CN104302922A - 用于排空腔室的泵装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于排空腔室(42)的方法，其中，由增压泵(46)和下游前置泵(47)构成的泵装置连接到腔室(42)。在该方法中，使增压泵(46)加速，来自室(42)的气体被引入到增压泵(46)中，使得存在从增加压泵(46)提取的过剩功率，该过剩功率超过由增压泵(46)的驱动器(17)提供的功率。将气体输送至增压泵(46)的出口。只要增压泵(46)的出口压力处于预定阈值之上，气体就通过旁通阀(49)排放，并且当增压泵(46)的出口压力已经落入阈值以下时，气体向前传导到前置泵(47)。由增压泵(46)供应的气体借助于前置泵(47)被压缩。本发明还涉及一种用于执行该方法的泵装置。借助于本发明，能够将前置泵(47)设计成用于比增压泵(46)小的质量流量。

Description

用于排空腔室的泵装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于排空腔室的泵装置和方法。连接到腔室的泵装置包括增压泵和下游前置泵。
背景技术
在许多技术应用中，如今需要在短时间内将腔室排空为预定的真空。一个示例为通过其将产品引入到真空室的闸室。产品可以是例如批量生产的物品，需要在真空室中对这些产品进行多个单独的制造步骤，批量生产的物品诸如太阳能电池、显示器等。寻求在越来越短的循环时间内将这样的产品引入到真空室。具有几百升的容积的闸室必须在远小于10秒之内排空至小于10-2毫巴的压力并不少见。
为了排空这样的闸室，通常使用由两个串联连接的泵构成的泵装置，其中，第一泵通常称为增压泵，并且下游泵通常称为前置泵。两个泵的串联连接是权宜的，因为根据理想气体定律(压力*容积＝常量；假定恒温)，前置泵能够被设计用于比增压泵显著小的容积流量。
然而，如果在极短时间内将闸室从大气压开始排空，则增压泵最初在高压下输送大容积流量，其结果是，大容积流量在增压泵的出口处出现。能够应付这样的大容积流量的前置泵是笨重且昂贵的。
本发明的目的在于提供允许依据设备以减少的支出快速排空腔室的泵装置和方法。以所述的现有技术作为起点，借助于独立权利要求的特征来实现该目的。从属权利要求涉及有利的实施例。
发明内容
在根据本发明的方法中，最初对增压泵加速。然后，将从腔室排出的气体引入到增压泵中，使得存在从增压泵临时提取的过剩功率，该过剩功率超过由增压泵的驱动器提供的功率。只要增压泵中的出口压力位于预定阈值之上，被输送至增压泵的出口的气体就通过旁通阀排放。当增压泵的出口压力已经落入阈值之下时，气体向前传导到前置泵。由增压泵供应的气体借助于前置泵被压缩。
首先将解释几个表述。表述“增压泵”和“前置泵”示出在泵装置中泵的顺序。所述表述不对泵的构造产生限制。
本发明已经认识到，作为对增压泵加速和对过剩功率的后续提取的结果，来自腔室的气体可以在使得气体能够旁通前置泵而被直接排放的高压下被输送至增压泵的出口。仅当排出过程已经进行到增压泵不再能够将气体压缩至对应的压力的这样的程度时，前置泵另外用于进一步的压缩。借助于本发明，能够将前置泵设计成不仅用于比增压泵小的容积流量而且还用于比增压泵小的质量流量。
一般而言，大气压在旁通阀的出口处占优势。在这种情况下，阈值对应于大气压[w1]。因此，只要增压泵的出口压力位于大气压之上，气体就通过旁通阀冒出。增压泵的出口压力的峰值可以在大气压之上至少1巴，优选至少2巴，更优选至少3巴。借助于前置泵压缩的气体同样可以在大气压下被排放至环境。
在排出过程开始时，大气压一般在腔室中占优势，使得排出过程在大气压下开始。在开始排出过程之前，可以关闭增压泵的进口，使得来自腔室的气体不能进入增压泵中。因此，在气体被引入到增压泵中的时刻开始排出过程。
在排出过程开始时，为了能够在高压(例如，大气压)下输送大容积流量，增压泵必须提供高压缩功率。凭借以下事实提供高压缩功率，即在排出过程期间，存在从增压泵临时提取的压缩功率，该压缩功率比由增压泵的驱动器提供的更多。超过驱动功率的过剩功率从增压泵的动能提取。因此，增压泵破坏，并且泵的转速减小。
在本发明的背景内，在增压泵中提取的功率可以比驱动功率高得多。例如，过剩功率的峰值能够大于驱动功率的50％，优选大于100％，更优选大于200％。在100％的过剩功率的情况下，压缩功率为驱动功率的两倍。
还可以提供的是，过剩功率不是仅在瞬间提取，而是在某一时间段上提取。如果排出过程在腔室中的压力降到出口压力以下时开始，并且达到在腔室中的最终压力时结束，则提取过剩功率的时间段可以占例如排出过程的10％，优选地20％，更优选地50％。作为提取过剩功率的结果，增压泵的转速可以减小至少5％，优选地至少10％，更优选地至少25％。
为了可以在这样的程度上从泵提取过剩功率，泵在排出过程开始之前必须被置于相应地大量动能可用的状态。因此，在开始排出过程之前，泵被加速。
为了提供充足的动能，在排出过程开始时增压泵的转速优选地高于8000rpm，更优地选高于10000rpm，更优选地高于12000rpm。旋转零部件的直径优选大于5cm，更优选大于10cm，更优选大于20cm。
如果来自腔室的气体在大致大气压下被引入到增压泵，则增压泵经历突变负载。到目前为止已经被用作增压泵的一些泵类型(诸如例如，罗茨泵)一般不太适合于适应这样的突变负载。在一个有利的实施例中，使用螺旋型泵作为增压泵，在下文详细地解释其优选构造。前置泵可以例如是传统液环真空泵。
利用根据本发明的方法，能够在小于5秒内将具有大于100L的容积的腔室从大气压排空至小于10-2毫巴的压力。这种可能性在所述数量级的闸室必须在短循环时间内反复地被排空的锁的应用背景内是特别让人感兴趣的。大气压在闸室的进口处占优势，这意味着，当打开进口以便将部件引入到闸室中时，在闸室中也产生大气压。闸室的出口与压力为例如10-2毫巴的真空室邻接。因此，为了将部件传输到真空室中，在能够打开出口之前，必须将闸室排空到所述压力。
如果锁的循环时间为例如10秒，则从增压泵提取过剩功率的时间段可以是例如1秒，而利用循环时间的其余部分以再一次将增压泵加速至起始转速。更广泛地说，提取过剩功率的时间段优选为循环时间的至少5％，更优选至少10％。在循环时间的至少30％，优选至少50％，更优选至少70％期间，从增压泵提取的功率低于驱动功率，使得增压泵被加速。
本发明还涉及一种泵装置。该泵装置包括增压泵和前置泵，其中，增压泵的出口连接到前置泵的进口。在增压泵与前置泵之间布置有旁通阀，经由增压泵输送的气体能够借助于该旁通阀被排放，同时使前置泵旁通。该泵装置还包括控制单元，该控制单元被构造成在增压泵的转速位于预定转速阈值之上的情况下输出控制信号。转速阈值为使得在超过相应的转速之后增加压为提取过剩功率做好的准备。根据本发明的方法，这样的泵装置适合于在短时间内排空腔室。
控制信号可以被传输到将被排空的腔室的控制器，以便指示增压泵为下一个排出过程做好准备。因此，腔室的控制器打开增压泵的进口，增压泵经该开口连接到腔室。然后，来自腔室的气体进入到增压泵中，并且腔室迅速被排空。随着气体进入增压泵，负载突然增加，使得增压泵的转速减小。
此外，增压泵的控制单元可以被配置成在排出过程开始之前使增压泵加速，使得超过转速阈值。为了提供充足的动能量以便提取过剩功率，转速阈值优选处于增压泵的输送转速之上。输送转速表示当感应压力为100毫巴时，被假定为稳定状态的转速。在输送转速处，驱动功率对应于泵功率，这意味着增压泵的转速保持恒定。转速阈值可以比输送转速高10％，优选高30％，更优选高50％。就绝对数量而言，转速阈值可以例如为至少8000rpm，优选至少10000rpm，更优选至少12000rpm。通常，以相当低的转速操作用于在本发明背景内应用的增压泵。在这样的增压泵的操作期间，一般不超过6000rpm的转速。在根据本发明的方法中，也能够使增压泵加速到超过输送转速。
根据本发明的布置可以进一步包含将被排空的腔室。对于该目的，该装置的控制单元可以被设计成在已经超过转速阈值之后打开泵的进口，增压泵经该进口连接到腔室。此外，控制单元可以被配置成在使增压泵加速的同时保持进口关闭。
在一个有利的实施例中，使用螺旋型泵作为增压泵，其中，两个螺纹的螺杆彼此接合，使得气体在螺纹圈之间从吸入侧被传送至压力侧。为了能够抵抗所陈述的高旋转速度，在每种情况下，螺杆优选具有两个螺纹，使得在螺杆的纵向方向上产生的力相互抵消掉。螺杆的螺纹优选具有双头构造。在此处，在径向方向上，螺杆的点对称性可能存在，使得螺杆关于纵向轴线旋转180°地对称成像。螺杆的直径优选大于10cm，更优选大于15cm，更优选大于20cm，使得螺杆总体上近似具有上述尺寸。
为了使得螺旋型泵能够适应在增压泵的情况下所需的大容积流量，进口开口优选比螺杆的横截面积大60％，更优选大80％，更优选大100％。为了保持泄漏损耗低，提供的是，靠近压力侧，泵的壳体与螺杆的螺纹之间的径向间隔尽可能小(径向最小间隔)，例如，小于0.2mm，优选地小于0.1mm。
在进口区域中，也就是说，具体地，在形成有进口开口的收纳部中，吸入间隙可以存在于螺栓的螺纹与壳体之间以便允许大容积流量到泵的工作室中。吸入间隙的径向直径比径向最小间隔大，优选大50％，更优选大100％，更优选大200％。吸入间隙可以延伸例如壳体的至少15°，优选至少30°的周向角度。在纵向方向上，吸入可以延续螺杆的螺纹的长度的至少20％，优选至少30％，更优选至少40％。吸入间隙的长度优选对应于所述区域中螺纹的360°圈的长度。因此，螺纹在进口区域中具有非常大的节距。第一360°圈可以例如延伸过螺纹的长度的至少20％，优选至少30％，更优选至少40％。整体上，双头螺纹的每个螺纹圈优选包括至少三个，更优选至少四个完整的360°圈。
附图说明
下文将参照附图基于有利的实施例以示例的方式描述本发明。在这些附图中：
图1：示出连接到闸室的根据本发明的泵装置；
图2：示出适合于根据本发明的装置的螺旋型泵的透视局部剖切图；
图3：以放大图示出图1中的泵的细节；
图4：示出从图3看到的在泵的另一种状态下的视图；
图5：示出沿着螺杆的轴线的适合于根据本发明的装置的螺旋型泵的示意截面图；并且
图6A/B：示出沿着图5中的线A-A和线B-B的截面。
具体实施方式
在图1所示的真空室40中，在产品41上执行某些方法步骤。以简要块形式示出的产品41可以是例如多个半导体部件，诸如例如太阳能电池或显示器。方法步骤可以是涂覆过程。对于方法步骤，真空室40中的压力必须在0.5毫巴以下。为了保持真空室在所述压力下，将真空泵(在图1中未示出)连接到真空室40。
真空室40与闸室42锁接合，产品41通过闸室42被引入到真空室中。闸室42具有进口开口和排出开口，所述进口开口和排出开口设置有滑动门43、44。滑动门43、44受到控制器50控制，使得它们在任何时候不被同时打开。当滑动门43打开时，大气压在闸室42中占优势。锁具有例如200l的容积。
当滑动门43打开时，产品41能够借助于输送带45被引入到闸室42中。在滑动门43随后已经再一次关闭之后，闸室42借助于连接到闸室42的泵装置被排空，使得闸室42中的压力对应于在真空室40中占优势的小于0.5毫巴的压力。在完成排出过程之后，滑动门44打开，并且产品41借助于输送带45被引入到真空室40中。滑动门44随后再一次关闭，闸室42处于大气压下，并且滑动门43打开。锁中的循环因此完成。循环的循环时间为近似10秒。
对于排出过程本身来说，闸室中的压力借助于排出过程从大气压减小至小于0.5毫巴的最终压力，能够实现比循环时间短得多的时间段。排出过程可以延续例如5秒的时间段。
为了能够在这样短时间内排空该容积的锁，需要强大的泵装置，具体地，该泵装置在大气压与最终压力之间的整个范围内具有高的吸入能力。这由根据本发明的泵装置来提供，其中，根据图1，作为增压泵46的螺旋型泵和作为前置泵47的液环真空泵串联连接。液环真空泵具有传统构造，因而不需要详细描述。
为了开始排出过程，最初使增压泵46加速到比输送转速高得多的转速。布置在增压泵46与闸室42之间的阀48关闭，使得来自闸室42的气体不能够进入增压泵46的进口中。增压泵46因此不处于负载下，使得相对低的驱动功率足以使增压泵46加速。
当已经使增压泵46加速到超过预定转速阈值的程度时，增压泵46的控制单元16将控制信号传输至闸室的控制器50。因此向控制器50提供增压泵46为下一个排出过程做好的准备的信息。当闸室42也为下一个排出过程做好准备时，控制器50能够打开阀48，使得增压泵46能够引导来自闸室42的空气。空气由增压泵46输送并且在过程中被增压泵46压缩，使得比大气压高得多的压力在增压泵46的出口处占优势。在高峰时，在大气压之上的3巴的压力可以例如在增压泵46的出口处占优势。
在前置泵47与增压泵46之间布置有旁通阀49，在该旁通阀49的出口处，大气压占优势。旁通阀49被构造为过压阀，使得只要在增压泵46的出口处的压力在大气压之上，来自增压泵46的出口的压缩气体就经旁通阀49自动地离开。如果在增压泵46的出口处的压力降到大气压以下，则旁通阀49关闭。然后，气体被前置泵47接收并且进一步被压缩，使得所述气体能够在大气压下被排放至环境。
闸室42中的压力越接近最终压力，增压泵46与前置泵47之间的压力也变得越小。前置泵47被构造成使得它能够将气体从所述压力压缩到大气压。
在这样的排出过程期间，增压泵46经历特别高的负载。当打开阀48时，进入增压泵46的空气流产生突变负载。此外，作为大容积流量在大气压下进入的结果，要求增压泵46具有高压缩功率。所述压缩功率超过增压泵46的驱动功率，这意味着从增压泵46提取过剩功率。过剩功率从增压泵46的旋转动能获得，这意味着增压泵46的转速在所述相中减小。
为了能够提供足够的旋转动能，在开始排出过程之前，将增压泵46加速到高于10000rpm的高转速。作为提取过剩功率的结果，转速在1秒内减小至9000rpm。利用过剩的循环时间来使增压泵46再次加速到初始转速。在该阶段中，驱动功率因此高于从增压泵46提取的压缩功率。
下面描述增压泵46，增压泵46在排出过程的开始首先承受负载并且其次具有在整个压力范围上所需的吸入能力。
按图2，作为增压泵适当的螺旋型泵包括被容纳在泵壳体15中的两个螺杆14。由于泵壳体未以其整体示出，所以螺杆14中的一个在整个长度上是可见的，而另一螺杆14在很大程度上被泵壳体15隐藏。两个螺杆14彼此接合，这意味着一个螺杆14的螺纹突起接合到在另一个螺杆14的两个螺纹突起之间的凹陷中。
泵包括控制和驱动单元16，其中，为每一个螺杆14布置有电子控制的驱动马达17。驱动马达17的电子控制器被设置成使得两个螺杆14相对于彼此完全同时运行，且螺栓的螺纹突起不接触。为了额外确保不损害螺杆14，两个螺杆14在每种情况下都装配有齿轮18。在螺杆14的电子同步发生故障的情况下，齿轮18彼此啮合并且产生两个螺杆14的刚性联接。
各螺杆14都配有两个螺纹19，使得泵具有总共四个螺纹19。螺纹19在每种情况下从螺杆14的中心的吸入侧20延续到在螺杆14的外端处的压力侧21。螺杆14的两个螺纹在相反的方向上取向，使得它们从吸入侧20朝压力侧21工作。
各螺纹19均包括第一螺纹圈22和第二螺纹圈23。就螺纹圈22、23彼此交织使得它们一起形成双螺纹状形式而言，螺纹19因此具有双头形式。两个螺纹圈22、23形成为使得螺纹19在径向方向上是对称的。此外，当从第一螺纹19的压力侧朝第二螺纹19的压侧力观察时，螺杆14在纵向方向上具有对称性。
螺纹19被构造成使得，与在压力侧21附近相比，在吸入侧20附近，更大的容积被封闭在两个相邻的螺纹突起之间。工作室的容积对应于封闭在螺纹突起之间的容积，因此从吸入侧到压力侧减小，使得工作室中所包含的气体在从吸入侧到压力侧的路径上被压缩。
泵的壳体15设置有进口开口24，该进口开口24被布置成为所有四个螺纹19的吸入侧20提供通道。为了允许大容积流量进入到泵中，进口开口24具有大截面。在示例性实施例中，进口开口24的横截面积大于被螺杆14横跨的圆形轮廓。
为了进一步增加进入到工作室中的容积流量，在泵的壳体15上形成有吸入间隙25，该吸入间隙25与进口开口24相邻并且其在周向方向上跟随螺杆14的轮廓。在纵向方向上，吸入间隙25延续吸入侧20与压力侧21之间的螺纹19的长度的近似一半。在周向方向上，吸入间隙25的尺寸随着进口开口变化；而且，进口开口24延续到相应点处的一侧，较短者为在所述点处在周向方向吸入间隙25的范围。在进口开口24的最宽点处，吸入间隙25延伸过近似45°的周向角度。在进口开口24不再覆盖吸入间隙25的区域中，吸入间隙24延伸过近似120°的周向角度。吸入间隙25的在径向方向上的尺寸对应于在所述区域中在泵壳体15与螺杆14的轮廓之间的间隔。所述间隔位于近似10mm的范围内。
作为吸入间隙的结果，气体不再被约束沿径向方向进入工作室，并且相反，气体还能够横跨螺纹突起并且通过吸入间隙移动到工作腔室中。进入到工作室中的容积流量以此方式进一步增大。
增加到工作室中的容积流的另一贡献凭借如下事实实现，即在螺杆14的第一螺纹19的吸入侧20与螺杆14的第二螺纹19的吸入侧20之间存在间隔。以这种方式，在螺杆14的中心中，留有气体还能够从中通过自由地沿径向方向进入工作腔室中的空间。
吸入间隙25延续的区域(＝第一收纳部26)用于填充工作室。在相邻的第二收纳部27中，壳体与螺杆14的轮廓之间的间隔在技术上尽可能小(径向最小间隔)。在第二收纳部中发生的压缩以及从一个工作室到下一个工作室的泄漏流是不期望的。
过渡边缘28形成在从第一收纳部26到第二收纳部27的过渡部处。过渡边缘28在整个段25上沿周向方向延伸并且限定从吸入间隙25到第二收纳部27的过渡部，其中，在壳体15与螺杆14之间存在径向最小间隔。
当工作室已经进入第二收纳部时，也就是说，当朝吸入侧界定工作室的螺纹突起已经与过渡边缘28形成封闭时，压缩开始。过渡边缘28被布置成使得在螺纹突起与过渡边缘28之间的封闭的形成在工作室仍然具有其最大容积的某个时间形成。
如沿周向方向观察的，过渡边缘28与横向方向围起一个角度，该角度小于与过渡边缘28形成封闭的螺纹突破的梯度。以这种方式实现的是，在螺纹突起与过渡边缘28之间的封闭的形成不是突然发生，而是延续过短的时间段。以此方式，降低了泵的操作噪音。
在工作腔室的封闭之后，实际的体积压缩立即在螺纹的短部分中发生。螺纹的邻接的其它圈用于密封，并且还起到热动压缩的作用。
在螺纹19的压力侧21上，气体从工作室被排放。来自位于外部的压力侧21的压缩气体通过泵壳体15中的孔29一起被带到中央的排出开口。排出开口(在图中不可见)布置成与进口开口24相对。如图2、图3和图5所示，孔29整合到泵壳体15中，并且在两个螺杆14之间延伸，其中，线29被部分地布置在依靠两个螺杆14的切面35内。

Claims (15)

1.一种用于排空腔室(42)的方法，其中由增压泵(46)和下游前置泵(47)构成的泵装置被连接到腔室(42)，所述方法具有下列步骤：
a.使所述增压泵(46)加速；
b.将来自腔室(42)的气体引入到所述增压泵(46)中，使得从所述增压泵(46)，临时地提取超过由所述增压泵(46)的驱动器(17)提供的功率的过剩功率；并且
c.将所述气体输送至所述增压泵(46)的出口，其中，
i.只要所述增压泵(46)的出口压力位于预定的阈值之上，则所述气体通过旁通阀(49)排放；
ii.当所述增压泵(46)的出口压力已经低于所述阈值时，则所述气体被向前传导到所述前置泵(47)；
d.借助于所述前置泵(47)压缩从所述增压泵(46)供应的气体。
2.如权利要求1中所述的方法，其中，所述增压泵(46)在步骤a.中在所述增压泵(46)的进口关闭的情况下被加速。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述过剩功率的峰值等于驱动功率的至少50％，优选地至少100％，更优选地至少200％。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在所述排出过程的至少10％、优选至少20％、更优选地至少50％期间提取所述过剩功率。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述增压泵(46)在所述排出过程开始时的转速高于8000rpm，优选地高于10000rpm，更优选地高于12000rpm。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，所述增压泵(46)的出口压力的峰值在大气压以上至少1巴，优选地至少2巴，更优选地至少3巴。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中所述腔室为闸室(42)，所述闸室(42)以小于15秒，优选小于10秒的循环时间操作。
8.如权利要求7所述的方法，其中在所述闸室(42)的所述循环时间的至少5％、优选地至少10％期间，从所述增压泵提取过剩功率。
9.一种具有增压泵(46)并且具有前置泵(47)的泵装置，其中所述增压泵(46)的出口连接到所述前置泵(47)的进口，其中，在所述增压泵(46)与所述前置泵(47)之间布置有旁通阀(49)，经由所述增压泵(46)输送的气体能够借助于所述旁通阀(49)被排放同时旁通所述前置泵(47)，其中控制单元(16)被构造成在所述增压泵(46)的转速在预定的转速阈值之上的情况下输出控制信号，使得所述增压泵(46)准备提取过剩功率。
10.如权利要求9所述的泵装置，其中，所述转速阈值比所述泵的输送转速高，优选地高至少30％，更优选地高至少50％。
11.如权利要求9或10所述的泵装置，其中所述转速阈值高于8000rpm，优选地高于10000rpm，更优选地高于12000rpm。
12.如权利要求9至11中的任一项所述的泵装置，其中所述增压泵(46)为螺旋型泵。
13.如权利要求12所述的泵装置，其中所述螺旋型泵的螺杆(14)在每种情况下均具有两个螺纹。
14.如权利要求9至13中的任一项所述的泵装置，其中设置有壳体(15)，所述螺杆(14)被容纳在所述壳体(15)中，并且其中所述壳体(15)被设计成使得，在螺纹(19)的区域中，所述壳体(15)具有第一收纳部(26)和第二收纳部(27)，其中在所述第一收纳部(26)中，在所述壳体(15)与所述螺纹(19)之间存在吸入间隙(25)，并且其中在所述第二收纳部(27)中，在所述壳体(15)与所述螺纹(19)之间存在径向最小间隔。
15.如权利要求14所述的泵装置，其中，所述壳体(15)设置有进口开口(24)，并且其中所述进口开口(24)比所述螺纹(19)的横截面积大60％，优选地80％，更优选地100％。
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