用於淨化室的高壓設備和工藝的製作方法
2023-06-13 23:02:56
專利名稱：用於淨化室的高壓設備和工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種藉助一個結構非常緊湊的旋轉對稱的往復活塞系統封閉容器或成形或壓制半成品的設備，它包括一個運動的工作活塞和一個運動的增強活塞，它們分別在缸內導引。工作活塞水力驅動而增強活塞氣動驅動，兩者通過處於一個在工作缸的底面與增強活塞的端面之間空腔內的流體沿軸向直接作用連接。工作活塞端面至少構成容器蓋的一部分或與容器的蓋剛性連接，或工作活塞的端面構成工具或與工具剛性連接。
背景技術：
在半導體生產、光電子工業和在其他工業分支中總是發展多種產品，它們藉助或基於微結構或毫微結構實現一些中心功能。這些微結構或毫微結構尤其在其生產期間對於最輕微的汙染也極為敏感。因此對加工工藝的組成部分有關允許的排放提出了最高的要求。毫微結構表面所需要的淨化步驟有些已不再或很難能藉助普通的淨化液。因此，一段時間以來大規模地使用超臨界的流體，它們有更好的潤溼及淨化特性。為此需要150至300bar以上的過程壓力，從而需要一些特殊的裝備。迄今機械上適用的高壓設備不適用或不直接適用於淨化室。本發明說明一種使用於淨化室的高壓設備，它在高的壓力水平時負荷快速變換的情況下只產生最小量的排放物並設計為非常緊湊的結構形式。
壓力超過150bar的往復活塞式設備在多種多樣的技術中使用並在專利和專業文獻中有詳細的介紹。
由文獻還已知一些往復活塞式設備，它們主要包括工作活塞和增強活塞，其中增強活塞的端面沿軸向作用在工作介質上，工作介質處於工作活塞底面下方的缸空腔內並促使工作活塞作工作行程或產生最終壓力。
文件DE 10026616A1和WO 01/69088A1介紹了上述往復活塞式設備，其中工作活塞的工作介質與壓力轉換器的工作介質是一致的。JP 55126103公開了一種此類往復活塞式設備，它配備一附加的其中暫時容納被排擠的液壓液體的容器。此外WO 01/69088A1還公開了工作活塞的復位功能，它設計為使工作活塞的柱塞在一個彈簧中導引，在活塞衝程時彈簧在缸頭與活塞底部之間夾緊。當在活塞上終止力的作用時，彈簧卸壓並將工作活塞導引到原始位置。
由文獻還已知並詳細說明了一些往復活塞式設備，它們規定工作活塞用的工作介質不同於增強活塞的工作介質。在文件JP 09280202或DE 19946678A1中介紹的液壓-氣動設備在這裡被列舉作為此類組合式往復活塞設備的範例。
流體和氣體用作工作介質，其中使用約達160bar的水和超過160bar特許的液壓油。惰性氣體和空氣是常用的氣態工質。液壓油有重要的有益特性，尤其包括滑動面的潤滑特性、低的可壓縮性以及高的熱穩定性。
在活塞系統中不能完全消除的不利因素主要是材料磨蝕和工作介質的漏洩。摩擦和壓力引起的材料損耗，例如磨損、蒸發和液化，對基本材料本身和尤其對密封系統，發生的程度都是輕微的。在往復活塞式設備中的材料損耗主要取決於滑動面的表面性質和構件加工公差、密封裝置的材料和徑向壓力、以及溫度。
在每個活塞行程時總是以某種程度伴隨產生的工作介質的漏洩，在功能上主要取決於表面性質、粘度、缸空腔內的靜壓，以及取決於密封裝置結構及其徑向壓力。
高的工作壓力要求接觸並彼此運動的表面充分地潤滑，其結果是導致相應的漏洩量。這種效果藉助適用的密封系統和高質量的表面加工減到最低程度。提高抑制漏洩的擠壓力的可能性顯然是受限制的，因為隨著壓力的升高也會增加密封材料的破壞或磨蝕，這同樣意味著排放和接著導致增加漏洩量。此外達到機械承載能力和經濟的運行方式的極限。
由上述原因產生的材料磨蝕和漏洩帶來的汙染在生產區內尤其對於淨化室工藝過程是極為有害的。例如在DIN 2083中或在聯邦標準209D中規定了純度等級。各種類型的排放物直接影響這些工藝過程中的產品質量，以及要藉助設備和組織工作方面的高投入來將它們降到最低程度，這些與相應的高費用相關聯。特別嚴重和有害的是通過油霧汙染，因為含油的排放物往往是化學活性的，以及只能用含溶劑的物質重新去除，而這些物質在淨化室內也是不希望或十分有害的。
眾所周知，在淨化室中使用的液壓式往復活塞設備存在一些問題並可藉助恰當的抽吸裝置使之適合在淨化室中應用(SWISSContamination Control 5(1992)Nr.5，第8頁起)。當使用壓制工具生產CD盤時，在半成品上出現油的粘附。研究表明，汙染源就是液壓油。通過在工具的推桿上安置封閉的皮碗和抽吸壓制外殼及皮碗處的空氣，可以達到期望的淨化室適用性。
另一篇專業論文公開了一種設計為無活塞杆的氣動缸(Dr-lng.E.Fritz；Schrift zum 1.Int.Forum Fluidtechnisches Kolloquium，Band 2，第283頁起)。通過在覆蓋帶與密封帶之間空腔內造成部分真空度，達到淨化室的適用性。為此在缸的管上安裝真空接頭並導出排放物。
上述有抽吸裝置的往復活塞式設備的缺點是，需要附加的系統以保證最低的顆粒濃度，必須安裝這些系統和使它們持續運行。
對於更複雜的其中適用於淨化室的部件與不太適用的部件同時使用的生產流水線，實施在空間上的隔離。在所謂的「保持區(Maintenance Bereichen)」內安裝不適用於淨化室的設備，而在所謂的「白空間(White Rooms)」內安裝適用於淨化室的部分設備。這種方案需要昂貴的閘口和採取有組織的預防措施，以保證抑制來自「保持區Maintenance Bereichen)」的汙染。
US 6,067,728公開了一種藉助超臨界CO2乾燥晶片的設備和方法，其中設計了一個氣動-機械式封閉設備。容器蓋的封閉藉助一個氣動活塞和槓桿裝置實現，藉助此裝置預壓。蓋的鎖止通過夾子進行。在氣動-機械地封閉過程室後，將一個或多個靜力夾子對稱地定位在蓋的邊緣上。這些夾子沿容器蓋和容器底的邊機械地推移，並保證在過程期間內壓增高時容器的密封性。
上述發明的缺點是有許多運動部分，它們的排放物肯定是有危害的，以及每單位時間的衝程數或可能的過程循環受要求的行程距離的嚴重限制。此外，許多過程需要昂貴的控制裝置。
發明內容
本發明的目的是，通過在原來的往復式活塞上採取技術措施，使得不再需要附加的抽吸和安全裝置或空間上的分割。此外，結構設計應做到能用儘可能小量的運動和儘可能少的運動構件滿足可靠運行的要求。
本發明為達到此目的按照主權利要求設計了一個設備用於藉助往復活塞缸來封閉工藝過程用的容器，此設備的特徵在於，往復活塞缸由至少一個水力驅動的工作活塞組成，它與一個氣動驅動的增強活塞通過流體沿軸向直接作用連接，其中工作活塞的端面設計為容器總體的結構部分並意味著是容器的蓋。
此外，按本發明滑動面的至少一部分有超過60％的表面結構支承比(Tragverhltnis)。
按本發明的另一項設計，滑動面的至少一部分是淬硬的。
按另一項工藝設計，在缸空腔內使用一種不同於水的流體，這種流體優選地是一種易揮發的介質，或可考慮使用一種氣體作為工作介質。氣動的工作活塞可以有利地用壓縮空氣或另一種氣體或氣體混合物推動。
按工藝設計的另一種有利的方案，藉助包圍在缸空腔內的流體通過工作活塞的復位直接實現增強活塞的復位，為此使流體作用在增強活塞的端面上並使增強活塞返回原始位置。
工藝設計的另一種方案在於，往復活塞和封閉設備與在容器內實施的過程循環同步化。
按工藝過程的另一種有利的方案，在工作活塞端面上和/或在容器內的壓力按規則180bar以上，其中，在端面的壓力按規則至少等於或大於容器內的壓力。
本發明還包括工藝過程用的設備的一種應用，其中在容器內使用至少一種超臨界氣體。
因此，按本發明的設備和這種工藝方法可有利地應用於直接或間接在淨化室內或在類似的實驗或工作場所進行的過程。
此外，本發明還包括所述設備和/或工藝方法在一些過程中的應用，這些過程直接或間接地與半導體工業和/或晶片製造、光學工業以及製藥和/或醫學工業的至少一種應用、生產或工藝過程相結合。
按設備的另一種有利的設計，工作活塞的端面設計為壓制工具或與壓制工具剛性連接，以及此壓制工具相對於工作活塞同樣基本上沿軸向移動。因此，本發明包括一種使用上述壓制工具的壓制工藝，它在淨化室條件下使用於壓制過程，例如成型、粘結或裝料。
圖1至4表示設備縱剖面。其中圖1往復活塞式設備；圖2往復活塞式設備和閥的操縱，處於往復過程的原始位置(「容器開」)；圖3往復活塞式設備和閥的操縱，在預壓階段結束後和壓力增強部處於原始位置(「容器關閉」)；以及圖4往復活塞式設備和閥的操縱，在高負荷階段中和壓力增強部處於終端位置(「容器鎖閉」)。
具體實施例方式
下面藉助例子和圖1至4詳細說明本發明。圖1表示按本發明的液壓-氣動往復活塞式封閉設備，其中水力驅動的工作活塞1沿軸向通過處於缸空腔3內的流體與氣動驅動的增強活塞2直接作用連接。壓力增強部的端面18作用在上述流體上以及平行於工作缸的底面19布置。此外，工作活塞1的端面構成壓力容器9的蓋以及在本設計中是容器9的底板。按本發明的往復活塞式和封閉設備的滑動面13-16設計為使它們有高的支承比和/或高的硬度。
圖2至4示意表示設備及工藝過程，如它們按工業的比例1∶1在試驗設備中所實現的那樣。此試驗設備滿負荷持續運行10周以上。在缸空腔3內的預調壓力再大的水管道網在無需附加地提高壓力的情況下達到以及供給約6bar。作為用於缸空腔4的氣動工作介質使用來自壓力瓶組的N2，在這種情況下通過適當卸壓壓力達到25bar。這種試驗設備或這種工藝過程在10周內用工作活塞1端面17處約260bar的工作壓力不間斷地完成約100000次負荷變換。在此試驗設備中，工作活塞1的端面移靠在一支架上並在每個循環保持約3秒鐘。
有關材料滑動面的準備工作應強調指出，滑動面必須有支承比大於60％，以防止滑動面卡死，而且有利的是這些面淬火硬化。使用奧氏體材料，但這種設備並不限於這一材料類。
在文獻中已充分說明了達到高支承比的方法。例如作為可能的方法可採用珩磨、研磨或滾壓處理。經如此預處理的表面的硬化可藉助等離子滲氮、不損失耐蝕性的表面硬化(Kolsterisierung)或滲鉻實現以及同樣可看作先有技術並由專業公司商業提供。
此外包括一種運行按本發明的設備的工藝過程，其中工作活塞1通過水力靜壓移到負荷位置(圖3)。工作閥21操縱為將孔10和11關閉。通過控制增強閥22在增強活塞的底面20施加壓力並使之移動。在這種情況下按照底面20與端面18的面積比增大封閉的缸空間3內的最終壓力，以及在密封裝置23處通過工作活塞1產生端面18在容器9上所要求的擠壓力。
在負荷循環結束後，增強閥22打開以及缸空腔4卸壓，壓力增強部2的工作介質排入大氣中。隨後，將工作閥21控制為給缸空腔5水力加壓，從而使工作活塞1與增強活塞2同步移到原始位置。
循環從位置「容器打開」重新起動(圖2)，此時通過控制工作閥21將工作介質通過孔10導入缸空腔3內。
參見先有技術特別有利的是壓力增強部2與工作活塞1的復位相關聯。由於這種耦合不再需要增強活塞2單獨的復位裝置並可實現閥的準確同步。同樣有利的是在負荷循環的一開始閥的控制基本上脫耦。為了在缸空腔3內初始加壓，可將增強閥22保持在負荷循環結束時操縱的位置(位置「容器鎖閉」；圖4)。與已知的設備相比較，通過活塞復位的同步化、負荷循環開始時閥控制的脫耦以及很短的行程距離，做到了使本設備不需要複雜的控制系統，以及特別適用於負荷快速變換和高的壓力。
與已知的設備相比較，基本上避免了機械損傷，因為實現了一種從增強活塞經由缸空腔3中的流體橋到工作活塞的間接傳力。為保證這一點缸空腔5和6在活塞終端位置「容器已閉」時不完全排空，並因而使活塞表面決不會沿軸向的行程方向與缸壁接觸。這一情況同樣也適用於增強活塞端面與工作活塞底面的關係。
與已知的往復活塞式設備相比特別有利的是，液壓驅動的工作活塞1柔和的移動方式，所以密封裝置25和27隻受小的載荷。在通過壓力增強部2加入最終的力使工作活塞1處於終端位置時，在密封面與活塞壁13和15之間不再進行相對運動。源於密封裝置24和26的可能的排放物被抑制在缸空腔3、4和6內，並在正常的工作循環時經由孔10、12和24排出。不需要附加的部分真空，並因而與先有技術相比獲得突出的優點。
附圖標記一覽表1 工作活塞2 增強活塞3 缸空腔4 缸空腔5 缸空腔6 缸空腔7 工作缸8 增強缸9 壓力容器10 孔11 孔12 孔13 滑動面14 滑動面15 滑動面16 滑動面17 工作活塞的端面18 增強活塞的端面19 作活塞的底面20 增強活塞的底面21 工作閥22 增強閥23 密封裝置24 密封裝置25 密封裝置26 密封裝置27 密封裝置
權利要求
1.一種往復活塞式設備，用於封閉一個至少由一個底部和一個蓋組成的容器，設備包括至少一個運動的各有一個工作缸(7)的工作活塞(1)和至少一個運動的同樣各有一個增強缸(8)的增強活塞(2)，它們全都是旋轉對稱的，其中，工作活塞(1)及其工作缸(7)以及增強活塞(2)及其增強缸(8)沿一條旋轉軸線排列，並且，工作活塞(1)在處於工作缸(7)內的活塞端上具有至少一個在外表面上徑向環形的增強部，從而將工作缸(7)與工作活塞(1)之間的內腔分成至少兩個空腔(3和5)，並且在工作缸(7)中至少一個孔(10和11)通向每個空腔，其中，工作活塞(1)水力驅動而增強活塞(2)氣動驅動，其特徵為-工作活塞(1)和增強活塞(2)通過處於一個在工作活塞(1)的底面(19)與增強活塞(2)的端面(18)之間的空腔(3)內的流體相對於旋轉軸線沿軸向直接作用連接，其中-工作活塞(1)的端面至少是容器(9)的蓋的一部分或與容器(9)的蓋剛性連接，以及-這個與工作活塞(1)有關的蓋同樣基本上沿旋轉軸線移動並且容器(9)設置在工作活塞(1)端面的對面，以及-在缸內表面和活塞表面上定位在缸與活塞表面彼此接觸地對置的且平行於旋轉軸線地相互運動的區域內的滑動面(13至16)中的至少一個具有大於60％的支承比，其中，支承比是在表面結構內隆凸的部分與凹陷的部分之比，以及-此活塞式設備在輸入和導出驅動介質方面是開式的。
2.按照權利要求1所述的設備，其特徵為在缸內表面和活塞表面上定位在缸與活塞表面彼此接觸地對置的且平行於旋轉軸線地相互運動的區域內的滑動面(13至16)中至少一個是淬硬的。
3.按照權利要求1或2之一所述的設備，其特徵為通過·對控制工作缸(7)的缸空腔(3和5)的供入和排空的工作閥(21)進行定位，使工作活塞(1)的底面(19)用流體加載，為此通過至少一根壓力管和孔(10)將流體導入到在增強活塞(2)的端面(18)與工作活塞(1)的底面(19)之間的空腔(3)內，繼而·使工作活塞從原始位置「容器未閉」移到預壓位置「容器已閉」並且將容器(9)封閉，·接著將工作閥(21)操縱為關閉所有通向為工作活塞(1)的工作缸(7)配設的孔(10和11)的通路，以及通過隨後的·對控制增強活塞的缸空腔(4和6)的供入和排空的增強閥(22)進行操縱，使增強活塞(2)的底面(20)用流體加載，為此通過至少一根壓力管和在缸壁中的孔(12)將流體導入到在增強活塞(2)的底面(20)下方的缸空腔(4)內，繼而·使增強活塞(2)移到終端位置「容器鎖閉」，並且將此位置「容器鎖閉」保持任意長的時間，接著·打開增強閥(22)，使在增強活塞(2)的底面(20)下方的缸空腔(4)內的流體卸壓，以及隨後·操縱工作閥(21)，通過至少一根壓力管和孔(11)使工作活塞(1)的工作缸(7)的上部空腔(5)用流體加載，並且將壓力作用到活塞增強部的與工作缸(1)的底面(19)對置的並基本上與之平行且基本上環形的面上，使得工作活塞(1)移到原始位置「容器開」，此時·包圍在工作活塞(1)下方的空腔內的流體作用到增強活塞(2)的端面(18)上並同樣將增強活塞移到原始位置。
4.按照權利要求1至3之一所述的設備，其特徵為作為在工作活塞(1)的工作缸(7)的空腔內的流體，使用一種由乙醇、甲醇、異丙醇和類似物質或它們的混合物構成的組中選擇的易揮發介質，或使用一種氣體，它主要由CO2、氧氣、氮氣、一種惰性氣體或它們的混合物組成。
5.按照權利要求1至4之一所述的設備，其特徵為作為在增強活塞(2)的增強缸(8)的空腔內的流體，使用一種由乙醇、甲醇、異丙醇和類似物質或它們的混合物構成的組中選擇的易揮發介質，或使用一種氣體，它主要由CO2、氧氣、氮氣、一種惰性氣體或它們的混合物組成。
6.按照權利要求1至5之一所述的設備，其特徵為工作活塞(1)的端面(17)按規則工作壓力達到180bar以上。
7.按照權利要求1至6之一所述的設備，其特徵為在容器(9)內按規則壓力達到180bar以上。
8.一種按照權利要求1至7之一所述設備的應用，其特徵為此設備在淨化室內使用。
9.一種按照權利要求1至7之一所述設備的應用，其特徵為此設備與半導體工業和/或晶片製造工業中的一種應用、生產或工藝結合使用。
10.一種按照權利要求1至7之一所述設備的應用，其特徵為此設備與光學工業中的一種應用、生產或工藝結合使用。
11.一種按照權利要求1至7之一所述設備的應用，其特徵為此設備與製藥或醫學製藥工業中的一種應用、生產或工藝結合使用。
12.一種藉助至少一個旋轉對稱的往復活塞式設備壓制或成形至少一種半成品的設備，其組成部分包括至少一個運動的各有一個工作缸(7)的工作活塞(1)和至少一個運動的同樣各有一個增強缸(8)的增強活塞(2)，它們全都是旋轉對稱的，其中，工作活塞(1)及其工作缸(7)以及增強活塞(2)及其增強缸(8)各沿一條旋轉軸線排列，並且，工作活塞(1)在處於工作缸(2)內的活塞端上具有至少一個在外表面上徑向環形的增強部，從而將工作缸(7)與工作活塞(1)之間的內腔分成至少兩個空腔(3和5)，並且在工作缸(7)中至少一個孔(10和11)通向每個空腔(3和5)，其中，工作活塞(1)水力驅動而增強活塞(2)氣動驅動，其特徵為-工作活塞(1)和增強活塞(2)通過處於一個在工作活塞(1)的底面(19)與增強活塞(2)的端面(18)之間的空腔(3)內的流體相對於旋轉軸線沿軸向直接作用連接，其中，工作活塞(1)的端面至少是壓制或成形工具的一部分或與壓制或成形工具剛性連接，以及這個與工作活塞(1)有關的壓制或成形工具同樣基本上沿旋轉軸線移動並且半成品設置在工作活塞(1)的端面(17)的對面，以及-在缸內表面和活塞表面上定位在缸與活塞表面彼此接觸地對置的且平行於旋轉軸線地相互運動的區域內的滑動面(13至16)中至少一個具有大於60％的支承比，支承比是在表面結構內隆凸的部分與凹陷的部分之比。
13.按照權利要求12所述的設備，其特徵為在缸內表面和活塞表面上定位在缸與活塞表面彼此接觸地對置的且平行於旋轉軸線地相互運動的區域內的滑動面中至少一個是淬硬的。
14.按照權利要求12或13所述的設備，其特徵為通過·對控制工作缸(7)缸空腔(3和5)的供入和排空的工作閥(21)進行定位，使工作活塞(1)的底面(19)用流體加載，為此通過至少一根壓力管和孔(10)將流體導入到在增強活塞(2)的端面(18)與工作活塞(1)的底面(19)之間的空腔(3)內，繼而·使工作活塞從原始位置「未接觸半成品」移到預壓位置「接觸半成品」，·接著將工作閥(21)操縱為關閉所有通向為工作活塞(1)的工作缸(7)配設的孔(10和11)的通路，以及通過隨後的·對控制增強活塞(2)的缸空腔(4和6)的供入和排空的增強閥(22)進行操縱，使增強活塞(2)的底面(20)用流體加載，為此通過至少一根壓力管和在缸壁中的孔(12)將流體導入到在增強活塞(2)的底面(20)下方的缸空腔(4)內，繼而·使增強活塞(2)移到終端位置「壓制半成品」，並且將此位置「壓制半成品」保持任意長的時間，接著，·打開增強閥(22)，使在增強活塞(2)的底面(20)下方的缸空腔(4)內的流體卸壓，以及隨後·操縱工作閥(21)，通過至少一根壓力管和孔(11)使工作活塞(1)的工作缸(7)的上部空腔(5)用流體加載，並且將壓力作用到活塞增強部的與工作缸(1)的底面(19)對置的並基本上與之平行且基本上環形的面上，使得工作活塞(1)移到原始位置「未接觸半成品」，此時·包圍在工作活塞(1)下方的空腔內的流體作用到增強活塞(2)的端面(18)上並同樣將增強活塞移到原始位置。
15.按照權利要求12至14之一所述的設備，其特徵為作為在工作活塞(1)的工作缸(7)的空腔(3和5)內的流體，使用一種由乙醇、甲醇、異丙醇和類似物質或它們的混合物構成的組中選擇的易揮發介質，或使用一種氣體，它主要由CO2、氧氣、氮氣、一種惰性氣體或它們的混合物組成。
16.按照權利要求12或15之一所述的設備，其特徵為作為在增強活塞(2)的增強缸(8)的空腔(4和6)內的流體，使用一種由乙醇、甲醇、異丙醇和類似物質或它們的混合物構成的組中選擇的易揮發介質，或使用一種氣體，它主要由CO2、氧氣、氮氣、一種惰性氣體或它們的混合物組成。
17.按照權利要求12至16之一所述的設備，其特徵為工作活塞(1)的端面(17)按規則工作壓力達到180bar以上。
18.一種按照權利要求12至17之一所述的設備，其特徵為此設備在淨化室內使用。
19.一種按照權利要求12至18之一所述的應用，其特徵為此設備與半導體工業和/或晶片製造工業中的一種應用、生產或工藝結合使用。
20.一種按照權利要求12至18之一所述設備的應用，其特徵為此設備與光學工業中的一種應用、生產或工藝結合使用。
21.一種按照權利要求12至18之一所述的設備的應用，其特徵為此設備與製藥或醫學製藥工業中的一種應用、生產或工藝結合使用。
全文摘要
本發明涉及一種液壓動力衝程設備，用於藉助一個結構非常緊湊旋轉對稱的往復活塞系統封閉容器，所述設備包括一個運動的工作活塞和一個運動的增強活塞，它們分別在缸內導引。工作活塞水力驅動而增強活塞氣動驅動，兩者通過處於一個在工作缸的底面與增強活塞的端面之間空腔內的流體沿軸向直接作用連接。工作活塞的端面至少構成容器蓋的一部分或與容器的蓋剛性連接。
文檔編號F15B11/032GK1717545SQ200380104252
公開日2006年1月4日 申請日期2003年11月13日 優先權日2002年11月26日
發明者C·呂特格, 漢斯-奧託馬爾·庫爾茨 申請人:烏德高壓技術有限公司