泵系统和操作泵系统的方法

本发明涉及一种泵系统以及操作泵系统的方法。

在半导体器件和平板显示器制造中以及金属化处理中通常使用真空处理以便在基底上淀积薄膜。用于将较大处理腔，如负荷锁紧腔，抽真空到要求的压力的泵系统通常包括至少一个串联连接到至少一个前级泵的增压泵。

增压泵典型地具有无油泵机构，因为在泵机构中存在任何润滑油可以造成在其中进行真空处理的洁净环境的污染。这种“干”的真空泵通常是在泵机构中采用内啮合转子的单级或多级的正位移泵。该转子可以在每一级中具有相同的轮廓型式或者各级在轮廓可以变化。前级泵既可以具有与增压泵类似的泵机构，也可以具有不同的泵机构。

异步交流电机典型地驱动增压泵的泵机构。这种电机必须具有一个额定功率，以使泵能够对泵入口与出口之间的被泵的气体提供充份的压缩以及对要求的功率是足够的泵速度效果。

供给到增压泵电机的功率的一部分在排气中产生压缩热，特别在中等和高入口压力水平时，这样泵体和转子可能发热。如果不充分控制产生的压缩的不均匀压力，则可能有过热增压泵的危险，最终导致润滑不足、过热膨胀和卡住，因此对于增压泵的尺寸和泵速度的标准电机通常这样来选择，即在低入口压力时在正常使用中应该能提供充份的压缩，但是如果在中等或高入口压力水平下工作而没有保护装置则仍有过热的危险。

在上述传统的泵系统中，可能需要在高到中等入口压力下频繁和重复地工作。例如，重复地从大气压力到压力将负荷锁紧腔抽真空以便能够使位于腔内的基底被传输到处理腔，并且继而暴露到大气压力中以便能使处理的基底被卸下并用新的基底置换。由增压泵产生的气体压缩的大小，以及在其入口与出口之间产生的不均匀压力可以用各种装置来限制以便控制产生的热量并限制过热的危险。如果太过份地限制增压泵产生的气体压缩，则可能不希望地减慢大真空腔的最终抽真空的时间。如果不充份地限制由增压泵产生的气体压缩，而真空腔的最终抽真空时间可以加快，则机械的增压泵可能过热。

对于驱动增压泵的电机，可以在电机与电机的动力源之间设置一个可变频驱动装置。这一驱动装置通过将动力源供给的交流电转变成直流电来工作，然且将直流电转换成要求的幅值和频率的交流电。通过控制供给到电机的电流来控制供给电机的功率，该电流转而通过调节电机中电压的频率和/或幅值来控制。供给电机的电流确定在电机中产生的扭矩的大小，并因此确定能旋转泵机构的可能的扭矩。电力的频率确定泵机构的旋转速度。通过变化电力的频率，增压泵可以保持恒定的系统压力，即使是在气体负荷可能明显变化的条件下。

为了防止增压泵的过载，驱动装置设定对电力频率的最大值(fmax)，和对供给电机的电流的最大值(Imax)。此电流限制对电机的持续额功率一般是合适的，并且将限制由泵机构产生的有效扭矩并因而不均匀压力效果的大小，因而限制产生的排气热量。

在快速抽真空循环的开始，希望尽可能快地旋转泵机构以便最大化抽真空率。由于在循环开始时气体的高压力，也就是较高的密度，需要大扭矩以在fmax左右的频率处旋转泵机构，并因此要求高的电流，该高的电流通常大于Imax。为保护电机不受损坏，供给到增压泵的电机的电力频率被迅速降低到低于fmax的某个水平，导致泵旋转速度的陡降，尽管限制产生的不均匀压力。随着抽真空的进行以及入口压力的降低，驱动装置将在一有限的时间向fmax向上斜升频率以便逐渐增加增压泵的旋转速度。尽管这一点保护增压泵在所有入口压力时免于过热，但当降低旋转速度时此时间间隔可以代表将腔从大气压力抽真空到要求的低压力(“泵降低”时间)需要时间的不希望的延长。

至少本发明的优选实施例的一个目标是寻求解决这些和其它问题。

在第一方面，本发明提供一种泵系统，它包括泵机构；驱动该泵机构的电机；和控制该电机的控制器，其中该控制器设定电机旋转频率的最大值(fmax)以及电机中电流的最大值(Imax)，以优化该泵系统的性能，在泵系统的工作过程中调节所述最大值。

该系统最好包括向电机供给可变频率电力的转换器，该控制器在泵系统工作过程中调节电力的幅值和频率。

该控制器最好被构造成以接受来自监测系统内一或多个状态的传感器的信号，并根据监测的状态调节至少一个最大值。例如，至少一个传感器被构造成提供指示泵系统内气体压力的信号。该控制器根据接受的信号调节至少一个最大值。在另一例子中，至少一个传感器可以构造成提供指示泵系统的温度的信号，该控制器根据接受的信号调节最大值的至少一个。还是在另一例子中，不利用外部传感器而代之以该控制器仅根据时间，根据建立的系统构形与参数，调节最大值的至少一个。

在优选实施例中，这些最大值的两个在容器从大气压力的抽真空过程中随着气体压力的降低而变化。控制器被构造成在较高压力时在泵系统的工作过程中以增加电机中电流最大值(Imax)，以及在较低压力时在泵系统的工作过程中增加电机旋转频率的最大值(fmax)。

在第一，较高压力区域，即在该区域在入口处到泵机构的压力从大气压力下降时，Imax可以被增加到这样的值，即在此高压区域使用的过程中，Imax大于电机的标称规范，并且足以能使增加的不均匀压力被扩大，这样增压泵入口压力达到比具有标称Imax可能要低的水平，以其出口直排到大气。

如果以此Imax的提升值对整个抽真空循环操作，则具有电机可能过热的危险。鉴于此，一旦压力降到第一预定值以下，例如，100毫巴与500毫巴之间，Imax的值被降到提供最佳的泵性能同时保持产生的压力不均匀在安全限制以内以防止泵机构的过热。

当气体压力达到低于第一预定值的第二预定值时，例如，1毫巴与100毫巴之间，更优选地在10毫巴与100毫巴之间，从容器泵出的气体的密度将不足以造成泵机构过热的危险，所以可以增加fmax以改善泵性能。

作为一种选择为了独立于供给到泵机构的气体压力改变最大值，最大值的至少一个可以根据从泵机构排放气体的压力来调节。作为另一选择，可以根据泵机构的主体温度和/或在其入口处进入泵机构的气体温度和/或从泵机构在其出口处排放气体的温度调节这些最大值。

泵机构最好是从容器泵出气体的增压泵的泵机构。该泵系统也可以包括一个初级，或前级泵，它具有连接到增压泵排气口的入口。如果使用分立的排放管线允许自由排放气体废气直接到大气，该排放管线不经初级泵迂回，并且对其旋转速度无限制，则增压泵在高入口压可以独自提供比经过初级泵连接的可以达到的更高的最后的泵速度，从大气压力下降到由可能的电机功率确定入口压力。这能够达到比另外的结果更快地将容器抽真空。如果此排放管线以压力释放阀终结，则每当从增压泵排放气体的压在大气压力以上时，则它将对大气打开并自由地排放，允许增压泵在最大标称速度处工作。因此，该系统最好包括一个与来自增压泵机构的排气口流体沟通的压力释放阀以便选择性地释放由增压泵机构压缩的气体到大气中。当来自增压泵的排气压力下降到大气压力以下时，该压力释放阀最好构造成自动地关闭，在该点处初级泵在进一步降低增压泵出口压力和增加最后的泵速度变得有效。

压力释放阀的关闭能够提供泵系统内压力的方便指示，并因此至少一个传感器可以被构造成以监测压力释放阀的位置，而控制器被构造成以便当压力释放阀从打开位置移动到关闭位置时降低电机中电流的最大值。

在第二方面，本发明提供一种操作泵系统的方法，该泵系统包括泵机构和为驱动该泵机构的电机，该方法包括设定电机的旋转频率的最大值和电机中电流的最大值的步骤，同时，在泵系统的工作过程中，调节所述最大值的优化该泵系统的性能。

有关本发明系统各方面的上述特征同样可应用到本发明的方法的各方面，反之亦然。

现在将参照附图描述本发明的优选特征，其中

图1示意地表示为将容器抽真空的泵系统的一个例子；

图2示意地表示为驱动图1的泵系统的增压泵电机的驱动系统的第一实施例；

图3更详细地表示图2的驱动系统的可变频驱动装置；

图4是表示图1的泵系统工作过程中容器的最后泵速度，或抽真空率，对入口压力的曲线；

图5示意地表示为驱动图1的泵系统的增压泵电机的驱动系统的第二实施例；以及

图6更详细地表示图5的驱动系统的可变频驱动装置。

图1表示为将容器10，如负荷锁紧腔或其它较大的腔，抽真空的真空泵系统。该系统包括串联连接前级泵14的增压泵12。该增压泵12具有由抽真空通道18，最好是管道18的形式，连接到容器10的一个出口20的入口16。增压泵12的排气口22被管道24连接前级泵14的一个入口26。该前级泵14具有一个排气口28，它从容器10向下排放气体到大气。

尽管表示的泵系统包括单一的增压泵和单一的前级泵，但是根据容器的泵需求可以设置任何数目的增压泵。在设置若干个泵处，这些泵并联连接因此每个增压泵可以面临相同的工作条件。在设置较大数目的增压泵处可以并联设置二或多个前级泵。此外，类似地由于增压泵的第一排与前级泵之间的需要可以设置并联连接的增压泵的附加排。

也参照图2，增压泵12包括由可变速的电机32驱动的泵机构30。增压泵典型地主要包括干(或无油)泵机构30，但是通常也包一些零件，诸如轴承和传动齿轮，以驱动需要润滑的泵机构30以便更有效。干泵的例子包括罗茨(Roots)泵，Northey或(“爪形”)泵和螺杆泵。包括Roots和/或Northey机构的干泵通常是多级正位移泵在每个泵腔内采用内啮合转子。该转子置于反旋转的轴上，并可以在每个腔中具有同一型式的轮廓或者轮廓对于腔可以变化。

前级泵14既可以具有与增压泵12类似的泵机构，也可具有不同的泵机构。例如，该前级泵14可以是旋转叶片泵、旋转活塞泵、Northey，或“爪形”，泵、或螺杆泵。前级泵电机34驱动增压泵12的泵机构30。

增压泵12的电机32可以是任何驱动增压泵12的泵机构30的合适的电机。在优选实施例中，该电机32包括异步的交流电机。驱动电机32的控制系统包括可变频驱动装置36以接受由电源38供给的交流电并将接受的交流电转变成电机32的电源。

图3更详细地表示该驱动装置36。该驱动装置36包括一个转换器40和一个转换器控制器42。如已知的，该转换器40包括一个整流电路以将来自电源38的交流电转变成脉冲直流电，一个中间直流电路以将脉冲直流电滤波成直流电，以及一个转换器电路以将直流电转换成交流电用于驱动电机32。

转换器控制器42控制转换器40的工作因此电源具有要求的幅值与频率。该转换器控制器42根据泵系统的工作状态调节电源的幅值与频率。在图2和3所示的例子中，转换器控制器42根据泵系统内的气体压力控制电源。如所示，该转换控制器42从第一压力传感器44接受指示增压泵12入口16处压力的第一信号以监测管道18内的压力。另一选择，或者此外，转换器控制器42可以从第二压力传感器46接受指示增压泵12排气口22处压力的第二信号以监测管道24内的压力。然后转换器控制器42根据第一和第二信号的一个或二个改变功率。当来自转换器40的功率输出的频率变化时，电机32的旋转频率根据频率的变化而改变。因此在容器10抽真空的过程驱动装置36能够改变增压泵12的速度以便优化增压泵12的性能。

转换器控制器42对驱动装置36的二或多个工作极限设定二或多个值；特别是，供给电机32的电力的最大频率(fmax)和可以供给电机32的最大电流(Imax)。如上所述，通常这样设定Imax的值，即它对电机32的持续额定功率是合适的，也就是，电机能够在长时间内工作的功率达不到过载状态。对供给到电机的功率设定最大值具有限制对泵机构30可能的有效扭矩的作用。这一点转而将限制最终的跨越整个增压泵12的不均匀压力，并因此限制在增压泵12以内产生的热量。

该转换器控制器42还监测供给到电机32的电流。供给电机32的电流取决于由驱动装置36供给到电机32的交流电的频率和幅值。如果供给到电机32的电流超过Imax，则转换器控制器42控制转换器40以迅速降低供给到电机32的电力的频率和幅值，因而降低电流到Imax以下和增压泵12的速度二者。

回到图1，分支管道48连接到在增压泵12的排放口22与前级泵14入口26之间延伸的管道24。该分支管道48在过压释放阀50中终结。当管道中压力达到预定压力时，在此例中是大气压力左右，或稍高于大气压，则释放阀50打开将管道24内的压缩空气释放到大气中。如在图2和3所示的，可以设置传感器52用以输出指示释放阀50的位置信号，该信号也送进到转换器控制器42。因此该转换器控制器42可以接受来自传感器44、46的指示分别在增压泵12的入口16和出口22的压力，以及来自传感器52指示压力释放阀50的位置的信号。

现在将描述操作图1至图3所示的以便将容器10从大气抽真空到要求压力的泵系统的方法。

在容器10抽真空的初始阶段过程中的高入口压力时，从增压泵12排放气体的压力将，由于被增压泵12的泵机构30的气体压缩，在大气压力之上，并因此压力释放阀50打开以允许从增压泵12排放的气体被直接地排放到大气中以便改进泵系统的最后的泵速度。

如上所述，转换器控制器42预设定适合于电机32的持续额定功率的Imax和fmax的值，也就是电机能长时间工作而不达到过载状态的功率。在泵系统的此初始工作阶段中，由于通过增压泵12的较高气体压力，需要高电流以对电机32提供足够的扭矩以便在接近fmax的频率处旋转泵机构30并跨越机构产生相当大的局部压力以使泵下降到满意的中间压力。为此优化的电流通常可以大于Imax的正常值。为了在容器10抽真空的此初始阶段中最大化增压泵12的泵容量，Imax的值顷刻地增加到允许要使用的增压泵12的全容量的值，也就是，达到比电机的正常额定功率要高的值。因此增压泵瞬时地“过载”以便延长在容器10抽真空的此初始、高压阶段中容器抽真空增加的速度，如图4中“H”指示的，该处表示在53处容器10的最后的泵速度，或抽真空率的变化，具有在泵系统工作过程中与类似变化，55处所示的，相比较的入口压力，对于在工作过程中不改变fmax和Imax的泵系统。另一选择，电机显著大于通常安装到增压泵的电机并具有可能使用的较高电流额定值因此Imax的瞬时增加值，事实上，不代表任何电机的过载状态。

为了避免由于以升高的Imax值延长工作的增压泵12过热，Imax的值相继回到预设定值：

·在第一预定的时间区间之后已经过去；或

·当泵系统中的气体压力已经达到第一预定值。

此第一预定值可以根据从任何传感器44、46、52接受的信号来监测。例如，图4中54所指示的，当增压泵12入口处的气体压力，如同来自传感器44的输出信号所指示的，下降到第一预定值以下时，在所示例中该预定值大约200毫巴，增压泵12的此过载可以终止。作为另一选择，当增压泵12排气口22处的气体压力，如由来自传感器46的输出信号所指示的，下降到第一预定值以下时，在所示例中该预定值是接近大气压力，增压泵的过载可以终结。这一点可以方便地通过压力释放阀50的闭合来监测，因为由传感器52输入到转换器控制器42。因此从这三个传感器44、46、52输出的任何一个信号可以被用作触发信号降低Imax的值。在此点Imax降低的结果将典型地是增压泵电机旋转速度的降低。

在容器10的抽真空的第二、中间压力阶段中Imax的值下降到预设定值(如图4中“I”指示的)，能够优化在此中间压力阶段过程中增压泵的性能同时保持增压泵12产生的压力不均匀处在一极限以内，这就防止泵12的过热。由于压力释放阀50的闭合已经使初级泵14与增压泵12流体沟通，所以该初级泵14现在在增加泵系统的最后的泵速度变得有效，该速度，如图4所示的，随着增压泵12入口16处的压力持续下降而稳定地增加。

随着抽真空的进行和增压泵12入口16处的压力降低，转换器控制器42逐渐增加供给到电机32的电源的频率以保持Imax附近有的电流以便最大化泵速度。随着进入增压泵12的气体压力的降低，此气体的密度也降低，因此由于入口压力降低增压泵12过热的危险降低。鉴于此，为了在容器进一步抽真空的过程中最大化增压泵12的性能，转换器控制器42增加对于容器10的抽真空的第三、低压阶段的fmax值(如图4中“L”指示的)。fmax值的增加可以由以下方式触发：

·第二预定时间区间的终止；或

·当泵系统中气体压力已经达到低于第一预定值的第二预定值时。

此第二预定值可以从自任何传感器44、46接受的信号监测。例如，如图4中在56处指示的，当增压泵12入口16处的气体压力，如由传感器44输出的信号指示的，下降到第二预定值以下时，在所示例子中该值是30毫巴左右，fmax的值可以增加。作为另一选择，当增压泵12排气口22处的气体压力，如由来自传感器输出的46信号指示的，下降到第二预定值以下时，fmax可以增加。很清楚，在仅由转感器44的输入确定第一与第二预定值的地方，无需设置传感器46、52。另一种选择，二，或多个，压力信号之间的关系可以用于获得适当的控制信号。

因此泵系统能够组合在高入口压力处增压泵12排气到大气中的好处与增加的泵速度，同时在中等入口压力处保持能控制工作温度并且进一步提供在低压力时增加的泵速度。

控制驱动装置36的另一技术如图5和6所示。此技术类似于参照图2和3所描述的，但图5和6所示例子除外，转换器控制器42根据泵系统内的一或几个温度控制动率。如所示的，该转换器控制器42从第一温度传感器60接受指示泵机构的温度的信号。另一选择，或此外，该转换器控制器42可以接受来自第二温度传感受器62的指示从增压泵12排放气体的温度的第二信号以监测管道24内气体的温度。另一选择，或此外，该转换器控制器42可以接受来自第三传感器70指示进入增压泵12的气体温度的信号以监测管道18内气体的温度。另一选择，二，或几个，温度信号之间的关系可以用于获得适当的控制信号。然后转换器控制器42根据第一、第二和第三信号的一，或几个改变功率和fmax及Imax的值。例如，当一个温度达到第一预定值时，fmax的值回到预定的值，而当一个温度达到不同于第一值的第二预定值时，增加fmax的值。