JP2014001668A

JP2014001668A - ルーツポンプ

Info

Publication number: JP2014001668A
Application number: JP2012136799A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ota; 教史太田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2014-01-09
Also published as: US20130336828A1

Abstract

【課題】排気側でのロータと回転軸の温度上昇を抑えることができるルーツポンプを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈと接続流路４１とを備える。低圧側ルーツポンプ１０Ｌは、１以上のポンプ室１６ａ〜１６ｃを有するケーシング、ケーシングに支持され回転する一対の回転軸２１、およびポンプ室１６ａ〜１６ｃ内に配置されかつ各回転軸２１に支持されるロータ２２ａ〜２２ｃを有する。高圧側ルーツポンプ１０Ｈは、１以上のポンプ室１６ａ〜１６ｃを有するケーシング、ケーシングに支持され回転する一対の回転軸２１、およびポンプ室１６ａ〜１６ｃ内に配置されかつ各回転軸２１に支持されるロータ２２ａ〜２２ｃを有する。接続流路４１は、低圧側ルーツポンプ１０Ｌの最も下流側のポンプ室１６ｃの排気孔３３と、高圧側ルーツポンプ１０Ｈの最も上流側のポンプ室１６ａの吸気孔３１とを接続する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ルーツポンプに関する。

半導体装置の製造工程では、処理室内を真空にする手段の一つとして多段のルーツポンプが用いられる。多段ルーツポンプは、一対の回転軸のそれぞれに設けられたロータを使用して気体を移送し、容積が順次小さくなるポンプ室で圧縮して排気する構成を有する。

このような多段ルーツポンプの各ポンプ室では、気体が圧縮されるために熱が発生し、その結果、排気側のポンプ室ほど高温となる。この熱は、ロータと回転軸に伝わり、ロータと回転軸の温度を上昇させるとともにケーシングの温度も上昇させる。ケーシングは、外表面が外気に触れているので、温度上昇を抑えることができる。一方のロータと回転軸はポンプ室内部に設けられ、ポンプ室は大気圧よりも低い圧力であるので、放熱量がケーシングに比して少なく、ケーシングに比して温度上昇の度合いが大きくなる。つまり、熱による温度上昇が高くなればなるほど、ロータおよび回転軸と、ケーシングとの間の温度差が大きくなる。その結果、回転軸とケーシングとの間の熱膨張の差が大きくなり、回転軸が熱によって歪み、ロータがケーシングと接触してしまう。また、腐食性ガスを用いたエッチング装置などの真空装置の排気に多段ルーツポンプを用いる場合には、排気側（高圧力側）のロータは高温のガスによって腐食が進行し表面状態が悪化してしまう。

このような回転軸が高温状態となるとともにロータの表面が悪化した状態でポンプ停止を行った後、再び起動しようとしても、ロータとケーシングが接触してしまい、起動できなくなってしまうという問題点があった。

特開２０１０−１５９７４０号公報

本発明の一つの実施形態は、排気側でのロータと回転軸の温度上昇を抑えることができるルーツポンプを提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、第１ルーツポンプと第２ルーツポンプと、接続流路と、を備えるルーツポンプが提供される。前記第１ルーツポンプは、内部に１以上のポンプ室を有する第１ケーシング、前記第１ケーシングに支持され、回転する一対の第１回転軸、および前記ポンプ室内に配置されかつ前記各第１回転軸に支持される複数の歯を有する第１ロータを有する。前記第２ルーツポンプは、内部に１以上のポンプ室を有する第２ケーシング、前記第２ケーシングに支持され、回転する一対の第２回転軸、および前記ポンプ室内に配置されかつ前記各第２回転軸に支持される複数の歯を有する第２ロータを有する。前記接続流路は、前記第１ルーツポンプの気体移送方向の最も下流側のポンプ室に設けられる排気孔と、前記第２ルーツポンプの気体移送方向の最も上流側のポンプ室に設けられる吸気孔と、を接続する。

図１は、実施形態によるルーツポンプの構成の一例を模式的に示す平面断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、ルーツポンプ運転時のポンプ室の温度の様子を模式的に示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかるルーツポンプを詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態によるルーツポンプの構成の一例を模式的に示す平面断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１に示されるように、このルーツポンプ１０は、真空装置側に設けられる第１ルーツポンプである低圧側ルーツポンプ１０Ｌと、排気側に設けられる高圧側ルーツポンプ１０Ｈと、が、低圧側ルーツポンプ１０Ｌの気体移送方向の最も下流側のポンプ室１６ｃと高圧側ルーツポンプ１０Ｈの気体移送方向の最も上流側のポンプ室１６ａとを結ぶ接続流路４１によって接続された構成を有する。

以下では、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈは、同様の構造を有しているので、同様の構成要素には同一の符号を付して説明する。

低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈは、互いに離れて配置された上流側壁１１と下流側壁１３を有している。上流側壁１１にはモータ２３を収容するモータ室１１ａが設けられており、モータ室１１ａの気体移送方向の上流側端部は、上流側カバー１２によって覆われている。モータ室１１ａの内側には、主軸２１ａを回転可能に支持するベアリング２５が支持されている。

下流側壁１３の気体移送方向の下流側には主軸２１ａに装着されたギヤ２４と、従動軸２１ｂ（図２）に装着された図示しないギヤと、潤滑油などを収容するギヤ室１３ａが設けられており、ギヤ室１３ａの気体移送方向の下流側端部は、下流側カバー１４によって覆われている。下流側壁１３の内側には、主軸２１ａを回転可能に支持するベアリング２６が支持されている。

上流側壁１１と下流側壁１３との間には、仕切壁構成部材１５が配置されている。仕切壁構成部材１５は、複数の仕切壁１５ａ〜１５ｄと、仕切壁１５ａ〜１５ｄを支持する外壁１５ｅと、を有している。各仕切壁１５ａ〜１５ｄと外壁１５ｅとで囲まれる空間は、それぞれ第１〜第３ポンプ室１６ａ〜１６ｃとなる。具体的には、仕切壁１５ａ，１５ｂと外壁１５ｅで囲まれる空間は第１ポンプ室１６ａとなり、仕切壁１５ｂ，１５ｃと外壁１５ｅで囲まれる空間は第２ポンプ室１６ｂとなり、仕切壁１５ｃ，１５ｄと外壁１５ｅで囲まれる空間は第３ポンプ室１６ｃとなる。なお、上流側壁１１、上流側カバー１２、下流側壁１３、下流側カバー１４および仕切壁構成部材１５によってケーシングが構成される。

低圧側ルーツポンプ１０Ｌおよび高圧側ルーツポンプ１０Ｈ内において、第１ポンプ室１６ａを構成する仕切壁構成部材１５には吸気孔３１が設けられ、第３ポンプ室１６ｃを構成する仕切壁構成部材１５には排気孔３３が設けられている。また、第１ポンプ室１６ａと第２ポンプ室１６ｂとの間の仕切壁１５ｂ、および第２ポンプ室１６ｂと第３ポンプ室１６ｃとの間の仕切壁１５ｃにはそれぞれ連通孔３２ａ，３２ｂが設けられている。このように、吸気孔３１から同じルーツポンプ内の排気孔３３までが、第１ポンプ室１６ａ、連通孔３２ａ、第２ポンプ室１６ｂ、連通孔３２ｂ、第３ポンプ室１６ｃによって接続されることになり、吸気孔３１から排気孔３３に向かう方向が気体移送方向となる。

各ポンプ室１６ａ〜１６ｃの容積は、気体移送方向の上流側から下流側に向かって小さくなるように構成される。また、低圧側ルーツポンプ１０Ｌの下流側の第３ポンプ室１６ｃの容積に比して、高圧側ルーツポンプ１０Ｈの上流側の第１ポンプ室１６ａの容積の方が小さくなるように構成されている。

図１と図２に示されるように、上流側壁１１、下流側壁１３および仕切壁構成部材１５の各仕切壁１５ａ〜１５ｄを貫通して平行な一対の主軸２１ａと従動軸２１ｂが回転可能に支持されており、主軸２１ａはモータ２３によって回転駆動される。主軸２１ａおよび従動軸２１ｂにはギヤ室１３ａ内で互いに噛み合うギヤ２４が装着されている（図１では、従動軸２１ｂに装着されるギヤは示されていない）。また、従動軸２１ｂの一方の端部には、モータは接続されておらず、ベアリングで支持される構造となっている。これによって、主軸２１ａがモータ２３によって回転されると、ギヤ２４を介して従動軸２１ｂも回転する。

主軸２１ａと従動軸２１ｂ（以下、特に区別しない場合には、両者を合わせて回転軸２１ともいう）には、それぞれ第１〜第３ポンプ室１６ａ〜１６ｃ内部に収容される複数の歯を有するロータ２２ａ〜２２ｃが固定支持されている。各ロータ２２ａ〜２２ｃは、回転軸２１と一体的に回転し、その回転時に、各第１〜第３ポンプ室１６ａ〜１６ｃの吸気孔３１または上流側の連通孔３２ａ，３２ｂから吸気した気体を、下流側の連通孔３２ａ，３２ｂまたは排気孔３３に移送する。ここで、ロータ２２ａ〜２２ｃ同士、およびロータ２２ａ〜２２ｃとケーシング内壁面とは、わずかな隙間を保つように配置されている。

低圧側ルーツポンプ１０Ｌの排気孔３３と、高圧側ルーツポンプ１０Ｈの吸気孔３１とは、接続流路４１によって接続されている。接続流路４１は、その長手方向に垂直な断面積が低圧側ルーツポンプ１０Ｌ側から高圧側ルーツポンプ１０Ｈ側に向かって減少するように、円錐台形状の配管（以下、円錐管という）で接続されることが望ましい。このような円錐管を用いると、接続流路４１の長手方向に垂直な断面積が小さい、すなわちその断面の径が小さい部分では、ベンチュリ効果によってガスの流速が上昇し、圧力は低下する。圧力と温度は比例するので、圧力の低下によってガスの温度は低下することになる。また、接続流路４１の外周は、外気に触れているので、温度上昇を抑えることができる。なお、接続流路４１は、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈとの間を最短距離で結ぶことが望ましい。ここで、最短距離とは、低圧側ルーツポンプ１０Ｌのケーシングと高圧側ルーツポンプ１０Ｈのケーシングとの間で、接続流路４１の長手方向が回転軸２１に対して垂直になるように、接続流路４１が配置されること、すなわち長手方向が垂直からずれないように配置されることが望ましいことを示している。

図３は、ルーツポンプ運転時のポンプ室の温度の様子を模式的に示す図であり、（ａ）は実施形態によるルーツポンプを２段構成にした場合の温度上昇の様子を示す図であり、（ｂ）は従来の１つのルーツポンプに複数段のポンプ室が設けられる場合の温度上昇の様子を示す図である。これらの図において、横軸は、排気対象（チャンバ）からの距離を示し、右に行くほど後段（下流側）のポンプ室であることを示している。また、縦軸は、温度を示している。また、図３（ａ）と（ｂ）で、ポンプ室の段数は同じであるとする。

図３（ａ）に示されるように、本実施形態のようにルーツポンプ１０を低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈの２段構成とし、両者を接続流路４１で接続した場合には、低圧側ルーツポンプ１０Ｌ中をガスが移送される間に温度は上昇していくが、低圧側ルーツポンプ１０Ｌから高圧側ルーツポンプ１０Ｈへとガスが円錐管からなる接続流路４１を流れていくときに、流速の増加とともにガスの温度が低下する。その後、高圧側ルーツポンプ１０Ｈ中をガスが移送される間に再び温度が上昇していくことになる。

一方、図３（ｂ）に示されるように、複数のポンプ室が連通孔で直列に接続された１台のルーツポンプで排気を行う場合には、ガスがルーツポンプ中のポンプ室を移送される間に温度は上昇していく。そして、最終段のポンプ室の温度は、本実施形態での高圧側ルーツポンプ１０Ｈでの最終段のポンプ室の温度よりも高くなっている。

このように、同じ段数のポンプ室を通過した場合のルーツポンプから排気されるガスの温度は、従来のルーツポンプに比して、本実施形態によるルーツポンプ１０の方が低くなる。これは、本実施形態によるルーツポンプ１０では、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈの２段構成とし、その間に円錐管からなる接続流路４１を設け、この接続流路４１で温度を低下させ、この温度の低下したガスを再び高圧側ルーツポンプ１０Ｈに供給するようにしているからである。

ポンプ室の段数にもよるが、低圧側ルーツポンプ１０Ｌでは、下流側の温度上昇が従来使用されていたルーツポンプに比して抑制されるので、腐食性ガスによる腐食がそれほど顕著ではなくなる。その結果、ケーシングや回転軸２１、ロータ２２ａ〜２２ｃにはダクタイル鋳鉄などを用いることができる。また、高圧側ルーツポンプ１０Ｈでは、下流側の温度上昇によって、腐食性ガスによる腐食の進行を抑制するように、ケーシングや回転軸２１、ロータ２２ａ〜２２ｃにダクタイル鋳鉄などにＮｉめっきを施したものを用いることができる。Ｎｉめっきの厚さとしては、たとえば１５〜３０μｍとすることができる。

つぎに、このような構成のルーツポンプの動作について説明する。低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈの主軸２１ａがそれぞれモータ２３の駆動によって回転されると、主軸２１ａに支持されているロータ２２ａ〜２２ｃが回転するとともに、ギヤ２４によって接続される従動軸２１ｂも回転し、従動軸２１ｂに支持されているロータも回転する。従動軸２１ｂに支持されているロータの回転方向は、主軸２１ａに支持されているロータの回転方向とは逆方向となる。このロータ２２ａ〜２２ｃの回転によって、各第１〜第３ポンプ室１６ａ〜１６ｃ内の気体が下流側の連通孔３２ａ，３２ｂまたは排気孔３３に移送される。そして、移送された気体は、各第１〜第３ポンプ室１６ａ〜１６ｃの容積の比率に応じて圧縮される。

具体的には、低圧側ルーツポンプ１０Ｌの吸気孔３１から第１ポンプ室１６ａへと排気対象内のガスが流れ込み、そのガスは、ロータ２２ａの回転によって、連通孔３２ａを介して第２ポンプ室１６ｂへと移送される。第２ポンプ室１６ｂの容積は第１ポンプ室１６ａの容積に比して小さいので、第２ポンプ室１６ｂに移送されたガスは圧縮され、温度が上昇する。さらに、ロータ２２ｂの回転によって、ガスはさらに容積の小さな第３ポンプ室１６ｃへと移送され、温度が上昇する。その後、ロータ２２ｃの回転によってガスは、第３ポンプ室１６ｃから円錐管へと排出される。このとき、円錐管は高圧側ルーツポンプ１０Ｈに向かって細くなっているので、上記したベンチュリ効果によって、ガスの流速が上昇し、温度が低下する。また、円錐管の周囲は大気が接触しているので円錐管を介して大気中にも熱が放出されることでもガスの温度が低下する。このように温度が低下した状態で高圧側ルーツポンプ１０Ｈの吸気孔３１から第１ポンプ室１６ａへとガスが流れ込む。高圧側ルーツポンプ１０Ｈでも、低圧側ルーツポンプ１０Ｌの場合と同様に、第１ポンプ室１６ａから第３ポンプ室１６ｃへとガスが圧縮されながら移送され、排気孔から排気されることになる。

なお、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈのそれぞれのモータ２３の容量は、圧力の低い低圧側ルーツポンプ１０Ｌの方が小さく、圧力の高い高圧側ルーツポンプ１０Ｈの方が大きくなる。また、Ｎ個のポンプ室を直列に接続した従来のルーツポンプのモータの容量に比して、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈのそれぞれのモータ２３の容量を小さくすることができ、トータルとしても従来のルーツポンプのモータの容量に比して小さくすることも可能となる。

また、上記した説明では、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈの両方が３段のポンプ室で構成される場合を示しているが、ともに１段以上のポンプ室を有するルーツポンプであればよい。

この実施形態では、ポンプ室をＮ段（Ｎは２以上の自然数）直列に接続したルーツポンプ（以下、従来のルーツポンプという）とは異なり、回転軸２１を有する２つの低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈに分けて構成し、ポンプ室の総数を同じＮ段として、両者を接続流路４１を介して接続する構成とした。その結果、従来のルーツポンプに比して、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈを構成する回転軸２１の長さが短くなる。上記したように、各ルーツポンプ１０Ｌ，１０Ｈでの温度上昇も従来のルーツポンプに比して小さいので、回転軸２１の変形が抑制され、ロータ２２ａ〜２２ｃとケーシングとの接触を防止することができるという効果を有する。

また、腐食性ガスの排気にルーツポンプ１０を用いる場合には、劣化はガスの温度が高くなる高圧側ルーツポンプ１０Ｈとなり、腐食の激しい高圧側ルーツポンプ１０Ｈのロータ２２ａ〜２２ｃだけを交換することができるので、全てのロータを交換しなければならない従来のルーツポンプに比してメンテナンスコストを低減することができるという効果も有する。

さらに、低圧側ルーツポンプ１０Ｌの排気孔３３と高圧側ルーツポンプ１０Ｈの吸気孔３１との間を、高圧側ルーツポンプ１０Ｈに向かって断面積が小さくなる円錐管で接続したので、この円錐管をガスが通過する際に、ベンチュリ効果と外部冷却によってガスの温度を低下させることができる。これによって、高圧側ルーツポンプ１０Ｈの最終段のポンプ室１６ｃでのガス温度を、従来のルーツポンプの最終段のポンプ室でのガス温度に比して低くできるので、高温高圧になる第１〜第３ポンプ室１６ａ〜１６ｃ内のロータの腐食を従来に比して抑制することができるという効果も有する。

なお、本実施形態では、低圧側ルーツポンプ１０Ｌと高圧側ルーツポンプ１０Ｈの２つのルーツポンプを用いた例を示したが、それぞれ接続流路４１で接続される３つ以上のルーツポンプを用いてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ルーツポンプ、１０Ｈ…高圧側ルーツポンプ、１０Ｌ…低圧側ルーツポンプ、１１…上流側壁、１１ａ…モータ室、１２…上流側カバー、１３…下流側壁、１３ａ…ギヤ室、１４…下流側カバー、１５…仕切壁構成部材、１５ａ〜１５ｄ…仕切壁、１５ｅ…外壁、１６ａ…第１ポンプ室、１６ｂ…第２ポンプ室、１６ｃ…第３ポンプ室、２１…回転軸、２１ａ…主軸、２１ｂ…従動軸、２２ａ〜２２ｃ…ロータ、２３…モータ、２４…ギヤ、２５，２６…ベアリング、３１…吸気孔、３２ａ，３２ｂ…連通孔、３３…排気孔、４１…接続流路。

Claims

内部に１以上のポンプ室を有する第１ケーシング、前記第１ケーシングに支持され、回転する一対の第１回転軸、および前記ポンプ室内に配置されかつ前記各第１回転軸に支持される複数の歯を有する第１ロータを有する第１ルーツポンプと、
内部に１以上のポンプ室を有する第２ケーシング、前記第２ケーシングに支持され、回転する一対の第２回転軸、および前記ポンプ室内に配置されかつ前記各第２回転軸に支持される複数の歯を有する第２ロータを有する第２ルーツポンプと、
前記第１ルーツポンプの気体移送方向の最も下流側のポンプ室に設けられる排気孔と、前記第２ルーツポンプの気体移送方向の最も上流側のポンプ室に設けられる吸気孔と、を接続する接続流路と、
を備えることを特徴とするルーツポンプ。
前記接続流路は、気体移送方向に垂直な断面積が、前記第１ルーツポンプから前記第２ルーツポンプに向かうにつれて小さくなることを特徴とする請求項１に記載のルーツポンプ。
前記第１ケーシング、前記第１回転軸および前記第１ロータは、耐腐食性を有さない材料によって構成され、
前記第２ケーシング、前記第２回転軸および前記第２ロータは、耐腐食性を有する材料によって構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のルーツポンプ。
前記第１ルーツポンプの前記ポンプ室は、前記気体移送方向の下流側に向かって容積が小さくなるように構成され、
前記第２ルーツポンプの前記ポンプ室は、前記気体移送方向の下流側に向かって容積が小さくなるとともに、前記第２ルーツポンプの前記気体移送方向の最も上流側のポンプ室の容積は、前記第１のルーツポンプの前記気体移送方向の最も下流側のポンプ室に比して小さくなるように構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のルーツポンプ。
前記第１ルーツポンプは、前記第１回転軸を回転させる第１モータをさらに有し、
前記第２ルーツポンプは、前記第２回転軸を回転させる第２モータをさらに有し、
前記第１モータの容量は、前記第２モータの容量よりも小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のルーツポンプ。