KR20120104539A - 진공 펌프용 내부식 축 실링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 처리실로부터 가스를 펌핑하기 위한 진공 펌프를 제공하는 바, 이 진공 펌프는 펌핑실내에서 구동축에 의해 회전가능하게 지지되는 로터 - 상기 구동축은 이 구동축에 대해 횡으로 연장되어 있는 펌핑실의 벽에 있는 축 보어를 통과하며; 및 가스가 상기 축 보어를 통과하는 것을 저지하기 위해 축과 횡벽 사이에 제공되는 시일 장치를 포함하며, 로터가 회전할 때, 펌핑실의 입구에 있는 저압 영역으로부터 가스가 펌핑되어 펌핑실의 출구에 있는 고압 영역으로 보내지며, 상기 로터와 횡벽은 축방향 틈새에 의해 서로 떨어져 있으며, 이 축방향 틈새를 따라 가스의 역 누출물이 상기 고압 영역에서 저압 영역으로 유동할 수 있으며, 역 누출물을 위한 추가적인 누출 경로가 상기 시일 장치에서 떨어져 형성되어 있으며, 이 추가적인 누출 경로를 따라 가스는 시일 장치와의 접촉 없이 유동할 수 있고, 따라서 펌프의 사용 중에 그 시일 장치와 접촉하는 가스의 양이 감소된다.

Description

진공 펌프용 내부식 축 실링{CORROSION RESISTANT SHAFT SEALING FOR A VACUUM PUMP}

본 발명은 진공 펌프 및 특히 그 진공 펌프에 있는 축 시일 장치(shaft seal arrangements)의 개선에 관한 것이다.

진공 펌프는 반도체 장치, 평판 디스플레이 및 태양 전지판을 포함하는 제품의 제조를 위해 청정한 그리고/또는 저압의 환경을 제공하기 위해 산업 공정에서 널리 사용되고 있다. 화학적 기상 증착 또는 에칭과 같은 공정 중에, 처리 가스가 처리실에 공급된다. 이어서, 소비되지 않은 처리 가스는 진공 펌프를 사용하여 처리실에서 펌핑된다. 이들 가스는 펌프의 구성품에 대해 부식성이 있거나 다른 식으로 유해하여 부식, 마모 증가 또는 작동 수명의 제한을 야기하게 된다.

진공 펌프의 하우징은 스테이터(stator)를 제공하는데, 이 스테이터 내부에서 구동축과 로터가 펌프의 사용중에 회전하게 된다. 스테이터는 가스 입구와 가스 출구를 갖는 펌핑실을 포함하며, 사용시 로터(들)가 회전하여 비교적 저압인 입구에서 가스를 잡아서 회전 중에 그 가스를 압축시켜 출구에서 비교적 고압으로 배출시키게 된다. 어떤 구성에서 스테이터는 직렬 또는 병렬로 된 복수의 펌핑실을 제공할 수도 있다.

단일 단(stage)의 펌프의 경우에, 구동축은 횡벽에 있는 축 보어(bore)를 통과하며, 그 횡벽은 펌핑실의 축방향 일측에서 그 펌핑실로부터 모터와 기어 어셈블리를 분리시킨다. 다단 펌프의 경우에, 횡벽은 펌핑실 사이에도 있을 수 있다. 모터와 기어 어셈블리에 인접하는 횡벽은 일반적으로 헤드 플레이트라고 한다. 가스가 펌핑실에서 나가는 것을 방지 또는 저지하도록 축과 횡벽 사이에서 축 보어를 시일링하기 위해 축 시일 장치가 제공된다.

도 1은 예컨대 루츠(roots) 펌프에 있는 축 시일 장치(shaft seal arrangements; 10)의 현행 구성을 도시한다. 진공 펌프의 축(2)은 헤드 플레이트(6)에 있는 축 보어를 통과한다. 로터(4)가 헤드 플레이트(6)의 뒤에 있는 펌핑실내에서 축(2)에 의해 회전가능하게 지지된다. 로터(4)의 후면과 헤드 플레이트(6)의 전면 사이에는 좁은 축방향 틈새가 존재한다. 실제로는 이 축방향 틈새 크기의 감소는 제조 공차에 의해 그리고 사용 중에 로터와 헤드 플레이트의 열팽창을 허용하기 위해 제한되지만, 고압 영역(3)에서 누출을 줄이기 위해서는 축방향 틈새를 가능한 작게 하는 것이 바람직하다. 시일 장치가 축 보어 안에 제공되고, 립(lip: 16)을 포함하는데, 이 립은 헤드 플레이트로부터 연장하고 또한 내부 편향(bias)으로 인해 축에 밀착되어 그 축(2)과 헤드 플레이트(6) 사이의 틈을 시일링하게 된다.

상기 로터(4)는 회전하면서 입구에 있는 저압 영역(1)으로부터 유체를 끌어 들여 출구 또는 배출부에 있는 고압 영역(3)으로 보내게 된다. 로터와 헤드 플레이트 사이의 축방향 틈새가 작다고 하지만, 가스가 고압측에서 저압측으로 누출될 것이다. 이와 관련하여, 화살표(5)로 표시되어 있는 바와 같이 축방향 틈새를 통해 누출되는 가스는 축 보어에 들어가게 된다. 가스 중의 일부는 축 주위를 지나(휘어진 화살표로 나타나 있는 바와 같이) 화살표(7)로 나타낸 바와 같이 계속 축방향 틈새를 통과한다. 축 보어에 들어가는 다른 가스는 축 보어를 떠나기 전에 시일 립(16)과 접촉할 수 있다. 가스가 부식성이면 시일 립(16)을 부식시키게 될 것이다. 립(16)과 축 사이를 지나는 시일 퍼지(seal purge: 9)를 도입하면 처리 가스가 좀 희석되지만 희석 효과는 최소이다. 도 1에서 화살표(5)는 처리 가스의 역 누출(back leakage)을 나타내며, 화살표(7)는 혼합된 역 누출과 시일 퍼지 유동을 나타낸다.

시험에 의하면, 공지된 진공 펌핑 시스템으로 공기를 펌핑할 때 시일립에서의 산소 농도는 전형적인 질소 퍼지의 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났다. 퍼지 유동을 통상적인 경우 보다 많게 증가시켜도, 헤드 플레이트와 축 사이의 공간에서 측정되는 O₂ 농도는 단지 절반으로 감소된다. 이 결과를 불소와 같은 부식성 처리 가스에 적용하면, 질소 퍼지를 증가시키면 불소의 농도가 감소되어 시일립의 수명이 늘어날 것으로 결론 내릴 수 있다. 그러나, 이는 시일립의 부식을 상당한 수준으로 없애지는 못할 것이다. 그러므로, 원치 않는 부식성 가스의 레벨을 줄이기 위해서는 상당히 많은 양의 퍼지 가스가 필요할 것으로 추론할 수 있다. 이것은 펌프의 운전 비용을 증가시킨다.

따라서, 부식성 가스가 펌핑될 때 시일 장치는 화학적 부식을 받게 되어 정기적으로 교체되어야 하며, 그래서 펌프의 가동 중단 시간이 발생되고 소유 비용이 증가하게 된다.

질소 축 시일 퍼지 유량의 상당한 증가가 필요 없이 질소 축 시일 퍼지 시스템의 유효성을 증가시키고 그래서 더 양호한 시일립 보호를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 처리실로부터 가스를 펌핑하기 위한 진공 펌프가 제공되는 바, 이 진공 펌프는 펌핑실내에서 구동축에 의해 회전가능하게 지지되는 로터로서, 상기 구동축은 이 구동축에 대해 횡으로 연장하는 펌핑실의 벽에 있는 축 보어를 통과하는, 상기 로터; 및 상기 축 보어를 통과한 가스의 이동을 저지하기 위해 축과 횡벽 사이에 제공되는 시일 장치를 포함하며, 로터가 회전할 때, 가스가 펌핑실의 입구에 있는 저압 영역으로부터 펌핑실의 출구에 있는 고압 영역으로 펌핑되고, 상기 로터와 횡벽은 축방향 틈새에 의해 서로 떨어져 있으며, 이 축방향 틈새를 따라 가스의 역 누출물이 상기 고압 영역에서 저압 영역으로 유동할 수 있으며, 역 누출물을 위한 추가적인 누출 경로가 상기 시일 장치에서 떨어져 형성되어 있으며, 이 추가적인 누출 경로를 따라 가스는 시일 장치와의 접촉 없이 유동할 수 있고, 따라서 펌프의 사용 중에 그 시일 장치와 접촉하는 가스의 양이 감소된다.

펌핑실의 고압측에서 그 펌핑실의 저압측까지 누출 경로를 제공함으로써, 질소 유동을 크게 증가시킬 필요 없이 시일의 수명을 길게 할 수 있다. 추가적인 부품도 필요 없다. 최소의 소유 비용과 아울러 증가된 제품 수명 또는 제작 비용의 증가는 상당한 이점을 준다.

다른 이점으로서, 본 발명은 기존의 많은 펌프에 개장될 수 있다.

본 발명을 더욱 명확히 이해할 수 있도록 지금부터 단지 예시적으로 주어진 첨부 도면을 참고하도록 한다.

도 1은 축 시일 장치의 현행 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 진공 펌프를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 개선된 축 시일 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 처리실(미도시)에서 가스를 펌핑하기 위한 진공 펌프(20)가 나타나 있다. 이 펌프(20)는 오랜 접촉시 펌프내의 시일 장치를 부식시키는 부식성 가스를 펌핑하도록 구성되어 있다. 펌프는 또한 시일립을 부식시키지는 않을 수 있지만 그럼에도 그 시일립을 손상시켜 시일 장치의 가용 수명을 제한하게 되는 가스도 펌핑할 수 있다.

이 실시예에서, 펌프는 복수의 펌핑단(22, 24, 26)을 포함하는 루츠 펌프(roots pump)이다. 펌프(20)는 각각의 펌핑단 마다 두개의 로터(28, 30)를 포함하며, 이들 로터는 핌핑실(36, 38, 40) 내에서 회전가능하게 각각의 구동축(32, 34)에 의해 지지된다. 펌핑실은 펌프의 벽(42, 44, 46, 48) 및 외부 하우징(50)으로 형성된다. 축들은 펌핑실의 각 횡벽에 있는 축 보어(52, 54, 56, 58)을 통과한다. 횡벽(42, 48)은 헤드 플레이트이다. 헤드 플레이트(48)는 최고 압력단(26)에 있고 펌핑실(40)로부터 모터(60)와 기어 어셈블리(62)를 분리시킨다. 베어링(64)이 축을 회전가능하게 지지한다. 도 2는 복수의 펌핑단을 갖는 펌프를 나타내고 있지만, 본 발명은 단일 단의 펌프에도 적용될 수 있다.

도 3은 도 2에 나타나 있는 부분 Ⅲ의 확대 개략도를 나타낸다. 본 발명은 횡벽과 축(32)의 장치에도 동등하게 적용될 수 있음을 알 것이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 가스가도 3에서 보는 바와 같이 우측으로 축 보어를 통과하는 것을 저지하기 위한 시일 장치(16)가 축(34)과 횡벽(48) 사이에 제공되어 있다. 로터(30)가 회전하면, 펌핑실(40)의 입구에 있는 저압 영역(1)으로부터 가스가 그 펌핑실의 출구에 있는 고압 영역(3)으로 펌핑된다.

로터(30)와 횡벽(48)은 축방향 틈새에 의해 서로 떨어져 있으며, 이 틈새를 따라 가스의 역 누출물이 고압 영역(3)에서 저압 영역(1)으로 유동할 수 있다. 하나 또는 2 이상의 누출 경로(8, 10, 12, 14)가 형성되어 있는데, 이 경로를 따라 가스가 시일 장치와 접촉함이 없이 유동할 수 있으며, 따라서 펌프의 사용중에 시일 장치와 접촉하는 가스의 양이 감소된다.

도 3에서 보는 바와 같이, 상기 시일 장치는 횡벽(48)으로부터 연장되어 있는 탄성 시일립(16)을 포함하며, 이 시일립은 그의 내부 편향(bias)으로 인해 축(34)에 대해서 가압된다.

상기 누출 경로는, 가스가 시일립의 방향으로 유동할 때, 그 가스의 적어도 일부는 다른 경로를 따르도록 되어, 시일립과 접촉하여 그 시일립의 부식을 야기하지 않도록 시일립에서 떨어져 있다. 이렇게 해서, 시일립과 접촉하는 가스의 양이 감소된다.

바람직하게는, 누출 경로는 시일 장치와 접촉하는 가스의 유동 경로에 대해 우선적인 유동 경로를 제공한다. 즉, 하나 또는 2 이상의 누출 경로가 없는 경우 가스가 통상적으로 유동하여 시일 장치와 접촉하게 되는 경우, 누출 경로의 존재는 그 가스에 시일 장치로부터 멀어지는 바람직한 경로를 제공한다.

누출 경로는 로터의 축방향 단면, 횡벽의 축방향 단면, 축 보어 또는 축 중의 하나 이상에 형성될 수 있다. 누출 경로는 나타나 있는 바와 같이 환형일 수 있는 홈을 포함할 수 있으며, 또는 구성품들 중의 하나를 통과하는 보어를 포함할 수도 있다.

예컨대, 역 누출 중에, 가스는 화살표(5)로 나타나 있는 바와 같이 처음에는 축방향 틈새를 따라 흐르게 된다. 가스가 로터의 축방향 단면에 있는 환형 홈(10)에 도달하면, 이 환형 홈(10)으로 인해 유동 저항은 비교적 좁은 축방향 틈새를 따를 때 보다 작게 된다. 또한, 환형 홈의 고압부와 그 홈의 저압부 사이의 압력차는 축방향 홈을 따른 압력과 축 보어내의 압력 사이의 차 보다 클 수 있다. 이와 관련하여 또한 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 축 보어 압력을 증가시키는 퍼지 가스를 축 보어 안으로 주입한다. 따라서, 축 보어 안으로 유입하는 가스 보다 더 많은 가스가 환형 홈(10)을 통해 흐르게 된다(화살표(17)로 나타나 있는 바와 같이). 헤드 플레이트(48)의 축방향 단면에 있는 환형 홈(8)도 유사한 기능을 제공한다.

누출 경로가 로터의 축방향 단면 또는 횡벽의 축방향 단면 중의 하나 또는 둘다에 형성되면, 누출 경로는 축 보어를 우회하게 된다. 이렇게 해서, 누출 경로는 축 보어에 들어가는 처리 가스의 양을 감소시키고 또한 그래서 시일 장치와의 접촉 가능성을 더 줄여준다.

다른 예로, 위에서 언급한 바와 같이, 가스는 처음에 화살표(5)로 나타나 있는 바와 같이 축방향 틈새를 따라 유동한다. 가스가 축의 외부 표면에 있는 환형 홈(12)에 도달하면, 축과 헤드 플레이트 사이에 있는 비교적 좁은 반경 방향 틈새를 따라 계속 유동할 때의 저항 보다 더 작은 유동 저항이 환형 홈(10)에 의해 제공된다. 이와 관련하여, 상기 반경 방향 틈새는 도면에서 과장되어 있는데 전형적으로는 1mm 미만이다. 또한, 환형 홈(12)의 고압부와 그 홈의 저압부 사이의 압력차는 축 보어의 다른 부분을 따른 압력 사이의 차 보다 클 수 있다. 이와 관련하여 또한 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 퍼지 가스가 축 보어 안으로 주입되고, 이 축 보어내의 압력은 시일립 근처에서 가장 크게 된다. 따라서, 시일립 쪽으로 유동하는 가스 보다 환형 홈(12)을 통해 유동하는 가스가 더 많게 된다. 헤드 플레이트(48)의 내측 표면에 있는 환형 홈(14)도 유사한 기능을 제공한다.

구동축에 있는 환형 홈은 그 구동축 자체에 또는 그 구동축 주위에서 그에 고정되는 칼라에 형성될 수 있다. 로터에 있는 환형 홈은 로터 자체에 또는 축 주위에 배치되어 로터에 대해 고정되는 플레이트에 형성될 수 있다.

축 보어 주위에 누출 경로(헤드 플레이트의 면에 있는 환형 홈과 같은)를 도입함으로써, 역 누출물은 덜 제한적인 경로를 얻게 되는데, 역 누출물은 시일 장치로 가는 경로에 대해 우선적으로 그 덜 제한적인 경로를 따르게 될 것이다. 새로운 또는 추가적인 누출 경로는 헤드 플레이트(48)의 수직면에 있는 하나 이상의 홈(8), 로터(30)의 면에 있는 하나 또는 2 이상의 홈(10), 축(32)에 있는 하나 또는 2 이상의 홈(12) 및 축 보어에 있는 하나 또는 2 이상의 홈(14) 중의 적어도 하나의 형태 또는 이들 홈이 조합된 형태를 취할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 하나 보다 많은 누출 경로가 필요한 것은 아님을 이해해야 한다. 도 2에 도시되어 있는 경로 모두가 본 발명의 실시에 필요한 것은 아니다. 이들 경로는 단지 편의상 한 도면에 도시되어 있는 것이다.

추가되는 누출 경로의 주 기능은 로터(30)의 후방면과 헤드 플레이트(48)의 전방면 사이에 있는 기존의 누출 경로와 비교하여 동등하거나 감소된 가스 유동 저항을 갖는 누출 경로를 생성하는 것이다.

처리 가스가 시일 장치와 접촉하는 것을 줄이기 위해 펌프는 퍼지 가스(9)(예컨대, 질소)를 축 보어를 통해 또한 시일 장치를 가로질러 전달하는 수단을 포함한다.

퍼지와 복수의 누출 경로의 조합이 유리한 것으로 밝혀졌다. 펌프를 통해 100slm 공기을 통과시켜 축 시일 위치에서 산소의 농도를 시험하기 위해 실험을 하였다. 이는 사용되면 존재하는 불소의 상대 농도와 같아야 한다. 통상적인 퍼지 유동 및 증가된 퍼지 유동의 각 경우에 대해 두개의 축시일 퍼지율을 사용하였다. 다음과 같은 3가지 양태를 시험하였다: a) 누출 경로 없음, b) 축에(그 축에 부착되어 있는 링시일에) 형성되어 있는 누출 경로, 및 c) 조합된 두개의 누출 경로(하나는 로터 축에 있고 다른 하나는 로터의 후방면에 있음). 결과는 표 1 에 나타나 있다.

누출 경로의 양태	누출 경로 및 ＜10slm 에서 ＞40slm 으로의 시일 퍼지 유동(N2)의 증가로 인한 시일면에서의 분압 감소
누출 경로 없음	50%
축 주위에 있는 누출 경로	75%
축 주위와 로터의 후방면에 있는 누출 경로	99%

알 수 있는 바와 같이, 시일 퍼지 가스 유동의 증가와 함께 사용될 때, 축 주위의 한 누출 경로를 사용하면 시일에서의 산소 분압이 75% 감소하였다. 두개의 누출 경로를 사용하면 시일에서의 산소 분압이 99% 감소하였다.

본 발명은 누출물이 시일면을 가로질러 유동하게 하지 않고 누출물을 그 시일면 주위로 방향 전환시키기 위해 의도적으로 축 보어 주위에 누출 경로를 도입하는 것이다. 본 발명은 기존의 많은 펌프에 개장될 수 있다.

당업자라면 본 발명은 용적용 펌프(positive displacement pump)에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

바람직한 실시 형태를 가지고 본 발명을 설명하였다. 당업자라면 첨부된 청구범위에 기재되어 있는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 발명에 변경 및 수정이 가해질 수도 있음을 이해할 것이다.

Claims (11)

1. 처리실로부터 가스를 펌핑하기 위한 진공 펌프에 있어서,
   펌핑실내에서 구동축에 의해 회전가능하게 지지되는 로터로서, 상기 구동축은 이 구동축에 대해 횡으로 연장하는 상기 펌핑실의 벽에 있는 축 보어(bore)를 통과하는, 상기 로터; 및
   상기 축 보어를 통한 가스의 이동을 저지하기 위해 상기 축과 상기 횡벽 사이에 제공되는 시일 장치를 포함하며,
   로터가 회전할 때, 가스가 상기 펌핑실의 입구에 있는 저압 영역으로부터 상기 펌핑실의 출구에 있는 고압 영역으로 펌핑되고,
   상기 로터와 상기 횡벽은 축방향 틈새에 의해 서로 떨어져 있으며, 상기 축방향 틈새를 따라 가스의 역 누출물이 상기 고압 영역에서 상기 저압 영역으로 유동할 수 있으며, 역 누출물을 위한 추가적인 누출 경로가 상기 시일 장치에서 떨어져 형성되어 있으며, 추가적인 상기 누출 경로를 따라 가스는 상기 시일 장치와의 접촉 없이 유동할 수 있고, 따라서 상기 펌프의 사용 중에 상기 시일 장치와 접촉하는 가스의 양이 감소되는
   진공 펌프.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 누출 경로는 상기 시일 장치와 접촉하는 가스의 유동 경로에 비해 우선적인 유동 경로를 제공하는
   진공 펌프.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 누출 경로는 상기 로터의 축방향 단면(axial end surface), 상기 횡벽의 축방향 단면, 상기 축 보어 또는 상기 축 중의 하나 또는 2 이상에 형성되는
   진공 펌프.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 누출 경로는 상기 로터의 축방향 단면 또는 상기 횡벽의 축방향 단면 중의 하나 또는 둘에 형성되며 상기 축 보어를 우회하는
   진공 펌프.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 누출 경로는 적어도 하나의 홈의 형태로 되어 있는
   진공 펌프.
6. 제 1 항에 있어서,
   처리 가스의 상기 시일 장치와의 접촉을 줄이기 위해 퍼지 가스를 상기 축 보어를 통해 그리고 상기 시일 장치를 가로질러 전달하는 수단을 포함하는
   진공 펌프.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 퍼지 가스는 질소인
   진공 펌프.
8. 제 1 항에 따른 진공 펌프에 사용되는 진공 펌프 로터로서,
   상기 로터가 모터의 구동축에 의해 회전될 수 있도록 상기 구동축을 받는 로터 보어, 및
   처리 가스의 시일 장치와의 접촉을 감소시키기 위해, 상기 시일 장치가 위치하는 상기 펌프의 축 보어 주위로 처리 가스의 역 누출물을 보내기 위해 상기 로터 보어 주위에 형성된 환형 홈을 포함하는
   진공 펌프 로터.
9. 제 1 항에 따른 진공 펌프에 사용되는 진공 펌프 축으로서,
   상기 축의 원주 주위에 형성되어 있는 환형 홈을 포함하고,
   상기 축이 펌핑실의 축방향 일 측에서 펌프의 횡벽에 있는 축 보어를 통과하면 상기 환형 홈은 상기 축 보어 안에 위치되어 사용시 상기 환형 홈은 상기 펌핑실의 고압 영역에서 저압 영역까지 처리 가스용 누출 경로를 형성하며, 상기 누출 경로는 상기 횡벽과 상기 축 사이의 시일링을 위해 상기 축 보어 안에 위치되는 시일 장치에서 멀어지게 가스를 안내하는
   진공 펌프 축.
10. 제 1 항에 따른 진공 펌프에 사용되는 횡벽으로서,
    상기 횡벽은 펌핑실의 축방향 일측에서 펌프 안에 위치되며,
    구동축이 통과할 수 있는 축 보어, 및
    펌핑실의 고압 영역에서 저압 영역까지 처리 가스용 누출 경로를 형성하는 환형 홈을 포함하며,
    상기 누출 경로는 상기 축과 상기 횡벽 사이의 시일링을 위해 상기 축 보어 안에 위치되는 시일 장치에서 멀어지게 가스를 안내하는
    횡벽.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 환형 홈은 상기 횡벽의 축방향 측면에 형성되고, 상기 환형 홈을 따라 지나가는 처리 가스는 상기 축 보어를 우회하는
    횡벽.

Images