 리드, 등 간격 리드를 가지는 스크루 로터 타입 진공 펌프와 등 간격 리드를 가지는 종래 스크루 로터 타입 진공 펌프의 배기속도를 비교한 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 스크루 로터 타입 진공 펌프의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 스크루 로터 타입 진공 펌프에 포함된 스크루 로터의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 스크루 로터 타입 진공 펌프에 포함된 스크루 로터 외측면의 전개도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1:원심펌프 2:타이밍 기어

3:베어링 4:모터

21:흡입구 22:토출구

23:단면틈새 24:고정자 단면 플레이트

25:암 스크루 로터 26:수 스크루 로터

27:하우징 28:작동실

Claims (4)

1. 서로 맞물리며 회전하는 한 쌍의 스크루 로터;

   상기 한 쌍의 스크루 로터를 수납하며, 일측에는 흡입구가 구비되고 타측에는 토출구가 구비된 하우징;

   상기 스크루 로터를 회전시키기 위한 모터; 및

   상기 스크루 로터의 외주면에 형성되며, 리드각이 연속적으로 변화하는 부분을 가지는 나사산; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크루 로터 타입 진공펌프.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 리드각이 연속적으로 변화하는 부분은 부등 리드 구간(b)이며

   상기 나사산은 등 리드 구간(a), 부등 리드 구간(b), 등 리드 구간(c)을 따라 연속적으로 연결된 것을 특징으로 하는 스크루 로터 타입 진공펌프.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 나사산의 형태는,

   등 리드 구간(a)은

   

   , 부등 리드 구간(b)은

   

   , 등 리드 구간(c)은

   

   의 함수가 나타내는 그래프의 모양을 연결한 것을 특징으로 하며,

   상기 a_{1 ,}a₃ 값은 스크루 로터의 회전시 지름에 의한 리드값과 스크루 치홈의 부피에 의해 계산된 적정 펌프 용량을 만족하는 스크루 로터의 높이의 비에 의해 구해지는 기울기이며, c_{1 ,}c₃ 값은 암,수 스크루 로터의 지름차에 의해 발생 되는 상호 치간의 겹침을 해소할 수 있는 범위의 값이며,

   상기 부등 리드 구간(b)의 나사산 형태를 나타내는 식

   

   에서 b₂는 a₃와 같은 값을 가지며,

   상기

   

   식을 x₂ 에 대하여 미분하게 되면 얻게되는 식

   

   을 통해 구한 기울기는 a₁, a₃과 같으며 이때 상기 부등 리드 구간(b)과 상기 등 리드 구간(c)이 만나는 점을 등 리드 구간(c)이 끝나는 점으로 하여, c₂값을 구하는 것을 특징으로 하는 스크루 로터 타입 진공펌프.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 나사산은 등 리드 구간(a)과 등 리드 구간(c)에서의 형태를 먼저 구한 후, 부등 리드 구간(b)의 형태를 구하여 전체 나사산의 형태를 완성하는 것을 특징으로 하는 스크루 로터 타입 진공펌프.

Images