CN112805472A

CN112805472A - 用于控制真空泵的温度的方法以及相关的真空泵和设备

Info

Publication number: CN112805472A
Application number: CN201980066007.4A
Authority: CN
Inventors: Y·格勒尼耶; P·德科尔德
Original assignee: Pfeiffer Vacuum SAS
Current assignee: Pfeiffer Vacuum SAS
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: CN112805472B; EP3867531B1; JP2022505202A; TWI798487B; WO2020078689A1; EP3867531A1; FR3087504B1; FR3087504A1; KR20210074368A; US20210404476A1; TW202018186A

Abstract

本发明涉及一种用于控制承受可变泵送负载的干式真空泵型的真空泵(2)的温度的方法，其中，根据温度设定点和定子(5)的温度测量值借助于联接到定子(5)的至少一个冷却元件(11a，11b)来控制该真空泵(2)的温度，其特征在于，监控指示泵送负载并且选自由真空泵(2)消耗的电流或功率的参数的值是否低于负载阈值，如果指示泵送负载的参数的值低于负载阈值，则升高温度设定点。本发明还涉及一种干式真空泵型的真空泵和一种设备。

Description

用于控制真空泵的温度的方法以及相关的真空泵和设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制干式真空泵型的真空泵的温度的方法。本发明还涉及一种干式真空泵型的真空泵，其包括用于执行所述控制方法的装置。本发明还涉及包括所述真空泵的设备。

背景技术

干式真空泵型的粗真空泵包括数个串联的泵送级，通过这些泵送级，待泵送气体在吸入口和输出口之间循环。已知的粗真空泵中之间有所区别，即，具有旋转凸叶的泵(也已知为“罗茨”泵)、具有两个或更多凸叶的泵(已知为“爪式”泵)、以及螺杆泵。还已知罗茨压缩机(或更常见的“罗茨鼓风机”)型的真空泵具有一个或两个级，并且其用于粗真空泵的上游，以便在非常高的流量的条件下增加泵送能力。

这些真空泵被称为“干式”的，因为在运行中，在定子内部旋转的转子之间或与定子之间没有任何机械接触，这使得在泵送级中不使用油(润滑油)成为可能。

越来越多的应用要求能在真空泵需要循环高流量—约为数slm(标准升/分钟)或数十slm—的气体的一方面的工艺步骤，以及真空泵在所谓的“极限真空压力”下运行且待泵送的气体流量为零或非常低的另一方面的怠速(或备用)步骤之间，显著而快速地改变待泵送的气体流量。

泵送高流量的气体导致真空泵由于压缩而显著发热。温度的升高使其可能避免污染气体物质在真空泵内冷凝或凝固成粉末。但是，有必要冷却真空泵的轴承，以避免任何故障。此外，在某些应用中，需要控制定子温度，使其不超过预定的最大值，超过该最大值时，被泵送的气体物质可能在泵中聚集并导致泵卡死。

定子的冷却通常通过环境温度下的循环水流经与定子热接触的冷却回路来实现。

然而，在上述情况下，待泵送的气体流量急剧下降，真空泵则没有自身的加热，并且可能会急剧冷却。与冷却回路接触的定子随后经历温度下降，而未直接冷却的转子保持高温。

转子和定子之间的温差可能由于以下事实而加剧：用于控制冷却回路的温度的测量点不一定位于允许检测到由于泵送负载变化而导致的温度快速变化的适当位置。因此，测量的温度可能被高估，并导致持续命令冷却定子，即使例如在轴承处的温度已经显著下降。实际识别定子温度下降所需的响应时间可能相对较长，这可能导致温度之间的差异扩大。

由于各种热机械行为，这种温度差异可能导致定子和转子之间的间隙损失，特别是轴向间隙损失，因为冷却回路通常在轴承区域内布置在真空泵的各轴向末端，并且由于轴支架收缩，可能导致轴间距离减小。这些间隙损失可能导致泵卡住或转子相互接触。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种干式真空泵型的真空泵和一种用于控制该真空泵的温度的方法，其能够特别是通过限制间隙损失和卡死来解决上述缺点中的至少一个。

为此，本发明的一个主题是一种用于控制承受可变泵送负载的干式真空泵型的真空泵的温度的方法，所述真空泵包括：

-定子，

-至少一个泵送级，

-两个轴，它们延伸进入至少一个泵送级并且分别承载至少一个转子，这些转子被配置成在定子中沿相反方向同步旋转，以驱动将要被从真空泵的吸入口泵送到输出口的气体，

-与定子联接的至少一个冷却元件，

-至少一个温度传感器，其被配置成测量定子的温度，以及

-控制单元，其被配置成借助于所述至少一个冷却元件和所述至少一个温度传感器来控制所述定子的温度，

其中，根据温度设定点和定子的温度的测量值，借助于与定子联接的所述至少一个冷却元件来控制所述真空泵的温度，

其特征在于，监控选自真空泵消耗的电流或功率并且指示(表征)泵送负载的参数的值是否低于负载阈值，并且如果指示泵送负载的参数的值低于负载阈值，则升高(增大)温度设定点。

因此，温度设定点的变化使得可以通过冷却元件更快地切断对定子的冷却，从而使定子在冷却元件附近变热。在低泵送负载阶段升高温度设定值可使定子保持与高负载阶段同样热，从而可以限制卡死或转子相互接触的风险。

在低负载阶段保持较高的该温度也可以避免冷区的形成，在这种冷区中可冷凝的污染物可能会凝固或冷凝。

通过监控泵送负载来触发的温度设定点的变化也使该方法具有高度的响应性。

通过将真空泵的热行为纳入对温度控制的确定中，可以基于真空泵的传感器已经提供的信息来执行该监控，而无需添加额外的温度传感器，也无需提供有关在腔室中正在进行的过程的信息，并且不改变至少一个温度传感器的位置或冷却元件的结构。

所述温度控制方法还可包括下文所述的一个或更多个特征，这些特征可以单独考虑或组合考虑。

根据一个示例性实施例，升高温度设定点以便至少用于通过与真空泵的被称为低压泵送级的泵送级而联接的冷却元件来控制温度。

根据一个示例性实施例，在温度设定点已经升高之后，监控指示泵送负载的参数的值是否高于负载阈值，并且，如果指示泵送负载的参数的值高于负载阈值，则使升高的温度设定点保持持续预定的附加时间长度。

所述预定的附加时间长度例如大于10分钟。

温度设定点的升高(升高值)例如大于3℃。

温度设定点的升高例如小于20℃。

本发明的另一主题是一种干式真空泵型的真空泵，其包括：

-定子，

-至少一个泵送级，

-与定子联接的至少一个冷却元件，

-至少一个温度传感器，其被配置成测量定子的温度，以及

其特征在于，所述控制单元被配置成执行如上所述的温度控制方法。

干式真空泵型的真空泵可以是多级粗真空泵，也就是包括至少两个串联安装的泵送级的泵。真空泵可以是同样包括一个或两个串联安装的泵送级的罗茨鼓风机型真空泵。

根据一个示例性实施例，干式真空泵型的真空泵包括与定子联接的两个冷却元件，真空泵的每个轴向端布置一个冷却元件。

本发明的另一个主题是一种包括腔室的设备，其特征在于，它包括如上所述的干式真空泵型的真空泵，该真空泵连接到该腔室以用于在其中进行泵送。

附图说明

通过以非限制性示例的方式给出的并参考附图的以下描述，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1示出了根据本发明的设备的示意图。

图2示出了图1的设备的真空泵在拆卸状态下的局部且部分剖切的示意图，其仅示出运行所需的元件。

图3是示出用于图2的真空泵的温度控制方法的各个步骤的示意图。

图4是示出了作为时间的函数(以分钟为单位)所获得的曲线示例的图表，用于：

-图2的真空泵所消耗的功率(以瓦特为单位，纵轴在右侧)(曲线A)，

-由真空泵温度传感器测量的定子温度(以℃为单位，纵轴在左侧)(曲线B)，以及

-通过固定在真空泵冷却元件的中心的两个测试温度传感器以指示方式测量的定子温度(曲线C和D)。

在这些图中，相同的元件具有相同的附图标记。以下实施例仅仅是示例。尽管描述涉及一个或多个实施例，但这并不一定意味着每个标记涉及同一实施例或特征仅适用于一个单一实施例。各种实施例的简单特征也可以被组合或交换以提供其他实施例。

具体实施方式

图1示出了设备1的第一示例，该设备包括干式真空泵型的真空泵2和腔室3，真空泵2例如通过阀4连接到该腔室3，以用于腔室3中的泵送。

在被称为“过程”步骤P1、P2(图3)的步骤期间，可将约数slm或数十slm的大量气流—例如周期性地—引入腔室3中。这些过程步骤P1、P2可以在被称为“怠速”步骤I—其中引入的气体流量低或为零—的步骤之前和之后进行。在怠速步骤I期间，真空泵2在所谓的“极限真空压力”下运行例如超过数分钟的时间段，以使腔室3得以被清洁。这一系列的步骤例如发生在制造半导体的过程中，例如被称为“HarpXT”流程的过程。

如图1和图2中最佳地显示，真空泵2包括定子5、至少一个泵送级T1-T5、伸入所述至少一个泵送级T1-T5中并且分别承载至少一个转子8的两个轴6、7、与定子5联接的至少一个冷却元件11a、11b、被配置成测量定子5的温度的至少一个温度传感器12a、12b、以及控制单元13，该控制单元被配置成通过所述至少一个冷却元件11a、11b和所述至少一个温度传感器12a、12b来控制定子5的温度。

转子8被配置成在定子5中以相反方向同步旋转，以驱动将要从真空泵2的吸入口9被泵送到泵2的输出口10的气体G。

转子8例如具有相同轮廓的凸叶，例如为“罗茨”型(横截面形状为“8字”或“菜豆”)或“爪”型。根据另一示例，泵转子8为“螺杆”型。

真空泵2包括例如至少两个泵送级、例如五个泵送级。每个泵送级T1-T5分别包括入口和出口。连续的泵送级T1-T5通过各自的级间管道14依次串联连接，这些管道将前一泵送级的出口(或输出口)连接到下一级的入口(或吸入口)。

在旋转过程中，从入口吸入的气体被捕获在由转子8产生的体积中，然后被转子8朝向输出口10驱动(气体循环的方向如图1和图2中的箭头G所示)。真空泵2尤其被称为“干式”的，因为在运行中，转子8在定子5内旋转，彼此之间或与定子5没有任何机械接触，使得在泵送级T1-T5中不使用油成为可能。

在该示例性实施例中，干式真空泵型的真空泵2是多级粗真空泵。粗真空泵是正排量真空泵，它使用两个转子在大气压下吸入、传递然后输送待泵送的气体。根据另一示例，真空泵2为罗茨鼓风机型并且包括一个或两个泵送级。罗茨鼓风机型真空泵串联安装并位于粗真空泵的上游。

根据一个示例性实施例，冷却元件11a、11b包括液压回路16，以便允许水例如在环境温度下循环(图2)。

液压回路16例如集成在定子5中。它例如呈“U”形包围轴6、7的轴承，以便对其进行冷却。

冷却元件11a、11b还包括例如阀17，该阀可***作以允许或切断水的循环(“全有或全无”控制)。

真空泵2例如包括与定子5联接的两个冷却元件11a、11b，真空泵2的每个轴向端部布置一个冷却元件11a、11b(图2)。冷却元件11a联接被称为低压泵送级的泵送级T1，其入口与泵2的吸入口9连通。冷却元件11b联接被称为高压泵送级的泵送级T5，其出口与泵2的输出口10连通。

真空泵2包括例如两个温度传感器12a、12b，它们布置在定子5上并且彼此间隔开。一个温度传感器12a例如与位于吸入口9侧的冷却元件11a相关联。该温度传感器12a例如在低压泵送级T1的区域中(在吸入口9的那侧)安装在定子5上。温度传感器12b例如与位于输出口10侧的冷却元件11b相关联。该温度传感器12b例如在高压泵送级T5的区域中(在输出口10的那侧)安装在定子5上。

例如，温度传感器12a、12b在两个轴6、7之间的中点处位于定子5上，并在与轴6、7的轴线平行的直线上对齐(图1)。

控制单元13包括一个或更多个控制器或微控制器或处理器以及存储器，用于执行实现用于控制真空泵2的温度的方法100的一系列程序指令，在该方法中，基于温度设定点和定子5的温度测量结果，借助于联接到定子5的所述至少一个冷却元件11a、11b来控制承受可变泵送负载的真空泵2的温度。

为此，控制单元13连接到至少一个温度传感器12a、12b以接收定子5的温度测量值，并且连接到至少一个冷却元件11a、11b以例如用于操作液压回路16的相关阀17的打开/关闭。温度控制可以根据每个冷却元件11a、11b自身的温度设定点和相关的各个温度测量值在每个冷却元件上独立地进行。

在操作中，真空泵2承受可变的泵送负载，所述泵送负载可能在高或低气体流量之间变化。

控制单元13监视指示泵送负载的参数的值是否低于负载阈值S(诊断步骤101，图3)。

所述指示泵送负载的参数例如是由真空泵2消耗的电流或由真空泵2消耗的功率。控制单元13例如计算在等于或大于处理步骤P1、P2的循环持续时间的时间段内所流经或消耗的电流或功率的平均值。为此，控制单元13例如连接到改变真空泵2的马达的速度的变速器的输出。

如果—并且只要—指示泵送负载的参数的值高于负载阈值S，就认为处理步骤P1、P2正在腔室3中发生。

在这种情况下，控制单元13使用冷却元件11a、11b控制真空泵2的温度以达到温度设定点，例如，当温度测量值低于温度设定点时通过关闭阀17以切断水的循环进行控制，而当温度测量值等于或高于温度设定点时通过打开阀17以允许水循环进行控制(过程阶段调节步骤102)。

温度设定点例如高于70℃。

如果—并且只要—指示泵送负载的参数的值低于负载阈值S，就认为怠速步骤I正在腔室3中发生。在这种情况下，控制单元13通过至少一个冷却元件11a升高温度设定点以控制真空泵2的温度(怠速阶段调节步骤103)。

温度设定点可通过全部两个冷却元件11a、11b或仅其中一个冷却元件被升高以控制温度，但优选地，至少通过联接到低压泵送级T1的冷却元件11a来升高温度设定点，其在温度方面更难调节，因为在低压下转子8和定子5之间的热交换能力不够好。

温度设定点的升高对应于温度设定点的例如至少3％，例如超过3℃。温度设定点的升高对应于温度设定点的例如最多20％，例如低于20℃。温度设定点的升高是例如温度设定值的约6％，例如5℃。

控制单元13通过冷却元件11a、11b—例如通过致动水循环阀17—来控制真空泵2的温度，以达到工艺步骤P1、P2期间所达到的被升高的温度设定点。

当指示泵送负载的参数已经增加至超过负载阈值S时，认为在腔室3中正在进行进一步的处理步骤P1、P2。

然后，在将所升高的温度设定点切换回初始温度设定点之前，可将所升高的温度设定点维持预定的附加时间长度(修复步骤104)。

所述附加时间长度预先确定成，使得不需要传感器成为可能。它例如长于10分钟，例如为15分钟。由于处理步骤P1、P2的较高的泵送负载，该修复步骤104允许给予定子5时间以进行预热。这样可以避免在返回初始温度设定点时，转子8和定子5的温度之间产生进一步的差异。

通过查看图4中的图表可以更好地理解这一点，该图显示了真空泵2在泵送负载下消耗的功率曲线(曲线A)，由低压泵送级T1附近的温度传感器12a测量的定子5的温度曲线(曲线B)，以及在与低压泵送级T1的定子5联接的冷却元件11a的中心处通过指示方式测量的定子5的两温度曲线(曲线C和D)的一个示例，以提供对本发明的理解。

在最初的两个小时内，80slm(135.12Pa.m³/s)的气流被周期性地引入腔室3。因此，气流在80slm持续5分钟和0slm持续3分钟之间交替。因此，指示泵送负载的所消耗功率在500和2000W之间以方波模式变化(曲线A)，高于例如600W的负载阈值持续超过3分钟(持续时间等于工艺步骤的无流阶段)。

控制单元13借助于冷却元件11a、11b控制真空泵2的温度，以达到83℃的温度设定点(过程阶段调节步骤102)。可以看出，由温度传感器12a测量的定子5的温度因此由于全有或全无调节模式而围绕设定点温度在81℃和86℃之间波动(曲线B)。还可以看出，在冷却元件11a的中心测得的温度(通过指示方式)在84℃和87℃之间波动(曲线C和D)。

然后，所消耗的功率下降到负载阈值S以下。由此，控制单元13推断，腔室3中正在发生怠速步骤I。因此，控制单元13将温度设定点升高5℃(怠速阶段调节步骤103)，并借助于低压泵送级T1的冷却元件11a将真空泵2的温度控制到88℃，以及借助于高压泵送级T5的冷却元件11b将真空泵2的温度控制到83℃或88℃。

可以注意，由与冷却元件11a相关联的温度传感器12a测量的定子5的温度已经跳变了大约5℃，从而在86℃和90℃之间波动(曲线B)。

还可以看出，在冷却元件11a的中心测得的温度由于温度设定点的提高而迅速升高，然后由于泵送负载的减少而降低，直到趋于稳定在接近过程步骤P1的温度(曲线C和D)。

因此，温度设定点的变化使冷却元件11a能更快地切断定子5的冷却，使定子5在冷却元件11a附近预热。尽管温度下降，但在冷却元件11a处测得的定子5的温度已降至低于过程步骤P1的温度的情况很少(如果有的话)。因此，考虑到转子8保持高温，定子5和转子8之间的温差在过程步骤P1期间，与怠速步骤I期间的温差基本相同。

然后，所消耗的功率增加至超过负载阈值S(曲线A)，这表示在腔室3中正在进行进一步的处理步骤P2。温度设定值保持升高至88℃并持续15分钟(修复步骤104)：可以看到，随着真空泵2的加热，在冷却元件11a的区域中定子5的温度开始再次升高(曲线C和D)。

在经过预定的附加时间长度之后，由于冷却元件11a的中心的温度已经大致返回到过程步骤P1的先前值，所以控制单元13降低温度设定点，该温度设定点返回到83℃(过程阶段调节步骤102)。冷却元件11a中心处的温度通过与温度设定点的差值而降低，然后随着设定点的值再次缓慢升高至83℃。在怠速步骤I和随后的过程步骤P2期间，靠近冷却元件11a的定子5区域的温度保持在83℃以上。

在低泵送负载下在怠速步骤I期间升高温度设定点，可以允许定子5在冷却元件11a的中心保持与在过程步骤P1、P2期间相同的高温，这使其能够限制在怠速步骤I期间卡住或转子8彼此接触的风险，这些风险与转子8和定子5之间的热膨胀差异有关。

在怠速步骤I期间保持高温也可以使避免形成冷区成为可能，在冷区中污染性的可冷凝物质可固化或冷凝。

通过监控泵送负载触发的温度设定点的变化也允许该方法具有高度响应性。

此外，通过将真空泵2的热行为纳入温度控制的确定中，可以基于真空泵2的传感器已经提供的信息来进一步执行该监控，而无需添加额外的温度传感器，也无需提供有关在腔室3中正在进行的过程的信息，并且不改变至少一个温度传感器12a、12b的位置或冷却元件11a、11b的结构。

Claims

1.一种用于控制承受可变的泵送负载的干式真空泵型的真空泵(2)的温度的方法(100)，所述真空泵(2)包括：

o定子(5)，

o至少一个泵送级(T1-T5)，

o两个轴(6，7)，其延伸进入所述至少一个泵送级(T1-T5)中并且分别承载至少一个转子(8)，这些转子(8)被配置成在定子(5)中沿相反方向同步旋转，以驱动将被从真空泵(2)的吸入口(9)泵送至输出口(10)的气体(G)，

o与定子(5)联接的至少一个冷却元件(11a、11b)，

o至少一个温度传感器(12a、12b)，其被配置成进行定子(5)的温度的测量，以及

o控制单元(13)，其被配置成借助于所述至少一个冷却元件(11a、11b)和所述至少一个温度传感器(12a、12b)来控制定子(5)的温度，

其中，根据温度设定点和定子(5)的温度测量值，借助于与定子(5)联接的所述至少一个冷却元件(11a、11b)来控制真空泵(2)的温度，其特征在于，监控选自真空泵(2)所消耗的功率或所吸取的电流的、指示泵送负载的参数的值是否低于负载阈值(101)，并且如果指示泵送负载的参数的值低于负载阈值(S)，则升高温度设定点(103)。

2.根据前一权利要求所述的温度控制方法(100)，其特征在于，升高温度设定点以便至少用于借助于与真空泵(2)的被称为低压泵送级的泵送级(T1)联接的冷却元件(11a)来进行温度控制。

3.根据前述权利要求之一所述的温度控制方法(100)，其中，在已经升高温度设定点之后，监控指示泵送负载的参数的值是否高于负载阈值(S)，并且，如果指示泵送负载的参数的值高于负载阈值(S)，则在预定的附加时间长度内保持升高的温度设定点(104)。

4.根据前一项权利要求所述的温度控制方法(100)，其中，所述预定的附加时间长度大于十分钟。

5.根据前述权利要求之一所述的温度控制方法(100)，其中，温度设定点的升高值大于3℃。

6.根据前述权利要求之一所述的温度控制方法(100)，其中，温度设定点的升高值小于20℃。

7.一种干式真空泵型的真空泵(2)，其包括：

-定子(5)，

-至少一个泵送级(T1-T5)，

-两个轴(6，7)，其延伸进入所述至少一个泵送级(T1-T5)中并且分别承载至少一个转子(8)，这些转子(8)被配置成在定子(5)中沿相反方向同步旋转，以驱动将被从真空泵(2)的吸入口(9)泵送至输出口(10)的气体(G)，

-与定子(5)联接的至少一个冷却元件(11a、11b)，

-至少一个温度传感器(12a、12b)，其被配置成进行定子(5)的温度的测量，以及

-控制单元(13)，其被配置成借助于所述至少一个冷却元件(11a、11b)和所述至少一个温度传感器(12a、12b)来控制定子(5)的温度，

其特征在于，所述控制单元(13)被配置成执行根据前述权利要求之一所述的温度控制方法(100)。

8.根据前一项权利要求所述的干式真空泵型的真空泵(2)，其特征在于，所述真空泵是粗真空泵。

9.根据权利要求7或8所述的干式真空泵型的真空泵(2)，其特征在于，所述真空泵包括与所述定子(5)联接的两个冷却元件(11a、11b)，所述真空泵(2)的每个轴向端布置一个冷却元件(11a、11b)。

10.一种设备(1)，其包括腔室(3)，其特征在于，它包括根据权利要求7至9之一所述的干式真空泵型的真空泵(2)，该真空泵连接至腔室(3)以用于所述腔室(3)中的泵送。