CN114008325A - 干式粗真空泵和用于控制吹扫气体的喷射的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种干式粗真空泵(1),它包括设计成在泵送级(2a‑2e)中分配吹扫气体的喷射装置(9),该喷射装置(9)包括:‑布置在分配器(10)的公共部分(15)上的第一压力传感器(12);‑布置在分配器(10)的每个分支(16a‑16e)上的第二压力传感器(13a‑13e);以及,‑控制单元(14),该控制单元设计成根据第一压力传感器(12)与第二压力传感器(13a‑13e)之间的压力测量值差产生用于彼此独立地控制调节阀(11a‑11e)的脉宽调制命令信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种干式粗真空泵,例如“罗茨式”或“爪式”或螺杆式。本发明还涉及一种用于控制这种真空泵中的吹扫气体的喷射的方法。
背景技术
干式粗真空泵包括多个串联的泵送级,其中待泵送的气体在吸入口和排出口之间循环。可以区分的已知初级真空泵包括具有旋转叶瓣的真空泵—也称为“罗茨式”真空泵,或具有喙部的真空泵—也称为“爪式”真空泵,或甚至螺杆式真空泵。这些真空泵被称为“干式”是因为,在运行时,转子在定子内旋转,转子之间或转子与定子之间没有机械接触,这使得可以在泵送级中不使用油。
一些粗真空泵用于使用要避免其冷凝或粉末固化的气体的工艺中。例如,在某些用于制造半导体、光伏屏幕、平面屏幕或LED屏幕的工艺中就是这种情况。这些固体副产品的大量积聚会影响真空泵的运行,特别是妨碍转子旋转,甚至在最坏的情况下完全阻止转子旋转。
为了避免这种情况,设想将吹扫气体喷射到真空泵中。吹扫气体稀释可冷凝气体并帮助将气态固体或简单而言固体副产品驱动至泵排出口。该吹扫气体经由分配器喷射到不同的泵送级中。在分配器的输入口处喷射的流量通常是手动设置并通过流量计测量的。
一个缺点是喷射到泵送级中的气体流量可能取决于供应网络的压力并且因此可能随着其上可能发生的波动而变化。另一个缺点是喷射到不同泵送级中的吹扫气体流量之间的相关性。事实上不可能例如在一个泵送级中降低吹扫气体流量而在另一个泵送级中同时增加它。此外,手动设置流量也无法防止可能的误操作。
一种已知的解决方案在于使用一种设备,其中借助于根据来自压力或流量传感器的测量值调整的比例阀来控制吹扫气体的输入流量。这种控制可以避免可能的人为失误或吹扫气体供应网络压力的任何波动。然而,比例阀和流量控制器价格昂贵,而且比例阀并不总是可靠的。此外,利用该设备不能相互独立地控制喷射到泵送级中的吹扫气体流量。
发明内容
本发明的一个目的是至少部分地解决现有技术的上述缺陷。
为此,本发明的主题是一种干式粗真空泵,其包括:
-串联安装在吸入口与排出口之间至少两个泵送级,
-在所述泵送级中延伸的两个转子轴,所述转子构造成沿相反的方向同步旋转以便在所述吸入口与所述排出口之间驱动待泵送的气体,
-构造成在所述泵送级中分配吹扫(清扫)气体的喷射(注射)装置,所述喷射装置包括:
-分配器,所述分配器包括:
-旨在连结到吹扫气源的公共部分,和
-至少两个分支,所述至少两个分支在一侧连接到所述公共部分,在另一侧连接到相应的泵送级,以及
-布置在所述分配器的每个分支上的调节阀,所述调节阀可被控制成打开或关闭,
其特征在于,所述喷射装置还包括:
-布置在所述分配器的公共部分上的第一压力传感器,
-布置在所述分配器的每个分支上的第二压力传感器,和
-控制单元,所述控制单元配置成根据所述第一压力传感器与所述第二压力传感器之间的压力测量值差的变化来产生用于彼此独立地控制这些调节阀的脉宽调制命令信号,以便随着调节阀在预定时间段内的打开百分的变化根据与每个泵送级相关联的预定设定点来控制喷射到所述泵送级中的吹扫气体流量。
第一和第二传感器之间的压力测量值差使得可以在不使用流量计的情况下推定吹扫气体流量。因此可以通过考虑由第一压力传感器测定的分配器的输入压力来自动地控制吹扫气体流量。输入压力上的外部干预—无论有意与否—因此对喷射到真空泵送级中的吹扫气体流量干扰很少或根本没有干扰。
对每个泵送级中的吹扫气体流量的独立控制可以使得例如根据待泵送的气体来调整流量或实施特定吹扫轮廓(曲线)成为可能。
该喷射装置的另一个优点是修改调节阀的脉宽调制命令信号以将吹扫气体流量控制为预定设定点值对控制其它泵送级中的吹扫气体流量影响很小或没有影响。
真空泵还可包括在下文中单独或组合地描述的一个或多个特征。
脉宽调制命令信号的周期例如大于800ms。
调节阀可以构造成在小于15ms、例如小于10ms的时间内改变状态。该频率可以确保占空比与穿过调节阀的吹扫气体流量之间的大致线性关系。线性关系简化了PWM命令信号的占空比的计算,因为它与吹扫气体流量成正比。
公共分支可包括用以均衡(使平衡)调节阀的输入口处的压力的公共容积。该公共容积形成一个储气器,其使得每当打开/关闭阀时都可以使压力“平滑”,以均衡调节阀输入口处的压力,从而可以仅使用单个第一压力传感器并使测量可靠。
喷射装置可包括布置在分配器的每个分支上的喷射构件,其具有构造成将吹扫气体流量限制为最大值的相应传导性(导流性,流导)。
本发明的另一个主题是一种用于控制如上所述的干式粗真空泵中的吹扫气体的喷射的方法,其特征在于,根据第一压力传感器与第二压力传感器之间的压力测量值差生成用于彼此独立地控制所述调节阀的脉宽调制命令信号,以便随着调节阀在预定时间段内的打开百分比的变化根据与每个泵送级相关联的预定设定点来控制喷射到所述泵送级中的吹扫气体流量。
该控制方法可以包括在下文中单独或组合地描述的一个或多个特征。
两个调节阀的脉宽调制命令信号的至少两个占空比可以是反相的。
具有反相脉宽调制命令信号的两个调节阀可以布置在与前两个泵送级相连的分支上,第一泵送级与吸入口连通。
根据一个示例性实施例,测量分配器的与两个连续的(相继的)泵送级相连的两个分支之间的压力差以识别故障。
例如:
–增大与压力差低于预定阈值的泵送级相关联的预定吹扫气体流量设定点,和/或
–降低与压力差高于预定阈值的泵送级相关联的预定吹扫气体流量设定点。
附图说明
通过阅读本发明的描述和附图,其它优点和特征将变得显而易见,在附图中:
[图1]示出了干式粗真空泵的一个示例性实施例的示意图。
[图2A]是针对占空比的第一示例根据时间(以ms为单位)示出了图1的真空泵的喷射装置的调节阀的状态的一个示例的曲线图。
[图2B]针对占空比的第二示例示出了图2A的曲线图。
[图2C]针对占空比的第三示例示出了图2A的曲线图。
[图3A]是针对与泵送级相关联的调节阀的控制的第一示例根据时间(在x轴上)示出了喷射到泵送级中的流量(曲线A)、喷射装置的分配器的输入压力(曲线B)和在预定时间段内喷射的流量的积分(曲线C)的曲线图,流量(以slm为单位)标记在左侧y轴上,压力(以bar为单位)标记在右侧y轴上。
[图3B]针对第二示例示出了类似于图3A的曲线图。
[图4]是针对同相(曲线D)和反相(曲线E)的前两个泵送级的PWM命令信号根据时间(以ms为单位)示出了真空泵的吸入口处的压力(以mbar为单位)的曲线图。
在这些图中,相同的元件具有相同的附图标记。附图被简化以使它们更容易理解。
具体实施方式
下面的实施例都是示例。尽管描述涉及一个或多个实施例,但这并不一定意味着每次引用都涉及同一实施例,或者这些特征仅适用于单个实施例。不同实施例的简单特征也可以组合或互换以提供其它实施例。
吸入、输送、然后排出待泵送的气体的容积式真空泵被定义为粗真空泵。在常规使用中,粗真空泵构造成能在常压下排出待泵送的气体。
图1示出干式粗真空泵1的一个示例性实施例。
该真空泵1包括形成至少两个泵送级2a-2e的定子(或泵体),所述泵送级2a-2e串联安装在吸入口3与排出口4之间,并且待泵送的气体可以在其中循环(被泵送气体的循环方向在图1中用箭头F1示出)。与吸入口3连通的泵送级2a为最低压力级,也称为第一泵送级,而与排出口4连通的泵送级2e为最高压力级,也称为最后泵送级。真空泵1还包括在泵送级2a-2e中延伸的两个转子轴5。
在该说明性示例中,真空泵1包括五个泵送级2a、2b、2c、2d、2e。每个泵送级2a-2e由接纳转子5的压缩室形成,这些室包括相应的输入口和输出口。相继的泵送级2a-2e通过相应的级间通道前后串联连接,所述级间通道将前一级泵送级的输出口连接到下一级的输入口。
转子5例如具有相同轮廓的叶瓣—例如“罗茨”型或“爪”型叶瓣,或者属于螺杆型或基于其他类似的容积式真空泵原理。
转子5构造成在泵送级2a-2e中沿相反的方向同步旋转。在旋转期间,从输入口吸入的气体被限制在由转子5和泵送级2a-2e的定子形成的容积中,然后被转子5驱动到下一级。
转子轴5由例如位于一端的真空泵1的马达M旋转驱动。
真空泵1还包括喷射装置9,该喷射装置构造成在泵送级2a-2e中分配吹扫气体,例如惰性气体,如空气、氩气或氮气。
喷射装置9包括分配器10、调节阀11a-11e、第一压力传感器12、第二压力传感器13a-13e和用于控制调节阀11a-11e的控制单元14。
分配器10包括公共部分15和至少两个分支16a-16e,所述公共部分15的输入口旨在例如经由隔离阀连接到吹扫气源,所述至少两个分支16a-16e在一侧连接到公共部分15,在另一侧连接到相应的泵送级2a-2e。
与第一和最后泵送级2a、2e相连的分支16a、16e例如构造成出现在真空泵1的主轴承处,特别是为了保护位于真空泵1两端的滚动轴承和密封装置。与中间泵送级2b、2c、2d相连的分支16b、16c、16d例如构造成出现在各级的相应输出口处。
吹扫气体的循环方向在图1中用箭头F2示出。
喷射装置9可以包括喷射构件17a-17e,例如计量孔口(也称为喷嘴)或喷射嘴口,它们布置在分配器10的各个分支16a-16e上并具有相应的传导性,该传导性构造成将吹扫气体流量限制为最大值。它们例如相对于真空泵1的泵体外置。喷射构件17a-17e例如分别插置在调节阀11a-11e与第二压力传感器13a-13e之间。
调节阀11a-11e布置在分配器10的每个分支16a-16e上。调节阀11a-11e可以被控制为打开或关闭:它们要么打开(状态=1),要么关闭(state=0),并且可以高速切换,也就是在非常短的时间—例如小于15ms内、如小于10ms—内改变状态。它们例如是螺线管阀,例如电磁阀或压电阀。因此,它们可以通过时隙命令信号来控制打开和关闭。通过时隙命令信号对调节阀11a-11e进行控制使得可以通过脉冲来将吹扫气体喷射到泵送级2a-2e中。通过脉冲进行的喷射尤其有利于将粉末驱动到泵的排出口4。可被控制成打开或关闭的调节阀11a-11e具有简单、可靠、体积小且价格低廉的优点。
第一压力传感器12布置在分配器10的公共部分15上,第二压力传感器13a-13e布置在分配器10的相应分支16a-16e上。压力传感器12、13a-13e例如是压电式压力传感器。
控制单元14—例如电子电路板—包括一个或多个控制器或微控制器或处理器和存储器,以执行一系列程序指令,从而实施用于控制真空泵1中的吹扫气体的喷射的方法。
更具体地,控制单元14配置成根据第一压力传感器12与第二压力传感器13a-13e之间的压力测量值差(差异)来产生用于彼此独立地控制调节阀11a-11e的打开和关闭的脉宽调制(PWM)命令信号。
第一传感器12和第二传感器13a-13e之间的压力测量值差使得可以在不使用流量计的情况下推定吹扫气体流量。使用压力传感器而不是流量计来测量流量更有利,一方面因为压力传感器比流量计便宜四到五倍,另一方面因为它体积更小。于是可以既从经济的角度又在体积方面考虑在分配器10的每个分支上结合第二压力传感器13a-13e。压力传感器也比流量计更容易实现,因为它们的尺寸针对不同的范围进行了标准化。因此可以在不调整分配器10的情况下更换传感器。
根据一个示例性实施例,还设想分配器10的公共分支15包括公共容积18。该公共容积18具有例如介于100ml与400ml之间的容积。它形成一个储气器,该储气器可以在阀每次打开/关闭时吸收小的压力波动,以均衡调节阀11a-11e的输入口处的压力,从而可以仅使用单个第一压力传感器12并使测量可靠。
PWM命令信号使得可以随着调节阀11a-11e在预定时间段T内的打开百分比的变化根据与每个泵送级2a-2e相关联的预定设定点来控制喷射到泵送级2a-2e中的吹扫气体流量。
更具体地,PWM命令信号是可以采用0或1值的时隙信号。该信号是周期性的时间段T。以百分比表示的调节阀11a-11e的打开时间与时间段T的比率或占空比使得可以控制从调节阀11a-11e通过的平均流量以使其对应于期望的设定点。
当调节阀在时间段T内关闭时,占空比为零。当阀在时间段T内打开时,占空比为100%,并且通过阀的吹扫气体流量最大。可以通过调整调节阀11a-11e或调节阀11a-11e的输出口处的喷射构件17a-17e的节流部的尺寸来调节最大流量。
为了根据与每个泵送级2a-2e相关联的预定设定点来控制喷射到泵送级2a-2e中的吹扫气体流量,当通过压力差推定的吹扫气体流量高于设定点时,PWM命令信号的占空比降低,如果该流量低于设定点,则所述占空比升高。
PWM命令信号的时间段T例如大于800ms、例如大于1000ms。该频率使得可以确保占空比与通过调节阀的吹扫气体流量之间的大致线性关系。线性关系简化了PWM命令信号的占空比的计算,因为它与吹扫气体流量成正比。
图2A、2B、2C的曲线图因此示出了在1秒的时间段T内的脉宽调制命令信号的三个示例。
图2A示出了在时间段T的10%的时间调节阀打开(状态=1)的第一PWM命令信号,图2B示出了时间段T的50%的时间调节阀打开(状态=1)的第二PWM命令信号,图2C示出了在时间段T的75%的时间调节阀打开(状态=1)的第三PWM命令信号。
例如,对于40slm的最大氮气流量,10%占空比的PWM命令信号(图2A)使得可以控制4slm的流量,50%占空比的PWM命令信号(图2B)使得可以控制20slm的流量,并且75%占空比的PWM命令信号(图2C)可以控制30slm的流量。
因此,可以通过考虑由第一压力传感器12测量的分配器10的输入压力来自动控制吹扫气体流量。因此,无论有意与否,外部对输入压力的干预喷射到真空泵1的级中的吹扫气体流量几乎没有或没有破坏性影响。另一方面,调节阀11a-11e的超出预定范围的异常调节可以使诊断真空泵1的故障或吹扫气供应问题成为可能。这种诊断可以使保护或校正真空泵1的自动动作就位成为可能。此外,每个泵送级2a-2e中的吹扫气体流量的独立控制可以使例如根据待泵送的气体调整流量或如稍后将看到的那样实现特定的吹扫轮廓成为可能。
例如可以修改流量(在喷射构件17a-17e允许的最大值的极限内),以便例如在显著污染气流的情况下增加流量或在待机阶段中减少流量。
例如,控制单元14配置成经由诸如串行链路或干触点的通信装置从使用真空泵1的设备接收信息。
该信息可以是与每个泵送级2a-2e相关联的吹扫流量设定点。因此,可以使吹扫流量设定点与喷射到设备的处理室中的气流的配方相匹配。
根据另一示例,该信息使得可以判断设备的室是处于处理基板的过程中还是处于待机阶段。然后例如可以从预先存储的配方中选择适合处理室中的情形的吹扫流量设定点的配方。
根据另一示例,与每个泵送级2a-2e相关联的清扫流量设定点是在没有来自设备的信息的情况下确定的,而是仅根据来自真空泵1的传感器的信号—例如根据由真空泵1消耗的功率—确定的,后者能指示室中的处理或待机阶段。
喷射装置9的另一个优点是,修改调节阀的PWM命令信号以将吹扫气体流量控制为预定的设定点值对控制其它泵送级中的吹扫气体流量的影响很小或没有影响。
参考下文描述和在图3A和3B的曲线图中示出的示例将能够更好地理解这一点。
图3A示出,为了例如在1秒内获得20slm的平均流量(曲线C),PWM命令信号具有50%的占空比,在tl和t2之间的0.5秒内喷射的流量为40slm,而在0和t1之间以及t2和T之间的0.5秒内(曲线A)流量为零。在时刻t1打开调节阀以允许喷射40slm的流量会引起分配器10的输入压力的略微降低(曲线B)。这种压力变化—在此小于1bar—相对较低,并且不会影响穿过调节阀以使PWM命令信号的占空比保持等于50%的推定流量。
另一方面,在图3B的示例中,在时刻t3分配器10的另一分支上的第二调节阀的打开会引起分配器10的输入压力的第二次降低。由调节阀的相继打开引起的总压降于是超过1bar(曲线B),这显著降低了流量(曲线A)并导致PWM命令信号的占空比的调整。该占空比达到65%,因此使在时间段T内调节阀打开的时间比前一示例长,从而补偿压降以在时间段T结束时达到20slm的流量设定点(曲线C)。
发明人发现,根据压力测量值差自动控制单独流量使得可以快速补偿和校正流量与设定点之间的偏差。
图4是示出了特定吹扫轮廓的一个示例的曲线图。
在该示例中,两个调节阀的脉宽调制命令信号的至少两个占空比反相。它们例如是布置在分配器10的分支16a、16b上的两个调节阀11a、11b,这些分支连接到真空泵1的前两个泵送级2a、2b。
可以看出,反相控制(曲线E)使得与同相控制(曲线D)相比可以减少(这里减少两倍)吹扫气流的喷射对真空泵1的吸入口3处的极限真空压力的可能的影响,极限真空压力是在没有待泵送的气流时获得的最低压力。还发现对吸入压力的影响是有限的,因为在对前两个泵送级2a、2b进行同相控制的情况下它低于0.006mbar。
还值得注意的是,脉冲喷射对真空泵的动态行为影响很小或没有影响(在存在待泵送的气流的情况下)。此外,这种喷射当在最后泵送级2c-2e中执行时对吸入压力影响很小或没有影响。
喷射装置9还可以帮助诊断真空泵1的故障。
实际上,布置在分配器10的相应分支上的第二压力传感器13a-13e使得可以获得真空泵1的每个泵送级2a-2e中的压力的图像。因此,它们可以用于例如通过测量分配器10的连接到两个连续泵送级2a-2e的两个分支16a-16e之间的压力差来识别故障。
连接到两个连续泵送级2a-2e的分配器10的两个分支16a-16e之间的压差的降低可以使定位堵塞—也就是真空泵的其中副产品可能已经结块的区域—成为可能。例如,布置在连接到第一泵送级2a的分支16a上的第二压力传感器13a与布置在连接到第二泵送级2b的分支16b上的第二压力传感器13b之间的低于预定阈值的压力差可以揭示位于这前两个泵送级2a、2b之间的粉末的堆积。
可以设置治疗性清扫轮廓。例如,与待处理区域所在的泵送级以及可能位于上游的泵送级相关联的预定吹扫气体流量设定点增加,以在这些点触发更剧烈的喷射以排出积聚的固体副产品。设定点的增加尤其在不影响泵送性能水平的允许阈值范围内进行。
根据另一示例,分配器10的连接到两个连续泵送级2a-2e的两个分支16a-16e之间的压力差的增加可以指示例如由转子5与定子之间的操作间隙的增加引起的真空泵1的性能水平的损失。
然后可以降低与所识别的泵送级并可能与位于上游的泵送级相关联的预定吹扫气体流量设定点,以补偿泵送效率的损失。设定点的降低尤其在允许的阈值范围内进行,从而使得可以保证最低限度的吹扫,尤其是在真空泵1的主轴承处。
真空泵1的运行状态的这些特征可以在运行阶段或待机阶段(不使用的时期)中实现。
应当理解,这种喷射装置9简单、可靠、体积小且成本低,因为其部件成本低。它还为诊断功能、治疗措施、保护或提高真空泵1的性能水平提供了新的可能性。
Claims (11)
1.一种干式粗真空泵(1),包括:
-串联安装在吸入口(3)与排出口(4)之间的至少两个泵送级(2a-2e),
-在所述泵送级(2a-2e)中延伸的两个转子轴(5),所述转子(5)构造成沿相反方向同步地旋转以在所述吸入口(3)与所述排出口(4)之间驱动待泵送的气体,
-构造成在所述泵送级(2a-2e)中分配吹扫气体的喷射装置(9),所述喷射装置包括:
-分配器(10),该分配器包括:
-旨在连结到吹扫气源的公共部分(15),和
-至少两个分支(16a-16e),所述至少两个分支在一侧连接到所述公共部分(15),并且在另一侧连接到相应的泵送级(2a-2e),以及
-布置在所述分配器(10)的每个分支(16a-16e)上的调节阀(11a-11e),所述调节阀能被控制成打开或关闭,
其特征在于,所述喷射装置(9)还包括:
-布置在所述分配器(10)的公共部分(15)上的第一压力传感器(12),
-布置在所述分配器(10)的每个分支(16a-16e)上的第二压力传感器(13a-13e),和
-控制单元(14),所述控制单元配置成根据所述第一压力传感器(12)与所述第二压力传感器(13a-13e)之间的压力测量值差来产生用于彼此独立地控制这些调节阀(11a-11e)的脉宽调制命令信号,以便随着所述调节阀(11a-11e)在预定时间段(T)内的打开百分比的变化根据与每个泵送级(2a-2e)相关联的预定设定点来控制喷射到所述泵送级(2a-2e)中的吹扫气体流量。
2.根据前一权利要求所述的真空泵(1),其特征在于,所述脉宽调制命令信号的时间段(T)大于800ms。
3.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1),其特征在于,所述调节阀(11a-11e)构造成在小于15ms内、例如在小于10ms内改变状态。
4.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1),其特征在于,所述公共分支(15)包括公共容积(18),以用于均衡所述调节阀(11a-11e)的输入口处的压力。
5.根据前述权利要求中任一项所述的真空泵(1),其特征在于,所述喷射装置(9)包括布置在所述分配器(10)的每个分支(16a-16e)上的喷射构件(17a-17e),所述喷射构件各自具有构造成将吹扫气体的流量限制为最大值的传导性。
6.一种用于控制向根据前述权利要求中任一项所述的干式粗真空泵(1)中的吹扫气体的喷射的方法,其特征在于,根据第一压力传感器(12)与第二压力传感器(13a-13e)之间的压力测量值差产生用于彼此独立地控制调节阀(11a-11e)的脉冲宽度调制命令信号,以便随着所述调节阀(11a-11e)在预定时间段(T)内的打开百分比的变化根据与每个泵送级(2a-2e)相关联的预定设定点来控制喷射到所述泵送级(2a-2e)中的吹扫气体流量。
7.根据前一权利要求所述的用于控制吹扫气体的喷射的方法,其特征在于,使两个调节阀(11a,11b)的脉宽调制命令信号的至少两个占空比反相。
8.根据前一权利要求所述的用于控制吹扫气体的喷射的方法,其特征在于,在与前两个泵送级(2a,2b)相连的分支(16a,16b)上布置具有反相的脉宽调制命令信号的两个调节阀(11a、11b),第一泵送级(2a)与吸入口(3)连通。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的用于控制吹扫气体的喷射的方法,其特征在于,测量分配器(10)的与两个连续的泵送级(2a-2e)相连的两个分支(16a-16e)之间的压力差以便识别故障。
10.根据前一权利要求所述的用于控制吹扫气体的喷射的方法,其特征在于,增大与压力差低于预定阈值的泵送级相关联的预定吹扫气体流量设定点。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的用于控制吹扫气体的喷射的方法,其特征在于,降低与压力差高于预定阈值的泵送级相关联的预定吹扫气体流量设定点。
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