CN102713299A - 具有低功耗的泵送方法和设备 - Google Patents
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Abstract
泵送设备包括:干式低真空泵,它装备有连接到真空室的气体入口并且具有通向导管的气体出口;安放在该干式低真空泵的出口处的导管中的传送单向阀;以及相对于该传送单向阀平行安装的喷射器。泵送方法包括以下步骤:利用干式低真空泵通过气体入口泵送真空室中所含的气体;将干式低真空泵的气体出口连接到喷射器上;测量由干式低真空泵使用的电功率和该干式低真空泵出口处的管道中的气体的压力;当干式低真空泵出口处的气体的压力升高越过设定值和干式低真空泵消耗的电功率升高越过设定值时,在时间延迟之后,起动喷射器;当干式低真空泵消耗的电功率下降越过设定值和干式低真空泵出口处导管中气体的压力下降越过设定值时,使喷射器停止。
Description
技术领域
本发明涉及一种能减少干式低真空泵的电消耗的泵送方法以及一种用于实施该方法的泵送设备。本发明尤其涉及旋转凸叶干式低真空泵,例如单级型式和多级型式的罗茨泵、爪形泵、涡旋泵、螺杆泵、活塞泵等。
背景技术
这些干式真空泵尤其是打算用来在半导体元件、平面屏幕、或光伏基材制造单元中泵送负载锁定室、传送室、或PVD(“物理气相淀积”)室。处理半导体晶片的步骤在加工室内于非常低的压力氛围中(真空中)实施,在该加工室中该氛围必须进行控制以防止任何杂质的存在。
为了避免污染,将基材包装并用机器人装置一次放一个基材到与传送室连接的负载锁定室中,上述传送室再前进到加工室。负载锁定室和传送室然后处于约为低真空的低压(约10-1mbar)—该低压类似于加工室内的低压,以便能传送晶片。为此使用了气体泵送系统,该气体泵送系统包括低真空泵,该低真空泵通过泵送回路连接到待排空的室,所述室可以是负载锁定室或传送室,以便泵送气体直至达到能将晶片输送到该室的压力水平,亦即约10-1mbar。
为了将室内压力从大气压降低到约10-1mbar的传送压力,该泵送系统在开始泵送时必须泵送较高的气体流。室内压力的减小用两个步骤做到,第一步对应于从大气压下降到传送压力(10-1mbar)。已经达到传送压力后,该泵送系统继续以零气流运行。压力减小周期和增加周期以高频相交替,并且消耗大量能量,尤其是由于增加到大气压。减少由这些泵送系统消耗的功率对半导体制造单元的总体电功率节约有显著影响。
在半导体工业中,低真空泵占半导体制造单元的真空泵组的约50%,和单元的总功耗的约40%。在半导体工业中除了希望优化能量成本之外,还必须减少这些泵送系统的电功耗。已进行了许多努力来通过改变真空泵的元件来减少电力费用,这些作用尤其是涉及由于磨擦而造成的损失、压缩级的大小、电机上变频器的使用、适用于干式低真空泵的IPUPTM(集成或使用点泵)思想、及泵送周期的优化。
气体压缩所需的电力是干式低真空泵的功耗中主要参数之一。该压缩功率主要是在多级罗茨泵或爪形泵压缩作用的最后两级和螺杆泵的最后几级中使用。在压缩作用的最后几级期间所耗的电力与压缩速率(压缩级的入口和出口之间的压差)、压缩周期所驱动的体积(驱动循环体积)及泵送的气体的质量流成比例。因此必须减小这些参数以便减少功耗。
“驱动循环体积”涉及泵与其元件的体积相比的流速,因为流速随着每次旋转所传送的体积大小(部件的几何尺寸)和旋转速度而变。为了增加泵的体积流量,必须增加泵的驱动循环体积或它的旋转速度,另外所有尺寸相等。
减少由多级干式泵所耗的电功率可以通过减少泵的最后压缩级尺寸实现,但这种功率减少是有限的。这是由于在多级干式泵中,气体在泵的不同级中,从第一级的入口处的吸入压力到最后级的出口处的大气压力,经受多次连续的压缩作用。在最后排放级的某一尺寸处开始,干式低真空泵在加工室的第一泵送级期间不再具有泵送大的气体流量的能力。因此,这种尺寸优化不能达到这里所寻求的约50%的功耗减少。
最后压缩级中流速的减小受到由驱动循环体积、泵送速度、和螺茨泵/爪形泵的凸叶的长度/直径比所产生的限制。增加泵送速度要求大尺寸真空泵中的最后吸入级,这与减少所消耗的电功率的愿望相背,减少所消耗的电功率要求在最后压缩级中代之以减小的尺寸。而且,建造小尺寸级要求复杂或成本高的装配或机加工技术。
而且,尽管作了所有减少功耗的努力,但仍有残留的功耗,尤其是真空泵的任务是在压力降低阶段之后如在负载锁定室中保持现有的真空时更是如此。
还已知这样的布置,所述布置使得能通过使用主干式低真空泵和连接到主泵的排放口上的辅助干式真空泵来减少泵送设备的总功耗。推荐的辅助泵是隔膜泵、活塞泵或涡旋泵。
为了降低真空设备的功耗,提出向设备的主多级真空泵上添加辅助泵。主干式真空泵如罗茨泵包括第一压缩级和最后压缩级,该第一压缩级通过吸入口连接到加工室,该最后压缩级的排放口连接到包括单向阀的导管上。辅助泵的排放口连接到设备的主真空泵的末端级上,并可以与单向阀并行地安装。辅助泵是初级gede泵、涡旋泵、活塞泵或隔膜泵。
不过,辅助泵消耗不可忽视量的电功率,这样限制了该提议的益处。尤其是,当主真空泵所泵送的气体的体积大时,总耗电量比没有辅助泵时的总耗电量高。然而,为了实现耗电量减少,必须优化几个工作参数,例如辅助泵的泵送速度和进入主真空泵的进气压力。
然而,在泵送开始时,不能达到这种节能。因而建议用辅助真空泵开始排空加工室直至达到某一压力阈值,然后开动主真空泵。一旦达到所需的压力,则单独用辅助真空泵保持真空。
此外,已经提出了结合辅助罗茨泵、爪形或钩形真空泵—它可以是蠕动泵、隔膜泵或螺杆泵—的概念,该辅助泵可以放在主干式低真空泵的出口处。然而,由恒定运行所引起的辅助泵的电消耗不能实现所寻求的显著节能。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于泵送真空室的方法,以便能在短时期(数秒)内显著地减少(约50%)干式低真空泵的电消耗(耗电量)。
本发明的另一目的是提出一种泵送设备,该泵送设备包括电消耗减少的干式低真空泵。
本发明的再一目的是提出一种用于控制泵送方法的设备,以用于实现干式低真空泵的电消耗的显著减少。
本发明的主题是一种用于通过泵送设备进行泵送的方法,该泵送设备包括干式低真空(粗真空)泵,该干式低真空泵装配有连接到真空室的气体入口以及通向导管的气体出口。该方法包括以下步骤:
-用干式低真空泵通过气体入口泵送真空室中所含的气体,
-将干式低真空泵的气体出口连接到喷射器上,
-测量该干式低真空泵消耗的电功率(电能)和该干式低真空泵出口处的导管中的气体的压力,
-当该干式低真空泵出口处的气体的压力随着该压力升高而越过(跨过)设定值以及由干式低真空泵消耗的电功率随着该电功率上升而越过一设定值时,在一时间延迟之后,起动喷射器,
-当由干式低真空泵消耗的电功率随着该电功率下降而越过设定值以及该干式低真空度泵出口处的导管中气体的压力随着该压力下降而越过设定值时,使该喷射器停止(停止运行)。
按照本发明的第一方面,干式低真空泵出口处的导管内的气体压力的设定值小于或等于200mbar。
按照本发明的第二方面,由干式低真空泵消耗的电功率的设定值大于或等于所消耗的最小电功率增加200%(以后的值)。
一旦该方法开始,就起动干式低真空泵,以便在与该干式低真空泵相连的室内产生真空。持续进行泵送,直至已经达到干式低真空泵的约为10-1mbar的主压力。一旦已经达到该压力,则致动喷射器很短时间,而低真空泵继续运行。
本发明在于下述事实,即,通过将干式低真空泵和喷射器联接进行辅助的操作仅需数秒来使喷射器运行,对于干式低真空泵来说,以低消耗模式运行的时间可以无限的持续,只要泵送管路不被供给新气体流。干式低真空泵通过喷射器实现的减压不需要电力,因为喷射器使用压缩的流体。由喷射器消耗的流体与在干式低真空泵上节省的电力之比因而可以视真空泵的使用情况而定从1/10到大于1/1000变化。
本发明的另一主题是一种泵送设备,该泵送设备包括干式低真空泵,该干式低真空泵装配有连接到真空室的气体入口和通到导管的气体出口。该设备还包括:
-安放在该干式低真空泵的出口处的导管中的排放单向阀(用于排放的单向阀),
-与该排放单向阀平行安装的喷射器,该喷射器的吸入口通过第一管道连接到该导管,该喷射器的排出口通过第二管道连接到该导管。
按照一种变型,连接到喷射器的吸入口上的管道包括吸入(抽吸)单向阀(用于吸入的单向阀)。
按照另一变型,喷射器一体形成在一筒(盒,cartouche)中,该筒可以放在该低真空泵的外壳内。
干式低真空泵可以从单级干式低真空泵和多级干式低真空泵中选择。
为克服现有技术的缺点,本发明因此提出通过使用不消耗电功率的喷射器降低最终压缩级内的压力来减少干式低真空泵的电消耗。为此,本发明提出使用通常在装卸领域使用的多级喷射器,该领域与半导体领域中所用的真空泵不同。喷射器是按照文丘里效应的原理工作的静态装置,文丘里效应是这样一种流体动力学现象:气体或液体颗粒由于在它们的循环区域中的瓶颈而被加速,其中在缩窄点处产生吸入作用。当压缩气体通过喷嘴时,穿过各个级产生吸入作用。喷射器使得能在不使用活动部件的情况下实现吸入作用,因此避免了磨损和维修,而比方说隔膜泵或活塞泵情况就不是这样。喷射器使得能用压缩流体例如诸如氮气或压缩空气的气体产生真空,因此不消耗电动率。
此外,这种喷射器很小:它的尺寸略大于火柴梗,隔膜泵或活塞泵的情况就不是这样。因此,该喷射器可以容易地集成到真空泵的外壳中,这使得能显著节约体积。
按照一种变型,喷射器集成到一筒中,该筒可以放在干式低真空泵的外壳内。
按照一个实施例,干式低真空泵的气体出口通向装配有单向阀的导管,该单向阀放在干式低真空泵和喷射器之间。
本发明的泵送设备使得能降低低真空泵的出口处的压力,因而减少低真空泵的最后压缩级中的发热。
本发明的又一主题是一种用于控制上述泵送方法的设备,该设备包括:
-用于测量该干式低真空泵出口处的导管内压力的机构,
-用于测量由干式低真空泵消耗的电功率的机构,
-用于控制对喷射器的原动(驱动)流体供应的机构,
-用于选择干式低真空泵的旋转速度的机构。
附图说明
本发明的另一些特征和优点在阅读下面自然当作非限制性例子的一个实施例的说明时和在附图中变得很明白,其中:
-图1示出本发明的真空设备的一个实施例,
-图2示意示出喷射器的运行,
-图3示出本发明的泵送方法,
-图4示出由干式低真空泵所消耗的电功率W随所流逝的时间T的变化而产生的改变,该电功率W以瓦计并且在Y轴上示出,该时间T以秒计并且在X轴上示出,
-图5示出用于控制本发明的泵送方法的设备的一个实施例。
具体实施方式
在图1所示的本发明的实施例中,泵送设备1包括干式低真空泵2,例如多级罗茨真空泵,该低真空泵2的吸入口通过导管3连接到待排空的室4,如负载锁定室(加载室)、传送室或加工室。真空泵2的气体出口连接到导管5上。排放单向阀6优选地放在导管5上,以便能隔开低真空泵2的气体出口5和单向阀6之间所含的体积7。低真空泵2在其入口处吸入室4的气体,并将该气体压缩以便在其出口处通过排放单向阀6将气体排放到导管5中。一旦达到了低真空泵2的工作压力极限,则将单向阀6关闭以便防止从大气到低真空泵2的气体出口的任何压力增加。
泵送设备1还包括平行于排放单向阀6放置的喷射器8,该喷射器的吸入口和排出口分别通过所安装的第一管道9和第二管道10连接到导管5上,以便绕过该导管5。导管9内设有吸入单向阀11,该吸入单向阀9连接到喷射器8的吸入侧,并将该喷射器8与干式低真空泵2隔离开。当排放单向阀6关闭时,然后可以视低真空泵2所耗的电功率的设定值Wc和在低真空泵2的气体出口和单向阀6中所含的体积7内测得的压力的设定值Pc的组合而定来起动喷射器8。
为了运转,喷射器8需要加压的原动流体。该原动流体可以例如是氮气或压缩空气,向喷射器8的输入端传送该原动流体一段时间例如小于3秒,这使得在吸气单向阀11处减压,该吸气单向阀11打开,因而能排空2cm3的体积7。在体积7内测得的压力Pm从1013mbar的大气压值下降到比设定值Pc低的测得值Pm,该设定值Pc例如为约200mbar。一旦由低真空泵2消耗的电功率Wm的测量结果降到低于设定值Wc并且在体积7内测得的压力Pm降到低于设定值Pc,喷射器8就关闭。阀11再次关闭,由此以一其值小于设定值Pc的压力Pm隔离2cm3的体积7。该压力值Pm在真空保持阶段期间可以保持24小时,而不必重新起动喷射器8。如果检测到使值Pm高于设定值Pc的压力增加,则可以再次起动喷射器8。
通过设计来使低真空泵2的气体出口和排放单向阀6之间所含的体积7最小,以便减少喷射器8的尺寸和缩短排空体积7所需的时间。不过,根据需要,喷射器8可以集成到低真空泵2的泵体中以便尽量减小泵的总体积,或者安装在连接气体出口2并包括排放单向阀6的导管5上。
例如当使用具有约100m3/h的流速的真空泵时,通过低真空泵2排空所述室4需要的平均时间在4秒和18秒之间。对于6升的平均室体积来说,平均时间为大约4秒。
如图2中所示,喷射器20优选地是多级的,并由至少三个级构成以便在零泵送流量的情况下尽可能快地达到小于设定值Pc(例如,约200mbar)的压力Pm,这样做以便尽可能多地减少为使喷射器20运转所需的压缩流体(例如,氮气或空气)的消耗。不过,视待得到的压力值Pm而定,喷射器可以由一级或两级制成。
喷射器20包括多个串联地装配以形成若干吸入级的喷嘴21。每个喷嘴21都包括与外部空间相连的孔22以及能封闭所述连接孔22的阀23。
现在参见图3和4,其中示出根据本发明的一个实施例的泵送方法。
当真空室处在真空保持阶段30时,低真空泵2以低转速例如50Hz运行,这称为“备用模式”,对于多级罗茨真空泵来说,消耗的电功率Wm是适度的,例如约为200W。该消耗的电功率Wm处于最小值Wb,该最小值Wb能保持一段时间,该段时间可超过20小时。
如果真空室4接收更多气体,则真空泵2的转速加速,从50Hz变到100Hz,以便达到它的设定速度。该速度增加阶段31消耗大量电功率,因为它包括克服干式低真空泵2内所有活动部件的惯性力。由低真空泵2所需的电功率Wm快速增加至达到最大电功率Ws。
持续地测量低真空泵2所消耗的电功率Wm,以便检测当所消耗的电功率Wm因上升而达到并越过事先设定的电功率设定值Wc时的精确时刻Tc。在这种情况下,该电功率设定值Wc选择成使得尽可能远离阶段30的最小电功率Wb,例如Wb+200%。电功率设定值Wc例如通过检测控制低真空泵2的电机的速度选择器上的电流阈值进行检测。当喷射器8起动时,对所消耗的电功率设定值Wc的检测将起动一等于△(Tc-Td)的时间延迟32,它与时刻Td不同。时间延迟功能使之能在泵送顺序中最佳范围期间—也就是在高速泵送的第一阶段31结束时而不是在整个泵送循环中—开启喷射器8。在那个最佳范围之外,喷射器8实际上不提供真空泵2的功耗方面的显著节约。该时间延迟功能对待排空的室4接收体积范围在3升至25升范围内。时间延迟32包含在0.1秒和10秒之间,并使它能覆盖许多情况。
与此同时,在体积7内测得的压力Pm随着它升高而达到并通过它的设定值Pc。因此,喷射器8的起动控制基于观察体积7内测得的压力Pm通过了它的设定值Pc和测得的电功率Wm也通过它的设定值Wc二者。这两个判据的组合能优化喷射器8内的原动流体消耗。
喷射器8的起动在与低真空泵2的气体出口相连的导管5的体积7内产生低压。这减少了低真空泵2的最后级与导管5之间的压力差异,从而成比例地减少了由低真空泵2消耗的电功率Wm。在辅助泵送阶段33期间,喷射器8被起动并更快速地放松(减轻其负担)低真空泵2,因而补偿了抵靠1013mbar的大气压力压缩气体所需的电功率的增加,这同时使得体积7内的压力Pm下降。
在辅助泵送阶段33结束时,电功率Wm因下降而再次跨过设定值Wc。按下来,在一定运行时间34之后,在确定的时刻Ta起动喷射器8的停机35,该确定的时刻以低真空泵2的气体出口和排放单向阀6内所包含的体积7中压力Pm的测量结果为基础。一旦位于真空泵2的出口处的体积7内的压力Pm已经降到设定值Pc以下并且由低真空泵2消耗的电功率Wm已经低于设定值Wc,则关闭吸入单向阀11,以便隔离与喷射器8的吸入侧相连的导管9并且将体积7保持在低于设定值Pc的压力Pm下。随后,停止用原动流体供应喷射器8以便优化流体消耗。
图5示出喷射器控制设备。该设备包括用来检测体积7内的压力设定值Pc的触点50和用来检测电功率设定值Wc的触点51。与继电器53相联接的阀52控制喷射器8原动流体的供应。触点55使之能致动速度选择器56以便在50-100Hz的范围内调节低真空泵2的旋转速度。
触点50和触点51示出为常开的(即,不通),这对应于其中压力Pm小于约200mbar的设定值Pc以及其中所消耗的电功率Wm小于可等于Wb+200%的设定值Wc的情况。因此,用于控制喷射器8原动流体的阀52在这种情况下不能被致动。
在高速泵送阶段31期间,压力Pm增大直至它在低真空泵2的气体出口和单向阀6之间所包含的体积7内达到大气压力。由干式低真空泵2消耗的电功率Wm也增加。
首先,对检测压力设定值Pc起反应的触点50转换并变得贯通。其次,接收因上升而跨过电功率设定值Wc的信息,并起动调节到0.1秒和10秒之间值的时间延迟。在时间延迟周期结束时,触点51闭合,该触点51也变成贯通。
然后致动用于控制喷射器8原动流体的阀52以便接通喷射器8,从而能使位于干式低真空泵2的出口处的体积7减压。
阀52由与该阀相连的两个继电器53和54供应。继电器53和54的目的是一旦由低真空泵2消耗的电功率Wm降到低于它的设定值Wc—在下降时跨越该值,就保证阀52的自供应。喷射器的运行使得所消耗的功率Wm减少,直至它跨过设定值Wc,使触点51开路。触点50仍然闭合,阀52由继电器53和54供应。接下来,当在体积7内测得的压力Pm减小至已经达到低于其设定值Pc的数值时,作用在阀52上的触点40的开路以使原动流体停止进入喷射器8。
若体积7内的压力Pm小于设定值Pc,并且由真空泵2消耗的电功率Wm小于设定值Wc,则泵的速度可以从100Hz减小到50Hz(备用模式),以便更多地节省消耗的电力。触点55闭合使得可以在低真空泵2的电机的速度选择器56上直接控制这种到备用模式的转换。该触点55本身依赖于与阀52平行控制的继电器53。
一旦触点55开路,低真空泵2就自动地上升到增加的旋转速度,从50Hz增加到100Hz。
一旦在尾端上达到压力设定值Pc,则低真空泵2的控制设备就能将低真空泵2转换到备用模式。备用模式包括自动地将低真空泵2的旋转速度从100Hz减小到50Hz。在该备用模式中,速度减小优选地导致额外的节省由低真空泵消耗的电力。使到备用模式的转换受低真空泵2的出口处的设定压力Pc的影响可以尽量减小在该低真空泵的入口处显著改变该低真空泵2的压力的所有危险。
在图4中,曲线36对应于未起动喷射器和未使用备用模式时的操作,而曲线37是在未使用备用模式的情况下得到的。
控制喷射器8的设备使之能根据涉及由低真空泵2消耗的电功率Wm及在体积7内测得的压力Pm的判据的组合接通喷射器8,并能基于涉及由低真空泵2消耗的电功率Wm及在体积7内测得的压力Pm的判据的组合切断喷射器8。
如果只考虑因它上升而横过压力设定值Pc(的事实),则控制设备将错误地使喷射器8接通。如果只使用因上升而横过电功率设定值Wc(的事实)来控制喷射器8,则低真空泵2只需要变成机械地粘着以便产生电功率Wm的增加,从而引起喷射器8接通。经由低真空泵2的电机速度选择器56对横过电功率设定值Wc(的事实)进行检测,使之能得到它升高的信息。电功率设定值Wc的值必须尽可能远离电功率的初始值Wb,以便最大程度地延迟喷射器8的起动。为了确保喷射器8仅在低真空泵2运行时才起动,将用于检测压力设定值Pc的触点50和用于检测电功率设定值Wc的触点51串联安装。
在辅助泵送阶段36期间,电功率设定值Wc在达到最大电功率阈值Ws之后再次通过尾端,但所耗的电功率Wm保持远离初始电功率值Wb。因此基于电功率设定值Wc测量电功率Wm只能一道用来控制喷射器8。
在泵送周期期间,装备有速度选择器56的干式低真空泵2当需要吸入大的气体载荷时减速。这种减速对应于当与室4的连接打开时由泵消耗的电功率Wm的增加部分。这证明在干式低真空泵2的入口处测得的压力和所消耗的电功率Wm之间的现有关系。该电功率的增加部分越大,则当与室4的连接打开时,真空泵2的旋转速度的初始值就越高。若事先将泵从100Hz放慢到50Hz,则最大电功率Ws具有低得多的峰值,从而在泵送周期的过程中稍微优化低真空泵2的总消耗。
Claims (8)
1.一种通过泵送设备进行的泵送方法,该泵送设备包括干式低真空泵,该干式低真空泵装配有连接到真空室的气体入口以及通向一导管的气体出口,该方法包括以下步骤:
-用该干式低真空泵通过气体入口泵送该真空室中所含的气体,
-将该干式低真空泵的气体出口连接到一喷射器上,
-测量由该干式低真空泵消耗的电功率以及该干式低真空泵的出口处的导管中的气体的压力,
-当该干式低真空泵的出口处的气体的压力升高至越过一设定值以及由该干式低真空泵消耗的电功率升高至越过一设定值时,在时间延迟之后起动喷射器,
-当由该干式低真空泵消耗的电功率降低至已经越过设定值以及该干式低真空泵的出口处的导管中的气体的压力降低至已经越过设定值时,使喷射器停止。
2.按照权利要求1所述的泵送方法,其特征在于,该干式低真空泵出口处的导管内的气体压力的设定值小于或等于200mbar。
3.按照权利要求1或2所述的泵送方法,其特征在于,由该干式低真空泵消耗的电功率的设定值大于或等于所消耗的最小电功率增大200%。
4.用于实施按照前述权利要求之一所述的泵送方法的泵送设备,包括干式低真空泵,该干式低真空泵装配有连接到真空室的气体入口以及通向一导管的气体出口,该泵送设备还包括:
-安放在干式低真空泵的出口处的导管内的排放单向阀,
-相对于该排放单向阀平行安装的喷射器,该喷射器的吸入口通过第一管道连接到该导管,该喷射器的排出口通过第二管道连接到该导管。
5.按照权利要求4所述的泵送设备,其特征在于,连接到喷射器吸入口上的管道包括吸入单向阀。
6.按照权利要求4或5所述的泵送设备,其特征在于,该喷射器一体形成在一筒中,该筒可以安放在该干式低真空泵的外壳内。
7.按照权利要求4至6之一所述的泵送设备,其特征在于,该干式低真空泵从单级干式低真空泵和多级干式低真空泵中选择。
8.用于控制按照权利要求1至3之一所述的泵送方法的设备,包括:
-用于测量该干式低真空泵的出口处的导管内的压力的机构,
-用于测量由该干式低真空泵消耗的电功率的机构,
-用于控制对喷射器的原动流体供应的机构,
-用于选择该干式低真空泵的旋转速度的机构。
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