CN114060304B - 一种测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种测温装置，用于测量涡轮分子泵的主轴温度，所述涡轮分子泵包括：泵体；主轴，可旋转的设置在所述泵体内；涡轮转子，设置在所述泵体内，与所述主轴固定连接形成轴系转子；静涡轮级，与所述涡轮转子交替配合布置；驱动装置，能够驱动所述主轴转动，使得所述涡轮转子能够相对所述静涡轮级转动；其特征在于，所述测温装置包括：至少一个距离传感器，设置在所述壳体内，用于获取所述主轴的径向尺寸变化；处理单元，与所述距离传感器电连接，用于根据所述主轴的径向尺寸变化，确定所述主轴的温度。

Description

一种测温装置及方法

技术领域

本申请涉及真空泵技术领域，具体涉及一种测温装置及方法。

背景技术

分子泵是一种高速旋转机械设备，利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体分子获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。广泛应用于工业检漏、化学气相沉积、真空电子器件制造、光学镀膜以及电子束焊接等多个领域。

随着应用产业越来越多的工艺负载需求，分子泵运行的可靠性及实时状态监测也越来越重要，尤其是对分子泵的实际温度的非接触式实时监测越来越重要。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例致力于提供一种测温装置及方法，通过检测涡轮分子泵的主轴因温度变化引起的径向尺寸变化，实现对主轴温度的实时检测。

第一方面，提供一种测温装置，用于测量涡轮分子泵的主轴温度，其特征在于，所述涡轮分子泵包括：泵体；主轴，可旋转的设置在所述泵体内；涡轮转子，设置在所述泵体内，与所述主轴固定连接形成轴系转子；静涡轮级，与所述涡轮转子交替配合布置；驱动装置，能够驱动所述主轴转动，使得所述涡轮转子能够相对所述静涡轮级转动，所述测温装置包括：至少一个距离传感器，设置在所述泵体内，用于确定所述主轴的径向尺寸；处理单元，与所述距离传感器电连接，用于根据所述主轴的径向尺寸，确定所述主轴的温度。

可选地，所述测温装置包括：至少两个距离传感器；所述确定所述主轴的径向尺寸包括根据所述至少两个距离传感器的检测结果的均值，确定所述径向尺寸。

可选地，所述至少两个距离传感器沿所述主轴的转动方向均匀布置。

可选地，所述距离传感器为电涡流传感器。

可选地，所述驱动装置包括定子，所述距离传感器通过螺纹紧固件或粘接胶封固定在所述定子上。

第二方面，提供一种测温方法，用于测量涡轮分子泵的主轴温度，其特征在于，所述涡轮分子泵包括：泵体；主轴，可旋转的设置在所述泵体内；涡轮转子，设置在所述泵体内，与所述主轴固定连接形成轴系转子；静涡轮级，与所述涡轮转子交替配合布置；驱动装置，能够驱动所述主轴转动，使得所述涡轮转子能够相对所述静涡轮级转动，所述方法包括：确定所述主轴的径向尺寸；根据所述主轴的径向尺寸，确定所述主轴的温度。

可选地，所述确定所述主轴的径向尺寸包括：利用设置在所述泵体内的至少一个距离传感器，确定所述主轴的径向尺寸。

可选地，所述确定所述主轴的径向尺寸包括：利用设置在所述泵体内的至少两个距离传感器，根据所述至少两个距离传感器的检测结果的均值，确定所述主轴的径向尺寸。

可选地，所述至少两个距离传感器沿所述主轴的回转方向均匀布置。

可选地，所述距离传感器为电涡流传感器。

本申请实施例提供的测温装置及方法，利用设置在涡轮分子泵的泵体内的距离传感器测量主轴的径向尺寸，基于热胀冷缩的原理，根据主轴的径向尺寸变化确定主轴的温度，实现了对主轴温度的非接触式测量，能够在保证测量精度的同时降低成本。

附图说明

图1所示为本申请实施例提供的涡轮分子泵的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的测温装置的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的测温方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例提供的温度测量方法应用于涡轮分子泵，因此，在介绍本申请的实施例之前，首先对相关技术及其存在的问题进行详细的举例说明。

分子泵是一种高速旋转机械设备，利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体分子获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。能够应用于如工业检漏、化学气相沉积、真空电子器件制造、光学镀膜以及电子束焊接等多个领域。

如图1所示为本申请实施例提供的涡轮分子泵的结构示意图，图1中示出的涡轮分子泵主要包括泵体11，设置在泵体内的主轴12、涡轮转子13、静涡轮级14以及电机15。

其中，所述泵体11包括泵盖111和泵座112，所述泵盖111和泵座112合围形成一中空的圆筒状结构，能够容纳设置在泵体11内的各个零部件。

主轴12，设置在泵体11内，通过轴承与泵座112连接，可绕其旋转中心旋转，且主轴12的旋转中心与泵体11的中心线重合。

涡轮转子13设置在泵体11内，且其旋转轴与主轴12的旋转中心重合；涡轮转子13的一端与主轴12固定连接形成一体的轴系转子，主轴12转动时带动涡轮转子13一同转动。上述涡轮转子13与主轴12的固定连接例如可以是通过螺钉连接，即在涡轮转子13以及主轴12上成型有相应的螺钉孔，然后通过螺钉穿插到螺钉孔中对涡轮转子13以及主轴12进行固定。

静涡轮级14设置在泵体11内，相对所述泵体11固定。静涡轮级14包括多个静叶片，所述多个静叶片沿竖直方向层叠设置，且与涡轮转子13上的多个旋转叶片层叠交替设置，没从而使得当涡轮转子13旋转式，涡轮转子13上的旋转叶片能够和静涡轮级14的静叶片相互作用，形成强大的抽气作用。

电机15，包括电机定子和电机转子，其中电机定子套设在电机转子外。固定设置在泵座上成型的伸向涡轮转子13中空部的圆筒内侧，其磁面与电机转子的磁面相对。通电后，电机转子与电机定子磁面之间形成旋转磁场，驱使电机转子高速旋转，电机转子带动主轴12一同旋转，主轴12再带动涡轮转子13一同旋转，最终涡轮转子13与静涡轮级14之间形成强大的抽气作用。

如前文中所述，分子泵可以应用于半导体行业，例如在干式刻蚀(dry etching)或化学气象沉积(CVD)等制造工艺中。需要通入大流量的工艺气体，而分子泵一般被用作工艺腔室的主排气设备，因此为了提高工艺过程的效率及产品质量，需要分子泵有较大排气流量且能保持工艺压力稳定。

在上述蚀刻等工艺过程中，工艺腔室内会聚集较多的反应生成物，在利用分子泵抽气时，这些沉积物会堆积到泵体内部，尤其容易堆积在泵下游侧的气体流路上。可以理解的是，在涡轮分子泵中，涡轮转子与静涡轮级之间始终保持较小的间隙运行。因此，如果涡轮转子与静涡轮级之间的间隙被反应生成物堆积时，会导致各种不良情况。例如，涡轮转子固接于静涡轮级额导致涡轮转子无法旋转；又例如，涡轮转子的叶片上堆积反应生成物产生动不平衡，进而影响旋转的稳定性。

鉴于上述问题，相关技术中可以利用增加温度控制装置的方法来解决上述问题。例如，可以在泵体上设置加热器及冷却水路，在泵体内部设置温度检测单元。工作时，利用温度检测单元检测主轴的温度，当测得的温度低于预设值时，可以控制加热器工作以提高泵体的问题；而当测得的温度高于预设值时，可以打开冷却水路的电磁阀使冷却水管能够对泵体进行冷却降温。以此维持涡轮转子以及主轴处于一设定的温度范围，以降低反应生成物的凝结。

然而，由于分子泵的转子高速运行的特点，导致温度检测单元的实现非常困难，现有技术中的检测方法或缺乏实时性，准确性，或实施方法复杂。例如，在一些相关技术中，可以基于间接检测的方法，通过检测泵体外壳的温度，来间接的确定主轴的温度。但是，这种检测方法所得到的温度并不是主轴的真实温度，并且具有一定的滞后性。

又例如，在一些相关技术中，可以利用永磁体磁特性的温度关系，即永磁体的剩磁及由其产生的磁场的场强或通量密度会随着温度变化。具体来说，可以在主轴上安装一个由温度线性的永磁材料制成的物块，随着转子实时温度的变化，该物块的剩磁大小会随之变化，转子温度与该物块的剩磁大小通常呈近似线性的变化，因此可以在分子泵的定子和/或底座上安装测量该转子永磁大小和方向的传感器，从而根据传感器测得的剩磁的大小，确定主轴的温度。

作为一种实现方式，还可以利用红外发射的原理将传感器安装在主轴上，然后在泵体上安装接收装置。

但是上述方法依然存在以下问题：涡轮分子泵在高速旋转工作时，在转子上额外安装的永磁体或红外发射传感器会额外增加转子的负载，在转子转速较高时，会在离心力的作用下被甩出，导致设备失效；并且，在安装永磁体物块或红外发射传感器后，需要对转子进行动平衡的调节，这将会增加制造成本。因此，亟需一种简单，可靠的测量转子温度的方法。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种测量温度的装置和方法，根据主轴的径向尺寸变化确定主轴的温度，实现对主轴温度的非接触式测量。

分子泵的主轴一般是由金属材料加工而成。根据物体热胀冷缩的原理，当温度升高时，主轴的直径增加；而当温度降低时，主轴的直径相应的减小。基于上述原理，在本申请的实施例提供的测试装置通过测量主轴的径向尺寸，根据主轴的径向尺寸，确定其温度。

图2示出了本申请实施例提供的测温装置的结构示意图，该测温装置可应用于测量如图1中所示的涡轮分子泵的主轴温度。同时参阅图1和图2，装置20包括距离传感器21以及处理单元22。其中，距离传感器21用于确定主轴12的径向尺寸。

在一些实施方式中，上述距离传感器21设置于泵体11内，使得距离传感器21的检测探头能够对准主轴12的柱面部分，且所述距离传感器21的检测方向与主轴12的轴线垂直。此时距离传感器21能够检测主轴12的柱面部分与检测探头的垂直距离L，该距离L的变化即能够反映主轴12的径向尺寸变化。

在一些实施方式中，上述距离传感器21可以是电涡流传感器。电涡流传感器利用电涡流效应的原理，能够准确测量被测物体与监测探头之间的相对位移变化，其长期工作可靠性较好，并且具有较快的反应速度。当然，本申请实施例中的距离传感器21也可以为其他类型的非接触式位移传感器。

本申请实施例中的测量装置20还包括处理单元22，所述处理单元22与距离传感器21电连接。距离传感器21的输出端连接到处理单元22的输入端，使得处理单元22能够接收距离传感器21发出的信号。

上述距离传感器21的输出信号例如可以是电压信号，则处理单元22能够根据该电压信号的幅值，确定所述主轴12的径向尺寸变化，再根据该尺寸变化，即可确定主轴12的当前温度。

下面对所述处理单元根据主轴的径向尺寸确定主轴温度方法进行详细的举例说明。当主轴的温度发生变化ΔT时，由于热胀冷缩的物理特性，主轴发生形变，其半径的变化量为ΔR。距离传感器的输出信号的电压幅值ΔV与主轴的外表面到距离传感器的检测探头的距离L成正比，也就是说，主轴半径的变化量ΔR越大，电压幅值ΔV越大，因此可以根据当前传感器的输出信号的电压幅值ΔV的变化计算得到ΔR。

在确定了的主轴半径的变化量ΔR后，即可确定主轴在当前时刻的温度T。根据主轴半径的变化量ΔR确定主轴温度T的方法可以有很多种，本申请实施例对此不做限定。例如，作为一种实现方式，可以通过预先测量在不同温度下主轴的半径尺寸，根据以上数据拟合出主轴温度T与主轴半径的变化量ΔR之间的函数关系T＝f(ΔR)，再根据当前测得的主轴半径的变化量ΔR即可确定主轴的温度。又例如，还可以根据主轴材料的热膨胀系数以及初始温度下主轴的尺寸，根据理论计算确定当前的温度。

可以理解的是，涡轮分子泵的主轴一般是由金属材料经车削加工而制成的，在实际加工过程中，会因车床主轴或加工刀具的跳动导致分子泵的主轴的外形轮廓具有波动变化。而分子泵的主轴转速较高，在实际运行时，会产生动态位移振动。

因此，为避免上述不利因素对测量准确度的影响。在一些实施方式中，本申请实施例的测试装置可以包括至少两个距离传感器，根据所述至少两个距离传感器的检测结果的均值，确定主轴径向尺寸，进而确定主轴的温度。这样可以降低因主轴外形轮廓的波动变化对测量准确度的影响。

进一步的，在一些实施方式中，上述至少两个距离传感器可以沿主轴的回转方向均匀设置。例如，当该测量装置中包括两个距离传感器时，可以将这两个距离传感器对称设置在主轴的两侧，这样既可避免因主轴跳动导致的测量不准确。

前文中说到，在涡轮分子泵实际工作时，主轴是通过设置在泵体内的电机驱动的。因此，在一些实施方式中，可以将距离传感器设置在电机的定子上，由于定子的温度变化较小，将传感器设置在定子上能够减小因传感器自身位置变化对测量精度的影响。

本申请实施例对距离传感器与定子的连接方式不做限定。例如，可以利用螺纹连接件将距离传感器固定在定子上。或者，作为一种实施方式，可以利用热膨胀系数较低的材料制成支架，利用支架将距离传感器和定子固定连接。又例如，还可以通过封胶固定的方式，将距离传感器固定在定子上。

上文结合图1-图2，详细描述了本申请的装置实施例，下面结合图3描述本申请的方法实施例。应理解，方法实施例的描述与装置实施例的描述相互对应，因此，为详细描述的部分可参见前面的装置实施例。

图3是本申请实施例提供的测温方法的示意性流程图，该方法可用于测量涡轮分子泵的主轴温度。图3中的方法包括步骤S31-S33。

在步骤S31，确定主轴的径向尺寸。

所述主轴的径向尺寸变化例如可以是主轴半径的变化量ΔR。

在一些实施方式中，确定主轴的径向尺寸可以是利用设置在泵体内的至少一个距离传感器，确定主轴的径向尺寸。或者，在一些实施方式中，还可以利用设置在所述泵体内的至少两个距离传感器，根据所述至少两个距离传感器的检测结果的均值，确定所述主轴的径向尺寸。这样能够避免主轴转动过程中因动态位移振动造成传感器输出信号的波动，进而降低测量的准确程度。

在一些实施方式中，上述至少两个距离传感器可以沿所述主轴的转动方向均匀布置。例如，将两个距离传感器对称设置在主轴的两侧，能够避免因主轴跳动导致的测量不准确。

上述距离传感器可以为电涡流传感器。电涡流传感器利用电涡流效应的原理，能够准确测量被测物体与监测探头之间的相对位移变化，具有较好的可靠性和较快的反应速度。

步骤S33，根据所述主轴的径向尺寸，确定所述主轴的温度。

在根据步骤S31确定了的主轴的径向尺寸后，即可确定主轴在当前时刻的温度T。

根据主轴半径的变化量ΔR确定主轴温度T的方法可以有很多种，本申请实施例对此不做限定。例如，作为一种实现方式，可以通过预先测量在不同温度下主轴的半径尺寸，拟合出主轴温度T与主轴半径的变化量ΔR之间的函数关系T＝f(ΔR)，再根据当前测得的主轴半径的变化量ΔR即可确定主轴的温度。又例如，还可以根据主轴材料的热膨胀系数以及初始温度下主轴的尺寸，根据理论计算确定当前的温度。

上文描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应理解，在本申请实施例中，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种测温装置，用于测量涡轮分子泵的主轴温度，其特征在于，所述涡轮分子泵包括：泵体；主轴，可旋转的设置在所述泵体内；涡轮转子，设置在所述泵体内，与所述主轴固定连接形成轴系转子；静涡轮级，与所述涡轮转子交替配合布置；驱动装置，能够驱动所述主轴转动，使得所述涡轮转子能够相对所述静涡轮级转动，所述测温装置包括：

至少一个距离传感器，设置在所述泵体内，用于确定所述主轴的径向尺寸；所述距离传感器的检测探头对准所述主轴的柱面部分；

所述驱动装置包括定子，所述距离传感器固定在所述定子上；

处理单元，与所述距离传感器电连接，用于根据所述主轴的径向尺寸，确定所述主轴的温度。

2.根据权利要求1所述的测温装置，其特征在于：

所述测温装置包括：至少两个距离传感器；

所述确定所述主轴的径向尺寸包括根据所述至少两个距离传感器的检测结果的均值，确定所述径向尺寸。

3.根据权利要求2所述的测温 装置，其特征在于：

所述至少两个距离传感器沿所述主轴的转动方向均匀布置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的测温装置，其特征在于：

所述距离传感器为电涡流传感器。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的测温装置，其特征在于：

所述距离传感器通过螺纹紧固件固定或粘接胶封固定在所述定子上。

6.一种测温方法，用于测量涡轮分子泵的主轴温度，其特征在于，所述涡轮分子泵包括：泵体；主轴，可旋转的设置在所述泵体内；涡轮转子，设置在所述泵体内，与所述主轴固定连接形成轴系转子；静涡轮级，与所述涡轮转子交替配合布置；驱动装置，能够驱动所述主轴转动，使得所述涡轮转子能够相对所述静涡轮级转动，所述方法包括：

利用设置在所述泵体内的至少一个距离传感器，确定所述主轴的径向尺寸；所述距离传感器的检测探头对准所述主轴的柱面部分；其中，所述驱动装置包括定子，所述距离传感器固定在所述定子上；

根据所述主轴的径向尺寸，确定所述主轴的温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述确定所述主轴的径向尺寸还包括：利用设置在所述泵体内的至少两个距离传感器，根据所述至少两个距离传感器的检测结果的均值，确定所述主轴的径向尺寸。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述至少两个距离传感器沿所述主轴的转动方向均匀布置。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：

所述距离传感器为电涡流传感器。

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