KR20150027045A - 챔버를 배기시키기 위한 방법 및 펌프 장치 - Google Patents

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Abstract

챔버(42)를 배기시키기 위한 방법이 개시되는 바, 이에 따르면, 부스터 펌프(46) 및 하류의 앞 펌프(47)를 포함하는 펌프 장치가 챔버(42)에 연결된다. 부스터 펌프(46)가 가속되고, 부스터 펌프(46)의 구동부(17)에 의해 제공되는 동력을 초과하는 초과 동력이 부스터 펌프(46)로부터 일시적으로 추출되도록 챔버(42)로부터 가스가 부스터 펌프(46) 안으로 들어간다. 그 가스는 부스터 펌프(46)의 출구에 전달되고, 부스터 펌프(46)의 출구 압력이 특정의 임계값 보다 높게 있는 한 가스는 우회 밸브(49)를 통해 배출된다. 부스터 펌프(46)의 출구 압력이 임계값 밑으로 떨어지면 가스는 앞으로 상기 앞 펌프(47)에 전달된다. 본 발명은 또한 본 방법을 실행하기 위한 펌프 장치에 관한 것이다.

Description

챔버를 배기시키기 위한 방법 및 펌프 장치{METHOD AND PUMP ARRANGEMENT FOR EVACUATING A CHAMBER}
본 발명은 챔버를 배기시키기 위한 방법 및 펌프 장치에 관한 것이다. 이 펌프 장치는 상기 챔버에 연결되어 있고 부스터 펌프 및 하류의 앞 펌프를 포함한다.
많은 기술적 응용에서, 오늘날 챔버는 짧은 시간 내에 미리 정해진 진공으로 배기되어야 한다. 일 예를 들면, 제품이 진공 챔버에 들어갈 때 통과하게 되는 로크 챔버가 있다. 제품은 예컨대 태양 전지, 디스플레이 등과 같은 대량 생산되는 물품일 수 있으며, 이를 위한 개별적인 제조 단계가 진공 챔버에서 수행된다. 그러한 제품은 더욱더 짧은 사이클 시간으로 진공 챔버 안에 들어가는 것이 요망된다. 일반적으로, 수백 리터의 부피를 갖는 로크 챔버를 10 초 보다 상당히 짧은 시간 내에 10-2 mbar 미만의 압력으로 배기시켜야 한다.
그러한 로크 챔버의 배기를 위해, 직렬로 연결되는 2개의 펌프로 구성된 펌프 장치를 보통 사용하게 되는데, 여기서 제 1 펌프는 보통 부스터 펌프라고 하고 하류의 펌프는 보통 앞 펌프라고 한다. 이상 기체 법칙(압력 × 부피 = 일정; 온도는 일정하다고 가정)에 따르면 앞 펌프는 부스터 펌프 보다 상당히 작은 부피 유동을 위해 설계될 수 있기 때문에, 두 펌프의 직렬 연결이 편리하다.
그러나, 로크 챔버를 대기압으로부터 매우 짧은 시간 내에 배기시켜야 한다면, 처음에 부스터 펌프가 큰 부피 유동을 고압에서 전달하게 되는데, 그 결과 큰 부피 유동이 부스터 펌프의 출구에 도달하게 된다. 그러한 큰 부피 유동을 다룰수 있는 앞 펌프는 번거롭고 비싸다.
본 발명의 목적은, 장치와 관련한 지출을 줄이면서 챔버를 신속하게 배기시킬 수 있는 방법 및 펌프 장치를 제공하는 것이다. 전술한 종래 기술에서 시작하여, 상기 목적은 독립 청구항의 특징적 사항으로 달성된다. 종속 청구항들은 유리한 실시 형태에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법에서, 처음에 부스터 펌프가 가속된다. 그런 다음, 배기될 챔버로부터 가스가 부스터 펌프에 들어가고, 그래서 상기 부스터 펌프의 구동부에 의해 제공되는 동력을 초과하는 초과 동력이 상기 부스터 펌프로부터 일시적으로 추출된다. 부스터 펌프의 출구에 전달되는 가스는, 상기 부스터 펌프의 출구 압력이 미리 정해진 임계값 보다 높게 있는 한 우회 밸브를 통해 배출된다. 상기 부스터 펌프의 출구 압력이 상기 임계값 밑으로 떨어지면 상기 가스는 앞으로 상기 앞 펌프에 전달된다. 부스터 펌프에 의해 공급되는 가스는 상기 앞 펌프로 압축된다.
먼저, 몇몇 표현을 설명하도록 한다. "부스터 펌프" 및 "앞 펌프" 라는 표현은, 펌프 장치에서 펌프들의 순서를 나타낸다. 상기 표현은 펌프의 구성을 제한하는 것은 아니다.
본 발명이 인식한 바로, 부스터 펌프의 가속 및 이어지는 초과 동력의 추출의 결과로, 챔버로부터 가스가 앞 펌프를 우회하면서 직접 배출될 수 있게 해주는 높은 압력에서 부스터 펌프의 출구에 전달될 수 있다. 부스터 펌프가 가스를 대응 압력으로 더 이상 압축시킬 수 없는 정도로 배기 과정이 진행되었을 때만, 추가 압축을 위해 앞 펌프가 추가적으로 사용된다. 본 발명에 의해, 앞 펌프는 부스터 펌프 보다 작은 부피 유동을 위해서뿐만 아니라 작은 질량 유동을 위해서도 설계될 수 있다.
일반적으로, 우회 밸브의 출구에는 대기압이 형성된다. 이 경우, 임계값은 대기압 러시어(rusher)에 대응한다. 따라서, 부스터 펌프의 출구 압력이 대기압 보다 높게 있는 한 가스는 우회 밸브를 통해 나가게 된다. 상기 부스터 펌프의 출구 압력은 최고시 대기압 보다 적어도 1 bar, 바람직하게는 적어도 2 bar, 더 바람직하게는 적어도 3 bar 높을 수 있다. 앞 펌프에 의해 압축되는 가스도 마찬가지로 대기압에서 주변 환경으로 배출될 수 있다.
배기 과정의 시작시, 챔버에는 일반적으로 대기압이 형성되고, 그래서 배기 과정은 대기압에서 시작된다. 배기 과정의 시작 전에, 부스터 펌프의 입구는 닫히고, 따라서 챔버로부터 가스가 그 부스터 펌프에 들어가지 못한다. 그래서, 가스가 부스터 펌프 안으로 들어갈 때 배기 과정이 시작된다.
배기 과정의 시작시, 높은 압력(예컨대, 대기압)에서 큰 부피 유동을 전달할 수 있기 위해, 부스터 펌프는 높은 압축력을 제공해야 한다. 높은 압축력은, 배기 과정 중에 부스터 펌프의 구동부에 의해 제공되는 것 보다 많은 압축력이 부스터 펌프로부터 일시적으로 추출됨으로써 제공된다. 구동력을 초과하는 초과 동력은 부스터 펌프의 운동 에너지로부터 추출된다. 그래서 부스터 펌프는 제동되며, 이 펌프의 회전 속도는 감소하게 된다.
본 발명에서, 부스터 펌프에서 추출되는 동력은 구동력 보다 상당히 높을 수 있다. 예컨대, 상기 초과 동력은 최고시에 구동력의 50% 이상, 바람직하게는 100% 이상, 더 바람직하게는 200% 이상이다. 100%의 초과 동력의 경우, 압축력은 구동력의 두 배가 된다.
또한, 초과 동력은 순간적으로 추출될 수 있을 뿐만 아니라 어떤 시간 동안 추출될 수 있다. 챔버 내의 압력이 출구 압력 밑으로 떨어질 때 배기 과정이 시작되고 챔버 내의 최종 압력이 도달되면 끝나게 되며, 초과 동력이 추출되는 상기 시간은 예컨대 배기 과정의 10%, 바람직하게는 20%, 더 바람직하게는 50% 일 수 있다. 초과 동력의 추출 결과, 부스터 펌프의 회전 속도는 적어도 5%, 바람직하게는 적어도 10%, 더 바람직하게는 적어도 25% 만큼 감소하게 된다.
펌프로부터 초과 동력이 그러한 정도로 추출될 수 있도록, 배기 과정의 시작 전에 펌프는 그에 따라 다량의 운동 에너지가 이용가능한 상태로 되어야 한다. 따라서 펌프는 배기 과정의 시작 전에 가속된다.
적정의 운동 에너지를 제공할 수 있기 위해, 배기 과정의 시작시 상기 부스터 펌프의 회전 속도는 바람직하게는 8000 rpm 보다 높고, 더 바람직하게는 10,000 rpm 보다 높으며, 더더욱 바람직하게는 12,000 rpm 보다 높다. 회전하는 부품의 직경은 바람직하게는 5 cm 이상, 더 바람직하게는 10 cm 이상, 더더욱 바람직하게는 20 cm 이상이다.
실질적으로 대기압에서 가스가 챔버로부터 부스터 펌프 안으로 들어가면, 그 부스터 펌프는 갑작스런 부하를 받게 된다. 지금까지 부스터 펌프로서 사용되고 있는 몇몇 종류의 펌프는 일반적으로 그러한 갑작스런 부하를 수용하기에는 덜 적합하다. 일 유리한 실시 형태에서, 부스터 펌프로서 스크류형 펌프가 사용되는데, 이의 바람직한 구성은 아래에서 더 자세히 설명하도록 한다. 상기 앞 펌프는 예컨대 통상적인 액체 링 진공 펌프일 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로, 100 L 이상의 부피를 갖는 챔버가 5초 미만 내로 대기압에서 10-2 mbar 미만의 압력으로 배기될 수 있다. 이러한 가능성은, 상기한 정도의 크기를 갖는 로크 챔버가 짧은 사이클 시간 내에 반복적으로 배기되어야 하는 로크 응용의 경우에 특히 흥미로운 것이다. 로크 챔버의 입구에는 대기압이 형성되는데, 이는 구성품을 로크 챔버 안으로 넣기 위해 입구가 열릴 때 그 로크 챔버에도 대기압이 형성됨을 의미한다. 로크 챔버의 출구에는, 예컨대 10-2 mbar의 압력을 갖는 진공 챔버가 인접해 있다. 따라서, 구성품을 진공 챔버 안으로 전달하기 위해 출구가 열릴 수 있기 전에 로크 챔버를 상기 압력으로 배기해야 한다.
로크의 사이클 시간이 예컨대 10 초이면, 부스터 펌프로부터 초과 동력이 추출되는 시간은 예컨대 1초일 수 있고, 나머지 사이클 시간은 부스터 펌프를 출발 회전 속도로 다시 가속시키는데 사용된다. 더 일반적으로, 초과 동력의 추출 시간은 바람직하게는 사이클 시간의 적어도 5%, 더 바람직하게는 적어도 10% 이다. 사이클 시간의 적어도 30%, 바람직하게는 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 70% 동안에, 부스터 펌프로부터 추출된 동력은 구동력 보다 낮으며, 그래서 부스터 펌프가 가속된다.
본 발명은 또한 펌프 장치에 관한 것이다. 이 펌프 장치는 부스터 펌프 및 앞 펌프를 포함하며, 상기 부스터 펌프의 출구는 상기 앞 펌프의 입구에 연결된다. 부스터 펌프와 앞 펌프 사이에는 우회 밸브가 배치되어 있으며, 상기 부스터 펌프에 의해 전달되는 가스는 상기 앞 펌프를 우회하여 상기 우회 밸브에 의해 배출될 수 있다. 펌프 장치는 또한, 부스터 펌프의 회전 속도가 미리 정해진 회전 속도 임계값 보다 높으면 제어 신호를 출력하도록 되어 있는 제어 유닛을 포함한다. 회전 속도 임계값은, 각각의 회전 속도가 초과된 후에 부스터 펌프가 초과 동력의 추출을 위한 준비가 되도록 정해져 있다. 이러한 펌프 장치는 본 발명의 방법에 따라 짧은 시간 내에 챔버를 배기시키는데 적합하다.
부스터 펌프가 다음 추출 과정을 위한 준비가 되어 있음을 나타내기 위해 제어 신호는 배기될 챔버의 제어기에 전달될 수 있다. 그러면 챔버의 제어기는 부스터 펌프의 입구(이를 통해 부스터 펌프가 챔버에 연결됨)를 열 수 있다. 그런 다음, 챔버로부터 가스가 부스터 펌프에 들어가며, 그 챔버는 신속하게 배기된다. 가스가 부스터 펌프에 들어갈 때 부하가 갑자기 증가하게 되며, 그래서 부스터 펌프의 회전 속도가 감소하게 된다.
부스터 펌프의 제어 유닛은, 회전 속도 임계값이 초과되도록 배기 과정의 시작 전에 부스터 펌프를 가속시키도록 될 수 있다. 초과 동력의 추출을 위해 적정한 양의 운동 에너지를 제공하기 위해, 회전 속도 임계값은 바람직하게는 부스터 펌프의 전달 회전 속도 보다 높다. 전달 회전 속도는 유도 압력이 100 mbar 일 때 정상적인(steady) 상태라고 생각되는 회전 속도를 말한다. 전달 회전 속도에서 구동력은 펌프 동력에 대응하며, 이는 부스터 펌프의 회전 속도가 일정허게 유지됨을 의미한다. 회전 속도 임계값은 전달 회전 속도 보다 10%, 바람직하게는 30%, 더 바람직하게는 50% 만큼 더 높다. 절대값으로, 회전 속도 임계값은 예컨대 적어도 8000 rpm, 바람직하게는 적어도 10,000 rpm, 더 바람직하게는 적어도 12,000 rpm 일 수 있다. 보통, 본 발명에서 사용되는 부스터 펌프는 상당히 낮은 회전 속도에서 작동된다. 그러한 부스터 펌프의 작동 중에 일반적으로 6000 rpm의 회전 속도가 초과되지 않는다. 본 발명에 따른 방법의 경우에도, 부스터 펌프는 전달 회전 속도를 초과하여 가속될 수 있다.
본 발명에 따른 펌프 장치는 배기될 챔버를 더 포함할 수 있다. 이러한 목적으로 이 장치의 제어 유닛은, 회전 속도 임계값이 초과된 후에 펌프의 입구(이를 통해 부스터 펌프가 챔버에 연결됨)를 열도록 설계될 수 있다. 또한, 제어 유닛은 부스터 펌프가 가속되는 중에 입구를 닫힌 상태로 유지하도록 구성될 수 있다.
일 유리한 실시 형태에서, 부스터 펌프로서 스크류형 펌프가 사용되는데, 여기서 두 나사산의 스크류는 가스가 흡입측으로부터 나사산 권회부들 사이의 압력측에 전달되도록 서로 맞물리게 된다. 상기 높은 회전 속도에 견딜 수 있도록, 스크류는 바람직하게는 각 경우 2개의 나사산을 가지며, 따라서 스크류의 길이 방향으로 발생되는 힘들은 서로를 상쇄시킨다. 스크류의 나사산은 바람직하게는 이중 시작 구성이다. 여기서, 반경 방향으로, 스크류의 점대칭이 존재하며, 따라서 스크류들은 길이 방향 축선에 대해 180°회전하면 자신에 겹치게 된다. 스크류의 직경은 바람직하게는 10 cm 이상, 더 바람직하게는 15 cm 이상, 더더욱 바람직하게는 20 cm 이상이며, 따라서 스크류는 전체적으로 대략 상기 크기를 갖게 된다.
스크류형 펌프가 부스터 펌프의 경우에 요구되는 큰 부피 유동을 수용하기 위해, 입구는 스크류의 단면적의 바람직하게는 60% 보다 크고, 더 바람직하게는 80% 보다 크고, 더더욱 바람직하게는 100% 보다 크다. 누설 손실을 줄이기 위해, 압력측 가까이에서, 펌프의 하우징과 스크류의 나사산 사이의 반경 방향 간격은 가능한 한 작게 되어 있는데(반경 방향 최소 간격), 예컨대 0.2 mm 미만, 바람직하게는 0.1 mm 미만이다.
큰 부피 유동이 펌프의 작업 챔버 안으로 들어갈 수 있도록, 입구 영역에서, 즉 특히 입구가 형성되어 있는 하우징부에서 스크류의 나사산과 하우징 사이에 흡입틈이 존재할 수 있다. 이 흡입틈의 반경 방향 직경은 반경 방향 최소 간격 보다 50, 더 바람직하게는 100, 더더욱 바람직하게는 200 팩터 만큼 더 크다. 흡입틈은 예컨대 하우징의 적어도 15°, 바람직하게는 적어도 30°의 원주각에 걸쳐 있을 수 있다. 길이 방향으로, 흡입틈은 스크류의 나사산의 길이의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 30%, 더 바람직하게는 적어도 40%에 걸쳐 있을 수 있다. 흡입틈의 길이는 바람직하게는 상기 영역에 있는 나사산의 360°권회부의 길이에 대응한다. 따라서, 나사산은 입구 영역에서 매우 큰 피치를 갖는다. 제 1 360°권회부는 예컨대 나사산의 길이의 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 30%, 더 바람직하게는 적어도 40%에 걸쳐 있을 수 있다. 전체적으로, 이중 시작 나사산의 각 나사산 권회부는 완전한 360°회전에 대해 바람직하게는 적어도 세개,더 바람직하게는 그 이상을 포함한다.
이하, 유리한 실시 형태에 기초하여 첨부 도면을 참조하면서 본 발명을 예시적으로 설명하도록 한다.
도 1 은 로크 챔버에 연결되어 있는 본 발명에 따른 펌프 장치를 나타낸다.
도 2 는 본 발명에 따른 펌프 장치에 적합한 스크류형 펌프의 부분 절개 사시도를 나타낸다.
도 3 은 도 1 의 펌프의 확대 상세도를 나타낸다.
도 4 는 도 3 을 펌프의 다른 상태에서 본 것이다.
도 5 는 본 발명에 따른 펌프 장치에 적합한 스크류형 펌프를 스크류의 축선을 따라 잘라서 본 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 6a 및 6b 는 도 5 에서 선 A - A 및 선 B - B 을 따라 취한 단면도를 나타낸다.
도 1 에 나타나 있는 진공 챔버(40)에서, 제품(41)에 대해 어떤 방법 단계들이 수행된다. 제품(41)(단순화된 블럭 형태로 도시되어 있음)은 예컨대 태양 전지 또는 디스플레이와 같은 다수의 반도체 요소일 수 있다. 상기 방법 단계은 코팅 과정일 수 있다. 그 방법 단계의 경우, 진공 챔버 내의 압력은 0.5 mbar 미만일 필요가 있다. 진공 챔버를 그러한 압력으로 유지하기 위해, 진공 펌프(도 1 에는 미도시)가 진공 챔버(40)에 연결된다.
진공 챔버(40) 옆에는 로크 챔버(42)를 갖는 로크가 인접해 있는데, 그 로크 챔버를 통해 제품(41)이 진공 챔버 안으로 들어가게 된다. 로크 챔버(42)는 슬라이딩 도어(43, 44)가 제공되어 있는 입구 및 출구를 갖는다. 슬라이딩 도어(43, 44)는 언제 든지 둘이 동시에 열리지 않도록 제어기(50)에 의해 제어된다. 슬라이딩 도어(43)가 열려 있으면, 로크 챔버(42)에는 대기압이 형성된다. 로크는 예컨대 200 l의 부피를 갖는다.
슬라이딩 도어(43)가 열려 있으면, 제품(42)은 컨베이어 벨트(45)에 의해 로크 챔버(42) 안으로 들어갈 수 있다. 그 후 슬라이딩 도어(43)가 다시 닫히면, 로크 챔버(42)는 이 로크 챔버(42)에 연결되어 있는 펌프 장치에 의해 배기되며, 그래서 로크 챔버(42) 내의 압력은 진공 챔버(40) 내에 형성되어 있는 0.5 mbar 미만의 압력에 대응하게 된다. 배기 과정이 완료된 후에, 슬라이딩 도어(44)가 열리고, 제품(41)이 컨베이어 벨트(45)에 의해 진공 챔버(40) 안으로 들어가게 된다. 그 후 슬라이딩 도어(44)가 다시 닫히며, 로크 챔버(42)는 대기압으로 되고 슬라이딩 도어(43)가 열리게 된다. 이렇게 해서 로크에서의 한 사이클이 완료되게 된다. 그 사이클의 사이클 시간은 대략 10 초이다.
배기 과정 자체의 경우(이 배기 과정에 의해 로크 챔버 내의 압력이 대기압에서 0.5 mbar 미만의 최종 압력으로 감소됨), 상기 사이클 시간 보다 상당히 짧은 시간 주기가 이용될 수 있다. 배기 과정은 예컨대 5초의 시간 주기로 연장될 수 있다.
이 부피의 로크를 그러한 짧은 시간 내에 배기시킬 수 있기 위해서는, 특히 대기압과 최종 압력 사이의 전체 압력 범위에 걸쳐 높은 흡입력을 갖는 강력한 펌프 장치가 필요하다. 이는 본 발명에 따른 펌프 장치로 제공되는데, 본 발명의 펌프 장치에서는, 도 1 에 따라, 부스터 펌프(46)로서 스크류형 펌프 및 앞 펌프(47)로서 액체 링 진공 펌프가 직렬로 연결된다. 액체 링 진공 펌프는 통상적인 구성이며, 그래서 그에 대한 상세한 설명은 필요가 없을 것이다.
배기 과정을 시작하기 위해서는, 처음에 부스터 펌프(46)가 전달 회전 속도 보다 상당히 더 높은 회전 속도로 가속된다. 부스터 펌프(46)와 로크 챔버(42) 사이에 배치되는 밸브(48)가 닫히고, 그래서 로크 챔버(42)로부터 가스가 부스터 펌프(46)의 입구 안으로 들어가지 못한다. 따라서 부스터 펌프(46)는 부하를 받지 않으며, 그래서 그 부스터 펌프(46)를 가속시키는데는 비교적 낮은 구동력으로도 충분하다.
미리 정해진 회전 속도 임계값이 초과될 정도로 부스터 펌프(46)가 가속되면, 부스터 펌프(46)의 제어 유닛(16)이 로크 챔버의 제어기(50)에 제어 신호를 전달하게 된다. 이렇게 해서, 제어기(50)는, 부스터 펌프(46)가 다음 배기 과정을 위한 준비가 되어 있다는 정보를 제공받게 된다. 로크 챔버(42)가 또한 다음 배기 과정을 위한 준비가 되어 있으면, 부스터 펌프(46)가 로크 챔버(42)로부터 공기를 인도할 수 있도록 제어기(50)가 밸브(48)를 열 수 있다. 압축 과정에서 공기는 부스터 펌프(46)에 의해 전달되고 그 과정에서 압축되며, 따라서 대기압 보다 상당히 높은 압력이 부스터 펌프(46)의 출구에 형성된다. 최고시 대기압 보다 3 bar 높은 압력이 예컨대 부스터 펌프(46)의 출구에 형성될 수 있다.
상기 앞 펌프(47)와 부스터 펌프(46) 사이에는 우회 밸브(49)가 있는데, 이 우회 밸브의 출구에는 대기압이 형성된다. 우회 밸브(49)는 과압 밸브로 되어 있는데, 따라서 부스터 펌프(46)의 출구로부터 압축 가스는 부스터 펌프(46)의 출구압력이 대기압 보다 높게 있는 한 우회 밸브(49)를 통해 자동적으로 나가게 된다. 부스터 펌프(46)의 출구 압력이 대기압 밑으로 떨어지면, 우회 밸브(49)는 닫히게 된다. 그러면 가스는 앞 펌프(47)에 의해 취해져 더 압축되고, 그래서 상기 가스는 대기압에서 주변 환경으로 배출될 수 있다.
로크 챔버(42) 내의 압력이 최종 압력에 가까울 수록, 부스터 펌프(46)와 앞 펌프(47) 사이의 압력은 더 낮아지게 된다. 앞 펌프(47)는 가스를 상기 압력에서 대기압으로 압축할 수 있도록 구성될 수 있다.
그러한 배기 과정 중에, 부스터 펌프(46)는 특히 높은 부하를 받게 된다. 밸브(48)가 열리면, 부스터 펌프(46)에 들어가는 공기 유동은 갑작스런 부하를 발생시킨다. 또한, 대기압에서 큰 부피 유동이 들어가기 때문에, 부스터 펌프(46)의 높은 압축력이 요구된다. 이 압축력은 부스터 펌프(46)의 구동력을 초과하는데, 이는 부스터 펌프(46)로부터 초과 동력이 추출됨을 의미한다. 초과 동력은 부스터 펌프(46)의 운동 회전 에너지로부터 얻어지는데, 이는 부스터 펌프(46)의 회전 속도가 상기 단계에서 감소됨을 의미하는 것이다.
적정의 운동 회전 에너지를 제공할 수 있기 위해, 배기 과정의 시작 전에 부스터 펌프(46)는 10,000 rpm 보다 높은 빠른 회전 속도로 가속된다. 초과 동력의 추출의 결과, 회전 속도는 1초 이내에 9000 rpm 으로 감소된다. 나머지 사이클 시간은 부스터 펌프(46)를 원래의 회전 속도로 다시 가속시키는데 사용된다. 이 단계에서, 따라서 구동력은 부스터 펌프(46)로부터 추출된 압축력 보다 높게 된다.
처음에 배기 과정 시작시의 부하를 견디고 다음에는 전체 압력 범위에 걸쳐 필요한 흡입력을 갖게 되는 부스터 펌프(46)를 아래에서 설명한다.
부스터 펌프로서 적절한 스크류형 펌프는, 도 2 에 따라 2개의 스크류(14)를 포함하는데, 이 스크류는 펌프 하우징(15) 안에 수용된다. 펌프 하우징(15)은 전전체가 도시되어 있지는 않기 때문에, 스크류(14) 중의 하나를 전체 길이에 걸쳐 볼 수 있고, 다른 스크류(14)는 대부분 펌프 하우징(15)에 가려 있다. 두 스크류(14)는 서로 맞물리는데, 이는 스크류(14)의 나사산 돌출부들이 다른 스크류(14)의 두 나사산 돌출부들 사이의 오목부에 결합됨을 의미한다.
펌프는 제어 및 구동 유닛(16)을 포함하는데, 이 유닛에는 각각의 스크류(14)를 위한 전자제어식 구동 모터(17)가 배치되어 있다. 구동 모터(17)의 전자 제어기는, 스크류(14)의 나사산 돌출부들이 접촉함이 없이 두 스크류(14)가 서로에 대해 완전히 동기적으로 움직이도록 셋업되어 있다. 추가적으로 스크류(14)에 대한 손상을 방지하기 위해, 두 스크류(14) 각각에는 기어휠(18)이 구비되어 있다. 이 기어휠(18)들은 서로 맞물리며 스크류(14)의 전자 동기화에 이상이 발생된 경우에 두 스크류(14)의 포지티브 결합을 발생시키기 된다.
각각의 스크류(14)에는 2개의 나사산(19)이 구비되어 있는데, 그래서 펌프는 총 4개의 나사산(19)을 갖게 된다. 나사산(19)은 각 경우 스크류(14)의 중앙부에 있는 흡입측(20)에서부터 그 스크류(14)의 외측 단부에 있는 압력측(21)까지 이른다. 스크류(14)의 두 나사산은 흡입측(20)에서부터 압력측(21)을 향해 일하도록 서로 반대 방향으로 향해 있다.
나사산(19) 각각은 제 1 나사 권회부(22) 및 제 2 나사 권회부(23)를 포함한다. 따라서, 나사 권회부(22, 23)는 함께 이중 나선형을 이루도록 서로 얽혀 있다는 점에서 나사산(19)들은 이중 시작 형태이다. 두 나사 권회부(22, 23)는 나사산(19)들이 반경 방향으로 대칭적이도록 형성되어 있다. 또한 스크류(14)를 제 1 나사산(19)의 압력측에서 제 2 나사산(19)의 압력측을 향해 볼 때, 그 스크류(14)는 길이 방향으로도 대칭적이다.
압력측(21)의 영역에서 보다 흡입측(20)의 영역에서 더 큰 부피가 두 인접하는 나사산 돌출부 사이에 있도록 나사산(19)들이 구성된다. 그리하여, 나사산 돌출부들 사이에 있는 부피에 대응하는 작업 챔버의 부피는 흡입측에서 압력측으로 가면서 감소하며, 따라서 작업 챔버 내에 들어 있는 가스는 흡입측에서 압력측으로 가는 경로에서 압축된다.
펌프의 하우징(15)에는 입구(24)가 제공되어 있는데, 이 입구는 모든 네 나사산(19)의 흡입측(20)에 접근할 수 있도록 배치되어 있다. 큰 부피 유동이 펌프 안으로 유입할 수 있도록, 입구(24)는 큰 단면을 갖고 있다. 예시적인 실시 형태에서, 입구(24)의 단면적은 스크류(14)가 걸쳐 있는 원형 윤곽 보다 크게 되어 있다.
작업 챔버 안으로의 부피 유동을 더 개선하기 위해, 펌프의 하우징(15)에는 흡입틈(25)이 형성되어 있는데, 이 흡입틈은 입구(24)에 인접해 있고 또한 원주 방향으로 스크류(14)의 윤곽을 따른다. 길이 방향으로 흡입틈(25)은 흡입측(20)과 압력측(21) 사이의 나사산(19)의 길이의 대략 절반에 걸쳐 있다. 원주 방향으로 흡입틈(25)의 크기는 입구에 따라 변하게 되는데, 각각의 지점에서 입구(24)가 옆으로 멀리 연장되어 있을 수록, 그 지점에서 흡입틈(25)의 원주 방향 연장은 더 짧게 된다. 입구(24)의 가장 넓은 지점에서, 흡입틈(25)은 대략 45°의 원주각으로 연장되어 있다. 입구(24)가 더 이상 흡입틈(25)을 덮지 않는 영역에서는, 흡입틈(24)은 대략 120°의 원주각으로 연장되어 있다. 흡입틈(25)의 반경 방향 크기는 그 영역에서 펌프 하우징(15)과 스크류(14)의 윤곽 사이의 간격에 대응한다. 이 간격은 대략 10 mm의 범위에 있다.
상기 흡입틈으로 인해, 가스는 반경 방향으로 작업 챔버에 들어가는 것에 더 이상 국한되지 않고, 대신에 나사산 돌출부를 가로질러 흡입틈을 통과해서도 작업 챔버에 들어갈 수 있게 된다. 이렇게 해서 작업 챔버에 들어가는 부피 유동이 더욱 증가되는 것이다.
작업 챔버에 들어가는 부피 유동의 증가에 대한 추가적인 기여는, 스크류(14)의 제 1 나사산(19)의 흡입측(20)과 스크류(14)의 제 2 나사산(19)의 흡입측(20) 사이에 간격이 존재한다는 사실로 인해 달성된다. 이렇게 해서, 스크류(14)의 중앙부에는, 자유 공간이 남게 되는데, 이 자유 공간을 통해 가스가 반경 방향으로 작업 챔버에 들어갈 수 있다.
흡입틈(25)이 연장되어 있는 영역(= 제 1 하우징부(26))은 작업 챔버를 충전하는 역할을 한다. 인접하는 제 2 하우징부(27)에서, 하우징과 스크류(14)의 윤곽 사이의 간격은 기술적으로 가능한 한 작게 되어 있다(반경 방향 최소 간격). 압축은 제 2 하우징부에서 일어나고, 한 작업 챔버로부터 다음 작업 챔버 안으로의 누설 유동은 바람직하지 않다.
제 1 하우징부(26)로부터 제 2 하우징부(27)로의 천이부에는 천이 가장자리(28)가 형성되어 있다. 이 천이 가장자리(28)는 원주 방향으로 전체 부분(25)에 걸쳐 있고 흡입틈(25)으로부터 제 2 하우징부(27)로의 천이부를 규정하며, 여기서 반경 방향 최소 간격은 하우징(15)과 스크류(14) 사이에 존재한다.
작업 챔버가 제 2 하우징부 안으로 들어갔을 때, 즉 흡입측 쪽에서 작업 챔버를 한정하는 나사산 돌출부가 천이 가장자리(28)와 함께 폐쇄부를 형성했을 때 압축이 시작된다. 천이 가장자리(28)는, 나사산 돌출부와 천이 가장자리(28) 사이의 폐쇄부가 작업 챔버가 여전히 그의 최대 부피를 가지고 있을 때 형성되도록 배치되어 있다.
원주 방향에서 볼 때, 천이 가장자리(28)는 천이 가장자리(28)와 함께 폐쇄부를 형성하는 나사산 돌출부의 구배 보다 작은 각도를 횡방향으로 에워싼다. 이렇게 해서, 나사산 돌출부와 천이 가장자리(28) 사이의 폐쇄부의 형성이 갑자기 일어나지 않고 오히려 짧은 시간에 걸쳐 일어나게 된다. 이렇게 해서, 펌프의 작동 소음이 감소 된다.
실제 부피 압축은 작업 챔버의 폐쇄 직후에 나사산의 짧은 부분에서 일어난다. 나사산의 인접하는 다른 권회부는 시일링 역할을 하고 또한 열역학적 압축에 영향을 준다.
나사산(19)의 압력측(21)에서, 가스가 작업 챔버에서 배출된다. 펌프 하우징(15)에 있는 보어(29)를 통해, 외부에 있는 압력측(21)으로부터 압축 가스는 중앙 출구로 보내지게 된다. 출구(도면에서는 볼 수 없음)는 입구(24)의 반대쪽에 있다. 도 2, 3 및 5 에서 보는 바와 같이, 보어(29)는 펌프 하우징(15)에 일체화되어 있고 두 스크류(14) 사이에 있으며, 라인(29)은 부분적으로 두 스크류(14)에 대한 접평면(35) 내에 있다.

Claims (15)

  1. 챔버(42)를 배기시키기 위한 방법으로서, 부스터 펌프(46) 및 하류의 앞 펌프(47)를 포함하는 펌프 장치가 상기 챔버(42)에 연결되어 있고, 상기 방법은,
    a. 상기 부스터 펌프(46)를 가속시키는 단계;
    b. 상기 부스터 펌프(46)의 구동부(17)에 의해 제공되는 동력을 초과하는 초과 동력이 상기 부스터 펌프(46)로부터 일시적으로 추출되도록 상기 챔버(42)로부터 가스를 부스터 펌프(46) 안으로 들여 보내는 단계;
    c. 상기 가스를 부스터 펌프(46)의 출구에 전달하는 단계;
    ⅰ. 상기 부스터 펌프(46)의 출구 압력이 미리 정해진 임계값 보다 높게 있는 한 상기 가스는 우회 밸브(49)를 통해 배출되고,
    ⅱ. 상기 부스터 펌프(46)의 출구 압력이 상기 임계값 밑으로 떨어지면 상기 가스는 앞으로 상기 앞 펌프(47)에 전달되며,
    d. 상기 부스터 펌프(46)로부터 공급되는 상기 가스를 상기 앞 펌프(47)로 압축시키는 단계를 포함하는, 챔버를 배기시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스터 펌프(46)는 이 부스터 펌프(46)의 입구가 닫히 상태에서 상기 단계 a. 에서 가속되는, 챔버를 배기시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 초과 동력은 최고시에 구동력의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 100%, 더 바람직하게는 적어도 200% 에 달하는, 챔버를 배기시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초과 동력은 배기 과정의 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 20%, 더 바람직하게는 적어도 50% 동안에 추출되는, 챔버를 배기시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 과정의 시작시 상기 부스터 펌프(46)의 회전 속도는 8000 rpm 보다 높고, 바람직하게는 10,000 rpm 보다 높으며, 더 바람직하게는 12,000 rpm 보다 높은, 챔버를 배기시키기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스터 펌프(46)의 출구 압력은 최고시 대기압 보다 적어도 1 bar, 바람직하게는 적어도 2 bar, 더 바람직하게는 적어도 3 bar 높은 높은. 챔버를 배기시키기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 15초 미만, 바람직하게는 10초 미만의 사이클 시간으로 작동되는 로크 챔버(42)인, 챔버를 배기시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초과 동력은 상기 로크 챔버(42)의 사이클 시간의 적어도 5%, 바람직하게는 적어도 10% 동안에 상기 부스터 펌프로부터 추출되는, 챔버를 배기시키기 위한 방법.
  9. 부스터 펌프(46) 및 앞 펌프(47)를 갖는 펌프 장치로서, 상기 부스터 펌프(46)의 출구는 상기 앞 펌프(47)의 입구에 연결되고, 부스터 펌프(46)와 앞 펌프(47) 사이에는 우회 밸브(49)가 배치되어 있으며, 상기 부스터 펌프(46)에 의해 전달되는 가스는 상기 앞 펌프(47)를 우회하여 상기 우회 밸브(49)에 의해 배출될 수 있고, 부스터 펌프(46)의 회전 속도가 미리 정해진 회전 속도 임계값 보다 높으면 제어 유닛(16)이 제어 신호를 출력하도록 되어 있고, 그래서 상기 부스터 펌프(46)가 초과 동력의 추출을 위한 준비가 되는 펌프 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 회전 속도 임계값은 펌프의 전달 회전 속도 보다 높고, 바람직하게는 적어도 30%, 더 바람직하게는 적어도 50% 더 높은 펌프 장치.
  11. 제 9 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 회전 속도 임계값은 8000 rpm 보다 높고, 바람직하게는 10,000 rpm 보다 높으며, 더 바람직하게는 12,000 rpm 보다 높은 펌프 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부스터 펌프(46)는 스크류형 펌프인 펌프 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 스크류형 펌프의 스크류(14)는 각 경우 2개의 나사산을 갖는 펌프 장치.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크류(14)가 수용되는 하우징(15)이 제공되어 있고, 이 하우징(15)은, 나사산(19)의 영역에서 제 1 하우징부(26) 및 제 2 하우징부(27)를 갖도록 설계되어 있으며, 상기 제 1 하우징부(26)에서 하우징(15)과 나사산(19) 사이에 흡입틈(25)이 있고, 제 2 하우징부(27)에서는 하우징(15)과 나사산(19) 사이에 반경 방향 최소 간격이 있는 펌프 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 하우징(15)에는 입구(24)가 제공되어 있고, 이 입구(24)는 상기 나사산(19)의 단면적의 60%, 바람직하게는 80%, 더 바람직하게는 100% 보다 큰 펌프 장치.
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