CN110863997A - 带内加热装置的磁悬浮分子泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供的带内加热装置的磁悬浮分子泵，属于真空设备技术领域，包括：泵壳、转子、多级静片和拖动级定子，所述拖动级定子在所述泵壳内位于所述多级静叶的下端，在拖动级定子的外壁上设置有PTC热敏电阻；本发明提供的磁悬浮分子泵，采用PTC热敏电阻内置于泵壳内，并设置在拖动级定子的外壁上，通过PTC热敏电阻直接对拖动级定子进行加热，可提高对拖动级定子的加热效率，防止反应生成物在拖动级定子内凝结堆积；由于PTC热敏电阻阻值会随温度升高而增加，在温度达到预设温度后能够自动停止加热，因此可实现其自动恒温控制，而无需对PTC热敏电阻进行控制器控制，因此可简化温度控制系统，减小控制器体积及发热量。

Description

带内加热装置的磁悬浮分子泵

技术领域

本发明涉及真空设备技术领域，具体涉及一种带内加热装置的磁悬浮分子泵。

背景技术

在半导体制造工艺中，如干式刻蚀(dry etching)或化学气象沉积(CVD)等制造工艺中，一般配置磁悬浮分子泵作为工艺腔室主排气设备。为提高工艺过程效率及产品质量，需要通入大流量的工艺气体，因此需要磁悬浮分子泵有较大排气流量且能保持工艺压力稳定。

现有技术中，由于部分工艺气体所形成的反应生成物在热态及低压下为气态，此类生成物随温度降低且压力升高时就会冷凝固化，会沉积在磁悬浮分子泵抽气通道上，特别是有较高压力的拖动级螺旋槽上。随时间推移，沉积物累积变厚会降低抽气效率，另一方面对于磁悬浮分子泵运转安全性造成损害。

为解决这一问题，一般磁悬浮分子泵采用在泵座上设置加热器及冷却水管，并在拖动级螺旋槽部埋设热电偶，在冷却水管路上设有电磁阀。工作时，加热器以恒定功率对泵座加热，使热量传导至与泵座连接的拖动级螺旋槽上，通过拖动级上埋设的热电偶进行温度控制，当温度高于设定值时，打开水路电磁阀使冷却水管对泵座进行冷却降温；当温度低于设定值时，关闭水路电磁阀，以此维持拖动级在某一设定温度范围，以降低反应生成物凝结。加热温度范围一般为65℃～80℃左右。

这种加热及冷却方式有以下不利因素：1、上述加热及冷却方式不利于转子系统散热。磁悬浮分子泵通过高速旋转的涡轮转子，在其转子叶片及定子静片间形成的排气通道上对气体形成逐级压缩而将气体排出。涡轮转子一般采用铝合金材料制造，材料产生蠕变的温度较低，因此需要高速旋转的涡轮转子处于较低温度环境。上述加热及冷却方式使得泵座，以及与之相连结的泵壳、静片与隔离环均处于较高温度，不利于转子系统通过辐射及与气流的热传导而形成散热。为维持泵的抽气性能，转子动静间隙一般不能过大，这就使得随转子蠕变增加而导致动静间隙逐渐变小，长期运转会使泵安全性降低，甚至发生碎泵事故。

2、上述加热及冷却方式限制了磁悬浮分子泵最大排气流量。现代半导体工业为提高制造效率，需要较快工艺节拍及较大工艺气体流量。这就要求所应用的磁悬浮分子泵有较大排气流量。排气流量增大，会导致因气流摩擦及压缩而对转子加热作用增加。另外，排气流量增大电机功率也会上升，电机发热量增加从而导致转子温度上升。而如前所述原因，转子不能有效地通过辐射及传导在泵座及泵壳表面散热，从而使转子维持较高温度而产生蠕变。因此为维持转子工作在安全温度，就必须限制泵的最大排气流量。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的磁悬浮分子泵的加热方式不利于转子系统散热的缺陷，从而提供一种采用内置加热装置的磁悬浮分子泵。

为了解决上述技术问题，本发明提供的带内加热装置的磁悬浮分子泵，包括：

转子，包含多级动片及圆筒形拖动级转子；

多级静片，与所述转子的多级动片交替排列；

多级隔离环，设置在转子外侧，固定所述多级静片；

拖动级定子，设置在所述拖动级转子外壁面并与所述拖动级转子之间设置有固定间隙；

PTC热敏电阻，设于所述拖动级定子的外壁上；

泵壳，连接在所述多级隔离环外壁上；

泵座，固定设置，支撑所述拖动级定子、泵壳及转子。

作为优选方案，还包括：

隔热板，具有上隔热板和下隔热板，分设于所述拖动级定子的上下两个端部。

作为优选方案，还包括：

泵座冷却水管，镶嵌于所述泵座的底部环形槽中，与控制器冷却水管串联联通，并在运行中保持长通状态。

作为优选方案，还包括：

泵壳冷却水管，镶嵌于所述泵壳的外壁的环形槽中，与控制器冷却水管，泵座冷却水管串联联通，并在运行中保持长通状态。

作为优选方案，所述PTC热敏电阻具有多个，沿所述拖动级定子的外壁均匀布置，采用并联电连接。

本发明的技术方案，具有如下优点：

1.本发明的磁悬浮分子泵，采用PTC热敏电阻内置于泵壳内，并设置在拖动级定子的外壁上，通过PTC热敏电阻直接对拖动级定子进行加热，可提高加热效率，防止反应生成物在拖动级定子内凝结堆积；并且，由于PTC热敏电阻的电阻值会随温度升高而增加，在温度达到预设温度后能够自动停止加热，因此可实现其自动恒温控制，而无需对PTC热敏电阻进行控制器控制，进一步的可取消对拖动级定子的温度监测、对冷却水管的电磁阀通断控制，因此可简化温度控制系统，减小控制器体积及发热量。另外，由于PTC热敏电阻具有体积小，耗能小的特点，因此在使用时，其加热能耗更低。

2.本发明的磁悬浮分子泵，由于拖动级定子的温度实现了自动恒温控制，因此设置在泵座上的冷却水管无需设置电磁阀控制其通断，可采用长通运行，这样可显著提高泵座的散热能力。

3.本发明的磁悬浮分子泵，拖动级定子通过隔热板连于多级静片与泵壳之间，能够阻挡拖动级定子将自身热量传递到泵座及泵壳上。

4.本发明的磁悬浮分子泵，泵座冷却水管和控制器冷却水管可串联设置，并在使用时可采用长通运行，能够增加泵壳和控制器的散热量，避免温度过高影响磁悬浮分子泵的正常运转。

5.本发明的磁悬浮分子泵，还可在泵壳上还设置有泵壳冷却水管，能够进一步增加转子的散热，使转子系统保持相对较低温度，减小蠕变形变，提高分子泵运转安全性，还能够进一步增加磁悬浮分子泵的最大排气量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的磁悬浮分子泵的第一种实施方式的主视剖视图。

图2为拖动级定子的立体结构示意图。

图3为图1中拖动级局部及冷却结构示意图。

图4为本发明的磁悬浮分子泵的第二种实施方式的主视剖视图。

图5为泵壳上的泵壳冷却水管示意图。

图6为图4中拖动级局部及冷却结构示意图。

附图标记说明：

1、泵座；2、泵壳；3、拖动级定子；4、主轴；5、上径向磁轴承；6、下径向磁轴承；7、轴向磁轴承；8、轴承座；9、轴向推力盘；10、电机；11、上保护轴承；12、下保护轴承；13、转子；14、多级动片；15、拖动级转子；16、多级静片；17、进气口；18、排气口；19、上隔热板；20、下隔热板；21、螺旋槽；22、PTC热敏电阻；23、泵座冷却水管；24、控制器冷却水管；25、泵壳冷却水管；26、锁紧块；27、隔离环；28、控制器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供的磁悬浮分子泵，如图1所示，在泵座1的上方设置有泵壳2，泵壳2与泵座1通过螺栓固定连接。在泵壳2内包括：主轴4、连接在主轴4上的转子13、与转子13配合的多级静片16以及拖动级定子3，所述拖动级定子3的外壁上设置有加热组件，所述加热组件为PTC热敏电阻22。

PTC是Positive Temperature Coefficient的缩写，意思是正的温度系数，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻22。PTC热敏电阻22是一种具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

如图1所示，转子13包括：多级动片14和在设置在多级动片14下端的拖动级转子15。为减轻转子13重量以及增强转子13强度，所述拖动级转子15采用碳纤维复合材料筒体。转子13连接在主轴4上，其中多级动叶片与多级静片16交错排列，拖动级转子15与拖动级定子3间设有固定间隙。

磁悬浮分子泵的主轴4安装于轴承座8中，由上径向磁轴承5、下径向磁轴承6、轴向磁轴承7实现悬浮支撑，主轴4上的轴向推力盘9布置在轴向磁轴承7的上下电磁铁线圈之间。磁悬浮分子泵的旋转部分由直流无刷高速电机10驱动，实现无接触无摩擦的高速旋转；当磁轴承停止工作时，主轴4由上保护轴承11和下保护轴承12提供支撑。

多级动片14与多级静片16交错排列形成磁悬浮分子泵的涡轮级，多级静片16利用多级隔离环27实现固定，多级静片16的下端最后一级隔离环27与拖动级定子3的上端连接固定，拖动级定子3的下端固定在泵座1上。

拖动级转子15与拖动级定子3形成磁悬浮分子泵的拖动级，如图3所示，拖动级定子3内具有螺旋槽21，磁悬浮分子泵工作时，气体通过进气口17进入泵内，在拖动级段经过螺旋槽21朝向排气口18移动。在拖动级定子3的上下两个端部，分别设有上隔热板19和下隔热板20，以限制拖动级定子3的热量通过热传导向隔离环27及泵座1散热。为进一步减低拖动级定子3的热传导，拖动级定子3与隔离环27、泵座1的连接处的径向定位面的轴向尺寸要尽量短，且拖动级定子3的上端不与泵壳2侧壁接触，以避免传导散热。所述上隔热板19和下隔热板20采用绝热性能优良的云母板材料制作，厚度为1mm～1.5mm。为方便组装，隔热垫片可用少量树脂先粘接在拖动级定子3上。

如图2所示，所述PTC热敏电阻22，具有在温度越高时电阻值越大的特性。设置时，依据拖动级定子3的结构、尺寸大小不同，以及PTC热敏电阻22的尺寸、功率不同，通过计算及实验确定PTC加热电阻需布置的个数。本实例中采用八片80℃25W24V(25×20mm)PTC加热电阻，并在拖动级定子3的外壁上均布设置，且PTC热敏电阻22采用并联。从室温开始加热40分钟后可使拖动级定子3达到PTC热敏电阻22的居里温度值80℃，电阻处于高阻状态“中断”加热，当PTC热敏电阻22温度下降至80℃以下时，PTC热敏电阻22“接通”加热。以此，可使拖动级定子3的温度维持在一定温度波动范围内。本实例中，设置这一温度范围维持在65℃～75℃左右。另外，还可以在拖动级定子3的螺旋槽21的区域内设置热电偶或铂电阻监测温度波动变化值，但这并不是必需的，一旦通过实验确定了PTC加热电阻的参数及个数，控制器28中仅采用供电模块便与并联的PTC加热电阻可组成加热及加热控制电路，而无需进行加热过程的参数控制。磁悬浮分子泵工作时，PTC加热电阻使拖动级定子3的温度恒定在一定范围内，可有效地防止反应生成物低于其升华温度而产生凝结堆积。

如图3所示，泵座1的底部开设有环形槽，在环形槽中安装有泵座冷却水管23,泵座冷却水管23可采用铜管。为使导热可靠，泵座冷却水管23在安装时使用压力机压装，让冷却水管发生轻微变形，以便冷却水管管壁涨紧在泵座1的环形槽内，形成紧密贴合。泵座冷却水管23与控制器冷却水管24串联连接，在泵工作时泵座冷却水管23与控制器冷却水管24的管路处于长通状态，高速电机10以及上、下磁轴承所产生的热量可沿图中虚线箭头a所指示的方向形成热传导通路，从而使热量被冷却水带走。

由于冷却水保持长通，使泵座1及轴承座8处于较低温度，转子13所产生的热量部分可以通过辐射及气流的热传导传递到轴承座8上被带走，部分通过辐射及气流热传导通过隔离环27及泵壳2形成散热被带走。有效的散热可使转子13系统保持相对较低温度，减低蠕变形变，提高分子泵运转安全性。

实施例2

本实施例提供的磁悬浮分子泵，如图4所示，其结构与实施例1中的磁悬浮分子泵基本相同，不同之处在于，本实施例的磁悬浮分子泵，在泵壳2上增加了泵壳冷却水管25。

如图5所示，泵壳冷却水管25设置在泵壳2的环形槽内，泵壳2的环形槽位于涡轮级所处部位，环形槽的槽底部为半圆形，圆弧半径与冷却水管半径相同。具体设置时，可将水管用弯管机成型，弯制半径与泵壳2上冷却槽环向半径相同，水管接头处焊接有锁紧块26，锁紧块26一端安装水管接头，组成泵壳2冷却水管。将泵壳2冷却水管安装在泵壳2的环形槽中，用水管锁紧螺钉锁紧。为提高传热效率，安装前可在环形槽中涂少量导热硅脂。

如图6所示，泵壳2冷却水管与泵座冷却水管23、控制器冷却水管24可串联连接。磁悬浮分子泵工作时，冷却水保持长通，使泵壳2、泵座1及轴承座8均处于较低温度，转子13所产生的热量部分可以通过辐射及气流的热传导传递到轴承座8上，沿图中虚线箭头a所指示方向形成热传导通路被带走；部分通过辐射及气流热传导通过隔离环27及泵壳2形成散热，沿图中虚线箭头b所指示方向形成热传导通路被带走。采用上述冷却水布置方式，可进一步的增大泵壳2散热，使转子13系统保持在相对较低温度，减低蠕变形变，提高分子泵运转安全性，进一步增加磁悬浮分子泵的最大排气流量。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.带内加热装置的磁悬浮分子泵，其特征在于，包括：

转子(13)，包含多级动片(14)及圆筒形拖动级转子(15)；

多级静片(16)，与所述转子(13)的多级动片(14)交替排列；

多级隔离环(27)，设置在转子(13)外侧，固定所述多级静片(16)；

拖动级定子(3)，设置在所述拖动级转子(15)外壁面并与所述拖动级转子(15)之间设置有固定间隙；

PTC热敏电阻(22)，设于所述拖动级定子(3)的外壁上；

泵壳(2)，连接在所述多级隔离环(27)外壁上；

泵座(1)，固定设置，支撑所述拖动级定子(3)、泵壳(2)及转子(13)。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵，其特征在于，还包括：

隔热板，具有上隔热板(19)和下隔热板(20)，分设于所述拖动级定子(3)的上下两个端部。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵，其特征在于，还包括：

泵座冷却水管(23)，镶嵌于所述泵座(1)的底部环形槽中，与控制器冷却水管(24)串联联通，并在运行中保持长通状态。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵，其特征在于，还包括：

泵壳冷却水管(25)，镶嵌于所述泵壳(2)的外壁的环形槽中，与控制器冷却水管(24)，泵座冷却水管(23)串联联通，并在运行中保持长通状态。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵，其特征在于，所述PTC热敏电阻(22)具有多个，沿所述拖动级定子(3)的外壁均匀布置，采用并联电连接。

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