CN100335799C - 用于净化室的高压设备和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液压动力冲程设备，用于借助一个结构非常紧凑旋转对称的往复活塞系统封闭容器，所述设备包括一个运动的工作活塞和一个运动的增强活塞，它们分别在缸内导引。工作活塞水力驱动而增强活塞气动驱动，两者通过处于一个在工作缸的底面与增强活塞的端面之间空腔内的流体沿轴向直接作用连接。工作活塞的端面至少构成容器盖的一部分或与容器的盖刚性连接。

Description

用于净化室的高压设备和工艺
技术领域
本发明涉及一种借助一个结构非常紧凑的旋转对称的往复活塞系统封闭容器或成形或压制半成品的设备，它包括一个运动的工作活塞和一个运动的增强活塞，它们分别在缸内导引。工作活塞水力驱动而增强活塞气动驱动，两者通过处于一个在工作缸的底面与增强活塞的端面之间空腔内的流体沿轴向直接作用连接。工作活塞端面至少构成容器盖的一部分或与容器的盖刚性连接，或工作活塞的端面构成工具或与工具刚性连接。
背景技术
在半导体生产、光电子工业和在其他工业分支中总是发展多种产品，它们借助或基于微结构或毫微结构实现一些中心功能。这些微结构或毫微结构尤其在其生产期间对于最轻微的污染也极为敏感。因此对加工工艺的组成部分有关允许的排放提出了最高的要求。毫微结构表面所需要的净化步骤有些已不再或很难能借助普通的净化液。因此，一段时间以来大规模地使用超临界的流体，它们有更好的润湿及净化特性。为此需要150至300bar以上的过程压力，从而需要一些特殊的装备。迄今机械上适用的高压设备不适用或不直接适用于净化室。本发明说明一种使用于净化室的高压设备，它在高的压力水平时负荷快速变换的情况下只产生最小量的排放物并设计为非常紧凑的结构形式。
压力超过150bar的往复活塞式设备在多种多样的技术中使用并在专利和专业文献中有详细的介绍。
由文献还已知一些往复活塞式设备，它们主要包括工作活塞和增强活塞，其中增强活塞的端面沿轴向作用在工作介质上，工作介质处于工作活塞底面下方的缸空腔内并促使工作活塞作工作行程或产生最终压力。
文件DE 100 26 616 A1和WO 01/69088 A1介绍了上述往复活塞式设备，其中工作活塞的工作介质与压力转换器的工作介质是一致的。JP 55126103公开了一种此类往复活塞式设备，它配备一附加的其中暂时容纳被排挤的液压液体的容器。此外WO 01/69088 A1还公开了工作活塞的复位功能，它设计为使工作活塞的柱塞在一个弹簧中导引，在活塞冲程时弹簧在缸头与活塞底部之间夹紧。当在活塞上终止力的作用时，弹簧卸压并将工作活塞导引到原始位置。
由文献还已知并详细说明了一些往复活塞式设备，它们规定工作活塞用的工作介质不同于增强活塞的工作介质。在文件JP 09280202或DE 199 46 678 A1中介绍的液压-气动设备在这里被列举作为此类组合式往复活塞设备的范例。
流体和气体用作工作介质，其中使用约达160bar的水和超过160bar特许的液压油。惰性气体和空气是常用的气态工质。液压油有重要的有益特性，尤其包括滑动面的润滑特性、低的可压缩性以及高的热稳定性。
在活塞系统中不能完全消除的不利因素主要是材料磨蚀和工作介质的漏泄。摩擦和压力引起的材料损耗，例如磨损、蒸发和液化，对基本材料本身和尤其对密封系统，发生的程度都是轻微的。在往复活塞式设备中的材料损耗主要取决于滑动面的表面性质和构件加工公差、密封装置的材料和径向压力、以及温度。
在每个活塞行程时总是以某种程度伴随产生的工作介质的漏泄，在功能上主要取决于表面性质、粘度、缸空腔内的静压，以及取决于密封装置结构及其径向压力。
高的工作压力要求接触并彼此运动的表面充分地润滑，其结果是导致相应的漏泄量。这种效果借助适用的密封系统和高质量的表面加工减到最低程度。提高抑制漏泄的挤压力的可能性显然是受限制的，因为随着压力的升高也会增加密封材料的破坏或磨蚀，这同样意味着排放和接着导致增加漏泄量。此外达到机械承载能力和经济的运行方式的极限。
由上述原因产生的材料磨蚀和漏泄带来的污染在生产区内尤其对于净化室工艺过程是极为有害的。例如在DIN 2083中或在联邦标准209D中规定了纯度等级。各种类型的排放物直接影响这些工艺过程中的产品质量，以及要借助设备和组织工作方面的高投入来将它们降到最低程度，这些与相应的高费用相关联。特别严重和有害的是通过油雾污染，因为含油的排放物往往是化学活性的，以及只能用含溶剂的物质重新去除，而这些物质在净化室内也是不希望或十分有害的。
众所周知，在净化室中使用的液压式往复活塞设备存在一些问题并可借助恰当的抽吸装置使之适合在净化室中应用(SWISSContamination Control 5(1992)Nr.5，第8页起)。当使用压制工具生产CD盘时，在半成品上出现油的粘附。研究表明，污染源就是液压油。通过在工具的推杆上安置封闭的皮碗和抽吸压制外壳及皮碗处的空气，可以达到期望的净化室适用性。
另一篇专业论文公开了一种设计为无活塞杆的气动缸(Dr-lng.E.Fritz；Schrift zum 1.Int.Forum Fluidtechnisches Kolloquium，Band 2，第283页起)。通过在覆盖带与密封带之间空腔内造成部分真空度，达到净化室的适用性。为此在缸的管上安装真空接头并导出排放物。
上述有抽吸装置的往复活塞式设备的缺点是，需要附加的系统以保证最低的颗粒浓度，必须安装这些系统和使它们持续运行。
对于更复杂的其中适用于净化室的部件与不太适用的部件同时使用的生产流水线，实施在空间上的隔离。在所谓的“保持区(Maintenance Bereichen)”内安装不适用于净化室的设备，而在所谓的“白空间(White Rooms)”内安装适用于净化室的部分设备。这种方案需要昂贵的闸口和采取有组织的预防措施，以保证抑制来自“保持区Maintenance Bereichen)”的污染。
US 6,067,728公开了一种借助超临界CO2干燥晶片的设备和方法，其中设计了一个气动-机械式封闭设备。容器盖的封闭借助一个气动活塞和杠杆装置实现，借助此装置预压。盖的锁止通过夹子进行。在气动-机械地封闭过程室后，将一个或多个静力夹子对称地定位在盖的边缘上。这些夹子沿容器盖和容器底的边机械地推移，并保证在过程期间内压增高时容器的密封性。
上述发明的缺点是有许多运动部分，它们的排放物肯定是有危害的，以及每单位时间的冲程数或可能的过程循环受要求的行程距离的严重限制。此外，许多过程需要昂贵的控制装置。
发明内容
本发明的目的是，通过在原来的往复式活塞上采取技术措施，使得不再需要附加的抽吸和安全装置或空间上的分割。此外，结构设计应做到能用尽可能小量的运动和尽可能少的运动构件满足可靠运行的要求。
为达到此目的，按本发明提供了这样一种用于净化室的往复活塞式设备，用于封闭一个至少由一个底部和一个盖组成的容器，设备包括至少一个运动的各有一个工作缸的工作活塞和至少一个运动的同样各有一个增强缸的增强活塞，它们全都是旋转对称的，其中，工作活塞及其工作缸以及增强活塞及其增强缸沿一条旋转轴线排列，并且，工作活塞在处于工作缸内的活塞端上具有至少一个在外表面上径向环形的增强部，从而将工作缸与工作活塞之间的内腔分成至少两个空腔，并且在工作缸中至少一个孔通向每个空腔，其中，工作活塞液力驱动而增强活塞气动驱动，其中：工作活塞和增强活塞通过处于一个在工作活塞的底面与增强活塞的端面之间的空腔内的流体相对于旋转轴线沿轴向直接作用连接，其中工作活塞的端面至少是容器的盖的一部分或与容器的盖刚性连接，以及这个与工作活塞有关的盖同样沿旋转轴线移动并且容器设置在工作活塞端面的对面，其特征为：工作活塞设计成，工作活塞的端面按规则工作压力达到180bar以上，水是液力驱动用的流体，在缸内表面和活塞表面上定位在缸与活塞表面彼此接触地对置的且平行于旋转轴线地相互运动的区域内的滑动面中的至少一个具有大于60％的支承比，其中，支承比是在表面结构内隆凸的部分与凹陷的部分之比，以及此活塞式设备在输入和导出驱动介质方面是开式的。
按本发明的另一项设计，滑动面的至少一部分是淬硬的。
按另一项工艺设计，在缸空腔内使用一种不同于水的流体，这种流体优选地是一种易挥发的介质，或可考虑使用一种气体作为工作介质。气动的工作活塞可以有利地用压缩空气或另一种气体或气体混合物推动。
按工艺设计的另一种有利的方案，借助包围在缸空腔内的流体通过工作活塞的复位直接实现增强活塞的复位，为此使流体作用在增强活塞的端面上并使增强活塞返回原始位置。
工艺设计的另一种方案在于，往复活塞和封闭设备与在容器内实施的过程循环同步化。
按工艺过程的另一种有利的方案，在工作活塞端面的压力按规则至少等于或大于容器内的压力。
本发明还包括工艺过程用的设备的一种应用，其中在容器内使用至少一种超临界气体。
此外，本发明还包括所述设备和/或工艺方法在一些过程中的应用，这些过程直接或间接地与半导体工业和/或晶片制造、光学工业以及制药和/或医学工业的至少一种应用、生产或工艺过程相结合。
按设备的另一种有利的设计，工作活塞的端面设计为压制工具或与压制工具刚性连接，以及此压制工具相对于工作活塞同样基本上沿轴向移动。因此，本发明包括一种使用上述压制工具的压制工艺，它在净化室条件下使用于压制过程，例如成型、粘结或装料。
附图说明
图1至4表示设备纵剖面。其中：
图1往复活塞式设备；
图2往复活塞式设备和阀的操纵，处于往复过程的原始位置(“容器开”)；
图3往复活塞式设备和阀的操纵，在预压阶段结束后和压力增强部处于原始位置(“容器关闭”)；以及
图4往复活塞式设备和阀的操纵，在高负荷阶段中和压力增强部处于终端位置(“容器锁闭”)。
具体实施方式
下面借助例子和图1至4详细说明本发明。图1表示按本发明的液压-气动往复活塞式封闭设备，其中水力驱动的工作活塞1沿轴向通过处于缸空腔3内的流体与气动驱动的增强活塞2直接作用连接。压力增强部的端面18作用在上述流体上以及平行于工作缸的底面19布置。此外，工作活塞1的端面构成压力容器9的盖以及在本设计中是容器9的底板。按本发明的往复活塞式和封闭设备的滑动面13-16设计为使它们有高的支承比和/或高的硬度。
图2至4示意表示设备及工艺过程，如它们按工业的比例1∶1在试验设备中所实现的那样。此试验设备满负荷持续运行10周以上。在缸空腔3内的预调压力再大的水管道网在无需附加地提高压力的情况下达到以及供给约6bar。作为用于缸空腔4的气动工作介质使用来自压力瓶组的N2，在这种情况下通过适当卸压压力达到25bar。这种试验设备或这种工艺过程在10周内用工作活塞1端面17处约260bar的工作压力不间断地完成约100000次负荷变换。在此试验设备中，工作活塞1的端面移靠在一支架上并在每个循环保持约3秒钟。
有关材料滑动面的准备工作应强调指出，滑动面必须有支承比大于60％，以防止滑动面卡死，而且有利的是这些面淬火硬化。使用奥氏体材料，但这种设备并不限于这一材料类。
在文献中已充分说明了达到高支承比的方法。例如作为可能的方法可采用珩磨、研磨或滚压处理。经如此预处理的表面的硬化可借助等离子渗氮、不损失耐蚀性的表面硬化(Kolsterisierung)或渗铬实现以及同样可看作先有技术并由专业公司商业提供。
此外包括一种运行按本发明的设备的工艺过程，其中工作活塞1通过水力静压移到负荷位置(图3)。工作阀21操纵为将孔10和11关闭。通过控制增强阀22在增强活塞的底面20施加压力并使之移动。在这种情况下按照底面20与端面18的面积比增大封闭的缸空间3内的最终压力，以及在密封装置23处通过工作活塞1产生端面18在容器9上所要求的挤压力。
在负荷循环结束后，增强阀22打开以及缸空腔4卸压，压力增强部2的工作介质排入大气中。随后，将工作阀21控制为给缸空腔5水力加压，从而使工作活塞1与增强活塞2同步移到原始位置。
循环从位置“容器打开”重新起动(图2)，此时通过控制工作阀21将工作介质通过孔10导入缸空腔3内。
参见先有技术特别有利的是压力增强部2与工作活塞1的复位相关联。由于这种耦合不再需要增强活塞2单独的复位装置并可实现阀的准确同步。同样有利的是在负荷循环的一开始阀的控制基本上脱耦。为了在缸空腔3内初始加压，可将增强阀22保持在负荷循环结束时操纵的位置(位置“容器锁闭”；图4)。与已知的设备相比较，通过活塞复位的同步化、负荷循环开始时阀控制的脱耦以及很短的行程距离，做到了使本设备不需要复杂的控制系统，以及特别适用于负荷快速变换和高的压力。
与已知的设备相比较，基本上避免了机械损伤，因为实现了一种从增强活塞经由缸空腔3中的流体桥到工作活塞的间接传力。为保证这一点缸空腔5和6在活塞终端位置“容器已闭”时不完全排空，并因而使活塞表面决不会沿轴向的行程方向与缸壁接触。这一情况同样也适用于增强活塞端面与工作活塞底面的关系。
与已知的往复活塞式设备相比特别有利的是，液压驱动的工作活塞1柔和的移动方式，所以密封装置25和27只受小的载荷。在通过压力增强部2加入最终的力使工作活塞1处于终端位置时，在密封面与活塞壁13和15之间不再进行相对运动。源于密封装置24和26的可能的排放物被抑制在缸空腔3、4和6内，并在正常的工作循环时经由孔10、12和24排出。不需要附加的部分真空，并因而与先有技术相比获得突出的优点。
附图标记一览表
1   工作活塞
2   增强活塞
3   缸空腔
4   缸空腔
5   缸空腔
6   缸空腔
7   工作缸
8   增强缸
9   压力容器
10  孔
11  孔
12  孔
13  滑动面
14  滑动面
15  滑动面
16  滑动面
17  工作活塞的端面
18  增强活塞的端面
19  工作活塞的底面
20  增强活塞的底面
21  工作阀
22  增强阀
23  密封装置
24  密封装置
25  密封装置
26  密封装置
27  密封装置

Claims (17)

1.一种用于净化室的往复活塞式设备，用于封闭一个至少由一个底部和一个盖组成的容器，设备包括至少一个运动的各有一个工作缸(7)的工作活塞(1)和至少一个运动的同样各有一个增强缸(8)的增强活塞(2)，它们全都是旋转对称的，其中，工作活塞(1)及其工作缸(7)以及增强活塞(2)及其增强缸(8)沿一条旋转轴线排列，并且，工作活塞(1)在处于工作缸(7)内的活塞端上具有至少一个在外表面上径向环形的增强部，从而将工作缸(7)与工作活塞(1)之间的内腔分成至少两个空腔(3和5)，并且在工作缸(7)中至少一个孔(10和11)通向每个空腔，其中，工作活塞(1)液力驱动而增强活塞(2)气动驱动，
其中：
-工作活塞(1)和增强活塞(2)通过处于一个在工作活塞(1)的底面(19)与增强活塞(2)的端面(18)之间的空腔(3)内的流体相对于旋转轴线沿轴向直接作用连接，其中
-工作活塞(1)的端面至少是容器(9)的盖的一部分或与容器(9)的盖刚性连接，以及
-这个与工作活塞(1)有关的盖同样沿旋转轴线移动并且容器(9)设置在工作活塞(1)端面的对面，
其特征为：
-工作活塞(1)设计成，工作活塞(1)的端面(17)按规则工作压力达到180bar以上，
-水是液力驱动用的流体，
-在缸内表面和活塞表面上定位在缸与活塞表面彼此接触地对置的且平行于旋转轴线地相互运动的区域内的滑动面(13至16)中的至少一个具有大于60％的支承比，其中，支承比是在表面结构内隆凸的部分与凹陷的部分之比，以及
-此活塞式设备在输入和导出驱动介质方面是开式的。
2.按照权利要求1所述的设备，其特征为：在缸内表面和活塞表面上定位在缸与活塞表面彼此接触地对置的且平行于旋转轴线地相互运动的区域内的滑动面(13至16)中至少一个是淬硬的。
3.按照权利要求1或2所述的设备，其特征为：通过
·对控制工作缸(7)的缸空腔(3和5)的供入和排空的工作阀(21)进行定位，使工作活塞(1)的底面(19)用流体加载，为此通过至少一根压力管和孔(10)将流体导入到在增强活塞(2)的端面(18)与工作活塞(1)的底面(19)之间的空腔(3)内，继而
·使工作活塞从原始位置“容器未闭”移到预压位置“容器已闭”并且将容器(9)封闭，
·接着将工作阀(21)操纵为关闭所有通向为工作活塞(1)的工作缸(7)配设的孔(10和11)的通路，以及通过随后的
·对控制增强活塞的缸空腔(4和6)的供入和排空的增强阀(22)进行操纵，使增强活塞(2)的底面(20)用流体加载，为此通过至少一根压力管和在缸壁中的孔(12)将流体导入到在增强活塞(2)的底面(20)下方的缸空腔(4)内，继而
·使增强活塞(2)移到终端位置“容器锁闭”，并且将此位置“容器锁闭”保持任意长的时间，接着
·打开增强阀(22)，使在增强活塞(2)的底面(20)下方的缸空腔(4)内的流体卸压，以及随后
·操纵工作阀(21)，通过至少一根压力管和孔(11)使工作活塞(1)的工作缸(7)的上部空腔(5)用流体加载，并且将压力作用到活塞增强部的与工作缸(1)的底面(19)对置的并基本上与之平行且基本上环形的面上，使得工作活塞(1)移到原始位置“容器开”，此时
·包围在工作活塞(1)下方的空腔内的流体作用到增强活塞(2)的端面(18)上并同样将增强活塞移到原始位置。
4.按照权利要求1或2所述的设备，其特征为：取代水作为在工作活塞(1)的工作缸(7)的空腔内的流体，使用一种由乙醇、甲醇、异丙醇或它们的混合物构成的组中选择的易挥发介质，或使用一种气体，它主要由CO2、氧气、氮气、一种惰性气体或它们的混合物组成。
5.按照权利要求1或2所述的设备，其特征为：作为在增强活塞(2)的增强缸(8)的空腔内的流体，使用一种由乙醇、甲醇、异丙醇或它们的混合物构成的组中选择的易挥发介质，或使用一种气体，它主要由CO2、氧气、氮气、一种惰性气体或它们的混合物组成。
6.按照权利要求1或2所述的设备，其特征为：在容器(9)内按规则压力达到180bar以上。
7.一种按照权利要求1或2所述设备的应用，其特征为：此设备与半导体工业和/或晶片制造工业中的一种应用、生产或工艺结合使用。
8.一种按照权利要求1或2所述设备的应用，其特征为：此设备与光学工业中的一种应用、生产或工艺结合使用。
9.一种按照权利要求1或2所述设备的应用，其特征为：此设备与制药或医学制药工业中的一种应用、生产或工艺结合使用。
10.一种借助一个用于净化室的对称的往复活塞式设备压制或成形至少一种半成品的设备，其组成部分包括至少一个运动的各有一个工作缸(7)的工作活塞(1)和至少一个运动的同样各有一个增强缸(8)的增强活塞(2)，它们全都是旋转对称的，其中，工作活塞(1)及其工作缸(7)以及增强活塞(2)及其增强缸(8)各沿一条旋转轴线排列，并且，工作活塞(1)在处于工作缸(2)内的活塞端上具有至少一个在外表面上径向环形的增强部，从而将工作缸(7)与工作活塞(1)之间的内腔分成至少两个空腔(3和5)，并且在工作缸(7)中至少一个孔(10和11)通向每个空腔(3和5)，工作活塞(1)液力驱动而增强活塞(2)气动驱动，
-工作活塞(1)和增强活塞(2)通过处于一个在工作活塞(1)的底面(19)与增强活塞(2)的端面(18)之间的空腔(3)内的流体相对于旋转轴线沿轴向直接作用连接，其中，工作活塞(1)的端面至少是压制或成形工具的一部分或与压制或成形工具刚性连接，以及这个与工作活塞(1)有关的压制或成形工具同样沿旋转轴线移动并且半成品设置在工作活塞(1)的端面(17)的对面，其特征为：
-液力驱动用的液体是水，工作活塞(1)的端面(17)按规则工作压力达到180bar以上，
-在缸内表面和活塞表面上定位在缸与活塞表面彼此接触地对置的且平行于旋转轴线地相互运动的区域内的滑动面(13至16)中至少一个具有大于60％的支承比，支承比是在表面结构内隆凸的部分与凹陷的部分之比。
11.按照权利要求10所述的设备，其特征为：在缸内表面和活塞表面上定位在缸与活塞表面彼此接触地对置的且平行于旋转轴线地相互运动的区域内的滑动面中至少一个是淬硬的。
12.按照权利要求10或11所述的设备，其特征为：通过
·对控制工作缸(7)缸空腔(3和5)的供入和排空的工作阀(21)进行定位，使工作活塞(1)的底面(19)用流体加载，为此通过至少一根压力管和孔(10)将流体导入到在增强活塞(2)的端面(18)与工作活塞(1)的底面(19)之间的空腔(3)内，继而
·使工作活塞从原始位置“未接触半成品”移到预压位置“接触半成品”，
·接着将工作阀(21)操纵为关闭所有通向为工作活塞(1)的工作缸(7)配设的孔(10和11)的通路，以及通过随后的
·对控制增强活塞(2)的缸空腔(4和6)的供入和排空的增强阀(22)进行操纵，使增强活塞(2)的底面(20)用流体加载，为此通过至少一根压力管和在缸壁中的孔(12)将流体导入到在增强活塞(2)的底面(20)下方的缸空腔(4)内，继而
·使增强活塞(2)移到终端位置“压制半成品”，并且将此位置“压制半成品”保持任意长的时间，接着，
·打开增强阀(22)，使在增强活塞(2)的底面(20)下方的缸空腔(4)内的流体卸压，以及随后
·操纵工作阀(21)，通过至少一根压力管和孔(11)使工作活塞(1)的工作缸(7)的上部空腔(5)用流体加载，并且将压力作用到活塞增强部的与工作缸(1)的底面(19)对置的并基本上与之平行且基本上环形的面上，使得工作活塞(1)移到原始位置“未接触半成品”，此时
·包围在工作活塞(1)下方的空腔内的流体作用到增强活塞(2)的端面(18)上并同样将增强活塞移到原始位置。
13.按照权利要求10或11所述的设备，其特征为：取代水作为在工作活塞(1)的工作缸(7)的空腔(3和5)内的流体，使用一种由乙醇、甲醇、异丙醇或它们的混合物构成的组中选择的易挥发介质，或使用一种气体，它主要由CO2、氧气、氮气、一种惰性气体或它们的混合物组成。
14.按照权利要求10或11所述的设备，其特征为：作为在增强活塞(2)的增强缸(8)的空腔(4和6)内的流体，使用一种由乙醇、甲醇、异丙醇或它们的混合物构成的组中选择的易挥发介质，或使用一种气体，它主要由CO2、氧气、氮气、一种惰性气体或它们的混合物组成。
15.一种按照权利要求10或11所述的应用，其特征为：此设备与半导体工业和/或晶片制造工业中的一种应用、生产或工艺结合使用。
16.一种按照权利要求10或11所述设备的应用，其特征为：此设备与光学工业中的一种应用、生产或工艺结合使用。
17.一种按照权利要求10或11所述的设备的应用，其特征为：此设备与制药或医学制药工业中的一种应用、生产或工艺结合使用。
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