d6 8〇〇3 A7 B7 五、發明說明（） 本發明係關於可爲半導體製造廠中之眞空室實施排氣作 業之排氣裝置》 對半導體眞空裝置而言’排氣室之眞空度約須達10-3帕， 且不得有油分子進入排氣室中。爲此已有人提出—種螺旋 眞空泵（JP-B-7-9239) ’其可作爲符合上述要求之單一階段 眞2聚’該種眞空录具有高壓縮比及較寬之操作壓力範圍 ，因此可在單一階段内將排氣室内之壓力由大氣壓力排降 至約10'3帕，且完全無油。 然而，螺旋眞空系在本質上具有下列問題： (1) 螺旋眞录係以螺紋溝接收並傳送需排出之氣體分子 ’因此導率偏低’其抽送速度屬於較慢之分子流。 (2) 螺旋眞空系在公、母螺紋之接合面間需有一間陈，在 螺紋外週邊與外殼内週邊之間亦需有一間隙，因此其眞空 密封力不佳，對於最終之眞空度有不利之影響。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ---------------裝--- {請先間讀背面之注意事項f填寫本頁) |線· (3) —如上述’螺旋眞空泵之眞空密封力不佳，因此，若 作爲粗抽眞空系使用，則需消耗較大之原動動力（動力損失） 方能重新壓縮大氣端之回流空氣並將其排出。詳士之，對 於具有高抽送速度之螺旋眞空泵而言，由於項次（2)中所定 義之間隙總量較大’因此較易造成原動動力之損失。此外 ，若以螺旋果作粗抽眞空泵使用，即使吸入端已達所需之 眞2度，螺旋泵仍將因吸入端與大氣端之壓力差而產生較 大之動力損失》 傳統上用以解決螺旋眞空聚上列各項固有問題之方、去女 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 468003 A7 B7 五、發明說明（2 ) 下： (A)首先，爲解決項次⑴中有關導率之問題，可將螺旋眞 空泵作粗抽眞空泵使用，此因導率之大小對粗抽眞空泵而 言問題不大。至於增壓泵則可使用導率較高之魯氏眞空录。 然而’在此一兩階段泵中，魯氏眞空泵之壓縮比較小， 因此，作粗抽眞空泵使用之螺旋泵其抽送速度不可過低。 由於粗抽眞空泵之抽送速度不可降低，吾人自然亦無法降 低粗抽眞空泵其驅動馬達之最大功率，而項次（3)中所述之 任一種原動動力損失亦無法降低。（頃次（2)之問題仍舊存 在。） (B1)爲解決項次（2)中有關密封力之問題，方法之一係在 吸入P與排氣口間設置複數個用於傳送流體之室，其作法 則係在作單一階段泵使用之螺旋泵上設置複數圈螺紋，以 增強其密封力（JP-B-7-9239)。然而，此一解決方法將增加 螺紋之軸向長度，因而加大裝置之體積。此外，複數圈螺 紋並無法解決項次（3)之問題。 (B2)爲解決項次（2)中有關密封力之問題，另一方法則係 將螺旋眞2系作増壓泵使用，此因密封力之大小對增壓系 而言問題不大；至於粗抽眞空泵則使用密封力較佳之膜片 泵或油封旋轉眞空泵PP-A-62-24.3982)。油封旋轉眞空聚在 排洩口處通常均設有一止回閥，可防止空氣自大氣端回流 ，並降低項次（3)中所述之各種原動動力損失。 然而’在該種兩階段系_中’具有良好密封力之膜片栗或 油封旋轉眞空泵需作粗抽眞空泵使用，因此，以膜片聚爲 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） r--------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項广%·寫本頁) *SJ· --線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 468003 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（3 ) 例，難免會有反應產物（由流經排氣室之反應氣體所產生）留 在系内。若有反應產物留在系内，排氣效能將大幅降低， 需花費大量之時間及成本進行翻修s若係使用油封旋轉眞 空系’則+排氣室有可能遭受油分子之汚染，油料亦有可能 在反應氣體之影響下而在短時間内變質，必須經常更換。 (c 1)爲解決項次（3)中有關原動動力損失之問題，方法之 一係在粗抽螺旋眞空泵之徘氣端設置一抽送速度極小之微 泵（JP-A-7-1 19666 ’ JP-A-10-184576)。該微泵之抽送速度足 以吸入並排放眞空室内微量之反應氣體（每分鐘不超過5 ◦至 15 0公撮）’其抽送速度則小於粗抽眞空系抽送速度之百分 之十。換言之，吾人係將其抽送速度設爲一極小値，由於 因壓力差而產生並作用於微泵上之反向轉矩極小，原動動 力之·ί貝失亦極小。’ 然而，在此一解決方案中，粗抽螺旋眞空泵需持續將大 氣壓力徘降至一高眞空狀態（亦即使氣體之黏滯流區變爲分 子流區）+。因此，爲改良黏滯流區（粗抽氣體）之密封力，必 須增加螺紋之圈數，並縮小螺紋與外殼之間隙。此外，爲 滿足分子流區所需之抽送速度，吾人必須提高氣體之傳送 量。如此一來，螺旋眞空泵之徑向及軸向尺寸均將變大， 進而衍生間隙因熱膨脹而產生變化之嚴重問題。爲此，螺 紋及螺紋容納室（外殼）均需使用高精密之機製法，但成本亦 將因而增加。由於該大容量螺旋眞空泵所需排放之氣體接 近大氣壓力，用以驅動該螺旋眞空泵之馬達亦需具有較大 之功率。 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----r I I I I---I ! --- ί. (請先閱讀背面之注意事'^攻冩本頁) I ' .線· 468003 A7 B7 五、發明說明（4 ) (C2)爲解決項次（3)中有關原動動力損失之問題，另—方 法則係將螺旋眞空泵作單一階段泵使用，且使其不但具有 複數圈螺紋，其排氣端尚設有一小容量之傳送室（如圖丨1與 圖12所示）。以下針對此一傳統範例之説明應有助於對本發 明之瞭解。 —轉子谷納室2 10b係形成於一外殼2 1〇之内部，並以可轉 動心方式谷納一王螺旋轉子22〇及—次螺旋轉子23〇，前者 係由公螺旋轉子220m與母螺旋轉子22〇f所構成，其齒數比 爲4比5 ;後者則係由公螺旋轉子23〇m與母螺旋轉子23时所 構成，其齒數比爲4比5。 當馬達243轉動時，與之連接之公螺旋轉子220m及230m 將因而轉動’在此同時，母螺旋轉子22〇憤2術亦將經由定 時齒輪241與242而產生轉動。當主轉子22〇與次轉子23〇因 驅動而轉動時’排氣室内之氣體將經由—吸入口 2此而被 吸入外殼21〇内，經傳送及壓縮後，再由—排氣口識排出。 在此附τ提，排量式眞2栗200於排氣作業中所需之 原動動力可區分爲：一傳送原動動力，可用於將已吸入之 壓縮流體傳送至排氣口21〇。； 一體積壓縮原動動力，此因 排量式眞空栗200之傳送室容量係由吸入口 2咖開始，朝排 氣口 210c之方向漸縮；一用於傳送—壓縮流體之原動動力 ，诼壓縮流體係由高壓端（排氣端）經由主螺旋轉子22〇 (或 次螺旋轉子230)與外殼2狀間“回流至低壓端（吸入端） ;及一原動動力（以下稱爲「壓差所消耗之原動動力」），可 用於抵抗壓縮流體因吸入端與排氣端之壓力差而產生之力。 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 ?< 297公楚） --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事f填寫本頁) -ΐο •線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*'衣 A7 B7 五、發明說明（5 ) 排量式眞空泵200在排氣作業中所需之原動動力比例將隨 吸入口 210a或排氣口 210c附近之壓縮流體之壓力而有所不 同。舉例而言，當一具有固定容積、且内部壓力等於大氣 壓力之容器（以下稱爲「排氣容器」）經由吸入口 2 10a而以排 量式眞空泵200進行排氣時，吸入口 210a附近之壓縮流體之 壓力將逐漸降低，最後降至極限壓力。但若有少量氣體可 流入吸入口 21〇a内，吸入口 210a附近之壓縮流體便無法達 到極限壓力，但可達某一眞空度。因此，在排氣之初，吸 入口 210a與排氣口 210c附近之壓縮流體均等於大氣壓力， 此時所需之原動動力主要爲體積壓縮原動動力。但當排氣 容器内之氣體達極限壓力、或某一眞空度時，位於排氣口 2 10c附近之壓縮流體與位於吸入口 2 1 〇a附近之壓縮流體便 產生一巨大壓力差，.此時所需之原動動力主要係壓差所消 耗之原動動力。 通常，在大部份之狀況下，眞空泵係用於維持一具有固 定容量之容器之眞空狀態，因此，眞空泵在運作時所需之 原動動力（亦即原動動力消耗量）大部份爲壓差所消耗之原動 動力。因此，若欲節省眞空泵之能量，可從降低壓差所消 耗之原動動力著手。 在此假設轉子之轉矩爲T，轉子之轉速爲N ’常數爲a，則 各公、母轉子（例如_螺旋眞空泵）之壓差所消耗之動力识可 以下式（1)表示： W = a X T X N ⑴ 此外’假设向壓端之墨力面積（其方向已轉換爲與轉子轉 本纸張尺度適用中國固家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱〉 -----------I --- (請先閱讀背面之注意事^/.填寫本頁) -s· __線' 46 80 0 3 A7 B7 五、發明說明（） 動軸平行）爲A1’高壓端之平均壓力爲Pb面積A1之中心至 轉子轉動中心之距離爲L1，低壓端之壓力面積（其方向已轉 換爲與轉子轉動軸平行）爲A2，低壓端之平均壓力爲P2，面 積A2之中心至轉子轉動中心之距離爲L2，則轉矩τ可以下 式（2)表示’其中高壓·端係指排氣端，低壓端則指吸入端： T = A1 X P 1 X L1 - A2 X P2 X L2 ⑺ 上式（2)中，Al、A2、L1、與L2將依眞空泵之結構而有所 不同。根據式（1)與式（2)，若欲降低壓差所消耗之原動動力 W，吾人可選定可使轉矩τ變小之眞空泵結構。 但事實上，A2與L2在吾人設定眞空泵之抽送速度後便已 決定。當排氣容器内之氣體達極限壓力或某一眞空度後（亦 即當吸入端之壓力降至某一程度後），吾人可忽略因吸入端 壓縮流體之壓力而產生之力《因此，壓差所消耗之原動動 力W可藉由縮小A1與L1而降低，縮小A1與L 1即等於縮小傳 送室230A (以下稱爲「排氣端傳送室」）之容積，該室係由 次螺旋轉子23 0之一齒空間與外殼210所形成，可通往排氣 口 210c (大氣壓力）。 然而，在上述之傳統眞空泵中，用以構成排氣端傳送室 23 0A之次螺旋轉子230其外直徑等於主螺旋轉子220之外直 徑，外殼2 10之内直徑則等於外殼2 1 〇之内直徑。因此，吾 人若爲提高設計抽送速度（亦即一輸入軸其每轉一周之氣體 傳送量與其單位時間轉速之乘積）而需將一傳送室220A之設 計容量加大（該傳送室係在吸入口 2 10經阻斷後，旋即由主 螺旋轉子220之一齒空間及外殼2 1 〇所形成’以下稱爲「吸 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 閱 讀 背 Φ 之 注 意 事 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 8 0 0 3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7 ) 入端傳送室」），則排氣端傳送室230A之容量實難降至一最 佳尺寸。 換言之，就螺旋泵而言，氣體傳送室係由相接之公、母 轉子所形成。在傳統之眞空泵中，由於形成吸入端傳送室 2.20A之公' 母轉子22〇m與UOf其外直徑等於形成排氣端傳 送室230A之公、母轉子230m與230f之外直徑，因此，若能 縮小次螺旋轉子230之一導程角Θ 2便可縮小一具有導程角 Θ 2之中間傳送室23 0B (如圖11所示），以縮小排氣端傳送室 230A之容積。但導程角Θ 2之縮小有其工作限制。因此，中 間傳送室230B之容積約僅能降至吸入端傳送室220A其容積 之三分之一。中間傳送室230B之容積既無法縮小，排氣端 傳送室230A之容積便無法随之調降。詳言之，排氣端傳送 室230 A之容積約僅能降至中間傳送室23 0B其容積之五分之 '— 〇 就羅氏（爪式）眞空泵而言，若欲縮小排氣端傳送室之容積 則須縮小轉子之軸向寬度，但縮小轉子軸向寬度亦有其限 制。若爲提高設計抽送速度而將吸入端傳送室之設計容積 加大，則排氣端傳送室之容積便難以降至最佳尺寸。 此亦圖II與圖12所示之螺旋眞空泵其排氣端傳送室之容 積難以降至最佳尺寸之原因。其結果則爲，壓差所消耗之 原動動力將無法降低；當吸入端之壓力達極隈壓力或某一 眞空度時，其能量效率偏低。 此外，當螺紋之軸向長度加長後，裝置之體積亦將增大 ，一如項次（B)所述。 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐） -illlllllls — . - I (請先閱讀背面之注意事項i寫本頁) 訂 --線- 468003 A7 --------' B7 五、發明說明（8 ) 如上述，使用螺旋眞空泵之傳統排氣裝置在導率、密 封性質、及耗能方面均有其固有之問題，前人雖已提出個 別t解決方案，但尚無可解決所有問題之方法，此外，該 等解決方案亦將產生裝置體積增大、或維修不易等新問題。 本發明足目的即爲解決該種使用螺旋眞空泵之排氣裝置 之問題。 發明總結 爲解決上述之問題，本發明提供—排氣裝置，其具有一 粗抽眞空泵及一增壓泵，兩者均係由螺旋眞空泵所構成， 其中粗抽螺旋眞空泵之設計抽送速度（亦即一輸入轴其每轉 一周之氣體傳送量與其單位時間轉速之乘積）雖充份小於增 壓螺旋眞S泵之設計抽送速度，但仍足以發揮粗抽眞空系 之功能；且粗抽螺旋眞空泵之螺紋圈數（若公、母螺紋之齒 數不同，則係指齒數較多之螺紋之圈數）大於增壓螺旋眞空 泵之螺紋圈數。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1) 在上述構造中，由於增壓泵係使用具有高壓縮比之螺 旋眞S泵（且高壓縮比爲其—般特性），因此，即使粗抽眞空 泵之設計抽送速度偏低，吾人亦可拉高整個系統之抽送速 度。 2) 此外，粗抽眞空泵之設計抽送速度雖充份小於增壓系 之設計抽送速度，但仍足以發揮粗抽眞空泵之功能。因此 ，增壓泵並不需具備「排降吸入端之大氣壓力」之能力， 且可具有一體積小而簡單之結構。另一方面，當吸入端達 極限壓力或某一眞空度後，粗抽眞空泵則可降低因壓差而 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 468003 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（） 造成之原動動力損失。 3) 由於粗抽螺旋眞空泵之設計抽送速度夠低（如前述）， 因此，吾人可縮小其螺紋半徑。如此一來便可減少因轴向 熱膨脹而產生之間隙變化，縮小徑向上所產生之間隙。氣 體之總参漏空間將因而減少，使密封性能獲得改良3 4) 承上，由於粗抽螺旋泵之密封性能可獲得改善，吾人 便不需爲改良密封性能而增加螺紋之圈數，而粗抽眞空菜 之軸向長度亦可縮短。 5) 由於粗抽螺旋泵之密封性能可獲得改善，因此，即使 增壓装之螺紋圈數少、抑或螺紋與外殼之間隙精密度不佳 ，仍可達到高眞空度，而增壓泵之軸向長度亦可縮小。 6) 由於吾人可減少增壓泵之螺紋圈數，因此，若爲提高 導率而加大增壓泵螺紋之導程角亦不致於使增壓泵之軸向 長度過長。 7) 由於粗抽眞空泵及增壓泵均採用結構簡單之螺旋眞空 泵’因此，排氣通路將較短且較簡單，不太可能爲反應產 物所阻塞。即使發生反應產物阻塞或黏結成一體之現象， 吾人亦可輕易將其去除，亦即易於維修。 在本發明之一排氣裝置中，粗抽螺旋眞空泵之設計抽送 速度爲增壓螺旋眞空泵其設計抽送速度之五分之一至百分 " 〇 藉由此一設計，本發明所提供之排氣裝置之能量效率必 南於傳統排氣裝置之能量效率。相較於增壓螺旋眞空泵之 設計抽送速度，粗抽螺旋眞空泵之設計抽送速度愈低，則 ，12· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ' -----農------— —訂 ----I---線 I ·''' · to · ·\~y r®t先閱ti背面之注意寧及/餐寫本頁) ，1' 8003 A7 _____B7___ 1 fi 五、發明說明（） 消耗之動力愈少。但粗抽!^玄系之設計抽送速度若過低， 則有可能會拉長排氣時間中之暫態時間，其中暫態係指排 氣容器從大氣壓力降至極限壓力之階段》因此，基於動力 之消耗與排氣時間之雙重考量，吾人將粗抽眞空泵之設計 抽送速度定爲增壓泵設計抽送速度之五分之一至百分之一。 在本發明之排氣裝置中，增壓螺旋眞空泵之螺紋圈數大 致爲I，或該圈數至少可形成一個既不與增整聚之吸入口相 通、亦不與其排氣口相通之氣體傳送室。 藉由此一設計，吾便可將增壓螺旋眞空泵中對於裝置尺 寸有重大影響之軸向長度大幅縮短，進而縮小裝置之體積s 在本發明之排氣裝置中，粗抽螺旋眞空泵之螺紋圈數爲3 至10圈。 藉由此一設計，雖'然增壓螺旋眞空录之密封特性無法獲 得改善’但排氣裝置之整體密封特性仍可維持在極佳之狀 態’而粗抽眞空泵之軸向長度亦不致過長3 在本發明之排氣裝置中，增壓螺旋眞空泵之螺纹導程角 係大於粗抽眞空泵之螺纹導程角》 藉由此一設計’增壓螺旋眞空系之車由向長度將隨導程角 而增大’但導率則將提高。至於粗抽螺旋眞空泵之軸向長 度則不致增長。 在本發明之排氣裝置中，一旦增壓螺旋眞空泵之吸入端 壓力從大氣壓力降至約13,300帕時，吾人便不再驅動粗抽 螺旋眞空泵；當增壓螺旋眞空泵之吸入端壓力降至約 13,3 00帕以下，吾人才開始驅動該增壓泵。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------11-裝--- (請先閱讀背面之注意事寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4.6 8003 A7 B7 11 五、發明說明（） 此一設計可降低驅動增壓泵所需之原動動力，並降低其 驅動馬達之最大功率。 在本發月之排乳裝置中，爲縮短排氣時間，無論增壓螺 旋具s泵之驅動馬達或粗抽螺旋眞空泵之驅動馬達均係以 一可使增壓螺旋眞空泵之吸入端壓力相對較高 '但不致讓 馬達超載之最高轉速轉動。當增壓螺旋眞空泵之吸入端壓 力達極限壓力或一較低壓力時，爲減少所需之原動動力， 可將增壓螺旋具2泵其驅動馬達之轉速降至足以維持該排 氣罜所需眞s度之最低轉速，並將粗抽螺旋眞空泵其驅動 馬達之轉速降至一可將增壓泵之反壓维持在其臨界反壓値 以下之最低轉速。 此一設計可提咼吾人爲原處大氣壓力下之排氣室進行排 氣時之抽送速度’同時減少動力之消耗。 本發明述及曰本專利申請案平成H—3262%號（1999年“月 17曰提出申請）及2000:213110號（2000年7月13日提出申請） 之内容，該等申請案之全文特以提及之方式併入本文。 圖式簡述 圖1爲本發明第一具體實例中一排氣裝置之剖面圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*'1取 圖2爲圖1所示排氣裝置之局部放大剖面圖。 圖3爲圖1所示排氣裝置中一螺紋部份之展视圖。 圖4爲本發明第一具體實例中—排氣裝置之剖面圖。 圖5係沿圖4中IV-IV剖面之剖面圖，圖中可見公、母螺紋 320ιπ與320f其轉動平面之剖面圖。 圖6係沿圖4中IV-IV剖面之剖面圖，圖中可見公、母螺紋 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
五、發明說明（12) WOni與350f其轉動平面之剖面圖3 圖7爲本發明第二具體實例中排氣装置吸入端壓力與抽送 速度之關係圖。 圖8爲本發明第二真體實例中之一增壓泵A在無氣體通過 其吸入端時，其吸入端壓力與一馬達343之轉速之關係圖。 圖9爲本發明第二具體實例中之增壓泵a在有少量氣體通 過其吸入端時，其吸入端壓力與馬達343之轉速之關係圖》 圖10爲本發明第二具體實例中之增壓泵A其吸入端壓力與 排氣端（或粗抽眞空泵之吸入端）之關係圖。 圖11爲一傳統眞空泵之剖面圖。 圖12爲圖11所示排氣裝置—螺紋部份之展視圖。 較佳具體管例之説明 以下將參照圖式，説明本發明之較佳具體實例。. 第一具體實例 以下將參照圖1至圖3，説明本發明第一具體實例中之一 排氣裝置100。 排氣裝置100係由一螺旋眞空泵A及一螺旋眞空泵B所構成 ’前者係作機械式增壓泵使用，後者則作粗抽眞空泵使用 。在本文中，「主J係指「增壓螺旋眞空泵」，「次」係 指「粗抽螺旋眞空泵J 。 排氣裝置100包括一主螺旋轉子120 (増壓螺旋眞空泵之螺 旋轉子）及一次螺旋轉子150 (粗抽螺旋眞空泵之螺旋轉予） ，次螺旋轉子〗50之外直徑小於主螺旋轉子120之外直徑。 主螺旋轉子120係由公、母螺旋轉予120m與120f所構成，次 -15- 本紙張尺度適用中關家標(CNS)A4規格（21〇 χ 297公髮） ------------------ (請先閱讀背面之注意事贫寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4.6 8003 A7 B7 五、發明說明（13) 螺旋轉子150則係由公、母螺旋轉子150m與150f所構成。 主螺旋轉子120係容納於一形成於一外殼1丨〇内之主轉子 容納室1 1 Ob中。詳言之，一母轉子120f係由軸承13 1、1 32 、及133以可轉動之方式支撑於外殼110中’一公轉子I20m 則係由軸承134、135、及136以可轉動之方式支撑於外殼 110中。密封裝置137、138、139、及140可將軸承131、132 ' 133、134、135、及136與主轉子容納室110b隔離，以防 止軸承13 1、132、133、134、135、及136之潤滑油滲漏至 主轉子容納室1 I Ob内，並防止來自主轉子容納室11 〇b之外 物進入軸承 131、132、133、134、Π5、及 136 中。 次螺旋轉子150係容納於一形成於外殼110内之次轉子容 納室110d中。詳言之，一母轉子150f係由軸承161、162、 及163以可轉動之方式支撑於外殼110中，一公轉子150m則 係由軸承164、165、及166以可轉動之方式支撑於外殼11 〇 中。密封裝置167、168、169、及170可將軸承161、162、 163、164、165、及166與次轉子容納室110d隔離，以防止 軸承161 ' 162、163、164 ' 165、及166之潤滑油滲漏至次 轉子容納室110d内，並防止來自次轉子容納室110d之外物 進入軸承 161、162、163、164、165、及 166 中。 粗抽.眞空泵B其排氣端傳送室150A之容積係設計爲增壓泵 A其吸入端傳送室120A容積之五分之一以下。 作粗抽眞空泵使用之螺旋眞空泵B其設計抽送速度（亦即 一輸入軸其每轉一周之氣體傳送量與其單位時間轉速之乘 積）爲每分鐘420公升（馬達173之額定轉速爲每分鐘4500轉） 16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀貲面之注意事填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
468003 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（14) ;作機械式增壓泵使用之螺旋眞空泵A其設計抽送速度爲每 分鐘8500公升（馬達143之額定轉速爲每分鐘6800轉換言 之，粗拙眞空泵B之設計抽送速度約係設計爲增壓泵A其設 計抽送速度之二十分之一（若轉換爲輸入軸每轉一周之氣體 傳送量比則約爲十三分之一）。由於粗抽眞空泵B之設計抽 送速度小於增壓泵A之設計抽送速度，粗抽眞空泵B中與大 氣相通之排氣端傳送室150A之容積亦因而較小，如圖3所示 。因此，粗抽眞空泵B其排氣端傳送室150A之容積將充份 小於增壓泵A其吸入端傳送室120 A之容積。圖3申，「粗抽 眞空泵B與大氣相通之排氣端傳送室150A之右面」與「排 氣口 UOe之左面（外殼之一内壁）」兩者之關係需經設計，以 便一方面固定所需之排氣通路面積，一方面將與大氣相通 之排氣端傳送室150A之容積減至最小。詳言之，粗抽眞空 泵其排氣端傳送室150A之容積約可降至其吸入端傳送室 150B容積之五分之一。 主轉子容納室110b係由外毅110之一壁部份所形成，並可 經由一吸入口 110a通往外殼110外，以便將外殼11 〇外之壓 縮流體吸入外殼1 ίο内。一形成於外殼11〇内之通路ii〇c可 使主轉子容納室1 1 Ob與次轉子容納室1〗0d相通3次轉子容 納室110d係由外殼110之一壁部份所形成，並可經由一排氣 口 110e通往外殼110外，以便將外殼110内之壓縮流體排至 外殼110外》吸入口 110a可與一具有固定容積之排氣室（未 圖示）相通，而排氣口 1 10e則與大氣相通。 彼此相接之定時齒輪141與142係固定於主螺旋轉子120其 -17- 本紙張尺度適用尹國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） C請先閱讀背面之注意事填寫本頁〕 -------裝 468003 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 , v 15五、發明說明（） 公、母轉子120m與120f之一末端部份，以便讓其中一轉子 随另一轉子而轉動。此外，—主馬達丨43則係連接於一公轉 子120m之一末端部份，並與之形成一體。 彼此相接之定時齒輪171與172係固定於次螺旋轉子15〇其 公' 母轉子150m與15Of之一末端部份，以便讓其中一轉子 隨另一轉子而轉動。此外，一次馬達173則係連接於—母轉 子150f之一末端部份，並與之形成一體。 外殼110係由一主外殼第一構件1〖丨、一主外殼第二構件 112 ' —主外殼第三構件113、一主外殼第四構件1丨4、一次 外殼第一構件115、一次外殼第二構件1丨6、一次外殼第三 構件117、及一次外殼第四構件118所構成。 位於主&之公、母轉子120m' 120f其螺紋齒數比爲5比6 ，位於次端之公、母·轉子150m、150f其螺紋齒數比亦爲5比 6。位於主端之公、母轉子120m、120f其螺紋圈數爲1 (此處 「圈數爲U係指母螺紋120f (其齒數爲6)之圈數；當公、 母螺紋之嵩數不同時，「圈數」係指齒數較多之螺纹之圈 數），位於次端之公、母轉子150m、150f其螺紋圈數則均爲 5圈。主端母轉子120f之螺纹導程角約爲45度，次端母轉子 150f之螺紋導程角約爲12度。 此處’位於主端之公、母轉子120m、120f其螺纹圈數大 致爲1，或該圈數至少可形成一個既不與吸入Pll〇a相通、 亦不與排氣口 1 1 〇c相通之氣體傳送室（亦即壓縮過程中之— 封閉室，如圖3中標號120B所示）3因爲根據粗抽眞空泵b其 設計抽送速度與密封性質之關係，本具體實例中之增壓聚A -18 - (請先閱讀背面之注意事 -(* d n '填寫本頁) 訂· .線、 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 468003 A7 B7 16 五、發明說明（） 並不需具備較佳之密封性質。 以下將説明本具體實例中排氣裝置1〇〇之搡作方式。 {請先閱讀背面之注意事冩本頁) 首先說明之範例係以粗抽螺旋眞空泵B爲—排氣容器（未 圖示）排氣，排氣作業需進行至該排氣容器内之壓力從接近 大氣壓力降至約13,300帕爲止。 吾人需驅動次馬達173，使其轉動公、母轉子15〇111與15〇f ，以便排出排氣容器内之氣體。粗抽眞空泵A將自增壓泵A 之吸入口 1 1 0a吸入排氣容器内之氣體，並使其通過增壓泵a 及通路1 10c，最後再由排氣口 1 i〇e排至大氣中。 一旦增壓螺旋眞空泵A之吸入端壓力降至13,3〇〇帕以下， 吾人便可驅動增壓泵A，此時，粗抽螺旋眞空泵b之轉子 150m與150f仍將持續轉動。換言之，吾人需驅動主馬達】43 ，藉以轉動公、母轉子120m與120f，以便將排氣室内業經 稀釋之氣體傳送並徘放至粗抽眞空泵B。傳送自增壓泵A之 氣體將由粗抽眞空泵B進一步加以傳送及壓縮，最後則由排 氣口 110e排至大氣中。如此一來便可將排氣容器内之蜃力 降至極限壓力。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制π 由於增壓泵A所抽取之氣體係低壓氣體，少量之原動動力 即可驅動增壓泵A ’因此，吾人可使用小功率之驅動馬達。
根據眞空泵100之設計，作爲粗抽眞空泵之螺旋眞空泵B 其設計抽送速度爲每分鐘420公升（馬達173之額定轉速爲每 分鐘4500轉）’作爲増壓泵之螺旋眞空泵A其設計抽送速度 爲每分鐘8500公升（馬達143之額定轉速爲每分鐘6800轉）。 換言之，粗抽眞空泵B之設計抽送速度約係設計爲增壓泵A 19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐) 46 80 03 A7 B7 五、發明說明（） 其設計抽送速度之二十分之_ 3因此，當吸入端之壓力達 極限壓力或某一眞空度時，壓差所消耗之原動動力將小於 傳統値’能量效率亦將獲得改善。 本具體實例中之排氣裝置可增進能量效率並使裝置具有 小體積之構造’爲使讀者對此有更進一步之瞭解，以下將 説明以魯氏眞空泵作機械式增壓泵使用時之情形以資比較。 若將魯氏眞空泵作增壓泵使用，則粗抽眞空泵之抽送逯 度必須提高，此因魯氏眞空泵之壓縮比（排氣端與吸入端之 壓力比）較低，約爲10比1。舉例而言，假設一增壓泵在吸 入端壓力爲1帕時之抽送速度爲每分鐘4,000公升，若有— 氣體在增壓聚吸入端愿力爲卜咱之條件下以每分鐘4,〇〇〇帕_ 公升流入增壓泵之吸入端，根據上述之壓縮比，增壓泵之 排氣口壓力約爲10帕。因此，該系統中粗抽眞空泵在吸入 口壓力爲10帕時之抽送速度至少需爲每分鐘400公升，由於 其設計抽送速度至少需達每分鐘1000公升，因此，該粗抽 眞空泵需爲一大容量聚。舉例而言，若使用螺旋系，則螺 紋之溝槽、直控、及長度均需加大。換言之，前述算式（2) 中之A1及L1均需加大。若粗抽眞空泵係一大容量泵，則壓 差所消耗之動力（可由式（2)導出）自然亦將增加a 相反的，若以螺旋眞空泵作增壓泵使用，根據實驗結果 顯示’其於中、高眞空區之壓縮比爲i比丨00，此一壓縮比 甚大。在上述之相同條件下（假設一增壓泵在吸入端壓力爲 1帕時之抽送速度爲每分鐘4,000公升，有一氣體在增壓聚 吸入壓力爲1帕之情沉下以每分鐘4，〇 〇 〇帕-公升流入增壓 -20- 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---Λ-----------裝--- (請先閱讀背面之注意事寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 46 8003 A7 -------- 五、發明說明（18) (請先閱讀背面之注意事寫本頁) 泵疋吸入端），若以螺旋眞空泵作爲增壓泵，則排氣端之壓 力約可達100帕。因此，在此一系統中，粗抽眞空栗在吸入 口壓力爲100帕時之抽送速度約可降至每分鐘40公升，其設 計抽送速度亦將較低。粗抽螺旋眞空泵之氣體傳送量亦可 充份降低。粗抽眞空泵之傳送量若能降低，則螺紋之凹槽 、直徑、及長度自然亦可縮小，換言之，前述算式（2)中之 A1及L1均可縮小，如此將可大幅減少壓差所消耗之動力s 相較於增壓螺旋泵A之設計抽送速度，粗抽螺旋眞空泵B 之設計抽送速度愈小’則消耗之動.力愈少。但若粗抽眞空 泵之設計抽送速度過低’.則有可能拉長排氣時間中之暫態 時間’其中暫態係指排氣容器從大氣壓力降至極限壓力之 階段。因此’基於動力之消耗與排氣時間之雙重考量，粗 抽眞空泵B之設計抽送速度最好爲增壓泵人設計抽送速度之 五分之一至百分之一。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印别衣 吾人既可充份降低粗抽螺旋泵B之設計抽送速度，螺紋之 外直位便可予以縮減。由於熱膨腺所引起之徑向間陆變化 較不顯著，吾人可進一步縮小徑向之間隙，使總滲漏空間 因而縮小，密封性能獲得提升。如此一來，粗抽螺旋泵Β便 不需爲改良密封性能而增加螺紋之圈數，而其軸向長度亦 可縮短。因此，即使增壓泵Α之螺紋圏數較少、且螺紋與外 殼之間隙精密度不佳，仍可達到高眞空度，且增壓栗A之抽 向長度亦可減小》 基於極限眞空度與軸向長度之考量，增壓螺旋泵A中公、 母螺紋120m、120f之螺紋圈數大致爲I，或該圈數至少可形 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗0 X 297公釐〉 4.6 80 03 Α7 Β7 19 五、發明說明（） 成一個既不與吸入口相通、亦不與排氣口相通之氣體傳送 室3若考量密封性能，粗抽螺旋泵B中公、母螺紋12〇m、 120f之螺紋圈數本應更多，但一如前述，本發明之密封性 能極佳，因此，可约爲3至1 〇圈。 增壓泵A之軸向長度既可縮短，即使吾人需爲提高導率而 加大增壓系_ A之螺紋導程角亦不致使其軸向長度過長^ 増壓螺旋泵A中母螺紋2 〇 f之導程角最好約爲3 〇至6 〇度， 以利吸入端之氣體分子進入螺紋凹槽中。詳言之，若爲促 進吸入端之氣體分子與螺紋齒表面之撞擊效應，母螺紋 12Of之導程角瑕好接近45度。粗抽螺旋泵b中母螺纹i50f之 導程角並不需加大’若考量機製作業及軸向長度，可约爲8 至15度。 由於粗抽眞空泵係使用結構簡單之螺旋眞空蒗，因此， 排氣通路將較短且較簡單，不太可能爲反應產物所阻塞。 即使發生反應產物阻塞或黏結成一體之現象，吾人亦可輕 易將其去除，亦即易於維修。 在本具體實例之排氣裝置100中，由於主螺旋轉子120之 轉動軸與次螺旋轉子150之轉動軸不同，各轉子之設計自由 度將大於圖11所示傳統範例之設計自由度。因此，在主螺 旋轉子12〇中’螺故之設計可採用較大之外直徑及導程角， 以增大吸入導率；次螺旋轉子15 0中之螺紋則可根據密封性 能、運轉性、及轉動平衡而加以設計，並採用適於機製之 較小外直徑及導程角Θ 1，藉以降低壓差所消耗之原動動力 ，換言之，排氣端傳送室150Α可具有較小之容積》 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） .^1 ^1 II 1 I —I —i n (I » » - - I n ./.· {請先閔讀背面之注意事f填寫本頁) < - 經濟部智慧財產局Λ工消費合作社印製 468003 A7 B7 五、發明說明（） 第二具體實例 以下將參照圖4至圖8，説明本發明第二具體實例中之— 排氣裝置300。此處僅針對其與第一具體實例實質上不同處 加以説明，相同之構造則不再贅述。 如圖4所示’在根據本發明第二具體實例之排氣裝置3〇〇 中’增壓泵Α之公 '母螺旋轉子3 2〇m與3 20f係採懸臂式之構 造，由於吸入端不設軸承及油封，因此不致發生軸承潤滑 油反向擴散至眞空室内之情形，而吸入導率亦可獲得改善 ，氣體之入流通路將不受阻礙3 増壓泵A中公、母螺旋轉子320m與320f之螺紋齒數比爲3 比4 ’螺紋之圈數則爲〖，如圖5所示。另一方面，公、母螺 旋轉子350m與350f之螺纹齒數比爲uti，螺紋之圈數則爲5 圈，如圖6所示。 粗抽眞空泵B之設計抽送速度約爲增壓泵a其設計抽送速 度之二十分之一，此與第一具體實例相同。根據本發明第 二具體實例之排氣裝置300其操作方式亦與第_具體實例所 述相同。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) 以下將説明第二具體實例中排氣裝置3〇〇之較佳操作方法 (第一具體實例同樣適用）。 (操作方法1) 圖7爲排氣裝置300其吸入口 110&之壓力與抽送速度之關 係圓。粗抽眞空泵Β僅於圖中之區域γ内進行操作a該區之 抽送速度等於粗抽眞空泵B之抽送速度。當吸入口 u〇a之壓 力約達1,000帕後，增壓泵A便開始運作。之後，排氣裝置 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 468003 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 300之抽送速度即爲增壓泵a之抽送速度a若將該排氣裝置 用於半導體，由於所需之操作區約爲i至丨〇〇〇帕，因此，粗 抽眞空泵之作用僅係將大氣壓力降至約1 〇〇〇帕，以降低動 力之消耗量。 (操作方法2) 螺旋眞空泵中每一公、母轉子所消耗之原動動力w可以下 式表示：
W = a X T X N —如前述之通式（1)。吾人可從上式得知，若令粗抽眞空泵 B之設計抽送速度小於增壓泵a之設計抽送速度，吾人便可 在轉矩T原本即較小之情況下，降低公、母轉子中每一轉子 之轉速N ’以進一步減少原動動力之消耗量w。至於如何在 降低轉速N之同時仍完全保持本具體實例中排氣裝置3〇〇之 排氣功能？以下將有所説明a 圖8爲增壓螺旋泵a達極限壓力時，其公轉子32〇m之轉速 與吸入口 110a之壓力之關係圖。由該圖可知，當壓力爲極 限壓力時’即使轉速由P降至Q，吸入壓力亦無改變。由此 可知’爲維持極限壓力，吾人可採用Q點之轉速。 圖9爲增壓系_八在吸入口 1 l〇a端有氣體以每分鐘〇.1標準公 升（0.1SLM)之速度泥入之情況下，其公轉子32〇mt轉速與 吸入口 Π Oa之壓力之關係圖。由該圖可知，在有少量氣體 流入吸入口 ll〇a之情況下，轉速仍可由R降至s，一如前述。 吾人可由上述之説明中得知’確有一符合吸入口 11〇£1壓 力條件之最佳轉速存在。該轉速需能維持一抽送速度，使 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------------裝--- (請先間讀背面之注意事？冩本頁) 468003 A7 j__B7__ 20 五、發明說明（） 「自粗抽眞空泵B滲漏至增壓泵a之氣體」、及「經甴吸入 口 II 0a而進入增壓泵八之氣體」均可完全排出。因此，增壓 泵A可根據吸入口丨I 〇a之壓力控制其轉速，以降低各壓力條 件下之動力消耗量。 圖10爲增壓泵A其吸入端壓力與排氣端壓力（或粗抽眞空 泵之吸入端）之關係圖a如圓所示，增壓泵A之吸入壓力在 排氣端壓力由T增至U之過程中並無改變a u點之壓力稱爲 臨界反壓値。 在本具體實例之系統中，增壓泵八之臨界反壓値係由粗抽 壓力B負貴維持。因此，吾人可降低粗抽眞空泵8之轉速， 使增壓泵A之排氣端壓力（亦即粗抽眞空泵之吸入端）維持在 界反壓値（U點）以下，如此一來便可依吾人之所需，將動 力之消耗減至最少。· (操作方法3) 上述之操作方法2係用於排氣裝置3〇〇之吸入口 n〇a端已 達極限壓力或某—眞空度時之狀況。但排氣裝置3〇〇往往亦 需在短時間内，爲一連接於吸入口丨1〇a、處於大氣壓力下 乏眞空容器排氣（例如降至約1〇〇〇帕）3爲此，用於驅動增壓 泵A與粗抽眞空泵B之馬達均需加以控制，使其在每一時刻 勻達其功平範園内之最大轉速。如此一來，容器之排氣作 .業將比泵A、B之轉速均未經控制時更有效率且更爲迅速。 (操作方法4) 在爲容器排氣、使其自大氣壓力降壓之過程中，排氣時 門可把較’1¾，但若欲壓低每一時刻之原動動力，泵A、B之 -25- 本纸張尺錢中家標準（CNS)A4規格（21G X 297公釐） n I I I n . 11 ij . — I (請先閱讀背面之注意事'^、填寫本頁) —訂： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 46 8003 A7 B7 23 五、發明說明（） 馬達轉速均需降至最低，當各泵之吸入端壓力下降時便可 將轉速提高。 (請先閱讀背面之注意事項名填寫本頁) 操作方法2至4總結如下·· 1. 增壓泵 a) 當吸入口 11 〇a端之壓力已達極限壓力或某一眞空度（例 如約10帕）時’吾人便可將螺旋轉子32〇m與320f之轉速控制 爲一可維持吸入口端壓力之最小轉速。 b) 若需爲一連接於吸入口丨丨〇&之眞空容器排氣、並自大 氣壓力降壓： 1) 苦需縮短排氣時間，則螺旋轉子320爪與320£之轉速均 需加以控制’使其在每一時刻均達增墨泵A其驅動馬達功率 範園内之最大轉速。 2) 若需壓低瞬時之原動動力，則螺旋轉子32〇m與32〇f之 轉速均需控制至最低轉速，當吸入口 UOa之壓力下降時， 轉速便可隨之提高。 2. 粗抽眞空泵 a) 當增壓泵A其吸入口 n〇a端之壓力已達極限壓力或某 眞：ϊ:度（例如約1 〇帕）時，螺旋轉子3 5 〇m與3 5〇f之轉速均 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制私 需控制爲一最小轉速，以便將增壓泵八其排氣端之壓力（或 粗抽眞空泵之吸入端壓力）维持在增壓泵之臨界反壓値以下3 b) ^品爲一連接於增歷_泵a吸入口之眞空容器排氣、龙 自大氣壓力降壓： 1)若需縮短排氣時間，則螺旋轉子35〇111與35〇£之轉速均 需加以控制，使其在每一時刻均達粗抽眞空泵B其驅動馬達 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21D X 297公爱） 468003 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 24 五、發明說明（） 功率範圍内之最大轉速。 2)若需壓低每瞬時之原動動力，則螺旋轉子35〇111與35〇£ 之轉速均需控制至最低轉速’當吸入口（或增壓冢A排氣端） 之壓力下降時，轉速便可隨之提高。 吾人可利用以上所總結之操作方法，將排氣裝置所消耗 之原動動力降至最低，以改善能量效率。 在上述之具體實例中’被論增壓系或粗抽眞空展均係使 用螺旋眞空泵。然而，在本發明之應用或變體中，增壓录 可使用一具有高壓縮比之泵（例如螺旋泵），而粗抽眞空泵則 可使用一過形系。 在上述之具體實例中，粗抽螺旋泵之導程角在軸向上並 無變化。然而，導程角亦可朝排氣口之方向逐級縮小，如 圖11所示。如此將可‘進一步減少原動動力之消耗=> —如前述，在本發明之排氣裝置中，粗抽眞空泵與增壓 泵均係由螺旋眞空泵所構成，其中粗抽螺旋眞空泵之設計 抽送速度雖充份小於增壓螺旋眞空泵之設計抽送速度’但 仍足以發揮粗抽眞空泵之功能；且增壓螺旋眞空泵之螺纹 圈數少於粗抽螺旋眞空泵之螺紋圈數；因而形成一結構簡 單、動力消耗較少、眞空極限恩力高、且易於維修之排氣 裝置。 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 裝 訂： --線-