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KR20000065002A - 2단계 진공 펌핑장치 - Google Patents

2단계 진공 펌핑장치 Download PDF

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KR20000065002A
KR20000065002A KR1019980708532A KR19980708532A KR20000065002A KR 20000065002 A KR20000065002 A KR 20000065002A KR 1019980708532 A KR1019980708532 A KR 1019980708532A KR 19980708532 A KR19980708532 A KR 19980708532A KR 20000065002 A KR20000065002 A KR 20000065002A
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scroll blade
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KR1019980708532A
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마스베드 하블래니언
Original Assignee
아더 더블유. 호맨
배리언 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

본 발명은 진공 펌핑장치에 관한 것으로서, 이 진공 펌핑장치는 비스크롤형 보조펌프(60)와 단일 하우징(52)에 배치된 스크롤펌프(62)를 포함한다. 보조펌프(60)와 스크롤펌프(62)는 나란하게 연결되며 공동 모터(68)에 의하여 구동된다. 보통, 보조펌프는 비교적 높은 펌핑속도를 가지며 스크롤펌프는 비교적 높은 압축비를 갖는다. 보조펌프는 재생송풍기와, 루츠형 송풍기 또는 스크류형 송풍기일 수도 있다. 동축회전식 스크롤펌프가 이용되면, 재생송풍기는 위에 비선회형 스크롤블레이드가 장착된 디스크의 외주에 또는 외주 근처에 형성될 수도 있다. 다른 배치방법으로서는, 하우징 내에 제 1 스크롤펌프와 제 2 스크롤펌프가 배치된다. 제 1 스크롤펌프와 제 2 스크롤펌프의 스크롤블레이드 세트들은 다른 선회반경을 갖는다. 스크롤펌프의 누설은 스크롤펌프의 입구영역 주위에서 폐루프형 밀봉재를 형성하거나 중간압력을 이 입구영역에 연결하므로써 감소될 수도 있다. 스크롤펌프의 누설과 오염물질은 구동부품들과 궤도선회형 스크롤브레이드가 비궤도선회형 스크롤브레이드의 반대쪽에 위치되는 것과 같은 스크롤펌프 구조에서 감소될 수도 있다.

Description

2단계 진공 펌핑장치
스크롤펌프는 크레욱스(Creux)에 의해 1905년에 발행된 미국특허 제 801,182 호에 개시되어 있다. 스크롤펌프에서, 나선형 이동 블레이드는 하우징 내에서 나선형 고정 블레이드에 대하여 선회한다. 스크롤블레이드의 구조와 그 상대적 운동은 블레이드들 사이에 유체로 이루어진 하나 이상의 볼륨이나 "포켓(pocket)"을 수용하여 펌프로 이 유체를 이동시킨다. 크레욱스 특허는 회전력을 발생시키도록 블레이드를 구동하기 위해 증기에너지를 사용하는 것을 기술하였다. 그러나 대부분의 특허는 그 장치를 통해 유체를 펌핑하기 위해 회전력을 이용한다. 오일로 윤활되는 스크롤펌프는 냉장고 압축기로서 널리 사용된다. 다른 응용으로서는 압축기의 역으로 작동하는 팽창기와 진공펌프를 포함한다. 현재까지, 스크롤펌프는 진공펌프로서 사용하는 데는 널리 응용되지 않는다.
스크롤펌프는 종종 대립되는 수많은 설계목적을 만족시켜야만 한다. 스크롤블레이드는 상호작용하도록 구성되어야만 하고 그리하여 그 상대적 운동은 포켓 내부의 유체를 운송 및 압축하는 포켓을 규정한다. 그 결과 블레이드는 인접한 턴(turn) 사이에 형성된 밀봉재를 구비하여 상호이동해야 한다. 진공 펌핑작업시, 종종 펌프에 의해 실현될 수 있는 진공 수준은 출구에서 고압가스가 저압 입구쪽을 향해 역류하고 슬라이딩 밀봉재를 통해 입구로 누설되려고 하는 경향에 의해 제한된다. 고정 및 이동 스크롤블레이드 사이에서, 클리어런스 밀봉재(clearance seal)와 스크롤블레이드의 나선형 가장자리를 따르는 팁 밀봉재(tip seal) 양쪽의 스크롤블레이드 밀봉재의 효율과 내구성은 성능과 신뢰성의 중요한 결정인자이다.
진공 펌핑작업시, 챔버로부터 배출될 가스를 고속으로 펌핑하는 것이 바람직하다. 고속용으로 적합한 스크롤펌프는, 예를 들어 입구에서의 수 밀리토르(milliTorr)와 출구에서의 대기압(760Torr)에 이르는 큰 압력차에 걸쳐 동작하기에는 적합하지 않을 수도 있다. 큰 압력차이나 압축비를 지지하기 위해, 출구에서의 고압으로 인한 유체의 역류를 방지하는 복수의 클리어런스 밀봉재를 갖는 한쌍의 스크롤블레이드를 복수 회전으로 사용하는 것이 공지되어 있다. 그러나 이러한 펌프의 펌핑속도는 제한된다.
펌핑속도를 증가시키기 위한 간단한 해결책은 블레이드 사이의 공간을 최대로 증가시켜서 각 포켓이 보다 큰 부피를 갖도록 하는 것이다. 일정한 스크롤블레이드 두께를 위해, 이 공간은 선회반경에 의해 규정된다. 그러므로, 이론상 펌핑속도는 선회반경을 증가시키므로써 증가될 수 있다. 그러나, 보다 큰 반경은 밀봉속도와 마모의 증가, 구동장치에 작용하는 반경방향력의 증가와 정지상태에서 전력소모의 증가와 같은 여러 가지 단점을 갖는다. 또한 보다 큰 선회반경은 펌프의 전체 크기를 증대시킨다. 주어진 펌프 직경에 대해, 큰 선회반경은 나선형 구조의 보다 적은 턴, 보다 적은 직렬의 클리어런스 밀봉재, 이로인한 보다 많은 역누설의 원인이 된다. 그 결과 선회반경을 증대시키는 가장 간단한 해결책은 증대된 크기, 마모, 전력과 마찰열과 같은 단점을 가진다.
또한 펌프용량을 향상시키기 위해서, 아와타 에어 컴프레셔(주)에 의해 제조된 모델명 ISP-600 건식 스크롤 진공펌프와 같은 복수의 스크롤을 병렬로 동작시키는 것이 공지되어 있다. 단일단계 러핑펌프(roughing pump)는, 각 블레이드가 4회 이상의 회전각 범위를 갖는 블레이드를 구비한 2개의 평행 백-투-백(back-to- back) 스크롤블레이드 세트를 사용한다. 이 펌프가 20 ft3/min(CFM)의 정상 용량을 갖는 반면, 펌핑속도는 출구로부터 입구까지 펌프를 통한 역누설때문이라고 생각되는 원인으로 인해 100mmTorr 이하로 감소한다. 이것은 100mmTorr 이하의 압력이 필요한 응용에서는 중요한 문제이다. 다른 문제는, 2단계 회전식 오일윤활형 상업용 러핑펌프가 0.5mmTorr의 베이스압력을 생성할 수 있는 것에 비해, 이 펌프는 단지 5mmTorr의 베이스압력을 얻을 수 있다는 것이다. 그러나 다른 문제는 이러한 종류의 펌프가 약 20ft의 팁 밀봉재를 사용한다는 것이다. 이러한 양의 팁 밀봉재의 마모는 비워진 시스템을 오염시킬 수 있는 심각한 부스러기(debris)를 형성한다. 또한 이러한 양의 밀봉재는 전력수요를 증가시킨다.
또 다른 스크롤펌프 설계는 향상된 작동 결과를 실현하기 위해 스크롤펌프를 직렬로 결합하는 것이다. 예를 들어 시바모토(Shibamoto)에 의해 발행된 미국특허 제 5,304,047 호에는 2단계 스크롤형 오일윤활 냉장고 압축기가 개시되어 있다. 시바모토는 2단계의 입구를 1단계의 출구로부터 반경방향으로 분리하였다. 시바모토는 2단계 펌프를 개시하였지만, 그것은 가스의 역누설을 제어하기 위해 선회하는 제 2 단계 스크롤의 외부 가장자리에 동적이고 오일윤활된 밀봉재를 필요로 하기 때문에 진공펌프로서 작동하기에 적합하지 않다. 또한 오일은 저압력영역과 중간압력영역에서 이동부로 분사, 수집 및 재순환된다.
따라서, 스크롤형 펌프를 부착하고 높은 펌핑속도와 높은 압축비를 얻을 수 있는, 상술한 단점들을 제거한 진공 펌핑장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 스크롤형 진공펌프(scroll-type pump)를 부착한 진공 펌핑장치에 관한 것으로서, 특히 높은 펌핑속도와 높은 압축비를 특징으로 하는 진공 펌핑장치에 관한 것이다.
도 1은 스크롤형 진공펌프에 사용하기에 적합한 스크롤블레이드 세트의 일례를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 보조펌프와 스크롤펌프를 포함한 진공 펌핑장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 재생송풍기와 동축회전식 스크롤펌프를 포함한 진공 펌핑장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 다른 선회반경을 갖는 제 1 스크롤펌프 및 제 2 스크롤펌프를 포함한 진공 펌핑장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 누설을 제한하기 위해 폐루프형 외부 슬라이딩 밀봉재를 포함한 스크롤펌프를 단순화하여 도시한 단면 평면도.
도 6은 도 5의 스크롤펌프를 도시한 단면 정면도.
도 7은 모터가 정지 스크롤블레이드측에 배치된 본 발명의 다른 실시예에 따른 스크롤펌프를 단순화하여 도시한 단면도.
본 발명의 제 1 관점에 따르면, 진공 펌핑장치는 입구와 출구를 갖는 하우징과, 모두 이 하우징 내에 배치된 비스크롤형 보조펌프와 스크롤펌프를 포함한다. 보조펌프의 입구는 하우징 입구에 연결된다. 스크롤펌프는, 포개넣어진 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드와, 상기 제 2 스크롤블레이드에 대하여 제 1 스크롤블레이드의 선회운동을 발생시키기 위해 제 1 스크롤블레이드에 결합되는 편심드라이브를 포함한다. 스크롤펌프의 출구는 하우징 출구에 연결된다. 또한 이 장치는 보조펌프의 출구로부터 스크롤펌프의 입구까지 유체를 연결하기 위한 도관 수단과, 보조펌프와 스크롤펌프의 편심드라이브에 작동 가능하게 연결되는 모터를 포함한다.
바람직하게는, 보조펌프는 비교적 높은 펌핑속도를 가지며, 스크롤펌프는 비교적 높은 압축비를 갖는다. 보조펌프는 재생송풍기(regenerative blower), 루츠형 송풍기(roots-type blower) 또는 스크류형 송풍기를 포함할 수 있다. 보조펌프와 스크롤펌프는 하우징 내에서 유닛으로 분리될 수도 있고 또는 함께 일체로 형성될 수도 있다.
본 발명의 제 2 관점에 따르면, 진공 펌핑장치는 출구와 입구를 갖는 하우징과, 이 하우징 내에 배치된 제 1 스크롤펌프 및 제 2 스크롤펌프를 포함한다. 제 1 스크롤펌프는 하우징 입구에 연결되는 입구를 가지며, 제 2 스크롤펌프는 하우징 출구에 연결되는 출구를 갖는다. 제 1 스크롤펌프는 포개넣어진 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드와, 제 1 선회반경을 갖는 제 2 스크롤블레이드에 대하여 제 1 스크롤블레이드의 선회운동을 발생시키기 위해 제 1 스크롤블레이드에 연결되는 제 1 편심드라이브를 포함한다. 제 2 스크롤펌프는 포개넣어진 제 3 스크롤블레이드 및 제 4 스크롤블레이드와, 제 1 선회반경과는 다른 제 2 선회반경을 갖는 제 4 스크롤블레이드에 대한 제 3 스크롤블레이드의 선회운동을 발생시키기 위해 제 3 스크롤블레이드에 연결되는 제 2 편심드라이브를 포함한다. 또한 진공펌프는 제 1 스크롤펌프의 출구로부터 제 2 스크롤펌프의 입구까지 유체를 연결하기 위한 도관 수단과, 제 1 스크롤펌프의 제 1 편심드라이브와 제 2 스크롤펌프의 제 2 편심드라이브에 작동 가능하게 연결되는 모터를 포함한다. 본 실시예에서, 제 1 스크롤펌프는 비교적 높은 펌핑속도를 가지며, 제 2 스크롤펌프는 비교적 높은 압축비를 가지므로써, 크기와 전력수요를 감소시키는 장점을 갖는다.
본 발명의 제 3 관점에 따르면, 진공 펌핑장치는 입구와 출구를 갖는 하우징과, 이 하우징 내에 배치된 스크롤펌프와, 이 스크롤펌프에 작동 가능하게 연결되는 모터를 포함한다. 스크롤펌프는 포개넣어진 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드와, 제 1 스크롤블레이드에 연결되는 편심드라이브를 포함한다. 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드는 작동 동안 회전하고, 편심드라이브는 제 2 스크롤블레이드에 대하여 제 1 스크롤블레이드의 선회운동을 발생시킨다. 또한 진공펌프는 제 2 스크롤블레이드로 회전하기 위해 제 2 스크롤블레이드에 견고하게 연결되는 디스크를 포함한다. 디스크는 외주에서 또는 그 외주 근처에서 복수의 재생송풍기 공동을 갖는다. 하우징은 재생송풍기 공동에 대향되는 관계로 채널을 갖는다. 디스크 및 하우징은 하우징 입구에 연결되는 입구를 갖는 재생송풍기를 형성한다. 재생송풍기의 출구는 스크롤펌프의 입구에 연결되고, 스크롤펌프의 출구는 하우징 출구에 연결된다. 바람직하게는, 재생송풍기는 비교적 높은 펌핑속도를 가지며, 스크롤펌프는 비교적 높은 압축비를 갖는다.
본 발명의 제 4 관점에 따르면, 진공 펌핑장치는 입구와 출구를 갖는 스크롤블레이드 세트와 편심드라이브를 포함한다. 스크롤블레이드 세트는 제 1 스크롤블레이드를 포함하는 선회부재와, 제 2 스크롤블레이드를 포함하는 비선회부재를 포함한다. 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드는 하나 이상의 블레이드 사이의 포켓을 형성하기 위해 함께 겹쳐진다. 편심드라이브는 블레이드 사이의 포켓을 출구쪽으로 이동시키도록 제 2 스크롤블레이드에 대한 제 1 스크롤블레이드의 선회운동을 발생시키기 위해 선회부재에 작동 가능하게 연결된다. 또한 진공펌프는 스크롤블레이드 세트의 입구에 연결되는 입구볼륨을 규정하기 위해 선회부재와 비선회부재 사이에 배치되며 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드를 둘러싸는 폐루프(closed-loop)형 슬라이딩 밀봉재와, 스크롤블레이드 세트의 출구에서의 압력보다 낮은 중간 압력까지 흡입용량을 펌핑하기 위해 입구볼륨에 연결되는 도관을 포함한다.
본 발명의 제 5 관점에 따르면, 진공 펌핑장치는 입구와 출구를 갖는 단일 스크롤블레이드 세트와 편심드라이브를 포함한다. 이 스크롤블레이드 세트는 제 1 스크롤블레이드를 포함한 선회부재와 제 2 스크롤블레이드를 포함한 비선회부재를 포함한다. 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드는 하나 이상의 블레이드 사이의 포켓을 형성하기 위해 함께 겹쳐진다. 편심드라이브는 블레이드 사이의 포켓을 출구쪽으로 이동하도록 제 2 스크롤블레이드에 대한 제 1 스크롤블레이드의 선회운동을 발생시키기 위해 선회부재에 작동 가능하게 연결된다. 편심드라이브는 출구에 인접한 비선회부재 내에 구멍을 통하여 선회부재에 연결된다. 편심드라이브 및 제 1 스크롤블레이드는 구동장치의 주위로부터 펌프 입구영역으로의 잠재적인 누설을 줄이기 위해 제 2 스크롤블레이드의 반대쪽에 배치된다.
본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해서, 참고용으로 여기에 첨부한 첨부도면을 참조한다.
도 1은 스크롤펌프에 사용하기에 적합한 블레이드 세트를 도시한다. 스크롤블레이드 세트(10)는 고정 스크롤블레이드(12)와 이동 스크롤블레이드(14)를 포함한다. 각 스크롤블레이드는 나선형 구조를 갖는다. 스크롤블레이드(12, 14)들은 함께 겹쳐지고 포켓(16, 18)들과 같은 블레이드간 포켓을 형성한다. 이동 스크롤블레이드(14)는 고정 스크롤블레이드(12)에 대하여 이동 스크롤블레이드(14)의 선회운동을 발생시키기 위해 크랭크와 같은 편심드라이브(도 1에 도시안함)에 연결된다. 입구영역(20)은 스크롤블레이드 세트(10)의 외주 주위에서 각이진 밴드로 연장된다. 출구(22)는 스크롤블레이드 세트(10)의 중심 가까이에 배치된다.
유체, 통상 가스는 입구영역(20)에서 스크롤블레이드 세트(10)로 진입하여 포켓(16, 18)들과 같은 블레이드간 포켓 내에 둘러싸인다. 이동 스크롤블레이드(14)는 고정 스크롤블레이드(12)에 대하여 선회하고, 블레이드 사이의 포켓은 입구영역(20)으로부터 출구(22)쪽으로 이동한다. 스크롤블레이드(12, 14) 사이의 밀봉재는 스크롤블레이드의 인접한 나선형 턴 사이의 누설을 제한한다. 통상 블레이드 사이의 포켓의 체적은 스크롤블레이드의 감소된 반경과 외주 때문에 스크롤 세트의 중심을 향해 감소하여 펌핑될 가스를 압축한다. 스크롤펌프의 펌핑성능은 스크롤블레이드의 회전수, 회전간의 공간, 스크롤블레이드(14)의 선회반경, 선회속도와 누설을 포함한 인자의 수에 의존한다. 통상 스크롤펌프의 기본설계는 종래 기술에서 공지되어 있고, 예를 들면 하가(Haga) 외 다수에 의해 발행된 1993년 11월 2일에 특허된 미국특허 제 5,258,046 호에 개시되어 있다.
또한, 동축회전식 스크롤펌프는 종래 기술에서 공지되었다. 동축회전식 스크롤펌프에서, 펌핑작용을 제공하기 위해서 양 스크롤블레이드가 회전하며, 이때 한쪽 스크롤블레이드는 다른쪽 스크롤블레이드에 대해 선회한다. 동축회전식 스크롤펌프는, 예를 들어 영(Young)에 의해 1991년 9월 24일에 발행된 미국특허 제 5,051,075 호에 개시되어 있다.
도 2는 본 발명의 첫 번째 관점에 따른 진공 펌핑장치의 일레를 도시한다. 진공 펌핑장치는 원하는 진공 펌핑성능을 제공하기 위해 스크롤펌프와 비스크롤형 보조펌프를 포함한다. 진공 펌핑장치(50)는 입구(54)와 출구(56)를 갖는 진공 기밀형 하우징(52)을 포함한다. 비스크롤형 보조펌프(60)와 스크롤펌프(62)는 하우징(52) 내에 배치된다. 구동샤프트(66)는 보조펌프(60)와 스크롤펌프(62)를 통상 하우징(52) 밖에 배치된 모터(68)에 연결한다. 하우징 입구(54)는 보조펌프(60)의 입구에 연결되고, 하우징 출구(56)는 스크롤펌프(62)의 출구에 연결된다. 도관(64)은 보조펌프(60)와 스크롤펌프(62)가 직렬로 연결되도록 보조펌프(60)의 출구와 스크롤펌프(62)의 입구를 상호연결할 수도 있다. 한가지 접근방식으로서, 보조펌프(60)와 스크롤펌프(62)는 도 2에 도시한 바와 같이, 하우징(52) 내에서 유닛들로 분리될 수 있다. 또 다른 접근방식으로서는 도 3에 도시하고 후술하는 바와 같이, 보조펌프와 스크롤펌프가 하우징 내에 일체형으로 형성될 수도 있다. 또 다른 접근방식으로서는, 모터가 보조펌프(60)와 스크롤펌프(62) 사이에 배치될 수도 있다.
비스크롤형 보조펌프(60)는 비교적 높은 펌핑속도나 용적변환율(volumetric diesplacement rate)을 특징으로 한다. 적절한 보조펌프는, 예를 들어 엠. 하블래니언(M. Hablanian)에 의해 저술된 고진공 기술(High Vacuum Technology, 마르셀 데커 1990)에 개시된 바와 같이, 재생송풍기, 루츠형 송풍기와 스크류형 송풍기를 포함한다.
스크롤펌프(62)는 비선회형 블레이드(70), 선회형 블레이드(72)와 편심드라이브(74)를 포함한다. 편심드라이브(74)는 구동샤프트(66)와 선회형 스크롤블레이드(72) 사이에 연결된다. 모터(68)에 전기가 인가될 때, 편심드라이브(74)는 스크롤블레이드(70)에 대하여 스크롤블레이드(72)의 선회 운동을 발생시킨다. 예를 들어, 편심드라이브(74)는 크랭크 또는 기타 다른 편심 구동장치를 이용한다. 편심드라이브의 상세한 설계는 이 분야의 기술자에게 공지되어 있다. 스크롤펌프(62)는 종래 형태일 수도 있으며, 이 때 스크롤블레이드(70)는 하우징(52)에 대하여 고정되고, 스크롤블레이드(72)는 스크롤블레이드(70)에 대해 선회한다. 다르게는, 스크롤펌프(62)는 동축회전식형이 될 수도 있고, 이때 스크롤블레이드(70, 72)는 같이 회전하고, 편심드라이브(74)는 스크롤블레이드(70)에 대해 스크롤블레이드(72)의 선회운동을 발생시킨다. 스크롤펌프(62)는 비교적 높은 압축비를 특징으로 한다.
보조펌프(60)가 비교적 높은 펌핑속도를 가지며 스크롤펌프(62)가 비교적 높은 압축비를 갖는 진공 펌핑장치(50)는 진공펌프 내에 원하는 성능특성을 생성한다. 일반적으로 진공펌프의 입구에서는 높은 펌핑속도가 바람직하고, 출구에서는 높은 압축비가 바람직하다. 보조펌프(60)와 스크롤펌프(62)가 동일한 하우징(52) 내에 장착되고 동일한 모터(68)에 의해 구동되는 진공 펌핑장치(50)는 원하는 성능특성을 갖는 혼합형 진공펌프를 구성한다.
도 3은 본 발명의 두 번째 관점에 따른 진공 펌프장치의 일례를 도시한다. 진공 기밀형 하우징(100)은 입구(102)와 출구(104)를 포함한다. 동축회전식 스크롤펌프(110)는 하우징(100) 내에 배치된다. 동축회전식 스크롤펌프(110)는 비선회형 스크롤블레이드(112)와 선회형 스크롤블레이드(114)를 포함한다. 비선회형 스크롤블레이드(112)는 구동샤프트(122)에 의해 모터(124)에 연결되는 원형 디스크(120) 상에 장착된다. 모터(124)는 디스크(120), 비선회형 스크롤블레이드(112)와 선회형 스크롤블레이드(114)가 작동시 상술한 속도로 회전하도록 한다. 선회형 스크롤블레이드(114)는 양 스크롤블레이드가 회전할 때 스크롤블레이드(112)에 대하여 스크롤블레이드(114)의 선회운동을 일으키는 편심드라이브(도시안함)에 샤프트(126)로 연결된다.
디스크(120)의 외부영역과 하우징(100)은 재생송풍기(130)를 포함한다. 재생송풍기(130)의 입구는 하우징 입구(102)에 연결되며 재생송풍기(130)의 출구는 동축회전식 스크롤펌프(110)의 입구에 연결된다. 동축회전식 스크롤펌프(110)의 출구는 하우징 출구(104)에 연결된다. 그리하여 재생송풍기(130)와 스크롤펌프(110)는 도 3의 진공 펌핑장치에서 나란하게 연결된다. 이로인하여 도 3의 진공 펌핑장치는 도 2에 도시하여 상술한 진공 펌핑장치의 일실시예를 구성한다. 보통, 재생송풍기(130)는 비교적 높은 펌핑속도를 가지며 스크롤펌프(110)는 비교적 높은 압축비를 갖는다. 결과적으로 도 3의 진공 펌핑장치는 높은 펌핑속도와 높은 압축비를 나타낸다.
디스크(120)는 임펠러나 로터로서 작동하며, 하우징(100)은 재생송풍기(130)의 스테이터로서 작동한다. 도 3의 실시예에서, 디스크(120)의 외주 근처에 환형링(134)이 장착된다. 이 환형링(134)에는 공간-이격형 반경리브(spaced-apart radial rib; 136)가 제공된다. 한 쌍의 각 리브(136)들 사이에는 공동(138)이 형성된다. 공동(138)들은 리브(136)들 사이에서 환형링(134)의 일부재질을 제거하므로써 형성되는 곡선윤곽을 가질 수도 있다. 하우징(100)에는 리브(136)와 공동(138)에 대향관계로 원형채널(140)이 제공된다. 추가로, 하우징(100)은 원주위치에 배플(142)이나 스트리퍼(stripper)를 포함한다. 배플(142)의 한쪽에서 채널(140)에 연결된 도관은 재생송풍기(130)의 입구를 규정하며, 배플(142)의 다른쪽에서 채널(140)에 연결된 도관은 재생송풍기(130)의 출구를 규정한다.
작동시에, 디스크(120)는 모터(124)에 의해 샤프트(122)를 중심으로 회전한다. 가스가 하우징 입구(102)를 통하여 채널(140)로 진입하여 채널(140)을 통하여 펌프된다. 디스크(120)와 리브(136)가 회전하므로써, 가스는 공동(138)과 채널(140)을 통하여 펌프된다. 그후 가스는 재생송풍기(130)의 출구를 통하여 스크롤펌프(110)의 입구에 배출된다. 재생송풍기(130)의 구성은 본 발명의 범주 내에서 변경될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 리브(136)와, 공동(138)과, 채널(14)의 크기와 형상은 본 발명의 범주 내에서 변경될 수도 있다. 재생송풍기의 구조와 작동은 일반적으로 본 기술분야의 기술자들에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 세 번째 관점에 따라서 진공 펌핑장치의 실시예를 도 4에 도시한다. 진공 펌핑장치(200)는 일반적으로 입구(204)와 출구(206)를 갖는 진공 기밀형 하우징(202)을 포함한다. 제 1 스크롤펌프(210)와 제 2 스크롤펌프(212)는 하우징(202) 내에 배치된다. 제 1 스크롤펌프(210)의 입구는 하우징 입구(204)에 연결되며 제 2 스크롤펌프(212)의 출구는 하우징 출구(206)에 연결된다. 제 1 스크롤펌프(210)의 출구와 제 2 스크롤펌프(212)의 입구 사이의 연결부(도시 안함)는 스크롤펌프(210, 212)들을 나란하게 효과적으로 연결시킨다. 구동샤프트(216)는 모터(218)에 스크롤펌프(210, 212)들을 연결시킨다.
제 1 스크롤펌프(210)는 비선회형 스크롤블레이드(220)와, 선회형 스크롤블레이드(222)와, 제 1 선회반경(R1)을 갖는 편심드라이브(224)를 포함한다. 선회형 스크롤블레이드(222)와 하우징(200) 사이에 연결된 편심드라이브 종동부(226; 또는 장치의 고정부품)는 스크롤블레이드(222)가 스크롤블레이드(220)에 대하여 궤도선회할 수 있게 하며, 이때 스크롤블레이드(222)의 회전은 억제한다. 제 2 스크롤펌프(212)는 비선회형 스크롤블레이드(230)와, 선회형 스크롤블레이드(232)와, 제 2 선회반경(R2)을 갖는 편심드라이브(234)를 포함한다. 비선회형 스크롤블레이드(220, 234)들은, 예를 들어 단일평판의 반대쪽에 형성될 수도 있다. 선회형 스크롤블레이드(232)와 하우징(200) 사이에 연결된 전기구동 종동부(236; 또는 장치의 다른 고정부품)는 스크롤블레이드(232)의 궤도운동을 허용하며, 이때 스크롤블레이드의 회전은 억제한다.
제 1 스크롤펌프(210)의 선회반경(R1)은 제 2 스크롤펌프(212)의 선회반경(R2)과는 다르다. 이것은, 예를 들어 다른 크랭크 반경(crank radii)을 갖는 편심드라이브(224, 234)를 제공하므로써 얻을 수 있다. 유사하게, 편심드라이브 종동부(226, 236)는 각 크랭크 반경에 상응하는 다른 선회반경을 갖는다. 위에서 지적한 바와 같이, 스크롤펌프 성능의 결정인자 중 하나는 선회반경이다. 그리하여, 스크롤펌프(210, 212)들은 단일의 진공 펌핑장치 내에서 다른 성능특성을 가질 수도 있다.
일실시예에서, 제 1 스크롤펌프(210)의 선회반경(R1)은 제 2 스크롤펌프(212)의 선회반경(R2)보다 더 크다. 이것은 제 1 스크롤펌프(210)가 주어진 스크롤블레이드 직경으로 인한 낮은 회전과 높은 펌핑속도를 갖게 한다. 제 2 스크롤펌프(212)는 주어진 스크롤블레이드 직경으로 인하여 더 많은 회전과 비교적 낮은 압축비를 가질 수도 있다. 그 결과 도 4의 진공 펌핑장치는 선회반경(R1, R2)의 선택에 따라 높은 펌핑속도와 높은 압축비를 나타낼 수도 있다.
도 4의 진공 펌핑장치에서 스크롤펌프들은 각 스크롤펌프의 스크롤블레이드가 고정되어 있는 종래 구성을 갖는다. 또한 스크롤펌프의 양 스크롤블레이드들이 회전하며 하나의 스크롤블레이드가 다른 스크롤블레이드에 대하여 선회하는 동축회식 스크롤펌프인 경우에, 진공 펌핑장치 내의 다른 스크롤펌프들이 다른 선회반경을 갖는 구성이 적용될 수도 있다.
본 발명의 네 번째 관점에 따른 진공 펌핑장치의 실시예를 도 5와 도 6에 도시한다. 스크롤 진공펌프(300)는 비선회부재(302)와, 선회부재(304)와, 선회부재(304)에 연결된 편심드라이브(306)를 포함한다. 비선회부재(302)는 평판(308)과 평판(308)으로부터 연장되는 비선회형 스크롤블레이드(310)를 포함한다. 선회부재(304)는 평판(312)으로부터 연장되는 선회형 스크롤블레이드(314)를 포함한다. 스크롤펌프(300)는 스크롤블레이드(310, 314)의 외주에 있는 입구(316)와 스크롤블레이드나 중앙 근처의 출구(318)를 포함한다. 스크롤블레이드(310, 314)들은, 편심드라이브(306)가 스크롤블레이드(310)에 대한 스크롤블레이드(314)의 선회운동을 발생시킬 때, 출구(318)를 향하여 입구(316)로부터 이동하는 하나 이상의 블레이드 사이의 포켓들을 규정하도록 함께 포개넣어진다. 인접한 블레이드 사이의 포켓들 사이에 슬라이딩 밀봉재(320)가 배치되어 인접한 블레이드 사이의 포켓들을 분리한다. 보통, 슬라이딩 밀봉재(320)는 각 스크롤블레이드의 가장자리와 대향평판 사이에 위치한 탄성 내구재의 스트립(strip)으로서 형성된다. 이 밀봉재는 스크롤블레이드의 가장자리에서 그루브 내에 위치될 수도 있다. 이 밀봉재들은 스크롤펌프의 인접한 블레이드 사이의 포켓들을 효과적으로 분리하여 높은 압축율을 얻을 수 있게 한다.
스크롤펌프의 단점들 중 하나는, 특히 펌프가 비교적 높은 압축비를 가질 경우에 펌프의 외주에서 블레이드 밀봉재(324)를 통한 대기로부터 스크롤펌프의 입구(316) 까지의 누설로 인하여 얻고자하는 진공이 감소된다는 것이다. 스크롤펌프의 입구로의 누설은 주위의 임의의 장소에서 발생할 수도 있다. 특히 도 6을 참조하면, 누설은 스크롤펌프의 가장 바깥쪽 블레이드 밀봉재(324)를 통하여 대기로부터 스크롤펌프의 입구단계로 발생할 수도 있다. 누설문제를 줄이기 위해서, 폐루프형 슬라이딩 밀봉재(330)는 스크롤펌프의 비선회부재(302)와 선회부재(304) 사이에서 스크롤블레이드(310, 314)들의 바깥쪽으로 위치설정된다. 선회부재(304)의 평판(312)은 슬라이딩 밀봉재(324)를 위한 표면을 제공하기 위해 필요한만큼 연장될 수도 있다. 보통, 슬라이딩 밀봉재(324)는 원형을 취한다. 가장 바깥쪽의 블레이드 밀봉재(324)와 폐루프형 밀봉재(330) 사이의 공간은 중간압력에 연결될 수도 있는 입구볼륨(332)을 규정한다. 정상작동 동안에, 중간 반응은 대기압력보다 낮다. 도 5와 도 6의 실시예에서, 입구볼륨(332)은 도관(336)을 거쳐 스크롤펌프의 중간단계에 연결될 수도 있다. 도관(336)은 비선회부재(302)를 통하여 스크롤펌프 내에서 중간단계를 갖는 스크롤펌프의 외주를 상호연결할 수도 있다. 다른 연결방식으로서는, 도관(338)은 선회부재(304)를 통하여 스크롤펌프의 중간단계와 입구볼륨(332) 사이에 연결된다. 입구볼륨(332)은 분리형 진공펌프에 연결될 수도 있는 것으로 이해된다. 그러나 이러한 구성은 동일 진공펌프의 중간단계에 입구볼륨(332)을 간단하게 연결시키는 것보다 비용이 추가된다는 점에서 덜 실용적이다. 도 5와 도 6에 도시한 구성은 입구볼륨(332)의 중간압력에 대한 주위압력, 예를 들어 대기압력의 비율에 비례하여 누설을 감소시킨다. 예를 들어 중간압력이 대기압의 1/10이면 누설은 10배 감소된다.
종래 기술에서, 단일 스크롤블레이드 세트와, 모터와, 구동장치을 이용하는 스크롤펌프들은 스크롤펌프의 선회형 스크롤블레이드 상에 위치설정된다. 이러한 구성은 기계적으로 간단하지만, 상술한 바와 같이 입구에 인접한 밀봉을 통하여 누설의 영향을 받는다. 모터와 구동장치가 입구에 인접하게 위치되기 때문에, 오일과 미립자로 구성된 오염물질이 스크롤펌프에 침입할 수도 있다.
단점을 극복하기 위한 스크롤펌프의 구성을 도 7에 도시한다. 스크롤펌프(400)는 입구(404)와 출구(406)를 갖는 하우징(402) 내에 스크롤블레이드의 단일세트를 포함한다. 하우징(402)은 한쪽 단부가 평판(412)에 의해 폐쇄되고 다른쪽 단부는 평판(414)에 의해 폐쇄된 원통부분(408)을 포함할 수도 있다. 비선회형 스크롤블레이드(410)는 평판(412)으로부터 상향으로 연장된다. 평판(418)과 평판(418)으로부터 아래쪽으로 연장하는 선회형 스크롤블레이드(42)를 포함하는 선회부재(416)는 하우징(402) 내에 위치설정된다. 스크롤블레이드(410, 420)들은 블레이드 사이의 포켓(422)들을 한정하도록 함께 포개넣어진다. 선회부재(416)는 평판(412) 내에서 구멍(426)을 통하여 샤프트(424)에 의해 편심드라이브(430)까지 연결된다. 구멍(426)은 스크롤펌프의 출구(406)에 인접하거나 일치한다. 편심드라이브(430)는 구동샤프트(432)에 의해 모터(434)에 연결된다. 편심드라이브(430)는, 예를 들어 베어링(442)에 의하여 구동하우징(444)에 연결된 캠(440)을 포함할 수도 있다. 구동하우징(444)은 샤프트(424)에 단단하게 연결된다. 편심드라이브 종동부(448)는 하우징(402)의 평판(412)과 구동하우징(444) 사이에 연결된다. 모터(434)에 에너지가 가해지면, 편심드라이브(430)는 스크롤블레이드(410)에 대하여 스크롤블레이드(420)의 선회운동을 발생시킨다. 스크롤블레이드(410, 420)들 사이에서 블레이드 사이의 포켓(422)들은 스크롤블레이드(420)의 선회운동에 의하여 출구(406)를 향하여 이동하여 출구(404)로부터 가스를 펌프한다. 본 발명의 범주내에서 다른 편심드라이브들의 변화들이 이용될 수도 있다고 이해된다.
도 7의 스크롤펌프 구성에서, 모터(434)와 구동장치(430)는 스크롤펌프의 출구(406)에 인접하게 위치설정되어, 모터(434)와 편심드라이브(430)에 의하여 발생된 오염물질들이 입구(404)를 통하여 펌프 내로 침입할 수 있는 위험을 감소시킨다. 또한 하우징(402)은 스크롤블레이드(410, 420)들을 실질적으로 포함하여 스크롤펌프에 대한 입구에서의 누설이 제한되는 구성을 이룬다. 도 7의 구성에서, 스크롤블레이드(410, 420)들은 실질적으로 원통 하우징부(408)와 평판(412, 414)들에 의해 둘러싸인다.
그리하여 본 발명에 따른 적어도 하나의 실시예에 따라, 본 기술분야의 기술자들은 본 발명의 범주내에 있는 다양한 변용과 향상을 쉽게 얻을 수 있을 것이다. 따라서, 상술한 설명은 실시예로써 기술도었지만 이로써 제한되지 말아야 한다. 본 발명은 다음 청구항들과 이와 동등한 가치의 것에 규정된 바와 같은 것으로만 제한된다.

Claims (24)

  1. 진공 펌핑장치에 있어서,
    입구와 출구를 갖는 하우징과;
    상기 하우징 내에 배치되며, 출구와 상기 하우징 입구에 연결된 입구를 갖는 비스크롤형 보조펌프와;
    상기 하우징 내에 배치되며, 입구와 상기 하우징 출구에 연결된 출구를 가지며, 포개넣어진 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드와, 상기 제 2 스크롤블레이드에 대하여 제 1 스크롤블레이드를 선회운동시키기 위해 제 1 스크롤블레이드에 연결된 편심드라이브를 포함하는 스크롤펌프와;
    상기 보조펌프의 출구로부터 스크롤펌프의 입구까지 유체를 연결하는 도관 수단과;
    상기 스크롤펌프의 편심드라이브와 상기 보조펌프에 작동 가능하게 연결된 모터를 포함하는 진공 펌핑장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조펌프는 재생송풍기(regenerative blower)를 포함하는 진공 펌핑장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 보조펌프는 루츠형 송풍기(roots-type blower)를 포함하는 진공 펌핑장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 보조펌프는 스크류형 송풍기(screw-type blower)를 포함하는 진공 펌핑장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스크롤펌프의 제 2 스크롤블레이드는 상기 하우징에 대하여 고정되어 있는 진공 펌핑장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스크롤펌프의 제 2 스크롤블레이드는 작동 중에 상기 하우징에 대하여 회전하는 진공 펌핑장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 보조펌프와 상기 스크롤펌프는 상기 하우징 내에서 분리형 유닛(separate units)인 진공 펌핑장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 보조펌프와 상기 스크롤펌프는 상기 하우징 내에서 결합되어 있는 진공 펌핑장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 모터는 상기 제 1 스크롤블레이드와 제 2 스크롤블레이드를 회전시키기 위해 상기 스크롤펌프에 작동 가능하게 연결되며, 상기 장치는 상기 제 2 스크롤블레이드와 함께 회전하기 위하여 상기 제 2 스크롤블레이드에 단단하게 연결되는 디스크를 포함하며, 상기 디스크는 이 디스크의 외주에 또는 외주 근처에 복수의 재생송풍기 공동을 가지며, 상기 하우징은 재생송풍기 공동에 대하여 대향관계로 되어있는 채널을 가지며, 상기 디스크와 하우징은 재생송풍기를 규정하는 진공 펌핑장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 보조펌프는 비교적 높은 펌핑속도를 가지며, 상기 스크롤펌프는 비교적 높은 압축비를 갖는 진공 펌핑장치.
  11. 진공 펌핑장치에 있어서,
    입구와 출구를 갖는 하우징과;
    상기 하우징 내에 배치되며, 출구와 상기 하우징 입구에 연결된 입구를 가지며, 포개넣어진 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드와, 상기 제 2 스크롤블레이드에 대하여 상기 제 1 스크롤블레이드를 제 1 선회반경으로 선회운동시키기 위해 상기 제 1 스크롤블레이드에 연결된 제 1 편심드라이브를 포함하는 제 1 스크롤펌프와;
    상기 하우징 내에 배치되며, 입구와 상기 하우징 출구에 연결된 출구를 가지며, 포개넣어진 제 3 스크롤블레이드와, 제 4 스크롤블레이드와, 상기 제 4 스크롤블레이드에 대하여 상기 제 3 스크롤블레이드를 상기 제 1 선회반경과 다른 제 2 선회반경으로 선회운동시키기 위해 상기 제 3 스크롤블레이드에 연결된 제 2 편심드라이브를 포함하는 제 2 스크롤펌프와;
    상기 제 1 스크롤펌프의 출구로부터 상기 제 2 스크롤펌프의 입구까지 유체를 연결하는 도관 수단과;
    상기 제 1 스크롤펌프의 제 1 편심드라이브와 상기 제 2 스크롤펌프의 제 2 편심드라이브에 작동 가능하게 연결된 모터를 포함하는 진공 펌핑장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 선회반경은 상기 제 2 선회반경보다 크며, 상기 제 1 스크롤펌프는 상기 제 2 스크롤펌프보다 더 큰 펌핑속도를 갖는 진공 펌핑장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 스크롤블레이드와 상기 제 4 스크롤블레이드는 상기 하우징에 대하여 고정되어 있는 평판의 반대쪽에 형성되는 진공 펌핑장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 스크롤블레이드와 상기 제 4 스크롤블레이드는 상기 하우징에 대하여 회전하는 평판의 반대쪽에 배치되는 진공 펌핑장치.
  15. 진공 펌핑장치에 있어서,
    입구와 출구를 갖는 하우징과;
    상기 하우징 내에 배치되며, 입구와 상기 하우징 출구에 연결된 출구를 가지며, 포개넣어진 제 1 스크롤블레이드 및 제 2 스크롤블레이드와, 상기 제 2 스크롤블레이드에 대하여 상기 제 1 스크롤블레이드를 선회운동시키기 위해 상기 제 1 스크롤블레이드에 연결된 편심드라이브를 포함하는 스크롤펌프와;
    상기 제 1 스크롤블레이드와 제 2 스크롤블레이드를 회전시키기 위해 상기 스크롤펌프에 작동 가능하게 연결되는 모터와;
    상기 제 1 스크롤블레이드와 함께 회전하기 위하여 상기 제 2 스크롤블레이드에 단단하게 연결되며, 외주에 또는 외주 근처에 복수의 재생송풍기 공동을 갖는 디스크와;
    상기 재생송풍기의 출구로부터 상기 스크롤펌프의 입구까지 유체를 연결하는 도관 수단을 포함하고,
    여기서 상기 하우징은 상기 재생송풍기의 공동에 대하여 대향관계로 채널을 가지며, 상기 디스크와 상기 하우징은 출구와 상기 하우징 입구에 연결된 입구를 갖는 재생송풍기를 규정하는 진공 펌핑장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 스크롤블레이드는 상기 디스크의 중심에 부착되는 진공 펌핑장치.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 재생송풍기는 비교적 높은 펌핑속도를 가지며, 상기 스크롤펌프는 비교적 높은 압축비를 갖는 진공 펌핑장치.
  18. 진공 펌핑장치에 있어서,
    흡입압력의 입구와 배출압력의 출구를 가지며, 제 1 스크롤블레이드를 포함하는 선회부재와 제 2 스크롤블레이드를 포함하는 비선회부재를 포함하는 스크롤블레이드 세트와;
    상기 하나 이상의 블레이드 사이의 포켓이 상기 출구를 향하여 이동되도록 상기 제 2 스크롤블레이드에 대하여 상기 제 1 스크롤블레이드를 선회운동시키기 위해 상기 선회부재에 작동 가능하게 연결된 편심드라이브와;
    상기 선회부재와 상기 비선회부재 사이에 배치되며, 상기 스크롤블레이드 세트의 입구에 연결된 입구볼륨을 규정하도록 상기 제 1 스크롤블레이드와 제 2 스크롤블레이드를 둘러싸는 폐루프(closed-loop)형 슬라이딩 밀봉재와;
    정상작동 중에 상기 배출압력보다 낮은 중간압력으로 상기 입구볼륨을 펌핑하는 상기 입구볼륨에 연결된 도관을 포함하고,
    여기서 상기 제 1 스크롤블레이드와 제 2 스크롤블레이드는 하나 이상의 블레이드 사이의 포켓들을 규정하도록 함께 포개넣어지는 진공 펌핑장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 도관은 상기 입구와 상기 출구 사이의 상기 스크롤블레이드 세트에서 중간압력 위치에 연결되는 진공 펌핑장치.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 도관은 분리형 진공 펌핑장치에 연결되는 진공 펌핑장치.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 슬라이딩 밀봉재는 원형인 진공 펌핑장치.
  22. 진공 펌핑장치에 있어서,
    입구와 출구를 가지며, 제 1 스크롤블레이드를 포함하는 선회부재와 제 2 스크롤블레이드를 포함하는 비선회부재를 포함하는 상기 스크롤블레이드 세트와;
    상기 하나 이상의 블레이드 사이의 포켓이 상기 출구를 향하여 이동되도록 상기 제 2 스크롤블레이드에 대하여 상기 제 1 스크롤블레이드를 선회운동시키기 위해 상기 선회부재에 작동 가능하게 연결되며, 상기 출구에 인접한 상기 비선회부재에서의 구멍을 통하여 상기 선회부재에 연결되는 편심드라이브를 포함하고,
    여기서 상기 제 1 스크롤블레이드와 제 2 스크롤블레이드는 하나 이상의 블레이드 사이의 포켓들을 규정하도록 함께 포개넣어지며,
    상기 편심드라이브와 상기 제 1 스크롤블레이드는 상기 제 2 스크롤블레이드의 반대쪽에 위치되는 진공 펌핑장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 스크롤블레이드 세트의 입구에 연결된 입구와 상기 스크롤블레이드 세트의 출구에 연결된 출구를 가지며, 상기 제 1 스크롤블레이드와 제 2 스크롤블레이드를 실질적으로 둘러싸는 하우징을 추가로 포함하는 진공 펌핑장치.
  24. 진공 펌핑장치에 있어서,
    입구와 출구를 갖는 진공 기밀형 하우징(vacuum-tight housing)과;
    상기 하우징 내에 배치되며 비교적 높은 펌핑속도를 갖는 비스크롤형 보조펌프와;
    상기 하우징 내에 배치되며 비교적 높은 압축비를 갖는 스크롤펌프와;
    상기 하우징 입구와 상기 하우징 출구 사이에서 상기 보조펌프와 상기 스크롤펌프를 나란하게 연결하는 도관 수단과;
    상기 보조펌프와 상기 스크롤펌프에 작동 가능하게 연결된 모터를 포함하는 진공 펌핑장치.
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